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技術 パワー生成のためのシステム及び方法

出願人 フィンノ・エナジー・オサケユフティオ
発明者 ティモ・エラマーヘイッキ・イー・サルミネン
出願日 2016年11月16日 (4年1ヶ月経過) 出願番号 2018-526635
公開日 2018年11月29日 (2年1ヶ月経過) 公開番号 2018-535356
状態 特許登録済
技術分野 ガスタービン、高圧・高速燃焼室
主要キーワード 圧力比率 分岐ノズル チューブ配管 空気補給 アウトプットポート 機械的パワー 膨張フェーズ 時間周期的
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (7)

課題

本発明の目的は、パワーを生成する時のレシプロ燃焼エンジン及びガスタービンの欠点を軽減する方法を実施するための方法及びシステムを提供することである。

解決方法

本発明は、燃焼室(10)をタービン(22)の外側に配置し、直列に接続された複数のコンプレッサから、高圧水蒸気パルスにより補助される燃焼プロセスを実行するために空気が加熱された上で前記燃焼室へと排出される空気室に、圧縮空気を供給するというアイデアに基づく。

概要

背景

ガスタービンにおいて、第1の領域は燃焼室で発生される温度に晒される。従ってガスタービンへの吸入ガスの温度がガスタービンの効率を制限する。ピストンエンジン内において燃焼は定期的であり、燃焼の間において非常に高い温度の利用を可能にする。しかしながら、レシプロピストン及びクランク機構がピストンエンジンの動作速度を制限する。

先行技術の典型的なエンジンシステムは、燃料タンク及び燃焼エンジンからなる。内燃エンジンは一組のシリンダと、対応する一組のレシプロピストンを含む。上記の配置と関係づけられた問題の1つは、駆動するピストン及び他の駆動部品恒常的に油により潤滑されていなければならないという点であり、これは燃焼エンジンの動作温度に重大な打撃を与える。引き続き、効率を考慮する際、動作温度は重要なファクタである。上で触れられたエンジンは、駆動部品が恒常的な潤滑を要求するため100℃未満の動作温度にしか耐えられず、それ以上は重大な耐久性の悪化を伴う。発生された熱の大部分は比較的低い温度の廃熱であり、今度は廃熱をエネルギー発生又は他の目的に活用することが困難となる。

概要

本発明の目的は、パワーを生成する時のレシプロ燃焼エンジン及びガスタービンの欠点を軽減する方法を実施するための方法及びシステムを提供することである。本発明は、燃焼室(10)をタービン(22)の外側に配置し、直列に接続された複数のコンプレッサから、高圧水蒸気パルスにより補助される燃焼プロセスを実行するために空気が加熱された上で前記燃焼室へと排出される空気室に、圧縮空気を供給するというアイデアに基づく。

目的

本発明の目的は、上記の欠点を軽減する方法を実施するための方法及びシステムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

1つ以上のコンプレッサ(24)と接続されたタービン(22)であって、前記接続は前記タービン(22)に供給されたエネルギーを回転可能なパワーシャフト(51)の機械的エネルギーに変換し、及び1つ以上のコンプレッサ(24)により空気を圧縮するためにされる、タービン(22)と、燃料タンク(30)からの燃料、及び圧縮空気を受け取って燃焼プロセス始動し、及び前記タービンのロータを回転させることでパワーシャフト(51)を回転させるために燃焼生成物を前記タービン(22)にアウトプットするよう調整された燃焼室(10)と、前記燃焼室(10)へと前記燃料を供給するための1つ以上のインプットバルブ(101)と、前記燃焼室(10)へと前記圧縮空気を供給するための1つ以上のインプットバルブ(102)と、及び、前記燃焼プロセスを制御するために、前記1つ以上の燃料インプットバルブ(101)及び前記1つ以上の圧縮空気インプットバルブ(102)を制御するための、制御ユニットとを有するパワー生成システムにおいて、システムはさらに空気室(27)であって、前記空気室(27)内の空気を加熱するための手段を有する空気室(27)を含み、前記空気室(27)は1つ以上のコンプレッサ(24)からの圧縮空気を受け取り、前記圧縮空気を加熱して、加熱された圧縮空気を前記燃焼室(10)に排出するよう調整されることを特徴とする、パワー生成システム。

請求項2

前記空気室(27)はさらに流体により前記空気室(27)を冷却するための手段を含むことを特徴とする、請求項1に記載のパワー生成システム。

請求項3

前記空気室(27)はさらに、周囲の空気又は加熱空気を流すことで前記空気室(27)内の空気を加熱又は冷却するために、前記空気室(27)内に1つ以上のエアダクトを含むことを特徴とする、請求項1又は2に記載のパワー生成システム。

請求項4

システムはさらに、排出燃焼生成物からの熱を水蒸気へと伝えるためにタービン(22)からの燃焼生成物排出と熱的に相互作用する熱交換器(42)と、前記タービン(22)に水蒸気を供給するための1つ以上のインプットバルブ(103、104、114)と、及び、前記タービン(22)に水蒸気を供給して時間依存な水蒸気の注入を発生するために、前記1つ以上のインプットバルブ(103、104)を制御する制御ユニットとを含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1つに記載のパワー生成システム。

請求項5

システムはさらに、水蒸気を蓄積するための水蒸気タンク(34)と、前記水蒸気を水に凝縮するための凝縮器(50)と、前記水を蓄積するための水タンク(36)と、及び、前記水を前記水タンク(36)から前記熱交換器(42)へとポンプ吸い出すことで前記水を蒸発させて、前記水蒸気タンク(34)に流入するよう調整された水蒸気とするための手段とを含むことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1つに記載のパワー生成システム。

請求項6

燃焼室(10)が圧縮フェーズ及び膨張フェーズを含むサイクルで動作するよう調整されていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1つに記載のパワー生成システム。

請求項7

前記燃焼室(10)が交互に現れる2つのサイクルで動作するよう調整されていることを特徴とし、第1のサイクルは燃料が前記燃焼室に供給される燃焼サイクルであり、第2のサイクルは燃焼室を冷却するための流体が燃焼室を通って流れるよう調整される冷却サイクルである、請求項1〜6のいずれか1つに記載のパワー生成システム。

請求項8

システムは、複数の空気室であって、前記空気室内の空気を加熱する手段を有する複数の空気室を含むことを特徴とし、前記複数の空気室の各々は、前記1つ以上のコンプレッサ(24)の特定の圧縮ステージから圧縮空気を受け取り、前記圧縮空気を加熱して、加熱圧縮空気を所定の順番で前記燃焼室(10)へと排出するよう調整されている、請求項1〜7のいずれか1つに記載のパワー生成システム。

請求項9

システムが、電力を発生するために前記パワーシャフト(51)によって駆動される発電機(26)を含むことを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1つに記載のパワー生成システム。

請求項10

システムがさらに、1つ以上のコンプレッサ(24)からの圧縮空気を蓄積し、及び前記圧縮空気を前記燃焼室(10)へと供給するための空気タンク(32)を含むことを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1つに記載のパワー生成システム。

請求項11

システムで使用される燃料が以下の群のうちの1つであることを特徴とする:炭化水素燃料ディーゼルガソリンエタノール天然ガス液化天然ガス、並びに、水素及び一酸化炭素の混合物請求項1〜10のいずれか1つに記載のパワー生成システム。

請求項12

前記空気室(27)は直列に接続されたコンプレッサ(24)の各圧縮ステージからの圧縮空気を蓄積し、前記圧縮空気を前記燃焼室(10)に供給するよう調整されていることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか1つに記載のパワー生成システム。

請求項13

システムが、前記燃焼室(10)に導入されるのに先立って前記圧縮空気を予熱するための加熱手段(40)を含むことを特徴とする、請求項1〜12のいずれか1つに記載のパワー生成システム。

請求項14

前記制御ユニットが、単一の燃焼サイクル内にシステムへの複数の水蒸気注入パルスを発生するために、前記1つ以上のインプットバルブ(103、104、114)を制御するよう調整されることを特徴とする、請求項1〜13のいずれか1つに記載のパワー生成システム。

請求項15

システムは、燃焼前室であって、前記燃焼前室内の燃料混合物点火して燃焼プロセスを始動するための、燃焼前室を含むことを特徴とする、請求項1〜14のいずれか1つに記載のパワー生成システム。

請求項16

前記1つ以上の制御可能なインプットバルブは、定期的な燃焼プロセスが特定のガス発振振動数適合して互いに増幅するように制御するよう調整されることを特徴とする、請求項1〜15のいずれか1つに記載のパワー生成システム。

請求項17

燃焼室(10)に圧縮空気のインプットを供給するステップと、前記燃焼室(10)に燃料のインプットを供給するステップと、パワーを生成するために、前記燃焼室(10)からの燃焼生成物及び圧縮空気の流れのアウトプットをタービン(22)へと供給するステップと、前記燃焼室(10)のために空気を圧縮するための1つ以上のコンプレッサ(24)を操作するステップと、及び、前記燃焼室内で燃焼プロセスのサイクルを動作させるための圧縮空気及び燃料の前記燃焼室への前記インプットを制御するステップであって、圧縮空気及び燃料の前記インプットの前記制御は時間に依存する、時間依存制御ステップとを含み、前記1つ以上のコンプレッサ(24)から空気室(27)への圧縮空気を蓄積するステップと、前記空気室(27)内の前記圧縮空気を加熱するステップと、加熱された前記圧縮空気を前記空気室(27)から前記燃焼室(10)へと排出するステップとによって特徴づけられる、パワーを生成するための方法。

請求項18

前記燃焼室(10)への圧縮空気の前記インプットを、燃焼プロセスのサイクルが特定のガス発振の周波数と適合して互いに増幅するように制御するステップによって特徴付けられる、請求項17に記載の方法。

請求項19

方法がさらに、水蒸気を生成して加熱するために燃焼プロセスから熱を抽出するステップと、及び、システムへの水蒸気のパルス型インプットを供給し制御するステップとを含むことによって特徴付けられる、請求項17又は18に記載の方法。

請求項20

前記インプットの前記時間依存制御ステップが、前記燃焼室(10)への水蒸気又は水のパルスを生成するステップを含むことを特徴とする、請求項17〜19のいずれか1つに記載の方法。

請求項21

方法は、イジェクタ(12)のインプットバルブを制御して、前記燃焼室(10)及び前記タービン(22)の間の前記イジェクタ(12)への水蒸気又は水のパルスを生成するステップを含むことを特徴とする、請求項17〜20のいずれか1つに記載の方法。

請求項22

方法がさらに、メイン排出バルブが閉じられている間に余分な水蒸気及び燃焼生成物を前記燃焼室から洗い流すステップを含むことを特徴とし、前記燃焼室は第2の排出バルブ(112)を通って低圧タービンへと流れる圧縮空気のインプットにより洗い流される、請求項17〜21のいずれか1つに記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、パワーを生成するための方法及びパワー生成システムに関する。

背景技術

0002

ガスタービンにおいて、第1の領域は燃焼室で発生される温度に晒される。従ってガスタービンへの吸入ガスの温度がガスタービンの効率を制限する。ピストンエンジン内において燃焼は定期的であり、燃焼の間において非常に高い温度の利用を可能にする。しかしながら、レシプロピストン及びクランク機構がピストンエンジンの動作速度を制限する。

0003

先行技術の典型的なエンジンシステムは、燃料タンク及び燃焼エンジンからなる。内燃エンジンは一組のシリンダと、対応する一組のレシプロピストンを含む。上記の配置と関係づけられた問題の1つは、駆動するピストン及び他の駆動部品恒常的に油により潤滑されていなければならないという点であり、これは燃焼エンジンの動作温度に重大な打撃を与える。引き続き、効率を考慮する際、動作温度は重要なファクタである。上で触れられたエンジンは、駆動部品が恒常的な潤滑を要求するため100℃未満の動作温度にしか耐えられず、それ以上は重大な耐久性の悪化を伴う。発生された熱の大部分は比較的低い温度の廃熱であり、今度は廃熱をエネルギー発生又は他の目的に活用することが困難となる。

0004

米国特許第2095984号明細書

先行技術

0005

米国特許第2095984号(特許文献1)(H.ホルツヴァルト)は爆発タービンプラントを開示する。爆発タービンプラントは、インパルスロータと、爆発ガスを生成するためのピストンなし爆発室と、及び、前記ガス断続的な吹きつけのみによって駆動されるロータへとガスを膨張及び指向させるノズルを含む。

発明が解決しようとする課題

0006

従って本発明の目的は、上記の欠点を軽減する方法を実施するための方法及びシステムを提供することである。本発明の目的は、独立請求項の中で述べられたものによって特徴づけられる方法及びシステムにより達成される。本発明の好適な実施形態は、従属請求項の中で開示される。

課題を解決するための手段

0007

本発明は燃焼プロセスを、制御された理想的な条件下で実行し、及び前記プロセスからの余熱を利用するために、燃焼室をガスタービンの外側に配置し、及び圧縮空気を燃焼室へ供給するというアイデアに基づく。加熱圧縮空気を燃焼室へと排出するために、コンプレッサ及び燃焼室の間に空気室が配置される。

0008

本発明の方法及びシステムの利点は、制御された燃焼プロセスは高い平均温度を発生する時間周期的燃焼を可能にするという点である。ピストン及びクランク機構は不要である。時間周期的燃焼の間圧力は上昇し、機械的なエネルギーを必要とするコンプレッサにより圧力を上げる必要性を低減する。本発明によれば、典型的なガスタービンと同様、熱は比較的高い温度でシステムから排出される。この高温の排出が、排熱を活用するための好ましい条件を作る。

図面の簡単な説明

0009

以下では本発明が、添付の図面を参照しながら、好適な実施形態によってより詳細に説明される。

0010

本発明のある実施形態に係る第1の発電システムを図示する。
本発明のある実施形態に係る、水蒸気循環システムを伴う第2の発電システムを図示する。
本発明のある実施形態に係る、インジェクタ又はイジェクタのシステムを伴う第3の発電システムを図示する。
2つの燃焼室を持つシステムの詳細を図示する。
ある実施形態に係るシステムにおける圧力の時間変化を図示する。
ある実施形態に係る燃焼室内の様々な有効なエネルギー源の利用を図示する。

実施例

0011

図1の単純な例を参照して、パワー生成システムは、アキシャルに又はトランスミッション20を通じてパワーシャフト51及びコンプレッサ24と接続されたタービン22を含む。システムはパワーシャフト51により駆動され得る発電機も含んでよく、発電機はアキシャルにタービン22に接続されてもよい。タービン22のロータは、タービンを通って流れる流体によってタービンにエネルギーが供給される時に回転する。タービンロータの回転はトランスミッション20を、並びに双方トランスミッションに接続されたパワーシャフト51及びコンプレッサ24を駆動させる。タービン、ジェネレータ、パワーシャフト及びコンプレッサは、ドライブシャフト車軸又は他の適切なパワー伝達手段によりトランスミッション20と接続されてよい。この配置はタービンへと供給されたエネルギーを、パワーシャフト51の機械的な仕事に変換し、及び燃焼室10のために空気を圧縮するコンプレッサ24を用いて空気圧に変換する。ある実施形態において、コンプレッサ24は圧縮空気を空気タンク32へと蓄積し、その後空気タンク32は空気タンク32に蓄積された圧縮空気を燃焼室10に供給する。コンプレッサ24は好ましくは高効率のスクリューコンプレッサであり、燃焼室10及び空気タンク32に高い圧力を供給することができる。ある実施形態において、システムは第1のスクリューコンプレッサ24と直列に接続された第2のスクリューコンプレッサを含み、さらにより高い圧力を空気タンクに供給する。ある実施形態においてシステムは空気タンクに空気を供給するために、ラジアルコンプレッサ等といったアキシャルコンプレッサ24及び、アキシャルコンプレッサ24と直列に接続されたスクリューコンプレッサの組を含む。コンプレッサのうちの1つ以上若しくはすべては、例えばアキシャル、ラジアルスクリュー、ピストン又は何らかの他の種類のコンプレッサであり得る。一連のコンプレッサは、並列又は直列に接続された、1つ以上の前記のコンプレッサの種類の組み合わせであり得る。単数又は複数のコンプレッサは、好ましくは空気タンクに2MPaを超える圧力をかけるよう調整される。ある実施形態では、単数又は複数のコンプレッサが空気タンクに3MPa、3.5MPa又は4MPaを超える圧力をかけるよう調整される。ある実施形態では、コンプレッサ24は電動モータにより駆動されてよい。ある実施形態では、直列接続された第1のコンプレッサ及び第2のコンプレッサの間に、コンプレッサ間の空気を冷却するインタクーラが提供されてよい。ある実施形態では、直列接続されたコンプレッサのステージのいくつか又は全ての間に、コンプレッサ間の空気を冷却するインタクーラが提供されてよい。インタクーラは、燃焼サイクル膨張フェーズの間に、短く高圧蒸気パルスの形で燃焼室へと排出され得る蒸気を生成するために使用されてもよい。ある実施形態では、連続して接続されたスクリューコンプレッサは共通の軸を共有してよく、それにより連続する圧縮ステージが共通の軸に沿って区分され、各圧縮ステージの間に圧縮されたガスから熱を抽出するためのインタクーラが提供される。いずれの圧縮ステージからの圧縮空気も、燃焼室10、空気室27、空気タンク32又はシステムの何らかの他の部分へと流入するよう指向され得る。好ましくは、燃焼室内の燃焼は爆轟燃焼ではなく爆燃燃焼である。爆轟燃焼は、圧力がシステム、特に制御バルブを損傷させ得るレベルまで上昇する傾向にあることから、望ましくない現象である。爆燃燃焼は、本パワー生成システムの文脈において望ましくない爆轟燃焼からは根本的に異なる。

0012

発電システムは、コンプレッサ24、空気室又は空気タンク32から圧縮空気を、燃料タンク30から燃料を受け取って燃焼プロセスを引き起こすよう調整された燃焼室10も含む。圧縮空気は制御可能なバルブにより空気タンクから燃焼室10へと解放される。圧縮空気は燃焼室へと入る前に、燃焼室からの熱を圧縮空気に伝える熱回収ユニット40により予熱される。燃焼室へと又は燃焼室をバイパスするバイパスダクトへと供給される前の圧縮空気を加熱するために、最後の圧縮機の後で再生器が用いられ得る。再生器は圧縮空気を加熱するために、例えば排気ガス又は燃焼室からの廃熱を用いてよい。システムが開始されてすぐの燃焼室が室温である時には、圧縮空気は他の手段によって、例えば抵抗により電気的に、予熱されてよい。

0013

ある実施形態において、1つ以上の空気室27は、各々が内部の容積画定するシリンダ及び、シリンダ及びピストンにより画定される容積であるシリンダ内の容積を変化させるための可動ピストンを含む。シリンダは空気のインプット及びアウトプットを含み、前記インプット及びアウトプットは好ましくは1つ以上のバルブにより制御されている。ピストンは好ましくは、シリンダ及びピストンにより画定された空間への空気の流入を可能にするために、蝶番バルブ又はフラップバルブといったバルブを含む。シリンダは好ましくは1つ以上のエアダクトを通じて熱い又は冷たい空気を流すことによりシリンダ及びその内容物をそれぞれ加熱又は冷却するために、シリンダの表面又は壁の内部にエアダクトを含む。この場合において、熱い空気はシリンダよりも熱いことを意味し、冷たい空気はシリンダよりも冷たいことを意味する。コンプレッサからの圧縮空気、又は連続して接続されたコンプレッサのいずれのステージからの圧縮空気も、1つ以上の空気室へと流入するよう調整され得る。ある実施形態では、システムは連続して接続されたコンプレッサの各ステージに対して1つずつ空気室を含み、これにより各圧縮ステージからの圧縮空気の流れは専用の空気室へと流入するよう調整される。ある実施形態では、連続して接続されたコンプレッサにおける各ステージの後の圧縮空気流を前記空気室へと調整することで、単一の空気室における空気圧を徐々に上昇させることができる。

0014

空気室は、空気室を冷却するステップ、空気室を徐々に充填するステップ、空気室及びその内容物を加熱するステップ、及び最後に、空気室から圧縮加熱空気を排出するステップを含むステップにより操作され得る。プロセスは特定のサイクル時間を持つサイクルで自身を繰り返す。空気室からの加熱空気は好ましくは熱交換器を通じて、燃焼室へと排出される。熱交換器は空気室の一部であってもよいし、又は空気室と接続されていてもよい。ある実施形態では、空気室のシリンダのエアダクトが熱交換器を形成する。

0015

空気室の動作の冷却ステップは、水蒸気若しくは周囲の空気又は何らかの他のガスといった流体の流れを、空気室を通るように調整するか、又は空気室のエアダクトを通るように調整することで実現され得る。冷却に用いる空気は大気圧、すなわち約100kPaであってよい。冷却ステップはサイクルの時間の例えば7.5%又は6〜10%を、例えば120秒のサイクルのうち9秒を占めてよい。

0016

充填ステップでは、各空気室は専用の圧縮ステージからの空気で充填されるか、又は単一の空気室の場合には、1つ以上のコンプレッサからの空気により、空気室内の所望の圧力が達成されるまで徐々に充填される。空気室へのインプットバルブが開かれて、圧縮空気は空気室へと流入するように調整される。徐々に充填するステップは、好ましくは連続して接続されたコンプレッサの2つ以上のステージからの圧縮空気の流れを調整することにより達成される。所望の圧力は様々であり得るが、大気圧よりは高い。ある実施形態において所望の圧力は、例えば少なくとも1.5MPa、2MPa、3MPa、4MPa又は何らかの他の圧力であり得る。充填ステップはサイクルの時間の例えば1%未満又は0.5〜2%、例えば120秒のサイクルの内の1秒を占めてよい。

0017

加熱ステップは、例えば熱交換器からの、熱い空気の流れを空気室のエアダクトを通るように調整することで実現される。空気室、ひいては空気室内の空気を加熱することにより、空気室内の空気の圧力はさらに上昇する。加熱ステップはサイクルの時間の例えば40%又は30〜60%、例えば120秒のサイクルの内の50秒を占めてよい。

0018

排出ステップでは、空気室のアウトプットバルブが開かれ、圧縮加熱空気が燃焼室へと流入するように調整される。好ましくは、加熱空気は燃焼室に入る前に熱交換器25を通って流れる。圧縮加熱空気の排出は空気室のピストンにより促進されてよい。排気ステップはサイクルの時間の例えば50%又は40〜60%、例えば120秒のサイクル時間の内の60秒を占めてよい。

0019

燃料は燃料タンクから自然放出されるか又はポンプで吸い出され、燃焼室に注入されるか又は燃焼室への導入の前に空気と混合される。燃料は好ましくはディーゼル又は液化天然ガスLNG)である。ある実施形態では、燃料はガソリン天然ガスエタノールバイオディーゼル又はこれらの燃料のうちの2つ以上の混合物である。ある実施形態では、燃料は、ソーダ回収ユニット副産物である水素及び一酸化炭素の混合物を含む。ある実施形態では、燃料とともに水又は水蒸気が燃焼室に注入され得る。ある実施形態では、燃料は石炭粉末褐炭粉末等を含むか、又は天然ガス、ディーゼル若しくは他の適した燃料に混合される。

0020

燃焼室へと注入された燃料は燃焼室内の高い圧力と温度により発火し、又は専用の点火システムにより点火される。燃焼室内の高い圧力は、空気タンクから燃焼室へ空気を解放することにより調整される。予熱に加え、燃焼室の熱が燃焼室内に解放された空気を加熱し、さらに高い圧力を作り上げる。点火は専用のエネルギー源によって、又はシステムが開始されたばかりで燃焼室が未だ動作温度に達していない時に、連続的にトリガーされてよい。点火のための専用のエネルギー源は、例えば点火コイルコンデンサ予燃焼室グロウプラグ、先行グロウの配置、ヒータの配置、プラズマ点火及びレーザー点火であり得る。ある実施形態では、システムは控え室又は予燃焼室を含む。燃料の混合物は予燃焼室で点火され、燃焼プロセスを始動する。燃焼プロセスは燃焼室を加熱する熱を生成し、燃焼室へと導入される燃料及び圧縮空気を加熱することで燃焼プロセスを動作させ続ける。ある実施形態では、点火はシステムが開始された後の燃焼サイクルの間にも使用される。ある実施形態では、熱回収ユニット40又はその他の熱抽出の手段が、燃焼室又は燃焼プロセスからの熱を水又は水蒸気に伝えて高圧の水蒸気を発生させるために用いられる。高圧水蒸気は燃焼プロセスの膨張フェーズ同士の間に、燃焼室へと注入される。水蒸気は短く高圧のパルスの形で注入され、2つの膨張フェーズの間のパルスの数は、例えば1〜10、2〜8、3〜6、又は、4、5、7若しくは8といった他の数であってよい。

0021

ある実施形態においてシステムは、区画加熱システムへの熱を生成するための、熱交換器等の手段を含む。発電システムが生成する熱エネルギーの一部はシステムから抽出されてよく、熱交換器により区画加熱システムの加熱水へと伝送される。この電気及び熱エネルギーの複合生成は、システムの全体効率を上昇させる。

0022

ある実施形態では、システムは発電システムの熱エネルギーを使用して吸収冷却システムを動作させるための、熱交換器といった手段を含む。発電システムが生成する熱エネルギーの一部はシステムから抽出されて、熱交換器により吸収冷却システムへと伝送されてよく、温暖な気候の地域においてシステムの全体効率を上昇させ得る。

0023

燃焼室10は好ましくは、燃料及び圧縮空気のためのインプット手段及び、燃焼生成物、すなわち排気ガス、のためのアウトプット手段を備える中空コンテナである。インプット及びアウトプットは制御可能であり、点火前には燃焼室の圧力を高めるために、また点火後には燃焼生成物を追い出すために、燃焼サイクルの特定のフェーズにおいて開閉されてよい。インプット及びアウトプットはそれぞれ吸入口及び排出口として理解され得るが、本明細書を通してはインプット及びアウトプットの用語を用いる。燃焼室への流れ及び燃焼室からの流れを制御するために、1つ以上のバルブが使用され得る。ある実施形態では、インプットバルブ及び/又はアウトプットバルブのうち1つ以上が所謂ラジアルバルブであり、すなわち燃焼室の被覆の周囲に放射状に配置されている。インプットバルブは燃焼室に対して傾いた位置、すなわち燃焼室の壁面に垂直でない位置に固定され得る。ある実施形態では、燃焼プロセスを制御するために燃焼室10に機能的に接続された1つ以上のインプットバルブが、燃焼室の壁面の基底に対して傾いた位置に固定され、それによりガスをインプットすると燃焼室内にガスの制御された渦が発生する。バルブの位置を傾けることにより、ガスが傾いたバルブを通して注入された時に、燃焼室内に気体の渦が発生する。鉛直に位置するバルブにより発生した無作為な渦は仮に不可能でないにしろ制御が非常に難しい。それに対し、この渦の種類は傾いたバルブにより制御できる。インプットバルブは、適切な傾き角度を選択し、及び/又は、バルブを開くタイミングを取ることで渦を制御するのに使用できる。燃焼室における燃焼プロセスは、ディーゼルサイクルに少なくとも類似のサイクルプロセスである。空気タンクからの予熱された圧縮空気は燃焼室へと導入され、空気と燃料の混合物が発火するまで、燃料が燃焼室へと注入される。空気と燃料の混合物の燃焼はその体積を膨張させるため、アウトプットバルブが開かれている時に燃焼生成物及び圧縮空気が、アウトプットを通じて追い出される。燃焼サイクルの動作速度はインプットバルブ及びアウトプットバルブを制御することで制御される。動作速度は、システムの特性によって決まる特定の制限内で自由に選択してよい。そういった特性で動作速度を制限し得るものは例えば、バルブの操作速度、空気タンクの空気圧、燃料の種類などであり得る。しかしながら動作速度は、可動ピストンや同様の可動物体による物理的制限により制約されるわけではないため、各システムにおいて理想的なパフォーマンスのために調節してよい。

0024

燃焼室は、素早く無駄なくかつ完全な燃焼プロセスのために、好ましくは単純な形状、最も望ましくは球形又は円筒形の形状を持つ。単純な形状が動作可能温度をより高めることにより、効率が向上すると共に、燃焼プロセスの間に生成される有害な粒子及びガスの量が減少する。燃焼室は高温の中で機能するよう調整される。先述の単純な形状に加え、燃焼室の材料が重大なパフォーマンス又は耐久性の低下なく高温に耐えることも必要となる。燃焼室の材料はセラミック、金属、合金又は好ましくは2つ以上の材料の組み合わせであってよい。例えば、燃焼室は内側をセラミックでコーティングした合金のケースを含んでよい。合金のケースは高圧及び強い力に耐え、一方で内側のセラミックコーティングは高い表面温度に耐える。燃焼室の構造は好ましくは400℃の動作温度に耐えるよう調整される。ある実施形態では、燃焼室は500℃、600℃、700℃若しくは800℃以上の動作温度に耐えるよう調整される。燃焼室そのものはいかなる可動部をも含まないため、燃焼室を高温に耐えるように設計するのは比較的単純な作業である。最も高い熱のストレスを受ける可動部は、燃焼室のインプット及びアウトプットポートに位置するバルブである。インプットバルブは各インレットサイクルの間に入ってくる空気により冷却されるため、そこまで高い温度に晒されるわけではない。いずれにせよ、既にそういった温度の中で操作することを想定して設計されたすぐに利用可能なバルブが存在するため、耐久可能なバルブシステムを設計実現することは比較的容易な作業であることが予想される。

0025

燃焼室10のアウトプットは、燃焼室からの燃焼生成物及び圧縮空気からなる気流をタービン22へと導く。アウトプットが開かれた時、燃焼室内の高い圧力により気流は高速で追い出される。燃焼生成物の追い出しは、特定の期間の間アウトプット及び空気インプットを同時に開いた状態にすることで改善し得る。タービン22は気流がタービンを通って流れる時に回転するロータを含む。回転するロータはトランスミッション20を駆動させ、ひいては先述のようにパワーシャフト51及びコンプレッサ24を駆動させる。気流はタービンの後は排気パイプ90へと導かれ、排気ガス98はシステムから解放される。パワーシャフト51はシステムの出力を提供するもので、例えば車両の駆動系、又は機械的な仕事を電気エネルギーに変換するための発電機に接続され得る。

0026

燃焼室10は好ましくはタービン22の外側の個別のユニットである。燃焼室10から追い出された燃焼生成物はパイプチューブ、又は燃焼室10及びタービン22を接続する何らかの他の導管によりタービン22へと導かれる。ある実施形態では、システムは複数の燃焼室を含む。その場合各燃焼室はパイプ、チューブ、又はその燃焼室をタービン22に接続する何らかの他の導管を持つ。好ましくは、複数の燃焼室は、燃焼生成物のより安定した流れをタービン22に提供するために、その燃焼生成物を順に、すなわち全て同時にではなく、追い出すよう調整される。ある実施形態では、タービン22へのより安定した流れは、燃焼プロセスの膨張フェーズ同士の間に燃焼室へと注入される短く高圧の水蒸気パルスにより達成される。ある実施形態では、タービンへのエネルギーの高いピークを生成するために、2つ以上の燃焼室が同時に燃焼生成物を追い出すよう調整される。

0027

ある実施形態では、パワーシャフト51により駆動されるジェネレータは、ジェネレータにより生成された電気エネルギーを蓄えるための1つ以上のキャパシタスーパーキャパシタ又はバッテリを含む蓄電システムフィードする。このシステムの種類は自動車への適用に利用可能であり、自動車の電気モータのための電気エネルギーを生成し及び蓄えるために用いられる。また自動車への適用では、システムは追加の空気タンクを含んでよく、又はシステムと接続した自動車の空気タンクを2つの目的のためのハイブリッド空気タンクとして使用してもよい。追加の空気タンクは、発電システムのコンプレッサ又は自動車のコンプレッサからの圧縮空気で満たされてよい。自動車のブレーキからのエネルギーは自動車のコンプレッサにより圧縮空気へと変換され、追加の空気タンクに蓄えられ得る。自動車は追加の空気タンクの圧力を高めるために、追加の空気タンクにも接続され得る排気ブレーキも含んでよい。追加の空気タンクの圧縮空気は、空気圧を最終的な望ましい水準まで上昇させる発電システムのコンプレッサへと供給され得る。

0028

図2を参照して、ある実施形態では、パワー発生システムはさらに、パワーシャフトにより駆動されるジェネレータと、水蒸気循環システムとを含む。ジェネレータを持つパワー発生システムは発電システムと呼ばれる。水蒸気循環システムは水蒸気タンク34、熱回収ユニット40、熱交換器42、コンデンサ50及び水タンク36を含む。ある実施形態では、水蒸気循環システムはさらに第2のタービンを含む。水及び水蒸気は水蒸気循環システム内で循環し、水は水タンク36へ貯められ、水蒸気は水蒸気タンク34へ貯められる。ある実施形態では、水蒸気タンク及び水タンクは、タンクの下端に水が貯められ、タンクの上端に水蒸気が貯められる単一のタンクである。水蒸気の流れはシステム内の圧力差に基づくが、必要であればポンプ又は同様の構成により補助されてもよい。流れは制御されたやり方で操作され得る複数のバルブによって制御される。

0029

水蒸気は水蒸気タンク34から熱回収ユニット40へと流れるよう調整される。熱回収ユニット40は燃焼室10と熱的に接続され、これにより燃焼室が熱回収ユニットを加熱して、熱回収ユニットを通って流れる水蒸気へと熱が伝えられる。熱回収ユニットは燃焼室との熱的な接続を持つ個別のユニットであってよく、又は燃焼室内に固定された部品であってもよい。ある実施形態では熱回収ユニットは、燃焼室内の配管又は燃焼室の表面のチューブ配管でさえあってよい。燃焼室からの熱が熱回収ユニットを通って流れる水蒸気に伝えられると、水蒸気は急速に加熱して膨張する。水蒸気流はその後タービン22へと向けられ、燃焼室10からタービン22へと追い出された燃焼生成物及び圧縮空気と同時に、タービン22のロータを回転させる。

0030

ある実施形態では、水蒸気を生成するためにヒートポンプが用いられ得る。ヒートポンプは必要な温度差が小さいとき効果的であることが知られている。従ってヒートポンプは、沸点に達しているか又はそれに近い温度の水に熱エネルギーを加えるためのよい代替物である。例えば沸点に近いか又はそれに達するまで予熱された水から水蒸気を生成するために、空気対水又は水対水のヒートポンプが用いられ得る。水蒸気の生成はヒートポンプに加えて、既に言及したものを含め、他のエネルギー源によって補助され得る。ある実施形態では、排気流の水蒸気は水へと凝縮され、凝縮により放出された熱がヒートポンプの熱源として用いられる。凝縮が起こる温度は排気ガス及び水蒸気の圧力に依存する。その温度は大気圧では100℃であるが、高圧においては例えば200℃、300℃、400℃又は500℃にまでも高くなり得る。ヒートポンプはその熱を、水を気化させて新しい水蒸気をシステムに提供するために用いる。ある実施形態では、システムの1つ以上のインタクーラから提供された熱がヒートポンプのための熱源として用いられる。

0031

ある実施形態では、熱回収ユニット40は断熱材料で置き換えられ、燃焼室10への時間依存水蒸気注入が燃焼室の安定した動作温度を維持する。時間依存な水蒸気注入は好ましくは、燃焼プロセスの膨張プロセス同士の間に燃焼室へ注入される短く高圧の水蒸気パルスである。注入される高圧の水蒸気パルスは、短パルス型の長さにより、減少した量の水蒸気を必要とするに過ぎない。注入の後水蒸気は燃焼室を出てタービン22へと入る。

0032

ある実施形態では、システム内の水蒸気の量及び/又は温度を高めるために、システムは追加のバーナーを含む。バーナーは好ましくはシステムの他の部分と同じ燃料の種類を用いる。燃料がバーナー内で燃焼することで熱を生成して水蒸気を加熱し、及び/又は、燃焼する燃料が水を加熱して水蒸気を生成する。最低限の量の水蒸気を生成するための十分な「廃熱」を生成しないシステムにおいては、追加のバーナーが用いられてよい。システムは他の外部熱源を用いるよう適応もされているため、熱それ自体、又は、圧縮空気並びに水蒸気に変換された熱が、外部熱源からシステムに入力され得る。外部ソースはシステムの燃焼室と同じ燃料又は異なる燃料を用いてよい。利用可能な外部熱源からの熱エネルギーは例えば、重機のプロセスの廃熱、自動車のエンジン又はブレーキシステムの廃熱、地熱エネルギーなどであり得る。システムが過剰な熱を生成するある実施形態では、システムにより生成された熱の一部分が、例えばランキンプロセス又はスターリンプロセスといった外部のプロセスにより、機械的な仕事へと変換され得る。追加のバーナーは、所望の温度及び圧力の、所望の量の水蒸気が達成されることを保証する。

0033

ある実施形態では、水蒸気は燃焼生成物が向けられるのと同じタービン22へは向けられない。その実施形態ではシステムは、(第1の)タービン22が燃焼生成物及び圧縮空気の流れに専用である一方で水蒸気流に専用の、第2のタービンを含む。燃焼生成物及び圧縮空気の流れは、第2のタービンに入る前の水蒸気流を加熱するために、タービン22の後に追加の熱交換器を通って流れるよう調整までされてもよい。第2のタービンの調整は、既知複合サイクルパワープラントと同様であってよい。

0034

タービンからは、水蒸気、圧縮空気及び燃焼生成物の流れが熱交換器42を通って凝縮器50へと流れる。凝縮器50では水蒸気が水へと凝縮され、圧縮空気及び燃焼生成物が排気パイプ90を通ってシステム外へと導かれる。第2のタービンの実施形態では、燃焼生成物及び圧縮空気の流れは、熱交換器42を通って直接排気パイプへと流れるよう調整され、水蒸気流は熱交換器42と凝縮器50を通って水タンク36へと流れるよう調整される。

0035

排気流から水を凝縮することは、不純物のシステムへの望まぬ蓄積を引き起こし得る。これはある実施形態では、凝縮器に新しい大気の空気を供給し、比較的純粋な水がシステムに凝縮できるようにすることで解決される。

0036

水蒸気及び/又は大気の空気から凝縮された水は水タンク36に流れるか、又はポンプにより押し込まれる。凝縮器50及び水タンク36の間には、再度サイクルに入る前の水を浄化するためにイオン交換機52が配置されてよい。水タンク36は、熱交換器42へと導かれ又はポンプにより押し込まれる水を蓄積する。熱交換器は水蒸気、圧縮空気及び燃焼生成物の流れからの熱を、熱交換器を通って流れる水へと伝える。熱交換器の熱は水を水蒸気へと蒸発させ、水蒸気は水蒸気タンク34へと逆流するよう導かれる。水蒸気タンク34からは、高圧の水蒸気が短いバーストで放出され得て、燃焼室への短く高圧のパルスを作り出す。

0037

図3は、さらに合流分岐ノズルを持つポンプを有することを除き図2のシステムと同様の、ある発電システムを示す。この合流分岐ノズルは例えば、燃焼室10からの燃焼生成物及び、熱回収ユニット40又は熱交換器42からの水蒸気の流れを合流させるためのインジェクタ又はイジェクタ12であり、イジェクタ12は水蒸気及び燃焼生成物をタービン22に導いてタービンのロータを回転させる。本明細書では合流分岐ノズルを有するポンプをイジェクタと呼称するが、ある実施形態ではポンプは例えばインジェクタ、水蒸気インジェクタ又は水蒸気イジェクタでもあり得る。イジェクタ12は、タービン並びに燃焼室及びその熱回収ユニットの間に位置する。燃焼生成物及び圧縮空気はイジェクタへと追い出され、そこでは燃焼室からの熱い物質により熱回収ユニットからの水蒸気が過熱される。水蒸気の過熱は水蒸気の急速な膨張を引き起こす。イジェクタ12は過熱された水蒸気、燃焼生成物及び圧縮空気の流れをタービン22へと導き、そこではその流れがタービンのロータを回転させる。ある実施形態では、短く高圧の水蒸気パルスはイジェクタ12へと注入され、そこから水蒸気がタービンへと流れ込んでタービンのロータを回転させる。ある実施形態では、燃焼室10及びタービン22の間のイジェクタ12においてアフターバーナーが使用されてよい。しかしながら、タービンに入る気体は好ましくは低温であるべきであり、アフターバーナーは排気ガスの温度を上昇させるため、排気ガスの温度はモニタして制御しておかなければならない。ある実施形態では、アフターバーナーは連続的にではなく断続的に使用される。

0038

ある実施形態ではシステムは、燃焼室10からの燃焼生成物の追い出しを調整するために、イジェクタ12と燃焼室10のアウトプットとに接続された、調整可能なノズル及びバルブも含む。ノズルは特定の設計及び形状を有するが、代替も可能である。ノズルは、熱回収ユニット40からタービン22へと流れる水蒸気のバイパス気流の途中にあるイジェクタの内部に位置する。ノズルの形状は、アウトプットのバルブが開いている時、燃焼室からの燃焼生成物の追い出しに重大な影響を及ぼす。ノズルの形状を替えることで燃焼生成物の追い出しは、蒸気のバイパス気流の助けを受けて増加し得る。

0039

ある実施形態では、燃焼室から排気ガスが排出される時、燃焼生成物、すなわち排気ガス、の一部分が、タービン22の低温低圧領域又は低圧タービンへと導かれる。この実施形態では、吸い上げ側の圧力が低温低圧領域の圧力よりも高いため、イジェクタ又は複数のイジェクタ14a、14bは省略可能である。

0040

図4は、2つの燃焼室10a及び10b並びに1つのイジェクタ12を有する燃焼システムの実施形態の詳細を示す。燃焼室及びイジェクタの数はこの例に限定されない。この実施形態においては、例を示してシステムの能力を代表するものとして、2つの燃焼室及び1つのイジェクタという数を選択した。ある実施形態では、電子燃焼システムは1つ、2つ、3つ、4つ又はそれ以上の数の燃焼室と、0個、1つ、2つ、3つ、4つ又はそれ以上の数のイジェクタを有する。ある実施形態では、イジェクタは必須ではなく、システムは1つのイジェクタも用いずに動作できる。

0041

各燃焼室10a、10bは、インプットバルブによってもよらなくても制御可能な1つ以上のインプット101、102と、常時開いているか又はアウトプットバルブを用いて制御される1つ以上のアウトプット111、112を含む。ガスは高圧の領域から低圧の領域へと流れる傾向があるため、インプット及びアウトプットはバルブを用いずに、インプット及びアウトプットの圧力を制御することで制御され得る。ある実施形態では、インプット及びアウトプットの少なくともいくつかは、バルブのかわりにガスの振動又は発振により制御される。パイプライン上のガスの動きは、パイプライン及びガスに固有の単一又は複数の振動数、いわゆる固有振動数で発振する傾向がある。定期的な燃焼によりパルスアクションが生成され、及び流れのシステムの固有振動数に応じて強化される。定期的な燃焼プロセスを特定のガス発振の振動数と適合させ、互いに増幅するよう制御することで、特定の発振振動数を発生できる。ある実施形態では、燃焼サイクルはシステムを流れる圧縮空気の特定の発振振動数と適合させられる。ある実施形態では、バルブの駆動は、パルスタービンの所望の定期的な動作と調和するよう最適化されている。ある実施形態では、燃焼サイクル、システム内を流れる圧縮空気の特定の発振振動数、及び、システム内を流れる水蒸気の特定の発振振動数はすべて同じ位相に適合し、互いに増幅する。水蒸気及び圧縮空気の流れの固有発振振動数は、パイプラインのデザインにより適合させられる。ある実施形態では、燃焼サイクルはシステム内を流れる圧縮空気の特定の振動数並びにシステム内を流れる水蒸気の特定の振動数と適合しているが、水蒸気の固有振動数及び圧縮空気の固有振動数は互いに適合していない。好ましくは、流れのシステムは流量の損失が最小化されるよう最適化される。

0042

ある実施形態では、システムは直列に接続された複数のコンプレッサを含み、燃焼室への高圧の圧縮空気を生成する。典型的なやり方は、第1のコンプレッサから第2のコンプレッサへ、第2のコンプレッサから第3のコンプレッサへ、以下同様に、圧縮空気を供給するやり方である。圧縮空気の圧力は各コンプレッサのステージにおいて高められ、最終的に直列コンプレッサの最後のコンプレッサからの圧縮空気は、燃焼室又は空気室へと放出される。各圧縮ステージにおいて圧縮空気の量(質量)は不変のため、これはエネルギーを消費する。単一の圧縮ステージは、単一のコンプレッサでも、又は並列に、すなわち共通のインプット及びアウトプットを持つように接続された複数のコンプレッサでもよい。ある実施形態では、直列に接続されたスクリューコンプレッサは共通の軸を共有し、それにより連続する圧縮ステージが共通の軸に沿って仕切られ、各圧縮ステージ同士の間に圧縮ガスから熱を抽出するインタクーラが提供される。いずれの圧縮ステージからの圧縮空気も、燃焼室10、空気室、空気タンク32又はシステムの他の部分へと流れるよう向けられ得る。ある実施形態では、圧縮空気の塊の一部は燃焼室へと放出され、塊の残りの一部は直列コンプレッサの次のコンプレッサへと放出される。燃焼室内の圧力は、圧縮空気が圧縮ステージ同士の間で燃焼室に放出されるにつれ徐々に上昇する。1つ以上のインタクーラを用いることで、圧縮ステージ同士の間に圧縮空気から熱を抽出できる。圧縮空気の一部が圧縮ステージ同士の間で燃焼室へと放出されるため、一連の圧縮ステージにおいて圧縮される空気の量は減少していく。大気圧から最後のコンプレッサからの最高圧力までの様々な圧力の圧縮空気を保持するために、複数の圧力タンクが用いられ得る。さらなる利点は、空気を徐々にフィードすることで他のインプットは、望む圧力下で燃焼室へとフィードされることが可能になるという点である。例えば、第1の燃焼室は圧縮空気の第1の放出、続いて燃料インプット、続いて圧縮空気の第2の放出、続いて水蒸気インプット、及び最後に圧縮空気の第3の放出を受け、望む最終圧力に達し得る。インプットの順番及びタイミングはシステムの可変量に基づいて最適化され得る。

0043

ある実施形態では、燃焼室は交互の2サイクルで動作するよう調整される。第1のサイクルは燃焼サイクルのいずれか、すなわちトッピングサイクルであってよく、そこでは本明細書で説明されたように燃焼室に燃料がフィードされる。第2のサイクルは冷却サイクル、すなわちボトミングサイクルであってよく、そこでは周囲の空気、水蒸気又は他のガスといった流体の流れを、燃焼室を通るように調整することで燃焼室が冷却される。燃焼室の冷却では、熱エネルギーを燃焼室から燃焼室を通る流体へと移し、燃焼室をより低温にする。両方のサイクルは同じ長さの時間をとってよい。ある実施形態では、第1のサイクルが第2のサイクルより長いか、又は第1のサイクルが第2のサイクルより短い。

0044

図6は、望む効果を達成するために、燃焼室が様々な有効なエネルギー源により動作するよう調整された、ある実施形態を示す。典型的な望む効果は、燃料節約及び温度制御及びパワー制御を含む。例えば、タービンはタービンを保護するためにインプットガスの温度制限を持つが、典型的には高い燃焼温度はよりよい燃料効率をもたらす。タービンのインプットの温度は、燃焼室が高温のトッピングサイクルでのみ動作するときシステムの効率を制限する。利用可能な空気又は水蒸気がタービンへの平均インプットガス温度下げるためにトッピングサイクルの後のボトミングサイクルにおいて使用され得る時、例えば廃熱又は外部ソースからの圧縮空気又は水蒸気の大量の供給により、トッピングサイクルにおけるより高い燃焼温度及び圧力の使用が可能になる。図6では、実線はトッピングサイクルにおいて燃料の燃焼により得られる圧力を示し、点線はボトミングサイクルにおいて燃焼室に圧縮空気又は水蒸気をインプットすることで得られる圧力を示す。サイクルtC1及びtC5は燃料が燃焼するトッピングサイクルであり、サイクルtC2、tC3、tC4及びtC6は燃料が燃焼しないボトミングサイクルである。tC1において燃料の燃焼は、燃料の発火の後における圧縮空気又は水蒸気の注入により補助される。これによりトッピングサイクルにおいてより高い温度の使用が可能となり、従ってより高い効率及びよりよい燃料節約に結びつく。もし外部ソースが大量の熱を生成し、それが水蒸気へと変換されるならば、システムはその水蒸気により、より長い期間を、燃料を一切使うことなく動作可能である。好ましくは異なるソースからの利用可能なエネルギーはセンサで常にモニタされており、トッピングサイクル及びボトミングサイクルの間の決定は好ましくは、例えば利用可能なエネルギー源及び必要なパワーに基づいて毎回行われる。トッピング及びボトミングサイクルは、同時に、互いに位相のずれを伴って、交互に、又はあるパターンに従って使用され得る。これは、これらの規則及び条件に従うよう制御システムをプログラムすることで、当業者によく知られた制御ハードウェア及びソフトウェアにより達成できる。

0045

ある実施形態では、各燃焼室はメイン排出バルブ111により制御されるアウトプットを含む。ある実施形態では、各燃焼室は2つのアウトプットを含む。これは、メイン排出バルブ111により制御されるアウトプット及び、補助排出バルブ112により制御されるアウトプットである。ある実施形態では、各燃焼室はバルブにより制御されない開いたアウトプットを含む。ある実施形態では、各燃焼室は燃料のためのインプット101を持つ。ある実施形態では、各燃焼室は燃料及び加圧空気のためのインプット101、102を含む。ある実施形態では、各燃焼室は燃料、加圧空気及び水蒸気のための複数のインプットを含む。ある実施形態において各燃焼室は、以下のうちの1つ以上のための複数のインプットを含む:燃料、加圧空気、水蒸気及び水。水蒸気は少なくとも部分的にシステムの燃焼プロセスの廃熱を使用して生成されてよい。ある実施形態において水蒸気は、短く高圧の水蒸気パルスの形で注入される。その注入先は燃焼プロセスの膨張フェーズ同士の間の燃焼室である。この実施形態では、燃焼室の圧力及び温度の条件が水蒸気パルスの注入により制御されるため、排出バルブは省略してよい。ある実施形態では、水蒸気は燃焼室及び/又はイジェクタ12並びにタービン22へと注入される。両方の燃焼室のアウトプットが閉じているとき、水蒸気は直接イジェクタ12へと注入され得る。ある実施形態では、約200℃に及ぶ温度の排気ガス及び水蒸気を冷却するために、熱交換器の後でORCタービン又はスターリングエンジンが使用され得る。

0046

図4のシステムにおける燃焼サイクルは以下のステップを含み得る。第1の加圧空気は空気インプット102を通じて燃焼室10a、10bへとフィードされ、燃料は燃料インプット101を通じて燃焼室10a、10bへとフィードされる。ある実施形態では、燃料、特に気体燃料は、それらを燃焼室へのフィードに先立って圧縮され得る。例えば一酸化炭素又は水素のような燃料は大気圧よりも高い圧力で燃焼室へと供給され得る。燃焼室内の圧力は余熱によって、例えば2〜3MPa下で、燃焼室内の燃料が発火するまで上昇し、燃焼生成物及びより高い圧力を生成する。この燃焼生成物及び圧力は、燃焼室10a及びイジェクタ12の間のメイン排出バルブ111を開くことによりイジェクタ12へと放出される。ある実施形態では、メイン排出バルブが省略され、燃焼生成物はイジェクタ12へと自由に移動する。ある実施形態では、メイン排出バルブはプレッシャーウェーブスーパーチャージャーで置き換えられる。好ましくは、各燃焼室における燃焼サイクルは、他の燃焼室と異なる位相で実行され、燃焼室からの排気流がより安定し、よりパルス様でなくなる。燃焼生成物はアウトプット113を通じて、燃焼室からイジェクタ12へと、及びイジェクタからタービン22へと流れる。同時に、液体の水及び/又は気化水すなわち水蒸気はインプットを通じて燃焼室へと注入され得、これにより燃焼生成物の燃焼室外への換気を改善する。好ましくは水蒸気は、例えば数MPaから10MPaに及ぶ高い水蒸気圧の短いパルスで燃焼室へと注入される。水蒸気の注入は図5から見てとれるように、高められたレベルに圧力を保つのにも役立つ。水及び/又は水蒸気の注入は、燃焼室の温度も下げ、温度調整を容易にする。燃焼室は燃焼室の被覆内に形成された、燃焼室の排出側における水及び/又は水蒸気の循環のためのダクトを有してよい。水及び/又は水蒸気がダクトに注入され、その後水及び/又は水蒸気はダクトの小さな隙間から滲み出る。燃焼室の排出側からの熱は滲み出る注入された水及び/又は水蒸気へと移され、燃焼室は冷却される。ある実施形態では、同様のダクト及び冷却システムがメイン排出バルブ上で使用される。注入はメイン排出バルブ111の温度を低下し、これによりメイン排出バルブ111の寿命延長できる。燃焼室内及びイジェクタ内の圧力が、例えば4〜5MPaに低下した時、メイン排出バルブ111は閉じられる。1つ以上のバルブは例えば制御ユニットを通じて電気的に制御されてよい。ある実施形態では、水蒸気パルスが燃焼室へと注入されているためにメイン排出アウトプットが常に開いているとき、メイン排出バルブ111は省略可能である。

0047

メイン排出バルブを含むある実施形態では、メイン排出バルブ111を閉じた後で、イジェクタにバルブ103を通じて液体の水又は気化水すなわち水蒸気が放散されて、イジェクタ12の圧力を例えば6.5MPaまで上昇させる。イジェクタ12内の、例えば6.5MPaの、特定の圧力において、第2の燃焼室10bのメイン排出バルブ111が開いて燃焼生成物をイジェクタ12に、並びにそこからタービン22に放出する。同時に第1の燃焼室10aの第2の排出バルブ112は開いた状態を維持され、第1の燃焼室10aから余分な燃焼生成物を換気する。換気は加圧空気又は水蒸気を、インプット101、102を通じて燃焼室に導入することで向上される。第2の排出バルブ112は1つ以上の第2のイジェクタ14a、14bを通じて、余分な燃焼生成物をタービン22へと導いてよい。ある実施形態では、水蒸気は燃焼室へと、及び/又はイジェクタ12へと、並びにタービン22へと注入される。燃焼室のアウトプットが両方閉じているとき、水蒸気は直接イジェクタ12へと注入され得る。ある実施形態では、単一の第2のイジェクタが複数のインプットを含み得て、2つの燃焼室を伴って使用され得るようになっている。一度第1の燃焼室10aが換気され圧力が、例えば2、1、0.5又は0.2MPaの十分に低いレベルに低下すると、第2の排出バルブ112は閉じられ、燃焼サイクルの次のサイクルが開始できる。

0048

ある実施形態では、第2のイジェクタ14a、14bはインプット114を通じて原動水蒸気又は原動ガスを受け取るよう調整される。原動ガスは好ましくは例えば6、8又は10MPaの圧力で加圧された気化水である。原動ガスは第2のイジェクタ14a、14bを通るように向けられ、バルブ104を通じてイジェクタ12に流出する。原動ガスは第2のイジェクタを通る時吸引効果を発生し、燃焼室を第2のイジェクタへと接続するアウトプットバルブ112が開いているときには、余分な燃焼生成物を燃焼室10a、10bから引き出す。バルブ104は好ましくは制御バルブである。バルブ104のスループット及び/又は開方向は調節可能である。ある実施形態では、システム内で生成された全ての超過水蒸気はバルブ104及び/又は第2のイジェクタ14a、14bを通じてタービンへと供給され得る。

0049

ある実施形態では、中間水蒸気タッピングを用いたタービン22からの逆流が第3のイジェクタへと導入され得る。タービンからの逆流又は中間水蒸気は、第3のイジェクタへと導入された水蒸気若しくは燃焼生成物又は水蒸気及び燃焼生成物の混合物を含んでよい。第3のイジェクタにおける中間水蒸気の圧力はバルブを用いて第3のイジェクタに気化水といったガスを導入することで、十分なレベルまで上げられる。水蒸気及び燃焼生成物はガスの体積を増加させ、ガスの温度を低下させる。ガスの混合物は例えば第2のイジェクタ14a、14b及びバルブ104を通じてイジェクタ12へ、又はシステムの他のインプットバルブへと導入される。ある実施形態では、中間水蒸気タッピングを用いたアウトプットは熱交換器の直後にも導入され得る。

0050

ある実施形態では、タービンは、例えば広告飛行船ターボファンエンジンを置き換える等、航空の適用におけるバイパスファンを回転させるよう調整される。ある実施形態では、システムは燃焼室に接続されてバルブで制御される酸素タンクを含む。燃焼室は燃料タンクからのロケット燃料及び低気圧の大気からの酸素を用いるロケットエンジンの燃焼室として用いられ得る。これにより酸素タンクからの酸素を、燃焼のために酸素の量が十分でない上空で用いることができる。

0051

図5はある実施形態に係るシステムの圧力の時間依存性を示す。燃焼サイクルは圧力をシステム内においてかなり広い幅で変化させるため、時間依存なやり方でシステムが制御されない限り、タービン22が最適なインプットを受け取ることはない。好ましくは、インプット101、102、103、104は全て時間依存なやり方で制御され、タービンへのアウトプット113を理想的な圧力に保つ。燃料及び空気以外に時間依存なインプットが1つもない場合、タービンへのアウトプットは図5曲線200のようになる。圧力は燃焼サイクルの開始時に急速に上げられ、メイン排出バルブ111が開かれる直前にピークに達し、タービンを通って燃焼生成物が流れるにつれ急速に低下する。ここでもしメイン排出バルブ111が開かれた直後の燃焼室に液体水及び/又は気化水が注入されると、圧力はそれほど急速には下がらない。これは液体の水が蒸発し、蒸気が燃焼室の余熱により加熱され、従って注入がメイン排出バルブ111の開放による衝撃を軽減するためである。同様のやり方で、一度メイン排出バルブ111が閉じられると、イジェクタは液体水及び/又は気化水すなわち水蒸気を放散され得る。これによりイジェクタ12内の圧力が上昇し、従ってタービンへのアウトプット圧力が上昇する。液体水、水蒸気及び空気の量は時間依存なやり方で制御され、タービンへのアウトプットが必要以上に落ちることを防ぐ。タービンへのアウトプットを高く比較的安定したレベルに保つことは、システムの効率に重大な影響を与える。タービンは、疎で短いバーストからは最大の効率を引き出すことはできないのに反して、ほぼ常に比較的安定したアウトプットを持つ理想的な動作領域で駆動できる。

0052

タービンのアウトプットは水、水蒸気及び空気の注入により高いレベルに維持され得る。この高いレベルは図5破線201で示される。しかしながら、もしメイン排出バルブが省略されるか又は開放され続ける場合、そのような高い圧力を維持するためには大量の水蒸気及び空気が必要となる。もし水蒸気の注入が非常に短く高圧のパルスの形であるならば、メイン排出バルブは省略でき、それによりシステムを単純化して信頼性を向上させられる。曲線202は注入が短い水蒸気パルスの形をとるときの燃焼サイクル中圧力レベルを示す。短い水蒸気パルスは平均圧力を、メイン排出バルブが不要となる十分に高いレベルに維持できる。短い水蒸気パルスは燃焼によって生じた圧力パルスよりも高いピーク圧力を持っていてよい。例えば2つの燃焼室を持つある実施形態では、燃料が点火されて燃焼生成物が第1の燃焼室から追い出された後、短い水蒸気パルスがシステム(例えば第1の燃焼室)へと供給され得る。水蒸気パルスの供給は、第2の燃焼室の排出バルブが閉じられている間継続され得る。その間いずれの余分な水蒸気及び燃焼生成物も、第2の燃焼室から洗い流される。第2の燃焼室は、例えば第2の排出バルブ112を通じて流れた後に空気及び余剰物を例えば低圧タービンへと伝える圧縮空気のインプットにより洗い流される。洗い流しの後第2の燃焼室は圧縮空気で満たされ、燃料が第2の燃焼室へと注入され、混合物が発火するか又は点火される。燃料が点火されて燃焼生成物が第2の燃焼室から追い出された後は、第1の燃焼室の排出バルブが閉じられている間短い水蒸気パルスがシステム(例えば第2の燃焼室)へと供給され、第1の燃焼室が先の第2の燃焼室と同様に洗い流され、満たされ及び点火され等する。これによりプロセスを通して効率よくタービンを用いるための十分に高い圧力が利用可能となる。

0053

ある実施形態では、イジェクタ12内の圧力は常に例えば2、3、4又は5MPaを超える値に保たれる。ある実施形態では、注入される水、水蒸気及び空気の量並びに、それらが注入される時点は、システムの計測された量に基づいて決定される。そういった計測された量は例えば、温度、圧力、湿度、ガスの組成、バルブの状態又は他のプロセス量であり得る。この量は例えばセンサにより計測され得る。ある実施形態では注入される水、水蒸気及び空気の量並びにそれらが注入される時点は燃焼サイクルのフェーズに基づいて決定される。時間依存の水、水蒸気の注入は、タービン22へ導入されるガスの温度を制御することにより、タービン22の信頼性も向上させる。水及び水蒸気の注入はタービンに導入されるガスの平均温度を低下させ、従って燃焼室内でより高い圧力(かつそれゆえにより高い温度)の利用を可能にする。

0054

ある実施形態では、パワー生成システムはターボチャージャー付きの燃焼室を伴って使用される。パワー生成システムは燃焼エンジンのターボチャージャーに補助エネルギーを供給することができ、これは3つの面で利点となり得る。第1に、動作速度(回転数)及び/又は燃焼室の容量にかかわらず、ターボチャージャーの圧力比率を制御できる。排出物及び汚染物質の制御の面で利点となり、燃焼エンジンの荷重応答も改善させる。パルスタービンシステムに属するコンプレッサも、空気のインプットを補給するために用いられ得る。第2に、システムはターボチャージャーのシャフト又はパワー生成システムのタービンからの機械的パワーのアウトプットを提供してよく、これにより、システムに供給される追加のエネルギーの量に応じて追加のパワーを提供する。第3に、パワー生成システムは燃焼エンジンの排気流の少なくとも一部をエネルギー源として使用し得る。同時に、燃焼室への空気のインプットが、燃焼エンジンの空気補給システムそのもの、又はそれにルーツブロワーなどの追加の空気供給ポンプを伴って配置され得る。同時に、パワー生成システムのコンプレッサは空気のインプットを補給するために用いられ得る。

0055

技術的進歩として、発明の思想が様々な形で実装され得ることは当業者にとって明らかである。本発明及び実施の形態は上で説明される例に限定されるのではなく、請求の範囲内に留まる限り変形し得る。

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