特表 2024-522521 凝縮蒸気で作動する反動タービン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-06-21

(54)【発明の名称】凝縮蒸気で作動する反動タービン

(51)【国際特許分類】

   F01D 1/32 20060101AFI20240614BHJP

   F01D 5/04 20060101ALI20240614BHJP

   F01K 7/16 20060101ALI20240614BHJP

   F01K 11/02 20060101ALI20240614BHJP

   F01K 19/02 20060101ALI20240614BHJP

   F01K 7/22 20060101ALI20240614BHJP

【ＦＩ】

F01D1/32

F01D5/04

F01K7/16 Z

F01K11/02

F01K19/02

F01K7/22 A

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023573582

(86)(22)【出願日】2022-06-02

(85)【翻訳文提出日】2023-12-21

(86)【国際出願番号】 US2022031934

(87)【国際公開番号】W WO2023287510

(87)【国際公開日】2023-01-19

(31)【優先権主張番号】63/196,375

(32)【優先日】2021-06-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523449436

【氏名又は名称】パーダム ハワード

(74)【代理人】

【識別番号】100104134

【弁理士】

【氏名又は名称】住友 慎太郎

(74)【代理人】

【識別番号】100156225

【弁理士】

【氏名又は名称】浦 重剛

(74)【代理人】

【識別番号】100168549

【弁理士】

【氏名又は名称】苗村 潤

(74)【代理人】

【識別番号】100200403

【弁理士】

【氏名又は名称】石原 幸信

(74)【代理人】

【識別番号】100206586

【弁理士】

【氏名又は名称】市田 哲

(72)【発明者】

【氏名】パーダム ハワード

(72)【発明者】

【氏名】パーダム ウィリアム エフ

【テーマコード（参考）】

3G202

【Ｆターム（参考）】

3G202AA01

(57)【要約】

反動タービンは、蒸気の凝縮から放出される熱と、固有の蒸気圧力及び温度ヘッドを利用して作動する。複数の湾曲した内部流路を持つ一連のローターが、過度の自己圧縮を避けながら、連続するステージ間に圧縮ブーストを与える。これらの流路内で発生する圧縮効果と衝撃波は、高レベルの凝縮をもたらし、それによって膨大な熱量を放出する。その結果、高温の蒸気と凝縮液滴がローター外周で接線方向に放出され、推力を発生させる。最終段階からの排気蒸気は圧縮され、エンジン入口に戻され、流入する新しい蒸気と混合され、これにより、凝縮用の大型冷却塔を必要とせず、効率的にシステム・サイクルを完成させることができる。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ローターであって、
第１の表面及び前記第１の表面から間隔をおいて配置された第２の表面と、
前記第１の表面と前記第２の表面との間に延びる端壁と、
少なくとも１つの入口及び前記少なくとも１つの入口から半径方向外側に間隔をおいて配置された少なくとも１つの出口と、
前記少なくとも１つの入口と前記少なくとも１つの出口との間で延びる少なくとも１つの流路であって、第１の断面積を有する前記少なくとも１つの流路と、
前記少なくとも１つの入口と前記少なくとも１つの出口との間の前記少なくとも１つの流路に設けられた膨張チャンバーであって、前記第１の断面積よりも大きい第２の断面積を有する膨張チャンバーと、
を含むローター。

【請求項2】

前記第１の表面上にスクープをさらに含み、前記スクープは、前記少なくとも１つの入口に隣接している、請求項１に記載のローター。

【請求項3】

前記第２の表面上にベーンをさらに含む、請求項１に記載のローター。

【請求項4】

前記少なくとも１つの流路の表面に障害物をさらに含む、請求項１に記載のローター。

【請求項5】

前記少なくとも１つの流路が湾曲している、請求項１に記載のローター。

【請求項6】

前記少なくとも１つの流路は、第１の部分と、第２の螺旋状に延びる部分とを有する、請求項１に記載のローター。

【請求項7】

前記第１の部分は、スロート部分を有し、前記スロート部分は、断面積が減少する第１の部分と、断面積が増加する第２の部分とを有し、前記第２の部分は、前記第１の部分の下流にある、請求項６に記載のローター。

【請求項8】

前記流路内を延びる複数のチューブをさらに含む、請求項１に記載のローター。

【請求項9】

タービンであって、
第１の端壁、第２の端壁、及び、前記第１の端壁と前記第２の端壁との間に延びる少なくとも１つの側壁を有するハウジングと、
前記ハウジングを貫通して延びるシャフトと、
前記ハウジングを第１のチャンバーと第２のチャンバーとに分割する第１の仕切りであって、開口部を有する前記第１の仕切りと、
前記第１の端壁の第１の入口に接続された蒸気源と、
それぞれのチャンバー内で前記シャフトに連結されたローターであって、それぞれのローターは、第１の表面、第２の表面、入口、出口、及び、前記入口と前記出口の間に延びる流路を有するローターと；
前記第１の入口と前記第１のチャンバー内の前記ローターの前記第１の表面との間の第１の導管と、
前記第１導管内にある前記第１のチャンバー内の前記ローターの前記入口と、
前記第１の仕切りの前記開口部と前記第２のチャンバー内の前記ローターの前記第１の表面との間の第２の導管と、
前記ハウジング内の排気口と、
を含むタービン。

【請求項10】

それぞれのチャンバーに接続された排水管路をさらに含む、請求項９に記載のタービン。

【請求項11】

前記ハウジング内に、第３のチャンバーを形成する第２の仕切であって、開口部を有する前記第２の仕切りと、
前記第３のチャンバー内のローターであって、前記ローターは、第１の表面、第２の表面、入口、出口、及び、前記入口と前記出口との間に延びる流路を有する前記ローターと、
前記第２の仕切りの前記開口部と前記第３のチャンバー内の前記ローターの前記第１の表面との間の第３の導管と、
をさらに含む、請求項９に記載のタービン。

【請求項12】

導管が前記ハウジング内の前記排気口から前記蒸気源まで延びる、請求項９に記載のタービン。

【請求項13】

前記ローターの前記流路は、前記入口と前記出口との間に膨張チャンバーを有する、請求項９に記載のタービン。

【請求項14】

前記ローターの前記流路は、前記入口と前記出口の間に螺旋状に延びる部分を有する、請求項１３に記載のタービン。

【請求項15】

ローターを駆動する方法であって、
飽和状態の流体をローターの流路に導入すること、
前記流体を過冷却状態まで膨張させること、
凝縮を誘導すること；
凝縮ステップによって放出された熱で作動流体の圧力及び温度を上昇させること、
加熱及び加圧された前記流体を膨張させ、仕事を生成すること、及び
凝縮水を除去すること、
を含む、方法。

【請求項16】

ステップ１で、高液滴含有排気流体を、新鮮な流入流体と混合されるように入口に戻して除去し、このプロセスを繰り返すことをさらに含む、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記流体を膨張させる前に、前記流体を圧縮することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。

【請求項18】

凝縮を誘導することは、衝撃波を発生させることを含む、請求項１５に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年６月３日に出願された仮出願６３／１９６，３７５の利益を主張するものであり、その内容は本明細書に組み込まれる。

【0002】

本発明は、蒸気種が凝縮して液体を形成する際に作動する反動タービンに関する。

【背景技術】

【0003】

従来の蒸気タービンは、ランキンサイクルで説明されるように、水の蒸発と凝縮で動作する。まず、化石燃料の燃焼、核反応、太陽光照射、又は他の熱源からの熱をボイラー内の水に加え、水蒸気が発生するまで水温を上昇させる。その後、過熱器でさらに熱を加えることで、水滴の残っていない非常に高温で高圧の蒸気が得られる。この過熱蒸気がタービンを通過し、一連のブレードを回転させて軸動力を発生させる。システムから動力を取り出すと、蒸気は冷えて圧力を失う。やがて、蒸気は凝縮し始め、大量の大きな水滴が生じる。これらの液滴が繊細なタービンブレードに損傷を与えるのを防ぐため、発電プロセスが停止され、残留蒸気は冷却塔へ排気される。冷却塔は残りの蒸気熱を環境に放出し、それによって凝縮プロセスが完了する。その後、得られた凝縮水は、ボイラーに戻され、サイクルが完了する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

この構成では、システムは、タービンの入口で高温の過熱蒸気と、低温のタービンの出口で凝縮が始まるまでの温度範囲でのみ動力を生成する。この範囲でのシステム効率は、カルノーの基本関係から計算される：高温限界と低温限界の温度差を、高温限界の温度で割ったものである。基本的な蒸気発電プラントのカルノー効率は、約３６％に過ぎず、それによって投入燃料のほぼ２／３を浪費している。

【0005】

この悪い効率を改善する最も一般的な方法は、高温限界を上げることである。残念ながら、先進的な超々臨界圧プラントは最終的に約５０％の効率に達するかもしれないが、そのようなシステムは、非常に高価で運転が難しいだろう。あるいは、カルノーの関係式は、出口温度を下げればプラントの効率も向上することを示唆している。残念なことに、プラント全体の熱力学では、そのような温度低下はわずかなレベルに限定される。したがって、より高い効率を達成するためには、プラントの運転モードを、カルノー限界を超えて拡張する必要がある。具体的には、従来のカルノー式発電所では凝縮によって失われている熱の少なくとも一部を利用する必要がある。

【0006】

このプロセスの基本原理は、出口付近の高速蒸気が、圧縮性効果や衝撃波の後流側での希薄化により、大きな温度と圧力の低下を経験することである。すぐに大量の凝縮が起こり、残った蒸気に大量の熱が放出される。この放出された熱が残りの蒸気の温度と圧力を上昇させ、後続の段階でさらなるパワーを生み出す。

【0007】

この方法では、総出力は従来のカルノー・サイクルで発生する電力と、凝縮時に放出される熱から発生する出力の合計となる。したがって、総合効率は、従来のカルノー・プロセスのみの効率よりも常に高くなる。実際には、すでに多くの事業者が、凝縮の開始時に発電を正確に停止しないだけで、このプロセスをある程度利用している。その代わり、発電プロセスは蒸気の約１０％が凝縮するまで続けられ、その結果生じるブレードの損傷は燃費向上のために容認される。

【0008】

この技術の制限要因は、最先端の合金を使用した最良のブレード曲率を備えたタービンであっても、比較的軽度のレベルの凝集にしか許容できないことである。したがって、凝縮熱の回収を最大限に活用するには、極端な浸食レベルに耐えられる新しいタービン設計が必要となる。

【0009】

このような新しいタービンの市場は非常に大きい。規模的には、数ｋｗから数百ＭＷの範囲に及び、家庭用、自動車用、産業用、船舶用などの用途が含まれる。蒸気タービンは現在、世界の電力の８９％を供給しているため、最も重要な市場は発電である。この市場にサービスを提供するために、このシステムはまず、冷却塔の代わりに、従来の蒸気タービンの延長として構成することができる。この構成では、同じ量の燃料でより多くの電力を供給することができ、同時に、ますます不足する高価な冷却水を大量に使用する必要もなくなる。既存のインフラにこのような改修を施せば、２０３０年のＣＯ_２排出量規制を少なくとも部分的に満たすことができる。長期的には、凝縮点付近で作動させることができれば、高レベルの過熱が不要となり、従来の蒸気タービンを駆動するには不十分な太陽熱、地熱、その他のグリーンソースの利用が可能になる。したがって、このようなシステムは、２０５０年のＣＯ_２基準を満たすゼロ・エミッション電力に使用することができる可能性がある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、蒸気の凝縮から放出される熱と、固有の蒸気圧力及び温度ヘッドを利用して作動する反動タービンである。それぞれが複数の湾曲した内部流路を含む一連のローターが、過度の自己圧縮を回避しながら、連続するステージ間に圧縮ブーストを提供する。これらの流路内で発生する圧縮効果と衝撃波は、高レベルの凝縮をもたらし、それによって膨大な量の熱が放出される。その結果、高温の水蒸気と凝縮液滴がローターの周囲で接線方向に放出され、推力を発生させる。最終ステージからの排気蒸気は圧縮され、エンジン入口に戻され、入ってくる新しい蒸気と混合される。これにより、凝縮のための大きな冷却塔を必要とせずに、効率的にシステム・サイクルを完成させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、一連のローターを有するシステムの水平断面図である。

【図2】図２は、システムの１サイクルにおける温度と圧力のグラフである。

【図3】図３は、シャフトの中心軸に沿ったローターの垂直断面図である。

【図4】図４は、シャフトの軸に垂直なローターの垂直断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１には、ハウジング３０内に３つのローターを有する反動タービンが描かれており、各ステージはローターを有する。単ステージを含む任意の適切なステージ数を使用することができる。このシステムは、蒸気源１０を使用するが、この蒸気源１０は、従来の蒸気タービンの凝縮排気を含む任意の適切な源からのものでもよいので、既存の蒸気発電所にシステムを追加することができる。別のオプションは、ボイラーから高圧蒸気を直接システムに送り、過熱器や従来の蒸気タービン部品を不要にすることである。

【0013】

流入源１０からの蒸気は混合チャンバー１２に流入する。新しい蒸気は、システムの排気から再利用された導管１６からの蒸気と混合される。後述するように、再循環プロセスでは、水滴と蒸気の混合物を含む、本質的に飽和状態の蒸気が得られる。従って、再循環された蒸気の品質は、流入する原料蒸気と同様、１００％未満である。新しい蒸気と再循環された蒸気の圧力、温度、品質は非常に類似しているため、２つの流れは混合チャンバー１２内で容易に組み合わせることができる。したがって、混合チャンバーの出力は、水滴と蒸気の均一な混合物からなり、蒸気品質は１００％よりわずかに低い。

【0014】

従来のタービンの入力蒸気と比較して、混合チャンバーの出力は比較的低圧である。したがって、混合チャンバーの出力の容積は比較的大きく、そのため従来のタービンよりも大きな流路断面積が必要となる。中実のシャフト２２は、ハウジング３０の入口側および出口側にシール２４、２６を有する。混合チャンバー１２からの出力は、導管１４を通って進み、ハウジング内のポート１８を通ってハウジング３０に入る。蒸気と液滴の混合物は、中心シャフト２２の周囲の容積を満たし、ローター本体まで広がる。水平仕切り２８は、水平仕切り２８と回転するローターの第１の表面との間に形成されたシールで、ハウジングとローターの第１の表面との間に蒸気と液滴の混合物を閉じ込める。したがって、入ってくる流れはローターの入口に向けられる。次に、蒸気は、出口ノズル６４で終端するローター内の流路を通過する。以下でさらに詳しく説明するように、放出された使用済み蒸気と液滴の推力によってローターが回転する。

【0015】

次に、排気は、シール８０によって閉じ込められたローターの下流側と次の垂直仕切り８４との間の空間に入る。その後、排気は、インタークーラー付きコンプレッサー８２に入り、垂直仕切り８４の下流側に出る。その後、部分的に圧縮された排気は、第１のローターについて上述したプロセスステップに従う。第２ステージからの排気は、次に、第３ステージなどに入る。図１は、ハウジング３０内の３つの代表的なステージ３２、３４、３６を示しているが、異なる数のステージを使用することもできる。各ステージは、ローター５０を有する。

【0016】

従来のタービンの慣例に従い、入口圧力と出口圧力のそれぞれの比率は、すべてのステージでほぼ同じである。例えば、大気中での開始時の設計圧力比は、第１ステージで３：１、第２ステージで１：０．３、入口に戻すための圧縮前の最終ステージで０．３：０．０１である。各ステージの排水口４２、４４、４６は、凝縮水を除去し、ボイラーに戻して蒸気に変換し、システム内で再利用することができる。急速に回転するローターハウジングは、排気中の液滴を取り込み、それによってサイクロンセパレーターとして機能し、凝縮水をそれぞれの排水口に送る。

【0017】

圧力が、さらなる膨張が現実的でないレベル、例えば０．１気圧未満まで低下すると、残りの排気蒸気は導管１６を通って再循環され得る。全体的な再循環構成は、図１に示されている。このプロセスは、最後のパワーローターステージ３６の後に配置された再循環圧縮機８８から始まる。次いで、圧縮された蒸気は、戻りライン１６を通って混合チャンバー１２に入る。

【0018】

負荷は、再循環コンプレッサー８８の直後にシャフトシール２６を横切って置かれる。シャフトの回転は、多数の用途のいずれか１つに利用することができる。そのような用途の一つは、ローター２２に発電機２３を駆動させて電力を発生させることである。

【0019】

システムの始動と拡張された運転には、追加のコンポーネントが必要である。そのような構成要素の第一は、始動時に空気と汚染された蒸気を抽出するための真空源である。大量の蒸気が存在するため、従来のエジェクター９０が真空源として考えられるが、機械式ピストンポンプ、タービンポンプ、小型冷却塔もその代替となる。十分な真空が得られた後、ローターを十分に高速回転させ、十分な圧縮を発生させる必要がある。従来のブレイトンサイクルのアプローチに従えば、便利な始動方法は、外部電圧源を使用して発電機を逆回転させ、それによって発電機を一時的にスターターモーターに変換することである。最後に、始動とオンライン効率向上の両方を支援するために、小型の熱交換器をシステムに追加することができる。そのような熱交換器４８の１つは、再循環排気流に使用され、残留熱を捕捉すると同時に、真空度を向上させることができる。このような熱交換器は、従来の発電所の冷却塔よりもはるかに小型であるため、乾燥した環境でも少量の水または空気で運転することができる。

【0020】

図２は、図１に示したシステム独自の熱力学サイクルを要約したものである。サイクルは、流入蒸気源１０の圧力と温度から始まる。蒸気は、この時点で飽和しているので、図２の「飽和曲線」は任意の圧力における温度を提供する。この曲線より上の温度の水は気相にあり、この曲線より下の温度の水は液相にある。作動流体として蒸気が開示されているが、低次炭化水素（プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン）、シリコーンオイル、フルオロカーボンなどの他の低沸点流体も作動流体として使用できる。

【0021】

本発明の用途の一つは、従来の商用蒸気タービンのアドオンモジュールであるため、圧力と温度の代表的な開始値は、既存の商用機器のそれぞれの排気測定値から得ることができる。したがって、Ａ点の排気圧力は約３．０気圧であり、図２の飽和曲線から、開始温度は約４０７Ｋである。

【0022】

その後、インタークーラー付きコンプレッサー８２とローター５０の自己圧縮セグメントによって圧力が上昇する一方で、温度は、図２の“低温断熱”（Cold Adiabat）に沿ってＡ点からＢ点まで上昇する。その後、後述するローター５０の膨張部分における衝撃によって引き起こされた凝縮によって熱が放出され、それによって温度がＣ点まで等圧的に上昇する。このプロセスは、従来のブレイトンガスタービンサイクルの圧縮機と燃焼器の構成要素に類似している。次に、高温高圧蒸気は、図２の”高温断熱”（Hot Adiabat）に沿って膨張し、点Ｄで終端する。このプロセスステップは、以下に説明するように、ローター５０の後の膨張部分で発生する。このステップは、従来のランキン蒸気サイクルで起こる断熱膨張に類似している。このように、新しいサイクルは、ブレイトン・蒸気タービン・サイクルとランキン・蒸気タービン・サイクルの両方のユニークな部分を組み合わせたものである。

【0023】

このサイクルにおける次の３つのステップは、本発明に特有のものである。第１に、ローター５０からの排気は、以下に説明するように、出口ノズル６４を出るとき本質的に静止しているため、ローター内の超音速蒸気の静温度は、ハウジング３０内に収容される結果として生じる本質的に静止した排気のよどみ点温度になる。固定床テストスタンドノズルからのよどみ点温度と、移動しているローターから噴出される排気のよどみ点温度との差は、点Ｄから点Ｅへの等圧降下として示され、点Ｅは、ウィルソン線より上の核生成効果を考慮し、「飽和」曲線よりわずかに下にある。ローター５０が負荷２３に抗してシャフト２２を回転させると、図２に見られるように、この温度差に関連する熱が出力仕事に変換される。

【0024】

もちろん、上記の分析は、実際の現場では厳密には成り立たない。それどころか、流れはどの地点でも完全に均一ではないため、液滴と蒸気の混合状態は局所的にばらつく。また、ローターが仕事をするために熱を取り出す一方、凝縮中の熱放出など、複数のプロセスが同時に発生する。しかし、正味の結果は、上記の分析が、どのステップでも必要な平均量を予測するのに十分であるということである。

【0025】

これらの考慮事項の下では、点Ｅの条件は、本質的に新しい点Ａとして機能する点Ｅで別のサイクルを開始するのに十分な飽和曲線と低温断熱曲線に近づく。その後、上記のサイクルを必要に応じて繰り返すことができ、ステージ３２、３４及び３６で開始圧力を順次下げていく。最終的な結果は、上記の ３：１の例で説明した各連続圧力比で示されているように、独自のステージング能力になる。

【0026】

最終ステージの後、残りの蒸気は再循環コンプレッサー８８によって圧縮され、再循環導管１６を通って混合チャンバー１２に戻される。前述の小型熱交換器４８を使用すると、最終点Ｅの温度を低温断熱曲線上のほぼ点Ｆまで冷却することができる。次いで、単純な断熱圧縮により、蒸気圧および温度が点Ｆから上昇して、再び混合チャンバー１２の状態である開始点Ａの元の状態に戻る。

【0027】

上記のサイクル解析には、排水パイプ４２、４４及び４６における凝縮水の除去が含まれていないことに注意されたい。除去された液体は、スチーム（蒸気）の挙動を支配する理想気体法則の計算には必要ない。しかし、サイクル全体を見ると、液体が徐々に除去されるため、連続する各ステージで処理される蒸気の量が減少する。したがって、小さな最終排気蒸気質量の圧縮には、はるかに大きな初期質量の膨張から得られる仕事よりもはるかに少ない仕事しか必要としないため、完全なシステムの全体的なエネルギーバランスは非常に有利になる。

【0028】

図３は、１つのステージ内の単一のローター５０の詳細を示す。このローターの全体的な設計は、効率を最適化するためのド・ラバルの一般規則に従っている。つまり、流体をゆっくりと安定してタービンに導入し、最小限の損失で仕事を取り出し、その後、できるだけゆっくりと安定して排気を放出する。

【0029】

ド・ラバルのアプローチを使用すると、図３の最初のコンポーネントは入口スクープアセンブリ６０である。このアセンブリは、モーターボートのインペラとよく似た、中心シャフト２２に取り付けられた一組のブレードで構成され、漏斗状流体をローターの入口に流し込むのに役立つ。スクープは、シャフト２２の接線方向に開口している。スクープの上流側は、ハウジング３０内に収容された相対的に停滞した高圧蒸気と液滴の混合物中に浸漬される。スクープの下流側は、シャフト２２に平行である。シャフト２２が回転すると、スクープ６０が周囲の混合気を吸い込み、流れをシャフト２２の軸と平行に導く。スクープ６０は中心シャフト２２の近くに配置され、それによりスクープの速度を最小にし、ひいては作動流体中に巻き込まれる可能性のある水滴との衝突によるスクープの侵食を最小にする。その結果、このシステムはド・ラバルの理想的な入口条件を満たすことになる。

【0030】

ド・ラバルの全体的な技術における次のステップは、最小限の損失で仕事を抽出することである。本発明では、このステップは、図４について後述するように、一組の螺旋状の内部通路に作動流体を導くことを含む。残りのド・ラバル条件は、最小限の損失で排気を排出することである。本発明の基本原理は、ローター周囲の出口ノズルがロケットのノズルのように動作するということである。具体的には、ノズルからの排気速度がロケット速度と等しく、反対の場合に最大効率が得られ、排気が宇宙に静止したままになる。反対のケースは、固定されたテストフレーム上でノズルを発射することで、高速の排気で最大の運動エネルギーを浪費し、何のパワーも生み出さない。

【0031】

したがって、この単純なアプローチを本発明に適用するには、周辺排気ノズルのローター速度を使用済み蒸気の排気速度と一致させる必要がある。上記の熱力学サイクルにおける静温度とよどみ点温度の議論を図２に示す。しかし、上記の条件で蒸気の標準的な圧縮性流れの関係を使用すると、超音速の排気速度が得られる。 このような速度は、後述する衝撃による凝縮のために必要であるが、ローターに激しい遠心力も発生させる。

【0032】

したがって、ローターの設計は、ローターの製造に使用される材料の機械的限界を超えることなく、極めて高い回転速度を達成することに軽減される。図３及び図４は、主要な懸念点であるシャフト２２付近を示している。ローターの下流側（上述の入口とは反対側）では、ローター本体は、中心シャフト２２から外周部まで基本的に中実であり、軸方向の肉厚はシャフト近傍で大きく、外周部に向かって薄くなっている。この形状は、電力貯蔵用に商業的に使用されている高速フライホイールのよく知られた設計に従ったものである。

【0033】

同様のアプローチがローターの上流側でも使用されるが、この場合、ローターは、作動流体をローター本体に受け入れるためのシャフト２２に沿った流路６０も含む。当面の懸念は、流路が、外周から流路の位置まで半径方向に延びるローターの質量を支持できないことである。

【0034】

この問題に対する従来のアプローチは、作動流体を中空の中心シャフトから取り入れ、次に流体を半径方向外側に回転させるというものである。残念なことに、本発明に必要な低圧での大流量は、中空の中心シャフトを大きくしすぎて実用的ではなく、さらに、上流ステージからの出力を下流ステージに供給するという問題もある。

【0035】

このような問題を回避するために、本発明では入口流路の長さを上流方向に延長している。ヤング率の定義を用いると、このように延長された部分５２は、入口流路の存在にもかかわらず、入口壁を支持するのに必要な追加材料を提供する。

【0036】

上流側と下流側の壁に囲まれた空間では、流路は中央のプレナム５４から外側に向かう。このプレナム５４から複数の流路が、周縁部の出口ノズルに向かって延びている。最初、プレナムから外周に向かう経路は、基本的に半径方向外側にあり、一般にオレンジ断面形状と呼ばれる。この領域では、経路壁にかかる支持されない遠心負荷は最小限に抑えられる。

【0037】

しかし、それ以上の距離になると、図４に示すように、経路は回転軸２２に垂直な面内で螺旋状になる。この時点で、螺旋状の流路は、図３に示すように、回転軸２２に平行な平面に入る。この遷移はスロート６８付近で起こる可能性があるが、これは限定的な要件ではない。この時点で懸念されるのは、遠心力が流路の壁を崩壊させるほど大きくなることである。具体的には、この力は半径ベクトルに垂直な壁成分を崩壊させ、平行成分は損傷しないが、破局的な破損を引き起こす可能性がある。この影響は、力が最も大きく、外壁が実質的に完全に角度方向にある周縁部で最も深刻である。

【0038】

本システムでは、このような損傷を最小限に抑えるため、法線方向の壁成分はカテナリーアーチセグメント５８として形成されている。カテナリーアーチは極めて強力であることが知られているため、改良された壁はこのように比類のない遠心力に耐えることができる。図３は、１つの流路が基準平面から螺旋状に出始める一方、２つ目の流路が出口ノズルでこの平面から出現する際の代表的なカテナリー曲線を示している。

【0039】

ローターは ２つの別個のディスクから形成され、中央の通路をフライス加工してからディスクを結合して、目的のチャネル通路を作成することができる。代替案は、積層造形技術を使用してローター全体を１ステップで形成し、３－Ｄプリンティング技術の進歩に伴い、最終的にはタービン全体を１回の操作で形成することである。この方法の主な利点は、（１）プロトタイプを迅速かつ安価に作成できること、（２）固有の品質管理を伴う日常的な製造が可能であること、（３）複雑な形状でも高い精度が得られること、（４）一体構造による強度の向上と、プリント部品の方が、機械加工部品よりも本質的に強度が高いこと、である。

【0040】

図４は、ローター５０のシャフト２２に垂直な垂直断面図である。図４には、中心シャフト２２からローター外周に延びる２つの流路が示されている。(２つの流路のみでは、プレナムは不要であり、螺旋状アームは、各流路の入口を有し、ローターの上流端につながる軸方向に延びる部分に移行する／ 上述したように、作動流体の圧力と温度は、圧縮性流体力学の標準法則に従って、これらの流路に沿って減少する。その結果、蒸気と凝縮した液体の混合物は、密閉された仕切りによって収容されたハウジング３０内の局所的な周囲圧力でノズルを出て、ローター５０に推力を発生させる。図１では、この構成を第１ステージ３２に使用することができる。上記の３：１のステージ間圧力比を用いると、最初の３．０気圧の入力は、こうして約１．０気圧に低減される。

【0041】

この低い出力圧力は、次に第２ステージ３４の入力圧力となる。しかし、この低い圧力は、凝縮や仕事の出力などを調整した後でも、作動流体の体積を大幅に増加させる。徐々に低い圧力でこの容積が増加すると、従来のブレード付き蒸気タービンで使用される連続ステージの直径がますます大きくなるのと同様、定常流を維持するために流路の直径をますます大きくする必要がある。

【0042】

本システムでは、ステージ間容積の増加を補うため、まず、連続するローターで流路数を増加させる。例えば、第２ステージ３４は、第１ステージで使用される２つの流路の代わりに６つの流路を有することができる。同様に、第３ステージ３６は、それぞれが第１ステージ３２の流路よりも大きい１２以上の流路を有することができる。 このような流路数の増加は、流路が互いに接触し、１つの流路の外壁が隣接する流路の内壁にもなるようになるまで続けることができる。この配置では、図３に示したカテナリーアーチの壁がわずかに重なり合い、特定の半径で隣接する流路の大きさが異なることを考慮している。

【0043】

連続するステージのローターサイズを大きくすると、任意のステージの出口速度が、その特定のステージのローターの周速度と一致しなくなる可能性がある。出口速度は圧力比に依存するため、ステージ間の圧力比が等しい場合、出口速度はほぼ等しくなければならない。残念ながら、ステージ間の半径が異なるローターの出口速度を同じにすると、中央シャフト全体で深刻な不安定性が生じる。例えば、直径１ｍのローターの出口速度が３００ｍ／ｓｅｃの場合の回転数は、２ｍのローターでは半分に低下する。その結果生じる回転数の不一致は、極端な振動、効率の低下、その他の問題につながる。別の方法は、それぞれのローターの運転条件、特に圧力比を変えることである。

【0044】

図３について前述したように、回転する中心シャフト２２から外周に向かう流路の最初の部分は、本質的に単純な半径方向の流出部である。この半径方向の流出が周辺部まで直線的に続けば、ローターの運動はコリオリ効果によって作動流体を強く圧縮することになる。その結果生じる圧縮はノズル内で完全に回収することができないため、圧縮を最小限に抑えた場合にのみ、前述の高いド・ラバル効率を実現することができる。そのため、図４に示す比較的直線的な初期セクションのすぐ先の流路は、周辺部に向かって流れるような弧（a sweeping arc）を描いてわずかに湾曲している。円弧の曲率の適切な値は、日常的な実験と既知の技術によって計算することができる。

【0045】

図４は、半径方向に延びる部分のほぼ中央にあるスロート６８の詳細をさらに示している。スロートは、断面が減少し、次いで断面が増加している。シャフト２２から始まる流れは低速で始まる。壁が収束するにつれて流れは加速し、収束の最狭部でマッハ１に達する。その後、流路壁が発散するにつれて流れは加速し続け、超音速になる。

【0046】

従来の理想的な膨張システムでは、出口圧力が周囲圧力と一致し、流れがノズルから噴出するまで流れは加速し続ける。静圧と温度は、両方ともこの経路に沿って減少する。蒸気の流れでは、静圧が飽和点を下回るまで温度が低下し、超冷却（又は過冷却）状態になる。ダストや他の核生成部位を欠いているため、温度はウィルソン線まで下がり続け、そこで均質な核生成が起こる。その後、急速な液滴成長が起こり、熱を放出して蒸気を飽和曲線よりわずかに低い温度まで戻す。

【0047】

本システムでは、この液滴成長は、スロート径の数倍の長さの下流側膨張ゾーン７０で起こり得る。下流側膨張ゾーン７０の断面積は、流体の流れ方向に増加する。凝縮の程度は、チャンバーの膨張率によって変化し、通常、せいぜい約５％である。しかしながら、高い膨張率では、熱の放出が非常に大きくなり、システムが "凝縮衝撃（condensation shock）"を起こし、流れが熱的に遮断されることがある。流れ場を高速で移動する領域には実際の圧力の不連続性がないため、凝縮衝撃は、真の衝撃波ではない。それにもかかわらず、システムが実際の衝撃動作のいくつかの特徴を模倣しているため、衝撃という用語が使用されている。

【0048】

凝縮衝撃は液滴を生成するが、このプロセスは収率が低く、熱チョーキングの可能性もあるため、使用には限界がある。その代わりに、本システムは衝撃波を発生させるために他の技術を使用している。一般的な手法としては、過小拡大ノズルと過大拡大ノズル、粗い流路壁面、断面の変化（円形から矩形）、壁面のストリップ（隙間）、凸状のプランドル・マイヤー曲率に沿った流れ、流路内の障害物（ウェッジ、コーン、マイターガイドなど）などがある。これらのプロセスの根底にある原理は、液滴を形成し成長させるには不十分な条件であっても、誘導された衝撃波の低圧域が凝縮を生じさせるのに十分であるということである。蒸気タービン業界では、この現象を非平衡凝縮と呼ぶ。この状況は通常、タービン出口近くの回転ブレードの下流で発生し、そこでは速度が速く、蒸気が飽和に近くなる。

【0049】

図４では、誘導された衝撃波の凝縮が、最初の放射状の流路の端にある鋭い屈曲部７２で発生する。この鋭い凸状の湾曲は、プランドル・マイヤー膨張を引き起こし、超音速航空機が音速障壁を通過するときにコックピットや後続の胴体に沿って一般的に観察されるような凝縮をもたらす。流路を通る流れを安定させるために、マイターガイドベーン７６が湾曲の最も鋭い部分を通って配置されている。これらのベーンは流路の高さ方向に全体に延在し、積層造形プロセス中に流路の上面を支持する役割も果たす。さらに、これらのベーンは、組み立てられたローターの剛性も向上させる。この最初の誘導凝縮の直接的な利点は、その後の凝縮プロセスの種となる少なくともいくつかの凝縮核の形成とともに、ある程度の熱の発生と回復である。

【0050】

そのようなプロセスの１つは、すぐ下流の「過膨張」ノズル７９である。過膨張とは、上述の理想的な膨張の場合よりも急速に断面積の増加をもたらすために発散するノズル壁７７を指す。このようなノズルでは、まず膨張する流れが壁から分離し、比較的停滞したシースに囲まれた貫通ジェットが残る。貫通するジェットと周囲のシースの境界に衝撃波が発生し、かなりの量の凝縮が生じる。

【0051】

結果として生じる凝縮ゾーンの有効長は、通常、貫通ジェット直径の少なくとも８倍である。したがって、本発明の場合、５００ＭＷのタービンの有効長は数メートルとなり、現在利用可能な最大の３Ｄプリンティング装置でも大きすぎるローター直径が必要となる。

【0052】

この過剰な長さを短くするために、過膨張ノズル７９にはより小さなチューブ７８が配置される。これらの小さいチューブ７８は、それに比例してより短い有効長を有し、それによって凝縮ゾーンが短縮され、それによって凝縮プロセスが、実際に容易に製造して使用できるローターサイズ内で完了する。

【0053】

スペースを最大限に利用するために、これらのチューブ７８のバンクを過膨張モジュール７９内で互いに積み重ねることができ、それによってカテナリーアーチ内であっても利用可能なスペースを完全に利用することができる。したがって、この配置により均一な噴射流が得られ、単一の大きな貫通ジェットの周囲の無駄なスペースが回避される。

【0054】

製造を容易にするために、個々のチューブの入口には狭いポート狭窄部を設け、これにより小規模な過膨張プロセスを開始する。これらのチューブのアセンブリは、積層造形プロセスの一部として組み込むことも、ローター本体の周囲に挿入可能なモジュールに個別に組み込むこともできる。いずれの場合も、チューブの周囲の支持材がアセンブリを密閉し、それによって作動流体がチューブの周囲に漏れることなくチューブを通過するように拘束する。最後に、アセンブリ内で隣接するチューブは、製造中に長さ方向に互い違いに配置することができ、凝縮の相補的な間隔のノードを提供し、それによって全体的なフロー均一性を向上させる。

【0055】

チューブアセンブリの出力には大量の水滴が含まれることがあるため、フィルター７５は、チューブ７８の下流に配置される。フィルターは、必要に応じて結露領域全体にわたって配置することもできるが、高凝縮過膨張ゾーンの有効長さをちょうど超えた位置にあるので、示された位置が特に効果的である。

【0056】

要約すると、各ローターの流路を通る流れの結果、以下により、動力が生成される。
（１）ほぼ飽和状態の流体をローターに導入し、（２）流入圧力が所定の出口圧力に比べて低い場合は流体を圧縮し、（３）流体を（断熱的に）過冷却状態まで膨張させ、（４）好ましくは、衝撃波を発生させることによって凝縮を誘発し、（５）凝縮ステップによって放出された熱で作動流体の圧力と温度を上昇させ、（６）加熱・加圧された流体を膨張させて仕事を発生させ、それによって流体を冷却して圧力を低下させ、（７）凝縮物を除去し、（８）流体が所望の最終状態になるまでステップ２からステップ７を繰り返し、（９）高液滴含有量の排気流体を入口に戻し、ステップ１の新鮮な流入流体と混合してプロセスを繰り返す。

【0057】

本発明は、好ましい実施形態を参照して説明された。変形および変更は当業者には明らかであり、本発明はそのような変形および変更を包含する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】