(57)【要約】  ガスタービンはガス流量の変動に対して効率の低下が大きい。この課題解決の一手法として可変ノズル付タービンが存在するが、パーシャル効率は良いとはいえず、耐熱可動部品の点数が多いという問題があった。本発明による可変ノズル数タービンは、動翼へガスを噴射する一連のノズルの入口部分をグループにまとめて円弧上に配置し、これらの入口部分に共通した単一の開閉弁を備えることにより、流入ガス量の変化に対して効率の低下の無いガスタービンを1つの耐熱可動部品の増加で解決した。更に、圧縮タービンに対して本発明の可変ノズル数タービンを回生機として組み合わせることにより、サージ限界の無いタービン式圧縮機を実現した。  これらのタービンにより、パーシャル燃費を改善した小型のガスタービン機関や、容積型機関の効率を向上させ排気から発電が可能なターボチャージャーが実現する。なお、本発明に関しては実施許諾の用意がある。
2008020619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンの動翼へガスを噴射する一連のノズルの入口部分をいくつかのグループにまとめて円弧上に配置し、これらの入口部分に共通した開閉弁を設け、当該開閉弁を回転させることにより作動ノズルの数を増減させることを特徴としたガスタービン。
【請求項２】
少なくとも１つの請求項１のガスタービンを含むノズル総開口面積を可変とする機構を備えたタービンを直列多段に備えた多段タービンであって、それぞれのタービンのノズル総開口面積を可変とする機構を独立して動作可能としたことを特徴とした多段タービン。
【請求項３】
複数の軸を備え、少なくとも１つの請求項１のガスタービンを含むノズル総開口面積を可変とする機構を備えたタービンを直列多段に備えた多段タービンの制御方法であって、流入するガス圧が低下すると後段の側から順番にノズル総開口面積を最大とすることを特徴とする多段ガスタービンの制御方法。
【請求項４】
排気タービンとして請求項１のガスタービンを備えた容積型内燃機関。
【請求項５】
圧縮タービンと、当該圧縮タービンから供給される圧縮ガスにより駆動される請求項１のガスタービンを回生機として備えたことを特徴とした、タービン式圧縮機。
【請求項６】
請求項５のタービン式圧縮機を過給タービンとして備えた内燃機関。
【請求項７】
流体圧で選択的に駆動される２つのピストンと、一方のピストンが作動すると開閉弁を１段階作動ノズル数が増える方向に動作し、他方のピストンが作動すると１段階開閉弁を作動ノズル数が減る方向に動作する駆動系を備え、当該ピストンから開閉弁までの駆動系に送り機構を備え、更に作動後に両ピストンに掛かる荷重を等しくする機構と、当該両ピストンを標準位置に戻すスプリングと、開閉弁をノズルが半開状態とならない位置に留める位置決め機構を備えたことを特徴とした、請求項１のガスタービンのノズル開閉弁制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流入ガス量が大きく変化する用途に対して常に高い効率を実現するガスタービンとその利用に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、コンパクトで効率が高く、往復部が無いのでフリクションが少なく、軸受け以外に摺動部がないので高温に強い優れた特性を有している。そのため容積型機関の排気ガスに残る圧力エネルギーを動力に変換する排気ガスタービンとして使われることも多い。【０００３】
しかし、車両などの移動体で用いられる原動機の回転数や負荷は、移動体の加速状態や路面の傾斜などの運転状態により大きく変動し、通過ガス量は大きく変化する。それに対してガスタービンは設計されたガスの供給圧力と流量から外れたところでは効率が大きく低下する。そのためガスタービン機関や排気タービン付の内燃機関を移動体などで利用すると、パーシャル効率が低く、実用燃費が悪いという問題がある。【０００４】
この点を少しでも改良するために、ガスタービンのノズルを構成するベーン（ｖａｎｅ） の角度を変化させ、タービンのノズルの総開口面積を変える可変ノズル付タービン（ｖａｒｉａｂｌｅ  ｎｏｚｚｌｅ  ｔｕｒｂｉｎｅ）があり（例えば、特許文献１参照）、車両用ターボチャージャー（ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ）などに用いられている。
【特許文献１】特開２００１−１２２５２公報  図２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
可変ノズル付タービンのベーンの角度を変えることにより形成されるノズル形状は先端が細い先細ノズル（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ  ｎｏｚｚｌｅ）形状であり、ガス流速が音速になる限界圧力（ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）までしか用いることは出来ないものである。またベーンの角度を動かせば、ガス流速に対するタービンの周速度と動翼の流入角と流出角との関係が理想的な状態から外れてくるので、効率の最大ポイントからガス流量が変化すると効率が悪化することには変わりがなかった。また、温度変化が大きいハウジングに挟まれ、高温にさらされるベーンを可動可能とするためには充分なクリアランスが必要で、漏れが生じる問題があり、耐熱部品の多さも問題である。【０００６】
タービン型圧縮機はコンパクトで効率が高い特徴から、容積型機関の過給機のように比較的低い圧力で大量のガスを圧縮する場合に適したものである。しかし、出力タービンとして用いる場合と同様に、設計されたガスの供給容積と圧縮比から外れたところでは効率が大きく低下し、更に圧縮比に対して通過ガス量が少なければサージング（ｓｕｒｇｉｎｇ）を起こし、騒音を発し、機能が低下する問題がある。そこでパーシャル状態とするにはサージバルブを設けて過給した空気を開放したり、スロットルバルブで入口に絞りを入れたりして通過ガス量を調整する必要があった。これらは圧縮機に無駄な仕事をさせることであり、効率の点で問題があった。【０００７】
容積型機関に用いる、排気タービンにより過給タービンを駆動するターボチャージャーでは、効率の良い領域が狭いというタービン型圧縮機の特性上、機関の中速域に合わせてタービンが最適設計されるのが一般的である。そのため高速域ではタービン回転数が限界を超えて上昇しないように、ウェイストゲートバルブ (ｗａｓｔｅｇａｔｅ  ｖａｌｖｅ)で排気を大気圧に開放して入口圧力の安定化を図っている。またタービン回転数に対して容積型機関の回転数が遅い場合には、サージの発生を避けるためにサージバルブで過給したガスの一部を開放するなどの手法がとられる。これらはエネルギーを無駄に捨てるものである。【０００８】
排気タービンの入口圧力が変化せず、負荷も安定していれば排気タービンの回転数はほぼ一定になるので、機関の回転数が上昇しても過給タービンの回転数は変わらず、過給タービン出口部の面積でチョークされるとそれ以上の重量のガスは供給できない。機関が高速域でより多くの体積のガスを吸気としてシリンダー内に取り入れようとしても、ガスの重量は変わらないので過給圧が低下するだけで、出力は変わらずにトルクが減少する。そのためターボチャージャー付機関は中速域でトルクが大きい特性となり、無過給機関と比べて同一出力で最大トルクがかなり大きい特性となる。これは手動変速を備えた車両では運転がしやすい利点ともなるが、トルクによりサイズが決まる自動変速機や発電機と組み合わせる場合にシステム全体が大型化する問題がある。
【課題を解決するための手段と発明の効果】
【０００９】
本発明の第１の課題解決手段は、タービンの動翼へガスを噴射する一連のノズルの入口部分をいくつかのグループにまとめて円弧上に配置し、これらの入口部分に共通した開閉弁を設け、当該開閉弁を回転させることにより作動ノズルの数を増減させることを特徴としたガスタービンタである。以下、本課題解決手段によるガスタービンを可変ノズル数タービン（ｖａｒｉａｂｌｅ  ｎｏｚｚｌｅ  ｎｕｍｂｅｒ  ｔｕｒｂｉｎｅ）と呼ぶ。
【００１０】
可変ノズル数タービンは、ノズルの数を変化させることによりノズルの総開口面積を変化させガス流量の変化に対応する。ノズル自体は固定されているので、タービン回転数が安定した使い方では、タービンの周速度と動翼の流入角と流出角との関係は一定しており、ガス流量が変化しても効率を高く保つことが出来る。そのため従来の可変ノズル付タービンと比較してパーシャル効率が向上する利点がある。また、ノズル形状の自由度が高く、音速以上の流速を実現する末広ノズル（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ  ｎｏｚｚｌｅ）形状とすることもでき、音速流体の衝撃波に対しても高い剛性が確保できる利点がある。このことにより高い圧力に対しても一段のタービンで効率良く動力に変換可能となる。
このノズルの開閉は、タービンの軸を中心に回転する開閉弁により行われ、最低数の耐熱部品の増加で実現できる。また開閉弁のシール面はタービン軸を中心とした単純な面で構成されるので、熱歪に対してシール性を維持するのが容易な特徴を持つ。
【００１１】
可変ノズル数タービンは、使用状態の中で負荷が変動するガスタービン機関に利用する場合にパーシャル効率が向上するため有効なものである。また２ストローク、４ストローク、６ストロークサイクル機関などの容積型機関の排気タービンとして利用した場合に、使用頻度の高い低負荷の状態で効率良く外部に動力を取り出すことができる。これまで車両では実用されなかったターボチャージャーによる発電が行えるようになる利点がある。
【００１２】
なお溶着を考慮すると、当該ノズル開閉弁はタービンハウジングとは別の素材であることが望ましい。タービンハウジングが耐熱合金で作られるのであれば耐熱セラミックで作られることが望ましい。また、ノズルの数を減らした場合、動翼内のガスの流れが断続するので、動翼部で圧力変化のない衝動タービンもしくはそれに近いタービンとして設計することが望ましい。
【００１３】
本発明の第２の課題解決手段は、少なくとも１つの第１の課題解決手段によるガスタービンを含むノズル総開口面積を可変とする機構を備えたタービンを直列多段に備えた多段タービンであって、それぞれのタービンのノズル総開口面積を可変とする機構を独立して動作可能としたことを特徴とした多段タービンである。
【００１４】
本発明の第２の課題解決手段によるガスタービンは、１軸のタービンで高い流入圧に対応可能で、かつガス流量の変化により効率良く対応できるタービとなる。多段にすれば音速以下のガス流速を用いる場合でも、１段当りの出口入口の圧力比を１．９として、２段にすれば３．６気圧、３段にすれば６．８気圧までの高い圧力を扱うことが出来る。
【００１５】
本課題解決手段による多段タービンではガス流量の低下に対応するためには、タービンの総開口面積を基本的には流量に比例して減少させるが、入口圧力の低下により効率よく対応するために、圧力の低下と共に後段のタービンのノズル総開口面積を余計に減少させる。タービン入口圧力が低下した場合は、タービン一段当たり出口入口の圧力比が下がることにより、流速が低下するが、それ以上にガスの膨張率が小さくなり、後段に入るガスの容積流量は余計に下がるからである。
【００１６】
本発明の第３の課題解決手段は、複数の軸を備え、少なくとも１つの第１の課題解決手段によるガスタービンを含むノズル総開口面積を可変とする機構を備えたタービンを直列多段に備えた多段タービンの制御方法であって、流入するガス圧が低下すると後段の側から順番にノズル総開口面積を最大とすることを特徴とする多段ガスタービンの制御方法である。
【００１７】
本発明の第３の課題解決手段による制御方法は、前段のタービンの回転数の維持が、より低い流入ガス圧に対して可能な利点がある。内燃機関のターボチャージャーとして用いる場合など、前段で過給タービンを駆動する構造とすれば、機関の負荷が下がり流入ガス圧が低下した場合に、前段のタービンの回転数が維持できなくなる前に、後段のポート面積を最大とし、前段のタービンの出口入口圧の比を大きくする。このように本課題解決手段による制御により、前段のタービンの回転数をより広い領域で維持することができるので、過給圧をより安定させることができ、機関負荷の増大に対してレスポンスが向上する。２段目のタービンのノズル開閉弁手前にウェイストゲートバルブを設けて圧力を開放しても同様の効果があることは自明であるので、この手法は入口ガス圧が所定圧以下に低下すると後段のタービンのノズル総開口面積を最大化する本発明の概念に含まれるものである。
【００１８】
また複数の軸を備えることにより、回転数が異なるタービンの組み合わせにも対応が可能なので、例えば前段のタービンは超音速のガス流速を用いるものとし、後段は音速以下のガス流速を用いることもできる。この場合、ノズル総開口面積の制御の仕方を、超音速を用いる前段は効率の低下する超過膨張（ｏｖｅｒ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）を避け、入口出口の圧力比は変えないように制御し、後段の音速以下のガス流速を扱うタービンだけで圧力変化に対応し、最終的に圧力の低下に伴いタービンのノズル総開口面積を最大とする制御を行なうことでも、２段で４気圧から７気圧くらいまでの変化に対応可能で、かつ前段で駆動する過給タービンは安定した回転数に保つことができる。
【００１９】
本発明の第４の課題解決手段は、排気タービンとして第１の課題解決手段によるガスタービンを備えた容積型内燃機関である。
【００２０】
第４の課題解決手段による内燃機関は、機関回転数が変化し排気ガス量が変わっても、排気に残る圧力エネルギーを効率良く動力に変換できる利点を持つ。
【００２１】
本発明の第５の課題解決手段は、圧縮タービンと、当該圧縮タービンから供給される圧縮ガスにより駆動される第１の課題解決手段によるガスタービンを回生機として備えたことを特徴とした、タービン式圧縮機である。
【００２２】
本発明の第５の課題解決手段によるタービン式圧縮機は、通常サージが発生するガス流量でも、圧縮ガスを可変ノズル数タービンに循環させ、圧縮タービンの仕事のエネルギーを回生しながら、サージングを回避するものである。サージバルブと異なりエネルギーを無駄に捨てること無く、サージ領域を気にせず圧縮タービンを使用できるようになる利点がある。
【００２３】
なお本課題解決手段によるタービン式圧縮機は、回生機である可変ノズル数タービンを同軸に備えたものに限らない。圧縮タービンで生成した余分な圧縮ガスを可変ノズル数タービンでエネルギーを回生できれば良いので、回生機が独立した軸を有し発電機などの別の機器を駆動するものなどが含まれる。
【００２４】
本発明の第６の課題解決手段は、第５の課題解決手段によるタービン式圧縮機を過給タービンとして備えた内燃機関である。
【００２５】
本発明の第６の課題解決手段による内燃機関は、過給タービンは流量が変化しても常に高い効率で過給が可能なので、機関回転数の高いところにタービン特性を合わせて設計しても、機関回転数の低いところでも、ノズル開閉弁を開くことにより回転数を下げずに運転が可能である。そのため通常の過給タービンを使用した場合と異なり、機関最高回転数近くの吸気量に合わせて過給タービンを設定しても、機関回転数が低い場合にも過給圧を維持できるため、機関のトルクをフラット化できる効果がある。この特徴は機関の大きさの割合に高い出力を実現することができる利点となると同時に、よりコンパクトな変速機や発電システムを選択できる利点となる。特に自動変速機と組み合わせた車両では、同一出力の無過給機関と同じサイズの変速機が使えることは、車両に対する搭載が容易となり、無過給機関との互換性が高まり、利点として大きい。
【００２６】
また、機関回転数によらずにタービン回転数により過給圧を変化させ機関トルクを制御することができるので、スロットルバルブによるポンピングロスを無くし、燃費効率を高めることができる。通常の使用ではサージバルブやウェイストゲートバルブなどで高圧ガスを無駄に捨てる必要がないことも燃費の改善に効果がある。
【００２７】
本発明の第７の課題解決手段は、流体圧で選択的に駆動される２つのピストンと、一方のピストンが作動すると開閉弁を１段階作動ノズル数が増える方向に動作し、他方のピストンが作動すると１段階開閉弁を作動ノズル数が減る方向に動作する駆動系を備え、当該ピストンから開閉弁までの駆動系に送り機構を備え、更に作動後に両ピストンに掛かる荷重を等しくする機構と、当該両ピストンを標準位置に戻すスプリングと、開閉弁をノズルが半開状態とならない位置に留める位置決め機構を備えたことを特徴とした、第１の課題解決手段によるガスタービンのノズル開閉弁制御システムである。
【００２８】
本発明の第７の課題解決手段によるノズル開閉弁の制御システムは、タービン入力圧力などの流体圧を動力源として可変ノズル数タービンのノズル開閉弁をステップ状に動作する機能を備えたものとなる。高価な部品であるサーボモーターやその電源を必要とせず、低コストである。電子部品のメンテナンスが難しい場合など、電子部品を使用しない制御システムとして有用である。起動トルクが大きく、開閉弁がロックを起こさない利点もある。後述する実施例は、全て流体圧による制御部品で構成しているが、当該実施例をベースとして一部の部品を圧力スイッチや電磁切換弁や単純なロジック回路などの簡易な電子部品に置換することも可能である。更に複雑な制御を行いたい場合には、圧力センサ、位置センサ、コンピュータなどに置換していくことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１の課題解決手段によるガスタービンの断面図（実施例１）
【図２】第１図のガスタービンのＺ−Ｚ拡大部分断面図（実施例１）
【図３】第２の課題解決手段による二段ガスタービンの断面図。（Ｂ）図は（A）図のＹ−Ｙ断面図となっている。（実施例２）
【図４】実施例２のタービンのノズル開口数制御マップ。左図は第１タービンのものであり、右図は第２タービンのものを示す。（実施例２）
【図５】第２の課題解決手段による第２の実施例の多段ガスタービンの断面図（実施例３）
【図６】第３の課題解決手段による実施例３のタービンのノズル開口数制御マップ。左図は第１タービンのものであり、右図は第２タービンのものを示す。（実施例３）
【図７】第５の課題解決手段による回生機を備えたタービン式圧縮機（実施例４）
【図８】同、タービン式圧縮機の特性図（実施例４）
【図９】第６の課題解決手段による内燃機関の第１の実施例の模式図（実施例５）
【図１０】第６の課題解決手段による内燃機関の第２の実施例の模式図（実施例６）
【図１１】第６の課題解決手段による内燃機関の第３の実施例の模式図（実施例７）
【図１２】第４と第６の課題解決手段を採用した６サイクル機関のノズル開閉弁制御システム図である。（Ｂ）図は補助図である。（実施例８）
【図１３】第７の課題解決手段によるノズル開閉弁の制御システム。（Ａ）図は開閉弁とその駆動ギヤの部分図であり、（Ｂ）図は位置決め機構図である。（実施例９）
【図１４】同、制御システムの送り機構部分図。左図は基準位置、右図は作動位置を示す。（実施例９）
【図１５】同、制御システムの駆動レバーと流体回路図（実施例９）
【符号の説明】
【００３０】
１      容積型機関（６サイクル機関）
２４    アクセルセンサ
５２    回転数センサ
６３    排気触媒
６８    排気センサ
７５    圧力検出兼燃料供給機
８０    排気マニホールド（燃焼室を含む）
８８    排気タンク
９０    流体路
９１、９２    ピストン
１５１、１５１Ｂ  発電機
１６１    トルクリミッター
２００    回生機付タービン式圧縮機
２００ｂ  圧縮機吸入口
２００ｄ  回生タービンのガス排出口
２２０    エアタンク
２２１    吸気マニホールド
２５０    タービン駆動モーター
２６０、３６０、４６０、４７０    回転アクチュエータ
２８０    圧縮タービン
２９０    圧縮機スクロール室
３００    スクロール型可変ノズル数タービン
３１０、３１０Ｂ、３１５  ノズル開閉弁
３１０ｂ  同、ストッパー
３１１、３１２、３１１ｂ、３１２ｂ  ノズル開閉弁の開口部
３３０、３４０、３５０    タービンハウジング
３３１、３３２    ノズル
３３４    ３３２のノズル開口部
３３６    ハウジング組み付け金具
３６１、４６１、４７１  駆動ギヤ
３６２、３６５、３７１、３７５、３７８    スプリング
３６３    ローラー付アーム
３６４    ラチェット
３６６    ラチェットホルダー
３６７    ラチェットコントロールプレート
３６８    ２段飛び防止プレート
３６９    固定ピン
３７０    駆動レバー
３７２、３７３    ポペットバルブ
３７４    ダイヤフラムバルブ
３７６、３７７    バルブ
３８０、３８０Ｂ  出力タービン
３８５    回生タービン
３８８、３８８Ｂ    タービン軸
４００、４００Ｂ    軸流型ガスタービン
４１０    １段目のタービンのノズル開閉弁
４２０    ２段目のタービンのノズル開閉弁
４２１、４２１ｂ、４２２、４２２ｂ   ２段目のタービンのノズル開閉弁の開口部
４４１、４４２    ２段目のタービンのノズル
４８０    軸流タービン主軸
４９０    ２段目のタービン
４９５    ワンウェイクラッチ
５５０    機関出力補助モーター
５６０    モーター制御機
５６１    動力線
５８０    バッテリー
６１０    コンピュータ
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、実施例に基づき本発明の実施形態を説明する。
【実施例１】
【００３２】
図１は本発明の第1の課題解決手段の実施例であるスクロール型のガスタービン３００の断面図を示す。ノズル開閉弁３１０には外部から回転を受けるギヤが内側に切られており、駆動ギヤ３６１により外部より回転アクチュエータ３６０で開閉する。本図ではノズル３３１、３３２は変位図示されており、ハウジング３３０に９０°毎に径方向と軸方向に開口部を持つ４つのグループに別れ、交互に、点対称に全部で１６配置されている。本実施例では開閉弁に掛かる圧力荷重を均等にするためにノズルは点対称に配置されているが、機能的には必ずしも点対称の配置とする必要は無い。【００３３】
図２は、図１のガスタービンの開閉弁３１０より内側の拡大Ｚ−Ｚ断面図を示す。タービン３８０は断面図とせずに正面図で示してある。１点鎖線の右側はタービンハウジングを省略し、開閉弁を実線で、ノズル入口形状の想像線を１点鎖線で示している。開閉弁３１０にはノズルの開閉のための開口部３１１、３１２、３１１ｂ、３１２ｂがタービン３８０の回転軸を中心に点対称に合計４つ設けられている。本実施例では、このうち３１１と３１１ｂは円筒面上にあり、３１２、３１２ｂは円盤上の面にある。このようにノズル開口部はタービン軸を中心とした回転面であれば、円筒面、円盤面、円錐面や球面等の単純な面に配置することができる。シール面は片面で行なえ、ガス圧による押し付け力もあるので、温度変化に対してシール性の確保は容易である。【００３４】
タービン軸を中心とした開閉弁３１０の回転によりノズルは開閉されるが、本図の位置では１６個のノズルのうち、入口が円筒面にあるノズル３３１、３３１ｂが点対称に２個ずつの計４個、入口が円盤面にあるノズル３３２、３３２ｂが点対称に３個ずつ計６個の合計１０個のノズルが開き、ガスをタービンに向けて噴出している状態となっている。最低は２個のノズルが開いた状態から点対称にあるノズルを２個ずつ同時に開くことにより、最大１６個のノズルを開口することができる。その間、ノズル開閉弁３１０は８０°弱回転する。【００３５】
本実施例では開閉弁の動作はノズル入口が半開状態になることがないようにステップ状に行っている。ノズルが半開であるとそのノズル内のガス流速はバルブで絞られて他のノズルの流速より遅くなり、かえって抵抗となるからである。ノズルの数が充分多ければ、開閉弁を連続的に動かしても抵抗の増加も少なく特に問題が生じるわけではない。【００３６】
ここで各ノズルは流速が等しければ良く、通路面積は同一であることを要しない。たとえば最も狭いノズルは機関のアイドル時に必要な面積にあわせることも可能である。またタービンのノズル数が２つ単位で増減することにより、ノズル数が少なくなるとノズル数が１段階変化しただけでもノズル面積の変化は大きくなる。たとえばノズル数２で使用していた場合にノズル数を４に変化させた場合、ノズル面積は同一面積とすると２倍にも変化することとなるので、ノズル数が最初に増える際に開くノズルの通路面積を特に小さくして、この変化率を小さくすることもできる。
【実施例２】
【００３７】
図３は、第１の課題解決手段による軸流タービンを同軸に２段備えた、第２の課題解決手段による２段タービン４００である。（Ｂ）図は、（Ａ）図のＹ−Ｙ断面図となっている。ノズル開閉弁４１０、４２０には外部から駆動するためのギヤが切られており、駆動ギヤ４６１、４７１により回転アクチュエータ４６０、４７０で駆動される。【００３８】
（Ａ）図は、（Ｂ）図のタービンを左側から第２タービンのノズル開閉弁４２０とタービンハウジング３３０にあるノズル入口を見た正面図である。４２１、４２１ｂ、４２２、４２２ｂはノズル開閉弁４２０の開口部であり、これらの開口部からタービンのノズルの入口４４１、４４２が見えている。本実施例ではノズル開口部はすべて円盤面上に配置されている。ノズル開閉弁４２０は運転状態により外部から駆動され回転し、作動ノズル数を変える。本実施例ではガス流がタービン軸から遠ざかる方向のノズル４４１が点対称に片側８個の計１６個、タービン軸に近づく方向のノズル４４２が点対称に片側８個の計１６個の全部で合計３２個のノズルがあり、ノズル位置は９０°毎に径方向に交互にまとまって配置されている。本図はこれらのノズルがすべて開いた時の開閉弁位置を示している。本実施例では開閉弁の開閉は、最低は４個のノズルが開いた状態から９０°おきの位置にあるノズルを４個ずつ同時にステップ状に開くことにより行なう。1段目のタービンもこのノズル開閉弁の構成は同様となっている。【００３９】
図４は本実施例のタービンのノズル開口数制御マップである。横軸はガスタービン全体の入口の流入圧力であり、縦軸はその時間当たりに流入するガス容積であるガス流量を表している。左図は1段目と２段目の出口入口圧力比が均等であると仮定した場合の、１段目のタービンの開口ノズル数の制御マップである。１段目のタービンの出口流速は出口入口の差圧の出口圧力に対する割合の平方根に比例し、ガスの体積は出口入口圧力比に反比例して膨張するので、流入圧力の下がり方が少ない間はタービン全体の入口ガス容積流量にほぼ比例したノズル数となるが、流入圧力が大きく低下するとノズル出口の流速の低下が大きく、ノズル数をより多く必要とするようになる。流入圧力が低くガス流量が多いマップ左上の領域に、全てのノズルを開いた場合でもノズル数が不足する領域が存在するが、排気タービンとして用いる場合では機関が低負荷高回転で駆動している場合であり、その頻度は低く効率は問題とならない。実際に機関と組み合わせた場合にこの領域に流入圧力とガス流量があると、ノズル出口でチョークされ流入圧力が高まり、時間経過に従いノズルの数に見合った領域まで移行する。【００４０】
右図は本実施例の２段目のタービンのノズル開口数制御マップである。ここでの流入圧力とガス流量は左図と同じガスタービン全体の入口圧力とガス流量である。流入圧力が最大のときはガス流量に比例したノズル数となっている。しかし流入圧力が最大圧から低下すると１段当たりのタービンの入口出口圧力比が下がり、１段目のタービンのガスの膨張率が下がるので最大圧のときと比較すると１段目のタービンへのガス容積流量の減少以上に２段目のガス容積流量の減少率が大きい。そのため２段目のタービンはノズルの総開口面積をより減らす必要が生じる。更に大きくガス圧が低下すると一段目と同様にノズル出口の流速の低下が大きく、ノズルの総開口面積は多く必要となるのでこのような制御マップとなる。
【実施例３】
【００４１】
図５は第２の課題解決手段による第２の実施例の断面図を示す。ノズル開閉弁などの構造は図３の実施例と同一である。本実施例の２段目のタービン４９０は主軸４８０に対してワンウェイクラッチ４９５を介して接続しており、実質的に２軸タービンとなっている。タービン全体の入口ガス圧が低下して一段で吸収できるガス圧になると、２段目の開閉弁は全開となりノズルの総開口面積を最大として、１段目のノズル出口流速を維持し主軸４８０の回転数を維持するように作動する。このとき２段目のタービンノズルからの噴出ガス流速は遅くなるので、２段目のタービン４９０の回転数は下がりワンウェイクラッチ４９５はフリーになり、1段目のタービンのみで主軸４８０は駆動される。【００４２】
図６右図は本実施例の２段目のタービンのノズル開口数制御マップである。流入圧力が高いときは基本的に図４と同様である。流入圧力が１段のタービンのみで対応できる圧となると、２段目のタービンのノズルを全て開くことによりノズルの総開口面積を最大として、２段目のタービンの入口ガス圧を下げる。【００４３】
図６左図は本実施例のタービンの１段目の開口ノズル数の制御マップである。流入圧が所定圧以下に低下し２段目のタービンのノズルが全て開くと、１段目のタービンの出口圧力は大気圧に近づくのでノズル出口のガス容積流量は多くなる反面、入口出口圧力比の上昇により流速は上がる。実施例の切り替え圧では流速が上がる効果の方が大きく、２段目のバルブを全部開いた場合には１段目のノズルの数は多少減らす必要が出るためにこのような制御マップとなる。【００４４】
以上のようなマップで制御することにより、ガス流量や流入圧力が低下した場合にも効率良く動力に変換できるばかりでなく、上流のタービン回転数は全負荷時に近い回転を低負荷時にも維持することができ、次に機関の負荷が高くなった場合に１段目のタービン軸の回転数が高く維持されているので、それにより駆動される過給タービンなどを速やかに高負荷状態に移行できる利点がある。
【実施例４】
【００４５】
図７は第５の課題解決手段によるタービン式圧縮機の断面図である。圧縮タービン２８０により作られた圧縮ガスの一部により駆動される回生機としての可変ノズル数タービン３８５を背面に備えている。当該タービン３８５は圧縮タービンのスクロール室２９０に開閉弁３１５を備えており、圧縮タービンにより圧縮された余剰ガスを温度低下しないうちに速やかに駆動力に回生し、入力軸２８８からの駆動力と共に圧縮タービン２８０を駆動する。【００４６】
図８はそのタービンの特性図を示す。横軸は圧縮機全体の出口のガス容積流量であり、縦軸は圧縮圧力である。太い実線で表した右下がりの曲線は設計回転数の１００％、９０％、７０％の回転数での圧縮タービン２８０単独の特性である。右上がりの斜めの太い実線は圧縮タービン２８０単独のサージラインを示している。このラインより左側はサージが発生するサージ領域である。そのためサージラインから遠ざけた領域で使用したいわけであるが、圧縮タービンの効率の良い領域はサージラインのすぐ右側の特性曲線の圧力の高い領域に存在するので、そのような使用は効率が低下する。【００４７】
それに対して点線は本課題解決手段によるタービン式圧縮機の特性を示している。回生機である可変ノズル数タービンのノズルを全て閉じた場合には実線のタービン２８０単独の特性を持つ。流量が減ると、サージ領域に入る前に可変ノズル数タービンの開閉弁を開き、作動ノズル数を０から２つずつステップ状に１６まで作動させることでこのような特性となる。開閉弁を全閉とする必要がある点は、排気タービンとして使用する場合と異なる特徴である。【００４８】
本課題解決手段による回生機を備えたタービン式圧縮機は、圧縮タービン２８０を圧縮圧力の高い効率の良い領域で常に使用できるので、広い領域で効率良い圧縮機となる。当該実施例では、流量が０に近い領域で過給機としての使用に対しては実用上問題ない範囲でサージ領域を残しているが、回生機としての可変ノズル数タービンを更に少し大きいものとすれば、この領域を完全に無くすことも可能である。
【実施例５】
【００４９】
図９は第６の課題解決手段による内燃機関１の模式図である。本実施例から第７の実施例では排気タービンにも本発明の可変ノズル数ガスタービンを使用しており、第４の課題解決手段の実施例にもなっており、その出力を発電機１５１で電力に変換している。この電力でモーター２５０を駆動し、過給機としての本発明による回生機付圧縮タービンを駆動している。モーター２５０によりタービンの回転数を制御することにより、過給圧を制御することができる。【００５０】
機関は回転数が増えるとそれに比例して吸気ガスの流入も増え、過給圧に比例してトルクが増える。図８の特性のタービンを内燃機関の過給機として用いた場合、横軸は機関回転数、縦軸はそれに対する機関が出力可能な限界トルク特性を示していると理解することができる。フラットなトルク特性を実現可能であることと、そのトルクを過給タービンの回転数で制御可能なことを示している。また、回生に用いる可変ノズル数タービンは、細いノズルを数多く持つ方が機関のトルク特性がフラットになること、特に開閉弁が全開に近い方のノズルの面積を小さくした方がその効果が高いことが理解される。
【実施例６】
【００５１】
図１０は第６の課題解決手段による内燃機関の第２の実施例の模式図である。排気タービンとしての可変ノズル数タービン３８１の出力により本発明のタービン式圧縮機を駆動し、過給気を機関１に供給している。余剰出力は発電機１５１で電気に変換している。この発電機の負荷を変えることにより、タービンの回転数を制御し、過給圧を制御している。タービンシャフトが長くなり共振振動が発生しやすいので、共振トルクを下げるトルクリミッター１６１を備えている。
【実施例７】
【００５２】
図１１は第６の課題解決手段による内燃機関の第３の実施例の模式図である。排気タービンとして２段の可変ノズル数タービン３８０、３８０Ｂを備えているので、更に第２の課題解決手段にもなっている。１段目の可変ノズル数タービン３８１の出力により圧縮タービン２８０を駆動し、余剰出力は発電機１５１で電気に変換している。この発電機の負荷トルクを調整することにより、タービンの回転数を制御し、過給圧を制御している。過給気の一部により駆動される回生機である別軸の可変ノズル数タービン３８５と、２段目の排気タービン３８０Ｂにより発電機１５１Ｂを駆動し、ここでも発電を行っている。
【実施例８】
【００５３】
図１２は第４と第６の課題解決手段を採用した６サイクル機関の制御システムの模式図である。本発明によるタービン式圧縮機を過給タービンとして、本発明の可変ノズル数タービンを排気タービンとして備えた６サイクル機関1であり、その構成は図９の模式図と同じである。（Ｂ）図は（Ａ）図で表示できなかった動力線を示すための補助図であり、機関１を上方から見た図となっている。
制御コンピュータ６１０は排気タービンの入口圧である排気圧を検知する手段７５と、機関回転数を検知する手段５２と、アクセル開度を検出する手段２４を備えている。モーター制御機５６０は発電機１５１の発電トルクと、タービン駆動モーター２５０のトルクと、機関出力補助モーター５５０のトルクをコンピュータの指示に従い制御する手段を備えている。コンピュータ６１０は排気圧に対して排気タービンが常に適切な回転数になるように発電機１５１の回転数を指示し、アクセルセンサ２４の検出値により過給圧を制御するために、モーター２５０の回転数の指示を与え、機関出力補助モーター５５０のトルクを指示している。機関出力補助モーター５５０は主に発電機１５１からの電力で駆動されているが、一時的な電力の過不足はバッテリー５８０により補われる。【００５４】
更にコンピュータ６１０には、可変ノズル数タービンの開閉弁を開閉するアクチュエータ３６０、２６０を駆動する手段が備えられている。機関の回転数センサ５２の検出値と、モーター２５０の回転数から判断しアクチュエータ２６０を駆動し、タービン式圧縮機２００の圧縮タービンがサージ領域に入らないように回生タービンのノズル数を制御している。過給タービンの出口にはエアタンク２２０が備えられ、機関の吸気による脈動を吸収しタービンのサージの発生を抑制している。また、機関の回転数及びアクセル開度に対して適切な排気圧となるように、排気圧検出値から判断してアクチュエータ３６０を駆動し、排気タービンのノズルの数を制御している。【００５５】
ここで、排気圧を一定に保つのであれば、排気圧検知手段７５は圧力スイッチで充分である。また、過給タービン回転数としてのモーター２５０回転数と機関回転数検出値から排気圧を推定するなど、代換手段により排気圧検知手段を省略することも可能である。
【実施例９】
【００５６】
図１３以下は、第１の実施例のタービンのノズル開閉弁に対して、第７の課題解決手段によるタービンのノズル数制御システムを適用した場合の機構説明図である。図１３（Ａ）図は開閉弁３１０とその駆動ギヤ３６１を示す部分図である。タービン、ハウジング等は省略してある。駆動ギヤはシャフト３６１ｂ部分を断面として表示しており、この部分がハウジング３４０に回転可能に勘合している。駆動ギヤが６０°回転するごとに開閉弁はノズルを２つずつ増減する。３１０ｂはハウジング３４０にある２点鎖線で示した溝に対して開閉弁の可動範囲を決めているストッパーである。【００５７】
図１３（Ｂ）図は、ハウジング３４０の外部にある駆動ギヤと一体となっているカム３６１ｃと、スプリング３６２でカムに押し付けられたローラー付アーム３６３による位置決め機構を示している。駆動ギヤを６０°ごとに位置を固定する働きをしている。本図で駆動ギヤ３６１は省略してある。【００５８】
図１４は、送り機構を示している。駆動ギヤにはカム３６１ｃを介して一体となっているリング３６１ｇが備えられおり、外側に６つの爪３６１ｄと内側に６つの溝３６１ｆが形成されている。このリングの内側には右回り用と左回り用のラチェット３６４とラチェットスプリング３６５が組み込まれたラチェットホルダー３６６が摺動回転可能に勘合している。ラチェットホルダー３６６は断面を示しているがハッチングは省略している。左図が標準位置を示し、ここからでは、ラチェットホルダーが左右どちらに回転しても、ラチェットが溝３６１ｆにかみ合い駆動ギヤを共に回転させる。右図はラチェットホルダーが標準位置から右に６０°回転した動作状態を示している。動作位置からラチェットホルダーが左図の標準位置に戻る場合には、ハウジングに固定されたラチェットコントロールプレート３６７の存在により、回転する方向のラチェット３６４は引っ込み、溝にかからずに、駆動ギヤは位置決め機構により右図の位置に留まる。ラチェットコントロールプレートは同時にラチェットホルダーがリング３６１ｇから抜けるのを防止している。【００５９】
２段飛び防止プレート３６８は、ハウジングに固定されたピン３６９に回転可能に勘合されており、左図の標準状態では駆動ギヤの動きと干渉しないが、長穴３６８ｈの内側に勘合しているピン３７０ａの作動により回転し、右図のように動作状態では爪３６８ｂが駆動ギヤの爪３６１ｄと干渉し、１動作で６０°を超えて駆動ギヤが回転するのを防止する。【００６０】
図１５は、駆動レバー３７０と圧力回路の説明図である。レバー３７０はプレート状のもので、前出のピン３７０ａはこのレバーの両面に突き出した形で一体に形成されている。飛び越し防止プレート３６８はレバーの背面にある。レバーには、先端にラチェットホルダーに形成されたギヤ３６５ｇと噛合うギヤ３７０ｇが形成されており、シャフト３７０ｂを中心に回転揺動することにより、ラチェットホルダーに回転を与える。レバーに形成された長穴３７０ｈには固定ピン３６９が貫通しており、レバーの揺動角を制限している。スプリング３７１は、固定ピン３６９とレバーに形成されたピン３７０ａを共に弾性的にはさむ形で組み込まれており、外力がかからない状態ではレバーやピストンを標準位置に戻す働きをしている。【００６１】
流体回路図の中の記号でＥは排気圧などのタービン入口圧、Ｘは大気圧を示している。内燃機関の排気には圧力の脈動があるので、先ずタービン入口圧は小型の排気チャンバー８８に導かれ、圧力の安定化が図られる。本駆動システムは、この排気チャンバーの高圧ガスを動力源としている。各バルブは断面を示しているがハッチングは省略している。【００６２】
レバーには２つのポペットバルブ３７２と３７３を作動させるカム３７０ｃが形成されている。レバーが標準位置にある場合には、バルブ３７２は開いており、ガスをバルブ３７６、３７７に供給している。ダイヤフラムバルブ３７４はチャンバー内のガス圧が適切な場合はスプリング３７５と釣り合っているが、その圧に対して一定以上圧力が変化すると、バルブ３７６、３７７を支えているスプリング３７８に打ち勝って、片方のバルブを開き、ピストン９１、９２の一方を駆動する。【００６３】
タービン入口圧Ｅが上昇すると、ダイヤフラムバルブ３７４は右に動き、バルブ３６６が開きピストン９１が駆動され、レバーは下に動き、ラチェットホルダーと駆動ギヤを右に回し、位置決め機構のカムによるトルク抵抗の大きい部分を越えると、バルブ３７２は閉じるが、ピストン内に残る圧がオリフィスから抜ける間にレバーの動作は継続される。レバーの動作完了時には駆動ギヤは位置決め機構により６０°回転し、その位置に留まる。開閉弁はその動きにより、作動ノズルを２つ増やす。このとき、位置決め機構のカム山をローラーが越えた後、レバーに備えられたカム３７０ｃによりバルブ３７３が開き、ダイヤフラムバルブ３７４が作動していた場合には次の動作に備え、ピストン９１の圧を速やかに大気に開放する。ダイヤフラムバルブ３７４が作動していない場合にも、オリフィスから圧が抜ける。ピストンの圧が抜けるとスプリング３７１の作用により、レバー、ラチェットホルダーおよびピストンは標準位置に戻る。【００６４】
逆に入口圧Ｅが下がると、ピストン９２が駆動され、レバーは上に動き、以下同様に開閉弁は作動ノズルを２つ減らす。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明による可変ノズル数ガスタービンは、ガス流量の変動の大きい使用分野で、ガス流量に関わらず常に効率が高く、省エネルギーの出力ガスタービンとして利用性が高い。本発明のタービン圧縮機も含めて小型のガスタービン機関に利用する場合には、従来に比較してパーシャル領域でも効率の高いガスタービン機関を実現することができる。【００６６】
本発明によるタービンを容積型内燃機関の排気タービンや過給タービンとして利用すれば、機関が負荷変動によりガス流量が変化してもこれらのタービンは効率を高く保つことができ、生じた余剰出力を発電等に利用可能になるので、利用性が高い。また本発明の回生機付タービン式圧縮機はサージの発生を無くすることができ、流量に関係なく圧縮圧力を高められるので、これを過給機として利用した容積型機関は、スロットルバルブに変わり過給圧によりトルクを制御することができ、パーシャル域で効率が高められる。またフラットなトルク特性を得ることができるので、自動変速機や発電機と組み合わせるときに全体のシステムがコンパクトにできる利点がある。
【図１】
2008020619.tif 000003
【図２】
2008020619.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008020619.tif 000008
【図７】
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【図８】
2008020619.tif 000010
【図９】
2008020619.tif 000011
【図１０】
2008020619.tif 000012
【図１１】
2008020619.tif 000013
【図１２】
2008020619.tif 000014
【図１３】
2008020619.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2008020619.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月2日(2008.6.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンの動翼へガスを噴射する一連のノズルの入口部分をいくつかのグループにまとめて円弧上に配置し、これらの入口部分に共通した開閉弁を設け、当該開閉弁を回転させることにより作動ノズルの数を増減させるガスタービン（以下、可変ノズル数ガスタービンと言う。）であって、ノズルの入口部分をまとめたグループを複数の円弧上に不連続に配置したことを特徴としたガスタービン。
【請求項２】
ノズル総開口面積を可変とする機構を備えたタービンを直列多段に備えた多段タービンの制御方法であって、各タービンのノズル総開口面積を供給ガス流量の変化に伴い比例して変化させるが、供給ガス圧の変化に対してはガス圧の低下に従い後段のタービンのノズル総開口面積をより減らすことを特徴とした多段タービンの制御方法。
【請求項３】
それぞれ個別の回転数で回転可能なノズル総開口面積を可変とする機構を備えたタービンを直列多段に備えた多段タービンの制御方法であって、流入するガス圧が低下すると後段の側から順番にノズル総開口面積を最大とすることを特徴とする多段ガスタービンの制御方法。
【請求項４】
排気ガスタービンとして請求項１に記載のガスタービン又は、請求項２もしくは請求項３の制御方法を用いた多段ガスタービンを備えたことを特徴とした、容積型内燃機関。
【請求項５】
圧縮タービンと、当該圧縮タービンから供給される圧縮ガスにより駆動されるノズル総開口面積を可変とする機構を備えたガスタービンを回生機として備えたことを特徴とした、タービン式圧縮機。
【請求項６】
請求項５のタービン式圧縮機を過給タービンとして備えた内燃機関。
【請求項７】
流体圧で選択的に駆動される２つのピストンと、一方のピストンが作動すると開閉弁を１段階作動ノズル数が増える方向に動作し、他方のピストンが作動すると１段階開閉弁を作動ノズル数が減る方向に動作する駆動系を備え、当該ピストンから開閉弁までの駆動系に送り機構を備え、更に作動後に両ピストンに掛かる荷重を等しくする機構と、当該両ピストンを標準位置に戻すスプリングと、開閉弁をノズルが半開状態とならない位置に留める位置決め機構を備えた、可変ノズル数タービンのノズル開閉弁制御システム。
【手続補正書】
【提出日】平成20年11月21日(2008.11.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンの動翼へガスを噴射する一連のノズルの入口部分を複数のグループにまとめて２以上の円弧上に不連続に配置し、これらの入口部分に共通した開閉弁を設け、当該開閉弁を回転させることにより作動ノズルの数を増減させることを特徴とした可変ノズル数ガスタービン。
【請求項２】
少なくとも１つの請求項１の可変ノズル数ガスタービンを含むノズル総開口面積を可変とする機構を備えたタービンを直列多段に備えた多段タービンであって、それぞれのタービンのノズル総開口面積を可変とする機構を独立して動作可能としたことを特徴とした多段タービン。
【請求項３】
請求項1の可変ノズル数ガスタービンを直列多段に備えた多段タービンの制御方法であって、各タービンのノズル総開口面積を供給ガス流量の変化に伴い比例して変化させるが、供給ガス圧の変化に対してはガス圧の低下に従い後段のタービンのノズル総開口面積をより減らすことを特徴とした多段タービンの制御方法。
【請求項４】
それぞれ個別の回転数で回転可能な請求項1の可変ノズル数ガスタービンを直列多段に備えた多段タービンの制御方法であって、流入するガス圧が低下すると後段の側から順番にノズル総開口面積を最大とすることを特徴とする多段タービンの制御方法。
【請求項５】
排気ガスタービンとして請求項１に記載の可変ノズル数ガスタービン又は、請求項２もしくは請求項３の制御方法を用いた多段タービンを備えたことを特徴とした、容積型内燃機関。
【請求項６】
圧縮タービンと、当該圧縮タービンから供給される圧縮ガスにより駆動される請求項1の可変ノズル数ガスタービンを回生機として備えたことを特徴とした、タービン式圧縮機。
【請求項７】
請求項５のタービン式圧縮機を過給タービンとして備えた内燃機関。
【請求項８】
流体圧で選択的に駆動される２つのピストンと、一方のピストンが作動すると開閉弁を１段階作動ノズル数が増える方向に動作し、他方のピストンが作動すると１段階開閉弁を作動ノズル数が減る方向に動作する駆動系を備え、当該ピストンから開閉弁までの駆動系に送り機構を備え、更に作動後に両ピストンに掛かる荷重を等しくする機構と、当該両ピストンを標準位置に戻すスプリングと、開閉弁をノズルが半開状態とならない位置に留める位置決め機構を備えた、請求項１の可変ノズル数タービンのノズル開閉弁制御システム。
【国際調査報告】
2008020619.tif 000018
2008020619.tif 000019