(57)【要約】      （修正有）【課題】空気等の冷却媒体が利用できない、水中における水中航走体における動力部の冷却システムを提供する。【解決手段】燃料と空気との混合気を燃焼させて高温排ガスを発生させる燃焼器２と、排ガスが供給されて動力を発生するタービン３と、を具備する水中航走体１における動力部５の冷却システムにおいて、水を燃焼器２を通過させて熱交換により昇温させ、この昇温した水を、気液分離器において減圧によって水から蒸発して、水と蒸発した蒸気とに分離して、かかる蒸気を冷却用蒸気管を通じてタービン３に供給して、タービン３を冷却することができる。タービン３は、水蒸気によりフィルム冷却、さらに中空で表面に遮熱コーティングを施したタービン翼に循環させて冷却することもできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも反応燃焼させて高温流体を吐出させる燃焼器と、前記高温流体が供給されて動力を発生するタービンと、該タービンからの動力により動作する動作部とを具備する水中航走体における動力部の冷却システムであって、
前記動力部に海水を前記水中航走体の位置する水圧に比較して高い圧力で導入する海水導入部と、
該高い圧力で導入された海水を熱交換して、熱交換後の海水の蒸発分を、前記タービンに供給して前記タービンを冷却する蒸気供給部と、
を具備することを特徴とする水中航走体における動力部の冷却システム。
【請求項２】
前記海水導入部は、前記海水を前記水圧に比較して高い圧力で前記燃焼器を通過させて熱交換を行い、前記動力部外に排水されるように配管された海水導入管を備え、
前記蒸気供給部は、前記海水導入管の前記燃焼器の下流側において、前記燃焼器通過後の海水を減圧して、海水と蒸気分とを分離する気液分離器と、該気液分離器から分離された蒸気を前記タービンに供給する冷却用蒸気管と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水中航走体における動力部の冷却システム。
【請求項３】
前記蒸気供給部は、前記タービン排気側下流のタービン排気と、前記動力部に水圧に比較して高い圧力で導入された海水とを熱交換する熱交換器と、該熱交換器通過後の海水から蒸発する蒸気を前記タービンに供給する低温蒸気管と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水中航走体における動力部の冷却システム。
【請求項４】
前記海水は、前記燃焼器を通過させて熱交換した後の水である、ことを特徴とする請求項３に記載の水中航走体における動力部の冷却システム。
【請求項５】
前記蒸気供給部は、前記タービン排気側下流と前記熱交換器との間に介在された動力回収タービンを備え、
前記動力回収タービンと同軸的に回転可能に設けられたポンプであって、前記熱交換器に至る海水導入管に、海水を導入するポンプを備えた、
ことを特徴とする請求項３に記載の水中航走体における動力部の冷却システム。
【請求項６】
前記タービンは、表面に多数の微細孔を有するタービン翼を備え、 
前記水蒸気を前記タービンに供給して、前記タービン翼表面の微細孔から噴出させて、前記タービンを冷却するフィルム冷却を行う、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の水中航走体における動力部の冷却システム。
【請求項７】
前記タービンは、内部に冷却通路を有した構造あるいは中空構造で表面に遮熱コーティングを施したタービン翼を備え、前記水蒸気を、前記タービン翼に循環させて前記タービンを冷却するようにした、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の水中航走体における動力部の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中で使用される水中航走体における動力部の冷却システムに関し、特には、空気等の冷却媒体が利用できない水中における、水中航走体における動力部の冷却システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガスタービンは、航空機用を初めとして、発電用、コージェネレーションシステム、高速艇、水中航走体などの動力源として、広範に用いられてきている。
タービンは、タービン入口温度の高温化は熱効率の向上に寄与するため、タービン翼、燃焼器など高温部材の冷却は、性能向上の観点から、必要不可欠の技術的課題となっている。
ここで、タービン翼の冷却手段として、冷却効率を高めるために、対流冷却から、インピンジ冷却、ピンフィン冷却、全面フィルム冷却等が提案され、構造を微細化して、トランスピレーション冷却構造という、高い冷却性能を目指している。
【０００３】
例えば、特許文献１では、ガスタービンの冷却手法として、空気冷却式のガスタービンタービン翼を開示している。すなわち、特許文献１では、タービン翼内にロータの中心部から冷却空気を送入する冷却流路を形成し、この流路を流れて温度上昇した冷却空気の一部を中間室へ導入する流出口を設けるようにしている。
【０００４】
一方、本出願人は、特許文献２のように、エアセパレータとロータの間、及びエアセパレータとディスクの間に形成された一連の円筒状空気流路を備え、同空気流路を経由してタービン翼冷却用の空気を導入するガスタービンタービン翼の冷却装置において、流路の内壁を構成するロータ又はディスクの外面に半径方向外方に突出して設けられた環状凸部、流路の外壁を構成するエアセパレータの内面の環状凸部に向き合う位置において空気流路となる隙間を介して環状凸部を覆うように設けられた環状凹部、及び一端が同環状凹部の奥底部に連なり他端が同エアセパレータ外周側空間に連なる複数個の貫通孔を備えた構成としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公昭６３−６４６０１号公報
【特許文献２】特許第３１６０４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１、２はいずれも冷却空気が自由に取り込める環境にあることが前提にあるものであるから、これが、例えば、水中を走行する水中航走体においては、上述のガスタービンのような、冷却空気を用いたフィルム冷却、中空冷却といった冷却手法は適用できない。
【０００７】
そこで、水中航走体において、冷却空気以外の冷却媒体を用いた冷却手法が提案されるに至っている（図６参照）。
すなわち、図６に示す水中航走体１では、水中航走体１が海水中を航走することから、冷却空気以外の冷却媒体として海水を用いることが提案された。
ここでの水中航走体１は、動力部として所定の燃料と空気（酸素）との混合気を燃焼させて高温流体である燃焼排ガスを放出する燃焼器２と、燃焼排ガスが供給されて動力を発生するタービン３とを具備する。また、タービン３は、燃焼器２からの燃焼排ガスを、排気管４を通じて供給されて回転力を発生し、動作部５を構成する例えば発電機、伝達機構を介して推進用プロペラ（いずれも図示省略）を回転させるようにしている。
ここでは、水中航走体１における動力部に導入される海水をそのまま、直接、タービン３に供給してタービンディスク、ロータ、タービン翼の冷却に用いるようにしている。
【０００８】
このような冷却手法によれば、空気等の冷却媒体が利用できなくても、海水を冷却媒体として用いることで、構成も単純であり、特に上述のような水中航走体１に適した冷却手法であるといえる。
【０００９】
しかしながら、上述のように海水を直接、タービン３に供給してタービンディスク、ロータ、タービン翼の冷却するために、高温化したタービン３に接触した海水は蒸発し、タービンディスク、ロータ、タービン翼の接触表面にＮａｃｌが析出し、急速に腐食が進行して、使いものにならなくなる。
本発明は以上のような課題を解決するために提案されたものであって、海水を利用した場合であっても、耐久性も問題なく、効果的に動力部を冷却することができる、水中航走体における動力部の冷却システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の本発明では、少なくとも反応燃焼させて高温流体を吐出させる燃焼器と、高温流体が供給されて動力を発生するタービンと、タービンからの動力により動作する動作部とを具備する水中航走体における動力部の冷却システムであって、動力部に海水を水中航走体の位置する水圧に比較して高い圧力で導入する海水導入部と、高い圧力で導入された海水を熱交換して、熱交換後の海水の蒸発分を、タービンに供給してタービンを冷却する蒸気供給部と、を具備することを特徴とする。
【００１１】
これにより、水圧に比較して高い圧力で導入された海水を熱交換して、熱交換後の海水の蒸発分により、タービンを冷却することができ、動力性能の向上に寄与し得る。
【００１２】
また、請求項２に記載の本発明では、海水導入部は、海水を水圧に比較して高い圧力で燃焼器を通過させて熱交換を行い、動力部外に排水されるように配管された海水導入管を備え、蒸気供給部は、海水導入管の燃焼器の下流側において、燃焼器通過後の海水を減圧して、海水と蒸気分とを分離する気液分離器と、気液分離器から分離された蒸気をタービンに供給する冷却用蒸気管と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
これにより、燃焼器を通過する海水導入管により、海水は熱交換されて昇温し、かかる昇温した海水は、気液分離器において減圧されて水が蒸発して、海水と蒸気とに分離され、かかる蒸気が冷却用蒸気管を通じてタービンに供給されることで、効果的にタービンを冷却することができる。
【００１４】
また、請求項３に記載の本発明では、蒸気供給部は、タービン排気側下流のタービン排気と、動力部に水圧に比較して高い圧力で導入された海水とを熱交換する熱交換器と、熱交換器通過後の海水から蒸発する蒸気をタービンに供給する低温蒸気管と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
これにより、効果的にタービンを冷却することができ、性能向上に寄与し得る。
【００１６】
また、請求項４に記載の本発明では、海水は、燃焼器を通過させて熱交換した後の海水である、ことを特徴とする。
【００１７】
これにより水により燃焼器を冷却すると共に、タービンを冷却することができるので、相乗的に熱効率を高めることができ、動力性能の向上に寄与し得る。
【００１８】
また、請求項５に記載の本発明では、蒸気供給部は、タービン排気側下流と熱交換器との間に介在された動力回収タービンを備え、動力回収タービンと同軸的に回転可能に設けられたポンプであって、熱交換器に至る海水導入管に、海水を導入するポンプを備えた、ことを特徴とする。
【００１９】
これにより、一層、相乗的に熱効率を高めることができ、動力性能の向上に寄与し得る。
【００２０】
また、請求項６に記載の本発明では、タービンは、表面に多数の微細孔を有するタービン翼を備え、水蒸発をタービンに供給して、タービン翼表面の微細孔から噴出させて、タービンを冷却するフィルム冷却を行う、ことを特徴とする。
【００２１】
これにより、効果的にタービンを冷却することができ、性能向上に寄与し得る。
【００２２】
さらに、請求項７に記載の本発明では、タービンは、内部に冷却通路を有した構造あるいは中空構造で表面に遮熱コーティングを施したタービン翼を備え、水蒸気を、タービン翼に循環させてタービンを冷却するようにした、ことを特徴とする。
【００２３】
これにより、効果的にタービンを冷却することができ、性能向上に寄与し得る。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、空気等の冷却媒体が利用できない、水中における水中航走体であっても、水を取り込んで、水を蒸発させ、水蒸気をタービンの冷却に供することができるので、構造が複雑化することなく、水中航走体の動力部を効果的に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明にかかる水中航走体における動力部の冷却システムの第１実施形態の要部系統説明図である。
【図２】本発明の第２実施形態の要部系統説明図である。
【図３】本発明の第３実施形態の要部系統説明図である。
【図４】本発明の第４実施形態の要部系統説明図である。
【図５】本発明の第５実施形態の要部系統説明図である。
【図６】本発明に関連した中間技術の要部系統説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明にかかる水中航走体における動力部の冷却システムについて、種々の実施形態を挙げ、添付された図面に基づいて説明する。
(第１実施形態)
図１に、本発明にかかる水中航走体における動力部の冷却システムの第１実施形態を模式的に示す。ここでの水中航走体は、少なくとも反応燃焼させて高温流体を吐出させる燃焼器と、高温流体が供給されて動力を発生するタービンと、タービンからの動力により、動作する動作部と、具備するものであり、本発明に関連する構成要素のみを示している。ここでは、海水中で使用される水中航走体について説明する。
すなわち、水中航走体１は、艦体（図示省略）内に艤装される動力部として、所定の燃料と空気（酸素）との混合気を燃焼させて高温流体である燃焼排ガスを放出する燃焼器２と、燃焼排ガスが供給されて動力を発生するタービン３とを具備する。
【００２７】
かかる水中航走体１において、燃焼器２は、例えば、図示はしないが艦体内に配設される燃料タンクからの燃料と酸素発生装置からの酸素とを燃焼反応させて高温の燃焼排ガスを排出する機能のものである。
また、タービン３は、燃焼器２からの燃焼排ガスを、排気管４を通じて供給されるようになっている。すなわちタービン３は燃焼器２からの燃焼排ガスにより回転力を発生し、動作部５を構成する例えば発電機、伝達機構を介して推進用プロペラ（いずれも図示省略）を回転させるようにしている。
【００２８】
以上のような水中航走体１の動力部において、海水を水中航走体１の位置する水位での海水圧に比較して高い圧力で導入する海水導入部として、海水をポンプＰで上記海水圧より高圧で送り込んで、海水と熱交換することで燃焼器２を冷却するための海水導入管６が配管されている。かかる海水導入管６は、燃焼器２内を通過させることで燃焼器２との熱交換を行い、熱交換後の海水を水中航走体１の外部に排出するように配管されている。
【００２９】
また、かかる燃焼器２の下流側の海水導入管６には、蒸気供給部として、気液分離器７を介して冷却用蒸気管８が分岐される。
気液分離器７は、燃焼器２通過後の海水導入管６に設けられる。気液分離器７は図示および詳細な説明は省略するが、所定容積の密閉容器を有し、海水導入管６に導入される海水の圧力に比較して低圧状態にある。
熱交換後の海水は、燃焼器２からの顕熱で水温が上昇している。また、前記海水は、水中航走体１の位置する水位での海水圧に比較して高い圧力で海水導入管６に導入されているので、昇温後の海水はさらに高圧化している。したがって、かかる海水が気液分離器７に導入されると減圧状態となって、海水が蒸発し、海水と海水が蒸発した蒸気とに分離されるようになっている。
そして、気液分離器７から、蒸発した蒸気のみを分離して冷却用蒸気管８に導いている。そして冷却用蒸気管８はタービン３のタービン翼３ａに蒸気を供給するようになっている。この場合、タービン翼３ａには、表面全面に亘って、微細孔が形成されている。これにより、冷却用蒸気管８を通じて供給された冷却用蒸気がタービン翼３ａの表面の微細孔から噴出させることで、フィルム冷却が行われるようになっている。
【００３０】
次に、以上のように構成される第１実施形態の水中航走体１について、動作を説明すると以下のとおりである。
先ず、運転指令で、水中航走体１は海中に投入された時点で、燃焼器２は、燃料と酸素との混合気が燃焼して高温の燃焼排ガスを放出し、排気管４を通じてタービン３に供給される。これによりタービン入口は高温化（例えば１５００℃）する。そして、高温の燃焼排ガスによりタービン３は回転し、動作部５における発電機を回して電力を発生し、伝達機構を介して推進用プロペラを回転させ、水中航走体１を水中航走させることができる。
【００３１】
水中航走体１が水中航走時において、燃焼器２では、絶えず燃料と酸素との混合気が燃焼して高温の燃焼排ガスを放出し、燃焼器２が高温化している。ここで、燃焼器２には、海水導入管６を通じて海水がポンプで航走位置の海中内の海水圧より高圧で送り込まれる。海水が燃焼器２に送り込まれることで、燃焼器２が海水との熱交換によって燃焼器２が冷却され、海水は燃焼器２から受けた顕熱で昇温し、さらに高圧化される。
そのため、昇温した海水は、気液分離器７の密閉容器に導入されると、気液分離器７において減圧状態となって海水から蒸発し、海水と蒸発した蒸気とに分離され、海水は、海水導入管６を通じて、水中航走体１の外部に排出される一方、気液分離器７を介して分岐された冷却用蒸気管８にはエンタルピーの増大した蒸気が送られる。
【００３２】
そして、海水からの蒸気は、冷却用蒸気管８を通じて、タービン３のタービン翼３ａに供給される。この場合、タービン翼３ａには、表面全面に亘って、微細孔が形成されているので、供給された冷却用蒸気はタービン翼３ａの表面の微細孔から噴出され、タービン翼３ａのフィルム冷却を行うことができる。
以上のようにして、空気等の冷却媒体が利用できない、水中における水中航走体１であっても、海水を取り込んで海水を蒸発させた蒸気を用いて、タービン３の冷却に供することができるので、構造が複雑化することなく、水中航走体の動力部を効果的に冷却することができる。なお、海水をそのままタービンに触れるわけではなく、海水を蒸発させた蒸気を用いているので、腐食などのおそれはなく、耐久性も問題はない。
【００３３】
本発明にかかる水中航走体における動力部の冷却システムは次の第２実施形態によっても実施することができる。なお、この第２実施形態において、第１実施形態と実質的に同様の構成要素には、同符号を付してその詳細な説明は省略する。
（第２実施形態）
図２に、第２実施形態にかかる水中航走体１における動力部の冷却構造を示す。
ここでは、水中航走体１における動力部を構成するタービン３は、タービン翼３ａが内部に冷却通路を有する構造あるいは中空構造で表面に遮熱コーティングを施した構成となっている。かかるタービン翼３ａに、冷却用蒸気管８を通じて、海水を蒸発させた蒸気が送られ、蒸気をタービン翼３ａの中空部位を通じて循環させることで、タービン３を冷却するようにしている。
【００３４】
以上の第２実施形態にかかる水中航走体１において、燃焼器２には、海水導入管６を通じて海水がポンプＰで海中内の水圧より高圧で送り込まれ、燃焼器２が海水との熱交換によって燃焼器２が冷却され、海水は燃焼器２から受けた顕熱で昇温し、高圧化する。
かかる昇温し高圧化した海水が、気液分離器７に導入されると海水は気液分離器７において減圧状態となって、海水から蒸発して海水と蒸気とに分離され、海水は、海水導入管６を通じて、水中航走体１の外部に排出される一方、気液分離器７を介して分岐された冷却用蒸気管８にはエンタルピーの増大した蒸気が送られる。
【００３５】
そして、冷却用蒸気管８から蒸気がタービン３に送られると、タービン翼３ａの冷却通路あるいは中空部位を通じて循環させられ、タービン３の排ガスの排気側に排気される。
このように、冷却に供せられた蒸気は、タービン３の排ガスの排気側に排気されるため、蒸気の排出がしやすくなり、且つタービン３の出口側の温度を下げることができるため、タービン３の効率向上が期待できる。
【００３６】
なお、水中航走体１の水深度によって海水圧は変化するが、海水はポンプＰにより水深度に応じた海水圧以上に加圧した状態で水中航走体１の動力部に取り込まれ、使用される。
また、タービン３は衝動型タービンであるため、タービン翼では、排気圧と同等となる。排気圧は海水圧より高めに設計するが、海水ポンプで昇圧する圧力を排気圧より高くすることで、このような動力部の冷却構造が成り立つのである。
【００３７】
本発明にかかる水中航走体における動力部の冷却システムは次の第３実施形態によっても実施することができる。なお、この第３実施形態においても、第１実施形態と実質的に同様の構成要素には、同符号を付してその詳細な説明は省略する。
（第３実施形態）
図３に、第３実施形態にかかる水中航走体１における動力部の冷却構造を示す。
かかる第３実施形態では、タービン３の排気下流側に熱交換器１０が配設されている。タービン３からの排気は高温であるので、タービン３通過後の、タービン排気と、ポンプにより導入された高圧の海水とを熱交換器１０で熱交換させて海水が減圧状態になって、海水から蒸発して、蒸発した蒸気が潜熱により温度が低下した蒸気となり、低温蒸気管１１を通じてタービン３に供給してタービン翼３ａを冷却するようにしている。
【００３８】
以上のような第３実施形態においては、ポンプＰにより水中航走体１における動力部に導入された海水を、タービン３通過後のタービン排気と、タービン３の排気下流側の熱交換器１０において熱交換させて海水が減圧状態になって、海水から蒸発して、蒸発した蒸気が潜熱により温度が低下した蒸気となり、低温蒸気管１１を通じてタービン３に供給してタービン３を冷却するので、構造が一層単純化し、タービン３をより高温雰囲気で使用することができ、効率を向上させることができる。
【００３９】
本発明にかかる水中航走体における動力部の冷却システムは次の第４実施形態によっても実施することができる。なお、この第４実施形態においても、第１実施形態と実質的に同様の構成要素には、同符号を付してその詳細な説明は省略する。
（第４実施形態）
図４に、第４実施形態にかかる水中航走体１における動力部の冷却構造を示す。
第４実施形態では、海水導入管６を通じて海中内の海水圧より高圧で送り込まれた海水を、燃焼器２との熱交換によって、燃焼器２を冷却後に切換弁Ｖを介して冷却使用水として排水する一方、燃焼器２から受けた顕熱で昇温し、かつ高圧化し、かかる海水を用いて、第３実施形態のように、タービン３からのタービン排気と熱交換器１０において熱交換させて、海水を蒸発させ、蒸発した海水を低温蒸気管１１を通じてタービン３に供給してタービン３を冷却するようにしている。
【００４０】
以上のような第４実施形態によれば、一層熱効率を高めることができる。しかも、タービン３の性能を向上させることができる。
【００４１】
本発明にかかる水中航走体における動力部の冷却システムは次の第５実施形態によっても実施することができる。なお、この第５実施形態においても、第１実施形態と実質的に同様の構成要素には、同符号を付してその詳細な説明は省略する。
（第５実施形態）
図５に、第５実施形態にかかる水中航走体１における動力部の冷却構造を示す。
第５実施形態では、ポンプにより水中航走体１における動力部に導入された海水を、タービン３通過後のタービン排気と、タービン３の排気下流側の熱交換器１０において熱交換する第３実施形態に対し、タービン３の排気下流側と熱交換器１０との間の排気流路に、動力回収タービン２０ａと動力回収タービンと同軸的に回転可能に設けられたポンプ２０ｂを配設している。
すなわち、第５実施形態では、タービン３通過後のタービン排気を動力回収タービン２０ａを通過させると共に、動力回収タービン２０ａと同軸的に回転可能に設けられたポンプ２０ｂにより取り込まれる海水を昇圧し、昇圧後の海水と動力回収タービン２０ａ通過後の排気とを熱交換させ、生成した低温蒸気をタービン翼３ａに供給して、タービン３を冷却するようにしている。
【００４２】
以上のような第５実施形態において、タービンタービン翼３ａおよびディスクのメタル温度に対して、海水を蒸発させ、低温の蒸気を生成してタービンタービン翼３ａの冷却に使用すれば、タービンをより高温雰囲気で使用することができ、一層、相乗的に熱効率を高めることができ、動力性能の向上に寄与し得る。
このように、高い圧力で作動流体である海水をコントロールすることができるため、タービン冷却性能が向上する。
【００４３】
以上、本発明にかかる水中航走体における動力部の冷却システムについて、第１〜第５実施形態を挙げ、説明した。
第１〜第５実施形態では、海水中で航走する水中航走体を挙げ、説明した。
本発明は、必ずしも、海水中に限らず、例えば大きな淡水湖、河川で用いられる水中航走体も含まれることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明にかかる水中航走体における動力部の冷却システムでは、冷却用空気を利用できない環境、例えば水中だけでなく、地中等で地下水を利用するタービン駆動機構を備えた発電装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１    水中航走体
２    燃焼器
３    タービン
３ａ  タービン翼
４    排気管
５    動作部
６    海水導入管
７    気液分離器
８    冷却用蒸気管
１０  熱交換器
１１  低温蒸気管
２０ａ動力回収タービン
２０ｂポンプ
Ｐ  ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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