(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気と供給燃料との燃焼により燃焼排ガスを形成するために、ガスタービンシステムの中心軸に沿って配置された長手方向の延長部分を有する燃焼室（３）と、
作動媒体によって駆動されるタービン（２）と、
前記燃焼室（３）に入る前記タービン（２）の前記作動媒体および空気のうちの少なくとも一方を圧縮するために、前記タービン（２）に回転可能に連結された圧縮機（１）と、
前記燃焼排ガスと前記作動媒体との間の熱伝達のための第１熱交換器装置（８）と
を備える間接加熱式ガスタービンシステムであって、
前記第１熱交換器装置（８）および前記燃焼室（３）は一体構造ユニットとして一体的に形成され、前記第１熱交換器装置（８）は前記中心軸に沿って、前記燃焼室（３）の前記長手方向の延長部分内に実質的に配置されていることを特徴とする間接加熱式ガスタービンシステム。
【請求項２】
前記燃焼室（３）は実質的に円筒形であり、前記第１熱交換器装置（８）は前記燃焼室（３）の外径の周りに前記燃焼室（３）と同軸上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項３】
前記第１熱交換器装置（８）は、前記作動媒体および前記燃焼排ガスが反対向きの流れ方向を有する対流熱交換器から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービンシステム。
【請求項４】
前記第１熱交換器装置（８）は、前記燃焼室（３）に沿って長手方向に設置され、かつ、前記燃焼室（３）の外周の周りに等距離に配置された複数の平行管の形態を有する前記燃焼排ガス用の熱伝達チャンネル（１１）から構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。
【請求項５】
前記熱伝達チャンネル（１１）は、前記燃焼室（３）の出口（５）において、前記燃焼排ガスの流れに関して実質的に対称であることを特徴とする請求項４に記載のガスタービンシステム。
【請求項６】
前記中心軸（Ｃ）に直交する同じ平面において見て、少なくとも２つの隣接する熱伝達チャンネル（１１）の断面積が実質的に同じ面積を有することを特徴とする請求項４または５に記載のガスタービンシステム。
【請求項７】
前記第１熱交換器装置（８）は、前記燃焼室（３）の外周の周りに実質的に接線方向に延びるらせん状の流路として、前記タービン（２）の前記作動媒体用の熱伝達通路（１２）を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。
【請求項８】
前記燃焼室（３）の前記出口（５）の真正面に配置されている第２熱交換器装置（９）をさらに備える請求項１から７のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。
【請求項９】
前記作動媒体は、前記タービン（２）の入口（２０）を通して前記タービン（２）に送り込まれる直前に、前記第２熱交換器装置（９）を通過することを特徴とする請求項８に記載のガスタービンシステム。
【請求項１０】
前記第２熱交換器装置（９）は前記燃焼室（３）の反対側を向く熱伝達面を有する渦流室（１９）を備え、前記作動媒体は、前記作動媒体が前記タービン（２）に退出する前に、前記熱伝達面を数回かすめることを特徴とする請求項８または９に記載のガスタービンシステム。
【請求項１１】
前記圧縮機（１）の入口（２６）に組み込まれたジェネレータ（７）をさらに備え、前記圧縮機（１）に含まれる空気流が前記ジェネレータ（７）の固定子巻線を冷却する請求項１〜１０のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。
【請求項１２】
前記第１熱交換器装置（８）および前記燃焼室（３）は共に、溶接鋼から作られる低温部を形成することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。
【請求項１３】
前記燃焼室（３）の外壁（１３）および前記ガスタービンシステムの外部カバー（１４）のうちの少なくとも一方は波形で、材料が軸方向の膨張を可能にされたベローズ機能を備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のガスタービンシステム。
【請求項１４】
前記第２熱交換器装置（９）は焼結セラミックおよび鋳造セラミックのうちの少なくとも一方から作られる高温部を構成することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。
【請求項１５】
前記第１熱交換器装置（８）および前記第２熱交換器装置（９）のうちの少なくとも一方を部分的に通る前記作動媒体および前記燃焼排ガスのうちの少なくとも一方の流れを制御する手段をさらに備える請求項８〜１０及び１４のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。
【請求項１６】
前記燃料は固形のバイオマス燃料からなることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。
【請求項１７】
前記バイオマス燃料は木質ペレットからなることを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンシステム。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項によるガスタービンシステムを備える車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮空気および供給燃料の燃焼により燃焼排ガスを形成するための燃焼室と、作動媒体により駆動されるタービンと、燃焼室に入る作動媒体および空気のうちの少なくとも一方を圧縮するためにタービンに回転可能に連結された圧縮機と、燃焼排ガスと作動媒体との間の熱伝達のための第１熱交換器装置とを備える間接加熱式ガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンとは、燃焼室から燃焼ガスを流すことによって駆動されるタービンであり、適正な動力源である。したがって、ガスタービンはジェットエンジンと同じものであり、ガスが、噴出して噴流になる代わりに、例えば発電機に回転可能に連結されているタービンを駆動する。そのため、ガスタービンの通常の使用分野は発電である。
【０００３】
ガスタービンはそのサイズと重量に対して非常に高い動力を有し、ピストンエンジンに比べて比較的単純な構成である。さらに、ガスタービンはピストンエンジンよりも燃焼時の排出物が少なく、可動部品が少ない。小型のガスタービン、いわゆるマイクロタービンは通常低効率である。一方、サイズが１ＭＷ以上のガスタービンはより高い効率を達成するが、ピストンエンジンの効率とは比べものにならない。しかし、１ＭＷを超える動力では、ガスタービンはまもなく相当に安価な代替品となるので、効率の差はあれど、ピストンエンジンを凌ぐ可能性がある。
【０００４】
主要構成部品が圧縮機、燃焼室およびタービンであるガスタービンの動作プロセスは、熱力学サイクルであるブレイトンサイクルによって説明される。周囲の空気が１以上の圧縮機ステップにて吸引されて、そこで圧縮される。圧縮空気はさらに燃焼室に送り込まれて、供給燃料とともに燃焼される。燃焼によって形成される高温の燃焼排ガスはさらに１以上のタービンステップにより膨張させられ、その膨張の際に、そのエネルギを放散させる。タービンは通常圧縮機に回転可能に連結されて圧縮機を駆動するが、圧縮機は個別のモータまたは別のエネルギ源によっても駆動することができる。
【０００５】
理想的なケースでは、圧縮及び膨張は等エントロピープロセスであり、つまり、システムのエントロピーは一定のままである。しかし、実際のガスタービンの圧縮室およびタービンからのエネルギ損失によって、これらのプロセスは断熱的である。圧縮と膨張は高速で起きるので、原理上、作動媒体との熱伝達はない。圧縮により圧力が上昇すると、断熱加熱が起こり、作動媒体、この場合は混入する周囲空気が加熱される。タービン内の膨張により圧力が低下すると、断熱冷却が起きる。放散される熱の部分は、タービンを駆動する動作として抽出することができる。効率が高まっているため、より多くの熱エネルギの部分を抽出することができる。
【０００６】
マイクロタービンは、その名前が示すとおり、小型の高速ガスタービンであって、大型のガスタービンに比べて、燃焼室の圧力および温度が低い。マイクロタービンは、典型的には、出力が５０ｋＷ〜５００ｋＷの範囲で、サイズが約３ｍ３で、総重量が２ｔ以上である。
【０００７】
ガスタービンを駆動する燃料として、通常、天然ガス（メタン、プロパン）、ガソリン、ディーゼル、燃料油、液化石油ガス、および消化汚泥などの様々な化石燃料、またはバイオガス、バイオディーゼル、およびＥ８５（約８５％のエタノールと約１５％のガソリンの混合物）などの非化石燃料が使用されている。実際には、天然ガスが圧倒的に多く使用されており、最も低い排出値を有する。木質ペレット、アシ、麦わらまたは草などの固形のバイオマス燃料も候補と目されているが、燃焼室から出る燃焼排ガスおよび燃焼生成物が、タービンステップを通るときにタービンブレードのファウリングおよび汚染を生じさせる欠点を伴い、エネルギ損失が増え、それによってガスタービンの効率を低下させるおそれがある。タービンブレードは、どの燃料を使用するかによって、腐食という形の化学的侵食を受けるリスクもある。
【０００８】
そのため、固形バイオマス燃料で加熱するガスタービンでは、燃焼排ガスと分離される膨張ガスまたはタービンエアとも呼ばれる作動媒体を使用することが望ましい。いわゆる間接加熱動作サイクルでは、前記媒体は物理的に分離しておき、熱は熱交換器によって燃焼排ガスから作動媒体に伝達される。
【０００９】
特許文献１は、燃焼排ガスおよび作動媒体に個別のサイクルを有するガスタービンでブレイトンサイクルを利用する間接加熱式マイクロタービンを開示している。燃焼室は熱交換器から離れて配置され、燃焼排ガスは燃焼室から熱交換器に送り込まれて、その熱を圧縮機から圧縮作動媒体に伝達する。
【００１０】
間接加熱式（マイクロ）ガスタービンの別の例は、特許文献２、特許文献３および特許文献４によって示されている。
特許文献５は直接加熱式ガスタービンシステムを開示しており、これはタービンの排気ガスと燃焼空気との熱伝達のためにリング形の復熱装置を有し、復熱装置の内部に配置された圧縮機、燃焼室およびタービンを含む。
【００１１】
周知の技術の欠点は、圧縮機から燃焼室および熱交換器を通ってタービンまで作動媒体および燃焼排ガスのうちの少なくとも一方がたどる経路に沿ったガスタービンのエネルギ損失が、効率の低下の一因となるため、多くの場合に低効率であることである。
【００１２】
特許文献６および特許文献７は、熱交換器を燃焼室内部に位置付けた間接加熱式ガスタービンシステムを開示している。熱交換器を燃焼室内部に配置することにより、燃焼ガスと流体を分離しておきながら、燃焼中に生成される燃焼ガスは熱交換器の管路の外側を通り、管路を流れる流体を加熱することができる。熱交換器は清掃のために燃焼室から容易に分解して取り出されるように設計されている。
【００１３】
この種の構造の１つの欠点は、比較的大きな空間が必要なことであり、例えばこの欠点は、自家用車タイプの車両またはコンパクトさが要求される他のシステムへの組み込みを妨げるものである。別の欠点は、煤煙または炭素質付着物などの燃焼による副産物を除去するために、熱交換器を定期的に清掃しなければならないことである。
【００１４】
そのため、高効率を有する小型の間接加熱式ガスタービンを開発する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】国際公開第０３／０９３６６５号パンフレット
【特許文献２】英国特許出願公開第２４０２１７２号明細書
【特許文献３】仏国特許発明第２９１３７２４号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００８／００４１０５７号明細書
【特許文献５】国際公開第０２／３９０４５号パンフレット
【特許文献６】英国特許出願公開第２４２０３８２号明細書
【特許文献７】国際公開第０２／０５５８５５号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、例えば固形のバイオマス燃料による車両の走行のために使用することのできる高効率を有するコンパクトな間接加熱式ガスタービンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
これは、空気および供給燃料の燃焼により燃焼排ガスを形成するために、ガスタービンシステムの中心軸に沿って配置された長手方向の延長部分を有する燃焼室と、作動媒体によって駆動されるタービンと、燃焼室に入るタービンの作動媒体および空気のうちの少なくとも一方を圧縮するためにタービンに回転可能に連結された圧縮機と、燃焼排ガスと作動媒体との間の熱伝達のための第１熱交換器装置とを備え、第１熱交換器装置および燃焼室を一体構造ユニットとして一体的に形成し、第１熱交換器装置は中心軸に沿って燃焼室の長手方向の延長部分内に実質的に配置される請求項１による間接加熱式ガスタービンシステムによって達成される。
【００１８】
熱交換器および燃焼室を一体構造ユニットに一体化することにより、燃焼排ガスが燃焼室から熱交換器まで通過するときの熱損失を効果的に低減することができる。システムは、作動媒体の加熱時の燃焼室からの放射熱と第１熱交換器装置の対流熱との両方を利用する。このように、タービンへの入口での作動媒体の入力温度の上昇を達成することができる。
【００１９】
同様に、ガスタービンシステムの容積の大幅な減少を提供することができ、例えば自家用車または同様な他の車両などに組み込むことができる。
好適な実施形態では、燃焼室は実質的に円筒形であり、第１熱交換器装置は燃焼室の外径の周りに燃焼室と同軸上に配置されている。それにより、燃焼室からの放射熱は半径方向の外側に向かって第１熱交換器装置に伝達される。
【００２０】
さらに有利な実施形態では、第１熱交換器装置は、作動媒体および燃焼排ガスが反対方向を向く流れ方向を有する対流熱交換器を備える。
別の好適な実施形態では、第１熱交換器装置は、燃焼室に沿って長手方向に延びる複数の平行管の形状の燃焼排ガス用熱伝達チャンネルを備え、これらは燃焼室の外周の周りに対称的に配置されて、等距離に配置されている。熱伝達チャンネルは、燃焼室の出口で燃焼排ガスの流れに関して実質的に対称に設計することができ、これは燃焼排ガスの流れが熱伝達チャンネル間に均等に分配されることを意味する。これは、好ましくは、中心軸に直交する同じ平面において見て、少なくとも２つの隣接する熱伝達チャンネルの断面積が実質的に同じ面積を有することによって達成することができる。
【００２１】
さらに有利な実施形態では、第１熱交換器装置は、燃焼室の外周の周りに実質的に接線方向に延びるらせん状の流路の形状のタービンの作動媒体用熱伝達通路を備える。らせん形状は、燃焼室および燃焼排ガスの両方からの作動媒体への熱伝達を促進する。
【００２２】
別の好適な実施形態では、ガスタービンシステムは、燃焼室の出口の真正面に配置されている第２熱交換器装置をさらに備える。好ましくは、第２熱交換器装置は、作動媒体がタービンの入口からタービンに送り込まれる直前に、第２熱交換器装置を通るように設計され、配置される。第２熱交換器装置を通ることにより、タービンへの入口の直前における、作動媒体への追加的な温度上昇が達成される。
【００２３】
さらに別の好適な実施形態では、第２熱交換器装置は、燃焼室の反対側を向く熱伝達面を有し、作動媒体がタービンに出る前に、作動媒体が熱伝達面を数回かすめるように設計された渦流室を備える。熱伝達面に長時間曝されるほど、作動媒体の温度は高くなり、より均一な温度分布が達成される。
【００２４】
本発明の別の好適な実施形態によると、ガスタービンシステムは、圧縮機の入口と一体化されたジェネレータをさらに備え、それにより、圧縮機に入る空気流がジェネレータの固定子巻線を冷却する。
【００２５】
さらに有利な実施形態では、第１熱交換器装置および燃焼室は共に合わせて、溶接鋼から作られる低温部を形成する。好ましくは、燃焼室の外壁およびガスタービンシステムの外部カバーのうちの少なくとも一方を波形にして、材料が軸方向に膨張できるベローズ機能を形成する。
【００２６】
別の好適な実施形態では、第２熱交換器装置は焼結セラミックおよび鋳造セラミックのうちの少なくとも一方から作られる高温部を形成する。
さらに別の好適な実施形態では、ガスタービンシステムは、燃焼排ガスの作動媒体が部分的に第１の熱交換器装置および第２の熱交換器装置のうちの少なくとも一方を通る流れの調整手段をさらに備える。こうして、作動媒体および燃焼排ガスのうちの少なくとも一方の温度を、ガスタービンシステムの最適な動作のために制御することができる。
【００２７】
本発明の別の好適な実施形態によると、燃料は固形のバイオマス燃料からなる。好ましくは、バイオマス燃料は木質ペレットからなる。
本発明は、実施形態のいずれかによるガスタービンシステムを備える車両にも関わる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】周知の技術によるガスタービンシステムの説明図を示す。
【図２】間接加熱式ブレイトンサイクルの説明図を示す。
【図３】本発明によるガスタービンシステムを斜視図で示す。
【図４】本発明によるガスタービンシステムの長手方向の断面を側面図で示す。
【図５】本発明によるガスタービンシステムの長手方向の断面を斜視図で示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
ガスタービンシステムを、図面を参照しながら以下詳細に説明する。ただし、本発明は図面に示す１以上の実施形態に制限されると考えるべきではなく、請求の範囲内において変えることができる。
【００３０】
本開示において、「一体構造ユニット」という用語は、明示的に別の記載がない限り、切り離すことのできない、または別の方法で分解することのできない単一部材を構成するように形成されるユニットを意味すると解釈するべきである。
【００３１】
一般に、熱エネルギ（熱）を機械的エネルギ（動作）に変換するすべての種類の熱機関について、効率ηは、抽出された動作Ｗと供給される熱量Ｑとの比として定義される。
【００３２】
【数１】
0005955858.tif 000002
実際の熱機関はエネルギ損失によって制限されるので、供給される熱量全部を動作に変換することはできず、一定量が廃熱として周囲に放散する。
【００３３】
【数２】
0005955858.tif 000003
そのため、効率は以下のようになる。
【００３４】
【数３】
0005955858.tif 000004
２つの固定温度間で作動する熱機関、この場合、ブレイトンサイクルに従って作動するガスタービンを考えると、供給される熱量および放散される廃熱は、タービンのそれぞれ入口および出口での作動媒体の温度に対応することが導き出され、これが効率になる。
【００３５】
【数４】
0005955858.tif 000005
したがって、タービンの入口での作動媒体の温度を上昇させると、ガスタービンの効率を高めることにつなげることができることが認識される。
【００３６】
図１は、タービン２に回転可能に連結されている圧縮機１を有する周知の技術によるガスタービンシステムの説明図を示す。圧縮機１は通常、管の内側の共通シャフトで回転する多数の多翼プロペラからなる軸流圧縮機である。プロペラ間には、空気流を次のプロペラに向かって軸方向の後方に向けるブレードを有する固定リングがある。周囲からの空気は圧縮機１に引き込まれ、それによって圧縮されて、燃焼室３に送り込まれる。燃焼室３には燃料貯蔵室６からの燃料も供給されて、圧縮された周囲の空気とともに燃焼される。その結果生じる燃焼排ガスはさらにタービン２に送り込まれて、そこでタービンのロータを駆動するように膨張させられる。タービン２と圧縮機１との連結により、抽出された動作の一部は圧縮機１を駆動するために使用される。
【００３７】
エネルギ量の残りの部分は、同じくタービン２に回転可能に連結されているジェネレータ７によって抽出される。通常、ジェネレータ７はガスタービンシステムの始動モータとしても作用する。
【００３８】
ガスタービンシステムは、例えば、圧縮機１への入口空気用のエアフィルタまたは燃焼室３からの排気ガス用の消音器など、他の構成部品も含むことができる。
図２では、間接加熱式動作サイクル（ブレイトンサイクル）を原理図で示している。前述の構成部品に加えて、ここでは、燃焼室３から出る燃焼排ガスから、膨張ガスまたはタービンエアとも呼ばれるタービン２の作動媒体まで熱を伝達するための熱交換器８も含まれている。それにより、タービン２のファウリング（汚染）が避けられる。タービン出口での作動媒体からの熱は復熱装置によって回収することができ、熱は、例えば水を加熱するために、別の媒体に熱交換によって伝達される。別の可能性は、タービン出口から出る排気ガスを、燃焼室３の炎に送り込んで、燃焼前に燃料を加熱することである。これにより、ある所与の動作温度または動作動力を得るために燃焼室に供給する必要のある熱が少なくなるため、燃焼消費量が減少する。燃焼排ガスはタービン２を通ることはないため、例えば、本来であれば排気ガス内の汚染残留物含有量の増加を伴う、固形の燃料を使用するという選択肢が開かれる。
【００３９】
図３は、本発明によるガスタービンシステムを斜視図で示している。ガスタービンシステムは、共通シャフトで互いに回転可能に連結されている圧縮機１とタービン２とを備える。ジェネレータ７は圧縮機１の入口に組み込めるので、圧縮機１を通る空気流がジェネレータ７の固定子巻線を冷却する。
【００４０】
図４は、本発明によるガスタービンシステムの長手方向の断面を側面図で示している。燃焼室３はガスタービンシステムの中心軸Ｃに沿って長手方向に延びている。好ましくは、燃焼室３の中心軸Ｃおよびガスタービンシステムの中心軸Ｃは一致する。燃焼室３の一端は、ガスタービンシステムに隣接する燃料貯蔵室（図示せず）から燃料を供給するための燃焼室入口４を有する。好適な実施形態では、ガスタービンシステムは、木質ペレットなどの固形のバイオマス燃料で加熱することができ、これは送りねじ（図示せず）によってペレットの貯蔵室から燃焼室３に供給される。ここで、燃焼室３は円筒形に設計されているが、立方形、リング形、円錐形、または不規則な形状など、他の実施形態も実現可能である。
【００４１】
燃焼室３の他端では、燃焼から生じる燃焼排ガスが燃焼室出口５から、半径方向の外側に向いた出口開口部１０を介して、第１熱交換器装置８に排出される。第１熱交換器装置８は、一体構造に形成されたユニットである低温部を得るために、燃焼室３と一体的に形成されている。本発明において、「一体構造ユニット」という用語は、切り離すことのできない、または他の方法で分解することのできない単一部材で形成されるユニットを意味すると解釈されることは了解されるべきである。一体構造は、例えば、第１熱交換器装置８と燃焼室３とを互いに溶接することにより、または他の適切な方法で永久的に互いに接合することにより実現することができる。他に考えられる解決策は、第１熱交換器装置８および燃焼室３を単一部材に成形することであろう。
【００４２】
低温部は、第１熱交換器装置８を中心軸Ｃに沿って、燃焼室３の長手方向の延長部分内に実質的に配置することによって、燃焼室３から半径方向の放射熱を作動媒体を加熱するために最大限に利用するように設計されている。当業者は、第１熱交換器装置８の一部が、例えば燃焼室出口５に隣接している燃焼室の長手方向の延長部分の外側まで延びている構造も、本発明の範囲内であることを認識する。好適な実施形態では、第１熱交換器装置８は、コンパクトなユニットを形成するために、燃焼室３の外径の周りに燃焼室２と同軸上に配置される。
【００４３】
図５は、本発明によるガスタービンシステムの長手方向の断面を斜視図で示している。第１熱交換器装置８は、有利なことに、作動媒体および燃焼排ガスが逆向きの流れ方向を有する対流熱交換器として形成することができる。このような熱交換器は、燃焼室に沿って長手方向に設置され、対称に配置され、燃焼室の外周の周りに等距離に配置される複数の平行管として燃焼排ガス用の熱伝達チャンネル１１からなることができる。複数の熱伝達チャンネル１１の断面積は同じ面積を有することができ、熱伝達チャンネル１１は、出口５において、燃焼室３から出る燃焼排ガスの流れに関して実質的に対称である。すなわち、燃焼排ガスはスループット時に熱伝達チャンネル１１の間に均一に分配され、本来であれば間接加熱式タービンの熱交換器の流路を通る質量流量を均衡しようとするときに生じる余分な圧力低下もなく、均質な温度分布および可能な限り最高の熱伝達を提供する。熱伝達チャンネル１１を通る燃焼排ガスの流れは、ガスタービンシステムの中心軸に平行であり、実質的軸方向である。
【００４４】
第１熱交換器装置８は、作動媒体用の熱伝達通路１２も有することができる。作動媒体は圧縮機１からの圧縮空気からなり、これはパイプライン２３を通って熱伝達通路１２に送り込まれる。この熱伝達通路１２は、燃焼室３の外壁１３およびガスタービンシステムの外部カバー１４によって半径方向に制限され、燃焼室の外壁１３から外部ケーシング１４まで燃焼室３の外周の周りに延びている中間壁１５によって、軸方向に制限される流路にすることができる。したがって、熱伝達通路１２は、燃焼室３の外周の周りを少なくとも１周分、接線方向に延びるらせん状通路を形成することができる。通路１２の隣接する巻回部は互いに気密である。熱伝達通路１２を通る作動媒体の流れは、図５の矢印で示すように、ガスタービンシステムの中心軸Ｃの周りで実質的に接線方向である。
【００４５】
燃焼排ガス用熱伝達チャンネル１１は、熱伝達通路１２の仕切り壁１５と交差する。熱伝達チャンネル１１の管が仕切り壁１５に接する接触面は、燃焼排ガスが作動媒体に接触しないように気密である。他方で、熱は対流によって燃焼排ガスから作動媒体に伝達される。燃焼排ガスは、第１熱交換器装置８から燃焼排ガス出口２２を通して排出される。それから、加熱された作動媒体はさらにパイプライン２４を通ってタービン２に向かって送られる。
【００４６】
好適な実施形態では、低温部は３５５溶接鋼から作られ、作動媒体の温度を５００℃〜７００℃まで上昇させるのに適応させられている。
ガスタービンシステムは、さらに、タービン２の入口２０に隣接して、高温部とも呼ばれる第２熱交換器装置９を備えることができる。その場合、燃焼室の出口開口部１０は、第２熱交換器装置９の一次側１６に配置することができ、その表面は燃焼室３と対向する。
【００４７】
第１熱交換器装置８からタービン入口２０までに向かう途中で、作動媒体は第２熱交換器装置９の二次側１７を通り、その表面は燃焼室３の反対側を向く。二次側１７は燃焼室出口５の真正面に配置される渦流室１９として形成することができる。この位置は、燃焼室からの放射熱がその最高値に達する燃焼室３の熱放射中心１８を表す。渦流室１９は、パイプライン２４からの入口２８が渦流室１９の外縁に配置されるように円形に形成され、流入する作動媒体が渦流室１９に進入するときに主に接線方向の流れ方向を与える。作動媒体は渦流室１９でらせん状経路にて循環される。燃焼室３からの放射熱は渦流室１９を加熱し、そこで、作動媒体は、渦流室１９の出口を介してタービン２に出る前に、渦流室１９の熱伝達面を数回かすめる。作動媒体は渦流室１９で、所望の加熱を達成するために長い滞留時間を有することが望ましい。渦流室１９での滞留時間をさらに延ばすために、出口２９の反対側に、循環を促進させる中央隆起部３０を設けることができる。
【００４８】
第２熱交換器装置９は、作動媒体の温度を６５０℃〜９００℃まで上昇させるのに適応させられており、これは、約２０％〜２２％の効率をガスタービンに与えることになるであろう。高温部の好適な材料は、優れた熱特性を有する焼結セラミックまたは鋳造セラミックである。
【００４９】
第２熱交換器装置９は、有利なことに、燃焼室３の単なる補助のためにモジュラー型の構成部品として形成することができ、これで摩耗時の交換も行いやすくなる。第２熱交換器装置９の一次側１６の外径は、燃焼室３の内径に適合させて、２つの構成部品を接合するときに気密連結を形成するようにする。
【００５０】
燃焼室３の温度が約６５０℃〜１２００℃に達するとき、燃焼室の外壁１３と、周囲温度に接するガスタービンシステムの外部カバー１４との間に温度勾配が生じることがある。好ましくは溶接鋼である燃焼室の外壁１３および外部カバー１４のうちの少なくとも一方の材料の膨張が異なるため、温度勾配はガスタービンシステムの変形を生じさせることがある。
【００５１】
変形を抑えるために、燃焼室の外壁１３および外部カバー１４のうちの少なくとも一方を波形にすることができ、これにより、望ましくない変形を生じさせることなく、材料が軸方向に膨張できるベローズ機能が提供される。
【００５２】
ガスタービンシステムはさらに、タービン２の出口２１と燃焼室３の入口４との間にパイプライン２５を装備することができる。したがって、作動媒体は燃焼室３に戻り、燃焼を開始する前に供給燃料を加熱する。それにより、例えば、スターリングエンジンと比べて、燃焼室３に供給する必要のある熱が少なくなるため、燃料消費量が減少する。
【００５３】
好適な実施形態では、ガスタービンシステムは、部分的に第１熱交換器装置８および第２熱交換器装置９のうちの少なくとも一方を通る作動媒体および燃焼排ガスのうちの少なくとも一方のガスの流れを調整する手段をさらに備えることができる。この手段または調整器は、例えば、作動媒体を圧縮機１から直接、第２熱交換器装置９に、または第１熱交換器装置から直接、タービン２に送るパイプラインを有する１以上のバルブからなることができる。
【００５４】
ガスタービンシステムは自家用車などの車両に組み込むように適応されるべきであるので、システムを十分にコンパクトにし、重量を従来のピストン形の内燃機関と同程度にできることが非常に重要である。
【００５５】
自家用車への組み込みの実施例では、発生する動力の要件は、マイクロタービンの動力に相当する１０ｋＷ〜１００ｋＷの範囲である。一体構造ユニットとして形成される低温部のコンパクトな設計により、システムのサイズが７００ｍｍ〜１０００ｍｍの長さおよび４００ｍｍ〜６００ｍｍの外周によって示されるマイクロタービンの形態のガスタービンを有する実施形態が可能である。これまで周知の技術では、このようなサイズダウンはかなりの効率の低下を示すであろうが、本発明では、作動媒体を加熱するために燃焼室３の放射熱を利用することにより、これを抑える。マイクロタービンシステムのサイズの場合、さらに３０ｍｍ〜５０ｍｍの絶縁用の空間が見積もられる。特に、セラミック製の第２熱交換器装置９を囲むエリアは、達し得る表面温度に関して高い要求を課す。この実施形態では、マイクロタービンシステムの質量は約３４ｋｇと計算される。
【００５６】
本発明によるガスタービンシステムは、特定のサイズに制限されるものではなく、所望のサイズおよび動力をもつガスタービンシステムに適用することができる。含まれる構成部品の材料は、当然ながら、例えば金属または複合材料など、ガスタービンシステムの強度および耐熱性の要件を満たす前述した材料とは異なるものでもよい。
【００５７】
第１熱交換器装置の熱伝達チャンネル／通路は、燃焼排ガスが燃焼室の周りに実質的に接線方向の流れ方向をとり、作動媒体が燃焼室に沿った軸方向の流れ方向をとるように配置することができる。両方の流れ方向が実質的に接線方向、軸方向またはガスタービンシステムの中心軸に対して角度をなすらせん状で反対向きの別の設計も実行可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１  圧縮機、２  タービン、３  燃焼室、４  燃焼室入口、５  燃焼室出口、６  燃料貯蔵室、７  ジェネレータ、８  第１熱交換器装置、９  第２熱交換器装置／高温部、  １０  出口開口部、１１  燃焼排ガス用熱伝達チャンネル、１２  作動媒体用熱伝達通路、１３  外壁、１４  外部カバー、１５  仕切り壁、１６  一次側、１７  二次側、１８  熱放射中心、１９  渦流室、２０  タービン入口、２１  タービン出口、２２  燃焼排ガス出口、２３  パイプライン（圧縮機―熱交換器通路）、２４  パイプライン（熱交換器通路―渦流室）、２５  パイプライン（タービン―燃焼室）、２６  圧縮機入口、２７  圧縮機出口、２８  渦流室入口、２９  渦流室出口、３０  隆起部。
【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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