(57)【要約】  反動タービンが、ノズルを生成するようにディスクの上面に形成されたチャネルを有する。チャネルを、ディスクへと封じられる膜または燃焼装置から延ばされるハウジングによって覆うことができる。各々のチャネルは、反動タービンの入り口から径方向外側へと延びる第１の部分と、この第１の部分からディスクの外周へと延びる第２の湾曲部分とを有することができる。反動タービンは、衝動タービンからの入力も受け取ることができる。流体が衝動タービンを通って流れ、衝動タービンからの流体が、反動タービンの入り口に進入する。反動タービンは、稼働時にディスクの温度を下げるための冷却チャネルおよび冷却フィンを有することができる。さらに、磁石が、軸受支持および発電をもたらすことができる。加えて、反動タービンは、各々のシャフトが反動タービンへと接続された２連シャフトの構成を有することができる。１つの反動タービンが圧縮機を動作させる一方で、第２の反動タービンが、第２のシャフトを介して負荷を駆動する。
2014530997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央のシャフトと、
入り口および出口を有する衝動タービン段と、
前記衝動タービン段の出口から流体を受け取る入り口と、出口とを有している反動タービン段と、
加圧された気体の流れを前記衝動タービン段の入り口へと供給するように構成された導管と
を備えており、
前記導管によって供給される流体が、前記第２の反動タービン段に進入する前に前記衝動タービン段を通って流れるハイブリッドタービン。
【請求項２】
前記衝動タービン段が、
前記中央のシャフトから径方向外側へと延びる複数のバケットを備えている請求項１に記載のハイブリッドタービン。
【請求項３】
前記導管と同心な円筒形の壁と、
前記円筒形の壁の両側に位置する前記複数のバケットと、
前記円筒形の壁の軸方向に可動である閉塞ディスクと
をさらに備えており、
前記閉塞ディスクの直径が、前記円筒形の壁の直径に等しい請求項２に記載のハイブリッドタービン。
【請求項４】
前記第２の反動タービン段が、
ディスク状の本体と、
前記本体に形成された複数のチャネルと
を備えており、
各々のチャネルが、前記本体の外周に位置する出口を終端としている請求項１に記載のハイブリッドタービン。
【請求項５】
前記チャネル内に分離くさびをさらに備えており、前記分離くさびは、前記チャネルの側壁から内側へと延びている請求項４に記載のハイブリッドタービン。
【請求項６】
２つのチャネルの間に形成された少なくとも１つの冷却穴と、
前記冷却穴から前記本体の前記外周まで前記２つのチャネルの間を延びている冷却チャネルと
をさらに備える請求項４に記載のハイブリッドタービン。
【請求項７】
前記少なくとも１つの冷却穴に隣接しており、空気を該冷却穴へと導くスクープ
をさらに備える請求項６に記載のハイブリッドタービン。
【請求項８】
前記衝動タービンの入り口が、全開の取り入れ口である請求項１に記載のハイブリッドタービン。
【請求項９】
ディスクと、
前記ディスクへと取り付けられたシャフトと、
前記ディスク上の入り口へと接続された圧縮された流体の供給源と、
前記ディスクに形成され、前記入り口から該ディスクの外周まで延びており、該ディスクの上面に形成されているチャネルと、
前記ディスクの上部の該上面において前記チャネルを閉じるカバーと
を備える反動タービン。
【請求項１０】
各々のチャネルが、
前記反動タービン段の入り口から第１の端部まで径方向外側へと延びている第１の部分と、
前記第１の端部から前記平坦なディスクの前記外周まで延びており、弓形である第２の部分と
を含んでいる請求項９に記載の反動タービン。
【請求項１１】
前記第１の部分が、前記チャネルが前記反動タービン部分の入り口から延びるにつれて小さくなる断面積を有している請求項８に記載の反動ハイブリッドタービン。
【請求項１２】
前記第１の部分が、円錐台の形状である請求項１１に記載の反動タービン。
【請求項１３】
前記第１の部分が、一定の高さならびに径方向において減少する周方向の広がりを有している請求項１１に記載の反動タービン。
【請求項１４】
前記第２の部分の端部が、前記ディスクの前記外周に対して接線方向である請求項９に記載の反動タービン。
【請求項１５】
前記圧縮された流体の供給源が、燃焼装置であり、
前記燃焼装置のハウジングの延長部が、前記チャネルを閉じるための前記カバーである請求項９に記載の反動タービン。
【請求項１６】
前記ディスクから間隔を空けて位置するケーシングと、
前記ケーシングに位置する少なくとも１つの支持磁石と、
前記ディスクに位置する少なくとも１つのロータ磁石と
をさらに備えており、
前記少なくとも１つの支持磁石および前記少なくとも１つのロータ磁石が、磁気軸受として働く請求項９に記載の反動タービン。
【請求項１７】
前記ディスク上に冷却フィンをさらに備える請求項９に記載の反動タービン。
【請求項１８】
前記チャネルを閉じるための前記カバーとして前記ディスクへと取り付けられた膜と、
前記ディスクへと取り付けられた１対の燃焼室と、
前記１対の燃焼室の間を延びる圧縮機と
をさらに備える請求項９に記載の反動タービン。
【請求項１９】
直接的な発電のために前記ディスクの周囲に配置されたピックアップコイルをさらに備える請求項９に記載の反動タービン。
【請求項２０】
圧縮機と、
前記圧縮機を貫いて延びる第１のシャフトと、
前記第１のシャフトに取り付けられた第１のタービンと、
前記第１のタービンに隣接した第２のタービンと、
前記第２のタービンから延びる第２のシャフトと
を備えており、
前記第２のシャフトが、前記第２のタービンによって駆動される２連シャフト型タービン。
【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、２０１１年１０月２４日付の仮特許出願第６１／５５０，７２７号、２０１２年４月２３日付の仮特許出願第６１／６３６，９６４号、および２０１２年９月１９日付の仮特許出願第６１／７０３，０４１号について、米国特許法第１１９条（ｅ）のもとでの利益を主張し、これらの出願の各々の内容が、ここでの言及によって援用される。
【０００２】
本発明は、低品質の燃料で動作することができる高効率なタービンに関する。このタービンは、反動および衝動という既存のタービンの主要な２つの種類のハイブリッドである。
【背景技術】
【０００３】
一般に、流体機械は、流体がより高いエネルギー状態からより低いエネルギー状態へと流れるときに流体から出力を取り出す。単純な水車から最も先進的なガスタービンまで、いくつかの種類の流体機械が存在する。これらの機械は、多数の相違点を有しているが、いずれもいくつかの基本的法則に従う。
【０００４】
とりわけ、ｄａ  Ｖｉｎｃｉからｄｅ  ＬａｖａｌおよびＰｅｌｔｏｎまでの発明者らはいずれも、最大の水車について、流体が（１）低速かつ一様に進入しなければならず、さもないと出力を取り出すことができる前に損失が生じ、（２）滑らかかつ緩やかな段階にて進まなければならず、さもないと出力が獲得されずに周囲へと失われてしまい、（３）基本的に速度ゼロで出て行かなければならない（残余の速度は、機械の外部にあり、したがって有用な出力へと変換することができない運動エネルギーをもたらすため）ことに気付いている。
【０００５】
最新のタービンは、圧縮性流れの流体力学の原理に依存している。これらの高速の流れの最も単純な事例は、ロケットである。
【０００６】
ロケットの推力は、ニュートン力学から得られ、力Ｆが、運動量ｐの変化の時間速度であり、すなわち
Ｆ＝ｄｐ／ｄｔである。
【０００７】
運動量は、ｐ＝ｍｖ（ここで、ｍは質量であり、ｖは速度である）であるため、力の式は、以下のようになる。
Ｆ＝ｄｐ／ｄｔ＝ｍｄｖ／ｄｔ＋ｖｄｍ／ｄｔ
【０００８】
したがって、一定の速度ｖにおいて、推力はＦ＝ｍｆｌｏｗｖへと減少し、ここで、ｍｆｌｏｗ＝ｄｍ／ｄｔは、質量流量である。
【０００９】
ロケットの出力Ｐは、出力＝力×速度、すなわちＰ＝Ｆ・ｖという一般的関係から得られ、これはロケットの速度が排気の速度に等しい特別な事例について、
Ｐ＝ｍｆｌｏｗｖ２になる。この条件において、排気は、残余の運動エネルギーを持つことなく、空間内で宙に浮く。
【００１０】
したがって、以上の全体的な原理を使用して、単純なロケットは、入損失がなく、膨張が滑らかであり、排気に失われる残余の運動エネルギーがない状態で、最適な効率にある。
【００１１】
ロケットと同様に、ジェットの推力は、高速のガスの排出からもたらされる。しかしながら、ロケットと異なり、ジェットは、周囲の空気を受け取り、それら空気が排出される生成物の大部分となり、燃料は排気ガスのうちの比較的小さな部分でしかない。したがって、入力される空気の速度を、出口における速度から引き算しなければならず、したがって出力の関係は、
Ｐ＝ｍｆｌｏｗ（ｖｅｘｈａｕｓｔ−ｖｊｅｔ）ｖｊｅｔ
になり、ここでｖｊｅｔはジェットの速度であり、ｖｅｘｈａｕｓｔは排気の速度である。入力される空気がジェットに含まれる場合、その事例はロケットになり、ジェットの出力の式がロケットの出力の式になることに注意すべきである。
【００１２】
残念ながら、排気中に残余のエネルギーが存在しないという上記の全体的関係を適用するためには、排気の速度がジェットの速度に等しくなければならない。この場合、ジェットへと入る空気の速度が、ジェットを出る排気の速度と同じであり、したがって正味の出力がゼロである。したがって、実際のジェットは、利用可能な推力と効率との間の妥協において運転されなければならない。
【００１３】
衝動タービンは、ホイールに取り付けられた一連のバケットを有する。バケットに向けられた流体のジェットが、ホイールを回転させ、ホイールの回転によって出力が生み出される。初期の研究者らが、到来する流れをバケットの中心ではなく縁に向けることが理想的な手法であることを発見した。したがって、到来する流体は、半円形の経路を辿り、流体の進入時の速度と同じ速度でバケットを離れる。さらに、到来する流れが回転するバケットの速度の２倍で進入する場合、正味の結果として、使用後の流体が空間内で不動である。したがって、衝動タービンの最大効率は、ロケットの場合について上述したように、排気中に運動エネルギーが残されない場合に生じる。
【００１４】
やはり、出力＝力×速度という関係を使用して、出力＝ｍｆｌｏｗＶｓｔｒｅａｍ×Ｖｂｕｃｋｅｔ、または
Ｐ＝１／２ｍｆｌｏｗＶｓｔｒｅａｍ２
であり、ここでｍｆｌｏｗは質量流量であり、Ｖｓｔｒｅａｍは到来するジェットの流れの速度であり、Ｖｂｕｃｋｅｔはバケットの速度であり、Ｖｂｕｃｋｅｔ＝１／２Ｖｓｔｒｅａｍである。したがって、任意の所与のジェットの流れの速度において、衝動タービンは、同じ速度で動作するロケットの最大の理想的な出力の２分の１しかもたらさない。
【００１５】
反動タービンは、最初はＡｌｅｘａｎｄｒｉａのＨｅｒｏによって生み出された古くからの機械であり、今日では一般的な回転芝生スプリンクラーとして最も頻繁に見かけられる。全体的な原理は、ディスクの外周から接線方向に排出される流体が、このディスクの回転を生じさせるというものである。この持ち前の単純さにもかかわらず、反動タービンは、出力の生成に決して成功裏に利用されてはいない。基本的な設計に起因する制約が存在する。当初の記録および原型は長らく行方不明であるが、一般に認められた形状は、基本的に２つの反対向きのジェットが中心線に取り付けられた球である。水が球へと加えられ、次いで球が加熱されるとき、逃げ出す蒸気が機械を回転させる。
【００１６】
上述の全体的な関係が、根本的な問題を呈する。第１に、水での供給は、限られた機械加工の能力では明らかに困難である。次の懸念は、水の蒸気への変換、およびこの蒸気の経路である。理想的には、この経過が滑らかでなければならないが、回転する液体および気体の混合物においては、気体に対して移動する出口（内部の仕切りが存在しない）とも相俟って、実際には内部のプロセスが複雑になり、大きな損失につながる。最後に、気体を、ノズルを通って滑らかに取り出す用意が存在せず、機械の回転速度を排気の速度に合わせる用意が存在しない。したがって、Ｈｅｒｏのタービンが有用な出力を生み出さないことに、驚きはない。同様の問題は、より最近の試みにもつきまとう。
【００１７】
これらの問題にもかかわらず、反動タービンは、本質的に丈夫であるため、潜在的に有用である。具体的には、反動タービンは、従来のタービンを制約する精巧な羽根を持たない。したがって、反動タービンを、地熱、太陽、トッピング（ｔｏｐｐｉｎｇ）、ボトミング（ｂｏｔｔｏｍｉｎｇ）、および蒸気と混ざった大量の水を有する同様のサイクル、ならびに他の２相系に向けて検討することができる。
【００１８】
Ｓｏｈｒｅが、水および蒸気を仕切るためのセパレータを使用するそのような１つのシステムを提案している。１つの制限因子は、線速度がｖ＝ｒω（ここで、ｒは半径であり、ωは角速度である）であるという単純な物理学の関係である。
【００１９】
この関係における第１の問題は、Ｓｏｈｒｅが超音速の先端速度を指定し、水ジェットを先端の半径の約半分の位置に示している点にある。したがって、所与の半径における速度についての上述の単純な式を使用して、水ジェットにおける速度は、超音速ではない場合でも、少なくとも音速に近い。これは、単純に、いくつかの理由で現実的でない。（１）水は圧縮性でなく、したがって気相を支配する圧縮性流れの法則に従わず、したがってユニットの気体および水の各成分は両立せず、（２）水は、後述のようにポンプの仕事を被ると考えられ、（３）あらゆる実際の２相系の水の量は、有用なジェットを形成するには不適切であり、小径のノズルにおいては損失が過大になる一方で、大径のノズルは蒸気の栓として機能するには不適当であると考えられる。
【００２０】
Ｓｏｈｒｅは、排出された蒸気がチャンバの壁をこするための充分な径方向の速度を有すると述べている。１つの問題は、上述の全体的な関係が、残余の速度が効率を低下させることを示している点にある。さらに、この速度は、存在するだけでなく、径方向でもある。しかしながら、反動タービンは、径方向の速度からは出力を生み出すことがなく、接線方向の速度（または、角速度）だけが有用な出力をもたらす。ノズルの配置が、この効率の損失の理由を示しており、ノズルが接線方向および径方向の両方の成分を排出する。
【００２１】
しかしながら、Ｓｏｈｒｅのユニットは、超音速に達するために必要であるとして、従来のｄｅ  Ｌａｖａｌの収縮および拡大ノズルを示している。Ｓｏｈｒｅは、実際の位置およびサイズが圧力低下に依存すると指定している。さらにＳｏｈｒｅは、従来の反動タービンが回転時に自己の作動流体を圧縮すると述べている。
【００２２】
提案される収縮／拡大およびスロート部（後述）について示す位置は、外周の付近である。具体的には、スロート部が、外周の１０％の範囲内にある。したがって、流れが、ロータの最後の１０％において音速以下から音速および超音速へと進まなければならない。しかしながら、上述の単純な関係ｖ＝ｒωによれば、指定された接線方向の流れの式を維持しながらのそのような急激な速度の上昇は、断じて不可能である。すなわち、利用可能な空間では、最大でも１０％の速度の上昇が可能なだけであり、速度を２倍や３倍にすることは不可能である。
【００２３】
さらに内側へと進むと、収縮部分から回転の軸へと延びる流れの領域が存在する。Ｓｏｈｒｅは、この部分が、顧客が代価の支払いを望むか否かに応じて、ガイドを有しても、有さなくてもよいと主張している。羽根がある場合、流体はロータ本体と一緒に回転する。羽根がない場合、流体は本体と一緒に回転することがない。したがって、ノズルに近づく流体が、２つの提案の構成のもとで、まったく異なる流れの特性を有する。過度の損失を避けるために内部の流れが滑らかでなければならないという上述の全体的な原理に鑑み、ここで何らかの選択を行わなければならない。さらに、接線方向の速度の不整合という問題（やはり、さらに詳しくは後述）も存在する。
【００２４】
最後に、軸への進行が、質量保存というきわめて教訓的な１つの最後の問題を明らかにする。ここでの根本的な原理は、流体機械は流体の貯蔵または放出が不可能であるというものである。定量的に、質量流の関係は、
ｍｆｌｏｗ＝ρＡｖ
であり、ここでρは密度であり、Ａは流れの断面積であり、ｖは流れの速度である。
【００２５】
ここでの基本的な問題は、高い速度の空気または蒸気などの圧縮性の流れが、可能な流れの種類を限定する特性を有することにある。具体的には、Ｓｏｈｒｅによって指定されているとおりの超音速の流れを達成するために、流れが、速度が上昇する収縮部分を最初に通過しなければならない。最終的に、流れは、チャネルの最も狭い地点において音速マッハ１に達する。次いで、チャネルは拡散する。次いで、充分な圧力ヘッドにおいて、流体はこの超音速部分においてマッハ１を超えて加速する。ここでの制約条件は、最も狭い地点がスロートと呼ばれ、所与の流れを超える流れはこの「重要領域」を通過できない点にある。しかしながら、Ｓｏｈｒｅのユニットは、軸の入り口がスロートよりもはるかに小さいため、この原理に反している。さらに、スロート領域が、入り口領域よりもはるかに大きい。したがって、Ｓｏｈｒｅのユニットは、上述の質量流量の法則に違反し、任意の所与の質量流量がＳｏｈｒｅの形状における相反する条件を満たすことは、物理的に断じて不可能である。
【００２６】
米国特許第５，２３６，３４９号明細書（Ｆａｂｒｉｓ）が、反動タービンへの最近の研究を示している。残念ながら、Ｆａｂｒｉｓのユニットは、限られた排気ノズルの構成という米国特許第４，３３６，０３９号明細書（Ｓｏｈｒｅ）によってすでに言及された問題から始まっている。具体的には、Ｆａｂｒｉｓのユニットは、わずかに２つの出口ノズルを有している。したがって、ディスクの大部分は、無駄な空間である。そのような構成は、質量および体積に関して従来のタービンに対して断じて競争力がない。
【００２７】
Ｆａｂｒｉｓのユニットにおける別の問題は、軸に位置する入り口領域である。仕切りを持たないＳｏｈｒｅのユニットと同様に、この領域は仕切られておらず、したがってＨｅｒｏにさかのぼる非一様な分布の問題を抱える。さらに、Ｆａｂｒｉｓのユニットは、さらに詳しく後述されるように、高い入り口速度に起因する過度の効率の低下も抱える。
【００２８】
しかしながら、Ｆａｂｒｉｓは、流れの制限の管理を理解しており、スロートへの絞りが、妥当な径方向の距離に位置している。さらにＦａｂｒｉｓは、主として２相（水および蒸気）流体のフラッシュ蒸発に対する圧力に関して、ロータにおける圧縮の影響も認識している。
【００２９】
しかしながら、Ｆａｂｒｉｓがこれらの影響の計算に用いるコンピュータプログラムは、弱点を有している。第１に、Ｆａｂｒｉｓは、線速度のプロフィルを表現し、次いで計算の残りの部分に対してこのプロフィルの使用へと進んでいる。この仕様は、線形なプロフィルが唯一の可能なプロフィルであるか、あるいは線形なプロフィルについて或る程度の優先が存在することを意味している。実際には、多数の考えられるプロフィルが存在し、その多くが、Ｆａｂｒｉｓによって指定された線形な形態と比べて大きな改善をもたらす（さらに詳しくは後述）。
【００３０】
より重要なことに、Ｆａｂｒｉｓは、その後に、この線形なプロフィルを、流れの輪郭を割り出すために反復の図式において使用している。反復の限界は、静止のロータにおける気体の速度に対する、運動しているロータにおける予想の気体の速度である。次いで、Ｆａｂｒｉｓは、試験のために収束した事例を使用している。
【００３１】
ここでの困難は、Ｆａｂｒｉｓが、計算モデルにおいて重大な項を省略しており、損失、ならびに排出に先立って気体によって接線方向にロータへと行われる仕事を省略している点にある。これらの項は、回転の事例において出口速度を低下させるため、強制された同一の出口速度というＦａｂｒｉｓのアルゴリズムは、必ずや誤った解へと収束する。この件はさらに詳しく後述されるが、ここでは接線方向の回転面（Ｆａｂｒｉｓの図３）における気体の方向の１８０度の変化が、少なくとも５０％は誤った結果をもたらすことに注意すべきである。そのような大きな不具合は、たとえ１パーセントに満たない変動でさえ重要であるタービンの仕事において、決して容認できない。
【００３２】
特許文献を越えて、Ｃｏｍｆｏｒｔが、反動タービンの原理について最も単純かつ最も完全な分析を提供している。特に、Ｃｏｍｆｏｒｔは、多くの教科書におけるポンプの仕事の省略に言及している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３３】
【特許文献１】米国特許第５，２３６，３４９号明細書
【特許文献２】米国特許第４，３３６，０３９号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００３４】
タービンが、衝動要素と新規な反動要素とを統合する。衝動タービンは、本質的に反動タービンよりも効率が低いが、２つのシステムの組み合わせは、高い効率、高い耐久性、低いコスト、広い出力帯、および幅広くさまざまな燃料を使用できること、などの多数の利点をもたらす。燃料の範囲は、すべての従来のタービン燃料、ならびに石炭、バイオマス、未精製の原油、および２相混合物（とりわけ、蒸気および水の組み合わせ）などの一般的でない燃料を含む。
【００３５】
２つの要素タービンは、共通の中央のシャフトに取り付けられてよく、あるいは分割または２連シャフトを有することができる。他の反動タービンにおけるシャフトと異なり、このシャフトは、強度を最大にし、振動を最少にするために、中実である。作動流体が、最初に最小限の損失のために音速以下で衝動タービンに進入する。ラビリンスシールが、振動の際にも高い圧力の入力を封じ込める。排気ガスが、後続の反動タービンに進入するときに接線方向の速度をほぼ持たないことだけが求められる。次いで、圧力ヘッドが反動タービンへと渡され、この反動タービンにおいて、流路の全体にわたって接線方向の速度がゼロに保たれる。
【００３６】
衝動タービンの半径は、反動タービンの半径よりも大幅に小さい。したがって、衝動タービンが、最小限の損失のために音速以下で動作できる一方で、反動タービンは、最大の効率のために超音速で動作する。
【００３７】
タービンは、完全な接線方向の流れにおいて最大の出力をもたらす一方で、干渉がないように対称に配置された複数のノズル（通常の２個よりも多い）を有する。この複合システムは、長さおよび直径が小さいことで、最小限の重量で最大の出力をもたらす。タービンの全体としての形状は、基本的に平坦なディスクである。この形状の利点は、従来の動的技術とシステムを釣り合わせることが容易な点にある。さらに、システムを、遠心ロータと同様に速度において自動的に釣り合うように取り付けることが可能である。
【００３８】
熱の制御のために、システムは、従来の高温合金を取り入れることができる。ロータのポートが、圧縮機の空気を排出することなく積極的な冷却をもたらし、したがって高い効率を維持する。さらに、滑らかな長い半径の曲線は、セラミックによって容易に被覆することができる。全セラミックの構成も、より新しい材料が利用可能になるときの１つの可能性である。従来のタービンの壊れやすい羽根を備えずに、タービンは、現時点では使用することができないセラミックまたは他の先進の材料を取り入れることができる。
【００３９】
反動タービンの底が、軸受用および一体化された発電のための磁石を含むことができる。したがって、組み立てられたシステムが、単純かつ安価に製造でき、低コストのシステムのための一次元の切削という選択肢を含む。得られる装置は、過酷な環境で動作するための充分な耐久性を有する。さらに、この高い耐久性は、熱回収ユニットの故障に起因するシステムの不具合の危険を冒すことなく、安価な再生式熱交換器（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ）および回収熱交換器（ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ）を用いることを可能にする。
【００４０】
システムは、最大の軸出力のために設計される。具体的には、システムがバイパス損失を有さないことで、現状では他のタービンを使用することができない小規模においても、高い出力レベルをもたらす。軸出力を、単に反動タービン部分の有効性を下げることによって推力へと変換することができる。複合システムの輪郭は特定の範囲においてのみ有効であり、したがって最大速度を本質的に制限し、したがって従来のタービンのサージの問題を解消する。
【００４１】
反動タービンおよび衝動タービンの組み合わせは、単独で働く衝動タービンと比べて多くの利点をもたらす。第１に、衝動タービン単独では、高い効率に必要な大きな圧力低下をもたらすことができない。さらに、地熱および他の２相流に使用される衝動タービンは、高い速度で動作し、したがって水滴および破片による損傷を被りやすい。
【００４２】
反対に、本発明における衝動タービンは、衝突による損傷を無視することができる比較的低い速度で動作する。回転速度と線速度との間の上述の関係に鑑み、軸の付近に位置する衝動タービンは、ディスクの外周のはるかに高い速度のノズルに理想的に適合する。この独特の低速動作の別の利点は、入力流を、より高い速度のシステムの超音速の流れと対比して、音速以下に保つことができる点にある。即座の利点は、音速以下の流れは、超音速の流れの方向転換の場合に生じるはるかに大きい損失と比べ、最小限の損失で必要な角度の方向転換が可能な点にある。
【００４３】
本発明を、衝動要素を持たない反動タービンとして構成することも可能であり、２連シャフトのシステムとして構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】ハイブリッドタービンを示している。
【図２】下方の反動タービンに対する衝動タービンのバケットの配置を示している。
【図３】偏向板に対するバケットを示している。
【図４】衝動タービン部分にバケットを有するハイブリッドタービンを示している。
【図５】反動タービンディスクの平面図である。
【図６ａ】複数のチャネルを有する、図５の反動タービンディスクの平面図である。
【図６ｂ】チャネル内のくさびの種々の形状を示している。
【図７】衝動タービンとともに使用される反動タービンディスクの平面図である。
【図８】上面に圧縮機および燃焼室が取り付けられた反動タービンディスクの平面図である。
【図９ａ】磁気軸受および冷却フィンを有するタービンの端面図である。
【図９ｂ】図９ａのタービンの側面図である。
【図１０】２つの反動タービンおよび２連シャフトを有するシステムの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図１に見られるように、ハイブリッドタービン１０が、すべての構成部品を支持するとともに、タービン構成部品によって駆動される中実シャフト１２を有している。入り口導管１４が、燃焼装置などの任意の適切な供給源からの流体を供給する。流体は、流れが中実シャフト１２を中心にして移動し、衝動タービン２０の上壁の付近でシャフト１２から径方向に延びている取り入れ口２２を通って衝動タービン２０の上部に進入するとき、矢印Ａによって示される渦運動を有する。衝動タービンが、円すい形の側壁を有するものとして示されているが、側壁は円柱形であってもよい。
【００４６】
上述のシステムは、燃焼装置からロータへと進む、燃焼装置からのただ１つの到来流を使用する。最大の出力密度のために、流れを２つの燃焼装置または分かれた流れ源などからもたらすことができる。この場合、フローチャンバのサイズを２倍にしなければならない。正味の結果は、航空宇宙および他の限られた作業空間の用途のためのきわめて高い出力密度である。取り入れ口の案内羽根が、流れをチャネルへと滑らかに導くことができる。これらの案内羽根が、従来の衝動タービンにおいて行われているように仕事の出力に貢献しないことに、注意すべきである。
【００４７】
結果として、到来する流れが、燃焼装置から衝動タービンを通り、次いで反動タービンへと滑らかに案内される。特に、衝動タービンから現れる流れの角速度が、外部の不動の観察者から見たときにゼロであり、したがってロータのチャネルにおける流れに一致する。この滑らかな流れの経路が、全体としての最大の効率をもたらす。
【００４８】
入力される流体は、ラビリンスシール１６を通ってこの中央のシャフト１２の側面に沿って進入する。このシールが、起動および停止の際の不釣り合いを許容する。流れは、らせん状の流れを生み出すための、中心軸を中心とする回転を伴って、部分的に下方へと向けられる。従来の径方向流入のタービンの湾曲した供給配管が、そのような流れをもたらすことがすでに知られており、したがってこの手法は実績を有し、従来の設備のための直接的な変換機構ももたらす。衝動タービンが、入力された流れを反動タービン５０の回転とは反対の方向に案内する。
【００４９】
衝動タービンは、複数の弓形のバケット２２によって形成される。図２に見て取ることができるとおり、加圧された気体が、タービンへとバケットの間の空間に進入し、各々のバケットが、２つの流路の表面を形成している。衝動タービンは、到来する流れがバケットの角速度の２倍で移動しているときに最も効率的である。この状態において、排気の流れの速度は、静止になるように見受けられる。これが、後述される反動タービンへの必要なリンクをもたらす。
【００５０】
流れがバケットの外曲面に衝突し、タービンへと導入される反時計方向の流体から反時計方向の回転を生み出すように衝動タービンに力を作用させる。流れは、バケットにおいて反転させられるだけでなく、径方向外側および下方へと案内される。流れは、軸からかなりの距離において、下方の反動段に進入する。
【００５１】
この構成の衝動タービンは、「部分流入軸流（ｐａｒｔｉａｌ  ａｄｍｉｓｓｉｏｎ  ａｘｉａｌ  ｆｌｏｗ）」と称される。「部分流入」という用語は、任意の一時点において流れの領域の一部だけしか開いていないことを意味する。「軸流」は、単に衝動タービン部分における正味の流れが回転軸に平行であることを意味する。この構成は、（１）限られた量の作動流体、および（２）低い回転速度に最もよく適している。
【００５２】
本タービンは、図３に示されるように、単純な全開（ｆｕｌｌ  ａｄｍｉｓｓｉｏｎ）の構成も可能にする。ここで、バケット２４が、図１の部分流入のすき間と対比して、狭い間隔で配置されている。従来の衝動タービンに典型的であるとおり、図３における入力気体の角度は、衝動タービンの回転の平面に対して約３０度であり、バケットの入力角度は、約２０度である。これらの角度は、軸に沿った正味の運動をもたらすように選択され、そうでない場合、流体が蓄積し、流れを妨げると考えられる。従来のタービンは、この「進入および退出」の損失を容認する。理想的には、流れは、最大の効率のためにすべてが回転方向であると考えられるが、これは従来の軸流衝動ユニットにおいては不可能である。
【００５３】
本タービンは、衝動タービンの出口に配置された偏向板２６を有する。この板の一形態は、回転の軸に取り付けられたディスクである。その最も単純な形態において、偏向板は、反動タービンの壁の外面である。
【００５４】
この流れが偏向板にぶつかるとき、流れは、図３に示される板とバケットとの間の開口を通って現れる。バケット２４を出るとき、不動の外部の点から観察される回転運動は存在しない。形状は、衝動タービンから出る、軸に沿った環状の流れの領域が、後述されるように反動の流れのチャネルに向かって径方向に出る円筒形の断面の流れの領域に一致するように選択される。当然ながら、これら２つの領域は、三次元的な影響、接合部におけるディスクおよび軸の平滑化、ならびに流体力学において一般的な他の洗練ゆえに、正確な一致ではない。しかしながら、これらの二次的な影響は充分に小さく、一次元の分析が、実験および理論展開のための良好な出発点をもたらす。この構造の即座の物理的結果は、衝動タービンおよび偏向ディスクから現れる流体が、特定の回転方向および径方向成分で構成される良好に特徴付けられた流れを有することである。
【００５５】
図４が、衝動タービン部のバケットがシャフトに同軸の円筒形の壁１８によってさらに分割されているハイブリッドタービンの別の実施形態を示している。したがって、この壁は、各々のバケットを２つの部分へと分割している。これらの部分は、総面積においてほぼ等しいため、外側の部分は、内側の部分を境界付ける２つの半径よりも互いに近い２つの半径によって境界付けられている。反動タービンへと向かうこれらの部分の出力は、あたかも仕切りが配置されていないのと同じままである。しかしながら、入力は、元の構成からわずかにインデントされる。
【００５６】
さらに、これらのインデントは、入力ノズル１４における変更に対応する。具体的には、今やノズルも、径方向において分割されている。外側ノズル部分は、これまでと同じである。しかしながら、内側ノズル部分は、今やインデントを横切って外側部分から離され、閉塞として機能する同軸な可動の環状リング６０に組み合わせられている。リング６０は、円筒形の壁１８の直径に等しい直径を有する。このリングが、外部の制御ロッド６２によって変位させられ、必要に応じて衝動タービンの内側流路を部分的または完全に塞ぐ。
【００５７】
リングが円筒形の壁１８に接触しているとき、システムは以前のとおりに機能し、到来する流れがロータの角速度の２倍を有し、システムが従来の衝動タービンとして振る舞う。しかしながら、リングが完全に引っ込められると、追加の断面の流量が、到来する速度を半分に低下させる。到来する角速度が、今やロータの角速度に等しい。したがって、到来する流れは、衝動の成分について仕事をしない。当然ながら、この構成は、従来の衝動タービンにおいては不要であるが、この構成は、最大の可能な流れのヘッドをより効率的な反動タービンに渡すことで、全体としてのシステムの効率を改善する。
【００５８】
軸方向の速度の成分が、出口間隔について上述したとおりの全体としての断面の流れの制約を依然としてもたらすことに、注意すべきである。唯一の相違は、内側部分が塞がれたときに、衝動タービンから出て行く流れが、反動タービンへと径方向に向きを変えるときに分かれ、したがって内側部分の底に停滞領域を残すことにある。標準的な流体力学の技術による曲率が、この領域への乱流損失を最小限にする。この構成は、部分的な閉塞にも当てはまる。所望であれば、２つの部分の役割を反対にすることが可能である。例えば、重たい粒子を含んだ流れが、軸の付近に全衝動モードで導入されるときにバケットの浸食をあまり引き起こさないが、この効果は軽微である。
【００５９】
可動の中心ディスクによる閉塞に加えて、外側の入り口を完全かつ独立に閉じることができることも望ましい。この場合、閉塞は、タービンの軸に中心を有して上述した中実ディスクによる閉塞を囲む第２の可動の環状リングからなる。換言すると、第２の可動の環状リングが、リング６０の外径に等しい内径を有する。完全に別個独立な２つの領域の利点は、種々のバケット形状を、任意の所望の流れの組み合わせをもたらすようにこれらの領域に使用できることである。例えば、外側リングを、低流量の部分負荷動作において望まれるような最大の衝動効率に向けて構成することができる。そのような構成は、衝動タービンにおいて一般的に使用されている２０または３０度程度の小さな入射角を重視すると考えられる。さらに、到来の角速度が、タービンの角速度のほぼ２倍になると考えられる。反対に、内側リングは、きわめて急な角度を使用することができ、入り口速度がロータの速度にほぼ等しい。これらの条件は、生み出す衝動の仕事は最小限であるが、高スループットの用途に向けた理想的な流れの案内を生み出すと考えられる。
【００６０】
流体は、衝動タービンを出た後で反動タービンに進入する。図５〜図８が、種々の反動タービンを示している。これらの反動タービンを、後述されるように、衝動タービンとともに使用しても、しなくてもよい。これらのタービンの各々を、成型または機械加工などの任意の従来の方法によってディスクの上面にチャネルを形成することによって製作することができる。チャネルが、反動タービンにおけるノズルとして機能し、各々のチャネルが、内側および外側側壁を有する。ひとたびチャネルが上面に形成されると、入り口を有する平坦な膜をディスクの上に固定することで、反動タービンを形成することができる。
【００６１】
他の選択肢は、チャネルのカバーをなくすことである。この構成においては、衝動タービン（衝動タービンが存在しない場合には、燃焼装置）からのハウジングが、１ミリメートル程度のディスクの精密な公差を保ちつつ、回転ディスクに平行に径方向外側へと延ばされる。この構成のもとでは、ラビリンスシールが不要である。代わりに、気体は、固定のカバーの近接によって閉じ込められる。この構成は、或る程度の損失を許すが、これらの損失は、小さな圧力低下およびきつい公差においては小さい。即座の利点として、最小限の応力での高い速度、およびラビリンスシールが存在しないがゆえの安価かつメンテナンスフリーな動作が挙げられる。この構成は、図９ａおよび図９ｂに関してさらに詳しく後述される。
【００６２】
本発明において、チャネルが矩形であることによって、内部の循環損失が最小化される。加えて、チャネルはすべてが同じ深さであり、したがって必要とされる断面積の変化は、チャネルの幅の変化のみに依存する。この手法の即座の利点は、切削機械が３次元ではなくて１次元だけの変化を取り扱えばよいため、製造が大いに簡単になる点にある。さらに、すべての変化を、２枚ではなくてただ１枚のディスクにおいて取り扱うことができる。したがって、この手法は、製造努力の切削部分の残りを半分にカットする。
【００６３】
これらの図の各々において、チャネルは、入り口から延びるものとして示されている。外側の円は、径方向の速度成分がゼロになり、接線方向の成分だけが残る外周を指している。反動タービンの外縁は図示されていないが、上述したように、タービンの外縁は、チャネルの外側の壁が反動タービンの側壁に対して接線方向になる地点である。
【００６４】
図５が、直線部分および曲線部分の両方を備えるチャネルを有しているロータの平面図である。軸方向を向いた入り口から進んで、到来する気体は、チャネルの開口においてロータの回転速度に一致する接線方向の成分を有する。これにより、到来する軸方向の速度成分が、径方向の退出の速度へと直接変化する。次に、気体は、チャネルの直線部分を通って進むときにわずかに圧縮される。
【００６５】
次いで、直線部分は、第２の部分につながる。この部分において、圧縮が減少し、内部の推力の仕事が始まる。次に、チャネルにおける曲率が、ロータの中央において大きくなり、圧縮が急激に減少する一方で、推力が急激に増加する。圧力の漸進的な減少に、温度の低下が付随する。最終的に、チャネルの曲率は、完全に接線方向の経路へと移行する。この地点において、もはや圧縮は生じず、これまでに生成された圧力ヘッドのすべてが、推力へと変換されている。
【００６６】
反動タービン５０が、各々が流体の速度を高めるための音速スロートと、反動タービンの外面に対して接線方向である出口ノズルとを有する一連のチャネル５２を有している。図５は、分かりやすさの目的で、反動タービンのチャネル５２のうちのただ１つを示している。チャネルは、入り口５４と、入り口５４から径方向外側へと延びる第１の部分５６とを有している。第１の部分は、減少する断面積を有している。断面積の減少は、円錐台の形状に起因してよく、あるいはチャネルが、一定の高さを有し、中央から径方向に延びるにつれて付随的な距離を減少させてもよい。第１の部分５６は、第１の部分５４から反動タービンの縁に位置する出口へと湾曲した経路を画定する第２の部分５８に移行している。上述のように、外側の円は、流体の径方向の速度成分がゼロであり、接線方向の成分だけが残る場所を指している。出口において、気体の流れは、この図においては分かりやすさの目的で示されていないが、反動タービンの外周に対して接線方向である。
【００６７】
この特定の例では、４気圧縮機が、直線部分を持たないロータのために約５００ｍ／秒の出口速度を生み出す。これらの条件下で、システムは、約３０％の効率を有する従来のＣＢＥ（ＣＢＥは、ＷｉｌｓｏｎおよびＫｏｒａｋｉａｎｉｔｉｓの命名法によりＣｏｍｂｕｓｔｏｒ  Ｂｕｒｎｅｒ  Ｅｘｐａｎｄｅｒを意味する）ブレイトンサイクルである。反対に、現在のＣＢｃｅＥ（ここでｃｅは、ロータにおける小さな圧縮および膨張を意味する）システムは、約７００ｍ／秒の出口速度を有し、約６０％の効率をもたらす。したがって、現在のＣＢｃｅＥの構成は、ＣＢＥシステムの２倍の熱効率を有する。同様に、機械的な効率は速度の平方に依存するため、ＣＢｃｅＥシステムは、４９０，０００（ｍ／秒）２の出力をもたらし、これはＣＢＥシステムの２５０，０００（ｍ／秒）２の約２倍である。
【００６８】
図６が、衝動タービン部品を有していない反動タービンロータの多数のチャネル５２を示している。各々のチャネルが、外側の側壁１５７と、内側の側壁１５８とを有している。衝動タービン部品がない状態で、気体の到来の接線方向の速度は、ロータの接線方向の速度と同じである。さらに、到来する気体の軸方向の速度が、今や径方向に向けられる。
【００６９】
この構成のもとで、ロータは、すべてのポンプの仕事を排除したＦａｂｒｉｓなどの先の湾曲したチャネルの設計と異なり、気体についてポンプの仕事を実行する。代わりに、結果としての少量のポンプの仕事が、乱流、推力の理想的でない印加、などに起因する損失を克服する。正味の結果は、理想的な圧力ヘッドであり、最大の効率をもたらす最大の出口速度をもたらす。
【００７０】
したがって、チャネルは、入り口との連絡点において直角である。点線１５３が、流体の流れの中心線を指している。上述のように、外側の円５１は、径方向の速度成分がゼロになる距離を示している。ロータの外周は、この外側の円５１よりもわずかに大きい直径を有すると考えられる。６つのチャネルが図示されているが、この数は、ロータのサイズおよびロータについて意図される用途にもとづき、さまざまであってよい。ロータには、チャネル５２の間に冷却穴７０が設けられる。冷却穴は、チャネル５２の間を延びる冷却チャネルに続いている。さらに、空気を冷却穴へと導き、次いでチャネルへと導くために、スクープ７２を冷却穴に設けることができる。さらに、後述されるようにロータに冷却フィンを追加することができる。
【００７１】
他の場所で説明されるとおり、チャネルは、容易な製造および簡単な封止のために一定の深さを有する。この一定の深さの形状の例外は、深さが、短い領域（典型的には、チャネルの全長の約５〜１０パーセント）について減らされるチャネルの入り口である。必要とされる質量保存を維持するために、この深さの減少に幅の増加が伴う。図６に示されるように、取り入れ口付近の幅８０のこの増加は、隣接するチャネルの側面がそれぞれのチャネルの入り口において出会うまで続く。この構成は、取り入れ口からチャネルへの一様な移行をもたらす。標準的な流体力学の手順により、随意による案内羽根を、この接合部に配置することができる。
【００７２】
すべてのタービンは、限られたオフピーク性能に悩まされる。根底にある物理的原理は、チャンバの形状によって圧縮気体の膨張が制限される点にある。ロケットの理論において、膨張の型は、（１）ノズルが気体のポテンシャルのすべてを捕らえるようには充分に広がらない場合の膨張不足、（２）ノズルが気体のポテンシャルをすべて捕らえる場合の理想的膨張、および（３）ノズルが必要とされるよりも大きな広がりを有する場合の膨張過剰と呼ばれる。
【００７３】
理想的な膨張が当然の目標であるが、この条件を、航空宇宙、自動車、および実用的なの輸送について必要とされるような広い速度範囲にわたって動作する固定のシステムによって満足させることはできない。先進の戦闘機用エンジンのパイロット制御の排気ダクトなど、可変の形状は、商用の技術においては現実的でない。したがって、本発明の強化された膨張制御技術は、入力流の状態に応じて複数の流体の流路を生じさせることができる固定の形状で構成される。
【００７４】
理想的な条件から出発し、流れの形状が、最適な効率のために必要とされるとおりに理想的に膨張させられる。しかしながら、起動時および部分負荷運転において存在するような理想的ではない条件においては、形状が膨張過剰である。この点で、流れがチャネルの壁から離れるため、或る程度の流れの分離が生じる。
【００７５】
前置きのロケットの仕事に続いて、本発明は、オフピークの条件においてこの分離を強く生じさせることで、利用可能な流れの面積を実質的に減少させる。しかしながら、既存のロケットの仕事と異なり、先進のコンピュータモデルは、本発明における分離が流れのチャネルの最も内側において優先的に生じることを示している。この理由で、分離くさび７６が、図６ａに示されるようにチャネルに沿って径方向に配置される。低い流体の速度の条件下で、分離くさび７６によって引き起こされる分離が、チャネルをあたかも断面積が小さくなったかのように挙動させることによって、性能を改善する。分離くさびの種々の形状が、図６ｂに示されている。
【００７６】
流れが最適な状態にあるとき、これらのくさびは、流れの場に無視しうる効率の低下を伴うにすぎない些細な乱れを生じさせるにすぎない。しかしながら、オフピークの条件においては、これらのくさびが、下流の流れのチャンバの多くを占める停滞した分離領域を生じさせる。したがって、この領域が流れを部分的に塞ぐことで、有効断面積の所望の減少をもたらす。当然ながら、得られる流れのパターンは、理想的な膨張ほどには効率的でなく、すべての流れの条件について完璧に効果的というわけではない。しかしながら、この修正された流れの場は、オフピークにおいて、一様な膨張の形状によって達成できるよりも良好な結果をもたらす。
【００７７】
図７が、衝動タービンから反動タービンへの取り入れ口を実線２５３、２５４として示している。衝動タービンからの高温の気体は、不動の観察者に対していかなる角速度も有していないため、ロータにおけるチャネルの角度は、すでに述べたポンプの仕事がゼロという条件のために、この状態を維持しなければならない。やはりすでに述べたように、この条件を満たすことができる多数の速度プロフィルが存在する。図示の経路は、最小の損失および最大の効率のプロフィルにもとづくが、他のプロフィルを、個々の場合に合わせて適用することができる。
【００７８】
すでに述べたように、取り入れ口を通って現れる流れは、不動の観察者によって見られるとき、完全に軸方向である。次いで、この流れは、偏向板または反動タービンの底に出会うときに９０度向きを変える。したがって、質量保存（入って来るものが、出て行くものに等しくなければならない）が、軸方向の流れの出口の断面積（衝動の出口）が径方向の流れの断面積（反動の入り口）に等しいことを必要とする。すなわち、下向きの流れの面積が、９０度の方向転換後の径方向の流れの面積と同じでなければならない。したがって、この制約が、バケットの端部と偏向板との間の間隔を設定する。すでに述べたように、さらなる洗練として、乱流を避けるための緩やかな方向転換ならびに他の標準的な流体力学の技術が挙げられる。
【００７９】
したがって、現れる気体は、移動している観察者によって見られるとき、渦を巻く（接線方向の）流れ、および衝動タービンからの軸方向の流れから生み出された径方向の成分で構成される。この流れは、連続的かつ一様である。しかしながら、チャネルにおける流れは分離されている。図は６つのチャネルを示しているが、実際には、わずかに２つのチャネルを使用することができる。より多くのチャネルを使用することができ、唯一の制約は、釣り合った力およびトルクのための等しい角度間隔である。
【００８０】
したがって、残りの懸念は、衝動タービンから現れる連続的な流れをロータへと案内することである。この分離は、乱流および他の損失を最小限にするために、標準的な流体力学の手順にもとづく案内羽根を必要とする。
【００８１】
しかしながら、全体としての設計原理は、やはり質量保存である。この場合、衝動タービンからの連続的な出力流の総断面積が、反動タービンの６つのチャネルの入り口地点における組み合わせの断面積に等しくなければならない。したがって、再び図７を参照すると、６つのチャネルの各々が、現れる連続的な流れの６０度（全体で３６０度の６分の１）からの流れを受け取る。定量的には、衝動の出口の幅にこの出口部分の長さ（内在する６０度（ラジアン）の角度に径方向の距離を掛ける）を掛けて得られる面積が、それぞれのチャネルの入り口の面積に等しい。
【００８２】
上述のように、これらのチャネルは、入り口の付近を除いて一定の深さである。この地点において、深さを減らし、チャネル同士が出会うまで幅を増やすことができる（分かりやすくするために、この場合には示されていない）。さらに、図７において、チャネルが入力ディスクの半径に対して直角でないことに注意すべきである。この場合、角度は、ロータおよび気体の対向する角速度のすでに述べた一致によって説明される。したがって、図７に示されるように、チャネルは到来する気体の流れへと延びている。この延在は、滑らかかつ連続的な入り口の形状との組み合わせにおいて、Ｆａｂｒｉｓおよび同様のユニットを制限するヘルムホルツ不安定（移動境界を横切る気体の圧力の変動）を防止する。
【００８３】
したがって、運動量ベクトルが、衝動および反動の成分について上述したように一致させられる。一致させられた流れの面積との組み合わせにおいて、正味の結果は、連続的な衝動タービンの出口から反動タービンの個別の流れのチャネルへの滑らかかつきわめて効率的な移行である。上述の構成のすべてにおいて、燃焼装置は、従来の加圧された装置または１つ以上のパルスジェットの出力であってよい。
【００８４】
従来のガスタービンは、圧縮機、燃焼装置、および出力段で構成される。この手法は多くの用途に良好に適しているが、いくつかの航空宇宙の用途は、最小の空間および重量を必要とする。このニーズに応えるために、新規なタービンのすでに説明した圧縮機、燃焼装置、および出力段を、１つのユニットへと組み合わせることができる。
【００８５】
ここで重要な考慮事項は、すでに説明した構成のロータのチャネルが、ロータにおける気体の「自己圧縮（ｓｅｌｆ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）」を防止するように設計されることであり、そうでない場合、ロータの運動によって気体が圧縮され、結果として、システムが過度の速度において機能しなくなるに至る、さらなる圧縮などを生じさせるより高い出口速度がもたらされる。
【００８６】
したがって、単一部品のエンジンの改良は、ロータの内側部分を、到来する冷たい気体のための圧縮機として使用することで、外部の圧縮機の必要性をなくすることを必要とする。したがって、圧縮機部分に内蔵の燃焼室が続く。このようにして、この構成は「リフトされた（ｌｉｆｔｅｄ）」火炎をもたらし、燃焼が、まさに過度の流量によって動作するプロパントーチのように膨張領域の軸方向のインジェクタの下流で生じる。次いで、出力される排気ガスが、すでに説明したようにロータのチャネルを通過する。軸出力の代わりにジェットの出力が望まれる場合、推力用の圧力ヘッドを残すためにロータのチャネルを短縮することができる。この構成のもとでは、衝動タービンは不要である。
【００８７】
全体としての構成が、図８に示されており、直線的なチャネルが、圧縮機部分３５１を含んでいる。分かりやすくするために、１つの直線チャネル３５１および２つの燃焼室３５３だけが示されているが、実際には、湾曲したチャネルの各ペアが、直線部分と燃焼室のペアとを必要とする（６つのチャネルを有するこの例では、合計３つの直線部分および６つの燃焼室が必要である）。圧縮機部分および燃焼室は、ロータディスクの上に位置し、シャフトがロータの底から延びている。チャネル３５２は、図７に示したチャネルと同様である。また、燃焼室を、共通の１つの燃焼装置を形成するように連結することができる。例えば、図において、衝動タービンからの供給チャネルが、共通の燃焼室になっている。
【００８８】
図９Ａが、磁石によって支持されたロータ４５０の側面図である。上述のように、ロータ４５０は、ディスクの任意のコップ（ｃｏｐ）表面に形成されたチャネルを備えている。チャネルの上部を膜で封じる代わりに、燃焼装置４１４のハウジングが、たとえ小さなすき間４３２が存在しても、ロータ４５０の上部を封じる。
【００８９】
ロータは、ロータ４５０の直径に沿って配置された冷却フィン４１２を有する。冷却フィンを、単独で使用することができ、あるいは上述の冷却チャネルと併せて使用することができる。冷却フィンおよび冷却チャネルの両者は、ロータの温度を下げるために冷たい周囲の空気に頼る。ロータを低い温度に保つことで、高速におけるタービンの強度が維持される。しかしながら、フィンは或る程度の空気力学的な抵抗を引き起こす。
【００９０】
ロータを低温に保つ必要性は、磁石がロータとともに使用される場合に、磁石が極端な温度の影響を受けやすいため、とくに重要である。磁石は、ロータ磁石４２２および支持磁石４２４を含む。ロータ磁石は、冷却用の外気を通すために磁石とディスクとの間に空間を必要とする。磁石は２つの機能を果たす。ロータ磁石は移動しており、ケーシング４２８に位置する不動の磁石に対向する。ロータ磁石および支持磁石は、既存の従来の軸受への荷重を減らし、あるいは従来の軸受の必要性をなくしさえするための磁気軸受として機能する。従来の軸受の代わりに磁気軸受を使用することで、効率が向上し、保守が最小限で済む。第２に、移動する磁石が、ケーシングに取り付けられた銅配線に対向し、発電機をもたらす。この構成は、従来のシャフト駆動の発電機と比べて、重量が軽く、振動が少なく、軸受が少なく、継ぎ手が単純であり、効率が高い。
【００９１】
最後の構成は、図１０に示されている「分割」または「２連」シャフトの形状である。この構成においては、燃焼装置内のシャフトへと接続された第１のタービンが圧縮機を駆動する一方で、第２のタービンが、第２のシャフトを通じて負荷へと出力をもたらす。従来のシステムにおいて、これらのタービンは、輻流または軸流のいずれかのユニットであってよい。本発明においては、反動タービンが、圧縮機または負荷あるいは両方を駆動することができる。この構成のもとで、圧縮機を圧縮機にとって好ましい条件にて駆動し、別の条件にて動作する第２の反動出力タービンへと高温高圧の気体をもたらすことができる。さらに、再加熱装置をこれら２つの段の間に配置し、応答曲線をさらに広げることができる。２連シャフトシステムの主たる利点として、より容易な始動、より広い出力曲線、および失速（ｓｔａｌｌｉｎｇ）の排除が挙げられる。従来の輻流または軸流タービンと比べて、この反動タービンは、以下を有するがゆえに２連シャフトシステムにおいて好ましい。（１）最小限の重量で最大の出力を得るコンパクトな全体としてのシステムをもたらす短いステージ長。（２）最大の接線方向の距離において作動気体を排出することによる高トルク。（３）バイパス損失が存在しないがゆえの高効率。
【００９２】
全体的な構成が図１０に示されており、圧縮機５１４からの気体が、第１のシャフト５１２を使用して圧縮機を動かすために第１の反動タービン５５０を駆動する。次いで、利用可能なエネルギーの多くを依然として含んでいるこの第１の段からの排気が、第２のタービン５６０へと進む。第２のタービン５６０が、第２のシャフト５１５を通じて負荷を駆動する。第２のシャフト５１５は、第１のシャフト５１２と同軸である。
【００９３】
図示のタービンのどちらも、狭いすき間のユニットであるが、閉じたユニットならびに従来の軸流または輻流のユニットも、容認可能である。しかしながら、狭いすき間のユニットが、第１の段のすき間における圧力の損失を後続の出力段において下流で捕らえることができるがゆえに、２連シャフトシステムにおいてはとくに有用である。
【００９４】
本発明を好ましい実施形態を参照して説明したが、変種および改良が、当業者にとって明らかであると考えられる。本発明は、そのような変種および改良を包含し、添付の特許請求の範囲に記載される。
【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６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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