JPH0783070A - 燃焼を併用した圧力波機械及びこの圧力波機械のロータを冷却する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ロータ１がセルを備えていて２つのサイドメ
ンバ４，５の間で回転可能に配置されており、このセル
内で点火過程及び燃焼過程が常時繰り返し行われる、燃
焼を併用した圧力波機械において、ロータ１内には、半
径方向で見てセルの下方及び上方に、冷却空気のための
通路３が配置されており、ケーシング内には冷却空気導
管７が設けられており、及び又はロータ１の内周及び外
周が別の冷却通路の形成のために少なくとも１つの案内
薄板により覆われており、かつ、圧力波機械のケーシン
グ内室が低圧出口に接続されている。 【効果】 圧力波機械のロータが大きな付加的な構成費
用なしに効果的に冷却される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃焼を併用した圧力波機
械及びこの圧力波機械のロータの冷却法に関する。

【０００２】

【従来の技術】非定常的に作動する公知の圧力波機械は
定常的に作動するタービンに対比して、極めて高い熱ガ
ス温度を生じるという大きな利点を有している。このこ
とは特に、定量燃焼を併用した圧力波機械のためにあて
はまる。この種の圧力波機械及び関連する方法が例えば
ＥＰ０２１２１８１号及びＥＰ０４６８０８３号各特許
明細書に開示されている。

【０００３】冷却空気と熱い燃焼ガスとによるセルの周
期的な負荷に基づいて、ロータは熱ガス温度に比して著
しく低い材料温度を有することになる。それにもかかわ
らず圧力波機械でも所定の条件下では、ロータの温度が
著しく高くなるという問題が生じる。このことは、極め
て高い比出力が要求され、ひいては極めて高いガス温度
が必要となる場合、又は圧力波機械が対称的な向流圧力
波プロセスで作動せずに、軸方向で非対称的なロータの
温度分布を招く圧力波プロセスで作動する場合に顕著で
ある。

【０００４】後者は例えば並流プロセスの場合であり、
この並流プロセスでは、ロータの流出側が流入側に比し
て極めて強く熱ガスにより負荷される。この並流プロセ
スがガスタービン内への圧力波機械の構造的な統合に関
して有利であるため、ロータの冷却手段の開発が望まれ
る。しかし、公知のように、ロータの冷却のために冷却
空気圧縮機を使用し又は外的な冷却媒体を使用するの
は、費用多くして効果が少ないという結果を招く。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、これ
らすべての欠点を回避すべく、燃焼を併用した圧力波機
械を改良するとともに、冷却圧縮機又は外的な冷却媒体
を使用することなくロータを冷却する方法を開発するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この課題を解決した本発
明圧力波機械によれば、請求項１の上位概念に記載の燃
焼を併用した圧力波機械において、ロータ内には、半径
方向で見てセルの下方及び上方に、冷却空気のための通
路が配置されており、ケーシング内には冷却空気導管が
設けられており、及び又はロータの内周及び外周が別の
冷却通路の形成のために少なくとも１つの案内薄板によ
り覆われており、かつ、圧力波機械のケーシング内室が
低圧出口に接続されている。

【０００７】さらに本発明によれば、請求項１に記載の
圧力波機械のロータの冷却法において、燃料混入前に流
入空気のわずかな部分を分岐させて冷却空気導管を介し
てケーシング内を貫流させ、次いで半径方向で見てセル
の下方及び上方に位置する通路を通して案内し、その
際、冷却空気自体を圧力波プロセスに関与せしめ、及び
又は流入空気の一部を燃料混入前に分岐させてロータ内
室内へ案内し、ロータの内周及び外周に配置した冷却通
路内へ導入せしめる。

【０００８】

【発明の効果】本発明の特に利点とするところは、圧力
波機械のロータが大きな付加的な構成費用なしに効果的
に冷却されることにある。

【０００９】さらに、ロータの内周及び外周に設けられ
た冷却通路内に仕切りウエブが設けられると、これによ
り冷却効果が軸方向の温度分布に適合されるので有利で
ある。

【００１０】冷却空気が圧力波による前圧縮の後に取り
出され、通路を貫流した後に、加熱された空気として再
度流入空気に混入されると、これにより冷却空気が次の
高圧プロセスに関与し、これにより熱力学的なプロセス
のためにゲインが得られるので有利である。

【００１１】さらに、冷却作用の強さが冷却空気流を絞
ることにより、及び又は冷却空気の流入口及び流出口の
幅を変化させることにより調節されると、これによりそ
の都度実際の運転条件への良好な適合が可能となるので
有利である。

【００１２】

【実施例】次に本発明の実施例を図１から図５に基づい
て詳しく説明する。

【００１３】定量燃焼を併用した圧力波機械及びその機
能はすでに公知であり、その詳しい説明は省略する。こ
の圧力波機械には、図１から判るように、セルホイール
として形成されたロータ１が、圧力波機械の図示しない
ステータケーシングの２つのサイドメンバ４，５の間に
配置されている。ロータ１は複数のセル２に区分されて
おり、各セル２は仕切り壁１５により互いに仕切られて
いる。セル２は図１の左側の矢印で示されている方向に
ステータケーシングのサイドメンバ４，５に対して回転
する。両方のサイドメンバ４，５は燃料空気混合物の流
入口８と低圧熱ガスの流出口９と、高圧熱ガスの流出口
１０と、加熱された冷却空気の流出口１１とを備えてい
る。セル２の両方の端面は開いており、従って流入口８
を通って燃料空気混合物がセル２内に進入することがで
き、公知の圧力波プロセスが行われる。

【００１４】図２及び図３から判るように、本発明によ
る圧力波機械では、ステータケーシングに冷却空気導管
が設けられていると共に、冷却空気の通路３が半径方向
で見てロータ１内のセル２の下方及び上方に配置されて
いる。

【００１５】圧力波機械のロータ１の冷却法は特に非対
称的な圧力波プロセスのため適しているため、例えば定
量燃焼を併用した並流プロセスで作動する圧力波機械に
ついて以下に詳しく説明する（図１）。

【００１６】燃料空気混合物の流入口８とは逆の側で低
圧熱ガスの流出口９の領域内で作業プロセスの流れ方向
に対して逆の方向へ冷却空気が流入してロータ１を対流
により冷却する。この冷却空気はこれ以前に低圧熱ガス
の流出通路の冷却のためにすでに使用されたものであ
る。この冷却空気はいまや圧力波機械内で圧力波プロセ
スに関与する。流出口の閉鎖縁により解放された圧力波
によってこの冷却空気が圧縮されて静止させられる。次
いで行われる定量燃焼過程中に、ガス内の非定常的な熱
伝導により冷却作用が生じる。定量燃焼過程中の加熱に
より、冷却空気の圧力が上昇する。セル２から溢流した
漏れガスによりこの効果がさらに増大する。これにより
圧力損失は、外向きに流出する漏れ冷却空気により補償
されるか又は過剰に補償される。ガス交換前の比較的高
い圧力が強い膨張波を解放し、この膨張波がガス交換を
助成する。加熱された冷却空気は引き続き燃料空気混合
物の流入口８の領域内から流出し、圧力レベルにより低
圧熱ガスの流出口９で低圧熱ガスに混入される。このこ
とは直接に生じるか、又は圧力波機械のケーシング内室
内への導入により行われる（図２参照）。しかしその場
合、ケーシング内室はその内部に高い圧力が形成されな
いように、低圧熱ガスの流出口９に連通していなければ
ならない。

【００１７】冷却作用の強さは冷却空気流を絞ることに
より、及び又は冷却空気の流入口及び流出口の幅を変化
させることにより調節される。向流冷却原理により、非
対称的な軸方向の温度分布が緩和される。

【００１８】別の１実施例が図４及び図５に示されてい
る。この場合、圧力波機械のロータ１の内周及び外周は
それぞれ少なくとも１つの案内薄板１２によって覆われ
ており、このため、ロータ１の周りに全体的又は部分的
に冷却通路６が形成されている。流入空気のわずかな部
分が燃料混入の前に分岐されてロータ１の内室内へ案内
され、冷却通路６内へ導入される。冷却作用の強さは冷
却空気流及び冷却空気によつて負荷されるロータ１の周
面により調節される。圧力波機械のケーシング内室はこ
の場合、低圧熱ガスの流出口９に連通しており、これに
より、この内室内には付加的な圧力が形成されない。仕
切りウエブ１３を付加的に組み込んだことにより、軸方
向温度分布への冷却作用の適合が行われる。勿論、この
冷却方式は、通路３による上述の冷却方式と組み合わさ
れてもよく、ロータ１の冷却のために両方の冷却方式を
別々に採用してもよい。

【００１９】冷却の良好な機能並びに圧力波機械全体の
良好な機能のための重要な前提は、ステータケーシング
に対するロータ１の良好なシールである。このことのた
めには、極めてわずかな軸方向の隙間が維持されなけれ
ばならない。隙間の特別なジオメートリ的な構成によ
り、シール作用は著しく改善される。圧力波機械では半
径方向並びに接線方向の圧力勾配が生じるため、ハネカ
ムパッキン１４が最も適している。

【００２０】冷却技術的な理由から、高圧の冷却空気が
必要である場合には、流入空気の一部が燃料を含まずに
残され、かつ冷却空気が圧力波による前圧縮の後に取り
出される。次いで、加熱された冷却空気が、前圧縮され
た空気と混合される。この場合、衝撃波内で圧縮のため
の作業が２度行われなければならないが、しかし、冷却
空気は次の高圧プロセスに関与し、これにより熱力学的
なプロセスのためのゲインを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】作業ガスと冷却空気との圧力波プロセスをオー
バラップさせて、並流圧力波プロセスで作動する圧力波
機械の円筒断面を展開して示す図である。

【図２】ロータ内に冷却通路を備えた圧力波機械の部分
縦断面図である。

【図３】図２に示すロータの部分横断面図である。

【図４】ロータの内周及び外周に冷却空気案内のための
案内薄板を備えた圧力波機械の部分縦断面図である。

【図５】図４に示すロータの部分横断面図である。

【符号の説明】

１ ロータ、 ２ セル、 ３ 通路、 ４，５ サイ
ドメンバ、 ６ 冷却通路、 ７ 冷却空気導管、 ８
燃料空気混合物の流入口、 ９ 低圧熱ガスの流出
口、 １０ 高圧熱ガスの流出口、 １１ 加熱された
冷却空気の流出口、 １２ 案内薄板、 １３ 仕切り
ウエブ、 １４ ハネカムパッキン、 １５ 仕切り壁

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼を併用した圧力波機械であって、ロ
   ータ（１）を備えており、このロータ（１）がセル
   （２）を備えていて２つのサイドメンバ（４，５）の間
   で回転可能に配置されており、このセル（２）内で点火
   過程及び燃焼過程が常時繰り返し行われる形式のものに
   おいて、ロータ（１）内には、半径方向で見てセル
   （２）の下方及び上方に、冷却空気のための通路（３）
   が配置されており、ケーシング内には冷却空気導管
   （７）が設けられており、及び又はロータ（１）の内周
   及び外周が別の冷却通路（６）の形成のために少なくと
   も１つの案内薄板（１２）により覆われており、かつ、
   圧力波機械のケーシング内室が低圧出口に接続されてい
   ることを特徴とする燃焼を併用した圧力波機械。
2. 【請求項２】 冷却通路（６）内に仕切りウエブ（１
   ３）が配置されている請求項１記載の圧力波機械。
3. 【請求項３】 請求項１記載の圧力波機械のロータ
   （１）を冷却する方法において、燃料混入前に流入空気
   のわずかな部分を分岐させて冷却空気導管（７）を介し
   てケーシング内を貫流させ、次いで半径方向で見てセル
   （２）の下方及び上方に位置する通路（３）を通して案
   内し、その際、冷却空気自体を圧力波プロセスに関与せ
   しめ、及び又は流入空気の一部を燃料混入前に分岐させ
   てロータ内室内へ案内し、ロータの内周及び外周に配置
   した冷却通路（６）内へ導入せしめることを特徴とする
   圧力波機械のロータの冷却法。
4. 【請求項４】 冷却空気を圧力波による前圧縮後に取り
   出し、通路（３）を貫流させた後に、加熱された冷却空
   気として再び流入空気に混入する請求項３記載の方法。
5. 【請求項５】 冷却作用の強さを、冷却空気流を絞るこ
   とにより、及び又は冷却空気の流入口及び流出口（１
   １）の幅を変化させることにより調節する請求項３記載
   の方法。