再熱ガスタービン装置、特に燃料電池を有する同装置
本発明はガスタービン装置（図２参照）に関し、ガス圧縮機（２１０）と、例えば燃料電池（２１２）等の圧縮機（２１０）によって圧縮されたガスを受け入れ、そこを通るガスを加熱する上流熱源（燃料電池であればさらに電力を生成する）と、上流熱源内ですでに加熱されたガスを受け入れ、圧縮機（２１０）に接続され、圧縮機（２１０）を駆動する中間タービン（２２０）と、中間タービン（２２０）から出力されるガスを受け入れる出力タービン（２４０）とを有する。中間タービンから出た膨張したガスは下流燃焼室および／または下流燃料電池の一方または両方を通って出力タービンへ到達し、膨張したガスは出力タービン内（２４０）で膨張する前に再燃される。好ましくは、出力タービン（２４０）によって受け入れられるガスの温度が中間タービン（２２０）によって受け入れられる温度よりも高くなるように装置を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、再熱ガスタービン装置に関し、特に、燃料電池を有する再熱ガスタービン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機とタービンの間のガス流を固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、その後燃焼室によって連続的に加熱するガスタービン装置が知られている。
【０００３】
本発明の第１態様は、ガスタービン装置であって、圧縮機と、圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ、電力を生成し、そこを通るガスを加熱する上流燃料電池と、第１燃料電池から出る加熱されたガスを受け入れ、圧縮機に接続され、圧縮機を駆動する中間タービンと、中間段から出力されるガスを受け入れる出力タービンと、を有し、中間タービンから出た膨張したガスは下流燃焼室および／または下流燃料電池の一方または両方を通って出力タービンへ到達し、膨張したガスは出力タービン内で膨張する前に再燃されることを特徴とするガスタービン装置を提供する。
【０００４】
本発明の第２態様は、ガスタービン装置であって、圧縮機と、圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ、そこを通るガスを加熱する上流燃焼室と、第１燃焼室から出る加熱されたガスを受け入れ、圧縮機に接続され、圧縮機を駆動する中間タービンと、中間タービン段から出力されるガスを受け入れる出力タービンと、を有し、中間タービンから出た膨張したガスは下流燃料電池を通って出力タービンへ到達し、膨張したガスは出力タービン内で膨張する前に再燃されることを特徴とするガスタービン装置を提供する。
【０００５】
本発明はまた中間タービンの入口における入口温度と出力タービンまたは出力ノズルの入口における入口温度が異なる再燃ガスタービン装置にも関する。
【０００６】
高圧圧縮機の駆動用に高圧タービンを有し、出力シャフト駆動用に別途低圧出力タービンを有するガスタービン装置は既知である。多くの場合、そのようなタービン装置は高圧タービンと低圧出力タービンの間の流路に追加の燃焼室をさらに有する。
【０００７】
従来、そのようなタービン装置は効率を可能な限り高めるため高圧タービンと出力タービンの両方においてできるだけ高いタービン入口温度で作動する。タービンの入口温度は、タービンが製造される材料の物理的な特性によって制限される。このため、タービン装置が可能な限り高い効率で作動できることを確実にするため、従来のタービンは考えられる最高温度に耐えられるように製造される。タービンは可能な限り高い温度耐性を持つように高価な材料から製造する必要があるので、非常にコストが高くなる。
【０００８】
本発明の第３態様は、ガスタービンであって、圧縮機と、圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ、そこを通るガスを加熱する上流熱源と、上流熱源から出た加熱されたガスを受け入れ、圧縮機に接続され、圧縮機を駆動する高圧タービンと、高圧タービンから出たガスを受け入れ、そこを通るガスを加熱する下流燃焼室と、下流燃焼室によって出力されるガスを受け入れる出力タービンと、を有し、装置は、出力タービンによって受け入れられるガスの温度が高圧タービンによって受け入れられるガスの温度よりも高いように構成されることを特徴とするガスタービン装置を提供する。
【０００９】
本発明の第４態様は、ガスタービン装置を運転する方法であって、ガスタービン装置は、ガス圧縮機と、圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ、そこを通るガスを加熱する上流熱源と、上流熱源を出た加熱されたガスを受け入れ、圧縮機に接続され、圧縮機を駆動する高圧タービンと、高圧タービンから出たガスを受け入れ、そこを取るガスを加熱する下流燃焼室と、下流燃焼室によって出力されたガスを受け入れる出力タービンと、を有し、出力タービンによって受け入れられるガスの温度は、高圧タービンによって受け入れられるガスの温度とは所定の温度差を持つように制御されることを特徴とする方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明を添付の図を参照して例としてのみ説明する。
【図１】本発明に基づくガスタービンの第１実施形態を示す概略図である。
【図１ａ】本発明に基づくガスタービンの第１実施形態の変形を示す概略図である。
【図２】本発明に基づくガスタービン装置の第２実施形態を示す概略図である。
【図２ａ】図２に示すガスタービン装置の第１変形を示す概略図である。
【図２ｂ】図２に示すガスタービン装置の第２変形を示す概略図である。
【図２ｃ】図２に示すガスタービン装置の第３変形を示す概略図である。
【図３】本発明に基づくガスタービン装置の第３実施形態を示す概略図である。
【図３ａ】図３に示すガスタービン装置の第１変形を示す概略図である。
【図４】本発明に基づくガスタービン装置の第４実施形態を示す概略図である。
【図４ａ】図４に示すガスタービン装置の第１変形を示す概略図である。
【図４ｂ】図４に示すガスタービン装置の第２変形を示す概略図である。
【図５】本発明に基づくガスタービンの航空機に使用する第５実施形態を示す概略図である。
【図６】本発明に基づくガスタービンの航空機に使用する第６実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１に、高圧タービン１２０によってシャフト１２５を介して駆動される高圧圧縮機１１０を含む高圧タービン段を有する再熱ガスタービン装置を示す。高圧タービン１２０は、上流燃焼室１１５（高圧タービン１２０の上流に位置する）から燃焼ガスを供給される。上流燃焼室１１５は、高圧圧縮機１１０から圧縮ガスの供給と、外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。
【００１２】
高圧タービン１２０は、下流燃焼室１３０（高圧タービン１２０の下流に位置する）へガスを供給する。下流燃焼室１３０も外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。
【００１３】
下流燃焼室１３０は、燃焼ガスを出力タービン１４０へ供給し、出力タービン１４０は出力シャフト１４５を駆動する。
【００１４】
稼働中、ガスは入口１０５から高圧圧縮機１１０へ供給される。圧縮機は、シャフト１２５の回転によって駆動されガスを圧縮する。圧縮ガスは、次に上流燃焼室１１５へ供給され、そこで灯油、プロパン、天然ガスなどの燃料と混合され、点火される。燃焼ガスは次に高圧タービン１２０へ供給される。この高圧タービン１２０内でガスは膨張する。膨張によって高圧タービン１２０を駆動し、それによってシャフト１２５を駆動する。膨張したガスは高圧タービン１２０を出て下流燃焼室１３０へ供給され、そこで再度灯油、プロパン、天然ガスなどの燃料と混合され、点火される。この燃焼ガスは次に出力タービン１４０へ供給され、そこで膨張し、出力タービン１４０を駆動する。出力タービン１４０は出力シャフト１４５を駆動することによって機械仕事の出力をもたらす。ガスは出口１５０からタービン装置外へ排出される。
【００１５】
タービン装置は、２つの燃焼室１１５、１３０を有し、それぞれ高圧タービンと出力タービンへ供給を行なう。従来のガスタービンの理論では、再燃ガスタービン装置において、両方の燃焼室を作動し両タービンの入口温度を同一であって可能な限り高くすることによって、最高のサイクル効率を得られるとされている。温度の限界は高圧タービンと出力タービンの構成材料によって多くの場合影響され、両タービンは同一の高温限界を有するように製造される。従来、両タービン１２０、１４０は同一の材料によって製造されるため、発電装置全体の費用は、同一の高温限界を有する２つのタービンの費用が占める。
【００１６】
従来の解決策とは対照的に本発明の第１実施形態の燃焼室は燃焼ガスを異なる温度で供給するように構成され配置されている。
【００１７】
上流燃焼室は、ガスを高圧タービン入口温度で高圧タービンに供給する。下流燃焼室は、ガスを出力タービン入口温度で出力タービンに供給するが、この出力タービン入口温度は高圧タービン入口温度よりも高い。具体的には本実施形態では、出力タービン入口温度は可能な限り高く、高圧タービン入口温度はこれより低い温度である。これによって高圧タービンにかかる熱応力は低くなり、このためコストの低い材料によって製造することができる。
【００１８】
タービン１２０の標準的な入口温度範囲は、６００〜１０００°Ｃである。出力タービン１４０の入口におけるガスの温度は、１４００°Ｃである。出力（パワー）タービン１４０は高圧タービン（「ガス発生」タービン）１２０よりもかなり高い膨張率で作動する。高い機械的応力を受け高温で作動しなければならないので、高い技術力を必要とし、相対的に高価な構成要素となる。逆に、高圧タービン１２０はかなり低い膨張率と低い温度で作動するので、標準的に現存の内燃ターボチャージャ技術の性能範囲内であるので比較的コストが低い要素である。
【００１９】
好適には、圧縮機１１０、燃焼室１１５、およびタービン１２０、１４０が動作中でも、下流燃焼室１３０を所定の運転条件において装置によって停止できることが望ましい。これは車両用ハイブリッド駆動装置においてメリットがある。駆動装置は、第１運転モードを備え、この第１運転モードでは、下流燃焼室１３０を動作させ（圧縮機１１０、燃焼室１１５、およびタービン１２０、１４０も動作中）、出力タービン１４０からの機械的動力は機械式変速装置によって例えば自動車の駆動輪へ伝達し、ＳＯＦＣによって生成された電力は例えば車両用バッテリ（または車両の駆動用電気モータ）を充電するために使用される。駆動装置は、さらに第２運転モードを備え、この第２運転モードでは、下流燃焼室３０を停止させ（圧縮機１１０、燃焼室１１５、およびタービン１２０、１４０は動作中）、タービン１４０を車輪への機械式変速装置とは連結せず、代わりに発電機と連結する。このため第２モードではＳＯＦＣはＤＣ電力を生成し、タービン１４０と連結された発電機はＡＣ電力を生成する。
【００２０】
前述したように、従来の装置では各タービンの入口温度を同一で可能な限り高くなるように構成する。実際の適用では、タービン入口温度はある程度の許容誤差を持って制御される。つまり、既存の装置では入口温度は不規則に上下する可能性がある。この結果、僅かではあるが入口温度に差が生じてしまうことがある。しかしながらそのような装置であっても同一のタービン入口温度を保つように構成されていると見なされる。タービン入口温度の差は偶発的である。入口温度の偶発的な差は、１４００°Ｃで作動するタービンでは５０°Ｃ未満である。パーセントに換算すると、約３．５％である。
【００２１】
従来の装置とは逆に、本発明の実施形態ではタービン入口温度が異なるように意図的に構成されている。差は、高圧タービン２０と出力タービン４０の材料と構造に応じてあらかじめ判断できる。または、高圧タービン２０の下流で加熱する手段に応じてあらかじめ判断してもよい。例えば、ＳＯＦＣの最高出力温度に応じてもよい。
【００２２】
好適な実施形態では、差は５０°Ｃ（１４００°Ｃで作動するタービンであれば３．５％）を越える。ＳＯＦＣを備えるような別の好適な実施形態では、差は４００°Ｃ（１４００°Ｃで動作するタービンであれば２８％）を越える。
【００２３】
図１に示すような再熱タービン装置に関する計算では、タービン１４０の入口温度が１３９０°Ｃと仮定すると、タービン１２０の入口温度が１００°Ｃ下がるごとに発電装置の熱効率が望ましい１３９０°Ｃから約１．５％低下する。正味燃料消費量（ＢＳＦＣ：Ｂｒａｋｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｆｕｅｌ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）もタービン１２０の入口温度が望ましい１３９０°Ｃから１００°Ｃ下がるごとに約１．５％上昇する。このように本発明の提案は従来の理論に反するが、出願人は本発明が可能にするコスト減と簡素化は再燃ガスタービン装置の使用をより広めることになり、このメリットは効率損失に勝ると考える。
【００２４】
図１の実施形態では、タービン１２０と１４０は、別々のシャフト１２５と１４５に取り付けられるが、これらのタービンを共通の１つのシャフトに配置してもよい。その実施形態を図１ａに示し、図１の構成要素に対応する構成要素は末尾に「ａ」を付した同じ参照番号で示す。参照番号１２５ａと１５０ａは圧縮機１１０ａ、タービン１２０ａ、タービン１４０ａのすべてに共通するシャフトの異なる部分を示す。装置の負荷が頻繁に変わる場合は、図１に示すフリーパワータービンの方がより好ましい。装置がより固定的に運転されるのであれば、より効率的であり（シャフトの保持に少ないベアリングで済ませることができる等）、より簡単に全体の大きさを小さく収められるので、図１ａに示す共通のシャフトを使用した配置の方がより好ましい。しかしながら、図１ａに示した変形は反応が遅いので（圧縮機と２つのタービンが共通のシャフトに配置されているため慣性が強い）、車両には図１のタイプの方が好ましい。
【００２５】
上記の第１実施形態では高圧圧縮機１１０から出た圧縮ガスは上流燃焼室１１５内の燃焼工程によって加熱されるが、高圧タービン１２０の入口温度は極限ではないので、上流燃焼室１１５は別の熱源を代わりに使用してもよい。例えば、図２に示すように、上流燃焼室１１５の代わりに固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）２１２を使用してもよい。
【００２６】
図２に、本発明の第２実施形態に係る再燃ガスタービン装置を示す。
【００２７】
再燃ガスタービン装置は、シャフト２２５を介して高圧タービン２２０によって駆動される高圧圧縮機２１０を含む高圧タービン段を有する。
【００２８】
高圧圧縮機２１０は、上流ＳＯＦＣ２１２（高圧タービン２２０の上流に位置する）へ圧縮ガスを供給する。ＳＯＦＣ２１２は高圧ガスを直接高圧タービン２２０へ供給する。この実施形態では、ＳＯＦＣ２１２は直接（つまり間に燃焼室を介在させない）高圧タービン２２０と連通する。
【００２９】
ＳＯＦＣ２１２は外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。
【００３０】
高圧タービン２２０は、下流燃焼室２３０（高圧タービンの下流に位置する）へガスを供給する。下流燃焼室２３０は外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。
【００３１】
下流燃焼室２３０は、出力タービン２４０へ燃焼ガスを供給し、出力タービン２４０は出力シャフト２４５を駆動することによって機械的動力を出力する。
【００３２】
稼働中、ガスは入口２０５から高圧圧縮機２１０へ供給される。圧縮機はシャフト２２５の回転によって駆動されガスを圧縮する。圧縮ガスは次に上流ＳＯＦＣ２１２へ供給され加熱される。一般的にＳＯＦＣは加圧されると高効率で作動する。
【００３３】
加熱されたガスは次に高圧タービン２２０へ供給される。高圧タービン２２０内においてガスは膨張する。膨張によって高圧タービン２２０を駆動し、それによってシャフト２２５を駆動する。膨張したガスは高圧タービン２２０を出て燃焼室２３０へ供給され、そこで灯油、プロパン、天然ガスなどの燃料と混合され、点火される。この燃焼ガスは次に出力タービン２４０へ供給され、そこで膨張し、出力タービン２４０を駆動し、それによって出力シャフト２４５を駆動する。ガスは出口２５０からタービン装置外へ排出される。
【００３４】
上記第２実施形態において、高圧圧縮機２１０の出口と高圧タービン２２０の入口との間で受け渡されるガスは、ＳＯＦＣ２１２のみで加熱される。
【００３５】
ＳＯＦＣは従来使用されている燃焼室のように高温にガスを熱することはできない。このため、高価な耐熱材料で製造するコストの高い高圧タービンを使用する必要はない。ＳＯＦＣの標準的な温度範囲は６００〜１０００°Ｃであろう。タービン２４０の入口でのガスの温度は１４００°Ｃである。出力（パワー）タービン２４０は高圧タービン（「ガス発生」タービン）２２０よりもかなり高い膨張率で作動する。高い機械的応力を受け高温で作動しなければならないので、高い技術力を必要とし、相対的に高価な構成要素となる。逆に、高圧タービン２２０はかなり低い膨張率と低い温度で作動するので、標準的に現存の内燃ターボチャージャ技術の性能範囲内であるので比較的コストが低い要素である。
【００３６】
ＳＯＦＣ２１２、圧縮機２１０、およびタービン２２０、２４０が動作中に、燃焼室２３０を所定の運転条件において装置によって停止できることが望ましい。これは車両用ハイブリッド駆動装置においてメリットがある。駆動装置は、第１運転モードを備え、この第１運転モードでは、燃焼室２３０を動作させ（ＳＯＦＣ２１２、圧縮機２１０、タービン２２０、２４０も動作中）、タービン２４０からの機械的動力はシャフト２４５と機械式変速装置（図示せず）によって例えば自動車の駆動輪へ伝達され、ＳＯＦＣによって生成された電力は例えば車両用バッテリ（または車両の駆動用電気モータ）を充電するために使用される。駆動装置は、さらに第２運転モードを備え、この第２運転モードでは、燃焼室２３０を停止させ（ＳＯＦＣ２１２、圧縮機２１０、およびタービン２２０、２４０は動作中）、タービン２４０を車輪への機械式変速装置とは連結せず、代わりに発電機と連結する。このため第２モードではＳＯＦＣはＤＣ電力を生成し、タービン２４０と連結する発電機はＡＣ電力を生成する。または代替え案では、シャフト２４５によってタービン２４０を発電機のみと連結し、車両の駆動には電気モータのみを使用する。電力は、ＳＯＦＣ２１２のみか、例えばより高い電力が必要な場合はＳＯＦＣ２１２とタービン２４０から動力を受ける発電機の両方によって生成する。燃焼室２３０は高い電力においてのみ、つまりタービン２４０が発電機を駆動する場合にのみ動作する。（燃焼室２３０が動作中の場合も停止中の場合も、ＳＯＦＣ２１２、圧縮機２１０、およびタービン２２０、２４０は動作中のままである）。
【００３７】
図２に示された実施形態の変形を図２ａに示す。この変形は、さらに燃焼室２５１がＳＯＦＣ２１２とタービン２２０の間に接続されていること以外は図２の実施形態と同じである。燃焼室２５１はＳＯＦＣ２１２から出たガスをタービン２２０内で燃焼する前にさらに加熱する。燃焼室２５１は連続的に作動してもよいし、ガスタービン装置の動力需要が所定の閾値を越えた場合のみ作動するように選択的に動作させてもよい。燃焼室２５１を使用することによって、ＳＯＦＣ２１２が圧縮ガスに加える必要がある熱の量を減少させることができるので、ＳＯＦＣ２１２の設計に関する制約を軽減できる。
【００３８】
図２および２ａは、出力タービン２４０を独立した出力シャフト２４５に取り付けられたフリーパワータービンとして示すが、パワータービンは圧縮機２１０、タービン２２０、２４０のすべてに共通したシャフトに取り付けてもよい。このような実施形態を図２ｃに示す。図２ｂは図２の装置を共通シャフトでどのように構成するのかを示し、図２ｃは、図２aの装置を共通シャフトでどのように構成するのかを示す。フリーパワータービンと共通シャフト配置のメリットとデメリットは上述のとおりである。
【００３９】
図３に、本発明の第３実施形態に係る再燃ガスタービン装置を示す。
【００４０】
再燃ガスタービン装置は、高圧タービン３２０によってシャフト３２５を介して駆動される高圧圧縮機３１０を含む高圧タービン段を有する。高圧タービン３２０は上流燃焼室３１５（高圧タービン３２０の上流に位置する）から燃焼ガスの供給を受ける。
【００４１】
高圧圧縮機３１０は、上流ＳＯＦＣ３１２（高圧タービン３２０の上流に位置する）へ圧縮ガスを供給する。上流ＳＯＦＣ３１２は加熱・圧縮ガスを第１燃焼室３１５へ供給する。
【００４２】
上流ＳＯＦＣ３１２は外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。上流燃焼室３１５も外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。
【００４３】
高圧タービン３２０は、下流燃焼室ＳＯＦＣ３２７（高圧タービン３２０の下流に位置する）へガスを供給する。下流ＳＯＦＣ３２７は、下流燃焼室３３０へガスを供給する。下流ＳＯＦＣ３２７は外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。下流燃焼室３３０も外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。
【００４４】
下流燃焼室３３０は出力タービン３４０へ燃焼ガスを供給し、出力タービン３４０は出力シャフト３４５を駆動する。
【００４５】
稼働中、ガスは入口３０５から高圧圧縮機３１０へ供給される。圧縮機はシャフト３２５の回転によって駆動されガスを圧縮する。圧縮ガスは次に上流ＳＯＦＣ３１２へ供給され、そこで加熱される。
【００４６】
圧縮ガスは次に上流燃焼室３１５へ供給され、そこで灯油、プロパン、天然ガスなどの燃料と混合され、点火される。この燃焼ガスは次に高圧タービン３２０へ供給される。高圧タービン３２０内においてガスは膨張する。膨張によって高圧タービン３２０を駆動し、それによってシャフト３２５を駆動する。膨張したガスは高圧タービン３２０を出て下流ＳＯＦＣ３２７へ供給され、そこでさらに加熱される。ガスは次に下流燃焼室３３０へ供給され、そこで再び灯油、プロパン、天然ガスなどの燃料と混合され、点火される。燃焼ガスは次に出力タービン３４０へ供給され、そこで膨張し、出力タービン３４０を駆動し、それによって出力シャフト３４５を駆動する。ガスは出口３５０からタービン装置外へ排出される。
【００４７】
上の実施形態のように、出力（パワー）タービン３４０は高圧（ガス生成）タービン３２０よりも高い膨張率と高い入口温度で作動する。出力タービンはシャフト３４５によって車両の車輪およびまたは発電機に接続されている。
【００４８】
上記の第３実施形態においてＳＯＦＣと燃焼室は直列に構成される。
【００４９】
上記の第３実施形態で開示した直列の構成では、ガス流の方向において燃焼室より前にＳＯＦＣを有するが、ガス流の方向において燃焼室より後ろにＳＯＦＣを配置することも同様に可能である。ＳＯＦＣと燃焼室はその順番において、高圧タービンの前か後ろであって出力タービンの前に配置することが可能である。
【００５０】
第２のＳＯＦＣを使用することによって再燃させ、稼働状況に応じた広い範囲に渡って高い効率と高い動力出力を持つ装置の稼働を可能にする。ガスタービン装置をハイブリッド車両で使用する場合は、第１燃焼室３１５と第２燃焼室３３０を制御し、両燃焼室３１５、３３０を動作させ（両ＳＯＦＣ３１２、３２７、圧縮機３１０、タービン３２０、３４０も動作中）、タービン３４０を車両の駆動輪へ接続する第１運転モードと、燃焼室３１５、３３０は停止させ（ＳＯＦＣ３１２、３２７、圧縮機３１０、タービン３２０、３４０は動作中）、タービン３４０を駆動輪とは連結せず（発電機と連結してＡＣ電力を生成してもよい）、ＳＯＦＣ３１２とＳＯＦＣ３２７はＤＣ電力を供給する第２運転モードで装置を稼働することもできる。第３運転モードも可能である。このモードでは、燃焼室３３０のみ停止させ（ＳＯＦＣ３１２、３２７は、燃焼室３１５、圧縮機３１０、およびタービン３２０、３４０とともに動作中）、タービン３４０を駆動輪とは連結せず（好適には発電機と連結してＡＣ電力を生成する）、ＳＯＦＣ３１２と３２７は両方ともＤＣ電力を生成しバッテリを充電するか電気モータを駆動する。燃焼室３１５、３３０を使用することによって、車両の加速用および／または車両の高走行速度用の動力を供給することができる。
【００５１】
図３は、出力タービン３４０を独立した出力シャフト３４５に取り付けられたフリーパワータービンとして示すが、パワータービンは圧縮機３１０、タービン３２０、３４０のすべてに共通したシャフトに取り付けてもよい。このような実施形態を図３ａに示す。図３ａは図３の装置を共通シャフトでどのように構成するのかを示す。フリーパワータービンと共通シャフト配置のメリットとデメリットは上述のとおりである。
【００５２】
図４に、本発明の他の実施形態に係る再燃ガスタービン装置を示す。
【００５３】
再燃ガスタービン装置は、高圧タービン４２０によってシャフト４２５を介して駆動される高圧圧縮機４１０を含む高圧タービン段を有する。
【００５４】
高圧圧縮機４１０は圧縮ガスを供給し、圧縮ガスは２つの流路に分岐される。第１流路は圧縮ガスを上流ＳＯＦＣ４１２（タービン４２０の上流に位置する）へ供給する。第２流路は圧縮ガスを上流燃焼室４１５（タービン４２０の上流に位置する）へ供給する。
【００５５】
上流ＳＯＦＣ４１２は外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。上流燃焼室４１５も外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。
【００５６】
上流ＳＯＦＣ４１２からの加熱されたガスと上流燃焼室４１５からの燃焼ガスは１つの流路へ合流し、高圧タービン４２０へ供給される。
【００５７】
高圧タービン４２０はガスを供給し、ガスは２つの流路に分岐される。第１流路は圧縮ガスを下流ＳＯＦＣ４２７（タービン４２０の下流に位置する）へ供給する。第２流路は圧縮ガスを下流燃焼室４３０（タービン４２０の下流に位置する）へ供給する。
【００５８】
下流ＳＯＦＣ４２７は外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。下流燃焼室４３０も外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。
【００５９】
下流ＳＯＦＣ４２７からの加熱されたガスと下流燃焼室４３０からの燃焼ガスは１つの流路へ合流し、出力タービン４４０へ供給され、出力タービン４４０は出力シャフト４４５を駆動する。
【００６０】
稼働中、ガスは入口４０５から高圧圧縮機４１０へ供給される。圧縮機はシャフト４２５の回転によって駆動されガスを圧縮する。圧縮ガスは次に上流ＳＯＦＣ４１２（ここで加熱される）と上流燃焼室４１５（ここで燃料と混合され点火される）との両方へ供給される。
【００６１】
上流ＳＯＦＣ４１２からの加熱されたガスと上流燃焼室４１５からの燃焼ガスは次に高圧タービン４２０へ供給される。高圧タービン４２０内においてガスは膨張する。膨張によって高圧タービン４２０を駆動し、それによってシャフト４２５を駆動する。膨張したガスは高圧タービン４２０を出て、下流ＳＯＦＣ４２７、下流燃焼室４３０へとそれぞれつながる２つの流路へ分岐される。下流ＳＯＦＣ４２７では膨張したガスは加熱され、下流燃焼室４３０ではガスは燃料と混合され点火される。
【００６２】
最終ＳＯＦＣ４２７からの加熱されたガスと最終燃焼室４３０からの燃焼ガスは次に出力タービン４４０へ供給され、そこで膨張し、出力タービン４４０を駆動し、それによって出力シャフト４４５を駆動する。ガスは出口４５０からタービン装置外へ排出される。
【００６３】
上記の図４に示した実施形態においてＳＯＦＣと燃焼室は並列に構成される。
【００６４】
ＳＯＦＣ４１２、４２７、圧縮機４１０、タービン４２０、４４０を動作させ、燃焼室４１５、４３０を停止する場合は、ＳＯＦＣと燃焼室を並列に配置すると好適である。そのような場合は、流路に弁を備え、すべてのガス流をＳＯＦＣへ向けてもよい。
【００６５】
図４は、出力タービン４４０は独立した出力シャフト４４５に取り付けられたフリーパワータービンとして示すが、パワータービン４４０は圧縮機４１０、タービン４２０、４４０のすべてに共通したシャフトに取り付けてもよい。このような実施形態を図４ａに示す。図４ａは図４の装置を共通シャフトでどのように構成するのかを示す。フリーパワータービンと共通シャフト配置のメリットとデメリットは上述のとおりである。
【００６６】
上述のすべての装置は、圧力充填式ディーゼル機関や圧力充填式火花点火機関等のピストン式レシプロ機関、ロータリーレシプロ機関と組み合わせることもできる。第２タービン１４０、２４０、３４０、４４０から出た膨張した空気は、圧縮充填するためにそのような機関に供給される。または、上記のすべての実施形態を応用し、圧縮された充填空気を圧縮機１１０、２１０、３１０、４１０から機関へ供給してもよい。例として図４ｂに示す。図４ｂは図４の装置の変形を示し、供給路４５１は圧縮空気を圧縮機４１０から取り込み、この圧縮空気は充填空気として内燃式機関へ供給される。
【００６７】
上述の高圧タービン１２０、２２０、３２０、４２０から流れ出る部分燃焼された空気を再燃できることによって装置からより強い動力を引き出すことが可能となる。部分的には効率が損なわれるかもしれないが、装置全体の正味空気消費量（ＢＳＡＣ：Ｂｒａｋｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ａｉｒ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）は再燃によって減少し、結果的に同じ規模の装置からより高い動力出力を引き出すことになる。
【００６８】
上述の図３、３ａ、４、４ａで示した実施形態では、再燃ガスタービン装置の加熱は２段式で行なわれ、各段にはＳＯＦＣと燃焼室があり、直列または並列の構成となっている。第１加熱段では第１ＳＯＦＣと第１燃焼室を直列または並列の構成で有し、第２加熱段では第２ＳＯＦＣと第２燃焼室を第１加熱段とは逆の構成（直列または並列）にしてもよい。さらに、本発明の実施形態は、加熱を２段有し、１つの中間タービン段の後に1つの出力タービンが続く構成のみに限らず、加熱段とタービン段の段数は任意である再燃ガスタービンシステムにも適用できる。それらの実施形態では、各加熱段におけるＳＯＦＣと燃焼室のいかなる構成も可能である。
【００６９】
熟練者であれば理解することであるが、上に開示した実施形態は、上記の出力タービンの代わりに出力ノズルを利用する推進装置にも同様に適用できる。本発明の最初の実施形態での例として航空機への適用における特定の利用法を図５に示す。
【００７０】
図５の実施形態では、空気は圧縮段５１０によって圧縮され、圧縮された空気は上流燃焼室５１５へ送られる。この上流燃焼室５１５には炭化水素燃料が供給されている。結果として生じる燃焼後の高温ガスは膨張が起こるタービン５２０へ供給される。タービン５２０はシャフト５２５を介して圧縮機５１０を駆動するように接続される。膨張したガスは、次に並列に配置され燃料が供給された下流ＳＯＦＣ５２７と下流再燃焼室５３０とを通る。再燃されたガスは次に出力ノズル（単軸または多軸のターボジェット、ターボファン、ターボシャフト航空機関）である出力タービン段５４０内で膨張する。
【００７１】
図１の実施形態を航空機などの推進装置として変更したものを図６に示す。上述の出力タービン１４０の代わりに出力ノズル６４０を有する。出力ノズル６４０は航空機などの運送手段を推進する推進力を出力する。
【００７２】
図５と６の両方の実施形態において、上流燃焼室はガスを高圧タービンに高圧タービン入口温度で供給する。下流燃焼室はガスを出力タービンに出力タービン入口温度で供給し、この出力タービン入口温度は高圧タービン入口温度よりも高い。具体的には、出力タービン入口温度は可能な限り高く、高圧タービン入口温度はそれより低い温度である。これによって、高圧タービンが受ける熱応力は低くなるので、より安価な材料によって製造できる。
【００７３】
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）について上述したが、他の種類の燃料電池も利用可能である。
【００７４】
記述されていないが、上述のどのガスタービン装置にもその分野で既知の方法において熱交換器を挿入することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、再熱ガスタービン装置に関し、特に、燃料電池を有する再熱ガスタービン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機とタービンの間のガス流を固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、その後燃焼室によって連続的に加熱するガスタービン装置が知られている。
【０００３】
本発明の第１態様は、ガスタービン装置であって、圧縮機と、圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ、電力を生成し、そこを通るガスを加熱する上流燃料電池と、第１燃料電池から出る加熱されたガスを受け入れ、圧縮機に接続され、圧縮機を駆動する中間タービンと、中間段から出力されるガスを受け入れる出力タービンと、を有し、中間タービンから出た膨張したガスは下流燃焼室および／または下流燃料電池の一方または両方を通って出力タービンへ到達し、膨張したガスは出力タービン内で膨張する前に再燃されることを特徴とするガスタービン装置を提供する。
【０００４】
本発明の第２態様は、ガスタービン装置であって、圧縮機と、圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ、そこを通るガスを加熱する上流燃焼室と、第１燃焼室から出る加熱されたガスを受け入れ、圧縮機に接続され、圧縮機を駆動する中間タービンと、中間タービン段から出力されるガスを受け入れる出力タービンと、を有し、中間タービンから出た膨張したガスは下流燃料電池を通って出力タービンへ到達し、膨張したガスは出力タービン内で膨張する前に再燃されることを特徴とするガスタービン装置を提供する。
【０００５】
本発明はまた中間タービンの入口における入口温度と出力タービンまたは出力ノズルの入口における入口温度が異なる再燃ガスタービン装置にも関する。
【０００６】
高圧圧縮機の駆動用に高圧タービンを有し、出力シャフト駆動用に別途低圧出力タービンを有するガスタービン装置は既知である。多くの場合、そのようなタービン装置は高圧タービンと低圧出力タービンの間の流路に追加の燃焼室をさらに有する。
【０００７】
従来、そのようなタービン装置は効率を可能な限り高めるため高圧タービンと出力タービンの両方においてできるだけ高いタービン入口温度で作動する。タービンの入口温度は、タービンが製造される材料の物理的な特性によって制限される。このため、タービン装置が可能な限り高い効率で作動できることを確実にするため、従来のタービンは考えられる最高温度に耐えられるように製造される。タービンは可能な限り高い温度耐性を持つように高価な材料から製造する必要があるので、非常にコストが高くなる。
【０００８】
本発明の第３態様は、ガスタービンであって、圧縮機と、圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ、そこを通るガスを加熱する上流熱源と、上流熱源から出た加熱されたガスを受け入れ、圧縮機に接続され、圧縮機を駆動する高圧タービンと、高圧タービンから出たガスを受け入れ、そこを通るガスを加熱する下流燃焼室と、下流燃焼室によって出力されるガスを受け入れる出力タービンと、を有し、装置は、出力タービンによって受け入れられるガスの温度が高圧タービンによって受け入れられるガスの温度よりも高いように構成されることを特徴とするガスタービン装置を提供する。
【０００９】
本発明の第４態様は、ガスタービン装置を運転する方法であって、ガスタービン装置は、ガス圧縮機と、圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ、そこを通るガスを加熱する上流熱源と、上流熱源を出た加熱されたガスを受け入れ、圧縮機に接続され、圧縮機を駆動する高圧タービンと、高圧タービンから出たガスを受け入れ、そこを取るガスを加熱する下流燃焼室と、下流燃焼室によって出力されたガスを受け入れる出力タービンと、を有し、出力タービンによって受け入れられるガスの温度は、高圧タービンによって受け入れられるガスの温度とは所定の温度差を持つように制御されることを特徴とする方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明を添付の図を参照して例としてのみ説明する。
【図１】本発明に基づくガスタービンの第１実施形態を示す概略図である。
【図１ａ】本発明に基づくガスタービンの第１実施形態の変形を示す概略図である。
【図２】本発明に基づくガスタービン装置の第２実施形態を示す概略図である。
【図２ａ】図２に示すガスタービン装置の第１変形を示す概略図である。
【図２ｂ】図２に示すガスタービン装置の第２変形を示す概略図である。
【図２ｃ】図２に示すガスタービン装置の第３変形を示す概略図である。
【図３】本発明に基づくガスタービン装置の第３実施形態を示す概略図である。
【図３ａ】図３に示すガスタービン装置の第１変形を示す概略図である。
【図４】本発明に基づくガスタービン装置の第４実施形態を示す概略図である。
【図４ａ】図４に示すガスタービン装置の第１変形を示す概略図である。
【図４ｂ】図４に示すガスタービン装置の第２変形を示す概略図である。
【図５】本発明に基づくガスタービンの航空機に使用する第５実施形態を示す概略図である。
【図６】本発明に基づくガスタービンの航空機に使用する第６実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１に、高圧タービン１２０によってシャフト１２５を介して駆動される高圧圧縮機１１０を含む高圧タービン段を有する再熱ガスタービン装置を示す。高圧タービン１２０は、上流燃焼室１１５（高圧タービン１２０の上流に位置する）から燃焼ガスを供給される。上流燃焼室１１５は、高圧圧縮機１１０から圧縮ガスの供給と、外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。
【００１２】
高圧タービン１２０は、下流燃焼室１３０（高圧タービン１２０の下流に位置する）へガスを供給する。下流燃焼室１３０も外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。
【００１３】
下流燃焼室１３０は、燃焼ガスを出力タービン１４０へ供給し、出力タービン１４０は出力シャフト１４５を駆動する。
【００１４】
稼働中、ガスは入口１０５から高圧圧縮機１１０へ供給される。圧縮機は、シャフト１２５の回転によって駆動されガスを圧縮する。圧縮ガスは、次に上流燃焼室１１５へ供給され、そこで灯油、プロパン、天然ガスなどの燃料と混合され、点火される。燃焼ガスは次に高圧タービン１２０へ供給される。この高圧タービン１２０内でガスは膨張する。膨張によって高圧タービン１２０を駆動し、それによってシャフト１２５を駆動する。膨張したガスは高圧タービン１２０を出て下流燃焼室１３０へ供給され、そこで再度灯油、プロパン、天然ガスなどの燃料と混合され、点火される。この燃焼ガスは次に出力タービン１４０へ供給され、そこで膨張し、出力タービン１４０を駆動する。出力タービン１４０は出力シャフト１４５を駆動することによって機械仕事の出力をもたらす。ガスは出口１５０からタービン装置外へ排出される。
【００１５】
タービン装置は、２つの燃焼室１１５、１３０を有し、それぞれ高圧タービンと出力タービンへ供給を行なう。従来のガスタービンの理論では、再燃ガスタービン装置において、両方の燃焼室を作動し両タービンの入口温度を同一であって可能な限り高くすることによって、最高のサイクル効率を得られるとされている。温度の限界は高圧タービンと出力タービンの構成材料によって多くの場合影響され、両タービンは同一の高温限界を有するように製造される。従来、両タービン１２０、１４０は同一の材料によって製造されるため、発電装置全体の費用は、同一の高温限界を有する２つのタービンの費用が占める。
【００１６】
従来の解決策とは対照的に本発明の第１実施形態の燃焼室は燃焼ガスを異なる温度で供給するように構成され配置されている。
【００１７】
上流燃焼室は、ガスを高圧タービン入口温度で高圧タービンに供給する。下流燃焼室は、ガスを出力タービン入口温度で出力タービンに供給するが、この出力タービン入口温度は高圧タービン入口温度よりも高い。具体的には本実施形態では、出力タービン入口温度は可能な限り高く、高圧タービン入口温度はこれより低い温度である。これによって高圧タービンにかかる熱応力は低くなり、このためコストの低い材料によって製造することができる。
【００１８】
タービン１２０の標準的な入口温度範囲は、６００〜１０００°Ｃである。出力タービン１４０の入口におけるガスの温度は、１４００°Ｃである。出力（パワー）タービン１４０は高圧タービン（「ガス発生」タービン）１２０よりもかなり高い膨張率で作動する。高い機械的応力を受け高温で作動しなければならないので、高い技術力を必要とし、相対的に高価な構成要素となる。逆に、高圧タービン１２０はかなり低い膨張率と低い温度で作動するので、標準的に現存の内燃ターボチャージャ技術の性能範囲内であるので比較的コストが低い要素である。
【００１９】
好適には、圧縮機１１０、燃焼室１１５、およびタービン１２０、１４０が動作中でも、下流燃焼室１３０を所定の運転条件において装置によって停止できることが望ましい。これは車両用ハイブリッド駆動装置においてメリットがある。駆動装置は、第１運転モードを備え、この第１運転モードでは、下流燃焼室１３０を動作させ（圧縮機１１０、燃焼室１１５、およびタービン１２０、１４０も動作中）、出力タービン１４０からの機械的動力は機械式変速装置によって例えば自動車の駆動輪へ伝達し、ＳＯＦＣによって生成された電力は例えば車両用バッテリ（または車両の駆動用電気モータ）を充電するために使用される。駆動装置は、さらに第２運転モードを備え、この第２運転モードでは、下流燃焼室３０を停止させ（圧縮機１１０、燃焼室１１５、およびタービン１２０、１４０は動作中）、タービン１４０を車輪への機械式変速装置とは連結せず、代わりに発電機と連結する。このため第２モードではＳＯＦＣはＤＣ電力を生成し、タービン１４０と連結された発電機はＡＣ電力を生成する。
【００２０】
前述したように、従来の装置では各タービンの入口温度を同一で可能な限り高くなるように構成する。実際の適用では、タービン入口温度はある程度の許容誤差を持って制御される。つまり、既存の装置では入口温度は不規則に上下する可能性がある。この結果、僅かではあるが入口温度に差が生じてしまうことがある。しかしながらそのような装置であっても同一のタービン入口温度を保つように構成されていると見なされる。タービン入口温度の差は偶発的である。入口温度の偶発的な差は、１４００°Ｃで作動するタービンでは５０°Ｃ未満である。パーセントに換算すると、約３．５％である。
【００２１】
従来の装置とは逆に、本発明の実施形態ではタービン入口温度が異なるように意図的に構成されている。差は、高圧タービン２０と出力タービン４０の材料と構造に応じてあらかじめ判断できる。または、高圧タービン２０の下流で加熱する手段に応じてあらかじめ判断してもよい。例えば、ＳＯＦＣの最高出力温度に応じてもよい。
【００２２】
好適な実施形態では、差は５０°Ｃ（１４００°Ｃで作動するタービンであれば３．５％）を越える。ＳＯＦＣを備えるような別の好適な実施形態では、差は４００°Ｃ（１４００°Ｃで動作するタービンであれば２８％）を越える。
【００２３】
図１に示すような再熱タービン装置に関する計算では、タービン１４０の入口温度が１３９０°Ｃと仮定すると、タービン１２０の入口温度が１００°Ｃ下がるごとに発電装置の熱効率が望ましい１３９０°Ｃから約１．５％低下する。正味燃料消費量（ＢＳＦＣ：Ｂｒａｋｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｆｕｅｌ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）もタービン１２０の入口温度が望ましい１３９０°Ｃから１００°Ｃ下がるごとに約１．５％上昇する。このように本発明の提案は従来の理論に反するが、出願人は本発明が可能にするコスト減と簡素化は再燃ガスタービン装置の使用をより広めることになり、このメリットは効率損失に勝ると考える。
【００２４】
図１の実施形態では、タービン１２０と１４０は、別々のシャフト１２５と１４５に取り付けられるが、これらのタービンを共通の１つのシャフトに配置してもよい。その実施形態を図１ａに示し、図１の構成要素に対応する構成要素は末尾に「ａ」を付した同じ参照番号で示す。参照番号１２５ａと１５０ａは圧縮機１１０ａ、タービン１２０ａ、タービン１４０ａのすべてに共通するシャフトの異なる部分を示す。装置の負荷が頻繁に変わる場合は、図１に示すフリーパワータービンの方がより好ましい。装置がより固定的に運転されるのであれば、より効率的であり（シャフトの保持に少ないベアリングで済ませることができる等）、より簡単に全体の大きさを小さく収められるので、図１ａに示す共通のシャフトを使用した配置の方がより好ましい。しかしながら、図１ａに示した変形は反応が遅いので（圧縮機と２つのタービンが共通のシャフトに配置されているため慣性が強い）、車両には図１のタイプの方が好ましい。
【００２５】
上記の第１実施形態では高圧圧縮機１１０から出た圧縮ガスは上流燃焼室１１５内の燃焼工程によって加熱されるが、高圧タービン１２０の入口温度は極限ではないので、上流燃焼室１１５は別の熱源を代わりに使用してもよい。例えば、図２に示すように、上流燃焼室１１５の代わりに固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）２１２を使用してもよい。
【００２６】
図２に、本発明の第２実施形態に係る再燃ガスタービン装置を示す。
【００２７】
再燃ガスタービン装置は、シャフト２２５を介して高圧タービン２２０によって駆動される高圧圧縮機２１０を含む高圧タービン段を有する。
【００２８】
高圧圧縮機２１０は、上流ＳＯＦＣ２１２（高圧タービン２２０の上流に位置する）へ圧縮ガスを供給する。ＳＯＦＣ２１２は高圧ガスを直接高圧タービン２２０へ供給する。この実施形態では、ＳＯＦＣ２１２は直接（つまり間に燃焼室を介在させない）高圧タービン２２０と連通する。
【００２９】
ＳＯＦＣ２１２は外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。
【００３０】
高圧タービン２２０は、下流燃焼室２３０（高圧タービンの下流に位置する）へガスを供給する。下流燃焼室２３０は外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。
【００３１】
下流燃焼室２３０は、出力タービン２４０へ燃焼ガスを供給し、出力タービン２４０は出力シャフト２４５を駆動することによって機械的動力を出力する。
【００３２】
稼働中、ガスは入口２０５から高圧圧縮機２１０へ供給される。圧縮機はシャフト２２５の回転によって駆動されガスを圧縮する。圧縮ガスは次に上流ＳＯＦＣ２１２へ供給され加熱される。一般的にＳＯＦＣは加圧されると高効率で作動する。
【００３３】
加熱されたガスは次に高圧タービン２２０へ供給される。高圧タービン２２０内においてガスは膨張する。膨張によって高圧タービン２２０を駆動し、それによってシャフト２２５を駆動する。膨張したガスは高圧タービン２２０を出て燃焼室２３０へ供給され、そこで灯油、プロパン、天然ガスなどの燃料と混合され、点火される。この燃焼ガスは次に出力タービン２４０へ供給され、そこで膨張し、出力タービン２４０を駆動し、それによって出力シャフト２４５を駆動する。ガスは出口２５０からタービン装置外へ排出される。
【００３４】
上記第２実施形態において、高圧圧縮機２１０の出口と高圧タービン２２０の入口との間で受け渡されるガスは、ＳＯＦＣ２１２のみで加熱される。
【００３５】
ＳＯＦＣは従来使用されている燃焼室のように高温にガスを熱することはできない。このため、高価な耐熱材料で製造するコストの高い高圧タービンを使用する必要はない。ＳＯＦＣの標準的な温度範囲は６００〜１０００°Ｃであろう。タービン２４０の入口でのガスの温度は１４００°Ｃである。出力（パワー）タービン２４０は高圧タービン（「ガス発生」タービン）２２０よりもかなり高い膨張率で作動する。高い機械的応力を受け高温で作動しなければならないので、高い技術力を必要とし、相対的に高価な構成要素となる。逆に、高圧タービン２２０はかなり低い膨張率と低い温度で作動するので、標準的に現存の内燃ターボチャージャ技術の性能範囲内であるので比較的コストが低い要素である。
【００３６】
ＳＯＦＣ２１２、圧縮機２１０、およびタービン２２０、２４０が動作中に、燃焼室２３０を所定の運転条件において装置によって停止できることが望ましい。これは車両用ハイブリッド駆動装置においてメリットがある。駆動装置は、第１運転モードを備え、この第１運転モードでは、燃焼室２３０を動作させ（ＳＯＦＣ２１２、圧縮機２１０、タービン２２０、２４０も動作中）、タービン２４０からの機械的動力はシャフト２４５と機械式変速装置（図示せず）によって例えば自動車の駆動輪へ伝達され、ＳＯＦＣによって生成された電力は例えば車両用バッテリ（または車両の駆動用電気モータ）を充電するために使用される。駆動装置は、さらに第２運転モードを備え、この第２運転モードでは、燃焼室２３０を停止させ（ＳＯＦＣ２１２、圧縮機２１０、およびタービン２２０、２４０は動作中）、タービン２４０を車輪への機械式変速装置とは連結せず、代わりに発電機と連結する。このため第２モードではＳＯＦＣはＤＣ電力を生成し、タービン２４０と連結する発電機はＡＣ電力を生成する。または代替え案では、シャフト２４５によってタービン２４０を発電機のみと連結し、車両の駆動には電気モータのみを使用する。電力は、ＳＯＦＣ２１２のみか、例えばより高い電力が必要な場合はＳＯＦＣ２１２とタービン２４０から動力を受ける発電機の両方によって生成する。燃焼室２３０は高い電力においてのみ、つまりタービン２４０が発電機を駆動する場合にのみ動作する。（燃焼室２３０が動作中の場合も停止中の場合も、ＳＯＦＣ２１２、圧縮機２１０、およびタービン２２０、２４０は動作中のままである）。
【００３７】
図２に示された実施形態の変形を図２ａに示す。この変形は、さらに燃焼室２５１がＳＯＦＣ２１２とタービン２２０の間に接続されていること以外は図２の実施形態と同じである。燃焼室２５１はＳＯＦＣ２１２から出たガスをタービン２２０内で燃焼する前にさらに加熱する。燃焼室２５１は連続的に作動してもよいし、ガスタービン装置の動力需要が所定の閾値を越えた場合のみ作動するように選択的に動作させてもよい。燃焼室２５１を使用することによって、ＳＯＦＣ２１２が圧縮ガスに加える必要がある熱の量を減少させることができるので、ＳＯＦＣ２１２の設計に関する制約を軽減できる。
【００３８】
図２および２ａは、出力タービン２４０を独立した出力シャフト２４５に取り付けられたフリーパワータービンとして示すが、パワータービンは圧縮機２１０、タービン２２０、２４０のすべてに共通したシャフトに取り付けてもよい。このような実施形態を図２ｃに示す。図２ｂは図２の装置を共通シャフトでどのように構成するのかを示し、図２ｃは、図２aの装置を共通シャフトでどのように構成するのかを示す。フリーパワータービンと共通シャフト配置のメリットとデメリットは上述のとおりである。
【００３９】
図３に、本発明の第３実施形態に係る再燃ガスタービン装置を示す。
【００４０】
再燃ガスタービン装置は、高圧タービン３２０によってシャフト３２５を介して駆動される高圧圧縮機３１０を含む高圧タービン段を有する。高圧タービン３２０は上流燃焼室３１５（高圧タービン３２０の上流に位置する）から燃焼ガスの供給を受ける。
【００４１】
高圧圧縮機３１０は、上流ＳＯＦＣ３１２（高圧タービン３２０の上流に位置する）へ圧縮ガスを供給する。上流ＳＯＦＣ３１２は加熱・圧縮ガスを第１燃焼室３１５へ供給する。
【００４２】
上流ＳＯＦＣ３１２は外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。上流燃焼室３１５も外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。
【００４３】
高圧タービン３２０は、下流燃焼室ＳＯＦＣ３２７（高圧タービン３２０の下流に位置する）へガスを供給する。下流ＳＯＦＣ３２７は、下流燃焼室３３０へガスを供給する。下流ＳＯＦＣ３２７は外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。下流燃焼室３３０も外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。
【００４４】
下流燃焼室３３０は出力タービン３４０へ燃焼ガスを供給し、出力タービン３４０は出力シャフト３４５を駆動する。
【００４５】
稼働中、ガスは入口３０５から高圧圧縮機３１０へ供給される。圧縮機はシャフト３２５の回転によって駆動されガスを圧縮する。圧縮ガスは次に上流ＳＯＦＣ３１２へ供給され、そこで加熱される。
【００４６】
圧縮ガスは次に上流燃焼室３１５へ供給され、そこで灯油、プロパン、天然ガスなどの燃料と混合され、点火される。この燃焼ガスは次に高圧タービン３２０へ供給される。高圧タービン３２０内においてガスは膨張する。膨張によって高圧タービン３２０を駆動し、それによってシャフト３２５を駆動する。膨張したガスは高圧タービン３２０を出て下流ＳＯＦＣ３２７へ供給され、そこでさらに加熱される。ガスは次に下流燃焼室３３０へ供給され、そこで再び灯油、プロパン、天然ガスなどの燃料と混合され、点火される。燃焼ガスは次に出力タービン３４０へ供給され、そこで膨張し、出力タービン３４０を駆動し、それによって出力シャフト３４５を駆動する。ガスは出口３５０からタービン装置外へ排出される。
【００４７】
上の実施形態のように、出力（パワー）タービン３４０は高圧（ガス生成）タービン３２０よりも高い膨張率と高い入口温度で作動する。出力タービンはシャフト３４５によって車両の車輪およびまたは発電機に接続されている。
【００４８】
上記の第３実施形態においてＳＯＦＣと燃焼室は直列に構成される。
【００４９】
上記の第３実施形態で開示した直列の構成では、ガス流の方向において燃焼室より前にＳＯＦＣを有するが、ガス流の方向において燃焼室より後ろにＳＯＦＣを配置することも同様に可能である。ＳＯＦＣと燃焼室はその順番において、高圧タービンの前か後ろであって出力タービンの前に配置することが可能である。
【００５０】
第２のＳＯＦＣを使用することによって再燃させ、稼働状況に応じた広い範囲に渡って高い効率と高い動力出力を持つ装置の稼働を可能にする。ガスタービン装置をハイブリッド車両で使用する場合は、第１燃焼室３１５と第２燃焼室３３０を制御し、両燃焼室３１５、３３０を動作させ（両ＳＯＦＣ３１２、３２７、圧縮機３１０、タービン３２０、３４０も動作中）、タービン３４０を車両の駆動輪へ接続する第１運転モードと、燃焼室３１５、３３０は停止させ（ＳＯＦＣ３１２、３２７、圧縮機３１０、タービン３２０、３４０は動作中）、タービン３４０を駆動輪とは連結せず（発電機と連結してＡＣ電力を生成してもよい）、ＳＯＦＣ３１２とＳＯＦＣ３２７はＤＣ電力を供給する第２運転モードで装置を稼働することもできる。第３運転モードも可能である。このモードでは、燃焼室３３０のみ停止させ（ＳＯＦＣ３１２、３２７は、燃焼室３１５、圧縮機３１０、およびタービン３２０、３４０とともに動作中）、タービン３４０を駆動輪とは連結せず（好適には発電機と連結してＡＣ電力を生成する）、ＳＯＦＣ３１２と３２７は両方ともＤＣ電力を生成しバッテリを充電するか電気モータを駆動する。燃焼室３１５、３３０を使用することによって、車両の加速用および／または車両の高走行速度用の動力を供給することができる。
【００５１】
図３は、出力タービン３４０を独立した出力シャフト３４５に取り付けられたフリーパワータービンとして示すが、パワータービンは圧縮機３１０、タービン３２０、３４０のすべてに共通したシャフトに取り付けてもよい。このような実施形態を図３ａに示す。図３ａは図３の装置を共通シャフトでどのように構成するのかを示す。フリーパワータービンと共通シャフト配置のメリットとデメリットは上述のとおりである。
【００５２】
図４に、本発明の他の実施形態に係る再燃ガスタービン装置を示す。
【００５３】
再燃ガスタービン装置は、高圧タービン４２０によってシャフト４２５を介して駆動される高圧圧縮機４１０を含む高圧タービン段を有する。
【００５４】
高圧圧縮機４１０は圧縮ガスを供給し、圧縮ガスは２つの流路に分岐される。第１流路は圧縮ガスを上流ＳＯＦＣ４１２（タービン４２０の上流に位置する）へ供給する。第２流路は圧縮ガスを上流燃焼室４１５（タービン４２０の上流に位置する）へ供給する。
【００５５】
上流ＳＯＦＣ４１２は外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。上流燃焼室４１５も外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。
【００５６】
上流ＳＯＦＣ４１２からの加熱されたガスと上流燃焼室４１５からの燃焼ガスは１つの流路へ合流し、高圧タービン４２０へ供給される。
【００５７】
高圧タービン４２０はガスを供給し、ガスは２つの流路に分岐される。第１流路は圧縮ガスを下流ＳＯＦＣ４２７（タービン４２０の下流に位置する）へ供給する。第２流路は圧縮ガスを下流燃焼室４３０（タービン４２０の下流に位置する）へ供給する。
【００５８】
下流ＳＯＦＣ４２７は外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。下流燃焼室４３０も外部燃料源（図示せず）から燃料の供給を受ける。
【００５９】
下流ＳＯＦＣ４２７からの加熱されたガスと下流燃焼室４３０からの燃焼ガスは１つの流路へ合流し、出力タービン４４０へ供給され、出力タービン４４０は出力シャフト４４５を駆動する。
【００６０】
稼働中、ガスは入口４０５から高圧圧縮機４１０へ供給される。圧縮機はシャフト４２５の回転によって駆動されガスを圧縮する。圧縮ガスは次に上流ＳＯＦＣ４１２（ここで加熱される）と上流燃焼室４１５（ここで燃料と混合され点火される）との両方へ供給される。
【００６１】
上流ＳＯＦＣ４１２からの加熱されたガスと上流燃焼室４１５からの燃焼ガスは次に高圧タービン４２０へ供給される。高圧タービン４２０内においてガスは膨張する。膨張によって高圧タービン４２０を駆動し、それによってシャフト４２５を駆動する。膨張したガスは高圧タービン４２０を出て、下流ＳＯＦＣ４２７、下流燃焼室４３０へとそれぞれつながる２つの流路へ分岐される。下流ＳＯＦＣ４２７では膨張したガスは加熱され、下流燃焼室４３０ではガスは燃料と混合され点火される。
【００６２】
最終ＳＯＦＣ４２７からの加熱されたガスと最終燃焼室４３０からの燃焼ガスは次に出力タービン４４０へ供給され、そこで膨張し、出力タービン４４０を駆動し、それによって出力シャフト４４５を駆動する。ガスは出口４５０からタービン装置外へ排出される。
【００６３】
上記の図４に示した実施形態においてＳＯＦＣと燃焼室は並列に構成される。
【００６４】
ＳＯＦＣ４１２、４２７、圧縮機４１０、タービン４２０、４４０を動作させ、燃焼室４１５、４３０を停止する場合は、ＳＯＦＣと燃焼室を並列に配置すると好適である。そのような場合は、流路に弁を備え、すべてのガス流をＳＯＦＣへ向けてもよい。
【００６５】
図４は、出力タービン４４０は独立した出力シャフト４４５に取り付けられたフリーパワータービンとして示すが、パワータービン４４０は圧縮機４１０、タービン４２０、４４０のすべてに共通したシャフトに取り付けてもよい。このような実施形態を図４ａに示す。図４ａは図４の装置を共通シャフトでどのように構成するのかを示す。フリーパワータービンと共通シャフト配置のメリットとデメリットは上述のとおりである。
【００６６】
上述のすべての装置は、圧力充填式ディーゼル機関や圧力充填式火花点火機関等のピストン式レシプロ機関、ロータリーレシプロ機関と組み合わせることもできる。第２タービン１４０、２４０、３４０、４４０から出た膨張した空気は、圧縮充填するためにそのような機関に供給される。または、上記のすべての実施形態を応用し、圧縮された充填空気を圧縮機１１０、２１０、３１０、４１０から機関へ供給してもよい。例として図４ｂに示す。図４ｂは図４の装置の変形を示し、供給路４５１は圧縮空気を圧縮機４１０から取り込み、この圧縮空気は充填空気として内燃式機関へ供給される。
【００６７】
上述の高圧タービン１２０、２２０、３２０、４２０から流れ出る部分燃焼された空気を再燃できることによって装置からより強い動力を引き出すことが可能となる。部分的には効率が損なわれるかもしれないが、装置全体の正味空気消費量（ＢＳＡＣ：Ｂｒａｋｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ａｉｒ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）は再燃によって減少し、結果的に同じ規模の装置からより高い動力出力を引き出すことになる。
【００６８】
上述の図３、３ａ、４、４ａで示した実施形態では、再燃ガスタービン装置の加熱は２段式で行なわれ、各段にはＳＯＦＣと燃焼室があり、直列または並列の構成となっている。第１加熱段では第１ＳＯＦＣと第１燃焼室を直列または並列の構成で有し、第２加熱段では第２ＳＯＦＣと第２燃焼室を第１加熱段とは逆の構成（直列または並列）にしてもよい。さらに、本発明の実施形態は、加熱を２段有し、１つの中間タービン段の後に1つの出力タービンが続く構成のみに限らず、加熱段とタービン段の段数は任意である再燃ガスタービンシステムにも適用できる。それらの実施形態では、各加熱段におけるＳＯＦＣと燃焼室のいかなる構成も可能である。
【００６９】
熟練者であれば理解することであるが、上に開示した実施形態は、上記の出力タービンの代わりに出力ノズルを利用する推進装置にも同様に適用できる。本発明の最初の実施形態での例として航空機への適用における特定の利用法を図５に示す。
【００７０】
図５の実施形態では、空気は圧縮段５１０によって圧縮され、圧縮された空気は上流燃焼室５１５へ送られる。この上流燃焼室５１５には炭化水素燃料が供給されている。結果として生じる燃焼後の高温ガスは膨張が起こるタービン５２０へ供給される。タービン５２０はシャフト５２５を介して圧縮機５１０を駆動するように接続される。膨張したガスは、次に並列に配置され燃料が供給された下流ＳＯＦＣ５２７と下流再燃焼室５３０とを通る。再燃されたガスは次に出力ノズル（単軸または多軸のターボジェット、ターボファン、ターボシャフト航空機関）である出力タービン段５４０内で膨張する。
【００７１】
図１の実施形態を航空機などの推進装置として変更したものを図６に示す。上述の出力タービン１４０の代わりに出力ノズル６４０を有する。出力ノズル６４０は航空機などの運送手段を推進する推進力を出力する。
【００７２】
図５と６の両方の実施形態において、上流燃焼室はガスを高圧タービンに高圧タービン入口温度で供給する。下流燃焼室はガスを出力タービンに出力タービン入口温度で供給し、この出力タービン入口温度は高圧タービン入口温度よりも高い。具体的には、出力タービン入口温度は可能な限り高く、高圧タービン入口温度はそれより低い温度である。これによって、高圧タービンが受ける熱応力は低くなるので、より安価な材料によって製造できる。
【００７３】
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）について上述したが、他の種類の燃料電池も利用可能である。
【００７４】
記述されていないが、上述のどのガスタービン装置にもその分野で既知の方法において熱交換器を挿入することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン装置であって、
ガス圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ、電力を生成し、そこを通る前記ガスを加熱する上流燃料電池と、
前記上流燃料電池内ですでに加熱された前記ガスを受け入れ、前記圧縮機に接続され、前記圧縮機を駆動する中間タービンと、
前記中間タービンから出力されるガスを受け入れる出力タービンと、を有し、
前記中間タービンから出た膨張したガスは下流燃焼室および／または下流燃料電池の一方または両方を通って前記出力タービンへ到達し、
前記膨張したガスは前記出力タービン内で膨張する前に再燃されることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービン装置であって、
さらに上流燃焼室を有し、
前記上流燃料室は、前記圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ加熱する前記上流燃料電池と並列に配置されることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項３】
請求項１に記載のガスタービン装置であって、
さらに上流燃焼室を有し、
前記上流燃料室は、前記圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ加熱する前記上流燃料電池と直列に配置されることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスタービン装置であって、
前記中間タービンと前記出力タービンの間に下流燃焼室と下流燃料電池とが並列に配置されることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスタービン装置であって、
前記中間タービンと前記出力タービンの間に下流燃焼室と下流燃料電池とが直列に配置されることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスタービン装置であって、
前記燃料電池、前記圧縮機、および前記タービンが動作中に、前記単数または複数の燃焼室のうちの少なくとも１つを選択的に動作させたり停止したりできることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項７】
ガスタービン装置であって、
ガス圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ、そこを通る前記ガスを加熱する上流燃焼室と、
前記上流燃焼室から出た前記加熱されたガスを受け入れ、前記圧縮機に接続され、前記圧縮機を駆動する中間タービンと、
前記中間タービン段から出力される前記ガスを受け入れる出力タービンと、を有し、
前記中間タービンから出た膨張したガスは下流燃料電池を通って前記出力タービンへ到達し、
前記膨張したガスは前記出力タービン内で膨張する前に再燃されることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項８】
請求項７に記載のガスタービン装置であって、
前記下流燃料電池と並列に配置される下流燃焼室をさらに有することを特徴とするガスタービン装置。
【請求項９】
請求項７に記載のガスタービン装置であって、
前記下流燃料電池と直列に配置される下流燃焼室をさらに有することを特徴とするガスタービン装置。
【請求項１０】
請求項８または９に記載のガスタービン装置であって、
前記下流燃焼室は選択的に動作させたり停止したりできることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のガスタービン装置であって、
前記中間タービンは第１入口温度と第１膨張率とで動作し、
前記出力タービンは前記第１入口温度よりも高い第２入口温度と前記第１膨張率よりも高い第２膨張率とで動作することを特徴とするガスタービン装置。
【請求項１２】
少なくとも１つの駆動輪を駆動する少なくとも１つの電気モータと、電力を蓄積するバッテリと、請求項６または１１に記載のガスタービン装置と、前記ガスタービン装置の前記出力タービンを前記駆動輪またはそれ以外の駆動輪へ選択的に接続できる変速装置と、前記電気モータと前記ガスタービン装置と前記変速装置の動作を制御する制御装置と、を有するハイブリッド陸上車両であって、
前記制御装置は、前記車両の少なくとも下記の第１運転モードまたは第２運転モードを選択でき、
第１運転モードでは、前記電気モータは少なくとも１つの前記駆動輪を駆動し、前記ガスタービン装置の少なくとも１つの燃焼室を停止し、前記変速装置は前記出力タービン段を前記出力タービン段が駆動する前記駆動輪から外し、前記ガスタービン装置の前記燃料電池は電気を生成して前記電気モータに動力を与え、
第２運転モードでは、前記ガスタービン装置の前記全燃焼室を動作させ、前記変速装置は前記出力タービン段を前記駆動輪と連結し前記出力タービンを使用して前記駆動輪を駆動し、前記ガスタービン装置の前記燃料電池は、電気を生成して前記バッテリを充電するか、または前記電気モータに動力を与え、
前記第２運転モードでは前記駆動輪は前記出力タービンのみまたは前記電気モータと併用で駆動することが可能であることを特徴とするハイブリッド陸上車両。
【請求項１３】
請求項１２に記載のハイブリッド陸上車両であって、
前記ガスタービン装置の前記出力タービン段に前記変速装置によって連結することができる発電機をさらに備え、
前記第１運転モードでは、前記変速装置は前記出力タービン段を前記出力タービン段が駆動する前記駆動輪から外し、前記出力タービン段を前記発電機と連結し、前記発電機は電気を生成し前記電気モータに動力を与え、
前記第２運転モードでは、前記機械式変速装置は前記出力タービン段を前記出力タービン段が駆動する前記駆動輪と連結し、前記出力タービン段を前記発電機から外すことを特徴とするハイブリッド陸上車両。
【請求項１４】
少なくとも１つの駆動輪を駆動する少なくとも１つの電気モータと、電力を蓄積するバッテリと、発電機と、請求項６または１１に記載のガスタービン装置と、前記ガスタービン装置の前記出力タービンを前記発電機へ選択的に接続できる変速装置と、前記ガスタービン装置と前記変速装置の動作を制御する制御装置と、を有するハイブリッド陸上車両であって、
前記制御装置は、前記車両の少なくとも下記の第１運転モードまたは第２運転モードを選択でき、
第１運転モードでは、前記ガスタービン装置の少なくとも１つの燃焼室を停止し、前記変速装置は前記出力タービン段を前記発電機から外し、前記ガスタービン装置の前記燃料電池は電気を生成して前記電気モータへ動力を与え、
第２運転モードでは、前記ガスタービン装置の前記全燃料室を動作させ、前記変速装置は前記出力タービン段を前記発電機と連結し、前記発電機を駆動して電力を生成し前記電気モータに動力を与え、さらに前記ガスタービン装置の前記燃料電池も電気を生成し前記バッテリを充電し、および／または前記電気モータに動力を与え、前記電気モータは前記駆動輪を駆動することを特徴とするハイブリッド陸上車。
【請求項１５】
圧縮点火内燃機関または火花点火内燃機関を含む請求項１〜１１のいずれか１項に記載のガスタービンの組み合わせを有する車両であって、
前記ガスタービン装置を使用して加圧空気を前記内燃機関の吸気として供給することを特徴とする車両。
【請求項１６】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載のガスタービン装置を有する航空機であって、前記出力タービンは前記航空機の推進ノズルとして機能するか、または推進ノズルと連結されることを特徴とする航空機。
【請求項１７】
ガスタービン装置であって、
圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ、そこを通る前記ガスを加熱する上流熱源と、
前記上流熱源から出た前記加熱されたガスを受け入れ、前記圧縮機に接続され、前記圧縮機を駆動する高圧タービンと、
前記高圧タービンから出たガスを受け入れ、そこを通る前記ガスを加熱する下流燃焼室と、
前記下流燃焼室によって出力されるガスを受け入れる出力タービンと、を有し、
前記装置は、前記出力タービンによって受け入れられる前記ガスの温度が前記高圧タービンによって受け入れられる前記ガスの温度よりも高いように構成されることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載のガスタービン装置であって、前記上流熱源は燃焼室であることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項１９】
請求項１７または１８に記載のガスタービン装置であって、前記上流熱源は燃料電池であることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載のガスタービン装置であって、前記上流熱源は固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）であることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項２１】
請求項１７〜２０のいずれか１項に記載のガスタービン装置であって、前記装置は、前記出力タービンによって受け入れられる前記ガスと前記高圧タービンによって受け入れられる前記ガスとの温度の差は少なくとも５０°Ｃであるように構成されることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項２２】
請求項１７〜２０のいずれか１項に記載のガスタービン装置であって、前記装置は、前記出力タービンによって受け入れられる前記ガスと前記高圧タービンによって受け入れられる前記ガスとの温度の差は少なくとも４００°Ｃであるように構成されることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項２３】
請求項１７〜２０のいずれか１項に記載のガスタービン装置であって、前記出力タービンは出力シャフトを介して機械的駆動力を出力することを特徴とするガスタービン装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載のガスタービン装置を含むガスタービンを有する陸上車両であって、前記出力シャフトは前記車両の単数または複数の駆動輪に接続されることを特徴とする陸上車両。
【請求項２５】
請求項１７〜２２のいずれか１項に記載のガスタービン装置であって、前記出力タービンは推進力を生む推進ノズルを有することを特徴とするガスタービン装置。
【請求項２６】
請求項２５に記載のガスタービン装置を有する航空機であって、前記推進力は前記航空機を推進するように使用されることを特徴とする航空機。
【請求項２７】
請求項１９に記載のガスタービン装置を有するハイブリッド陸上車両であって、
前記燃料電池は電気を供給して前記車両の電気モータを駆動し、および／または前記車両の単数または複数のバッテリを充電し、
前記出力タービンは出力シャフトを介して機械的な駆動力を出力し、前記出力シャフトを前記車両の単数または複数の駆動輪へ選択的に連結する変速機を備え、前記変速機は前記車両の運転者の制御のもと、および／または前記車両電気制御装置の制御のもと、前記出力シャフトを前記少なくとも１つの駆動輪に接続することを特徴とするハイブリッド陸上車両。
【請求項２８】
ガスタービン装置を運転する方法であって、前記ガスタービン装置は、
ガス圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ、そこを通る前記ガスを加熱する上流熱源と、
前記上流熱源を出た前記加熱されたガスを受け入れ、前記圧縮機に接続され、前記圧縮機を駆動する高圧タービンと、
前記高圧タービンから出たガスを受け入れ、そこを取る前記ガスを加熱する下流燃焼室と、
前記下流燃焼室によって出力されたガスを受け入れる出力タービンと、を有し、
前記出力タービンによって受け入れられる前記ガスの温度は、前記高圧タービンによって受け入れられる前記ガスの温度とは所定の温度差を持つように制御されることを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２８に記載のガスタービン装置を運転する方法であって、
前記出力タービンによって受け入れられる前記ガスの温度は、前記高圧タービンによって受け入れられる前記ガスの温度よりも高くなるように制御されることを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項２８または２９に記載のガスタービン装置を運転する方法であって、前記所定の温度差は少なくとも５０°Ｃであることを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項２８または２９に記載のガスタービン装置を運転する方法であって、前記所定の温度差は少なくとも４００°Ｃであることを特徴とする方法。
【請求項１】
ガスタービン装置であって、
ガス圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ、電力を生成し、そこを通る前記ガスを加熱する上流燃料電池と、
前記上流燃料電池内ですでに加熱された前記ガスを受け入れ、前記圧縮機に接続され、前記圧縮機を駆動する中間タービンと、
前記中間タービンから出力されるガスを受け入れる出力タービンと、を有し、
前記中間タービンから出た膨張したガスは下流燃焼室および／または下流燃料電池の一方または両方を通って前記出力タービンへ到達し、
前記膨張したガスは前記出力タービン内で膨張する前に再燃されることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービン装置であって、
さらに上流燃焼室を有し、
前記上流燃料室は、前記圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ加熱する前記上流燃料電池と並列に配置されることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項３】
請求項１に記載のガスタービン装置であって、
さらに上流燃焼室を有し、
前記上流燃料室は、前記圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ加熱する前記上流燃料電池と直列に配置されることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスタービン装置であって、
前記中間タービンと前記出力タービンの間に下流燃焼室と下流燃料電池とが並列に配置されることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスタービン装置であって、
前記中間タービンと前記出力タービンの間に下流燃焼室と下流燃料電池とが直列に配置されることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスタービン装置であって、
前記燃料電池、前記圧縮機、および前記タービンが動作中に、前記単数または複数の燃焼室のうちの少なくとも１つを選択的に動作させたり停止したりできることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項７】
ガスタービン装置であって、
ガス圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ、そこを通る前記ガスを加熱する上流燃焼室と、
前記上流燃焼室から出た前記加熱されたガスを受け入れ、前記圧縮機に接続され、前記圧縮機を駆動する中間タービンと、
前記中間タービン段から出力される前記ガスを受け入れる出力タービンと、を有し、
前記中間タービンから出た膨張したガスは下流燃料電池を通って前記出力タービンへ到達し、
前記膨張したガスは前記出力タービン内で膨張する前に再燃されることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項８】
請求項７に記載のガスタービン装置であって、
前記下流燃料電池と並列に配置される下流燃焼室をさらに有することを特徴とするガスタービン装置。
【請求項９】
請求項７に記載のガスタービン装置であって、
前記下流燃料電池と直列に配置される下流燃焼室をさらに有することを特徴とするガスタービン装置。
【請求項１０】
請求項８または９に記載のガスタービン装置であって、
前記下流燃焼室は選択的に動作させたり停止したりできることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のガスタービン装置であって、
前記中間タービンは第１入口温度と第１膨張率とで動作し、
前記出力タービンは前記第１入口温度よりも高い第２入口温度と前記第１膨張率よりも高い第２膨張率とで動作することを特徴とするガスタービン装置。
【請求項１２】
少なくとも１つの駆動輪を駆動する少なくとも１つの電気モータと、電力を蓄積するバッテリと、請求項６または１１に記載のガスタービン装置と、前記ガスタービン装置の前記出力タービンを前記駆動輪またはそれ以外の駆動輪へ選択的に接続できる変速装置と、前記電気モータと前記ガスタービン装置と前記変速装置の動作を制御する制御装置と、を有するハイブリッド陸上車両であって、
前記制御装置は、前記車両の少なくとも下記の第１運転モードまたは第２運転モードを選択でき、
第１運転モードでは、前記電気モータは少なくとも１つの前記駆動輪を駆動し、前記ガスタービン装置の少なくとも１つの燃焼室を停止し、前記変速装置は前記出力タービン段を前記出力タービン段が駆動する前記駆動輪から外し、前記ガスタービン装置の前記燃料電池は電気を生成して前記電気モータに動力を与え、
第２運転モードでは、前記ガスタービン装置の前記全燃焼室を動作させ、前記変速装置は前記出力タービン段を前記駆動輪と連結し前記出力タービンを使用して前記駆動輪を駆動し、前記ガスタービン装置の前記燃料電池は、電気を生成して前記バッテリを充電するか、または前記電気モータに動力を与え、
前記第２運転モードでは前記駆動輪は前記出力タービンのみまたは前記電気モータと併用で駆動することが可能であることを特徴とするハイブリッド陸上車両。
【請求項１３】
請求項１２に記載のハイブリッド陸上車両であって、
前記ガスタービン装置の前記出力タービン段に前記変速装置によって連結することができる発電機をさらに備え、
前記第１運転モードでは、前記変速装置は前記出力タービン段を前記出力タービン段が駆動する前記駆動輪から外し、前記出力タービン段を前記発電機と連結し、前記発電機は電気を生成し前記電気モータに動力を与え、
前記第２運転モードでは、前記機械式変速装置は前記出力タービン段を前記出力タービン段が駆動する前記駆動輪と連結し、前記出力タービン段を前記発電機から外すことを特徴とするハイブリッド陸上車両。
【請求項１４】
少なくとも１つの駆動輪を駆動する少なくとも１つの電気モータと、電力を蓄積するバッテリと、発電機と、請求項６または１１に記載のガスタービン装置と、前記ガスタービン装置の前記出力タービンを前記発電機へ選択的に接続できる変速装置と、前記ガスタービン装置と前記変速装置の動作を制御する制御装置と、を有するハイブリッド陸上車両であって、
前記制御装置は、前記車両の少なくとも下記の第１運転モードまたは第２運転モードを選択でき、
第１運転モードでは、前記ガスタービン装置の少なくとも１つの燃焼室を停止し、前記変速装置は前記出力タービン段を前記発電機から外し、前記ガスタービン装置の前記燃料電池は電気を生成して前記電気モータへ動力を与え、
第２運転モードでは、前記ガスタービン装置の前記全燃料室を動作させ、前記変速装置は前記出力タービン段を前記発電機と連結し、前記発電機を駆動して電力を生成し前記電気モータに動力を与え、さらに前記ガスタービン装置の前記燃料電池も電気を生成し前記バッテリを充電し、および／または前記電気モータに動力を与え、前記電気モータは前記駆動輪を駆動することを特徴とするハイブリッド陸上車。
【請求項１５】
圧縮点火内燃機関または火花点火内燃機関を含む請求項１〜１１のいずれか１項に記載のガスタービンの組み合わせを有する車両であって、
前記ガスタービン装置を使用して加圧空気を前記内燃機関の吸気として供給することを特徴とする車両。
【請求項１６】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載のガスタービン装置を有する航空機であって、前記出力タービンは前記航空機の推進ノズルとして機能するか、または推進ノズルと連結されることを特徴とする航空機。
【請求項１７】
ガスタービン装置であって、
圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ、そこを通る前記ガスを加熱する上流熱源と、
前記上流熱源から出た前記加熱されたガスを受け入れ、前記圧縮機に接続され、前記圧縮機を駆動する高圧タービンと、
前記高圧タービンから出たガスを受け入れ、そこを通る前記ガスを加熱する下流燃焼室と、
前記下流燃焼室によって出力されるガスを受け入れる出力タービンと、を有し、
前記装置は、前記出力タービンによって受け入れられる前記ガスの温度が前記高圧タービンによって受け入れられる前記ガスの温度よりも高いように構成されることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載のガスタービン装置であって、前記上流熱源は燃焼室であることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項１９】
請求項１７または１８に記載のガスタービン装置であって、前記上流熱源は燃料電池であることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載のガスタービン装置であって、前記上流熱源は固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）であることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項２１】
請求項１７〜２０のいずれか１項に記載のガスタービン装置であって、前記装置は、前記出力タービンによって受け入れられる前記ガスと前記高圧タービンによって受け入れられる前記ガスとの温度の差は少なくとも５０°Ｃであるように構成されることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項２２】
請求項１７〜２０のいずれか１項に記載のガスタービン装置であって、前記装置は、前記出力タービンによって受け入れられる前記ガスと前記高圧タービンによって受け入れられる前記ガスとの温度の差は少なくとも４００°Ｃであるように構成されることを特徴とするガスタービン装置。
【請求項２３】
請求項１７〜２０のいずれか１項に記載のガスタービン装置であって、前記出力タービンは出力シャフトを介して機械的駆動力を出力することを特徴とするガスタービン装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載のガスタービン装置を含むガスタービンを有する陸上車両であって、前記出力シャフトは前記車両の単数または複数の駆動輪に接続されることを特徴とする陸上車両。
【請求項２５】
請求項１７〜２２のいずれか１項に記載のガスタービン装置であって、前記出力タービンは推進力を生む推進ノズルを有することを特徴とするガスタービン装置。
【請求項２６】
請求項２５に記載のガスタービン装置を有する航空機であって、前記推進力は前記航空機を推進するように使用されることを特徴とする航空機。
【請求項２７】
請求項１９に記載のガスタービン装置を有するハイブリッド陸上車両であって、
前記燃料電池は電気を供給して前記車両の電気モータを駆動し、および／または前記車両の単数または複数のバッテリを充電し、
前記出力タービンは出力シャフトを介して機械的な駆動力を出力し、前記出力シャフトを前記車両の単数または複数の駆動輪へ選択的に連結する変速機を備え、前記変速機は前記車両の運転者の制御のもと、および／または前記車両電気制御装置の制御のもと、前記出力シャフトを前記少なくとも１つの駆動輪に接続することを特徴とするハイブリッド陸上車両。
【請求項２８】
ガスタービン装置を運転する方法であって、前記ガスタービン装置は、
ガス圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮されたガスを受け入れ、そこを通る前記ガスを加熱する上流熱源と、
前記上流熱源を出た前記加熱されたガスを受け入れ、前記圧縮機に接続され、前記圧縮機を駆動する高圧タービンと、
前記高圧タービンから出たガスを受け入れ、そこを取る前記ガスを加熱する下流燃焼室と、
前記下流燃焼室によって出力されたガスを受け入れる出力タービンと、を有し、
前記出力タービンによって受け入れられる前記ガスの温度は、前記高圧タービンによって受け入れられる前記ガスの温度とは所定の温度差を持つように制御されることを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２８に記載のガスタービン装置を運転する方法であって、
前記出力タービンによって受け入れられる前記ガスの温度は、前記高圧タービンによって受け入れられる前記ガスの温度よりも高くなるように制御されることを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項２８または２９に記載のガスタービン装置を運転する方法であって、前記所定の温度差は少なくとも５０°Ｃであることを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項２８または２９に記載のガスタービン装置を運転する方法であって、前記所定の温度差は少なくとも４００°Ｃであることを特徴とする方法。
【図１】
【図１ａ】
【図２】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図３】
【図３ａ】
【図４】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６】
【図１ａ】
【図２】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図３】
【図３ａ】
【図４】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２０１２−５２２１７３（Ｐ２０１２−５２２１７３Ａ）
【公表日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５０２７６９（Ｐ２０１２−５０２７６９）
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／０００６３０
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１１２８４７
【国際公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【出願人】（５０００６１４０８）ロータス カーズ リミテッド (12)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／０００６３０
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１１２８４７
【国際公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【出願人】（５０００６１４０８）ロータス カーズ リミテッド (12)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]