JP2003286862A - マイクロタービン発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明においては装置の高効率化、小型化、低
コスト化並びに保守の容易性を有効に実現することを目
的とする。 【解決手段】分散電源として利用されるマイクロタービ
ン発電システムにおいて、軸受６，７，８の潤滑と発電
機ロータ９の冷却を同一液体で兼用すると共に、発電機
冷却水の排水を軸受潤滑の給水として用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はマイクロタービン電
力発生システムに係り、更に詳しくはモジュラー式分散
電力発生ユニットを包有するマイクロタービン電力発生
システムにおける水潤滑軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】世界の多くの地域において電気インフラ
ストラクチャ不足のため、発電所ではキロワット当たり
のコストが高くなるだけなく、製品を消費者へ供給する
ために設置されるインフラストラクチャのコストも高く
なるので、分散発電技術システムが実用化されてきてい
る。小型で、マルチ燃料、モジュラー式の分散マイクロ
タービン発電システムの適用により、世界の多くの地域
で生じている現在の電力不足が解決される。単一の可動
部品により技術上の保守費が低くなり、全体のコストが
低下され、世界のあらゆる領域でも採用でき、汎用性に
富む。更に世界的レベルにおける電気規制の緩和により
電力消費者は電力給付システムのみならず、低コストの
新規なマイクロタービン発電システムを有効に活用でき
る。このようなマイクロタービン発電システムの従来技
術としては特開2001-12256号公報があげられるが、軸受
の種類としては空気軸受を採用している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】マイクロタービン発電
システムは、燃料効率の向上、小型化、低騒音、保守コ
ストの軽減化等の点が望まれている。本発明においては
装置の高効率化、小型化、低コスト化並びに保守の容易
性を有効に実現することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の点に鑑み
なされたもので、ガス熱エネルギを機械的エネルギに変
換するタービンと、タービンにより発生された機械的エ
ネルギを電気エネルギに変換する発電機と、タービン及
び発電機に応力を加えて連係させ、発電機をタービンと
一体に回転させてタービンから抽出される機械的エネル
ギを用いて電力を得る単一シャフトとこの単一シャフト
を発電機ステータの冷却と共用するとともに発電機ロー
タの冷却を兼ねる水潤滑軸受を備えるマイクロタービン
発電システムを提供する。

【０００５】本発明によれば単一のシャフトにより回転
可能な発電機及びタービンを含むマイクロタービン発電
システムを提供する。この場合、タービンシャフトと予
圧をもって連結される圧縮機により圧縮された空気は燃
焼機に導入され、燃焼による高温膨張ガスがタービンを
経て膨張され、タービンにより発生されるタービン出力
を用いて発電機が駆動される。且つマイクロタービン発
電システムには単一のシャフトで構成され、このシャフ
トを介してタービンと発電機とが予圧を付与して連結さ
れ、発電機がタービンと一体に回転可能にし、タービン
からの機械的なエネルギを用いて発電される。この発電
システムは特に自由度が高く、発電機から得られる可変
周波数の交流出力を直流電力に整流可能である。またこ
の直流電力はインバータにより所定周波数の交流電力に
変換可能である。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明に係る実施例を図１，２，
３を用いて詳細に説明する。

【０００７】図１は本発明による発電システム１が示さ
れている。発電システム１はコンプレッサ２、タービン
３及び発電機４で構成される。タービン３およびコンプ
レッサ２は発電機４に片持状態で連結される。コンプレ
ッサ２、タービン３及び発電機４は単一シャフト５によ
り連結され回転される。

【０００８】コンプレッサ２、タービン３及び発電機４
は分離したシャフトに対し装着可能であるが、コンプレ
ッサ２、タービン３及び発電機４の回転に共通の単一シ
ャフト５を使用することにより、発電システム１のコン
パクト性及び信頼性が向上される。

【０００９】発電機ロータ９は両端を水潤滑軸受により
支承される。図１に示すように発電機ロータ９はジャー
ナル軸受６、７及びスラスト軸受８によって支承され
る。この軸受を採用することにより、別個の軸受潤滑シ
ステムが不要となり、この面での保守が不要になる。

【００１０】コンプレッサ２の入口部に導入される空気
は圧縮され、コンプレッサ２の出口部から出る圧縮空気
が再生熱交換器室（図示せず）の低温側の低温側通路を
経て循環される。再生熱交換器室内においては圧縮空気
が熱を吸収して燃焼が高められる。再生熱交換器室の低
温側から離れる、加熱された圧縮空気が燃焼器（図示せ
ず）へ供給される。また燃料が燃焼器へ供給される。燃
焼後、燃焼器から生じる高温膨張ガスはタービン３の入
口ノズル１１へ送られる。

【００１１】入口ノズル１１は固定された形状を有して
いる。燃焼から生じる高温膨張ガスはタービン３を経て
膨張され、タービン出力が発生される。このタービン出
力によりコンプレッサ２及び発電機４が駆動される。

【００１２】タービンの排気ガスは再生熱交換器室の高
温側を高温側通路により循環される。再生熱交換器室の
内側では、高温側のタービン排気ガスからの熱が低温側
の圧縮空気へ伝達される。このようにして燃焼熱の一部
は復熱され燃焼器を介し圧縮空気の温度を上昇させるの
に使用される。この熱の一部を渡した後、ガスは再生熱
交換器室から出る。

【００１３】発電機４は永久磁石の発電機ロータ９及び
ステータ巻線１０を有するリング巻、２極、ブラシレス
永久磁石装置として構成できる。発電機ロータ９はスリ
ーブ１２が圧入され、スリーブ１２にマグネット１３が
配置され外周は保護管１４でカバーされている。また発
電機ステータ１０は外周側に冷却用のウォータジャケッ
ト１５が取り付けられている。回転するタービン３によ
り発生されたタービン出力を用いてロータ９が回転され
る。発電機ロータ９は単一シャフト５に付設されてい
る。

【００１４】発電機ロータ９がタービン出力により回転
されると、ステータ巻線１０に交流電流が誘起される。
発電機ロータ９の速度は発電システム１に課せられた外
部エネルギ要求に従って変化され得る。タービン速度が
変動することにより発電機４から発生される交流電流の
周波数が変動される。発電機４からの交流出力の周波数
に関係なく、交流電力は整流器（図示せず）により直流
電力に整流され、更に固体電子インバータ（図示せず）
により交流電力に変換できる。従って部分負荷運転が要
求される場合、タービン速度は交流出力の周波数に影響
を及ぼすことなく減少可能である。更にタービン速度を
減少すると、コンプレッサの駆動速度が遅くなるので、
空気量が減少される。従ってタービンの入口部温度が実
質的に一定に維持され、部分負荷で高い効率が維持され
る。

【００１５】整流器及びインバータを用いることによ
り、本実施例の発電システムから与えられる電気使用サ
ービスの決定の際の自由度が広くなる。インバータは任
意の形式のものが選択可能であり、交流電力の周波数は
消費者により選択可能になる。また発電システム１には
バックアップ電力構成としてバッテリ（図示せず）を含
ませることができる。インバータと組み合わせて使用さ
れる場合、発電機の故障後数時間、中断することなく電
力を供給できる。更に負荷の増大が必要となるとき、制
御装置によりバッテリから負荷に電力を供給できる。バ
ッテリの寸法は発電システム１の取り扱う最大負荷要件
に従って決定される。発電システム１の動作中、発電機
４のステータ及びロータのいずれにも銅損や鉄損にもと
づく熱が生じる。

【００１６】発電機４の寿命を延ばし有用な熱を捕捉す
るため、ステータは外周部に冷却水を循環させるウォー
タジャケット１５が設置されており、またロータの冷却
には発電機４のステータとロータのギャップ間にコンプ
レッサ入口部の空気を通すことにより、発電機４からの
過剰の熱を吸収する。すなわち潤滑液は発電システムパ
ッケージ（図示せず）内に設置されるタンク１６（図示
せず）よりポンプ１７（図示せず）によりフィルタ１８
（図示せず）を介してまず発電機ステータ１０の外周部
に設けられたウォータジャケット１５に導かれ、発電機
ステータ１４を冷却する。

【００１７】発電機ステータ１０を冷却した水溶液は一
部を分岐し、給水管２４をへて、発電機ハウジング内に
設けられた給水孔２５より軸受に供給される。軸受を潤
滑した水溶液は発電機ハウジング内に設けられた排水管
２６を通り、配水管２７よりタンクに戻る。この様に本
発明においては、軸受の潤滑液と発電機ステータの冷却
液を共用することにより、新たな潤滑システムを設ける
必要がないため、補記を簡素化でき、低コストな発電シ
ステムを構築できる。

【００１８】また、ポンプの給水能力が十分ある場合
は、発電機ステータの冷却と軸受の潤滑を図２に示すよ
うに並列に供給すれば、発電機ロータ９の冷却も兼ねる
ことができる。

【００１９】水潤滑軸受の端部には発電機内に水溶液が
進入しないようにラビリンスシール３２ａ、ｂ、ｃで密
封されている。

【００２０】発電機ロータの冷却に対しては、空気が上
述した熱発生源から熱を吸収した後、コンプレッサ２内
で圧縮され更に再生熱交換器室内で予熱される。コンプ
レッサ２の回転はモータとして発電機４を使用すること
により開始される。

【００２１】水溶液としては、気候の温暖な地域では水
道水で良い。また、寒冷地では冬期に凍結する恐れがあ
るためこの場合は不凍液を混ぜた水溶液を用いればよ
い。

【００２２】図３に発電システム１の別の実施例を示
す。コンプレッサ２には開口部を有する圧縮機羽根車２
９、コンプレッサスクロール３０、及び拡散チャンネル
２８が含まれる。

【００２３】空気入口部１９に導入される空気は空気フ
ィルタ（図示せず）により濾過されコンプレッサスクロ
ール３０へ送られる。コンプレッサスクロール３０から
出る空気は再生熱交換器室へ送られる。

【００２４】タービン３にはタービンスクロール２１、
複数の入口ノズル１１及び開口部なしのタービンホイー
ル３１が含まれている。ノズル羽根２０から出る高温の
膨張ガスはタービンスクロール２１内並びにノズル羽根
２０を経て送られ、更に高温の膨張ガスをタービンホイ
ール３１に送られる。

【００２５】タービンの排気ガスは排気ガス拡散器２２
を経てタービン３を離れ、タービン排気ガスの温度及び
ノイズが減少される。

【００２６】発電機４のロータ９には希土類材料で作ら
れるマグネット１３が含まれる。マグネット１３はイン
コネルのような非磁気材料で作られる保護管１４により
外囲される。発電機ステータ１４は発電機のハウジング
２３内に収納される。

【００２７】ベース部は燃料入口部、空気入口部２５、
コンプレッサ２、タービン３、発電機４、再生熱交換器
室、燃焼器、整流器及びインバータに対する支承体をな
し、発電システム１はパッケージ化された一体装置とし
て構成可能である。

【００２８】単一シャフト５は図３に示す如くタイシャ
フトとして示されており、タイシャフト５は圧縮機ロー
タ３５及び羽根車２９内の開口部を貫通して延びてい
る。タイシャフト５は細く約１６mm程度の直径を有す
る。開口部の間隙によりタイシャフト５はロータ１３及
び羽根車２９を貫通して延出させることができる。

【００２９】一方タイシャフト５はタービンホイール２
８（図示せず）を貫通してない。代りにタイシャフト５
はタービンホイール２８に固定される。タイシャフト５
は慣性の溶接法によりタービンホイールのハブ部の中心
に対し固定可能である。従ってタービンホイール２８は
タイシャフト５が貫通する開口部を有しないので無開口
である。無開口の場合タービンホイール２８内の応力が
低減される。

【００３０】羽根車２９、タービンホイール２８及び圧
縮機ロータ３５はタイシャフト５により連結されると、
共に一体ユニットとして回転される。一方高い動作温度
及び回転速度では、羽根車２９、タービンホイール３１
及び圧縮機ロータ３５は膨張して離れがちになる傾向に
あり、これらの面は接触しなくなる。動作中タイシャフ
ト５が撓むと面が離間する傾向になる。従って羽根車２
９、タービンホイール３１及び圧縮機ロータ３５の面間
を高い回転速度（５０，０００ｒｐｍあるいはそれ以
上）で接触状態を維持するため、タイシャフト５に対し
この離間を抑止し得るような予荷重が加えられる。

【００３１】組立中タイシャフト５に予荷重が加え、羽
根車２９及びロータ１３はタイシャフト５を挿入し、ナ
ットがタイシャフト５のネジ山端部に螺合される。タイ
シャフト５の張力はナットが回されることにより維持さ
れる。

【００３２】回転ユニット３１、３３、５は内側および
外側の水潤滑ジャーナル水潤滑軸受６、７に支承され
る。また、回転ユニット３１、３３、５は水潤滑スラス
ト軸受８により軸方向に支承される。

【００３３】ジャーナル軸受６は発電機ハウジング２３
に設けられた給水孔２５から軸受に給水されると共に軸
受端部に設けられた発電機ロータ給水孔３５経供給さ
れ、発電機ロータ給水孔３３からタイシャフト５の発電
機ロータとの接触部３６に設けた切り欠き部３７のすき
まを通して、発電機ロータ９を冷却し、発電機ロータ９
を冷却した後、ジャーナル軸受７のハウジング内の発電
機ロータ９に設けられた発電機ロータ排水孔３４より軸
受ハウジングに流入し、潤滑水排水孔２６ｂより排出さ
れタンク１６にもどる。

【００３４】本実施例によれは、軸受部と発電機ロータ
９の内部より発電機ロータが冷却されるため、鉄損によ
る発熱により、マグネットが脱磁されることがない。

【００３５】各種の冷却剤ポートがエンジンコア部に対
し与えられる。発電機ステータ１４に対し冷却剤の循環
用のウォータジャケット１５が設けられる。また水潤滑
軸受６、７、８に対し冷却剤を循環させるポート２５
ａ、２５ｂが具備される。

【００３６】発電システム１は回転モジュール、熱交換
モジュール、燃焼器モジュール及び電子回路モジュール
のような複数の主要モジュールで構成できる。これらの
モジュールは流体ラインを切断することなく置換可能で
ある。

【００３７】水潤滑軸受６、７、８を使用することによ
り、オイルを主体とする潤滑システムが不要となるの
で、発電システム１の保守費が低くでき、発電機ロータ
の冷却も軸受及びロータ内で行われるため、信頼性の高
いマイクロタービン発電システムが構成できる。

【００３８】図４は本システムに用いられるジャーナル
軸受の一例を示したものであるが、マイクロタービンの
ような高速回転体では、アンバランスによる軸振動が問
題となるため、多円弧軸受を用いる。また、更に高速回
転になると、オイルホィップ等の不安定振動がでるため
この場合はティルティングパッド軸受が用いられる。ま
た、図５に示すようにスラスト軸受は耐荷重性の高いテ
ーパーランド軸受等が用いられる。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、このユニットは耐候性
の外囲体内に完全に自立型で内蔵され得る。発電システ
ムはプラグアンドプレイ形であり、洗浄な燃料、流体或
いはガスの供給のみが必要になるだけである。複数の燃
料を使用可能な発電システムにおいては水潤滑軸受を利
用することにより、オイルを主体とする潤滑システムが
不要になる。発電システムは単一の可動部材構成である
ことにより、信頼性が高く使用条件が最小限にされ
る。、発電システムは単一の可動部材を有し、主要部材
相互が接近可能であるので保守が容易になる。エンジン
コア部の幅、長さ及び高さは広範の寸法要件に適合する
よう調整可能である。発電システム１は匹敵する内燃機
関に比べ、小型、軽量で、燃料効率が高く、熱シグナチ
ュア、ノイズが低く、保守費及びコストの犠牲を抑える
ことができる。延いては設置費が低く、且つ効率が高く
高信頼で保守費が低いので、発電システムは同等の寸法
の発電機に比べ、動作コストおよび設置コストが低廉に
なる。発電システムの用途は多様である。例えばスタン
ドアローン電力に対するオフグリッドとしての用途、負
荷追従、即ち基本負荷付与、緊急バックアップ電源、無
停電源、原動機としての用途（例えば、ポンプ、空調）
及び自動ハイブリッド車に使用される。例えば機械的に
駆動される冷蔵システムの場合、タービン出力が伝達さ
れ、直接採用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による発電システムを示す図である。

【図２】発電機ステータの冷却水と軸受の潤滑水を並列
に供給する構成を示す図である。

【図３】本発明による発電システムの別の実施例を示す
図である。

【図４】本システムに用いられるジャーナル軸受の一例
を示したものである。

【図５】スラスト軸受にテーパーランド軸受を用いた例
である。

【符号の説明】

１…発電システム、２…コンプレッサ、３…タービン、
４…発電機、５…シャフト、６…ジャーナル軸受、７…
ジャーナル軸受、８…スラスト軸受、９…発電機ロー
タ、１０…発電機ステータ、１１…入口ノズル、１２…
スリーブ、１３…磁石、１４…保護管、１５…ウォータ
ジャケット、１６…タンク、１７…ポンプ、１８…フィ
ルタ、１９…空気入口部、２０…ノズル羽根、２１…タ
ービンスクロール、２２…排気ガス拡散器、２３…発電
機ハウジング、２４…給水管、２５ａ、ｂ…給水孔、２
６ａ、ｂ…排水孔、２７…排水管、２８…圧縮機拡散チ
ャンネル ２９…圧縮機羽根車、３０…コンプレッサス
クロール、３１…タービンホイール、３２ａ、ｂ、ｃ…
ラビリンスシール、３３…発電機ロータ給水孔、３４…
発電機ロータ排水孔、３５…圧縮機ロータ、３６…タイ
シャフト接触部、３７…タイシャフト切り欠き部。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガス熱エネルギを機械的エネルギに変換す
   るタービンと、タービンにより駆動されるコンプレッサ
   とタービンにより発生された機械的エネルギを電気エネ
   ルギに変換する発電機と、タービン及び発電機を応力を
   加えて連係させ、発電機をタービンと一体に回転させて
   タービンから抽出される機械的エネルギを用いて電力を
   得る単一シャフトとを備えるマイクロタービン発電シス
   テムにおいて、 発電機ステータの冷却と軸受の潤滑剤が同一でかつ水溶
   性液体で、前記発電機ステータを冷却した後の排液の一
   部を分岐して軸受の潤滑に用いる軸受システムを備えて
   なるマイクロタービン発電システム。
2. 【請求項２】ガス熱エネルギを機械的エネルギに変換す
   るタービンと、タービンにより駆動されるコンプレッサ
   とタービンにより発生された機械的エネルギを電気エネ
   ルギに変換する発電機と、タービン及び発電機を応力を
   加えて連係させ、発電機をタービンと一体に回転させて
   タービンから抽出される機械的エネルギを用いて電力を
   得る単一シャフトとを備えるマイクロタービン発電シス
   テムにおいて、 発電機ステータの冷却と軸受の潤滑剤が同一でかつ水溶
   性液体で、前記発電機ステータの冷却水と軸受の潤滑水
   を並列に供給する軸受システムを備えてなるマイクロタ
   ービン発電システム。
3. 【請求項３】ガス熱エネルギを機械的エネルギに変換す
   るタービンと、タービンにより駆動されるコンプレッサ
   とタービンにより発生された機械的エネルギを電気エネ
   ルギに変換する発電機と、タービン及び発電機を応力を
   加えて連係させ、発電機をタービンと一体に回転させて
   タービンから抽出される機械的エネルギを用いて電力を
   得る単一シャフトとを備えるマイクロタービン発電シス
   テムにおいて、 発電機ステータの冷却と軸受の潤滑剤が同一でかつ水溶
   性液体で、軸受の潤滑水の一部を分岐し発電機ロータに
   中心孔と給排水孔を設け、前記発電機ロータを軸受及び
   内部より冷却する軸受システムを備えてなるマイクロタ
   ービン発電システム。
4. 【請求項４】請求項1乃至３のいずれか1項に記載のマイ
   クロタービン発電システムにおいて、水溶液は水道水で
   あることを特徴とするマイクロタービン発電システム。