JP2006230145A - サブマージドタービン発電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】 製品寿命を延ばすとともに、より低廉化を図り、更には発電効率を高ることができ、またスラストバランス機構のより簡略化乃至省略化の要請に応えることができるようにする。
【解決手段】 主軸２０に固着され、ケーシング３４の内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸２０と一体に回転するランナ１６を有するタービン１２と、主軸２０に固着され該主軸２０と一体に回転する発電機ロータ１８及び該発電機ロータ１８の周囲を囲繞するステータ４８を有する発電機１４と、主軸２０を回転自在に支承する軸受２４，２６を備え、主軸２０は、少なくとも２以上の部材を組合せて構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、サブマージドタービン発電機に関し、より詳細には、予め選択した作動流体で作動させることのできる液中型のサブマージドタービン発電機に関する。
タービンと発電機とを備え、作動流体として、液体窒素、液化天然ガス、液体エチレン等の高圧の低温流体を利用してタービンを回転させ、このタービンの回転で発電機の発電機ロータを回転させて発電するとともに、発電機を作動流体（低温流体）の液中に置いて冷却するようにしたサブマージドタービン発電機が知られている。
この種のサブマージドタービン発電機は、一般に、主軸に固着され、ケーシングの内部に導入される作動流体の流体圧で回転するランナを有するタービンと、主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータを囲繞するステータを有する発電機と、ケーシングの内部に配置され該ケーシングとの間に作動流体が流れる主流路を形成するとともに、内部に発電機を収容したハウジングを有している。そして、ランナ内を通過する作動流体の流体圧でランナを主軸及び発電機ロータと一体に回転させ、ランナ内に導かれる作動流体の一部をケーシング内に流入させることで、発電機をケーシング内に流入させた作動流体で冷却するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−９１１４号公報
しかしながら、従来のサブマージドタービン発電機は、製品寿命が一般に短いばかりでなく、高価格で、発電効率においても、必ずしも十分ではなく、このため、改良すべき余地があるのが現状であった。また、この種のサブマージドタービン発電機にあっては、運転時に主軸に作用するスラスト荷重（軸推力）をバランスさせるためのスラストバランス機構が一般に備えられており、このスラストバランス機構は、一般に複雑な構成を有しており、これをより簡略化乃至省略することが求められていた。
本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、製品寿命を延ばすとともに、より低廉化を図り、更には発電効率を高ることができ、またスラストバランス機構のより簡略化乃至省略化の要請に応えることができるようにしたサブマージドタービン発電機を提供することを目的とする。
請求項１記載の発明は、主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、前記主軸は、少なくとも２以上の部材を組合せて構成されていることを特徴とするサブマージドタービン発電機である。
タービンのランナの回転を発電機の発電機ロータに伝達する主軸の、例えばランナを固定する部位は、強度的に許容される範囲で可能な限り径を細くして、ランナの出口部面積を大きく取ることが求められる。また発電機の性能を高めるために、主軸の発電機ロータを固定する部位は磁性材であることが好ましい。しかし、適価で入手しうる磁性材で高強度なものは極めて少なく、また、一本ものは、長く、加工が一般に困難である。本発明によれば、主軸を、各部位に適した材質及び／または強度を有するよう、少なくとも２以上の部材を組合せて構成することで、これらの要請に応えることができる。
請求項２に記載の発明は、前記主軸は、前記発電機ロータを固着した発電機部軸と、前記ランナを固着したタービン部軸とを軸方向に直列に結合して構成されていることを特徴とする請求項１記載のサブマージドタービン発電機である。
これにより、例えば磁性が望まれる発電機部軸を磁性材で、高強度が必要とされるタービン部軸を高強度材でそれぞれ形成し、両者を直列に結合して主軸を構成することができ、この結果、強度的かつ電磁気的に優れたタービン発電機を提供できる。また、主軸を一本もので構成した場合に比べて、発電機部軸とタービン部軸の長さが短くなり、このため加工性も向上する。
請求項３に記載の発明は、前記主軸は、中実軸と該中実軸の周囲を包囲するスリーブ軸とから構成され、このスリーブ軸の外周面に前記発電機ロータが、中実軸の外周面に前記ランナがそれぞれ固着されていることを特徴とする請求項１記載のサブマージドタービン発電機である。
一般に、主軸の発電機ロータを固着した部位の軸径は、発電機ロータコアの打抜き金型によって決まる。この値は、ポンプ装置における羽根車（ランナ）を固着する部位の軸径の約１．５〜３倍程度である。このため、主軸を二重構造とすることで、発電機ロータを固着するのに適した軸径とランナを固着するのに適した軸径を有す主軸を容易に提供することができる。しかも、例えば中実軸を高強度材、スリーブ軸を磁性材とすることにより、前述と同様に、高強度が必要とされるポンプ部軸材質と磁性が望まれるモータ軸材質をそれぞれ最適なものとすることができ、この結果、強度的かつ電磁気的に優れたタービン発電機を提供できる。また、中実軸の最大径を大幅に細くできるため、素材径を小さくでき、切削加工量の低減と環境負荷の低減を図ることができる。
請求項４に記載の発明は、主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、前記主軸に作用するスラスト荷重をバランスさせるスラストバランス機構と、前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、前記軸受の少なくとも一つは、静止時及び起動時に前記主軸に作用するスラスト荷重を支持するスラスト磁気軸受からなることを特徴とするサブマージドタービン発電機である。
運転中のスラスト荷重をキャンセルするスラストバランス機構が付いている場合でも、起動時にはスラスト荷重が短時間ではあるが負荷される。このため、軸受として単列深溝玉軸受を使用すると、単列深溝玉軸受はスラスト荷重の保持性能に乏しく、寿命に影響を及ぼす可能性がある。一方、磁気軸受は機器体積に対する軸受支持能力の割合が一般に低く、このため、常用のスラスト軸受として使用する場合、機器が大幅に大きくなるという欠点がある。本発明によれば、静止時及び起動時にスラスト荷重を支持するスラスト磁気軸受と、常用運転時にスラスト荷重を支持するスラストバランス機構の両方を備えることで、静止時及び起動時はスラスト磁気軸受で、常用運転時はスラストバランス機構でスラスト荷重をキャンセルすることができる。
スラスト磁気軸受の使用範囲は、静止状態からスラストバランス機構が有効に機能しない低回転速度域であり、この範囲では主にタービン差圧に起因する動的スラスト荷重が小さく、また、静的スラスト荷重も発電機ロータ重量以下と小さい。このため、スラスト磁気軸受を常用の軸受用のものより小さくすることができる。また、スラスト磁気軸受の発電機ロータ制御目標位置を、スラストバランス機構の働きにより決まる発電機ロータ軸方向位置に合わせることで、常用運転中にスラスト磁気軸受に不要な動力が生じないようにすることができる。
請求項５に記載の発明は、主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、前記軸受は、接触式軸受部と非接触式軸受部を有することを特徴とするサブマージドタービン発電機である。
サブマージドタービン発電機にあっては、作動流体で軸受を潤滑するため、軸受の潤滑レベルが一般に低く、定期的に軸受を交換する必要がある。本発明によれば、寿命が有限であるが、常に主軸を支持できる接触式軸受部を静止時と起動時のみ使用することで、タービン発電機の全寿命内に接触式軸受部の運転寿命を収めることができる。しかも、タービン差圧を利用した静圧軸受、または静圧と動圧の両方を利用したハイブリッド軸受等の非接触式軸受部で通常運転時に主軸を支持することで、起動時等の低回転時における差圧不足による接触問題を回避することができる。
請求項６に記載の発明は、主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、前記軸受は、前記ランナに高圧流体を送る主ラインとは別に設けた副ラインを通る高圧作動流体によって冷却されることを特徴とするサブマージドタービン発電機である。
これにより、軸受として、非接触軸受である静圧軸受や静圧と動圧の両方を利用したハイブリッド軸受を使用した場合に、タービン起動前に、副ラインより軸受に高圧流体を供給することにより、軸受に支持能力を発生させることができる。これによって、静止状態から運転状態、停止状態に至るまで、常に軸受を非接触状態にすることができ、メンテナンスフリーなタービン発電機を提供することができる。また、軸受として、フォイル軸受等の動圧軸受や玉軸受に適用した場合にあっても、潤滑及び冷却効果を向上させ、寿命を向上させることができる。
請求項７に記載の発明は、主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、前記主軸に作用するスラスト荷重をバランスさせるスラストバランス機構と、前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、前記スラストバランス機構は、前記主軸の前記発電機を挟んだ反ランナ側に設けられた固定オリフィス及び／または可変オリフィスを有することを特徴とするサブマージドタービン発電機である。
スラストバランス機構を通過した後の作動流体は、固定オリフィスと可変オリフィスによって減圧されており、この減圧された作動流体で軸受を冷却すると、軸受冷却時に作動流体が蒸発してしまう可能性があり、軸受で作動流体の蒸発が発生すると軸受の損傷に繋がる。本発明によれば、主軸の発電機を挟んだ反ランナ側端部にスラストバランス機構の固定オリフィス及び／または可変オリフィスを設けることで、高圧状態で蒸発しにくい作動流体を軸受に供給して該軸受を冷却することができ、これによって、軸受の冷却不良による損傷を防止することができる。
請求項８に記載の発明は、主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、前記主軸に作用するスラスト荷重をバランスさせるスラストバランス機構と、前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、前記スラストバランス機構は、前記主軸に固定され、固定側部材との間に固定オリフィス及び／または可変オリフィスを形成するバランススリーブを有することを特徴とするサブマージドタービン発電機である。
スラストバランス機構は、一般に２つのウェアリングの直径差により発生するスラスト力と、可変オリフィスと固定オリフィスとの間に形成した変圧チャンバ内の流体圧により、スラスト力を釣り合わせるようにている。このため、スラストバランス機構側のランナには、２つのウェアリングを形成するリング部が必要となり、その結果、多段タービンでは、ウェアリングが１つでよいランナと、スラストバランス機構側のウェアリングが２つ必要なランナの２種類のランナが必要となり、木型も２種類必要になる等のデメリットがあった。この発明によれば、主軸に固定されたバランススリーブとハウジング側との間にスラストバランス機構の固定オリフィス及び／または可変オリフィスを形成することで、多段タービンであっても、１種類のランナで済ますことができる。
請求項９に記載の発明は、前記バランススリーブは、前記ハウジング側との間に固定オリフィスを形成する部分と前記ハウジング側との間に可変オリフィスを形成する部分とに分割されていることを特徴とする請求項８記載のサブマージドタービン発電機である。
請求項１０に記載の発明は、前記スラストバランス機構は、前記主軸と前記ハウジング側との間に設けられる可変オリフィスを有することを特徴とする請求項８または９記載のサブマージドタービン発電機である。
請求項１１に記載の発明は、前記スラストバランス機構は、前記ランナと前記ハウジング側との間に設けられる可変オリフィスを有することを特徴とする請求項８または９記載のサブマージドタービン発電機である。
請求項１２に記載の発明は、主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、前記主軸に作用するスラスト荷重をバランスさせるスラストバランス機構と、前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、前記スラストバランス機構は、前記主軸に固着したバランスピストンからなることを特徴とするサブマージドタービン発電機である。
これにより、常用運転点でスラスト荷重を打ち消す方向に力を発生するように直径が決められたバランスピストンを主軸に設けることにより、単段タービンは勿論、複数のタービンを一方向に向けて直列に配置した多段タービンであっても、比較的簡単な構成で、常用運転時におけるスラスト荷重をなくして、軸受寿命を伸ばすことができる。
請求項１３に記載の発明は、主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、前記ランナを有するタービンは、ランナを互いに対抗する方向に向けて多段に設けられていることを特徴とするサブマージドタービン発電機である。
タービンを一方向に向けて多段（直列）に配置した多段タービンでは軸方向流体力および流体圧による力が発生し、スラスト荷重となって軸受の負担増加に繋がる。本発明によれば、互いに対抗する向きに配置されるタービンの段数を各々等しい値にする（例えば、６段タービンの場合、正方向３段、反対方向３段）ことで、タービン発電機に発生する流体スラスト荷重をキャンセルすることができる。横軸式の場合では、スラスト荷重が完全にキャンセルされる。縦軸式の場合、常用運転点において回転体重量に相当する流体力を上向きに発生するように、上向きランナ（ランナ吐出口が上向き）の段数を適宜増加させたり、ウェアリング径を調整したりすることにより、常用運転におけるスラスト荷重をなくして、軸受寿命を伸ばすことができる。
請求項１４に記載の発明は、主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、前記タービンを互いに対抗する方向に向けて配置し、該タービンに作動流体を同時に供給して各ランナを同時に回転させることを特徴とするサブマージドタービン発電機である。前記タービンは前記発電機を挟んだ位置に互いに対抗する方向に向けて配置してもよい。
これにより、無拘束回転速度の決定因子となるランナの流路形状をそのままに、流量を２倍にすることができる。したがって、無拘束回転速度を低く保持したまま流量を２倍にできるため、遠心応力の観点から安全な大流量式のサブマージドタービン発電機を提供できる。また軸方向流体力をキャンセルすることもできる。
請求項１５に記載の発明は、前記作動流体は、互いに反対方向に流れて前記各タービンの各ランナを同時に回転させるように構成されていることを特徴とする請求項１４記載のサブマージドタービン装置である。前記タービンは前記発電機を挟んだ位置に互いに対抗する方向に向けて配置してもよい。
請求項１６に記載の発明は、主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、前記発電機を内部に収容するとともに、前記主軸を回転自在に支承する軸受を有するハウジングを備え、前記ハウジングは、前記ケーシングの内部に導入された作動流体の一部を該ハウジングの内部に注入する冷却液注入口を有することを特徴とするサブマージドタービン発電機である。
低圧状態でハウジングの内部に流入した作動流体でハウジング内の発電機を冷却すると、発電機の損失熱により作動流体が気化して、発電機の冷却が不十分となる可能性がある。本発明によれば、高圧状態の作動流体の一部をハウジング内に流入させてハウジング内の発電機の冷却に使用することで、ハウジング内で作動流体が気化することを防止しながら、発電機を作動流体で冷却することができる。ハウジング内に異物が入らぬよう、冷却液注入口にフィルタを取付けてもよい。
請求項１７に記載の発明は、主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、前記発電機を内部に収容するとともに、前記主軸を回転自在に支承する軸受を有するハウジングを備え、前記ハウジングには、前記ケーシングの内部に作動流体を送り込む主ラインとは別に、該ハウジングの内部に作動流体を流入させる副ラインが接続されていることを特徴とするサブマージドタービン発電機である。
ハウジング内にタービンを通過した作動流体を流入させると、異物がハウジング内に混入する恐れがある。本発明によれば、タービンに高圧流体を送る主ラインと別に、ハウジング内に流体を独立して送る副ラインを設けて、副ラインにフィルタやストレーナを設けることにより、ハウジング内に異物が進入することを一元的に防止することができる。また、作動流体を高圧状態のままハウジング内に導入することにより、ハウジング内の圧力を高めて作動流体が気化しにくくすることもできる。この副ラインは、軸受潤滑ラインと兼用し、軸受潤滑後に発電機を冷却するようにしてもよいし、その逆も可能である。更に、コイルエンドの両側に作動流体をそれぞれ導入させるようにしてもよい。
請求項１８に記載発明は、主軸に固着され、作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有し、ハウジング内に収容された発電機と、前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、前記ランナは、前記ハウジングの内部に導入され、前記発電機の周囲を通過した作動流体によって回転するように構成されていることを特徴とするサブマージドタービン発電機である。
低圧状態でハウジングの内部に流入した作動流体でハウジング内の発電機を冷却すると、発電機の損失熱により作動流体が気化して、発電機の冷却が不十分となる可能性がある。本発明によれば、高圧状態である作動流体（タービン入口流）をハウジング内に導入して発電機の冷却に用いることで、ハウジング内での作動流体の気化を防止しながら、発電機を作動流体で冷却することができる。しかも、使用液の全量が発電機の周囲を通過するようにすることにより、使用液の平均上昇温度が低減でき、ハウジング内での作動流体の気化を更に防止することができる。
なお、ハウジング内の流体流路は、冷却効果や製造性の観点から、ステータの外周部や内部に軸方向に設けることが望ましい。流体流路の断面形状は、強度的には概円形が、冷却性では矩形、三角形、星型等の濡縁長さの長いものが好ましい。また、ハウジング内に異物が入らぬ様、流体導入部にフィルタを取付けてもよい。
また、主軸の軸方向に圧力差が生じると軸方向推力が発生し好ましくないので、タービン入口側の軸端部圧力を出口圧力に近づける為に逃がしラインを設けることが望ましい。更に、タービン入口側の軸端部圧力より低減できるように、タービン入口側軸受の上流側もしくは下流側にブッシュ状の環状シールを設けることが望ましい。
請求項１９に記載の発明は、前記ステータのコイルエンドの周囲を囲繞するコイルエンドカバーが設けられていることを特徴とする請求項１８記載のサブマージドタービン発電機である。
これにより、ステータのコイルエンドの周囲をコイルエンドカバーで包囲して保護することで、ステータのコイルエンドが作動流体の流れに晒されて損傷してしまうことを防止することができる。
請求項２０に記載の発明は、前記コイルエンドカバーの外周面には、複数の整流ステーが設けられていることを特徴とする請求項１９記載のサブマージドタービン発電機である。
これにより、コイルエンドカバーの外周面に沿って流れる作動流体を整流ステーで整流することができる。
請求項２１に記載の発明は、主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、前記ランナは、単一の吸込口と、前記主軸の軸方向に沿って互いに離れる方向に作動流体を吐出す第１吐出口と第２吐出口を有することを特徴とするサブマージドタービン発電機である。
遠心式ランナは、無負荷時の無拘束回転速度が斜流式や軸流式に比べて低くなり、遠心応力の低減に効果的であるが、流量を大容量化するとランナ形状が斜流になってしまい、このため、遠心応力を増やさずに大容量化するには限度があった。本発明によれば、単一の吸込口と、主軸の軸方向に沿って互いに離れる方向に作動流体を吐出す第１吐出口と第２吐出口を有するランナを使用することで、無拘束回転速度の決定因子となるランナの流路形状をそのままに、流量を２倍にすることができる。したがって、無拘束回転速度を低く保持したまま流量を２倍にできるため、遠心応力の観点から安全な大流量式のサブマージドタービン発電機を提供できる。また軸方向流体力をキャンセルすることもできる。更に、縦軸式の場合、両出口部のウェアリング径を調整し、発電機ロータ重量と逆方向に軸方向流体力を負荷することにより、設計運転時のスラスト荷重をバランスでき、軸受寿命の延命化が可能となる。
請求項２２に記載の発明は、主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、前記ランナ外周部の入口近傍にラジアルノズルを配置したことを特徴とするサブマージドタービン装置である。
ランナの上流側にアキシャルノズルを配置し、このアキシャルノズルを通過した作動流体をランナ内に導くようにすると、ランナの入口とアキシャルノズルの出口との間に所定の距離が必要となり、しかも、両者の間で作動流体の流れの方向がほぼ直角に転換されるため、タービン性能の向上を図る上で一定の限界があった。本発明によれば、ラジアルノズルは、子午面的に流れが曲がらず半径方向に流れ、かつ、ノズル出口とランナ入口の間の距離を短く設定できるため、ランナ外周部の入口近傍にラジアルノズルを配置することで、（ラジアル）ノズルからの流れのエネルギを、ロスを極力防止しつつランナが受け取って、タービン性能を向上させることができる。
請求項２３に記載の発明は、主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、前記ランナ外周部の入口近傍に多重ボリュート式のノズルを配置したことを特徴とするサブマージドタービン装置である。
このように、ランナ外周部の入口近傍に多重ボリュート式のノズルを配置することによっても、多重ボリュート式のノズルは、子午面的に流れが曲がらず半径方向に流れ、かつ、ノズル出口とランナ入口の間の距離を短く設定できるため、（多重ボリュート式の）ノズルからの流れのエネルギを、ロスを極力防止しつつランナが受け取って、タービン性能を向上させることができる。ボリュート式のノズルの場合、ボリュート流路を複数とすることで、ラジアル流体力をより小さくすることができる。
本発明によれば、製品寿命を延ばすとともに、より低廉化を図り、更には発電効率を高ることができ、またスラストバランス機構のより簡略化乃至省略化の要請に応えることができるようにしたサブマージドタービン発電機を提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１乃至図４は、本発明の実施の形態における、いわゆる立軸型のサブマージドタービン発電機の断面図を示す。図１に示すように、この実施の形態のサブマージドタービン発電機は、タービン１２と発電機１４を備えており、このタービン１２のランナ（羽根車）１６及び発電機１４の発電機ロータ１８は、共通の主軸２０にそれぞれ固着されている。この例において、タービン１２を作動させて発電するとともに、発電機１４を冷却するために使用される作動流体は、液化された低温ガスを含む非導電性の流体であり、例えば、この作動流体には、液化天然ガス、液化メタンガス、液化エチレンガス、液化石油ガス、液体窒素、及び同様な液化炭化水素が含まれる。作動流体源２２は、例えば井から得ることのできる任意の作動流体を、変動する圧力または一定の圧力及び速度で提供する。
タービン１２のランナ１６は、この内部に作動流体の流れが与えられた時に主軸２０と一体に回転するように該主軸２０に取付けられていて、与えられた作動流体の圧力及び速度に応じて、主軸２０を回転させる。発電機１４の発電機ロータ１８も、主軸２０と一体に回転するように該主軸２０に取付けられている。主軸２０は、上下に配置される、例えばボール軸受からなる上部軸受２４と下部軸受２６によって回転自在に支承されている。主軸２０には、ランナ１６の下方に位置して、エクスデューサ２８が設けられており、このエクスデューサ２８は、ランナ１６から排出される作動流体を受け取る。エクスデューサ２８は、主軸２０と一体に回転するように該主軸２０に取付けられている。タービン１２は、スラストバランス機構３０を有している。スラストバランス機構３０については後により詳細に説明する。主軸２０は、この例のように、総ての力をバランスさせることができるように、垂直方向に取付けられるのが好ましい。
発電機１４は、該発電機１４を包囲し且つ隔離するためのハウジング３２の中に収容されており、主軸２０は、ランナ１６及びエクスデューサ２８を含む主軸２０の残りの部分を除いて、総てハウジング３２の中に位置している。ハウジング３２は、ランナ１６よりも上方の軸アセンブリの構成要素を完全に包囲している。ハウジング３２は、ケーシング３４の内部に所定間隔離間した状態で収容されており、ハウジング３２とケーシング３４との間に作動流体の主流路３５が形成されている。ケーシング３４の上部には、入口フランジ付近に位置して作動流体の入口開口３６が設けられている。作動流体源２２は、主ライン３３を介して、入口フランジにおいてケーシング３４に接続されている。
ケーシング３４の下部には、作動流体の出口開口３８が設けられており、この作動流体の出口開口３８は、主軸２０の下方端及び出口フランジに隣接して設けられていて、エクスデューサ２８を通過した作動流体を外部に排出する。作動流体源２２から主ライン３３を通して供給される作動流体は、入口開口３６からケーシング３４の内部に流入し、ハウジング３２の周囲の主流路３５に沿って流れる。ハウジング３２とケーシング３４との間の主流路３５には、タービン１２側に位置して、作動流体を排出して半径方向に延びるランナ１６に衝突させるノズル４０が設けられている。このノズル４０は、この例ではアキシャルノズルからなる。作動流体は、ランナ１６から排出されるとエクスデューサ２８内に流入し、出口開口３８から外部に排出される。
ハウジング３２には、該ハウジング３２の内部に連通する電線通路４２が設けられており、この電線通路４２は、ケーシング３４の壁部を貫通して該ケーシング３４から外方に延出している。電線通路４２の端部は封止部４４で封止されている。リードケーブル４６が発電機１４に接続され、電線通路４２の内部を通って該通路４２の上端部まで伸長し、更に、封止部４４を貫通して外方に延びている。これにより、リードケーブル４６の出力導線は、発電機１４が発生する電気出力に対する外部接続部すなわち外部接点に露出され、更に、予め選択した利用手段に接続される。同じケーブルの導線を用いて、後に説明する発電機１４のステータ４８用の可変周波数励磁電源７０に接続される。電線通路４２には、発電機１４を通って搬送された流入作動流体の一部を受け取るための作動流体排出導管５０の一端が接続されていて、この排出導管５０の他端は、エクスデューサ２８の下方でケーシング３４に接続されている。
タービン１２には、主軸２０に作用するスラスト荷重に打ち勝つスラストバランス機構３０が備えられている。タービン１２は、ノズル４０から吐出される作動流体の流れを受け取るためのランナ１６を有しており、ランナ１６を通る流体流路の形状に従って、作動流体の流れを約９０°反転させる。ランナ１６に受け取られた流体の流れは、与えられた流体圧が高速の流れに変換されるので、比較的高速である。ランナ１６は、作動流体が与えられることに応じて回転するので、排出された流体の流れは、ランナ１６に対してほぼ軸方向に沿ってランナ１６から出て、半径方向及び軸方向の流れの複合流として回転する。
ランナ１６から出た軸方向の流体の流れは、回転しつつ、主軸２０と共に回転可能に取付けられたエクスデューサ２８に供給される。エクスデューサ２８は、１８０°隔置された２つの螺旋ベーンから構成されている。従って、ランナ１６において作動流体に与えられる回転は、エクスデューサ（螺旋ベーン）２８との相互作用によって直線化され、ケーシング３４から軸方向流として排出される。
ランナ１６の背面には、ハウジング３２に向けて軸方向に延出するスロットルリング（絞りリング）５２とリング状の膨出部５４がそれぞれ形成されている。スロットルリング５２はハウジング３２に設けた第１ウェアリング５６と、膨出部５４は、ハウジング３２の下端部に固定したスラストプレート５８とそれぞれ協働する。スラストバランス機構３０は、作動流体の流れがランナ１６に与えられた時に、スロットルリング５２とハウジング３２に設けた第１ウェアリング５６との間に形成される固定オリフィス６０と、膨出部５４とスラストプレート５８との間に形成される可変オリフィス６２によって作動される。
図２は、タービン１２が始動位置にある状態で、すなわち、作動流体がタービン１２に与えられていない状態のスラストバランス機構３０を示している。ランナ１６は、ハウジング３２の垂下部に固定された第１ウェアリング５６に隣接して取付けられたスロットルリング５２を有している。第２ウェアリング６４が、ランナ１６の排出端付近でケーシング３４に固定されている。第１ウェアリング５６の直径は、第２ウェアリング６４の直径よりも大きくなるように選択されており、その差が、上方へのスラスト力を発生する。ランナ１６、第１ウェアリング５６、及びスロットルリング５２の配列及び構造は、ノズル４０から排出される作動流体の一部が、第１ウェアリング５６とスロットルリング５２との間に流入するように設計されている。そして、作動流体の一部を用いて、スラストバランス機構３０が作動される。
次に、図２を参照して、スラストバランス機構３０の詳細な作用を説明する。下部軸受２６は、主軸２０に固定された内レースを有している。下部軸受２６の外レースは、ハウジング３２に対して緩やかに取付けられていて、発生するスラスト力をバランスさせるために予め選択した距離だけ、主軸２０が軸方向に沿って移動できる。ハウジング３２には、通常は下部軸受２６から隔置されているストッパ６６が設けられている。スラストプレート５８は、ハウジング３２の下端部に固定されている。
固定オリフィス６０は、第１ウェアリング５６とスロットルリング５２との間に形成されていて、この固定オリフィス６０を通過した流体が可変オリフィス６２に流入する。可変オリフィス６２は、膨出部５４とスラストプレート５８の間に形成されている。下部軸受２６とストッパ６６との間のクリアランスは、可変オリフィス６２の始動時のギャップとほぼ同じサイズになるように設計されている。
スラストバランス機構３０の作用を詳細に説明する。作動流体がノズル４０を通過した後、ランナ１６に入る前に、作動流体のエネルギは、高い流体圧を高速の流体流れに変えるためにノズル４０で必要とされるエネルギ分だけ減少する。ランナ１６の背面を通る流体の漏れによる圧力分布が、スラストバランス機構３０を作動する主要なエネルギ源となる。このような条件の下で、ウェアリング５６，６４の直径差とランナ１６の前面と背面に発生する圧力によって、上向きのスラスト力を発生する。この上向きのスラスト力は、主軸２０を軸方向に沿って上方に動かす。スラストバランス機構３０のこの状態が、図２に示されている。固定オリフィス６０を通った作動流体は、可変オリフィス６２を通過し、下部軸受２６の内部を通ってハウジング３２内に入り、更に、発電機１４を通って電線通路４２に入る。
この流体の流れで下部軸受２６が潤滑及び冷却され、また、発電機１４が冷却される。そして、電線通路４２に入った流体は、排出導管５０を通って、タービン１２の低圧出口側に戻る。この時に発生したスラスト力に応じてランナ１６が連続的に軸方向の上方に向けて押し上げられるので、可変オリフィス６２の間隔すなわちサイズは、スラストプレート５８が膨出部５４に係合するまで連続的に減少する。これは、主軸２０の上方への移動を抑制する。可変オリフィス６２の元々のギャップ又は間隔は、タービン１２の作動が開始する時点において、固定オリフィス６０よりもかなり大きい。その理由は、固定オリフィス６０は、第１ウェアリング５６とスロットルリング５２との間のクリアランスによって決定されるからである。上部軸受２４は、流体流路６９を通して供給される高圧の作動流体で冷却される。
主軸２０が上方への移動を完了すると、可変オリフィス６２を通る流体は絞られる。この絞り作用は、閉じた可変オリフィス６２と第１ウェアリング５６との間に形成される変圧チャンバ６８の中に流体圧を生じさせる。この変圧チャンバ６８の中に発生した圧力は、ウェアリング５６，６４の直径差によって発生するスラスト力を相殺し、従って、主軸２０は下方へ移動する。主軸２０の下方への運動は、可変オリフィス６２にギャップを生じさせ、その結果、変圧チャンバ６８の中の圧力は低下し、これにより、主軸２０を軸方向の上方に向けて移動させる。主軸２０の、このような上下運動は、タービン１２が作動している間に継続し、これにより、タービン１２に発生するスラスト力が均等化される。従って、スラストバランス機構３０は、スラスト軸受として機能する。下部軸受２６は、タービン発電機の始動時及び停止時にスラスト軸受として有用である。
作動流体源２２は、高い圧力の作動流体を提供して、ランナ１６において十分なトルクを発生させ、これにより、主軸２０は、所望の回転速度で回転する。任意の作動流体に関して、流体圧は、例えばヘッドを変化させることにより変えることができる。また、発生した遠心力は、主軸２０に与えられる所望の速度を減少させることにより調節することができる。
発電機１４は、誘導発電機であることが好ましい。誘導発電機は、誘導電動機、すなわちインダクションモータが励磁電源に接続されている間、同期速度よりも高い速度で駆動されるものである。従って、そのような誘導発電機の軸に与えられる機械的な力は、モータの逆で電力に変換される。誘導電動機が同期速度よりも高い速度で駆動されると、スリップは負になる。発電機（誘導発電機）１４の軸（この場合には、タービン１２）に与えられるトルクが大きくなればなる程、発電機１４から発生する電力は大きくなる。
図１に示すように、発電機（誘導発電機）１４は、タービン１２と一体に回転する主軸２０に取付けられていた発電機ロータ１８を有している。発電機１４は、発電機ロータ１８の周囲で隔置された関係で取付けられたステータ４８を有している。発電機１４のステータ４８は、可変周波数励磁電源７０に接続されていて、これにより、ステータ４８に発生する回転磁界の周波数を変えることができる。この目的のために、可変周波数励磁電源７０は、可変速度で一定周波数のコントローラの特徴を有する、商業的に入手可能なユニットである。
可変周波数励磁電源７０は、出力を予め選択した一定周波数にすることを許容し、これにより、主軸２０、従って、タービン１２及び発電機１４は与えられる流体条件に応じて、可能な周波数範囲の中から予め適切に選択した周波数で効率の良い運転が可能となる。
この実施の形態の主軸２０は、発電機１４の発電機ロータ１８を固定する発電機部軸７２と、タービン１２のランナ１６を固定するタービン部軸７４とを、軸継手７６を介して、軸方向に直列に結合して構成されている。図３及び図４に示すように、発電機部軸７２のタービン部軸７４との対向端面には平面歯７２ａが、タービン部軸７４の発電機部軸７２との対向端面にも平面歯７４ａがそれぞれ設けられ、この平面歯７２ａ，７４ａを互いに噛み合わせた状態で両者７２，７４を直列に結合することで、発電機部軸７２の回転をタービン部軸７４に確実に伝達できるようになっている。
軸継手７６は、図４に示すように、発電機部軸７２及びタービン部軸７４の結合端部に螺着される一対の継手押え７８、雄型継手部８０及び雌型継手部８２を有している。そして、発電機部軸７２及びタービン部軸７４の結合端部に螺着した一対の継手押え７８を雄型継手部８０と雌型継手部８２との間に脱出不能に挟み込んだ状態で、雌型継手部８２を雄型継手部８０に螺着させて、両者７２，７４を直列に結合するようにしている。
タービン１２のランナ１６の回転を発電機１４の発電機ロータ１８に伝達する主軸２０の、例えばランナ１６を固定する部位は、強度的に許容される範囲で可能な限り径を細くして、ランナ１６の出口部面積を大きく取ることが求められる。また発電機１４の性能を高めるために、主軸２０の発電機ロータ１８を固定する部位は磁性材であることが好ましい。
この例によれば、発電機１４の発電機ロータ１８を固定するため、磁性が望まれる発電機部軸７２を磁性材で、タービン１２のランナ１６を固定するため、高強度が必要とされるタービン部軸７４を高強度材でそれぞれ形成し、両者７２，７４を直列に結合することで主軸２０を構成することができ、この結果、強度的かつ電磁気的に優れたタービン発電機を提供できる。また、発電機部軸７２とタービン部軸７４を結合して主軸２０を構成することで、主軸を一本もので構成した場合に比べて、発電機部軸７２とタービン部軸７４の長さが短くなり、このため加工性も向上する。
なお、この例では、軸継手７６として、カービック継手によって代表される平面歯継手を使用した例を示しているが、スプラインやボルト結合等を利用した他の任意の軸継手を使用してもよく、また発電機部軸やタービン部軸の端面に平面歯を直接設けることなく、平面歯を設けた他の部材を発電機部軸やタービン部軸の端面に連結して、加工性を向上させるようにしてもよい。
図５は、主軸２０の変形例を示す。すなわち、この例では、主軸２０を該主軸２０の全長に亘って延びる中実軸８４と、該中実軸８４の一部を包囲するスリーブ軸８６で構成し、この中実軸８４の端部にタービン１２のランナ１６（図１参照）を、スリーブ軸８６に発電機１４の発電機ロータ１８をそれぞれ固定するようにしている。
一般に、主軸２０の発電機ロータ１８を固着した部位の軸径は、発電機ロータコアの打抜き金型によって決まる。この値は、ポンプ装置における羽根車（ランナ）を固着する部位の軸径の約１．５〜３倍程度である。このため、主軸を二重構造とすることで、発電機ロータ１８を固着するのに適した軸径とランナ１６を固着するのに適した軸径を有す主軸２０を容易に提供することができる。しかも、例えば中実軸８４を高強度材、スリーブ軸８６を磁性材とすることにより、前述と同様に、高強度が必要とされるポンプ部軸材質と磁性が望まれるモータ軸材質をそれぞれ最適なものとすることができ、この結果、強度的かつ電磁気的に優れたタービン発電機を提供できる。また、中実軸８４の最大径を大幅に細くできるため、素材径を小さくでき、切削加工量と環境負荷の低減を図ることができる。
図６は、本発明の他の実施の形態のサブマージドタービン発電機を示す。この例の前述の図１乃至図４に示す例と異なる主な点は、以下の通りである。すなわち、タービン１２のランナ１６と発電機１４の発電機ロータ１８を固着して、上下に延びる主軸２０は、ハウジング３２の内部に位置して、発電機１４の発電機ロータ１８を挟む位置に配置された一対のラジアル磁気軸受９０と、主軸２０の上端に配置された、上部軸受としてのスラスト磁気軸受９２により回転自在に支承されている。そして、スラスト磁気軸受（上部軸受）９２は、静止時及び起動時に主軸２０に作用するスラスト荷重を支持するようにしている。なお、運転中に主軸２０に作用するスラスト荷重をバランスさせるためにスラストバランス機構３０が備えられていることは、前述の例と同様である。
運転中のスラスト荷重をキャンセルするスラストバランス機構３０が付いている場合でも、起動時には、スラスト荷重が短時間ではあるが負荷される。このため、軸受として単列深溝玉軸受を使用すると、単列深溝玉軸受はスラスト荷重の保持性能に乏しく、寿命に影響を及ぼす可能性がある。一方、磁気軸受は機器体積に対する軸受支持能力の割合が一般に低く、このため、常用のスラスト軸受として使用する場合、機器が大幅に大きくなるという欠点がある。
この例によれば、静止時及び起動時にスラスト荷重を支持するスラスト磁気軸受（上部軸受）９２と、常用運転時にスラスト荷重を支持するスラストバランス機構３０の両方を備えることで、静止時及び起動時はスラスト磁気軸受９２で、常用運転時はスラストバランス機構３０でスラスト荷重をそれぞれキャンセルすることができる。
スラスト磁気軸受９２の使用範囲は、静止状態からスラストバランス機構３０が有効に機能しない低回転数域であり、この範囲では主にタービン差圧に起因する動的スラスト荷重が小さく、また、静的スラスト荷重も発電機ロータ重量以下と小さい。このため、スラスト磁気軸受９２を常用の軸受用のものより小さくすることができる。また、スラスト磁気軸受９２の発電機ロータ制御目標位置を、スラストバランス機構３０の働きにより決まる発電機ロータ軸方向位置に合わせることで、常用運転中にスラスト磁気軸受９２に不要な動力が生じないようにすることができる。
図７乃至図９は、本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機を示す。この例の前述の図１乃至図４に示す例と異なる主な点は、以下の通りである。すなわち、この例にあっては、一方向に向けて直列（多段）に配置した複数段のタービン１２が、該各タービン１２の各ランナ１６を主軸２０に固定して備えられている。そして、第１段のタービン１２と発電機１４を収容したハウジング３２との間に、主軸２０に作用するスラスト荷重をバランスさせるスラストバランス機構３０が設けられている。主軸２０は、この例では、玉軸受からなる接触式軸受部１００と静圧軸受からなる非接触式軸受部１０２を有する上部軸受１０４と、玉軸受からなる接触式軸受部１０６と静圧軸受からなる非接触式軸受部１０８を有する下部軸受１１０により回転自在に支承されている。更に主軸２０の下端は、静圧軸受からなる下端軸受１１２で回転自在に支承されている。この下端軸受１１２は、省略することもできる。
上部軸受１０４の非接触式軸受部（静圧軸受）１０２には、主流路３５に連通する第１流体流路１１４から、下部軸受１１０の非接触式軸受部（静圧軸受）１０６には、主流路３５に連通する第２流体流路１１６から、高圧の作動流体がそれぞれ供給される。また、下端軸受（静圧軸受）１１２には、途中の段のタービンから延びる第３流体流路１１８から作動流体が供給される。
上部軸受１０４の接触式軸受部（玉軸受）１００及び下部軸受１１０の接触式軸受部（玉軸受）１０６は、静止時及び起動時に主軸２０に作用するスラスト荷重及びラジアル荷重のみを支持する。つまり、上部軸受１０４の接触式軸受部（玉軸受）１００は、図８に示すように、ハウジング３２に収容され、上下に移動自在な軸受ハウジング１２０に固定された外レース１２２と、軸受スリーブ１２４が装着された内レース１２６を備えている。軸受スリーブ１２４は、上方に向かって漸次直径が減少するテーパ状の内面を有している。軸スリーブ１２８は、主軸２０に固定されており、軸受スリーブ１２４のテーパ状の内面に係合するテーパ状の外面を有している。軸受ハウジング１２０とハウジング３２との間には、軸受ハウジング１２０を介して接触式軸受部１００を下方に付勢する圧縮コイルばね１３０が介装されている。軸受ハウジング１２０及び軸受リテーナ１３２は、通常運転時に高圧液体領域と連通する変圧チャンバ１３４を形成する。
一方、下部軸受１１０の接触式軸受部（玉軸受）１０６は、図９に示すように、ハウジング３２に固定された外レース１３６と、軸受スリーブ１３８が装着される内レース１４０とを備えている。軸受スリーブ１３８は、下方に向かって直径が漸次減少するテーパ状の内面を有している。軸スリーブ１４２は、主軸２０に固定されており、軸受スリーブ１３８のテーパ状の内面と係合されるテーパ状の外面を有している。
上部軸受１０４の非接触式軸受部（静圧軸受）１０２は、図１０に示すように、複数のポケット１５０と加圧液体をポケット１５０に供給するためのオリフィス１５２を有している。これによって、第１流体流路１１４を通過した高圧の作動液体は、オリフィス１５２を通ってポケット１５０に導入され、主軸２０はポケット１５０の液体の静圧によって支持される。下部軸受１１０の非接触式軸受部（静圧軸受）１０６及び下端軸受（静圧軸受）１１２も、ほぼ同様な構成をしている。
この例によれば、サブマージドタービン発電機が停止しているときには、主軸２０は、図９の左半分に示すように、重力によって下方に位置しており、軸受スリーブ１３８と軸スリーブ１４２の両テーパ面が互いに嵌合され、これによって、主軸２０は、下部軸受１１０の接触式軸受部１０６により隙間なく、かつ偏心なく支持される。また、図８の左半分に示すように、主軸２０が下がるとき、上部軸受１０４の接触式軸受部１００は、圧縮コイルばね１３０の付勢力によって軸受ハウジング１２０とともに主軸２０の下方への動きに追従する。これによって、軸受スリーブ１２４と軸スリーブ１２８のテーパ面が互いに嵌合して、主軸２０は、上部軸受１０４の接触式軸受部１００によって隙間なく、かつ偏心なく支持される。
サブマージドタービン発電機が起動を開始して、タービン差圧が所定の値に達すると、スラストバランス機構３０が作動して、主軸２０は上方に浮上する。すると、図９の右半分に示すように、軸スリーブ１４２は、軸受スリーブ１３８のテーパ状の内面との係合が解除されて軸方向に浮上し、軸スリーブ１４２と軸受スリーブ１３８は互いに非接触状態となり、それらの間に隙間が形成される。これにより、下部軸受１１０の接触式軸受部１０６には荷重が負荷されず、これが回転することもない。
主軸２０の浮上により、図８の右半分に示すように、軸スリーブ１２８と軸受スリーブ１２４は軸方向に上昇し、上部軸受１０４の非接触式軸受部１０２も上方に押し上げられる。このとき、変圧チャンバ１３４に導入された液体の圧力の下で、軸受ハウジング１２０は圧縮コイルばね１３０の付勢力に抗して主軸２０の浮上距離よりも大きな距離だけ浮上する。したがって、軸受スリーブ１２４と軸スリーブ１２８とのテーパ面の嵌合が解かれ、半径方向に隙間ができ非接触状態となる。これにより、上部軸受１０４の非接触式軸受部１０２には荷重が負荷されず、回転することもない。
サブマージドタービン発電機にあっては、作動流体で軸受を潤滑するため、軸受の潤滑レベルが一般に低く、定期的に軸受を交換する必要がある。この例によれば、寿命が有限であるが、常に主軸２０を支持できる接触式軸受部１００，１０６を静止時と起動時のみ使用することで、タービン発電機の全寿命内に接触式軸受部１００，１０６の運転寿命を収めることができる。しかも、タービン差圧を利用した静圧軸受、または静圧と動圧の両方を利用したハイブリッド軸受等の非接触式軸受部１０２，１０８で通常運転時に主軸２０を支持することで、起動時等の低回転時における差圧不足による接触問題を回避することができる。
なお、図１１に示すように、所定の段のタービン１２から下部軸受１１０の非接触式軸受部（静圧軸受）１０８に通じる流体流路１５４を設け、この流体流路１５４から、所望の圧力に減圧された作動流体を下部軸受１１０の非接触式軸受部１０８に供給するようにしてもよい。
図１２及び図１３は、本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機を示す。この例の図１乃至図４に示す例と異なる主な点は、以下の通りである。すなわち、この例にあっては、主軸２０は、共に静圧軸受からなる上部軸受１６０と下部軸受１６２で回転自在に支承されている。更に、作動流体源２２（図１参照）からハウジング３２とケーシング３４との間の主流路３５に高圧の作動流体を供給する主ライン３３とは別に、ハウジング３２の内部に高圧の作動流体を供給する副ライン１６４が設けられている。
ランナ１６の背面に設けたスロットルリング５２とハウジング３２との間には、固定オリフィス１６６が設けられている。また、主軸２０の上部に固着され、ハウジング３２に形成した収納部１６８内に上下動自在に収納したバランススリーブ１７０と該ケーシング３４との間には、固定オリフィス１７２と可変オリフィス１７４が設けられ、更に可変オリフィス１７４が閉じた時、バランススリーブ１７０とケーシング３４との間に変圧チャンバ１７６が形成されるようになっている。これにより、スラストバランス機構が構成されている。
ハウジング３２の内部には、副ライン１６４を通してハウジング３２の内部に供給される高圧流体を上部軸受（静圧軸受）１６０と収納部１６８に供給する第１流体流路１７８が設けられている。更に、副ライン１６４を通してハウジング３２の内部に供給される高圧流体を下部軸受（静圧軸受）１６２側に導く連結配管１８０が備えられているとともに、ハウジング３２には、該連結配管１８０に連通し該連結配管１８０を通して送られてくる高圧の作動流体を下部軸受（静圧軸受）１６２に導く第２流体流路１８２が設けられている。更に、ハウジング３２には、収納部１６８とハウジング３２の内部とを繋ぐ戻しライン１８４が設けられている。
上部軸受（静圧軸受）１６０は、図１３に示すように、複数のポケット１８６と加圧流体をポケット１８６に供給するためのオリフィス１８８を有している。これによって、第１流体流路１７８を通過した高圧の作動液体は、オリフィス１８８を通ってポケット１８６内に導入され、主軸２０はポケット１８６内の流体の静圧によって支持される。更に、上部軸受（静圧軸受）１６０には、軸方向に貫通して低圧流体を逃す逃し流路１９０が設けられている。この構成は、下端軸受（静圧軸受）１６２にあっても同様である。
この例にあっては、タービン１２の起動に先だって、副ライン１６４を通して、高圧の作動流体をハウジング３２内に導入して、静圧軸受からなる上部軸受１６０及び下部軸受１６２に供給する。そして、主ライン３３を通して、ハウジング３２とケーシング３４との間の主流路３５に高圧の作動流体を供給してタービン１２を起動する。
このように、上部軸受１６０及び下部軸受１６２として、非接触軸受である静圧軸受や静圧と動圧の両方を利用したハイブリッド軸受を使用した場合に、タービン起動前に、副ライン１６４より上部軸受１６０及び下部軸受１６２に高圧流体を供給するで、上部軸受１６０及び下部軸受１６２に支持能力を発生させることができる。これによって、静止状態から運転状態、停止状態に至るまで、常に上部軸受１６０及び下部軸受１６２に非接触状態にすることができ、メンテナンスフリーなタービン発電機を提供することができる。また、軸受１６０，１６２として、フォイル軸受等の動圧軸受や玉軸受に適用した場合にあっても、タービン起動前に、副ライン１６４より軸受１６０，１６２に高圧流体を供給するので、潤滑及び冷却効果を向上させ、寿命を向上させることができる。
図１４は、本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機を示す。この例の図１乃至図４に示す例と異なる主な点は、以下の通りである。すなわち、この例では、ランナ１６とハウジング３２との間にスラストバランス機構を構成する固定オリフィスや可変オリフィスを設けることなく、例えばボール軸受からなる上部軸受２４の上方に、スラストバランス機構を構成する固定オリフィスや可変オリフィスを設けるようにしている。
つまり、前述の図１２に示す例とほぼ同様に、主軸２０の上部に固着され、ハウジング３２に形成した収納部１６８内に上下動自在に収納したバランススリーブ１７０と該ケーシング３４との間に固定オリフィス１７２と可変オリフィス１７４を設け、更に可変オリフィス１７４閉じた時、バランススリーブ１７０とケーシング３４との間に変圧チャンバ１７６が形成されるようにして、スラストバランス機構１９２が構成されている。可変オリフィス１７４を通過した流体は、逃しライン１９３から外部に排出される。
この例では、ハウジング３２と収納部１６８とを繋ぐバイパスライン１９４を設け、このバイパスライン１９４を通して、ハウジング３２内の流体を収納部１６８内の固定オリフィス１７２の上流側に導くようにしている。このバイパスライン１９４は、省略することもできる。
スラストバランス機構を通過した後の作動流体は、固定オリフィスと可変オリフィスによって減圧されており、この減圧された作動流体で軸受を冷却すると、軸受冷却時に作動流体蒸発してしまう可能性があり、軸受で作動流体の蒸発が発生すると軸受の損傷に繋がる。この例によれば、主軸２０の発電機１４を挟んだ反ランナ側端部に、すなわち主軸２０の上部軸受２４の上方位置にスラストバランス機構１９２の固定オリフィス１７２及び可変オリフィス１７４を設けることで、スラストバランス機構１９２を通過する前の高圧状態で蒸発しにくい作動流体で上部軸受２４及び該上部軸受２４の下方に位置する下部軸受２６を冷却することができ、これによって、上部軸受２４及び下部軸受２６の冷却不良による損傷を防止することができる。
主軸２０の発電機１４を挟んだ反ランナ側端部、すなわち主軸２０の上部軸受２４の上方位置に、スラストバランス機構１９２の固定オリフィス１７２及び可変オリフィス１７４の一方を設けるようにしてもよい。
また、図１５に示すように、図１４に示すバランススリーブ１７０の代わりに、直径の大きなバランスドラム１９６を使用するようにしてもよい。
図１６は、本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機を示す。この例の図１乃至図４に示す例と異なる主な点は、以下の通りである。すなわち、この例は、例えばボール軸受からなる下部軸受２６の下方に位置して、主軸２０にバランススリーブ２００を固着し、このバランススリーブ２００とハウジング３２との間に固定オリフィス２０２を、例えばボール軸受からなる上部軸受２４の上方に位置して、主軸２０にスラストスリーブ２０４を固着し、このスラストスリーブ２０４とハウジング３２との間に可変オリフィス２０６をそれぞれ設けて、スラストバランス機構を構成している。そして、可変オリフィス２０６を通過した流体は、逃しライン２０８を通じて外部に排出される。
この例では、ハウジング３２とスラストスリーブ２０４を収納する収納部２１０とを繋ぐバイパスライン２１２を設け、このバイパスライン２１２を通して、ハウジング３２内の流体を、スラストスリーブ２０４を収納する収納部２１０の可変オリフィス２０６の上流側に導くようにしている。このバイパスライン２１２は、省略することもできる。
スラストバランス機構は、一般に２つのウェアリングの直径差により発生するスラスト力と、可変オリフィスと固定オリフィスとの間に形成した変圧チャンバ内の流体圧によりスラスト力を釣り合わせるようにている。このため、スラストバランス機構側のランナには、２つのウェアリングを形成するリング部が必要となり、その結果、多段タービンでは、ウェアリングが１つでよいランナと、スラストバランス機構側のウェアリングが２つ必要なランナの２種類のランナが必要となり、木型も２種類必要になる等のデメリットがあった。この例によれば、主軸２０に固定されたバランススリーブ２００とハウジング３２との間にスラストバランス機構の固定オリフィス２０２を形成することで、多段タービンであっても、１種類のランナで済ますことができる。
図１７に示すように、例えばボール軸受からなる下部軸受２６の下方に位置して、主軸２０に固着したバランススリーブ２００とハウジング３２との間に固定オリフィス２０２と可変オリフィス２０６の双方を形成して、スラストバランス機構を構成してもよい。
更に、図１８に示すように、例えばボール軸受からなる下部軸受２６の下方に位置して、主軸２０に固着したバランススリーブ２００とハウジング３２との間に固定オリフィス２０２を、バランススリーブ２００とランナ１６との間に位置して主軸２０に固着したスラストスリーブ２０４とハウジング３２に固着したスロットルリング２１４とのに間に可変オリフィス２０６をそれぞれ形成して、スラストバランス機構を構成してもよい。
図１９は、本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機を示す。この例の図１乃至図４に示す例と異なる主な点は、以下の通りである。すなわち、この例では、例えばボール軸受からなる下部軸受２６の下方に位置して、主軸２０に、常用運転点でスラスト荷重を打ち消す方向に力を発生するように直径を決められたバランスピストン２１６を固着し、このバランスピストン２１６でスラストバランス機構を構成している。
このように、常用運転点でスラスト荷重を打ち消す方向に力を発生するように直径が決められたバランスピストン２１６を主軸２０に設けてスラストバランス機構を構成することにより、単段タービンは勿論、複数のタービンを一方向に向けて直列に配置した多段タービンであっても、比較的簡単な構成で、常用運転時におけるスラスト荷重をなくして、軸受寿命を伸ばすことができる。
図２０は、本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機におけるタービンを示す。この例は、複数のタービン１２が一方向に向けて直列（多段）に配置されてタービンケーシング２２０内に収容されており、各タービン１２の各ランナ１６は、主軸２０に固着されている。そして、ケーシング２２０内に供給された高圧の作動流体は、第１段から第２段と、各段タービン１２のランナ１６内を順次通過することで主軸２０を回転させるようになっている。
この例では、各段タービン１２のランナ１６における外周部の入口近傍に、ラジアルノズル２２２が配置されている。このラジアルノズル２２２は、図２１及び図２２に示すように、ラジアル方向に螺旋状に延びるように、複数のノズルベーン２２４で区画された複数の流路２２６を有しており、前段のタービンの戻りベーン２２８から供給された作動流体を、ラジアル方向に噴出して、タービン１２のランナ１６に供給するようになっている。
ランナの上流側にアキシャルノズルを配置し、このアキシャルノズルを通過した作動流体をランナ内に導くようにすると、ランナの入口とアキシャルノズルの出口との間に所定の距離が必要となり、しかも、両者の間で作動流体の流れの方向がほぼ直角に転換されるため、タービン性能の向上を図る上で一定の限界がある。
この例によれば、ランナ１６の外周部の入口近傍にラジアルノズル２２２を配置することで、ラジアルノズル２２２は、子午面的に流れが曲がらず半径方向に流れ、かつ、ノズル２２２の出口とランナ１６の入口との間の距離を短く設定できるため、ノズル２２２からの流れのエネルギを、ロスを極力防止しつつランナ１６が受け取って、タービン性能を向上させることができる。
この例のラジアルノズル２２２の代わりに、図２３に示す、多重ボリュート式のノズル２３０を配置してもよい。この多重ボリュート方式のノズル２３０は、ラジアル方向に螺旋状に延びる複数のボリュート流路２３２を有している。このように、ランナ１６の外周部の入口近傍に多重ボリュート式のノズル２３０を配置することによっても、多重ボリュート式のノズル２３０は、子午面的に流れが曲がらず半径方向に流れ、かつ、ノズル２３０の出口とランナ１６の入口との間の距離を短く設定できるため、ノズル２３０からの流れのエネルギを、ロスを極力防止しつつランナ１６が受け取って、タービン性能を向上させることができる。ボリュート式のノズル２３０の場合、ボリュート流路２３２を複数とすることで、ラジアル流体力をより小さくすることができる。
図２４は、本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機を示す。この例のサブマージドタービン発電機は、発電機１４を挟んで、上方に、複数のタービン１２を一方向（上方）に向けて直列（多段）に配置した第１多段タービン群２４０が、下方に、複数のタービン１２を第１多段タービン群２４０の各タービン１２と対抗する方向（下方）に向けて直列（多段）に配置した第２多段タービン群２４２がそれぞれ備えられている。発電機１４の発電機ロータ１８及び各タービン１２のランナ１６は、主軸２０に固着され、この主軸２０は、上部軸受２４４、下部軸受２４６、上部発電機軸受２４８及び下部発電機軸受２５０を介して回転自在に支承されている。
第１多段タービン群２４０の各タービン１２は、上端に流体吸込口２５２を有する第１ケーシング２５４内に収容されている。そして、この第１ケーシング２５４内に流入した高圧の作動流体は、第１ケーシング２５４内に設けた第１流体流路２５６を通って下方に導かれ、各タービン１２と第１ケーシング２５４との間の第１主流路２５８を上方に向けて流れて第１多段タービン群２４０の各タービン１２を回転させ、しかる後、第２流体流路２６０を通って下方に流れる。発電機１４は、第２流体流路２６０に連通するハウジング２６２内に収容され、第２流体流路２６０を通って下方に流れた流体は、ハウジング２６２の内部を流れて発電機１４を冷却する。第２多段タービン群２４２の各タービン１２は、ハウジング２６２の内部に連通し、下端に流体吐出口２６４を有する第２ケーシング２６６内に収容されている。そして、ハウジング２６２内を通過した流体は、各タービン１２と第２ケーシング２５４との間の第２主流路２６８を下方に向けて流れて第２多段タービン群２４２の各タービン１２を回転させ、しかる後、流体吐出口２６４から外部に吐出される。
タービンを一方向に向けて多段（直列）に配置した多段タービンでは軸方向流体力および流体圧による力が発生し、スラスト荷重となって軸受の負担増加に繋がる。この例によれば、互いに対抗する向きに配置されるタービンの段数を各々等しい値にする（例えば、６段タービンの場合、正方向３段、反対方向３段）ことで、タービン発電機に発生する流体スラスト荷重をキャンセルすることができる。横軸式の場合では、スラスト荷重が完全にキャンセルされる。縦軸式の場合、常用運転点において回転体重量に相当する流体力を上向きに発生するように、上向きランナ（ランナ吐出口が上向き）の段数を適宜増加させたり、ウェアリング径を調整したりすることにより、常用運転におけるスラスト荷重をなくして、軸受寿命を伸ばすことができる。
図２５に示すように、第１多段タービン群２４０と第２多段タービン群２４２を、発電機の一方（下方）の互いに隣接した位置に、共通のケーシング２７０内に収容して配置し、高圧供給源から供給された高圧の作動流体が、ケーシング２７０内に設けた第１流体流路２７２を通って下方に導かれ、各タービン１２とケーシング２７０との間の第１主流路２７４を上方に向けて流れて第１多段タービン群２４０の各タービン１２を回転させた後、第２流体流路２７６を通って下方に流れて第２多段タービン群２４２の各タービン１２とケーシング２７０との間に第２主流路２７８内に流入し、この第２主流路２７８に沿って下方に向けて流れて第２多段タービン群２４２の各タービン１２を回転させ、しかる後、流体吐出口２８０から外部に吐出されるようにしてもよい。
この例にあっては、各タービン１２のランナ１６の外周部の入口近傍に、図２１及び図２２に示すラジアルノズル２２２を配置している。また、バランスドラム２８２を介して、第１多段タービン群２４０に供給された高圧の作動流体を、ハウジング３２内に導入するようにしている。
図２６（ａ）に概要を示すように、発電機１４を挟んで各１つ（または複数ずつ）のタービン１２ａ，１２ｂを互いに対抗させて配置し、複数の軸受３００を介して回転自在に支承した主軸２０に固着して、図２６（ａ）において、作動流体の左方向の流れて左側のタービン１２ａを回転させ、しかる後、作動流体の右方向の流れ右側のタービン１２ｂを回転させるようにしてもよい。また図２６（ｂ）に示すように、先ず作動流体の右方向の流れて左側のタービン１２ａを回転させ、しかる後、作動流体の左方向の流れで右側のタービン１２ｂを回転させるようにしてもよい。
更に、図２７（ａ）に概要を示すように、発電機１４の一方に２つ（または複数ずつ）のタービン１２ａ，１２ｂを互いに対抗させて配置し、複数の軸受３００を介して回転自在に支承した主軸２０に固着して、図２７（ａ）において、作動流体の右方向の流れで左側のタービン１２ａを回転させ、しかる後、作動流体の左方向の流れで右側のタービン１２ｂを回転させるようにしてもよい。また図２７（ｂ）に示すように、先ず作動流体の左方向の流れで左側のタービン１２ａを回転させ、しかる後、作動流体の右方向の流れ右側のタービン１２ｂを回転させたりしてもよい。
図２８（ａ）は、本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機の概要を示す。この例は、発電機１４を挟んで各１つ（または複数ずつ）のタービン１２ａ，１２ｂを互いに対抗させて配置し、複数の軸受３００を介して回転自在に支承した主軸２０に固着している。そして、各タービン１２ａ，１２ｂのケーシング（図示せず）内に、作動流体源２２（図１参照）から高圧の作動流体を、この例では、該作動流体が軸方向に沿って外方に向かって同時に流れるように発電機１４側から供給して、各タービン１２ａ，１２ｂを同時に回転させ主軸２０を回転させるようにしている。
これにより、無拘束回転速度の決定因子となるランナの流路形状をそのままに、流量を２倍にすることができる。したがって、無拘束回転速度を低く保持したまま流量を２倍にできるため、遠心応力の観点から安全な大流量式のサブマージドタービン発電機を提供できる。また軸方向流体力をキャンセルすることもできる。
図２８（ｂ）に概要を示すように、各タービン１２ａ，１２ｂのケーシング（図示せず）内に、作動流体源から高圧の作動流体を、該作動流体が軸方向に沿って内方に向かって流れるように反発電機１４側から同時に供給して、各タービン１２ａ，１２ｂを同時に回転させ主軸２０を回転させるようにしてもよい。
図２９は、本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機を示す。この例の図１５に示す例と異なる点は、ハウジング３２に、ケーシング３４の内部に導入された作動流体の一部を該ハウジング３２の内部に注入する冷却液注入口３２ａを設けるとともに、下部軸受２６の下方に、主軸２０との間に固定オリフィスを形成する固定スリーブ３０１を設け、これによって、ハウジング３２の内部に注入された高圧の作動流体で発電機１４及び軸受２４，２６を冷却するようにした点である。
低圧状態でハウジングの内部に流入した作動流体でハウジング内の発電機を冷却すると、発電機の損失熱により作動流体が気化して、発電機の冷却が不十分となる可能性がある。この例によれば、高圧状態の作動流体の一部をハウジング３２内に流入させて、ハウジング３２内の発電機１４の冷却に使用することで、ハウジング３２内で作動流体が気化することを防止しつつ、発電機１４を冷却することができる。ハウジング３２内に異物が入らぬよう、冷却液注入口３２ａにフィルタを取付けてもよい。
図３０は、本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機を示す。この例の図１乃至図４に示す例と異なる点は、前記可変チャンバ６８内の流体を外部に逃がす流路３０２を設けるとともに、下部軸受２６の上方に位置して、ハウジング３２と主軸２０との間に固定オリフィス３０３を形成し、更に、ハウジング３２に、ケーシング３４の内部に導入された作動流体の一部を該ハウジング３２の内部に注入する冷却液注入口３２ａを設けて、高圧の作動流体で発電機１４を冷却するようにした点である。
なお、図３０に示す例にあっては、ハウジング３２の発電機１４の下方位置に冷却液注入口３２ａを設けているが、図３１に示すように、ハウジング３２の発電機１４の上方位置に冷却液注入口３２ａを設けるようにしてもよい。
図３２は、本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機を示す。この例の図２９に示す例と異なる点は、作動流体源２２からハウジング３２とケーシング３４との間の主流路３５に高圧の作動流体を供給する主ライン３３とは別に、ハウジング３２の内部に高圧の作動流体を供給する副ライン３０４を設けて、この副ライン３０４を通してハウジング３２の内部に供給される高圧の作動流体で発電機１４を冷却するようにした点である。
ハウジング内にタービンを通過した作動流体を流入させると、異物がハウジング内に混入する恐れがある。この例によれば、タービン１２に高圧流体を送る主ライン３３と別に、ハウジング３２内に流体を独立して送る副ライン３０４を設けて、副ライン３０４にフィルタやストレーナを設けることにより、ハウジング３２内に異物が進入することを一元的に防止することができる。また、作動流体を高圧状態のままハウジング３２内に導入することにより、ハウジング３２内の圧力を高めて作動流体が気化しにくくすることもできる。この副ライン３０４は、軸受潤滑ラインと兼用し、軸受潤滑後に発電機１４を冷却するようにしてもよいし、その逆も可能である。更に、ステータ４８のコイルエンド４８ｂの両側に作動流体をそれぞれ導入するようにしてもよい。
図３３は、本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機を示す。この例の図１乃至図４に示す例と異なる主な点は、以下の通りである。すなわち、スラストバランス機構を備えることなく、発電機１４の発電機ロータ１８を固着した主軸２０を、例えばボール軸受からなる上部軸受２４と下部軸受２６で回転自在に支承している。タービン３１０のランナ３１２として、単一の吸込口３１３と、主軸２０の軸方向に沿って互いに離れる方向に作動流体を吐出す第１吐出口３１４と第２吐出口３１６を有する、いわゆる両吐出型ランナを使用している。そして、ランナ３１２を、ハウジング３２とケーシング３４との間に形成される主流路３５に連通する吸込流路３１８と２つの吐出流路３２０，３２２を有するタービンケーシング３２４内に収容して主軸２０に固着し、このタービンケーシング３２４をケーシング３４に連結している。
これによって、ハウジング３２とケーシング３４との間に形成される主流路３５及び吸込流路３１８を通して供給され、吸込口３１３から吸込まれてランナ３１２の内部を通過し、第１吐出口３１４と第２吐出口３１６から吐出される作動流体で、ランナ３１２を主軸２０と一体に回転するようにしている。
遠心式ランナは、無負荷時の無拘束回転速度が斜流式や軸流式に比べて低くなり、遠心応力の低減に効果的であるが、流量を大容量化するとランナ形状が斜流になってしまい、このため、遠心応力を増やさずに大容量化するには限度があった。
この例によれば、単一の吸込口３１３と、主軸２０の軸方向に沿って互いに離れる方向に作動流体を吐出す第１吐出口３１４と第２吐出口３１６を有するランナ３１２を使用することで、無拘束回転速度の決定因子となるランナ３１２の流路形状をそのままに、流量を２倍にすることができる。したがって、無拘束回転速度を低く保持したまま流量を２倍にできるため、遠心応力の観点から安全な大流量式のサブマージドタービン発電機を提供できる。また軸方向流体力をキャンセルすることもできる。更に、縦軸式の場合、両出口部のウェアリング径を調整し、発電機ロータ重量と逆方向に軸方向流体力を負荷することにより、設計運転時のスラスト荷重をバランスでき、軸受寿命の延命化が可能となる。
図３４は、本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機を示す。この例は、発電機１４を収容したハウジング３４０を有し、このハウジング３４０は、吸込口３４２を介して作動流体源２２（図１参照）に接続されている。これにより、作動流体源２２から供給され、タービン１２のランナ１６を回転させるために使用される作動流体の全量がハウジング３４０内に供給されて、発電機１４の冷却に使用される。
発電機１４のステータ４８の外周面には、軸方向に貫通する複数の流路部４８ａが円周方向に沿って等間隔で設けられている。この流路部４８ａは、冷却効果や製造性の観点から、ステータ４８の外周部や内部に軸方向に沿って設けることが望ましい。流路部４８ａの断面形状は、強度的には概円形が、冷却性では矩形、三角形、星型等の濡縁長さの長いものが好ましい。また、ハウジング３４０内に異物が入らぬ様、流体導入部にフィルタを取付けるようにしてもよい。
更にこの例にあっては、ステータ４８のコイルエンド４８ｂの周囲を包囲する円筒状のコイルエンドカバー３４４が設けられ、このコイルエンドカバー３４４の外周面には、図３５に詳細に示すように、複数の整流ステー３４６が円周方向に等間隔で配置されている。これにより、ステータ４８のコイルエンド４８ｂの周囲をコイルエンドカバー３４４で包囲して保護することで、ステータ４８のコイルエンド４８ｂが作動流体の流れに晒されて損傷してしまうことを防止し、しかもコイルエンドカバー３４４の外周面に沿って流れる作動流体の流れを整流ステー３４６で整流することができる。
なお、図３４に仮想線で示すように、ステータ４８のコイルエンド４８ｂの端面を、コイルエンドカバー３４４の端部に取付けた覆い３４８で覆うことで、ステータ４８のコイルエンド４８ｂの損傷を更に防止することができる。
この発電機１４の発電機ロータ１８を固着した主軸２０は、上部軸受３５０及び下部軸受３５２で回転自在に支承されており、この主軸２０の端部に固着したランナ１６及び該ランナ１６の下方に配置したエクスデューサ２８は、タービンケーシング３５４で包囲されている。ハウジング３４０の内部を流れた作動流体は、ハウジング３４０のタービンケーシング３５４側に設けられた主流路３５６を通過し、ランナ１６の内部及びエクスデューサ２８を通過し、タービンケーシング３５４の吐出口３５８から外部に吐出される。ランナ１６の外周部の入口近傍には、前述の図２１及び図２２に示すラジアルノズル２２２が配置されている。
更に、上部軸受３５０の上方に流入した作動流体は、第１逃しライン３６０から、下部軸受３５２の下方に流入した作動流体は、第２逃しライン３６２から、それぞれ外部に排出される。これにより、主軸２０の軸方向に圧力差が生じて、軸方向推力が発生することが防止される。
更に、この例では、タービン入口側の軸端部圧力をより低減できるように、上部軸受３５０の内部に作動流体が流入するのを防止するブッシュ状の環状シール３６４と、下部軸受３５２の内部に作動流体が流入するのを防止するブッシュ状の環状シール３６６がそれぞれ設けられている。この環状シール３６４、３６６は、どちらか一方に設けても、省略してもよい。
低圧状態でハウジングの内部に流入した作動流体でハウジング内の発電機を冷却すると、発電機の損失熱により作動流体が気化して、発電機の冷却が不十分となる可能性がある。この例によれば、高圧状態である作動流体（タービン入口流）をハウジング３４０内に導いて該ハウジング３４０内に収容した発電機１４の冷却に用いることで、ハウジング３４０内での作動流体の気化を防止して、発電機１４を十分に冷却することができる。しかも、使用液の全量が発電機１４の周囲を通過するようにすることにより、使用液の平均上昇温度が低減でき、ハウジング３４０内での作動流体の気化を更に防止することができる。
本発明の実施の形態のサブマージドタービン発電機の断面図である。 図１の要部を拡大して示す要部拡大図である。 図１に示すサブマージドタービン発電機に使用される主軸の分割面を示す図である。 図１に示すサブマージドタービン発電機に使用される主軸の結合部を示す図である。 主軸の他の例を示す図である。 本発明の他の実施の形態のサブマージドタービン発電機の一部切断断面図である。 本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機の断面図である。 図７に示すサブマージドタービン発電機の上部軸受の一部を拡大して示す図である。 図７に示すサブマージドタービン発電機の下部軸受の一部を拡大して示す図である。 図７に示すサブマージドタービン発電機の静圧軸受の断面図である。 図７に示すサブマージドタービン発電機の変形例の要部を示す図である。 本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機の断面図である。 図１２に示すサブマージドタービン発電機の静圧軸受の断面図である。 本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機の断面図である。 本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機の断面図である。 本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機の断面図である。 本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機の断面図である。 本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機の断面図である。 本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機の断面図である。 本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機の要部を示す断面図である。 ラジアルノズルの概要を示す図である。 ラジアルノズルを取付けた状態を拡大して示す図である。 多重ボリュート式のノズルの概要を示す図である。 本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機の断面図である。 図２４に示すサブマージドタービン発電機の変形例の要部を示す断面図である。 図２４に示すサブマージドタービン発電機の変形例の概要を示す図である。 図２４に示すサブマージドタービン発電機の変形例の概要を示す図である。 本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機の概要を示す図である。 本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機の断面図である。 本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機の断面図である。 図３０に示すサブマージドタービン発電機の変形例を示す断面図である。 本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機の断面図である。 本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機の断面図である。 本発明の更に他の実施の形態のサブマージドタービン発電機の断面図である。 図３４に示すサブマージドタービン発電機のコイルカバーエンド及び整流ステーを示す斜視図である。
符号の説明
１２，３１０ タービン
１４ 発電機
１６，３１２ ランナ
１８ 発電機ロータ
２０ 主軸
２２ 作動流体源
２４，１０４，１６０，２４４，３５０ 上部軸受
２６，１１０，１６２，２４６，３５２ 下部軸受
２８ エクスデューサ
３０，１９２ スラストバランス機構
３２ ハウジング
３２ａ 冷却液注入口
３３ 主ライン
３４ ケーシング
３５，２５８，２６８，２７４，２７８，３５６ 主流路
４０，２２２，２３０ ノズル
４８ ステータ
５０ 排出導管
５２ スロットルリング
５４ 膨出部
５６，６４ ウェアリング
５８ スラストプレート
６０，１６６，１７２，２０２，３０３ 固定オリフィス
６２，１７４，２０６ 可変オリフィス
６８，１３４，１７６ 変圧チャンバ
７０ 可変周波数励磁電源
７２ 発電機部軸
７４ タービン部軸
７６ 軸継手
８４ 中実軸
８６ スリーブ軸
９０ ラジアル磁気軸受
９２ スラスト磁気軸受
１００，１０６ 接触式軸受部
１０２，１０８ 非接触式軸受部
１６４，３０４ 副ライン
１７０，２００ バランススリーブ
１８０ 連結配管
１９６，２８２ バランスドラム
２０４ スラストスリーブ
２１４ スロットルリング
２１６ バランスピストン
２４０，２４２ 多段タービン群
２８２ バランスドラム
３００ 軸受
３４４ コイルエンドカバー
３４６ 整流ステー
３６４，３６６ 環状シール

Claims (23)

  1. 主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、
    前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、
    前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、
    前記主軸は、少なくとも２以上の部材を組合せて構成されていることを特徴とするサブマージドタービン発電機。
  2. 前記主軸は、前記発電機ロータを固着した発電機部軸と、前記ランナを固着したタービン部軸とを軸方向に直列に結合して構成されていることを特徴とする請求項１記載のサブマージドタービン発電機。
  3. 前記主軸は、中実軸と該中実軸の周囲を包囲するスリーブ軸とから構成され、このスリーブ軸の外周面に前記発電機ロータが、中実軸の外周面に前記ランナがそれぞれ固着されていることを特徴とする請求項１記載のサブマージドタービン発電機。
  4. 主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、
    前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、
    前記主軸に作用するスラスト荷重をバランスさせるスラストバランス機構と、
    前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、
    前記軸受の少なくとも一つは、静止時及び起動時に前記主軸に作用するスラスト荷重を支持するスラスト磁気軸受からなることを特徴とするサブマージドタービン発電機。
  5. 主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、
    前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、
    前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、
    前記軸受は、接触式軸受部と非接触式軸受部を有することを特徴とするサブマージドタービン発電機。
  6. 主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、
    前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、
    前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、
    前記軸受は、前記ランナに高圧流体を送る主ラインと別に設けた副ラインを通る高圧作動流体によって冷却されることを特徴とするサブマージドタービン発電機。
  7. 主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、
    前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、
    前記主軸に作用するスラスト荷重をバランスさせるスラストバランス機構と、
    前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、
    前記主軸の前記発電機を挟んだ反ランナ側端部に前記スラストバランス機構の固定オリフィス及び／または可変オリフィスを設けたことを特徴とするサブマージドタービン発電機。
  8. 主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、
    前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、
    前記主軸に作用するスラスト荷重をバランスさせるスラストバランス機構と、
    前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、
    前記スラストバランス機構は、前記主軸に固定され、ハウジング側との間に固定オリフィス及び／または可変オリフィスを形成するバランススリーブを有することを特徴とするサブマージドタービン発電機。
  9. 前記バランススリーブは、前記ハウジング側との間に固定オリフィスを形成する部分と前記ハウジング側との間に可変オリフィスを形成する部分とに分割されていることを特徴とする請求項８記載のサブマージドタービン発電機。
  10. 前記スラストバランス機構は、前記主軸と前記ハウジング側との間に設けられる可変オリフィスを有することを特徴とする請求項８または９記載のサブマージドタービン発電機。
  11. 前記スラストバランス機構は、前記ランナと前記ハウジング側との間に設けられる可変オリフィスを有することを特徴とする請求項８または９記載のサブマージドタービン発電機。
  12. 主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、
    前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、
    前記主軸に作用するスラスト荷重をバランスさせるスラストバランス機構と、
    前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、
    前記スラストバランス機構は、バランスピストンからなることを特徴とするサブマージドタービン発電機。
  13. 主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、
    前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、
    前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、
    前記ランナを有するタービンは、ランナを互いに対抗する方向に向けて多段に設けられていることを特徴とするサブマージドタービン発電機。
  14. 主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、
    前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、
    前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、
    前記タービンを互いに対抗する方向に向けて配置し、該タービンに作動流体を同時に供給して各ランナを同時に回転させることを特徴とするサブマージドタービン発電機。
  15. 前記作動流体は、互いに反対方向に流れて前記各タービンの各ランナを同時に回転させるように構成されていることを特徴とする請求項１４記載のサブマージドタービン装置。
  16. 主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、
    前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、
    前記発電機を内部に収容するとともに、前記主軸を回転自在に支承する軸受を有するハウジングを備え、
    前記ハウジングは、前記ケーシングの内部に導入された作動流体の一部を該ハウジングの内部に注入する冷却液注入口を有することを特徴とするサブマージドタービン発電機。
  17. 主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、
    前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、
    前記発電機を内部に収容するとともに、前記主軸を回転自在に支承する軸受を有するハウジングを備え、
    前記ハウジングには、前記ケーシングの内部に作動流体を送り込む主ラインとは別に、該ハウジングの内部に作動流体を流入させる副ラインが接続されていることを特徴とするサブマージドタービン発電機。
  18. 主軸に固着され、作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、
    前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有し、ケーシングの内部に収容された発電機と、
    前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、
    前記ランナは、前記ケーシングの内部に導入され、前記発電機の周囲を通過した作動流体によって回転するように構成されていることを特徴とするサブマージドタービン発電機。
  19. 前記ステータのコイルエンドの周囲を囲繞するコイルエンドカバーが設けられていることを特徴とする請求項１８記載のサブマージドタービン発電機。
  20. 前記コイルエンドカバーの外周面には、複数の整流ステーが設けられていることを特徴とする請求項１９記載のサブマージドタービン発電機。
  21. 主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、
    前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、
    前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、
    前記ランナは、単一の吸込口と、前記主軸の軸方向に沿って互いに離れる方向に作動流体を吐出す第１吐出口と第２吐出口を有することを特徴とするサブマージドタービン発電機。
  22. 主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、
    前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、
    前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、
    前記ランナ外周部の入口近傍にラジアルノズルを配置したことを特徴とするサブマージドタービン装置。
  23. 主軸に固着され、ケーシングの内部に導入された作動流体の流体圧で該主軸と一体に回転するランナを有するタービンと、
    前記主軸に固着され該主軸と一体に回転する発電機ロータ及び該発電機ロータの周囲を囲繞するステータを有する発電機と、
    前記主軸を回転自在に支承する軸受を備え、
    前記ランナ外周部の入口近傍に多重ボリュート式のノズルを配置したことを特徴とするサブマージドタービン装置。
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