JP2007198334A - 蒸気タービン及びこれを用いた太陽熱ランキンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービンのノズルからの噴出速度を有効に利用して衝動力を増大して蒸気タービンの効率を向上し、コンパクト化を図ること。
【解決手段】蒸気タービン１６は、羽根５の回転軸４近傍にノズル１を構成するとともに、羽根５の蒸気が流れる通路面積は軸側より外周側を大きく構成したことにより、ノズル１から噴出する蒸気はローター３の羽根５の中心から外部に向かって流れ、ガスの通路面積は羽根出口を大きく設定が可能となり、蒸気速度を遅くして反動力を増大させることが出来るので、蒸気タービンの効率向上し、蒸気タービン１６のコンパクト化や簡素化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱を利用したランキンシステム及びこれに用いる蒸気タービンに関するものである。

従来、この種の蒸気タービンは、蒸気が出力軸に狭い間隔で稠密に取り付けられた平面形状のディスク形の間を外周から軸に向かって流れ、蒸気の粘性力と付着力によりディスクを回転させるようにしている。（例えば特許文献１参照）。また、平板形状のディスクを用いて粘性だけを利用したテスラタービンもある。

そして、ディスク型のタービンで固定ディスクと回転ディスクを構成し、回転軸から半径方向に蒸気を流し動翼と静翼により反動力によりディスクを回転させるものがある（例えば特許文献２参照）。
特開２００２−１７４１６６号公報 特開２００５−４２５６７号公報

しかしながら、前記従来技術では、出力軸にほぼ直角の平面形状のディスクを多枚数重ね合わせて単純な形状とし、ケーシングの外周に設けた複数のノズルからおのおのに蒸気を噴出して衝動力を得る構成しているが、ノズルから噴出した蒸気はディスクの外周から中央に流すため、ディスクの厚さ方向は板厚で決まり一定であるため、ディスクの出口付近の面積は大きく設定できない。そのため、蒸気の前記出口での流速が十分に小さくすることが出来ないため、運動量の高い状態で蒸気が排出される。このため、蒸気により生じるタービン出力は、最高の出力が得られないという課題があった。

また、回転軸から半径方向に蒸気を流し、固定ディスクの静翼により案内した蒸気を回転ディスクの動翼に当てて反動力を得る構成では、固定ディスクと高速で回転する回転ディスクを接触せずに近接させる必要があり剛性の高い構造が必須となり一般的なラジアルタービンと同等の高精度の加工が必要である。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、羽根の回転軸近傍にノズルを構成したことにより、ノズルから噴出する蒸気はローターの羽根の中心から外部に向かって流れる。そのため、ガスの通路面積は羽根入口に比べて羽根出口を大きく設定が可能となり、羽根出口における蒸気速度を遅くして蒸気がディスクに伝える反動力を増大させて蒸気タービンの効率向上を図ることを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の蒸気タービンは、蒸気を噴出するノズルと、このノズルから噴出する蒸気を案内する複数の羽根を構成したローターと、前記ノズルと前記ローター及びこのローターの回転軸を内包し蒸気の入口と出口を構成したケーシングと、前記羽根の前記回転軸近傍に前記ノズルを構成するとともに、前記羽根の蒸気が流れる通路面積は軸側より外周側を大きく構成するものである。

この蒸気タービンは、羽根の回転軸近傍にノズルを構成したことにより、ノズルから噴出する蒸気はローターの羽根の中心から外部に向かって流れる。そのため、ガスの通路面積は羽根入口に比べて羽根出口を大きく設定が可能となり、羽根出口における蒸気速度を
遅くして蒸気がディスクに伝える反動力を増大させて蒸気タービンの効率を向上するものである。

本発明の蒸気タービンは、羽根の回転軸近傍にノズルを構成したことにより、ノズルから噴出する蒸気はローターの羽根の中心から外部に向かって流れる。そのため、ガスの通路面積は羽根入口に比べて羽根出口を大きく設定が可能となり、羽根出口における蒸気速度を遅くして蒸気がディスクに伝える反動力を増大させて蒸気タービンの効率を向上し、蒸気タービンのコンパクト化や簡素化を図ることができる。

第１の発明は、蒸気を噴出するノズルと、このノズルから噴出する蒸気を案内する複数の羽根を構成したローターと、前記ノズルと前記ローター及びこのローターの回転軸を内包し蒸気の入口と出口を構成したケーシングと、前記羽根の前記回転軸近傍に前記ノズルを構成するとともに、前記羽根の蒸気が流れる通路面積は軸側より外周側を大きく構成するものである。

この蒸気タービンは、羽根の回転軸近傍にノズルを構成したことにより、ノズルから噴出する蒸気はローターの羽根の中心から外部に向かって流れる。そのため、ガスの通路面積は羽根入口に比べて羽根出口を大きく設定が可能となり、羽根出口における蒸気速度を遅くして蒸気がディスクに伝える反動力を増大させて蒸気タービンの効率を向上し、また蒸気タービンのコンパクト化や簡素化を可能とできる。

第２の発明は、特に、第１の発明の蒸気タービンにおけるローターはディスク形の板を複数個重ね合わせ、各ローター間に間隙を介して前記回転軸上に固定し、前記回転軸の周囲には前記羽根毎に対向して設けたノズルと、前記ローターの外周に設けた蒸気の排出口を構成したことにより、蒸気は多数のディスクの間隙を通るため粘性により回転力を伝達できタービンの効率向上を図れ、かつローターの羽根に最適にノズル方向を設定できるため、常に最高の衝動力が得られる。そのため、タービン性能の高効率化と、同一形状に成型したローターを容易に複数個重ね合わせることができ、均一な間隙の形成によりローターユニットの組み立て精度を向上できる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の蒸気タービンにおけるローターの羽根は、蒸気の入口部から出口に至るに従って断面積を増加させる構成としたことにより、ノズルから羽根に入った蒸気は順次圧力を低下させ、その分回転力となる反動力による作用が増大できるので、蒸気の運動エネルギを回転軸に効率よく伝え、蒸気タービンのトルクを上昇し、蒸気タービンの効率を向上することができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の蒸気タービンにおけるローターを内包するケーシングは、インボリュート形状とし、その最大間隔部に蒸気の出口を構成したことにより、ノズルから噴出した蒸気はローターの各羽根を均一に流れ、ローターの外周を滑らかに流れて出口から排出でき、蒸気をロス無く利用できタービン効率を高く出来る。すなわち、ローターの各羽根から周状に排出する蒸気はケーシングを回りながら出口に至る。ケーシングが円状の場合は出口から遠い羽根から排出した蒸気は、近くから出た蒸気に阻害されて流れにくくなって流量が低下し、ローター全体を有効に利用できなかった。そこで蒸気がローターから出て出口に向かう通路であるケーシングを蒸気の出口に向かってインボリュートとしたことにより、各蒸気が流れる通路を確保でき、各羽根は同じ流量の蒸気が流れる。このため、ローターの各羽根を有効に使用でき、蒸気の運動エネルギを羽根で回転力に効率よく変換し、蒸気タービンのトルクを上昇し、蒸気タービンの効率を向上することができる。また、均一な流れは、タービンの回転を滑らかにし、回転
軸に対して変動の少ない力となるため、運転騒音と振動を低減し耐久信頼性を確保できるものである。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明の蒸気タービンにおける蒸気を噴出するノズルは、超音速型ノズルとし、前記ノズルの噴出方向を回転軸に対して接線方向に構成したことにより、蒸気の圧力を高速流れの運動量に効率よく変換し、この高速ガスを回転軸に対して接線方向の流れとすることで、回転するローターの羽根に沿って流すことができ、流れの乱れ等による損失がない。このことにより、蒸気のロスを防止してタービンの効率を向上させ、ローターとケーシングをある程度の間隙設ける事を可能とし部品の簡略化と耐久信頼性を確保できるものである。

第６の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明の蒸気タービンにおけるノズルは回転軸と一体として構成し、ローターの回転と同期して回転して構成したことにより、ノズルから噴出する蒸気は常に一定の方向でローターに当てることが出来るので、ローターへの蒸気の流入角度が常に最適値に固定して蒸気がローターに伝える衝動力が最大を維持して蒸気タービンの効率向上し、また蒸気タービンのコンパクト化や簡素化を可能とできる。

第７の発明は、特に、第１〜６のいずれか１つの発明の蒸気タービンを太陽熱ランキンシステムに搭載して、発電と給湯・暖房のコージェネレーションのシステムを実現することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における蒸気タービンの構成を示す図である。図１（ａ）は蒸気タービンの縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ｀横断面図である。また、図２は、本発明の第１の実施例における蒸気タービンと太陽熱ランキンシステムの構成図である。

図１において、１は、蒸気入口２から入ったを噴出するノズルで、このノズル１から噴出する蒸気の運動エネルギを受けて回転するローター３を回転軸（出力軸）４の周囲に複数個重ね合わせて設けている。蒸気は、高温のフロンや水の蒸気、または高温のＣＯ2や空気等のガス体のこともある。ローター３の側面にはノズル１から噴出する蒸気を案内する複数の羽根５(本実施例では４個)を構成し衝動面としてあり、羽根５の蒸気入口部分に対向してノズル１を構成してある。ローター３は、ディスク形の板を複数個重ね合わせた構成とし、回転軸４を貫通する形で複数個重ね合わせた時に、羽根５によって同一の幅になるように形成した間隙６をおのおの構成している。羽根５は、板状のディスクの一部を成型加工するか、あるいは別部品を接着、溶接し、またローター３の羽根５毎にノズル１を設けた構成とする。そして、ローター３の羽根５の形状は、ノズル1を構成した蒸気の入口部から出口である排出口１１に至るに従って通路の断面積を増加させる構成としている。

そして、ローター３の両端は端版A７と端版B８により保持し、回転軸４にはローター３の回転時の接触を防止するスペーサーA９、スペーサーB１０を設けてある。ローター３、回転軸４、スペーサーA９スペーサーB１０は、耐熱性、耐腐食性の材料で構成され、ステンレスやチタンやアルミナ等の金属材料やセラミックや樹脂で構成している。ローター３を構成するディスクの厚みは、重量の軽減のため、薄く（例えば、１ｍｍ以下）構成している。また、羽根５で構成する間隙６は、羽根５に沿って移動する蒸気の粘性力や付着力が働くように狭く（例えば１ｍｍ以下）構成している。ローター３の外周周囲には、流れに対してインボリュートで順次拡大する断面をもつ通路１１に開口した蒸気の排出口１２を設けている。ローター３、回転軸４、蒸気入口２、と蒸気出口１２はケーシング１３に
より内包してある。スペーサーA９、B１０の両端に設けた各ローター３よりも厚みのある端版A７、端版B８は、ローター３と回転軸４を固定するときにローター３を締め付けて剛性を高めて、ローター３のたわみを防止するようにしている。

蒸気は、蒸気入口２からノズル１を通り、ローター３の内周から高速で入る。そして、次に蒸気は羽根５に沿って旋回しながら間隙６内を移動し、ローター３の外周から周状に出て、順次、通路１１で集束し、蒸気出口１２から蒸気タービン１６の外部に出るようにしている。この蒸気タービン１６を回転させた後の蒸気を取り出し、再度蒸気を加熱する手段に送るようにしている。

ノズル１は、ローター３の羽根５の蒸気入口部分にこの羽根５毎に構成し、蒸気は回転軸４に対して直角に噴出し、かつ、ローター３の羽根５の内周部分に対して接線方向に位置するように設けている。ノズル１は、各ローター３間の羽根５のそれぞれに蒸気を噴出させるために複数個設けられている。ノズル１からは、蒸気を高速で羽根５内に噴出するようにしている。ノズル１の形状は、普通の蒸気タービンで使用されている単孔ノズルや先細ノズルや末広ノズル等を使用している。ノズル１は、蒸気の流速を加速するためにのど部から下流に向かって内径を徐々に拡大するようにディフューザー部分も構成するようにしており、ケーシング１３に予め作成したノズル１をカシメ加工等で取り付けても良いし、また一体に成型してもよい。

ノズル１、ローター３及び回転軸４を内包し蒸気入口２と蒸気出口１２を構成したケーシング１３は、回転軸４の回転を支えるための軸受けA１４と軸受けB１５が回転軸４の両端に設けられている。軸受けA１４、軸受けB１５は、シール性のあるベアリング軸受けまたは非接触の流体軸受けを使用している。このケーシング１３に収納した部品類で、蒸気タービン１６を構成している。ケーシング１３の材質は、ローター３のように耐熱性、耐腐食性の材料で構成され、例えばその材質は、ステンレスやチタンやアルミナ等の金属材料やセラミックで構成している。また、蒸気タービン１６の回転軸４用軸受けA１４の外側に回転軸４の回転を受けて発電する発電機１７を設けてある。発電機１７は、例えばアウターロータ式三相交流発電機を用い、この交流出力は、全波整流されたのちにインバータ（図示なし）により、電流制御を行うようにして安定した電流を得るようにしている。

図２において、２０は、太陽熱を受けて回収する集熱器で、この集熱器２０の熱を蓄熱槽２１に伝えるために、循環ポンプ２２を途中に設けた回路２３（閉回路）を設けている。
集熱器２０は、管状集熱器や真空ガラス管式集熱器やヒートパイプ式集熱器等で構成している。回路２３内を循環する熱媒体２４は、フロンや水のような液体で構成している。（熱媒体２４は、超臨界状態のＣＯ2や液体空気を用いる場合もある）熱媒体２４は、集熱器２０で加熱されて蒸気になり蓄熱槽２１に送られ、そこで熱交換することで凝縮し液体となる。この熱媒体２４を循環ポンプ２２で再度集熱器２０に送る。この動作を繰り返すことで、蓄熱槽２１に熱を貯める。蓄熱槽２１は、融点の高い溶融塩の相変化を利用した潜熱型や溶融塩や油等を用いた顕熱型や蒸気を圧力水の形で蓄える蒸気アキュムレイタ等を用いることで１００℃以上の高温の熱を貯める。２５は、蓄熱槽２１の熱を利用して形成した熱媒体２６の蒸気を蒸気タービン１６のノズル１に供給する供給ポンプで、蒸気タービン１６から排出された熱媒体２６を再度蓄熱槽２１に送る回路２７（閉回路）の途中に設けている。この回路２７内を循環する熱媒体２６は、フロンや水のような液体とその蒸気で構成している。（熱媒体２６は、超臨界状態のＣＯ2や液体空気を用いる場合もある）また、回路２７の蒸気タービン１６と供給ポンプ２５の途中に貯湯タンク２８を設けて、蒸気タービン１６に運動エネルギを与えた後の高温の蒸気の熱を利用して、貯湯タンク２８に湯を貯める。熱媒体２６は、この貯湯タンク２８に熱を伝えるときに凝縮して液体となり、蓄熱槽２１に送られて再度加熱され蒸気を形成する。この動作を繰り返すこと
により、蒸気タービン１６に設けた発電機１７により発電しながら貯湯タンク２８にお湯を貯めるようにしている。貯湯タンク２８に貯められたお湯は、給水ポンプ２９により給湯用や暖房用に供給されるようにしている。

以上のように構成された蒸気タービンについて、以下その動作、作用を説明する。

まず、蒸気タービン１６のノズル１に供給する蒸気を形成するためには、循環ポンプ２２を作動し、熱媒体２４を回路２３内に循環させ、太陽の熱を受けた集熱器２０で加熱し、高温の蒸気（または液体や蒸気と液体が混ざった二相状態等）を形成して蓄熱槽２１に送る。蓄熱槽２１では、この蒸気の熱を受けて２００℃程度の熱量を蓄積する。熱媒体２４の蒸気は、蓄熱槽２１で凝縮して液体となり、循環ポンプ２２により再度、集熱器２０に送られ、加熱される。この動作を太陽が当っている太陽熱の供給が可能な間、繰り返し必要な熱量を蓄熱槽２１に維持する。

蓄熱槽２１に所定の熱量が蓄積されると、回路２７に設けた供給ポンプ２５で、熱媒体２６を循環させ蓄熱槽２１で２００℃程度の熱媒体２６の蒸気を形成し、蒸気タービン１６のノズル１から噴出する。ノズル１から噴出する蒸気は、音速の運動エネルギを持ち、蒸気タービン１６のローター３の羽根５に構成する衝動面に衝突しながら、各ローター３間に構成される間隙６の内部を衝動面に沿いながら旋廻し、回転軸４の周囲に設けた排出口１１から排出される。この時、蒸気の粘性力や付着力により、ローター３が回転し、回転軸４にトルクとして伝えられる。この回転軸４のトルクを利用し発電機１７を回転させて、発電を行うようにしている。蒸気タービン１６から排出した熱媒体２６の蒸気は、貯湯タンク２８に送られ、水と熱交換を行い、その熱は貯湯タンク２８内にお湯として貯める。蒸気は、貯湯タンク２８内で凝縮し、液体となって供給ポンプ２５により蓄熱槽２１に送られ、再度加熱され蒸気を形成するようにしている。この動作を繰り返すことにより、蒸気タービン１６で発電しながら貯湯タンク２８にお湯を貯め、給湯や暖房の必要なときに給水ポンプ２９を作動しお湯を使用することでコージェネレーションのシステムを構成するようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、蒸気を噴出するノズル１と、このノズル１から噴出する蒸気を案内する複数５の羽根を構成したローター３と、ノズル１とローター３及びこのローター３の回転軸４を内包し蒸気の入口２と蒸気の出口１２を構成したケーシング１３と、羽根５の回転軸４近傍にノズル１を構成するとともに、羽根５の蒸気が流れる羽根５で構成する間隙６の通路面積は回転軸４側よりローターの外周側を大きく構成してある。そして、羽根５の回転軸４近傍にノズル１を構成したことにより、ノズル１から噴出する蒸気はローター３の羽根５の中心から外部に向かって流れる。そのため、蒸気が流れる間隙６の通路面積は羽根５入口に比べて羽根５出口を大きく設定が可能となり、羽根５出口における蒸気の流速を遅くして蒸気が羽根５に伝える反動力を増大させて蒸気タービンの効率を向上し、また蒸気タービンのコンパクト化や簡素化を可能とできる。すなわち、ノズル１から羽根５に入った蒸気は、断面積の増大に応じて順次圧力を低下させ、その分回転力となる反動力による作用が増大できるので、蒸気の運動エネルギを回転軸４に効率よく伝え、蒸気タービン１６のトルクを上昇し、蒸気タービン１６の効率を向上することができる。そして、ノズル１から噴出する蒸気２が隙間６の衝動面に長時間滞留し、粘性力と付着力を増大させ回転軸４に与えるトルクを上昇するので、発電機１７の発電量を増加することができる。

また、ローター３を、ディスク形の板を複数個重ね合わせ、各ローター間に間隙６を介して回転軸４に固定し、回転軸４の周囲には羽根５毎に対向して設けたノズル１と、ローター３の外周に設けた蒸気の排出口１２を構成したことにより、蒸気は多数のディスクの間隙６を通るため粘性により回転力を伝達できタービンの効率向上を図れ、かつローター
３の羽根５に最適にノズル方向を設定できるため、常に最高の衝動力が得られる。そのため、タービン性能の高効率化と、同一形状に成型したローターを容易に複数個重ね合わせることができ、均一な間隙の形成によりローターユニットの組み立て精度を向上できる。そして、最大発電量を増加するときは、複数個重ね合わせるローター３の個数を増加することで可能であり、複雑な形状の追加がないので、コストの上昇を抑制することができる。また、ノズル１から噴出する蒸気を衝動面に長時間滞留させ、粘性力と付着力を増大させて回転軸４に与えるトルクを上昇するので、低温度（２００℃程度）で作動する蒸気タービン１６を実現できる。

また、ローターの羽根３を、蒸気の入口から蒸気出口に至るに従って断面積を増加させる構成としたことにより、ノズル１から羽根５に入った蒸気は順次圧力を低下させ、その分回転力となる反動力による作用が増大できるので、蒸気の運動エネルギを回転軸４に効率よく伝え、蒸気タービン１６のトルクを上昇し、蒸気タービンの効率を向上することができる。そして、ノズル１から噴出する蒸気が衝動面に長時間滞留し、粘性力と付着力を増大させ回転軸４に与えるトルクを上昇するので、発電機１７の発電量を増加することができる。

また、ローター３を内包するケーシング１３を、インボリュート形状とし、その最大間隔部に蒸気出口１２を構成したことにより、ノズル１から噴出した蒸気はローター３の各羽根５の間隙６を均一に流れ、ローター３の外周を滑らかに流れて蒸気出口１２から排出でき、蒸気の持つエネルギーを流れの乱れや圧力変化による熱変換等のロス無く利用でき、タービン効率を高く出来る。すなわち、ローター３の各羽根５から周状に排出する蒸気はケーシング１３を回りながら出口１２に至る。ケーシング１３が円状の場合は出口１２から遠い羽根５から排出した蒸気は、近くから出た蒸気に阻害されて流れにくくなって流量が低下し、ローター３全体を有効に利用できなかった。そこで蒸気がローター３から出て出口１２に向かう通路であるケーシング１３を蒸気の出口に向かってインボリュートとしたことにより、各蒸気が流れる通路面積を確保でき、各羽根５は同じ流量の蒸気が流れる。このため、ローター３の各羽根５を有効に使用でき、蒸気の運動エネルギを羽根５で回転力に効率よく変換し、蒸気タービン１６のトルクを上昇し、蒸気タービンの効率を向上することができる。また、均一な流れは、タービンの回転を滑らかにし、回転軸４に対して変動の少ない力となるため、運転騒音と振動や磨耗を低減し耐久信頼性を確保できるものである。

また、独立した集熱用の回路２３を構成して、集熱器２０で得られた太陽熱を蒸気タービン１６の動作に関係なく、常時蓄熱槽２１に蓄えて維持できるので、発電の必要なときに蒸気タービン１６で必要な蒸気２を随時取り出すことができる。

また、回路２７の途中に貯湯タンク２８を設けたので、発電に関係なく蓄熱槽２１の熱をお湯として貯湯タンク２８に貯めることが可能なので、給湯や暖房に必要なお湯を随時取り出せることができる。

また、太陽熱を利用して蒸気２を形成し、ノズル１より噴出してローターユニット１１を回転させて発電するので、ＣＯ2削減の有効な手段とすることができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態における蒸気タービンの構成の横断面図である。実施例１と異なるところは、噴出するノズル１は、超音速型ノズルとし、かつ、ノズル１の噴出方向を回転軸４に対して接線方向に構成してある。このことにより、蒸気の圧力を高速流れの運動量を持つ蒸気に効率よく変換し、この高速ガスを回転軸４に対して接線方向の流れとすることで、回転するローター３の羽根５に沿って流すことができる。このため
、流れの乱れ等による損失がない。このことにより、蒸気のロスを防止してタービンの効率を向上させることが可能となる。また、ローター３とケーシング１３をある程度の間隙設ける事を可能とし部品の簡略化と耐久信頼性を確保できるものである。

（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施の形態における蒸気タービンの構成の図である。図４（ａ）は蒸気タービンの縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ｀横断面図である。実施例１と異なるところは、ノズル１は回転軸４と一体として構成し、ローター３の回転と同期して回転する構成としてある。回転軸４に固定して一体となった蒸気ガイド３１を構成し、この蒸気ガイド３１にノズル1を取り付けている。そして、蒸気ガイド３１とケーシング１３は、軸受け３０を介して気密、かつ、周動に構成し、蒸気入口２から入った蒸気はノズル１に全て流れる。そして、ノズル1とローター3が同じ回転軸４に固定されて回る。このため、ノズル１から噴出する蒸気は、常に一定の方向の角度でローター３に当てることが出来るので、ローター３の羽根５への蒸気の流入角度が常に最適値に固定して蒸気がローターに伝える衝動力が最大を維持して蒸気タービン１６の効率向上し、また蒸気タービンのコンパクト化や簡素化を可能とできる。

（実施の形態４）
図２は、本発明の第４の実施の形態における蒸気タービンと太陽熱ランキンシステムの構成図である。

図２において、太陽熱により形成する蒸気を供給するようにしたことにより、太陽熱ランキンシステムを行うことができ、発電と給湯・暖房のコージェネレーションのシステムを実現することができる。

以下その動作、作用について説明する。

太陽熱を受けられる状況になると循環ポンプ２２を作動し、熱媒体２４を回路２３内に循環させ、太陽の熱を受けた集熱器２０で加熱し、高温の蒸気として蓄熱槽２１に送り、蓄熱槽２１では、この蒸気を受けて２００℃程度の熱量を蓄積するようにしている。熱媒体２４の蒸気は、蓄熱槽２１で凝縮して液体となり、循環ポンプ２２により再度、集熱器２０に送られ、加熱されるようにしている。蓄熱槽２１に所定の熱量が蓄積されると、回路２７に設けた供給ポンプ２５で、熱媒体２６を循環させ蓄熱槽２１で２００℃程度の熱媒体２６の蒸気を形成し、蒸気タービン１６のノズル１から噴出する。ノズル１から噴出する蒸気は、音速の運動エネルギを持ち、蒸気タービン１６のローター３の衝動面に衝突しながら、各ローター３間に構成される間隙６の内部を旋廻し、回転軸４の周囲に設けた排出口１１から排出される。この時、蒸気の粘性力や付着力により、ローター３が回転し、回転軸４のトルクを利用し発電機１７を回転させて、発電を行う。蒸気タービン１６から排出した熱媒体２６の蒸気は、貯湯タンク２８に送られ、水と熱交換を行い、その熱は貯湯タンク２８内にお湯として貯められる。蒸気は、貯湯タンク２８内で凝縮し、液体となって供給ポンプ２５により蓄熱槽２１に送られ、再度加熱され蒸気を形成するようにしている。蒸気タービン１６で発電しながら貯湯タンク２８にお湯を貯め、給湯や暖房の必要なときに給水ポンプ２９を作動しお湯を使用するようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、蒸気タービン１６を太陽熱ランキンシステムに搭載して、発電と給湯・暖房のコージェネのシステムを実現することができるので、太陽熱という自然エネルギを活用し省エネ促進とＣＯ2削減の有効な手段を得ることができる。

なお、図５のように、集熱器２０で形成した熱媒体２４の蒸気を循環ポンプ２２より、
回路２３（閉回路）で直接蒸気タービン１６に送り、蒸気タービン１６を回転させて発電機１７により発電を行うことも可能である。また、回路２３の蒸気タービン１６と循環ポンプ２２の途中に貯湯タンク２８を設けて、蒸気タービン１６に運動エネルギを与えた後の高温蒸気の熱を利用して、貯湯タンク２８に湯を貯めることも可能である。熱媒体２４は、この貯湯タンク２８に熱を伝えるときに凝縮して液体となり、再度集熱器２０に送られて加熱され蒸気を形成する。この動作を繰り返すことで、蒸気タービン１６に設けた発電機１７により発電しながら貯湯タンク２８にお湯を貯めるようにしている。貯湯タンク２８に貯められたお湯は、給水ポンプ２９により給湯用や暖房用に供給されるようにしている。

なお、図６のように、集熱器２０で形成した熱媒体２４の蒸気を循環ポンプ２２より、回路２３（閉回路）で直接蒸気タービン１６に送り、蒸気タービン１６を回転させて発電機１７により発電だけを行うことも可能である。

以上のように、本発明にかかる蒸気タービンは、エネルギ密度の低い太陽熱を利用して蒸気タービンを作動できるので、自動車や燃料電池の排熱回収等に適用することができる。

本発明の実施の形態１における蒸気タービンの構成の断面図 本発明の実施の形態１、４における蒸気タービンと太陽熱ランキンシステムの構成図 本発明の実施の形態２における蒸気タービンの構成の断面図 本発明の実施の形態３における蒸気タービンの構成の断面図 本発明の実施の形態４における他の蒸気タービンと太陽熱ランキンシステムの構成図 本発明の実施の形態４における他の蒸気タービンと太陽熱ランキンシステムの構成図

符号の説明

１ ノズル
２ 蒸気入口
３ ローター
４ 回転軸
５ 羽根
１２ 蒸気出口
１３ ケーシング
１７ 発電機

Claims (7)

1. 蒸気を噴出するノズルと、このノズルから噴出する蒸気を案内する複数の羽根を構成したローターと、前記ノズルと前記ローター及びこのローターの回転軸を内包し蒸気の入口と出口を構成したケーシングと、前記羽根の前記回転軸近傍に前記ノズルを構成するとともに、前記羽根の蒸気が流れる通路面積は軸側より外周側を大きく構成した蒸気タービン。
2. ローターはディスク形の板を複数個重ね合わせ、各ローター間に間隙を介して前記回転軸上に固定し、前記回転軸の周囲には前記羽根毎に対向して設けたノズルと、前記ローターの外周に設けた蒸気の排出口を構成した請求項１に記載の蒸気タービン。
3. ローターの羽根は、蒸気の入口部から出口に至るに従って断面積を増加させる構成とした請求項１または２に記載の蒸気タービン。
4. ローターを内包するケーシングは、インボリュート形状とし、その最大間隔部に蒸気の出口を構成した請求項１〜３いずれか１項に記載の蒸気タービン。
5. 蒸気を噴出するノズルは、超音速型ノズルとし、前記ノズルの噴出方向を回転軸に対して接線方向に構成した請求項１〜４いずれか１項に記載の蒸気タービン。
6. ノズルは前記回転軸と一体として構成し、ローターの回転と同期して回転して構成した請求項１〜５いずれか１項に記載の蒸気タービン。
7. 請求項１〜６いずれか１項に記載の蒸気タービンを用いて発電と給湯・暖房のコージェネレーションのシステムを行うようにした太陽熱ランキンシステム。

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