JP2008128126A - 熱発電用タービンユニットおよび熱発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】タービン翼車とハウジング等の固定側部材との間の隙間からの蒸気の漏洩を効果的に防ぐことができる熱発電用タービンユニットを提供する。
【解決手段】熱発電用タービンユニット２は、ノズル８から蒸気３を半径方向に噴射させて、タービン翼車５Ａに回転力を与え、発電機ロータ６Ａを回転させる半径流タービンを備える。前記タービン翼車５Ａは、前記発電機ロータ６Ａと同心で回転する主軸７に固定された動翼取付部材５ａと、この動翼取付部材５ａの外周部の軸方向を向く動翼取付面に所定の間隔を開けて対向するリング状の動翼カバー部材５ｃと、これら動翼取付部材５ａと動翼カバー部材５ｃとの間に両部材５ａ，５ｃと一体に取付けられた円周方向に並ぶ複数の動翼５ｄを持つ動翼部材とでなり、前記動翼取付部材５ａおよび動翼カバー部材５ｃの少なくとも一方と固定側部材１２との間の隙間に、蒸気の漏洩を阻止する非接触シール手段２０を設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、太陽熱等の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱発電用タービンユニットおよび熱発電システムに関する。

熱発電システムの１つに太陽熱発電システムがある（例えば特許文献１〜３）。この太陽熱発電システムは、コレクタ部において作動媒体を太陽熱で加熱し、その作動媒体の高圧蒸気をタービン動翼の外周側に設けられた１個または複数個のノズルからタービン動翼に噴出させてタービンを回転駆動し、その後、作動媒体の蒸気を復水器により再び液体に戻してコレクタ部に循環させるという熱サイクルを行い、タービンの回転で発電機を発電させるものである。
このような太陽熱発電システムに設けられるタービンとして、軸流タービン（例えば特許文献４）や、円盤形粘性タービン（例えば特許文献５）が知られている。
特開２００２−２４２６９３号公報 特開２０００−１１０５１５号公報 特開２００３−２２７３１５号公報 特開２０００−０７３７０２号公報 特開２００４−２７８３３５号公報

軸流タービンは、タービン翼車が半径方向に突出しているため、タービンを収容するハウジング等の固定側部材とタービン翼車との間の隙間に作動媒体の漏洩を阻止するシール手段を設けることが難しい。仮にシール手段を設けた場合には、特許文献４のように構造が複雑なものとなり、加工コストが高くつく。しかし、シール手段を設けないと、上記隙間から作動媒体が漏洩するため、タービン動翼に当たらない作動媒体の量が増え、その分が損失となり、タービン効率が低くなってしまう。

特に、熱発電システムに使用する場合には、高温条件下でタービン翼車が回転するため、タービン翼車が熱膨張する。そのため、タービン翼車と固定側部材との間の隙間を常に狭い状態に維持するのが難しい。また、タービン翼車の熱膨張量は軸方向よりも径方向の方が大きいため、タービン翼車と固定側部材との間の径方向隙間にシール構造を設けることは難しい。

また、円盤形粘性タービンは、作動媒体の粘性力を利用してタービン翼車を回転させるものであるから、タービン動翼間に形成される作動媒体通路の流路抵抗が大きい。そのため、円盤形粘性タービンを熱発電システムに使用した場合には、前記通路を通らずに周辺の隙間を通る作動媒体の量が多く、その分が損失となって、タービン効率が低くなる。

一般的に、特許文献１〜３のような太陽熱発電システムでは、得られる熱エネルギーが小さいため、作動媒体がタービン動翼間の通路を通らずに周辺の隙間を通る損失量の割合が高くなり、システムの効率が大きく低下する。したがって、タービン効率の良い熱発電用ユニットとすることで、太陽熱発電システムの効率を向上させることが望まれる。

この発明の目的は、タービン翼車とハウジング等の固定側部材との間の隙間からの蒸気の漏洩を効果的に防ぐことができ、タービン効率が高く、太陽熱発電システム等の熱エネルギーの小さい熱発電システムにも適した熱発電用タービンユニットを提供することである。

この発明の熱発電用タービンユニットは、ノズルから蒸気を半径方向に噴射させて、タービン翼車に回転力を与え、発電機ロータを回転させる半径流タービンを備えた熱発電用タービンユニットにおいて、前記タービン翼車は、前記発電機ロータと同心で回転する主軸に固定された動翼取付部材と、この動翼取付部材の外周部の軸方向を向く動翼取付面に所定の間隔を開けて対向するリング状の動翼カバー部材と、これら動翼取付部材と動翼カバー部材との間に両部材と一体に取付けられた円周方向に並ぶ複数の動翼を持つ動翼部材とでなり、前記動翼取付部材および動翼カバー部材の少なくとも一方と固定側部材との間の隙間に、蒸気の漏洩を阻止する非接触シール手段を設けたことを特徴とする。固定側部材は、回転するタービン翼車に対向する固定状態の部材のことであり、例えばタービンを収容するハウジングである。

この発明の構成によれば、タービン動翼を、主軸と一体に回転する２つの部材（動翼取付部材および動翼カバー部材）の間に設け、その２つの部材と固定側部材との間の隙間に非接触シール手段を設けることにより、隙間からの作動媒体の漏洩が防がれ、タービン動翼間の通路を通る作動媒体の量が増える。それにより、タービン動翼に対してより多くの駆動力を与えることができるようになり、タービン効率が高くなる。

前記非接触シール手段は、前記動翼取付部材および動翼カバー部材の少なくとも一方と前記固定側部材との間の軸方向の隙間に設けると良い。
タービン翼車は高温条件下で回転するため熱膨張するが、その熱膨張量は軸方向の方が径方向よりも少ない。したがって、軸方向隙間に非接触シール手段を設けると、熱膨張による隙間量の変化が小さく、隙間の管理が容易となるため、よりシール性の高い非接触シール手段とすることができる。

前記半径流タービンは、作動媒体の粘性力を利用してタービン翼車を回転させる円盤形粘性タービンとすることができる。円盤形粘性タービンはテスラタービンとも呼ばれ、並列に配置した複数の円盤間に形成された通路に流体を吹き付けることにより、流体の粘性で円盤を回転させて、回転力を取り出すものである。
円盤形粘性タービンのような通路抵抗が大きいタービンでも、上記非接触シール手段を設けることにより、作動媒体が通路内を通りやすくなり、タービン効率を高くできる。

この発明の熱発電システムは、コレクタ部で太陽熱を集熱した熱エネルギーにより、液体の作動媒体を直接または間接的に加熱して気化させ、こうして得られた作動媒体の蒸気を、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱発電用タービンユニットに、前記ノズルから噴射させる蒸気として供給し、この熱発電用タービンユニットから出た蒸気を復水器により液体に戻すことを特徴とする。
太陽熱で得られる熱エネルギーは小さいが、タービン効率の良いこの発明の熱発電用タービンユニットを用いることにより、十分にタービンを回転させて発電することができる。

この発明の熱発電用タービンユニットは、ノズルから蒸気を半径方向に噴射させて、タービン翼車に回転力を与え、発電機ロータを回転させる半径流タービンを備えた熱発電用タービンユニットにおいて、前記タービン翼車は、前記発電機ロータと同心で回転する主軸に固定された動翼取付部材と、この動翼取付部材の外周部の軸方向を向く動翼取付面に所定の間隔を開けて対向するリング状の動翼カバー部材と、これら動翼取付部材と動翼カバー部材との間に両部材と一体に取付けられた円周方向に並ぶ複数の動翼を持つ動翼部材とでなり、前記動翼取付部材および動翼カバー部材の少なくとも一方と固定側部材との間の隙間に、蒸気の漏洩を阻止する非接触シール手段を設けたことにより、タービン翼車とハウジング等の固定側部材との間の隙間からの蒸気の漏洩を効果的に防ぐことができ、タービン効率が高く、太陽熱発電システム等の熱エネルギーの小さい熱発電システムにも適したものとなった。

この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。この熱発電用タービンユニット２は、発電機６とタービン５とが上下に配置される。発電機６は、回転部分である一対の発電機ロータ６Ａ，６Ａと、静止部分である発電機ステータ部６Ｂとでなる。具体的には、発電機６はアキシアルギャップ型発電機であり、円筒状のユニットハウジング１２の内周側に設けられた発電機ステータ部６Ｂに対して、垂直方向に向く姿勢とした主軸７に設けられた一対の発電機ロータ６Ａ，６Ａが上下に所定のギャップを介して対向配置されている。

発電機ステータ部６Ｂは、そのステータ基体１３が非磁性体からなるコアレス構造とされており、ステータ基体１３の周方向に１個ないし複数個のコイル部１４が集中巻きで配置されている。なお、発電機ステータ部６Ｂのステータ基体１３を磁性体とした場合、始動トルクの増大、低速回転域での鉄損増大やコギングトルクによる騒音、振動等が生じるが、コアレス構造としたこの実施形態では、そのような問題を回避できる。ただし、発電機６は上記したコアレス構造のものに限らず、他の構造のものを採用しても良い。前記コイル部１４は、その表面の絶縁被膜を保護するために樹脂等でモールドされている。これにより、発電機ステータ部６Ｂにおけるコイル部１４の表面の絶縁被膜が、作動媒体３である有機溶媒等により侵されて安定した発電が行えなくなるのを回避できる。

各発電機ロータ６Ａは、主軸７に一体に形成したフランジ状のロータ基体１５における前記発電機ステータ部６Ｂに対向する側面の円周上に、１個ないし複数個の磁石１６を配置して構成されている。この場合の磁石１６の磁極は、その磁束が発電機ステータ部６Ｂのコイル部１４に鎖交するように配置される。例えば、上ロータ磁石がＮ極、下ロータ磁石がＳ極とされる。

タービン５は半径流タービンであり、前記主軸７と一体に回転するタービン翼車５Ａを有する。タービン翼車５Ａは、主軸７の下端部に嵌合する円板状の動翼取付部材５ａと、複数の動翼５ｄが形成された動翼部材５ｂと、この動翼部材５ｂの下側に配置された動翼カバー部材５ｃとでなる。動翼取付部材５ａは、主軸７と一体で回転するように主軸７の下端の雄ねじ部に螺合させたナット１７で固定されている。動翼部材５ｂと動翼カバー部材５ｃは、動翼取付部材５ａに対して軸方向からボルト等（ボルト穴の図示なし）で固定され、動翼取付部材５ａと一体となって回転する。動翼部材５ｂは、樹脂成形品や金属製品からなり、機械加工等で動翼５ｄが形成されている。

タービン５の外周には円筒状のノズル部材１８が設けられ、このノズル部材１８の動翼５ｄの翼列に向けて貫通するノズル８が、図２のように円周方向に複数分配して設けられている。ノズル部材１８の外周側には、蒸気となった作動媒体３を外部からノズル部材１８の外周側の空間に流入させる吸気口１９が、ユニットハウジング１２を貫通して設けられている。また、ユニットハウジング１２の底壁１２ａの中央部には、動翼５ｄの翼列を通過した作動媒体３を動翼５ｄの内周側の空間から外部に排出させる排気口２３が設けられている。

主軸７は磁気軸受やフォイル軸受等の非接触軸受２２Ａ〜２２Ｃを介してユニットハウジング１２に回転自在に支持される。なお、主軸７の支持は、非接触軸受２２Ａ〜２２Ｃによらず、転がり軸受等の接触式の軸受であっても良い。

図１（Ｂ）の部分拡大図に示すように、動翼取付部材５ａおよび動翼カバー部材５ｃと固定側部材であるユニットハウジング１２との間の径方向隙間に、非接触シール手段２０が設けられている。非接触シール手段２０としては、隙間を通る抵抗で高速の流体の流れをシールするものであればよく、ラビリンスシール構造、例えばテーパ形シール構造、スパイラル溝シール構造等の種々の構造があるが、いずれの構造を採用しても良い。なお、作動媒体の蒸気３がユニットハウジング１２の吸気口１９および排気口２３以外から出入りしないように覆われた構造になっている場合は、ユニットハウジング１２と動翼カバー部材５ｃとの間の隙間だけに非接触シール手段２０を設ければ良い。

この熱発電用タービンユニット２は、図３の熱発電システムに組み込まれる。熱発電システムは、熱エネルギーである太陽熱を電気エネルギーに変換して出力する太陽熱発電システムであって、太陽熱を集光して太陽熱を吸収するコレクタ部１と、上記熱発電タービンユニット２と、コレクタ部１とタービン５との間で作動媒体３を循環させるクローズド経路の作動媒体経路４とを備える。
作動媒体経路４は、前記コレクタ部１で加熱された作動媒体３の蒸気を高圧蒸気としてタービン５に噴出させてタービン５を回転駆動する前記ノズル８と、このノズル８から噴出してタービン５の回転に使用された作動媒体３の蒸気を液体に戻す復水器９と、液体に戻した作動媒体３をコレクタ部１に循環供給するポンプ１０とを有する。

上記構成による熱発電システムの動作を説明する。作動媒体経路４内の作動媒体３は、循環ポンプ１０によってコレクタ部１に送られる。コレクタ部１では太陽熱を吸収し、吸収した熱エネルギーを作動媒体３に与えることにより高圧蒸気とする。作動媒体３の高圧蒸気は、ユニットハウジング１２の吸気口１９からノズル８を介してタービン翼車５Ａの動翼５ｄに噴射され、これによりタービン翼車５Ａが回転駆動される。タービン翼車５Ａの回転によって発電機ロータ６Ａが回転し、発電機ロータ６Ａと対向して設けられた発電機ステータ部６Ｂで発電される。この発電の制御はコントロータ１１によって行われる。タービン翼車５Ａに回転エネルギーを与えた作動媒体３の蒸気は、動翼５ｄ間の通路を通り抜けて、排気口２３から熱発電用タービンユニット２の外に出る。その後、作動媒体３の蒸気は、復水器７によって液化され、循環ポンプ９によって再度コレクタ部１まで送られる。

この熱発電用タービンユニット２は、動翼取付部材５ａおよび動翼カバー部材５ｃとユニットハウジング１２との間の隙間に非接触シール手段２０が設けられているため、前記隙間からの作動媒体３の蒸気の漏洩がほとんど無く、ノズル８から噴射された作動媒体の蒸気３の大半が動翼５ｄの翼列間通路を通る。そのため、動翼５ｄに対して多くの駆動力を与えることができ、タービン効率が高い。
これに対し、非接触シール手段２０が設けられていない場合（図５）は、図５で矢印で示すように、ノズル８から噴射された作動媒体３の蒸気のうちの一部が、動翼取付部材５ａおよび動翼カバー部材５ｃとユニットハウジング１２との間の隙間を通って動翼５ｄの内側空間へ流れる。その漏洩分がエネルギー損失となるため、実施形態のものに比べてタービン効率が低い。

図４に示すように、非接触シール手段２０を、動翼取付部材５ａおよび動翼カバー部材５ｃとユニットハウジング１２との間の軸方向隙間に設けても良い。その場合も、非接触シール手段２０の構造は問わない。また、作動媒体の蒸気３がユニットハウジング１２の吸気口１９および排気口２３以外から出入りしない構造である場合は、ユニットハウジング１２と動翼カバー部材５ｃとの間の隙間だけに非接触シール手段２０を設ければ良い。

タービン翼車５Ａは高温条件下で回転するため熱膨張するが、その熱膨張量は径方向よりも軸方向の方が小さい。したがって、非接触シール手段２０を軸方向隙間に設けると、熱膨張による隙間の大きさの変化が小さく、隙間の管理が容易となるため、よりシール性の高い非接触シール手段とすることができる。

この発明の第２の実施形態を図６および図７に示す。この実施形態のタービン５は、作動媒体蒸気３の噴射方向の上手側から下手側に向けて、第１の動翼５ｄ_１、静翼５ｅ、第２の動翼５ｄ_２を順に設けた構成となっている。第１の動翼５ｄ_１および第２の動翼５ｄ_２が形成された動翼部材５ｂは、動翼取付部材５ａと動翼カバー部材５ｃ_１，５ｃ_２との間に設けられている。静翼５ｅは、第１、第２の動翼５ｄ_１，５ｄ_２に対し翼を逆向きにして、ユニットハウジング１２と一体のノズル部材１８に形成されている。ノズル８から噴射された作動媒体３は、まず第１の動翼５ｄ_１に吹き付けられ、第１の動翼５ｄ_１を通過した後、静翼５ｅによって向きを変えられ、今度は第２の動翼５ｄ_２に吹き付けられる。これにより、タービン翼車５Ａに回転力を与える。これ以外は第１の実施形態と同じ構成である。

図６（Ｂ）の部分拡大図に示すように、動翼取付部材５ａとユニットハウジング１２との間の軸方向隙間、第２の動翼カバー部材５ｃ_２とユニットハウジング１２との間の軸方向隙間、および第１の動翼カバー部材５ｃ_１とユニットハウジング１２との間の径方向隙間に、それぞれ非接触シール手段２０が設けられている。第１の実施形態と同様に、非接触シール手段２０の構造は問わない。また、作動媒体の蒸気３がユニットハウジング１２の吸気口１９および排気口２３以外から出入りしないように覆われた構造になっている場合は、ユニットハウジング１２と動翼カバー部材５ｃ_１，５ｃ_２との間の隙間だけに非接触シール手段２０を設ければ良い。

上記第１および第２の実施形態の熱発電用タービンユニットは、発電機６をアキシアル型コアレス発電機としているが、ラジアル型等の他の構造でも構わない。また、ノズル８を動翼５ｄ，５ｄ_１，５ｄ_２の外側に配置し、外側から内側に作動媒体の蒸気３を噴射させる構造としているが、ノズル８を動翼５ｄ，５ｄ_１，５ｄ_２の内側に配置した半径流タービンでも構わない。動翼取付部材５ａが主軸７と別部材で構成されているが、動翼取付部材５ａを主軸７と一体に形成してもよい。発電機ロータ６Ａは主軸７に形成するのではなく、主軸７と別部材に構成してもよい。

また、タービンを円盤形粘性タービンとしても良い。円盤形粘性タービンはテスラタービンとも呼ばれ、並列に配置した複数の円盤間に形成された通路に流体を吹き付けることにより、流体の粘性で各円盤を回転させて、回転力を取り出すものである。円盤形粘性タービンの動翼は、例えば図８に示すような螺旋状の溝３１ａを有する動翼要素３１の両側に円板状部材（図示せず）を重ね合わせ、片側の円板状部材に前記溝３１ａの中心側端に対応して作動媒体蒸気の排出口（図示せず）を形成することにより構成される。動翼要素３１と円板状部材とを複数段に重ね合わせたものとしても良い。このように構成された動翼の外周側から作動媒体の蒸気を噴射すると、前記溝３１ａからなる螺旋通路を作動媒体蒸気が中心部に向かって流れ、前記排出口から排出される。作動媒体蒸気が螺旋通路を流れる際に、作動媒体の粘性により動翼に回転力が与えられる。

通常、１枚の動翼は非常に厚みが薄く形成されているため、螺旋通路内の流路抵抗が大きく、ノズルから噴射された作動媒体蒸気が螺旋通路内に入り込み難く、動翼取付部とユニットハウジング等の固定側部材との間の隙間に逃げてしまいやすい。そこで、動翼取付部と固定側部材との間の軸方向隙間に前記各実施形態と同様の非接触シール手段を設けることにより、螺旋通路内に作動媒体蒸気が入り込みやすくなり、タービン効率を向上させることができる。

（Ａ）はこの発明の第１の実施形態にかかる熱発電用タービンユニットの断面図、（Ｂ）はそのＩＢ部拡大図である。 図１（Ａ）のII−II断面図である。 熱発電システムの概略図である。 第１の実施形態の変形例の要部の断面図である。 従来の熱発電用タービンユニットの要部の断面図である。 （Ａ）はこの発明の第２の実施形態にかかる熱発電用タービンユニットの断面図、（Ｂ）はそのVIＢ部拡大図である。 図６（Ａ）のVII−VII断面図である。 円盤形粘性タービンの動翼要素を示す図である。

符号の説明

１…コレクタ部
２…熱発電用タービンユニット
３…作動媒体
５…タービン
５Ａ…タービン翼車
５ａ…動翼取付部材
５ｂ…動翼部材
５ｃ，５ｃ_１，５ｃ_２…動翼カバー部材
５ｄ，５ｄ_１，５ｄ_２…動翼
５ｅ…静翼
６…発電機
６Ａ…発電機ロータ
７…主軸
８…ノズル
１２…ユニットハウジング（固定側部材）
２０…非接触シール手段

Claims (4)

1. ノズルから蒸気を半径方向に噴射させて、タービン翼車に回転力を与え、発電機ロータを回転させる半径流タービンを備えた熱発電用タービンユニットにおいて、
   前記タービン翼車は、前記発電機ロータと同心で回転する主軸に固定された動翼取付部材と、この動翼取付部材の外周部の軸方向を向く動翼取付面に所定の間隔を開けて対向するリング状の動翼カバー部材と、これら動翼取付部材と動翼カバー部材との間に両部材と一体に取付けられた円周方向に並ぶ複数の動翼を持つ動翼部材とでなり、前記動翼取付部材および動翼カバー部材の少なくとも一方と固定側部材との間の隙間に、蒸気の漏洩を阻止する非接触シール手段を設けたことを特徴とする熱発電用タービンユニット。
2. 請求項１において、前記非接触シール手段が、前記動翼取付部材および動翼カバー部材の少なくとも一方と前記固定側部材との間の軸方向の隙間に設けられている熱発電用タービンユニット。
3. 請求項１または請求項２において、前記半径流タービンは、作動媒体の粘性力を利用してタービン翼車を回転させる円盤形粘性タービンである熱発電用タービンユニット。
4. コレクタ部で太陽熱を集熱した熱エネルギーにより、液体の作動媒体を直接または間接的に加熱して気化させ、こうして得られた作動媒体の蒸気を、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱発電用タービンユニットに、前記ノズルから噴射させる蒸気として供給し、この熱発電用タービンユニットから出た蒸気を復水器により液体に戻すことを特徴とする熱発電システム。

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