JP2010236408A - タービン発電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】第一の軸受及び第二の軸受の寿命を延ばすタービン発電機を提供することを目的とする。
【解決手段】一方の軸2にタービン4が設けられたロータ1と、ロータ1の一方の軸2との間に第一の軸受11を備えるステータハウジング7と、ロータ1の他方の軸3との間に第二の軸受20を備える軸受フランジ17とを有するタービン発電機100であって、
ロータ1の他方の軸3を配する空間を仕切るようにロータ1の他方の軸3にバランスピストン40を設けると共に、バランスピストン40で仕切られた空間のバランスピストン40のロータ軸方向外側と、タービン4のガス出口側とを連通する連通ライン41を備え、バランスピストン40のロータ軸方向外側の圧力P2を、タービン4のガス入口からバランスピストン40までのロータ周囲側の圧力P1より低くするように構成する。
【選択図】図1

Description

本発明は、タービン発電機に関するものである。
近年、内燃機関の排熱を利用して発電を行うタービン発電機を車両等に搭載し、エネルギーの有効利用を図ることが提案されている。
この種の装置としては、例えば、図8に示される如く、エンジン60を冷却して高温となったクーラントをラジエータ61で冷却しポンプ62により循環させるようにした内燃機関において、ラジエータ61の上流側に熱交換器31を配設し、該熱交換器31に液状の冷却用媒体をポンプ32により供給して前記高温のクーラントと熱交換させ、冷却用媒体が気化して生じた作動流体を前記タービン発電機100のタービン4に供給することにより発電機Mにて発電を行い、該タービン4を回転駆動した後の低圧の作動流体を凝縮器33によって冷却凝縮させて液化させた後、再び前記熱交換器31に供給するようにしたものがある。
尚、図8に示されるような排熱を利用する装置の一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献1がある。
一方、図9は、本発明者等が開発した初期のタービン発電機100の一例を示す側断面図であり、図9中、1は両側に軸2,3を備えたロータであり、該ロータ1の一方の軸2には、タービンインペラ4aを有するタービン4が一体に嵌着されている。5は前記タービン4を収容するように形成されたタービンハウジングであり、該タービンハウジング5は、圧力を有する作動流体を前記タービン4に導くためのスクロール通路(ガス入口側)6を有していると共に、タービン4を回転駆動した後の低圧となった作動流体を排気するための排出通路(ガス出口側)6aを有している。
7は固定ボルト8によって前記タービンハウジング5に一体に組み付けるようにしたステータハウジングであり、該ステータハウジング7は、前記一方の軸2に近づくよう内周側に突出し更に内周部がロータ1に近づくように環状に突出した筒状突出部9を有しており、該筒状突出部9によって形成されるモータステータ収容部10aに、ロータ1を包囲するように形成したモータステータ10のタービンハウジング5側の一端部(図9の例では左側端部)を収容して保持するようになっている。更に、前記筒状突出部9の内周部と一方の軸2との間には第一の軸受11が配置されて一方の軸2を回転可能に支持するようになっている。前記モータステータ10は、内側のコイルからなるステータ12と、該ステータ12より軸方向の長さが長い外側のステータスリーブ13とにより構成されている。
又、前記タービンハウジング5に一体に組み付けられるステータハウジング7の端面には、前記スクロール通路6の作動流体をタービン4へ周方向から導くノズル部14に対して周方向に複数配置するようしたベーン15を有し、且つ該各ベーン15の角度を一斉に調節するようにしたリンク式のベーン角度調整機構を有するベーン装置16が嵌合凹部に配置されており、該ベーン装置16は前記タービンハウジング5とステータハウジング7の組み付けによってその相互間に挾持されるようになっている。
17は固定ボルト18によって前記ステータハウジング7に一体に組み付けるようにした軸受フランジであり、該軸受フランジ17は、前記モータステータ10の反タービンハウジング5側の他端部(図9の例では右側端部)の内側において軸方向へ突出して該モータステータ10の他端部を保持するようにした筒状突出部19を有しており、更に、該筒状突出部19の内周部と前記ロータ1の他方の軸3との間には第二の軸受20が配置されて他方の軸3を回転可能に支持するようになっている。21は、前記軸受フランジ17における他方の軸3が対応する位置に貫通するように形成された開口である。
22は固定ボルト23により前記軸受フランジ17に一体に組み付けるようにした蓋部材であり、該蓋部材22は、前記軸受フランジ17に備えた開口21を塞ぐように突出して該開口21に嵌合される凸部24を有している。尚、図9中、25は、タービンハウジング5とステータハウジング7との間、モータステータ10の外周とステータハウジング7との間、及び、軸受フランジ17と蓋部材22との間に設けたシールリング等からなるシール材である。
そして、前記ロータ1とモータステータ10とにより発電機Mが形成され、該発電機Mの同軸上に前記タービン4が備えられることによってタービン発電機100が構成され、このように構成したタービン発電機100によれば、組み立てが容易でしかもコンパクトな形状とすることができる。
特開2008−8224号公報
しかしながら、図9に示されるようなタービン発電機100においては、運転時にタービン4のガス出口側の圧力P2が、タービン4のガス入口からロータ1の他方の軸3までのロータ周囲側の圧力P1よりも低くなり、この差圧(P1−P2)がタービン4とロータ1を介して第一の軸受11及び第二の軸受20に作用し、第一の軸受11及び第二の軸受20へのスラスト負荷を増大させ、第一の軸受11及び第二の軸受20の寿命を短くするという問題があった。
本発明は、斯かる実情に鑑み、第一の軸受及び第二の軸受の寿命を延ばすタービン発電機を提供することを目的とするものである。
本発明は、両側に軸を有し一方の軸にタービンが設けられたロータと、前記タービンを包囲して収容するタービンハウジングと、前記ロータを包囲するモータステータを収容し且つ前記一方の軸との間に第一の軸受を備えて前記タービンハウジングに固定されるステータハウジングと、前記ロータの他方の軸との間に第二の軸受を備えて前記ステータハウジングに固定される軸受フランジとを有するタービン発電機であって、
前記ロータの他方の軸を配する空間を仕切るようにロータの他方の軸にバランスピストンを設けると共に、前記バランスピストンで仕切られた空間のバランスピストンのロータ軸方向外側と、前記タービンのガス出口側とを連通する連通ラインを備え、前記バランスピストンのロータ軸方向外側の圧力を、前記タービンのガス入口からバランスピストンまでのロータ周囲側の圧力より低くするように構成したことを特徴とするタービン発電機、にかかるものである。
本発明において、バランスピストンの外周と、該バランスピストンの外周に対向する軸受フランジの内周面との間にラビリンス構造を形成することが好ましい。
本発明において、バランスピストンの外周から軸受フランジの内周面までの隙間と、前記バランスピストンの外周の軸方向幅とでクリアランスシールを構成することが好ましい。
本発明において、連通ラインは、バランスピストンのロータ軸方向外側から外部へ貫通する第一の貫通孔と、タービンのガス出口側から外部へ貫通する第二の貫通孔と、ステータハウジングの外部で延在して第一の貫通孔及び第二の貫通孔を接続する接続ラインとで構成されることが好ましい。
本発明において、連通ラインは、ロータの軸心を貫通して一方の軸端から他方の軸端へ延在するロータ貫通孔で構成されることが好ましい。
タービン発電機の運転時には、ロータの他方の軸を配する空間を仕切るようにバランスピストンが回転すると共に、連通ラインにより、タービンのガス出口側と、バランスピストンのロータ軸方向外側とを連通する。そしてタービンのガス出口側の圧力は、ロータ周囲側の圧力より低くなって差圧を生じると共に、バランスピストンのロータ軸方向外側の圧力も、ロータ周囲側の圧力より低くなって差圧を生じる。
本発明のタービン発電機によれば、バランスピストンと連通ラインによりロータ周囲側とバランスピストンのロータ軸方向外側とに差圧を生じ、ガス出口側とロータ周囲側との差圧をキャンセルするので、第一の軸受及び第二の軸受へのスラスト負荷を低減し、第一の軸受及び第二の軸受の寿命を延ばすことができるという種々の優れた効果を奏し得る。
本発明を実施する形態の第一例を示す側断面図である。 バランスピストンと軸受フランジとの間に構成されたラビリンス構造を示す概念図である。 接続ラインを流体継手で接続する状態を示す概念図である。 本発明を実施する形態の第二例を示す側断面図である。 バランスピストンと軸受フランジとの間に構成されたクリアランスシールを示す概念図である。 本発明を実施する形態の第三例を示す側断面図である。 本発明を実施する形態の第四例を示す側断面図である。 内燃機関にタービン発電機を搭載した場合の一例を示す全体概要構成図である。 本発明者等が開発した初期のタービン発電機の一例を示す側断面図である。
以下、本発明を実施する形態の第一例を添付図面を参照して説明する。
図1〜図3は本発明を実施する形態の第一例であって、図中、図8及び図9と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は、図8及び図9に示すものと同様であるが、第一例の特徴とするところは、図1〜図3に示す如くロータ1にバランスピストン40を配置すると共に、ロータ1の他方の軸3を配する空間と、タービン4のガス出口側とを連通する連通ライン41を備えた点にある。
バランスピストン40は、ロータ1の一方の軸2と反対側に位置する他方の軸3の先端に配置され、他方の軸3を配する空間を、バランスピストン40のロータ軸方向外側と、タービン4のガス入口からバランスピストン40までのロータ周囲側とに仕切るように、円盤のプレートで構成されている。又、バランスピストン40の外周と、バランスピストン40の外周に対向する軸受フランジ17の内周面との間には、ラビリンス構造42が形成されている。
ラビリンス構造42は、図2に示す如くバランスピストン40の外周面に形成される第一凸部42aと、軸受フランジ17の内周面に形成される第二凸部42bとを備えており、第一凸部42aは、バランスピストン40の軸方向に所定の間隔で配置されて溝部42cを等間隔に形成し、第二凸部42bは、非接触で溝部42cに位置するように形成されている。ここで、ラビリンス構造42は、バランスピストン40又は軸受フランジ17のいずれか一方に構成されるものでも良いし、他の部材により構成されるものでも良いし、互いに非接触で両側の差圧を維持するならば他の形状や構造でも良い。
一方、連通ライン41は、バランスピストン40のロータ軸方向外側から外部へ貫通する第一の貫通孔43と、タービン4のガス出口側から外部へ貫通する第二の貫通孔44と、ステータハウジング7の外部で延在して第一の貫通孔43及び第二の貫通孔44を接続する接続ライン45とを備えて構成されている。
第一の貫通孔43は、軸受フランジ17に固定された蓋部材22を貫通し、バランスピストン40の外側面近傍から外部へ通じるようになっている。ここで第一の貫通孔43は、蓋部材22でなく、軸受フランジ17に設けても良いし、蓋部材22及び軸受フランジ17の両方に設けても良い。
又、第二の貫通孔44は、ステータハウジング7に固定されたタービンハウジング5を貫通し、ガス出口の所定位置から外部へ通じるようになっている。
更に接続ライン45は、ステータハウジング7の外部で延在するようにゴムホースや配管等で構成され、図3に示す如く第一の貫通孔43及び第二の貫通孔44に接続されたニップル等の流体継手46に対し、クリップ等の固定手段47を介して接続されている。ここで流体継手46は蓋部材22等にねじ込みで固定されても良いし、他の手段で固定されても良い。
次に本発明を実施する形態の第一例の作用を説明する。
タービン発電機100の運転時には、ロータ1の他方の軸3を配する空間を仕切るようにバランスピストン40が回転すると共に、連通ライン41により、タービン4のガス出口側と、バランスピストン40のロータ軸方向外側とを連通して略同じ圧力にする。
そしてタービン4のガス出口側の圧力P2は、ガスの排出に伴い、タービン4のガス入口からバランスピストン40までのロータ周囲側の圧力P1より低くなって差圧を生じる(P1−P2)と共に、バランスピストン40のロータ軸方向外側の圧力P2も、連通ライン41によって、タービン4のガス入口からバランスピストン40までのロータ周囲側の圧力P1より低くなって差圧を生じ(P1−P2)、ガス出口側の差圧とバランスピストン40のロータ軸方向外側の差圧とで圧力バランスをとる。
このように第一例のタービン発電機によれば、バランスピストン40と連通ライン41によりロータ周囲側とバランスピストン40のロータ軸方向外側とに差圧(P2−P1)を生じ、ガス出口側とロータ周囲側との差圧(P2−P1)をキャンセルするので、第一の軸受11及び第二の軸受20へのスラスト負荷を低減し、第一の軸受11及び第二の軸受20の寿命を延ばすことができる。
第一例のタービン発電機100において、バランスピストン40の外周と、バランスピストン40の外周に対向する軸受フランジ17の内周面との間にラビリンス構造42を形成すると、ロータ周囲側とバランスピストン40のロータ軸方向外側とに差圧(P2−P1)を適切に発生させるので、ガス出口側とロータ周囲側との差圧(P2−P1)を好適にキャンセルし、第一の軸受11及び第二の軸受20の寿命を大幅に延ばすことができる。
第一例のタービン発電機100において、連通ライン41は、バランスピストン40のロータ軸方向外側から外部へ蓋部材22又は/及び軸受フランジ17を貫通する第一の貫通孔43と、タービン4のガス出口側から外部へタービンハウジング5を貫通する第二の貫通孔44と、ステータハウジング7の外部で延在して第一の貫通孔43及び第二の貫通孔44を接続する接続ライン45とで構成されると、連通ライン41を容易に設けることができる。又、連通ライン41によってロータ周囲側とバランスピストン40のロータ軸方向外側に差圧(P2−P1)を適切に発生させるので、ガス出口側とロータ周囲側との差圧(P2−P1)を好適にキャンセルし、第一の軸受11及び第二の軸受20の寿命を大幅に延ばすことができる。
以下、本発明を実施する形態の第二例を添付図面を参照して説明する。
図4、図5は本発明を実施する形態の第二例であって、図中、図1〜図3と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は、図1〜図3に示すものと同様であるが、第二例の特徴とするところは、ラビリンス構造42のシールを図4、図5に示すクリアランスシール48に変更した点にある。
クリアランスシール48は、バランスピストン40aの外周面及び軸受フランジ17の内周面等にラビリンス構造を構成することなく、バランスピストン40aの外周面から軸受フランジ17の内周面までの小さな隙間(ギャップクリアランス)tと、バランスピストン40aの外周の充分に長い軸方向幅bとで構成されている。
ここで隙間tは、ロータ1の軸3の振動振幅及び、軸受フランジ(ケーシング)17とバランスピストン40aの熱膨張差により定まる値であり、可能な限り小さく設定されることが好ましい。又、ロータ1の軸3の振動振幅は、バランスピストン40aの摺動方向(図4では左右方向)に対して直角方向(図4の上下方向)に振動する際の振動振幅を意味している。更にクリアランスシール48は、互いに非接触で両側の差圧を維持するならば他の形状や構造でも良い。
また第二例は、第一例と同様にロータ1の他方の軸3を配する空間と、タービン4のガス出口側とを連通する連通ライン41を備えている。
次に本発明を実施する形態の第二例の作用を説明する。
タービン発電機100の運転時には、第一例と同様にロータ1の他方の軸3を配する空間を仕切るようにバランスピストン40aが回転すると共に、連通ライン41により、タービン4のガス出口側と、バランスピストン40aのロータ軸方向外側とを連通して圧力P2を略同じ圧力にする。
そしてタービン4のガス出口側の圧力P2は、第一例と同様にガスの排出に伴い、タービン4のガス入口からバランスピストン40aまでのロータ周囲側の圧力P1より低くなって差圧を生じる(P1−P2)と共に、バランスピストン40aのロータ軸方向外側の圧力P2も、連通ライン41によって、タービン4のガス入口からバランスピストン40aまでのロータ周囲側の圧力P1より低くなって差圧を生じ(P1−P2)、ガス出口側の差圧とバランスピストン40aのロータ軸方向外側の差圧とで圧力バランスをとる。
このように第二例のタービン発電機によれば、第一例と同様な作用効果を得ることができる。
第二例のタービン発電機100において、バランスピストン40aの外周から軸受フランジ17の内周面までの隙間tと、バランスピストン40aの外周の軸方向幅bとでクリアランスシール48を構成すると、複雑な形状や構成を必要とすることがなく、バランスピストン40aのロータ軸方向外側の圧力P2と、タービン4のガス入口からバランスピストン40aまでのロータ周囲側の圧力P1とによる差圧(P2−P1)を容易に且つ低コストに発生させるので、ガス出口側とロータ周囲側との差圧(P2−P1)を好適にキャンセルし、第一の軸受11及び第二の軸受20の寿命を大幅に延ばすことができる。
以下、本発明を実施する形態の第三例を添付図面を参照して説明する。
図6は本発明を実施する形態の第三例であって、図中、図1〜図3と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は、図1〜図3に示すものと同様であるが、第二例の特徴とするところは、ロータ1の他方の軸3を配する空間と、前記タービン4のガス出口側とを連通する連通ライン41を、図6に示す連通ライン51に変更した点にある。
連通ライン51は、ロータ1の軸心を直線状に貫通して一方の軸端から他方の軸端へ延在するロータ貫通孔52で構成されている。ここで第二例は、第一例と同様にバランスピストン40及びラビリンス構造42を備えている。
次に本発明を実施する形態の第三例の作用を説明する。
タービン発電機100の運転時には、第一例と同様にロータ1の他方の軸3を配する空間を仕切るようにバランスピストン40が回転すると共に、連通ライン51により、タービン4のガス出口側と、バランスピストン40のロータ軸方向外側とを連通して圧力P2を略同じ圧力にする。
そしてタービン4のガス出口側の圧力P2は、第一例と同様にガスの排出に伴い、タービン4のガス入口からバランスピストン40までのロータ周囲側の圧力P1より低くなって差圧を生じる(P1−P2)と共に、バランスピストン40のロータ軸方向外側の圧力P2も、連通ライン51によって、タービン4のガス入口からバランスピストン40までのロータ周囲側の圧力P1より低くなって差圧を生じ(P1−P2)、ガス出口側の差圧とバランスピストン40のロータ軸方向外側の差圧とで圧力バランスをとる。
このように第三例のタービン発電機によれば、第一例と同様な作用効果を得ることができる。
第三例のタービン発電機100において、連通ライン51は、ロータ1の軸心を貫通して一方の軸端から他方の軸端へ形成されるロータ貫通孔52で構成されると、連通ライン51により、タービン4のガス出口側と、バランスピストン40のロータ軸方向外側とを他の部材を用いることなく、同じ圧力にすると共に短い距離で連通することができる。又、連通ライン51によってロータ周囲側とバランスピストン40のロータ軸方向外側とに差圧(P2−P1)を適切に発生させるので、ガス出口側とロータ周囲側との差圧(P2−P1)を好適にキャンセルし、第一の軸受11及び第二の軸受20の寿命を大幅に延ばすことができる。
以下、本発明を実施する形態の第四例を添付図面を参照して説明する。
図7は本発明を実施する形態の第四例であって、図中、図6と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は、図6に示すものと同様であるが、第四例の特徴とするところは、第三例のラビリンス構造42のシールを図7、図5に示す第二例のクリアランスシール48に変更した点にある。
クリアランスシール48は、第二例と同様に、バランスピストン40aの外周面及び軸受フランジ17の内周面等にラビリンス構造を構成することなく、バランスピストン40aの外周面から軸受フランジ17の内周面までの小さな隙間(ギャップクリアランス)tと、バランスピストン40aの外周の充分に長い軸方向幅bとで構成されている。
ここで隙間tは、ロータ1の軸3の振動振幅及び、軸受フランジ(ケーシング)17とバランスピストン40aの熱膨張差により定まる値であり、可能な限り小さく設定されることが好ましい。又、ロータ1の軸3の振動振幅は、バランスピストン40aの摺動方向(図4では左右方向)に対して直角方向(図4の上下方向)に振動する際の振動振幅を意味している。更にクリアランスシール48は、互いに非接触で両側の差圧を維持するならば他の形状や構造でも良い。
また第四例は、第三例と同様にロータ1の他方の軸3を配する空間と、タービン4のガス出口側とを連通する連通ライン51を備えている。
次に本発明を実施する形態の第四例の作用を説明する。
タービン発電機100の運転時には、第三例と同様にロータ1の他方の軸3を配する空間を仕切るようにバランスピストン40aが回転すると共に、連通ライン51により、タービン4のガス出口側と、バランスピストン40aのロータ軸方向外側とを連通して圧力P2を略同じ圧力にする。
そしてタービン4のガス出口側の圧力P2は、第一例と同様にガスの排出に伴い、タービン4のガス入口からバランスピストン40aまでのロータ周囲側の圧力P1より低くなって差圧を生じる(P1−P2)と共に、バランスピストン40aのロータ軸方向外側の圧力P2も、連通ライン51によって、タービン4のガス入口からバランスピストン40aまでのロータ周囲側の圧力P1より低くなって差圧を生じ(P1−P2)、ガス出口側の差圧とバランスピストン40aのロータ軸方向外側の差圧とで圧力バランスをとる。
このように第四例のタービン発電機によれば、第一例〜第三例と同様な作用効果を得ることができる。
尚、本発明のタービン発電機は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
1 ロータ
2 一方の軸
3 他方の軸
4 タービン
5 タービンハウジング
6 スクロール通路(ガス入口側)
6a 排出通路(ガス出口側)
7 ステータハウジング
10 モータステータ
11 第一の軸受
17 軸受フランジ
20 第二の軸受
40 バランスピストン
40a バランスピストン
41 連通ライン
42 ラビリンス構造
43 第一の貫通孔
44 第二の貫通孔
45 接続ライン
48 クリアランスシール
51 連通ライン
52 ロータ貫通孔
100 タービン発電機
P1 圧力
P2 圧力
t 隙間
b 軸方向幅

Claims (5)

  1. 両側に軸を有し一方の軸にタービンが設けられたロータと、前記タービンを包囲して収容するタービンハウジングと、前記ロータを包囲するモータステータを収容し且つ前記一方の軸との間に第一の軸受を備えて前記タービンハウジングに固定されるステータハウジングと、前記ロータの他方の軸との間に第二の軸受を備えて前記ステータハウジングに固定される軸受フランジとを有するタービン発電機であって、
    前記ロータの他方の軸を配する空間を仕切るようにロータの他方の軸にバランスピストンを設けると共に、前記バランスピストンで仕切られた空間のバランスピストンのロータ軸方向外側と、前記タービンのガス出口側とを連通する連通ラインを備え、前記バランスピストンのロータ軸方向外側の圧力を、前記タービンのガス入口からバランスピストンまでのロータ周囲側の圧力より低くするように構成したことを特徴とするタービン発電機。
  2. バランスピストンの外周と、該バランスピストンの外周に対向する軸受フランジの内周面との間にラビリンス構造を形成したことを特徴とする請求項1に記載のタービン発電機。
  3. バランスピストンの外周から軸受フランジの内周面までの隙間と、前記バランスピストンの外周の軸方向幅とでクリアランスシールを構成したことを特徴とする請求項1に記載のタービン発電機。
  4. 連通ラインは、バランスピストンのロータ軸方向外側から外部へ貫通する第一の貫通孔と、タービンのガス出口側から外部へ貫通する第二の貫通孔と、ステータハウジングの外部で延在して第一の貫通孔及び第二の貫通孔を接続する接続ラインとで構成されたことを特徴とする請求項1に記載のタービン発電機。
  5. 連通ラインは、ロータの軸心を貫通して一方の軸端から他方の軸端へ延在するロータ貫通孔で構成されたことを特徴とする請求項1に記載のタービン発電機。
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