JP2011518299A - 磁気軸受を備える水力発電タービン - Google Patents

磁気軸受を備える水力発電タービン Download PDF

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Abstract

【課題】
本発明は、環状固定子と、固定子内で回転するよう取り付けられた回転子と、を備える中央開口水力発電タービンを提供する。
【解決手段】
前記タービンは、固定子の上下部においてオフセットされる回転子磁石及び固定子磁石の対向するセットを備えることにより、回転子を軸方向及び半径方向に支持するのに適した磁気軸受を含んで構成される。
【選択図】図６

Description

本発明は水力発電タービンに関し、特に潮汐流の間に回転子にかかる軸推力に対抗する支持を提供し、また好ましくは、回転子の重量の少なくとも一部を支持する磁気軸受を利用する、中央開口タービンに関する。
今や全世界で、CO２排出が我々の環境に引き起こしているダメージ、とりわけ地球温暖化によりもたらされる脅威に多大な関心が寄せられている。CO２の主要な排出源の１つは、化石燃料の燃焼による大規模な電力発電である。しかしながら、電力は人類が生存するための不可欠な財となっており、それ故、現在では、化石燃料を使用せずに電力を大量に発電するための代替手段を求めて莫大な資金が費やされている。核エネルギーはそのような代替手段の１つだが、ほとんどの社会は核エネルギーのもつマイナス面に対し不安を抱いているため、他のより望ましい解決策が必要とされている。
それ故、再生可能エネルギーは、太陽光エネルギー、風力エネルギー、及び潮力等の多くのプロジェクトの進展と共に、近年注目されるようになっている。海洋における潮汐流は十分予測可能であり、送電網によって容易に利用できるため、魅力的な再生可能エネルギー源を提供する。この特徴は、電力網管理を目的とした確実な発電源を形成するための予測が困難であり、待機状態で維持されたバックアップ発電が必要な風力の断続的な性質とは対照的である。しかしながら、潮力の利用には、特に、軸受等の可動部を損傷、もしくは摩耗させることにより、タービンの運転にマイナスの影響を与え得るという厳しい海底の環境があり、この環境下での継続した効率的な運転を確保するためのタービンの一般保守の点に関しては特有の課題がある。
いわゆる「中央開口」タービンの使用により、従来のシャフト型（shaft based）タービンに比べて軸受寿命を向上させることができるが、これは軸受をタービンの周辺部に配置することで直径が大きくなるためである。このような軸受は、直径が大きくなるほど負荷の配分が軽くなり、その結果、摩耗の速度が緩やかになり、寿命が長くなる。しかしながら、これらの軸受は、それでも依然として摩耗され、いずれは保守もしくは交換が必要となる。従って、本発明の目的は、改善された軸受構造を備える水力発電タービンを提供することである。
それ故、本発明は、固定子と、該固定子内で回転するよう内蔵された回転子と、前記固定子内の前記回転子を少なくとも部分的に支持する少なくとも１つの磁気反発軸受と、を含んで構成され、前記磁気軸受は、前記回転子上に略環状配列に取り付けられた回転子磁石と、前記回転子の外周で少なくとも一方向に軸方向の反力を発生させるために、前記回転子磁石と対向配列して前記固定子上に取り付けられた固定子磁石と、を含んで構成され、前記固定子磁石は、半径方向の反力を生み出すために、前記固定子上の少なくとも一箇所に前記回転子磁石に対して半径方向にオフセット（offset）される、水力発電タービンを提供する。
好ましくは、前記回転子磁石及び前記固定子磁石は、２つの反対方向に軸方向の反力を生み出すように配設される。
好ましくは、前記固定子磁石は、使用時には、前記タービンの上下部において前記回転子磁石とオフセットされる。
あるいは、前記固定子磁石は、環状配列内で、前記タービンの回転軸より下の該配列の中央に配向する。
好ましくは、前記回転子磁石は、前記回転子の周縁部に配設され、前記固定子磁石は、前記固定子の周縁部に配設される。
好ましくは、前記固定子磁石は、一対の対向する略環状に配設され、その間には、内部に前記回転子磁石が配設される環状チャネルが規定される。
好ましくは、前記回転子磁石は、一対の対向する略環状に配列され、その間には、内部に前記固定子磁石が配設される環状チャネルが規定される。
好ましくは、前記回転子の周縁部から半径方向外側に延びるフランジを含んで構成され、前記回転子磁石は該フランジに取り付けられる。
好ましくは、前記タービンは、前記固定子から半径方向内側に延びるフランジを含んで構成され、前記回転子磁石は該フランジに取り付けられる。
好ましくは、前記回転子磁石及び前記固定子磁石は、半径方向外側に進むたびに極性が交互に入れ替わる、半径方向に近接した複数の同心円状のリングをなして配設される。
好ましくは、前記タービンは、前記回転子を半径方向に支持する機械軸受を含んで構成される。
好ましくは、前記回転子磁石及び前記固定子磁石は、永久磁石を含んで構成される。
好ましくは、前記回転子磁石は、前記フランジの一方の面に取り付けられた磁石の第１セットと、前記フランジの反対側の面に取り付けられた磁石の第２セットと、を含んで構成される。
好ましくは、前記固定子磁石は、前記フランジの一方の面に取り付けられた磁石の第１セットと、前記フランジの反対側の面に取り付けられた磁石の第２セットと、を含んで構成される。
好ましくは、前記タービンは、中央開口タービンを含んで構成される。
好ましくは、前記水力発電タービンは、前記固定子に対する前記回転子の所定の軸変位を超える負荷のみを支えるように配列及び寸法決めの少なくとも一方がなされた機械スラスト軸受を含んで構成される。
好ましくは、前記機械スラスト軸受は、前記固定子磁石と前記回転子磁石の間の接触を防ぐように配設及び寸法決めの少なくとも一方がなされる。
好ましくは、前記磁気軸受は、前記機械スラスト軸受内に少なくとも一部は含まれるか、もしくは組み込まれる。
本明細書において使用される、「支持する」という言葉は、タービンを通過した水の潮汐流により回転子に加えられた軸方向もしくは水平方向の全てまたは一部の負荷を支え、かつその支えが潮汐流の方向に依存した２つの対向する方向に加えられること、もしくは、回転子の全てまたは一部の重量を支えることを意味する。
本発明の第１実施形態に係る水力発電タービンの斜視図。 図１に図示されたタービンの上部の側断面図。 図１，２のタービンの一部を形成する磁気軸受の部分側断面図。 図１，２のタービンの磁気軸受のもう１つの部分側断面図。 本発明の第２実施形態に係る水力発電タービンの側断面図。 図５に図示されたタービンの一部の拡大図。 図１〜４及び図５，６に図示されたタービンの一部を形成する磁気軸受の一部の正面図。
これより、添付図面の図１〜４及び図７について言及する。概して１０として示されたタービン１０を用いて潮汐流からの発電を行うために使用する水力発電タービンの第１実施形態が図示されている。図示された本実施形態において、タービン１０は、その内部で回転子１４を回転させるために内蔵された環状固定子１２を含んで構成される。タービン１０は、中央を開口した設計となっており、従って回転子１４が取り付けられる中心軸、または通過する潮汐流による回転子１４の回転から生じる電力を取り出す中心軸を、備えない。
それ故、タービン１０は、例えば、同時係属中の欧州特許出願Ｎｏ．０６０１４６６７．７に記載された、周縁部型（rim based）の発電機１６（以下にはそのさらなる詳細は説明されていない）を備える。中心軸が存在しないため、発電機１６は、回転子１４の外周縁部１８と、固定子１２の内周縁部２０と、に設けられる。中心軸が存在しないことから、さらに、固定子１２、及び固定子内の回転子１４にかかる潮汐流から生じる軸方向の負荷に対して、回転子１４を支持するための周縁部型軸受を配置し、かつ、回転子１４の重量を支えるための回転子への半径方向の支えを設ける必要が生じる。
本発明のタービン１０内には、摩耗しないことによりほとんど保守の必要のない非接触軸受を提供するために、固定子１２と回転子１４の間に磁気軸受２２が設けられる。軸受２２は、詳細は後述するが、両軸方向に軸方向の反力を生み出すように設けられ、これによって回転子１４が、両方向に潮汐が流れる間に受ける力に逆らって、回転子１４を固定子１２に対して拘束する。また好ましくは、軸受２２は、回転子１４の重量の少なくとも一部に対抗する半径方向の反力を生み出すように設けられ、それにより接触軸受のあらゆる半径方向にかかる負荷を軽減し、タービン１４の回転に必要な力を減少させ、これによってタービン１０の効率を高め、その摩耗を抑える。
軸受２２は、後述する固定子１２に固定された固定子磁石２４の配列と、これもまた詳細が後述されるが、回転子１４と共に回転するよう固定された回転子磁石２６の配列と、を含んで構成される。
固定子磁石２４及び回転子磁石２６は、潮汐が流れるその間に受ける軸方向の反力及び回転子１２の重量の少なくとも一部を支持する半径方向の反力を生み出すように、相互に配列される。
固定子磁石２４は、固定子１２に取り付けられるか、もしくは一体形成されている一対の支持材２８上に、一対の対向する列の形に配列され、適切な方法で支持材２８上に取り付けられている。このように、チャネル３０は固定子磁石２４の配列の間に規定され、使用の際には、回転子磁石２６はこのチャネル３０内で回転するよう拘束される。図示された本実施形態において、フランジ３２は回転子１４の周縁部１８に取り付けられるか、もしくは一体に形成されており、フランジ３２はチャネル３０内へ半径方向外側に突出している。回転子磁石２６は、一対の列状に配列されてフランジ３２の各表面にそれぞれ取り付けられ、これによってそれぞれが固定子磁石２４の配列とは対向する配置構造となる。当然のことながら、支持材２８が回転子上に取り付けられ、固定子上に取り付けられたフランジの周囲を回転するチャネルを規定する、均等な配置を採用することもできる。
これより、図３及び図７について言及する。図示された実施形態において、固定子磁石２４及び回転子磁石２６はいずれも互いに近接した半径方向の同心円状のリングをなして４つ設けられていることがわかる。そして、以下の記載から当然のことながら、これらのリングの数は必要に応じて増減が可能である。また、図示された実施形態において、近接したリングは互いに間隔をあけているが、この近接したリングは半径方向に互いに隣接してもよいことが想定される。固定子磁石２４及び回転子磁石２６の同心円状のリングは、半径方向外側に進むたびに、極性が交互に入れ替わる。固定子磁石２４のそれぞれのリングは、回転子磁石２６の対向するリングと一列になるように配設され、そしてこれらの対向する磁石は、例えばN極N極もしくはS極S極のように、同一の極性が選択される。これにより、対向する一対の固定子磁石２４及び回転子磁石２６は、磁気反発軸受として機能するために互いに反発する。フランジ３２の各面に取り付けられた回転子磁石２６の配列は、それぞれ対向する固定子磁石２４により反発され、反発力は、チャネル３０内の中央部分にフランジ３２を拘束するように反対方向へ作用し、回転子１４は固定子１２に対する相対位置を保持する。潮汐流が存在しない場合、軸方向の力は生み出されず、回転子１４は、２つの対向する磁石の配列が、等しくかつ反対向きの軸方向の力を生み出すような位置をとる。潮汐流が強まった場合には、磁気軸受の下流側の回転子１４及び固定子１２の磁石配列の間の間隔が狭まり、上流側配列の間の間隔が広がるように、回転子１４の軸方向の位置がわずかに変化する。こうして、下流側での反発力は上流側よりも大きくなり、その差は、潮汐流により生み出される力と釣り合うのに十分なものとなる。
説明するように、機械スラスト軸受３８もまた、潮汐流の影響下で回転子１４が所定の軸変位をするまでは軸受表面が接触しないように設けることができる。この軸受３８が接触すると、軸方向の力の一部を反発する。それ故、磁気軸受２２にかかる最大負荷は減少し、従って、磁気軸受２２の寸法を小さくすることができる。磁気軸受２２の構造には、潮汐流中の乱流により生じる負荷の偏位に適応するための余裕を持たせる必要は無い。機械スラスト軸受３８にかかる負荷は極めて大きくてもよいが、機械軸受３８は短期間しか接触せず、それも滅多に生じないため平均的な摩耗率はとても小さい。
また、機械軸受３８を、磁気軸受に物理的に近接、もしくは取り囲んで配列することにより、回転子または固定子周縁部の局所的な歪みや振動、回転子１４と固定子１２の間の接触によって生じる磁気軸受２２への損傷を妨げることができる。
機械スラスト軸受３８の表面は、図４に図示されるように、回転子磁石２６及び固定子磁石２４を覆うように配列することができる。それ故、磁石２４及び磁石２６は、機械スラスト軸受３８内に埋め込まれ、物理的な損傷及び周囲の海水による化学的侵食から保護することができる。
図３に図示されるように配設された固定子磁石２４及び回転子磁石２６において、生じる反力は、軸方向のみであり、それによって、潮汐流により回転子上にかかる水平方向の負荷に耐えている。しかしながら、図４について言及すると、固定子１２の周囲の１つ以上の位置において、好ましくは、固定子１２の上死点及び下死点において、固定子磁石２４のそれぞれのリングの部分は、回転子磁石２６の対向する対応したリングとオフセットするよう配設されている。このように、固定子１２上のこれらの位置において、対向する固定子磁石２４及び回転子磁石２６により生み出される反力は、軸方向及び半径方向の両成分を含む。
前述した通り、反力の軸方向成分は、潮汐流から生み出される軸方向の負荷に対抗する位置に回転子１４を保持する役目を果たし、一方、反力の半径方向成分は、回転子１４の重量もしくはその一部を、支える役目を果たす。固定子磁石２４は、使用時には、回転子１４の重量をオフセットするために、半径方向の力が略垂直上方に向くように、固定子１２の下部または上部で、回転子磁石２６に対して補われる。それ故、浮力を用いずに回転子１４の重量をオフセットすることができ、これによって大幅な費用の削減が可能となる。タービン１０の運転中、固定子１２は固定されているため、オフセットは固定子１２上でなければならず、そしてオフセットする力は重力に反して上向きに働く必要がある。例えば、固定子磁石２４の配列は磁石の環状配列の形をとることができるが、しかし、磁石配列の中央部はタービン１０の回転軸よりも下側でなければならない。
回転子１４の半径方向の安定性を確保するために、フランジ３２の自由端に複数のアーチ型シュー（arch shaped shoe）３４の形をとって機械軸受がボルトで固定されるが、この場合、一対の支持材２８の間に連続的なリングを形成する対応した形状のアーチ部分３６と接触した形で設けられる。シュー３４は任意の適切な材料により形成することができるが、好ましくはステンレス鋼であり、一方、アーチ部分３６はナイロン等のプラスチックが好ましい。摩耗率が小さくなるように、機械軸受を磁気軸受の半径方向外側に配設することにより大きな表面領域を得る。しかしながら、運転中は、磁気軸受２２により生み出された半径方向の力によって、機械軸受上の力は名目上ゼロとなる。磁気特性の詳細な分析は、固定子１２に対する回転子１４の軸方向の位置の変化が、軸受２２により生み出される半径方向の力の大きさにほとんど影響を及ぼさないということを裏付けている。
これより、添付図面の図５〜７について言及する。本発明に係る水力発電タービンの第２実施形態が図示されており、概して１１０として示され、先と同様、タービン１１０を通過する水の潮汐流から電力を生み出すために使用される。第２実施形態において、同様の構成要素には同様の参照番号が与えられており、特に指定のない限り同様の機能を果たす。
第１実施形態と同様に、タービン１１０は、その内部に中央開口回転子１１４を回転させるために内蔵された環状固定子１１２を含んで構成される。回転子１１４は、タービン１１０の運転中、固定子１１２内に拘束され回転する外周縁部１１８を含んで構成される。先と同様、固定子１１２に対する回転子１１４の回転に応じて電力を生み出すために、周縁部型発電機（図示せず）が、周縁部１１８及び固定子１１２の周縁部１２０上に備えられる。タービン１１０は、固定子１１２及び回転子１１４の間に設けられた磁気軸受１２２をさらに含んで構成される。この第２実施形態において、軸受１２２は、固定子１１２の一対の側壁１４０のそれぞれの内表面上に適切に取り付けられた固定子磁石１２４の環状配列を含んで構成される。一対の側壁１４０はその内側に、周縁部１１８が設置されるチャネル１３０を規定する。軸受１２２は、外周縁部１１８の対向面上に、固定子磁石１２４と一直線上に、対応して環状配列された回転子磁石１２６をさらに含んで構成される。図７において明確に図示された通り、磁石の隣接した列もしくは環状リングは配列ごとに極性が交互に入れ替わっている。しかしながら、磁気反発軸受を軸方向にするために、固定子磁石１２４及び回転子磁石１２６の対向する配列中の磁石の列もしくはリングは同じ極性となっている。しかしながら、図６において明確に図示された通り、タービン１１０上の少なくとも１つの位置において、そして好ましくはいくつかの位置において、第１実施形態に関して上述した通り、回転子１１４の重量の少なくとも一部を支えるための半径方向の力を生み出すために、固定子磁石１２６は半径方向にオフセットされる。
それ故、本発明は、タービン１０；１１０の回転子１４；１１４にかかる軸方向及び半径方向の負荷に耐えるのに適した水力発電タービン１０；１１０用の、効率的な非接触磁気軸受を提供する。

Claims (16)

  1. 固定子と、該固定子内で回転するよう内蔵された回転子と、前記固定子内の前記回転子を少なくとも部分的に支持する少なくとも１つの磁気反発軸受と、を含んで構成され、前記磁気軸受は、前記回転子上に略環状配列に取り付けられた回転子磁石と、前記回転子の外周で少なくとも一方向に軸方向の反力を発生させるために、前記回転子磁石と対向配列して前記固定子上に取り付けられた固定子磁石と、を含んで構成され、前記固定子磁石は、半径方向の反力を生み出すために、前記固定子上の少なくとも一箇所に前記回転子磁石に対して半径方向にオフセットされる、水力発電タービン。
  2. 前記回転子磁石及び前記固定子磁石は、２つの反対方向に軸方向の反力を生み出すように配設される、請求項１に記載の水力発電タービン。
  3. 前記固定子磁石は、使用時には、前記タービンの上下部において前記回転子磁石とオフセットされる、請求項１又は２に記載の水力発電タービン。
  4. 前記固定子磁石は、環状配列内で、前記タービンの回転軸より下の該配列の中央に配向する、請求項１〜３のいずれか１つに記載の水力発電タービン。
  5. 前記回転子磁石は、前記回転子の周縁部に配設され、前記固定子磁石は、前記固定子の周縁部に配設される、請求項１〜４のいずれか１つに記載の水力発電タービン。
  6. 前記固定子磁石は、一対の対向する略環状に配設され、その間には、内部に前記回転子磁石が配設される環状チャネルが規定される、請求項１〜５のいずれか１つに記載の水力発電タービン。
  7. 前記回転子磁石は、一対の対向する略環状に配列され、その間には、内部に前記固定子磁石が配設される環状チャネルが規定される、請求項１〜６のいずれか１つに記載の水力発電タービン。
  8. 前記回転子の周縁部から半径方向外側に延びるフランジを含んで構成され、前記回転子磁石は該フランジに取り付けられる、請求項１〜３のいずれか１つに記載の水力発電タービン。
  9. 前記タービンは、前記固定子から半径方向内側に延びるフランジを含んで構成され、前記回転子磁石は該フランジに取り付けられる、請求項１〜３のいずれか１つに記載の水力発電タービン。
  10. 前記回転子磁石及び前記固定子磁石は、半径方向外側に進むたびに極性が交互に入れ替わる、半径方向に近接した複数の同心円状のリングをなして配設される、請求項１〜４のいずれか１つに記載の水力発電タービン。
  11. 前記タービンは、前記回転子を半径方向に支持する機械軸受を含んで構成される、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の水力発電タービン。
  12. 前記回転子磁石は、前記フランジの一方の面に取り付けられた磁石の第１セットと、前記フランジの反対側の面に取り付けられた磁石の第２セットと、を含んで構成される、請求項４，５，６又は８のいずれか１つに記載の水力発電タービン。
  13. 前記固定子磁石は、前記フランジの一方の面に取り付けられた磁石の第１セットと、前記フランジの反対側の面に取り付けられた磁石の第２セットと、を含んで構成される、請求項４，５，６又は９のいずれか１つに記載の水力発電タービン。
  14. 前記水力発電タービンは、前記固定子に対する前記回転子の所定の軸変位を超える負荷のみを支えるように配列及び寸法決めの少なくとも一方がなされた機械スラスト軸受を含んで構成される、請求項１〜１３のいずれか１つに記載の水力発電タービン。
  15. 前記機械スラスト軸受は、前記固定子磁石と前記回転子磁石の間の接触を防ぐように配設及び寸法決めの少なくとも一方がなされる、請求項１４に記載の水力発電タービン。
  16. 前記磁気軸受は、前記機械スラスト軸受内に少なくとも一部は含まれるか、もしくは組み込まれる、請求項１４又は１５に記載の水力発電タービン。
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