JP2012149540A - タービン装置および廃熱回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】タービン室側へ潤滑油が流出することを抑制することができるタービン装置および廃熱回収システムを提供する。
【解決手段】廃熱回収システム１は、タービン１０４を収納し、外圧より低圧に管理されたタービン室１０２と、タービンシャフト１０６の一部を潤滑油を介して軸支するベアリング１１０と、タービンシャフト１０６とともに回転運動し、回転時にシール部１０８側からベアリング１１０側に向かう気体の流れを生じさせる送風翼１１１を備えた膨張器１０を有することにより、送風翼１１１の回転時に生じる気体の流れによってシール部１０８のタービン室１０２側とベアリング１１０側との圧力差をより小さくすることができる。よって、ベアリング１１０に存在する潤滑油がタービン室１０２側へ流出することを抑制することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、タービン装置および廃熱回収システムに関する。

従来、内燃機関の稼動に伴う廃熱を回収するランキンサイクルが知られている。このようなランキンサイクルには、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造として沸騰冷却を行うようにし、エンジンにおける廃熱によって気化した冷媒、すなわち蒸気によって膨張器（例えば、蒸気タービン）を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギを電気エネルギ等に変換して回収するものがある。

ランキンサイクルにおける蒸気タービンは、羽根車部の回転エネルギを動力回収部へと伝達する動力回収軸を備えている。そして、動力回収軸の軸受部（例えばベアリング）には摩擦力をより低減するための潤滑油を介在させている（図５参照）。このような蒸気タービンを備えたランキンサイクルシステムが、例えば特許文献１に開示されている。

また、その他本発明と関連性があると考えられる技術が特許文献２および３に開示されている。

特開２００４−２１１６３６号公報 特開２０１０−２０３３４７号公報 特開平０８−１５８８７６号公報

このようなランキンサイクルシステムでは、蒸気タービンの羽根車部の上流側の圧力と下流側の圧力によって規定される圧力比が大きいほどタービン効率が向上する、すなわち、羽根車部の圧力がより低圧であるほどタービン効率が向上することが知られている。そのため、羽根車部を収納するタービン室内を外部よりも低圧に管理することでランキンサイクルシステムの高効率化が図られている。しかしながら、タービン室内外に圧力差を設けると、動力回収軸の軸受部に存在する潤滑油がより低圧のタービン室側へ吸引されるために、潤滑油がシール部の僅かなクリアランスを通じてタービン室側へ徐々に流出してしまう。このような潤滑油の流出が進行すると、動力回収軸の軸受部の摩擦力が徐々に増大してタービン効率が低下したり、場合によっては軸受部に焼付きが生じたりしてしまう。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、タービン室側へ潤滑油が流出することを抑制することができるタービン装置および廃熱回収システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のタービン装置は、外部から供給される流体のエネルギによって回転する羽根車部と、前記羽根車部を収納し、外部の圧力よりも低圧に管理されたタービン室と前記羽根車部の回転を前記タービン室の外部へ伝達する動力回収軸と、前記タービン室と外部との間にある前記動力回収軸の一部を潤滑油を介して軸支する軸受部と、前記タービン室と前記軸受部との間をシールするシール部と、前記軸受部に存在する潤滑油が前記シール部よりも前記タービン室側へ流出することを抑制する抑制手段と、を備え、前記抑制手段が、送風翼であることを特徴とする。
上記の構成により、送風翼によって軸受部に存在する潤滑油がタービン室側へ流出することを抑制することができる。

特に、本発明のタービン装置は、前記送風翼が、前記シール部と前記軸受部との間の前記動力回収軸に設けられ、前記シール部側から前記軸受部側に向かう流体の流れを生じさせる構成とすることができる。
上記の構成により、シール部と軸受部との間の動力回収軸に設けられた送風翼がシール部側から軸受部側に向かう流体の流れを生じさせるために、シール部側への潤滑油の移動が抑制される。よって、タービン室側へ潤滑油が流出することを抑制することができる。

また、本発明のタービン装置は、前記送風翼が、前記羽根車部と前記シール部との間の前記動力回収軸に設けられ、前記タービン室側から前記シール部側に向かう流体の流れを生じさせる構成とすることができる。
上記の構成により、羽根車部とシール部との間の動力回収軸に設けられた送風翼がタービン室側からシール部側に向かう流体の流れを生じさせるために、タービン室側への潤滑油の移動が抑制される。よって、タービン室側へ潤滑油が流出することを抑制することができる。

そして、本発明は、請求項１から４のいずれか１項記載のタービン装置を備えた廃熱回収システムである。

本発明のタービン装置および廃熱回収システムによれば、タービン室側へ潤滑油が流出することを抑制することができる。

実施例の廃熱回収システムの一構成例を示した図である。 実施例の膨張器の一構成例を示した図である。 実施例の膨張器の要部断面を示した図である。 実施例の膨張器の要部断面を示した図である。 従来の蒸気タービンの一構成例を示した図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。

本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明のタービン装置を備えた廃熱回収システム１の一構成例を示した図である。

図１に示す廃熱回収システム１は、内部で冷媒が沸騰することにより冷却されるエンジン５０を備えている。エンジン５０は、シリンダブロック５１とシリンダヘッド５２を備える。シリンダブロック５１及びシリンダヘッド５２の内部にはウォータジャケット５１１、５２１が形成されており、このウォータジャケット内を流通する冷媒が沸騰することによってエンジン５０の冷却が行われる。このときエンジン５０は、蒸気を発生させる。エンジン５０は、更に、燃焼室で発生した排気ガスをエンジン５０の外部へと導く排気通路１８を備える。エンジン５０のシリンダヘッド５２には、ウォータジャケット５１１、５２１と連通する蒸気通路３の一端が接続されている。

蒸気通路３には、気液分離器４が配設されている。気液分離器４は、ウォータジャケット５１１、５２１から供給された冷媒を、気化冷媒である蒸気と液化冷媒とに分離する。すなわち、エンジン５０側から気液混合状態で気液分離器４に流入した冷媒は、気液分離器４内で気相（蒸気）と液相（液化冷媒）とに分離される。気液分離器４の下端部には、冷媒循環路５の一端が接続されている。この冷媒循環路５の他端はシリンダブロック５１内のウォータジャケット５１１に接続されている。また、冷媒循環路５には、エンジン５０内に液化冷媒を圧送する第１ウォータポンプ６が配設されている。この第１ウォータポンプ６は、いわゆるメカ式であり、エンジン５０が備えるクランクシャフトを駆動源としている。この第１ウォータポンプ６により、液化冷媒が、エンジン５０と気液分離器４との間を循環する。

蒸気通路３には、過熱器８が設けられている。過熱器８には、主として気液分離器４において分離された蒸気が供給される。過熱器８は、下側に蒸発部８ａを備え、その上側に過熱部８ｂを備えている。過熱器８には、排気通路１８が引き込まれている。排気通路１８の内部には、エンジン５０で発生した排気ガスが流通する。排気通路１８は、排気ガスが過熱部８ｂ、蒸発部８ａの順に通過するように過熱器８を貫通している。蒸発部８ａには、液化冷媒通路７の一端が接続されている。排気ガスは、気液分離器４を通過した蒸気と熱交換をする。液化冷媒通路７の他端は、気液分離器４の下端部に接続されている。液化冷媒通路７には開閉弁７ａが設けられている。この開閉弁７ａの開閉状態によって、気液分離器４から蒸発部８ａへの液化冷媒の供給状態が決定される。蒸発部８ａに供給された液化冷媒は、過熱部８ｂで蒸気を過熱した後の排気ガスの熱によって、蒸気化することができる。これにより、蒸気発生量が増大すると共に、蒸気の過熱度が向上し、廃熱回収効率が向上する。過熱部８ｂの上端部には、蒸気排出管３ａが設けられている。蒸気排出管３ａの先端部には、ノズル９が設けられている。

蒸気排出管３ａの下流には、本発明のタービン装置の一実施例である膨張器１０が配設されている。膨張器１０は、過熱器８から供給された気化冷媒、すなわち蒸気によって駆動されてエネルギ回収を行う。なお、膨張器１０の詳細な構成については後述する。

膨張器１０のケース１０１は、蒸気を排出する排出口１０５を備えている。排出口１０５には、蒸気排出通路１１の一端が接続されている。蒸気排出通路１１の他端はコンデンサ１２に接続されている。蒸気排出通路１１は、膨張器１０より排出された蒸気をコンデンサ１２に導入する。コンデンサ１２は、膨張器１０を通過した蒸気を凝縮して液化冷媒を生成する。コンデンサ１２は、ファン１３による送風を受けて、効率よく蒸気を冷却、凝縮することができる。コンデンサ１２の下部にはコンデンサ１２において生成された液化冷媒を貯留する凝縮水タンク１４が設置されている。

凝縮水タンク１４の下流側には、凝縮水タンク１４内に一旦貯留された液化冷媒をエンジン５０側へ再循環させる液化冷媒通路１５が設けられている。液化冷媒通路１５は、冷媒循環路５の第１ウォータポンプ６の上流側に接続されている。また、液化冷媒通路１５には第２ウォータポンプ１６が配設されている。この第２ウォータポンプ１６は、電気式のベーンポンプとなっている。第２ウォータポンプ１６が稼動状態となると、凝縮水タンク１４内の液化冷媒が冷媒循環路５へ供給される。これにより、凝縮水タンク１４内の液化冷媒がウォータジャケット５１１又は気液分離器４に供給することができる。凝縮水タンク１４内の液化冷媒は、ウォータジャケット５１１、５２１、気液分離器４内の冷媒の状態に応じて、ウォータジャケット５１１及び気液分離器４のいずれにも流入することができる。第２ウォータポンプ１６の下流には、冷媒の逆流を回避するための一方弁１７が配設されている。以上のように、廃熱回収システム１は、冷媒が循環する経路を備えている。

以下に、膨張器１０の詳細な構成について説明する。図２は、実施例１の膨張器１０の一構成例を示した図である。図２に示すように、膨張器１０は、タービン室１０２およびギア室１０３を含むケース１０１と、ケース１０１のタービン室１０２に収納されるタービン１０４とを備えた蒸気タービンである。また、膨張器１０は、シール部１０８とベアリング１１０との間のタービンシャフト１０６に送風翼１１１を備える点で、図５に示した従来の蒸気タービンと相違している。

ノズル９は、蒸気通路３を通じて供給された蒸気がタービン１０４に向かって噴射されるように、ケース１０１のタービン室１０２に連結している。これにより、タービン１０４は、蒸気通路３を通じて供給された蒸気によって回転駆動される。タービン１０４と接触した後の蒸気は、タービン室１０２の排出口１０５から蒸気排出通路１１へと排出される。タービン１０４の回転力は、タービン１０４の回転中心近傍に連結するタービンシャフト１０６を通じて、ギア室１０３に収納されたギア部１０７へと伝達される。ギア部１０７は、ギア比率の異なる複数枚のギアが咬み合わさって構成されており、タービンシャフト１０６を通じて伝達されたタービン１０４の回転の比率を変更した後に、図示しない発電機等に伝達する。
なお、タービン１０４は、本発明の羽根車部の一構成例である。また、タービンシャフト１０６は、本発明の動力回収軸の一構成例である。

タービン室１０２とタービンシャフト１０６の軸受部分との間は、シール部１０８によってシールされている。同様に、ギア室１０３とタービンシャフト１０６の軸受部分との間は、シール部１０９によってシールされている。シール部１０８及び１０９は、ギア室１０３内に侵入した外気がタービン室１０２内に侵入することを抑制する。そのため、タービン室１０２内の圧力を外気圧よりも低圧に管理することができる。よって、タービン１０４をより低圧に保持することができることから、タービン１０４の上流側の圧力と下流側の圧力によって規定される圧力比がより大きくなるために、膨張器１０のエネルギ回収効率がより向上する。また、シール部１０８及び１０９は、ノズル９から供給される蒸気がギア室１０３に侵入することを抑制する。更に、シール部１０８は、後述するベアリング１１０の潤滑油がタービン室１０２内に流出することを抑制する。

タービンシャフト１０６の軸受部分には、ベアリング１１０が設けられている。ベアリング１１０は、シール部１０８と１０９との間にあるタービンシャフト１０６の一部を軸支している。ベアリング１１０には、タービンシャフト１０６の回転時に生じる摩擦力をより低減しつつ、回転時の摩擦熱を効率的に冷却するための潤滑油が潤滑している。つまり、ベアリング１１０は、シール部１０８と１０９との間にあるタービンシャフト１０６の一部を潤滑油を介して軸支している。
なお、ベアリング１１０は、本発明の軸受部の一構成例である。

送風翼１１１の詳細な構成について説明する。図３は、実施例１の膨張器１０の要部断面を示した図である。送風翼１１１は、シール部１０８とベアリング１１０との間のタービンシャフト１０６に設けられた複数枚の羽根であって、タービンシャフト１０６とともに回転運動する。送風翼１１１は、シール部１０８とベアリング１１０との間に設けられた収納部１１２に回転自由に収納されている。送風翼１１１は、回転時に周囲（収納部１１２）の流体（空気等の気体）をベアリング１１０側に送風するよう所定の角度を付与されている。これによって、送風翼１１１はその回転時にシール部１０８側、すなわちタービン室１０２側からベアリング１１０側に向かう所定の気体の流れを生じさせる。

前述のように、廃熱回収システム１のエネルギ回収効率をより向上させるために、膨張器１０はタービン室１０２内の圧力が外気圧よりも低圧に管理されている。一方、タービン室１０２以外（例えばギア室１０３や軸受部分）は外気圧と同等の圧力であるために、ケース１０１内部で所定の圧力差が生じている。そのため、より高圧の軸受部分に設けられたベアリング１１０に存在する潤滑油がより低圧のタービン室１０２側へ吸引されるために、シール部１０８の僅かなクリアランスを通じてタービン室１０２側へ徐々に流出してしまう。このような潤滑油の流出が進行すると、ベアリング１１０の摩擦力が徐々に増大してタービン効率が低下したり、場合によってはベアリング１１０に焼付きが生じたりしてしまう。
そこで、本実施例の膨張器１０は、タービンシャフト１０６とともに回転運動し、回転時にシール部１０８側からベアリング１１０側に向かう気体の流れを生じさせる送風翼１１１を設けている。この送風翼１１１の回転時に生じる気体の流れによってシール部１０８側の媒質（気体）の密度が低下する、すなわちシール部１０８側の圧力が低下するために、シール部１０８のタービン室１０２側とベアリング１１０側との圧力差がより小さくなる。このように、シール部１０８前後の圧力差をより小さくすることができることから、ベアリング１１０に存在する潤滑油がタービン室１０２側へ流出することを抑制することができる。

この場合、送風翼１１１と収納部１１２とのクリアランスは、送風翼１１１が適切に回転可能な範囲でより小さく設定するほうが望ましい。また、送風翼１１１は複数枚の羽根を組み合わせた構成に限られずに、タービンシャフト１０６の回転運動に連動してシール部１０８側からベアリング１１０側に向かう所定の気体の流れを生じさせる任意の構成を採用することができる。
なお、送風翼１１１は、本発明の抑制手段の一構成例である。

以上のように、本実施例の廃熱回収システムは、タービンを収納し、外圧より低圧に管理されたタービン室と、タービンシャフトの一部を潤滑油を介して軸支するベアリングと、タービンシャフトとともに回転運動し、回転時にシール部側からベアリング側に向かう気体の流れを生じさせる送風翼を備えた膨張器を有することにより、送風翼の回転時に生じる気体の流れによってシール部前後の圧力差をより小さくすることができる。よって、ベアリングに存在する潤滑油がタービン室側へ流出することを抑制することができる。

つづいて、本発明の実施例２について説明する。本実施例の廃熱回収システム２は、膨張器１０に代えて、ケース２０１のタービン室２０２内に送風翼２１１および送風ガイド２１２を備えた膨張器２０を有している点で廃熱回収システム１と相違している。

膨張器２０の構造について詳細に説明する。図４は、実施例２の膨張器２０の要部断面を示した図である。なお、実施例１と同様の構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

膨張器２０は、ケース２０１のタービン室２０２内に送風翼２１１および送風ガイド２１２を備えている。送風翼２１１は、タービン１０４とシール部１０８との間のタービンシャフト１０６に設けられた複数枚の羽根であって、タービンシャフト１０６とともに回転運動する。送風翼２１１は、回転時に周囲（タービン室２０２）の流体（空気・蒸気等の気体）をシール部１０８側（ベアリング１１０側）に送風するよう所定の角度を付与されている。これによって、送風翼２１１はその回転時にタービン室２０２側からシール部１０８側、すなわちベアリング１１０側に向かう所定の気体の流れを生じさせる。

送風ガイド２１２は、送風翼２１１とシール部１０８との間に設けられている。送風ガイド２１２は、送風翼２１１側からシール部１０８側に向かって擂鉢状に傾斜しており、送風翼２１１の回転時に生じる気体の流れをタービンシャフト１０６とシール部１０８とのクリアランス部分へ案内する。送風ガイド２１２は、複数の足部によってシール部１０８側のタービン室２０２壁面に取り付けられており、足部の間を気体が通過可能な構成となっている。

タービンシャフト１０６とシール部１０８及び１０９との間には、タービンシャフト１０６を適切に回転させるための僅かなクリアランスが存在している。そのため、タービンシャフト１０６とシール部１０８との間の僅かなクリアランスを通じて、より高圧の軸受部分に設けられたベアリング１１０に存在する潤滑油がより低圧のタービン室２０２側へ徐々に流出してしまう。
そこで、本実施例の膨張器２０は、タービンシャフト１０６とともに回転運動し、回転時にタービン室２０２側からシール部１０８側に向かう気体の流れを生じさせる送風翼２１１を設けている。この送風翼２１１の回転時に生じる気体の流れがシール部１０８に衝突し、その流れ方向が曲げられることで生じる淀み点圧によって、シール部１０８側の圧力が上昇する。そのため、シール部１０８のタービン室２０２側とベアリング１１０側との圧力差がより小さくなる。このように、シール部１０８前後の圧力差をより小さくすることができることから、タービンシャフト１０６とシール部１０８とのクリアランス部分から潤滑油がタービン室２０２側に移動することを抑制することができる。すなわち、タービン室２０２側へ潤滑油が流出することを抑制することができる。
更に、本実施例の膨張器２０は、送風翼２１１の回転時に生じる気体の流れをタービンシャフト１０６とシール部１０８とのクリアランス部分へ案内する送風ガイド２１２を備えている。これによって、シール部１０８のタービン室２０２側とベアリング１１０側との圧力差がより小さくなることから、タービンシャフト１０６とシール部１０８とのクリアランス部分から潤滑油がタービン室２０２側に移動することをより適切に抑制することができる。

この場合、実施例１と同様に、送風翼１１１は複数枚の羽根を組み合わせた構成に限られずに、タービンシャフト１０６の回転運動に連動してシール部１０８側に向かう所定の気体の流れを生じさせる任意の構成を採用することができる。また、送風ガイド２１２を設けない構成であってもよい。
なお、送風翼２１１は、本発明の抑制手段の一構成例である。

以上のように、本実施例の廃熱回収システムは、ケースのタービン室内に、タービンシャフトとともに回転運動し、回転時にタービン室側からシール部側に向かう気体の流れを生じさせる送風翼を備えた膨張器を有することにより、送風翼の回転時に生じる気体の流れによってシール部前後の圧力差をより小さくすることができる。よって、タービンシャフトとシール部とのクリアランス部分から潤滑油がタービン室側に移動することを抑制することができる。

更に、本実施例の膨張器は、送風翼の回転時に生じる気体の流れをタービンシャフトとシール部とのクリアランス部分へ案内する送風ガイドを備えることにより、シール部前後の圧力差をより小さくすることができる。よって、タービンシャフトとシール部とのクリアランス部分から潤滑油がタービン室側に移動することをより適切に抑制することができる。

上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、送風翼は、機械式または電動により、タービンシャフトの回転から独立して回転することでタービン室側からベアリング側に向かう気体の流れを生じさせる構成であっても良い。

また、本発明の抑制手段としては、回転運動する羽根車に限られずに、タービン室側からベアリング側に向かう所定の気体の流れを生じさせる任意の構成を採用することができる。

１，２ 廃熱回収システム
１０，２０ 膨張器（タービン装置）
５０ エンジン
１０２，２０２ タービン室
１０４ タービン（羽根車部）
１０６ タービンシャフト（動力回収軸）
１０８，１０９ シール部
１１０ ベアリング（軸受部）
１１１，２１１ 送風翼（抑制手段）
２１２ 送風ガイド

Claims (4)

1. 外部から供給される流体のエネルギによって回転する羽根車部と、
   前記羽根車部を収納し、外部の圧力よりも低圧に管理されたタービン室と
   前記羽根車部の回転を前記タービン室の外部へ伝達する動力回収軸と、
   前記タービン室と外部との間にある前記動力回収軸の一部を潤滑油を介して軸支する軸受部と、
   前記タービン室と前記軸受部との間をシールするシール部と、
   前記軸受部に存在する潤滑油が前記シール部よりも前記タービン室側へ流出することを抑制する抑制手段と、を備え、
   前記抑制手段は、送風翼であることを特徴とするタービン装置。
2. 前記送風翼は、前記シール部と前記軸受部との間の前記動力回収軸に設けられ、前記シール部側から前記軸受部側に向かう流体の流れを生じさせることを特徴とする請求項１記載のタービン装置。
3. 前記送風翼は、前記羽根車部と前記シール部との間の前記動力回収軸に設けられ、前記タービン室側から前記シール部側に向かう流体の流れを生じさせることを特徴とする請求項１記載のタービン装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項記載のタービン装置を備えた廃熱回収システム。
   
   

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