JP2014105647A - タービン発電機及び廃熱発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受の耐荷重を小さく抑えることができるタービン発電機及び廃熱発電装置の提供。
【解決手段】回転軸１３に接続されたラジアルインペラ１１と、ラジアルインペラ１１に対して半径方向から作動媒体を供給するノズル部Ａ２と、ラジアルインペラ１１に供給された作動媒体が膨張して軸方向に排出される排出部Ａ３と、を有する膨張タービン発電機２であって、ラジアルインペラ１１のハブ２０には、タービンブレード２１の半径方向外側の翼端２１ａよりも半径方向内側に切り欠かれた切欠部２２が形成されている、という構成を採用する。
【選択図】図４

Description

本発明は、タービン発電機に関し、特にタービン発電機を備えてバイナリー発電を行う廃熱発電装置に関するものである。

従来から工場や焼却施設等で放出される廃熱エネルギーを回収して発電が行われており、この発電によって得られた電気エネルギーが再利用されることで省エネルギーが図られているが、近年では、従来殆ど回収されていなかった低温廃熱の廃熱エネルギーをも回収して発電を行うことで、更なる省エネルギーを実現させる取り組みが行われている。このような低温廃熱から電気エネルギーを回収するために、低沸点作動媒体を用いたランキンサイクルの廃熱発電装置が提案されている（例えば特許文献１）。

特許文献１には、作動媒体により駆動されるタービン（タービン発電機）と、外部の熱源との熱交換により作動媒体を蒸気化してタービンに供給する蒸発器と、タービンを通過した作動媒体を液化する凝縮器とを備え、作動媒体として、沸点が−２４〜６０℃のハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）を主媒体として含む、排熱回収タービンシステム（廃熱発電装置）が開示されている。

特開２０１０−１６４０４３号公報

ところで、タービンの種類は、軸流タービンとラジアルタービンに大別されるが、火力発電所等に比べて小型の上記廃熱発電装置で用いるタービンには、ラジアルタービンが一般的に適している。しかし、ラジアルタービンの場合、作動媒体の入口側の圧力が高く、出口側の圧力が低くなるため、スラスト力が発生し、そのスラスト力は軸受で支える必要がある。しかしながら、この入口側と出口側の圧力差が大きい場合、スラスト力も大きくなるため、耐荷重の大きな軸受が必要となり、装置の大型化、製造コストの増加となる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、軸受の耐荷重を小さく抑えることができるタービン発電機及び廃熱発電装置の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、回転軸に接続されたラジアルインペラと、前記ラジアルインペラに対して半径方向から作動媒体を供給する供給部と、前記ラジアルインペラに供給された作動媒体が膨張して軸方向に排出される排出部と、を有するタービン発電機であって、前記ラジアルインペラのハブには、タービンブレードの半径方向外側の翼端よりも半径方向内側に切り欠かれた切欠部が形成されている、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、ラジアルインペラのハブがタービンブレードの半径方向外側の翼端よりも半径方向内側に切り欠かれているため、ラジアルインペラの背面の面積が減り、その分、供給部と排出部と間の圧力差によりラジアルインペラの背面側にかかる荷重が減る。このため、発生するスラスト力が小さくなり、軸受の耐荷重を小さく抑えることができる。したがって、大型軸受を使用しなくてもよくなり、また、スラスト力が下がることで軸受寿命も長くなる。

また、本発明においては、前記切欠部は、隣り合うタービンブレードの間のそれぞれに形成されている、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、隣り合うタービンブレードの間のそれぞれに切欠部が存在することで、ハブを切り欠いてもバランスがとれるため、ラジアルインペラの回転安定性を確保できる。

また、本発明においては、前記切欠部のそれぞれは、同心円上に形成されている、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、さらに切欠部のそれぞれを同心円上に形成することで、ラジアルインペラの回転安定性がより高まる。

また、本発明においては、前記切欠部は、台形状に形成されている、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、隣り合うタービンブレードの間の領域を大きく切り欠くことができるため、ラジアルインペラの背面側にかかる荷重を大きく減らすことができる。

また、本発明においては、前記回転軸は、軸方向が鉛直上下方向に沿うように配置されている、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、回転軸を鉛直上下方向に沿うように配置にすると、圧力差によりラジアルインペラの背面側にかかる上向き荷重の少なくとも一部が、ラジアルインペラ及び回転軸を含む回転体の自重による下向き荷重によって相殺されるため、スラスト力をさらに小さくすることができる。

また、本発明においては、廃熱エネルギーを回収して作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器からの前記作動媒体の供給により発電を行うタービン発電機と、前記タービン発電機から排出された前記作動媒体を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮された前記作動媒体を前記蒸発器に向けて送出するポンプと、を備える廃熱発電装置であって、前記タービン発電機として、先に記載のタービン発電機を有する、という構成を採用する。

本発明によれば、軸受の耐荷重を小さく抑えることができるタービン発電機及び廃熱発電装置が得られる。

本発明の実施形態における廃熱発電装置の構成図である。 本発明の実施形態における廃熱発電装置が備える膨張タービン発電機の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるラジアルインペラを背面側からみた斜視図である。 本発明の実施形態におけるラジアルインペラによる作用を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態における廃熱発電装置Ｇの構成図である。
図１に示す通り、本実施形態の廃熱発電装置Ｇは、蒸発器１、膨張タービン発電機（タービン発電機）２、凝縮器３、リザーバタンク４、ポンプ５を備えるランキンサイクルを利用した発電装置であり、工場や焼却施設等から放出される低温廃熱（本実施形態では温水、以下、熱源と称する場合がある）の廃熱エネルギーを用いて発電を行う。

蒸発器１は、工場等から放出される低温廃熱を回収して作動媒体の蒸気を生成するものである。蒸発器１は、熱源との間の熱交換によって作動媒体を気化させる一種の熱交換器である。この蒸発器１では、熱源（例えば温水）が流通する流路と作動媒体が流通する流路とが隣接するように設けられており、高温側である熱源の熱が低温側である作動媒体に効率良く伝導する。このような蒸発器１は、ポンプ５から供給された液体状態の作動媒体を気化させ、気化状態の作動媒体を膨張タービン発電機２に供給する。

本実施形態の作動媒体としては、沸点（大気圧条件下における沸点）が３５℃程度の媒体を用い、且つ運転中の装置内部の圧力が最大で１ＭＰａ（Ｇ）（ゲージ圧で１ＭＰａ）以下であるのが望ましい。その理由は、例えば約１００℃以下の低温廃熱の廃熱エネルギーを利用した発電を可能とすべく低温廃熱から蒸気の生成を可能にするとともに、装置全体の圧力を低く抑えることで膨張タービン発電機２の内部圧力を低く抑えるためである。

膨張タービン発電機２の内部圧力が低く抑えられると、膨張タービン発電機２のケーシングや蒸発器１及び凝縮器３にも高い圧力がかからないため、安全でかつコストを低く抑えて製造することも可能となるという相乗的な効果も得られる。ここで、上記の作動媒体としては、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）、フルオロカーボン、フルオロケトン、パーフルオロポリエーテル等を用いることができる。

膨張タービン発電機２は、このような蒸発器１から供給された気化状態の作動媒体を用いて三相交流電力を発電する。この膨張タービン発電機２は、図示するようにタービン２ａ、発電機２ｂを備えている。タービン２ａは、蒸発器１から供給される作動媒体によって駆動される回転機械である。すなわち、このタービン２ａは、詳細は後述するが、作動媒体を蒸発器１から受け入れる受入口と、作動媒体を凝縮器３に排出する排出口と、軸（タービン軸）が発電機２ｂと結合するタービンインペラ等を備えるものであり、蒸発器１からの作動媒体の供給によってタービンインペラを回転させる。

発電機２ｂは、タービン２ａの回転動力によって駆動されて三相交流電力を発電する回転機械である。すなわち、この発電機２ｂは、タービン２ａのタービン軸と軸結合すると共に略円筒状のロータ（界磁）と、当該ロータの外周に円環状に備えられたステータ（電機子巻線）等から構成されている。このような発電機２ｂは、ロータ（界磁）がタービン２ａによって回転駆動されることによって、ステータ（電機子巻線）に起電力が発生する。なお、この発電機２ｂが出力する三相交流電力は、不図示の電源回生コンバータによって商用電力（系統電力）の仕様に適合した三相交流電力に変換する。

凝縮器３は、膨張タービン発電機２を介した後の蒸気を冷却水等の冷却媒体にて冷却して凝縮させるものである。凝縮器３は、冷却水との間の熱交換によって作動媒体を凝縮（液体化）させる一種の熱交換器である。このような凝縮器３は、作動媒体を液体状態にしたものをリザーバタンク４に供給する。リザーバタンク４は、凝縮器３で凝縮された作動媒体を一時的に蓄えるタンクである。ポンプ５は、凝縮器３で凝縮されてリザーバタンク４に一時的に蓄えられた作動媒体を加圧して蒸発器１に向けて送出する。なお、このポンプ５は、例えば電動機によって回転駆動される。

次に、廃熱発電装置Ｇに設けられる膨張タービン発電機２について詳細に説明する。
図２は、本発明の実施形態における廃熱発電装置Ｇが備える膨張タービン発電機２の構成を示す断面図である。
図２に示す通り、膨張タービン発電機２は、一軸一段構造のタービン発電機であり、ラジアルインペラ１１、ロータ１２ａ及びステータ１２ｂ、回転軸１３、軸受１４ａ，１４ｂ、及びケーシング１５を備えて、回転軸１３の軸方向が鉛直上下方向に沿うように配置される。

発電機２ｂは、ラジアルインペラ１１の回転駆動力により駆動され、外周面に沿って配列された複数の永久磁石を有するロータ１２ａと、ロータ１２ａの外周面に対向するように内周面に配列された複数のコイルを有するステータ１２ｂと、を備えている。
回転軸１３は、ラジアルインペラ１１の回転駆動力を発電機２ｂに伝達するための軸部材であり、軸方向が鉛直上下方向に沿うように設けられている。回転軸１３の上端部にはラジアルインペラ１１がネジ止め等で固定されており、ラジアルインペラ１１、発電機２ｂのロータ１２ａ、及び回転軸１３は、一体的に回転する。

軸受１４ａ，１４ｂは、ケーシング１５に設置されており、鉛直上下方向に沿うように配置された回転軸１３を回転自在に支持する。本実施形態の軸受１４ａ，１４ｂは、ラジアル荷重及びスラスト荷重の何れをも支持できるアンギュラ玉軸受である。
ケーシング１５は、スクロールケーシング１５ａ、ケーシング本体１５ｂ、及び軸受支持部１５ｃ，１５ｄ等からなり、ラジアルインペラ１１、ロータ１２ａ及びステータ１２ｂ、回転軸１３を収容するとともに、廃熱発電装置Ｇの外形を成す。

スクロールケーシング１５ａは、スクロール室Ａ１（回転流路）、ノズル部（供給部）Ａ２、及び排出部Ａ３を備えている。スクロール室Ａ１は、ラジアルインペラ１１を囲むように環状に形成された流路である。ノズル部Ａ２は、スクロール室Ａ１と連通し、ラジアルインペラ１１に対して半径方向から作動媒体を供給する流路であり、複数のノズルベーン１８が設けられている。排出部Ａ３は、ラジアルインペラ１１を回転駆動した後の膨張した作動媒体を軸方向に排出する流路であり、ラジアルインペラ１１の上方に配置されている。

ケーシング本体１５ｂは、略円筒形状の部材であり、ロータ１２ａ及びステータ１２ｂと回転軸１３の一部とを収容する空間を有する。ケーシング本体１５ｂの内周面の複数箇所（例えば、３箇所）には、内部で液化した作動媒体を膨張タービン発電機２の底部に導く案内通路Ｃ１をなす溝が形成されている。ケーシング本体１５ｂには、膨張タービン発電機２で発電された電力を外部に取り出すためのコネクタ１６が設けられている。ここで、膨張タービン発電機２には蒸発した作動媒体が供給されており、ケーシング１５を密閉構造とする必要があることから、コネクタ１６として接続部分を密閉できるハーメチックコネクタが用いられる。

軸受支持部１５ｃは、その中心部に回転軸１３が介挿される孔である孔部Ｈ１が形成されており、下面側の中心部において軸受１４ａを支持する円板状の部材である。この軸受支持部１５ｃの上面側中央部には、孔部Ｈ１を取り囲むように円環状に形成され、ラジアルインペラ１１との間に流入した作動媒体（液化している作動媒体）を回収するための溝部Ｍが形成されている。また、溝部Ｍ内の複数箇所（例えば、３箇所）には、軸受支持部１５ｃの上面側から下面側に至る連通孔Ｈ２が形成されている。

軸受支持部１５ｄは、軸受１４ｂを支持する有底の円筒状に形成された部材である。この軸受支持部１５ｄは、ケーシング本体１５ｂの軸受支持部１５ｃが取り付けられる側とは反対側に、円筒部Ｐ１がケーシング本体１５ｂ内に配設されるように、その底部Ｐ２が締結ボルト等を用いて着脱自在に取り付けられる。軸受支持部１５ｄの円筒部Ｐ１には、軸受１４ｂを軸受１４ａ側に向かって付勢する予圧バネ１７が設けられている。軸受１４ａ，１４ｂはアンギュラ玉軸受であることから、軸方向に適切な予圧が加えられることで、転動体（玉）が適切な位置に保持され、回転に伴う振動や騒音等が低減される。

また、軸受支持部１５ｄの円筒部Ｐ１の複数箇所（例えば、３箇所）には、案内通路Ｃ２が形成されている。この案内通路Ｃ２は、円筒部Ｐ１の中心から放射状に形成される通路である。また、軸受支持部１５ｄの底部Ｐ２の中心部には、排出口ＥＸが形成されている。この排出口ＥＸは、膨張タービン発電機２の内部に溜まった液化した作動媒体を外部に排出する排出口である。この排出口ＥＸには、例えば一端がリザーバタンク４に接続されて流路の開放及び遮断が可能な電磁弁が取り付けられた配管（図示省略）の他端に接続されている。

次に、膨張タービン発電機２に設けられるラジアルインペラ１１について詳細に説明する。
図３は、本発明の実施形態におけるラジアルインペラ１１を背面側からみた斜視図である。図４は、本発明の実施形態におけるラジアルインペラ１１による作用を説明するための図である。

ラジアルインペラ１１は、蒸発器１で蒸発した作動媒体により回転駆動される回転翼である。ラジアルインペラ１１は、図４に示すように、ノズル部Ａ２を介して半径方向外側から供給される作動媒体により回転駆動され、排出部Ａ３に向けて軸方向一方側（上側）に膨張した作動媒体を送り出すようになっている。このラジアルインペラ１１は、軸方向が鉛直上下方向に沿うように配置された回転軸１３の上端部に締結固定されている。

ラジアルインペラ１１は、ハブ２０と、複数のタービンブレード２１と、を有する。ハブ２０は、略円錐形状の山型に形成されており、その中央に回転軸１３が挿通される孔部２０ａが形成されている。タービンブレード２１は、図３に示すように、３次元的ねじれ形状を有し、ハブ２０に対し一体的に設けられている。タービンブレード２１は、ハブ２０の陵部分に周方向に間隔をあけて複数設けられている。

ラジアルインペラ１１のハブ２０には、図３及び図４に示すように、タービンブレード２１の半径方向外側の翼端２１ａよりも半径方向内側に切り欠かれた切欠部２２が形成されている。すなわち、切欠部２２は、山型のハブ２０の山すその部分に形成されている。この切欠部２２は、隣り合うタービンブレード２１の間のそれぞれに形成されている。さらに、切欠部２２のそれぞれは、図３に示すように、同心円上に形成されている。すなわち、切欠部２２のそれぞれは、回転軸１３が挿通される孔部２０ａを中心として、同一半径上に形成されている。

切欠部２２は、タービンブレード２１に沿ってハブ２０を切り欠くように形成され、台形状となっている。この切欠部２２の半径方向の切り欠き深さは、図４に示すように、回転軸１３に対し半径方向で最も近いタービンブレード２１の根元位置ｍ１と、回転軸１３に対し半径方向で最も遠いタービンブレード２１の翼端位置ｍ２と、の間の中間位置ｍ３を基準として、翼端位置ｍ２と中間位置ｍ３との範囲内に設定することが好ましい。すなわち、作動媒体の流通性を確保するためであり、中間位置ｍ３を超えて切欠部２２を形成すると、ハブ２０の陵部分の傾きが急になり、作動媒体を半径方向から軸方向に流通させることが難しく、それに伴ってラジアルインペラ１１の回転効率が低下してしまうためである。

次に、このように構成された廃熱発電装置Ｇの動作について説明する。

最初に、廃熱発電装置Ｇの発電動作（主動作）について説明すると、本実施形態の廃熱発電装置Ｇでは、図１に示すように、作動媒体が蒸発器１→膨張タービン発電機２→凝縮器３→リザーバタンク４→ポンプ５→蒸発器１の順で循環しつつ作動媒体が液体と気体に状態変化することによって膨張タービン発電機２における発電が行われる。

膨張タービン発電機２では、図２に示すように、ノズル部Ａ２からラジアルインペラ１１に対して半径方向から作動媒体が供給され、供給された作動媒体がラジアルインペラ１１を回転させると共に膨張してラジアルインペラ１１の軸方向に排出される。このように、ノズル部Ａ２から作動媒体が供給されると、ラジアルインペラ１１の回転力となりつつ、入口側のノズル部Ａ２から出口側の排出部Ａ３に向かって圧力が下がる。本実施形態のように、膨張タービン発電機２がハーメチック構造である場合（なお、排出口ＥＸの不図示の電磁弁は閉状態）には、ケーシング内部は一般的にタービンの入口圧力と出口圧力の中間圧力程度になる。

そうすると、図４に示すように、ラジアルインペラ１１の背面には当該中間圧力がかかり、上向きのスラスト力が発生する（図４において矢印で示す）。ここで、本実施形態のラジアルインペラ１１のハブ２０には、タービンブレード２１の半径方向外側の翼端２１ａよりも半径方向内側に切り欠かれた切欠部２２が形成されている。このように、ラジアルインペラ１１のハブ２０がタービンブレード２１の半径方向外側の翼端２１ａよりも半径方向内側に切り欠かれていると、ラジアルインペラ１１の背面の面積が減り、その分、ノズル部Ａ２と排出部Ａ３と間の圧力差によりラジアルインペラ１１の背面側にかかる荷重が減る（なお、図４に示す２点差線は従来のハブ２０の形状を示す）。

このようにラジアルインペラ１１の背面側にかかる荷重が減ると、発生するスラスト力が小さくなり、軸受１４ａ，１４ｂの耐荷重を小さく抑えることができる。したがって、大型軸受を使用しなくてもよく、また、スラスト力が下がることで軸受寿命も長くなる。また、本実施形態において、ラジアルインペラ１１は、回転軸１３の端部に上向きで接続されている。ラジアルインペラ１１を上向きにすると、圧力差によりラジアルインペラ１１の背面側にかかる上向き荷重の少なくとも一部が、ラジアルインペラ１１及び回転軸１３を含む回転体の自重による下向き荷重によって相殺されるため、スラスト力をさらに小さくすることができる。

さらに、切欠部２２は、図３に示すように台形状に形成され、隣り合うタービンブレード２１の間の領域を大きく切り欠くことができるため、ラジアルインペラ１１の背面側にかかる荷重を大きく減らすことができる。
また、ハブ２０に切欠部２２を形成しても、切欠部２２が隣り合うタービンブレード２１の間のそれぞれに形成されているため、ハブ２０を切り欠いてもバランスがとれ、ラジアルインペラ１１の回転安定性を確保できる。また、さらに切欠部２２のそれぞれを、同心円上に形成することで、ラジアルインペラ１１の回転安定性がより高まることから、切欠部２２を形成しスラスト力を小さくすることによるトレードオフとなるラジアルインペラ１１の回転性の低下を最小限に抑えることができる。

したがって、上述の本実施形態によれば、回転軸１３に接続されたラジアルインペラ１１と、ラジアルインペラ１１に対して半径方向から作動媒体を供給するノズル部Ａ２と、ラジアルインペラ１１に供給された作動媒体が膨張して軸方向に排出される排出部Ａ３と、を有する膨張タービン発電機２であって、ラジアルインペラ１１のハブ２０には、タービンブレード２１の半径方向外側の翼端２１ａよりも半径方向内側に切り欠かれた切欠部２２が形成されている、という構成を採用することによって、軸受１４ａ，１４ｂの耐荷重を小さく抑えることができる膨張タービン発電機２及び廃熱発電装置Ｇが得られる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、切欠部２２は台形状に形成されているが、例えば円弧形状や矩形形状であってもよい。

また、例えば、上記実施形態では、切欠部２２は隣り合うタービンブレード２１の間のそれぞれに形成されているが、例えば、タービンブレード２１の間のそれぞれに周方向において一つ置きや二つ置きで形成してもよく、またこの場合はバランスをとるため周方向において等間隔で形成することが好ましい。

また、例えば、上記実施形態では、温水となった廃熱エネルギーを電気エネルギーとして回収したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば熱源として廃ガスを用いてもよい。また、熱源は、廃ガスや廃温水などの廃熱に限定されない。

１…蒸発器、２…膨張タービン発電機（タービン発電機）、３…凝縮器、５…ポンプ、１１…ラジアルインペラ、１３…回転軸、１４ａ，１４ｂ…軸受、２０…ハブ、２１…タービンブレード、２１ａ…翼端、２２…切欠部、Ａ２…ノズル部（供給部）、Ａ３…排出部、Ｇ…廃熱発電装置

Claims (6)

1. 回転軸に接続されたラジアルインペラと、前記ラジアルインペラに対して半径方向から作動媒体を供給する供給部と、前記ラジアルインペラに供給された作動媒体が膨張して軸方向に排出される排出部と、を有するタービン発電機であって、
   前記ラジアルインペラのハブには、タービンブレードの半径方向外側の翼端よりも半径方向内側に切り欠かれた切欠部が形成されている、ことを特徴とするタービン発電機。
2. 前記切欠部は、隣り合うタービンブレードの間のそれぞれに形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のタービン発電機。
3. 前記切欠部のそれぞれは、同心円上に形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載のタービン発電機。
4. 前記切欠部は、台形状に形成されている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のタービン発電機。
5. 前記回転軸は、軸方向が鉛直上下方向に沿うように配置されている、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のタービン発電機。
6. 廃熱エネルギーを回収して作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器からの前記作動媒体の供給により発電を行うタービン発電機と、前記タービン発電機から排出された前記作動媒体を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮された前記作動媒体を前記蒸発器に向けて送出するポンプと、を備える廃熱発電装置であって、
   前記タービン発電機として、請求項１〜５のいずれか一項に記載のタービン発電機を有する、ことを特徴とする廃熱発電装置。

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