JP2016142209A

JP2016142209A - Ｖｐｃ発電に使用するノズル構造

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Publication number: JP2016142209A
Application number: JP2015019666A
Authority: JP
Inventors: 内田　和男; Kazuo Uchida; 和男内田; 宏文姫井; Hirofumi Himei; 崇宏吉田; Takahiro Yoshida
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2016-08-08

Abstract

【課題】ＶＰＣ発電において、作動媒体により作動させるタービンを安定的に運転できるＶＰＣ発電に使用するノズル構造の提供。
【解決手段】ハウジング２内に配置したノズルプレート４の外周面に、入口41aが配列された複数のノズル41と、ハウジング２の内周面と前記ノズルプレート４の外周面との間に設けられ、作動媒体が導入される環状流路５とを有し、ノズルノズルプレート４内のノズル出口41bに配置したタービンロータ３のタービン羽根に向けて作動流体を噴出させ、タービンロータ３を回転させるＶＰＣ発電に使用するノズル構造において、前記ノズルプレート４の外周面に沿って設けている一部のノズル41の１、又は複数のノズルの入口にノズル遮蔽口42を設けると共に、前記各ノズル遮蔽口42の開放位置と遮蔽位置との間で移動させるノズル遮蔽弁６を前記ハウジング２に備える。
【選択図】図１

Description

本発明はＶＰＣ発電に使用するノズル構造に関し、詳しくは、ＶＰＣ発電で使用するタービン内で作動媒体を効果的に利用する為の機構を備えたＶＰＣ発電に使用するノズル構造に関する。

ＶＰＣ発電装置は、中低温熱源の有効利用を目的として、中低温熱源との熱交換媒体として、代替フロンであるＲ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａなどの低沸点の有機媒体を利用する発電装置である。
熱交換器を通して加熱した有機媒体は、ノズルを経由して熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、ロータ羽根に吹き付けることによりロータ軸に接続された発電機を駆動する。そして、ノズル上流の作動媒体がガス、気液二相流及び液体の３種類の相に対応した最適なノズル及び羽根形状が利用でき、更に超臨界条件にも対応できることからその適用範囲は広い。

上述の作動媒体を利用する発電において、速度を持って流れる作動媒体を、タービンロータのタービン羽根に対して所定の角度で配置されたノズルから噴出させ、そのときの衝撃力によりタービンを回転させる構造で、このときの回転によって、直結した発電機を回転させ発電を行う。

従来タービンにおいて、熱源流体が変動した場合には、例えば特許文献１の技術では、エンジン用ターボチャージャの排気タービンとして使用する例であるが、タービンに使用する流体速度の変動に対し、別々に傾動可能な第１、第２のベーンを調整して流量を調整する技術が開示されている。

特公平５−３４４８１号公報

従来タービンにおいて、熱源流体が変動した場合には、特許文献１に示している技術では、流体が少ない場合には第１のベーンのみを駆動することでノズル開度を制御して過給効果を得ることによりタービンの回転を安定させるものである。

これに対し、ＶＰＣ発電に用いるタービンにおいて、例えば、温泉熱、地熱等を用いて熱回収を行う際に、熱源が変動したり、大気温度の変動により、作動媒体の圧力に変動が生じることがある。このような場合に作動媒体は、熱源負荷変動によって、気体、液体の状態変化が生じ、適切なタービンロータの回転を維持できなくなる場合がある。すなわち、作動媒体は、熱源の大小による圧力の変動が大きいため、タービンの回転力が大幅に変動する可能性がある。

上述の従来例に示す特許文献１に示している技術では、タービンに供給する流体量を増減することで、タービンを安定させることができる。しかし、ＶＰＣ発電装置においては、加熱した作動媒体は、原則的に全量をタービンに供給している。このため、作動媒体の熱源の熱量が大きい場合は問題が少ないが、熱量が小さくなる場合には、供給する作動媒体の絶対量が減ってしまい、各ノズルに供給される作動媒体の圧力が減って、タービンの安定した運転をすることができない。

そこで、本発明は、ＶＰＣ発電において、使用する作動媒体により作動させるタービンを安定的に運転できるＶＰＣ発電に使用するノズル構造を提供することを課題とする。

また、本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

１．ハウジング内に配置したノズルプレートと、
前記ノズルプレートの外周面に入口が配列された複数のノズルと、
前記ハウジングの内周面と前記ノズルプレートの外周面との間に設けられ、作動媒体が導入される環状流路とを有し、
前記ノズルノズルプレート内のノズル出口に配置したタービンロータのタービン羽根に向けて作動流体を噴出させることにより、前記タービンロータを回転させるＶＰＣ発電に使用するノズル構造において、
前記ノズルプレートの外周面に沿って設けている一部のノズルの１又は２以上のノズルの入口にノズル遮蔽口を設けると共に、
前記各ノズル遮蔽口の開放位置と遮蔽位置との間で移動させるノズル遮蔽弁を前記ハウジングに備えることを特徴とするＶＰＣ発電に使用するノズル構造。

２．タービンロータのタービン羽根に向けて噴出させる作動流体の供給圧の低下にしたがって、前記ノズルプレートの外周面に沿って設けている一部のノズルの１又は２以上のノズルの入口にノズル遮蔽弁を作動させることを特徴とする請求項１記載のＶＰＣ発電に使用するノズル構造。

本発明によれば、ＶＰＣ発電において、熱源が変動したり、大気温度の変動により、作動媒体の圧力に変動が生じる場合であっても、タービンを安定的に運転できるＶＰＣ発電に使用するノズル構造を提供することができる。

本発明に係るノズル構造の使用状態を示す一部切り欠き斜視図図１の背面下方から見た使用状態を示す一部切り欠き斜視図本発明に係るノズル構造の使用状態を示す背面説明図図１の(iｖ)-(iｖ)線に沿う断面図（ａ）は図３の(ｖ)-(ｖ)線に沿う断面図、（ｂ）は、図５の(ｖｂ)-(ｖｂ)線に沿う断面図（ａ）は図３の(ｖｉ)-(ｖｉ)線に沿う断面図、（ｂ）は、図６の(ｖｉｂ)-(ｖｉｂ)線に沿う断面図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係るノズル構造の使用状態を示すもので、一部切り欠き斜視図、図２は図１の背面下方から見た使用状態を示す一部切り欠き斜視図、図３は本発明に係るノズル構造の使用状態を示す背面説明図、図４は図１の(iｖ)-( iｖ)線に沿う説明図、図５（ａ）は図３の(ｖ)-(ｖ)線に沿う断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の(ｖｂ)-(ｖｂ)線に沿う断面図、図６（ａ）は図３の(ｖｉ)-(ｖｉ)線に沿う断面図、（ｂ）は、図６の(ｖｉｂ)-(ｖｉｂ)線に沿う断面図である。

ＶＰＣ発電に使用するタービンは、ハウジング２に、タービンロータ３と、タービンロータ３に向けて作動媒体を噴出させる複数のノズル４１を有するノズルプレート４と、ノズル４１に流入させる作動媒体の環状流路５とを有しており、タービンロータ３の回転により不図示の発電機を回動させる構成となっている。

ハウジング２は、タービンロータ３と同軸状に配置された２枚の環状板部２１、２２と、該環状板部２１、２２の外周側をつなぐように設けられた円筒板部２３とを有し、その内側にタービンロータ３とノズルプレート４を収容している。

ノズルプレート４は、タービンロータ３と同軸状に配置された略円柱状に形成されており、ハウジング２の環状板部２１、２２の間に配置されている。
タービンロータ３が配置される側のノズルプレート４の端面には円形凹部４２が形成されており、この円形凹部４２内にタービンロータ３が配置されている。

ノズルプレート４に設けている複数のノズル４１は、図４点線に示すように、タービンロータ３のタービン羽根３１に対して所定の角度で作動媒体を噴出させる位置に配置し、ノズル４１の入口４１ａは、ノズルプレート４の外周面４３にそれぞれ開口し、その外周面４３の周方向に沿って一定の間隔で配列されている。
また、ノズル４１の出口４１ｂは、前記円形凹部４２の底面に開口し、周方向に沿って一定の間隔で配列されて、この出口４１ｂから作動媒体が排出する構成となっている。

また、周方向に沿って設けられている一部のノズル４１の１個、又は複数個の入口４１ａに、ノズル遮断口４４を設けている。そして、このノズル遮断口４４にノズル遮蔽部材６のノズル遮断弁６１は、前記ノズル遮蔽口４４を開放位置と遮断位置を移動可能に、軸方向に沿って移動可能に設けている。

また、前記ノズル遮蔽部材６は、２本の支持ロッド６２が連結されている。この支持ロッド６２は、環状板部２１を貫通し、ノズルプレート４を挟んでタービンロータ３の反対側に配置された移動機構７のステー７１に固定されている。支持ロッド６２が貫通している環状板部２１には、貫通部位をシールするためのロッドシール６３がそれぞれ設けられている。

ノズル遮断弁６１の開閉は、前記ピストンロッド７２の伸縮により支持ロッド６２の移動により行われ、各ノズル遮断弁６１の状態は、図２に示している。そして、ノズル遮断弁６１の遮断状態は、図５に、開放状態は図６に示している。

また、ノズル遮蔽部材６を設けるノズルの位置に関しては、特に限定するものではなく、適宜位置のノズル４１の入口４１ａに設ける。また、ノズル遮蔽部材６を設ける数は、上述実施例では３個に設けているが、熱量の変動量を考慮して設ける。

なお、図中８は、ノズルプレート４の外周部４３に有する全てのノズル入口４１ａを閉じるための、緊急ノズル遮断部材で、前記ノズル遮断弁６１を外周側に設けている緊急ノズル遮断弁８１により、ノズル入口４１ａを遮断可能としている。

導入部５１から環状流路５内に作動媒体が導入されると、各ノズル４１の入口４１ａに流入した作動媒体が、ノズル４１の出口４１ｂからタービンロータ３のタービン羽根３１に向けて噴出し、タービンロータ３を回転させる。これにより、タービンロータ３に連結される不図示の発電機を回転させ、発電が行われる。

このような状態において、温泉熱、地熱等の熱源が変動したり、大気温度の変動により、作動媒体への熱量が変動し、作動媒体の圧力に変動が生じることがある。このような場合に作動媒体は、熱源負荷変動によって、気体、液体の状体変化が不安定となる。このような作動媒体を、ノズル４１に供給しても、適切な二相流の作動媒体とはならず、所望のトルクを得ることができない。

そこで、作動媒体の圧力に応じてノズル遮蔽部材６を、１箇所又は複数箇所作動させる。例えば作動媒体の圧力が定格の１２．５％減ったときに一個のノズル遮断部材６を作動させることで、環状流路６内の圧力を１２．５％高めることができ、適正な圧力の作動媒体を得ることができ、安定したタービンの回転を得ることができた。

２：ハウジング
２１：環状板部
２２：ノズル遮断プレート収納孔
２３：環状板部
２４：円筒板部
３：タービンロータ
４：ノズルプレート
４１：ノズル
４１ａ：入口
４１ｂ：出口
４２：ノズル遮断口
４３：円形凹部
４４：外周面
５：環状流路
５１：導入部
６：ノズル遮蔽部材
６１：ノズル遮断弁
６２：支持ロッド
６３：ロッドシール
７：移動機構
７１：ステー
７２：シリンダー
７３：ガイドロッド
８：緊急ノズル遮蔽部材
８１：緊急ノズル遮蔽弁

Claims

ハウジング内に配置したノズルプレートと、
前記ノズルプレートの外周面に入口が配列された複数のノズルと、
前記ハウジングの内周面と前記ノズルプレートの外周面との間に設けられ、作動媒体が導入される環状流路とを有し、
前記ノズルプレート内のノズルの出口に配置したタービンロータのタービン羽根に向けて作動流体を噴出させることにより、前記タービンロータを回転させるＶＰＣ発電に使用するノズル構造において、
前記ノズルプレートの外周面に沿って設けている一部のノズルの１又は２以上のノズルの入口にノズル遮蔽口を設けると共に、
前記各ノズル遮蔽口の開放位置と遮蔽位置との間で移動させるノズル遮蔽弁を前記ハウジングに備えることを特徴とするＶＰＣ発電に使用するノズル構造。
タービンロータのタービン羽根に向けて噴出させる作動流体の供給圧の低下にしたがって、前記ノズルプレートの外周面に沿って設けている一部のノズルの１又は２以上のノズルの入口にノズル遮蔽弁を作動させることを特徴とする請求項１記載のＶＰＣ発電に使用するノズル構造。