JP2017507641A

JP2017507641A - 電気ターボ機械及び発電プラント

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Abstract

電気ターボ機械は、固定子１０１と、回転子１０２と、気化形態の気化性物質例えば水を含有する作業流によって駆動されるタービンセクション１１０と、を備える。回転子は、回転子を通過する液体状の気化性物質を含有する冷却流を導く。回転子は、タービンセクションのインペラ（１１１〜１１４）が回転子に直接接続されるエリアを通過する冷却流を導き、タービンセクションから出て来る作業流が至る同じ部屋へ、冷却流を導くように、配置される。上記の冷却システムは、発電プラントの密閉構造体として電気ターボ機械を構成し易くし、この発電プラントにおいて、電気ターボ機械の軸受は、気化性物質によって潤滑され、供給ポンプは、回転子に直接接続され、気体状の気化性物質が、固定子のガススペースを充たす。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電気機械に関する。特に、本発明は、発電プラントのターボ発電機として作動するのに適する電気ターボ機械に関する。更に、本発明は、電気エネルギーを発生するための発電プラントに関する。

典型的なランキンサイクル発電プラントは、作業流体として水が使用される蒸気発電プラント、又は、作業流体として、例えばシロキサンの１つなど適切な有機気化性物質が使用される、有機ランキンサイクル“Organic Rankine Cycle:ＯＲＣ”発電プラントである。多くの場合、ランキンサイクル発電プラントの最も有利なサイズを決定するという、技術的及び／又は経済的問題がある。例として、以下で蒸気発電プラントについてさらに詳しく論じる。多くの従来の蒸気発電プラントにおいては、蒸気タービンのシャフトは、非接触ラビリンスシールによってシールされ、蒸気は、ラビリンスシールを通過して周囲空気へ流れ、周囲空気が蒸気発電プラントの蒸気系統へ漏れ込むのを防止する。従って、蒸気発電プラントからの連続的な蒸気の流出がある。その結果、上記の蒸気流出によって取り除かれた水に代わるため、十分に純化された給水を生成する給水設備が必要である。更に、蒸気発電プラントが停止し、ラビリンスシールを通過する上記の蒸気の流れも停止すると、周囲空気は蒸気発電プラントの蒸気系統へ流入する。従って、蒸気発電プラントを再び始動するとき、蒸気系統から空気を取り除く、十分に効率の良い機構が必要である。更に、多くの従来の蒸気発電プラントにおいては、蒸気タービン及び発電機のシャフトは、回転オイルシール及びオイル循環機構を必要とする、オイル潤滑軸受で支持されている。更に、特に小規模の蒸気発電プラントにおいては、蒸気タービンと直接ネットワーク接続された発電機との間に、オイル潤滑ギアが存在する可能性がある。上記のことから、従来の蒸気発電プラントの公称出力の実用的な下限は、約３〜５ＭＷである。なぜなら、これより小規模の従来型蒸気発電プラントは、通常、コスト効率が良くないからである。

ハーメティック（hermetic）蒸気発電プラントは、電気ターボ機械を備え、蒸気タービンの１つ又は複数のインペラは、電気ターボ機械の発電機セクションの回転子に、直接接続される。更に、電気ターボ機械の軸受は、水で潤滑され、供給ポンプのインペラは、発電機セクションの回転子に直接接続され、発電機セクションのガススペースには、蒸気が充たされる。上述のようなハーメティック蒸気発電プラントの場合、ラビリンスシールを通って周囲空気へ蒸気が流れる必要がなく、電気ターボ機械の軸受のためのオイル循環機構の必要がなく、ギアボックスの必要がない。更に、ハーメティック蒸気発電プラントのコンデンサーの真空ポンプは、従来の蒸気発電プラントの真空ポンプに比べて、非常に小型とすることができる。ハーメティック蒸気発電プラントにおいては、真空ポンプの目的は、フランジシールを通って生じる可能性のある空気の漏れを排除することだけである。従って、従来の蒸気発電プラントにおけるような複雑な機構の必要がない。従って、ハーメティック蒸気発電プラントは、公称出力が小さい場合にも、コスト効率が良くなる。上述のようなハーメティック発電プラントの作動サイクルは、水以外の気化性物質に基づくこともできる。例えば、シロキサンの１つなどの適切な有機気化性物質を、水の代わりに使用できる。

国際公開第２００８０４６９５７号公報

但し、上述のようなハーメティック発電プラントは、課題がないわけではない。課題の１つは、発電機の冷却に関する。特許文献１は、タービンから出る蒸気が、発電機のガススペースの中で循環し、蒸気で発電機を冷却する、蒸気発電プラントについて説明している。但し、タービンから出る蒸気は、特に蒸気発電プラントが、例えば地域暖房のために使用される背圧式発電プラントの場合、発電機を冷却するためには、熱すぎる可能性がある。発電機の冷却に熱い蒸気を使用すると、熱い蒸気が、典型的な電気絶縁材料を損傷する傾向のある、望ましくない加水分解反応を生じる可能性があるので、大きな課題がある。加水分解によって生じる損傷の影響は、温度が上がると悪化する。

以下に、本発明のいくつかの実施形態を基本的に理解できるように、単純化した概要を示す。概要は、本発明を広範囲に概観するものではない。また、本発明の主要又は重要な要素を特定するものではなく、又は本発明の範囲を画定するためのものでもない。以下の概要は、本発明の例証的実施形態の、より詳細な説明の序文として、単に、本発明のいくつかの概念を、単純化した形式で示すものである。

本発明によれば、限定しないが、例えば、発電プラントのターボ発電機として使用するのに適する、新規の電気ターボ機械が提供される。本発明に係る電気ターボ機械は、固定子と、回転子と、１つ又はそれ以上のタービンインペラを有し、気化した状態の気化性物質、例えば水、を含有する作業流で駆動できる、タービンセクションと、を備える。電気ターボ機械の回転子は、
−１つ又はそれ以上のタービンインペラが直接第２のシャフトセクションに接続されるような、第１の及び第２のシャフトセクションと、
−回転子の軸方向において第１のシャフトセクションと第２のシャフトセクションとの間の、固定子と磁気的に相互作用する時トルクを発生する、電磁気が作用するセクションと、
−第１のシャフトセクションにおいて冷却流を受け入れ、冷却流を第２のシャフトセクションへ導き、第２のシャフトセクションの外へ冷却流を導く、冷却流路と、
を備える。

第２のシャフトセクションは、冷却流を、１つ又はそれ以上のタービンインペラが直接第２のシャフトセクションに接続されているエリアを通して導き、冷却流を、タービンセクションから出る作業流が導かれるのと同じ部屋へ導くように、配置される。冷却流は、作業流と同じ気化性物質であると有利であるが、但し液体状である。

上記の冷却系統は、発電プラントにおいて密閉構造体として電気ターボ機械を構成するのを容易にし、この場合、電気ターボ機械の軸受は、気化性物質によって潤滑され、供給ポンプは、回転子に直接接続され、気化形態の気化性物質は、固定子及び回転子によって構成された電気機械のガススペースを充たす。液体状の気化性物質を含有する冷却流は、例えばコンデンサータンク又は液体状の気化性物質を収容するその他の要素から得ることができる。更に、電気ターボ機械の冷却のために液体を使用する前に、コンデンサータンク又はその他の要素から得た液体を冷却するクーラーを含むことができる。クーラーは、海水又はその他の充分に冷たい液体を使用できる場合、例えば液体−空気熱交換機、又は液体−液体熱交換機とすることができる。

本発明のいくつかの例証的かつ非限定的実施形態において、回転子の上述の第１の及び第２のシャフトセクションは、回転子の電磁気が作用するセクションの少なくとも一部と同じ材料ピースとすることができる。他方、本発明の他のいくつかの例証的かつ非限定的実施形態において、回転子の第１の及び第２のシャフトセクションの一方又は両方は、回転子の電磁気が作用するセクションとは別個の材料ピースとすることができる。

本発明によれば、新規の発電プラントもまた提供され、この新規の発電プラントは、作業流体として水を使用する蒸気発電プラントであると有利であるが、必ずしも水を使用する蒸気発電プラントである必要はない。本発明に係る発電プラントは、
−作業流体を気化するための、ボイラーと、
−気化した作業流体に含まれるエネルギーを電気エネルギーに変換するための、本発明に係る電気ターボ機械と、
−電気ターボ機械から出て来る気化した作業流体を凝縮するための、コンデンサーと、
−凝縮した作業流体の第１の部分をボイラーへ圧送し、凝縮した作業流体で電気ターボ機械を冷却するために凝縮した作業流体の第２の部分を電気ターボ機械へ圧送するための、ポンプシステムと、
を備える。

本発明のいくつかの例証的かつ非限定的実施形態による発電プラントにおいて、上記のボイラーは、作業流体を過熱するための、過熱器を備える。この場合、「気化した作業流体」とは、過熱されて実際に気化した作業流体を意味する。典型的に、過熱器は、作業流体が水である場合に有利であり、これに対して、飽和蒸気は、典型的には、有機作業流体が使用される場合に、より有利である。

本発明の多数の例証的かつ非限定的実施形態については、従属請求項において説明する。

構成及び作動方法の両方に関する本発明の様々な例証的かつ非限定的実施形態は、具体的な例を示す実施形態の下記の説明を、添付図面と関連付けて読めば、その更なる目的及び利点とともに、よく理解できるだろう。

「備える（to comprise）」及び「含む（to include）」は、本文献において、列記されない特徴の存在を排除も要求もしない開放的制限（open limitation）として使用される。従属請求項において列記される特徴は、特に示されない限り、相互に自由に組合せできる。更に、本文献において単数形が使用される場合複数を排除しないものとする。

本発明の例証的かつ非限定的実施形態及びその利点について、添付図面を参照して、例として、以下で更に詳細に説明する。

本発明の例証的かつ非限定的実施形態に従った電気ターボ機械の断面図である。本発明の例証的かつ非限定的実施形態に従った電気ターボ機械の回転子の断面図である。本発明の例証的かつ非限定的実施形態に従った電気ターボ機械の回転子の断面図である。本発明の例証的かつ非限定的実施形態に従った電気ターボ機械の回転子の断面図である。本発明の例証的かつ非限定的実施形態に従った電気ターボ機械の回転子の断面図である。本発明の例証的かつ非限定的実施形態に従った電気ターボ機械の回転子の断面図である。本発明の例証的かつ非限定的実施形態に従った電気ターボ機械の回転子の断面図である。本発明の例証的かつ非限定的実施形態に従った発電プラントの概略図である。

図１は、本発明の例証的かつ非限定的実施形態に従った電気ターボ機械１００の断面図である。断面は、座標系１９９のｙｚ平面に沿って見たものである。電気ターボ機械は、固定子１０１と、固定子と磁気的に相互作用するための回転子１０２と、を備える。回転子１０２は、軸受１４１及び１４２によって回転可能に支えられる。電気ターボ機械１００が蒸気発電プラントのターボ発電機として使用される例証的事例において、軸受１４１及び１４２は、水潤滑軸受であると有利である。電気ターボ機械１００が、水以外の作業流体を使用する発電プラント、例えば有機ランキンサイクル“ＯＲＣ”発電プラント、のターボ発電機として使用される、別の例証的事例において、軸受１４１及び１４２は、該作業流体によって潤滑されると有利である。電気ターボ機械は、更に、タービンセクション１１０を備える。この例証的事例において、タービンセクションは、タービンインペラ１１１、１１２、１１３及び１１４を備える。タービンセクション１１０は、気化した状態の気化性物質、例えば水、を含有する作業流で駆動できる。図１において、作業流は、破線矢印で示される。タービンセクションの詳細な構成、例えばインペラの数等は、使用される気化性物質、及び／又は、温度や圧力低下など所望の作動条件によって、決まる。

電気ターボ機械の固定子１０１は、強磁性コア構造体１２１を備え、強磁性コア構造体１２１は、この例証的事例においては、固定子の複数の歯と、固定子の複数のスロットと、を備える。固定子は、巻き線を備え、巻き線は、固定子のスロットの中に配置された複数の固定子コイルを備える。また、固定子は、空隙巻き線と、歯のない強磁性コア構造体と、を備えることも可能である。強磁性コア構造体１２１は、相互に電気絶縁され、回転子１０２の軸方向に積み重ねられる鋼板で作られることが好ましい。軸方向は、座標系１９９のｚ方向に平行である。電気ターボ機械の回転子１０２は、第１のシャフトセクション１０３と、第２のシャフトセクション１０４と、回転子の軸方向において、第１のシャフトセクションと第２のシャフトセクションとの間の、電磁気が作用するセクション１０５と、を備える。電磁気が作用するセクション１０５は、固定子１０１と電磁的に相互作用する時、トルクを発生できる。電磁気が作用するセクション１０５は、永久磁石を備えることができ、永久磁石は、回転子と固定子との間の空隙を透過する磁束を生成する。この場合、電気ターボ機械は、永久磁石同期発電機“permanent magnet synchronous generator:ＰＭＳＧ”として作動できる。また、電磁気が作用するセクション１０５は、電気ターボ機械が同期電気機械として作動できるように、導電性構造体を備えることも可能である。図１に示すように、タービンインペラ１１１〜１１４（場合によっては、単一のタービンインペラ）は、回転子の第２のシャフトセクション１０４に、直接接続される。

回転子１０２は、第１のシャフトセクション１０３において冷却流を受け入れ、第２のシャフトセクションへ冷却流を導き、かつ第２のシャフトセクション１０４の外へ冷却流を導くための、冷却流路を備える。図１において、冷却流路は、参照番号１０６、１０７、１０８及び１０９で示す。図１において、冷却流を実線矢印で示す。冷却流は、作業流と同じ気化性物質で（但し液体状）であることが有利である。図１に示すように、第２のシャフトセクション１０４は、タービンインペラ１１１〜１１４が第２のシャフトセクションに直接接続されるエリアを通過して冷却流を導き、かつタービンセクション１１０から出る作業流が導かれるのと同じ部屋１１５へ冷却流を導くように、配置される。図１に示すように、電磁気が作用するセクション１０５に配置される冷却流路の部分は、第１のシャフトセクション１０３で冷却流を受け入れる冷却流路の部分よりも、回転子の回転軸から離れている。回転子において生じる損失のほとんどは、空隙表面に近いエリアにおいて発生するので、冷却流路１０７及び１０８は、回転子の空隙表面に近いと有利である。図１に示す例証的事例において、第１のシャフトセクション１０３の冷却流路は、回転子の回転軸と同軸でかつ冷却流を受け入れるのに適する穴である。電気ターボ機械は、第１のシャフトセクション１０３の穴へ冷却流を供給するための供給チューブ１１６を備える。供給チューブは、固定子に対して固定できる。即ち、回転子は、供給チューブに対して回転可能とすることができる。この場合、供給チューブの外面と電気ターボ機械のケーシングとの間に、密閉ジョイントを簡単に配置することができる。例えば、第１のシャフトセクションの穴と供給チューブ１１６の端部との間にシールを与えるために、非接触ラビリンスシール１１７を設置することができる。

本発明の例証的かつ非限定的実施形態に従った電気ターボ機械は、更に、第１のシャフトセクション１０３に直接接続される、ポンプインペラ１１８を備える。ポンプインペラは、液体を圧送するのに適し、電気ターボ機械が発電プラントのターボ発電機として使用される場合、フィードポンプとして使用できる。ポンプインペラ１１８は、例えばバルスケ型部分排出ポンプ（“Barske”-type partial emission pump）の直線羽根ラジアルインペラとすることができる。図１に示す例証的事例において、供給チューブ１１６及び回転子の第１のシャフトセクション１０３は、冷却流を、ポンプインペラ１１８が第１のシャフトセクションに直接接続されるエリアを通して導くように、配置される。冷却流は、軸方向に回転子に進入し、ポンプインペラを通過して流れるように、配置される。また、回転子の半径方向穴を介して半径方向に冷却流を供給することも可能である。例えば、第１のシャフトセクションは、半径方向穴を備えることができ、この半径方向穴は、第１のシャフトセクションを支持して冷却流の材料によって潤滑される軸受１４１から、冷却流を受け取るのに適する。但し、このためには、回転子に冷却流を供給する際に遠心力に抵抗する必要がある。但し、これは、冷却流出口において同様に半径方向穴を持つことによって、又は、他の設計、例えば回転子の回転軸の周りで冷却流を回転運動させて、冷却流出口において吸引効果に基づく遠心力を与える羽根によって、補償することができる。

本発明の例証的かつ非限定的実施形態に従った電気ターボ機械において、固定子の巻き線は、冷却流を導くための管状流路１１９を備える。管状流路は、例えば、プラスチック又はその他の適切な材料で作られ、巻き線の電線の間に配置することができる。また、巻き線の電線は、導電性のスレッドが、管状コアの周りに編まれている、という構造体を持つことも可能である。このような場合、冷却チューブは、導電性材料、例えば温水、の流れによって生じる腐食現象に充分な耐性を持ち、蒸気環境に確実に耐える、ステンレス鋼で作ることができる。この場合、冷却系統のガルバニック分離（galvanic separation）は、この電気ターボ機械の外部に配置されなければならない。

本発明の例証的かつ非限定的実施形態に従った電気ターボ機械において、固定子のフレーム構造体は、固定子の強磁性コア構造体１２１を取り囲みかつ固定子を冷却するための液体ジャケットを収容するのに適する、部屋１２０を備える。固定子は、更に、固定子のコイル端と固定子のフレーム構造体との間に熱伝導関係を与えるように配置された、中実材料１２２、例えば特殊な高熱伝導性で蒸気耐性のある樹脂、を備えることができる。

上述のような電気ターボ機械が蒸気発電プラントのターボ発電機として使用される場合、ガススペース１４４には、典型的には蒸気が充たされる。ガススペースを充たす蒸気の温度は、回転子１０２が水によって内部から冷却され、かつ固定子のフレーム構造体及び／又は巻き線も水によって冷却できるので、充分に低く維持できる。更に、固定子のフレーム構造体は、部屋１５７を備えることができ、部屋１５７は、タービンセクションのインペラ室からガススペース１４４へ漏れる、蒸気又はその他の作業流体の部分を冷却する、液体ジャケットを収容する。

図２ａ及び２ｂは、本発明の例証的かつ非限定的実施形態に従った、電気ターボ機械の回転子２０２の、断面図である。図２ａに示す断面は、図２ｂの線Ｂ−Ｂに沿っており、断面平面は、座標系２９９のｙｚ平面に平行である。図２ｂに示す断面は図２ａの線Ａ−Ａに沿っており、断面平面は、座標系２９９のｘｙ平面に平行である。回転子２０２は、第１のシャフトセクション２０３と、第２のシャフトセクション２０４と、回転子の軸方向において第１のシャフトセクションと第２のシャフトセクションとの間の電磁気が作用するセクション２０５と、を備え、ここで、軸方向は、座標系２９９のｚ方向である。回転子は、回転子を通過する冷却流体を導くための冷却流路を備える。冷却流路のいくつかを、図２ａ及び２ｂにおいて参照番号２０６、２０７、２０８及び２０９で示す。電磁気が作用するセクション２０５は、永久磁石と、電気機械の回転子と固定子との間に磁束のための磁気回路の一部を構成する強磁性ヨークセクションと、を備える。永久磁石の１つを、図２ａ及び２ｂにおいて参照番号２３０で示す。強磁性ヨークセクション２３４は、強磁性ヨークセクション内で冷却流路を構成するための、軸方向穴を備える。軸方向穴のうちの２つを図２ａ及び２ｂにおいて参照番号２０７及び２０８で示す。強磁性ヨークセクションの軸方向穴は、強磁性ヨークセクションを腐食から保護するために、例えばステンレス鋼又はその他のステンレス材料でライニングできる。第１の及び第２のシャフトセクション２０３及び２０４を構成する要素は、例えばステンレス鋼で作ることができる。強磁性ヨークセクション２３４と第１の及び第２のシャフトセクション２０３を構成する要素は、例えば溶接によって接合できる。回転子は、更に、冷却流体が永久磁石に接近するのを防止するためのＯリングシール又はその他の適切なシール手段を備えることができる。Ｏリングの１つを図２ａにおいて参照番号２４５で示す。回転子は、電磁気が作用するセクション２０５を取り囲みかつ回転子の半径方向に電磁気が作用するセクションを支持する管状バンド構造体２３３を備えると有利である。管状バンド構造体２３３は、例えばステンレス鋼又はカーボンファイバ複合材料で作ることができる。又、管状バンド構造体２３３は、内側バンドがカーボンファイバ複合材料で作られかつ外側バンドがステンレス鋼で作られるように、２つの入れ子式バンドを備えることが可能である。内側バンドは半径方向の支持を与え、外側バンドは、電気機械の空隙に存在する可能性のありカーボンファイバ複合材料を損傷する可能性のある物質から内側バンドを保護する。更に、回転子は、端絡環２３１及び２３２を備える。端絡環２３１及び２３２は、例えばステンレス鋼で作ることができる。ステンレス鋼で作られた管状バンドがある場合、管状バンドは、剛性構成体を得るために端絡環に接続できる。端絡環は、冷却流体が永久磁石に接近するのを防止するために使用でき、端絡環は、第１の及び第２のシャフトセクション２０３及び２０４を構成する要素と強磁性ヨークセクション２３４との間の接合部を被覆するように配置される。図２ｂに示す断面図から分かるように、永久磁石は、この例証的事例において、回転子が一極対（one-pole pair）回転子であるように位置付けられる。永久磁石の間の材料２３５は、例えばアルミニウムである。

図３ａ及び３ｂは、本発明の例証的かつ非限定的実施形態に従った電気ターボ機械の回転子３０２の断面図である。図３ａに示す断面は、図３ｂの線Ｂ−Ｂに沿っており、断面平面は座標系３９９のｙｚ平面に平行である。図３ｂに示す断面図は、図３ａの線Ａ−Ａに沿っており、断面平面は座標系３９９のｘｙ平面に平行である。回転子３０２は、第１のシャフトセクション３０３と、第２のシャフトセクション３０４と、回転子の軸方向において第１のシャフトセクションと第２のシャフトセクションとの間の電磁気が作用するセクション３０５と、を備え、ここで、軸方向は座標系３９９のｚ方向である。回転子は、回転子を通過する冷却流体を導くための冷却流路を備える。冷却通路のいくつかを、図３ａ及び３ｂにおいて参照番号３０６、３０７、３０８及び３０９で示す。電磁気が作用するセクション３０５は、永久磁石と、電気機械の回転子と固定子との間に磁束のための磁気回路の一部を構成する強磁性ヨークセクションと、を備える。永久磁石の１つを、図３ａ及び３ｂにおいて参照番号３３０で示す。強磁性ヨークセクション３３４は、強磁性ヨークセクション内に冷却流路を構成するための軸方向穴を備える。軸方向穴の２つを、図３ａ及び３ｂにおいて参照番号３０７及び３０８で示す。強磁性ヨークセクションの軸方向穴は、強磁性ヨークセクションを腐食から保護するために例えばステンレス鋼又はその他のステンレス材料でライニングできる。回転子の要素３３６及び３３７は、例えばステンレス鋼で作ることができる。強磁性ヨークセクション３３４と要素３３６及び３３７は、例えば締り嵌め及び／又は溶接によって接合できる。回転子は、電磁気が作用するセクション３０５を取り囲みかつ回転子の半径方向に電磁気が作用するセクションを支持する管状バンドを備えると有利である。この例証的事例において、管状バンド構造体は、内側バンド３３３ａがカーボンファイバ複合材料で作られかつ外側バンド３３３ｂがステンレス鋼で作られるように、２つの入れ子式バンド３３３ａ及び３３３ｂを備える。内側バンドは半径方向の支持を与え、外側バンドは電気機械の空隙に存在してカーボンファイバ複合材料を損傷する可能性のある物質から内側バンドを保護する。図２ｂに示す断面図から分かるように、永久磁石は、この例証的事例において、回転子が二極対（two-pole- pairs）回転子であるように位置付けられる。

図４ａ及び４ｂは、本発明の例証的かつ非限定的実施形態に従った電気ターボ機械の回転子４０２の断面図である。図４ａに示す断面は、図４ｂに示す線Ｂ−Ｂに沿っており、断面平面は、座標系４９９のｙｚ平面に平行である。図４ｂに示す断面は、図４ａに示す線Ａ−Ａに沿っており、断面平面は、座標系４９９のｘｙ平面に平行である。回転子４０２は、第１のシャフトセクション４０３と、第２のシャフトセクション４０４と、回転子の軸方向において第１のシャフトセクションと第２のシャフトセクションとの間の電磁気が作用するセクション４０５と、を備え、ここで、軸方向は、座標系４９９のｚ方向である。回転子は、回転子を通過する冷却流体を導くための冷却流路を備える。冷却流路のいくつかを、図４ａ及び４ｂにおいて参照番号４０６、４０７、４０８及び４０９で示す。電磁気が作用するセクション４０５は、電流を搬送するためのケージ（cage winding）と、電気機械の回転子と固定子との間に磁束のための磁気回路の一部を構成する強磁性セクション４３４と、を備える。従って、回転子は、非同期機械に適する。ケージは、端絡環と、端絡環の間のバーと、を備える。バーの１つを図４ａ及び４ｂにおいて参照番号４３８で示す。ケージのバーは、電磁気が作用するセクション４０５内に冷却流路を構成するために管状である。ケージの管状バーの内側表面は、バーを腐食及び／又は浸食から保護するために例えばステンレス鋼又はその他のステンレス材料でライニングできる。第１の及び第２のシャフトセクション４０３及び４０４を構成する要素は、例えばステンレス鋼で作ることができる。強磁性セクション４３４と第１の及び第２のシャフトセクション４０３及び４０４を構成する要素は、例えば溶接によって接合できる。回転子は、電磁気が作用するセクション４０５を取り囲みかつ回転子の半径方向に電磁気が作用するセクションを支持する管状バンド構造体４３３を備えると有利である。管状バンド構造体４３３は、例えばステンレス鋼又はカーボンファイバ複合材料で作ることができる。又、管状バンド構造体４３３は、内側バンドがカーボンファイバ複合材料で作られかつ外側バンドがステンレス鋼で作られるように、２つの入れ子式バンドを備える。内側バンドは半径方向の支持を与え、外側バンドは、電気機械の空隙に存在しカーボンファイバ複合材料を損傷する可能性のある物質から内側バンドを保護する。

図５は、本発明の例証的かつ非限定的実施形態に従った発電プラントの概略図である。発電プラントは、作業流体として水を使用する蒸気発電プラントであることが有利である。いくつかの事例において、発電プラントが、例えば作業流体として適切な有機流体を使用する有機ランキンサイクル“ＯＲＣ”エネルギー変換機であることも可能である。有機流体は、例えばシロキサンの１つであるが、必ずしもシロキサンの１つである必要はない。発電プラントは、作業流体を気化するためのボイラー５５１と、気化した作業流体に含まれるエネルギーを電気エネルギーに変換するための電気ターボ機械５００と、を備える。電気エネルギーは、周波数変換機５５８の助けを借りて高圧ケーブルグリッド５５９へ供給される。電気ターボ機械５００は、気化した作業流体に含まれるエネルギーを機械エネルギーへ変換するためのタービンセクションと、機械エネルギーを電気エネルギーへ変換するための発電機セクションと、を備える。発電機セクションは、固定子と、固定子と磁気的に相互作用する回転子と、を備える。タービンセクションは、発電機セクションの回転子に直接接続される１つ又はそれ以上のインペラを備える。電気ターボ機械５００は、図１を参照して上で説明したような機械とすることができ、発電機セクションの回転子は、図２ａ及び２ｂ又は図３ａ又は３ｂ又は図４ａ及び４ｂを参照して上に説明するような回転子とすることができる。発電機セクションの回転子は、液体状の作業流体が回転子を通過して流れて、回転子から電気ターボ機械のタービンセクションから出る作業流体が導かれるのと同じ部屋５１５へ至るように、冷却流路を備える。

発電プラントは、電気ターボ機械から出て来る気化した作業流体を凝縮するためのコンデンサー５５２と、凝縮された作業流体の第１の部分をボイラー５５１へ圧送しかつ凝縮した作業流体で電気ターボ機械を冷却するために凝縮した作業流体の第２の部分を電気ターボ機械５００へ圧送するためのポンプシステムと、を備える。図５に示す例証的事例において、ポンプシステムは、そのインペラが電気ターボ機械の発電機セクションの回転子に直接接続されるフィードポンプ５５３を備える。ポンプシステムは、更に、凝縮した作業流体をコンデンサータンク５５７からフィードポンプ５５３及び電気ターボ機械５００へ供給するように配置されたプレフィードポンプ５５４を備える。発電プラントは、凝縮した作業流体を電気ターボ機械へ供給する前に電気ターボ機械を冷却するために使用される凝縮した作業流体を冷却するためのクーラー５５５を備えると有利である。クーラー５５５及びコンデンサー５５２は、海水又は十分に冷たい他の液体が使用できる場合には、例えば、液体―空気熱交換器又は液体−液体熱交換器である。

図５に示す例証的事例において、発電プラントは、電気ターボ機械５００の軸受を凝縮した作業流体で潤滑するために、軸受へ凝縮した作業流体を導くための流路５５６を備える。電気ターボ機械５００が、作業流体が周囲空気へ漏れるのを防止しかつ周囲空気が作業流体に接近するのを防止するための密閉ケーシングを備えると、有利である。更に、発電プラントは、エネルギー変換の効率を増すために複熱装置５６０を備えることができる。

上記の説明において示す固有の実施例は、限定的と見なすべきではない。従って、本発明は、上述の実施形態のみに限定されない。

Claims

固定子（１０１）と回転子（１０２、２０２、３０２、４０２）とを備える電気ターボ機械（１００）であって、前記回転子が、
−第１のシャフトセクション（１０３、２０３、３０３、４０４）及び第２のシャフトセクション（１０４、２０４、３０４、４０４）と、
−前記回転子の軸方向における前記第１のシャフトセクションと第２のシャフトセクションとの間の、電磁気が作用するセクション（１０５、２０５、３０５、４０５）であって、前記固定子と磁気的に相互作用する時トルクを発生する、電磁気が作用するセクション（１０５、２０５、３０５、４０５）と、
−前記第１のシャフトセクションにおいて冷却流を受け入れ、前記冷却流を、前記第２のシャフトセクションへ導き、前記第２のシャフトセクションの外へ前記冷却流を導く、冷却流路（１０６〜１０９、２０６〜２０９、３０６〜３０９、４０６、４０９）と、
を備え、
前記電気ターボ機械が、更に、作業流で駆動でき、前記第２のシャフトセクションに直接接続された、１つ又はそれ以上のタービンインペラ（１１１〜１１４）を備える、タービンセクション（１１０）を備え、
前記第２のシャフトセクションが、前記冷却流を、前記１つ又はそれ以上のタービンインペラが前記第２のシャフトセクションに直接接続されているエリアを通して導き、前記冷却流を、前記タービンセクションから出る前記作業流が導かれるのと同じ部屋（１１５）へ導くように、配置されている、
ことを特徴とする、
電気ターボ機械。
前記電磁気が作用するセクション（１０５、２０５、３０５、４０５）に配置される前記冷却流路の部分が、前記第１のシャフトセクションで前記冷却流を受け入れる前記冷却流路の部分よりも、前記回転子の回転軸から離れている、
請求項１に記載の電気ターボ機械。
前記電磁気が作用するセクションが、永久磁石（２３０、３３０）と、前記回転子と前記固定子との間に磁束のための磁気回路の一部を構成する強磁性ヨークセクション（２３４、３３４）と、を備え、前記強磁性ヨークセクションが、前記強磁性ヨークセクション内に、前記冷却流路を構成するための軸方向穴を備えている、
請求項１又は２に記載の電気ターボ機械。
前記強磁性ヨークセクションの前記軸方向穴が、前記強磁性ヨークセクションの腐食を防止するために、ステンレス材料でライニングされている、
請求項３に記載の電気ターボ機械。
前記回転子が、管状バンド構造体（２３３、３３３ａ、３３３ｂ、４３３）を備え、前記管状バンド構造体（２３３、３３３ａ、３３３ｂ、４３３）が、前記電磁気が作用するセクションを取り囲み、前記回転子の半径方向に前記電磁気が作用するセクションを支持している、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気ターボ機械。
前記第１のシャフトセクションが、前記回転子の回転軸と同軸であり、前記冷却流を受け入れるのに適する穴を備え、前記電気ターボ機械が、前記第１のシャフトセクションの前記穴へ前記冷却流を供給する供給チューブ（１１６）を備えている、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気ターボ機械。
前記回転子が、前記供給チューブに対して回転可能であり、非接触ラビリンスシール（１１７）が、前記第１のシャフトセクションの前記穴と前記供給チューブの端部との間にシールを与えている、
請求項６に記載の電気ターボ機械。
前記第２のシャフトセクションが、前記回転子が回転するとき及び前記冷却流が第２のシャフトセクションから出るとき、前記冷却流を、前記回転子の回転軸の周りで回転運動させるように配置され、遠心力に基づく吸引効果を与えている、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気ターボ機械。
前記電気ターボ機械が、更に、前記第１のシャフトセクションに直接接続されたポンプインペラ（１１８）を備え、前記ポンプインペラが、液体を圧送するインペラである、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気ターボ機械。
前記第１のシャフトセクションが、前記冷却流を、前記ポンプインペラが前記第１のシャフトセクションに直接接続されるエリアを通して導くように配置されている、
請求項９に記載の電気ターボ機械。
前記固定子のフレーム構造体が、部屋（１２０）を備え、前記部屋（１２０）が、前記固定子の強磁性コア構造体（１２１）を取り囲み、前記固定子を冷却する液体ジャケットを収容するのに適している、
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電気ターボ機械。
前記固定子のフレーム構造体が、部屋（１５７）を備え、前記部屋（１５７）が、前記タービンセクションのインペラ室から、前記回転子及び前記固定子を備える電気機械のガススペースへ漏れる、前記作業流の部分を冷却するための、液体ジャケットを収容している、
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電気ターボ機械。
前記固定子が、中実材料（１２２）を備え、前記中実材料（１２２）が、前記固定子のコイル端と前記固定子の前記フレーム構造体との間に熱伝導関係を与えるように、配置されている、
請求項１１又は１２に記載の電気ターボ機械。
−作業流体を気化するための、ボイラー（５５１）と、
−気化した作業流体に含まれるエネルギーを電気エネルギーに変換するための、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の電気ターボ機械（５００）と、
−前記電気ターボ機械から出て来る前記気化した作業流体を凝縮するための、コンデンサー（５５２）と、
−凝縮した作業流体の第１の部分を、ボイラーへ圧送し、前記凝縮した作業流体で電気ターボ機械を冷却するために、前記凝縮した作業流体の第２の部分を、電気ターボ機械へ圧送する、ポンプシステム（５５３、５５４）と、
を備えている、
発電プラント。
前記発電プラントが、前記凝縮した作業流体の前記第２の部分を前記電気ターボ機械へ供給する前に前記凝縮した作業流体の前記第２の部分を冷却するための、クーラー（５５５）を備えている、
請求項１４に記載の発電プラント。