JP2018513299A - 好ましくは有機ランキン・サイクルｏｒｃプラントのための多段タービン - Google Patents

Abstract

有機ランキン・サイクルＯＲＣのタービンを開示する。タービンは、少なくとも２つのベアリングによって支持されるシャフトと、アレイ又はロータ・ブレードと交互に配置されるステータ・ブレードのアレイによって構成される複数の膨張の軸方向ステージと、を備える。ロータ・ブレードは、対応する支持ディスクによって保持される。支持ディスクは、ベアリングに対して外側の位置においてシャフトに直接連結され、そして、他の支持ディスクは、シャフトに直接結合されることなく、主支持ディスクに互いに順に固定される。提案する解決法により、複数の（所望の場合３段を超える）ステージを備えながら、タービンの片持ち式構造を形成できる。本タービンにより、片持ち式ではない従来の多段軸流タービンによって形成されるのと、又は、２つの連結された軸流タービンによって形成されるのと同様に、他の条件を変えずに、高いエンタルピー・ジャンプで作動流体を膨張させることができる。他の支持ディスクのうちのいくつかは、主支持ディスクに固定されるとともに、タービンのロータ部分の重心がよりベアリング側にシフトするよう、シャフトを支持するベアリングと同じ側から片持ち式に延設される。

Description

本発明は、好ましくは有機ランキン・サイクル（ＯＲＣ）、又はカリーナ・サイクル、又は水蒸気サイクルにおいて動作するために設計されたタービンに関する。

略語ＯＲＣ「有機ランキン・サイクル（Organic Rankine Cycle）」は、通常、大部分のランキン・パワー・サイクルにおいて用いられる水蒸気より大きい分子量を典型的には有する有機作動流体を用いる、ランキンタイプの熱力学サイクルを意味する。

ＯＲＣプラントは、固形バイオマスから電気的・熱的パワーを複合的に発生させるのにしばしば用いられる。他の用途には、工業プロセスの廃熱、原動機からの熱回収、又は地熱源もしくは太陽光熱源の活用が含まれる。

例えば、通常、バイオマスが供給されるＯＲＣプラントは、
燃料バイオマスが供給される燃焼室と、
燃焼ガス（fume）／気体の熱の一部を、中間回路によって送られる伝熱流体（例えば非断熱性油（diathermic oil）へと伝熱するように配置される熱交換器と、
中間伝熱流体の熱の一部を作動流体に伝熱して、作動流体の予熱及び蒸発を行うよう配置される１以上の熱交換器と、
蒸気状態の作動流体によって動力が供給されるタービンと、
タービンによって駆動されて電力を発生する発電機と、
を備える。

燃焼室の下流側の熱交換器において、伝熱流体（例えば非断熱性油）は、通常約３００℃の温度まで加熱される。伝熱流体は、有機作動流体が蒸発する上述の熱交換器を通って流れる閉ループ回路において循環する。有機流体蒸気は、タービンへと入って膨張して、機械的パワーを発生し、その後、タービン自体のシャフトに接続された発電機を通じて電力に変換される。タービンにおいて作動流体蒸気の膨張が終了すると、作動流体蒸気は、冷却流体（通常、水）に伝熱することで特定の凝縮器において凝縮され、冷却流体は、プラントの下流側で、約８０℃〜９０℃で、熱ベクター(thermal vector)として、例えば地域暖房のために用いられる。凝縮された作動流体は、伝熱流体が流れる熱交換器内へと供給され、閉ループ回路サイクルが完了する。また多くの場合、タービン出力（凝縮器入力の前）において蒸気を冷却して予熱器／蒸発器の上流側で有機液体を予熱する再生器(regenerator)が備えられる。

発生した電力を、プラントの補助装置を動作するために用いることができ、及び／又は、電力供給網に供給することができる。

タービンにおける作動流体の高膨張比及び高エンタルピー・ジャンプを特徴とするＯＲＣプラントにおいて、高いエンタルピー・ジャンプのため、３段以上のステージが好ましくは設けられる。ここで、「ステージ」は、ステータ・ブレードのアレイと、対応するロータ・ブレードのアレイとを意味する。

タービン・ステージの数が増加するにつれて、コストが増加し、直列に接続された２つのタービンを１つの発電機を動作するために用いる方が利点となりうる限度の数まで、プロジェクトエンジニアリングや組立がますます複雑になる。したがって、１つのタービンのステージ数を増加する（例えばステージを６段以上に増加する）代わりに、２つのタービン（両方が３段のステージを有する）を採用する可能性もある。

例えば、５ＭＷを発生する本願出願人によって設計されたプラントにおいては、３０００回転／分に設計された単一（シングル）の６ステージの軸流タービン（axial turbine）を用いる代わりに、それぞれのシャフトによって単一発電機の両側に接続される、高圧側タービンと低圧側タービンとの２つの軸流タービンの使用が選択されている。

上述した複数のタービンを有する解決法には、いくつかの技術的・経済的欠点がある。プラントは、タービンを発電機に連結するためのいくつかの減速ユニット（タービンが、減速ユニットを必要とすることなく直接連結できる大きさである場合を除いて）と、高圧吸込み弁に対して低圧タービン内へと蒸気を流入させる複数のバルブと、二重のベアリング及びロータリシールと、二重のケーシングと、二重のシャフトと、二重の計測装置（instrumentation）と、タービンを流体的に接続する断熱ダクト等を備える必要がある。これにより、プラントの生産、調整、及び保守のためのコストが増加し、プラントの芯出し（アライニング）、始動、停止、及び運転の技術的困難性も増加する。

出願人は、２つのタービンの採用と単一の多段（マルチステージ）タービンの形成との中間的な技術的解決法を提案した。国際特許出願公開第２０１３／１０８０９９号には、特にＯＲＣサイクルにおいて動作するよう設計され、軸方向ステージ（axial stage）の前に遠心径方向ステージ（centrifugal radial stage）を備えるタービンが記載されている。記載されている実施形態において、タービンは、片持ち式（カンチレバー）構成を有する。つまり、シャフトは、ロータ・ブレードの支持ディスクに対して同じ側に配置された複数のベアリングによって支持されている。

米国特許第２１４５８８６号明細書には、単一の支持ディスク又はダブル支持ディスクを備えるラジアルタービンが記載されている。ダブル支持ディスクは、片持ち式に（カンチレバー状に）装着されている。第一ディスク（図１における参照符号１４）は、タービンのダブル回転部において複数のステージを支持している。第二支持ディスク（１８）は、第一ディスクに連結され、タービンのシングル回転部において複数のステージを支持している。

米国特許第２７４７３６７号明細書には、多段軸流圧縮機とタービンとを備えるガスタービンが記載されている。シャフトは片持ち式には支持されていない。支持ディスク、又は低圧圧縮機及び高圧圧縮機と、タービンと、は互いにネジ固定されている。

例えば、図３を参照すると、低圧圧縮機が参照符号９１で示されている。シャフト８８は、３つのベアリング３０，１２８，１４０（図３及び図５）によって支持される。２つのカップリング１０１，１０２（図３）を有し、これらは外側に延設されるフランジ１０１，１０２として記載されている（第３欄４６行目）。ロータ・ディスク９２は、前記フランジによって分離される。

図４を参照すると、高圧圧縮機が参照符号１５２で示されている。シャフト１８２は、３つのベアリング１６８，１７０，１８０（図３及び図４）によって支持される。２つのカップリング１６０，１６２を有し、これらはベアリングの支持体（エンドベル）１６０，１６２として記載されている（第４欄５２行目）。ロータ・ディスク１５４（図４）はベアリングの支持体から分離されている。

図５を参照して、高圧タービン６８は、高圧圧縮機のシャフト１８２に固定されたシングル支持ディスクを備え、３つのベアリング１６８，１７０，１８０によって支持されている（図３及び図４）。

図５を参照して、低圧タービン７４は、２つのロータ・ディスクを備える。一方は低圧圧縮機を駆動するシャフト８８に固定されており、他方はシャフト１４０に固定されている。また２つのディスクが互いに接続されており、これにより、全体のアッセンブリは、３つのベアリング３０，１２８，１４０によって支持される（図３及び図５）。

英国特許第３１００３７号明細書には、各ラジアルタービン当たり２つの軸方向ステージ（アキシャル・ステージ）が追加されたユングストロームタービンが記載されている。２つのロータが片持ち式に装着されている。第２ページ８行目に記載されている通り、タービンディスクは、図１に示される部分３，４，５から構成される。ラジアル・ステージ８，９は、部分３，４にそれぞれ装着され、互いに対して対称であり、システムの重心の位置に変化をもたらさない。ラジアル・ステージ１０，１１（左側の２つと右側の２つ）は、機械の中心軸に対して対称的に装着される必要がある（第１ページ８７行目以降：「図１において、Ａ−Ａは、タービンの幾何学的な回転軸１に対して直角な平面を示す。その平面に対してタービンは対称である。」）。さらに、ディスクは、２つの隣接するディスク間の隙間にステータを収容可能するように環状に延設されてはいない。

米国特許第２４３０１８３号明細書には、対向回転反動タービン（カウンター・ローテーティング・リアクション・タービン、図１のディスク５，６）と対向回転衝動タービン（カウンター・ローテーティング・インパルス・タービン、ディスク６，１０）とを備える二重回転ラジアルタービンが記載されている。実際にはディスク形状を有していない最外側のディスク１０によって、シャフト３，４のベアリングから重心がずれるので、モーメントが増加する。

本発明は、複数の（場合によっては３段を超える）ステージを有することができ、組み立てがとにかく容易な、シャフト・ベアリングに対して片持ち式に配置されるロータ・ステージの支持ディスクを備える、ランキンＯＲＣサイクルのタービンを提供することを目的とする。

したがって、本発明の第一の面は、有機ランキンＯＲＣサイクルのために設計される、又は、従属してカリーナもしくは水蒸気サイクルのために設計される、請求項１に係るタービンに関する。

具体的には、タービンは、少なくとも２つのベアリングによって支持されるシャフトと、アレイ又はロータ・ブレードと交互に配置されるステータ・ブレードのアレイによって構成される、複数の膨張の軸方向ステージと、を備える。

複数のロータ・ブレードは、対応する支持ディスクによって保持される。

従来の解決法とは異なり、支持ディスクの１つ（以下では主支持ディスクという）は、ベアリングに対して外側の位置において（つまり、ベアリング間の中間領域ではない領域において）シャフトに直接連結され、そして、他の支持ディスクは、シャフトに直接固定されることなく、主支持ディスクに互いに相次いで固定される。言い換えれば、好ましくは、主支持ディスクのみが、シャフトに接触するまで、タービンシャフトに向かって延設されている。

提案する解決法は、複数の（所望の場合３段を超える）ステージを有することができるように、ロータ・ブレードのアレイが、ベアリングに対して外側の領域ではあるけれどもシャフトによって実際に支持される、タービンの片持ち式構造を維持できる。したがって、他の条件を変えずに、片持ち式ではない従来の多段軸流タービンによって得られるような、又は、２つの連結された軸流タービンによって得られるような、高いエンタルピー・ジャンプで作動流体を膨張させるようタービンを設計することができる。

後で詳細に説明する通り、本発明に係る片持ち式構造により、製造工程及び保守の両方において、比較的簡単にタービンの組み立て及び分解ができる。要約すると、シャフトとそれぞれのディスクとを挿入する前に、渦形室へ「パックで」挿入するために、タービンの外部で、ロータ・ブレードの支持ディスクを、すべて一度に又はグループで固定することができる。

有利には、他の支持ディスクは、すべてではない場合にはそのうちの少なくともいくつかが、主支持ディスクに固定されるとともに、シャフトを支持するベアリングと同じ側から片持ち式に延設される。これにより、タービンの回転部の重心を、タービンを支持するベアリング側にシフトさせることができる。主ディスクに片持ち式に装着される支持ディスクの数が増加するにつれて、これに対応して重心はシャフトを支持するベアリング・システム側に向かってシフトする。

例えば、米国特許第２１４５８８６号明細書には、追加のステージによって第一ステージの軸方向位置におけるタービンの重心が（つまりベアリングに向かって）シフトしない、（軸流ではない）径方向タービンが記載されている。さらに、参照符号１８によって示された第二ディスクは、主としてディスク１４の二番目に最も外側の部分であり、２つの連続するディスク間におけるステータのための十分な空間の形成には貢献しない。

米国特許第２７４７３６７号明細書には、主支持ディスクとそれに結合された他のディスクとを備える解決法も、「片持ち式」で組み立てる解決法も記載されていない。

あるいは、他の支持ディスクを、主支持ディスクに固定するとともに、シャフトを支持するベアリングの反対側から片持ち式に延設することも考えられる。明らかに、これらの支持ディスクの数が増加するにつれて、タービンの回転部分の重心は、ベアリングから離れる方向へとずれる傾向がある。

好ましくは、主支持ディスクを除くすべての支持ディスクには大きい中央孔が形成される。つまり、主支持ディスクを除くすべての支持ディスクは、中央孔の周囲に環状に延設される。それぞれのリングとシャフトとの間に広がる体積を形成するため、中央孔の直径はシャフトの外径より大きい。この体積（すなわち隙間）は、シール及びベアリングの支持部のステータ部分を収容するために（これにより、タービン側ベアリングをロータの重心に近い位置に収容できる）、渦形室に予め嵌合されたディスクを貫通させてシャフトを挿入するために、そして保守のために器具（例えば検査器具）を挿入可能とするために、利用することができる。

好ましくは、支持ディスクは互いにボルト結合されており、主支持ディスクは、ボルト又はスタッドボルトを有するフランジ、ヒルト歯、円錐カップリング、スプライン形状又はキー止め形状を有する円筒カップリングから選択されるカップリングを用いてシャフトに固定される。好ましくは、上述した通り、組み立て工程の際、シャフトを、タービン渦形室に既に順に挿入されている支持ディスク／リングを貫通させて挿入することができる。ベアリングは後で装着され、組み立てが完了する。

好ましい態様では、主支持ディスクから最も離れたベアリング側のロータ・ブレードのアレイは、高圧側ブレード、つまり、作動流体の膨張が開始されるブレードである。

好ましい態様では、タービンは、主支持ディスクの上流側に少なくとも３つの支持ディスクと、主支持ディスクの下流側に１以上のディスクがある場合、作動流体の膨張の対応するステージと、を備える。

タービンの他の態様では、作動流体の第一膨張ステージは、作動流体がタービンの軸に向かって移動するか又は離れる方向に移動するかにそれぞれ応じた求心タイプ又は遠心タイプの径方向ステージ（ラジアル・ステージ）である。この状況において、作動流体は、第一ステージの下流側に配置される軸方向ステージにおいて膨張するために、方向が転換させられる。方向転換は、いわゆる角度ブレードにおいて行われる。

好ましい態様において、タービンは、ステータ部分、例えば作動流体のインジェクション渦形室を備える。ロータ・ブレードのアレイは、ステータ部分に固定され、ステータ・ブレードのアレイと交互に配置されている。タービンの組み立てを行いやすくするために、ステータ部分は段差状内部ボリュームを有しており、段差は作動流体の膨張方向に直径が増加する形状にカットされている。ステータ部分の段差は、ステータ・ブレードのアレイに効果的に当接し支持する面を与えることができ、１つずつであっても容易に固定することができる。

好ましくは、支持ディスクのそれぞれは、突き合わせ連結のため、隣接する支持ディスクのフランジ部に向かって片持ち式に突出している少なくとも１つのフランジ部を備える。２つの隣接する支持ディスクの連結されたフランジは、渦形室と共に、タービンブレード・アッセンブリを収容し、作動流体を膨張させるボリュームを形成する。好ましくは、液相の作動流体又は潤滑油等のあらゆる液体を排出するために、ディスクのフランジ部を貫通する１以上の孔が形成される。通常動作の際に加圧された作動流体の漏れを制限するために、構造的変形例では、遮断バルブをこれらの孔のそれぞれに装着することができる。遮断バルブは、
タービンの動作の際に、つまりシャフトが回転するときに、それぞれの孔を閉じ、これにより、作動流体の蒸気が該孔を通過するのを防止し、
フランジとタービンシャフトとの間のボリュームにおいて蓄積されたあらゆる液状流体（凝縮した作動流体又は機械的なロータリシールから漏れた潤滑油、又はもし存在している場合は水）を放出可能とするために、タービンの速度が低いとき（タービンが始動する又は停止するとき）、孔を開くよう、
構成される。

回転の際にディスクのバランスを維持するために、それぞれのディスクに、複数のバルブをフランジ部に周方向に配置できることは明らかであろう。

好ましくは、それぞれのバルブは、
支持ディスクのフランジに設けられるそれぞれの貫通孔へ挿入することができる遮断部材（例えば金属）と、
開口孔の位置に遮断部材を常に押圧するよう設計される付勢弾性部材（例えばバネ）と、を備える。タービンが動作しているときに孔は閉じた状態に維持されており、そしてタービンが低速で動作している又は完全に停止されるときには開くよう、弾性部材の予荷重は、ロータが所定の速度に達しているときには遮断部材に作用する遠心力が弾性部材の予荷重より高くなるように、設定されている。

代わりに、それぞれのバルブは、球状遮断部材と、ハウジング（好ましくはネジで一体に保持され内部キャビティを形成しているリーフのパック）と、を備える。遮断部材の少なくとも一部がそのハウジングから孔に向かって突出可能となるよう、ハウジングは、遮断される孔に向かって部分的に開口している。弾性支持部材は、ハウジングを片持ち式に支持する。例えば、ハウジングは、弾性支持部材（例えばエラストマー・シート）に固定され、その結果、孔の近傍で支持ディスクに取り付けられる。弾性部材が撓曲することにより、遮断部材は、孔を遮断して孔が閉じられる、又は、孔が開くよう孔から離れるよう移動する。

本願出願人は、他のタイプのタービンにおける支持ディスクに用いることができる、上述したものと同様な遮断バルブに関する分割出願を出願することを留保している。

好ましくは、作動流体を放出するために、１以上の通路が主支持ディスクを貫通するよう設けられる。これらの孔により、ロータとステータ・ブレードとの間に設けられたラビリンスから漏れた作動流体が孔を通過することができ、これにより、ディスク自体の上流側と下流側との圧力を均等にできる。

ある態様では、少なくとも第一タービン・ステージ（つまりその膨張方向において流体がまず通過するステージ）は、求心径方向又は遠心径方向である。特に、径方向部分が２つ以上のステージを備える場合、この解決法は、タービンの軸方向寸法が等しい条件で、さらに多くの数のステージを有する。

さらに、径方向タイプの１つ以上の求心又は遠心ステータ・アレイの採用により、一番最初のアレイにおいて可変ピッチ・ステータを採用しやすくなるという利点がある。なぜなら、シングルブレードが互いに平行な（そしてシャフトと平行な）軸回りに回転することができるからである。アキシャル・アレイの場合、このようには配向することができない。バルブとして配向でき作用できるステータを装着することにより、実際のステージ全体を必要とすることなく、この機能を十分達成できる。

好ましくは、タービンは渦形室を備えており、シャフトの先端部の直径は渦形室内径より小さく、シャフトは、渦形室を通って摺動させて挿入及び引き出しが可能である。

タービンシールについては、好ましくは、シールのうちの１つは、シャフトを囲繞するリングによって構成されるとともに、シャフト先端の（好ましくは主ディスクの）対応する環状バンド（この場合、流体シールを保証するためにロータ軸まで延設される）に当接するよう又は支持ディスクに直接当接するよう移動するために、渦形室に設けられた凹部から移動可能である。本解決法は、特に、保守工程の際に外部環境からタービンの内部環境を分離できる利点がある。

なお、本発明のさらなる詳細は、以下の添付図面を参照した説明から理解されよう。
本発明に係るタービンの第一実施形態の概略的な軸方向対称断面図である。 本発明に係るタービンの第二実施形態の概略的な軸方向対称断面図である。 本発明に係るタービンの第三実施形態の、第一構成における、概略的な軸方向対称断面図である。 ２つの異なる構成における、図３の細部の拡大図である。 ２つの異なる構成における、図３の細部の拡大図である。 本発明に係るタービンの第三実施形態の、第二構成における、概略的な軸方向対称断面図である。 膨張の第一径方向遠心ステージを備えている本発明に係るタービンの第四実施形態の概略的な軸方向対称断面図である。 本発明に係るタービンの第五実施形態の概略的な軸方向対称断面図である。 図６の細部の拡大図である。 本発明に係るタービンの第六実施形態の概略的な軸方向対称断面図である。 膨張の第一径方向求心ステージを備えている本発明に係るタービンの第七実施形態の概略的な軸方向対称断面図である。 段差状渦形室を備えている本発明に係るタービンの第八実施形態の概略的な軸方向対称断面図である。 デュアルフロータイプの本発明に係るタービンの第九実施形態の概略的な軸方向対称断面図である。 デュアルフロータイプの本発明に係るタービンの第十実施形態の概略的な軸方向対称断面図である。 本発明に係るタービンにおいて用いられるバルブの第一実施形態の概略的な断面図である。 本発明に係るタービンにおいて用いられるバルブの第二実施形態の概略的な断面図である。 図１４に示したバルブの部材の斜視図である。

図１は、シャフト２と、膨張させる作動流体を注入するとともに膨張した作動流体を放出するための渦形室３と、ロータ・ブレードＲのアレイと交互に配置されるステータ・ブレードＳによって順に構成される複数の膨張のステージと、を備える本発明に係るタービン１の第一実施形態を示す。

図１を参照して、最も左側のステージは高圧側ステージであり、最も右側のステージは低圧側ステージである。

参照符号１０，２０，３０，４０，５０で示す支持ディスクは、ロータ・ブレードを保持する。ベアリング５，６はシャフト２を支持する。

以下の説明のため、渦形室３は、概して、タービン１の静止支持部材を意味するものとする。当該分野の技術者が構成するように、渦形室３を最終的にはいくつかの要素によって形成することができる。

なお、添付の図面においては、ラビリンス（labyrinths）を概略的にのみ示していることを記載しておく。実際には、説明する複数の部品（多くの場合、径が異なる）を固定するために、種々の径を有する複数の面で構成されるラビリンスを備える必要がある。

ステータ・ブレードは渦形室３に取り付けられ、それゆえ静止している。ロータ・ブレードは、シャフト２と一体的に回転する。これは、タービン１の片持ち式構造の形成を可能にする、支持ディスク１０〜５０の特定の構成によって達成される。

支持ディスクのうちの１つ（以下、簡単化のために主支持ディスク１０という）のみがシャフト２に（図に示す場合では、ヒルト・タイプの歯Ｈを用いて）直接連結されるとともに、他の残りの支持ディスク２０〜５０は、シャフト２に直接連結されるのではなく、主ディスク１０に連結される。つまり、他の支持ディスク２０〜５０は、シャフト２に接触していない。

より詳細には、図１の断面図からよく分かる通り、実際には、主ディスク１０の上流側に配置された支持ディスク４０，３０，２０とディスク１０の下流側に配置されたディスク５０とは、径方向の延設が制限されたリングであり、すなわちシャフト２の近傍まで延設されないリングである。

ボリュームすなわち隙間４は、リング４０，３０，２０，１０とシャフト２との間に形成される。隙間４は、シール５’の支持部及びベアリング５，６のステータ部分を収容するために利用される。これにより、ベアリング側に向かってしたがって主支持ディスク１０よりも左側に重心を有するようタービンを設計することができ、渦形室３に予め嵌合されたディスク２０，３０，４０を貫通させてタービンシャフト２を挿入することができ、そして保守のための工具を挿入することができる。

実用的には、支持ディスク１０〜５０のそれぞれは、軸方向に片持ち式に延設されたフランジ部７を有し、フランジ部７は、隣接するディスクのフランジ部７と突き合わせ連結を行う。図に示す例において、シャフト２と一体的に回転する支持ディスク１０〜５０のパックを形成するよう、フランジ部７は互いにボルト８によってボルト固定される。

ボルト８はフランジ部７に沿って周方向に配置されることは理解されよう。それぞれのディスクを軽量化するようために、そして、材料のポアソンの比の値に関して、ディスクのくびれを引き起こす強力な接線方向引張応力の作用によるボルトに対する負荷低減の効果を低減するために、２つのボルト間のセクションに、フランジ部分を形成することができる。

提案する解決法では、主支持ディスク１０の上流側により多くの膨張のステージを配置でき、これらのステージは、主ディスク１０によって片持ち式にのみ支持され、シャフトによっては直接支持されていないという利点がある。ディスク２０〜４０，５０は、シャフト２には直接結合されない。一方、提供される唯一の連結は、シャフト２のヘッドの、いずれにしてもベアリング５，６の外側で、支持ディスク１０に設けられる。

したがって、２つの方法で実行できるタービン１を組み立てる作業が著しく簡単化される。

第一の方法では、先に渦形室３に配置されているディスク１０〜５０を貫通させてシャフト２が挿入される。つまり、シャフト２は、それぞれのベアリング５，６とともに渦形室３に最後に挿入される（図で見て左側から右側に）。

第二の方法では、シャフト２とディスク１０〜５０は、パックを構成するよう渦形室３の外部で予め組み立てられ、その後、すべて一度に渦形室３へと挿入される（図で見て右側から左側に）。そして次に、メカニカルシール、ベアリング５，６が、これらの要素を、シャフト自体上を摺動させるように、主ディスク１０に対して反対の端部から、装着される。

ディスク１０の上流側のステージは片持ち式構造を有するが、渦形室３のいくつかの部分をロータ・ディスク２０，３０，４０のリング形状によって形成された隙間４内に収容できることから、回転要素のアッセンブリの重心は、ベアリング６側にさらにより近く、また場合によってはベアリング５，６間にさえできる。これはシャフト−ロータ・アッセンブリの可撓性を低減するために、したがって、システムの「剛体的な」動作を達成するために、つまり、第一たわみ臨界速度をタービンの回転速度より十分に大きくして許容範囲を大きくするために、重要な特徴である。設計者が、主支持ディスク１０の下流側（図１におけるディスク１０の右側）に複数のディスクを配置する場合、重心は、ベアリング５，６の領域から離れる方向にずれる傾向がある（モーメントは増加し、システムはより可撓性になり、第一たわみ臨界速度は低下する）ことは明らかであろう。ディスクの総数、それぞれの幾何構造及び質量特性が同じであれば、ベアリング５，６のシステム側に片持ち式に装着されるディスクの数が増加するにつれて、回転する質量の重心の位置は、ベアリング５，６のシステムに近づく方向に移動し、その結果、ロータ／ベアリング・システムのたわみ固有振動数が増加する。重心の位置の変化により、回転軸に直交する重心軸に対する慣性モーメントの値も変化する。この要素の値は、固有振動数に影響し、当該技術において既知の計算方法において考慮しなければならない。

さらに、片持ち式の質量を最小化するために、したがって、シャフト支持ディスク・アッセンブリの第一たわみ臨界速度の値を最大化するために、設計者は、ブレード及び／又は支持ディスクを製造するために、鉄合金と比較してより軽量な材料（例えばアルミニウムやチタン）を用いることを決定することもできる。

メカニカルシールを取り外す必要がある保守を行うことが必要となった場合、タービンが停止すると、シャフト２のヘッドと当接するよう移動するように、図２に示される封止リング９を、対応する受け部（seat）から渦形室３において移動させることによって、機能させることができる。一時的なシールにより、緊急の保守の際にタービン１の内部環境を外部環境から分離状態に維持することができ、したがって、外部から空気がタービンに入るのを、また逆に停止されたタービンの内部の圧力によって作動流体が外部に漏れ出るのを防止することができる。

代わりに、前進位置にあるとき、シールがロータの支持ディスクのうちの１つ（好ましくは主ディスク）と当接するよう、リング・シールはより大きい直径上で移動することができる。この場合、シールを失うことなく、シャフト２をヒルト歯から取り外すことができる。さらなる可能な構成において、一方がシャフト２に当接し、他方が主支持ディスク１０に当接する、２つの封止リング９を備えることができる。この場合、第一のリングは、タービンが現在止まっているときに用いるための、頻繁に用いられているリングとして用いられ、好ましくはエラストマー・シーリングガスケットを有する。一方、第二のリングは、シャフト２とベアリング／ハウジングスリーブ・アッセンブリ５，５’，６を取り外す必要がある、予期せぬ事態が発生した場合に用いられる、滅多に用いられないリングである。特に、二重リングでは、最も内側のシールのエラストマー・ガスケットを変更することが可能である。シャフト２を、ヒルト歯を有する主ディスクに、図６及び図７に示す通り、複数のボルト（それぞれの対称の軸とともに示す）を用いて、又は、好ましくは油圧によって加重されるタイロッド７０を通じて接続することができる。タイロッド７０には、ベアリング５，６側からアクセスすることができる。タイロッドはそれぞれ、リング・ナット７１と、六角ソケット７２と、センタリング・シリンダ７３と、主支持ディスク１０の対応する孔と噛合するネジ形成体７４と、を備える。

この動作は、支持ディスク１０〜５０を固定して回転を防止するために移動させるタイロッド１１を用いて取り付ける、取付システムを使用することによって、容易に行うことができる。タイロッド１１は、支持ディスク４０に形成されたネジ孔４１へと挿入することができる。好ましくは、それぞれのタイロッド１１は、タイロッド１１自体の受け部を通じて作動流体がタービンの外部に漏れるのを防止するためにそれ自体のシールを有する。

対応する孔４１に挿入されると、タイロッド１１は、渦形室３に対して支持ディスク１０〜５０をロック状態に維持するように、渦形室３に固定され、これにより、リング９がシャフト２のヘッド又は主ディスク１０と当接することができ、したがって、保守工程の際にシールが設けられる。

再びタービン１のアッセンブリに関し、図２に示す実施形態を参照して、部品のパックを形成できることを、以下に説明する。渦形室３の外部において、プレアッセンブリが、以下の順で実行される。
ａ．最も左側に、第一ステータＳ
ｂ．支持ディスク４０に、ロータＲ
ｃ．第二ステータＳ
ｄ．ボルト８を用いて、ディスク３０，４０を反対側フランジ面７に接続することによって、支持ディスク３０に、第二ロータＲ
ｅ．第三ステータＳ
ｆ．ボルト８を用いて、ディスク２０，３０を反対側フランジ面７に接続することによって、支持ディスク２０に、第三ロータＲ
ｇ．第四ステータＳ
ｈ．ボルト８を用いて、ディスク１０，２０を反対側フランジ面７に接続することによって、支持ディスク１０に、第四ロータＲ
ｉ．第五ステータＳ
ｊ．ボルト８を用いて、ディスク１０，５０を反対側フランジ面７に接続することによって、支持ディスク５０に、第五ロータＲ、
そして、さらに多くの数のステージがあれば以下同様に行われる。

ステータＳは、ネジによって、又は他の既知の技術によって（例えば渦形室３に設けられた特定の溝とブレードとの係合によって、渦形室３の部分３１’に取り付けられる。

その後、このあらかじめ組み立てられたパックの部品が渦形室３へと挿入される。このとき、シャフト２は、ディスク２０〜５０自体を通って、形成された経路に沿って挿入され、次に、ベアリング５，６が位置決めされ、スペーサ（図示せず）によって定位置に保持される。

主支持ディスク１０には、ディスク１０自体の上流側部分と下流側部分との間の圧力の平衡を保つことができるよう、１以上の貫通孔１２が形成されている。

遮断弁１３がディスク１０〜５０のフランジ７に配置されている点で図２に示した実施形態とは異なる、タービン１の第三実施形態を図３に示す。より詳細には、ディスク１０〜５０のフランジ７は穿孔されている。つまり、フランジ７の周方向に複数の貫通孔１４が形成されている。貫通孔１４のそれぞれは弁１３によって遮断される。

弁１３は、それぞれの孔１４を遮断するための遮断要素１５を備える。図に示す例では、遮断要素は金属球１５である。通路を開くために、バネ１６が、遮断要素１５を孔１４から離れる方向に押圧する。バネ１６の弾性力は、ディスク１０〜５０の回転中、ボール１５に作用する遠心力に抗する。具体的には、タービン１が所定の中間速度以上で動作する場合、孔１４が閉じられた状態に維持されるよう、バネ１６の予荷重は選択される。

代わりに、隙間４に入っている可能性がある液相の作動流体を放出できるよう、又はタービンの回転シールから漏れる可能性のある潤滑油を放出できるよう、タービンが前記中間速度未満で回転する場合、遮断弁１３は自動的に孔１４を開く。

特に、図３及び図３Ｂでは、タービンが停止し、弁１３は開く（タイロッド１１がディスク４０と係合しロックする）。図３Ａ及び図４では、弁１３は閉じている（タービンは、中間速度より高い速度で又は定格速度で回転している）。

図４は、図３と同じタービンを示しているが、弁１３が閉じられている。

先の実施形態とは異なり、膨張の第一ステージが遠心径方向であり、第二ステージが軸方向のフローに方向を変える角度ステータ・ブレードのアレイを備えている、タービン１の第四実施形態を図５に示す。他の残りのステージは、先に説明した実施形態のように軸方向である。

特に、少なくとも１つの径方向ステータ・ブレード・アッセンブリを追加することによって、フローを変更する又は遮断するシステム、例えば可変ピッチブレードのシステムを、提供することができ、これにより、軸方向ステータ・ブレード・システムに対してコストを低下することができる。

図６に、中実（ソリッド）シャフト２を有する実施形態を示す。シャフト２は、ヒルト歯と複数のタイロッド７０（図７に拡大して示す）とによって主支持ディスク１０に連結される。タービンは、渦形室３から移動し、図２に示すリング９よりも大きな直径を有する封止リング９’を備える。リング９’は、シールを得るために主支持ディスク１０と当接するよう移動する。

添付の図面には示していないが、タービンのある実施形態においては、保守のために、移動シール９と移動シール９’との両方を選択的に又は組み合わせて用いることもできる。

図８に、中空シャフト２を有する実施形態を示す。タイロッド２は中空シャフト内に配置され、主支持ディスク１０にネジ固定される。ヒルト歯をロックする他の解決法である。

図９に、膨張の第一ステージが求心径方向であるさらに他の実施形態を示す。この場合、角度ブレードはディスク４０によって支持されたロータ・ブレードである。

図１０に、溝が形成された、つまり段差状の内側リング３１を渦形室３が備える、さらに他の実施形態を示す。ステータ・ブレードＳのアレイは、それぞれ、溝が形成された内側リング３１に連結される、対応する連結リング３２〜３５に取り付けられる。

実用的には、連結リング３２〜３５は、溝が形成された内側リング３１の段差に、１つずつ順に連続してネジ固定することができる。ネジ固定は、タービンの外部で行われ、最後に、ステータ・アレイＳを有するリング３１と、支持ディスク１０〜５０と、ロータＲとが渦形室３へと挿入されて取り付けられる。

ステータ・アレイＳを有するリング３１と、支持ディスク１０〜５０と、ロータＲとで構成され、予め組み立てられたパックは、簡単に渦形室３にネジ固定することができる。

図１１に、デュアルフロータイプであることを特徴とするタービン１のさらなる実施形態を示す。作動流体入口は、好ましくは主支持ディスク１０の中心面にある。参照符号３６は、渦形室３の内側リング３１に連結されるリングを示している。リング３１は、渦形室３へと、右側から左側に取り付けられて、ボルト止めされる。連結リング３６は、作動流体のフローを互いに反対方向に転換させる２つの対称的な分離ステータ・アレイＳを有する。他の残りのステータ・アレイＳとロータ・アレイＲは、主支持ディスク１０を基準として鏡像対称に交互に配置される。圧力不均衡を防止するために、通路Ｐがリング３６と支持ディスク１０，２０との間に形成される。これにより、タービンのロータ部分の重心を、主支持ディスク１０上に正確に位置させることができる。

先の実施形態と同様であるが、作動流体が入る第一ステータ・アレイＳの後に、フローを軸方向に変換させる２つの鏡像対称ロータ・アレイＲが互いに反対方向に配置される点が異なる第十実施形態を図１２に示す。これらのロータ・アレイＲは両方とも主支持ディスク１０によって支持される。

図１１及び図１２に示すタービンの組み立ての流れは、他の実施形態で説明したものと同様である。

図１４〜図１５に、例えば、支持するピン１３３上を径方向に摺動可能でありバネ１６によって反発される球状端部を有するシリンダである遮断要素１５、が装着される本体１３１を有する遮断弁１３の実現可能な構成を示す。遮断要素１５は、それぞれの支持ディスク１０〜５０のフランジ部７に設けられた孔１４を遮断する又は空けるよう径方向に移動可能である。本体１３１は、孔１４へネジ固定されるネジ形成部１３２を有する。

遮断弁１３のさらなる実施形態を図１３に示す。遮断球１５は、リベットピン１３６又はネジによって一体に保持されたリーフ１３５のパックの内側に装着される。球１５は、リーフ１３５のパックによって形成された空間の内部で遊びを有しながら移動自在であり、遠心力によって孔１４に押圧されたとき、孔１４にぴったりと嵌まることができる。リーフ１３７は弾性的にリーフアッセンブリ１３５と球１５とを支持する。リーフ１３８はスペーサとして機能する。ピン１３９は、それぞれの（ピン用の）孔１４２とネジ１４０用の孔１４１に対する取り付けネジ１４０のセンタリング機能を有する。

図１３は、それぞれのディスクに装着されていない状態のバルブを示す。タービンが、（上述した）中間速度を基準として、より低い速度で回転している場合、板バネ１３７とスペーサ１３８とにより、球１５が孔１４から離間した状態に維持される。速度がより高い場合、板バネ１３７は撓曲し、そして、遮断球１５が孔１４と当接して該孔を遮断する。バルブそれ自体が動作する中間速度の値を決定するために、設計者は、バネ１３７及びバネ１６の弾性を可動システムの質量とともに変更することができる。

国際特許出願公開第２０１３／１０８０９９号 米国特許第２１４５８８６号明細書 米国特許第２７４７３６７号明細書 英国特許第３１００３７号明細書 米国特許第２４３０１８３号明細書

Claims (23)

1. 少なくとも２つのベアリング（５，６）によって支持されたシャフト（２）と、複数のロータ・ブレード（Ｒ）のアレイ及び対応する支持ディスク（１０〜５０）と、複数のステータ・ブレード（Ｓ）のアレイと、を備え、
   前記支持ディスク（１０〜５０）の１つ（１０）としての主支持ディスクが、前記ベアリング（５，６）に対して外側の位置において前記シャフト（２）に直接連結され、
   他の前記支持ディスク（２０〜５０）が、前記シャフト（２）に直接結合されることなく、第一支持ディスク（１０）に互いに順に固定される、
   有機ランキン・サイクルＯＲＣ、カリーナ・サイクル、又は水蒸気サイクルのタービン（１）であって、
   前記他の前記支持ディスクのうちの少なくともいくつか（２０〜４０）は、前記シャフト（２）を支持する前記ベアリング（５，６）の同じ部分から片持ち式に延設されることによって、前記タービン（１）のロータ部分の重心が、前記主支持ディスク（１０）の単独の重心位置に対してより前記ベアリング（５，６）側にシフトするよう、又は、前記主支持ディスク（１０）の単独の重心位置と少なくとも一致するよう、前記主支持ディスク（１０）に固定されることを特徴とする、
   タービン。
2. 前記他の前記支持ディスクの少なくともいくつか（５０）は、前記シャフト（２）を支持する前記ベアリング（５，６）とは反対方向に片持ち式に延設されることによって、タービン・ステージ（１）の数が増加するよう、前記主支持ディスク（１０）に固定される、
   請求項１に記載のタービン（１）。
3. 前記主支持ディスク（１０）を除く前記支持ディスク（２０〜５０）は、中央孔が形成されたリング形状であり、それぞれの前記リングと前記シャフト（２）との間に、渦形室（３）の中央部と同様に、シール、前記ベアリング（５，６）、及び対応する収容スリーブ（５’）等のステータ部品を収容するのに必要な隙間（４）が、形成され延設されている、
   請求項１又は２に記載のタービン（１）。
4. 前記支持ディスク（１０〜５０）は互いにボルト結合されており、前記主支持ディスク（１０）は、油圧状態で組み立てられるための、フランジ、ボルト又はスタッドボルト、ヒルト歯（Ｈ）、円錐カップリング、スプライン形状又はキー止め形状、及び１以上の円筒カップリングから選択されるカップリングを用いて前記シャフトに固定される、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のタービン（１）。
5. 前記主支持ディスク（１０）から最も離れた前記ベアリング（５，６）側の前記ロータ・ブレード（Ｒ）のアレイは、高圧側ブレードである、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のタービン（１）。
6. 一連の前記支持ディスク（１０〜５０）のパックは、すべてを前記タービン内に一度に装着するために、前記タービン（１）の外部で予め組み立て可能である、
   請求項１から５のいずれか１項に記載のタービン（１）。
7. 前記ステータ・ブレード（Ｓ）のアレイが、アレイ又は前記ロータ・ブレード（Ｒ）と交互に配置されるよう結合されるステータ部分、例えば渦形室（３）を、備えており、
   前記ステータ部分は、段差状の内面を有する回転体（３１）を有し、それぞれの前記ステータ・ブレード（Ｓ）のアレイは、段差の少なくとも１つにリング（３２〜３５）によって取り付けられ、この場合、前記支持ディスク（１０〜５０）は、前記ステータ部分に１つずつ挿入可能である、
   請求項１から６のいずれか１項に記載のタービン（１）。
8. 前記支持ディスクのそれぞれは、少なくとも１つのフランジ部（７）を含み、前記フランジ部は、突き合わせ連結のために隣接する前記支持ディスクの前記フランジ部（７）に向かって片持ち式に突出しているとともに、前記フランジ部（７）を貫通する１以上の貫通孔（１４）と、それぞれの前記孔（１４）の遮断バルブ（１３）と、を有し、
   前記遮断バルブは、
   前記タービン（１）の動作の際に前記孔（１４）を閉じ、作動流体が通過するのを防止し、
   前記フランジ（７）に隣接する体積空間（４）に蓄積されうる液相の作動流体を放出可能とするために、又は、前記タービン（１）のシールを通じて漏れ出しうる潤滑油を放出可能とするために、前記タービン（１）が低速で回転しているか又は停止しているときに前記孔（１４）を開く、
   ように構成されている、
   請求項１から７のいずれか１項に記載のタービン（１）。
9. それぞれの前記バルブ（１３）は、
   それぞれの前記支持ディスク（１０〜５０）の前記フランジ（７）に設けられた前記貫通孔（１４）を遮断するための遮断部材（１５）と、
   前記開口孔（１４）の位置に前記遮断部材（１５）を押すよう設計される付勢弾性部材（１６，１３７）と、
   を有し、
   前記タービン（１）が定格速度で動作しているときには前記孔（１４）は閉じ、前記タービン（１）が停止している又は低速で動作しているときに開くよう、前記弾性部材（１６，１３７）の予荷重は、前記タービンが動作しているときに前記遮断部材（１５）に作用する遠心力が前記弾性部材（１６）の前記予荷重より高くなるように、設定されている、
   請求項８に記載のタービン（１）。
10. それぞれの前記バルブ（１３）は、
    球状の遮断部材（１５）と、
    前記遮断部材（１５）のためのハウジング、好ましくは内部キャビティを形成しているリーフ（１３５）のパックであって、前記遮断部材（１５）の少なくとも一部が前記ハウジング自体から前記孔（１４）に向かって突出可能となるよう、前記孔（１４）に向かって部分的に開口する、ハウジングと、
    前記ハウジングを支持する弾性支持部材（１３７）と、
    を有し、
    前記ハウジングは、前記弾性支持部材（１３７）、例えばエラストマー・シートに固定され、その結果、前記孔（１４）の近傍で前記支持ディスクに取り付けられ、
    前記弾性部材（１３７）が撓曲することにより、前記遮断部材（１５）は前記孔（１４）を遮断し、又は、前記孔（１４）が開くよう前記孔（１４）から離れるよう移動する、
    請求項８に記載のタービン（１）。
11. 前記同主ディスク（１０）の上流側と下流側とにおける圧力の平衡を保つために、１以上の通路（１２）が前記主支持ディスク（１０）を貫通するように設けられており、
    封止リング（９’）が備えられている場合、前記孔は前記封止リング（９’）より大きい直径上に配置される、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載のタービン（１）。
12. 作動流体の膨張方向における第一タービン・ステージは、求心径方向又は遠心径方向である、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載のタービン（１）。
13. 前記主支持ディスク（１０）の上流側に少なくとも３つの前記支持ディスク（２０〜４０）と、前記主支持ディスク（１０）の下流側に１以上の前記ディスク（５０）がある場合、作動流体の膨張の対応するステージと、を備える、
    請求項１から１２のいずれか１項に記載のタービン（１）。
14. 前記タービンは渦形室（３）を備えて、前記シャフトの先端部の直径は前記渦形室の内径より小さく、前記シャフトは、前記渦形室（３）を通って摺動させて引き出し可能である、
    請求項１から１３のいずれか１項に記載のタービン（１）。
15. 前記シャフト（２）を囲繞するリングによって構成されるとともに、前記シャフトの端部に設けられる対応する円形状の受け部に当接するよう移動するために、渦形室（３）又は他の静止部材（５’）に設けられた凹部から移動可能である少なくとも１つのシール（９，９’）を備えており、
    前記受け部は、前記主支持ディスク（１０）に連結されるように、又は、前記支持ディスク（１０〜５０）の１つ、好ましくは前記主支持ディスク（１０）に対向するよう連結されるように、設計されている、
    請求項１から１４のいずれか１項に記載のタービン（１）。
16. 前記タービンはデュアルフロータイプであって、
    前記支持ディスク（１０〜５０）のうちの１つの両側に複数の膨張ステージを有し、
    作動流体は径方向入口を通って前記支持ディスクにおいて膨張を開始し、前記支持ディスクの互いに反対側において２つのフローへと軸方向に方向を変える、
    請求項１から１５のいずれか１項に記載のタービン（１）。
17. 作動流体は径方向入口を通って前記主支持ディスク（１０）において膨張を開始し、前記主支持ディスク（１０）の対向部分において２つのフローへと軸方向に方向を変える、
    請求項１６に記載のタービン（１）。
18. 流体が膨張を開始する前記支持ディスクの上流側の第一ステータ（Ｓ）の出口と前記支持ディスク自体の下流側の第一ステータ（Ｓ）の出口とを流体連通状態とする環状キャビティ（Ｐ）を備える、
    請求項１６又は１７に記載のタービン（１）。
19. 流体が通過する第一膨張ステージ（Ｒ）は求心径方向タイプであり、デュアルフロー・ロータ（１０）が前記支持ディスクに接続されている、
    請求項１６又は１７に記載のタービン（１）。
20. 請求項１から１９のいずれか１項に記載のタービン（１）を備える、
    ＯＲＣランキン・サイクル・プラント、カリーナ・サイクル・プラント、又は水蒸気サイクル・プラント。
21. タービンにおけるロータ・ブレードのアレイの支持ディスクの対応する貫通孔（１４）の遮断バルブ（１３）であって、
    前記タービン（１）の動作の際に、前記孔（１４）を閉じて、作動流体が通過するのを防止し、
    液相の作動流体を通過可能とするために、又は、前記タービン（１）のシールを通じて漏れ出し得る潤滑油を通過可能とするために、前記タービン（１）が低速で回転しているか又は停止しているときに前記孔（１４）を開く、
    ように構成されている遮断バルブ。
22. それぞれの支持ディスク（１０〜５０）のフランジ（７）に設けられた前記貫通孔（１４）を遮断するための遮断部材（１５）と、
    前記遮断部材（１５）を開口孔（１４）の位置に押すよう設計される付勢弾性部材（１６，１３７）と、
    を備え、
    前記タービン（１）が定格速度で動作しているときには前記孔（１４）は閉じ、前記タービン（１）が停止している又は低速で動作しているときには開くよう、前記弾性部材（１６，１３７）の予荷重は、前記タービンが動作しているときに前記遮断部材（１５）に作用する遠心力が前記弾性部材（１６）の前記予荷重より高くなるように、設定されている、
    請求項２１に記載の遮断バルブ（１３）。
23. 球状の遮断部材（１５）と、
    前記遮断部材（１５）のためのハウジング、好ましくは内部キャビティを形成しているリーフ（１３５）のパックであって、前記遮断部材（１５）の少なくとも一部が前記ハウジング自体から前記孔（１４）に向かって突出可能となるよう、前記孔（１４）に向かって部分的に開口する、ハウジングと、
    前記ハウジングを支持する弾性支持部材（１３７）と、
    を備え、
    前記ハウジングは、前記弾性支持部材（１３７）、例えばエラストマー・シートに固定され、その結果、前記孔（１４）の近傍で前記支持ディスクに取り付けられ、
    前記弾性部材（１３７）が撓曲することにより、前記遮断部材（１５）は前記孔（１４）を遮断し、又は、前記孔（１４）が開くよう前記孔（１４）から離れるように移動する、
    請求項２１に記載の遮断バルブ（１３）。

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