JP2018536108A - 高温流体によってホイールが回転するタービンと、前記ホイールにロータを連結させた発電機、特にタービン発電機とを互いに断熱するデバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、流体入口（３２、３２’）と流体出口（３４、３４’）との間を循環する高温流体によってホイール（６６）が回転するタービン（３０）と、接続シャフト（３６）によってこのホイールに連結された発電機（３８）とを備えているターボ発電機向けの断熱デバイスに関する。本発明によれば、ポリマー製の熱遮蔽体がタービン（３０）と発電機（３８）との間に差し挟まれている。【選択図】図１

Description

本発明は、高温流体によってホイールが回転するタービンと、このホイールにロータを連結させた発電機、特にターボ発電機とを互いに断熱するデバイスに関する。

このデバイスは、より詳細には、ランキンサイクルで動作する閉ループのターボ発電機に適用可能である。

広く知られているように、ランキンサイクルは、外部の熱源から生じる熱が作動流体を含む閉ループに伝達される、熱力学サイクルである。

このサイクルは、一般に、凝固点が低い作動流体を等エントロピーで圧縮する段階と、それに続く、この圧縮流体を加熱し、熱源と接触したときに蒸発させる段階とに分割される。この蒸気を次に、別の段階で、膨張装置内において等エントロピーで膨張させ、最後の段階で、この膨張させた蒸気を冷却し、冷熱源と接触したときに凝縮させる。

これらの様々な段階を実施するため、ループは、液状の作動流体を圧縮し、ループ内を循環させるポンプと、圧縮された流体を少なくとも部分的に蒸発させる高温流体を通す熱交換器（または蒸発器）と、発電機を連結してターボ発電機を形成するようにすることで、蒸気のエネルギーを電気エネルギーなどの別のエネルギーに変換するタービンなどの、蒸気を膨張させる膨張装置と、蒸気に含まれる熱を、一般に、凝縮器を通る冷却流体または外部空気である冷熱源に与えることによって、この蒸気を液体に変換するのに用いられる別の熱交換器（または凝縮器）とを備えている。

また、特に文献仏国特許第2,884,555号を通して、特に自動車に使用される、内燃機関の排気ガスによって運ばれた発熱エネルギーを、蒸発器を通って流れる流体を加熱し蒸発させるための熱源として使用することが、よく知られている。

このことにより、ランキンサイクルループを通して、排気を自動車に用いることができるエネルギーに変換するために、排気時のエネルギー損失の大部分を回復することによって、この機関のエネルギー効率を改善することが可能になる。

同じシャフト上および同じケーシング内で横並びに取り付けられた、タービンと発電機の組み合わせは、発電機に対する高い熱応力を発生させる可能性がある。

実際に、タービンは、ランキンサイクルの閉ループの場合は有機流体蒸気、または熱を発電機に伝達する蒸気タービンの場合は過熱水蒸気のどちらかである、熱ガスを膨張させる。

タービンと発電機との間が幾何学的に近接しているため、タービンから発電機への熱流の伝導はやはり避けられない。

しかしながら、所望の性能を達成し、高い信頼性で動作するため、発電機は過熱しないことが望ましい。

したがって、発電機の熱管理は、発電機ケーシングの空気冷却または水冷却など、専用の冷却デバイスによって確保しなければならない。

これらのデバイスは、複雑な構造のものであり、わずかとは言えないコストの増加が伴う。

また、燃焼室を有するタービンの場合、タービン部分から発電機部分への熱伝導を制限する、断熱材で作られたプレートの形態の断熱スクリーンを使用することがよく知られている。その結果、冷却の必要性が少なくなり、システム効率が改善されるとともに、システムの寿命が延びる。

しかしながら、そのようなスクリーンに使用する材料は、非常に高い温度に耐えるものである必要があり、コストが高く、機械加工が難しいという欠点がある。

本発明は、単純な組成の材料を用いた断熱材を使用し、非常に低いコストで有効な断熱機能を満たすことを可能にする断熱スクリーンによって、上述の欠点を克服することを目的とする。

したがって、本発明は、流体入口と流体出口との間を循環する高温流体によってホイールが回転するタービンと、接続シャフトによってこのホイールに連結されたロータを有する発電機とを備えているターボ発電機向けの断熱デバイスであって、タービンと発電機との間の接合部にポリマー製の熱遮蔽体が差し挟まれたことを特徴とする、断熱デバイスに関する。

熱遮蔽体は、接続シャフトが横断し、タービンフランジと発電機フランジとの間の接合部に差し挟まれたプレートを備えることができる。

熱遮蔽体は、タービンのホイールシャフトと発電機のロータシャフトとが同軸であることを確保するため、タービンフランジおよび発電機フランジと協働する突出縁部を有する、プレートを備えることができる。

熱遮蔽体は、２つの同軸部分を、一方を他方の上に組み合わせることによって作ることができる。

熱遮蔽体は、接続シャフトが横断している中央部分と、中央部分の周りに配置されている周辺部分とを備えることができる。

中央部分は、タービンに保持されたハウジング及び、発電機に保持されたボアと協働し、周辺部分は、タービンが有するカウンタボアと協働することができる。

中央部分は、発電機に保持されたヒールと協働する溝を備えることができる。

熱遮蔽体は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、またはこれらの材料のうち少なくとも２つの混合物で作ることができる。

本発明はまた、ランキンサイクルで動作する閉ループに関し、前記ループは、液状の流体用の圧縮／循環ポンプと、前記流体を蒸発させる熱源を通す熱交換器と、膨張タービンが発電機に連結されているターボ発電機と、作動流体を凝縮させる冷熱源を通す冷却交換器と、作動流体タンクと、作動流体循環パイプとを備え、ターボ発電機が上述の特徴のうち１つによる断熱デバイスを備えていることを特徴とする。

本発明による、ランキンサイクルで動作し、断熱デバイスを備えたターボ発電機を備えている、閉ループを示す図である。 本発明による断熱デバイスを備えたターボ発電機を示す概略図である。 本発明による断熱デバイスを備えたターボ発電機の変形例を示す概略図である。

本発明の他の特徴および利点は、非限定例として与えられる以下の説明を、添付図面を参照して読むことによって明白となるであろう。

図１では、ランキンサイクルの閉ループ１０は、有利には、ＯＲＣ（有機ランキンサイクル）タイプのものであり、ブタン、エタノール、フルオロ置換炭化水素、二酸化炭素などの、有機流体または有機流体の混合物を使用する。

閉ループは、アンモニアや水などの非有機流体で動作し得ることが理解される。

このループは、液状の作動流体の入口１４と、やはり液状であるが高圧下で圧縮された作動流体の出口１６とを有する、以下の説明でポンプと呼ばれる作動流体用の循環／圧縮ポンプ１２を備えている。このポンプは、有利には、電気モータ（図示せず）などの任意の手段によって回転する。

このループはまた、この液状流体の入口２０と、作動流体が圧縮された蒸気の形態で蒸発器を出る際に通る出口２２との間を圧縮された作動流体が横断する、蒸発器と呼ばれる熱交換器１８を備えている。この蒸発器を、液状またはガス状の熱源２４が横断する。この熱源は、内燃機関の排気ラインを循環する排気ガス由来、内燃機関の冷却液由来、工業炉の冷却液由来、または火力発電所でもしくはバーナーによって加熱された熱媒体流体由来であり得る。

図示される例では、熱源は、内燃機関２８の排気ライン２６を循環する排気ガス由来である。

このループはまた、入口３２を通して、高圧レベルまで圧縮された蒸気の形態の作動流体を受け入れる膨張装置３０を備え、この流体は、低圧レベルまで膨張させられた蒸気の形態で、出口３４を通してこの装置を出る。

有利には、この膨張装置は、接続シャフト３６（図面に破線で示されている）を駆動して回転させることによって、ホイールを熱蒸気状の作動流体によって回転させて、回収されたエネルギーを発電機３８に伝達できるようにする、膨張タービンの形態である。

このように、タービンおよび発電機によって作られたアセンブリがターボ発電機４０を形成している。

ループは、膨張した低圧蒸気の入口４４と、凝縮器を通過した後で液状に変換された作動流体の出口４６とを備えた、冷却交換器４２、すなわち凝縮器をさらに備えている。凝縮器は、膨張した蒸気を冷却して凝縮し、液体に変換するために、一般に周囲温度の冷熱源、例えば低温空気流（矢印Ｆ）を通す。当然ながら、水などの他の任意の低温冷却源を使用して、蒸気の凝縮を確保することができる。

このループはまた、作動流体を液体状態で維持することを可能にする閉じたタンク４８と、好ましくは、タンクを出る作動流体がポンプに供給される前にフィルタ処理する、カートリッジフィルタなどのフィルタ５０とを備えている。

ループの様々な要素は、流体循環パイプ５２，５４，５６，５８，６０，６２によって互いに接続されて、ポンプを蒸発器に（蒸発器パイプ５２）、蒸発器をタービンに（タービンパイプ５４）、タービンを凝縮器に（凝縮器パイプ５６）、凝縮器をタンクに（タンクパイプ５８）、タンクをフィルタに（フィルタパイプ６０）、フィルタをポンプに（ポンプパイプ６２）連続的に接続して、作動流体を矢印Ａによって示される方向で循環させることを可能にしている。

次に、ランキンサイクルの閉ループの状況下で使用されるターボ発電機４０の一例を示している、図２を参照する。

この例は本発明を限定するものではなく、他の任意のタイプのターボ発電機が使用されてもよい。

図２のターボ発電機は、互いの延長として配置されたタービン３０と発電機３８とを備えている。

タービンは、ケーシングのキャビティに収納され、ホイールシャフト６８に保持された、好ましくはブレードを備えたホイール６６と、高温の蒸発した圧縮流体の入口３２と、膨張した高温流体の出口３４とを含む、中空のケーシング６４を備えている。

発電機は、この発電機のステータおよびロータ（図示せず）を収容したハウジング６９を備えている。ロータは、タービンのホイールシャフト６８から延びているロータシャフト７０によって保持されている。

タービンのホイールシャフト６８は発電機のロータシャフト７０に固定的に接続され、それによってタービンと発電機との間に接続シャフト３６を形成している。

有利には、接続シャフトは単一のシャフトからなり、その上にタービンホイールおよび発電機ロータが取り付けられている。

図２でより良く見えるように、タービンのケーシング６４および発電機のハウジング６９は、互いに向かい合うように配置され、接続シャフト３６が横断している、横方向のフランジ７２，７４をそれぞれ有している。

ポリマー製プレート７７の形態、特に円形部分の形態の熱遮蔽体７６は、接続シャフトが横断している状態で２つのフランジの接合部に差し挟まれており、ねじ止めなど、任意の既知の手段によってフランジの一方もしくは他方、または両方に固定することができる。

このプレートは、有利には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、またはこれらの材料のうち少なくとも２つの混合物で作られている。

これらの材料を使用してこのプレートを得ることは、プレートが受ける温度レベルに関して十分である。

さらに、容易に機械加工が可能であり、そのことによってこのプレートをいくつかのターボ発電機の構成に適合させることができる。

したがって、タービンから発電機への伝熱を制限するかまたはさらには防ぐだけでなく、ターボ発電機の２つの部品が、すなわちタービンの軸と発電機の軸とが同軸であることを確保するのに、このプレートを使用することが可能である。

したがって、プレートは、Ｕ字形のボウル７８の形態で、有利には円形の形態でもたらされ、ボウルの軸と同軸の、接続シャフトを通すことができるボア８２を有する底部８０と、発電機の方向に突き出していてボアと同軸である、円形の横縁部８４とを有している。したがって、この縁部は、タービンと発電機との間のセントラライザー要素として役立つ。したがって、縁部は、内周面８６と、内周面８６に対して実質的に平行であり、ボウルの底部で終わる外周面８８とを備えている。内周面８６は、発電機のフランジ７４部分に対応する円形部分を有し、外周面８８は、内周面９２および円形底部９４を有する、タービン３０のフランジ７２に保持されたくぼみ９０に対応する円形部分を有している。

この同軸性をもたらすため、ボア８２の軸、縁部の内周面８６によって区切られた部分の軸、この縁部の外周面８８によって区切られた部分の軸、およびくぼみ９０のない表面９２によって区切られた部分の軸はすべて同軸である。

様々な要素を組み立てる際、プレートを、内表面８６がフランジ位置で発電機の周面と協働し、フランジ７４が底部８０と接触するようにして、フランジ７４上に配置する。要素を位置決めした後、プレートの縁部８４の外周面８８が底部９４に乗った状態でくぼみ９０の内面９２と協働するようにして、発電機およびプレートで構成されたアセンブリをタービン上に取り付ける。

この組立てを達成してから、タービンと発電機とを任意の既知の手段によって互いに固定する。

図３の変形例は、熱遮蔽体９６が２つの部品で構成されている点で、図２と異なる。

このアーキテクチャによって、例えば、シール要素を所望の位置に、本例では熱遮蔽体の２つの部品の境界面に位置決めすることが可能になる。

図３のターボ発電機は、ホイールシャフト（図示せず）に保持されたホイール６６’と、高温の蒸発した圧縮流体の入口３２’と、膨張した高温流体の出口３４’とを含む、中空のケーシング６４’を備えたタービン３０’を備えている。発電機は、この発電機のステータおよびロータ（図示せず）を収容したハウジング６９’を備えている。ロータは、タービンと発電機との間に接続シャフト３６’（破線で示されている）を形成することによって、タービンホイールシャフトから延びる、ロータシャフト（図示せず）によって保持されている。

図３でより良く見えるように、ケーシング６４’およびハウジング６９’は、互いに向かい合うように配置され、接続シャフト３６’が横断している、横方向のフランジ７２’，７４’をそれぞれ有しており、２つの部品の熱遮蔽体９６がこれらのフランジの間に配置されている。

この熱遮蔽体９６は、中央部分９８と中央部分を取り囲む周囲部分１００の２つの部分の、ポリマー製プレートの形態、特に円形部分の形態である。

図２の例と同じく、遮蔽体は、有利には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、またはこれらの材料のうち少なくとも２つの混合物で作られている。

当然ながら、本発明の範囲から逸脱することなく、遮蔽体の中央部分および周辺部分は異なる材料で作ることができる。

タービンのフランジ７２’は、このフランジを横断する接続シャフトの軸と同軸である、円形のハウジング１０２を有している。ハウジングは、ケーシングの内側に向いた周囲リップ１０６につながる周縁部１０４を有している。

このハウジングは、ハウジングを取り囲むカウンタボア１０８によって、リップの方向とは反対方向に延びており、ハウジングの軸と同軸であり、フランジ７２’の外表面につながっている。

発電機のフランジ７４’は、同様に、タービンフランジハウジングよりも直径が小さな円形ボア１１０を有している。このハウジングは、矩形の径方向部分の円形周囲ヒール１１２によって延びている。

遮蔽体の中央部分９８は、ここでは円形である、Ｕ字形のボウル１１４の形態であり、有利には、底部１１６および横縁部１１８は円形である。底部は、ボウルの軸と同軸の突出部１２０を有し、突出部はやはりここでは円形部分であって、ボウル開口部の方向に軸方向で突き出し、ボア１２２が横断しており、ボウルの軸、突出部の軸、およびボアの軸が同軸である。

突出部の直径寸法は、発電機フランジのボア１１０の直径寸法にほぼ等しく、その軸方向寸法はヒール１１２の軸方向寸法に対応している。

このように、横縁部１１８は突出部とともに円形溝１２４を区切っており、その断面はヒール１１２の断面に対応している。

遮蔽体の周辺部分１００は、中央部分９８よりも厚さが薄い平らなワッシャー１２６の形状を有している。

このワッシャーは、ボウル１１４の縁部１１８の外径にほぼ対応する内径と、カウンタボア１０８の外径にほぼ等しい外径と、カウンタボアの高さよりもわずかに厚い厚さとを有している。

様々な要素を組み立てるのに、単なる例として、フランジのヒール１１２が中央部分の溝１２４に受け入れられるようにして、遮蔽体の中央部分９８を発電機のフランジ７４’上に配置する。次に、ワッシャー１２６を、フランジ７４’に乗るまで中央部分の上をスライドさせる。このように形成されたアセンブリを、ハウジング１０２およびカウンタボア１０８の反対側に位置決めして、中央部分をハウジング１０２に、ワッシャーをカウンタボアに挿入する。

この位置に達してから、任意の既知の手段によってタービンと発電機とを互いに固定して、遮蔽体の中央部分を発電機のフランジ７４’とリップ１０６との間に封入し、ワッシャーをこのフランジとカウンタボア底部との間に封入する。

Claims (9)

1. 流体入口（３２、３２’）と流体出口（３４、３４’）との間を循環する高温流体によってホイール（６６、６６’）が回転するタービン（３０、３０’）と、
   接続シャフト（３６、３６’）によって前記ホイールに連結されたロータを有する発電機（３８、３８’）とを備えたターボ発電機向けの断熱デバイスにおいて、
   タービン（３０、３０’）と発電機（３８、３８’）との間の接合部にポリマー製の熱遮蔽体（７６、９６）が差し挟まれていることを特徴とする、断熱デバイス。
2. 前記熱遮蔽体が、接続シャフト（３６）が横断し、前記タービンおよび前記発電機のフランジ（７２、７４）の間の接合部に差し挟まれたプレート（７７）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の断熱デバイス。
3. 前記熱遮蔽体が、前記タービンのホイールシャフトと前記発電機のロータシャフトとが同軸であることを確保するため、前記タービンおよび前記発電機のフランジ（７２、７４）と協働する突出縁部を有するプレート（７７）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の断熱デバイス。
4. 熱遮蔽体（７６’）が、２つの同軸部分（９８、１００）を、一方を他方の上に組み合わせることによって作られていることを特徴とする、請求項１に記載の断熱デバイス。
5. 熱遮蔽体（７６’）が、接続シャフト（３６）が横断している中央部分（９８）と、前記中央部分の周りに配置されている周辺部分（１００）とを備えることを特徴とする、請求項４に記載の断熱デバイス。
6. 中央部分（９８）が、タービン（３０’）に保持されたハウジング（１０２）及び、前記発電機に保持されたボア（１１０）と協働し、周辺部分（１００）が、前記タービンに保持されたカウンタボア（１０８）と協働することを特徴とする、請求項４または５に記載の断熱デバイス。
7. 中央部分（９８）が、前記発電機に保持されたヒールと協働する溝（１２４）を備えることを特徴とする、請求項４から６のいずれか一項に記載の断熱デバイス。
8. 前記熱遮蔽体が、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、またはこれらの材料のうち少なくとも２つの混合物で作られていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の断熱デバイス。
9. 液状の流体用の圧縮／循環ポンプ（１２）と、前記流体を蒸発させる熱源（２４）を通す熱交換器（１８）と、膨張タービン（３０）が発電機（３８）に連結されているターボ発電機（４０）と、前記作動流体を凝縮させる冷熱源（Ｆ）を通す冷却交換器（４２）と、作動流体タンク（４８）と、作動流体循環パイプ（５０，５２，５４，５６，５８，６０）とを備え、ランキンサイクルで動作する閉ループ（１０）において、
   前記ターボ発電機が請求項１から８のいずれか一項に記載の断熱デバイスを備えることを特徴とする、閉ループ。

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