JP7160984B2 - タービン・カートリッジを備えるオーバーハング・タービン及び発電機システム - Google Patents

Description

（関連出願のデータ）
[0001] 本願は、全体として参照により本明細書に組み込まれた、２０１２年９月１１月出願の「Axial Overhung Turbine and Generator System For Use In An Organic Rankine Cycle」という名称の米国仮特許出願第６１／６９９，６４９号の非仮出願である。

[0002] 本発明は、一般に、産業廃熱回収及び他の応用例のためのタービン発電機電力システムの分野に関する。特に、本発明は、直接駆動の発電機に結合されたオーバーハング・タービンを対象とする。

[0003] 気候の変動及び増加するエネルギー・コストに対する懸念は、様々な産業工程における費用を最小限にしたいという要望と共に、こうした工程において生じる廃熱の捕捉にますます注目することにつながる。産業廃熱回収において、有機ランキン・サイクル（「ＯＲＣ」）タービン発電機電力システムが使用されてきた。残念なことに、廃熱を捕捉し、これを電気に変換するための既知のシステムは、しばしばある産業工程で使用可能なスペースには大き過ぎ、期待されるほど効率的ではなく、効率的に動作させるためには使用可能な熱よりも多くの熱を必要とし、ある応用例では製造費用が高額であり過ぎ、又は、望まれるよりも多くの保守を必要とする。地熱エネルギー回収及びある海洋熱エネルギー・プロジェクトなどの他の応用例では、豊富な熱が使用可能であり、効率的なＯＲＣシステムはこうした熱を電気に変換するための満足のいく手段である。しかしながら、たとえこうした他の応用例においても、既知のＯＲＣシステムはいくつかのこうした応用例にとっては高価すぎる傾向があり、期待されるほど効率的ではない、及び／又は、望まれるよりも多くの保守を必要とする。

[0004] 一実装において、本開示は熱エネルギーを電気に変換するためのシステムを対象とする。システムは、５ＭＷ以下の電力出力を有する発電機であって、当該発電機は、近位端、遠位端、発電機回転子、及び固定子を有し、当該発電機回転子は当該固定子内での回転軸を中心とする回転運動用に配設され、当該発電機は、当該近位端に隣接して配置された第１の磁気ラジアル軸受、及び当該遠位端に隣接して配置された第２の磁気ラジアル軸受も含み、当該第１及び第２の磁気ラジアル軸受は、当該発電機回転子を取り囲み、動作中に当該回転軸に対して実質上同軸に整合された状態で当該発電機回転子を保持する、発電機と、タービンであって、少なくとも１つの固定子、及び当該少なくとも１つの固定子に対して当該回転軸を中心とする回転運動用に支持される少なくとも１つのタービン回転子を有し、当該少なくとも１つのタービン回転子は、当該発電機回転子を回転駆動させるように当該発電機回転子に結合され、当該タービンは当該発電機の当該近位端に取り付けられた第１の端部を有し、当該少なくとも１つのタービン回転子は、回転運動用の当該少なくとも１つのタービン回転子を径方向に支持するためのラジアル軸受が当該タービン内に含まれないようなオーバーハング構成を有し、当該タービンは、作動流体を第１の温度で受け取るための流入口、及び当該作動流体を当該第１の温度よりも低い第２の温度で排出するための流出口を更に含み、当該流出口は、当該発電機への伝熱を最小限にするように当該タービンの当該第１の端部に近接して配置される、タービンと、を含む。

[0005] 他の実装において、本開示は熱エネルギーを電気に変換するためのシステムを対象とする。システムは、５ＭＷ以下の電力出力を有する発電機であって、当該発電機は、近位端、遠位端、発電機回転子、及び固定子を有し、当該発電機回転子は当該固定子内での回転軸を中心とする回転運動用に配設され、当該発電機は、当該近位端に隣接して配置された第１の流体膜軸受、及び当該遠位端に隣接して配置された第２の流体膜軸受も含み、当該第１及び第２の流体膜軸受は、当該発電機回転子を取り囲み、動作中に当該回転軸に対して実質上同軸に整合された状態で当該発電機回転子を保持する、発電機と、タービンであって、少なくとも１つの固定子、及び当該少なくとも１つの固定子に対して当該回転軸を中心とする回転運動用に支持される少なくとも１つのタービン回転子を有し、当該少なくとも１つのタービン回転子は、当該発電機回転子を回転駆動させるように当該発電機回転子に結合され、当該タービンは当該発電機の当該近位端に取り付けられた第１の端部を有し、当該少なくとも１つのタービン回転子は、回転運動用の当該少なくとも１つのタービン回転子を径方向に支持するためのラジアル軸受が当該タービン内に含まれないようなオーバーハング構成を有し、当該タービンは、作動流体を第１の温度で受け取るための流入口、及び当該作動流体を当該第１の温度よりも低い第２の温度で排出するための流出口を更に含み、当該流出口は、当該発電機への伝熱を最小限にするように当該タービンの当該第１の端部に近接して配置される、タービンと、を含む。

[0006] 更に別の実装において、本開示は交換可能構成要素を備える軸流タービンを対象とする。軸流タービンは、内部及び第１の回転軸を有するハウジングと、複数の回転子板であって、それぞれが中心線、第１の接触面、及び当該第１の面に接触する第２の接触面を有し、当該第１及び第２の接触面は実質上平行であり、当該第１及び第２の接触面のそれぞれは、０．００００５”から０．０２０”の範囲内で平坦であり、当該複数の回転子板は、その当該中心線が相互に同軸であるように互いに近接して配置され、多段回転子アセンブリの回転子部分を画定するように当該第１の回転軸と同軸であり、当該複数の回転子板のそれぞれは径方向最外部分を有する、複数の回転子板と、複数の固定子板であって、それぞれが中心線、第１の接触面、及び当該第１の面に接触する第２の接触面を有し、当該第１及び第２の面は実質上平行であり、当該第１及び第２の面のそれぞれは、０．００００５”から０．０２０”の範囲内で平坦であり、当該複数の固定子板は、当該固定子板の当該中心線が相互に同軸であるように互いに近接して配置され、多段固定子アセンブリの固定子部分を画定するように当該第１の回転軸と同軸であり、当該複数の固定子板のそれぞれは径方向最内部分を有する、複数の固定子板と、を含み、当該複数の回転子板は、上流方向で多段回転子アセンブリを画定するように当該複数の固定子板のうちの対応するそれぞれ１つと交互の関係で配置され、更に、当該複数の回転子板のうちの少なくとも１つは軸コードを備える第１の複数の翼を含み、当該複数の固定子板のうちの隣接する１つは軸コードを備える第２の複数の翼を含み、当該第１の複数の翼は、当該スペースのすぐ上流の当該回転子板及び固定子板のうちの１つの軸コードに関して測定した場合、２軸コード以下から軸コードの１％の１／４までの軸寸法を有するスペースを画定するように、当該第２の複数の翼から軸方向にスペースが空けられる。

[0007] 更に別の実装において、本開示は熱エネルギーを電気に変換するためのシステムを対象とする。システムは、流入口、流出口、固定子、及びタービン回転子を有するタービンであって、当該タービンは、当該流入口を介して第１の容量の作動流体を受け取るように、及び当該流出口を介して当該第１の容量の作動流体を排出するように構成され、当該タービン回転子は回転軸を中心に回転する、タービンと、当該タービンに結合された発電機であって、当該発電機は固定子及び発電機回転子を有し、当該発電機回転子は、当該回転軸を中心に当該タービン回転子によって回転駆動されるように当該タービン回転子と結合され、当該発電機は、第２の容量の当該作動流体を受け取るために当該発電機回転子と当該固定子との間にギャップを含み、当該ギャップは入口ポート及び出口ポートを有する、発電機と、を含み、当該ギャップ内に導入される場合、当該第１の容量の当該作動流体は当該第２の容量の作動流体よりも高い温度を有し、当該ギャップ内に存在する当該第２の容量の動作流体は当該発電機回転子及び当該固定子を冷却する。

[0008] 更に別の実装において、本開示は多段タービン・カートリッジを対象とする。タービン・カートリッジは、複数の回転子板であって、それぞれが中心線、第１の接触面、及び当該第１の接触面に接触する第２の接触面を有し、当該第１及び第２の接触面は実質上平行であり、当該第１及び第２の接触面のそれぞれは、０．００００５”から０．０２０”の範囲内で平坦であり、当該複数の回転子板は、当該回転子板の当該中心線が相互に同軸であるように互いに近接して配置される、複数の回転子板と、複数の固定子板であって、それぞれが中心線、第１の接触面、及び当該第１の面に接触する第２の接触面を有し、当該第１及び第２の接触面は実質上平行であり、当該第１及び第２の接触面のそれぞれは、０．００００５”から０．０２０”の範囲内で平坦であり、当該複数の固定子板は、当該固定子板の当該中心線が相互に同軸であるように互いに近接して配置される、複数の固定子板と、を含み、当該複数の回転子板は、上流方向で多段回転子アセンブリを画定するように当該複数の固定子板のうちの対応するそれぞれ１つと交互の関係で配置され、更に、当該複数の回転子板のうちの少なくとも１つは軸コードを備える第１の複数の翼を含み、当該複数の固定子板のうちの隣接する１つは軸コードを備える第２の複数の翼を含み、当該第１の複数の翼は、当該スペースのすぐ上流の当該回転子板及び固定子板のうちの１つの軸コードに関して測定した場合、２軸コード以下から軸コードの１％の１／４までの軸寸法を有するスペースを画定するように、当該第２の複数の翼から軸方向にスペースが空けられる。

[0009] 更に別の実装において、本開示は、熱エネルギーを電気に変換するためのシステムを対象とする。システムは、近位端、遠位端、発電機回転子、及び固定子を有する発電機であって、当該発電機回転子は当該固定子内での回転軸を中心とする回転運動用に配設され、当該発電機は、当該近位端に隣接して配置された第１の磁気ラジアル軸受、及び当該遠位端に隣接して配置された第２の磁気ラジアル軸受も含み、当該第１及び第２の磁気ラジアル軸受は、当該発電機回転子を取り囲み、動作中に当該回転軸に対して実質上同軸に整合された状態で当該発電機回転子を保持する、発電機と、タービンであって、少なくとも１つの固定子、及び当該少なくとも１つの固定子内で当該回転軸を中心とする回転運動用に支持される少なくとも１つのタービン回転子を有し、当該少なくとも１つのタービン回転子は、当該発電機回転子を回転駆動させるように当該少なくとも１つの発電機回転子に結合され、当該少なくとも１つのタービン回転子は、回転運動用の当該少なくとも１つのタービン回転子を径方向に支持するためのラジアル軸受が当該タービン内に含まれないようなオーバーハング構成において、当該発電機の当該近位端に取り付けられ、当該少なくとも１つのタービン回転子は径方向最外表面を有し、当該少なくとも１つの固定子は径方向最内表面を有し、当該タービンは、少なくとも１つの台座、当該少なくとも１つの回転子の当該径方向最外表面を係合する第１のブラシ・シール、及び当該少なくとも１つの台座を係合する第２のブラシ・シールを更に含む、タービンと、を含む。

[0010] 更に別の実装において、本開示は、発電機を駆動するためのタービンを作成するための方法を対象とし、当該タービンは、５０ＫＷから５ＭＷの範囲内で電力を生成するように発電機を駆動させるのに十分な電力出力を有する。方法は、第１の厚みのフロアを有するユニバーサル・タービン・フードを提供すること、径方向高さを有する回転子ステージを提供することであって、回転子ステージはタービン・フード内に配置される、提供すること、及び、フロアの厚みを減らすためにフードから材料を切削し、回転子ステージの径方向高さを減らすために材料を切削することであって、当該切削は、５０ＫＷから５ＭＷの範囲内の目標値で最大電力出力を生成するように発電機を駆動させるのに十分な電力出力を有するタービンを作成するように実行される、切削すること、を含む。

[0011] 本発明を例示するために、図面は本発明の１つ以上の実施形態の態様を示す。しかしながら本発明は、図面内に示された精密な配置構成及び手段に限定されるものではないことを理解されたい。

ＯＲＣタービン発電機システムを示す概略図である。 発電機の内部細部が概略的に示された、図１に示されたシステムのタービン及び発電機を示す概略図である。 ＯＲＣタービン発電機システムの代替実施形態が示されていることを除き、図１と同様の図である。 図１に示されたタービン・アセンブリの多段軸流タービン実施形態を示す断面図、及び、図が見やすいように発電機の回転子及び固定子が除去された、発電機の一実施形態に含まれるベアリングを概略的に示す、図１に示された発電機の部分切り離し図である。 図１に示されたタービン・アセンブリの単段ラジアル・タービン実施形態が示されていることを除き、図４ａと同様の図である。 図４ｂに示されたタービン・アセンブリの多段ラジアル・タービン実施形態が示されていることを除き、図４ｂと同様の図である。 図４ｃに示された多段ラジアル・タービン・アセンブリの回転子が背面構成で配列されていることを除き、図４ｃと同様の図である。 図４ａに示されたタービン内で使用可能なタービン・カートリッジの一実施形態を示す断面図である。 フード・バックプレートの一部及びタービン・カートリッジ全体を示す、図４ａに示されたタービンの一部を示す拡大断面図である。 図４ａに示されたタービンの多段実施形態で使用される、２つの固定子板と固定スペーサ板を備えた１つの回転子板との相対的な配置を示す斜視図である。 板の相対的な配置を示す、図４ａに示されたタービンの多段実施形態で使用される３つの回転子板を示す斜視図である。 ブラシ・シール及びタービンの他の細部を示す、図６に示されたタービンの一部を示す垂直断面図である。 タービンの代替実施形態を示すことを除き、図９と同様の図である。

[0012] 本開示は、有機ランキン・サイクル（ＯＲＣ）、カリーナ・サイクル、又は他の同様のサイクルの、廃熱を生成する生産工程で、又は例えば太陽システム又は海洋温度差システムなどの他の熱源に関連して、使用するための、タービン出力発電機を対象とする。以下でより詳細に説明するように、熱源によって加熱されたボイラからの高圧高温ガスはタービン・ハウジングに入り、タービンを介して膨張して回転子を回転させ、これが発電機シャフトを回転させて電気を生成する。

[0013] 図１を参照すると、タービン発電機アセンブリ２０はＯＲＣシステム２２で使用することが意図されている。考察しやすいように、システム２２はＯＲＣシステム２２を指し、ＯＲＣシステム２２として記述されている。しかしながら、本発明には、カリーナ・サイクル・プロセスなどの他の熱力学的プロセス、及びボトミング・サイクル・プロセスも含まれることを理解されよう。タービン発電機アセンブリ２０は、タービン２４と、タービンに接続されこれによって駆動される発電機２６と、を含む。タービン発電機アセンブリ２０についてより詳細に考察する前に、ＯＲＣシステム２２について考察する。

[0014] ＯＲＣシステム２２は、産業プロセスからの廃熱などの熱源３０に接続されたボイラ２８を含む。ボイラ２８は、接続３２を介して高圧高温蒸気をタービン２４に提供する。以下でより詳細に考察するように、高温蒸気、別名作動流体は、タービン２４内で膨張し、ここでその温度が低下した後、タービンから排出され、流体接続３４を介してコンデンサ３６に送達される。コンデンサ３６において、タービン２４内で冷却された蒸気が更に、典型的には液体状まで冷却された後、第１の容量のこうした液体が流体接続３８を介してポンプ４０に送達され、ここで液体は接続４２を介してボイラ２８に戻される。この液体はその後、熱交換機又はボイラ内の他の構造（図示せず）を介した熱源３０からの熱によってボイラ２８内で再加熱された後、サイクルを反復し、流体接続３２を介して高圧高温蒸気としてタービン２４に戻される。

[0015] 次に図１及び図２を参照すると、コンデンサ３６を出る第２の容量の冷却液は、一実施形態では、ポンプ５０によって流体接続５２を介して気化器５４に送達され、気化器から流体接続５８を介して発電機２６に送達される。ポンプ５０からの流体は、以下で更に考察するように、流体接続５６を介して発電機２６、特に冷却ジャケット７６にも送達される。他の実施形態において、ポンプ５０を省略し、代わりにポンプ４０から出力された液体を、流体接続５７を介して流体接続５２及び５６に送達することができる。気化器５４は、コンデンサ３６からの第２の容量の液体のうちの少なくとも一部を気化し、流体接続５８を介して冷却蒸気を発電機２６に送達する。図２に示されるように、発電機２６は流体ギャップ７０、固定子７２、及び発電機回転子７４を含み、固定子と回転子との間に流体ギャップ（例えばガス又は噴霧液）が配置される。発電機回転子７４は、回転軸１０６を中心に固定子７２に対して回転する。

[0016] 冷却蒸気はギャップ７０内に導入され、蒸気がギャップ７０を通過する際に、固定子７２及び発電機回転子７４から熱を抽出した後、蒸気は流体接続３４を介して、コンデンサ３６による冷却のためにタービン２４から排出される高温蒸気と共に排出される。オプションで、図１及び図３に示されるように、発電機２６から排出される蒸気は、タービン２４から排出される蒸気と組み合わされず、流体接続３７を介してコンデンサ３６に直接送達することができる。タービン２４は貫流レートを有し、一実施形態において、ギャップ７０内に導入される第２の容量の蒸気（作動流体）は、貫流レートの５０％以下の流量でギャップを介して移動する。必須ではないが典型的には、発電機２６が密封され、ギャップ７０内に存在する作動流体が、流体接続３４、又は提供されている場合は流体接続３７を介する以外には漏れ出さないことを保証する。

[0017] 次に図１～図４を参照すると、一実施形態において、発電機２６は発電機を冷却するための冷却ジャケット７６（図２及び図４）によって囲まれている。ポンプ５０によって流体接続５６を介して発電機２６に送られる冷却液は、流入口７７（図４）を介して冷却ジャケット７６に送達される。冷却液は冷却ジャケット７６を介して循環し、固定子７２及び発電機２６の他の構成要素から熱を抽出する。冷却ジャケット７６の通過を完了すると、冷却液はここで幾分温かくなり、流体接続７８を介して発電機２６から除去され、冷却ジャケット内の流体流出口７９を出た後で、コンデンサ３６に戻される。

[0018] 次に図２及び図３を参照すると、ＯＲＣシステム２２の別の実施形態において、気化された液体ではなく噴霧された冷却液が、発電機２６内のギャップ７０に提供される。以下で具体的に考察されている場合を除き、図３に示されたＯＲＣシステム２２の実施形態は、本来、図１に示されたシステムの実施形態と同一であり、同一要素のそうした記述は、簡略にするために提供されない。図１に示されたＯＲＣシステム２２の実施形態とは異なり、図３に示された実施形態では気化器が提供されていない。その代わりに、流体接続５６を介して発電機２６に送達される冷却液の一部が、流体接続８０によって発電機の近位に配置された噴霧器８２に提供される。噴霧器８２は冷却液を噴霧した後、これが発電機２６内のギャップ７０に送達され、ここで比較的冷たい噴霧液は、固定子及び回転子内の熱によって気化される噴霧液の一部に関する気化の潜熱を介することを含み、ギャップを通過する際に固定子７２及び発電機回転子７４から熱を抽出する。その後噴霧液は、タービン２４から排出される作動流体と共に、流体接続３４を介して発電機２６から抽出される。図２及び図３において、噴霧器８２は、本発明の一実施形態に関連して使用されるオプション要素であることを示すために、点線で示されている。上記で考察されたように、一実施形態において、ギャップ７０内に導入される第２の容量の噴霧液（作動流体）は、タービン２４の貫流レートの５０％以下の流量でギャップを通過する。

[0019] いくつかの応用例では、冷却ジャケット７６を介した固定子７２の冷却のみを提供し、蒸気又は噴霧液をギャップ７０に提供しないことが望ましい場合がある。他の応用例では、その逆が望ましい場合がある。

[0020] 様々な高分子量有機流体を、単独で又は組み合わせて、システム２０内の作動流体として使用することができる。これらの流体は、例えばＲ１２５、Ｒ１３４ａ、Ｒ１５２ａ、Ｒ２４５ｆａ、及びＲ２３６ｆａなどの冷媒を含む。他の応用例では、例えば水及びアンモニアなどの、高分子量有機流体以外の流体が使用可能である。

[0021] システム２２は、発電機２６に接続されたパワー・エレクトロニクス・パッケージ８６も含む。パッケージ８６は、発電機２６からの可変周波数出力電力を、例えば５０Ｈｚ及び４００Ｖ、６０Ｈｚ及び４８０Ｖ、又は他の同様の値などの、グリッド８７への接続に好適な周波数及び電圧に変換する。

[0022] 発電機２６をより詳細に考察すると、一実施形態において、発電機はダイレクトドライブ、永久磁石の発電機である。こうした構成は、ギアボックスが不要であり、結果としてより小型軽量のシステム２０となるため、有利である。本明細書で説明される本発明の様々な態様は、もちろん、タービン２４のタービン回転子１０４と発電機２６の発電機回転子７４との間に機械的に結合されたギアボックス、及び、永久磁石を含まない好適な巻線型回転子、例えば２重巻線型の誘導供給型回転子を有する発電機を使用して、効果的に実装可能である。加えて、ある応用例では、ダイレクトドライブ同期発電機を発電機２６として使用することができる。発電機２６の定格出力は、所期の応用例に応じて変化する。一実施形態において、発電機２６は５ＭＷの定格出力を有する。別の実施形態において、発電機２６は５０ＫＷの定格出力を有し、更に他の実施形態において、発電機２６は、例えば２００ＫＷ、４７５ＫＷ、６００ＫＷ、又は１ＭＷなどの値間の何らかの定格出力を有する。上記の例で列挙した以外の発電機２６の定格出力が本発明に包含される。

[0023] 高速（例えば２０，０００～２５，０００ｒｍｐ）運転を許可するため、及び保守を最小限にするため、発電機２６のいくつかの実施形態において、磁気ラジアル軸受８８（図４を参照のこと）を使用して発電機回転子７４の回転運動を支持することが望ましい場合がある。一実施形態において、磁気ラジアル軸受８８ａがタービン２４に近位の発電機回転子７４の端部に隣接して配置され、磁気ラジアル軸受８８ｂが回転子の反対側に隣接して配置される。以下でより詳細に考察するように、この軸受８８の配置によって、タービン２４のオーバーハング構成の大部分が可能になる。同様に、発電機回転子７４の軸方向運動は、磁気軸推力軸受８９を使用することによって制御可能である。磁気ラジアル軸受８８及び磁気軸推力軸受８９は、コントローラに結合されたセンサ（図示せず）によって検出される、発電機回転子７４の径方向及び軸方向位置の変化に応じて、軸受に送達されるパワーを調整するコントローラ９０によって制御され、これらはすべて当業者にとって周知である。

[0024] 本発明の別の実施形態において、磁気ラジアル軸受８８及び推力軸受８９の代わりに流体膜軸受を使用することができる。例示の目的で、図４の磁気軸受８８及び８９の概略描写は、代替において流体膜軸受を含むものとみなすべきである。知られているように、流体膜軸受は流体、すなわち気体又は液体の薄膜上で全回転子負荷を支持する。

[0025] オプションで、磁気軸受８８及び８９に加えて、回転要素ラジアル軸受９２、例えばラジアル軸受９２ａ及び９２ｂを、典型的には、それぞれ磁気軸受８８ａ及び８８ｂに隣接する、回転子シャフトを囲む発電機回転子７４の回転子シャフト９３の両端に提供することができる。回転要素ラジアル軸受９２は、磁気軸受８８及び８９に電圧が印加されていない場合、発電機回転子７４及びそのシャフト９３を回転軸１０６に対してほぼ同軸に支持する。より具体的に言えば、回転要素ラジアル軸受９２は、磁気軸受８８が活動化されていない場合、発電機回転子７４に静止点を提供し、急激な電子又は電力障害時に発電機回転子を安全着陸させる。いくつかのケースでは、動作中、磁気軸受８８及び８９に電圧が印加された時に、磁気軸受８８の動作における摂動により、たとえ発電機回転子７４の最大径方向偏向の間であっても、いずれかの接触があれば回転子が回転要素ラジアル軸受９２によって制限されるため、比較的余裕を持って発電機回転子７４を支持するように回転要素ラジアル軸受９２のサイズを決定することが望ましい場合がある。磁気ラジアル軸受８８の代わりに流体膜軸受が使用される場合、回転要素ラジアル軸受９２は、典型的には不要であるが、いくつかの応用例では、こうしたラジアル軸受を含むことが望ましい場合がある。

[0026] 一実施形態において、例えば流体の動的不安定又は制御システム障害又は電力障害（バックアップなし）から、磁気ラジアル軸受の摂動によって発生する可能性のある主要径方向偏向時を含み、磁気ラジアル軸受８８が完全に活動化された時に発生する可能性のあるシャフト９３の回転軸１０６からの最大径方向偏位の１．０１から５倍量、回転子シャフト９３が回転軸１０６との完全な同軸整合から径方向に偏位できるように、回転要素ラジアル軸受９２のサイズが決定される。別の実施形態において、ラジアル軸受９２によって許容されるこの偏位は、ここでも経時的に発生する主要摂動時を含み、磁気軸受８８が活動化された時に発生するシャフト９３の回転軸１０６からの径方向偏位の約２から３倍である。回転要素ラジアル軸受９２は、当分野ではしばしば「バンパー軸受」又は「バックアップ軸受」と呼ばれる。

[0027] 回転要素ラジアル軸受９２は、上記で考察した理由によって有益であるが、こうした軸受の径方向隙間がタービン２４の従来のシール（詳細に図示せず）にとって望ましい隙間よりもかなり大きいことから、問題点も提示している。典型的な回転要素ラジアル軸受９２は、およそ０．００５から０．０１５インチの径方向隙間を有する。これに対して、タービン２４のシールにとって望ましい径方向隙間は、典型的にはおよそ０．０００～０．００１インチである。発電機２６がアセンブルされ、出荷及び格納される場合、又は磁気軸受８８の障害によって動作中に発電機回転子７４の浮上が失われた場合、発電機回転子は回転要素ラジアル軸受９２まで下がることになる。こうした発電機回転子７４内での「活動」の結果、回転要素ラジアル軸受９２の近位のシャフト９３の一部が、タービン２４内のシールと共に、経時的に破損される可能性がある。実際、ある応用例では、わずか１～１０の「バンパー」イベントが、タービン発電機アセンブリ２０の構成要素に、こうした構成要素の分解及び修理／交換が必要となるのに十分な損傷を発生させる可能性がある。

[0028] この問題の解決策は、磁気軸受８８及び／又は回転要素ラジアル軸受９２のうちの１つ以上に隣接するラジアル・ブラシ・シール９４（図４）を追加すること、或いは、回転要素ラジアル軸受（すなわちバンパー軸受）の代わりにブラシ・シールを使用することである。こうした状況下で使用される場合、ブラシ・シール９４は、変形するまでかなりの径方向の力に耐えるように設計される。こうした変形は一時的なものであり、ブラシ・シール９４は、以前の構成に即時に復活するように構成されている。言い換えれば、ブラシ・シール９４は自己回復型である。各ブラシ・シール９４の剛性は、発電機回転子７４及び発電機回転子に結合されたタービン回転子１０４（以下で考察）の重み、並びに、発電機２６及びタービン２４のそれぞれの全体設計及び動作パラメータを前提として許容される回転子７４及び１０４の径方向運動の範囲に基づいて選択される。一実施形態において、ブラシ・シール９４の剛性は、回転子がブラシ・シールのみによって支持されている時に発生する、回転軸１０６との同軸整合からの発電機回転子７４の径方向偏位の範囲が、磁気軸受８８が完全に活動化され、通常の動作を通じて回転運動のために発電機回転子７４を支持する時に発生する、回転軸１０６との同軸整合からの発電機回転子７４の最大径方向偏位の範囲の１から５倍であるように、選択される。別の実施形態において、こうした径方向偏位の範囲は、磁気軸受８８が完全に活動化され、通常の動作を通じて回転運動のために発電機回転子７４を支持する時に発生する、回転軸１０６との同軸整合からの発電機回転子７４の径方向偏位の範囲の、１．２から４倍である。別の実装において、発電機回転子７４は、磁気軸受８８が活動化されていない場合、回転軸１０６との同軸整合を第１の径方向距離だけ外れて自由に移動可能であり、ブラシ・シール９４によって支持されている場合、回転軸との同軸整合を第２の径方向距離を超えて径方向に移動しない。この実装において、第２の径方向距離は第１の径方向距離の０．８倍以下であり、いくつかの実装では、第１の径方向距離の０．２から０．６倍の範囲である。

[0029] 次に図２及び図４～１０を参照すると、タービン２４がより詳細に説明される。図４ａに示された実施形態において、タービン２４はオーバーハング軸流タービンであり、ラジアル流入口１００及びラジアル流出口１０２を有するハウジング９８を含む。タービン２４は、一実施形態において、３段を有する図４ａに示された実施形態を備える多段タービンである。以下でより詳細に考察される他の実施形態において、タービン２４は、図４ｂに示されるような単段オーバーハング・ラジアル・タービン、及び、図４ｃに示されるような多段オーバーハング・ラジアル・タービンとすることができる。このオーバーハング構成に従い、回転運動に関してタービン内で回転子を径方向に支持するためのラジアル軸受はタービン２４、３２４、４２４内に含まれない。前述のように、タービン２４は、作動流体がタービンを介して移送される際に膨張するように構成されるため、結果としてタービンの低温端、すなわちラジアル流出口１０２の近位端は発電機２６に近接して配置される。この配置構成により、タービン２４から発電機２６への熱伝達が低減される。

[0030] タービン２４は、回転軸１０６を中心に回転するタービン回転子１０４、及びハウジング９８に関して固定される固定子１０８を含む。以下でより詳細に考察するように、モジュール設計を特徴とするタービン２４の一例において、図５、図６、及び図９で最もよくわかるように、タービン回転子１０４は複数の個別のブレード付き板１１０を含み、固定子１０８は、固定子板と交互に互いに係合関係で配置される複数の個別の板１１２を含む。回転子板１１０及び固定子板１１２は、流出口１００と流出口１０２との間の領域に形成されるキャビティ１１４内のハウジング９８内に配置される。図９及び図１０で最もよく示されるように、固定子板１１２の径方向最内部は、固定子板のこうした径方向最内部上に提供されるシール１１６によって密封されたギャップ１１５を形成するように、回転子板１１０間に配置されたタービン回転子１０４の一部とスペースが空けられる。図５に示されたタービン２４の一部では、それぞれが各回転子板１１０に対応する複数の固定子スペーサ・セグメント１１７が、固定子板１１２の径方向外部と交互に互いに係合関係で提供される。各スペーサ・セグメント１１７は、対応するそれぞれの回転子板１１０の径方向の外側に配置される。図９及び図１０に示されたタービン２４の代替実施形態において、スペーサ・セグメント１１７は固定子板１１２の一体部分として形成される（図９及び図１０において、スペーサ・セグメントは別々にラベル表示されていない）。いずれのイベントにおいても、これらの各実施形態では、各スペーサ・セグメント１１７は、回転子板の径方向最外部とスペーサ・セグメントの径方向最内部との間にギャップ１１８が提供されるように、その対応するそれぞれの回転子板１１０に関してサイズが決定される。シール１１９（図９を参照のこと）は、タービン２４のある実施形態において、ギャップ１１８内に提供することができる。

[0031] 図９及び図１０で最もよく示されるように、各回転子板１１０は、第１の接触面１３０及び第１の接触面と接触する第２の接触面１３２を含む。同様に、各固定子板１１２は、第１の接触面１３４及び第１の接触面と接触する第２の接触面１３６を含む。接触面１３０、１３２、１３４、及び１３６は、実質上平坦であり、実質上平行である。更にそれらは、回転軸１０６に対して実質上垂直となるように配置構成される。接触面１３０、１３２、１３４、及び１３６は、こうした表面の２乗平均平方根バージョンに関して測定された場合、一実施形態では０．００００５”から０．０２０”の範囲で、ある実施形態では０．０００５”から０．００５”の範囲で、平坦である。更に一実施形態では、回転板１１０の接触面１３０及び１３２、並びに固定子板１１２の接触面１３４及び１３６は、０．０００１”から０．０１５”の範囲だけ、ある実施形態では、０．０００５”から０．００５”の範囲だけ、完全に平行な状態から偏位している。スペーサ・セグメント１１７が与えられた場合、前述のように、これらは好ましくは、同様に平坦であって接触面１３０、１３２、１３４、及び１３６に対して平行な接触面を有する。

[0032] 次に図７及び図８を参照すると、タービン２４のある実装において、１つの回転子板１１０を隣接する回転子板に対して円周方向にクロックすること、例えば板１１０ｂに対して回転子板１１０ａをクロックすることが望ましい場合がある。同様に、１つの固定子板１１２を隣接する固定子板に対して円周方向にクロックすること、例えば板１１２ｃに対して固定子板１１２ａをクロックすることが望ましい場合がある。当業者であれば理解されるように、タービン２４に関する望ましい性能仕様は、与えられるクロッキングの程度に影響を与えることになる。クロックされる回転子板１１０のペアがどちらも同じ数の翼１４０を有する場合、一実施形態では、第１の回転子板１１０、例えば板１１０ａは、第２の隣接する回転子板、例えば板１１０ｂに対して、ゼロから１の翼ピッチで、すなわち（０）Ｓから（１）Ｓでクロックされる。同様に、クロックされる固定子板１１２のペアがどちらも同じ数の翼１４２を有する場合、一実施形態では、第１の固定子板１１２、例えば板１１２ａは、隣接する回転子板、例えば板１１２ｃに対して、ゼロから１の翼ピッチで、すなわち（０）Ｓから（１）Ｓでクロックされる。クロックされる回転子板１１０のペアがどちらも等しくない数の翼１４０を有する場合、一実施形態では、第１の回転子板１１０、例えば板１１０ａは、第２の隣接する回転子板、例えば板１１０ｂに対して、０から３６０度の範囲内のいずれかでクロックされる。同様に、クロックされる固定子板１１２のペアがどちらも等しくない数の翼１４２を有する場合、一実施形態では、第１の固定子板１１２、例えば板１１２ａは、隣接する回転子板、例えば板１１２ｃに対して、０から３６０度の範囲内のいずれかでクロックされる。既知のタービン・フローの分析及び実験的方法を使用して、この０から３６０度の範囲内で最適なクロッキング量を選択するように指導される。

[0033] 続けて図７及び図８を参照すると、一実施形態において、隣接する固定子板１１２は、固定子板１１２、例えば固定子板１１２ｃの周辺セクション１６２に沿って配置された、複数の円周方向にスペースが空けられたボア１６０を特徴とする位置合わせシステムを使用して、互いにクロックされるが、図７では例示の都合上、ボア１６０のうちの５つのみが示されている。一実装において、隣接するボア１６０は、円周方向に１翼ピッチＳのスペースが空けられる。位置合わせシステムは、スペーサ・セグメント１１７の周辺セクション１６６内にもボア１６４を含む。更に、ボア１６０が提供された固定子板、例えば固定子板１１２ｃのすぐ近隣の固定子板１１２、例えば固定子板１１２ａの周辺セクション１７０内に、ブラインド・ボア１６８を提供することも可能である（もちろん回転子板１１０ｂ及びスペーサ板１１７が介在する）。一実施形態において、ボア１６０、１６４、及び１６８は、回転軸１０６から実質上同一径方向距離のスペースが空けられ、実質上同一の直径を有する。位置合わせシステムは、典型的には軽度摩擦取り付けを使用して、ボア１６０のうちの選択された１つ内及びボア１６４内に受け取るようにサイズが決定された、ピン１７２を更に含む。このように位置決めされた場合、ピン１７２は、隣接するスペーサ・セグメント１１７との選択された円周方向の位置合わせで、固定子板１１２ｃをロックする。隣接する固定子板、例えば板１１２ａと１１２ｃとの間の選択された円周方向のクロッキングは、次にボア１６４及び１６８内に挿入されるピン１７４を使用して、スペーサ・セグメント１１７を固定子板１１２ａにロックすることによって、達成される。図９及び図１０に関連して以下でより詳細に考察するように、隣接する回転子板１１０をクロックするための同様のシステムも採用可能である。前述のように、ピン１７２を受け取る複数のボア１６０のうちの１つの選択は、隣接する固定子板１１２間で望ましい円周方向のクロッキングの程度に基づいて決定される。本発明は、当業者であれば理解されるように、隣接する回転子板１１０及び固定子板１１２を円周方向にクロックするための他の手法を包含している。

[0034] 特に図９を参照すると、回転子板１１０及び固定子板１１２は、一実装では、回転子板１１０の翼１４０と隣接する固定子板１１２の翼１４２との間の軸方向距離１７８が、回転子板又は固定子板のうちの１つのすぐ上流のコードに関して測定した場合、２軸コードから軸コードの１％の１／４までの範囲内であるようにスペースが空けられる。例えば、図９でＲ３として識別される回転子板１１０の翼１４０は、Ｓ３として識別される固定子板１１２のすぐ隣接する翼１４２から、２軸コードから軸コードの１％の１／４までの範囲内であるコード距離Ｃｘ，Ｓ３の距離１７８ａのスペースが軸方向に空けられ、ある実施形態では、１／３から１コードのスペースが空けられる。加えて、タービン２４に関する段階反応は、任意の従来レベルとすることができる。しかしながら、軸推力レベルは、発電機２６の使用可能推力能力に合致するように制御しなければならず、一例では、－０．１から０．３の範囲内、及びしばしば－０．０５から＋０．１５の範囲に入る一般的な値の、非常に低い段階反応が望ましい場合がある。例えば図４ｃに示された多段ラジアル・インフロー・タービン４２４で、非常に低い段階反応が達成できない場合、第２の段を逆にして、２つのラジアル・タービンが背面で動作し、最終段の放電が依然として発電機に向かうようにすることができる。

[0035] 本実施形態のアセンブリに関連して、図４～図６、図９、及び図１０を参照すると、回転子板１１０及び固定子板１１２は、交互に互いに係合関係で配置される。一実施形態において、回転子板１１０は、板の径方向内側に複数のボア１８６（図５を参照のこと）を含み、これらのボアはボルト・スタッド１８８などの留め具を受け取るようにサイズが決定され、ボルト・スタッドは、板を介して延在し、スタブ・シャフト内のねじ込みボア１９０を介してスタブ・シャフト１８９に固定される。発電機回転子シャフト９３は、スタブ・シャフト１８９内のねじ込みボア１９４内に受け取られるねじ込み式雄型端部１９２を含むことができる。

[0036] 固定子板１１２、及び提供された場合スペーサ・セグメント１１７は、単一カートリッジ１９８を形成するように、例えばまとめて交互に互いに係合関係で固定することができる。後者は、既知の留め具及び他のデバイスを使用して、ハウジング９８のキャビティ１１４（図６）内に解放可能に固定することができる。一実施形態において、カートリッジ１９８は、キャビティ内の対応するサイズのくぼみ２０１にスナップ留めで係合されるロック・リング２００によって、キャビティ１１４内に固定可能である。この構成を用いると、ロック・リング２００が取り付けられた場合、固定子板１１２、及び提供された場合セグメント１１７は、ハウジング９８内のキャビティ１１４内に形成された肩部２０２に対して駆動され、それによって板及びセグメントを定位置にしっかりと保持する。タービン２４のある実施形態では、回転子板間に相対的な回転運動が発生しないことを保証するために、回転子板１１０は、ボア２０４（図８、図９、及び図１０を参照のこと）内に受け取られるピン２０３（図９及び図１０を参照のこと）を用いてまとめて固定することが可能である。同様に、タービン２４の他の実施形態では、前述のように、相対的な回転運動が発生しないことを保証するために、固定子板１１２及びスペーサ１１７を、ピン１７２（図９及び図１０を参照のこと）を用いてまとめて固定することが可能である。ピン１７２は、相対的に動かないように保証することが望ましい場合、最下流のスペーサ１１７又は固定子板１１２からハウジング９８のフロア２０４を貫通することも可能である（こうした貫通は図示されていない）。最遠の上流固定子板１１２（図９及び図１０ではＳ１と識別）内でねじ込みボア２０８を用いてねじ込み式に係合される一実施形態では、ノーズ・コーン２０６を提供することが可能である。別の方法として、小ねじを使用して、ノーズ・コーン２０６を第１の固定子板１１２に固定することができる。図５、図６、図９、及び図１０を参照すると、いくつかの実装では、回転子板、固定子板、及びスペーサを介して延在する、１つ以上のピン２１０及び／又は１つ以上のボルト・スタッド２１２を使用して、回転子板１１０、固定子板１１２、及び提供される場合スペーサ１１７を、回転位置合わせし、まとめて固定することが望ましい場合がある。回転子板１１０、固定子板１１２、及びスペーサ１１７の精密な回転位置合わせのために、ピン２１０を使用することが可能であり、十分な圧力ばめでこれらの構成要素内に受け取られた場合、単一構造、すなわち単一カートリッジ１９８を形成するためにこれらの構成要素をまとめて保持することも可能である。回転位置合わせの何らかの手段を提供することに加えて、ボルト・スタッド２１２は、単一構造、すなわち単一カートリッジ１９８を形成するために、回転子板、固定子板、及びスペーサを更にまとめて引き付ける。

[0037] 別々の回転子板１１０及び固定子板１１２を提供すること、並びに、こうした板を前述のように相対的に平坦にすることによって、これらの板をカートリッジ１９８（図５を参照のこと）としてアセンブルすることが可能であり、単一アセンブリとしてハウジング９８内のキャビティ１１４内に配置し、キャビティ１１４から除去することが可能である。以下でより詳細に考察するように、カートリッジ１９８を提供することで、ユニバーサル・タービン２４をその所期の応用例に容易に適合させること、及び保守又は新規の負荷要件のために交換することができる。

[0038] いくつかの応用例では、発電機２６をタービン２４からより実質的に分離させることが望ましい。この目的を達成するために、図６で最もよく示されるように、バックプレート２５０の径方向最内部に近位のタービン２４のスタブ・シャフト１８９を囲むシール２２０を含むことが望ましい場合がある。シール２２０は、ラビリンス・シール、ブラシ・シール、精密許容差リング・シールとして、又は当分野で知られた他のシールを使用して、実装可能である。

[0039] 図４～図６に示されたタービン２４の実施形態は、異なるサイズの回転子１０４及び固定子１０８を有するタービンのバージョンを容易に製造することができるように設計される。タービン２４に単一ハウジング９８を提供する一方で、その単一ハウジングを使用して異なる動作パラメータでタービンを構成することを可能にすることによって、所与の応用例の仕様に対して高い費用効率でタービンを製造することができる。この柔軟な設計は、タービン用に企図された最大直径タービン回転子１０４が、前述のカートリッジ設計を使用することによってキャビティ１１４内に受け入れられるように、タービン２４のハウジング９８を設計及びサイズ決定することによって、部分的に達成される。特に、タービンが使用されることになる応用例に関してタービン２４の望ましい動作パラメータが決定された後、タービン回転子１０４内で使用される板１１０、並びに固定子１０８内で使用される板１１２及びスペーサ・セグメント１１７の、数及びサイズが決定される。

[0040] 望ましい動作パラメータに合致するように容易に修正可能なタービン２４を提供する目的に従い、ハウジング９８がこうした修正を容易にするように設計される。ハウジング９８のこうした設計の一態様は、当該回転軸と当該少なくとも１つのタービン回転子の最外部との間で測定された場合、異なる径方向高さΔｒを有する、タービン回転子１０４及び固定子１０８を収容するだけの十分な厚みをフロア２０４に提供することを含み、当該軸流タービンは第１の厚みを備えるフロアを有し、当該第１の厚みは、Δｒと１．４Δｒとの間で変化する径方向寸法を備える当該少なくとも１つのタービン回転子を収容するだけの十分な厚みまで、当該フロアの内側を切削できるように選択される。更に、ハウジング９８には、望ましい径方向高さを備えるタービン回転子１０４及び固定子１０８を受け入れるようにサイズが決定されたキャビティ１１４を作成するようにフロアを切削するために使用可能な、従来の工作機械、例えば５軸ＣＮＣフライス盤又はＣＮＣ旋盤によって、フロア２０４に容易にアクセスできるようにする構成が提供される。

[0041] 修正可能ハウジング９８を提供する別の態様は、幅ｌ４、すなわちバックプレート２５０とハウジング壁２５２との間の距離ｌ４を、選択的に変更するように、及び、幅ｌ１、すなわち出口幅を選択的に変更するように調整可能な、厚みを有するバックプレート２５０を含むことである。この点で、幅ｌ４は、ディフューザ出口の幅ｌ１の半分から４倍までの範囲で変更可能である。バックプレート２５０は、図４に示されるように、いくつかの実施形態ではハウジング９８の全体部分、他の実施形態では別々の要素とすることができる。バックプレート２５０は、好ましくは、ギャップ７０内の蒸気を排出し、タービン２４の排出流路に送達し、最終的に流体接続３４を介してコンデンサ３６まで送達する際に介する、１つ以上のポート２５４を含む。望ましい場合、タービン２４の性能を調整する別の方法として、フロー・スプリッタ２５６をタービン回転子１０４及び固定子１０８のすぐ下流に提供することができる。別のオプション機能として、図６で最もよく示されるように、ハウジング９８のフロア２０４のノーズ２６０に延長板２５８を追加することが可能である。

[0042] ハウジング性能はいくつかの要因に依存するが、ハウジング流入口１００での入口フローとハウジング・ベース寸法との整合は、本書で教示されるように重要である。非常に良好なフロー入口は、図４で構成されるようなハウジング・バックプレート２５０へと流れるディフューザ排出を提供する。実質的な設計変数は、Ｌ４＝ｌ４／ｌ１を設定するために０．５から４までの値に設定され、高性能を有する（良好なディフューザＣｐを維持する）ためにはしばしば２から３の範囲内で設定される。これは、ディフューザ出口幅（ｌ１）及びフード・フロア幅（ｌ４）を制御しなければならないことを意味する。出口幅ｌ１は、１次設計パラメータであるディフューザ全体の面積比を制御する際に、ディフューザの性能も制御するため、競合が生じる可能性がある。ディフューザに関するｌ１が上昇すると、ハウジングを傷つけることになる。これは、広範囲の電力レベル（ある設計では最大５ＭＷ）をカバーするために豊富なハウジング設計から始めること、並びにその後、バックプレート２５０及びフロア２０４のノーズ２６０を修正することによって動作パラメータを調整することによって、制御される。別の設計変数は、ｌ１に独立制御を与えるディフューザ・スプリッタ２５６（図６）を導入することであり、それによってディフューザ出口値における選択変更を可能にする。更なる性能調整は、好適な高さ及び厚みの延長板２５８（図６）を選択することによって達成可能である。

[0043] タービン２４は、図４ａでは多段軸流タービン２４として示されているが、タービン発電機システム２０はこれに限定されない。この点で、図４ｂを参照すると、代替実施形態において、タービン発電機システム２０は、単段を有するラジアル・タービン３２４を含むことができる。図４ａ及び図４ｂでは同じ要素を識別するために同じ番号が使用され、簡潔にするために、ラジアル・タービン３２４の以下の説明に関して同じ要素の説明は省略される。後者は、単一回転子１０４及び単一固定子１０８を含む。図４ａに示される軸流タービン２４と同様に、軸流タービン３２４を、ボルト・スタッド１８８を用いて発電機シャフト９３に解放可能に固定可能な単一カートリッジ１９８として実装することができる。タービン３２４は、流入口フランジ・リング３３３と、既知の留め具でハウジング９８に取り付けられた外側フロー・ガイド３３４とを含むことができる。ノーズ・コーン２０６及び固定子１０８は、ボルト３３７などの既知の留め具でハウジング９８に解放可能に固定することができる。

[0044] 次に図４ｃを参照すると、代替実施形態において、タービン発電機システム２０は多段ラジアル・タービン４２４を含むことができる。図４ａ及び図４ｂでは同じ要素を識別するために同じ番号が使用され、簡潔にするために、ラジアル・タービン４２４の以下の説明に関して同じ要素の説明は省略される。後者は、２つの回転子１０４及び２つの固定子１０８を含む。ラジアル・タービン４２４は、ボルト・スタッド１８８を用いて発電機シャフト９３に解放可能に固定可能な単一カートリッジ１９８として実装することができる。タービン４２４は、流入口フランジ・リング３３３と、既知の留め具でハウジング９８に取り付けられた外側フロー・ガイド３３４とを含むことができる。ノーズ・コーン２０６及び固定子１０８は、固定子の間に配置された中間フロー・ガイド４４１と共に、ボルト３３７などの既知の留め具でハウジング９８に解放可能に固定することができる。タービン４２４及び中間フロー・ガイド４４１の２つの固定子１０８は、単一カートリッジ１９８を作成するように、ボルト３３９又は他の既知の留め具によってまとめて固定することが可能である。中間フロー・ガイド４４１は、図５及び図６に示されたタービン２４のバージョンにおける固定子スペーサ１１７と機能的に同一である。

[0045] タービン発電機システム２０における推力の所望の均衡化に応じて、ラジアル・タービン５２４に関して図４ｄに示されるように、背面配置構成の多段ラジアル・タービンの回転子１０４を構成することが望ましい場合がある。この点で、回転子１０４ａは回転子１０４ｂと背面を向き合うように配置され、回転子は一緒に回転するように結合される。固定子１０８は回転子１０４ａ／１０４ｂの間に配置され、固定子を介して延在する回転子１０４ｂの一部を回転可能に支持するための軸受５２６を含む。タービン５２４は、気体移送管５５２が貫通する前面板５５０を更に含み、気体移送管は内部プレナム５５４で終端している。タービン５２４内に入った気体は管５５２内を流れ、内部プレナム５５４へと送達され、プレナムを出て回転子１０４ａを回転させ、固定子１０８を越えて流れた後、回転子１０４ｂを駆動させ、最終的にタービンを出る。

[0046] 具体的に示されていないが、タービン発電機システム２０は混合フロー・タービンを使用して実装することもできる。後者は設計の点でラジアル・タービン発電機３２４及び４２４と非常に類似しているため、別々に図示していない。

[0047] 低圧低温の作動流体が、発電機２６の近位にあるタービン２４の最終回転子段から放出されるように、回転子１０４を逆向きに配置することによって、発電機への熱伝達が最小限になり、発電機の寿命が延びる。逆向きの結果としてのタービン２４の低圧排出は、ポート２５４を介して第２の容量の作動流体を発電機２６内のギャップ７０の外へ、及びタービン２４の放出ストリーム内に引き込む一方で、発電機推力軸受８９がタービン２４の残りの軸方向負荷を処理できるように、推力を十分に均衡化する。こうした設計は効率的であり、小型で、熱効率が良い。

[0048] 本発明の一態様は、熱エネルギーを電気に変換するためのシステムである。システムは、５ＭＷ以下の電力出力を有する発電機であって、当該発電機は、近位端、遠位端、発電機回転子、及び固定子を有し、当該発電機回転子は当該固定子内での回転軸を中心とする回転運動用に配設され、当該発電機は、当該近位端に隣接して配置された第１の流体膜軸受、及び当該遠位端に隣接して配置された第２の流体膜軸受も含み、当該第１及び第２の流体膜軸受は、当該発電機回転子を取り囲み、動作中に当該回転軸に対して実質上同軸に整合された状態で当該発電機回転子を保持する、発電機と、タービンであって、少なくとも１つの固定子、及び当該少なくとも１つの固定子に対して当該回転軸を中心とする回転運動用に支持される少なくとも１つのタービン回転子を有し、当該少なくとも１つのタービン回転子は、当該発電機回転子を回転駆動させるように当該発電機回転子に結合され、当該タービンは当該発電機の当該近位端に取り付けられた第１の端部を有し、当該少なくとも１つのタービン回転子は、回転運動用の当該少なくとも１つのタービン回転子を径方向に支持するためのラジアル軸受が当該タービン内に含まれないようなオーバーハング構成を有し、当該タービンは、作動流体を第１の温度で受け取るための流入口、及び当該作動流体を当該第１の温度よりも低い第２の温度で排出するための流出口を更に含み、当該流出口は、当該発電機への伝熱を最小限にするように当該タービンの当該第１の端部に近接して配置される、タービンと、を含む。

[0049] 代替実施形態において、段落４９に記載されたシステムは電力出力が６００ＫＷ未満の発電機を有する。

[0050] 段落４９に記載されたシステムのタービンは、一実施形態において、ハウジングを含むことが可能であり、少なくとも１つの固定子は複数の固定子板を含むことが可能であり、少なくとも１つのタービン回転子は複数のタービン回転子板を含むことが可能であり、更に複数の固定子板及び複数のタービン回転子板が共に、当該ハウジング内に解放可能に取り付けられる単一カートリッジを形成する。

[0051] 段落４９に記載されたシステムのタービンは、軸流タービン、ラジアル・タービン、又は混合フロー・タービンとすることができる。

[0052] 段落４９に記載されたシステムは、表面を備える取り外し可能バックプレートを有するフード、バックプレートと向き合うフード壁、及び幅ｌ１を有するディフューザ通路出口を含むことが可能であり、バックプレート表面はフード壁から距離ｌ４のスペースが空けられ、距離ｌ４は距離ｌ１の半分から４倍の間である。

[0053] 本発明の別の態様は、多段タービン・カートリッジである。カートリッジは複数の回転子板からなり、それぞれが中心線、第１の接触面、及び当該第１の接触面と接する第２の接触面を有し、当該第１及び第２の接触面は実質上平行であり、当該第１及び第２の接触面のそれぞれは、０．００００５”から０．０２０”の範囲内で平坦であり、当該複数の回転子板は、当該回転子板の当該中心線が相互に同軸であるように互いに近接して配置される、複数の回転子板と、複数の固定子板であって、それぞれが中心線、第１の接触面、及び当該第１の面に接触する第２の接触面を有し、当該第１及び第２の接触面は実質上平行であり、当該第１及び第２の接触面のそれぞれは、０．００００５”から０．０２０”の範囲内で平坦であり、当該複数の固定子板は、当該固定子板の当該中心線が相互に同軸であるように互いに近接して配置される、複数の固定子板と、を含み、当該複数の回転子板は、上流方向で多段回転子アセンブリを画定するように当該複数の固定子板のうちの対応するそれぞれ１つと交互の関係で配置され、更に、当該複数の回転子板のうちの少なくとも１つは軸コードを備える第１の複数の翼を含み、当該複数の固定子板のうちの隣接する１つは軸コードを備える第２の複数の翼を含み、当該第１の複数の翼は、当該スペースのすぐ上流の当該回転子板及び固定子板のうちの１つの軸コードに関して測定した場合、２軸コード以下から軸コードの１％の１／４までの軸寸法を有するスペースを画定するように、当該第２の複数の翼から軸方向にスペースが空けられる。

[0054] 一実装において、段落５４に記載されたタービン・カートリッジ内のスペースは、当該回転子板及び当該スペースのすぐ上流の固定子板のうちの１つの当該軸コードの１／３から１の間の軸寸法を有する。段落５４に記載されたタービン・カートリッジの別の実装において、当該複数の回転子板は互いに固定され、当該複数の固定子板は互いに固定され、単一カートリッジ・システムを形成するように当該複数の回転子板に対して配置される。段落５４に記載されたタービン・カートリッジの更に別の実装において、当該単一カートリッジ・システムは、タービン・ハウジングに解放可能に結合されるように設計される。

[0055] 以上、例示の実施形態を上記で開示し、添付の図面に示した。当業者であれば、本明細書に具体的に開示された内容に対して、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく様々な変更、省略、及び追加が可能であることを理解されよう。

Claims (19)

1. フロア及び側壁を有するフードを備え、
   前記フロアの第１の側部及び前記側壁は、出口プレナムを画定し、
   前記フロアの第２の側部は、少なくとも１つの回転子及び少なくとも１つの固定子を受け入れるように構成されたキャビティを部分的に画定し、
   前記フロアは、所定の範囲のタービン電力出力定格のために設計及び構成される過大の厚みを有し、
   前記ハウジングは、前記少なくとも１つの回転子及び前記少なくとも１つの固定子を前記キャビティ内に受け入れるのに十分な量の切削動作によって前記フロアの前記厚みを選択的に低減することによって、選択されたタービン電力出力定格のために構成可能であり、前記回転子及び前記固定子は、前記選択されたタービン電力出力定格に対応するサイズを有する、
   タービン・ハウジング。
2. 前記ハウジングに取り外し可能に結合されたバックプレートを更に備え、
   前記バックプレート及び前記フロアは、前記キャビティと前記出口プレナムとの間に位置するディフューザ通路を画定し、
   前記バックプレートは、前記フロアの切削を容易にするために取り外せるように構成される、請求項１に記載のタービン・ハウジング。
3. 前記キャビティは、オーバーハング構成においてシャフトに取り外し可能に結合された前記少なくとも１つの回転子と、前記キャビティの壁に取り外し可能に結合された前記少なくとも１つの固定子と、を受け入れるように構成される、請求項１に記載のタービン・ハウジング。
4. 前記フロアの前記過大の厚みは、Ｈ１～１．４×Ｈ１の範囲内の径方向高さを有する前記少なくとも１つの回転子のサイズに対応するのに十分な所定の範囲のキャビティサイズを提供するように構成される、請求項１に記載のタービン・ハウジング。
5. 前記ハウジングは、前記キャビティ内に取り外し可能に配置される単一カートリッジを収容するように設計及び構成され、
   前記単一カートリッジは、前記少なくとも１つの回転子及び前記少なくとも１つの固定子を含み、
   前記過大の厚みは、所定の範囲の異なるサイズの単一カートリッジを収容するために切削されるようにサイズ決定される、請求項１に記載のタービン・ハウジング。
6. バックプレートを更に備え、
   前記フロア及び前記バックプレートの第１の部分は、前記キャビティと前記出口プレナムとの間に位置するディフューザ通路を画定し、
   前記バックプレートの第２の部分は、前記ディフューザ通路の出口から横方向に延在し、且つ前記出口プレナムを部分的に画定し、
   前記第２の部分の厚みは、前記タービン及び／又は前記ディフューザ通路のサイズの設計パラメータに従って前記出口プレナムの寸法を画定するために切削されるように過大サイズ決定及び構成される、請求項１に記載のタービン・ハウジング。
7. ディフューザ通路を部分的に画定するバックプレートを更に備え、
   前記バックプレートの厚みは、前記タービン及び／又は前記出口プレナムのサイズの設計パラメータに従って前記ディフューザ通路の寸法を画定するために切削されるように過大サイズ決定及び構成される、請求項１に記載のタービン・ハウジング。
8. タービンを製造する方法であって、
   フードを含むハウジングを得ることであって、前記フードのフロアの第１の側部は、出口プレナムを部分的に画定し、前記フロアの第２の側部は、ハウジングのキャビティを部分的に画定し、前記キャビティは、少なくとも１つの回転子を収容するように設計及び構成され、前記フロアは、所定の範囲のタービン電力出力定格に対応する所定の範囲の前記少なくとも１つの回転子のサイズのために構成可能である過大の厚みを有することと、
   タービン電力出力定格を決定することと、
   前記決定された電力出力定格に対応するサイズを有する少なくとも１つの回転子を得ることと、
   前記得られた少なくとも１つの回転子を収容するのに十分な量の分だけ前記キャビティの厚みを増やすために前記フロアから材料を切削することと、
   前記少なくとも１つの回転子を前記キャビティ内に取り付けることと、
   を含む、方法。
9. 前記切削することは、少なくとも１つの固定子を収容するのに十分な量の分だけ前記キャビティのサイズを大きくするために前記フロアから材料を切削することを更に含み、
   更に、前記取り付けることは、前記少なくとも１つの固定子を前記ハウジングに固定すること及び前記キャビティ内での回転運動のために前記少なくとも１つの回転子をシャフトに結合することを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記タービン電力出力定格は、５０ＫＷから５ＭＷの範囲内の目標値で最大電力出力を生成する発電機を駆動させるのに十分である、請求項８に記載の方法。
11. 前記フロアの前記厚みは、Ｈ１～１．４×Ｈ１の範囲内の前記少なくとも１つの回転子の径方向高さを収容するようにサイズ決定及び切削される、請求項８に記載の方法。
12. 前記ハウジングは、前記キャビティ内に取り外し可能に配置される単一カートリッジを収容するように設計及び構成され、
    前記単一カートリッジは、前記少なくとも１つの回転子及び前記少なくとも１つの固定子を含み、
    前記切削することは、前記単一カートリッジを前記キャビティ内に収容するのに十分な量の分だけ前記フロアの厚みを減らすために前記フロアを切削することを含む、請求項８に記載の方法。
13. 前記ハウジングは、取り外し可能なバックプレートを更に含み、
    前記バックプレートの第１の部分及び前記フロアは、出口及び幅ｌ１を有するディフューザ通路を画定し、
    前記バックプレートの第２の部分は、幅１４を有する、前記ディフューザ通路の前記出口に隣接する前記出口プレナムの第１の部分を画定し、
    前記幅ｌ４が前記幅ｌ１の半分から４倍であるように前記バックプレートを切削するステップを更に含む、請求項８に記載の方法。
14. 複数のタービンを製造する方法であって、前記複数のタービンのうちの各タービンは、実質上同一のタービン・フードのうちの１つのタービン・フードから始めて製造され、各タービン・フードは、回転子ステージを受け入れるためのキャビティと、第１の厚みを備えるフロアと、を有し、前記フロアは、前記キャビティの一部を画定し、前記キャビティは、内径Ｄ１を有し、
    前記キャビティの前記内径Ｄ１を内径Ｄ２まで増やすために前記複数のタービン・フードのうちの第１のタービン・フードの前記フロアから材料を切削することであって、Ｄ２は、径方向高さＨ１を有する第１の回転子ステージを前記キャビティが収容することができるように選択され、前記第１の回転子ステージは、前記複数のユニバーサル・タービン・フードのうちの前記第１のタービン・フードの前記キャビティ内に配置可能であるように設計及びサイズ決定されることと、
    前記キャビティの前記内径Ｄ１を内径Ｄ３まで増やすために前記複数のタービン・フードのうちの第２のタービン・フードの前記フロアから材料を切削することであって、Ｄ３は、Ｄ２とは異なり、且つ前記径方向高さＨ１とは異なる径方向高さＨ２を有する第２の回転子ステージを前記キャビティが収容することができるように選択され、前記第２の回転子ステージは、前記複数のタービン・フードのうちの前記第２のタービン・フードの前記キャビティ内に配置可能であるように設計及びサイズ決定されることと、
    を含む、方法。
15. 前記切削することは、５０ＫＷから５ＭＷの範囲内の目標値で最大電力出力を生成する発電機を駆動させるのに十分な電力出力を有するタービンを作成するように創出されたタービン設計に従って実行される、請求項１４に記載の方法。
16. 前記複数のユニバーサル・タービン・フードのうちの少なくとも１つのタービン・フードは、取り外し可能なバックプレートを含み、
    更に、前記複数のタービン・フードのうちの前記少なくとも１つのタービン・フードの前記フロアを切削することは、取り外した前記バックプレートを用いて実行される、請求項１４に記載の方法。
17. 前記第１の厚みは、Ｈ１～１．４×Ｈ１の範囲内の径方向高さを有する前記回転子ステージのサイズを収容するのに十分である、請求項１４に記載の方法。
18. 前記複数のタービン・フードは、前記キャビティ内に取り外し可能に配置された所定の範囲のサイズの単一カートリッジを収容するように設計及び構成され、
    前記単一カートリッジのそれぞれは、前記回転子ステージ及び固定子を含み、
    Ｄ２は、第１のサイズを有する第１の単一カートリッジの取り付けのために選択され、
    Ｄ３は、前記第１のサイズとは異なる第２のサイズを有する第２の単一カートリッジの取り付けのために選択される、請求項１４に記載の方法。
19. 前記複数のタービン・フードのうちの少なくとも１つのタービン・フードは、バックプレートを含み、
    前記フロア及び前記バックプレートは、前記キャビティの下流に位置するディフューザ通路を画定し、
    前記ディフューザ通路は、幅ｌ１を有し、
    前記複数のタービン・フードのうちの前記少なくとも１つのタービン・フードは、フード壁を更に含み、
    前記バックプレート及び前記フード壁は、前記ディフューザ通路の下流に位置する出口プレナムを画定し、
    前記フード壁は、前記バックプレートから軸方向に距離ｌ４のスペースが空けられ、
    前記距離ｌ４が前記幅ｌ１の半分から４倍であるように前記バックプレートを切削することを更に含む、請求項１４に記載の方法。
    

Images