JPH0143127B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、作業流体が発電プラント（発電所）
の原動機のベアリングを潤滑せしめるようにし
た、有機流体による発電プラントのためのすぐれ
た潤滑系に関わる。

閉鎖型ランキン（Rankine）の循環発電プラン
トは米国特許第3393515号に開示されており、こ
れによれば有機作動流体はボイラー中で気化さ
れ、タービンに供給される。タービンは発電機と
共に、密閉シールされた筒体中において水力学的
ベアリングにより回動自在に支承された共通軸に
組みつけられている。タービンにより消費された
蒸気は復水器に戻り、ここで使用済蒸気はボイラ
ー中よりも低い温度及び圧力の復水（凝結物）に
変換される。復水器中の復水のいくらかはベアリ
ングに供給され、残りは復水器がボイラーに較べ
十分に昇温されているようなら直接にボイラー
へ、また昇温状態が不十分であるならポンプを経
由してボイラーに供給される。このような発電プ
ラントは、以下は叙上型の発電プラントとして記
載する。

叙上型発電プラントにおける水力学的に潤滑化
されるベアリングの使用によりジヤーナル（軸
首）の金属とベアリングの金属の間の潤滑剤の流
体薄膜が存在することになる。その結果、唯一の
摩擦は、ジヤーナルの回転により流体薄膜がせん
断力をうけることにより薄膜中に生ずるものであ
る。

叙上型発電プラントタービンの始動前にベアリ
ングに対し液状作業流体の供給を確実ならしめる
技術を利用することにより、また密閉状にシール
された筒体を利用することによりベアリングは常
に十分に潤滑化された状態となり、その寿命は極
めて延長され、その結果極めて信頼のおける発電
プラントを構成することができる。復水器温度に
おける作業流体の粘度、タービンの回転速度、及
びベアリング荷重に起因する理由によつて叙上型
の発電プラントは比較的低レベルの電力、一般的
に１―2KWの発電に限定されていた。この出力
範囲において叙上型発電プラントは世界の過疎地
域にある無人マイクロウエーブ中継基地における
発電のために好適であり、現在効果的に使用され
ている。このような場合長期間にわたる唯一の保
守処理はボイラー燃料の補給である。

このような比較的低レベルの電力を発生させる
ために必要な物質流動は部分流動ノズル系により
行われ、このような系の場合、回転速度はタービ
ンが発電機と直接に結合しうる程度であつて、比
較的小径のタービンを用いる。その結果、タービ
ンホイールと発電機は共通のシヤフトに取付けら
れる。復水（凝結物）の温度が高く150〓である
場合、フレオン12或いは同様の有機流体である作
業流体の粘度は、ベアリング中の復水により形成
される最小潤滑薄膜厚さがベアリング及びジヤー
ナルの生産に必要な従来の金属加工技術のための
回転速度及びベアリング荷重条件下では十分に大
きいものである、というほどのものである。

この有機流体を用いたタービンを何オーダーが
拡大して150―500KWの発電力を有する発電プラ
ントの場合、タービンの直径はかなり大きくし、
作業流体を所望する程度に流動しうるようノズル
の横断面積が十分大きくなければならない。その
結果、回転子応力が許容範囲内に維持されるよう
回転子速度が減じられなければならない。例えば
１―2KW発電プラントはほぼ12000PRMで駆動
されるが、500KWの場合のタービンは前記速度
のほぼ1/4の速度で駆動されなければならない。
従つてこのようになればタービンと回転子との直
接的な結合はもはや行われない。むしろ例えばギ
ヤ列などの間接的な機機的結合形式によりタービ
ンと発電機とが連動することになる。この要請は
しかし多くの問題を生ぜしめる。先ず、所望のベ
アリング速度及び荷重におけるタービン回転子の
ベアリング用潤滑剤として、復水器温度の作業流
体を利用するためには、復水（凝結物）により形
成される最小潤滑薄膜厚さは極めて薄くし、ベア
リング及びジヤーナル生産における金属加工を極
めて精密に行わなければならない。その結果、有
機流体を用いた従来使用の大型タービンは、凝結
作業流体が潤滑剤として使用される場合、或いは
密閉筒体中で慣用の潤滑剤が使用される場合、も
しくはボールベアリングがジヤーナルベアリング
のかわりに使用される場合、特別仕上げのジヤー
ナル及びベアリングが必要であつた。この問題に
対しては従来の潤滑剤もボールベアリングも有効
な解決とはならなかつた。第二に復水器温度にお
ける一般的な有機作業流体の粘度は極めて低く、
噛み合うギアの摩擦面を液状作業流体が十分に潤
滑化しえない。従つて、従来は、ギアボツクスと
発電機の両方をタービン筒体の外部に配置してい
た。このことは、タービンシヤフトが筒体を貫通
しなければならないことを意味し、従つて筒体の
密閉シール状態を減ずることになる。そのため長
期間の稼動によりタービン出口シヤフトの貫通す
る部分からの作業流体の損失及び／或いは周囲の
要因による作業流体の汚染を招くことになる。し
かしながらこのアプローチによる利点は、ギアボ
ツクスに従来の潤滑剤を使用できる点である。そ
の結果、150―500KWの発電プラントは、従来、
タービンを収容する筒体外周にギアボツクスと発
電機を配置した状態で設計され稼動されていた。

タービンのためのジヤーナルとベアリングのた
め特別の仕上げが要求されるので、建造費及び組
立のコストがかさみ、筒体の回転シールが設けら
れているため作業流体の損失或いは汚染により全
システムの信頼性が低下する。このため、本発明
の目的は以上に述べた難点を軽減或いは除去する
有機流体を用いた発電プラントのための新規で改
善された潤滑剤系を提供することである。

簡単にいうならば、本発明は、ボイラーに戻つ
てくる復水（凝結物）の粘度よりも高いレベル
に、ベアリングの潤滑剤に使用される復水の粘度
を上昇させるようにしたものである。潤滑用凝結
物（復水）の粘度は、このような復水を復水器の
温度以下に冷却することにより増加する。潤滑用
復水の温度を相当程度低下させることによりその
粘度は極めて上昇し、その結果ベアリング内の潤
滑薄膜の最小厚さは著しく増加し、そのため潤滑
用復水に対するろ過の要請を減ずることができ、
ジヤーナル及びベアリングの仕上げにつき特別な
処理を要することなく標準的な精密研硝抜法で処
理することができる。

本発明の一つの実施態様においては、筒体は液
状作業流体を集める集液部を有し、流体はここか
らクーラーを経てベアリングに供給される。原動
機がギアボツクスを通じ発電機と接続している場
合（これらの要素はすべて密閉筒体中に収容され
ている）、復水の粘度は、ギアボツクス自体をこ
の冷却された作業流体が潤滑化するのに十分なほ
どのレベルにまで増大している。

図面に関し、番号１０は本発明による発電プラ
ント（発電所）を示し、これは三つの主要素、即
ちボイラー１１、タービン１３の形の原動機１
２、及びこれらの接続する復水器１４を含む。ボ
イラー１１は液状作業流体１６を有する金属殻１
５を有し、これに対してバーナー（図示せず）か
ら熱が供給され、それによりボイラー中の作業流
体を蒸気に転換する。高温蒸気は制御器１７を通
過して取入管１８に達し、これは原動機を収容す
る筒体１９と接続している。

筒体１９の外殻を貫通しており密閉されている
取入管１８は一部通過ノズル部２１で終つてお
り、その出口は、タービンホイール１３の周部の
タービンブレード２２に隣接している。このター
ビンホイール１３は両端にジヤーナル（軸受）２
４を有するシヤフト２３に固定されており、ジヤ
ーナルはベアリング２５の内部に収容されてお
り、それにより筒体内部にシヤフト２３を回転自
在に支持するようになつている。

制御器１７の影響下でボイラーからの高熱蒸気
はノズル２１に導かれ、ここから蒸気はタービン
のブレード２２に向かう。それによりタービンを
駆動し、タービンはこれと機械的に結合している
発電機を駆動する。即ちベアリング２５の一つに
隣接する位置でシヤフト２３に固定されているピ
ニオン２７、ベアリング３０の内側に軸受されて
いるシヤフト２９であつて発電機２６の回転子３
１に固定されているシヤフト２９と結合している
平ギヤ（平歯車）２８からなるギア列により、タ
ービン１３と発電機２６は機械的に係動する。固
定子巻線３２は回転子３１を囲んでおり、これは
銅線のゲージ状であつてもよい。また固定子から
の導線は筒体１９の外殻を貫通しており、筒体に
対して絶縁状態に形成されている。これら導線は
発電機の発生電力を導通させる役割をなし、発生
電力は、タービンに導かれる蒸気の流量を制御す
るよう、制御器１７により調整される。

ボイラーからの高温蒸気はノズル２１中で膨張
する。それにより生成される高速蒸気はタービン
のブレード２２に衝突し、タービンを、そして発
電機を駆動する。ブレードから排出される消費さ
れた蒸気は排出管３３へ入り、管は冷えた蒸気を
復水器１４に導く。復水器は慣用の方法で熱を消
費蒸気から除去し、それにより蒸気は、ボイラー
１１の温度及び圧力より相当程度低い温度及び圧
力の流体にかわる。例えばフレオン11を用いて作
動する300KWタービンの場合、一般的にボイラ
ー圧力は約220〓の温度で約130psiである。一般
的に復水器圧力は、約122〓の温度の場合35psiで
ある。

使用済蒸気が復水器１４の中で復水され液体に
変換された後、復水（凝結物）の一部はベアリン
グ潤滑系３５に供給され、残りは管３７を経てポ
ンプ３６に供給され、復水の圧力をボイラー１１
の圧力よりも高く上昇させ、それにより復水は管
３８を経てボイラーに戻り、かくして復水が循環
するようにする。管３７及び３８は、従つて復水
器からボイラーへ復水を復帰させる復水復帰手段
としての役割をなす。

図面からわかるように、タービンには囲い板が
設けられておらず、その結果、筒体１９の内部は
実質的に復水器の圧力及び温度と同じになつてい
る。従つて筒体全体が復水器温度及び圧力の蒸気
を満たしている。筒体中に形成される復水は、筒
体の底部における集液部３９に集められる。集液
部３９における復水は実質的に復水器温度であ
り、ポンプ４１により管４０から抜きとられる。
ポンプ４１は液をクーラー４２へ導き、ここで液
の温度、従つてその粘性は実質的に減少する。例
えば、この作業流体の温度はクーラーの入口で約
112〓であつたものが出口で約５〓になる。

この冷却された作業流体は次にフイルター４３
を通過してパイプ機構４４に供給される。パイプ
４４は冷却液をベアリング２５，３０、及びしず
く管４５へ導き、前記しずく管４５は冷却液状作
業流体をギア列２７，２８のかみあい歯に導く。
ベアリング２５及び３０から放出される液、及び
ギア列２７，２８を潤滑するために使用されて放
出される液は集液部３９に集められ、ベアリング
潤滑系３５の循環に供される。

液状作業流体を集液部３９に所定レベルに保持
するため、フロートバルブ４６を設けてもよい。
このフロートはニードルバルブ４７を有し、これ
はポンプ３６の出口の一端と接続するバルブシー
ト４８と作動自在に係合している。その結果、フ
ロート４６は集液部３９のレベルの上下動に対応
して上下動し、それによりバルブ４８を選択的に
開閉し、かくしてポンプ４１が液状作業流体をベ
アリング及びギア列に供給するのに十分な程度
に、集液部３９に、液を保持するようにする。集
液部からの液は図示しない逆止め弁を経て、ポン
プ３６入口と接続する管４９から通常排出され
る。

叙上型の従来の発電プラントにおいては、ベア
リング潤滑系は実質的に図示の通りであるが、た
だクーラー４２が設けられておらず、ポンプ４１
は集液部の液をボイラーに復帰させる。クーラー
４２が設けられたことによる利点は、従来の潤滑
系が使用され、これに本発明のクーラー４２が使
用された場合に、タービンベアリングにおける潤
滑薄膜の最小厚さの特定の例からもつともよく理
解されるであろう。300KWのタービンとフレオ
ン11の作業流体、及びボイラーと復水器の温度と
圧力が先述した通りである場合に、一般的なター
ビン回転子の重さは約2201ポンドであり、約
3000RPMで回転する。良好なベアリング設計の
場合には長さ約４インチ、直径約２インチのジヤ
ーナル（軸首）が必要である。ジヤーナルとベア
リングとの間のすき間が0.0017インチである場
合、この系のゾンマーフイールド
（Sommerfield）数は約0.027であり、この数値
は、0.96の相当程度荷重されたベアリングアチチ
ユード（ベアリング中のジヤーナルのすき間に対
する偏位割合）であることを示す。この数値のゾ
ンマーフイールド数を有するベアリング及び相当
程度荷重されたベアリングのハンドブツク分折に
よれば量（ｒ／ｃ）ｆ＝１、（ ^hmin）／ｃ＝0.5
及び（ｒ／ｃ）ｕ（N′）／Fj＝0.008であり、ここ
でｒはジヤーナル半径（インチ）、ｃはジヤーナ
ルとベアリングとの間のすき間、（ｒ／ｃ）ｆは
可変摩擦係数、 ^hminは最小潤滑膜の厚さ、ｕは
潤滑流体の粘度（レイン）、N′はジヤーナルの毎
秒あたり回転速度、Fjは、潤滑薄膜によるジヤー
ナル表面上の正切摩擦抵抗である。

ゾンマーフイールド数を用いてえられたこれら
の値から、ベアリングにおける機械的損失及び摩
擦係数が計算される。更に、最小潤滑薄膜厚さ
（ ^hmin）が計算される。後者の値は0.002mmであ
り、この値は極めて小さいものであるからベアリ
ング表面は極めてすぐれたものでなければなら
ず、液体作業流体はきずをつけることのないよう
異常な程度に清浄でなければならない。このよう
な微細な薄膜厚さは、このような厚さの場合に生
ずる表面仕上げ収縮を考えると実際的ではない。

ここで潤滑流体の温度を低下させるクーラー４
２を設けたことにより、流体の粘度は倍増する。
例えば112〓では作業流体の粘度は約0.3cpである
が、５〓では粘度は約0.63cpである。粘度が相違
する結果、ベアリングに関係するゾンマーフイー
ルド数は、クーラー４２を設けたことによつてほ
ぼ２倍となる。上述の如きアプローチによつて、
ベアリングにおける潤滑液の最小薄膜厚さはほぼ
0.0065mmであり、これは、液状作業流体を超冷却
することにより、最小薄膜厚さの殆んど３倍に達
する。その結果、ろ過処理すべき大きさはいずれ
にせよ標準的なものであつて、ろ過すべき物質の
最小粒径が約0.005mmであり、これは従来のろ過
技術で十分可能なものである。更に重要なこと
は、ベアリング表面を標準的な精密研削により仕
上げることが可能なことである。従つて、潤滑液
を冷却することによつて、タービン回転子の主ベ
アリングと同様ジヤーナルベアリングの使用が実
際的なものとなる。

管３４において復水器温度で液状作業流体を利
用しうることにより、復水の一部を発電機の固定
子巻線２６に分配して巻線を冷却し、必要とされ
る銅の量を減少させることができるようになる。
従つて、図面には管５０を経由して固定子に導か
れる液体作業流体が示されている。

ベアリングに供給される作業流体がクーラーに
導入されて副次的に冷却されることを含む上述技
術は、また比較的小規模の発電プラントにも利用
される。

実施例 １ R114B2を作業流体として使用する6KW発電プ
ラント このような発電プラントにおいては、ボイラー
温度は50psiの圧力で約194〓である。一般的な復
水器は、約10psiの背圧をつくる95〓である。タ
ービン速度は12000RPMであり、ジヤーナル荷重
は約12ポンドである。95〓でR114B2の粘度は約
0.65cpであり、５〓ではほぼ二倍（1.2cp）であ
る。

ジヤーナルの直径が15.2mm、長さが19.0mm、す
き間が0.0254mmであるとすると、ベアリングのゾ
ンマーフイールド数は約4.72である。0.38の偏心
率の場合、最小潤滑薄膜厚さは約0.0079mmであ
る。潤滑流体を約５〓に冷却することにより、有
効なベアリング温度は約35〓となる。これはゾン
マーフイールド数約5.3に相当し、最小潤滑厚さ
が約0.010mmであり、これは作動流体が冷却され
ない場合に較べ20％大きい数値である。

実施例 ２ 作業流体としてＦ―113を用いた6KW発電プラ
ント このような発電プラントにおいてボイラー温度
は50psiの圧力で約194〓である。典型的な復水器
は、約10psiの背圧を生ずる95〓の温度である。
タービン速度は約12000RPMであり、ジヤーナル
荷重は約６ポンドである。95〓でＦ―113の粘度
は約0.59cpであり、５〓ではこの値はほぼ２倍
（1.28cp）となる。

ジヤーナルの直径が0.3インチであり、長さが
１インチ、すき間が0.001インチであるとすると、
ベアリングのゾンマーフイールド数は約0.11であ
る。この値は、温度及び最終損失に対して修正さ
れた時には、0.022に減じられる。最小潤滑薄膜
厚さは約0.0003インチである。これらのパラメー
ターは、相当程度荷重されたベアリング作動であ
ることを示す。潤滑流体を約５〓に冷却すること
により、約0.0255の修正されたゾンマーフイール
ド数が得られる。これは、ほぼ流体である最小限
の潤滑油厚さは冷却されない、という結果を生ず
る。

潤滑に使用される復水を超冷却する結果、機械
トレランス（公差）は約40％増加する。同時に、
ベアリングの作動条件は、最小薄膜厚さを増加す
ることにより、また偏心率を減少することにより
改善される。更に、すき間寸法を増加させること
ができるため、ベアリングの渦巻きビヘイビアー
に良好な影響を与える。

本発明の方法及び装置により得られる利点及び
効果は、本発明の好ましい実施態様に関する以上
の記載から明らかである、と考えられる。種々の
変更及び改良は、本発明の特許請求の範囲から逸
脱することなく考えられる、と理解されるべきで
ある。

【図面の簡単な説明】

添付の図面は本発明による発電所を図示するも
のであつて、説明のため部品を除いた筒体の横断
面が示されており、相互に接続されたタービン及
び発電機が同時に図示されている。 図中、番号１０は発電プラント、１１はボイラ
ー、１２は原動機、１３はタービン、１４は復水
器、１６は作動流体、１９は筒体、３９は集液部
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 閉鎖型ランキン循環発電プラント（発電所）
   であつて；液状作動流体を高温蒸気に変換するた
   めのボイラー：発電のため前記高温蒸気に応動す
   る原動機：原動機で消費された蒸気を受けとつて
   復水（凝縮物）に変換するための復水器：復水を
   復水器からボイラーへ復帰させるための手段：原
   動機のベアリングを復水で潤滑化するための手
   段；を有してなる発電プラントにおいて、 ベアリングを潤滑化するために使用する復水の
   粘度が、ボイラーに復帰する復水の粘度より高い
   レベルに増大していることを特徴とする発電プラ
   ント。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の発電プラントで
   あつて、ベアリングを潤滑化するために使用する
   復水の粘度が、復水器の温度以下である温度に復
   水を冷却することにより増大していることを特徴
   とするプラント。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の発電プラントで
   あつて、原動機が、クーラーを経てベアリングに
   供給される液状作業流体を集める集液部を有する
   密閉筒体中に配置されていることを特徴とするプ
   ラント。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の発電プラントで
   あつて、原動機がギアボツクスを通じ発電機と接
   続している発電プラントにおいて、原動機、発電
   機、ギアボツクスが、液状作業流体を集めるため
   の集液部を有する密閉筒体中にとりつけられてお
   り、液状作業流体が前記集液部からクーラーを経
   てベアリング及びギアボツクスに供給されるよう
   にしたことを特徴とするプラント。 ５ 特許請求の範囲第４項記載の発電プラントで
   あつて、復水器からの復水が、発電機の固定子巻
   線を冷却するため発電機に供給されるようにした
   ことを特徴とするプラント。 ６ 特許請求の範囲第４項記載の発電プラントで
   あつて、液面センサーが集液部に設けられてお
   り、この閾値センサーに応動し、液面が閾値以下
   になつた時には集液部に復水を供給する手段が設
   けられていることを特徴とするプラント。 ７ 特許請求の範囲第１〜６項のいずれか１項記
   載の発電プラントであつて、作業流体が、分子量
   40以上の有機流体であることを特徴とする発電プ
   ラント。