JPWO2013065807A1 - 蒸気タービン発電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
蒸気タービンに導入する蒸気を得るための燃料は石炭、石油、天然ガス、原子力などであり、特に熱源を選ばない。これら火力発電所・原子力発電所で用いられている蒸気タービンは、大規模発電に適した軸流型の蒸気タービンである。軸流型蒸気タービンは回転軸に沿ってタービン入口を高圧にし、タービン出口を低圧にし、圧力落差を大きくし蒸気の膨張熱エネルギーを回転運動に変換する。そのため、蒸気の流れ方向は回転軸に平行な軸流型で本格的な発電所の需要に合わせ大型化が図られてきた。つまり、軸流型蒸気タービンは大規模発電には適した構造をしている。
排熱エネルギーを利用する発電装置として、従来技術の蒸気タービンをそのままスケールダウンして用いる場合、その発電効率は約20−40%に落ちてしまうという問題が発生する。軸流型蒸気タービンは大規模発電に向いた構造となっており、小規模用にスケールダウンすると発電効率が落ちてしまうのである。
装置の配置・接続の工夫として、前記蒸気発生器と、前記半径流型蒸気タービンと、前記発電機とを垂直に積層して一体型にする構成も可能である。また、前記蒸気発生器を、前記半径流型蒸気タービンおよび前記発電機に対して垂直には積層せず、別に設置して蒸気をパイプなどで受け渡す構成でも良い。
大別して、2つのタイプがある。
1つは、蒸気室の外周が外周壁面に囲まれている構成において、その外周壁面に設けられるタイプのノズルである。以下、外周壁面に形成されるノズルと呼ぶ。
他の1つは、蒸気室の外周が複数の静翼に囲まれている構成において、静翼同士の間に設けられるタイプのノズルである。以下、静翼間に形成されるノズルと呼ぶ。
このノズルの幅を調整するノズル幅調整機構には、アクティブ型とパッシブ型があり得る。アクティブ型は、アクチュエータなどの開閉機構があり、蒸気室の蒸気圧などに応じて能動的に開閉機構が作動してノズルの幅が変わるものである。パッシブ型は、ノズルを形成する部材の特性により蒸気室の蒸気圧などに応じて受動的に変形してノズルの幅が変わるものである。
静翼間に形成されるノズルでは、パッシブ型のノズル幅調整機構としては、上記の可撓性を備えた板材のほか、次のようなものもあり得る。たとえば、静翼の少なくとも一部が可撓性を備えたものとし、前記蒸気室の蒸気圧に応じて前記静翼の一部が撓ることにより前記静翼間に形成されるノズルの幅が可変となるものがある。
また、静翼間に形成されるノズルにおけるパッシブ型のノズル幅調整機構の他の例としては、前記静翼がその配置角度が可変となるものであり、前記蒸気室の蒸気圧に応じて前記静翼がその配置角度を変えることにより前記静翼同士の間に形成される前記ノズルの幅が可変となるものがある。
静翼の配置角度が可変となる構造としては、静翼が、静翼支柱と、静翼支柱に対する静翼の回転に対してポテンシャルを与える弾性体とを備えたものであり、前記蒸気室の蒸気圧と前記弾性体から受けるポテンシャルに応じてその回転角を変化させる構造がある。この構成に依れば、前記蒸気室の蒸気圧に応じて前記静翼の回転角が前記弾性体から受けるポテンシャルに抗して変化することができる。
一例は、回転板の表裏に半径流型蒸気タービンを設ける構成である。
具体的には、前記回転板の前記回転軸近傍に少なくとも1つの孔を設け、前記回転板の両面に前記蒸気発生器からの蒸気を導き、前記半径流型蒸気タービンを前記回転板の両面に設けた多段構成とする。
他の例は、回転板自体を複数枚用い、それぞれの回転板の表裏のいずれかまたは表裏の両方に半径流型蒸気タービンを設ける構成である。
具体的には、前記回転板を前記回転軸に対して複数枚設けるとともに、前記回転板の前記回転軸近傍に少なくとも1つの孔を設け、各段の前記回転板の片面または両面に前記蒸気発生器からの蒸気を導き、前記半径流型蒸気タービンを前記回転板の片面または両面に設けた多段構成とする。
本発明は半径流型蒸気タービンを用いるものであるが、上記のごとく半径流型蒸気タービンを効率的に回転させることができる構造となっているため、半径流型蒸気タービンの回転数と発電機において得たい回転数とを調整させる必要が生じる場合には、半径流型蒸気タービンと発電機との接続部分に回転速度変換機を介在させ、半径流型蒸気タービンの回転数と、発電機の回転数の調整が可能とすることが好ましい。
蒸気発生器からの蒸気を半径流型蒸気タービンの蒸気室に導くことで効率的に蒸気圧を高め、蒸気室からノズルを介して蒸気量を調整しつつ蒸気を加速して噴き出すことができ、得られた蒸気量に応じて効率的に動翼に当てて回転板を回転させ、発電機を回転させる動力を得ることができる。
更に蒸気発生器と蒸気タービンと発電機とを垂直方向または水平方向に積層して一体化した構成とすると、設置スペースが小さく、持ち運びすることも可能となる。つまり、蒸気をつくる為の条件が有れば、薪、灯油、ガス等の燃料と水が有れば、何時でも何処でも発電が可能になる。その為、例えば、被災地の避難所での電気の供給が必要な時には何時でも何処でも発電できる。勿論、都市ガスやプロパンガス等を使えば、小規模の施設や店舗等でも容易に自家発電が可能になる。
また、外燃機関である従来の蒸気タービンでは小型規模の設備でも、ボイラー等の蒸気発生器と蒸気タービンとはそれぞれ独立して設置され、作動蒸気は配管を通り送られているため圧力損失等が生じていたが、本発明では蒸気発生器と蒸気タービンは直結することもできるため配管を不要とする構成も可能であり、その場合、熱・圧力損失は生じなく、熱効率が良くなる。
図1は、本発明の実施例1に係る蒸気タービン発電装置100を説明する概念図である。側面方向から内部の構造を模式的に示した図となっている。なお、作動原理を説明するために必要な部材のみ示し、その他の周辺部材や配管などは省略している。
図2は、半径流型蒸気タービン20の内部構造をさらに詳しく描いた図である。
なお、この図1に示した構成例では、蒸気発生器10と半径流型蒸気タービン20と発電機30とを垂直方向に積層して一体型にした構成例となっている。それらを横に並べて水平方向に積層する構成例で同様に考えれば良い。蒸気発生器10を積層せずに半径流型蒸気タービン20と発電機30とは別に設置して蒸気をパイプなどで受け渡す構成については別の実施例において述べる。
蒸気発生器10には蒸気が噴き出す蒸気出口11が設けられている。
なお、蒸気取り入れ口21は、蒸気発生器10の蒸気出口11との接続において、直接連結する形であっても良い。蒸気発生器10の蒸気出口11と半径流型蒸気タービン20の蒸気取り入れ口21を直接連結しておけば、蒸気を冷やさずに効率的に蒸気室22に取り込むことができる。図1に示した構成例では、蒸気取り入れ口21は半径流型蒸気タービン20の略中央に位置する部分にあり、後述するように、半径流方向へ流れる蒸気流を得やすい構造となっている。
この構成例では、ノズル23はその噴き出し口の口径を可変とするノズル幅調整機構を備えた構成となっているものとするが、その機能については後述する。
この動翼24は、ノズル23から外周方向へ向かう半径流方向に対して角度が付いた形で回転板25に立設されており、後述するように、半径流方向の蒸気流を受け止めると円の接線方向への動力、つまり、回転板25を回転させる回転力が得られるものとなっている。
蒸気室22の蒸気圧が十分に得られておれば、蒸気がノズル23から勢いよく噴き出すために、回転板25が高速回転することが想定されるが、発電機30を回すには回転速度とともにトルクが重要であるため、回転速度を抑えてトルクを上げる必要があり得る。その場合、回転速度変換機31を介在させ、高速回転する半径流型蒸気タービン20の回転軸26の回転速度を変換する(例えば減速する)ことによりトルクを大きくして発電機30に伝えれば良い。
なお、インナーケーシング40は適宜、蒸気が漏れないようにシールされていることが好ましい。蒸気漏れ防止のフィンやシュラウド、またラビリンスを設け、蒸気漏れ軽減策を図ることは述べるまでもない。
この構成例では、ケーシング40の一部には半径流型蒸気タービン20の蒸気取り入れ口21が設けられており、蒸気発生器10からの蒸気と取り込むことができるようになっている。
図2に示すように、作動蒸気は蒸気発生器10から蒸気出口11と蒸気取り入れ口21を介して直接、半径流型蒸気タービン20の中央部の蒸気室22に入り、中央から外周部へ流れるが、蒸気室22の外周縁に取り付けられた単数または複数のノズル23を通り抜け速度を速め、回転板25に取り付けられた複数の動翼24に衝突し、衝動エネルギーを該動翼24に与え、該動翼24を備えた回転板25が回転し、該回転板25が固定されている回転軸26に回転運動エネルギーを伝え、該回転軸26に連なる発電機30を起動させる。半径流型蒸気タービン20内の段落は単段でも多段でも良いが、多段構成のものについては後述する。
まず、外周壁面に形成するタイプのノズル23を説明する。
図3は、外周壁面に形成するタイプとなっているノズル23の構成例を示す図である。回転板25のうちの1/4のみを示している。
図3に示すように、外周壁面に形成するタイプのノズル23は、蒸気室22の外周が外周壁面に囲まれており、ノズル23が当該外周壁面に設けられている例である。当該ノズル23から蒸気が外周方向へ噴き出される仕組みとなっている。つまり、蒸気室22の外周がリング状の壁面に覆われ、壁面の一部にノズル23が設けられている。このノズル23の数は特に限定されず、単数でも複数でも良い。
外周壁面に形成するタイプのノズル23のノズル幅調整機構として、アクティブ型、パッシブ型のいずれも適用できる。
図3(b)はアクティブ型のノズル幅調整機構によりノズル23が閉鎖されている状態を簡単に示している。蒸気室22内の圧力が予め定められた値よりも小さい時はノズル23のアクティブ型のノズル幅調整機構を閉鎖することにより、蒸気圧を昇圧することができる。
図3(c)は、アクティブ型のノズル幅調整機構によりノズル23が少し開放された状態を簡単に示している。蒸気室22内の圧力が予め定められた値に達すればノズルを開ければ、ノズル23から動翼24に向けて蒸気流を噴き出すことができる。
図4は、静翼間に形成されたノズル23の構成例を示す図である。図4に示すように、静翼配列タイプは、蒸気室22の外周が複数の静翼231に囲まれており、ノズル23は静翼231同士の間に形成されており、蒸気が外周方向へ噴き出される仕組みとなっている。
蒸気発生器10からの蒸気は蒸気出口11および蒸気取り込み口21から蒸気室22の中央部分から蒸気室22内に流入し、中央から外周方向つまり半径方向に流れ、静翼231と静翼231との間隙を通り抜け、回転板25に取り付けられた動翼24に衝突し、該回転板25を回転させる。
図4(a)に示すように、蒸気タービン2内部の蒸気圧力が予め定められた値よりも小さい場合には静翼231の撓りが小さく、静翼231の間隙は閉鎖された状態となっている。
図4(b)に示すように、蒸気圧が予め定めた値に達すると静翼231の撓りが大きくなり、静翼231の間の幅が広がった状態となっている。このように、静翼231の撓りの大きさは、蒸気室22内の蒸気圧の大きさに依存して変化するため、静翼231は一種の圧力弁機能を持っている。つまり、外方向へ撓ることにより開弁し、内方向へ撓り戻ることにより閉弁する。静翼231の間のノズルにこのような圧力弁機能を設けることにより、蒸気発生器10から半径流型蒸気タービン20内の静翼231まで蒸気圧力環境は同じで、蒸気の圧力損失が発生しない。また、蒸気圧に応じて間隙から噴き出す蒸気量の調整が可能である。
図5は、静翼231aが蒸気室22の蒸気圧に応じてその配置角度を変えることにより、静翼231aの間のノズル23の幅が可変となる構造例を示す図である。
図5に示すように、静翼231aに、静翼支柱232と、静翼支柱232に対する静翼231aの回転に対してポテンシャルを与える弾性体233とを備えたものであり、蒸気室22の蒸気圧に応じて静翼231aが静翼支柱232の回転角が弾性体233から受けるポテンシャルに抗して変化するものとなっている。弾性体233は例えばバネで良い。バネ233に負荷が生じない位置にストッパー24を設けておく。
このように、弾性体233により静翼231aの回転に対してポテンシャルを与えておけば、半径流型蒸気タービン20内部の蒸気圧力が予め定められた値よりも小さい場合には、図5(a)に示すように、静翼231a同士の配置角度が設定され、間隙が閉鎖される。一方、半径流型蒸気タービン20内部の蒸気圧力が予め定められた値に達すれば、図5(b)に示すように、静翼231aはバネ233に抗してその配置角度を変え、静翼231a同士の配置角度が変化して間隙が開放される。
また、上記の蒸気タービン発電装置によれば、蒸気発生器と蒸気タービンと発電機とを垂直方向または水平方向に積層して一体化した構成とすると、蒸気発生器と蒸気タービンは直結されているため配管が不要で、熱・圧力損失は生じなく、熱効率が良くなる。また、設置スペースが小さく、持ち運びすることも可能となり、蒸気をつくる為の条件が有れば、薪、灯油、ガス等の燃料と水が有れば、何時でも何処でも発電が可能になる。その為、例えば、被災地の避難所での電気の供給が必要な時には何時でも何処でも発電できる。勿論、都市ガスやプロパンガス等を使えば、小規模の施設や店舗等でも容易に自家発電が可能になる。
図6は、本発明の実施例2に係る蒸気タービン発電装置100aを説明する概念図である。側面方向から内部の構造を模式的に示した図となっている。特に、半径流型蒸気タービン20の内部構造をさらに詳しく描いている。
つまり、図6に示す通り、回転板25の両面に、蒸気室22a,22bと、ノズル23a,23bと、それぞれの動翼24a,24bが設けられている。
図7(a)は、回転板25と孔27の一例を示す図である。図7(a)の例では、回転板25は、内周に回転軸26の径よりも大きな中心孔を持つドーナツ状の中空円板であり、複数本の支持体28によって回転軸10に支持されたものとなっている。この回転板25の内周の回転軸近傍に孔27が設けられているが、この孔27は支持体28の間隙となっている。蒸気はこの孔27を介して回転板25を軸方向に貫いて通過することができる。図7(a)で示されている支持体28は直線状であり、孔27は略矩形型であるが、孔27の形状は供給蒸気等の条件に合わせ、最適な形状にすることができる。
図7(b)の例では、回転板25は回転軸26の周囲に直接立設された円板となっており、回転板25の孔27は回転板25の回転軸近傍部分に穿設された開口となっている。つまり、この孔27は円形の回転板25の内周の回転軸近傍に開けられた孔となっている。蒸気はこの孔27を介して回転板25を軸方向に貫いて通過することができる。なお、図7(b)で示されている孔27は楕円形であるが、孔27の形状は供給蒸気等の条件に合わせ、最適な形状にすることができる。
図8は、本発明の実施例3に係る蒸気タービン発電装置100bを説明する概念図である。側面方向から内部の構造を模式的に示した図となっている。特に、半径流型蒸気タービン20の内部構造をさらに詳しく描いている。
ここでは、図8に示す通り、A段において、回転板25の両面に半径流型蒸気タービン20a,20bの各構成が二重化されて設けられており、両面に蒸気室22a,22bと、ノズル23a,23bと、それぞれの動翼24a,24bが設けられており、回転軸26近傍において回転板25の板面に複数の孔27が設けられており両面の蒸気室22a,22bが連通している。また、B段においても、回転板25の両面に半径流型蒸気タービン20a,20bの各構成が二重化されて設けられており、両面に、蒸気室22a,22bと、ノズル23a,23bと、それぞれの動翼24a,24bが設けられており、回転軸26近傍において回転板25の板面に複数の孔27が設けられており両面の蒸気室22a,22bが連通している。
このように、それぞれの回転板25や固定板29は回転軸近傍において軸方向に蒸気流が通過できる蒸気供給路が確保されており、蒸気発生器10からの作動蒸気の一部が軸方向に流れ、回転板25、固定板29のそれぞれの面において形成されている蒸気室22a,22bに蒸気が供給され、半径流型蒸気タービン20が多段に形成される構造となっている。
図9は、本発明の実施例4に係る蒸気タービン発電装置100cを説明する概念図である。側面方向から内部の構造を模式的に示した図となっている。
蒸気発生器10が複数あれば、それぞれから発生する蒸気量の総量が増え、その分、多くの蒸気を蒸気室22に取り込むことができる。例えば、3つの蒸気発生器10a,10b,10cから発生する蒸気量が同量で、パイプ12による熱損を考慮しなければ、蒸気圧や温度は同じ条件で約3倍の作動蒸気を供給することができ、得られるトルクも3倍とすることができ、その結果、発電出力も約3倍にすることができる。
蒸気発生量を大きくすることにより、十分な蒸気を半径流型蒸気タービン20と発電機30に供給でき、高出力を確保できる。
11 蒸気出口
12 パイプ
20 半径流型蒸気タービン
21 蒸気取り入れ口
22 蒸気室
23 ノズル
24 動翼
25 回転板
26 回転支軸
27 孔
28 支持体
30 発電機
31 減速機
100 蒸気タービン発電装置
200 熱源
Claims (18)
- 蒸気発生器と、
前記蒸気発生器の蒸気を受け入れる蒸気室と、前記蒸気室から外周方向へ蒸気を加速して噴き出すように前記蒸気室の一部に設けられた少なくとも1つのノズルと、前記ノズルから噴き出す前記蒸気を受ける少なくとも1枚の動翼と、前記動翼が配置され回転軸を中心に回転自在の回転板を備えた半径流型蒸気タービンと、
前記回転板の前記回転軸と連結された発電機とを備えた蒸気タービン発電装置。 - 前記蒸気室の外周が外周壁面に囲まれており、前記ノズルが前記外周壁面に設けられたノズルであり、前記ノズルから前記蒸気が外周方向へ噴き出されるものである請求項1に記載の蒸気タービン発電装置。
- 前記ノズルの幅を調整するノズル幅調整機構を備えたことを特徴とする請求項2に記載の蒸気タービン発電装置。
- 前記ノズル幅調整機構が、前記ノズルに取り付けられた可撓性を備えた板材であり、前記蒸気室の蒸気圧に応じて前記板材が撓ることにより前記ノズルの開口幅が変わるように取り付けられており、前記ノズルから噴き出す蒸気量の調整が可能となるものである請求項3に記載の蒸気タービン発電装置。
- 前記蒸気室の外周が複数の静翼により構成されており、前記ノズルが前記静翼同士の間のノズルであり、前記ノズルから前記蒸気が外周方向へ噴き出されるものである請求項1に記載の蒸気タービン発電装置。
- 前記ノズルの幅を調整するノズル幅調整機構を備えたことを特徴とする請求項5に記載の蒸気タービン発電装置。
- 前記静翼の少なくとも一部が可撓性を備えており、前記ノズル幅調整機構が、前記蒸気室の蒸気圧に応じて前記静翼の一部が撓ることにより前記静翼同士の間に形成される前記ノズルの幅が可変となり、前記ノズルから噴き出す蒸気量の調整が可能となるものである請求項6に記載の蒸気タービン発電装置。
- 前記静翼がその配置角度が可変となるものであり、前記ノズル幅調整機構が、前記蒸気室の蒸気圧に応じて前記静翼がその配置角度を変えることにより前記静翼同士の間に形成される前記ノズルの幅が可変となり、前記ノズルから噴き出す蒸気量の調整が可能となるものである請求項6に記載の蒸気タービン発電装置。
- 前記静翼が、静翼支柱と、前記静翼支柱に対する前記静翼の回転に対してポテンシャルを与える弾性体とを備えたものであり、前記静翼が前記蒸気室の蒸気圧と前記弾性体から受けるポテンシャルに応じてその回転角を変化させるものである請求項8に記載の蒸気タービン発電装置。
- 前記ノズル幅調整機構が、前記ノズルに取り付けられた可撓性を備えた板材であり、前記蒸気室の蒸気圧に応じて前記板材が撓ることにより前記ノズルの開口幅が変わるように取り付けられており、前記ノズルから噴き出す蒸気量の調整が可能となるものである請求項6に記載の蒸気タービン発電装置。
- 前記ノズル幅調整機構が、前記ノズルに取り付けられた開閉機構を備えた部材であり、前記蒸気室の蒸気圧に応じて前記開閉機構が開口幅を変えることにより前記ノズルの開口幅が変わり、前記ノズルから噴き出す蒸気量の調整が可能となるものである請求項3または6に記載の蒸気タービン発電装置。
- 前記蒸気室の蒸気圧が所定値以下では前記ノズルが閉鎖された状態となり、前記蒸気室の蒸気圧が所定値を超えると、前記蒸気圧に応じて前記ノズルの大きさが調整される請求項4乃至11のいずれか1項に記載の蒸気タービン発電装置。
- 前記回転板の前記回転軸近傍に少なくとも1つの孔を設け、前記回転板の両面に前記蒸気発生器からの蒸気を導き、前記半径流型蒸気タービンを前記回転板の両面に設けた多段構成とした請求項1乃至12のいずれか1項に記載の蒸気タービン発電装置。
- 前記回転板を前記回転軸に対して複数枚設けるとともに、前記回転板の前記回転軸近傍に少なくとも1つの孔を設け、各段の前記回転板の片面または両面に前記蒸気発生器からの蒸気を導き、前記半径流型蒸気タービンを前記回転板の片面または両面に設けた多段構成とした請求項1乃至12のいずれか1項に記載の蒸気タービン発電装置。
- 前記半径流型蒸気タービンと前記発電機との接続部分に回転速度変換機を介在させ、前記半径流型蒸気タービンの回転数と、前記発電機の回転数の調整が可能である請求項1乃至14のいずれか1項に記載の蒸気タービン発電装置。
- 前記蒸気発生器と、前記半径流型蒸気タービンと、前記発電機とを垂直方向または水平方向に積層して一体型にした構成である請求項1乃至15のいずれか1項に記載の蒸気タービン発電装置。
- 前記蒸気発生器を、前記半径流型蒸気タービンおよび前記発電機には積層せずに別に設置した構成である請求項1乃至15のいずれか1項に記載の蒸気タービン発電装置。
- 前記蒸気発生器が複数台であり、それぞれで発生する蒸気が前記半径流型蒸気タービンの前記蒸気室に導かれるよう構成された請求項1乃至17のいずれか1項に記載の蒸気タービン発電装置。
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