WO2013065807A1 - 蒸気タービン発電装置 - Google Patents

Abstract

　熱源と水さえあれば何時でも何処でも発電可能であり小型でも熱効率の良い蒸気タービンを用いる発電装置を提供する。 本発明の蒸気タービン発電装置は、蒸気発生器（１０）と、半径流型蒸気タービン（２０）と、発電機（３０）を備えた蒸気タービン発電装置である。半径流型蒸気タービン（２０）は、蒸気取り入れ口（２１）に連結された蒸気室（２２）と、蒸気室（２２）から外周方向へ蒸気を加速して噴き出すように蒸気室（２２）の一部に設けられた少なくとも１つの蒸気噴き出し口（２３）と、蒸気噴き出し口（２３）から噴き出す蒸気を受ける動翼（２４）と、回転軸（２６）を中心に回転自在の回転板（２５）を備えている。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）を連結し、導入した蒸気によって蒸気室（２２）の蒸気圧を上昇させ、蒸気噴き出し口（２３）から噴き出した蒸気により動翼（２４）に当て回転板（２５）を回転させて得たトルクにより発電機（３０）を回す。

Description

蒸気タービン発電装置

　本発明は、蒸気タービンを用いる発電装置に関する。特に、半径流蒸気タービンを用いた発電装置に関する。半径流蒸気タービンは、作動蒸気の流れ方向が回転軸に対して外向きの半径方向となっているタービンである。

　現在、世界中の電力の８０％以上は、火力発電所・原子力発電所で発電されていると言われており、これら火力発電所・原子力発電所で稼働する発電設備では蒸気タービンが用いられている。
　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。

　このように、蒸気タービンを用いた発電には蒸気を発生させるための熱が必要であるが、発電目的で燃料を燃焼させて得た熱でも良いが、他の設備等で利用され廃棄される排熱であっても利用可能である。排熱の例として、中小規模の工場や家庭などから排出される熱や、ごみ焼却のために排出される熱、船舶のディーゼルエンジンからの排熱などがある。これらの熱源は天候に影響されることなく、かつ、必要な時に発電ができ、不要になれば止めることが容易に出来るというメリットがある。もともと工場や家庭から出る排熱を利用するものであり、その排熱を利用して温水や蒸気の供給を同時に図るコージェネレーションの枠組みの中で採用され、エネルギーを有効利用する上で重要である。このような理由から排熱エネルギーを利用して蒸気を発生させ、その蒸気を利用した発電技術が求められている。

　しかし、排熱エネルギーを利用する場合、その発電装置が問題となる。
　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。

　また、排熱エネルギーを利用する発電装置として、ガスエンジンやガスタービンを利用することも可能である。しかし、ガスエンジンやガスタービンを用いた発電装置の発電効率もせいぜい２０－４０％台であり、発電効率が良いとは言えない。また、ガスエンジンやガスタービンを用いた発電装置はやはり一般には規模が大きいものであり、排熱を利用するためにコージェネレーションを導入しようとしても、ガスエンジンやガスタービンを用いた発電装置規模と施設規模の違いから導入するのが難しく、結局、中小規模の工場や家庭などにおいて排熱と電力需要がありながら無駄に熱エネルギーが廃棄されている場合が多い（特許文献１）。

特開２００３－３４３２１２号公報

　現在、東北地方での大震災と津波による被災の結果、原子力発電所の稼働が停止するなど電力の供給が長期間にわたり影響を受け、広範囲な地域において強制的に節電が求められているため電力供給に関する関心は急速に高まっている。そこで、大規模発電所における集中的な発電に加え、火力や原子力に頼らない小規模な発電装置を用いた分散化された発電についても期待が集まっている。

　小規模な発電システムとして期待されるのが、太陽光や風力などの再生可能エネルギーを利用した発電装置が注目を得ている。しかし、太陽光や風力などの再生可能エネルギーは天候条件などに影響されやすく、かならずしも必要な時に発電が出来ないという大きな問題がある。

　また、小規模な発電システムとして期待されるのが、燃料電池を用いた発電装置が注目されてきた。しかし、結局、東北地方での大震災と津波による被災の際の停電時には自家発電が出来なかった。なぜならば、停電時には燃料を送り込むポンプが作動しないからである。停電時でも発電する為には常に蓄電池が必要になるが、リチウム電池など高性能の二次電池は非常に高価であるため、普及が進まないという問題がある。

　上記のように、中小規模の工場や家庭には、廃棄する熱エネルギーもありながら、結局、施設規模に見合いかつ効率の良い発電システムがないため、発電システムの普及が進まないという問題があった。

　本発明は以上の問題を鑑み、燃料は薪でも、灯油でも、天然ガスでも、燃料の種類を選ばずに蒸気タービンを用いて発電でき、熱源と水さえあれば、何時でも何処でも発電可能であり、小型でも熱効率の良い蒸気タービンを用いる発電装置を提供することを目的とする。

　上記問題を解決するため、本発明の蒸気タービン発電装置は、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。

　ここで、ノズルとしては複数の構成が可能である。
　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。

　なお、ノズルの幅を調整するノズル幅調整機構を備えておくことが好ましい。蒸気室の圧力や蒸気量に応じてノズルの幅を調整すれば発電量などを調整することができる。
　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。

　パッシブ型のノズル幅調整機構の例としてはノズルに取り付けられた可撓性を備えた板材がある。板材がノズルの開口を覆うように取り付けられており、蒸気室の蒸気圧に応じて板材が撓ることにより、ノズルの開口が開くように構成しておけば、ノズルの幅が可変となり、ノズルから噴き出す蒸気量の調整が可能となる。
　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。

　上記のように、ノズル幅調整機構を備える構成とすることにより、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を調整できる。

　次に、本発明の蒸気タービン発電装置は、多段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。

　なお、蒸気発生器の方を複数化することもできる。つまり、蒸気発生器を複数台備え、それぞれで発生する蒸気が半径流型蒸気タービンの蒸気室に導かれるよう構成することもできる。
　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。

　上記構成において、半径流型蒸気タービンの回転数と発電機の回転数との調整が必要な場合、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れば両者の回転数の調整が可能である。

　本発明の蒸気タービン発電装置によれば、装置を小型化することができ、排熱のような小さな熱源を利用する小規模な蒸気発生器であっても、半径流型蒸気タービンの蒸気室に導いた蒸気圧を効率的に加速して動翼に当てて回転板を回転させることができ、半径流型蒸気タービンで生じた回転動力を効率的に発電機により発電することができる。
　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。

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。 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。 開口タイプとなっているノズル２３の構成例を示す図である。 静翼配列タイプとなっているノズル２３の構成例を示す図である。 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同士の間の間隙の幅が可変となる様子を示す図である。 本発明の実施例２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。 回転板２５と孔２７の一例を示す図である。 本発明の実施例３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。 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。

　以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。本発明は下記に示される実施の形態に限られるものではない。また、各図において、同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。また、図面は、本発明を理解するために誇張して表現している場合もあり、必ずしも縮尺どおり精緻に表したものではない。

　実施例１にかかる本発明の蒸気タービン発電装置１００の構成例について説明する。
　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。

　図１に示すとおり、蒸気タービン発電装置１００は、基本構成部材として、蒸気発生器１０と、半径流型蒸気タービン２０と、発電機３０を備えた構成となっている。また、熱源２００が併せて示されている。ここでは、熱源２００は薪やコンロなどで燃焼している火が簡単に示されているが、直火でなく、家庭や中小規模の工場などで得られる排熱であっても良い。
　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は、ボイラーなどの蒸気発生器で良く、また、圧力鍋のような簡素なものでも蒸気を発生することができるものであれば良い。例えば、缶内圧力が２００ｋＰａ以下であれば管理も難しくなく、図１のようにボイラーの底の内外にフィンを取り付ければ、熱交換性が大きくなり、より多くの蒸気の供給が図れ、発電出力を上げることが出来る。
　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。

　半径流型蒸気タービン２０は、図２に示すように、蒸気取り入れ口２１と、蒸気室２２と、少なくとも１つのノズル２３と、少なくとも１枚の動翼２４と、回転板２５と、回転支軸２６を備えた構造となっている。

　蒸気取り入れ口２１は、蒸気発生器１０の蒸気出口１１と接続されており、蒸気発生器１０で発生した蒸気を受け入れる口なっている。この例では半径流型蒸気タービン２０の底面の略中央部に設けられた構造となっている。
　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。

　蒸気室２２は、蒸気取り入れ口２１に連結された空間であり、蒸気取り入れ口２１から噴き込まれた蒸気を受け入れ、蒸気圧の調整をする空間となっている。図１に示すように、蒸気室２２は回転板２５と固定板２９の間に形成されている。蒸気室２２の形は特に限定されないが、図１に示すものは断面であり、この断面を持つ略円柱状の空間となっている。

　ノズル２３は、蒸気室２２から外周方向へ蒸気を加速して噴き出すように蒸気室の一部に設けられた少なくとも１つの蒸気の出口である。図１に示した構成例では、ノズル２３が蒸気室２２の外周壁面に設けられた構造となっている。このように、蒸気取り入れ口２１が略中央に位置し、ノズル２３が蒸気室２２の外周縁に設けられていることにより、半径流型蒸気タービン２０では、中央から外周方向へ蒸気流が流れるものとなっており、蒸気流がいわゆる外向き半径方向（Radial Outflow）である半径流型蒸気タービンの構造となっている。
　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。

　動翼２４は、ノズル２３から外周方向へ噴き出す蒸気を受ける板材であり、回転板２５に立設するように設けられたものとなっている。この構成例では、回転板２５が蒸気室２２の上方に位置しており、動翼２４は、回転板２５の下面側に懸垂するように立設されている。実施例２で述べるような多段構成の場合、回転板２５の上面側にも動翼２４が設けられた構造となるが、その説明は実施例２においてする。
　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。

　回転板２５は、動翼が配置され回転軸２６を中心に回転自在に取り付けられている。この構成例では蒸気室２２の上方に位置し、回転軸２６で回転自在に支持されている。回転板２５は、後述するように作動蒸気流が内周側から外周側の半径方向へ流れることにより各々の動翼２４で受ける力により回動する。回転板２５は回転軸２６とともに回転することとなる。

　回転軸２６は、図示しない軸受によって回転自在に支持されている。回転軸２６の素材は特に限定されないが、例えば、剛性の高い素材を採用し、その危険回転数が本発明の半径流蒸気タービンの最大回転数よりも高い剛性軸とすることが好ましい。剛性軸を採用することにより、共振の問題が発生せず隣り合う動翼２４同士が接触するという危険がない。

　固定板２９は、回転板２５と対向する部材であり、回転板２５と固定板２９の間に蒸気室２２が形成される。この固定板２９は回転しない部材であり、回転軸２６には接続されずにインナーケーシング４０などに接続されている。

　発電機３０は、特に限定されないが、この構成例では、半径流型蒸気タービン２０の上部に載置された構造であるので、小型で発電効率の良い発電機であることが好ましい。

　なお、半径流型蒸気タービン２０で得られる回転数と、発電機３０の回転数との調整が必要な場合、半径流型蒸気タービン２０と発電機３０との接続部分において、回転速度変換機を介在させる構成も可能である。回転速度変換機を介在させれば両者の回転数の調整が可能である。
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。

　次に、インナーケーシング４０を説明する。インナーケーシング４０は特に限定されないが、半径流型蒸気タービン２０の各構成を収納する筐体である。
　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。

　次に、半径流型蒸気タービン２０の内部を通る蒸気の流れを説明する。
　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。

　ここで、ノズル２３の構造および動きについて説明する。併せて蒸気室２２による蒸気圧の調整とノズル２３から噴き出す蒸気量の調整を行うことができる"ノズル幅調整機構"について説明する。

　ノズル２３の構成例として、外周壁面に形成するタイプと、静翼の間に形成するタイプを説明する。
　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。

　なお、外周壁面に形成するタイプのノズル２３において、その先端に"ノズル幅調整機構"を取り付ける構成も可能である。ノズル２３の先端に開閉を調整できるノズル幅調整機構が搭載されておれば、ノズル２３から噴き出す蒸気量の調整を行うことができる。

　このノズル２３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、アクチュエータを伴う開閉の絞り機構があり、蒸気室の蒸気圧などに応じて能動的に開閉の絞り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。
　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は、外周壁面に形成するタイプのノズル２３において、アクティブ型のノズル幅調整機構を搭載した例となっている。アクティブ型のノズル幅調整機構の開閉の絞り機構の構造は特に限定されないが、アクチュエータへの通電により絞り幅が可変となるものであれば良い。ここではシンボリックに図示している。
　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。

　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、パッシブ型のノズル幅調整機構も搭載可能であるが、パッシブ型のノズル幅調整機構については、静翼間に形成するタイプのノズル２３において説明する。特に、図４に示す可撓性を備えた板材を用いるパッシブ型のノズル幅調整機構は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も適用できる。

　次に、静翼間に形成されたノズル２３について説明する。
　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。

　静翼間に形成するタイプのノズル２３の幅を可変とするノズル幅調整機構としては、アクティブ型、パッシブ型のいずれも適用できる。上記のとおり、図３に示したようなアクティブ型のノズル幅調整機構の搭載も可能であるが、図４および図５の例では、パッシブ型のノズル幅調整機構を搭載した例となっている。

　図４に示すパッシブ型のノズル幅調整機構は、静翼２３１の少なくとも一部が可撓性を備えた板材となっている構造となっている。つまり、静翼２３１が一種の板バネとなっている例である。蒸気室の蒸気圧に応じて静翼２３１が撓ることにより、静翼２３１同士の間の間隙の幅が可変となる。
　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。

　静翼間に形成されたノズル２３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、静翼２３１ａが板材であり、その配置角度が可変となっている構造がある。
　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。

　図５（ａ）から図５（ｂ）に示すように、蒸気室２２の蒸気圧に応じて静翼２３１ａの配置角度が変わることにより静翼２３１ａの間のノズル２３の幅が可変となり、間隙から噴き出す蒸気量の調整が可能となっている。
　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。

　このように、静翼２３１ａの配置角度の大きさは、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２３１ａは一種の圧力弁機能を持っている。つまり、その配置角度が外方向に傾くことにより開弁し、内方向へ戻ることにより閉弁する。静翼２３１ａに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２３１ａ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

　上記に示したように、静翼が自動可変式の静翼２３１または静翼２３１ａであるから、蒸気発生器１０と半径流型蒸気タービン２０との接合部である蒸気出入り口の断面積を調整出来るため、大きな径の配管を使う必要がなく、蒸気発生器の容量に合わせて供給容量を大きく出来る。コンパクトでも発電出力を上げることが出来る。

　以上、本発明にかかる蒸気タービン発電装置によれば、排熱のような小さな熱源で小規模な蒸気発生器により発生させた蒸気であっても、効率良く加速して動翼に当てて回転板を回転させることができ、半径流型蒸気タービンで生じた回転動力を効率的に発電機により発電することができる。
　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。

　実施例２は、実施例１で示した蒸気タービン発電装置１００ａの基本構造を２段構成とした構成例である。
　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。

　図６に示すとおり、蒸気タービン発電装置１００ａは、基本構成部材として、蒸気発生器１０と、半径流型蒸気タービン２０と、発電機３０を備え、それらが一体化された構成となっているが、回転板２５の表裏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。

　ここで、半径流型蒸気タービン２０の蒸気室２２に入力された蒸気を回転板２５の両面に導くため、回転軸２６近傍において回転板２５の板面に複数の孔２７を設けて、蒸気発生器１０からの作動蒸気の一部が当該孔２７を通過して回転板２５のもう一方の面にも導通するようになっている。

　このように、孔２７は、蒸気流が回転板２５を軸方向に貫いて通過する蒸気供給路を確保するために開けられた開口である。本発明の半径流蒸気タービン１００ａでは、蒸気供給源から供給される蒸気は、各々の回転板２５の中央側から半径方向への作動蒸気流通路まで導く必要があるが、回転板２５の両面にそれぞれ蒸気室２２ａ，２２ｂと、ノズル２３ａ，２３ｂと、それぞれの動翼２４ａ，２４ｂが設けられて蒸気の半径流が形成されるためには、回転板２５を軸方向に蒸気流を通過させる蒸気供給路が必要である。孔２７を設けておくことにより、蒸気が軸方向に流れて、半径流型蒸気タービン２０を多段化することができる。

　回転板２５の両面に蒸気通路が出来るため、蒸気通路の断面積が二倍になり、蒸気発生器１０の容量が大きければ、蒸気圧や温度は同じ条件で作動蒸気を約２倍の供給ができ、動翼２４が二段化されており、得られるトルクも２倍とすることができ、その結果、発電出力も約２倍にすることができる。

　孔２７の形状や設け方は、特に限定されないが、ここでは、２つのパターンを例として示す。
　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）は、回転板２５と孔２７の他の例を示す図である。
　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。

　実施例３は、実施例２で示した蒸気タービン発電装置１００ａの基本構造をさらに多段構成とした構成例である。
　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。

　図８に示すとおり、蒸気タービン発電装置１００ｂは、基本構成部材として、蒸気発生器１０と、半径流型蒸気タービン２０と、発電機３０を備え、それらが一体化された構成となっているが、実施例２で示したように回転板２５の表裏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、さらに、それらのセットが上下に多段に構成されている。図８の例では、図６に示した構成例が上下２段（Ａ段、Ｂ段）に多段化されている。
　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。

　なお、Ａ段とＢ段の構成は、中央にある固定板２９により隔てられているが、固定板２９は図示しないインナーケーシングなどに固定されて回転軸２６には接続されておらず、回転軸２６の近傍において固定板２９の板面には開口があり、Ａ段の構成とＢ段の構成が連通している。
　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８の例では、蒸気室が４層化され、蒸気通路の断面積が４倍になるため、蒸気発生器１０の容量が大きければ、蒸気圧や温度は同じ条件で作動蒸気を約４倍の供給ができ、得られるトルクも４倍とすることができ、その結果、発電出力も約４倍にすることができる。

　上記のように、半径流蒸気タービン２０は、回転板２５の回転軸近傍および固定板２９の回転軸近傍にそれぞれ孔２７を設けることにより軸方向の蒸気供給路を確保せしめ、１つの回転軸２６の軸方向に複数セットの半径流蒸気タービン２０を簡単に増設することができ、半径方向の蒸気通路にも十分な蒸気を供給でき、蒸気供給源の仕様に応じて望みの出力を確保できる。

　実施例４は、実施例１で示した蒸気タービン発電装置１００の基本構造のうち、蒸気発生器１０を別に設置して蒸気をパイプ１２にて受け渡す構成とした構成例である。
　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。

　図９に示すとおり、蒸気タービン発電装置１００ｃは、基本構成部材として、蒸気発生器１０と、半径流型蒸気タービン２０と、発電機３０を備え、それらが効率良くまとめられた配置構成となっているが、実施例１に示した構成に比べて、蒸気発生器１０が別に設置され、蒸気をパイプ１２にて受け渡す構成となっている。また、蒸気発生器１０が複数設けられており、複数の蒸気発生器１０にて発生した蒸気を各々のパイプ１２を介して半径流型蒸気タービン２０の蒸気室に入力することにより蒸気量を増やして発電エネルギーを増大せしめるものとなっている。

　ここでは、図９に示す通り、蒸気発生器１０として、蒸気発生器１０ａ，蒸気発生器１０ｂ，蒸気発生器１０ｃの３つの蒸気発生器が設けられ、それぞれが、半径流型蒸気タービン２０および発電機３０とは別に隣接して設置されており、それぞれの蒸気発生器１０ａ，１０ｂ，１０ｃから延設されたパイプ１２ａ，１２ｂ，１２ｃにより蒸気が半径流型蒸気タービン２０に受け渡される構成となっている。
　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。

　実施例１に示した蒸気タービン発電装置１００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を垂直に積層することにより、蒸気タービン発電装置１００を小規模化でき、小さな蒸気発生器１０であっても効率的に発電させることに適したものであった。しかし、少し規模が大きく蒸気発生量の大きな蒸気発生器１０（例えば業務用ボイラー）であれば、垂直に積層することは難しくなり、垂直に積層するためには蒸気タービン発電装置１００の規模が大型になってしまう。そこで、本実施例４の蒸気タービン発電装置１００ｃでは、蒸気発生器１０を垂直には積層せず、半径流型蒸気タービン２０と発電機３０の傍らなどに別に設置しておくことにより、装置規模を小型化しつつ、蒸気発生量の大きな蒸気発生器１０を利用するものとなっている。さらに、蒸気発生器１０の複数化も容易となる。
　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。

　以上、本発明に係る蒸気タービン発電装置における好ましい実施形態を図示して詳細に説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。

　本発明の蒸気タービン発電装置は、燃料は薪でも、灯油でも、天然ガスでも、燃料の種類を選ばずに発電できる、小型かつ熱効率の良い発電装置に適用することができる。つまり、熱源と水さえあれば、何時でも何処でも発電可能であり、例えば、小型化して船舶に搭載し、船舶エンジンの排気熱を利用する発電装置や、ごみ焼却施設に導入し、ごみ焼却施設等で廃棄されていた熱を再利用する発電装置として利用できる。

　１０　蒸気発生器
　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)

1. 　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。
2. 　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。
3. 　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。
4. 　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。
5. 　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。
6. 　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。
7. 　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。
8. 　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。
9. 　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。
10. 　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。
11. 　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。
12. 　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。
13. 　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。
14. 　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。
15. 　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。
16. 　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。
17. 　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。
18. 　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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