(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液圧タービン発電機であって、
液圧タービン及び発電機を取り付けるための、軸方向両方向に運動可能な単一のシャフトアセンブリと、
前記シャフトアセンブリの構成要素としてのシャフトの一端部付近に取り付けられた液圧タービンと、
前記シャフトに取り付けられた、前記液圧タービン用のボールベアリングとを備え、
前記発電機は、前記ボールベアリングに関して前記液圧タービンが設けられる側とは反対側の前記シャフトに取り付けられている誘導発電機を備えており、該誘導発電機は、前記液圧タービンが作動した時に前記シャフトに与えられる回転運動に応答して、前記シャフトの速度に応じて回転し、
当該液圧タービン発電機は、また、
前記一端部とは反対側の前記シャフトの他端部付近で前記シャフトに設けられたラジアルベアリングを備え、
前記液圧タービンは、前記ボールベアリング付近で前記シャフトに取り付けられたスラスト均等化手段と、該スラスト均等化手段付近で前記シャフトに回転可能に取り付けられていて、高速の流体の流れに応答して回転し、作用する流体の流体圧及び速度に応じた速度で前記シャフトを回転させるトルクを与え、且つ、比較的低い速度及び圧力で流体の流れを排出するための、ラジアルランナー手段とを含んでおり、
当該液圧タービン発電機は、また、
前記液圧タービン及び前記誘導発電機のための共通ハウジング手段を備えており、該共通ハウジング手段は、前記シャフトの前記他端部と前記スラスト均等化手段を含む前記液圧タービンとの間で前記シャフトを包囲し且つ絶縁しており、前記共通ハウジング手段は、前記液圧タービンのラジアルランナー手段付近で終端し、これにより、前記ラジアルランナー手段及び前記シャフトの残りの部分は、前記共通ハウジング手段の外側に位置しており、
前記ボールベアリングは、前記シャフトに取り付けられた内側レースと、前記共通ハウジング手段に対して緩やかに取り付けられた外側レースとを有しており、これにより、前記シャフトが、前記共通ハウジング手段に対して相対的に、予め選択した距離だけ軸方向の両方向に移動することを許容し、
当該液圧タービン発電機は、また、
前記共通ハウジング手段及び前記シャフトの前記残りの部分の周囲で隔置されて設けられた格納容器手段を備えており、該格納容器手段は、前記共通ハウジング手段及び前記シャフトの前記残りの部分から軸方向外方に伸長しており、前記格納容器手段は、該格納容器手段の前記ラジアルベアリングの端部付近に位置する流体入口と、その他端部に位置する流体出口とを有しており、前記流体入口及び流体出口は、互いに流体連通していて、流体の流れが前記共通ハウジング手段の周囲に流れるようになっており、
前記格納容器手段は、該格納容器手段の前記流体入口から流体の流れを受け取り、該流体の流れを高速の流体の流れに変換して、前記ラジアルランナー手段に衝突させて前記シャフトを回転させるように隔置されたノズル手段を有しており、
当該液圧タービン発電機は、また、
前記ラジアルランナー手段付近で前記シャフトの前記残りの部分に取り付けられたエクスジューサ出口手段を備えており、該エクスジューサ出口手段は、前記ラジアルランナー手段から排出される流体の流れに応答して、前記流体の流れを前記格納容器手段の流体出口を通して比較的低い速度及び圧力で排出するようになされており、
前記スラスト均等化手段は、前記ボールベアリング付近で前記共通ハウジング手段に固定されていて、前記ボールベアリングから軸方向外方に伸長している、固定スラストプレートリング手段を含んでおり、
前記ラジアルランナー手段は、スロットルリング手段を有しており、このスロットルリング手段は、前記ラジアルランナー手段の一側部と一体に構成されていて、前記スラストプレートリング手段と協働して、実質的に固定型の固定オリフィスと可変オリフィスとを形成しており、前記固定オリフィスは、前記ラジアルランナー手段に衝突するように選択された前記高速の流体の流れの一部を受け取り、また、前記可変オリフィスは、前記スロットルリング手段と前記スラストプレートリング手段との間に形成されていて、前記シャフトの両方向の運動に応じてサイズが変化すると共に、前記固定オリフィスから前記流体を受け取り、前記可変オリフィスに搬送された前記流体は、前記ボールベアリングを通って流れ、これにより、前記ボールベアリングを冷却し且つ潤滑して、前記共通ハウジング手段の中に入り、これにより、前記誘導発電機を冷却するようになされており、
当該液圧タービン発電機は、更に、前記ラジアルベアリング付近で前記共通ハウジング手段に接続されると共に、前記格納容器手段の低圧流体出口に接続され、冷却液体を前記流体出口に搬送する導管手段を備えており、
前記スラスト均等化手段は、前記スロットルリング手段と協働するように前記共通ハウジング手段に固定された、第１のウエアーリング手段と、前記ラジアルランナー手段の排出端と協働するように前記格納容器手段に固定された第２のウエアーリング手段とを有しており、前記第１のウエアーリング手段の直径方向の間隔は、前記第２のウエアーリング手段の直径方向の間隔よりも大きくなるように構成され、これにより、作動流体が与えられた時に、スラスト力を発生するようになされており、該スラスト力は、前記スラストプレートリング手段が前記スロットルリング手段に係合するまで、該スラスト力に応じて該スラスト力の方向に前記シャフトアセンブリを動かし、これにより、前記可変オリフィスが閉じ、従って、該可変オリフィスの中に入る流体の流れを絞るように作用し、
前記可変オリフィスの閉じた状態は、前記第１のウエアーリング手段と前記閉じた可変オリフィスとの間にチャンバを形成してその中に流体圧が発生することを許容し、これにより、前記チャンバの中に予め選択したレベルの圧力が発生すると、そのような圧力は、前記発生したスラスト力を釣り合わせ、従って、前記スラストプレートリング手段及び前記スロットルリング手段の係合位置から離れる方向に前記シャフトアセンブリを動かし、次に、前記チャンバの中に発生する圧力の低下に伴って、前記流体の流れを前記可変オリフィスの中に入れ、これにより、発生したスラスト力の釣り合いが、前記シャフトアセンブリの軸方向の両方向の運動によって、オーバーシュートを生ずることなく、徐々に且つ円滑に行われることを特徴とする液圧タービン発電機。
【請求項２】
請求項１の液圧タービン発電機において、前記誘導発電機に接続可能な励磁電源手段の可変周波数源を備え、該可変周波数源は、前記液圧タービン発電機から一定の出力周波数を発生させるように制御される前記液圧タービンの感知された回転速度に応じて、電気的な周波数出力信号を発生することを特徴とする液圧タービン発電機。
【請求項３】
請求項１又は２の液圧タービン発電機において、前記ラジアルランナー手段は、固定して取り付けられた複数のランナーベーンを有しており、これらランナーベーンは、これらベーンの間に作動流体を受け入れて、そのような流体の方向を約９０°変化させ、これにより、前記ランナーベーンから排出された流体が旋回するようにする、ベーンプロフィールを有することを特徴とする液圧タービン発電機。
【請求項４】
請求項１又は２の液圧タービン発電機において、前記エクスジューサ出口手段は、共通のシャフトの上に配列された複数の固定ベーンを有しており、これら固定ベーンは、前記ラジアルランナー手段から排出された旋回する流体を受け取って、そのような流体の流れを直線化するための螺旋状の形態を有することを特徴とする液圧タービン発電機。
【請求項５】
請求項１の液圧タービン発電機において、前記ラジアルランナー手段は、これに接続された作動流体の流れを受け入れるための隔置された複数のベーンを有することを特徴とする液圧タービン発電機。
【請求項６】
請求項５の液圧タービン発電機において、前記隔置されたベーンは、均等に隔置された偶数のベーンを含むことを特徴とする液圧タービン発電機。
【請求項７】
請求項４の液圧タービン発電機において、前記ラジアルランナー手段から排出される作動流体の流れが、更に、旋回して排出されることを特徴とする液圧タービン発電機。
【請求項８】
請求項７の液圧タービン発電機において、前記エクスジューサ出口手段は、前記ラジアルランナー手段から排出された流体の流れを直線化するための、軸方向に隔置された２つのベーンを備えることを特徴とする液圧タービン発電機。
【請求項９】
請求項１の液圧タービン発電機において、前記ノズル手段は、隔置された複数のノズルを備えることを特徴とする液圧タービン発電機。
【請求項１０】
請求項１の液圧タービン発電機において、前記単一のシャフトアセンブリは、垂直方向の向きで取り付けられており、これにより、前記シャフトアセンブリに作用する総ての力を完全にバランスさせることを特徴とする液圧タービン発電機。
【請求項１１】
液圧タービン発電機であって、
液圧タービン及び発電機を取り付けるための、軸方向両方向に運動可能な単一のシャフトアセンブリと、
前記シャフトアセンブリの構成要素としてのシャフトの一端部付近に取り付けられた液圧タービンと、
前記シャフトに取り付けられた、前記液圧タービン用のボールベアリングとを備え、
前記発電機は、前記ボールベアリングに関して前記液圧タービンが設けられる側とは反対側の前記シャフトに取り付けられている誘導発電機を備えており、該誘導発電機は、前記液圧タービンが作動した時に前記シャフトに与えられる回転運動に応答して、前記シャフトの速度に応じて回転し、
当該液圧タービン発電機は、また、
前記一端部とは反対側の前記シャフトの他端部付近で前記シャフトに設けられたラジアルベアリングを備え、
前記液圧タービンは、前記ボールベアリング付近で前記シャフトに取り付けられたスラスト均等化手段と、該スラスト均等化手段付近で前記シャフトに回転可能に取り付けられていて、高速の流体の流れに応答して回転し、作用する流体の与えられた流体圧及び速度に応じた速度で前記シャフトを回転させるトルクを与え、且つ、比較的低い速度及び圧力で流体の流れを排出し、前記流体の流れを受け取って、該流体の流れを約９０°にわたって反転させ、前記流体の流れを低い圧力及び速度で軸方向に排出する、ランナー手段とを含んでおり、
当該液圧タービン発電機は、また、
前記液圧タービン及び前記誘導発電機のための共通ハウジング手段を備えており、該共通ハウジング手段は、前記シャフトの前記他端部と前記スラスト均等化手段を含む前記液圧タービンとの間で前記シャフトを包囲し且つ絶縁しており、前記共通ハウジング手段は、前記液圧タービンのランナー手段付近で終端し、これにより、前記ランナー手段及び前記シャフトの残りの部分は、前記共通ハウジング手段の外側に位置しており、
前記ボールベアリングは、前記シャフトに取り付けられた内側レースと、前記共通ハウジング手段に対して緩やかに取り付けられた外側レースとを有しており、これにより、前記シャフトが、前記共通ハウジング手段に対して相対的に、予め選択した距離だけ軸方向の両方向に移動することを許容し、
当該液圧タービン発電機は、また、
前記共通ハウジング手段及び前記シャフトの前記残りの部分の周囲で隔置されて設けられた格納容器手段を備えており、該格納容器手段は、前記共通ハウジング手段及び前記シャフトの前記残りの部分から軸方向外方に伸長しており、前記格納容器手段は、該格納容器手段の前記ラジアルベアリングの端部付近に位置する流体入口と、その他端部に位置する流体出口とを有しており、前記流体入口及び流体出口は、互いに流体連通していて、流体の流れが前記共通ハウジング手段の周囲に流れるようになっており、
前記格納容器手段は、該格納容器手段の前記流体入口から流体の流れを受け取り、該流体の流れを高速の流体の流れに変換して、前記ランナー手段に衝突させ、前記遠心力によって発生する流体圧を前記流体の流れに対してバランスさせ、これに従って前記シャフトを回転させ、これにより、前記液圧タービンが自己制限型の無拘束速度を有するように、隔置された複数のベーンを有するノズル手段を含んでおり、
前記スラスト均等化手段は、前記ボールベアリング付近で前記共通ハウジング手段に固定されていて、前記ボールベアリングから軸方向外方に伸長している、固定スラストプレートリング手段を含んでおり、
前記ランナー手段は、スロットルリング手段を有しており、このスロットルリング手段は、前記ランナー手段の一側部と一体に構成されていて、前記スラストプレートリング手段と協働して、実質的に固定型の固定オリフィスと可変オリフィスとを形成しており、前記固定オリフィスは、前記ランナー手段に衝突するように選択された前記高速の流体の流れの一部を受け取り、また、前記可変オリフィスは、前記スロットルリング手段と前記スラストプレートリング手段との間に形成されていて、前記シャフトの両方向の運動に応じてサイズが変化すると共に、前記固定オリフィスから前記流体を受け取り、前記可変オリフィスに搬送された前記流体は、前記ボールベアリングを通って流れ、これにより、前記ボールベアリングを冷却し且つ潤滑して、前記共通ハウジング手段の中に入り、これにより、前記誘導発電機を冷却するようになされており、
当該液圧タービン発電機は、更に、前記ラジアルベアリング付近で前記共通ハウジング手段に接続されると共に、前記格納容器手段の低圧流体出口に接続され、冷却液体を前記流体出口に搬送する導管手段を備えており、
前記スラスト均等化手段は、前記スロットルリング手段と協働するように前記共通ハウジング手段に固定された、第１のウエアーリング手段と、前記ランナー手段の排出端と協働するように前記格納容器手段に固定された第２のウエアーリング手段とを有しており、前記第１のウエアーリング手段の直径方向の間隔は、前記第２のウエアーリング手段の直径方向の間隔よりも大きくなるように構成され、これにより、作動流体が与えられた時に、スラスト力を発生するようになされており、該スラスト力は、前記スラストプレートリング手段が前記スロットルリング手段に係合するまで、該スラスト力に応じて該スラスト力の方向に前記シャフトアセンブリを動かし、これにより、前記可変オリフィスが閉じ、従って、該可変オリフィスの中に入る流体の流れを絞るように作用し、
前記可変オリフィスの閉じた状態は、前記第１のウエアーリング手段と前記閉じた可変オリフィスとの間にチャンバを形成して、該チャンバの中に流体圧が発生するようにし、これにより、前記発生したスラスト力に対抗する予め選択したレベルの圧力が前記チャンバの中に発生した時に、前記スラストプレートリング手段及び前記スロットルリング手段の係合位置から離れる方向に前記シャフトアセンブリを動かし、これにより、前記可変オリフィスの中に連続的に流体の流れを入れ、従って、前記チャンバの中に形成される圧力を連続的に減少させ、これにより、前記液圧タービンが作動している間に生ずる前記シャフトアセンブリの軸方向における両方向の連続的な運動によって、前記発生したスラスト力の釣り合いが、オーバーシュートを生ずることなく、徐々に且つ円滑に生ずることを特徴とする液圧タービン発電機。
【請求項１２】
請求項１１の液圧タービン発電機において、前記誘導発電機は、前記シャフトに取り付けられたロータと、励磁可能な巻線を有するステータとを備えており、該ステータは、可変速度の一定周波数の手段を含んでおり、該手段は、前記誘導発電機のステータに接続可能であって、前記発電機の回転速度に従って周波数の電気的な出力信号を発生し、前記発電機の回転速度の変動に応じて、前記誘導発電機から一定の所望の出力周波数を発生させることを特徴とする液圧タービン発電機。
【請求項１３】
請求項１１又は１２の液圧タービン発電機において、前記シャフトアセンブリは、垂直方向の向きで配列されていることを特徴とする液圧タービン発電機。
【請求項１４】
液圧タービン発電機を作動するための方法であって、
回転可能な単一のシャフトであって、その一端部付近に取り付けられた液圧タービンと、誘導発電機とを有しており、該誘導発電機が、ロータと、交流励磁型のステータとを含んでおり、該ステータが、予め選択した変動する周波数の電気信号を受けて、前記一端部とは反対の他端部付近に取り付けられた前記発電機の同期速度を変えるようになされている、回転可能な単一のシャフトを準備する工程と、
ラジアルベアリングを前記シャフトの前記他端部付近に取り付けて、前記発電機付近に固定する工程と、
前記シャフトにボールベアリングを取り付けて、前記液圧タービンが、予め選択した距離にわたって、前記シャフトの上で軸方向において両方向に運動可能にする工程とを備えており、
前記液圧タービンは、前記シャフトに取り付けられているラジアルランナー手段を有しており、該ラジアルランナー手段は、所定の高い流体圧及び速度を有する作動流体を受け取って、前記シャフトを回転させるようになされており、
当該方法は、また、
前記誘導発電機、及び、前記ラジアルランナー手段を除く前記液圧タービンを含む前記単一のシャフトを単一のハウジングの中に包囲し、前記ラジアルランナー手段に接続された流体の一部と前記単一のハウジングとの間を流体連通させる工程と、
所定の高い圧力及び速度の作動流体を前記ラジアルランナー手段に衝突させるように搬送し、前記ラジアルランナー手段が発生した遠心力の流体圧を注入された流体圧とバランスさせ、前記シャフト従って前記発電機を、前記作動流体の流体圧及び速度に従って、予め選択した速度で回転させるトルクを発生させ、前記作動流体を低い流体圧及び速度で前記ラジアルランナー手段から排出する工程と、
前記ラジアルランナー手段に高圧の作動流体を与えてスラスト力を発生させることにより、前記スラスト力に応じて該スラスト力の方向に、前記シャフトを構成要素とするシャフトアセンブリを前記予め選択した距離だけ軸方向に動かすことにより、発電機のタービンの軸方向のスラスト力を自動的且つ連続的にバランスさせ、前記ラジアルランナー手段に搬送される作動流体の一部を、前記ボールベアリングを通して、前記ラジアルランナー手段と前記ハウジングとの間に搬送して前記ボールベアリングを潤滑し、更に、前記誘導発電機を通して搬送して該発電機を冷却し、次に、前記流体の部分を排出されたランナー流体の低圧側に搬送する工程と、
前記シャフトが前記予め選択した距離だけ動いた後に、前記ボールベアリングに搬送されている作動流体を自動的に絞って、発生したスラスト力に釣り合う圧力が発生するまで、前記ハウジングと前記ラジアルランナー手段との間に流体圧を形成し、これにより、前記シャフトを絞り位置から離れる方向に動かして、前記シャフトの運動が逆転するまで前記流体圧の形成を減少させ、これにより、前記シャフトの運動を自動的且つ連続的に逆転させて、発生したスラスト力をバランスさせ、これにより、前記液圧タービンを使用可能な作動流体の全範囲にわたって、実質的にゼロスラストで作動させる工程と、
前記シャフトの速度に応じて選択された周波数を有するＡ．Ｃ．電源で前記誘導発電機のステータ巻線を励磁して、予め選択した出力周波数を発生させ、これにより、前記タービン発電機の全体的な効率を最適化する工程とを備えることを特徴とする液圧タービン発電機を作動する方法。
【請求項１５】
請求項１４の液圧タービン発電機を作動する方法において、前記流体は、旋回流れとして排出され、また、前記ラジアルランナー手段から排出される流体の流れを直線化する工程を備えることを特徴とする液圧タービン発電機を作動する方法。
【請求項１６】
請求項１４の液圧タービン発電機を作動する方法において、前記ハウジング及び前記ラジアルランナー手段の周囲に隔置された関係で取り付けられ、前記ラジアルベアリングの位置に対向する流体入口と、前記他端部に位置する流体出口とを有している、格納容器手段を準備する工程と、
予め選択した圧力及び速度の作動流体を前記格納容器手段の前記流体入口の中に搬送して、前記単一のハウジングの周囲で流動させる工程と、
前記格納容器手段の中に流れる作動流体の経路の中に前記流体の流れを受け取るための流体ノズルを設け、前記ラジアルランナー手段と前記単一のハウジングとの間に前記流体の一部が搬送されている間に、前記ラジアルランナー手段に対して高速の流れを注入する工程とを備えることを特徴とする液圧タービン発電機を作動する方法。
【請求項１７】
シャフトアセンブリの構成要素としての単一のシャフトに取り付けられた液圧タービン発電機と、共通ハウジング内のタービンと発電機との間に設けられたボールベアリングと、前記共通ハウジング及び前記シャフトを隔置された関係で包囲する格納容器とを備え、タービンランナーが、前記共通ハウジングの外側で前記ボールベアリング付近の前記シャフトに取り付けられている、液圧タービン発電機に使用されるスラスト均等化機構であって、
前記ボールベアリングは、前記シャフトに固定されている内側レースと、あるベアリングクリアランスをもって、前記共通ハウジングに緩やかに取り付けられている外側レースとを有しており、これにより、前記シャフトが軸方向において両方向に所定の軸方向距離だけ運動することを許容し、当該スラスト均等化機構は、前記共通ハウジングと前記タービンランナーとの間で前記共通ハウジングに取り付けられた固定型のスラストプレートリング手段を備えており、
前記タービンランナーは、スロットルリング手段を有しており、該スロットルリング手段は、前記タービンランナーの一側部において前記タービンランナーと一体に構成されていて、前記スラストプレートリング手段と協働して、前記タービンランナーに衝突するように接続された高速のタービン作動流体の一部を受け入れるための実質的に固定された固定オリフィスと、前記スロットルリング手段と前記スラストプレート手段との間に形成された可変オリフィスとを形成し、該可変オリフィスの寸法は、前記シャフトの前記運動に従って変化すると共に、前記固定オリフィスから作動流体を受け取るようになされており、前記可変オリフィスの開度は、最初は、前記固定オリフィスの開度よりも大きく、前記可変オリフィス及び前記スラストプレートリング手段の配列及び構造が、前記作動流体を前記ボールベアリング及び前記共通ハウジングを通して搬送することを許容するようになされており、
前記スラスト均等化機構は、更に、前記共通ハウジングに固定されていると共に前記スロットルリング手段から隔置されている、第１のウエアーリング手段と、前記タービンランナーの流体排出端付近で前記格納容器に固定されている、第２のウエアーリング手段とを備えており、前記第１のウエアーリング手段の直径方向の間隔の配列及び構造が、前記第２のウエアーリング手段の直径方向の間隔よりも大きくなるように形成されており、これにより、スラスト力を発生して、前記スラストプレートリング手段が前記スロットルリング手段に係合するまで、前記シャフトアセンブリを前記スラスト力の方向に軸方向に動かし、これにより、前記可変オリフィスを閉じ、従って、前記可変オリフィスの中に入る作動流体の流れを絞るようになされており、
前記可変オリフィスの前記閉じた状態は、前記第１のウエアーリング手段と前記閉じた可変オリフィスとの間にチャンバを形成して、該チャンバの中に流体圧を発生させることができ、これにより、予め選択したレベルの圧力が前記チャンバの中に形成された時に、前記発生したスラスト力を相殺し、また、前記流体を絞る状態から離れる方向に前記シャフトアセンブリを動かし、これにより、前記可変オリフィスの中に連続的に流体の流れを入れて、前記チャンバの中に発生する圧力を減少させ、従って、発生した前記スラスト力の釣り合いが、前記シャフトアセンブリの軸方向における連続的な交互の両方向の運動によって、オーバーシュートを生ずることなく、徐々に且つ円滑に生じるようになされており、
当該スラスト均等化機構は、更に、
前記共通ハウジングの中の流体の前記一部を前記タービンランナーの前記流体排出側付近に搬送するように、前記共通ハウジングに接続された導管手段を備えることを特徴とするスラスト均等化機構。
【請求項１８】
液圧タービン発電機に使用される請求項１７のスラスト均等化機構において、前記ベアリングのクリアランスに起因する前記シャフトアセンブリの前記所定の軸方向の運動距離が、前記スロットルリング手段と前記スラストプレートリング手段との間の前記可変オリフィスの距離に実質的に等しいことを特徴とするスラスト均等化機構。
【請求項１９】
スラスト均等化機構に使用される請求項１７又は１８のスラスト均等化機構において、前記シャフトアセンブリは、総ての力をバランスさせるために、垂直方向の向きで取り付けられていることを特徴とするスラスト均等化機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液圧タービン発電機に関し、より詳細には、予め選択した作動流体で作動させることのできる液中型の液圧タービン発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力を発生させるためのタービン発電機は、当業界で周知であり、例えば、米国特許第３，２０３，１０１号、第３，３８３，８７３号、第４，３９４，９０２合及び、第４，８０８，８３７号に開示されている。液中型のタービン発電機が、米国特許第４，７４０，７１１号に開示されており、この米国特許明細書においては、タービン発電機は、ライン中の流体パイプラインの中の単一のシャフト上に組み立てられている。上記パイプラインの中を輸送される蒸気又は気体が、タービン、従って発電機を作動させる。上記パイプラインの流れを利用して、発電機を冷却するようになっている。上記米国特許は、周知のタービンスラストの問題を含む、作動システムを生じさせるための実際的な問題及びそのために必要な解決策を呈示していない。
【０００３】
関連する周知の従来技術は、液化天然ガス、液体エチレン、及び、同様な低温液体の如き、低温流体を取り扱うための液中型のポンプである。そのようなタイプの液中型のポンプは、エバラ・インターナショナル（ＥＢＡＲＡ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）からそのクライオダイナミックス・ディビジョン（Ｃｒｙｏｄｙｎａｍｉｃｓ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ：ネバダ州Ｓｐａｒｋｓ所在）を通じて商業的に入手可能である。エバラの液中型のポンプ及びスラスト均等化機構が、エバラ・インターナショナルのクライオダイナミックス・ディビジョンのワイサー（Ｇ．Ｌｏｕｉｓ  Ｗｅｉｓｓｅｒ）によって、１９９４年１月の刊行物「ワールド・ポンプス（Ｗｏｒｌｄ  Ｐｕｍｐｓ）」の２３−２５ページに詳細に記載されている。この開示されたポンプは、モータ駆動される遠心ポンプであって、液圧スラストの問題がインペラに生ずる。ワイサーの刊行物は、上記スラストの問題に対するユニークな解決策を開示しており、そのような解決策においては、圧送される流体が生ずる力によって作動するスラスト均等化機構（ＴＥＭ）を用いて、シャフトアセンブリを限定された距離にわたって軸方向において両方向に動かし、これにより、自己調節によりスラストを連続的に相殺する。そのようなワイサーのスラスト均等化機構は、スラストベアリングに作用する軸方向の力をバランスさせ、これにより、取扱液で潤滑されるスラストベアリングは、使用可能な流量範囲全体にわたって、実質的に「ゼロ」のスラスト荷重で作動する。
【０００４】
スラスト力の存在が総てのタービンにおいて大きな問題であることは周知であり、種々の解決策が試みられている。そのような解決策の１つが、米国特許第４，３６２，０２０号（発明の名称：密封型のタービン発電機（ＨｅｒｍｅｔｉｃＴｕｒｂｉｎｅ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ））に開示されている。タービンシャフトは、垂直方向の向きで配列されており、タービン及び発電機は、プロセス流体から生ずる動圧流体膜軸受上に支持された単一のシャフトに取り付けられている。スラストランナー及び軸受プレートを用いてスラストの問題を解消する複雑な機構が開示されている。この機構は、スラスト均等化機構でもなく、また、上述のワイサーの刊行物に開示されるものと等価のものでもない。
上記ワイサーのスラスト均等化機構は、液中型のポンプに使用されていて、当業界では周知であるが、そのような解決策が、液圧タービンにおけるスラスト力に対して適用することができないことは現在周知である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、極めて良好に機能すると共に、最適な作動効率を得るように容易に調整することができ、かつ、タービンにおいて遠心力によって発生する圧力を流入作動流体の圧力に対してバランスさせることにより得られる自己制限型の無拘束速度を有した長寿命の液中型のシールレスタービン発電機として作動可能な改善された液圧タービン発電機を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記無拘束速度を有する特徴は、タービンが無拘束速度に達した時に該タービンを停止する方法が全くないので、液中型のタービン発電機にとっては非常に重要である。タービンには、更に、ユニークなスラスト均等化機構すなわちスラスト釣り合い機構が設けられている。このスラスト均等化機構は、流入流体の流れの一部を利用して、発生するスラスト力をバランスさせると共に、上述の流入流体の流れの一部を利用して、タービンのボールベアリングを潤滑し、更に、発電機を冷却する。
【０００７】
タービン用のスラスト均等化機構は、低温液体用の液中型ポンプのためにＧ．Ｌ．Ｗｅｉｓｓｅｒが開発した、従来技術のスラスト均等化機構（ＴＥＭ）を利用しており、シャフトアセンブリの両方向の小さな運動を方向転換するボールベアリングを取り付けることにより、タービンに使用して発生するスラスト力をバランスさせるようになっている。
液圧タービン発電機の好ましい向きは、総ての力の中の１００％をバランスさせるように、垂直方向の向きであるのが好ましく、これにより、タービン発電機の全体的な効率が最適化される。
【０００８】
発電機は、ロータと、発電機の同期速度を変動させるように制御可能なステータ励磁巻線とを備える誘導発電機の形態であるのが好ましく、これにより、発電機の励磁電流の周波数をユニークに変化させて、流入作動流体の圧力及び流量の変動に関係無く、発電機から予め選択した出力周波数を発生させると共に、タービンランナーに調節可能なガイドベーンアセンブリ又は同様なものを使用することなく、タービンの遠心力によって発生する圧力を変化させる。本液圧タービン発電機は、タービン発電機と周囲環境との間にダイナミックシールを設けることなく、一対のボールベアリングの間に取り付けられた単一のシャフトの上に組み立てられる。
【０００９】
構造的な観点から、本発明は、液圧タービン及び発電機を有する単一のシャフトアセンブリを備えている。上記発電機は、ボールベアリングの両側に取り付けられている誘導発電機の形態を有しており、ラジアルベアリングが、シャフトの一端部において、発電機の外側に取り付けられている。発電機は、シャフトと共に回転すると共に該シャフトと共に軸方向に運動可能なように取り付けられたロータを有しており、更に、励磁巻線を有するステータを有している。上記励磁巻線は、変動する周波数の電気信号を発生するＡ．Ｃ．電源から励磁可能であって、変動する速度を発生して発電機から一定の周波数出力を生じさせる流入作動液体の流量及びヘッドが必要とするように、発電機の同期速度を変化させる。
液圧タービンは、ラジアルタービンであって、該ラジアルタービンは、タービンのスラスト均等化ラジアルランナーと共に作用するスラスト均等化機構を有しており、単一のシャフト及び該シャフト用のボールベアリングとして設計された軸方向において両方向の小さな運動によって、スラスト力をバランスさせる。
本発明の上記及び他の特徴は、以下の説明及び図面からより良く理解されよう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、本発明の液圧タービン発電機ＴＧを詳細に説明する。液圧タービン発電機ＴＧが、図面に示されており、液圧タービン発電機ＴＧは、タービンＴ及び発電機Ｇ（共に単一のシャフトＳに取り付けられている）に接続されている予め選択した作動流体に応答して作動する、液中型の液圧タービン発電機であるとして説明する。従って、タービンＴを作動させると共に発電機Ｇを冷却するために使用される、本発明で使用する「作動流体又は作動流体の流れ」という用語は、液化された低温ガスを含む非導電性の流体であり、例えば、液化天然ガス、液化メタンガス、液化エチレンガス、液化石油ガス、及び、同様な液化炭化水素を含む。作動流体源ＨＦは、例えば井から得ることのできる変動する圧力又は一定の圧力並びに速度で予め選択した作動流体を提供する。
【００１１】
タービンＴ及び発電機Ｇは、タービンＴのためのランナーＲに作動流体の流れが与えられた時に、一緒に回転するようにシャフトＳに取り付けられていて、与えられた作動流体の圧力及び速度に応じて、シャフトＳを図示のように反時計方向に回転させる。タービンＴには、ボールベアリングＲＢが設けられており、このボールベアリングは、図１においては更に、ランナーＲと共に作動する下方ベアリングとして示されており、図面においては更に、スラスト均等化ランナーＲとして示されている。シャフトＳには更に、第２のボールベアリングが設けられており、この第２のボールベアリングは、シャフトＳの上方端に取り付けられた上方ラジアルベアリングＲＢＴであり、上記シャフトの上方端は、当該シャフトの隣接する部分よりも小さい直径を有している。上方ベアリングＲＢＴとは反対側のシャフトＳの端部には、タービンランナーＲに隣接して取り付けられたエクスジューサ（ｅｘｄｕｃｅｒ）Ｅが設けられており、このエクスジューサは、上記ランナーから排出される作動流体を受け取る。上記エクスジューサＥは、シャフトＳと一緒に回転するように取り付けられている。構成要素のそのような配列は、便利な「シャフトアセンブリ」と考えることができ、その理由は、上記構成要素は、シャフトＳの速度で回転し、且つ、シャフトＳ及びボールベアリングＲＢに与えられる両方向の運動によって、軸方向に運動することができるからである。図示のタービンＴは、スラスト均等化機構ＴＥＭを含むものとして図示されているが、スラスト均等化機構については後により詳細に説明する。シャフトＳは、総ての力をバランスさせることができるように、垂直方向に取り付けられるのが好ましい。
【００１２】
上述のシャフトアセンブリは、このシャフトアセンブリの構成要素を包囲し且つ隔離するための、共通ハウジングＣＨの中に収容されており、上記シャフトＳの下方部分は、タービンランナーＲ及びエクスジューサＥを含むシャフトＳの残りの部分を除いて、総て上記共通ハウジングの中に位置している。図１に示すように、ハウジングＣＨは、タービンランナーＲよりも上方のシャフトアセンブリの構成要素を完全に包囲している。共通ハウジングＣＨは、格納容器の中に沈んでおり、上記格納容器は、液圧タービン発電機ＴＧ全体を共通ハウジングＣＨから離れた関係で包囲している。格納容器ＣＶには、図１に示す入口フランジ付近に位置する作動流体入口開口Ｉが設けられている。ブロックとして示す作動流体源ＨＦは、入口フランジにおいて容器ＣＶに接続されている。容器ＣＶには更に、作動流体出口開口Ｏが設けられており、この作動流体出口開口は、シャフトＳの下方端及び出口フランジに隣接して設けられていて、エクスジューサＥから排出される作動流体を受け取る。作動流体源ＨＦから容器ＣＶに接続される作動流体は、図示のように、流体入口Ｉの中に流入し、共通ハウジングＣＨの周囲に流れる。ハウジングＣＨと格納容器ＣＶとの間のスペースには、ハウジングＣＨ、反対側に収容されたタービンＴ、及び、容器ＣＶの間に設けられるノズル手段ＮＭが設けられていて、作動流体を排出して半径方向のタービンランナーＲに衝突させる。作動流体は、タービンランナーＲから排出されると、エクスジューサＥに接続され、更に、出口Ｏを介して該エクスジューサから出る。
【００１３】
共通ハウジングＣＨには、該ハウジングＣＨの内部に連通する電線通路ＥＰが設けられており、この電線通路は、容器ＣＶの壁部を貫通して該容器から外方に伸長している。通路ＥＰの端部は、図１に示すように、低温電気貫入として閉止されている。この目的のために、電力ケーブルＰＣが発電機Ｇに接続されていて、通路ＥＰを通って該通路の上端部まで伸長し、更に、上述の低温電気貫入を通っている。これにより、電力ケーブルＰＣの出力導線は、発電機Ｇが発生する電気出力に対する外部接続部すなわち外部接点に露出され、更に、予め選択した利用手段に接続される。同じケーブルの導線を用いて、後に説明する発電機ステータＧＳ用の可変周波数励磁電源に接続する。通路ＥＰは、発電機Ｇを通って搬送された流入作動流体の一部を受け取るための作動流体排出導管ＤＣに接続されていて、出口フランジに隣接し且つエクスジューサＥの端部から離れている容器ＣＶの低圧端付近で終端している。上記排出導管は更に、図１において、「発電機冷却剤及びスラスト均等化機構の液体排出ライン」として示されている。
【００１４】
液圧タービン発電機ＴＧの全体的なアセンブリの上述の説明を念頭において、液圧タービンＴの詳細な構造を説明する。タービンの技術分野の当業者には理解されるように、総てのタービンは、スラスト力に打ち勝つという問題を有している。スラスト力を釣り合わせる、すなわち均等化するための本発明の解決策は、低温液体用の液中型の遠心ポンプに使用するために、上述の「ワールド・ポンプス」の刊行物に本発明者が開示したスラスト均等化機構ＴＥＭを採用する。遠心ポンプを反対方向に作動させてタービンとして用いることは周知であるが、遠心ポンプにとって有用なスラスト均等化機構を液圧タービンに直接応用できることは、当業者には「自明事項」ではない。当業者には分かるように、ＴＥＭをタービンにおいて使用する際に予測される問題のために、達成することが疑わしい、あるいは、動作不能であると考えられていた。タービンの作動において予測される問題の１つは、タービンランナーＲに遠心力が発生し、そのような遠心力は、本発明者の遠心ポンプにおけるスラスト力の解決策を液圧タービンに直接採用することを妨るであろうということである。液圧タービンに対するＴＥＭの解決策の作動可能性を決定するために、現在まで多くのテストを行い、その結果、本発明者の従来技術のスラスト均等化機構によって、タービンを作動させることができることが証明された。
【００１５】
タービンＴは、ノズル手段ＮＭから作動流体の流れを受け取るためのラジアルランナーＲを採用しており、図１から明らかなように、ランナーＲを通る流体流路の形状に従って、流体の流れを約９０°反転させる。ランナーＲに受け取られた流体の流れは、本発明によってノズル手段ＮＭに与えられるノズルベーンの形態の結果、与えられた流体圧が高速の流れに変換されるので、比較的高速である。この目的のために、図４乃至図７に示されるように、ノズル手段ＮＭには、均等に隔置された１１個のノズルベーンが設けられている。ノズル手段ＮＭは、格納容器に接続されていて該格納容器を通って流れる作動流体ＨＦの供給源からの高圧の作動流体の流れを受け取るように構成されている。特に、図５及び図７に示すように、ノズルベーンは、特殊な設計のベーン、並びに、ノズルベーンとして機能するベーンの間隔によって、ノズル手段ＮＭを通る複数の流体流路を形成している。搬送された高圧流体の流れは、それぞれの入力端にある各々の流体流路においてノズル手段ＮＭによって受け取られる。
【００１６】
図５に示すベーンＮＭ−１、ＮＭ−２、及び、ＮＭ−３の如き各ベーンの間の間隔は、図示のように、ノズル手段ＮＭの入口端から排出端まで通路を横断するに従って、流体流路の面積が徐々に減少している。ベーンＮＭ−１及びＮＭ−２の完全なプロフィールが、特に図７に示されている。ベーンＮＭ−１の直線的な側部が、流体流路の一方の流動境界を形成しており、一方、隣接する流動境界Ｂは、図７で見て端部から端部へのベーンＮＭ−２の隣接する形状によって形成されている。この目的のために、ベーンＮＭ−２のベーン厚みは、その断面において、その入口端から徐々に且つ円滑に増大して、隣接する流路の面積を徐々に減少させ、次に、流路が隣接するベーンＮＭ−１の出口端に接近するに従って、厚みが徐々に減少し、ベーンＮＭ−２がその終端部すなわち出口端に到達するまで、引き続き減少する。これにより、上記流路は、周知の流体力学的な原理によって、高圧の流入作動流体を高速の作動流体の流れに変換する機能を果たす。各々のベーンの端部は、ノズルベーンの流体力学的な性能を最適化するように、予め選択した半径を有する形状にされており、ベーンの出口端の形状は、図６及び図７に示されている。１１個のノズルベーンＮＭは総て、複数の流路を形成してその中の流体の流れを加速し、高圧の流体の受け入れた部分を高速の流れに変換するように、同様な形状及び向きを有している。ノズル手段ＮＭから排出された高速の流れは、タービンランナーＲの流体の入口端に直ぐ隣接して排出される。
【００１７】
この点において、作動流体源ＨＦによって供給される流入作動流体の流れは、可変の流量及び高い圧力を有しており、高速の流体に変換される。周知のように、流体圧は、選択された作動流体の流体ヘッド（流体の水頭）及び比重に直接依存し、数学的には以下のように表現される。
流体圧  ＝  （流体ヘッド）×（流体の比重）
次に、本発明は、タービンＴの速度をユニークに変化させて、使用可能な総ての作動流体の範囲にわたって、タービンの効率を最適化する。現在周知のどのような従来技術も、液圧タービンに可変速度を与えることを開示していない。タービンの速度は、流体の流体圧及び流体の流れの速度によって制御され、調節可能なランナーベーン及び／又は調節可能な入口ガイドベーンに依存しない。
【００１８】
タービンランナーＲは、図１１乃至図１３に示すプロフィールを有する均等に隔置された６つの固定ランナーベーンを備えるように構成されている。タービンランナーベーンの従来技術の構造とは異なり、ランナーベーンは固定されており、ランナーベーンの間に形成される調節可能な流体流路を通過する作動流体の速度及び方向を変えるように内方及び外方に調節可能ではない。
【００１９】
タービンランナーＲの流体流路が図１１乃至図１３に示されている。１つの完全な流体流路が図１３に示されている。特に、図１３に示すように、流体流路は、一対のベーンの間に形成されており、そのようなベーンは、制限されたゾーンに繋がる大きな流入領域を形成すると共に排出領域に向かって拡張し、更に、流路を約９０°にわたって連続的に回転させるように配列されており、これにより、受け取られた流体の流れは、比較的低い圧力及び速度でランナーＲから排出される。ランナーは、作動流体が与えられることに応じて回転するので、排出された流体の流れは、ランナーＲに対して実質的に軸方向においてランナーＲから出て、半径方向及び軸方向の流れの複合流として回転する。ベーンの壁部は全体的に、図示のように、流体の出口端において断面積が大きくなっている流体の入口端の付近を除いて、実質的に同じ断面積である。ベーンの間の流体流路は、図面に示されており、図１３に最も良く示されている。図１３においては、流体は、大きな端部すなわち図１３の右側に入り、次に、約９０°の螺旋経路を通り、隣接するベーンによって形成される制限部を超えて排出される。
【００２０】
ランナーＲからの回転する軸方向の流体の流れは、シャフトＳと共に回転可能に取り付けられたエクスジューサＥに供給される。エクスジューサＥの詳細は、図１４及び図１５に示されている。図１４を見ると分かるように、エクスジューサシャフトＥＳは、１８０°隔置された２つの螺旋ベーンＥＶを有するように構成されている。従って、ランナーＲにおいて作動流体に与えられる回転は、回転ベーンＥＶとの相互作用によって直線化され、エクスジューサＥから、従って、容器ＣＶから軸方向流として排出される。液中型のポンプの流体入口端に螺旋形状のインジューサ（ｉｎｄｕｃｅｒ）を用いることは周知であるが、そのような構造体を本明細書で説明する液圧タービン発電機の排出端に使用することが自明であるとは思われない。
【００２１】
スラスト均等化機構ＴＥＭの目的のために、図１のように取り付けられているランナーＲの頂側部と一体にスロットルリング（絞りリング）が形成されている。このスロットルリングＴＲは、図８に最も良く示されており、ランナーＲの外方端に隣接して形成される軸方向に伸長するリングによって形成されている。スロットルリングＴＲは、図１に示すようにハウジングＣＨの底側部に固定されたスラストプレートＴＰと協働する。スラスト均等化機構ＴＥＭは、作動流体の流れがランナーＲに与えられた時に、スロットルリングＴＲ及びスラストプレートＴＰによって形成された２つのオリフィスによって作動される。スラスト均等化機構ＴＥＭは、タービンＴが始動位置にある状態で、すなわち、作動流体がタービンに与えられていない状態で、図１に示されている。ランナーＲは、共通ハウジングＣＨの垂下部に固定された第１のウエアーリングＷＲ−１に隣接して取り付けられたスロットルリングＴＲを有している。第２のウエアーリングＷＲ−２が、ランナーＲの排出端付近で容器ＣＶに固定されている。ウエアーリングＷＲ−１の直径は、ウエアーリングＷＲ−２の直径よりも大きくなるように選択されており、その差が、図１で見て上方へのスラスト力を発生する。ランナーＲ、ウエアーリングＷＲ−１、及び、一体のスロットルリングＴＲの配列及び構造は、ノズル手段ＮＭから排出される作動流体の少ない部分が、ウエアーリングＷＲ−１とその流路がランナーＲに向かって伸長しているスロットルリングの隣接する軸方向の部分との間に搬送されるように設計されている。作動流体の上記少ない部分を用いて、スラスト均等化機構ＴＥＭを作動させる。
【００２２】
次に、図２及び図３を参照して、図示の拡大された組立図を参照しながら、スラスト均等化機構ＴＥＭの詳細な作用を説明する。この作用にとって重要なことは、ボールベアリングＲＢがシャフトＳに取り付けられる態様である。ベアリングＲＢは、上述のシャフトアセンブリの一部としてシャフトＳに固定された内側レースを有している。ベアリングＲＢの外側レースは、ハウジングＣＨに対して緩やかに取り付けられていて、発生するスラスト力をバランスさせるために予め選択した距離だけ、シャフトアセンブリが軸方向において両方向に移動することを許容している。ハウジングＣＨには、通常はベアリングＲＢから隔置されているハウジングストップＨＳが設けられている（図１参照）。スラストプレートＴＰは、ハウジングＣＨの底側部に固定されており（図２参照）、また、スラストプレートＴＰには、スロットルリングＴＲの軸方向伸長部分ＴＲＵに隣接して（通常は、隔置されている）、スロットルリングＴＲの上に位置する垂下部ＴＰＤが設けられている。スロットルリングの部分ＴＲＵの軸方向の高さは、ウエアーリングＷＲ−１と協働するリングの軸方向部分の高さよりも低い。スラスト均等化機構ＴＥＭは、スロットルリングＴＲとハウジングＣＨの底側部との間に形成された流路を介して、直列に接続された作動流体を受け取るための２つのオリフィスを備えている。
【００２３】
第１のオリフィスは、「固定」オリフィスと考えることができ、ウエアーリングＷＲ−１とスロットルリングＴＲの隣接部分との間に形成されていて、作動流体の一部をそのような２つの要素の間に搬送し、第２のすなわち「可変」オリフィスの中に導入する。第２のオリフィスは、スラストプレートＴＰの部分ＴＰＤの底面とスロットルリングの部分ＴＲＵの頂面との間に形成されている。上記可変オリフィスは、スロットルリングＴＲとスラストプレートＴＰとの間にあって、シャフトアセンブリの軸方向の運動に応じてその寸法が変化するギャップに似ている。下方ベアリングＲＢとストップ部材ＨＳとの間のクリアランスは、可変オリフィスの始動時のギャップとほぼ同じサイズになるように設計されている。下方のウエアーリングＷＲ−２に対する上方のウエアーリングＷＲ−１の特定の位置は、図１及び図２で見て上方にすなわち上向きに作用するスラスト力を生じさせるために非常に重要である。
【００２４】
スラスト均等化機構ＴＥＭの上述の構成を念頭において、この機構の作用を詳細に説明する。最初に、タービンの全エネルギは、タービン入口Ｉにおいて有効である。流入流体がノズル手段ＮＭを通って搬送された後で、且つ、ランナーＲに入る前には、上記全エネルギは、高い流体圧を高速の流体流れに変えるためにノズル手段ＮＭで必要とされるエネルギだけ減少する。ランナーＲの前方シュラウドを通る流体の漏れは、重要ではない。後方シュラウドを通る流体の漏れが、機構ＴＥＭを作動する主要なエネルギ源となる。このような条件の下で、ランナーＲのシュラウドに沿う作動流体の分布が、上述のような上向きのスラスト力を発生する。この上向きのスラスト力は、シャフトアセンブリを軸方向上方に動かす。スラスト均等化機構ＴＥＭのこの状態が、図２に示されている。固定オリフィスを通って搬送される流入流体の部分は、可変オリフィスの中に入り続け、下方ベアリングＲＢを通って共通ハウジングＣＨに入り、更に、発電機Ｇを通って通路ＥＰに入る（図１参照）。この流体流路においては、下方ベアリングＲＢが、潤滑されると共に冷却され、また、発電機Ｇが冷却される。そのような「冷却」液体は、ＴＥＭを作動させるために、タービンＴの低圧出口側に戻らなければならず、これは、図１に示すように、通路ＥＰとタービンＴの低圧端との間を伸長する導管ＤＣによって行われる。発生したスラスト力に応じてランナーＲが連続的に軸方向上方に運動するので、可変オリフィスの寸法すなわちサイズは、スラストプレートＴＰの部分ＴＰＤが図３に示すようにリングの部分ＴＲＵに係合するまで、連続的に減少する。これは、シャフトアセンブリの上方への移動を抑制する。可変オリフィスの元々のギャップ又はサイズは、タービンの作動が開始する時点において、固定オリフィスよりもかなり大きい。その理由は、固定オリフィスは、ウエアーリングＷＲ−１とスロットルリングＴＲとの間のクリアランスによって決定されるからである。
【００２５】
図３から明らかなように、シャフトアセンブリがその上方への移動を完了した後に、可変オリフィスの中に入る流体は絞られる。この絞り作用は、閉じた可変オリフィスとウエアーリングＷＲ−１との間に形成され、図３においては上方チャンバとして示されているチャンバの中に流体圧を生じさせる。上方チャンバの中に発生した上記圧力は、ウエアーリングＷＲ−１及びＷＲ−２の差によって発生するスラスト力を相殺し、従って、シャフトアセンブリは下方へ移動する。シャフトＳの下方への運動は、可変オリフィスにギャップを生じさせ、その結果、上方チャンバの中の圧力の発生を緩和し、これにより、シャフトアセンブリを軸方向において反対方向に移動させる。シャフトアセンブリのそのような逆方向の移動は、発生したスラスト力が再び支配的になって上記上方への運動が再開するまで、継続する。シャフトのそのような交互の運動は、タービンが作動している間に継続し、これにより、タービンに発生するスラスト力を均等化する。従って、スラスト均等化機構ＴＥＭは、下方のボールベアリングＲＢ、及び、スラスト均等化機構が作動する間に形成される流体圧クッションの組み合わせによって、スラストベアリングとして機能することが理解されよう。下方ベアリングＲＢは、タービン発電機の始動時及び停止時に特に有用である。スラスト均等化機構ＴＥＭに使用される非圧縮性の流体圧のために、良好な緩衝状態が生じ、スラスト力の調節及び釣り合いがオーバーシュートを生ずることなく徐々に且つ円滑に生ずる。
【００２６】
タービンＴの作用を更に考えてみる。ランナーＲの作用は、遠心力を生じ、有効な遠心力は、ランナーＲの回転速度に依存することを認識する必要がある。次に、適正な作用を行うためには、ランナーＲに作用する作動流体の力は、第一に、上述の如く発生した遠心力をバランスさせなければならず、第二に、シャフトＳを予め選択した速度で回転させるに十分なものでなければならない。ラジアルタービンランナーのそのような遠心力の問題を認識すると、ランナーＲが発生する遠心力は、入側の流体圧をそのような力が存在しない場合の圧力よりも１０乃至２０％だけ高くなるように制御することにより、バランスさせることができる。従って、作動流体源ＨＦは、上述の遠心力に打ち勝つに十分な高い圧力の作動流体を提供して、ランナーＲにおいて十分なトルクを発生し、これにより、所望の回転速度をシャフトＳに与える。任意の作動流体に関して、流体圧は、例えばヘッドを変化させることにより、変えることができる。また、発生した遠心力は、シャフトＳに与えられる所望の速度を減少させることにより、調節することができることを理解する必要がある。後に説明するように、発電機ステータＧＳに接続されている励磁周波数を変えて、タービンＴの減少した速度従って発電機の速度を補償することができる。本発明に従って、遠心力が発生するラジアルランナーＲをタービンＴに使用することにより、入側流体圧に対してランナーＲの遠心力をバランスさせることによる自己制限型の無拘束速度を有するタービンがもたらされる。アキシャルタービンは、自己制限型の無拘束速度を有しておらず、その理由は、流量の増大が、無拘束速度を増大させるからである。上述の自己制限型の特徴は、液中型のタービン発電機に関して特に重要であり、その理由は、タービンを無拘束状態で停止させる方法が無いからである。この要件は、本発明のタイプの液中型のタービン発電機にアキシャルランナー又はハーフアキシャルランナーを用いる必要性を排除する。このタイプのラジアルランナーは、上述の作動流体を使用する際に適合する。流入作動流体をタービンＴに与えると、シャフトが回転し、スラスト均等化機構ＴＥＭが上述のように作動する。単一のシャフトＳを使用しているので、タービン速度は、発電機Ｇの速度でもある。タービン発電機の好ましい向きは、図１に示すように、垂直方向の向きであり、その理由は、水平方向の向き及び作用とは異なり、１００％の力が総てバランスされるからである。
【００２７】
本発明に使用される発電機の現時点において好ましい形態は、誘導発電機である。周知のように、誘導発電機は、電源に接続されている間は同期速度よりも高い速度で駆動される誘導電動機すなわちインダクションモータであり、従って、そのような電動機すなわちモータのシャフトに与えられる機械的な力は、電力に変換される。誘導電動機が同期速度よりも高い速度で駆動されると、スリップは負になる。ロータの導線が、機械がモータとして作動する時に生ずる方向とは反対方向のステータの回転磁界の磁束を切る。そのようなロータの電流は、変圧器の作用によって、ステータに電流を発生させ、このステータの電流は、機械がモータとして作動している時に存在するステータ電流のエネルギ成分とは実質的に１８０°位相がずれている。発電機のシャフト（この場合には、タービンＴ）に与えられるトルクが大きくなればなる程、誘導発電機から発生する電力は大きくなる。
【００２８】
誘導発電機Ｇは、図１に示されており、この誘導発電機は、タービンＴによってシャフトに与えられる速度で該シャフトＳと共に回転するようにシャフトＳに取り付けられている、発電機ロータＧＲを有している。発電機Ｇは、ロータＧＲの周囲で隔置された関係で取り付けられたステータ巻線ＧＳを有している。本発明によれば、発電機Ｇのステータ巻線ＧＳは、可変周波数の励磁電源ＩＳに接続されていて、これにより、ステータに発生する回転磁界の周波数を変えることができる。この目的のために、可変周波数の励磁電源ＩＳは、可変速度で一定周波数のコントローラの特徴を有する、商業的に入手可能なユニットである。電源ＩＳは、出力を予め選択した一定周波数にすることを許容し、これにより、シャフトＳ、従って、タービンＴ及び発電機Ｇに与えられる可変速度に起因して発電機Ｇが発生する可変周波数出力を補償する。商業的なユニットは、発電機Ｇのシャフト速度を感知して、発電機Ｇから所望の一定周波数の出力を得るためにステータ巻線ＧＳに接続すべき励磁電流に必要な周波数を形成するように、構成されている。例えば、タービン速度が減少して、遠心力が減少した場合には、ステータ巻線ＧＳに接続されている電流の励磁周波数が変化して、上記減少したタービン速度を補償するが、依然として、一定の周波数出力を与える。
【００２９】
発電機Ｇの実際の回転速度すなわちＲＰＭは、本発明によれば、要素ＩＳによって決定され、励磁電流に関して計算された励磁周波数は、電力ケーブルＰＣによって発電機ステータに接続される。発電機Ｇの同期速度は、該発電機に接続されている励磁周波数を変えることによって、変更することができる。発電機Ｇの同期速度を変更する上記機能は、作動流体のヘッド及び流体の流れによって必要とされるように、同期速度を変更することを可能とし、これにより、タービン発電機ＴＧの全体的な効率を最適化する。そのような特徴は、周知の従来技術には現在存在しない。上記特徴は、世界中の種々の国々の標準線周波数と共に変化するＡＣ線周波数において、タービン発電機ＴＧを使用することを可能とする。発電機Ｇとしての誘導発電機の選択は更に、作動液化ガスによって作動される発電機の必要性すなわち要件に基づいて行われる。出力電力は、図１に示すように、ケーブルＰＣの出力端子に供給される。
【００３０】
タービンのスラストの問題が簡単な構造によって上手く解決され、従って、タービンが、流入流体圧に対して発生され、固定ランナーベーンを有するタービンに可変速度を与えるスラスト力及び遠心力をバランスさせる、液中型のタービン発電機が開示されることを理解する必要がある。また、ラジアルタービンは、自己制限型の無拘束速度を有し、そのような無拘束速度は、アキシャルランナーに発生する遠心力を作動流体圧及び液中型のタービン発電機で使用可能な流れに対してバランスさせることにより得られる。タービンと同じシャフト上で駆動される誘導発電機の上述の使用方法は、誘導発電機の同期速度を作動流体の流れ及び流体ヘッドによって変更することを可能にし、タービン発電機の全体的な効率を最適化する。
液圧タービン発電機を反時計方向に回転可能なものとして図示し且つ説明したが、タービン発電機は、時計方向に回転するように構成及び設計することができることは明らかである。同様に、タービン発電機の向きは垂直方向であるのが現時点で好ましいが、本タービン発電機は、他の向きでも作動可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、極めて良好に機能するとともに、最適な作動効率を得るように容易に調整することができ、かつタービンにおいて遠心力によって発生する圧力を流入作動流体の圧力に対してバランスさせることによって得られる自己制限型の無拘束速度を有した長寿命の液中型のシールレス液圧タービン発電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を具体化した液中型の液圧タービン発電機の断面図である。
【図２】図１のタービンの流体出口端の部分図であって、開放した可変オリフィスを有するスラスト均等化機構を示すと共に、タービンランナー、スラスト均等化機構、及び、ボールベアリングを通る作動流体の流れを示している。
【図３】図１のタービンの流体出口端の部分図であって、閉止した可変オリフィスを有するスラスト均等化機構を示すと共に、その出発位置から離れる方向に動いたシャフトを示し、更に、タービンランナーを通る作動流体の流れを示している。
【図４】高速度の作動流体を図１のタービンランナーの中に注入するためのノズルアセンブリをその取り外された状態で示す断面図である。
【図５】図４の線５−５に沿って取ったノズルベーンの展開図である。
【図６】図５の円５において取ったベーンの拡大図である。
【図７】ノズルアセンブリのノズルベーンのプロフィールを拡大して示す図である。
【図８】図１のタービンのためのスラスト均等化ランナーが取り外された状態を示す断面図である。
【図９】図８の線８−８に沿ったランナーの部分断面図である。
【図１０】図８の矢印８の方向から見た部分端面図である。
【図１１】図８のランナーのための複数のランナーベーンのプロフィールの部分的な図である。
【図１２】図８のランナーのための単一のベーンのプロフィールを示している。
【図１３】図１２の矢印１３の方向から見たベーンの図である。
【図１４】図１のタービンのエクスジューサ（ｅｘｄｕｃｅｒ）の側方立面図である。
【図１５】図１４に示すエクスジューサを左側から見た図である。
【符号の説明】
ＣＨ  共通ハウジング
ＣＶ  格納容器
Ｅ    エクスジューサ
ＥＰ  電源通路
Ｇ    発電機
ＧＲ  発電機ロータ
ＧＳ  発電機ステータ
ＨＦ  作動流体源
Ｉ    流体入口
ＮＭ  ノズル手段
Ｏ    流体出口
ＰＣ  電力ケーブル
Ｒ    ランナー
ＲＢ  下方ベアリング
ＲＢＴ  上方ラジアルベアリング
Ｓ    シャフト
Ｔ    タービン
ＴＥＭ  スラスト均等化機構
ＴＲ    スロットルリング
ＷＲ−１  第１のウエアーリング
ＷＲ−２  第２のウエアーリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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