(57)【要約】【課題】  タービン部に出入りする作動流体の流れが、発電システムを構成する他の部品の存在により乱れないようにすることが可能なタービン発電システムを提供する。【解決手段】  タービン発電システム１は、タービン部３と発電部５が一体化されており、機械的効率を高めるとともに、小型で軽量化が可能となる構造である。作動流体は、入口ノズル１７から入り、タービンブレード１１の羽根の間を通過する。回流路１９は、タービンブレード１１を通過した作動流体を、タービンブレード１１の同じ側から再度通過させることにより、タービン部３は、作動流体の熱エネルギーを機械的エネルギーに変換する。タービンブレード１１の羽根の間を再度通過した作動流体は、出口ノズル２１から排出される。入口ノズル１７と出口ノズル２１は、発電部５とは反対側に設置されており、発電部５による設計上の制約を回避している。【選択図】  図１
2014092052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン発電システムであって、
複数の羽根を有し、前記羽根間を作動流体が通過することにより回転するタービンブレードと、
ある位置において前記羽根の間を通過して前記タービンブレードの一方の側から出た前記作動流体を、異なる位置において、前記タービンブレードの前記作動流体が出た側から前記羽根の間に再度通過させる回流路を有するタービン部を備えることを特徴とするタービン発電システム。
【請求項２】
前記タービンブレードの回転に伴い回転する回転部を有する発電部をさらに備え、
当該タービン発電システムは、前記タービン部と前記発電部を一体化したものであり、
前記回流路は、奇数個存在して、前記タービンブレードの羽根の間を通過する作動流体は、前記タービン部において、前記発電部が存在しない側に設けられた入口ノズルから入り、前記羽根の間を偶数回通過して、前記発電部が存在しない側に設けられた出口ノズルから出るものである、請求項１記載のタービン発電システム。
【請求項３】
前記回流路は、少なくとも、前記タービンブレードの回転に伴い回転する回転部を有する発電部が存在しない側から前記タービンブレードの前記羽根の間を通過して前記発電部が存在する側から出た前記作動流体を、前記発電部が存在する側から前記タービンブレードの前記羽根の間を再度通過させるものである、請求項１又は２に記載のタービン発電システム。
【請求項４】
前記羽根は、対称な形状である、請求項１から３のいずれかに記載のタービン発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、タービンブレードが備える複数の羽根の間を作動流体が通過することによりタービンブレードが回転して発電するタービン発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
出願人は、タービン・発電機などを一体化した小型のタービンシステムを研究・開発している（特許文献１参照）。
【０００３】
非特許文献１には、速度複式衝動タービンが記載されている。速度複式段とは、衝動段のうち、ノズルで発生した運動エネルギーを２回以上に分けて仕事に変換するものである。速度複式の一例として、テリータービンが知られている。テリータービンは、円筒型のブレード流線と円管型の抑え板を使って、高速噴流を旋回させて何度もブレードに吹きつけさせるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２４８８３０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】一色尚次、外１名著，“新蒸気動力工学  新しい機械工学”，森北出版，改訂版，1984年，p.138-140
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されているように、出願人は、小型のタービンシステムを研究・開発している。大型のタービンシステムであれば、タービン部は、発電部に比較して十分大きく、発電部が存在しても、タービン部を出入りする作動流体の流れは遮られない。しかしながら、出願人らが研究・開発するタービンシステムは小型であるため、タービン部に入る作動流体又はタービン部から流れ出た作動流体は、発電機が存在するために、その流れが遮られることとなる。よって、タービン部に設ける作動流体の出入口を適切に設けることが困難であった。出願人は、小型のタービンシステムを研究・開発する過程で、このような新規の課題を見出したものである。
【０００７】
また、非特許文献１のテリータービンは、大型のタービンシステムを前提として発表されたものである。そのため、テリータービンにおける高速噴流は、旋回させて、一定の方向で、タービンブレードに吹きつけるものである。出願人が研究・開発する小型のタービンシステムは、このような単純な構造のものでは十分でない。
【０００８】
そこで、本発明は、タービン部に出入りする作動流体の流れが、発電システムを構成する他の部品の存在を回避しつつ高効率化することが可能なタービン発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明の第１の観点は、タービン発電システムであって、複数の羽根を有し、前記羽根間を作動流体が通過することにより回転するタービンブレードと、ある位置において前記羽根の間を通過して前記タービンブレードの一方の側から出た前記作動流体を、異なる位置において、前記タービンブレードの前記作動流体が出た側から前記羽根の間に再度通過させる回流路を有するタービン部を備えることを特徴とするものである。
【００１０】
本願発明の第２の観点は、第１の観点のタービン発電システムであって、前記タービンブレードの回転に伴い回転する回転部を有する発電部をさらに備え、当該タービン発電システムは、前記タービン部と前記発電部を一体化したものであり、前記回流路は、奇数個存在して、前記タービンブレードの羽根の間を通過する作動流体は、前記タービン部において、前記発電部が存在しない側に設けられた入口ノズルから入り、前記羽根の間を偶数回通過して、前記発電部が存在しない側に設けられた出口ノズルから出るものである。
【００１１】
本願発明の第３の観点は、第１又は第２の観点のタービン発電システムであって、前記回流路は、少なくとも、前記タービンブレードの回転に伴い回転する回転部を有する発電部が存在しない側から前記タービンブレードの前記羽根の間を通過して前記発電部が存在する側から出た前記作動流体を、前記発電部が存在する側から前記タービンブレードの前記羽根の間を再度通過させるものである。
【００１２】
本願発明の第４の観点は、第１から第３のいずれかの観点のタービン発電システムであって、前記羽根は、対称な形状であるものである。
【発明の効果】
【００１３】
本願発明の各観点によれば、タービンブレードの一方の側から他方の側に通過した作動流体が、再度、他方の側から一方の側へと戻ることによって、再度、一方の側へと戻ることが可能になる。さらに、作動流体は、羽根の間を複数回の通過によりタービンブレードの回転を上げることが可能になる。そのため、本願発明の各観点によれば、羽根の間を複数回通過させることにより回転速度を上昇させて高効率化を実現しつつ、タービン部への作動流体の出入りを一方の側にまとめることができるようになるという顕著かつ異質な効果を有する。よって、単に複数回の通過によりタービンブレードの回転速度を上昇させるだけでなく、さらに、タービンブレードにおいて、発電部等が存在する側と作動流体が出入りする側とを区別して、タービン部に出入りする作動流体の入口及び出口を発電部と反対側にまとめて設置することが可能になり、発電部等を回避した構造が実現できる。
【００１４】
さらに、従来のタービンブレードは、一方から他方へと一定の向きの流れを利用するものであった。そのため、羽根は、多額の費用を投じて専用の形状とし、回転効率を上げていた。本願発明の各観点によれば、タービンブレードの一方の側から他方の側へと通過させ、逆に、他方の側から一方の側へと通過させる。そのため、本願発明の第４の観点にあるように、対称な形状の汎用タービンブレードであっても、効率よく利用することが可能になる。よって、コストを削減するために汎用タービンブレードを利用しても、効率のよい発電を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本願発明の実施の形態の一例である発電システムの概略ブロック図である。
【図２】タービンブレード１１と、入口ノズル１７と、回流路１９と、出口ノズル２１の関係の一例を示す図である。
【図３】図１の発電システム１の一例を立体的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下では、図面を参照して、本願発明の実施例について説明する。なお、本願発明は、この実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００１７】
図１は、本願発明の実施の形態の一例である発電システムの概略ブロック図である。タービン発電システム１は、タービン部３（本願請求項の「タービン部」の一例）と、発電部５（本願請求項の「発電部」の一例）と、ポンプ部７と、シャフト１３を備える。タービン部３は、作動流体の熱エネルギーを機械的エネルギーに変換する。発電部５は、タービン部３により発生した機械エネルギーを電気的エネルギーに変換する。ポンプ７は、作動流体を循環させる。
【００１８】
タービン部３は、タービンブレード１１（本願請求項の「タービンブレード」の一例）と、入口ノズル１７（本願請求項の「入口ノズル」の一例）と、回流路１９（本願請求項の「回流路」の一例）と、出口ノズル２１（本願請求項の「出口ノズル」の一例）を備える。発電部５は、ステータ２７と、ロータ２５（本願請求項の「回転部」の一例）を備える。ポンプ部７は、インペラー２８を備える。タービンブレード１１とロータ２５とインペラー２８は、同軸で、一体的に回転させるため、シャフト１３により連結されている。シャフト１３は、メカニカルシール２３を有する。
【００１９】
入口ノズル１７は、タービン部３に対し、作動流体（例えば、アンモニアと水の混合媒体など。なお、本願発明は、これに限定されず、他の気体等であってもよい。）を流入させるためのノズルである。出口ノズル２１は、タービン部３から作動流体を排出させるためのノズルである。
【００２０】
大型の発電機であれば、タービンブレードは、発電部に比べて、十分大きくすることができる。そのため、タービンブレードを回転させるための作動流体の出し入れは、自由に設計することができる。そのため、主として、タービンブレードを効率よく回転させることが重要であった。
【００２１】
タービン発電システム１は、特許文献１に記載されているように、発電機とタービンが一体化されており、機械的効率を高めるとともに、小型で軽量化が可能となる構造となっている。発電機とタービンが一体化された小型のものであるため、タービンブレードを回転させるための作動流体は、例えば、発電機が存在しない側から発電部が存在する側へ抜けるような設計であれば、入口ノズルは設計が容易であるが、出口ノズルは、発電機が存在するため、設計上の制約が大きくなる。
【００２２】
本願発明によれば、回流路１９によってタービンブレード１１の回転を高めつつ、入口ノズルと出口ノズルは、共に、発電部が存在しない側に設計することが可能となる。そのため、回転効率を高めつつ、設計上の制約を回避することが可能になる。
【００２３】
すなわち、図１の入口ノズル１７及び出口ノズル２１は、発電部５とは反対側に設ける。そのため、入口ノズル１７に入る作動流体及び出口ノズル２１から出る作動流体は、発電部５によって妨げられない。
【００２４】
入口ノズル１７から入った作動流体は、タービンブレード１１の羽根の間を通過することにより、運動エネルギーを変換してタービンブレード１１を回転させる。回流路１９は、タービンブレード１１の羽根の間を通過した作動流体を、タービンブレード１１の同じ側からタービンブレードの羽根の間を再度通過させることにより、運動エネルギーをさらに変換して、タービンブレード１１をさらに回転させる。これにより、非特許文献１に記載の速度複式段と同様に、作動流体の運動エネルギーを２回に分けて仕事に転換して、タービンブレード１１をさらに回転させることができる。これにより、タービン部３は、作動流体の熱エネルギーを機械エネルギーに変換することができる。
【００２５】
タービンブレード１１の羽根の間を再通過した作動流体は、タービンブレード１１の入口ノズル１７が存在する側（発電部５とは異なる側）から出てくる。出口ノズル２１は、入口ノズル１７と同じ側に設けられている。タービンブレード１１を再通過した作動流体は、タービン部３の出口ノズル２１から出る。
【００２６】
タービンブレード１１とロータ２５は、一体的に回転させるためにシャフト１３により連結されている。シャフト１３の所定の位置には、メカニカルシール２３が設定されている。固定しているステータ２７に対し、タービンブレード１１の回転に伴いロータ２５が回転することにより、発電部５は、タービン部３により発生した機械エネルギーを電気的エネルギーに変換する。
【００２７】
図２は、タービンブレード１１と、入口ノズル１７と、回流路１９と、出口ノズル２１の関係の一例を示す図である。入口ノズル１７から入った作動流体は、タービンブレード１１の羽根の間を通過することにより熱エネルギーを機械エネルギーに変換し、回流路１９を通過して、再度、タービンブレード１１の羽根の間を通過することにより熱エネルギーを機械エネルギーに変換して、出口ノズル２１から外に排出される。入口ノズルと出口ノズルは、共に、タービンブレード１１の同じ側に設計することが可能である。また、タービンブレードは、一般に専用に作成するため、非常に高価なものとなる。図２のタービンブレード１１は、仮に対称な形状の汎用品であっても、タービンブレード１１には両側から作動流体が通過することにより、効率よく回転させることができることが期待される。
【００２８】
図３は、図１のタービン発電システム１の一例を立体的に示す図である。タービン発電システム１は、小型で一体型の形状であり、例えば、入口ノズル１７から入った作動流体が羽根の間を通過する位置を発電部側へ延長したところには、発電部５が存在するとする。そのため、入口ノズル１７から入った作動流体は、発電部５により、直接排出しようとすると、設計上の制約が存在する。そこで、回流路１９により、再度タービンブレード１１に通過することにより、入口ノズル１７と同じ側に設けられた出口ノズル２１から排出するようにして、発電部５による設計上の困難性を回避することが可能になる。
【００２９】
なお、入口ノズル１７と出口ノズル２１が、タービンブレード１１の同じ側にあればよく、回流路を、タービンブレード１１の発電部５側に複数設け、発電部５とは異なる側に１つ少ない個数を設けて、作動流体が、タービンブレード１１の羽根の間を偶数回通過するものであってもよい。
【００３０】
続いて、本願発明により、ブレード設計ができるだけ簡便かつ利便性の高くなること、そして、本願発明における回流路によるブレード間流路の複数回利用によるタービン出力向上の原理について、数式を用いて具体的に説明する。簡単のため、運動量理論による設計に限る。また、複数回かつ反対方向からの蒸気流を通過させるために、中心対称のブレード形状を選択する。
【００３１】
軸流衝動タービンを仮定し、ノズル出口角をα2、タービン周速をｕ、熱落差による蒸気絶対流束をｃ2とする。このとき、タービン入口での蒸気相対速度ｗ2及びブレード角β2は、運動量理論より、式(1)及び(2)で与えられる。ブレードによる損失係数をψとすると、ブレード形状が対称であることを仮定していることから、タービンの線図効率Ｌd1は、式(3)で与えられる。ただし、ドット付きのｍは、蒸気質量流量である。
【００３２】
【数１】
2014092052.tif 000003
【００３３】
タービンからの排出蒸気の絶対速度ｃ3は、式(4)である。回流路の入口角度α3は、この蒸気流進行方向と一致させることができ、式(5)である。
【００３４】
【数２】
2014092052.tif 000004
【００３５】
蒸気流速が、ｃ2からｃ3へ減少するのに伴い、回流後の回流路出口角α4を式(2)で求められたブレード角β2と一致させることができれば、蒸気流の連続性が保証されることになる。その条件は、式(6)及び(7)である。ここで、回流路通過に伴う損失因子φを考慮して、式(8)とした。
【００３６】
【数３】
2014092052.tif 000005
【００３７】
式(6)、(7)を組み合わせると、式(9)が成立する。ここで、式(10)を導入すると、式(11)の方程式を得る。式(11)の２次方程式の解のうち物理的に意味のある解は、式(12)である。これより、角度α4が求められる。このようにして定まる回流路形状を採用する。蒸気流が複数回ブレードを通過することにより、総合出力として、式(13)が得られる。
【００３８】
具体例として、水蒸気の軸流衝動タービンの数値例を示す。蒸気圧力ｐ1=0.8[MPa]、流量M=1.5(t/hr)、タービン径0.3(m)、回転数3600(rpm)の場合に適用すると、回流路なしの場合の出力は31(kW)であるのに対し、回流路を用いる場合は、56(kW)となる。これにより、本願発明の回流路の有効性を示すことができる。
【００３９】
以上より、本願発明によれば、複数のタービンブレードとその間をつなぐ静翼を使用することなく、速度複式衝動タービンと同等の効果が得られる。そのために必要なものは回流路のみであり、タービン製作の加工過程も簡略化できる。
【００４０】
【数４】
2014092052.tif 000006
【符号の説明】
【００４１】
１  タービン発電システム、３  タービン部、５  発電部、７  ポンプ部、１１  タービンブレード、１３  シャフト、１７  入口ノズル、１９  回流路、２１  出口ノズル、２３  メカニカルシール、２５  ロータ、２７  ステータ、２８  インペラー
【図１】
2014092052.tif 000007
【図２】
2014092052.tif 000008
【図３】
2014092052.tif 000009