(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス入口（５）およびガス出口（７）を有するケーシング（３）と、
前記ケーシング（３）内で回転するように支持されたシャフト（１３）に取り付けられたターボエキスパンダロータ（２１）を有するターボエキスパンダ（９）と、
前記ケーシング（３）内に配置され、発電機ステータ（１１Ｓ）と、前記シャフト（１３）に取り付けられた発電機ロータ（１１Ｒ）とから構成されて、前記ターボエキスパンダロータ（２１）と共に回転する発電機（１１）と、
前記ケーシング（３）内で前記シャフト（１３）を回転支持するように構成かつ配置された複数の気体潤滑軸受（１５、１７、１９）と、
前記ターボエキスパンダ（９）および前記発電機（１１）を通って延在する、前記ガス入口（５）から前記ガス出口（７）までの主ガス流路と、
前記主ガス流路から前記複数の気体潤滑軸受（１５、１７、１９）までの副ガス流路とを
備えるターボエキスパンダ発電装置（１）であって、
前記ターボエキスパンダロータ（２１）が、前面（２３Ｆ）および背面（２３Ｇ）を有するハブ（２３Ｈ）と、前記ハブ（２３Ｈ）の前記前面（２３Ｆ）から各ブレード先端まで延在する複数のブレード（２３Ｂ）とを備えるインペラ（２３）を備え、
前記ハブ（２３Ｈ）の前記背面（２３Ｇ）が前記発電機（１１）に面し、前記ハブ（２３Ｈ）の前記前面（２３Ｆ）が前記ガス入口（５）に面し、
前記ターボエキスパンダ（９）が出口プレナム（３３）を備え、前記出口プレナム（３３）が、前記ターボエキスパンダロータ（２１）を出た膨張した作動ガスを集めるように構成かつ配置され、前記発電機（１１）を収容するケーシング部（３Ｃ）と流体結合され、
前記主ガス流路を通る圧縮された作動ガスが前記ターボエキスパンダ（９）内で膨張して前記発電機ロータ（１１Ｒ）を回転させるための機械的動力を発生させて、かつ、前記発電機（１１）から熱を取り除き、
前記副ガス流路を通る圧縮された作動ガスの一部が前記複数の気体潤滑軸受（１５、１７、１９）を潤滑する、ターボエキスパンダ発電装置。
【請求項２】
前記複数の気体潤滑軸受（１５、１７、１９）を潤滑する前記作動ガスの前記一部が前記複数の気体潤滑軸受（１５、１７、１９）から流れて前記主ガス流路に戻るように、前記複数の気体潤滑軸受が前記主ガス流路と流体連通している、請求項１記載のターボエキスパンダ発電装置。
【請求項３】
前記複数の気体潤滑軸受が、少なくとも１つのアキシャル気体潤滑軸受（１９）と２つのラジアル気体潤滑軸受（１５、１７）とを含む、請求項１または２記載のターボエキスパンダ発電装置。
【請求項４】
前記ターボエキスパンダロータ（２１）が、前記シャフト（１３）の一端（１３Ｂ）からはみ出している、請求項１または２または３記載のターボエキスパンダ発電装置。
【請求項５】
前記ターボエキスパンダロータ（２１）が、前記シャフト（１３）の第１の端部（１３Ｂ）からはみ出し、前記少なくとも１つのアキシャル気体潤滑軸受（１９）が、前記シャフト（１３）の第２の端部（１３Ａ）に、または、前記発電機（１１）と前記ターボエキスパンダ（９）との間に配置される、請求項３記載のターボエキスパンダ発電装置。
【請求項６】
前記少なくとも２つのラジアル気体潤滑軸受（１５、１７）のうちの第１の軸受（１５）が、前記ターボエキスパンダロータ（２１）と前記発電機ロータ（１１Ｒ）との間に配置され、前記少なくとも２つのラジアル気体潤滑軸受（１５、１７）のうちの第２の軸受（１７）が、前記発電機ロータ（１１Ｒ）と前記シャフト（１３）の前記第２の端部（１３Ａ）との間に配置される、請求項５記載のターボエキスパンダ発電装置。
【請求項７】
前記副ガス流路が、前記ターボエキスパンダ（９）の上流に向けられる前記圧縮された作動ガスの前記一部を前記ターボエキスパンダ（９）の下流の前記複数の気体潤滑軸受（１５、１７、１９）に供給するために、前記ガス入口（５）から前記複数の気体潤滑軸受（１５、１７、１９）に流体結合された潤滑ガス供給ラインをさらに備える、請求項１乃至６のいずれか１項記載のターボエキスパンダ発電装置。
【請求項８】
前記潤滑ガス供給ラインに付随したフィルタシステム（５３）をさらに備える、請求項７記載のターボエキスパンダ発電装置。
【請求項９】
前記作動ガスの前記一部の圧力をガス入口圧力から、前記ガス入口圧力より低い潤滑圧力に下げるために、前記潤滑ガス供給ラインに沿って少なくとも１つの減圧装置（５５）をさらに備える、請求項７または８記載のターボエキスパンダ発電装置。
【請求項１０】
前記潤滑ガス供給ラインが、前記ターボエキスパンダロータ（２１）の上流で前記主ガス流路から分岐し、
前記潤滑ガス供給ラインの少なくとも一部が前記ケーシング（３）の外側に配置される、請求項７乃至９のいずれか１項記載のターボエキスパンダ発電装置。
【請求項１１】
前記ガス入口（５）と前記ガス出口（７）とが互いに実質的に同軸である、請求項１乃至１０のいずれか１項記載のターボエキスパンダ発電装置。
【請求項１２】
前記ガス入口（５）と前記ガス出口（７）とが、前記シャフト（１３）と実質的に同軸である、請求項１１記載のターボエキスパンダ発電装置。
【請求項１３】
前記ターボエキスパンダロータ（２１）が、実質的に半径方向を向くロータ入口と実質的に軸方向を向くロータ出口とを備える、請求項１乃至１２のいずれか１項記載のターボエキスパンダ発電装置。
【請求項１４】
前記ブレード先端に隣接する静止シュラウド（２５）をさらに備える、請求項１乃至１３のいずれか１項記載のターボエキスパンダ発電装置。
【請求項１５】
前記ケーシング（３）が、前記出口プレナム（３３）と、前記発電機（１１）を収容する前記ケーシング部（３Ｃ）とを分離する仕切り壁（３１）を備え、膨張した作動ガス用の流路（４５）が前記仕切り壁（３１）を通って延在する、請求項１乃至１４のいずれか１項記載のターボエキスパンダ発電装置。
【請求項１６】
前記主ガス流路の部分が、前記ガス入口（５）から前記出口プレナム（３３）の周りに延在して、前記ターボエキスパンダロータ（２１）に向かって延在する、請求項１乃至１５のいずれか１項記載のターボエキスパンダ発電装置。
【請求項１７】
前記ケーシング（３）は、前記ガス入口（５）から前記出口プレナム（３３）の周りに延在して、前記ターボエキスパンダロータ（２１）に向かって延在する前記主ガス流路の少なくとも一部を備える、請求項１６記載のターボエキスパンダ発電装置。
【請求項１８】
ガスデフレクタ（４１）が、前記ターボエキスパンダロータ（２１）に実質的に同軸に配置され、かつ、前記ハブ（２３Ｈ）の前記前面（２３Ｆ）に面し、前記ガスデフレクタ（４１）が、前記膨張したガスを前記ターボエキスパンダロータから前記発電機（１１）の方に向けるように構成かつ配置される、請求項１乃至１７のいずれか１項記載のターボエキスパンダ発電装置。
【請求項１９】
前記複数の気体潤滑軸受の各々が流体静圧及び／又は流体動圧軸受である、請求項１乃至１８のいずれか１項記載のターボエキスパンダ発電装置。
【請求項２０】
前記複数の気体潤滑軸受の各々が潤滑剤フリー軸受である、請求項１乃至１９のいずれか１項記載のターボエキスパンダ発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一体型エキスパンダ発電機、すなわち、ターボエキスパンダ発電装置に関する。このターボエキスパンダ発電装置は、概して、圧縮されたガスを受け入れ、そのガスを膨張させて機械的動力を発生させるエキスパンダを含む。このエキスパンダは、エキスパンダのシャフトで得られる機械的動力を電力に変換するために、機械的に発電機に結合される。
【背景技術】
【０００２】
ターボエキスパンダ発電装置は、圧縮されたガスの流れに含まれる動力をターボエキスパンダの出力シャフトで得られる有用な機械的動力に変換するために一般に使用される機械である。出力シャフトを使って、回転機械、例えば、発電機を機械的に駆動することができる。一体型ターボエキスパンダ発電装置は通常、気密ケーシングを備え、気密ケーシングは、１つまたは複数の回転ホイールを有するターボエキスパンダを収容する。回転ホイールは、ブレードを備え、回転シャフトに取り付けられる。シャフトはケーシング内で回転するために支持され、発電機のロータに機械的に接続される。発電機のステータはケーシング内で静止して取り付けられる。
【０００３】
ターボエキスパンダと発電機との回転部品は回転シャフトに取り付けられているが、回転シャフトは通常、複数の軸受によってケーシング内で支持される。公知の実施形態では、この目的のためには油潤滑軸受が使用される。ごく最近では、ターボエキスパンダ発電装置に適用するために能動型磁気軸受が開発された。能動型磁気軸受は潤滑油の必要がなく、したがって、ターボエキスパンダ発電装置を通るガス流れ中に油が存在することに関する欠点を克服する。
【０００４】
しかしながら、能動型磁気軸受は複雑な機械構成部品であり、さらに、専用の電子制御装置による電子制御を必要とする。制御装置を磁気軸受に接続する複雑な配線が必要であり、このことは、ターボエキスパンダ発電装置の組立をさらに複雑にする。
【０００５】
したがって、より効率的で、より安価な、しかも、設計、組立、および保守がより簡単なターボエキスパンダ発電装置の必要性が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／０５６２８５号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本明細書で開示する実施形態によれば、ガス入口およびガス出口を有するケーシングを備えるターボエキスパンダ発電装置が提供される。ターボエキスパンダ発電装置はさらに、ケーシング内で回転するように支持されたシャフトに取り付けられたターボエキスパンダロータを有するターボエキスパンダを備える。さらに、ケーシング内に発電機を配置することができる。発電機は、発電機ステータと、シャフトに配置された発電機ロータとから構成されて、ターボエキスパンダロータと共に回転することができる。ターボエキスパンダ発電装置はさらに、ケーシング内でシャフトを回転支持するように構成かつ配置された複数の軸受を備えることができる。ケーシング内のガス流路は、ガス入口からガス出口まで延在し、ターボエキスパンダおよび発電機を通る。したがって、圧縮された作動ガスはターボエキスパンダ内で膨張して機械的動力を発生させて、発電機ロータを回転させる。ターボエキスパンダからの膨張した作動ガスは、発電機を通って流れて、発電機から熱を取り除く。ターボエキスパンダ発電装置の回転シャフトを支持する少なくとも１つ、いくつか、またはすべての軸受は、ターボエキスパンダ発電装置を通って処理される作動ガスで潤滑される気体潤滑軸受である。
【０００８】
潤滑油および関連する回路は使用しないで済む。能動型磁気軸受は気体潤滑軸受に置き換えられてなくなることによって、ターボエキスパンダ発電装置は簡単で、より安価で、より高信頼性で、かつその保守が容易となる。
【０００９】
このように、作動ガスは発電機を冷却するために使用することができる。気体潤滑軸受を潤滑するために同じ作動ガスを使用することができる。ターボエキスパンダ発電装置は、ターボエキスパンダの上流に向けられる作動ガスを気体潤滑軸受に供給するために、ガス入口および気体潤滑軸受に流体結合した、例えば、潤滑ガス供給源を備えることができる。
【００１０】
いくつかの実施形態によれば、潤滑ガスが気体潤滑軸受から流れてガス流路に戻るように、気体潤滑軸受はガス流路と流体連通している。
【００１１】
ターボエキスパンダロータは、１つまたは複数のインペラを備えることができる。いくつかの実施形態では、ターボエキスパンダロータは、シャフトの第１の端部からはみ出している。気体潤滑軸受は、１つまたは複数のアキシャルまたはスラスト軸受、および１つまたは複数の、好ましくは２つのラジアル軸受を含むことができる。アキシャルまたはスラスト軸受は、シャフトの第２の端部に配置することができる。他の実施形態では、アキシャルまたはスラスト軸受は、発電機とターボエキスパンダとの間に配置することができる。第１のラジアル気体潤滑軸受は、ターボエキスパンダロータと発電機ロータとの間に配置することができる。第２のラジアル気体潤滑軸受は、発電機ロータと第２のシャフト端部との間に配置することができる。例えば、第２のラジアル気体潤滑軸受は、発電機ロータとシャフトの第２の端部との間に配置される。
【００１２】
ガス入口およびガス出口から構成されたケーシングと、
ケーシング内に収容されたターボエキスパンダ部であって、ケーシング内で回転するように支持されたシャフトに取り付けられたターボエキスパンダロータから構成されたターボエキスパンダ部と、
ケーシング内に収容された発電機部であって、ターボエキスパンダロータと発電機ロータとが同じ速度で回転するようにシャフトに配置された発電機ロータから構成された発電機部と、
ケーシング内でシャフトを回転支持する軸受装置と、
ターボエキスパンダ部および発電機部を通って延在する、ガス入口とガス出口との間の作動ガス流路であって、圧縮された作動ガスがターボエキスパンダ部内で膨張し、ターボエキスパンダからの膨張した作動ガスが発電機部を通って流れて、発電機部から熱を取り除くように構成かつ配置された作動ガス流路とを
備えるターボエキスパンダ発電装置であって、
軸受装置は、前記作動ガスで潤滑される気体潤滑軸受を含む、ターボエキスパンダ発電装置が本明細書でさらに開示される。
【００１３】
圧縮された作動ガスの流れから電力を発生させるための方法であって、
ケーシング内に配置されたターボエキスパンダ内で圧縮された作動ガスを膨張させるステップであって、ターボエキスパンダが、回転シャフトに取り付けられたターボエキスパンダロータを備え、圧縮された作動ガスの膨張によって発生した機械的動力が回転シャフトで利用可能であり、回転シャフトが複数の気体潤滑軸受によって支持される、ステップと、
ターボエキスパンダによって発生した動力を使って、ケーシング内に配置された発電機の発電機ロータを駆動するステップであって、発電機ロータが回転シャフトに取り付けられている、ステップと、
膨張したガスをターボエキスパンダから発電機を通して流し、それによって発電機から熱を取り除くステップと、
主作動ガス流から作動ガスの副流を抜き取り、作動ガス副流で気体潤滑軸受を潤滑するステップと
を含む方法が、本明細書でさらに開示される。
【００１４】
特徴および実施形態は本明細書で下記に開示され、本説明の不可欠な部分を形成する添付の特許請求の範囲にさらに記載される。上記の簡単な説明は、以下の詳細な説明をよりよく理解することができるように、かつ当分野に対する本発明の寄与をよりよく認識できるように、本発明の様々な実施形態の特徴を記載している。もちろん、以下で説明され、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の他の特徴が存在する。この点に関して、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の様々な実施形態は、それを適用する際に、以下の説明で記載され、または図面に示される構成部品の構造の詳細および配置に限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、また様々な方法で実行および実施することができる。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明のためのものであって、限定として見なすべきではないことを理解されたい。
【００１５】
したがって、本開示が基礎を置いている概念は、本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造、方法、および／またはシステムを設計するための基礎として容易に利用することができることを当業者は理解するであろう。したがって、特許請求の範囲は、本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、このような同等な構造を含むものと見なすことが重要である。
【００１６】
以下の詳細な説明を、添付の図面と併せて考察して、参照することによって、開示する本発明の実施形態、およびそれらに付随する利点の多くをよりよく理解するようになったとき、これらを容易により完全に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本開示によるターボエキスパンダ発電装置の断面図である。
【図２】ターボエキスパンダ発電装置の出口側端部および関連する軸受の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
添付の図面を参照して例示的な実施形態を以下に詳細に説明する。異なる図面における同じ参照符号は、同じまたは同様の要素と見なす。さらに、図面は必ずしも原寸に比例して描かれたものではない。また、以下の詳細な説明は本発明を限定するものではない。その代わり、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって規定される。
【００１９】
本明細書を通して、「一実施形態」または「実施形態」または「いくつかの実施形態」として言及することは、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示する主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書を通して様々な箇所で「一実施形態では」または「実施形態では」または「いくつかの実施形態では」という表現が現れるが、これらは、必ずしも同じ実施形態について言及している訳ではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な様態で組み合わせることができる。
【００２０】
図１には、一体型ターボエキスパンダ発電機またはターボエキスパンダ発電装置１が、機械の回転軸Ａ−Ａを含む平面に関する断面図で示されている。ターボエキスパンダ発電装置１は、ケーシング３、例えば、気密ケーシングを備えることができる。ケーシング３は、入口５および出口７から構成することができる。いくつかの実施形態では、ケーシング３は、入口ケーシング部３Ａ、中間ターボエキスパンダケーシング部３Ｂ、発電機ケーシング部３Ｃ、および出口ケーシング部３Ｄを含むことができる。３Ａ〜３Ｄの部分は、互いに密閉接続することができ、その結果、入口５から出口７に延在する気密ケーシング３が得られる。より多くの、またはより少ない数のケーシング部を有する異なったケーシング設計も考えられる。
【００２１】
ケーシング３は、ターボエキスパンダ９および発電機１１を収容することができる。シャフト１３は、ケーシング３内で回転支持することができる。シャフト１３は、軸Ａ−Ａの周りを回転することができる。発電機ロータ１１Ｒをシャフト１３に配置することができる。いくつかの実施形態では、発電機ロータ１１Ｒは、シャフト１３およびターボエキスパンダ９と共に回転するようにシャフト１３に取り付けることができる。他の実施形態では、図１に示すように、発電機ロータ１１Ｒはシャフト１３に一体形成される、すなわち、シャフト１３の一部分がそれ自体、発電機ロータ１１Ｒを形成する。発電機ロータ１１Ｒは、発電機ステータ１１Ｓの内部に同軸で配置され、発電機ステータ１１Ｓは、ケーシング３内、例えば、発電機ケーシング部３Ｃ内に静止収容される。
【００２２】
シャフト１３は、複数の軸受によってケーシング３内で回転支持することができる。いくつかの実施形態によれば、第１のラジアル軸受１５は、発電機１１とターボエキスパンダ９との間に配置することができる。第２のラジアル軸受１７は、ターボエキスパンダ９とは反対側の回転シャフト１３の端部１３Ａ近くに配置することができる（図２も参照のこと）。いくつかの実施形態では、アキシャル軸受またはスラスト軸受１９を、例えば、回転シャフト１３の端部１３Ａに、またはその近くにさらに設けることができる。他の実施形態では、アキシャル軸受またはスラスト軸受１９は、発電機ロータ１１Ｒとターボエキスパンダ９のインペラとの中間の位置に配置することができる。一方または両方のラジアル軸受１５、１７、ならびに／あるいはアキシャル軸受１９は、気体潤滑軸受とすることができる。いくつかの実施形態では、アキシャルおよび／またはラジアル軸受は、ハイブリッド軸受、すなわち、部分的に流体静圧で部分的に流体動圧の軸受である。
【００２３】
いくつかの実施形態によれば、ラジアル軸受１５、１７は、米国特許第８，０８３，４１３号に開示され、その内容を参照により本明細書に援用する、追従性ハイブリッド気体潤滑ラジアル軸受とすることができる。スラストまたはアキシャル軸受１９は、米国特許第２０１２／００２０５９５号に開示され、その内容を参照により本明細書に援用する、追従性ハイブリッドスラスト軸受とすることができる。
【００２４】
いくつかの実施形態では、ターボエキスパンダ９は、ターボエキスパンダロータ２１から構成され、ターボエキスパンダロータ２１は、シャフト端部１３Ａとは反対側のシャフト端部１３Ｂで、またはその近くで回転シャフト１３に取り付けられたインペラ２３を備えることができる。インペラ２３とシャフト１３とは互いに捩れないように拘束されて、シャフト１３とインペラ２３とが一緒に回転する。インペラ２３は、シャフト端部１３Ｂからはみ出して取り付けることができる。
【００２５】
インペラ２３はインペラハブ２３Ｈを備えることができ、インペラハブ２３Ｈには複数のブレード２３Ｂを設けることができる。ブレード２３Ｂは、ハブ２３Ｈの前面２３Ｆから突出することができる。前面２３Ｆの反対側のハブ２３Ｈの背面２３Ｇは発電機１１に面する。
【００２６】
シュラウド２５は、ケーシング３の内部に静止取付けすることができ、ブレード２３Ｂの先端に隣接して配置することができる。図示はしていないが、他の実施形態では、静止シュラウドの代わりに、ブレード２３Ｂと一体で回転するシュラウドを設けることができる。
【００２７】
ブレード２３Ｂは、インペラ入口からインペラ出口まで延在するガス通路を画定する。図１に示すように、インペラ入口は半径方向を向き、一方、インペラ出口は軸方向を向く。
【００２８】
ラジアル軸受１５は、外側ケーシング３から回転軸Ａ−Ａに向かって半径方向内向きに延在する仕切り壁３１内に取り付けることができる。仕切り壁３１は、ターボエキスパンダ９によって排出された膨張したガスを集める出口プレナム３３から、発電機１１を収容する発電機ケーシング部３Ｃの内部を分離することができる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、発電機ケーシング部３Ｃと出口ケーシング部３Ｄとの間に、外側ケーシング３から回転軸Ａ−Ａに向かって半径方向内向きに延在するさらなる仕切り壁３５を設けることができる。第２のラジアル軸受１７は、仕切り壁３５内に取り付けることができる。
【００３０】
ガス流路は、ガス入口５からインペラ２３の入口に向かって延在することができる。ガス流路は、チャネル３７から構成することができ、チャネル３７は、ガス入口５から仕切り壁３１に向かって出口プレナム３３の周りに延在する。通路３９は、仕切り壁３１内に形成することができ、インペラ２３の入口と流れ連通することができる。
【００３１】
ガスデフレクタ４１は、ターボエキスパンダインペラ２３の正面に配置することができる。ガスデフレクタ４１は、インペラ２３の出口側からのガス流れを流路４５に向けて向きを変えるように配置かつ構成することができ、流路４５は、仕切り壁３１を横切って延在して、出口プレナム３３を、発電機１１が収容された発電機ケーシング部３Ｃの内部と流れ連通する状態にする。
【００３２】
ここまで説明した配置では、圧縮されたガスの流れＦは、入口５でターボエキスパンダ発電装置１に入り、流路３７、３９に沿って流れ、最後に、概ね半径方向内向き方向にインペラ２３内に入る。ターボエキスパンダ９のインペラ２３に入った圧縮されたガスは、隣接するターボエキスパンダブレード２３Ｂ間に形成されたガス通路を通って流れる間に膨張する。膨張したガスは、インペラ２３からデフレクタ４１にぶつかるように矢印ＦEにしたがって流れて、出口プレナム３３に入る。膨張したガスは、そこから、さらに通路４５を通って、発電機１１が配置された発電機ケーシング部３Ｃによって形成されたハウジングに流入する。
【００３３】
膨張したガスは十分な圧力があり、発電機１１のロータ／ステータ装置１１Ｒ、１１Ｓを通って流れて、さらなる通路４９が設けられた仕切り壁３５に到達し、通路４９を通って、発電機１１が収容されたケーシング部を出て、ガス出口７に達する。
【００３４】
このように、圧縮されたガスＦは、ターボエキスパンダ９内で膨張することによって、回転シャフト１３で利用できる機械エネルギーを発生させる。この動力は、発電機ロータ１１Ｒを回転させるために、したがって、ターボエキスパンダ９によって発生した機械的動力を有用な電力に変換するために使用される。この電力は、図示していない配電網で利用することができる、または直接、ユーザに供給することができる。
【００３５】
膨張したガスは、発電機１１を通って流れ（矢印ＦE）、それによって、発電機１１からの熱を取り除いて発電機を冷却する。図１に示す実施形態では。膨張したガスの全部が発電機１１を通って流れる。しかしながら、このことは必須ではない。他の実施形態では、都合がよければ、膨張したガスの一部分だけを発電機１１を通して流すことができる。
【００３６】
ターボエキスパンダ発電装置１に供給されるガスの副流は、ガス入口５で主流から取られ、ラジアル軸受１５、１７、および／またはアキシャル軸受１９を潤滑するために使用することができる。
【００３７】
潤滑ガス供給源５１は、入口５と軸受１５、１７、および１９との間で流体結合される。潤滑ガス供給源５１は、図１において概略的に示されている。いくつかの実施形態では、フィルタ装置５３を潤滑ガス供給源５１内に、またはそれに沿って設けることができる。ターボエキスパンダ発電装置１を通って流れる作動ガスの副流は潤滑ガス供給源５１を通るように向けられ、気体潤滑軸受１５、１７、１９に供給される。軸受１５、１７、および１９を潤滑するために使用される作動ガスの副流内に含まれる恐れのある固体または液体物質はフィルタ装置５３によって取り除かれて、固体／液体物質が軸受内に入るのを防止する、または少なくすることができる。
【００３８】
いくつかの実施形態では、減圧装置５５もまた、潤滑ガス供給源５１内に、またはそれに沿って設けることができる。いくつかの実施形態では、減圧装置５５は、ガス入口５での入口圧力からの副流の圧力を、入口ガス圧力とターボエキスパンダ発電装置１の出口７における出口圧力との中間の圧力に下げる。減圧装置５５の下流側でのガス圧力は、気体潤滑のための最適な値に設定される。いくつかの実施形態では、同じ圧力の潤滑ガスがすべての軸受１５、１７、および１９に供給されるように単一の減圧装置５５を設けることができる。他の実施形態では、異なる軸受１５、１７、１９に異なるガス圧力を使用することができるように２つ以上の減圧装置を潤滑ガス供給源５１に設けることができる。例えば、最も上流の軸受１５には、より高い圧力の潤滑ガスを供給することができ、一方、２番目の下流のラジアル軸受１７およびアキシャル軸受１９は、より低い潤滑ガス圧力で潤滑することができる。このことは、第２の減圧装置５７が第１の減圧装置５５の下流に配置されることによって、図１に概略的に示されている。
【００３９】
参照符号６１および６３は、潤滑ガス供給源５１を軸受１５、および１７、１９にそれぞれ流体接続するダクトを示す。
【００４０】
軸受１５に供給される潤滑ガスＬＧ１は、図１の概略図で矢印ＬＧ1によって概略的に示されるように、軸受１５から主ガス流内に排出することができる。同様に、第２のラジアル軸受１７、およびアキシャル軸受またはスラスト軸受１９に供給される潤滑ガスＬＧ２もまた、矢印ＬＧ2によって示されるように、主流に排出することができる。
【００４１】
上記で説明した配置では、このように、ターボエキスパンダ９によって処理される作動ガスは、機械的動力を発生させるために使用され、この機械的動力は発電機１１によって有用な電力に変換される。同じガスはまた、発電機１１から熱を取り除くために冷却用に使用される。ターボエキスパンダ発電装置１を通って処理される同じ作動ガスの副流はさらに、ラジアル軸受１５、１７、およびスラストまたはアキシャル軸受１９を潤滑するために潤滑用に使用される。したがって、潤滑油を使用しないで済む。複雑で高価な能動型磁気軸受もまた不要となり、簡単で、より安価で、保守が容易な気体潤滑軸受に置き換えられる。
【００４２】
本明細書で開示したターボエキスパンダ発電装置１は、パイプラインからの天然ガスの圧力をガス事業者の地域配送網に適した圧力値に減圧する、いわゆる減圧設備で使用することができる。パイプラインを通して輸送するためにガスを加圧するのに必要な動力の少なくとも一部分は、このようにして、有用な電力の形で回収される。発電機の冷却および気体潤滑軸受の潤滑用に同じ作動ガスを使用すると、ターボエキスパンダ発電装置は、とりわけ、簡単で、安価で、高信頼性となるとともに、エネルギーの観点から効率的になる。
【００４３】
本明細書で説明された主題の開示された実施形態は、図面に示され、かつ、いくつかの例示的な実施形態に関連して、具体的にかつ詳細に上記で完全に説明されてきたが、本明細書で述べられている新規の教示、原理、および概念、ならびに添付の特許請求の範囲に記載される主題の利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正、変更、および省略が可能であることは当業者には明らかであろう。したがって、開示された革新性の適正な範囲は、すべてのそのような修正、変更、および省略を包含するように、添付の特許請求の範囲の最も広い解釈によってのみ決定されるべきである。さらに、任意のプロセスまたは方法のステップの順序または順番は、代替の実施形態に応じて変更または並べ直すことができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  ターボエキスパンダ発電装置
３  ケーシング
３Ａ  入口ケーシング部
３Ｂ  中間ターボエキスパンダケーシング部
３Ｃ  発電機ケーシング部
３Ｄ  出口ケーシング部
５  ガス入口
７  ガス出口
９  ターボエキスパンダ
１１  発電機
１１Ｒ  発電機ロータ
１１Ｓ  発電機ステータ
１３  シャフト
１３Ａ  シャフト端部
１３Ｂ  シャフト端部
１５  ラジアル気体潤滑軸受
１７  ラジアル気体潤滑軸受
１９  アキシャル気体潤滑軸受
２１  ターボエキスパンダロータ
２３  インペラ
２３Ｂ  ブレード
２３Ｆ  前面
２３Ｇ  背面
２３Ｈ  ハブ
２５  シュラウド
３１  仕切り壁
３３  出口プレナム
３５  仕切り壁
３７  チャネル
３９  通路
４１  ガスデフレクタ
４５  流路
４９  通路
５１  潤滑ガス供給源
５３  フィルタシステム
５５  減圧装置
５７  減圧装置
６１  ダクト
６３  ダクト
Ｆ  圧縮されたガス
ＦＥ  膨張したガス
ＬＧ１  潤滑ガス
ＬＧ２  潤滑ガス
【図１】
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【図２】
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