(57)【要約】【課題】小型のタービンの製作に好適に適用することができると共に、製作コスト及び製作時間を低減させることができるタービンロータおよびタービンステータの製作方法を提供する。【解決手段】円柱部１２と該円柱部１２の外周面に周方向に沿って配列される複数の動翼１３とを１つの材料１１から切削加工により一体的に形成し、円柱部１２及び複数の動翼１３を円筒部材１４内に挿入し、複数の動翼１３の端部と円筒部材１４の内周面１４ａとを接合し、円筒部材１４を削り出して複数の動翼１３に一体的に固定されるリング状のシュラウド部１５を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱部と該円柱部の外周面に周方向に沿って配列される複数の動翼とを１つの材料から切削加工により一体的に形成し、
前記円柱部及び前記複数の動翼を円筒部材内に挿入し、
前記複数の動翼の端部と前記円筒部材の内周面とを接合し、
前記円筒部材を削り出して前記複数の動翼に一体的に固定されるリング状のシュラウド部を形成することを特徴とするタービンロータの製作方法。
【請求項２】
円柱部と該円柱部の外周面に周方向に沿って配列される複数の静翼とを１つの材料から切削加工により一体的に形成し、
前記円柱部及び前記複数の静翼をタービンケーシング内に挿入し、
前記複数の静翼の端部と前記タービンケーシングの内周面とを接合し、
前記円柱部を削り出して前記複数の静翼に一体的に固定されるリング状のシュラウド部を形成することを特徴とするタービンステータの製作方法。
【請求項３】
前記シュラウド部を形成した後に、前記タービンステータを軸方向に沿って２つに分割することを特徴とする請求項２に記載のタービンステータの制作方法。
【請求項４】
請求項１に記載の製作方法により製作されたタービンロータ及び／又は請求項２又は３に記載の製作方法により製作されたタービンステータを備えたことを特徴とするタービン発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービン発電機などに使用されるタービンロータ及びタービンステータの製作方法に係り、特に小型のタービン発電機に好適に使用することができるタービンロータ及びタービンステータの製作方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱エネルギーを電力に変換させる装置として、タービンおよび発電機を備えた蒸気タービン発電装置が知られている。この蒸気タービン発電装置では、ボイラなどで高温高圧の蒸気を発生させ、この蒸気によりタービンを回転させて発電機を駆動し、これにより電力を発生させている。
【０００３】
最近では、２００〜３００℃、あるいはそれ以下の比較的低温の排熱からランキンサイクルなどを利用して熱エネルギーを回収し、この熱エネルギーを電力に変換する発電装置（発電システム）の開発が盛んに行われている。この種の発電装置は、小型のタービン発電機を備えたクローズドシステムとして構成される。この発電装置においては、排ガスなどの熱源により低沸点の作動媒体を気化させ、この気化した作動媒体をタービン発電機に供給することで発電が行われる。
【０００４】
上述したタービン発電機においては、タービンと発電機とは１本の軸を介して連結されており、タービンが回転することにより発電機が駆動されるようになっている。この種のタービンは、いわゆる軸流型の多段タービンであり、タービンロータとタービンステータとから基本的に構成されている。タービンロータは上記軸に固定され、このタービンロータを収容するようにタービンステータが配置される。
【０００５】
ここで、従来のタービンロータの製作方法について説明する。タービンロータは、軸に同心上に固定されるディスク部材と、このディスク部材の外周部に周方向に沿って配置される複数の動翼と、これらの動翼の先端部に固定されるリング状のシュラウドとから基本的に構成されている。動翼の先端部にはテノン（リベット）が形成されており、シュラウドに形成された孔をテノンに嵌合させた後、このテノンの頂部をハンマーなどで叩いて変形させることでシュラウドが動翼に固定される。このようなシュラウドを設けることにより、動翼の先端部における流体の漏れを軽減させるなどの効果を得ることができる。
【０００６】
次に、従来のタービンステータの製作方法について説明する。まず、ステンレス鋼などの板部材を用意し、この板部材を所望の長さに切断することで静翼を製作する。次に、複数の静翼をリング状の内ストリップバンドと外ストリップバンドとの間に周方向に沿って配置し、静翼を内ストリップバンド及び外ストリップバンドにそれぞれ溶接により固定する。その後、一体化された静翼、内ストリップバンド、及び外ストリップバンドを内輪部材と外輪部材との間に配置する。そして、内ストリップバンドを内輪部材に溶接し、外ストリップバンドを外輪部材に溶接する。このようにして、静翼、内ストリップバンド、外ストリップバンド、内輪部材、及び外輪部材から一体的に構成されたタービンステータが製作される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のタービンロータ及びタービンステータの製作方法には次のような問題点がある。すなわち、タービンロータの上記製作方法においては、ディスク部材、動翼、及びシュラウドは、それぞれ別体として設けられているため、タービンロータの強度が低くなるという問題があった。また、これらの部材を互いに固定する工程が必要となり、製作コスト及び製作時間が増加するという問題があった。さらに、小型のタービンを製作する場合においては、動翼の機械的強度が弱いため、シュラウドをテノンにより動翼に固定する上記方法を採用することが困難であった。
【０００８】
また、タービンステータの上記製作方法では、溶接箇所が多く、製作コスト及び製作時間が増大するという問題があった。また、サイズの小さい静翼に溶接を精度良く施すことは困難であり、これらの方法を小型のタービンの製作に適用することが困難であった。
【０００９】
本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、小型のタービンの製作に好適に適用することができると共に、製作コスト及び製作時間を低減させることができるタービンロータおよびタービンステータの製作方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、円柱部と該円柱部の外周面に周方向に沿って配列される複数の動翼とを１つの材料から切削加工により一体的に形成し、前記円柱部及び前記複数の動翼を円筒部材内に挿入し、前記複数の動翼の端部と前記円筒部材の内周面とを接合し、前記円筒部材を削り出して前記複数の動翼に一体的に固定されるリング状のシュラウド部を形成することを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、動翼は、１つの材料から円柱部と一体的に削りだされるので、動翼を精密に製作することが可能となる。したがって、小型で、かつ高効率のタービンロータを製作することが可能となる。また、部品点数を少なくできるので、製作コスト及び製作時間を低減させることができ、さらには、強度及び信頼性の高いタービンロータを製作することが可能となる。
【００１２】
また、本発明の他の態様は、円柱部と該円柱部の外周面に周方向に沿って配列される複数の静翼とを１つの材料から切削加工により一体的に形成し、前記円柱部及び前記複数の静翼をタービンケーシング内に挿入し、前記複数の静翼の端部と前記タービンケーシングの内周面とを接合し、前記円柱部を削り出して前記複数の静翼に一体的に固定されるリング状のシュラウド部を形成することを特徴とする。
この場合において、前記シュラウド部を形成した後に、前記タービンステータを軸方向に沿って２つに分割することが好ましい。
【００１３】
本発明によれば、静翼は、１つの材料から円柱部と一体的に削りだされるので、静翼を精密に製作することが可能となる。したがって、小型で、かつ高効率のタービンステータを製作することが可能となる。また、部品点数を少なくできると共に溶接工程を省略することができるので、製作コスト及び製作時間を低減させることができ、さらには、強度及び信頼性の高いタービンステータを製作することが可能となる。
【００１４】
本発明の他の態様は、請求項１に記載の製作方法により製作されたタービンロータ及び／又は請求項２又は３に記載の製作方法により製作されたタービンステータを備えたことを特徴とするタービン発電機である。
【００１５】
上述した本発明に係る製作方法によれば、小型のタービンロータ及びタービンステータを製作することができるので、小型のタービン発電機を製作することが可能となる。したがって、排ガスや排温水など比較的低温の排熱を熱源として利用した発電装置（発電システム）に好適に使用されるタービン発電機を実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１（ａ）乃至図１（ｄ）は本発明の一実施形態に係るタービンロータの製作方法を説明するための図である。
【００１７】
図１（ａ）に示すように、まず、ブロック状の材料１１を用意する。次に、図１（ｂ）に示すように、ブロック状の材料１１を削り出し、円柱部１２と、この円柱部１２の外周面に配置される複数段（本実施形態では６段）の動翼１３を一体的に形成する。動翼１３は段ごとに複数設けられ、複数の動翼１３は円柱部の周方向に沿って等間隔に配列される。複数段の動翼１３は、動翼１３の半径方向の長さが段ごとに徐々に短くなるように形成される。
【００１８】
次に、一体的に形成された円柱部１２及び動翼１３を、階段状の内周面１４ａを有する円筒部材１４に挿入し、各段の動翼１３の端部を、階段状の内周面１４ａにそれぞれ接触させる。この状態で、動翼１３の端部と円筒部材１４の内周面１４ａとを蝋付けなどの接合手段により接合する。そして、図１（ｄ）に示すように、円筒部材１４を削り出して各段の動翼１３の端部に一体的に固定される複数のリング状のシュラウド部１５を形成する。その後、円柱部１２の中心に軸方向に延びる軸孔１２ａを形成し、これにより、タービンロータ１０が完成する。
【００１９】
図２（ａ）乃至図２（ｄ）は本発明の一実施形態に係るタービンステータの製作方法を説明するための図である。図２（ａ）に示すように、まず、ブロック状２１の材料を用意する。次に、図２（ｂ）に示すように、ブロック状の材料２１を削り出し、円柱部２２と、この円柱部２２の外周面に配置される複数段（本実施形態では６段）の静翼２３を一体的に形成する。各段は複数の静翼２３を有し、各段の静翼２３は円柱部２２の周方向に沿って等間隔に配列される。複数段の静翼２３は、静翼２３の半径方向の長さが段ごとに徐々に短くなるように形成される。
【００２０】
次に、一体的に形成された円柱部２２及び静翼２３を、階段状の内周面２４ａを有するタービンケーシング２４内に挿入し、各段の静翼２３の端部を、階段状の内周面２４ａにそれぞれ接触させる。この状態で、各段の静翼２３の端部とタービンケーシング２４の内周面２４ａとを蝋付けなどの接合手段により接合する。なお、この接合工程の前または後に、軸方向に対して垂直に延びる複数の通孔２４ｂをタービンケーシング２４に形成する。その後、図２（ｄ）に示すように、円柱部２２を削り出して各段の静翼２３に一体的に固定される複数のリング状のシュラウド部２５を形成する。このようにして製作されたタービンステータ２０は、その中心軸に沿って２つに分割される。タービンステータ２０の２つの分割体は、各通孔２４ｂに挿通された図示しないボルトにナットを螺合させることにより互いに固定される。
【００２１】
図３は本発明の一実施形態に係る製作方法を用いて製作されたタービンロータ及びタービンステータを備えるタービン発電機を示す断面図である。
図３に示すように、タービン発電機は、軸流式のタービン（膨張機）１と、このタービン１と発電機（図示せず）を連結する主軸６とを備えている。作動媒体としての高温高圧の流体は、タービン１の中心部からタービン１内に導入されるようになっている。
【００２２】
本実施形態では、外部に設置された蒸気発生器などにより液相の作動媒体を気化させて高温高圧の流体（気相の作動媒体）を発生させる。なお、作動媒体としては、沸点が４０℃前後のＨＣＦＣ１２３（ジクロロトリフルオロエタン）或いはトリフルオロエタノール（ＣＦ３ＣＨ２ＯＨ）等が好適に用いられる。
【００２３】
タービン１は、主軸６に固定されたタービンロータ１０と、このタービンロータ１０の外側に配置されるタービンステータ２０とを備えている。タービンロータ１０は、軸方向に沿って配列された複数段（本実施形態では６段）の動翼１３と、動翼１３に一体的に固定されたシュラウド部１５とを備えている。タービンステータ２０は、タービンロータ１０を収容するタービンケーシング２４と、タービンケーシング２４の内周面に一体的に固定される複数段（本実施形態では６段）の静翼２３と、静翼２３に一体的に固定されたシュラウド部２５とを備えている。これらのタービンロータ１０及びタービンステータ２０は、上述した方法により製作されている。
【００２４】
各段の静翼２３の径方向内側にはラビリンス機構３０が設けられている。このラビリンス機構３０を設けることにより、段間の流体の漏れが防止され、タービン１の効率を高めることができる。上述したように、タービンステータ２０は軸方向に沿って２分割されており、２つの分割体は、通孔２４ｂに挿通されたボルト（図示せず）にナット（図示せず）を螺合させることによって互いに固定されている。
【００２５】
動翼１３及び静翼２３は軸方向に沿って交互に配置されている。タービンケーシング２４の内径は流体の流れ方向に沿って徐々に大きくなり、動翼１３及び静翼２３の径方向長さも流体の流れ方向に沿って段ごとに大きくなるように構成されている。このような構成により、タービン１に供給された高温高圧の流体はタービン１内でその圧力が減少され、比較的低温低圧の流体となってタービン１から吐出される。
【００２６】
タービンケーシング２４の外側には外胴３が設けられている。タービンケーシング２４と外胴３との間には、タービン１から吐出された流体が流れる流路３２が形成されている。タービン１の低圧側（吐出側）には軸受ブラケット３４が配置され、軸受ブラケット３４内には、主軸６を回転自在に支持する主軸受７が収容されている。軸受ブラケット３４のタービン側の表面は、タービンロータ１０から流路３２にかけて滑らかに湾曲した形状を有している。このような構成により、タービン１から流出した流体は軸受ブラケット３４の表面に沿って流れ、その流れ方向が変えられる。なお、図３に示す矢印は流体の流れを示す。
【００２７】
タービン１と発電機とを連結する主軸６は、主軸受７、タービン側補助軸受８、および発電機側補助軸受（図示せず）によって回転自在に支持されている。主軸受７はタービン１と発電機との間に配置され、主軸６、タービンロータ１０、および発電機ロータ（図示せず）を含めた回転体全体の略重心位置に配置されている。この主軸受７は、転がり軸受７ａ，７ｂが軸方向に沿って配置された、いわゆる並列組み合わせ軸受である。タービン側補助軸受８は主軸６のタービン側の端部であって、かつタービン１の高圧側に配置されている。
【００２８】
主軸受７、タービン側補助軸受８には、これらの潤滑及び冷却のための潤滑油が供給される。潤滑油供給用ポンプ（図示せず）から吐出された潤滑油は、潤滑油供給路４１，４２を介して、主軸受７およびタービン側補助軸受８に供給される。主軸受７およびタービン側補助軸受８に供給された潤滑油は、潤滑油回収路４４，４５を介して潤滑油供給用ポンプに戻る。発電機側補助軸受にも上記潤滑油供給用ポンプから潤滑油が供給されるようになっている。なお、必要に応じて潤滑油冷却器や除塵フィルタを設けてもよい。
【００２９】
上述したタービン発電機は、２００〜４００℃程度の排ガス或いは１００〜１５０℃の排温水など比較的低温の排熱を熱源として利用した発電装置（発電システム）に好適に使用される。このような比較的低温の排熱を利用する発電システムは、一般に、小規模な用途に用いられ、発電出力が１０ｋｗ以下の小型のタービン発電機が用いられている。図１（ａ）乃至図１（ｄ）、及び図２（ａ）乃至図２（ｄ）に示す本実施形態に係るタービンロータ及びタービンステータの製作方法によれば、小型のタービンロータ及びタービンステータを精度良く製作することができるので、小型で、かつ高効率のタービン発電機を製作することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、動翼は、１つの材料から円柱部と一体的に削りだされるので、動翼を精密に製作することが可能となる。したがって、小型で、かつ高効率のタービンロータを製作することが可能となる。また、部品点数を少なくできるので、製作コスト及び製作時間を低減させることができ、さらには、強度及び信頼性の高いタービンロータを製作することが可能となる。
【００３１】
また、静翼も、上述した動翼と同様に、１つの材料から円柱部と一体的に削りだされるので、静翼を精密に製作することが可能となる。したがって、小型で、かつ高効率のタービンステータを製作することが可能となる。また、部品点数を少なくできると共に溶接工程を省略することができるので、製作コスト及び製作時間を低減させることができ、さらには、強度及び信頼性の高いタービンステータを製作することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）乃至図１（ｄ）は本発明の一実施形態に係るタービンロータの製作方法を説明するための図である。
【図２】図２（ａ）乃至図２（ｄ）は本発明の一実施形態に係るタービンステータの製作方法を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る製作方法を用いて製作されたタービンロータ及びタービンステータを備えるタービン発電機を示す断面図である。
【符号の説明】
１      タービン
３      外胴
６      主軸
７      主軸受
８      タービン側補助軸受
１０      タービンロータ
１１，２１    材料
１２，２２    円柱部
１２ａ    軸孔
１３      動翼
１４      円筒部材
１５，２５    シュラウド部
２０      タービンステータ
２３      静翼
２４      タービンケーシング
３０      ラビリンス機構
３２      流路
３４      軸受ブラケット
４１，４２    潤滑油供給路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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