(57)【要約】【課題】低温の廃熱エネルギーを有効利用することができる発電システムにおいて、周辺の潤滑油供給ポンプや作動媒体の循環系に用いる送液ポンプ等を含めて、全体として小型・コンパクト化し、且つ低コスト化することができるタービン発電機を提供する。【解決手段】作動媒体の高圧蒸気を膨張させることによりタービンを駆動し、該タービンと単一軸で構成した発電機により発電するタービン発電機１２において、前記タービン発電機の回転を機械的に利用して、軸受に潤滑油を供給する潤滑油供給ポンプ１６と、作動媒体の凝縮液を蒸気発生器１１に供給する作動媒体ポンプ１５を駆動するようにした。また、タービンおよび発電機の下部に軸受を潤滑する潤滑油と作動媒体を分離するための液体分離槽１３を配置し、前記潤滑油供給ポンプ１６と、作動媒体ポンプ１５を、前記液体分離槽１３の内部に設けた。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体の高圧蒸気を膨張させることによりタービンを駆動し、該タービンと単一軸で構成した発電機により発電するタービン発電機において、前記軸とポンプの回転軸とを連結し、前記タービン発電機の回転を機械的に利用して前記ポンプを駆動するようにしたことを特徴とするタービン発電機。
【請求項２】
前記ポンプは、前記タービン発電機の単一軸を支持する各部の軸受に潤滑油を供給する潤滑油供給ポンプであることを特徴とする請求項１に記載のタービン発電機。
【請求項３】
前記ポンプは、前記蒸気発生器に供給する作動媒体の凝縮液の送液ポンプであることを特徴とする請求項１に記載のタービン発電機。
【請求項４】
前記軸を縦軸に配置し、前記タービンおよび発電機の下部に軸受を潤滑する潤滑油と作動媒体を分離するための液体分離槽を配置し、前記軸受に潤滑油を供給する潤滑油供給ポンプと、作動媒体の凝縮液を蒸気発生器に供給する作動媒体の送液ポンプを、前記液体分離槽に設けたことを特徴とする請求項１に記載のタービン発電機。
【請求項５】
前記タービン発電機の軸端に歯車減速機を設け、前記潤滑油供給ポンプ及び又は作動媒体の送液ポンプの回転速度を、前記タービン発電機の回転速度よりも低速としたことを特徴とする請求項４に記載のタービン発電機。
【請求項６】
前記潤滑油供給ポンプを、歯車ポンプと歯車ポンプのキャビテーション発生を防止するためのインデューサとで構成したことを特徴とする請求項４に記載のタービン発電機。
【請求項７】
前記作動媒体の送液ポンプをインデューサ付きの遠心ポンプで構成したことを特徴とする請求項４に記載のタービン発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的低温の廃熱などを回収して、この熱エネルギーを電力に変換するタービン発電機に係り、特にタービンと発電機を単一軸で構成したタービン発電機の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
２００〜４００℃程度の排ガスあるいは１００〜１５０℃の排温水など比較的低温度の廃熱を有効に発電電力として回収することが試みられている。このような低温度の廃熱の回収は、いわゆるランキンサイクル等を利用したクローズドシステムの発電装置として実現可能であり、装置のコンパクト化のために、作動媒体として水ではなく、低沸点の作動媒体が用いられている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような小規模な用途、すなわち発電出力が１０ｋＷ程度以下の設備などでは、設置スペースを小さく抑え、導入コストの回収期間を短縮する観点から、より高速・小型化したタービン発電機が求められている。特許文献２は、軸流式の多段蒸気タービンと単一軸に発電機とを設けた蒸気タービン発電機を開示している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１１０５１４号公報
【特許文献２】
特表２００１−５２５５１２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の発電システムはタービン発電機以外に蒸気発生器や凝縮器が必要となるだけでなく、軸受の潤滑油を供給するためのポンプや、作動媒体を供給するためのポンプが必要であり、これらを含めたシステム全体でのコンパクト化・低コスト化が要請されている。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、低温の廃熱エネルギーを有効利用することができる発電システムにおいて、周辺の潤滑油供給ポンプや作動媒体の循環系に用いる送液ポンプ等を含めて、全体として小型・コンパクト化し、且つ低コスト化することができるタービン発電機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のタービン発電機は、作動媒体の高圧蒸気を膨張させることによりタービンを駆動し、該タービンと単一軸で構成した発電機により発電するタービン発電機において、前記軸とポンプの回転軸とを連結し、前記タービン発電機の回転を機械的に利用して前記ポンプを駆動するようにしたことを特徴とする。ここで、前記ポンプは、前記タービン発電機の軸を支持する各部の軸受に、潤滑油を供給する潤滑油供給ポンプであることが好ましい。また、前記ポンプは、前記蒸気発生器に供給する作動媒体の凝縮液の送液ポンプであることが好ましい。
【０００８】
上述した本発明によれば、作動媒体の高圧蒸気を膨張させることによりタービンを駆動し、該タービンに単一の回転軸で接続した発電機により発電を行うシステムにおいて、潤滑油供給ポンプや作動媒体の送液ポンプをタービン発電機の回転を機械的に利用することで、ポンプ駆動用のモータや電源を別途に設ける必要が無いため、部品点数が削減され、システム全体としてコンパクト化を達成できる。また、低コスト化や高信頼性化が期待できる。
【０００９】
また、本発明のタービン発電機は、前記タービン発電機において、前記単一軸を縦軸に配置し、前記タービンおよび発電機の下部に軸受を潤滑する潤滑油と作動媒体を分離するための液体分離槽を配置し、前記軸受に潤滑油を供給する潤滑油供給ポンプと、作動媒体の凝縮液を蒸気発生器に供給する作動媒体の送液ポンプを、前記液体分離槽に設けたことを特徴とするものである。
【００１０】
閉回路で構成されるシステム内には軸受潤滑油と作動媒体が混在する。これらを分離する最も効果的な方法の一つは、両者の密度差を利用するものである。このため、潤滑油及び凝縮液化した作動媒体をタービン発電機下部の液体分離槽に集め、密度差によって上下に分離された各々の液体に対応するように槽内に、潤滑油供給ポンプと作動媒体ポンプを設けている。このように構成した結果、本来必要な液体分離槽（媒体分離装置）の中に２つのポンプを無駄なく配置できるため、タービン発電機の外部にこれらのポンプを配置する必要が無くなり、システムを全体として小型・コンパクト化することができる。
【００１１】
ここで、前記タービン発電機の軸端に歯車減速機を設け、前記潤滑油供給ポンプ及び又は作動媒体の送液ポンプの回転速度を前記タービン発電機の回転速度よりも低速とすることが好ましい。また、潤滑油供給ポンプを、歯車ポンプとそのキャビテーション発生を防止するためのインデューサとで構成することが好ましい。また、前記作動媒体の送液ポンプをインデューサ付きの遠心式ポンプで構成することが好ましい。
【００１２】
多くの場合、好ましいタービン発電機の回転速度は毎分数万回転から１０万回転以上に達する。これに対して、ポンプの好ましい設計回転速度は毎分１〜２万回転以下のレベルである。これは、ポンプを高速で設計するとキャビテーションを生じ易くなること、ポンプが小さくなりすぎて製作しにくいこと、などの要因による。減速機によってポンプに好適な回転速度を作り出すとともに、適宜インデューサを使用することでキャビテーションを防止できる。その上で、作動媒体ポンプを比較的低コストで製作できる遠心ポンプで構成し、より高圧が必要となる潤滑油供給ポンプを歯車ポンプで構成することが好ましい。これにより、システムを全体として小型・コンパクト化することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照ながら説明する。なお、各図中、同一の機能を有する部材または要素には同一の符号を付して、その重複した説明を省略する。
【００１４】
図１は、低温の廃熱エネルギーを有効に回収利用して発電するのに好適な、本発明の実施形態のガスタービン発電機の構成例を示す。このガスタービン発電機は、高圧蒸気を膨張させることによりタービン２１を回転駆動し、このタービンに単一軸で直結した発電機２２を回転駆動することで、発電を行うものである。即ち、このタービン発電機は、軸流式のタービン２１とＤＣブラシレス発電機２２とを備え、このタービンロータ２３と発電機ロータ２４とが一体的に単一軸の主軸２５に固定されている。このタービン発電機は、縦置（縦軸）であり、主軸２５の上部にタービンロータ２３が固定され、主軸２５の下部に発電機ロータ２４が固定されている。但し、このタービン発電機を横置（横軸）として使用しても良いことは勿論である。
【００１５】
タービンロータ２３には、複数の動翼２７が軸方向に配列して固定され、その動翼２７の外側に複数の静翼２８を備えたタービンケーシング２９が配置されている。また、タービンケーシング２９の外側には外胴３１が設けられ、タービンケーシング２９と外胴３１の間をタービンを回転駆動した後の作動媒体の低圧蒸気が流れる流路３３ｂを構成している。タービンの吸込側には、吸込管３２が配置され、タービンの吸込側に接続した作動媒体の高圧蒸気（ガス）が流れる流路３３ａを構成している。すなわち、この吸込管３２は、タービンの外胴３１、または外胴に接続されるタービン吐出管３４の内部に収容され、タービン吸込管３２とタービン吐出管３４とが二重管構造をなしている。従って、二重管の内側のタービン吸込管３２からタービン２１に流入した作動媒体の高圧蒸気はタービンロータ２３を回転駆動し、低圧となった作動媒体の蒸気が二重管の外周部であるタービン吐出管３４の内部の流路３３ｂを通って流出する。
【００１６】
発電機ロータ２４は永久磁石をその円周面に沿って交互に配置した永久磁石型のロータにより構成され、発電機ロータ２４の周囲には僅かなクリアランスを介して発電機ステータ２６が配置されている。また、発電機ステータ２６の外周部には冷却ジャケット３８が設けられ、外部から水または油などの冷却液が供給され、発熱する発電機、特に発電機ステータ２６を効率的に冷却する。この発電機２２は、ＤＣブラシレス型の交流発電機であり、その発電出力は発電機ステータ２６に設けられた巻線部から動力線４０を介して外部に取り出される。動力線４０はコネクタ４４を介して図示しない周波数変換器に接続され、交流発電機２２の発電出力は周波数変換器によって所定の周波数・電圧（例えば６０Ｈｚ・２００Ｖ）に変換され、負荷機器に電力が供給される。
【００１７】
発電機ロータ２４の反タービン側の主軸端部には回転速度を検出するセンサ４１が設けられ、主軸２５の回転速度が検出される。センサ４１の出力は信号線４２によりコネクタ４３を介して外部に伝達される。なお、タービン発電機の回転速度は、タービンに供給される作動媒体の高圧蒸気の供給量または供給圧力を調整することで調整することができる。すなわち、タービン発電機が安全に運転可能な許容回転速度以下の範囲において、発電量を増加させる場合は供給する作動媒体の高圧蒸気量を増加させ、発電量を減少させる場合は作動媒体の高圧蒸気量を低減することで発電量を制御することができる。このとき、回転速度センサ４１によって回転速度を検出しつつ、タービンへの高圧蒸気の供給量または供給圧力を電動バルブ（図示しない）などでコントロールすることで上記調整が可能である。また、作動媒体の供給量は、後述する作動媒体の送液ポンプ１５（図２参照）の速度を制御することによっても行うことができる。
【００１８】
主軸２５はタービン２１と発電機２２との間の略中央部で主軸受３５により支持されている。主軸受３５はアンギュラ玉軸受３５ａ，３５ｂを並列に配置して構成したものであり、タービンロータ２３と発電機ロータ２４とを含めた回転体全体の略重心位置に配置されている。そして、タービンロータ２３の反発電機側、すなわちタービン２１の高圧側の主軸端部には単列のアンギュラ玉軸受からなるタービン側補助軸受３６を備えている。また、発電機ロータ２４の反タービン側の主軸端部には、同様に単列のアンギュラ玉軸受からなる発電機側補助軸受３７が配置されている。
【００１９】
図２は、上述のタービン発電機を利用したクローズドシステムの発電装置の概要を示す。廃熱などを回収し作動媒体の高圧蒸気を生成する蒸気発生器１１と、該高圧蒸気を膨張させることにより発電機２２に接続したタービン２１を駆動するタービン発電機１２と、前記タービン２１を駆動した後の低圧蒸気を冷却媒体にて冷却して凝縮液を形成する凝縮器１４と、前記凝縮器１４にて凝縮した作動媒体の凝縮液を前記蒸気発生器１１に送り込む送液ポンプ１５とを備えている。凝縮器１４には冷却媒体の冷却配管１４ａを備え、タービンを駆動した後の低圧蒸気を冷却することで凝縮液を生成する。
【００２０】
ここで、作動媒体として、沸点が４０℃前後のＨＦＣ１２３或いはトリフルオロエタノール（ＣＦ３ＣＨ２ＯＨ）等を用いることが好ましい。これにより、比較的低温の２００〜４００℃程度の排ガス或いは１００〜１５０℃の排温水など比較的低温度の熱源を利用して、これらの熱エネルギーを作動媒体の高圧蒸気に変換し、これによりタービン発電機１２で発電機２２に直結したタービン２１を回転駆動し、発電を行うことができる。
【００２１】
主軸受３５、タービン側補助軸受３６、および発電機側補助軸受３７には、潤滑・冷却のために潤滑油が供給される。潤滑油供給ポンプ１６から吐出された潤滑油は、潤滑油供給用配管を介して、主軸受３５および補助軸受３６に並列に供給され、潤滑油回収用配管を介して潤滑油供給ポンプ１６に戻る。補助軸受３７にも潤滑油が主軸受３５および補助軸受３６に対して順次あるいは並列に供給される。
【００２２】
この際、必要に応じて油冷却器１７や除塵フィルタが各部に設けられる。また、各軸受に供給された潤滑油の一部は、タービンの作動媒体に混入し、更にその一部は発電機内部にも浸入するため、潤滑油と作動媒体を分離する液体分離槽１３がタービン発電機１２の下部に設けられる。分離された潤滑油は潤滑油供給ポンプ１６に戻り、同じく分離された作動媒体は凝縮されて作動媒体の送液ポンプ１５に戻る。なお、上記タービン発電機はタービン２１が上部に、発電機２２が下部となる縦軸の構成になっているため、自然流下によって集まった油を分離するための液体分離槽１３の好ましい取付位置は発電機２２の下端部となる。
【００２３】
次に、このタービン発電機の基本的な動作手順の概要について説明する。まず、発電機が始動用モータとして回転を始める。即ち、商用交流電力が周波数変換器に供給され、周波数変換器がＤＣブラシレスモータの作用をする発電機に電力を供給してタービンを回転させる。同時に潤滑油供給ポンプ１６が回転し、タービン発電機１２の各部の軸受に潤滑油を供給する。また、並行して作動媒体の送液ポンプ１５が回転し、作動媒体の凝縮液を蒸気発生器１１に供給する。
【００２４】
次に、蒸気発生器１１が外面に設けた伝熱フィンによって、例えば２００〜３００℃程度の温風から熱を取り入れて作動媒体を気化させ高圧高温ガスを作り出す。そして、前記高圧高温ガスはタービン吸込管からタービン内に供給されタービン発電機１２を回転駆動させ発電を開始する。発電を開始した時点で発電機はモータから発電機へ機能が転換する。次に、タービンから吐出された低圧膨張ガスはタービンケーシングと外胴の間を通過し、タービン吐出管から凝縮器１４へ導かれる。そして、凝縮器１４で外面に設けた伝熱フィン１４ａによって、例えば大気に熱を放出して作動媒体を凝縮・液化させる。そして、潤滑油と作動媒体の凝縮液が液体分離槽１３へ戻る。液化した作動媒体が、送液ポンプ１５へ戻り、再び加圧された蒸発器１１に送り込まれる。以上のクローズトループを連続的に繰り返すことでタービン発電機は有効に作動する。
【００２５】
タービン発電機１２の下部に液体分離槽１３が設けられており、液体分離槽１３の内部に潤滑油供給ポンプ１６と作動媒体の送液ポンプ１５が設けられている。ここでは潤滑油の密度が作動媒体の密度に比べて小さいため、潤滑油供給ポンプ１６が上部に、作動媒体の送液ポンプ１５が下部に設けられている。２つのポンプはタービン発電機１２の回転を機械的に利用して駆動される。なお、潤滑油の供給ポンプ１６から供給された潤滑油はタービン発電機の各軸受を潤滑・冷却した後に、冷却器１７で冷却されて液体分離槽１３内部に配置された供給ポンプ１６に戻る。
【００２６】
次に、液体分離槽１３内の具体的構造について、図３を参照して説明する。液体分離槽１３は、図３に示すように、潤滑油の戻り配管５３ａと、作動媒体の凝縮液の戻り配管６３ａを備え、潤滑油および作動媒体（凝縮液）のタンクとしての役割を果たしている。液体分離槽１３において潤滑油と作動媒体の凝縮液が密度差によって分離され、潤滑油は上部の潤滑油供給ポンプ１６の近傍へ、また、作動媒体は下部の作動媒体の送液ポンプ１５の近傍に集まる。
【００２７】
そして、作動媒体（凝縮液）は送液ポンプ１５により配管６３ｂを介して蒸発器１１に加圧送出される。潤滑油は供給ポンプ１６により配管５３ｂを介して、タービン発電機の各軸受に加圧送出される。
【００２８】
タービン発電機の発電機側の軸端部２５ａが液体分離槽１３の上部に引き込まれて配置されている。ここに歯車減速機５１ａ，５１ｂが設けられ、タービン発電機の２０％程度の回転速度が回転軸５２に作り出される。
【００２９】
減速された軸５２には適宜軸受５３が設けられ、一部に歯車ポンプの駆動歯車５４ａが設けられている。そして駆動歯車５４ａによって駆動される従動歯車５４ｂとの間で歯車ポンプが構成されている。歯車ポンプの従動歯車５４ｂには軸５５と軸受５６が適宜設けられ、従動歯車の軸の先端には遠心ポンプ５７が設けられている。この遠心ポンプ５７は歯車ポンプ５４ａ，５４ｂがキャビテーションを生じないように所謂インデューサの役割を果たしている。
【００３０】
遠心ポンプ５７によって昇圧された潤滑油は歯車ポンプ５４ａ，５４ｂに導かれ、更に昇圧されて潤滑油供給配管５３ｂから各軸受へと送り出される。駆動歯車５４ａの軸５２は減速機の反対側に軸継手５９が設けられ、液体分離槽下部に設けられた作動媒体の送液ポンプの軸６０と直結されている。
【００３１】
作動媒体の送液ポンプ１５は、遠心式ポンプ６１の先端にキャビテーション防止用のインデューサ６２が設けられた構成になっている。なお、このようなシステムにおいてポンプがキャビテーションを発生しないために利用出来るＮＰＳＨ（ａｖａｉｌａｂｌｅ  ｎｅｔ  ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｓｕｃｔｉｏｎ  ｈｅａｄ）の値は、凝縮器１４と液体分離槽１３の高さの違いによる静圧分しか期待できないため、ポンプの低速化やインデューサなどのキャビテーション対策が必要となる。作動媒体の送液ポンプ１５の軸受６３は、潤滑油中に没する場合には玉軸受を使用することが好ましく、作動媒体中に没する場合には、特殊な滑り軸受を用いることが好ましい。
【００３２】
ここで、液体分離槽１３は、タービン発電機と同一のケーシング内部に収容されることが好ましい。これにより、潤滑油の供給ポンプや作動媒体の送液ポンプおよびこれらの液体のタンクを含めたタービン発電機をコンパクトに且つ経済的に構成することができる。しかしながら、液体分離槽１３をタービン発電機のケーシングとは別体に構成するようにしても勿論良い。
【００３３】
なお、上記実施形態は本発明の実施例の一態様を述べたもので、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能なことは勿論である。
【００３４】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、比較的低温の廃熱から発電電力を取出すタービン発電機において、潤滑油供給用ポンプや作動媒体の送液ポンプおよびこれらのタンクなどの関連機器を搭載したタービン発電機を、コンパクト且つ低コストに実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のタービン発電機の構成例を示す断面図である。
【図２】液体分離槽を備えたタービン発電機の構造例を示す図である。
【図３】液体分離槽内部の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１１    蒸気発生器（蒸発器）
１２    タービン発電機
１３    液体分離槽
１４    凝縮器
１４ａ    冷却配管（伝熱フィン）
１７    冷却装置
１５    作動媒体の送液ポンプ
１６    潤滑油の供給ポンプ
２１    タービン
２２    ＤＣブラシレス発電機
２３    タービンロータ
２４    発電機ロータ
２５    主軸
２５ａ  主軸の軸端部
２６    発電機ステータ
２７    動翼
２８    静翼
２９    タービンケーシング
３１    外胴
３２    タービン吸込管
３３ａ，３３ｂ    ガス流路
３４    タービン吐出管
３５    主軸受
３６    タービン側補助軸受
３７    発電機側補助軸受
３８    冷却ジャケット
４０    動力線
４１    回転センサ
４２    信号線
４３    コネクタ
４６ａ，４６ｂ，４７    潤滑油配管
５１ａ，５１ｂ    減速機
５２，５５，６０    回転軸
５３，５６，６３    軸受
５４ａ，５４ｂ      歯車ポンプ
５７，６１    遠心ポンプ
６２    インデユーサ
【図１】
2004346839.tif 000003
【図２】
2004346839.tif 000004
【図３】
2004346839.tif 000005