(57)【要約】【課題】低コストで運転上の安全性を確保することができるタービン発電機を提供する。特に、タービンの外壁の破裂を防止することができ、人がタービンの外壁に触接した場合でも火傷などの事故を防止することができるタービン発電機を提供する。【解決手段】１本の軸６により連結されたタービン１と発電機２とを備え、高温高圧の流体をタービン１に導くことでタービン１に連結された発電機２を駆動させて発電を行うタービン発電機において、タービン１の外面を囲む流路１６を設け、タービン１から吐出された流体を流路１６に導くように構成した。【選択図】  図１
2004339964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温高圧の流体をタービンに導くことで前記タービンに連結された発電機を駆動させて発電を行うタービン発電機において、
前記タービンの外面を囲む流路を設け、前記タービンから吐出された流体を前記流路に導くことを特徴とするタービン発電機。
【請求項２】
前記タービンは、軸に固定されるタービンロータと、前記タービンロータを収容するタービンケーシングとを備え、前記タービンケーシングの外側に外胴を設け、前記タービンケーシングと前記外胴との間に前記流路を形成し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３】
高温高圧の流体を前記タービンに導くための吸入管を、前記外胴、又は前記外胴に接続される吐出管内に収容したことを特徴とする請求項２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、タービン発電機に係り、特に高温高圧の流体を用いて発電を行うタービン発電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高温高圧の流体が持つ熱エネルギーを電力に変換させる装置として、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生成し、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】
上述したタービンは１本の軸を介して発電機に連結されており、タービンに連動して発電機が駆動されるようになっている。このような構成を有する蒸気タービン発電装置として、特許文献１には、軸流式の多段蒸気タービン及びこの多段蒸気タービンに単一軸を介して連結された発電機を備えた蒸気タービン発電装置が開示されている。
【０００４】
この種の蒸気タービン発電装置では、例えば、５００℃の高温高圧の蒸気が蒸気タービンに供給されるため、蒸気タービンの外壁（例えばケーシング）が破裂しないよう、この外壁には高い品質の材料が要求される。これに加えて、誤って蒸気タービンの外壁に人が触った場合には火傷をする危険性があるため、かかる事故を防止するための安全対策が必要とされる。
【０００５】
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の開発が盛んに行われている。この種の発電装置はクローズドシステムとして構成され、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に供給することで発電機が駆動される。このような比較的低温の熱エネルギーを利用した発電装置は、従来利用されずに捨てられていた排熱を熱源として用いることができるため、熱源として利用可能な温度領域を広げることができる。
【０００６】
しかしながら、気化した作動媒体は比較的低温ではあるものの、この発電装置においても、上述した蒸気タービン発電装置と同様に、安全対策を講じることが必要とされる。特に、小規模な用途、すなわち発電出力が１０ｋＷ程度以下の発電装置では、装置導入コストの回収期間を短縮する観点から、より低コストで、かつ確実に発電装置の安全性を確保することが求められている。
【０００７】
【特許文献１】
特表２００１−５２５５１２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
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、低コストで運転上の安全性を確保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。
【０００９】
【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、本発明は、高温高圧の流体をタービンに導くことで前記タービンに連結された発電機を駆動させて発電を行うタービン発電機において、前記タービンの外面を囲む流路を設け、前記タービンから吐出された流体を前記流路に導くことを特徴とする。
【００１０】
本発明の好ましい態様は、前記タービンは、軸に固定されるタービンロータと、前記タービンロータを収容するタービンケーシングとを備え、前記タービンケーシングの外側に外胴を設け、前記タービンケーシングと前記外胴との間に前記流路を形成したことを特徴とする。
【００１１】
上述した本発明によれば、タービンの外面を囲む流路には、タービンから吐出された比較的低圧の流体が流れるため、タービン発電機の外壁（例えば、外胴）が破損してしまうことを防止することができる。また、上述した流路を流れる流体の温度は、タービン内部に導かれる流体よりも低温となるので、タービン発電機の外壁（例えば、外胴）の温度を下げることができる。したがって、万一にも人がタービン発電機に接触した場合でも、火傷などの事故の発生を防止できる。
【００１２】
本発明の好ましい態様は、高温高圧の流体を前記タービンに導くための吸入管を、前記外胴、又は前記外胴に接続される吐出管内に収容したことを特徴とする。
上述した本発明によれば、高温高圧の流体が流れる吸入管の外側に、低温低圧の流体が流れる吐出管又は外胴が配置されるので、吐出管が破損して外部に流体が漏れ出すおそれが低減できる。また、吐出管を含むタービン発電機の外面の温度が過度に高温となってしまうことが防止され、タービン発電機に人が接触した場合でも大きな事故につながる可能性を低くできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態におけるタービン発電機を示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態に係るタービン発電機は、軸流式のタービン（膨張機）１と、ＤＣブラシレス型の発電機２と、タービン１に高温高圧の流体を導く吸込管３と、タービン１から吐出された流体を外部に導く吐出管４とから基本的に構成されている。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。
【００１４】
タービン１と発電機２とは１本の主軸６を介して互いに連結されている。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を収容するタービンケーシング１１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１２を備えており、タービンケーシング１１の内周面には複数段（本実施形態では６段）の静翼１３が軸方向に沿って固定されている。動翼１２及び静翼１３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１１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１２及び静翼１３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。
【００１５】
タービンケーシング１１の外側には外胴１５が設けられ、この外胴１５はタービン発電機の外壁の一部を構成している。タービンケーシング１１と外胴１５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１６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１７が配置され、軸受ブラケット１７内には、主軸６を回転自在に支持する主軸受２０が収容されている。軸受ブラケット１７のタービン側の表面は、タービンロータ１０から流路１６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１７の表面に沿って流れ、その流れ方向が変えられる。外胴１５はフランジ部２４を介して上述した吐出管４に接続されており、これにより、流路１６を流れる流体は吐出管４内に導入されるようになっている。なお、図１に示す矢印は流体の流れを示す。
【００１６】
吸込管３は吐出管４の内部に収容されている。吸込管３と吐出管４とは同軸上に配置され、吸込管３の外周面と吐出管４の内周面との間には、流路１６に連通する吐出流路２５が形成されている。このような構成により、高温高圧の流体は、吐出管４の内側に位置する吸込管３内を流れ、タービン１から吐出された低温低圧の流体は、吸込管３の外側に位置する吐出管４内を流れる。なお、外胴を延長することで吐出管を構成するようにしてもよい。この場合は、吸込管３は外胴の内部に収容されることとなる。
【００１７】
発電機２は、発電機ロータ２９と発電機ステータ３０とを備え、タービン１の低圧側（吐出側）に配置されている。発電機ロータ２９は、周方向に沿って配置された複数の永久磁石（図示せず）を備えている。この発電機ロータ２９は主軸６の端部近傍に固定され、主軸６を介してタービンロータ１０と一体的に回転するようになっている。発電機ステータ３０は、微小な隙間を介して発電機ロータ２９の外周側に配置され、複数の鉄心３０ａに巻線３０ｂが装着された構成を有している。
【００１８】
発電機ステータ３０の巻線３０ｂには動力線３２が接続されており、この動力線３２はコネクタ３３を介して図示しない周波数変換器に電気的に接続されている。発電機２によって発電された電力は、動力線３２を介して周波数変換器に流れ、周波数変換器によって所望の周波数及び電圧（例えば６０Ｈｚ、２００Ｖ）に変換され、商用電力として使用される。
【００１９】
発電機ステータ３０の外周側には冷却ジャケット３８が設けられている。冷却ジャケット３８内に形成された円筒状の冷却液流路３８ａには、冷却液導入口  ３８ｂを介して水または油などの冷却液が供給され、これにより、発電機２、特に発電機ステータ３０が効率的に冷却される。
【００２０】
主軸６の発電機側の端部近傍には、タービン１（主軸６）の回転速度を検出するセンサ３９が設けられている。センサ３９の出力信号は信号線４０によりコネクタ４３を介して外部に伝達される。発電機２の発電量はタービン１の回転速度を加減速させることで制御され、タービン１の回転速度は、タービン１に供給される高温高圧の流体の供給量または供給圧力を調整することで制御される。
【００２１】
すなわち、発電量を増加させる場合は、流体の供給量または供給圧力を増加させてタービン１の回転速度を増加させる。このとき、タービン発電機が安全に運転されるようにセンサ３９によってタービン１の回転速度を監視しつつ、タービン１への高圧流体の供給量または供給圧力を図示しないバルブなどでコントロールする。一方、発電量を減少させる場合は、流体の供給量または供給圧力を低減させてタービン１の回転速度を低下させる。なお、タービン１の回転速度または発電機２の発電量の制御は、液化した作動媒体を蒸発発生器（後述）に移送するための送液ポンプ（後述）の運転を制御することによっても行うことができる。
【００２２】
タービン１と発電機２とを連結する主軸６は、主軸受２０、タービン側補助軸受２１、および発電機側補助軸受２２によって回転自在に支持されている。主軸受２０はタービン１と発電機２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２９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２０は、転がり軸受２０ａ，２０ｂ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２１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。また、発電機側補助軸受２２は、主軸６の発電機側の端部に配置されている。なお、主軸受２０、タービン側補助軸受２１、及び発電機側補助軸受２２としては、アンギュラ玉軸受が好適に用いられる。
【００２３】
主軸受２０、タービン側補助軸受２１、および発電機側補助軸受２２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２０およびタービン側補助軸受２１に供給される。主軸受２０およびタービン側補助軸受２１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される。発電機側補助軸受２２にも上記潤滑油供給用ポンプから潤滑油供給路４６を介して潤滑油が供給される。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。
【００２４】
ここで、主軸受２０、タービン側補助軸受２１、および発電機側補助軸受２２に供給された潤滑油の一部は、作動媒体に混入し、更にその一部は発電機２の内部にも浸入する。このため、潤滑油と作動媒体とを分離する図示しない油分離装置が別途設けられる。分離された潤滑油は上記潤滑油供給用ポンプに戻され、分離された作動媒体は送液ポンプ（後述）に戻される。なお、本実施形態に係るタービン発電機は、タービン１が上方に位置し、発電機２が下方に位置す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潤滑油および作動媒体とを分離するための油分離装置の好ましい設置位置は発電機２の下方となる。
【００２５】
図２は本発明の実施形態に係るタービン発電機を備えた発電装置（発電システム）を示す概略図である。図２に示す発電装置は、ランキンサイクルを利用したクローズドシステムとして構成されている。この発電装置は、排熱などの熱エネルギーを利用して高温高圧の蒸気（気相の作動媒体）を生成する蒸気発生器１０２と、この高温高圧の蒸気により駆動されるタービン発電機１００（タービン１および発電機２）と、タービン発電機１００から吐出された蒸気を冷却媒体１０４により冷却して凝縮させる凝縮器１０５と、凝縮器１０５にて凝縮された液相の作動媒体を蒸気発生器１０２に送り込む送液ポンプ１０６とを備えている。
【００２６】
蒸気発生器１０２には、熱源としての排ガスや排温水などが供給される。そして、排ガスなどの熱源が持つ熱エネルギーは蒸気発生器１０２を介して作動媒体に伝達され、これにより作動媒体が気化される。凝縮器１０５には冷却媒体（例えば水）１０４が供給されるようになっており、凝縮器１０５に導入された作動媒体は冷却媒体１０４により冷却されて気相から液相に変化する。
【００２７】
上述したように、本実施形態では、作動媒体として、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。これにより、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することができる。したがって、上記発電装置では、比較的低温の排ガス或いは排温水を上述した蒸気発生器１０２に導き、これにより作動媒体を気化させる。このように、低沸点の作動媒体を用いることにより、従来有効に利用されずに捨てられていた排熱を熱源として利用することができ、これにより、熱源として利用可能な温度領域を広げることができる。
【００２８】
次に、図２に示す発電装置の動作について説明する。まず、液状の作動媒体は送液ポンプ１０６により蒸気発生器１０２に供給される。蒸気発生器１０２では、例えば２００〜３００℃程度の排ガスを熱源として用いて作動媒体を気化させ、高圧高温の蒸気を発生させる。この高圧高温の蒸気は、タービン発電機１００に送られ、吸込管３（図１参照）を介してタービン（膨張機）１に供給される。これにより、タービン１が駆動され、発電機２により発電が行われる。
【００２９】
タービン発電機１００から排出され低温低圧となった蒸気は、次に凝縮器１０５へ導かれる。凝縮器１０５では、蒸気が持つ熱が冷却媒体１０４に伝達され、これにより作動媒体が液化する。そして、液化した作動媒体は送液ポンプ１０６へ戻る。以上のクローズドループを連続的に繰り返すことでタービン発電機１００は有効に作動する。
【００３０】
このように、本実施形態に係るタービン発電機は、比較的低温の熱源を利用することができることから、その使用範囲は従来のタービン発電機よりも拡大すると期待されている。したがって、タービン発電機を種々の状況下で稼動させる場合でも、火傷などの事故を起こさないように安全性を確保することが必要となってくる。本実施形態に係るタービン発電機では、高温高圧の流体（作動媒体としての蒸気）が供給されるタービン１の外側に比較的低温低圧となった流体の流路１６および１５外胴を設け、タービン１の外面が外部に露出しないように構成されている。さらに、高温高圧の流体が流れる吸込管３および吐出管４は同軸上に配置されて二重構造となっている。このような構成により、タービン発電機の外胴１５が亀裂して高温の流体が漏れ出してしまうことが防止され、また、誤って人がタービン発電機の外胴１５や吐出管４を触った場合でも火傷などの事故の発生を防止することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、タービンの外面を囲む流路には、タービンから吐出された比較的低圧の流体が流れるため、タービン発電機の外壁（例えば、外胴）が破損してしまうことを防止することができる。また、上述した流路を流れる流体の温度は、タービン内部に導かれる流体よりも低温となるので、タービン発電機の外壁（例えば、外胴）の温度を下げることができる。したがって、万一にも人がタービン発電機に接触した場合でも、火傷などの事故の発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるタービン発電機を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るタービン発電機を備えた発電装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１      タービン
２      発電機
３      吸込管
４      吐出管
６      主軸
１０      タービンロータ
１１      タービンケーシング
１２      動翼
１３      静翼
１５      外胴
１６      流路
１７      軸受ブラケット
２０      主軸受
２１      タービン側補助軸受
２２      発電機側補助軸受
２４      フランジ部
２５      吐出流路
２９      発電機ロータ
３０      発電機ステータ
３０ａ    鉄心
３０ｂ    巻線
３２      動力線
３３，４３    コネクタ
３８      冷却ジャケット
３９      センサ
４０      信号線
４１，４２，４６    潤滑油供給路
４４，４５    潤滑油回収路
１００    ガスタービン発電機
１０１    熱源
１０２    蒸気発生器
１０４    冷却媒体
１０５    凝縮器
１０６    送液ポンプ
【図１】
2004339964.tif 000003
【図２】
2004339964.tif 000004