(57)【要約】【課題】簡易な構成で発電機の冷却を効率的に行うことができ、コンパクトな構成することができるＶＰＣ発電用発電機一体型タービン【解決手段】ハウジング２内に、タービンロータ４と、タービンロータ４に同軸状に連結された発電機５と、タービンロータ４に向けて有機媒体を噴出させるノズル31とを有し、ノズル31から低沸点の有機媒体を噴出させてタービンロータ４に衝突させ、タービンロータ４を回転させることにより発電機を駆動させて発電を行うＶＰＣ発電用発電機一体型タービンにおいて、タービンロータ４と衝突した後の有機媒体の排出流路６内に発電機５を配置させ、排出流路６内を流れる有機媒体が発電機５と接触するようにしたＶＰＣ発電用発電機一体型タービン【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内に、タービンロータと、該タービンロータに同軸状に連結された発電機と、前記タービンロータに向けて有機媒体を噴出させるノズルとを有し、前記ノズルから低沸点の有機媒体を噴出させて前記タービンロータに衝突させ、該タービンロータを回転させることにより前記発電機を駆動させて発電を行うＶＰＣ発電用発電機一体型タービンにおいて、
前記タービンロータと衝突した後の有機媒体の排出流路内に前記発電機を配置させ、前記排出流路内を流れる有機媒体が前記発電機と接触するようにしたことを特徴とするＶＰＣ発電用発電機一体型タービン。
【請求項２】
前記発電機は、ロータ及びステータを収容するケーシングに、有機媒体の流入口及び流出口を有し、
前記排出流路内を流れる有機媒体が、前記流入口から前記ケーシングの内部に流入し、前記流出口から前記排出流路に流出する構成であることを特徴とする請求項１記載のＶＰＣ発電用発電機一体型タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＶＰＣ発電用発電機一体型タービンに関し、詳しくは、発電機の冷却を効果的に行えるようにしたＶＰＣ発電用発電機一体型タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＶＰＣ（Variable Phase Cycle）発電装置は、中低温熱源の有効利用を目的として、中低温熱源との熱交換媒体として、代替フロンであるＲ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａなどの低沸点の有機媒体を利用する発電装置である。
【０００３】
熱交換器を通して加熱された有機媒体は、ノズルを経由して熱エネルギーが運動エネルギーに変換され、ロータ羽根に吹き付けられることにより、ロータ軸に接続された発電機を駆動する。そして、ノズル上流の有機媒体がガス、気液二相流及び液体の３種類の相に対応し、それに最適なノズル及び羽根形状が利用でき、更に超臨界条件にも対応できることからその適用範囲は広い。
【０００４】
タービンロータを回転させる有機媒体として上述した有機媒体を利用する発電装置は、速度を持って流れる有機媒体を、タービンロータのタービン羽根に対して所定の角度で配置されたノズルから噴出させ、そのときの衝撃力によりタービンロータを回転させる構造であり、このタービンロータのロータ軸に発電機の回転軸を直結させた発電機一体型タービンが利用されている。
【０００５】
発電機一体型タービンとしては、特許文献１、２に記載のものがある。これらはいずれもＶＰＣ発電用ではないが、タービンロータのロータ軸に発電機の回転軸が同軸状に連結されている。タービンロータと衝突した後の有機媒体の流路は、有機媒体と発電機とが接触することのないように、有機媒体の流入方向と略直交する方向に流出するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−６２５１６号公報
【特許文献２】特開２００５−３０２２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
発電機の駆動中は、発電機のロータやステータに銅損や鉄損による熱が発生する。このため、特許文献２では、発電機のステータの外周部に、水道水や不凍液を混ぜた水溶液からなる冷却水を循環させるウォータージャケットを設置して、ステータの冷却を行うようにしている。
【０００８】
しかし、特許文献２のように発電機の周囲に冷却のための構成部品を設けることは、部品点数の増加及び構造の複雑化によりコスト増の問題があるのみならず、発電機一体型タービン全体の大型化を招く問題がある。
【０００９】
一方、ＶＰＣ発電用発電機に用いるＲ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａなどの低沸点の有機媒体は、非導電性の冷媒であり発電機の冷却利用することができることに着目し、簡易な構成で発電機の冷却を効率的に行うことができ、コンパクトな構成することができるＶＰＣ発電用発電機一体型タービンを提供することを課題とする。
【００１０】
また、本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【００１２】
１．ハウジング内に、タービンロータと、該タービンロータに同軸状に連結された発電機と、前記タービンロータに向けて有機媒体を噴出させるノズルとを有し、前記ノズルから低沸点の有機媒体を噴出させて前記タービンロータに衝突させ、該タービンロータを回転させることにより前記発電機を駆動させて発電を行うＶＰＣ発電用発電機一体型タービンにおいて、
前記タービンロータと衝突した後の有機媒体の排出流路内に前記発電機を配置させ、前記排出流路内を流れる有機媒体が前記発電機と接触するようにしたことを特徴とするＶＰＣ発電用発電機一体型タービン。
【００１３】
２．前記発電機は、ロータ及びステータを収容するケーシングに、有機媒体の流入口及び流出口を有し、
前記排出流路内を流れる有機媒体が、前記流入口から前記ケーシングの内部に流入し、前記流出口から前記排出流路に流出する構成であることを特徴とする前記１記載のＶＰＣ発電用発電機一体型タービン。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡易な構成で発電機の冷却を効率的に行うことができ、コンパクトな構成することができるＶＰＣ発電用発電機一体型タービンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るＶＰＣ発電用発電機一体型タービンの一例を示す一部切り欠き斜視説明図
【図２】本発明に係るＶＰＣ発電用発電機一体型タービンの一例を示す要部断面図
【図３】図１の(ｉ)-(ｉ)線に沿う断面図
【図４】図３の(ii)-(ii)線に沿う断面図
【図５】ノズルの一例を示す説明図
【図６】タービンロータの一例を示す斜視図
【図７】タービン羽根に有機媒体が衝突した状態を示す拡大断面図
【図８】図１の(iii)-(iii)線に沿う断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係るＶＰＣ発電用発電機一体型タービンの一例を示す一部切り欠き斜視説明図、図２は、本発明に係るＶＰＣ発電用発電機一体型タービンの一例を示す要部断面図、図３は、図２の(ｉ)−(ｉ)線に沿う断面図、図４は、図３の(ii)−(ii)線に沿う断面図、図５は、ノズルの一例を示す説明図、図６は、タービンロータの一例を示す斜視図、図７は、タービン羽根に有機媒体が衝突した状態を示す拡大断面図、図８は、図１の(iii)-(iii)線に沿う断面図である。
【００１８】
本発明では、有機媒体を熱交換器で蒸発させることなく液相の状態で、二相流タービンに供給して発電するバイナリ発電に用いるＶＰＣ発電用発電機一体型タービン例で説明する。
ＶＰＣ発電用発電機一体型タービン１（以下、単にタービン１という。）は、ハウジング２の内部に、Ｒ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａなどの低沸点の有機媒体を噴出させる複数のノズル３１を有するノズルプレート３と、ノズル３１から噴出された有機媒体が衝突することによって回転するタービンロータ４と、タービンロータ４の回転によって駆動される発電機５を有している。
【００１９】
ハウジング２は、同軸状に配置されたノズルプレート３及びタービンロータ４を収容しており、ノズルプレート３の外側に有機媒体が導入される環状流路２１が形成されている。環状流路２１には、有機媒体の導入部２１ａが接線方向に延びるように連結されている。
【００２０】
ノズルプレート３は、略円柱状に形成されており、タービンロータ４のタービン羽根４１に対して所定の角度で有機媒体を噴出させる複数のノズル３１を有している。各ノズル３１の入口３１ａは、ノズルプレート３の外周面にそれぞれ開口し、周方向に沿って一定の間隔で配列されている。
【００２１】
また、タービンロータ４が配置される側のノズルプレート３の端面には円形凹部３２が形成されている。各ノズル３１の出口３１ｂは、タービンロータ４のタービン羽根４１に向けて、円形凹部３２の底面に一定の間隔で配列されている。本実施形態では、８個のノズル３１を有するノズルプレート３を例示している。
【００２２】
この実施形態では、液相としている有機媒体をノズルで二相流としてタービンロータ４に供給するものである。即ち、このノズル３１は、ノズルプレート３に内蔵されており、例えば図５に示すように、環状流路２１に導入された液状の有機媒体Ｌを入口３１ａから流入させ、中央の絞り部３１ｃで一部気化させ、気相、液相の混合した二相流ＬＧを生成する。そして、この二相流ＬＧを、円形凹部３２の底面に配列された出口３１ｂから高速で噴出させる。
【００２３】
このとき、ノズル３１の内部では、ノズルの出口３１ｂに向かうに従って、ガスのせん断応力が液相を微小液滴に分割し、ガスの運動量を液体に伝達する。気相と液相の緻密な連成により微小液滴を十分に加速し、ノズル３１の出口３１ｂでガス流速と液滴の流速を揃えることができる。ノズル３１からの二相流の流速は、エロージョン限界速度に比べて十分低くすることが望ましい。また、有機媒体が有する熱エネルギーを有効に運動エネルギーに変化するためには、液滴を可能な限り均一微細化することが望ましい。
【００２４】
タービンロータ４は、ノズルプレート３の円形凹部３２内に同軸状に配置されている。タービンロータ４の具体的構造は特に限定されないが、例えば、いわゆるトラバルタービンと称される単段軸流衝動タービンを用いることができる。本実施形態に示すタービンロータ４は、図６に示すように、車板４２の外周側にタービン羽根４１が周方向に配列され、車板４２の中央部に軸孔４３を有するものを例示している。そして、この軸孔４３に、発電機５の回転軸５１が結合されることにより、タービンロータ４と発電機５の回転軸５１が同軸状に連結されている。
【００２５】
このタービンロータ４によると、図７に示すように、タービン羽根４１の一次側から有機媒体の二相流ＬＧが衝突すると、気相とならなかった液滴は、タービン羽根４１に衝突し、遠心力によってタービン羽根４１の腹面に層を作って流れる。そして、タービン羽根４１の上記一次側と相反する二次側に向けて、ガス流Ｇと液流Ｌとして排出される。この時、液滴と気相の運動エネルギーによってタービン羽根４１を移動させ、タービンロータ４が回転する。
【００２６】
ハウジング２は、ノズルプレート３及びタービンロータ４が収容された部位から、タービンロータ４に衝突した後の有機媒体（ガス流Ｇ及び液流Ｌ）の排出方向に沿って、図１、図２中の右側に延びるように連結された出口ケーシング２２を有している。図１において、出口側ケーシング２２をノズルプレート側から離した状態を示しており、一転線矢印方向に移動させて組み立てる構成となっている。
【００２７】
また、出口ケーシング２２の内部は、タービンロータ４に衝突した後の有機媒体の排出流路６となっている。出口ケーシング２２には、排出流路６を流れてきた有機媒体の出口２２ａが設けられている。
【００２８】
発電機５は、出口ケーシング２２内の排出流路６に、タービンロータ４と同軸状に配置されている。発電機５としては、例えば同期発電機を用いることができ、回転軸５１の外周面に永久磁石等よりなる界磁部を有するロータ５２と、その外周側に配置されたステータ５３とが、発電機ケーシング５４内に収容されている。
【００２９】
ここで、回転軸５１は、発電機ケーシング５４に軸受５５によって軸支され、一端が該発電機ケーシング５４から突出して、タービンロータ４の軸孔４３に結合され、タービンロータ４の回転によって駆動される。
【００３０】
なお、ステータ５３で得られた出力は、図１、図６に示す、電線の取出口から外部に引き出すことができるが、有機媒体がここから外部に漏出しないような構成とすることは当然である。
【００３１】
発電機５は、適宜数のステー５６によって排出流路６の中心に配置されており、発電機ケーシング５４と出口ケーシング２２との間に、タービンロータ４に衝突した後の有機媒体が流れるスペースが確保されている。このため、排出流路６内を流れる有機媒体は、発電機５と接触しながら出口２２ａに向けて排出流路６内を流れるようになっている。
【００３２】
ここで、有機媒体はＲ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａなどの有機媒体は低沸点であるため、発電機５がこの有機媒体と接触することにより、効率的に冷却され、発電機５の発電効率を長期に亘って維持することができる。
即ち、有機媒体は、タービンロータ４に衝突した後、排出流路６に排出される。ここで、通過する作動媒体が１００％気体の場合をQuality=1.0とすると、本発明に係る通過する作動媒体が、Quality=0.8程度のものが通過する。したがって、この時有機媒体は、液体と気体の混合体で、多数の液滴も存在し、このような状態の有機媒体を発電機５の各所に供給することで、効率的な冷却を行うことができる。
【００３３】
また、発電機５の発電機ケーシング５４には、図１、図２に示すように、タービンロータ４に対面する壁部５４ａに、有機媒体の流入口５７が形成され、また、この壁部５４ａと相反する壁部５４ｂに、有機媒体の流出口５８が形成されていることが好ましい。これにより、排出流路６内に有機媒体を流すことができる。即ち、流入口５６から発電機ケーシング５４の内部に流入し、流出口５８から排出流路６に流出する。したがって、発電機ケーシング５４の内部のロータ５２、及びステータ５３も、有機媒体と接触させることができる。
【００３４】
ここで、発電機内部には、前述の通りほぼ気化した液滴を含む作動媒体が通過する。
本来、液体の方が熱伝達率が良いのでより冷却効果は良くなるが、粘性抵抗がUPし効率が低下することが知られている。本発明では、上述のように、ほぼ気体に近い液滴を含む作動媒体を、発電機ステータの発熱部での気化熱により冷却を促進させている。
通常発電機の外周の冷却に比べ、上述の内部に通風することで、発散係数が２−３倍上がり、冷却効率が良好となっている。
【００３５】
ここで、本発明の上述の図面に基づく実施の形態でＶＰＣ発電を行った。
有機媒体として、Ｒ２４５ｆａを用い、発電機は、１６０KWの同期発電機を用いた。
発電機５の直前の温度４４℃で排出流路６の出口６ａの温度が３０℃の温度上昇があった。
有機媒体の流路外に設けた同期発電機に比べ、発電機の冷却効率が２００％良好となった。
発電機の温度上方がほとんど生じず、安定した運転を行うことができた。
【００３６】
なお、上述の実施形態では、温泉水を利用したバイナリ発電に用いるＶＰＣ発電用発電機一体型タービン例で説明したがこれに限るものではなく、例えば  舶用、工場排水等のＶＰＣ発電用発電機にも適用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１：タービン
２：ハウジング
２１：環状流路
２１ａ：導入部
２２：出口ケーシング
２２ａ：出口
２３：電線の取出口
３：ノズルプレート
３１：ノズル
３１ａ：入口
３１ｂ：出口
３１ｃ：絞り部
３２：円形凹部
４：タービンロータ
４１：タービン羽根
４２：車板
４３：軸孔
５：発電機
５１：回転軸
５２：ロータ
５３：ステータ
５４：発電機ケーシング
５４ａ、５４ｂ：壁部
５５：軸受
５６：ステー
５７：流入口
５８：流出口
６：排出流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2016138523.tif 000008
【図７】
2016138523.tif 000009
【図８】
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