(57)【要約】【課題】負荷遮断時等の緊急時に作動媒体の流入を直ちに遮断できるようにしたＶＰＣ発電用タービンを提供する。【解決手段】ハウジング2内に、タービンロータ3と、ノズルの入口41aが配列されたノズルプレートと、ハウジング2の内周面とノズルプレートの外周面との間に設けられる環状流路5とを有し、環状流路5に導入された作動媒体をノズル入口41aから流入させ、タービンロータ3のタービン羽根に向けて噴出させ、タービンロータ3を回転させるＶＰＣ発電用タービンにおいて、ノズルプレートの外周面に沿って、全てのノズル入口41aを遮蔽する遮蔽位置と、全てのノズル入口41aを開放する開放位置を、移動可能に設けられたノズル遮蔽部材6と、ノズル遮蔽部材6を開放位置と遮蔽位置との間で移動させると共に、移動させた開放位置又は遮蔽位置に保持する移動保持機構7とを備えるＶＰＣ発電用タービン。【選択図】図１
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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、
外周面に複数のノズルの入口が配列されたノズルプレートと、
前記ハウジングの内周面と前記ノズルプレートの外周面との間に設けられ、作動媒体が導入される環状流路とを有し、
前記環状流路に導入された作動媒体を前記ノズルの入口から流入させ、前記タービンロータのタービン羽根に向けて噴出させることにより、前記タービンロータを回転させるＶＰＣ発電用タービンにおいて、
前記ノズルプレートの外周面に沿って、前記ノズルプレートの全ての前記ノズルの入口を遮蔽する遮蔽位置と、全ての前記ノズルの入口を開放する開放位置とに移動可能に設けられたノズル遮蔽部材と、
前記ノズル遮蔽部材を前記開放位置と前記遮蔽位置との間で移動させると共に、移動させた前記開放位置又は前記遮蔽位置に保持する移動保持機構とを備えたことを特徴とするＶＰＣ発電用タービン。
【請求項２】
前記移動保持機構は、
前記ノズル遮蔽部材を前記遮蔽位置に向けて付勢する付勢部材と、
前記ノズル遮蔽部材を、流体圧によって前記付勢部材の付勢力に抗して前記開放位置に移動させ、該開放位置に保持するシリンダーと、
前記シリンダーへの流体流路に設けられ、通電停止時に前記シリンダー内の流体圧を開放させる電磁弁とを有し、
前記電磁弁への通電停止によって前記シリンダー内の流体圧が開放された際、前記付勢部材の付勢力によって、前記ノズル遮蔽部材を前記遮蔽位置に移動させることを特徴とする請求項１記載のＶＰＣ発電用タービン。
【請求項３】
前記移動保持機構は、前記ノズル遮蔽部材を、前記タービンロータの軸方向に沿って移動させることにより、全ての前記ノズルの入口を同時に遮蔽又は開放させることを特徴とする請求項１又は２記載のＶＰＣ発電用タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＶＰＣ発電用タービンに関し、詳しくは、負荷遮断時にタービンへの作動媒体の流入を速やかに遮断できる機構を備えたＶＰＣ発電用タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＶＰＣ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などの低沸点の作動媒体を利用する発電装置である。
熱交換器を通して加熱した作動媒体は、ノズルを経由して熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、ロータ羽根に吹き付け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、ノズル上流の作動媒体がガス、気液二相流及び液体の３種類の相に対応した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。
【０００３】
上述の作動媒体を利用する発電において、速度を持って流れる作動媒体を、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を回転させる構造で、この時の回転によって、直結した発電機を回転させ発電を行う。
【０００４】
このようなタービンは、負荷遮断によって、発電機の負荷を喪失すると、発電機の負荷とタービンロータに送られる作動媒体のエネルギーが非平衡状態となる。特に作動媒体は、気体、液体の状体変化が生じ、過度にタービンロータの回転が急激に増加し、タービン軸やタービン羽根に過大な負荷がかかり、破損の恐れが生じる。このため、タービンロータへの作動媒体の流入量を調整して回転速度の上昇を防止し、タービンロータの保護を図るようにしている。
【０００５】
従来、負荷遮断時の取り扱いについて、特許文献１には、負荷遮断時に、タービンの一次側の管路に設けられた加減弁を閉止して蒸気の流入を遮断することにより、タービンロータの回転数の異常上昇を防止する技術が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、負荷遮断時に、高圧タービンの一次側の管路に設けられたガバナ弁と、中／低圧タービンの一次側の管路に設けられたインターセプト弁の開度を調整することにより、タービンロータの回転数を調整することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６２−１５９７０３号公報
【特許文献２】特開平１１−１６６４０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１はＶＰＣ発電に関する技術では無いが、負荷遮断によってタービン軸やタービン羽根の破損の恐れがある場合は、タービンロータへ蒸気等の作動媒体の流入そのものを遮断することが望ましい。しかしながら、タービンロータの一次側の管路に設けた弁を閉止することによって、作動媒体の流入を遮断する方法では、当該弁からタービンまでの間に管路中に、高圧な作動媒体を、タービンロータへ直ちに流入を停止させることができない課題がある。
【０００９】
また、弁の構造によっては閉止完了までに時間を要する場合もあり、その間、高圧の作動媒体がタービンロータに流入してしまう問題もある。
【００１０】
そこで、本発明は、負荷遮断時にタービンロータへの作動媒体の流入を遮断できる機構をノズル近傍に備えることにより、緊急時に作動媒体の流入を直ちに遮断できるようにしたＶＰＣ発電用タービンを提供することを課題とする。
【００１１】
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】
【００１２】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【００１３】
１．ハウジング内に、タービンロータと、外周面に複数のノズルの入口が配列されたノズルプレートと前記ハウジングの内周面と前記ノズルプレートの外周面との間に設けられ、作動媒体が導入される環状流路とを有し、前記環状流路に導入された作動媒体を前記ノズルの入口から流入させ、前記タービンロータのタービン羽根に向けて噴出させることにより、前記タービンロータを回転させるＶＰＣ発電用タービンにおいて、
前記ノズルプレートの外周面に沿って、前記ノズルプレートの全ての前記ノズルの入口を遮蔽する遮蔽位置と、全ての前記ノズルの入口を開放する開放位置とに移動可能に設けられたノズル遮蔽部材と、
前記ノズル遮蔽部材を前記開放位置と前記遮蔽位置との間で移動させると共に、移動させた前記開放位置又は前記遮蔽位置に保持する移動保持機構とを備えたことを特徴とするＶＰＣ発電用タービン。
【００１４】
２．前記移動保持機構は、
前記ノズル遮蔽部材を前記遮蔽位置に向けて付勢する付勢部材と、
前記ノズル遮蔽部材を、流体圧によって前記付勢部材の付勢力に抗して前記開放位置に移動させ、該開放位置に保持するシリンダーと、
前記シリンダーへの流体流路に設けられ、通電停止時に前記シリンダー内の流体圧を開放させる電磁弁とを有し、
前記電磁弁への通電停止によって前記シリンダー内の流体圧が開放された際、前記付勢部材の付勢力によって、前記ノズル遮蔽部材を前記遮蔽位置に移動させることを特徴とする前記１記載のＶＰＣ発電用タービン。
【００１５】
３．前記移動保持機構は、前記ノズル遮蔽部材を、前記タービンロータの軸方向に沿って移動させることにより、全ての前記ノズルの入口を同時に遮蔽又は開放させることを特徴とする前記１又は２記載のＶＰＣ発電用タービン。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、負荷遮断時にタービンロータへの作動媒体の流入を遮断できる機構をノズル近傍に備えることにより、緊急時に作動媒体の流入を直ちに遮断できるＶＰＣ発電用タービンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るタービンの一例を示す一部切り欠き斜視説明図で、（ａ）はノズル遮蔽部材が開放位置にある状態を示す図、（ｂ）はノズル遮蔽部材が遮蔽位置にある状態を示す図
【図２】本発明に係るタービンの一例を示す要部断面図
【図３】図２の(ii)-(ii)線に沿う断面図
【図４】図２の(iii)-(iii)線に沿う移動保持機構の断面図
【図５】図２に示すタービンのノズル遮蔽部材及び移動保持機構を説明する斜視図
【図６】図２においてノズル遮蔽部材を遮蔽位置に移動させた状態を示す要部断面図
【図７】ノズル遮蔽部材を遮蔽位置に移動させた状態を示す図２の(iii)-(iii)線に沿う移動保持機構の断面図
【図８】（ａ）はノズル遮蔽部材が開放位置にある状態を示す要部斜視図、（ｂ）はノズル遮蔽部材が遮蔽位置にある状態を示す要部斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
図１は、本発明に係るタービンの一例を示す一部切り欠き斜視説明図で、（ａ）はノズル遮蔽部材が開放位置にある状態を示す斜視図、（ｂ）はノズル遮蔽部材が遮蔽位置にある状態を示す斜視図、図２は、本発明に係るタービンの一例を示す要部断面図、図３は、図２の(ii)-(ii)線に沿う断面図、図４は、図２の(iii)-(iii)線に沿う断面図、図５は、図２に示すＶＰＣ発電用タービンのノズル遮蔽部材及び移動保持機構を説明する斜視図、図６は、図２においてノズル遮蔽部材を遮蔽位置に移動させた状態を示す要部断面図、図７は、ノズル遮蔽部材を遮蔽位置に移動させた状態を示す図２の(iii)-(iii)線に沿う移動保持機構の断面図である。また、図８（ａ）は、ノズル遮蔽部材が開放位置にある状態を示す要部斜視図、図８（ｂ）は、ノズル遮蔽部材が遮蔽位置にある状態を示す要部斜視図である。
【００２０】
タービン１は、ハウジング２に、タービンロータ３と、タービンロータ３に向けて作動媒体を噴出させる複数のノズル４１を有するノズルプレート４と、ノズル４１に流入させる作動媒体の環状流路５とを有している。
【００２１】
ハウジング２は、タービンロータ３と同軸状に配置された２枚の環状板部２１、２２と、該環状板部２１、２２の外周側を繋ぐように設けられた円筒板部２３とを有し、その内側にタービンロータ３とノズルプレート４を収容している。
【００２２】
ノズルプレート４は、タービンロータ３と同軸状に配置された略円柱状に形成されており、ハウジング２の環状板部２１、２２の間に配置されている。タービンロータ３が配置される側のノズルプレート４の端面には円形凹部４２が形成されており、この円形凹部４２内にタービンロータ３が配置されている。
【００２３】
ノズルプレート４は、タービンロータ３のタービン羽根３１に対して所定の角度で作動媒体を噴出させる複数のノズル４１を有している。ノズル４１の入口４１ａは、ノズルプレート４の外周面４３にそれぞれ開口し、その外周面４３の周方向に沿って一定の間隔で配列されている。また、ノズル４１の出口４１ｂは、円形凹部４２の底面４２ａに開口し、周方向に沿って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４１を有するノズルプレート４を例示しているが、ノズル４１の数は特に限定されない。
【００２４】
ノズルプレート４の外径は、ハウジング２の円筒板部２３の内径よりも十分に小さい。これにより、円筒板部２３の内周面とノズルプレート４の外周面４３との間に、作動媒体の環状流路５が形成されている。
【００２５】
環状流路５は、円筒板部２３の接線方向に延びるようにハウジング２に接続された導入部５１を有し、液体又はガス、あるいはこれらの混合流体等からなる作動媒体が所定の圧力及び速度で導入部５１から導入される。導入された作動媒体は、環状流路５を流れる過程で各ノズル４１の入口４１ａからノズル４１内に流入し、円形凹部４２の底面４２ａに開口しているノズル４１の出口４１ｂからタービンロータ３のタービン羽根３１に向けて勢いよく噴出される。
【００２６】
ノズルプレート４を挟んでタービンロータ３の反対側に位置する環状板部２１には、環状流路５に面して、環状溝２１ａがノズルプレート４の外周面４３に沿うように形成されている。そして、環状溝２１ａ内に、円筒形状のノズル遮蔽部材６が収容されている。
【００２７】
ノズル遮蔽部材６は、図２に示す全てのノズル４１の入口４１ａを開放する開放位置と、図６に示す全てのノズル４１の入口４１ａを遮蔽する遮蔽位置とに、ノズルプレート４の外周面４３上を軸方向に沿って移動可能に設けられている。ノズル遮蔽部材６の軸方向の長さは、遮蔽位置にあるときに、全てのノズル４１の入口４１ａを遮蔽できるように、ノズル４１の入口４１ａの直径の寸法と同一又は該直径の寸法よりも大きく形成されており、図２、図８（ａ）に示すように、ノズル遮蔽部材６が環状溝２１ａ内に完全に収容された開放位置にあるときに、先端側が環状溝２１ａから環状流路５内に突出し、ノズルプレート４の外周面４３に接している。
【００２８】
ノズル遮蔽部材６には、２本の支持ロッド６１が連結されている。支持ロッド６１は環状溝２１ａの底面から環状板部２１を貫通し、ノズルプレート４を挟んでタービンロータ３の反対側に配置された移動保持機構７のステー７１に固定されている。支持ロッド６１が貫通している環状板部２１には、貫通部位をシールするためのロッドシール６２がそれぞれ設けられている。
【００２９】
移動保持機構７は、ノズル遮蔽部材６を開放位置と遮蔽位置とに軸方向に沿って移動させると共に、移動させた開放位置又は遮蔽位置に保持するものである。移動保持機構７は、２本の支持ロッド６１を固定している１本のステー７１と、このステー７１に連結されたシリンダー７２と、このステー７１に対して付勢力を作用させる付勢部材としてのコイルばね７３とを有し、これらがハウジング２の環状板部２１に取り付けられた保護カバー８の内側に収容されている。
【００３０】
環状板部２１の開口部２１ｂの内側に臨んでいるノズルプレート４の端面４４は、円錐状に凹んだ形状に形成されており、その中央部にシリンダー７２が固定されている。シリンダー７２は、チャンバー７２ａ内に流体が圧入されると、その流体圧によってピストン７２ｂが移動し、先端がステー７１に固定されているピストンロッド７２ｃを伸長させる。チャンバー７２ａ内に圧入される流体としてはガス、オイル等が挙げられる。本実施形態では空気圧を利用したガスシリンダーを例示している。
【００３１】
ピストンロッド７２ｃの伸長により、ステー７１はノズルプレート４から離れる方向に移動し、支持ロッド６１を介して、ノズル遮蔽部材６にピストンロッド７２ｃの伸長方向の移動力を作用させる。そして、ピストンロッド７２ｃが最大限伸長すると、ノズル遮蔽部材６は環状溝２１ａ内に完全に収容される開放位置まで移動され、チャンバー７２ａ内の流体圧によってその開放位置に保持される（図２、図８（ａ））。
【００３２】
なお、シリンダー７２の両側には、ピストンロッド７２ｃの動作をガイドするガイドロッド７２ｄが、ピストンロッド７２ｃと平行に配置されている。各ガイドロッド７２ｄの先端は、ピストンロッド７２ｃと同様にステー７１に固定されている。
【００３３】
２本のコイルばね７３は、シリンダー７２に平行に配置された２つの円筒部７４内にそれぞれ収容されている。各円筒部７４には操作ロッド７５の一端がそれぞれ挿入され、円筒部７４内でコイルばね７３を貫挿している。各操作ロッド７５の他端は、円筒部７４から突出し、ステー７１に取り付けられている１枚のプレート７６にそれぞれ固定されている。
【００３４】
円筒部７４内において、コイルばね７３を貫挿した各操作ロッド７５の一端にはストッパー７５ａが取り付けられている。ストッパー７５ａは、ピストンロッド７２ｃが伸長してノズル遮蔽部材６が遮蔽位置から開放位置に向けて移動する際、ステー７１が移動することに伴う操作ロッド６５の伸長によって、コイルばね７３を圧縮する。従って、ノズル遮蔽部材６の遮蔽位置から開放位置への移動は、コイルばね７３の付勢力に抗して行われる。これにより、開放位置にあるノズル遮蔽部材６にはコイルばね７３の付勢力が作用し、遮蔽位置に向けて付勢された状態となる。
【００３５】
このタービン１において、ノズル遮蔽部材６が開放位置に保持される状態は稼働可能状態である。このとき、導入部５１から環状流路５内に作動媒体が導入されると、各ノズル４１の入口４１ａに流入した作動媒体が、ノズル４１の出口４１ｂからタービンロータ３のタービン羽根３１に向けて噴出し、タービンロータ３を回転させる。これにより、タービンロータ３に連結される不図示の発電機を回転させ、発電が行なわれる。
【００３６】
一方、負荷遮断が発生した場合、シリンダー７２のチャンバー７２ａ内の流体圧を開放することにより、シリンダー７２のピストンロッド７２ｃは、コイルばね７３の付勢力によって、図６、図７に示すように収縮する。
【００３７】
コイルばね７３の付勢力は、操作ロッド７５からステー７１に伝達され、さらに支持ロッド６１を介してノズル遮蔽部材６に伝達される。これによりノズル遮蔽部材６は、ノズルプレート４の外周面４３に沿って環状流路５内に侵入するように軸方向に移動する。コイルばね７３の付勢力によって、ストッパー７５ａが円筒部７４内の端部に配置された座部７４ａに突き当たるまで操作ロッド７５が収縮すると、ノズル遮蔽部材６は、全てのノズル４１の入口４１ａを遮蔽する遮蔽位置まで移動され、その遮蔽位置に保持される（図６、図８（ｂ））。
【００３８】
これにより、タービンロータ３に向かう作動媒体の流路は、ノズル遮蔽部材６によって、ノズルプレート４の外周面４３に開口しているノズル４１の入口４１ａで遮蔽され、ノズル４１の直近で作動媒体の流通が直ちに遮断される。従って、緊急時にノズル４１への作動媒体の流入を直ちに遮断することができる。
【００３９】
ノズル遮蔽部材６の遮蔽位置への移動は、コイルばね７３の付勢力によって行われる。このとき、シリンダー７２のチャンバー７２ａ内の流体圧を一気に開放させることにより、コイルばね７３の付勢力によってノズル遮蔽部材６を一気に遮蔽位置まで移動させることが好ましい。
【００４０】
このため、図５に示すように、シリンダー７２には、不図示の供給装置からチャンバー７２ａ内に流体を供給する供給管７２ｅが接続されている。供給管７２ｅには、供給管７２ｅ内の流路を開放してチャンバー７２ａ内の圧力を開放させる電磁弁７２ｆが接続されている。ノズル遮蔽部材６を遮蔽位置に移動させる際、この電磁弁７２ｆを開放することにより、チャンバー７２ａ内の流体圧は一気に開放され、コイルばね７３の付勢力によってノズル遮蔽部材６を一気に遮蔽位置まで移動させることができる。
【００４１】
この電磁弁７２ｆは、通電時に弁を閉止状態とし、通電停止時に弁を開放状態とするタイプの電磁弁であることが好ましい。これにより、停電等によって通電停止した場合でも、弁を開放状態とすることができ、チャンバー７２ａ内の流体圧を一気に開放することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１：タービン
２：ハウジング
２１：環状板部
２１ａ：環状溝
２１ｂ：開口部
２２：環状板部
２３：円筒板部
３：タービンロータ
３１：タービン羽根
４：ノズルプレート
４１：ノズル
４１ａ：入口
４１ｂ：出口
４２：円形凹部
４２ａ：底面
４３：外周面
４４：端面
５：環状流路
５１：導入部
６：ノズル遮蔽部材
６１：支持ロッド
６２：ロッドシール
７：移動保持機構
７１：ステー
７２：シリンダー
７２ａ：チャンバー
７２ｂ：ピストン
７２ｃ：ピストンロッド
７２ｄ：ガイドロッド
７２ｅ：供給管
７２ｆ：電磁弁
７３：コイルばね
７４：円筒部
７４ａ：座部
７５：操作ロッド
７５ａ：ストッパー
７６：プレート
８：保護カバー
【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】
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【図７】
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【図８】
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