JP2007198162A - 蒸気タービン及びこれを用いたランキンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービンのディスク径の拡大を防止して、蒸気のよる粘性力と付着力を増大して蒸気タービンの効率を向上し、コンパクト化を図ること。
【解決手段】ノズル１から噴出する蒸気２により回転するローター３と、ローター３の周壁５に設けた衝動面７と、この衝動面７に連接し回転軸４に対して衝動面７とは異なる角度で構成した外側衝動面６と、各ローター３間に間隙８を介して回転軸４上に固定したローターユニット１２と、回転軸４の周囲に設けた衝動面７上の蒸気２の排出口１０と、蒸気２が間隙８を通過して排出口１０から排出するようにノズル１とローターユニット１２を構成するケーシング１４を備えることにより、蒸気タービンの効率を向上し、蒸気タービンの径の拡大を防止してコンパクト化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱を利用したランキンシステムの蒸気タービンとこれを用いたランキンシステムに関するものである。

従来、この種の蒸気タービンは、蒸気が出力軸に狭い間隔で稠密に取り付けられた平面形状のディスクの間を外周から軸に向かって流れ、蒸気の粘性力と付着力によりディスクを回転させるようにしている。（例えば特許文献１参照）。

また、平板形状のディスクを用いて粘性だけを利用したテスラタービンもある。
特開２００２−１７４１６６号公報

しかしながら、前記従来技術では、出力軸にほぼ直角の平面形状のディスクを多枚数重ね合わせて単純な形状を構成しているが、蒸気の粘性力と付着力を活用するためにディスクの表面積を大きくすることで、ディスクの径が大きくなるという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ローターの径を変えないで表面積を大きくできるので、蒸気の粘性力と付着力を増大して蒸気タービンの効率を向上し、コンパクト化を図ることを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の蒸気タービンは、蒸気を噴出するノズルと、ノズルから噴出する蒸気により回転するローターと、ローターを取り付けた回転軸と、ローターの周壁に設けた衝動面と、衝動面に連接し、回転軸に対して衝動面とは異なる角度で構成した外側衝動面と、ローターを複数個重ね合わせる時に、各ローター間に間隙を介して回転軸上に固定したローターユニットと、ローターの回転軸の周囲に設けた蒸気の排出口と、蒸気が間隙を通過して排出口から排出するようにノズルとローターユニットを構成するケーシングを備えたものである。

この蒸気タービンによって、ノズルから噴出する蒸気がローターの周壁に沿って移動し、表面積の大きな外側衝動面と衝動面に長時間滞留することにより、粘性力と付着力を活用して、ローターを回転させ回転軸に与えるトルクを上昇して、効率を向上するものである。

本発明の蒸気タービンは、ノズルから噴出する蒸気が外側衝動面と衝動面に長時間滞留し、蒸気の粘性力と付着力の向上によりローターの回転軸に与えるトルクを上昇することができるので、蒸気タービンの効率を向上させ、蒸気タービンの径の拡大を防止してコンパクト化を図ることができる。

第１の発明は、蒸気を噴出するノズルと、ノズルから噴出する蒸気により回転するローターと、ローターを取り付けた回転軸と、ローターの周壁に設けた衝動面と、衝動面に連接し、回転軸に対して衝動面とは異なる角度で構成した外側衝動面と、ローターを複数個
重ね合わせる時に、各ローター間に間隙を介して回転軸上に固定したローターユニットと、ローターの回転軸の周囲に設けた蒸気の排出口と、蒸気が間隙を通過して排出口から排出するようにノズルとローターユニットを構成するケーシングを備えたことにより、ノズルから噴出する蒸気が外側衝動面と衝動面に長時間滞留し、蒸気の粘性力と付着力の向上によりローターの回転軸に与えるトルクを上昇することができるので、蒸気タービンの効率を向上させ、蒸気タービンの径の拡大を防止してコンパクト化を図ることができる。
第２の発明は、特に、第１の発明の衝動面は、回転軸に対して略垂直に構成したことにより、複数個のローターを重ねて回転軸に取り付ける時に、間隙の寸法を均一に管理しながらローターユニットの組み立てを行うことができ、偏りの少ない回転を得ることができる。

第３の発明は、特に、外側衝動面は、回転軸に対して円錐状の筒に構成したことにより、
ノズルから噴出する蒸気が外側衝動面の周囲に沿って均一に旋回し、衝動面に移動するので、蒸気の乱れを抑制して安定した回転トルクを得ることができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の排出口は、衝動面に複数個設けたことにより、回転軸に沿って均一な形状の排出口の通路が形成され、蒸気の排出の乱れを軽減して、各ローターの間隙を通過する蒸気の流量を均一化して、均等な力を回転軸に伝え、安定した回転トルクを得ることができる。

第５の発明は、特に、第１〜４の発明のローターは、周壁の内側または外側の両方またはどちらか一方に衝動力を得るための突起部を設けたことにより、ローターの周壁に沿って移動する蒸気が突起部に衝突し、ローターを回転させる衝動力を生み出すので、蒸気の運動エネルギを回転軸に効率よく伝え、蒸気タービンのトルクを上昇し、蒸気タービンの効率を向上することができる。

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明のローターは、複数個を重ね合わせ回転軸に取り付ける時に、ローター間にスペーサーを設けて間隙の寸法を管理したことにより、各ローターの間隙を通過する蒸気の流量を均一化して、均等な力を回転軸に伝え、安定した回転トルクを得ることができる。

第７の発明は、特に、第１〜６のいずれか１つの発明のノズルは、回転するローターの端部に接線方向から蒸気を衝突させるように配置したことにより、ローターの外周端部の傾斜した衝動面に蒸気が衝突するので、衝動力が向上し蒸気の運動エネルギを回転軸に効率よく伝え、蒸気タービンのトルクを上昇し、蒸気タービンの効率を向上することができる。

第８の発明は、特に、第１〜７のいずれか１つの発明のローターユニットは、ローターを複数個重ね合わせたローターの端部に各ローターよりも厚みのある固定ローターを配置したことにより、ローターユニットの剛性を高め回転時のたわみを防止して回転軸の安定したトルクを得ることができる。

第９の発明は、特に、第１〜８のいずれか１つの発明の蒸気タービンを太陽熱ランキンシステムに搭載して、発電と給湯・暖房のコージェネレーションのシステムを実現することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における蒸気タービンの構成図である。図１（ａ）は蒸気タービンの断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＸ−Ｘ′断面で切り取
ったときの平面図である。

図１において、１は、蒸気２を噴出するノズルで、このノズル１から噴出する蒸気２の運動エネルギを受けて回転するローター３を回転軸（出力軸）４の周囲に複数個重ね合わせて設けている。蒸気２は、高温のフロンや水の蒸気であり、または高温のＣＯ2や空気等のガス体のこともある。

ローター３の周壁５の外周側は、回転軸４に対して傾斜させて設けその表面積を拡大して外側衝動面６を構成している。ローター３の回転軸４側は、回転軸４に対して略垂直に構成され、外側衝動面６とは異なる角度の面の衝動面７を形成している。また、外側衝動面６は、円錐形状のカップに構成され、回転軸４に複数個重ね合わせて取り付ける時に、ローター３間に同一の幅に形成する間隙８を構成している。間隙８を均一に構成するために各ローター３間にスペーサー９を設けている。ローター３と回転軸４とスペーサー９は、耐熱性、耐腐食性の材料で構成され、例えばその材質は、ステンレスやチタンやアルミナ等の金属材料やセラミックやガラスで構成している。ローター３の厚みは、重量の軽減のため、薄く（例えば、１ｍｍ以下）構成している。また、周壁５で構成する間隙８は、周壁５に沿って移動する蒸気２の粘性力や付着力が働くように狭く（例えば１ｍｍ以下）構成している。ローター３の回転軸４近傍の衝動面７に複数個の蒸気２の排出口１０を設けている。蒸気２は、ローター３の外側衝動面６に沿って旋回しながら間隙８内を移動し、回転軸４の近傍の衝動面７に集束し、排出口１０からローター３の外部に抜けるようにしている。複数個に重ねあわせたローター３とスペーサー９の両端には、各ローター３よりも厚みのある固定用ローター１１が設けられ、この固定用ローター１１と回転軸４を固定するときにローター３とスペーサー９を締め付けてローターユニット１２を構成し、ローターユニット１２の剛性を高めて、ローターユニット１２のたわみを防止するようにしている。ローターユニット１２を構成する時は、各ローター３に設けた複数個の排出口１０が同軸上に連通するように設けている。

固定用ローター１１の一方（ローター３の周壁５の傾斜が集束する側）に排出口１０に連通する複数個の排出口１３を設けている。固定用ローター１１の他方は、排出口１３は設けず蒸気２の流出を防止するようにしている。

ノズル１は、回転軸４に対してほぼ直角に蒸気２が噴出し、ローター３の外側衝動面６の外周部分に接線方向から衝突するように設けている。ノズル１は、ローター３の外周全体に向けて蒸気２を噴出するために単孔（丸でもスリットでも可能である）または各ローター３間の間隙８のそれぞれに蒸気２を噴出するために複数個設けられている。ノズル１からは、蒸気２を音速で噴出するようにしている。ノズル１の形状は、普通の蒸気タービンで使用されている単孔ノズルや先細ノズルや末広ノズル等を使用している。ノズル１は、蒸気２の流速を音速から更に超音速に加速するためにのど部から下流に向かって内径を徐々に拡大するようにディフューザー部分も構成するようにしている。

このノズル１や回転軸４やローターユニット１２の周囲を覆いながら、蒸気２が外部に漏れないようにケーシング１４が設けられている。ローターユニット１２とケーシング１４の間隙１５は、蒸気２が短絡して流れないような間隔に管理している。ケーシング１４には、回転軸４の回転を支えるための軸受け１６が回転軸４の両端に設けられている。軸受け１６は、シール性のあるベアリング軸受けまたは非接触の流体軸受けを使用している。このケーシング１４に収納した部品類で、蒸気タービン１７を構成している。ケーシング１４の材質は、ローター３のように耐熱性、耐腐食性の材料で構成され、例えばその材質は、ステンレスやチタンやアルミナ等の金属材料やセラミックで構成している。また、ケーシング１４のローターユニット１２が回転軸４に集束する側にローター３の排出口１０と固定用ローター１１の排出口１３から排出される蒸気２を流入させるための排出通路
１８を設けている。この排出通路１８から蒸気タービン１７を回転させた後の蒸気２を取り出し、再度蒸気２を加熱する手段に送るようにしている。

蒸気タービン１７の回転軸４用軸受け１６の外側に回転軸４の回転を受けて発電する発電機１９を設けている。発電機１９は、例えばアウターロータ式三相交流発電機を用い、この交流出力は、全波整流されたのちにインバータ（図示なし）により、電流制御を行うようにして安定した電流を得るようにしている。

また、図２は、蒸気タービンを用いた太陽熱ランキンシステムの構成図である。図２において、２０は、太陽熱を受けて回収する集熱器で、この集熱器２０の熱を蓄熱槽２１に伝えるために、循環ポンプ２２を途中に設けた回路２３（閉回路）を設けている。
集熱器２０は、管状集熱器や真空ガラス管式集熱器やヒートパイプ式集熱器等で構成している。回路２３内を循環する熱媒体２４は、フロンや水のような液体で構成している。（熱媒体２４は、超臨界状態のＣＯ2や液体空気を用いる場合もある）熱媒体２４は、集熱器２０で加熱されて蒸気になり蓄熱槽２１に送られ、そこで熱交換することで凝縮し液体となる。この熱媒体２４を循環ポンプ２２で再度集熱器２０に送るようにしている。この動作を繰り返すことで、蓄熱槽２１に熱を貯めるようにしている。蓄熱槽２１は、融点の高い溶融塩の相変化を利用した潜熱型や溶融塩や油等を用いた顕熱型や蒸気を圧力水の形で蓄える蒸気アキュムレイタ等を用いることで１００℃以上の高温の熱を貯めるようにしている。２５は、蓄熱槽２１の熱を利用して形成した熱媒体２６の蒸気２を蒸気タービン１７のノズル１に供給する供給ポンプで、蒸気タービン１７から排出された熱媒体２６を再度蓄熱槽２１に送る回路２７（閉回路）の途中に設けている。この回路２７内を循環する熱媒体２６は、フロンや水のような液体とその蒸気で構成している。（熱媒体２６は、超臨界状態のＣＯ2や液体空気を用いる場合もある）また、回路２７の蒸気タービン１７と供給ポンプ２５の途中に貯湯タンク２８を設けて、蒸気タービン１７に運動エネルギを与えた後の高温の蒸気２の熱を利用して、貯湯タンク２８に湯を貯める。熱媒体２６は、この貯湯タンク２８に熱を伝えるときに凝縮して液体となり、再度蓄熱槽２１に送られて加熱され蒸気２を形成するようにしている。この動作を繰り返すことで、蒸気タービン１７に設けた発電機１９により発電しながら貯湯タンク２８にお湯を貯めるようにしている。貯湯タンク２８に貯められたお湯は、給水ポンプ２９により給湯用や暖房用に供給されるようにしている。

以上のように構成された蒸気タービンについて、以下その動作、作用を説明する。

まず、蒸気タービン１７のノズル１に供給する蒸気２を形成するためには、循環ポンプ２２を作動し、熱媒体２４を回路２３内に循環させ、太陽の熱を受けた集熱器２０で加熱し、高温の蒸気（または液体や蒸気と液体が混ざったもの等）を形成して蓄熱槽２１に送る。蓄熱槽２１では、この蒸気を受けて２００℃程度の熱量を蓄積するようにしている。熱媒体２４の蒸気は、蓄熱槽２１で凝縮して液体となり、循環ポンプ２２により再度、集熱器２０に送られ、加熱されるようにしている。この動作を太陽熱の供給が可能な間、繰り返すことにより、必要な熱量を蓄熱槽２１に維持するようにしている。

蓄熱槽２１に所定の熱量が蓄積されると、回路２７に設けた供給ポンプ２５で、熱媒体２６を循環させ蓄熱槽２１で２００℃程度の熱媒体２６の蒸気２を形成し、蒸気タービン１７のノズル１から噴出する。ノズル１から噴出する蒸気２は、音速の運動エネルギを持ち、蒸気タービン１７のローター３の周壁５に構成する外側衝動面６に衝突しながら、各ローター３間に構成される間隙８の内部を外側衝動面６に沿いながら旋回し、回転軸４に対して円錐状に構成された面を移動し、回転軸４の周囲に設けた略垂直面状の衝動面７の排出口１０から排出される。

この時、蒸気２の粘性力や付着力により、ローターユニット１２が回転し、回転軸４のトルクとして伝えられる。この回転軸４のトルクを利用し発電機１９を回転させて、発電を行うようにしている。蒸気タービン１７から排出した熱媒体２６の蒸気２は、貯湯タンク２８に送られ、水と熱交換を行い、その熱は貯湯タンク２８内にお湯として貯められる。蒸気２は、貯湯タンク２８内で凝縮し、液体となって供給ポンプ２５により蓄熱槽２１に送られ、再度加熱され蒸気２を形成するようにしている。この動作を繰り返すことにより、蒸気タービン１７で発電しながら貯湯タンク２８にお湯を貯め、給湯や暖房の必要なときに給水ポンプ２９を作動しお湯を使用することでコージェネレーションのシステムを構成するようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、熱媒体２６の蒸気２を噴出するノズル１と、このノズル１から噴出する蒸気２により回転するローター３と、このローターの周壁５を回転軸４に対して傾斜させて構成した外側衝動面６とこの外側衝動面６と回転軸４に対して略垂直の面に構成する衝動面７を設けたので、ノズル１から噴出する蒸気２が表面積の大きな外側衝動面６と衝動面７に長時間滞留し、蒸気２の粘性力と付着力の向上によりローターの回転軸４に与えるトルクを上昇することができるので、蒸気タービン１７の効率を向上させ、蒸気タービン１７の径の拡大を防止してコンパクト化を図ることができる。

また、ノズル１から噴出する蒸気２が外側衝動面６と衝動面７に長時間滞留し、粘性力と付着力を増大させ回転軸４に与えるトルクを上昇するので、発電機１９の発電量を増加することができる。

また、衝動面７を略垂直に設けるので、複数個のローター３を重ねて回転軸４に取り付ける時に、間隙８の寸法を均一に管理しながらローターユニット１２の組み立てを行うことができ、偏りの少ないロスのない回転を得ることができる。

また、ローター３を加工するときに、例えばローター３のプレス加工では、外側衝動面６と衝動面７を異なる角度に構成するので、周壁５の補強と角度の寸法精度の向上を行うことができる。

また、ローター３を重ねて回転軸４に取り付けると外側衝動面６間で構成する間隙８よりも衝動面７間で構成する間隙８の方が幅広くとれ、蒸気２が収束して集まる部分の抵抗を軽減して蒸気２の流れを均一化して、偏りの少ないロスのない回転を得ることができる。

また、独立した集熱用の回路２３を構成して、集熱器２０で得られた太陽熱を蒸気タービン１７の動作に関係なく、常時蓄熱槽２１に蓄えて維持できるので、発電の必要なときに蒸気タービン１７で必要な蒸気２を随時取り出すことができる。

また、回路２７の途中に貯湯タンク２８を設けたので、発電に関係なく蓄熱槽２１の熱をお湯として貯湯タンク２８に貯めることが可能なので、給湯や暖房に必要なお湯を随時取り出せることができる。

また、最大発電量を増加するときは、複数個重ね合わせるローター３の個数を増加することで可能であり、複雑な形状の追加がないので、コストの上昇を抑制することができる。

また、ノズル１から噴出する蒸気２を外側衝動面６と衝動面７に長時間滞留させ、粘性力と付着力を増大させて回転軸４に与えるトルクを上昇するので、低温度（２００℃程度）で作動する蒸気タービン１７を実現できる。

また、太陽熱を利用して蒸気２を形成し、ノズル１より噴出してローターユニット１２を回転させて発電するので、ＣＯ2削減の有効な手段とすることができる。

次に、衝動面は、回転軸に対して略垂直に構成した点について説明する。図１において、ローター３は、衝動面７は、回転軸４に対して略垂直に構成している。また、ローター３は、プレス加工により同一の形状を精度よく成型するようにしている。

以上のように構成された蒸気タービンについて、以下その動作、作用について説明する。
ノズル１から噴出する蒸気２は、音速の運動エネルギを持ち、蒸気タービン１７のローター３の周壁５に構成する円錐状の外側衝動面６に衝突しながら、各ローター３間に構成される均一な間隙８の内部を外側衝動面６に沿いながら旋回し、回転軸４の周囲に設けた略垂直の衝動面７に設けた排出口１０から排出される。この時、円錐状の外側衝動面６により蒸気２の流線の乱れが少なくなり、徐々に旋回しながら集束し、蒸気２の粘性力や付着力を向上して、回転軸４のトルクとして伝えるようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、また、衝動面７を略垂直に設けるので、複数個のローター３を重ねて回転軸４に取り付ける時に、回転軸４のはめあい精度を向上させて、間隙８の寸法を均一に管理しながらローターユニット１２の組み立てを行うことができ、偏りの少ないロスのない回転を得ることができ、回転トルクを増大させることができる。

また、ローター３を加工するときに、例えばローター３のプレス加工では、外側衝動面６と衝動面７を異なる角度に構成するので、周壁５の補強と角度の寸法精度の向上を行うことができる。

同一形状に成型したローター３を回転軸４の同軸上に容易に複数個重ね合わせることができ、均一な間隙８の形成によりローターユニット１２の組み立て精度を向上することができる。

次に、外側衝動面は、回転軸に対して円錐状の筒に構成した点について説明する。図１において、外側衝動面７は回転軸４に対して傾斜させる時に円錐状の筒に構成している。また、ローター３は、プレス加工により同一の形状を精度よく成型するようにしている。

以上のように構成された蒸気タービンについて、以下その動作、作用について説明する。ノズル１から噴出する蒸気２は、音速の運動エネルギを持ち、蒸気タービン１７のローター３の周壁５に構成する円錐状の外側衝動面６に衝突しながら、各ローター３間に構成される均一な間隙８の内部を外側衝動面６に沿いながら旋回し、回転軸４の周囲に設け、略垂直の衝動面７上の排出口１０から排出される。この時、円錐状の外側衝動面６により蒸気２の流線の乱れが少なくなり、徐々に旋回しながら集束し、蒸気２の粘性力や付着力を向上して、回転軸４のトルクとして伝えるようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、ノズル１から噴出する蒸気２が外側衝動面の周囲に沿って均一に旋回し、衝動面に移動するので、蒸気の乱れを抑制して安定した回転トルクを得ることができる。

また、回転軸４の回転トルクを上昇することができるので、蒸気タービン１７の効率を向上することができる。

また、同一形状に成型したローター３を回転軸４の同軸上に容易に複数個重ね合わせることができ、均一な間隙８の形成によりローターユニット１２の組み立て精度を向上することができる。

次に、排出口は、衝動面に複数個設けた点について説明する。図１において、排出口１０は、回転軸４に対して略垂直に構成した衝動面７に複数個設けている。

以上のように構成された蒸気タービンについて、以下その動作、作用について説明する。ノズル１から噴出する蒸気２は、音速の運動エネルギを持ち、蒸気タービン１７のローター３の周壁５に構成する円錐状の外側衝動面６に衝突しながら、各ローター３間に構成される均一な間隙８の内部を外側衝動面６に沿いながら旋廻し、回転軸４の周囲に設けた衝動面７上の排出口１０から排出される。この時、回転軸４に沿って均一な形状の排出口１０の通路が形成され、蒸気２の排出の乱れを軽減するようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、蒸２気の排出の乱れを軽減して、各ローター３の間隙８を通過する蒸気２の流量を均一化して、均等な力を回転軸４に伝え、安定した回転トルクを得ることができる。

また、回転軸４の回転トルクを上昇することができるので、蒸気タービン１７の効率を向上することができる。
次に、ローターは、複数個を重ね合わせ回転軸に取り付ける時に、ローター間にスペーサーを設けて間隙の寸法を管理した点について説明する。図１において、ローター３は、複数個を重ね合わせ回転軸４に取り付ける時に、ローター３間にスペーサー９を設けて間隙８の寸法を管理している。

以上のように構成された蒸気タービンについて、以下その動作、作用について説明する。

ノズル１から噴出する蒸気２は、音速の運動エネルギを持ち、蒸気タービン１７のローター３の周壁５に構成する外側衝動面６に衝突しながら、各ローター３間に構成される間隙８の内部を衝動面７に沿いながら旋回し、回転軸４の周囲に設けた衝動面７上の排出口１０から排出される。この時、衝動面７間に設けたスペーサー９により、間隙８の寸法を均一に管理して、各間隙８を通過する蒸気２の流量が均一になるようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、ローター３間にスペーサー９を設けて間隙８の寸法を管理したことにより、各ローター３の間隙８を通過する蒸気２の流量を均一化して、均等な力を回転軸４に伝え、安定した回転トルクを得ることができる。

また、ローター３を複数個を重ね合わせ回転軸４に取り付ける時に、スペーサー９により、間隙８の寸法の位置決めを行うので、組み立てを容易に行うことができる。

次に、ノズルは、外側衝動面の端部に接線方向から蒸気を衝突させるように配置した点について説明する。図１において、ノズル１は、回転するローター３の端部に接線方向から蒸気２を衝突させるように配置している。ノズル１は、ローター３の外側衝動面６の外周全体に向けて蒸気２を噴出するために単孔（丸でもスリットでも可能である）または各ローター３間の間隙８のそれぞれに蒸気２を噴出するために複数個設けられている。

以上のように構成された燃焼装置５について、以下その動作、作用について説明する。

ノズル１から噴出する蒸気２は、音速の運動エネルギを持ち、蒸気タービン１７のロー
ター３の周壁５に構成する外側衝動面６に対して回転軸４のほぼ直角にローター３の外周の接線方向から外側衝動面６に衝突するようにしている。蒸気２は、各ローター３間に構成される間隙８の内部を衝動面６に沿いながら旋回し、回転軸４の周囲に設けた衝動面７上の排出口１０から排出されるようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、ローター３の外周端部の傾斜した外側衝動面６に蒸気２が衝突するので、衝動力が向上し蒸気２の運動エネルギを回転軸４に効率よく伝え、蒸気タービン１７のトルクを上昇することができ、蒸気タービン１７の効率を向上することができる。

次に、ローターユニットは、ローターを複数個重ね合わせたローターの端部に各ローターよりも厚みのある固定ローターを配置した点について説明する。図１において、ローターユニット１２は、ローター３を複数個重ね合わせたローター３の端部に各ローターよりも厚みのある固定ローター１１を配置している。ローターユニット１２の固定は、固定用ローター１１と回転軸４を固定するときにローター３とスペーサー９を締め付けてローターユニット１２を構成している。

以上のように構成された蒸気タービンについて、以下その動作、作用について説明する。

複数個のローター３と間隙８を構成するスペーサー９を重ね合わせる時に、各ローター３に設ける複数個の排出口１０の連通する位置とスペーサー９による蒸気２のガイド位置を合わせて、固定ローター１１を両端に配置して、回転軸４にネジきりをして締め付けるようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、ローターユニット１２の剛性を高め回転時のたわみを防止して回転軸４の安定したトルクを得ることができる。

なお、ローター３やスペーサー９の回転時のずれ防止のために周壁５の中間部分に複数個のピンを挿入して複数個のローター３とスペーサー９を固着することも可能である。

なお、ローター３やスペーサー９の回転時のずれ防止のために回転軸４に突起または溝を成型して、ローター３やスペーサー９の回転軸４の挿入部分に突起または溝を成型して締め付けることも可能である。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態における蒸気タービンのローターの構成図である。図３（ａ）はスクロール状の蒸気タービンにおけるローターの側面図であり、図３（ｂ）はスクロール状の蒸気タービンのローターの平面図である。また、図３（ｃ）はターボファン翼状の蒸気タービンのローターの側面図であり、図３（ｄ）はターボファン翼状の蒸気タービンのローターの平面図である。

図３において、ローター３は、周壁（図１の５に相当）の内側または外側の両方またはどちらか一方に衝動力を得るための突起部３０を設けている。突起部３０の端部は、隣接するローター３に接するように構成して、蒸気２が突起部３０の途中から抜けて蒸気２の流れが乱れないようにしている。突起部３０は、周壁に突起部３０を貼り付けるかまたはスペーサー９を突起部３０の形状に形成して各ローター３間に挟み込んで構成するようにしている。

以上のように構成された蒸気タービンについて、以下その動作、作用について説明する
。ノズル１から噴出する蒸気２は、音速の運動エネルギを持ち、蒸気タービン１７のローター３の周壁（図１の５に相当）に構成する円錐状の外側衝動面６に衝突しながら、各ローター３間に構成される均一な間隙８の内部を外側衝動面６に沿いながら旋回し、回転軸４の周囲に設けた衝動面７の排出口１０から排出される。この時、蒸気２は、周壁５の内側または外側に設けたらせん状の突起部３０に沿って移動するときに外側衝動面６とともに突起部３０により衝動力を得て、回転軸４に回転トルクとして伝えるようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、ローター３の周壁（図１の５に相当）に沿って移動する蒸気２が突起部３０に衝突し、ローター３を回転させる衝動力を更に生み出すので、蒸気２の運動エネルギを回転軸４に効率よく伝え、蒸気タービン１７のトルクを上昇することができ、蒸気タービン１７の効率を向上することができる。

なお、突起部３０は、（ａ）、（ｂ）のようにローターの周壁５に一つの連続するスクロール状に構成する場合や、（ｃ）、（ｄ）のようにターボファンの翼のように周壁（図１の５に相当）を分割するように設けることも可能である。

なお、突起部３０の回転軸４近傍の形状は、衝動面７の排出口１０に蒸気２が抜けやすいように外側衝動面６と衝動面７の接する部分までの長さの構成しているが、その端部構成をより反動力を生み出せるように曲率を持たせて、蒸気タービン１７のトルクを上昇することも可能である。

（実施の形態３）
図２は、本発明の第３の実施の形態における蒸気タービンと太陽熱ランキンシステムの構成図である。

図２において、ノズル１は、太陽熱により形成する蒸気２を供給するようにしたことにより、太陽熱ランキンシステムを行うことができ、発電と給湯・暖房のコージェネレーションのシステムを実現している。

以上のように構成されたコージェネレーションシステムについて以下その動作、作用について説明する。

太陽熱を受けられる状況になると循環ポンプ２２を作動し、熱媒体２４を回路２３内に循環させ、太陽の熱を受けた集熱器２０で加熱し、高温の蒸気として蓄熱槽２１に送り、蓄熱槽２１では、この蒸気を受けて２００℃程度の熱量を蓄積するようにしている。熱媒体２４の蒸気は、蓄熱槽２１で凝縮して液体となり、循環ポンプ２２により再度、集熱器２０に送られ、加熱されるようにしている。蓄熱槽２１に所定の熱量が蓄積されると、回路２７に設けた供給ポンプ２５で、熱媒体２６を循環させ蓄熱槽２１で２００℃程度の熱媒体２６の蒸気２を形成し、蒸気タービン１７のノズル１から噴出する。ノズル１から噴出する蒸気２は、音速の運動エネルギを持ち、蒸気タービン１７のローター３の外側衝動面６に衝突しながら、各ローター３間に構成される間隙８の内部を旋回し、回転軸４の周囲に設けた衝動面７上の排出口１０から排出される。この時、蒸気２の粘性力や付着力により、ローターユニット１２が回転し、回転軸４のトルクを利用し発電機１９を回転させて、発電を行うようにしている。蒸気タービン１７から排出した熱媒体２６の蒸気２は、貯湯タンク２８に送られ、水と熱交換を行い、その熱は貯湯タンク２８内にお湯として貯められる。蒸気２は、貯湯タンク２８内で凝縮し、液体となって供給ポンプ２５により蓄熱槽２１に送られ、再度加熱され蒸気２を形成するようにしている。蒸気タービン１７で発電しながら貯湯タンク２８にお湯を貯め、給湯や暖房の必要なときに給水ポンプ２９を作動しお湯を使用するようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、蒸気タービン１７を太陽熱ランキンシステムに搭載して、発電と給湯・暖房のコージェネのシステムを実現することができるので、太陽熱という自然エネルギを活用し省エネ促進とＣＯ2削減の有効な手段を得ることができる。

なお、図４のように、集熱器２０で形成した熱媒体２４の蒸気２を循環ポンプ２２より、回路２３（閉回路）で直接蒸気タービン１６に送り、蒸気タービン１７を回転させて発電機１９により発電を行うことも可能である。また、回路２３の蒸気タービン１７と循環ポンプ２２の途中に貯湯タンク２８を設けて、蒸気タービン１７に運動エネルギを与えた後の高温蒸気２の熱を利用して、貯湯タンク２８に湯を貯めることも可能である。熱媒体２４は、この貯湯タンク２８に熱を伝えるときに凝縮して液体となり、再度集熱器２０に送られて加熱され蒸気２を形成するようにしている。この動作を繰り返すことで、蒸気タービン１７に設けた発電機１９により発電しながら貯湯タンク２８にお湯を貯めるようにしている。貯湯タンク２８に貯められたお湯は、給水ポンプ２９により給湯用や暖房用に供給されるようにしている。

また、図５のように、集熱器２０で形成した熱媒体２４の蒸気２を循環ポンプ２２より、回路２３（閉回路）で直接蒸気タービン１７に送り、蒸気タービン１７を回転させて発電機１９により発電だけを行うことも可能である。

以上のように、本発明にかかる蒸気タービンは、エネルギ密度の低い太陽熱を利用して蒸気タービンを作動できるので、自動車や燃料電池の排熱回収等に適用することができる。

本発明の蒸気タービンの構成図 本発明の蒸気タービンを用いた太陽熱ランキンシステムの構成図 本発明の蒸気タービンのローターの構成図 本発明の他の蒸気タービンを用いた太陽熱ランキンシステムの構成図 本発明の他の蒸気タービンを用いた太陽熱ランキンシステムの構成図

符号の説明

１ ノズル
２ 蒸気
３ ローター
４ 回転軸
５ 周壁
６ 外側衝動面
７ 衝動面
８ 間隙
１０ 排出口
１２ ローターユニット
１４ ケーシング
１７ 蒸気タービン
１９ 発電機

Claims (9)

1. 蒸気を噴出するノズルと、このノズルから噴出する蒸気により回転するローターと、このローターを取り付けた回転軸と、前記ローターの周壁に設けた衝動面と、前記衝動面に連接し、前記回転軸に対して前記衝動面とは異なる角度で構成した外側衝動面と、前記ローターを複数個重ね合わせる時に、各ローター間に間隙を介して前記回転軸上に固定したローターユニットと、前記ローターの回転軸の周囲に設けた蒸気の排出口と、前記蒸気が間隙を通過して排出口から排出するようにノズルとローターユニットを構成するケーシングとを備えた蒸気タービン。
2. 衝動面は、回転軸に対して略垂直に構成した請求項１に記載の蒸気タービン。
3. 外側衝動面は、回転軸に対して円錐状の筒に構成した請求項１または２に記載の蒸気タービン。
4. 排出口は、衝動面に複数個設けた請求項１〜３いずれか１項に記載の蒸気タービン。
5. ローターは、周壁の内側または外側の両方またはどちらか一方に衝動力を得るための突起部を設けた請求項１〜４いずれか１項に記載の蒸気タービン。
6. ローターは、複数個を重ね合わせ回転軸に取り付ける時に、ローター間にスペーサーを設けて間隙の寸法を管理した請求項１〜５いずれか１項に記載の蒸気タービン。
7. ノズルは、外側衝動面の端部に接線方向から蒸気を衝突させるように配置した請求項１〜６いずれか１項に記載の蒸気タービン。
8. ローターユニットは、ローターを複数個重ね合わせたローターの端部に各ローターよりも厚みのある固定ローターを配置した請求項１〜７いずれか１項に記載の蒸気タービン。
9. 発電と給湯・暖房のコージェネレーションのシステムを行うようにした請求項１〜８いずれか１項に記載の蒸気タービンを用いたランキンシステム。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

Images