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
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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
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
。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。
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
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)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2006014841A JP2007198162A (ja) | 2006-01-24 | 2006-01-24 | 蒸気タービン及びこれを用いたランキンシステム |
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JP2006014841A JP2007198162A (ja) | 2006-01-24 | 2006-01-24 | 蒸気タービン及びこれを用いたランキンシステム |
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ID=38453023
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JP (1) | JP2007198162A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021527775A (ja) * | 2018-06-11 | 2021-10-14 | スマート イー, エルエルシーSmart E, Llc | 熱電分散型コジェネレーション用のコンパクトなランキンターボジェネレータ装置 |
-
2006
- 2006-01-24 JP JP2006014841A patent/JP2007198162A/ja active Pending
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