JP2008057363A - Steam turbine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽熱を利用したランキンシステムなどに使用される蒸気タービンに関するものである。 The present invention relates to a steam turbine used in a Rankine system using solar heat.
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、蒸気排出口から蒸気を排出している。(例えば特許文献1参照)。 Conventionally, in this type of steam turbine, steam flows from the outer periphery toward the shaft through a flat disk, which is densely attached to the output shaft at narrow intervals, and the disk is rotated by the viscous force and adhesion force of the steam. The steam is discharged from the steam outlet. (For example, refer to Patent Document 1).
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。
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、蒸気がディスクの間隙を通過してディスクの一部に設けた複数個の蒸気排出口から出力軸に沿うような形で排出されるので、ディスクを通過する蒸気の流れが急激に変化し、蒸気の流れが乱れるため、蒸気の粘性力と付着力をディスクに伝える作用が低下するという課題があった。 However, in the above prior art, a large number of planar disks substantially perpendicular to the output shaft are stacked, and steam passes through the gaps of the disks and passes from the plurality of steam discharge ports provided in a part of the disk to the output shaft. Since the steam flows through the disk, the flow of the steam passing through the disk changes abruptly and the flow of the steam is disturbed, so there is a problem that the action of transmitting the viscous force and adhesion force of the steam to the disk is reduced. .
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ローターの間隙を通過する蒸気を回転軸の周囲に設けた排出通路に排出するようにして、ローターの間隙を通過する蒸気の流れに乱を生じさせずに間隙外に排出させ、これにより、蒸気の粘性力と付着力をローターに伝える作用を向上し、回転軸に与えるトルクを上昇して、効率を向上することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and disturbs the flow of steam passing through the rotor gap by discharging the steam passing through the rotor gap to a discharge passage provided around the rotating shaft. An object is to improve the efficiency by increasing the torque imparted to the rotating shaft by improving the action of transmitting the viscous force and adhesion force of the steam to the rotor without causing the gap to be discharged out of the gap.
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、複数個のローターを間隙を介して重ね合わせたローターユニットと、ローターユニットを固定するためにローターの端部に設けた固定ローターと、固定ローターに設けた回転軸と、蒸気が各ローターの間隙を通過し回転軸の周囲に設けた排出通路に排出するようにローターユニットと固定ローターを備えたものである。 In order to solve the above-described conventional problems, a steam turbine according to the present invention includes a nozzle that ejects steam, a rotor that is rotated by the steam ejected from the nozzle, and a rotor unit in which a plurality of rotors are stacked with a gap therebetween. A fixed rotor provided at the end of the rotor for fixing the rotor unit, a rotating shaft provided in the fixed rotor, and steam passing through a gap between the rotors and being discharged into a discharge passage provided around the rotating shaft. With a rotor unit and a fixed rotor.
この蒸気タービンによって、ローターの間隙を通過する蒸気の流れがローターの側面に沿い、乱れないで間隙外に排出され、蒸気の粘性力と付着力をローターに伝える作用を向上し、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。 With this steam turbine, the flow of steam passing through the rotor gap is discharged along the side of the rotor without being disturbed, and the action of transmitting the viscosity and adhesion of steam to the rotor is improved, rotating the rotor. The torque applied to the rotating shaft is increased to improve efficiency.
本発明の蒸気タービンは、蒸気の粘性力と付着力をローターに伝える作用を向上し、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。 The steam turbine of the present invention improves the efficiency by transmitting the viscous force and adhesion force of steam to the rotor, and increases the torque applied to the rotating shaft by rotating the rotor.
第1の発明は、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、このローターに設けた回転軸とを具備し、前記ローターは、間隙を介して重
ね合わせた複数個の円輪状のディスクの両側に回転軸を設けた固定ディスクを配置して構成し、ノズルから噴出する蒸気がディスク間の間隙を通過し、前記回転軸の周囲に設けた排出通路に排出するように設定したものである。
1st invention comprises the nozzle which spouts a vapor | steam, the rotor rotated by the vapor | steam ejected from this nozzle, and the rotating shaft provided in this rotor, The said rotor overlap | superposed via the gap | interval A fixed disk having a rotating shaft is arranged on both sides of the circular disk, and steam ejected from the nozzle passes through a gap between the disks and is discharged to a discharge passage provided around the rotating shaft. Is set.
したがって、ローターのディスク間隙を通過する蒸気の流れが乱れないで間隙外に排出され、これにより、蒸気の粘性力と付着力を高め、蒸気タービンの効率を向上することができる。 Therefore, the flow of the steam passing through the disk gap of the rotor is not disturbed and is discharged out of the gap, thereby increasing the viscosity force and adhesion force of the steam and improving the efficiency of the steam turbine.
第2の発明は、特に第1の発明において、スペーサーを介してディスク間の間隙を形成して、複数個の均一な間隙を構成できるようにし、蒸気の粘性力と付着力をローターに確実に伝えるようにした。 In the second invention, particularly in the first invention, gaps between the disks are formed via spacers so that a plurality of uniform gaps can be formed, and the viscous force and adhesion force of the steam are surely applied to the rotor. I told you.
第3の発明は、特に第1の発明において、固定ディスクは、排出通路に臨む複数個の排出口を回転軸の周囲に構成した。 In a third aspect of the invention, particularly in the first aspect of the invention, the fixed disk is configured with a plurality of discharge openings facing the discharge passage around the rotating shaft.
第4の発明は、特に第1の発明において、ディスクは、側壁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て、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た。 According to a fourth aspect of the invention, in particular in the first aspect of the invention, the disk is provided with protrusions for obtaining impulsive force on both or one of the side walls to efficiently transmit the kinetic energy of the steam to the rotating shaft. Increased torque.
第5の発明は、特に第1の発明において、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。 In the fifth aspect of the invention, particularly in the first aspect of the invention, the nozzle is arranged so that the steam collides with the end of the rotating rotor from the tangential direction.
第6の発明は、これら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した。 In a sixth aspect of the invention, these steam turbines are mounted on a solar thermal Rankine system to realize a power generation, hot water supply / heating cogeneration system.
(実施の形態1)
図1において、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は出力軸である回転軸4に固定されている。蒸気2は高温のフロンや水の蒸気であり、場合によっては、高温のCO2や空気等のガス体を使用することもある。
(Embodiment 1)
In FIG. 1, a
前記ローター3は回転軸4に対して略垂直に配置され、かつ複数の円輪状のディスク5で構成されており、中央部分が排出開口6として設定されている。そして、このローター3の側面(表面)に衝動面7を構成している。
The
前記ローター3を構成する円輪状のディスク5は同一の幅の間隙8をおいて重ね合わせられており、前記間隙8はスペーサー9により形成されている。
The
ローター3、回転軸4、およびスペーサー9は、耐熱性、耐腐食性の材料、例えば、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。
The
ローター3やスペーサー9は、重量の軽減のために薄く、例えば、1mm以下に構成している。スペーサー9の形状は、間隙8の隙間管理とともに、蒸気2による衝動力が効率よく得られるように、円輪状のディスク5の表面に、例えば円弧状に、独立して均等に配列されている。
The
したがって、外周からの蒸気2は各スペーサー9で分割された間隙8を通り、ローター3の中央に設けた排出開口6から出ていくようにしている。スペーサー9は複数個のガイドピン10により位置決めがなされている。
Therefore, the
また、間隙8は、衝動面7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以下に構成してある。
Further, the
円輪状のディスク5を複数個重ね合わせることで、複数個の排出開口6により回転軸4の周囲に排出通路11が形成される。そして、円輪状のディスク5の左右最外側は略円板状の固定ディスク12として回転軸4に固定されるようにしてある。
By overlapping a plurality of
これら固定ディスク12はその間のディスク5よりも厚みがあり、ローター3の剛性を高めている。
These
一方の固定ディスク12には先の排出通路11に連通する複数個の排出口13を設けている。
One
ノズル1は、回転軸4に対してほぼ直角に蒸気2を噴出するもので、ローター3の外周部分に接線方向から衝突するように設けている。
The
さらに、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。
Further, a plurality of
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。
As the shape of the
このノズル1や回転軸4やローター3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3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。
A
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が設けられている。これら軸受け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。
The
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には、排出口13から排出される蒸気2を流入させる環状の排出室17を設けている。この排出室17の一部に排出管18が設けてある。
The material of the
回転軸4の回転は発電機19に伝達されるようにしてある。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。
The rotation of the rotating
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。
In FIG. 2,
なお、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。
Note that the
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。
The
25は、蓄熱槽21の熱を利用した熱媒体26の蒸気2を図1,2の蒸気タービン27のノズル1に供給する供給ポンプで、蒸気タービン27から排出された熱媒体26を再度蓄熱槽21に送る回路28(閉回路)の途中に設けている。この回路28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。なお、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。
25 is a supply pump for supplying the
また、回路28の蒸気タービン27と供給ポンプ25の途中に貯湯タンク29を設けて、蒸気タービン27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29に湯を貯めるようにしている。
Further, a hot
熱媒体26は、この貯湯タンク29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27に設けた発電機19により発電しながら貯湯タンク29にお湯を貯めるようにしている。
The
貯湯タンク28に貯められたお湯は、給水ポンプ30により給湯用や暖房用に供給されるようにしている。
The hot water stored in the hot water storage tank 28 is supplied by the
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。 About the steam turbine comprised as mentioned above, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below.
まず、蒸気タービン27のノズル1に供給する蒸気2をつくりだすためには、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。
First, in order to produce the
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22に維持するようにしている。
The heat storage tank 21 receives this steam and accumulates an amount of heat of about 200 ° C. The vapor of the
蓄熱槽21に所定の熱量が蓄積されると、回路28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27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27のローター3に構成する衝動面7に衝突し、スペーサー9にガイドされながら、各ディスク5,12間に構成される間隙8の内部を衝動面7に沿いながら旋廻し、ローター3の中央に設けた排出開口6の部分から噴出し、回転軸4の周囲に設けた排出通路11から排出される。
When a predetermined amount of heat is accumulated in the heat storage tank 21, the
この時、蒸気2の粘性力や付着力により、ローター3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のトルクを利用して発電機19を回転させて、発電を行うようにしている。
At this time, the
蒸気タービン27から排出した熱媒体26の蒸気2は、貯湯タンク29に送られ、水と熱交換を行い、その熱は貯湯タンク29内にお湯として貯められる。蒸気2は、貯湯タンク29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。
The
この動作を繰り返すことにより、蒸気タービン27で発電しながら貯湯タンク29にお湯を貯め、給湯や暖房の必要なときに給水ポンプ30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。
By repeating this operation, hot water is stored in the hot
以上のように、本実施の形態によれば以下次のような特徴を挙げることができる。 As described above, according to the present embodiment, the following features can be exemplified.
(1)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により回転するとともに、複数個のディスク5,12を間隙8を介して重ね合わせたローター3と、このローター3の回転軸4と、蒸気2が各ディスク5,12の間隙8を通過し回転軸4の周囲に設けた排出通路11に排出するように構成したので、ローター3の間隙8を通過する蒸気2の流れがローター3の側面に沿ったまま乱れないで間隙8外に排出され、蒸気2の粘性力と付着力をローター3に伝える作用を向上し、ローター3を回転させ回転軸4に与えるトルクを上昇して、蒸気タービン27の効率を向上することができる。
(1) A
(2)ノズル1から噴出する蒸気2が衝動面7やスペーサー9に沿って長時間滞留し、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。
(2) Since the
(3)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27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27で必要な蒸気2を随時取り出すことができる。
(3) Since an independent
(4)回路28の途中に貯湯タンク29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29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。
(4) Since the hot
(5)最大発電量を増加するときは、ローター3のディスク5の枚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。
(5) Increasing the maximum power generation amount is possible by increasing the number of
(6)ノズル1から噴出する蒸気2を衝動面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27を実現できる。
(6) Since the
(7)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3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。
(7) Since the
(8)間隙8内でのスペーサー9の位置決めを複数個のガイドピン10を介して行うので、ローター3の組み立て時に複数個のスペーサー9を正確に配置することができる。
(8) Since the
(9)ローター3の間隙8を通過して排出通路11から排出する蒸気2が直接回転軸4のほぼ垂直方向に均一な流れを保ちながら噴出し、蒸気2の粘性力や付着力によりローター3に回転力が加わった後に排出するようにしているので、排出通路11内の蒸気2は固定ディスク12の複数個の排出口13から均一に排出し、ローター3の間隙8から均一な蒸気2が排出するようにしている。したがって、回転軸4に均一な回転力を加えることができ、蒸気タービン27の効率を向上することができる。
(9) The
(実施の形態2)
図3において、ローター3は、円板状の側壁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31を設けている。蒸気2がこの突起部31に沿って流れることで、効率よく衝動力が得られるように、形状としては、例えば、円弧状に複数個構成している。
(Embodiment 2)
In FIG. 3, the
突起部31の端部は、隣接するディスク5,12に接するように構成して、蒸気2が突起部31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31は衝動面5に貼り付けるか、またはスペーサー9を突起部31の形状に形成してディスク5,12間に挟み込んで構成するようにしている。
The end of the protrusion 31 is configured to contact the
なお、図1と同一構成の部分には同一符号を付し、説明は実施の形態1のものを援用する。
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part of the same structure as FIG. 1, and the thing of
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。 About the steam turbine comprised as mentioned above, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below.
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、蒸気タービンのローター3の外周から間隙8に流入し円板状の衝動面7に沿いながら旋廻し、ローター3の中央に設けた排出開口6から排出される。
The
この時、蒸気2はローター3に設けた円弧状の突起部31に沿って移動するときに衝動面7とともに衝動力を得て、回転軸4に回転トルクとして伝えるようにしている。
At this time, when the
なお、突起部31は、図3のようにターボファンの翼のように衝動面7を分割するように設ける場合や、コンプレッサーのようにローターの衝動面7に一つの連続するスクロール状に構成すことも可能である。
In addition, the protrusion 31 is configured so as to divide the
(実施の形態3)
図4において、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27に送り、蒸気タービン27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27と循環ポンプ22の途中に貯湯タンク29を設けて、蒸気タービン27に運動エネルギを与えた後の高温蒸気2の熱を利用してこの貯湯タンク29に湯を貯めることもできる。
(Embodiment 3)
In FIG. 4, the
熱媒体24は、この貯湯タンク29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27に設けた発電機19により発電しながら貯湯タンク29にお湯を貯めるようにしている。貯湯タンク29に貯められたお湯は、給水ポンプ30により給湯用や暖房用に供給されるようにしている。
The
なお、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27に送り、この蒸気タービン27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。
As shown in FIG. 5, the
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。 As described above, the steam turbine according to the present invention can operate using solar heat having a low energy density, and thus can be applied to exhaust heat recovery of automobiles and fuel cells.
1 ノズル
2 蒸気
3 ローター
4 回転軸
5,12 ディスク
6 排出開口
7 衝動面
8 間隙
11 排出通路
27 蒸気タービン
DESCRIPTION OF
Claims (6)
Priority Applications (1)
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JP2006233021A JP2008057363A (en) | 2006-08-30 | 2006-08-30 | Steam turbine |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2006233021A JP2008057363A (en) | 2006-08-30 | 2006-08-30 | Steam turbine |
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