JPH02299439A - タービン発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、タービンと発電機とが一体的に構成され、回
転体が浮いた状態となって非支持状態で回転するタービ
ン発電機に関する。

（従来技術） 以下、従来技術として宇宙船の発電システムを例示する
が、本発明の適用はこのものに限定されるものではな（
、たとえば無重力場のほか重力場においても適用できる
ものであり、熱源も原子力に限定されず、化石燃料など
任意の熱源が適用できるものである。

従来、宇宙船における発電システムとしては、化学的発
電、太陽電池発電、放射性同位元素発電など、動的機器
を用いない静的手段を採用している。

ところが、この静的発電システムでは第８図に示されて
いるように電気出力に限界があった。

即ち、化学的発電は比較的大出力も可能であるが、供用
寿命が短いという欠点がある。

これに対して、太陽電池発電や放射性同位元素発電は、
供用寿命が長いが、その反面で電気出力が小さい。

従来の宇宙船では、消費電力が比較的少量であるため、
太陽電池発電や放射性同位元素発電等の静的発電システ
ムで十分であった。

ところが、宇宙計画がますます発展している現状では、
大型宇宙船、宇宙基地など大量のエネルギが要求される
宇宙設備が計画されつつある。

このため、前期静的発電では出力面で不十分となり、昨
今は大出力が可能な原子力熱源による熱機関発電システ
ムが期待されている。

ところで、従来、地上におけるタービン発電システムは
、たとえば第９図に示されているように、ボイラ３１に
より蒸気を発生させ、この蒸気によりタービン３２を回
転させ、このタービン３２の回転により発電機３３を回
転させるようになっている。

タービン３２と発電機３３とは、別体となって分離して
おり、第１０図に示されているように、タービン３２に
おいて蒸気人口３４からケーシング３５内に蒸気が噴出
して羽根＄３６を回転させ、この羽根車３６の回転が回
転軸３７を介して発電機３３のロータ３８に伝達される
ものである。

このタービン３２では、回転軸３７がケーシング３５を
貫通しているため、回転軸３７をケーシング３５に回転
自在に支持する軸受３９を回転軸３７とのケーシング３
５との間に介装する必要がある。また、ケーシング３５
内に蒸気を密封するため、回転軸３７とケーシング３５
との開をシールするシール機構４０を設ける必要がある
。

同様に、発電機３３にも回転軸３７を支持するための軸
受４１を設ける必要がある。

（発明が解決しようとする課題） しかし、上記従来の地上における原子力によるタービン
発電システムを宇宙船に用いた場合には、次のような課
題がある。

■タービンのケーシングに軸受およびシール機構があり
、発電機には軸受があり、それらの定期的な保守を必要
とする。しかし、宇宙船は長時間飛行するので、そのよ
うな定期的保守はできず、したがって原子力をエネルギ
ー源として用いることが実際上不可能となってしまう。

■タービンのシール機構かられずかながら流体が漏洩す
るので、流体が次第に減少する。

また、流体が放射性を帯びている場合、放射性物質が放
散されて船内や宇宙空間が放射能汚染される。

０回転軸が軸受部分で摺動するので、故障の原因となり
やすく、信頼性が低い。

■タービンと発電機とが別体で分離しているので、小型
の発電システムが要求される宇宙船には不向きである。

上記課題を解決すべく、本発明の目的は、タービンと発
電機を一体化して小型化を図り、また軸受およびシール
機構をなくしたタービン発電機を提供することにある。

（課題を解決するための手ＰＵ） 上記目的を達成するため、本発明は、次の要゛　　素か
ら構成されている。

ケーシングと、該ケーシング内部に非支持状態に配置さ
れた回転体と、該回転体の周方向端に複数個設けられ、
流体の衝突する面が椀状凹面体に形成された受圧部と、
該受圧部に向けて流体を噴出するように設けられた流体
入口部と、前記回転体と一体的に回転するように設けら
れた磁石または導体と、該磁石または導体の回転によっ
て発電されるために設けられた固定導体または固定磁石
とからなるものである。

ここで、非支持状態とは、回転体がケーシングに軸支さ
れておらず、ケーシングから分離されていることを言う
ものとする。

（実施例） 以下に、本発明の一実施例を第１図ないし第５図を参照
して説明する。本実施例は、重力環境が無重力状態とな
っている宇宙船（図示省略）に搭載されたタービン発電
機であり、原子力を熱源としているものである。

第１図を参照して、原子炉（図示省略）の熱によりつく
られた蒸気の入口部である一方側の蒸気入口ノズル１ａ
と他方側の蒸気入口ノズル１ｂとが、後記強磁性体枠７
を貫通してケーシング２の外周部に図において上下に設
けられ、両蒸気入ロノズル１ａ、１１）からケーシング
２内に蒸気を噴出するようになっている。

ケーシング２の内部には、蒸気入口ノズル１ａ、ｌｂか
ら噴出される蒸気を受ける受圧部たる受圧パケット３が
設けられ、これらの受圧バケット３は円盤状の回転体４
の外周に複数取り付けられている。この回転体４は、ケ
ーシング２に対して非支持状態に配置されている。すな
わち、回転体４は、ケーシング２に軸支されることなく
、ケーシング２から分離され、浮遊状態となっている。

第３図と第４図を併わせ参照して、この回転体４は、ケ
ーシング２内に浮いて、予め設定された回転線Ｃ（以下
、設定回転線と称する。）上をケーシング２と非接触状
態で回転するようになっている。すなわ゛ち、前記受圧
バケ・７ト３の蒸気衝突面３ａは回転体４の設定回転線
Ｃに対して対称に椀状に湾曲して形成され、この蒸気衝
突面３ａの中心を設定回転ＭＣが通っている。

そして、設定回転線Ｃに対して等角度θの傾きで蒸気を
噴出するように前記対向する２個の蒸気入口ノズルｌａ
、ｌｂの噴出方向が設定されて一構成されている。

このような構成により、回転体４の蒸気衝突面３ａの中
心が設定回転線Ｃ上を回転している時には受圧バケット
３に対向する方向から等しい噴出蒸気の力が作用するが
、噴出蒸気の衝突部分が設定回転ａＣから外れると受圧
バゲソト３に対する２つの噴出蒸気の衝突角度が変化し
て、回転体４を設定回転面Ｃに復帰させる力が作用する
ものとなっている。（この点については後述する） また、静止時の回転体４の姿勢や位置が無重力下におい
て大きく変化して受圧パケット３に蒸気が衝突しなくな
ることを阻止するため、ケーシング２の内壁に周方向に
回転体４の両面に向けて回転体拘束部５が突設されてい
る。この回転拘束ｇ５によって回転体４はその中心位置
から−大きくずれることがないものである。回転体拘束
部５は、回転始めの回転体４との接触面積を小さくして
摩擦を低減するため、間隔をおいて複数に分割されて設
けられている。

回転体４の両面には、複数の磁石６が放射状に固着され
ており、回転体４と一体的に回転するようになっている
。ここで、磁石６は永久磁石、電磁石いずれでもよく、
電磁石の場合にはブラシなど可動部材に対する給電装置
を使用するとよい。

そして、この磁石６から発生する磁力線を案内して磁気
回路を形成するための強磁性体枠７が、前記ケーシング
２の外部に設けられている。

この強磁性体枠７には、前記磁石６の磁力線が通過する
導体が設けられている。すなわ・ち、強磁性体枠７の中
心穴８と、この中心穴８の外側に周方向に複数形成され
た外周穴９との間に導体たる導線１０が巻かれてコイル
が形成されている。

一テーシング２の中心部から図において上下２方向に流
体出口部たる蒸気出口ノズル１１が、延び、前記強磁性
体枠７の中心穴８から外に出ており、この蒸気出口ノズ
ル１１から出た蒸気は原子炉の熱により加熱されて回転
体４の回転に使用されて循環されるものである。

以上のように構成された本発明の一実施例は、次のよう
に作用する。

第５図を参照して、磁石６の磁力線（破線で示している
）が回転体４とケーシング２とを貫通し、強磁性体枠７
を介して磁気回路を構成しており、この磁気回路を横切
って導線１０が配置されている。

今、図示しない原子炉の熱により蒸気を発生させ、蒸気
入口ノズルｌａ、ｌｂからケーシング２の中に蒸気を噴
出して受圧パケット３に衝突させて回転体４をケーシン
グ２内に浮かせて非接触状態にて回ｖ：すせ、この回転
体４と一体に磁石６を回転させて磁力線を移動させ、電
磁誘導作用により導線１０に起電力Ｅを発生させて発電
する。回転体４の回転に用いられた後の蒸気は蒸気出口
／ズル１１から外に導出されて復水され、再度加熱、蒸
発されて循環される。

前述のように回転体４はケーシング２内に浮いて非接触
状態で回転するが、その原理を＠２図、第３図および＠
４図を参照して説明する。

蒸気入口ノズルｌａ、ｌｂから噴出された蒸気が、第３
図に示されているように、受圧パケット３における設定
回転ａＣに対して対称に凹状に湾曲する蒸気衝突面３ａ
に、設定回転線Ｃに対して対向する２方向から等角度θ
で衝突する。

両蒸気入口／ズルｌａ、ｌｂの蒸気噴出力をＰとすると
、両蒸気噴出ベクトルは２Ｐｃｏｓθの合成力で回転体
４の受圧パケット３に作用する。

この場合、他のベクトルは互いに打ち消し合うので、受
圧パケット３には他の方向の力が残留作用することはな
い。

また、第２図に示されているように、受圧パケット３は
回転体４の中心に対して対称に設けられているので、対
称に位置する受圧パケット３から回転体４の中心方向に
作用する力は互いに打ち消し合うものとなる。したがっ
て、蒸気の運動エネルギーは、回転体４の回転中心を移
動させることはせずに、回転体４を回転させるだけの回
転モーメン）Ｍとしてのみ作用する。

次に、回転体４が回転を始める初めの時や宇宙船が急な
方向転換を行った時には、受圧バケット３の蒸気衝突面
３ａに対する蒸気の衝突位置が、一時的に設定回転線Ｃ
と一致しなくなる。

たとえば、第４図に示すように、受圧パケット３が設定
回転＃ＸＣよりも図において上方にｄだけ位置がずれた
とする。すると、正規の状態において蒸気衝突面３ａの
０点に作用していた蒸気の合成ベクトル２Ｐｃｏｓθの
作用点は蒸気衝突面３ａにおいてβ点に移動する。ここ
で、２Ｐｃｏｓθは蒸気が持っているベクトルであり、
受圧パケット３には曲率があるから該蒸気衝突面３ａの
接線角度によって受圧パケット３を垂直方向に押すベク
トルＦ、と、蒸気が蒸気衝突面３ａに衝突することによ
って流れ方向を変え・るベクトルＦ２とに分解される。

つまり、蒸気衝突面３ａのβ点にはベクトルＦ１をＸ−
Ｙ座標系に分解して、受圧パケット３を回転方向に回転
させようとするベクトルＦ、ｘと、受圧パケット３を下
方に下げようとするベクトルＦｌｙが作用する。このベ
クトルＦｌｙにより受圧パケット３が下方へ移動されて
０点がβ点方向へ移行し、受圧パケット３は正規の設定
置ｔｉｃ上に戻ってくる。正規の設定回転線Ｃ上では、
蒸気は蒸気衝突面３ａに対して垂直に作用するから、ベ
クトルＦｕ’は発生せず、ベクトル２Ｐｃｏｓθの全て
が受圧パケット３の回転ベクトルとなってｆヤ用する。

又、受圧バケ・ｚト３の形状は椀状となっており、そし
て噴出する蒸気の合成ベクトルの作用点は１点に集中す
るので、位置ずれが第４図のＹ軸方向に生ずる場合だけ
でなく、Ｚ軸方向に生じた場合においても同様の作用に
より設定回転線上に戻るような修正力が働くことは明ら
かである。

以上説明したように、本発明によると、回転体４は、回
転中心を同一にして、かつ設定回転ＦＡＣと一致して回
転するので、ケーシング４内に浮いて非接触状態にて回
転されるものとなる。

また、濯止時の回転体４は、回転体拘ＴＲ部５により余
り中心位置がらずれないように、姿勢を拘束されている
ので、回転開始時に受圧パケット３に蒸気入口ノズルｌ
ａ、ｌｂがら噴出された蒸気が受圧パケット３がら外れ
ることがない。

以上までは、蒸気入口ノズルｌａ、ｌ’ｂが設定回転線
Ｃに対して対向するように複数個設置されている構造の
実施例について説明したものであるが、本発明は上記実
施例に限定されるものではない。即ち、回転体４を非接
触で回転させるためには蒸気入口ノズルの配置関係が上
記実施例の配置関係だけでのみ成立するのではなく、犬
のような配置関係としてもよい。

蒸気入口ノズル１の配置関係だけを除いて、第１図と同
様の構造の発電機体系において、説明に必要な範囲で主
要部を模式的に示した図を第６図に示す。第６図を参照
して、回転体４の外周には受圧パケット３が複数個取り
付けており、蒸気入口ノズル１を設定回転線（第６図で
は記載省略）上に位置するように配置し、かつ回転体４
が正規の非接触回転状態にある時に、噴出蒸気が受圧部
３の椀状凹面の同一位置に当たるようにケーシング２の
横働方向に対称的に蒸気入口／ズル１を複数個取り付け
る。

このような蒸気入口ノズル１の配置においても、回転体
４には回転モーメントのみが発生して、非接触で回転さ
せることができる。蒸気衝突面に対する蒸気の衝突位置
が一時的にずれた場合の修正力の発生原理は、既に述べ
であるのでここでは省略する。

このタービン発電機では、タービンと発電機とが一体に
構成されているので、小型化でき、宇宙船に搭載するも
のとじで好適である。

タービンと発電機とが一体的に構成されており、従来の
ようなタービンから発電機への回転伝達用の軸がないた
め、その軸を支持する軸受がなく、また袖を通す穴がケ
ーシング４にないため、その穴をシールするシール機構
もない。

このように軸受やシール機構がないので、艮時間保守魚
検を必要とせず、長時間飛行する宇宙船に好適である。

タービンと発電機とが一体に構成されており、従来のよ
うなタービンから発電機への回転伝達用ノ軸がないため
、軸を通す穴がケーシング２にないため、ケーシング２
は密封され、流体がケーシング２の外に漏洩して減少す
ることがなく、放射性流体が宇宙船内に放散されて汚染
されることもなくなる。

タービンと発電機とが一体に構成されており、従来のよ
うなタービンがら発電機への回転伝達用の軸がないため
、その軸を支持する軸受がない。このように摺ｗＪ部分
である軸受がないので、信頼性が向上する。

以上の説明では、無重力下におけるタービン発電機にて
説明したが、重力場においても、蒸気の噴出力と、回転
体等の重量とを適切に設計することにより、復帰力を大
きくし、以て重力による沈降力に抗して回転体をケーシ
ング内に浮かせることができるものである。

また、重力場において使用する場合には、第７図に示さ
れるように、翼２２を設けて重力Ｇに抗する揚力りを発
生させる構造とすることがよい。即ち、回転体２１の周
方向に翼２２を複数個切り起こして設け、回転体４の回
転によって該翼２２が空気を図の矢印Ｑで示すように送
り出し、これによって重力Ｇに抗する揚力りを発生させ
るようになっている。

以上挙げた実施例に本発明は限定されるものではなく、
たとえば、磁力線回路を形成するために、ケーシングの
外側に設けられた強磁性体枠に代えて、ケーシングの材
質として強磁性体をｍいるように・してもよい。

また、回転体に導体を設け、ケーシングまたは強磁性体
枠など回転体の外側に磁石を配置するようにしてもよい
。

さらに、前述のように、本発明の適用は宇宙船搭載用に
限定されるものではなく、重力場においても適用でき、
熱源も原子力に限定されず、化石燃料など任意のもので
よい。

さらに、また蒸気入口部および蒸気出口部の数は任意で
よい。

（発明の効果） 以上説明した本発明によれば、次の効果を奏する。

■タービンと発電機とが一体に構成されているので、発
電システムを小型化できる。

■タービンと発電機とが一体的に構成されており、従来
のようなタービンから発電（幾への回転伝達用の軸がな
いため、その軸を支持する軸受がなく、また軸を通す穴
がケーシングにないため、その穴をシールするシール機
構らない。このように、軸受やシール機構がないので、
長時間保守点検をせずに運転することができる。

■タービンと発電機とが一体に構成されており、従来の
ようなタービンから発電機への回転伝達用の軸がないた
め、軸を通す穴がケーシングにないため、ケーシングは
密封され、流体がケーシングの外に漏洩して減少するこ
とがない。

■タービンと発電機とが一体的に構成されており、従来
のようなタービンから発電はへの回転伝達用の軸がない
ため、その袖を支持する軸受がなく、摺動部分である軸
受がない結果、信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

ｆｊＳ１図は、本発明の一実施例の一部破断斜視図であ
る。 第２図は、受圧パケットに対する蒸気噴出を示す作用状
態図である。 ＰＳ３図は、受圧パケットに対する蒸気噴出を示す別の
作用状態図である。 第４図は、受圧パケットに対する蒸気噴出を示す更に他
の作用状態図である。 第５図は、この実施例の発電作用を示す作用状態図であ
る。 第６図の（イ）は、本発明の他の実施例を示す断面図で
あり、 第６図の（ロ）は（イ）のＡ　−Ａ断面図である。 第７図は、別の実施例の要部を示した断面図である。 第３図は、各種発電手段のが命と出力とを示したグラフ
である。 第９図は、公知の発電システムの系統図である。 第１０図は、第８図の一部を拡大した略図である。 ｌａ、Ｉｂ：蒸気入口ノズル　２：ケーシング３：受圧
バケッ）　　３ａ：蒸気衝突面４：回転体　５：回転体
拘束部　６：磁石７：強磁性体枠　１０：導線 １１：蒸気出口ノズル　２に回転体　２２：！Ａ代理人
　弁理士　辻　三部（はが１名）第１図 第６図 （イン 第７図 り 第８図 １時間　　１日　　　　１月　　　　１年　　　１０年
（共　　用　　寿　　命

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ケーシングと、 該ケーシング内部に非支持状態に配置された回転体と、 該回転体の周方向端に複数個設けられ、流体の衝突する
   面が椀状凹面体に形成された受圧部と、 該受圧部に向けて流体を噴出するように設けられた流体
   入口部と、 前記回転体と一体的に回転するように設けられた磁石ま
   たは導体と、 該磁石または導体の回転によって発電されるために設け
   られた固定導体または固定磁石とを備えて成ることを特
   徴とするタービン発電機。
2. （２）ケーシングと、 該ケーシング内部に非支持状態に配置された回転体と、 該回転体の周方向端に複数個設けられ、流体の衝突する
   面が椀状凹面体に形成された受圧部と、 該受圧部に向けて回転体の設定回転線に対して等角度で
   流体を噴出するように設けられた流体入口部と、 前記回転体と一体的に回転するように設けられた磁石と
   、 該磁石から発生する磁力線を案内して磁気回路を形成す
   るために設けられた強磁性体枠と、該強磁性体枠に設け
   られ、前記回転する磁石によって発電される導体と、 を備えて成ることを特徴とするタービン発電機。
3. （３）前記回転体に、回転体の回転により揚力を発生さ
   せるための翼が設けられていることを特徴とする請求項
   第１項あるいは第２項記載のタービン発電機。