JPH071995B2

JPH071995B2 - タービン発電機

Info

Publication number: JPH071995B2
Application number: JP1119625A
Authority: JP
Inventors: 一片岡
Original assignee: 動力炉・核燃料開発事業団
Priority date: 1989-05-12
Filing date: 1989-05-12
Publication date: 1995-01-11
Anticipated expiration: 2010-01-11
Also published as: JPH02299439A

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
く、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と回転により発電機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
蒸気入口34からケーシング35内に蒸気が噴出して羽根車
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35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との間をシールするシー
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わ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。

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段）上記目的を達成するため、本発明は次の構成となってい
る。

即ち、ケーシングと、該ケーシング内部に配置された回
転体と、該回転体の周方向端に回転軸と対称に１対以上
設けられ、流体の衝突する面が前記回転体の設定回転線
に対して対称に湾曲した椀状凹面体に形成された受圧部
と、回転軸と対称に１対以上設けられ、該受圧部に向け
て前記回転体の設定回転線に対して等角度の傾きで流体
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り、前
記受圧部に作用する流体の衝突位置が前記設定回転線か
らずれたときに該ずれを復帰させる方向のベクトルが生
ずることにより前記回転体を非支持としてなること。

また、前記磁石及び導体の構成が、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からなること。

更に、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。

ここで、非支持とは、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
である。

（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（後述
の回転体４の回転軸と対称に）設けられ、両蒸気入口ノ
ズル1a、1b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、1bから噴
出される蒸気を受ける受圧部たる受圧バケット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、該回転体４の回転軸と対称に、１対以上取り付け
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図を併せて参照して、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
バケット３の蒸気衝突面3aは回転体４の設定回転線Ｃに
対して対称に凹状に湾曲して形成され、この蒸気衝突面
3aの中心を設定回転線Ｃ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1a、1bの噴出方向が
設定されて構成されている。

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線Ｃから外れると受圧バケ
ット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バケット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。この回転拘束部５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。

ケーシング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９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1a、1bからケーシング２の中に蒸気を噴出し
て受圧バケット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転させ、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ノズル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、その原理を第２図、第３図および第
４図を参照して説明する。

蒸気入口ノズル1a、1bから噴出された蒸気が、第３図に
示されているように、受圧バケット３における設定回転
線Ｃ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。両蒸気入口ノズル1a、1b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
の受圧バケット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、受圧バケット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、受圧バケット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
称に位置する受圧バケット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
転モーメント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
バケット３が設定回転線Ｃ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α点に作用していた蒸気の合成ベクトル2P
cosθ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、受圧バケット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バケット３は垂直方向に押すベ
クトルF₁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、受圧バケット３を回転方向に回転させよう
とするベクトルF₁xと、（図示の場合には）受圧バケッ
ト３を下方を下げようとするベクトルF₁yが作用する。
このベクトルF₁yにより受圧バケット３が下方へ移動さ
れてα点がβ点方向へ移行し、受圧バケット３は正規の
設定回転線Ｃ上に戻ってくるものとなる。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F₁yは発生せず、ベクトル2Pcosθの
全てが受圧バケット３の回転ベクトルとなって作用す
る。

又、受圧バケット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
ように設計されているので、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、かつ設定回転線Ｃ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、静止時の回転体４は、回転体拘束部５により余り
中心位置からずれないように、姿勢を拘束されているの
で、回転開始時に受圧バケット３に蒸気入口ノズル1a、
1bから噴出された蒸気が受圧バケット３から外れること
がない。

以上までは、蒸気入口ノズル1a、1bが設定回転線Ｃに対
して対向するように１対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、次のような
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の外周には受圧バケット３が１対以上取
り付けられており、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の横動方向に対照的に蒸気入口ノズル１を２対取り
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
て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
のとして好適である。

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、また軸を通す穴がケ
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、長時
間保守点検を必要とせず、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の軸がないた
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い。このように摺動部分
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Ｌ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Ｌ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に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用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、また蒸気入口部の対数は任意でよく、更に蒸気
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
構もない。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、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】

第１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、受圧バケットに対する蒸気噴出を示す作用状
態図である。第３図は、受圧バ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、受圧バ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８図は、各種発電手段の寿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。 1a、1b:蒸気入口ノズル 2:ケーシング 3:受圧バケット 3a:蒸気衝突面 4:回転体 5:回転体拘束部 6:磁石 8:強磁性体枠 10:導線 11:蒸気出口ノズル 21:回転体 22:翼

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ケーシングと、該ケーシング内部に配置さ
れた回転体と、該回転体の周方向端に回転軸と対称に１
対以上設けられ、流体の衝突する面が前記回転体の設定
回転線に対して対称に湾曲した椀状凹面体に形成された
受圧部と、回転軸と対称に１対以上設けられ、該受圧部
に向けて前記回転体の設定回転線に対して等角度の傾き
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
り、前記受圧部に作用する流体の衝突位置が前記設定回
転線からずれたときに該ずれを復帰させる方向のベクト
ルが生ずることにより前記回転体を非支持としてなるこ
とを特徴とするタービン発電機。
【請求項２】ケーシングと、該ケーシング内部に配置さ
れた回転体と、該回転体の周方向端に回転軸と対称に１
対以上設けられ、流体の衝突する面が前記回転体の設定
回転線に対して対称に湾曲した椀状凹面体に形成された
受圧部と、回転軸と対称に１対以上設けられ、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、を備えて成り、
前記受圧部に作用する流体の衝突位置が前記設定回転線
からずれたときに該ずれを復帰させる方向のベクトルが
生ずることにより前記回転体を非支持としてなることを
特徴とするタービン発電機。
【請求項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。