JPH11223106A - 一体構造の駆動体内蔵タービンを備えた発電装置を含む動力発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 作動媒体の漏洩を防止し、併せて環境汚染を
防止、大気混入によるシステム障害を皆無とし且つ水分
混入による氷結防止を可能とした、信頼性の高い一体構
造の駆動体内蔵タービンを備えた発電装置を提供する。 【構成】 本発明の一体構造の駆動体内蔵タービンを備
えた発電装置を含む発生装置である発電装置は、一体構
造の駆動体内蔵タービン４０と蒸発器４２と凝縮器４５
とポンプ４３ａ、４４ａと表層温水源４３と深層冷水源
４４とにより、アンモニアを作動媒体とする密閉ランキ
ングサイクルを構成する。上記一体構造の駆動体内蔵タ
ービン４０はタービン１０と動力伝達部２０と密閉フラ
ンジ発電機３０とより成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、タービンを使用す
るサイクル形変換をするエネルギー変換装置である密閉
ランキングサイクル海洋温度差発電装置や、密閉ブレイ
トンサイクルによる一体構造の駆動体内蔵タービンを備
えた発電装置を含む動力発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】エネルギー変換は、その内容により、要
素形、サイクル形、システム形に分類できる。要素形は
単一の変換機器だけで二つの異なったエネルギーの間の
変換を行うものである。サイクル形変換は、内燃機関の
ように一つの装置によりいくつかの熱力学的過程を組合
せて行うものや、要素変換を行ういくつかの機器の組合
せより成るプラント中を流体が循環するときに、高温源
から熱エネルギーを受け、その一部を力学エネルギーに
変換し、残りの熱エネルギーを低温源に放出するもの
で、それにはランキングサイクルやブレイトンサイクル
がある。

【０００３】上記ランキングサイクルは海洋温度差発電
に使用されており、ブレイトンサイクルには空気、Ｈ
ｅ、ＣＯ₂ 等を作動媒体とする密閉型の外燃機関として
ガスタービンを介して作動させる発電装置や寒冷生成装
置に使用されている膨張機を介して作動させエネルギの
一部を回収する発電装置や循環ガスを圧縮する動力発生
装置がある。上記海洋温度差発電は、海洋の表層水は日
射により加熱される一方海水の深度方向の熱伝達は大き
くないので、深海（５００ｍ程度）の海水温度（４〜７
℃）に比べて高温になっている温度差を利用したもの
で、特に日射しの大きい低緯度海域では、温度差は２０
℃以上にも達するので、熱機関を適用することにより力
学仕事や電力を取り出すことができる。熱機関には、小
さい温度差で大きな熱落差が得られるランキングサイク
ルが用いられ、タービンで仕事をさせる作動媒体を海水
から切り離し、海水は単に熱入力または冷却水として利
用する密閉サイクルが使用されている。前記作動媒体と
しては、アンモニア、フロン、プロパン等の沸点が低く
（アンモニアで−３３．３℃、フロン２２で−４０．８
℃、フロン１１で−２３．７℃）常温付近で蒸気圧の高
い低沸点媒体が使用されている。

【０００４】上記したように、ランキングサイクルやブ
レイトンサイクルにおいては、タービンで熱エネルギー
は力学エネルギーに変換させられ、その大部分ないし一
部はタービンに連結した発電機等の駆動体を駆動させて
いる。ところで、上記タービンと駆動体との間の伝導連
結部は、開放軸にメカニカルシール等を使用する構造に
しているため、作動媒体の漏洩を発生し大気環境汚染を
来し、大気混入によるシステム障害の原因を形成してい
る。一方作動媒体には水分混入による氷結を起こす問題
点を持っている。また、寒冷発生装置においては膨張タ
ービンにおける潤滑油のオイルミストの発生に基づくプ
ロセスガスへの混入の問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題点に
鑑みなされたもので、作動媒体の漏洩を防止し、併せて
環境汚染を防止し、大気の混入により惹起されるシステ
ム障害を皆無とし、且つ水分混入による氷結防止を可能
とした、信頼性が高く且つ動力伝達ロスの低減をも可能
とした一体構造の駆動体内蔵タービンを備えた発電装置
を含む動力発生装置の提供を目的とするものである。そ
のためには、作動媒体の流動する流路を密閉状に構成す
るとともに、作動媒体を膨張させ熱エネルギーを力学エ
ネルギーに変換するターボ膨張機ないし膨張ターボと動
力伝達部と駆動体とを一体気密構造とし構造的に作動媒
体の漏洩を防止するようにしたものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明における一体構造
の駆動体内蔵タービンを備えた発電装置を含む動力発生
装置は、タービンを用いて作動媒体に仕事をさせ、サイ
クル形変換を介して熱エネルギーを力学エネルギーに変
換するエネルギー変換装置の密閉サイクルよりなるラン
キングサイクルで構成された発電装置において、作動媒
体にはアンモニアを使用し、動力を発生するタービンと
動力伝達部と駆動体である密閉フランジ発電機とを一体
気密構造とした、ことを特徴とする。

【０００７】上記構成により、要素形変換を行ういくつ
かの機器を組合せて成るプラント中を作動媒体が循環す
るとき、高温源から熱エネルギーを受けタービンを介し
て一部を力学エネルギーに変換して駆動体を駆動させ、
残りの熱エネルギーを低温源に放出するサイクル形のエ
ネルギー変換装置の密閉ランキングサイクル発電装置に
おいて、前記熱エネルギーを力学エネルギーに変換する
タービンと、減速機等の動力伝達部と、該伝達部を介し
て駆動される駆動体である密閉フランジ発電機とを、タ
ービンケーシングと一体気密構造としてあるため、作動
媒体は外部空間への漏洩をすることなく密閉サイクルを
循環でき、且つタービンに直結する発電機も支障なく運
転できる。

【０００８】請求項１記載の作動媒体には、アンモニア
を使用するとともに、タービンと一体構造の駆動体の潤
滑油は、アンモニアに相溶性油により構成した、ことを
特徴とする。

【０００９】上記構成により、膨張タービンにおける潤
滑油のオイルミストに基づくプロセスガスの混入により
発生する問題を排除することができる。

【００１０】請求項１記載の一体気密構造は、タービン
軸を支承するフランジ付きケーシングと密閉型フランジ
発電機とにより、左右開放の半密閉構造の動力伝達部を
両側より挟持して、気密一体構造とし、軸受け部はジャ
ーナルないしラジアル軸受けのみの構造とし、タービン
と動力伝達部と駆動体との間の動力伝達は軸方向揺動自
在の嵌合カップリングにより構成した、ことを特徴とす
る。

【００１１】上記構成により、タービン軸を支承するフ
ランジ付きケーシングとフランジ付き駆動体により、そ
の両者を結合する左右開放の半密閉構造の動力伝達部を
両側より挟持してフランジ接合するようにしてあるた
め、完全な気密一体構造とすることができる。また、各
部に内蔵する軸受けはジャーナルないしラジアル軸受け
とし、軸方向のスラストは軸方向揺動自在の嵌合カップ
リングにより吸収回避できる構造としたため、始動時と
運転期間中では温度差が極端に生ずる高温雰囲気ないし
極低温雰囲気における負荷の変動に対しても軸部の熱的
膨張と収縮の繰り返しに、よく対応し、気密性を破壊す
る隙間の形成を構造的に防止する構成としてある。

【００１２】請求項１記載のエネルギー変換装置は、密
閉ブレイトンサイクルにより構成したことを特徴とす
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示した実施例
を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載され
る構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特
に特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみ
に限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。図１
は、本発明の一体構造の駆動体内蔵タービンを備えた発
電装置を含む動力発生装置である密閉ランキングサイク
ルの海洋温度差発電の概略の構成を示す図であり、図２
は図１の一体構造の駆動体内蔵タービンの概略の構成を
示す図で、図３（Ａ）は図２の一体構造の駆動体内蔵タ
ービンを使用した密閉ブレイトンサイクルの概略の構成
を示し、（Ｂ）は同じくブレイトン寒冷発生装置の概略
の構成を示す図である。

【００１４】図１には、本発明の発電装置であるアンモ
ニアを作動媒体とする海洋温度差発電用の密閉ランキン
グサイクルが示してある。図に見るように、本発明の発
電装置は、一体構造の駆動体内蔵タービン４０と蒸発器
４２と凝縮器４５とポンプ４３ａ、４４ａと表層温水源
４３と深層冷水源４４とにより、アンモニアを作動媒体
とする密閉ランキングサイクルを構成する。上記一体構
造の駆動体内蔵タービン４０はタービン１０と動力伝達
部２０と密閉フランジ発電機３０とより成る。上記構成
により、作動媒体であるアンモニアはポンプ４１で蒸発
器４２へポンプアップされるが、一方蒸発器４２の加熱
コイルには海水ポンプ４３ａを介して温度約２８．０℃
の表層温水が表層温水源４３より送り込まれているた
め、前記アンモニアは蒸発器４２で加熱され蒸発し約２
２．６℃のアンモニアガスとなりタービン１０を駆動さ
せる。タービン１０で放出されたアンモニアガスは凝縮
器４５に至り、ポンプ４４ａを介して深層冷水源４４よ
り汲み上げられた約７℃の深層冷水により冷却され凝縮
され約１２．１℃のアンモニア液に復帰する。一方、上
記タービン１０ではアンモニアガスの熱エネルギーが力
学エネルギーに変換され動力伝達部２０を介して密閉フ
ランジ発電機３０を駆動させ、外部へ電気エネルギーを
供給する。なお、上記タービン１０と動力伝達部２０と
密閉フランジ発電機３０は図２に示す一体気密構造によ
り作動媒体であるアンモニアは外部へ漏洩することはな
い。

【００１５】なお、前記作動媒体には、アンモニアを使
用するとともに、タービンと一体構造の駆動体の潤滑油
は、アンモニアに相溶性油を使用することにより、オイ
ルミスト混入による機能低下を防止するようにしてあ
る。

【００１６】図２には、図１の一体構造の駆動体内蔵タ
ービンの概略の構成が示してある。図に見るように、一
体構造の駆動体内蔵タービンは、タービン１０と減速歯
車列よりなる動力伝達部２０と密閉フランジ発電機３０
とより成り、それぞれの駆動軸の両端に設けた軸受け部
を内蔵しタービン１０と密閉フランジ発電機は片側開放
の独立半密閉ブロック状に構成され、両側開放の半密閉
ブロックの動力伝達部２０を挟んでその両側よりフラン
ジ部で気密状に一体に接合して気密状ブロックを形成す
る構成にしてある。

【００１７】即ち、タービン１０は、ランナ１２と該ラ
ンナ１２を先端に持ち軸受け１３ａ、１３ｂにより支承
されたタービン軸１６をフランジ１１ａを備えたケーシ
ング１１内に内蔵しその先端にはギヤカップリング３５
ｂを設け、後記する動力伝達部２０の入力軸１９の先端
に設けたギヤカップリング３５ａに軸方向揺動自在に結
合する構成にしてある。動力伝達部２０は、両側開放状
の半密閉筒状フレーム２１内に、歯車２３とその両側に
軸受け２２ａ、２２ｂを持つ出力軸２２と、歯車２４と
その両側に軸受け１９ａ、１９ｂを持つ入力軸１９とを
内蔵し、前記出力軸２２及び入力軸１９の両端に設けた
ギヤカップリング３４ａ、３５ａとを筒状フレーム２１
の両側に露出する構成にしてある。また、密閉フランジ
発電機３０は回転子３１と固定子３２とをフランジ３３
ａを備えたフランジ付きフレーム３３に片側開放の半密
閉状に内蔵する構成としてある。回転子３１は系統潤滑
油に曝されても良い構造とするが、固定子３２は密封筒
３２ａで包み完全シールした構造にしてある。なお、回
転子３１の両端には軸受け３１ａ、３１ｂを設け入力端
である回転子軸端にはギヤカップリング３４ｂが設けら
れ、前記ギヤカップリング３４ａに軸方向揺動自在に結
合可能にしてある。 なお、上記密閉フランジ付き発電
機はモータでも良く、また、ハーメチック発電機／モー
タでも良い。

【００１８】上記構成であるので、タービン１０を支承
するケーシング１１と密閉フランジ発電機３０とで動力
伝達部２０の筒状フレーム２１の開放面をフランジ部１
１ａ、３３ａで気密状に結合させ気密状ブロックを形成
し、作動媒体の軸受け部を介しての外部漏洩を完全に防
止できるようにしてある。特に回転子軸及び入力軸１９
及び出力軸２２とタービン軸１６に設けた軸方向揺動自
在のギヤカップリング３４、３５により、タービン１０
の始動開始時期と運転期間中の温度変動の激しい高温雰
囲気及び極低温雰囲気の使用に際しても軸方向の隙間形
成を防止する構成にしてある。また、潤滑油は動力伝達
部２０の筒状フレーム２１の底部に貯油溜り３６ａを設
け潤滑油ポンプ３６、配管３７を介して各軸受け部及び
カップリングに給油するようにしてあるが、前記したよ
うにオイルミスト発生による作動媒体への混入や大気汚
染は気密一体構造により防止できる。

【００１９】図３（Ａ）には図２の一体構造の駆動体内
蔵タービンを使用した密閉ブレイトンサイクルの概略の
構成を示してある。図に見るように、密閉ブレイトンサ
イクルは、一体構造の駆動体内蔵タービン４０と圧縮機
４６と加熱器４７と冷却器４９と低温源４８とにより、
密閉ブレイトンサイクルを構成する。なお、上記一体構
造の駆動体内蔵タービン４０はタービン１０と動力伝達
部２０と密閉フランジ発電機３０とより成る。図に示す
ように、圧縮機４６により圧縮された作動媒体は、加熱
器４７で加熱され高温ガスとなりタービン１０で膨張す
る。作動媒体の加熱器４７で得られた熱エネルギーは前
記１０で力学エネルギーに変換されて圧縮機４６を駆動
し、残存エネルギーで密閉フランジ発電機３０を駆動さ
せている。、残った熱エネルギーは低温源４８に放出す
る。放出したガスは冷却水等による冷却器４９で冷却さ
れて圧縮機４６の入り口に戻り循環して使用される。そ
のため、作動媒体には任意の媒体を選択でき、圧力レベ
ルも任意に選択できる。作動媒体にはＨｅ、ＣＯ2 等を
使用したブレイトンサイクル寒冷発生装置もある。

【００２０】図３の（Ｂ）には図２の一体構造の駆動体
内蔵タービンを使用したブレイトン寒冷発生装置の密閉
サイクルの概略の構成を示してある。図に見るように、
ブレイトン寒冷発生装置は、圧縮機５０とアフタクーラ
５１と向流形熱交換器５２と一体構造の駆動体内蔵ター
ビン４０ａと寒冷冷却器５３とより、密閉ブレイトン寒
冷サイクルを形成している。なお、前記一体構造の駆動
体内蔵タービン４０ａは膨張タービン１０ａとブロワ制
動機１０ｂとにより一体気密構造にしてある。上記構成
により、圧縮機５０で大気温度で作用媒体を圧縮し、圧
縮された作用媒体のガスはアフタークーラ５１により、
水または空気により大気温度まで等圧で冷却する。つい
で向流形熱交換器５２で定圧で低温まで冷却する。更に
低温になったガスは膨張タービン１０ａへ送られタービ
ンを回転させて断熱膨張をし極低温まで冷却される。冷
却されたガスは寒冷冷却器５３で寒冷冷凍作用をなし、
寒冷冷却器５３を出た低温ガスは前記向流形熱交換器５
２で圧縮機５０を出た高圧側のガスを冷却しながら、定
圧で加熱を受け圧縮機５０へ戻り循環するようにしてあ
る。この場合は、膨張タービン１０ａには直結のブロワ
制動機１０ｂが使用され、計画温度を大幅に上回る温度
で運転する場合の制動操作をするとともにエネルギ回収
を計り循環ガスの圧縮に使用している。上記場合も一体
構造の駆動体内蔵タービン４０ａにより作動媒体の漏洩
を防止できる。

【００２１】

【発明の効果】本発明は上記構成により、ランキングサ
イクルやブレイトンサイクルに代表されるサイクル形変
換による密閉サイクルのエネルギー変換装置において
は、構造的に作動媒体の漏洩を防止でき、大気環境の汚
染防止と大気混入によるシステム障害発生の防止と水分
混入による氷結防止ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一体構造の駆動体内蔵タービンを使用
する発電装置を含む動力発生装置である密閉ランキング
サイクルの海洋温度差発電の概略の構成を示す図であ
る。

【図２】図１の一体構造の駆動体内蔵タービンの概略の
構成を示す図である。

【図３】（Ａ）は図２の一体構造の駆動体内蔵タービン
を使用した密閉ブレイトンサイクルの概略の構成を示
し、（Ｂ）は同じく密閉ブレイトン寒冷発生装置の概略
の構成を示す図である。

【符号の説明】

１０ タービン １１ ケーシング １２ ランナ １６ タービン軸 １９ 入力軸 ２０ 動力伝達部 ２１ 筒状フレーム ２２ 出力軸 ２３、２４ 歯車 ３０ 密閉フランジ発電機 ３１ 回転子 ３２ 固定子 ３３ フレーム ３４、３５ ギアカップリング ３６ 潤滑油ポンプ ３７ 配管 ４０、４０ａ 一体構造の駆動体内蔵タービン ４２ 蒸発器 ４３ 凝縮器 ４６、５０ 圧縮機 ４７ 加熱器 ４８ 低温源 ４９ 冷却器 ５１ アフタクーラ ５２ 向流形熱交換器 ５３ 寒冷冷却器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タービンを用いて作動媒体に仕事をさ
   せ、サイクル形変換を介して熱エネルギーを力学エネル
   ギーに変換するエネルギー変換装置の密閉サイクルより
   なるランキングサイクルで構成された発電装置におい
   て、 作動媒体にはアンモニアを使用し、動力を発生するター
   ビンと動力伝達部と駆動体である密閉発電機とを一体気
   密構造とした、ことを特徴とする一体構造の駆動体内蔵
   タービンを備えた発電装置を含む動力発生装置。
2. 【請求項２】 前記作動媒体には、アンモニアを使用す
   るとともに、タービンと一体構造の駆動体の潤滑油を、
   アンモニアに相溶性油により構成した、ことを特徴とす
   る請求項１記載の一体構造の駆動体内蔵タービンを備え
   た発電装置を含む動力発生装置。
3. 【請求項３】 前記一体気密構造は、タービン軸を支承
   するフランジ付きケーシングと密閉型フランジ発電機と
   により、左右解放の半密閉構造の動力伝達部を両側より
   挟持して、気密一体構造とし、軸受け部はジャーナルな
   いしラジアル軸受けのみの構造とし、タービンと動力伝
   達部と駆動体との間の動力伝達は軸方向揺動自在の嵌合
   カップリングにより構成した、ことを特徴とする請求項
   １記載の一体構造の駆動体内蔵タービンを備えた発電装
   置を含む動力発生装置。
4. 【請求項４】 前記エネルギー変換装置は、密閉ブレイ
   トンサイクルにより構成した請求項１記載の一体構造の
   駆動体内蔵タービンを備えた発電装置を含む動力発生装
   置。