JPS61258700A - 廃熱を利用した軸発電装置 - 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］ この発明は、主として船舶に搭載されて、推進用の主機
と、この主機の廃熱を利用した蒸気タービンとで駆動さ
れる軸発電装置に関するものである。

［従来技術］ 従来、たとえば船舶に搭載された推進用主機ディーゼル
の廃熱を有効に利用するには、たとえば排ガスエコノマ
イザや主機エアクーラ等からの廃熱を利用した蒸気で蒸
気タービンを運転し、この蒸気タービンを主機に連結し
て、推進動力として利用するか、または、上記蒸気ター
ビンで発電機を駆動して電力として利用する方法が採ら
れてきた。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが前者の方法では、主機に蒸気タービンを連結す
る手段として通常歯車式動力伝達装置を用いるが、最近
採用されるロングストローク・低速の主機は特に、回転
トルクの変動が大きいので、上記歯車伝達装置において
、その変動トルクが平均伝達トルクを上まわると、歯車
間で歯面が当りあう、いわゆるハンマリングが生じ、歯
面を損傷させる問題がある。

他方、後者の方法では、主機の部分負荷時に主機の廃熱
エネルギのみでは船内の需要−電力を賄いきれなくなる
。また、主機の出力が小さい船では、主機の定格出力時
でも廃熱エネルギが少ないので、廃熱エネルギのみでは
船内の調装電力を賄いきれないことがある。

この発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、主機
の動力と、その廃熱エネルギの両方を利用して発電機を
駆動することにより、常時必要な容量の電力を供給でき
、しかもハンマリングの問題がない廃熱を利用した軸発
電装置を提供することを目的としている。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、この発明は、まず、主機に
結合される軸発電機の界磁部および電機子をともに回転
自在に設定して、上記界磁部と電機子の一方を主機によ
り回転駆動し、他方を上記主機の廃熱を利用した蒸気タ
ービンにより回転駆動する。さらに、制御装置により、
上記主機または蒸気タービンの少なくとも一方の回転速
度を制御して、界磁部と電機子との間の相対回転速度を
一定に保持している。

［作用］ この発明によれば、軸発電機が主機と廃熱利用の蒸気タ
ービンの両方により駆動されるから、常に必要な容量の
発電力が得られる。また、主機と蒸気タービンとは、軸
発電機を介して電磁気的に結合されており、歯車伝達装
置によって連結されてはいないので、主機のトルク変動
による歯車のハンマリングが生じない。

さらに、主機の回転速度は回転数設定変更やプロペラか
らの負荷の変動により変化し、蒸気タービンの回転速度
も廃熱エネルギの大小により変化するが、制御装置によ
り、界磁部と電機子との相対速度が一定に保持されるの
で、軸発電機の出力周波数が一定に保たれる。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を図面にしたがって説明する。

第１図において、スクリュープロペラからなる推進ｆｉ
ｌｌは、ディーゼル機関からなる主機１２により駆動さ
れる。この主機１２からは、過給機１３および排気通路
１４を経て排ガスＧが外部へ排出されるようになってお
り、上記排気通路１４に排ガスエコノマイザ１５が設け
られている。上記刊ガスエコノマイザ１５には、水また
は他のボイラからの蒸気Ｗが導入管１６から供給されて
おり、この排ガスエコノマイザ１５で得た蒸気Ｓが、蒸
気弁１７を有する導出管１８を通って蒸気タービン１９
へ導かれて、この蒸気タービン１９を駆動する。

２１は同期型の軸発電機で、筒形の界磁部２２の内側に
電機子２３を配置し、電機子２３の回転＠２４に設けた
スリップリング２９から電力を取り出すようになってい
る。勿論、電機子２３を筒形とし、この電機子２３の内
側に界磁部２２を配置し、電機子２３に設けたスリップ
リング２９から電力を取り出すようにしてもよい。

上記電機子２３の回転軸２４は、図示しない発電機ケー
シングに軸受を介して回転自在に支持され、また、上記
界磁部２２は、やはり図示しない軸受を介して上記回転
輪２４に回転自在に支持されている。この軸発ＴＬ機２
１の出力周波数は、界磁部２２と電機子２３との相対的
な回転数（回転速度）により決まる。

このように界磁部２２と電機子２３とを共に回転自在と
する構造は、起動時のみ界磁部を回転させて起動負荷を
抑制する超同期電動機の技術において既に採用されてい
て、公知であり、また、本件出願人による先願である特
願昭５９−２６２８１５号（昭和５９年１２月１４日出
願）の明細書および図面にも開示されているので、この
構造の詳細はここでは省略する。なお、上記先願発明と
本件発明との差異は、先願発明では、界磁部または電機
子の一方を可変回転数軸により回転させ、他力を、出力
周波数を一定値に保つために、別の駆動機で回転させて
いるのに対し、本件発明では、出力周波数を一定値に保
つためではなく、主機１２の動力と廃熱エネルギの両方
を積極的に利用するために、界磁部２２または電機子２
３の一方を主機１２により駆動し、他方を、上記先願に
は開示されていない廃熱利用の蒸気タービン１９により
駆動している点にある。

上記電機子２３の回転軸２４は主機１２の回転軸２５に
連結されており、この主機１２により電機子２３が回転
駆動される。一方、上記界磁部２２は、これに固定され
た歯車２６と、蒸気タービン１９の回転軸２７に結合さ
れた歯車２８とを介して蒸気タービン１９に連結されて
、この蒸気タービン１９により回転駆動される。

上記主機１２の回転軸２５には、歯車列３０を介して、
油圧ポンプ／油圧モータ、または発電機／電動機のよう
な第１の駆動機３１が連結され、他方、上記界磁部２２
の歯車２６にも、歯車３２を介して、やはり油圧ポンプ
／油圧モータ、または発゛電機／？を動機のような第２
の駆動機３３が連結され、前駆動機３１．３３は、接続
手段３４により油圧または電気的に接続されている。さ
らに、上記前駆動機３１．３３は制御装Ｍ３５に接続さ
れ、この制御装置１３５からの指令にしたがって、再駆
動４１１３１，３３の一方が油圧ポンプまたは発電機と
して作動し、他方が油圧モータまたは電動機として作動
して、前駆動機３１．３３の間でエネルギの授受が行な
われるようになっている。

また、蒸気の導出管１８に設けられた蒸気弁１７の開度
も、制御装置３５により制御される。この制御装置３５
は、空気圧、電気または油圧によって蒸気弁１７を駆動
するアクチュエータを備えた装置であり、スリップリン
グ２９に接続された給電線３６に流れる出力電流の周波
数を検知して、その周波数が一定となるように、蒸気弁
１７の開度を制御し、蒸気タービン１９の回転数、つま
り界磁部２２の回転数を制御する。３７は給電線３６に
介挿された開閉器である。

上記構成において、主機１２は、たとえば１１００ｒｐ
程度の低速で回転して、推進機１１と軸発電機２１の電
機子２３とを駆動する。一方、主機１２からの排ガスＧ
がもつ熱量、つまり廃熱は、排ガスエコノマイザ１５で
蒸気Ｓとして回収され、この蒸気Ｓにより蒸気タービン
１９が駆動され、この蒸気タービン１９が軸発電機２１
の界磁部２２を駆動する。

このように、軸発電機２１の電機子２３は主機１２によ
り駆動され、界磁部２２は蒸気タービン１９により駆動
されるから、界磁部２２と電機子２３が互いに反対方向
へ回転する場合、主ａｔＺおよび蒸気タービン１９は、
軸発電４！１２１への動力供給を、界磁部２２と電機子
２３との回転速度の比で分担することになる。たとえば
、電機子２３が１１００ｒｐで回転し、界磁部２２が電
機子２３と逆方向へ３５０ｒｐＨで回転すると、主機１
２と蒸気タービン１９は、１：３．５の割合で動力を供
給して軸発電＃１２１を駆動する。こうして、軸発電機
２１が、主機１２と廃熱利用の蒸気タービンの両方によ
り駆動されるから、廃熱を有効利用しながら、常に必要
な容量の発電力が得られる。

また、主機１２と蒸気タービン１９とは、軸発電機２１
の電機子２３および界磁部２２を介して電磁気的に結合
されており、歯車伝達装置によって連結されてはいない
ので、主機のトルク変動による歯車のハンマリングが生
じない、さらに、界磁部２２の回転速度を高く設定する
ことにより、電機子２３の回転速度を、たとえば１００
　ｒｐｍ程度に低くできるので、１１００ｒｐ程度の低
速の主機１２を、減速歯車を介することなしに、直接電
機子２゛３に連結できるから、構造が簡単になるととも
に、上記減速歯車でのハンマリング発生という問題も生
じない。

つぎに、上記制御装置３５による出力周波数の制御につ
いて説明する。

たとえば、推進機１１の負荷の変動により、主機・１２
の回転速度が上昇したとき、電機子２３の回転速度も丑
昇する。電機子２３と界磁部２２が互いに逆方向へ回転
している場合は、電機子２３の回転速度が上昇すると、
電機子２３と界磁部２２との相対速度が上昇し、軸発電
機２１の出力周波数が一定値よりも高くなる。この周波
数の変動は、制御装置３５により、給電線３６を流れる
電流の周波数の変、動として検知され、制御装置３５が
その出力である空気圧、電圧または油圧を上昇させ、蒸
気弁１７を駆動して、その開度を小さくし、蒸気タービ
ン１９へ供給される蒸気量を減少させて、蒸気タービン
１９の回転数、つまり界磁部２２の回転数を低下させる
。これにより、主機１２と蒸気タービン１９の相対回転
速度を一定（４５Ｏｒｐｍ）に保持し、軸発電機２１の
出力周波数を一定値に保つ。

また、主機１２の回転速度が低下したときは、上記とは
逆に、制御装置３５により蒸気弁１７の開度を大きくし
て、界磁部２２の回転数を上昇させることにより、主機
１２と蒸気タービン１９の相対回転速度を一定に保持し
、軸発電９２１の出力周波数°を一定値に保つ。

同様に、たとえば周囲温度の変化により排ガスエコノマ
イザ１５からの蒸気量が変動して、蒸気タービン１′９
の回転速度、すなわち界磁部２２の゛両転速度が変動し
たときも、軸発電４１２１の出力、゛−−＄が一定値か
らずれる。このときも、出力周波−を検知して制御装置
３５が作動し、蒸気弁ｌシ・認、開゛度・を制御して、
蒸気タービン１９の回転速’＠＊、調整し、主、機１２
と蒸気タービン１９の相対’　甲、＝、転速度を一定に
保持して、軸発電機２１の出力゛、′、轡１被数を一定
値に保つ。

このように、主機１２と蒸気タービン１９の相対回転速
度が常に一定に保持されるから、軸発電機２１の出力周
波数は一定に保たれるので、安定した電力を供給できる
。

さらに、この実施例では、第１および第２の駆動機３１
．３３の作動により、排ガスエコノマイザ１５からの蒸
気量が大きく減少して、出力周波数を一定に保つのに不
足している場合には、この不足分が補われるとともに、
排ガスエコノマイザ１５からの蒸気量が過剰な場合には
、そのエネルギが主Ｉａ１２へ戻されて、推進動力の一
部として有効利用される。

つまり、まず、電機子２３の回転数が１１００ｒｐで、
界磁部２２の回転数が３５Ｏｒｐｍで運転されていると
きに、周囲温度の低下などが原因で、排ガスエコノマイ
ザ１５からの蒸気Ｓの量が大きく減少し、蒸気弁１７を
全開しても、出力周波数を一定値に保つのに必要なだけ
蒸気タービン１９の回転数を上げられなくなった場合、
蒸気タービン１９の回転速度の低下により、歯車２６の
回転速度が’　３５Ｏｒｐｍよりも低下する。この場合
、制御装置１３５”　　／巷 ］突、あの指令により、第１の駆動機３１の方から、２
．“５“テ、［なわち、主機”２の方から第２の駆動機
３３の−７へエネルギが供給され、この第２の駆動機３
３、”、４．４５：’門り駆動される界磁部２２〜、す
なわち、軸発−，，，＠＠４１へエネルギが供給され、
蒸気Ｓの量の不・３′Ｓ４ｒｐｍへ向って上昇しようと
するので、軸発電機′２１の出力周波数が一定値に保た
れる効果もあ、毬、つまり、出力周波数を一定値に保つ
制御は、主として上記制御装置３５による蒸気弁１７の
開度調整によりなされるのであるが、補助的な制御は、
上記両部動機３１．３３によってもなされる。

つぎに、排ガスエコノマイザ１５からの蒸気Ｓの量が増
大した場合、蒸気タービン１９の回転速度が上昇して、
界磁部２２の回転数が３５Ｏｒｐｍよりも高くなる。こ
の場合、制御装置３５からの指令により、第２の駆動機
３３の方から第１の駆動機３１の方へエネルギが供給さ
れ、このエネルギが歯車列３０を介して主機１２に戻さ
れる。このと゛き、第２の駆動機３３で駆動される界磁
部２２の回転数は、３ｓｏｒｐ腸へ向って低下しようと
するので、やはり、出力周波数を一定値に保つ補助的な
制御がなされる。

ところで、排ガスエコノマイザ１５からの蒸気Ｓの量、
つまり廃熱エネルギが、船内の需要電力を賄ってさらに
一定範囲を越えて余る場合、界磁部２２と電機子２３と
を同一方向に回転させれば、蒸気タービン１９のみによ
り軸発電機２１へ動力が供給され、さらに蒸気タービン
１９の余剰動力が、電機子２３を通じて主機１２へ還元
される。たとえば、電機子２３が１１００ｒｐで回転し
、界磁部２２が電機子２３と同一方向へ５５Ｏｒｐｍで
回転すると、軸発電機２１には、蒸気タービン１９が発
生する動力の４５０１５５０が供給され、主機１２には
１００１５５０が還元される。

これにより、上記した駆動機３１．３２の作動とあいま
って、主機１２へのエネルギ還元と、軸発電機２１の出
力周波数を一定値に保持する制御とが一層効果的になさ
れる。上記界磁部２２と電機子２３の相対回転方向を切
り換える手段としては、たとえば、蒸気タービン１９の
回転軸２７に正逆回転切換クラッチを介装して、このク
ラッチを操作することにより界磁部２２の回転方向を切
り換えるか、または正逆回転可能なタイプの蒸気タービ
ン１９を用いる等の手段がある。

第２図は、この発明の第２の実施例を示す。

同図において、主機１２の回転軸２５には歯車列３０を
介して、発電１！／電動機からなる駆動機４１が連結さ
れており、この駆動機４１は、第１のコンバータ４２、
直流リアクトル４３、および第２のコンバータ４４を介
して給電線３６に接続されている。上記駆動機４１、第
１および第２のコンバータ４２．４４は、電気的に制御
装置３５にも接続されており、この制御装置３５からの
指令にしたがって作動する。

第２図の構成において、主機１２または蒸気タービン１
９の回転数変動による軸発電機２１の出力周波数の変動
に対しては、第１図の第１実施例と同様に、制御装置３
５が作動して蒸気弁１７の開度を調整することにより、
上記出力周波数を一定値に保持する。

つぎに、排ガスエコノマイザ１５からの蒸５ＫＳの量が
大きく減少し、蒸気弁１７を全開しても、出力周波数を
一定値に保つのに必要なだけ蒸気タービン１９の回転数
を上げられなくなった場合、蒸気タービン１９の回転数
の低下により界磁部２２の回転数が３５０ｒＰ層よりも
低下する。これにより、軸発電機２１の出力周波数が低
下するとともに出力電圧も低下するので、制御装置３５
からの指令により駆動機４１が発電機として作動し、給
電線３６へ電力を供給する。つまり、主機１２から駆動
機４１を介して、不足している電力が補充される。この
とき、界磁部２２の回転数が３５０ｒｐ層に復帰するこ
とは期待できないので、駆動機４１によって軸発電機２
１の出力周波数が一定値に保たれる効果は期待できない
。

一方、排ガスエコノマイザ１５からの蒸気Ｓの量が増大
して、蒸気タービン１９の回転数が上昇し、界磁部２２
の回転数が３５０ｒｐ腸よりも増大したとき、軸発電機
２１の出力周波数が増加するとともに出力電圧も上昇す
るので、駆動機４１が電動機として作動し、余った電力
が主機１２へ戻されて、推進動力として有効利用される
。このとき、界磁部２２の回転数が３５０ｒｐ鵬へ向っ
て低下しようとするので、軸発電機２１の出力周波数が
一定値に保持される効果がある、つまり、駆動機４１に
より、軸発電機２１の出力周波数を一定値に保つ補助的
な制御がなされる。

なお、第１図の実施例から駆動機３１．３３を省略して
もよいし、第２図の実施例から第１のコンバータ４２、
直流リアクトル４３、および第２のコンバータ４４を省
略してもよい、その場合、廃熱エネルギが十分あるとき
は、制御装置３５による蒸気弁１７の制御のみで軸発電
機２１の出力周波数を一定に保つことができる。また、
廃熱エネルギが不足するときは、軸発電４５１２１の発
電量を落して、界磁部２２の回転数だけは３５０ｒｐｍ
に保持することにより出力周波数を一定に保っておき、
不足分の電力を、別途設けた発電１ｊ１（たとえ。

ばディーゼル発電機）運転することにより補うことがで
きる。

さらに、上記各実施例とは異なり、制御装置として、出
力周波数を検知して主機１２への燃料供給量を調整する
装置を設け、この装置により、出力周波数が一定になる
ように、主機１２の回転速度の方を制御してもよいし、
蒸気タービン１９および主機１２の両方の回転速度を制
御してもよい。つまり、上記主機または蒸気タービンの
少なくとも一方の回転速度を制御して、界磁部と電機子
との間の相対回転速度が一定になるようにすればよい。

また、上記各実施例では、制御装置３５が軸発電機２１
の出力周波数の変動を検知して蒸気弁１７を制御するよ
うにしたが、これとは異なり、制御装置３５が界磁部２
２および電機子２３の回転速度を個々に検出して比較し
、その相対的な回転速度の変化を検知して蒸気弁１７を
制御するようにしてもよい。さらに、軸発電機２１とし
て銹導型の発電機を用いてもよいことはいうまでもない
。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、軸発電機が主
機と廃熱利用の蒸気タービンの両方により駆動されるか
ら４廃熱を有効に利用しながら。

常に必要な容量の発電力が得られる。また、主機と蒸気
タービンとは、軸発電機を介して電磁気的に結合されて
おり、歯車伝達装置によって連結されてはいないので、
主機のトルク変動による歯車のハンマリングが生じない
。

さらに、界磁部と電機子を駆動する主機および蒸気ター
ビンは、ともにその回転速度が変動しやすいのであるが
、制御装置により、界磁部と電機子との相対速度が一定
に保持されるから、軸発電機の出力周波数が一定に保た
れるので、安定した電力を供給できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す概略構成図、第２図
は他の実施例を示す概略構成図である。 １２・・・主機、１５・・・排ガスエコノマイザ、１９
・・・蒸気タービン、２１・・・軸発電機、２２・・・
界磁部、２３・・・電機子、３５・・・制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）界磁部および電機子がともに回転自在に設定され
   、上記界磁部と電機子の一方が主機により回転駆動され
   、他方が上記主機の廃熱を利用した蒸気タービンにより
   回転駆動される軸発電機と、上記主機または蒸気タービ
   ンの少なくとも一方の回転速度を制御して界磁部と電機
   子との間の相対回転速度を一定に保持する制御装置とを
   備えたことを特徴とする廃熱を利用した軸発電装置。