湯けむり発電

地熱エネルギーのすごさを見てきました

地下にある地熱エネルギーの凄さを、蒸気熱水噴出井戸にて見てきました。

びっくりするほどの勢いで、蒸気+温水のジェットが温泉井戸出口から噴出している様子を次の写真のように間近から見てきました。

その蒸気+水の混じった状態での噴出速度は見ただけでもものすごく速く、この勢いを地下数百mで地熱が生み出しているとすれば、地下の状態はまさにすごい状態なのでしょう。 そしてそれが一向に枯れる気配がなく、24時間365日連続して自噴しているのですから更にびっくりします。

よってこの地熱エネルギーを無駄なく充分にタービン回転エネルギーへ転換できるように工夫をすれば、相当に大きな発電出力を確保出来ます。

次の機会にこの蒸気温水混合噴出状態を見るときは、なんとかこの噴出速度を測定するか、熱水井戸出口での温度と圧力から噴出速度を計算で出してみて、タービン発電出力の計算を精度高く行ってみたいと思います。

温泉源の状態測定 温度と圧力

温泉発電の為の調査として、温泉源の温度と圧力の状態を測定しました。

測定器を取り付けたところ

プロペラ水車組み立て途中1


測定器を拡大

プロペラ水車組み立て途中2

アナログの圧力計と温度計です。

思っていた状況と少し違いましたが、これで確実な設計に進むことが出来ます。

ものすごく早く計画を作成して製作に入ります。

小水力発電用ペルトン型水力タービンの基本計画例

今回の小水力発電用タービンの紹介は、小流量・高落差の水力発電所に使われるペルトン型水力タービンの基本計画例となります。 その3次元基本計画の画面ショットが次となります。

プロペラ水車組み立て途中1

その別角度からの画面ショットが次です。

プロペラ水車組み立て途中2

小型水力発電用ペルトン型水力タービンの構成要素を簡単に説明しましょう。

1.ペルトンランナ スプーンのようなバケットと呼ばれる羽根が円盤にたくさん付いた回転動翼です。

2.主軸 ペルトンランナの中心に挿入されており、両持軸受で支持される方式が主流です。

3.ペルトンノズル ノズル中心にニードルと呼ばれる流量調整部を普通持っています。

4.ケーシング ペルトンタービンではノズルから噴出する水は大気に出てきますので、ケーシングには内圧は普通かからず、ただの覆いみたいなものです。

5.軸受 小型水力では転がり軸受タイプも良く使われます。転がり軸受は量産品で安いのです。

以上が大まかなペルトンタービンの説明です。
これらの中で設計が難しいのが複雑な形状を持つペルトンバケット部となります。

ペルトン式水力タービンの一体加工型バケットランナを設計

ペルトン式水力タービンの回転動翼となる一体加工で製作するパケットランナを設計しましたので設計画面ショットを載せてみます。

プロペラ水車組み立て途中1

次の図もランナバケットを横にして見たものです。

プロペラ水車組み立て途中2

この高効率バケットを設計するのが一番難しいところではありますが、少々頑張って良い感じに設計出来ました。

遠心式蒸気タービン羽根の設計事例を紹介します

遠心式(ラジアル式)蒸気タービン羽根の設計事例を次の3次元設計画面ショットとして載せてみます。 遠心式タービン羽根の周りにはガイドべーン群があります。

プロペラ水車組み立て途中1

次の図は主軸に取り付けた全体を示しています。

プロペラ水車組み立て途中2

このような遠心式蒸気タービンの特徴は次のようになります。

1.1段の遠心タービンでも熱落差を大きく取ることが出来る。よって多段化をしたとしても2段ぐらいまでとなり、製作し易い。

2.全周流入反動タービンとなるため意外と効率が高い。1段での効率が小型でも80%以上は確保出来る。

3.遠心力耐久性が形状上取りやすく、回転数を高速化し易い。よってタービンが圧倒的に小型化可能となる。

4.一体削り出し加工をし易い形状を持つ。よって5軸加工により短納期で高精度のものを製作可能である。

5.軸流タービンに比べて羽根形状は複雑曲面になり易い。よって設計が難しい部分もある。

以上がラジアルタービンの特徴です。

熱水蒸気発電実験装置の3次元計画図

熱水と蒸気の2種類のエネルギーを同時に使って熱水蒸気発電を行う実験機が次の3次元計画図のものとなります。

これは最初の発電実験機なので小型であり、出力も小さなものです。しかし小型でもタービンの性能を実証するには充分な大きさであり、実験結果が楽しみでもあります。

熱水蒸気発電装置の初期の構想図

熱水蒸気噴出井戸の捨てられているエネルギーを回収して発電を行う熱水蒸気発電装置の初期の構想図が次です。

この構想図から発展して昨日紹介した熱水蒸気発電設計が出来あがったのです。

構想と実際の設計結果で見た目は少し違いますが、それは実際に出来るものを構成していく過程で生じることで、基本的な考えは変化していません。

この熱水蒸気発電の構想はもう20年ほど前に地下からの噴出熱水蒸気で回るタービンを試作して実験運転したことが始まりなので、ずいぶん長いこと構想を温めていたことになりますが再度実験できることとなり嬉しく思っています。

熱水蒸気発電実験装置3次元組図がより詳しくなりました

熱水蒸気発電実験装置の設計3次元組図がより詳しくなりましたので、次のように載せてみます。

先日の3次元組図に今回は、より詳細部品を色々と付加しています。

まだ更に部品を付加していかなければなりませんので、それが終了したらもう一度載せてみます。

自分で言うのもなんですが、なかなかにすっきりした良い感じの実験装置設計が出来たと思っています。

ぺルトン水車組立式バケットランナ 3次元設計結果

ぺルトン水車に使われる回転する動翼(ランナ)で、バケット組立式のランナを次の図のように3次元設計しました。

プロペラ水車組み立て途中1

別の角度からぺルトン水車組立式バケットランナを見ると次のようになります。

プロペラ水車組み立て途中2

組立式バケットランナでは、複雑形状を持つぺルトンバケットと呼ばれる羽根部ひとつひとつを別々に仕上げることが出来るため、一体でバケット群を削り出すより作り易くなります。 ただバケットの組上げは手間のかかる作業となりますが。

熱水蒸気発電実験装置の最終3次元組図

温度110℃以下程度の熱水蒸気を利用して発電する熱水蒸気発電実験装置の最終3次元組図が、次の3次元CAD画面ショットとなります。

プロペラ水車組み立て途中1

次はアングルを変えて見たものです。

プロペラ水車組み立て途中2

実験装置全体の外観はなかなかにメカメカしく出来上がり、高性能を期待出来ますが、運転時の色々な調整はやってみなければ分からない部分も多く、実験での試行錯誤が予想されます。そろそろ実験場での詳細な配管取り回し計画と準備を行わなければなりません。

温泉の熱水蒸気発電実験装置の全体外観図となります

温泉井戸の中で熱水蒸気を噴出しているエネルギーを利用して発電を行う「熱水蒸気発電実験装置」の全体外観が次のようになります。

温泉井戸とそれからの分岐配管、そして小型の熱水蒸気発電装置が実験設備の全体となります。

実際には発電機からの排出温水配管やその他の配管があるのですが、それはまたということで。

遠心(ラジアル)蒸気タービンを設計製作しました

次の写真のように、遠心(ラジアル)型蒸気タービンを設計製作しました。

この遠心型蒸気タービンは、外側から内側に向かって蒸気が流れるタイプであるためラジアル型蒸気タービンとも呼ばれています。

遠心型タービンインペラの周りには、旋回流れを造るガイドベーン群があり、この旋回流れがインペラの羽根を押すように流れ込んで、 最終的に軸方向に流れが転向されてその蒸気の運動エネルギーを羽根に伝えることとなります。

遠心型タービンが軸流型タービンと比較して優れている点は、1段の羽根で熱落差を大きく吸収出来ることとなり、 軸流タービンでは数段で吸収可能な熱落差を1段で吸収するので結局タービンの効率が高くなったりします。

また、軸流タービンでは非常に沢山の羽根(100個以上)をひとつの円盤に植え付けるか削り出さないとなりませんが、 この遠心タービンでは見て頂いて分かるように、20枚以下の羽根を比較的楽に削り出すことが出来、圧倒的に安い価格で製作可能です。

ただひとつ気を付けなければならない点は、遠心タービンは一つの羽根での熱落差が大きいため、 その回転数もかなりの高速となり、時には回転数が速すぎて軸受の問題などが出てくるところです。

それと、圧力が低く大流量を流したい場合はあまり遠心タービンは適しておらず、小流量で圧力高い場合が最適となります。

またその構造から、耐遠心力強度が高くなり、安全な構造を作りやすくなります。