CN103052763A - 径流式涡轮 - Google Patents

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Abstract

提供一种利用单一的涡轮叶轮处理具有多个压力的流体，削减部件个数而实现低成本化的径流式涡轮。径流式涡轮(100)具备单一的径流式涡轮叶轮(15)，该径流式涡轮叶轮(15)将流体的回旋能量转换成旋转动力，该流体是具有第一压力，通过喷嘴(27)，从形成于外周端的主入口(21)具有半径方向的流速分量地流入的回旋的流体，其中，在径流式涡轮叶轮(15)的外周侧且在沿着半径方向及轴向与主入口(21)分离的位置上形成从属入口(29)，具有随着向半径方向内侧行进而比第一压力低的压力的低沸点介质通过喷嘴(35)而向从属入口(29)流入。

Description

径流式涡轮
技术领域
本发明涉及径流式涡轮。
背景技术
一种径流式涡轮，具备单一的涡轮叶轮，该涡轮叶轮从具有半径方向的流速分量作为主要分量并流入涡轮叶轮的回旋的流体，将流体的回旋能量转换成旋转动力，并将释放了该能量后的流体沿着轴向喷出，所述径流式涡轮从中低温或高温、高压的流体将能量转换成旋转动力，广泛地应用于从各种工业用设备的由高温、高压的流体排出的排出能量的动力回收、经由船舶或车辆用的动力源等的热循环而得到动力的系统的排热回收、利用地热和OTEC等中低温热源的双循环发电的动力回收等。
在各种能量源具有多个压力时，例如专利文献1所示，使用多个涡轮、即分别对应于1个压力源而使用1个涡轮。或者有时在同一轴上设置2个涡轮叶轮。
这是因为径流式涡轮对应于流体各自的压力而设计成最佳的条件。例如，径流式涡轮的入口半径R在重力加速度为g，压力头为H，涡轮叶轮入口周速为U时，由g·H≈U2的关系决定。即，当涡轮叶轮的转速为N(rpm)时，入口半径R设定为R≈U/2·π/(N/60)的附近的值。
另外，在处理流量变动大的流体的径流式涡轮中，例如专利文献2所示，已知有利用隔壁将1个入口流路分隔、分割的结构。然而，这是为了对于同一压力的流体，根据流量而使入口的大小变化。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平1-285607号公报
专利文献2：日本特开昭63-302134号公报
发明的概要
发明要解决的课题
然而，如专利文献1所示，若使用多个涡轮的话，制造成本增大，设置空间增大。
另外，在同一轴上设置多个涡轮叶轮时，涡轮部件个数增多，结构变得复杂，制造成本增大。
发明内容
本发明鉴于这种情况，目的在于提供一种利用单一的涡轮叶轮处理具有多个压力的流体，削减部件个数而实现低成本化的径流式涡轮。而且，也可以将相同结构应用于斜流涡轮。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明采用以下的手段。
即，本发明的一形态涉及一种径流式涡轮，具备单一的涡轮叶轮，该涡轮叶轮将流体的回旋能量转换成旋转动力，该流体是具有第一压力，通过喷嘴或涡管等高速回旋流产生流路，从形成于外周端的主入口，具有半径方向的流速分量作为主要分量而流入的回旋的流体，所述径流式涡轮中，在所述涡轮叶轮的外周侧，形成所述主入口及相对于彼此而设置在沿着半径方向及轴向分离的位置上的多个从属入口，具有随着向半径方向内侧行进而比所述第一压力逐渐降低的压力的所述流体分别通过喷嘴或涡管等高速回旋流产生流路向各从属入口流入。
根据本形态，最高压力即第一压力的流体通过喷嘴或涡管等高速回旋流产生流路而被调整流量、流速等，从主入口被导入到涡轮叶轮的外周端。向主入口导入的流体通过涡轮叶轮而压力依次减少并从涡轮叶轮流出，使安装有涡轮叶轮的旋转轴产生动力。
在涡轮叶轮的外周侧，换言之，在护罩侧形成有主入口及相对于彼此而设置在沿着半径方向及轴向分离的位置上的多个从属入口。具有随着向半径方向内侧行进而比第一压力逐渐降低的压力的流体分别通过喷嘴或涡管等高速回旋流产生流路向各从属入口流入，因此，在各从属入口中，压力分别逐渐降低的流体通过喷嘴而被调整流量、流速等，然后被导入。从各从属入口导入的流体与从上游侧的主入口及从属入口导入的流体混合，压力逐渐降低并从涡轮叶轮流出，使安装有涡轮叶轮的旋转轴产生动力。
此时，从属入口优选设置在导入的流体的压力与流过涡轮叶轮的朝向出口而逐渐下降的压力一致的位置上。
在主入口与从属入口之间及各从属入口之间存在壳体，因此能明确地区分，从而能够防止流体的漏出。
这样的话，能够将具有多个压力的流体借助单一的涡轮叶轮作为旋转动力而取出。由此，能够减少部件个数，从而能够减少制造成本。
本形态的径流式涡轮也包括涡轮叶轮的入口的轮毂面倾斜的情况。
这样的话，当使用入口的轮毂面倾斜的涡轮叶轮时，外周部的轴方向长度变长，因此设置从属入口的空间变宽。由此，容易设置多个从属入口。
另外，当使设于从属入口的喷嘴相对于半径倾斜时，从从属入口流入的流体的流动与从上游朝向涡轮叶轮出口流动的流体大致平行地流入，因此能够减少流体的混合损失。由此，能够提高涡轮效率。
在上述形态中，可以是，在所述涡轮叶轮上，在所述主入口与位于最外侧的所述从属入口之间设置护罩。
在涡轮叶轮中，朝向出口而压力逐渐降低，而且，流体从设置在各不相同的半径方向位置上的各从属入口流入，因此随着向下游侧行进而流体的体积流量增加，用于使该流体流动的叶片高度变大。因此，在主入口与位于最外侧的从属入口之间，叶片高度变得最小。
另一方面，壳体与叶片的间隙制作成大致恒定，因此在主入口与位于最外侧的从属入口之间，相对于叶片高度而间隙的比例增大，因此泄漏增大，泄漏引起的流体损失增加，效率下降。
在本形态中，通过在主入口与位于最外侧的从属入口之间设置护罩，由此能够减少泄漏最多的部分的流体的泄漏损失，能够提高涡轮效率。
在上述形态中，可以是，在所述涡轮叶轮上，在所述各从属入口之间设置护罩。
另外，在上述形态中，可以是，在所述涡轮叶轮上，在从位于最内侧的所述从属入口到喷出部之间设置护罩。
这样的话，护罩能够减少泄漏损失。由此，能够提高涡轮效率。
【发明效果】
根据本发明，在涡轮叶轮的外周侧形成有主入口及相对于彼此而设置在沿着半径方向及轴向分离的位置上的多个从属入口，具有随着向半径方向内侧行进而比第一压力逐渐降低的压力的流体分别通过喷嘴向各从属入口流入，因此，能够将具有多个压力的流体借助单一的涡轮叶轮作为旋转动力而取出。由此，能够减少部件个数，能够减少制造成本。
附图说明
图1是表示使用本发明的第一实施方式的膨胀涡轮的双发电系统的结构的框图。
图2是向图1的膨胀涡轮适用了径流式涡轮的局部剖视图。
图3是表示将图2的径向叶片向圆筒面投影的状态的投影图。
图4是表示本发明的第一实施方式的径流式涡轮的另一实施方式的局部剖视图。
图5是表示本发明的第一实施方式的径流式涡轮的又一实施方式的局部剖视图。
图6是表示本发明的第一实施方式的径流式涡轮的又一实施方式的局部剖视图。
图7是表示图6的径向叶片的沿着轴线方向观察的主视图。
图8是表示将图6的径向叶片向圆筒面投影的状态的投影图。
图9是表示使用本发明的第一实施方式的膨胀涡轮的双发电系统的另一结构的框图。
图10是表示使用本发明的第一实施方式的膨胀涡轮的设备系统的结构的框图。
图11是表示本发明的第二实施方式的径流式涡轮的局部剖视图。
图12是表示本发明的第二实施方式的径流式涡轮的另一实施方式的局部剖视图。
具体实施方式
以下，使用附图，详细说明本发明的实施方式。
[第一实施方式]
以下，参照图1～图3，说明本发明的第一实施方式的径流式涡轮100。
图1是表示使用本发明的第一实施方式的膨胀涡轮的双发电系统的结构的框图。图2是表示使用本发明的径流式涡轮作为图1的膨胀涡轮时的径流式涡轮形状的局部剖视图。图3是表示将图2的径向叶片向圆筒面投影的状态的投影图。
双发电系统3例如被使用作为进行地热发电的系统。双发电系统3具备：具有多个热源的热源部5；2个双循环7A、7B；膨胀涡轮1；借助膨胀涡轮1的旋转动力而产生电力的发电机9。
热源部5将由地热加热后的蒸气或热水向双循环7A、7B供给。热源部5供给温度T1、T2不同且压力不同的两种蒸气和热水。
双循环7A、7B由使作为工作流体的低沸点介质(流体)循环的兰金循环构成。作为低沸点介质，使用例如异丁烷等有机介质、弗利昂、替代弗利昂、氨、或氨与水的混合流体等。
在双循环7A、7B中，利用来自热源部5的高温蒸气或热水，将低沸点介质加热，形成为高压流体，并将其向膨胀涡轮1供给。从膨胀涡轮1排出的低沸点介质返回双循环7A、7B，再次由高温蒸气或热水加热，这种情况依次反复进行。
此时，在2个双循环7A、7B中，使用相同的低沸点介质。由于向双循环7A、7B供给的高温蒸气或热水的温度不同，因此由它们向膨胀涡轮1供给的低沸点介质的压力P1、P2不同。压力P1大于压力P2。
径流式涡轮100具备：壳体11；将壳体11支承为能够旋转的旋转轴13；安装在旋转轴13的外周的径流式涡轮叶轮(涡轮叶轮)15。
径流式涡轮叶轮15由安装在旋转轴13的外周的轮毂17和呈放射状地隔开间隔设置在轮毂17的外周面上的多个径向叶片19。
在径流式涡轮叶轮15的外周端上，在半径R1的位置上整周形成有主入口21。在主入口21的外周侧形成有主流入路23，该主流入路23设置在入口流路25的一端，该入口流路25是由双循环7A供给的压力P1的低沸点介质所导入的环状的空间。主流入路23与主入口21由入口流路25连接。
在入口流路25设有由沿着周向隔开间隔配置的多个叶片构成且产生高速回旋流的喷嘴27。
另外，也可以利用不具有喷嘴叶片的涡管等高速回旋流产生流路来产生高速回旋流。
在径流式涡轮叶轮15的外周(护罩)侧，在沿着半径方向及轴向而与主入口21分离的位置上形成有从属入口29。在从属入口29的外周侧且在半径R2的位置上形成有从属流入路31，该从属流入路31设置在入口流路33的一端，该入口流路33是由双循环7B供给的压力P2的低沸点介质所导入的环状的空间。从属流入路31与从属入口29由入口流路33连接。
在入口流路33设有由沿着周向隔开间隔配置的多个叶片构成的喷嘴35。
在图2中，通过径流式涡轮叶轮15内的流体的等压线由单点划线表示。
半径R2以从从属入口29供给的流体的压力与在径流式涡轮叶轮15内通过该位置的流体的压力大致相同的方式设定。
图3是表示将图2的径向叶片向圆筒面投影的状态的投影图。
径向叶片19中的主入口21的轮毂17侧相对于旋转轴13具有大致同一角度的放射状的叶片形状，径向叶片19朝向径流式涡轮叶轮15的出口呈抛物线状地形成为叶片的角度相对于旋转轴13增大的叶片形状。
主入口21及从属入口29形成在径向叶片19的相对于旋转轴13具有大致相同角度的部分上。
从属入口29可以形成在呈抛物线状地相对于旋转轴13而叶片的角度增大的部分上。
以下，说明如此构成的本实施方式的径流式涡轮100的动作。
由双循环7A供给的压力P1的低沸点介质从主流入路23通过入口流路25，并借助喷嘴27来调整流量、流速，从而将流量G1的低沸点介质从主入口21向径流式涡轮叶轮15的外周端供给。此时，向径流式涡轮叶轮15供给的低沸点介质的压力为PN1。该压力PN1的低沸点介质在到达径流式涡轮叶轮15的出口压Pd之前压力连续下降并同时从径流式涡轮叶轮15流出，从而使安装有径流式涡轮叶轮15的旋转轴13产生旋转动力。
此时，由双循环7B供给的压力P2的低沸点介质从从属流入路31通过入口流路33，并借助喷嘴35来调整流量、流速，从而将流量G2的低沸点介质从从属入口29向径流式涡轮叶轮15供给。此时，从该从属入口29供给到径流式涡轮叶轮15内的低沸点介质的压力PN2与在径流式涡轮叶轮15中流动的朝向径流式涡轮叶轮15出口逐渐下降、换言之连续下降的低沸点介质的从属入口29位置处的压力一致。
从从属入口29流入的流量G2的低沸点介质与从主入口21供给的流量G1的低沸点介质混合，成为一体而从径流式涡轮叶轮15的出口流出。流量G1及流量G2相加的流量的低沸点介质经由径流式涡轮叶轮15而使旋转轴13产生旋转动力。
通过旋转轴13的旋转驱动而使发电机9产生电力。
如此，通过将来自双循环7A、7B的压力不同的低沸点介质分别向径流式涡轮叶轮15的主入口21及从属入口29供给，能够借助单一的径流式涡轮叶轮15作为旋转动力而取出。
由此，本实施方式的径流式涡轮100与具备多个膨胀涡轮或多个径流式涡轮叶轮的膨胀涡轮相比，能够减少部件个数，能够减少制造成本。
在本实施方式中，在径流式涡轮叶轮15未设置护罩，但并未限定于此。
例如，可以如图4所示，在位于主入口21与从属入口29之间的径流式涡轮叶轮15上安装护罩37。
这样的话，能够减少主入口21与从属入口29之间的叶片前端的间隙引起的低沸点介质的泄漏损失，从而能够提高涡轮效率。
即，在径流式涡轮叶轮15中，随着朝向出口而压力逐渐下降，而且低沸点介质从从属入口29流入，因此越向下游侧行进而低沸点介质的体积流量越增加，用于使该流体流动的叶片高度变大。因此，在主入口21与从属入口29之间，叶片高度最小。
另一方面，壳体11与径向叶片19的间隙制作为大致恒定，因此在主入口21与从属入口29之间，相对于叶片高度而间隙的比例增大，因此泄漏增大，泄漏引起的流体损失增加，效率下降。
如图4所示，通过在主入口21与从属入口29之间设置护罩37，而能够减少泄漏最多的部分的低沸点介质的泄漏损失，从而能够提高膨胀涡轮1的效率。
另外，如图5所示，除了护罩37之外，在从从属入口29(位于最内侧的从属入口)到径流式涡轮叶轮15的出口(喷出部)之间也可以设置护罩39。
这样的话，能够进一步减少低沸点介质的泄漏损失，因此能够进一步提高涡轮效率。
这种情况下，也可以不设置护罩37。
在本实施方式中，径流式涡轮叶轮15的出口部的径向叶片19沿着半径方向呈直线状地竖立设置，但并未限定于此。例如图6所示，也可以形成为相对于半径方向倾斜的形状。
图7是图6的径向叶片的沿着轴线方向观察的主视图，图8是图6的径向叶片的沿着半径方向观察的立体图。
此外，在本实施方式中，从属入口29为一个部位，但也可以设置在多个部位。
这样的话，能够将3个以上不同的压力的低沸点介质借助单一的径流式涡轮叶轮15作为旋转动力而取出，能够进一步减少部件个数，能够减少制造成本。
在本实施方式中，说明了具有2个双循环7A、7B且适用于双发电系统3的情况，但膨胀涡轮1的用途并未限定于此。
例如图9所示，也能够适用于具有1个双循环7C的双发电系统3。这种情况下，从双循环7C取出压力不同的低沸点介质而借助膨胀涡轮1来回收动力。
另外，在图10所示的设备系统2中也可以使用膨胀涡轮1。设备系统2中，例如，利用锅炉设备4，取出多个例如3个压力不同的蒸气(流体)而借助膨胀涡轮1来回收动力。
作为设备系统2，可以在各种工业设备例如化学设备中进行分离或混合的工艺的混合过程中使用。
[第二实施方式]
接下来，使用图11，说明本发明的第二实施方式的径流式涡轮100。
本实施方式的涡轮叶轮的结构与第一实施方式不同，因此这里主要说明该不同的部分，关于与前述的第一实施方式相同的部分，省略重复的说明。
对于与第一实施方式相同的构件，标注相同符号。
图11是表示本发明的第二实施方式的径流式涡轮100的局部剖视图。
在本实施方式中，作为涡轮叶轮，取代入口的轮毂面成为半径方向的第一实施方式的径流式涡轮叶轮15而使用入口的轮毂面倾斜的径流式涡轮叶轮41。在径流式涡轮叶轮41具备多个叶片43，这多个叶片43呈放射状地隔开间隔而设置在轮毂17的外周面。轮毂17的入口的轮毂面相对于半径方向倾斜。伴随于此，主流入路45相对于半径方向倾斜角度α1。从属流入路47相对于半径方向倾斜角度α2。
在主流入路45上设有由沿着周向隔开间隔配置的多个叶片构成的喷嘴46，在从属流入路47上设有由沿着周向隔开间隔配置的多个叶片构成的喷嘴48。
如此构成的本实施方式的径流式涡轮100的动作基本上与第一实施方式的径流式涡轮100相同，因此这里省略重复的说明。
在本实施方式中，叶片43的外周侧相对于半径方向倾斜，因此能够延长外周部的轴向长度。因此，能够扩宽设置从属入口29的空间，从而容易制造。
由此，容易设置多个从属入口29。例如图12所示，除了从属入口29之外，还能够容易地设置从属入口51。
这样的话，3个以上的不同压力的低沸点介质能够借助单一的斜流涡轮叶轮41作为旋转动力而取出，能够进一步减少部件个数，能够减少制造成本。在从属入口51的外周侧且在半径R3的位置上形成有比压力P2低的压力的低沸点介质所导入的从属流入路53。从属流入路53与从属入口51由环状的空间即入口流路55连接。
在入口流路55上设有由沿着周向隔开间隔配置的多个叶片构成的喷嘴57。
这样的话，能够将3个以上的不同压力的低沸点介质通过单一的径流式涡轮叶轮41作为旋转动力而取出，能够进一步减少部件个数，能够减少制造成本。
当设于从属入口29或从属入口51的喷嘴相对于半径方向倾斜时，从从属入口29或从属入口51流入的低沸点介质的流动与从上游朝向径流式涡轮叶轮41的出口流动的流体大致平行地流入，因此能够减少低沸点介质的混合损失。由此，能够提高径流式涡轮100的涡轮效率。
在本实施方式中，未安装护罩，但也可以安装图4及图5所示那样的护罩来减少泄漏损失。
另外，也可以增加从属入口29、51的个数。
需要说明的是，本发明并未限定为以上说明的各实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内可以进行各种变形。
符号说明
1    膨胀涡轮
15   径流式涡轮叶轮
19   径向叶片
21   主入口
27   喷嘴
29   从属入口
35   喷嘴
41   径流式涡轮叶轮
43   叶片
45   主流入路
46   喷嘴
48   喷嘴
51   从属入口
57   喷嘴
100  径流式涡轮

Claims (4)

1.一种径流式涡轮，具备单一的涡轮叶轮，该涡轮叶轮将流体的回旋能量转换成旋转动力，该流体是具有第一压力，通过喷嘴或涡管等高速回旋流产生流路，从形成于外周端的主入口具有半径方向的流速分量作为主要分量地流入的回旋的流体，所述径流式涡轮中，
在所述涡轮叶轮的外周侧，形成所述主入口及相对于彼此而设置在沿着半径方向及轴向分离的位置上的多个从属入口，
具有随着向半径方向内侧行进而比所述第一压力逐渐降低的压力的所述流体分别通过喷嘴或涡管等高速回旋流产生流路进行回旋的流体向各从属入口流入。
2.根据权利要求1所述的径流式涡轮，其中，
在所述涡轮叶轮上，在所述主入口与位于最外侧的所述从属入口之间设有护罩。
3.根据权利要求1或2所述的径流式涡轮，其中，
在所述涡轮叶轮上，在所述各从属入口之间设有护罩。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的径流式涡轮，其中，
在所述涡轮叶轮上，在从位于最内侧的所述从属入口到喷出部之间设有护罩。
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