JP2001221002A

JP2001221002A - 高効率タービン

Info

Publication number: JP2001221002A
Application number: JP2000067699A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hatanaka; 武史畑中
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-02-07
Filing date: 2000-02-07
Publication date: 2001-08-17

Abstract

(57)【要約】【目的】タービン内で作動流体の流路における背圧の
上昇を防止することにより流量当たりの出力・効率を飛
躍的に向上させた高効率タービンを提供することを目的
とする。【構成】インレット１２およびアウトレット１４を有
するハウジング２０内にステータ３０を支持し、ステー
タ３０内にタービンロータ２６を配置し、タービンロー
タ２６にアーチ状タービンブレード７２、７４と環状溝
６６を形成し、環状溝にステータブレード６２を配置し
て、環状溝の作動流体をタービンブレードの方向に転向
させる構成とすることにより、タービンの高効率化を図
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はタービンに関し、と
くに、水車、蒸気タービンおよびガスタービンに利用可
能なタービンに関する。

【０００２】

【従来の技術】米国特許第５，３８５，４４６号およ
び同第５，６２４，２３５号に代表的な蒸気タービンが
開示されている。これらタービンにおいて、静翼と動翼
が軸方向に多段列にて配置されていて、作動流体は軸方
向に流される。ハウジングとタービンロータの羽根との
間には多数のスペースが存在し、これらスペースから未
利用の作動流体が動翼に衝突せずに流出するため、単位
流量当たりの出力・効率が悪化する。このため、使用流
体のボリュームが増大してエネルギーコスト増の原因と
なり、しかも、タービンが大型化し、製造コストが高く
なっていた。

【０００３】米国特許第５，０７１，３１２号にはス
テータの周方向に多数の静翼を形成し、これに対向して
ロータの周方向に多数の動翼を形成したタービンが開示
されている。このタービンにおいて、ロータの動翼の背
面は半径方向に流れる作動流体に衝突するため、前述の
反トルクがロータに作用し、ロータの出力が低くなる。
また、タービン構造が複雑で製造コストが高い。

【０００４】特開平４−８１，５０２号にはロータの
外周に仕切りを設けて周方向の流路を形成したタービン
が開示されている。このタービンにおいて、流路内に直
接、多数の羽根が配置されている。これら羽根は作動流
体の流れ方向に交差するように延びているため、作動流
体が羽根に衝突した時に大きな乱流が発生して流路内を
作動流体が流れ難くなる。このとき、ロータの回転が早
くなるとロータの周速が上昇してロータの羽根と作動流
体が一体となって流路に強大な流体の壁が発生し、ター
ビン効率が著しく悪化する。タービンの供給ノズルと排
出口の間には何等、作動流体の強制的な排出手段がない
ため、作動流体は流路内に滞留する傾向が強くなり、そ
の分流路の背圧が高くなってタービン効率が悪くなる。
しかも、羽根はロータの外周に半径方向に延びるように
配置されているため、羽根の剛性が低く、このため、タ
ービン構造が全体的に大きくなり、製造コストも高くな
る欠点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記欠点を
解消するもので、小形軽量、低コストの高効率タービン
を提供することを目的とする。

【０００６】本発明の他の目的は小型機から大容量機
まで利用可能な高効率タービンを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願第１の発明は、
（ａ）作動流体のジェット流を導入するためのインレッ
トと膨張流体を排出するためのアウトレットを有するハ
ウジングと；（ｂ）ハウジング内に配置されているステータ手段と；（ｃ）ステータ手段内に回転可能に収納されていて出力
軸を有するタービンロータとを備え；（ｄ）タービンロータが軸方向に間隔をおいて配置され
た一対のロータデイスクと、ロータデイスクの周方向に
間隔をおいて配置された複数のタービンブレードと、タ
ービンブレードに沿って形成されていてインレットおよ
びアウトレットに連通していてジェット流を通過させる
環状溝を備え；（ｅ）ステータ手段が環状溝に収納された円弧状ステー
タブレードを備え、ステータブレードがジェット流をタ
ービンブレードに偏向させるガイド手段と、タービンブ
レードを周期的に開閉してジェット流を遮断するブレー
ド開閉手段を有する、ことにより達成される。

【０００８】本願第２の発明は、（ａ）作動流体のジ
ェット流を導入するためのインレットと、膨張流体を排
出するためのアウトレットを有するハウジングと；（ｂ）ハウジング内に配置されたステータ手段と；（ｃ）ステータ手段内に回転可能に収納されていて出力
軸を有するタービンロータとを備え；（ｄ）ステータ手段がハウジング内に固定されたステー
タリングと、ステータリングから半径方向内側に延びて
いる円弧状ステータブレードを備え、ステータブレード
が周方向でジェット流をタービンロータに偏向させるガ
イド手段と、ガイド手段の後流側に配置されたブレード
開閉手段とを備え；（ｅ）タービンロータがその中間にステータブレードを
収納する環状溝を有する一対のフライホイールロータデ
イスクを備え、各フライホイールロータデイスクが周方
向に間隔をおいて配置されていて円弧状ステータブレー
ドの側面に沿って移動してブレード開閉手段に周期的に
係合する複数のタービンブレードを備えることにより達
成される。

【０００９】本願第３の発明は、（ａ）第１および第
２方向に作動流体のジェット流をそれぞれ供給する第１
および第２インレットと、膨張流体を排出するための第
１および第２アウトレットを有するハウジングと；（ｂ）ハウジング内に同心的に配置された第１および第
２ステータ手段と；（ｃ）第１および第２ステータ手段内にそれぞれ回転可
能に収納された第１および第２タービンロータと；（ｄ）第１および第２タービンロータにそれぞれ連結さ
れていてそれぞれ異なる方向に回転する第１および第２
出力軸とを備え；（ｅ）各タービンロータが周方向に間隔をおいて配置さ
れた複数のタービンブレードと、タービンブレードの側
面に沿って形成されていてインレットおよびアウトレッ
トに連通していてジェット流を通過させる環状溝を備
え；（ｆ）各ステータ手段が環状溝に収納された円弧状ステ
ータブレードを備え、ステータブレードがジェット流を
タービンブレードに偏向させるガイド手段を備え；（ｇ）第１および第２タービンロータのタービンブレー
ドがそれぞれ反対方向に配置された作用面を備え；（ｈ）第１および第２ステータ手段のガイド手段がそれ
ぞれ第１および第２インレットに隣接して配置されてジ
ェット流を第１および第２方向に案内し；（ｉ）第２出力軸が中空軸からなり、第１出力軸が中空
軸内を回転可能に延びていることにより達成される。

【００１０】

【作用】本発明の高効率タービンにおいて、ステータ
内にタービンロータを回転可能に収納し、タービンロー
タに作動流体のジェット流路として機能する環状溝とタ
ービンブレードを形成することにより、流路内の作動流
体の障害物を排除して流体を流れ易くし、作動流体の背
圧を最少限とし、しかも、未利用作動流体が発生しない
ように流路内のジェット流を周方向で全量タービンブレ
ードに衝突させるようにして、タービン効率を飛躍的に
向上させ、小形軽量化、低コスト化を図るようにしたも
のである。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の望ましい実施例について図
面を用いて詳細に説明する。図１、２において、高効率
タービン１０は前段用のインレット１２およびアウトレ
ット１４、後段用のインレット１６およびアウトレット
１８を有するハウジング２０を備える。インレット１
２、１６はそれぞれ反時計方向および時計方向に作動流
体のジェット流をハウジング２０に供給し、アウトレッ
ト１４、１８はハウジング２０から膨張流体を排出す
る。図２に示す如く、前段のアウトレット１４は後段の
インレット１６に接続され、作動流体は前段、後段にて
順次膨張され、膨張した流体はアウトレット１８を介し
て排出される。タービン１０は、さらに、第１、第２出
力軸２２、２４にそれぞれ固定支持された第１、第２タ
ービンロータ２６、２８と第１、第２ステータ３０、３
２を備える。第１出力軸２２はフランジ２２ａを有し、
これに対してボルト３４によりロータデイスク３６、３
８が連結される。同様に、出力軸２４はフランジ２４ａ
を有し、これに対してフランジ４０およびボルト４２に
よってロータデイスク４６、４８が固定される。第２出
力軸２４は中空軸からなり、これにより第１出力軸２２
がベアリング５０、５２を介して回転可能に支持され
る。第１出力軸２２の左端部および第２出力軸２４の外
周はハウジング２０に支持されたベアリング５４、５６
により支持される。第１、第２ステータ３０、３２はハ
ウジング２０内に同心的に固定されたステータリング５
８、６０と、ステータリング５８、６０の中間部からそ
れぞれ半径方向内側に延びている円弧状ステータブレー
ド６２、６４と、インレット１２とアウトレット１４と
の間には配置された仕切り部材６５とを備える。仕切り
部材６５はそれぞれインレット１４およびアウトレット
１４に整列したガイド面６５ａ、６５ｂを供える。

【００１２】図３より明らかなように、ステータブレ
ード１１６はジェットノズル１２に隣接してジェット流
Ｓを第１、第２ロータデイスク３６、３８に偏向させる
ウエッジ状のメイン偏向ガイド部６２ａと、周期的にジ
ェット流を遮断するためのブレード開閉部６２ｂと、周
方向に間隔をおいて形成された複数の補助偏向ガイド部
６２ｃとを備える。補助ガイド部６２ｃは第１、第２ロ
ータデイスク３６、３８に対して、環状溝６６を通過す
るジェット流を第１、第２ロータデイスク３６、３８に
回転方向において偏向させて何度も衝突させてタービン
効率を向上させるためのものである。メイン偏向ガイド
部６２ａと、補助偏向ガイド部６２ｃとはステータブレ
ード６２を複数個のピースに分割して、それぞれ独立し
たピース上に形成しても良い。ブレード開閉部６２ｂは
周期的にジェット通路を瞬時に遮断して、第１、第２ロ
ータデイスク３６、３８にジェット流を撃突停止させて
慣性力と反作用による力を生じさせ、かつ、ロータデイ
スク３６、３８内の圧力を急激に高めてトルクを増大さ
せ、次いで、ブレード開閉部６２ｂがその圧力を急に開
放したときにジェット流が慣性力をともなって補助偏向
ガイド部６２ｃから再度ロータデイスク３６、３８に強
力な衝動力を与えるようにしてタービン２０の出力アッ
プをねらったものである。

【００１３】上記目的に沿うように、第１、第２ロー
タデイスク３６、３８はそれぞれ軸方向に間隔をおいて
配置されたフライホイールデイスク６８、７０を備え
る。フライホイールデイスク６８、７０はそれぞれ出力
軸２２に装着された円筒基部を備え、これらの中に連結
ボルト３４が貫通している。ボルト３４は出力軸２２の
フランジ２２ａから第２ロータデイスク３８に延びてい
て第２ロータデイスク３８にネジ止めされて所定位置に
保持される。フライホイールデイスク６８、７０はそれ
ぞれ周方向に間隔をおいて配置されて軸方向に延びる複
数の断面アーチ状のタービンブレード７２、７４と、タ
ービンブレード７２、７４の間それぞれ形成された圧力
室７６、７８を備える。タービンブレード７２、７４は
それぞれジェット流が衝突するアーチ状のブレード面と
アーチ状の背面とを備え、環状溝６６に沿って隣接する
ラジアル面またはバルブ面７２ａ、７４ａを有する。前
述したように、ロータデイスク３６、３８の回転時にス
テータブレード６２のブレード開閉部６２ｂに対してタ
ービンブレード７２、７４のバルブ面１５０ａ、１５２
ａが周期的に係合または重なり合うとジェット流が急激
に遮断されてブレード７２ａ、７４ａ内のジェット流の
圧力が急激に上昇してフライホイールデイスク６８、７
０に回転エネルギーを蓄積する。圧力室７６、７８内に
滞溜した高圧のジェット流はブレード開閉部６２ｂから
バルブ面７２ａ、７４ａが開口したときに、ジェット流
は一気に開放されて補助偏向ガイド６２ｃによりガイド
されて次段のブレードに撃突する。このように、ジェッ
ト流は環状溝６６を通間する間に順次複数段のタービン
ブレード７２、７４に強力なトルクを与え、この回転エ
ネルギーがフライホイールデイスク６８、７０に蓄積さ
れる。このように、ジェット流のエネルギー変換効率が
極めて高くなり、タービン効率が著しく上昇する。この
ように、ジェット流は膨張してアウトレット１４から第
２タービンロータ２８に供給される。

【００１４】図２に戻って、ステータブレード６４は
第１タービンロータ２６のステータブレード６２と同一
構造を有し、第２タービンロータ２８は第１タービンロ
ータ２６と同様に構成され、ロータデイスク４６、４８
がそれぞれフライホイールロータデイクス８０、８２
と、複数のタービンブレード８４、８６と、タービンブ
レード間に形成された圧力室８８、９０を備える。第２
ステータ３２のインレット１６は第１ステータ３０のイ
ンレット１２と反応方向、すなわち、時計方向に延びて
いてジェット流を時計方向に供給する。第２タービンロ
ータ２８のタービンブレード８４、８６のアーチ状作用
面もインレット１６に対面するように配置され、第２タ
ービンロータ２８は時計方向に回転して出力軸２４を時
計（ＣＷ）方向に回転する。このように、タービン１０
は飛行機の二重反転ターボプロップや、ヘリコプターの
プロペラもしくは宇宙探査船、海中探査船、地中探査
船、船舶等の二重反転プロペラ等の駆動用に適する。こ
の場合、米国特許第５，７９５，２００号に開示された
ような複雑なギヤ反転機構が不要となり、種々のメリッ
トがある。

【００１５】上記構造において、第１、第２タービン
ロータはそれぞれ反対方向に回転するものとして例示さ
れたが、これらは共通の出力軸に連結して同一方向に回
転するように変形しても良い。この場合、作動流体のジ
ェット流は同時に同一方向の共通のインレットに供給す
るようにしても良い。なお、上記実施例において、ター
ビンブレードはフライホイールロータデイスクと一体に
形成されたものとして示されたが、とくに、大型機にお
いて、複数のピース上にタービンブレードを形成し、各
ピースをロータデイスクの取付溝に嵌合させるようにし
て組み立てるように変形しても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の望ましい実施例の高効率タービンの
部分断面図である。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線から見た部分断面図であ
る。

【図３】図２のタービンロータとステータとの位置関
係を示す図である。

【符号の説明】

１０タービン、１２インレット、１４アウト
レット、１６インレット、１８アウトレット、
２０ハウジング、２２、２４第１、第２出力軸、
３０、３２第１、第２ステータ、３６、３８第１、
第２ロータデイスク、４６、４８第１、第２ロータデ
イスク、５８、６０ステータリング、６２、６４ス
テータブレード、６８、７０、８０、８２フライホイ
ールデイスク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）作動流体のジェット流を導入する
ためのインレットと膨張流体を排出するためのアウトレ
ットを有するハウジングと；（ｂ）ハウジング内に配置されているステータ手段と；（ｃ）ステータ手段内に回転可能に収納されていて出力
軸を有するタービンロータとを備え；（ｄ）タービンロータが軸方向に間隔をおいて配置され
た一対のロータデイスクと、ロータデイスクの周方向に
間隔をおいて配置された複数のタービンブレードと、タ
ービンブレードに沿って形成されていてインレットおよ
びアウトレットに連通していてジェット流を通過させる
環状溝を備え；（ｅ）ステータ手段が環状溝に収納された円弧状ステー
タブレードを備え、ステータブレードがジェット流をタ
ービンブレードに偏向させるガイド手段と、タービンブ
レードを周期的に開閉してジェット流を遮断するブレー
ド開閉手段を有する高効率タービン。
【請求項２】請求項１において、ガイド手段がインレ
ットに隣接して配置されたメインガイドと、メインガイ
ドの後流側に配置された少くとも１つの補助ガイドを備
え、ブレード開閉手段がメインガイドと補助ガイドとの
間に配置される高効率タービン。
【請求項３】請求項１または２において、各タービン
ブレードがジェット流が衝突するアーチ状作用面を有す
る高効率タービン。
【請求項４】請求項２または３において、ロータデイ
スクが分割されていて同心的に出力軸に配置されている
フライホイール部材からなる高効率タービン。
【請求項５】請求項１または２において、さらに、タ
ービンロータがタービンブレード間に形成された圧力室
を備え、ブレード開閉手段によりジェット流が遮断され
たときにガイド手段が圧力室内にジェット流を導入して
その圧力を高める高効率タービン。
【請求項６】（ａ）作動流体のジェット流を導入する
ためのインレットと，膨張流体を排出するためのアウト
レットを有するハウジングと；（ｂ）ハウジング内に配置されたステータ手段と；（ｃ）ステータ手段内に回転可能に収納されていて出力
軸を有するタービンロータとを備え；（ｄ）ステータ手段がハウジング内に固定されたステー
タリングと、ステータリングから半径方向内側に延びて
いる円弧状ステータブレードを備え、ステータブレード
が周方向でジェット流をタービンロータに偏向させるガ
イド手段と、ガイド手段の後流側に配置されたブレード
開閉手段とを備え；（ｅ）タービンロータがその中間にステータブレードを
収納する環状溝を有する一対のフライホイールロータデ
イスクを備え、各フライホイールロータデイスクが周方
向に間隔をおいて配置されていて円弧状ステータブレー
ドの側面に沿って移動してブレード開閉手段に周期的に
係合する複数のタービンブレードを備える高効率タービ
ン。
【請求項７】請求項６において、ガイド手段がインレ
ットに隣接するメインガイドと、メインガイドの後流側
に配置されてジェット流をタービンブレードに偏向させ
る補助ガイドを備え、ブレード開閉手段がメインガイド
と補助ガイドとの間に形成されていてタービンブレード
の側面を周期的に開閉し、タービンロータがタービンブ
レード間に形成されていて周期的にメインガイドと補助
ガイドによりジェット流が導入される圧力室を備える高
効率タービン。
【請求項８】（ａ）第１および第２方向に作動流体の
ジェット流をそれぞれ供給する第１および第２インレッ
トと、膨張流体を排出するための第１および第２アウト
レットを有するハウジングと；（ｂ）ハウジング内に同心的に配置された第１および第
２ステータ手段と；（ｃ）第１および第２ステータ手段内にそれぞれ回転可
能に収納された第１および第２タービンロータと；（ｄ）第１および第２タービンロータにそれぞれ連結さ
れていてそれぞれ異なる方向に回転する第１および第２
出力軸とを備え；（ｅ）各タービンロータが周方向に間隔をおいて配置さ
れた複数のタービンブレードと、タービンブレードの側
面に沿って形成されていてインレットおよびアウトレッ
トに連通していてジェット流を通過させる環状溝を備
え；（ｆ）各ステータ手段が環状溝に収納された円弧状ステ
ータブレードを備え、ステータブレードがジェット流を
タービンブレードに偏向させるガイド手段を備え；（ｇ）第１および第２タービンロータのタービンブレー
ドがそれぞれ反対方向に配置された作用面を備え；（ｈ）第１および第２ステータ手段のガイド手段がそれ
ぞれ第１および第２インレットに隣接して配置されてジ
ェット流を第１および第２方向に案内し；（ｉ）第２出力軸が中空軸からなり、第１出力軸が中空
軸内を回転可能に延びている高効率タービン。
【請求項９】請求項８において、各タービンロータが
ブレード間に形成された圧力室を備え、各ステータブレ
ードがタービンブレードを周期的に閉じてジェット流を
圧力室に導入してその圧力を増加させるブレード開閉手
段を備える高効率タービン。