JP2001221004A

JP2001221004A - 膨張タービン

Info

Publication number: JP2001221004A
Application number: JP2000031311A
Authority: JP
Inventors: Toshinori Okada; 俊範岡田; Makoto Ijiri; 良井尻
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-02-09
Filing date: 2000-02-09
Publication date: 2001-08-17

Abstract

(57)【要約】【課題】多湿空気を作動流体とする膨張タービンにお
いて、羽根車内で凝縮を促進することにより凝縮潜熱を
発生させ、このエネルギ直接回転エネルギとして回収す
る。【解決手段】羽根車２の羽根を流れ方向に２分割し
て、流路の途中にスリット７を設ける。前段羽根５から
流出した空気は、スリット７を通過するときに凝縮し、
さらに後段羽根６に流入するとき後段羽根６の前縁部８
に衝突して、凝縮が発生する。凝縮潜熱が空気に与えら
れ、後段羽根６によってこのエネルギを羽根車２の動力
として回収する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷却器、空気調和
機、ヒートポンプ等に使用されるターボチャージャー、
ガスタービン、エキスパンジョンタービン等の膨張ター
ビンにおける羽根車の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半径流型膨張タービンを図１３、
１４に示す。膨張タービンは、周囲にノズルを有するケ
ーシング１内に羽根車２が収納されて構成され、その回
転軸３が軸受を介してケーシング１に回転自在に支持さ
れる。羽根車２には、流れ方向に沿って複数の羽根４が
円周方向に等間隔に形成され、羽根４の下流側では後ろ
向き羽根となっている。

【０００３】そして、回転している膨張タービンに入っ
た空気等の気体は、まず外周側より回転中心に向かって
羽根４に沿って流れ、ついで９０度方向を転換して、軸
方向に流出する。その間に、羽根車２を流れる空気は膨
張を続けるとともに羽根車２に回転エネルギを与えるこ
とにより、空気自身のエネルギが失われて温度が低下す
る。

【０００４】羽根車２では、そのエネルギ変換効率を高
くするために、空気が剥離しないよう滑らかな形状に設
計されるとともに、ケーシング１との隙間を小さくし
て、空気の漏れを低減している。

【０００５】このような従来の膨張タービンに多湿の空
気が流入した場合における空気中の水蒸気の状態変化お
よびＰ−ｖ線図を図１５に示す。図中の点ａは膨張ター
ビン入口での状態、点ｂは膨張タービン出口での状態、
点ｃは膨張タービン流出後の状態、（ａ）の破線は飽和
蒸気圧線を示す。多湿の空気は、膨張タービン内で点ａ
〜ｂにおいて急激に断熱膨張し冷却される。膨張過程に
おいて飽和蒸気圧線を通過後は過飽和状態となり、膨張
タービンを流出した過飽和状態の空気は、点ｂ〜ｃにお
いて点ｃの飽和状態へ移行する。その際に水蒸気の凝縮
が発生し、凝縮潜熱によって膨張タービン流出後の空気
の温度が上昇する。例えば膨張タービン入口での状態を
１３５ｋＰａ、５０℃として、出口での状態を大気圧、
３０℃まで膨張させるとき、水蒸気凝縮潜熱は、相対湿
度０％ｒｈと１００％ｒｈを比較すると、相対湿度０％
ｒｈの場合に空気が失うエネルギ量は、空気１ｋｇあた
り２０．１ｋＪ／ｓに対して、相対湿度１００％ｒｈの
場合は、１０２．８ｋＪ／ｓとなり、凝縮潜熱は非常に
大きいものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
膨張タービンでは、空気が膨張タービンを通過する間で
しか空気からエネルギを回収することができない。この
エネルギは、図１５（ｂ）のａｂｄｅで囲まれた領域の
面積で表される。すなわち、空気の膨張によるエネルギ
のみであり、凝縮は膨張タービンを流出した後に発生す
るので、この凝縮潜熱を直接回転エネルギとして回収す
ることはできなかった。

【０００７】本発明は、上記に鑑み、羽根車内で空気の
疑縮を促進することにより凝縮潜熱を発生させ、この凝
縮潜熱のエネルギを直接回転エネルギとして回収するこ
とができる膨張タービンを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による課題解決手
段は、湿った空気等を作動流体とする膨張タービンにお
いて、空気の断熱膨張によって発生するエネルギだけで
なく凝縮による潜熱のエネルギも回収して、エネルギ変
換効率を高くするために、従来羽根車内で回収できなか
った凝縮潜熱のエネルギを回収できるように、空気が流
れる流路の途中に空気を凝縮するための空間を設けたも
のである。

【０００９】すなわち、羽根を分断するようにスリット
を複数設けることによって、流れ方向に複数の羽根が存
在することになり、流路の途中に羽根のない空間が形成
される。空気が羽根に沿って流れ、このスリットを通過
するとき、流れが乱れて空気中の水蒸気が衝突、集合し
て水滴が生じ、凝縮が発生する。そして、スリットを通
過した空気は、下流側の羽根の前縁に衝突して、さらに
凝縮が発生し、これらの凝縮潜熱が空気に与えられるの
で、空気のエンタルピが増加して、このエネルギが直接
回転エネルギとして羽根車に回収される。

【００１０】ここで、さらにエネルギの変換効率を高め
るために、スリットを挟んで流れ方向上流側にある前段
羽根に対して流れ方向下流側にある後段羽根を回転方向
側にずらして配置する、後段羽根の枚数を前段羽根の枚
数より多くする、隣り合う後段羽根の間に後段羽根より
長さの短い短羽根を設けるといった対応が考えられる。
これらによって、前段羽根から流出した空気が後段羽根
に流入するときに、後段羽根の前縁あるいは短羽根に衝
突する機会が増え、これに伴って凝縮量が増加して、凝
縮潜熱のエネルギも増加し、回収できるエネルギの増大
を図れる。

【００１１】また、後段羽根の子午面長さを前段羽根の
子午面長さよりも大とし、さらに前段羽根の子午面長さ
をスリットの子午面長さよりも大としておく。凝縮潜熱
のエネルギを効率よく回収するためには、後段羽根の子
午面長さを大きくする必要があり、スリットの子午面長
さが大きいと、この間でのエネルギロスが増えるので、
上記のように設定することにより、発生する凝縮潜熱の
エネルギを無駄なく回収することができる。

【００１２】そして、シュラウド側ケーシングに、羽根
車内で気体の凝縮によって発生した水滴を排出するため
のドレン補集部を設けておくと、回転する羽根車の遠心
力によって外周方向に向かって流れる水滴がドレン補集
部によって集められ、外部へと排出される。したがっ
て、羽根車内から水滴を分離除去することができ、羽根
車の回転を水滴が邪魔することを防止できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）第１実施形態の
膨張タービンを図１、２に示す。この膨張タービンの羽
根車２では、気体の流れ方向に沿って上流側に前段羽根
５、下流側に後段羽根６がそれぞれ同数形成され、両羽
根５、６の間にスリット７が形成されている。すなわ
ち、１つの羽根がその途中をスリット７によって分断さ
れた構造となっている。なお、気体の流れをスムーズに
するために、前段羽根５の断面形状は翼状とされ、後段
羽根６の上流部分である前縁部８は曲面状とされる。そ
の他の構成は従来のものと同じである。

【００１４】このような構造の羽根車２に対して、空気
は外周方向より流入し、軸方向へ曲げられ、流出する。
このときの羽根車２に流入した多湿の空気が膨張タービ
ン内で膨張する際の圧力変化と水蒸気の状態変化を図３
に示す。ここで、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３はそれぞれ前段羽根
５、スリット７、後段羽根６の子午面長さ、点ａは膨張
タービン入口での状態、点ｂは前段羽根５の出口での状
態、点ｃは後段羽根６の入口での状態、点ｄは膨張ター
ビン出口での状態、破線は飽和蒸気圧線を示す。

【００１５】前段羽根５に沿って流入した多湿空気は、
点ａ〜ｂにおいて膨張することにより羽根車２に回転エ
ネルギを与える。その際、空気はエネルギを失って温度
が低下し、空気中の水蒸気分圧がその圧力、温度での飽
和水蒸気圧より低下し、飽和蒸気圧線を横切って理論的
な湿り域に入っても、凝縮水滴が発生せず乾き空気の性
質を有した非平衡状態となり、湿り空気温度がその圧力
での飽和温度よりも低い点ｂの過冷却状態で前段羽根５
より流出する。

【００１６】前段羽根５から流出した空気は、スリット
７へ流入し、前段羽根５の拘束が無くなるため流線は回
転方向ヘ曲がる。また、前段羽根５には圧力面９と負圧
面１０があり、両者の圧力差が存在するため、前段羽根
５から流出した直後に隣接する流路間の圧力面９側の空
気が負圧面１０側へ向かって流れ、隣接する流路間の空
気が混合する。前段羽根５からの流出後に、これらの大
きな流れの乱れが存在することによって、空気中の微少
な水蒸気の水滴が衝突し集合して、この水滴が大きくな
り、非平衡状態が破られ、水蒸気の凝縮が発生する。ス
リット７を通過した空気は、凝縮しながら後段羽根６へ
流入する。その際、後段羽根６の前縁部８に空気が衝突
するため、後段羽根６の前縁部８においても凝縮が発生
する。点ｂ〜ｃ間の状態変化は、上記のように行われ、
図１、２中の１点鎖線Ａで示す箇所、つまりスリット７
と後段羽根６の前縁部８との２箇所で発生した凝縮潜熱
が空気に与えられ、空気の圧力、温度、体積が増加し、
点ｃの状態となる。凝縮潜熱を受け取った空気は、後段
羽根６を通過する間に前段羽根５を通過するときと同様
に、点ｃ〜ｄにおいて再び膨張し、羽根車２を回転させ
るための動力として回転エネルギを羽根車２に与えて、
膨張タービンから流出する。

【００１７】図４は上記の膨張タービンのＴ−ｓ線図と
Ｐ−ｖ線図を示す。Ｐ１は膨張タービン入口での圧力、
Ｐ２は前段羽根５流出直後の圧力、Ｐ３は後段羽根６の
入口での圧力、Ｐ４は後段羽根６の出口での圧力を示
す。点ｅは、従来の膨張タービンの出口での状態であ
る。本発明の膨張タービンで回収されるエネルギは、ａ
ｂｃｄｈｆで囲まれた領域の面積で表され、従来の膨張
タービンで回収されるエネルギはａｂｅｇｆで囲まれた
領域の面積で表される。このように、従来の膨張タービ
ンに比べ、明らかに本発明の膨張タービンで回収できる
エネルギの方が多い。上記のように羽根車２にスリット
７を設けた結果、後段羽根６で凝縮潜熱のエネルギを回
収することができ、従来よりも回収できるエネルギが増
加する。

【００１８】ところで、水蒸気の凝縮は、前段羽根５を
流出直後および後段羽根６の前縁部８の２箇所において
集中的に発生する。そのため、後段羽根６の前縁部８で
は、発生した水滴が衝突し、エロージョンによる損傷が
発生する。このようなエロージョンを防止するために、
図５に示すように前縁部８にエロージョン防止用シール
ド材１１を設ける。シールド材１１としては、１２Ｃｒ
系合金鋼、ステライト、チタン合金等を用い、溶射ある
いは肉盛溶接等によって前縁部８を膜状に被覆したり、
シールド材１１を羽根の形状に合わせて成形して接合す
る。これによって、後段羽根６の前縁部８に生じるエロ
ージョンによる損傷を防止でき、羽根の寿命を長くする
ことができる。

【００１９】また、一般的に半径流型膨張タービンによ
って得られるエネルギは、周速度の差に影響を受ける。
後段羽根６で発生する凝縮潜熱エネルギを回収するため
には、まず羽根車２の回転数と必要な後段羽根６の前縁
の直径Ｄ３が定まり、後段羽根６で回収する凝縮潜熱の
エネルギ量は、前段羽根５の前縁の直径Ｄ１、前段羽根
５の後縁の直径Ｄ２から定まる。図６に示すように、Ｌ
１、Ｌ２、Ｌ３をそれぞれ前段羽根５の子午面長さ、後
段羽根６の子午面長さ、スリット７の子午面長さとする
と、前段羽根５および後段羽根６で回収されるエネルギ
は、凝縮潜熱の発生があるため後者の方が大きくなるの
で、Ｌ１＜Ｌ２とする。これは、Ｌ１＞Ｌ２とした場合
には、前段羽根５から流出後に発生する凝縮潜熱のエネ
ルギを後段羽根６で回収するだけの能力が無くなり、回
収エネルギがＬ１＜Ｌ２とした場合よりも減少する。ま
た、Ｌ３が大きいと、スリット７で発生する損失が大き
くなるため、Ｌ１＞Ｌ３とするのが望ましい。したがっ
て、Ｌ１＜Ｌ２、Ｌ１＞Ｌ３となるよう構成することに
より、発生する凝縮潜熱のエネルギを無駄なく回収する
ことができる。

【００２０】（第２実施形態）本実施形態では、図７に
示すように、前段羽根５と後段羽根６の枚数は等しい
が、各羽根５、６の配置が異なっている。すなわち、前
段羽根５の外周直径Ｄ１の円周上における前段羽根５の
ピッチをｐ１、後段羽根６のピッチをｐ２とすれば、ｐ
１＝ｐ２であり、ｐ２の位相はｐ１の位相に対して０〜
１／２ピッチだけ回転方向側に後段羽根６がずらして設
置される。その他の構成は第１実施形態と同じである。

【００２１】後段羽根６の位相を前段羽根５の位相と等
しくすると、前段羽根５から流出した空気が後段羽根６
の前縁部８に衝突せずに後段羽根６へ流入する場合があ
るため、後段羽根６の前縁部８での凝縮が発生する確率
が低くなり、後段羽根６を通過するときに羽根車２に与
えられるエネルギが小さくなるおそれがある。しかし、
後段羽根６の位相を前段羽根５の位相と０〜１／２ピッ
チずらすことによって、空気が後段羽根６の前縁部８に
衝突する確率が高くなり、前縁部８での水蒸気の凝縮が
増加して、後段羽根６での回収エネルギを増加させるこ
とができる。

【００２２】（第３実施形態）本実施形態では、図８に
示すように、羽根車２の前段羽根５の枚数Ｚ１は、羽根
車２内部の速度分布を考慮し、羽根面上に逆流が発生し
ないよう決定されており、後段羽根６の羽根枚数Ｚ２
は、前段羽根５の羽根枚数より多く設定されている。後
段羽根６の羽根枚数Ｚ２は、多くしすぎると摩擦損失の
増大、流路断面積の減少があるため、羽根の厚さｔ、後
段羽根６の前縁の直径Ｄ３から制限されるが、少なくと
も後段羽根６の羽根枚数は、前段羽根５の羽根枚数と等
しいか、それ以上とされる。その他の構成は第１実施形
態と同じである。

【００２３】後段羽根６の羽根枚数Ｚ２を前段羽根５の
羽根枚数Ｚ１より多くすることにより、後段羽根６へ流
入する空気が増加するとともに、後段羽根６の前縁部８
の衝突により発生する水蒸気の凝縮が増加して、凝縮潜
熱のエネルギが増大する。また、一般的に膨張タービン
の羽根枚数は２次流れに対する考慮から理想的には多け
れば多いほど良いことが知られており、後段羽根６を前
段羽根５より多くすることで、後段羽根６の羽根枚数Ｚ
２が前段羽根５の羽根枚数Ｚ１と等しいか、もしくは少
ない場合と比べて、凝縮潜熱を受け取って流入してくる
空気からその膨張による回転エネルギの回収を増大する
ことができる。

【００２４】（第４実施形態）本実施形態では、図９に
示すように、後段羽根６が前段羽根５より多く設けら
れ、前段羽根５の後縁と羽根車２中心を結ぶ直線をＬｉ
ｎｅ１、後段羽根６の前縁と羽根車２中心を結ぶ直線を
Ｌｉｎｅ２として、両直線の重なる箇所が最少となるよ
うに、前段羽根５と後段羽根６の位相をずらしている。
この位相のずれは、前段羽根５のピッチｐ１（＞ｐ２）
の０〜１／２とする。Ｌｉｎｅ１とＬｉｎｅ２が重なる
箇所では、前段羽根５から流出した空気が、後段羽根６
の前縁部８に衝突せずに後段羽根６へ流入する場合があ
るため、前縁部８での凝縮が発生せず、後段羽根６を通
過するときに羽根車２に与えられるエネルギが小さくな
る。そこで、Ｌｉｎｅ１とＬｉｎｅ２が重なる箇所が最
少となるように、前段羽根５と後段羽根６の位相をずら
すことによって、凝縮が発生しない箇所を最少にするこ
とができ、後段羽根６の前縁部８での水蒸気の凝縮が効
率よく行われ、後段羽根６での回収エネルギを最大にす
ることができる。

【００２５】（第５実施形態）本実施形態では、図１０
に示すように、隣り合う後段羽根６の間に後段羽根６よ
り長さの短い短羽根１２を設置する。後段羽根６と前段
羽根５の枚数は同じで、それぞれのピッチの位相が１／
２ずれて配置され、短羽根１２は前段羽根５と対向する
ように同ピッチで配置されている。その他の構成は第１
実施形態と同じである。なお、後段羽根６の配置は任意
としてもよく、さらに前段羽根５より多くてもよい。

【００２６】後段羽根６の間に短羽根１２を設置したこ
とによって、スリット７を通過した空気が短羽根１２の
前縁に衝突し、空気中の水蒸気の凝縮が発生し、短羽根
１２を設置していない場合に比べて水蒸気の凝縮が増加
する。また、スリット７で空気は非常に乱されて、後段
羽根６へ流入するが、短羽根１２によってその流れが整
流されると同時に、短羽根１２は後段羽根６の羽根長さ
より短いため、後段羽根６下流での有効断面積が減少す
ることが無く、短羽根１２の分だけ羽根枚数が増加した
ことにより後段羽根６へ流入した空気から回収できるエ
ネルギが増加する。このように短羽根１２を設置したこ
とにより、凝縮量の増加、流れの整流効果、羽根枚数の
増加といった効果は得られ、これらの効果によって回収
するエネルギの増大を図ることができる。

【００２７】また、図１１に示すように、短羽根１２を
後段羽根６の前縁より流れ方向下流側に設置する。この
ように設置することにより、後段羽根６の前縁部８で凝
縮潜熱のエネルギが発生した後に空気は短羽根１２へ流
入することになり、空気が膨張して短羽根１２に回転エ
ネルギを与えることができる。そのため、後段羽根６と
同一円周上に配置する場合に比べて後段羽根６の前縁部
８で発生した凝縮潜熱のエネルギを効率よく回収するこ
とができる。

【００２８】（第６実施形態）羽根車２内には、スリッ
ト７および後段羽根６の前縁部８で発生した水滴、その
他に羽根面、羽根車２の壁面等で発生した水滴、また膨
張タービンの入口から予め流入してくる水滴が存在す
る。羽根車２内の微少な水滴は、通常、空気の流れに沿
って羽根車２外へ排出されるが、微少な水滴が集合した
大きな水滴は空気よりも質量が大きく、水滴に作用する
回転による遠心力も大きくなるため、気流から外れて外
周方向へ流れていく。その水滴は遠心力と空気の流れに
よって羽根車２内を循環するため、このときに水滴に作
用するエネルギが損失となる。ところで、水滴が発生す
る箇所はスリット７および後段羽根６の前縁部８より下
流であり、この下流側では羽根車２内の流れは軸方向へ
曲がっているため、水滴は自然に遠心力によってシュラ
ウド１３側へ流れていく。

【００２９】そこで、本実施形態では、図１２に示すよ
うに、シュラウド１３側のケーシング１に水滴を回収す
るドレン補集部１４を設ける。ドレン補集部１４は、後
段羽根６に対向するケーシング１を貫通する複数の孔と
され、膨張タービンの外部に通じている。あるいは、羽
根車２を取り囲むようにケーシング１に溝を設け、この
溝に排水用の孔を外部に通じるように形成してもよい。
その他の構成は上記の各実施形態と同じである。

【００３０】これによって、遠心力で外周へ流される水
滴は、ドレン補集部１４に導かれ、膨張タービンの外部
へと排出され、気流から効果的に分離、除去することが
できる。したがって、水滴によるエネルギ損失の低減を
図れ、羽根車２のコロージョン、エロージョンによる損
傷も回避することができる。

【００３１】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多く
の修正および変更を加え得ることは勿論である。上記実
施形態では、羽根車の羽根を２つに分断したが、スリッ
トを２つ以上設けて、羽根を３つ以上に分断してもよ
い。また、スリットを同一円周上に沿って形成する代わ
りに、流れ方向に沿ってずらして設けてもよく、さらに
羽根毎にスリットが１つのものと２つのものとを組み合
わせてもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明から明らかな通り、本発明に
よると、羽根車の羽根の途中にスリットを設けて、羽根
車内で高湿空気の凝縮を促進することにより、羽根車内
での空気の過冷却を無くし、凝縮潜熱を発生させること
ができ、従来の膨張タービンでは回収できなかった凝縮
潜熱のエネルギを直接回転エネルギとして回収すること
ができ、大幅な回収エネルギの増大が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の膨張タービンの要部断
面図

【図２】羽根車の要部平面図

【図３】（ａ）は流れ方向における高湿空気の圧力変化
を示す図、（ｂ）は空気中の水蒸気の状態変化を示す図

【図４】（ａ）は膨張タービンのＴ−ｓ線図、（ｂ）は
Ｐ−ｖ線図

【図５】後段羽根の前縁部の拡大図

【図６】羽根車の各羽根の子午面長さを示す図

【図７】第２実施形態の羽根車の要部平面図

【図８】第３実施形態の羽根車の要部平面図

【図９】第４実施形態の羽根車の要部平面図

【図１０】第５実施形態の羽根車の要部平面図

【図１１】他の形態の羽根車の要部平面図

【図１２】第６実施形態の膨張タービンの要部断面図

【図１３】従来の膨張タービンの要部断面図

【図１４】従来の羽根車の要部平面図

【図１５】（ａ）は空気中の水蒸気の状態変化を示す
図、（ｂ）は膨張タービンのＰ−ｖ線図

【符号の説明】

１ケーシング２羽根車５前段羽根６後段羽根７スリット８前縁部１１シールド材１２短羽根１４ドレン補集部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】羽根車の回転により流入した気体を断熱
膨張させ、気体を冷却する膨張タービンにおいて、前記
羽根車の羽根を気体の流れ方向に沿って分断するスリッ
トが複数形成されたことを特徴とする膨張タービン。
【請求項２】スリットを挟んで流れ方向上流側にある
前段羽根に対して流れ方向下流側にある後段羽根が回転
方向側にずらして配置されたことを特徴とする請求項１
記載の膨張タービン。
【請求項３】スリットを挟んで流れ方向下流側にある
後段羽根の枚数は、流れ方向上流側にある前段羽根の枚
数より多くされたことを特徴とする請求項１記載の膨張
タービン。
【請求項４】前段羽根の後縁部と対向する後段羽根が
最小となるように、前段羽根と後段羽根とはずらして配
置されたことを特徴とする請求項３記載の膨張タービ
ン。
【請求項５】隣り合う後段羽根の間に後段羽根より長
さの短い短羽根が設けられたことを特徴とする請求項２
または３記載の膨張タービン。
【請求項６】短羽根は、その前縁部が後段羽根の前縁
部よりも下流側に位置するように配置されたことを特徴
とする請求項５記載の膨張タービン。
【請求項７】後段羽根の子午面長さは前段羽根の子午
面長さよりも大とされたことを特徴とする請求項２また
は３記載の膨張タービン。
【請求項８】前段羽根の子午面長さはスリットの子午
面長さよりも大とされたことを特徴とする請求項７記載
の膨張タービン。
【請求項９】後段羽根の前縁部分にエロージョン防止
用のシールド材が設けられたことを特徴とする請求項２
または３記載の膨張タービン。
【請求項１０】シュラウド側ケーシングに、羽根車内
で気体の凝縮によって発生した水滴を排出するためのド
レン補集部が設けられたことを特徴とする請求項２また
は３記載の膨張タービン。