JP2003161103A

JP2003161103A - スラストレスラジアルタービン

Info

Publication number: JP2003161103A
Application number: JP2001361914A
Authority: JP
Inventors: Genichiro Nagahara; 元一郎永原; Tosaku Takamura; 東作高村
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2001-11-28
Filing date: 2001-11-28
Publication date: 2003-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】高圧蒸気から効率よく発電又はエネルギー回
収することができ、かつ特殊なスラストカラーやバラン
スピストンシステム等の追加装置なしに、インペラに作
用するスラスト力を大幅に低減することができるラジア
ルタービンを提供する。【解決手段】互いに背面が連結された１対のタービン
動翼１２ａ，１２ｂからなるインペラー１２と、１対の
タービン動翼に高圧蒸気を供給するための単一のスクロ
ール１４と、スクロールと１対のタービン動翼を連結す
る１対のノズル１６ａ，１６ｂと、１対のタービン動翼
を出た低圧蒸気を排気するための１対の排気ライン１８
ａ，１８ｂとを備える。タービン動翼それぞれにスラス
ト力が発生してもその向きが反対方向であるため、互い
に打ち消しあい、軸系に作用するスラスト力は相殺され
てゼロもしくは非常に小さくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、追加装置なしでイ
ンペラに作用するスラスト力を低減するスラストレスラ
ジアルタービンに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、蒸気タービンでは、タービン
の下流側が低圧となるため、蒸気の排気方向に向かって
大きなスラスト力が発生し、スラスト軸受の許容荷重を
超えて軸受を損傷させるおそれがある。

【０００３】この問題点を解決するために、コンプレッ
サ部分を持たない蒸気タービンのスラスト調整手段とし
て特公平６−１５８０９号、特開平５−１５６９０２
号、特開２００１−１４０６０４、等が提案されてい
る。

【０００４】特公平６−１５８０９号の「タービンのス
ラスト力調整装置」は、図４に模式的に示すように、タ
ービンロータ１の端部に軸径の異なる段差２を設け、こ
の段差２に隣接するパッキング３とロータ１によって構
成される閉空間４の流体圧力を調整して、段差部の面積
差により生じるスラスト力を調整するものである。

【０００５】また、特開平５−１５６９０２号の「ター
ビンのスラスト調整装置及び方法」は、図５に模式的に
示すように、タービンロータ１の端部にバランスピスト
ン５を設け、バランスピストンの動翼側の部屋５ａを、
複数のバランス管６ａ，６ｂ，６ｃによりタービン下流
の圧力の異なる翼室に連通させ、各バランス管に設けた
弁７ａ，７ｂ，７ｃを開閉制御してバランスピストン５
に作用するスラスト力を調整するものである。

【０００６】更に、特開２００１−１４０６０４の「圧
縮空気貯蔵型ガスタービンのスラスト調整装置及び方
法」は、ガスタービンに係わるものであり、図６に模式
的に示すように、ガスタービンのタービンロータ１の上
流側に連結されたバランスピストン５と、バランスピス
トンのガスタービン側に圧縮空気を供給する圧縮空気ラ
イン８と、バランスピストンの反ガスタービン側とガス
タービンの下流側とを連通する漏れ空気ライン９とを備
え、バランスピストンのガスタービン側と反ガスタービ
ン側との圧力差ΔＰを調整してスラストを調整するもの
である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ラジアルタービンは、
半径方向の流れを主体とし、膨張過程において周速差に
よる熱落差を有する特徴がある。このため、１段で消化
されるエネルギーは軸流タービンよりも大きくとること
ができ、１段の圧力比を１０以上にとっても高い効率が
得られる。

【０００８】しかし、ラジアルタービンに高圧の余剰蒸
気を供給して発電又はエネルギー回収する場合、供給蒸
気が高圧力になると、タービン動翼（インペラ）の表裏
で大きな差圧が生じるため、出力軸に高スラスト力が発
生する。例えば入口蒸気圧力が３．８ＭＰａの場合、こ
のスラスト力は、外径９０ｍｍのラジアルタービンで約
６．３ｋＮに達し、通常のスラスト軸受では到底支持で
きない問題点があった。

【０００９】また、上述した軸流タービン用の従来のタ
ービンスラストの調整手段は、高スラスト力を受ける特
殊なスラストカラーやバランスピストンシステム等の追
加装置が必要となるため、高スラスト力を支持できるも
のの高価で複雑なものになる問題点があった。

【００１０】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、高圧
蒸気から効率よく発電又はエネルギー回収することがで
き、かつ特殊なスラストカラーやバランスピストンシス
テム等の追加装置なしに、インペラに作用するスラスト
力を大幅に低減することができるラジアルタービンを提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、互いに
背面が連結された１対のタービン動翼（１２ａ，１２
ｂ）からなるインペラー（１２）と、前記１対のタービ
ン動翼に高圧蒸気を供給するための単一のスクロール
（１４）と、該スクロールと１対のタービン動翼を連結
する１対のノズル（１６ａ，１６ｂ）と、１対のタービ
ン動翼を出た低圧蒸気を排気するための１対の排気ライ
ン（１８ａ，１８ｂ）と、を備えることを特徴とするス
ラストレスラジアルタービンが提供される。

【００１２】上記本発明の構成によれば、インペラー
（１２）が互いに背面が連結された１対のタービン動翼
（１２ａ，１２ｂ）からなり、単一のスクロール（１
４）から１対のノズル（１６ａ，１６ｂ）を介して１対
のタービン動翼に高圧蒸気が供給されるので、１対のタ
ービン動翼のそれぞれにおける半径方向の蒸気流によ
り、それぞれ膨張過程における周速差による大きな熱落
差（エネルギー）を回収し、軸動力を取り出すことがで
きる。この軸動力により、例えば出力軸から減速機を介
して発電機を回して発電し、エネルギーを回収する。ま
た、このエネルギー回収の際に、蒸気圧力は高圧Ｐ１か
ら低圧Ｐ２まで低下するが、１対のタービン動翼（１２
ａ，１２ｂ）は互いに背面が連結されているので、それ
ぞれにスラスト力が発生してもその向きが反対方向であ
るため、互いに打ち消しあい、軸系に作用するスラスト
力は相殺されてゼロもしくは非常に小さくなる。従って
軸系に加わる高スラスト力を回避するための新たな機構
／部品を追加することが不要となる。更に、単一のスク
ロール（１４）から１対のタービン動翼に高圧蒸気を供
給するので、部品点数の増加が防げる。従って、供給蒸
気の圧力にかかわらず、低コストでエネルギー回収が実
現できる。

【００１３】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
１対のタービン動翼（１２ａ，１２ｂ）は、互いに反対
方向に捩じられた翼面（１１ａ，１１ｂ）を有する。こ
の構成により、１対のタービン動翼（１２ａ，１２ｂ）
に、同一方向の回転力を発生させることができる。

【００１４】また、前記１対のタービン動翼（１２ａ，
１２ｂ）は、一体成形されているのがよい。この構成に
より、一体成形されたインペラー（１２）の軸方向両面
に実質的に同一の圧力が作用するので、高圧蒸気を用い
て低圧まで膨張させても、スラスト力の発生を実質的に
皆無にすることができる。

【００１５】また、前記１対のタービン動翼（１２ａ，
１２ｂ）は、中間軸を介して互いに連結されていてもよ
い。この場合には、各タービン動翼の中間軸側は高圧と
なり反対側は低圧となるので、それぞれにスラスト力が
発生するが互いに相殺されるため、同様にスラスト力の
発生を実質的に皆無にすることができる。また、中間軸
で連結するため、それぞれのタービン動翼を別個に製造
することができ、製造が容易となる。更に、中間軸を軸
受で支持することも可能であり、全体の軸受構成をシン
プルにすることができる。

【００１６】また、前記１対のノズル（１６ａ，１６
ｂ）は、周方向に互いに反対方向に蒸気を流入するよう
に構成されている。この構成により、互いに反対方向に
捩じられた翼面（１１ａ，１１ｂ）に適した流入角度で
蒸気を供給することができる。

【００１７】また、前記１対の排気ライン（１８ａ，１
８ｂ）は、インペラー（１２）を中心に対称形に構成さ
れている。この構成により、インペラー（１２）に作用
する背圧を実質的に同一にすることができ、スラスト力
の発生を更に低減することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通す
る部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略す
る。

【００１９】図１は、本発明のスラストレスラジアルタ
ービンの第１実施形態を示す全体構成図であり、図２は
第２実施形態を示す全体構成図である。図１及び図２に
示すように、本発明のスラストレスラジアルタービン１
０は、インペラー１２、スクロール１４、ノズル１６
ａ，１６ｂ、及び排気ライン１８ａ，１８ｂを備える。

【００２０】インペラー１２は、互いに背面が連結され
た１対のタービン動翼１２ａ，１２ｂからなる。この１
対のタービン動翼１２ａ，１２ｂは、この例では中間軸
を介して互いに連結されている。

【００２１】スクロール１４は、タービン動翼１２ａ，
１２ｂに対して共通の単一のものであり、ノズル１６
ａ，１６ｂを介して１対のタービン動翼１２ａ，１２ｂ
に同一の高圧Ｐ１の蒸気を供給するようになっている。

【００２２】ノズル１６ａ，１６ｂは、スクロール１４
と１対のタービン動翼１２ａ，１２ｂとの間に位置し、
それぞれに１つづき１対が設けられる。このノズル１６
ａ，１６ｂは、固定ノズルであっても、可変ノズルであ
ってもよい。また、いずれの場合でも、１対のタービン
動翼１２ａ，１２ｂのそれぞれにほぼ同一量の高圧蒸気
を供給するようになっている。

【００２３】排気ライン１８ａ，１８ｂは、１対のター
ビン動翼１２ａ，１２ｂを出た低圧蒸気を排気するため
に１対が設けられる。図１の例では、１対のうち一方の
排気ライン１８ａは、半径方向外方に蒸気が流れ、他方
の排気ライン１８ｂは軸方向に流れるように構成されて
いる。また、図２の例では、１対の排気ライン１８ａ，
１８ｂの両方が半径方向外方に蒸気が流れるようにイン
ペラー１２を中心に対称形に構成されている。

【００２４】上述した構成により、単一のスクロール１
４から１対のノズル１６ａ，１６ｂを介して１対のター
ビン動翼１２ａ，１２ｂに高圧蒸気が供給されるので、
１対のタービン動翼のそれぞれにおける半径方向の蒸気
流により、それぞれ膨張過程における周速差による大き
な熱落差（エネルギー）を回収し、軸動力を取り出すこ
とができる。この軸動力により、例えば出力軸２１から
減速機２３を介して発電機２４を回して発電し、エネル
ギーを回収する。

【００２５】図１において、出力軸２１は軸受２２ａ，
２２ｂで支持され、インペラー１２はその一端（右端）
に片持ちで支持されている。また、図２では、出力軸２
１は軸受２２ａ，２２ｂ及び軸受２２ｃで支持され、イ
ンペラー１２はその中間に両端で支持されている。

【００２６】図３は、本発明のスラストレスラジアルタ
ービンの主要部の別の構成図である。この図において、
１対のタービン動翼１２ａ，１２ｂは、同一の外径を有
する実質的に同一のタービン動翼であるが、蒸気の流れ
を案内する翼面は、背面に対して勝手反対に形成され、
互いに反対方向に捩じられた翼面１１ａ，１１ｂを有す
る。また、１対のノズル１６ａ，１６ｂは、周方向に互
いに反対方向に蒸気を流入するように構成されている。
これらの構成は、図１及び図２のスラストレスラジアル
タービンでも同様である。また、この例において、１対
のタービン動翼１２ａ，１２ｂは、中間軸なしに一体成
形されている。

【００２７】上述した本発明の構成によれば、エネルギ
ー回収の際に、蒸気圧力は高圧Ｐ１から低圧Ｐ２まで低
下するが、１対のタービン動翼１２ａ，１２ｂが互いに
背面が連結されているので、それぞれにスラスト力が発
生してもその向きが反対方向であるため、互いに打ち消
しあい、軸系に作用するスラスト力は相殺されてゼロも
しくは非常に小さくなる。従って軸系に加わる高スラス
ト力を回避するための新たな機構／部品を追加すること
が不要となる。また、単一のスクロール１４から１対の
タービン動翼に高圧蒸気を供給するので、部品点数の増
加が防げる。従って、供給蒸気の圧力にかかわらず、低
コストでエネルギー回収が実現できる。

【００２８】更に、互いに反対方向に捩じられた翼面１
１ａ，１１ｂを有する構成により、１対のタービン動翼
１２ａ，１２ｂに、同一方向の回転力を発生させること
ができる。

【００２９】また、１対のタービン動翼１２ａ，１２ｂ
を一体成形する構成により、一体成形されたインペラー
１２の軸方向両面に実質的に同一の圧力が作用するの
で、高圧蒸気を用いて低圧まで膨張させても、スラスト
力の発生を実質的に皆無にすることができる。

【００３０】また、逆に中間軸１３を介して互いに連結
する構成により、同様にスラスト力の発生を実質的に皆
無にすることができ、かつ中間軸で連結するため、それ
ぞれのタービン動翼を別個に製造することができ、製造
が容易となる。更に、中間軸を軸受で支持することも可
能であり、全体の軸受構成をシンプルにすることができ
る。

【００３１】また、１対のノズル１６ａ，１６ｂを周方
向に互いに反対方向に蒸気を流入するように構成するこ
とにより、互いに反対方向に捩じられた翼面１１ａ，１
１ｂに適した流入角度で蒸気を供給することができる。

【００３２】更に、１対の排気ライン１８ａ，１８ｂ
を、インペラー１２を中心に対称形に構成することによ
り、インペラー１２に作用する背圧を実質的に同一にす
ることができ、スラスト力の発生を更に低減することが
できる。

【００３３】なお、本発明は上述した実施形態及び実施
例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で種々変更できることは勿論である。

【００３４】

【発明の効果】上述したように、本発明のスラストレス
ラジアルタービンは、高圧蒸気から効率よく発電又はエ
ネルギー回収することができ、かつ特殊なスラストカラ
ーやバランスピストンシステム等の追加装置なしに、イ
ンペラに作用するスラスト力を大幅に低減することがで
きる、等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスラストレスラジアルタービンの第１
実施形態を示す全体構成図である。

【図２】本発明のスラストレスラジアルタービンの第２
実施形態を示す全体構成図である。

【図３】本発明のスラストレスラジアルタービンの主要
部の別の構成図である。

【図４】従来のスラスト調整装置の模式図である。

【図５】従来のスラスト調整装置の別の模式図である。

【図６】従来のスラスト調整装置の更に別の構成図であ
る。

【符号の説明】

１タービンロータ、２段差、３パッキング、４
閉空間、５バランスピストン、５ａ部屋、６ａ，６
ｂ，６ｃバランス管、７ａ，７ｂ，７ｃ弁、８圧
縮空気ライン、９漏れ空気ライン、１０スラストレ
スラジアルタービン、１２インペラー、１２ａ，１２
ｂタービン動翼、１３中間軸、１４スクロール、
１６ａ，１６ｂノズル、１８ａ，１８ｂ排気ライ
ン、２１出力軸、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ軸受、２
３減速機、２４発電機

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに背面が連結された１対のタービン
動翼（１２ａ，１２ｂ）からなるインペラー（１２）
と、前記１対のタービン動翼に高圧蒸気を供給するため
の単一のスクロール（１４）と、該スクロールと１対の
タービン動翼を連結する１対のノズル（１６ａ，１６
ｂ）と、１対のタービン動翼を出た低圧蒸気を排気する
ための１対の排気ライン（１８ａ，１８ｂ）と、を備え
ることを特徴とするスラストレスラジアルタービン。
【請求項２】前記１対のタービン動翼（１２ａ，１２
ｂ）は、互いに反対方向に捩じられた翼面（１１ａ，１
１ｂ）を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のス
ラストレスラジアルタービン。
【請求項３】前記１対のタービン動翼（１２ａ，１２
ｂ）は、一体成形されている、ことを特徴とする請求項
１に記載のスラストレスラジアルタービン。
【請求項４】前記１対のタービン動翼（１２ａ，１２
ｂ）は、中間軸を介して互いに連結されている、ことを
特徴とする請求項１に記載のスラストレスラジアルター
ビン。
【請求項５】前記１対のノズル（１６ａ，１６ｂ）
は、周方向に互いに反対方向に蒸気を流入するように構
成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のスラ
ストレスラジアルタービン。
【請求項６】前記１対の排気ライン（１８ａ，１８
ｂ）は、インペラー（１２）を中心に対称形に構成され
ている、ことを特徴とする請求項１に記載のスラストレ
スラジアルタービン。