JP2005188378A

JP2005188378A - ディスク型半径流タービン

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Publication number: JP2005188378A
Application number: JP2003430409A
Authority: JP
Inventors: Takeo Saito; 武雄齋藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2005-07-14

Abstract

【課題】解決しようとする問題点は、従来技術のタービンにおいては、小出力にした場合、熱効率が極端に低くなる点である。また、小型化すると、さらに単位出力あたりの熱損失が大きくなり、補機動力の割合の増加、発電機効率の低下など、本質的な問題があった。また、従来タービンは形状が複雑で製造コストが大きいという問題があり、実用化を阻んできた。
【解決手段】上記の課題を解決するために、本発明は、微小な隆起状曲線を多数配置した極めて薄いディスクを微小なディスク間隔で稠密に同軸上に重ね合わせた構造を基本として、小型でありながら低コストで高効率のタービンができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気タービン、ガスタービン、ウォータータービン、エアタービンおよびポンプなどのタービン機関に関するものである。

従来の大型蒸気タービン（例えば１００万キロワット）では、超臨界温度・圧力の蒸気を利用できたが、太陽エネルギーを含む再生可能エネルギーやバイオマス、化石燃料などを利用した近い将来の分散型のエネルギー変換システムでは、得られる温度・圧力が低く、その規模が極めて小さくなる。このような小規模システムにおいて、従来技術のタービンを使用すると蒸気消費率（単位出力あたりの蒸気消費量、Steam rate）は１０〜２０倍も大きく、熱効率が極端に低くなるという大きな問題がある（図８参照）。また、小型化すると、大型機で行われていた多段化や、過熱・再熱・再生などを簡略化せざるを得ず、さらに単位出力あたりの熱損失が大きくなり、補機動力の割合の増加、発電機効率の低下など、本質的な問題があった。また、従来タービンは形状が複雑なため小型化すると製造コストが極めて大きいという問題があり、実用化を阻んできた。

Book:W.N.Barnard, F.O.Ellenwood and C.F.Hirshfeld, Elements of Heat Power Engineering, Part II Steam-Generating Apparatus and Prime Movers, Fuels, Combution and Heat Transmission, John Wiley & Sons, Inc., London,(1933) 一色尚次、「新蒸気動力工学」、森北出版（1984）谷下市松、「蒸気工学」、裳華房（1984）菅原菅雄、「著改蒸気タービン」、養賢堂（1952）八田桂三、山之上寛二、「蒸気原動機」、森北出版（1972）

解決しようとする問題点は、従来技術に基づくタービンにおいては、小出力にした場合、蒸気消費率(Steam rate)が大きく、熱効率が低く、また製造コストが大きいという点である。

上記の課題を解決するためには、小出力化に伴う作動流体の滞留時間（Residence time；すなわち、作動流体がタービンに回転作用を及ぼす時間）の減少を改善する必要がある。また、圧力、粘性力、衝動力、反動力などの力を複合的に取り出す必要がある。
そのため、請求項１の発明は、薄いディスク（円盤）表面に微小な隆起状曲線要素（以下、エレメント）を中心から外向きの半径流（Radial flow）方向に数多く形成したものを、「重ね合わせのコンセプト（Concept of Superposition）」に基づいて同軸上に数多く稠密に重ね合わせ，作動流体をディスク間に形成された流路に従って軸心から外向きの半径流方向に流すことによって，作動流体から回転力を得るという特徴を有するディスク型半径流タービンであり、上述の滞留時間を増大せしめることが可能となる。

これまでの代表的な大型蒸気タービンは軸流式（Axial flow）であるが、これは、数多くの３次元翼をもつ動翼と静翼からなり、また、流れが軸流であるため熱媒体（たとえば蒸気）条件が軸方向に変化し、タービンローター直径も軸方向にすべて異なる。これがタービン自体の複雑化および高コスト化（たとえば同じ出力のガソリン機関と較べて１００〜５００倍高い）を招く原因となり、とくに小型機の実用化上の阻害要因であった。本発明では、同形状のディスクを稠密に重ね合わせる構造となるため、構造が簡単で低コスト化が実現できる。

また、作動流体のエネルギーから回転力を取り出す方策として、請求項２の発明は、ディスクの回転による遠心力のベクトルと回転の速度ベクトルに対して、作動流体の流れがディスク面に及ぼす力のベクトルが逆向きにならないよう形成された流路を有するものであり、これにより従来は抵抗力であった粘性力を回転力に変換することが可能となる。さらに、同様に請求項３の発明はノズルから噴出する作動流体の衝動力を受け、その反動力を回転力に変換するものである。よって、本発明のディスク型半径流タービンでは、軸中心に供給される作動流体の圧力、ディスク間の流路に作用する粘性力、ノズル噴出による衝動・反動力などのあらゆる力を利用することができる。

また、作動流体のエネルギーから効率良く回転力を取り出す方策として、請求項４の発明は、請求項１記載のディスク型半径流タービンを複数個配置し（多段化し）、作動流体を順次通過させることにより（これをカスケーディングと呼ぶ）、作動流体から回転力を得るという特徴を有するディスク型半径流タービンである。

さらに、本発明の他の実施例として、請求項５の発明は、請求項１記載のディスク型半径流タービンを複数個配置し（多段化し）、それぞれに異なる過程でエネルギー保有量（エンタルピ）を高められた異種の作動流体を通過させることにより、各作動流体からそれぞれ回転力を得るという特徴を有するディスク型半径流タービンである。

図１および図２はディスク型半径流タービンの実施形態を示す図である。
極めて薄いディスク（円盤）３の表面に微小な隆起状曲線要素（以下、エレメント２）を中心から外向きの半径流（Radial flow）方向に計５本配置することによって、軸中心５から流入する作動流体１（例えば蒸気）は、エレメント２とエレメント２の間に形成された凹上の流路４を通過し、滑らかに方向転換した後にノズル５を経由して外部に放出される。ノズルの方向によってディスクに働く回転方向が決定され、ディスク３が回転する。流路４を形成する曲線にははインボリュートや対数螺旋などの幾何形状、もしくはそれに近似した滑らかな曲線が適している。この実施形態では、流路４の方向をディスク３の回転方向と逆になるような対数螺旋状にしており、これにより作動流体１が流路４のディスク表面に及ぼす摩擦力をディスク３の回転力に利用するよう工夫されている。実施形態では、エレメント２を５本にしているため、流路４は５本となっているが、製作上の問題がない限り、これをできるだけ多数配置することが望ましい。

このようなディスク３を図２に示すように「重ね合わせのコンセプト（Concept of Superposition）」に基づいて同軸上に数多く稠密に重ね合わせ，作動流体をディスク間に形成された流路に従って軸心から外向きの半径流方向に流すことにより、作動流体のもつエネルギーをより効率良く回転力に変換することができる。

なお、ディスク間の間隔、エレメントの形状、本数および厚さ、重ね合わせの枚数には、作動流体とその流入条件によって最適値があり、とくに動粘性係数が極めて小さい有機冷媒（フロン、代替フロン、アンモニアなど）を作動流体とした場合は、ミクロンオーダー、サブミクロンオーダー、もしくはそれ以下（ナノオーダー）のディスク間隔に最適値がある場合がある。また、重ね合わせの段数については、製造上の問題がなければ、できるだけ多段（例えば10〜数1000段）にすることが望ましい。

従来の大型タービンのタービン効率は、多くの場合８５％を超えているが、小型のタービンでは、その効率は１０〜４０％と極端に低下する。その理由は、多段化・多重化や再熱・再生などが十分にできないことによる熱効率低下もあるが、最も重要な要因は、タービンそのものの構造にある。すなわち、従来の軸流または、ラジアルタービンでは、小型化するとタービン入口から出口までの滞留時間（Residence time）が短くなり、これが蒸気消費率の増加を招き、タービン効率を大幅に低下させる。これに対し、本発明のタービンの滞留時間は同じ規模のタービンと比し、１０倍以上大きく、小さくてもタービン効率を低下させないという大きな効果を生む。さらに、中心から外側に向かって流れる半径流であるということとディスクを多数重ね合わせることにより、熱損失を極力低減でき理想的な断熱膨張に近づけた構造となっている。

図３にディスク型半径流タービンの実施例１の概略を示す。
実施形態で述べたディスク型半径流タービンでは、エレメント２が５本、流路４が５本となっているが、これは製作上の問題がない限り、できる限り本数を増やした方が、作動流体の滞留時間を大きくすることができるため有効である。図３はエレメント２を１０本、流路４が１０本とした場合の実施例である。前述の実施形態よりもエレメント２が細くなっており、これをエッチングなどにより加工することが考えられる。

図４にディスク型半径流タービンの実施例２の概略を示す。
実施形態で述べたディスク型半径流タービンでは、ノズル５の形状について記述しなかったが、実施例として、図４(a)に示すような先細末広ノズル１１の場合と、図４(b)に示すような先細ノズル１２の場合がある。いずれも作動流体の熱物性値によって最適な形状が決まる。

図５にディスク型半径流タービンの実施例３の概略を示す。
実施形態ではディスク型半径流タービン単体について記述したが、タービンを覆うケーシング１３については、図５に示すようにタービンを囲むケーシング１３の内側に、ディスク型半径流タービンのノズルから噴出される作動流体の衝動力を受ける蒸気受け１４を設置し、噴出蒸気の反動力を回転力として得る構造を有する実施例がある。

図６にディスク型半径流タービンの他の実施例４の概略を示す。
実施形態で述べたディスク型半径流タービン９を多段化し（図６では３段の例を示す）、作動流体を順次通過させることにより（これをカスケーディングと呼ぶ）、作動流体１から回転力を得る場合がある。１段目のタービン９に入った作動流体はある程度のエネルギーを回転力に変えた後、排気され２段目のタービン９に入り、１段目で取り出しきれていないエネルギーを回転力に変換した後、排気され３段目のタービン９に入る。このように多段化によって作動流体の持つエネルギーを極力、回転力に変化することができる。このとき、回転軸７は全ての段で直結しており、発電機１０により電力を生む。各段におけるディスク型半径流タービンのディスク間隔、エレメントの形状、本数および厚さ、重ね合わせの枚数には、それぞれの段での作動流体の流入条件によって最適値がある。

さらに、図７にディスク型半径流タービンの他の実施例５の概略を示す。
これは、図６の実施例４の応用例であり、回転軸を共有する３つのディスク型半径流タービン９に対して、それぞれに異なる過程でエネルギー保有量（エンタルピ）を高められた異種の作動流体を通過させることにより、各作動流体からそれぞれ回転力を得る場合がある。なお、各タービンにおけるディスク型半径流タービンのディスク間隔、エレメントの形状、本数および厚さ、重ね合わせの枚数には、作動流体の種類とその流入条件によって最適値がある。この実施例は複合サイクルに対して特に有効である。
さらに本発明のディスク型半径流タービンを用いた他の実施例として、一般の化石燃料や水素、バイオガスなどを用いた分散型発電システムのタービン部として利用できる。また同様に、太陽熱発電システム(Solar thermal electric system)に組み込むことが可能で、太陽エネルギーを熱源としたランキンサイクル発電システム（ソーラーランキンサイクルシステムと呼ぶ）の動力取り出し部（エキスパンダ）として利用できる。

小型で出力密度が高く、低温度差で効率良く稼働することを利用すると、例えば、燃料電池（車）の排熱（蒸気を含む）を熱源とするボトミングサイクルとして組み込むことができる。燃料電池は将来の有望なエネルギー変換器の１つであるが、補機動力の割合が高いなど、単体では効率はせいぜい３０％台どまりである。本ディスク型半径流タービンを組み込むことにより、トータルの効率を５０％以上にできる。

また、トッピングサイクルとして本発明のディスク型半径流タービンをガスタービンに用い、ミドルサイクルとして同様に本発明のディスク型半径流タービンを蒸気タービンに用い、さらにボトミングサイクルとして同様に本発明のディスク型半径流タービンをオーガニック蒸気タービンに複合して用いると発電効率は６０〜７０％となる。このとき、他の実施例５の方式が装置の小型化・高効率化の観点から非常に有効である。

以上説明したように、本発明では、微小なエレメントを多数配置した極めて薄いディスクを稠密に同軸上に重ね合わせた構造により、小型でありながら低コストで高効率のタービンができる。このタービンを用いることにより、低温度差で高効率に稼働するランキンサイクル機関を達成でき、太陽、バイオマス、地熱、温度差(海洋など)や排熱などから発電等のエネルギー回収を行うことが可能となる。また、将来、電気自動車、ハイブリッド自動車の優れた動力源（Prime mover）として用いることができるほか、燃料電池のボトミングとして有望である。

ディスク型半径流タービンの実施形態を示す図である。図１記載のディスク型半径流タービンの実施形態の図である。ディスク型半径流タービンの他の実施例１を示す図である。ディスク型半径流タービンの他の実施例２を示す図である。ディスク型半径流タービンの他の実施例３を示す図である。ディスク型半径流タービンの他の実施例４を示す図である。ディスク型半径流タービンの他の実施例５を示す図である。一般的なタービン出力と蒸気消費率の関係図である。

符号の説明

１作動流体
２エレメント
３ディスク
４流路
５ノズル
６軸中心
７回転軸
８ノズル出口
９ディスク型半径流タービン
１０発電機
１１先細末広ノズル
１２先細ノズル
１３ケーシング
１４蒸気受け
１５回転方向

Claims

薄いディスク（円盤）表面に微小な隆起状曲線要素（エレメント）を中心から外向きの半径流（Radial flow）方向に数多く形成したものを同軸上に数多く稠密に重ね合わせ，作動流体をディスク間に形成された流路に従って軸心から外向きの半径流方向に流し、ディスク外縁部でノズルから超音速の作動流体を噴出することによって，作動流体から回転力を得るという特徴を有するディスク型半径流タービン。なお、ディスク間の間隔、エレメントの形状、本数および厚さ、重ね合わせの枚数、ノズル断面形状には、作動流体とその流入条件によって最適値がある。
ディスク間に形成された流路を作動流体が通過する際、ディスクの回転による遠心力のベクトルと回転の速度ベクトルに対して、作動流体の流れがディスク面に及ぼす力のベクトルが逆向きにならないよう形成された流路を有する請求項１記載のディスク型半径流タービン。
タービンを囲むケーシングの内側に、ディスク型半径流タービンのノズルから噴出される作動流体の衝動力を受け、その反動力を回転力として得る構造を有する請求項１および請求項２記載のディスク型半径流タービン。
請求項１記載のディスク型半径流タービンを複数個配置し（多段化し）、作動流体を順次通過させることにより（これをカスケーディングと呼ぶ）、作動流体から回転力を得るという特徴を有するディスク型半径流タービン。なお、各段におけるディスク型半径流タービンのディスク間隔、エレメントの形状、本数および厚さ、重ね合わせの枚数、ノズル断面形状には、作動流体とその流入条件によって最適値がある。
請求項１記載のディスク型半径流タービンを複数個配置し（多段化し）、それぞれに異なる過程でエネルギー保有量（エンタルピ）を高められた異種の作動流体を通過させることにより、各作動流体からそれぞれ回転力を得るという特徴を有するディスク型半径流タービン。なお、各タービンにおけるディスク型半径流タービンのディスク間隔、エレメントの形状、本数および厚さ、重ね合わせの枚数、ノズル断面形状には、作動流体とその流入条件によって最適値がある。