JP2009052413A - タービン - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡単で、製作が容易で且つ高出力化が容易なタービンを提供する。
【解決手段】羽根車４の羽根４１は回転中心Ｘと平行に延び且つ回転の向きに関し後方へ傾斜している。ケーシング部材６Ａは、羽根４１間の空間部４２を閉塞する内面６１にて開口し且つ回転中心Ｘと平行に配置された作動流体吐出口６２と周方向に内面６１に隣接する噴出作動流体受入部６３とを有する。作動流体吐出口６２は、回転の向きに関し前方で径方向に関し内方へ羽根車４の方へと作動流体を吐出させる。噴出作動流体受入部６３は、空間部４２から噴出する作動流体が回転の向きに関し後方で径方向に関し外方へと向かうのを許容する。羽根車４の回転に伴い、空間部４２が、内面６１により閉塞され且つ作動流体吐出口６２から高圧作動流体が吐出される第１段階と、空間部４２から噴出作動流体受入部６３へと高圧作動流体が噴出される第２段階とを経るように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気タービンまたはガスタービンなどのタービンに関するものであり、特に構造が簡単で、製作が容易で且つ高出力化が容易なタービンに関する。

タービンには、特開２００５−１４６８６８号公報（特許文献１）に記載されているような軸流タービンや特開２００３−７４４５３号公報（特許文献２）に記載されているような衝動タービン等がある。

特許文献１に記載の軸流タービンにおいては、蒸気やガス等の作動流体が軸方向から入って軸方向に出る。回転軸（ロータ）に取り付けられたディスク部には、複数の動翼が周方向に配列されている。また、ケーシングには、複数の静翼が、動翼と同等な径方向位置にて軸方向に関し該動翼に隣接して、周方向に配列されている。作動流体は、動翼を通過する際にロータ回転に必要な力を発生させる。

一方、特許文献２に記載の衝動タービンにおいては、蒸気やガス等をノズルから高速で噴射し、これを羽根車の羽根に当て、その衝動力により羽根車の回転に必要な力を発生させる。
特開２００５−１４６８６８号公報 特開２００３−７４４５３号公報

しかるに、特許文献１に記載の軸流タービンにおいては、静翼及び動翼が複雑な形状をなしており、構造が複雑で、その製作に要するコストが高いという難点がある。

一方、特許文献２に記載の衝動タービンにおいては、蒸気やガス等のエネルギーの利用効率が十分とはいえず、出力が未だ十分ではない。

本発明は、以上のような技術的課題に鑑みて、構造が簡単で、製作が容易で且つ高出力化が容易なタービンを提供することを目的とする。

本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
羽根車と該羽根車を収容するケーシングとが備えられており、
前記羽根車は、回転中心の周りでの回転が可能なように支持され、前記回転中心の周りの周方向に配列された複数の羽根を有しており、該羽根のそれぞれは、前記回転中心と平行に延び且つ前記回転の向きに関して後方へと傾斜しており、
前記ケーシングは、前記羽根車の回転に伴い、互いに隣接する２つの前記羽根の外縁が同時に近接することで、これらの羽根の間の空間部を閉塞するような内面を有しており、
前記ケーシングは前記内面にて開口し且つ前記回転中心と平行に配置または配列された作動流体吐出口と前記周方向に関し前記内面に隣接する噴出作動流体受入部とを有しており、前記作動流体吐出口は前記回転の向きに関して前方であって前記回転中心に対する径方向に関して内方へと向けて前記羽根車の方へと作動流体を吐出させるように形成されており、前記噴出作動流体受入部は前記空間部から噴出する作動流体が前記回転の向きに関して後方であって前記回転中心に対する径方向に関して外方へと向かうのを許容するように形成されており、
前記羽根車の回転に伴い、前記空間部が、前記内面により閉塞され且つ前記作動流体吐出口と連通して該作動流体吐出口から前記空間部内へと高圧作動流体が吐出される第１段階と、前記高圧作動流体を内包する前記空間部が前記噴出作動流体受入部と連通して前記空間部から前記噴出作動流体受入部へと前記高圧作動流体が噴出される第２段階と、を経るように構成されていることを特徴とするタービン、
が提供される。

本発明の一態様においては、前記作動流体吐出口は前記ケーシングに形成された高圧作動流体供給ポートに接続されており、前記噴出作動流体受入部は前記ケーシングに形成された低圧作動流体排出ポートに接続されている。本発明の一態様においては、前記羽根車が１回転するうちに、前記空間部は、前記第１段階と第２段階とを交互にそれぞれ複数回経るように構成されている。本発明の一態様においては、前記内面は前記回転中心の周りの周方向に関し複数設けられている。本発明の一態様においては、互いに異なる複数の前記空間部についての前記第１段階での高圧作動流体の吐出のタイミング及び前記第２段階での高圧作動流体の噴出のタイミングがずれている。

本発明のタービンによれば、羽根車の回転に伴い、空間部が、作動流体吐出口から空間部内へと高圧作動流体が吐出される第１段階と、空間部から噴出作動流体受入部へと高圧作動流体が噴出される第２段階と、を経るように構成されているので、第１段階及び第２段階の双方において分散して回転駆動力が発生し、高効率化または高出力化が可能になる。また、本発明のタービンは、羽根車及び内面としてそれぞれ回転中心方向と直交する断面の形状が一定のものを使用することができるので、構造が簡単で、製作が容易である。

以下、図面を参照しながら本発明の具体的な実施の形態を説明する。

図１は本発明によるタービンの一実施形態としての水蒸気タービンを示す模式的分解斜視図であり、図２は部分分解斜視図であり、図３及び図４は組立て状態を示す断面図である。

水蒸気タービンは、羽根車４と該羽根車４を収容するケーシングとを備えている。ケーシングは、ケーシング部材６Ａ〜６Ｅを含んでなる。ケーシング部材６Ａ〜６Ｅは、ボルト・ナットにより結合され一体化される。羽根車４は回転軸２に取り付けられており、これら羽根車４及び回転軸２はベアリングを介して回転中心Ｘの周りでの回転が可能なようにケーシング部材６Ｂ，６Ｃにより支持されている。

羽根車４は、回転中心Ｘの周りの周方向に配列された複数の羽根４１を有している。該羽根４１のそれぞれは、回転中心Ｘと平行に延びており、回転の向き（図３において符号Ｒで示されている）に関して後方へと傾斜している。この傾斜の角度θは、例えば３０〜６０°である。互いに隣接する２つの羽根４１の間には、空間部４２が形成される。

ケーシング部材６Ａは、内面６１を有する。該内面６１は、回転中心Ｘの周りの周方向に関しほぼ均等に配列されて複数（図では４つ）設けられている。内面６１は、大略円筒形状をなしており、回転中心Ｘと平行に延びている。図３に示されているように、羽根車４の回転に伴い、互いに隣接する２つの羽根４１の外縁が内面６１に同時に近接することで、これらの羽根４１の間の空間部４２が閉塞される。

ケーシング部材６Ａは、内面６１にてスリット状に開口し且つ回転中心Ｘと平行に配置された作動流体吐出口６２を有する。作動流体吐出口６２は、回転の向きＲに関して前方であって回転中心Ｘに対する径方向に関して内方へと向けて羽根車４の方へと高圧水蒸気（高圧作動流体）を吐出させるように形成されている。作動流体吐出口６２の傾斜の角度（回転中心Ｘに対する径方向となす角度）は、羽根４１の傾斜の角度θと同様に、例えば３０〜６０°とすることができる。作動流体吐出口６２は、ケーシング部材６Ｂに形成された連通路６４’を介して、ケーシング部材６Ｄに形成された高圧作動流体供給ポート６４に接続されている。高圧作動流体供給ポート６４は、不図示の高圧水蒸気源に接続されている。

また、ケーシング部材６Ａは、回転中心Ｘの周りの周方向に関し内面６１に隣接する噴出作動流体受入部６３を有する。噴出作動流体受入部６３は、空間部４２から噴出する高圧水蒸気が回転の向きＲに関して後方であって回転中心Ｘに対する径方向に関して外方へと向かうのを許容する。このために、内面６１に隣接する噴出作動流体受入部６３の壁面６３ａの傾斜の角度（回転中心Ｘに対する径方向となす角度）は、羽根４１の傾斜の角度θと同様に、例えば３０〜６０°とすることができる。噴出作動流体受入部６３は、ケーシング部材６Ｃに形成された連通路６５’を介して、低圧作動流体排出ポート６５に接続されている。低圧作動流体排出ポート６５は、大気に連通している。

本実施形態は、羽根車４の回転に伴い、各空間部４２が、次のような第１段階及び第２段階を経るように構成されている。すなわち、第１段階の前では、空間部４２は大気圧下にある。第１段階では、空間部４２は内面６１により閉塞され且つ作動流体吐出口６２と連通し、該作動流体吐出口６２から空間部４２内へと高圧水蒸気が吐出される。この第１段階では、吐出された高圧水蒸気が羽根車４に衝突することで、該羽根車４に対して回転の向きＲの回転駆動力が与えられる。第１段階の後、閉塞された空間部４２には高圧水蒸気が内包されている。また、第２段階では、高圧水蒸気を内包する空間部４２が噴出作動流体受入部６３と連通し、空間部４２から噴出作動流体受入部６３へと高圧水蒸気が噴出する。この第２段階においては、空間部４２を画定する２つの羽根４１のうちの回転の向きＲに関して先行する羽根の先端（外縁）が内面６１から離隔し、かくして、これらの間に形成されるスリットを介して空間部４２内の高圧水蒸気が噴出作動流体受入部６３へと噴出する。その際、先行する羽根４１が角度θの傾き持つことから、噴出する高圧水蒸気は回転の向きＲに関して後方へと向かい、羽根車４に対して回転の向きＲの回転駆動力が与えられる。この回転駆動力は第２段階の開始直後に集中して発生する。第２段階の後、空間部４２は大気圧下にある。

本実施形態では、羽根車４が１回転するうちに、空間部４２は、第１段階と第２段階とを交互にそれぞれ複数回（図では４回）経るように構成されている。

図５に、本実施形態の動作の一例を模式的に示す。４つの内面６１について空間部４２の上記第１段階で発生する回転駆動力をそれそれぞれＰ１〜Ｐ４とし且つ上記第２段階で発生する回転駆動力をそれそれぞれＱ１〜Ｑ４として、空間部４２の第１段階及び第２段階での回転駆動力の発生タイミングを、図５のＦ１〜Ｆ４のようにすることができる。すなわち、複数の空間部４２についての第１段階での高圧水蒸気の吐出のタイミング及び第２段階での高圧水蒸気の噴出のタイミングが時間Δｔずつずれている。この時間Δｔは、羽根車４が羽根ピッチ角度（角度３６０°を羽根４１の数で除したもの）の１／８の角度だけ回転する時間に相当するものとすることができる。このようにすることで、羽根車４に発生する回転駆動力を時間的に平均化して滑らかで効率のよい駆動回転が可能となる。尚、ずらし方は、これに限定されるものではなく、Ｐ１〜Ｐ４，Ｑ１〜Ｑ４の８つの回転駆動力の発生の順番は問わない。内面６１の数が４以外の例えば５以上の場合も同様である。

以上のような本実施形態の水蒸気タービンは、空間部４２が第１段階と第２段階とを経るように構成されているので、第１段階及び第２段階の双方において分散して回転駆動力が発生し、高効率化または高出力化が可能になる。また、本実施形態のタービンは、羽根車４及び内面６１としてそれぞれ回転中心Ｘと直交する断面の形状が一定のものを使用することができるので、構造が簡単で、製作が容易である。

本実施形態において、第２段階で空間部４２から噴出作動流体受入部６３へと噴出する高圧水蒸気の全てを回転の向きＲに関して後方へと向かわせるために、図６に示されるように、ケーシング部材６Ａに壁面６３ａと対向する壁面６３ｂを形成することができる。これにより、壁面６３ａと壁面６３ｂとの間に、回転の向きＲに関して後方で且つ回転中心Ｘに対する径方向に関して外方へと向かう噴出高圧水蒸気のための流路が形成され、回転駆動力発生の効率が高められる。

また、本実施形態において、羽根車４及びケーシング部材６Ａの回転中心Ｘの方向の長さを延長することで、容易に出力の向上が可能となる。更に、内面６１の数ひいては作動流体吐出口６２の数及び噴出作動流体受入部６３の数を増加させることで、更に出力の向上が可能となる。

以上の実施形態では作動流体吐出口６２がケーシング部材の内面６１にてスリット状に開口し且つ回転中心Ｘと平行に配置されているものが示されているが、本発明においては、作動流体吐出口は、ケーシングの内面にて開口し且つ回転中心と平行に配列された複数の個別の作動流体吐出口からなるものであってもよい。

また、以上の実施形態では、作動流体が水蒸気である水蒸気タービンが示されているが、同様な構造を作動流体がガスであるガスタービン等にも適用することができ、本発明はそのような形態をも包含するものである。

本発明による水蒸気タービンを示す模式的分解斜視図である。 図１の水蒸気タービンの部分分解斜視図である。 図１の水蒸気タービンの組立て状態を示す断面図である。 図１の水蒸気タービンの組立て状態を示す断面図である。 図１の水蒸気タービンの動作説明のための模式図である。 図１の水蒸気タービンの変形例を示す部分拡大断面図である。

符号の説明

Ｘ 回転中心
Ｒ 回転の向き
２ 回転軸
４ 羽根車
４１ 羽根
４２ 空間部
６Ａ〜６Ｅ ケーシング部材
６１ 内面
６２ 作動流体吐出口
６３ 噴出作動流体受入部
６３ａ，６３ｂ 壁面
６４ 高圧作動流体供給ポート
６４’ 連通路
６５ 低圧作動流体排出ポート
６５’ 連通路

Claims (5)

1. 羽根車と該羽根車を収容するケーシングとが備えられており、
   前記羽根車は、回転中心の周りでの回転が可能なように支持され、前記回転中心の周りの周方向に配列された複数の羽根を有しており、該羽根のそれぞれは、前記回転中心と平行に延び且つ前記回転の向きに関して後方へと傾斜しており、
   前記ケーシングは、前記羽根車の回転に伴い、互いに隣接する２つの前記羽根の外縁が同時に近接することで、これらの羽根の間の空間部を閉塞するような内面を有しており、
   前記ケーシングは前記内面にて開口し且つ前記回転中心と平行に配置または配列された作動流体吐出口と前記周方向に関し前記内面に隣接する噴出作動流体受入部とを有しており、前記作動流体吐出口は前記回転の向きに関して前方であって前記回転中心に対する径方向に関して内方へと向けて前記羽根車の方へと作動流体を吐出させるように形成されており、前記噴出作動流体受入部は前記空間部から噴出する作動流体が前記回転の向きに関して後方であって前記回転中心に対する径方向に関して外方へと向かうのを許容するように形成されており、
   前記羽根車の回転に伴い、前記空間部が、前記内面により閉塞され且つ前記作動流体吐出口と連通して該作動流体吐出口から前記空間部内へと高圧作動流体が吐出される第１段階と、前記高圧作動流体を内包する前記空間部が前記噴出作動流体受入部と連通して前記空間部から前記噴出作動流体受入部へと前記高圧作動流体が噴出される第２段階と、を経るように構成されていることを特徴とするタービン。
2. 前記作動流体吐出口は前記ケーシングに形成された高圧作動流体供給ポートに接続されており、前記噴出作動流体受入部は前記ケーシングに形成された低圧作動流体排出ポートに接続されていることを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
3. 前記羽根車が１回転するうちに、前記空間部は、前記第１段階と第２段階とを交互にそれぞれ複数回経るように構成されていることを特徴とする、請求項１〜２のいずれか一項に記載のタービン。
4. 前記内面は前記回転中心の周りの周方向に関し複数設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のタービン。
5. 互いに異なる複数の前記空間部についての前記第１段階での高圧作動流体の吐出のタイミング及び前記第２段階での高圧作動流体の噴出のタイミングがずれていることを特徴とする、請求項３〜４のいずれか一項に記載のタービン。

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