JP2011132877A - 多段ラジアルタービン - Google Patents

Abstract

【課題】軸受数を低減し、変換効率を向上させ得る多段ラジアルタービンを提供する。
【解決手段】一本の回転軸３に間隔をあけて取り付けられている複数のラジアルタービン動翼５と、それぞれ各ラジアルタービン動翼５の上流側に設置され、流体流れを回転方向に加速する複数のノズル１９と、前段側のラジアルタービン動翼５のガス出口部２３と後段側のノズル１９の上流側を接続する接続流路部９と、が備えられ、接続流路部９には、ラジアルタービン動翼５から軸方向に流出した流体流れを、半径方向外向きに転向するＵ字型ベンド部２５と、Ｕ字型ベンド部２５からの流体流れを半径方向外向きに導きながら、ラジアルタービン動翼５の回転方向Ｒに転向する複数枚の転向ベーン２７を有するベーン部２９と、ベーン部２９から半径方向外向きに旋回しながら流出する流れを半径方向内向きに転向するリターンベンド部３１と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、多段ラジアルタービンに関するものである。

ラジアルタービンは、回転軸に固定されたハブに複数の遠心翼が固定され、ほぼ平行な円板間を流路として半径方向外周側から内向きに流れる作動流体である空気やガスが、遠心翼に作用してハブを回転させるとともにほぼ軸方向に流出される構成となっている。
ラジアルタービンは、単段で高い膨張比が得られることもあり、一般に単段構成で用いられている。

高い圧力比で大きな熱落差を持つ作動流体のエネルギーを有効に活用するために、ラジアルタービンを多段構成、すなわち、作動流体を直列に活用することが提案されている。
たとえば、特許文献１に示されるように、複数のラジアルタービンを並列に並べ、１のラジアルタービンから排出された流体流れを次のラジアルタービンの入り口に導入し、作動流体のエネルギーを回収するものが提案されている。これは、各ラジアルタービンが異なる回転数を持つ軸を有し、それぞれの軸の回転を用いて仕事をさせている。

特開昭５９−７９０９６号公報

ところで、特許文献１に示されるものでは、各ラジアルタービン毎に回転軸が存在するので、軸受と軸シールが多くなる。このため、軸受損失と漏れ損失が大きくなるので、高圧力の作動流体のエネルギーを効率よく回転動力に変換できていない。
また、たとえば、一つの作業に動力を供給する場合、作業用の軸に各出力軸から、たとえば、ギアを用いて回転力を伝達させているので、構造が大型化するという課題がある。

本発明は、このような事情に鑑み、軸受数を低減し、変換効率を向上させ得る多段ラジアルタービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の一態様は、一本の回転軸と、該回転軸に間隔をあけて取り付けられ、半径方向外周側から流入する流体流れを略軸方向に向けて流出する複数のラジアルタービン動翼と、それぞれ各該ラジアルタービン動翼の上流側に設置され、流体流れを回転方向に加速する複数のノズルと、前段側の前記ラジアルタービン動翼の出口部と後段側の前記ノズルの上流側を接続する接続流路部と、が備えられ、前記接続流路部には、前記ラジアルタービン動翼から軸方向に流出した流体流れを、半径方向外向きに転向するＵ字型ベンド部と、該Ｕ字型ベンド部からの流体流れを半径方向外向きに導きながら、前記ラジアルタービン動翼の回転方向に転向する複数枚の転向ベーンを有するベーン部と、該ベーン部から半径方向外向きに旋回しながら流出する流れを半径方向内向きに転向するリターンベンド部と、が備えられている多段ラジアルタービンである。

本態様によれば、半径方向外周側から流入する流体流れはノズルによって回転方向に加速されてラジアルタービン動翼の外周部に導入される。ラジアルタービン動翼に導入された流体はラジアルタービン動翼から軸方向に流出し、Ｕ字型ベンド部を通って半径方向外向きに転向され、次いで、ベーン部を通る際、転向ベーンによって半径方向外向きに導かれながら、ラジアルタービン動翼の回転方向に転向される。ベーン部から半径方向外向きに旋回しながら流出する流れはリターンベンド部を通って半径方向内向きに転向され、次段のノズルに半径方向外周側から流入させられる。流体流れは、これを繰り返して最終段のラジアルタービン動翼から、たとえば、略軸方向に流出される。そして、各ラジアルタービン動翼の回転が一本の回転軸に伝えられ、回転軸が回転される。
このように、複数のラジアルタービン動翼は一本の回転軸に間隔をあけて取り付けられているので、軸受および軸シールは一本の回転軸に対して備えられていればよく、当然ながら複数の回転軸を有するものに比べて少なくすることができる。
したがって、軸受損失と漏れ損失を小さくできるので、高圧力の作動流体のエネルギーを効率よく回転動力に変換することができる。
また、ラジアルタービン動翼および回転軸の構造は従来と同様な構造とでき、多段ラジアルタービンの構造の大型化を抑制することができる。

前記態様では、前記Ｕ字型ベンド部は、前記ベーン部側端部の下流部流路面積が前記ラジアルタービン動翼側端部の上流部流路面積よりも小さく構成されている構成としてもよい。

このようにＵ字型ベンド部は、ベーン部側端部の下流部流路面積がラジアルタービン動翼側端部の上流部流路面積よりも小さく構成されているので、Ｕ字型ベンド部で流体流れを加速することができる。
これにより、ラジアルタービン動翼の出口部で発生する可能性がある低流速域の影響による流れの剥離を抑制することができる。

前記構成では、前記下流部流路面積は前記上流部流路面積の０．８〜０．９倍以下とされていることが好適である。

ラジアルタービン動翼の出口部で発生する可能性がある低流速域は、一般にラジアルタービン動翼の出口部の流路面積の１０〜２０％を占めている。
本態様によると、Ｕ字型ベンド部で、流体流れを少なくとも１０〜２０％加速することができるので、この低速流域部分の影響を緩和することができる。

前記態様では、前記転向ベーンはインボリュート状の曲線に構成されていることが好適である。

このようにすると、ベーン部における転向ベーン間の入口部での流路面積と出口部での流路面積の変化を小さくできる。
これにより、ベーン部において、減速による損失や転向による損失を低減することができる。

本発明によると、複数のラジアルタービン動翼は一本の回転軸に間隔をあけて取り付けられているので、軸受および軸シールは一本の回転軸に対して備えられていればよく、当然ながら複数の回転軸を有するものに比べて少なくすることができる。
したがって、軸受損失と漏れ損失を小さくできるので、高圧力の作動流体のエネルギーを効率よく回転動力に変換することができる。
また、ラジアルタービン動翼および回転軸の構造は従来と同様な構造とでき、多段ラジアルタービンの構造の大型化を抑制することができる。

本発明の一実施形態にかかる一軸多段ラジアルタービン（多段ラジアルタービン）の概略構成を示す部分断面図である。 図１のＸ−Ｘ断面図である。

以下、本発明の一実施形態にかかる一軸多段ラジアルタービン１について、図１および図２を参照して説明する。
図１は、一軸多段ラジアルタービン１の概略構成を示す部分断面図である。図２は、図１のＸ−Ｘ断面図である。

一軸多段ラジアルタービン１には、回転軸３と、複数、たとえば、２個のラジアルタービン動翼５と、ケーシング７と、接続流路部９と、が備えられている。
回転軸３は、ケーシング７に、その一端がラジアル軸受（図示略）により支持され、他端がラジアル軸受（図示略）およびスラスト軸受（図示略）により支持されている。
複数のラジアルタービン動翼５は、回転軸３の軸方向Ｌに間隔をあけて取り付けられ、半径方向Ｋの外周側から流入する流体流れを略軸方向Ｌに向けて流出するように構成されている。

ラジアルタービン動翼５には、回転軸３に固定されたハブ１１と、ハブ１１の表面に円周方向に等間隔で多数固定された遠心翼１３と、遠心翼１３の先端に取り付けられたシュラウド１５とが備えられている。
ラジアルタービン動翼５には、ハブ１１と、遠心翼１３と、シュラウド１５とでガス（作動流体）が通過するガス通路が画成されている。このガス通路の回転軸３から離隔した側がガス入口部２１となり、回転軸３側がガス出口部（出口部）２３となる。

ガス入口部２１の半径方向Ｋ外周側のケーシング７には、ドーナツ形状をした入口流路１７が形成されている。入口流路１７は、半径方向Ｋ外側から内向きに半径方向Ｋに沿ってガスが流れるように構成されている。
入口流路１７の下流側、言い換えると、ラジアルタービン動翼５の上流側には、ガス流れを回転方向Ｒに加速する翼型を有するノズル１９が設置されている。

接続流路部９は、ケーシング７に掘設された流路で、前段側のラジアルタービン動翼５のガス出口部２３と後段側のノズル１９の上流側とを接続するものである。
接続流路部９には、ラジアルタービン動翼５から軸方向Ｌに流出したガス流れを、半径方向Ｋ外向きに転向するＵ字型ベンド部２５と、Ｕ字型ベンド部２５からのガス流れを半径方向Ｋ外向きに導きながら、ラジアルタービン動翼５の回転方向Ｒに転向する複数枚の転向ベーン２７を有するベーン部２９と、ベーン部２９から半径方向Ｋ外向きに旋回しながら流出するガスを半径方向Ｋ内向きに転向するリターンベンド部３１と、が備えられている。

Ｕ字型ベンド部２５におけるベーン部２９側端部の下流部流路面積Ａ２はラジアルタービン動翼５側端部の上流部流路面積Ａ１の０．８〜０．９倍以下とされている。すなわち、下流部流路面積Ａ２は上流部流路面積Ａ１よりも小さくされている。
この比率は、少なくともラジアルタービン動翼５の出口部に発生する低流速域Ｔの大きさを勘案して決定される。低速領域Ｔは、一般に、ラジアルタービン動翼５の出口部流路面積、すなわち、上流部流路面積Ａ１の１０〜２０％を占めるように発生する。
なお、下流部流路面積Ａ２は上流部流路面積Ａ１よりも小さくされているのが好ましいが、使用状況に応じて略等しくあるいは大きくしてもよい。

ベーン部２９の転向ベーン２７は、図２に示されるように、インボリュート状の曲線を形成するように構成されている。
ベーン部２９における転向ベーン２７間の入口部での流路面積Ａ３と出口部での流路面積Ａ４との変化量は、図２に二点鎖線で示した直線状に拡大する転向ベーン３３間の入口部での流路面積Ａ５と出口部での流路面積Ａ６との変化量に比べて格段に小さくすることができる。
なお、転向ベーン２７は、インボリュート状の曲線を構成するのが好ましいが、それに限定されず適宜形状とされてよい。

以上のように構成された本実施形態にかかる一軸多段ラジアルタービン１の動作について説明する。
図示しないガス源から１段目の入口流路１７へ供給されるガス流れＧ１は、入口流路１７を通って半径方向Ｋ外周側から内側に向かって半径方向Ｋにノズル１９へ流入する。
ノズル１９は、このガス流れＧ１を円周方向Ｒに加速し、ラジアルタービン動翼５の外周部に位置するガス入口部２１へ供給する。

ラジアルタービン動翼５に導入されたガスはハブ１１、遠心翼１３およびシュラウド１５とで画成されるガス通路を通る際、膨張される。この膨張に伴い遠心翼１３が押され、回転方向Ｒに移動する。この遠心翼１３の移動によってハブ１１が回転方向Ｒに回転移動するので、回転軸３が回転する。
ラジアルタービン動翼のガス出口部２３から軸方向Ｌに流出したガス流れは、Ｕ字型ベンド部２５を通って半径方向Ｋ外向きに転向される。

このとき、Ｕ字型ベンド部２５の下流部流路面積Ａ２は上流部流路面積Ａ１の０．８〜０．９倍以下とされているので、Ｕ字型ベンド部２５を通るガス流れは流路面積の縮小に対応して、たとえば、１０〜２０％以上加速される。
ラジアルタービン動翼５のガス出口部２３の前後位置には、一般に流路面積の１０〜２０％を占める低速領域Ｔが発生するが、Ｕ字型ベンド部２５で少なくともそれに対応する分は加速されるので、低速領域Ｔを略解消することができる。言い換えると、低速流域Ｔ部分の影響を緩和することができる。

このように低速領域Ｔの影響を緩和することができるので、ラジアルタービン動翼５のガス出口部２３に発生する低流速域Ｔの集積によって、下流側のシュラウド１５面の曲率により流れの剥離を発生することを抑制できる。
さらに、下流部流路面積Ａ２を上流部流路面積Ａ１の０．８〜０．９倍よりもより小さくすることができる場合には、より剥離し難くできるので、各部の曲率をより小さくすることができる。
これにより、特に多段構成の総軸長を短くできるので、一軸ラジアルタービン１の全体長さを短くでき、一軸ラジアルタービン１を小型に構成することができる。

次いで、ガス流れは、ベーン部２９を通る際、転向ベーン２７によって半径方向Ｋ外向きに導かれながら、ラジアルタービン動翼５の回転方向Ｒに転向される。
このとき、転向ベーン２７は、インボリュート状の曲線を形成するように構成されてので、転向ベーン２７間の入口部での流路面積Ａ３と出口部での流路面積Ａ４との変化量が小さくされている。これにより、ベーン部２９において、ガス流れの減速による損失や転向による損失を低減することができる。
また、この転向ベーン２７の角度を調整することによって下流側のノズル１９の入口の流れ角を調整できる。たとえば、ノズル１９の入口の流れ角を周方向から４０〜５０度になるように調整すると、ノズル１９の入口衝突損失を低減することができる。

ベーン部２９から半径方向Ｋ外向きに旋回しながら流出する流れはリターンベンド部３１を通って半径方向Ｋ内向きに転向され、次段の入口流路１７に半径方向Ｋ外周側から流入させられる。
リターンベンド部３１から供給されるガス流れＧ２は、入口流路１７を通って半径方向Ｋ外周側から内側に向かって半径方向Ｋにノズル１９へ流入する。
ノズル１９は、このガス流れＧ２を円周方向Ｒに加速し、ラジアルタービン動翼５の外周部に位置するガス入口部２１へ供給する。

ラジアルタービン動翼５に導入されたガスはハブ１１、遠心翼１３およびシュラウド１５とで画成されるガス通路を通る際、膨張される。この膨張に伴い遠心翼１３が押され、回転方向Ｒに移動する。この遠心翼１３の移動によってハブ１１が回転方向Ｒに回転移動するので、回転軸３が回転する。
ラジアルタービン動翼のガス出口部２３から軸方向Ｌに流出したガス流れは、図示しない排出流路を通って一軸ラジアルタービン１の外へ排出される。

このように、複数のラジアルタービン動翼５は一本の回転軸３に間隔をあけて取り付けられているので、軸受および軸シールは一本の回転軸３に対して備えられていればよく、当然ながら複数の回転軸を有するものに比べて少なくすることができる。
したがって、軸受損失と漏れ損失とを小さくすることができるので、高圧力の作動流体のエネルギーを効率よく回転動力に変換することができる。しかも一式の一軸ラジアルタービンでその熱落差を回転動力に変換できる。
また、ラジアルタービン動翼５および回転軸３の構造は従来と同様な構造とできることも相まって、一軸多段ラジアルタービン１の構造の大型化を抑制することができる。

なお、本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形を行ってもよい。
たとえば、本実施形態では、ラジアルタービン動翼５は２段としているが、これは３段以上としてもよい。この場合、隣り合うラジアルタービン動翼５間は、それぞれ接続流路部９によって接続される。

１ 一軸ラジアルタービン
３ 回転軸
５ ラジアルタービン動翼
９ 接続流路部
１９ ノズル
２５ Ｕ字型ベンド部
２７ 転向ベーン
２９ ベーン部
３１ リターンベンド部
Ａ１ 上流部流路面積
Ａ２ 下流部流路面積
Ｋ 半径方向
Ｌ 軸方向
Ｒ 回転方向

Claims (4)

1. 一本の回転軸と、
   該回転軸に間隔をあけて取り付けられ、半径方向外周側から流入する流体流れを略軸方向に向けて流出する複数のラジアルタービン動翼と、
   それぞれ各該ラジアルタービン動翼の上流側に設置され、流体流れを回転方向に加速する複数のノズルと、
   前段側の前記ラジアルタービン動翼の出口部と後段側の前記ノズルの上流側を接続する接続流路部と、が備えられ、
   前記接続流路部には、前記ラジアルタービン動翼から軸方向に流出した流体流れを、半径方向外向きに転向するＵ字型ベンド部と、
   該Ｕ字型ベンド部からの流体流れを半径方向外向きに導きながら、前記ラジアルタービン動翼の回転方向に転向する複数枚の転向ベーンを有するベーン部と、
   該ベーン部から半径方向外向きに旋回しながら流出する流れを半径方向内向きに転向するリターンベンド部と、が備えられていることを特徴とする多段ラジアルタービン。
2. 前記Ｕ字型ベンド部は、前記ベーン部側端部の下流部流路面積が前記ラジアルタービン動翼側端部の上流部流路面積よりも小さく構成されていることを特徴とする請求項１に記載された多段ラジアルタービン。
3. 前記下流部流路面積は前記上流部流路面積の０．８〜０．９倍以下とされていることを特徴とする請求項２に記載された多段ラジアルタービン。
4. 前記転向ベーンはインボリュート状の曲線に構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載された多段ラジアルタービン。
   

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