JP2012154283A5

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Publication number: JP2012154283A5
Application number: JP2011015584A
Authority: JP
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2013-03-28
Anticipated expiration: 2031-01-27

Description

ラジアルタービンホイール１５の外周端には、半径Ｒ１の位置に全周に亘る主入口２１が形成されている。主入口２１の外周側には、環状の空間である入口流路２５が形成されている。入口流路２５の外周側端部には、バイナリーサイクル７Ａから供給される圧力Ｐ１の低沸点媒体が導入される主流入路２３が形成されている。
入口流路２５には、周方向に間隔を空けて配置された複数の翼から構成され高速旋回流を発生させるノズル２７が設けられている。
また、ノズル翼を有しないスクロールなどの高速旋回流発生流路により高速旋回流を発生させるようにしても良い。
ラジアルタービンホイール１５には、主入口２１からタービンホイール出口に向かって流れが流出するように半径方向から軸方向に向かい湾曲した主通路２６が形成されている。

比較例として、図６に示される回転軸１３の軸線に直交する面において翼１９の中心線が半径方向に略沿うように構成されている翼形状を持つ従入口３０を備え、それ以外は本実施形態と同様な構成とされているラジアルタービンホイール１５について説明する。図７には、図６のラジアルタービンホイール１５の従入口３０における速度三角形が示されている。
従入口３０が設置される位置の半径Ｒ２´は、主入口２１の半径Ｒ１と同様に、入口圧Ｐ２´およびヘッドＨ２´に対してｇ＊Ｈ２´≒Ｕ２´²（≒Ｃｕ２´・Ｕ２´）の関係がある。ラジアルタービンホイール１５の回転数をＮ（ｒｐｍ）とすると、従入口３０の半径Ｒ２´は、Ｒ２´≒Ｕ２´／２・π／（Ｎ／６０）の近傍の値に設定される。

ラジアルタービンホイール１５の出口の半径Ｒｄは、流量が大きい場合、主入口２１の半径Ｒ１の０．６〜０．７倍程度の大きさに設定されるものが多い。たとえば、図６に示される従入口３０を備えたラジアルタービンホイール１５を用いる場合、従入口３０に流入する低沸点媒体のヘッドＨ２´が主入口２１でのヘッドＨ１の０．５倍であるとすると、従入口３０が設置される半径Ｒ２´は、主入口２１の半径Ｒ１の０．７０７倍となる。
このような状態では、主入口２１から流入した流れ２８と、従入口３０から流入した流れ３７と、の子午面における流れの代表速度のベクトルが平行に流れることができず、流れ２８，３７が互いに衝突するため、流れの圧力損失が増加することになる。

本実施形態では、図６に示す形態と同じヘッドの場合、回転軸１３の軸線に直交する面において翼１９の中心線が半径方向に対し回転方向２０の下流側に角度β２傾斜されている翼形状を持つ従入口２９が設置される半径位置は、回転軸１３の軸線に直交する面において翼１９の中心線が半径方向に略沿うように構成されている翼形状を持つ従入口３０の半径位置に比べて大きくできるので、主入口２１から流入する低沸点媒体の流れ２８と従入口２９から流入する低沸点媒体の流れ３７とが交差する角度を、従入口３０のそれと比べて小さくすることができる。したがって、主入口２１から低沸点媒体と従入口２９からの低沸点媒体とが従入口３０よりもよりなめらかに合流することができるので、両者の衝突によって生じる圧力損失をより小さくすることができる。これにより、ラジアルタービン１００のタービン効率の低下を抑制することができる。

半径Ｒ２の位置に設置された従入口３６の外周側には、環状の空間である入口流路３８が形成されている。入口流路３８の外周端には、バイナリーサイクル７Ｂから供給される圧力Ｐ２の低沸点媒体が導入される従流入路４０が接続されている。
入口流路３８には、周方向に間隔を空けて配置された複数の翼から構成されるノズル４２が設けられている。

ラジアルタービンホイール１５の翼１９には、合流部３４で分岐され、従通路３２の周方向を区画する分岐通路壁（翼）４４が形成されている。
主入口２１から合流部３４に至る翼１９の背面と、分岐通路壁４４のシュラウド側には、背板４６が設けられている。
隣り合う翼１９と、ハブ１７と、背板４６と、ケーシング１１とで、主通路２６が形成される。隣り合う翼１９の分岐通路壁４４と、ハブ１７と、背板４６の半径方向内向きの面とで、従通路３２が形成される。

翼１９の後縁は、図１０に示されるように、低沸点媒体がほぼ軸向きの成分を持って流出するように、ほぼ半径方向の線からなるように構成されている。

主通路２６を構成する翼１９は、図１２に示されるように主入口２１において回転軸１３の軸線中心２４に対してほぼ同一の角度の放射状の翼形状を有し、ラジアルタービンホイール１５の出口に向けて、回転軸１３に対して翼の中心線ＸＬが放物線状に大きくなるという翼形状とされている。この転向点は、合流部３４の近傍である。
従通路３２を構成する分岐通路壁４４は、翼１９の主入口２１側の部分である主入口部および背板４６の遠心力を受け止めるため、合流部３４に位置する翼１９をハブ側へ延長した位置に設置されている。
なお、遠心力による翼１９の分岐通路壁４４に作用する応力が十分小さい場合には、翼１９の主入口部の角度と分岐通路壁４４の角度とが食い違うようにされてもよい。

従入口３６が、回転軸１３の軸線に直交する面において分岐通路壁４４の中心線が半径方向に略沿うように構成されている場合には、従入口３６が設置される位置の半径Ｒ２´は、主入口２１の半径Ｒ１と同様にして設定される。すなわち、入口圧Ｐ２´およびヘッドＨ２´に対してｇ＊Ｈ２´≒Ｕ２´²（≒Ｃｕ２´・Ｕ２´）の関係がある。ラジアルタービンホイール１５の回転数をＮ（ｒｐｍ）とすると、半径Ｒ２´は、Ｒ２´≒Ｕ２´／２・π／（Ｎ／６０）の近傍の値に設定される。

主通路２６および従通路３２はタービンホイール出口に向かうに連れて主通路２６の翼１９の高さと従通路３２の分岐通路壁４４の高さとが共に高くなるように構成されており、主通路２６を流れる低沸点媒体の流れ４８および従通路３２を流れる低沸点媒体の流れ５０は、ラジアルタービンホイール１５の出口に向かうに連れて流量容積が増加しながら順次低圧になる。
図１０には、ラジアルタービンホイール１５内を通る流体の等圧線が一点鎖線で示されている。
半径Ｒ２は、従入口３６から供給され、合流部３４に至る流体の圧力が、主通路２６の合流部３４を通る流体の圧力と略同一となるように設定されている。

ケーシング１１には、主入口２１と従入口３６との間に、一面が入口流路３８の通路壁を構成し、他面が背板４６との間隙が小さくなるように調整されたケーシング壁５２が備えられている。

以下、このように構成された本実施形態にかかるラジアルタービン１００の動作について説明する。
バイナリーサイクル７Ａから供給される圧力Ｐ１の低沸点媒体は、主流入路２３から入口流路２５を通ってノズル２７によって流量、流速を調整され、流量Ｇ１の低沸点媒体が主入口２１から主通路２６に供給される。このとき、ラジアルタービンホイール１５に供給される低沸点媒体の圧力はＰＮ１である。この圧力ＰＮ１の低沸点媒体は、ラジアルタービンホイール１５の出口圧Ｐｄまで連続的に圧力が低下しながらラジアルタービンホイール１５から流出し、ラジアルタービンホイール１５が取り付けられている回転軸１３に回転動力を発生させる。