JP2013104335A

JP2013104335A - ラジアルタービンホイール

Info

Publication number: JP2013104335A
Application number: JP2011247716A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kawami; 雅幸川見
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2013-05-30

Abstract

【課題】異なる圧力を有する二つの流体、または同じ圧力を有する二つの流体がラジアルタービンホイールを通過する際に合流しないようにして、異なる圧力を有する二つの流体、または同じ圧力を有する二つの流体をそれぞれ別々の閉回路内で循環させることができるラジアルタービンホイールを提供すること。
【解決手段】半径方向外側に位置して第１の流路を形成する複数枚の第１のブレード８４と、半径方向内側に位置して第２の流路を形成する複数枚の第２のブレード８１と、これら第２のブレード８１の根元部に配置されるハブ８２と、前記根元部と反対側に位置する前記第２のブレード８１の先端部に配置されて、前記第１の流路と前記第２の流路とを仕切るシュラウド８３と、を同軸上に備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ラジアルタービンホイールに関するものである。

異なる圧力を有する二つの流体、または同じ圧力を有する二つの流体を取り扱うラジアルタービンホイールとしては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。

米国特許出願公開第２００３／０１１５８７５号明細書

しかしながら、特許文献１に開示されたものでは、異なる圧力を有する二つの流体、または同じ圧力を有する二つの流体がラジアルタービンホイールを通過する際に合流してしまう（互いに混じり合ってしまう）。そのため、異なる圧力を有する二つの流体、または同じ圧力を有する二つの流体をそれぞれ別々の閉回路内で循環させることができないといった問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、異なる圧力を有する二つの流体、または同じ圧力を有する二つの流体がラジアルタービンホイールを通過する際に合流しないようにして、異なる圧力を有する二つの流体、または同じ圧力を有する二つの流体をそれぞれ別々の閉回路内で循環させることができるラジアルタービンホイールを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係るラジアルタービンホイールは、半径方向外側に位置して第１の流路を形成する複数枚の第１のブレードと、半径方向内側に位置して第２の流路を形成する複数枚の第２のブレードと、これら第２のブレードの根元部に配置されるハブと、前記根元部と反対側に位置する前記第２のブレードの先端部に配置されて、前記第１の流路と前記第２の流路とを仕切るシュラウドと、を同軸上に備えている。

本発明に係るラジアルタービンホイールによれば、異なる圧力を有する二つの流体、または同じ圧力を有する二つの流体が当該ラジアルタービンホイールを通過する際に合流してしまうのを防止する（回避する）ことができる。
その結果、異なる圧力を有する二つの流体、または同じ圧力を有する二つの流体をそれぞれ別々の閉回路内で循環させることができる。

本発明に係るラジアルタービンは、上記ラジアルタービンホイールを具備している。

本発明に係るラジアルタービンによれば、異なる圧力を有する二つの流体、または同じ圧力を有する二つの流体が当該ラジアルタービンを通過する際に合流してしまうのを防止する（回避する）ことができる。
その結果、異なる圧力を有する二つの流体、または同じ圧力を有する二つの流体をそれぞれ別々の閉回路内で循環させることができる。

本発明に係るターボチャージャは、上記ラジアルタービンホイールを具備している。

本発明に係るターボチャージャによれば、異なる圧力を有する二つの流体、または同じ圧力を有する二つの流体が当該排気タービン過給機を通過する際に合流してしまうのを防止する（回避する）ことができる。
その結果、異なる圧力を有する二つの流体、または同じ圧力を有する二つの流体をそれぞれ別々の閉回路内で循環させることができる。

本発明に係るラジアルタービンホイールよれば、異なる圧力を有する二つの流体、または同じ圧力を有する二つの流体がラジアルタービンホイールを通過する際に合流しないようにして、異なる圧力を有する二つの流体、または同じ圧力を有する二つの流体をそれぞれ別々の閉回路内で循環させることができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係るラジアルタービンホイールを備えたラジアルタービンを具備した排熱回収発電装置が船舶の推進用主機の排熱回収として適用された一具体例を示す概略図である。本発明の第１実施形態に係るラジアルタービンホイールを備えたラジアルタービンの縦断面図である。本発明の第１実施形態に係るラジアルタービンホイールの斜視図である。本発明の第２実施形態に係るラジアルタービンホイールを備えたラジアルタービンの側面図である。本発明の第２実施形態に係るラジアルタービンホイールを備えたラジアルタービンの縦断面図である。図５のＡ−Ａ矢視断面図である。図５のＢ−Ｂ矢視断面図である。図５のＣ−Ｃ矢視断面図である。図５のＤ−Ｄ矢視断面図である。本発明の第２実施形態に係るラジアルタービンホイールの斜視図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係るラジアルタービンホイールについて、図１から図３を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係るラジアルタービンホイールを備えたラジアルタービンを具備した排熱回収発電装置が船舶の推進用主機の排熱回収として適用された一具体例を示す概略図、図２は本実施形態に係るラジアルタービンホイールを備えたラジアルタービンの縦断面図、図３は本実施形態に係るラジアルタービンホイールの斜視図である。

図１において破線で囲まれた領域が排熱回収発電装置８を示しており、この排熱回収発電装置８は、例えば、船舶の推進用主機（ディーゼルエンジン４０；内燃機関）の排熱回収として適用され得るものである。

排熱回収発電装置８は、第１サイクル９と第２サイクル１０の二つの有機流体経路を有する。第１サイクル９は、第１循環ポンプ３１と、第１流量調整弁（図示せず）と、第１蒸発器１２と、（二段式）ラジアルタービン３３と、第１凝縮器３５とを備えている。第２サイクル１０は、第２循環ポンプ３８と、第２流量調整弁（図示せず）と、第２蒸発器２２と、ラジアルタービン３３と、第２凝縮器３９と、を備えている。ラジアルタービン３３は、減速機３６を介して発電機３４が接続されている。

第１サイクル９と第２サイクル１０とは、それぞれ別々の閉回路とされ、第１サイクル９内に存する有機流体は、第１循環ポンプ３１によって第１サイクル９内を循環し、第２サイクル１０内に存する有機流体は、第２循環ポンプ３８によって第２サイクル１０内を循環する。第１サイクル９の圧力および流量は、第１流量調整弁によって調整され、第２サイクル１０の圧力および流量は、第２流量調整弁によって調整される。

第１サイクル９と第２サイクル１０の有機流体経路を流れる有機流体としては、イソペンタン、ブタン、プロパン等の低分子炭化水素や、冷媒として用いられるＲ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａ等を用いることができる。第１サイクル９内に存する有機流体は、第１循環ポンプ３１、第１蒸発器１２、ラジアルタービン３３、第１凝縮器３５を順次通過して相変化を繰り返しながら循環する。第２サイクル１０内に存する有機流体は、第２循環ポンプ３８、第２蒸発器２２、ラジアルタービン３３、第２凝縮器３９を順次通過して相変化を繰り返しながら循環する。

第１蒸発器１２は、流路５６を流れる熱媒水が第１空気冷却器４６や排ガスエコノマイザ（排ガス熱交換器）５５にて回収した熱によって、第１循環ポンプ３１から送られた液相の有機流体を加熱し、有機流体を気相に変化させる。なお、第１空気冷却器４６は、熱媒水と熱交換することで、ディーゼルエンジン４０のターボチャージャ（過給器）４２から吐出された圧縮空気を冷却する。また、排ガスエコノマイザ５５は、熱媒水と熱交換することで、ディーゼルエンジン４０から排出された排ガスを冷却する。

第２蒸発器２２は、第１蒸発器１２と同様、流路５６を流れる熱媒水が第１空気冷却器４６や排ガスエコノマイザ（排ガス熱交換器）５５にて回収した熱によって、第２循環ポンプ３８から送られた液相の有機流体を加熱し、有機流体を気相に変化させる。

ラジアルタービン３３には、第１サイクル９の第１蒸発器１２で蒸発した有機流体と、第２サイクル１０の第２蒸発器２２で蒸発した有機流体とが導入される。そして、ラジアルタービン３３は、第１蒸発器１２によって蒸発した有機流体の熱落差（エンタルピー落差）と、第２蒸発器２２によって蒸発した有機流体の熱落差（エンタルピー落差）とによって回転駆動される。

ラジアルタービン３３の回転動力は発電機３４に伝達され、発電機３４にて電力が得られるようになっている。発電機３４で得られた電力は、図示しない電力線を介して船内系統へと供給される。ラジアルタービン３３を通過した有機流体は、第１凝縮器３５および第２凝縮器３９にて海水によって冷却されて凝縮液化する。凝縮液化した有機流体は、第１循環ポンプ３１によって第１蒸発器１２へと送られ、第２凝縮ポンプ３８によって第２蒸発器２２へと送られる。

つぎに、排熱回収経路５６について説明する。
排熱回収経路５６は閉回路とされており、熱媒水を循環させるための排熱回収用ポンプ６０が設けられている。この排熱回収用ポンプ６０によって、熱媒水は、第１空気冷却器４６、排ガスエコノマイザ５５、第１蒸発器１２、および第２蒸発器２２と熱交換するように循環する。第１蒸発器１２および第２蒸発器２２にて冷却された熱媒水は、減圧弁（図示せず）を介して大気圧ドレンタンク５８に回収される。排熱回収用ポンプ６０から第１蒸発器１２および第２蒸発器２２に送られる熱媒水の流量は、排熱回収経路５６に設けられた給水制御弁６１で調整される。

第１蒸発器１２の熱媒水入口温度は、例えば、約１９６℃、熱媒水出口温度は、例えば、約７０℃とされる。この第１蒸発器１２にて、熱媒水によって有機流体が蒸発させられる。

排ガスエコノマイザ５５の高温側（排ガス流れ上流側）には、コンポジットボイラ５４が設けられている。コンポジットボイラ５４は、蒸気ドラム６４と循環ポンプ６５と蒸発器４４と、を備えている。蒸気ドラム６４内の水は蒸発器４４に送られ、蒸発器４４にて排ガスと熱交換して蒸発する。

蒸発器４４にて蒸発した蒸気は、蒸気ドラム６４へと導かれる。この蒸気ドラム６４の上方に滞留する蒸気は、補助装置へと導かれ、その後大気圧ドレンタンク５８に回収される。蒸気ドラム６４内の水位は、蒸気ドラムレベル制御弁６２によって調整され、大気圧ドレンタンク５８から蒸気ドラム６４へボイラ給水ポンプ６３によって水が供給される。

つづいて、上記排熱回収発電装置８の動作について図１を用いて説明する。
ディーゼルエンジン４０のターボチャージャ４２によって圧縮された空気は、第１空気冷却器４６と第２空気冷却器４７によって冷却される。この際に第１空気冷却器４６内を流れる排熱回収経路５６の熱媒水が圧縮空気によって昇温させられることによって、熱媒水は圧縮空気から熱を回収する。第１空気冷却器４６にて熱回収した後の熱媒水温度は、例えば、約１４２℃とされる。

ディーゼルエンジン４０から排出された排ガスは、コンポジットボイラ５４の蒸発器４４と排ガスエコノマイザ５５によって冷却される。この際に排ガスエコノマイザ５５を流れる排熱回収経路５６の熱媒水が排ガスによって昇温させられることによって、熱媒水は排ガスから熱を回収する。排ガスエコノマイザ５５にて熱回収した後の熱媒水温度は、例えば、約１９６℃とされる。

第１空気冷却器４６と排ガスエコノマイザ５５で排熱を回収して高温となった熱媒水は、第１蒸発器１２へ導かれ、第１サイクル９を循環する有機流体と熱交換される。一方、第１空気冷却器４６で排熱を回収して高温となった熱媒水は、第２蒸発器２２へ導かれ、第２サイクル１０を循環する有機流体と熱交換される。第１サイクル９および第２サイクル１０を循環する有機流体は、第１蒸発器１２および第２蒸発器２２にて熱媒水の顕熱によって加熱され蒸発気化する。

蒸発気化して高エンタルピとなった有機流体は、ラジアルタービン３３へと導かれ、その熱落差によってラジアルタービン３３を回転駆動させる。ラジアルタービン３３の回転出力を得て、発電機３４にて発電が行われる。ラジアルタービン３３にて仕事を終えた有機流体（気相）は、第１凝縮器３５または第２凝縮器３９へと導かれ海水等の冷却水によって冷却されることにより凝縮液化する。

図２に示すように、ラジアルタービン３３は、ケーシング２と、ケーシング２に軸支されて回転する回転軸３と、回転軸３の一端部外周に取り付けられて回転軸３とともに回転するラジアルタービンホイール４と、を備えている。
ケーシング２には、第１サイクル９に接続される（第１）有機流体入口７１および（第１）有機流体出口７４と、第２サイクル１０に接続される（第２）有機流体入口７３および（第２）有機流体出口７２と、を備えている。また、ケーシング２内には、有機流体入口７１から流入した有機流体を、ラジアルタービンホイール４の半径方向外側（外周側）に設けられた（第１）流路７７の入口に導く（第１の）スクロール（ボリュート）７８と、流路７７の出口から流出した有機流体を有機流体出口７４に導く出口チャンバ７９と、有機流体入口７３から流入した有機流体を、ラジアルタービンホイール４の半径方向内側（内周側）に設けられた（第２）流路７５の入口に導く（第２の）スクロール（ボリュート）７６と、を備えている。

なお、有機流体入口７１は、図２において紙面手前側に開口するように形成され、有機流体出口７４は、図２において紙面奥側に開口するように形成されている。
また、有機流体入口７３は、図２において上側に開口するように形成され、有機流体出口７２は、図２において左側に開口するように形成されている。

図３に示すように、ラジアルタービンホイール４は、半径方向内側に位置して流路７５を形成する複数枚の（第２の）ブレード８１と、これらブレード８１の根元部に配置されるハブ（本体）８２と、ブレード８１の先端部に配置されて、流路７５と流路７７とを仕切る（区画する）シュラウド８３と、半径方向外側に位置して流路７７を形成する複数枚の（第１の）ブレード８４と、を備えている。シュラウド８３は、一端から他端に向かって同一の内径および外径を有する筒状部８５と、筒状部８５の他端に連続するようにして接続された一端から他端に向かって、内径および外径が徐々に（緩やかに）拡径する円錐部８６と、を備えている。また、円錐部８６の外周面には、ブレード８４の根元部が接続されている（ブレード８４が立設されている）。

なお、図２中の符号８７は、その内周面がシュラウド８３を構成する筒状部８５の一端部に位置する外周面と接して、流路７５の出口から流出した有機流体が出口チャンバ７９内に存する有機流体に混入したり、あるいは出口チャンバ７９内の有機流体が流路７５の出口から流出する有機流体に混入したりするのを防止するシール部材である。

本実施形態に係るラジアルタービンホイール４およびラジアルタービンホイール４を備えたラジアルタービン３３によれば、異なる圧力を有する二つの流体、または同じ圧力を有する二つの流体が当該ラジアルタービンホイールを通過する際に合流してしまうのを防止する（回避する）ことができる。
その結果、異なる圧力を有する二つの流体、または同じ圧力を有する二つの流体をそれぞれ別々の閉回路内で循環させることができる。

〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態に係るラジアルタービンホイールについて、図４から図１０を参照しながら説明する。
図４は本実施形態に係るラジアルタービンホイールを備えたラジアルタービンの側面図（図５を左側から見た図）、図５は本実施形態に係るラジアルタービンホイールを備えたラジアルタービンの縦断面図、図６は図５のＡ−Ａ矢視断面図、図７は図５のＢ−Ｂ矢視断面図、図８は図５のＣ−Ｃ矢視断面図、図９は図５のＤ−Ｄ矢視断面図、図１０は本実施形態に係るラジアルタービンホイールの斜視図である。

図５に示すように、ラジアルタービン９１は、ケーシング９２と、ケーシング９２に軸支されて回転する回転軸９３と、回転軸９３の一端部外周に取り付けられて回転軸９３とともに回転するラジアルタービンホイール９４と、を備えている。
ケーシング９２には、第１サイクル９に接続される（第１）有機流体入口７１および（第１）有機流体出口７４と、第２サイクル１０に接続される（第２）有機流体入口７３および（第２）有機流体出口７２と、を備えている。また、ケーシング９２内には、有機流体入口７１から流入した有機流体を、ラジアルタービンホイール９４の半径方向外側（外周側）に設けられた（第１）流路７７の入口に導く（第１の）スクロール（ボリュート）７８と、流路７７の出口から流出した有機流体を有機流体出口７４に導く出口チャンバ７９と、有機流体入口７３から流入した有機流体を、ラジアルタービンホイール９４の半径方向内側（内周側）に設けられた（第２）流路７５の入口に導く（第２の）スクロール（ボリュート）７６と、を備えている。

なお、有機流体入口７１は、図５において右側に開口するように形成され、有機流体出口７４は、図５において左側に開口するように形成されている。
また、有機流体入口７３は、図５において上側に開口するように形成され、有機流体出口７２は、図５において紙面手前側に開口するように形成されている。

図１０に示すように、ラジアルタービンホイール９４は、半径方向内側に位置して流路７５を形成する複数枚の（第２の）ブレード１０１と、これらブレード１０１の根元部に配置されるハブ（本体）１０２と、ブレード１０１の先端部に配置されて、流路７５と流路７７とを仕切る（区画する）シュラウド１０３と、半径方向外側に位置して流路７７を形成する複数枚の（第１の）ブレード１０４と、を備えている。シュラウド１０３は、一端から他端に向かって内径および外径が徐々に（緩やかに）拡径する円錐部とされ、シュラウド（円錐部）１０３の外周面には、ブレード１０４の根元部が接続されている（ブレード１０４が立設されている）。

なお、図５中の符号１０５は、流路７５と出口チャンバ７９とを仕切る（区画する）仕切板である。
また、図５中の符号１０６は、仕切板１０５の端面から軸方向に沿って延び、その端面がシュラウド１０３の縮径側の端面１０３ａと接して、流路７５の出口から流出した有機流体が出口チャンバ７９内に存する有機流体に混入したり、あるいは出口チャンバ７９内の有機流体が流路７５の出口から流出する有機流体に混入したりするのを防止するとシール部材である。

本実施形態に係るラジアルタービンホイール９４およびラジアルタービンホイール９４を備えたラジアルタービン９１によれば、異なる圧力を有する二つの流体、または同じ圧力を有する二つの流体が当該ラジアルタービンホイールを通過する際に合流してしまうのを防止する（回避する）ことができる。
その結果、異なる圧力を有する二つの流体、または同じ圧力を有する二つの流体をそれぞれ別々の閉回路内で循環させることができる。
また、ラジアルタービンホイール９４の構造によれば、図３のラジアルタービンホイール４に比べて筒状部８５の軸方向の長さが短くなっており、ラジアルタービンホイール９４のラジアル荷重が小さくなり、回転したときのタービンホイール自体の回転振動を抑制することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜必要に応じて変形・変更して実施することもできる。
例えば、上述した実施形態では、ラジアルタービンホイールをラジアルタービンに適用したもの、すなわち、一方の有機流体を有機流体入口７１から有機流体出口７４に流通させ、他方の有機流体を有機流体入口７３から有機流体出口７２に流通させるもの、すなわち、両方の流路７５，７７を、有機流体を膨張させる流路（タービンの役目をする流路）として利用したものを一具体例として挙げて説明した。
しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、一方の有機流体を有機流体入口７１から有機流体出口７４に流通させ、他方の有機流体を有機流体出口７２から有機流体入口７３に流通させて、あるいは一方の有機流体を有機流体出口７４から有機流体入口７１に流通させ、他方の有機流体を有機流体入口７３から有機流体出口７２に流通させて、一方の流路を、有機流体を膨張させる流路（タービンの役目をする流路）として利用し、他方の流路を、有機流体を圧縮させる流路（コンプレッサの役目をする流路）として利用するターボチャージャに適用してもよい。

ここで、一方の有機流体の圧力と、他方の有機流体の圧力とは、異なっていてもよいし同じであってもよい。また、一方の有機流体と、他方の有機流体とは、異なる組成のものであってもよいし、同じ組成のものであってもよい。

４ラジアルタービンホイール
３３ラジアルタービン
７５（第２の）流路
７７（第１の）流路
８１（第２の）ブレード
８２ハブ
８３シュラウド
８４（第１の）ブレード
９１ラジアルタービン
９４ラジアルタービンホイール
１０１（第２の）ブレード
１０２ハブ
１０３シュラウド
１０４（第１の）ブレード

Claims

半径方向外側に位置して第１の流路を形成する複数枚の第１のブレードと、半径方向内側に位置して第２の流路を形成する複数枚の第２のブレードと、これら第２のブレードの根元部に配置されるハブと、前記根元部と反対側に位置する前記第２のブレードの先端部に配置されて、前記第１の流路と前記第２の流路とを仕切るシュラウドと、を同軸上に備えていることを特徴とするラジアルタービンホイール。
請求項１に記載のラジアルタービンホイールを具備していることを特徴とするラジアルタービン。
請求項１に記載のラジアルタービンホイールを具備していることを特徴とするターボチャージャ。