JP2013209955A - ラジアルタービン - Google Patents

Abstract

【課題】流速増加面で加速された作動流体の流速を減少させると共に、回転軸の軸方向の径方向速度の分布をより平準化することのできるラジアルタービンを提供する。
【解決手段】ラジアルタービン１は、タービンロータ６と、スクロール構造体であるスクロール１２とを含む。タービンロータ６は、回転軸Ｚｓを中心に回転可能なハブ２０と、ハブ２０の周面に設けられる複数の動翼２１と、を含み、流入口１３を介して回転軸Ｚｓの径方向から流入した作動流体Ｇ１を、流出口を介して回転軸Ｚｓの軸方向に流出させ、動翼２１が流入口１３から流入する作動流体Ｇ１を流出口へ向けて受け流すことにより回転する。そして、凹部３は、回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみてケーシング５の内壁の幅が狭くなる流速増加面５ｂにおいて、回転軸Ｚｓの周方向に渡ってケーシング５の内壁の表面を凹ませている。
【選択図】図３

Description

本発明は、径方向から流入した作動流体を軸方向に流出させるラジアルタービンに関するものである。

例えば、特許文献１には、作動ガスをタービンケーシング内に形成された渦巻状のスクロールから該スクロールの内側に位置するタービンロータの動翼へと半径方向に流入させて該動翼に作用させた後軸方向に流出させることにより該タービンロータを回転駆動するように構成され、前記スクロールが、動翼のシュラウド側及びハブ側の両入口端角部とスクロール側壁とを結ぶスクロール内周壁が傾斜壁で且つ回転軸心方向と平行な外周壁を具えた断面形状であるラジアルタービンにおいて、前記スクロールは、動翼のシュラウド側及びハブ側の両端角部に対応する該スクロールの両側壁における半径方向速度（ＣＲ）を減速させるような割合で、回転軸心方向の幅（Ｂ）を半径方向外周側から内周側に向けて拡大するように構成して、前記スクロールの回転軸心方向における半径方向速度の分布を均一化してなることを特徴とするラジアルタービンのスクロール構造が記載されている。

特開２００３−１２０３０３号公報

上述した特許文献１に記載のラジアルタービンのスクロール構造では、円周壁として記載される作動流体の流速を増加させる流速増加面がある。流速増加面は、作動流体を絞る絞り流路として作用する。このため、流速増加面での径方向の速度成分が増加し、流入口においてスクロールの回転軸の軸方向（回転軸心方向）における径方向速度（半径方向速度）の分布を均一化する効果には限界があった。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、流速増加面で加速された作動流体の流速を減少させると共に、回転軸の軸方向の径方向速度の分布をより平準化することのできるラジアルタービンを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、ラジアルタービンは、回転軸を中心に回転可能なハブと、前記ハブの周面に設けられる複数の動翼と、を含み、流入口を介して前記回転軸の径方向から流入した作動流体を、流出口を介して前記回転軸の軸方向に流出させ、前記動翼が前記流入口から流入する前記作動流体を前記流出口へ向けて受け流すことにより回転するロータと、前記作動流体をケーシング内に形成された渦巻状のスクロールで旋回させるとともに、前記スクロールの前記径方向に対して内側に位置する前記動翼に、前記作動流体を前記径方向に流入させるスクロール構造体と、を含み、前記スクロール構造体は、前記回転軸を含む平面で切った断面でみて前記ケーシングの内壁の幅が狭くなる流速増加面または前記流速増加面の下流において、前記回転軸の周方向に渡って前記ケーシングの内壁の表面を凹ませている凹部を備えることを特徴とする。

この構造により、流速増加面の下流のケーシングの内壁に沿う作動流体の流速が遅くなる。これにより、流速増加面で生じる動翼の回転軸の軸方向における作動流体の流動歪みが抑制され、動翼での流動損失が低下すると共に、ロータの回転効率が向上する。

本発明において、前記凹部は、前記ロータの回転軸を含む平面で切った断面でみて前記ケーシングの内壁の幅が広くなる空間を含むことが好ましい。

この構造により、作動流体が、凹部を通り過ぎる際に、作動流体が凹部内の空間の流体を連れ回すことにより、凹部の空間内に旋回流を生じさせる。旋回流の渦は、作動流体のエネルギーを奪うことにより生じるため、作動流体は、凹部を通り過ぎる際に、ケーシングの内壁に沿う作動流体の流速が遅くなる。その結果、作動流体は、回転軸の軸方向における速度分布が平準化する。

本発明において、前記凹部には、前記ロータの回転軸を含む平面で切った断面でみて前記作動流体の衝突面を含むことが好ましい。

この構造により、作動流体が凹部を通り過ぎる際に衝突面による衝突損失を生じるため、作動流体はケーシングの内壁に沿う作動流体の流速が遅くなる。その結果、作動流体は、回転軸の軸方向における速度分布が平準化する。

本発明において、前記凹部の内部には、前記ロータの回転軸の周方向に作動流体の旋回を阻害するスワールブレーカを備えることが好ましい。

この構造により、作動流体が凹部を通り過ぎる際に、作動流体が凹部内の空間の流体を連れ回すことにより、凹部の旋回流を生じさせる。そして、スワールブレーカは旋回流の周方向の速度成分を抑制する。その結果、旋回流の周方向の速度成分と、作動流体の周方向の速度成分との間に速度差が生じ、作動流体の周方向の速度成分が抑制される。その結果、作動流体が流入口において動翼へ流入する相対的な流入角が低下し、動翼の損失が低下する。これにより、ロータは回転効率が向上する。

本発明において、前記スワールブレーカは、前記ロータの回転軸の周方向に複数配列された板部材であることが好ましい。

この構造により、板部材は旋回流の周方向の速度成分を抑制する。その結果、旋回流の周方向の速度成分と、作動流体の周方向の速度成分との間に速度差が生じ、作動流体の周方向の速度成分が抑制される。その結果、作動流体が流入口において動翼へ流入する相対的な流入角が低下し、動翼の損失が低下する。これにより、ロータは回転効率が向上する。

本発明において、前記凹部は、前記ロータの回転軸の周方向に複数配列されていることが好ましい。

この構造により、ロータの回転軸の周方向に複数配列されている凹部は旋回流の周方向の速度成分を抑制する。このように、ロータの回転軸の周方向に複数配列されている凹部は、ロータの回転軸の周方向に作動流体の旋回を阻害するスワールブレーカとして作用する。その結果、旋回流の周方向の速度成分と、作動流体の周方向の速度成分との間に速度差が生じ、作動流体の周方向の速度成分が抑制される。その結果、作動流体が流入口において動翼へ流入する相対的な流入角が低下し、動翼の損失が低下する。これにより、ロータは回転効率が向上する。

本発明において、前記凹部は、前記流速増加面または前記流速増加面の下流に複数設けられていることが好ましい。

この構造により、凹部の数に応じて、作動流体は、回転軸の軸方向における速度分布が平準化する。

本発明によれば、流速増加面で加速された作動流体の流速を減少させると共に、回転軸の軸方向の径方向速度の分布をより平準化することのできるラジアルタービンを提供することができる。

図１は、実施形態１に係るラジアルタービンの概略の構成を説明する構成図である。 図２は、実施形態１の第１変形例に係るラジアルタービンの概略の構成を説明する構成図である。 図３は、実施形態１に係るラジアルタービンを模式的に説明する模式図である。 図４は、実施形態１に係るラジアルタービンの第２変形例を模式的に説明する模式図である。 図５は、実施形態１に係るラジアルタービンの第３変形例を模式的に説明する模式図である。 図６は、比較例に係るラジアルタービンのスクロール内の作動流体の流速分布図である。 図７は、実施形態１に係るラジアルタービンのスクロール内の作動流体の流速分布図である。 図８は、実施形態２に係るラジアルタービンを模式的に説明する模式図である。 図９は、実施形態３に係るラジアルタービンを模式的に説明する模式図である。 図１０は、実施形態３の変形例に係るラジアルタービンを模式的に説明する模式図である。 図１１は、実施形態４に係るラジアルタービンを模式的に説明する模式図である。 図１２は、実施形態５に係るラジアルタービンを模式的に説明する模式図である。 図１３は、図１２のＡ−Ａ方向に凹部をみた説明図である。 図１４は、実施形態５に係るラジアルタービンのスクロール内における作動流体の流れを説明するための説明図である。 図１５は、実施形態６に係るラジアルタービンを模式的に説明する模式図である。 図１６は、図１５のＢ−Ｂ方向に凹部をみた説明図である。 図１７は、図１５のＢ−Ｂ方向に凹部をみた説明図である。 図１８は、実施形態７に係るラジアルタービンの概略の構成を説明する構成図である。 図１９は、実施形態８に係るラジアルタービンの概略の構成を説明する構成図である。 図２０は、実施形態８の変形例に係るラジアルタービンの概略の構成を説明する構成図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係るラジアルタービンの概略の構成を説明する構成図である。図１に示すように、ラジアルタービン１は、外殻となるケーシング５と、ケーシング５の内部に配設されたタービンロータ６とで構成されている。ラジアルタービン１は、タービンロータ６のような回転体の回転軸Ｚｓにおける径方向から流入した作動流体Ｇの流体エネルギーを、回転体の回転軸Ｚｓの軸方向に流出させ、機械エネルギーに変換して、回転体の回転として取り出す回転機械である。

ケーシング５は、その中央内部に配設されたタービンロータ６の回転軸Ｚｓの軸方向に流出口１１が形成され、タービンロータ６の外側の周方向に渦巻状のスクロール構造体（以下、スクロールという。）１２が形成されている。そして、スクロール１２内を流れる作動流体Ｇは、スクロール１２とタービンロータ６との間に形成された流入口１３を介して径方向からタービンロータ６へ流入し、タービンロータ６を通過して、流出口１１から流出する。

スクロール１２は、タービンロータ６の外側の周方向に渦巻状となるスクロール１２の内壁５ａと、スクロール１２の内壁５ａに連なり、スクロール１２の内壁であって、回転軸Ｚｓの軸方向の幅が流入口１３に向かうにつれて、小さくなるように傾斜している流速増加面５ｂとを含む。流速増加面５ｂは、回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみてケーシング５の内壁の幅が狭くなり、作動流体Ｇの流路を絞り、作動流体Ｇの速度を増加させる。そして、流速増加面５ｂの一部には、回転軸Ｚｓの軸方向の幅を広げる凹部３が設けられている。

タービンロータ６は、回転軸Ｚｓを中心に回転するハブ２０と、ハブ２０の周面に設けられると共に軸心から放射状に配設された複数の動翼２１と、を有しており、流入した作動流体Ｇを複数の動翼２１に受けて回転するよう構成されている。

このとき、ケーシング５は、タービンロータ６の動翼２１に微小隙間を介して対向するシュラウド２４を有する、所謂、オープンタイプであり、シュラウド２４、ハブ２０および各動翼２１により作動流体Ｇが流れる流路が区画されている。

また、各動翼２１は、ハブ２０の周面（ハブ面２０ａ）に接続された固定端側がハブ２０側となっており、シュラウド２４側に近接した自由端側（先端側）がシュラウド２４側となっている。

従って、タービンロータ６の径方向から流入口１３を介して作動流体Ｇが流入すると、流入した作動流体Ｇは流路を通過し、これにより、各動翼２１は、流入した作動流体Ｇを受けて回転する。このとき、流路を構成する一方の動翼２１の面は正圧面となっており、他方の動翼２１の面は負圧面となっている。換言すれば、各動翼２１の一方の面が正圧面となっており、他方の面が負圧面となっている。そして、流路を通過した作動流体Ｇは、流出口１１から流出する。流入口１３は、回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみて、スクロール１２側に位置するシュラウド２４の縁部同士を結ぶ開口部である。

図２は、実施形態１の第１変形例に係るラジアルタービンの概略の構成を説明する構成図である。実施形態１の第１変形例に係るラジアルタービン１Ａは、流出口１１が片側にある。流入口１３は、動翼２１のスクロール１２側に位置するシュラウド２４の縁部から、回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみて、スクロール１２側に位置するハブ２０の先端とシュラウド２４とを結ぶ開口部である。このラジアルタービン１Ａは、ラジアルタービン１と同様の効果を奏するので、実施形態１においては、ラジアルタービン１について説明する。

図３は、実施形態１に係るラジアルタービンを模式的に説明する模式図である。ラジアルタービン１は、図１及び図３に示すように、タービンロータ６と、スクロール構造体であるスクロール１２とを含む。タービンロータ６は、回転軸Ｚｓを中心に回転可能なハブ２０と、ハブ２０の周面に設けられる複数の動翼２１と、を含み、流入口１３を介して回転軸Ｚｓの径方向から流入した作動流体Ｇ１（作動流体Ｇ）を、流出口１１を介して回転軸Ｚｓの軸方向に流出させ、動翼２１が流入口１３から流入する作動流体Ｇ１を流出口１１へ向けて受け流すことにより回転する。図１に示すスクロール１２は、作動流体Ｇ１をケーシング５内に形成された渦巻状の内壁５ａで旋回させるとともに、スクロール１２の径方向に対して内側に位置する上述した動翼２１に、作動流体Ｇ１を径方向に流入させる。

図３に示すように、凹部３は、回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみてケーシング５の内壁の幅が狭くなる流速増加面５ｂにおいて、回転軸Ｚｓの周方向に渡ってケーシング５の内壁の表面を凹ませている。凹部３は、ハブ２０の回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみてケーシング５の内壁の幅が広くなる空間３１を含む。この空間３１は、流速増加面５ｂの上流側起点３２からハブ２０の回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみてケーシング５の内壁の幅が広くなり、流速増加面５ｂの下流側には、作動流体Ｇ１の衝突面３３を含む。

図４は、実施形態１に係るラジアルタービンの第２変形例を模式的に説明する模式図である。図５は、実施形態１に係るラジアルタービンの第３変形例を模式的に説明する模式図である。凹部３は、図４に示すラジアルタービン１ａのように、ハブ２０の回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみて空間３１ａの内壁の形状に曲面を有していてもよい。また、凹部３は、図５に示すラジアルタービン１ｂのように、ハブ２０の回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみて空間３１ｂの内壁の形状が三角形状を有していてもよい。

図６は、比較例に係るラジアルタービンのスクロール内の作動流体の流速分布図である。図７は、実施形態１に係るラジアルタービンのスクロール内の作動流体の流速分布図である。比較例に係るラジアルタービンは、上述した凹部３を有していない。この比較例に係るラジアルタービンにおいて、スクロールの渦巻きに沿って周回しながら動翼に流入した作動流体の流入速度は、図６に示すように回転軸の軸方向に異なる速度分布を持つ。作動流体の速度の径方向成分である流入速度は、図６に示すように、流入口の中央部が小さく両端の角部つまりシュラウド側及びハブ側が大きくなるような高さ方向分布となっている。そして、動翼の軸方向に作動流体の流動分布つまり流動歪みがある場合、動翼での流動損失が増加して、例えばタービンロータ６の回転効率の低下を生じる可能性がある。

これに対して、実施形態１に係るラジアルタービン１は、図３に示すように、上流側起点３２を通過した作動流体Ｇ１は、一度衝突面３３に衝突してから流入口１３に到達する。このため、作動流体Ｇ１は、衝突面３３による衝突損失を生じ、ケーシング５の内壁に沿う作動流体Ｇ１の流速が遅くなる。また、作動流体Ｇ１が、凹部３を通り過ぎる際に、作動流体Ｇ１が凹部３内の空間３１の流体を連れ回すことにより、凹部３の空間３１内に旋回流ｃ１を生じさせる。旋回流ｃ１の渦は、作動流体Ｇ１のエネルギーを奪う（キャビティ旋回損失を生じさせる）ことにより生じるため、作動流体Ｇ１は、凹部３を通り過ぎる際に、ケーシング５の内壁に沿う作動流体Ｇ１の流速が遅くなる。

その結果、実施形態１に係るラジアルタービン１は、スクロール１２の渦巻きに沿って周回しながら動翼２１に流入した作動流体Ｇ１の流入速度が、図７に示す回転軸Ｚｓの軸方向における速度分布は、図６に示す回転軸Ｚｓの軸方向における速度分布よりも平準化する。これにより、動翼２１の回転軸Ｚｓの軸方向における作動流体Ｇ１の流動歪みが抑制され、動翼２１での流動損失が低下すると共に、例えばハブ２０の回転効率が向上する。そして、実施形態１に係るラジアルタービン１によれば、凹部３が流速増加面５ｂで加速された作動流体Ｇ１の流速を減少させると共に、回転軸Ｚｓの軸方向の径方向速度の分布をより平準化することができる。

（実施形態２）
図８は、実施形態２に係るラジアルタービンを模式的に説明する模式図である。上述した実施形態１と同じ構成要素には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。実施形態２に係るラジアルタービン１ｃは、凹部３が上述した空間３１を含まない。

実施形態２に係る凹部３は、回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみてケーシング５の内壁の幅が狭くなる流速増加面５ｂにおいて、回転軸Ｚｓの周方向に渡ってケーシング５の内壁の表面を凹ませている。凹部３は、流速増加面５ｂの上流側起点３２から流速増加面５ｂの勾配が延長された場合の仮想線よりも、ハブ２０の回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみてケーシング５の内壁の幅が広くなる。そして、凹部３は、流速増加面５ｂの上流側起点３２から流速増加面５ｂの勾配より、ハブ２０の回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみてケーシング５の内壁の勾配が小さくなり、流速増加面５ｂの下流側には、作動流体Ｇ２の衝突面３３を含む段差となっている。

実施形態２に係るラジアルタービン１ｃは、図８に示すように、上流側起点３２を通過した作動流体Ｇ２が、一度衝突面３３に衝突してから流入口１３に到達する。このため、作動流体Ｇ２は、衝突面３３による衝突損失を生じ、ケーシング５の内壁に沿う作動流体Ｇ２の流速が遅くなる。これにより、動翼２１の回転軸Ｚｓの軸方向における作動流体Ｇ２の流動歪みが抑制され、動翼２１での流動損失が低下すると共に、例えばハブ２０の回転効率が向上する。

（実施形態３）
図９は、実施形態３に係るラジアルタービンを模式的に説明する模式図である。上述した実施形態１と同じ構成要素には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。実施形態３に係るラジアルタービン１ｄは、凹部３が上述した作動流体Ｇ３の衝突面３３を含まない。

実施形態３に係る凹部３は、回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみてケーシング５の内壁の幅が狭くなる流速増加面５ｂの下流において、回転軸Ｚｓの周方向に渡ってケーシング５の内壁の表面を凹ませている。凹部３は、流速増加面５ｂ側となる上流側の起点３２ａから下流側の終点３２ｂまでハブ２０の回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみてケーシング５の内壁の幅が広くなっている。

実施形態３に係るラジアルタービン１ｄは、図９に示すように、回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみて上流側の起点３２ａと下流側の終点３２ｂとは、径方向に同じ位置にあり、上流側の起点３２ａを通過した作動流体Ｇ３が、下流面３３ａに衝突しにくい。また、作動流体Ｇ３が、凹部３を通り過ぎる際に、作動流体Ｇ３が凹部３内の空間３１ｃの流体を連れ回すことにより、凹部３の空間３１ｃ内に旋回流ｃ１を生じさせる。旋回流ｃ１の渦は、作動流体Ｇ３のエネルギーを奪うことにより生じるため、作動流体Ｇ３は、凹部３を通り過ぎる際に、ケーシング５の内壁に沿う作動流体Ｇ３の流速が遅くなる。これにより、動翼２１の回転軸Ｚｓの軸方向における作動流体Ｇ３の流動歪みが抑制され、動翼２１での流動損失が低下すると共に、例えばハブ２０の回転効率が向上する。

図１０は、実施形態３の変形例に係るラジアルタービンを模式的に説明する模式図である。上述した実施形態３と同じ構成要素には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。実施形態３に係るラジアルタービン１ｅは、凹部３が回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみてケーシング５の内壁の幅が狭くなる流速増加面５ｂの下流に位置する狭側面５ｃにおいて、回転軸Ｚｓの周方向に渡ってケーシング５の内壁の表面を凹ませている。このように、凹部３の空間３１ｃが設けられる位置は、流速増加面５ｂの下流であればよい。

（実施形態４）
図１１は、実施形態４に係るラジアルタービンを模式的に説明する模式図である。上述した実施形態１と同じ構成要素には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。実施形態４に係るラジアルタービン１ｆは、凹部３が、回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみてケーシング５の内壁の幅が狭くなる流速増加面５ｂにおいて、回転軸Ｚｓの径方向に渡ってケーシング５の内壁の表面を複数凹ませている。

実施形態４に係るラジアルタービン１ｆは、図１１に示すように、上流側の凹部３の上流側起点３４を通過した作動流体Ｇ４は、一度衝突面３５に衝突してから次の下流側の凹部３に到達する。そして、下流側の凹部３の上流側起点３２を通過した作動流体Ｇ４は、一度衝突面３３に衝突してから流入口１３に到達する。このため、作動流体Ｇ４は、衝突面３５及び衝突面３３による衝突損失を生じ、ケーシング５の内壁に沿う作動流体Ｇ４の流速が遅くなる。

また、作動流体Ｇ４が、上流側の凹部３を通り過ぎる際に、作動流体Ｇ４が凹部３内の空間３１ｅの流体を連れ回すことにより、凹部３の空間３１ｅ内に旋回流ｃ１２を生じさせる。旋回流ｃ１２の渦は、作動流体Ｇ４のエネルギーを奪うことにより生じるため、作動流体Ｇ４は、上流側の凹部３を通り過ぎる際に、ケーシング５の内壁に沿う作動流体Ｇ４の流速が遅くなる。次に、作動流体Ｇ４が、下流側の凹部３を通り過ぎる際に、作動流体Ｇ４が凹部３内の空間３１ｄの流体を連れ回すことにより、凹部３の空間３１ｄ内に旋回流ｃ１１を生じさせる。旋回流ｃ１１の渦は、作動流体Ｇ４のエネルギーを奪うことにより生じるため、作動流体Ｇ４は、下流側の凹部３を通り過ぎる際に、ケーシング５の内壁に沿う作動流体Ｇ４の流速が遅くなる。そして、複数の凹部３の数に応じて、作動流体Ｇ４は、回転軸Ｚｓの軸方向における速度分布が平準化する。また、動翼２１の回転軸Ｚｓの軸方向における作動流体Ｇ４の流動歪みが抑制され、動翼２１での流動損失が低下すると共に、例えばハブ２０の回転効率が向上する。なお、凹部３は、２つに限られず、３つ以上でもよい。

（実施形態５）
図１２は、実施形態５に係るラジアルタービンを模式的に説明する模式図である。図１３は、図１２のＡ−Ａ方向に凹部をみた説明図である。図１４は、実施形態５に係るラジアルタービンのスクロール内における作動流体の流れを説明するための説明図である。上述した実施形態１と同じ構成要素には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。実施形態５に係るラジアルタービン１ｇは、凹部３においてスワールブレーカ３６が備えられている。スワールブレーカ３６は、図１３に示すように、空間３１には、周方向に仕切る板部材が複数設けられ、空間３１が複数の空間３７に仕切られている。スワールブレーカ３６は、板部材の軸方向の高さがあればよく、空間３１を空間３７に密閉して仕切る必要はない。

図１４に示すように、スクロール１２は、タービンロータ６の外側の周方向に渦巻状となるスクロール１２の内壁５ａを有している。例えば実施形態５に係るラジアルタービン１ｇのスクロール１２は、作動流体の入口４４から流入する作動流体Ｇ５をケーシング５内に形成された渦巻状に旋回させるとともに、舌部４５から径方向に対して内側に位置する動翼２１に流入させる。つまり、作動流体Ｇ５は、上述した径方向の速度成分と、図１４に示す周方向の速度成分とを有している。実施形態５に係るラジアルタービン１ｇは、作動流体Ｇ５が凹部３を通り過ぎる際に、作動流体Ｇ５が凹部３内の空間３７の個々の流体を連れ回すことにより、凹部３の空間３１の空間３７内に旋回流ｃ１を生じさせる。そして、スワールブレーカ３６の板部材が旋回流ｃ１の周方向の速度成分を抑制する。その結果、旋回流ｃ１の周方向の速度成分と、作動流体Ｇ５の周方向の速度成分との間に速度差が生じ、作動流体Ｇ５の周方向の速度成分が抑制される。その結果、作動流体Ｇ５が流入口１３において動翼２１へ流入する相対的な流入角が低下し、動翼２１の損失が低下する。これにより、ハブ２０の回転効率が向上する。

（実施形態６）
図１５は、実施形態６に係るラジアルタービンを模式的に説明する模式図である。図１６は、図１５のＢ−Ｂ方向に凹部をみた説明図である。上述した実施形態５と同じ構成要素には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。実施形態６に係るラジアルタービン１ｈは、凹部３においてスワールブレーカ３８が備えられている。図１５に示すように、空間３１には、空間３１に格納される板部材のスワールブレーカ３８が備えられている。図１６に示すように、スワールブレーカ３８の板部材には軸方向に貫通する穴３９が複数設けられている。穴３９は、スワールブレーカ３８の板部材を貫通していない、軸方向に沿って凹む凹部であってもよい。穴３９は、スワールブレーカ３８の板部材の周方向に複数配列されている。スワールブレーカ３８の板部材が空間３１に格納されると、凹部３が穴３９により、回転軸Ｚｓの周方向に分割された状態となる。このように、穴３９は、回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみてケーシング５の内壁の幅が狭くなる流速増加面５ｂにおいて、回転軸Ｚｓの周方向にケーシング５の内壁の表面を複数凹ませている。

作動流体Ｇ６は、上述した径方向の速度成分と、図１４に示す作動流体Ｇ５と同様に周方向の速度成分とを有している。実施形態６に係るラジアルタービン１ｈは、作動流体Ｇ６が凹部３を通り過ぎる際に、作動流体Ｇ６が凹部３内の空間３１の個々の流体を連れ回すことにより、凹部３の空間３１内に旋回流ｃ１を生じさせる。

回転軸Ｚｓの周方向に複数配列されている凹部、つまり穴３９は、旋回流ｃ１の周方向の速度成分を抑制する。そして、回転軸Ｚｓの周方向に複数配列されている穴３９は、回転軸Ｚｓの周方向における作動流体Ｇ６の旋回を阻害するように作用する。その結果、旋回流ｃ１の周方向の速度成分と、作動流体Ｇ６の周方向の速度成分との間に速度差が生じ、作動流体Ｇ６の周方向の速度成分が抑制される。その結果、作動流体Ｇ６が流入口１３において動翼２１へ流入する相対的な流入角が低下し、動翼２１の損失が低下する。これにより、ハブ２０の回転効率が向上する。

図１７は、図１５のＢ−Ｂ方向に凹部をみた説明図である。図１５に示すように、空間３１には、空間３１に格納される板部材のスワールブレーカ３８が備えられている。図１７に示すように、穴３９の変形例としてスワールブレーカ３８の板部材には軸方向に貫通する穴３９Ａが複数設けられている。穴３９Ａは、スワールブレーカ３８の板部材の周方向に複数配列されている。スワールブレーカ３８の板部材が空間３１に格納されると、凹部３が穴３９Ａにより、回転軸Ｚｓの周方向に分割された状態となる。このように、穴３９Ａは、回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみてケーシング５の内壁の幅が狭くなる流速増加面５ｂにおいて、回転軸Ｚｓの周方向にケーシング５の内壁の表面を複数凹ませている。

また、穴３９Ａの形状は、６角形であるハニカム構造となっている。この構造により、スワールブレーカ３８は、穴３９Ａと穴３９Ａとの仕切の数を増やし、旋回流ｃ１の周方向の速度成分を抑制する効果を高めることができる。なお、穴３９、３９Ａの形状は、上述した円形、６角形に限られず、四角形、三角形、楕円形状などでもよく、形状は問わない。

なお、回転軸Ｚｓの周方向に複数配列されている凹部は、回転軸Ｚｓの周方向にケーシング５の内壁の表面を複数凹ませてもよい。または、回転軸Ｚｓの周方向に複数配列されている凹部は、上述した実施形態１から実施形態５に記載されたいずれかの凹部３を回転軸Ｚｓの周方向に複数配列してもよい。

（実施形態７）
図１８は、実施形態７に係るラジアルタービンの概略の構成を説明する構成図である。上述した実施形態１から実施形態６に係るラジアルタービン１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｆ、１ｇ、１ｈは、例えば、作動流体を水などの液体とした水車などに適用され得る。ここでは、一例として、実施形態１に記載のラジアルタービンの凹部３と同じ構成がラジアルタービン１Ｂとして水車に適用される場合について説明する。

図１８に示すように、ラジアルタービン１Ｂは、ロータであるランナ６Ａと、主軸２５と、スパイラルケーシングとよばれるケーシング５と、吸出管１０と、凹部３とを備える。ランナ６Ａは、ハブ２０と、ハブ２０のハブ面２０ａに動翼２１と、動翼２１と一体形成されたシュラウド２６を備える、所謂、クローズドタイプであり、ハブ２０の背面側に主軸２５が連結されている。ランナ６Ａの回転軸Ｚｓの軸方向には、吸出管１０が接続され、また、ランナ６Ａの径方向外側とケーシング５とが接続されている。

ラジアルタービン１Ｂは、回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみてケーシング５の内壁の幅が狭くなる流速増加面５ｂの下流において、凹部３が回転軸Ｚｓの周方向に渡ってケーシング５の案内羽根（静翼）の内壁５ｄの表面を凹ませている。流速増加面５ｂは、広い領域から、狭い流路への狭まりとなっている。そして、凹部３は、上述した実施形態１から実施形態６に係るいずれかの凹部３の構造である。

ケーシング５内を流れる作動流体である水は、ケーシング５とランナ６Ａとの間に形成された流入口を介して回転軸Ｚｓの径方向からランナ６Ａへ流入し、ランナ６Ａを通過して、吸出管１０から流出する。これにより、ランナ６Ａが回転し、連結された主軸２５が作動流体から動力を伝達されて回転する。そして、実施形態７に係るラジアルタービン１Ｂによれば、凹部３が流速増加面５ｂで加速された作動流体である液体の流速を減少させると共に、回転軸Ｚｓの軸方向の径方向速度の分布をより平準化することができる。

（実施形態８）
図１９は、実施形態８に係るラジアルタービンの概略の構成を説明する構成図である。上述した実施形態と同じ構成要素には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。上述した実施形態１から実施形態６に係るラジアルタービン１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｆ、１ｇ、１ｈは、例えば、作動流体を水などの液体とした水車（例えば、パワーリカバリータービンなど）に適用され得る。ここでは、一例として、実施形態１に記載のラジアルタービンの凹部３と同じ構成がラジアルタービン１Ｃとして水車に適用される場合について説明する。

図１９に示すように、ラジアルタービン１Ｃは、ロータであるランナ６Ａと、主軸２５と、スパイラルケーシングとよばれるケーシング５と、吸出管１０と、凹部３とを備える。ランナ６Ａは、ハブ２０と、ハブ２０のハブ面２０ａに動翼２１と、動翼２１と一体形成されたシュラウド２６を備える、所謂、クローズドタイプであり、ハブ２０の背面側に主軸２５が連結されている。ランナ６Ａの回転軸Ｚｓの軸方向には、吸出管１０が接続され、また、ランナ６Ａの径方向外側とケーシング５とが接続されている。

ラジアルタービン１Ｃは、回転軸Ｚｓを含む平面で切った断面でみてケーシング５の内壁の幅が狭くなる流速増加面５ｂの下流において、凹部３が回転軸Ｚｓの周方向に渡ってケーシング５の内壁の表面を凹ませている。凹部３は、上述した実施形態１から実施形態６に係るいずれかの凹部３の構造である。

ケーシング５内を流れる作動流体である液体は、ケーシング５とランナ６Ａとの間に形成された流入口を介して回転軸Ｚｓの径方向からランナ６Ａへ流入し、ランナ６Ａを通過して、吸出管１０から流出する。これにより、ランナ６Ａが回転し、連結された主軸２５が作動流体から動力を伝達されて回転する。そして、実施形態８に係るラジアルタービン１Ｃによれば、凹部３が流速増加面５ｂで加速された作動流体である液体の流速を減少させると共に、回転軸Ｚｓの軸方向の径方向速度の分布をより平準化することができる。

図２０は、実施形態８の変形例に係るラジアルタービンの概略の構成を説明する構成図である。実施形態８の変形例に係るラジアルタービン１Ｄは、シュラウド２６の背面側のケーシング５に、回転軸Ｚｓの周方向に渡って、シュラウド２６とケーシング５との空隙となる背面空間２７を有している。そして、凹部３は、回転軸Ｚｓの径方向に、背面空間２７と連続するように設けられている。凹部３は、背面空間２７よりも径方向外側に位置し、流入口１３よりも上流側に設けられている。実施形態８の変形例に係るラジアルタービン１Ｄによれば、凹部３が流速増加面５ｂで加速された作動流体である液体の流速を減少させると共に、回転軸Ｚｓの軸方向の径方向速度の分布をより平準化することができる。

以上のように、上述したラジアルタービン１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｆ、１ｇ、１ｈは、タービン、水車、パワーリカバリータービンなどに適用され得る。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ ラジアルタービン
３ 凹部
５ ケーシング
５ａ 内壁
５ｂ 流速増加面
５ｃ 狭側面
６ タービンロータ
６Ａ ランナ
１０ 吸出管
１１ 流出口
１２ スクロール（スクロール構造体）
１３ 流入口
２０ ハブ
２０ａ ハブ面
２１ 動翼
２４、２６ シュラウド
２５ 主軸
２７ 背面空間
３１、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３７ 空間
３２ 上流側起点
３３ 衝突面
３３ａ 下流面
３６、３８ スワールブレーカ
３９、３９Ａ 穴
ｃ１、ｃ１１、ｃ１２ 旋回流
Ｇ、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６ 作動流体
Ｚｓ 回転軸

Claims (7)

1. 回転軸を中心に回転可能なハブと、前記ハブの周面に設けられる複数の動翼と、を含み、流入口を介して前記回転軸の径方向から流入した作動流体を、流出口を介して前記回転軸の軸方向に流出させ、前記動翼が前記流入口から流入する前記作動流体を前記流出口へ向けて受け流すことにより回転するロータと、
   前記作動流体をケーシング内に形成された渦巻状のスクロールで旋回させるとともに、前記スクロールの前記径方向に対して内側に位置する前記動翼に、前記作動流体を前記径方向に流入させるスクロール構造体と、を含み、
   前記スクロール構造体は、前記回転軸を含む平面で切った断面でみて前記ケーシングの内壁の幅が狭くなる流速増加面または前記流速増加面の下流において、前記回転軸の周方向に渡って前記ケーシングの内壁の表面を凹ませている凹部を備えることを特徴とするラジアルタービン。
2. 前記凹部は、前記ロータの回転軸を含む平面で切った断面でみて前記ケーシングの内壁の幅が広くなる空間を含むことを特徴とする請求項１に記載のラジアルタービン。
3. 前記凹部には、前記ロータの回転軸を含む平面で切った断面でみて前記作動流体の衝突面を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のラジアルタービン。
4. 前記凹部の内部には、前記ロータの回転軸の周方向に作動流体の旋回を阻害するスワールブレーカを備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のラジアルタービン。
5. 前記スワールブレーカは、前記ロータの回転軸の周方向に複数配列された板部材であることを特徴とする請求項４に記載のラジアルタービン。
6. 前記凹部は、前記ロータの回転軸の周方向に複数配列されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のラジアルタービン。
7. 前記凹部は、前記流速増加面または前記流速増加面の下流に複数設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のラジアルタービン。

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