JP2015169088A

JP2015169088A - テスラタービン

Info

Publication number: JP2015169088A
Application number: JP2014042612A
Authority: JP
Inventors: 岡本　光司; Koji Okamoto; 光司岡本; ヤヌシュリスザルドピエフナ; Janusz Ryszard Piechna
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2015-09-28

Abstract

【課題】小型化に有利でエネルギ効率の高い構成を提案する。【解決手段】テスラタービン２０のロータ２２を構成するディスク２３の内縁側にのみ、周方向に沿って翼列２５を設ける。これにより、ディスク２３の外縁側では、流体とディスク２３の表面との粘性による粘性剪断力における周方向成分によって回転エネルギを得ることができる。また、ディスク２３の内縁側では、翼列２５の各翼２６による流体の流れの方向の変更や翼２６の両側での圧力差により、流体のエネルギのディスク２３の回転エネルギへの変換率を向上させることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、テスラタービンに関し、詳しくは、所定間隔毎に複数のディスクが配列されたロータを備え、複数のディスクの隙間に外周側から流体を供給してロータを回転させるテスラタービンに関する。

従来、この種のテスラタービンとしては、所定間隔毎に配列された複数のディスクを有するロータを備え、複数のディスクの隙間に外周側から流体を供給してロータを回転させるものが提案されている（例えば、非特許文献１，２参照）。こうしたテスラタービンでは、流体とディスクの表面との粘性によって剪断力が生じ、その剪断力の周方向成分によってロータを回転させている。

また、上述と同様の構成で、複数のディスクの表面の全体に亘って周方向に沿って翼列を設けたテスラタービンも提案されている（例えば、特許文献１参照）。このテスラタービンでは、翼表面の圧力差や翼による流体の流れの方向の変更により、ロータを回転させている。

ＷＯ２００９／１０９０２０Ａ１

Takafumi Hidema, Koji Okamoto, Susumu Teramoto and Toshio Nagashima, "Numerical Investigation of Inlet Effects on Tesla Turbine Performance", AJCPP2010-080, Asian Joint Conference on Propulsion & Power (AJCPP), Mar. 2010 後藤健太，岡本光司，山口和夫，寺本進(東大)，「テスラタービンにおけるディスク流入条件の影響に関する実験的研究」，日本航空宇宙学会第５３回航空原動機・宇宙推進講演会講演論文集 JSASS-2013-0059，倉敷，２０１３年３月

上述の前者のテスラタービンでは、流体は、流体とディスクの表面との粘性による剪断力の周方向成分と半径方向内向き成分とにより、複数のディスクの隙間を渦巻き状に流れる。ここで、剪断力の周方向成分は、ロータの回転トルクを発生させるが、半径方向内向き成分は、回転トルクに寄与せず、粘性散逸（損失）のみにつながる。ディスクの内縁側では、流路断面積が小さいために剪断力における半径方向内向き成分の割合が大きくなり、流体のエネルギを複数のディスク（ロータ）の回転エネルギに十分に変換することができず、タービンとしての効率が低くなる要因となっている。特に、テスラタービンにおける流体の入力側と出力側との圧力比（圧力差）が大きい場合やテスラタービンを小型化する場合には、流体がディスクの隙間を流れる際の圧力勾配や剪断力における半径方向内向き成分の割合が大きくなることから、効率の低下がより顕著となる。また、後者のテスラタービンでは、翼表面の圧力差や翼による流体の流れの方向の変更によって複数のディスクの回転エネルギを得ていることから、テスラタービンを小型化する場合に、翼による粘性損失の影響の増大によって効率が低下してしまうという課題がある。

本発明のテスラタービンは、小型化に有利でエネルギ効率の高い構成を提案することを主目的とする。

本発明のテスラタービンは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のテスラタービンは、
所定間隔毎に複数のディスクが配列されたロータを備え、該複数のディスクの隙間に外周側から流体を供給して該ロータを回転させるテスラタービンであって、
前記ディスクの表面の内縁側にのみ、周方向に沿って、流体の方向を変化させるための翼列が設けられている、
ことを特徴とする。

この本発明のテスラタービンでは、ディスクの表面の内縁側にのみ、周方向に沿って、流体の方向を変化させるための翼列が設けられている。上述したように、ディスクの内縁側では、流路断面積が小さいために、流体とディスクの表面との粘性による剪断力における径方向成分の割合が大きくなるが、この部分に翼列を設けたことにより、この翼列の翼による流体の流れの方向の変更や翼の両側での圧力差により、流体のエネルギの複数のディスク（ロータ）の回転エネルギへの変換率を向上させることができる。特に、テスラタービンにおける流体の入力側と出力側との圧力比（圧力差）が大きい場合やテスラタービンを小型化する場合には効率が低下しやすいことから、ディスクの内縁側に翼列を設けることの意義がより大きい。また、ディスクの外縁側には翼列を設けないことにより、この部分では剪断力の周方向成分によってロータを回転させることができる。さらに、ディスクの内縁側にのみ翼列を設けるから、ディスクの全体に翼列を設けるものに比して、小型化を図る際に、翼による粘性損失の増大による効率の低下を抑制することができる。これらより、小型化に有利でエネルギ効率の高い構成とすることができる。なお、流体としては、空気などの気体に限定されるものではなく、液体を用いるものとしてもよい。

こうした本発明のテスラタービンにおいて、前記翼列は、前記ディスクの内縁から該ディスクの内縁と外縁との中間までの範囲のみに設けられている、ものとすることもできる。なお、翼列は、ディスクの内縁からディスクの内縁と外縁とを１：２や１：３，１：４，１：９などに内分する位置までの範囲のみに設けられている、ものとすることもできる。

また、本発明のテスラタービンにおいて、前記翼列の各翼は、前記複数のディスクの配列方向に突出して隣の前記ディスクに接するよう形成されている、ものとすることもできる。こうすれば、ディスクの内周部での、流体のエネルギの複数のディスク（ロータ）の回転エネルギへの変換率をより向上させることができる。

さらに、本発明のテスラタービンにおいて、前記翼列の各翼は、前記複数のディスクの配列方向から見て、前記流体の進行方向（前記ロータの回転方向）の下流側に凸となる円弧状に形成されている、ものとすることもできる。

本発明の一実施例としてのテスラタービン２０の構成の概略を示す構成図である。ロータ２２のディスク２３の構成の概略を示す構成図である。翼列を有しない複数のディスク２３Ｂが所定間隔毎に配列されたロータ２２Ｂを備える比較例のテスラタービン２０Ｂにおける単位質量当たりの粘性散逸（粘性損失）の径方向分布の一例を示す説明図である。翼列を有しない複数のディスク２３Ｂが所定間隔毎に配列されたロータ２２Ｂを備える比較例のテスラタービン２０Ｂにおける局所効率のロータ２２Ｂの径方向分布の一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としてのテスラタービン２０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、ロータ２２のディスク２３の構成の概略を示す構成図である。なお、図２中、破線は、流体の流れを模式的に示す。

実施例のテスラタービン２０は、流体のエネルギをロータ２２の回転エネルギひいてはロータ２２の図示しないシャフトに取り付けられた図示しない機器の駆動用のエネルギに変換するタービン（例えば、各種熱機関や各種流体デバイスに用いられるタービンなど）として構成されており、図１に示すように、所定間隔毎に複数のディスク２３が配列されて構成されたロータ２２を備える。なお、複数のディスク２３は、図示しない連結部材（例えば、ロッドやハブなど）を介して互いに連結されている。このテスラタービン２０は、流体供給源（例えばコンプレッサ）３０からノズル３２を介して複数のディスク２３の隙間に外周側から流体（例えば圧縮空気）が供給されると、主として、流体とディスク２３の表面との粘性による剪断力（以下、粘性剪断力という）の周方向成分により、ロータ２２が回転する。なお、ノズル３２から複数のディスク２３の隙間に供給された流体は、図２に示すように、粘性剪断力の周方向成分と半径方向内向き成分とにより、複数のディスク２３の隙間を図中反時計回りに渦巻き状にディスク２３の外縁側から内縁側に流れて、ディスク２３の内縁側から軸方向に排出される。また、流体としては、空気などの気体に限定されるものではなく、液体を用いるものとしてもよい。

ロータ２２を構成する複数のディスク２３は、それぞれ、図２に示すように、中央が刳り抜かれた円板状の本体部２４と、本体部２４の内縁側から複数のディスク２３の配列方向（図１中左右方向）に突出して周方向に沿って並ぶ複数の翼２６からなる翼列２５と、を有する。翼列２５は、ディスク２３（本体部２４）の内縁から内縁と外縁とを１：１や１：２，１：３，１：４，１：９などに内分する位置までの範囲のみに設けられている。翼列２５の各翼２６は、複数のディスク２３の配列方向から見て、流体の進行方向（ロータ２２の回転方向、図２中反時計方向）の下流側に凸となる円弧状に形成されている。なお、翼列２６を設ける範囲や翼２６の詳細な形状などは、テスラタービン２０の用途やディスク２３の諸元などに応じて、適宜設計可能である。また、各翼２６は、ディスク２３の本体部２４から突出して隣のディスク２３の本体部２４に接している。

ノズル３２は、複数のディスク２３（本体部２４）の隙間に流体を供給できるよう構成されており、実施例では、ディスク２３の外縁付近でディスク２３の略接線方向に流体が流れるように流体を供給できるよう構成されるものとした。これは、粘性剪断力における周方向成分（ロータ２２の回転力に寄与する成分）の割合を大きくするためである。

こうして構成された実施例のテスラタービン２０では、複数のディスク２３の隙間にその外周側から流体が供給されると、ディスク２３の外縁側では、粘性剪断力における周方向成分によりロータ２２の回転力を得る（流体のエネルギをロータ２２の回転エネルギに変換する）。また、流体は、渦巻き状にディスク２３の外縁側から内縁側に流れ、ディスク２３の内縁側では、流体の流路断面積が小さいために、粘性剪断力における半径方向内向き成分すなわちロータ２２の回転力に寄与しない成分の割合が大きくなる。実施例では、ディスク２３の内縁側に周方向に沿って翼列２５を設けたから、この翼列２５の各翼２６による流体の流れの方向の変更や翼２６の両側での圧力差により、ロータ２２の回転力をより得ることができる。しかも、翼列２５の各翼２６は、ディスク２３の本体部２４から突出して隣のディスク２３の本体部２４に接する、即ち、あるディスク２３の翼列２５の各翼２６とその隣のディスク２３の本体部２４との間に隙間ができないから、ロータ２２の回転力をより得ることができる。これらの結果、テスラタービン２０としての効率を向上させることができる。特に、テスラタービン２０における流体の入力側と出力側との圧力比が大きいときやテスラタービン２０を小型化するときには、流体が複数のディスク２３の隙間を流れる際の圧力勾配や粘性剪断力における半径方向内向き成分の割合が大きくなって効率が低下しやすいことから、ディスク２３の内縁側に周方向に沿って翼列２５を設けることの意義がより大きい。なお、実施例のテスラタービン２０では、ディスク２３の内縁側にのみ翼列２５を設けるから、ディスク２３の表面全体に翼列２５を設けるものに比して、小型化を図る際に、翼列２５の各翼２６による粘性損失の増大による効率の低下を抑制することができる。これらより、小型化に有利でエネルギ効率の高い構成とすることができる、と言える。

図３および図４は、それぞれ、翼列を有しない複数のディスク２３Ｂが所定間隔毎に配列されたロータ２２Ｂを備える比較例のテスラタービン２０Ｂにおける単位質量当たりの粘性散逸（粘性損失）および局所効率のロータ２２Ｂの径方向分布の一例を示す説明図である。この図３および図４は、ディスク２３Ｂの外径および内径を８０ｍｍおよび２７ｍｍ，本体部２４の厚みを５００μｍ，隣り合うディスク２３間の間隔を２５０μｍ，流量係数を１．３３％，４．００％，６．６７％として解析を行なったときの解析結果である。図３から、粘性損失は、ディスク２３Ｂ（ロータ２２Ｂ）の外縁付近では比較的小さいが、内縁側に近づくにつれて大きくなることが分かる。また、図４から、局所効率は、ディスク２３Ｂの外縁付近では比較的高いが、内縁側に近づくにつれて低下することが分かる。さらに、図３および図４から、特に流量係数が大きいときに、ディスク２３Ｂの内縁側での粘性損失の増加ひいては局所効率の低下が顕著となっていることが分かる。実施例では、ディスク２３の内縁側、即ち、この比較例で粘性損失が大きく局所効率が低くなる部分に翼列２５を設けたから、この部分で、翼列２５の各翼２６による流体の流れの方向の変更や翼２６の両側での圧力差によってロータ２２の回転力を得ることができ、この部分での局所効率を高くすることができる。この結果、テスラタービン２０としての効率を向上させることができる。

以上説明した実施例のテスラタービン２０によれば、ロータ２２を構成するディスク２３の内縁側にのみ周方向に沿って翼列２５を設けたから、ディスク２３の外縁側では、流体とディスク２３の表面との粘性による粘性剪断力における周方向成分によって回転エネルギを得ることができ、ディスク２３の内縁側では、翼列２５の各翼２６による流体の流れの方向の変更や翼２６の両側での圧力差により、流体のエネルギのディスク２３の回転エネルギへの変換率を向上させることができる。特に、テスラタービン２０を小型化するときには、効率が低下しやすいことから、ディスク２３の内縁側に翼列２５を設けることの意義がより大きい。これらの結果、小型化に有利でエネルギ効率の高い構成とすることができる、と言える。

実施例のテスラタービン２０では、ディスク２３の各翼２６は、本体部２４から突出して隣のディスク２３の本体部２４に接するものとしたが、隣のディスク２３の本体部２４に接しないものとしてもよい。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、テスラタービンの製造産業などに利用可能である。

２０，２０Ｂテスラタービン、２２，２２Ｂロータ、２３，２３Ｂディスク、２４本体部、２５翼列、２６翼、３０流体供給源、３２ノズル。

Claims

所定間隔毎に複数のディスクが配列されたロータを備え、該複数のディスクの隙間に外周側から流体を供給して該ロータを回転させるテスラタービンであって、
前記ディスクの表面の内縁側にのみ、周方向に沿って、流体の方向を変化させるための翼列が設けられている、
ことを特徴とするテスラタービン。
請求項１記載のテスラタービンであって、
前記翼列は、前記ディスクの内縁から該ディスクの内縁と外縁との中間までの範囲のみに設けられている、
ことを特徴とするテスラタービン。
請求項１または２記載のテスラタービンであって、
前記翼列の各翼は、前記複数のディスクの配列方向に突出して隣の前記ディスクに接するよう形成されている、
ことを特徴とするテスラタービン。
請求項１ないし３のいずれか１つの請求項に記載のテスラタービンであって、
前記翼列の各翼は、前記複数のディスクの配列方向から見て、前記流体の進行方向の下流側に凸となる円弧状に形成されている、
ことを特徴とするテスラタービン。