JP2017519155A - 遠心半径流タービン - Google Patents
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Abstract
本発明は、遠心半径流タービンであって、対応の円周経路に沿って連続して配置されたブレード(14、20)の列によって形成された少なくとも1つの半径流ロータ段(10、11、12、13、16、17、18、19)を支える第1の面(9、15)を有する少なくとも1つの支持ディスク(3、4)を備える、遠心半径流タービンに関する。ディスク(3、4)は、対応のシャフト(5、7)に対して半径方向外側位置かつ半径流ロータ段(10、11、12、13、16、17、18、19)に対して半径方向内側位置に配置された、貫通誘導チャネル(25、28)を有する。対応の貫通誘導チャネル(25、28)に、ディスク(3、4)は、少なくとも1つの対応の軸流ロータ段(27、30)の複数の誘導ロータブレード(26、29)を備える。【選択図】図1
Description
本発明の主題は、電気的エネルギー及び/又は機械的エネルギーを生成するための遠心半径流タービンである。本発明は、タービン内での流体の膨張により流体のエネルギーを変換するように構成された1以上のタービンを通る作動流体の1以上の膨張段階の達成を規定するプロセスの分野にある。好ましいが排他的ではないものとして、本発明は、反転型の遠心半径流膨張タービンに関する。好ましいが排他的ではないものとして、本発明は、蒸気ランキン・サイクル又は有機ランキン・サイクル(ORC)によってエネルギーを生成するための装置内で用いられる膨張タービンに関する。ORC装置では、有機タイプの作動流体が従来の水/蒸気システムの代わりに用いられる。
蒸気又は有機流体の膨張のために用いられる遠心半径流タービンが知られている。
例えば、国際公開第2013/108099号は、半径方向に交互に配置されたロータブレード及びステータブレードの列が設けられた、ランキン・サイクルによる有機流体の膨張のためのタービンを示す。タービン内の蒸気の供給は、正面方向で得られる。高圧側に定められたタービンの第1のセクション内で、作動流体の第1の膨張が実質的に半径方向でもたらされる。低圧側に定められた第2のセクション内で、作動流体の第2の膨張が実質的に軸線方向でもたらされる。ステータブレードは、タービンの外部ケーシングによって支持される。
水蒸気の膨張のために用いられる反転遠心半径流タービンもまた、久しく知られている。
例えば、英国特許出願公開第311586号明細書は、ブレードリングを支える2つの反転するディスクを備えた蒸気タービンを示す。半径方向内側のブレードリングの近傍に、タービン格納ボックス内に設けられた蒸気チャンバから開始してディスクを横切る通路が存在する。蒸気誘導パイプがこのチャンバに接続されている。
ディスクと一体の回転シャフト内に設けられたダクトを通じたディスク間の蒸気の誘導が生じる反転遠心半径流タービンもまた知られている。
このような背景において、出願人は、上述のような既知の遠心半径流タービンを、種々の局面に関して、特にその効率を高めると同時にその構造的強度を向上させるような方式で改善することに気付いた。
出願人は、まず、例えば上記英国特許出願公開第311586号明細書に記載されているようなディスク内に設けられた誘導通路が、第一にディスクそれ自体の構造的脆弱化を引き起こすことに気付いた。実際、このような通路は、タービンの効率最大限にするために、タービンが処理することができる最大流量を通過させることができるようなサイズとしなければならない。しかしながら、通路を通る負荷損失を制限するために、通路通過速度は特定の値(およそ10m/s)を超えることはできないので、低い通過速度であっても所望の流量を得るような面積で通路を設けることが必要であり、かつ知られている。
出願人にはまた、それぞれのディスクと共に回転するこのような通路は、上述のように通過速度を制限したとしても、タービン全体の効率に悪影響を与えるかなりの負荷損失を生じさせるという事実にも気付いた。
出願人はまた、国際公開第2013/108099号の、特に図1及び図2の構成に記載されているような(非反転型)ステータブレード及びロータブレードを有する遠心半径流タービンは、機械の支持シャフトがある側の空間が限られていること、さらに、そうした区画は、この機械及び領域に通常装備されている機械的シール及び軸受などの精密な構成要素に損傷を与えることを避けるために、過度に高熱になることが許されないこと(冷却問題)により、作動流体の挿入に関してかなりの問題を有することに気付いた。
このような背景において、出願人は、従来技術の反転型又はその他の遠心半径流タービンに対して改善された効率を有する、好ましくは反転型であるがそれに限られない遠心半径流タービンを提案するという目的を設定した。
より一般的には、出願人は、従来技術に関して以下の目的/改善の少なくとも1つを設定した。
・ロータブレードとステータブレードとの間(単一ディスク型遠心半径流タービンの場合)又はロータディスク間(反転型遠心半径流タービンの場合)の作動流体の誘導の段階の効率を改善すること。
・1つ又は複数のディスクの構造的強度を高めること。
・ORCサイクルの有機流体の膨張の場合のように高流量であっても作動流体の誘導を単純化すること。
・任意の作動流体(例えば有機流体又は水)で、特に反転型のタービンの使用を可能にすること。
・ロータブレードとステータブレードとの間(単一ディスク型遠心半径流タービンの場合)又はロータディスク間(反転型遠心半径流タービンの場合)の作動流体の誘導の段階の効率を改善すること。
・1つ又は複数のディスクの構造的強度を高めること。
・ORCサイクルの有機流体の膨張の場合のように高流量であっても作動流体の誘導を単純化すること。
・任意の作動流体(例えば有機流体又は水)で、特に反転型のタービンの使用を可能にすること。
出願人は、示した目的、上で列挙した目的の少なくとも1つ及びさらに別の目的を、1つ又は複数のディスクの誘導通路に設けた軸流段により、換言すれば、この通路を、ブレードを有するように形作ることにより、誘導段階を1つ又は複数のディスクを回転させるためにも利用することによって達成することができることに気付いた。
特に、示した目的、上で列挙した目的の少なくとも1つ及びさらに別の目的は、請求項の1つ又は複数の組による遠心半径流タービンによって実質的に達成される。
本発明の態様を以下、例示する。
一態様によれば、本発明は、
固定格納ケースと、
対応の円周経路に沿って連続して配置されたブレードの列によって形成された少なくとも1つの半径流ロータ段を支える第1の面を有する、少なくとも1つの支持ディスクと、
対応の支持ディスクと一体である少なくとも1つの回転シャフトと
を備え、
少なくとも1つの半径流ロータ段が、作動流体のための膨張容積部内に配置され、
少なくとも1つの支持ディスクが、対応の回転シャフトに対して半径方向外側位置かつ少なくとも1つの半径流ロータ段に対して半径方向内側位置に配置された、貫通誘導チャネルを有し、
少なくとも1つの支持ディスクが、貫通誘導チャネルを通って入ってくる作動流体の作用下で、対応の回転シャフトと共に回転軸線を中心に自在に回転する、
遠心半径流タービンにおいて、
少なくとも1つの支持ディスクが、対応の貫通誘導チャネルに、少なくとも1つの対応の軸流ロータ段における複数の誘導ロータブレードを備えることを特徴とする、遠心半径流タービンに関する。
固定格納ケースと、
対応の円周経路に沿って連続して配置されたブレードの列によって形成された少なくとも1つの半径流ロータ段を支える第1の面を有する、少なくとも1つの支持ディスクと、
対応の支持ディスクと一体である少なくとも1つの回転シャフトと
を備え、
少なくとも1つの半径流ロータ段が、作動流体のための膨張容積部内に配置され、
少なくとも1つの支持ディスクが、対応の回転シャフトに対して半径方向外側位置かつ少なくとも1つの半径流ロータ段に対して半径方向内側位置に配置された、貫通誘導チャネルを有し、
少なくとも1つの支持ディスクが、貫通誘導チャネルを通って入ってくる作動流体の作用下で、対応の回転シャフトと共に回転軸線を中心に自在に回転する、
遠心半径流タービンにおいて、
少なくとも1つの支持ディスクが、対応の貫通誘導チャネルに、少なくとも1つの対応の軸流ロータ段における複数の誘導ロータブレードを備えることを特徴とする、遠心半径流タービンに関する。
一態様によれば、本発明は、
固定格納ケースと、
対応の円周経路に沿って連続して配置されたブレードの列によって形成された少なくとも1つの半径流ロータ段を支える第1の面を有する、支持ディスクと、
対応の支持ディスクと一体である回転シャフトと、
対応の円形経路に沿って連続して配置されるとともに少なくとも1つの半径流ロータ段に対して半径方向外側及び/又は半径方向内側位置にあるブレードの列によって形成された、格納ケースに対して固定された少なくとも1つの半径流ステータ段と、
を備え、
膨張容積部が、支持ディスクと格納ケースとの間に画定され
少なくとも1つの支持ディスクが、対応の回転シャフトに対して半径方向外側位置かつ少なくとも1つの半径流ロータ段に対して半径方向内側位置に配置された、貫通誘導チャネルを有し、
少なくとも1つの支持ディスクが、貫通誘導チャネルを通って入ってくる作動流体の作用下で、対応の回転シャフトと共に回転軸線を中心にして自在に回転する、
遠心半径流タービンにおいて、
少なくとも1つの支持ディスクが、対応の貫通誘導チャネルに、少なくとも1つの対応の軸流ロータ段における複数の誘導ロータブレードを備えることを特徴とする、遠心半径流タービンに関する。
固定格納ケースと、
対応の円周経路に沿って連続して配置されたブレードの列によって形成された少なくとも1つの半径流ロータ段を支える第1の面を有する、支持ディスクと、
対応の支持ディスクと一体である回転シャフトと、
対応の円形経路に沿って連続して配置されるとともに少なくとも1つの半径流ロータ段に対して半径方向外側及び/又は半径方向内側位置にあるブレードの列によって形成された、格納ケースに対して固定された少なくとも1つの半径流ステータ段と、
を備え、
膨張容積部が、支持ディスクと格納ケースとの間に画定され
少なくとも1つの支持ディスクが、対応の回転シャフトに対して半径方向外側位置かつ少なくとも1つの半径流ロータ段に対して半径方向内側位置に配置された、貫通誘導チャネルを有し、
少なくとも1つの支持ディスクが、貫通誘導チャネルを通って入ってくる作動流体の作用下で、対応の回転シャフトと共に回転軸線を中心にして自在に回転する、
遠心半径流タービンにおいて、
少なくとも1つの支持ディスクが、対応の貫通誘導チャネルに、少なくとも1つの対応の軸流ロータ段における複数の誘導ロータブレードを備えることを特徴とする、遠心半径流タービンに関する。
一態様によれば、本発明は、
対応の円形経路に沿って第1の配向で連続して配置されたブレードの列により形成された少なくとも1つの半径流ロータ段を支える第1の面を有する、第1の支持ディスクと、
第1の支持ディスクと一体である第1の回転シャフトと、
対応の円形経路に沿って第1の配向と反対の第2の配向で連続して配置されたブレードの列により形成された少なくとも1つの半径流ロータ段を支える第1の面を有する、第2の支持ディスクと、
第2の支持ディスクと一体である第2の回転シャフトと、
を備え、
第1の支持ディスクが、膨張容積部を画定するために第2の支持ディスクに面しており、第1の支持ディスクのブレードが、第2の支持ディスクのブレードと半径方向に交互配置され、
支持ディスクの各々が、対応の回転シャフトに対して半径方向外側位置かつ半径流ロータ段のブレードの列に対して半径方向内側位置に配置された貫通誘導チャネルを有し、
第1及び第2の支持ディスクが、貫通誘導チャネルを通って入ってくる作動流体の作用下で、対応の回転シャフトと共に共通回転軸線を中心として反対方向に自在に回転する、
反転型遠心半径流タービンにおいて、
支持ディスクの各々が、対応の貫通誘導チャネルに、少なくとも1つの対応の軸流ロータ段における複数の誘導ロータブレードを備えることを特徴とする、反転型遠心半径流タービンに関する。
対応の円形経路に沿って第1の配向で連続して配置されたブレードの列により形成された少なくとも1つの半径流ロータ段を支える第1の面を有する、第1の支持ディスクと、
第1の支持ディスクと一体である第1の回転シャフトと、
対応の円形経路に沿って第1の配向と反対の第2の配向で連続して配置されたブレードの列により形成された少なくとも1つの半径流ロータ段を支える第1の面を有する、第2の支持ディスクと、
第2の支持ディスクと一体である第2の回転シャフトと、
を備え、
第1の支持ディスクが、膨張容積部を画定するために第2の支持ディスクに面しており、第1の支持ディスクのブレードが、第2の支持ディスクのブレードと半径方向に交互配置され、
支持ディスクの各々が、対応の回転シャフトに対して半径方向外側位置かつ半径流ロータ段のブレードの列に対して半径方向内側位置に配置された貫通誘導チャネルを有し、
第1及び第2の支持ディスクが、貫通誘導チャネルを通って入ってくる作動流体の作用下で、対応の回転シャフトと共に共通回転軸線を中心として反対方向に自在に回転する、
反転型遠心半径流タービンにおいて、
支持ディスクの各々が、対応の貫通誘導チャネルに、少なくとも1つの対応の軸流ロータ段における複数の誘導ロータブレードを備えることを特徴とする、反転型遠心半径流タービンに関する。
誘導チャネルは、支持ディスクの第1の面及び第1の面の反対側の第2の面の両方に開口し、好ましくは軸線方向に沿って延びる。
ロータブレードは各々、実質的に半径方向に沿って延びる前縁(及び後縁)を有する。前縁は、対応の支持ディスクの第2の面に面する。後縁は、対応の支持ディスクの第1の面に面する。
膨張容積部(支持ディスクとケースとの間、又は反転型の場合は第1の支持ディスクと第2の支持ディスクとの間に設けられる)への作動流体の入口は、支持ディスクの半径方向内側部分に配置された誘導チャネルを通って生じる。
流体は、回転軸線から遠ざかる方向に、移動し、外方に膨張し、上記支持ディスクの半径方向周囲部分において外に出る。
一態様において、誘導チャネルは、誘導ロータブレードによって少なくとも部分的に画定される。
一態様において、隣接する誘導チャネルは、誘導ロータブレードのうちの1つによって隔てられる。
一態様において、誘導チャネル及び誘導ロータブレードは、回転軸線と同軸の少なくとも1つの円形経路に沿って連続的に配置される。
好ましい実施形態において、軸流ロータ段は、支持ディスクに設けられた回転軸線と同軸の環状通路(これはその円形経路に沿って延びる)内に逐次配置された複数のロータブレードを備え、このロータブレードは、環状通路を複数の上記誘導チャネルに分割する。
出願人は、本発明による解決策が、従来技術と比べて支持ディスク上の通路チャネルがより限定された状態でこのようなプロセスを効率的な方式で実行することを可能にする軸線方向膨張段によって、蒸気の導入を可能にすることを立証した。
一態様において、誘導ロータブレードは、それぞれの支持ディスク内に一体に設けられる。これは、支持ディスクのより高い剛率及び構造的強さを保証する。
一態様において、支持ディスク及び関連のロータブレードは、三次元焼結技術(金属及び/又はセラミック粉体から物体を作成する方法)によって得られる。これは、例えば自動車分野における、低電力用途(例えば約5kW〜約50kWの電力用)に適した、限定されたサイズの支持ディスク及びロータブレードを得ることを可能にする。
一態様において、各誘導ロータブレードの半径方向高さと支持ディスクの直径との間の比は、約0.007〜約0.05である。
半径方向高さとは、誘導ロータブレードの半径方向に沿った拡がりを意図する。支持ディスクの直径とは、場合によりディスクの周囲に配置される補助軸流段の補助ブレードを除いた、ディスクの最大直径を意図する。
ロータブレード及び結果として通路チャネルは、支持ディスクのサイズに比べて小さく、その結果、支持ディスクは、従来技術のものに比べてより堅固になる。
一態様において、誘導チャネルを通る流体の軸線方向移動速度は、約35m/s〜約100m/s、好ましくは約40m/s〜約45m/sである。ロータブレードの存在により、誘導チャネルを横切る速度は、従来技術と比べて削減された通路面積で、必要な流量が得られるようなものになっている。
一態様において、タービンは、1つの支持ディスク又は複数の支持ディスクの各々の誘導ロータブレードと隣り合って、かつ、対応の支持ディスクの第1の面の反対側の第2の面の側に配置された、対応の軸流ステータ段の複数の誘導ステータブレードを備える。軸流ステータ段は、対応の軸流ロータ段と共に軸流誘導段を定める。
一態様において、タービンは、1つの支持ディスク又は複数の支持ディスクの各々の誘導ロータブレードと隣り合って、かつ、対応の支持ディスクの第1の面の反対側の第2の面の側に置かれた、複数の固定誘導開口部が設けられた固定部分を備える。
固定誘導開口部は、入口ダクトと流体連通し、場合によっては、固定部分の、対応のディスクと反対側である片側に配置された誘導チャンバと流体連通する。
一態様において、誘導ステータブレードは、固定誘導開口部を画定する。
一態様において、誘導ステータブレードは、固定誘導開口部内に収容される。
一態様において、固定誘導開口部の各々は、少なくとも1つの誘導ステータブレードを収容する。
一実施形態において、軸流ステータ段は、固定部分内に設けられた、1つ又は複数のディスクの回転軸線と同軸の環状通路内に逐次配置された、複数のステータブレードを備え、そのステータブレードは、環状通路を複数の上記固定誘導開口部に分割する。
一実施形態において、固定誘導開口部は、固定部分内に設けられた貫通穴又はスロットであり、その穴又はスロットの各々は、誘導ステータブレードのうちの1つ又は複数を収容する。
一態様において、軸流ロータ段は、作用型(action type)である。したがって、ロータブレードの上流及び下流の流体の静圧は、同じである。
一態様において、軸流ロータ段は、反作用型(reaction type)である。
一態様において、1つ又は複数の支持ディスクは、ディスク上の軸線方向推進力のバランスを取るために、貫通誘導チャネルに対して半径方向内側位置に設けられた補償貫通開口部を有する。
一態様において、タービンは、支持ディスク又は各支持ディスクの第2の面に面した同心の環状チャンバを備える。
一態様において、1つ又は複数の支持ディスクを収容する固定格納ケースは、環状チャンバを画定する、回転軸線と同軸の環状壁を備える。環状チャンバは、一部は支持ディスクにより、一部は環状壁により、一部は、格納ケースと一体の(又はいずれにしてもこれに固定された)、対応の支持ディスクに面したさらなる画定壁により画定される。
一態様において、各支持ディスクは、環状チャンバを画定するために、それぞれの第2の面から突出した、回転軸線と同軸の、環状壁とシール可能に係合する環状付加物を備える。
一態様において、タービンは、各々が環状壁の一端と対応の環状付加物との間に挟まれた、複数の摺動ガスケットを備える。
一態様において、摺動ガスケットは、環状壁の端部に取り付けられ、環状付属物に当接して摺動する。
異なる態様において、摺動ガスケットは、環状付属物に取り付けられて環状壁の端部に当接して摺動することができる。
一態様において、タービンは、支持ディスクに対して、又は支持ディスクの各々に対して半径方向外側の位置に配置された少なくとも1つの付属軸流段を備える。この少なくとも1つの付属軸流段は、作動流体の方向に対して半径流ロータ段の下流に配置される。
一態様において、少なくとも1つの付属軸流段は、支持ディスクの各々の周縁部に位置する、又はこれに直接取り付けられた、複数の付属ロータブレードを備える。
一態様において、少なくとも1つの付属軸流段は、支持ディスクに対して半径方向外側位置に配置された支持要素に固定取付けされた、複数の付属ステータブレードを備える。
一態様において、支持要素は、格納ケースの半径方向外側部分の一部である。
一態様において、支持ディスクの各々は、対応の第1の面から突出した、回転軸線と同軸の、半径流段に対して半径方向外側の位置に配置された付属環状付加物を有する。
一態様において、この環状付加物は、補助ステータブレードの半径方向内側端部を支える半径方向内側リングとシール可能に係合する。
一態様において、タービンは、半径方向内側リングと対応の環状付加物との間に挟まれた摺動ガスケットを備える。
一態様において、タービンは、入口ダクト内に位置する、格納ケースと一体のノーズを備える。
一態様において、ノーズは、支持ディスクの第1の面の反対側の第2の面の側に配置される。
一態様において、ノーズは、固定誘導開口部が設けられた固定部分の一部である。
一態様において、固定誘導開口部、及び、好ましくは、誘導ステータブレードは、ノーズを円周方向に囲んで位置する。
一態様において、タービンは、閉回路であり(そのため作動流体は保守中であっても回路内に留まる)、高分子量の有機流体を用いる、ランキン・サイクル型のエネルギーのコジェネレーションのためのプラントの一部である。
異なる態様において、タービンは、開放サイクル又は閉じたサイクルの蒸気プラントで用いることができる。
さらなる特徴及び利点は、本発明による遠心半径流タービンの好ましいが排他的ではない実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。
このような説明は、以下、非限定的な例としてのみ提供される図面の組を参照して記述される。
図1を参照すると、参照符号1は、本発明による反転遠心半径流式の膨張タービンを全体として示す。
図示した遠心半径流タービン1は、機械的エネルギー及び/又は電気的エネルギーを生成させるための、例えば有機ランキン・サイクル(ORC)型又は蒸気ランキン・サイクル型の装置内で用いることができる。好ましいが排他的ではないものとして、図示した反転遠心半径流タービン1は、低圧用途(例えば、約5kW〜約50kWの電力発生用)で用いられる。
タービン1は、その内部に第1の支持ディスク3及び第2の支持ディスク4を収容した固定格納ケース2を備える。支持ディスク3、4は、支持ケース内で、共通回転軸線「X−X」を中心として各自互いに独立して自在に回転することができる。このような目的で、第1のディスク3は、第1の軸受6によって格納ケース2内に取り付けられたそれぞれの第1の回転シャフト5と一体である。第2のディスク4は、第2の軸受8によって格納ケース2内に取り付けられたそれぞれの第2の回転シャフト7と一体である。
第1の支持ディスク3は、互いに半径方向に連続して配置された複数の半径流ロータ段10、11、12、13を支える第1の面9を有する。半径流ロータ段10、11、12、13の各々は、回転軸線「X−X」と同心の円形経路に沿って列状に配置された複数のブレード14を備える。換言すれば、異なる段10、11、12、13のブレードの円形列は、同心円を形成する。
第2の支持ディスク4は、互いに半径方向に連続して配置された複数の半径流ロータ段16、17、18、19を支える対応の第1の面15を有する。半径流ロータ段16、17、18、19の各々は、回転軸線「X−X」と同心の円形経路に沿って列状に配置された複数のブレード20を備える。換言すれば、異なる段16、17、18、19のブレードの円形列は、同心円を形成する。
第1の支持ディスク3の第1の面9は、第2の支持ディスク4の第1の面15の真向かいに配置され、第1のディスク3のブレード14は、第2のディスク4のブレード20と半径方向に交互配置される。換言すれば、第1の支持ディスク3の半径流ロータ段10、11、12、13は、第2の支持ディスク4の半径流ロータ段16、17、18、19に対して、半径方向に沿って交互配置される。第1の支持ディスク3のブレード14は、第2の支持ディスク4の第1の面15の近傍で終端し、第2の支持ディスク4のブレード20は、第1の支持ディスク3の第1の面9の近傍で終端する。
半径流ロータ段10、11、12、13、16、17、18、19のブレード14、20の各々の前縁及び後縁は、回転軸線「X−X」に対して実質的に平行に延びているので、これらは、遠心半径流式の、すなわち主として回転軸線「X−X」から外側に向かって方向付けられた作動流体の流れの作用下で働くことができるようになっている。
第1の支持ディスク3は、第1の面9の反対側の第2の面21を有し、これが2つの環状付属物(又は突起)22を支える。図3で分かるように、環状付属物22は、回転軸線「X−X」と同軸の同心円を形成する。
第2の支持ディスク4もまた、第1の面15の反対側の第2の面23を有し、これが2つの環状付属物(又は突起)24を支える。第1の支持ディスク3と同様に、第2の支持ディスク4の環状付属物24は、回転軸線「X−X」と同軸の同心円を形成する。
第1及び第2の回転シャフト5、6は、共通回転軸線「X−X」に沿って位置合わせされ、各々対応の支持ディスク3、4の第2の面21、23から反対方向に沿って延びている。
第1の支持ディスク3は、半径流ロータ段10、11、12、13に対して半径方向内側かつその回転シャフト5に対して半径方向外側の領域内に貫通誘導チャネル25を有し、これは、第1の支持ディスク3の厚さを実質的に軸線方向に沿って横切り、第1の面9及び第2の面21の両方で開口する。
図3で分かるように、この貫通誘導チャネル25は、回転軸線「X−X」と同軸の円形経路に沿って配置され、第1の支持ディスク3の半径方向に互いに対向する部分によって画定され、かつ軸流ロータ段27を形成する複数の誘導ロータブレード26によって画定される。換言すれば、軸流ロータ段27は、上述の円形経路に沿って延びる円形開口部により定められ、その中に第1の支持ディスク3の半径方向に互いに対向する部分を接続する誘導ロータブレード26が配置される。
第2の支持ディスク4は、半径流ロータ段16、17、18、19に対して半径方向内側かつその回転シャフト7に対して半径方向外側の領域内に貫通誘導チャネル28を有し、これは、第2の支持ディスク4の厚さを実質的に軸線方向に沿って横切り、第1の面15及び第2の面23の両方の上に開口する。
第1の支持ディスク3と構造的に同一の態様で、この貫通誘導チャネル28は、回転軸線「X−X」と同軸の円形経路に沿って配置され、第2の支持ディスク4の半径方向に互いに対向する部分によって画定され、かつ軸流ロータ段30を形成する複数の誘導ロータブレード29によって画定される。換言すれば、軸流ロータ段30は、上述の円形経路に沿って延びる円形開口部により定められ、その中に第2の支持ディスク4の半径方向に互いに対向する部分を接続する誘導ロータブレード29が配置される。
2つのディスク3、4は、誘導ロータブレード26、29も含めて、例えば三次元焼結技術により、好ましくは単一部材に作られる。
軸流ロータ段27、30の上述のブレード26、29の各々の前縁及び後縁は、実質的に半径方向に(回転軸線「X−X」に対して半径方向に沿って)延びているので、これらは、軸流式の、すなわち主として回転軸線「X−X」と平行に方向付けられた作動流体の流れの作用下で働くことができるようになっている。誘導ブレード26、29の各々の前縁は、それぞれのディスク3、4の第2の面21、23に面し、後縁は、それぞれのディスク3、4の第1の面9、15に面する。
2つの第1の面9、15は一緒に、作動流体の膨張容積部31を画定し、作動流体は、2つの支持ディスク3、4の貫通誘導チャネル25、28を通って膨張容積部31に入り、回転軸線「X−X」から遠ざかる方向に2つのディスク3、4の半径流ロータ段10、11、12、13、16、17、18、19を通って半径方向に膨張し、上述のディスク3、4の半径方向周囲部分から外に出る。
第1のディスク3の半径流ロータ段10、11、12、13のブレード14の向きは、第2のディスク4の半径流ロータ段16、17、18、19のブレード20の向きと反対向きになっているので、作動流体の膨張は、これら2つのディスク3、4の逆向きの回転を生じさせることになる。
好ましくは、各誘導ロータブレード26、29の半径方向高さと、支持ディスク3、4の直径との間の比は約0.007〜約0.050である。図示実施形態において、この比は例えば約0.025に等しい。
膨張タービン1はまた、複数の固定誘導開口部33が設けられた、(格納ケース2に対して)固定された第1の部分32を備え、この誘導開口部33は、第1の支持ディスク3の誘導ロータブレード26と軸線方向に隣り合い、かつ第1のディスク3の第2の面21の側に配置される。第1の固定部分32は、ケース2の一体部分とすることもでき、又はケース2に堅固に取り付けることもできる。図4から分かるように、第1の固定部分32は、回転軸線「X−X」と同軸の環状通路と、この環状通路内に配置されるとともにこれを上述の固定誘導開口部33に分割する複数のステータブレード34と、を有する。ステータブレード34は、実質的に半径方向に(回転軸線「X−X」に対して半径方向に沿って)延びている。ステータブレード34は、軸流ステータ段35を形成し、これがそれぞれの軸流ロータ段27と一緒に、第1の支持ディスク3のための軸流誘導段を定める。
第2の固定部分36は、第2の支持ディスク4の第2の面23に隣接する。第2の固定部分36には、第2の支持ディスク4の誘導ロータブレード29に隣り合う複数の固定誘導開口部37が設けられる。第2の固定部分36は、ケース2の一体部分とすることもでき、又はケース2に堅固に取り付けることもできる。第1の固定部分32と同様に、第2の固定部分36は、回転軸線「X−X」と同軸の環状通路と、この環状通路内に配置されるとともにこれを上述の固定誘導開口部37に分割する複数のステータブレード38と、を有する。ステータブレード38は、実質的に半径方向に(回転軸線「X−X」に対して半径方向に沿って)延びている。ステータブレード38は、軸流ステータ段39を形成し、これがそれぞれの軸流ロータ段30と一緒に、第2の支持ディスク4のための軸流誘導段を定める。
第1の固定部分32は、(固定ディスクと同様に)回転軸線「X−X」から遠ざかる方向に半径方向に延びており、第1の支持ディスク3の環状付属物22の真向かいに配置されたそれぞれの面40を有する。第1の固定部分32のこの面40から、回転軸線「X−X」と同軸の2つの環状壁41(図4参照)が延びている。各環状壁41は、それぞれの環状付加物22のところで、第1の支持ディスク3の第2の面21の近くまで軸線方向に延びている。
図5でより良く見ることができるように、環状付加物22は、それぞれの環状壁41に対して半径方向により内側の位置に配置された状態にあり続ける。環状壁41の端部42は、環状付加物22の近傍に置かれ、端部42と環状付加物22との間に半径方向に挟まれた状態であり続ける摺動ガスケット43を支える。摺動ガスケット43は、環状付加物22と接触してその上で摺動し、作動流体のシールを保証する。
半径方向に連続する環状壁41は、第1の固定部分32の面40及び第1の支持ディスク3の第2の面21と共に、第1の環状チャンバ44を画定する。
第2の固定部分36は、第1の固定部分32と構造的に類似である。それぞれの面46は、第2の支持ディスク4の環状付属物24の真向かいに配置される。この面46から、回転軸線「X−X」に同軸に2つの環状壁47が(環状付属物24と同程度に)延びている。各環状壁47は、それぞれの環状付属物24のところで、第2の支持ディスク4の第2の面23の近くまで軸線方向に延びている。
環状付加物24は、それぞれの環状壁47に対して半径方向により内側の位置に配置された状態であり続ける。図5に示したものと鏡像関係で、環状壁47の一方の端部42は、環状付加物24の近傍に置かれ、端部42と環状付加物24との間に半径方向に挟まれた状態であり続ける摺動ガスケット43を支える。摺動ガスケット43は、環状付加物24と接触してその上で摺動し、作動流体のシールを保証する。
半径方向に連続する環状壁47は、第1の固定部分36の面46及び第2の支持ディスク4の第2の面23と共に、第2の環状チャンバ48を画定する。
図示実施形態において、第1及び第2の固定部分32及び36は両方とも、それぞれの回転シャフト5、7を通すために穴50を有する(図4)。
さらに、支持ディスク3、4は両方とも、貫通誘導チャネル25、28に対して半径方向内側の位置に設けられた補償貫通開口部52を有する。
図示のタービン1はまた、それぞれの支持ディスク3、4に対して半径方向外側の領域に各々が位置する、2つの補助軸流段53を備える。これらの段は構造的に同一であるので、以下、この段53の一方にのみ言及する。
補助軸流段53は、それぞれの支持ディスク3、4の周縁部に取り付けられた複数の補助ロータブレード54と、格納ケース2の半径方向外側部分の一部を構成するとともに支持ディスク3、4に対して半径方向外側に配置された支持要素2aに取り付けられた、複数の補助ステータブレード55とを備える。
補助ロータブレード54は、図3で分かるように、それぞれの支持ディスク3、4の周縁部から半径方向に外側に向かって延びている。補助ステータブレード55は、支持要素56から半径方向に延びて、回転軸線「X−X」に向かって収束している。
補助ステータブレード55の半径方向内側終止端は、半径方向内側リング56によって支えられている。このようなリング56は、それぞれの支持ディスク3、4の周縁部に配置され、その支持ディスク3、4の第1の面9、15に面する。
支持ディスク3、4の各々は、それぞれの第1の面9、15から突出する補助環状付加物57を有し、これは、回転軸線「X−X」と同軸であり、半径流ロータ段10〜13、16〜19に対して半径方向外側の位置にある。
半径方向内側リング56は、補助環状付加物57に対して半径方向外側の位置にあるとともに補助環状付加物57の近傍にあり、この内側リング56と補助環状付加物57との間に半径方向に挟まれた状態であり続ける摺動ガスケットを支える。摺動ガスケットは、補助環状付加物57と接触してその上で摺動し、作動流体のシールを保証する。
格納ケース2は、第1の固定部分32の、それぞれの第1の支持ディスク3の反対側である片側に配置された、第1の誘導チャンバ58を画定する。第1の誘導チャンバ58は、環状であり、第1の固定部分32の固定誘導開口部33に面するとともにこれと流体連通する。第1の誘導チャンバ58はまた、タービン1内で膨張することが意図された作動流体の供給源59(例えば、タービン1の上流に配置された回路)とも流体連通する。格納ケース2は、第2の固定部分36の、それぞれの第2の支持ディスク4の反対側である片側に配置された、第2の誘導チャンバ60を画定する。第2の誘導チャンバ60は、環状であり、第2の固定部分36の固定誘導開口部37に面するとともにこれと流体連通する。第2の誘導チャンバ60は、タービン1内で膨張することが意図された作動流体の供給源59と流体連通する。
使用時、供給源59から来た作動流体は、適切なダクト61を通って誘導チャンバ58、60に入り、ここから固定誘導開口部33、37、固定部分32、36のステータブレード34、38、及び支持ディスク3、4の誘導ロータブレード26、29を通って軸線方向に流れる。誘導チャネル25、28を通る作動流体の速度は、例えば、約40m/s〜約45m/sである。
作動流体は、次に第1及び第2のディスク3、4の半径流ロータ段10〜13、16〜19を通り、その後、補助軸流段53を通って流れる。補助軸流段53から出た作動流体は、次いで、タービン1の下流に配置された回路に向かって格納ケース2によって画定された容積部62(好ましくは渦形室)の中に運ばれる。
図2に示す実施形態は、支持ディスク3を1つだけ有する。図1の反転型タービンについて図示され説明された要素と同様の要素をここで再び詳細に説明はしない。簡潔にするために、これらの要素には同じ参照符号が用いられる。
支持ディスク3は、互いに半径方向に連続して配置された複数の半径流ロータ段10、11、12を支える第1の面9を有する。
第1の面9の真向かいに、互いに半径方向に連続して配置された複数の半径流ステータ段64、65を支える格納ケース2の壁63が配置される。ステータ段64、65の各々は、それぞれの円形経路に沿って連続して配置されたブレード66の列を備える。ステータ段64、65は、ロータ段10、11、12と半径方向に交互配置される。
膨張容積部31は、この実施形態では支持ディスク3と格納ケース2の壁63との間に画定される。
単一の支持ディスク3の構造は、図1の反転型タービンに関して説明し、図示した第1の支持ディスク3と実質的に同じである。
図1の反転型タービンと同様に、図2のタービンは、環状チャンバ44を画定するために、支持ディスク3の第2の面21から延びる環状付属品22の近傍に置かれた端部42を有する2つの環状壁41を有する。
図1の反転型タービンと同様に、図2のタービンもまた、支持ディスク3の周縁部に取り付けられた複数の補助ロータブレード54と、格納ケース2の半径方向外側部分の一部を構成する支持要素56上に固定取付けされた複数の補助ステータブレード55と、を備えた補助軸流段53を備える。
図1の反転型タービンと同様に、図2のタービンもまた、支持ディスク3に設けられるとともに軸流ロータ段27を定める誘導ロータブレード26が設けられた誘導チャネル25を備える。
図1の反転型タービンと同様に、図2のタービンもまた、支持ディスク3の誘導ロータブレード26と軸線方向に隣り合い、ディスク3の第2の面21の側に配置された固定誘導開口部33を備える。固定誘導開口部33は、軸流ステータ段35を定めるステータブレード34を有する。
図1に反転型タービンとは異なり、図2のタービンは、支持ディスク3の第2の面21の側に位置する、回転軸線「X−X」と同軸のノーズ67(例えば、一種の先が尖った要素)を備える。ノーズ67は、周囲で誘導ステータブレード34を支え、軸線方向入口68に向かって方向付けられている。ノーズ67は、軸線方向入口68から入った流れを、それを囲む固定誘導開口部33に向けて偏向させる。
Claims (15)
- 固定格納ケース(2)と、
対応の円周経路に沿って連続して配置されたブレード(14、20)の列によって形成された少なくとも1つの半径流ロータ段(10、11、12、13、16、17、18、19)を支える第1の面(9、15)を有する、少なくとも1つの支持ディスク(3、4)と、
対応の前記支持ディスク(3、4)と一体である少なくとも1つの回転シャフト(5、7)と
を備える遠心半径流タービンであって、
前記少なくとも1つの半径流ロータ段(10、11、12、13、16、17、18、19)が作動流体のための膨張容積部(31)内に配置され、
前記少なくとも1つの支持ディスク(3、4)が、対応の前記回転シャフト(5、7)に対して半径方向外側位置かつ前記少なくとも1つの半径流ロータ段(10、11、12、13、16、17、18、19)に対して半径方向内側位置に配置された貫通誘導チャネル(25、28)を有し、
前記少なくとも1つの支持ディスク(3、4)が、前記貫通誘導チャネル(25、28)を通って入ってくる前記作動流体の作用下で、対応の前記回転シャフト(5、7)と共に回転軸線(X−X)を中心にして自在に回転する、
遠心半径流タービンにおいて、
前記少なくとも1つの支持ディスク(3、4)が、対応の前記貫通誘導チャネル(25、28)に、対応の前記少なくとも1つの軸流ロータ段(27、30)における複数の誘導ロータブレード(26、29)を備えることを特徴とする、遠心半径流タービン。 - 前記誘導チャネル(25、28)は、前記誘導ロータブレード(26、29)によって少なくとも部分的に画定されている、請求項1に記載の遠心半径流タービン。
- 前記誘導ロータブレード(26、29)は、前記少なくとも1つの支持ディスク(3、4)内に一体に設けられている、請求項1又は2に記載の遠心半径流タービン。
- 前記誘導ロータブレード(26、29)の各々の半径方向高さと、前記少なくとも1つの支持ディスク(3、4)の直径との間の比が、約0.007〜約0.05である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の遠心半径流タービン。
- 前記作動流体が前記誘導チャネル(25、28)を通って軸線方向に横切る速度が、約35m/s〜約100m/s、好ましくは約40m/s〜約45m/sである、請求項1〜4のいずれか一項に記載の遠心半径流タービン。
- 前記少なくとも1つの支持ディスク(3、4)の前記誘導ロータブレード(26、29)と隣り合って、かつ、対応の前記支持ディスク(3、4)の前記第1の面(9、15)の反対側の第2の面(21、23)の側に対して配置された、対応の軸流段(27、35、30、39)における複数の誘導ステータブレード(34、38)を備える、請求項1〜5のいずれか一項に記載の遠心半径流タービン。
- 対応の円形経路に沿って連続して配置されるとともに前記少なくとも1つの半径流ロータ段(10、11、12)に対して半径方向外側及び/又は半径方向内側の位置にあるブレード(66)の列によって形成された、前記格納ケース(2)に対して固定された少なくとも1つの半径流ステータ段(63、66)を備え、
前記膨張容積部(31)が、前記支持ディスク(3)と前記格納ケース(2)との間に画定されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の遠心半径流タービン。 - 前記支持ディスク(3)の前記第1の面(9)の反対側の第2の面(21)の側に配置されるとともに入口ダクト(68)内に配置された、前記格納ケース(2)と一体のノーズ(67)を備える、請求項1〜7のすがれか一項に記載の遠心半径流タービン。
- 前記誘導ステータブレード(34)が、前記ノーズ(67)を円周方向に囲んで配置されている、請求項7が請求項6に従属したときの前記請求項に記載の遠心半径流タービン。
- 当該遠心半径流タービンは、反転型であり、第1の支持ディスク(3)及び第2の支持ディスク(4)を備え、
前記第1の支持ディスク(3)が、前記膨張容積部(31)を画定するために前記第2の支持ディスク(4)に面しており、前記第1の支持ディスク(3)の前記ブレード(14)は、前記第2の支持ディスク(4)の前記ブレード(20)と半径方向に交互配置されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の遠心半径流タービン。 - 前記軸流ロータ段(27、30)が作用型である、請求項1〜10のいずれか一項に記載の遠心半径流タービン。
- 前記軸流ロータ段(27、30)が反作用型である、請求項1〜10のいずれか一項に記載の遠心半径流タービン。
- 前記少なくとも1つの支持ディスク(3、4)が、該支持ディスク(3、4)上の軸線方向推進力のバランスを取るために、前記貫通誘導チャネル(25、28)に対して半径方向内側位置に設けられた補償貫通開口部(52)を有する、請求項1〜12のいずれか一項に記載のタービン。
- 1つの前記支持ディスク又は各支持ディスク(3、4)の前記第2の面に面した同心の環状チャンバ(44、48)を備え、
前記少なくとも1つの支持ディスク(3、4)を収容する前記固定格納ケース(2)が、前記環状チャンバ(44、48)を画定する、前記回転軸線(X−X)と同軸の環状壁(41、47)を備える、請求項1〜13のいずれか一項に記載の遠心半径流タービン。 - 請求項1〜14のいずれか一項に記載の遠心半径流タービンを備えた、機械的エネルギー及び/又は電気的エネルギーを発生させるための装置。
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