JP2512795B2

JP2512795B2 - 速度形気体タ―ビンの性能試験装置

Info

Publication number: JP2512795B2
Application number: JP32714988A
Authority: JP
Inventors: 定男佐藤; 善裕仲山; 崇加藤; 栄介多田; 進島本; 秀政山村
Original assignee: NIPPON GENSHIRYOKU KENKYUSHO; Kobe Steel Ltd
Current assignee: NIPPON GENSHIRYOKU KENKYUSHO; Kobe Steel Ltd
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1988-12-23
Publication date: 1996-07-03
Anticipated expiration: 2011-07-03
Also published as: JPH02173324A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は冷凍サイクル（クロードサイクルまたは逆ブ
ライトンサイクル）、密閉ブライトンサイクル等に使用
される速度形気体タービンの性能試験装置に関するもの
である。

〔従来の技術〕

速度形気体タービン（以下、単にタービンという）の
性能試験は、タービンの効率、流量、動力等の性能が設
計通りか否かを確認したり、新規開発による複数案を比
較したり、あるいは機構的機能が運転雰囲気中で満足に
働くか否かを確認したりするために行なわれる。

従来、このタービンの性能試験方式として、（イ）実製品をプラントに据付けた後、本番運転中に、
装備された計測手段によって性能測定する方式（ロ）寸法を相似縮小したモデル・タービンを、プラン
ト規模を小さくしたテストベンチによって試験する方式が提案されている。

しかし、上記（イ）の実製品による本番運転中での試
験方式によると、運転点の変更の自由度や計測手段等に
制約を受けるため、十分なデータが得られないととも
に、地理的、時期的制約もあって実施困難な場合が多
い。また、事前確認や比較選定の必要な新製品の場合に
は適用できない。

また、（ロ）の相似縮小モデル・タービンによる試験
方式の場合も、高温度サイクルや極低温サイクル、高圧
サイクル、特殊ガスサイクル等になると、上記（イ）方
式の場合と同様の制約を受ける。

そこで、従来、実寸法のテスト・タービンを用い、タ
ービン内流れが設計条件と流体力学的および熱力学的に
相似となる範囲で運転条件を設計条件と異ならせ、たと
えば冷凍サイクルに使用される膨張タービンの場合でい
うと、冷凍機の運転動力や流量規模を縮小簡素化し、既
存の冷凍機を使用し得る経済的なテストベンチを作って
試験する等価性能試験方式が採用されている。ここで運
転条件とは、速度比（インペラ入口周速度／流体の断熱
膨張時のタービン出口流速）、タービン入口温度、入口
圧力、膨張圧力比、インペラ周速度をいう。次表に具体
例を示す。

〔発明が解決しようとする課題〕従来、この方式の具体的実施方法としては、表中ケー
スｂ、すなわち、諸条件のうち、速度比とインペラ周速
度を設計値と同等とする運転条件下で試験する方法が採
用されている。

ところが、このケースｂでは、第６図（ロ）に示すよ
うに、タービン速度三角形のうちのインペラの出口速度
三角形が、同図（イ）に示す設計運転状態下でのインペ
ラ出口速度三角形と比較して著しく歪み、またその速度
レベルを表すノズルの出口マッハ数Mcやインペラエクス
デューサの出口マッハ数Mwも設計値と著しく異なる。こ
のことは、ケースｂでの等価運転にあっては、流れの状
態が設計条件と著しく異なっていることを示し、その結
果、測定された効率や動力、流量特性、圧力特性は、設
計で予定した値と異なり、信頼度が悪いものとなる。

なお、第６図中、C₂はインペラ入口での流体の絶対流
速、W₂はインペラ入口でのインペラに対する流体の相対
流速、U₂は同インペラ入口周速度、C₃はインペラ出口で
の流体の絶対流速、W₃はインペラ出口でのインペラに対
する流体の相対流速、U₃は同インペラ出口周速度をそれ
ぞれ示す。

一方、表中のケースｃとして示す方法、すなわち諸条
件のうち、速度比、インペラ周速度、入口温度、膨張圧
力比を設計条件と等しくし、入口圧力のみを異ならせ
て、小流量下で等価試験を行なう方法が考えられる。

この方法によると、第６図（ハ）に示すようにインペ
ラ出口速度三角形が、同図（イ）の設計運転状態下での
インペラ出口速度三角形と全く合同となる。つまり、ノ
ズルの出口マッハ数Mcやインペラエクスデューサの出口
マッハ数Mwも同一となり、結局、タービン効率も設計運
転と同じになる。従って、測定される動力、流量特性、
圧力特性は設計で予定した値と同じとなり、信頼度の高
い試験データを得ることができる。

ところが、このケースｃの方法によると、設計条件に
対して、圧力比は同じで入口圧力は低くするものである
から、タービン出口圧力はさらに低くなり、冷凍サイク
ルの場合でいうとこのタービン出口圧力が冷凍機の吸込
側（低圧側）圧力よりも低くなってしまう。これが、こ
のケースｃを実施する上での障害となる。

そこで本発明は、速度比、インペラ周速度、タービン
入口温度、圧力比を設計条件と同じとし、入口圧力を低
くする上記ケースｃの等価運転方法を実施する上での問
題を解決し、信頼度の高い性能試験を行なうことができ
る速度形気体タービンの性能試験装置を提供するもので
ある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、性能試験されるテスト・タービンの入口側
と、圧縮後の吐出側との間に、駆動流体供給口と吐出口
と吸込口とを備えたエゼクタを、駆動流体供給口が上記
圧縮機の吐出側に、吐出口が上記テスト・タービンの入
口側にそれぞれ接続された状態で設け、かつ、テスト・
タービンから出た低圧気体を上記エゼクタの吸込口に導
く昇圧ラインと、この昇圧ラインからエゼクタに吸入さ
れて昇圧された気体をエゼクタ吐出口から圧縮機の吸込
側に戻す気体戻りラインとを設けてなるものである。

〔作用〕

この構成により、エゼクタが、圧縮機から吐出された
高圧気体を設定タービン入口圧力まで低下させる減圧機
として作用すると同時に、タービン排気を昇圧させる昇
圧機として作用するため、このタービン排気を圧縮機吸
込圧力以上に保つことが可能となる。すなわち、ケース
ｃの等価試験方法を実施する上での問題を解決でき、ケ
ースｃ本来の信頼度の高いタービン性能試験を行なうこ
とができる。

〔実施例〕

本発明の実施例を図によって説明する。

第１図に、本発明をヘリウム冷凍サイクルに適用した
第１実施例を示している。

第１図において、１はヘリウム冷凍機、２は圧縮機、
３は性能試験されるテスト・タービンで、このテスト・
タービン３の入口側3iと、冷凍機１の高圧側1h（圧縮機
２の吐出側2d）との間にエゼクタ４を設けている。

このエゼクタ４は、駆動流体供給口4aと吐出口（ディ
フューザ出口）4bと吸込口4cとを備え、駆動流体供給口
4aを冷凍機１の高圧側1hに、吐出口4bをタービン３の入
口側3iにそれぞれ接続している。

また、テスト・タービン３の出口側3eとエゼクタ４の
吸込口4cとの間に昇圧ライン５を設けるとともに、エゼ
クタ４の吐出口4bと冷凍機１の低圧側１（圧縮機２の
吸込側2s）との間に気体戻りライン６を設けている。

この構成において、圧縮機２で加圧され、冷凍機１で
設計タービン入口温度に冷却されたヘリウムガスは、エ
ゼクタ４で設定タービン入口圧力まで減圧された後、テ
スト・タービン３に入り、膨張減圧される。

ここで、テスト・タービン３の運転条件は、前表中の
ケースｃの条件、すなわち、速度比（0.69）、入口温度
（18K）、膨張圧力比（5.72）を設計条件と同じ値と
し、入口圧力（1.09）を設計値（6.47）よりも小さく設
定する。これにより、タービン流量は、設計流量355g/s
に対して60g/sとなる。また、エゼクタ４の駆動流体供
給内4aへのヘリウムガス供給量は、これらのタービン入
口温度、膨張圧力比、タービン流量に対して、エゼクタ
内での圧力混合に伴う熱力学な平衡が得られるためには
135g/sが必要である。

なお、エゼクタ４の運転条件は、第１図中に示してい
る。

この運転条件下で、テスト・タービン３の出口圧力
は、入口圧力（1.09）と圧力比（5.72）とに基づき大気
圧以下となって、圧縮機吸込圧力（大気圧近辺）より小
さくなる。

このタービン排気は、昇圧ライン５に入り、エゼクタ
４の混合室4dに発生する負圧により混合室4d内に吸入さ
れ、ここで冷凍機１側から供給される駆動ヘリウムガス
と混合、昇圧された後、吐出口4bから吐出される。

そして、このエゼクタ４から出たヘリウムガスの一
部、すなわちエゼクタ駆動供給相当量のヘリウムガスが
気体戻りライン６を通って冷凍機１の低圧側１（圧縮
機２の吸込側2s）に戻される。

このように、ヘリウムガス圧力を設定タービン入口圧
力まで減圧するエゼクタ４を、同時に、タービン排気を
昇圧させる昇圧機として機能させることにより、戻りヘ
リウムガスの圧力を圧縮機吸込圧力まで高めることがで
きる。すなわち、テスト・タービンの速度比、インペラ
周速度入口温度、膨張圧力比を設計値と同じとし、入口
圧力のみを設計値よりも小さくするので、テスト・ター
ビンを設計圧力で運転するケースａの場合に必要となる
運転動力および流量よりも充分に小さい規模の冷凍設備
により等価性能試験を行なうケースｃの方法を実施する
ことが可能となる。これにより、第６図（ハ）に示すよ
うに、インペラ出口速度三角形が、同図（イ）の設計運
転状態下でのインペラ出口速度三角形と全く合同とな
り、信頼度の高い試験データを得ることができる。

ところで、エゼクタ４における駆動流体供給量m₁と減
圧運転時の吸込口4cからの吸入量、すなわちタービン流
量m₂の比が大きいほど、冷凍機１の能力は小さくてよ
い。反面、テスト・タービンの膨張圧力比が著しく大き
い場合には、この流量比（m₂／m₁）を大きくすると、エ
ゼクタ４の特性として、昇圧能力（＝テスト・タービン
３の出入口間圧力差）は低下し、タービンの圧力比を所
定の値に保つことができなくなることがある。

そこで、第２図に示す第２実施例では、流量比（m₂／
m₁）を大きくしながら、エゼクタ４の昇圧能力を保つ手
段として、極低温排気ブロワ７を備えた補助昇圧ライン
８を、エゼクタ吸込口4cに接続される主昇圧ライン５か
ら分岐して設け、テスト・タービン３から出たヘリウム
ガスを、エゼクタ４と排気ブロワ７とで分担して昇圧さ
せた後、気体戻りライン６に合流させるようにしてい
る。

一方、第３図に示す第３実施例では、第２実施例の変
形例として、極低温排気ブロワ７をタービン出口3eとエ
ゼクタ吸込口4cとを結ぶ昇圧ライン５中に設けている。

ただし、ここで用いる排気ブロワ７は、機体内に高速
回転部分や駆動モータを内蔵し、しかもそれらを極低温
度で動作するように構成されなければならないので、本
発明が対象とする性能試験用に製作することは経済性、
複雑さにおいてエゼクタ４に比肩しえない。従って、排
気ブロワ７は、利用可能な排気ブロワが現に存在する場
合に、エゼクタ４の補助として用いる。

次に、第４図に示す第４実施例では、高温密閉のブラ
イトンサイクル用タービンの試験装置を構成している。

図中、10は圧縮機、11は再生熱交換器、12は外熱式燃
焼器で、再生熱交換器11と外燃式燃焼器12との間にエゼ
クタ４を設け、テスト・タービン13の出口側13eとエゼ
クタ吸込口4cとを昇圧ライン５で接続するとともに、エ
ゼクタ４の吐出口4bと再生熱交換器11の低圧側11とを
気体戻りライン６で接続している。

このブライトンサイクル用タービンの試験装置によっ
ても、前記冷凍サイクル用タービンの試験装置の場合と
同様の効果を得ることができる。また、エゼクタ４によ
る減圧ループとすることで、テスト・タービンを設計入
口圧で運転するケースａよりも外燃式燃焼器12の燃料消
費量および圧縮機10の動力の節減を図ることができる。

さらに、第５図には上記第４実施例の変形例として、
第４実施例の再生熱交換器11に相当する第１再生熱交換
器14とエゼクタ４との間に第２再生熱交換器15を設け、
タービン排気を第２再生熱交換器15に通した後、エゼク
タ４の吸込口4cに供給するようにしている。他の構成は
第４実施例と同様である。なお、第５図中、14hは第１
再生熱交換器14の高圧側、14lは同低圧側である。

この第５実施例によると、タービン排熱を回収しうる
ため、駆動供給ガスの温度を高めてエネルギレベルを高
める（流量比m₂／m₁が大きくなるように改善する）こと
ができるとともに、エゼクタ４の吸込口ガス温度を低下
させるうることにより、エゼクタ４の昇圧能力を高める
ことができる。

〔発明の効果〕

上記のように本発明によるときは、圧縮機からの高圧
気体をエゼクタにより減圧してテスト・タービンの入口
に供給し、テスト・タービンから出た低圧気体をエゼク
タにその吸込口から吸入し昇圧させた後、圧縮機吸込側
に戻す構成としたから、ケースｃ、すなわち、速度比、
入口温度、圧力比を設計値と等しくし、入口圧力を設計
値よりも小さくして、運転動力や流量規模を縮小簡素化
したテストベンチによる等価性能試験方法を実施するこ
とが可能となる。これにより、インペラ出口速度三角形
が設計運転時のインペラ出口速度三角形と全く合同とな
る運転条件下で、信頼度の高い試験結果を得ることがで
きる。

また、圧縮機からの高圧気体を設定タービン入口圧力
に減圧し、かつタービン排気を圧縮機吸込側圧力まで昇
圧させる減圧兼昇圧手段としてエゼクタを採用するた
め、構造が簡単ですむとともに、動力が少なくてすむ。
このため、エゼクタの代わりにたとえば排気ブロワを用
いる場合と比較して、きわめて低コストで製作でき、か
つ経済的な試験を実施できる。さらに、エゼクタは回転
部が一切ないため、極低温や高温で運転されるタービン
の等価試験を故障なく、高い信頼度で行なうことができ
る。また、エゼクタの運転方法の点でも、ブロワの運転
に比して圧力、温度の制御を安定かつ容易に行なうこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例、第２図は同第２実施例、
第３図は同第３実施例、第４図は同第４実施例、第５図
は同第５実施例をそれぞれ示すフローシート、第６図
（イ）は設計運転状態、（ロ）（ハ）は異なる二ケース
の等価運転状態下でのタービン速度三角形を示す図であ
る。１…冷凍サイクルの冷凍機、1h…同冷凍機の高圧側、１
…同低圧側、２…圧縮機、2d…同圧縮機の吐出側、2s
…同吸込側、３…テスト・タービン、3i…同タービンの
入口側、3e…同出口側、４…エゼクタ、4a…エゼクタの
駆動流体供給口、4b…同吐出口、4c…同吸込口、５…昇
圧ライン、６…気体戻りライン、10…ブライトンサイク
ルの圧縮機、11…再生熱交換器、11…同再生熱交換器
の低圧側、11h…同高圧側、12…外燃式燃焼器、13…テ
スト・タービン、13i…同タービンの入口側、13e…同出
口側。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者多田栄介茨城県那珂郡那珂町向山字中原801番地の１日本原子力研究所那珂研究所内 (72)発明者島本進茨城県那珂郡那珂町向山字中原801番地の１日本原子力研究所那珂研究所内 (72)発明者山村秀政茨城県那珂郡那珂町向山字中原801番地の１日本原子力研究所那珂研究所内

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】性能試験されるテスト・タービンの入口側
と、圧縮機の吐出側との間に、駆動流体供給口と吐出口
と吸込口とを備えたエゼクタを、駆動流体供給口が上記
圧縮機の吐出側に、吐出口が上記テスト・タービンの入
口側にそれぞれ接続された状態で設け、かつ、テスト・
タービンから出た低圧気体を上記エゼクタの吸込口に導
く昇圧ラインと、この昇圧ラインからエゼクタに吸入さ
れて昇圧された気体をエゼクタ吐出口から圧縮機の吸込
側に戻す気体戻りラインとを設けてなることを特徴とす
る速度形気体タービンの性能試験装置。