JP2995368B2

JP2995368B2 - 制動ファン付膨張タービン

Info

Publication number: JP2995368B2
Application number: JP4240853A
Authority: JP
Inventors: 哲朗松本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1992-09-09
Filing date: 1992-09-09
Publication date: 1999-12-27
Anticipated expiration: 2014-12-27
Also published as: JPH0694318A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヘリウム液化・冷凍装
置に付設された制動ファン式膨張タービンに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】ヘリウム液化・冷凍装置には、通常膨張
タービンが付設されている。そして、この膨張タービン
は、ヘリウムの温度を低下させるためにヘリウムの断熱
膨張仕事を利用して回転力が引き出されるように構成さ
れている。

【０００３】このような膨張タービンには通常制動ファ
ンが設けられている。制動ファンは、膨張タービンに設
けられた回転シャフトに、インペラに対向して設けら
れ、インペラの回転を抑制し制御する用に供される。

【０００４】図７は上記のような膨張タービンの一例を
示す断面説明図である。この図に示すように、ヘリウム
液化冷凍機に使用される膨張タービン１０は、回転シャ
フト２の一端に固設されたインペラ２１と、上記回転シ
ャフト２の他端に設けられた制動ファン２２と、それら
を内装するケーシング３とから基本構成されている。

【０００５】ケーシング３のインペラ２１に対応した部
分には、断熱膨張用として用いられるヘリウムを膨張タ
ービン１０内に導入するための入口ノズル３１が設けら
れ、さらにこの入口ノズル３１の下流側には前室３２が
設けられている。この前室３２の下流側にはインペラ２
１の外周部に対向した噴出ノズル３３が設けられてお
り、インペラ２１の下流側には後室３４が設けられてい
る。

【０００６】そして、上記入口ノズル３１を介して膨張
タービン１０に導入されたヘリウムは、前室３２を経由
して噴出ノズル３３およびインペラ２１からなるタービ
ン部で膨張仕事をし、温度および圧力が低下し、後室３
４を経由して後流側に流出する。この膨張仕事は、イン
ペラ２１から回転シャフト２を経由して制動ファン２２
に回転エネルギーとして伝えられる。

【０００７】一方、上記ケーシング３内の制動ファン２
２が設けられている部分には、仕切壁の役目を果たす環
状の案内筒３６の先端部が、制動ファン２２の回転周面
に対向するように設けられ、上記案内筒３６の外周面と
ケーシング３の内壁面とで囲まれた空間に環状の第一室
３５が形成されるとともに、案内筒３６の内周面とケー
シング３の内壁面とで囲まれた空間に第二室３７が形成
されている。これら第一および第二室３５、３７にはヘ
リウムガスが封入されている。

【０００８】そして、上記第一室３５と第二室３７と
は、循環経路４によって連通されており、結局第一室３
５、循環経路４および第二室３７によって封入されたヘ
リウムガスが循環移動する閉通路が形成されている。こ
の循環経路４には上記ヘリウムガスを冷却するための熱
交換器４２およびヘリウムガスの流量を制御するための
速度制御弁４１が設けられている。

【０００９】従って、上記入口ノズル３１を介して膨張
タービン１０内に導入されたヘリウムによってインペラ
２１が回転すると、その回転は回転シャフト２を介して
制動ファン２２に伝達され、この制動ファン２２の回転
によって封入されたヘリウムガスは第一室３５、循環経
路４および第二室３７と循環移動することになる。

【００１０】上記のような制動ファン２２が設けられる
理由は以下の通りである。すなわち、インペラ２１が回
転エネルギーとして吸収したエネルギーを、制動ファン
２２で循環経路内に封入されたヘリウムガスに伝え、こ
のエネルギーを循環経路４に設けられた熱交換器４２で
被熱交換物質（具体的には冷却水）に熱として伝達して
系外に放出することによって、インペラ２１の回転を抑
制し制御するのである。具体的には上記速度制御弁４１
によって循環経路４内を循環移動しているヘリウムガス
の流量を制御することによって、インペラ２１の回転数
を制御するように構成されている。

【００１１】ところで、膨張タービン１０を起動すると
きの起動温度（Ｔａ）は、膨張タービン１０の運転が定
常状態になった定格温度（Ｔｂ）よりも格段に高いのが
通常である。

【００１２】一方膨張タービン１０に対する上記ヘリウ
ムの入口圧力および出口圧力がともに、上記温度の変化
に拘らず変化がないと仮定すると、タービンの吸収動力
（Ｌｔ）と、タービン効率（η）および上記入口温度
（Ｔ）との間には、Ｌｔ＝η（Ｔ）¹／² という関係が成立しているため、定格温度（Ｔｂ）が１
５Ｋである膨張タービン１０を、３００Ｋの初期の起動
温度（Ｔａ）で運転した場合には、（η（３００）¹／²）÷（η（１５）¹／²）＝（３００／１５）¹／²＝４．５となり、タービンの吸収動力（Ｌｔ）は定格温度におけ
る運転時の４．５倍にも達する。一方制動ファン循環経
路４の圧力と温度に変化がない場合は、タービン回転数
（Ｎ）とタービンの吸収動力（Ｌｔ）との間には、Ｎ＝
α（Ｌｔ）¹/³（但しαは比例定数）という関係が成立
する。従って、タービンの吸収動力（Ｌｔ）が４．５倍
になると、タービンの回転数は１．６５倍になる。

【００１３】このような膨張タービン１０の許容回転数
を越えた回転がインペラ２１に起らないようにするた
め、および定格温度による定常運転が行われているとき
にはタービン効率を最大にする回転数に調節するため
に、従来から制動ファン２２が設けられているのであ
る。

【００１４】すなわち、膨張タービン１０に供給される
ヘリウムの温度が高いときには、上記循環経路４に設け
られた速度制御弁４１を全開にして循環経路４内に封入
されているヘリウムの流量を多くし、その結果制動ファ
ン２２の回転を鈍らせ、過回転にならない範囲内で膨張
タービン１０への入口圧力を昇圧調節し、上記温度が低
下してくるにつれ、やはり過回転にならないように注意
しながら膨張タービン１０への入口圧力をさらに漸増さ
せ、ヘリウムの温度が定格温度（Ｔｂ）近辺まで到達し
た段階で圧力を定格圧力に設定し、最後に上記速度制御
弁４１を絞ってタービン効率が最大になるようにインペ
ラ２１の回転数を調節するという起動時の運転方法が採
用されている。

【００１５】図８は速度制御弁４１の開度とタービン回
転数との関係を例示したグラフである。この図に示すよ
うに、制御弁の開度とタービン回転数との間には反比例
の関係が存在しているのが判る。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な膨張タービン１０においては、以下の理由からタービ
ンの過回転（すなわちインペラ２１の過回転）に対する
制動能力範囲の広い制動機構が要求される。

【００１７】（ａ）膨張タービン１０が起動してから定
常運転になるまでのヘリウムの予冷時間を短縮するため
に、予冷運転中には膨張タービン１０でできるだけ多量
の寒冷を発生させることが望まれるが、このとき、膨張
タービン１０が過回転になってはならない。

【００１８】（ｂ）膨張タービン１０は、液化機として
使用される場合と、冷凍機として使用される場合とがあ
る。従って一台の膨張タービン１０で上記液化機および
冷凍機両用の機能を備えることが要求され（液化機とし
て使用されるときの方が、冷凍機として使用されるとき
よりもタービン入口温度は高い）、いずれとして使用さ
れるかによってタービン効率が最大になるタービン回転
数が異なる。

【００１９】しかしながら、上記図７に示すような循環
経路４に設けられた速度制御弁４１を制御するだけで
は、前述の（ａ）および（ｂ）の要求を双方ともに満足
するように膨張タービン１０のインペラ２１の回転数を
抑止するのは難しい。

【００２０】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたものであり、簡単な構成でインペラの過
回転を有効に抑止することができ、かつ制動能力範囲の
広い制動ファン付膨張タービンを提供することを目的と
している。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
制動ファン付膨張タービンは、ケーシング内に回転シャ
フトが内装され、この回転シャフトの両端にインペラと
制動ファンとが設けられ、上記インペラに供給される寒
冷媒体の断熱膨張仕事によってインペラが回転され、こ
のインペラに連動した上記制動ファンは循環経路に封入
された制動用ガスを上記循環経路内で循環移動させ、循
環経路に設けられた制御弁の開度を制御して上記制動用
ガスの循環移動量を調節することによって上記インペラ
の回転を制動するように構成された制動ファン付膨張タ
ービンにおいて、上記ケーシング内には上記制動ファン
の外周面の一部に先端部が対向した仕切壁としての案内
筒が設けられ、この案内筒によって仕切られたケーシン
グ内の空間はそれぞれ循環経路の入口および出口に連通
され、上記案内筒の先端部には制動ファンから吐出され
る制動用ガスの吐出量を抑制する絞り片が突設されてい
ることを特徴とするものである。

【００２２】本発明の請求項２記載の制動ファン付膨張
タービンは、請求項１記載の制動ファン付膨張タービン
において、上記絞り片の突出量は可変に構成されている
ことを特徴とするものである。

【００２３】本発明の請求項３記載の制動ファン付膨張
タービンは、ケーシング内に回転シャフトが内装され、
この回転シャフトの両端にインペラと制動ファンとが設
けられ、回転シャフトと同心で、上記インペラの入口側
外方に位置し、この回転シャフトの一端部に軸方向にの
み互いに相対移動可能に環状の第一側壁および第二側壁
が設けられ、上記第一側壁および第二側壁のいずれか一
方の壁面には周方向に適宜間隔で複数のノズル翼が配設
され、かつ上記第一側壁および第二側壁のうちのノズル
翼を設けない方にはこのノズル翼が貫通して摺動できる
長孔が上記ノズル翼と同数だけ穿設され、これら第一側
壁および第二側壁の外方を包囲するように上記ケーシン
グは設定され、このケーシングにはノズル翼の端面に対
向する環状端面が設けられ、上記第一側壁と第二側壁と
の間に流路断面積調節可能な入口流路が形成され、上記
第二側壁またはケーシングのいずれか一方の内周部分は
断面形状がＬ形を形成するように設定され、上記第二側
壁と上記環状端面との間に中間圧力室が形成された可変
容量式膨張タービンにおいて、上記回転シャフトの他端
部に制動ファンが設けられ、この制動ファンの外周側面
に先端部が対向した仕切壁としての案内筒が設けられ、
この案内筒によって仕切られた空間はそれぞれ循環経路
の入口および出口に連通され、上記案内筒は回転シャフ
トの延びる方向に前後動可能に構成されていることを特
徴とするものである。

【００２４】

【作用】上記請求項１記載の制動ファン付膨張タービン
によれば、案内筒の先端部には制動ファンから吐出され
る制動用ガスの吐出量を抑制する絞り片が突設されてい
るため、この絞り片の突設量を予め任意に設定すること
によって、容易に所望の制動性能を得ることができる。

【００２５】また、この絞り片は案内筒の先端部に堰状
で環状に突出させたものであるため、この絞り片の突出
量を予め設定値よりも長めに形成させておけば、その先
端部を削り取るのは容易であり、現地合わせで上記先端
部を適切に切削し、所望の制動性能が得られるようにす
ることが可能である。

【００２６】上記請求項２記載の制動ファン付膨張ター
ビンによれば、上記絞り片の突出量は可変に構成されて
いるため、この突出量を変化させることによって、突出
量固定式では到底達成することができなかった制動能力
範囲を格段に拡大することが可能であり、多くの運転状
況に適正かつ容易に対応することができる。

【００２７】上記請求項３記載の制動ファン付膨張ター
ビンは、いわゆる容量可変式膨張タービンを対象とした
ものであり、このような容量可変式膨張タービンにおい
ては、通常の膨張タービンよりも広範囲に変化する負荷
で運転されるものであり、従って、それに対応してター
ビン効率を高水準で維持することが望まれる。

【００２８】そして、この請求項３記載の制動ファン付
膨張タービンによれば、他端部にインペラの設けられた
回転シャフトの一端部に制動ファンが設けられ、この制
動ファンの外周側面に先端部が対向した仕切壁としての
案内筒が設けられ、この案内筒によって仕切られた空間
はそれぞれ循環経路の入口および出口に連通され、上記
案内筒は回転シャフトの延びる方向に前後動可能に構成
されているため、この前後動を案内筒に行わせることに
よって制動能力範囲を格段に拡大することができ、上記
可変容量式膨張タービンの広範な負荷の変動に容易に対
応することができる。

【００２９】

【実施例】図１は本発明に係る膨張タービンの断面説明
図であり、図２はその部分拡大図である。本実施例にお
いてはヘリウム液化冷凍装置に使用される膨張タービン
１が適用されている。まず図１に示すように、膨張ター
ビン１は、回転シャフト２の一端に固設されたインペラ
２１と、上記回転シャフト２の他端に設けられた制動フ
ァン２２と、それらを内装するケーシング３とから構成
されており、ケーシング３のインペラ２１に対応した部
分には、断熱膨張用として用いられるヘリウムを膨張タ
ービン１内に導入するための入口ノズル３１が設けられ
ている。

【００３０】この入口ノズル３１の下流側には前室３２
が設けられ、この前室３２の下流側にインペラ２１の外
周部に対向した噴出ノズル３３が設けられている。イン
ペラ２１の下流側にはタービン出口に続く後室３４が設
けられている。

【００３１】上記入口ノズル３１を介して膨張タービン
１に導入されたヘリウムは、前室３２を経由して噴出ノ
ズル３３およびインペラ２１からなるタービン部で膨張
仕事をし、温度および圧力が低下し、後室３４を経由し
て後流側に流出する。この膨張仕事は、インペラ２１か
ら回転シャフト２を経由して制動ファン２２に回転エネ
ルギーとして伝えられる。

【００３２】一方、回転シャフト２の他端部には制動フ
ァン２２が設けられている。ケーシング３内の制動ファ
ン２２が設けられている部分には、仕切壁の役目を果た
す環状の案内筒３６が設けられている。この案内筒３６
は、筒状の円筒部３６ａとその基端側に形成された鍔部
３６ｂとから構成され、鍔部３６ｂの外周縁部がケーシ
ング３の制動ファン２２部分の内周面に当接した状態で
ケーシング３の内部に固設されている。

【００３３】そして、円筒部３６ａの先端の内周面は制
動ファン２２の先細りに形成された回転周面に対向する
ように寸法設定されている。このような円筒部３６ａの
先端部にさらにリング状の絞り片３６ｃが設けられてい
る。この絞り片３６ｃは、制動ファン２２の先細りの傾
斜が形成されていない根本部分の外周縁部にまで到達す
るように延設されている。

【００３４】上記案内筒３６の円筒部３６ａの外周面
と、鍔部３６ｂと、ケーシング３の内壁面とで囲まれた
空間に制動ファン２２部分の環状の第一室３５が形成さ
れ、円筒部３６ａの内周面と、ケーシング３の内壁面お
よび垂直壁面とで囲まれた空間に制動ファン２２部分の
第二室３７が形成されている。これら第一および第二室
３５、３７には制動用のヘリウムガスが封入されてい
る。

【００３５】そして、上記第一室３５と第二室３７と
は、循環経路４によって連通されている。この循環経路
４には上記ヘリウムガスを冷却するための熱交換器４２
およびヘリウムガスの流量を制御するための速度制御弁
４１が設けられている。すなわち、第一室３５、循環経
路４および第二室３７によって、封入されたヘリウムガ
スが循環移動する閉通路が形成されているのである。従
って、入口ノズル３１を介して膨張タービン１に導入さ
れたヘリウムはタービン部で膨脹仕事をし、この仕事は
インペラ２１および回転シャフト２を経由して制動ファ
ン２２に回転エネルギーとして伝達される。

【００３６】そして、制動ファン２２の回転によって矢
印で示すように密封された制動用のヘリウムガスは、制
動ファン２２、第一室３５、循環経路４、第二室３７、
制動ファン２２と循環移動し、制動ファン２２の回転の
エネルギーは制動用ヘリウムの循環移動の運動エネルギ
ーおよび熱エネルギーとなって上記ヘリウムに伝達され
るため、このエネルギーの伝達によって、インペラ２１
の回転に対する制動効果が得られる。

【００３７】循環経路４に設けられた熱交換器４２は、
上記エネルギーの伝達によって上昇したヘリウムの温度
を低下させるためのものであり、速度制御弁４１は、そ
の開度によってヘリウムの循環流量を調節するためのも
のである。速度制御弁４１の開度を絞ると、ヘリウムが
循環移動する抵抗が増大するため、制動能力が低下し、
タービンの回転数は高くなる。逆に速度制御弁４１の開
度を大きくすると、上記抵抗が減少するため制動能力は
上昇し、タービンの回転数は低くなる。

【００３８】このような膨張タービン１において、本実
施例では、案内筒３６の円筒部３６ａ先端にはリング状
の絞り片３６ｃが回転シャフト２方向に突設されている
ため、この絞り片３６ｃによって制動用ヘリウムの移動
抵抗は増大し、制動効果は絞り片３６ｃが設けられてい
ない状態よりも小さくなっている。

【００３９】図３は、速度制御弁の開度とタービン回転
数との関係を示すグラフである。まず曲線ａは、先に従
来技術で説明した図８に示す曲線と同じものであり、案
内筒３６の先端部には絞り片３６ｃが設けられていない
場合を表している。速度制御弁４１の開度とタービン回
転数との間には反比例の関係が存在し、速度制御弁４１
が許容最小開度のときにはタービン回転数はＮ₂である
が、速度制御弁４１の開度が大きくなるに従って制動効
果が大きくなり、タービン回転数は漸減し、上記開度が
全開となった時点で回転数はＮ₁になる。

【００４０】これに対して、本実施例の場合は、案内筒
３６の先端にさらに絞り片３６ｃが設けられ、制動用ヘ
リウムの移動抵抗は上昇しているため、ヘリウムの移動
流量は減少し、その分制動効果は減少するから、同図の
曲線ｂに示すように速度制御弁４１が許容最小開度のと
きはタービン回転数は上記Ｎ₂よりも大きいＮ₂’になっ
ており、同様に速度制御弁４１が全開の場合でもタービ
ン回転数は上記Ｎ₁よりも大きいＮ₁’になっている。な
お、このようにタービン回転数が大きくなっても、回転
シャフト２の振動が起らなかったことは実験的に確認さ
れている。

【００４１】ところで、本実施例の絞り片３６ｃは、案
内筒３６の円筒部３６ａ先端にリング状に突設されたも
のであるため、その突出量を少なくするための切削加工
は極めて容易である。従って、実際に所望される制動性
能が得られるように、あらかじめ大きめに絞り片３６ｃ
をつくっておき、現地合わせで絞り片３６ｃを削り取っ
て上記突出量を適正に調節することは可能であり、結局
タービンの回転数の制動能力の調節可能な範囲は、従来
のＮ₁〜Ｎ₂からＮ ₁ ′〜Ｎ₂′に変更され、一般的にバラ
ツキの多い実機の特性に合致させ、容易に所望の制動性
能を得ることができ好都合である。

【００４２】図４は、本発明に係る膨張タービン１の他
の例を示す部分拡大断面説明図である。この図に示すよ
うに、この例の場合は案内筒３６の円筒部３６ａの先端
部に設けられた絞り片３６ｃに対向してケーシング３に
環状の第二絞り片２３が突設されている。そしてこの第
二絞り片２３の先端部と上記絞り片３６ｃの先端部との
間に形成された間隙を、制動ファン２２によって循環移
動させられる制動用のヘリウムが通過するようになって
いる。

【００４３】このように、ケーシング３側に第二絞り片
２３を設けた理由は、制動能力を大幅に低減する必要が
ある場合、案内筒３６の先端に設けられた絞り片３６ｃ
の突出量を増加させるだけであれば、循環移動するヘリ
ウムガスの流れの状態を望ましいものにすることが難し
く、その結果回転シャフト２が振動したりして安定運転
を阻害することがあるためである。上記第二絞り片２３
を設けることにより、操業の安定性をも確保することが
でき好都合である。

【００４４】図５は、本発明に係る膨張タービン１のさ
らに他の例を示す部分拡大断面説明図である。この図に
示すように、この例の場合は案内筒３６がケーシング３
内で回転シャフト２方向に移動可能になっている。その
ためにケーシング３の側壁３ａの内面からガイド筒３８
が制動ファン２２の方向に突設され、このガイド筒３８
の外周面に摺動可能に案内筒３６が嵌合されている。

【００４５】ガイド筒３８の先端部は制動ファン２２の
先細りの外周面に所定の間隔を保って対向しており、上
記間隔で制動用ヘリウムガスの循環経路の一部が形成さ
れている。また、ガイド筒３８の基端部には連通孔３７
ａが設けられ、この孔を通って制動用のヘリウムガスは
循環移動するようになっている。

【００４６】そして、ケーシング３の側壁３ａを貫通し
て駆動ロッド５１が設けられ、この駆動ロッド５１の先
端部は案内筒３６の鍔部３６ｂに結合されるとともに、
駆動ロッド５１の基端部は駆動装置５に連結されてい
る。駆動装置５は駆動ロッド５１を回転シャフト２方向
に前後動させるためのものである。

【００４７】なおこの例の場合は、案内筒３６の先端に
特に絞り片３６ｃは設けられておらず、円筒部３６ａの
先端部が絞り片３６ｃの役割を果たしている。但し絞り
片３６ｃを設けてもよい。

【００４８】この実施例は以上のように構成されている
ので、上記速度制御弁４１の調節と併用し、駆動装置５
を駆動させて案内筒３６をガイド筒３８上で移動させ、
円筒部３６ａの先端のガイド筒３８に対する突出量を調
節することによって、実質的に図３のグラフに例示する
タービン回転数をＮ₁〜Ｎ₂’の範囲で制御することが可
能である。従って、膨張タービン１の立上りの予冷運転
時には同図のＡ点で運転し、その後はＢ点までの範囲で
最適回転数を適正に選択することができる。

【００４９】なお、膨張タービン１が液化機と冷凍機と
の両方の用途で選択使用される場合には、冷凍機運転の
方が液化機運転の場合よりも寒冷のタービン入口温度は
低くなるため、冷凍機の定格運転時は図３のグラフのＢ
点の近傍で運転し、液化機の定格運転は同グラフのＡ’
点で運転し、予冷運転はＡ点で運転するようにすればよ
く、そうすることによって定格運転時に効率最大点付近
での運転が可能になり好都合である。さらに、予冷運転
中にはタービンが定格運転時以上の仕事をする（すなわ
ち定格以上の寒冷を発生する）ため、予冷時間も短縮す
ることができる。

【００５０】なお、図５においては、駆動装置５はケー
シング３の外部に設けられているが、ケーシング３の内
部に設けてもよい。

【００５１】図６は容量可変式膨張タービンに本発明を
適用した例を示す断面説明図である。容量可変式膨張タ
ービンは、ノズル部の寒冷媒体の流れる流路断面積が可
変に構成されている膨張タービンであり、状況に応じて
流路断面積を適切に変更することによって、より安定し
た運転が可能になるというものである。

【００５２】そこでまず容量可変式膨張タービン１’に
ついて説明する。図６に示すように、膨張タービン１’
のケーシング３内には回転シャフト２が内装されてい
る。この回転シャフト２の一端にはインペラ２１が設け
られ、他端には制動ファン２２が設けられている。そし
て上記インペラ２１の入口側外方には回転シャフト２と
同心で、かつこの回転シャフト２の一端部に軸方向にの
み互いに相対移動可能に環状の第一側壁２４および第二
側壁２５が設けられている。本実施例においては第二側
壁２５が可動になっている。

【００５３】上記第一側壁２４および第二側壁２５のい
ずれか一方の壁面には周方向に適宜間隔で複数のノズル
翼２６が配設され、またノズル翼２６が設けられない方
の側壁にはこのノズル翼２６が貫通して摺動できる長孔
が上記ノズル翼２６と同数だけ穿設されている。本実施
例では第一側壁２４にノズル翼２６が設けられている。
これら第一側壁２４および第二側壁２５の外方を包囲す
るように上記ケーシング３の一部であるノズルカバー２
７が設けられている。

【００５４】このノズルカバー２７にはノズル翼２６の
端面に対向する環状端面２８が設けられ、上記第一側壁
２４と第二側壁２５との間に流路断面積調節可能な入口
流路が形成されている。また上記第二側壁２５または環
状端面２８のいずれか一方の内周部分は断面形状がＬ形
を形成するように設定されている。本実施例の場合は第
二側壁２５の内周部分が上記Ｌ字形状を呈するように折
り曲げられている。

【００５５】このようにして上記第二側壁２５と上記環
状端面２８との間に中間圧力室が形成されるとともに、
第一側壁２４と第二側壁２５との間にガス通路が形成さ
れている。本実施例の場合は第二側壁２５を動かすこと
によってノズル部の流路断面積を変えることができるよ
うになっており、状況に応じてこの流路断面積を変更す
ることによって最適の運転状態が得られるように構成さ
れている。

【００５６】このような可変容量式膨張タービン１’に
おいて、上記回転シャフト２の他端部に制動ファン２２
が設けられている。この制動ファン２２の外周側面に先
端部が対向した仕切壁としてのガイド筒３８が設けられ
ている。このガイド筒３８によって仕切られた空間（第
一室３５および第二室３７）はそれぞれ循環経路４の入
口４ａおよび出口４ｂに連通されている。そして、上記
ガイド筒３８の外周面に案内筒３６が嵌合され、この案
内筒３６は回転シャフト２の延びる方向に前後動可能に
構成されている。

【００５７】すなわち、図６におけるケーシング３の左
端部に設けられた閉止壁３７ａにはロッド３７ｃを出没
させる駆動装置３７ｂが設けられており、上記ロッド３
７ｃの先端は閉止壁３７ａに対向して設けられた円盤３
７ｄの中央部に連結されている。ロッド３７ｃを出没さ
せる機構については、特に限定されるものではなく、流
体圧を利用したものや電動機を利用したものなど種々の
タイプが考えられるが、本実施例では、駆動装置３７ｂ
に電動機が使用され、この電動機の回転軸でロッド３７
ｃが形成されている。

【００５８】そしてロッド３７ｃの先端に雄螺子が螺設
され、円盤３７ｄのロッド３７ｃに対応する部分には雌
螺子の螺設された嵌合孔が設けられている。従って、ロ
ッド３７ｃの先端部が円盤３７ｄの嵌合孔に螺合された
状態で駆動装置３７ｂを駆動させてロッド３７ｃを回転
させれば、円盤３７ｄはその回転が規制された状態で上
記回転方向に対応して前後動する。

【００５９】このような円盤３７ｄには複数の連結ロッ
ド３６ｅが固設されている。この連結ロッド３６ｅは上
記閉止壁３７ａおよびガイド筒３８の壁を貫通し、先端
部は案内筒３６の鍔部３６ｂに連結されている。この案
内筒３６は図５に示したものと同様に構成されており、
その円筒部３６ａの先端は制動ファン２２に対向してい
る。従って、上記円筒部３６ａの先端部とケーシング３
の内壁面との間で形成される隙間の大きさによって制動
性能が変化する。

【００６０】本実施例の膨張タービン１’は以上のよう
に構成されているので、膨張タービン１’の運転状況に
応じて駆動装置３７ｂを駆動させてロッド３７ｃ、円盤
３７ｄおよび連結ロッド３６ｅを介して案内筒３６を動
かし、ケーシング３の内壁面と案内筒３６の円筒部３６
ａ先端との隙間を調節することによって、制動ファン２
２の制動能力を所望のものに設定することが可能にな
る。

【００６１】具体的には、上記隙間を少なくすることに
よって、膨張タービン１’が低負荷運転のときであって
もタービン効率が最大になるようなインペラ２１の回転
数を確保することができる。

【００６２】本実施例のように、容量可変式膨張タービ
ンに本発明を適用することによって、ノズル部の流路断
面積の調節と、制動ファン２２部分の上記隙間の調節と
の相乗作用によって、タービン効率が最大になるような
運転を行うことができる範囲が格段に増加する。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１記
載の制動ファン付膨張タービンは、ケーシング内に制動
ファンの外周面の一部に先端部が対向した仕切壁として
の案内筒が設けられ、この案内筒によって仕切られたケ
ーシング内の空間はそれぞれ循環経路の入口および出口
に連通され、上記案内筒の先端部には制動ファンから吐
出される制動用ガスの吐出量を抑制する絞り片が突設さ
れている。従って、上記絞り片の突設量を予め任意に設
定することによって、容易に所望の制動性能を得ること
ができ好都合である。

【００６４】また、この絞り片は案内筒の先端部に堰状
で環状に突出させたものであるため、この絞り片の突出
量を予め設定値よりも長めに形成させておけば、その先
端部を削り取るのは容易であり、現地合わせで上記先端
部を適切に切削し、所望の制動性能が得られるようにす
ることが可能であり、膨張タービンの製作上のバラツキ
などで性能制動が変動しても、据え付け時に充分対応す
ることができる。

【００６５】従来は、制動ファンの能力が過剰な場合
は、制動ファンを取り換え、ロータのバランスを再修正
し、再度組立てを行なうなどの繁雑で手間のかかる作業
を必要としていた。これに対し、本発明によれば、静止
部品である案内筒の先端部分を切削除去することで対応
可能であり非常に便利である。

【００６６】上記絞り片の突出量を可変に構成すれば、
突出量を状況に応じて任意に設定することが可能にな
り、非常に幅広い範囲の制動能力を持ったものにするこ
とができる。また上記のような絞り片の先端部の切削加
工を行わなくてもよく便利である。

【００６７】本発明の請求項３記載の制動ファン付膨張
タービンは、いわゆる容量可変式膨張タービンを対象と
したものであり、このような容量可変式膨張タービンに
おいては、通常の膨張タービンよりも広範囲に変化する
負荷で運転されるものであり、従って、それに対応して
タービン効率を高水準で維持することが望まれるが、こ
の制動ファン付膨張タービンによれば、他端部にインペ
ラの設けられた回転シャフトの一端部に制動ファンが設
けられ、この制動ファンの外周側面に先端部が対向した
仕切壁としての案内筒が設けられ、この案内筒によって
仕切られた空間はそれぞれ循環経路の入口および出口に
連通され、上記案内筒は回転シャフトの延びる方向に前
後動可能に構成されているため、この前後動を案内筒に
行わせることによって制動能力範囲を格段に拡大するこ
とができ、上記可変容量式膨張タービンの広範な負荷の
変動に容易に対応することができ好都合である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る膨張タービンの断面説明図であ
る。

【図２】図１の部分拡大図である。

【図３】速度制御弁の開度とタービン回転数との関係を
示すグラフである。

【図４】本発明に係る膨張タービンの他の例を示す部分
拡大断面説明図である。

【図５】本発明に係る膨張タービンのさらに他の例を示
す部分拡大断面説明図である。

【図６】容量可変式膨張タービンに本発明を適用した例
を示す断面説明図である。

【図７】従来の膨張タービンの一例を示す断面説明図で
ある。

【図８】速度制御弁の開度とタービン回転数との関係を
例示すグラフである。

【符号の説明】

１膨張タービン２回転シャフト２１インペラ２２制動ファン２３第二絞り片３ケーシング３５第一室３６案内筒３６ａ円筒部３６ｂ鍔部３６ｃ絞り片３７第二室３８ガイド筒４循環経路４１制御弁４２熱交換器５駆動装置５１駆動ロッド

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ケーシング内に回転シャフトが内装さ
れ、この回転シャフトの両端にインペラと制動ファンと
が設けられ、上記インペラに供給される寒冷媒体の断熱
膨張仕事によってインペラが回転され、このインペラに
連動した上記制動ファンは循環経路に封入された制動用
ガスを上記循環経路内で循環移動させ、循環経路に設け
られた制御弁の開度を制御して上記制動用ガスの循環移
動量を調節することによって上記インペラの回転を制動
するように構成された制動ファン付膨張タービンにおい
て、上記ケーシング内には上記制動ファンの外周面の一
部に先端部が対向した仕切壁としての案内筒が設けら
れ、この案内筒によって仕切られたケーシング内の空間
はそれぞれ循環経路の入口および出口に連通され、上記
案内筒の先端部には制動ファンから吐出される制動用ガ
スの吐出量を抑制する絞り片が突設されていることを特
徴とする制動ファン付膨張タービン。
【請求項２】上記絞り片の突出量は可変に構成されて
いることを特徴とする請求項１記載の制動ファン付膨張
タービン。
【請求項３】ケーシング内に回転シャフトが内装さ
れ、この回転シャフトの両端にインペラと制動ファンと
が設けられ、回転シャフトと同心で、上記インペラの入
口側外方に位置し、この回転シャフトの一端部に軸方向
にのみ互いに相対移動可能に環状の第一側壁および第二
側壁が設けられ、上記第一側壁および第二側壁のいずれ
か一方の壁面には周方向に適宜間隔で複数のノズル翼が
配設され、かつ上記第一側壁および第二側壁のうちのノ
ズル翼を設けない方にはこのノズル翼が貫通して摺動で
きる長孔が上記ノズル翼と同数だけ穿設され、これら第
一側壁および第二側壁の外方を包囲するように上記ケー
シングは設定され、このケーシングにはノズル翼の端面
に対向する環状端面が設けられ、上記第一側壁と第二側
壁との間に流路断面積調節可能な入口流路が形成され、
上記第二側壁またはケーシングのいずれか一方の内周部
分は断面形状がＬ形を形成するように設定され、上記第
二側壁と上記環状端面との間に中間圧力室が形成された
可変容量式膨張タービンにおいて、上記回転シャフトの
他端部に制動ファンが設けられ、この制動ファンの外周
側面に先端部が対向した仕切壁としての案内筒が設けら
れ、この案内筒によって仕切られた空間はそれぞれ循環
経路の入口および出口に連通され、上記案内筒は回転シ
ャフトの延びる方向に前後動可能に構成されていること
を特徴とする制動ファン付膨張タービン。