JP4885302B1 - ラジアルタービン - Google Patents

Abstract

【課題】複数の圧力を持つ流体を単一あるいは一体のタービンホイールで取扱い、部品点数を削減して低コスト化したタービンを提供する。
【解決手段】順次翼高さが高くなる主通路２３を備え、外周側に位置する主入口２７から主通路２３に半径方向の流れを主成分として流入旋回する流体を軸方向に吐出するラジアルタービンホイール１５を備えるエキスパンジョンタービン１であって、ラジアルタービンホイール１５には、主入口２７よりも半径方向内側位置における主通路２３のハブ１７側面から分岐され、主通路２３の背面側に向かい延在する従通路２５が備えられ、従通路２５の外周端には、主入口２７と異なる半径方向位置とされ、主入口２７から供給される流体の圧力とは異なる圧力の流体が供給される従入口３５が形成され、主入口２７と従入口３５との間は、主通路２３あるいは従通路２５との間で間隙調整された背板部２６で区切られている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ラジアルタービンに関するものである。

半径方向の流速成分を主要成分として持ってタービンホイールに流入する旋回する流体から、流れの旋回エネルギーを回転動力に変換し、そのエネルギーを放出した流れを軸方向に吐出する単一のタービンホイールを備えているラジアルタービンは、中低温・高温、高圧の流体からエネルギーを回転動力に変換するものであり、各種産業用プラントから高温、高圧の流体で排出される排出エネルギーの動力回収、船舶や車両用の動力源、等の熱サイクルを経由して動力を得るシステムの排熱回収、地熱・ＯＴＥＣ等の中低温熱源を利用するバイナリーサイクル発電の動力回収、等において広く用いられている。

各種エネルギー源が複数の圧力を有する場合には、たとえば、特許文献１に示されるように、複数のタービン、すなわち、それぞれの１つの圧力源に対して１つのタービンが用いられている。あるいは、同一軸に２つのタービンホイールを設ける場合もある。
これは、タービン、たとえば、ラジアルタービンが流体のそれぞれの圧力に対し最適な条件に設計されるからである。たとえば、ラジアルタービンの入口半径Ｒは、重力加速度をｇ、ヘッドをＨ、タービンホイール入口周速をＵとすると、ｇ・Ｈ≒Ｕ^２の関係で決まる。すなわち、タービンホイールの回転数をＮ（ｒｐｍ）とすると、入口半径Ｒは、Ｒ≒Ｕ／２・π／（Ｎ／６０）の近傍の値が設定される。

また、流量変動の大きな流体を扱うラジアルタービンでは、たとえば、特許文献２に示されるように、１個の入口流路を隔壁で仕切って、分割するものが知られている。これは、一方の入口流路が、翼のハブ側に流体を供給するようにされている。
しかしながら、これは両方の入口流路が同一圧力の流体を扱うものである。また、両方の入口流路が隣接して設けられ、隔壁によって区切られているだけのものであるので、異なる圧力の流体を取り扱う場合、高圧の流体が低圧の流体の方へ漏れ、タービン効率を低下させる。

特開平１−２８５６０７号公報 特表２００８−５０３６８５号公報

ところで、特許文献１に示されるように複数のラジアルタービンを用いるものは、製造コストが大きくなるし、設置スペースが大きくなる。
また、同一軸に複数のタービンホイールを設ける場合、タービン部品点数が多く、構造が複雑となるし、製造コストが大きくなる。

本発明は、このような事情に鑑み、複数の圧力を持つ流体を単一あるいは一体のタービンホイールで取扱い、部品点数を削減して低コスト化したラジアルタービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の一態様は、半径方向から軸方向に湾曲しつつ順次翼高さが高くなる主通路を備え、外周側に位置する主入口から前記主通路に半径方向の流れを主成分として流入する旋回する流体から、流れの旋回エネルギーを回転動力に変換し、そのエネルギーを放出した流れを軸方向に吐出するタービンホイールを備えているラジアルタービンであって、前記タービンホイールには、前記主入口よりも半径方向内側位置に、前記主通路のハブ面から分岐され前記主通路の背面側に向かい延在する従通路が備えられ、該従通路の外周端には、前記主入口と異なる半径方向位置とされ、前記主入口から供給される流体の圧力とは異なる圧力の流体が供給される従入口が形成され、前記主入口と前記従入口との間は、前記主通路を構成する前記タービンホイールの背板とケーシングとの間で調整された間隙で区切られているラジアルタービンである。

本態様によると、流体は、主入口からタービンホイールの主通路の外周端に導入される。主入口から導入された流体は、半径方向から軸方向に湾曲しつつ順次翼高さが高くなる主通路を通って順次圧力を低減されつつタービンホイールから吐出され、タービンホイールが取り付けられている回転軸に動力を発生させる。
主入口から供給される流体の圧力とは異なる圧力の流体が、従入口から従通路の外周端に導入される。この流体は、従通路を通って主通路のハブ面から主通路に供給され、主入口から導入された流体と混合される。混合された流体は、順次圧力を低減されつつタービンホイールから流出し、タービンホイールが取り付けられている回転軸に動力を発生させる。

このとき、従入口は、混合される流体の圧力が、略一致するような半径位置に設置されるのが好適である。
主入口と従入口との間は、主通路を構成するタービンホイールの背板とケーシングとの間で調整された間隙で区切られているので、明確に区別され、流体の漏出を低減することができる。
このように、複数の圧力を有する流体を、単一のタービンホイールによって回転動力として取り出すことができる。これにより、部品点数を低減することができ、製造コストを低減することができる。

なお、本発明にいう「ラジアルタービン」は、半径方向の流れを主成分として流入する流体、すなわち、タービンホイールへの入口部における流体の半径方向速度成分が少なくとも軸方向速度成分よりも大きい流体を処理するタービンを意味している。したがって、タービンホイールの構造に於いて、ホイール入口のハブ面が回転軸に対してほぼ垂直の面で構成されている、いわゆるラジアルタービン、ハブ面が回転軸に対して傾斜してなるラジアルタービン、および、ハブ面が回転軸に対して傾斜してなり、且つ、翼前縁が回転軸に対して傾斜してなる、いわゆる斜流タービンを含む概念である。
また、主入口および従入口に導入される流体は、周方向に間隔を空けて配置された複数の翼から構成されるノズルまたはスクロールを用いて旋回させられていてもよい。

上記態様では、前記従通路は、前記主通路を形成する翼が前記背板をまたいで延長して形成されていてもよい。言い換えれば、前記従通路を構成し前記従通路の翼として作用する周方向の壁は、前記主通路を構成する翼をハブ方向に延長して形成されていてもよい。

このようにすると、タービンホイール出口部において、主通路を構成する翼と従通路を構成する翼とが同一の翼で構成されるため、主通路と従通路とは、連続して形成されるので、これらの通路を通る流体は滑らかに混合することができる。

上記態様では、前記従入口は、回転軸に対し傾斜されていてもよい。

従入口が回転軸にほぼ平行に構成されていると、従入口から導入される流体は半径方向に移動することになるので、流体は主通路に合流するために軸方向に転向される必要がある。
本態様では、従入口は、回転軸に対し傾斜されているので、従入口から導入される流体は、導入時から軸方向の速度成分を有していることになる。このため、回転軸に沿っている従入口に比べて、軸方向に転向するための部分が小さくできるので、タービンホイールの軸方向長さを小さくすることができる。

上記態様では、前記従通路は、前記主通路に対応する周方向位置に前記タービンホイールのハブを軸方向に貫通するように設けられた複数の貫通流路と、該貫通流路の上流側に配置された第二のタービンホイールと、で形成される構成としてもよい。

主通路および従通路を単一の翼で形成する場合、翼の形状が複雑となる可能性がある。また、タービン効率を考慮すると、翼が３次元的な構造とされることが考えられる。この場合、ボールエンドミル等の機械加工は困難となる場合があるので、タービンホイールは鋳造によって製造されることになる。鋳造で製造すると、通路の表面の粗さを機械加工ほどには滑らかにすることが難しいので、流体の流動抵抗が増加し、タービンの効率が低下する恐れがある。
本態様では、従通路は、タービンホイールのハブを貫通するように設けられた貫通流路と、貫通流路の上流側に配置された第二のタービンホイールと、で形成されるようにしたので、上記態様の構造が２分割された構成となる。したがって、タービンホイールは従来の通常のタービンホイールの構造と略同一とできるので、従来と同様に機械加工で製造することができる。また、貫通通路はほぼ直線の矩形ダクト状の空間であるので、タービンホイールの背面からボールエンドミル等によって容易に加工することができる。第二のタービンホイールは、比較的単純な翼形状でよいので、従来と同様に機械加工で製造することができる。
このように、タービンを構成する部材が全て機械加工で製造されるので、鋳造によって製造されるものに比べて主通路および従通路の表面の粗さを滑らかに加工でき、タービンの効率低下を抑制することができる。

上記構成では、前記第二のタービンホイールは、前記タービンホイールに固定して取り付けられているのが好ましい。
このようにすると、タービンホイールの翼面として作用する貫通流路の周方向の両壁面と第二のタービンホイールの翼の繋ぎ目において、第二のタービンホイールの翼の表面が壁面に滑らかに繋がるようにすることができる。

本発明によれば、タービンホイールには、主入口よりも半径方向内側位置における主通路のハブ面から分岐され、タービンホイールの背面側に向かい延在する従通路が備えられ、従通路の外周端には、主入口と異なる半径方向位置とされ、主入口から供給される流体の圧力とは異なる圧力の流体が供給される従入口が形成されているので、複数の圧力を有する流体を、単一あるいは一体のタービンホイールによって回転動力として取り出すことができる。これにより、部品点数を低減することができ、製造コストを低減することができる。

本発明の第一実施形態にかかるエキスパンジョンタービンが用いられているバイナリー発電システムの構成を示すブロック図である。 図１のエキスパンジョンタービンにラジアルタービンを適用した部分断面図である。 図２の翼を半径方向外側から見た円筒面への投影図である。 本発明の第一実施形態にかかるラジアルタービンの別の実施態様を示す部分断面図である。 本発明の第一実施形態にかかるラジアルタービンのまた別の実施態様を示す部分断面図である。 本発明の第一実施形態にかかるエキスパンジョンタービンが用いられているバイナリー発電システムの別の構成を示すブロック図である。 本発明の第一実施形態にかかるエキスパンジョンタービンが用いられているプラントシステムの構成を示すブロック図である。 本発明の第二実施形態にかかるラジアルタービンを示す部分断面図である。 本発明の第二実施形態にかかるラジアルタービンの別の実施態様を示す部分断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態にかかるエキスパンジョンタービン（ラジアルタービン）１について図１〜図３を参照して説明する。
図１は、本発明の第一実施形態にかかるエキスパンジョンタービンが用いられているバイナリー発電システムの構成を示すブロック図である。図２は、図１のエキスパンジョンタービン１にラジアルタービン１００を適用した部分断面図である。図３は、図２の翼を半径方向外側から見た円筒面への投影図である。

バイナリー発電システム３は、たとえば、地熱発電を行うシステムとして使われているものである。バイナリー発電システム３には、複数の熱源を有する熱源部５と、２個のバイナリーサイクル７Ａ，７Ｂと、エキスパンジョンタービン１、エキスパンジョンタービン１の回転動力によって電力を発生する発電機９とが備えられている。

熱源部５は、地熱によって加熱された蒸気や熱水をバイナリーサイクル７Ａ，７Ｂに供給する。熱源部５は２種類の温度が異なる蒸気や熱水Ｔ１，Ｔ２を供給するように構成されている。
バイナリーサイクル７Ａ，７Ｂは、作動流体である低沸点媒体（流体）を循環させるランキンサイクルで構成されている。低沸点媒体としては、たとえば、イソブタン等の有機媒体、フロン、代替フロン、またはアンモニアやアンモニアと水の混合流体、等が用いられる。

バイナリーサイクル７Ａ，７Ｂでは、熱源部５からの高温蒸気や熱水によって、低沸点媒体が加熱され、高圧流体とされ、これがエキスパンジョンタービン１に供給される。エキスパンジョンタービン１から排出された低沸点媒体は、バイナリーサイクル７Ａ，７Ｂに戻され、再度高温蒸気や熱水によって加熱され、これを順次繰り返す。
このとき、２つのバイナリーサイクル７Ａ，７Ｂでは、同じ低沸点媒体が用いられている。バイナリーサイクル７Ａ，７Ｂに供給される高温蒸気や熱水の温度が異なるので、それらからエキスパンジョンタービン１に供給される低沸点媒体の圧力Ｐ１、Ｐ２は異なっている。以下では、圧力Ｐ１が圧力Ｐ２よりも大きい場合について説明する。

ラジアルタービン１００には、ケーシング１１と、ケーシング１１に回転可能に支持された回転軸１３と、回転軸１３の外周に取り付けられたラジアルタービンホイール１５と、が備えられている。
ラジアルタービンホイール１５は、回転軸１３の外周に取り付けられたハブ１７とハブ１７の外周面に放射状に周方向に間隔を空けて備えられた複数の翼１９とで構成されている。

ラジアルタービンホイール１５の外周端には、半径Ｒ１の位置に全周に亘り回転軸１３にほぼ平行な主入口２７が形成されている。主入口２7の外周側には、環状の空間である入口流路３１が形成されている。入口流路３１の外周側端部には、バイナリーサイクル７Ａから供給される圧力Ｐ１の低沸点媒体が導入される主流入路２９が接続されている。
入口流路３１には、周方向に間隔を空けて配置された複数の翼から構成されるノズル３３が設けられている。
ラジアルタービンホイール１５には、主入口２７からタービンホイール出口２１に向かって流れが流出するように半径方向から軸方向に向かい湾曲した主通路２３が形成されている。

主通路２３には、背面側に向かい延在する従通路２５が備えられている。主通路２３と従通路２５とは、一点鎖線で示される主通路２３のハブ面の仮想線である合流部４７で流れが合流する。言い換えれば、従通路２５は、合流部４７から分岐され、主通路２３の背面側に向かい延在するように形成されている。
従通路２５の背面側の外周端には、主入口２７と異なる半径Ｒ２の位置に全周に亘る従入口３５が形成されている。
半径Ｒ２の位置に設置された従入口３５の外周側には、環状の空間である入口流路３９が形成されている。入口流路３９の外周端には、バイナリーサイクル７Ｂから供給される圧力Ｐ２の低沸点媒体が導入される従流入路３７が接続されている。
入口流路３９には、周方向に間隔を空けて配置された複数の翼から構成されるノズル４１が設けられている。

主入口２７および従入口３５は、回転軸１３にほぼ平行になるようにされている。
このとき、主入口２７の半径Ｒ１と従入口３５の半径Ｒ２とは、次のように設定される。それぞれの入口圧Ｐ１，Ｐ２およびヘッドＨ１、Ｈ２に対してｇ・Ｈ１≒Ｕ１²、ｇ・Ｈ２≒Ｕ２²の関係がある。ラジアルタービンホイール１５の回転数をＮ（ｒｐｍ）とすると、主入口２７の半径Ｒ１および従入口３５の半径Ｒ２は、Ｒ１≒Ｕ１／２・π／（Ｎ／６０）、Ｒ２≒Ｕ２／２・π／（Ｎ／６０）の近傍の値に設定される。
圧力Ｐ２は、圧力Ｐ１よりも小さいので、従入口３５の半径Ｒ２は、主入口２７の半径Ｒ１よりも小さくなる位置に設けられる。

従通路２５は、合流部４７にて主通路２３と合流し、主通路２３を流れる流量Ｇ１と従通路２５を流れる流量Ｇ２が混合され、タービンホイール出口２１より流出する。
タービンホイール出口２１はほぼ半径方向の線からなる後縁を有する。
この後縁は流れが半径内向きの成分を持って流出するように傾斜して構成されていてもよい。

ラジアルタービンホイール１５の翼１９には、合流部４７で分岐され、従通路２５の周方向を区画する分岐通路壁２０が形成されている。
主入口２７から合流部４７に至る翼１９の背面と、分岐通路壁２０のシュラウド側には、背板２６が設けられている。
隣り合う翼１９と、ハブ１７と、背板２６と、ケーシング１１とで、主通路２３が形成される。隣り合う翼１９の分岐通路壁２０と、ハブ１７と、背板２６の半径方向内向きの面とで、従通路２５が形成される。

翼１９は、図３に示されるように主入口２７において回転軸１３に対してほぼ同一の角度の放射状の翼形状を有し、ラジアルタービンホイール１５のタービンホイール出口２１に向けて、回転軸１３に対して翼の中心線ＸＬが放物線状に大きくなるという翼形状とされている。この転向点は、合流部４７の近傍である。
分岐通路壁２０は、翼１９の主入口２７側の部分である主入口部および背板２６の遠心力を受け止めるため、合流部４７に位置する翼１９をハブ側へ延長した位置に設置され、その角度が主入口部の翼１９とほぼ一致するように構成されている。したがって、分岐通路壁２０は、回転軸１３に対してほぼ同一の角度の放射状の翼形状とされている。
なお、遠心力による翼１９の分岐通路壁２０に作用する応力が十分小さい場合には、翼１９の主入口部の角度と分岐通路壁２０の角度とが食い違うようにされてもよい。

主通路２３および従通路２５はタービンホイール出口２１に向かうに連れて主通路２３の翼１９の高さと従通路２５の分岐通路壁２０の高さとが共に高くなるように構成されており、主通路２３を流れる低沸点媒体の流れ４９および従通路２５を流れる低沸点媒体の流れ５１は、タービンホイール出口２１に向かうに連れて流量容積が増加しながら順次低圧になる。
図２には、ラジアルタービンホイール１５内を通る流体の等圧線が一点鎖線で示されている。
半径Ｒ２は、従入口３５から供給され、合流部４７に至る流体の圧力が、主通路２３の合流部４７を通る流体の圧力と略同一となるように設定されている。

ケーシング１１には、主入口２７と従入口３５との間に、一面が入口流路３９の通路壁を構成し、他面が背板２６との間隙が小さくなるように調整されたケーシング壁５３が備えられている。

以下、このように構成された本実施形態にかかるラジアルタービン１００の動作について説明する。
バイナリーサイクル７Ａから供給される圧力Ｐ１の低沸点媒体は、主流入路２９から入口流路３１を通ってノズル３３によって流量、流速を調整され、流量Ｇ１の低沸点媒体が主入口２７から主通路２３に供給される。このとき、ラジアルタービンホイール１５に供給される低沸点媒体の圧力はＰＮ１である。この圧力ＰＮ１の低沸点媒体は、ラジアルタービンホイール１５の出口圧Ｐｄまで連続的に圧力が低下しながらラジアルタービンホイール１５から流出し、ラジアルタービンホイール１５が取り付けられている回転軸１３に回転動力を発生させる。

このとき、バイナリーサイクル７Ｂから供給される圧力Ｐ２の低沸点媒体は、従流入路３７から入口流路３９を通ってノズル４１によって流量、流速を調整され、流量Ｇ２の低沸点媒体が従入口３５から従通路２５に供給される。このとき、この従入口３５から従通路２５に供給される低沸点媒体の圧力ＰＮ２は、低沸点媒体が従通路２５を流れる間に減圧され、主通路２３における合流部４７位置における圧力に略一致するようにされる。主入口２７と従入口３５との間は、主通路２３の背板２６との間でクリアランスが小さくなるように間隙調整されたケーシング壁５３が備えられているので、ホイール入口にて圧力ＰＮ１と圧力ＰＮ２の圧力の異なる低沸点媒体を用いても主入口２７からの圧力の高い低沸点媒体が従入口３５の方へ漏れるのを抑制し、漏れを低減することができる。

合流部４７において従入口３５から流入した流量Ｇ２の低沸点媒体は、主入口２７から供給された流量Ｇ１の低沸点媒体と混合される。主通路２３と従通路２５とは、翼１９によって連続して形成されるので、これらの通路を通る流体は滑らかに混合されることができる。
混合された低沸点媒体は、ラジアルタービンホイール１５のタービンホイール出口２１から流出される。流量Ｇ１および流量Ｇ２が合わさった流量の低沸点媒体が、ラジアルタービンホイール１５を介して回転軸１３に回転動力を発生させる。
回転軸１３の回転駆動によって発電機９が電力を発生させる。

このように、バイナリーサイクル７Ａ，７Ｂからの圧力の異なる低沸点媒体を、それぞれラジアルタービンホイール１５の主入口２７および従入口３５に供給することによって、単一のラジアルタービンホイール１５によって回転動力として取り出すことができる。
これにより、本実施形態にかかるラジアルタービン１００は、複数のエキスパンジョンタービンあるいは複数のラジアルタービンホイールを備えるエキスパンジョンタービンに比べて部品点数を低減することができ、製造コストを低減することができる。

なお、本実施形態では、ラジアルタービンホイール１５にシュラウドが設けられていないが、必要に応じてシュラウドを取り付けるようにしてもよい。
このようにすると、主通路２３における低沸点媒体の漏れ損失を低減することができ、タービン効率を高くすることができる。

本実施形態のように、従入口３５が回転軸１３にほぼ平行に構成されていると、従入口３５から導入される低沸点媒体は半径方向に移動することになるので、低沸点媒体は主通路２３に合流するために軸方向に転向される必要がある。
この場合、図４に示されるように、従入口３５を回転軸に対して傾斜させるようにしてもよい。
このようにすると、従入口３５は、回転軸１３に対し傾斜されているので、従入口３５から導入される低沸点媒体は、導入された時から軸方向の速度成分を有していることになる。このため、回転軸１３に沿っている従入口３５に比べて、軸方向に転向するための部分を小さくできるので、従通路４５の軸方向長さを小さくすることができ、エキスパンジョンタービン１を小型化することができる。

本実施形態では、ラジアルタービンホイール１５の構造において、主入口２７および従入口３５のハブ面が回転軸１３に対してほぼ垂直の面で構成されているが、これに限定されない。たとえば、ハブ面が回転軸１３に対して傾斜していてもよいし、さらに、それに加えて翼前縁が回転軸に対して傾斜していてもよい。

本実施形態では、従入口３５から導入される低沸点媒体の圧力Ｐ２が、主入口２７から導入される低沸点媒体の圧力Ｐ１よりも低いので、従入口３５は主入口２７よりも半径方向で内側に設けられている。しかし、従入口３５と主入口２７の半径方向における位置関係はこれに限定されない。
たとえば、従入口３５の圧力Ｐ２が主入口２７の圧力Ｐ１よりも大きい場合には、図５に示されるように、従入口３５が主入口２７よりも半径方向で外側に設けられることもある。
この場合、ケーシング壁５３は、一面が主通路２３および背板２６の外壁面に対向するように通路壁を構成し、他面が従通路２５の翼先端とのクリアランスが小さくなるように間隙調整されている。

本実施形態では、２つのバイナリーサイクル７Ａ，７Ｂを持つ、バイナリー発電システム３に適用するとして説明したが、エキスパンジョンタービン１の用途はこれに限定されない。
たとえば、図６に示されるように、１つのバイナリーサイクル７Ｃを有するバイナリー発電システム３にも適用できる。これはバイナリーサイクル７Ｃから圧力の異なる低沸点媒体を取り出してエキスパンジョンタービン１によって動力を回収する。

また、図７に示されるプラントシステム２でエキスパンジョンタービン１を用いるようにしてもよい。プラントシステム２には、たとえば、ボイラプラント４で、複数、たとえば、３つの圧力の異なる蒸気（流体）を取り出してエキスパンジョンタービン１によって動力を回収するものである。
プラントシステム２としては、各種産業プラントであり、たとえば、化学プラントにおいて分離や混合が行われるプロセスの混合過程に使用されても良い。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態にかかるエキスパンジョンタービン１について、図８を用いて説明する。
本実施形態は、タービンホイールの製造方法に関する構成が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。

図８は、本発明の第二実施形態にかかるラジアルタービン１００を示す部分断面図である。
本実施形態では、従通路５５は、軸方向で組み合わされている第一のラジアルタービンホイール（タービンホイール）５７に設けられた貫通通路６９と第二のラジアルタービンホイール（第二のタービンホイール）５９に形成された翼７３の間の通路７４で形成されている。
言い換えれば、第一実施形態におけるラジアルタービンホイール１５が、第一のラジアルタービンホイール５７および第二のラジアルタービンホイール５９に分割されていることになる。
第一のラジアルタービンホイール５７は、第一実施形態のラジアルタービンホイール１５における主通路２３の背板２６を含みタービンホイール出口２１までの領域に相当し、第二のラジアルタービンホイール５９は、それ以外の領域に相当している。

第一のラジアルタービンホイール５７は、回転軸１３の外周に取り付けられたハブ６１とハブ６１の外周面に放射状に間隔を空けて備えられた複数の翼６３とで構成されている。
翼６３は、主入口２７からタービンホイール出口６５に向かうに連れて順次高さが高くなるように構成され、タービンホイール出口６５では半径方向に直線状に立設されている。
なお、タービンホイール出口６５は流れが半径内向きの成分を持って流出するように傾斜して構成されていてもよい。

翼６３を円筒面に投影した形状は、主入口２７において回転軸１３に対してほぼ同一の角度の放射状の翼形状を有し、第一のラジアルタービンホイール５７のタービンホイール出口６５に向けて、回転軸１３に対して翼の中心線が放物線状に大きくなるという翼形状とされている。この角度が大きくなる位置は、図８に翼面に沿って等間隔な線を付記しているように、位置Ａのあたりから始まっている。言い換えると、翼６３は、従来よく用いられているラジアル翼と同じ構造をしている。

隣り合う翼６３と、ハブ６１と、背板２６と、ケーシング１１とで、主通路６７が形成される。
主通路６７の外周端には、第一実施形態と同様に、全周に亘る主入口２７が形成され、バイナリーサイクル７Ａから供給される圧力Ｐ１の低沸点媒体が導入される。
ハブ６１には、周方向に間隔を空けて、それぞれ各主通路６７に対応する位置に、背板２６から主通路６７に至る複数の貫通通路６９が形成されている。
貫通通路６９は、ほぼ直線の矩形ダクト状の空間であり、長手方向はほぼ軸方向とされている。貫通通路６９は、翼６３が無いハブ面の延長部を示すハブ仮想線７０で主通路６７に開口している。

第二のラジアルタービンホイール５９は、回転軸１３の外周に取り付けられたハブ７１とハブ７１の外周面に放射状に周方向に間隔を空けて備えられた複数の翼７３とで構成されている。
翼７３は、従入口３５から下流に向かうに連れて順次高さが高くなるように構成され、出口では半径方向に直線状に立設されている。
隣り合う翼７３と、ハブ７１と、背板２６の内周面とで形成される通路７４は、高さが下流に向かうに連れて高くなる。
翼７３は、通路７４が各貫通通路６９に連通される位置に形成されている。これにより、通路７４および貫通通路６９は一体化された通路、すなわち、従通路５５を構成する。

ハブ７１は、ハブ６１にインロー部８２によって組み合わせる構造とされ、所定の位置に配置される。これにより、ハブ７１とハブ６１との同芯度を担保することができる。ハブ７３は、たとえば、回転軸１３にハメアイ構造とすることによって、インロー部８２を用いないようにしてもよい。
ハブ７１は、ハブ６１にボルト７５によって固定して取り付けられる。これにより、第二のラジアルタービンホイール５９は、第一のラジアルタービンホイール５７の所定の位置に強固に取り付けられ、一体化される。

翼７３の外周端には、第一実施形態と同様に、全周に亘る従入口３５が形成され、バイナリーサイクル７Ｂから供給される圧力Ｐ２の低沸点媒体が導入される。
翼７３の枚数は、ラジアル翼６３の枚数と同じとされている。さらに、第二のラジアルタービンホイール５９の翼７３と第一のラジアルタービンホイール５７の翼面として作用する貫通通路６９の周方向の両壁面との繋ぎ目において、翼の表面が滑らかに繋がるように、形成される。このようにすると、第二のラジアルタービンホイール５９から第一のラジアルタービンホイール５７へ低沸点媒体が流入する部分での構造の段差や流れに対向する前縁がなくなるので、低沸点媒体は第二のラジアルタービンホイール５９から第一のラジアルタービンホイール５７の流路へ滑らかに流入する。
なお、ラジアル翼７３の枚数とラジアル翼６３の枚数とを異ならせてもよい。

このように、第一のラジアルタービンホイール５７は従来用いられている通常のラジアルタービンホイールの構造と略同一とできるので、従来と同様に機械加工で製造することができる。また、貫通通路６９はほぼ直線の矩形ダクト状の空間であるので、第一のラジアルタービンホイール５７の背面からボールエンドミル等によって容易に加工することができる。第二のラジアルタービンホイール５９は、比較的単純な翼形状であるので、従来と同様に機械加工で製造することができる。
これにより、主通路６７および従通路５５の表面の粗さを滑らかに加工できるので、エキスパンジョンタービン１の効率低下を抑制することができる。

このように構成された本実施形態にかかるラジアルタービン１００の動作については基本的に第一実施形態と同様であるので、ここでは簡単に説明する。
バイナリーサイクル７Ａから供給される圧力Ｐ１の低沸点媒体は、ノズル３３によって流量、流速を調整され、流量Ｇ１の低沸点媒体が主入口２７から主通路６７に供給される。

一方、バイナリーサイクル７Ｂから供給される圧力Ｐ２の低沸点媒体は、ノズル４１によって流量、流速を調整され、流量Ｇ２の低沸点媒体が従入口３５から第二のラジアルタービンホイール５９、すなわち、従通路５５に供給される。供給された低沸点媒体は、第二のラジアルタービンホイール５９で減圧され貫通流路６９に流入する。貫通流路６９に流入した低沸点媒体は、さらに減圧され、主通路５７に供給され、主通路６７を通る主入口２７から供給された低沸点媒体と混合される。
混合された低沸点媒体は、第一のラジアルタービンホイール５７のタービンホイール出口６５から流出される。両通路を通る流量が合わさった流量の低沸点媒体が、第一のラジアルタービンホイール５７を介して回転軸１３に回転動力を発生させる。
回転軸１３の回転駆動によって発電機９が電力を発生させる。

このとき、主入口２７と従入口３５との間は、主通路５７の背板部２６とケーシング壁５３との間でクリアランスが小さくなるように調整された間隙が備えられているので、圧力の異なる低沸点媒体を用いても主入口２７からの圧力の高い低沸点媒体が従入口３５の方へ漏れるのを抑制し、漏れを低減することができる。

このように、バイナリーサイクル７Ａ，７Ｂからの圧力の異なる低沸点媒体を、それぞれ第一のラジアルタービンホイール５７の主入口２７および第二のラジアルタービンホイール５９の従入口３５に供給することによって、一体化したタービンホイールによって回転動力として取り出すことができる。
これにより、本実施形態にかかるラジアルタービン１００は、複数のエキスパンジョンタービンあるいは複数のラジアルタービンホイールを備えるエキスパンジョンタービンに比べて部品点数を低減することができ、製造コストを低減することができる。

本実施形態では、図８に矢印で示したように、主通路６７を流れる低沸点媒体と従通路５５を流れる低沸点媒体との合流部では、従通路５５を流れる低沸点媒体は略軸方向に流れ、主通路６７を流れる低沸点媒体は内側に傾斜した方向に流れている。
このため、両方の低沸点媒体が衝突して、若干とはいえ混合ロスが発生する可能性がある。

これを解消するために、たとえば、図９に示されるように合流する部分におけるハブ６１の傾斜を小さくして、ハブ６１面と貫通通路５９の半径方向外側の面のなす角度δを小さくするようにしてもよい。あるいは、主通路６７と貫通通路６９とが合流する場所を主ラジアルタービンホイール５７の軸方向下流に位置させるようにして、角度δを小さくするようにしてもよい。
このようにすると、主通路６７を流れる低沸点媒体と従通路５５を流れる低沸点媒体との流れ方向の偏差が小さくなるので、衝突に伴う混合ロスを低減させることができる。

なお、本発明は以上説明した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形を行ってもよい。

１ エキスパンジョンタービン
１１ ケーシング
１３ 回転軸
１５ ラジアルタービンホイール
１９ 翼
２３ 主通路
２５ 従通路
２６ 背板部
２７ 主入口
３３ ノズル
３５ 従入口
４１ ノズル
５３ ケーシング壁
５７ 第一のラジアルタービンホイール
５９ 第二のラジアルタービンホイール
６１ ハブ
６７ 主通路
６９ 貫通通路
１００ ラジアルタービン

Claims (5)

1. 半径方向から軸方向に湾曲しつつ順次翼高さが高くなる主通路を備え、外周側に位置する主入口から前記主通路に半径方向の流れを主成分として流入する旋回する流体から、流れの旋回エネルギーを回転動力に変換し、そのエネルギーを放出した流れを軸方向に吐出するタービンホイールを備えているラジアルタービンであって、
   前記タービンホイールには、前記主入口よりも半径方向内側位置に、前記主通路のハブ面から分岐され前記主通路の背面側に向かい延在する従通路が備えられ、
   該従通路の外周端には、前記主入口と異なる半径方向位置とされ、前記主入口から供給される流体の圧力とは異なる圧力の流体が供給される従入口が形成され、
   前記主入口と前記従入口との間は、前記主通路を構成する前記タービンホイールの背板とケーシングとの間で調整された間隙で区切られていることを特徴とするラジアルタービン。
2. 前記従通路は、前記主通路を形成する翼が前記背板をまたいで延長して形成されている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. 前記従入口は、回転軸に対し傾斜されていることを特徴とする請求項１または２に記載のラジアルタービン。
4. 前記従通路は、前記主通路と対応する位置に前記タービンホイールのハブを軸方向に貫通するように設けられた複数の貫通流路と、該貫通流路の上流側に配置された第二のタービンホイールと、で構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のラジアルタービン。
5. 前記第二のタービンホイールは、前記タービンホイールに固定して取り付けられてい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。
   

Images