JP5029976B2 - 旋回流タービン - Google Patents

Description

本発明は、低圧、少量の水力や低温、低圧のガス、蒸気等も効率よく利用でき、構造が簡単で小型化、超小型化も可能な外向流ラジアルタービンに関するものである。

タービンの歴史は古く、蒸気タービンは産業革命の初期から、また、ガスタービンはその末期に研究、開発が始まり、大出力の水力、火力発電用に、あるいは、航空機のジェットエンジン用に大型の多段軸流タービンが、レシプロエンジンの排気ターボ過給機用等の中、小型の半径流（ラジアル）タービンが多く使用されてきた。（非特許文献１、非特許文献２参照）

また、現在実用化されつつあるものとして、分散型電源用のマイクロタービンや小型、高エネルギー密度の携帯電源用超マイクロタービン等がある。（非特許文献２参照）
「ガスタービン」、須之部量寛、藤江邦男著、共立出版株式会社、昭和４２年１２月２５日初版１刷発行、ｐ．１〜７、ｐ．２０６〜２３０ 「トコトンやさしいマイクロガスタービンの本」、佐藤幸徳著、日刊工業新聞社、２００３年１２月２８日初版１刷発行、ｐ．２２〜２９、ｐ．３４〜３９、ｐ．１３５〜１３６

タービンは、現在、発電用等各種の動力機関、あるいは、研磨、研削加工用の小型、超小型高速回転機械等の分野で多く使用されているが、近年、二酸化炭素の増加による温暖化阻止、環境保全、危険性排除等の観点から、従来の巨大ダムによる水力発電、原子力発電、あるいは、石油を大量消費する大型火力発電等が嫌疑され、環境負荷の低いマイクロ水力発電、風力や太陽熱等自然エネルギーを利用する発電、水素やカーボンニュートラルといわれるバイオマスエネルギーを利用する中、小形の分散電源や各種排圧、排熱の更なる有効利用等に関する研究、開発が盛んになってきており、このような社会情勢の変化に充分に対応するためには、より低温、低圧の作動流体での稼働も可能であり、小型化、高効率化も可能なタービンが必要とされる。

しかしながら、現在実用化されているある程度小型のもの、例えば、非特許文献１に記される半径流タービン（内向流ラジアルタービン）等は、羽根車外周部に位置する吸入口の外側に複雑な形状の固定ノズルを必要とし、また、回転する羽根車と静止するケーシングによって流路が形成されているという構造的な問題から、作動流体の摩擦損失や流れの乱れ等が大きく、さらなる性能向上、小型化を求めることは非常に難しい。

このような事情からも、構造が簡単で製造コストが低く、軽量で作動流体の温度、圧力が低く、また、変化する場合でも効率よく稼働させることができ、小型、高効率化も可能な新しい形式のタービンの開発が強く望まれる。

図１は旋回流タービンの構成を表し、また、その主要部、旋回羽根３、吸入管４、回転ノズル５およびノズル流路６の詳細は図２のごとくであり、図１のテーパ吸入管１から入った作動流体は挿入板２を経て吸入管に達してその内部に位置する旋回羽根で４５°の旋回角を与えられ、回転ノズル内部へ進入する。

旋回羽根は吸入管から回転ノズル内部にまで達しており、図３に示すように、回転ノズル内径上に位置するノズル流路６の吸入口における作動流体の速度は４５°の進入角を持ち、半径、円周両方向の速度成分がＷで等しい。

さらに、図３において、ノズル流路吸入口から排出口断面中心が位置する半径Ｒの円周付近までの作動流体はノズル流路排出口断面中心の周速がノズル流路吸入口での作動流体の半径および円周方向の速度成分Ｗに等しい時、理想として、任意半径ｒの円周上の流路断面積が等しく、θ＝ｌｏｇ｛ｒ／（ν・Ｒ）｝−（ｒ−ν・Ｒ）のメリディアン曲線に沿って流れることから、流路吸入口での旋回速度（絶対速度）を変化させることなく進み、半径Ｒの円周付近で流路壁に回転方向の力を与えると同時に、その反作用により回転と逆の円周方向へ相対速度（半径方向でＷ）を９０°方向転換する。

この方向転換により回転半径Ｒの円周上で回転と逆の円周方向の相対速度Ｗ（絶対速度は０）を持った作動流体は、そのままの状態で半径Ｒの円周上を排出口まで進み、回転ノズルから外部へ排出する。

本発明の旋回流タービンは、図１、図２で示すように、吸入管４内の旋回羽根３が従来の半径流タービンの固定ノズル、回転ノズル５が羽根車に相当し、構造が簡単で、現在の精密加工技術によれば、小型化、更には、超小型化も容易である。

また、このタービンは回転ノズル内部のノズル流路６が管状であるため、従来の半径流タービンにおいて羽根車とケーシングの間に見られるような回転する羽根状の流路と静止する壁との間を作動流体が高速で流れることから生ずる流線の乱れ等による様々な問題は存在せず、回転ノズル前方、吸入管後方の間隙には、その個所からの漏れを押さえる目的で、回転ノズル内面に回転と逆方向の左テーパ２条ネジが設けられ、特に、低圧の作動流体を使用する場合には、回転ノズルを覆うケーシングは不要であり、作動流体の漏洩損失等を考慮する必要もない。

さらに、図３に示すよう、理論的には、ノズル流路排出口断面中心の周速がノズル流路吸入口での作動流体の半径および円周方向の速度成分に等しい時、排出口での作動流体の排出速度（絶対速度）が０となり、吸入口で持っている作動流体の運動エネルギーが全て流路の回転動力に変換されることになるため、この旋回流タービンの稼働状態をそのような条件に近づけることによって、小型のものでも高い効率が期待できる。

旋回流タービンは従来の羽根車式の半径流タービン等に比べて、このように、構造が簡単で、特に小型化、超小型化、高効率化等の面で勝れ、水力、空気、ガス、蒸気等を作動流体とする動力機関、高速回転で研磨、研削加工等を行う動力機械等の分野での、また、近代社会の最も大きな課題である環境問題等の解決に向けて、水力、太陽熱等各種の自然エネルギーやバイオマスエネルギー、様々な排圧、排熱等を広範に、効率よく利用できるようにするための技術革新に大きな役割を果たすことができると考えている。

図１は旋回流タービンの構成例であり、全ての機器は切削加工を想定した場合の構造になっている。
テーパ吸入管１、挿入板２、旋回羽根３および吸入管４はいずれもフランジ接続で位置出し、結合されて吸入系を、また、回転ノズル５、出力軸７および出力軸支持器８は出力系を形成する。

４５°を基準とするネジレ角の旋回羽根は吸入管内部から回転ノズル内径部にまで達し、圧縮機等から吸入系へ流入する作動流体を旋回させ、４５°の進入角で回転ノズル内部に形成されたノズル流路６の吸入口へ供給する。回転ノズル前方、内周部には、回転によって生ずる吸込み圧によって吸入管後方、外周部との隙間からの作動流体の漏れを防ぐために左テーパ２条ネジが切られている。

図３に示すような任意半径ｒの円周上の流路断面積が等しく、θ＝ｌｏｇ｛ｒ／（ν・Ｒ）｝−（ｒ−ν・Ｒ）、ｒ＝Ｒの曲線とｒ＝Ｒの円周付近で両者に内接する曲線を結んだメリディアン曲線を持つノズル流路を内部に形成する回転ノズルはノズル流路内で作動流体が９０°方向変換する際に流路壁に生ずる回転動力を出力軸支持器にベアリング軸受け等で支えられた出力軸を介して、発電機、各種加工機等後続する作業機械へ伝達する。

旋回流タービンの構成図（横軸と外管内径の半円でカットした断面図） 旋回流タービンの主要部である吸入管、旋回羽根および回転ノズルの内部配置を表す図（斜視図） 旋回流タービンの回転ノズル内部のノズル流路における作動流体の速度変化を表すイメージ図

１ テーパ吸入管
２ 挿入板
３ 旋回羽根
４ 吸入管
５ 回転ノズル
６ ノズル流路
７ 出力軸
８ 出力軸支持器

Claims (1)

1. 加圧した空気、水、加圧、加熱したガス、蒸気等の気体や液体、あるいは、それらの混合物を作動流体とし、内部に旋回羽根（３）をはめ合いで固定設置する吸入管（４）と回転ノズル（５）によって構成される外向流ラジアルタービンで、旋回羽根はその後部が吸入管内から回転ノズル内部にまで達し、複雑な形状の螺旋管、翼形ノズル等ではなく、エネルギー損失の少ない小形、直管形の装置で、中心を軸心、吸入口および排出口断面中心の回転半径をν・ＲおよびＲ（νは吸入口および排出口断面中心回転半径比）とするノズル流路（６）において吸入口での作動流体に４５°の流入角を与えることができるように作動流体を吸入管内で流れの主方向を変えることなく旋回させるため、主要部の外周にネジレ角４５°を基準とする複数の螺旋状ネジレ羽根が形成されており、回転ノズルは内部に複数本のノズル流路が形成され、その形状は軸心を原点、原点より上方への垂直線を基軸とする極座標において、原点を中心とし、半径ν・Ｒの円周面上に位置する吸入口での作動流体の流入角が４５°の時、吸入口に対して接線方向に設定されたノズル流路排出口の断面中心が位置する半径Ｒの円周辺りまでのメリディアン曲線上の任意点を断面の中心とし、その任意点を含み原点を中心とする任意半径ｒの円周面上に形成された断面の面積が排出口の面積に等しく、また、この部分のメリディアン曲線は、作動流体の持っている
   

   

   すことができるよう、半径ｒの基軸からの変位角をθで表わした場合にθ＝ｌｏｇ｛ｒ／（ν・Ｒ）｝−（ｒ−ν・Ｒ）で表わされる曲線となり、また、外周部に達した作動流体が相対速度を円周方向に転換して全ての運動エネルギーを回転動力に変換し、絶対速度０になるよう、この曲線と外周部のメリディアン曲線である半径Ｒの円弧が交わる付近のメリディアン曲線はそれぞれの両曲線に共に接する小径の楕円弧になっており、さらにまた、回転ノズル前方内面には、回転に伴う内部への吸い込み圧によって吸入管の外周部テーパ面との隙間における作動流体の漏れ出しを防ぐことを目的として、回転と逆の左２条テーパネジを設けた旋回流タービン。

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