JP6032827B1 - 水平ラジアル・ピストンタービン - Google Patents

Abstract

【課題】タービンの直径、大きさ、蒸気水の状態に応じて、ピストンブレードの数や蒸気水ノズルの数を増減し、最適なトルクとパワーを得られる水平ラジアル・ピストンタービンを提供。【解決手段】複数本のタービンロータを介して垂直方向に延びる回転軸に取り付けられた回転ホイールを備えるとともに、該回転ホイールの外周上には複数のブレードが所定の間隔で一体的に取り付けられるとともに、該複数のブレードはシリンダ内を回動するようになっており、前記複数のブレードは、シリンダにおいて前記回転軸に直交する方向で、かつ外周側から斜めに入射するよう形成した蒸気水ノズルに対向し、しかも蒸気水ノズルから斜めに入射する蒸気水を渦巻き状とする凹面状断面に形成されており、また前記シリンダには前記蒸気水ノズルと対応する間隔で適宜位置にベントが設けられていることを特徴とする水平ラジアル・ピストンタービン。【選択図】 図３

Description

本発明は、未利用排熱エネルギーとして捨てられている蒸気水体（３００℃以下の低温で水分を多く含む蒸気。以下蒸気水という。なお、「気水体からなる蒸気」も同義である。）を発電に利用することを可能とする水平ラジアル・ピストンタービンに関する。

日本では石炭、ＬＮＧガス、石油の全輸入エネルギー源の約３０％が３００℃以下の蒸気水体、流体の状態で、未利用排熱エネルギーとして捨てられている（経済産業省の資料より）。
世界においても同様であり、太陽熱、地中熱、バイオマス熱等再生可能熱エネルギーも３００°以下でのタービン利用の検討が困難な気水体がほとんどであるが、これらを高効率で発電に利用可能とする高効率蒸気タービン発電機を提供すること望まれている。

従来の蒸気タービンの形状や方式は、衝動タービンや反動タービン、軸流式、回転軸より蒸気を噴出するタービン、スクリュータービンなど多種多様であり、ガス体や高温ガス、蒸気、超臨界蒸気等を用いて蒸気エネルギーの利用効率を上げるため、研究開発が鋭意進められてきたのである。
しかしながら従来のこれらの多種多様なタービンは、大量の未利用熱である工場廃熱、地熱、太陽熱、バイオマス熱、等の気水体、低温かつ低圧の蒸気では従来のタービンの構造上、適用ができない場合が多々あり、大手のタービンメーカー等はこれらの中小型専用の汎用タービンを得意としてはいなかった。
本発明は、これらの問題を蒸気機関（ピストン）やタービンの種類を問わず研究試作し、技術的にも、構造的にも、合理的でかつ理想的に解決できる未分野の高効率タービンを開発しようとするものである。

そこで、太陽熱で蒸気を発生させ、直径１７ｃｍの１１枚のタービンブレードを備えたチタン製タービンを作り、直径６ｍｍの蒸気噴出ノズル４本をケーシング外周に取り付けて従来の小型衝動タービンでもその効率の向上が可能か、またどんな工夫が必要かを製作実動させて確認した。
先ず、約５ｋｇ／ｃｍ² 〜１５ｋｇ／ｃｍ² の気水体からなる蒸気を太陽熱で発生させて前記タービンを回し、発電機も２００Ｖ、２．２ｋｗの定格回転で、３６００Ｖｐｍ／毎分のものをケーシングで接続して、実験、観察を数か月続けた。
その結果、課題と思われる次の３点を確認することができた。
（１）気水体からなる蒸気がタービンに当たり、液化してタービン内部より排出されるまで、その動粘性を備えた液体がケーシング内で速やかに排出されず、しかも残留してタービンブレードに次々と当たることによりウォーターハンマーのようなブレーキを発生させてしまう。さらに、多量に蒸気を送り込んでも次々とウォーターハンマーのようなブレーキが発生するだけであり、それが高速回転を妨げていること。
（２）タービンブレードにフィクスドノズルより蒸気を当てるが、各々１枚の回転ブレードにとっては、蒸気による衝突エネルギーの発生時間・仕事時間は当たった瞬間のみであり、すぐに飛散してしまうので仕事時間は短時間であり、同様に回転ブレードの形状にも課題があること。
（３）タービンケーシング内部に蒸気が突入し、タービンブレードに衝突して蒸気のエネルギーを与えている仕事時間をなるべく長くすることが必要であるが、それは噴出蒸気がタービンケーシング内に突入してから排出するまでの滞留時間をできるだけ長くすることである。しかも大事な問題は、仕事を終えて蒸気が液化したら速やかに排出され、ウォーターハンマー状のブレーキをタービンブレードに発生させないことである。
そして従来のタービンの構造上、衝動タービン、反動タービンでは蒸気で有効な仕事を生み出す長い滞留時間を得ることは不可能であり、またスクリュータービンでも不適当であるため、いずれも低圧蒸気水体タービンにとって大きな課題である。

そのことから、ピストンを有する蒸気機関の構造が蒸気水の排水を円滑かつスムーズに、そして確実に行えるという構造上の利点を利用し、現代の精密工作機械で作成したタービンのスムーズな高速回転という利点とを合理的に組み合わせたピストンタービンを作ることにより、前記課題を解決できることを確信した。
このピストンタービンはシンプルな構成であり、安価で大量生産が可能で、作動媒体もガス体、乾燥蒸気体、低温湿り気蒸気（気水体からなる蒸気）でも、また小型から大型まで高効率で回転エネルギーを発生するタービンであり、本発明が得ようとするタービンの理想的な形態であると確信するものである。

特になし

そこで本発明は、投入される不安定な蒸気水の供給量、温度、圧力変化に対応した設計が容易に行えるという利便性と構造を備えており、タービンの直径、大きさ、蒸気水の状態に対応し、ピストンブレードの数や蒸気水ノズルの数を容易に増減することができ、それによって最適なトルクと、スムーズな高速回転やパワーを得ることができる水平ラジアル・ピストンタービンを提供しようとするものである。

すなわちこの発明の水平ラジアル・ピストンタービンは、複数本のタービンローターを介して垂直方向に延びる回転軸に取り付けられた回転ホイールを備えるとともに、該回転ホイールの外周上には複数のブレードが所定の間隔で一体的に取り付けられるとともに、該複数のブレードはシリンダ内を回動するようになっており、
前記複数のブレードは、シリンダにおいて前記回転軸に直交する方向で、かつ外周側から斜めに入射するよう形成した蒸気水ノズルに対向し、しかも蒸気水ノズルから斜めに入射する蒸気水を渦巻き状とする凹面状断面に形成されており、
また前記シリンダには前記蒸気水ノズルと対応する間隔で適宜位置にベントが設けられていることを特徴とするものである。

この発明の水平ラジアル・ピストンタービンにおいて、前記蒸気水ノズルから斜めに入射する蒸気水を渦巻き状とする凹面状断面のブレードは、前後に一対のピストンブレードとその他のムービングブレードとで構成され、該ムービングブレードはその外周側に前記蒸気水を通過させる連通孔を形成してあることをも特徴とするものである。

この発明の水平ラジアル・ピストンタービンにおいて、前記前後に一対のピストンブレードは、前記ベント部分に到達して蒸気水がベントから系外に放出された際に、その前側のピストンブレードが前記蒸気水ノズルの放出口よりも前方位置にあるよう前記シリンダ内に配置されていることをも特徴とするものである。

この発明の水平ラジアル・ピストンタービンにおいて、前記前後に一対のピストンブレードとその他のムービングブレードとで構成された凹面状断面のブレードは、前記シリンダ内において回転軸に直交する方向から約１５°の角度に前倒しされていることをも特徴とするものである。

この発明の水平ラジアル・ピストンタービンにおいて、前記水平回転する凹面状断面のブレードによって回転駆動される回転軸は、その上端が発電機に連結されており、また下端がピボット軸受で支持されていて発電機を作動させるようになっていることをも特徴とするものである。

以下に本発明の特徴とするところをまとめた。
（１）水平ラジアル・ピストンタービンは相対する円弧状の２つのシリンダケースを備え、ピストンブレードとムービングブレードをタービンローター外周に配置した。タービンローターが２つのシリンダケース内をピストンブレードとムービングブレードを連続して回転する構造である。相対する２つのシリンダーケースの隙間はブレードに残留した排蒸気水のベントであり、そのシリンダケースの隙間は中心部より２５°〜３５°の角度を保ち、ベント部分を構成しているが、隙間の大小は蒸気水体の量や流体の性質で増減させることが可能である。
前記タービンは回転しながらこの排蒸気水ベント部分でピストンブレードが通過した瞬間に、シリンダケース内やムービングブレードに粘着した気水体や水分を放出する。その際、フィクスドノズルより噴出し続ける蒸気圧がムービングブレードノッチを導通して瞬時に連続して遠心力とともにベントされるのである。
この開放・排出のサイクルにより、滞留蒸気水のウォーターハンマーによる回転ブレーキが発生することなく、スムーズに連続高速回転を続けられるのである。
（２）ピストンブレードはムービングブレードとはシリンダーケース内での役割が少し異なる。
すなわち、ピストンブレードは流体の圧力エネルギーを受け止めるためにラジアルシリンダーケース内面と０．０１〜２ｍｍ程度、好ましくは０．１〜１ｍｍの小さい隙間を有することで高圧蒸気圧エネルギーをピストンのように受け止めて、フィクスドノズルからの噴出流体のエネルギーのほとんどをピストンのような役割をしながら受け止めて回転運動する。
他方、後方から追いかけて連続的に回転運動するムービングブレードは、先端部分に備えているノッチ導通路を通してピストンブレードに豊富な流体を供給し続ける。すなわち、ムービングブレードは流体導通路の役割も備えながら蒸気エネルギーを受ける。そのために先端に切欠きノッチを有するのであり、流体は主として高速でピストンブレードにあたり、蓄積し続けてベントされるまで回転エネルギ−をタービンローターに与え続けるので、充分な仕事時間を流体からもらい、維持してエネルギーを無駄なく回転エネルギーに転化、創出、利用できるのである。
（３）円弧状のシリンダーケースを対称に２つ装備させた理由は、可能な限り速やかなベントと、できるだけ流体が長時間シリンダーケース内で飛散せずにピストンブレード、ムービングブレードに回転エネルギーを与え続け、圧力保持の仕事（トルクフルな回転）をさせ続けるためである。
その結果において、高効率発電や他の回転システムにエネルギーを供給することも可能となる。
（４）高圧乾燥蒸気体やガス体など動粘性水分の少ない流体エネルギー源ならシリンダーケースの増減も可能である。これはベントの増減と同じことでもある。シリンダーケース内滞留動粘性の多い流体エネルギー源はシリンダーケースを３〜４にしてその間のベント数も増加させて排出機能を向上させ、スムーズな回転を保持することを可能とするという目的と手段を確保する。

この発明の水平ラジアル・ピストンタービンならば、高効率かつ小型の蒸気水タービンを創ることができる。
したがって、再生可能エネルギーを熱源として、例えば工場排熱や温泉の地熱、太陽熱、バイオマス等からなる各種の熱源を広範囲に利用することができ、中低圧の少量の蒸気水でも高効率で回転することができ、起動トルクも構造上大きいため再生可能エネルギーを安価で無駄なく利用することができる。
また大型蒸気水タービン用として適用しても、本発明の水平ラジアル・ピストンタービンはシンプルな構造で小型化することができ、メンテナンス性にも優れているので、世界中で普及させることができる。

本発明の水平ラジアル・ピストンタービンの実施の形態を示す概略正面図である。 その概略断面図である。 その概略平面図である。 その要部断面図である。 ピストンブレードの概略断面図である。 ムービングブレードの概略断面図である。 タービン部の概略平面図である。 タービン部の概略水平断面図である。 図８における蒸気水の流れを示す概略水平断面図である。 ベントに後側のピストンブレードが送り込まれた状態における前側のピストンブレードの役割を説明する概略水平断面図である。 各ブレードの移動の状態を示す概略水平断面図である。

以下、本発明の水平ラジアル・ピストンタービンの実施の形態を図面に基いて詳細に説明する。
本発明の水平ラジアル・ピストンタービンの１実施例を示す図１ないし図８において、水平ラジアル・ピストンタービン１１は、基盤１２上に所定の高さで搭載され、かつほぼ正方形のハウジング１３内に収納されている。１４は前記基盤１２上に立設されたシリンダステイ１５上に設置された筒状のシリンダである。
前記水平ラジアル・ピストンタービン１１は、複数本のタービンローター２２を介して垂直方向に延びる回転軸２１に取り付けられた回転ホイール２３を備えており、該回転ホイール２３の外周上には複数のブレード２４が所定の間隔で一体的に取り付けられている。この複数のブレード２４は、前記筒状のシリンダ１４内を回動するようになっており、前記回転軸２１は該シリンダ１４の中心にピボット軸受２５を介して立設されている。

また前記複数のブレード２４は、前記シリンダ１４内において前記回転軸２１に直交する方向で、かつ外周側から斜めに入射するよう形成した蒸気水ノズル３１に対向し、しかも蒸気水ノズル３１から斜めに入射する蒸気水Ｓを渦巻き状とする凹面状断面に形成されている。したがって蒸気水Ｓが乱流となりにくく、蒸気水Ｓの勢いを阻害するおそれはない。
前記水平ラジアル・ピストンタービン１１において、前記蒸気水ノズル３１から斜めに入射する蒸気水Ｓを渦巻き状とする凹面状断面のブレード２４は、前後に一対のピストンブレード２４ａ，２４ｂとその他のムービングブレード２４ｃとで構成されている。図５はピストンブレード２４ａ，２４ｂを示すものであり、図６はムービングブレード２４ｃを示すものである。
図６において、前記ムービングブレード２４ｃにはその外周側に前記蒸気水Ｓを通過させる連通孔２４ｄが形成してある。
また、前記前後に一対のピストンブレード２４ａ，２４ｂとその他のムービングブレード２４ｃとで構成された凹面状断面のブレード２４は、前記シリンダ１４内において回転軸２１に直交する方向から約１５°の角度に前倒し状となるよう回転ホイール２３に固定されている。
これらのブレード２４を取り付けた回転ホイール２３は、前記シリンダ１４との接続部分にラビリンスパッキングＬが採用されていて、蒸気水Ｓが漏れるのを防止している。

また前記シリンダ１４には前記蒸気水ノズル３１と対応する間隔で適宜位置にベント３２が設けられている。
すなわち、前記前後に一対のピストンブレード２４ａ，２４ｂは、前記ベント３２部分に到達して蒸気水Ｓがベント３２から系外に放出された際に、その前側のピストンブレード２４ａが前記蒸気水ノズル３１の放出口３１ａよりも前方位置にあるよう前記シリンダ１４内に配置されている。
したがって、前記前後に一対のピストンブレード２４ａ，２４ｂが前記ベント３２部分に到達して蒸気水Ｓがベント３２から系外に放出された場合でも、前側のピストンブレード２４ａが前記蒸気水ノズル３１の放出口３１ａよりも前方位置にあって前側のピストンブレード２４ａに前記蒸気水ノズル３１から放出される蒸気水Ｓが吹き付けられる。したがって、蒸気水Ｓの推進力を前側のピストンブレード２４ａが受け止め、前記ブレード２４から回転ホイール２３、複数本のタービンローター２２を介して回転軸２１に推進力が伝達されて、回転軸２１が高速で回転するのである。

もちろん、前記水平ラジアル・ピストンタービン１１は、前記水平回転する凹面状断面のブレード２４によって回転駆動される回転軸２１の上端が発電機Ｄに連結されており、前記回転軸２１の高速回転によって発電機Ｄが発電するようになっている。

前記シリンダ１４に設けたベント３２と前記ブレード２４との関係を図９ないし図１１に基いてより詳細に説明する。
図９においては、前記前後に一対のピストンブレード２４ａ，２４ｂが前記ベント３２部分に到達しているが、後側のピストンブレード２４ｂはまだシリンダ１４内に位置しており、前記蒸気水ノズル３１から放出された蒸気水Ｓが後側のピストンブレード２４ｂに突き当たって推進力が失われることがない。

次に図１０においては、前記前後に一対のピストンブレード２４ａ，２４ｂが前記ベント３２部分に到達し、後側のピストンブレード２４ｂがベント３２に位置しているため、前記後側のピストンブレード２４ｂによる前記推進力は消える。
他方、前側のピストンブレード２４ａは蒸気水ノズル３１よりも前方に位置するようになっており、前記蒸気水ノズル３１から放出された蒸気水Ｓは前側のピストンブレード２４ａに突き当たって推進力が生まれている。したがって、この推進力は前記前後に一対のピストンブレード２４ａ，２４ｂが前記ベント３２部分に到達しても失われることがないのである。

図１１においては、前記前後に一対のピストンブレード２４ａ，２４ｂが前記シリンダ１４内にあるため、何らその推進力が損なわれることはない。
なお、ムービングブレード２４ｃにはその外周側に前記蒸気水Ｓを通過させる連通孔２４ｄが形成してあるため、各ブレード２４における蒸気水Ｓの推進力は均一化されて全体として統一的な推進力を生み出すのである。

この発明の水平ラジアル・ピストンタービンは、中小型蒸気水タービン用に適用して非常に有用なものであるが、大型蒸気水タービン用に適用した場合でも、本発明の水平ラジアル・ピストンタービンはシンプルな構造であるためよりコンパクトにすることができ、メンテナンス性にも優れているので、世界中で普及させることができる。

１１ 水平ラジアル・ピストンタービン
１２ 基盤
１３ ハウジング
１４ シリンダ
１５ シリンダステイ
２１ 回転軸
２２ タービンローター
２３ 回転ホイール
２４ ブレード
２４ａ，２４ｂ ピストンブレード
２４ｃ ムービングブレード
２４ｄ 連通孔
２５ ピボット軸受
３１ 蒸気水ノズル
３１ａ 放出口
３２ ベント
Ｄ 発電機
Ｌ ラビリンスパッキング
Ｓ 蒸気水

Claims (4)

1. 複数本のタービンローターを介して垂直方向に延びる回転軸に取り付けられた回転ホイールを備えるとともに、
   該回転ホイールの外周上には複数のブレードが所定の間隔で一体的に取り付けられるとともに、該複数のブレードはシリンダ内を回動するようになっており、
   前記複数のブレードは、シリンダにおいて前記回転軸に直交する方向で、かつ外周側から斜めに入射するよう形成した蒸気水ノズルに対向し、しかも蒸気水ノズルから斜めに入射する蒸気水を渦巻き状とする凹面状断面に形成されており、
   また前記シリンダには前記蒸気水ノズルと対応する間隔で適宜位置にベントが設けられている水平ラジアル・ピストンタービンにおいて、
   前記蒸気水ノズルから斜めに入射する蒸気水を渦巻き状とする凹面状断面のブレードは、前後に一対のピストンブレードとその他のムービングブレードとで構成され、該ムービングブレードはその外周側に前記蒸気水を通過させる連通孔を形成してあることを特徴とする水平ラジアル・ピストンタービン。
2. 前記前後に一対のピストンブレードは、前記ベント部分に到達して蒸気水がベントから系外に放出された際に、前記一対のピストンブレードの前側のピストンブレードが前記蒸気水ノズルの放出口よりも前方位置にあるよう前記シリンダ内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の水平ラジアル・ピストンタービン。
3. 前記前後に一対のピストンブレードとその他のムービングブレードとで構成された凹面状断面のブレードは、前記シリンダ内において回転軸に直交する方向から約１５°の角度に前倒しされていることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の水平ラジアル・ピストンタービン。
4. 前記水平回転する凹面状断面のブレードによって回転駆動される回転軸は、その上端が発電機に連結されており、また下端がピボット軸受で支持されていて発電機を作動させるようになっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の水平ラジアル・ピストンタービン。

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