JPH02173324A

JPH02173324A - 速度形気体タービンの性能試験装置

Info

Publication number: JPH02173324A
Application number: JP32714988A
Authority: JP
Inventors: Sadao Sato; 定男佐藤; Yoshihiro Nakayama; 善裕仲山; Takashi Kato; 崇加藤; Eisuke Tada; 多田　栄介; Susumu Shimamoto; 進島本; Hidemasa Yamamura; 秀政山村
Original assignee: Japan Atomic Energy Research Institute; Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1988-12-23
Publication date: 1990-07-04
Anticipated expiration: 2011-07-03
Also published as: JP2512795B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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（クロードザ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智に使用さ
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、動力等の性能か設計
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Ａｌ１１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、運転点の変更の白山度や計７１１１１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、」１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
ビン向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（インペラ人口周速度／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。

〔発明か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
ｂ１ずなイつち、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か採
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
角形か、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ツハ数Ｍｅやインペラエクス
デューサの出口マツハ数Ｍｙ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、信頼度か悪いものとなる。

なお、第６図中、Ｃ２はインペラ人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ｊ１」口での
インペラにス・１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π１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か考えられる。

この方法によると、第６図（）Ｘ）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
−ｒンペラ川口速度三角形と全く合同となる。つまり、
ノズルの出ロマツノ＼数Ｍ　ｃや・ｒンペラエクスデュ
ーザの出口マツハ数Ｍｙ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、圧力特性は設置月でｒ定した値と同しとな
り、信頼度の高い試験データを１！Ｉることかできる。

ところか、このケースＣの方法によると、設計条件に対
して、圧力比は同して人［１圧力は低くずるものである
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か冷凍機の吸込
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、タビン入口
温度、圧力比を設計条件と同じとし、人口圧力を低くす
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、駆動流体供給口か上記圧
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１ノ１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３ｔ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（デイ
フユーザ出口）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３ｔ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１ｇ　（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６０　ｇ　／　ｓとなる
。また、エゼクタ４の駆動流体供給口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
う熱力学な平衡か得られるためには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）とに拮づき
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か気体
戻りライン６を通って冷凍機１の低圧側１−１　　（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１−１
圧力まで減圧するエゼクタ４を、同Ｈ：＊に、ライン排
気をｙ１１圧させる昇圧機として機能さけ−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
ることかできる。すなわち、テスト・タービンの速度比
、インペラ周速度人口温度、膨張圧力比を設旧値と同じ
とし、人口圧力のみを設旧値よりも小さくするので、テ
スト・タービンを設旧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ざい規模
の冷凍設値により等価性能試験を行なうケースＣの方法
を実施することかｉ’ｉＪ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ｊ北角形か、同
図（イ）の設計運転状態下でのインペラ出１］速度二角
形と全く合同となり、信頼度のｉＱ＋い試験データを寄
ることかできる。

１］ところで、エゼクタ４における駆動流体（」（給量ｎｌ
　１　と減圧運転時の吸込１］４ｃからの吸入量、すな
わちタービン流量口］２の比が大きいはと、冷凍機１の
能力は小さくてよい。反面、テスト・ラインの膨張圧力
比か音しく大きい場合には、この流量比（ＩＴ１２／ｍ
１）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ｉ４Ｊ人「１間圧力差）は
低下Ｌ７、タービンの圧力比を所定の値に保つことかで
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（ｒｎ２
／ｍ１）を大きくしなから、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５）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
てと１１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、負′３２実施］２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とを結ふ昇圧ライン５中
に設けている。

たたし、ここで用いる４ＪＦ気ブロワ７は、機体内に同
速回転部分や駆動モータを内蔵し、しかもそれらを極低
ｍＡ度で動作するように１ｆ〜１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／ｊに比肩しえない
。従って、排気ブロワ７は、利用＋ｉＪ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、］０は圧縮機、１１は再生熱交換器、１２は外燃
式燃焼器で、再生熱交換器］１と外燃式燃焼器］２との
間にエゼクタ４を設け、テスト・タービン］３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［１４ｂと再生熱交換器
］］の低圧側］１ρ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かできる。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］２の燃料消
費量および圧縮機１０の動力の節減を図ることかできる
。

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］］に相当する第１再生熱交換
器］４とエゼクタ４との間に第２再生熱交換器］５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、１
４ｈは第１再生熱交換器］４の高圧側、１４ｇ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つるた
め、駆動供給ガスの温度を高めてエネルギレヘルを高め
る（流量比ｍ２／ｍ４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、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、圧縮機がらの高圧気
体をエゼクタにより減圧してテスト争タビンの入口に供
給し、テスト・タービンから出た低圧気体をエゼクタに
その吸込口がら吸入し昇圧させた後、圧縮機吸込側に戻
す構成としたがら、ケースｃ１すなイっち、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か
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
さぜる減圧兼昇圧手段としてエゼフタを採用するため、
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Ｉ・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ライ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、１ｇ・・・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、３ｔ・・・同タービンの入口側、３
ｅ・・・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・・・ブライトンザイクルの圧縮機、１１・・
・再生熱交換器、１１ｇ・・・同再生熱交換器の低圧側
、ｌｌｈ・・・同高圧側、１２・・外燃式燃焼器、１３
・・・テスト・ライン、１３ｔ・・・同タービンの入口
側、１３ｅ・・・同出口伸ｊ０

Claims

【特許請求の範囲】

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。