JPH0783001A - ヘリウム膨張タービン - Google Patents
ヘリウム膨張タービンInfo
- Publication number
- JPH0783001A JPH0783001A JP23280693A JP23280693A JPH0783001A JP H0783001 A JPH0783001 A JP H0783001A JP 23280693 A JP23280693 A JP 23280693A JP 23280693 A JP23280693 A JP 23280693A JP H0783001 A JPH0783001 A JP H0783001A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- turbine
- helium
- impeller
- expansion turbine
- dimensional
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】本発明はヘリウム膨張タービンにおいて、断熱
効率の良い３次元翼車を提供するとともに、減量運転時
でも効率の良いヘリウム膨張タービンを提供することに
ある。 【構成】ノズル２より噴出した高速のガスはタービンの
３次元翼車３内に流入し、流れは乱れや逆量を生ずるこ
となく翼車内で一様に増速し、翼車出口４で軸方向にゆ
るやかに流れを転向し、低圧・低温のガス７になる。
効率の良い３次元翼車を提供するとともに、減量運転時
でも効率の良いヘリウム膨張タービンを提供することに
ある。 【構成】ノズル２より噴出した高速のガスはタービンの
３次元翼車３内に流入し、流れは乱れや逆量を生ずるこ
となく翼車内で一様に増速し、翼車出口４で軸方向にゆ
るやかに流れを転向し、低圧・低温のガス７になる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は寒冷を発生するヘリウム
膨張タービンに関し、タービンの効率を向上する構造に
関する。
膨張タービンに関し、タービンの効率を向上する構造に
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の膨張タービンとしては、「低温工
学」第２２巻４号（１９８７）の４１３頁に記載のよう
に３次元翼車を用いたヘリウム膨張タービンが知られて
いる。
学」第２２巻４号（１９８７）の４１３頁に記載のよう
に３次元翼車を用いたヘリウム膨張タービンが知られて
いる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術はタービ
ンの効率を向上するための手法について触られていなか
った。
ンの効率を向上するための手法について触られていなか
った。
【０００４】本発明は３次元翼車を採用したタービンの
効率を向上した、高効率なヘリウム膨張タービンを提供
することにある。
効率を向上した、高効率なヘリウム膨張タービンを提供
することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的は、タービン翼
内のヘリウムガスの流れがタービン翼入口からタービン
翼出口まで乱れや逆流を生ずることなく、翼車内を一様
に増速する３次元翼車を設置することによって達成され
る。
内のヘリウムガスの流れがタービン翼入口からタービン
翼出口まで乱れや逆流を生ずることなく、翼車内を一様
に増速する３次元翼車を設置することによって達成され
る。
【０００６】
【作用】ノズルより噴出した高速のガスはタービンの３
次元翼車内に流入し、流れは乱れや逆流を生ずることな
く翼車内で一様に増速し、翼車出口で軸方向にゆるやか
に流れを転向して、圧力エネルギーは効率良く速度エネ
ルギーに変換される。
次元翼車内に流入し、流れは乱れや逆流を生ずることな
く翼車内で一様に増速し、翼車出口で軸方向にゆるやか
に流れを転向して、圧力エネルギーは効率良く速度エネ
ルギーに変換される。
【０００７】
【実施例】図１に本発明をヘリウム膨張タービンの翼車
に適用した場合の一実施例を示す。図１は３次元翼車の
シャフトから見た正面図（図１（ａ））と断面図（図１
（ｂ））を示したものである。高圧のヘリウムガス１は
ノズル２で圧力を低下して高速になり、３次元翼車３に
入る。翼車入口の正圧面５での相対速度は小さく負圧面
６では相対速度は大きいのが一般的である。しかもその
相対速度の差は翼車出口４まで継続され、膨張したヘリ
ウムガスは翼車出口４（イクスデューサと呼ばれる）で
軸方向に曲げられ、低圧・低温になってヘリウムガス７
は排出される。したがって、この正圧面５と負圧面６で
の相対速度の増速を円滑にすること、すなわち逆流や流
れのはく離等がない流れにすることが設計上重要であ
る。そのためには例えば３次元圧縮性乱流解析を適用す
ることが可能である。
に適用した場合の一実施例を示す。図１は３次元翼車の
シャフトから見た正面図（図１（ａ））と断面図（図１
（ｂ））を示したものである。高圧のヘリウムガス１は
ノズル２で圧力を低下して高速になり、３次元翼車３に
入る。翼車入口の正圧面５での相対速度は小さく負圧面
６では相対速度は大きいのが一般的である。しかもその
相対速度の差は翼車出口４まで継続され、膨張したヘリ
ウムガスは翼車出口４（イクスデューサと呼ばれる）で
軸方向に曲げられ、低圧・低温になってヘリウムガス７
は排出される。したがって、この正圧面５と負圧面６で
の相対速度の増速を円滑にすること、すなわち逆流や流
れのはく離等がない流れにすることが設計上重要であ
る。そのためには例えば３次元圧縮性乱流解析を適用す
ることが可能である。
【０００８】図２から図４には、設計条件として、ター
ビン流量５０００Ｎｍ3／ｈ、入口圧力６ａｔｍ、入口
温度２５Ｋ、回転数１３４８ １／Ｓ、翼車外径φ５５
ｍｍとした場合の子午面から見た、圧力面、負圧面及び
中間面での相対速度の速度ベクトルの解析結果を示す。
１０は翼車入口部、１１は翼車出口部、１２は翼車のハ
ブ側及び１３は翼車のシュラウド側を示し、矢印は相対
速度ベクトルを表している。本計算では図２の圧力面に
図３の圧力面での流れが円滑になるように翼車の入口羽
根高さあるいは翼車出口部１１での羽根の角度をパラメ
ータとして行ったものである。図２の圧力面での速度ベ
クトルと図３の負圧面での速度ベクトルには流れの乱れ
や逆流は見られない。図４は圧力面と負圧面の中間面で
の速度ベクトルを示すが、同様に流れは円滑であり、無
理のない速度分布を得ていることが分る。なお、このと
きの断熱効率の計算値は９２％であり、従来のこのクラ
スのヘリウム膨張タービンの断熱効率が８０％程度であ
ることを考えると本発明の３次元翼車の効率は従来にな
いものである。なお、翼車出口部１１のハブ側１２の羽
根の傾斜は４０°〜５０°、シュラウド側の羽根の傾斜
は１０°〜３０°にした場合に良好な流れの状況を得る
ことができた。
ビン流量５０００Ｎｍ3／ｈ、入口圧力６ａｔｍ、入口
温度２５Ｋ、回転数１３４８ １／Ｓ、翼車外径φ５５
ｍｍとした場合の子午面から見た、圧力面、負圧面及び
中間面での相対速度の速度ベクトルの解析結果を示す。
１０は翼車入口部、１１は翼車出口部、１２は翼車のハ
ブ側及び１３は翼車のシュラウド側を示し、矢印は相対
速度ベクトルを表している。本計算では図２の圧力面に
図３の圧力面での流れが円滑になるように翼車の入口羽
根高さあるいは翼車出口部１１での羽根の角度をパラメ
ータとして行ったものである。図２の圧力面での速度ベ
クトルと図３の負圧面での速度ベクトルには流れの乱れ
や逆流は見られない。図４は圧力面と負圧面の中間面で
の速度ベクトルを示すが、同様に流れは円滑であり、無
理のない速度分布を得ていることが分る。なお、このと
きの断熱効率の計算値は９２％であり、従来のこのクラ
スのヘリウム膨張タービンの断熱効率が８０％程度であ
ることを考えると本発明の３次元翼車の効率は従来にな
いものである。なお、翼車出口部１１のハブ側１２の羽
根の傾斜は４０°〜５０°、シュラウド側の羽根の傾斜
は１０°〜３０°にした場合に良好な流れの状況を得る
ことができた。
【０００９】したがって、本実施例によれば効率の良い
ヘリウム膨張タービンを設計できる効果があり、本ター
ビンを採用したヘリウム液圧冷凍装置の性能を向上でき
る効果がある。
ヘリウム膨張タービンを設計できる効果があり、本ター
ビンを採用したヘリウム液圧冷凍装置の性能を向上でき
る効果がある。
【００１０】図５には本発明の他の実施例を示す。図１
と同一符号のものの説明は省略する。３次元翼車３には
シュラウドが接合されており、ケーシング１４との間で
微小な間隔を保っている。ヘリウム膨張タービンの場合
には一般的に３次元翼車３はアルミやチタン合金で製作
されるため、ロウ付や拡散接合によってシュラウドを容
易に取付けることができる。本実施例によれば、間隙で
のモレ損失を低減できる効果があるためにさらにタービ
ンの効率を向上できる効果がある。
と同一符号のものの説明は省略する。３次元翼車３には
シュラウドが接合されており、ケーシング１４との間で
微小な間隔を保っている。ヘリウム膨張タービンの場合
には一般的に３次元翼車３はアルミやチタン合金で製作
されるため、ロウ付や拡散接合によってシュラウドを容
易に取付けることができる。本実施例によれば、間隙で
のモレ損失を低減できる効果があるためにさらにタービ
ンの効率を向上できる効果がある。
【００１１】図６に本発明をヘリウム膨張タービンに適
用した場合の一実施例を示す。本図は膨張タービンの構
造図を示したものである。高速回転するシャフト２１の
下端には３次元翼車３が取り付けられ、上端部にはブレ
ーキファン２３が設けられている。２４は軸の半径方向
を支えるジャーナル軸受であり、スラスト方向（軸方
向）を支えるためにスラストカラーの上下にスラスト軸
受２５が用いられている。ガスの流れを説明すると、タ
ービン入口の高圧ヘリウムガス２６は固定リング２８と
ノズル翼２９および可動リング３０より構成される可変
ノズルにより加速され噴出する。次に、この噴出ガスは
３次元翼車２２に動力を伝達し、断熱膨張して温度・圧
力が低下してタービン出口ガス７となり、真空保冷槽３
４内に設けられたヘリウム冷凍機を構成する他の構成要
素（例えば熱交換器）に導かれる。一方、ノズル出口か
らの一部のガスはジャーナル軸受２４が設けられた常温
の軸受室を通りブレーキファン２３の閉ループの循環経
路（図示していない）まで充満して圧力平平衡を保つ。
ブレーキファン２３は高速回転してヘリウムガス３２を
吸込み、断熱圧縮してヘリウムガス３３を吐出して再び
ヘリウムガス３２を吸込む閉サイクルを構成している。
また、このとき発生した圧縮熱は外部の水冷式ブレーキ
クーラ（図示していない）によって系外に取り去られ
る。なお、１５は膨張タービンの構成要素を収納するケ
ーシングであり、３１は可変ノズルの可動リングを回転
させる駆動源であるアクチュエータを示す。図７に可変
ノズルの構造の一例を示す。可動ピン４２は可動リング
３０に固定され、ノズル翼２９に設けた溝４３の中を動
くことができる。固定ピン４４は、固定リング２８（図
６に示す）に設置している。可動リング３０に設けたア
ーム４５をＡ−Ａ′方向に動かして可動リング３０を回
転させると、可動ピン４２は溝４３の中を動きノズル翼
２９の角度を変えてノズルの流路面積を変更することが
できる。本可変ノズルは従来タービンのようにタービン
の入口圧力を下げることなく、タービン流量を変更でき
るので大きな熱落差を有し減量運転時での寒冷発生量を
増加できる。さらにタービン自体の断熱効率も向上して
いるので、より寒冷発生量を増加できる。
用した場合の一実施例を示す。本図は膨張タービンの構
造図を示したものである。高速回転するシャフト２１の
下端には３次元翼車３が取り付けられ、上端部にはブレ
ーキファン２３が設けられている。２４は軸の半径方向
を支えるジャーナル軸受であり、スラスト方向（軸方
向）を支えるためにスラストカラーの上下にスラスト軸
受２５が用いられている。ガスの流れを説明すると、タ
ービン入口の高圧ヘリウムガス２６は固定リング２８と
ノズル翼２９および可動リング３０より構成される可変
ノズルにより加速され噴出する。次に、この噴出ガスは
３次元翼車２２に動力を伝達し、断熱膨張して温度・圧
力が低下してタービン出口ガス７となり、真空保冷槽３
４内に設けられたヘリウム冷凍機を構成する他の構成要
素（例えば熱交換器）に導かれる。一方、ノズル出口か
らの一部のガスはジャーナル軸受２４が設けられた常温
の軸受室を通りブレーキファン２３の閉ループの循環経
路（図示していない）まで充満して圧力平平衡を保つ。
ブレーキファン２３は高速回転してヘリウムガス３２を
吸込み、断熱圧縮してヘリウムガス３３を吐出して再び
ヘリウムガス３２を吸込む閉サイクルを構成している。
また、このとき発生した圧縮熱は外部の水冷式ブレーキ
クーラ（図示していない）によって系外に取り去られ
る。なお、１５は膨張タービンの構成要素を収納するケ
ーシングであり、３１は可変ノズルの可動リングを回転
させる駆動源であるアクチュエータを示す。図７に可変
ノズルの構造の一例を示す。可動ピン４２は可動リング
３０に固定され、ノズル翼２９に設けた溝４３の中を動
くことができる。固定ピン４４は、固定リング２８（図
６に示す）に設置している。可動リング３０に設けたア
ーム４５をＡ−Ａ′方向に動かして可動リング３０を回
転させると、可動ピン４２は溝４３の中を動きノズル翼
２９の角度を変えてノズルの流路面積を変更することが
できる。本可変ノズルは従来タービンのようにタービン
の入口圧力を下げることなく、タービン流量を変更でき
るので大きな熱落差を有し減量運転時での寒冷発生量を
増加できる。さらにタービン自体の断熱効率も向上して
いるので、より寒冷発生量を増加できる。
【００１２】したがって、本実施例によればヘリウム冷
凍機の冷凍負荷が減少した状態、タービンの部分負荷運
転時などに高効率なタービンの運転を行うことができる
ため、タービン流量を減少して冷凍機の電力源単位（冷
凍能力／消費電力）を小さくできる効果がある。
凍機の冷凍負荷が減少した状態、タービンの部分負荷運
転時などに高効率なタービンの運転を行うことができる
ため、タービン流量を減少して冷凍機の電力源単位（冷
凍能力／消費電力）を小さくできる効果がある。
【００１３】
【発明の効果】本発明によれば、ヘリウム膨張タービン
の断熱効率を向上できる効果があり、効率の良い膨張タ
ービンを提供できる効果があり、可変ノズルと組合せる
ことによりタービンの減量運転時に、さらにヘリウム冷
凍機の省エネルギー化を促進する効果がある。
の断熱効率を向上できる効果があり、効率の良い膨張タ
ービンを提供できる効果があり、可変ノズルと組合せる
ことによりタービンの減量運転時に、さらにヘリウム冷
凍機の省エネルギー化を促進する効果がある。
【図１】本発明の一実施例を示す３次元翼車の構造図で
ある。
ある。
【図２】所定条件による圧力面の速度ベクトル図であ
る。
る。
【図３】所定条件による負圧面の速度ベクトル図であ
る。
る。
【図４】所定条件による中間面の速度ベクトル図であ
る。
る。
【図５】本発明の他の実施例を示す構造図である。
【図６】本発明を適用した膨張タービンの一例を示す構
造図である。
造図である。
【図７】可変ノズルの一例を示す構造図である。
２…ノズル、３…３次元翼車、３′…シュラウド、５…
圧力面、６…負圧面、１２…ハブ側、１３…シュラウド
側、２１…シャフト、２９…ノズル翼、３０…可動リン
グ、３１…アクチュエータ。
圧力面、６…負圧面、１２…ハブ側、１３…シュラウド
側、２１…シャフト、２９…ノズル翼、３０…可動リン
グ、３１…アクチュエータ。
Claims (4)
- 【請求項１】一端にタービン翼を設け、他端にブレーキ
ファンを取付けた主軸がジャーナル軸受及びスラスト軸
受にて支持され、前記構成部材を収納するケーシングか
ら成る寒冷発生用のヘリウム膨張タービンにおいて、前
記タービン翼内のヘリウムガスの流れが前記タービン翼
入口から前記タービン翼出口まで乱れや逆流を生ずるこ
となく、一様に増速する３次元翼車を具備したことを特
徴とするヘリウム膨張タービン。 - 【請求項２】前記３次元翼車がシュラウドのないハーフ
シュラウド形の３次元翼車であることを特徴とする請求
項１記載のヘリウム膨張タービン。 - 【請求項３】前記３次元翼車がシュラウドを有すること
を特徴とする請求項１記載のヘリウム膨張タービン。 - 【請求項４】ノズル面積を変化できる可変ノズルを有す
ることを特徴とする請求項２から請求項３のいずれか記
載のヘリウム膨張タービン。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23280693A JPH0783001A (ja) | 1993-09-20 | 1993-09-20 | ヘリウム膨張タービン |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23280693A JPH0783001A (ja) | 1993-09-20 | 1993-09-20 | ヘリウム膨張タービン |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0783001A true JPH0783001A (ja) | 1995-03-28 |
Family
ID=16945065
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23280693A Pending JPH0783001A (ja) | 1993-09-20 | 1993-09-20 | ヘリウム膨張タービン |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0783001A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1975377A3 (en) * | 2007-03-29 | 2010-10-20 | IHI Corporation | Expansion turbine having a variable nozzle mechanism |
| US8231339B2 (en) | 2007-03-29 | 2012-07-31 | Ihi Corporation | Expansion turbine having a variable nozzle mechanism |
-
1993
- 1993-09-20 JP JP23280693A patent/JPH0783001A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1975377A3 (en) * | 2007-03-29 | 2010-10-20 | IHI Corporation | Expansion turbine having a variable nozzle mechanism |
| US8113769B2 (en) | 2007-03-29 | 2012-02-14 | Ihi Corporation | Expansion turbine having a variable nozzle mechanism |
| US8231339B2 (en) | 2007-03-29 | 2012-07-31 | Ihi Corporation | Expansion turbine having a variable nozzle mechanism |
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