KR101204631B1 - 래디얼 터빈 - Google Patents

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KR101204631B1
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마사유끼 가와미
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

복수의 압력을 갖는 유체를 단일 혹은 일체의 터빈 휠에 의해 취급하여, 부품 개수를 삭감하여 저비용화한 터빈을 제공한다. 순차 날개 높이가 높아지는 주 통로(23)를 구비하고, 외주측에 위치하는 주 입구(27)로부터 주 통로(23)로 반경 방향의 흐름을 주성분으로 하여 유입 선회하는 유체를 축 방향으로 토출하는 래디얼 터빈 휠(15)을 구비하는 팽창 터빈(1)이며, 래디얼 터빈 휠(15)에는, 주 입구(27)보다도 반경 방향 내측 위치에 있어서의 주 통로(23)의 허브(17)측면으로부터 분기되어 주 통로(23)의 배면측을 향해 연장되는 종 통로(25)가 구비되고, 종 통로(25)의 외주 단부에는, 주 입구(27)와 다른 반경 방향 위치로 되고, 주 입구(27)로부터 공급되는 유체의 압력과는 다른 압력의 유체가 공급되는 종 입구(35)가 형성되고, 주 입구(27)와 종 입구(35)의 사이는, 주 통로(23) 혹은 종 통로(25)와의 사이에서 간극 조정된 배면판부(26)로 구획되어 있다.

Description

래디얼 터빈 {RADIAL TURBINE}
본 발명은, 래디얼 터빈에 관한 것이다.
래디얼 터빈은, 반경 방향의 유속 성분을 주요 성분으로서 갖고 터빈 휠에 유입되는 선회하는 유체로부터, 흐름의 선회 에너지를 회전 동력으로 변환하고, 그 에너지를 방출한 흐름을 축 방향으로 토출하는 단일의 터빈 휠을 구비하고 있다. 래디얼 터빈은, 중저온?고온, 고압의 유체의 에너지를 회전 동력으로 변환하는 것이며, 각종 산업용 플랜트로부터 고온, 고압의 유체로 배출되는 배출 에너지의 동력 회수에 사용되고 있다. 또한, 래디얼 터빈은, 선박이나 차량용 동력원 등의 열사이클을 경유하여 동력을 얻는 시스템의 배열 회수에 사용되고 있다. 또한, 지열?OTEC 등의 중저온 열원을 이용하는 바이너리 사이클 발전의 동력 회수 등에 있어서 널리 사용되고 있다.
각종 에너지원이 복수의 압력을 갖는 경우에는, 예를 들어 특허 문헌 1에 개시되는 바와 같이, 복수의 터빈, 즉, 각각의 1개의 압력원에 대해 1개의 터빈이 사용되고 있다. 혹은, 동일축에 2개의 터빈 휠을 설치하는 경우도 있다.
이것은 터빈, 예를 들어 래디얼 터빈이 유체의 각각의 압력에 대해 최적의 조건으로 설계되기 때문이다. 예를 들어, 래디얼 터빈의 입구 반경 R은, 중력 가속도를 g, 헤드를 H, 터빈 휠 입구 주속을 U로 하면, g?H≒U2의 관계로 정해진다. 즉, 터빈 휠의 회전수를 N(rpm)으로 하면, 입구 반경 R은, R≒U/2?π/(N/60)의 근방의 값이 설정된다.
또한, 유량 변동이 큰 유체를 취급하는 래디얼 터빈에서는, 예를 들어 특허 문헌 2에 개시되는 바와 같이, 1개의 입구 유로를 격벽에 의해 구획하여 분할하는 것이 알려져 있다. 이것은, 한쪽의 입구 유로가, 날개의 허브측에 유체를 공급하도록 되어 있다.
그러나 이것은 양쪽의 입구 유로가 동일 압력의 유체를 취급하는 것이다. 또한, 양쪽의 입구 유로가 인접하여 설치되고, 격벽에 의해 구획되어 있을 뿐인 것이므로, 다른 압력의 유체를 취급하는 경우, 고압의 유체가 저압의 유체 쪽으로 누설되어, 터빈 효율을 저하시킨다.
일본 특허 출원 공개 평1-285607호 공보 일본 특허 출원 공표 제2008-503685호 공보
그런데, 특허 문헌 1에 개시되는 바와 같이 복수의 래디얼 터빈을 사용하는 것은, 제조 비용이 높아지고, 설치 공간이 커진다.
또한, 동일축에 복수의 터빈 휠을 설치하는 경우, 터빈 부품 개수가 많아, 구조가 복잡해지고, 제조 비용이 커진다.
본 발명은 이러한 사정에 비추어, 복수의 압력을 갖는 유체를 단일 혹은 일체의 터빈 휠에 의해 취급하여, 부품 개수를 삭감하여 저비용화한 래디얼 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 이하의 수단을 채용한다.
즉, 본 발명은, 반경 방향으로부터 축 방향으로 만곡하면서 순차 날개 높이가 높아지는 주(主) 통로를 구비하고, 외주측에 위치하는 주 입구로부터 상기 주 통로에 반경 방향의 흐름을 주성분으로 하여 선회하여 유입하는 유체의 선회 에너지를 회전 동력으로 변환하고, 그 선회 에너지를 방출한 유체를 축 방향으로 토출하는 터빈 휠을 구비하는 래디얼 터빈이며, 상기 터빈 휠은, 상기 주 입구보다도 반경 방향 내측의 위치에, 상기 주 통로의 허브면으로부터 분기되어 상기 주 통로의 배면측을 향해 연장되는 종(從) 통로를 구비하고, 상기 종 통로의 외주 단부에는, 상기 주 입구와 다른 반경 방향 위치로 되고, 상기 주 입구로부터 공급되는 유체의 압력과는 다른 압력의 유체가 공급되는 종 입구가 형성되고, 상기 주 입구와 상기 종 입구의 사이는, 상기 주 통로를 구성하는 상기 터빈 휠의 배면판과 케이싱의 사이에서 조정된 간극에 의해 구획되어 있는 래디얼 터빈이다.
본 발명에 따르면, 유체는, 주 입구로부터 터빈 휠의 주 통로의 외주 단부에 도입된다. 주 입구로부터 도입된 유체는, 반경 방향으로부터 축 방향으로 만곡하면서 순차 날개 높이가 높아지는 주 통로를 통해 순차 압력이 저감되면서 터빈 휠로부터 토출되어, 터빈 휠이 장착되어 있는 회전축에 동력을 발생시킨다.
주 입구로부터 공급되는 유체의 압력과는 다른 압력의 유체가, 종 입구로부터 종 통로의 외주 단부에 도입된다. 이 유체는, 종 통로를 통해 주 통로의 허브면으로부터 주 통로에 공급되고, 주 입구로부터 도입된 유체와 혼합된다. 혼합된 유체는, 순차 압력이 저감되면서 터빈 휠로부터 유출되어, 터빈 휠이 장착되어 있는 회전축에 동력을 발생시킨다.
이때, 종 입구는, 혼합되는 유체의 압력이, 대략 일치하는 반경 위치에 설치되는 것이 적합하다.
주 입구와 종 입구의 사이는, 주 통로를 구성하는 터빈 휠의 배면판과 케이싱의 사이에서 조정된 간극에 의해 구획되어 있으므로, 명확하게 구별되어, 유체의 누출을 저감할 수 있다.
이와 같이, 복수의 압력을 갖는 유체를, 단일의 터빈 휠에 의해 회전 동력으로서 취출할 수 있다. 이에 의해, 부품 개수를 저감할 수 있어, 제조 비용을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명에서 말하는「래디얼 터빈」은, 반경 방향의 흐름을 주성분으로 하여 유입되는 유체, 즉, 터빈 휠에의 입구부에 있어서의 유체의 반경 방향 속도 성분이 적어도 축 방향 속도 성분보다도 큰 유체를 처리하는 터빈을 의미하고 있다. 따라서, 터빈 휠의 구조에 있어서, 휠 입구의 허브면이 회전축에 대해 거의 수직인 면으로 구성되어 있는, 이른바 래디얼 터빈, 허브면이 회전축에 대해 경사져 이루어지는 래디얼 터빈 및 허브면이 회전축에 대해 경사져 이루어지고, 또한 날개 전방 테두리가 회전축에 대해 경사져 이루어지는, 이른바 사류(斜流) 터빈을 포함하는 개념이다.
또한, 주 입구 및 종 입구에 도입되는 유체는, 주위 방향으로 간격을 두고 배치된 복수의 날개로 구성되는 노즐 또는 스크롤을 사용하여 선회되어 있어도 된다.
본 발명의 제1 형태에서는, 상기 종 통로는, 상기 주 통로를 형성하는 날개가 상기 배면판을 넘어 연장되어 형성되어 있다. 환언하면, 상기 종 통로를 구성하여 상기 종 통로의 날개로서 작용하는 주위 방향의 벽은, 상기 주 통로를 구성하는 날개를 허브 방향으로 연장하여 형성되어 있다.
이와 같이 하면, 터빈 휠 출구부에 있어서, 주 통로를 구성하는 날개와 종 통로를 구성하는 날개가 동일한 날개로 구성되기 때문에, 주 통로와 종 통로는, 연속되어 형성되므로, 이들 통로를 통과하는 유체는 원활하게 혼합할 수 있다.
본 발명의 제2 형태에서는, 상기 종 입구는 회전축에 대해 경사져 있다.
종 입구가 회전축에 대략 평행하게 구성되어 있으면, 종 입구로부터 도입되는 유체는 반경 방향으로 이동하게 되므로, 유체는 주 통로에 합류하기 위해 축 방향으로 전향될 필요가 있다.
본 발명의 제2 형태에서는, 종 입구는 회전축에 대해 경사져 있으므로, 종 입구로부터 도입되는 유체는, 도입시부터 축 방향의 속도 성분을 갖고 있게 된다. 이로 인해, 회전축을 따르고 있는 종 입구에 비해, 축 방향으로 전향하기 위한 부분을 작게 할 수 있으므로, 터빈 휠의 축 방향 길이를 작게 할 수 있다.
본 발명의 제3 형태에서는, 상기 종 통로는, 상기 주 통로에 대응하는 주위 방향 위치에 상기 터빈 휠의 허브를 축 방향으로 관통하도록 설치된 복수의 관통 유로와, 상기 관통 유로의 상류측에 배치된 제2 터빈 휠로 구성된다.
주 통로 및 종 통로를 단일의 날개로 형성하는 경우, 날개의 형상이 복잡해질 가능성이 있다. 또한, 터빈 효율을 고려하면, 날개가 3차원적인 구조로 되는 것이 생각된다. 이 경우, 볼엔드밀 등의 기계 가공은 곤란해지는 경우가 있으므로, 터빈 휠은 주조에 의해 제조되게 된다. 주조에 의해 제조하면, 통로의 표면 거칠기를 기계 가공 정도로는 매끄럽게 하는 것이 어렵기 때문에, 유체의 유동 저항이 증가하여, 터빈의 효율이 저하될 우려가 있다.
본 발명의 제3 형태에서는, 종 통로는, 터빈 휠의 허브를 관통하도록 설치된 관통 유로와, 관통 유로의 상류측에 배치된 제2 터빈 휠로 형성되도록 하였으므로, 상기 형태의 구조가 2분할된 구성으로 된다. 따라서, 터빈 휠은 종래의 통상의 터빈 휠의 구조와 대략 동일하게 할 수 있으므로, 종래와 마찬가지로 기계 가공으로 제조할 수 있다. 또한, 관통 통로는 거의 직선의 직사각형 덕트 형상의 공간이므로, 터빈 휠의 배면으로부터 볼엔드밀 등에 의해 용이하게 가공할 수 있다. 제2 터빈 휠은, 비교적 단순한 날개 형상이면 되므로, 종래와 마찬가지로 기계 가공으로 제조할 수 있다.
이와 같이, 터빈을 구성하는 부재가 모두 기계 가공으로 제조되므로, 주조에 의해 제조되는 것에 비해 주 통로 및 종 통로의 표면 거칠기를 매끄럽게 가공할 수 있어, 터빈의 효율 저하를 억제할 수 있다.
본 발명의 제4 형태에서는, 상기 제2 터빈 휠은, 상기 터빈 휠에 고정되어 장착되어 있다.
이와 같이 하면, 터빈 휠의 날개면으로서 작용하는 관통 유로의 주위 방향의 양 벽면과 제2 터빈 휠의 날개의 조인트에 있어서, 제2 터빈 휠의 날개의 표면이 벽면에 매끄럽게 연결되도록 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 터빈 휠에는, 주 입구보다도 반경 방향 내측 위치에 있어서의 주 통로의 허브면으로부터 분기되어 터빈 휠의 배면측을 향해 연장되는 종 통로가 구비되고, 종 통로의 외주 단부에는, 주 입구와 다른 반경 방향 위치로 되고, 주 입구로부터 공급되는 유체의 압력과는 다른 압력의 유체가 공급되는 종 입구가 형성되어 있으므로, 복수의 압력을 갖는 유체를, 단일 혹은 일체의 터빈 휠에 의해 회전 동력으로서 취출할 수 있다. 이에 의해, 부품 개수를 저감할 수 있어, 제조 비용을 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 팽창 터빈이 사용되고 있는 바이너리 발전 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는 도 1의 팽창 터빈에 래디얼 터빈을 적용한 부분 단면도이다.
도 3은 도 2의 날개를 반경 방향 외측으로부터 본 원통면에의 투영도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 래디얼 터빈의 다른 실시 형태를 도시하는 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 래디얼 터빈의 또 다른 실시 형태를 도시하는 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 팽창 터빈이 사용되고 있는 바이너리 발전 시스템의 다른 구성을 도시하는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 팽창 터빈이 사용되고 있는 플랜트 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 래디얼 터빈을 도시하는 부분 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 래디얼 터빈의 다른 실시 형태를 도시하는 부분 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를, 도면을 이용하여 상세하게 설명한다.
[제1 실시 형태]
이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 팽창 터빈(래디얼 터빈)(1)에 대해 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 팽창 터빈이 사용되고 있는 바이너리 발전 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다. 도 2는 도 1의 팽창 터빈(1)에 래디얼 터빈(100)을 적용한 부분 단면도이다. 도 3은 도 2의 날개를 반경 방향 외측으로부터 본 원통면에의 투영도이다.
바이너리 발전 시스템(3)은, 예를 들어 지열 발전을 행하는 시스템으로서 사용되고 있는 것이다. 바이너리 발전 시스템(3)에는, 복수의 열원을 갖는 열원부(5)와, 2개의 바이너리 사이클(7A 및 7B)과, 팽창 터빈(1), 팽창 터빈(1)의 회전 동력에 의해 전력을 발생하는 발전기(9)가 구비되어 있다.
열원부(5)는 지열에 의해 가열된 증기나 열수를 바이너리 사이클(7A, 7B)에 공급한다. 열원부(5)는 2종류의 온도가 다른 증기나 열수(T1, T2)를 공급하도록 구성되어 있다.
바이너리 사이클(7A 및 7B)은, 작동 유체인 저비점 매체(유체)를 순환시키는 랭킨 사이클로 구성되어 있다. 저비점 매체로서는, 예를 들어 이소부탄 등의 유기 매체, 프론, 대체 프론, 또는 암모니아나 암모니아와 물의 혼합 유체 등이 사용된다.
바이너리 사이클(7A, 7B)에서는, 열원부(5)로부터 공급되는 고온 증기나 열수에 의해, 저비점 매체가 가열되어 고압 유체로 되어 팽창 터빈(1)에 공급된다. 팽창 터빈(1)으로부터 배출된 저비점 매체는, 바이너리 사이클(7A 및 7B)로 복귀되어 다시 고온 증기나 열수에 의해 가열되고, 이것을 순차 반복한다.
이때, 2개의 바이너리 사이클(7A 및 7B)에서는, 동일한 저비점 매체가 사용되고 있다. 바이너리 사이클(7A 및 7B)에 공급되는 고온 증기나 열수의 온도가 다르기 때문에, 그들로부터 팽창 터빈(1)에 공급되는 저비점 매체의 압력 P1, P2는 다르다. 이하에서는, 압력 P1이 압력 P2보다도 큰 경우에 대해 설명한다.
래디얼 터빈(100)에는, 케이싱(11)과, 케이싱(11)에 회전 가능하게 지지된 회전축(13)과, 회전축(13)의 외주에 장착된 래디얼 터빈 휠(15)이 구비되어 있다.
래디얼 터빈 휠(15)은, 회전축(13)의 외주에 장착된 허브(17)와 허브(17)의 외주면에 방사상으로 주위 방향으로 간격을 두고 구비된 복수의 날개(19)로 구성되어 있다.
래디얼 터빈 휠(15)의 외주 단부에는, 반경 R1의 위치에 전체 둘레에 걸쳐 회전축(13)에 대략 평행한 주 입구(27)가 형성되어 있다. 주 입구(27)의 외주측에는, 환 형상의 공간인 입구 유로(31)가 형성되어 있다. 입구 유로(31)의 외주측 단부에는, 바이너리 사이클(7A)로부터 공급되는 압력 P1의 저비점 매체가 도입되는 주 유입로(29)가 접속되어 있다.
입구 유로(31)에는, 주위 방향으로 간격을 두고 배치된 복수의 날개로 구성되는 노즐(33)이 설치되어 있다.
래디얼 터빈 휠(15)에는, 주 입구(27)로부터 터빈 휠 출구(21)를 향해 흐름이 유출되도록 반경 방향으로부터 축 방향을 향해 만곡된 주 통로(23)가 형성되어 있다.
주 통로(23)에는, 배면측을 향해 연장되는 종 통로(25)가 구비되어 있다. 주 통로(23)와 종 통로(25)는, 1점 쇄선으로 나타내어지는 주 통로(23)의 허브면의 가상선인 합류부(47)에서 흐름이 합류한다. 환언하면, 종 통로(25)는, 합류부(47)로부터 분기되어 주 통로(23)의 배면측을 향해 연장되도록 형성되어 있다.
종 통로(25)의 배면측의 외주 단부에는, 주 입구(27)와 다른 반경 R2의 위치에 전체 둘레에 걸치는 종 입구(35)가 형성되어 있다.
반경 R2의 위치에 설치된 종 입구(35)의 외주측에는, 환 형상의 공간인 입구 유로(39)가 형성되어 있다. 입구 유로(39)의 외주 단부에는, 바이너리 사이클(7B)로부터 공급되는 압력 P2의 저비점 매체가 도입되는 종 유입로(37)가 접속되어 있다.
입구 유로(39)에는, 주위 방향으로 간격을 두고 배치된 복수의 날개로 구성되는 노즐(41)이 설치되어 있다.
주 입구(27) 및 종 입구(35)는, 회전축(13)에 대략 평행하게 되도록 되어 있다.
이때, 주 입구(27)의 반경 R1과 종 입구(35)의 반경 R2는, 주 입구(27)의 터빈 휠 입구 주속을 U1, 종 입구(35)의 터빈 휠 입구 주속을 U2로 하면, 다음과 같이 설정된다. 각각의 입구압 P1 및 P2 및 헤드 H1 및 H2에 대해 g?H1≒U12, g?H2≒U22의 관계가 있다. 래디얼 터빈 휠(15)의 회전수를 N(rpm)으로 하면, 주 입구(27)의 반경 R1 및 종 입구(35)의 반경 R2는, R1≒U1/2?π/(N/60), R2≒U2/2?π/(N/60)의 근방의 값으로 설정된다.
압력 P2는, 압력 P1보다도 작으므로, 종 입구(35)의 반경 R2는, 주 입구(27)의 반경 R1보다도 작아지는 위치에 설치된다.
종 통로(25)는, 합류부(47)에서 주 통로(23)와 합류하고, 주 통로(23)를 흐르는 유량 G1과 종 통로(25)를 흐르는 유량 G2가 혼합되어, 터빈 휠 출구(21)로부터 유출된다. 터빈 휠 출구(21)는 거의 반경 방향의 선으로 이루어지는 후방 테두리를 갖는다. 이 후방 테두리는 흐름이 반경 내향의 성분을 갖고 유출되도록 경사져 구성되어 있어도 된다.
래디얼 터빈 휠(15)의 날개(19)에는, 합류부(47)에서 분기되어, 종 통로(25)의 주위 방향을 구획하는 분기 통로벽(20)이 형성되어 있다. 주 입구(27)로부터 합류부(47)에 이르는 날개(19)의 배면과 분기 통로벽(20)의 슈라우드측에는, 배면판(26)이 설치되어 있다. 인접하는 날개(19)와, 허브(17)와, 배면판(26)과, 케이싱(11)에 의해 주 통로(23)가 형성된다. 인접하는 날개(19)의 분기 통로벽(20)과, 허브(17)와, 배면판(26)의 반경 방향 내향의 면에 의해 종 통로(25)가 형성된다.
날개(19)는, 도 3에 도시되는 바와 같이 주 입구(27)에 있어서 회전축(13)에 대해 거의 동일한 각도의 방사상의 날개 형상을 갖고, 래디얼 터빈 휠(15)의 터빈 휠 출구(21)를 향해, 회전축(13)에 대해 날개의 중심선 XL이 포물선 형상으로 커진다고 하는 날개 형상으로 되어 있다. 이 전향점은, 합류부(47)의 근방이다.
분기 통로벽(20)은, 날개(19)의 주 입구(27)측의 부분인 주 입구부 및 배면판(26)의 원심력을 받아내므로, 합류부(47)에 위치하는 날개(19)를 허브측으로 연장한 위치에 설치되고, 그 각도가 주 입구부의 날개(19)와 거의 일치하도록 구성되어 있다. 따라서, 분기 통로벽(20)은, 회전축(13)에 대해 거의 동일한 각도의 방사상의 날개 형상으로 되어 있다.
또한, 원심력에 의한 날개(19)의 분기 통로벽(20)에 작용하는 응력이 충분히 작은 경우에는, 날개(19)의 주 입구부의 각도와 분기 통로벽(20)의 각도가 엇갈리게 되어도 된다.
주 통로(23) 및 종 통로(25)는 터빈 휠 출구(21)를 향함에 따라 주 통로(23)의 날개(19)의 높이와 종 통로(25)의 분기 통로벽(20)의 높이가 모두 높아지도록 구성되어 있고, 주 통로(23)를 흐르는 저비점 매체의 흐름(49) 및 종 통로(25)를 흐르는 저비점 매체의 흐름(51)은, 터빈 휠 출구(21)를 향함에 따라 유량 용적이 증가하면서 순차 저압으로 된다.
도 2에는, 래디얼 터빈 휠(15) 내를 통과하는 유체의 등압선이 1점 쇄선으로 나타내어져 있다.
반경 R2는 종 입구(35)로부터 공급되어 합류부(47)에 이르는 유체의 압력이, 주 통로(23)의 합류부(47)를 통과하는 유체의 압력과 거의 동일해지도록 설정되어 있다.
케이싱(11)에는 주 입구(27)와 종 입구(35) 사이에, 일면이 입구 유로(39)의 통로벽을 구성하고, 다른 면이 배면판(26)과의 간극이 작아지도록 조정된 케이싱벽(53)이 구비되어 있다.
이하, 이와 같이 구성된 본 실시 형태에 관한 래디얼 터빈(100)의 동작에 대해 설명한다.
바이너리 사이클(7A)로부터 공급되는 압력 P1의 저비점 매체는, 주 유입로(29)로부터 입구 유로(31)를 통해 노즐(33)에 의해 유량, 유속이 조정되어, 유량 G1의 저비점 매체가 주 입구(27)로부터 주 통로(23)로 공급된다. 이때, 래디얼 터빈 휠(15)에 공급되는 저비점 매체의 압력은 PN1이다. 이 압력 PN1의 저비점 매체는, 래디얼 터빈 휠(15)의 출구압 Pd까지 연속적으로 압력이 저하되면서 래디얼 터빈 휠(15)로부터 유출되어, 래디얼 터빈 휠(15)이 장착되어 있는 회전축(13)에 회전 동력을 발생시킨다.
이때, 바이너리 사이클(7B)로부터 공급되는 압력 P2의 저비점 매체는, 종 유입로(37)로부터 입구 유로(39)를 통해 노즐(41)에 의해 유량, 유속이 조정되어, 유량 G2의 저비점 매체가 종 입구(35)로부터 종 통로(25)로 공급된다. 이때, 이 종 입구(35)로부터 종 통로(25)로 공급되는 저비점 매체의 압력 PN2는, 저비점 매체가 종 통로(25)를 흐르는 동안에 감압되어, 주 통로(23)에 있어서의 합류부(47) 위치에 있어서의 압력에 대략 일치하게 된다. 주 입구(27)와 종 입구(35) 사이는, 주 통로(23)의 배면판(26)과의 사이에서 클리어런스가 작아지도록 간극 조정된 케이싱벽(53)이 구비되어 있으므로, 휠 입구에서 압력 PN1과 압력 PN2의 압력이 다른 저비점 매체를 사용해도 주 입구(27)로부터의 압력이 높은 저비점 매체가 종 입구(35) 쪽으로 누설되는 것을 억제하여, 누설을 저감할 수 있다.
합류부(47)에 있어서 종 입구(35)로부터 유입된 유량 G2의 저비점 매체는, 주 입구(27)로부터 공급된 유량 G1의 저비점 매체와 혼합된다. 주 통로(23)와 종 통로(25)는, 날개(19)에 의해 연속해서 형성되므로, 이들 통로를 통과하는 유체는 원활하게 혼합될 수 있다.
혼합된 저비점 매체는, 래디얼 터빈 휠(15)의 터빈 휠 출구(21)로부터 유출된다. 유량 G1 및 유량 G2가 합쳐진 유량의 저비점 매체가, 래디얼 터빈 휠(15)을 통해 회전축(13)에 회전 동력을 발생시킨다.
회전축(13)의 회전 구동에 의해 발전기(9)가 전력을 발생시킨다.
이와 같이, 바이너리 사이클(7A, 7B)로부터의 압력이 다른 저비점 매체를, 각각 래디얼 터빈 휠(15)의 주 입구(27) 및 종 입구(35)에 공급함으로써, 단일의 래디얼 터빈 휠(15)에 의해 회전 동력으로서 취출할 수 있다.
이에 의해, 본 실시 형태에 관한 래디얼 터빈(100)은, 복수의 팽창 터빈 혹은 복수의 래디얼 터빈 휠을 구비하는 팽창 터빈에 비해 부품 개수를 저감할 수 있어, 제조 비용을 저감할 수 있다.
또한, 제1 실시 형태에서는, 래디얼 터빈 휠(15)에 슈라우드가 설치되어 있지 않지만, 필요에 따라서 슈라우드를 장착하도록 해도 된다.
이와 같이 하면, 주 통로(23)에 있어서의 저비점 매체의 누설 손실을 저감할 수 있어, 터빈 효율을 높게 할 수 있다.
제1 실시 형태와 같이, 종 입구(35)가 회전축(13)에 대략 평행하게 구성되어 있으면, 종 입구(35)로부터 도입되는 저비점 매체는 반경 방향으로 이동하게 되므로, 저비점 매체는 주 통로(23)에 합류하기 위해 축 방향으로 전향될 필요가 있다.
이 경우, 도 4에 도시되는 바와 같이, 종 입구(35)를 회전축에 대해 경사시키도록 해도 된다.
이와 같이 하면, 종 입구(35)는, 회전축(13)에 대해 경사져 있으므로, 종 입구(35)로부터 도입되는 저비점 매체는, 도입되었을 때부터 축 방향의 속도 성분을 갖고 있게 된다. 이로 인해, 회전축(13)을 따르고 있는 종 입구(35)에 비해, 축 방향으로 전향하기 위한 부분을 작게 할 수 있으므로, 종 통로(45)의 축 방향 길이를 작게 할 수 있어, 팽창 터빈(1)을 소형화할 수 있다.
제1 실시 형태에서는, 래디얼 터빈 휠(15)의 구조에 있어서, 주 입구(27) 및 종 입구(35)의 허브면이 회전축(13)에 대해 대략 수직인 면으로 구성되어 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 허브면이 회전축(13)에 대해 경사져 있어도 되고, 또한 그것에 더하여 날개 전방 테두리가 회전축에 대해 경사져 있어도 된다.
제1 실시 형태에서는, 종 입구(35)로부터 도입되는 저비점 매체의 압력 P2가, 주 입구(27)로부터 도입되는 저비점 매체의 압력 P1보다도 낮으므로, 종 입구(35)는 주 입구(27)보다도 반경 방향으로 내측에 설치되어 있다. 그러나 종 입구(35)와 주 입구(27)의 반경 방향에 있어서의 위치 관계는 이것에 한정되지 않는다.
예를 들어, 종 입구(35)의 압력 P2가 주 입구(27)의 압력 P1보다도 큰 경우에는, 도 5에 도시되는 바와 같이, 종 입구(35)가 주 입구(27)보다도 반경 방향으로 외측에 설치되는 경우도 있다.
이 경우, 케이싱벽(53)은, 일면이 주 통로(23) 및 배면판(26)의 외벽면에 대향하도록 통로벽을 구성하고, 다른 면이 종 통로(25)의 날개 선단과의 클리어런스가 작아지도록 간극 조정되어 있다.
제1 실시 형태에서는, 2개의 바이너리 사이클(7A, 7B)을 갖는, 바이너리 발전 시스템(3)에 적용하는 것으로서 설명하였지만, 팽창 터빈(1)의 용도는 이것에 한정되지 않는다.
예를 들어, 도 6에 도시되는 바와 같이, 1개의 바이너리 사이클(7C)을 갖는 바이너리 발전 시스템(3)에도 적용할 수 있다. 이것은 바이너리 사이클(7C)로부터 압력이 다른 저비점 매체를 취출하여 팽창 터빈(1)에 의해 동력을 회수한다.
또한, 도 7에 도시되는 플랜트 시스템(2)에서 팽창 터빈(1)을 사용하도록 해도 된다. 플랜트 시스템(2)에는, 예를 들어 보일러 플랜트(4)에서 복수, 예를 들어 3개의 압력이 다른 증기(유체)를 취출하여 팽창 터빈(1)에 의해 동력을 회수하는 것이다.
플랜트 시스템(2)으로서는, 각종 산업 플랜트이며, 예를 들어 화학 플랜트에 있어서 분리나 혼합이 행해지는 프로세스의 혼합 과정에 사용되어도 된다.
[제2 실시 형태]
다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 팽창 터빈(1)에 대해, 도 8을 이용하여 설명한다.
제2 실시 형태는, 터빈 휠의 제조 방법에 관한 구성이 제1 실시 형태의 것과 다르기 때문에, 여기서는 이 다른 부분에 대해 주로 설명하고, 전술한 제1 실시 형태의 것과 동일한 부분에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
또한, 제1 실시 형태와 동일한 부재에는 동일한 부호를 부여하고 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 래디얼 터빈(100)을 도시하는 부분 단면도이다.
본 실시 형태에서는, 종 통로(55)는, 축 방향으로 조합되어 있는 제1 래디얼 터빈 휠(터빈 휠)(57)에 형성된 관통 통로(69)와 제2 래디얼 터빈 휠(제2 터빈 휠)(59)에 형성된 날개(73) 사이의 통로(74)로 형성되어 있다.
환언하면, 제1 실시 형태에 있어서의 래디얼 터빈 휠(15)이, 제1 래디얼 터빈 휠(57) 및 제2 래디얼 터빈 휠(59)로 분할되어 있는 것으로 된다.
제1 래디얼 터빈 휠(57)은, 제1 실시 형태의 래디얼 터빈 휠(15)에 있어서의 주 통로(23)의 배면판(26)을 포함하여 터빈 휠 출구(21)까지의 영역에 상당하고, 제2 래디얼 터빈 휠(59)은 그 이외의 영역에 상당하고 있다.
제1 래디얼 터빈 휠(57)은, 회전축(13)의 외주에 장착된 허브(61)와 허브(61)의 외주면에 방사상으로 간격을 두고 구비된 복수의 날개(63)로 구성되어 있다. 날개(63)는, 주 입구(27)로부터 터빈 휠 출구(65)를 향함에 따라 순차 높이가 높아지도록 구성되고, 터빈 휠 출구(65)에서는 반경 방향으로 직선 형상으로 기립 설치되어 있다. 또한, 터빈 휠 출구(65)는 흐름이 반경 내향의 성분을 갖고 유출되도록 경사져 구성되어 있어도 된다.
날개(63)를 원통면에 투영한 형상은, 주 입구(27)에 있어서 회전축(13)에 대해 거의 동일한 각도의 방사상의 날개 형상을 갖고, 제1 래디얼 터빈 휠(57)의 터빈 휠 출구(65)를 향해, 회전축(13)에 대해 날개의 중심선이 포물선 형상으로 커진다고 하는 날개 형상으로 되어 있다. 이 각도가 커지는 위치는, 도 8에 날개면을 따라 등간격의 선을 부기하고 있는 바와 같이, 위치 A의 부근으로부터 시작되고 있다. 바꾸어 말하면, 날개(63)는, 종래 자주 사용되고 있는 래디얼 날개와 동일한 구조를 하고 있다.
인접하는 날개(63)와, 허브(61)와, 배면판(26)과, 케이싱(11)에 의해 주 통로(67)가 형성된다.
주 통로(67)의 외주 단부에는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 전체 둘레에 걸치는 주 입구(27)가 형성되고, 바이너리 사이클(7A)로부터 공급되는 압력 P1의 저비점 매체가 도입된다.
허브(61)에는, 주위 방향으로 간격을 두고, 각각 각 주 통로(67)에 대응하는 위치에, 배면판(26)으로부터 주 통로(67)에 이르는 복수의 관통 통로(69)가 형성되어 있다.
관통 통로(69)는, 거의 직선의 직사각형 덕트 형상의 공간이며, 길이 방향은 거의 축 방향으로 되어 있다. 관통 통로(69)는, 날개(63)가 없는 허브면의 연장부를 나타내는 허브 가상선(70)에 의해 주 통로(67)에 개방되어 있다.
제2 래디얼 터빈 휠(59)은, 회전축(13)의 외주에 장착된 허브(71)와 허브(71)의 외주면에 방사상으로 주위 방향으로 간격을 두고 구비된 복수의 날개(73)로 구성되어 있다.
날개(73)는, 종 입구(35)로부터 하류를 향함에 따라 순차 높이가 높아지도록 구성되고, 출구에서는 반경 방향으로 직선 형상으로 기립 설치되어 있다. 인접하는 날개(73)와, 허브(71)와, 배면판(26)의 내주면에 의해 형성되는 통로(74)는, 높이가 하류를 향함에 따라 높아진다. 날개(73)는, 통로(74)가 각 관통 통로(69)에 연통되는 위치에 형성되어 있다. 이에 의해, 통로(74) 및 관통 통로(69)는 일체화된 통로, 즉, 종 통로(55)를 구성한다.
허브(71)는, 허브(61)에 끼워 맞춤부(82)에 의해 조합하는 구조로 되어, 소정의 위치에 배치된다. 이에 의해, 허브(71)와 허브(61)의 동심도를 담보할 수 있다. 허브(73)는, 예를 들어 회전축(13)에 끼워 맞춤 구조로 함으로써, 끼워 맞춤부(82)를 사용하지 않도록 해도 된다.
허브(71)는, 허브(61)에 볼트(75)에 의해 고정하여 장착된다. 이에 의해, 제2 래디얼 터빈 휠(59)은, 제1 래디얼 터빈 휠(57)의 소정의 위치에 강고하게 장착되어, 일체화된다.
날개(73)의 외주 단부에는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 전체 둘레에 걸치는 종 입구(35)가 형성되고, 바이너리 사이클(7B)로부터 공급되는 압력 P2의 저비점 매체가 도입된다.
날개(73)의 매수는, 래디얼 날개(63)의 매수와 동일하게 되어 있다. 또한, 제2 래디얼 터빈 휠(59)의 날개(73)와 제1 래디얼 터빈 휠(57)의 날개면으로서 작용하는 관통 통로(69)의 주위 방향의 양 벽면과의 조인트에 있어서, 날개의 표면이 매끄럽게 연결되도록 형성된다. 이와 같이 하면, 제2 래디얼 터빈 휠(59)로부터 제1 래디얼 터빈 휠(57)로 저비점 매체가 유입되는 부분에서의 구조의 단차나 흐름에 대향하는 전방 테두리가 없어지므로, 저비점 매체는 제2 래디얼 터빈 휠(59)로부터 제1 래디얼 터빈 휠(57)의 유로로 원활하게 유입된다.
또한, 래디얼 날개(73)의 매수와 래디얼 날개(63)의 매수를 다르게 해도 된다.
이와 같이, 제1 래디얼 터빈 휠(57)은 종래 사용되고 있는 통상의 래디얼 터빈 휠의 구조와 대략 동일하게 할 수 있으므로, 종래와 마찬가지로 기계 가공으로 제조할 수 있다. 또한, 관통 통로(69)는 거의 직선의 직사각형 덕트 형상의 공간이므로, 제1 래디얼 터빈 휠(57)의 배면으로부터 볼엔드밀 등에 의해 용이하게 가공할 수 있다. 제2 래디얼 터빈 휠(59)은, 비교적 단순한 날개 형상이므로, 종래와 마찬가지로 기계 가공으로 제조할 수 있다.
이에 의해, 주 통로(67) 및 종 통로(55)의 표면의 거칠기를 매끄럽게 가공할 수 있으므로, 팽창 터빈(1)의 효율 저하를 억제할 수 있다.
이와 같이 구성된 제2 실시 형태에 관한 래디얼 터빈(100)의 동작에 대해서는 기본적으로 제1 실시 형태와 마찬가지이므로, 여기서는 간단하게 설명한다.
바이너리 사이클(7A)로부터 공급되는 압력 P1의 저비점 매체는, 노즐(33)에 의해 유량, 유속이 조정되어, 유량 G1의 저비점 매체가 주 입구(27)로부터 주 통로(67)로 공급된다.
한편, 바이너리 사이클(7B)로부터 공급되는 압력 P2의 저비점 매체는, 노즐(41)에 의해 유량, 유속이 조정되어, 유량 G2의 저비점 매체가 종 입구(35)로부터 제2 래디얼 터빈 휠(59), 즉, 종 통로(55)에 공급된다. 공급된 저비점 매체는, 제2 래디얼 터빈 휠(59)에 의해 감압되어 관통 유로(69)에 유입된다. 관통 유로(69)에 유입된 저비점 매체는 더욱 감압되어 주 통로(57)에 공급되고, 주 통로(67)를 통과하는 주 입구(27)로부터 공급된 저비점 매체와 혼합된다.
혼합된 저비점 매체는, 제1 래디얼 터빈 휠(57)의 터빈 휠 출구(65)로부터 유출된다. 양 통로를 통과하는 유량이 합쳐진 유량의 저비점 매체가, 제1 래디얼 터빈 휠(57)을 통해 회전축(13)에 회전 동력을 발생시킨다.
회전축(13)의 회전 구동에 의해 발전기(9)가 전력을 발생시킨다.
이때, 주 입구(27)와 종 입구(35)의 사이는, 주 통로(57)의 배면판부(26)와 케이싱벽(53)의 사이에서 클리어런스가 작아지도록 조정된 간극이 구비되어 있으므로, 압력이 다른 저비점 매체를 사용해도 주 입구(27)로부터의 압력이 높은 저비점 매체가 종 입구(35) 쪽으로 누설되는 것을 억제하여, 누설을 저감할 수 있다.
이와 같이, 바이너리 사이클(7A, 7B)로부터의 압력이 다른 저비점 매체를, 각각 제1 래디얼 터빈 휠(57)의 주 입구(27) 및 제2 래디얼 터빈 휠(59)의 종 입구(35)에 공급함으로써, 일체화한 터빈 휠에 의해 회전 동력으로서 취출할 수 있다.
이에 의해, 제2 실시 형태에 관한 래디얼 터빈(100)은, 복수의 팽창 터빈 혹은 복수의 래디얼 터빈 휠을 구비하는 팽창 터빈에 비해 부품 개수를 저감할 수 있어, 제조 비용을 저감할 수 있다.
제2 실시 형태에서는, 도 8에 화살표로 나타낸 바와 같이, 주 통로(67)를 흐르는 저비점 매체와 종 통로(55)를 흐르는 저비점 매체의 합류부에서는, 종 통로(55)를 흐르는 저비점 매체는 대략 축 방향으로 흐르고, 주 통로(67)를 흐르는 저비점 매체는 내측으로 경사진 방향으로 흐르고 있다.
이로 인해, 양쪽의 저비점 매체가 충돌하여, 약간이라고는 해도 혼합 로스가 발생할 가능성이 있다.
이것을 해소하기 위해, 예를 들어 도 9에 도시되는 바와 같이 합류하는 부분에 있어서의 허브(61)의 경사를 작게 하여, 허브(61)면과 관통 통로(59)의 반경 방향 외측의 면이 이루는 각도 δ를 작게 하도록 해도 된다. 혹은, 주 통로(67)와 관통 통로(69)가 합류하는 장소를 주 래디얼 터빈 휠(57)의 축 방향 하류에 위치시키도록 하여, 각도 δ를 작게 하도록 해도 된다.
이와 같이 하면, 주 통로(67)를 흐르는 저비점 매체와 종 통로(55)를 흐르는 저비점 매체의 흐름 방향의 편차가 작아지므로, 충돌에 수반되는 혼합 로스를 저감시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 이상 설명한 각 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변형을 행해도 된다.
1 : 팽창 터빈
11 : 케이싱
13 : 회전축
15 : 래디얼 터빈 휠
19 : 날개
23 : 주 통로
25 : 종 통로
26 : 배면판부
27 : 주 입구
33 : 노즐
35 : 종 입구
41 : 노즐
53 : 케이싱벽
57 : 제1 래디얼 터빈 휠
59 : 제2 래디얼 터빈 휠
61 : 허브
67 : 주 통로
69 : 관통 통로
100 : 래디얼 터빈

Claims (6)

  1. 반경 방향으로부터 축 방향으로 만곡하면서 순차 날개 높이가 높아지는 주 통로를 구비하고, 외주측에 위치하는 주 입구로부터 상기 주 통로로 반경 방향의 흐름을 주성분으로 하여 선회하여 유입되는 유체의 선회 에너지를 회전 동력으로 변환하고, 상기 선회 에너지를 방출한 유체를 축 방향으로 토출하는 터빈 휠을 구비하는 래디얼 터빈이며,
    상기 터빈 휠은, 상기 주 입구보다도 반경 방향 내측의 위치에, 상기 주 통로의 허브면으로부터 분기되어 상기 주 통로의 배면측을 향해 연장되는 종 통로를 구비하고,
    상기 종 통로의 외주 단부에는, 상기 주 입구와 다른 반경 방향 위치로 되고, 상기 주 입구로부터 공급되는 유체의 압력과는 다른 압력의 유체가 공급되는 종 입구가 형성되고,
    상기 주 입구와 상기 종 입구의 사이는, 상기 주 통로를 구성하는 상기 터빈 휠의 배면판과 케이싱의 사이에서 조정된 간극에 의해 구획되어 있는 것을 특징으로 하는, 래디얼 터빈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 종 통로는, 상기 주 통로를 형성하는 날개가 상기 배면판을 넘어 연장되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 래디얼 터빈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 종 입구는, 회전축에 대해 경사져 있는 것을 특징으로 하는, 래디얼 터빈.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 종 통로는, 상기 주 통로와 대응하는 위치에 상기 터빈 휠의 허브를 축 방향으로 관통하도록 형성된 복수의 관통 유로와, 상기 관통 유로의 상류측에 배치된 제2 터빈 휠로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 래디얼 터빈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 터빈 휠은, 상기 터빈 휠에 고정되어 장착되어 있는 것을 특징으로 하는, 래디얼 터빈.
  6. 제3항에 있어서, 상기 종 통로는, 상기 주 통로와 대응하는 위치에 상기 터빈 휠의 허브를 축 방향으로 관통하도록 형성된 복수의 관통 유로와, 상기 관통 유로의 상류측에 배치된 제2 터빈 휠로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 래디얼 터빈.

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