WO2012077365A1 - ラジアルタービン - Google Patents

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WO2012077365A1
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inlet
passage
main
radial
turbine wheel
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PCT/JP2011/058418
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東森　弘高
雅幸 川見
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三菱重工業株式会社
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    • F05D2250/50—Inlet or outlet
    • F05D2250/51—Inlet

Definitions

  • the present invention relates to a radial turbine.
  • a radial turbine is a single unit that converts the swirling energy of a flow from a swirling fluid that flows into a turbine wheel with a radial velocity component as a main component into rotational power, and discharges the released energy in the axial direction.
  • the turbine wheel is equipped.
  • Radial turbines convert medium-low-temperature, high-temperature, and high-pressure fluid energy into rotational power, and are used for power recovery of exhaust energy discharged from various industrial plants using high-temperature, high-pressure fluid. Further, the radial turbine is used for exhaust heat recovery of a system that obtains power through a thermal cycle of a power source for ships and vehicles. In addition, it is widely used in power recovery of binary cycle power generation using medium and low temperature heat sources such as geothermal and OTEC.
  • a plurality of turbines that is, one turbine is used for each one pressure source.
  • two turbine wheels may be provided on the same shaft.
  • turbines for example radial turbines, are designed for optimum conditions for each pressure of the fluid.
  • the radial radius R of the radial turbine is determined by a relationship of g ⁇ H ⁇ U 2 where g is the acceleration of gravity, H is the head, and U is the peripheral speed of the turbine wheel inlet. That is, assuming that the rotational speed of the turbine wheel is N (rpm), the inlet radius R is set to a value in the vicinity of R ⁇ U / 2 ⁇ ⁇ / (N / 60).
  • an object of the present invention is to provide a radial turbine in which a fluid having a plurality of pressures is handled by a single or integral turbine wheel, and the number of parts is reduced to reduce the cost.
  • the present invention employs the following means. That is, the present invention includes a main passage that gradually increases in blade height while curving from the radial direction to the axial direction, and swirling from the main inlet located on the outer peripheral side to the main passage with the radial flow as a main component.
  • a radial turbine including a turbine wheel that converts turning energy of an inflowing fluid into rotational power and discharges the fluid that releases the turning energy in an axial direction, wherein the turbine wheel is radially inward of the main inlet.
  • a secondary passage that branches off from the hub surface of the main passage and extends toward the back side of the main passage, and has a radial position different from the main inlet at the outer peripheral end of the secondary passage, A secondary inlet to which a fluid having a pressure different from the pressure of the fluid supplied from the primary inlet is supplied is formed. Between the primary inlet and the secondary inlet, the turbine wheel constituting the primary passage is formed. A radial turbine which are separated by a gap that is adjusted between the plate and the casing.
  • fluid is introduced from the main inlet to the outer peripheral end of the main passage of the turbine wheel.
  • the fluid introduced from the main inlet is discharged from the turbine wheel while being gradually reduced in pressure through the main passage where the blade height is gradually increased while curving from the radial direction to the axial direction.
  • a fluid having a pressure different from the pressure of the fluid supplied from the main inlet is introduced from the slave inlet to the outer peripheral end of the slave passage.
  • This fluid is supplied from the hub surface of the main passage to the main passage through the sub passage and is mixed with the fluid introduced from the main inlet.
  • the mixed fluid flows out of the turbine wheel while reducing the pressure sequentially, and generates power on the rotating shaft to which the turbine wheel is attached.
  • the slave inlet is installed at a radial position where the pressures of the fluids to be mixed substantially coincide.
  • the main inlet and the secondary inlet are separated by a gap that is adjusted between the back plate of the turbine wheel and the casing constituting the main passage, so that the main inlet and the secondary inlet can be clearly distinguished to reduce fluid leakage. it can.
  • a fluid having a plurality of pressures can be taken out as rotational power by a single turbine wheel. Thereby, a number of parts can be reduced and manufacturing cost can be reduced.
  • the “radial turbine” referred to in the present invention is a fluid that flows mainly in the radial direction, that is, a fluid in which the radial velocity component of the fluid at the inlet to the turbine wheel is at least larger than the axial velocity component.
  • the concept includes a so-called mixed flow turbine in which the hub surface is inclined with respect to the rotational axis and the blade leading edge is inclined with respect to the rotational axis.
  • the fluid introduced into the main inlet and the sub inlet may be swirled using a nozzle or a scroll composed of a plurality of blades arranged at intervals in the circumferential direction.
  • the secondary passage is formed by extending the wings forming the main passage across the back plate.
  • the circumferential wall that constitutes the secondary passage and functions as the blade of the secondary passage is formed by extending the blade that constitutes the primary passage in the hub direction.
  • the blades constituting the main passage and the blades constituting the secondary passage are configured by the same blade at the turbine wheel outlet, the main passage and the secondary passage are formed continuously. The fluid passing through these passages can be mixed smoothly.
  • the slave inlet is inclined with respect to the rotation axis.
  • the fluid introduced from the sub inlet will move in the radial direction, so that the fluid needs to be turned in the axial direction in order to join the main passage. is there.
  • the fluid introduced from the slave inlet since the slave inlet is inclined with respect to the rotation axis, the fluid introduced from the slave inlet has a velocity component in the axial direction from the time of introduction. For this reason, since the part for turning to an axial direction can be made small compared with the slave inlet along a rotating shaft, the axial direction length of a turbine wheel can be made small.
  • the secondary passage includes a plurality of through passages provided in a circumferential position corresponding to the main passage so as to penetrate the hub of the turbine wheel in the axial direction, and the through flow And a second turbine wheel arranged on the upstream side of the road.
  • the shape of the wing may be complicated.
  • the blades have a three-dimensional structure.
  • the turbine wheel is manufactured by casting.
  • the secondary passage is formed by a through passage provided so as to pass through the hub of the turbine wheel, and a second turbine wheel disposed upstream of the through passage.
  • the turbine wheel can be made substantially the same as the structure of a conventional ordinary turbine wheel, it can be manufactured by machining as in the conventional case. Further, since the through passage is a substantially straight rectangular duct-like space, it can be easily processed from the rear surface of the turbine wheel by a ball end mill or the like. Since the second turbine wheel may have a relatively simple blade shape, it can be manufactured by machining as in the conventional case. In this way, since all the members that make up the turbine are manufactured by machining, the surface roughness of the main passage and the secondary passage can be processed more smoothly than those produced by casting, and the efficiency of the turbine can be prevented from decreasing. can do.
  • the second turbine wheel is fixedly attached to the turbine wheel.
  • the surface of the blade of the second turbine wheel is smoothly connected to the wall surface at the joint between both wall surfaces in the circumferential direction of the through passage that acts as the blade surface of the turbine wheel and the blade of the second turbine wheel. Can be.
  • the turbine wheel is provided with the secondary passage branched from the hub surface of the main passage at a position radially inward of the main inlet and extending toward the rear side of the turbine wheel, and the outer peripheral end of the secondary passage.
  • a sub-inlet is formed at a radial position different from that of the main inlet and is supplied with a fluid having a pressure different from the pressure of the fluid supplied from the main inlet. It can be taken out as rotational power by one or an integral turbine wheel. Thereby, a number of parts can be reduced and manufacturing cost can be reduced.
  • FIG. 3 is a projection view onto a cylindrical surface when the blade of FIG. 2 is viewed from the outside in the radial direction. It is a fragmentary sectional view which shows another embodiment of the radial turbine concerning 1st embodiment of this invention. It is a fragmentary sectional view which shows another embodiment of the radial turbine concerning 1st embodiment of this invention. It is a fragmentary sectional view which shows another embodiment of the radial turbine concerning 1st embodiment of this invention. It is a block diagram which shows another structure of the binary power generation system in which the expansion turbine concerning 1st embodiment of this invention is used.
  • FIG. 1 It is a block diagram which shows the structure of the plant system in which the expansion turbine concerning 1st embodiment of this invention is used. It is a fragmentary sectional view showing a radial turbine concerning a second embodiment of the present invention. It is a fragmentary sectional view which shows another embodiment of the radial turbine concerning 2nd embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a binary power generation system in which an expansion turbine according to a first embodiment of the present invention is used.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view in which a radial turbine 100 is applied to the expansion turbine 1 of FIG.
  • FIG. 3 is a projection view onto a cylindrical surface of the wing of FIG.
  • Binary power generation system 3 is used, for example, as a system for performing geothermal power generation.
  • the binary power generation system 3 includes a heat source section 5 having a plurality of heat sources, two binary cycles 7A and 7B, an expansion turbine 1, and a generator 9 that generates electric power by the rotational power of the expansion turbine 1. Is provided.
  • the heat source unit 5 supplies steam and hot water heated by geothermal heat to the binary cycles 7A and 7B.
  • the heat source unit 5 is configured to supply two kinds of steam and hot waters T1 and T2 having different temperatures.
  • the binary cycles 7A and 7B are constituted by Rankine cycles in which a low boiling point medium (fluid) that is a working fluid is circulated.
  • a low boiling point medium for example, an organic medium such as isobutane, chlorofluorocarbon, alternative chlorofluorocarbon, or a mixed fluid of ammonia, ammonia and water, or the like is used.
  • the low boiling point medium is heated by the high-temperature steam or hot water supplied from the heat source unit 5 to become a high-pressure fluid and supplied to the expansion turbine 1.
  • the low boiling point medium discharged from the expansion turbine 1 is returned to the binary cycles 7A and 7B, heated again by high-temperature steam or hot water, and this is sequentially repeated.
  • the same low boiling point medium is used in the two binary cycles 7A and 7B. Since the temperatures of the high-temperature steam and hot water supplied to the binary cycles 7A and 7B are different, the pressures P1 and P2 of the low-boiling-point media supplied from them to the expansion turbine 1 are different. Below, the case where the pressure P1 is larger than the pressure P2 is demonstrated.
  • the radial turbine 100 includes a casing 11, a rotating shaft 13 that is rotatably supported by the casing 11, and a radial turbine wheel 15 that is attached to the outer periphery of the rotating shaft 13.
  • the radial turbine wheel 15 is composed of a hub 17 attached to the outer periphery of the rotating shaft 13 and a plurality of blades 19 provided on the outer peripheral surface of the hub 17 at radially spaced intervals in the circumferential direction.
  • a main inlet 27 that is substantially parallel to the rotary shaft 13 is formed over the entire circumference at the position of the radius R ⁇ b> 1.
  • An inlet channel 31 that is an annular space is formed on the outer peripheral side of the main inlet 27.
  • the inlet channel 31 is provided with a nozzle 33 composed of a plurality of blades arranged at intervals in the circumferential direction.
  • the radial turbine wheel 15 is formed with a main passage 23 that is curved from the radial direction to the axial direction so that the flow flows out from the main inlet 27 toward the turbine wheel outlet 21.
  • the main passage 23 is provided with a secondary passage 25 extending toward the back side.
  • the main passage 23 and the sub passage 25 are joined at a joining portion 47 that is an imaginary line on the hub surface of the main passage 23 indicated by a one-dot chain line.
  • the secondary passage 25 is formed so as to be branched from the joining portion 47 and extend toward the back side of the main passage 23.
  • a sub inlet 35 is formed over the entire circumference at a position of a radius R 2 different from that of the main inlet 27.
  • An inlet channel 39 which is an annular space is formed on the outer peripheral side of the secondary inlet 35 installed at the position of the radius R2.
  • the inlet channel 39 is provided with a nozzle 41 composed of a plurality of blades arranged at intervals in the circumferential direction.
  • the main inlet 27 and the secondary inlet 35 are configured to be substantially parallel to the rotating shaft 13.
  • the radius R1 of the main inlet 27 and the radius R2 of the sub inlet 35 are set as follows, where the turbine wheel inlet peripheral speed of the main inlet 27 is U1, and the turbine wheel inlet peripheral speed of the sub inlet 35 is U2. Is done. A relationship of g ⁇ H1 ⁇ U1 2, g ⁇ H2 ⁇ U2 2 for each of the inlet pressure P1 and P2 and the head H1 and H2.
  • the radius R1 of the main inlet 27 and the radius R2 of the sub inlet 35 are R1 ⁇ U1 / 2 ⁇ ⁇ / (N / 60), R2 ⁇ U2 / 2 ⁇ It is set to a value in the vicinity of ⁇ / (N / 60). Since the pressure P2 is smaller than the pressure P1, the radius R2 of the sub inlet 35 is provided at a position smaller than the radius R1 of the main inlet 27.
  • the secondary passage 25 joins the main passage 23 at the junction 47, and the flow rate G1 flowing through the main passage 23 and the flow rate G2 flowing through the secondary passage 25 are mixed and flow out from the turbine wheel outlet 21.
  • the turbine wheel outlet 21 has a trailing edge consisting of a substantially radial line. The trailing edge may be inclined so that the flow flows out with a radially inward component.
  • the vane 19 of the radial turbine wheel 15 is formed with a branch passage wall 20 that branches off at the junction 47 and divides the circumferential direction of the sub passage 25.
  • a back plate 26 is provided on the back surface of the blade 19 from the main inlet 27 to the junction 47 and on the shroud side of the branch passage wall 20.
  • a main passage 23 is formed by the adjacent wings 19, the hub 17, the back plate 26, and the casing 11.
  • a secondary passage 25 is formed by the branch passage wall 20 of the adjacent blades 19, the hub 17, and the radially inward surface of the back plate 26.
  • the blade 19 has a radial blade shape at substantially the same angle with respect to the rotary shaft 13 at the main inlet 27, and toward the turbine wheel outlet 21 of the radial turbine wheel 15.
  • the wing shape is such that the centerline XL of the wing increases in a parabolic shape. This turning point is in the vicinity of the junction 47.
  • the branch passage wall 20 is installed at a position where the blade 19 located at the merge portion 47 is extended to the hub side in order to receive the centrifugal force of the main inlet portion and the back plate 26 which are portions of the blade 19 on the main inlet 27 side, The angle is configured to substantially coincide with the wing 19 at the main inlet.
  • the branch passage wall 20 has a radial wing shape with substantially the same angle with respect to the rotating shaft 13. If the stress acting on the branch passage wall 20 of the blade 19 due to centrifugal force is sufficiently small, the angle of the main inlet of the blade 19 and the angle of the branch passage wall 20 may be different.
  • the main passage 23 and the sub passage 25 are configured such that the height of the blades 19 of the main passage 23 and the height of the branch passage wall 20 of the sub passage 25 both increase toward the turbine wheel outlet 21.
  • the low-boiling-point medium stream 49 flowing through 23 and the low-boiling-point medium stream 51 flowing through the secondary passage 25 are gradually reduced in pressure while increasing in flow volume toward the turbine wheel outlet 21.
  • a constant pressure line of the fluid passing through the radial turbine wheel 15 is indicated by a one-dot chain line.
  • the radius R ⁇ b> 2 is set so that the pressure of the fluid that is supplied from the secondary inlet 35 and reaches the junction 47 is substantially the same as the pressure of the fluid that passes through the junction 47 of the main passage 23.
  • the casing wall 53 is adjusted so that one surface forms a passage wall of the inlet channel 39 between the main inlet 27 and the sub inlet 35, and the other surface is small so that the gap with the back plate 26 is small. Is provided.
  • the flow rate and flow rate of the low boiling point medium having the pressure P1 supplied from the binary cycle 7A is adjusted from the main inflow path 29 through the inlet flow path 31 by the nozzle 33, and the low boiling point medium having the flow rate G1 is supplied from the main inlet 27 to the main path. 23.
  • the pressure of the low boiling point medium supplied to the radial turbine wheel 15 is PN1.
  • the low boiling point medium of this pressure PN1 flows out of the radial turbine wheel 15 while the pressure continuously decreases to the outlet pressure Pd of the radial turbine wheel 15, and gives rotational power to the rotary shaft 13 to which the radial turbine wheel 15 is attached. generate.
  • the flow rate and flow rate of the low boiling point medium having the pressure P2 supplied from the binary cycle 7B are adjusted by the nozzle 41 through the inlet flow path 37 through the inlet flow path 39, and the low boiling point medium having the flow rate G2 is adjusted to the secondary inlet 35.
  • the pressure PN2 of the low boiling point medium supplied from the slave inlet 35 to the slave passage 25 is reduced while the low boiling point medium flows through the slave passage 25, and substantially coincides with the pressure at the position of the junction 47 in the main passage 23.
  • a casing wall 53 is provided between the main inlet 27 and the sub inlet 35 so that the clearance is adjusted so that the clearance between the main inlet 27 and the back plate 26 of the main passage 23 is small.
  • the low-boiling-point medium having a high pressure from the main inlet 27 can be prevented from leaking toward the sub inlet 35, and leakage can be reduced.
  • the low boiling point medium having the flow rate G ⁇ b> 2 flowing from the sub inlet 35 in the junction 47 is mixed with the low boiling point medium having the flow rate G ⁇ b> 1 supplied from the main inlet 27. Since the main passage 23 and the sub passage 25 are continuously formed by the wings 19, the fluid passing through these passages can be mixed smoothly.
  • the mixed low boiling point medium flows out from the turbine wheel outlet 21 of the radial turbine wheel 15.
  • a low boiling point medium having a flow rate that is a combination of the flow rate G1 and the flow rate G2 generates rotational power on the rotary shaft 13 via the radial turbine wheel 15.
  • the generator 9 generates electric power by rotating the rotary shaft 13.
  • the low-boiling point media having different pressures from the binary cycles 7A and 7B are supplied to the main inlet 27 and the sub inlet 35 of the radial turbine wheel 15, respectively, and are taken out as rotational power by the single radial turbine wheel 15. be able to.
  • the radial turbine 100 concerning this embodiment can reduce a number of parts compared with the expansion turbine provided with a some expansion turbine or a some radial turbine wheel, and can reduce manufacturing cost. it can.
  • the radial turbine wheel 15 is not provided with a shroud, but a shroud may be attached if necessary. If it does in this way, the leakage loss of the low boiling-point medium in the main channel
  • the sub inlet 35 is configured substantially parallel to the rotation shaft 13 as in the first embodiment, the low boiling point medium introduced from the sub inlet 35 moves in the radial direction.
  • the sub inlet 35 may be inclined with respect to the rotation axis.
  • the low boiling point medium introduced from the slave inlet 35 has an axial velocity component from the time of introduction. Become.
  • the part for turning in an axial direction can be made small compared with the sub inlet 35 along the rotating shaft 13, the axial direction length of the sub passage 45 can be made small, and the expansion turbine 1 can be reduced. Can be miniaturized.
  • the hub surfaces of the main inlet 27 and the secondary inlet 35 are configured as surfaces that are substantially perpendicular to the rotating shaft 13, but are not limited thereto.
  • the hub surface may be inclined with respect to the rotating shaft 13, and in addition to that, the blade leading edge may be inclined with respect to the rotating shaft.
  • the sub inlet 35 is more radial than the main inlet 27. It is provided inside.
  • the positional relationship between the sub inlet 35 and the main inlet 27 in the radial direction is not limited to this.
  • the sub inlet 35 may be provided radially outside the main inlet 27 as shown in FIG. In this case, the gap of the casing wall 53 is adjusted so that one surface of the casing wall 53 faces the outer wall surface of the main passage 23 and the back plate 26 and the other surface has a small clearance from the blade tip of the secondary passage 25. Has been.
  • the use of the expansion turbine 1 is not limited to this.
  • the present invention can be applied to a binary power generation system 3 having one binary cycle 7C. This takes out low-boiling-point media having different pressures from the binary cycle 7 ⁇ / b> C and recovers power by the expansion turbine 1.
  • the expansion turbine 1 may be used in the plant system 2 shown in FIG.
  • the plant system 2 for example, in a boiler plant 4, a plurality of, for example, three steams (fluids) having different pressures are taken out and the power is recovered by the expansion turbine 1.
  • the plant system 2 is various industrial plants, and may be used, for example, in a mixing process of a process in which separation or mixing is performed in a chemical plant.
  • FIG. 8 is a partial cross-sectional view showing the radial turbine 100 according to the second embodiment of the present invention.
  • the secondary passage 55 includes a through passage 69 and a second radial turbine wheel (second turbine wheel) 59 provided in the first radial turbine wheel (turbine wheel) 57 combined in the axial direction. It is formed by a passage 74 between the wings 73 formed in the above.
  • the radial turbine wheel 15 in the first embodiment is divided into the first radial turbine wheel 57 and the second radial turbine wheel 59.
  • the first radial turbine wheel 57 corresponds to a region up to the turbine wheel outlet 21 including the back plate 26 of the main passage 23 in the radial turbine wheel 15 of the first embodiment, and the second radial turbine wheel 59 is otherwise It corresponds to the area.
  • the first radial turbine wheel 57 includes a hub 61 attached to the outer periphery of the rotary shaft 13 and a plurality of blades 63 provided on the outer peripheral surface of the hub 61 at radial intervals.
  • the blades 63 are configured so as to increase in height sequentially from the main inlet 27 toward the turbine wheel outlet 65, and are erected linearly in the radial direction at the turbine wheel outlet 65.
  • the turbine wheel outlet 65 may be configured to be inclined so that the flow flows out with a radially inward component.
  • the shape of the blades 63 projected onto the cylindrical surface has a radial blade shape at substantially the same angle with respect to the rotary shaft 13 at the main inlet 27, toward the turbine wheel outlet 65 of the first radial turbine wheel 57,
  • the wing shape is such that the center line of the wing increases parabolically with respect to the rotation shaft 13. The position where the angle increases starts from around position A as indicated by equidistant lines along the blade surface in FIG.
  • the wing 63 has the same structure as a radial wing often used conventionally.
  • a main passage 67 is formed by the adjacent wings 63, the hub 61, the back plate 26, and the casing 11. Similar to the first embodiment, a main inlet 27 is formed over the entire circumference at the outer peripheral end of the main passage 67, and a low boiling point medium having a pressure P1 supplied from the binary cycle 7A is introduced.
  • a plurality of through passages 69 extending from the back plate 26 to the main passage 67 are formed in the hub 61 at positions corresponding to the respective main passages 67 at intervals in the circumferential direction.
  • the through passage 69 is a substantially straight rectangular duct-shaped space, and the longitudinal direction is substantially the axial direction.
  • the through passage 69 opens to the main passage 67 by a hub imaginary line 70 indicating an extension of the hub surface without the blades 63.
  • the second radial turbine wheel 59 is composed of a hub 71 attached to the outer periphery of the rotary shaft 13 and a plurality of blades 73 provided radially spaced from the outer peripheral surface of the hub 71 in the circumferential direction.
  • the wings 73 are configured to increase in height sequentially from the sub inlet 35 toward the downstream, and are erected in a straight line in the radial direction at the outlet.
  • the passage 74 formed by the adjacent wings 73, the hub 71, and the inner peripheral surface of the back plate 26 becomes higher as it goes downstream.
  • the wings 73 are formed at positions where the passages 74 communicate with the respective through passages 69.
  • the passage 74 and the through passage 69 constitute an integrated passage, that is, the sub passage 55.
  • the hub 71 is structured to be combined with the hub 61 by an inlay portion 82 and is arranged at a predetermined position. Thereby, the concentricity of the hub 71 and the hub 61 can be ensured.
  • the hub 73 may be configured not to use the spigot portion 82 by, for example, adopting a saddle-eye structure on the rotating shaft 13.
  • the hub 71 is fixedly attached to the hub 61 with bolts 75.
  • the second radial turbine wheel 59 is firmly attached to a predetermined position of the first radial turbine wheel 57 and integrated.
  • a slave inlet 35 is formed over the entire circumference at the outer peripheral end of the blade 73, and a low boiling point medium having a pressure P2 supplied from the binary cycle 7B is introduced.
  • the number of blades 73 is the same as the number of radial blades 63. Further, at the joint between the blades 73 of the second radial turbine wheel 59 and the circumferential wall surfaces of the through passage 69 acting as the blade surface of the first radial turbine wheel 57, the blade surfaces are connected smoothly. ,It is formed.
  • the low-boiling point medium is eliminated from the second radial turbine wheel 59 because the low-boiling point medium does not have a step or a leading edge that opposes the flow at the portion where the low-boiling point medium flows from the second radial turbine wheel 59 to the first radial turbine wheel 57.
  • the radial turbine wheel 59 smoothly flows into the flow path of the first radial turbine wheel 57.
  • the number of radial blades 73 and the number of radial blades 63 may be different.
  • the structure of the 1st radial turbine wheel 57 can be made substantially the same as the structure of the normal radial turbine wheel conventionally used, it can be manufactured by machining similarly to the past. Since the through passage 69 is a substantially straight rectangular duct-like space, it can be easily processed from the back surface of the first radial turbine wheel 57 by a ball end mill or the like. Since the second radial turbine wheel 59 has a relatively simple blade shape, the second radial turbine wheel 59 can be manufactured by machining as in the conventional case. Thereby, since the roughness of the surface of the main channel
  • the flow rate and flow velocity of the low boiling point medium having the pressure P2 supplied from the binary cycle 7B are adjusted by the nozzle 41, and the low boiling point medium having the flow rate G2 is supplied from the secondary inlet 35 to the second radial turbine wheel 59, that is, the secondary passage. 55 is supplied.
  • the supplied low boiling point medium is depressurized by the second radial turbine wheel 59 and flows into the through flow passage 69.
  • the low boiling point medium that has flowed into the through passage 69 is further decompressed, supplied to the main passage 57, and mixed with the low boiling point medium supplied from the main inlet 27 that passes through the main passage 67.
  • the mixed low boiling point medium flows out from the turbine wheel outlet 65 of the first radial turbine wheel 57.
  • a low boiling point medium having a flow rate that is the sum of the flow rates passing through both passages generates rotational power on the rotary shaft 13 via the first radial turbine wheel 57.
  • the generator 9 generates electric power by rotating the rotary shaft 13.
  • the gap between the main inlet 27 and the sub inlet 35 is adjusted so that the clearance between the back plate portion 26 of the main passage 57 and the casing wall 53 is reduced, so that the pressure is reduced. Even if a different low boiling point medium is used, the low boiling point medium having a high pressure from the main inlet 27 can be prevented from leaking toward the sub inlet 35 and leakage can be reduced.
  • the radial turbine 100 concerning 2nd embodiment can reduce a number of parts compared with the expansion turbine provided with several expansion turbines or several radial turbine wheels, and can reduce manufacturing cost. Can do.
  • the low boiling point medium flowing through the sub passage 55 is substantially an axis at the junction of the low boiling point medium flowing through the main passage 67 and the low boiling point medium flowing through the sub passage 55.
  • the low-boiling point medium flowing in the direction and flowing through the main passage 67 flows in a direction inclined inward. For this reason, both low boiling-point media may collide and a mixing loss may generate
  • the inclination of the hub 61 is reduced at the joining portion so that the angle ⁇ formed by the surface of the hub 61 and the radially outer surface of the through passage 59 is reduced. It may be.
  • the position where the main passage 67 and the through passage 69 merge may be located downstream in the axial direction of the main radial turbine wheel 57, and the angle ⁇ may be reduced. In this case, the deviation in the flow direction between the low boiling point medium flowing through the main passage 67 and the low boiling point medium flowing through the sub passage 55 is reduced, so that the mixing loss associated with the collision can be reduced.

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Abstract

複数の圧力を持つ流体を単一あるいは一体のタービンホイールで取扱い、部品点数を削減して低コスト化したタービンを提供する。翼高さが順次高くなる主通路（２３）を備え、外周側に位置する主入口（２７）から主通路（２３）に半径方向の流速を主成分として旋回して流入する流体を軸方向に吐出するラジアルタービンホイール（１５）を備えるエキスパンジョンタービン（１）であって、ラジアルタービンホイール（１５）には、主入口（２７）よりも半径方向内側位置における主通路（２３）のハブ（１７）側面から分岐され、主通路（２３）の背面側に向かい延在する従通路（２５）が備えられ、従通路（２５）の外周端には、主入口（２７）と異なる半径方向位置とされ、主入口（２７）から供給される流体の圧力とは異なる圧力の流体が供給される従入口（３５）が形成され、主入口（２７）と従入口（３５）との間は、主通路（２３）あるいは従通路（２５）との間で間隙調整された背板部（２６）で区切られている。

Description

ラジアルタービン
　本発明は、ラジアルタービンに関するものである。
　ラジアルタービンは、半径方向の流速成分を主要成分として持ってタービンホイールに流入する旋回する流体から、流れの旋回エネルギーを回転動力に変換し、そのエネルギーを放出した流れを軸方向に吐出する単一のタービンホイールを備えている。ラジアルタービンは、中低温・高温、高圧の流体のエネルギーを回転動力に変換するものであり、各種産業用プラントから高温、高圧の流体で排出される排出エネルギーの動力回収に用いられている。また、ラジアルタービンは、船舶や車両用の動力源等の熱サイクルを経由して動力を得るシステムの排熱回収に用いられている。また、地熱・ＯＴＥＣ等の中低温熱源を利用するバイナリーサイクル発電の動力回収等において広く用いられている。
　各種エネルギー源が複数の圧力を有する場合には、たとえば、特許文献１に示されるように、複数のタービン、すなわち、それぞれの１つの圧力源に対して１つのタービンが用いられている。あるいは、同一軸に２つのタービンホイールを設ける場合もある。
　これは、タービン、たとえば、ラジアルタービンが流体のそれぞれの圧力に対し最適な条件に設計されるからである。たとえば、ラジアルタービンの入口半径Ｒは、重力加速度をｇ、ヘッドをＨ、タービンホイール入口周速をＵとすると、ｇ・Ｈ≒Ｕ２の関係で決まる。すなわち、タービンホイールの回転数をＮ（ｒｐｍ）とすると、入口半径Ｒは、Ｒ≒Ｕ／２・π／（Ｎ／６０）の近傍の値が設定される。
　また、流量変動の大きな流体を扱うラジアルタービンでは、たとえば、特許文献２に示されるように、１個の入口流路を隔壁で仕切って、分割するものが知られている。これは、一方の入口流路が、翼のハブ側に流体を供給するようにされている。
　しかしながら、これは両方の入口流路が同一圧力の流体を扱うものである。また、両方の入口流路が隣接して設けられ、隔壁によって区切られているだけのものであるので、異なる圧力の流体を取り扱う場合、高圧の流体が低圧の流体の方へ漏れ、タービン効率を低下させる。
特開平１－２８５６０７号公報 特表２００８－５０３６８５号公報
　ところで、特許文献１に示されるように複数のラジアルタービンを用いるものは、製造コストが大きくなるし、設置スペースが大きくなる。
　また、同一軸に複数のタービンホイールを設ける場合、タービン部品点数が多く、構造が複雑となるし、製造コストが大きくなる。
　本発明は、このような事情に鑑み、複数の圧力を持つ流体を単一あるいは一体のタービンホイールで取扱い、部品点数を削減して低コスト化したラジアルタービンを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
　すなわち、本発明は、半径方向から軸方向に湾曲しつつ順次翼高さが高くなる主通路を備え、外周側に位置する主入口から前記主通路に半径方向の流れを主成分として旋回して流入する流体の旋回エネルギーを回転動力に変換し、その旋回エネルギーを放出した流体を軸方向に吐出するタービンホイールを備えるラジアルタービンであって、前記タービンホイールは、前記主入口よりも半径方向内側の位置に、前記主通路のハブ面から分岐され前記主通路の背面側に向かって延在する従通路を備え、該従通路の外周端には、前記主入口と異なる半径方向位置とされ、前記主入口から供給される流体の圧力とは異なる圧力の流体が供給される従入口が形成され、前記主入口と前記従入口との間は、前記主通路を構成する前記タービンホイールの背板とケーシングとの間で調整された間隙で区切られているラジアルタービンである。
　本発明によると、流体は、主入口からタービンホイールの主通路の外周端に導入される。主入口から導入された流体は、半径方向から軸方向に湾曲しつつ順次翼高さが高くなる主通路を通って順次圧力を低減されつつタービンホイールから吐出され、タービンホイールが取り付けられている回転軸に動力を発生させる。
　主入口から供給される流体の圧力とは異なる圧力の流体が、従入口から従通路の外周端に導入される。この流体は、従通路を通って主通路のハブ面から主通路に供給され、主入口から導入された流体と混合される。混合された流体は、順次圧力を低減されつつタービンホイールから流出し、タービンホイールが取り付けられている回転軸に動力を発生させる。
　このとき、従入口は、混合される流体の圧力が、略一致するような半径位置に設置されるのが好適である。
　主入口と従入口との間は、主通路を構成するタービンホイールの背板とケーシングとの間で調整された間隙で区切られているので、明確に区別され、流体の漏出を低減することができる。
　このように、複数の圧力を有する流体を、単一のタービンホイールによって回転動力として取り出すことができる。これにより、部品点数を低減することができ、製造コストを低減することができる。
　なお、本発明にいう「ラジアルタービン」は、半径方向の流れを主成分として流入する流体、すなわち、タービンホイールへの入口部における流体の半径方向速度成分が少なくとも軸方向速度成分よりも大きい流体を処理するタービンを意味している。したがって、タービンホイールの構造に於いて、ホイール入口のハブ面が回転軸に対してほぼ垂直の面で構成されている、いわゆるラジアルタービン、ハブ面が回転軸に対して傾斜してなるラジアルタービン、および、ハブ面が回転軸に対して傾斜してなり、且つ、翼前縁が回転軸に対して傾斜してなる、いわゆる斜流タービンを含む概念である。
　また、主入口および従入口に導入される流体は、周方向に間隔を空けて配置された複数の翼から構成されるノズルまたはスクロールを用いて旋回させられていてもよい。
　本発明の第１の態様では、前記従通路は、前記主通路を形成する翼が前記背板をまたいで延長して形成されていている。言い換えれば、前記従通路を構成し前記従通路の翼として作用する周方向の壁は、前記主通路を構成する翼をハブ方向に延長して形成されている。
　このようにすると、タービンホイール出口部において、主通路を構成する翼と従通路を構成する翼とが同一の翼で構成されるため、主通路と従通路とは、連続して形成されるので、これらの通路を通る流体は滑らかに混合することができる。
　本発明の第２の態様では、前記従入口は、回転軸に対し傾斜されていている。
　従入口が回転軸にほぼ平行に構成されていると、従入口から導入される流体は半径方向に移動することになるので、流体は主通路に合流するために軸方向に転向される必要がある。
　本発明の第２の態様では、従入口は、回転軸に対し傾斜されているので、従入口から導入される流体は、導入時から軸方向の速度成分を有していることになる。このため、回転軸に沿っている従入口に比べて、軸方向に転向するための部分が小さくできるので、タービンホイールの軸方向長さを小さくすることができる。
　本発明の第３の態様では、前記従通路は、前記主通路に対応する周方向位置に前記タービンホイールのハブを軸方向に貫通するように設けられた複数の貫通流路と、該貫通流路の上流側に配置された第二のタービンホイールと、で構成される。
　主通路および従通路を単一の翼で形成する場合、翼の形状が複雑となる可能性がある。また、タービン効率を考慮すると、翼が３次元的な構造とされることが考えられる。この場合、ボールエンドミル等の機械加工は困難となる場合があるので、タービンホイールは鋳造によって製造されることになる。鋳造で製造すると、通路の表面の粗さを機械加工ほどには滑らかにすることが難しいので、流体の流動抵抗が増加し、タービンの効率が低下する恐れがある。
　本発明の第３の態様では、従通路は、タービンホイールのハブを貫通するように設けられた貫通流路と、貫通流路の上流側に配置された第二のタービンホイールと、で形成されるようにしたので、上記態様の構造が２分割された構成となる。したがって、タービンホイールは従来の通常のタービンホイールの構造と略同一とできるので、従来と同様に機械加工で製造することができる。また、貫通通路はほぼ直線の矩形ダクト状の空間であるので、タービンホイールの背面からボールエンドミル等によって容易に加工することができる。第二のタービンホイールは、比較的単純な翼形状でよいので、従来と同様に機械加工で製造することができる。
　このように、タービンを構成する部材が全て機械加工で製造されるので、鋳造によって製造されるものに比べて主通路および従通路の表面の粗さを滑らかに加工でき、タービンの効率低下を抑制することができる。
　本発明の第４の態様では、前記第二のタービンホイールは、前記タービンホイールに固定して取り付けられている。
　このようにすると、タービンホイールの翼面として作用する貫通流路の周方向の両壁面と第二のタービンホイールの翼の繋ぎ目において、第二のタービンホイールの翼の表面が壁面に滑らかに繋がるようにすることができる。
　本発明によれば、タービンホイールには、主入口よりも半径方向内側位置における主通路のハブ面から分岐され、タービンホイールの背面側に向かい延在する従通路が備えられ、従通路の外周端には、主入口と異なる半径方向位置とされ、主入口から供給される流体の圧力とは異なる圧力の流体が供給される従入口が形成されているので、複数の圧力を有する流体を、単一あるいは一体のタービンホイールによって回転動力として取り出すことができる。これにより、部品点数を低減することができ、製造コストを低減することができる。
本発明の第一実施形態にかかるエキスパンジョンタービンが用いられているバイナリー発電システムの構成を示すブロック図である。 図１のエキスパンジョンタービンにラジアルタービンを適用した部分断面図である。 図２の翼を半径方向外側から見た円筒面への投影図である。 本発明の第一実施形態にかかるラジアルタービンの別の実施態様を示す部分断面図である。 本発明の第一実施形態にかかるラジアルタービンのまた別の実施態様を示す部分断面図である。 本発明の第一実施形態にかかるエキスパンジョンタービンが用いられているバイナリー発電システムの別の構成を示すブロック図である。 本発明の第一実施形態にかかるエキスパンジョンタービンが用いられているプラントシステムの構成を示すブロック図である。 本発明の第二実施形態にかかるラジアルタービンを示す部分断面図である。 本発明の第二実施形態にかかるラジアルタービンの別の実施態様を示す部分断面図である。
　以下、本発明の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。
［第一実施形態］
　以下、本発明の第一実施形態にかかるエキスパンジョンタービン（ラジアルタービン）１について図１～図３を参照して説明する。
　図１は、本発明の第一実施形態にかかるエキスパンジョンタービンが用いられているバイナリー発電システムの構成を示すブロック図である。図２は、図１のエキスパンジョンタービン１にラジアルタービン１００を適用した部分断面図である。図３は、図２の翼を半径方向外側から見た円筒面への投影図である。
　バイナリー発電システム３は、たとえば、地熱発電を行うシステムとして使われているものである。バイナリー発電システム３には、複数の熱源を有する熱源部５と、２個のバイナリーサイクル７Ａ及び７Ｂと、エキスパンジョンタービン１、エキスパンジョンタービン１の回転動力によって電力を発生する発電機９とが備えられている。
　熱源部５は、地熱によって加熱された蒸気や熱水をバイナリーサイクル７Ａ，７Ｂに供給する。熱源部５は２種類の温度が異なる蒸気や熱水Ｔ１，Ｔ２を供給するように構成されている。
　バイナリーサイクル７Ａ及び７Ｂは、作動流体である低沸点媒体（流体）を循環させるランキンサイクルで構成されている。低沸点媒体としては、たとえば、イソブタン等の有機媒体、フロン、代替フロン、またはアンモニアやアンモニアと水の混合流体、等が用いられる。
　バイナリーサイクル７Ａ，７Ｂでは、熱源部５から供給される高温蒸気や熱水によって、低沸点媒体が加熱されて高圧流体となり、エキスパンジョンタービン１に供給される。エキスパンジョンタービン１から排出された低沸点媒体は、バイナリーサイクル７Ａ及び７Ｂに戻され、再度高温蒸気や熱水によって加熱され、これを順次繰り返す。
　このとき、２つのバイナリーサイクル７Ａ及び７Ｂでは、同じ低沸点媒体が用いられている。バイナリーサイクル７Ａ及び７Ｂに供給される高温蒸気や熱水の温度が異なるので、それらからエキスパンジョンタービン１に供給される低沸点媒体の圧力Ｐ１、Ｐ２は異なる。以下では、圧力Ｐ１が圧力Ｐ２よりも大きい場合について説明する。
　ラジアルタービン１００には、ケーシング１１と、ケーシング１１に回転可能に支持された回転軸１３と、回転軸１３の外周に取り付けられたラジアルタービンホイール１５と、が備えられている。
　ラジアルタービンホイール１５は、回転軸１３の外周に取り付けられたハブ１７とハブ１７の外周面に放射状に周方向に間隔を空けて備えられた複数の翼１９とで構成されている。
　ラジアルタービンホイール１５の外周端には、半径Ｒ１の位置に全周に亘り回転軸１３にほぼ平行な主入口２７が形成されている。主入口２7の外周側には、環状の空間である入口流路３１が形成されている。入口流路３１の外周側端部には、バイナリーサイクル７Ａから供給される圧力Ｐ１の低沸点媒体が導入される主流入路２９が接続されている。
　入口流路３１には、周方向に間隔を空けて配置された複数の翼から構成されるノズル３３が設けられている。
　ラジアルタービンホイール１５には、主入口２７からタービンホイール出口２１に向かって流れが流出するように半径方向から軸方向に向かい湾曲した主通路２３が形成されている。
　主通路２３には、背面側に向かい延在する従通路２５が備えられている。主通路２３と従通路２５とは、一点鎖線で示される主通路２３のハブ面の仮想線である合流部４７で流れが合流する。言い換えれば、従通路２５は、合流部４７から分岐され、主通路２３の背面側に向かい延在するように形成されている。
　従通路２５の背面側の外周端には、主入口２７と異なる半径Ｒ２の位置に全周に亘る従入口３５が形成されている。
　半径Ｒ２の位置に設置された従入口３５の外周側には、環状の空間である入口流路３９が形成されている。入口流路３９の外周端には、バイナリーサイクル７Ｂから供給される圧力Ｐ２の低沸点媒体が導入される従流入路３７が接続されている。
　入口流路３９には、周方向に間隔を空けて配置された複数の翼から構成されるノズル４１が設けられている。
　主入口２７および従入口３５は、回転軸１３にほぼ平行になるようにされている。
　このとき、主入口２７の半径Ｒ１と従入口３５の半径Ｒ２とは、主入口２７のタービンホイール入口周速をＵ１、従入口３５のタービンホイール入口周速をＵ２とすると、次のように設定される。それぞれの入口圧Ｐ１及びＰ２およびヘッドＨ１及びＨ２に対してｇ・Ｈ１≒Ｕ１2、ｇ・Ｈ２≒Ｕ２2の関係がある。ラジアルタービンホイール１５の回転数をＮ（ｒｐｍ）とすると、主入口２７の半径Ｒ１および従入口３５の半径Ｒ２は、Ｒ１≒Ｕ１／２・π／（Ｎ／６０）、Ｒ２≒Ｕ２／２・π／（Ｎ／６０）の近傍の値に設定される。
　圧力Ｐ２は、圧力Ｐ１よりも小さいので、従入口３５の半径Ｒ２は、主入口２７の半径Ｒ１よりも小さくなる位置に設けられる。
　従通路２５は、合流部４７にて主通路２３と合流し、主通路２３を流れる流量Ｇ１と従通路２５を流れる流量Ｇ２が混合され、タービンホイール出口２１より流出する。タービンホイール出口２１はほぼ半径方向の線からなる後縁を有する。この後縁は流れが半径内向きの成分を持って流出するように傾斜して構成されていてもよい。
　ラジアルタービンホイール１５の翼１９には、合流部４７で分岐され、従通路２５の周方向を区画する分岐通路壁２０が形成されている。主入口２７から合流部４７に至る翼１９の背面と、分岐通路壁２０のシュラウド側には、背板２６が設けられている。隣り合う翼１９と、ハブ１７と、背板２６と、ケーシング１１とで、主通路２３が形成される。隣り合う翼１９の分岐通路壁２０と、ハブ１７と、背板２６の半径方向内向きの面とで、従通路２５が形成される。
　翼１９は、図３に示されるように主入口２７において回転軸１３に対してほぼ同一の角度の放射状の翼形状を有し、ラジアルタービンホイール１５のタービンホイール出口２１に向けて、回転軸１３に対して翼の中心線ＸＬが放物線状に大きくなるという翼形状とされている。この転向点は、合流部４７の近傍である。
　分岐通路壁２０は、翼１９の主入口２７側の部分である主入口部および背板２６の遠心力を受け止めるため、合流部４７に位置する翼１９をハブ側へ延長した位置に設置され、その角度が主入口部の翼１９とほぼ一致するように構成されている。したがって、分岐通路壁２０は、回転軸１３に対してほぼ同一の角度の放射状の翼形状とされている。
　なお、遠心力による翼１９の分岐通路壁２０に作用する応力が十分小さい場合には、翼１９の主入口部の角度と分岐通路壁２０の角度とが食い違うようにされてもよい。
　主通路２３および従通路２５はタービンホイール出口２１に向かうに連れて主通路２３の翼１９の高さと従通路２５の分岐通路壁２０の高さとが共に高くなるように構成されており、主通路２３を流れる低沸点媒体の流れ４９および従通路２５を流れる低沸点媒体の流れ５１は、タービンホイール出口２１に向かうに連れて流量容積が増加しながら順次低圧になる。
　図２には、ラジアルタービンホイール１５内を通る流体の等圧線が一点鎖線で示されている。
　半径Ｒ２は、従入口３５から供給され、合流部４７に至る流体の圧力が、主通路２３の合流部４７を通る流体の圧力と略同一となるように設定されている。
　ケーシング１１には、主入口２７と従入口３５との間に、一面が入口流路３９の通路壁を構成し、他面が背板２６との間隙が小さくなるように調整されたケーシング壁５３が備えられている。
　以下、このように構成された本実施形態にかかるラジアルタービン１００の動作について説明する。
　バイナリーサイクル７Ａから供給される圧力Ｐ１の低沸点媒体は、主流入路２９から入口流路３１を通ってノズル３３によって流量、流速を調整され、流量Ｇ１の低沸点媒体が主入口２７から主通路２３に供給される。このとき、ラジアルタービンホイール１５に供給される低沸点媒体の圧力はＰＮ１である。この圧力ＰＮ１の低沸点媒体は、ラジアルタービンホイール１５の出口圧Ｐｄまで連続的に圧力が低下しながらラジアルタービンホイール１５から流出し、ラジアルタービンホイール１５が取り付けられている回転軸１３に回転動力を発生させる。
　このとき、バイナリーサイクル７Ｂから供給される圧力Ｐ２の低沸点媒体は、従流入路３７から入口流路３９を通ってノズル４１によって流量、流速を調整され、流量Ｇ２の低沸点媒体が従入口３５から従通路２５に供給される。このとき、この従入口３５から従通路２５に供給される低沸点媒体の圧力ＰＮ２は、低沸点媒体が従通路２５を流れる間に減圧され、主通路２３における合流部４７位置における圧力に略一致するようにされる。主入口２７と従入口３５との間は、主通路２３の背板２６との間でクリアランスが小さくなるように間隙調整されたケーシング壁５３が備えられているので、ホイール入口にて圧力ＰＮ１と圧力ＰＮ２の圧力の異なる低沸点媒体を用いても主入口２７からの圧力の高い低沸点媒体が従入口３５の方へ漏れるのを抑制し、漏れを低減することができる。
　合流部４７において従入口３５から流入した流量Ｇ２の低沸点媒体は、主入口２７から供給された流量Ｇ１の低沸点媒体と混合される。主通路２３と従通路２５とは、翼１９によって連続して形成されるので、これらの通路を通る流体は滑らかに混合されることができる。
　混合された低沸点媒体は、ラジアルタービンホイール１５のタービンホイール出口２１から流出される。流量Ｇ１および流量Ｇ２が合わさった流量の低沸点媒体が、ラジアルタービンホイール１５を介して回転軸１３に回転動力を発生させる。
　回転軸１３の回転駆動によって発電機９が電力を発生させる。
　このように、バイナリーサイクル７Ａ，７Ｂからの圧力の異なる低沸点媒体を、それぞれラジアルタービンホイール１５の主入口２７および従入口３５に供給することによって、単一のラジアルタービンホイール１５によって回転動力として取り出すことができる。
　これにより、本実施形態にかかるラジアルタービン１００は、複数のエキスパンジョンタービンあるいは複数のラジアルタービンホイールを備えるエキスパンジョンタービンに比べて部品点数を低減することができ、製造コストを低減することができる。
　なお、第一実施形態では、ラジアルタービンホイール１５にシュラウドが設けられていないが、必要に応じてシュラウドを取り付けるようにしてもよい。
　このようにすると、主通路２３における低沸点媒体の漏れ損失を低減することができ、タービン効率を高くすることができる。
　第一実施形態のように、従入口３５が回転軸１３にほぼ平行に構成されていると、従入口３５から導入される低沸点媒体は半径方向に移動することになるので、低沸点媒体は主通路２３に合流するために軸方向に転向される必要がある。
　この場合、図４に示されるように、従入口３５を回転軸に対して傾斜させるようにしてもよい。
　このようにすると、従入口３５は、回転軸１３に対し傾斜されているので、従入口３５から導入される低沸点媒体は、導入された時から軸方向の速度成分を有していることになる。このため、回転軸１３に沿っている従入口３５に比べて、軸方向に転向するための部分を小さくできるので、従通路４５の軸方向長さを小さくすることができ、エキスパンジョンタービン１を小型化することができる。
　第一実施形態では、ラジアルタービンホイール１５の構造において、主入口２７および従入口３５のハブ面が回転軸１３に対してほぼ垂直の面で構成されているが、これに限定されない。たとえば、ハブ面が回転軸１３に対して傾斜していてもよいし、さらに、それに加えて翼前縁が回転軸に対して傾斜していてもよい。
　第一実施形態では、従入口３５から導入される低沸点媒体の圧力Ｐ２が、主入口２７から導入される低沸点媒体の圧力Ｐ１よりも低いので、従入口３５は主入口２７よりも半径方向で内側に設けられている。しかし、従入口３５と主入口２７の半径方向における位置関係はこれに限定されない。
　たとえば、従入口３５の圧力Ｐ２が主入口２７の圧力Ｐ１よりも大きい場合には、図５に示されるように、従入口３５が主入口２７よりも半径方向で外側に設けられることもある。
　この場合、ケーシング壁５３は、一面が主通路２３および背板２６の外壁面に対向するように通路壁を構成し、他面が従通路２５の翼先端とのクリアランスが小さくなるように間隙調整されている。
　第一実施形態では、２つのバイナリーサイクル７Ａ，７Ｂを持つ、バイナリー発電システム３に適用するとして説明したが、エキスパンジョンタービン１の用途はこれに限定されない。
　たとえば、図６に示されるように、１つのバイナリーサイクル７Ｃを有するバイナリー発電システム３にも適用できる。これはバイナリーサイクル７Ｃから圧力の異なる低沸点媒体を取り出してエキスパンジョンタービン１によって動力を回収する。
　また、図７に示されるプラントシステム２でエキスパンジョンタービン１を用いるようにしてもよい。プラントシステム２には、たとえば、ボイラプラント４で、複数、たとえば、３つの圧力の異なる蒸気（流体）を取り出してエキスパンジョンタービン１によって動力を回収するものである。
　プラントシステム２としては、各種産業プラントであり、たとえば、化学プラントにおいて分離や混合が行われるプロセスの混合過程に使用されても良い。
［第二実施形態］
　次に、本発明の第二実施形態にかかるエキスパンジョンタービン１について、図８を用いて説明する。
　第二実施形態は、タービンホイールの製造方法に関する構成が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
　なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
　図８は、本発明の第二実施形態にかかるラジアルタービン１００を示す部分断面図である。
　本実施形態では、従通路５５は、軸方向で組み合わされている第一のラジアルタービンホイール（タービンホイール）５７に設けられた貫通通路６９と第二のラジアルタービンホイール（第二のタービンホイール）５９に形成された翼７３の間の通路７４で形成されている。
　言い換えれば、第一実施形態におけるラジアルタービンホイール１５が、第一のラジアルタービンホイール５７および第二のラジアルタービンホイール５９に分割されていることになる。
　第一のラジアルタービンホイール５７は、第一実施形態のラジアルタービンホイール１５における主通路２３の背板２６を含みタービンホイール出口２１までの領域に相当し、第二のラジアルタービンホイール５９は、それ以外の領域に相当している。
　第一のラジアルタービンホイール５７は、回転軸１３の外周に取り付けられたハブ６１とハブ６１の外周面に放射状に間隔を空けて備えられた複数の翼６３とで構成されている。翼６３は、主入口２７からタービンホイール出口６５に向かうに連れて順次高さが高くなるように構成され、タービンホイール出口６５では半径方向に直線状に立設されている。なお、タービンホイール出口６５は流れが半径内向きの成分を持って流出するように傾斜して構成されていてもよい。
　翼６３を円筒面に投影した形状は、主入口２７において回転軸１３に対してほぼ同一の角度の放射状の翼形状を有し、第一のラジアルタービンホイール５７のタービンホイール出口６５に向けて、回転軸１３に対して翼の中心線が放物線状に大きくなるという翼形状とされている。この角度が大きくなる位置は、図８に翼面に沿って等間隔な線を付記しているように、位置Ａのあたりから始まっている。言い換えると、翼６３は、従来よく用いられているラジアル翼と同じ構造をしている。
　隣り合う翼６３と、ハブ６１と、背板２６と、ケーシング１１とで、主通路６７が形成される。
　主通路６７の外周端には、第一実施形態と同様に、全周に亘る主入口２７が形成され、バイナリーサイクル７Ａから供給される圧力Ｐ１の低沸点媒体が導入される。
　ハブ６１には、周方向に間隔を空けて、それぞれ各主通路６７に対応する位置に、背板２６から主通路６７に至る複数の貫通通路６９が形成されている。
　貫通通路６９は、ほぼ直線の矩形ダクト状の空間であり、長手方向はほぼ軸方向とされている。貫通通路６９は、翼６３が無いハブ面の延長部を示すハブ仮想線７０で主通路６７に開口している。
　第二のラジアルタービンホイール５９は、回転軸１３の外周に取り付けられたハブ７１とハブ７１の外周面に放射状に周方向に間隔を空けて備えられた複数の翼７３とで構成されている。
　翼７３は、従入口３５から下流に向かうに連れて順次高さが高くなるように構成され、出口では半径方向に直線状に立設されている。隣り合う翼７３と、ハブ７１と、背板２６の内周面とで形成される通路７４は、高さが下流に向かうに連れて高くなる。翼７３は、通路７４が各貫通通路６９に連通される位置に形成されている。これにより、通路７４および貫通通路６９は一体化された通路、すなわち、従通路５５を構成する。
　ハブ７１は、ハブ６１にインロー部８２によって組み合わせる構造とされ、所定の位置に配置される。これにより、ハブ７１とハブ６１との同芯度を担保することができる。ハブ７３は、たとえば、回転軸１３にハメアイ構造とすることによって、インロー部８２を用いないようにしてもよい。
　ハブ７１は、ハブ６１にボルト７５によって固定して取り付けられる。これにより、第二のラジアルタービンホイール５９は、第一のラジアルタービンホイール５７の所定の位置に強固に取り付けられ、一体化される。
　翼７３の外周端には、第一実施形態と同様に、全周に亘る従入口３５が形成され、バイナリーサイクル７Ｂから供給される圧力Ｐ２の低沸点媒体が導入される。
　翼７３の枚数は、ラジアル翼６３の枚数と同じとされている。さらに、第二のラジアルタービンホイール５９の翼７３と第一のラジアルタービンホイール５７の翼面として作用する貫通通路６９の周方向の両壁面との繋ぎ目において、翼の表面が滑らかに繋がるように、形成される。このようにすると、第二のラジアルタービンホイール５９から第一のラジアルタービンホイール５７へ低沸点媒体が流入する部分での構造の段差や流れに対向する前縁がなくなるので、低沸点媒体は第二のラジアルタービンホイール５９から第一のラジアルタービンホイール５７の流路へ滑らかに流入する。
　なお、ラジアル翼７３の枚数とラジアル翼６３の枚数とを異ならせてもよい。
　このように、第一のラジアルタービンホイール５７は従来用いられている通常のラジアルタービンホイールの構造と略同一とできるので、従来と同様に機械加工で製造することができる。また、貫通通路６９はほぼ直線の矩形ダクト状の空間であるので、第一のラジアルタービンホイール５７の背面からボールエンドミル等によって容易に加工することができる。第二のラジアルタービンホイール５９は、比較的単純な翼形状であるので、従来と同様に機械加工で製造することができる。
　これにより、主通路６７および従通路５５の表面の粗さを滑らかに加工できるので、エキスパンジョンタービン１の効率低下を抑制することができる。
　このように構成された第二実施形態にかかるラジアルタービン１００の動作については基本的に第一実施形態と同様であるので、ここでは簡単に説明する。
　バイナリーサイクル７Ａから供給される圧力Ｐ１の低沸点媒体は、ノズル３３によって流量、流速を調整され、流量Ｇ１の低沸点媒体が主入口２７から主通路６７に供給される。
　一方、バイナリーサイクル７Ｂから供給される圧力Ｐ２の低沸点媒体は、ノズル４１によって流量、流速を調整され、流量Ｇ２の低沸点媒体が従入口３５から第二のラジアルタービンホイール５９、すなわち、従通路５５に供給される。供給された低沸点媒体は、第二のラジアルタービンホイール５９で減圧され貫通流路６９に流入する。貫通流路６９に流入した低沸点媒体は、さらに減圧され、主通路５７に供給され、主通路６７を通る主入口２７から供給された低沸点媒体と混合される。
　混合された低沸点媒体は、第一のラジアルタービンホイール５７のタービンホイール出口６５から流出される。両通路を通る流量が合わさった流量の低沸点媒体が、第一のラジアルタービンホイール５７を介して回転軸１３に回転動力を発生させる。
　回転軸１３の回転駆動によって発電機９が電力を発生させる。
　このとき、主入口２７と従入口３５との間は、主通路５７の背板部２６とケーシング壁５３との間でクリアランスが小さくなるように調整された間隙が備えられているので、圧力の異なる低沸点媒体を用いても主入口２７からの圧力の高い低沸点媒体が従入口３５の方へ漏れるのを抑制し、漏れを低減することができる。
　このように、バイナリーサイクル７Ａ，７Ｂからの圧力の異なる低沸点媒体を、それぞれ第一のラジアルタービンホイール５７の主入口２７および第二のラジアルタービンホイール５９の従入口３５に供給することによって、一体化したタービンホイールによって回転動力として取り出すことができる。
　これにより、第二実施形態にかかるラジアルタービン１００は、複数のエキスパンジョンタービンあるいは複数のラジアルタービンホイールを備えるエキスパンジョンタービンに比べて部品点数を低減することができ、製造コストを低減することができる。
　第二実施形態では、図８に矢印で示したように、主通路６７を流れる低沸点媒体と従通路５５を流れる低沸点媒体との合流部では、従通路５５を流れる低沸点媒体は略軸方向に流れ、主通路６７を流れる低沸点媒体は内側に傾斜した方向に流れている。
　このため、両方の低沸点媒体が衝突して、若干とはいえ混合ロスが発生する可能性がある。
　これを解消するために、たとえば、図９に示されるように合流する部分におけるハブ６１の傾斜を小さくして、ハブ６１面と貫通通路５９の半径方向外側の面のなす角度δを小さくするようにしてもよい。あるいは、主通路６７と貫通通路６９とが合流する場所を主ラジアルタービンホイール５７の軸方向下流に位置させるようにして、角度δを小さくするようにしてもよい。
　このようにすると、主通路６７を流れる低沸点媒体と従通路５５を流れる低沸点媒体との流れ方向の偏差が小さくなるので、衝突に伴う混合ロスを低減させることができる。
　なお、本発明は以上説明した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形を行ってもよい。
１　エキスパンジョンタービン
１１　ケーシング
１３　回転軸
１５　ラジアルタービンホイール
１９　翼
２３　主通路
２５　従通路
２６　背板部
２７　主入口
３３　ノズル
３５　従入口
４１　ノズル
５３　ケーシング壁
５７　第一のラジアルタービンホイール
５９　第二のラジアルタービンホイール
６１　ハブ
６７　主通路
６９　貫通通路
１００　ラジアルタービン

Claims (5)

  1. 　半径方向から軸方向に湾曲しつつ順次翼高さが高くなる主通路を備え、外周側に位置する主入口から前記主通路に半径方向の流れを主成分として旋回して流入する流体の旋回エネルギーを回転動力に変換し、前記旋回エネルギーを放出した流体を軸方向に吐出するタービンホイールを備えるラジアルタービンであって、
    　前記タービンホイールは、前記主入口よりも半径方向内側の位置に、前記主通路のハブ面から分岐され前記主通路の背面側に向かって延在する従通路を備え、
    　該従通路の外周端には、前記主入口と異なる半径方向位置とされ、前記主入口から供給される流体の圧力とは異なる圧力の流体が供給される従入口が形成され、
    　前記主入口と前記従入口との間は、前記主通路を構成する前記タービンホイールの背板とケーシングとの間で調整された間隙で区切られていることを特徴とするラジアルタービン。
  2. 　前記従通路は、前記主通路を形成する翼が前記背板をまたいで延長して形成されていることを特徴とする請求項１に記載のラジアルタービン。
  3. 　前記従入口は、回転軸に対し傾斜されていることを特徴とする請求項１または２に記載のラジアルタービン。
  4. 　前記従通路は、前記主通路と対応する位置に前記タービンホイールのハブを軸方向に貫通するように設けられた複数の貫通流路と、該貫通流路の上流側に配置された第二のタービンホイールと、で構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のラジアルタービン。
  5. 　前記第二のタービンホイールは、前記タービンホイールに固定して取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載のラジアルタービン。
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