(57)【要約】【課題】十分な熱効率を得るためには段を複数段形成する必要があるため、蒸気タービン全体のロータの軸方向長さが長くなってしまい、結果として蒸気タービンを小型化することは困難であった。【解決手段】外部から供給された蒸気が流入されるハウジング２と、前記ハウジング２に流入された蒸気を受けて動翼３０を回転させる複数の動翼部材３とを備え、前記ハウジング２には、前記流入された蒸気を膨張させて排出する複数のノズル１０が形成されていることとしている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から供給された蒸気が流入されるハウジングと、
前記ハウジングに流入された蒸気を受けてロータを回転させる複数の動翼とを備え、
前記ハウジングには、前記流入された蒸気を膨張させて排出する静翼が形成されていることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項２】
前記静翼は、前記ハウジングに複数形成されたノズルであり、
複数の前記ノズルは、一のノズルにおける排出口から排出された蒸気を、隣接する他のノズルにおける流入口から流入させるように配設されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
【請求項３】
前記複数の動翼は、前記ロータに対して放射状に形成されており、
前記一のノズルにおける排出口からは、前記複数の動翼のうち隣接する動翼間に形成された空間に蒸気が排出され、
前記空間に排出された蒸気は、前記ロータが回転することによって前記他のノズルにおける流入口を臨む位置まで当該空間が移動するのに応じて、当該他のノズルにおける流入口から流入することを特徴とする請求項２に記載の蒸気タービン。
【請求項４】
外部から排出された高温の気体の熱を利用して、内部に貯蔵された液体を気化させるボイラーと、
前記ボイラーによって気化された蒸気のエネルギを動力に変換する蒸気タービンと、
前記蒸気タービンから供給された蒸気を冷却して液化する冷却装置とを備え、
前記蒸気タービンは、
前記ボイラから供給された蒸気が流入されるハウジングと、
前記ハウジングに流入された蒸気を受けてロータを回転させる複数の動翼とを有し
前記ハウジングには、前記流入された蒸気を膨張させて排出する静翼が形成されていることを特徴とするボイラシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蒸気タービン及び蒸気タービンを利用したボイラシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、蒸気タービンは、例えば非特許文献１に開示されているように、蒸気タービンに形成された動翼の回転方向と略垂直方向に蒸気を当て、動翼を回転させる方式が知られている。動翼に当てられた蒸気は、動翼の後部に形成された静翼によって膨張させられ、当該静翼の後部に形成された動翼に当てるという動作を繰り返し行うことで、複数形成された動翼を連結するロータを回転させることとしている。
【０００３】
【非特許文献１】沼野正博・中島健・加茂信行著  「蒸気工学  −蒸気プラント工学入門」  朝倉書店  １９８７年４月２０日  ｐ．１０４  図８．１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、非特許文献１に開示されている蒸気タービンでは、動翼及び静翼によって形成される段の間を蒸気が移動する際に、蒸気の状態が変化してしまうおそれがあり、十分な熱効率を得ることができないという問題があった。また、十分な熱効率を得るためには段を複数段形成する必要があるため、蒸気タービン全体のロータの軸方向長さが長くなってしまい、結果として蒸気タービンを小型化することは困難であった。
【０００５】
そこで本発明はこの様な実情に鑑みてなされたものであり、蒸気を効率良く使うことができ、動翼の小型化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る蒸気タービンは、外部から供給された蒸気が流入されるハウジングと、前記ハウジングに流入された蒸気を受けてロータを回転させる複数の動翼とを備え、前記ハウジングには、前記流入された蒸気を膨張させて排出する複数の静翼が形成されていることを特徴としている。
【０００７】
この構成によれば、ハウジング外部から流入してきた蒸気を動翼に流し、ハウジングに形成された静翼内で膨張させ、膨張した蒸気を再度動翼に流すことできる。
【０００８】
また、本発明に係る蒸気タービンの前記静翼は、前記ハウジングに複数形成されたノズルであり、複数の前記ノズルには、一のノズルにおける排出口から排出された蒸気を、隣接する他のノズルにおける流入口から流入させるように配設されていることを特徴としている。
【０００９】
この構成によれば、一のノズルにおける排出口から排出された蒸気を、隣接する他のノズルにおける流入口から流入させる動作をハウジング内部で複数回行うことで、効率良く動翼を回転させ続けることができる。
【００１０】
また、本発明に係る蒸気タービンの前記複数の動翼は、前記ロータに対して放射状に形成されており、前記一のノズルにおける排出口からは、前記複数の動翼のうち隣接する動翼間に形成された空間に蒸気が排出され、前記空間に排出された蒸気は、前記ロータが回転することによって前記他のノズルにおける流入口を臨む位置まで当該空間が移動するのに応じて、当該他のノズルにおける流入口から流入することを特徴としている。
【００１１】
この構成によれば、一の蒸気タービンに形成された複数の動翼及びハウジングに形成された複数の静翼を用いて、蒸気の膨張をさせることで複数の蒸気タービンを連結させる必要はなく、又動翼の表面積の小型化を図ることができる。
【００１２】
また、本発明に係るボイラシステムは、外部から排出された高温の気体の熱を利用して、内部に貯蔵された液体を気化させるスチームタンクと、前記スチームタンクによって気化された蒸気のエネルギを動力に変換する蒸気タービンと、前記蒸気タービンから供給された蒸気を冷却して液化する冷却装置とを備え、前記蒸気タービンは、前記スチームタンクから供給された蒸気が流入されるハウジングと、前記ハウジングに流入された蒸気を受けてロータを回転させる複数の動翼と、前記流入された蒸気を膨張させて排出する静翼とを有することを特徴としている。
【００１３】
この構成によれば、外部から排出された高温の気体の熱を用いてスチームタンク内で気化させ、当該気化させた気体を用いて蒸気タービンに動力を発生させる。また、当該動力を発生させた蒸気は、蒸気タービンから冷却装置へ送られ冷却装置内で液化される。当該液化された液体は、再度スチームタンクへ送ることによって同一の動作を再度行わせることができる。すなわち、少量の液体を用いて効率良く蒸気タービンに動力を発生させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
上記の様な構成により、蒸気タービンに供給された蒸気を効率良く利用することができると共に、動翼の表面積を小型化させることで蒸気タービンの小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細な説明をする。
【００１６】
以下、本発明に係る蒸気タービンの第一の実施の形態について説明する。図１は蒸気タービン１を構成する各部材の詳細を示す分解斜視図である。蒸気タービン１は、蒸気タービン１の外郭を形成するハウジング本体２ａ及びハウジング蓋部材２ｂと、略十字型の形状を有するロータ４と、ロータ４の外周に沿って複数個形成されている動翼部材３と、ロータ４３の回転を支持するロータ軸５と、ロータ４及び動翼部材３を挟み込む様に配設された２枚の圧力保持板６とによって構成されている。動翼部材３、ロータ４、及びロータ軸５が一体化されており、動翼３０を形成している。この場合において、ハウジング部材２ａ、及びハウジング蓋部材２ｂを一体化させたものをハウジング２と総称するものとする。
【００１７】
ハウジング本体２ａは所定の厚みをもった円盤状の形状を有しており、円形を有する面に、ロータ４及び動翼部材３を遊挿し周方向に回転することが可能な所定の厚みをもった円盤状の空洞７が形成されている。また、空洞７の表面には複数組の流入口８及び流出口９が形成されている。一組の流入口８及び流出口９はハウジング本体２ａ内部において連結しており、静翼としてのノズル１０を形成している。ノズル１０は略鉤型の形状を有しており、流入口８近傍での開口面積が、流出口９近傍での開口面積より大きくなるように形成されている。図２（ａ）は蒸気タービンを構成する各部材の詳細を示す立面図であり、（ｂ）はハウジング蓋部材の詳細を示す立面図であるが、図２に示す様に、空洞７の底面には、空洞７内部に蓄積した熱を放出するための螺旋状のヒートシンク溝１４が形成されている。
【００１８】
また、ハウジング蓋部材２ｂは円盤状の形状を有しており、底面にはハウジング本体２ａと同様に螺旋状のヒートシンク溝１４が形成されている。また、ヒートシンク溝１４が形成されている面と同一の面の圧力保持板６と接触する位置には、機密性を高めるためのガスケット溝１６が形成されている。
【００１９】
ロータ４及び動翼部材３は、蒸気タービン１の動翼を形成する部材である。ロータ４は主に、自身の外周に沿って放射状に形成された複数の動翼部材３を支持すると共に、動翼部材３において受けた圧力によって動翼３０は回転し、このような動翼３０のロータ軸５の一端は、例えば発電装置等に接続される。これによって、ロータ軸５の回転力を電力に変換することができる。当該複数個の動翼部材３は、全て連結されているものであっても良く、個々に分離してロータ４に固定されているものであっても良い。また、この場合において後述する方法で流入される蒸気を内包することができる曲面を有するように形成されていることが好ましい。
【００２０】
また、蒸気タービン１には外部から空間７に蒸気を流入させることができる流入ノズル２０、及び蒸気タービン１内部の蒸気を外部に排出することができる流出ノズル２１が当接されている。この場合において、流入ノズル２０の空間７に臨む一端の開口面積は、流入ノズル２０の他端の開口面積より小さいことが好ましい。
【００２１】
流入ノズル２０から流入された蒸気は、複数の動翼部材３の内隣接する動翼部材３間に形成された空間１５に蓄積される。このとき動翼部材３は当てられた蒸気の勢いによって動翼３０は矢印Ａ方向に回転させられる。蒸気を継続的に流入させることによって、動翼３０は矢印Ａ方向に回転し続け、回転によって流入ノズル２０に臨む空間１５には蒸気が蓄積され続けることとなる。なお、ここでは説明の便宜上一の空間１５に蓄積された蒸気のみについて説明するものとする。
【００２２】
前述した方法で空間１５に流入した蒸気は、動翼部材３が回転することによって、蒸気タービン１内部を移動させられるが、ハウジング本体２ａに形成された流入口８に臨んだ際、蒸気の一部がノズル１０に流入する。このとき、ノズル１０の流出口９近傍は流入口８近傍と比較して狭小に形成されていることが好ましい。すなわち、流出口９近傍のノズル１０の壁面の間隔を狭めることによって、流れてきた蒸気に圧力損失が生じ、蒸気が膨張することとなる。その後、膨張した蒸気は流出口９から空間１５へ流出する。
【００２３】
流出口９から空間１３へ流出した蒸気は、再度動翼部材３に当たるため、動翼部材３の矢印Ａ方向への回転力を助長させることができる。これらの一連の動作が、蒸気がノズル１０に臨む度に発生するため、一の蒸気タービン１内に複数の動翼、及び静翼から形成される段を通過したことと同様の効果を得ることができる。
【００２４】
これらの動作を繰り返した後、蒸気は動翼部材３の回転によって流出ノズル２１を臨む位置まで移動させられ、流出ノズル２１より蒸気タービン１外部へと放出される。このとき、複数の蒸気タービン１のロータ軸５を連結させ、流出ノズル２１と、隣接する蒸気タービン１の流入ノズル２０を連結させることで効率良く運動エネルギーを取得することができる。
【００２５】
上記の様な構成によって、ハウジング部材２ａ内部に複数の静翼としてのノズル１０を形成し、当該ノズル１０を用いて動翼３０を回転させることによって流入された蒸気を効率良く使用することができる。
【００２６】
このように蒸気タービン１は、外部から供給された蒸気が流入されるハウジング２と、前記ハウジング２に流入された蒸気を受けてロータ軸５を回転させる複数の動翼部材３とを備え、前記ハウジング２には、前記流入された蒸気を膨張させて排出するノズル１０が形成されていることにより、動翼部材３に当てられた蒸気をノズル１０に流入させ、再度動翼部材３０に当てることで効率良く動力に変換することができる。上記の様な蒸気タービン１を試作して実験した結果、約４０％の熱効率を得ることができるものである。
【００２７】
また、従来の縦型蒸気タービンにおいて十分な動力を得るために、動翼の表面積が大きいことが必要であったが、蒸気タービン１においては動翼部材３及びロータ４によって、十分な動力を得るための表面積を確保することができるため、動翼部材３の小型化を図ることができる。これに伴い蒸気タービン１は小型化を図ることができ、部材の減少に伴うコストの低下も図ることができる。
【００２８】
蒸気タービン１は、例えば図３に示すようなボイラー機構に適用することができる。なおここでは説明の便宜上、ボイラー機構を有する車両を用いて説明するが、ボイラー機構の用途を限定するものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で適宜変更可能である。
【００２９】
ボイラー機構は、蒸気タービン１と、例えばエンジン４０等の外部機器から排出された排気ガスの熱を利用して水を蒸発させる水ボイラー２２と、当該排気ガスを浄化し外部へ排出する浄化機構２３と、蒸気タービン１から排出された蒸気を冷却し、液化させ貯水する冷却装置２４とによって構成されている。
【００３０】
水ボイラー２２は、一定量の水を貯蔵することができるスチームタンク３０に、外部機器から排出された排気ガスを移送する排気管３１を貫通させることで形成されている。また、スチームタンク３０には、一端が蒸気タービン１の流入ノズル２０に接続された蒸気管３２が、スチームタンク３０内で発生した蒸気を蒸気タービン１に送ることが出来るように固定されている。また、蒸気タービン１の流出ノズル２１は、冷却装置２４と接続されている。また、冷却装置２４は蒸気を液化した水をスチームタンク３０へ送ることができるように接続されている。
【００３１】
エンジン４０内部での燃焼によって発生した高温の排気ガスは水ボイラー２２へ送られる。これにより、水ボイラー２２へ送られた排気ガスの熱によってスチームタンク３０内部を流れている水が蒸発することとなる。その後、排気ガスは浄化機構２３へと送られ、浄化された後外部に排出される。
【００３２】
水ボイラー２２内で蒸発した蒸気は、蒸気タービン１に送られ、流入ノズル２０から蒸気タービン１内部に送られることとなる。このとき、当該蒸気によって動翼部材３及びロータ４は回転させられ、同期してロータ軸５も回転させられる。ロータ軸５が回転することによってターボファン４１に動力を供給し、ターボファン４１を回転させることができる。蒸気タービン１によって回転させられたターボファン４１は、吸気を行うと共に当該吸気した空気をエンジン４０へ送ることができる。また、ロータ軸５の他端と連結された電源４２は、ロータ軸５の運動エネルギを電力に変換し、車内に搭載された電気機器、例えばエアコン等に電気を供給することができる。
【００３３】
流入ノズル２０から蒸気タービン１内部に送られた蒸気は、蒸気タービン１内部を経て流出ノズル２１から排出され、冷却装置２４へ送られる。冷却装置２４によって蒸気は液化され、再度水ボイラー２２へと送られ、同様の動作を繰り返し行うこととなる。
【００３４】
上記の様な構成によって、エンジン４０において発生した排気ガスを有効利用し、蒸気タービン１に蒸気を供給することで、ターボファン４１及び電源４２に駆動力及び電力を供給でき、ガソリン等の消費を低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施の形態として示す蒸気タービンを構成する各部材の詳細を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は蒸気タービンを構成する各部材の詳細を示す立面図であり、（ｂ）はハウジング蓋部材の詳細を示す立面図である。
【図３】実施の形態として示す蒸気タービンを適用したボイラー機構の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  蒸気タービン
２  ハウジング
３  動翼部材
４  ロータ
５  ロータ軸
１０  ノズル
２２  水ボイラー
２４  冷却装置
【図１】
2006144720.tif 000003
【図２】
2006144720.tif 000004
【図３】
2006144720.tif 000005