(57)【要約】【課題】多段に構成した半径流ターボ機械においてタービン効率の低下を抑止する。【解決手段】回転軸２０に軸方向に多段に設けられた複数のインペラ２１を備えるロータ２と、複数のインペラ２１を区画収容すると共に相互に隣接する二つのインペラ２１の流路が形成されたステータ１とを備え、インペラ２１は、回転軸２０が貫通したディスク２２及びディスク２２から延出する複数のブレード２３を具備し、半径方向外周側の主流流入部２１ａから流入する主流を軸方向一方側の主流排出部２１ｂから排出する構成とされており、インペラ２１のディスク２２の軸方向他方側に延在するディスク背部と、ステータ１のうちディスク背部に対向するステータ対向部との隙間に設けられ、隙間においてインペラ２１の主流流入部２１ａに向かう漏れ流れに対して周方向速度成分を付与する周方向速度成分付与手段３０を備える。【選択図】図２
2011202623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と該回転軸に軸方向に多段に設けられた複数のインペラとを備えるロータと、
前記複数のインペラを区画収容すると共に相互に隣接する二つのインペラのうち上流側から排出された主流を下流側に流入させる戻り流路が形成されたステータとを備え、
前記インペラは、前記回転軸が貫通したディスク及び該ディスクから延出する複数のブレードを具備し、半径方向外周側の主流流入部から流入する主流を軸方向一方側の主流排出部から排出する構成とされており、
前記インペラのディスクの軸方向他方側に延在するディスク背部と、前記ステータのうち前記ディスク背部に対向するステータ対向部との隙間に設けられ、該隙間において前記インペラの主流流入部に向かう漏れ流れに対して周方向速度成分を付与する周方向速度成分付与手段を備えることを特徴とする半径流ターボ機械。
【請求項２】
前記周方向速度成分付与手段は、前記ディスク背部において凹状に形成されて前記漏れ流れに対して周方向速度成分を付与するディスク凹部を具備することを特徴とする請求項１に記載の半径流ターボ機械。
【請求項３】
前記ディスク凹部は、径方向外方側に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半径流ターボ機械。
【請求項４】
前記ディスク凹部は、ディスク背面から、前記ブレードが複数延出して前記主流を前記主流排出部に案内するディスク案内面まで貫通する貫通部を有し、
前記貫通部の前記ディスク案内面側の案内面開放端が前記ブレードの外端よりも径方向外方側に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半径流ターボ機械。
【請求項５】
前記貫通部は、前記ディスク背面側の背面開放端が前記ディスク案内面側の案内面開放端よりも開放端断面積が大きく形成されていることを特徴とする請求項４に記載の半径流ターボ機械。
【請求項６】
前記貫通部は、前記ディスク背面側の背面開放端と前記ディスク案内面側の案内面開放端との周方向の位置がずらされて形成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の半径流ターボ機械。
【請求項７】
前記貫通部は、軸方向において、前記ディスク背面側の背面開放端から前記ディスク案内面側の案内面開放端が見えないように形成されていることを特徴とする請求項６に記載の半径流ターボ機械。
【請求項８】
前記ディスク凹部は、径方向内方側から径方向外方側まで延在して前記貫通部に連通するディスク側ガイド溝部を有し、
該ディスク側ガイド溝部は、径方向内方側から前記貫通部に前記漏れ流れを導くことを特徴とする請求項４から７のうちいずれか一項に記載の半径流ターボ機械。
【請求項９】
前記周方向速度成分付与手段は、前記ステータ対向部において凹状に形成されて前記漏れ流れに対して周方向速度成分を付与するステータ凹部を具備することを特徴とする請求項１から８のうちいずれか一項に記載の半径流ターボ機械。
【請求項１０】
前記ステータ凹部は、径方向外方側に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の半径流ターボ機械。
【請求項１１】
前記ステータ凹部は、前記隙間に形成された始端から前記戻り流路に開放された戻り流路開放端まで延在して前記隙間と前記戻り流路とを連通させる連通部を有することを特徴とする請求項１０に記載の半径流ターボ機械。
【請求項１２】
前記連通部は、前記始端と前記戻り流路開放端との周方向の位置がずらされて形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の半径流ターボ機械。
【請求項１３】
前記連通部は、軸方向において、前記始端から前記戻り流路開放端が見えないように形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の半径流ターボ機械。
【請求項１４】
前記ステータ凹部は、径方向内方側から径方向外方側まで延在して前記連通部に連通するステータ側ガイド溝部を有し、
該ステータ側ガイド溝部は、径方向内方側から前記連通部に前記漏れ流れを導くことを特徴とする請求項１１から１３のうちいずれか一項に記載の半径流ターボ機械。
【請求項１５】
前記周方向速度成分付与手段は、定格運転時において前記主流の絶対速度の周方向速度成分と前記漏れ流れの絶対速度の周方向速度成分との差分が小さくなるように、前記漏れ流れに対して周方向速度成分を付与することを特徴とする請求項１から１４のうちいずれか一項に記載の半径流ターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半径流ターボ機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ターボ機械の一種として、ディスクから複数のブレードが延出したインペラが回転軸に固定されてなるロータを備え、作動流体を半径方向外周側からインペラに流入させた後に軸方向一方側から排出させる半径流ターボ機械が知られている。この半径流ターボ機械は、インペラが有する複数のブレードが作動流体から圧力を受けることにより、ロータ全体が回転するようになっている。
【０００３】
このような半径流ターボ機械は、単段で高い膨張比が得られるために、単段に構成されるのが一般的である（例えば、下記特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１７６７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、高圧力比で大きな熱落差を持つ作動流体のエネルギーを有効に活用するために、また、インペラへの負荷を分散するために、上記半径流ターボ機械を多段に構成することが考えられる。より具体的には、回転軸に複数のインペラを多段に配置してなるロータを用いて、このロータを収容するステータに、相互に隣接する二つのインペラのうち上流側のインペラから排出された主流を下流側のインペラに流入させる戻り流路を形成することが考えられる。
ここで、インペラのディスク背部と、ステータのうちディスク背部に対向するステータ対向部との間には、両者の接触を防止するために隙間を形成する必要がある。
【０００６】
しかしながら、半径流ターボ機械を多段に構成にすると、上記隙間を作動流体が流れて戻り流路の圧力の高い上流側から圧力の低い下流側に作動流体が漏れてしまう。この漏れ流れは、戻り流路の下流側で主流に合流する際に主流の流れを乱してしまうために、主流の角運動量を低下させタービン効率を低下させてしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、多段に構成した半径流ターボ機械においてタービン効率の低下を抑止することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る半径流ターボ機械は、回転軸と該回転軸に軸方向に多段に設けられた複数のインペラとを備えるロータと、前記複数のインペラを区画収容すると共に相互に隣接する二つのインペラのうち上流側から排出された主流を下流側に流入させる戻り流路が形成されたステータとを備え、前記インペラは、前記回転軸が貫通したディスク及び該ディスクから延出する複数のブレードを具備し、半径方向外周側の主流流入部から流入する主流を軸方向一方側の主流排出部から排出する構成とされており、前記インペラのディスクの軸方向他方側に延在するディスク背部と、前記ステータのうち前記ディスク背部に対向するステータ対向部との隙間に設けられ、該隙間において前記インペラの主流流入部に向かう漏れ流れに対して周方向速度成分を付与する周方向速度成分付与手段を備えることを特徴とする。
この構成によれば、漏れ流れに対して周方向速度成分を付与する周方向速度成分付与手段を備えるので、漏れ流れの周方向速度成分を変更することができる。これにより、漏れ流れと主流とをスムーズに合流させることが可能となり、混合損失を低減させることが可能となる。従って、タービン効率が低減することを抑止することが可能となる。
【０００９】
また、前記周方向速度成分付与手段は、前記ディスク背部において凹状に形成されて前記漏れ流れに対して周方向速度成分を付与するディスク凹部を具備することを特徴とする。
この構成によれば、ディスク背部において凹状に形成されて漏れ流れに対して周方向速度成分を付与するディスク凹部を具備するので、ディスク凹部の壁面が漏れ流れを押圧する。これにより、単純な構成で漏れ流れに対して周方向速度成分を付与することができる。
また、比較的に加工が容易であるので、調整が容易となって漏れ流れに対して適切な周方向速度成分を付与することができる。
【００１０】
また、前記ディスク凹部は、径方向外方側に形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、ディスク凹部が径方向外方側に形成されているので、上記隙間の下流側において漏れ流れに周方向速度成分が付与される。これにより、漏れ流れが周方向速度成分を付与された後に速やかに主流に合流するので、漏れ流れに対して周方向速度成分を効果的に付与することができる。
また、ディスク背部のうち径方向外方側は、径方向内方側と比較して相対的に周速度が大きくなっているので、漏れ流れに対して大きい周方向速度成分を付与することができる。
【００１１】
また、前記ディスク凹部は、ディスク背面から、前記ブレードが複数延出して前記主流を前記主流排出部に案内するディスク案内面まで貫通する貫通部を有し、前記貫通部の前記ディスク案内面側の案内面開放端が前記ブレードの外端よりも径方向外方側に形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、ディスク背面からディスク案内面まで貫通する貫通部を有するので、漏れ流れが周方向速度成分を付与された後に直ちに主流に合流する。これにより、漏れ流れに対して周方向速度成分をより効果的に付与することができる。
また、貫通部のディスク案内面側の開放端が、ブレードの外周端よりも径方向外方側に形成されているので、ブレードの性能が変化することを防止することができる。
【００１２】
また、前記貫通部は、前記ディスク背面側の背面開放端が前記ディスク案内面側の案内面開放端よりも開放端断面積が大きく形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、貫通部の背面開放端が案内面開放端よりも開放端断面積が大きく形成されているので、漏れ流れに周方向速度成分を付与する壁面を比較的に大きく確保することができる。これにより、漏れ流れに対して大きい周方向速度成分を付与することができるので、漏れ流れをよりスムーズに主流に合流させることができる。
【００１３】
また、前記貫通部は、前記ディスク背面側の背面開放端と前記ディスク案内面側の案内面開放端との周方向の位置がずらされて形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、貫通部の背面開放端と案内面開放端との周方向の位置がずらされて形成されているので、漏れ流れを周方向に導くようにして周方向速度成分を付与することができる。これにより、貫通部の延在方向を調整することにより、周方向速度成分の強弱を調整することが容易となる。
【００１４】
また、前記貫通部は、軸方向において、前記ディスク背面側の背面開放端から前記ディスク案内面側の案内面開放端が見えないように形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、軸方向において、貫通部の背面開放端から案内面開放端が見えないように形成されているので、漏れ流れが貫通部の壁面から周方向速度成分を付与されずに軸方向に通過してしまうことを防止することができる。
【００１５】
また、前記ディスク凹部は、径方向内方側から径方向外方側まで延在して前記貫通部に連通するディスク側ガイド溝部を有し、該ディスク側ガイド溝部は、径方向内方側から前記貫通部に前記漏れ流れを導くことを特徴とする。
この構成によれば、ディスク側ガイド溝部が径方向内方側から貫通部に漏れ流れを導くので、貫通部へ漏れ流れをスムーズに導入することができる。
【００１６】
また、前記周方向速度成分付与手段は、前記ステータ対向部において凹状に形成されて前記漏れ流れに対して周方向速度成分を付与するステータ凹部を具備することを特徴とする。
この構成によれば、ステータ対向部において凹状に形成されて漏れ流れに対して周方向速度成分を付与するステータ凹部を具備するので、ステータ凹部の周方向に交差する壁面が漏れ流れを押圧する。これにより、単純な構成で漏れ流れに対して周方向速度成分を付与することができる。
【００１７】
また、前記ステータ凹部は、径方向外方側に形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、前記ステータ凹部は、径方向外方側に形成されているので、上記隙間の下流側において漏れ流れに周方向速度成分が付与される。これにより、漏れ流れが周方向速度成分を付与された後に速やかに主流に合流するので、漏れ流れに対して周方向速度成分を効果的に付与することができる。
【００１８】
また、前記ステータ凹部は、前記隙間に形成された始端から前記戻り流路に開放された戻り流路開放端まで延在して前記隙間と前記戻り流路とを連通させる連通部を有することを特徴とする。
この構成によれば、隙間に形成された始端から戻り流路に開放された戻り流路開放端まで延在する連通部を有するので、漏れ流れが周方向速度成分を付与された後に直ちに主流に合流する。これにより、漏れ流れに対して周方向速度成分をより効果的に付与することができる。
【００１９】
また、前記連通部は、前記始端と前記戻り流路開放端との周方向の位置がずらされて形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、始端と戻り流路開放端との周方向の位置がずらされて形成されているので、漏れ流れを周方向に導くようにして周方向速度成分を付与することができる。これにより、連通部の延在方向を調整することにより、周方向速度成分の強弱を調整することが容易となる。
【００２０】
また、前記連通部は、軸方向において、前記始端から前記戻り流路開放端が見えないように形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、軸方向において、連通部の始端から戻り流路開放端が見えないように形成されているので、漏れ流れが連通部の壁面から周方向速度成分を付与されずに軸方向に通過してしまうことを防止することができる。
【００２１】
また、前記ステータ凹部は、径方向内方側から径方向外方側まで延在して前記連通部に連通するステータ側ガイド溝部を有し、該ステータ側ガイド溝部は、径方向内方側から前記連通部に前記漏れ流れを導くことを特徴とする。
この構成によれば、ステータ側ガイド溝部が径方向内方側から連通部に漏れ流れを導くので、連通部へ漏れ流れをスムーズに導入することができる。
【００２２】
また、前記周方向速度成分付与手段は、定格運転時において前記主流の絶対速度の周方向速度成分と前記漏れ流れの絶対速度の周方向速度成分との差分が小さくなるように、前記漏れ流れに対して周方向速度成分を付与することを特徴とする。
この構成によれば、周方向速度成分付与手段は、定格運転時において主流の周方向速度成分と漏れ流れの周方向速度成分との差分が小さくなるように、漏れ流れに対して周方向速度成分を付与する。これにより、漏れ流れと主流とが合流する際の混合損失をより低減させることが可能となり、タービン効率が低減することをさらに抑止することが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る半径流ターボ機械によれば、多段に構成した半径流ターボ機械においてタービン効率の低下を抑止するができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第一実施形態に係るエキスパンダ（半径流ターボ機械）Ｅ１の概略構成を説明する縦断面図であり、図中の吹き出しは一点鎖線で囲んだ部分の拡大図を示している。
【図２】本発明の第一実施形態に係るエキスパンダＥ１の要部断面図であって、図１におけるII−II線断面図である。
【図３】本発明の第一実施形態に係るエキスパンダＥ１の要部断面図であって、図１におけるIII−III線断面図である。
【図４】本発明の第一実施形態に係るエキスパンダＥ１の要部拡大断面図であって、図１における要部IVの拡大断面図である。
【図５】本発明の第一実施形態に係るエキスパンダＥ１の要部拡大断面図であって、図２の要部Ｖの拡大図であり
【図６】本発明の第一実施形態に係るエキスパンダＥ１の要部拡大断面図であって、図３の要部VIの拡大図であり、
【図７】本発明の第一実施形態に係るエキスパンダＥ１の要部拡大図であって、図５におけるVII矢視図である。
【図８】本発明の第一実施形態に係るエキスパンダＥ１の第一の作用説明図である。なお、図８においては、理解容易のために、ブレード２３の図示を省略している。
【図９】本発明の第一実施形態に係るエキスパンダＥ１の第二の作用説明図である。
【図１０】本発明の第一実施形態に係るエキスパンダＥ１の第一の変形例を示す図であって、図４に相当する図である。
【図１１】本発明の第一実施形態に係るエキスパンダＥ１の第二の変形例を示す図であって、図４に相当する図である。
【図１２】本発明の第一実施形態に係るエキスパンダＥ１の第三の変形例を示す図であって、図４に相当する図である。
【図１３】本発明の第一実施形態に係るエキスパンダＥ１の第四の変形例を示す図であって、図４に相当する図である。
【図１４】本発明の第二実施形態に係るエキスパンダＥ２の要部拡大図であって、第一実施形態の図４に相当する図である。
【図１５】本発明の第二実施形態に係るエキスパンダＥ２の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態に係るエキスパンダ（半径流ターボ機械）Ｅ１の概略構成を説明する縦断面図であり、図中の吹き出しは一点鎖線で囲んだ部分の拡大図を示している。
図１に示すように、エキスパンダＥ１は、多段に構成されたものであって、ケーシング１０と複数のダイヤフラム１３，１４Ａ〜１４Ｈ，１５Ａ，１５Ｂとを備えるステータ１、及び、回転軸２０と複数のインペラ２１Ａ〜２１Ｈとを備えるロータ２で概略構成されている。なお、以下の説明においては、インペラ２１とは、インペラ２１Ａ〜２１Ｈのうち任意のものをいうものとする。
【００２６】
ケーシング１０は、エキスパンダＥ１の外観形状をなす筒型のものである。
このケーシング１０は、作動ガス（作動流体）が回転軸２０の軸方向において反対方向に流れる二つのエキスパンダセクション１１，１２を備えており、エキスパンダセクション１１のガス入口１１ａに連通する吸込ポート１０ａと、エキスパンダセクション１１のガス出口１１ｂに連通する排出ポート１０ｂと、エキスパンダセクション１１の排出ポート１０ｂに連通すると共にエキスパンダセクション１２のガス入口１２ａに連通する吸込ポート１０ｃと、エキスパンダセクション１２のガス出口１２ｂに連通する排出ポート１０ｄとを有している。
【００２７】
ダイヤフラム１３，１４Ａ〜１４Ｈ，１５Ａ，１５Ｂは、それぞれ円板環状の仕切部材であり、エキスパンダセクション１１，１２を構成している。
ダイヤフラム１５Ａ，１５Ｂは、ケーシング１０の長手方向双方の開放端をそれぞれ封止してケーシング１０の内部と外部とを区画している。
ダイヤフラム１３は、ケーシング１０内部の長手方向中央に配設されており、ケーシング１０の内部を長手方向に二つに区画している。
ダイヤフラム１４Ａ〜１４Ｄは、ケーシング１０内部におけるダイヤフラム１５Ａ側において長手方向に連接収容されており、ダイヤフラム１４Ｅ〜１４Ｈは、ケーシング１０内部におけるダイヤフラム１５Ｂ側において長手方向に連接収容されている。
これらダイヤフラム１４Ａ〜１４Ｈは、各エキスパンダセクション１１，１２において、複数のインペラ２１Ａ〜２１Ｈを区画すると共に相互に隣接する二つのインペラ２１の間で流路（後述のリターンベンド１１ｃ，１２ｃ）を形成している。
【００２８】
このような構成により、ダイヤフラム１３，１４Ａ〜１４Ｄ，１５Ａとでエキスパンダセクション１１が、ダイヤフラム１３，１４Ｅ〜１４Ｈ，１５Ｂとでエキスパンダセクション１２が構成されている。
これらダイヤフラム１３，１４Ａ〜１４Ｈ，１５Ａ，１５Ｂは、回転軸２０と複数のインペラ２１Ａ〜２１Ｈとを備えるロータ２に挿通されている。
【００２９】
回転軸２０は、軸方向をケーシング１０の長手方向に向けた状態で、その両端部をダイヤフラム１５Ａ，１５Ｂに配設された軸受１６Ａ，１６Ｂに回転可能に支持されている。なお、ダイヤフラム１５Ａ，１５Ｂのそれぞれの内周部のうち、軸方向において軸受１６Ａ，１６Ｂよりもケーシング１０の内側には、ドライガスシール１７Ａ，１７Ｂが配設されている。
【００３０】
この回転軸２０には、エキスパンダセクション１１用の四段のインペラ２１Ａ〜２１Ｄと、エキスパンダセクション１２用の四段のインペラ２１Ｅ〜２１Ｈが、互いに向きを反対にして軸方向に間隔をあけて取り付けられてロータ２が構成されている。
【００３１】
インペラ２１は、所謂クローズドインペラと称されるものであって、それぞれディスク２２と、複数のブレード２３と、シュラウド２４とを備えている。
【００３２】
ディスク２２は、筒状に形成された円盤部材であり、回転軸２０が同軸状に貫通している。
このディスク２２は、図１に示すように、軸方向の一方側において小径に形成された円環状のディスク先端部２２ａと、軸方向の他方側において大径に形成された円環状のディスク背部２２ｂとの間にディスク外周面（ディスク案内面）２２ｃが延在しており、ディスク先端部２２ａからディスク背部２２ｂに向かうほど漸次変化の度合いを強めながら拡径している。
【００３３】
図２は、図１におけるII−II線断面図であり、図３は、図１におけるIII−III線断面図である。
ブレード２３は、三次元形状に湾曲した羽根状の部位であり、ディスク外周面２２ｃから径方向外方側に向けて、ディスク外周面２２ｃに沿うようにして延出している。
シュラウド２４は、ディスク外周面２２ｃに沿って、各ブレード２３の径方向外周側を連結するようにして覆っている。
【００３４】
このような構成のインペラ２１は、図１及び図２に示すように、ディスク２２とシュラウド２４とブレード２３との間に画成される空間Ｓが作動ガスの主流Ｇの流路となっており、ディスク背部２２ｂ側において径方向外方側に向けて開口する部分がガス流入部（主流流入部）２１ａとされ、ディスク先端部２２ａ側において軸方向に向けて開口する部分がガス流出部（主流排出部）２１ｂとされている。
すなわち、ガス流入部２１ａから空間Ｓに流入した主流Ｇがディスク外周面２２ｃに案内されてガス流出部２１ｂから流出するようになっている。
【００３５】
各エキスパンダセクション１１，１２においては、以下のような作動ガスの流路が形成されている。
図１に示すように、まず上流域から説明すると、中央のダイヤフラム１３とその両側に位置するダイヤフラム１４Ａ，１４Ｅとの対向面間に、吸込ポート１０ａ及びインペラ２１Ａに連通するガス入口１１ａと、吸込ポート１０ｃ及びインペラ２１Ｅに連通するガス入口１２ａとが形成されている。
これらガス入口１１ａ，１２ａには、図１に示すように、作動ガスの主流Ｇを設定された流速まで加速すると共に、設定された流入角度となるように整流する複数枚のノズルベーン１８が設けられている（図２参照）。
【００３６】
次に中流域における中間のダイヤフラム１４Ａ〜１４Ｄ，１４Ｅ〜１４Ｈには、図１に示すように、相互に隣接する二つのインペラ２１間を結ぶ断面Ｕ字状のリターンベンド（戻り流路）１１ｃ，１２ｃが形成されている。
リターンベンド１１ｃ，１２ｃには、図２に示すように、ノズルベーン１８と、図１に示すように、次段入口へのガス流れの効率を向上させるための複数枚のリターンベーン１９とがそれぞれ形成されている。
【００３７】
そして、下流域においては、ダイヤフラム１５Ａ，１５Ｂとそれらに隣接するダイヤフラム１４Ｄ，１４Ｈとの対向面間に、排出ポート１０ｂに連通するガス出口１１ｂと、排出ポート１０ｄに連通するガス出口１２ｂが形成されている。
【００３８】
このような構成により、高温・高圧の作動ガスがケーシング１０の吸込ポート１０ａに供給されると、作動ガスの主流Ｇがエキスパンダセクション１１のガス入口１１ａに流入し、インペラ２１Ａ〜２１Ｄ及びインペラ２１Ａ〜２１Ｄの間に介在するリターンベンド１１ｃを順に流れて、ガス出口１１ｂから流出する。そして、流出した主流Ｇが排出ポート１０ｂ及び吸込ポート１０ｃを介して、エキスパンダセクション１２のガス入口１２ａに流入し、インペラ２１Ｅ〜２１Ｈ及びインペラ２１Ｅ〜２１Ｈの間に介在するリターンベンド１２ｃを順に流れて、ガス出口１２ｂから流出し、最終的に排出ポート１０ｄから外部へと排出されるようになっている。
【００３９】
図４は、図１における要部IVの拡大断面図である。
上記のように構成されたエキスパンダＥ１においては、図４に示すように、インペラ２１のディスク背部２２ｂと、このディスク背部２２ｂに対向するステータ１（ダイヤフラム１３，１４Ａ〜１４Ｃ，１４Ｅ〜１４Ｇ）のステータ対向部１ｂとの間において、インペラ２１とステータ１との接触干渉を避けるための隙間Ｃが形成されている。
エキスパンダＥ１の運転を開始すると、隙間Ｃに連通するステータ１とロータ２との間の径方向の隙間ｃ１から高圧の作動ガスが侵入して漏れ流れｇが生じる。この漏れ流れｇは、図４に示すように、隙間Ｃにおいて径方向内方側から径方向外方側に向けて流れた後に、インペラ２１のガス流入部２１ａを遮るようにして軸方向に噴出する。
なお、図４中の符号１ｃで示すものはシール部材である。
【００４０】
このエキスパンダＥ１は、上記隙間Ｃにおいて、漏れ流れｇに周方向の速度成分を付与する周方向速度成分付与手段３０を有する。本実施形態においては、周方向速度成分付与手段３０は、ディスク背部２２ｂにおいて凹状に形成された複数のディスク凹部（貫通部）３１からなっている。
【００４１】
図２及び図３に示すように、複数のディスク凹部３１は、ディスク背部２２ｂの径方向外方側の外周端に間隔を空けて環状に形成されている。
【００４２】
図５は、図２の要部Ｖの拡大図であり、図６は、図３の要部VIの拡大図であり、図７は、図５におけるVII矢視図である。
各ディスク凹部３１は、図７に示すように、ディスク背面２２ｄからディスク外周面２２ｃまで貫通したものであり、例えば、機械加工等によって形成されている。
図４に示すように、各ディスク凹部３１の背面開放端３１ａ及び案内面開放端３１ｂは、ディスク案内面２２ｃにおけるブレード２３の外端２３ａよりも径方向外方側に形成されている。
【００４３】
ディスク凹部３１は、図７に示すように、それぞれ回転軸２０に沿った螺旋の一部のように延在しており、背面開放端３１ａと案内面開放端３１ｂとの周方向の位置が寸法Ｌだけずらされて形成されている。このような構成により、図６又は図７に示すように、軸方向において、背面開放端３１ａ及び案内面開放端３１ｂのうち一方から他方が見えないように形成されている。
【００４４】
このようなディスク凹部３１は、図８に示すように、エキスパンダＥ１の定格運転時において主流Ｇの絶対速度ＣＧの周方向速度成分ＵＧと漏れ流れｇの絶対速度Ｃｇの周方向速度成分Ｕｇとの差分が小さくなるように、漏れ流れｇに対して周方向速度成分Ｕαを付与するように、その数や傾斜角度、大きさが設定されている。このような設定は、予めディスク凹部３１の製作前に主流Ｇの流速及び流入角度を解析したデータに基づいて定めている。
ここで、漏れ流れｇの周方向速度成分Ｕｇは、ディスク２２との摩擦により、ディスク２２の周方向速度成分ＵＩの略半分程度（≒ＵＩ／２）となるが、ディスク凹部３１は、漏れ流れｇに対して周方向速度成分Ｕαを付与することにより、漏れ流れｇの平均的な周方向速度成分をＵｇ≒ＵＩ／２＋Ｕαとする。
なお、図８中の符号ＷＧで示すベクトルは、インペラ２１に対する主流Ｇの相対速度である。
【００４５】
次に、上記構成からなる周方向速度成分付与手段３０の作用について、主に図８及び図９を用いて説明する。
エキスパンダＥ１の運転を開始すると、エキスパンダセクション１１，１２に高圧高温の作動ガスが順に供給され、作動ガスの主流Ｇが各インペラ２１Ａ〜２１Ｈに流れる。
各インペラ２１の上流においては、図８に示すように、ノズルベーン１８で所定の角度に整流されると共に加速された主流Ｇがガス流入部２１ａに向かう。
【００４６】
一方、図４に示すように、隙間Ｃに侵入した作動ガスの漏れ流れｇは、隙間Ｃを径方向内方から径方向外方に向けて流れる。この漏れ流れｇの周方向速度成分Ｕｇは、ディスク背面２２ｄとの摩擦によって、ディスク２２の周方向速度成分ＵＩの略半分程度（≒ＵＩ／２）となる（図８参照）。
【００４７】
隙間Ｃにおいてディスク背面２２ｄの径方向外方まで流れた漏れ流れｇは、図７に示すように、その一部が背面開放端３１ａからディスク凹部３１に流入して案内面開放端３１ｂに向かって流れる。
図９に示すように、ディスク凹部３１に流入した漏れ流れｇの一部は、ディスク凹部３１の周方向に交差する壁面に押圧されると共に、この壁面に沿って径方向の外方側に流れる。
この際、軸方向において背面開放端３１ａから案内面開放端３１ｂが見えないため、換言すれば、ディスク凹部３１のうち軸方向において直線的に連通している部分がないため、軸方向に直線的に抜けてしまう漏れ流れｇが生じるのを抑止する。
【００４８】
このようにして、漏れ流れｇの一部が、ディスク凹部３１の周方向に交差する壁面に押圧されると共に、この壁面に沿って案内面開放端３１ｂに向かって流れることで、漏れ流れｇに周方向速度成分Ｕαが付与される。すなわち、図９に示すように、漏れ流れｇの平均的な周方向速度成分Ｕｇが概ねＵＩ／２からＵＩ／２＋Ｕαに増加する一方、軸方向成分Ｖｇが減少し、漏れ流れｇの絶対速度成分がＣｇとなる。
【００４９】
漏れ流れｇは、ディスク凹部３１によって周方向速度成分Ｕαが付与された直後に、インペラ２１のガス流入部２１ａの手前において噴出して主流Ｇと直ちに合流する。この噴出した漏れ流れｇは、主流Ｇの絶対速度ＣＧの周方向速度成分ＵＧとの差分が小さくなっているために、ノズルベーン１８によって整流された主流Ｇの角度に対して、殆ど影響を与えることなく、スムーズに主流Ｇに合流する。
【００５０】
ガス流入部２１ａから空間Ｓに流入した主流Ｇは、適切な角度でディスク外周面２２ｃに沿って膨張しながら流れ、ガス流出部２１ｂから流出する。この際、空間Ｓを適切な角度で流れていくためにインペラ２１のブレード２３の圧力面及び負圧面にほぼ設計通りの圧力差を生じさせ、インペラ２１に適切な回転力を付与する。
このようにして、ロータ２が良好に回転することで、作動ガスの圧力エネルギー及び熱エネルギーが効率よく回転エネルギーに変換される。
【００５１】
以上説明したように、エキスパンダＥ１によれば、漏れ流れｇに対して周方向速度成分Ｕαを付与する周方向速度成分付与手段３０を備えるので、漏れ流れｇの周方向速度成分Ｕｇを変更することができる。これにより、漏れ流れｇと主流Ｇとをスムーズに合流させることが可能となり、混合損失を低減させることが可能となる。従って、タービン効率が低減することを抑止することが可能となる。
ここで、周方向速度成分付与手段３０を有しないインペラ２１の場合には、図９に示すように、漏れ流れｇの絶対速度ＣｇがＣｇ１となり、周方向速度成分Ｕｇ１（≒ＵＩ／２）、軸方向速度成分Ｖｇ１となる。すなわち、周方向速度成分Ｕｇ１（≒ＵＩ／２）の状態で漏れ流れｇが主流Ｇに合流すると、漏れ流れｇの周方向速度成分Ｕｇと主流Ｇの周方向速度成分ＵＧとの差分が比較的に大きくなる。これにより、ノズルベーン１８で整流・加速された主流Ｇの流れを乱し、混合損失が大きくなってタービン効率が低下してしまう。
しかしながら、エキスパンダＥ１によれば周方向速度成分付与手段３０を備えるので、漏れ流れｇに周方向速度成分Ｕαを付与して、漏れ流れｇの周方向速度成分Ｕｇと主流Ｇの周方向速度成分ＵＧとの差分を比較的に小さくすることができる。これにより、ノズルベーン１８で整流・加速された主流Ｇの流れを乱すことなく、混合損失を比較的に小さくしてタービン効率の低下を抑止することができる。
【００５２】
また、ディスク背部２２ｂにおいて凹状に形成されて漏れ流れｇに対して周方向速度成分Ｕαを付与するディスク凹部３１を具備するので、ディスク凹部３１の壁面が漏れ流れｇを押圧する。これにより、単純な構成で漏れ流れｇに対して周方向速度成分Ｕαを付与することができる。
また、比較的に加工が容易であるので、調整が容易となって漏れ流れｇに対して適切な周方向速度成分Ｕαを付与することができる。
【００５３】
また、ディスク凹部３１が径方向外方側に形成されているので、隙間Ｃの下流側において漏れ流れｇに周方向速度成分Ｕαが付与される。これにより、漏れ流れｇが周方向速度成分Ｕαを付与された後に速やかに主流Ｇに合流するので、周方向速度成分Ｕαを付与した後にディスク２２の回転による速度変化が生じ難くなり、漏れ流れｇに対して周方向速度成分Ｕαを効果的に付与することができる。
また、ディスク背部２２ｂのうち径方向外方側は、径方向内方側と比較して相対的に周速度が大きくなっているので、漏れ流れｇに対して大きい周方向速度成分Ｕαを付与することができる。
【００５４】
また、ディスク凹部３１がディスク背面２２ｄからディスク外周面２２ｃまで貫通しているので、漏れ流れｇが周方向速度成分Ｕαを付与された後に直ちに主流Ｇに合流する。これにより、周方向速度成分Ｕαを付与した後にディスク２２の回転による影響を与えずに漏れ流れｇに対して周方向速度成分Ｕαをより効果的に付与することができる。
また、ディスク外周面２２ｃ側の案内面開放端３１ｂが、ブレード２３の外端２３ａよりも径方向外方側に形成されているので、ブレード２３の性能が変化することを防止することができる。
【００５５】
また、ディスク凹部３１の背面開放端３１ａと案内面開放端３１ｂとの周方向の位置がずらされて形成されているので、漏れ流れｇを周方向に導くようにして周方向速度成分Ｕαを付与することができる。これにより、ディスク凹部３１の延在方向を調整することにより、周方向速度成分Ｕの強弱を調整することが容易となる。
【００５６】
また、軸方向において、ディスク凹部３１の背面開放端３１ａから案内面開放端３１ｂが見えないように形成されているので、漏れ流れｇがディスク凹部３１の壁面から周方向速度成分Ｕαを付与されずに軸方向に通過してしまうことを防止することができる。
【００５７】
また、周方向速度成分付与手段３０は、定格運転時において主流Ｇの絶対速度ＣＧの周方向速度成分ＵＧと漏れ流れｇの絶対速度Ｃｇの周方向速度成分Ｕｇとの差分が小さくなるように、漏れ流れｇに対して周方向速度成分Ｕαを付与する。これにより、漏れ流れｇと主流Ｇとが合流する際の混合損失をより低減させることが可能となり、タービン効率が低減することをさらに抑止することが可能となる。
【００５８】
（第一実施形態の変形例）
以下、上述した第一実施形態の変形例について、図１０〜図１２を用いて説明する。なお、図１０〜図１２において、図１〜図９と同様の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５９】
上述した構成においては、ディスク凹部３１をディスク背面２２ｄからディスク外周面２２ｃに貫通させる構成としたが、必ずしも貫通させる必要はない。例えば、図１０に示すように、ディスク背面２２ｄに有底状のディスク凹部３２を形成してもよい。
【００６０】
また、上述した構成においては、ディスク凹部３１の背面開放端３１ａと案内面開放端３１ｂとの大きさを略同大としたが、異なる大きさで形成してもよい。例えば、図１１に示すように、案内面開放端３３ｂよりも背面開放端３３ａの開放端面積（軸方向に交差する断面における面積）を大きくしたディスク凹部３３を形成してもよい。このようにすることで、漏れ流れｇに周方向速度成分Ｕαを与える壁面を比較的に大きく確保することができる。これにより、漏れ流れｇに対して大きい周方向速度成分Ｕαを付与することができるので、漏れ流れgをよりスムーズに主流Ｇに合流させることができる。
なお、上述した案内面開放端３１ｂと同様に、案内面開放端３３ｂをブレード２３の外端２３ａよりも径方向外方側に形成することで、ブレード２３の羽根性能に影響を与えることを防止することができる。
なお、ディスク凹部３３の底面３３ｃは平面に限られることなく、曲面でもよい。
【００６１】
また、上述した構成においては、ディスク背面２２ｄからディスク外周面２２ｃに貫通させたディスク凹部３１を用いる構成としたが、例えば、図１２に示すように、径方向内方側から径方向外方側まで延在して、貫通部を構成するディスク凹部３１に連通するディスク側ガイド溝部３４ａを形成してもよい。すなわち、ディスク凹部３１とディスク側ガイド溝部３４ａとの全体をディスク凹部３４（周方向速度成分付与手段３０）とすることで、ディスク側ガイド溝部３４ａが径方向内方側からディスク凹部３１に漏れ流れｇを導くので、ディスク凹部３１へ漏れ流れｇをスムーズに導入することができる。
また、ディスク凹部３１に漏れ流れｇを導く過程において、ディスク側ガイド溝部３４ａの壁面が漏れ流れｇを押圧し、また、ディスク側ガイド溝部３４ａが漏れ流れｇを沿わして流すことで周方向速度成分を付与することができるので、漏れ流れｇに対して大きい周方向速度成分Ｕαを付与することができる。
【００６２】
また、上述した構成においては、径方向外方側の外周端に形成したディスク凹部３１を用いる構成としたが、例えば、図１２に示すように、径方向の内方側に形成したディスク凹部３５を単独、又は、上述したディスク凹部３１〜３４と重畳的に設けてもよい。
【００６３】
また、上述した構成においては、図７に示すように、ディスク凹部３１を軸方向に対して斜めの方向に直線状に延在させたが、図１３に示すように、軸方向に対して斜めの方向に曲線状（円弧状）に延在させたディスク凹部３６のように構成してもよい。
【００６４】
また、上述した構成においては、ディスク凹部３１を略螺旋状に形成して背面開放端３１ａと案内面開放端３１ｂとを寸法Ｌ（Ｌ´）だけずらして形成したが、必ずしもずらして形成する必要はなく、軸方向に一部を重ねて形成してもよい。
【００６５】
（第二実施形態）
図１４は、本発明の第二実施形態に係るエキスパンダＥ２の要部拡大断面図である。なお、図１４おいて、図１〜図１３と同様の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６６】
図１４に示すように、エキスパンダＥ２は、凹状に形成された複数のステータ凹部（連通部）４１からなる周方向速度成分付与手段４０を備えている。
複数のステータ凹部４１は、ステータ対向部１ｂのうちインペラ２１のディスク２２の外周端に対向する内周壁１ｄに、環状に形成されている。
このステータ凹部４１は、隙間Ｃとリターンベンド１１ｃ，１２ｃとをそれぞれ連通させており、始端面（始端）４１ａから、リターンベンド１１ｃ，１２ｃに開放された戻り流路開放端４１ｂまで、回転軸２０に沿った螺旋の一部のように延在している（図７参照）。
【００６７】
このステータ凹部４１は、上述したディスク凹部３１と同様に、始端面４１ａと戻り流路開放端４１ｂとの周方向の位置がずらされて形成されており、軸方向において始端面４１ａから戻り流路開放端４１ｂが見えないように形成されている。
【００６８】
この構成によれば、ステータ対向部１ｂ（１ｄ）において凹状に形成されて漏れ流れｇに対して周方向速度成分Ｕαを付与するステータ凹部４１を具備するので、漏れ流れｇがステータ凹部４１の壁面に沿って流れる。これにより、単純な構成で漏れ流れｇに対して周方向速度成分Ｕαを付与することができる。
【００６９】
また、ステータ凹部４１が径方向外方側に形成されているので、隙間Ｃの下流側において漏れ流れｇに周方向速度成分Ｕαが付与される。
これにより、漏れ流れｇが周方向速度成分Ｕαを付与された後に速やかに主流Ｇに合流するので、漏れ流れｇに対して周方向速度成分Ｕαを効果的に付与することができる。
【００７０】
また、ステータ凹部４１が隙間Ｃに形成された始端面４１ａからリターンベンド１１ｃ，１２ｃに開放された戻り流路開放端４１ｂまで延在するので、漏れ流れｇが周方向速度成分Ｕαを付与された後に直ちに主流Ｇに合流する。これにより、漏れ流れｇに対して周方向速度成分Ｕαをより効果的に付与することができる。
【００７１】
また、始端面４１ａと戻り流路開放端４１ｂとの周方向の位置がずらされて形成されているので、漏れ流れｇを周方向に導くようにして周方向速度成分Ｕαを付与することができる。これにより、貫通部の延在方向を調整することにより、周方向速度成分Ｕαの強弱を調整することが容易となる。
【００７２】
また、軸方向において、ステータ凹部４１の始端面４１ａから戻り流路開放端４１ｂが見えないように形成されているので、漏れ流れｇが、ステータ凹部４１の壁面から周方向速度成分Ｕαを付与されずに軸方向に通過してしまうことを防止することができる。
【００７３】
（第二実施形態の変形例）
以下、上述した第二実施形態の変形例について、図１５を用いて説明する。なお、図１５において、図１〜図１４と同様の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７４】
上述した構成においては、ステータ凹部４１を始端面４１ａからリターンベンド１１ｃ，１２ｃに連通させた構成としたが、例えば、図１５に示すように、径方向内方側から径方向外方側まで延在して、ステータ凹部４１に連通するステータ側ガイド溝部４２ａを形成してもよい。すなわち、ステータ凹部４１及びステータ側ガイド溝部４２ａの全体をステータ凹部４２とすることで、ステータ側ガイド溝部４２ａが径方向内方側からステータ凹部４１に漏れ流れｇを導くので、ステータ凹部４１へ漏れ流れｇをスムーズに導入することができる。
【００７５】
また、上述した構成においては、径方向の内方側の内周壁１ｄにステータ凹部４１を形成したが、例えば、図１５に示すように、径方向の内方側に形成したステータ凹部４３を単独、又は、ステータ凹部４１，４２と重畳的に用いる構成にしてもよい。
【００７６】
また、上述した構成においては、ステータ凹部４１〜４３で周方向速度成分付与手段４０を構成したが、ステータ凹部４１〜４３のうち少なくとも一つと、ディスク凹部３１〜３６のうち少なくとも一つとを重畳的に用いて周方向速度成分付与手段を構成してもよい。
【００７７】
なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、漏れ流れｇに対して周方向速度成分Ｕαをどの程度付与するかはロータ２（インペラ２１）の回転速度や主流Ｇの絶対速度ＣＧの周方向速度成分Ｕｇによって定まる相対的なものである。すなわち、漏れ流れｇの周方向速度成分Ｕｇが主流Ｇの周方向速度成分ＵＧよりも大きい場合には、負の周方向速度成分Ｕαを付与する構成としてもよい。
なお、漏れ流れｇの絶対速度Ｃｇの周方向速度成分Ｕｇと主流Ｇの絶対速度ＣＧの周方向速度成分Ｕｇとは必ずしも同一にする必要はなく、双方の差分を小さくすれば混合損失を低減させて、タービン効率の低下を抑止することが可能である。
【００７８】
上述した実施の形態においては、エキスパンダＥ１，Ｅ２に本発明を適用する構成としたが、他の半径流ターボ機械（例えば、水車等）に本発明を適用してもよい。
【００７９】
また、上述した実施の形態においては、二つのエキスパンダセクション１１，１２を有するエキスパンダＥ１，Ｅ２に本発明を適用する構成としたが、エキスパンダセクションが一つのみ構成されたエキスパンダ、あるいは、エキスパンダセクションが三つ以上構成されたエキスパンダに本発明を適用することも可能である。
また、上述した実施の形態においては、作動流体として作動ガス（気体）を用いて説明したが、液体でも構わない。
【００８０】
また、上述した実施の形態では、所謂クローズドインペラと称されるシュラウド２４を備えるインペラ２１を用いたが、シュラウド２４を省略した所謂オープンインペラを用いてもよい。
【００８１】
また、上述した実施の形態では、インペラ２１を総計八段に構成したが、複数段であれば本発明を適用することが可能である。
【００８２】
また、上述した実施の形態では、ディスク凹部３１とステータ凹部４１とを、径方向に開放された溝状に形成したが、貫通孔状に形成してもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１…ステータ
１ｂ…ステータ対向部
２…ロータ
１０…ケーシング
１１ｃ，１２ｃ…リターンベンド（戻り流路）
１３，１４Ａ〜１４Ｈ，１５Ａ，１５Ｂ…ダイヤフラム
２０…回転軸
２１（２１Ａ〜２１Ｈ）…インペラ
２１ａ…ガス流入部（主流流入部）
２１ｂ…ガス流出部（主流排出部）
２２…ディスク
２２ａ…ディスク先端部
２２ｂ…ディスク背部
２２ｃ…ディスク外周面（ディスク案内面）
２２ｄ…ディスク背面
２３…ブレード
２３ａ…外端
３０，４０…周方向速度成分付与手段
３１〜３６…ディスク凹部
３１ａ，３３ａ…背面開放端
３１ｂ、３３ｂ…案内面開放端
３４ａ…ディスク側ガイド溝部
４１〜４３…ステータ凹部
４１ａ…始端面（始端）
４１ｂ…流路開放端
４２…ステータ凹部
４２ａ…ステータ側ガイド溝部
ＣＧ…主流の絶対速度
Ｃｇ…漏れ流れの絶対速度
Ｅ１，Ｅ２…エキスパンダ
ＵＧ…主流の絶対速度の周方向速度成分
Ｕｇ…漏れ流れの絶対速度の周方向速度成分
Ｃ…隙間
【図１】
2011202623.tif 000003
【図２】
2011202623.tif 000004
【図３】
2011202623.tif 000005
【図４】
2011202623.tif 000006
【図５】
2011202623.tif 000007
【図６】
2011202623.tif 000008
【図７】
2011202623.tif 000009
【図８】
2011202623.tif 000010
【図９】
2011202623.tif 000011
【図１０】
2011202623.tif 000012
【図１１】
2011202623.tif 000013
【図１２】
2011202623.tif 000014
【図１３】
2011202623.tif 000015
【図１４】
2011202623.tif 000016
【図１５】
2011202623.tif 000017