(57)【要約】【課題】ケーシング吸込口を介して羽根車に半径方向に流入した気体が軸方向に流出するラジアルタービンにおいて、前記気体から凝縮したドレンを簡便に排出して、製造コストを増大させること無くタービン効率の向上可能なラジアルタービンを提供する。【解決手段】タービンケーシング２と、該ケーシング２に形成されたケーシング吸込口３と、この吸込口３から吸込まれた気体をタービンノズル外周から内向きに流入させる気体流路と、前記タービンノズル外周から流入する気体が作用する複数の動翼を有する羽根車とを具備し、前記吸込口３の中心線ＣＬが、前記羽根車の回転軸ＣＡの軸心を通る下向きの垂線ＶＬに対して、９０度未満の角度θをなして斜め下方向乃至は直下方向に配設されてなるラジアルタービン１。【選択図】図３
2015021404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半径方向内向きに流入させる気体を回転軸方向に流出させ、回転力を得るラジアルタービンであって、
タービンケーシングと、
前記タービンケーシングに形成されたケーシング吸込口と、
前記タービンケーシングに形成され、前記ケーシング吸込口から吸込まれた気体を、タービンノズル外周から半径方向内向きに流入させる気体流路と、
前記タービンノズル外周から流入する気体が作用する複数の動翼を有する羽根車とを具備し、
前記ケーシング吸込口の中心線が、前記羽根車の回転軸の軸心を通る下向きの垂線に対して、９０度未満の角度をなして斜め下方向乃至は直下方向に配設されてなることを特徴とするラジアルタービン。
【請求項２】
前記気体流路が、前記羽根車の外周に形成されたケーシング流路と、このケーシング流路及び前記タービンノズルを連通するノズル通路により形成され、
前記ケーシング吸込口は、前記ケーシング流路の最下部が前記ケーシング吸込口の内側に位置するように接続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。
【請求項３】
前記ケーシング吸込口の中心線が、前記回転軸の軸心を通る下向きの垂線に対して、４５度以下の角度をなして斜め下方向乃至は直下方向に配設されてな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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンケーシングのケーシング吸込口から吸込まれた気体が、複数の動翼が取り付けられた羽根車に、半径方向に流入して軸方向に流出するラジアルタービンにおいて、前記気体中に含まれるドレンを前記タービンケーシングから簡便に排出可能なラジアルタービンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
タービンは、一般的に軸流型タービンとラジアル型タービンに大別される。軸流タービンは中・大容量に適し、大型の火力発電所での蒸気タービン等には殆ど全て軸流タービンが採用されている。一方、ラジアルタービンは歴史上、ガスの寒冷発生用として発達してきた機器であり、ガスをタービンに供給し膨張させることで、気体の温度を下げることを目的としたもので、空気分離装置における寒冷発生膨張タービンがその代表例である。
【０００３】
そして、中・小型の軸流タービンの断熱効率は最大でも４０％程度であるのに対し、ラジアルタービンでは８０〜８５％に達する。この決定的な違いがラジアルタービンの最大の特長であり、気体からの動力回収量は、軸流タービンのほぼ２倍（単段当り）となる。
【０００４】
ラジアルタービンは、タービンケーシング吸込口を介してタービンケーシング内に流入した気体を半径方向内向きに向かわせて、複数の動翼が取り付けられた羽根車を回転させるものであるが、前記ケーシング吸込口は、通常上向きに構成されていた。
【０００５】
先ず、この様なラジアルタービンの問題点について、以下説明する。
ラジアルタービンは、タービンケーシングに設けられたケーシング吸込口から吸込まれた気体が、気体流路を経た後、タービンノズルを通って複数の動翼が取り付けられた羽根車に流入し、前記気体により羽根車を回転させることにより、気体のエネルギーが羽根車の回転エネルギーに変換される。そして、羽根車通過後の気体は、排出口を経てタービンケーシングから排出される。
【０００６】
ラジアルタービンには、空気、燃焼ガス或いは過熱域の気体を作動媒体として使うことが多く、気体流路を経てタービンノズルで増速された前記気体は、湿り域に入ると凝縮されて、ドレン（凝縮液）が液滴として発生する。
【０００７】
ところが、タービンケーシングに設けられたケーシング吸込口が上向きに構成されていると、前記気体は、動翼の領域に入り断熱膨張するが、タービンケーシング内に滞留した前記液滴の一部は動翼の負圧面に付着し、この負圧面上で他の液滴と合体して次第に大きくなる。そして、増大した液滴は、動翼の遠心力で外周側に飛ばされ、動翼の先端周速でタービンノズルの内向き面に衝突する。そして、衝突後の液滴は、タービンケーシング内の気体流路の最下部にドレンとして滞留する。
【０００８】
この液滴のタービンノズルへの衝突によって、いわゆるドレンアタックを生じ、前記ノズル面があばた状に侵食されて、ノズルの効率を低下させるばかりでなく、ノズルの一部が欠落して、その破片で動翼に損傷を与えることにもなるという問題があった。また、気体流路の最下部に滞留したドレンが、タービンケーシングを腐食させる原因ともなっていた。また、前記滞留ドレンの影響により、最悪時はタービン性能の低下やタービン軸の振動増大等の問題が生じることもあった。
【０００９】
次に、この様な問題点を改善した従来例に係るラジアルタービンについて、以下図５を参照しながら説明する。図５は従来例に係るラジアルタービンの要部を示す縦断面図である。
【００１０】
従来例に係るラジアルタービンは、動翼２３の入口端２３ａに傾斜を付与する一方、羽根車の背板２５を、動翼２３の入口端２３ａよりも更にタービン外周側まで延長して、この延長部分２５ａに、動翼２３と背板２５との交線を起点としてタービン側面から見て斜め後方へ、また正面から見てラジアル方向へ貫通孔２６が設けられている。そして、背板２５の裏面には、貫通孔２６の出口部に位置するように、液滴捕集器２７が設置されている。
【００１１】
この様な構成によって、動翼２３の入口端２３ａ近傍に付着した液滴は、界面張力や遠心力と動翼２３の入口端２３ａに沿う方向の分力の作用により、凝集しながら入口端２３ａの傾斜に沿って背板２５側へと流れる。そして、背板２５側へ流れてきた液滴は、貫通孔２６を通過してノズル２２の後方に誘導され、液滴捕集器２７に一旦捕集された後、適宜排出される。
【００１２】
その結果、従来例に係るラジアルタービンは、液滴のノズル２２への流れ戻り量を低減して、ドレンアタックを防止でき、凝縮液が発生する条件下で使用されるラジアルタービンの寿命を延ばすとともに、信頼性を向上し得るという効果を有していた（特許文献１参照）。
【００１３】
しかしながら、この従来例に係るラジアルタービンは、動翼２３の入口端２３ａへの傾斜付与、羽根車の背板２５を延長する延長部２５ａの形成、この延長部２５ａへの貫通孔２６の形成、及び液滴捕集器２７の設置を要するので、製造コストを相当増加させる要因となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】実開平２−７４５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従って、本発明の目的は、ケーシング吸込口を介して動翼が取り付けられた羽根車に半径方向に流入した気体が軸方向に流出するラジアルタービンにおいて、前記気体から凝縮したドレンを簡便にケーシング外に排出して、製造コストを増大させること無くタービン効率の向上可能なラジアルタービンを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るラジアルタービンが採用した手段は、半径方向内向きに流入させる気体を回転軸方向に流出させ、回転力を得るラジアルタービンであって、タービンケーシングと、前記タービンケーシングに形成されたケーシング吸込口と、前記タービンケーシングに形成され、前記ケーシング吸込口から吸込まれた気体を、タービンノズル外周から半径方向内向きに流入させる気体流路と、前記タービンノズル外周から流入する気体が作用する複数の動翼を有する羽根車とを具備している。
【００１７】
そして、このラジアルタービンが採用した手段は、前記ケーシング吸込口の中心線が、前記羽根車の回転軸の軸心を通る下向きの垂線に対して、９０度未満の角度をなして斜め下方向乃至は直下方向に配設されてなることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の請求項２に係る圧縮機のラジアルタービンが採用した手段は、請求項１に記載のラジアルタービンにおいて、前記気体流路が、前記羽根車の外周に形成されたケーシング流路と、このケーシング流路及び前記タービンノズルを連通するノズル通路により形成され、前記ケーシング吸込口は、前記ケーシング流路の最下部が前記ケーシング吸込口の内側に位置するように接続されていることを特徴とするものである。
【００１９】
本発明の請求項３に係る圧縮機のラジアルタービンが採用した手段は、請求項１または２に記載のラジアルタービンにおいて、前記ケーシング吸込口の中心線が、前記回転軸の軸心を通る下向きの垂線に対して、４５度以下の角度をなして斜め下方向乃至は直下方向に配設されてなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の請求項１に係るラジアルタービンによれば、半径方向内向きに流入させる気体を回転軸方向に流出させ、回転力を得るラジアルタービンであって、タービンケーシングと、前記タービンケーシングに形成されたケーシング吸込口と、前記タービンケーシングに形成され、前記ケーシング吸込口から吸込まれた気体を、タービンノズル外周から半径方向内向きに流入させる気体流路と、前記タービンノズル外周から流入する気体が作用する複数の動翼を有する羽根車とを具備している。
【００２１】
同時に、このラジアルタービンによれば、前記ケーシング吸込口の中心線が、前記羽根車の回転軸の軸心を通る下向きの垂線に対して、９０度未満の角度をなして斜め下方向乃至は直下方向に配設されてなるので、ドレン排出用の通路やドレン捕集手段をタービンケース内に設ける必要が無くなり、製造コストを増加することなくタービン効率の向上を図り得る。
【００２２】
また、本発明の請求項２に係るラジアルタービンによれば、前記気体流路が、前記羽根車の外周に形成されたケーシング流路と、このケーシング流路及び前記タービンノズルを連通するノズル通路により形成され、前記ケーシング吸込口は、前記ケーシング流路の最下部が前記ケーシング吸込口の内側に位置するように接続されているので、前記タービンケーシング内へのドレン溜りを効果的に排除することができる。
【００２３】
更に、本発明の請求項３に係るラジアルタービンによれば、前記ケーシング吸込口の中心線が、前記回転軸の軸心を通る下向きの垂線に対して、４５度以下の角度をなして斜め下方向乃至は直下方向に配設されてなるので、前記タービンケーシング内の前記ドレンを、前記ケーシング吸込口からより確実に自重で排出可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態に係るラジアルタービンの全体構成を示す平断面図である。
【図２】図１の要部を矢視Ａ−Ａで示す縦断面図である。
【図３】図２の左側面図である。
【図４】図２の矢視Ｂ−Ｂを示す縦断面図である。
【図５】従来例に係るラジアルタービンの要部を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の実施の形態に係るラジアルタービンを、以下添付図１〜４を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態に係るラジアルタービンの全体構成を示す平断面図、図２は図１の要部を矢視Ａ−Ａで示す縦断面図、図３は図２の左側面図、図４は図２の矢視Ｂ−Ｂを示す縦断面図である。
【００２６】
本発明の実施の形態に係るラジアルタービンは、半径方向内向きに流入させる気体を回転軸７ａ方向に流出させ、気体の熱エネルギーを回転軸７ａの回転エネルギーに変換するラジアルタービン１である。
【００２７】
そして、このラジアルタービン１は、図３に示す通り略円形状の外形を有し、内部に羽根車７等の要部を収納したタービンケーシング２と、このタービンケーシング２に形成されたケーシング吸込口３とを具備している。同時に、このラジアルタービン１は、図２に示す如く、タービンケーシング２に形成され、ケーシング吸込口３から吸込まれた気体を、タービンノズル５外周から半径方向内向きに流入させる気体流路４と、タービンノズル５外周から流入する気体が作用する複数の動翼６を有する羽根車７とを具備している。
【００２８】
ここで、前記気体流路４は、ケーシング吸込口３からタービンケーシング２内に吸込んだ気体を羽根車７の外周に均等に導くため、図４に示す如く略円環状に形成されたケーシング流路４ａと、このケーシング流路４ａに導かれた気体をタービンノズル５に導入するため、軸心ＣＡ方向に連通して形成されたノズル通路４ｂからなる。
【００２９】
また、ケーシング流路４ａには、ケーシング吸込口３から吸込まれた気体を、流路に沿って二手に分けるための間仕切り２ａ，２ｂが形成されている。ノズル通路４ｂ及びタービンノズル５は、ケーシング流路４ａに分割導入された気体を増速するとともに、旋回エネルギーを気体に（ひいては羽根車７に）付与するため、軸心ＣＡ方向から半径方向に方向転換する様に形成されている。
【００３０】
そして、タービンケーシング２内の軸心ＣＡ近傍には、増速された気体の旋回エネルギーを羽根車７の回転エネルギーに変換するため、複数の動翼６が取り付けられた羽根車７及びこの羽根車７を回転可能に支持する回転軸７ａが収納されている。
【００３１】
これら複数の動翼６間には夫々羽根車流路７ｂが形成され、これらの動翼６に衝突後、羽根車流路７ｂを通過して軸心ＣＡ方向に向かう気体を排出するための排出口８がタービンケーシング２に形成されている。そして、この排出口８には排出管９が取り付けられている。一方、動翼６の受けたエネルギーは、羽根車７を介して回転軸７ａの回転エネルギーに変換可能に構成されている。
【００３２】
また、このラジアルタービン１には、減速機１１が取り付けられており、ラジアルタービン１の回転軸７ａと減速機１１の高速軸１２が直結されている。そして、ラジアルタービン１で得られた回転エネルギーに基づく回転軸７ａにおける高速の回転数が、高速軸１２に取り付けられた高速軸歯車１２ａから低速軸１３に取り付けられた低速軸歯車１３ａを介して、低速軸１３における低速な回転数まで減速されるように構成されている。
【００３３】
この様に構成された本発明の実施の形態に係るラジアルタービン１において、ケーシング吸込口３の先端には、図２〜４に示す如く吸込開口面３ａが設けられている。そして、このケーシング吸込口３の中心線ＣＬが、回転軸の軸心ＣＡを通る下向きの垂線ＶＬに対して、９０度未満の角度θをなして斜め下方向乃至は直下方向に向けて配設され、タービンケーシング２内の前記気体から凝縮したドレンが、ケーシング吸込口３から自重で排出可能に形成されている。
【００３４】
前記ケーシング吸込口３が、その中心線ＣＬを回転軸７ａの軸心ＣＡを通る下向きの垂線ＶＬに対して、９０度以上の角度θをなして斜め上方向乃至は直上方向に向けて配置されていると、タービンケーシング２内のドレンがケーシング吸込口３から自重で排出されることは困難となるからである。
【００３５】
ケーシング吸込口３の吸込開口面３ａには、この気体を供給するための図示しない給気配管が接続されている。この給気配管内にドレンが滞留すれば配管の腐食等の原因となるため、給気配管に開閉弁（図示せず）の介設されたドレン排出管（図示せず）を接続し、その開閉弁を所定時間ごとに開放させるよう構成してドレンを回収可能とすることが好ましい。
【００３６】
また、タービンケーシング２内の前記ドレンを、ケーシング吸込口３からより確実に自重で排出可能とするには、前記ケーシング吸込口３が、その中心線ＣＬを回転軸の軸心ＣＡを通る下向きの垂線ＶＬに対して、４５度以下の角度θをなして斜め下方向乃至は直下方向に配設されるのが、タービンケーシング２内の気体から凝縮したドレンを、ケーシング吸込口３から自重により確実に排出可能とする点で更に好ましい。
【００３７】
尚、上述した様な構成を有するケーシング吸込口３を形成するには、タービンケーシング２を鋳造等により形成する際、当初よりケーシング吸込口３ａの中心線ＣＬを、回転軸７ａの軸心ＣＡを通る下向きの垂線ＶＬに対して、９０度未満の角度θ、更には４５度以下の角度θをなして斜め下方向乃至は直下方向に配設して形成すれば良い。
【００３８】
また、前記ケーシング吸込口３は、図２に示す如く、ケーシング流路の最下部４ｃがケーシング吸込口３に形成された吸込流路３ｂの内側に位置するように接続されているのが、前記タービンケーシング２内へのドレン溜りを効果的に排除することができる点で好ましい。
【００３９】
そして、ケーシング吸込口３の中心線ＣＬと軸心ＣＡを通る下向きの垂線ＶＬとなす角度θが９０度に近い場合は、吸込流路３ｂの流路断面最下部に、中心線ＣＬに沿って溝、例えばＶ字状溝やＵ字状溝を形成して、ドレンがこの溝に沿ってタービンケーシング２外に排除し易くするのが好ましい。
【００４０】
それに対し、ケーシング吸込口３の中心線ＣＬが、軸心ＣＡを通る下向きの垂線ＶＬとなす角度θが９０度より離れ、４５度以下の角度θをなして斜め下方向乃至は直下方向に向けて配置される場合も、上記同様、吸込流路３ｂの流路断面最下部に、中心線ＣＬに沿って溝を形成しても良い。
【００４１】
また、ケーシング吸込口３の吸込流路３ｂは、少なくとも間仕切り２ａの存在しない流路断面において、ケーシング流路４ａの最大流路断面の２倍以上の断面積を有するのが好ましい。吸込流路３ｂにおける気体の吸込流速がケーシング流路４ａにおける流速より速いと、タービンケーシング２から吸込流路３ｂまで排出されてきたドレンが、逆向きに吸込まれた吸込気体の摩擦抵抗によって、吸込開口面３ａ方向への更なる排出が阻止される可能性があるためである。
【００４２】
更に、吸込流路３ｂの流路断面形状は、円形断面、楕円形断面或いは多角形断面等、特に限定されるものではないが、製作のし易さの点から円形断面とするのが好ましい。
【００４３】
次に、以上の様に構成された本発明の実施の形態に係るラジアルタービン１の作動について、以下気体の流れに沿って説明する。
【００４４】
このラジアルタービン１の作動媒体となる気体は、図３，４に示す如く、回転軸７ａの軸心ＣＡを通る下向きの垂線ＶＬに対して、中心線ＣＬが９０度未満の角度θをなして斜め下方向乃至は直下方向に配置されたケーシング吸込口３の吸込開口面３ａから、図示しない給気配管を介してタービンケーシング２内に吸込まれる。
【００４５】
吸込開口面３ａから吸込まれた気体は、図２，４の矢印で示す如く、ケーシング吸込口３の吸込流路３ｂに導入されるとともに、間仕切り２ａで二手の流れに分割されて、略円環状に形成されたケーシング流路４ａに至る。次いで、図２に示す如く、軸心ＣＡ方向に向かうノズル通路４ｂから半径方向内向きに向かうタービンノズル５に流入した気体は、このタービンノズル５によって、軸心ＣＡ周りの旋回流として加速されて動翼６に衝突する。そして、動翼６に衝突した気体は、これら動翼６間に形成された羽根車流路７ｂに流入する。
【００４６】
その際、動翼６に衝突した気体は、羽根車７中で外周側から内周側に向うにつれて、この羽根車７に連結された回転軸７ａにトルクを与えた後、回転方向速度を減じながら軸心ＣＡ方向に流出し、排出口８を経てタービンケーシング２に取り付けられた排出管９から排出される。
【００４７】
そして、回転軸７ａの回転は、減速機１１の高速軸１２の回転に伝達される。そして、高速軸１２の高速な回転数は、高速軸１２に取り付けられた高速軸歯車１２ａから低速軸１３に取り付けられた低速軸歯車１３ａを介して、低速軸１３において必要に応じた低速な回転数まで減速される。
【００４８】
この様に構成された本発明の実施の形態に係るラジアルタービン１によれば、ケーシング吸込口３の中心線ＣＬが、羽根車７の回転軸７ａの軸心ＣＡを通る下向きの垂線ＶＬに対して、９０度未満の角度θをなして斜め下方向乃至は直下方向に配設され、ケーシング吸込口３の形状は、前記気体から凝縮したドレンがケーシング吸込口３から自重で排出可能な形状に形成されている。
【００４９】
その結果、ドレン排出用の通路やドレン捕集器をタービンケーシング２内に設ける必要が無くなり、かつタービンケーシング２内の気体流路４へのドレンの滞留が解消されるので、製造コストを増加することなくタービン効率の向上を図り得るのである。
【符号の説明】
【００５０】
ＣＡ：（回転軸の）軸心
ＣＬ：ケーシング吸込口の中心線
ＶＬ：軸心ＣＬを通る下向きの垂線
θ：ケーシング吸込口の中心線ＣＬが軸心ＣＡを通る下向きの垂線ＶＬとなす角度
１：ラジアルタービン                ２：タービンケーシング
２ａ，２ｂ：間仕切り
３：ケーシング吸込口                ３ａ：吸込開口面
３ｂ：吸込流路
４：気体流路                        ４ａ：ケーシング流路
４ｂ：ノズル流路                      ４ｃ：ケーシング流路の最下部
５：タービンノズル                  ６：動翼
７：羽根車                          ７ａ：回転軸
７ｂ：羽根車流路
８：排出口                          ９：排出管
１１：減速機
１２：高速軸                        １２ａ：高速軸歯車
１３：低速軸                        １３ａ：低速軸歯車
【図１】
2015021404.tif 000003
【図２】
2015021404.tif 000004
【図３】
2015021404.tif 000005
【図４】
2015021404.tif 000006
【図５】
2015021404.tif 000007