(57)【要約】【課題】蒸気タービンから出た蒸気の流れの乱れを防止して損失を抑え、効率向上、コンパクト化を図ることを目的とする。【解決手段】羽根車３におけるブレード５間の蒸気の出口に連通して案内板７を設けた。羽根車３から出た蒸気は、この案内板７に沿って乱れを生じることなく流れ、蒸気出口１３から排出される。そのため、流れの乱れによる損失を防止することができるとともに、羽根車３で発生したトルクを有効に利用できることが可能となり、蒸気タービンの効率を大いに高めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気を噴出するノズルと、回転軸にほぼ直角に複数のディスク状のブレードを重ね合わせて構成され、前記ノズルからの蒸気が外周の蒸気入口から内側の蒸気出口へ流動してその蒸気の運動量を受ける羽根車と、前記羽根車の蒸気出口に連通した案内板と、前記羽根車、案内板及び回転軸を内設したケーシングとを具備し、前記案内板は前記羽根車の蒸気出口から出た径中心方向の蒸気流を前記回転軸に平行流となるように方向転換させ、ケーシング出口に案内する蒸気タービン。
【請求項２】
複数の円錐状案内板を隙間をおいて重ね合わせて回転軸上に固定した請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項３】
仕切り板を介して隙間を周方向に仕切った請求項２記載の蒸気タービン。
【請求項４】
隙間の断面積を上流側から下流側へ次第に大きくした請求項２または３記載の蒸気タービン。
【請求項５】
羽根車の隣接するブレード間の間隙に複数の羽根を放射状に介在させた請求項１〜４いずれか１項記載の蒸気タービン。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項記載の蒸気タービンを発電機の駆動源として用いた太陽熱ランキンシステム。
【請求項７】
蒸気タービンより排出される蒸気を給湯熱源とした請求項６記載の太陽熱ランキンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、太陽熱を利用したランキンシステムなどに搭載される蒸気タービンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の蒸気タービンは、蒸気が出力軸に狭い間隔で稠密に取り付けられた平面形状のディスク形の間を外周から軸に向かって流れ、蒸気の粘性力と付着力によりディスクを回転させるようにしている。（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、平板形状のディスクを用いて粘性だけを利用したテスラタービンも見受けられる。
【特許文献１】特開２００２−１７４１６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来技術では、出力軸にほぼ直角の平面形状のディスクを多枚数重ね合わせて単純な形状とし、ケーシングに複数のノズルを設けてノズルから噴出した蒸気をディスクに当てて衝動力を得る構成している。そして、ディスク内で回転力を働いた後の蒸気は、そのディスクに開口した孔を通り蒸気排出口から外部に放出される。
【０００５】
しかしながら、ディスクからこの蒸気排出口までの蒸気は、流れ方向が径中心方向流れから軸方向流れに急激に変化させるため、蒸気が淀み、また、運動ベクトル方向が直角に変わるところから速度エネルギーを圧力に変換し再び軸方向の運動速度エネルギーに再度変換しなければならず、エネルギー損失が大きく発生した。このため、蒸気により生じるタービン出力は最高の出力が得られないという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、羽根車より出る蒸気の流れを円滑として圧損などを可及的に小さくし、これにより蒸気タービンの効率向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の蒸気タービンは、蒸気を噴出するノズルと、回転軸にほぼ直角に複数のディスク状のブレードを重ね合わせて構成され、前記ノズルからの蒸気が外周の蒸気入口から内側の蒸気出口へ流動してその蒸気の運動量を受ける羽根車と、前記羽根車の蒸気出口に連通した案内板と、前記羽根車、案内板及び回転軸を内設したケーシングとを具備し、前記案内板は前記羽根車の蒸気出口から出た径中心方向の蒸気流を前記回転軸に平行流となるように方向転換させ、ケーシング出口に案内するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の蒸気タービンは、羽根車の蒸気出口に連通した案内板を構成したことにより、羽根車から出た蒸気が流れの乱れによる損失を防止することができるので、粘性と衝動力により発生したトルクを低減することがなく利用できることにより蒸気タービンの効が向上し、蒸気タービンのコンパクト化や簡素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】
【０００９】
本発明は、蒸気を噴出するノズルと、回転軸にほぼ直角に複数のディスク状のブレード
を重ね合わせて構成され、前記ノズルからの蒸気が外周の蒸気入口から内側の蒸気出口へ流動してその蒸気の運動量を受ける羽根車と、前記羽根車の蒸気出口に連通した案内板と、前記羽根車、案内板及び回転軸を内設したケーシングとを具備し、前記案内板は前記羽根車の蒸気出口から出た径中心方向の蒸気流を前記回転軸に平行流となるように方向転換させ、ケーシング出口に案内するようにした。
【００１０】
したがって、羽根車から出た蒸気流れの乱れによる損失を防止することができる。
【００１１】
案内板は複数の円錐状案内板を隙間をおいて重ね合わせて回転軸上に固定したものであり、蒸気の流れをより円滑とするために、仕切り板を介してその隙間を周方向に仕切ることも考えられ、また、好ましくは、隙間の断面積を上流側から下流側へ次第に大きくする。
【００１２】
羽根車としては、隣接するブレード間の間隙に複数の羽根を放射状に介在させてもよい。
【００１３】
そして、これら蒸気タービンは太陽熱ランキンシステムの発電機駆動源として利用でき、加えて、蒸気タービンより排出される蒸気を給湯熱源として活用することも考えられる。
【００１４】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１５】
（実施の形態１）
図１、図２において、１は蒸気入口２から入った蒸気を噴出するノズルで、このノズル１から噴出する蒸気の運動エネルギを受けて回転する羽根車３を出力軸である回転軸４の周囲に設けている。蒸気は高温のフロンや水の蒸気、または高温のＣＯ２や空気等のガス体が考えられる。
【００１６】
前記羽根車３は所定の間隙をおいて重ね合わせた複数のブレード５と、隣接するブレード５間の間隙に放射状に一体的に介在させた断面円弧状の複数の羽根６とから構成されている。
【００１７】
すなわち、ノズル１からの蒸気は羽根車３の外周から径中心方向へ流動する過程で羽根６に衝動力を、またブレード５に粘性による回転力をそれぞれ付与することとなる。
【００１８】
そして、羽根車３を通過し、その径中心方向から回転軸４方向に流出した蒸気は複数の円錐状の案内板７で回転軸４と平行となるように方向転換されるようにしてある。
【００１９】
前記羽根６は、ブレード５の一部を成型加工するか、或いは別部品を接着、溶接して構成する。
【００２０】
また、案内板７は復数枚を間隔を空けて設置し、切削、或いは絞り成型加工で作成し、回転軸４に対して垂直面から順次平行に向かう曲面とし、同回転軸４に固定してある。
【００２１】
そして、ブレード５の両端は端版８，９により保持し、回転軸４にはブレード５の回転時の接触を防止するスペーサ１０，１１を設けている。
【００２２】
ブレード５、案内板７、回転軸４、スペーサ１０，１１は、ステンレスやチタンやアルミナ等の金属材料やセラミックや樹脂のような耐熱性、耐腐食性の材料で構成されている
。
ブレード５の厚みは重量の軽減のため、薄く（例えば、１ｍｍ以下）構成している。また、ブレード５間の間隙は、羽根６に沿って移動する蒸気の粘性力や付着力が働くように狭く（例えば１ｍｍ以下）構成している。
【００２３】
ブレード５、案内板７、回転軸４等はケーシング１２に内設してある。ブレード５よりも厚みのある端版８，９は、前記ブレード５と回転軸４、及び案内板７を固定するときにこれらブレード５を締め付けて剛性を高め、そのブレード５と案内板７のたわみを防止するようにしている。また、各ブレード５の出口と案内板７の入口は同軸上に連通するように設けている。
【００２４】
蒸気は、蒸気入口２からノズル１を通り、羽根車３のブレード５の外周から羽根６に沿って旋回しながらブレード５間の間隙内を移動し、次いで、案内板７に入り、蒸気出口１３から外部に出るようにしている。
【００２５】
ノズル１は蒸気入口２に構成し、羽根車３の外周部分に対して接線方向から蒸気を噴射するように設けている。
【００２６】
ノズル１の形状は普通の蒸気タービンで使用されている単孔ノズルや先細ノズルや末広ノズル等を使用している。また、ノズル１は蒸気の流速を加速するためにのど部から下流に向かって内径を徐々に拡大するようにディフューザー部分も構成するようにしており、ケーシング１２に予め作成したノズル１をカシメ加工等で取り付けても良いし、また一体に成型してもよい。
【００２７】
ケーシング１２に設けた回転軸４の軸受け１４，１５は、シール性のあるベアリング軸受け、または非接触の流体軸受けを使用している。
【００２８】
ケーシング１２は、その材質としてブレード５と同様、ステンレスやチタンやアルミナ等の金属材料やセラミック等耐熱性、耐腐食性の材料が採用され、また、案内板７を介して排出される蒸気を流動させるための環状の排出溝１６を設けている。この排出溝１６の一部に蒸気出口１３を設けて蒸気タービン１７を回転させた後の蒸気を取り出し、再度蒸気を加熱する手段に送るようにしている。
【００２９】
回転軸４の回転は発電機１７に伝えられて発電を行うようにしてある。発電機１７は、例えばアウターローター式三相交流発電機を用い、この交流出力は全波整流されたのちにインバータ（図示なし）により電流制御を行うようにして安定した電流を得るようにしている。
【００３０】
図３において、１８は太陽熱を受けて回収する集熱器で、この集熱器１８の熱を蓄熱槽１９に伝えるために循環ポンプ２０を途中に設けた回路２１（閉回路）を設けている。
【００３１】
集熱器１８は管状集熱器や真空ガラス管式集熱器やヒートパイプ式集熱器等で構成している。回路２１内を循環する熱媒体２２はフロンや水のような液体で構成している。
【００３２】
なお、熱媒体２２は超臨界状態のＣＯ２や液体空気を用いる場合もある。
【００３３】
熱媒体２２は集熱器１８で加熱されて蒸気になって蓄熱槽１９に送られ、そこで熱交換することで凝縮し液体となる。この熱媒体２２を循環ポンプ２０で再度集熱器１８に送る。この動作を繰り返すことで、蓄熱槽１９に熱を貯める。
【００３４】
蓄熱槽１９は融点の高い溶融塩の相変化を利用した潜熱型や溶融塩や油等を用いた顕熱型や蒸気を圧力水の形で蓄える蒸気アキュムレイタ等を用いることで１００℃以上の高温の熱を貯める。
【００３５】
２３は蓄熱槽１９の熱を利用して加熱した熱媒体２４の蒸気を前記した蒸気タービン２５のノズル１に供給する供給ポンプで、蒸気タービン２５から排出された熱媒体２４を再度蓄熱槽１９に送る回路２６（閉回路）の途中に設けている。
【００３６】
この回路２６内を循環する熱媒体２４はフロンや水のような液体とその蒸気で構成している。
【００３７】
なお、熱媒体２４は超臨界状態のＣＯ２や液体空気を用いる場合もある。
【００３８】
また、回路２６の蒸気タービン２５と供給ポンプ２３の途中に貯湯タンク２７を設け、蒸気タービン２５に運動エネルギを与えた後の高温の蒸気の熱を利用してこの貯湯タンク２７に湯を貯める。
【００３９】
熱媒体２４はこの貯湯タンク２７に熱を伝えるときに凝縮して液体となり、蓄熱槽１９に送られて再度加熱され蒸気を形成する。この動作を繰り返すことにより、蒸気タービン２５に設けた発電機１７により発電しながら貯湯タンク２７にお湯を貯めるようにしている。貯湯タンク２７に貯められたお湯は、給水ポンプ２８により給湯用や暖房用に供給されるようにしている。
【００４０】
以上のように構成された蒸気タービン２５について、以下その動作、作用を説明する。まず、蒸気タービン２５のノズル１に供給する蒸気を形成するためには、循環ポンプ２０を作動し、熱媒体２２を回路２１内に循環させ、太陽の熱を受けた集熱器１８で加熱し、高温の蒸気（または液体や蒸気と液体が混ざった二相状態等）を形成して蓄熱槽１９に送る。蓄熱槽１９ではこの蒸気の熱を受けて２００℃程度の熱量を蓄積する。
【００４１】
熱媒体２２の蒸気は蓄熱槽１９で凝縮して液体となり、循環ポンプ２３により再度集熱器１８に送られて加熱される。この動作を太陽が当っている太陽熱の供給が可能な間、繰り返し必要な熱量を蓄熱槽１９に維持する。
【００４２】
蓄熱槽１９に所定の熱量が蓄積されると、回路２６に設けた供給ポンプ２３で熱媒体２４を循環させ、蓄熱槽１９で２００℃程度の熱媒体２６の蒸気を形成し、蒸気タービン２５のノズル１から噴出する。
【００４３】
ノズル１から噴出する蒸気は音速の運動エネルギを持ち、蒸気タービン２５の羽根車３の羽根６に衝突しながら、各ブレード５の間の間隙の内部を衝動面に沿いながら旋廻流動する。この時、蒸気の粘性力や付着力により羽根車３が回転し、回転軸４にトルクとして伝えられる。
【００４４】
この回転軸４のトルクを利用し発電機１７を回転させて発電を行うようにしている。蒸気タービン２５から排出した熱媒体２４の蒸気は貯湯タンク２７に送られ、水と熱交換を行い、その熱は貯湯タンク２７内にお湯として貯める。
【００４５】
蒸気は貯湯タンク２７内で凝縮し、液体となって供給ポンプ２３により蓄熱槽１９に送られ、再度加熱され蒸気を形成するようにしている。
【００４６】
この動作を繰り返すことにより、蒸気タービン２５で発電しながら貯湯タンク２７にお
湯を貯め、給湯や暖房の必要なときに給水ポンプ２８を作動しお湯を使用することでコージェネレーションのシステムを構成するようにしている。
【００４７】
以上のように本実施の形態においては、蒸気を噴出するノズル１と、回転軸４にほぼ直角に複数のブレード５を重ね合わせて外周に蒸気入口と内側に蒸気出口を構成し、ノズル１から噴出する蒸気の運動量を受けると、この羽根車３の蒸気出口に連通した案内板７と、ノズル１と羽根車３と案内板７、及びこの羽根車３と案内板７の回転軸４を内包し、蒸気の入口２と出口１３を構成したケーシング１２とからなり、特に、案内板７は蒸気を径中心方向から軸方向へ流れを変換するようにしているため、羽根車３からの蒸気排出が円滑となり、流れの乱れによる損失を防止することができる。このため、羽根車３で発生したトルクを低減することがなく利用できることが可能となり、蒸気タービンとしての効率が向上し、蒸気から駆動力に変換するタービン性能も向上する。
【００４８】
すなわち、羽根車３で回転力に供された後の蒸気は、流れ方向が径中心に向かう流れから軸に沿う方向に急激に変化されるため、蒸気が淀み、また、速度エネルギーが圧力に変換され再び軸方向の運動速度エネルギーに再度変換されるところから、そのままではエネルギー損失大きくなる。このため、蒸気により生じるタービン出力は最高の出力が得られなかった。
【００４９】
そこで、高速で羽根車３に流動した蒸気は、案内板７の曲面に沿って乱れを生じることなく回転軸４に平行な流れに方向を変え、蒸気出口１３から出ていく。このため、羽根車３ら出た蒸気が流れの乱れによる損失を生じることがないため、粘性と衝動力により発生したトルクを低減することがなく利用できることにより蒸気タービン２５の効率を向上するものである。そのため、向上した性能を利用して蒸気タービン１８のコンパクト化や簡素化を可能とできる。
【００５０】
また、案内板７は、円錐状の板を隙間を介して重ね合わせて回転軸４上に固定し、また、その案内板７の蒸気入口は羽根車３のブレード５間の間隙と対向して構成してあることにより、羽根車３の出口から出た蒸気をよりスムーズに蒸気出口１３に誘導できる。このため蒸気の流量が増加した場合も、蒸気流れの乱れによる損失を抑え、蒸気タービン２５の高効率を維持しながら大能力化が可能となる。
【００５１】
すなわち、案内板７を円錐状の板としたことにより、回転軸４に垂直の方向から中心に流れる蒸気の流れ方向を順次回転軸４に平行に変えていくため、淀みや乱れを生じることが無く損失抵抗が少ない。
【００５２】
また、円錐状の板を隙間を介して重ね合わせて回転軸４上に固定したことにより、案内板７内の蒸気が流れる前記間隙が積層に分割しているため均一に流れ、蒸気の偏りを防止でき、スムーズに流すことが可能となる。
【００５３】
そして、羽根車３はブレード５と羽根６を介して重ね合わせて回転軸４上に固定し、案内板７も円錐状に成型した板を隙間を介して重ね合わせて回転軸４上に固定して構成したことにより、簡単な加工で精度が維持でき、また、ブレード５と羽根６の数を選定することにより、能力変更も容易となる。
【００５４】
すなわち、平板の絞り加工で作成した案内板７は簡単に高精度加工が容易であり、ブレード５と案内板７の動バランスをとることができ、高速で回転しても振動や振れを生じることがなく動作回転数を高くして全体を小さくできる。また、加工は、金型多面等により安価にできる。さらに、冷媒の種類に応じてブレード５の板厚さにより間隔を調整することにより、粘性を最大に生かせる間隔となり、粘性により回転力を伝達できタービンの効
率向上を図れ、そのため、タービン性能の高効率化と、同一形状に成型したブレード５を容易に複数個重ね合わせることができ、均一な間隙の形成によりブレードユニットの組み立て精度を向上できる。
【００５５】
また、独立した集熱用の回路２１を構成して集熱器１８で得られた太陽熱を蒸気タービン２５の動作に関係なく、常時蓄熱槽１９に蓄えて維持できるので、発電の必要なときに蒸気タービン２５で必要な蒸気を随時取り出すことができる。
【００５６】
さらに、回路２６の途中に貯湯タンク２７を設けたので、発電に関係なく蓄熱槽１９の熱をお湯として貯湯タンク２７に貯めることが可能なので、給湯や暖房に必要なお湯を随時取り出せることができる。
【００５７】
また、太陽熱を利用して蒸気を形成し、ノズル１より噴出して蒸気タービン２５の発電機１７を回転させて発電するので、ＣＯ２削減の有効な手段とすることができる。
【００５８】
（実施の形態２）
図４，５は、本発明の実施の形態２を示し、実施の形態１と異なるところは、複数の案内板７で構成される案内流路を仕切り板２９を介して周方向に仕切ったものである。
【００５９】
したがって、仕切り板２９は案内板７の隙間寸法を高精度に保持し、羽根車３が高速で回転しても振動や振れを生じることがなく動作回転数を高くして全体を小さくできるものである。
【００６０】
また、部品の簡略化と耐久信頼性を確保できるものである。そして、羽根車３から回転方向に斜めに噴出する蒸気を仕切り板２９により分割してケーシング１２の蒸気出口１３に案内できるため、回転方向に対しても蒸気の偏りがなく、スムーズな流れとなところから、エネルギーの損失が低下し、蒸気タービン２５の効率向上するものである。
【００６１】
また、仕切り板２９は順次回転軸４方向に曲げるとともに、蒸気の出口方向にその断面積を順次拡大した構成としてあることにより、蒸気は案内板７の中を流れるに従って速度を低下し、動圧成分が静圧成分に変換でき、蒸気出口１３での蒸気の運動量が小さくなり、蒸気の高速で流れることによる損失が小さくなり、蒸気タービンの効率向上するものである。
【００６２】
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３における太陽熱ランキンシステムを示し、蒸気タービン２５に太陽熱により生成した蒸気を直接的に供給するようにした。
【００６３】
以下その動作、作用について説明する。
【００６４】
太陽熱を受けられる状況になると循環ポンプ３０を作動し、熱媒体３１を回路３２内に循環させ、太陽の熱を受けた集熱器３３で加熱し、高温の蒸気として蒸気タービン２５のノズルから噴出する。
【００６５】
ノズルから噴出する蒸気は、音速の運動エネルギを持ち、蒸気タービン２５の羽根車を回転し、発電機１７を回転させて、発電を行う。
【００６６】
蒸気タービン２５から排出した熱媒体蒸気は、貯湯タンク３４に送られ、水と熱交換を行い、その熱は貯湯タンク３４内にお湯として貯められる。
【００６７】
蒸気は貯湯タンク３４内で凝縮し、液体となって供給ポンプ３０により集熱器３３に送られ、再度加熱され蒸気を形成するようにしている。蒸気タービン１８で発電しながら貯湯タンク３４にお湯を貯め、給湯や暖房の必要なときに給水ポンプ３５を作動しお湯を使用するようにしている。
【００６８】
なお、図７のように、集熱器３３で形成した熱媒体３１の蒸気を循環ポンプ３０より回路３２（閉回路）で直接蒸気タービン２５に送り、これを回転させて発電機１７により発電だけを行うことも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
以上のように、本発明にかかる蒸気タービンは、エネルギ密度の低い太陽熱を利用して作動できるので、自動車や燃料電池の排熱回収等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施の形態１における蒸気タービンの側断面図
【図２】図１のＸ―Ｘ´正断面図
【図３】実施の形態１の蒸気タービンを搭載した太陽熱ランキンシステムの構成図
【図４】本発明の実施の形態２における蒸気タービンの断側面図
【図５】図４のＹ−Ｙ´正断面図
【図６】本発明の実施の形態３における太陽熱ランキンシステムの構成図
【図７】他の太陽熱ランキンシステムの構成図
【符号の説明】
【００７１】
１  ノズル
３  羽根車
４  回転軸
５  ブレード
６  羽根
７  案内板
１２  ケーシング
１７  発電機
【図１】
2008025523.tif 000003
【図２】
2008025523.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008025523.tif 000006
【図５】
2008025523.tif 000007
【図６】
2008025523.tif 000008
【図７】
2008025523.tif 000009