JP2012154283A - ラジアルタービン - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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２６を備え、外周側の主入口２１から主通路２６に半径方向の流れを主成分として流入する流体から、旋回エネルギーを回転動力に変換し、流体を軸方向に吐出するラジアルタービンホイール１５を備えるラジアルタービン１００であって、ラジアルタービンホイール１５のシュラウド側に、主入口２１に対し半径方向および軸方向に離隔した位置に主入口２１から供給される流体の圧力Ｒ１とは異なる圧力Ｒ２の流体が流入する従入口２９が形成され、従入口２９を構成する翼形状は、ラジアルタービンホイール１５の軸線に直交する面において翼１９の中心線が半径方向に対し回転方向に向けて所定角度傾斜されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ラジアルタービンに関するものである。

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、高圧の流体から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、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、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、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≒Ｕ^２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。しかしながら、これは同一圧力の流体を流量に応じて入口の大きさを変化させるものである。
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 特開昭６３−３０２１３４号公報

ところで、特許文献１に示されるように複数の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。
また、本発明では、タービン効率の低下を抑制し、あるいは、軸受箱等の空間を十分に確保できる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、本発明の第一態様は、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タービンホイールを備えているラジアルタービンであって、前記タービンホイールのシュラウド側に、前記主入口に対し半径方向および軸方向に離隔した位置に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流入する従入口が形成され、該従入口を構成する翼形状は、前記タービンホイールの軸線に直交する面において前記翼の中心線が半径方向に対し回転方向に向けてに所定角度傾斜されているラジアルタービンである。

本態様によると、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。
タービンホイールのシュラウド側に、主入口に対し半径方向および軸方向に離隔した位置に従入口が形成され、従入口には、主入口から供給される流体の圧力とは異なる圧力、具体的には主入口に流入する流体よりも低い圧力の流体が流入する。従入口から導入された流体は、上流側の主入口および従入口から導入された流体と混合され、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。
主入口と従入口との間および各従入口間には、ケーシングが存在しているので、明確に区別され、流体の漏出を防止することができる。
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。

このとき、従入口を構成する翼形状は、タービンホイールの軸線に直交する面において翼の中心線が半径方向に対し回転方向に向けて所定角度傾斜されているので、流入する流体の旋回流速成分の大きさは、その位置におけるタービンホイール、すなわち、翼の周速よりも小さくなる。
タービンホイールへ流入する流体の圧力であるヘッドは、流体の旋回流速成分と翼の周速とを乗算した値に比例する。タービンホイールの軸線に直交する面において翼の中心線が半径方向に対し回転方向に傾斜していないタービンホイールでは、一般に設計点として、タービンホイールの出口での流体の旋回流速成分をゼロとし、入口におけるヘッドを流体の旋回流速成分と翼の周速とが等しくなるようにされている。
本態様では、流入する流体の旋回流速成分の大きさは、その位置におけるタービンホイール、すなわち、翼の周速よりも小さくなるので、同一ヘッド、すなわち、流体の旋回流速成分と翼の周速との積を一定とする場合、翼の周速を一般のものよりも大きくすることができる。言い換えれば、従入口の半径方向位置を主入口により近い位置にすることができる。
従入口の半径方向位置を主入口により近い位置にすると、主入口から流入する流体と従入口から流入する流体との流れ方向が交差する角度がより小さくなり、なめらかに合流することができるので、両者の衝突によって生じる圧力損失をより小さくすることができる。これにより、ラジアルタービンのタービン効率の低下を抑制することができる。

前記態様では、前記従入口を構成する翼の前縁を結ぶ線が、前記タービンホイールの軸線中心を中心とする円筒面において、前記軸線中心に対して前記翼の先端側に開くように傾斜して構成されていてもよい。

このようにすると、従入口を構成する翼の主入口側が、主入口を構成する翼に近づくようにすることができる。したがって、従入口を構成する翼の主入口側を、主入口を構成する翼に連続するようにすることができる。
この場合、主入口からの翼をタービンホイールの軸線中心を中心とする円筒面において、軸線中心に対して従入口の翼側に開くように傾斜させることによってよりなめらかに連続させることができる。
このように、主入口を持つ翼と、従入口を持つ翼とが連続した翼面を構成するようにすると、従来の手法にて、あたかも１枚の翼面が連続する翼であるかのよう設計することができるし、従来の翼製作技術にて一体に製作することができる。

本発明の第二態様は、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タービンホイールを備えているラジアルタービンであって、前記タービンホイールには、前記主入口よりも半径方向内側位置に、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い延在する従通路が備えられ、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、該従入口を構成する翼形状は、前記タービンホイールの軸線に直交する面において前記翼の中心線が半径方向に対し回転方向に向けて所定角度傾斜されているラジアルタービンである。

本態様によると、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。
明確に区別され、流体の漏出を低減するために、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ことが好適である。
このように、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。

このとき、従入口を構成する翼形状は、タービンホイールの軸線に直交する面において翼の中心線が半径方向に対し回転方向に向けて所定角度傾斜されているので、流入する流体の旋回流速成分の大きさは、その位置におけるタービンホイール、すなわち、翼の周速よりも小さくなる。
タービンホイールへ流入する流体の圧力であるヘッドは、流体の旋回流速成分と翼の周速とを乗算した値に比例する。タービンホイールの軸線に直交する面において翼の中心線が半径方向に対し回転方向に傾斜していないタービンホイールでは、一般に設計点として、タービンホイールの出口での流体の旋回流速成分をゼロとし、入口におけるヘッドを流体の旋回流速成分と翼の周速とが等しくなるようにされている。
本態様では、流入する流体の旋回流速成分の大きさは、その位置におけるタービンホイール、すなわち、翼の周速よりも小さくなるので、同一ヘッド、すなわち、流体の旋回流速成分と翼の周速との積を一定とする場合、翼の周速を一般のものよりも大きくすることができる。言い換えれば、従入口の半径方向位置を主入口により近い位置にすることができる。
従入口の半径方向位置を主入口により近い位置にすると、従入口に流入させる流体通路を回転軸からより離れた位置に設置することができるので、回転軸の回りに設置される軸受箱等の空間を十分に確保することができる。

上記各態様では、前記所定角度は、１０°以上とされていることが好適である。

本発明によれば、タービンホイールのシュラウド側に、主入口に対し半径方向および軸方向に離隔した位置に複数の従入口が形成され、あるいは、主通路のハブ面から分岐され主通路の背面側に向かい延在する従通路および従入口が備えられているので、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。
このとき、従入口を構成する翼形状は、タービンホイールの軸線に直交する面において翼の中心線が半径方向に対し回転方向に向けて所定角度傾斜されているので、ラジアルタービンのタービン効率の低下を抑制することができる、あるいは、回転軸の回りに設置される軸受箱等の空間を十分に確保することができる。

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のラジアル翼を軸線方向に見た正面図である。 図２のラジアル翼を示すＸ−Ｘ視図である。 図２の従入口における速度三角形を示す図である。 本発明の第一実施形態にかかるラジアルタービンの比較例を示す部分断面図である。 図６の従入口における速度三角形を示す図である。 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。 図１０のラジアル翼を軸線方向に見た正面図である。 図１０のラジアル翼を示すＹ−Ｙ視図である。

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ラジアルタービン１００について図１〜図５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として本発明のラジアルタービンが使用される場合のラジアルタービン形状を示す部分断面図である。図３は、図２のラジアル翼を軸線方向に見た正面図である。図４は、図２のラジアル翼を示すＸ−Ｘ視図である。図５は、従入口における速度三角形を示す図である。

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用されるものである。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，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、温度Ｔ１，Ｔ２が異なり圧力が異なる２種類の蒸気や熱水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，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からの高温蒸気や熱水によって、低沸点媒体が加熱され、高圧流体とされ、これが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，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，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，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は異なっている。圧力Ｐ１が圧力Ｐ２よりも大きい。

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（タービンホイール）１３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の位置に全周に亘る主入口２１が形成されている。主入口２１の外周側には、環状の空間である入口流路２５が形成されている。入口流路２５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２３が形成されている。
入口流路２５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高速旋回流を発生させるノズル２７が設けられている。
また、ノズル翼を有しないスクロールなどの高速旋回流発生流路により高速旋回流を発生させるようにしても良い。
ラジアルタービンホイール１５には、主入口２１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２６が形成されている。

ラジアルタービンホイール１５のシュラウド側に、主入口２１に対し半径方向および軸方向に離隔した半径Ｒ２の位置に従入口２９が形成されている。
従入口２９の外周側には、環状の空間である入口流路３３が形成されている。入口流路３３の外周側端部には、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３１が形成されている。
入口流路３３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３５が設けられている。

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２９から供給される流体の圧力が、ラジアルタービンホイール１５内でこの位置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。

翼１９は、主入口２１のハブ１７側は軸線中心２４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の出口に向けて放物線状に回転軸１３に対して翼の角度が大きくなるという翼形状とされている。
従入口２９を構成する翼形状は、図３に示されるように、回転軸１３の軸線に直交する面において翼１９の中心線が半径方向に対し回転方向２０の下流側に角度（所定角度）β２傾斜されている。角度β２は、１０°以上とされていることが好適である。
そして、前縁を結ぶ線２２は、図４に示されるように回転軸１３の軸線中心２４を中心とする円筒面において、軸線中心２４に対して翼１９の先端側に開くように傾斜して構成されている。線２２の回転軸１３の軸線中心２４に対する傾斜角は角度γ２とされている。

主入口２１は半径Ｒ１の位置に、従入口２９は半径Ｒ２の位置に設けられている。
翼１９の主入口２１近傍における翼形状は、回転軸１３の軸線に直交する面において翼１９の中心線が半径方向に略沿うように構成されている。したがって、主入口２１の半径Ｒ１は、次のように設定される。入口圧Ｐ１およびヘッドＨ１に対してｇ・Ｈ１≒Ｕ１²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２１の半径Ｒ１は、Ｒ１≒Ｕ１／２・π／（Ｎ／６０）の近傍の値に設定される。
これをさらに厳密に表示すると、ｇ＊Ｈ１＝Ｃｕ１＊Ｕ１−Ｃｕｄ＊Ｕｄ（Ｃｕ１；主入口２１での流れの旋回流速成分、Ｃｕｄ；ラジアルタービンホイール１５出口の代表旋回流速成分、Ｕｄ；ラジアルタービンホイール１５出口の代表周速）であり、設計点では一般にＣｕｄ≒０、Ｃｕ１≒Ｕ１に設定されるために、結果として前述した関係で主入口２１の半径Ｒ１が設定される。

一方、従入口２９近傍の翼形状は、回転軸１３の軸線に直交する面において翼１９の中心線が半径方向に対し回転方向２０の下流側に角度（所定角度）β２傾斜されている。
この場合、従入口２９における速度三角形は図５に示されるようになる。すなわち、従入口２９に流入する流体の絶対流速Ｃ２は、子午面流速成分Ｃｍ２と旋回流速成分Ｃｕ２とに分解される。また、絶対流速Ｃ２は、翼面に沿う相対流速Ｗ２と、ラジアルタービンホイール１５の周速Ｕ２とに分解される。
従入口２９の近傍における角度β２傾斜した翼面に沿う相対流速Ｗ２によって流入する流体の旋回流速成分Ｃｕ２の大きさは、その位置におけるラジアルタービンホイール１５の周速Ｕ２よりも小さくなる。言い換えれば、旋回流速成分Ｃｕ２と周速Ｕ２とは異なる大きさとなる。

したがって、従入口２９の半径Ｒ２は、次のように設定される。従入口２９における入口圧Ｐ２およびヘッドＨ２に対してｇ＊Ｈ２≒Ｃｕ２＊Ｕ２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、従入口２９の半径Ｒ２は、Ｒ２≒Ｕ２／２・π／（Ｎ／６０）の近傍の値に設定される。
これをさらに厳密に表示すると、ｇ＊Ｈ２＝Ｃｕ２＊Ｕ２−Ｃｕｄ＊Ｕｄであり、設計点では一般にＣｕｄ≒０に設定されるために、結果として前述した関係で従入口２９の半径Ｒ２が設定される。

比較例として、図６に示される回転軸１３の軸線に直交する面において翼１９の中心線が半径方向に略沿うように構成されている翼形状を持つ従入口３０を備え、それ以外は本実施形態と同様な構成とされているラジアルタービンホイール１５について説明する。図７には、図６のラジアルタービン１５の従入口３０における速度三角形が示されている。
従入口３０が設置される位置の半径Ｒ´は、主入口２１の半径Ｒ１と同様に、入口圧Ｐ２´およびヘッドＨ２´に対してｇ＊Ｈ２´≒Ｕ２´²（≒Ｃｕ２´・Ｕ２´）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、従入口３０の半径Ｒ２´は、Ｒ２´≒Ｕ２´／２・π／（Ｎ／６０）の近傍の値に設定される。

従入口２９においてはｇ・Ｈ２≒Ｃｕ２＊Ｕ２と示されるのに対し、従入口３０では、ｇ・Ｈ２´≒Ｕ２´²（≒Ｃｕ２´＊Ｕ２´）と示される。
この関係において、従入口２９のヘッドＨ２および従入口３０のヘッドＨ２´が同一とされる場合、上述のように従入口２９では、旋回流速成分Ｃｕ２が周速Ｕ２よりも小さいので、Ｃｕ２´≒Ｕ２´である従入口３０の旋回流速成分Ｃｕ２´および周速Ｕ２´に対して、たとえば、１以上の定数αを用いてＣｕ２＝Ｃｕ２´／α、Ｕ２＝Ｕ２´＊αとすることで行うことができる。この時、回転数が一定とすれば、従入口２９の半径Ｒ２と従入口３０の半径Ｒ２´との関係は、半径Ｒ２＝Ｒ２´＊αとなる。
したがって、ヘッドＨが同一である場合には、従入口２９の半径Ｒ２は、従入口３０の半径Ｒ２´よりも大きくすることができる。

従入口２９の前縁を結ぶ線２２は、回転軸１３の軸線中心２４を中心とする円筒面において、軸線中心２４に対して翼１９の先端側に角度γ２だけ開くように傾斜して構成されているので、従入口２９を構成する翼１９の主入口２１側が、主入口２１を構成する翼１９に近づくようにすることができる。したがって、図４に示されるように従入口２９を構成する翼１９の翼面を、主入口２１を構成する翼１９の翼面と連続するようにすることができる。
このように、主入口２１と、従入口２９とが連続した翼面を構成するようにすると、従来の手法にて、あたかも１枚の翼面が連続する翼１９であるかのよう設計することができるし、従来の翼製作技術にて一体に製作することができる。
この場合、軸線中心２４を中心とする円筒面において、主入口２１からの翼１９部分を軸線中心２４に対して従入口２９側に開くように傾斜させるようにしてもよい。これによって、主入口２１と、従入口２９とをよりなめらかに連続させることができる。

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２３から入口流路２５を通ってノズル２７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２１から主通路２６に供給される。この低沸点媒体は、主通路２６に沿って流れ２８のように湾曲しつつラジアルタービンホイール１５の出口に向かい流れる。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、主通路２６を通って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３１から入口流路３３を通ってノズル３５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２９からラジアルタービンホイール１５に供給される。
このとき、この従入口２９からラジアルタービンホイール１５内に供給される低沸点媒体の圧力ＰＮ２は、ラジアルタービンホイール１５を流れるラジアルタービンホイール１５出口に向かい順次、言い換えれば連続的に低下する低沸点媒体の従入口２９位置における圧力に一致するようにされている。
従入口２９に供給された低沸点媒体は、流れ３７のように流れて主入口２１から導入された低沸点媒体と合流する。

ラジアルタービンホイール１５の出口の半径Ｒｄは、流量が大きい場合、主入口２１の半径Ｒ１の０．６〜０．７倍程度の大きさに設定されるものが多い。たとえば、図６に示される従入口３０を備えたラジアルタービンホイール１５を用いる場合、従入口３０に流入する低沸点媒体のヘッドＨ２´が主入口２１でのヘッドＨ１の０．５倍であるとすると、従入口３０が設置される半径Ｒ２´は、主入口２１の半径Ｒ１の√５倍、すなわち、０．７０７倍となる。
このような状態では、主入口２１から流入した流れ２８と、従入口３０から流入した流れ３７と、の子午面における流れの代表速度のベクトルが平行に流れることができず、流れ２８，３７が互いに衝突するため、流れの圧力損失が増加することになる。

本実施形態では、同じヘッドの場合、回転軸１３の軸線に直交する面において翼１９の中心線が半径方向に対し回転方向２０の下流側に角度β２傾斜されている翼形状を持つ従入口２９が設置される半径位置は、回転軸１３の軸線に直交する面において翼１９の中心線が半径方向に略沿うように構成されている翼形状を持つ従入口３０の半径位置に比べて大きくできるので、主入口２１から流入する低沸点媒体の流れ２８と従入口２９から流入する低沸点媒体の流れ３７とが交差する角度を、従入口３０のそれと比べて小さくすることができる。したがって、主入口２１から低沸点媒体と従入口２９からの低沸点媒体とが従入口３０よりもよりなめらかに合流することができるので、両者の衝突によって生じる圧力損失をより小さくすることができる。これにより、ラジアルタービン１００のタービン効率の低下を抑制することができる。

従入口２９から流入した流量Ｇ２の低沸点媒体は、主入口２１から供給された流量Ｇ１の低沸点媒体と混合され、一体となってラジアルタービンホイール１５の出口から流出される。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２１および従入口２９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、本実施形態では、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、これに限定されない。
たとえば、主入口２１と従入口２９との間に位置するラジアルタービンホイール１５にシュラウドを取り付けてもよい。また、シュラウドに加えて従入口２９からラジアルタービンホイール１５の出口の間にシュラウドを設けるようにしてもよい。
このようにすると、主入口２１と従入口２９との間における翼先端のクリアランスによ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。

さらに、本実施形態では、従入口２９は一箇所とされているが、複数箇所に設けるようにしてもよい。
このようにすると、３以上の異なる圧力の低沸点媒体を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、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８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９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ラジアルタービン１００について、図１０〜図１２を用いて説明する。
本実施形態は、タービンホイールの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１０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。図１１は、図１０のラジアル翼を軸線方向に見た正面図である。図１２は、図１０のラジアル翼を示すＹ−Ｙ視図である。

本実施形態では、主通路２６のハブ面に、背面側に向かい延在する従通路３２が備えられている。主通路２６と従通路３２とは、一点鎖線で示される主通路２６のハブ面の仮想線である合流部３４で流れが合流する。言い換えれば、従通路３２は、合流部３４から分岐され、主通路２６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３２の背面側の外周端には、主入口２１と異なる半径Ｒ２の位置に全周に亘る従入口３６が形成されている。

半径Ｒ２の位置に設置された従入口３６の外周側には、環状の空間である入口流路３８が形成されている。入口流路３８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４０が接続されている。
入口流路４０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４２が設けられている。

ラジアルタービンホイール１５の翼１９には、合流部３４で分岐され、従通路３２の周方向を区画する分岐通路壁（翼）４４が形成されている。
主入口２１から合流部３４に至る翼１９の背面と、分岐通路壁４４のシュラウド側には、背板４６が設けられている。
隣り合う翼１９と、ハブ１７と、背板４６と、ケーシング１１とで、主通路２６が形成される。隣り合う翼１９の分岐通路壁４４と、ハブ１７と、背板２６の半径方向内向きの面とで、従通路３２が形成される。

翼１９の後縁は、図１０に示されるように、低沸点媒体がほぼ軸向きの成分を持って流出するように、ほぼ半径方向の線からなるように構成されている。
翼１９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。

主通路２６を構成する翼１９は、図１２に示されるように主入口２１において回転軸１３の軸線中心２４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の出口に向けて、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３４の近傍である。
従通路３２を構成する分岐通路壁４４は、翼１９の主入口２１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３４に位置する翼１９をハブ側へ延長した位置に設置されている。
なお、遠心力による翼１９の分岐通路壁４４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４４の角度とが食い違うようにされてもよい。

従入口３６を構成する分岐通路壁４４の形状（翼形状）は、図１１に示されるように、回転軸１３の軸線に直交する面において分岐通路壁４４の中心線が半径方向に対し回転方向２０の下流側に角度（所定角度）β２傾斜されている。なお、角度β２は、１０°以上とされていることが好適である。
これにより、第一実施形態における従入口２９と同様に、従入口３６の近傍における角度β２傾斜した翼面に沿う相対流速によって流入する流体の旋回流速成分Ｃｕ２の大きさは、その位置におけるラジアルタービンホイール１５の周速Ｕ２よりも小さくなる。言い換えれば、旋回流速成分Ｃｕ２と周速Ｕ２とは異なる大きさとなる。

したがって、従入口３６の半径Ｒ２は、次のように設定される。従入口３６における入口圧Ｐ２およびヘッドＨ２に対してｇ＊Ｈ２≒Ｃｕ２＊Ｕ２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、従入口３６の半径Ｒ２は、Ｒ２≒Ｕ２／２・π／（Ｎ／６０）の近傍の値に設定される。
これをさらに厳密に表示すると、ｇ＊Ｈ２＝Ｃｕ２＊Ｕ２−Ｃｕｄ＊Ｕｄであり、設計点では一般にＣｕｄ≒０に設定されるために、結果として前述した関係で従入口３６の半径Ｒ２が設定される。

従入口３６が、回転軸１３の軸線に直交する面において分岐通路壁４４の中心線が半径方向に略沿うように構成されている場合には、従入口３６が設置される位置の半径Ｒ´は、主入口２１の半径Ｒ１と同様にして設定される。すなわち、入口圧Ｐ２´およびヘッドＨ２´に対してｇ＊Ｈ２´≒Ｕ２´²（≒Ｃｕ２´・Ｕ２´）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、半径Ｒ２´は、Ｒ２´≒Ｕ２´／２・π／（Ｎ／６０）の近傍の値に設定される。

この関係において、ヘッドＨ２およびヘッドＨ２´が同一とされる場合、たとえば、１以上の定数αを用いてＣｕ２＝Ｃｕ２´／α、Ｕ２＝Ｕ２´＊αとすることで行うことができる。この時回転数が一定とすれば、半径Ｒ２と半径Ｒ２´との関係は、Ｒ２＝Ｒ２´＊αとなる。
したがって、ヘッドＨが同一である場合には、図１０に示されるように半径Ｒ２は、半径Ｒ２´よりも大きくすることができる。

このように、従入口３６の設置される半径Ｒ２が大きくできるので、従流入路４０の位置を回転軸１３からより離隔した位置に配置することができる。言い換えると、従流入路４０の下端から回転軸１３までの空間５４の高さを大きくすることができる。
回転軸１３の周囲には、ラジアルタービンホイール１５の軸受けや、シール構造等が設置されるが、空間５４の高さを大きくできるので、軸受けや、シール構造等が設置される場所を十分に確保することができる。
言い換えると、軸受けや、シール構造等と干渉しないように従流入路４０を設置できるヘッドＨ２の範囲を拡大することができる。

主通路２６および従通路３２はタービンホイール出口２１に向かうに連れて主通路２６の翼１９の高さと従通路３２の分岐通路壁４４の高さとが共に高くなるように構成されており、主通路２６を流れる低沸点媒体の流れ４８および従通路３２を流れる低沸点媒体の流れ５０は、ラジアルタービンホイール１５の出口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１０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３６から供給され、合流部３４に至る流体の圧力が、主通路２６の合流部３４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２１と従入口３６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５２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４０から入口流路３８を通ってノズル４２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３６から従通路３２に供給される。このとき、この従入口３６から従通路３２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３２を流れる間に減圧され、主通路２６における合流部３４位置における圧力に略一致するようにされる。
主入口２１と従入口３６との間は、主通路２６の背板４６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５２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との圧力の異なる低沸点媒体を用いても主入口２１からの圧力の高い低沸点媒体が従入口３６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３４において従入口３６から流入した流量Ｇ２の低沸点媒体は、主入口２１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２６と従通路３２とは、翼１９および分岐通路壁４４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２１および従入口３６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、本実施形態では、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２６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。

本実施形態では、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８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。
また、図９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。

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
１３ 回転軸
１５ ラジアルタービンホイール
１９ 翼
２１ 主入口
２６ 主通路
２９ 従入口
３６ 従入口
４４ 分岐通路壁
１００ ラジアルタービン

Claims (4)

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タービンホイールを備えているラジアルタービンであって、
   前記タービンホイールのシュラウド側に、前記主入口に対し半径方向および軸方向に離隔した位置に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流入する従入口が形成され、
   該従入口を構成する翼形状は、前記タービンホイールの軸線に直交する面において前記翼の中心線が半径方向に対し回転方向に向けて所定角度傾斜されていることを特徴とするラジアルタービン。
2. 前記従入口を構成する翼の前縁を結ぶ線が、前記タービンホイールの軸線中心を中心とする円筒面において、前記軸線中心に対して前記翼の先端側に開くように傾斜して構成されている請求項１に記載のラジアルタービン。
3. 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タービンホイールを備えているラジアルタービンであって、
   前記タービンホイールには、前記主入口よりも半径方向内側位置に、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い延在する従通路が備えられ、
   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、
   該従入口を構成する翼形状は、前記タービンホイールの軸線に直交する面において前記翼の中心線が半径方向に対し回転方向に向けて所定角度傾斜されていることを特徴とするラジアルタービン。
4. 前記所定角度は、１０°以上と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。
   

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