JPH08121101A - タービン装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 流体の衝突による衝撃をなくして、装置効率
を改良し、耐久性を高めたタービン装置を提供する。 【構成】 作動流体の入口ポートが外周部に付設された
ケーシング１内に回転軸２を回転自在に支承し、該回転
軸に第１ロータ翼３を固定するとともに、ケーシング内
で第１ロータ翼より回転軸の径方向外側に円環状チャン
バ８を形成する一方、回転軸に、回転軸に直交する複数
の円板状の第２ロータ翼４を軸方向に間隔をあけ、かつ
円環状チャンバ内に収容した状態で、固定して取り付け
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流体エネルギを回転力
に変換するタービン装置に係り、より詳しくは、作動原
理の異なる２種のロータ翼を備えたタービン装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のタービン装置としては、ケーシン
グ内に配設された回転軸に、該回転軸にほぼ平行な板状
をなし、流体の流出側が回転方向後方に向けて湾曲させ
られてなる複数のロータ翼が固定して取付けられ、上記
ロータ翼の回りに複数のベーン翼が配された構造のもの
が知られている。このような装置では、ケーシングに流
入する作動流体はベーン翼によって方向が調整され、ロ
ータ翼に衝突してこれを回転させるようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のタービン装
置では、作動流体がベーン翼に衝突する際に衝撃が生じ
るが、このためにエネルギ損失が起こり装置効率が低減
されるという問題があり、またベーン翼、ロータ翼等の
耐久性も満足のいくものではなかった。特に作動流体中
に固体粒子が分散させられているような場合には、後者
の欠点が致命的であった。

【０００４】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、流体の衝突により生じる衝撃をなくして、装置効
率を改良するとともに耐久性を高めたタービン装置を提
供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段および作用】上記の目的を
達成するために、本発明のタービン装置は、作動流体の
入口ポートが外周部に付設されたケーシング内に回転軸
を回転自在に支承し、上記回転軸に第１ロータ翼を固定
して取付けるとともに、上記ケーシング内で上記第１ロ
ータ翼より回転軸の径方向外側に円環状チャンバを形成
する一方、上記回転軸に、回転軸に直交する複数の円板
状の第２ロータ翼を軸方向に間隔をあけ、かつ上記円環
状チャンバ内に収容した状態で、固定して取り付けたこ
とを特徴とする。

【０００６】上記構成のタービン装置では、作動流体が
入口ポートからケ−シング内の円環状チャンバに入って
円環板状の第２ロータ翼の間の複数の間隙を通過する
が、その際に生じるせん断力により第２ロータ翼、従っ
て回転軸が、回転させられる。作動流体はさらに第１ロ
ータ翼に衝突してこれを回転させて回転軸を加速し、回
転軸近傍から流出する。ここで、第２ロータ翼は回転軸
に直交して配されているので、ケーシング内に流入する
作動流体が第２ロータ翼に直接衝突することがなく、不
都合な衝撃も生じない。

【０００７】上記において、ケーシングは、前方部材、
後方部材及びこれらを連結する外周部材により構成さ
れ、該前方部材と後方部材の内壁と外周部材の内壁によ
り上記円環状チャンバが形成される。そして、上記第２
ロータ翼を、該前方部材と後方部材に隣接する前方及び
後方ロータ翼と、該前方及び後方ロータ翼の間に位置し
前方及び後方ロータ翼よりも外径が大なる中間ロータ翼
とから構成し、前方部材と後方部材の各内壁に、前方及
び後方ロータ翼の外径よりも大で中間ロータ翼の外径よ
りも小なる内径を有し、前方及び後方ロータ翼を収容す
る円形凹所をそれぞれ形成するのが好ましい。前方及び
後方ロータ翼の各板部と各内壁間に間隙があると、そこ
に作動流体が流入して装置効率が低下するが、上記のよ
うな円形凹所を設けて前方及び後方ロータ翼をそこに収
容すると、作動流体は常に第２ロータ翼間に流入させら
れることとなる。

【０００８】ここで、上記円形凹所に、一以上の円環状
の凹部を形成するのが好ましい。例えば、円形凹所の外
周縁に連続させて円環状の第１凹部を形成するととも
に、該第１凹部よりも幅の広い一以上の円環状の内方凹
部を第１ロータ翼の外縁に隣接する側に形成することが
できるが、このようにすると、前方及び後方ロータ翼と
内壁凹所との僅かな間隙を通過する作動流体が、凹所を
通して第１ロータ翼側に流出するということはなくな
る。また、前方及び後方ロータ翼の各々を、その中間ロ
ータ翼に対向する面が、前方部材と後方部材の各内壁と
ほぼ同一の平面上に位置するように、配設すると、流体
の流れが円滑になりさらに好ましい。

【０００９】さらに、上記前方部材には、上記第１ロー
タ翼の外径よりも大なる内径を有する流体の出口ポート
が連通して付設される。また、第１ロータ翼を複数の板
状にし、その各々を回転軸にほぼ平行をなす平板状部と
該平板状部から回転軸の回転方向後方に湾曲する湾曲部
とから構成し、平板状部を上記第２ロータ翼の径方向内
方側に位置させ、湾曲部を上記出口ポートに位置させる
のが好ましい。

【００１０】またさらに、前方ロータ翼及び中間ロータ
翼に、取付け縁部をロータ翼内周縁より内方に突出して
形成し、該取付け縁部と後方ロータ翼に、透孔を形成さ
れるとともに、該透孔に取付けボルトを、各ロータ翼間
に所定厚さの介在部材を介した状態で挿通してロータ翼
同士を固定し、後方ロータ翼を径方向内方に延ばして回
転軸に固定するようにするのが好ましい。このように所
定厚さの介在部材を用いることにより、第２ロータ翼間
の間隙を容易に最適幅に維持することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明のタービン装置の好適な実施例
を、図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１２】本発明に係るタービン装置は、ベース（図
示せず）に固定して取り付けられたケーシング（ハウジ
ング）１と、該ケーシング１に回転自在に支承された回
転軸２と、上記回転軸２にほぼ平行をなして取付けられ
た複数の板状の第１ロータ翼３と、上記回転軸２に軸方
向に間隔をあけかつ回転軸２に直交して取付けられた複
数の円環板状の第２ロータ翼４とを具備している。

【００１３】上記ケーシング１は、円形の前方部材５と
後方部材６を円筒形の外周部材７により連結したもの
で、前方部材５と後方部材６の内壁と外周部材７の内壁
により、所定の内径を有する円環状のチャンバ８が形成
されている。上記ケーシング１の外周部材７には、緩や
かに湾曲した入口ポート９が、外周部材７の外周の略１
／４円弧の範囲に渡って接した状態で植設され、該入口
ポート９から流入する作動流体はケーシング１内にその
接線方向に流入し、上記円環板状の第２ロータ翼４の外
縁部に直接衝突することがなく、ケーシング内を中心部
に向けて螺旋状に流れていく構成とされている。

【００１４】上記入口ポート９はノズル１０に接続され
ているが、その深さ（ケーシングの径方向における入口
ポート幅）はノズル１０の出口寸法に対応しており、ノ
ズル１０が小さいと浅い入口ポート９になり、大きいと
深い入口ポート９になる。ノズル１０の出口がケーシン
グ１と第２ロータ翼４とのクリアランスと同じ寸法を有
している場合は、入口ポート９は円形の開口の一部にな
り、流体はノズルからケーシング１と第２ロータ翼４の
縁部との間の開口に直接流入することとなる。なお、図
示した例では、入口ポート９は一つだけ設けられている
が、２以上設けることも可能である。また、用いる作動
流体によっては、あるいは第２ロータ翼４の板厚が第２
ロータ翼間の間隙と同程度の大きさの場合は、入口ポー
ト９は外周部材７の外周の略１／４円弧の範囲を越える
ことになるが、その場合は取付けられる入口ポート９の
数は限られる。

【００１５】上記ケーシング１の前方部材５と後方部材
６の中心部には貫通孔５ａ、６ａがそれぞれ同軸に形成
されている。上記回転軸１はこれら貫通孔５ａ、６ａに
挿通されて、後方部材６の貫通孔６ａが形成されたハブ
部の外側凹部に収容された軸受け部材（図示せず）によ
り回転自在にケーシング１に支承されている。また、上
記回転軸２は、先端にネジ部が形成されたもので、軸受
け部材が嵌合された部位に隣接した位置に、径方向外方
に突出するフランジ部（肩部）１２が設けられており、
該フランジ部１２も上記貫通孔６ａ内に位置している。

【００１６】上記複数の第１ロータ翼３は、上記回転軸
２に嵌合されたスリーブ部材１３に一体に形成されてお
り、各第１ロータ翼３は、回転軸２にほぼ平行をなす平
板状部３ａと該平板状部３ａから回転軸２の回転方向後
方に湾曲する湾曲部３ｂとを有し、平板状部３ａは上記
第２ロータ翼４の径方向内方側に位置し、湾曲部３ｂは
上記前方部材５の貫通孔５ａを通って前方部材５から外
方に延出している。図２から明らかなように、前方部材
５の貫通孔５ａは、第１ロータ翼３の平板状部３ａの外
径よりも大なる内径を有しており、前方部材５には、こ
の貫通孔５ａに同軸で前方に向かって徐々に拡径された
断面円環状の出口ポート１１が連設されている。

【００１７】上記第２ロータ翼４は、上記前方部材５に
隣接する前方ロータ翼４ａと該前方ロータ翼４ａと外径
が同一で後方部材６に隣接する後方ロータ翼４ｂと、該
前方、後方ロータ翼４ａ、４ｂの間に位置し、これらロ
ータ翼よりも外径が大なる複数の中間ロータ翼４ｃとか
らなり、中間ロータ翼４ｃの外周縁は外周部材７の内周
面から内方に僅かに離間させられ、中間ロータ翼４ｃ及
び前方ロータ翼４ａの内周縁は第１ロータ翼３の回転軌
跡から外方に僅かに離間させられて、ロータ翼の円滑な
回転が確保されている。上記前方ロータ翼４ａ及び中間
ロータ翼４ｃには、複数（図示例では３つ）の取付け縁
部１４が、第１ロータ翼３の回転軌跡内に入らない位置
でかつ第２ロータ翼内周縁より径方向内方に突出して形
成され、該取付け縁部１４と後方ロータ翼４ｂに透孔が
形成されている。そして、該透孔に、取付けボルト１５
ａが、各ロータ翼間に所定厚さのワッシャ（介在部材）
１５ｂを介した状態で挿通されて、ロータ翼同士が相互
に固定されている。また、後方ロータ翼４ｂは径方向内
方に延在させられ、第１ロータ翼３と共に回転軸２に固
定されている。すなわち、後方ロータ翼４ｂには貫通孔
が形成され、その貫通孔を介して回転軸２に挿通され、
フランジ部１２に複数のボルトを介して固定されてい
る。一方、第１ロータ翼３は、スリーブ部材１３を回転
軸２に嵌合して後方ロータ翼４ｂに当接させ、回転軸２
の先端のネジ部にナット部材１６を螺合して、フランジ
部１２に押圧して回転軸２に固定されている。このよう
に、第１ロータ翼３と第２ロータ翼４は双方とも螺合に
より回転軸２に固定され、全体として単一のロータを構
成している。

【００１８】上記前方部材５と後方部材６の内壁には、
前方ロータ翼４ａと後方ロータ翼４ｂの外径よりも大で
中間ロータ翼４ｃの外径よりも小なる内径を有する円形
凹所１７、１８がそれぞれ形成されており、これら円形
凹所１７、１８に前方ロータ翼４ａと後方ロータ翼４ｂ
が、凹所の内壁との間に僅かな間隙をあけて収容されて
いる。

【００１９】上記円形凹所１７、１８は、前方及び後方
ロータ翼が該凹所１７、１８から突出しないか、突出す
るにしてもごく僅かだけ突出するような、深さを有する
ように形成されるものであり、図示例では、前方部材５
と後方部材６の内壁の表面と前方ロータ翼４ａと後方ロ
ータ翼４ｂの各内側面（中間ロータ翼４ｃに対向する
面）がほぼ同一面となっている。さらに、上記円形凹所
１７、１８には、円環状の第１凹部１９ａ、２０ａが円
形凹所１７、１８の外周縁に連続して形成される一方、
上記第１凹部１９ａ、２０ａよりも幅が広い円環状の第
２凹部１９ｂ、２０ｂが第１ロータ翼３の外縁に隣接す
る側に形成され、さらに同様の円環状の第３凹部１９
ｃ、２０ｃが第１凹部１９ａ、２０ａと第２凹部１９
ｂ、２０ｂの間に位置して形成されている。この第２凹
部（内方凹部）１９ｂ、２０ｂと第３凹部（内方凹部）
１９ｃ、２０ｃは、それぞれ、径方向外側の側面が１２
０ないし１５０度の角度で傾斜し、径方向内側の側面が
垂直（９０度）になるように形成されている。

【００２０】上記のような構成のタービン装置にあって
は、作動流体は、ノズル１０から入口ポート９の流路を
通過して、円環板状の第２ロータ翼４の外縁に接するよ
うな角度でケーシング１内に流入し、第２ロータ翼４間
の複数の間隙を通過して中心部に向けて螺旋状に流れる
が、その間隙を通過する間に第２ロータ翼４にせん断力
を作用させ、第２ロータ翼４、従って回転軸２に回転力
を伝達する。そして、第２ロータ翼４を回転させた作動
流体はさらに第１ロータ翼３側に流入するが、第２ロー
タ翼４の内方には、第１ロータ翼３の平板状部３ａが位
置しており、従来のタービン装置における場合と同様の
原理で作動流体が平板状部３ａに衝突してその衝撃によ
り回転軸２の回転が加速され、平板状部３ａに衝突した
流体は、湾曲部３ｂに沿って流れて、排出ノズルからそ
のまま大気中に放出され、あるいは真空引きされて排出
される。このように、上記タービン装置では、第２ロー
タ翼４間を通過するときの流体流れは、ケーシング内を
螺旋状に半径方向内方に向かう流れ成分が支配的である
が、中心の第１ロータ翼３に至ると、半径方向の流れで
はなく軸方向の流れに変わり、第１ロータ翼３を離れる
ときには殆ど径方向の成分のない軸方向流れになる。

【００２１】ここで、第２ロータ翼４は回転軸２に直交
して配設された複数の円環板部材であるので、作動流体
が第２ロータ翼４に直接衝突することなく、第２ロータ
翼４間の間隙に流入し、せん断力により第２ロータ翼を
回転させるので、第２ロータ翼に衝撃が作用することが
ない。

【００２２】また、上記のような円環板状のロータ翼４
は、板部材を湾曲させたりすることなくそのまま用いる
ことができるので製作が容易である上に、廉価な材料で
製作したり、蒸気や腐食性流体に好適な材料で形成する
ことも簡単である。また、灰分や種々の固体粒子を含む
流体に用いることもでき、石炭・水混合燃料の燃焼に用
いたり、多相流体にも好適に使用可能である。

【００２３】さらに、仮に前方及び後方ロータ翼の各板
部と各内壁間に間隙があると、そこに作動流体が流入し
て装置効率が低下するが、上記タービン装置では、前方
部材５と後方部材６の内壁には円形凹所１７、１８がそ
れぞれ形成され、これら円形凹所１７、１８に前方ロー
タ翼４ａ及び後方ロータ翼４ｂが、凹所内壁と僅かな間
隙をあけて収容されている。従って、作動流体が内壁と
ロータ翼間を通過して一方の面だけに作用するといった
ことがなくなって、常に作動すべき第２ロータ翼間の間
隙を通過させられることとなり、装置効率が向上する。

【００２４】また、上記円形凹所１７、１８には、第１
凹部１９ａ、２０ａ、第２凹部１９ｂ、２０ｂ等の凹部
が形成されているため、前方ロータ翼４ａ及び後方ロー
タ翼４ｂと凹所内壁との僅かな間隙に流体が流れ込んで
も、これらの凹部のために凹所１７、１８を通過するこ
とができなくなり、従って作動流体は、凹所１７、１８
に流入していくことなく、隣接する円環板状の第２ロー
タ翼４間の間隙を通ることだけに規制される。従って、
仕事量の損失がなくなり、装置効率が増大する。

【００２５】さらに、ロータ翼同士を固定する際に、所
定厚さの介在部材を用いるようにしたので、作動流体等
の条件に合わせて、第２ロータ翼４間の間隙を容易に最
適幅に設定しかつ維持することができる。また、第２ロ
ータ翼４を相互に固定する取付けボルト１５は、第２ロ
ータ翼内周縁より径方向内方に突出して形成された取付
け縁部１４に挿通されているので、第２ロータ翼４を作
動する流体の流れを部分的に遮ることもない。

【００２６】上記の実施例では、排出ポートは一つのみ
とし、第２ロータ翼４の取付けに用いるロータ翼を後方
に配置した後方ロータ翼４ｃとしたが、第２ロータ翼４
の中間ロータ翼の一つを延ばして回転軸に取付けるよう
にするとともに、第１ロータ翼３を両側に湾曲部を持つ
構造にし、排出ポートを両側に設けるようにしてもよ
い。また、円形凹所１７、１８に、第１凹部１９ａ、２
０ａ、第２凹部１９ｂ、２０ｂ、第３凹部１９ｃ、２０
ｃの３条の凹部を形成したが、凹部の数はこれに限定さ
れるものではない。さらに、第１ロータ翼３に対する第
２ロータ翼４の相対的寸法は、作動流体の種類、タービ
ン装置の用途等を考慮して最適に設定されるべきであ
る。またさらに、上記では、第１ロータ翼３として標準
的なロータを用いたが、他の構造の公知のロータを用い
ることも可能であるし、多板状のロータを用いることも
できる。この第１ロータの構造如何によっては、軸流へ
の変換ができないか不十分となるが、その場合は、真空
ポンプ等の吸引手段を出口ポート側に接続することとな
る。

【００２７】

【発明の効果】本発明のタービン装置においては、作動
流体が入口ポートからケ−シング内の円環状チャンバに
入って円環板状の第２ロータ翼の間の複数の間隙を通過
するが、その際に生じるせん断力により第２ロータ翼が
回転させられるので、作動流体が第２ロータ翼に直接衝
突することがなく、不都合な衝撃も生じない。また、第
２ロータ翼だけではなく、従来のタービン装置のロータ
翼に類似する第１ロータ翼も組み合わせているので、十
分なタービン出力を確保することができる。

【００２８】また、前方及び後方ロータ翼の各板部と各
内壁間に間隙があると、そこに作動流体が流入して装置
効率が低下するが、本発明のタービン装置では、ケーシ
ング内壁に円形凹所を設けて前方及び後方ロータ翼をそ
こに収容するようにしたので、作動流体は常に第２ロー
タ翼間に流入させられることとなる。また、上記円形凹
所に、一以上の凹部を形成することにより、前方及び後
方ロータ翼と内壁凹所との僅かな間隙を通過する作動流
体が、凹所を通して第１ロータ翼側に流出するというこ
とはない。従って、作動流体による第２ロータ翼の作動
が効率よくなされ、装置効率が向上する。さらに、各第
２ロータ翼間に所定厚さの介在部材を介した状態で第２
ロータ翼同士を固定するようにしたので、第２ロータ翼
間の間隙を容易に最適幅に維持することができるという
利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のタービン装置を示す一部切欠き正面図
である。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。

【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図であ
る。

【符号の説明】

１…ケーシング ２…回転軸 ３…第１ロータ翼 ３ａ…平板状部 ３ｂ…湾曲部 ４…第２ロータ翼 ４ａ…前方ロータ翼 ４ｂ…後方ロータ翼 ４ｃ…中間ロータ翼 ５…前方部材 ６…後方部材 ７…外周部材 ８…チャンバ ９…入口ポート １４…取付け縁部 １７、１８…円形凹所 １９ａ、２０ａ…第１凹部 １９ｂ、２０ｂ…第２凹部（内方凹部） １９ｃ、２０ｃ…第３凹部（内方凹部）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動流体の入口ポートが外周部に付設さ
   れたケーシング内に回転軸が回転自在に支承され、上記
   回転軸には第１ロータ翼が固定して取付けられるととも
   に、上記ケーシング内で上記第１ロータ翼より回転軸の
   径方向外側には円環状チャンバが形成される一方、上記
   回転軸には、回転軸に直交して配された複数の円環板状
   の第２ロータ翼が軸方向に間隔をあけ、かつ上記円環状
   チャンバ内に収容された状態で、固定して取付けられて
   なることを特徴とするタービン装置。
2. 【請求項２】 上記ケーシングは前方部材、後方部材及
   びこれらを連結する外周部材を具備し、該前方部材と後
   方部材の内壁と外周部材の内壁により上記円環状チャン
   バが形成されるとともに、上記第２ロータ翼は該前方部
   材に隣接する前方ロータ翼と、後方部材に隣接する後方
   ロータ翼と、該前方及び後方ロータ翼の間に位置し、前
   方及び後方ロータ翼よりも外径が大なる中間ロータ翼と
   からなり、上記前方部材と後方部材の各内壁には、上記
   前方及び後方ロータ翼の外径よりも大で中間ロータ翼の
   外径よりも小なる内径を有し、上記前方及び後方ロータ
   翼を収容する円形凹所が形成された請求項１記載のター
   ビン装置。
3. 【請求項３】 上記円形凹所には、一以上の円環状の凹
   部が形成された請求項２記載のタービン装置。
4. 【請求項４】 上記円環状の凹部は、円形凹所の外周縁
   に連続して形成された第１凹部と、該第１凹部よりも幅
   が広く、第１ロータ翼の外縁に隣接する側に形成された
   一以上の内方凹部を具備する請求項３記載のタービン装
   置。
5. 【請求項５】 前方及び後方ロータ翼の各々は、その中
   間ロータ翼に対向する面が、上記前方部材と後方部材の
   各内壁とほぼ同一の平面上に位置するように、配設され
   ている請求項２ないし４の何れかに記載のタービン装
   置。
6. 【請求項６】 上記前方部材には上記第１ロータ翼の外
   径よりも大なる内径を有する流体の出口ポートが連通し
   て付設される一方、上記第１ロータ翼は複数の板状をな
   し、それぞれが回転軸にほぼ平行をなす平板状部と該平
   板状部から回転軸の回転方向後方に湾曲する湾曲部とを
   有し、平板状部は上記第２ロータ翼の径方向内方側に位
   置し、湾曲部は上記出口ポートに位置させられている請
   求項２ないし５の何れかに記載のタービン装置。
7. 【請求項７】 上記前方ロータ翼及び中間ロータ翼に
   は、取付け縁部がロータ翼内周縁より内方に突出して形
   成され、該取付け縁部と上記後方ロータ翼には、透孔が
   形成されるとともに、該透孔に取付けボルトが各ロータ
   翼間に所定厚さの介在部材を介した状態で挿通されてロ
   ータ翼同士が固定され、上記後方ロータ翼が径方向内方
   に延びて上記回転軸に固定された請求項２ないし６の何
   れかに記載のタービン装置。