JPS5849363Y2 - 二相流ノズル - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、二相流ノズルの改良に係る。

地熱プラントあるいは廃熱回収プラント等において、従
来のフラシュ蒸気タービンでは捨てられていた熱水エネ
ルギを回収することができるトータルフロータ−ビンが
エネルギ有効利用の観点から最近きわめて重要視されて
いる。

このトータルフロータ−ビンは二相流（蒸気および熱水
の混合流体）を作動流体とするタービンであり、主とし
て日本、米国、ソ連等において現在開発中のものであり
、その使用するノズルに関しては従来技術の蒸気タービ
ンとは全く異なった構造となっている。

第１図は、既に提案されている従来のノズル構造を示す
。

この従来型ノズルは、直線ラバールノズルであって、最
も簡単なものである。

このような従来型ノズルは、しかし、実験的および解析
的に次のような問題点が挙げられている。

（１） ノズル出口の水滴径が比較的太ぎいので、ノ
ズル性能が比較的低い。

特に、低圧（ノズル入ロ圧力ｐＱ：１０ａｔａ前後）で
は、性能が良くないことが確認されている。

（２）水滴径が大きい為、動翼性能も通常の蒸気タービ
ンにくらべて良くない。

（３）シたがって、タービン内部効率も低く、特に低圧
では性能は低い。

本考案は、このような従来の問題を解決するためになさ
れたものであって、ノズル出口できわめて小さな水滴径
となる二相流を作り得るノズルを提供してトータルフロ
ータ−ビンの性能を向上させることを目的とする。

本考案によれば、１個のノズルに熱水入口通路と蒸気入
口通路とを別々に設置し、熱水喉部の周辺に蒸気喉部を
形成して、熱水の周辺から蒸気を混入させるようにした
ことを特徴とする二相流ノズルが提供される。

以下図面を参照して本考案の実施例について詳述する。

第２ａ図および第２ｂ図は、本考案に係る二相流ノズル
の構造の一例を示す。

このノズルの入口部分は熱水入口通路１０と蒸気入口通
路２０とが別々に独立に設置されて二重構造となってお
り、また熱水喉部１１の周辺に蒸気喉部２１が形成され
、更にこれら喉部以降部分は拡がり形状の二相流通路３
０となっている。

なお、第２ａ図および第２ｂ図は、円形断面ノズルを示
しているが、その断面は円形に限らず正方形、長方形等
であってもよい。

しかして、本考案のノズルにおいては、熱水入口通路１
０と蒸気入口通路２０が別々に設けられているので、熱
水および蒸気がそれぞれ単独に膨張し、熱水喉部１１と
蒸気喉部２１で熱水と蒸気を混合させる作用を有し、補
助的にノズル熱水喉部近傍に送入した蒸気によって水滴
を微細化しまた蒸気喉部２１から噴射された蒸気の一部
は環状に熱水を包み込んでノズル内壁への水滴付着を防
ぎ、水滴が凝集粗大化するのを防止する。

このような作用により、本考案のノズルにおいては、熱
水喉部１１および蒸気喉部２１におげろ液相（水滴）お
よび気相（蒸気）の速度が第３図に実線ａ（液相）およ
びｂ（気相）で示す様に大きな速度差を有することにな
る。

第１図の従来型ノズルでは、液相および気相の速度分布
は第３図に破線ｌ（液相）およびｂ／ （気相）で示す
様になる。

この第３図の実験結果は、それぞれ、ノズル入口から喉
部までの距離、喉部から出口までの距離、喉部面積及び
出口面積を同一にした第１図に示す従来ノズルと第２ａ
−２ｂ図に示す本考案ノズルとを使用して得られたもの
である。

なお、第１図に示すラバールノズル形式と第２ｂ図にお
いて蒸気入口通路２０及び蒸気喉部２１を設けないノズ
ル構造すなわち第４図に示す如きの急拡大ノズル形式と
はそのノズル性能はほぼ同一であることが熱水テストに
より確認されているので、第３図に示される差異は、本
考案によって蒸気入口通路２０及び蒸気喉部２１を設け
て蒸気を混入した効果によるものである。

以上述べた様に、ノズル喉部での液相（水滴）および気
相（蒸気）の速度差の違いにより、本考案のノズルでは
従来型ノズルに比し、水滴径が極めて小さくなる。

その理由は、水滴径を決める周知の式； ％式％） 径、σは水滴の表面張力、ρ９は蒸気の密度、ｃｇ−ｃ
ｔは蒸気と水滴との速度差（ｃｇは蒸気速度、ｃｔは水
滴速度）、（Ｗｅ ） ｃ ｖは極限ウェーバ数（通常
２２）である〕により明らかである。

即ち、この式から、蒸気と水滴との速度差ｃｇ−ｃｔが
大きい程水滴径ｄｃｒは小さくなる。

しかして、本考案によれば蒸気がノズル喉部において混
入され、喉部以降では水滴は蒸気によって加速されるの
で、水滴速度ｃｔは喉部で最小と考えられる。

したがって、喉部において蒸気を混入すると、この喉部
で最大速度差（ｃｇ−ｃｃ）ｍａｘが得られ、その結果
水滴径ｄｃｒは一番小さくなるので、水滴の加速性が一
番良くなり、これによりノズル性能が向上し、また水滴
径が小さくなることに関連して動翼性能も良くなるので
、タービン全体の性能も向上することになる。

なお、第３図において、喉部以降における蒸気と水滴と
の速度差が本考案の方が従来例よりも小さくなっている
が、これは蒸気を混入している時の水滴径が蒸気を混入
していない時の水滴径に比べて大巾に小さくなって、水
滴の加速性が良くなるためによるものである。

また、水滴径ｄｃｒが一番小さくなるところは、前述し
た計算式から明らかなようにρｖ（ｃｇ ｅｔ）２が
最も大きくなる喉部であり、この喉部以降では（ｃｇ−
ｃｔ）がある程度大きくなってもρ７が小さくなるので
ρｖ（ｃｇ −ｃ ｔ ）２は喉部程大きくならず、し
たがって喉部で定まる最大水滴径がノズル性能を決める
ものである。

以上述べたように、本考案によれば、トータルフロータ
−ビンの性能を向上させ、その最高の実用化を実現させ
る二相流ノズルが提供される。

また、本考案はトータルフロータ−ビンのノズルに限ら
す二相流によって作動するターボ機械のノズルに広く応
用できることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の二相流ノズルの断面図、第２ａ図および
第２ｂ図は本考案による二相流ノズルの正面図および断
面図、第３図は本考案および従来の両ノズルにおげろ液
相（水滴）および気相（蒸気）の速度特性を示す図、第
４図は本考案ノズルにおいて蒸気入口通路及び蒸気喉部
を設けない場合における基本ノズル形式を示す図である
。 １０・・・・・・熱水入口通路、１１・・・・・・熱水
喉部、２０・・・・・・蒸気入口通路、２１・・・・・
・蒸気喉部、３０・・・・・・二相流通路。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. １個のノズルに熱水入口通路と蒸気入口通路とを別々に
   設置し、熱水喉部の局部に蒸気喉部を形成して、熱水の
   周辺から蒸気を混入させるようにしたことを特徴とする
   二相流ノズル。