徑流式渦輪的製作方法
2023-06-01 08:07:21
專利名稱：徑流式渦輪的製作方法
技術領域：
本發明涉及徑流式渦輪。
背景技術：
一種徑流式渦輪，具備單一的渦輪葉輪，該渦輪葉輪從具有半徑方向的流速分量作為主要分量並流入渦輪葉輪的迴旋的流體，將流體的迴旋能量轉換成旋轉動力，並將釋放了該能量後的流體沿著軸向噴出，所述徑流式渦輪從中低溫或高溫、高壓的流體將能量轉換成旋轉動力，廣泛地應用於從各種工業用設備的由高溫、高壓的流體排出的排出能量的動力回收、經由船舶或車輛用的動力源等的熱循環而得到動力的系統的排熱回收、利用地熱和OTEC等中低溫熱源的雙循環發電的動力回收等。在各種能量源具有多個壓力時，例如專利文獻I所示，使用多個渦輪、即分別對應於I個壓力源而使用I個渦輪。或者有時在同一軸上設置2個渦輪葉輪。這是因為徑流式渦輪對應於流體各自的壓力而設計成最佳的條件。例如，徑流式渦輪的入口半徑R在重力加速度為g，壓力頭為H，渦輪葉輪入口周速為U時，由g H ^ U2的關係決定。即，當渦輪葉輪的轉速為N(rpm)時，入口半徑R設定為R U/2 /(N/60)的附近的值。另外，在處理流量變動大的流體的徑流式渦輪中，例如專利文獻2所示，已知有利用隔壁將I個入口流路分隔、分割的結構。然而，這是為了對於同一壓力的流體，根據流量而使入口的大小變化。在先技術 文獻專利文獻專利文獻1:日本特開平1-285607號公報專利文獻2 :日本特開昭63-302134號公報發明的概要發明要解決的課題然而，如專利文獻I所示，若使用多個渦輪的話，製造成本增大，設置空間增大。另外，在同一軸上設置多個渦輪葉輪時，渦輪部件個數增多，結構變得複雜，製造成本增大。
發明內容
本發明鑑於這種情況，目的在於提供一種利用單一的渦輪葉輪處理具有多個壓力的流體，削減部件個數而實現低成本化的徑流式渦輪。而且，也可以將相同結構應用於斜流渦輪。用於解決課題的手段為了解決上述課題，本發明採用以下的手段。S卩，本發明的一形態涉及一種徑流式渦輪，具備單一的渦輪葉輪，該渦輪葉輪將流體的迴旋能量轉換成旋轉動力，該流體是具有第一壓力，通過噴嘴或渦管等高速迴旋流產生流路，從形成於外周端的主入口，具有半徑方向的流速分量作為主要分量而流入的迴旋的流體，所述徑流式渦輪中，在所述渦輪葉輪的外周側，形成所述主入口及相對於彼此而設置在沿著半徑方向及軸向分離的位置上的多個從屬入口，具有隨著向半徑方向內側行進而比所述第一壓力逐漸降低的壓力的所述流體分別通過噴嘴或渦管等高速迴旋流產生流路向各從屬入口流入。根據本形態，最高壓力即第一壓力的流體通過噴嘴或渦管等高速迴旋流產生流路而被調整流量、流速等，從主入口被導入到渦輪葉輪的外周端。向主入口導入的流體通過渦輪葉輪而壓力依次減少並從渦輪葉輪流出，使安裝有渦輪葉輪的旋轉軸產生動力。在渦輪葉輪的外周側，換言之，在護罩側形成有主入口及相對於彼此而設置在沿著半徑方向及軸向分離的位置上的多個從屬入口。具有隨著向半徑方向內側行進而比第一壓力逐漸降低的壓力的流體分別通過噴嘴或渦管等高速迴旋流產生流路向各從屬入口流入，因此，在各從屬入口中，壓力分別逐漸降低的流體通過噴嘴而被調整流量、流速等，然後被導入。從各從屬入口導入的流體與從上遊側的主入口及從屬入口導入的流體混合，壓力逐漸降低並從渦輪葉輪流出，使安裝有渦輪葉輪的旋轉軸產生動力。此時，從屬入口優選設置在導入的流體的壓力與流過渦輪葉輪的朝向出口而逐漸下降的壓力一致的位置上。在主入口與從屬入口之間及各從屬入口之間存在殼體，因此能明確地區分，從而能夠防止流體的漏出。這樣的話，能夠將具有多個壓力的流體藉助單一的渦輪葉輪作為旋轉動力而取出。由此，能夠減少部件個數，從而能夠減少製造成本。本形態的徑流式渦輪也包括渦輪葉輪的入口的輪轂面傾斜的情況。這樣的話，當使用入口的輪轂面傾斜的渦輪葉輪時，外周部的軸方向長度變長，因此設置從屬入口的空間變寬。由此，容易設置多個從屬入口。另外，當使設於從屬入口的噴嘴相對於半徑傾斜時，從從屬入口流入的流體的流動與從上遊朝向渦輪葉輪出口流動的流體大致平行地流入，因此能夠減少流體的混合損失。由此，能夠提高渦輪效率。在上述形態中，可以是，在所述渦輪葉輪上，在所述主入口與位於最外側的所述從屬入口之間設置護罩。在渦輪葉輪中，朝向出口而壓力逐漸降低，而且，流體從設置在各不相同的半徑方向位置上的各從屬入口流入，因此隨著向下遊側行進而流體的體積流量增加，用於使該流體流動的葉片高度變大。因此，在主入口與位於最外側的從屬入口之間，葉片高度變得最小。另一方面，殼體與葉片的間隙製作成大致恆定，因此在主入口與位於最外側的從屬入口之間，相對於葉片高度而間隙的比例增大，因此洩漏增大，洩漏引起的流體損失增力口，效率下降。在本形態中，通過在主入口與位於最外側的從屬入口之間設置護罩，由此能夠減少洩漏最多的部分的流體的洩漏損失，能夠提高渦輪效率。在上述形態中，可以是，在所述渦輪葉輪上，在所述各從屬入口之間設置護罩。
另外，在上述形態中，可以是，在所述渦輪葉輪上，在從位於最內側的所述從屬入口到噴出部之間設置護罩。這樣的話，護罩能夠減少洩漏損失。由此，能夠提高渦輪效率。發明效果根據本發明，在渦輪葉輪的外周側形成有主入口及相對於彼此而設置在沿著半徑方向及軸向分離的位置上的多個從屬入口，具有隨著向半徑方向內側行進而比第一壓力逐漸降低的壓力的流體分別通過噴嘴向各從屬入口流入，因此，能夠將具有多個壓力的流體藉助單一的渦輪葉輪作為旋轉動力而取出。由此，能夠減少部件個數，能夠減少製造成本。
圖1是表示使用本發明的第一實施方式的膨脹渦輪的雙發電系統的結構的框圖。圖2是向圖1的膨脹渦輪適用了徑流式渦輪的局部剖視圖。圖3是表示將圖2的徑向葉片向圓筒面投影的狀態的投影圖。圖4是表示本發明的第一實施方式的徑流式渦輪的另一實施方式的局部剖視圖。圖5是表示本發明的第一實施方式的徑流式渦輪的又一實施方式的局部剖視圖。圖6是表示本發明的第一實施方式的徑流式渦輪的又一實施方式的局部剖視圖。圖7是表示圖6的徑向葉片的沿著軸線方向觀察的主視圖。圖8是表示將圖6的 徑向葉片向圓筒面投影的狀態的投影圖。圖9是表示使用本發明的第一實施方式的膨脹渦輪的雙發電系統的另一結構的框圖。圖10是表示使用本發明的第一實施方式的膨脹渦輪的設備系統的結構的框圖。圖11是表示本發明的第二實施方式的徑流式渦輪的局部剖視圖。圖12是表示本發明的第二實施方式的徑流式渦輪的另一實施方式的局部剖視圖。
具體實施例方式以下，使用附圖，詳細說明本發明的實施方式。[第一實施方式]以下，參照圖1 圖3，說明本發明的第一實施方式的徑流式渦輪100。圖1是表示使用本發明的第一實施方式的膨脹渦輪的雙發電系統的結構的框圖。圖2是表示使用本發明的徑流式渦輪作為圖1的膨脹渦輪時的徑流式渦輪形狀的局部剖視圖。圖3是表示將圖2的徑向葉片向圓筒面投影的狀態的投影圖。雙發電系統3例如被使用作為進行地熱發電的系統。雙發電系統3具備具有多個熱源的熱源部5 ；2個雙循環7A、7B ;膨脹渦輪I ;藉助膨脹渦輪I的旋轉動力而產生電力的發電機9。熱源部5將由地熱加熱後的蒸氣或熱水向雙循環7A、7B供給。熱源部5供給溫度Tl、T2不同且壓力不同的兩種蒸氣和熱水。雙循環7A、7B由使作為工作流體的低沸點介質(流體)循環的蘭金循環構成。作為低沸點介質，使用例如異丁烷等有機介質、弗利昂、替代弗利昂、氨、或氨與水的混合流體坐寸O在雙循環7A、7B中，利用來自熱源部5的高溫蒸氣或熱水，將低沸點介質加熱，形成為高壓流體，並將其向膨脹渦輪I供給。從膨脹渦輪I排出的低沸點介質返回雙循環7A、7B，再次由高溫蒸氣或熱水加熱，這種情況依次反覆進行。此時，在2個雙循環7A、7B中，使用相同的低沸點介質。由於向雙循環7A、7B供給的高溫蒸氣或熱水的溫度不同，因此由它們向膨脹渦輪I供給的低沸點介質的壓力PU P2不同。壓力Pl大於壓力P2。徑流式渦輪100具備殼體11 ;將殼體11支承為能夠旋轉的旋轉軸13 ;安裝在旋轉軸13的外周的徑流式渦輪葉輪(渦輪葉輪)15。徑流式渦輪葉輪15由安裝在旋轉軸13的外周的輪轂17和呈放射狀地隔開間隔設置在輪轂17的外周面上的多個徑向葉片19。在徑流式渦輪葉輪15的外周端上，在半徑Rl的位置上整周形成有主入口 21。在主入口 21的外周側形成有主流入路23，該主流入路23設置在入口流路25的一端，該入口流路25是由雙循環7A供給的壓力Pl的低沸點介質所導入的環狀的空間。主流入路23與主入口 21由入口流路25連接。在入口流路25設有由沿著周向隔開間隔配置的多個葉片構成且產生高速迴旋流的噴嘴27。另外，也可以利用不具有噴嘴葉片的渦管等高速迴旋流產生流路來產生高速迴旋流。在徑流式渦輪葉輪15的外周(護罩)側，在沿著半徑方向及軸向而與主入口 21分離的位置上形成有從屬入口 29。在從屬入口 29的外周側且在半徑R2的位置上形成有從屬流入路31，該從屬流入路31設置在入口流路33的一端，該入口流路33是由雙循環7B供給的壓力P2的低沸點介質所導入的環狀的空間。從屬流入路31與從屬入口 29由入口流路33連接。在入口流路33設有由沿著周向隔開間隔配置的多個葉片構成的噴嘴35。在圖2中，通過徑流式渦輪葉輪15內的流體的等壓線由單點劃線表示。半徑R2以從從屬入口 29供給的流體的壓力與在徑流式渦輪葉輪15內通過該位置的流體的壓力大致相同的方式設定。圖3是表示將圖2的徑向葉片向圓筒面投影的狀態的投影圖。徑向葉片19中的主入口 21的輪轂17側相對於旋轉軸13具有大致同一角度的放射狀的葉片形狀，徑向葉片19朝向徑流式渦輪葉輪15的出口呈拋物線狀地形成為葉片的角度相對於旋轉軸13增大的葉片形狀。主入口 21及從屬入口 29形成在徑向葉片19的相對於旋轉軸13具有大致相同角度的部分上。從屬入口 29可以形成在呈拋物線狀地相對於旋轉軸13而葉片的角度增大的部分上。以下，說明如此構成的本實施方式的徑流式渦輪100的動作。由雙循環7A供給的壓力Pl的低沸點介質從主流入路23通過入口流路25，並藉助噴嘴27來調整流量、流速，從而將流量Gl的低沸點介質從主入口 21向徑流式渦輪葉輪15的外周端供給。此時，向徑流式渦輪葉輪15供給的低沸點介質的壓力為PN1。該壓力PNl的低沸點介質在到達徑流式渦輪葉輪15的出口壓Pd之前壓力連續下降並同時從徑流式渦輪葉輪15流出，從而使安裝有徑流式渦輪葉輪15的旋轉軸13產生旋轉動力。此時，由雙循環7B供給的壓力P2的低沸點介質從從屬流入路31通過入口流路33，並藉助噴嘴35來調整流量、流速，從而將流量G2的低沸點介質從從屬入口 29向徑流式渦輪葉輪15供給。此時，從該從屬入口 29供給到徑流式渦輪葉輪15內的低沸點介質的壓力PN2與在徑流式渦輪葉輪15中流動的朝向徑流式渦輪葉輪15出口逐漸下降、換言之連續下降的低沸點介質的從屬入口 29位置處的壓力一致。從從屬入口 29流入的流量G2的低沸點介質與從主入口 21供給的流量Gl的低沸點介質混合，成為一體而從徑流式渦輪葉輪15的出口流出。流量Gl及流量G2相加的流量的低沸點介質經由徑流式渦輪葉輪15而使旋轉軸13產生旋轉動力。通過旋轉軸13的旋轉驅動而使發電機9產生電力。如此，通過將來自雙循環7A、7B的壓力不同的低沸點介質分別向徑流式渦輪葉輪15的主入口 21及從屬入口 29供給，能夠藉助單一的徑流式渦輪葉輪15作為旋轉動力而取出。由此，本實施方式的徑流式渦輪100與具備多個膨脹渦輪或多個徑流式渦輪葉輪的膨脹渦輪相比，能夠減少部件個數，能夠減少製造成本。在本實施方式中，在徑流式渦輪葉輪15未設置護罩，但並未限定於此。例如，可以如圖4所示，在位於主入口 21與從屬入口 29之間的徑流式渦輪葉輪15上安裝護罩37。這樣的話，能夠減少主入口 21與從屬入口 29之間的葉片前端的間隙引起的低沸點介質的洩漏損失，從而能夠提聞潤輪效率。S卩，在徑流式渦輪葉輪15中，隨著朝向出口而壓力逐漸下降，而且低沸點介質從從屬入口 29流入，因此越向下遊側行進而低沸點介質的體積流量越增加，用於使該流體流動的葉片高度變大。因此，在主入口 21與從屬入口 29之間，葉片高度最小。另一方面，殼體11與徑向葉片19的間隙製作為大致恆定，因此在主入口 21與從屬入口 29之間，相對於葉片高度而間隙的比例增大，因此洩漏增大，洩漏引起的流體損失增加，效率下降。如圖4所示，通過在主入口 21與從屬入口 29之間設置護罩37，而能夠減少洩漏最多的部分的低沸點介質的洩漏損失，從而能夠提高膨脹渦輪I的效率。另外，如圖5所示，除了護罩37之外，在從從屬入口 29 (位於最內側的從屬入口)到徑流式渦輪葉輪15的出口(噴出部)之間也可以設置護罩39。這樣的話，能夠進一步減少低沸點介質的洩漏損失，因此能夠進一步提高渦輪效率。這種情況下，也可以不設置護罩37。在本實施方式中，徑流式渦輪葉輪15的出口部的徑向葉片19沿著半徑方向呈直線狀地豎立設置，但並未限定於此。例如圖6所示，也可以形成為相對於半徑方向傾斜的形狀。圖7是圖6的徑向葉片的沿著軸線方向觀察 的主視圖，圖8是圖6的徑向葉片的沿著半徑方向觀察的立體圖。此外，在本實施方式中，從屬入口 29為一個部位，但也可以設置在多個部位。這樣的話，能夠將3個以上不同的壓力的低沸點介質藉助單一的徑流式渦輪葉輪15作為旋轉動力而取出，能夠進一步減少部件個數，能夠減少製造成本。在本實施方式中，說明了具有2個雙循環7A、7B且適用於雙發電系統3的情況，但膨脹渦輪I的用途並未限定於此。例如圖9所示，也能夠適用於具有I個雙循環7C的雙發電系統3。這種情況下，從雙循環7C取出壓力不同的低沸點介質而藉助膨脹渦輪I來回收動力。另外，在圖10所示的設備系統2中也可以使用膨脹渦輪I。設備系統2中，例如，利用鍋爐設備4，取出多個例如3個壓力不同的蒸氣(流體)而藉助膨脹渦輪I來回收動力。作為設備系統2，可以在各種工業設備例如化學設備中進行分離或混合的工藝的混合過程中使用。[第二實施方式]接下來，使用圖11，說明本發明的第二實施方式的徑流式渦輪100。本實施方式的渦輪葉輪的結構與第一實施方式不同，因此這裡主要說明該不同的部分，關於與前述的第一實施方式相同的部分，省略重複的說明。對於與第一實施方式相同的構件，標註相同符號。圖11是表示本發明的第二實施方式的徑流式渦輪100的局部剖視圖。在本實施方式中，作為渦輪葉輪，取代入口的輪轂面成為半徑方向的第一實施方式的徑流式渦輪葉輪15而使用入口的輪轂面傾斜的徑流式渦輪葉輪41。在徑流式渦輪葉輪41具備多個葉片43，這多個葉片43呈放射狀地隔開間隔而設置在輪轂17的外周面。輪轂17的入口的輪轂面相對於半徑方向傾斜。伴隨於此，主流入路45相對於半徑方向傾斜角度a I。從屬流入路47相對於半徑方向傾斜角度a 2。在主流入路45上設有由沿著周向隔開間隔配置的多個葉片構成的噴嘴46，在從屬流入路47上設有由沿著周向隔開間隔配置的多個葉片構成的噴嘴48。如此構成的本實施方式的徑流式渦輪100的動作基本上與第一實施方式的徑流式渦輪100相同，因此這裡省略重複的說明。在本實施方式中，葉片43的外周側相對於半徑方向傾斜，因此能夠延長外周部的軸向長度。因此，能夠擴寬設置從屬入口 29的空間，從而容易製造。由此，容易設置多個從屬入口 29。例如圖12所示，除了從屬入口 29之外，還能夠容易地設置從屬入口 51。這樣的話，3個以上的不同壓力的低沸點介質能夠藉助單一的斜流渦輪葉輪41作為旋轉動力而取出，能夠進一步減少部件個數，能夠減少製造成本。在從屬入口 51的外周側且在半徑R3的位置上形成有比壓力P2低的壓力的低沸點介質所導入的從屬流入路53。從屬流入路53與從屬入口 51由環狀的空間即入口流路55連接。在入口流路55上設有由沿著周向隔開間隔配置的多個葉片構成的噴嘴57。這樣的話，能夠將3個以上的不同壓力的低沸點介質通過單一的徑流式渦輪葉輪41作為旋轉動力而取出，能夠進一步減少部件個數，能夠減少製造成本。
當設於從屬入口 29或從屬入口 51的噴嘴相對於半徑方向傾斜時，從從屬入口 29或從屬入口 51流入的低沸點介質的流動與從上遊朝向徑流式渦輪葉輪41的出口流動的流體大致平行地流入，因此能夠減少低沸點介質的混合損失。由此，能夠提高徑流式渦輪100的渦輪效率。在本實施方式中，未安裝護罩，但也可以安裝圖4及圖5所示那樣的護罩來減少洩漏損失。另外，也可以增加從屬入口 29、51的個數。需要說明的是，本發明並未限定為以上說明的各實施方式，在不脫離本發明的主旨的範圍內可以進行各種變形。符號說明I 膨脹渦輪15 徑流式渦輪葉輪19 徑向葉片21 主入口27 噴嘴29 從屬入口35 噴嘴41 徑流式渦輪葉輪43 葉片45 主流入路46 噴嘴48 噴嘴51 從屬入口57 噴嘴100徑流式渦輪
權利要求
1.一種徑流式渦輪，具備單一的渦輪葉輪，該渦輪葉輪將流體的迴旋能量轉換成旋轉動力，該流體是具有第一壓力，通過噴嘴或渦管等高速迴旋流產生流路，從形成於外周端的主入口具有半徑方向的流速分量作為主要分量地流入的迴旋的流體，所述徑流式渦輪中， 在所述渦輪葉輪的外周側，形成所述主入口及相對於彼此而設置在沿著半徑方向及軸向分離的位置上的多個從屬入口， 具有隨著向半徑方向內側行進而比所述第一壓力逐漸降低的壓力的所述流體分別通過噴嘴或渦管等高速迴旋流產生流路進行迴旋的流體向各從屬入口流入。
2.根據權利要求1所述的徑流式渦輪，其中， 在所述渦輪葉輪上，在所述主入口與位於最外側的所述從屬入口之間設有護罩。
3.根據權利要求1或2所述的徑流式渦輪，其中， 在所述渦輪葉輪上，在所述各從屬入口之間設有護罩。
4.根據權利要求1 3中任一項所述的徑流式渦輪，其中， 在所述渦輪葉輪上，在從位於最內側的所述從屬入口到噴出部之間設有護罩。
全文摘要
提供一種利用單一的渦輪葉輪處理具有多個壓力的流體，削減部件個數而實現低成本化的徑流式渦輪。徑流式渦輪(100)具備單一的徑流式渦輪葉輪(15)，該徑流式渦輪葉輪(15)將流體的迴旋能量轉換成旋轉動力，該流體是具有第一壓力，通過噴嘴(27)，從形成於外周端的主入口(21)具有半徑方向的流速分量地流入的迴旋的流體，其中，在徑流式渦輪葉輪(15)的外周側且在沿著半徑方向及軸向與主入口(21)分離的位置上形成從屬入口(29)，具有隨著向半徑方向內側行進而比第一壓力低的壓力的低沸點介質通過噴嘴(35)而向從屬入口(29)流入。
文檔編號F01K25/06GK103052763SQ20118003786
公開日2013年4月17日 申請日期2011年1月24日 優先權日2010年12月7日
發明者東森弘高, 福田憲弘, 川見雅幸, 藤井篤 申請人:三菱重工業株式會社