JP5654331B2

JP5654331B2 - 反力タービン

Info

Publication number: JP5654331B2
Application number: JP2010264795A
Authority: JP
Inventors: 辰平荒木
Original assignee: 有限会社南日本プラント設計事務所
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2030-11-29
Also published as: JP2012117374A

Description

本発明は、反力タービン、詳しくは、流体（気体又は液体）の持つ圧力エネルギーを回転動力にして取り出すタービンに関する。

従来、流体の速度エネルギーを利用して回転動力を得る装置としてタービン装置がある。そのタービン装置には蒸気タービンなどが挙げられ、蒸気タービンは、外部で発生させた高温の蒸気をタービン（羽根車）に吹き付けて回転させ、動力や推進力を発生させるものである。例えば、特許文献１には、蒸気タービン装置を備え、その蒸気タービンの回転動力により発電する発電装置が開示されている。

また、タービン装置とは別に、流体の速度エネルギーを利用して回転動力を得る装置としてプロペラ装置がある。

特開平０６−２７２５１７号公報

ところが、タービン装置で効率的にエネルギーを取り出すには、流体速度を上げ、高速の回転速度に変換する必要があった。高速回転で取り出した動力を、低速度の回転エネルギーを利用する場合には、そのままでは低速度の回転エネルギーを取り出すことができず、減速装置が必要であった。また、高速の回転速度から低速の回転速度に変換するために、回転エネルギーを取り出すのに効率が悪かった。また、プロペラ装置では、流体速度を上げることが効率以上に必要であった。

この発明は、圧力エネルギーを持つ気体や液体を、高圧室から低圧室に通過させることにより回転エネルギーに変換する反力タービンを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、円筒ケースの内周部に配設した環状体と、円筒ケースの中央で回転可能とする動力軸に一体形成された円盤型の回転子とを有し、上記環状体及び上記回転子により円筒ケースの内部を高圧室と低圧室とに仕切ると共に、環状体と回転子との間に所定間隔を有する隙間を設け、上記環状体は上記流体を隙間方向に排出する固定側流出経路を具備し、上記回転子は上記流体を隙間方向に排出する回転子側流出経路を具備し、上記固定側流出経路は一対の流体案内片を上記環状体の内周側の周方向に複数個立設配置することにより構成し、上記回転子側流出経路は一対の流体案内片を上記回転子の外周側の周方向に複数個立設配置することにより構成し、上記固定側流出経路の断面積を回転子側流出経路の断面積よりも大とするように構成し、固定側流出経路から排出する流体と回転子側流出経路から排出する流体とが上記隙間を通すことにより隙間で衝突する衝突エネルギーを利用して上記回転子を回転させることを特徴とする反力タービンである。

請求項２に記載の発明は、上記回転子側流出経路は、その排出口を前記隙間を介して上記固定側流出経路の排出口に対向させて配置したことを特徴とする請求項１に記載の反力タービンである。

請求項３に記載の発明は、上記回転子側流出経路は、回転子の外周端部に接する接線に対して所定角度を有して配置したことを特徴とする請求項１に記載の反力タービンである。

請求項４に記載の発明は、上記回転子側流出経路は、前記隙間を介して上記固定側流出経路の下方で平面視において交差するように配置したことを特徴とする請求項１に記載の反力タービンである。

本願発明によれば、以下の効果を奏することができる。
・圧力エネルギーを持つ気体や液体であれば、隙間を通過させることにより回転エネルギーに変換可能である。
・温泉水の利用・温度差発電に利用することが可能になる。
・高速回転を得る必要がないので、低エネルギーから取り出した動力をそのまま回転エネルギーとして利用可能である。

本実施形態における反力タービンの全体構造を示した平面図である。本実施形態における反力タービンの全体の断面構造を示した断面図である。本実施形態における反力タービンの高圧室の平面構造を示した平面図である。本実施形態における反力タービンの低圧室の平面構造を示した平面図である。本実施形態における反力タービンの環状体と回転子との隙間に流体が流れる状態を示した平面図である。本実施形態における反力タービンの環状体と回転子との隙間に流体が流れる状態を示した断面図である。別の実施形態における反力タービンの全体の断面構造を示した断面図である。別の実施形態における反力タービンの高圧室の平面構造を示した平面図である。別の実施形態における反力タービンの環状体と回転子との隙間に流れる流体の状態を示した平面図である。別の実施形態における反力タービンの環状体と回転子との隙間に流体が流れる状態を示した断面図である。

［反力タービンの構造］
まず、本実施形態における反力タービン１０の構造について図１を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態における反力タービン１０は円筒状の円筒ケース１１により構成され、その円筒ケース１１の内部には密閉空間Ｍが形成されている。この密閉空間Ｍは、気体や液体の流体が供給される空間となる。

円筒ケース１１の上蓋部１２には、高圧の流体を供給する供給口１３が配設されている。この供給口１３を通して、高圧の流体を円筒ケース１１内部に供給可能としている。円筒ケース１１は、環状の取付体２１を有する。

図１に示すように、上記円筒ケース１１の中心部には、円柱体状の動力軸１４が回転自在に配設されている。動力軸１４の上部及び下部には動力軸１４を支持する軸受１５が配設され、この軸受１５を介して動力軸１４が円筒ケース１１内で回転自在としている。動力軸１４には、例えば発電機やポンプ等の駆動装置と連結しており、動力軸１４の回転により外部に配設した駆動装置を駆動可能としている。

動力軸１４の中途部には略円盤状の回転子１６が一体で形成され、回転子１６は動力軸１４と共に回転可能としている。また、円筒ケース１１の内周面には環状の環状体１７が配設され、環状体１７は円筒ケース１１の外周壁に配設された環状の取付体２１により円筒ケース１１の内周部に固定されている。

そして、上記回転子１６と上記環状体１７とにより、円筒ケース１１の内部には高圧室Ｈがその上部に形成され、低圧室Ｌがその下部に形成される。すなわち、円筒ケース１１の内部は、環状体１７と回転子１６とにより上下に２分され、上部の内部空間を高圧室Ｈとし、下部の内部空間を低圧室Ｌとしている。

図４に示すように、低圧室の底面には、流体を外気中に排出する貫通孔２２が形成されている。

回転子１６と環状体１７との間には、所定間隔を有して隙間Ｓが形成されている。この隙間Ｓは、高圧室Ｈから低圧室Ｌに流体が流れる際の回転エネルギーを取り出すための重要な箇所となる。

回転子１６の外周縁部には、高圧の流体を隙間Ｓまで案内する流体案内片１８，１８が配設されている。流体案内片１８，１８は板状のものを立設させたもので、一対により１つの流出経路を形成し、流体案内片１８，１８を回転子１６の外周縁部上面に多数個並設させることで回転子側流出経路Ｃを形成している。流体案内片１８，１８は、流体の入口部から出口部まで回転方向に凸状に湾曲した平面視翼形状を有する。この湾曲部を設けることにより、回転子１６が回転した状態で回転子側流出経路Ｃ内に流体を導入しやすくすると共に、隙間Ｓまで流体を案内しやすくしている。

これに対して、固定側の環状体１７にも、高圧の流体を隙間Ｓまで案内する流体案内片１９，１９が配設されている。流体案内片１９，１９は板状のものを立設させたもので、一対により１つの流出経路を形成し、流体案内片１９，１９を環状体１７の内周縁部上面に多数個並設させることで固定側流出経路Ｄを形成している。流体案内片１９，１９も、流体の入口部から出口部まで回転方向（反時計回り）に凹状に湾曲した平面視翼形状を有する。

また、図５に示すように、回転子側流出経路Ｃは、回転子１６の外周端部に接する接線Ｐに対して所定角度αを有して配設されている。このように、所定角度αを有することで、隙間Ｓで発生する反力を、回転子１６を回転させる方向に作用させることができる。

さらに、回転子側流出経路Ｃは、固定側流出経路Ｄに対向させて配置している。これにより、回転子側流出経路Ｃから流出する流体と、固定側流出経路Ｄから流出する流体とが隙間Ｓにおいて衝突可能としている。

上記固定側流出経路Ｄの上部を覆う被覆部材２０が配設されている。被覆部材２０は、複数個の固定側流出経路Ｄの全体を被覆するように環状に形成している。また、被覆部材２０は、回転子側流出経路Ｃ側をも覆い被せるように所定幅を有して突出している。

この被覆部材２０を設けることにより、固定側流出経路Ｄ及び回転子側流出経路Ｃを同時に被覆することができ、各流通経路に流れる流体を高圧室Ｈ内において上記隙間Ｓまで案内排出可能としている。

［反力タービンの動力伝達方法］
次に、反力タービン１０の駆動方法について説明する。

図２に示すように、まず、供給口１３から高圧の流体を供給する。すると、密閉空間Ｍの高圧室Ｈにおいて、回転子側流出経路Ｃの方向に流れる経路Ｅと、固定側流出経路Ｄの方向に流れる経路Ｆの２系統に分離する。

図３に示すように、回転子側流出経路Ｃの経路Ｅに流れる高圧の流体は、回転子１６の外周部に配置された一対の流体案内片１８，１８によって形成された回転子側流出経路Ｃの入口部まで案内される。そして、流体は回転子側流出経路Ｃの入口部から出口部まで流出し、出口部から隙間Ｓに向かって排出される。

これに対して、図３に示すように、固定側流出経路Ｄの経路Ｆに流れる高圧の流体は、環状体１７の外周部に配設された一対の流体案内片１９，１９によって形成された固定側流出経路Ｄの入口部まで案内される。そして、流体は固定側流出経路Ｄの入口部から出口部まで流出し、出口部から隙間Ｓに向かって排出される。

なお、このとき、固定側流出経路Ｄ側に流入する流体の量は、回転子側流出経路Ｃよりも多い。これは、図３に示すように、固定側流出経路Ｄの断面積が、回転子側流出経路Ｃの断面積よりも大きいからである。

また、上記回転子側流出経路Ｃは、上記固定側流出経路Ｄと対向するように配設されている。よって、上記回転子側流出経路Ｃに流れる流体と上記固定側流出経路Ｄに流れる流体とは互いに対向する方向に流れる。

しかも、高圧室Ｈから低圧室Ｌへの流路に相当するものが上記隙間Ｓであるので、高圧の流体を、回転子側流出経路Ｃ及び固定側流出経路Ｄを通して、上記隙間Ｓに向かって案内するようにしている。

したがって、上記回転子側流出経路Ｃから流出する流体と、上記固定側流出経路Ｄから流出する流体とが隙間Ｓにおいて衝突し、この衝突時には反力が生じ、この反力により回転子１６が所定の回転方向に回転する。本実施形態では、固定側流出経路Ｄから流出する流体のエネルギーが回転子側流出経路Ｃよりも大きいため、図５に示すように、回転方向は平面視反時計回りとなる。

この後、衝突後の流体は、図６に示すように、隙間Ｓを通して、それぞれ低圧室Ｌに流入する。最後に、低圧室Ｌに流入した流体は、貫通孔２２を通して外気に逃がすようにしている。

そして、上記衝突後の反力は回転子１６を回転する動力となり、この回転子１６が回転することにより、回転子１６に一体形成した動力軸１４も回転させることができる。動力軸１４は円筒ケース１１の外部の駆動装置に連動連結しているので、上記動力軸１４の回転力は駆動装置を駆動させる動力となる。

次に、本願発明の別実施形態では、上記実施形態に対して、回転子側流出経路Ｊと固定側流出経路Ｋの配置を変更したことにある。本実施形態では、図８及び図９に示すように、回転子１６の外周縁部の上方に、環状体１７の一部である内周縁部を平面視で重なり合うように配置している。回転子１６の外周縁部と環状体１７の内周縁部とは所定間隔の隙間Ｓを有する。

図９に示すように、本実施形態では、回転子１６の外周縁部には回転子側流出経路Ｊが配設されている。回転子側流出経路Ｊは、流体案内片１８，１８は一対により構成し、これらを回転子１６の外周縁部上面に多数個並設させることにより形成している。

また、固定側の環状体１７の内周縁部には固定側流出経路Ｋが配設されている。固定側流出経路Ｋは、流体案内片１９，１９は一対により構成し、これらを環状体１７の内周縁部下面に多数個並設させることにより形成している。

そして、上記回転子側流出経路Ｊは、前記隙間を介して上記固体側流出経路の下方で平面視して交差するように配置している。すなわち、図９に示すように、環状体１７の内周縁部に配設された多数の固定側流出経路Ｋの下方で、回転子１６の外周縁部に配設された回転子側流出経路Ｊが平面視してＸ字状に交差するように配置されている。回転子側流出経路Ｊの流体案内片の上端部と、固定側流出経路Ｋの下端部との間に所定間隔を有する隙間Ｓが形成されている。

なお、図７〜図１０で用いた符号は、図１〜図６に示した実施形態の反力タービン１０と同じ構成要素については同一のものを用いている。

次に、本実施形態での反力タービンの駆動方法について説明する。図７に示すように、まず、供給口１３から高圧の流体を供給する。

図１０に示すように、回転子１６側の経路Ｇに流れる高圧の流体は、回転子１６の外周部に配置された一対の流体案内片１８，１８によって形成された回転子側流出経路Ｊの入口部まで案内され、回転子側流出経路Ｊの入口部から出口部まで流出し、出口部から低圧室Ｌに向かって排出される。

これに対して、図１０に示すように、環状体１７側の経路Ｉに流れる高圧の流体は、環状体１７の外周部に配設された一対の流体案内片１９，１９によって形成された固定側流出経路Ｋの入口部まで案内され、固定側流出経路Ｋの入口部から出口部まで流出し、出口部から低圧室Ｌに向かって排出される。

また、図８に示すように、上記回転子側流出経路Ｊは、上記固定側流出経路Ｋと交差するように配設されている。よって、上記回転子側流出経路Ｊに流れる流体と上記固定側流出経路Ｋに流れる流体とは互いに交差するように流れる。

固定側流出経路Ｋに流れる流体の量は、回転子側流出経路Ｊのそれよりも多い。これは、回転子１６は通常運転時には回転するので、固定側に比べて流体の入り込む量が少なくなるからである。したがって、回転速度が大きくなるに連れ、回転子側流出経路Ｊに入り込む流体の量も減る傾向にある。

そして、上記回転子側流出経路Ｊから流出する流体と、上記固定側流出経路Ｋから流出する流体とが経路の途中の隙間Ｓにおいて衝突し、この衝突時には反力が生じ、この反力により回転子１６が所定の回転方向に回転する。回転方向は、固定側流出経路Ｋからの流体が多いため、図９に示すように、平面視して反時計回りで回転する。

本実施形態では、固定側流出経路Ｋから流出する流体のエネルギーが回転子側流出経路Ｊよりも大きいため、図９に示すように、回転方向は平面視反時計回りとなる。この後、衝突後の流体は、図１０に示すように、隙間Ｓを通してそれぞれ低圧室Ｌに流入する。最後に、低圧室Ｌに流入した流体は、貫通孔２２を通して外気に逃がすようにしている。

上記衝突後の反力は回転子１６を回転する動力となり、この回転子１６が回転することにより、回転子１６に一体形成した動力軸１４も回転させることができる。動力軸１４は円筒ケース１１の外部の駆動装置に連動連結しているので、上記動力軸１４の回転力は駆動装置を駆動させる動力となる。

この結果、本実施形態における反力タービン１０は、圧力エネルギーを持つ気体や液体であれば、これを円筒ケース１１内に供給するだけで、高圧のエネルギーを回転エネルギーに変換可能である。

例えば、温泉水の蒸気で高圧の流体を発生させ、これを円筒ケース１１の内部の密閉空間Ｍに供給することで、円筒ケース１１内部において回転子側流出経路Ｃ、Ｊから流出する流体と固定側流出経路Ｄ，Ｋから流出する流体とを隙間Ｓおいて衝突させて、回転力を生成することができる。

なお、本実施形態における反力タービン１０は、大きく回転速度を必要としない駆動装置に適用することができる。例えば、低回転速度の動力で済む駆動装置に適用することができる。

Ｃ回転子側流通経路
Ｄ固定側流通経路
Ｍ密閉空間
Ｈ高圧室
Ｊ回転子側流通経路
Ｋ固定側流通経路
Ｌ低圧室
Ｓ隙間
１０反力タービン
１１円筒ケース
１２上蓋部
１３供給口
１４動力軸
１５軸受
１６回転子
１７環状体
１８流体案内片
１９流体案内片
２０被覆部材
２１取付体
２２貫通孔

Claims

円筒ケースの内周部に配設した環状体と、円筒ケースの中央で回転可能とする動力軸に一体形成された円盤型の回転子とを有し、
上記環状体及び上記回転子により円筒ケースの内部を高圧室と低圧室とに仕切ると共に、環状体と回転子との間に所定間隔を有する隙間を設け、
上記環状体は上記流体を隙間方向に排出する固定側流出経路を具備し、
上記回転子は上記流体を隙間方向に排出する回転子側流出経路を具備し、
上記固定側流出経路は一対の流体案内片を上記環状体の内周側の周方向に複数個立設配置することにより構成し、
上記回転子側流出経路は一対の流体案内片を上記回転子の外周側の周方向に複数個立設配置することにより構成し、
上記固定側流出経路の断面積を回転子側流出経路の断面積よりも大とするように構成し、
固定側流出経路から排出する流体と回転子側流出経路から排出する流体とが上記隙間を通すことにより隙間で衝突する衝突エネルギーを利用して上記回転子を回転させることを特徴とする反力タービン。
上記回転子側流出経路は、その排出口を前記隙間を介して上記固定側流出経路の排出口に対向させて配置したことを特徴とする請求項１に記載の反力タービン。
上記回転子側流出経路は、回転子の外周端部に接する接線に対して所定角度を有して配置したことを特徴とする請求項１に記載の反力タービン。
上記回転子側流出経路は、前記隙間を介して上記固定側流出経路の下方で平面視において交差するように配置したことを特徴とする請求項１に記載の反力タービン。