蒸気タービン設計

新型ガスタービンの構想設計を開始しました

低圧・大流量用の新型ガスタービンの構想設計を開始しています。次の図が構想概観図です。

縦軸特殊ガス蒸気タービン発電機1

構想概観図なのでかなり漠然としている部分はあります。しかし目的から考えれば、このような全体構造が適切なものかもしれません。
ただ、タービン本体部分が供給ガス量に比べて少々大きすぎるように思いますので、構想設計改良が進んでいくとかなり小型になるように思います。
目的の為には、小型・軽量化が必須となりそうです。
タービン羽根設計は詳細設計が相当な時間を取りそうに思い、充分な性能確保にはかなりの性能解析時間と設計のやり直し時間をかけそうです。
製作用図面関係の出来上がりは、10月ぐらいまでには必要となりそうで、そうすると意外と時間がないように思います。

マイクロ地熱蒸気タービン 設計途中のもの

すでに20年以上前にマイクロ地熱蒸気タービンを設計・製作したことがありますが、今回新しい構想により、更に性能の高いマイクロ地熱蒸気タービンを下図のように設計中です。

立軸特殊ガス蒸気タービンの計画1

以前に設計製作したマイクロ地熱蒸気タービンは、回転数を落とすための工夫として複数回ブレードを蒸気が横切る特殊なタイプを採用していましたが、今回は1段の軸流型で高性能を目的としています。
また以前のマイクロ地熱タービンでは発電機が最高回転数でも3600rpmのものしか使えなかったのですが、今はパワーエレクトロニクス技術の発展で数万rpmの発電機も使えるようになったので、軽量コンパクト廉価の高性能マイクロ地熱蒸気タービンが実現可能となっています。

遠心式蒸気タービン羽根の設計事例を紹介します

遠心式(ラジアル式)蒸気タービン羽根の設計事例を次の3次元設計画面ショットとして載せてみます。

遠心式タービン羽根の周りにはガイドべーン群があります。

粒子シミュレーション1

次の図は主軸に取り付けた全体を示しています。

粒子シミュレーション2

このような遠心式蒸気タービンの特徴は次のようになります。

1.1段の遠心タービンでも熱落差を大きく取ることが出来る。よって多段化をしたとしても2段ぐらいまでとなり、製作し易い。

2.全周流入反動タービンとなるため意外と効率が高い。1段での効率が小型でも80%以上は確保出来る。

3.遠心力耐久性が形状上取りやすく、回転数を高速化し易い。よってタービンが圧倒的に小型化可能となる。

4.一体削り出し加工をし易い形状を持つ。よって5軸加工により短納期で高精度のものを製作可能である。

5.軸流タービンに比べて羽根形状は複雑曲面になり易い。よって設計が難しい部分もある。

以上がラジアルタービンの特徴です。

衝動型小型蒸気タービンの設計も継続中

反動式ラジアル蒸気タービンだけでなく、次の図の衝動型小型蒸気タービンの設計も継続中です。

立軸特殊ガス蒸気タービンの計画1

この衝動型小型蒸気タービンの特徴は、
1.単段衝動タービンであり、部分挿入ノズル方式である。
2.熱落差が大きい割に回転数を小さく出来る。
3.非常にシンプルな構成であり、作り易い。

以上のような特徴を持つ衝動型蒸気タービンの設計を継続して行っています。

マイクロ地熱発電に最適な4重反転型衝動蒸気タービン製作例

地表に直接噴出す蒸気(熱水分があまりない乾いた蒸気)を利用して行うマイクロ地熱発電に最適な地熱蒸気タービン形式として設計製作したのが、次の写真の「4重反転型衝動蒸気タービン」となります。

立軸特殊ガス蒸気タービンの計画1

この4重反転型衝動蒸気タービンの構造は、円盤状に削り出された多数の衝動羽根を蒸気が外から内に入ったり、内から外に入ったりを折り返しながら繰り返す方式の蒸気タービンとなります。

これの良い点は、高速な蒸気の噴出速度を4回に分けて減速しますので、タービンの回転数を比較的低速に設計することが出来、通常回転数の発電機を採用しやすいこととなります。

また、タービン羽根の構造も3軸加工機で作ることが簡単な形状をしていますので、一体構造ブリスク羽根として廉価なものと出来ます。

実際に運転実験を行った結果は、予想程度の効率を発揮しており、ちゃんと発電も出来ていました。 よって、地下から噴出する蒸気による直接発電には、今後も適応可能と考えています。

小型蒸気タービンの組立断面図 全体を設計していますよ

流体機械設計のお問い合わせで良く聴かれるのが、ターボブレードの流体機械の設計範囲は羽根だけですか? ということであり、もちろん羽根だけではなく全体構造からすべて設計しますよと回答申し上げています。

よって全体構造設計事例として、次のような非常に小形の蒸気タービン全体組立断面図を載せてみます。

立軸特殊ガス蒸気タービンの計画1

この断面組立図のように、タービン発電機のすべての要素を設計しています。

例えば、流体部形状設計、回転主軸部構造設計、軸受とシール構造部設計、ケーシング構造部設計、配管部設計、減速機設計、カップリング設計、発電機設計、架台設計など全部行います。

もちろん優れた性能の羽根=ブレードを設計出来るのでターボブレードとブレード設計を強調していますが、全体構造設計も安心してお任せください。

可変ガイドベーン付きタービンによるターボチャージャー

タービンの入口流量を可変して常に回転数を維持する方式の可変ガイドベーン付きタービンによるターボチャージャーの設計を行っている。

そのまだ途中の様子が次となります。

立軸特殊ガス蒸気タービンの計画1

向かい合わせのタービン羽根と遠心コンプレッサー羽根の間に埋もれるように可変ガイドベーン部があり、排気ガス量に応じてタービン運転状態を調整します。

特にエンジン回転数低下時でも過給効果を維持するには最適なシステムでしょう。

ガースタービンエンジン遠心タービン部解析

立軸特殊ガス蒸気タービンの計画1

エンシンガスタービンの性能解析モデルです。

可変ガイドベーン機構付きターボチャージャータービン部

可変ガイドベーン機構付きターボチャージャータービン部の計画設計例です。

立軸特殊ガス蒸気タービンの計画1

排気ガスのタービン羽根への流入量を可変ガイドベーンが調整することで、設計流量よりも排気ガス量が少ない時でもなるべくタービン効率を落とさない効果を実現します。

また可変ガイドベーンで低流量時にノズルを絞るということは、タービンランナへの絶対流入速度を落とすことなく維持出来ますので、充分な流速のガス流はタービンランナの回転数の上昇を短時間に保つことが出来、ターボのレスポンスを速いものとします。

低温ガスタービン発電機

低温ガスで駆動されるガスタービン発電機の実験機です。

立軸特殊ガス蒸気タービンの計画1

低温度ガスですが圧力は高いので分厚いタービンケーシングとして高圧に耐える構造としました。

回転数は毎分1万回転程度の高速発電システムとなっています。

材質はガスの性質から全ステンレスとなっているので、高価になります。