その他タービン設計

ガスエキスパンダー型タービンの新型を計画中

気体の膨張時のエネルギーを利用して回転し動力を発生する「ガスエキスパンダー型タービン」の新型を計画中です。今回の新計画の重要点は、色々なガス種類に対応可能に構造設計を行うというものです。

ガスには人体に危険なガスなどもありうるため、それらの漏えいをなんとしてでも防ぐ構造を考えて適応しています。

まだ構想段階なのでちょっとざっとしていますが、これから細部まで仕上るとより現実的なタービンとしてご覧頂けると思います。

熱エネルギー回収用膨張タービンの設計

無駄に捨てられている熱エネルギーとして、例えば工場の排熱、温泉の熱、エンジンの排熱などがあります。
そのような熱から、気体のエンタルピとしてエネルギーを取り出し、発電の動力源として有効に使う為の気体膨張タービンの新型の設計が最終段階になりました。

ガス膨張をエネルギーに変換するタービンとなります。
まだ完全な最終完成状態ではないですが、ほぼ要素は出来上がりとなります。
全体構造は、立軸タービンとなっていますので、少し珍しいかもしれません。
しかし、それが今回の設計の重要な役目を担うところとなっています。

新エネルギー関係 ガス膨張タービン 超高速タイプ構想

新エネルギーにおいて、特にガスの熱エネルギーを利用する機器においては、動力を生み出す基としての「ガス膨張タービン」が必要となります。
ガス膨張タービンは、一般的に非常に高価な機械となります。高価になる理由の一つとしては、タービン羽根の製作にお金がかかることです。そこでタービン羽根を大変小さく造ることが出来れば費用も少なくて済みます。

ただ小型のタービン羽根は、高速で回さなければ動力を多く発生する事が出来ません。
動力とは、回転トルクに回転数をかけたものとなりますので、小型の羽根はトルクが小さい為回転数を稼ぐことで最終発生動力を増やす必要があることとなります。
その必要な回転数とは、数万rpm~数十万rpmにも達します。

この小型タービンに発電機を付ければタービン発電機となりますが、発電機も超高速で回るため、耐遠心力強度のある永久磁石式ロータなどが使われ、発生周波数も高周波となりますから、特殊なインバーターなどで通常周波数の60Hzなどに変換が必要です。

以上の超高速タービン発電機を計画してみたのが下図です。

組図面となります。おおよその構想図です。

ガス入口斜め前方向から見た3次元計画図です。

ガス出口斜め後方から見た3次元組図となります。

ラジアルタービン低比速度タイプ設計事例

遠心コンプレッサーの羽根にも良く似ていますが、ブレードの巻き角が小さく、羽根の断面はタービン特有の転向角の大きい羽根形状となっているのがこのタービン羽根の特徴です。

今回のラジアルタービン羽根は、通常のタービン翼間よりは翼間通路長さを長めに取り、翼間膨張の滑らかさを増すことで拡大損失を減らして効率を上げる設計をしてみました。

この羽根の用途としては、特殊ガス膨張タービン(エキスパンダータービン)を想定しています。
エキスパンダータービンとは、なにか特別にガスの圧力を減圧弁などで減圧している部分にこのようなタービンを付けて動力の回収を行うタイプのものとなります。

または、水蒸気などの減圧弁位置に取り付けるタイプとしても使うことが出来ますが、回転数は高速となるので、どうしても羽根入口部の羽根入口角度は耐遠心力強度を考えて90度近くの放射方向に近いものとして設計する必要が出てきます。

羽根入口角度を90度付近で設計することは、ガスエンタルピ差により生じるノズルからの入口ガス速度に対して最適な速度三角形により計算される周速度が決まってきますので、自ずと羽根直径も決まってしまうという、少し自由度の少ない設計となり、もし計算結果として羽根直径が大きくなりすぎる場合は、タービン羽根の多段化を必要とすることとなります。

ラジアルタービンの多段化は、耐強度問題と羽根ひとつの加工費の低減から考えると、今後は割と普通に行われる工夫となりそうに思います。

次は多段化に適した羽根軸方向長さをかなり短くした羽根形状の設計事例を載せてみることと致します。

このような研究面での新しいプロジェクトが色々と立ち上がりつつあり、この連休を境としてかなり仕事の内容が変化していくことを今予感しています。
その為にもこの連休中に準備しておくべきことが山積みであり、普通に休むことはやはりあきらめました。それでも新しいことに挑戦出来ることは、自分の心の中のワクワク感を増やし、エネルギーを増やす効果があることを実感します。

この大分という地方から、新しいプロジェクトをたくさん発信出来るように、周りの協力を得ながら進んで行こうと思ってます。

超小型両持ち式タービン発電機カット図

新エネルギー発電関係に使う、超小型両持ち式タービン発電機を今年の5月頃に概念設計を行っていたものに関して、内部構造のカット図を載せてみます。

高速型発電機の両端に遠心型タービン羽根があり、円筒胴ケーシングに送られた高圧ガスにより超高速でランナブレードが回転して発電動力を発生します。

軸のシールはダブルメカニカルシールを採用することで、ベアリング室への高圧ガスの混入をなるべく少なくします。

また発電機ロータ廻りは完全に水冷となっており、同時にベアリングボックスも冷却を行うことで安定した運転を維持します。

導入するタービン入口側ガス圧力は、見て頂く円筒胴ケーシングの厚みで分かるようにそれほど高圧ではありません。

ただ両持ちになっているタービンにより処理出来る高圧ガスの量は多くなり、高速回転と言うこともあって、タービン発電機本体大きさの割には発電出力は大きくなります。

このタービン発電機の適用範囲は、非常に広いものとなります。

特殊タービンの設計例

特殊タービンの設計例を今日は御紹介します。次の図は、タービンを縦軸として見たものです。

この機械全体の上部がタービンであり、下部の方は高速型ポンプとなりますので、この機械の名称はタービン駆動ポンプとなるでしょう。

タービンでポンプを駆動する場合は、タービンが気体タービンであれば間違いなく高速~超高速となるので、駆動されるポンプも高速対応でなければなりません。

そのような場合の為に、ポンプ入口相対速度の増加による顕著なキャビテーションが起きないようにインデューサーが使用されます。

このごろの高速ポンプにはほとんどインデューサーが付けられています。

ただインデューサーの設計が難しいので、どれだけポンプ吸込揚程を上げることが出来るのか、実験をしないと良く分からない場合もあり得ます。

やはりこの頃はタービン関係の開発問い合わせが増えています

最近の傾向としてタービン関係の開発問合せが増えているなと感じていたのですが、それが更に確実な流れとなってきました。
タービン開発と言っても1種類という訳ではなく、色々な種類のタービンになります。
使われる気体が違う、使われる圧力の範囲が全然異なる、タービン単体ではなくコンプレッサーも含む、回転数が色々ある、タービン型式自体が大幅に異なるなど、まさに多彩です。
ひとつの例として次の図のようなラジアル型のタービンを使用するのが最適なものであるケースもあります。

これは両側に羽根のある両持ち式のタービンだったりします。

タービン羽根周りは、なかなかに複雑な構造だったりします。
このような複雑構造のものを何種類も考えて、どれが最適かな~と悩むのです。
そのように悩みながら計画図を作っていくので、傍から見るとボーっとしてなにもしていないように見えるかもしれません。

タービン発電機の機動運転ムービー最初はガスタービン発電機か?

タービンの点検・運転開始・運転中の様子を見てもらえるシネマティックムービーを作るなら、最初は次のような小型ガスタービン発電機を題材としたものが良さそうに思っています。
次の図は、100KW以下ぐらいのガスタービン発電機であり、高速発電機一体型となっています。

左図は、遠心一段タービンと永久磁石式高速発電機の組み合わせです。次は、100~1000KWぐらいのガスタービン発電機紹介ムービーの基になりそうな機種です。

これは、2段遠心圧縮部+単段軸流タービンの組み合わせとなります。
これらの廻りに補機を付けて、置く場所、発電機パッケージ、起動する人、起動シーケンスの流れなどを連続した映像で見せれると良いと思います。