その他タービン設計

プラント配管部 動力回収型タービン発電機概略計画図

プラントの配管部に減圧弁などによる無駄な気体エネルギーの消費がある場合は、
その箇所にバイパス配管路として「エネルギー回収型タービン発電システム」を設置することで、省エネとなるエネルギー回収を行うことが出来ます。その事例として概略の計画をしたのが次の図となります。

全体構成を検討するための計画となるため、あまり詳細なタービン発電機廻りではありませんが、バイパス配管でタービン発電を行うための必要な全体は示しています。
入口・出口バルブ、安全弁などが必要な弁類であり、その他は極小型化した高速タービン発電機があります。
高速タービン発電機は、その内部に高速発電機をタービンの羽根直結にて内蔵していますので、周波数が高い電気を発生します。
その為、タービン発電機は小型の円筒形のシンプルなものとなりますが、高周波数の電気はインバーターを使って系統に連携出来る綺麗な周波数に変換する必要があります。
よってこの計画図にはないですが、周波数変換盤・系統連携盤などが他に必要です。

動翼廻りの圧力を測定する圧力取り出し方法は図のようになります

実験用ターボ機械において、動翼の前後翼縁附近の圧力値を知りたい場合と、シュラウドがない場合のチップ側動翼翼型弦長方向への圧力分布を知りたい場合は、次の図のように圧力取出し座を配置すると良いと思います。

画面左下の位置の圧力取出し座2か所は、ピトー管のような差し込み式圧力センサーを突き入れて翼前縁、翼後縁の圧力値の分布計測を行います。
また、多数の圧力取出し座が曲線上に並んでいる部分は、チップ翼弦に沿った圧力値を測定可能です。

高効率3次元形状羽根衝動タービン 試作品

これまでの衝動タービンよりも高効率となる3次元羽根衝動タービンを製作していましたので、その写真を載せてみたいと思います。

この高効率3次元羽根衝動タービンの羽根形状がこれまでと異なるところの最も大きな点は、 ボスからチップ方向へのスパン方向において直線的な形状ではなく曲線の形状を持ちそれにより流体が通過する羽根曲面が凹みを持つ形状となっている部分です。

その様な3次元形状羽根の流体通過面の工夫により、羽根への流入流体は拡散を抑えられながら設計時速度ベクトル設定から離れることなく運動量の転換を行うことが可能となります。
これにより、流体エネルギーは回転エネルギーに高効率で転換され、タービンとしての高効率化が達成されます。
なお、このタービンの回転数は毎分4万回転となり、その高速回転でのアンバランスをなくすために写真にあるようにタービンディスクの一部を削ることでバランス調整を達成しています。

ジェットエンジン3次元組図 性能解析用モデル

流体機械設計事例として、ジェットエンジンの性能解析用モデルの3次元組図を今日は紹介します。次の図が性能解析用ジェットエンジンモデル組図であり、半透明化して内部が見えるようにしています。

よって解析用に流体部は詳細に造られており、軸受詳細構造などが簡略化されている程度となります。

このジェットエンジンの構成要素を説明してみましょう。
1.空気吸込み用ターボファン エンジンの1番前にある軸流・斜流混合タイプの推進ファンです。
2.空気圧縮用斜流コンプレッサー ターボファンから送られてきた空気を高圧に圧縮する斜流ターボ式コンプレッサーです。
3.燃料空気混合燃焼器 コンプレッサーから送られてきた圧縮空気に燃料を混ぜ燃焼させる反転式燃焼器です。
4.遠心式ガスタービン 高圧燃焼ガスにより回転する遠心式のガスタービンです。
5.噴射ノズル 遠心ガスタービン出口の高圧ガスを推力に変える噴射ノズルとなります。
6.ケーシング 以上の構成要素を保持する覆いであり、ターボファンからのバイパス空気の通り道ともなっています。

以上が本ジェットエンジンの構成となります。

半径流外向き流れ両掛け式高速型タービン発電機計画図

低温度差バイナリー発電に使用するタイプのタービン発電機計画を次の図のように行いました。

このバイナリー発電用タービン発電機の特徴を説明しましょう。

1.半径流外向き流れ遠心型タービン羽根という特殊なタイプの羽根となっている。よって中心が気体の入口となっていて、外側が排気側ケーシングとなる。
2.両掛け式タービンとなっていて、軸の両端にタービン羽根が付いている。これにより大流量も処理可能である。
3.軸両端のタービン羽根の中間に永久磁石式ローターを持つ高速高効率発電機を配置。それにより出力の割に非常に小型のタービン発電機となっている。
4.排気側ケーシングも円筒型ケーシングであり、製作がし易く安価である。
5.タービンと発電機の効率がそれぞれ高い。
以上がこの低温度差バイナリータービン発電システム用に設計したタービン発電機の説明となります。

気体用タービン発電機の実験装置構想事例

省エネとエネルギー回収を目的としている気体用タービン発電機の実験装置構想事例をご紹介します。

次の図が構想説明図です。概念説明用なので簡素化した構造となっています。

タービン実験装置の構成要素を説明しましょう。

1.タービン 2段反動型軸流タービン 一体加工羽根となっています。
2.発電機 永久磁石式アウターローター方式となっています。
3.タービン入口流量調整部 ニードルノズル式流量調整部であり、手動です。
4.ケーシング 円筒形耐熱鋼製となります。
5.センサー類 温度・圧力・回転数・流量などのセンサーを使用します。
6.発電状態測定部 電圧・周波数・電流などを測定します。
7.高速型軸受部 耐久性を確認します。
以上が気体用タービン発電機実験装置の内容です。

プラント省エネ用 ガスエネルギー回収型タービン発電機

色々なプラント内で発生する各種ガスの圧力+熱エネルギーを回収して発電するタービン発電機も設計しています。

その性能解析事例が次となります。

ベアリングユニットの設計検討1

当社設計のこのようなガス熱圧力回収タービン発電機を使用すれば、工場内省電力を徹底的に進めることも可能です。

これまでのこれらガスエネルギー回収型タービン発電機は高価すぎたので設置してもなかなかに元をとることが難しくなっていましたが、弊社設計・製作であれば通常の半分以下でタービン発電機を設置可能です。

タービン発電機を安く出来る最大の理由は、長年の経験による合理的な優れた設計と、必要な経費が圧倒的に少ないことによります。