CN101341312A - 斜流式涡轮或者径流式涡轮 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于提供一种斜流式涡轮或径流式涡轮，可以抑制施加在叶片前缘部上的载荷的急剧增加，可以降低倾角损失。所提供的斜流式涡轮或径流式涡轮具有：轮毂；多个叶片，大致等间隔地设置在该轮毂的外周面上，并且观察从前缘侧至后缘侧的整体时，叶片截面的弯曲线向旋转方向侧凸出弯曲，其中，在上述叶片的前缘部设有拐折部，该拐折部以沿着上述外周面的截面上的弯曲线向上述旋转方向侧凹入弯曲的方式拐折。

Description

斜流式涡轮或者径流式涡轮
技术领域
本发明涉及一种小型燃气轮机、增压器、膨胀器等使用的斜流式涡轮或者径流式涡轮。
背景技术
该种涡轮，例如在专利文献1等中所示，在轮毂的外周放射状地配置有多个叶片。
涡轮的效率，相对于叶片入口的圆周速度U与涡轮入口温度及压力比将工作流体(气体)加速的最大流速、即理论速度C0的比、也就是理论速度比(＝U/C0)而表示。
径流式涡轮具有效率达到峰值的某一理论速度比U/C0。理论速度C0根据气体的状态变化、即气体的温度、压力变化而变化。
由于理论速度C0变化时，流入叶片的前翼的气体的流入角度变化，因而前缘与气体的流入角之间的角度差变大。
这样，前缘与气体流入角之间的角度差变大时，流入的气体在前缘剥离，因而冲撞损失变大，发生倾角损失。
另一方面，在斜流式涡轮中，如图13所示，叶片101构成为，从沿着轮毂103的外周面的截面105看，弯曲线(叶片厚的中心线)107一般呈向旋转方向109侧凸出弯曲的形状。
因此，使前缘102的叶片角α为沿着流入的气体的形状，即可以使叶片角α与相对流动角β一致，因而例如可以形成以低理论速度比(低U/C0)降低倾角损失的叶片角α。
这样，如果可以提高低U/C0的效率，则可以抑制斜流式涡轮的外形，在响应性方面具有效果。
专利文献1日本特开2002-364302号公报
但是，斜流式涡轮等中的气体流场，基本上由自由漩涡形成。因此，例如，绝对圆周方向流速Cu如图3所示相对于半径位置成反比例关系。另一方面，叶片101的圆周速度U处于与半径位置成正比例的关系，因而在气流与叶片101之间产生相对圆周方向流速Wu。
对应于半径位置来描绘该相对圆周方向流速Wu，如图4所示成为向下侧凸出(向反旋转方向凸出)弯曲的曲线。换言之，随着径向位置变小，朝向旋转方向的变化率增大，即具有朝旋转方向的变化率。
图5示意地表示此时的相对流速变化的轨迹。相对流速W是沿图4变化的相对圆周方向流速Wu与大致一定的相对径向流速Wr合成的流速，其大小的变化具有与图4所示的相对圆周方向流速Wu类似的倾向。
相对流速W与相对圆周方向流速Wu所成的角度，为其半径位置上的相对流动角β。
即使令前缘的叶片角α与相对流动角β一致(即，使前缘与相对流速W的轨迹一致)，与相对流速W向反旋转方向凸出弯曲相对，叶片101的弯曲线107向旋转方向凸出弯曲(换言之，叶片角α随着径向位置变小其朝向旋转方向的变化率变小，即具有朝反旋转方向的变化率)，因而随着从前缘朝向下游、两者的间隔急剧扩大。由于这两者的间隔、即施加在叶片上的载荷Fc急剧扩大，因此，因该载荷而从压力面侧向载荷面侧发生漏流，发生倾角损失。
并且，随着理论速度C0的变化、气体的流入角变化时，流入的气体在前缘剥离，因而冲撞损失增大，发生倾角损失。
发明内容
本发明鉴于上述问题点，目的在于提供一种斜流式涡轮或者径流式涡轮，可以抑制施加在叶片前缘部的载荷的急剧增加，并可以降低倾角损失。
为了解决上述问题，本发明采用如下方案。
即，本发明提供一种斜流式涡轮或径流式涡轮，具有：轮毂；多个叶片，大致等间隔地设置在该轮毂的外周面上，并且观察从前缘侧至后缘侧的整体时，叶片截面的弯曲线向旋转方向侧凸出弯曲，其中，在上述叶片的前缘部设有拐折部，该拐折部以沿着上述外周面的截面上的弯曲线向上述旋转方向侧凹入弯曲的方式拐折。
这样，由于在叶片的前缘部设有以沿着轮毂外周面的截面上的弯曲线向旋转方向侧凹入弯曲的方式拐折的拐折部，因而在拐折部，叶片角随着径向位置变小、其向旋转方向的变化率增大，即具有朝旋转方向的变化率。
因此，在前缘的叶片角与相对流动角一致(即，使前缘与相对流速的轨迹一致)的情况下，拐折部上的叶片角以大致沿着相对流速变化的方式变化，因而可以减小叶片表面与相对流速之间的间隔，可以抑制急剧的增加。
因此，可以在前缘部防止施加在叶片上的载荷的急剧扩大，因而可以抑制因该载荷而从压力面侧至载荷面侧发生漏流，可以降低倾角损失。
在上述发明中，优选的是，在将上述叶片投影到圆筒面上时的前缘部上，设有以弯曲线向上述旋转方向侧凹入弯曲的方式拐折的拐折部。
在上述发明中，优选的是，至少在上述拐折部的上述旋转方向的上游侧外表面和/或下游侧外表面，设有叶片厚度从上述前缘平滑地渐增的增厚部。
这样，由于至少在拐折部的旋转方向的上游侧外表面和/或下游侧外表面，设有叶片厚度从上述前缘平滑地渐增的增厚部，因而在前缘的上游侧和下游侧的端部上的切线所形成的切线角度增大。
上述前缘的切线角度增大时，即使在平滑地渐增也使工作流体的流入角度与弯曲线的角度较大不同的情况下，由于使工作流体沿着外表面移动，因而可以防止工作流体在前缘剥离。因此，可以抑制冲撞损失，可以降低倾角损失。
因此，可以相对宽范围的理论速度比(U/C0)降低倾角损失。
增厚部在渐增之后渐减，可以防止工作流体平滑地流动且渐增后剥离，因而是优选的。
而且，在上述本发明中，上述拐折部优选构成为，随着从上述轮毂侧向外径侧，上述弯曲线的曲率变小。
相对流速W，随着径向位置变小，其向旋转方向的变化率变大，即具有朝旋转方向的变化率，因而其径向位置越小、即越靠近轮毂侧，相对流速W就越大。
根据本发明，由于拐折部构成为使弯曲线的曲率随着从轮毂侧向外径侧而变小，因而在载荷较大的轮毂侧，可以降低施加在叶片表面的载荷，另一方面，载荷的降低率朝向载荷较小的外径侧渐减。
因此，由于可以将叶片高度方向上的载荷大致均匀化，因而可以抑制载荷的不均衡所导致的倾角损失的增加。
由此，可以降低叶片高度方向的整个区域上的倾角损失。
根据本发明，由于在叶片的前缘部设有以沿着轮毂外周面的截面上的弯曲线向旋转方向侧凹入弯曲的方式拐折的拐折部，因而可以防止在前缘部施加在叶片上的载荷急剧扩大。
可以抑制因该载荷而从压力面侧至载荷面侧发生漏流，可以降低倾角损失。
附图说明
图1表示本发明的第一实施方式的斜流式涡轮的叶片部分，(a)是表示子午线截面的剖视图，(b)是沿着轮毂的外周面切断的部分剖视图。
图2是将本发明第一实施方式的轮毂的外周面投影到圆筒面上而展开的部分投影图。
图3是表示斜流式涡轮等的流场的状态的曲线图。
图4是表示图3的相对方向流速的变化的曲线图。
图5是表示图3的状态下的相对流速W变化的轨迹的示意图。
图6是表示相对流速和施加在叶片上的载荷的状态的曲线图。
图7是表示相对流动角与叶片角的关系的曲线图。
图8表示本发明的第一实施方式的另一实施方式的径流式涡轮的叶片部分，(a)是表示子午面剖面的部分剖视图，(b)是沿着轮毂的外周面切断叶片的部分剖视图。
图9是将本发明的第二实施方式的实施方式的斜流式涡轮的叶片以沿着轮毂的外周面的截面切断的部分剖视图。
图10是表示本发明的第三实施方式的斜流式涡轮的叶片高度方向上的拐折部的曲率半径的变化的曲线图。
图11表示本发明的第三实施方式的斜流式涡轮的叶片部分，(a)是表示子午面截面的剖视图，(b)～(d)是将叶片沿着轮毂的外周面切断的部分剖视图，(b)表示高度位置为0.2H时的情况，(c)表示高度位置为0.5H时的情况，(d)表示高度位置为0.8H时的情况。
图12是表示本发明的第三实施方式的斜流式涡轮的相对流动角和叶片角的关系的曲线图。
图13表示以往的斜流式涡轮的叶片部分，(a)是表示子午面截面的部分剖视图，(b)是沿着轮毂的外周面切断叶片的部分剖视图。
标号说明
1  斜流式涡轮
2  径流式涡轮
3  轮毂
5  外周面
7  叶片
9  前缘
11 后缘
17 旋转方向
19 压力面
21 负压面
23 弯曲线
25 负压面增厚部
27 压力面增厚部
K  拐折部
具体实施方式
以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。
(第一实施方式)
以下利用图1～图7说明本发明的第一实施方式的斜流式涡轮1。该斜流式涡轮1，用于汽车的柴油发动机用的增压器(涡轮增压器)。
图1表示本实施方式的斜流式涡轮1的叶片部分，(a)是表示子午面截面的部分剖视图，(b)是将叶片沿着轮毂的外周面切断的部分剖视图。图2是将轮毂的外周面投影在圆筒面上而展开的部分投影图。
在斜流式涡轮1中，设有轮毂3、在轮毂3的外周面5沿其周向大致等间隔地设置的多个叶片7、和未图示的壳体。
轮毂3构成为，通过轴与未图示的涡轮式压缩机连接，由其旋转驱动力使涡轮式压缩机旋转而压缩空气并向柴油发动机供给。
轮毂3的外周面5构成如下的形状，即，使一端侧的大径部2与另一端侧的小径部4通过朝向轴线中心凹陷的弯曲面平滑地连接。
叶片7为板状部件，以面部沿轴线方向延伸的方式竖立设置在轮毂3的外周面5。
轮毂3和叶片7通过铸造或者切削一体形成。另外，轮毂3和叶片7也可以分体形成并通过焊接等牢固地固定。
向叶片7的旋转区域，从大径部2侧的外周相对地沿大致半径方向导入作为工作流体的燃烧排气。
叶片7具有：位于燃烧排气的流动方向上游侧的前缘9、位于下游侧的后缘11、位于半径方向外侧的外侧端缘13、位于半径方向内侧并与轮毂3连接的内侧端缘15、作为旋转方向17上游侧的表面的压力面(上游侧外表面)19、和作为旋转方向17的下游侧的表面的负压面(下游侧外表面)21。
前缘9和外侧端缘13的交点C，位于轮毂3和前缘9的交点B的半径方向外侧。
从沿着外周面5的截面D观察时，叶片7具有：以拐折点A为边界、作为叶片厚度的中心线的弯曲线23向旋转方向17凸出弯曲(曲率半径R2的中心位于压力面19侧)的主体部T、和向旋转方向17凹入弯曲(曲率半径R1的中心位于负压面21侧)的拐折部K。
即，例如图2所示，从半径方向观察叶片7的内侧端缘15(沿外周面5的截面D)时，呈伸长的S字状。
由于截面D沿着外周面5，因而沿着燃烧排气的流动方向，而且半径方向的高度还逐渐降低。
因此，拐折部K，随着半径方向位置减小，其朝旋转方向的变化率变大，即具有朝旋转方向的变化率。
曲率中心R1、R2也可以分别存在多个。
对上面已说明的本实施方式的斜流式涡轮1的动作进行说明。
燃烧排气从前缘9的外周侧沿大致半径方向导入，通过叶片7之间并经由后缘11而排出。此时的燃烧排气，推压叶片7的压力面，使叶片7向旋转方向17移动。
由此，与叶片7一体的轮毂3朝旋转方向17旋转。轮毂3的旋转力使涡轮式压缩机旋转。涡轮式压缩机压缩空气，并将压缩空气向柴油发动机供给。
此时，燃烧排气基本上由自由漩涡形成。因此，例如，绝对圆周方向流速Cu相对半径方向位置(距轴线中心的距离)H0的Cu/H0为一定，即成反比例的关系。
另一方面，叶片7的圆周速度U与半径方向位置H0成正比例关系。因此，在燃烧排气流与叶片7之间产生相对圆周方向流速Wu。
与半径位置对应地描绘该相对圆周方向流速Wu，得到如图4所示的向下侧凸出(向反旋转方向凸出)而弯曲的曲线。换言之，随着半径方向位置H0变小，朝旋转方向17的变化率增大，即具有朝旋转方向17的变化率。
图5示意地表示此时的相对流速W变化的轨迹。相对流速W，由沿图4变化的相对圆周方向流速Wu和大致一定的相对径向流速Wr合成，其大小的变化具有与图4所示的相对圆周方向流速Wu类似的倾向，即随着半径方向位置H0变小，朝旋转方向17的变化率增大的倾向(参照图6)。
相对流速W与相对圆周方向流速Wu所成的角度为其半径位置上的相对流动角β。
图6表示相对流速W与施加在叶片7上的载荷的状态。图7表示相对流动角β和叶片角α的关系。
在本实施方式中，由于前缘9上的叶片角α与该前缘9的半径方向位置H0上的相对流动角β一致，因而在其半径方向位置H0上，前缘9在图6中与相对流速W一致，在图7中与相对流动角β一致。
在本实施方式中，由于在叶片7的前缘9侧具有拐折部K，该拐折部K随着半径方向位置H0变小、朝旋转方向17的变化率变大，因而从前缘9至拐折部K之间，形成随着半径方向位置H0变小、朝旋转方向17的变化率变大的大致沿相对流速W的轨迹的形状变化。
图6上相对流速W的轨迹与叶片7之间的间隔，为施加在叶片7上的载荷Fr。该载荷Fr，与以往的叶片101那样不具有拐折部K时的载荷Fc相比格外降低。
这样，由于设有随着半径方向位置H0变小、朝旋转方向17的变化率变大的拐折部K，因而可以缩小相对流速W的轨迹与叶片7之间的间隔，可以抑制载荷Fr急剧的增加。
因此，在前缘9部分可以防止施加在叶片7上的载荷Fr急剧扩大，因而可以抑制因载荷Fr而从压力面19侧至负压面21侧发生漏流，可以降低倾角损失。
此时，将拐折部K的曲率半径R1设定成沿着相对流速W的轨迹的话，可以进一步降低倾角损失。
拐折部K的叶片角α随着半径方向位置H0减小而增大。另一方面，相对流动角β也随着半径方向位置H0减小而增大(参照图7)。
因此，与以往的叶片101在前缘部其叶片角α随着半径方向位置H0的缩小而减小相比，叶片7的叶片角α以沿着相对流动角β的轨迹的方式变化。
由于在半径方向位置H0上的相对流动角β和叶片角α之差成为载荷Fr，因而该载荷Fr与以往的叶片101那样不具有拐折部K时的载荷Fc相比格外降低。
这样，由相对流动角β和叶片角α之间的关系也可以说明具有上述的效果。
在本实施方式中，说明了将本发明适用于斜流式涡轮1，但是如图8所示还可以适用于径流式涡轮2。
(第二实施方式)
接着使用图9说明本发明的第二实施方式。
图9是以沿着轮毂3的外周面的截面D切断斜流式涡轮1的叶片7的部分剖视图。
本实施方式中的斜流式涡轮1，其叶片7的前缘9部分的构成与上述第一实施方式不同。其他构成要素与上述第一实施方式相同，因而在此对这些构成要素省略重复的说明。
另外，对于与上述第一实施方式相同的部件标以相同的标号。
在本实施方式中，在前缘9部分的负压面21侧具有负压面增厚部25，在压力面19侧具有压力面增厚部27。即，前缘9部分的叶片厚度增加。
在图9中，负压面增厚部25以及压力面增厚部27，表示相对第一实施方式的叶片7叶片厚度增加的部分，而不是表示与叶片7分体。
负压面增厚部25以及压力面增厚部27构成为分别从前缘9向下游侧平滑地渐增，接着平滑地渐减。
前缘9上的负压面21侧端部上的切线29与压力面19侧端部的切线31交叉。该交叉部分上的角度称为切线角度θ。
该切线角度θ，由于负压面增厚部25以及压力面增厚部27平滑地渐增，因而形成为大角度。
例如，燃烧排气根据汽车的运转状态，其温度、压力变化。燃烧排气的温度、压力变化时，理论速度比U/C0变化，因而流入前缘9的燃烧排气的相对流动角β变化。
例如，温度压力较高、理论速度比U/C0较低的低U/C0的气流33，从旋转方向17的上游侧流入，另一方面，温度压力较低、理论速度比U/C0较高的高U/C0的气流35具有从旋转方向17的下游侧流入的倾向。
在相对流动角β与图9所示的弯曲线23的前缘9处的叶片角α较大不同的低U/C0的气流33流入的情况下，在现有的结构中有在前缘9的负压面21侧端部剥离的可能。
在本实施方式中，负压面增厚部29的外表面具有比该相对流动角β大的角度，因而可以使该燃烧排气沿着负压面增厚部29的外表面向流动方向下游侧移动。
负压面增厚部29，其叶片厚度平滑地渐增，接着平滑地渐减，因而燃烧排气不会剥离。因此，可以抑制燃烧排气冲撞而产生冲撞损失，因而可以降低倾角损失。
另一方面，相对流动角β与图9所示的弯曲线23的前缘9处的叶片角α较大不同的高U/C0的气流35流入的情况下，在现有技术的结构中，在前缘9的压力面19侧端部可能发生剥离。
在本实施方式中，由于压力面增厚部31的外表面具有比该相对流动角β大的角度，因而可以使该燃烧排气沿着负压面增厚部29的外表面向流动方向下游侧移动。
而且，压力面增厚部31，由于其叶片厚度平滑地渐增接着平滑地渐减，因而燃烧排气不会剥离。因此，可以抑制燃烧排气冲撞而发生冲撞损失，因而可以降低倾角损失。
这样，由于设有负压面增厚部29和压力面增厚部31，因而即使是相对流动角β与弯曲线23在前缘9处的叶片角α较大不同的燃烧排气，也可以抑制冲撞损失，因而可以相对于宽范围的理论速度比(U/C0)降低倾角损失。
另外，由于负压面增厚部29和压力面增厚部31覆盖燃烧排气的状态变化的范围即可，因而在该变动范围狭小的情况下，既可以具有任意一方，也可以减小切线角度θ的大小。
在本实施方式中，对于将本发明适用于斜流式涡轮1进行了说明，但是也可以适用于径流式涡轮。
(第三实施方式)
接着，使用图10～图12说明本发明的第三实施方式。
图10是表示叶片7的高度方向上的拐折部K的曲率半径R1的变化的曲线图。图11表示本实施方式的斜流式涡轮1的叶片部分，(a)是表示子午面截面的部分剖视图，(b)～(d)是将叶片7沿着轮毂3的外周面切断的部分剖视图，(b)表示高度位置为0.2H时的情况，(c)表示高度位置为0.5H时的情况，(d)表示高度位置为0.8H时的情况。图12表示相对流动角β和叶片角α的关系。
本实施方式的斜流式涡轮1，其叶片7的前缘9部分的构成与上述第一实施方式结构不同。由于其他构成要素与第一实施方式的结构相同，因而在此对这些构成要素省略重复的说明。
对与上述第一实施方式相同的部件标以相同的标号。
在本实施方式中，拐折部K上的弯曲线23的曲率半径R1，如图10所示，沿叶片7的高度方向随着从轮毂3侧向外侧端缘13侧(外径侧)而变大，即曲率变小。
在叶片9上，其叶片角α与其半径方向位置上的相对流动角度β一致。
叶片7的叶片角α沿着相对流动角β的轨迹变化。
由于半径方向位置H0处的相对流动角β和叶片角α之差成为载荷Fr，因而该载荷Fr与以往的叶片101那样不具有拐折部K时的载荷Fc相比格外降低。
拐折部K的叶片角α随着半径方向位置H0变小而增大。该增大的比例为曲率半径越小(曲率越大)则越增大。曲率半径小(曲率大)时的叶片角α的变化与曲率半径大(曲率小)时的叶片角α的变化相比，更接近相对流动角β的轨迹。
即，轮毂3侧的拐折部K比外侧端缘13侧的拐折部K更大接近相对流动角β的轨迹。
该变化如图10所示，从轮毂3侧朝向外侧端缘13逐渐平滑地变化。
另一方面，相对流速W，随着半径方向位置变小、其朝旋转方向的变化率增大，即，由于相对流动角β增大，半径方向位置越小、即越靠近轮毂3侧相对流动角β越变大。
因此，在相对流动角β较大的轮毂3侧，叶片角α的变化更大接近相对流动角β的轨迹，因而在载荷较大的轮毂3侧可以较大地降低施加在叶片表面上的载荷，另一方面，朝向载荷逐渐降低的外侧端缘13侧，载荷的降低率渐减。
因此，由于可以使叶片7的高度方向上的载荷Fr大致均匀，因而可以抑制载荷Fr的不均衡所导致的倾角损失增加。
由此，可以降低叶片在高度方向整个区域上的倾角损失。
在本实施方式中，对于将本发明适用于斜流式涡轮1的情况进行了说明，但是也可以适用于径流式涡轮。
而且，也可以同时具有本实施方式的构成和第二实施方式的构成。

Claims (4)

1.一种斜流式涡轮或径流式涡轮，具有：
轮毂；和
多个叶片，大致等间隔地设置在该轮毂的外周面上，并且观察从前缘侧至后缘侧的整体时，叶片截面的弯曲线向旋转方向侧凸出弯曲，
其中，在上述叶片的前缘部设有拐折部，该拐折部以沿着上述外周面的截面上的弯曲线向上述旋转方向侧凹入弯曲的方式拐折。
2.如权利要求1所述的斜流式涡轮或径流式涡轮，其中，在将上述叶片投影到圆筒面上时的前缘部上，设有以弯曲线向上述旋转方向侧凹入弯曲的方式拐折的拐折部。
3.一种斜流式涡轮或径流式涡轮，其中，至少在上述拐折部的上述旋转方向的上游侧外表面和/或下游侧外表面，设有叶片厚度从上述前缘平滑地渐增的增厚部。
4.如权利要求1～3中任意一项所述的斜流式涡轮或径流式涡轮，其中，上述拐折部构成为，随着从上述轮毂侧向外径侧，上述弯曲线的曲率变小。
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