JP2008133765A - タービンインペラ - Google Patents

Abstract

【課題】タービン容量が小さくなることを抑制しつつ損失成分を減少させることでラジアルタービンの性能向上を図る。
【解決手段】主軸に直角な半径方向から流入する流体を主軸方向に吐出するラジアルタービンに搭載されるタービンインペラであって、前記主軸周りに複数設置されるタービン翼を備え、該タービン翼の流体出口後縁部の羽根角のうち、ミーン部の羽根角β_ＭＥＡＮが、チップ部の羽根角β_ＴＩＰ、前記主軸から前記ミーン部までの距離Ｒ_ＭＥＡＮ、及び、前記主軸からチップ部までの距離Ｒ_ＴＩＰに基づく下式（１）に基づく角度に設定されていることを特徴とするタービンインペラ。
β_ＭＥＡＮ＞ｔａｎ^−１｛ｔａｎβ_ＴＩＰ・Ｒ_ＭＥＡＮ／Ｒ_ＴＩＰ｝……（１）
【選択図】図４

Description

本発明は、主軸に直角な半径方向から流入する流体を主軸方向に吐出するラジアルタービンに搭載されるタービンインペラに関するものである。

従来から、タービンの性能向上等を目的として、タービンインペラが備える複数のタービン翼のキャンバー面を三次元化する場合がある。
例えば、特許文献１には、軸流タービンのタービン翼のキャンバー面を三次元化することによってタービンの性能向上を図る技術が記載されている。
特開平６−２７２５０４号公報

ところで、主軸に直角な半径方向から流入する流体を主軸方向に吐出するラジアルタービンのなかには、タービン翼の羽根角（主軸に対するキャンバー面の角度）がラジアル要素に基づく角度に設定されているものがある。なお、ラジアル要素とは、タービン翼を主軸に対して直交する面で切断した場合に、タービン翼の高さ方向の所定箇所とチップ部との位置関係が、主軸を通る直線上に位置する条件を満たすことを示す。
このようなラジアル要素に基づいて羽根角が設定されるタービン翼においては、ある一箇所（例えばチップ部）の羽根角が決定されれば、チップ部からハブ部に渡る全ての箇所の羽根角すなわちキャンバー面形状が主軸からの距離に応じて一義的に決定される。
しかしながら、ラジアルタービンのタービンインペラにおけるタービン翼の羽根角をラジアル要素に基づいて設定する最大の理由は製造性を向上させるためであり、タービンの性能向上を図るためではない。タービン翼の羽根角をラジアル要素に基づいて設定した場合には、タービンインペラから吐出される流体の絶対流れに旋回速度が生じ、損失成分が生じることとなる。
そこで、ラジアルタービンの性能向上を図ることが可能なタービン翼の形状が求められている。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ラジアルタービンの性能向上を図れるタービン翼形状を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、主軸に直角な半径方向から流入する流体を主軸方向に吐出するラジアルタービンに搭載されるタービンインペラであって、前記主軸周りに複数設置されるタービン翼を備え、該タービン翼の流体出口後縁部の羽根角のうち、ミーン部の羽根角β_ＭＥＡＮが、チップ部の羽根角β_ＴＩＰ、前記主軸から前記ミーン部までの距離Ｒ_ＭＥＡＮ、及び、前記主軸からチップ部までの距離Ｒ_ＴＩＰに基づく下式（１）に基づく角度に設定されていることを特徴とする。
β_ＭＥＡＮ＞ｔａｎ^−１｛ｔａｎβ_ＴＩＰ・Ｒ_ＭＥＡＮ／Ｒ_ＴＩＰ｝……（１）

式（１）は、ミーン部の羽根角β_ＭＥＡＮが、所定の角度に設定されたチップ部の羽根角β_ＴＩＰからラジアル要素に基づいた場合の角度よりも大きな角度に設定されることを示している。つまり、上述のような特徴を有する本発明によれば、タービン翼の流体出口後縁部のミーン部の羽根角が、チップ部からラジアル要素に基づいた場合の角度よりも大きな角度に設定されている。

また、本発明においては、ミーン部の羽根角β_ＭＥＡＮが、下式（２）に基づく角度に設定されているという構成を採用する。
β_ＭＥＡＮ≧ｔａｎ^−１｛ｔａｎβ_ＴＩＰ・Ｒ_ＭＥＡＮ／Ｒ_ＴＩＰ｝＋５°……（２）

また、本発明においては、ハブ部の羽根角β_ＨＵＢが、下式（３）に基づく角度に設定されているという構成を採用する。
β_ＨＵＢ＝ｔａｎ^−１｛ｔａｎβ_ＴＩＰ・Ｒ_ＨＵＢ／Ｒ_ＴＩＰ｝……（３）

本発明によれば、タービン翼の流体出口後縁部のミーン部の羽根角が、チップ部からラジアル要素に基づいた場合の角度よりも大きな角度に設定されている。
タービン翼のチップ部近傍ではミーン部近傍と比較して相対的に流体の流量が多いが、周速度が速いために流体の流れが羽根面から剥離し、羽根角に沿って流れる量が少ない（流れの方向性が弱い）。また、タービン翼のミーン部近傍ではチップ部近傍と比較して相対的に流量が少ないが、周速度が遅いために剥離は生じず羽根面に沿って流れる量が多い（流れの方向性が強い）。また、羽根角を大きく設定すれば、相対流れ角が大きくなるもののスロート面積が減少し、タービン容量が低減する。
そこで、本発明のように、流量が少なく流れの方向性が強いミーン部の羽根角を、チップ部からラジアル要素に基づいた場合の角度よりも大きな角度に設定することによって、スロート面積の減少を抑制しつつ、相対流れ角を大きくすることができる。すなわち、タービン容量の低減を抑制しつつ、絶対流れの旋回速度を小さくして損失成分を小さくすることができる。
したがって、本発明によれば、タービン容量が小さくなることを抑制しつつ損失成分を減少させることができるため、ラジアルタービンの性能向上を図ることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係るタービンインペラの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態のタービンインペラ１の斜視図である。
タービンインペラ１は、ラジアルタービンに設置され、半径方向から流入する流体を主軸Ｌ方向に吐出するものである。このタービンインペラ１は、例えば鋳物として形成されており、主軸Ｌ周りにタービン翼２が複数設置されている。

図２は、タービンインペラ１の要部側面図である。また、図３はタービンインペラ１の要部側面を模式的に示した図である。
タービン翼２は、タービンインペラ１の半径方向をタービン翼２の高さ方向とした場合に、タービン翼２の高さ方向における主軸Ｌ側の端部がハブ部２１、高さ方向における主軸Ｌと反対側の端部がチップ部２２、ハブ部２１からチップ部２２までの距離の中央に位置する箇所がミーン部２３とされている。
そして、ハブ部２１からチップ部２２に亘って形成されるキャンバー面２４においてタービンインペラ１の周方向から流れてきた流体を受けることによって、タービンインペラ１が主軸Ｌ周りに回転される。また、キャンバー面２４において受けた流体は、一方のタービン翼２，２間を通過し、タービン翼２の流体出口後縁部２５側から吐出される。
なお、本実施形態のタービンインペラ１において、タービン翼２，２間の最小開口部位（一方のタービン翼２の流体出口後縁部２５と他方のタービン翼２の略中央部２６との間）がスロート２７とされている。このスロート２７の面積が広いほどより多量の流体を通過させることができ、タービンインペラ１が搭載されるラジアルタービンの容量が大きくなる。

そして、本実施形態のタービンインペラ１においては、タービン翼２の流体出口後縁部２５におけるミーン部２３の羽根角が、上式（２）に基づいて設定されている。式（２）は、ミーン部２３の羽根角β_ＭＥＡＮが、所定の角度に設定されたチップ部２２の羽根角β_ＴＩＰからラジアル要素に基づいた場合の角度に対して５°以上大きな角度設定されていることを示している。
また、本実施形態のタービンインペラ１においては、タービン翼２の流体出口後縁部２５におけるハブ部２１の羽根角が、上式（３）に基づいて設定されている。式（３）は、ハブ部２１の羽根角β_ＨＵＢが、所定の角度に設定されたチップ部２２の羽根角β_ＴＩＰからラジアル要素に基づいた場合の角度に設定されていることを示している。

つまり、本実施形態のタービンインペラ１においては、図４に示すように、タービン翼２の流体出口後縁部２５のミーン部２３の羽根角が、チップ部２２からラジアル要素に基づいた場合の角度に対して５°以上大きな角度に設定されている。また、本実施形態のタービンインペラ１によれば、タービン翼２の流体出口後縁部２５のハブ部２１の羽根角が、チップ部２２からラジアル要素に基づいた場合の角度に設定されている。
なお、図４において、横軸がタービン翼の位置を示し、縦軸が羽根角を示している。また、羽根角とは、主軸Ｌに対するキャンバー面２４の角度である。また、ラジアル要素に基づいて設定される角度とは、タービン翼２を主軸Ｌに対して直交する面で切断した場合に、タービン翼２の高さ方向の所定箇所とチップ部２２との位置関係が、主軸Ｌを通る直線上に位置する条件を満たすように設定された角度のことを示す。つまり、本実施形態のタービンインペラ１においては、タービン翼２を主軸Ｌに対して直交する面で切断した場合に、チップ部２２とハブ部２１とを結ぶ直線が主軸Ｌを通る。

従来のラジアルタービンに設置されるタービンインペラでは、タービン翼の流体出口後縁部の羽根角がチップ部からハブ部に亘って全て上記ラジアル要素に基づいて設定されている。このような従来のタービンインペラでは、ハブ部側からチップ部側に向かうにつれて羽根角が徐々に大きくなっていく。
なお、タービンインペラにおいて、タービン翼のチップ部近傍では、タービン翼間が相対的に広いことから流体の流量が多いが、周速度が速いために流体の流れが羽根面から剥離し、羽根角に沿って流れる量が少ない（流れの方向性が弱い）。また、ミーン部近傍では、タービン翼間が相対的に狭いことから流体の流量は少ないが、周速度が遅いために剥離は生じず羽根面に沿って流れる量が多い（流れの方向性が強い）。また、ハブ部近傍においては、タービン翼間が極めて狭いため、相対的に極めて少量の流体のみが流れる。

このような従来のタービンインペラにおけるミーン部から吐出される流体は、図５の速度三角形に示すように、主軸Ｌに対する相対流れ速度ｗ１１の角度βが十分に大きくない。このため、タービンインペラの周速度ｕ１１により、流体の絶対流れ速度ｖ１１に主軸方向流れ速度ｖ１２及び旋回速度ｖ１３が含まれることとなる。この旋回速度ｖ１３は、損失成分となるため、ラジアルタービンの効率が低下することとなる。
このような旋回速度ｖ１３は、上述のように主軸に対する相対流れ速度ｗ１１の角度が十分に大きくないことにその発生原因がある。相対流れ速度ｗ１１は、タービン翼のキャンバー面に沿う方向である。このため、タービン翼の流体出口後縁部全体の羽根角をラジアル要素に基づく角度よりも均一に大きく設定し、相対流れ速度を主軸と直交する面に対して大きくすることによって、主軸に対する相対流れ速度ｗ１１の角度を大きくし旋回速度ｖ１３の発生を抑制することができる。しかしながら、このような場合には、タービン翼同士が接近することとなり、スロート２７の面積が減少する。このため、タービンインペラが搭載されるラジアルタービンの容量が小さくなってしまう。

これに対し、本実施形態のタービンインペラ１においては、タービン翼２の流体出口後縁部２５のミーン部２３の羽根角のみが、チップ部２２からラジアル要素に基づいた場合の角度よりも大きな角度に設定されている。
すなわち、本実施形態のタービンインペラ１においては、流体の流量が相対的に多くかつ流れの方向性が相対的に弱いチップ部２２と、流体の流量が極めて少量のハブ部２１の羽根角がラジアル要素に基づく角度に設定されている。一方、流体の流量がチップ部２２と比較して少なくかつ流れの方向性がチップ部２２近傍と比較して強いミーン部２３の羽根角がラジアル要素に基づく角度よりも大きく設定されている。

このような本実施形態のタービンインペラ１によれば、流量が少なく流れの方向性が強いミーン部２３の羽根角を、チップ部２２からラジアル要素に基づいた場合の角度よりも大きな角度に設定することによって、スロート２７の面積の減少を抑制しつつ、相対流れ角を大きくすることができる。すなわち、タービン容量の低減を抑制しつつ、絶対流れの旋回速度を小さくして損失成分を小さくすることができる。
したがって、本実施形態のタービンインペラ１によれば、タービン容量が小さくなることを抑制しつつ損失成分を減少させることができるため、ラジアルタービンの性能向上を図ることができる。

図６は、ミーン部２３の羽根角を、チップ部２２からラジアル要素に基づく角度βよりも５°大きく設定した場合の速度三角形である。
この図に示すように、ミーン部２３の羽根角を、チップ部２２からラジアル要素に基づく角度βよりも５°大きく設定した場合には、図５と比較することから分かるように、ミーン部の羽根角を、チップ部２２からラジアル要素に基づく角度に設定した場合と比較して絶対流れ速度の旋回速度が小さくなっている。具体的には、ミーン部２３の羽根角を、チップ部２２からラジアル要素に基づく角度βよりも５°大きく設定した場合には、従来と比較して、絶対流れ速度の旋回速度を８０％程度とすることができる。

また、図７は、ミーン部２３の羽根角を、チップ部２２からラジアル要素に基づく角度βよりも１０°大きく設定した場合の速度三角形である。
この図に示すように、ミーン部２３の羽根角を、チップ部２２からラジアル要素に基づく角度βよりも１０°大きく設定した場合には、図５と比較することから分かるように、ミーン部の羽根角を、チップ部２２からラジアル要素に基づく角度に設定した場合と比較して絶対流れ速度の旋回速度がさらに小さくなっている。具体的には、ミーン部２３の羽根角を、チップ部２２からラジアル要素に基づく角度βよりも１０°大きく設定した場合には、従来と比較して、絶対流れ速度の旋回速度を５８％程度とすることができる。

図８は、ミーン部２３の羽根角をチップ部２２からラジアル要素に基づく角度βよりも５〜１５°大きく設定した場合における、ラジアルタービンのタービン効率の変化について示すグラフである。
なお、図８のグラフにおいて、横軸が、羽根角のラジアル要素に基づく角度からの増加分（羽根角増加分）を示し、縦軸が、従来のタービン効率を１とするタービン効率比を示している。
そして、図８から分かるように、羽根角のラジアル要素に基づく角度からの増加分が５°以上の場合には、タービン効率比が１．０１を越える性能向上を図ることが可能となる。すなわち、ミーン部２３の羽根角が、上式（２）に基づく角度に設定されていることによって、タービン効率比が１．０１を越える性能向上を図ることが可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明に係るタービンインペラの好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、タービン翼２の流体出口後縁部２５のハブ部２１の羽根角が、チップ部２２からラジアル要素に基づいた場合の角度に設定されている構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、図９に示すように、タービン翼２の流体出口後縁部２５のハブ部２１の羽根角が、チップ部２２からラジアル要素に基づいた場合の角度に対して５°以上大きな角度に設定されている構成を採用する場合もある。
すなわち、ハブ部２１の羽根角β_ＨＵＢを、下式（４）に基づく角度に設定しても良い。
β_ＨＵＢ＞ｔａｎ^−１｛ｔａｎβ_ＴＩＰ・Ｒ_ＨＵＢ／Ｒ_ＴＩＰ｝……（４）
なお、ハブ部２１の羽根角を式（３）、式（４）のいずれの式を用いて設定するかは、タービン翼の成形工程の容易度を考慮して決定すれば良い。

また、上記実施形態においては、主軸Ｌからチップ部２２までの距離の半分に位置する部位であるミーン部２３の羽根角が最大角度とされている構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、主軸Ｌからチップ部２２までの距離の半分からずれた位置の羽根角が最大角度とされていても良い。

また、上記実施形態においては、流体の流れの全成分が主軸に直角な半径方向から流入するタービンインペラについて説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、流体の流れの一部が主軸に直角な半径方向から流入する、すなわち、流入する流体の流れに主軸に直角な半径方向成分が含まれるタービンインペラに適用することができ、例えば、斜流タービンのタービンインペラに適用することも可能である。

本発明の一実施形態におけるタービンインペラの斜視図である。 本発明の一実施形態におけるタービンインペラの要部側面図である。 本発明の一実施形態におけるタービンインペラの要部側面を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態におけるタービンインペラの所定箇所と羽根角との関係を示したグラフである。 従来のタービンインペラのミーン部における速度三角形を示す図である。 本発明の一実施形態におけるタービンインペラのミーン部における速度三角形を示す図である。 本発明の一実施形態におけるタービンインペラのミーン部における速度三角形を示す図である。 ミーン部の羽根角をラジアル要素に基づく角度よりも５〜１５°大きく設定した場合における、ラジアルタービンのタービン効率の変化について示すグラフである。 本発明の一実施形態におけるタービンインペラの変形例での所定箇所と羽根角との関係を示したグラフである。

符号の説明

１……タービンインペラ、２……タービン翼、２１……ハブ部、２２……チップ部、２３……ミーン部、２７……スロート、Ｌ……主軸

Claims (3)

1. 主軸に直角な半径方向から流入する流体を主軸方向に吐出するラジアルタービンに搭載されるタービンインペラであって、
   前記主軸周りに複数設置されるタービン翼を備え、該タービン翼の流体出口後縁部の羽根角のうち、
   ミーン部の羽根角β_ＭＥＡＮが、チップ部の羽根角β_ＴＩＰ、前記主軸から前記ミーン部までの距離Ｒ_ＭＥＡＮ、及び、前記主軸からチップ部までの距離Ｒ_ＴＩＰに基づく下式（１）に基づく角度に設定されていることを特徴とするタービンインペラ。
   β_ＭＥＡＮ＞ｔａｎ^−１｛ｔａｎβ_ＴＩＰ・Ｒ_ＭＥＡＮ／Ｒ_ＴＩＰ｝……（１）
2. ミーン部の羽根角β_ＭＥＡＮが、下式（２）に基づく角度に設定されていることを特徴とする請求項１記載のタービンインペラ。
   β_ＭＥＡＮ≧ｔａｎ^−１｛ｔａｎβ_ＴＩＰ・Ｒ_ＭＥＡＮ／Ｒ_ＴＩＰ｝＋５°……（２）
3. ハブ部の羽根角β_ＨＵＢが、下式（３）に基づく角度に設定されていることを特徴とする請求項１または２記載のタービンインペラ。
   β_ＨＵＢ＝ｔａｎ^−１｛ｔａｎβ_ＴＩＰ・Ｒ_ＨＵＢ／Ｒ_ＴＩＰ｝……（３）
   
   

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