JP2008133766A - Turbine impeller - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a turbine impeller mounted on a radial turbine that discharges fluid flowing in from a radial direction perpendicular to a main shaft in the main shaft direction.
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、例えば、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。
For example,
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では、タービン翼は、上記主軸に対して直交する面で切断した場合に、翼厚中心を結ぶ直線が上記主軸を通るように設計される場合がある。
このようにタービン翼を設計することによって、タービン翼の遠心応力に対する耐性が向上するため、例えば、ターボチャージャの排ガス側のタービンに適したタービンインペラを設計することができる。
By the way, in a radial turbine that discharges fluid flowing in from the radial direction perpendicular to the main shaft in the main shaft direction, when the turbine blades are cut along a plane orthogonal to the main shaft, a straight line connecting the blade thickness centers intersects the main shaft. May be designed to pass.
By designing the turbine blade in this way, the resistance against the centrifugal stress of the turbine blade is improved, so that, for example, a turbine impeller suitable for a turbine on the exhaust gas side of a turbocharger can be designed.
このようなタービンインペラにおいては、図8に示すように、流体の吐出方向を主軸方向に向けるために、タービン翼のトレーディングエッジ側が所定の羽根角(主軸に対するキャンバー面の角度)に設定されるようにキャンバー面が湾曲されている。そして、タービン翼のリーディングエッジは、キャンバー面の湾曲に倣って、チップ部からハブ部に向かうに連れてタービンインペラの回転方向と逆方向に変位されている。 In such a turbine impeller, as shown in FIG. 8, the trading edge side of the turbine blade is set to a predetermined blade angle (an angle of the camber surface with respect to the main shaft) in order to direct the fluid discharge direction to the main shaft direction. The camber surface is curved. The leading edge of the turbine blade is displaced in the direction opposite to the rotation direction of the turbine impeller as it goes from the tip portion to the hub portion, following the camber surface curvature.
しかしながら、タービン翼のリーディングエッジが、チップ部からハブ部に向かうに連れてタービンインペラの回転方向と逆方向に変位されている場合には、特にタービン翼の背側面(タービンインペラの回転方向を向く面)を打つように流体が流入した場合に、インシデンス損失によってリーディングエッジ近傍の流体の流速が低下し、タービン効率が低下することが分かった。 However, when the leading edge of the turbine blade is displaced in the direction opposite to the rotation direction of the turbine impeller as it goes from the tip portion toward the hub portion, the back side surface of the turbine blade (which faces the rotation direction of the turbine impeller) is particularly important. It was found that when the fluid flows so as to hit the surface, the flow velocity of the fluid near the leading edge decreases due to the incidence loss, and the turbine efficiency decreases.
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、主軸に対して直交する面で切断した場合に、翼厚中心を結ぶ直線が主軸を通るタービン翼を備えるタービンインペラにおいて、タービン翼のリーシングエッジ近傍における流体の流速低下を抑制し、タービン効率を向上させることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and in a turbine impeller including a turbine blade in which a straight line connecting the blade thickness centers passes through the main shaft when cut by a plane orthogonal to the main shaft, An object is to suppress a decrease in fluid flow velocity in the vicinity of the leasing edge and improve turbine efficiency.
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、前記主軸周りに複数設置されるタービン翼を備えるタービンインペラであって、前記タービン翼が、前記主軸に対して直交する面で切断した場合に、翼厚中心を結ぶ直線が前記主軸を通るとともに、リーディングエッジがチップ部からハブ部に向かうに連れて前記タービンインペラの回転方向に湾曲するように形状設計されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention is a turbine impeller that is mounted on a radial turbine that discharges fluid flowing in from a radial direction perpendicular to the main shaft in the main shaft direction, and includes a plurality of turbine blades installed around the main shaft. When the turbine blade is cut along a plane perpendicular to the main shaft, a straight line connecting the blade thickness centers passes through the main shaft, and the leading edge moves from the tip portion toward the hub portion. It is characterized by being designed to bend in the direction of rotation.
このような特徴を有する本発明によれば、リーディングエッジが、チップ部からハブ部に向かうに連れて上記タービンインペラの回転方向に湾曲されている。このような本発明によれば、従来のタービンインペラと比較して、リーディングエッジ近傍における流体の流速低下が抑制される。 According to the present invention having such characteristics, the leading edge is curved in the rotational direction of the turbine impeller as it goes from the tip portion toward the hub portion. According to the present invention, a decrease in the flow velocity of the fluid in the vicinity of the leading edge is suppressed as compared with the conventional turbine impeller.
また、本発明においては、前記リーディングエッジのハブ部の回転方向角度は、前記リーディングエッジのチップ部に対して15°以内とされているという構成を採用する。 In the present invention, a configuration is adopted in which the rotation direction angle of the hub portion of the leading edge is within 15 ° with respect to the tip portion of the leading edge.
本発明によれば、リーディングエッジが、チップ部からハブ部に向かうに連れて上記タービンインペラの回転方向に湾曲されている。このような本発明によれば、従来のタービンインペラと比較して、リーディングエッジ近傍における流体の流速低下が抑制される。
このため、本発明によれば、主軸に対して直交する面で切断した場合に、翼厚中心を結ぶ直線が主軸を通るタービン翼を備えるタービンインペラにおいて、タービン翼のリーディングエッジ近傍における流体の流速低下を抑制し、タービン効率を向上させることができる。
According to the present invention, the leading edge is curved in the rotational direction of the turbine impeller as it goes from the tip portion toward the hub portion. According to the present invention, a decrease in the flow velocity of the fluid in the vicinity of the leading edge is suppressed as compared with the conventional turbine impeller.
Therefore, according to the present invention, in a turbine impeller having turbine blades in which a straight line connecting the blade thickness centers passes through the main shaft when cut at a plane orthogonal to the main shaft, the flow velocity of the fluid in the vicinity of the leading edge of the turbine blade Reduction can be suppressed and turbine efficiency can be improved.
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。 Hereinafter, an embodiment of a turbine impeller according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the scale of each member is appropriately changed in order to make each member a recognizable size.
図1は、本実施形態のタービンインペラ1の側面図である。また、図2は、本実施形態のタービンインペラの要部斜視図である。
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、図1及び図2に示すように、主軸L周りにタービン翼2が複数設置されている。
FIG. 1 is a side view of a
The
タービン翼2は、主軸Lに対して直交する面で切断した場合に、翼厚中心を結ぶ直線が常に主軸Lを通るように形状設定されている。
また、タービン翼2は、回転されるタービンインペラ1から吐出される流体が主軸方向に向くように、トレーディングエッジ24側のキャンバー面25が主軸Lに対して所定の角度に設定されている。
このため、タービン翼2のトレーディングエッジ24側のキャンバー面25は、トレーディングエッジ24に向かうに連れて、図1に示すタービンインペラ1の回転方向と逆側に向けて湾曲された構成となっている。
なお、トレーディングエッジ24とは、タービン翼2における流体が流れ出る側の端部のことである。
The
Further, the
For this reason, the
The
また、タービン翼2の流体が流入する側の端部であるリーディングエッジ26において、タービン翼2の立ち上がり部分がハブ部21であり、該ハブ部21から離間した端部がチップ部22である。そして、リーディングエッジ26はチップ部22からハブ部21に向かうに連れてタービンインペラ1の回転方向に湾曲されている。
なお、リーディングエッジ26側のキャンバー面25は、リーディングエッジ26の湾曲に倣って湾曲されており、滑らかにトレーディングエッジ24側のキャンバー面25と連続されている。
すなわち、本実施形態のタービンインペラ1を半径方向(タービン翼2の高さ方向)から見た場合には、その形状が略S字となっており、キャンバー面25は連続面とされている。
なお、以下の説明において、タービン翼2のキャンバー面25のうち、タービンインペラ1の回転方向に向く面を背側面251と称し、タービンインペラ1の回転方向と反対方向に向く面を腹側面252と称する。
Further, at the leading
The
That is, when the
In the following description, of the
このように構成された本実施形態のタービンインペラ1においては、半径方向からタービン翼2のリーディングエッジ26を介して、タービン翼2,2間に流体が流入すると、流体の流量に応じて、タービン翼2の背側面251あるいは腹側面252が流体によって打たれる。
タービン翼2の背側面251あるいは腹側面252に打たれた流体は、キャンバー面25に沿って流れ、タービン翼2のトレーディングエッジ24側から吐出される。この際、タービンインペラ1に回転動力が付与され、タービンインペラ1が主軸Lを中心として回転される。
In the
The fluid struck on the
そして、本実施形態のタービンインペラ1では、タービン翼2のリーディングエッジ26がチップ部22からハブ部21に向かうに連れてタービンインペラ1の回転方向に湾曲されている。
このため、タービン翼2の背側面251を打つように流体が流入した場合に、インシデンス損失の発生を抑制し、リーディングエッジ26近傍の流体の流速が低下することを抑制することができる。
したがって、本実施形態のタービンインペラ1によれば、従来のタービンインペラと比較してタービン効率を向上することができる。
In the
For this reason, when the fluid flows so as to strike the
Therefore, according to the
なお、本実施形態において、上記タービン効率ηtとは、断熱効率であり、下式(1)によって定義されるものである。なお、式(1)において、T1はタービン入口温度、T2はタービン出口温度、πtは膨張比、κは比熱比である。 In the present embodiment, the turbine efficiency ηt is an adiabatic efficiency and is defined by the following equation (1). In Equation (1), T1 is the turbine inlet temperature, T2 is the turbine outlet temperature, πt is the expansion ratio, and κ is the specific heat ratio.
ηt=(1−(T2/T1))/(1−(1/πt)^((κ−1)/κ))…(1) ηt = (1− (T2 / T1)) / (1− (1 / πt) ^ ((κ−1) / κ)) (1)
以下、本実施形態のタービンインペラのシミュレーション結果について説明する。 Hereinafter, the simulation result of the turbine impeller of this embodiment will be described.
図3は、従来のタービンインペラにおいてタービン翼の背側面に流体が流入する場合(流体が背側面に打たれる場合)のリーディングエッジ100近傍の流体の流れを矢印にて示した図である。
なお、図3に示すように、従来のタービンインペラにおいては、リーディングエッジ100が、キャンバー面の湾曲に倣って、チップ部からハブ部に向かうに連れてタービンインペラの回転方向と逆方向に変位されている。
この図から分かるように、従来のタービンインペラにおいてタービン翼の背側面に流体が流入する場合には、リーディングエッジ100のC部において、流体の流れが停滞している部分が確認できる。
FIG. 3 is a diagram showing the flow of the fluid in the vicinity of the leading
As shown in FIG. 3, in the conventional turbine impeller, the leading
As can be seen from this figure, when the fluid flows into the back side surface of the turbine blade in the conventional turbine impeller, the portion where the fluid flow is stagnant can be confirmed in the portion C of the leading
一方、図4は、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の背側面251に流体が流入する場合のリーディングエッジ26近傍の流体の流れを矢印にて示した図である。なお、図4において、矢印の矢の方向は流れの方向を示し、長さは流速を示す。
なお、本実施形態のタービンインペラ1においては、上述のようにリーディングエッジ26がチップ部22からハブ部21に向かうに連れてタービンインペラ1の回転方向に湾曲されている。
この図から分かるように、本実施形態のタービンインペラにおいてタービン翼2の背側面251に流体が流入する場合には、リーディングエッジ26のD部において流体が停滞することが抑制されている。
On the other hand, FIG. 4 is a diagram showing the flow of fluid in the vicinity of the leading
In the
As can be seen from this figure, when the fluid flows into the
また、図5は、従来のタービンインペラにおいてタービン翼の背側面に流体が流入する場合におけるリーディングエッジ100近傍の流体の速度分布を等高線にて示した図である。
また、図6は、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の背側面251に流体が流入する場合におけるリーディングエッジ26近傍の流体の速度分布を等高線にて示した図である。
これらの図を比較することによって分かるように、従来のタービンインペラにおいてはリーディングエッジ100近傍において流体の速度が大きく低下されているのに対して、本実施形態のタービンインペラ1においては、リーディングエッジ26近傍における流体の速度低下を抑制できる。
FIG. 5 is a diagram showing the velocity distribution of the fluid in the vicinity of the leading
FIG. 6 is a diagram showing the fluid velocity distribution in the vicinity of the leading
As can be seen by comparing these figures, in the conventional turbine impeller, the fluid velocity is greatly reduced near the leading
また、図7は、タービンインペラに供給される流体の流量に対するタービン効率を示すグラフである。
なお、図7において、実線で示すグラフAが本実施形態のタービンインペラを備えるラジアルタービンのタービン効率を示し、破線で示すグラフBが従来のタービンインペラを備えるラジアルタービンのタービン効率を示している。
この図に示すように、本実施形態のタービンインペラ1を備えるラジアルタービンは、特に流量が少ない環境において高いタービン効率を発揮できることが分かった。
FIG. 7 is a graph showing the turbine efficiency with respect to the flow rate of the fluid supplied to the turbine impeller.
In FIG. 7, a graph A indicated by a solid line indicates the turbine efficiency of a radial turbine provided with the turbine impeller of the present embodiment, and a graph B indicated by a broken line indicates the turbine efficiency of a radial turbine provided with a conventional turbine impeller.
As shown in this figure, it turned out that the radial turbine provided with the
以上のシミュレーション結果から、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の背側面251を打つように流体が流入した場合に、インシデンス損失の発生を抑制し、リーディングエッジ26近傍の流体の流速が低下することを抑制することができ、従来のタービンインペラと比較してタービン効率を向上することができることが分かった。
From the above simulation results, according to the
また、上記シミュレーションにおいては、リーディングエッジ26のハブ部21の回転方向角度は、リーディングエッジ26のチップ部22に対して15°以内とされている場合に特にタービン効率が向上することが分かった。
なお、回転方向角度とは、主軸Lを回転中心としたタービンインペラ1の回転方向における回転角度のことである。
Moreover, in the said simulation, it turned out that turbine efficiency improves especially when the rotation direction angle of the
The rotation direction angle is a rotation angle in the rotation direction of the
また、本実施形態のタービンインペラ1においては、トレーディングエッジ24側とリーディングエッジ26側とで、キャンバー面25がタービンインペラ1の回転方向に対して異なる方向に湾曲されているものの、キャンバー面25はトレーディングエッジ24側からリーディングエッジ26側に亘って連続面とされている。
このため、キャンバー面25に沿う流体の流れを滑らかなものとすることができ、損失成分が生じることを抑制することができる。
In the
For this reason, the flow of the fluid along the
なお、本実施形態のタービンインペラ1は、タービン翼2の背側面251に流体を受ける場合において特にタービン効率を向上させるものである。
したがって、本実施形態のタービンインペラ1は、流体の流量が可変する環境に晒されるとともに、この環境下において、タービン翼2の腹側面252と比較して背側面251により多くの流体を受けるように設置されることが好ましい。
Note that the
Therefore, the
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。 As mentioned above, although preferred embodiment of the turbine impeller which concerns on this invention was described referring drawings, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to the said embodiment. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described embodiments are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.
1……タービンインペラ、2……タービン翼、21……ハブ部、22……チップ部、24……トレーディングエッジ、25……キャンバー面、251……背側面、252……腹側面、26,100……リーディングエッジ、L……主軸
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記タービン翼は、前記主軸に対して直交する面で切断した場合に、翼厚中心を結ぶ直線が前記主軸を通るとともに、リーディングエッジがチップ部からハブ部に向かうに連れて前記タービンインペラの回転方向に湾曲するように形状設計されていることを特徴とするタービンインペラ。 A turbine impeller mounted on a radial turbine that discharges fluid flowing in from a radial direction perpendicular to the main shaft in the main shaft direction, and comprising a plurality of turbine blades installed around the main shaft,
When the turbine blade is cut along a plane perpendicular to the main shaft, a straight line connecting the blade thickness centers passes through the main shaft, and the turbine impeller rotates as the leading edge moves from the tip portion toward the hub portion. A turbine impeller characterized by being designed to bend in a direction.
The turbine impeller according to claim 1, wherein a rotation direction angle of the hub portion of the leading edge is within 15 ° with respect to a tip portion of the leading edge.
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