JP2011252430A - タービンの３次元インペラ - Google Patents

Abstract

【課題】流入する流体流量が小流量であってもインペラ出口における旋回速度を低減して効率を向上することができ、かつ大容量化が可能であり、翼面に発生する最大応力を低減することができるタービンの３次元インペラを提供する。
【解決手段】流体が回転軸１１に対し垂直に流入し軸方向に流出するタービンの３次元インペラ１０。回転軸まわりに配置される複数のタービン翼１２を備える。タービン翼１２はハブ１５からチップ１６まで３次元形状を有している。またチップの後縁羽根角がハブの後縁羽根角より小さく、かつチップとハブの中間位置１４ｃにおける後縁羽根角がチップとハブの後縁羽根角より大きく、チップとハブの間に後縁羽根角の最大値を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転軸に垂直に流入する流体を軸方向に流出させるタービンの３次元インペラに関する。

ラジアルタービンのインペラ（羽根車）は、マイクロガスタービン、エキスパンダタービン、過給機等に用いられる。かかるインペラは、例えば特許文献１に開示されている。
また、本発明に関連する３次元インペラは、特許文献２に開示されている。

図１は、従来の２次元インペラを備えた過給機の模式的断面図であり、図２は、従来の２次元インペラの説明図である。図２において、（Ａ）は子午面投影図（半断面）、（Ｂ）はＢ−Ｂ断面図、（Ｃ）はＣ−Ｃ矢視図である。

図１において、１は可変ノズル、２は２次元インペラであり、可変ノズル１で２次元インペラ２に流入する流体流量を可変制御するようになっている。

図２（Ａ）において、３は２次元インペラを構成するタービン翼であり、タービン翼３の上流端を「前縁」、下流端を「後縁」、翼３の内方端を「ハブ」、外方端と「チップ」と呼ぶ。

図２（Ｂ）において、従来の２次元インペラ２では、タービン翼３の軸方向断面形状が、半径方向外方に放射状に２次元で延びている。このような翼形状をラジアルエレメントと呼ぶ。すなわち従来の２次元インペラ２は、ラジアルエレメントで定義されるタービン翼３を備えている。

図２（Ｃ）において、タービン翼３の中心線と２次元インペラ２の回転軸とのなす角度を「羽根角」と呼び、後縁における羽根角を特に「後縁羽根角」と呼ぶ。

特開平０９−１００７０１号公報、「ラジアルタービンの動翼」 特開２００８−１３３７６５号公報、「タービンインペラ」

上述したように、従来の２次元インペラ２は、ラジアルエレメントで定義されるタービン翼３を備えている。この場合、タービン翼３の後縁形状は、子午面に投影したときに、図２（Ａ）に示すように、ハブからチップまで直線形状のものが用いられていた。
このようなラジアルエレメント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）の羽根角が決定されれば、チップからハブまでのすべての箇所の羽根角が回転軸からの距離に応じて一義的に決定される。

しかし、ラジアルエレメントで定義されるタービン翼３を備えている従来の２次元インペラ２の場合、例えば可変ノズル１を備え、流体流量を可変制御すると、２次元インペラ２から吐出する流体の絶対流れに旋回速度が生じ、損失が生じる問題点があった。

この問題点を解決するために、本発明の出願人は、特許文献２の３次元インペラを創案し、出願している。
しかし、特許文献２の３次元インペラの場合、後縁チップ部の羽根角が大きいため大容量化が制約される。また、半径方向に沿って翼形状が大きく湾曲するため遠心力により翼面に応力が発生する問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、流入する流体流量が小流量であってもインペラ出口における旋回速度を低減して効率を向上することができ、かつ大容量化が可能であり、翼面に発生する最大応力を低減することができるタービンの３次元インペラを提供することにある。

本発明によれば、流体が回転軸に対し垂直に流入し軸方向に流出するタービンの３次元インペラであって、
前記回転軸まわりに配置される複数のタービン翼を備え、該タービン翼はハブからチップまで３次元形状を有しており、
チップの後縁羽根角がハブの後縁羽根角より小さく、
かつチップとハブの中間位置における後縁羽根角がチップとハブの後縁羽根角より大きく、チップとハブの間に後縁羽根角の最大値を有する、ことを特徴とするタービンの３次元インペラが提供される。

本発明の実施形態によれば、前記中間位置は、後縁におけるハブからピッチまでの半径方向距離に対し、０．４〜０．８倍の範囲に位置する。

また、前記タービン翼の後縁においてチップ側が、インペラの回転方向に傾斜している。

ラジアルエレメントで定義されるタービン翼３を備えている従来の２次元インペラ２の場合、ラジアルエレメント翼ではスパン方向の羽根角度を自由に変更できないため、インペラ出口における旋回速度を低減することはできなかった。

これに対し、本発明の３次元インペラは、ハブからチップまで３次元形状を有するタービン翼を備えるので、スパン方向の３次元化によりインペラ出口における小流量時の旋回速度を低減して小流量時の効率を向上することができる。

また、チップの後縁羽根角がハブの後縁羽根角より小さいので、翼間流路のスロート面積を増加させることができ、大容量化が可能となる。

さらに、後縁においてチップ側が、インペラの回転方向に傾斜しているタービン翼とすることにより、半径方向に沿った湾曲を低減することができ、遠心力による翼面応力を低減することができる。

従って、本発明によれば、大容量化が可能となり、広いレンジで高効率なタービンを実現でき、かつ強度を高めることができる。

従来の２次元インペラを備えた過給機の模式的断面図である。 従来の２次元インペラの説明図である。 本発明による３次元インペラの子午面投影図（半断面）である。 翼後縁におけるハブからのスパンと後縁羽根角との関係図である。 翼後縁における流体の旋回速度の説明図である。 翼後縁におけるハブからのスパンとインペラ出口の旋回速度との関係図である。 流量パラメータとタービン効率との関係図である。 本発明による３次元インペラの形状と最大応力の説明図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図３は、本発明による３次元インペラの子午面投影図（半断面）である。
本発明の３次元インペラ１０は、流体が回転軸１１に対し垂直に流入し軸方向に流出するタービンの３次元インペラであり、回転軸１１まわりに配置される複数のタービン翼１２を備える。
このタービン翼１２は３次元形状を有しており、この図において、１３はタービン翼の前縁、１４はタービン翼の後縁、１５はタービン翼のハブ、１６はタービン翼のチップである。

図４は、翼の後縁におけるハブからのスパンと後縁羽根角との関係図である。この図において、横軸は後縁羽根角［°（度）］であり、縦軸はハブからのスパン、すなわち、後縁におけるハブからピッチまでの半径方向距離に対するスパンの比率である。また図中の細い実線は従来の２次元インペラ、破線は従来の３次元インペラ、太い実線は本発明の例である。

図４の細い実線で示すように、従来の２次元インペラ２の場合、ラジアルエレメント翼ではスパン方向の羽根角度を自由に変更できないため、後縁羽根角はハブからチップまで単純に増加する。この例において、従来の後縁羽根角は、ハブにおいて約２８度、チップにおいて約５４度である。

図４の破線で示すように、従来の３次元インペラの場合、チップの後縁羽根角（約４８度）がハブの後縁羽根角（約２８度）より大きく、チップとハブの中間のミーン部に後縁羽根角の最大値を有する。

図４の太い実線で示すように、本発明の３次元インペラ１０の場合、チップの後縁羽根角（約２７度）がハブの後縁羽根角（約３３度）より小さく、かつチップとハブの中間位置における後縁羽根角がチップとハブの後縁羽根角より大きく、チップとハブの間に後縁羽根角の最大値を有する。

この結果、本発明の３次元インペラ１０の場合、タービン翼１２の後縁１４においてチップ側が、インペラ１０の回転方向に傾斜した形状となる。

図４の例において、後縁羽根角の最大値を有する中間位置１４ｃは、０．４〜０．８倍の範囲に位置する。
なお中間位置１４ｃの範囲及び最大値を有する位置は、最大流量を確保するとともに小流量側での効率を改善できるように設定する。

図５は、翼後縁における流体の旋回速度の説明図である。
図５（Ａ）は、図３のＡ−Ａ矢視の模式図である。この図に示すように、複数の翼１２に挟まれた翼間流路１７には、流路面積が最も狭いスロート１８が設けられている。
最大流量の流体が翼間流路１７を流れるとき、スロート部１８を流れる流速は最大流速となり、翼高さ方向（スパン方向）の流速分布はほぼ均一となる。
従って、本発明の３次元インペラ１０は、所望の最大流量を流せるようにスロート部１８の流路面積が設定されている。

図５（Ａ）は、後縁１４の下流側における速度三角形を示している。この図において、Ｗは流体の相対速度、ｕは翼の旋回速度、Ｃは流体の絶対速度、Ｃｍは絶対速度Ｃの軸方向成分、Ｃｕは絶対速度Ｃの旋回方向成分である。

図５（Ｂ）は後縁羽根角が大きい場合、図５（Ｃ）は後縁羽根角が小さい場合の速度三角形を示している。
図５（Ｂ）（Ｃ）から、旋回速度ｕと絶対速度Ｃの軸方向成分Ｃｍが同一の場合、後縁羽根角の相違により絶対速度Ｃの旋回方向成分Ｃｕが変化することがわかる。

従って、小流量時に流速が小さくなる中間位置の後縁羽根角をチップとハブより大きく設定することで、小流量時の流体流速（相対速度Ｗ）を大きくして流速分布を均一化することができ、かつ絶対速度Ｃの旋回方向成分Ｃｕを小さくすることができる。

図６は、翼後縁におけるハブからのスパンとインペラ出口の旋回速度との関係図である。この図において、横軸はインペラ出口の旋回速度［ｍ／ｓ］であり、縦軸はハブからのスパン、すなわち、後縁におけるハブからピッチまでの半径方向距離に対するスパンの比率である。また図中の細い実線は従来の２次元インペラ、破線は従来の３次元インペラ、太い実線は本発明の例である。

図６から、３次元インペラ（破線及び太い実線）の場合、従来の２次元インペラ（細い実線）と比較して、ハブからのスパンが０から０．６４の広い範囲において、インペラ出口の旋回速度が低下していることがわかる。

図７は、流量パラメータとタービン効率との関係図である。この図において、横軸は無次元の流量パラメータＰであり、縦軸はタービン効率ηである。また図中の細い実線は従来の２次元インペラ、破線は従来の３次元インペラ、太い実線は本発明の例である。
なお、図７は、ＣＦＤ（数値流体力学：コンピュータによる流体解析）による解析結果である。

図７において、破線で示すＡ部は、流量パラメータＰが小さい小流量領域であり、Ｂ部は最大流量領域である。
この図から、小流量領域Ａにおいて、本発明の３次元インペラ（太い実線）は、従来の２次元インペラ（細い実線）及び従来の３次元インペラ（破線）よりも高いタービン効率ηを示している。すなわち、本発明の３次元インペラ１０により小流量領域Ａのタービン効率ηが改善されることがわかる。

また、最大流量領域Ｂにおいて、本発明の３次元インペラ（太い実線）は、従来の２次元インペラ（細い実線）及び従来の３次元インペラ（破線）よりも大きい流量パラメータＰを示している。すなわち、本発明の３次元インペラ１０により最大流量領域Ｂの最大流量が改善されることがわかる。

図８は、本発明による３次元インペラの形状と最大応力の説明図である。この図において、（Ａ）は本発明によるタービン翼１２の模式図、（Ｂ）はＦＥＭ（有限要素法：コンピュータによる構造解析）に基づく応力解析結果である。

図８（Ａ）に示すように、本発明の３次元インペラ１０では、タービン翼１２の後縁１４においてチップ側が、インペラ１０の回転方向に傾斜した形状になっている。
回転方向に傾斜する範囲は、この例ではハブからのスパンが０．７５〜１．０の範囲であり、図４において、従来の２次元インペラ２より後縁羽根角が小さい範囲である。
また、回転方向への傾斜角度は、好ましくは１０度であるが、５〜１５度の範囲であってもよい。

図８（Ｂ）は、図８（Ａ）のタービン翼１２をＢ−Ｂ方向から見た図である。この図に示すように、本発明の３次元インペラ１０では、タービン翼１２のハブからのスパンが０．３から０．６の範囲に最大応力が発生する。またこの最大応力は、従来の３次元インペラと比較して２０％以上低いことが確認された。

上述したように、本発明の３次元インペラ１０は、ハブからチップまで３次元形状を有するタービン翼１２を備えるので、スパン方向の３次元化によりインペラ出口における小流量時の旋回速度を低減して小流量時の効率を向上することができる。

また、チップの後縁羽根角がハブの後縁羽根角より小さいので、翼間流路のスロート面積を増加させることができ、大容量化が可能となる。

さらに、後縁においてチップ側が、インペラの回転方向に傾斜しているタービン翼とすることにより、半径方向に沿った湾曲を低減することができ、遠心力による翼面応力を低減することができる。

従って、本発明によれば、大容量化が可能となり、広いレンジで高効率なタービンを実現でき、かつ強度を高めることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。例えば、本発明をラジアルタービンのインペラを対象として説明したが、斜流タービンにおいても同様に適用できる。

１０ ３次元インペラ、
１１ 回転軸、１２ タービン翼、
１２ａ 上流端、１２ｃ 翼後縁部分、
１３ 前縁、１４ 後縁、１４ａ 後縁のチップ、
１４ｂ 後縁のハブ、１４ｃ 後縁の中間位置、
１５ ハブ、１６ チップ、
１７ 翼間流路、１８ スロート部

Claims (3)

1. 流体が回転軸に対し垂直に流入し軸方向に流出するタービンの３次元インペラであって、
   前記回転軸まわりに配置される複数のタービン翼を備え、該タービン翼はハブからチップまで３次元形状を有しており、
   チップの後縁羽根角がハブの後縁羽根角より小さく、
   かつチップとハブの中間位置における後縁羽根角がチップとハブの後縁羽根角より大きく、チップとハブの間に後縁羽根角の最大値を有する、ことを特徴とするタービンの３次元インペラ。
2. 前記中間位置は、後縁におけるハブからピッチまでの半径方向距離に対し、０．４〜０．８倍の範囲に位置する、ことを特徴とする請求項１に記載の３次元インペラ。
3. 前記タービン翼の後縁においてチップ側が、インペラの回転方向に傾斜している、ことを特徴とする請求項１に記載の３次元インペラ。