JP2013137017A - ラジアルタービン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】渦巻状のスクロール3の内側に周方向に複数個配置され、スクロール3から動翼9への作動ガスの流れを調整するノズルベーン13を備えたラジアルタービン1において、ノズルベーン13の入口前縁部17の幅方向の両端部近傍を、中央部よりもノズルベーンの圧力面側に膨出して前縁膨出部25を形成し、ノズルベーン13に流入する作動ガスのガス流入角度と一致するようにし、さらに、ノズルベーン13の出口後縁部27の幅方向の両端部近傍を、中央部よりも圧力面側に膨出させた後縁膨出部29を形成することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
そして、動翼へ流入する作動ガスの流れを改善してラジアルタービンの効率を向上するものとして、動翼の外周側にノズルベーンを周上に複数個配置し、その角度を可変化したもの、または固定化したものが採用されている。
また、タービンロータ7の外周に複数の動翼9が円周方向等間隔に固着されて構成されている。また、タービンロータ7はローターシャフト11によって同軸に固定された図示しないコンプレッサと接続されており、このローターシャフト11は軸受ケーシングに軸受で支持されている。
この図7、8においては、ノズルベーン13は可変式のものを示し、図に示すノズルベーン13の本体に取り付けられた支持軸15を回転軸として回転可能にした可変式である。
特許文献1には、可変式のノズル用ベーンが示され、車両用ターボ過給機等の排気タービンの低負荷運転領域を含む使用負荷範囲の全域にわたって良好なノズル特性を得るために、ベーンの背面の下流端部の翼長の少なくとも一部に亘って翼型断面形状より山形に膨出した流体そらせ隆起を設けることが示されている。
すなわち、ノズルベーン13の入口部のガス流入速度Cは、図6に示すように、入口前縁部17の幅Wの両側において全幅の15〜20%に形成される3次元境界層によって、ガス速度Cの周方向成分である周方向速度Cθは前記入口前縁部17の中央部が大きく両端の角部つまりシュラウド側19及びハブ側21が小さくなる。また半径方向成分である半径方向速度CRは図6に示すように、入口前縁部17の中央部が小さく両端の角部つまりシュラウド側19及びハブ側21が大きくなるような分布となる。
すなわち、前記ノズルベーン13への最適なガス流入角度β1に合わせたノズルベーン13の入口中央部に対して入口前縁部17の壁側つまりハブ側21及びシュラウド側19のガス流入角度β2が大きくなり、ハブ側21及びシュラウド側19においてガス流入角度βの差つまり衝突角度(インシデンス角度、インシデンス角度はノズル前縁の翼角度とガス流入角度との差)が大きくなると、ガスが前記ノズルベーン13の先端部において負圧面側13b(図9参照、13aを圧力面側とする)に衝突角度(インシデンス角度)を持って流入することとなってノズルベーン13の入口前縁部17の衝突損失を生じ、ノズルベーン13から動翼9へ向かう流れに2次流れ損失が増加し、タービン効率が低下する問題があった。
また、特許文献2においても、スクロールからの作動ガスが流入されるベーン先端部、さらに後端部における作動ガスの流れ角度の均一化については示されていない。
また、特許文献3においても、ベーン先端部におけるインシデンス角度(衝突角度)の均一化については示されているものの、ベーンの下流端部から流出してタービンロータの動翼に流入する流れ角の均一化までは開示されていない。
このような構成を採用することによって、前縁膨出部が形成される幅方向の両端部分が延長して設けられて全長が長くなるため、隣接するそれぞれのノズルベーンの重なりによって形成されるスロートが形成される距離が確保され、その結果、スロートによる作動ガスの調整を十分行うことができる。すなわち、前縁膨出部においては翼角が立ち上がるため隣接するノズルベーン間の重なり距離が小さくなる傾向にあるが、本発明ではこのような隣接のノズルベーン間の重なり部の長さを確保できるようになる。
このような構成を採用することによって、ノズルベーンの全閉時おいて、スロートを極力狭く設定することができ、タービン性能を低下させることがない。
また、タービン効率へのノズルクリアランスの影響が大きくなるノズル開度の中開度〜小開度の範囲内において、ノズルクリアランスの寸法を小さくして損失防止を行うことで、タービン効率をさらに向上させることができる。
但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図7、8に、可変ノズル式のラジアルタービン1を用いた過給機の一例の要部断面図を示す。図においてタービンケーシング2内には、渦巻状のスクロール3、内周側にガス出口通路5が形成されている。
また、タービンロータ7の外周に複数の動翼9が円周方向等間隔に固着されて構成されている。また、タービンロータ7はローターシャフト11によって同軸に固定された図示しないコンプレッサと接続されており、このローターシャフト11は軸受ケーシングに軸受で支持されている。
この図7、8においては、ノズルベーン13は回転式のものを示し、図に示すノズルベーン13の本体に取り付けられた支持軸15を回転軸として回転可能になっている。
そして、入口前縁部17の前縁翼角度(前縁部の指向する角度)αが、幅Wの全域においてノズルベーン13に流入する作動ガスのガス流入角度β(図6参照)と一致するようなっている。
ノズルベーン13の翼弦長Lに対して前縁側のL1の部分に前縁膨出部25が形成され、後縁側L2の部分に後縁膨出部29が形成されている。
従って、ノズルベーン13の入口前縁部17の前縁翼角度αが、幅Wの全域においてノズルベーン13に流入する作動ガスのガス流入角度βと一致するようなっているため、 タービンスクロールからノズルベーンへ流入する作動ガスのノズルベーン先端部における衝突損失を低減できる。
なお、この前縁膨出部25の膨出量Δαは、通路の幅方向(Z方向)の中央部のガス流入角度β1と、壁側つまりハブ側及びシュラウド側のガス流入角度β2との差に相当するものである。
(D)はノズルベーン前縁膨出部の形状を示し、α2は、前縁膨出部25の前縁点25dとノズルベーン13の支持軸15の回転中心P1とを結ぶノズル前縁中心線25cと、動翼9の回転中心P2を中心として前縁点25dを通る円弧の前縁点25dにおける接線25bとのなす角度である。
(E)はノズルベーン後縁膨出部の形状を示し、γ2は、後縁膨出部29の後縁点29dとノズルベーン13の支持軸15の回転中心P1とを結ぶノズル後縁中心線29cと、動翼9の回転中心P2を中心として後縁点29dを通る円弧の後縁点29dにおける接線29bとのなす角度である。
また、前記α2及びγ2はノズルベーン13を閉じたときに隙間が開かないように対応する形状にもなっている。
次に、図3を参照して、第2実施形態について説明する。この第2実施形態は、入口前縁部17の部分を翼の長さ方向に延ばしたものである。その他の構成は第1実施形態と同様である
この延長部31は、図3(A)の平面図より、シュラウド側19およびハブ側21の端面部を最も伸ばし、そこから徐々に中央部W0に向かって低下していく形状をしている。幅W方向において、両側のW1、W2は、それぞれ15〜20%程度の範囲において形成するとよい。これは図1(C)の説明と同様に、図6に示す境界層が形成される領域に相当させたものであり、この領域にでは境界層による影響でガス流入角度βが大きくなる傾向に対応させるためである。
また、翼弦長Laに対して前縁側のL3の部分に前縁膨出部26が形成され、後縁側L2の部分に後縁膨出部29が形成されている。
すなわち、前縁膨出部26においては翼角αを立ち上げ、さらに後縁膨出部29においても翼角γが立ち上がるため、隣接するノズルベーン33間の重なりの部分においてスロートSが形成されるノズルベーンの長さ方向の距離を確保できない問題が生じるおそれがあるが、本実施形態ではこのような重なり部の長さを確保できる。
次に図4、5を参照して、第3実施形態について説明する。
この第3実施形態は、第1、2実施形態にさらにノズルクリアランスからのガス漏れを防止してタービン効率を向上させるものである。
このため、タービン効率へのノズルクリアランスの影響が大きくなるノズル開度の中開度〜小開度の範囲内において、ノズルクリアランスを狭めて隙間39とすることによって、ノズルクリアランス損失の低減を効果的に得られる。
2 タービンケーシング
3 スクロール
7 タービンロータ
9 動翼
12、39 ノズルクリアランス
13 ノズルベーン
17 入口前縁部
25、26 前縁膨出部
27 出口後縁部
29 後縁膨出部
31 延長部
α 前縁翼角度
β ガス流入角度
γ 後縁翼角度
W 幅
W0 幅の中央部
K 環状範囲
L、La 翼弦長
S スロート
Claims (7)
- 渦巻状のスクロールの内側に周方向に複数個配置され、スクロールからタービンロータの動翼への作動ガスの流れを調整するノズルベーンを備えたラジアルタービンにおいて、
前記ノズルベーンの入口前縁部の幅方向の両端部近傍を、幅方向の中央部よりも該ノズルベーンの圧力面側に膨出して前縁膨出部を形成し、入口前縁部の前縁翼角度を幅方向全域において前記ノズルベーンに流入する作動ガスのガス流入角度と一致するようにし、さらに、前記ノズルベーンの後縁部の幅方向の両端部近傍を、中央部よりも該ノズルベーンの圧力面側に膨出させた後縁膨出部を形成したことを特徴とするラジアルタービン。 - 前記幅方向の両端部近傍におけるノズルベーンの全長を前記幅方向の中央部における全長より長く形成したことを特徴とする請求項1記載のラジアルタービン。
- 前記ノズルベーンがノズル長さの中間部を回転中心として回動可能に支持される可変式のノズルベーンからなり、隣設するノズルベーンの一方のノズルベーンの前記前縁膨出部と他方のノズルベーンの前記後縁膨出部とが前記ノズルベーンを全閉状態の時に近接するように形成されたことを特徴とする請求項1または2記載のラジアルタービン。
- 前記ノズルベーンがノズル長さの中間部を回転中心として回動可能に支持される可変式のノズルベーンからなり、各ノズルベーンの回動軸近傍を連ねて形成される環状範囲内においてのみ、前記ノズルベーンの幅方向の両端部と側壁との隙間が、前記環状範囲外における前記両端部と前記側壁との隙間より狭く形成されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載のラジアルタービン。
- 前記環状範囲はノズルベーンの開度が中間開度〜小開度の範囲内において隣接するノズルベーンによってスロートが形成される領域であることを特徴とする請求項4記載のラジアルタービン。
- 前記ノズルベーンの入口前縁部において、幅方向の両端部近傍を、幅方向の中央部よりノズルベーンの圧力面側に2度〜13度の範囲で翼角度を立たせる方向に膨出したことを特徴とする請求項1記載のラジアルタービン。
- 前記ノズルベーンの出口後縁部において、幅方向の両端部近傍を、幅方向の中央部よりノズルベーンの圧力面側に2度〜8度の範囲で翼角度を立たせる方向に膨出したことを特徴とする請求項1記載のラジアルタービン。
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