JP2021004585A - Rotor blade for two-phase flow turbine and two-phase flow turbine including the rotor blade - Google Patents

Rotor blade for two-phase flow turbine and two-phase flow turbine including the rotor blade Download PDF

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東森 弘高
Hirotaka Higashimori
弘高 東森
直 谷口
Sunao Taniguchi
直 谷口
亮 ▲高▼田
亮 ▲高▼田
Akira Takada
小林 直樹
Naoki Kobayashi
小林  直樹
長谷川 泰士
Hiroshi Hasegawa
泰士 長谷川
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Abstract

To provide a rotor blade for a two-phase flow turbine capable of improving efficiency of the two-phase flow turbine and the two-phase flow turbine including the rotor blade.SOLUTION: A rotor blade for a two-phase flow turbine driven by a gas-liquid two-phase flow of fluid includes: a rotating shaft provided rotatably; a disk-shaped disk fixed to the rotating shaft; a plurality of blades provided in a hub on the outer peripheral surface of the disk to be spaced from each other in a circumferential direction around the rotating shaft; and shroud parts each facing a tip end of each of the plurality of blades. The shroud part is configured so that a radius of an inner peripheral surface of the shroud part from a rotating axis center of the rotating shaft reduces from an inlet end toward an outlet end of the shroud part. Each of the plurality of blades is configured so that a radius of the tip end of the blade from the rotating axis center reduces from a front edge of the blade toward a rear edge of the blade.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本開示は、二相流タービンの動翼及びこの動翼を備える二相流タービンに関する。 The present disclosure relates to moving blades of a two-phase flow turbine and a two-phase flow turbine including the moving blades.

特許文献1及び2にはそれぞれ、気液二相流がタービンを駆動することによって動力を回収する二相流タービンが記載されている。一般に、二相流タービンには、軸流衝動タービンの形式が使用される。このような二相流タービンにおいて、1つ又は複数のノズルから流出した気液二相流は、タービンロータの隣り合う翼間に形成された流路を流通する間に、タービンロータの回転方向の力を翼に与える。翼に与えられた力によってタービンロータが回転し、回転動力が発生する。 Patent Documents 1 and 2, respectively, describe a two-phase flow turbine in which a gas-liquid two-phase flow drives a turbine to recover power. Generally, for two-phase flow turbines, the type of axial flow impulse turbine is used. In such a two-phase flow turbine, the gas-liquid two-phase flow flowing out of one or more nozzles is in the direction of rotation of the turbine rotor while flowing through a flow path formed between adjacent blades of the turbine rotor. Give power to the wings. The force applied to the blades causes the turbine rotor to rotate, generating rotational power.

このような二相流タービンは、気液二相流を生成するノズルと、ノズルから流出した気液二相流によって回転するタービンロータを含む動翼とを備えている。タービンロータは、回転軸に固定されたディスクと、ディスクに固定された複数の翼とを備え、動翼は多くの場合、翼のチップ端に設けられたシュラウドを備え、遠心力によって動翼から気液二相流が外部に放出されないようになっている。 Such a two-phase flow turbine includes a nozzle that generates a gas-liquid two-phase flow and a rotor blade that includes a turbine rotor that is rotated by the gas-liquid two-phase flow that flows out of the nozzle. Turbine rotors have a disc fixed to a rotating shaft and multiple blades fixed to the disc, and the blades often have shrouds on the tip ends of the blades from the blades by centrifugal force. The gas-liquid two-phase flow is prevented from being released to the outside.

特許第3222350号公報Japanese Patent No. 3222350 実願昭60−187105号公報Judgment No. 60-187105

図15に、従来の二相流タービン200を回転軸206の軸方向から見た図を示す。ここで静止系におけるデカルト座標を設定し、図15の水平方向をX軸とし右向きを正、X軸に対して垂直方向をY軸とし上向きを正、回転軸中心をZ軸とし、図面奥方向から手前に向けて正とする、いわゆる右手系で説明を行う。この二相流タービンは、動翼200と、複数本のうちの1本のノズル210とを備え、ノズル210から気液二相流204が流出するように構成されている。 FIG. 15 shows a view of the conventional two-phase flow turbine 200 as viewed from the axial direction of the rotating shaft 206. Here, the Cartesian coordinates in the stationary system are set, the horizontal direction in FIG. 15 is the X axis, the right direction is positive, the direction perpendicular to the X axis is the Y axis, the upward direction is positive, the center of the rotation axis is the Z axis, and the back direction of the drawing. The explanation will be given using the so-called right-handed system, which is positive from the front to the front. This two-phase flow turbine includes a moving blade 200 and one of a plurality of nozzles 210, and is configured so that the gas-liquid two-phase flow 204 flows out from the nozzle 210.

動翼200は、円筒状のハブ205と、ハブ205から半径方向に延びる複数枚(図15では、代表して3枚のみ図示している)の翼201と、翼201のチップ端に設けられた環状のシュラウド202とから構成されている。このシュラウド202を設置しない構成の動翼もあり、この場合は、翼201のチップ端に対してケーシングの内周面がクリアランスを介して面している。 The moving blades 200 are provided at a cylindrical hub 205, a plurality of blades 201 extending in the radial direction from the hub 205 (only three blades are represented in FIG. 15), and a tip end of the blade 201. It is composed of an annular shroud 202. Some rotor blades do not have the shroud 202 installed, and in this case, the inner peripheral surface of the casing faces the tip end of the blade 201 via a clearance.

図15では、ノズル210の入口と出口とを結ぶ中心線CLは、X軸とY軸とを含む平面X−Y面に投影したときにY軸に垂直となるように表示している。中心線CLが翼201と交差し、その交差した領域においてノズル210から流出した気液二相流204が動翼200に流入する位置を、ノズル210の壁面のうち半径方向最も外側に位置する壁面の延長線とシュラウド202の内壁面との交点Pで代表させる。交点Pを通るともにZ軸を含む平面Sによる動翼200の断面を図16に示す。図16には、この断面に垂直方向に投影させたノズル210も描かれている。 In FIG. 15, the center line CL connecting the inlet and the outlet of the nozzle 210 is displayed so as to be perpendicular to the Y axis when projected onto the plane XY plane including the X axis and the Y axis. The position where the center line CL intersects the blade 201 and the gas-liquid two-phase flow 204 flowing out of the nozzle 210 flows into the moving blade 200 in the intersecting region is the outermost wall surface of the nozzle 210 in the radial direction. It is represented by the intersection P between the extension line of the shroud 202 and the inner wall surface of the shroud 202. FIG. 16 shows a cross section of the rotor blade 200 in a plane S passing through the intersection P and including the Z axis. FIG. 16 also depicts a nozzle 210 projected perpendicular to this cross section.

図16に示されるように、ノズル210の中心線CLは平面Sに投影したとき、回転軸206に対して大きく傾いており、ノズル210から流出した気液二相流204は、翼201のチップ端201aに設けられたシュラウド202に対して大きく傾くようにして動翼200に流入する(この中心線CLと回転軸206とがなすノズルの傾斜角度をαと表示する)。このため、ノズル210から流出した気液二相流204が動翼200に流入する際に、シュラウド202の近傍から動翼200に流入する流れがシュラウド202の内面に付着して流れるためには流れの転向角が大きすぎるためシュラウド202の入口端202aにおいて剥離207が生じ、気液二相流204の流路面積が狭くなる。このため、動翼200の回転軸206の軸方向の流速が加速されて翼201の負荷が減少し、翼201に対する仕事が減少して二相流タービンの効率が低下するという問題点があった。また、シュラウド202を設置せず、チップ端201aにクリアランスを介して対向してシュラウド202の内面に相当するケーシングが設置されている場合においても、ノズル210から流出した気液二相流204が動翼200に流入する際に、ケーシングの壁面で剥離が生じ、同様に二相流タービンの効率が低下するといった問題点もあった。 As shown in FIG. 16, the center line CL of the nozzle 210 is greatly tilted with respect to the rotation axis 206 when projected onto the plane S, and the gas-liquid two-phase flow 204 flowing out of the nozzle 210 is the tip of the blade 201. It flows into the rotor blade 200 with a large inclination with respect to the shroud 202 provided at the end 201a (the inclination angle of the nozzle formed by the center line CL and the rotation axis 206 is indicated as α). Therefore, when the gas-liquid two-phase flow 204 flowing out of the nozzle 210 flows into the moving blade 200, the flow flowing into the moving blade 200 from the vicinity of the shroud 202 adheres to the inner surface of the shroud 202 and flows. Since the turning angle of the shroud 202 is too large, peeling 207 occurs at the inlet end 202a of the shroud 202, and the flow path area of the gas-liquid two-phase flow 204 becomes narrow. Therefore, there is a problem that the flow velocity in the axial direction of the rotating shaft 206 of the rotor blade 200 is accelerated, the load on the blade 201 is reduced, the work on the blade 201 is reduced, and the efficiency of the two-phase flow turbine is lowered. .. Further, even when the shroud 202 is not installed and the casing corresponding to the inner surface of the shroud 202 is installed facing the tip end 201a via a clearance, the gas-liquid two-phase flow 204 flowing out from the nozzle 210 moves. There is also a problem that the wall surface of the casing is peeled off when flowing into the blade 200, and the efficiency of the two-phase flow turbine is also lowered.

上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも1つの実施形態は、二相流タービンの効率を向上できる二相流タービンの動翼及びこの動翼を備える二相流タービンを提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, at least one embodiment of the present disclosure aims to provide a blade of a two-phase flow turbine capable of improving the efficiency of the two-phase flow turbine and a two-phase flow turbine including the blade. To do.

(1)本発明の少なくとも1つの実施形態に係る二相流タービンの動翼は、
流体の気液二相流によって駆動される二相流タービンの動翼であって、
回転可能に設けられた回転軸と、
前記回転軸に固定された円盤状のディスクと、
前記回転軸を中心として周方向に互いに間隔をあけるようにして、前記ディスクの外周面のハブに設けられた複数の翼と、
前記複数の翼のそれぞれのチップ端に対向するシュラウド部と
を備え、
前記シュラウド部は、前記回転軸の回転軸中心から前記シュラウド部の内周面の半径が前記シュラウド部の入口端から出口端に向かって減少するように構成されているともに、前記複数の翼のそれぞれは、前記回転軸中心から前記翼のチップ端の半径が前記翼の前縁から前記翼の後縁に向かって減少するように構成されている。
(1) The moving blade of the two-phase flow turbine according to at least one embodiment of the present invention is
The blades of a two-phase flow turbine driven by a gas-liquid two-phase flow of fluid.
Rotatably provided rotating shaft and
A disc-shaped disc fixed to the rotating shaft and
A plurality of blades provided on the hub on the outer peripheral surface of the disc so as to be spaced apart from each other in the circumferential direction about the rotation axis.
A shroud portion facing each tip end of the plurality of blades is provided.
The shroud portion is configured such that the radius of the inner peripheral surface of the shroud portion decreases from the center of the rotation axis of the rotation shaft toward the inlet end to the exit end of the shroud portion, and the plurality of blades. Each is configured such that the radius of the tip end of the wing decreases from the center of the axis of rotation from the front edge of the wing to the trailing edge of the wing.

上記(1)の構成によると、シュラウド部の入口端付近が回転軸の軸方向に延びている構成に比べて、回転軸を含む断面である子午面において半径方向内側に向かう方向の速度成分を有する気液二相流の流れ角度とシュラウド部の入口端付近の傾き角度との差が小さくなることにより、入口端における剥離の発生が抑制されるので、二相流タービンの効率を向上することができる。 According to the configuration (1) above, the velocity component in the radial inward direction on the meridional surface, which is the cross section including the rotation axis, is compared with the configuration in which the vicinity of the inlet end of the shroud portion extends in the axial direction of the rotation axis. By reducing the difference between the flow angle of the gas-liquid two-phase flow and the inclination angle near the inlet end of the shroud portion, the occurrence of peeling at the inlet end is suppressed, and the efficiency of the two-phase flow turbine is improved. Can be done.

(2)いくつかの実施形態では、上記(1)の構成において、
前記前縁は、前記翼のハブ端側の端部であるハブ側端部から前記チップ端側の端部であるチップ側端部まで直線状に延びるとともに前記チップ側端部が前記ハブ側端部よりも前記回転軸の軸方向において前記後縁側に位置するように構成されている。
(2) In some embodiments, in the configuration of (1) above,
The front edge extends linearly from the hub-side end, which is the hub-end-side end of the blade, to the chip-side end, which is the chip-end-side end, and the chip-side end is the hub-side end. It is configured to be located on the trailing edge side in the axial direction of the rotating shaft rather than the portion.

ノズルから流出した気液二相流が動翼に流入するまでの間の距離が長くなると、動翼に流入するまでの間に気液二相流の流速が低下するので、ノズルの噴出口が翼の前縁と平行に近接して構成されるようにノズルを配置することが好ましい。しかし、上記(1)の構成においてノズルの噴出口を翼の前縁と平行にしようとすると、ノズルの噴出口がノズルの中心線に対して垂直でない構成となってしまい、ノズル内において半径方向外側に位置する気液二相流ほど、噴出口から早く流出する構成となってしまう。
また、半径方向外側に位置する気液二相流はノズルから流出しているのでノズルの壁面からの抵抗がないものの、半径方向内側に位置する気液二相流はノズルから流出していないのでノズルの壁面から抵抗を受け、気液二相流の速度エネルギーが失われるといった問題点がある。
上記(2)の構成によると、翼の前縁を傾斜させることによって、ノズルの噴出口がノズルの中心線と垂直な構成にすることができるので、このような問題点を解決することができる。
If the distance until the gas-liquid two-phase flow flowing out of the nozzle flows into the rotor blade becomes long, the flow velocity of the gas-liquid two-phase flow before flowing into the rotor blade decreases, so the nozzle outlet becomes It is preferable to arrange the nozzles so that they are constructed in parallel and close to the front edge of the blade. However, if the nozzle outlet is made parallel to the front edge of the blade in the configuration (1) above, the nozzle outlet will not be perpendicular to the center line of the nozzle, and the nozzle will be in the radial direction. The more the gas-liquid two-phase flow located on the outside, the faster it flows out from the spout.
In addition, since the gas-liquid two-phase flow located on the outer side in the radial direction flows out from the nozzle, there is no resistance from the wall surface of the nozzle, but the gas-liquid two-phase flow located on the inner side in the radial direction does not flow out from the nozzle. There is a problem that the velocity energy of the gas-liquid two-phase flow is lost due to resistance from the wall surface of the nozzle.
According to the configuration of (2) above, by inclining the front edge of the blade, the nozzle outlet can be configured to be perpendicular to the center line of the nozzle, so that such a problem can be solved. ..

(3)いくつかの実施形態では、上記(1)の構成において、
前記前縁は、
前記翼のチップ端側の端部であるチップ側端部から、前記ハブ端側の端部であるハブ側端部と前記チップ側端部との間の中間部まで直線状に延びるとともに前記チップ側端部が前記中間部よりも前記回転軸の軸方向において前記後縁側に位置するように構成された第1部分と、
前記中間部から前記ハブ側端部まで、前記回転軸の軸方向に対して垂直な方向に沿って直線状に延びるように構成された第2部分と
を含む。
(3) In some embodiments, in the configuration of (1) above,
The front edge
The tip extends linearly from the tip-side end, which is the tip-end-side end of the blade, to the intermediate portion between the hub-side end, which is the hub-end-side end, and the tip-side end. A first portion configured so that the side end portion is located closer to the trailing edge side in the axial direction of the rotation axis than the intermediate portion.
Includes a second portion configured to extend linearly from the intermediate portion to the hub side end along a direction perpendicular to the axial direction of the rotation axis.

翼の前縁のうち、ノズルの噴出口と面していない部分で、ノズルから流出した流れのない領域を翼の前縁が通過することにより、その領域から動翼に流入したり動翼から流出したりする流れが生じて、動翼がその領域に仕事を与えてしまう、いわゆる風損が発生してしまう。これに対し、上記(3)の構成によると、翼の子午面形状において、翼の前縁は、ノズルの噴出口に面する部分ではノズルの噴出口と平行に近接するとともにノズルの噴出口に面していない部分では回転軸に対して垂直な方向に沿って延びるように構成されることにより、翼の前縁のうちノズルの噴出口と面していない部分の長さが短くなるので、風損の増加を抑制できる。 In the part of the front edge of the wing that does not face the nozzle outlet, the front edge of the wing passes through the area where there is no flow from the nozzle, so that it flows into the blade from that area or from the blade. A flow such as outflow occurs, and the moving blades give work to the area, so-called wind damage occurs. On the other hand, according to the configuration of (3) above, in the meridional shape of the wing, the front edge of the wing is close to the nozzle spout in parallel with the nozzle spout and at the nozzle spout at the portion facing the nozzle spout. By configuring the non-facing portion to extend along the direction perpendicular to the axis of rotation, the length of the front edge of the wing that does not face the nozzle outlet is shortened. The increase in wind damage can be suppressed.

(4)いくつかの実施形態では、上記(2)または(3)の構成において、
前記複数の翼のそれぞれは、前記回転軸中心から前記ハブ端までの半径が前記前縁から前記後縁に向かって減少するように構成されている。
(4) In some embodiments, in the configuration of (2) or (3) above,
Each of the plurality of blades is configured such that the radius from the center of the rotation axis to the hub end decreases from the front edge to the trailing edge.

ノズルから動翼に流入する気液二相流のうち、動翼のハブ面に近い位置にある気液二相流は、動翼に流入後にハブ面に衝突して速度エネルギーが減少してしまう。しかし、上記(4)の構成によると、ハブ端が前縁に向かって回転軸の軸方向に延びている構成に比べて、ハブ面からの半径方向の距離が大きくなるように気液二相流が動翼に流入するようになるので、気液二相流のハブ面への衝突が抑制され、速度エネルギーの減少を抑制することができる。
また、翼の前縁のうち、ノズルの噴出口と面していない部分は、その近傍の流れのない領域を通過することにより、その領域から動翼に流入したり動翼から流出したりする流れが生じて、動翼がその領域に仕事を与えてしまう、いわゆる風損が発生する。上記(4)の構成によると、回転軸からハブ端までの距離が前縁から後縁に向かって減少することにより、翼の前縁のうち、ノズルの噴出口と面していない部分が小さくなるので、風損の増加を抑制できる。これと同時に、ハブ端からチップ端までの半径方向距離を翼高さと定義すると、翼高さも低くできるので、翼が回転することにより翼の根元に作用する遠心力に起因する翼断面の応力を抑えることもできる。
Of the gas-liquid two-phase flow flowing from the nozzle to the rotor blade, the gas-liquid two-phase flow located near the hub surface of the rotor blade collides with the hub surface after flowing into the rotor blade and the velocity energy decreases. .. However, according to the configuration (4) above, the gas-liquid two-phase so that the distance in the radial direction from the hub surface is larger than that in the configuration in which the hub end extends in the axial direction of the rotating shaft toward the front edge. Since the flow flows into the rotor blade, the collision of the gas-liquid two-phase flow with the hub surface is suppressed, and the decrease in velocity energy can be suppressed.
In addition, the portion of the front edge of the blade that does not face the nozzle ejection port passes through a region in the vicinity where there is no flow, so that the portion flows into or out of the rotor blade from that region. A flow is generated and the moving blades give work to the area, so-called wind damage occurs. According to the configuration of (4) above, the distance from the rotation axis to the hub end decreases from the front edge to the trailing edge, so that the portion of the front edge of the wing that does not face the nozzle ejection port becomes smaller. Therefore, the increase in wind damage can be suppressed. At the same time, if the radial distance from the hub end to the tip end is defined as the blade height, the blade height can also be lowered, so that the stress on the blade cross section due to the centrifugal force acting on the root of the blade due to the rotation of the blade is reduced. It can also be suppressed.

(5)いくつかの実施形態では、上記(1)〜(4)のいずれかの構成において、
前記翼の圧力面は、前記回転軸中心を中心とする円筒面で前記翼を切断したときに形成される翼断面において、前記翼の回転方向に向かって凸状に湾曲した形状を有し、前記圧力面において最も凸の部分の位置が、前記前縁から前記後縁までの前記軸方向における距離に対する前記前縁から前記最も凸の部分までの距離の比が1/2から3/4の範囲となる位置にある。
(5) In some embodiments, in any of the configurations (1) to (4) above,
The pressure surface of the blade has a shape that is convexly curved in the direction of rotation of the blade in the blade cross section formed when the blade is cut on a cylindrical surface centered on the center of the rotation axis. The position of the most convex portion on the pressure surface is such that the ratio of the distance from the front edge to the most convex portion to the axial distance from the front edge to the trailing edge is 1/2 to 3/4. It is in a range position.

気液二相流中の液相の流れは動翼において、気液二相流の方向のまま直線状に流れて、やがて翼の圧力面に到達する。液相が圧力面に衝突するときの圧力面に対する液相の入射角が大きいほど、液相の圧力面に対する衝突による損失が大きくなる。上記(5)の構成によると、圧力面において翼の回転方向に向かって最も凸の部分がより前縁側に位置する場合に比べて、より後縁側に位置することにより、圧力面に対する液相の流れの入射角が小さくなる翼面の長さが長くなるので、液相の圧力面に対する衝突による損失が低減されて、二相流タービンの効率を向上することができる。 The flow of the liquid phase in the gas-liquid two-phase flow flows linearly in the direction of the gas-liquid two-phase flow in the moving blade, and eventually reaches the pressure surface of the blade. The larger the angle of incidence of the liquid phase with respect to the pressure surface when the liquid phase collides with the pressure surface, the greater the loss due to the collision of the liquid phase with the pressure surface. According to the configuration of (5) above, the most convex portion of the pressure surface in the direction of rotation of the blade is located on the trailing edge side as compared with the case where the most convex portion is located on the trailing edge side, so that the liquid phase with respect to the pressure surface is located. Since the length of the blade surface at which the incident angle of the flow is small becomes long, the loss due to the collision of the liquid phase with the pressure surface can be reduced, and the efficiency of the two-phase flow turbine can be improved.

(6)いくつかの実施形態では、上記(1)〜(5)のいずれかの構成において、
前記翼は圧力面及び負圧面を含み、
前記翼のハブ端を半径方向外側から見た場合に前記ハブ端は、前記圧力面側において前記翼の回転方向に対して凹状に湾曲した圧力面側凹状湾曲部を含み、該圧力面側凹状湾曲部は、前記翼の前縁から前記翼の後縁に向かって延び、
前記圧力面側凹状湾曲部のうち最も突出した部分を通る前記周方向において、前記翼の翼厚をwとするとともに、前記周方向に隣り合う各翼の前記圧力面及び前記負圧面のピッチ間の距離をLとすると、(w/L)≧1/3である。
(6) In some embodiments, in any of the configurations (1) to (5) above,
The wing includes a pressure plane and a negative pressure plane,
When the hub end of the blade is viewed from the outside in the radial direction, the hub end includes a concave curved portion on the pressure surface side that is concavely curved with respect to the rotation direction of the blade on the pressure surface side, and is concave on the pressure surface side. The curved portion extends from the front edge of the wing toward the trailing edge of the wing.
In the circumferential direction passing through the most protruding portion of the concave curved portion on the pressure surface side, the blade thickness of the blade is w, and between the pitches of the pressure surface and the negative pressure surface of each blade adjacent to the circumferential direction. If the distance of is L, (w / L) ≧ 1/3.

動翼に流入した気液二相流中の液相の流れの一部は、圧力面ではなく動翼のハブ面に到達し付着する。ハブ面に到達した液相は、ハブ面に周方向の力を与えながら翼の圧力面に向かって移動するが、その液相の流れの境界層が次第に厚くなり、境界層が翼の回転速度で旋回するようになる。そうすると、気液二相流の旋回速度に比べて液相の旋回速度が速くなり、翼から液相の境界層に回転動力が与えられることになるので、気液二相流が翼に回転動力を与えるタービンにおいては逆に、翼から液相の流れる回転動力を与えられるようになり、損失が生じることになる。しかし、上記(6)の構成によると、ハブ面に到達する液相が減少し、翼の圧力面に直接到達する液相が増加するようになるので、翼に与えられる回転方向の動力を増加させて、二相流タービンの効率を向上することができる。 A part of the liquid phase flow in the gas-liquid two-phase flow flowing into the rotor blade reaches and adheres to the hub surface of the rotor blade instead of the pressure surface. The liquid phase that reaches the hub surface moves toward the pressure surface of the blade while applying a circumferential force to the hub surface, but the boundary layer of the flow of the liquid phase gradually becomes thicker, and the boundary layer becomes the rotational speed of the blade. Will turn at. Then, the swirling speed of the liquid phase becomes faster than the swirling speed of the gas-liquid two-phase flow, and rotational power is given from the blade to the boundary layer of the liquid phase. On the contrary, in the turbine that gives the fuel, the rotational power that the liquid phase flows can be given from the blade, and a loss occurs. However, according to the configuration of (6) above, the liquid phase reaching the hub surface decreases and the liquid phase directly reaching the pressure surface of the blade increases, so that the power in the rotational direction given to the blade increases. This makes it possible to improve the efficiency of the two-phase flow turbine.

(7)いくつかの実施形態では、上記(6)の構成において、
前記周方向に隣り合う翼の一方の翼の負圧面のハブ端側と他方の翼の圧力面のハブ端側とは、前記前縁から前記後縁までの間で少なくとも部分的に互いに接続している。
(7) In some embodiments, in the configuration of (6) above,
The hub end side of the negative pressure surface of one blade of the adjacent blade in the circumferential direction and the hub end side of the pressure surface of the other blade are connected to each other at least partially from the front edge to the trailing edge. ing.

上記(7)の構成によると、回転軸に垂直な断面において、従来の動翼のハブ面が圧力面のハブ端近傍の圧力面に置きなおされるので、その断面が連続的な翼面の曲線で構成される。このため、動翼のハブと翼とを一体で加工する構造となるために、シュラウド内面側からハブ側にエンドミルを押し込んで加工する加工方法において、翼の形成作業中のエンドミルの交換頻度を低下することができるので、翼の加工性を向上することができる。 According to the configuration of (7) above, in the cross section perpendicular to the rotation axis, the hub surface of the conventional rotor blade is replaced with the pressure surface near the hub end of the pressure surface, so that the cross section of the blade surface is continuous. It consists of curves. For this reason, in order to form a structure in which the hub of the rotor blade and the blade are integrally processed, the frequency of replacement of the end mill during the blade forming work is reduced in the processing method in which the end mill is pushed from the inner surface side of the shroud to the hub side. Therefore, the workability of the blade can be improved.

(8)いくつかの実施形態では、上記(6)または(7)の構成において、
前記回転軸に垂直な前記翼の断面において、前記圧力面は、前記チップ端と前記ハブ端との間で前記回転方向に向かって凹状に湾曲している。
この構成によると、隣り合う翼間に形成された流路の流路幅の減少を可能な限り抑えながら、上記(6)の構成による作用効果を得ることができる。
(8) In some embodiments, in the configuration of (6) or (7) above,
In the cross section of the wing perpendicular to the axis of rotation, the pressure surface is concavely curved in the direction of rotation between the tip end and the hub end.
According to this configuration, it is possible to obtain the effect of the configuration of (6) above while suppressing the decrease in the flow path width of the flow path formed between the adjacent blades as much as possible.

(9)いくつかの実施形態では、上記(1)〜(8)のいずれかの構成において、
前記翼の前縁は、子午面において前記翼のチップ端と前記翼のハブ端との間で前記翼の後縁側に向かって凹んだ第1凹部を含む。
この構成によると、回転軸の軸方向に対する前縁の傾斜角度にかかわらず、ノズルの中心線と回転軸とがなすノズルの傾斜角度αによらずノズルから流出する気液二相流を翼面に沿って流すことができる。
(9) In some embodiments, in any of the configurations (1) to (8) above,
The front edge of the wing includes a first recess recessed in the meridian plane between the tip end of the wing and the hub end of the wing toward the trailing edge side of the wing.
According to this configuration, regardless of the inclination angle of the front edge with respect to the axial direction of the rotation axis, the gas-liquid two-phase flow flowing out from the nozzle is transmitted to the blade surface regardless of the inclination angle α of the nozzle formed by the center line of the nozzle and the rotation axis. Can be flushed along.

(10)いくつかの実施形態では、上記(9)の構成において、
前記後縁は、前記チップ端と前記ハブ端との間で前記前縁側に向かって凹んだ第2凹部を含む。
この構成によると、圧力面上を流れる液相の少なくとも一部が第2凹部を横切って動翼から流出するようになる。そうすると、第2凹部が形成されていない場合に比べて、第2凹部を横切って流出する液相は、圧力面上を流れる距離が短くなる。液相に対する圧力面の抵抗が小さくなり、二相流タービンの効率を向上することができる。
(10) In some embodiments, in the configuration of (9) above,
The trailing edge includes a second recess recessed between the tip end and the hub end toward the front edge side.
According to this configuration, at least a part of the liquid phase flowing on the pressure surface flows out from the rotor blade across the second recess. Then, as compared with the case where the second recess is not formed, the liquid phase flowing out across the second recess has a shorter distance flowing on the pressure surface. The resistance of the pressure surface to the liquid phase is reduced, and the efficiency of the two-phase flow turbine can be improved.

本開示の少なくとも1つの実施形態によれば、シュラウド部の内周面の入口端付近が回転軸の軸方向に延びている構成に比べて、回転軸に対して垂直な方向において回転軸に向かう方向の速度成分を有する気液二相流の流れ角度とシュラウド部の入口端付近の傾き角度との差が小さくなることにより、入口端における剥離の発生が抑制されるので、二相流タービンの効率を向上することができる。 According to at least one embodiment of the present disclosure, the shroud portion faces the rotation axis in a direction perpendicular to the rotation axis as compared with a configuration in which the vicinity of the inlet end of the inner peripheral surface of the shroud portion extends in the axial direction of the rotation axis. By reducing the difference between the flow angle of the gas-liquid two-phase flow having a velocity component in the direction and the inclination angle near the inlet end of the shroud portion, the occurrence of peeling at the inlet end is suppressed, so that the two-phase flow turbine Efficiency can be improved.

本開示の実施形態1に係る二相流タービンの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the two-phase flow turbine which concerns on Embodiment 1 of this disclosure. 本開示の実施形態1に係る二相流タービンにおいて、気液二相流が動翼の隣り合う2つの翼間の流路を流れる動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation which the gas-liquid two-phase flow flows in the flow path between two adjacent blades of a moving blade in the two-phase flow turbine which concerns on Embodiment 1 of this disclosure. 本開示の実施形態1に係る二相流タービンの動翼の作用効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the action effect of the moving blade of the two-phase flow turbine which concerns on Embodiment 1 of this disclosure. 本開示の実施形態1に係る二相流タービンの動翼の変形例に設けられた翼の子午面図である。It is a meridian view of the blade provided in the modified example of the moving blade of the two-phase flow turbine according to the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態1に係る二相流タービンの動翼の別の変形例に設けられた翼の子午面図である。It is a meridian view of the blade provided in another modification of the moving blade of the two-phase flow turbine according to the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態1に係る二相流タービンの動翼のさらに別の変形例に設けられた翼の子午面図である。It is a meridian view of the blade provided in still another modification of the moving blade of the two-phase flow turbine according to the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態1に係る二相流タービンの動翼のさらに別の変形例に設けられた翼の断面図である。It is sectional drawing of the blade provided in still another modification of the moving blade of the two-phase flow turbine which concerns on Embodiment 1 of this disclosure. 図6に示される翼の子午面図である。FIG. 6 is a meridian view of the wing shown in FIG. 本開示の実施形態2に係る二相流タービンの動翼に設けられた翼の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the blade provided in the moving blade of the two-phase flow turbine which concerns on Embodiment 2 of this disclosure. 本開示の実施形態2に係る二相流タービンの動翼に設けられた翼の断面図である。It is sectional drawing of the blade provided in the moving blade of the two-phase flow turbine which concerns on Embodiment 2 of this disclosure. 本開示の実施形態3に係る二相流タービンの動翼に設けられた翼の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the blade provided in the moving blade of the two-phase flow turbine which concerns on Embodiment 3 of this disclosure. 本開示の実施形態3に係る二相流タービンの動翼に設けられた翼の断面図である。It is sectional drawing of the blade provided in the moving blade of the two-phase flow turbine which concerns on Embodiment 3 of this disclosure. 本開示の実施形態3に係る二相流タービンの動翼の作用効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the action effect of the moving blade of the two-phase flow turbine which concerns on Embodiment 3 of this disclosure. 本開示の実施形態3に係る二相流タービンの動翼の変形例に設けられた翼の断面図である。It is sectional drawing of the blade provided in the modification of the moving blade of the two-phase flow turbine which concerns on Embodiment 3 of this disclosure. 本開示の実施形態4に係る二相流タービンの動翼に設けられた翼の子午面図である。It is a meridian view of the blade provided in the moving blade of the two-phase flow turbine according to the fourth embodiment of the present disclosure. 従来の二相流タービンの動翼を回転軸の軸方向に見た図である。It is the figure which looked at the moving blade of the conventional two-phase flow turbine in the axial direction of the rotation axis. 従来の二相流タービンの動翼に設けられた翼の子午面図である。It is a meridian view of the blade provided in the moving blade of a conventional two-phase flow turbine.

以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下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、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。 Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the scope of the present invention is not limited to the following embodiments. The dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in the following embodiments are not intended to limit the scope of the present invention to that alone, but are merely explanatory examples.

(実施形態1)
図1に示されるように、本開示の実施形態1に係る二相流タービン1は、例えば冷凍機の冷凍サイクルにおいて膨張弁の代わりとして設けられる衝動式タービンであり、冷凍回路を循環する冷媒によって駆動される。二相流タービン1は、動翼10とノズル20とを備えている。動翼10は、円盤状のディスク11と、ディスク11の中心を通るようにしてディスク11に固定された回転軸12と、ディスク11の外周面11a、すなわち動翼10のハブ面に等間隔をあけて固定された複数の翼13とを備えている。すなわち、複数の翼13は、回転軸12を中心とした周方向に互いに間隔をあけるようにして設けられている。この構成により、回転軸12を中心とした周方向(回転方向D1)に翼13が回転すると、この回転に伴ってディスク11が回転する、すなわちディスク11に固定された回転軸12が回転方向Dに回転するようになっている。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the two-phase flow turbine 1 according to the first embodiment of the present disclosure is, for example, an impulse turbine provided in place of an expansion valve in the refrigeration cycle of a refrigerator, and is provided by a refrigerant circulating in the refrigeration circuit. Driven. The two-phase flow turbine 1 includes a moving blade 10 and a nozzle 20. The moving blades 10 are equally spaced between the disk-shaped disc 11, the rotating shaft 12 fixed to the disc 11 so as to pass through the center of the disc 11, and the outer peripheral surface 11a of the disc 11, that is, the hub surface of the moving blade 10. It is provided with a plurality of blades 13 that are opened and fixed. That is, the plurality of blades 13 are provided so as to be spaced apart from each other in the circumferential direction about the rotation shaft 12. With this configuration, when the blade 13 rotates in the circumferential direction (rotation direction D1) about the rotation shaft 12, the disk 11 rotates with this rotation, that is, the rotation shaft 12 fixed to the disk 11 rotates in the rotation direction D. It is designed to rotate to.

ノズル20は、その内部に流入口20bから噴出口20aに延びるように流路21が形成されるとともに噴出口20aが翼13に面するように設けられている。流路21は、流入口20bから噴出口20aに向かって流路面積が減少し、流入口20bと噴出口20aとの間の位置20cにおいて流路面積が最小となり、位置20cから噴出口20aに向かって流路面積が増加するように構成されている。 The nozzle 20 is provided so that a flow path 21 is formed inside the nozzle 20 so as to extend from the inflow port 20b to the spout 20a and the spout 20a faces the blade 13. The flow path area of the flow path 21 decreases from the inflow port 20b toward the spout 20a, the flow path area becomes the minimum at the position 20c between the inflow port 20b and the spout 20a, and from the position 20c to the spout 20a. It is configured so that the flow path area increases toward it.

図2における平面S(図15参照)に相当する平面において、動翼10は、各翼13の各チップ端16に固定されて設けられた円筒形状のシュラウドの形態のシュラウド部50をさらに備えている。尚、シュラウド部50は、各翼13の各チップ端16に対向する構成のものであれば各翼13の各チップ端16に固定されたシュラウドに限定するものではなく、各翼13の各チップ端16に対して隙間を開けるように設けられたケーシングであってもよい。 In the plane corresponding to the plane S (see FIG. 15) in FIG. 2, the moving blade 10 further includes a shroud portion 50 in the form of a cylindrical shroud provided fixedly to each tip end 16 of each blade 13. There is. The shroud portion 50 is not limited to the shroud fixed to each tip end 16 of each wing 13 as long as it is configured to face each tip end 16 of each wing 13, and each tip of each wing 13 is not limited to the shroud portion 50. It may be a casing provided so as to open a gap with respect to the end 16.

シュラウド部50は、回転軸12の回転軸中心Oを中心としたシュラウド部50の内周面50cの半径r1がシュラウド部50の入口端50aから出口端50bに向かって減少する部分である湾曲内周面部51を含んでいる。すなわち、湾曲内周面部51は、入口端50a近傍の内周面50cの一部である。回転軸12の軸方向に沿った断面(図2)において、湾曲内周面部51よりも出口端50b側の下流側内周面52は、回転軸12の外表面と平行であるのに対し、湾曲内周面部51は、回転軸12の外表面に対して凸状に湾曲した形状を有している。また、翼13も、シュラウド部50の入口端50a近傍の形態に対応するように、回転軸中心Oを中心としたチップ端16の半径r2が翼13の前縁18から翼13の後縁19に向かって減少する部分16aを含むように構成されている。 The shroud portion 50 is a curved portion in which the radius r1 of the inner peripheral surface 50c of the shroud portion 50 centered on the rotation axis center O of the rotation shaft 12 decreases from the inlet end 50a to the outlet end 50b of the shroud portion 50. The peripheral surface portion 51 is included. That is, the curved inner peripheral surface portion 51 is a part of the inner peripheral surface 50c near the inlet end 50a. In the cross section of the rotating shaft 12 along the axial direction (FIG. 2), the downstream inner peripheral surface 52 on the outlet end 50b side of the curved inner peripheral surface portion 51 is parallel to the outer surface of the rotating shaft 12. The curved inner peripheral surface portion 51 has a shape that is convexly curved with respect to the outer surface of the rotating shaft 12. Further, in the wing 13, the radius r2 of the chip end 16 centered on the center O of the rotation axis is from the front edge 18 of the wing 13 to the trailing edge 19 of the wing 13 so as to correspond to the form near the inlet end 50a of the shroud portion 50. It is configured to include a portion 16a that decreases towards.

次に、本開示の実施形態1に係る二相流タービン1の動作について説明する。
図1に示されるように、冷凍回路を循環する液体の冷媒は、流入口20bを介してノズル20に流入し、流路21を流通する。液体の冷媒が流入口20bから流路21を流入すると、位置20cまで流路21の流路面積が減少していくので、位置20cまで流通する間に冷媒が加速される。逆に、位置20cから噴出口20aまで流路21の流路面積が増加していくので、位置20cから噴出口20aまで流通する間に冷媒が減圧される。冷媒が減圧されて湿り域に達すると、冷媒の一部が気化し、急速に体積が増加する。冷媒は、位置20cから噴出口20aまでの間に膨張し、噴出口20aでは圧力差のエネルギーが速度に変換されて、液相と気相とが混在する気液二相流となる。冷媒は、気液二相流としてノズル20から動翼10へ噴出される。
Next, the operation of the two-phase flow turbine 1 according to the first embodiment of the present disclosure will be described.
As shown in FIG. 1, the liquid refrigerant circulating in the refrigeration circuit flows into the nozzle 20 through the inflow port 20b and flows through the flow path 21. When the liquid refrigerant flows into the flow path 21 from the inflow port 20b, the flow path area of the flow path 21 decreases to the position 20c, so that the refrigerant is accelerated while flowing to the position 20c. On the contrary, since the flow path area of the flow path 21 increases from the position 20c to the ejection port 20a, the refrigerant is depressurized while flowing from the position 20c to the ejection port 20a. When the refrigerant is decompressed and reaches a damp area, a part of the refrigerant vaporizes and the volume increases rapidly. The refrigerant expands between the position 20c and the ejection port 20a, and at the ejection port 20a, the energy of the pressure difference is converted into a velocity, resulting in a gas-liquid two-phase flow in which a liquid phase and a gas phase are mixed. The refrigerant is ejected from the nozzle 20 to the rotor blade 10 as a gas-liquid two-phase flow.

ノズル20から動翼10へ噴出された冷媒の気液二相流が動翼10の流路40を流通する際に、気液二相流の速度エネルギーが翼13に力を与え、その反力によって翼13が回転方向D1に回転する。翼13の回転とともにディスク11が回転方向D1に回転し、これにより回転軸12が回転方向Dに回転して、二相流タービン1から回転動力を得ることができる。 When the gas-liquid two-phase flow of the refrigerant ejected from the nozzle 20 to the moving blade 10 flows through the flow path 40 of the moving blade 10, the velocity energy of the gas-liquid two-phase flow gives a force to the blade 13 and its reaction force. The blade 13 rotates in the rotation direction D1. The disk 11 rotates in the rotation direction D1 with the rotation of the blade 13, whereby the rotation shaft 12 rotates in the rotation direction D, and rotational power can be obtained from the two-phase flow turbine 1.

図2における平面S(図15参照)に相当する平面において、動翼10に向かって噴出された気液二相流100は、回転軸12に対して垂直な方向において回転軸12に向かう方向の速度成分を有している。このため、気液二相流100が流路40に流入する際に、シュラウド部50に近い部分では、気液二相流100は入口端50aをかすめる。この実施形態1では、シュラウド部50の入口端50a近傍に、回転軸12の外表面に対して凸状に湾曲した形状を有する湾曲内周面部51が形成されているので、気液二相流100の流れ角度(気液二相流100の方向が回転軸12に対してなす角度)と、シュラウド部50の入口端50a付近の傾き角度(入口端50a付近における湾曲内周面部51の接線が回転軸12に対してなす角度)との差が小さくなる。すなわち、気液二相流100は、流路40に流入する際に、シュラウド部50に近い部分では、湾曲内周面部51と滑らかに接するようになる。これにより、入口端50aにおける剥離の発生が抑制されるので、二相流タービン1(図1参照)の効率を向上することができる。 In the plane corresponding to the plane S (see FIG. 15) in FIG. 2, the gas-liquid two-phase flow 100 ejected toward the moving blade 10 is in the direction perpendicular to the rotation axis 12 toward the rotation axis 12. It has a velocity component. Therefore, when the gas-liquid two-phase flow 100 flows into the flow path 40, the gas-liquid two-phase flow 100 grabs the inlet end 50a at a portion close to the shroud portion 50. In the first embodiment, since the curved inner peripheral surface portion 51 having a shape curved convexly with respect to the outer surface of the rotating shaft 12 is formed in the vicinity of the inlet end 50a of the shroud portion 50, the gas-liquid two-phase flow The flow angle of 100 (the angle formed by the direction of the gas-liquid two-phase flow 100 with respect to the rotation axis 12) and the inclination angle of the shroud portion 50 near the inlet end 50a (the tangent line of the curved inner peripheral surface portion 51 near the inlet end 50a). The difference from the angle formed with respect to the rotating shaft 12) becomes small. That is, when the gas-liquid two-phase flow 100 flows into the flow path 40, the gas-liquid two-phase flow 100 comes into smooth contact with the curved inner peripheral surface portion 51 at a portion close to the shroud portion 50. As a result, the occurrence of peeling at the inlet end 50a is suppressed, so that the efficiency of the two-phase flow turbine 1 (see FIG. 1) can be improved.

図3における平面S(図15参照)に相当する平面において二相流タービン1において、ノズル20から流出した気液二相流100が動翼10に流入するまでの間の距離が長くなると、動翼10に流入するまでの間に気液二相流100の流速が低下するので、ノズル20の噴出口20aが翼13の前縁18と平行になるようにノズル20を配置することが好ましい。しかし、図2の構成においてノズル20の噴出口20aを翼13の前縁18と平行にしようとすると、図3に示されるように、ノズル20の噴出口20aが流入口20b(図1参照)及び噴出口20aそれぞれの中心間を結ぶ中心線CLに対して垂直でない構成となってしまう。ノズル20内の流れは中心線CLに沿った距離に沿って加速され、中心線CLに垂直な断面CS内でほぼ一定の流速になるので、ノズル20の噴出口20aが中心線CLに垂直でない場合、噴出口20aにおける流速に分布が生じる。ノズル20内において半径方向外側に位置する気液二相流100ほど、噴出口20aから早く流出する構成となってしまう。そうすると、半径方向外側に位置する気液二相流100はノズル20から流出しているのでノズル20の壁面からの抵抗がないものの、半径方向内側に位置する気液二相流100はノズル20から流出していないのでノズル20の壁面から抵抗を受け、気液二相流100の速度エネルギーが失われるといった問題点がある。 In the two-phase flow turbine 1 in the plane corresponding to the plane S (see FIG. 15) in FIG. 3, when the distance between the gas-liquid two-phase flow 100 flowing out of the nozzle 20 and flowing into the moving blade 10 becomes long, the turbine moves. Since the flow velocity of the gas-liquid two-phase flow 100 decreases before flowing into the blade 10, it is preferable to arrange the nozzle 20 so that the ejection port 20a of the nozzle 20 is parallel to the front edge 18 of the blade 13. However, when trying to make the nozzle 20 outlet 20a parallel to the front edge 18 of the blade 13 in the configuration of FIG. 2, the nozzle 20 ejection port 20a becomes the inlet 20b (see FIG. 1) as shown in FIG. And, the configuration is not perpendicular to the center line CL connecting the centers of the spouts 20a. Since the flow in the nozzle 20 is accelerated along the distance along the center line CL and becomes a substantially constant flow velocity in the cross section CS perpendicular to the center line CL, the ejection port 20a of the nozzle 20 is not perpendicular to the center line CL. In this case, the flow velocity at the spout 20a is distributed. The gas-liquid two-phase flow 100 located on the outer side in the radial direction in the nozzle 20 is configured to flow out from the ejection port 20a earlier. Then, since the gas-liquid two-phase flow 100 located on the outer side in the radial direction flows out from the nozzle 20, there is no resistance from the wall surface of the nozzle 20, but the gas-liquid two-phase flow 100 located on the inner side in the radial direction flows out from the nozzle 20. Since it does not flow out, it receives resistance from the wall surface of the nozzle 20, and there is a problem that the velocity energy of the gas-liquid two-phase flow 100 is lost.

このような問題点を解決する構成として、図4における平面S(図15参照)に相当する平面において、前縁18は、翼13のハブ端17側の端部であるハブ側端部18bからチップ端16側の端部であるチップ側端部18aまで直線状に延びるとともにハブ側端部18bよりもチップ側端部18aが回転軸12の軸方向において後縁19側に位置するように構成することができる。前縁18をこのような構成にすると、ノズル20の噴出口20aが翼13の前縁18と平行になるようにノズル20を配置した場合、中心線CLをノズル20の噴出口20aに対して垂直にすることができる。 As a configuration for solving such a problem, in the plane corresponding to the plane S (see FIG. 15) in FIG. 4, the front edge 18 is from the hub side end portion 18b, which is the end portion of the wing 13 on the hub end 17 side. It is configured so that it extends linearly to the chip side end 18a, which is the end on the chip end 16 side, and the chip side end 18a is located on the trailing edge 19 side in the axial direction of the rotating shaft 12 with respect to the hub side end 18b. can do. When the front edge 18 is configured in this way, when the nozzle 20 is arranged so that the nozzle 20 is parallel to the front edge 18 of the blade 13, the center line CL is set with respect to the nozzle 20 a. Can be vertical.

また、図4の構成に対する変形例を図4aに示す。この変形例では、前縁18は、第1部分18d及び第2部分18eを含んでいる。第1部分18dは、チップ側端部18aから、ハブ側端部18bとチップ側端部18aとの間の中間部18cまで直線状に延びるとともにチップ側端部18aが中間部18cよりも回転軸12の軸方向において後縁19側に位置するように構成されている。第2部分18eは、中間部18cからハブ側端部18bまで、回転軸12の軸方向に対して垂直な方向に沿って直線状に延びるように構成されている。 Further, an example of modification to the configuration of FIG. 4 is shown in FIG. 4a. In this modification, the front edge 18 includes a first portion 18d and a second portion 18e. The first portion 18d extends linearly from the chip side end portion 18a to the intermediate portion 18c between the hub side end portion 18b and the chip side end portion 18a, and the chip side end portion 18a rotates more than the intermediate portion 18c. It is configured to be located on the trailing edge 19 side in the axial direction of 12. The second portion 18e is configured to extend linearly from the intermediate portion 18c to the hub side end portion 18b along a direction perpendicular to the axial direction of the rotating shaft 12.

翼13の前縁18のうち、ノズル20の噴出口20aと面していない部分となる第2部分18eは、その近傍の流れのない領域を通過することにより、その領域から動翼10に流入したり動翼10から流出したりする流れが生じて、動翼10がその領域に仕事を与えてしまう、いわゆる風損が発生する。これに対し、ノズル20の噴出口20aに面していない第2部分18eでは回転軸12に対して垂直な方向に沿って延びるように構成されることにより、前縁18のうちノズル20の噴出口20aと面していない部分の長さが短くなるので、風損の増加を抑制できる。 The second portion 18e, which is a portion of the front edge 18 of the blade 13 that does not face the ejection port 20a of the nozzle 20, flows into the rotor blade 10 from that region by passing through a region in the vicinity where there is no flow. A flow of flow or outflow from the moving blade 10 occurs, and the moving blade 10 gives work to the region, so-called wind damage occurs. On the other hand, the second portion 18e of the nozzle 20 not facing the ejection port 20a is configured to extend along the direction perpendicular to the rotation axis 12, so that the nozzle 20 of the front edge 18 is ejected. Since the length of the portion not facing the outlet 20a is shortened, an increase in wind damage can be suppressed.

また、図2及び4並びに4aそれぞれの構成では、ノズル20から動翼10に流入する気液二相流100のうち、翼13が固定されるディスク11の外周面11a、すなわち動翼10のハブ面に近い位置にある気液二相流100は、動翼10に流入後にハブ面に衝突して速度エネルギーが減少してしまうといった問題点がある。 Further, in each of the configurations of FIGS. 2 and 4 and 4a, of the gas-liquid two-phase flow 100 flowing from the nozzle 20 into the moving blade 10, the outer peripheral surface 11a of the disk 11 to which the blade 13 is fixed, that is, the hub of the moving blade 10. The gas-liquid two-phase flow 100 located near the surface has a problem that the velocity energy is reduced by colliding with the hub surface after flowing into the moving blade 10.

このような問題点を解決する構成として、図5における平面S(図15参照)に相当する平面において、図4の構成に対して、翼13は、回転軸中心Oを中心としたハブ端17の半径r3が前縁18から後縁19に向かって減少する部分である湾曲縁部17aを含むように構成することができる。すなわち、湾曲縁部17aは、前縁18近傍のハブ端17の一部である。回転軸12の軸方向に沿った断面(図5)において、湾曲縁部17aよりも後縁19側のハブ端17は、子午面にて軸方向に延びた従来構造のハブ端17に対して凹状に湾曲した形状を有している。 As a configuration for solving such a problem, in the plane corresponding to the plane S (see FIG. 15) in FIG. 5, the blade 13 has a hub end 17 centered on the center O of the rotation axis with respect to the configuration of FIG. The radius r3 of the can be configured to include a curved edge portion 17a which is a portion where the radius r3 decreases from the front edge 18 toward the trailing edge 19. That is, the curved edge portion 17a is a part of the hub end 17 near the front edge 18. In the cross section of the rotating shaft 12 along the axial direction (FIG. 5), the hub end 17 on the trailing edge 19 side of the curved edge 17a is relative to the hub end 17 of the conventional structure extending axially in the meridional plane. It has a concavely curved shape.

このような構成によると、ハブ端17が前縁18に向かって回転軸12の軸方向に延びている構成に比べて、ハブ面からの半径方向の距離が大きいハブ側端部18bから半径が小さくなるように、気液二相流100が動翼10に凹面に沿って滑らかに流入するようになるので、気液二相流100のハブ面への衝突が抑制され、速度エネルギーの減少を抑制することができる。また、このような構成によると、動翼10の入口近傍において半径r3が前縁18から後縁19に向かって減少することにより、翼13の前縁18のうち、ノズル20の噴出口20aと面していない部分が小さくなるので、風損の増加を抑制できる。これと同時に、ハブ端17からチップ端16までの半径方向距離を翼高さと定義すると、翼高さも低くできるので、翼13が回転することにより翼13の根元に作用する遠心力に起因する翼断面の応力を抑えることもできる。 According to such a configuration, the radius is increased from the hub side end portion 18b, which has a larger radial distance from the hub surface than the configuration in which the hub end 17 extends in the axial direction of the rotating shaft 12 toward the front edge 18. Since the gas-liquid two-phase flow 100 smoothly flows into the moving blade 10 along the concave surface so as to be smaller, the collision of the gas-liquid two-phase flow 100 with the hub surface is suppressed, and the velocity energy is reduced. It can be suppressed. Further, according to such a configuration, the radius r3 decreases from the front edge 18 toward the trailing edge 19 in the vicinity of the inlet of the moving blade 10, so that the nozzle 20 of the front edge 18 of the blade 13 becomes the ejection port 20a. Since the non-faced portion becomes smaller, an increase in wind damage can be suppressed. At the same time, if the radial distance from the hub end 17 to the tip end 16 is defined as the blade height, the blade height can also be lowered, so that the blade is caused by the centrifugal force acting on the root of the blade 13 due to the rotation of the blade 13. It is also possible to suppress the stress in the cross section.

さらに、図6に示されるように、図5の構成に対して、翼13の圧力面14に、翼13の回転方向D1に向かって凹む凹部30を形成してもよい。凹部30は、翼13の回転方向D1に向かって凹み且つ円弧状に湾曲した湾曲部31と、湾曲部31のチップ端16側の端部であるチップ側端部31aからチップ端16まで平坦に延びる第1平坦面32と、湾曲部31のハブ端17側の端部であるハブ側端部31bからハブ端17まで平坦に延びる第2平坦面33とを含んでもよい。図7に示されるように、凹部30は例えば、前縁18から後縁19まで延びるように形成されてもよい。尚、凹部30は、前縁18から後縁19までの間を部分的に延びるように形成することもできる。 Further, as shown in FIG. 6, the recess 30 recessed in the rotation direction D1 of the blade 13 may be formed on the pressure surface 14 of the blade 13 with respect to the configuration of FIG. The recess 30 is a curved portion 31 that is recessed and curved in an arc shape in the rotation direction D1 of the blade 13, and is flat from the tip side end portion 31a, which is the end portion of the curved portion 31 on the tip end 16 side, to the tip end 16. The first flat surface 32 extending may include a second flat surface 33 extending flat from the hub side end 31b, which is the end of the curved portion 31 on the hub end 17 side, to the hub end 17. As shown in FIG. 7, the recess 30 may be formed so as to extend from the front edge 18 to the trailing edge 19, for example. The recess 30 may be formed so as to partially extend between the front edge 18 and the trailing edge 19.

図7における平面S(図15参照)に相当する平面においてノズル20から流出した気液二相流100は、液相が表面張力によって微細化されて液滴となることによって、気相と液相とが分離された流れとなる。翼13の翼形状が気相に合わせて設計されていると、気相は翼13の翼面に沿って流れることができるが、液相は、気液二相流100の方向のまま直線状に流れ、やがて液滴が圧力面14に衝突して再度集積された後、圧力面14上に液相の流れ102が形成される。液相は、圧力面14に沿って流れた後、後縁19を通り越して流路40(図2参照)から流出する。圧力面14に沿った液相の流れ102の圧力面14に対する摩擦により、圧力面14上に境界層が形成される。この境界層は、圧力面14の近傍では翼13の回転速度で回転する。この回転による遠心力が境界層に作用することで、境界層は、ハブ端17からチップ端16に向かう方向(翼高さの半径方向外向き)に移動するようになる。 The gas-liquid two-phase flow 100 flowing out of the nozzle 20 in the plane corresponding to the plane S (see FIG. 15) in FIG. 7 is a gas phase and a liquid phase due to the liquid phase being refined by surface tension into droplets. Is a separated flow. If the blade shape of the blade 13 is designed according to the gas phase, the gas phase can flow along the blade surface of the blade 13, but the liquid phase is linear in the direction of the gas-liquid two-phase flow 100. The liquid phase flow 102 is formed on the pressure surface 14 after the droplets collide with the pressure surface 14 and are accumulated again. The liquid phase flows along the pressure plane 14, then passes through the trailing edge 19 and flows out of the flow path 40 (see FIG. 2). The friction of the liquid phase flow 102 along the pressure surface 14 with respect to the pressure surface 14 forms a boundary layer on the pressure surface 14. This boundary layer rotates at the rotational speed of the blade 13 in the vicinity of the pressure surface 14. The centrifugal force due to this rotation acts on the boundary layer, so that the boundary layer moves in the direction from the hub end 17 to the chip end 16 (outward in the radial direction of the blade height).

これに対し、圧力面14に凹部30が形成されていると、圧力面14に沿った液相の流れ102は、凹部30に沿った流れとなる。凹部30に沿って流れる液相の境界層は、遠心力が作用しても、凹部30の第1平坦面32によって翼高さ方向にチップ端16へ向かう移動が抑制されるので、ポンプ作用による損失が抑制されて、二相流タービン1の効率を向上することができる。また、液相は主に、曲率の大きい湾曲部31に沿って圧力面14を後縁19に向かって流れるようになるので、曲率の小さい面に沿って液相が流れる場合に比べて、液相が圧力面14に接する濡れ縁長さ(液相が圧力面14に接する部分の翼高さ方向の長さ)が短くなり、圧力面14に対する液相の抵抗が小さくなる。さらに、液相の流れ102は、凹部30が圧力面14に形成されていない場合の液相の流れに比べて、翼高さ方向の移動距離が短い流れとなるので、圧力面14に対する液相の抵抗が小さくなる。その結果、二相流タービン1(図1参照)の効率を向上することができる。 On the other hand, when the recess 30 is formed on the pressure surface 14, the flow 102 of the liquid phase along the pressure surface 14 becomes a flow along the recess 30. Even if centrifugal force acts on the boundary layer of the liquid phase flowing along the recess 30, the first flat surface 32 of the recess 30 suppresses the movement toward the tip end 16 in the blade height direction, so that the pumping action is used. The loss is suppressed and the efficiency of the two-phase flow turbine 1 can be improved. Further, since the liquid phase mainly flows on the pressure surface 14 toward the trailing edge 19 along the curved portion 31 having a large curvature, the liquid phase flows along the surface having a small curvature as compared with the case where the liquid phase flows. The length of the wet edge at which the phase contacts the pressure surface 14 (the length of the portion where the liquid phase contacts the pressure surface 14 in the blade height direction) becomes short, and the resistance of the liquid phase to the pressure surface 14 decreases. Further, the flow of the liquid phase 102 has a shorter movement distance in the blade height direction than the flow of the liquid phase when the recess 30 is not formed on the pressure surface 14, so that the liquid phase with respect to the pressure surface 14 Resistance becomes smaller. As a result, the efficiency of the two-phase flow turbine 1 (see FIG. 1) can be improved.

(実施形態2)
次に、実施形態2に係る二相流タービンの動翼について説明する。実施形態2に係る二相流タービンの動翼は、実施形態1に対して、翼13の負圧面の構成を限定したものである。尚、実施形態2において、実施形態1の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。尚、実施形態2で参照する図8及び9は翼13の形状を半径外側から見た図である。
(Embodiment 2)
Next, the moving blades of the two-phase flow turbine according to the second embodiment will be described. The moving blade of the two-phase flow turbine according to the second embodiment has a limited configuration of the negative pressure surface of the blade 13 as compared with the first embodiment. In the second embodiment, the same components as those of the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. 8 and 9 referred to in the second embodiment are views of the shape of the blade 13 viewed from the outside of the radius.

図8に示されるように、翼13の負圧面15は、前縁18から後縁19に向かって延びるように形成された負圧面側凸状湾曲部60を含んでいる。負圧面側凸状湾曲部60は、圧力面14側の翼厚よりも負圧面15側の翼厚が大きくなるようにして構成されている。図9に示されるように、負圧面側凸状湾曲部60は、回転軸中心O(図2等参照)を中心とする円筒面で翼13を切断したときに形成される翼断面において翼13の回転方向D1に向かって凸状に湾曲している。また、翼13の圧力面14は、回転方向D1に向かって凸状に湾曲した形状を有している。 As shown in FIG. 8, the negative pressure surface 15 of the wing 13 includes a negative pressure surface side convex curved portion 60 formed so as to extend from the front edge 18 toward the trailing edge 19. The convex curved portion 60 on the negative pressure surface side is configured so that the blade thickness on the negative pressure surface 15 side is larger than the blade thickness on the pressure surface 14 side. As shown in FIG. 9, the negative pressure surface side convex curved portion 60 has a blade 13 in a blade cross section formed when the blade 13 is cut on a cylindrical surface centered on the center O of the rotation axis (see FIG. 2 and the like). It is curved convexly toward the rotation direction D1 of. Further, the pressure surface 14 of the blade 13 has a shape that is convexly curved in the rotation direction D1.

図8に示されるように、圧力面14のうち回転方向D1に向かって最も凸の部分14aは、チップ端16において前縁18から後縁19までの距離L3に対する前縁18から最も凸の部分14aまでの距離L4の比X(=L4/L3)が1/2から3/4の範囲となる位置にある。その他の構成は実施形態1と同じである。尚、図8の構成は、翼13の前縁18近傍の構成が図3に示された構成に基づいているが、図2又は図5のような翼13の前縁18近傍の構成に基づいて実施形態2を構成してもよい。 As shown in FIG. 8, the most convex portion 14a of the pressure surface 14 toward the rotation direction D1 is the most convex portion from the front edge 18 with respect to the distance L3 from the front edge 18 to the trailing edge 19 at the tip end 16. The ratio X (= L4 / L3) of the distance L4 to 14a is in the range of 1/2 to 3/4. Other configurations are the same as those in the first embodiment. The configuration of FIG. 8 is based on the configuration in the vicinity of the front edge 18 of the wing 13 as shown in FIG. 3, but is based on the configuration of the vicinity of the front edge 18 of the wing 13 as shown in FIG. 2 or FIG. 2 may be configured.

次に、本開示の実施形態2に係る二相流タービン1の動作を図8に基づいて説明する。尚、実施形態1の動作と実施形態2の動作とでは、動翼10(図1参照)における気液二相流の流れのみが異なるため、以下の説明では、動翼10における気液二相流の流れについてのみ説明する。 Next, the operation of the two-phase flow turbine 1 according to the second embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. Since only the flow of the gas-liquid two-phase flow in the moving blade 10 (see FIG. 1) differs between the operation of the first embodiment and the operation of the second embodiment, the following description describes the two-phase gas-liquid phase in the moving blade 10. Only the flow of the flow will be described.

ノズル20(図1参照)において気相の加速が液相の加速に比べて大きく、気相の流速が液相の流速に比べて大きくなるので、動翼10から見た気相の相対流速の流れ角θに比べて液相の相対流速の流れ角度θが大きくなる。二相流タービン1(図1参照)の動力の気相及び液相それぞれの動力バランスは後者の方が大きいので、液相の損失が小さくなるようにするためには、前縁18における液相の流れ102のインシデンスが小さくなるように翼13を設計することが好ましい。このような設計をすると、気相の流れ101の負圧面15に対するインシデンスが大きくなる。 In the nozzle 20 (see FIG. 1), the acceleration of the gas phase is larger than the acceleration of the liquid phase, and the flow velocity of the gas phase is larger than the flow velocity of the liquid phase. Therefore, the relative flow velocity of the gas phase as seen from the moving blade 10 The flow angle θ 2 of the relative flow velocity of the liquid phase is larger than the flow angle θ 1 . Since the power balance between the gas phase and the liquid phase of the power of the two-phase flow turbine 1 (see FIG. 1) is larger in the latter, the liquid phase at the front edge 18 is required to reduce the loss of the liquid phase. It is preferable to design the blade 13 so that the incident of the flow 102 is small. With such a design, the incident of the gas phase flow 101 with respect to the negative pressure surface 15 becomes large.

これに対し、実施形態2では、負圧面15において前縁18から後縁19に向かって延びるように負圧面側凸状湾曲部60が形成されているので、気相の流れ101は、前縁18を通り越した後、前縁18から後縁19に向かって負圧面15(負圧面側凸状湾曲部60)に滑らかに接するようになるので、インシデンスによる気相の損失が低減されて、二相流タービン1の効率を向上することができる。 On the other hand, in the second embodiment, since the negative pressure surface side convex curved portion 60 is formed on the negative pressure surface 15 so as to extend from the front edge 18 toward the rear edge 19, the gas phase flow 101 is the front edge. After passing through 18, the negative pressure surface 15 (the convex curved portion 60 on the negative pressure surface side) comes into smooth contact from the front edge 18 to the trailing edge 19, so that the gas phase loss due to the incident is reduced, and the gas phase loss is reduced. The efficiency of the multiphase turbine 1 can be improved.

一方、気液二相流100中の液相の流れ102は流路40において、気液二相流100の方向のまま直線状に流れて、やがて翼13の圧力面14に到達する。液相が圧力面14に衝突するときの圧力面14に対する液相の入射角θが大きいほど、液相の圧力面14に対する衝突による損失が大きくなる。実施形態2では、圧力面14のうち回転方向D1に向かって最も凸の部分14aは、チップ端16において前縁18から後縁19までの距離L3に対する前縁18から最も凸の最も凸の部分14aまでの距離L4の比X(=L4/L3)が1/2から3/4の範囲となる位置にあるので、最も凸の部分14aがより前縁18側に位置する場合(X<1/2の場合)に比べて、圧力面14に対する液相の流れ102の入射角θが小さくなる。その結果、液相の圧力面14に対する衝突による損失が低減されて、二相流タービン1の効率を向上することができる。 On the other hand, the liquid phase flow 102 in the gas-liquid two-phase flow 100 flows linearly in the flow path 40 in the direction of the gas-liquid two-phase flow 100, and eventually reaches the pressure surface 14 of the blade 13. The larger the incident angle θ of the liquid phase with respect to the pressure surface 14 when the liquid phase collides with the pressure surface 14, the greater the loss due to the collision of the liquid phase with the pressure surface 14. In the second embodiment, the most convex portion 14a of the pressure surface 14 toward the rotation direction D1 is the most convex portion from the front edge 18 with respect to the distance L3 from the front edge 18 to the trailing edge 19 at the tip end 16. Since the ratio X (= L4 / L3) of the distance L4 to 14a is in the range of 1/2 to 3/4, when the most convex portion 14a is located closer to the front edge 18 (X <1). (In the case of / 2), the incident angle θ of the liquid phase flow 102 with respect to the pressure surface 14 is smaller. As a result, the loss due to the collision of the liquid phase with the pressure surface 14 is reduced, and the efficiency of the two-phase flow turbine 1 can be improved.

(実施形態3)
次に、実施形態3に係る二相流タービンの動翼について説明する。実施形態3に係る二相流タービンの動翼は、実施形態1又は2に対して、翼13の圧力面の構成を限定したものである。以下では、実施形態1の構成に対して翼13の圧力面の構成を限定した構成で実施形態3を説明するが、実施形態2の構成に対して翼13の圧力面の構成を限定した構成で実施形態3を構成してもよい。尚、実施形態3において、実施形態1の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。また、実施形態3で参照する図10は翼13の形状を半径外側から見た図である。
(Embodiment 3)
Next, the moving blades of the two-phase flow turbine according to the third embodiment will be described. The moving blade of the two-phase flow turbine according to the third embodiment has a limited configuration of the pressure surface of the blade 13 with respect to the first or second embodiment. Hereinafter, the third embodiment will be described with a configuration in which the configuration of the pressure surface of the blade 13 is limited to the configuration of the first embodiment, but the configuration of the pressure surface of the blade 13 is limited to the configuration of the second embodiment. 3 may be configured with. In the third embodiment, the same components as those of the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Further, FIG. 10 referred to in the third embodiment is a view of the shape of the blade 13 viewed from the outside of the radius.

図10に示されるように、翼13のハブ端17は、圧力面14側において翼13の回転方向D1に向かって凹状に湾曲した圧力面側凹状湾曲部70を含んでいる。圧力面側凹状湾曲部70は、前縁18から後縁19に向かって延びている。圧力面側凹状湾曲部70のうち回転方向D1に向かって最も凹の部分70aを通る回転方向D1において、翼13の翼厚をwとするとともに、回転方向D1に隣り合う各翼13の圧力面14及び負圧面15のピッチ間の距離をLとすると、(w/L)≧1/3であり、好ましくは1/3≦(w/L)≦2/3である。 As shown in FIG. 10, the hub end 17 of the blade 13 includes a pressure surface side concave curved portion 70 that is concavely curved toward the rotation direction D1 of the blade 13 on the pressure surface 14 side. The pressure surface side concave curved portion 70 extends from the front edge 18 toward the trailing edge 19. In the rotation direction D1 passing through the most concave portion 70a in the rotation direction D1 of the concave curved portion 70 on the pressure surface side, the blade thickness of the blade 13 is set to w, and the pressure surface of each blade 13 adjacent to the rotation direction D1. Assuming that the distance between the pitches of 14 and the negative pressure surface 15 is L, (w / L) ≧ 1/3, preferably 1/3 ≦ (w / L) ≦ 2/3.

図11に示されるように、図10における圧力面側凹状湾曲部70を横切るともに回転軸中心Oに対して垂直な断面において、翼13の圧力面14は、チップ端16とハブ端17との間で負圧面15に向かって回転方向D1に向かって凸状に湾曲している。その他の構成は実施形態1と同じである。 As shown in FIG. 11, in a cross section that crosses the concave curved portion 70 on the pressure surface side in FIG. 10 and is perpendicular to the center O of the rotation axis, the pressure surface 14 of the blade 13 is formed by the tip end 16 and the hub end 17. It is curved convexly toward the negative pressure surface 15 in the rotation direction D1. Other configurations are the same as those in the first embodiment.

次に、本開示の実施形態3に係る二相流タービン1の動作を説明する。尚、実施形態1の動作と実施形態3の動作とでは、動翼10(図1参照)における気液二相流の流れのみが異なるため、以下の説明では、動翼10における気液二相流の流れについてのみ説明する。 Next, the operation of the two-phase flow turbine 1 according to the third embodiment of the present disclosure will be described. Since only the flow of the gas-liquid two-phase flow in the moving blade 10 (see FIG. 1) differs between the operation of the first embodiment and the operation of the third embodiment, the following description describes the two-phase gas-liquid phase in the moving blade 10. Only the flow of the flow will be described.

図12(a)に示されるように、ハブ端17が図10における圧力面側凹状湾曲部70を含まない場合、回転軸12に垂直な断面において動翼10に流入した気液二相流中の液相の流れ102の一部は、圧力面14ではなく、ディスク11の外周面11a(動翼10のハブ面)に到達し付着する。ディスク11の外周面11aに到達した液相103は、外周面11aに周方向の力を与えながら圧力面14に向かって移動するが、その液相103の流れの境界層が次第に厚くなり、境界層はやがてディスク11と共に旋回するようになる。そうすると、気液二相流の旋回速度に比べて液相103の旋回速度が速くなり、翼13から液相103の流れの境界層に回転動力が与えられることになるので、気液二相流が翼13に回転動力を与えるタービンにおいては逆に、翼13から液相103の流れる回転動力を与えられるようになり、損失が生じることになる。 As shown in FIG. 12A, when the hub end 17 does not include the pressure surface side concave curved portion 70 in FIG. 10, the gas-liquid two-phase flow flowing into the rotor blade 10 in the cross section perpendicular to the rotating shaft 12 A part of the liquid phase flow 102 of the above reaches and adheres to the outer peripheral surface 11a (hub surface of the moving blade 10) of the disk 11 instead of the pressure surface 14. The liquid phase 103 that has reached the outer peripheral surface 11a of the disk 11 moves toward the pressure surface 14 while applying a force in the circumferential direction to the outer peripheral surface 11a, but the boundary layer of the flow of the liquid phase 103 gradually becomes thicker and becomes a boundary. The layer eventually turns with the disc 11. Then, the swirling speed of the liquid phase 103 becomes faster than the swirling speed of the gas-liquid two-phase flow, and rotational power is applied from the blade 13 to the boundary layer of the flow of the liquid phase 103. On the contrary, in the turbine that applies the rotational power to the blade 13, the rotational power that the liquid phase 103 flows from the blade 13 can be applied, resulting in a loss.

これに対し、実施形態3では、図12(b)に示されるように、回転軸12に垂直な断面において翼13のハブ端17は、圧力面14側において図10における回転方向D1に向かって凹状に湾曲した圧力面側凹状湾曲部70を含んでいるので、圧力面側凹状湾曲部70を含む部分では、圧力面14の範囲がディスク11の外周面11a近傍で周方向に拡大する。すなわち、ディスク11の外周面11aが露出している範囲が縮小する。そうすると、ディスク11の外周面11aに到達する液相が減少し、翼13の圧力面14に到達する液相が増加するようになるので、翼13に与えられる回転方向の動力を増加させて、二相流タービンの効率を向上することができる。 On the other hand, in the third embodiment, as shown in FIG. 12B, the hub end 17 of the blade 13 in the cross section perpendicular to the rotation axis 12 is directed toward the rotation direction D1 in FIG. 10 on the pressure surface 14 side. Since the concave curved portion 70 on the pressure surface side is included, the range of the pressure surface 14 is expanded in the circumferential direction in the vicinity of the outer peripheral surface 11a of the disk 11 in the portion including the concave curved portion 70 on the pressure surface side. That is, the range in which the outer peripheral surface 11a of the disk 11 is exposed is reduced. Then, the liquid phase reaching the outer peripheral surface 11a of the disk 11 decreases, and the liquid phase reaching the pressure surface 14 of the blade 13 increases. Therefore, the power in the rotational direction given to the blade 13 is increased. The efficiency of the two-phase flow turbine can be improved.

実施形態3では、図11に示されるように、図10における圧力面側凹状湾曲部70を横切るともに回転軸12(図2等参照)に対して垂直な断面において、翼13の圧力面14は、チップ端16とハブ端17との間で回転方向D1に向かって凸状に湾曲している。図11において破線BLで示されるように圧力面14が回転方向D1に向かって凸状に湾曲していないと、隣の翼との間に形成される流路40(図1参照)の流路幅が減少してしまう。したがって、圧力面14が回転方向D1に向かって凸状に湾曲していることにより、流路40の流路幅の減少を可能な限り抑えながら、翼13の圧力面14に到達する液相を増加させて、二相流タービンの効率を向上することができる。 In the third embodiment, as shown in FIG. 11, the pressure surface 14 of the blade 13 crosses the pressure surface side concave curved portion 70 in FIG. 10 and is perpendicular to the rotation axis 12 (see FIG. 2 and the like). , The tip end 16 and the hub end 17 are curved in a convex shape in the rotation direction D1. If the pressure surface 14 is not curved convexly toward the rotation direction D1 as shown by the broken line BL in FIG. 11, the flow path of the flow path 40 (see FIG. 1) formed between the pressure surface 14 and the adjacent blade. The width will decrease. Therefore, since the pressure surface 14 is curved in a convex shape toward the rotation direction D1, the liquid phase reaching the pressure surface 14 of the blade 13 is maintained while suppressing the decrease in the flow path width of the flow path 40 as much as possible. It can be increased to improve the efficiency of the two-phase flow turbine.

実施形態3では、図11に示されるように、図10における圧力面側凹状湾曲部70は回転軸12に垂直な断面において隣り合う翼13間で、ディスク11の外周面11aに接しているが、この形態に限定するものではない。図13に示されるように、チップ端16とハブ端17との間で回転方向D1に向かって凸状に湾曲する圧力面14がディスク11の外周面11aに沿って隣の翼13の負圧面15まで延びていてもよい。すなわち、隣り合う翼13のハブ端17は互いに接続していてもよい。また、隣り合う翼13のハブ端17は互いに接続する部分は、翼13の前縁18から後縁19までの間の全体でもよいし、前縁18と後縁19との間の一部分であってもよい。隣り合う翼13のハブ端17が互いに接続していない部分では、翼13を加工する際に途中でエンドミル300を交換する必要があるが、隣り合う翼13のハブ端17が互いに接続している部分では、翼13を加工する際に途中でエンドミル300を交換する必要がない。隣り合う翼13のハブ端17を互いに接続させることにより、翼13の形成作業中のエンドミル300の交換頻度を低下することができるので、翼13の加工性を向上することができる。翼13の前縁18から後縁19までの間の全体で隣り合う翼13のハブ端17が互いに接続していれば、翼13の形成作業中にエンドミル300を交換する必要がなくなり、翼13の加工性をさらに向上することができる。 In the third embodiment, as shown in FIG. 11, the pressure surface side concave curved portion 70 in FIG. 10 is in contact with the outer peripheral surface 11a of the disc 11 between the adjacent blades 13 in the cross section perpendicular to the rotation axis 12. , Not limited to this form. As shown in FIG. 13, a pressure surface 14 that is convexly curved in the rotation direction D1 between the tip end 16 and the hub end 17 is a negative pressure surface of the adjacent blade 13 along the outer peripheral surface 11a of the disc 11. It may extend to 15. That is, the hub ends 17 of the adjacent blades 13 may be connected to each other. Further, the portion where the hub ends 17 of the adjacent blades 13 are connected to each other may be the entire portion between the front edge 18 and the trailing edge 19 of the blade 13, or a part between the front edge 18 and the trailing edge 19. You may. In the portion where the hub ends 17 of the adjacent blades 13 are not connected to each other, it is necessary to replace the end mill 300 in the middle when processing the blades 13, but the hub ends 17 of the adjacent blades 13 are connected to each other. In the portion, it is not necessary to replace the end mill 300 in the middle when processing the blade 13. By connecting the hub ends 17 of the adjacent blades 13 to each other, the frequency of replacement of the end mill 300 during the forming work of the blade 13 can be reduced, so that the workability of the blade 13 can be improved. If the hub ends 17 of the adjacent blades 13 are connected to each other from the front edge 18 to the trailing edge 19 of the blade 13, it is not necessary to replace the end mill 300 during the forming work of the blade 13, and the blade 13 does not need to be replaced. Workability can be further improved.

(実施形態4)
次に、実施形態4に係る二相流タービンの動翼について説明する。実施形態4に係る二相流タービンの動翼は、実施形態1〜3のそれぞれに対して、子午面における翼13の前縁18の構成を限定したものである。以下では、実施形態1の図5に示される構成に対して翼13の前縁18の構成を限定した構成で実施形態4を説明するが、実施形態1の図2、図4又は図4aのいずれかに示される構成若しくは実施形態2の構成に対して翼13の前縁18の構成を限定した構成で実施形態4を構成してもよい。尚、実施形態4において、実施形態1の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
(Embodiment 4)
Next, the moving blades of the two-phase flow turbine according to the fourth embodiment will be described. The moving blades of the two-phase flow turbine according to the fourth embodiment are limited to the configuration of the front edge 18 of the blade 13 on the meridian plane for each of the first to third embodiments. In the following, the fourth embodiment will be described in which the configuration of the front edge 18 of the wing 13 is limited to the configuration shown in FIG. 5 of the first embodiment, but the configuration of FIG. 2, FIG. 4 or FIG. 4a of the first embodiment will be described. The fourth embodiment may be configured by limiting the configuration of the front edge 18 of the wing 13 to the configuration shown in any of the configurations or the configuration of the second embodiment. In the fourth embodiment, the same reference numerals as those of the constituent requirements of the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

図14に示されるように、翼13の前縁18は、翼13のチップ端16とハブ端17との間で後縁19側に向かって凹んだ第1凹部80を含んでいる。また、実施形態4では必須の構成要件ではないが、後縁19は、翼13のチップ端16とハブ端17との間で前縁18側に向かって凹んだ第2凹部90を含んでもよい。その他の構成は実施形態1と同じである。 As shown in FIG. 14, the front edge 18 of the wing 13 includes a first recess 80 recessed between the tip end 16 of the wing 13 and the hub end 17 toward the trailing edge 19 side. Further, although not an essential configuration requirement in the fourth embodiment, the trailing edge 19 may include a second recess 90 recessed toward the front edge 18 side between the tip end 16 of the wing 13 and the hub end 17. .. Other configurations are the same as those in the first embodiment.

実施形態1では、図5に示すように、流出する気液二相流100の方向に垂直な噴出口20aを有するノズル20を使用するために、翼13の前縁18を傾斜させていた。これに対し、実施形態4では、第1凹部80を、ノズル20の噴出口20aの外形に対応した形状にすることにより、ノズル20の一部を第1凹部80内に挿入するようにしてノズル20を配置することができるので、前縁18の傾斜角度にかかわらず、流出する気液二相流100の方向に垂直な噴出口20aを有するノズル20を使用することができる。 In the first embodiment, as shown in FIG. 5, the front edge 18 of the blade 13 is tilted in order to use the nozzle 20 having the nozzle 20a having the ejection port 20a perpendicular to the direction of the outflow gas-liquid two-phase flow 100. On the other hand, in the fourth embodiment, the first recess 80 has a shape corresponding to the outer shape of the ejection port 20a of the nozzle 20, so that a part of the nozzle 20 is inserted into the first recess 80. Since 20 can be arranged, a nozzle 20 having a nozzle 20a perpendicular to the direction of the outflowing gas-liquid two-phase flow 100 can be used regardless of the inclination angle of the front edge 18.

また、後縁19に第2凹部90を設けることにより、翼13の圧力面14上を流れる液相の少なくとも一部が第2凹部90を横切って動翼10から流出するようになる。そうすると、第2凹部90が形成されていない場合に比べて、圧力面14上を流れる距離が短くなった液相が増加するので、圧力面14に対する液相の抵抗が小さくなり、二相流タービン1(図1参照)の効率を向上することができる。 Further, by providing the second recess 90 on the trailing edge 19, at least a part of the liquid phase flowing on the pressure surface 14 of the blade 13 crosses the second recess 90 and flows out from the rotor blade 10. Then, as compared with the case where the second recess 90 is not formed, the liquid phase in which the distance flowing on the pressure surface 14 is shortened increases, so that the resistance of the liquid phase to the pressure surface 14 becomes small, and the two-phase flow turbine The efficiency of 1 (see FIG. 1) can be improved.

実施形態1〜4では、冷凍機の冷凍サイクルにおいて膨張弁の代わりとして設けられる衝動式タービンを例にして二相流タービン1を説明してきたが、これに限定するものではない。二相流タービン1は、有機ランキンサイクル用のタービンや地熱用等の蒸気タービン等であってもよく、各種プラントの高圧液体又は気液二相流体から低圧に流れを膨張させて動力を得るタービンであれば、用途に限定はない。 In the first to fourth embodiments, the two-phase flow turbine 1 has been described by taking as an example an impulse turbine provided in place of the expansion valve in the refrigeration cycle of the refrigerator, but the present invention is not limited to this. The two-phase flow turbine 1 may be a turbine for an organic Rankine cycle, a steam turbine for geothermal use, or the like, and is a turbine that obtains power by expanding the flow from a high-pressure liquid or a gas-liquid two-phase fluid of various plants to a low pressure. If so, the application is not limited.

実施形態1〜4では、厳密な定義なく「二相流」という用語を使用していたが、本開示における二相流は、1種類の物質が液相及び気相の二相になっているものに限定されるものではなく、例えば水の中に空気中の成分等が溶け込んでいる場合のような複数の液体及び気体から構成される物質であって、ある条件で気相の状態と液相の状態とが平衡している流れを意味する。 In the first to fourth embodiments, the term "two-phase flow" has been used without a strict definition, but in the two-phase flow in the present disclosure, one kind of substance has two phases, a liquid phase and a gas phase. It is not limited to a substance, but is a substance composed of a plurality of liquids and gases such as when a component in the air is dissolved in water, and the gas phase state and the liquid under certain conditions. It means a flow in which the phase state is in equilibrium.

実施形態1〜4で説明した構成は、ノズルの噴出口からの液相の流れが気相中に高速で放出され、その液相の流れの周辺に気相が存在するような、例えばペルトン水車の形態の液体から動力を得るタービンにも適用できる。 In the configuration described in the first to fourth embodiments, for example, a Pelton turbine in which the flow of the liquid phase from the ejection port of the nozzle is discharged into the gas phase at a high speed and the gas phase exists around the flow of the liquid phase. It can also be applied to turbines powered by liquids of the form.

1 二相流タービン
10 動翼
11 ディスク
11a (ディスクの)外周面
12 回転軸
13 翼
14 圧力面
14a (圧力面の)最も凸の部分
15 負圧面
16 チップ端
17 ハブ端
17a 湾曲縁部
18 前縁
18a (前縁の)チップ側端部
18b (前縁の)ハブ側端部
18c (前縁の)中間部
18d (前縁の)第1部分
18e (前縁の)第2部分
19 後縁
20 ノズル
20a 噴出口
20b 流入口
20c (ノズルの流入口から噴出口までの間の)位置
21 流路
40 流路
50 シュラウド部
50a (シュラウド部の)入口端
50b (シュラウド部の)出口端
50c (シュラウド部の)内周面
51 湾曲内周面部
52 下流側内周面
60 負圧面側凸状湾曲部
70 圧力面側凹状湾曲部
70a (圧力面側凹状湾曲部の)最も凹の部分
80 第1凹部
90 第2凹部
100 気液二相流
101 気相の流れ
102 液相の流れ
CaL キャンバーライン
O 回転軸中心
R 回転軸の回転方向
R1 翼の回転方向
α ノズルの中心線と回転軸とがなすノズルの傾斜角度
1 Two-phase flow turbine 10 Blade 11 Disc
11a Outer surface 12 (of disk) Rotating shaft 13 Wing 14 Pressure surface 14a (Pressure surface) Most convex part 15 Negative pressure surface 16 Chip end 17 Hub end 17a Curved edge 18 Front edge 18a (Front edge) Chip side end Part 18b (front edge) Hub side end 18c (front edge) Middle part 18d (front edge) First part 18e (front edge) Second part 19 Rear edge 20 Nozzle 20a Spout 20b Inlet 20c ( Position (between the inlet and outlet of the nozzle) 21 Flow path 40 Flow path 50 Shroud part 50a (of the shroud part) Inlet end 50b (of the shroud part) Outlet end 50c (of the shroud part) Inner peripheral surface 51 Inside the curve Peripheral surface portion 52 Downstream side inner peripheral surface 60 Negative pressure surface side convex curved portion 70 Pressure surface side concave curved portion 70a (Pressure surface side concave curved portion) Most concave portion 80 First concave portion 90 Second concave portion 100 Gas-liquid two-phase Flow 101 Gas phase flow 102 Liquid phase flow CaL Camber line O Rotation axis center R Rotation axis rotation direction R1 Blade rotation direction α Nozzle inclination angle between the nozzle center line and the rotation axis

Claims (10)

流体の気液二相流によって駆動される二相流タービンの動翼であって、
回転可能に設けられた回転軸と、
前記回転軸に固定された円盤状のディスクと、
前記回転軸を中心として周方向に互いに間隔をあけるようにして、前記ディスクの外周面のハブに設けられた複数の翼と、
前記複数の翼のそれぞれのチップ端に対向するシュラウド部と
を備え、
前記シュラウド部は、前記回転軸の回転軸中心から前記シュラウド部の内周面の半径が前記シュラウド部の入口端から出口端に向かって減少するように構成されているともに、前記複数の翼のそれぞれは、前記回転軸中心から前記翼のチップ端の半径が前記翼の前縁から前記翼の後縁に向かって減少するように構成されている、二相流タービンの動翼。
The blades of a two-phase flow turbine driven by a gas-liquid two-phase flow of fluid.
Rotatably provided rotating shaft and
A disc-shaped disc fixed to the rotating shaft and
A plurality of blades provided on the hub on the outer peripheral surface of the disc so as to be spaced apart from each other in the circumferential direction about the rotation axis.
A shroud portion facing each tip end of the plurality of blades is provided.
The shroud portion is configured such that the radius of the inner peripheral surface of the shroud portion decreases from the center of the rotation axis of the rotation shaft toward the outlet end to the outlet end of the shroud portion, and the plurality of blades. Each is a two-phase flow turbine drive blade configured such that the radius of the tip end of the blade decreases from the center of the rotation axis toward the trailing edge of the blade.
前記前縁は、前記翼のハブ端側の端部であるハブ側端部から前記チップ端側の端部であるチップ側端部まで直線状に延びるとともに前記チップ側端部が前記ハブ側端部よりも前記回転軸の軸方向において前記後縁側に位置するように構成されている、請求項1に記載の二相流タービンの動翼。 The front edge extends linearly from the hub-side end, which is the hub-end-side end of the blade, to the chip-side end, which is the chip-end-side end, and the chip-side end is the hub-side end. The moving blade of the two-phase flow turbine according to claim 1, which is configured to be located on the trailing edge side in the axial direction of the rotating shaft with respect to the portion. 前記前縁は、
前記翼のチップ端側の端部であるチップ側端部から、前記ハブ端側の端部であるハブ側端部と前記チップ側端部との間の中間部まで直線状に延びるとともに前記チップ側端部が前記中間部よりも前記回転軸の軸方向において前記後縁側に位置するように構成された第1部分と、
前記中間部から前記ハブ側端部まで、前記回転軸の軸方向に対して垂直な方向に沿って直線状に延びるように構成された第2部分と
を含む、請求項1に記載の二相流タービンの動翼。
The front edge
The tip extends linearly from the tip-side end, which is the tip-end-side end of the blade, to the intermediate portion between the hub-side end, which is the hub-end-side end, and the tip-side end. A first portion configured so that the side end portion is located closer to the trailing edge side in the axial direction of the rotation axis than the intermediate portion.
The two-phase according to claim 1, further comprising a second portion configured to extend linearly from the intermediate portion to the hub-side end along a direction perpendicular to the axial direction of the rotating shaft. Flow turbine blades.
前記複数の翼のそれぞれは、前記回転軸中心から前記ハブ端までの半径が前記前縁から前記後縁に向かって減少するように構成されている、請求項2または3に記載の二相流タービンの動翼。 The two-phase flow according to claim 2 or 3, wherein each of the plurality of blades is configured such that the radius from the center of the rotation axis to the end of the hub decreases from the front edge toward the trailing edge. Turbine blades. 前記翼の圧力面は、前記回転軸中心を中心とする円筒面で前記翼を切断したときに形成される翼断面において、前記翼の回転方向に向かって凸状に湾曲した形状を有し、前記圧力面において最も凸の部分の位置が、前記前縁から前記後縁までの前記軸方向における距離に対する前記前縁から前記最も凸の部分までの距離の比が1/2から3/4の範囲となる位置にある、請求項1〜4のいずれか一項に記載の二相流タービンの動翼。 The pressure surface of the blade has a shape that is convexly curved in the direction of rotation of the blade in the blade cross section formed when the blade is cut on a cylindrical surface centered on the center of the rotation axis. The position of the most convex portion on the pressure surface is such that the ratio of the distance from the front edge to the most convex portion to the axial distance from the front edge to the trailing edge is 1/2 to 3/4. The vane of a two-phase flow turbine according to any one of claims 1 to 4, which is located in a range. 前記翼は圧力面及び負圧面を含み、
前記翼のハブ端を半径方向外側から見た場合に前記ハブ端は、前記圧力面側において前記翼の回転方向に対して凹状に湾曲した圧力面側凹状湾曲部を含み、該圧力面側凹状湾曲部は、前記翼の前縁から前記翼の後縁に向かって延び、
前記圧力面側凹状湾曲部のうち最も突出した部分を通る前記周方向において、前記翼の翼厚をwとするとともに、前記周方向に隣り合う各翼の前記圧力面及び前記負圧面のピッチ間の距離をLとすると、(w/L)≧1/3である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の二相流タービンの動翼。
The wing includes a pressure plane and a negative pressure plane,
When the hub end of the blade is viewed from the outside in the radial direction, the hub end includes a concave curved portion on the pressure surface side that is concavely curved with respect to the rotation direction of the blade on the pressure surface side, and is concave on the pressure surface side. The curved portion extends from the front edge of the wing toward the trailing edge of the wing.
In the circumferential direction passing through the most protruding portion of the concave curved portion on the pressure surface side, the blade thickness of the blade is w, and between the pitches of the pressure surface and the negative pressure surface of each blade adjacent to the peripheral direction. The rotor blade of the two-phase flow turbine according to any one of claims 1 to 5, wherein (w / L) ≥ 1/3, where L is the distance between the two.
前記周方向に隣り合う翼の一方の翼の負圧面のハブ端側と他方の翼の圧力面のハブ端側とは、前記前縁から前記後縁までの間で少なくとも部分的に互いに接続している、請求項6に記載の二相流タービンの動翼。 The hub end side of the negative pressure surface of one of the blades adjacent to each other in the circumferential direction and the hub end side of the pressure surface of the other blade are connected to each other at least partially from the front edge to the trailing edge. The moving blade of the two-phase flow turbine according to claim 6. 前記回転軸に垂直な前記翼の断面において、前記圧力面は、前記チップ端と前記ハブ端との間で前記回転方向に向かって凹状に湾曲している、請求項6または7に記載の二相流タービンの動翼。 2. The second aspect of claim 6 or 7, wherein in the cross section of the blade perpendicular to the rotation axis, the pressure surface is concavely curved in the rotation direction between the tip end and the hub end. The moving blades of a multiphase turbine. 前記翼の前縁は、子午面において前記翼のチップ端と前記翼のハブ端との間で前記翼の後縁側に向かって凹んだ第1凹部を含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の二相流タービンの動翼。 Any one of claims 1-8, wherein the front edge of the blade comprises a first recess recessed in the meridional plane between the tip end of the blade and the hub end of the blade toward the trailing edge side of the blade. The blades of the two-phase flow turbine described in the section. 前記後縁は、前記チップ端と前記ハブ端との間で前記前縁側に向かって凹んだ第2凹部を含む、請求項9に記載の二相流タービンの動翼。 The rotor blade of the two-phase flow turbine according to claim 9, wherein the trailing edge includes a second recess recessed toward the front edge side between the tip end and the hub end.
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