JP3124188B2 - 斜流タービンのノズル - Google Patents
斜流タービンのノズルInfo
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- JP3124188B2 JP3124188B2 JP06200590A JP20059094A JP3124188B2 JP 3124188 B2 JP3124188 B2 JP 3124188B2 JP 06200590 A JP06200590 A JP 06200590A JP 20059094 A JP20059094 A JP 20059094A JP 3124188 B2 JP3124188 B2 JP 3124188B2
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- Japan
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- nozzle
- rotation axis
- angle
- nozzle vane
- axis direction
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
- F05B2200/00—Mathematical features
- F05B2200/20—Special functions
- F05B2200/26—Special functions trigonometric
- F05B2200/261—Sine
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン膨張ター
ビン、蒸気タービン等各種タービンに用いられる斜流タ
ービンのノズルに関するものである。
ビン、蒸気タービン等各種タービンに用いられる斜流タ
ービンのノズルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図３は従来の斜流タービンの型式の中の
ノズルベーンレス型の構成を示す縦断面図である。図に
おいて１はタービンケーシング、２は同ケーシングによ
って渦巻状に形成されたスクロール形ガス通路、６は背
板、５はタービンケーシングと直交する回転軸、３は同
回転軸に固定されている羽根車の動翼、１０はハブ側壁
面１３とシュラウド側壁面１４と仮想線１５，１６とに
よって囲まれたノズル部分である。これは環状の空間で
ある。なお３１は動翼前縁、８は羽根車出口である。
ノズルベーンレス型の構成を示す縦断面図である。図に
おいて１はタービンケーシング、２は同ケーシングによ
って渦巻状に形成されたスクロール形ガス通路、６は背
板、５はタービンケーシングと直交する回転軸、３は同
回転軸に固定されている羽根車の動翼、１０はハブ側壁
面１３とシュラウド側壁面１４と仮想線１５，１６とに
よって囲まれたノズル部分である。これは環状の空間で
ある。なお３１は動翼前縁、８は羽根車出口である。
【０００３】図４は従来の斜流タービンの型式の中のノ
ズルベーン型の構成を示す縦断面図である。図３に示し
たノズルベーンレス型との違いは、図３の環状ノズル空
間内に所定間隔で配列固定された複数のノズルベーン１
０Ａが設けられている点である。なお１１はノズルベー
ン１０Ａの前縁、１２は同後縁である。
ズルベーン型の構成を示す縦断面図である。図３に示し
たノズルベーンレス型との違いは、図３の環状ノズル空
間内に所定間隔で配列固定された複数のノズルベーン１
０Ａが設けられている点である。なお１１はノズルベー
ン１０Ａの前縁、１２は同後縁である。
【０００４】この両型式ともスクロール形ガス通路２に
送り込まれた高圧ガスは、ノズル１０で膨張し加速され
て動翼３に入り、その運動エネルギを羽根車へ与え、そ
の回転力は回転軸５から外部へ伝達される。
送り込まれた高圧ガスは、ノズル１０で膨張し加速され
て動翼３に入り、その運動エネルギを羽根車へ与え、そ
の回転力は回転軸５から外部へ伝達される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】図５には従来の斜流タ
ービンの特性が示されている。この図の中には、後述の
本発明に係る斜流タービンの特性も示されているが、以
下の説明においては、同図における上記従来技術に関す
る部分を参照しながら述べる。 〔ｉ〕ノズルベーンレス型の問題点（図３，図５参照） （イ）スクロール形ガス通路２から羽根車出口８までの
流路壁面長さが短かいシュラウド側の方が、流路壁面長
さが長いハブ側より流量が多いため、（図５（ｄ）参
照）ノズル入口仮想面１５における入口流れ角α1f（図
５（ａ）参照）は、シュラウド側が大きくハブ側が小さ
く、流れが不均一である。 （ロ）ノズル出口仮想面１６における出口流れ角α
2fは、流路壁面長さの差によって更に流れの歪が増す。
（図５（ｂ）参照） （ハ）角運動量Ｃu r は自由渦流れであるから中央部は
一定であるが、両壁面近傍では境界層が発達して図５
（ｃ）のように両端で歪む。
ービンの特性が示されている。この図の中には、後述の
本発明に係る斜流タービンの特性も示されているが、以
下の説明においては、同図における上記従来技術に関す
る部分を参照しながら述べる。 〔ｉ〕ノズルベーンレス型の問題点（図３，図５参照） （イ）スクロール形ガス通路２から羽根車出口８までの
流路壁面長さが短かいシュラウド側の方が、流路壁面長
さが長いハブ側より流量が多いため、（図５（ｄ）参
照）ノズル入口仮想面１５における入口流れ角α1f（図
５（ａ）参照）は、シュラウド側が大きくハブ側が小さ
く、流れが不均一である。 （ロ）ノズル出口仮想面１６における出口流れ角α
2fは、流路壁面長さの差によって更に流れの歪が増す。
（図５（ｂ）参照） （ハ）角運動量Ｃu r は自由渦流れであるから中央部は
一定であるが、両壁面近傍では境界層が発達して図５
（ｃ）のように両端で歪む。
【０００６】以上により、動翼３に流入するまでの流れ
の歪による損失が大きく、動翼前縁３１における流れの
不均一が損失を増してタービン効率が低下する。 〔ii〕ノズルベーン型の問題点（図４，図５、参照） 上記ノズルベーンレス型の問題点を解消するため図４に
示したノズルベーン１０Ａを装着したものである。従来
型のノズルベーンとしては、製作上の容易さから回転軸
方向に一定の翼プロファイルを有する２次元ノズルが用
いられているが、ノズルベーンレス型の問題点を十分に
解消できないまゝ、新たな問題点が派生している。
（イ）ノズルベーン前縁１１におけるガスの流れ角α1f
は図５（ａ）に一点鎖線で示したノズルベーンレス型の
ケースと同じであるが、ノズルベーン前縁１１における
翼角α1Kは同図中に破線で示すように回転軸方向に一定
であるから、ノズルベーン前縁１１における流れ角α1f
と翼角α1Kが食い違っており、これに基づく損失が発生
する。 （ロ）ノズルベーン１０Ａは回転軸方向に一定の翼プロ
ファイルに形成しているから、ノズルベーン１０Ａの出
口Ｏ／Ｐ角α2O/Pは図５（ｂ）に示したように一定であ
るが、ノズルを通過する流量Ｇは、ベーンレス型ほどで
はないが、シュラウド側の方が大きく出口流れ角α2fは
同図に示すようにシュラウド側で大きくなり、この食い
違いによる損失がある。 （ハ）角運動量Ｃu r について検討すると、これも流量
Ｇに比例するところがあり、結果的にはシュラウド側で
大きくなるから、過給機用として通常使われている形状
の斜流タービン動翼３の場合、このようなＣu r 分布で
は動翼前縁３１における翼角と流入角とがミスマッチン
グし、大きな損失を生じる。
の歪による損失が大きく、動翼前縁３１における流れの
不均一が損失を増してタービン効率が低下する。 〔ii〕ノズルベーン型の問題点（図４，図５、参照） 上記ノズルベーンレス型の問題点を解消するため図４に
示したノズルベーン１０Ａを装着したものである。従来
型のノズルベーンとしては、製作上の容易さから回転軸
方向に一定の翼プロファイルを有する２次元ノズルが用
いられているが、ノズルベーンレス型の問題点を十分に
解消できないまゝ、新たな問題点が派生している。
（イ）ノズルベーン前縁１１におけるガスの流れ角α1f
は図５（ａ）に一点鎖線で示したノズルベーンレス型の
ケースと同じであるが、ノズルベーン前縁１１における
翼角α1Kは同図中に破線で示すように回転軸方向に一定
であるから、ノズルベーン前縁１１における流れ角α1f
と翼角α1Kが食い違っており、これに基づく損失が発生
する。 （ロ）ノズルベーン１０Ａは回転軸方向に一定の翼プロ
ファイルに形成しているから、ノズルベーン１０Ａの出
口Ｏ／Ｐ角α2O/Pは図５（ｂ）に示したように一定であ
るが、ノズルを通過する流量Ｇは、ベーンレス型ほどで
はないが、シュラウド側の方が大きく出口流れ角α2fは
同図に示すようにシュラウド側で大きくなり、この食い
違いによる損失がある。 （ハ）角運動量Ｃu r について検討すると、これも流量
Ｇに比例するところがあり、結果的にはシュラウド側で
大きくなるから、過給機用として通常使われている形状
の斜流タービン動翼３の場合、このようなＣu r 分布で
は動翼前縁３１における翼角と流入角とがミスマッチン
グし、大きな損失を生じる。
【０００７】本発明は上記従来技術の欠点を解消し、流
れの歪み、不均一、流れ角のくい違い、ミスマッチング
等の生じない斜流タービンノズルを提供しようとするも
のである。
れの歪み、不均一、流れ角のくい違い、ミスマッチング
等の生じない斜流タービンノズルを提供しようとするも
のである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
したものであって、スクロール形ガス通路と羽根車との
間に設けられるノズルベーンが、次の条件を満たすこと
を特徴とする斜流タービンのノズルに関するものであ
る。 （１）ノズルベーン前縁の翼角度α1Kが、回転軸方向に
ハブ側からシュラウド側に向かって単調に増加するこ
と。 （２）ノズルベーン後縁の回転軸中心線からの距離r2が
回転軸方向にハブ側からシュラウド側に向かって単調に
減少すること。 （３）ノズルベーンにおいて、次式で定義される角 α2O/P(Z) ＝ sin-1〔Ｏ(Z) ／Ｐ(Z) 〕 が、回転軸方向にハブ側からシュラウド側に向かって単
調に増加すること。但し、Ｚは回転軸方向にハブ側から
シュラウド側に向かって定義した座標、Ｏ(Z) はＺにお
けるスロート幅、Ｐ(Z) はＺにおけるノズル出口ピッチ
である。
したものであって、スクロール形ガス通路と羽根車との
間に設けられるノズルベーンが、次の条件を満たすこと
を特徴とする斜流タービンのノズルに関するものであ
る。 （１）ノズルベーン前縁の翼角度α1Kが、回転軸方向に
ハブ側からシュラウド側に向かって単調に増加するこ
と。 （２）ノズルベーン後縁の回転軸中心線からの距離r2が
回転軸方向にハブ側からシュラウド側に向かって単調に
減少すること。 （３）ノズルベーンにおいて、次式で定義される角 α2O/P(Z) ＝ sin-1〔Ｏ(Z) ／Ｐ(Z) 〕 が、回転軸方向にハブ側からシュラウド側に向かって単
調に増加すること。但し、Ｚは回転軸方向にハブ側から
シュラウド側に向かって定義した座標、Ｏ(Z) はＺにお
けるスロート幅、Ｐ(Z) はＺにおけるノズル出口ピッチ
である。
【０００９】
【作用】条件（１）によって、ノズル入口の損失が軽減
される。条件（２）によって、ハブ側の流量の減少が補
われ、動翼入口の流量分布が均一化する。条件（３）に
よって、ハブ側の流出角が小さくなり、かつ絶対流速の
周方向成分が大きくなるので性能が向上する。
される。条件（２）によって、ハブ側の流量の減少が補
われ、動翼入口の流量分布が均一化する。条件（３）に
よって、ハブ側の流出角が小さくなり、かつ絶対流速の
周方向成分が大きくなるので性能が向上する。
【００１０】
【実施例】図１は本発明の一実施例に係る斜流タービン
の縦断面図である。図において１０Ｂは本実施例のノズ
ルベーンであり、１１はその前縁、１２はその後縁であ
る。Ｚ−Ｚは回転軸中心線である。
の縦断面図である。図において１０Ｂは本実施例のノズ
ルベーンであり、１１はその前縁、１２はその後縁であ
る。Ｚ−Ｚは回転軸中心線である。
【００１１】図２は上記実施例のノズルベーンの断面図
であり、太線で描かれている部分はベーン中央部のＸ−
Ｘ断面、ハッチングを付して描かれている部分はベーン
のハブ側壁面に近いＹ−Ｙ断面を示している。これらの
図において、ｒZ1はＸ−Ｘ断面における翼コード中央の
回転軸中心（Ｚ−Ｚ）からの距離、ｒZ2はＹ−Ｙ断面に
おける翼後縁の回転軸中心（Ｚ−Ｚ）からの距離であ
る。上記ノズルベーン１０Ｂはハブ側壁面１３からシュ
ラウド側壁面１４へ向って翼コード長ＬZ ，入口角
αZ 、出口Ｏ／Ｐ角α2O/P、は大きくなり、翼後端縁１
２の回転軸中心（Ｚ−Ｚ）からの距離は小さくなる。上
記以外の部分の構成は従来技術と同じである。
であり、太線で描かれている部分はベーン中央部のＸ−
Ｘ断面、ハッチングを付して描かれている部分はベーン
のハブ側壁面に近いＹ−Ｙ断面を示している。これらの
図において、ｒZ1はＸ−Ｘ断面における翼コード中央の
回転軸中心（Ｚ−Ｚ）からの距離、ｒZ2はＹ−Ｙ断面に
おける翼後縁の回転軸中心（Ｚ−Ｚ）からの距離であ
る。上記ノズルベーン１０Ｂはハブ側壁面１３からシュ
ラウド側壁面１４へ向って翼コード長ＬZ ，入口角
αZ 、出口Ｏ／Ｐ角α2O/P、は大きくなり、翼後端縁１
２の回転軸中心（Ｚ−Ｚ）からの距離は小さくなる。上
記以外の部分の構成は従来技術と同じである。
【００１２】本ノズルベーンは次の手段（設計方針）に
よって設計されている。 （１）ノズル前縁１１の翼角度α1KがＺ方向に、ノズル
ハブ壁面１３からノズルシュラウド壁面１４にむかって
単調に増加するように（第５図（ａ））ノズル前縁１１
におけるノズル翼形１５を設計する。 （２）軸方向座標Ｚにおけるノズル後縁１２の半径位置
ｒ2 (Z) が、Ｚ方向に、ノズルハブ壁面１３からノズル
シュラウド壁面１４にむかって単調に減少するようにノ
ズル後縁１２形状を設計する。 （３）下式で定義されるノズルＯ／Ｐ角α2O/PがＺ方向
に、ノズルハブ壁面１３からノズルシュラウド壁面１４
にむかって単調に増加するよう（第５図（ｂ））、ノズ
ル後縁１２近傍のノズル翼形１５を設計する。ここに、 α2O/P(Z) ＝ sin-1〔Ｏ(Z) ／Ｐ(Z) 〕 Ｏ(Z) ：Ｚにおけるスロート幅、Ｐ(Z) ：Ｚにおけるノ
ズル出口ピッチ、である。
よって設計されている。 （１）ノズル前縁１１の翼角度α1KがＺ方向に、ノズル
ハブ壁面１３からノズルシュラウド壁面１４にむかって
単調に増加するように（第５図（ａ））ノズル前縁１１
におけるノズル翼形１５を設計する。 （２）軸方向座標Ｚにおけるノズル後縁１２の半径位置
ｒ2 (Z) が、Ｚ方向に、ノズルハブ壁面１３からノズル
シュラウド壁面１４にむかって単調に減少するようにノ
ズル後縁１２形状を設計する。 （３）下式で定義されるノズルＯ／Ｐ角α2O/PがＺ方向
に、ノズルハブ壁面１３からノズルシュラウド壁面１４
にむかって単調に増加するよう（第５図（ｂ））、ノズ
ル後縁１２近傍のノズル翼形１５を設計する。ここに、 α2O/P(Z) ＝ sin-1〔Ｏ(Z) ／Ｐ(Z) 〕 Ｏ(Z) ：Ｚにおけるスロート幅、Ｐ(Z) ：Ｚにおけるノ
ズル出口ピッチ、である。
【００１３】上記各手段によって設計・製作されたノズ
ルベーンの作用および効果は次の通りである。前記
（１）項の手段については、ノズル入口翼角α1Zを第５
図（ａ）に示すように、流れ角α1fに一致させて翼高さ
方向（ハブ側からシュラウド側）に増加させことによ
り、ノズル入口の損失を軽減する。前記（３）項の手段
は、ノズル出口Ｏ／Ｐ角α2O/Pはほぼノズル流出角α2f
に等しいからハブ側のノズルＯ／Ｐ角をシュラウド側よ
り小さくすることによって図６に示したように、ハブ側
の流出角α2fを小さくして絶対流速の周方向成分Ｃu を
大きくして性能改善を狙う。ところが、ハブ側のノズル
出口の半径（回転軸中心からの距離）を同じにしたまま
でα2O/Pを小さくすると、図７に示すようにハブ側の流
量が減少して上記（３）項の手段で期待した作用が得ら
れないことがある。更に、動翼入口の翼高さ方向の流量
分布が大きくなり、動翼内の流れも悪化し、タービン効
率はかえって低下する。そこで前記（２）項の手段によ
ってハブ側のノズル出口半径をシュラウド側より大きく
することにより、上記のα2O/Pを小さくしたことによる
ハブ側の流量の減少を補い、動翼入口の流量分布を補正
する。
ルベーンの作用および効果は次の通りである。前記
（１）項の手段については、ノズル入口翼角α1Zを第５
図（ａ）に示すように、流れ角α1fに一致させて翼高さ
方向（ハブ側からシュラウド側）に増加させことによ
り、ノズル入口の損失を軽減する。前記（３）項の手段
は、ノズル出口Ｏ／Ｐ角α2O/Pはほぼノズル流出角α2f
に等しいからハブ側のノズルＯ／Ｐ角をシュラウド側よ
り小さくすることによって図６に示したように、ハブ側
の流出角α2fを小さくして絶対流速の周方向成分Ｃu を
大きくして性能改善を狙う。ところが、ハブ側のノズル
出口の半径（回転軸中心からの距離）を同じにしたまま
でα2O/Pを小さくすると、図７に示すようにハブ側の流
量が減少して上記（３）項の手段で期待した作用が得ら
れないことがある。更に、動翼入口の翼高さ方向の流量
分布が大きくなり、動翼内の流れも悪化し、タービン効
率はかえって低下する。そこで前記（２）項の手段によ
ってハブ側のノズル出口半径をシュラウド側より大きく
することにより、上記のα2O/Pを小さくしたことによる
ハブ側の流量の減少を補い、動翼入口の流量分布を補正
する。
【００１４】
【発明の効果】本発明の斜流タービンのノズルベーンは
下の条件を満しているので、流れの歪み、不均一、流れ
角のくい違い、ミスマッチング等が無く、損失を低減す
ることができる。 （１）ノズルベーン前縁の翼角度α1Kが、回転軸方向に
ハブ側からシュラウド側に向かって単調に増加するこ
と。 （２）ノズルベーン後縁の回転軸中心線からの距離r2が
回転軸方向にハブ側からシュラウド側に向かって単調に
減少すること。 （３）ノズルベーンにおいて、次式で定義される角 α2O/P(Z) ＝ sin-1〔Ｏ(Z) ／Ｐ(Z) 〕 が、回転軸方向にハブ側からシュラウド側に向かって単
調に増加すること。但し、Ｚは回転軸方向にハブ側から
シュラウド側に向かって定義した座標、Ｏ(Z) はＺにお
けるスロート幅、Ｐ(Z) はＺにおけるノズル出口ピッチ
である。
下の条件を満しているので、流れの歪み、不均一、流れ
角のくい違い、ミスマッチング等が無く、損失を低減す
ることができる。 （１）ノズルベーン前縁の翼角度α1Kが、回転軸方向に
ハブ側からシュラウド側に向かって単調に増加するこ
と。 （２）ノズルベーン後縁の回転軸中心線からの距離r2が
回転軸方向にハブ側からシュラウド側に向かって単調に
減少すること。 （３）ノズルベーンにおいて、次式で定義される角 α2O/P(Z) ＝ sin-1〔Ｏ(Z) ／Ｐ(Z) 〕 が、回転軸方向にハブ側からシュラウド側に向かって単
調に増加すること。但し、Ｚは回転軸方向にハブ側から
シュラウド側に向かって定義した座標、Ｏ(Z) はＺにお
けるスロート幅、Ｐ(Z) はＺにおけるノズル出口ピッチ
である。
【図１】本発明の一実施例に係る斜流タービンの縦断面
図。
図。
【図２】上記実施例のノズルベーンの断面図。
【図３】従来のノズルベーンレス型斜流タービンの縦断
面図。
面図。
【図４】従来のノズルベーン型斜流タービンの縦断面
図。
図。
【図５】従来および本発明の斜流タービンの特性図。
【図６】ノズル出口の速度三角形説明図。
【図７】ノズル出口の速度三角形説明図。
１ タービンケーシング ２ スクロール形ガス通路 ３ 動翼 ５ 回転軸 ６ 背板 ８ 羽根車出口 １０ ノズル １０Ａ ノズルベーン（従来） １０Ｂ ノズルベーン（実施例） １１ ノズル前縁 １２ ノズル後縁 １３ ハブ側壁面 １４ シュラウド側壁面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01D 9/00 F01D 1/00
Claims (1)
- 【請求項１】 スクロール形ガス通路と羽根車との間に
設けられるノズルベーンが、次の条件を満たすことを特
徴とする斜流タービンのノズル。 （１）ノズルベーン前縁の翼角度α1Kが、回転軸方向に
ハブ側からシュラウド側に向かって単調に増加するこ
と。 （２）ノズルベーン後縁の回転軸中心線からの距離r2が
回転軸方向にハブ側からシュラウド側に向かって単調に
減少すること。 （３）ノズルベーンにおいて、次式で定義される角 α2O/P(Z) ＝ sin-1〔Ｏ(Z) ／Ｐ(Z) 〕 が、回転軸方向にハブ側からシュラウド側に向かって単
調に増加すること。但し、Ｚは回転軸方向にハブ側から
シュラウド側に向かって定義した座標、Ｏ(Z) はＺにお
けるスロート幅、Ｐ(Z) はＺにおけるノズル出口ピッチ
である。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06200590A JP3124188B2 (ja) | 1994-08-25 | 1994-08-25 | 斜流タービンのノズル |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06200590A JP3124188B2 (ja) | 1994-08-25 | 1994-08-25 | 斜流タービンのノズル |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0861005A JPH0861005A (ja) | 1996-03-05 |
| JP3124188B2 true JP3124188B2 (ja) | 2001-01-15 |
Family
ID=16426884
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06200590A Expired - Fee Related JP3124188B2 (ja) | 1994-08-25 | 1994-08-25 | 斜流タービンのノズル |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3124188B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| BRPI0810328A8 (pt) * | 2007-05-04 | 2018-10-30 | Borgwarner Inc | turbocompressor e método de operação de um turbocompressor |
| WO2021140569A1 (ja) | 2020-01-07 | 2021-07-15 | 三菱重工エンジン＆ターボチャージャ株式会社 | タービン及びターボチャージャ |
-
1994
- 1994-08-25 JP JP06200590A patent/JP3124188B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0861005A (ja) | 1996-03-05 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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