JP3679860B2 - ラジアルタービン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸の方向と直交する方向から流入し、回転軸の軸方向に流出する作動ガスで、羽根車に動力を発生させるようにした、過給機、エキスパンジョンタービン等に適用されるラジアルタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
翼を放射状に設けた回転軸と直交する方向から、渦巻状の流路を設けた羽根無ノズル、又は円形に配列した翼列を設けた羽根付ノズル（以下羽根無ノズルと羽根付ノズルを併せて単にノズルという）に、圧力、温度等の高い高エネルギの作動ガスを導入し、上流の外径側から下流の内径側へ向う、順次半径内向きになる高速の旋回流を発生させ、羽根車の回転方向に向う旋回流を翼内に流入させて、動力を発生させるようにしたラジアルタービンとして、図４に示すものが、従来から使用されている。
【０００３】
このような、従来のラジアルタービンでは、渦巻状に形成された流路である、スクロール２０７の最外周に流入させた作動ガスを、スクロール２０７内で、半径内向き方向の成分を持つ旋回流れに変向し、スクロール２０７の内周側から、羽根車２００を構成する回転軸２０８の外周に放射状に設けられ、前縁が回転軸２０８の方向と平行に配置された、複数の翼２０６内に導入し、翼２０６内を流れる間に、作動ガスのもつエネルギを回収して、回転軸２０８から外部に取り出すと共に、半径内向き方向に流れ込んできた流れを、旋回流のほとんどない、回転軸２０８の方向に流れる軸流に転向させて、回転軸２０８と直交して配置された後縁から流出させるようにしている。
【０００４】
このため、作動ガスが翼２０６に流入する羽根車２００入口上流側、すなわちスクロール２０７の最内周には、回転軸２０８の方向と直交し、対向して配設された、円環状の２枚の板２０３、２０４が設けられ、半径内向き方向に旋回する作動ガスを噴出させる流路が形成されるとともに、羽根車２００出口下流側には、旋回流のほとんどない軸流を流出させるための円管２０９からなる流路が、回転軸２０８と平行に形成されている。
【０００５】
このように、ラジアルタービンでは、回転軸２０８を含む面内で、羽根車２００に流入する半径内向きの流れの作動ガスを９０°転向して、軸流として羽根車２００から流出させるようにしているため、反動度が大きくなり、小型のものでも比較的効率の高いものにでき、また、構造が簡単なため、軽量、低コストにできるとともに、構造上から高い周速にでき、１段当りの圧力比を比較的高くできる等の利点を持つものにできる。
【０００６】
しかしながら、従来のラジアルタービンでは、内部に導入する作動ガスの流量を増加するために、翼２０６の高さを高くしてゆくと、円管２０９と平板２０３の間に形成されるケーシング内面と近接して作動する翼２０６の外縁、すなわち、シュラウド面２０１の曲率半径２０５が小さくなることによる不具合が発生する。
【０００７】
すなわち、２枚の平板２０３、２０４の間から羽根車２００内に流れ込み、翼２０６のシュラウド面２０１に沿う翼負圧面の流れは、図２に示すように羽根車２００入口から次第に増速し、羽根車２００出口寄りで最高値２１０に達し、さらに、そこから羽根車２００出口に向けて次第に減速するが、前述のように、シュラウド面２０１の曲率半径２０５が小さくなると、この翼面流速の最高値２１０が大きくなり、この曲面に沿う増速の比率が増加するとともに、流速の最高値２１０に到達した翼負圧面に引続く翼負圧面での減速量２１１が大きくなり、減速比率が低下することとなる。
【０００８】
この減速比率の低下は、シュラウド面２０１に沿って流れる作動ガスの翼負圧面からの剥離を引き起すこととなり、その結果流れの損失が増加し、タービン効率が低下する不具合が発生する。
【０００９】
従来、この不具合の解決のため、回転軸の方向から傾斜させた方向から作動ガスを導入し、作動ガスの方向と直交する方向に前縁を配置した羽根車内に流入させ、エネルギを回収した後、回転軸の方向と平行に流れる軸流にして排出するようにした、斜流タービンが開発され、小流量のラジアルタービンと大流量の軸流タービンの中間領域で高効率を達成しつつある。
【００１０】
しかしながら、このような斜流タービンは、前述したように翼の前縁が回転軸に対して平行に配置されてなく、傾斜して設けられているため、作動ガスが翼に流入する位置によって反動度が異なり、反動度が高く、小形でも比較的効率が高くできるというラジアルタービンび特徴が損なわれる欠点がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した従来のラジアルタービンの不具合を解消し、若しくは、従来のラジアルタービンの不具合を解消するため開発された斜流タービンの不具合を解消するため、翼の前縁を回転軸に対して傾斜させることなく平行にして、しかも、シュラウド面に沿う翼負圧面の流れの剥離を起すことなく、作動ガスの流量を大きくできる、反動度が高く、小型で効率の良い等の、固有の利点をそのまま具えるラジアルタービンの提供を課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明のラジアルタービンは、次の手段とした。
旋回流にされた作動ガスが流入する、羽根車を形成する翼の内縁、すなわちハブ面、および翼の外縁、すなわちシュラウド面の、半径が一定に維持された前縁における、接線方向が、それぞれ翼を放射状に設ける回転軸の方向と直交する半径方向から、羽根車から軸流となって、流出する作動ガスの流出方向と反対側に、５〜３０°傾斜させて、回転軸を含む面内における、作動ガスの羽根車への流入方向と、羽根車から流出する作動ガスの流出方向とのなす角が、９０°以上になるようにした。
【００１３】
なお、羽根車のハブ面およびシュラウド面を翼の前縁部で傾斜させたことに伴い、作動ガスの羽根車への入口角度も、ハブ面およびシュラウド面の傾斜角度と同じ傾斜になるようにするため、羽根車入口上流側に設ける円環状の２枚の平板も半径方向から傾斜して設けることが望ましい。
【００１４】
本発明のラジアルタービンは、上述の手段により、作動ガスの羽根車への流入方向と流出方向の成す角が９０°以上になるため、作動ガスの羽根車内における流れの曲率半径が増加し、特に、翼外縁のシュラウド面における曲率半径が増加することにより、この曲面に沿う翼負圧面の流速の増速の比率が、図２の実線で示すように低下し、流速が最高値になる翼負圧面に引き続く翼負圧面における減速を小さくできる。
【００１５】
これにより、減速に伴なうシュラウド面に沿う翼負圧面の流れの剥離を防止でき、剥離によるタービン効率の損失増加が防止できる。
また、この羽根車のハブ面およびシュラウド面の傾斜の効果は、図３に示すように、５〜３０°にて現われ、それ以上角度を大きくしても効率改善量は小さくなる。
さらに、この傾斜が３０°を越えると、羽根車の軸方向長さが長くなり、重量が重くなること、流路出口の流れの損失が増加すること等のため、従来の斜流タービンに比べてメリットが無くなる。
【００１６】
そのため傾斜の範囲は、矢視Ｂで示す５°〜３０°範囲とし、シュラウド面およびハブ面の曲率半径を大きくした。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のラジアルタービンの実施の一形態を図面にもとづき説明する。図１は、本発明のラジアルタービンの実施の第１形態を示す断面図で、図４に示した、従来のラジアルタービンの羽根車２００のシュラウド面２０１、およびハブ面２０３形状を重ねて一点鎖線で示している。
【００１８】
すなわち、半径方向が一定にされた翼２０６前縁でのシュラウド面２０１とハブ面２０２の接線方向２１２、２１３は、ほぼ半径方向を向いている。
これに対し、本実施の形態では、このシュラウド面２０１およびハブ面２０２の翼２０６前縁における接線方向を、半径方向から、羽根車２００に流入した作動ガス２１５が、軸流となって羽根車２００から流出する方向と反対側に、θ＝５〜３０°傾斜させたシュラウド面１０１およびハブ面１０２とした。
【００１９】
すなわち、翼２０６前縁での接線方向１１２が、従来のシュラウド面２０１の接線方向２１２とθだけ、作動ガス２１５が羽根車２００から流出する側と反対側に傾斜するシュラウド面１０１にするとともに、翼２０６前縁での接線方向１１３が、従来のハブ面２０２の接線方向２１３とθだけ、同様に傾斜するハブ面１０２にした。
【００２０】
これにより、翼２０６のシュラウド面２０１の曲率半径２０５が、図１（ｂ）に示すように、曲率半径１０５に増加する。
この曲率半径の増加により、図２に示すように、翼２００の負圧面の流速の最高値が、従来の最高値２１０から最高値１１０に低下する。
その結果、従来のラジアルタービンにおいては、翼負圧面の最高流速の下流側で減速２１１が生じていたのに対し、この減速の速度差が、１１１で示すように減少する。
【００２１】
これにより、シュラウド面１０１に沿う翼負圧面の境界層の発達がおさえられ、また剥離が生じていた場合においても剥離が防止できる。
すなわち、外縁シュラウド面に沿って流れる作動ガスの損失が減少し、効率が向上する。
なお、シュラウド面１０１およびハブ面１０２をθだけ傾斜させることに伴い、翼２０６前縁への作動ガス２１５の流入角を、同様にθだけ傾斜させ流入時の抵抗を低減するため、羽根車２００入口上流側の平板１０３、１０４をθだけ、シュラウド面１０１およびハブ１０２と同様に傾斜させている。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のラジアルタービンによれば、特許請求の範囲に示す構成により、羽根車への作動ガスの流入方向と流出方向の成す角が９０°以上になるため、作動ガスの羽根車内における流れの曲率半径が増加し、特に、翼外縁のシュラウド面の曲率半径が増加することにより、この曲面に沿う翼負圧面の流速の増速の比率が低下し、流速が最高値になる翼負圧面引き続く曲面における減速を小さくでき、減速に伴なう、シュラウド面に沿う翼負圧面の流れの剥離を防止でき、剥離による損失増加が防止でき、効率の高いラジアルタービンとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のラジアルタービンの実施の第１形態を示す図で、図１（ａ）は部分断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ部詳細図、
【図２】シュラウド面に沿う翼面の流速分布図、
【図３】シュラウド面およびハブ面の傾斜角θと効率を示す図、
【図４】従来のラジアルタービンを示す部分断面図である。
【符号の説明】
１０１ シュラウド面
１０２ ハブ面
１０３ 平板
１０４ 平板
１０５ シュラウド面曲率半径
１１０ 翼負圧面流速最高値
１１１ 翼負圧面流速減速値
１１２ 翼前縁でのシュラウド面接線方向
１１３ 翼前縁でのハブ面接線方向
２００ 羽根車
２０１ シュラウド面
２０２ ハブ面
２０３ 平板
２０４ 平板
２０５ シュラウド面曲率半径
２０６ 翼
２０７ スクロール
２０８ 回転軸
２０９ 円管
２１０ 翼負圧面流速最高値
２１１ 翼負圧面流速減速値
２１２ 翼前縁でのシュラウド面接線方向
２１３ 翼前縁でのハブ面接線方向
２１５ 作動ガス
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸の方向と直交する方向から流入し、回転軸の軸方向に流出する作動ガスで、羽根車に動力を発生させるようにした、過給機、エキスパンジョンタービン等に適用されるラジアルタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
翼を放射状に設けた回転軸と直交する方向から、渦巻状の流路を設けた羽根無ノズル、又は円形に配列した翼列を設けた羽根付ノズル（以下羽根無ノズルと羽根付ノズルを併せて単にノズルという）に、圧力、温度等の高い高エネルギの作動ガスを導入し、上流の外径側から下流の内径側へ向う、順次半径内向きになる高速の旋回流を発生させ、羽根車の回転方向に向う旋回流を翼内に流入させて、動力を発生させるようにしたラジアルタービンとして、図４に示すものが、従来から使用されている。
【０００３】
このような、従来のラジアルタービンでは、渦巻状に形成された流路である、スクロール２０７の最外周に流入させた作動ガスを、スクロール２０７内で、半径内向き方向の成分を持つ旋回流れに変向し、スクロール２０７の内周側から、羽根車２００を構成する回転軸２０８の外周に放射状に設けられ、前縁が回転軸２０８の方向と平行に配置された、複数の翼２０６内に導入し、翼２０６内を流れる間に、作動ガスのもつエネルギを回収して、回転軸２０８から外部に取り出すと共に、半径内向き方向に流れ込んできた流れを、旋回流のほとんどない、回転軸２０８の方向に流れる軸流に転向させて、回転軸２０８と直交して配置された後縁から流出させるようにしている。
【０００４】
このため、作動ガスが翼２０６に流入する羽根車２００入口上流側、すなわちスクロール２０７の最内周には、回転軸２０８の方向と直交し、対向して配設された、円環状の２枚の板２０３、２０４が設けられ、半径内向き方向に旋回する作動ガスを噴出させる流路が形成されるとともに、羽根車２００出口下流側には、旋回流のほとんどない軸流を流出させるための円管２０９からなる流路が、回転軸２０８と平行に形成されている。
【０００５】
このように、ラジアルタービンでは、回転軸２０８を含む面内で、羽根車２００に流入する半径内向きの流れの作動ガスを９０°転向して、軸流として羽根車２００から流出させるようにしているため、反動度が大きくなり、小型のものでも比較的効率の高いものにでき、また、構造が簡単なため、軽量、低コストにできるとともに、構造上から高い周速にでき、１段当りの圧力比を比較的高くできる等の利点を持つものにできる。
【０００６】
しかしながら、従来のラジアルタービンでは、内部に導入する作動ガスの流量を増加するために、翼２０６の高さを高くしてゆくと、円管２０９と平板２０３の間に形成されるケーシング内面と近接して作動する翼２０６の外縁、すなわち、シュラウド面２０１の曲率半径２０５が小さくなることによる不具合が発生する。
【０００７】
すなわち、２枚の平板２０３、２０４の間から羽根車２００内に流れ込み、翼２０６のシュラウド面２０１に沿う翼負圧面の流れは、図２に示すように羽根車２００入口から次第に増速し、羽根車２００出口寄りで最高値２１０に達し、さらに、そこから羽根車２００出口に向けて次第に減速するが、前述のように、シュラウド面２０１の曲率半径２０５が小さくなると、この翼面流速の最高値２１０が大きくなり、この曲面に沿う増速の比率が増加するとともに、流速の最高値２１０に到達した翼負圧面に引続く翼負圧面での減速量２１１が大きくなり、減速比率が低下することとなる。
【０００８】
この減速比率の低下は、シュラウド面２０１に沿って流れる作動ガスの翼負圧面からの剥離を引き起すこととなり、その結果流れの損失が増加し、タービン効率が低下する不具合が発生する。
【０００９】
従来、この不具合の解決のため、回転軸の方向から傾斜させた方向から作動ガスを導入し、作動ガスの方向と直交する方向に前縁を配置した羽根車内に流入させ、エネルギを回収した後、回転軸の方向と平行に流れる軸流にして排出するようにした、斜流タービンが開発され、小流量のラジアルタービンと大流量の軸流タービンの中間領域で高効率を達成しつつある。
【００１０】
しかしながら、このような斜流タービンは、前述したように翼の前縁が回転軸に対して平行に配置されてなく、傾斜して設けられているため、作動ガスが翼に流入する位置によって反動度が異なり、反動度が高く、小形でも比較的効率が高くできるというラジアルタービンび特徴が損なわれる欠点がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した従来のラジアルタービンの不具合を解消し、若しくは、従来のラジアルタービンの不具合を解消するため開発された斜流タービンの不具合を解消するため、翼の前縁を回転軸に対して傾斜させることなく平行にして、しかも、シュラウド面に沿う翼負圧面の流れの剥離を起すことなく、作動ガスの流量を大きくできる、反動度が高く、小型で効率の良い等の、固有の利点をそのまま具えるラジアルタービンの提供を課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明のラジアルタービンは、次の手段とした。
旋回流にされた作動ガスが流入する、羽根車を形成する翼の内縁、すなわちハブ面、および翼の外縁、すなわちシュラウド面の、半径が一定に維持された前縁における、接線方向が、それぞれ翼を放射状に設ける回転軸の方向と直交する半径方向から、羽根車から軸流となって、流出する作動ガスの流出方向と反対側に、５〜３０°傾斜させて、回転軸を含む面内における、作動ガスの羽根車への流入方向と、羽根車から流出する作動ガスの流出方向とのなす角が、９０°以上になるようにした。
【００１３】
なお、羽根車のハブ面およびシュラウド面を翼の前縁部で傾斜させたことに伴い、作動ガスの羽根車への入口角度も、ハブ面およびシュラウド面の傾斜角度と同じ傾斜になるようにするため、羽根車入口上流側に設ける円環状の２枚の平板も半径方向から傾斜して設けることが望ましい。
【００１４】
本発明のラジアルタービンは、上述の手段により、作動ガスの羽根車への流入方向と流出方向の成す角が９０°以上になるため、作動ガスの羽根車内における流れの曲率半径が増加し、特に、翼外縁のシュラウド面における曲率半径が増加することにより、この曲面に沿う翼負圧面の流速の増速の比率が、図２の実線で示すように低下し、流速が最高値になる翼負圧面に引き続く翼負圧面における減速を小さくできる。
【００１５】
これにより、減速に伴なうシュラウド面に沿う翼負圧面の流れの剥離を防止でき、剥離によるタービン効率の損失増加が防止できる。
また、この羽根車のハブ面およびシュラウド面の傾斜の効果は、図３に示すように、５〜３０°にて現われ、それ以上角度を大きくしても効率改善量は小さくなる。
さらに、この傾斜が３０°を越えると、羽根車の軸方向長さが長くなり、重量が重くなること、流路出口の流れの損失が増加すること等のため、従来の斜流タービンに比べてメリットが無くなる。
【００１６】
そのため傾斜の範囲は、矢視Ｂで示す５°〜３０°範囲とし、シュラウド面およびハブ面の曲率半径を大きくした。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のラジアルタービンの実施の一形態を図面にもとづき説明する。図１は、本発明のラジアルタービンの実施の第１形態を示す断面図で、図４に示した、従来のラジアルタービンの羽根車２００のシュラウド面２０１、およびハブ面２０３形状を重ねて一点鎖線で示している。
【００１８】
すなわち、半径方向が一定にされた翼２０６前縁でのシュラウド面２０１とハブ面２０２の接線方向２１２、２１３は、ほぼ半径方向を向いている。
これに対し、本実施の形態では、このシュラウド面２０１およびハブ面２０２の翼２０６前縁における接線方向を、半径方向から、羽根車２００に流入した作動ガス２１５が、軸流となって羽根車２００から流出する方向と反対側に、θ＝５〜３０°傾斜させたシュラウド面１０１およびハブ面１０２とした。
【００１９】
すなわち、翼２０６前縁での接線方向１１２が、従来のシュラウド面２０１の接線方向２１２とθだけ、作動ガス２１５が羽根車２００から流出する側と反対側に傾斜するシュラウド面１０１にするとともに、翼２０６前縁での接線方向１１３が、従来のハブ面２０２の接線方向２１３とθだけ、同様に傾斜するハブ面１０２にした。
【００２０】
これにより、翼２０６のシュラウド面２０１の曲率半径２０５が、図１（ｂ）に示すように、曲率半径１０５に増加する。
この曲率半径の増加により、図２に示すように、翼２００の負圧面の流速の最高値が、従来の最高値２１０から最高値１１０に低下する。
その結果、従来のラジアルタービンにおいては、翼負圧面の最高流速の下流側で減速２１１が生じていたのに対し、この減速の速度差が、１１１で示すように減少する。
【００２１】
これにより、シュラウド面１０１に沿う翼負圧面の境界層の発達がおさえられ、また剥離が生じていた場合においても剥離が防止できる。
すなわち、外縁シュラウド面に沿って流れる作動ガスの損失が減少し、効率が向上する。
なお、シュラウド面１０１およびハブ面１０２をθだけ傾斜させることに伴い、翼２０６前縁への作動ガス２１５の流入角を、同様にθだけ傾斜させ流入時の抵抗を低減するため、羽根車２００入口上流側の平板１０３、１０４をθだけ、シュラウド面１０１およびハブ１０２と同様に傾斜させている。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のラジアルタービンによれば、特許請求の範囲に示す構成により、羽根車への作動ガスの流入方向と流出方向の成す角が９０°以上になるため、作動ガスの羽根車内における流れの曲率半径が増加し、特に、翼外縁のシュラウド面の曲率半径が増加することにより、この曲面に沿う翼負圧面の流速の増速の比率が低下し、流速が最高値になる翼負圧面引き続く曲面における減速を小さくでき、減速に伴なう、シュラウド面に沿う翼負圧面の流れの剥離を防止でき、剥離による損失増加が防止でき、効率の高いラジアルタービンとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のラジアルタービンの実施の第１形態を示す図で、図１（ａ）は部分断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ部詳細図、
【図２】シュラウド面に沿う翼面の流速分布図、
【図３】シュラウド面およびハブ面の傾斜角θと効率を示す図、
【図４】従来のラジアルタービンを示す部分断面図である。
【符号の説明】
１０１ シュラウド面
１０２ ハブ面
１０３ 平板
１０４ 平板
１０５ シュラウド面曲率半径
１１０ 翼負圧面流速最高値
１１１ 翼負圧面流速減速値
１１２ 翼前縁でのシュラウド面接線方向
１１３ 翼前縁でのハブ面接線方向
２００ 羽根車
２０１ シュラウド面
２０２ ハブ面
２０３ 平板
２０４ 平板
２０５ シュラウド面曲率半径
２０６ 翼
２０７ スクロール
２０８ 回転軸
２０９ 円管
２１０ 翼負圧面流速最高値
２１１ 翼負圧面流速減速値
２１２ 翼前縁でのシュラウド面接線方向
２１３ 翼前縁でのハブ面接線方向
２１５ 作動ガス
Claims (1)
- 導入された作動ガスに、上流側から順次半径内向きに流れる旋回流を発生させる渦巻状の流路を設けた羽根無ノズル、若しくは円形翼列を設けた羽根付ノズルからなるノズル、前記ノズルから流入する前記作動ガスからエネルギを吸収するとともに、前記作動ガスを旋回流から軸流に変向させる、複数枚の翼を回転軸に放射状に設けた羽根車とからなるラジアルタービンにおいて、前記羽根車が、前縁における接線方向を、半径方向から前記作動ガスの流出側と逆向きに５〜３０°傾斜させたハブ面、およびシュラウド面にした前記翼を設け、前記回転軸を含む面内における、前記作動ガスの流入方向と流出方向のなす角を９０°以上にしたことを特徴とするラジアルタービン。
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Families Citing this family (1)
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- 1996-05-20 JP JP12450096A patent/JP3679860B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| JPH09310601A (ja) | 1997-12-02 |
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