JP4691002B2 - 斜流タービンまたはラジアルタービン - Google Patents
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Description
タービンの効率は、翼入口の周速Uと、タービン入り口温度および圧力比でその作動流体(ガス)が加速される最大流速、すなわち、理論速度C0との比である理論速度比(=U/C0)に対して示される。
理論速度C0が変化すると、翼の前縁に流入するガスの流入角度が変化するので、前縁とガスの流入角との角度差が大きくなる。
このように前縁とガスの流入角との角度差が大きくなると、流入するガスが前縁で剥離するので、衝突ロスが大きくなりインシデンス損失が発生する。
このため、前縁102の翼角αを流入するガスの流れに沿わせる形状、すなわち、翼角αと相対流れ角βとを一致させることができるので、例えば、低理論速度比(低U/C0)でインシデンス損失を低下させるような翼角αとすることができる。
このように、低U/C0における効率を向上できれば、斜流タービンの外形を抑制でき、レスポンス等に効果がある。
この相対周方向流速Wuを半径位置に対応してプロットすると、図4に示されるように下側に凸(反回転方向に凸)に湾曲した曲線となる。言い換えれば、径方向位置が小さくなるに連れて回転方向への変化率が大きくなる、すなわち、回転方向への変化率を持つ。
図5は、このときの相対流速の変化する軌跡を模式的に示したものである。相対流速Wは、図4に沿って変化する相対周方向流速Wuと略一定の相対径方向流速Wrとを合成したもので、その大きさの変化は図4に示される相対周方向流速Wuと類似した傾向を有している。
相対流速Wと相対周方向流速Wuとのなす角度が、その半径位置における相対流れ角βである。
また、理論速度C0の変化に伴いガスの流入角が変化すると、流入するガスが前縁で剥離するので、衝突ロスが大きくなりインシデンス損失が発生する。
すなわち、本発明にかかる斜流タービンまたはラジアルタービンは、ハブと、該ハブの外周面に略等間隔に設けられ、前縁側から後縁側の全体を眺めると翼断面の反り線が回転方向側に凸に湾曲した複数枚の翼と、を備えた斜流タービンまたはラジアルタービンにおいて、前記翼の前縁部には、前記外周面に沿う断面における反り線が前記回転方向側に凹に湾曲されるように変曲されている変曲部が備えられていることを特徴とする。
このため、前縁の翼角を相対流れ角に合わせた(すなわち、前縁を相対流速の軌跡に一致させた)場合、変曲部における翼角は相対流速の変化に略沿った形で変化するので、翼表面と相対流速との間隔を小さくすることができ、急激な増加を抑制することができる。
したがって、前縁部において翼にかかる負荷が急激に拡大するのを防止できるので、この負荷によって圧力面側から負荷面側への漏れ流れが発生することを抑制でき、インシデンス損失を低減させることができる。
前縁の接線角度が大きくなると、滑らかに漸増することも相まって作動流体の流入角が反り線の角度と大きく異なった場合でも、作動流体を外面に沿って移動させられるので、作動流体が前縁で剥離することを防止できる。このため、衝突ロスが抑制でき、インシデンス損失を低減させることができる。
したがって、広範囲の理論速度比(U/C0)に対してインシデンス損失を低下させることができる。
なお、増厚部は、漸増に続いて漸減させるようにするのが、作動流体が滑らかに流れ、漸増の後で剥離することを防止できるので、好適である。
本発明によれば、変曲部は、ハブ側から外径側へ向かうにしたがい、反り線の曲率が小さくなるように構成されているので、負荷の大きいハブ側では翼表面へかかる負荷を大きく低減でき、一方、負荷の小さい外径側に向かって負荷の低減率が漸減する。
このため、翼の高さ方向における負荷を略均一にすることができるので、負荷のアンバランスに基づくインシデンス損失の増加を抑制することができる。
これにより、翼の高さ方向全域におけるインシデンス損失を低減させることができる。
この負荷によって圧力面側から負荷面側への漏れ流れが発生することを抑制でき、インシデンス損失を低減させることができる。
[第一実施形態]
以下、本発明の第一実施形態にかかる斜流タービン1について、図1〜図7を用いて説明する。この斜流タービン1は、自動車のディーゼルエンジン用の過給器(ターボチャージャ)に用いられるものである。
図1は、本実施形態の斜流タービン1の翼部分を示し、(a)は子午面断面を示す部分断面図、(b)は翼をハブの外周面に沿って切断した部分断面図である。図2は、ハブの外周面を円筒面に投影して展開した部分投影図である。
ハブ3は、図示しないターボ圧縮機と軸によって接続されており、その回転駆動力でターボ圧縮機を回転させて空気を圧縮し、ディーゼルエンジンに供給するように構成されている。
ハブ3の外周面5は、一端側の大径部2と他端側の小径部4とを軸線中心に向けて凹んだ湾曲面で滑らかに接続する形状をしている。
ハブ3と翼7とは鋳造あるいは削り出しによって一体として形成されている。なお、ハブ3と翼7とは別体とし、溶接等によって強固に固定するようにしてもよい。
翼7の回転領域には、大径部2側の外周から相対的に概ね半径方向に作動流体である燃焼排ガスが導入されように構成されている。
前縁9と外側端縁13との交点Cは、ハブ3と前縁9との交点Bよりも半径方向において外側に位置している。
すなわち、例えば、図2に示されるように翼7の内側端縁15(外周面5に沿った断面D)を半径方向から見ると、伸長されたS字形状をしている。
したがって、変曲部Kは、半径方向位置が小さくなるに連れて回転方向への変化率が大きくなる、すなわち、回転方向への変化率を持つことになる。
なお、曲率中心R1,R2はそれぞれ複数存在するようにしてもよい。
燃焼排ガスは、前縁9の外周側から略半径方向に導入され、翼7間を通って後縁11を通って排出される。このとき燃焼排ガスは、翼7の圧力面を押して、翼7を回転方向17に移動させる。
これにより、翼7と一体のハブ3が回転方向17に回転する。ハブ3の回転力によってターボ圧縮機が回転される。ターボ圧縮機は空気を圧縮し、圧縮空気としてディーゼルエンジンに供給する。
一方、翼7の周速Uは半径方向位置H0に比例する関係にある。このため、燃焼排ガスの流れと翼7との間に相対周方向流速Wuが発生する。
この相対周方向流速Wuを半径位置に対応してプロットすると、図4に示されるように下側に凸(反回転方向に凸)に湾曲した曲線となる。言い換えれば、半径方向位置H0が小さくなるに連れて回転方向17への変化率が大きくなる、すなわち、回転方向17への変化率を持っている。
相対流速Wと相対周方向流速Wuとのなす角度が、その半径位置における相対流れ角βである。
本実施形態では、前縁9における翼角αは、当該前縁9の半径方向位置H0における相対流れ角βに合わせているので、その半径方向位置H0で前縁9は図6において相対流速Wと一致し、図7において相対角度βに一致している。
本実施形態では、翼7の前縁9側に半径方向位置H0が小さくなるに連れて回転方向17への変化率が大きくなる変曲部Kが備えられているので、前縁9から変曲部Kの間は、半径方向位置H0が小さくなるに連れて回転方向17への変化率が大きくなる相対流速Wの軌跡に略沿った形状変化となる。
このように、半径方向位置H0が小さくなるに連れて回転方向17への変化率が大きくなる変曲部Kを備えているので、相対流速Wの軌跡と翼7との間隔を小さくすることができ、負荷Frの急激な増加を抑制することができる。
したがって、前縁9部において翼7にかかる負荷Frが急激に拡大するのを防止できるので、この負荷Frによって圧力面19側から負荷面21側への漏れ流れが発生することを抑制でき、インシデンス損失を低減させることができる。
このとき、変曲部Kの曲率半径R1を相対流速Wの軌跡に沿うように設定すると、一層インシデンス損失を低減させることができる。
したがって、従来の翼101のように前縁部おいて翼角αが半径方向位置H0の縮小に連れて小さくなるのに比較して、翼7の翼角αは相対流れ角βの軌跡に沿うように変化する。
半径方向位置H0における相対流れ角βと翼角αとの差が負荷Frとなるので、この負荷Frは、従来の翼101のように変曲部Kを有しない場合の負荷Fcに比べて格段に低減されている。
このように、相対流れ角βと翼角αとの関係からも上述の効果を備えていることが説明できる。
次に、本発明の第二実施形態について、図9を用いて説明する。
図9は、斜流タービン1の翼7をハブ3の外周面に沿った断面Dで切断した部分断面図である。
本実施形態における斜流タービン1は、翼7の前縁9部の構成が前述した第一実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第一実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての重複した説明は省略する。
なお、前述した第一実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
図9において、負圧面増厚部25および圧力面増厚部27は、第一実施形態の翼7に対して翼厚が増加した部分を示しているのであって、翼7と別体となっているわけではない。
負圧面増厚部25および圧力面増厚部27は、それぞれ前縁9から下流側に向けて滑らかに漸増し、次いで滑らかに漸減するように構成されている。
この接線角度θは、負圧面増厚部25および圧力面増厚部27が滑らかに漸増されているので広角度に形成されている。
例えば、温度、圧力が高く理論速度比U/C0が低い低U/C0の流れ33は、回転方向17の上流側から流入し、一方、温度、圧力が低く理論速度比U/C0が高い高U/C0の流れ35は、回転方向17の下流側から流入する傾向がある。
本実施形態では、負圧面増厚部29の外面がこの相対流れ角βよりも大きな角度を有しているので、この燃焼排ガスを負圧面増厚部29の外面に沿って流れ方向下流側に移動させることができる。
また、負圧面増厚部29は、翼厚を滑らかに漸増し、次いで滑らかに漸減しているので、燃焼排ガスは剥離することはなくなる。このため、燃焼排ガスが衝突して衝突ロスが発生するのを抑制できるので、インシデンス損失を低減させることができる。
本実施形態では、圧力面増厚部31の外面がこの相対流れ角βよりも大きな角度を有しているので、この燃焼排ガスを負圧面増厚部29の外面に沿って流れ方向下流側に移動させることができる。
また、圧力面増厚部31は、翼厚を滑らかに漸増し、次いで滑らかに漸減しているので、燃焼排ガスは剥離することはなくなる。このため、燃焼排ガスが衝突して衝突ロスが発生するのを抑制できるので、インシデンス損失を低減させることができる。
なお、負圧面増厚部29および圧力面増厚部31は燃焼排ガスの状態が変化する範囲をカバーできればよいので、この変動範囲が狭い場合には、どちらか一方を備えるようにしてもよいし、また、接線角度θの大きさを小さくなるようにしてもよい。
次に、本発明の第三実施形態について、図10〜図12を用いて説明する。
図10は、翼7の高さ方向における変曲部Kの曲率半径R1の変化を示すグラフである。図11は、本実施形態の斜流タービン1の翼部分を示し、(a)は子午面断面を示す部分断面図、(b)〜(d)は翼7をハブ3の外周面に沿って切断した部分断面図で、(b)は高さ位置0.2Hのところ、(c)は高さ位置0.5Hのところ、(d)は高さ位置0.8Hのところを示している。図12は、相対流れ角βと翼角αとの関係を示している。
本実施形態における斜流タービン1は、翼7の前縁9部の構成が前述した第一実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第一実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての重複した説明は省略する。
なお、前述した第一実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
前縁9では、その翼角αがその半径方向位置における相対流れ角度βに合わせられている。
半径方向位置H0における相対流れ角βと翼角αとの差が負荷Frとなるので、この負荷Frは、従来の翼101のように変曲部Kを有しない場合の負荷Fcに比べて格段に低減されている。
すなわち、ハブ3側の変曲部Kのほうが外側端縁13側の変曲部Kよりも相対流れ角βの軌跡により大きく接近することとなる。
この変化は図10に示されるようにハブ3側から外側端縁13側に向けて、徐々に滑らかに変化するようにされている。
したがって、相対流れ角βの大きなハブ3側で翼角αの変化は相対流れ角βの軌跡により大きく接近することとなるので、負荷の大きいハブ3側では翼表面へかかる負荷を大きく低減できる。一方、負荷が徐々に低下する外側端縁13側に向かって負荷の低減率が漸減する。
このため、翼7の高さ方向における負荷Frを略均一にすることができるので、負荷Frのアンバランスに基づくインシデンス損失の増加を抑制することができる。
これにより、翼の高さ方向全域におけるインシデンス損失を低減させることができる。
また、本実施形態の構成と第二実施形態の構成とを併せもつようにしてもよい。
2 ラジアルタービン
3 ハブ
5 外周面
7 翼
9 前縁
11 後縁
17 回転方向
19 圧力面
21 負圧面
23 反り線
25 負圧面増厚部
27 圧力面増厚部
K 変曲部
Claims (4)
- ハブと、
該ハブの外周面に略等間隔に設けられ、前縁側から後縁側の全体を眺めると翼断面の反り線が回転方向側に凸に湾曲した複数枚の翼と、を備えた斜流タービンまたはラジアルタービンにおいて、
前記翼の前縁部には、前記外周面に沿う断面における反り線が前記回転方向側に凹に湾曲されるように変曲されている変曲部が備えられていることを特徴とする斜流タービンまたはラジアルタービン。 - 前記翼を円筒面に投影した時における前縁部には、反り線が前記回転方向側に凹に湾曲されるように変曲されている変曲部が備えられていることを特徴とする請求項1に記載された斜流タービンまたはラジアルタービン。
- 少なくとも前記変曲部の前記回転方向における上流側外面および/または下流側外面には、翼厚を前記前縁から滑らかに漸増させる増厚部が備えられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載された斜流タービンまたはラジアルタービン。
- 前記変曲部は、前記ハブ側から外径側へ向かうにしたがい、前記反り線の曲率が小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載された斜流タービンまたはラジアルタービン。
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