JP6866187B2 - Turbine nozzle and radial turbine equipped with it - Google Patents

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本開示は、タービンノズル及びそれを備えたラジアルタービンに関する。 The present disclosure relates to a turbine nozzle and a radial turbine including the turbine nozzle.

タービンは、空気などの圧縮性の作動流体から動力を取り出す目的で使用される。タービンの種類には、主に、軸流タービンとラジアルタービンとがある。ラジアルタービンは、一般に、軸流タービンに比べて単段での効率に優れている。そのため、ラジアルタービンは、例えば、小規模から中規模の発電設備に適している。 Turbines are used to extract power from compressible working fluids such as air. The types of turbines are mainly axial flow turbines and radial turbines. Radial turbines are generally more efficient in a single stage than axial-flow turbines. Therefore, radial turbines are suitable, for example, for small to medium-sized power generation facilities.

ラジアルタービンの重要な部品の1つにタービンノズルがある。タービンノズルは、タービンホイールに作動流体を導くための部品であり、作動流体を膨張させて圧力を速度に変換する役割を担っている。特許文献1に記載されているように、ラジアルタービンにおいて、タービンノズルを構成する複数のタービンベーンがタービンホイールの周囲に環状に配置されている。作動流体の流路は、タービンホイールの周方向において互いに隣り合うタービンベーンの間の空間によって形成される。流路断面積は、通常、作動流体を膨張させるために上流側から下流側に向かって(つまり、タービンホイールに向かって)徐々に縮小している。 One of the important parts of a radial turbine is the turbine nozzle. The turbine nozzle is a component for guiding the working fluid to the turbine wheel, and plays a role of expanding the working fluid and converting the pressure into a velocity. As described in Patent Document 1, in a radial turbine, a plurality of turbine vanes constituting the turbine nozzle are arranged in an annular shape around the turbine wheel. The flow path of the working fluid is formed by the space between the turbine vanes adjacent to each other in the circumferential direction of the turbine wheel. The flow path cross-sectional area is usually gradually reduced from upstream to downstream (ie, towards the turbine wheel) to expand the working fluid.

タービンノズルを通過するとき、作動流体は、その圧力に応じて膨張して増速する。タービンホイールの翼に作動流体が衝突するときに翼に加わる衝動と、タービンホイールの翼間の流路を作動流体が通過するときに作動流体が膨張して翼に加わる反動とによって、タービンホイールが回転する(いわゆる衝動反動タービン)。これにより、タービンホイールに連結された発電機が回転し、電力が生成される。 As it passes through the turbine nozzle, the working fluid expands and accelerates in response to its pressure. The impulse applied to the blade when the working fluid collides with the blade of the turbine wheel and the reaction that the working fluid expands and applies to the blade when the working fluid passes through the flow path between the blades of the turbine wheel causes the turbine wheel to It rotates (so-called impulse reaction turbine). As a result, the generator connected to the turbine wheel rotates to generate electric power.

特許文献2には、衝動タービンの出力増大を図ることを目的として、作動流体を高速化するための先細ノズルが開示されている。 Patent Document 2 discloses a tapered nozzle for increasing the speed of the working fluid for the purpose of increasing the output of the impulse turbine.

国際公開第2005/085615号International Publication No. 2005/0856515 特開2010−190109号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-190109 米国特許第5299909号明細書U.S. Pat. No. 5,299,909

NACA TECHNICAL NOTE No.1651 SUPESONIC NOZZLE DESIGNNACA TECHNICAL NOTE No.1651 SUPESONIC NOZZLE DESIGN

ラジアルタービンの効率を高めるための1つの方法は、ラジアルタービンにおける流体の膨張比を高めることである。しかし、先細ノズルを使用したラジアルタービンは、臨界圧力比を超える圧力比(膨張比)で作動流体を膨張させることができない。「臨界圧力比」とは、作動流体の流速が音速に達したときの圧力比を意味する。 One way to increase the efficiency of a radial turbine is to increase the expansion ratio of the fluid in the radial turbine. However, a radial turbine using a tapered nozzle cannot expand the working fluid at a pressure ratio (expansion ratio) exceeding the critical pressure ratio. The "critical pressure ratio" means the pressure ratio when the flow velocity of the working fluid reaches the speed of sound.

本開示は、臨界圧力比を越える高い圧力比で作動流体を膨張させるための技術を提供することを目的とする。 It is an object of the present disclosure to provide a technique for expanding a working fluid at a high pressure ratio exceeding the critical pressure ratio.

すなわち、本開示は、
ラジアルタービンに用いられるタービンノズルであって、
中心軸線を有するリング状のハブと、
前記ハブの周方向に沿って、前記ハブの上に等角度間隔で配置された複数のノズルベーンと、
前記周方向において互いに隣り合う前記ノズルベーンの腹面と前記ノズルベーンの背面との間に形成された流路と、
を備え、
前記ハブの外周側から前記ハブの内周側に向かう方向を前記流路における作動流体の流れ方向と定義したとき、
前記流路は、前記流れ方向において、最小の流路断面積を有するスロートを含み、
前記スロートよりも前記流れ方向の下流側において、前記流路断面積が拡大しており、
前記スロートよりも前記流れ方向の下流側における前記ノズルベーンの高さは、前記スロートにおける前記ノズルベーンの高さよりも大きく、且つ、前記流れ方向の上流側から下流側に向かって徐々に増加している、タービンノズルを提供する。
That is, the present disclosure is
A turbine nozzle used in radial turbines
A ring-shaped hub with a central axis and
A plurality of nozzle vanes arranged at equal intervals on the hub along the circumferential direction of the hub.
A flow path formed between the ventral surface of the nozzle vanes adjacent to each other in the circumferential direction and the back surface of the nozzle vanes, and
With
When the direction from the outer peripheral side of the hub to the inner peripheral side of the hub is defined as the flow direction of the working fluid in the flow path,
The flow path includes a throat having the smallest flow path cross-sectional area in the flow direction.
The flow path cross-sectional area is expanded on the downstream side in the flow direction from the throat.
The height of the nozzle vane on the downstream side in the flow direction from the throat is larger than the height of the nozzle vane in the throat, and gradually increases from the upstream side to the downstream side in the flow direction. Provide a turbine nozzle.

本開示の技術によれば、臨界圧力比を越える高い圧力比で作動流体を膨張させることができる。 According to the technique of the present disclosure, the working fluid can be expanded at a high pressure ratio exceeding the critical pressure ratio.

図1は、本開示の一実施形態にかかるラジアルタービンの部分断面図である。FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a radial turbine according to an embodiment of the present disclosure. 図2は、図1に示すラジアルタービンの部分平面図である。FIG. 2 is a partial plan view of the radial turbine shown in FIG. 図3は、タービンノズルの部分拡大平面図である。FIG. 3 is a partially enlarged plan view of the turbine nozzle. 図4は、ノズルベーンの拡大平面図である。FIG. 4 is an enlarged plan view of the nozzle vane. 図5は、2つのノズルベーンの後縁部分の拡大平面図である。FIG. 5 is an enlarged plan view of the trailing edges of the two nozzle vanes. 図6Aは、流路の中心線に沿った、タービンノズルの断面図である。FIG. 6A is a cross-sectional view of the turbine nozzle along the center line of the flow path. 図6Bは、流路の中心線に沿った、変形例にかかるタービンノズルの断面図である。FIG. 6B is a cross-sectional view of the turbine nozzle according to the modified example along the center line of the flow path. 図6Cは、流路の中心線に沿った、別の変形例にかかるタービンノズルの断面図である。FIG. 6C is a cross-sectional view of the turbine nozzle according to another modification along the center line of the flow path. 図7は、作動流体が標準空気(κ=1.4)である場合の式(3)の計算結果を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the calculation result of the equation (3) when the working fluid is standard air (κ = 1.4). 図8Aは、タービンノズルの出口における流速のマッハ数MがM=1.4となるノズルベーンにおいて、中心軸線を含む平面と翼形中心線とのなす角度を示すグラフである。FIG. 8A is a graph showing the angle between the plane including the central axis and the airfoil centerline in the nozzle vane where the Mach number M of the flow velocity at the outlet of the turbine nozzle is M = 1.4. 図8Bは、タービンノズルの出口における流速のマッハ数MがM=1.4となる他のノズルベーンにおいて、中心軸線を含む平面と翼形中心線とのなす角度を示すグラフである。FIG. 8B is a graph showing the angle formed by the plane including the central axis and the airfoil centerline in another nozzle vane in which the Mach number M of the flow velocity at the outlet of the turbine nozzle is M = 1.4. 図9は、ノズルベーンの厚さに関する分布の一例を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing an example of the distribution regarding the thickness of the nozzle vanes. 図10は、ノズルベーンの高さの分布を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the height distribution of nozzle vanes. 図11は、ラジアルタービンを用いた発電システムの構成図である。FIG. 11 is a configuration diagram of a power generation system using a radial turbine.

(本開示の基礎となった知見)
作動流体が理想流体であると仮定した場合、ノズルの出口における作動流体の流速は、下記式(1)によって表される。
(Knowledge on which this disclosure was based)
Assuming that the working fluid is an ideal fluid, the flow velocity of the working fluid at the outlet of the nozzle is expressed by the following equation (1).

Figure 0006866187
Figure 0006866187

Cs:吐出流速
Cp:定圧比熱
01:スロートにおける静温
exit:ノズルの出口における静圧
00:ノズルの入口における静圧
κ:比熱比
Cs: Discharge flow velocity Cp: Constant pressure specific heat T 01 : Static temperature at throat P exit : Static pressure at nozzle outlet P 00 : Static pressure at nozzle inlet κ: Specific heat ratio

吐出流速Csは、作動流体の物性及び状態量に応じて決まる音速を上限として、圧力比Pexit/P00に応じて決定される。吐出流速Csが音速に到達する圧力比は、「臨界圧力比」と呼ばれている。先細ノズルのような一般的なノズルは、臨界圧力比以上の圧力比で作動流体を膨張させることができない。すなわち、作動流体の流速が音速を超える膨張は達成できない。 The discharge flow velocity Cs is determined according to the pressure ratio P exit / P 00 , with the upper limit being the speed of sound determined according to the physical properties and the state quantity of the working fluid. The pressure ratio at which the discharge flow velocity Cs reaches the speed of sound is called the "critical pressure ratio". A general nozzle, such as a tapered nozzle, cannot expand the working fluid at a pressure ratio greater than or equal to the critical pressure ratio. That is, expansion in which the flow velocity of the working fluid exceeds the speed of sound cannot be achieved.

次に、下記式(2)によって定義される値Mは、マッハ数と呼ばれる。マッハ数は、流速を音速で除することによって得られる値である。 Next, the value M defined by the following equation (2) is called a Mach number. The Mach number is a value obtained by dividing the flow velocity by the speed of sound.

Figure 0006866187
Figure 0006866187

M:マッハ数
V:作動流体の流速
a:音速
κ:比熱比
R:作動流体のガス定数
00:作動流体の静温
M: Mach number V: Flow velocity of working fluid a: Sound velocity κ: Specific heat ratio R: Gas constant of working fluid T 00 : Static temperature of working fluid

先細ノズルの場合、その流路断面積が最小となる部分において流速が最大となる。最大流速がM=1に達したとき、当該先細ノズルにおける膨張比が臨界圧力比に達し、作動流体はこれ以上膨張できない。流路断面積とマッハ数Mとの間には、下記式(3)の関係がある。 In the case of a tapered nozzle, the flow velocity is maximized at the portion where the cross-sectional area of the flow path is the minimum. When the maximum flow velocity reaches M = 1, the expansion ratio in the tapered nozzle reaches the critical pressure ratio, and the working fluid cannot expand any more. There is a relationship of the following equation (3) between the flow path cross-sectional area and the Mach number M.

Figure 0006866187
Figure 0006866187

A:ノズルの任意の位置における流路断面積
A*:ノズルの最小の流路断面積
M:マッハ数
κ:比熱比
A: Flow path cross-sectional area at an arbitrary position of the nozzle A *: Minimum flow path cross-sectional area of the nozzle M: Mach number κ: Specific heat ratio

図7は、作動流体が標準空気(κ=1.4)である場合の式(3)の計算結果を示している。式(3)及び図7から理解できるように、ノズルの任意の位置において、流れのマッハ数Mが1よりも小さい場合には、ノズルは、最小の流路断面積(すなわち、M=1のときの断面積)よりも大きい断面積を有している必要がある。流速の増加に伴って流路断面積が減少し、流路断面積が最小となる位置で流速が音速に達する。流速が音速を超過すると流路断面積は拡大する。すなわち、音速を超えて流速を増加させるためには、流路断面積を拡大させる必要がある。 FIG. 7 shows the calculation result of the equation (3) when the working fluid is standard air (κ = 1.4). As can be seen from equation (3) and FIG. 7, if the Mach number M of the flow is less than 1 at any position of the nozzle, the nozzle has the smallest flow path cross-sectional area (ie, M = 1). It is necessary to have a cross-sectional area larger than the cross-sectional area of the time. The cross-sectional area of the flow path decreases as the flow velocity increases, and the flow velocity reaches the speed of sound at the position where the cross-sectional area of the flow path is minimized. When the flow velocity exceeds the speed of sound, the cross-sectional area of the flow path expands. That is, in order to increase the flow velocity beyond the speed of sound, it is necessary to increase the cross-sectional area of the flow path.

これらの事実から理解できるように、亜音速流れから超音速流れまで流速を変化させるためには、先細の形状を有する部分と、最小の流路断面積を有する部分(スロート)と、末広がりの形状を有する部分と、を備えたノズルが必要である。このような構造のノズルは「ラバルノズル」と呼ばれ、ロケットのエンジン又は航空機のエンジンのような超音速流れを多用する推進機関に使用されている。 As can be understood from these facts, in order to change the flow velocity from subsonic flow to supersonic flow, a part having a tapered shape, a part having a minimum flow path cross-sectional area (throat), and a divergent shape And a nozzle with. Nozzles with such a structure are called "Laval nozzles" and are used in propulsion engines that make heavy use of supersonic flow, such as rocket engines or aircraft engines.

特許文献1では、衝動タービンの出力増大を図ることを目的として、衝動タービンのタービンホイールに導かれるべき作動流体を高速化するための先細ノズルが使用されている。衝動タービンは、ノズルにて作動流体を略完全に膨張させ、タービンホイールの翼に作動流体が衝突するときに翼に加わる衝動でタービンホイールを回転させるように構成されている。特許文献1に開示された先細ノズルをタービンホイールの接線方向に配置する構造は、小流量かつ高圧力比の条件で作動するタービンに採用されることが多い。しかし、この構造によれば、ノズル部分が長尺になるため、タービンの全体の寸法が過大になる。また、特許文献1に開示されたノズルは、ノズルの先端で最小の流路断面積を有する。そのため、特許文献1に開示されたノズルにおいて、マッハ数Mが1を超えることはなく、マッハ数が1を超える加速を達成できない。 In Patent Document 1, a tapered nozzle for increasing the speed of the working fluid to be guided to the turbine wheel of the impulse turbine is used for the purpose of increasing the output of the impulse turbine. The impulse turbine is configured so that the nozzle expands the working fluid almost completely and the turbine wheel is rotated by the impulse applied to the blade when the working fluid collides with the blade of the turbine wheel. The structure in which the tapered nozzle disclosed in Patent Document 1 is arranged in the tangential direction of the turbine wheel is often adopted for a turbine that operates under the conditions of a small flow rate and a high pressure ratio. However, according to this structure, the nozzle portion becomes long, so that the overall size of the turbine becomes excessive. Further, the nozzle disclosed in Patent Document 1 has a minimum flow path cross-sectional area at the tip of the nozzle. Therefore, in the nozzle disclosed in Patent Document 1, the Mach number M does not exceed 1, and acceleration in which the Mach number exceeds 1 cannot be achieved.

一方、特許文献3は、軸流タービン用の超音速分配器を開示している。特許文献3の超音速分配器において、翼素(ベーン)の外形は、上流側の直線部分と、スロートを形成する凸部分と、下流側の湾曲部分とを有する。特許文献3には、マッハ1.2〜2.5の範囲のマッハ数の超音速流を生成できることが記載されている。特許文献3に開示された超音速分配器は、ラバルノズルに類似するものである。ただし、隣り合うベーンの間に形成された流路の2次元形状は、分配器の構造の制約のため、流路の中心線に関して必然的に非対称である。 On the other hand, Patent Document 3 discloses a supersonic distributor for an axial flow turbine. In the supersonic distributor of Patent Document 3, the outer shape of the vane has a straight portion on the upstream side, a convex portion forming a throat, and a curved portion on the downstream side. Patent Document 3 describes that a supersonic flow having a Mach number in the range of Mach 1.2 to 2.5 can be generated. The supersonic distributor disclosed in Patent Document 3 is similar to a Laval nozzle. However, the two-dimensional shape of the flow path formed between the adjacent vanes is inevitably asymmetric with respect to the center line of the flow path due to the structural restrictions of the distributor.

これに対し、非特許文献1の図1に記載されているように、理想的なラバルノズルは軸対称である。軸対称構造によれば、スロートを通過した後に発生する衝撃波を相対する壁面にて反射させて相殺し、急峻な圧力変化を防止することができる(非特許文献1の図8及び図9)。その結果、効率的に超音速流が生成されうる。 On the other hand, as shown in FIG. 1 of Non-Patent Document 1, the ideal Laval nozzle is axisymmetric. According to the axisymmetric structure, the shock wave generated after passing through the throat can be reflected and canceled by the opposing wall surfaces to prevent a steep pressure change (FIGS. 8 and 9 of Non-Patent Document 1). As a result, a supersonic flow can be efficiently generated.

特許文献3の分配器のように、流路が対称構造を有していない場合、衝撃波を相殺する効果が十分に得られないことに加え、境界層の肥大化、境界層の剥離といった流れ場の擾乱が起きやすい。その結果、M=1.1〜1.2程度の高遷音速領域までの膨張しか達成できないことが多い。つまり、より高い超音速領域までの膨張を必要とする場合には、追加の工夫が必要である。 When the flow path does not have a symmetrical structure as in the distributor of Patent Document 3, in addition to not being able to sufficiently obtain the effect of canceling the shock wave, the flow field such as the enlargement of the boundary layer and the separation of the boundary layer. Disturbance is likely to occur. As a result, it is often possible to achieve only expansion up to a high transonic speed region with M = 1.1 to 1.2. In other words, if expansion to a higher supersonic region is required, additional ingenuity is required.

本開示の第1態様にかかるタービンノズルは、
ラジアルタービンに用いられるタービンノズルであって、
中心軸線を有するリング状のハブと、
前記ハブの周方向に沿って、前記ハブの上に等角度間隔で配置された複数のノズルベーンと、
前記周方向において互いに隣り合う前記ノズルベーンの腹面と前記ノズルベーンの背面との間に形成された流路と、
を備え、
前記ハブの外周側から前記ハブの内周側に向かう方向を前記流路における作動流体の流れ方向と定義したとき、
前記流路は、前記流れ方向において、最小の流路断面積を有するスロートを含み、
前記スロートよりも前記流れ方向の下流側において、前記流路断面積が拡大しており、
前記スロートよりも前記流れ方向の下流側における前記ノズルベーンの高さは、前記スロートにおける前記ノズルベーンの高さよりも大きく、且つ、前記流れ方向の上流側から下流側に向かって徐々に増加しているものである。
The turbine nozzle according to the first aspect of the present disclosure is
A turbine nozzle used in radial turbines
A ring-shaped hub with a central axis and
A plurality of nozzle vanes arranged at equal intervals on the hub along the circumferential direction of the hub.
A flow path formed between the ventral surface of the nozzle vanes adjacent to each other in the circumferential direction and the back surface of the nozzle vanes, and
With
When the direction from the outer peripheral side of the hub to the inner peripheral side of the hub is defined as the flow direction of the working fluid in the flow path,
The flow path includes a throat having the smallest flow path cross-sectional area in the flow direction.
The flow path cross-sectional area is expanded on the downstream side in the flow direction from the throat.
The height of the nozzle vane on the downstream side in the flow direction from the throat is larger than the height of the nozzle vane in the throat, and gradually increases from the upstream side to the downstream side in the flow direction. Is.

第1態様のタービンノズルによれば、ラバルノズルにおいて得られる効果、例えば、衝撃波を相殺する効果が向上する。その結果、より高い圧力比での膨張を達成できる。スロートで作動流体の流速のマッハ数Mが1に達した後も作動流体は増速し続ける、すなわち、膨張し続けることが可能である。単純な先細ノズルを用いたタービンノズルと比較して、より高速の作動流体をタービンホイールに導入できるため、タービンホイールを回転させる衝動成分が増加し、単段で大出力を発揮しうるラジアルタービンを構築できる。 According to the turbine nozzle of the first aspect, the effect obtained in the Laval nozzle, for example, the effect of canceling the shock wave is improved. As a result, expansion at a higher pressure ratio can be achieved. Even after the Mach number M of the flow velocity of the working fluid reaches 1 at the throat, the working fluid can continue to accelerate, that is, continue to expand. Compared to a turbine nozzle that uses a simple tapered nozzle, a faster working fluid can be introduced into the turbine wheel, so the impulse component that rotates the turbine wheel increases, and a radial turbine that can exert a large output in a single stage. Can be built.

本開示の第2態様において、例えば、第1態様にかかるタービンノズルの前記スロートよりも前記流れ方向の下流側において、前記ハブの上面が前記中心軸線に垂直であり、前記ノズルベーンの上面が前記中心軸線に垂直な平面に対して傾斜している。第2態様によれば、タービンノズルを作製するための加工が容易である。 In the second aspect of the present disclosure, for example, the upper surface of the hub is perpendicular to the central axis and the upper surface of the nozzle vane is the center on the downstream side in the flow direction of the turbine nozzle according to the first aspect. It is tilted with respect to the plane perpendicular to the axis. According to the second aspect, processing for manufacturing a turbine nozzle is easy.

本開示の第3態様において、例えば、第1態様にかかるタービンノズルの前記スロートよりも前記流れ方向の下流側において、前記ノズルベーンの上面が前記中心軸線に垂直であり、前記ハブの上面が前記中心軸線に垂直な平面に対して傾斜している。第3態様によれば、ノズルベーンの上面がハブの中心軸線に垂直な平面に垂直であるため、ノズルベーンとラジアルタービンのシュラウド壁との間のクリアランスの寸法を調整することが容易である。つまり、シュラウド壁の形状の変更が必須ではなく、タービンノズルの製造コストの増加を抑制することができる。 In the third aspect of the present disclosure, for example, the upper surface of the nozzle vane is perpendicular to the central axis and the upper surface of the hub is the center on the downstream side in the flow direction of the turbine nozzle according to the first aspect. It is tilted with respect to the plane perpendicular to the axis. According to the third aspect, since the upper surface of the nozzle vane is perpendicular to the plane perpendicular to the central axis of the hub, it is easy to adjust the dimension of the clearance between the nozzle vane and the shroud wall of the radial turbine. That is, it is not essential to change the shape of the shroud wall, and it is possible to suppress an increase in the manufacturing cost of the turbine nozzle.

本開示の第4態様において、例えば、第1態様にかかるタービンノズルの前記スロートよりも前記流れ方向の下流側において、前記ノズルベーンの上面が前記中心軸線に垂直な平面に対して傾斜しており、かつ、前記ハブの上面が前記中心軸線に垂直な前記平面に対して傾斜している。第4態様によれば、ノズルベーンの上面の傾斜角度及びハブの上面の傾斜角度を小さくすることができる。 In the fourth aspect of the present disclosure, for example, the upper surface of the nozzle vane is inclined with respect to the plane perpendicular to the central axis on the downstream side in the flow direction of the turbine nozzle according to the first aspect. Moreover, the upper surface of the hub is inclined with respect to the plane perpendicular to the central axis. According to the fourth aspect, the inclination angle of the upper surface of the nozzle vane and the inclination angle of the upper surface of the hub can be reduced.

本開示の第5態様において、例えば、第1態様にかかるタービンノズルの前記複数のノズルベーンのそれぞれの翼形中心線は、第1の部分及び第2の部分を含み、前記第1の部分は、前記翼形中心線の上流端から第1の点までの部分であり、前記第1の点は、前記翼形中心線が前記中心軸線に向かう方向へ湾曲し始める点であり、前記第2の部分は、前記第1の点から前記翼形中心線の下流端までの部分である。 In the fifth aspect of the present disclosure, for example, the airfoil centerline of each of the plurality of nozzle vanes of the turbine nozzle according to the first aspect includes a first portion and a second portion, and the first portion is the same. The portion from the upstream end of the airfoil centerline to the first point, the first point is the point at which the airfoil centerline begins to bend in the direction toward the central axis, and the second point. The portion is a portion from the first point to the downstream end of the airfoil centerline.

第5態様によれば、作動流体の流速が超音速に達したとき、ノズルベーンの後縁部分に発生する衝撃波の方向を流れ方向の下流側に偏向させることができる。衝撃波による圧力回復位置を下流側にシフトさせて、衝撃波に先立って発生する膨張波の領域(つまり、流速が増加し続ける膨張領域)を拡大することで高い膨張比を達成できる。また、タービンノズルからタービンホイールへの作動流体の流入角度を適正に保持できる。 According to the fifth aspect, when the flow velocity of the working fluid reaches the supersonic speed, the direction of the shock wave generated at the trailing edge portion of the nozzle vane can be deflected to the downstream side in the flow direction. A high expansion ratio can be achieved by shifting the pressure recovery position due to the shock wave to the downstream side and expanding the region of the expansion wave generated prior to the shock wave (that is, the expansion region where the flow velocity continues to increase). Further, the inflow angle of the working fluid from the turbine nozzle to the turbine wheel can be appropriately maintained.

本開示の第6態様において、例えば、第5態様にかかるタービンノズルの前記中心軸線を含む平面と前記翼形中心線とのなす角度を角度βと定義したとき、前記第1の部分において前記角度βの平均変化率が正の値であり、前記第2の部分は、前記角度βの前記平均変化率が正の値から負の値へと変化する第2の点を含み、前記第2の点から前記下流端までの区間において、前記角度βの前記平均変化率が負の値である。第6態様によれば、ノズルベーンの幅方向に関する吐出速度の分布が均一化する。これにより、タービンホイールの1回転あたりの角速度の変動(トルクの変動)が抑制されるので、ラジアルタービンに連結された発電機で高品質の交流電力の電力が生成されうる。 In the sixth aspect of the present disclosure, for example, when the angle formed by the plane including the central axis of the turbine nozzle according to the fifth aspect and the airfoil centerline is defined as an angle β, the angle is defined in the first portion. The average rate of change of β is a positive value, and the second portion includes a second point in which the average rate of change of the angle β changes from a positive value to a negative value. In the section from the point to the downstream end, the average rate of change of the angle β is a negative value. According to the sixth aspect, the distribution of the discharge speed in the width direction of the nozzle vane becomes uniform. As a result, fluctuations in angular velocity (fluctuations in torque) per rotation of the turbine wheel are suppressed, so that a generator connected to the radial turbine can generate high-quality AC power.

本開示の第7態様において、例えば、第5又は第6態様にかかるタービンノズルの前記中心軸線を含む平面と前記翼形中心線とのなす角度を角度βと定義したとき、前記角度βは、前記第2の部分のうち前記下流端を含む所定の長さの区間において線形に変化している。 In the seventh aspect of the present disclosure, for example, when the angle formed by the plane including the central axis of the turbine nozzle according to the fifth or sixth aspect and the airfoil centerline is defined as an angle β, the angle β is defined as an angle β. It changes linearly in a section of a predetermined length including the downstream end of the second portion.

本開示の第8態様にかかるラジアルタービンは、
第1〜第7態様のいずれか1つのタービンノズルと、
前記タービンノズルの内側に配置されたタービンホイールと、
を備えたものである。
The radial turbine according to the eighth aspect of the present disclosure is
With any one of the turbine nozzles of the first to seventh aspects,
A turbine wheel arranged inside the turbine nozzle and
It is equipped with.

第8態様によれば、単段で大出力を発揮しうるラジアルタービンを提供できる。 According to the eighth aspect, it is possible to provide a radial turbine capable of exhibiting a large output in a single stage.

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. The present disclosure is not limited to the following embodiments.

図1に示すように、本実施形態にかかるラジアルタービン100は、タービンホイール10、シャフト12、タービンノズル14及びケーシング20を備えている。タービンホイール10及びタービンノズル14は、ケーシング20の中に配置されている。タービンホイール10は、タービンノズル14の内側に配置されている。タービンホイール10にシャフト12が固定されている。タービンホイール10は、複数の動翼11及びハブ13を含む。複数の動翼11がハブ13の表面上に等角度間隔で設けられている。ケーシング20は、スクロール室15及びシュラウド壁16を含む。スクロール室15は、タービンノズル14の周囲に形成された環状の空間である。ケーシング20に設けられた吸気口(図示省略)がスクロール室15に向かって開口している。スクロール室15からタービンノズル14を経て、タービンホイール10に作動流体が導かれる。シュラウド壁16は、タービンホイール10及びシャフト12に共通の回転軸線Oに平行な方向における一方の側から動翼11及びタービンノズル14を覆っている。回転軸線Oは、タービンノズル14の中心軸線に一致している。したがって、本明細書では、タービンノズル14の中心軸線も「中心軸線O」と表記する。 As shown in FIG. 1, the radial turbine 100 according to the present embodiment includes a turbine wheel 10, a shaft 12, a turbine nozzle 14, and a casing 20. The turbine wheel 10 and the turbine nozzle 14 are arranged in the casing 20. The turbine wheel 10 is arranged inside the turbine nozzle 14. The shaft 12 is fixed to the turbine wheel 10. The turbine wheel 10 includes a plurality of blades 11 and a hub 13. A plurality of moving blades 11 are provided on the surface of the hub 13 at equal angular intervals. The casing 20 includes a scroll chamber 15 and a shroud wall 16. The scroll chamber 15 is an annular space formed around the turbine nozzle 14. An intake port (not shown) provided in the casing 20 opens toward the scroll chamber 15. The working fluid is guided from the scroll chamber 15 through the turbine nozzle 14 to the turbine wheel 10. The shroud wall 16 covers the rotor blade 11 and the turbine nozzle 14 from one side in a direction parallel to the rotation axis O common to the turbine wheel 10 and the shaft 12. The rotation axis O coincides with the central axis of the turbine nozzle 14. Therefore, in the present specification, the central axis of the turbine nozzle 14 is also referred to as "central axis O".

図2に示すように、タービンノズル14は、ハブ22及び複数のノズルベーン24で構成されている。ハブ22は、リング状かつ板状の部品である。ハブ22は、平面視でそれぞれ円形の内周縁及び外周縁を有する。複数のノズルベーン24は、ハブ22の周方向に沿って、ハブ22の上に等角度間隔で配置されている。 As shown in FIG. 2, the turbine nozzle 14 is composed of a hub 22 and a plurality of nozzle vanes 24. The hub 22 is a ring-shaped and plate-shaped component. The hub 22 has a circular inner peripheral edge and an outer peripheral edge, respectively, in a plan view. The plurality of nozzle vanes 24 are arranged on the hub 22 at equal angular intervals along the circumferential direction of the hub 22.

本実施形態のラジアルタービン100は、いわゆる衝動反動タービンである。一般に、ノズルベーンを用いたタービンノズルは、個々の流路の長さが比較的短いため、大きい圧力比の膨張を達成することが難しい。しかし、衝動反動タービンによれば、まずタービンノズルにおいて作動流体を膨張させ、タービンホイールにおいて作動流体をさらに膨張させることができる。タービンノズルとタービンホイールとの両方で作動流体の膨張を分担するため、各要素において作動流体の流速が過大になりにくい。この場合、流速が支配的である摩擦損失及び流れの擾乱を抑制できるため、衝動反動タービンは、衝動タービンよりも高い効率を達成しやすい。 The radial turbine 100 of the present embodiment is a so-called impulse reaction turbine. Generally, in a turbine nozzle using a nozzle vane, it is difficult to achieve expansion with a large pressure ratio because the length of each flow path is relatively short. However, according to the impulse reaction turbine, the working fluid can be first expanded at the turbine nozzle and further expanded at the turbine wheel. Since the expansion of the working fluid is shared by both the turbine nozzle and the turbine wheel, the flow velocity of the working fluid is unlikely to become excessive in each element. In this case, the impulse reaction turbine is more likely to achieve higher efficiency than the impulse turbine because friction loss and flow disturbance, which are dominated by flow velocity, can be suppressed.

図3に示すように、各ノズルベーン24は、腹面24p、背面24q及び上面24rを有する。腹面24pは、ハブ22の中心軸線Oに近い側の面である。背面24qは、ハブ22の中心軸線Oから遠い側の面である。言い換えれば、腹面24pは、タービンホイール10に近い側の面であり、背面24qは、タービンホイール10から遠い側の面である。上面24rは、シュラウド壁16(図1参照)に向かい合う面である。ノズルベーン24は、全体として、柱状の形状を有する。ハブ22の周方向において互いに隣り合うノズルベーン24の腹面24pとノズルベーン24の背面24qとの間には、作動流体の流路27が形成されている。 As shown in FIG. 3, each nozzle vane 24 has a ventral surface 24p, a back surface 24q and an upper surface 24r. The ventral surface 24p is a surface of the hub 22 on the side close to the central axis O. The back surface 24q is a surface on the side far from the central axis O of the hub 22. In other words, the ventral surface 24p is the surface on the side closer to the turbine wheel 10, and the back surface 24q is the surface on the side far from the turbine wheel 10. The upper surface 24r is a surface facing the shroud wall 16 (see FIG. 1). The nozzle vane 24 has a columnar shape as a whole. A flow path 27 for a working fluid is formed between the ventral surface 24p of the nozzle vanes 24 adjacent to each other in the circumferential direction of the hub 22 and the back surface 24q of the nozzle vanes 24.

本実施形態において、流路27は、収縮部27a、スロート27b及び末広部27cを有する。ハブ22の外周側からハブ22の内周側に向かう方向を流路27における作動流体の流れ方向と定義したとき、収縮部27a、スロート27b及び末広部27cは、流れ方向の上流側からこの順番に並んでいる。収縮部27aは、スロート27bよりも流れ方向の上流側に位置している部分であって、徐々に縮小している流路断面積を有する部分である。スロート27bは、最小の流路断面積を有する部分である。スロート27bは、流れ方向において、一定の長さを有していてもよい。つまり、流路27には、最小の流路断面積を有する区間が存在していてもよい。末広部27cは、スロート27bよりも流れ方向の下流側に位置している部分であって、徐々に拡大している流路断面積を有する部分である。つまり、本実施形態のタービンノズル14は、ラバルノズルに類似した構造を有する。 In the present embodiment, the flow path 27 has a contracted portion 27a, a throat 27b, and a divergent portion 27c. When the direction from the outer peripheral side of the hub 22 to the inner peripheral side of the hub 22 is defined as the flow direction of the working fluid in the flow path 27, the contracted portion 27a, the throat 27b, and the divergent portion 27c are in this order from the upstream side in the flow direction. Lined up in. The contracted portion 27a is a portion located on the upstream side in the flow direction with respect to the throat 27b, and has a channel cross-sectional area that is gradually reduced. The throat 27b is a portion having the smallest flow path cross-sectional area. The throat 27b may have a constant length in the flow direction. That is, the flow path 27 may have a section having the minimum flow path cross-sectional area. The divergent portion 27c is a portion located downstream of the throat 27b in the flow direction and has a gradually expanding channel cross-sectional area. That is, the turbine nozzle 14 of the present embodiment has a structure similar to the Laval nozzle.

図3及び図4に示すように、タービンノズル14の平面図において、スロート27bに対応するノズルベーン24の腹面24p上の位置を特定位置P1と定義する。また、ノズルベーン24の翼形中心線L上の位置であって、翼形中心線Lの上流端Q1から下流端Q2に向かって翼形中心線Lの全長のa%進んだ位置を位置Paと定義する。翼形中心線L上の位置であって、翼形中心線Lの上流端Q1から下流端Q2に向かって翼形中心線Lの全長のb%進んだ位置を位置Pb(a<b)と定義する。このとき、特定位置P1から翼形中心線Lに下した垂線と翼形中心線Lとの交点Kが位置Paと位置Pbとの間に存在する。一例において、a=20、b=25が設定される。 As shown in FIGS. 3 and 4, in the plan view of the turbine nozzle 14, the position on the ventral surface 24p of the nozzle vane 24 corresponding to the throat 27b is defined as the specific position P1. Further, the position on the airfoil center line L of the nozzle vane 24, which is a% advanced from the upstream end Q1 of the airfoil center line L toward the downstream end Q2, is defined as the position Pa. Define. The position on the airfoil center line L, which is b% advanced from the upstream end Q1 of the airfoil center line L toward the downstream end Q2, is defined as the position Pb (a <b). Define. At this time, the intersection K of the vertical line drawn from the specific position P1 to the airfoil center line L and the airfoil center line L exists between the position Pa and the position Pb. In one example, a = 20 and b = 25 are set.

上記のような位置にスロート27bが存在すると、収縮部27aの流路断面積の急峻な縮小を回避できる。その結果、収縮部27aでの作動流体の過度な加速を避けることができる。特に、高い粘度を有する作動流体を用いる場合には、収縮部27aの流路断面積が設計意図にマッチしたものとなり、収縮部27aで流れのチョークが発生することを回避できる。また、超音速の流れを誘導する末広部27cの長さも十分に確保されているので、十分な膨張が達成されうる。 When the throat 27b is present at the position as described above, it is possible to avoid a steep reduction in the cross-sectional area of the flow path of the contracted portion 27a. As a result, excessive acceleration of the working fluid at the contracted portion 27a can be avoided. In particular, when a working fluid having a high viscosity is used, the flow path cross-sectional area of the contracted portion 27a matches the design intention, and it is possible to avoid the occurrence of flow chokes at the contracted portion 27a. Further, since the length of the divergent portion 27c that guides the flow of supersonic speed is sufficiently secured, sufficient expansion can be achieved.

本実施形態のタービンノズル14によれば、臨界圧力比を超えた膨張を要求される場合及び/又は作動流体中の音速が低い場合においても、臨界圧力比を超える圧力比での膨張を達成できる。その結果、単一のラジアルタービン100によって大きい出力を得ることができる。なお、タービンの入口における作動流体の温度が低かったり、作動流体の分子量が大きかったりすると、作動流体中の音速も低い。 According to the turbine nozzle 14 of the present embodiment, expansion at a pressure ratio exceeding the critical pressure ratio can be achieved even when expansion exceeding the critical pressure ratio is required and / or when the speed of sound in the working fluid is low. .. As a result, a large output can be obtained by a single radial turbine 100. If the temperature of the working fluid at the inlet of the turbine is low or the molecular weight of the working fluid is large, the speed of sound in the working fluid is also low.

本明細書において、「翼形中心線L」は、次の方法によって特定されうる。まず、ノズルベーン24の平面図を準備し、翼弦方向を決定する。翼弦方向は、最大の翼弦長を確保できる方向に定められる。次に、翼弦方向に沿ってノズルベーン24が複数の部分に分割されるように、翼弦方向に垂直に複数の分割線を引く。各分割線の中点を結ぶことによって、翼形中心線Lが得られる。分割線を細かく引けば引くほど、正確な翼形中心線Lが得られる。ノズルベーン24の厚さは、翼形中心線L上の任意の点を通り、腹面24pと背面24qとを最短距離で結ぶ線分の長さによって特定される。 In the present specification, the "airfoil centerline L" can be specified by the following method. First, a plan view of the nozzle vane 24 is prepared, and the chord direction is determined. The chord direction is determined so that the maximum chord length can be secured. Next, a plurality of dividing lines are drawn perpendicular to the chord direction so that the nozzle vane 24 is divided into the plurality of portions along the chord direction. By connecting the midpoints of each dividing line, the airfoil center line L is obtained. The finer the dividing line is drawn, the more accurate the airfoil centerline L can be obtained. The thickness of the nozzle vane 24 is specified by the length of a line segment that passes through an arbitrary point on the airfoil center line L and connects the ventral surface 24p and the back surface 24q at the shortest distance.

図4及び図5(a)に示すように、ノズルベーン24は、本体部分241及び後縁部分242を有する。後縁部分242は、翼形中心線Lの下流端Q2を含み、かつ、ハブ22の中心軸線Oに向かって湾曲している部分である。本体部分241は、翼形中心線Lの上流端Q1を含み、かつ、後縁部分242よりも翼形中心線Lの上流端Q1の近くに位置する部分である。図5(a)に示すように、ノズルベーン24の翼形中心線Lは、第1の部分L1及び第2の部分L2を含む。第1の部分L1は、翼形中心線Lの上流端Q1から第1の点Bまでの部分である。第1の点Bは、翼形中心線Lが中心軸線Oに向かう方向へ湾曲し始める点である。第2の部分L2は、第1の点Bから翼形中心線Lの下流端Q2までの部分である。本実施形態において、点Bは、翼形中心線Lにおける後縁部分242と本体部分241との境界点である。このような構造によれば、作動流体の流速が超音速に達したとき、後縁部分242に発生する衝撃波の方向を流れ方向の下流側に偏向させることができる。衝撃波による圧力回復位置を下流側にシフトさせて、衝撃波に先立って発生する膨張波の領域(つまり、流速が増加し続ける膨張領域)を拡大することで高い膨張比を達成できる。また、タービンノズル14からタービンホイール10への作動流体の流入角度を適正に保持できる。 As shown in FIGS. 4 and 5 (a), the nozzle vane 24 has a main body portion 241 and a trailing edge portion 242. The trailing edge portion 242 is a portion that includes the downstream end Q2 of the airfoil center line L and is curved toward the center axis O of the hub 22. The main body portion 241 is a portion including the upstream end Q1 of the airfoil center line L and located closer to the upstream end Q1 of the airfoil center line L than the trailing edge portion 242. As shown in FIG. 5A, the airfoil centerline L of the nozzle vane 24 includes a first portion L1 and a second portion L2. The first portion L1 is a portion from the upstream end Q1 of the airfoil center line L to the first point B. The first point B is a point at which the airfoil center line L begins to bend in the direction toward the center axis O. The second portion L2 is a portion from the first point B to the downstream end Q2 of the airfoil center line L. In the present embodiment, the point B is a boundary point between the trailing edge portion 242 and the main body portion 241 on the airfoil center line L. According to such a structure, when the flow velocity of the working fluid reaches the supersonic speed, the direction of the shock wave generated in the trailing edge portion 242 can be deflected to the downstream side in the flow direction. A high expansion ratio can be achieved by shifting the pressure recovery position due to the shock wave to the downstream side and expanding the region of the expansion wave generated prior to the shock wave (that is, the expansion region where the flow velocity continues to increase). Further, the inflow angle of the working fluid from the turbine nozzle 14 to the turbine wheel 10 can be appropriately maintained.

大きい圧力比で作動流体を膨張させることを意図した場合、ラバルノズル又はラバルノズルに準ずるノズルにおいては、ノズルベーンの後縁部分で発生する衝撃波(圧力波)によって膨張波の領域が終了しがちである。これに対し、本実施形態によれば、膨張波の領域をノズルベーン24の後縁部分242よりも下流側まで拡大することができる。そのため、より大きい圧力比で作動流体を膨張させることが可能である。これにより、より速い流速を持った作動流体がタービンノズル14からタービンホイール10に流入する。タービンホイール10を駆動する衝動力が増加するので、ラジアルタービン100の出力が向上する。また、各流路27における流速分布が平滑化されるので、タービンホイール10の1回転あたりの角速度の変動(トルクの変動)が抑制され、生成される交流電力の波形が正弦波形に近づく。つまり、高品質の電力が得られる。タービンノズル14からタービンホイール10に向けて適正な角度で作動流体が導かれるので、ラジアルタービン100の断熱効率も向上する。 When it is intended to expand the working fluid at a large pressure ratio, the region of the expansion wave tends to be terminated by the shock wave (pressure wave) generated at the trailing edge portion of the nozzle vane in the Laval nozzle or the nozzle similar to the Laval nozzle. On the other hand, according to the present embodiment, the region of the expansion wave can be expanded to the downstream side of the trailing edge portion 242 of the nozzle vane 24. Therefore, it is possible to expand the working fluid with a larger pressure ratio. As a result, the working fluid having a higher flow velocity flows into the turbine wheel 10 from the turbine nozzle 14. Since the impulse for driving the turbine wheel 10 is increased, the output of the radial turbine 100 is improved. Further, since the flow velocity distribution in each flow path 27 is smoothed, the fluctuation of the angular velocity (torque fluctuation) per rotation of the turbine wheel 10 is suppressed, and the waveform of the generated AC power approaches the sinusoidal waveform. That is, high quality power can be obtained. Since the working fluid is guided from the turbine nozzle 14 toward the turbine wheel 10 at an appropriate angle, the heat insulation efficiency of the radial turbine 100 is also improved.

図5(a)に示すように、翼形中心線L上の位置であって、翼形中心線Lの上流端Q1から下流端Q2に向かって翼形中心線Lの全長のx%進んだ位置を位置Pxと定義する。同様に、翼形中心線L上の位置であって、翼形中心線Lの上流端Q1から下流端Q2に向かって翼形中心線Lの全長のy%進んだ位置を位置Py(b<x<y)と定義する。翼形中心線Lにおける後縁部分242と本体部分241との境界点Bは、例えば、位置Pxと位置Pyとの間に存在する。一例において、x=85、y=90が設定される。このような構造によれば、末広部27cにおける膨張を阻害することなく、拡大された膨張領域を形成することが可能となる。これにより、ラジアルタービン100の出力が向上する。 As shown in FIG. 5A, it is a position on the airfoil center line L and advances by x% of the total length of the airfoil center line L from the upstream end Q1 of the airfoil center line L toward the downstream end Q2. The position is defined as the position Px. Similarly, the position on the airfoil center line L, which is y% ahead of the total length of the airfoil center line L from the upstream end Q1 of the airfoil center line L toward the downstream end Q2, is the position Py (b <. It is defined as x <y). The boundary point B between the trailing edge portion 242 and the main body portion 241 on the airfoil center line L exists, for example, between the position Px and the position Py. In one example, x = 85 and y = 90 are set. According to such a structure, it is possible to form an expanded expansion region without inhibiting the expansion in the divergent portion 27c. As a result, the output of the radial turbine 100 is improved.

図8Aは、図5(a)に示す形状の後縁部分242を有するノズルベーン24において、中心軸線Oを含む平面と翼形中心線Lとのなす角度βの変化を示すグラフである。横軸は、翼形中心線Lの全長に対する翼形中心線Lの上流端Q1からの距離の比率を表している。縦軸は、翼形中心線L上の各位置における角度βを表している。図8Aから理解できるように、角度βの平均変化率は一定ではない。このような構造によれば、後縁部分242で生成された衝撃波(圧縮波)による圧力変動が、後縁部分242の角度に応じて決定される角度にて、下流側に向けて直線的にノズルベーン24とノズルベーン24との間に発生する。拡大された膨張領域において、ノズルベーン24の幅方向に関する吐出速度の分布が均一化する。これにより、タービンホイール10の1回転あたりの角速度の変動(トルクの変動)が抑制されるので、ラジアルタービン100に連結された発電機で高品質の交流電力の電力が生成されうる。 FIG. 8A is a graph showing a change in the angle β formed by the plane including the central axis O and the airfoil center line L in the nozzle vane 24 having the trailing edge portion 242 of the shape shown in FIG. 5 (a). The horizontal axis represents the ratio of the distance from the upstream end Q1 of the airfoil center line L to the total length of the airfoil center line L. The vertical axis represents the angle β at each position on the airfoil center line L. As can be seen from FIG. 8A, the average rate of change of the angle β is not constant. According to such a structure, the pressure fluctuation due to the shock wave (compression wave) generated in the trailing edge portion 242 is linearly directed toward the downstream side at an angle determined according to the angle of the trailing edge portion 242. It occurs between the nozzle vanes 24 and the nozzle vanes 24. In the expanded expansion region, the distribution of the discharge velocity in the width direction of the nozzle vane 24 becomes uniform. As a result, fluctuations in angular velocity (fluctuations in torque) per rotation of the turbine wheel 10 are suppressed, so that a generator connected to the radial turbine 100 can generate high-quality AC power.

境界点Bにおける湾曲(折れ曲がり)の度合いを増やすことによって、上記した効果を高めることができる。図5(b)に示すノズルベーン24の後縁部分242は、図5(a)に示すノズルベーン24の後縁部分242と比較して、境界点Bにおいて大きく湾曲している。図5(c)は、比較のために、図5(a)に示すノズルベーンの後縁部分と図5(b)に示すノズルベーンの後縁部分とを重ねて示している。 The above-mentioned effect can be enhanced by increasing the degree of bending (bending) at the boundary point B. The trailing edge portion 242 of the nozzle vane 24 shown in FIG. 5 (b) is significantly curved at the boundary point B as compared with the trailing edge portion 242 of the nozzle vane 24 shown in FIG. 5 (a). FIG. 5 (c) shows the trailing edge portion of the nozzle vane shown in FIG. 5 (a) and the trailing edge portion of the nozzle vane shown in FIG. 5 (b) superimposed for comparison.

図8Bは、図5(b)に示す形状の後縁部分242を有するノズルベーン24において、中心軸線Oを含む平面と翼形中心線Lとのなす角度βの変化を示すグラフである。図8Bから理解できるように、図5(b)の形状を有するノズルベーン24の翼形中心線Lは、境界点Bよりも下流端Q2にやや近い第2の点Cにおいて、大きく湾曲している。翼形中心線Lの第1の部分L1において、角度βの平均変化率は正の値である。翼形中心線Lの第2の部分L2は、角度βの平均変化率が正の値から負の値へと変化する第2の点Cを含む。第2の点Cにおいて、角度βは、単調増加から単調減少に転じている。言い換えれば、第2の点Cにおいて、角度βの平均変化率が正の値から負の値へと変化している。第2の点Cから下流端Q2までの区間において、角度βの平均変化率は負の値である。このような構造によれば、上記した効果をより一層高めることができる。本実施形態では、境界点Bは、第2の点Cと異なる点である。ただし、境界点Bが第2の点Cに一致していてもよい。 FIG. 8B is a graph showing the change in the angle β formed by the plane including the central axis O and the airfoil center line L in the nozzle vane 24 having the trailing edge portion 242 of the shape shown in FIG. 5 (b). As can be understood from FIG. 8B, the airfoil center line L of the nozzle vane 24 having the shape of FIG. 5 (b) is greatly curved at the second point C slightly closer to the downstream end Q2 than the boundary point B. .. In the first portion L1 of the airfoil center line L, the average rate of change of the angle β is a positive value. The second portion L2 of the airfoil centerline L includes a second point C in which the average rate of change of the angle β changes from a positive value to a negative value. At the second point C, the angle β changes from monotonically increasing to monotonically decreasing. In other words, at the second point C, the average rate of change of the angle β changes from a positive value to a negative value. In the section from the second point C to the downstream end Q2, the average rate of change of the angle β is a negative value. According to such a structure, the above-mentioned effect can be further enhanced. In the present embodiment, the boundary point B is different from the second point C. However, the boundary point B may coincide with the second point C.

図8Bに示すように、角度βは、下流端Q2を含む所定の長さの区間において線形に変化している。第2の点Cから下流端Q2までの区間において、角度βの平均変化率が概ね一定(傾きが一定)である。後縁部分242がこのような構造を有していると、先に説明したように、膨張領域を拡大することができる。タービンノズル14からの作動流体の吐出角度が過剰に偏向しないように制限が加えられるので、タービンホイール10への作動流体の流入角度を設計通りの適正な値に保つことができる。その結果、ラジアルタービン100の効率がさらに向上する。 As shown in FIG. 8B, the angle β changes linearly in a section of a predetermined length including the downstream end Q2. In the section from the second point C to the downstream end Q2, the average rate of change of the angle β is substantially constant (the slope is constant). When the trailing edge portion 242 has such a structure, the expansion region can be expanded as described above. Since the restriction is applied so that the discharge angle of the working fluid from the turbine nozzle 14 is not excessively deflected, the inflow angle of the working fluid into the turbine wheel 10 can be maintained at an appropriate value as designed. As a result, the efficiency of the radial turbine 100 is further improved.

本実施形態において、ノズルベーン24の厚さは、先に説明した交点Kよりも少し下流側の位置から徐々に減少している。具体的には、図4に示すように、翼形中心線L上の位置であって、翼形中心線Lの上流端Q1から下流端Q2に向かって翼形中心線Lの全長のc%進んだ位置を位置Pc(b<c<x)と定義する。図4の例では、ノズルベーン24の厚さは、位置Pbから位置Pcまでの区間に含まれる任意の位置から翼形中心線Lの下流端Q2に向かって減少し始めている。一例において、c=30が設定される。このような厚さの変化によれば、スロート27bを適切な位置に形成することができる。 In the present embodiment, the thickness of the nozzle vane 24 gradually decreases from a position slightly downstream of the intersection K described above. Specifically, as shown in FIG. 4, it is a position on the airfoil center line L, and is c% of the total length of the airfoil center line L from the upstream end Q1 to the downstream end Q2 of the airfoil center line L. The advanced position is defined as the position Pc (b <c <x). In the example of FIG. 4, the thickness of the nozzle vane 24 starts to decrease from an arbitrary position included in the section from the position Pb to the position Pc toward the downstream end Q2 of the airfoil center line L. In one example, c = 30 is set. According to such a change in thickness, the throat 27b can be formed at an appropriate position.

図9は、図4のノズルベーン24の厚さに関する分布の一例を示すグラフである。横軸は、翼形中心線Lの全長に対する翼形中心線Lの上流端Q1からの距離の比率を表している。縦軸は、翼形中心線Lの全長に対する、ノズルベーン24の厚さ方向における翼形中心線Lからノズルベーン24の表面までの距離の比率を表している。図9において、実線は、ノズルベーン24の厚さ方向における翼形中心線Lから背面24qまでの距離(第1の厚さ)に関する比率を示している。図9において、破線は、ノズルベーン24の厚さ方向における翼形中心線Lから腹面24pまでの距離(第2の厚さ)に関する比率を示している。翼形中心線L上の任意の位置におけるノズルベーン24の厚さは、第1の厚さと第2の厚さとの和によって表される。図9の例では、ノズルベーン24の厚さは、翼形中心線Lの上流端Q1から下流端Q2に向かって翼形中心線Lの全長の約20%の位置、すなわち、a=20のときの位置Pa又はその前後の位置で最大となる。a=20のときの位置Paとb=25のときの位置Pbとの間に存在する交点Kよりも少し下流側の位置(例えば、c=30のときの位置Pc)において、ノズルベーン24の厚さは、明らかに減少傾向を示す。ノズルベーン24の厚さは、位置Pcから下流端Q2まで単調かつ緩やかに減少している。このような厚さの変化によれば、スロート27bを適切な位置に形成することができる。 FIG. 9 is a graph showing an example of the distribution regarding the thickness of the nozzle vane 24 of FIG. The horizontal axis represents the ratio of the distance from the upstream end Q1 of the airfoil center line L to the total length of the airfoil center line L. The vertical axis represents the ratio of the distance from the airfoil center line L to the surface of the nozzle vane 24 in the thickness direction of the airfoil vane 24 with respect to the total length of the airfoil center line L. In FIG. 9, the solid line shows the ratio regarding the distance (first thickness) from the airfoil center line L to the back surface 24q in the thickness direction of the nozzle vane 24. In FIG. 9, the broken line shows the ratio regarding the distance (second thickness) from the airfoil center line L to the ventral surface 24p in the thickness direction of the nozzle vane 24. The thickness of the nozzle vane 24 at an arbitrary position on the airfoil center line L is represented by the sum of the first thickness and the second thickness. In the example of FIG. 9, the thickness of the nozzle vane 24 is about 20% of the total length of the airfoil center line L from the upstream end Q1 of the airfoil center line L toward the downstream end Q2, that is, when a = 20. It becomes the maximum at the position Pa or the position before and after it. The thickness of the nozzle vane 24 at a position slightly downstream from the intersection K existing between the position Pa when a = 20 and the position Pb when b = 25 (for example, the position Pc when c = 30). It clearly shows a decreasing trend. The thickness of the nozzle vane 24 decreases monotonically and gradually from the position Pc to the downstream end Q2. According to such a change in thickness, the throat 27b can be formed at an appropriate position.

本明細書では、ハブ22の中心軸線Oに平行な方向に関するノズルベーン24の寸法であって、ハブ22の上面22pからノズルベーン24の上面24rまでの寸法をノズルベーン24の高さと定義する。スロート27bよりも流れ方向の下流側におけるノズルベーン24の高さは、スロート27bよりも流れ方向の上流側におけるノズルベーン24の高さよりも大きい。このような構造によれば、ラバルノズルにおいて得られる効果、例えば、衝撃波を相殺する効果が向上する。その結果、より高い圧力比での膨張を達成できる。スロート27bで作動流体の流速のマッハ数Mが1に達した後も作動流体は増速し続ける、すなわち、膨張し続けることが可能である。単純な先細ノズルを用いたタービンノズルと比較して、より高速の作動流体をタービンホイール10に導入できるため、タービンホイール10を回転させる衝動成分が増加し、単段で大出力を発揮しうるラジアルタービン100を構築できる。 In the present specification, the dimension of the nozzle vane 24 with respect to the direction parallel to the central axis O of the hub 22, and the dimension from the upper surface 22p of the hub 22 to the upper surface 24r of the nozzle vane 24 is defined as the height of the nozzle vane 24. The height of the nozzle vane 24 on the downstream side in the flow direction from the throat 27b is larger than the height of the nozzle vane 24 on the upstream side in the flow direction from the throat 27b. According to such a structure, the effect obtained in the Laval nozzle, for example, the effect of canceling the shock wave is improved. As a result, expansion at a higher pressure ratio can be achieved. Even after the Mach number M of the flow velocity of the working fluid reaches 1 at the throat 27b, the working fluid can continue to accelerate, that is, continue to expand. Compared to a turbine nozzle that uses a simple tapered nozzle, a faster working fluid can be introduced into the turbine wheel 10, so the impulse component that rotates the turbine wheel 10 increases, and a radial that can exert a large output in a single stage. The turbine 100 can be constructed.

詳細には、図6A〜図6Cに示すように、スロート27bよりも流れ方向の下流側において、ノズルベーン24の高さHが流れ方向の上流側から下流側に向かって徐々に増加している。スロート27bよりも流れ方向の下流側におけるノズルベーン24の高さHは、スロート27bよりも流れ方向の上流側におけるノズルベーン24の高さhよりも大きい。このような構造によれば、流路断面積の変化をラバルノズルに近づけることができる。その結果、作動流体をより円滑に膨張させることができる。 Specifically, as shown in FIGS. 6A to 6C, the height H of the nozzle vane 24 gradually increases from the upstream side to the downstream side in the flow direction on the downstream side in the flow direction from the throat 27b. The height H of the nozzle vane 24 on the downstream side in the flow direction from the throat 27b is larger than the height h of the nozzle vane 24 on the upstream side in the flow direction from the throat 27b. According to such a structure, the change in the cross-sectional area of the flow path can be brought close to that of the Laval nozzle. As a result, the working fluid can be expanded more smoothly.

図6A〜図6Cは、図3に示す流路27の中心線に沿ったノズルベーン24の断面図である。図6A〜図6Cには、ノズルベーン24の腹面24pが現れている。 6A to 6C are cross-sectional views of the nozzle vane 24 along the center line of the flow path 27 shown in FIG. The ventral surface 24p of the nozzle vane 24 appears in FIGS. 6A to 6C.

図6Aに示す例では、スロート27bよりも流れ方向の下流側において、ハブ22の上面22pがハブ22の中心軸線Oに垂直であり、ノズルベーン24の上面24rがハブ22の中心軸線Oに垂直な平面に対して傾斜している。図6Aに示す例では、中心軸線Oに平行な方向に関するハブ22の厚さは一定である。ハブ22の厚さが一定であるため、図6Aに示す形状を作製するための加工が容易である。 In the example shown in FIG. 6A, the upper surface 22p of the hub 22 is perpendicular to the central axis O of the hub 22 and the upper surface 24r of the nozzle vane 24 is perpendicular to the central axis O of the hub 22 on the downstream side in the flow direction from the throat 27b. It is tilted with respect to the plane. In the example shown in FIG. 6A, the thickness of the hub 22 in the direction parallel to the central axis O is constant. Since the thickness of the hub 22 is constant, processing for producing the shape shown in FIG. 6A is easy.

図6Bに示す例では、スロート27bよりも流れ方向の下流側において、ノズルベーン24の上面24rがハブ22の中心軸線Oに垂直であり、ハブ22の上面22pがハブ22の中心軸線Oに垂直な平面に対して傾斜している。この例では、ハブ22の厚さがノズルベーン24に沿って変化している。スロート27bよりも流れ方向の下流側において、ハブ22の厚さが減じられている。図6Bに示す例によれば、ノズルベーン24の上面24rが中心軸線Oに垂直な平面に垂直であるため、ノズルベーン24とシュラウド壁16(図1参照)との間のクリアランスの寸法を調整することが容易である。つまり、シュラウド壁16の形状の変更が必須ではなく、タービンノズル14の製造コストの増加を抑制することができる。 In the example shown in FIG. 6B, the upper surface 24r of the nozzle vane 24 is perpendicular to the central axis O of the hub 22 and the upper surface 22p of the hub 22 is perpendicular to the central axis O of the hub 22 on the downstream side in the flow direction from the throat 27b. It is tilted with respect to the plane. In this example, the thickness of the hub 22 varies along the nozzle vanes 24. The thickness of the hub 22 is reduced on the downstream side of the throat 27b in the flow direction. According to the example shown in FIG. 6B, since the upper surface 24r of the nozzle vane 24 is perpendicular to the plane perpendicular to the central axis O, the dimension of the clearance between the nozzle vane 24 and the shroud wall 16 (see FIG. 1) is adjusted. Is easy. That is, it is not essential to change the shape of the shroud wall 16, and it is possible to suppress an increase in the manufacturing cost of the turbine nozzle 14.

図6Cに示す例では、スロート27bよりも流れ方向の下流側において、ノズルベーン24の上面24rがハブ22の中心軸線Oに垂直な平面に対して傾斜している。さらに、ハブ22の上面22pがハブ22の中心軸線Oに垂直な平面に対して傾斜している。この例は、図6Aの例と図6Bの例との組み合わせである。図6Cに示す例によれば、ノズルベーン24の上面24rの傾斜角度及びハブ22の上面22pの傾斜角度を小さくすることができる。 In the example shown in FIG. 6C, the upper surface 24r of the nozzle vane 24 is inclined with respect to the plane perpendicular to the central axis O of the hub 22 on the downstream side in the flow direction from the throat 27b. Further, the upper surface 22p of the hub 22 is inclined with respect to a plane perpendicular to the central axis O of the hub 22. This example is a combination of the example of FIG. 6A and the example of FIG. 6B. According to the example shown in FIG. 6C, the inclination angle of the upper surface 24r of the nozzle vane 24 and the inclination angle of the upper surface 22p of the hub 22 can be reduced.

図10は、ノズルベーンの高さの分布を示すグラフである。横軸は、翼形中心線Lの全長に対する翼形中心線Lの上流端Q1からの距離の比率を表している。縦軸は、最大の高さに対する各位置の高さの比率を表している。各位置におけるノズルベーン24の高さは、翼形中心線L上での高さを表している。本実施形態において、ノズルベーン24は、下流端Q2で最大の高さを有する。上流端Q1(0%位置)から位置Pbまでノズルベーン24の高さは一定である。図3及び図4を参照して説明したように、位置Pbは、交点Kよりもやや下流側の位置である。位置Pbから下流端Q2(100%位置)にわたってノズルベーン24の高さが概ね線形的に増加している。このような構造によれば、スロート27bよりも下流側において急激な圧力変化が抑制され、作動流体をより円滑に膨張させることができる。 FIG. 10 is a graph showing the height distribution of nozzle vanes. The horizontal axis represents the ratio of the distance from the upstream end Q1 of the airfoil center line L to the total length of the airfoil center line L. The vertical axis represents the ratio of the height of each position to the maximum height. The height of the nozzle vane 24 at each position represents the height on the airfoil center line L. In this embodiment, the nozzle vane 24 has the maximum height at the downstream end Q2. The height of the nozzle vane 24 is constant from the upstream end Q1 (0% position) to the position Pb. As described with reference to FIGS. 3 and 4, the position Pb is a position slightly downstream of the intersection K. The height of the nozzle vane 24 increases substantially linearly from the position Pb to the downstream end Q2 (100% position). According to such a structure, a sudden pressure change is suppressed on the downstream side of the throat 27b, and the working fluid can be expanded more smoothly.

本実施形態において、スロート27bよりも下流側に末広部27cの開始点がある。本実施形態において、スロート27bは、一定の長さを有している。つまり、本実施形態のタービンノズル14には、最小の流路断面積を有する区間が存在している。一例において、スロート27bは、翼形中心線Lの全長の5%ほどの長さを持っている。末広部27cの開始点は、スロート27bの下流端の位置に設定される。ノズルベーン24の表面には境界層が形成されるので、作動流体の流れは、スロート27bの先頭の位置よりも下流側の位置において最も狭まる。このことを考慮して、末広部27cの開始点が定められている。この流路断面積の変化は、ノズルベーン24の翼形中心線Lの形状と、ノズルベーン24の腹面24p側の厚さ、ノズルベーン24の背面24q側の厚さ、及び、ノズルベーンの高さによって与えられる。ノズルベーン24の厚さが交点Kよりも少し下流側の位置Pbから減少すること、及び、ノズルベーン24の高さが交点Kよりも少し下流側の位置Pbから増加することは、このことに起因している。 In the present embodiment, the starting point of the divergent portion 27c is on the downstream side of the throat 27b. In this embodiment, the throat 27b has a certain length. That is, the turbine nozzle 14 of the present embodiment has a section having the minimum flow path cross-sectional area. In one example, the throat 27b has a length of about 5% of the total length of the airfoil centerline L. The starting point of the divergent portion 27c is set at the position of the downstream end of the throat 27b. Since a boundary layer is formed on the surface of the nozzle vane 24, the flow of the working fluid is narrowest at a position downstream of the head position of the throat 27b. In consideration of this, the starting point of the Suehiro portion 27c is determined. This change in the cross-sectional area of the flow path is given by the shape of the airfoil center line L of the nozzle vane 24, the thickness of the ventral surface 24p side of the nozzle vane 24, the thickness of the back surface 24q side of the nozzle vane 24, and the height of the nozzle vane. .. This is due to the fact that the thickness of the nozzle vane 24 decreases from the position Pb slightly downstream of the intersection K and that the height of the nozzle vane 24 increases from the position Pb slightly downstream of the intersection K. ing.

次に、ラジアルタービン100を用いた発電システムの実施形態について説明する。 Next, an embodiment of a power generation system using the radial turbine 100 will be described.

図11に示すように、本実施形態にかかる発電システム200は、ランキンサイクル回路110、熱源112及びダクト114を備えている。ランキンサイクル回路110は、ラジアルタービン100、凝縮器102(復水器)、ポンプ104及び蒸発器106(蒸気発生器)を備えている。ラジアルタービン100、凝縮器102、ポンプ104及び蒸発器106は、複数の配管によって、この順番で接続されている。ラジアルタービン100の回転軸に発電機108が接続されている。ラジアルタービン100で作動流体を膨張させると発電機108が駆動され、電力が生成される。ランキンサイクル回路110は、再熱器などの公知の他の機器を備えていてもよい。 As shown in FIG. 11, the power generation system 200 according to the present embodiment includes a Rankine cycle circuit 110, a heat source 112, and a duct 114. The Rankine cycle circuit 110 includes a radial turbine 100, a condenser 102 (condenser), a pump 104, and an evaporator 106 (steam generator). The radial turbine 100, the condenser 102, the pump 104, and the evaporator 106 are connected in this order by a plurality of pipes. A generator 108 is connected to the rotating shaft of the radial turbine 100. When the working fluid is expanded by the radial turbine 100, the generator 108 is driven to generate electric power. The Rankine cycle circuit 110 may include other known equipment such as a reheater.

蒸発器106は、熱源112で生成された熱伝達体116とランキンサイクル回路110を循環する作動流体とを熱交換させ、作動流体を蒸発させるように構成されている。本実施形態では、蒸発器106がダクト114に配置されている。ダクト114は、熱源112に接続されている。ダクト114には、熱源112で生成された熱伝達流体116が流れる。熱伝達流体116は、気体であってもよいし、液体であってもよい。熱伝達流体116が気体であるとき、蒸発器106は、フィンチューブ熱交換器などの気−液熱交換器で構成されうる。熱伝達流体116が液体であるとき、蒸発器106は、例えば、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器などの液−液熱交換器で構成されうる。 Evaporator 106, and a working fluid circulating in the heat transfer flow body 116 and the Rankine cycle circuit 110 that is generated by the heat source 112 is heat exchanger is configured to vaporize the working fluid. In this embodiment, the evaporator 106 is arranged in the duct 114. The duct 114 is connected to the heat source 112. The heat transfer fluid 116 generated by the heat source 112 flows through the duct 114. The heat transfer fluid 116 may be a gas or a liquid. When the heat transfer fluid 116 is a gas, the evaporator 106 may be composed of a gas-liquid heat exchanger such as a fin tube heat exchanger. When the heat transfer fluid 116 is a liquid, the evaporator 106 may be composed of a liquid-liquid heat exchanger such as a plate heat exchanger or a double tube heat exchanger.

熱源112の種類は特に限定されない。熱源112の例として、ボイラ、工場の設備、エンジン、ごみ焼却炉、ソーラーポンド、燃料電池などが挙げられる。 The type of heat source 112 is not particularly limited. Examples of the heat source 112 include boilers, factory equipment, engines, waste incinerators, solar ponds, fuel cells and the like.

ランキンサイクル回路110作動流体の種類も特に限定されない。作動流体は、炭化水素、ハロゲン化炭化水素などの有機物であってもよく、水、アンモニア、二酸化炭素などの無機物であってもよい。炭化水素としては、プロパンなどが挙げられる。ハロゲン化炭化水素としては、R410a、R22、R32、R245faなどが挙げられる。 The type of working fluid of the Rankine cycle circuit 110 is also not particularly limited. The working fluid may be an organic substance such as a hydrocarbon or a halogenated hydrocarbon, or an inorganic substance such as water, ammonia or carbon dioxide. Examples of the hydrocarbon include propane and the like. Examples of the halogenated hydrocarbon include R410a, R22, R32, and R245fa.

本明細書に開示された技術は、ラジアルタービンに有用である。ラジアルタービンは、例えば、発電システムに有用である。 The techniques disclosed herein are useful for radial turbines. Radial turbines are useful, for example, in power generation systems.

10 タービンホイール
11 動翼
12 シャフト
13 タービンホイールのハブ
14 タービンノズル
16 シュラウド壁
22 タービンノズルのハブ
22p ハブの上面
24 ノズルベーン
24p 腹面
24q 背面
24r 上面
27 流路
27a 収縮部
27b スロート
27c 末広部
100 ラジアルタービン
102 凝縮器(復水器)
104 ポンプ
106 蒸発器(蒸気発生器)
108 発電機
110 ランキンサイクル回路
112 熱源
114 ダクト
200 発電システム
O 回転軸線
L 翼形中心線
10 Turbine wheel 11 Drive blade 12 Shaft 13 Turbine wheel hub 14 Turbine nozzle 16 Shroud wall 22 Turbine nozzle hub 22p Hub top surface 24 Nozzle vane 24p Abdominal surface 24q Back surface 24r Top surface 27 Flow path 27a Shrinkage 27b Throat 27c Radial turbine 102 Condenser (condenser)
104 Pump 106 Evaporator (steam generator)
108 Generator 110 Rankine cycle circuit 112 Heat source 114 Duct 200 Power generation system O Rotating axis L Airfoil centerline

Claims (6)

ラジアルタービンに用いられるタービンノズルであって、
中心軸線を有するリング状のハブと、
前記ハブの周方向に沿って、前記ハブの上に等角度間隔で配置された複数のノズルベーンと、
前記周方向において互いに隣り合う前記ノズルベーンの腹面と前記ノズルベーンの背面との間に形成された流路と、
を備え、
前記ハブの外周側から前記ハブの内周側に向かう方向を前記流路における作動流体の流れ方向と定義したとき、
前記流路は、前記流れ方向において、最小の流路断面積を有するスロートを含み、
前記スロートよりも前記流れ方向の下流側において、前記流路断面積が拡大しており、
前記スロートよりも前記流れ方向の下流側における前記ノズルベーンの高さは、前記スロートにおける前記ノズルベーンの高さよりも大きく、且つ、前記流れ方向の上流側から下流側に向かって徐々に増加しており、
前記スロートが、前記流れ方向において、一定の長さを有している
タービンノズル。
A turbine nozzle used in radial turbines
A ring-shaped hub with a central axis and
A plurality of nozzle vanes arranged at equal intervals on the hub along the circumferential direction of the hub.
A flow path formed between the ventral surface of the nozzle vanes adjacent to each other in the circumferential direction and the back surface of the nozzle vanes, and
With
When the direction from the outer peripheral side of the hub to the inner peripheral side of the hub is defined as the flow direction of the working fluid in the flow path,
The flow path includes a throat having the smallest flow path cross-sectional area in the flow direction.
The flow path cross-sectional area is expanded on the downstream side in the flow direction from the throat.
The height of the nozzle vane on the downstream side in the flow direction from the throat is larger than the height of the nozzle vane in the throat, and gradually increases from the upstream side to the downstream side in the flow direction .
The throat has a constant length in the flow direction .
Turbine nozzle.
前記タービンノズルの平面図において、前記スロートの下流端に対応する前記ノズルベーンの腹面上の位置を特定位置P1と定義し、前記ノズルベーンの翼形中心線上の位置であって、前記翼形中心線の上流端から下流端に向かって前記翼形中心線の全長のa%進んだ位置を位置Paと定義し、前記翼形中心線の上流端から下流端に向かって前記翼形中心線の全長のb%進んだ位置を位置Pbと定義するとき、前記特定位置P1から前記翼形中心線に下した垂線と前記翼形中心線との交点Kが前記位置Paと前記位置Pbとの間に存在し、a=20、b=25である、請求項1に記載のタービンノズル。In the plan view of the turbine nozzle, the position on the ventral surface of the nozzle vane corresponding to the downstream end of the throat is defined as the specific position P1, which is the position on the airfoil centerline of the airfoil vane and is the airfoil centerline. Position Pa is defined as a position advanced by a% of the total length of the airfoil centerline from the upstream end to the downstream end, and the total length of the airfoil centerline from the upstream end to the downstream end of the airfoil centerline. When the position advanced by b% is defined as the position Pb, the intersection K between the vertical line drawn from the specific position P1 to the airfoil center line and the airfoil center line exists between the position Pa and the airfoil center line. The turbine nozzle according to claim 1, wherein a = 20 and b = 25. 前記スロートよりも前記流れ方向の下流側において、前記ハブの上面が前記中心軸線に垂直であり、前記ノズルベーンの上面が前記中心軸線に垂直な平面に対して傾斜している、請求項1に記載のタービンノズル。 The first aspect of the present invention, wherein the upper surface of the hub is perpendicular to the central axis and the upper surface of the nozzle vane is inclined with respect to a plane perpendicular to the central axis on the downstream side of the throat in the flow direction. Turbine nozzle. 前記スロートよりも前記流れ方向の下流側において、前記ノズルベーンの上面が前記中心軸線に垂直であり、前記ハブの上面が前記中心軸線に垂直な平面に対して傾斜している、請求項1に記載のタービンノズル。 The first aspect of the present invention, wherein the upper surface of the nozzle vane is perpendicular to the central axis and the upper surface of the hub is inclined with respect to a plane perpendicular to the central axis on the downstream side of the throat in the flow direction. Turbine nozzle. 前記スロートよりも前記流れ方向の下流側において、前記ノズルベーンの上面が前記中心軸線に垂直な平面に対して傾斜しており、かつ、前記ハブの上面が前記中心軸線に垂直な前記平面に対して傾斜している、請求項1に記載のタービンノズル。 On the downstream side of the throat in the flow direction, the upper surface of the nozzle vane is inclined with respect to the plane perpendicular to the central axis, and the upper surface of the hub is inclined with respect to the plane perpendicular to the central axis. The turbine nozzle according to claim 1, which is inclined. 請求項1〜のいずれか1項に記載のタービンノズルと、
前記タービンノズルの内側に配置されたタービンホイールと、
を備えた、ラジアルタービン。
The turbine nozzle according to any one of claims 1 to 5 and
A turbine wheel arranged inside the turbine nozzle and
With a radial turbine.
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