KR20080063458A - 사류 터빈 또는 래디얼 터빈 - Google Patents

Abstract

블레이드의 전방 모서리부에 가해지는 부하의 급격한 증가를 억제하여, 인시던스 손실을 저하시킬 수 있는 사류 터빈 또는 래디얼 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다. 허브와, 허브의 외주면에 대략 등간격으로 설치되고, 전방 모서리측으로부터 후방 모서리측의 전체를 보면 블레이드 단면의 휨선이 회전 방향측으로 볼록하게 만곡된 복수매의 블레이드를 구비한 사류 터빈 또는 래디얼 터빈이며, 블레이드의 전방 모서리부에는, 외주면에 따른 단면에 있어서의 휨선이 회전 방향측으로 오목하게 만곡되도록 변곡되어 있는 변곡부가 구비되어 있는 사류 터빈 또는 래디얼 터빈을 제공한다.

사류 터빈, 래디얼 터빈, 블레이드, 허브, 압력면 두께 증가부

Description

사류 터빈 또는 래디얼 터빈 {DIAGONAL FLOW TURBINE OR RADIAL TURBINE}

본 발명은, 소형 가스 터빈, 과급기, 익스팬더 등에 사용되는 사류 터빈 또는 래디얼 터빈에 관한 것이다.

이러한 종류의 터빈은, 예를 들어 특허문헌 1 등에 개시된 바와 같이, 허브의 외주에 방사 형상으로 복수의 블레이드가 배치되어 있다.

터빈의 효율은, 블레이드 입구의 주속(U)과, 터빈 입구 온도 및 압력비에서 그 작동 유체(가스)가 가속되는 최대 유속, 즉 이론 속도(C0)와의 비인 이론 속도비(= U/C0)에 대해 나타내어진다.

래디얼 터빈은 효율이 피크가 되는 임의의 이론 속도비(U/C0)를 갖고 있다. 이론 속도(C0)는 가스의 상태가 변화, 즉 가스의 온도, 압력이 변화함으로써 변화된다.

이론 속도(C0)가 변화되면, 블레이드의 전방 모서리에 유입하는 가스의 유입각도가 변화되므로, 전방 모서리와 가스의 유입각과의 각도차가 커진다.

이와 같이 전방 모서리와 가스의 유입각과의 각도차가 커지면, 유입하는 가스가 전방 모서리에서 박리되므로, 충돌 손실이 커져 인시던스 손실이 발생한다.

한편, 사류 터빈에서는, 도13에 도시된 바와 같이, 블레이드(101)는 허 브(103)의 외주면에 따른 단면(105)에서 보아, 일반적으로 휨선(블레이드 두께의 중심선)(107)이 회전 방향(109)측으로 볼록하게 만곡되는 형상이 되도록 구성되어 있다.

이로 인해, 전방 모서리(102)의 블레이드각(α)을 유입하는 가스의 흐름에 따르게 하는 형상, 즉 블레이드각(α)과 상대 흐름각(β)을 일치시킬 수 있으므로, 예를 들어 저이론 속도비(저U/C0)에서 인시던스 손실을 저하시키는 블레이드각(α)으로 할 수 있다.

이와 같이, 저U/C0에 있어서의 효율을 향상시킬 수 있으면, 사류 터빈의 외형을 억제할 수 있어, 응답성 등에 효과가 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2002-364302호 공보

그런데, 사류 터빈 등에 있어서의 가스의 흐름장(場)은, 기본적으로 자유 소용돌이로 형성된다. 이로 인해, 예를 들어 절대 주위 방향 유속(Cu)은, 도3에 도시된 바와 같이 반경 위치에 대해 반비례의 관계가 된다. 한편, 블레이드(101)의 주속(U)은 반경 위치에 비례하는 관계에 있으므로, 가스의 흐름과 블레이드(101) 사이에 상대 주위 방향 유속(Wu)이 발생한다.

이 상대 주위 방향 유속(Wu)을 반경 위치에 대응하여 플롯하면, 도4에 도시된 바와 같이 하측으로 볼록[반회전(反回轉) 방향으로 볼록]하게 만곡된 곡선이 된다. 바꾸어 말하면, 직경 방향 위치가 작아짐에 따라 회전 방향으로의 변화율이 커지는, 즉 회전 방향으로의 변화율을 갖는다.

도5는, 이 때의 상대 유속이 변화하는 궤적을 모식적으로 나타낸 것이다. 상대 유속(W)은, 도4를 따라 변화하는 상대 주위 방향 유속(Wu)과 대략 일정한 상대 직경 방향 유속(Wr)을 합성한 것으로, 그 크기의 변화는 도4에 도시되는 상대 주위 방향 유속(Wu)과 유사한 경향을 갖고 있다.

상대 유속(W)과 상대 주위 방향 유속(Wu)이 이루는 각도가, 그 반경 위치에 있어서의 상대 흐름각(β)이다.

전방 모서리의 블레이드각(α)을 상대 흐름각(β)에 맞추었다[즉, 전방 모서리를 상대 유속(W)의 궤적에 일치시켰다]해도, 상대 유속(W)이 반회전 방향으로 볼록하게 만곡되어 있는 것에 대해, 블레이드(101)의 휨선(107)은 회전 방향으로 볼록하게 만곡되어 있기[바꾸어 말하면, 블레이드각(α)은 직경 방향 위치가 작아짐에 따라 회전 방향으로의 변화율이 작아지는, 즉 반회전 방향으로의 변화율을 가지기] 때문에, 전방 모서리로부터 하류를 향함에 수반하여 양자의 간격은 급격하게 확대된다. 이 양자 간격, 즉 블레이드에 가해지는 부하(Fc)가 급격하게 확대되므로, 이 부하에 의해 압력면측으로부터 부하면측으로의 누설 흐름이 발생하여, 인시던스 손실이 발생한다.

또한, 이론 속도(C0)의 변화에 수반하여 가스의 유입각이 변화하면, 유입하는 가스가 전방 모서리에서 박리되므로, 충돌 손실이 커져 인시던스 손실이 발생한다.

본 발명은, 상기 문제점에 비추어, 블레이드의 전방 모서리부에 가해지는 부하의 급격한 증가를 억제하여, 인시던스 손실을 저감시킬 수 있는 사류 터빈 또는 래디얼 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 이하의 수단을 채용한다.

즉, 본 발명은, 허브와, 상기 허브의 외주면에 대략 등간격으로 설치되고 전방 모서리측으로부터 후방 모서리측 전체를 보면 블레이드 단면의 휨선이 회전 방향측으로 볼록하게 만곡된 복수매의 블레이드를 구비한 사류 터빈 또는 래디얼 터빈이며, 상기 블레이드의 전방 모서리부에는 상기 외주면에 따른 단면에 있어서의 휨선이 상기 회전 방향측으로 오목하게 만곡되도록 변곡되어 있는 변곡부가 구비되어 있는 사류 터빈 또는 래디얼 터빈을 제공한다.

이와 같이, 블레이드의 전방 모서리부에는, 허브의 외주면에 따른 단면에 있어서의 휨선이 회전 방향측으로 오목하게 만곡되도록 변곡되어 있는 변곡부가 구비되어 있으므로, 변곡부에서는 블레이드각은 직경 방향 위치가 작아짐에 따라서 회전 방향으로의 변화율이 커지는, 즉 회전 방향으로의 변화율을 갖게 된다.

이로 인해, 전방 모서리의 블레이드각을 상대 흐름각에 맞춘(즉, 전방 모서리를 상대 유속의 궤적에 일치시킨) 경우, 변곡부에 있어서의 블레이드각은 상대 유속의 변화에 대략 따른 형태에서 변화되므로, 블레이드 표면과 상대 유속과의 간격을 작게 할 수 있어 급격한 증가를 억제할 수 있다.

따라서, 전방 모서리부에 있어서 블레이드에 가해지는 부하가 급격하게 확대되는 것을 방지할 수 있으므로, 이 부하에 의해 압력면측으로부터 부하면측으로의 누설 흐름이 발생하는 것을 억제할 수 있어, 인시던스 손실을 저감시킬 수 있다.

또한, 상기 발명에 있어서는, 상기 블레이드를 원통면에 투영하였을 때에 있어서의 전방 모서리부에는, 휨선이 상기 회전 방향측으로 오목하게 만곡되도록 변곡되어 있는 변곡부가 구비되어 있는 것이 적합하다.

또한, 상기 발명에 있어서는, 적어도 상기 변곡부의 상기 회전 방향에 있어서의 상류측 외면 및/또는 하류측 외면에는, 블레이드 두께를 상기 전방 모서리로부터 매끄럽게 점점 증가시키는 두께 증가부가 구비되어 있는 것이 적합하다.

이와 같이, 적어도 변곡부의 회전 방향에 있어서의 상류측 외면 및/또는 하류측 외면에는, 블레이드 두께를 전방 모서리로부터 매끄럽게 점점 증가시키는 두께 증가부가 구비되어 있으므로, 전방 모서리의 상류측 및 하류측 단부에 있어서의 접선이 형성하는 접선 각도가 커진다.

전방 모서리의 접선 각도가 커지면, 매끄럽게 점점 증가하는 것과 함께 작동 유체의 유입각이 휨선의 각도와 크게 다른 경우에도, 작동 유체를 외면을 따라 이동시킬 수 있으므로, 작동 유체가 전방 모서리에서 박리되는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해, 충돌 손실을 억제할 수 있어, 인시던스 손실을 저감시킬 수 있다.

따라서, 광범위한 이론 속도비(U/C0)에 대해 인시던스 손실을 저하시킬 수 있다.

또, 두께 증가부는, 점점 증가에 이어서 점점 감소시키도록 하는 것이, 작동 유체가 원활하게 흘러, 점점 증가 후에 박리되는 것을 방지할 수 있으므로 적합하다.

또한, 상기 발명에 있어서는, 상기 변곡부는 상기 허브측으로부터 외경측을 향함에 따라, 상기 휨선의 곡률이 작아지도록 구성되어 있는 것이 적합하다.

상대 유속(W)은, 직경 방향 위치가 작아짐에 따라 회전 방향으로의 변화율이 커지므로, 즉 회전 방향으로의 변화율을 가지므로, 직경 방향 위치가 작아질수록, 즉 허브측에 가까울수록 커지게 된다.

본 발명에 따르면, 변곡부는 허브측으로부터 외경측을 향함에 따라, 휨선의 곡률이 작아지도록 구성되어 있으므로, 부하가 큰 허브측에서는 블레이드 표면에 가해지는 부하를 크게 저감시킬 수 있고, 한편 부하가 작은 외경측을 향해 부하의 저감률이 점점 감소한다.

이로 인해, 블레이드의 높이 방향에 있어서의 부하를 대략 균일하게 할 수 있으므로, 부하의 불균형에 기인하는 인시던스 손실의 증가를 억제할 수 있다.

이에 의해, 블레이드의 높이 방향 전체 영역에 있어서의 인시던스 손실을 저감시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 블레이드의 전방 모서리부에는, 허브의 외주면에 따른 단면에 있어서의 휨선이 회전 방향측으로 오목하게 만곡되도록 변곡되어 있는 변곡부가 구비되어 있으므로, 전방 모서리부에 있어서 블레이드에 가해지는 부하가 급격하게 확대되는 것을 방지할 수 있다.

이 부하에 의해 압력면측으로부터 부하면측으로의 누설 흐름이 발생하는 것을 억제할 수 있어, 인시던스 손실을 저감시킬 수 있다.

도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 사류 터빈의 블레이드 부분을 도시하는 도면으로, 도1의 (a)는 자오면 단면을 도시하는 부분 단면도, 도1의 (b)는 블레 이드를 허브의 외주면을 따라 절단한 부분 단면도이다.

도2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 허브의 외주면을 원통면에 투영하여 전개한 부분 투영도이다.

도3은 사류 터빈 등에 있어서의 흐름장의 상태를 나타내는 그래프이다.

도4는 도3의 상대 방향 유속의 변화를 나타내는 그래프이다.

도5는 도3의 상태에 있어서 상대 유속(W)이 변화되는 궤적을 나타내는 모식도이다.

도6은 상대 유속과 블레이드에 가해지는 부하의 상태를 나타내는 그래프이다.

도7은 상대 흐름각과 블레이드각의 관계를 나타내는 그래프이다.

도8은 본 발명의 제1 실시 형태의 다른 실시 형태에 관한 래디얼 터빈의 블레이드 부분을 도시하는 도면으로, 도8의 (a)는 자오면 단면을 도시하는 부분 단면도, 도8의 (b)는 블레이드를 허브의 외주면을 따라 절단한 부분 단면도이다.

도9는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 사류 터빈의 블레이드를 허브의 외주면에 따른 단면에서 절단한 부분 단면도이다.

도10은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 사류 터빈의 블레이드의 높이 방향에 있어서의 변곡부의 곡률 반경의 변화를 나타내는 그래프이다.

도11은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 사류 터빈의 블레이드 부분을 나타내는 도면으로, 도11의 (a)는 자오면 단면을 도시하는 부분 단면도, 도11의 (b) 내지 도11의 (d)는 블레이드를 허브의 외주면을 따라 절단한 부분 단면도로, 도11의 (b)는 높이 위치 0.2H의 부분, 도11의 (c)는 높이 위치 0.5H의 부분, 도11의 (d)는 높이 위치 0.8H의 부분을 나타내고 있다.

도12는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 사류 터빈의 상대 흐름각과 블레이드각의 관계를 나타내는 그래프이다.

도13은 종래의 사류 터빈의 블레이드 부분을 나타내는 도면으로, 도13의 (a)는 자오면 단면을 도시하는 부분 단면도, 도13의 (b)는 블레이드를 허브의 외주면을 따라 절단한 부분 단면도이다.

[부호의 설명]

1 : 사류 터빈

2 : 래디얼 터빈

3 : 허브

5 : 외주면

7 : 블레이드

9 : 전방 모서리

11 : 후방 모서리

17 : 회전 방향

19 : 압력면

21 : 부압면

23 : 휨선

25 : 부압면 두께 증가부

27 : 압력면 두께 증가부

K : 변곡부

이하에, 본 발명에 관한 실시 형태에 대해, 도면을 참조하여 설명한다.

[제1 실시 형태]

이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 사류 터빈(1)에 대해, 도1 내지 도7을 이용하여 설명한다. 이 사류 터빈(1)은 자동차의 디젤 엔진용 과급기(turbocharger)에 이용되는 것이다.

도1은 본 실시 형태의 사류 터빈(1)의 블레이드 부분을 도시하는 도면으로, 도1의 (a)는 자오면 단면을 도시하는 부분 단면도, 도1의 (b)는 블레이드를 허브의 외주면을 따라 절단한 부분 단면도이다. 도2는 허브의 외주면을 원통면에 투영하여 전개한 부분 투영도이다.

사류 터빈(1)에는, 허브(3)와, 허브(3)의 외주면(5)에 그 주위 방향으로 대략 등간격으로 설치된 복수매의 블레이드(7)와, 도시하지 않은 케이싱이 구비되어 있다.

허브(3)는 도시하지 않은 터보 압축기와 축에 의해 접속되어 있고, 그 회전 구동력에 의해 터보 압축기를 회전시켜 공기를 압축하고, 디젤 엔진에 공급하도록 구성되어 있다.

허브(3)의 외주면(5)은, 일단부측의 대경부(2)와 타단부측의 소경부(4)를 축선 중심을 향해 오목해진 만곡면으로 원활하게 접속하는 형상을 하고 있다.

블레이드(7)는 판 형상 부재로, 면부가 축선 방향으로 연장되도록 허브(3)의 외주면(5)에 기립 설치되어 있다.

허브(3)와 블레이드(7)는 주조 혹은 깎아냄에 의해 일체로 형성되어 있다. 또, 허브(3)와 블레이드(7)는 별개의 부재로 하여, 용접 등에 의해 강고하게 고정하도록 해도 좋다.

블레이드(7)의 회전 영역에는, 대경부(2)측의 외주로부터 상대적으로 대강 반경 방향으로 작동 유체인 연소 배기 가스가 도입되도록 구성되어 있다.

블레이드(7)는 연소 배기 가스의 흐름 방향 상류측에 위치하는 전방 모서리(9)와, 하류측에 위치하는 후방 모서리(11)와, 반경 방향 외측에 위치하는 외측 단부 모서리(13)와, 반경 방향 내측에 위치하고 허브(3)에 접속되는 내측 단부 모서리(15)와, 회전 방향(17) 상류측 면인 압력면(상류측 외면)(19)과, 회전 방향(17) 하류측 면인 부압면(하류측 외면)(21)을 갖고 있다.

전방 모서리(9)와 외측 단부 모서리(13)의 교점 C는, 허브(3)와 전방 모서리(9)의 교점 B보다도 반경 방향에 있어서 외측에 위치하고 있다.

블레이드(7)는, 외주면(5)에 따른 단면(D)에서 보면, 변곡점(A)을 경계로 하여 블레이드 두께의 중심선인 휨선(23)이 회전 방향(17)으로 볼록하게 만곡[곡률 반경(R2)의 중심이 압력면(19)측에 위치]되어 있는 본체부(T)와, 회전 방향(17)으로 오목하게 만곡[곡률 반경(R1)의 중심이 부압면(21)측에 위치]되어 있는 변곡부(K)를 갖고 있다.

즉, 예를 들어 도2에 도시된 바와 같이 블레이드(7)의 내측 단부 모서 리(15)[외주면(5)에 따른 단면(D)]를 반경 방향으로부터 보면, 신장된 S자 형상을 하고 있다.

단면(D)은 외주면(5)을 따르고 있으므로, 연소 배기 가스의 흐름 방향을 따르고 있는 것이 되고, 또한 반경 방향의 높이가 서서히 낮아지고 있는 것이 된다.

따라서, 변곡부(K)는 반경 방향 위치가 작아짐에 따라 회전 방향으로의 변화율이 커지는, 즉 회전 방향으로의 변화율을 갖게 된다.

또, 곡률 중심(R1, R2)은 각각 복수 존재하도록 해도 좋다.

이상, 설명한 본 실시 형태에 관한 사류 터빈(1)의 동작에 대해 설명한다.

연소 배기 가스는, 전방 모서리(9)의 외주측으로부터 대략 반경 방향으로 도입되어, 블레이드(7) 사이를 지나 후방 모서리(11)를 통해 배출된다. 이 때 연소 배기 가스는, 블레이드(7)의 압력면을 압박하여 블레이드(7)를 회전 방향(17)으로 이동시킨다.

이에 의해, 블레이드(7)와 일체인 허브(3)가 회전 방향(17)으로 회전한다. 허브(3)의 회전력에 의해 터보 압축기가 회전된다. 터보 압축기는 공기를 압축하여, 압축 공기로서 디젤 엔진에 공급한다.

이 때, 연소 배기 가스는, 기본적으로 자유 소용돌이로 형성된다. 이로 인해, 예를 들어 절대 주위 방향 유속(Cu)은, 반경 방향 위치(축선 중심으로부터의 거리)(H0)에 대해 Cu/H0가 일정, 즉 반비례의 관계가 된다.

한편, 블레이드(7)의 주속(U)은 반경 방향 위치(H0)에 비례하는 관계에 있다. 이로 인해, 연소 배기 가스의 흐름과 블레이드(7) 사이에 상대 주위 방향 유 속(Wu)이 발생한다.

이 상대 주위 방향 유속(Wu)을 반경 위치에 대응하여 플롯하면, 도4에 도시된 바와 같이 하측으로 볼록(반회전 방향으로 볼록)하게 만곡된 곡선이 된다. 바꾸어 말하면, 반경 방향 위치(H0)가 작아짐에 따라서 회전 방향(17)으로의 변화율이 커지는, 즉 회전 방향(17)으로의 변화율을 갖고 있다.

도5는, 이 때의 상대 유속(W)이 변화되는 궤적을 모식적으로 나타낸 것이다. 상대 유속(W)은, 도4를 따라 변화되는 상대 주위 방향 유속(Wu)과 대략 일정한 상대 직경 방향 유속(Wr)을 합성한 것으로, 그 크기의 변화는 도4에 도시되는 상대 주위 방향 유속(Wu)과 유사한 경향, 즉 반경 방향 위치(H0)가 작아짐에 따라 회전 방향(17)으로의 변화율이 커지는 경향을 갖고 있다(도6 참조).

상대 유속(W)과 상대 주위 방향 유속(Wu)이 이루는 각도가 그 반경 위치에 있어서의 상대 흐름각(β)이다.

도6은 상대 유속(W)과 블레이드(7)에 가해지는 부하의 상태를 나타내고 있다. 도7은 상대 흐름각(β)과 블레이드각(α)의 관계를 나타내고 있다.

본 실시 형태에서는, 전방 모서리(9)에 있어서의 블레이드각(α)은, 당해 전방 모서리(9)의 반경 방향 위치(H0)에 있어서의 상대 흐름각(β)에 맞추고 있으므로, 그 반경 방향 위치(H0)에서 전방 모서리(9)는 도6에 있어서 상대 유속(W)과 일치하고, 도7에 있어서 상대 각도(β)에 일치하고 있다.

본 실시 형태에서는, 블레이드(7)의 전방 모서리(9)측에 반경 방향 위치(H0)가 작아짐에 따라서 회전 방향(17)으로의 변화율이 커지는 변곡부(K)가 구비되어 있으므로, 전방 모서리(9)로부터 변곡부(K)의 사이는, 반경 방향 위치(H0)가 작아짐에 따라서 회전 방향(17)으로의 변화율이 커지는 상대 유속(W)의 궤적에 대략 따른 형상 변화가 된다.

도6에 있어서의 상대 유속(W)의 궤적과 블레이드(7)의 간격이, 블레이드(7)에 가해지는 부하(Fr)가 된다. 이 부하(Fr)는, 종래의 블레이드(101)와 같이 변곡부(K)를 갖지 않는 경우의 부하(Fc)에 비해 매우 저감되고 있다.

이와 같이, 반경 방향 위치(H0)가 작아짐에 따라 회전 방향(17)으로 변화율이 커지는 변곡부(K)를 구비하고 있으므로, 상대 유속(W)의 궤적과 블레이드(7)와의 간격을 작게 할 수 있어, 부하(Fr)의 급격한 증가를 억제할 수 있다.

따라서, 전방 모서리(9)부에 있어서 블레이드(7)에 가해지는 부하(Fr)가 급격하게 확대되는 것을 방지할 수 있으므로, 이 부하(Fr)에 의해 압력면(19)측으로부터 부하면(21)측으로의 누설 흐름이 발생하는 것을 억제할 수 있어, 인시던스 손실을 저감시킬 수 있다.

이 때, 변곡부(K)의 곡률 반경(R1)을 상대 유속(W)의 궤적에 따르도록 설정하면, 한층 인시던스 손실을 저감시킬 수 있다.

변곡부(K)의 블레이드각(α)은 반경 방향 위치(H0)가 작아짐에 따라 커진다. 한편, 상대 흐름각(β)도 반경 방향 위치(H0)가 작아짐에 따라 커진다(도7 참조).

따라서, 종래의 블레이드(101)와 같이 전방 모서리부에 있어서 블레이드각(α)이 반경 방향 위치(H0)의 축소에 따라 작아지는 것에 비교하여, 블레이드(7)의 블레이드각(α)은 상대 흐름각(β)의 궤적에 따르도록 변화한다.

반경 방향 위치(H0)에 있어서의 상대 흐름각(β)과 블레이드각(α)의 차가 부하(Fr)가 되므로, 이 부하(Fr)는 종래의 블레이드(101)와 같이 변곡부(K)를 갖지 않는 경우의 부하(Fc)에 비해 매우 저감되어 있다.

이와 같이, 상대 흐름각(β)과 블레이드각(α)의 관계로부터도 상술한 효과를 갖는 것을 설명할 수 있다.

또, 본 실시 형태에서는, 본 발명을 사류 터빈(1)에 적용하였다고 설명하고 있지만, 도8에 도시한 바와 같이 래디얼 터빈(2)에 적용할 수도 있다.

[제2 실시 형태]

다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해, 도9를 이용하여 설명한다.

도9는 사류 터빈(1)의 블레이드(7)를 허브(3)의 외주면에 따른 단면(D)에서 절단한 부분 단면도이다.

본 실시 형태에 있어서의 사류 터빈(1)은, 블레이드(7)의 전방 모서리(9)부의 구성이 전술한 제1 실시 형태의 것과 다르다. 그 밖의 구성 요소에 대해서는 전술한 제1 실시 형태의 것과 동일하므로, 여기에서는 그들 구성 요소에 대한 중복된 설명은 생략한다.

또, 전술한 제1 실시 형태와 동일 부재에는 동일 부호를 부여하고 있다.

본 실시 형태에서는, 전방 모서리(9) 부분의 부압면(21)측에 부압면 두께 증가부(25)가, 압력면(19)측에 압력면 두께 증가부(27)가 구비되어 있다. 즉, 전방 모서리(9)부의 블레이드 두께가 증가되고 있다.

도9에 있어서, 부압면 두께 증가부(25) 및 압력면 두께 증가부(27)는, 제1 실시 형태의 블레이드(7)에 대해 블레이드 두께가 증가한 부분을 도시하고 있는 것이며, 블레이드(7)와 별개의 부재로 되어 있는 것은 아니다.

부압면 두께 증가부(25) 및 압력면 두께 증가부(27)는, 각각 전방 모서리(9)로부터 하류측을 향해 매끄럽게 점점 증가하여, 계속해서 매끄럽게 점점 감소하도록 구성되어 있다.

전방 모서리(9)에 있어서의 부하면(21)측 단부에 있어서의 접선(29)과, 압력면(19)측 단부에 있어서의 접선(31)이 교차한다. 이 교차 부분에 있어서의 각도를 접선 각도(θ)라 한다.

이 접선 각도(θ)는, 부압면 두께 증가부(25) 및 압력면 두께 증가부(27)가 매끄럽게 점점 증가되고 있으므로 광각도로 형성되어 있다.

예를 들어, 연소 배기 가스는 자동차의 운전 상황에 따라서 온도, 압력이 변화된다. 연소 배기 가스의 온도, 압력이 변화되면, 이론 속도비(U/C0)가 변화되므로, 전방 모서리(9)에 유입하는 연소 배기 가스의 상대 흐름각(β)이 변화된다.

예를 들어, 온도, 압력이 높고 이론 속도비(U/C0)가 낮은 저U/C0의 흐름(33)은, 회전 방향(17)의 상류측으로부터 유입하고, 한편, 온도, 압력이 낮고 이론 속도비(U/C0)가 높은 고U/C0의 흐름(35)은, 회전 방향(17)의 하류측으로부터 유입하는 경향이 있다.

도9에 도시한 바와 같은 휨선(23)의 전방 모서리(9)에서의 블레이드각(α)과 크게 다른 상대 흐름각(β)이 되는 저U/C0의 흐름(33)이 유입한 경우, 종래의 것에서는 전방 모서리(9)의 부압면(21)측 단부로부터 박리될 우려가 있다.

본 실시 형태에서는, 부압면 두께 증가부(29)의 외면이 이 상대 흐름각(β)보다도 큰 각도를 갖고 있으므로, 이 연소 배기 가스를 부압면 두께 증가부(29)의 외면을 따라 흐름 방향 하류측으로 이동시킬 수 있다.

또한, 부압면 두께 증가부(29)는 블레이드 두께를 매끄럽게 점점 증가시키고, 계속해서 매끄럽게 점점 감소시키고 있으므로, 연소 배기 가스는 박리될 일은 없어진다. 이로 인해, 연소 배기 가스가 충돌하여 충돌 손실이 발생하는 것을 억제할 수 있으므로, 인시던스 손실을 저감시킬 수 있다.

한편, 도9에 도시한 바와 같은 휨선(23)의 전방 모서리(9)에서의 블레이드각(α)과 크게 다른 상대 흐름각(β)이 되는 고U/C0의 흐름(35)이 유입한 경우, 종래의 것에서는 전방 모서리(9)의 압력면(19)측 단부에서 박리될 우려가 있다.

본 실시 형태에서는, 압력면 두께 증가부(31)의 외면이 이 상대 흐름각(β)보다도 큰 각도를 갖고 있으므로, 이 연소 배기 가스를 부압면 두께 증가부(29)의 외면을 따라 흐름 방향 하류측으로 이동시킬 수 있다.

또한, 압력면 두께 증가부(31)는 블레이드 두께를 매끄럽게 점점 증가시키고, 계속해서 매끄럽게 점점 감소시키고 있으므로, 연소 배기 가스는 박리되는 일은 없어진다. 이로 인해, 연소 배기 가스가 충돌하여 충돌 손실이 발생하는 것을 억제할 수 있으므로, 인시던스 손실을 저감시킬 수 있다.

이와 같이, 부압면 두께 증가부(29) 및 압력면 두께 증가부(31)를 구비하고 있으므로, 휨선(23)의 전방 모서리(9)에서의 블레이드각(α)과 크게 다른 상대 흐름각(β)이 되는 연소 배기 가스라도 충돌 손실을 억제할 수 있으므로, 광범위의 이론 속도비(U/C0)에 대해 인시던스 손실을 저하시킬 수 있다.

또, 부압면 두께 증가부(29) 및 압력면 두께 증가부(31)는 연소 배기 가스의 상태가 변화되는 범위를 커버할 수 있으면 되므로, 이 변동 범위가 좁은 경우에는, 어느 한쪽을 구비하도록 해도 좋고, 또한 접선 각도(θ)의 크기를 작아지도록 해도 좋다.

또, 본 실시 형태에서는, 본 발명을 사류 터빈(1)에 적용하였다고 설명하고 있지만, 래디얼 터빈에 적용할 수도 있다.

[제3 실시 형태]

다음에, 본 발명의 제3 실시 형태에 대해, 도10 내지 도12를 이용하여 설명한다.

도10은 블레이드(7)의 높이 방향에 있어서의 변곡부(K)의 곡률 반경(R1)의 변화를 나타내는 그래프이다. 도11은 본 실시 형태의 사류 터빈(1)의 블레이드 부분을 도시하는 도면으로, 도11의 (a)는 자오면 단면을 도시하는 부분 단면도, 도11의 (b) 내지 도11의 (d)는 블레이드(7)를 허브(3)의 외주면을 따라 절단한 부분 단면도이며, 도11의 (b)는 높이 위치 0.2H의 부분, 도11의 (c)는 높이 위치 0.5H의 부분, 도11의 (d)는 높이 위치 0.8H의 부분을 도시하고 있다. 도12는 상대 흐름각(β)과 블레이드각(α)의 관계를 나타내고 있다.

본 실시 형태에 있어서의 사류 터빈(1)은, 블레이드(7)의 전방 모서리(9)부의 구성이 전술한 제1 실시 형태의 것과 다르다. 그 밖의 구성 요소에 대해서는 전술한 제1 실시 형태의 것과 같으므로, 여기서는 그들 구성 요소에 대한 중복된 설명은 생략한다.

또, 전술한 제1 실시 형태와 동일 부재에는 동일 부호를 부여하고 있다.

본 실시 형태에서는, 변곡부(K)에 있어서의 휨선(23)의 곡률 반경(R1)은 도10에 도시된 바와 같이 블레이드(7)의 높이 방향으로 허브(3)측으로부터 외측 단부 모서리(13)측(외경측)을 향함에 따라 커지는, 즉 곡률이 작아지도록 구성되어 있다.

전방 모서리(9)에서는, 그 블레이드각(α)이 그 반경 방향 위치에 있어서의 상대 흐름 각도(β)에 맞추어져 있다.

블레이드(7)의 블레이드각(α)은 상대 흐름각(β)의 궤적에 따르도록 변화된다.

반경 방향 위치(H0)에 있어서의 상대 흐름각(β)과 블레이드각(α)의 차가 부하(Fr)가 되므로, 이 부하(Fr)는 종래의 블레이드(101)와 같이 변곡부(K)를 갖지 않는 경우의 부하(Fc)에 비해 매우 저감되어 있다.

변곡부(K)의 블레이드각(α)은, 반경 방향 위치(H0)가 작아짐에 따라 커진다. 이 커지는 비율은, 곡률 반경이 작은(곡률이 큰) 쪽이 커진다. 곡률 반경이 작은(곡률이 큰) 쪽의 블레이드각(α)의 변화는 곡률 반경이 큰(곡률이 작은) 쪽의 블레이드각(α)의 변화에 비해 상대 흐름각(β)의 궤적에 더욱 접근하게 된다.

즉, 허브(3)측의 변곡부(K) 쪽이 외측 단부 모서리(13)측의 변곡부(K)보다도 상대 흐름각(β)의 궤적에 더욱 크게 접근하게 된다.

이 변화는 도10에 도시된 바와 같이 허브(3)측으로부터 외측 단부 모서 리(13)측을 향해, 서서히 매끄럽게 변화하도록 되어 있다.

한편, 상대 유속(W)은 반경 방향 위치가 작아짐에 따라 회전 방향으로의 변화율이 커지므로, 즉 상대 흐름각(β)이 커지므로, 반경 방향 위치가 작아질수록, 즉 허브(3)측에 가까울수록 상대 흐름각(β)은 커지게 된다.

따라서, 상대 흐름각(β)이 큰 허브(3)측에서 블레이드각(α)의 변화는 상대 흐름각(β)의 궤적에 더욱 크게 접근하게 되므로, 부하가 큰 허브(3)측에서는 블레이드 표면에 가해지는 부하를 크게 저감시킬 수 있다. 한편, 부하가 서서히 저하되는 외측 단부 모서리(13)측을 향해 부하의 저감률이 점점 감소한다.

이로 인해, 블레이드(7)의 높이 방향에 있어서의 부하(Fr)를 대략 균일하게 할 수 있으므로, 부하(Fr)의 불균형에 기인하는 인시던스 손실의 증가를 억제할 수 있다.

이에 의해, 블레이드의 높이 방향 전체 영역에 있어서의 인시던스 손실을 저감시킬 수 있다.

또, 본 실시 형태에서는, 본 발명을 사류 터빈(1)에 적용하였다고 설명하고 있지만, 래디얼 터빈에 적용할 수도 있다.

또한, 본 실시 형태의 구성과 제2 실시 형태의 구성을 함께 갖도록 해도 좋다.

Claims (4)

1. 허브와,

   상기 허브의 외주면에 대략 등간격으로 설치되고, 전방 모서리측으로부터 후방 모서리측의 전체를 보면 블레이드 단면의 휨선이 회전 방향측으로 볼록하게 만곡된 복수매의 블레이드를 구비한 사류 터빈 또는 래디얼 터빈에 있어서,

   상기 블레이드의 전방 모서리부에는, 상기 외주면에 따른 단면에 있어서의 휨선이 상기 회전 방향측으로 오목하게 만곡되도록 변곡되어 있는 변곡부가 구비되어 있는 사류 터빈 또는 래디얼 터빈.
2. 제1항에 있어서, 상기 블레이드를 원통면에 투영하였을 때에 있어서의 전방 모서리부에는, 휨선이 상기 회전 방향측으로 오목하게 만곡되도록 변곡되어 있는 변곡부가 구비되어 있는 사류 터빈 또는 래디얼 터빈.
3. 적어도 상기 변곡부의 상기 회전 방향에 있어서의 상류측 외면 및/또는 하류측 외면에는, 블레이드 두께를 상기 전방 모서리로부터 매끄럽게 점점 증가시키는 두께 증가부가 구비되어 있는 사류 터빈 또는 래디얼 터빈.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변곡부는 상기 허브측으로부터 외경측을 향함에 따라서, 상기 휨선의 곡률이 작아지도록 구성되어 있는 사류 터빈 또는 래디얼 터빈.

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