CN102472114A - 多级辐流式涡轮 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够减小轴承数且提高转换效率的多级辐流式涡轮。所述多级辐流式涡轮具备:隔开间隔地安装在一根旋转轴(3)上的多个辐流式涡轮动翼(5);分别设置在各辐流式涡轮动翼(5)的上游侧,使流体流动沿旋转方向加速的多个喷嘴(19);连接前段侧的辐流式涡轮动翼(5)的气体出口部(23)与后段侧的喷嘴(19)的上游侧的连接流路部(9),连接流路部(9)具备:使从辐流式涡轮动翼(5)沿轴向流出的流体流动朝向径向外转向的U字型弯曲部(25);具有多片转向叶片(27)的叶片部(29),所述转向叶片(27)将来自U字型弯曲部(25)的流体流动在朝向径向外导的同时朝向辐流式涡轮动翼(5)的旋转方向(R)转向;使从叶片部(29)朝向径向外回旋并同时流出的流动朝向径向内转向的回转弯曲部(31)。
Description
技术领域
本发明涉及多级辐流式涡轮。
背景技术
辐流式涡轮构成为,在固定于旋转轴的轮毂上固定有多个离心翼,以大致平行的圆板间为流路而从径向外周侧向内流动的作为工作流体的空气或气体作用于离心翼而使轮毂旋转且大致沿轴向流出。
辐流式涡轮在单级下获得高的膨胀比,通常采用单级结构。
为了有效地利用在高的压力比下具有大的热降的工作流体的能量,提出了将辐流式涡轮形成为多级结构,即,将工作流体串行利用的方案。
例如专利文献1所示那样,提出了如下方案:将多个辐流式涡轮并列排列,将从一个辐流式涡轮排出的流体流动向下一个辐流式涡轮的入口导入,从而回收工作流体的能量。这样,各辐流式涡轮具有不同转速的轴,利用各轴的旋转来进行作业。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开昭59-79096号公报
在专利文献1所示的方案中,由于在各辐流式涡轮中存在旋转轴,因此轴承和轴密封件变多。因此,轴承损失和泄漏损失变大,由此无法高效率地将高压力的工作流体的能量转换成旋转动力。
例如,在向一个作业供给动力的情况下,使用例如齿轮将旋转力从各输出轴向作业用的轴传递,因此存在结构大型化的课题。
发明内容
本发明鉴于上述的情况而提出,其目的在于提供一种能够减少轴承数且提高转换效率的多级辐流式涡轮。
为了解决上述课题,本发明采用以下的结构。
即,本发明的一方面涉及的多级辐流式涡轮具备:一根旋转轴;隔开间隔安装在该旋转轴上,并使从径向外周侧流入的流体流动大致朝着轴向流出的多个辐流式涡轮动翼;分别设置在各该辐流式涡轮动翼的上游侧,并使流体流动沿旋转方向加速的多个喷嘴;将前段侧的所述辐流式涡轮动翼的出口部和后段侧的所述喷嘴的上游侧连接的连接流路部,所述连接流路部具备:使从所述辐流式涡轮动翼沿轴向流出的流体流动转向为径向外方向的U字型弯曲部;具有多片转向叶片的叶片部,所述转向叶片将来自该U字型弯曲部的流体流动朝着径向外方向引导并使该流体流动转向为所述辐流式涡轮动翼的旋转方向;使从该叶片部朝着径向外方向回旋并流出的流动转向为径向内方向的回转弯曲部。
根据该方面,从径向外周侧流入的流体流动被喷嘴沿旋转方向加速而向辐流式涡轮动翼的外周部导入。导入到辐流式涡轮动翼中的流体从辐流式涡轮动翼沿轴向流出,通过U字型弯曲部而转向为径向外方向,接着在通过叶片部时被转向叶片朝着径向外方向导并被转向为辐流式涡轮动翼的旋转方向。从叶片部朝向径向外方向回旋并流出的流动通过回转弯曲部而转向为径向内方向,从径向外周侧向下一级的喷嘴流入。流体流动反复上述过程,而从最终级的辐流式涡轮动翼例如大致沿着轴向流出。并且,将各辐流式涡轮动翼的旋转向一根旋转轴传递,使旋转轴旋转。
这样,由于多个辐流式涡轮动翼隔开间隔安装在一根旋转轴上,因此轴承及轴密封件相对于一根旋转轴设置即可,轴承及轴密封件的数量当然比具有多个旋转轴的结构少。
从而,能够减小轴承损失和泄漏损失,因此能够高效率地将高压力的工作流体的能量转换成旋转动力。
而且,辐流式涡轮动翼及旋转轴的结构可以与现有技术相同,从而能够抑制多级辐流式涡轮的结构的大型化。
在上述方面中,所述U字型弯曲部可以构成为,所述叶片部侧端部的下游部流路面积比所述辐流式涡轮动翼侧端部的上游部流路面积小。
这样,由于U字型弯曲部以叶片部侧端部的下游部流路面积比辐流式涡轮动翼侧端部的上游部流路面积小的方式构成,因此能够利用U字型弯曲部来使流体流动加速。
由此,能够抑制可能会在辐流式涡轮动翼的出口部产生的低流速域的影响所引起的流动的剥离。
在上述结构中,优选所述下游部流路面积为所述上游部流路面积的0.8~0.9倍以下。
可能在辐流式涡轮动翼的出口部产生的低流速域通常占据辐流式涡轮动翼的出口部的流路面积的10~20%。
根据该方面,由于能够利用U字型弯曲部使流体流动加速至少10~20%,因此能够缓和该低速流域部分的影响。
在上述方面中,优选所述转向叶片构成为渐开线状的曲线。
这样,能够减小叶片部中的转向叶片间的入口部处的流路面积与出口部处的流路面积的变化。
由此,能够在叶片部减小因减速而引起的损失或因转向而引起的损失。
【发明效果】
根据本发明,由于多个辐流式涡轮动翼隔开间隔安装在一根旋转轴上,因此轴承及轴密封件相对于一根旋转轴设置即可,轴承及轴密封件的数量当然比具有多个旋转轴的结构少。
从而,能够减小轴承损失和泄漏损失,因此能够高效率地将高压力的工作流体的能量转换成旋转动力。
进而,辐流式涡轮动翼及旋转轴的结构可以与现有技术相同,从而能够抑制多级辐流式涡轮的结构的大型化。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式涉及的单轴多级辐流式涡轮(多级辐流式涡轮)的简要结构的局部剖视图。
图2是图1的X-X剖视图。
具体实施方式
以下,参照图1及图2对本发明的一实施方式涉及的单轴多级辐流式涡轮1进行说明。
图1是表示单轴多级辐流式涡轮1的简要结构的局部剖视图。图2是图1的X-X剖视图。
单轴多级辐流式涡轮1具备旋转轴3、多个例如两个辐流式涡轮动翼5、壳体7、连接流路部9。
旋转轴3在壳体7上被支承为,其一端由径向轴承(省略图示)支承且另一端由径向轴承(省略图示)及推力轴承(省略图示)支承。
多个辐流式涡轮动翼5在旋转轴3的轴向L上隔开间隔安装,使从径向K的外周侧流入的流体流动大致朝向轴向L流出。
辐流式涡轮动翼5具备固定在旋转轴3上的轮毂11、多个沿圆周方向等间隔地固定在轮毂11的表面上的离心翼13、安装在离心翼13的前端的护罩15。
在辐流式涡轮动翼5中由轮毂11、离心翼13和护罩15划分出气体(工作流体)通过的气体通路。该气体通路的离开旋转轴3的一侧成为气体入口部21,旋转轴3侧成为气体出口部(出口部)23。
在气体入口部21的径向K外周侧的壳体7上形成有环形状的入口流路17。入口流路17构成为使得气体从径向K外侧向内沿着径向K流动。
在入口流路17的下游侧、换言之在辐流式涡轮动翼5的上游侧设置有使气体流动沿旋转方向R加速的翼型的喷嘴19。
连接流路部9是挖设在壳体7中的流路,用于将前段侧的辐流式涡轮动翼5的气体出口部23和后段侧的喷嘴19的上游侧连接。
连接流路部9具备:使从辐流式涡轮动翼5沿轴向L流出的气体流动转向为径向K外方向的U字型弯曲部25;具有多片转向叶片27的叶片部29,这些转向叶片27将来自U字型弯曲部25的气体流动朝着径向K外方向引导并同时转向为辐流式涡轮动翼5的旋转方向R;使从叶片部29朝着径向K外方向回旋并同时流出的气体转向为径向K内方向的回转弯曲部31。
U字型弯曲部25中的叶片部29侧端部的下游部流路面积A2为辐流式涡轮动翼5侧端部的上游部流路面积A1的0.8~0.9倍以下。即,下游部流路面积A2比上游部流路面积A1小。
该比率通过研究至少在辐流式涡轮动翼5的出口部产生的低流速域T的大小来确定。低速区域T通常以占据辐流式涡轮动翼5的出口部流路面积、即上游部流路面积A1的10~20%的方式产生。
优选下游部流路面积A2比上游部流路面积A1小,但根据使用状况也可以使下游部流路面积A2大致等于或大于上游部流路面积A1。
如图2所示,叶片部29的转向叶片27形成渐开线状的曲线。
叶片部29中的转向叶片27间的入口部处的流路面积A3与出口部处的流路面积A4的变化量可以比图2中双点划线所示的放大成直线状的转向叶片33间的入口部处的流路面积A5与出口部处的流路面积A6的变化量小得多。
优选转向叶片27构成渐开线状的曲线,但并不限定于此,也可以形成为适当形状。
对如上构成的本实施方式涉及的单轴多级辐流式涡轮1的动作进行说明。
从未图示的气体源向第一级的入口流路17供给的气体流动G1通过入口流路17,从径向K外周侧朝向内侧而沿着径向K流入喷嘴19。
喷嘴19使该气体流动G1沿圆周方向R加速,并将该气体流动G1向位于辐流式涡轮动翼5的外周部的气体入口部21供给。
导入到辐流式涡轮动翼5中的气体在通过由轮毂11、离心翼13及护罩15划分出的气体通路时膨胀。伴随着该膨胀而按压离心翼13,使其沿旋转方向R移动。在该离心翼13的移动的作用下,轮毂11沿旋转方向R旋转移动,因此旋转轴3旋转。
从辐流式涡轮动翼的气体出口部23沿轴向L流出的气体流动通过U字型弯曲部25而转向为径向K外方向。
此时,由于U字型弯曲部25的下游部流路面积A2为上游部流路面积A1的0.8~0.9倍以下,因此通过U字型弯曲部25的气体流动与流路面积的缩小相对应,而加速例如10~20%以上。
在辐流式涡轮动翼5的气体出口部23的前后位置产生通常占据流路面积的10~20%的低速区域T,但在U字型弯曲部25能够使气体流动加速至少与流路面积的缩小对应的量,因此能够大致抵消低速区域T。换言之,能够缓和低速流域T部分的影响。
这样,由于能够缓和低速区域T的影响,因此能够抑制如下情况:在辐流式涡轮动翼5的气体出口部23产生的低流速域T的聚集的作用下,因下游侧的护罩15面的曲率而发生流动的剥离。
进而,在下游部流路面积A2形成得比上游部流路面积A1的0.8~0.9倍还小的情况下,由于更难发生剥离,因此可以进一步减小各部的曲率。
由此,尤其能够将多级结构的总轴长缩短,因此能够缩短单轴辐流式涡轮1的整体长度,从而能够实现单轴辐流式涡轮1的小型化。
接着,气体流动在通过叶片部29时被转向叶片27朝着径向K外方向引导,同时使该气体流动转向为辐流式涡轮动翼5的旋转方向R。
此时,由于转向叶片27形成渐开线状的曲线,因此转向叶片27间的入口部处的流路面积A3与出口部处的流路面积A4的变化量变小。由此,在叶片部29能够减小因气体流动的减速而引起的损失或因转向而引起的损失。
进而,通过调整该转向叶片27的角度,而能够调整下游侧的喷嘴19的入口的流动角。例如,若将喷嘴19的入口的流动角调整为距周向40~50度,则能够减小喷嘴19的入口碰撞损失。
从叶片部29朝着径向K外方向回旋并同时流出的流动通过回转弯曲部31而转向为径向K内方向,从径向K外周侧向下一级的入口流路17流入。
从回转弯曲部31供给的气体流动G2通过入口流路17,从径向K外周侧朝向内侧而沿着径向K流入喷嘴19。
喷嘴19使该气体流动G2沿圆周方向R加速,而将该气体流动G2向位于辐流式涡轮动翼5的外周部的气体入口部21供给。
导入到辐流式涡轮动翼5中的气体在通过由轮毂11、离心翼13及护罩15划分出的气体通路时膨胀。伴随着该膨胀而按压离心翼13,使其沿旋转方向R移动。在该离心翼13的移动的作用下,轮毂11沿旋转方向R旋转移动,因此旋转轴3旋转。
从辐流式涡轮动翼的气体出口部23沿轴向L流出的气体流动通过未图示的排出流路向单轴辐流式涡轮1外排出。
这样,由于多个辐流式涡轮动翼5隔开间隔地安装在一根旋转轴3上,因此轴承及轴密封件相对于一根旋转轴3设置即可,轴承及轴密封件的数量当然比具有多个旋转轴的结构少。
从而,由于能够减小轴承损失和泄漏损失,因此能够高效率地将高压力的工作流体的能量转换成旋转动力。并且,通过一整套的单轴辐流式涡轮能够将工作流体的热降转换成旋转动力。
进而,辐流式涡轮动翼5及旋转轴3的结构可以与现有技术相同,而且能够抑制单轴多级辐流式涡轮1的结构的大型化。
本发明并不限定于以上说明的实施方式,可以在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变形。
例如,在本实施方式中,辐流式涡轮动翼5为两级,但也可以为三级以上。这种情况下,相邻的辐流式涡轮动翼5间分别由连接流路部9连接。
【符号说明】
1单轴辐流式涡轮
3旋转轴
5辐流式涡轮动翼
9连接流路部
19喷嘴
25U字型弯曲部
27转向叶片
29叶片部
31回转弯曲部
A1上游部流路面积
A2下游部流路面积
K径向
L轴向
R旋转方向
Claims (4)
1.一种多级辐流式涡轮,其具备:
一根旋转轴;
隔开间隔地安装在该旋转轴上,并使从径向外周侧流入的流体流动大致朝着轴向流出的多个辐流式涡轮动翼;
分别设置在各该辐流式涡轮动翼的上游侧,并使流体流动沿旋转方向加速的多个喷嘴;
将前段侧的所述辐流式涡轮动翼的出口部和后段侧的所述喷嘴的上游侧连接的连接流路部,
所述连接流路部具备:
使从所述辐流式涡轮动翼沿轴向流出的流体流动转向为径向外方向的U字型弯曲部;
具有多片转向叶片的叶片部,所述转向叶片将来自该U字型弯曲部的流体流动朝着径向外方向引导并使该流体流动转向为所述辐流式涡轮动翼的旋转方向;
使从该叶片部朝着径向外方向回旋并流出的流动转向为径向内方向的回转弯曲部。
2.根据权利要求1所述的多级辐流式涡轮,其中,
所述U字型弯曲部以所述叶片部侧端部的下游部流路面积比所述辐流式涡轮动翼侧端部的上游部流路面积小的方式构成。
3.根据权利要求2所述的多级辐流式涡轮,其中,
所述下游部流路面积为所述上游部流路面积的0.8~0.9倍以下。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的多级辐流式涡轮,其中,
所述转向叶片构成为渐开线状的曲线。
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