JP4288051B2 - 斜流タービン、及び、斜流タービン動翼 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、斜流タービン、及び、斜流タービン動翼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼ガスエネルギーを機械的回転エネルギーに効率的に変換する機械として、ラジアルタービンが知られている。ラジアルタービンは、図４に示されるように、回転軸に取り付けられている動翼１０１と、カタツムリ状のスクロール１０２とから構成され、動翼１０１には複数の翼１０３が回転方向に配列されて配置され、スクロール１０２の内周側端面と翼１０３の回転領域の外周面との間にノズル１０４が介設されている。
【０００３】
スクロール１０２からノズル１０４に流入するガスは、ノズル１０４により加速されて旋回力を与えられ、半径方向内向きにノズル１０４から流出する流れである高速旋回流１０５を形成する。高速旋回流１０５が持つ旋回エネルギーは、円周方向に配列されている翼１０３により回転エネルギーとして取り出される。その仕事を与えられた翼１０３は、エネルギーを失ったガスを軸方向に排出する。図４（ｂ）のＩ−Ｉ線断面を示す図４（ａ）に見られるように、翼１０３の断面形状は、一般的には図４（ａ）に示されるように、翼１０３の入り口側近傍部位が軸方向に概ね直線に延び、その作用面が回転方向に概ね直交している。翼１０３は、その入り口側近傍部位から排出側に向かう排出側部位が滑らかに逆回転方向に捻られて形成されている。
【０００４】
図５は、このようなラジアルタービンの翼１０３の翼形状（軸方向視）とその入り口速度三角形の関係を示している。図５に示されるように、翼１０３の動翼入り口旋回速度はＵで表され、絶対速度はＣで表され、相対速度はＷで表されている。タービン効率は、理論速度比（＝Ｕ／Ｃ０）に対して示される。ここで、Ｃ０はタービン入り口温度と圧力比でそのガスが加速される最大流速を示している。タービン効率ηは、図６に示されるように、理論速度比Ｕ／Ｃ０が０．７の付近で最大になる効率特性を有していて、理論速度比Ｕ／Ｃ０が０．７より大きい領域と理論速度比Ｕ／Ｃ０が０．７より小さい領域では、放物線的に低下する傾向を有している。最高効率点近傍Ａの速度三角形は、図５に示されるように、ＵとＣ１とＷ１とで表されている。翼１０３に流入するガス流は、最高効率点近傍Ａで、半径方向（求心方向）相対流速Ｗ１を有し、インシデンスは概ね零である。
【０００５】
このようなタービンがターボチャージャに用いられる場合には、加速のためにエンジンに燃料を増加して供給すれば、タービン入口温度が上昇しノズル出口の絶対流速は、図５にＣ２で示されるように増加し、相対流速Ｗ２は翼１０３に対して斜めになり、零ではないインシデンスｉ２が生じる。タービン入口温度の上昇で理論速度Ｃ０が上昇し、理論速度比Ｕ／Ｃ０がＢ点まで低下し、インシデンスｉ２の生成によって、タービン効率ηは、図６に示されるように、最高効率点Ａから低効率点Ｂまで低下する。タービンの回転数の上昇を期待するために燃料を増加して供給したためにかえってタービン効率が低下して、タービンの加速力を弱くする結果になり加速の応答性能が劣化する。
【０００６】
このようなタービンがガスタービンとして用いられる場合には、タービン入口温度が高いためＣ０が増加し、一方高温化する材料の材料強度の制約が旋回速度Ｕを制限し、理論速度比U／Ｃ０が低下するため、低効率点Ｂで運転しなければならない。
【０００７】
このような技術的課題を克服するために、斜流タービンの適用が考えられる。図７は、公知の斜流タービンを示している。斜流タービンは、その入口ハブ面１０６と半径方向線との間の翼角度δが零でない角度に設定され、その翼角度δが１０〜４０゜に設定されることが多い。ラジアルタービンでは、その翼角度δは零に設定される。斜流タービンの翼１０３’は、一定半径線（Ｉ−Ｉ）で切り取った場合の断面形状が入口近傍を含む全体で曲線（放物線状）に形成される。
【０００８】
以下に、理論速度比Ｕ／Ｃ０が低下したＢ点での流動課題が、代表的な斜流タービンについて記述される。図８は、タービン翼入り口翼角βｋと流れ角βの関係を示している。ラジアルタービンの流れ角β１０７は、Ｂ点では約２０゜で一定である。ラジアルタービンの翼角βｋ１０８は零で一定である。この例示では、インシデンスｉ２が約２０゜であり、このインシデンスのための効率が低下する。一方、斜流タービンの流れ角β１０９は、シュラウド側で２０゜であるがハブ側で約４０゜まで増大する。このような流れ角βの分布の関係は、図９に示されるように、斜流タービンでは、Ｒ１０６がＲ１１１より小さいことに起因している。Ｒ１０６は、図７に示されるように、入口ハブ面１０６と回転軸心線Ｌとの間の距離の回転半径である。Ｒ１１１は、図７に示されるように、シュラウド側の入り口側端点１１１の回転半径である。Ｒ１０６がＲ１１１より小さくなれば、図９に回転半径に対応して示されるように、旋回速度Ｕが低下する。一方で、絶対流速Ｃの周方向成分は角運動量保存則により半径に逆比例して増加するので、斜流タービンの流れ角β１０９は、図８に示されるように、ハブ側で４０゜前後に増加する。この流れ角の増加によるインシデンスの増加に対処するために、斜流タービンの翼角βｋ１１０は、シュラウド側では零に、ハブ側では流れ角とほぼ一致するように約４０゜に設定され、インシデンスはｉ２１１３で示される程度になる。
【０００９】
このように、斜流タービンでは、流れ角βと翼角βｋとが接近するように設計することが可能であり、ハブ面のインシデンスｉ２１１３を零に近づけることができる。斜流タービンは、このような利点を有しているが、ハブとシュラウドの間で流れ角β１０９が直線的に変化する一方で翼角βｋ１１０は放物線的に変化するため、翼高さの中央領域のインシデンスｉ２１１４が最大限に増大している。このように流れ角の分布と翼角の分布が異なるために生じるインシデンスの増大によるインシデンス損失は、かえって斜流タービンの損失の増大を招き、その効率が低下する問題点が残存している。
【００１０】
低理論速度比Ｕ／Ｃ０で運転される斜流タービンの高効率化の技術の確立が求められる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、低理論速度比で高効率に運転されるタービン技術を確立することができる斜流タービン、及び、斜流タービン動翼を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数の形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【００１３】
本発明による斜流タービンは、図１に示されるように、ハブ軸（４）と、ハブ軸（４）の周囲に配列されてハブ軸（４）に配置される複数の動翼（５）と、ケーシング（２）とから構成されている。動翼（５）の回転領域には相対的に概ね半径方向に動作流体が導入され、動翼（５）は、上流側に位置する入口側端縁（８）と、下流側に位置する出口側端縁（９）と、半径方向外側に位置する外側端縁（７）と、半径方向内側に位置する内側端縁（６）とを有している。内側端縁（６）はハブ軸（４）に固着されている。内側端縁（６）と入口側端縁（８）との第１交叉点（１２）の半径方向距離がＲＨで表され、外側端縁（７）と入口側端縁（８）との第２交叉点（１３）の半径方向距離がＲＳで表されれば、ＲＨ＜ＲＳであり、入口側端縁（８）の形状線は上流側に向かって凸に膨らんでいる。ここで、ＲＨ＜ＲＳの関係を有するものが斜流タービンであり、上流側に向かって凸に膨らんでいることが重要である。
【００１４】
入口側端縁（８）のこのような膨らみは、本発明の斜流タービンのインシデンス損失を公知の斜流タービンのインシデンス損失より小さいインシデンス損失に抑制することができる。
【００１５】
入口側端縁（８）の凸状の形状線は、この形状線を子午面上への投影線で定義する場合に、放物線のような２次曲線に限られず、図２の流れ角（β１５）の下向きの膨らみを更に大きくする３次又は３次以上の高次である高次曲線であり得る。
【００１６】
本発明による斜流タービン動翼は、入口側端縁が上流側に向かって滑らかに凸に形状化されている。理論速度比Ｕ／Ｃ０がＢ点の場合に、本発明を適用した場合の流れ角分布は、後述されるように参照番号１５で示される。本発明による斜流タービン動翼は、入口側端縁の翼角分布（１６）は、概ね曲線であり、一方、流れ角分布（１５）は、従来の斜流タービンの場合には、参照番号１０９で示されるように概ね直線であるが、本発明を適用した場合には、概ね曲線である。その関係が、図２に具体的に示されている。翼角分布（１６）は、ケーシング側で零に漸近し、ハブ側では、流れ角（１５）と概ね等しい値を持つように設定される。流れ角分布（１５）は、シュラウド側で約２０゜であり、ハブ側では約４０゜であるが、その分布が下に凸の曲線状になる。その結果特にハブとシュラウドの中央部で翼角分布（１６）と流れ角分布（１５）は接近し、インシデンスが低減する結果、損失がより軽減される。その結果、Ｂ点の理論速度比で効率が向上する。このような斜流タービン動翼は、入口側端縁が上流側に向かって概ね滑らかに凸に形状化されていることにより見ただけで公知の斜流タービン動翼から容易に区別され得る。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図に対応して、本発明による斜流タービンのタービン動翼の実施の形態は、回転動翼がスクロールとともに設けられている。そのスクロール１は、図１に示されるように、固定ケーシング２に固定されている。その回転動翼３は、ハブ４の周囲でハブ４に配列されて固着されている複数の動翼５とから構成されている。動翼５は、内径側端縁６と、外径側端縁７と、入口側端縁８と、出口側端縁９とを形成している。内径側端縁６はハブ４に固着されハブ面に一致している。
【００１８】
外径側端縁７は、固定ケーシング２の内周曲面１０に沿って回転する。スクロール１と回転する動翼５の回転領域との間にノズル１１が介設されている。ノズル１１は、スクロール１から供給される流体（例示：高温燃焼ガス流体）に図５に示される既述の速度三角形に示される絶対速度を流体に付与して、その流体を動翼５の回転領域に射出する。
【００１９】
入口側端縁８は、ハブ側端点１２で回転半径ＲＨ＝Ｒ１２を有し、ケーシング側端点１３で半径ＲＳ＝Ｒ１３を有し、入口側端縁８の中央領域で半径ＲＭ＝Ｒ１２３を有する。ケーシング側端点１３は、ハブ側端点１２に対して軸方向に下流側に位置し、特に、半径方向外側に位置し、下記大小関係を有する。
ＲＳ＞ＲＭ＞ＲＨ
また、
ＲＳ＜ＲＭ＞ＲＨ，ＲＳ＞ＲＨ
に設定することにより、ΔＩｎを更に増加し、Ｉｎａを更に低下するように設定することができる。
【００２０】
動翼５の子午面形状は、図１（ｂ）に示されるように、上流側（入口側）から下流側（出口側）にかけて半径内向きから軸方向に延びている。動翼５は、図１（ａ）に示されるように、円周方向（回転方向）に凸になる放物線状の形状を有している。
【００２１】
ハブ側端点１２とケーシング側端点１３とを結ぶ入口側端縁８は、曲線で形成されている。入口側端縁８は、上流側に向かってその全領域で凸状に膨れていて、２次曲線（例示：放物線）が好適に例示される。その形状線は、３次又は４次以上の高次曲線であり得る。従来の公知の斜流タービンの動翼の入口側端縁は、積極的に直線的に形成されている。
【００２２】
このように上流側に向かって凸に膨らむ入口側端縁８が与えられることにより、図２に示されるように、動作点が理論速度比Ｂ点の場合の入口側端縁の流れ角β１５に、下記の特徴が付加される。
【００２３】
本発明による斜流タービンのハブ側とシュラウド側の流れ角β１５は、ともに、公知の斜流タービンの流れ角β１０９に概ね等しいが、公知の斜流タービンの流れ角β１０９がハブ側からシュラウド側に直線的に減少して変化することに対して、本発明による斜流タービンの流れ角β１５は、公知の斜流タービンの流れ角β１０９に対して小さくなる方向に凸に膨らんで曲線的に減少して変化する特徴が与えられる。
【００２４】
本発明による斜流タービンのインシデンスＩｎａは、公知の斜流タービンの図８のインシデンスＩｎｂに対して、次式で示されるように小さくなっている。
Ｉｎａ＝Ｉｎｂ−ΔＩｎ
ΔＩｎ＝（公知の斜流タービンの流れ角−本発明の斜流タービンの流れ角）
【００２５】
本発明の斜流タービンのインシデンスは、公知のラジアルタービンに対して改良が進んでいる公知の斜流タービンに対して更に小さくなっている。このようなインシデンスの改善により、図３に示されるように、本発明による斜流タービンの最高効率点の理論速度比Ｕ／Ｃ０は、公知の斜流タービンの最高効率点の理論速度比Ｕ／Ｃ０より低下しており、本発明による斜流タービンは低い理論速度比の点Ｂで従来に比べ高い効率点Ｂ’で運転される。
【００２６】
【発明の効果】
本発明による斜流タービン、及び、斜流タービン動翼は、インシデンスロスの低減により斜流タービン効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明による斜流タービンの実施の形態を示す平面断面図、正面断面図、側面断面図である。
【図２】図２は、本発明によるインシデンス分布を示すグラフである。
【図３】図３は、本発明による斜流タービンのタービン効率を示すグラフである。
【図４】図４（ａ），（ｂ）は、公知の動翼とその形状を示す平面断面図、正面断面図である。
【図５】図５は、速度三角図を示す正面図である。
【図６】図６公知のタービン効率を示すグラフである。
【図７】図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、公知の動翼とその形状と回転半径を示す平面断面図、正面断面図、側面断面図である。
【図８】図８は、公知の動翼のインシデンス分布を示すグラフである。
【図９】図９は、公知の動翼の各部の回転半径を示す側面断面図である。
【符号の説明】
２…ケーシング
４…ハブ軸
５…動翼
６…内側端縁
７…外側端縁
８…入口側端縁
９…出口側端縁
１２…第１交叉点領域
１３…第２交叉点領域

Claims (3)

1. ハブ軸と、
   前記ハブ軸の周囲に配列されて前記ハブ軸に配置される複数の動翼と、
   ケーシングとを具え、
   前記動翼の回転領域には相対的に概ね半径方向に動作流体が導入され、
   前記動翼は、
   上流側に位置する入口側端縁と、
   下流側に位置する出口側端縁と、
   半径方向外側に位置する外側端縁と、
   半径方向内側に位置する内側端縁とを有し、
   前記内側端縁は前記ハブ軸に固着され、
   前記内側端縁と前記入口側端縁との第１交叉点の半径方向距離がＲＨで表され、前記外側端縁と前記入口側端縁との第２交叉点の半径方向距離がＲＳで表され、ＲＨ＜ＲＳであり、前記入口側端縁の形状線は上流側に向かって凸であり、
   前記動翼を所定の一定半径線で切り取った断面は、回転方向に凸になる形状を有し、
   前記動翼は、前記入口側端縁上の位置に対して翼角のグラフを描いた場合に、前記翼角が下に凸の曲線を描いて、かつ前記入口側端縁のハブ側からケーシング側に向かって減少する翼角分布を有している
   斜流タービン。
2. 前記断面は、入口近傍を含む全体で前記形状を有している
   請求項１の斜流タービン。
3. 前記形状は放物線状である
   請求項１の斜流タービン。

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