(57)【要約】【課題】羽根車流路内の流れの剥離による低速領域の拡大、及び流入気体と動翼前縁との衝突損失を抑制することによって、タービン効率の向上可能なラジアルタービンを提供する。【解決手段】複数の動翼２が取り付けられた羽根車に、半径方向から流入した気体が軸方向に流出するラジアルタービンにおいて、前記動翼２の前縁２−１と圧力面２−２及び負圧面２−３との交差部に、この動翼２の厚さｔの５０％以下の寸法を半径Ｒとする円弧面２ａ，２ａが形成されてなる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の動翼が取り付けられた羽根車に、半径方向から流入した気体が軸方向に流出するラジアルタービンにおいて、前記動翼の前縁と圧力面及び負圧面との交差部に、この動翼の厚さの５０％以下の寸法を半径とする円弧面が形成されてなることを特徴とするラジアルタービン。
【請求項２】
複数の動翼が取り付けられた羽根車に、半径方向から流入した気体が軸方向に流出するラジアルタービンにおいて、前記動翼の前縁と圧力面及び負圧面との交差部に、この動翼の厚さの５０％以下の寸法を面取寸法とする面取り部が形成されてなることを特徴とするラジアルタービン。
【請求項３】
前記動翼の圧力面及び負圧面が、前記前縁に向かってこの動翼の中心線となす角度が１０度以下であるテーパ面を有し、このテーパ面が前記円弧面または面取り部に滑らかに接続されてなることを特徴とする請求項１または２に記載のラジアルタービン。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の動翼が取り付けられた羽根車に、半径方向から流入した流体が軸方向に流出するラジアルタービンに関し、より詳しくは、気体の流れの剥離や衝突による損失を低減してタービン効率を向上可能なラジアルタービンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
タービンは、一般的に軸流型タービンとラジアル型タービンに大別される。軸流タービンは中・大容量に適し、大型の火力発電所での蒸気タービン等には殆ど全て軸流タービンが採用されている。一方、ラジアルタービンは歴史上、ガスの寒冷発生用として発達してきた機器であり、ガスをタービンに供給し膨張させることで、ガスの温度を下げることを目的としたもので、空気分離装置における寒冷発生膨張タービンがその代表例である。
そして、中・小型の軸流タービンの断熱効率は最大でも４０％程度であるのに対し、ラジアルタービンでは８０〜８５％に達する。この決定的な違いがラジアルタービンの最大の特長であり、ガスからの動力回収量は、軸流タービンのほぼ２倍（単段当り）となる。
【０００３】
この様に、ラジアルタービンは渦巻室から流入した気体を半径方向内向きに向かわせて、羽根車に回転エネルギーとして変換させるものであるが、前記羽根車に生じる気体の流れの渦や剥離によって空力性能が低下し、結果としてタービン効率が低下するという問題があった。
【０００４】
そのため、タービン効率の向上を図った従来例に係るラジアルタービンにつき、以下添付図５〜７を参照しながら説明する。図５は従来例１に係るラジアルタービンの断面図、図６は従来例２に係るラジアルタービン用動翼を示す図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＹ−Ｙ断面図で、半径一定断面での翼（ブレード）の形状を示す図、図７は図６（ａ）の矢視Ｚ−Ｚの動翼を拡大して示す部分詳細断面図である。
【０００５】
先ず、従来例１に係るラジアルタービンは、前縁に後退角を有する張出部１３ｂまたは切欠部（図示省略）を設けた翼１３ａを有する羽根車１３を設けたものである。翼１３ａの前縁にこの様な張出部１３ｂまたは切欠部を設けることによって、前記張出部１３ｂまたは切欠部から生じる渦は、中心軸が流れに平行なスクリュー状の渦である。この渦は強く安定しており、翼１３ａ全体に生じる剥離に対し、全圧の高い流れを供給し、剥離の規模を小さく抑制する作用がある。その結果、剥離に伴うタービン効率の改善を図り得る（特許文献１参照）。
【０００６】
従来例２に係るラジアルタービン用動翼２０は、半径一定断面における各翼２２の翼形中心線が円弧と放物線で与えられている。そのため、前記翼２２とディスク部２１からなる動翼２０の軸Ｓ方向長さを増加させずに適正に保ちつつ、動翼２０入口直後の曲がりを比較的緩やかにすることができる結果、翼面での気体の流れの剥離等による空力性能の低下を回避できる（特許文献２参照）。
【０００７】
ところが、上記従来例２に係るラジアルタービンは、従来例１と同様、図７に示される如く翼２２の前縁２２−１が平面を有すると共に、翼２２の圧力面２２−２及び負圧面２２−３との交差部は直角な角部２２ａ，２２ａを有していた。
【０００８】
そのため、気体が前記翼２２間の羽根車流路に外周側より流入する際、翼前縁２２−１の前記角部２２ａ，２２ａの影響によって、前記羽根車流路における流れの剥離及びこの剥離に起因する低速領域の拡大が助長され、上記従来例１，２の如き改善にも拘わらず、タービン効率低下の要因となっていた。また、翼２２の前縁２２−１が平面のため、動翼２０への流入気体と翼２２の前縁２２−１との衝突損失も、タービン効率低下の要因となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−１９０２０１号公報
【特許文献２】特開２０００−２６５８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明の目的は、羽根車流路内の流れの剥離による低速領域の拡大、及び流入気体と動翼前縁との衝突損失を抑制することによって、タービン効率の向上可能なラジアルタービンを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るラジアルタービンが採用した手段は、複数の動翼が取り付けられた羽根車に、半径方向から流入した気体が軸方向に流出するラジアルタービンにおいて、前記動翼の前縁と圧力面及び負圧面との交差部に、この動翼の厚さの５０％以下の寸法を半径とする円弧面が形成されてなることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の請求項２に係る圧縮機のラジアルタービンが採用した手段は、複数の動翼が取り付けられた羽根車に、半径方向から流入した気体が軸方向に流出するラジアルタービンにおいて、前記動翼の前縁と圧力面及び負圧面との交差部に、この動翼の厚さの５０％以下の寸法を面取寸法とする面取り部が形成されてなることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の請求項３に係るラジアルタービンが採用した手段は、請求項１または２に記載のラジアルタービンにおいて、前記動翼の圧力面及び負圧面が、前記前縁に向かってこの動翼の中心線となす角度が１０度以下であるテーパ面を有し、このテーパ面が前記円弧面または面取り部に滑らかに接続されてなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の請求項１に係るラジアルタービンによれば、複数の動翼が取り付けられた羽根車に、半径方向から流入した気体が軸方向に流出するラジアルタービンにおいて、前記動翼の前縁と圧力面及び負圧面との交差部に、この動翼の厚さの５０％以下の寸法を半径とする円弧面が形成されてなるので、羽根車流路内の流れの剥離による低速領域の拡大、及び流入気体と動翼前縁との衝突損失を抑制することによって、タービン効率の向上を図り得る。
【００１５】
また、本発明の請求項２に係るラジアルタービンによれば、複数の動翼が取り付けられた羽根車に、半径方向から流入した気体が軸方向に流出するラジアルタービンにおいて、前記動翼の前縁と圧力面及び負圧面との交差部に、この動翼の厚さの５０％以下の寸法を面取寸法とする面取り部が形成されてなるので、上記同様、羽根車流路内の流れの剥離による低速領域の拡大、及び流入気体と動翼前縁との衝突損失を抑制することによって、タービン効率の向上を図り得る。
【００１６】
更に、本発明の請求項３に係る圧縮機のラジアルタービンによれば、前記動翼の圧力面及び負圧面が、前記前縁に向かってこの動翼の中心線となす角度が１０度以下であるテーパ面を有し、このテーパ面が前記円弧面または面取り部に滑らかに接続されてなるので、羽根車流路内の流れの剥離による低速領域の拡大、及び流入気体と動翼前縁との衝突損失を抑止することによって、タービン効率の更なる向上を図り得る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態に係るラジアルタービンの要部構造を示す要部縦断面図である。
【図２】図１の矢視Ｘ−Ｘを示す矢視図である。
【図３】図（ａ）は本発明の実施の形態１に係り、図２のＡ部動翼を拡大して示す部分詳細図、図（ｂ）は本発明の実施の形態1の他の態様に係り、図２のＡ部動翼を拡大して示す部分詳細図である。
【図４】図（ａ）は本発明の実施の形態２に係り、図２のＡ部動翼を拡大して示す部分詳細図、同図（ｂ）は本発明の実施の形態２の他の態様に係り、図２のＡ部動翼を拡大して示す部分詳細図である。
【図５】従来例１に係るラジアルタービンの断面図である。
【図６】従来例２に係るラジアルタービン用動翼を示す図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＹ−Ｙ断面図で、半径一定断面での翼（ブレード）の形状を示す図である。
【図７】図６（ａ）の矢視Ｚ−Ｚの動翼を拡大して示す部分詳細断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
先ず、本発明の実施の形態１に係るラジアルタービンを、以下添付図１〜３を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態に係るラジアルタービンの要部構造を示す要部縦断面図、図２は図１の矢視Ｘ−Ｘを示す矢視図、図３（ａ）は本発明の実施の形態１に係り、図２のＡ部動翼を拡大して示す部分詳細図、同図（ｂ）は本発明の実施の形態1の他の態様に係り、図２のＡ部動翼を拡大して示す部分詳細図である。
【００１９】
本発明の実施の形態１に係るラジアルタービンは、羽根車１、この羽根車１と一体的に形成された動翼２、ケーシング４側に形成されたノズル翼３及びケーシング流路４ａとを主構成要素とし、前記ケーシング流路４ａから回転軸５に対し直交方向に流入した気体を半径方向内向きに向かわせて、前記羽根車１に回転エネルギーとして変換させた後、回転軸５方向に流出させる。
【００２０】
即ち、前記ケーシング流路４ａに導かれた気体は、ケーシング流路４ａからノズル翼３により回転方向の高速旋回流となって流出し、動翼２間に形成された羽根車流路１ａに流入する。この羽根車流路１ａに流入した気体は、この羽根車１中では外周側から内周側に向かうにつれて、この羽根車１に連結された回転軸５にトルクを与え、回転方向速度を減じながら回転軸５と平行方向に流出する。
【００２１】
この様に構成された本発明の実施の形態１に係るラジアルタービンにおいて、前記動翼２は、図３（ａ）に示す如く、前縁２−１と圧力面２−２及び負圧面２−３との夫々の交差部に、この動翼２の厚さｔの５０％以下の寸法を半径Ｒとする円弧面２ａ，２ａが形成されている。そして、動翼２の前縁２−１と圧力面２−２及び負圧面２−３とが、前記円弧面２ａ，２ａによって滑らかに接合されている。
【００２２】
また、本発明の実施の形態１に係る他の態様として、前記動翼２が、図３（ｂ）に示す如く、前縁２−１と圧力面２−２及び負圧面２−３との夫々の交差部に、この動翼２の厚さｔの５０％以下の寸法を面取寸法Ｃとする面取り部２ｂ，２ｂが形成されても良い。そして、動翼２の前縁２−１と圧力面２−２及び負圧面２−３とが、前記面取り部２ａ，２ａに曲面を介して滑らかに接合されている。
【００２３】
ここで、前記円弧面２ａ，２ａの半径Ｒ及び面取り部２ｂ，２ｂの面取寸法Ｃは、動翼２の厚さｔの５０％以下の寸法とすることが肝要である。前記半径Ｒや面取寸法Ｃが動翼２の厚さｔの５０％を越えれば、２個の円弧２ａ，２ａ同士または２個の面取り部２ｂ，２ｂ同士の接合面が滑らかに形成されず、前縁２−１に突起部を生じるためである。
【００２４】
以上、本発明の実施の形態１に係るラジアルタービンによれば、動翼２の前縁２−１と圧力面２−２及び負圧面２−３との夫々の交差部に、所定寸法の半径Ｒを有する円弧面２ａ，２ａまたは所定寸法の面取寸法Ｃを有する面取り部２ｂ，２ｂを形成することによって、ノズル翼３から羽根車流路１ａ内へ流入する気体の流れが、動翼２の前縁２−１で剥離の発生を抑制される。その結果、剥離による低速領域の拡大や、流入気体と動翼２の前縁２−１との衝突損失が抑制され、タービン効率の向上が図られ得る。
【００２５】
本発明の実施の形態１に係るラジアルタービンは、前縁２−１と圧力面２−２及び負圧面２−３との夫々の交差部に前記面取り部２ｂ，２ｂを形成するより、前記円弧面２ａ，２ａを形成する方がより滑らかな接合面が得られるため、剥離の発生や衝突損失の点から顕著な効果が得られる。
【００２６】
次に、本発明の実施の形態２に係るラジアルタービンを、添付図４を参照しながら以下に説明する。図４（ａ）は本発明の実施の形態２に係り、図２のＡ部動翼を拡大して示す部分詳細図、同図（ｂ）は本発明の実施の形態２の他の態様に係り、図２のＡ部動翼を拡大して示す部分詳細図である。
尚、本発明の実施の形態２が上記実施の形態１と相違するところは、前記動翼の前縁近傍の構成に相違があり、その他は全く同構成であるから、この動翼の前縁近傍についての説明に止めるものとする。
【００２７】
即ち、本発明の実施の形態１に係る動翼２の前縁２−１近傍においては、動翼２の前縁２−１と圧力面２−２及び負圧面２−３との夫々の交差部に、所定寸法の半径Ｒを有する円弧面２ａ，２ａまたは所定寸法の面取寸法Ｃを有する面取り部２ｂ，２ｂが形成されていた。
【００２８】
それに対し、本発明の実施の形態２に係る動翼２の前縁２−１近傍においては、図４（ａ）に示す如く、前記動翼２の圧力面２−２及び負圧面２−３が、前縁２−１に向かってこの動翼２の中心線Ｌとなす角度θが１０度以下であるテーパ面２ｃ，２ｃを有している。更に、前縁２−１と前記テーパ面２ｃ，２ｃとの夫々の交差部に、この動翼２の厚さｔの５０％以下の寸法を半径Ｒとする円弧面２ａ，２ａが形成されている。そして、前縁２−１とテーパ面２ｃ，２ｃとが、夫々前記円弧面２ａ，２ａによって滑らかに接合されている。
【００２９】
また、本発明の実施の形態２に係る他の態様として、前記動翼２の前縁２−１近傍において、図４（ｂ）に示す如く、前縁２−１と前記テーパ面２ｃ，２ｃとの夫々の交差部に、この動翼２の厚さｔの５０％以下の寸法を面取寸法Ｃとする面取り部２ｂ，２ｂが形成されても良い。そして、動翼２の前縁２−１と前記テーパ面２ｃ，２ｃとが、前記面取り部２ａ，２ａに夫々曲面を介して滑らかに接合されている。
【００３０】
ここで、前記円弧面２ａ，２ａの半径Ｒ及び面取り部２ｂ，２ｂの面取寸法Ｃは、動翼２の厚さｔの５０％以下の寸法とすることが肝要である。前記半径Ｒや面取寸法Ｃが動翼２の厚さｔの５０％を越えれば、２個の円弧２ａ，２ａ同士または２個の面取り部２ｂ，２ｂ同士の接合面が滑らかに形成されず、前縁２−１に突起部を生じるためである。
【００３１】
更に、前記テーパ面２ｃ，２ｃが、動翼２の中心線Ｌとなす角度θが１０度以下の寸法とすることも肝要である。前記テーパ面２ｃ，２ｃと動翼２の中心線Ｌとなす角度θが１０度を越えれば、羽根車流路１ａに流入する気体に対する衝突損失の抑制効果が低減するためである。
【００３２】
以上、本発明の実施の形態２に係るラジアルタービンによれば、前記動翼２の圧力面２−２及び負圧面２−３に、前縁２−１に向かってこの動翼２の中心線Ｌとなす角度θが１０度以下であるテーパ面２ｃ，２ｃが形成されると共に、動翼２の前縁２−１と前記テーパ面２ｃ，２ｃとの夫々の交差部に、所定寸法の半径Ｒを有する円弧面２ａ，２ａまたは所定寸法の面取寸法Ｃを有する面取り部２ｂ，２ｂを形成することによって、ノズル翼３から羽根車流路１ａ内へ流入する気体の流れが、動翼２の前縁２−１で剥離の発生が抑制される。その結果、剥離による低速領域の拡大や、流入気体と動翼２の前縁２−１との衝突損失が抑制され、タービン効率の向上が最大０．３％程度図られ得る。
【符号の説明】
【００３３】
Ｒ：円弧面の半径，          Ｃ：面取り部の面取寸法，      ｔ：動翼の厚さ，
Ｌ：動翼の中心線，          θ：テーパ面が動翼の中心線となす角度，
１：羽根車，                １ａ：羽根車流路，
２：動翼，
２−１：前縁，              ２−２：圧力面，              ２−３：負圧面，
２ａ：円弧面，              ２ｂ：面取り部，              ２ｃ：テーパ面，
３：ノズル翼，
４：ケーシング，            ４ａ：ケーシング流路，
５：回転軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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