(57)【要約】【課題】ラジアルタービンに搭載されるタービンインペラにおいて、タービン翼のリーシングエッジ近傍における流体の流速低下を抑制し、タービン効率を向上させる。【解決手段】主軸に直角な半径方向から流入する流体を主軸方向に吐出するラジアルタービンに搭載され、上記主軸周りに複数設置されるタービン翼２を備えるタービンインペラであって、上記タービン翼２は、上記主軸に対して直交する面で切断した場合に、翼厚中心を結ぶ直線が上記主軸を通るとともに、リーディングエッジ２６がチップ部２２からハブ部２１に向かうに連れて上記タービンインペラの回転方向に湾曲するように形状設計されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸に直角な半径方向から流入する流体を主軸方向に吐出するラジアルタービンに搭載され、前記主軸周りに複数設置されるタービン翼を備えるタービンインペラであって、
前記タービン翼は、前記主軸に対して直交する面で切断した場合に、翼厚中心を結ぶ直線が前記主軸を通るとともに、リーディングエッジがチップ部からハブ部に向かうに連れて前記タービンインペラの回転方向に湾曲するように形状設計されていることを特徴とするタービンインペラ。
【請求項２】
前記リーディングエッジのハブ部の回転方向角度は、前記リーディングエッジのチップ部に対して１５°以内とされていることを特徴とする請求項１記載のタービンインペラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主軸に直角な半径方向から流入する流体を主軸方向に吐出するラジアルタービンに搭載されるタービンインペラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、タービンの性能向上等を目的として、タービンインペラが備える複数のタービン翼のキャンバー面を三次元化する場合がある。
例えば、特許文献１には、例えば、軸流タービンのタービン翼のキャンバー面を三次元化することによってタービンの性能向上を図る技術が記載されている。
【特許文献１】特開２００２−３４９２０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、主軸に直角な半径方向から流入する流体を主軸方向に吐出するラジアルタービンでは、タービン翼は、上記主軸に対して直交する面で切断した場合に、翼厚中心を結ぶ直線が上記主軸を通るように設計される場合がある。
このようにタービン翼を設計することによって、タービン翼の遠心応力に対する耐性が向上するため、例えば、ターボチャージャの排ガス側のタービンに適したタービンインペラを設計することができる。
【０００４】
このようなタービンインペラにおいては、図８に示すように、流体の吐出方向を主軸方向に向けるために、タービン翼のトレーディングエッジ側が所定の羽根角（主軸に対するキャンバー面の角度）に設定されるようにキャンバー面が湾曲されている。そして、タービン翼のリーディングエッジは、キャンバー面の湾曲に倣って、チップ部からハブ部に向かうに連れてタービンインペラの回転方向と逆方向に変位されている。
【０００５】
しかしながら、タービン翼のリーディングエッジが、チップ部からハブ部に向かうに連れてタービンインペラの回転方向と逆方向に変位されている場合には、特にタービン翼の背側面（タービンインペラの回転方向を向く面）を打つように流体が流入した場合に、インシデンス損失によってリーディングエッジ近傍の流体の流速が低下し、タービン効率が低下することが分かった。
【０００６】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、主軸に対して直交する面で切断した場合に、翼厚中心を結ぶ直線が主軸を通るタービン翼を備えるタービンインペラにおいて、タービン翼のリーシングエッジ近傍における流体の流速低下を抑制し、タービン効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、主軸に直角な半径方向から流入する流体を主軸方向に吐出するラジアルタービンに搭載され、前記主軸周りに複数設置されるタービン翼を備えるタービンインペラであって、前記タービン翼が、前記主軸に対して直交する面で切断した場合に、翼厚中心を結ぶ直線が前記主軸を通るとともに、リーディングエッジがチップ部からハブ部に向かうに連れて前記タービンインペラの回転方向に湾曲するように形状設計されていることを特徴とする。
【０００８】
このような特徴を有する本発明によれば、リーディングエッジが、チップ部からハブ部に向かうに連れて上記タービンインペラの回転方向に湾曲されている。このような本発明によれば、従来のタービンインペラと比較して、リーディングエッジ近傍における流体の流速低下が抑制される。
【０００９】
また、本発明においては、前記リーディングエッジのハブ部の回転方向角度は、前記リーディングエッジのチップ部に対して１５°以内とされているという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、リーディングエッジが、チップ部からハブ部に向かうに連れて上記タービンインペラの回転方向に湾曲されている。このような本発明によれば、従来のタービンインペラと比較して、リーディングエッジ近傍における流体の流速低下が抑制される。
このため、本発明によれば、主軸に対して直交する面で切断した場合に、翼厚中心を結ぶ直線が主軸を通るタービン翼を備えるタービンインペラにおいて、タービン翼のリーディングエッジ近傍における流体の流速低下を抑制し、タービン効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明に係るタービンインペラの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１２】
図１は、本実施形態のタービンインペラ１の側面図である。また、図２は、本実施形態のタービンインペラの要部斜視図である。
タービンインペラ１は、ラジアルタービンに設置され、半径方向から流入する流体を主軸Ｌ方向に吐出するものである。このタービンインペラ１は、図１及び図２に示すように、主軸Ｌ周りにタービン翼２が複数設置されている。
【００１３】
タービン翼２は、主軸Ｌに対して直交する面で切断した場合に、翼厚中心を結ぶ直線が常に主軸Ｌを通るように形状設定されている。
また、タービン翼２は、回転されるタービンインペラ１から吐出される流体が主軸方向に向くように、トレーディングエッジ２４側のキャンバー面２５が主軸Ｌに対して所定の角度に設定されている。
このため、タービン翼２のトレーディングエッジ２４側のキャンバー面２５は、トレーディングエッジ２４に向かうに連れて、図１に示すタービンインペラ１の回転方向と逆側に向けて湾曲された構成となっている。
なお、トレーディングエッジ２４とは、タービン翼２における流体が流れ出る側の端部のことである。
【００１４】
また、タービン翼２の流体が流入する側の端部であるリーディングエッジ２６において、タービン翼２の立ち上がり部分がハブ部２１であり、該ハブ部２１から離間した端部がチップ部２２である。そして、リーディングエッジ２６はチップ部２２からハブ部２１に向かうに連れてタービンインペラ１の回転方向に湾曲されている。
なお、リーディングエッジ２６側のキャンバー面２５は、リーディングエッジ２６の湾曲に倣って湾曲されており、滑らかにトレーディングエッジ２４側のキャンバー面２５と連続されている。
すなわち、本実施形態のタービンインペラ１を半径方向（タービン翼２の高さ方向）から見た場合には、その形状が略Ｓ字となっており、キャンバー面２５は連続面とされている。
なお、以下の説明において、タービン翼２のキャンバー面２５のうち、タービンインペラ１の回転方向に向く面を背側面２５１と称し、タービンインペラ１の回転方向と反対方向に向く面を腹側面２５２と称する。
【００１５】
このように構成された本実施形態のタービンインペラ１においては、半径方向からタービン翼２のリーディングエッジ２６を介して、タービン翼２，２間に流体が流入すると、流体の流量に応じて、タービン翼２の背側面２５１あるいは腹側面２５２が流体によって打たれる。
タービン翼２の背側面２５１あるいは腹側面２５２に打たれた流体は、キャンバー面２５に沿って流れ、タービン翼２のトレーディングエッジ２４側から吐出される。この際、タービンインペラ１に回転動力が付与され、タービンインペラ１が主軸Ｌを中心として回転される。
【００１６】
そして、本実施形態のタービンインペラ１では、タービン翼２のリーディングエッジ２６がチップ部２２からハブ部２１に向かうに連れてタービンインペラ１の回転方向に湾曲されている。
このため、タービン翼２の背側面２５１を打つように流体が流入した場合に、インシデンス損失の発生を抑制し、リーディングエッジ２６近傍の流体の流速が低下することを抑制することができる。
したがって、本実施形態のタービンインペラ１によれば、従来のタービンインペラと比較してタービン効率を向上することができる。
【００１７】
なお、本実施形態において、上記タービン効率ηｔとは、断熱効率であり、下式（１）によって定義されるものである。なお、式（１）において、Ｔ１はタービン入口温度、Ｔ２はタービン出口温度、πｔは膨張比、κは比熱比である。
【００１８】
ηｔ＝（１−（Ｔ２／Ｔ１））／（１−（１／πｔ）＾（（κ−１）／κ））…（１）
【００１９】
以下、本実施形態のタービンインペラのシミュレーション結果について説明する。
【００２０】
図３は、従来のタービンインペラにおいてタービン翼の背側面に流体が流入する場合（流体が背側面に打たれる場合）のリーディングエッジ１００近傍の流体の流れを矢印にて示した図である。
なお、図３に示すように、従来のタービンインペラにおいては、リーディングエッジ１００が、キャンバー面の湾曲に倣って、チップ部からハブ部に向かうに連れてタービンインペラの回転方向と逆方向に変位されている。
この図から分かるように、従来のタービンインペラにおいてタービン翼の背側面に流体が流入する場合には、リーディングエッジ１００のＣ部において、流体の流れが停滞している部分が確認できる。
【００２１】
一方、図４は、本実施形態のタービンインペラ１においてタービン翼２の背側面２５１に流体が流入する場合のリーディングエッジ２６近傍の流体の流れを矢印にて示した図である。なお、図４において、矢印の矢の方向は流れの方向を示し、長さは流速を示す。
なお、本実施形態のタービンインペラ１においては、上述のようにリーディングエッジ２６がチップ部２２からハブ部２１に向かうに連れてタービンインペラ１の回転方向に湾曲されている。
この図から分かるように、本実施形態のタービンインペラにおいてタービン翼２の背側面２５１に流体が流入する場合には、リーディングエッジ２６のＤ部において流体が停滞することが抑制されている。
【００２２】
また、図５は、従来のタービンインペラにおいてタービン翼の背側面に流体が流入する場合におけるリーディングエッジ１００近傍の流体の速度分布を等高線にて示した図である。
また、図６は、本実施形態のタービンインペラ１においてタービン翼２の背側面２５１に流体が流入する場合におけるリーディングエッジ２６近傍の流体の速度分布を等高線にて示した図である。
これらの図を比較することによって分かるように、従来のタービンインペラにおいてはリーディングエッジ１００近傍において流体の速度が大きく低下されているのに対して、本実施形態のタービンインペラ１においては、リーディングエッジ２６近傍における流体の速度低下を抑制できる。
【００２３】
また、図７は、タービンインペラに供給される流体の流量に対するタービン効率を示すグラフである。
なお、図７において、実線で示すグラフＡが本実施形態のタービンインペラを備えるラジアルタービンのタービン効率を示し、破線で示すグラフＢが従来のタービンインペラを備えるラジアルタービンのタービン効率を示している。
この図に示すように、本実施形態のタービンインペラ１を備えるラジアルタービンは、特に流量が少ない環境において高いタービン効率を発揮できることが分かった。
【００２４】
以上のシミュレーション結果から、本実施形態のタービンインペラ１によれば、タービン翼２の背側面２５１を打つように流体が流入した場合に、インシデンス損失の発生を抑制し、リーディングエッジ２６近傍の流体の流速が低下することを抑制することができ、従来のタービンインペラと比較してタービン効率を向上することができることが分かった。
【００２５】
また、上記シミュレーションにおいては、リーディングエッジ２６のハブ部２１の回転方向角度は、リーディングエッジ２６のチップ部２２に対して１５°以内とされている場合に特にタービン効率が向上することが分かった。
なお、回転方向角度とは、主軸Ｌを回転中心としたタービンインペラ１の回転方向における回転角度のことである。
【００２６】
また、本実施形態のタービンインペラ１においては、トレーディングエッジ２４側とリーディングエッジ２６側とで、キャンバー面２５がタービンインペラ１の回転方向に対して異なる方向に湾曲されているものの、キャンバー面２５はトレーディングエッジ２４側からリーディングエッジ２６側に亘って連続面とされている。
このため、キャンバー面２５に沿う流体の流れを滑らかなものとすることができ、損失成分が生じることを抑制することができる。
【００２７】
なお、本実施形態のタービンインペラ１は、タービン翼２の背側面２５１に流体を受ける場合において特にタービン効率を向上させるものである。
したがって、本実施形態のタービンインペラ１は、流体の流量が可変する環境に晒されるとともに、この環境下において、タービン翼２の腹側面２５２と比較して背側面２５１により多くの流体を受けるように設置されることが好ましい。
【００２８】
以上、図面を参照しながら本発明に係るタービンインペラの好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態であるタービンインペラの側面図である。
【図２】本発明の一実施形態であるタービンインペラの要部斜視図である。
【図３】従来のタービンインペラにおいてタービン翼の背側面に流体が流入する場合のリーディングエッジ近傍の流体の流れを矢印にて示した図である。
【図４】本発明の一実施形態であるタービンインペラにおいてタービン翼の背側面に流体が流入する場合のリーディングエッジ近傍の流体の流れを矢印にて示した図である。
【図５】従来のタービンインペラにおいてタービン翼の背側面に流体が流入する場合におけるリーディングエッジ近傍の流体の速度分布を等高線にて示した図である。
【図６】本発明の一実施形態であるタービンインペラにおいてタービン翼の背側面に流体が流入する場合におけるリーディングエッジ近傍の流体の速度分布を等高線にて示した図である。
【図７】タービンインペラに供給される流体の流量に対するタービン効率を示すグラフである。
【図８】従来のタービンインペラの側面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１……タービンインペラ、２……タービン翼、２１……ハブ部、２２……チップ部、２４……トレーディングエッジ、２５……キャンバー面、２５１……背側面、２５２……腹側面、２６，１００……リーディングエッジ、Ｌ……主軸
【図１】
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【図２】
2008133766.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008133766.tif 000006
【図５】
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【図６】
2008133766.tif 000008
【図７】
2008133766.tif 000009
【図８】
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