涡轮转子 技术领域 本发明涉及使从径向流入的工作流体向轴向流出的径流式涡轮、 斜流式涡轮等的 涡轮转子。
背景技术 以往， 公知有具备围绕主轴设置多个涡轮动叶片的涡轮叶轮 ( 涡轮转子 )( 例如参 照专利文献 1)。该涡轮叶轮的涡轮动叶片是流体出口后边缘部的叶片角中轮毂部 ( 轮毂 侧 ) 与尖梢部 ( 罩侧 ) 之间的中间部叶片角 ( 相对主轴的翘曲面角度 )βMEAN 把尖梢部叶片 角 βTIP 以从轮毂部到中间部的距离 RMEAN 以及从轮毂部到尖梢部的距离 RTIP 作为变数来根 据规定的计算式进行设定。由此， 能够成为可谋求提高径流式涡轮性能的涡轮动叶片。
现有技术文献
专利文献
专利文献 1 ： ( 日本 ) 特开 2003-133765 号公报
发明内容 发明所要解决的问题
涡轮具备上述的涡轮转子， 且在该涡轮转子的外侧配置有成为涡轮转子壳体的 罩。这时， 在涡轮转子的涡轮动叶片与与罩之间就产生为了容许涡轮转子旋转的间隙。
这时， 若工作流体从涡轮动叶片与罩之间产生的间隙泄漏， 则涡轮的性能降低。 作 为工作流体泄漏的原因， 有涡轮动叶片其一侧的面是正压面， 其另一侧的面是负压面， 在涡 轮动叶片的罩侧， 成为正压面与负压面的压力差变大的缘故。 具体说就是， 在涡轮动叶片的 罩侧， 当在负压面上流动的工作流体的流速增大， 由于负压面的压力降低而使正压面与负 压面的压力差变大。且当正压面与负压面的压力差变大， 流入到涡轮转子的工作流体容易 从涡轮动叶片与罩之间产生的间隙泄漏， 因此， 涡轮由于工作流体泄漏而其性能降低。
于是， 本发明的课题在于提供一种能够提高涡轮性能的涡轮转子。
本发明的涡轮转子使经由流入口从径向流入的工作流体经由流出口而向轴向流 出， 其中， 具有 ： 轮毂， 其能够以旋转轴为中心旋转 ； 多个涡轮动叶片， 其设置在所述轮毂的 周面， 承受从所述流入口流入的所述工作流体， 并且使所述工作流体向所述流出口流动， 各 涡轮动叶片与轮毂连接的基端侧成为轮毂侧， 而成为自由端的前端侧则成为罩侧， 把涡轮 动叶片的沿罩侧边缘部而从流入口到流出口的轮廓线作为罩轮廓线， 罩轮廓线包括 ： 相对 旋转轴的叶片角度从流入口朝向流出口而变化小的第一罩轮廓线、 与第一罩轮廓线的流出 口侧相连而比第一罩轮廓线变化大的第二罩轮廓线和从第二罩轮廓线的流出口侧连接到 流出口而比第二罩轮廓线变化小的第三罩轮廓线。
根据该结构， 把第二罩轮廓线的叶片角度变化与第一罩轮廓线和第三罩轮廓线的 叶片角度变化相比而设定得大。在此， 所说的叶片角度是指相对旋转轴的罩轮廓线的倾斜 角度。 因此， 第二罩轮廓线的涡轮动叶片的叶片角度变化大， 第一罩轮廓线和第三罩轮廓线
的涡轮动叶片的叶片角度变化小。由此， 能够抑制在涡轮动叶片的罩侧负压面上流动的工 作流体流速增加， 所以能够抑制在涡轮动叶片的罩侧负压面的压力降低， 因此能够减小正 压面与负压面的压力差， 能够抑制工作流体从涡轮动叶片与罩之间的间隙泄漏。
这时， 优选第三罩轮廓线的叶片角度变化向减少方向变化。
根据该结构， 由于能够把流出口侧的涡轮动叶片之间的形状设定成喷嘴形状， 所 以能够谋求提高涡轮效率。
本发明的其他涡轮转子使经由流入口从径向流入的工作流体经由流出口而向轴 向流出， 其中， 具有 ： 能够以旋转轴为中心旋转的轮毂和设置在轮毂的周面而使从流入口流 入的工作流体向流出口流动的多个涡轮动叶片， 各涡轮动叶片与轮毂连接的基端侧成为轮 毂侧， 而自由端的前端侧则成为罩侧， 把涡轮动叶片的沿罩侧边缘部而从流入口到流出口 的轮廓线作为罩轮廓线， 罩轮廓线包括 ： 相对旋转轴的叶片角度从流入口朝向流出口而变 化大的第一罩轮廓线和从第一罩轮廓线的流出口侧连接到流出口而比第一罩轮廓线变化 小的第二罩轮廓线。
根据该结构， 把第一罩轮廓线的叶片角度变化与第二罩轮廓线的叶片角度变化相 比而设定得大。即第一罩轮廓线的涡轮动叶片的叶片角度变化大， 第二罩轮廓线的涡轮动 叶片的叶片角度变化小。由此， 通过减小第二罩轮廓线的涡轮动叶片的叶片角度变化而能 够使第二罩轮廓线接近于直线， 能够抑制在涡轮动叶片的罩侧负压面上流动的工作流体流 速增加。 由于以上， 所以能够抑制在涡轮动叶片的罩侧负压面的压力降低， 因此能够减小正 压面与负压面的压力差， 能够抑制工作流体从涡轮动叶片与罩之间的间隙泄漏。 这时， 优选第一罩轮廓线的长度是罩轮廓线长度的 10 ～ 20％长度， 第二罩轮廓线 的长度是从罩轮廓线长度减去第一罩轮廓线长度的罩轮廓线长度的 80 ～ 90％长度。
根据该结构， 由于把罩轮廓线长度的 10 ～ 20 ％设定为第一罩轮廓线， 把 80 ～ 90％设定为第二罩轮廓线， 所以能够使第一罩轮廓线的长度比第二罩轮廓线的长度短。由 此， 由于能够加长第二罩轮廓线的长度， 所以能够使涡轮动叶片的第二罩轮廓线更加接近 于直线。
这时， 优选成为第二罩轮廓线中叶片角度变化量的叶片转向角是 30°以下。
根据该结构， 通过把第二罩轮廓线的叶片转向角设定在 30°以下， 能够恰当地抑 制在涡轮动叶片的罩侧负压面上流动的工作流体流速的增速。
这时， 罩轮廓线的第一罩轮廓线是成为流入口侧罩轮廓线的入口侧罩轮廓线， 第 二罩轮廓线是从入口侧罩轮廓线的流出口侧连接到流出口的中央·出口侧罩轮廓线， 在包 含轮毂旋转轴的剖面即子午剖面中， 优选入口侧罩轮廓线的曲率比中央·出口侧罩轮廓线 的曲率小。
根据该结构， 把入口侧罩轮廓线的曲率设定得比中央· 出口侧罩轮廓线的曲率小。 由此， 由于把中央·出口侧罩轮廓线的曲率设定得大， 所以在罩侧的负压面侧， 能够抑制工 作流体流速的增加。 因此， 能够抑制在涡轮动叶片的罩侧负压面的压力降低， 能够抑制工作 流体从涡轮动叶片与罩之间的间隙泄漏。 在涡轮动叶片之间形成有从流入口到流出口的工 作流体的流路， 流路使其流动方向从径向经由转向部而向轴向转向， 入口侧罩轮廓线是从 流入口到转向部之间的长度。
这时， 优选入口侧罩轮廓线被形成 R 状， 另一方面， 中央·出口侧罩轮廓线被形成
直线状。 根据该结构， 由于把入口侧罩轮廓线形成 R 状， 把中央· 出口侧罩轮廓线形成直线 状， 所以能够进一步抑制在涡轮动叶片的罩侧负压面的压力降低。
这时， 优选沿各涡轮动叶片的流入口侧边缘部的轮廓线即流入口轮廓线相对旋转 轴而向旋转方向倾斜。
根据该结构， 能够使从流入口流入的工作流体朝向轮毂侧。 因此， 能够抑制工作流 体集中地朝向罩侧流动， 能够抑制朝向涡轮动叶片与罩之间的间隙流动， 由此， 能够抑制工 作流体从间隙泄漏。
这时， 优选相对旋转轴的流入口轮廓线的倾斜角度是 10°～ 25°。
根据该结构， 由于能够恰当地设定流入口轮廓线的倾斜角度， 所以能够恰当地抑 制工作流体的泄漏。
本发明的其他涡轮转子使经由流入口从径向流入的工作流体经由流出口而向轴 向流出， 其中， 具有 ： 能够以旋转轴为中心旋转的轮毂和设置在轮毂的周面而使从流入口流 入的工作流体向流出口流动的多个涡轮动叶片， 各涡轮动叶片与轮毂连接的基端侧成为轮 毂侧， 而自由端的前端侧则成为罩侧， 把涡轮动叶片的沿罩侧边缘部的轮廓线作为罩轮廓 线， 罩轮廓线包括 ： 成为流入口侧罩轮廓线的入口侧罩轮廓线和从入口侧罩轮廓线的流出 口侧连接到流出口的中央· 出口侧罩轮廓线， 在包含轮毂旋转轴的剖面即子午剖面中， 入口 侧罩轮廓线的曲率比中央·出口侧罩轮廓线的曲率小。
根据该结构， 把入口侧罩轮廓线的曲率设定得比中央· 出口侧罩轮廓线的曲率小。 由此， 由于把中央·出口侧罩轮廓线的曲率设定得大， 所以在罩侧的负压面侧， 能够抑制工 作流体流速的增加。 因此， 能够抑制在涡轮动叶片的罩侧负压面的压力降低， 能够抑制工作 流体从涡轮动叶片与罩之间的间隙泄漏。
且本发明的其他涡轮转子使经由流入口从径向流入的工作流体经由流出口而向 轴向流出， 其中， 具有 ： 能够以旋转轴为中心旋转的轮毂和设置在轮毂的周面而使从流入口 流入的工作流体向流出口流动的多个涡轮动叶片， 沿各涡轮动叶片的流入口侧边缘部的轮 廓线即流入口轮廓线相对旋转轴而向旋转方向倾斜。
根据该结构， 能够使从流入口流入的工作流体朝向轮毂侧。 因此， 能够抑制工作流 体集中地朝向罩侧流动， 能够抑制朝向涡轮动叶片与罩之间的间隙流动， 由此， 能够抑制工 作流体从间隙泄漏。
发明的技术效果
根据本发明的涡轮转子， 由于能够恰当地设定各涡轮动叶片的形状， 所以能够谋 求提高涡轮的性能。
附图说明 图 1 是模式表示具备实施例 1 涡轮转子的径流式涡轮的子午剖面图 ；
图 2 是实施例 1 涡轮转子的外观立体图 ；
图 3 是现有涡轮转子的外观立体图 ；
图 4 是在现有涡轮转子和实施例 2 涡轮转子的罩轮廓线和轮毂轮廓线中关于涡轮 动叶片的叶片角度分布的曲线 ；
图 5 是在实施例 1 涡轮转子和实施例 2 涡轮转子的罩轮廓线和轮毂轮廓线中关于 涡轮动叶片的叶片角度分布的曲线 ；
图 6 是实施例 2 涡轮转子的外观立体图 ；
图 7 是在现有涡轮转子的流路内涡轮效率的分布图 ；
图 8 是在实施例 2 涡轮转子的流路内涡轮效率的分布图 ；
图 9 是关于根据实施例 2 涡轮转子的叶片转向角而变化的涡轮效率损失的曲线 ；
图 10 是实施例 3 涡轮转子和现有涡轮转子的涡轮动叶片的子午剖面图 ；
图 11 是表示实施例 4 涡轮转子局部的外观立体图 ；
图 12 是表示现有涡轮转子局部的外观立体图 ；
图 13 是在适用实施例 4 结构的实施例 2 涡轮动叶片和现有涡轮动叶片的周向中 (θ 方向 ) 表示各自叶片角度分布的曲线 ；
图 14 是在适用实施例 4 结构的实施例 1 涡轮动叶片和适用实施例 4 结构的实施 例 2 涡轮动叶片的周向中 (θ 方向 ) 表示各自叶片角度分布的曲线 ；
图 15 是表示现有涡轮转子流路内的工作流体流线的子午剖面图 ；
图 16 是表示实施例 4 涡轮转子流路内的工作流体流线的子午剖面图 ；
图 17 是表示现有和实施例 1 涡轮动叶片的罩侧正压面和负压面中流速变化的曲 图 18 是表示现有和实施例 1 涡轮动叶片的罩侧正压面和负压面中压力变化的曲 图 19 是表示现有和实施例 2 涡轮动叶片的罩侧正压面和负压面中流速变化的曲 图 20 是表示现有和实施例 2 涡轮动叶片的罩侧正压面和负压面中压力变化的曲线；
线；
线；
线； 具体实施方式
以下参照附图来说明本发明的涡轮转子。本发明并不被该实施例所限定。在下述 实施例的结构元件中包含有能够且容易被业内人士置换的或实质上相同的。
实施例 1
如图 1 所示， 涡轮转子 6 构成径流式涡轮 1 的局部， 径流式涡轮 1 包括 ： 成为外壳 的涡轮壳体 5 和设置在涡轮壳体 5 内部的涡轮转子 6。
涡轮壳体 5 在设置于其中央内部的涡轮转子 6 的旋转轴 S 轴向形成有流出口 11， 在涡轮转子 6 的外侧周向形成有螺旋状的涡形管 12。且在涡形管 12 内流动的工作流体经 由在涡形管 12 与涡轮转子 6 之间形成的流入口 13 而从径向向涡轮转子 6 流入， 并通过涡 轮转子 6 而从流出口 11 流出。
涡轮转子 6 具有 ： 以旋转轴 S 为中心旋转的轮毂 20 和设置在轮毂 20 的周面且从 轴心呈放射状配置的多个涡轮动叶片 21， 多个涡轮动叶片 21 承受流入的工作流体而进行 旋转。
这时， 涡轮壳体 5 具有与涡轮转子 6 的涡轮动叶片 21 相对的罩 24， 利用罩 24、 轮 毂 20 和各涡轮动叶片 21 而划分出工作流体流动的流路 R。各涡轮动叶片 21 的与轮毂 20 周面 ( 轮毂面 20a) 连接的固定端侧 ( 基端侧 ) 成 为轮毂侧， 与罩侧接近的自由端侧 ( 前端侧 ) 则成为罩侧。如图 1 所示， 把从流入口 13 到 流出口 11 的涡轮动叶片 21 沿罩侧边缘的轮廓线作为罩轮廓线 L2， 把从流入口 13 到流出口 11 的涡轮动叶片 21 沿轮毂侧边缘的轮廓线作为轮毂轮廓线 H2。这时， 在各涡轮动叶片 21 与罩 24 之间为了使涡轮转子 6 能够旋转而形成有间隙 C。
因此， 当工作流体从涡轮转子 6 的径向经由流入口 13 流入时， 流入的工作流体通 过流路 R， 由此， 各涡轮动叶片 21 承受流入的工作流体而进行旋转。这时， 构成流路 R 一侧 的涡轮动叶片 21 的翘曲面成为正压面 21a， 而另一侧涡轮动叶片 21 的翘曲面成为负压面 21b。换言之， 各涡轮动叶片 21 一侧的翘曲面成为正压面 21a， 而另一侧的翘曲面成为负压 面 21b。且通过了流路 R 的工作流体从流出口 11 流出。
在此参照图 2， 表示了实施例 1 涡轮转子 6 的涡轮动叶片 21， 且参照图 3， 表示了现 有涡轮转子 100 的涡轮动叶片 101。从图 4 和图 5， 把现有涡轮转子 100 的涡轮动叶片 101 的形状和实施例 1 涡轮转子 6 的涡轮动叶片 21 的形状经由后述实施例 2 涡轮转子 30 的涡 轮动叶片 32 的形状进行间接比较。以下说明实施例 1 涡轮转子 6 的涡轮动叶片 21 的特点 部分。 图 4 描绘了现有涡轮动叶片 101 的罩轮廓线 L1 和轮毂轮廓线 H1 以及实施例 2 涡 轮动叶片 32 的罩轮廓线 L3 和轮毂轮廓线 H3。图 5 描绘了实施例 1 涡轮动叶片 21 的罩轮 廓线 L2 和轮毂轮廓线 H2 以及实施例 2 涡轮动叶片 32 的罩轮廓线 L3 和轮毂轮廓线 H3。
现有的涡轮动叶片 101， 从流入口 105 到流出口 106 使相对旋转轴 S 的罩轮廓线 L1 的倾斜角度 ( 叶片角度 β) 变化是逐渐增加。而实施例 2 的涡轮动叶片 32， 从流入口 34 到流出口 35 使相对旋转轴 S 的罩轮廓线 L3 的倾斜角度 ( 叶片角度 β) 变化是 ： 在流入口 34 侧大而在中央和流出口 35 侧小。而实施例 1 的涡轮动叶片 21， 从流入口 13 到流出口 11 使相对旋转轴 S 的罩轮廓线 L2 的倾斜角度 ( 叶片角度 β) 变化是 ： 在流入口 13 侧小、 在中 央大、 在流出口 11 侧小。
另一方面， 现有的涡轮动叶片 101， 从流入口 105 到流出口 106 使相对旋转轴 S 的 轮毂轮廓线 H1 的倾斜角度 ( 叶片角度 β) 是 ： 在流入口 105 侧大致平坦， 在中央和流出口 106 侧逐渐增加。而实施例 2 的涡轮动叶片 32， 使相对旋转轴 S 的轮毂轮廓线 H3 的倾斜角 度 ( 叶片角度 β) 是 ： 从流入口 34 侧到中央减少， 从中央到流出口 35 侧增加。而实施例 1 的涡轮动叶片 21 与实施例 2 同样地， 使相对旋转轴 S 的轮毂轮廓线 H2 的倾斜角度 ( 叶片 角度 β) 是 ： 从流入口 13 侧到中央减少， 从中央到流出口 11 侧增加。
具体地则参照图 4 和图 5 来说明现有涡轮动叶片 101 的罩轮廓线 L1 的叶片角度 β 和实施例 1 涡轮动叶片 21 的罩轮廓线 L2 的叶片角度 β。图 4 和图 5 所示的曲线， 其横 轴是子午剖面 ( 包含旋转轴 S 的剖面 ) 中从罩轮廓线的流入口 13、 105 到流出口 11、 106 的 长度， 其纵轴是叶片角度 β。
这时， 罩轮廓线 L1、 L2 包括 ： 流入口 13、 105 侧的入口侧罩轮廓线 La( 第一罩轮廓 线 )、 流出口 11、 106 侧的出口侧罩轮廓线 Lc( 第三罩轮廓线 )、 入口侧罩轮廓线 La 与出口 侧罩轮廓线 Lc 之间的中央罩轮廓线 Lb。具体说就是， 从流入口 13、 105 到流出口 11、 106 的 工作流体的流路 R 其流动方向从径向经由转向位置 D1 而向轴向转向， 入口侧罩轮廓线 La 是从流入口 13、 105 到转向位置 ( 转向部 )D1 之间的长度。中央罩轮廓线 Lb 是从转向位置
D1 到离开规定长度的规定位置 D2 的长度。出口侧罩轮廓线 Lc 是从规定位置 D2 到流出口 11、 106 之间的长度。
入口侧罩轮廓线 La 的长度是罩轮廓线 L1、 L2 长度的 20％左右， 中央罩轮廓线 Lb 的长度是罩轮廓线 L1、 L2 长度的 60％左右， 出口侧罩轮廓线 Lc 的长度是罩轮廓线 L1、 L2 长度的 20％左右。
看图 4 的曲线， 现有的涡轮动叶片 101 中， 罩轮廓线 L1 的从流入口 105 到流出口 106 的叶片角度 β 变化是以大致一定的比例减少。即现有涡轮动叶片 101 的罩侧叶片角 度 β 随着朝向流出口 106 而相对旋转轴 S 逐渐倾斜。具体说就是， 罩轮廓线 L1 中入口侧 罩轮廓线 La 的每单位长度的叶片转向角 Δβ 和中央·出口侧罩轮廓线 Lb 的每单位长度 的叶片转向角 Δβ 是大致相同程度。所谓叶片转向角 Δβ 是叶片角度 β 的变化量， 现有 的涡轮动叶片 101 中， 中央·出口侧罩轮廓线 Lb 的叶片转向角 Δβ 大致是 40°。
另一方面， 看图 5 的曲线， 实施例 1 涡轮动叶片 21 的罩轮廓线 L2 中， 入口侧罩轮 廓线 La 的叶片角度 β 是向减少方向变化小， 中央罩轮廓线 Lb 的叶片角度 β 是向增加方 向变化大， 出口侧罩轮廓线 Lc 的叶片角度 β 是向减少方向变化小。即实施例 1 涡轮动叶 片 21 的罩侧叶片角度 β， 从流入口 13 到转向位置 D1 是相对旋转轴 S 一边减少倾斜角度一 边倾斜， 从转向位置 D1 到规定位置 D2 是相对旋转轴 S 一边增加倾斜角度一边倾斜， 从规定 位置 D2 到流出口 11 是相对旋转轴 S 一边减少倾斜角度一边倾斜。具体说就是， 中央罩轮 廓线 Lb 的每单位长度的叶片转向角 Δβ 比入口侧罩轮廓线 La 和出口侧罩轮廓线 Lc 的每 单位长度的叶片转向角 Δβ 大。在实施例 1 的涡轮动叶片 21 中， 入口侧罩轮廓线 La 的叶 片转向角 Δβ 是 -2°左右， 中央罩轮廓线 Lb 的叶片转向角 Δβ 是 25°左右， 出口侧罩轮 廓线 Lc 的叶片转向角 Δβ 是 -10°左右。 根据以上的结构， 实施例 1 涡轮转子 6 的入口侧罩轮廓线 La 的叶片角度 β 变化 是， 设定成在入口侧罩轮廓线 La 小、 在中央罩轮廓线 Lb 大、 在出口侧罩轮廓线 Lc 小。其结 果是， 在涡轮动叶片 21 的负压面 21b 罩侧能够抑制工作流体流速的增加， 能够抑制负压面 21b 的压力降低 ( 详细情况后述 )。因此， 能够抑制涡轮动叶片 21 的正压面 21a 与负压面 21b 的压力差， 能够抑制工作流体从涡轮动叶片 21 与罩 24 之间的间隙 C 泄漏。由此， 则能 够抑制由工作流体泄漏而引起的涡轮效率降低。
实施例 2
下面参照图 6 说明实施例 2 的涡轮转子 30。 为了避免重复记载而仅说明不同的部 分。如图 6 所示， 实施例 2 的涡轮转子 30 与实施例 1 的大致相同， 具有 ： 以旋转轴 S 为中心 旋转的轮毂 31 和设置在轮毂 31 的周面且从轴心成放射状配置的多个涡轮动叶片 32， 多个 涡轮动叶片 32 承受流入的工作流体而进行旋转。
在此， 实施例 2 的涡轮转子 30 是其涡轮动叶片 32 的罩轮廓线 L3 与实施例 1 涡轮 动叶片 21 的罩轮廓线 L2 具有不同的形状。以下， 参照图 4 和图 5 来说明现有涡轮动叶片 101 的罩轮廓线 L1 的叶片角度 β 和实施例 2 涡轮动叶片 32 的罩轮廓线 L3 的叶片角度 β。
如在实施例 1 说明的那样， 罩轮廓线 L1、 L3 包括 ： 流入口 34、 105 侧的入口侧罩轮 廓线 La、 流出口 35、 106 侧的出口侧罩轮廓线 Lc、 入口侧罩轮廓线 La 与出口侧罩轮廓线 Lc 之间的中央罩轮廓线 Lb。入口侧罩轮廓线 La 的长度是罩轮廓线 L1、 L3 长度的两成左右， 中央罩轮廓线 Lb 的长度是罩轮廓线 L1、 L3 长度的六成左右， 出口侧罩轮廓线 Lc 的长度是
罩轮廓线 L1、 L3 长度的两成左右。
在此， 看图 5 的曲线， 实施例 2 涡轮动叶片 32 的罩轮廓线 L3 中， 入口侧罩轮廓线 La 的叶片角度 β 是向增加方向变化大， 中央罩轮廓线 Lb 和出口侧罩轮廓线 Lc 的叶片角 度 β 是向增加方向变化小。即实施例 2 涡轮动叶片 32 的罩侧叶片角度 β， 从流入口 34 到 转向位置 D1 是相对旋转轴 S 一边把倾斜角度大增加一边倾斜， 从转向位置 D1 经由规定位 置 D2 而到流出口 11 是相对旋转轴 S 一边把倾斜角度少量地增加一边倾斜。具体说就是， 入口侧罩轮廓线 La 的每单位长度的叶片转向角 Δβ 比中央罩轮廓线 Lb 和出口侧罩轮廓 线 Lc 的每单位长度的叶片转向角 Δβ 大。在实施例 2 的涡轮动叶片 32 中， 入口侧罩轮廓 线 La 的叶片转向角 Δβ 是 18°左右， 中央罩轮廓线 Lb 和出口侧罩轮廓线 Lc 的叶片转向 角 Δβ 是 20°左右。因此， 在实施例 2 的涡轮动叶片 32 中， 入口侧罩轮廓线 La 与第一罩 轮廓线相当， 中央罩轮廓线 Lb 和出口侧罩轮廓线 Lc 与第二罩轮廓线相当。
接着参照图 7 和图 8， 把如上构成的具备现有涡轮转子 100 的径流式涡轮的性能和 具备实施例 2 涡轮动叶片 32 的径流式涡轮的性能进行比较。图 7 是在现有的涡轮转子 100 中， 把工作流体流动的流路 R 由与旋转轴 S 的轴向正交的剖切面剖切时涡轮效率的分布图 沿工作流体的流动方向表示了四个。该四个涡轮效率的分布图， 从图示左侧开始的第一个 是流入口 105 涡轮效率的第一分布图 W1， 从图示左侧开始的第三个是流出口 106 涡轮效率 的第三分布图 W3。 从图示左侧开始的第二个是流入口 105 与流出口 106 之间涡轮效率的第 二分布图 W2， 从图示左侧开始的第四个是从叶片出来后最下游侧的第四分布图 W4。
看第一分布图 W1， 涡轮效率在负压面 101b 的罩侧形成有效率低的低效率区域 E1， 在第二分布图 W2 中， 涡轮效率与负压面 101b 的罩侧第一分布图 W1 相比， 低效率区域 E1 被 扩大形成。且在第三分布图 W3 中， 涡轮效率即使在正压面 101a 的罩侧， 也形成有低效率区 域 E1， 在第四分布图 W4 中， 涡轮效率在正压面 101a 与负压面 101b 之间的罩侧形成有比低 效率区域 E1 效率好的中效率区域 E2。
另一方面， 图 8 是在实施例 2 的涡轮转子 30 中， 把工作流体流动的流路 R 由与旋 转轴 S 的轴向正交的剖切面剖切时涡轮效率的分布图沿工作流体的流动方向表示了四个。 图 8 也与图 7 同样地， 从图示左侧开始的第一个是流入口 13 涡轮效率的第一分布图 W1， 从 图示左侧开始的第三个是流出口 11 涡轮效率的第三分布图 W3。从图示左侧开始的第二个 是流入口 34 与流出口 35 之间涡轮效率的第二分布图 W2， 图示左侧的第四个是从叶片出来 后最下游侧的第四分布图 W4。
看第一分布图 W1， 涡轮效率在负压面 32b 的罩侧仅形成有低效率区域 E1， 但了解 到与图 7 所示的现有涡轮转子 100 相比小。在第二分布图 W2 中， 涡轮效率在负压面 32b 的 罩侧形成有中效率区域 E2。 且在第三分布图 W3 中， 涡轮效率在正压面 32a 的罩侧形成有中 效率区域 E2， 在第四分布图 W4 中， 涡轮效率在其大致整个区域没有形成低效率区域 E1 和中 效率区域 E2， 而是成为比中效率区域 E2 效率好高效率区域 E3。由此， 了解到实施例 2 的涡 轮转子 30 比现有的涡轮转子 100 效率高。
接着， 参照图 9 来说明依据实施例 2 涡轮转子 30 的涡轮动叶片 32 的叶片转向角 Δβ 而变化的涡轮效率。图 9 中， 纵轴是涡轮效率的损失率 Δη， 横轴是中央·出口侧罩 轮廓线 Lb、 Lc 的叶片转向角 Δβ。如图 9 所示， 了解到随着中央·出口侧罩轮廓线 Lb、 Lc 的叶片转向角 Δβ 变大而涡轮效率的损失变大。因此， 只要把叶片转向角 Δβ 的角度变小， 就能够抑制涡轮效率的损失。
在此， 现有涡轮转子 100 的叶片转向角 Δβ 是 40°， 实施例 2 涡轮转子 6 的叶片 转向角 Δβ 是 20°。这时， 若叶片转向角 Δβ 是 30°， 就能够使涡轮的效率损失比现有 涡轮的效率损失减少一半。因此， 只要使叶片转向角 Δβ 是 30°以下， 就能够充分抑制径 流式涡轮 1 的效率损失。
根据以上结构， 使实施例 2 涡轮转子 30 的中央· 出口侧罩轮廓线 Lb、 Lc 的每单位 长度的叶片转向角 Δβ 比现有结构的小。由此， 能够把中央· 出口侧罩轮廓线 Lb、 Lc 的涡 轮动叶片 32 设定成大致直线。其结果是， 在涡轮动叶片 32 的负压面 32b 罩侧能够抑制工 作流体流速的增加， 能够抑制负压面 32b 的压力降低 ( 详细情况后述 )。因此， 能够抑制涡 轮动叶片 32 的正压面 32a 与负压面 32b 的压力差， 能够抑制工作流体从涡轮动叶片 32 与 罩 24 之间的间隙 C 泄漏。由此， 则能够抑制由工作流体泄漏而引起的涡轮效率降低。
通过把罩轮廓线 L3 长度的两成作为入口侧罩轮廓线 La， 把八成作为中央· 出口侧 罩轮廓线 Lb、 Lc 而能够加长中央·出口侧罩轮廓线 Lb、 Lc 的长度， 所以能够使涡轮动叶片 32 的中央·出口侧罩轮廓线 Lb、 Lc 更加接近直线。在实施例 2 中把罩轮廓线 L3 长度的两 成作为入口侧罩轮廓线 La， 把八成作为中央· 出口侧罩轮廓线 Lb、 Lc， 但也可以把罩轮廓线 L3 长度的一成作为入口侧罩轮廓线 La， 把九成作为中央·出口侧罩轮廓线 Lb、 Lc。 且通过把中央·出口侧罩轮廓线 Lb、 Lc 的叶片转向角 Δβ 设定在 30°以下， 能 够使涡轮的效率损失比现有减少一半。
实施例 3
下面参照图 10 说明实施例 3 的涡轮转子 50。为了避免重复记载而仅说明不同的 部分。图 10 是实施例 3 涡轮转子 50 和现有涡轮转子 100 的涡轮动叶片 51、 101 的子午剖 面图。实施例 3 涡轮转子 50 的子午剖面中， 其涡轮动叶片 51 的入口侧罩轮廓线 La 被形成 R 状， 中央·出口侧罩轮廓线 Lb 被形成大致直线状。
具体地则参照图 10， 其纵轴是径向长度、 横轴是轴向长度。现有的涡轮动叶片 101 其罩轮廓线 L1 被形成向下斜面， 而实施例 3 的涡轮动叶片 51 在其罩轮廓线 L4 中， 入口侧 罩轮廓线 La 被以小曲率形成， 且中央·出口侧罩轮廓线 Lb、 Lc 与入口侧罩轮廓线 La 相比 被以大曲率形成。这时， 在子午剖面中， 入口侧罩轮廓线 La 是罩轮廓线 L4 长度的两成， 中 央·出口侧罩轮廓线 Lb、 Lc 是罩轮廓线 L4 长度的八成。由此， 入口侧罩轮廓线 La 被形成 R 状， 中央·出口侧罩轮廓线 Lb、 Lc 被形成大致直线状。
根据以上结构， 使入口侧罩轮廓线 La 的曲率比中央· 出口侧罩轮廓线 Lb、 Lc 的曲 率小。因此， 能够把中央·出口侧罩轮廓线 Lb、 Lc 的曲率设定大， 能够把中央·出口侧罩轮 廓线 Lb、 Lc 形成大致直线状。由此， 在涡轮动叶片 51 的罩侧负压面能够抑制工作流体流速 的增加。其结果是， 在涡轮动叶片 51 的负压面罩侧能够抑制工作流体流速的增加， 能够抑 制负压面的压力降低 ( 详细情况后述 )。因此， 能够抑制涡轮动叶片 51 的正压面与负压面 的压力差， 能够抑制工作流体从涡轮动叶片 51 与罩 24 之间的间隙泄漏。由以上则能够抑 制由工作流体泄漏而引起的涡轮效率降低。
也可以把实施例 3 的结构与实施例 1 或实施例 2 的结构组合， 由此， 能够恰当地抑 制涡轮效率降低。
实施例 4
最后， 参照图 11 到图 16 说明实施例 4 的涡轮转子 70。这时也为了避免重复记载 而仅说明不同的部分。图 11 是表示实施例 4 涡轮转子 70 局部的外观立体图， 图 12 是表示 现有涡轮转子 100 局部的外观立体图。图 13 是把实施例 4 的涡轮动叶片 71 结构适用在实 施例 2 的涡轮动叶片 32 时的周向 (θ 方向 ) 中， 表示关于涡轮动叶片的叶片角度 θ 分布 的曲线。同样地， 图 14 是把实施例 4 的涡轮动叶片 71 结构适用在实施例 1 的涡轮动叶片 21 时的周向 (θ 方向 ) 中， 表示关于涡轮动叶片的叶片角度 θ 分布的曲线。且图 15 是表 示现有涡轮转子流路内的工作流体流线的子午剖面图， 图 16 是表示实施例 4 的涡轮转子 70 流路内的工作流体流线的子午剖面图。实施例 4 的涡轮转子 70 其涡轮动叶片 71 的沿流入 口侧边缘部的轮廓线即流入口轮廓线 12， 相对旋转轴 S 向旋转方向倾斜。
具体地则如图 12 所示， 现有的流入口轮廓线 I1 被形成与旋转轴 S 大致是同方向。 即如图 13 所示， 罩轮廓线 L1 的流入口 105 侧周向的角度 ( 叶片角度 β) 与轮毂轮廓线 H1 的流入口 105 侧周向的角度 ( 叶片角度 β) 是相互相同的角度， 在周向中是同相位。由此， 从轮毂轮廓线 H1 的流入口 105 到罩轮廓线 L1 的流入口 105 的现有流入口轮廓线 I1 不向 周向变位， 所以与旋转轴 S 大致是同方向。
另一方面， 如图 13 和图 14 所示， 适用了实施例 4 涡轮动叶片 71 结构的实施例 2 涡 轮动叶片 32 的流入口轮廓线 I2 使实施例 2 的罩轮廓线 L3 的流入口侧周向的叶片角度 θ 与轮毂轮廓线 H3 的流入口侧周向的叶片角度 θ 的角度差是 20°～ 22°左右， 在周向是不 同的相位。因此， 从轮毂轮廓线 H3 的流入口 34 到罩轮廓线 L3 的流入口 34 的实施例 3 的 流入口轮廓线 I2 向周向 ( 旋转方向 ) 位移， 由此， 流入口轮廓线 I2 相对旋转轴 S 而向旋转 方向倾斜。 且如图 14 所示， 适用了实施例 4 涡轮动叶片 71 结构的实施例 1 涡轮动叶片 21 的 流入口轮廓线 I2 使实施例 1 的罩轮廓线 L2 的流入口侧周向的叶片角度 θ 与轮毂轮廓线 H2 的流入口侧周向的叶片角度 θ 的角度差是 12°左右， 在周向是不同的相位。因此， 从轮 毂轮廓线 H2 的流入口 13 到罩轮廓线 L2 的流入口 11 的实施例 1 的流入口轮廓线 I2 向周 向 ( 旋转方向 ) 变位， 由此， 流入口轮廓线 I2 相对旋转轴 S 而向旋转方向倾斜。
接着， 参照图 15 和图 16， 把在上述现有涡轮转子 100 流路 R 内流动的工作流体的 流动与在上述适用了实施例 4 涡轮动叶片 71 结构的实施例 2 涡轮转子 30 的流路 R 内流动 的工作流体的流动进行比较。
看图 15， 在现有的涡轮转子 100 中， 当工作流体从流入口 105 流入， 则从流入口 105 的罩侧流入的工作流体沿罩轮廓线 L1 流动。另一方面， 从流入口 105 的轮毂侧流入的 工作流体并不沿轮毂轮廓线 H1 而是向罩侧流动。因此， 在流路 R 内流动的工作流体向流出 口 106 的罩侧集中。由此， 在罩侧的流出口 106， 工作流体容易从罩 24 与涡轮动叶片 101 之 间的间隙 C 泄漏。
另一方面， 看图 16， 在适用了实施例 4 涡轮动叶片 71 结构的实施例 2 的涡轮动叶 片 32 中， 当工作流体从流入口 34 流入， 则从流入口 34 的罩侧流入的工作流体沿罩轮廓线 L3 流动。另一方面， 从流入口 34 的轮毂侧流入的工作流体在沿上游侧的轮毂轮廓线 H3 流 动后就向罩侧流动。因此， 在流路 R 内流动的工作流体是向流出口 35 的罩侧流动， 但从流 入口 34 的轮毂侧流入的工作流体有沿上游侧的轮毂轮廓线 H3 流动的部分， 与现有相比， 能 够抑制工作流体向流出口 35 的罩侧集中。
根据以上结构， 能够使从流入口 34 流入的工作流体朝向轮毂侧。因此， 能够抑制 工作流体朝向罩侧而向涡轮动叶片 32 与罩 24 之间的间隙 C 流动， 由此， 能够抑制工作流体 从间隙 C 泄漏。
实施例 4 中， 使罩轮廓线 L2、 L3 的流入口 13、 34 侧周向的叶片角度 θ 与轮毂轮廓 线 H2、 H3 的流入口 13、 34 侧周向的叶片角度 θ 的角度差是 12°和 20°， 但只要在 10°～ 25°之间， 就能够恰当地抑制工作流体泄漏。
接着参照图 17 到图 20， 说明把实施例 4 与实施例 1 组合的涡轮转子 6 和把实施 例 3 和 4 与实施例 2 组合的涡轮转子 30 分别适用的径流式涡轮的性能。对于这些涡轮转 子则省略图示。
首先， 把实施例 4 与实施例 1 组合的涡轮转子 6， 其中央罩轮廓线 Lb 的叶片角度 β 变化比入口侧罩轮廓线 La 和出口侧罩轮廓线 Lc 的叶片角度 β 变化大， 且罩轮廓线 L2 的 流入口侧叶片角度 β 与轮毂轮廓线 H2 的流入口侧叶片角度 β 的角度差是 12°左右。在 此， 图 17 是表示现有和实施例 1 涡轮动叶片的罩侧正压面和负压面的流速变化的曲线， 图 18 是表示现有和实施例 1 涡轮动叶片的罩侧正压面和负压面的压力变化的曲线。
图 17 的其纵轴是工作流体的流速， 其横轴是在子午剖面中从工作流体流路的流 入口到流出口的距离。看图 17， M1a 是现有涡轮转子 100 的涡轮动叶片 101 罩侧的负压面 101b 流速变化的曲线， M2a 是把实施例 4 与实施例 1 组合的涡轮转子 6 的涡轮动叶片 21 罩 侧的负压面 21b 流速变化的曲线。M3a 是现有涡轮转子 100 的涡轮动叶片 101 罩侧的正压 面 101a 流速变化的曲线， M4a 是把实施例 4 与实施例 1 组合的涡轮转子 6 的涡轮动叶片 21 罩侧的正压面 21a 流速变化的曲线。 在此， M3a 和 M4a 其流速的变化是相互大致同样的变化， 相对地， M1a 和 M2a 其流速 的变化不同。具体说就是了解到 ： M1a 在其中途流速的变化变大， 而 M2a 在其中途流速的变 化比 M1a 小。
图 18 的其纵轴是工作流体的压力， 其横轴是在子午剖面中从工作流体流路 R 的流 入口到流出口的距离。看图 18， P1a 是现有涡轮转子 100 的涡轮动叶片 101 罩侧的负压面 101b 压力变化的曲线， P2a 是把实施例 4 与实施例 1 组合的涡轮转子 6 的涡轮动叶片 21 罩 侧的负压面 21b 压力变化的曲线。P3a 是现有涡轮转子 100 的涡轮动叶片 101 罩侧的正压 面 101a 压力变化的曲线， P4a 是把实施例 4 与实施例 1 组合的涡轮转子 6 的涡轮动叶片 21 罩侧的正压面 21a 压力变化的曲线。
在此， P3a 和 P4a 其压力的变化是相互大致同样的变化， 对此， P1a 和 P2a 其压力的 变化不同。具体说就是了解到 ： P1a 在其中途压力变小， 而 P2a 在其中途压力比 P1a 大。由 此， P4a 与 P2a 的压力差比 P3a 与 P1a 的压力差小。
接着， 把实施例 3 和实施例 4 与实施例 2 组合的涡轮转子 30， 其入口侧罩轮廓线 La 的叶片角度 β 变化比中央·出口侧罩轮廓线 Lb、 Lc 的叶片角度 β 变化大， 且在子午剖 面， 涡轮动叶片的入口侧罩轮廓线 La 被形成 R 状， 涡轮动叶片的中央· 出口侧罩轮廓线 Lb、 Lc 被形成大致直线状。且罩轮廓线 L3 的流入口侧的叶片角度 θ 与轮毂轮廓线 H3 的流入 口侧的叶片角度 θ 的角度差是 20°左右。在此， 图 19 是表示现有和实施例 2 涡轮动叶片 的罩侧正压面和负压面的流速变化的曲线， 图 20 是表示现有和实施例 2 涡轮动叶片的罩侧 正压面和负压面的压力变化的曲线。
图 19 的其纵轴是工作流体的流速， 其横轴是在子午剖面中从工作流体流路 R 的流 入口到流出口的距离。看图 19， M1b 是现有涡轮转子 100 的涡轮动叶片 101 罩侧的负压面 101b 流速变化的曲线， M2b 是把实施例 3 和 4 与实施例 2 组合的涡轮转子 30 的涡轮动叶片 32 罩侧的负压面 32b 流速变化的曲线。M3b 是现有涡轮转子 100 的涡轮动叶片 101 罩侧的 正压面 101a 流速变化的曲线， M4b 是把实施例 3 和 4 与实施例 2 组合的涡轮转子 30 的涡 轮动叶片 32 罩侧的正压面 32a 流速变化的曲线。
在此， M3b 和 M4b 其流速的变化是相互大致同样的变化， 相对地， M1b 和 M2b 其流速 的变化不同。具体说就是了解到 ： M1b 在其中途流速的变化变大， 而 M2b 在其中途流速的变 化比 M1b 小。
图 20 的其纵轴是工作流体的压力， 其横轴是在子午剖面中从工作流体流路 R 的流 入口到流出口的距离。看图 20， P1b 是现有涡轮转子 100 的涡轮动叶片 101 罩侧的负压面 101b 压力变化的曲线， P2b 是把实施例 3 和 4 与实施例 2 组合的涡轮转子 30 的涡轮动叶片 32 罩侧的负压面 32b 压力变化的曲线。P3b 是现有涡轮转子 100 的涡轮动叶片 101 罩侧的 正压面 101a 压力变化的曲线， P4b 是把实施例 3 和 4 与实施例 2 组合的涡轮转子 30 的涡 轮动叶片 32 罩侧的正压面 32a 压力变化的曲线。
在此， P3b 和 P4b 其压力的变化是相互大致同样的变化， 相对地， P1b 和 P2b 其压力 的变化不同。具体说就是了解到 ： P1b 在其中途压力变小， 而 P2b 在其中途压力比 P1b 大。 由此， P4b 与 P2b 的压力差比 P3b 与 P1b 的压力差小。
根据以上， 把实施例 4 与实施例 1 组合的涡轮转子 6， 在其涡轮动叶片 21 罩侧的 负压面 21b 上流动的工作流体流速的变化比现有的小， 因此， 能够使 P4a 与 P2a 的压力差比 P3a 与 P1a 的压力差小。同样地， 把实施例 3 和 4 与实施例 2 组合的涡轮转子 30， 在其涡轮 动叶片 32 罩侧的负压面 32b 上流动的工作流体流速的变化比现有的小， 因此， 能够使 P4b 与 P2b 的压力差比 P3b 与 P1b 的压力差小。由此， 在涡轮动叶片 21、 32 罩侧的负压面 21b、 32b 中， 能够抑制工作流体流速的增加， 因此能够抑制罩侧的负压面 21b、 32b 压力降低， 能 够抑制工作流体从涡轮动叶片 21、 32 与罩 24 之间的间隙 C 泄漏。如上所述， 通过把实施例 1 到 4 适当地组合而能够恰当地抑制工作流体泄漏。实施例 1 到实施例 4 说明了把本发明 适用在径流式涡轮， 但也可以适用在斜流式涡轮和轴流式涡轮。
产业上利用的可能性
如上， 本发明的涡轮转子对于在涡轮动叶片与罩之间形成有间隙的涡轮转子是有 用的， 特别是适合于抑制工作流体从间隙泄漏而谋求提高涡轮效率的情况。
符号说明
1 径流式涡轮 5 涡轮壳体 6 涡轮转子
11 流出口 13 流入口 20 轮毂 21 涡轮动叶片
24 罩 30 涡轮转子 ( 实施例 2)
32 涡轮动叶片 ( 实施例 2) 34 流入口 35 流出口
50 涡轮转子 ( 实施例 2) 51 涡轮动叶片 ( 实施例 2)
70 涡轮转子 ( 实施例 3) 71 涡轮动叶片 ( 实施例 3)
75 流入口 ( 实施例 3) 76 流出口 ( 实施例 3)
100 涡轮转子 ( 现有 ) 101 涡轮动叶片 ( 现有 )105 流入口 ( 现有 ) 106 流出口 C 间隙 L1 罩轮廓线 ( 现有 ) L2 罩轮廓线 ( 实施例 1) L3 罩轮廓线 ( 实施例 2) H1 轮毂轮廓线 ( 现有 ) H2 轮毂轮廓线 ( 实施例 1) H3 轮毂轮廓线 ( 实施例 2) La 入口侧罩轮廓线 Lb 中央罩轮廓线 Lc 出口侧罩轮廓线 D1 转向位置 D2 规定位置 β 叶片角度 Δβ 叶片转向角 θ 叶片角度 I1 流入口轮廓线 ( 现有 ) I2 流入口轮廓线 ( 本发明 )