JP5398515B2 - Radial turbine blades - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の排気ターボチャージャ、小型ガスタービン、膨張タービン等に用いられ、作動ガスを渦巻状のスクロールからタービンロータの動翼へと半径方向に流入させて該動翼に作用させた後軸方向に流出させることにより該タービンロータを回転駆動するように構成されたラジアルタービンにおける動翼の構造に関する。 The present invention is used for an exhaust turbocharger, a small gas turbine, an expansion turbine or the like of an internal combustion engine, and has a working gas flowed in a radial direction from a spiral scroll to a moving blade of a turbine rotor to act on the moving blade. The present invention relates to a rotor blade structure in a radial turbine configured to rotationally drive the turbine rotor by causing the turbine rotor to flow out in the rear axis direction.
自動車用内燃機関等に用いられる比較的小型の過給機(排気ターボチャージャ)には、作動ガスをタービンケーシング内に形成された渦巻状のスクロールから該スクロールの内側に位置するタービンロータの動翼へと半径方向に流入させて該動翼に作用させた後軸方向に流出させることにより該タービンロータを回転駆動するように構成されたラジアルタービンが多く採用されている。 In a relatively small supercharger (exhaust turbocharger) used for an internal combustion engine for automobiles, etc., a turbine rotor blade located inside a scroll from a spiral scroll formed in a turbine casing. A radial turbine configured to rotationally drive the turbine rotor by causing the turbine rotor to flow in a radial direction and then acting on the rotor blades and then flowing out in the axial direction is often employed.
図9は、かかるラジアルタービン1を用いた過給機の1例を示し、図において、タービンケーシング2内には渦巻状のスクロール3が形成されるとともに内周側にはガス出口通路5が形成され、また、コンプレッサケーシング7内にはコンプレッサ9が設けられ、タービンケーシング2とコンプレッサケーシング7とを連結する軸受ハウジング11が形成されている。
FIG. 9 shows an example of a turbocharger using such a
タービンロータ13は外周に複数の動翼15が円周方向等間隔に固着され、また、コンプレッサ9の空気出口にはディフューザ17が設けられ、タービンロータ13とコンプレッサ9とはロータシャフト19で連結されている。前記軸受ハウジング11に取り付けられて前記ロータシャフト19を支持する1対の軸受21が設けられている。前記タービンロータ13、コンプレッサ9及びロータシャフト19は回転中心23を中心に回転するようになっている。
A plurality of
かかるラジアルタービン1を備えた過給機において、内燃機関(図示省略)からの排気ガスは前記スクロール3に入り、該スクロール3の渦巻きに沿って周回しながら複数の動翼15の外周側の入口端面から該動翼15に流入し、タービンロータ13中心側に向かい半径方向に流れて該タービンロータ13に膨張仕事をなした後、軸方向に流出してガス出口通路5から機外に送出されるようになっている。
In the turbocharger equipped with such a
動翼15の形状を図8(a)、(b)に示す。図8(a)は動翼15の子午面形状を示し、(b)は(a)のA−A線、B−B線、C−C線の翼断面形状をそれぞれA、B、Cに示す。
A−A線断面形状はハブ側の壁近傍の形状を示し、C−C線断面形状はシュラウド側の壁近傍の形状を示し、B−B線断面形状はハブ側とシュラウド側との高さ方向(Z方向)の中央部の形状を示す。A、B、Cのいずれの断面位置においても半径方向に放射状に真直ぐ伸びた形状をしている。
The shape of the moving
The AA line cross-sectional shape shows the shape near the hub side wall, the CC line cross-sectional shape shows the shape near the shroud side wall, and the BB line cross-sectional shape shows the height between the hub side and the shroud side. The shape of the center part of a direction (Z direction) is shown. In any of the cross-sectional positions of A, B, and C, it has a shape extending radially in the radial direction.
一方、動翼15の上流側に位置するタービンスクロール3の渦巻きに沿って周回しながら動翼15に流入したガスのガス流入速度は、動翼15の高さ方向(Z方向)に異なる速度分布を持つ。すなわち、図7に示すように、ガス流入速度Cは、前記動翼15の入口端面25(図6参照)近傍に形成され前記入口端面25の高さの10%〜20%の幅を有する3次元境界層によって、ガス速度Cの周方向成分である周方向速度Cθは入口端面25の中央部が大きく両端の角部つまりシュラウド側27及びハブ側29が小さくなる。
また半径方向成分である半径方向速度CRは図7に示すように、前記入口端面25の中央部が小さく両端の角部つまりシュラウド側27及びハブ側29が大きくなるような高さ方向分布となっている。
On the other hand, the gas inflow velocity of the gas flowing into the
The radial velocity C R is the radial component, as shown in FIG. 7, the height direction distribution as corners, i.e. the
また、動翼15の形状は、入口端面25の径が、図6(a)に示すようにシュラウド側27、中央部、ハブ側29の全高に亘って同一であるため、動翼周速度U2=U1となる。このため、該動翼15の高さ方向にガス流入相対角度βが異なり、図6(b)に示す中央部のガス流入相対角度β1を最適になるように調整すると、図6(c)に示す壁側つまり前記ハブ側29及びシュラウド側27のガス流入相対角度β2が、前記スクロール3からの流動歪みにより中央部のガス流入相対角度β1よりも大きくなる。尚、W1、W2はガス流入相対速度、C1、C2はガス流入絶対速度である。
Further, the shape of the moving
このため、かかる従来技術にあっては、ハブ側29及びシュラウド側27においてガスが動翼15の背側(負圧面側)に衝突角度(インシデンス角度)を持って流入することとなって動翼入口の衝突損失を生じるとともに、ハブ側29及びシュラウド側27における衝突角度の増加は動翼15内部における2次流れ損失の増加を助長し、タービン効率の低下を招く問題点を有していた。
For this reason, in such a prior art, gas flows into the back side (negative pressure surface side) of the
そこで、本出願人によって、動翼入口における流入相対角度を該動翼の高さ方向において一様に構成することによって、ガス流入相対角度のばらつきに起因するガスの衝突損失及び動翼内部における2次流れ損失を抑制してタービン効率を上昇しょうとする提案がなされた(特許文献1)。 Therefore, the present applicant configures the inflow relative angle at the moving blade inlet uniformly in the height direction of the moving blade, so that the gas collision loss caused by the variation in the gas inflow relative angle and the 2 There has been a proposal to suppress the next flow loss and increase the turbine efficiency (Patent Document 1).
この特許文献1の技術は、図5に示すように、作動ガスが流入する入口端面25の中央部を平面状に形成するとともに、シュラウド側27及びハブ側29において角部に直線状の切落し部31を形成することにより、入口端面25の両端部半径が中央部よりも小さくなるように形成するものである。
これにより、切落し部31の切落し量を変化させることによって、動翼15入口におけるガスの流動分布に合わせて動翼15の入口端面の両端部つまり前記シュラウド側27及びハブ側29を内周側に後退させ、動翼15に流入するガスの相対流入角度βを動翼15の高さ方向において最適角度になるように調整することを可能としたものである。
As shown in FIG. 5, the technique of
Thus, by changing the cut-off amount of the cut-off
そして、動翼入口におけるガスの衝突角度を動翼の高さ方向において一定にするようにして、動翼の高さ方向におけるガス相対流入角度の不均一に伴う動翼入口の衝突損失や動翼内部における2次流れ損失の増加を回避してタービン効率の低下を防止したものである。 Then, the collision angle of the gas at the moving blade inlet is made constant in the height direction of the moving blade, so that the collision loss at the moving blade inlet and the moving blade caused by the nonuniform gas relative inflow angle in the height direction of the moving blade The increase in secondary flow loss in the interior is avoided to prevent a decrease in turbine efficiency.
しかし、近年、ラジアルタービンの過給機においてレスポンスの改善の目的で、コンプレッサ径に対して、小径のラジアルタービンが選択されるとともに、さらに、排ガス性能向上のために排ガス温度が高くなる傾向にある。例えば、一般的にガソリンエンジンにおいては900℃程度から1050℃程度へと上昇し、ディーゼルエンジンにおいても、750℃程度から850℃程度へと上昇している。 However, in recent years, a radial turbine having a small diameter relative to the compressor diameter has been selected for the purpose of improving the response in the turbocharger of the radial turbine, and further, the exhaust gas temperature tends to be higher to improve the exhaust gas performance. . For example, in general, a gasoline engine rises from about 900 ° C. to about 1050 ° C., and a diesel engine also rises from about 750 ° C. to about 850 ° C.
このため、タービン性能パラメータの速度比(U/C0)の値が小さくなる傾向にあり、従来よりも小さい速度比(U/C0)域に過給機の最大効率点が存在する効率特性を有するタービンとなり、速度比(U/C0)が小さい作動点でマッチングされるようになっている。 For this reason, the value of the speed ratio (U / C 0 ) of the turbine performance parameter tends to be small, and the efficiency characteristic in which the maximum efficiency point of the turbocharger exists in the speed ratio (U / C 0 ) region smaller than the conventional one. The speed ratio (U / C 0 ) is matched at a small operating point.
この性能パラメータの速度比(U/C0)のC0は、理論ガス速度を示し、C0=f(T,Π)のようにガス温度Tとタービン圧力比Πの関数によって表され、ある圧力、温度を持っているガスを、ある圧力、温度まで膨張させたときに得られる理論的なガス速度を意味する。また、Uは、動翼の周速度を示し、U=f(N,D)のように回転数と動翼径Dの関数として表される。従って、動翼径の小型化によってUが小さくなり、排ガスの高温化によってC0が大きくなり、パラメータの速度比(U/C0)が小さくなる傾向にある。
また、性能パラメータの速度比(U/C0)が小さい場合の動翼入口における速度三角形は図1(b)に示すように、ガス相対流入角度βがマイナス側へ傾斜して動翼先端に向かうようになる。
C 0 of the speed ratio of the performance parameters (U / C 0) indicates a theoretical gas velocity is represented by C 0 = f (T, [pi) gas temperature T and the turbine pressure ratio [pi function as is It means the theoretical gas velocity obtained when a gas having pressure and temperature is expanded to a certain pressure and temperature. U represents the peripheral speed of the moving blade, and is expressed as a function of the rotational speed and the moving blade diameter D, such as U = f (N, D). Accordingly, U decreases as the blade diameter decreases, C 0 increases as the exhaust gas temperature increases, and the parameter speed ratio (U / C 0 ) tends to decrease.
Also, the velocity triangle at the moving blade inlet when the speed ratio (U / C 0 ) of the performance parameter is small, as shown in FIG. Come to head.
従って、前述した特許文献1の技術をこのような性能パラメータの速度比(U/C0)が小さい場合のタービンに適用すると、すなわち、動翼入口におけるガス流入相対角度βをガスの動翼の高さ方向において一定にするために、動翼の入口端面の中央部を平面状に形成するとともに、シュラウド側及びハブ側において角部を直線状に切り落すと、シュラウド側及びハブ側のガス相対流入角度βがマイナス側へより大きく傾き、動翼入口に対する衝突損失が大きくなり、かえってタービン効率の低下を招く。
特に、シュラウド側及びハブ側の両壁近傍から、50%以上のガス流量が動翼内部に流入するため、かかる両壁部近傍での衝突損失の影響は大きい。
Therefore, when the technique of
Particularly, since the gas flow rate of 50% or more flows into the rotor blade from the vicinity of both the shroud side and hub side walls, the influence of the collision loss in the vicinity of both the wall portions is large.
そこで、本発明は、かかる従来技術の問題に鑑み、タービン動翼の入口部、特に、シュラウド側及びハブ側の両壁近傍の動翼入口の速度三角形を調整して、または動翼の入口形状を調整して、ガス相対流入速度成分の流れ方向に沿った動翼の入口形状とすることによって、動翼入口の両壁近傍で生じる流入ガスの衝突損失を低減し、動翼内部で発達する2次流れを抑制し、これにより、速度比(U/C0)が小さいマッチング点(作動点)を有するタービンのタービン効率を向上することができるラジアルタービンの動翼を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the problems of the prior art, the present invention adjusts the velocity triangle of the inlet of the turbine blade, particularly the blade inlet near the shroud side and hub side walls, or the shape of the inlet of the blade. Is adjusted so that the inlet shape of the moving blade along the flow direction of the gas relative inflow velocity component reduces the collision loss of the inflowing gas generated near both walls of the moving blade inlet and develops inside the moving blade An object of the present invention is to provide a moving blade of a radial turbine capable of suppressing the secondary flow and thereby improving the turbine efficiency of a turbine having a matching point (operating point) having a small speed ratio (U / C 0 ). To do.
上記の課題を解決するために、本発明は、作動ガスをタービンケーシング内に形成された渦巻状のスクロールから該スクロールの内側に位置するタービンロータの動翼へと半径方向に流入させて該動翼に作用させた後軸方向に流出させることにより該タービンロータを回転駆動するように構成されたラジアルタービンの動翼において、
前記作動ガスが流入する動翼入口の高さ方向を形成するシュラウド側及びハブ側の両壁近傍における翼形状の向きが、動翼入口に流入する作動ガスの流入速度(C)および動翼の周方向の回転速度(U)およびガス相対流入速度(W)によって形成される速度三角形のガス相対流入速度成分の流入方向と一致するように形成されてなることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention is configured to cause a working gas to flow radially from a spiral scroll formed in a turbine casing to a rotor blade of a turbine rotor positioned inside the scroll. In a moving blade of a radial turbine configured to rotationally drive the turbine rotor by causing the turbine rotor to flow out in the axial direction after acting on the blade,
The direction of the blade shape in the vicinity of both the shroud side and hub side walls forming the height direction of the moving blade inlet into which the working gas flows is determined by the inflow velocity (C) of the working gas flowing into the moving blade inlet and the moving blade It is characterized by being formed so as to coincide with the inflow direction of the gas relative inflow velocity component of the speed triangle formed by the circumferential rotational speed (U) and the gas relative inflow speed (W).
かかる発明によれば、シュラウド側及びハブ側の両壁近傍における動翼入口の形状を、動翼入口に流入する作動ガスの流入速度(C)および動翼の周方向の回転速度(U)およびガス相対流入速度(W)によって形成される速度三角形のガス相対流入速度成分の流入方向と一致させる形状とするため、両壁近傍において作動ガスがスムーズに動翼内部に流れ込み、両壁近傍の動翼入口で生じる衝突損失を低減でき、ガス流れの衝突損失を低減し、動翼内部で発達する2次流れを抑制してタービン効率を向上することができる。
これにより、ガス相対流入角度β(−βA、−βC、図1(b)参照)がマイナス側へ傾斜して動翼先端に向かうような特性を有するタービンにおいて効率的にタービン効率を向上することができるようになる。
According to this invention, the shape of the moving blade inlet in the vicinity of both the shroud side and the hub side walls is defined by the inflow speed (C) of the working gas flowing into the moving blade inlet and the rotational speed (U) in the circumferential direction of the moving blade. In order to have a shape that matches the inflow direction of the gas relative inflow velocity component of the velocity triangle formed by the gas relative inflow velocity (W), the working gas smoothly flows into the rotor blades near both walls, and the motion near both walls The collision loss generated at the blade inlet can be reduced, the gas flow collision loss can be reduced, the secondary flow developed inside the rotor blade can be suppressed, and the turbine efficiency can be improved.
This effectively improves the turbine efficiency in a turbine having such a characteristic that the gas relative inflow angle β (−β A , −β C , see FIG. 1B) is inclined to the minus side toward the blade tip. Will be able to.
すなわち、両壁近傍の動翼入口の速度三角形を調整してガス相対流入速度(W)の流入方向と一致するような動翼の入口形状とすることによって両壁近傍の動翼入口で生じる衝突損失を低減できるようになる。
また、シュラウド側及びハブ側の両壁近傍から、50%以上のガス流量が動翼内部に流入するため、かかる両壁部近傍の流れを改善することによって、タービン効率の向上効果が大きく得られる。
That is, collisions that occur at the blade inlets near both walls by adjusting the velocity triangles at the blade inlets near both walls so that the inlet shape of the blade matches the inflow direction of the gas relative inflow velocity (W) Loss can be reduced.
Further, since the gas flow rate of 50% or more flows into the rotor blade from the vicinity of both the shroud side and hub side walls, the effect of improving the turbine efficiency can be greatly obtained by improving the flow in the vicinity of the both wall portions. .
また、好ましくは、動翼入口のシュラウド側及びハブ側の両壁近傍における先端部のみを前記ガス相対流入速度成分の流れ方向に合わせて傾斜させるとよい。
このように、両壁近傍における先端部のみを前記ガス相対流入速度(W)の流れ方向に合わせて傾斜させることで、図1(b)に示すAの速度三角形およびCの速度三角形によって示されるガス相対流入速度(W)の流れ方向に簡単に合わせることができる。
Preferably, only the tip portions of the blade inlet near the shroud-side and hub-side walls are inclined according to the flow direction of the gas relative inflow velocity component.
In this way, only the tip portions in the vicinity of both walls are inclined in accordance with the flow direction of the gas relative inflow velocity (W), thereby being indicated by the velocity triangle A and the velocity triangle C shown in FIG. It can be easily adjusted to the flow direction of the gas relative inflow velocity (W).
さらに、傾斜角度がシュラウド側およびハブ側同じにすると、より簡単にガス相対流入速度(W)の流れ方向に合わせた構造とすることができる。動翼へ流入される作動ガスの流入速度(C)は、シュラウド側およびハブ側の壁部分では略同条件で流入されるため、シュラウド側、ハブ側の径を同一に設定すれば、動翼の周方向の回転速度(U)がシュラウド側、ハブ側で同一となり、先端部の傾斜角度をシュラウド側およびハブ側で同一に設定することができる。 Furthermore, when the inclination angle is the same on the shroud side and the hub side, it is possible to make the structure more easily matched to the flow direction of the gas relative inflow velocity (W). Since the inflow velocity (C) of the working gas flowing into the moving blades flows under substantially the same conditions in the wall portions on the shroud side and the hub side, if the diameters on the shroud side and the hub side are set to be the same, the moving blades The circumferential rotational speed (U) is the same on the shroud side and the hub side, and the inclination angle of the tip can be set the same on the shroud side and the hub side.
また、好ましくは、動翼入口の高さ方向の中央部よりシュラウド側及びハブ側の径を大きく形成するとともに、シュラウド側及びハブ側の動翼入口の翼形状が半径方向に真直ぐに伸ばした形状とするとよい。
このように、シュラウド側とハブ側とを中央部より径方向に伸ばすことによって、図3(b)に示すように、動翼の周方向の回転速度(U)を増大させて、ガス相対流入速度(W)の流れ方向の相対流入角度βをゼロに近づけ、半径方向に真直ぐ伸びる動翼に沿うようにでき、作動ガスがスムーズに動翼内部に流れ込み、動翼入口で生じる衝突損失を低減でき、ガス流れの衝突損失を低減できる。
Preferably, the diameter of the shroud side and the hub side is larger than the central portion of the moving blade inlet in the height direction, and the blade shape of the shroud side and the hub side moving blade inlet is straightened in the radial direction. It is good to do.
Thus, by extending the shroud side and the hub side in the radial direction from the central portion, the rotational speed (U) in the circumferential direction of the rotor blade is increased as shown in FIG. The relative inflow angle β in the flow direction of velocity (W) can be made close to zero and along a moving blade that extends straight in the radial direction. The working gas flows smoothly into the moving blade, reducing the collision loss that occurs at the moving blade inlet. And collision loss of gas flow can be reduced.
さらに、前記シュラウド側の径と、前記ハブ側の径とが同径とすることで、簡単にガス相対流入速度(W)の流れ方向に合わせた構造とすることができる。 Furthermore, by setting the diameter on the shroud side and the diameter on the hub side to the same diameter, it is possible to easily make a structure that matches the flow direction of the gas relative inflow velocity (W).
本発明によれば、タービン動翼の入口部、特に、シュラウド側及びハブ側の両壁近傍の動翼入口の速度三角形を調整して、または動翼の入口形状を調整して、ガス相対流入速度(W)の流れ方向に沿った動翼の入口形状とすることによって、動翼入口の両壁近傍で生じる流入ガスの衝突損失を低減し、動翼内部で発達する2次流れを抑制することができる。これにより、速度比(U/C0)が小さいマッチング点(作動点)を有するタービンのタービン効率を向上することができる。 According to the present invention, the relative inlet of the gas can be obtained by adjusting the velocity triangle of the inlet of the turbine blade, particularly the blade inlet near the shroud and hub walls, or adjusting the inlet shape of the blade. By adopting the shape of the moving blade inlet along the flow direction of velocity (W), the collision loss of the inflowing gas generated near both walls of the moving blade inlet is reduced, and the secondary flow developed inside the moving blade is suppressed. be able to. Thereby, the turbine efficiency of the turbine having a matching point (operating point) with a small speed ratio (U / C 0 ) can be improved.
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the component parts described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention to that unless otherwise specified.
(第1実施形態)
図1、図2および図8を参照して本発明の第1実施形態ついて説明する。
図9は、本発明のラジアルタービンの動翼を用いた過給機の1例を示し、図において、タービンケーシング2内には渦巻状のスクロール3が形成されるとともに内周側にはガス出口通路5が形成され、また、コンプレッサケーシング7内にはコンプレッサ9が設けられ、タービンケーシング2とコンプレッサケーシング7とを連結する軸受ハウジング11が形成されている。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1, FIG. 2, and FIG.
FIG. 9 shows an example of a turbocharger using the moving blades of the radial turbine of the present invention. In the figure, a spiral scroll 3 is formed in the
タービンロータ13は外周に複数の動翼50が円周方向等間隔に固着され、また、コンプレッサ9の空気出口にはディフューザ17が設けられ、タービンロータ13とコンプレッサ9とはロータシャフト19で連結されている。前記軸受ハウジング11に取り付けられて前記ロータシャフト19を支持する1対の軸受21が設けられている。前記タービンロータ13、コンプレッサ9及びロータシャフト19は回転中心23を中心に回転するようになっている。
A plurality of
かかるラジアルタービン1を備えた過給機において、内燃機関(図示省略)からの排気ガスは前記スクロール3に入り、該スクロール3の渦巻きに沿って周回しながら複数の動翼50の外周側の入口端面52から該動翼50に流入し、タービンロータ13中心側に向かい半径方向に流れて該タービンロータ13に膨張仕事をなした後、軸方向に流出してガス出口通路5から機外に送出されるようになっている。
以上に示すラジアルタービン1を用いた過給機の基本構成は従来技術と同様である。本発明においては、タービンの動翼15のガス入口部の改良に関するものである。
In the turbocharger equipped with such a
The basic configuration of the turbocharger using the
図1(a)、(b)、図2に示すように本発明の第1実施形態においては、動翼50の入口端面(動翼入口)52の高さ方向を形成するシュラウド側27及びハブ側29の両壁近傍において、高さ方向(幅方向)20%程度の翼先端部L1、L2を流入ガスの流入方向に倒した形状となっている。高さ方向の中央部分は従来(図8)と同様に半径方向に真直ぐに伸びた翼断面形状となっている。
As shown in FIGS. 1A, 1B, and 2, in the first embodiment of the present invention, the
すなわち、図1(b)に示すように、ハブ側29のA−A線断面位置における動翼50の断面形状を流入ガスの流れ方向、つまり、速度三角形のWA方向と同方向に傾けた断面形状からなるハブ側傾斜部54が形成されている。また、同様に、シュラウド側27のC−C線断面位置における動翼50の断面形状も速度三角形のWC方向と同方向に傾けたシュラウド側傾斜部56が形成されている。
That is, as shown in FIG. 1 (b), the flow direction of the inlet gas cross-sectional shape of the
本発明の速度三角形は、図1(b)に示すように、動翼50へ流入される作動ガスの流入速度Cと、動翼50の周方向の回転速度Uと、ガス相対流入速度Wとによって構成され、このガス相対流入速度Wの流れ方向の相対流入角度βは、従来技術で説明したようなプラス側(β1、β2図6参照)に指向する特性ではなく、マイナス側(−βA、−βC、図1参照)に向かう特性を有する。
As shown in FIG. 1B, the speed triangle of the present invention includes an inflow speed C of the working gas flowing into the moving
これは、技術背景の欄で説明したように、近年のレスポンスの改善の目的で、コンプレッサ径の小型化および排ガス温度の高温化に対応して、小径化に伴う回転速度Uの低下および排ガス高温化に伴う作動ガスの流入速度Cの増加によるものであり、速度三角形の2辺の長さ関係が変わることに基づくものである。 As described in the technical background section, for the purpose of improving the response in recent years, this corresponds to the reduction of the compressor diameter and the increase of the exhaust gas temperature. This is due to the increase in the inflow velocity C of the working gas that accompanies the conversion, and the fact that the length relationship between the two sides of the velocity triangle changes.
また、図1のように、動翼50の入口端面52の位置は、シュラウド側27及びハブ側29の両壁近傍においても、中央部においてもそれぞれ同一径のD1に設定されている。このため、ハブ側29とシュラウド側27のそれぞれの動翼50の周方向の回転速度UAとUCは同一となり、作動ガスの流入速度Cは、シュラウド側27及びハブ側29の両壁近傍においては略同一であるため、シュラウド側27及びハブ側29の両壁近傍においての作動ガスの流入速度CAとCCとは同一となり、相対流入角度βは−βA=−βCとなって、この角度に、ハブ側傾斜部54およびシュラウド側傾斜部56の傾斜角度を設定する。
Further, as shown in FIG. 1, the position of the
このように、傾斜角度をハブ側傾斜部54およびシュラウド側傾斜部56とも同じにすることにより、別々の角度設定する動翼形状に比べてより簡単にガス相対流入速度Wの流れ合わせた動翼50を製造できる。
In this way, by making the inclination angle the same for both the hub-side
一例として、ハブ側傾斜部54およびシュラウド側傾斜部56の傾斜角度を20°程度傾斜させて設定するのが好ましいが、動翼50の両壁近傍の動翼径(直径)D1に応じて形成される速度三角形による相対流入角度βに合わせるように、ハブ側傾斜部54およびシュラウド側傾斜部56の傾斜角度を設定すればよいため、ハブ側傾斜部54およびシュラウド側傾斜部56を別々の角度に設定してもよいことは勿論である。
As an example, it is preferable to set the inclination angle of the hub-side
このように、動翼50の入口の両壁近傍における先端部のみをガス相対流入速度Wの相対流入角度βに合わせて傾斜することで、簡単にガス相対流入速度Wの流入方向と一致するような動翼50の入口形状とすることができ、動翼50のシュラウド側27およびハブ側29の両壁近傍の動翼入口で生じる動翼50への衝突損失を低減できるようになる。
これにより、ガス相対流入角度β(−βA、−βC、図1(b))がマイナス側へ傾斜して動翼先端に向かうような、性能パラメータの速度比(U/C0)が小さいマッチング点(作動点)有するタービンにおいて効率的にタービン効率を向上することができるようになる。
In this manner, by tilting only the tip portions in the vicinity of both walls of the inlet of the moving
As a result, the speed ratio (U / C 0 ) of the performance parameter is set such that the gas relative inflow angle β (−β A , −β C , FIG. 1B) is inclined to the minus side toward the blade tip. Turbine efficiency can be improved efficiently in a turbine having a small matching point (operating point).
さらに、シュラウド側27及びハブ側29の両壁近傍から、50%以上のガス流量が動翼50内部に流入するため、かかる両壁部近傍の流れを改善することによって、タービン効率の向上効果が効率的に大きく得られる。
また、入口端面52の全高(全幅)において傾斜すると、動翼径の小型化によるレスポンスの改善効果が少なくなる。
Furthermore, since a gas flow rate of 50% or more flows into the
Further, if the
(第2実施形態)
次に、図3、4を参照して第2実施形態を説明する。なお、第1実施形態で説明した構成部材と同一のものには同一符号を付して説明を省略する。
第2実施形態は、動翼70のハブ側29とシュラウド側27のそれぞれの動翼径D2を中央部の動翼径D1よりも大径に伸ばして速度三角形を調整して、径方向に真直ぐ伸ばした動翼70の形状に沿って流入させるものである。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same thing as the structural member demonstrated in 1st Embodiment, and description is abbreviate | omitted.
The second embodiment, by adjusting the velocity triangle extending the respective Dotsubasa径D 2 of the
図3(a)、(b)に示すように第2実施形態においては、動翼70の入口端面72の高さ方向を形成するシュラウド側27及びハブ側29の両壁近傍において、高さ方向(幅方向)20%程度の翼先端部L1、L2の動翼径D2を高さ方向の中央部分の動翼径D1より大きく設定して先端を3角形状に突出したハブ側突出部74およびシュラウド側突出部76を形成している。ここで動翼径D1は第1実施形態の動翼径D1と同じで基準となる動翼径である。
As shown in FIGS. 3A and 3B, in the second embodiment, in the height direction in the vicinity of both walls of the
図3(b)に示すように、ハブ側29のD−D線断面位置における動翼70の断面形状、シュラウド側27のF−F線断面位置における断面形状、さらに中央部のE−E線断面位置における断面形状は、いずれも径方向に真直ぐ伸びた形状をしている。第2実施形態では、動翼70の入口部分は径方向に真直ぐ伸びた形状をしているため、相対流入角度βはβD=βFとも略ゼロになっている(WD、WF、図3(b))。
As shown in FIG. 3B, the cross-sectional shape of the moving
そして、ハブ側29のD−D線断面位置における速度三角形のガス相対流入速度WD方向が、真直ぐの動翼70の方向と同方向になるように、動翼70の周方向の回転速度UDを調整する。すなわち、作動ガスの流入速度CDはエンジンの運転条件によって決まり、動翼の形状によって調整できない値であるため、動翼70の周方向の回転速度UDを変えることで、つまり動翼70の径を変えることで調整する。
また、同様に、シュラウド側27のF−F線断面位置における動翼70の断面形状における速度三角形のガス相対流入速度WF方向が、真直ぐの動翼70の方向と同方向になるように、動翼70の周方向の回転速度UFを調整する。
Then, the gas relative inflow velocity W D direction of the velocity triangles in D-D line cross-sectional position of the
Similarly, as the gas relative inflow velocity W F direction of the velocity triangles in the cross-sectional shape of the
このように、動翼70の入口端面72のシュラウド側27及びハブ側29の両壁近傍において、動翼径D2をD1より大きくしてハブ側突出部74およびシュラウド側突出部76を形成することによって、速度三角形のガス相対流入速度WD、WFの方向が、径方向に真直ぐに延びて形成された動翼70に沿った方向の流れとすることができる。
なお、ハブ側突出部74およびシュラウド側突出部76の径をともに動翼径D2とすることで、製造容易となるが、異なる径を設定してよいことは勿論である。
Thus, in both the near wall of the
Note that by the both Dotsubasa径D 2 the diameter of the hub-
また、動翼入口の速度三角形を動翼径D2によって調整することで、動翼70の入口の両壁近傍におけるガス相対流入速度WD、WFの相対流入角度βを略ゼロにして動翼70の径方向に真直ぐ伸びた形状に合わせた方向とすることで、簡単にガス相対流入速度の流入方向と動翼70の方向を一致させることができ、動翼70のシュラウド側27およびハブ側29の両壁近傍の動翼入口で生じる動翼70への衝突損失を低減できる。
これにより、性能パラメータの速度比(U/C0)が小さいマッチング点(作動点)を有するタービンにおいて効率的にタービン効率を向上することができる。
Further, by adjusting the rotor blade inlet velocity triangles by Dotsubasa径D 2, and the gas relative inflow velocity W D in both walls near the inlet of the moving blade 70, W F of the relative inflow angle β substantially zero dynamic By adopting a direction that matches the shape of the
Thereby, turbine efficiency can be improved efficiently in a turbine having a matching point (operating point) having a small speed ratio (U / C 0 ) of performance parameters.
また、シュラウド側27及びハブ側29の両壁近傍から、50%以上のガス流量が動翼50内部に流入するため、かかる両壁部近傍の流れを改善することによって、タービン効率の向上効果が効率的に大きく得られる。
In addition, since a gas flow rate of 50% or more flows into the
本発明によれば、タービン動翼の入口部、特に、シュラウド側及びハブ側の両壁近傍の動翼入口の速度三角形を調整して、または動翼の入口形状を調整して、ガス相対流入速度(W)の流れ方向に沿った動翼の入口形状とすることによって、動翼入口の両壁近傍で生じる流入ガスの衝突損失を低減し、動翼内部で発達する2次流れを抑制することができる。これにより、速度比(U/C0)が小さいマッチング点(作動点)を有するタービンのタービン効率を向上することができるので、ラジアルタービンの動翼への適用に適している。 According to the present invention, the relative inlet of the gas can be obtained by adjusting the velocity triangle of the inlet of the turbine blade, particularly the blade inlet near the shroud and hub walls, or adjusting the inlet shape of the blade. By adopting the shape of the moving blade inlet along the flow direction of velocity (W), the collision loss of the inflowing gas generated near both walls of the moving blade inlet is reduced, and the secondary flow developed inside the moving blade is suppressed. be able to. Thereby, since the turbine efficiency of the turbine having a matching point (operating point) with a small speed ratio (U / C 0 ) can be improved, it is suitable for application to a moving blade of a radial turbine.
1 ラジアルタービン
2 タービンケーシング
3 スクロール
13 タービンロータ
15、50、70 動翼
27 シュラウド側
29 ハブ側
52、72 入口端面
54 ハブ側傾斜部
56 シュラウド側傾斜部
74 ハブ側突出部
76 シュラウド側突出部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記作動ガスが流入する動翼入口の高さ方向を形成するシュラウド側及びハブ側の両壁近傍における翼形状の向きが、動翼入口に流入する作動ガスの流入速度(C)および動翼の周方向の回転速度(U)およびガス相対流入速度(W)によって形成される速度三角形のガス相対流入速度成分の流入方向と一致するように形成されてなることを特徴とするラジアルタービンの動翼。 By causing the working gas to flow radially from the spiral scroll formed in the turbine casing to the rotor blades of the turbine rotor located inside the scroll, and to flow out in the rear axial direction after acting on the rotor blades. In a moving blade of a radial turbine configured to rotationally drive the turbine rotor,
The direction of the blade shape in the vicinity of both the shroud side and hub side walls forming the height direction of the moving blade inlet into which the working gas flows is determined by the inflow velocity (C) of the working gas flowing into the moving blade inlet and the moving blade A moving blade of a radial turbine characterized by being formed so as to coincide with an inflow direction of a gas relative inflow velocity component of a speed triangle formed by a circumferential rotational speed (U) and a gas relative inflow speed (W) .
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