透平渦形管道和動翼的構造的製作方法
2023-05-30 23:49:51
專利名稱：透平渦形管道和動翼的構造的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種透平渦形管道和動翼的構造。透平渦形管道使用於內燃機的增壓器(廢氣增壓器)、小型氣體透平、膨脹式透平等，形成將作動氣體從渦旋狀的渦形管道徑向流入到透平轉子的動翼使其作用於該動翼後沿軸向流出，旋轉驅動該透平轉子這樣的構造的徑流式透平的氣體流路，另外，動翼固定在壓縮機的轉軸上。
背景技術：
使用於汽車用內燃機等的比較小型的增壓器(廢氣增壓器)多採用徑流式透平，該徑流式透平通過使作動氣體從形成在透平汽缸內的渦旋狀的渦形管道沿徑向流入到位於該渦形管道內側透平轉子的動翼，在作用於該動翼後使其沿軸向流出來旋轉驅動該透平轉子。
圖11表示使用這樣的徑流式透平的增壓器的一個例子，在圖中，1是透平汽缸，4是形成在該透平汽缸1內的渦旋狀的渦形管道，5是形成在上述渦旋汽缸1的內周上的氣體出口通路，6是壓縮機殼，9是連接上述透平汽缸1及壓縮機殼6的軸承套。
10是透平轉子，在其外周上沿周向等間隔地固定著多個透平動翼3。7是壓縮機，8是設在該壓縮機7的空氣出口的擴散器，12是連接該透平轉子10和壓縮機7的轉子軸。11是安裝在上述軸承套9上並支承上述轉子軸12的一對軸承。20是上述渦輪轉子10、壓縮機7、及轉子軸12的旋轉軸心。
在具有這樣的徑流式透平的增壓器中，來自內燃機(圖中省略)的排出氣體進入上述渦形管道4，沿該渦形管道4的渦旋轉的同時從多個透平動翼3的外周側入口端面流入該透平動翼3，在朝向透平轉子10中心側沿徑向流動後在該透平轉子10中完成了膨脹工作後，沿軸向流出而從氣體出口通路5被送出到機外。
圖12是表示這樣的徑流式透平中的上述渦形管道4及其附近的構成圖。在圖中，4是渦形管道，41是該渦形管道4的外周壁，43是內周壁，42是側壁。3是透平動翼、36是該透平動翼3的覆環(shroud)側，34是輪轂(hub)側。
上述渦形管道4的半徑方向的寬度ΔR0和旋轉軸心方向的寬度B0形成為基本相同的尺寸(渦形管道寬度比ΔR0/B0＝1)。
另外，圖13(A)、(B)是形成在這樣的徑流式渦旋機的氣體入口內周上的舌部附近的構成圖。圖13(A)是與旋轉軸心垂直的正視圖，圖13(B)是圖13(A)的B-B向視圖。
在圖13(A)、圖13(B)中，4是渦形管道，44是該渦形管道4的入口端面、45是形成在氣體入口內周的舌部，45a是作為該舌部45的下遊端的舌部端，046是位於上述渦形管道4的該舌部端45a正下遊的舌部下遊側壁。
該舌部下遊側壁046間的寬度與上述舌部端45a相同或從該舌部端45a沿渦形管道4的形狀圓滑地縮小。
在這樣的徑流式透平中，一邊沿上述渦形管道4的渦旋轉一邊流入透平動翼3中的氣體的氣體流入速度在透平動翼3的高度方向(Z方向)具有不同的速度分布。
即如圖14所示，上述氣體流入速度C由於形成在上述透平動翼3的入口端面31(參照圖12)附近的具有上述入口端面31的高度B2的15～20％的寬度的三維分界層，作為上述氣體速度C的周方向成分的周向速度Cθ上述入口端面31的中央部大，兩端的角部即覆環側36及輪轂側34變小。另外，作為半徑方向成分的半徑方向速度CR如圖11所示，成為上述入口端面31的中央部小，兩端的角部即覆環側36及輪轂側34變大那樣的高度方向的分布。
而且，當在上述透平動翼3的入口高度方向上有流入氣體的流動分布即流動變形時，在該透平動翼3處的流動損失增加而導致透平效率的降低。即相對於與上述透平動翼3的最佳氣體流入相對角度β1吻合的透平動翼3入口中央部，入口端面31的壁側即上述輪轂側34及覆環側36的氣體流入相對角度β2變大，在上述輪轂側34及覆環側36氣體流入相對角度β的差即衝撞角度(入射角度)變大時，氣體以衝撞角度(入射角度)流入上述透平動翼3的背側，產生動翼入口的衝撞損失，上述輪轂側34及覆環側36處的衝撞角度(入射角度)的增加助長了渦輪動翼3的二次流損失的增加，透平效率降低。
另外，在構成朝向上述透平動翼3的氣體入口流路的上述渦形管道4中，由於該渦形管道4的形狀的原因而產生三維分界層，因此如圖15(B)所示，在透平動翼3的翼高度方向中，半徑方向速度CR構成其上述入口端面31的中央部變小、兩端的角部即覆環側36及輪轂側34變大那樣的流速分布。
但是在圖12及圖13所示的現有透平4中，(1)渦形管道4的流路斷面形狀是半徑方向的寬度ΔR0和旋轉軸心方向的寬度B0形成為基本相同的尺寸(渦旋寬度比ΔR0/B0＝1)的大致正方形斷面。
(2)與透平動翼3的兩端角部即覆環側36及輪轂側34相連的渦形管道4的兩側壁面42是平滑面。
(3)形成為渦形管道4的流路的旋轉軸心方向的寬度B0在半徑方向上一定或從外周側朝向內周側以一定的比例縮小。
上述的結果產生如下的問題。
由於是上述那樣的構成，在朝向上述透平動翼3的氣體入口處，容易形成上述三維分界層。
另外，在上述舌部45處，由於該舌部45厚度的上下壓力差，產生圖13(A)所示的尾流50，在該現有技術中，如圖10所示，由於舌部下遊側壁046間的寬度與舌部端45a同寬或從該舌部端45a沿渦形管道4的形狀圓滑地縮小，因此沒有降低上述尾流50的作用，由此，如圖15(A)所示在周方向上，半徑方向速度CR形成散亂的流動變形。
因此，在這樣的現有技術中，由於上述(1)、(2)、(3)那樣的渦形管道4的形狀而生成三維分界層，由於氣體流在透平動翼3的高度方向具有流動變形地流入透平動翼3，透平動翼3的流動損失增大，導致透平效率降低。
另外，在這樣的現有技術中，有由於上述舌部端45a的下遊側壁046的構成，沒有降低舌部45的厚度T產生的尾流50的作用，而且由於分界層沿周向形成半徑方向速度CR散亂的流動變形，渦形流路損失增大，導致透平效率的降低等的問題。
另外，上述透平動翼3的形狀由於是入口端面31的外徑如圖16(A)的B部分所示那樣地沿覆環側36、中央部、輪轂側34的全高相同，因此動翼周速度U2＝U1。因此在該動翼3的高度方向上氣體流入相對角度β不同，當將圖16(A)的E部分所示的中央部的氣體流入相對角度β1調整為最佳時，圖16(A)的D部分所示的壁側即上述輪轂側34和覆環側36的氣體流入相對角度β2由於來自上述渦形管道4的流動變形而變得比中央部的氣體流入相對角度β1大。
而且，W1、W2是氣體流入相對角度，C1、C2是氣體流入絕對速度。
因此，在這樣的現有技術中，在上述輪轂側34及覆環側36，氣體以衝撞角度(入射角度)流入上述動翼3的背側(負壓面側)，產生動翼入口的衝撞損失，同時上述輪轂側34及覆環側36的衝撞角度(入射角度)的增加助長了動翼3內部的二次流損失的增加，導致透平效率的降低。
發明內容
本發明是鑑於這樣的現有技術的問題而開發出的。即對透平渦形管道和動翼進行了改良。本發明的第一目的是提供一種徑流式透平的渦形管道構造，該渦形管道構造，抑制由透平動翼入口處的渦形管道的形狀引起的三維分界層的生成，通過避免該透平動翼的高度方向中的氣流的流動變形的形成來降低該透平動翼的流動損失，並且通過降低渦形管道流路中的半徑方向速度的周方向離散產生的流動變形的形成而抑制渦形管道流路損失的增大，提高了透平的效率。
本發明的第二目的是提供一種徑流式透平的動翼，該徑流式透平的動翼通過在該動翼的高度方向中將透平動翼入口處的氣體流入相對角度構成為一樣，抑制上述氣體流入相對角度的離散引起的氣體的衝撞損失及動翼內部的二次流動損失，從而可以提高透平的效率。
為了達到改善渦形管道的形狀的第一目的，本發明的透平渦形管道的構造，它是使用於徑流式透平的透平渦形管道的構造，其中通過使作動氣體從形成在透平汽缸內的渦旋狀的渦形管道沿半徑方向流入位於該渦形管道的內側的透平轉子的動翼作用於該動翼後沿軸向流出，來驅動旋轉該透平轉子而構成的，其特徵在於，半徑方向的寬度(ΔR)與旋轉軸心方向的寬度(B)的渦形管道寬度比ΔR/B構成為ΔR/B＝0.3～0.7。
根據這樣的發明，如圖1所示，通過將渦形管道的半徑方向寬度(ΔR)與旋轉軸心方向的寬度(B)的渦形管道寬度比ΔR/B構成為ΔR/B＝0.3～0.7，合計了渦形管道側壁部與內外周壁部的摩擦損失是渦形管道寬度比ΔR/B構成為1的現有技術的相同程度，但是由於將渦形管道的旋轉軸心方向的寬度(B)以是半徑方向的寬度(ΔR)的兩倍左右沿旋轉軸心方向長長地形成而使渦形管道形狀扁平化，因此與動翼兩端角度(即覆環側及輪轂側)對應的該渦形管道的兩側壁處的半徑方向的速度(CR)比上述渦形管道寬度比ΔR/B大致為1的現有技術的減小。因此，在渦形管道內的二次流損失降低。
另外，由此抑制三維分界層的發展，如圖2所示，降低了氣流在動翼高度方向上具有流動變形的狀態下流入該動翼引起的動翼的流動損失、特別是混合損失，提高了透平的效率。
作為另外的實施例，上述渦輪件其特徵在於，上述迴轉軸心方向的寬度(B)從半徑方向外周側朝向內周側以一定的比例擴大。
上述迴轉軸心方向的寬度(B)可以將半徑方向內周端側的寬度(B2)形成為外周端側的寬度(B1)的1.2～1.5倍。
根據這樣的發明，通過將渦形管道的迴轉軸心方向的寬度(B)從半徑方向外周側朝向內周側以一定的比例擴大，與動翼的兩端角部(即覆環側及輪轂側)對應的該渦形管道的兩側壁處的半徑方向速度(CR)成為渦形管道的內周側，隨著接近動翼而被減速，比將上述渦形管道寬度構成為一定的現有技術減少，該渦形管道的旋轉軸心方向中的半徑方向速度(CR)的分布被均勻化。
由此，抑制三維分界層的發展，降低氣流以動翼的高度方向上具有流動變形的狀態流入該動翼所產生的動翼的流動損失，提高了透平效率。
作為其它的實施例，其特徵是，上述渦形管道的側壁是凹凸面。根據這樣的發明，由於將渦形管道的側壁形成為凹凸面，由上述凹凸面使與動翼的兩端角度(即覆環側及輪轂側)對應的該渦形管道的兩側壁處的半徑方向速度(CR)減速，與將渦形管道側壁形成為平滑面的現有技術相比，該渦形管道的旋轉軸心方向上的半徑方向速度(CR)的分布均勻化。
由此，抑制了三維分界層的發展，降低了氣流在動翼的高度方向上具有流動變形的狀態下流入該動翼所引起的動翼的流動損失，提高了透平效率。
另外，作為其它的實施例的使用於徑流式透平的透平渦形管道的構造，其中通過使作動氣體從形成在透平汽缸內的渦旋狀的渦形管道沿半徑方向流入位於渦形管道的內側的透平轉子的動翼並且作用於該動翼後沿軸向流出來驅動旋轉該透平轉子而構成的，其特徵在於，形成於氣體入口內周的舌部的正下遊側的流路橫截面積比舌部端的流路橫截面積在寬度方向上局部地小舌部厚度尺寸(T)。
上述舌部的正下遊側的側壁間的寬度也可以形成為比舌部端的側壁間的寬度在寬度方向上局部地小舌部厚度尺寸(T)。
根據這樣的發明，通過將舌部的正下遊側的流入橫截面積形成的比舌部端的流路橫截面積局部地小(特別是將舌部的正下遊側的側壁間的寬度形成為比舌部端的側壁間的寬度在寬度方向上局部地小舌部厚度尺寸(T))可以降低在舌部產生的尾流而可以降低渦形管道出口處的流動變形。
另外，通過在寬度方向上將舌部的正下遊側的流路寬度局部地縮小舌部厚度尺寸(T)，可以抑制三維分界層的發展，與上述實施例相同地降低氣流以動翼的高度方向上具有流動變形的狀態流入該動翼所產生的動翼的流動損失，提高透平效率。
另外，為了達到上述第二目的，本發明的徑流式透平的動翼，在通過使作動氣體從形成在透平汽缸內的渦旋狀的渦形管道沿半徑方向流入位於渦形管道的內側的透平轉子的動翼而作用於該動翼後沿軸向流出，來驅動旋轉該透平轉子地構成的使用於徑流式透平的透平渦形管道的構造中，其特徵在於，上述動翼在上述作動氣體所流入的入口端面的覆環側及輪轂側具有將角部切落了一定量的切落部。
上述切落部其特徵在於，具有斷面形狀是圓或直線狀的切落。
根據這樣的發明，動翼的入口端面通過在覆環側及輪轂側在角部上形成切落部，上述入口端面的兩端部半徑比中央部小。由此，通過使上述切落部的切落量變化，與動翼入口處的氣體流動分布一致地使動翼入口端面的兩端部即上述覆環側及輪轂側向內周側後退，可以將流入動翼的氣體相對流入角度(β)在動翼的高度方向上調整為最適角度。
因此，根據本發明，可以在動翼的高度方向上使動翼入口處的氣體的衝撞角度(入射角度)一定，避免由現有技術那樣的動翼的高度方向中的氣體相對流入角度的不均勻帶來的動翼入口的衝撞損失和動翼內部的二次流損失的增加，可以防止這樣的損失所帶來的透平效率的降低。
而且，如上所述，在動翼入口端面附近形成著具有該入口端面高度的10％～20％的寬度的三維分界層，由該三維分界層產生動翼入口處的高度方向的氣體相對流入角度的不均勻，但是通過將上述入口端面處的切落部的切落量至少與上述三維分界層的形成寬度一致並將該切落部的半徑方向切落長度構成為上述入口端面的高度的10％～20％，消除了該三維分界層的影響所產生的動翼入口的中央部與兩端部(覆環側及輪轂側)的氣體相對流入角度的不均勻，可以如上所述地使動翼入口處的氣體衝撞角度在動翼的高度方向中一定。
圖1是表示本發明的第一實施例的渦旋體及透平轉子的沿旋轉軸心的上半部分的剖面的構成圖。
圖2是上述第一實施例的作用說明用線圖。
圖3(A)是表示第二實施例的與圖1對應的圖，圖3(B)是氣體流速分布圖。
圖4是表示第三實施例，圖4(A)是與圖1對應的圖，圖4(B)是圖4(A)的A-A向視圖。
圖5是表示第四實施例，圖5(A)是渦形管道的正視圖，圖5(B)是圖5(A)的B-B向視圖。
圖6(A)、(B)、(C)是上述第四實施例的作用說明圖。
圖7(A)、(B)是渦形管道內的氣體流速分布圖。
圖8(A)是使用適用本發明的徑流式透平的增壓器的沿旋轉軸心的剖面圖。圖8(B)是外觀圖。
圖9是本發明的其它實施例的剖面圖。
圖10(A)、(B)是這樣的實施例的抑制透平動翼中的二次流的說明圖。
圖11是現有技術的例子徑流式透平的剖面圖。
圖12是表示現有技術的例子的徑流式透平的渦形管道部分4和附近的構成圖。
圖13(A)、(B)是這樣的徑流式透平的氣體入口內周上形成的舌部附近的構成圖，圖13(A)是與旋轉中心垂直的正視圖，圖13(B)是圖13(A)的B-B向視圖。
圖14是表示氣體流入速度C的作用說明圖。
圖15是現有技術的渦形管道內的氣體流分布圖。
圖16(A)是表示現有技術例子的動翼，圖16(B)是表示作為透平動翼入口處的氣體速度C的周向成分的周向速度Cθ。
圖17是表示動翼入口的周向及高度中的氣體流速的變化的曲線圖。
具體實施例方式
以下，用圖示的實施例詳細說明本發明。但是，該實施例中記載的構成零件的尺寸、材質、形狀、其相對位置等只要沒有特別特定的記載，該發明的範圍不限定於此，只不過僅僅是說明例。
渦形管道的構造帶有徑流式透平的渦輪增壓器的基本構成與圖11所示的現有的渦輪增壓器類似。但是在本發明中對渦形管道的形狀進行了改良。
在圖11中表示了使用了適用本發明的徑流式透平的增壓器的整體構造。1是透平汽缸，4是形成在該透平汽缸1內的渦旋狀的渦形管道，5是形成在上述透平汽缸1的內周上的氣體出口通路，6是壓縮機殼體，9是連接上述透平汽缸1及壓縮機殼體6的軸承套。
10是透平轉子，在其外周上沿圓周向等間隔地固定著多個透平動翼3。7是壓縮機，8是設在該壓縮機7的空氣出口的擴散器，12是連接該透平轉子10和壓縮機7的轉子軸。11是安裝在上述軸承套9上的用於支承上述轉子軸12的一對軸承。20是上述透明轉子10、壓縮機7及轉子軸12的旋轉軸心。
在這樣的具有徑流式透平的增壓器中，從內燃機(圖中未示)出來的排氣進入上述渦形管道4，沿該渦形管道4的渦旋一邊轉一邊從多個透平動翼3的外周側入口端面流入該透平動翼3，在朝向透平轉子10中心側沿半徑方向流動後在該透平轉子10中完成了膨脹工作後沿軸向流出而從氣體出口通路5被送出機外。
即，在表示渦形管道的第一實施例的圖1中，10是透平轉子，在其外周上沿軸向等間隔地固定著多個透平動翼3。
4是形成在透平氣缸1內的渦形管道，41是其外周壁，42是前側及後側的側壁，43是內周壁。上述渦形管道4前側及後側的側壁42間的距離即旋轉軸心20方向的寬度B比外周壁41與內周壁43的距離即半徑方向的寬度ΔR形成得大。
而且上述渦形管道4的上述半徑方向的寬度(ΔR)與旋轉軸心20方向的寬度B的渦形管道寬度比ΔR/B是ΔR/B＝0.3～0.7，最好是ΔR/B＝0.5。
在這樣的實施例中，將渦形管道4的半徑方向的寬度ΔR與旋轉軸心20方向的寬度B的渦形管道寬度比ΔR/B構成為ΔR/B＝0.3～0.7，而將該渦形管道4的旋轉軸心20方向的寬度B沿旋轉軸心20的方向長長地形成為半徑方向的寬度ΔR的兩倍左右，從而使渦形管道形狀扁平化。
由此，合計了渦形管道4的側壁42部與內外周壁41、42部的摩擦損失是與渦形管道寬度比ΔR/B構成為大致1的現有技術的相同程度，但是與作為動翼兩端角部覆環側及輪轂側對應的該渦形管道的兩側壁處的半徑方向的速度CR比上述渦形管道寬度比ΔR/B構成為1左右的現有技術的減小，渦形管道4的旋轉軸心20方向中的半徑方向速度CR的分布被平均化。因此渦形管道內的二次流損失降低。
圖2是表示渦形管道4及透平動翼3的氣體流動損失的模擬結果(上述渦形管道寬度比ΔR/B與壓力損失的關係)。如圖2所示，像本發明(N的範圍)那樣，如果是ΔR/B＝0.3～0.7，最好是ΔR/B＝0.5，則與渦形管道寬度比ΔR/B處於N0的範圍的現有技術相比，氣體流動損失顯著地變小。
由此，抑制了三維分界層的產生，通過了渦形管道4的氣流在透平動翼3的高度方向上具有流動變形地流入該動翼3所引起的動翼3的流動損失特別是混合損失被降低。
圖3(A)、(B)所示的渦形管道的第二實施例中，如(A)所示，將渦形管道4的斷面形狀形成為旋轉軸心20方向寬度的B從半徑方向外周側的寬度B1朝向內周側的寬度B2直線或曲線狀(在該例子中表示直線狀的情況)地以一定的比例擴大。
上述旋轉軸心20方向的寬度B將半徑方向內周側的寬度B2形成為外周端側的寬度B1的1.2～1.5倍。其它的構成與圖1所示的第一實施例相同，與此相同的構件用相同的符號表示。
在這樣的實施例中，由於將渦形管道4的旋轉軸心方向的寬度B從外周壁41朝向內周壁43側沿半徑方向擴大，因此，與透平動翼3的兩端角部即覆環側36及輪轂側34對應的該渦形管道的兩側壁42側的半徑方向速度CR隨著靠近處於渦形管道的內周側的上述透平動翼3而被減速，兩側壁42側的半徑方向的速度CR比將上述渦形管道的寬度構成為一定的現有技術減少，該渦形管道4的旋轉軸心方向中的半徑方向速度(CR)的分布被均勻化。
即，如圖3(B)所示，與渦形管道4的外周側的M1部的半徑方向速度CR的旋轉軸心方向分布其兩側壁42側比中央部大而不均勻，與此相對，在與透平動翼3接近的內周側的M2部的旋轉軸心方向上的半徑方向速度CR的旋轉軸心方向分布通過減速該兩側壁42側的半徑方向速度CR而被均勻化。
由此，抑制了三維分界層的發展，氣流以動翼的高度方向上具有流動變形的狀態流入該動翼所引起的動翼的損失被降低。
在圖4(A)、(B)所示的渦形管道的第三實施例中，將上述渦形管道4的兩側壁042形成為凹凸面。上述兩側壁042的凹凸面無論是如圖4(B)所示地沿半徑方向形成多層同心圓狀的溝、還是形成螺旋狀的溝，只要是起到所需要的後述那樣的半徑方向速度CR的減速作用的凹凸面即可。其它的構成與圖1所示第一實施例相同，與其相同的構件用相同的符號表示。
在這樣的實施例中，通過將渦形管道4的兩側壁042形成為凹凸面，由上述凹凸面減速與上述透平動翼3的兩端角部即覆環側36及輪轂側34對應的該渦形管道4的兩側壁042處的半徑方向CR，比將渦形管道側壁形成為平滑面的現有技術變小，該渦形管道4的旋轉中心方向上的半徑方向速度CR的分布被均勻化。
由此，抑制了三維分界層的產生，氣流以透平動翼的高度方向上具有流動不變形的狀態流入該動翼3所引起的動翼3的損失被降低。
在圖5(A)、(B)所示的第四實施例中，上述渦形管道4的、形成在氣體入口內周的厚度T的舌部45的正下遊側的舌部下遊側壁46間的寬度比舌部端45a處的側壁42間的寬度在寬度方向上局部地縮小舌部寬度尺寸T，使上述舌部45的正下遊側的流路橫截面積比舌部端45a的流路橫截面積局部地變小。
在上述渦形管道4中的氣體流動時，如上所述地由於上述舌部45厚度上下壓力差產生尾流50。然而，在第四實施例中通過將上述舌部下遊側壁46間的寬度在寬度方向局部地小舌部厚度尺寸(T)，而將上述舌部45的正下遊側流路橫截面積局部地比舌部端的流路橫截面積小，因此，由舌部端45a正下遊側的流路節流作用可以降低在上述舌部45產生的尾流50，由此可以減少渦形管道4出口處的流動變形。
另外，在這樣的實施例中，如圖6(C)所示，由於使上述舌部端45a正下遊側的流路寬度局部地變小了的流路節流作用，在舌部45位置(L1)處，與由於分界層的產生，靠近側壁42側壁的周向速度Cθ變小，渦形管道4的旋轉中心20方向的周向速度分布不均勻相對，在舌部下遊46(L2)，避免了靠近側壁42的上述周向速度Cθ的降低而使上述周向分布變均勻。因此，上述旋轉軸心20方向的半徑方向速度CR的分布也變均勻，從而可以抑制三維分界層的產生，降低了氣流以動翼的高度方向上具有流動變形的狀態流入該動翼所引起的動翼的損失。
圖7(A)、(B)表示上述第一～第四實施例的本發明的渦形管道與原來的渦形管道的半徑方向速度CR的分布狀況，圖7(A)表示周向(θ)的分布，圖7(B)表示翼高度方向(Z)的分布。從圖7可知，半徑方向速度CR的周向(θ)的分布由於上述第四實施例而從原來的渦形管道中的A1向本發明的渦形管道中的A2那樣被均勻化，並且半徑方向速度CR的翼高度方向(Z)的分布由於上述第一～第四實施例而從原來的渦形管道中的B1向本發明的渦形管道中的B2那樣地被均勻化。
動翼的構造帶有徑流式透平的渦輪增壓器的基本構成與圖11所示的現有的渦輪增壓器類似。
即，如表示第五實施例的透平動翼的圖8(A)、(B)所示，多個動翼3有規則地固定在透平轉子10的周向上。該透平動翼如下那樣地被構成著。
31是構成氣體入口的入口端面，35是輪轂，37是覆環，32是出口端面，上述入口端面31在將中央部形成為平面並構成高度方向兩端部的覆環側36及輪轂側34形成著將角部切落一定量的切落部33。圖8的(B)表示上述切落部33形成部的斜視形狀。
上述切落部33其斷面形成為具有圓度的曲線狀，而圓滑地連接入口端面31和覆環37及輪轂35。
在圖9所示的透平動翼的其它的例子中，將上述切落部33形成為斷面形狀是直線狀。其它的構成與圖8(A)所示的例子相同，與其相同的構件用相同的符號表示，在該實施例的情況下，由於切落部33的斷面形狀是直線狀，因此可以容易地調整後述那樣的輪轂側34的直徑D1及覆環側36的直徑D2。
上述切落部33的翼高度方向的切落量c及半徑方向切落量d1及d2如圖16(B)所示，由於上述三維分界層的形成寬度小於上述入口端面31的高度B的20％，因此與上述三維分界層的形成寬度一致地構成為上述入口端面31的高度B的10％～20％。D0是上述入口端面31的中央直徑，D1是輪轂側34的切落部直徑，D2是覆環側36的切落部直徑。上述切落部33的切落量如下所述地進行設定。
在圖16(A)中，與將入口端面31高度的中央部的氣體相對流入角度β1調整為最佳值的該入口端面31中央部的直徑D0，將輪轂側34和覆環側36的直徑相對於上述中央部後退上述切落量d1及d2而分別成為D1及D2。
上述輪轂側34的直徑D1及覆環側36的直徑D2從圖16(B)所示的動翼入口處的氣體絕對流速C的周向成分Cθ與動翼入口處的周速U的關係求出。即，上述絕對流速C的周向成分Cθ由於當動翼入口直徑減小時由自由渦旋的法則(Cθ·R＝一定)增速，另外周速度U(U＝πDN/60，N是透平轉子的轉速)相反地減小，因此由上述切落部33將上述輪轂側34的直徑D1和覆環側36的直徑D2即上述入口端面31的兩端部的直徑比中央部直徑D0後退上述切落量d1和d2，增速絕對流速C的周向成分Cθ同時減小周速度U，由此使上述兩端部的氣體相對流入角度β2減小到中央部的氣體相對流入角度β1而成為最佳值。
在此，入口端面31的中央部及兩端部(輪轂側34及覆環側36)處的上述絕對流速C的周向成分Cθ與半徑方向成分CR之比從圖16(A)速度三角形及圖16(B)可知，因此從這樣的關係使上述兩端部(輪轂側34及覆環側36)的動翼入口直徑D1及D2比中央部的直徑D0成為90％～99％地後退，獲得上述兩端部氣體相對流入角度β2的最佳值。
圖10(A)、(B)表示這樣的實施例的透平動翼3與現有透平動翼的該透平動翼3內的二次流的狀態的比較。二次流是相對於主流在垂直方向上產生的流。在圖中，S1表示原來的二次流狀態，S2表示本發明的實施例的二次流狀態，(A)表示翼面的二次流所產生的動翼內部的流的影響，(B)表示覆環面的二次流產生的動翼內部流的影響。在圖10(A)中可知，在原來的S1中，產生朝向負壓面F1側的翼出口、向覆環側(翼頂方向)上升的二次流，但是在這樣的實施例中，通過形成上述切落部33，抑制了二次流在輪轂側流動(S2)。另外，從圖(B)可知，在原來的S1中，二次流產生在覆環面側，但是在這樣的實施例中通過形成上述切落部33抑制了二次流，在壓力面F2側流動。
這樣，氣體在動翼3的入口側(覆環、輪轂)朝向負壓面F1側的衝撞角度(入射角度)變小，減少了動翼入口的衝撞損失，同時抑制了二次流。
根據這樣的實施例，通過透平動翼3的入口端面31在覆環側36及輪轂側34，在角部上形成切落部33，上述入口端面31的兩端部直徑D1及D2比中央部的直徑D0小，通過使上述切落部的切落量變化，使動翼3的入口端面31的兩端部即上述覆環側3及輪轂側34與動翼入口的氣體的流動分布對應地向內周側後退，可以將流入動翼3的氣體的相對流入角度(β)在該動翼的高度方向上調整為最佳角度。
由此，可以將動翼入口處的氣體的衝撞角度(入射角度)在動翼3的高度方向上為一定。
在以上所記載那樣的本發明中，由於將渦形管道的半徑方向的寬度(ΔR)與旋轉軸心方向的寬度(B)的渦形管道寬度比ΔR/B構成為0.3～0.7，而使渦形管道的形狀扁平化，因此與動翼的兩端角部對應的該渦形管道的兩側壁處的半徑方向速度比渦形管道寬度比ΔR/B構成為1左右的現有技術減小，由此抑制了三維分界層的發展，降低了氣體在動翼的高度方向具有流動變形的狀態下流入該動翼所生的動翼的流動損失。
與動翼兩端部對應的該渦形管道的兩側壁處的半徑方向速度隨著接近成為渦形管道的內周側的動翼而被減速，比將渦形管道寬度構件為一定的現有技術減小，該渦形管道的旋轉軸心半徑方向的速度分布被均勻化，由此抑制了三維分界層的發展，降低了氣流在動翼的高度方向具有流動變形的狀態下流入該動翼產生的動翼的流動損失。
與動翼兩端部對應的該渦形管道的兩側壁處的半徑方向速度由上述凹凸面減速，比將渦形管道側壁形成為平滑面的現有技術減小，而將該渦形管道的旋轉軸心半徑方向的速度分布被均勻化，由此抑制了三維分界層的發展，降低了氣流在動翼的高度方向具有流動變形的狀態下流入該動翼所生的動翼的流動損失。
在本發明中，通過將舌部的正下遊側的流路橫截面積比舌部端的流路橫截面積局部地變小，可以降低在舌部產生的尾流，可以降低渦形管道出口處的流動變形。
另外，在本發明中通過將舌部的正下遊側的流路寬度局部地縮小舌部厚度尺寸(T)，可以抑制三維分界面的發展，降低了氣流在動翼的高度方向具有流動變形的狀態下流入該動翼所生的動翼的流動損失。
根據以上所記載的本發明，通過在動翼的入口端面的覆環側及輪轂側的角部形成切落部，使動翼的入口端面的兩端部與動翼入口處的氣體的流動分布對應地向內周側後退，可以將流入動翼的氣體的相對流入角度(β)在動翼高度方向上調整為最佳角度。
由此，可以在動翼的高度方向上使動翼入口處的氣體的衝撞角度(入射角度)成為一定，避免由於動翼的高度方向的氣體相對流入角度的不均勻而產生的動翼入口的衝撞損失和動翼內部的二次流損失增加，可以防止由這樣的損失引起的透平效率的降低。
另外，在本發明中，通過將上述入口端面處的切落部的切落量至少與上述三維分界層的形成寬度一致地將該切落部的半徑方向切落長度構成為上述入口端面的高度的10％～20％，消除了該三維分界層的影響所產生的動翼入口的中央部與兩端部(覆環側及輪轂側)的氣體相對流入角度的不均勻，可以如上所述地使動翼入口處的氣體衝撞角度在動翼的高度方向中一定。
以上，根據本發明，可以降低渦形管道及動翼的氣體流動損失，由此可以提高透平的效率。
權利要求
1.一種徑流式透平的渦形管道構造，它是使用於徑流式透平的透平渦形管道的構造，它是通過使作動氣體從形成在透平汽缸內的渦旋狀的渦形管道沿半徑方向流入位於渦形管道的內側的透平轉子的動翼並作用於該動翼後沿軸向流出來驅動旋轉該透平轉子的，其特徵在於，半徑方向的寬度(ΔR)與旋轉軸心方向的寬度(B)的渦形管道寬度比ΔR/B構成為ΔR/B＝0.3～0.7。
2.如權利要求1所述的徑流式透平的渦形管道構造，其特徵在於，上述渦形管道的上述迴轉軸心方向的寬度(B)從半徑方向外周側朝向內周側以一定比例擴大。
3.如權利要求1所述的徑流式透平的渦形管道構造，其特徵在於，上述迴轉軸心方向的寬度(B)將半徑方向內周端側的寬度(B2)形成為外周端側的寬度(B1)的1.2～1.5倍。
4.如權利要求1所述的徑流式透平的渦形管道構造，其特徵在於，上述渦形管道的側壁是凹凸面。
5.一種徑流式透平的渦形管道構造，它是使用於徑流式透平的透平渦形管道的構造，它是通過使作動氣體從形成在透平汽缸內的渦旋狀的渦形管道沿半徑方向流入位於渦形管道的內側的透平轉子的動翼並作用於該動翼後沿軸向流出來驅動旋轉該透平轉子的，其特徵在於，形成於氣體入口內周的舌部的正下遊側的流路橫截面積比舌部端的流路橫截面積在寬度方向上局部地小舌部厚度尺寸(T)。
6.如權利要求5所述的徑流式透平的渦形管道構造，其特徵在於，上述舌部的正下遊側的側壁間的寬度形成為比舌部端的側壁間的寬度在寬度方向上局部地小舌部厚度尺寸(T)。
7.一種徑流式透平的動翼，它在通過使作動氣體從形成在透平汽缸內的渦旋狀的渦形管道沿半徑方向流入位於渦形管道的內側的透平轉子的動翼並作用於該動翼後沿軸向流出來驅動旋轉該透平轉子的透平渦形管道的構造中，其特徵在於，上述動翼在上述作動氣體所流入的入口端面的覆環側及輪轂側具有將角部切落了一定量的切落部。
8.如權利要求7所述的徑流式透平的動翼，其特徵在於，上述切落部其至少半徑方向的切落高度為上述入口端面的寬度的10％～20％。
9.如權利要求7所述的徑流式透平的動翼，其特徵在於，上述切落部的斷面形狀是具有圓度的曲線狀。
10.如權利要求7所述的徑流式透平的動翼，其特徵在於，上述切落部的斷面形狀是直線狀。
全文摘要
在本發明中對透平渦形管道和透平動翼進行了改進。在徑流式透平的渦形管道的構造中，半徑方向的寬度(ΔR)與旋轉軸心方向的寬度(B)的渦形管道寬度比ΔR/B構成為ΔR/B＝0.3～0.7。另外，動翼在上述作動氣體流入的入口端面的覆環側及輪轂側具有將角度切落一定量的切落部。
文檔編號F01D9/02GK1412417SQ02147229
公開日2003年4月23日 申請日期2002年10月18日 優先權日2001年10月19日
發明者大迫雄志, 前川昌三, 惠比壽幹, 內海亮二, 御子神隆 申請人:三菱重工業株式會社