专利名称：涡轮转子的制作方法
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)βΜΕΑΝ把尖梢部叶片角β ΤΙΡ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I^tip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
5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。
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线.
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中压力变化的曲线.线；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线.
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中压力变化的曲线.
线；
具体实施例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M，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M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 —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—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Ll和轮毂轮廓线Hl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 Ll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Hl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Η3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Η2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Ll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Dl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)Dl之间的长度。中央罩轮廓线Lb是从转向位置Dl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Li、L2长度的20%左右，中央罩轮廓线Lb 的长度是罩轮廓线Li、L2长度的60%左右，出口侧罩轮廓线Lc的长度是罩轮廓线Li、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Ll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Ll中入口侧罩轮廓线La的每单位长度的叶片转向角△ β和中央·出口侧罩轮廓线Lb的每单位长度的叶片转向角△ β是大致相同程度。所谓叶片转向角△ β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Δ β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Dl是相对旋转轴S—边减少倾斜角度一边倾斜，从转向位置Dl到规定位置D2是相对旋转轴S —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 —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Λ β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Δ β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Δ β是-2°左右，中央罩轮廓线Lb的叶片转向角Δ β是25°左右，出口侧罩轮廓线Lc的叶片转向角Δ β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M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Ll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Li、L3长度的两成左右， 中央罩轮廓线Lb的长度是罩轮廓线Li、L3长度的六成左右，出口侧罩轮廓线Lc的长度是罩轮廓线Li、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Dl是相对旋转轴S—边把倾斜角度大增加一边倾斜，从转向位置Dl经由规定位置D2而到流出口 11是相对旋转轴S—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Δ β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Δ β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Δ β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IOlb的罩侧形成有效率低的低效率区域Ε1， 在第二分布图W2中，涡轮效率与负压面IOlb的罩侧第一分布图Wl相比，低效率区域El被扩大形成。且在第三分布图W3中，涡轮效率即使在正压面IOla的罩侧，也形成有低效率区域Ε1，在第四分布图W4中，涡轮效率在正压面IOla与负压面IOlb之间的罩侧形成有比低效率区域El效率好的中效率区域Ε2。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3 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El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 Δ β而变化的涡轮效率。图9中，纵轴是涡轮效率的损失率Δ η，横轴是中央 出口侧罩轮廓线Lb、Lc的叶片转向角Δ β。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△ β变大而涡轮效率的损失变大。因此，只要把叶片转向角△ β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Δ β是40°，实施例2涡轮转子6的叶片转向角Δ β是20°。这时，若叶片转向角Δ β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Δ β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Δ β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M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Δ β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Ll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M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
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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Il被形成与旋转轴S大致是同方向。 即如图13所示，罩轮廓线Ll的流入口 105侧周向的角度(叶片角度β)与轮毂轮廓线Hl 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Hl的流入口 105到罩轮廓线Ll的流入口 105的现有流入口轮廓线Il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12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Η3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Η3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12向周向(旋转方向)位移，由此，流入口轮廓线12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12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 Η2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Η2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12向周向(旋转方向)变位，由此，流入口轮廓线12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Ll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Hl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M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Η3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Η3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M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Η2、Η3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Η2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，Mla是现有涡轮转子100的涡轮动叶片101罩侧的负压面 IOlb流速变化的曲线，Mh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IOla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，Mla和Mh其流速的变化不同。具体说就是了解到Mla在其中途流速的变化变大，而Mh在其中途流速的变化比Mla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，Pla是现有涡轮转子100的涡轮动叶片101罩侧的负压面 IOlb压力变化的曲线，Ph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IOla压力变化的曲线，P^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P^其压力的变化是相互大致同样的变化，对此，Pla和Ph其压力的变化不同。具体说就是了解到Pla在其中途压力变小，而Ph在其中途压力比Pla大。由此，P4a与P2a的压力差比P3a与Pla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Η3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，Mlb是现有涡轮转子100的涡轮动叶片101罩侧的负压面 IOlb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IOla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3 流速变化的曲线。在此，M!3b和M4b其流速的变化是相互大致同样的变化，相对地，Mlb和M2b其流速的变化不同。具体说就是了解到Mlb在其中途流速的变化变大，而M2b在其中途流速的变化比Mlb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，Plb是现有涡轮转子100的涡轮动叶片101罩侧的负压面 IOlb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。P!3b是现有涡轮转子100的涡轮动叶片101罩侧的正压面IOla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3 压力变化的曲线。在此，p;3b和P4b其压力的变化是相互大致同样的变化，相对地，Plb和P2b其压力的变化不同。具体说就是了解到Plb在其中途压力变小，而P2b在其中途压力比Plb大。 由此，P4b与P^的压力差比P!3b与Plb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P^与Ph的压力差比 P3a与Pla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P!3b与Plb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M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M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)
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105流入口(现有) 106流出口C间隙 Ll罩轮廓线(现有) L2罩轮廓线(实施例1)L3罩轮廓线(实施例2) Hl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 Dl转向位置 D2规定位置β叶片角度 Δ β叶片转向角 θ叶片角度Il流入口轮廓线(现有) 12流入口轮廓线(本发明)
权利要求
1.一种涡轮转子，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，其特征在于，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，所述各涡轮动叶片与所述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，把所述涡轮动叶片的沿罩侧边缘部而从所述流入口到所述流出口的轮廓线作为罩轮廓线，所述罩轮廓线包括相对所述旋转轴的叶片角度从所述流入口朝向所述流出口而变化小的第一罩轮廓线、与所述第一罩轮廓线的所述流出口侧相连而比所述第一罩轮廓线变化大的第二罩轮廓线和从所述第二罩轮廓线的所述流出口侧连接到所述流出口而比所述第二罩轮廓线变化小的第三罩轮廓线。
2.如权利要求1所述的涡轮转子，其特征在于，所述第三罩轮廓线的叶片角度变化向减少方向变化。
3.一种涡轮转子，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，其特征在于，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，所述各涡轮动叶片与所述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，把所述涡轮动叶片的沿罩侧边缘部而从所述流入口到所述流出口的轮廓线作为罩轮廓线，所述罩轮廓线包括相对所述旋转轴的叶片角度从所述流入口朝向所述流出口而变化大的第一罩轮廓线和从所述第一罩轮廓线的所述流出口侧连接到所述流出口而比所述第一罩轮廓线变化小的第二罩轮廓线。
4.如权利要求3所述的涡轮转子，其特征在于，所述第一罩轮廓线的长度是所述罩轮廓线长度的10 20%长度，所述第二罩轮廓线的长度是从所述罩轮廓线长度减去所述第一罩轮廓线长度的所述罩轮廓线长度的80 90%长度。
5.如权利要求3或4所述这涡轮转子，其特征在于，所述第二罩轮廓线中成为所述叶片角度变化量的叶片转向角是30°以下。
6.如权利要求3到5任一项所述这涡轮转子，其特征在于，所述罩轮廓线的所述第一罩轮廓线是成为所述流入口侧罩轮廓线的入口侧罩轮廓线，所述第二罩轮廓线是从所述入口侧罩轮廓线的所述流出口侧连接到所述流出口的中央·出口侧罩轮廓线，在包含所述轮毂旋转轴的剖面即子午剖面中，所述入口侧罩轮廓线的曲率比所述中央·出口侧罩轮廓线的曲率小。
7.如权利要求6所述这涡轮转子，其特征在于，所述入口侧罩轮廓线被形成R状，另一方面，所述中央 出口侧罩轮廓线被形成直线状。
8.如权利要求1到7任一项所述这涡轮转子，其特征在于，沿所述各涡轮动叶片的所述流入口侧边缘部的轮廓线即流入口轮廓线相对所述旋转轴而向旋转方向倾斜。
9.如权利要求8所述这涡轮转子，其特征在于，相对所述旋转轴的所述流入口轮廓线的倾斜角度是10° 25°。
10.一种涡轮转子，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，其特征在于，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，所述各涡轮动叶片与所述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，把所述涡轮动叶片的沿罩侧边缘部的轮廓线作为罩轮廓线，所述罩轮廓线包括成为所述流入口侧罩轮廓线的入口侧罩轮廓线和从所述入口侧罩轮廓线的所述流出口侧连接到所述流出口的中央·出口侧罩轮廓线，在包含所述轮毂旋转轴的剖面即子午剖面中，所述入口侧罩轮廓线的曲率比所述中央·出口侧罩轮廓线的曲率小。
11.一种涡轮转子，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，其特征在于，具有能够以旋转轴为中心旋转的轮毂、设置在所述轮毂的周面而使从所述流入口流入的所述工作流体向所述流出口流动的多个涡轮动叶片，沿所述各涡轮动叶片的所述流入口侧边缘部的轮廓线即流入口轮廓线相对所述旋转轴而向旋转方向倾斜。
全文摘要
一种涡轮转子，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，各涡轮动叶片把从流入口到流出口的沿涡轮动叶片罩侧边缘部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入口侧罩轮廓线(La)、与入口侧罩轮廓线(La)的流出口侧相连而比入口侧罩轮廓线(La)变化大的中央罩轮廓线(Lb)和从中央罩轮廓线(Lb)的流出口侧连接到流出口而比中央罩轮廓线(Lb)变化小的出口侧罩轮廓线(Lc)。
文档编号F01D5/04GK102459818SQ20108002609
公开日2012年5月16日 申请日期2010年2月16日 优先权日2009年6月26日
发明者大迫雄志, 松尾淳, 横山隆雄 申请人:三菱重工业株式会社