タービンロータ
【課題】タービンの性能の低下を抑制することができるタービンロータを提供する。
【解決手段】回転軸となるハブと、ハブの周面に設けられ、流入口から流入する作動流体を流出口へ向けて受け流す複数のタービン動翼と、を備え、各タービン動翼は、流入口から流出口に至るタービン動翼のシュラウド側縁部に沿ったラインをシュラウドラインとし、シュラウドラインは、回転軸に対する翼角度が、流入口から流出口へ向けて小さな変化となる入口側シュラウドラインＬａと、入口側シュラウドラインＬａの流出口側に連なり、入口側シュラウドラインＬａよりも大きな変化となる中央シュラウドラインＬｂと、中央シュラウドラインＬｂの流出口側から流出口まで連なり、中央シュラウドラインＬｂよりも小さな変化となる出口側シュラウドラインＬｃと、で構成されている。
【解決手段】回転軸となるハブと、ハブの周面に設けられ、流入口から流入する作動流体を流出口へ向けて受け流す複数のタービン動翼と、を備え、各タービン動翼は、流入口から流出口に至るタービン動翼のシュラウド側縁部に沿ったラインをシュラウドラインとし、シュラウドラインは、回転軸に対する翼角度が、流入口から流出口へ向けて小さな変化となる入口側シュラウドラインＬａと、入口側シュラウドラインＬａの流出口側に連なり、入口側シュラウドラインＬａよりも大きな変化となる中央シュラウドラインＬｂと、中央シュラウドラインＬｂの流出口側から流出口まで連なり、中央シュラウドラインＬｂよりも小さな変化となる出口側シュラウドラインＬｃと、で構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、径方向から流入した作動流体を軸方向に流出させるラジアルタービンや斜流タービン等のタービンロータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、主軸周りに複数設置されるタービン動翼を備えたタービンインペラ（タービンロータ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。このタービンインペラのタービン動翼は、流体出口後縁部の羽根角のうち、ハブ部（ハブ側）とチップ部（シュラウド側）との間のミーン部の羽根角（主軸に対するキャンバー面の角度）βＭＥＡＮが、チップ部の羽根角βＴＩＰ、ハブ部からミーン部までの距離ＲＭＥＡＮ、及び、ハブ部からチップ部までの距離ＲＴＩＰを変数として、所定の算出式に基づいて設定されている。これにより、ラジアルタービンの性能向上を図ることが可能なタービン動翼とすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１３３７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、タービンは、上記のタービンロータを備えているが、このタービンロータの外側には、タービンロータのケーシングとなるシュラウドが配設されている。このとき、タービンロータのタービン動翼とシュラウドとの間には、タービンロータの回転を許容すべく、隙間が生じている。
【０００５】
このとき、タービン動翼とシュラウドとの間に生じた隙間から、作動流体が漏洩してしまうと、タービンの性能は低下してしまう。作動流体が漏洩する原因として、タービン動翼は、その一方の面が正圧面、その他方の面が負圧面となっており、タービン動翼のシュラウド側において、正圧面と負圧面との圧力差が大きくなってしまうからである。具体的に、タービン動翼のシュラウド側において、負圧面上を流れる作動流体の流速が増大すると、負圧面の圧力が低下することにより、正圧面と負圧面との圧力差が大きくなる。そして、正圧面と負圧面との圧力差が大きくなると、タービンロータに流入した作動流体は、タービン動翼とシュラウドとの間に生じた隙間から漏洩し易くなるため、タービンは、作動流体が漏洩した分、その性能が低下してしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、タービンの性能を向上させることが可能なタービンロータを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のタービンロータは、流入口を介して径方向から流入した作動流体を、流出口を介して軸方向に流出させるタービンのタービンロータにおいて、回転軸を中心に回転可能なハブと、ハブの周面に設けられ、流入口から流入する作動流体を流出口へ向けて受け流す複数のタービン動翼と、を備え、各タービン動翼は、ハブに接続された基端側がハブ側となっており、自由端となる先端側がシュラウド側となっており、タービン動翼のシュラウド側縁部に沿った流入口から流出口へ至るラインをシュラウドラインとし、シュラウドラインは、回転軸に対する翼角度が、流入口から流出口へ向けて小さな変化となる第１シュラウドラインと、第１シュラウドラインの流出口側に連なり、第１シュラウドラインよりも大きな変化となる第２シュラウドラインと、第２シュラウドラインの流出口側から流出口まで連なり、第２シュラウドラインよりも小さな変化となる第３シュラウドラインと、で構成されていることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、第２シュラウドラインの翼角度の変化を、第１シュラウドラインおよび第３シュラウドラインの翼角度の変化に比して、大きくすることができる。ここで、翼角度とは、回転軸に対するシュラウドラインの傾斜角度である。このため、第２シュラウドラインにおけるタービン動翼の翼角度の変化を大きく、第１シュラウドラインおよび第３シュラウドラインにおけるタービン動翼の翼角度の変化を小さくすることができる。これにより、タービン動翼のシュラウド側の負圧面上を流れる作動流体の流速の増加を抑制できることから、タービン動翼のシュラウド側の負圧面における圧力の低下を抑制することができるため、正圧面と負圧面との圧力差を小さくすることができ、タービン動翼とシュラウドとの間の隙間から、作動流体が漏洩することを抑制することができる。
【０００９】
この場合、第３シュラウドラインの翼角度の変化は、減少方向への変化となっていることが、好ましい。
【００１０】
この構成によれば、流出口側におけるタービン動翼間の形状を、ノズル形状とすることができるため、タービン効率の向上を図ることができる。
【００１１】
また、本発明の他のタービンロータは、流入口を介して径方向から流入した作動流体を、流出口を介して軸方向に流出させるタービンのタービンロータにおいて、回転軸を中心に回転可能なハブと、ハブの周面に設けられ、流入口から流入する作動流体を流出口へ向けて受け流す複数のタービン動翼と、を備え、各タービン動翼は、ハブに接続された基端側がハブ側となっており、自由端となる先端側がシュラウド側となっており、タービン動翼のシュラウド側縁部に沿った流入口から流出口へ至るラインをシュラウドラインとし、シュラウドラインは、回転軸に対する翼角度が、流入口から流出口へ向けて大きな変化となる第１シュラウドラインと、第１シュラウドラインの流出口側から流出口まで連なり、第１シュラウドラインよりも小さな変化となる第２シュラウドラインと、で構成されていることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、第１シュラウドラインの翼角度の変化を、第２シュラウドラインの翼角度の変化に比して、大きくすることができる。つまり、第１シュラウドラインにおけるタービン動翼の翼角度の変化を大きく、第２シュラウドラインにおけるタービン動翼の翼角度の変化を小さくすることができる。これにより、第２シュラウドラインにおけるタービン動翼の翼角度の変化を小さくすることで、第２シュラウドラインを直線に近づけることができ、タービン動翼のシュラウド側の負圧面上を流れる作動流体の流速の増加を抑制することができる。以上から、タービン動翼のシュラウド側の負圧面における圧力の低下を抑制することができるため、正圧面と負圧面との圧力差を小さくすることができ、タービン動翼とシュラウドとの間の隙間から、作動流体が漏洩することを抑制することができる。
【００１３】
この場合、第１シュラウドラインの長さは、シュラウドラインの長さの１〜２割の長さとなっており、第２シュラウドラインの長さは、シュラウドラインの長さから第１シュラウドラインの長さを引いた、シュラウドラインの長さの８〜９割の長さとなっていることが、好ましい。
【００１４】
この構成によれば、シュラウドラインの長さの１〜２割を第１シュラウドラインとし、８〜９割を第２シュラウドラインとすることで、第１シュラウドラインの長さを、第２シュラウドラインの長さに比して短くすることができる。これにより、第２シュラウドラインの長さを長くすることができるため、タービン動翼の第２シュラウドラインを、さらに直線に近づけることができる。
【００１５】
この場合、第２シュラウドラインにおける翼角度の変化量となる翼転向角は、３０°以下であることが、好ましい。
【００１６】
この構成によれば、第２シュラウドラインにおける翼転向角を３０°以下にすることで、タービン動翼のシュラウド側の負圧面上を流れる作動流体の流速の増速を好適に抑制することができる。
【００１７】
この場合、シュラウドラインは、第１シュラウドラインが、流入口側のシュラウドラインとなる入口側シュラウドラインであり、第２シュラウドラインが、入口側シュラウドラインの流出口側から流出口まで連なる中央・出口側シュラウドラインであり、ハブの回転軸を含む断面となる子午断面において、入口側シュラウドラインの曲率は、中央・出口側シュラウドラインの曲率に比して、小さくなっていることが、好ましい。
【００１８】
この構成によれば、入口側シュラウドラインの曲率を、中央・出口側シュラウドラインの曲率に比して小さくすることができる。これにより、中央・出口側シュラウドラインの曲率を大きくすることができるため、シュラウド側の負圧面側において、作動流体の流速の増加を抑制することができる。従って、タービン動翼のシュラウド側における負圧面の圧力の低下を抑制することができ、タービン動翼とシュラウドとの間の隙間から、作動流体が漏洩することを抑制することができる。なお、タービン動翼間には、流入口から流出口へ至る作動流体の流路が形成され、流路は、その流れ方向が径方向から転向部を介して軸方向へ転向しており、入口側シュラウドラインは、流入口から転向部までの間の長さとなっている。
【００１９】
この場合、入口側シュラウドラインは、Ｒ状に形成される一方、中央・出口側シュラウドラインは、直線状に形成されていることが、好ましい。
【００２０】
この構成によれば、入口側シュラウドラインをＲ状に形成し、中央・出口側シュラウドラインを直線状に形成することができるため、タービン動翼のシュラウド側における負圧面の圧力の低下をさらに抑制することができる。
【００２１】
この場合、各タービン動翼の流入口側縁部に沿ったラインである流入口ラインは、回転軸に対し、回転方向へ傾いていることが、好ましい。
【００２２】
この構成によれば、流入口から流入する作動流体をハブ側へ向かわせることができる。このため、作動流体がシュラウド側へ向かって集中的に流れることを抑制することができるため、タービン動翼とシュラウドとの間の隙間へ流れることを抑制することができ、これにより、隙間から作動流体が漏洩することを抑制することができる。
【００２３】
この場合、回転軸に対する流入口ラインの傾斜角度は、１０°〜２５°であることが、好ましい。
【００２４】
この構成によれば、流入口ラインの傾斜角度を好適なものとすることができるため、作動流体の漏洩を適切に抑制することができる。
【００２５】
また、本発明の他のタービンロータは、流入口を介して径方向から流入した作動流体を、流出口を介して軸方向に流出させるタービンのタービンロータにおいて、回転軸を中心に回転可能なハブと、ハブの周面に設けられ、流入口から流入する作動流体を流出口へ向けて受け流す複数のタービン動翼と、を備え、各タービン動翼は、ハブに接続された基端側がハブ側となっており、自由端となる先端側がシュラウド側となっており、タービン動翼のシュラウド側縁部に沿ったラインをシュラウドラインとし、シュラウドラインは、流入口側のシュラウドラインとなる入口側シュラウドラインと、入口側シュラウドラインの流出口側から流出口まで連なる中央・出口側シュラウドラインと、で構成され、ハブの回転軸を含む断面となる子午断面において、入口側シュラウドラインの曲率は、中央・出口側シュラウドラインの曲率に比して、小さくなっていることを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、入口側シュラウドラインの曲率を、中央・出口側シュラウドラインの曲率に比して小さくすることができる。これにより、中央・出口側シュラウドラインの曲率を大きくすることができるため、シュラウド側の負圧面側において、作動流体の流速の増加を抑制することができる。従って、タービン動翼のシュラウド側における負圧面の圧力の低下を抑制することができ、タービン動翼とシュラウドとの間の隙間から、作動流体が漏洩することを抑制することができる。
【００２７】
さらに、本発明の他のタービンロータは、流入口を介して径方向から流入した作動流体を、流出口を介して軸方向に流出させるタービンのタービンロータにおいて、回転軸を中心に回転可能なハブと、ハブの周面に設けられ、流入口から流入する作動流体を流出口へ向けて受け流す複数のタービン動翼と、を備え、各タービン動翼の流入口側縁部に沿ったラインである流入口ラインは、回転軸に対し、回転方向へ傾いていることを特徴とする。
【００２８】
この構成によれば、流入口から流入する作動流体をハブ側へ向かわせることができる。このため、作動流体がシュラウド側へ向かって集中的に流れることを抑制することができるため、タービン動翼とシュラウドとの間の隙間へ流れることを抑制することができ、これにより、隙間から作動流体が漏洩することを抑制することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明のタービンロータによれば、各タービン動翼の形状を好適なものとすることができるため、タービンの性能向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、実施例１に係るタービンロータを備えたラジアルタービンを模式的に表した子午断面図である。
【図２】図２は、実施例１に係るタービンロータの外観斜視図である。
【図３】図３は、従来に係るタービンロータの外観斜視図である。
【図４】図４は、従来のタービンロータおよび実施例２のタービンロータのシュラウドラインおよびハブラインにおけるタービン動翼の翼角度の分布に関するグラフである。
【図５】図５は、実施例１のタービンロータおよび実施例２のタービンロータのシュラウドラインおよびハブラインにおけるタービン動翼の翼角度の分布に関するグラフである。
【図６】図６は、実施例２に係るタービンロータの外観斜視図である。
【図７】図７は、従来に係るタービンロータの流路内におけるタービン効率の分布図である。
【図８】図８は、実施例２に係るタービンロータの流路内におけるタービン効率の分布図である。
【図９】図９は、実施例２に係るタービンロータの翼転向角に応じて変化するタービン効率の損失に関するグラフである。
【図１０】図１０は、実施例３に係るタービンロータおよび従来に係るタービンロータのタービン動翼の子午断面図である。
【図１１】図１１は、実施例４に係るタービンロータの一部を示す外観斜視図である。
【図１２】図１２は、従来に係るタービンロータの一部を示す外観斜視図である。
【図１３】図１３は、実施例４の構成を適用した実施例２のタービン動翼、および従来のタービン動翼の周方向（θ方向）におけるそれぞれの翼角度の分布を表したグラフである。
【図１４】図１４は、実施例４の構成を適用した実施例１のタービン動翼、および実施例４の構成を適用した実施例２のタービン動翼の周方向（θ方向）におけるそれぞれの翼角度の分布を表したグラフである。
【図１５】図１５は、従来のタービンロータの流路内における作動流体の流線を表した子午断面図である。
【図１６】図１６は、実施例４のタービンロータの流路内における作動流体の流線を表した子午断面図である。
【図１７】図１７は、従来および実施例１に係るタービン動翼のシュラウド側における正圧面と負圧面との流速変化を示すグラフである。
【図１８】図１８は、従来および実施例１に係るタービン動翼のシュラウド側における正圧面と負圧面との圧力変化を示すグラフである。
【図１９】図１９は、従来および実施例２に係るタービン動翼のシュラウド側における正圧面と負圧面との流速変化を示すグラフである。
【図２０】図２０は、従来および実施例２に係るタービン動翼のシュラウド側における正圧面と負圧面との圧力変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、添付した図面を参照して、本発明に係るタービンロータについて説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００３２】
図１に示すように、タービンロータ６は、ラジアルタービン１の一部を構成しており、ラジアルタービン１は、外殻となるタービンケーシング５と、タービンケーシング５の内部に配設されたタービンロータ６とで構成されている。
【００３３】
タービンケーシング５は、その中央内部に配設されたタービンロータ６の回転軸Ｓの軸方向に流出口１１が形成され、タービンロータ６の外側の周方向に渦巻状のスクロール１２が形成されている。そして、スクロール１２内を流れる作動流体は、スクロール１２とタービンロータ６との間に形成された流入口１３を介して径方向からタービンロータ６へ流入し、タービンロータ６を通過して、流出口１１から流出する。
【００３４】
タービンロータ６は、回転軸Ｓを中心に回転するハブ２０と、ハブ２０の周面に設けられると共に軸心から放射状に配設された複数のタービン動翼２１と、を有しており、流入した作動流体を複数のタービン動翼２１に受けて回転するよう構成されている。
【００３５】
このとき、タービンケーシング５は、タービンロータ６のタービン動翼２１に対向するシュラウド２４を有しており、シュラウド２４、ハブ２０および各タービン動翼２１により作動流体が流れる流路Ｒが区画されている。
【００３６】
また、各タービン動翼２１は、ハブ２０の周面（ハブ面２０ａ）に接続された固定端側（基端側）がハブ側となっており、シュラウド側に近接した自由端側（先端側）がシュラウド側となっている。また、図１に示すように、流入口１３から流出口１１に至るタービン動翼２１のシュラウド側縁部に沿ったラインをシュラウドラインＬ２とし、流入口１３から流出口１１に至るタービン動翼２１のハブ側縁部に沿ったラインをハブラインＨ２としている。このとき、各タービン動翼２１とシュラウド２４との間には、タービンロータ６が回転可能なように隙間Ｃが形成されている。
【００３７】
従って、タービンロータ６の径方向から流入口１３を介して作動流体が流入すると、流入した作動流体は流路Ｒを通過し、これにより、各タービン動翼２１は、流入した作動流体を受けて回転する。このとき、流路Ｒを構成する一方のタービン動翼２１のキャンバー面は正圧面２１ａとなっており、他方のタービン動翼２１のキャンバー面は負圧面２１ｂとなっている。換言すれば、各タービン動翼２１の一方のキャンバー面が正圧面２１ａとなっており、他方のキャンバー面が負圧面２１ｂとなっている。そして、流路Ｒを通過した作動流体は、流出口１１から流出する。
【００３８】
ここで、図２を参照して、実施例１のタービンロータ６のタービン動翼２１を示すと共に、図３を参照して、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１を示す。また、図４および図５から、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１の形状と、実施例１のタービンロータ６のタービン動翼２１の形状とを、後述する実施例２のタービンロータ３０のタービン動翼３２の形状を介して、間接的に比較する。以下、実施例１のタービンロータ６のタービン動翼２１の特徴部分について説明する。
【００３９】
図４には、従来のタービン動翼１０１におけるシュラウドラインＬ１およびハブラインＨ１と、実施例２のタービン動翼３２におけるシュラウドラインＬ３およびハブラインＨ３とが描かれている。また、図５には、実施例１のタービン動翼２１におけるシュラウドラインＬ２およびハブラインＨ２と、実施例２のタービン動翼３２におけるシュラウドラインＬ３およびハブラインＨ３とが描かれている。
【００４０】
従来のタービン動翼１０１は、流入口１０５から流出口１０６にかけて、回転軸Ｓに対するシュラウドラインＬ１の傾斜角度（翼角度β）の変化が徐々に増加している。次に、実施例２のタービン動翼３２は、流入口３４から流出口３５にかけて、回転軸Ｓに対するシュラウドラインＬ３の傾斜角度（翼角度β）の変化が、流入口３４側において大きく、中央および流出口３５側において小さくなっている。そして、実施例１のタービン動翼２１は、流入口１３から流出口１１にかけて、回転軸Ｓに対するシュラウドラインＬ２の傾斜角度（翼角度β）の変化が、流入口１３側において小さく、中央において大きく、流出口１１側において小さくなっている。
【００４１】
一方、従来のタービン動翼１０１は、流入口１０５から流出口１０６にかけて、回転軸Ｓに対するハブラインＨ１の傾斜角度（翼角度β）が、流入口１０５側において略平坦となっており、中央および流出口１０６側において徐々に増加している。次に、実施例２のタービン動翼３２は、回転軸Ｓに対するハブラインＨ３の傾斜角度（翼角度β）が、流入口３４側から中央にかけて減少しており、中央から流出口３５側にかけて増加している。そして、実施例１のタービン動翼２１は、実施例２と同様に、回転軸Ｓに対するハブラインＨ２の傾斜角度（翼角度β）が、流入口１３側から中央にかけて減少しており、中央から流出口１１側にかけて増加している。
【００４２】
具体的に、図４および図５を参照して、従来のタービン動翼１０１のシュラウドラインＬ１における翼角度βと、実施例１のタービン動翼２１のシュラウドラインＬ２における翼角度βとについて説明する。図４および図５に示すグラフは、その横軸が、子午断面（回転軸Ｓを含む断面）におけるシュラウドラインの流入口１３，１０５から流出口１１，１０６までの長さとなっており、その縦軸が翼角度βとなっている。
【００４３】
このとき、シュラウドラインＬ１，Ｌ２は、流入口１３，１０５側における入口側シュラウドラインＬａ（第１シュラウドライン）と、流出口１１，１０６側における出口側シュラウドラインＬｃ（第３シュラウドライン）と、入口側シュラウドラインＬａおよび出口側シュラウドラインＬｃの間の中央シュラウドラインＬｂ（第２シュラウドライン）とで構成されている。具体的に、流入口１３，１０５から流出口１１，１０６へ至る作動流体の流路Ｒは、その流れ方向が径方向から転向位置Ｄ１を介して軸方向へ転向しており、入口側シュラウドラインＬａは、流入口１３，１０５から転向位置（転向部）Ｄ１までの間の長さとなっている。また、中央シュラウドラインＬｂは、転向位置Ｄ１から所定長さ離れた所定位置Ｄ２までの長さとなっている。そして、出口側シュラウドラインＬｃは、所定位置Ｄ２から流出口１１，１０６までの間の長さとなっている。
【００４４】
そして、入口側シュラウドラインＬａの長さは、シュラウドラインＬ１，Ｌ２の長さの２割程度となっており、中央シュラウドラインＬｂの長さは、シュラウドラインＬ１，Ｌ２の長さの６割程度となっており、出口側シュラウドラインＬｃの長さは、シュラウドラインＬ１，Ｌ２の長さの２割程度となっている。
【００４５】
図４のグラフを見るに、従来のタービン動翼１０１では、シュラウドラインＬ１の流入口１０５から流出口１０６にかけて、翼角度βの変化がほぼ一定の割合で減少している。すなわち、従来のタービン動翼１０１のシュラウド側における翼角度βは、流出口１０６へ向かうにつれて、回転軸Ｓに対し徐々に傾斜してゆく。具体的に、シュラウドラインＬ１における入口側シュラウドラインＬａの単位長さあたりの翼転向角Δβと、中央・出口側シュラウドラインＬｂの単位長さあたりの翼転向角Δβとは、ほぼ同程度となっている。なお、翼転向角Δβとは、翼角度βの変化量であり、従来のタービン動翼１０１において、中央・出口側シュラウドラインＬｂにおける翼転向角Δβは、ほぼ４０°となっている。
【００４６】
一方、図５のグラフを見るに、実施例１のタービン動翼２１では、シュラウドラインＬ２において、入口側シュラウドラインＬａの翼角度βが減少方向に小さく変化し、中央シュラウドラインＬｂの翼角度βが増加方向に大きく変化し、出口側シュラウドラインＬｃの翼角度βが減少方向に小さく変化している。すなわち、実施例１のタービン動翼２１のシュラウド側における翼角度βは、流入口１３から転向位置Ｄ１へかけて、回転軸Ｓに対し傾斜角度を減少させながら傾斜してゆき、転向位置Ｄ１から所定位置Ｄ２へかけて、回転軸Ｓに対し傾斜角度を増加させながら傾斜してゆき、所定位置Ｄ２から流出口１１へかけて、回転軸Ｓに対し傾斜角度を減少させながら傾斜してゆく。具体的に、中央シュラウドラインＬｂの単位長さあたりの翼転向角Δβは、入口側シュラウドラインＬａおよび出口側シュラウドラインＬｃの単位長さあたりの翼転向角Δβに比して、大きくなっている。なお、実施例１のタービン動翼２１において、入口側シュラウドラインＬａの翼転向角Δβは、−２°程度となっており、中央シュラウドラインＬｂの翼転向角Δβは、２５°程度となっており、出口側シュラウドラインＬｃの翼転向角Δβは、−１０°程度となっている。
【００４７】
以上の構成によれば、実施例１のタービンロータ６の入口側シュラウドラインＬａの翼角度βの変化を、入口側シュラウドラインＬａにおいて小さく、中央シュラウドラインＬｂにおいて大きく、出口側シュラウドラインＬｃにおいて小さくすることができる。この結果、タービン動翼２１の負圧面２１ｂのシュラウド側において、作動流体の流速の増加を抑制することができ、負圧面２１ｂにおける圧力の低下を抑制することができる（詳細は後述）。このため、タービン動翼２１の正圧面２１ａと負圧面２１ｂとの圧力差を抑制することができ、タービン動翼２１とシュラウド２４との間の隙間Ｃから、作動流体が漏洩することを抑制することができる。以上により、作動流体の漏洩によるタービン効率の低下を抑制することができる。
【実施例２】
【００４８】
次に、図６を参照して、実施例２に係るタービンロータ３０について説明する。なお、重複した記載を避けるべく、異なる部分についてのみ説明する。図６に示すように、実施例２のタービンロータ３０は、実施例１とほぼ同様に構成されており、回転軸Ｓを中心に回転するハブ３１と、ハブ３１の周面に設けられると共に軸心から放射状に配設された複数のタービン動翼３２と、を有しており、流入した作動流体を複数のタービン動翼３２に受けて回転するよう構成されている。
【００４９】
ここで、実施例２のタービンロータ３０は、そのタービン動翼３２のシュラウドラインＬ３が、実施例１のタービン動翼２１のシュラウドラインＬ２と異なる形状となっている。以下、図４および図５を参照して、従来のタービン動翼１０１のシュラウドラインＬ１における翼角度βと、実施例２のタービン動翼３２のシュラウドラインＬ３における翼角度βとについて説明する。
【００５０】
実施例１で説明したように、シュラウドラインＬ１，Ｌ３は、流入口３４，１０５側における入口側シュラウドラインＬａと、流出口３５，１０６側における出口側シュラウドラインＬｃと、入口側シュラウドラインＬａおよび出口側シュラウドラインＬｃの間の中央シュラウドラインＬｂとで構成されている。そして、入口側シュラウドラインＬａの長さは、シュラウドラインＬ１，Ｌ３の長さの２割程度となっており、中央シュラウドラインＬｂの長さは、シュラウドラインＬ１，Ｌ３の長さの６割程度となっており、出口側シュラウドラインＬｃの長さは、シュラウドラインＬ１，Ｌ３の長さの２割程度となっている。
【００５１】
ここで、図５のグラフを見るに、実施例２のタービン動翼３２では、シュラウドラインＬ３において、入口側シュラウドラインＬａの翼角度βは、増加方向に大きく変化し、中央シュラウドラインＬｂおよび出口側シュラウドラインＬｃの翼角度βは、増加方向に小さく変化する。すなわち、実施例２のタービン動翼３２のシュラウド側における翼角度βは、流入口３４から転向位置Ｄ１へかけて、回転軸Ｓに対し傾斜角度を大きく増加させながら傾斜してゆき、転向位置Ｄ１から所定位置Ｄ２を介し流出口１１へかけて、回転軸Ｓに対し傾斜角度を小さく増加させながら傾斜してゆく。具体的に、入口側シュラウドラインＬａの単位長さあたりの翼転向角Δβは、中央シュラウドラインＬｂおよび出口側シュラウドラインＬｃの単位長さあたりの翼転向角Δβに比して、大きくなっている。なお、実施例２のタービン動翼３２において、入口側シュラウドラインＬａの翼転向角Δβは、１８°程度となっており、中央シュラウドラインＬｂおよび出口側シュラウドラインＬｃの翼転向角Δβは、２０°程度となっている。従って、実施例２のタービン動翼３２において、入口側シュラウドラインＬａが第１シュラウドラインに相当し、中央シュラウドラインＬｂおよび出口側シュラウドラインＬｃが第２シュラウドラインに相当する。
【００５２】
次に、図７および図８を参照して、上記のように構成した従来のタービンロータ１００を備えたラジアルタービンの性能と、実施例２のタービンロータ３０を備えたラジアルタービンの性能とについて比較する。図７では、従来のタービンロータ１００において、作動流体が流れる流路Ｒを、回転軸Ｓの軸方向を直交する切断面で切ったときのタービン効率の分布図を、作動流体の流れ方向に沿って４つ示している。この４つのタービン効率の分布図は、図示左側から１つ目が、流入口１０５におけるタービン効率の第１分布図Ｗ１となっており、図示左側から３つ目が、流出口１０６におけるタービン効率の第３分布図Ｗ３となっている。そして、図示左側から２つ目が、流入口１０５と流出口１０６との間のタービン効率の第２分布図Ｗ２となっており、図示左側から４つ目が、翼を出た後の最下流側の第４分布図Ｗ４となっている。
【００５３】
第１分布図Ｗ１を見るに、タービン効率は、負圧面１０１ｂのシュラウド側において、効率が低い低効率領域Ｅ１が形成されており、第２分布図Ｗ２において、タービン効率は、負圧面１０１ｂのシュラウド側において、第１分布図Ｗ１に比して、低効率領域Ｅ１が拡大して形成されている。さらに、第３分布図Ｗ３において、タービン効率は、正圧面１０１ａのシュラウド側においても、低効率領域Ｅ１が形成され、第４分布図Ｗ４において、タービン効率は、正圧面１０１ａと負圧面１０１ｂとの間のシュラウド側において、低効率領域Ｅ１よりも効率の良い中効率領域Ｅ２が形成される。
【００５４】
一方、図８では、実施例２のタービンロータ３０において、作動流体が流れる流路Ｒを、回転軸Ｓの軸方向を直交する切断面で切ったときのタービン効率の分布図を、作動流体の流れ方向に沿って４つ示している。図８も、図７と同様に、図示左側から１つ目が、流入口１３におけるタービン効率の第１分布図Ｗ１となっており、図示左側から３つ目が、流出口１１におけるタービン効率の第３分布図Ｗ３となっている。そして、図示左側から２つ目が、流入口３４と流出口３５との間のタービン効率の第２分布図Ｗ２となっており、図示左側の４つ目が、翼を出た後の最下流側の第４分布図Ｗ４となっている。
【００５５】
第１分布図Ｗ１を見るに、タービン効率は、負圧面３２ｂのシュラウド側において、低効率領域Ｅ１が僅かに形成されているが、図７に示した従来のタービンロータ１００に比して、小さくなっていることが分かる。また、第２分布図Ｗ２において、タービン効率は、負圧面３２ｂのシュラウド側において、中効率領域Ｅ２が形成されている。さらに、第３分布図Ｗ３において、タービン効率は、正圧面３２ａのシュラウド側において、中効率領域Ｅ２が形成され、第４分布図Ｗ４において、タービン効率は、そのほぼ全域において、低効率領域Ｅ１および中効率領域Ｅ２が形成されておらず、中効率領域Ｅ２よりも効率の良い高効率領域Ｅ３となっている。これにより、実施例２のタービンロータ３０は、従来のタービンロータ１００に比して、効率の良いものとなっていることが分かる。
【００５６】
次に、図９を参照して、実施例２のタービンロータ３０のタービン動翼３２の翼転向角Δβに応じて変化するタービン効率について説明する。図９において、縦軸は、タービン効率の損失率Δηであり、横軸は、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃにおける翼転向角Δβとなっている。図９に示すように、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃにおける翼転向角Δβが大きくなるにつれて、タービン効率の損失は大きくなってゆくことが分かる。このため、翼転向角Δβの角度が小さくなれば、タービン効率の損失を抑制することができる。
【００５７】
ここで、従来のタービンロータ１００は、翼転向角Δβが４０°であり、実施例２のタービンロータ６は、翼転向角Δβが２０°である。このとき、翼転向角Δβが３０°であれば、タービン効率の損失は、従来のタービン効率の損失に比して半減させることができる。このため、翼転向角Δβが３０°以下であれば、ラジアルタービン１の効率損失を十分に抑制することが可能である。
【００５８】
以上の構成によれば、実施例２のタービンロータ３０の中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃにおける単位長さ当たりの翼転向角Δβを、従来の構成に比して、小さくすることができる。これにより、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃにおけるタービン動翼３２をほぼ直線とすることができる。この結果、タービン動翼３２の負圧面３２ｂのシュラウド側において、作動流体の流速の増加を抑制することができ、負圧面３２ｂにおける圧力の低下を抑制することができる（詳細は後述）。このため、タービン動翼３２の正圧面３２ａと負圧面３２ｂとの圧力差を抑制することができ、タービン動翼３２とシュラウド２４との間の隙間Ｃから、作動流体が漏洩することを抑制することができる。以上により、作動流体の漏洩によるタービン効率の低下を抑制することができる。
【００５９】
また、シュラウドラインＬ３の長さの２割を入口側シュラウドラインＬａとし、８割を中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃとすることで、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃの長さを長くすることができるため、タービン動翼３２の中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃを、さらに直線に近づけることができる。なお、実施例２では、シュラウドラインＬ３の長さの２割を入口側シュラウドラインＬａとし、８割を中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃとしたが、シュラウドラインＬ３の長さの１割を入口側シュラウドラインＬａとし、９割を中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃとしてもよい。
【００６０】
さらに、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃにおける翼転向角Δβを３０°以下にすることで、従来に比して、タービン効率の損失を半減以下にすることができる。
【実施例３】
【００６１】
次に、図１０を参照して、実施例３に係るタービンロータ５０について説明する。なお、重複した記載を避けるべく、異なる部分についてのみ説明する。図１０は、実施例３に係るタービンロータ５０および従来に係るタービンロータ１００のタービン動翼５１，１０１の子午断面図である。実施例３のタービンロータ５０は、子午断面において、そのタービン動翼５１の入口側シュラウドラインＬａがＲ状に形成され、中央・出口側シュラウドラインＬｂがほぼ直線状に形成されている。
【００６２】
具体的に、図１０を参照するに、その縦軸は、径方向における長さであり、横軸は、軸方向における長さである。そして、従来のタービン動翼１０１は、そのシュラウドラインＬ１が、下り斜面に形成されているが、実施例３のタービン動翼５１は、そのシュラウドラインＬ４において、入口側シュラウドラインＬａが小さな曲率に形成されると共に、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃが、入口側シュラウドラインＬａに比して、大きな曲率に形成される。このとき、子午断面における入口側シュラウドラインＬａは、シュラウドラインＬ４の長さの２割であり、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃは、シュラウドラインＬ４の長さの８割である。これにより、入口側シュラウドラインＬａは、Ｒ状に形成され、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃは、ほぼ直線状に形成される。
【００６３】
以上の構成によれば、入口側シュラウドラインＬａの曲率を、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃの曲率に比して小さくすることができる。このため、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃの曲率を大きくすることができ、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃを、ほぼ直線状に形成することができる。これにより、タービン動翼５１のシュラウド側の負圧面において、作動流体の流速の増加を抑制することができる。この結果、タービン動翼５１の負圧面のシュラウド側において、作動流体の流速の増加を抑制することができ、負圧面における圧力の低下を抑制することができる（詳細は後述）。このため、タービン動翼５１の正圧面と負圧面との圧力差を抑制することができ、タービン動翼５１とシュラウド２４との間の隙間から、作動流体が漏洩することを抑制することができる。以上により、作動流体の漏洩によるタービン効率の低下を抑制することができる。
【００６４】
なお、実施例３の構成は、実施例１または実施例２の構成と組み合わせても良く、これにより、タービン効率の低下を好適に抑制することができる。
【実施例４】
【００６５】
最後に、図１１ないし図１６を参照して、実施例４に係るタービンロータ７０について説明する。なお、この場合も重複した記載を避けるべく、異なる部分についてのみ説明する。図１１は、実施例４に係るタービンロータ７０の一部を示す外観斜視図であり、図１２は、従来に係るタービンロータ１００の一部を示す外観斜視図である。また、図１３は、実施例４のタービン動翼７１の構成を実施例２のタービン動翼３２に適用した場合の周方向（θ方向）におけるタービン動翼の翼角度θの分布に関するグラフである。同様に、図１４は、実施例４のタービン動翼７１の構成を実施例１のタービン動翼２１に適用した場合の周方向（θ方向）におけるタービン動翼の翼角度θの分布に関するグラフである。さらに、図１５は、従来のタービンロータの流路内における作動流体の流線を表した子午断面図であり、図１６は、実施例４のタービンロータ７０の流路内における作動流体の流線を表した子午断面図である。実施例４のタービンロータ７０は、そのタービン動翼７１の流入口側縁部に沿ったラインである流入口ラインＩ２が、回転軸Ｓに対し、回転方向へ傾いている。
【００６６】
具体的に、図１２に示すように、従来の流入口ラインＩ１は、回転軸Ｓとほぼ同方向となるように形成されている。すなわち、図１３に示すように、シュラウドラインＬ１の流入口１０５側の周方向における角度（翼角度θ）と、ハブラインＨ１の流入口１０５側の周方向における角度（翼角度θ）とが互いに同じ角度となっており、周方向において同位相となっている。これにより、ハブラインＨ１の流入口１０５からシュラウドラインＬ１の流入口１０５へ至る従来の流入口ラインＩ１は、周方向へ変位しないため、回転軸Ｓとほぼ同方向となっている。
【００６７】
一方、実施例４のタービン動翼７１の構成を適用した実施例２のタービン動翼３２の流入口ラインＩ２は、図１３および図１４に示すように、実施例２のシュラウドラインＬ３の流入口側の周方向における翼角度θと、ハブラインＨ３の流入口側の周方向における翼角度θとの角度差が、２０°〜２２°程度となっており、周方向において異なる位相となっている。このため、ハブラインＨ３の流入口３４からシュラウドラインＬ３の流入口３４へ至る実施例３の流入口ラインＩ２は、周方向（回転方向）へ変位し、これにより、流入口ラインＩ２は、回転軸Ｓに対し、回転方向へ傾いている。
【００６８】
そして、実施例４のタービン動翼７１の構成を適用した実施例１のタービン動翼２１の流入口ラインＩ２は、図１４に示すように、実施例１のシュラウドラインＬ２の流入口側の周方向における翼角度θと、ハブラインＨ２の流入口側の周方向における翼角度θとの角度差が、１２°程度となっており、周方向において異なる位相となっている。このため、ハブラインＨ２の流入口１３からシュラウドラインＬ２の流入口１１へ至る実施例１の流入口ラインＩ２は、周方向（回転方向）へ変位し、これにより、流入口ラインＩ２は、回転軸Ｓに対し、回転方向へ傾いている。
【００６９】
次に、図１５および図１６を参照して、上記従来のタービンロータ１００の流路Ｒ内を流れる作動流体の流れと、上記実施例４のタービン動翼７１の構成を適用した実施例２のタービンロータ３０の流路Ｒ内を流れる作動流体の流れと、について比較する。
【００７０】
図１５を見るに、従来のタービンロータ１００において、流入口１０５から作動流体が流入すると、流入口１０５のシュラウド側から流入した作動流体は、シュラウドラインＬ１に沿って流れる。一方で、流入口１０５のハブ側から流入した作動流体は、ハブラインＨ１に沿わず、シュラウド側に向かって流れる。このため、流路Ｒ内を流れる作動流体は、流出口１０６のシュラウド側に集中する。これにより、シュラウド側の流出口１０６において、シュラウド２４とタービン動翼１０１との間の隙間Ｃから、作動流体が漏洩し易い。
【００７１】
一方、図１６を見るに、実施例４のタービン動翼７１の構成を適用した実施例２のタービンロータ３２において、流入口３４から作動流体が流入すると、流入口３４のシュラウド側から流入した作動流体は、シュラウドラインＬ３に沿って流れる。一方で、流入口３４のハブ側から流入した作動流体は、上流側のハブラインＨ３に沿って流れた後、シュラウド側に向かって流れる。このため、流路Ｒ内を流れる作動流体は、流出口３５のシュラウド側に向かって流れるが、流入口３４のハブ側から流入した作動流体が上流側のハブラインＨ３に沿って流れた分、従来に比して、流出口３５のシュラウド側への作動流体の集中を抑制することができる。
【００７２】
以上の構成によれば、流入口３４から流入する作動流体をハブ側へ向かわせることができる。このため、作動流体がシュラウド側へ向かって、タービン動翼３２とシュラウド２４との間の隙間Ｃへ流れることを抑制することができ、これにより、隙間Ｃから、作動流体が漏洩することを抑制することができる。
【００７３】
なお、実施例４では、シュラウドラインＬ２，Ｌ３の流入口１３，３４側の周方向における翼角度θと、ハブラインＨ２，Ｈ３の流入口１３，３４側の周方向における翼角度θとの角度差を１２°および２０°としたが、１０°〜２５°の間であれば、作動流体の漏洩を好適に抑制することができる。
【００７４】
次に、図１７ないし図２０を参照して、実施例１に実施例４を組み合わせたタービンロータ６と、実施例２に実施例３および４を組み合わせたタービンロータ３０と、をそれぞれ適用したラジアルタービンの性能について説明する。なお、これらのタービンロータについて、図示は省略する。
【００７５】
先ず、実施例１に実施例４を組み合わせたタービンロータ６は、中央シュラウドラインＬｂの翼角度βの変化が、入口側シュラウドラインＬａおよび出口側シュラウドラインＬｃの翼角度βの変化に比して大きくなっており、また、シュラウドラインＬ２の流入口側の翼角度θと、ハブラインＨ２の流入口側の翼角度θとの角度差が、１２°程度となっている。ここで、図１７は、従来および実施例１に係るタービン動翼のシュラウド側における正圧面と負圧面との流速変化を示すグラフであり、図１８は、従来および実施例１に係るタービン動翼のシュラウド側における正圧面と負圧面との圧力変化を示すグラフである。
【００７６】
図１７は、その縦軸が、作動流体の流速となっており、その横軸が、子午断面における作動流体の流路の流入口から流出口までの距離となっている。図１７を見るに、Ｍ１ａが、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１のシュラウド側における負圧面１０１ｂの流速変化のグラフであり、Ｍ２ａが、実施例１に実施例４を組み合わせたタービンロータ６のタービン動翼２１のシュラウド側における負圧面２１ｂの流速変化のグラフである。また、Ｍ３ａが、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１のシュラウド側における正圧面１０１ａの流速変化のグラフであり、Ｍ４ａが、実施例１に実施例４を組み合わせたタービンロータ６のタービン動翼２１のシュラウド側における正圧面２１ａの流速変化のグラフである。
【００７７】
ここで、Ｍ３ａおよびＭ４ａは、その流速の変化が相互にほぼ同様の変化となっているのに対し、Ｍ１ａおよびＭ２ａは、その流速の変化が異なっている。具体的に、Ｍ１ａは、その中程において、流速の変化が大きくなる一方で、Ｍ２ａは、その中程において、流速の変化が、Ｍ１ａに比して小さくなることが分かる。
【００７８】
図１８は、その縦軸が、作動流体の圧力となっており、その横軸が、子午断面における作動流体の流路Ｒの流入口から流出口までの距離となっている。図１８を見るに、Ｐ１ａが、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１のシュラウド側における負圧面１０１ｂの圧力変化のグラフであり、Ｐ２ａが、実施例１に実施例４を組み合わせたタービンロータ６のタービン動翼２１のシュラウド側における負圧面２１ｂの圧力変化のグラフである。また、Ｐ３ａが、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１のシュラウド側における正圧面１０１ａの圧力変化のグラフであり、Ｐ４ａが、実施例１に実施例４を組み合わせたタービンロータ６のタービン動翼２１のシュラウド側における正圧面２１ａの圧力変化のグラフである。
【００７９】
ここで、Ｐ３ａおよびＰ４ａは、その圧力の変化が相互にほぼ同様の変化となっているのに対し、Ｐ１ａおよびＰ２ａは、その圧力の変化が異なっている。具体的に、Ｐ１ａは、その中程において、圧力が小さくなる一方で、Ｐ２ａは、その中程において、圧力が、Ｐ１ａに比して大きくなっている。これにより、Ｐ４ａとＰ２ａとの圧力差は、Ｐ３ａとＰ１ａとの圧力差に比して、小さくなることが分かる。
【００８０】
次に、実施例２に実施例３および実施例４を組み合わせたタービンロータ３０は、入口側シュラウドラインＬａの翼角度βの変化が、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃの翼角度βの変化に比して大きくなっており、また、子午断面において、タービン動翼の入口側シュラウドラインＬａがＲ状に形成され、タービン動翼の中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃがほぼ直線状に形成されている。さらに、シュラウドラインＬ３の流入口側の翼角度θと、ハブラインＨ３の流入口側の翼角度θとの角度差が、２０°程度となっている。ここで、図１９は、従来および実施例２に係るタービン動翼のシュラウド側における正圧面と負圧面との流速変化を示すグラフであり、図２０は、従来および実施例２に係るタービン動翼のシュラウド側における正圧面と負圧面との圧力変化を示すグラフである。
【００８１】
図１９は、その縦軸が、作動流体の流速となっており、その横軸が、子午断面における作動流体の流路Ｒの流入口から流出口までの距離となっている。図１９を見るに、Ｍ１ｂが、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１のシュラウド側における負圧面１０１ｂの流速変化のグラフであり、Ｍ２ｂが、実施例２に実施例３および４を組み合わせたタービンロータ３０のタービン動翼３２のシュラウド側における負圧面３２ｂの流速変化のグラフである。また、Ｍ３ｂが、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１のシュラウド側における正圧面１０１ａの流速変化のグラフであり、Ｍ４ｂが、実施例２に実施例３および４を組み合わせたタービンロータ３０のタービン動翼３２のシュラウド側における正圧面３２ａの流速変化のグラフである。
【００８２】
ここで、Ｍ３ｂおよびＭ４ｂは、その流速の変化が相互にほぼ同様の変化となっているのに対し、Ｍ１ｂおよびＭ２ｂは、その流速の変化が異なっている。具体的に、Ｍ１ｂは、その中程において、流速の変化が大きくなる一方で、Ｍ２ｂは、その中程において、流速の変化が、Ｍ１ｂに比して小さくなることが分かる。
【００８３】
図２０は、その縦軸が、作動流体の圧力となっており、その横軸が、子午断面における作動流体の流路Ｒの流入口から流出口までの距離となっている。図２０を見るに、Ｐ１ｂが、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１のシュラウド側における負圧面１０１ｂの圧力変化のグラフであり、Ｐ２ｂが、実施例２に実施例３および４を組み合わせたタービンロータ３０のタービン動翼３２のシュラウド側における負圧面３２ｂの圧力変化のグラフである。また、Ｐ３ｂが、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１のシュラウド側における正圧面１０１ａの圧力変化のグラフであり、Ｐ４ｂが、実施例２に実施例３および４を組み合わせたタービンロータ３０のタービン動翼３２のシュラウド側における正圧面３２ａの圧力変化のグラフである。
【００８４】
ここで、Ｐ３ｂおよびＰ４ｂは、その圧力の変化が相互にほぼ同様の変化となっているのに対し、Ｐ１ｂおよびＰ２ｂは、その圧力の変化が異なっている。具体的に、Ｐ１ｂは、その中程において、圧力が小さくなる一方で、Ｐ２ｂは、その中程において、圧力が、Ｐ１ｂに比して大きくなっている。これにより、Ｐ４ｂとＰ２ｂとの圧力差は、Ｐ３ｂとＰ１ｂとの圧力差に比して、小さくなることが分かる。
【００８５】
以上から、実施例１に実施例４を組み合わせたタービンロータ６は、そのタービン動翼２１のシュウラウド側における負圧面２１ｂ上を流れる作動流体の流速の変化が、従来に比して小さくなるため、Ｐ４ａとＰ２ａとの圧力差は、Ｐ３ａとＰ１ａとの圧力差に比して、小さくすることができる。同様に、実施例２に実施例３および４を組み合わせたタービンロータ３０は、そのタービン動翼３２のシュウラウド側における負圧面３２ｂ上を流れる作動流体の流速の変化が、従来に比して小さくなるため、Ｐ４ｂとＰ２ｂとの圧力差は、Ｐ３ｂとＰ１ｂとの圧力差に比して、小さくすることができる。これにより、タービン動翼２１，３２のシュラウド側の負圧面２１ｂ，３２ｂにおいて、作動流体の流速の増加を抑制することができるため、シュラウド側の負圧面２１ｂ，３２ｂの圧力の低下を抑制することができ、タービン動翼２１，３２とシュラウド２４との間の隙間Ｃから、作動流体が漏洩することを抑制することができる。なお、上記のように、実施例１ないし４を適宜組み合わせることにより、作動流体の漏洩を好適に抑制することができる。また、実施例１ないし実施例４では、本発明をラジアルタービンに適用して説明したが、斜流タービンや軸流タービンに適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
以上のように、本発明に係るタービンロータは、タービン動翼とシュラウドとの間に隙間が形成されたタービンロータに有用であり、特に、隙間からの作動流体の漏洩を抑制してタービン効率の向上を図る場合に適している。
【符号の説明】
【００８７】
１ ラジアルタービン
５ タービンケーシング
６ タービンロータ
１１ 流出口
１３ 流入口
２０ ハブ
２１ タービン動翼
２４ シュラウド
３０ タービンロータ（実施例２）
３２ タービン動翼（実施例２）
３４ 流入口
３５ 流出口
５０ タービンロータ（実施例２）
５１ タービン動翼（実施例２）
７０ タービンロータ（実施例３）
７１ タービン動翼（実施例３）
７５ 流入口（実施例３）
７６ 流出口（実施例３）
１００ タービンロータ（従来）
１０１ タービン動翼（従来）
１０５ 流入口（従来）
１０６ 流出口（従来）
Ｃ 隙間
Ｌ１ シュラウドライン（従来）
Ｌ２ シュラウドライン（実施例１）
Ｌ３ シュラウドライン（実施例２）
Ｈ１ ハブライン（従来）
Ｈ２ ハブライン（実施例１）
Ｈ３ ハブライン（実施例２）
Ｌａ 入口側シュラウドライン
Ｌｂ 中央シュラウドライン
Ｌｃ 出口側シュラウドライン
Ｄ１ 転向位置
Ｄ２ 所定位置
β 翼角度
Δβ 翼転向角
θ 翼角度
Ｉ１ 流入口ライン（従来）
Ｉ２ 流入口ライン（本発明）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、径方向から流入した作動流体を軸方向に流出させるラジアルタービンや斜流タービン等のタービンロータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、主軸周りに複数設置されるタービン動翼を備えたタービンインペラ（タービンロータ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。このタービンインペラのタービン動翼は、流体出口後縁部の羽根角のうち、ハブ部（ハブ側）とチップ部（シュラウド側）との間のミーン部の羽根角（主軸に対するキャンバー面の角度）βＭＥＡＮが、チップ部の羽根角βＴＩＰ、ハブ部からミーン部までの距離ＲＭＥＡＮ、及び、ハブ部からチップ部までの距離ＲＴＩＰを変数として、所定の算出式に基づいて設定されている。これにより、ラジアルタービンの性能向上を図ることが可能なタービン動翼とすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１３３７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、タービンは、上記のタービンロータを備えているが、このタービンロータの外側には、タービンロータのケーシングとなるシュラウドが配設されている。このとき、タービンロータのタービン動翼とシュラウドとの間には、タービンロータの回転を許容すべく、隙間が生じている。
【０００５】
このとき、タービン動翼とシュラウドとの間に生じた隙間から、作動流体が漏洩してしまうと、タービンの性能は低下してしまう。作動流体が漏洩する原因として、タービン動翼は、その一方の面が正圧面、その他方の面が負圧面となっており、タービン動翼のシュラウド側において、正圧面と負圧面との圧力差が大きくなってしまうからである。具体的に、タービン動翼のシュラウド側において、負圧面上を流れる作動流体の流速が増大すると、負圧面の圧力が低下することにより、正圧面と負圧面との圧力差が大きくなる。そして、正圧面と負圧面との圧力差が大きくなると、タービンロータに流入した作動流体は、タービン動翼とシュラウドとの間に生じた隙間から漏洩し易くなるため、タービンは、作動流体が漏洩した分、その性能が低下してしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、タービンの性能を向上させることが可能なタービンロータを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のタービンロータは、流入口を介して径方向から流入した作動流体を、流出口を介して軸方向に流出させるタービンのタービンロータにおいて、回転軸を中心に回転可能なハブと、ハブの周面に設けられ、流入口から流入する作動流体を流出口へ向けて受け流す複数のタービン動翼と、を備え、各タービン動翼は、ハブに接続された基端側がハブ側となっており、自由端となる先端側がシュラウド側となっており、タービン動翼のシュラウド側縁部に沿った流入口から流出口へ至るラインをシュラウドラインとし、シュラウドラインは、回転軸に対する翼角度が、流入口から流出口へ向けて小さな変化となる第１シュラウドラインと、第１シュラウドラインの流出口側に連なり、第１シュラウドラインよりも大きな変化となる第２シュラウドラインと、第２シュラウドラインの流出口側から流出口まで連なり、第２シュラウドラインよりも小さな変化となる第３シュラウドラインと、で構成されていることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、第２シュラウドラインの翼角度の変化を、第１シュラウドラインおよび第３シュラウドラインの翼角度の変化に比して、大きくすることができる。ここで、翼角度とは、回転軸に対するシュラウドラインの傾斜角度である。このため、第２シュラウドラインにおけるタービン動翼の翼角度の変化を大きく、第１シュラウドラインおよび第３シュラウドラインにおけるタービン動翼の翼角度の変化を小さくすることができる。これにより、タービン動翼のシュラウド側の負圧面上を流れる作動流体の流速の増加を抑制できることから、タービン動翼のシュラウド側の負圧面における圧力の低下を抑制することができるため、正圧面と負圧面との圧力差を小さくすることができ、タービン動翼とシュラウドとの間の隙間から、作動流体が漏洩することを抑制することができる。
【０００９】
この場合、第３シュラウドラインの翼角度の変化は、減少方向への変化となっていることが、好ましい。
【００１０】
この構成によれば、流出口側におけるタービン動翼間の形状を、ノズル形状とすることができるため、タービン効率の向上を図ることができる。
【００１１】
また、本発明の他のタービンロータは、流入口を介して径方向から流入した作動流体を、流出口を介して軸方向に流出させるタービンのタービンロータにおいて、回転軸を中心に回転可能なハブと、ハブの周面に設けられ、流入口から流入する作動流体を流出口へ向けて受け流す複数のタービン動翼と、を備え、各タービン動翼は、ハブに接続された基端側がハブ側となっており、自由端となる先端側がシュラウド側となっており、タービン動翼のシュラウド側縁部に沿った流入口から流出口へ至るラインをシュラウドラインとし、シュラウドラインは、回転軸に対する翼角度が、流入口から流出口へ向けて大きな変化となる第１シュラウドラインと、第１シュラウドラインの流出口側から流出口まで連なり、第１シュラウドラインよりも小さな変化となる第２シュラウドラインと、で構成されていることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、第１シュラウドラインの翼角度の変化を、第２シュラウドラインの翼角度の変化に比して、大きくすることができる。つまり、第１シュラウドラインにおけるタービン動翼の翼角度の変化を大きく、第２シュラウドラインにおけるタービン動翼の翼角度の変化を小さくすることができる。これにより、第２シュラウドラインにおけるタービン動翼の翼角度の変化を小さくすることで、第２シュラウドラインを直線に近づけることができ、タービン動翼のシュラウド側の負圧面上を流れる作動流体の流速の増加を抑制することができる。以上から、タービン動翼のシュラウド側の負圧面における圧力の低下を抑制することができるため、正圧面と負圧面との圧力差を小さくすることができ、タービン動翼とシュラウドとの間の隙間から、作動流体が漏洩することを抑制することができる。
【００１３】
この場合、第１シュラウドラインの長さは、シュラウドラインの長さの１〜２割の長さとなっており、第２シュラウドラインの長さは、シュラウドラインの長さから第１シュラウドラインの長さを引いた、シュラウドラインの長さの８〜９割の長さとなっていることが、好ましい。
【００１４】
この構成によれば、シュラウドラインの長さの１〜２割を第１シュラウドラインとし、８〜９割を第２シュラウドラインとすることで、第１シュラウドラインの長さを、第２シュラウドラインの長さに比して短くすることができる。これにより、第２シュラウドラインの長さを長くすることができるため、タービン動翼の第２シュラウドラインを、さらに直線に近づけることができる。
【００１５】
この場合、第２シュラウドラインにおける翼角度の変化量となる翼転向角は、３０°以下であることが、好ましい。
【００１６】
この構成によれば、第２シュラウドラインにおける翼転向角を３０°以下にすることで、タービン動翼のシュラウド側の負圧面上を流れる作動流体の流速の増速を好適に抑制することができる。
【００１７】
この場合、シュラウドラインは、第１シュラウドラインが、流入口側のシュラウドラインとなる入口側シュラウドラインであり、第２シュラウドラインが、入口側シュラウドラインの流出口側から流出口まで連なる中央・出口側シュラウドラインであり、ハブの回転軸を含む断面となる子午断面において、入口側シュラウドラインの曲率は、中央・出口側シュラウドラインの曲率に比して、小さくなっていることが、好ましい。
【００１８】
この構成によれば、入口側シュラウドラインの曲率を、中央・出口側シュラウドラインの曲率に比して小さくすることができる。これにより、中央・出口側シュラウドラインの曲率を大きくすることができるため、シュラウド側の負圧面側において、作動流体の流速の増加を抑制することができる。従って、タービン動翼のシュラウド側における負圧面の圧力の低下を抑制することができ、タービン動翼とシュラウドとの間の隙間から、作動流体が漏洩することを抑制することができる。なお、タービン動翼間には、流入口から流出口へ至る作動流体の流路が形成され、流路は、その流れ方向が径方向から転向部を介して軸方向へ転向しており、入口側シュラウドラインは、流入口から転向部までの間の長さとなっている。
【００１９】
この場合、入口側シュラウドラインは、Ｒ状に形成される一方、中央・出口側シュラウドラインは、直線状に形成されていることが、好ましい。
【００２０】
この構成によれば、入口側シュラウドラインをＲ状に形成し、中央・出口側シュラウドラインを直線状に形成することができるため、タービン動翼のシュラウド側における負圧面の圧力の低下をさらに抑制することができる。
【００２１】
この場合、各タービン動翼の流入口側縁部に沿ったラインである流入口ラインは、回転軸に対し、回転方向へ傾いていることが、好ましい。
【００２２】
この構成によれば、流入口から流入する作動流体をハブ側へ向かわせることができる。このため、作動流体がシュラウド側へ向かって集中的に流れることを抑制することができるため、タービン動翼とシュラウドとの間の隙間へ流れることを抑制することができ、これにより、隙間から作動流体が漏洩することを抑制することができる。
【００２３】
この場合、回転軸に対する流入口ラインの傾斜角度は、１０°〜２５°であることが、好ましい。
【００２４】
この構成によれば、流入口ラインの傾斜角度を好適なものとすることができるため、作動流体の漏洩を適切に抑制することができる。
【００２５】
また、本発明の他のタービンロータは、流入口を介して径方向から流入した作動流体を、流出口を介して軸方向に流出させるタービンのタービンロータにおいて、回転軸を中心に回転可能なハブと、ハブの周面に設けられ、流入口から流入する作動流体を流出口へ向けて受け流す複数のタービン動翼と、を備え、各タービン動翼は、ハブに接続された基端側がハブ側となっており、自由端となる先端側がシュラウド側となっており、タービン動翼のシュラウド側縁部に沿ったラインをシュラウドラインとし、シュラウドラインは、流入口側のシュラウドラインとなる入口側シュラウドラインと、入口側シュラウドラインの流出口側から流出口まで連なる中央・出口側シュラウドラインと、で構成され、ハブの回転軸を含む断面となる子午断面において、入口側シュラウドラインの曲率は、中央・出口側シュラウドラインの曲率に比して、小さくなっていることを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、入口側シュラウドラインの曲率を、中央・出口側シュラウドラインの曲率に比して小さくすることができる。これにより、中央・出口側シュラウドラインの曲率を大きくすることができるため、シュラウド側の負圧面側において、作動流体の流速の増加を抑制することができる。従って、タービン動翼のシュラウド側における負圧面の圧力の低下を抑制することができ、タービン動翼とシュラウドとの間の隙間から、作動流体が漏洩することを抑制することができる。
【００２７】
さらに、本発明の他のタービンロータは、流入口を介して径方向から流入した作動流体を、流出口を介して軸方向に流出させるタービンのタービンロータにおいて、回転軸を中心に回転可能なハブと、ハブの周面に設けられ、流入口から流入する作動流体を流出口へ向けて受け流す複数のタービン動翼と、を備え、各タービン動翼の流入口側縁部に沿ったラインである流入口ラインは、回転軸に対し、回転方向へ傾いていることを特徴とする。
【００２８】
この構成によれば、流入口から流入する作動流体をハブ側へ向かわせることができる。このため、作動流体がシュラウド側へ向かって集中的に流れることを抑制することができるため、タービン動翼とシュラウドとの間の隙間へ流れることを抑制することができ、これにより、隙間から作動流体が漏洩することを抑制することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明のタービンロータによれば、各タービン動翼の形状を好適なものとすることができるため、タービンの性能向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、実施例１に係るタービンロータを備えたラジアルタービンを模式的に表した子午断面図である。
【図２】図２は、実施例１に係るタービンロータの外観斜視図である。
【図３】図３は、従来に係るタービンロータの外観斜視図である。
【図４】図４は、従来のタービンロータおよび実施例２のタービンロータのシュラウドラインおよびハブラインにおけるタービン動翼の翼角度の分布に関するグラフである。
【図５】図５は、実施例１のタービンロータおよび実施例２のタービンロータのシュラウドラインおよびハブラインにおけるタービン動翼の翼角度の分布に関するグラフである。
【図６】図６は、実施例２に係るタービンロータの外観斜視図である。
【図７】図７は、従来に係るタービンロータの流路内におけるタービン効率の分布図である。
【図８】図８は、実施例２に係るタービンロータの流路内におけるタービン効率の分布図である。
【図９】図９は、実施例２に係るタービンロータの翼転向角に応じて変化するタービン効率の損失に関するグラフである。
【図１０】図１０は、実施例３に係るタービンロータおよび従来に係るタービンロータのタービン動翼の子午断面図である。
【図１１】図１１は、実施例４に係るタービンロータの一部を示す外観斜視図である。
【図１２】図１２は、従来に係るタービンロータの一部を示す外観斜視図である。
【図１３】図１３は、実施例４の構成を適用した実施例２のタービン動翼、および従来のタービン動翼の周方向（θ方向）におけるそれぞれの翼角度の分布を表したグラフである。
【図１４】図１４は、実施例４の構成を適用した実施例１のタービン動翼、および実施例４の構成を適用した実施例２のタービン動翼の周方向（θ方向）におけるそれぞれの翼角度の分布を表したグラフである。
【図１５】図１５は、従来のタービンロータの流路内における作動流体の流線を表した子午断面図である。
【図１６】図１６は、実施例４のタービンロータの流路内における作動流体の流線を表した子午断面図である。
【図１７】図１７は、従来および実施例１に係るタービン動翼のシュラウド側における正圧面と負圧面との流速変化を示すグラフである。
【図１８】図１８は、従来および実施例１に係るタービン動翼のシュラウド側における正圧面と負圧面との圧力変化を示すグラフである。
【図１９】図１９は、従来および実施例２に係るタービン動翼のシュラウド側における正圧面と負圧面との流速変化を示すグラフである。
【図２０】図２０は、従来および実施例２に係るタービン動翼のシュラウド側における正圧面と負圧面との圧力変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、添付した図面を参照して、本発明に係るタービンロータについて説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００３２】
図１に示すように、タービンロータ６は、ラジアルタービン１の一部を構成しており、ラジアルタービン１は、外殻となるタービンケーシング５と、タービンケーシング５の内部に配設されたタービンロータ６とで構成されている。
【００３３】
タービンケーシング５は、その中央内部に配設されたタービンロータ６の回転軸Ｓの軸方向に流出口１１が形成され、タービンロータ６の外側の周方向に渦巻状のスクロール１２が形成されている。そして、スクロール１２内を流れる作動流体は、スクロール１２とタービンロータ６との間に形成された流入口１３を介して径方向からタービンロータ６へ流入し、タービンロータ６を通過して、流出口１１から流出する。
【００３４】
タービンロータ６は、回転軸Ｓを中心に回転するハブ２０と、ハブ２０の周面に設けられると共に軸心から放射状に配設された複数のタービン動翼２１と、を有しており、流入した作動流体を複数のタービン動翼２１に受けて回転するよう構成されている。
【００３５】
このとき、タービンケーシング５は、タービンロータ６のタービン動翼２１に対向するシュラウド２４を有しており、シュラウド２４、ハブ２０および各タービン動翼２１により作動流体が流れる流路Ｒが区画されている。
【００３６】
また、各タービン動翼２１は、ハブ２０の周面（ハブ面２０ａ）に接続された固定端側（基端側）がハブ側となっており、シュラウド側に近接した自由端側（先端側）がシュラウド側となっている。また、図１に示すように、流入口１３から流出口１１に至るタービン動翼２１のシュラウド側縁部に沿ったラインをシュラウドラインＬ２とし、流入口１３から流出口１１に至るタービン動翼２１のハブ側縁部に沿ったラインをハブラインＨ２としている。このとき、各タービン動翼２１とシュラウド２４との間には、タービンロータ６が回転可能なように隙間Ｃが形成されている。
【００３７】
従って、タービンロータ６の径方向から流入口１３を介して作動流体が流入すると、流入した作動流体は流路Ｒを通過し、これにより、各タービン動翼２１は、流入した作動流体を受けて回転する。このとき、流路Ｒを構成する一方のタービン動翼２１のキャンバー面は正圧面２１ａとなっており、他方のタービン動翼２１のキャンバー面は負圧面２１ｂとなっている。換言すれば、各タービン動翼２１の一方のキャンバー面が正圧面２１ａとなっており、他方のキャンバー面が負圧面２１ｂとなっている。そして、流路Ｒを通過した作動流体は、流出口１１から流出する。
【００３８】
ここで、図２を参照して、実施例１のタービンロータ６のタービン動翼２１を示すと共に、図３を参照して、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１を示す。また、図４および図５から、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１の形状と、実施例１のタービンロータ６のタービン動翼２１の形状とを、後述する実施例２のタービンロータ３０のタービン動翼３２の形状を介して、間接的に比較する。以下、実施例１のタービンロータ６のタービン動翼２１の特徴部分について説明する。
【００３９】
図４には、従来のタービン動翼１０１におけるシュラウドラインＬ１およびハブラインＨ１と、実施例２のタービン動翼３２におけるシュラウドラインＬ３およびハブラインＨ３とが描かれている。また、図５には、実施例１のタービン動翼２１におけるシュラウドラインＬ２およびハブラインＨ２と、実施例２のタービン動翼３２におけるシュラウドラインＬ３およびハブラインＨ３とが描かれている。
【００４０】
従来のタービン動翼１０１は、流入口１０５から流出口１０６にかけて、回転軸Ｓに対するシュラウドラインＬ１の傾斜角度（翼角度β）の変化が徐々に増加している。次に、実施例２のタービン動翼３２は、流入口３４から流出口３５にかけて、回転軸Ｓに対するシュラウドラインＬ３の傾斜角度（翼角度β）の変化が、流入口３４側において大きく、中央および流出口３５側において小さくなっている。そして、実施例１のタービン動翼２１は、流入口１３から流出口１１にかけて、回転軸Ｓに対するシュラウドラインＬ２の傾斜角度（翼角度β）の変化が、流入口１３側において小さく、中央において大きく、流出口１１側において小さくなっている。
【００４１】
一方、従来のタービン動翼１０１は、流入口１０５から流出口１０６にかけて、回転軸Ｓに対するハブラインＨ１の傾斜角度（翼角度β）が、流入口１０５側において略平坦となっており、中央および流出口１０６側において徐々に増加している。次に、実施例２のタービン動翼３２は、回転軸Ｓに対するハブラインＨ３の傾斜角度（翼角度β）が、流入口３４側から中央にかけて減少しており、中央から流出口３５側にかけて増加している。そして、実施例１のタービン動翼２１は、実施例２と同様に、回転軸Ｓに対するハブラインＨ２の傾斜角度（翼角度β）が、流入口１３側から中央にかけて減少しており、中央から流出口１１側にかけて増加している。
【００４２】
具体的に、図４および図５を参照して、従来のタービン動翼１０１のシュラウドラインＬ１における翼角度βと、実施例１のタービン動翼２１のシュラウドラインＬ２における翼角度βとについて説明する。図４および図５に示すグラフは、その横軸が、子午断面（回転軸Ｓを含む断面）におけるシュラウドラインの流入口１３，１０５から流出口１１，１０６までの長さとなっており、その縦軸が翼角度βとなっている。
【００４３】
このとき、シュラウドラインＬ１，Ｌ２は、流入口１３，１０５側における入口側シュラウドラインＬａ（第１シュラウドライン）と、流出口１１，１０６側における出口側シュラウドラインＬｃ（第３シュラウドライン）と、入口側シュラウドラインＬａおよび出口側シュラウドラインＬｃの間の中央シュラウドラインＬｂ（第２シュラウドライン）とで構成されている。具体的に、流入口１３，１０５から流出口１１，１０６へ至る作動流体の流路Ｒは、その流れ方向が径方向から転向位置Ｄ１を介して軸方向へ転向しており、入口側シュラウドラインＬａは、流入口１３，１０５から転向位置（転向部）Ｄ１までの間の長さとなっている。また、中央シュラウドラインＬｂは、転向位置Ｄ１から所定長さ離れた所定位置Ｄ２までの長さとなっている。そして、出口側シュラウドラインＬｃは、所定位置Ｄ２から流出口１１，１０６までの間の長さとなっている。
【００４４】
そして、入口側シュラウドラインＬａの長さは、シュラウドラインＬ１，Ｌ２の長さの２割程度となっており、中央シュラウドラインＬｂの長さは、シュラウドラインＬ１，Ｌ２の長さの６割程度となっており、出口側シュラウドラインＬｃの長さは、シュラウドラインＬ１，Ｌ２の長さの２割程度となっている。
【００４５】
図４のグラフを見るに、従来のタービン動翼１０１では、シュラウドラインＬ１の流入口１０５から流出口１０６にかけて、翼角度βの変化がほぼ一定の割合で減少している。すなわち、従来のタービン動翼１０１のシュラウド側における翼角度βは、流出口１０６へ向かうにつれて、回転軸Ｓに対し徐々に傾斜してゆく。具体的に、シュラウドラインＬ１における入口側シュラウドラインＬａの単位長さあたりの翼転向角Δβと、中央・出口側シュラウドラインＬｂの単位長さあたりの翼転向角Δβとは、ほぼ同程度となっている。なお、翼転向角Δβとは、翼角度βの変化量であり、従来のタービン動翼１０１において、中央・出口側シュラウドラインＬｂにおける翼転向角Δβは、ほぼ４０°となっている。
【００４６】
一方、図５のグラフを見るに、実施例１のタービン動翼２１では、シュラウドラインＬ２において、入口側シュラウドラインＬａの翼角度βが減少方向に小さく変化し、中央シュラウドラインＬｂの翼角度βが増加方向に大きく変化し、出口側シュラウドラインＬｃの翼角度βが減少方向に小さく変化している。すなわち、実施例１のタービン動翼２１のシュラウド側における翼角度βは、流入口１３から転向位置Ｄ１へかけて、回転軸Ｓに対し傾斜角度を減少させながら傾斜してゆき、転向位置Ｄ１から所定位置Ｄ２へかけて、回転軸Ｓに対し傾斜角度を増加させながら傾斜してゆき、所定位置Ｄ２から流出口１１へかけて、回転軸Ｓに対し傾斜角度を減少させながら傾斜してゆく。具体的に、中央シュラウドラインＬｂの単位長さあたりの翼転向角Δβは、入口側シュラウドラインＬａおよび出口側シュラウドラインＬｃの単位長さあたりの翼転向角Δβに比して、大きくなっている。なお、実施例１のタービン動翼２１において、入口側シュラウドラインＬａの翼転向角Δβは、−２°程度となっており、中央シュラウドラインＬｂの翼転向角Δβは、２５°程度となっており、出口側シュラウドラインＬｃの翼転向角Δβは、−１０°程度となっている。
【００４７】
以上の構成によれば、実施例１のタービンロータ６の入口側シュラウドラインＬａの翼角度βの変化を、入口側シュラウドラインＬａにおいて小さく、中央シュラウドラインＬｂにおいて大きく、出口側シュラウドラインＬｃにおいて小さくすることができる。この結果、タービン動翼２１の負圧面２１ｂのシュラウド側において、作動流体の流速の増加を抑制することができ、負圧面２１ｂにおける圧力の低下を抑制することができる（詳細は後述）。このため、タービン動翼２１の正圧面２１ａと負圧面２１ｂとの圧力差を抑制することができ、タービン動翼２１とシュラウド２４との間の隙間Ｃから、作動流体が漏洩することを抑制することができる。以上により、作動流体の漏洩によるタービン効率の低下を抑制することができる。
【実施例２】
【００４８】
次に、図６を参照して、実施例２に係るタービンロータ３０について説明する。なお、重複した記載を避けるべく、異なる部分についてのみ説明する。図６に示すように、実施例２のタービンロータ３０は、実施例１とほぼ同様に構成されており、回転軸Ｓを中心に回転するハブ３１と、ハブ３１の周面に設けられると共に軸心から放射状に配設された複数のタービン動翼３２と、を有しており、流入した作動流体を複数のタービン動翼３２に受けて回転するよう構成されている。
【００４９】
ここで、実施例２のタービンロータ３０は、そのタービン動翼３２のシュラウドラインＬ３が、実施例１のタービン動翼２１のシュラウドラインＬ２と異なる形状となっている。以下、図４および図５を参照して、従来のタービン動翼１０１のシュラウドラインＬ１における翼角度βと、実施例２のタービン動翼３２のシュラウドラインＬ３における翼角度βとについて説明する。
【００５０】
実施例１で説明したように、シュラウドラインＬ１，Ｌ３は、流入口３４，１０５側における入口側シュラウドラインＬａと、流出口３５，１０６側における出口側シュラウドラインＬｃと、入口側シュラウドラインＬａおよび出口側シュラウドラインＬｃの間の中央シュラウドラインＬｂとで構成されている。そして、入口側シュラウドラインＬａの長さは、シュラウドラインＬ１，Ｌ３の長さの２割程度となっており、中央シュラウドラインＬｂの長さは、シュラウドラインＬ１，Ｌ３の長さの６割程度となっており、出口側シュラウドラインＬｃの長さは、シュラウドラインＬ１，Ｌ３の長さの２割程度となっている。
【００５１】
ここで、図５のグラフを見るに、実施例２のタービン動翼３２では、シュラウドラインＬ３において、入口側シュラウドラインＬａの翼角度βは、増加方向に大きく変化し、中央シュラウドラインＬｂおよび出口側シュラウドラインＬｃの翼角度βは、増加方向に小さく変化する。すなわち、実施例２のタービン動翼３２のシュラウド側における翼角度βは、流入口３４から転向位置Ｄ１へかけて、回転軸Ｓに対し傾斜角度を大きく増加させながら傾斜してゆき、転向位置Ｄ１から所定位置Ｄ２を介し流出口１１へかけて、回転軸Ｓに対し傾斜角度を小さく増加させながら傾斜してゆく。具体的に、入口側シュラウドラインＬａの単位長さあたりの翼転向角Δβは、中央シュラウドラインＬｂおよび出口側シュラウドラインＬｃの単位長さあたりの翼転向角Δβに比して、大きくなっている。なお、実施例２のタービン動翼３２において、入口側シュラウドラインＬａの翼転向角Δβは、１８°程度となっており、中央シュラウドラインＬｂおよび出口側シュラウドラインＬｃの翼転向角Δβは、２０°程度となっている。従って、実施例２のタービン動翼３２において、入口側シュラウドラインＬａが第１シュラウドラインに相当し、中央シュラウドラインＬｂおよび出口側シュラウドラインＬｃが第２シュラウドラインに相当する。
【００５２】
次に、図７および図８を参照して、上記のように構成した従来のタービンロータ１００を備えたラジアルタービンの性能と、実施例２のタービンロータ３０を備えたラジアルタービンの性能とについて比較する。図７では、従来のタービンロータ１００において、作動流体が流れる流路Ｒを、回転軸Ｓの軸方向を直交する切断面で切ったときのタービン効率の分布図を、作動流体の流れ方向に沿って４つ示している。この４つのタービン効率の分布図は、図示左側から１つ目が、流入口１０５におけるタービン効率の第１分布図Ｗ１となっており、図示左側から３つ目が、流出口１０６におけるタービン効率の第３分布図Ｗ３となっている。そして、図示左側から２つ目が、流入口１０５と流出口１０６との間のタービン効率の第２分布図Ｗ２となっており、図示左側から４つ目が、翼を出た後の最下流側の第４分布図Ｗ４となっている。
【００５３】
第１分布図Ｗ１を見るに、タービン効率は、負圧面１０１ｂのシュラウド側において、効率が低い低効率領域Ｅ１が形成されており、第２分布図Ｗ２において、タービン効率は、負圧面１０１ｂのシュラウド側において、第１分布図Ｗ１に比して、低効率領域Ｅ１が拡大して形成されている。さらに、第３分布図Ｗ３において、タービン効率は、正圧面１０１ａのシュラウド側においても、低効率領域Ｅ１が形成され、第４分布図Ｗ４において、タービン効率は、正圧面１０１ａと負圧面１０１ｂとの間のシュラウド側において、低効率領域Ｅ１よりも効率の良い中効率領域Ｅ２が形成される。
【００５４】
一方、図８では、実施例２のタービンロータ３０において、作動流体が流れる流路Ｒを、回転軸Ｓの軸方向を直交する切断面で切ったときのタービン効率の分布図を、作動流体の流れ方向に沿って４つ示している。図８も、図７と同様に、図示左側から１つ目が、流入口１３におけるタービン効率の第１分布図Ｗ１となっており、図示左側から３つ目が、流出口１１におけるタービン効率の第３分布図Ｗ３となっている。そして、図示左側から２つ目が、流入口３４と流出口３５との間のタービン効率の第２分布図Ｗ２となっており、図示左側の４つ目が、翼を出た後の最下流側の第４分布図Ｗ４となっている。
【００５５】
第１分布図Ｗ１を見るに、タービン効率は、負圧面３２ｂのシュラウド側において、低効率領域Ｅ１が僅かに形成されているが、図７に示した従来のタービンロータ１００に比して、小さくなっていることが分かる。また、第２分布図Ｗ２において、タービン効率は、負圧面３２ｂのシュラウド側において、中効率領域Ｅ２が形成されている。さらに、第３分布図Ｗ３において、タービン効率は、正圧面３２ａのシュラウド側において、中効率領域Ｅ２が形成され、第４分布図Ｗ４において、タービン効率は、そのほぼ全域において、低効率領域Ｅ１および中効率領域Ｅ２が形成されておらず、中効率領域Ｅ２よりも効率の良い高効率領域Ｅ３となっている。これにより、実施例２のタービンロータ３０は、従来のタービンロータ１００に比して、効率の良いものとなっていることが分かる。
【００５６】
次に、図９を参照して、実施例２のタービンロータ３０のタービン動翼３２の翼転向角Δβに応じて変化するタービン効率について説明する。図９において、縦軸は、タービン効率の損失率Δηであり、横軸は、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃにおける翼転向角Δβとなっている。図９に示すように、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃにおける翼転向角Δβが大きくなるにつれて、タービン効率の損失は大きくなってゆくことが分かる。このため、翼転向角Δβの角度が小さくなれば、タービン効率の損失を抑制することができる。
【００５７】
ここで、従来のタービンロータ１００は、翼転向角Δβが４０°であり、実施例２のタービンロータ６は、翼転向角Δβが２０°である。このとき、翼転向角Δβが３０°であれば、タービン効率の損失は、従来のタービン効率の損失に比して半減させることができる。このため、翼転向角Δβが３０°以下であれば、ラジアルタービン１の効率損失を十分に抑制することが可能である。
【００５８】
以上の構成によれば、実施例２のタービンロータ３０の中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃにおける単位長さ当たりの翼転向角Δβを、従来の構成に比して、小さくすることができる。これにより、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃにおけるタービン動翼３２をほぼ直線とすることができる。この結果、タービン動翼３２の負圧面３２ｂのシュラウド側において、作動流体の流速の増加を抑制することができ、負圧面３２ｂにおける圧力の低下を抑制することができる（詳細は後述）。このため、タービン動翼３２の正圧面３２ａと負圧面３２ｂとの圧力差を抑制することができ、タービン動翼３２とシュラウド２４との間の隙間Ｃから、作動流体が漏洩することを抑制することができる。以上により、作動流体の漏洩によるタービン効率の低下を抑制することができる。
【００５９】
また、シュラウドラインＬ３の長さの２割を入口側シュラウドラインＬａとし、８割を中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃとすることで、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃの長さを長くすることができるため、タービン動翼３２の中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃを、さらに直線に近づけることができる。なお、実施例２では、シュラウドラインＬ３の長さの２割を入口側シュラウドラインＬａとし、８割を中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃとしたが、シュラウドラインＬ３の長さの１割を入口側シュラウドラインＬａとし、９割を中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃとしてもよい。
【００６０】
さらに、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃにおける翼転向角Δβを３０°以下にすることで、従来に比して、タービン効率の損失を半減以下にすることができる。
【実施例３】
【００６１】
次に、図１０を参照して、実施例３に係るタービンロータ５０について説明する。なお、重複した記載を避けるべく、異なる部分についてのみ説明する。図１０は、実施例３に係るタービンロータ５０および従来に係るタービンロータ１００のタービン動翼５１，１０１の子午断面図である。実施例３のタービンロータ５０は、子午断面において、そのタービン動翼５１の入口側シュラウドラインＬａがＲ状に形成され、中央・出口側シュラウドラインＬｂがほぼ直線状に形成されている。
【００６２】
具体的に、図１０を参照するに、その縦軸は、径方向における長さであり、横軸は、軸方向における長さである。そして、従来のタービン動翼１０１は、そのシュラウドラインＬ１が、下り斜面に形成されているが、実施例３のタービン動翼５１は、そのシュラウドラインＬ４において、入口側シュラウドラインＬａが小さな曲率に形成されると共に、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃが、入口側シュラウドラインＬａに比して、大きな曲率に形成される。このとき、子午断面における入口側シュラウドラインＬａは、シュラウドラインＬ４の長さの２割であり、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃは、シュラウドラインＬ４の長さの８割である。これにより、入口側シュラウドラインＬａは、Ｒ状に形成され、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃは、ほぼ直線状に形成される。
【００６３】
以上の構成によれば、入口側シュラウドラインＬａの曲率を、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃの曲率に比して小さくすることができる。このため、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃの曲率を大きくすることができ、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃを、ほぼ直線状に形成することができる。これにより、タービン動翼５１のシュラウド側の負圧面において、作動流体の流速の増加を抑制することができる。この結果、タービン動翼５１の負圧面のシュラウド側において、作動流体の流速の増加を抑制することができ、負圧面における圧力の低下を抑制することができる（詳細は後述）。このため、タービン動翼５１の正圧面と負圧面との圧力差を抑制することができ、タービン動翼５１とシュラウド２４との間の隙間から、作動流体が漏洩することを抑制することができる。以上により、作動流体の漏洩によるタービン効率の低下を抑制することができる。
【００６４】
なお、実施例３の構成は、実施例１または実施例２の構成と組み合わせても良く、これにより、タービン効率の低下を好適に抑制することができる。
【実施例４】
【００６５】
最後に、図１１ないし図１６を参照して、実施例４に係るタービンロータ７０について説明する。なお、この場合も重複した記載を避けるべく、異なる部分についてのみ説明する。図１１は、実施例４に係るタービンロータ７０の一部を示す外観斜視図であり、図１２は、従来に係るタービンロータ１００の一部を示す外観斜視図である。また、図１３は、実施例４のタービン動翼７１の構成を実施例２のタービン動翼３２に適用した場合の周方向（θ方向）におけるタービン動翼の翼角度θの分布に関するグラフである。同様に、図１４は、実施例４のタービン動翼７１の構成を実施例１のタービン動翼２１に適用した場合の周方向（θ方向）におけるタービン動翼の翼角度θの分布に関するグラフである。さらに、図１５は、従来のタービンロータの流路内における作動流体の流線を表した子午断面図であり、図１６は、実施例４のタービンロータ７０の流路内における作動流体の流線を表した子午断面図である。実施例４のタービンロータ７０は、そのタービン動翼７１の流入口側縁部に沿ったラインである流入口ラインＩ２が、回転軸Ｓに対し、回転方向へ傾いている。
【００６６】
具体的に、図１２に示すように、従来の流入口ラインＩ１は、回転軸Ｓとほぼ同方向となるように形成されている。すなわち、図１３に示すように、シュラウドラインＬ１の流入口１０５側の周方向における角度（翼角度θ）と、ハブラインＨ１の流入口１０５側の周方向における角度（翼角度θ）とが互いに同じ角度となっており、周方向において同位相となっている。これにより、ハブラインＨ１の流入口１０５からシュラウドラインＬ１の流入口１０５へ至る従来の流入口ラインＩ１は、周方向へ変位しないため、回転軸Ｓとほぼ同方向となっている。
【００６７】
一方、実施例４のタービン動翼７１の構成を適用した実施例２のタービン動翼３２の流入口ラインＩ２は、図１３および図１４に示すように、実施例２のシュラウドラインＬ３の流入口側の周方向における翼角度θと、ハブラインＨ３の流入口側の周方向における翼角度θとの角度差が、２０°〜２２°程度となっており、周方向において異なる位相となっている。このため、ハブラインＨ３の流入口３４からシュラウドラインＬ３の流入口３４へ至る実施例３の流入口ラインＩ２は、周方向（回転方向）へ変位し、これにより、流入口ラインＩ２は、回転軸Ｓに対し、回転方向へ傾いている。
【００６８】
そして、実施例４のタービン動翼７１の構成を適用した実施例１のタービン動翼２１の流入口ラインＩ２は、図１４に示すように、実施例１のシュラウドラインＬ２の流入口側の周方向における翼角度θと、ハブラインＨ２の流入口側の周方向における翼角度θとの角度差が、１２°程度となっており、周方向において異なる位相となっている。このため、ハブラインＨ２の流入口１３からシュラウドラインＬ２の流入口１１へ至る実施例１の流入口ラインＩ２は、周方向（回転方向）へ変位し、これにより、流入口ラインＩ２は、回転軸Ｓに対し、回転方向へ傾いている。
【００６９】
次に、図１５および図１６を参照して、上記従来のタービンロータ１００の流路Ｒ内を流れる作動流体の流れと、上記実施例４のタービン動翼７１の構成を適用した実施例２のタービンロータ３０の流路Ｒ内を流れる作動流体の流れと、について比較する。
【００７０】
図１５を見るに、従来のタービンロータ１００において、流入口１０５から作動流体が流入すると、流入口１０５のシュラウド側から流入した作動流体は、シュラウドラインＬ１に沿って流れる。一方で、流入口１０５のハブ側から流入した作動流体は、ハブラインＨ１に沿わず、シュラウド側に向かって流れる。このため、流路Ｒ内を流れる作動流体は、流出口１０６のシュラウド側に集中する。これにより、シュラウド側の流出口１０６において、シュラウド２４とタービン動翼１０１との間の隙間Ｃから、作動流体が漏洩し易い。
【００７１】
一方、図１６を見るに、実施例４のタービン動翼７１の構成を適用した実施例２のタービンロータ３２において、流入口３４から作動流体が流入すると、流入口３４のシュラウド側から流入した作動流体は、シュラウドラインＬ３に沿って流れる。一方で、流入口３４のハブ側から流入した作動流体は、上流側のハブラインＨ３に沿って流れた後、シュラウド側に向かって流れる。このため、流路Ｒ内を流れる作動流体は、流出口３５のシュラウド側に向かって流れるが、流入口３４のハブ側から流入した作動流体が上流側のハブラインＨ３に沿って流れた分、従来に比して、流出口３５のシュラウド側への作動流体の集中を抑制することができる。
【００７２】
以上の構成によれば、流入口３４から流入する作動流体をハブ側へ向かわせることができる。このため、作動流体がシュラウド側へ向かって、タービン動翼３２とシュラウド２４との間の隙間Ｃへ流れることを抑制することができ、これにより、隙間Ｃから、作動流体が漏洩することを抑制することができる。
【００７３】
なお、実施例４では、シュラウドラインＬ２，Ｌ３の流入口１３，３４側の周方向における翼角度θと、ハブラインＨ２，Ｈ３の流入口１３，３４側の周方向における翼角度θとの角度差を１２°および２０°としたが、１０°〜２５°の間であれば、作動流体の漏洩を好適に抑制することができる。
【００７４】
次に、図１７ないし図２０を参照して、実施例１に実施例４を組み合わせたタービンロータ６と、実施例２に実施例３および４を組み合わせたタービンロータ３０と、をそれぞれ適用したラジアルタービンの性能について説明する。なお、これらのタービンロータについて、図示は省略する。
【００７５】
先ず、実施例１に実施例４を組み合わせたタービンロータ６は、中央シュラウドラインＬｂの翼角度βの変化が、入口側シュラウドラインＬａおよび出口側シュラウドラインＬｃの翼角度βの変化に比して大きくなっており、また、シュラウドラインＬ２の流入口側の翼角度θと、ハブラインＨ２の流入口側の翼角度θとの角度差が、１２°程度となっている。ここで、図１７は、従来および実施例１に係るタービン動翼のシュラウド側における正圧面と負圧面との流速変化を示すグラフであり、図１８は、従来および実施例１に係るタービン動翼のシュラウド側における正圧面と負圧面との圧力変化を示すグラフである。
【００７６】
図１７は、その縦軸が、作動流体の流速となっており、その横軸が、子午断面における作動流体の流路の流入口から流出口までの距離となっている。図１７を見るに、Ｍ１ａが、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１のシュラウド側における負圧面１０１ｂの流速変化のグラフであり、Ｍ２ａが、実施例１に実施例４を組み合わせたタービンロータ６のタービン動翼２１のシュラウド側における負圧面２１ｂの流速変化のグラフである。また、Ｍ３ａが、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１のシュラウド側における正圧面１０１ａの流速変化のグラフであり、Ｍ４ａが、実施例１に実施例４を組み合わせたタービンロータ６のタービン動翼２１のシュラウド側における正圧面２１ａの流速変化のグラフである。
【００７７】
ここで、Ｍ３ａおよびＭ４ａは、その流速の変化が相互にほぼ同様の変化となっているのに対し、Ｍ１ａおよびＭ２ａは、その流速の変化が異なっている。具体的に、Ｍ１ａは、その中程において、流速の変化が大きくなる一方で、Ｍ２ａは、その中程において、流速の変化が、Ｍ１ａに比して小さくなることが分かる。
【００７８】
図１８は、その縦軸が、作動流体の圧力となっており、その横軸が、子午断面における作動流体の流路Ｒの流入口から流出口までの距離となっている。図１８を見るに、Ｐ１ａが、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１のシュラウド側における負圧面１０１ｂの圧力変化のグラフであり、Ｐ２ａが、実施例１に実施例４を組み合わせたタービンロータ６のタービン動翼２１のシュラウド側における負圧面２１ｂの圧力変化のグラフである。また、Ｐ３ａが、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１のシュラウド側における正圧面１０１ａの圧力変化のグラフであり、Ｐ４ａが、実施例１に実施例４を組み合わせたタービンロータ６のタービン動翼２１のシュラウド側における正圧面２１ａの圧力変化のグラフである。
【００７９】
ここで、Ｐ３ａおよびＰ４ａは、その圧力の変化が相互にほぼ同様の変化となっているのに対し、Ｐ１ａおよびＰ２ａは、その圧力の変化が異なっている。具体的に、Ｐ１ａは、その中程において、圧力が小さくなる一方で、Ｐ２ａは、その中程において、圧力が、Ｐ１ａに比して大きくなっている。これにより、Ｐ４ａとＰ２ａとの圧力差は、Ｐ３ａとＰ１ａとの圧力差に比して、小さくなることが分かる。
【００８０】
次に、実施例２に実施例３および実施例４を組み合わせたタービンロータ３０は、入口側シュラウドラインＬａの翼角度βの変化が、中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃの翼角度βの変化に比して大きくなっており、また、子午断面において、タービン動翼の入口側シュラウドラインＬａがＲ状に形成され、タービン動翼の中央・出口側シュラウドラインＬｂ，Ｌｃがほぼ直線状に形成されている。さらに、シュラウドラインＬ３の流入口側の翼角度θと、ハブラインＨ３の流入口側の翼角度θとの角度差が、２０°程度となっている。ここで、図１９は、従来および実施例２に係るタービン動翼のシュラウド側における正圧面と負圧面との流速変化を示すグラフであり、図２０は、従来および実施例２に係るタービン動翼のシュラウド側における正圧面と負圧面との圧力変化を示すグラフである。
【００８１】
図１９は、その縦軸が、作動流体の流速となっており、その横軸が、子午断面における作動流体の流路Ｒの流入口から流出口までの距離となっている。図１９を見るに、Ｍ１ｂが、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１のシュラウド側における負圧面１０１ｂの流速変化のグラフであり、Ｍ２ｂが、実施例２に実施例３および４を組み合わせたタービンロータ３０のタービン動翼３２のシュラウド側における負圧面３２ｂの流速変化のグラフである。また、Ｍ３ｂが、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１のシュラウド側における正圧面１０１ａの流速変化のグラフであり、Ｍ４ｂが、実施例２に実施例３および４を組み合わせたタービンロータ３０のタービン動翼３２のシュラウド側における正圧面３２ａの流速変化のグラフである。
【００８２】
ここで、Ｍ３ｂおよびＭ４ｂは、その流速の変化が相互にほぼ同様の変化となっているのに対し、Ｍ１ｂおよびＭ２ｂは、その流速の変化が異なっている。具体的に、Ｍ１ｂは、その中程において、流速の変化が大きくなる一方で、Ｍ２ｂは、その中程において、流速の変化が、Ｍ１ｂに比して小さくなることが分かる。
【００８３】
図２０は、その縦軸が、作動流体の圧力となっており、その横軸が、子午断面における作動流体の流路Ｒの流入口から流出口までの距離となっている。図２０を見るに、Ｐ１ｂが、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１のシュラウド側における負圧面１０１ｂの圧力変化のグラフであり、Ｐ２ｂが、実施例２に実施例３および４を組み合わせたタービンロータ３０のタービン動翼３２のシュラウド側における負圧面３２ｂの圧力変化のグラフである。また、Ｐ３ｂが、従来のタービンロータ１００のタービン動翼１０１のシュラウド側における正圧面１０１ａの圧力変化のグラフであり、Ｐ４ｂが、実施例２に実施例３および４を組み合わせたタービンロータ３０のタービン動翼３２のシュラウド側における正圧面３２ａの圧力変化のグラフである。
【００８４】
ここで、Ｐ３ｂおよびＰ４ｂは、その圧力の変化が相互にほぼ同様の変化となっているのに対し、Ｐ１ｂおよびＰ２ｂは、その圧力の変化が異なっている。具体的に、Ｐ１ｂは、その中程において、圧力が小さくなる一方で、Ｐ２ｂは、その中程において、圧力が、Ｐ１ｂに比して大きくなっている。これにより、Ｐ４ｂとＰ２ｂとの圧力差は、Ｐ３ｂとＰ１ｂとの圧力差に比して、小さくなることが分かる。
【００８５】
以上から、実施例１に実施例４を組み合わせたタービンロータ６は、そのタービン動翼２１のシュウラウド側における負圧面２１ｂ上を流れる作動流体の流速の変化が、従来に比して小さくなるため、Ｐ４ａとＰ２ａとの圧力差は、Ｐ３ａとＰ１ａとの圧力差に比して、小さくすることができる。同様に、実施例２に実施例３および４を組み合わせたタービンロータ３０は、そのタービン動翼３２のシュウラウド側における負圧面３２ｂ上を流れる作動流体の流速の変化が、従来に比して小さくなるため、Ｐ４ｂとＰ２ｂとの圧力差は、Ｐ３ｂとＰ１ｂとの圧力差に比して、小さくすることができる。これにより、タービン動翼２１，３２のシュラウド側の負圧面２１ｂ，３２ｂにおいて、作動流体の流速の増加を抑制することができるため、シュラウド側の負圧面２１ｂ，３２ｂの圧力の低下を抑制することができ、タービン動翼２１，３２とシュラウド２４との間の隙間Ｃから、作動流体が漏洩することを抑制することができる。なお、上記のように、実施例１ないし４を適宜組み合わせることにより、作動流体の漏洩を好適に抑制することができる。また、実施例１ないし実施例４では、本発明をラジアルタービンに適用して説明したが、斜流タービンや軸流タービンに適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
以上のように、本発明に係るタービンロータは、タービン動翼とシュラウドとの間に隙間が形成されたタービンロータに有用であり、特に、隙間からの作動流体の漏洩を抑制してタービン効率の向上を図る場合に適している。
【符号の説明】
【００８７】
１ ラジアルタービン
５ タービンケーシング
６ タービンロータ
１１ 流出口
１３ 流入口
２０ ハブ
２１ タービン動翼
２４ シュラウド
３０ タービンロータ（実施例２）
３２ タービン動翼（実施例２）
３４ 流入口
３５ 流出口
５０ タービンロータ（実施例２）
５１ タービン動翼（実施例２）
７０ タービンロータ（実施例３）
７１ タービン動翼（実施例３）
７５ 流入口（実施例３）
７６ 流出口（実施例３）
１００ タービンロータ（従来）
１０１ タービン動翼（従来）
１０５ 流入口（従来）
１０６ 流出口（従来）
Ｃ 隙間
Ｌ１ シュラウドライン（従来）
Ｌ２ シュラウドライン（実施例１）
Ｌ３ シュラウドライン（実施例２）
Ｈ１ ハブライン（従来）
Ｈ２ ハブライン（実施例１）
Ｈ３ ハブライン（実施例２）
Ｌａ 入口側シュラウドライン
Ｌｂ 中央シュラウドライン
Ｌｃ 出口側シュラウドライン
Ｄ１ 転向位置
Ｄ２ 所定位置
β 翼角度
Δβ 翼転向角
θ 翼角度
Ｉ１ 流入口ライン（従来）
Ｉ２ 流入口ライン（本発明）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入口を介して径方向から流入した作動流体を、流出口を介して軸方向に流出させるタービンのタービンロータにおいて、
回転軸を中心に回転可能なハブと、
前記ハブの周面に設けられ、前記流入口から流入する前記作動流体を前記流出口へ向けて受け流す複数のタービン動翼と、を備え、
前記各タービン動翼は、前記ハブに接続された基端側がハブ側となっており、自由端となる先端側がシュラウド側となっており、
前記タービン動翼のシュラウド側縁部に沿った前記流入口から前記流出口へ至るラインをシュラウドラインとし、
前記シュラウドラインは、前記回転軸に対する翼角度が、前記流入口から前記流出口へ向けて小さな変化となる第１シュラウドラインと、前記第１シュラウドラインの前記流出口側に連なり、前記第１シュラウドラインよりも大きな変化となる第２シュラウドラインと、前記第２シュラウドラインの前記流出口側から前記流出口まで連なり、前記第２シュラウドラインよりも小さな変化となる第３シュラウドラインと、で構成されていることを特徴とするタービンロータ。
【請求項２】
前記第３シュラウドラインの翼角度の変化は、減少方向への変化となっていることを特徴とする請求項１に記載のタービンロータ。
【請求項３】
流入口を介して径方向から流入した作動流体を、流出口を介して軸方向に流出させるタービンのタービンロータにおいて、
回転軸を中心に回転可能なハブと、
前記ハブの周面に設けられ、前記流入口から流入する前記作動流体を前記流出口へ向けて受け流す複数のタービン動翼と、を備え、
前記各タービン動翼は、
前記ハブに接続された基端側がハブ側となっており、自由端となる先端側がシュラウド側となっており、
前記タービン動翼のシュラウド側縁部に沿った前記流入口から前記流出口へ至るラインをシュラウドラインとし、
前記シュラウドラインは、前記回転軸に対する翼角度が、前記流入口から前記流出口へ向けて大きな変化となる第１シュラウドラインと、前記第１シュラウドラインの前記流出口側から前記流出口まで連なり、前記第１シュラウドラインよりも小さな変化となる第２シュラウドラインと、で構成されていることを特徴とするタービンロータ。
【請求項４】
前記第１シュラウドラインの長さは、前記シュラウドラインの長さの１〜２割の長さとなっており、前記第２シュラウドラインの長さは、前記シュラウドラインの長さから前記第１シュラウドラインの長さを引いた、前記シュラウドラインの長さの８〜９割の長さとなっていることを特徴とする請求項３に記載のタービンロータ。
【請求項５】
前記第２シュラウドラインにおける前記翼角度の変化量となる翼転向角は、３０°以下であることを特徴とする請求項３または４に記載のタービンロータ。
【請求項６】
前記シュラウドラインは、前記第１シュラウドラインが、前記流入口側のシュラウドラインとなる入口側シュラウドラインであり、前記第２シュラウドラインが、前記入口側シュラウドラインの前記流出口側から前記流出口まで連なる中央・出口側シュラウドラインであり、
前記ハブの回転軸を含む断面となる子午断面において、前記入口側シュラウドラインの曲率は、前記中央・出口側シュラウドラインの曲率に比して、小さくなっていることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１項に記載のタービンロータ。
【請求項７】
前記入口側シュラウドラインは、Ｒ状に形成される一方、前記中央・出口側シュラウドラインは、直線状に形成されていることを特徴とする請求項６に記載のタービンロータ。
【請求項８】
前記各タービン動翼の前記流入口側縁部に沿ったラインである流入口ラインは、前記回転軸に対し、回転方向へ傾いていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のタービンロータ。
【請求項９】
前記回転軸に対する前記流入口ラインの傾斜角度は、１０°〜２５°であることを特徴とする請求項８に記載のタービンロータ。
【請求項１０】
流入口を介して径方向から流入した作動流体を、流出口を介して軸方向に流出させるタービンのタービンロータにおいて、
回転軸を中心に回転可能なハブと、
前記ハブの周面に設けられ、前記流入口から流入する前記作動流体を前記流出口へ向けて受け流す複数のタービン動翼と、を備え、
前記各タービン動翼は、
前記ハブに接続された基端側がハブ側となっており、自由端となる先端側がシュラウド側となっており、
前記タービン動翼のシュラウド側縁部に沿ったラインをシュラウドラインとし、
前記シュラウドラインは、前記流入口側のシュラウドラインとなる入口側シュラウドラインと、前記入口側シュラウドラインの前記流出口側から前記流出口まで連なる中央・出口側シュラウドラインと、で構成され、
前記ハブの回転軸を含む断面となる子午断面において、前記入口側シュラウドラインの曲率は、前記中央・出口側シュラウドラインの曲率に比して、小さくなっていることを特徴とするタービンロータ。
【請求項１１】
流入口を介して径方向から流入した作動流体を、流出口を介して軸方向に流出させるタービンのタービンロータにおいて、
回転軸を中心に回転可能なハブと、
前記ハブの周面に設けられ、前記流入口から流入する前記作動流体を前記流出口へ向けて受け流す複数のタービン動翼と、を備え、
前記各タービン動翼の前記流入口側縁部に沿ったラインである流入口ラインは、前記回転軸に対し、回転方向へ傾いていることを特徴とするタービンロータ。
【請求項１】
流入口を介して径方向から流入した作動流体を、流出口を介して軸方向に流出させるタービンのタービンロータにおいて、
回転軸を中心に回転可能なハブと、
前記ハブの周面に設けられ、前記流入口から流入する前記作動流体を前記流出口へ向けて受け流す複数のタービン動翼と、を備え、
前記各タービン動翼は、前記ハブに接続された基端側がハブ側となっており、自由端となる先端側がシュラウド側となっており、
前記タービン動翼のシュラウド側縁部に沿った前記流入口から前記流出口へ至るラインをシュラウドラインとし、
前記シュラウドラインは、前記回転軸に対する翼角度が、前記流入口から前記流出口へ向けて小さな変化となる第１シュラウドラインと、前記第１シュラウドラインの前記流出口側に連なり、前記第１シュラウドラインよりも大きな変化となる第２シュラウドラインと、前記第２シュラウドラインの前記流出口側から前記流出口まで連なり、前記第２シュラウドラインよりも小さな変化となる第３シュラウドラインと、で構成されていることを特徴とするタービンロータ。
【請求項２】
前記第３シュラウドラインの翼角度の変化は、減少方向への変化となっていることを特徴とする請求項１に記載のタービンロータ。
【請求項３】
流入口を介して径方向から流入した作動流体を、流出口を介して軸方向に流出させるタービンのタービンロータにおいて、
回転軸を中心に回転可能なハブと、
前記ハブの周面に設けられ、前記流入口から流入する前記作動流体を前記流出口へ向けて受け流す複数のタービン動翼と、を備え、
前記各タービン動翼は、
前記ハブに接続された基端側がハブ側となっており、自由端となる先端側がシュラウド側となっており、
前記タービン動翼のシュラウド側縁部に沿った前記流入口から前記流出口へ至るラインをシュラウドラインとし、
前記シュラウドラインは、前記回転軸に対する翼角度が、前記流入口から前記流出口へ向けて大きな変化となる第１シュラウドラインと、前記第１シュラウドラインの前記流出口側から前記流出口まで連なり、前記第１シュラウドラインよりも小さな変化となる第２シュラウドラインと、で構成されていることを特徴とするタービンロータ。
【請求項４】
前記第１シュラウドラインの長さは、前記シュラウドラインの長さの１〜２割の長さとなっており、前記第２シュラウドラインの長さは、前記シュラウドラインの長さから前記第１シュラウドラインの長さを引いた、前記シュラウドラインの長さの８〜９割の長さとなっていることを特徴とする請求項３に記載のタービンロータ。
【請求項５】
前記第２シュラウドラインにおける前記翼角度の変化量となる翼転向角は、３０°以下であることを特徴とする請求項３または４に記載のタービンロータ。
【請求項６】
前記シュラウドラインは、前記第１シュラウドラインが、前記流入口側のシュラウドラインとなる入口側シュラウドラインであり、前記第２シュラウドラインが、前記入口側シュラウドラインの前記流出口側から前記流出口まで連なる中央・出口側シュラウドラインであり、
前記ハブの回転軸を含む断面となる子午断面において、前記入口側シュラウドラインの曲率は、前記中央・出口側シュラウドラインの曲率に比して、小さくなっていることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１項に記載のタービンロータ。
【請求項７】
前記入口側シュラウドラインは、Ｒ状に形成される一方、前記中央・出口側シュラウドラインは、直線状に形成されていることを特徴とする請求項６に記載のタービンロータ。
【請求項８】
前記各タービン動翼の前記流入口側縁部に沿ったラインである流入口ラインは、前記回転軸に対し、回転方向へ傾いていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のタービンロータ。
【請求項９】
前記回転軸に対する前記流入口ラインの傾斜角度は、１０°〜２５°であることを特徴とする請求項８に記載のタービンロータ。
【請求項１０】
流入口を介して径方向から流入した作動流体を、流出口を介して軸方向に流出させるタービンのタービンロータにおいて、
回転軸を中心に回転可能なハブと、
前記ハブの周面に設けられ、前記流入口から流入する前記作動流体を前記流出口へ向けて受け流す複数のタービン動翼と、を備え、
前記各タービン動翼は、
前記ハブに接続された基端側がハブ側となっており、自由端となる先端側がシュラウド側となっており、
前記タービン動翼のシュラウド側縁部に沿ったラインをシュラウドラインとし、
前記シュラウドラインは、前記流入口側のシュラウドラインとなる入口側シュラウドラインと、前記入口側シュラウドラインの前記流出口側から前記流出口まで連なる中央・出口側シュラウドラインと、で構成され、
前記ハブの回転軸を含む断面となる子午断面において、前記入口側シュラウドラインの曲率は、前記中央・出口側シュラウドラインの曲率に比して、小さくなっていることを特徴とするタービンロータ。
【請求項１１】
流入口を介して径方向から流入した作動流体を、流出口を介して軸方向に流出させるタービンのタービンロータにおいて、
回転軸を中心に回転可能なハブと、
前記ハブの周面に設けられ、前記流入口から流入する前記作動流体を前記流出口へ向けて受け流す複数のタービン動翼と、を備え、
前記各タービン動翼の前記流入口側縁部に沿ったラインである流入口ラインは、前記回転軸に対し、回転方向へ傾いていることを特徴とするタービンロータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１１−７１４１（Ｐ２０１１−７１４１Ａ）
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５２８２９（Ｐ２００９−１５２８２９）
【出願日】平成２１年６月２６日（２００９．６．２６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２６日（２００９．６．２６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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