專利名稱：混流式渦輪機和混流式渦輪機轉子葉片的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種混流式渦輪機(mixed flow turbine)和混流式渦輪機轉子葉片。
背景技術：
作為將燃燒氣體能有效地轉換成機械轉動能的機器，人們知道徑流式渦輪機。圖1A是徑流式渦輪機的轉子葉片103的水平剖視圖，而圖1B是徑流式渦輪機的轉子葉片單元100的垂直剖視圖。
如圖1B所示，徑流式渦輪機設有連接到旋轉軸上的轉子葉片單元100和具有類似蝸牛形狀的渦殼102。轉子葉片單元100具有轂部101和多個沿徑向方向布置在轂部101上的葉片103。噴嘴104介于渦殼102和葉片103的轉動區域之間。
氣體從渦殼102流入噴嘴104中，并且由噴嘴104加速和給予轉動力，以便產生高速流105，高速流105流入轉子軸的方向。布置在轂部101上的葉片103將高速流105的流動能轉換成轉動能。葉片103將已經失去能量的氣體107排出到轉軸的方向中。
如圖1A所示，葉片103的橫截面具有如下形狀，即葉片103在氣體入口附近從轂部101的表面沿轉軸方向近似線性地延伸，然后，沿垂直于轉軸的方向彎曲。由此，形成葉片103，以便從轂部一側到排氣側平滑地扭曲到垂直于轉動方向的方向。并且，噴嘴104一側的葉片103的上邊緣是平的并且平行于轉軸。
圖2示出了從轉軸方向觀看時葉片103的葉片輪廓和其徑流式渦輪機的入口速度三角形之間的關系。如圖2所示，U表示在氣體入口處葉片103的轉動速度，C表示絕對流速，并且W表示相對流速。渦輪機效率以與理論速度比率(＝U/C0)的關系表示。其中，C0表示在給定的渦輪機入口溫度和給定的壓力比率的條件下作為流體的加速氣體的最大流速。如圖3所示，當理論速度比率大約為0.7時，渦輪機效率η最大，并且在理論速度比率U/C0大于0.7的區域和理論速度比率U/C0小于0.7的區域渦輪機效率η以拋物線方式減小。如圖2所示，在最大效率點A的鄰近區域中速度三角形由U，C1和W1描繪。流入徑流式渦輪機的氣體沿與徑向或輻射方向相反的方向(即在最大效率點的鄰近區域A中朝向中心)具有相對流度W1，并且入射角大約是零。
當這種渦輪機用作渦輪增壓機(turbo charger)時，通過增加供給發動機用于加速的燃料，渦輪機入口溫度升高。而且，如圖2中的C2所示，噴嘴出口處的絕對流速增加，并且相對流速W2變得傾斜于葉片103。結果，引起非零入射角i2。理論速度C0隨著渦輪機入口溫度升高而升高，并且理論速度比率U/C0降低到B點。同樣，如圖3中所示，渦輪機效率η由于入射角i2的產生從最大效率點A減小到較低的效率點B。通過增加燃料供給，盡管人們期望轉速升高，渦輪機效率實際降低并且渦輪機加速能力變弱，并且加速的反應能力惡化。
當這種渦輪機用作燃氣輪機時，渦輪機入口處的高溫引起C0的增加。在這種情況下，燃氣輪機需要耐高溫材料。當使用傳統的材料時，材料強度的限制導致了對葉片103的轉速U的限制，以至理論速度比率U/C0降低。結果，渦輪機必須在低效率點B操作。
為了解決這種技術問題，設計了混流式渦輪機。圖4A至4C示出了傳統的混流式渦輪機。在圖4A至4C中，同樣或類似的標號表示與圖1A和1B中相同的元件。
如圖4B所示，在傳統的混流式渦輪機中，葉片103′的氣體入口側邊緣是相對于轉軸方向具有預定角度的線性部分。在氣體入口側的轂102的表面上的葉片103′的端點106′和徑向方向的直線之間的葉片連接角度δ設定為非零值，并且通常設定為10o-40o。在徑流式渦輪機中，葉片連接角度δ設定為零值。在混流式渦輪機中，沿圖4B中所示的I-I線獲取的葉片103′的截面輪廓整體(包括氣體入口附近)呈曲線(拋物線)狀，如圖4A所示。
下面將描述在理論速度比值U/C0減小的條件下在點B處典型混流式渦輪機中的流動問題。圖5示出了葉片角(blade angle)βk和流動角(flowangle)β之間的關系。請參見圖5，流動角β107大約20°并且在混流式渦輪機中在B點恒定。在該例子中，入射角i2大約20°并且與最大效率相比，效率由于該入射角i2而降低。另一方面，在混流式渦輪機中，流動角β109在罩一側大約是20°，但是在轂一側增加到大約40°。這種流動角β109的分布的是由于混流式渦輪機的特性引起的，即，旋轉半徑R106小于旋轉半徑R111，如圖4C所示。如圖4C所示，旋轉半徑R106是作為入口側葉片邊緣線上轂一側的葉片103′的端點106′和轉動軸L之間的距離的旋轉半徑。同樣，旋轉半徑R111是作為入口側葉片邊緣線上罩一側的葉片103′的端點111′和轉動軸L之間的距離的旋轉半徑。當旋轉半徑R106變得小于旋轉半徑R111時，如圖6中所示，轉動速度U降低。另一方面，根據角動量守恒定律，絕對流速的圓周分量C的增加與半徑成反比，從而流動角β109在轂一側增加到大約40°，如圖5所示。以這種方式，在傳統的混流式渦輪機中，在轂表面側能夠減小入射角i2106。為了測量流動角增加引起的入射角增加，在混流式渦輪機中的葉片角βk110在轂一側設定為大約40°，以便與流動角大約吻合。此時，入射角如i2113所示。
以這種方式，混流式渦輪機能夠設計得流動角β和葉片角βk在轂一側彼此接近，并且能夠使在轂一側的入射角i2106接近于零。混流式渦輪機具有這種優點。然而，流動角β109從轂一側到罩一側線性減小，葉片角βk110從轂一側和罩一側拋物線式減小。從而，入射角i2112在氣體入口側葉片邊緣線的中點112增加到最大值。混流式渦輪機中的損失由于流動角的分布和葉片角的分布不同而增加并且由于入射角的增加引起混流式渦輪機的效率降低。
需要建立使在較低理論速度比率U/C0運行的混流式渦輪機的效率更高的技術。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種混流式渦輪機和混流式渦輪機轉子葉片，該混流式渦輪機能夠在較低理論速度比率的條件下以高效率運行。
在本發明的一方面中，一種混流式渦輪機包括連接到轉軸上的轂和多個轉子葉片。所述多個轉子葉片中的每一個沿徑向方向連接到所述轂上，并且所述轂基于供給所述多個轉子葉片的轉動區域的流體而轉動。所述多個轉子葉片中的每一個具有在所述流體的供給側中凸地隆起的曲線形狀。
在這種情況下，所述多個轉子葉片中的每一個在所述流體的供給側的曲線形狀中具有第一至第三點。當所述第一點是所述轉子葉片連接到所述轂上的點，所述第三點是更遠離所述第一點的點；并且所述第二點是在所述第一點和所述第二點之間的中點時，所述第二點從所述轉軸的旋轉半徑可以大于所述第一點從所述轉軸的旋轉半徑，并且所述第三點從所述轉軸的旋轉半徑可以大于所述第二點從所述轉軸的旋轉半徑。
同樣，所述多個轉子葉片中的每一個在所述流體的供給側的曲線形狀中具有第一至第三點。當所述第一點是所述轉子葉片連接到所述轂上的點，所述第三點是更遠離所述第一點的點；并且所述第二點是在所述第一點和所述第三點之間的中點時，所述第二點從所述轉軸的旋轉半徑可以大于所述第一點從所述轉軸的旋轉半徑，并且所述第二點的旋轉半徑可以大于所述第三點從所述轉軸的旋轉半徑。
而且，優選方式是，所述流體的流動角從所述轂一側到所述罩一側減小以向下凸出。


圖1A和1B是傳統的葉片和其形狀輪廓的平面剖視圖和截面前視圖；圖2是描述速度三角形的前視圖；圖3是傳統渦輪機的效率曲線圖；圖4A至4C是傳統的轉子葉片，其形狀輪廓和其旋轉半徑的平面剖視圖、前剖視圖以及側剖視圖；圖5是描述傳統的轉子葉片的入射角分布的曲線；圖6是描述傳統的轉子葉片中的每一個的旋轉半徑的側剖視圖；圖7A至7C是描述根據本發明實施例的混流式渦輪機的平面剖視圖、前剖視圖以及側剖視圖；
圖8是描述實施例的混流式渦輪機的入射角分布的曲線；以及圖9是描述本發明的混流式渦輪機的渦輪機效率曲線圖。
具體實施例方式
現在結合附圖詳細說明本發明的混流式渦輪機。
請參見圖7A至7C，根據本發明實施例的混流式渦輪機包括轉動葉片單元10、噴嘴4和渦殼2。
渦殼2固定到固定罩20上。噴嘴4介于渦殼2和轉子葉片3的轉動區域之間。
噴嘴11將上述圖2中所示的速度三角形中示出的絕對速度給予從渦殼2供給的流體，并且將該流體供給到轉子葉片3的轉動區域。
轉子葉片單元10包括多個葉片3，葉片3圍繞轂1布置并且固定到轂1上。轉子葉片3具有內側邊緣206、外側邊緣211、氣體入口側邊緣208和出口側邊緣209。內側邊緣206固定到轂1的表面上。外側邊緣211沿罩20的內部曲面圍繞轉軸轉動。
如圖7B所示，轉子葉片5具有沿垂直于轉軸L方向的方向延伸的部分和在平面圖中沿氣體流動路徑從上游側到下右側沿軸向延伸的部分。如圖7A所示，轉子葉片5呈沿轉動方向拋物線狀突出的形狀。
葉片3的氣體入口側邊緣208從轂一側的端點6延伸到罩20一側的端點11，并且形成為具有在上游側突出的曲線。入口側邊緣208在整個區域朝向上游側中凸地隆起，并且諸如拋物線曲線等的二次曲線優選作為入口側邊緣208的曲線的例子。然而，曲線可以是三次曲線、二次的曲線或更高次的曲線。在傳統的混流式渦輪機中轉子葉片103的入口側邊緣是線性的。
在葉片3的入口側邊緣208的轂一側的端點6處的旋轉半徑R6是RH(＝R6)，在葉片3的入口側邊緣208的罩一側的端點11處的旋轉半徑R11是RS(＝R11)，并且在葉片3的入口側邊緣208的中點123處的旋轉半徑R123是RM(＝R123)。連接在入口側邊緣208的轂一側和入口側邊緣208的罩一側之間的直線上的中點的旋轉半徑是RM*。端點11位于罩一側并且具有如下關系。
RS＞RM＞RM*＞RH然而，該關系可以設定為如下關系RM＞RS＞RM*＞RH在這種情況下，可以進一步增加入射角差值ΔIn并且進一步減小入射角Ina，如圖8所示。
在本發明的混流式渦輪機中，在轂一側和罩一側的流動角β15都大約等于傳統的混流式渦輪機中的流動角β109。然而，本發明的混流式渦輪機中的流動角β15的分布從轂一側到罩一側單調減小并且沿向下的方向中凸地隆起。本發明的混流式渦輪機中的流動角β15比傳統的混流式渦輪機中的流動角β109小。
如圖9所示，由于朝向上游側中凸地隆起的入口側邊緣208，當運行點是理論速度比率B點時，入口側邊緣208的中點123處的流動角β15增加了下述特征。
本發明的混流式渦輪機中的入射角Ina比圖5所示的傳統的混流式渦輪機中的入射角In112小，其等式如下。
Ina＝In112-ΔIn其中ΔIn為(傳統混流式渦輪機的流動角)-(本發明的混流式渦輪機的流動角)。
本發明的混流式渦輪機中的入射角比傳統的混流式渦輪機中的入射角更小，改進了傳統的徑流式渦輪機。如圖9所示，通過入射角的改進，本發明的混流式渦輪機最大效率點處的理論速度比率U/C0比傳統的混流式渦輪機最大效率點處的理論速度比率U/C0小。結果，本發明的混流式渦輪機可以在理論速度比率點B在更高的效率點B′運行。
在本發明中的混流式渦輪機和混流式渦輪機的轉子葉片可以通過降低入射損失改進混流式渦輪機的效率。
權利要求
1.一種混流式渦輪機，包括連接到轉軸上的轂；多個轉子葉片，轉子葉片中的每一個沿徑向方向連接到所述轂上，其中所述轂基于供給所述多個轉子葉片的轉動區域的流體而轉動，以及所述多個轉子葉片中的每一個具有在所述流體的供給側中凸地隆起的曲線形狀。
2.根據權利要求1所述的混流式渦輪機，其中所述多個轉子葉片的每一個邊緣在所述流體的供給側的曲線形狀中具有第一至第三點，所述第一點是所述轉子葉片連接到所述轂上的點，所述第三點是更遠離所述第一點的點；所述第二點是在所述第一點和所述第三點之間的中點，所述第三點從所述轉軸的旋轉半徑大于所述第二點從所述轉軸的旋轉半徑，并且所述第二點從所述轉軸的旋轉半徑大于連接在所述第一點和所述第三點之間的直線上的中點從所述轉軸的旋轉半徑，以及所述中點從所述轉軸的旋轉半徑大于所述第一點從所述轉軸的旋轉半徑。
3.根據權利要求1所述的混流式渦輪機，其中所述多個轉子葉片的每一個邊緣在所述流體的供給側的曲線形狀中具有第一至第三點，所述第一點是所述轉子葉片連接到所述轂上的點，所述第三點是更遠離所述第一點的點；所述第二點是在所述第一點和所述第三點之間的中點，所述第二點從所述轉軸的旋轉半徑大于所述第三點從所述轉軸的旋轉半徑，并且所述第三點從所述轉軸的旋轉半徑大于連接在所述第一點和所述第三點之間的直線上的中點從所述轉軸的旋轉半徑，以及所述中點從所述轉軸的旋轉半徑大于所述第一點從所述轉軸的旋轉半徑。
4.根據權利要求1至3中的任一項所述的混流式渦輪機，其中所述流體的流動角從所述轂一側到所述罩一側減小以向下凸出。
5.一種轉子葉片，用于根據權利要求1至4中的任一項所述的混流式渦輪機中。
全文摘要
一種混流式渦輪機，包括連接到轉軸上的轂(4)和多個轉子葉片。轉子葉片中的每一個沿徑向方向連接到所述轂上，并且轂基于供給多個轉子葉片的轉動區域的流體而轉動。多個轉子葉片中的每一個具有在所述流體的供給側中凸地隆起的曲線形狀。
文檔編號F01D5/14GK1485528SQ0315491
公開日2004年3月31日 申請日期2003年8月25日 優先權日2002年8月30日
發明者東森弘高, 橫山隆雄, 御子神隆, 吉田史郎, 郎, 隆, 雄 申請人:三菱重工業株式會社