專(zhuān)利名稱(chēng)：渦輪機(jī)及水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)葉輪從流體得到能量的渦輪機(jī)及水輪機(jī)轉(zhuǎn)子(runner)。
背景技術(shù)：
通過(guò)葉輪從流體得到能量的渦輪機(jī)具備具有安裝在軸的周?chē)亩鄠€(gè)旋轉(zhuǎn)葉片的 葉輪和設(shè)置在葉輪的外圓周一側(cè)的輪蓋(shroud)(外部外殼)，該渦輪機(jī)使從葉輪的軸向 或軸的傾斜方向流入的流體向葉輪的軸向流出。這種渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)葉片在葉輪的徑向上延伸至輪蓋附近。因此，越是靠近葉輪的 徑向外側(cè)(即輪蓋一側(cè))，旋轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)葉片的圓周方向速度就變得越大。為使旋轉(zhuǎn)葉片 在整個(gè)表面區(qū)域上的負(fù)荷均衡，旋轉(zhuǎn)葉片的形狀一般設(shè)計(jì)成沿著流體流動(dòng)的方向。因此，在 根據(jù)該思想設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)葉片時(shí)，越靠近葉輪的徑向外側(cè)，旋轉(zhuǎn)葉片的葉弦與葉輪的旋轉(zhuǎn)方向 (圓周方向)的夾角就變得越小。即，旋轉(zhuǎn)葉片以越靠近葉輪的徑向外側(cè)就越接近葉輪的旋 轉(zhuǎn)方向的方式扭轉(zhuǎn)。例如，在日本特開(kāi)平7-54752號(hào)公報(bào)中公開(kāi)有下述軸流水輪機(jī)，該軸流水輪機(jī)作 為具備上述形狀的旋轉(zhuǎn)葉片的渦輪機(jī)的一種，具備可自由旋轉(zhuǎn)地支撐的轉(zhuǎn)子(葉輪)和從 轉(zhuǎn)子的外圓周一側(cè)覆蓋轉(zhuǎn)子的輪蓋。專(zhuān)利文獻(xiàn)1 日本特開(kāi)平7-54752號(hào)公報(bào)然而，在具有上述形狀的旋轉(zhuǎn)葉片的輪蓋一側(cè)的端部(末端部)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)葉片的 流體的速度較高，因而與旋轉(zhuǎn)軸側(cè)部分相比具有易于得到較大的負(fù)荷的優(yōu)點(diǎn)。但是，與此相 對(duì)，由于流體的速度較高再加上接近輪蓋，存在容易產(chǎn)生剝離或逆流的趨勢(shì)。此外，由于在 旋轉(zhuǎn)葉片的輪蓋一側(cè)的端部與輪蓋之間存在間隙，也存在產(chǎn)生由泄漏引起的壓力損失或氣 蝕(cavitation)的危險(xiǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種抑制在旋轉(zhuǎn)葉片的輪蓋一側(cè)的端部的剝離、逆流、泄 漏以及氣蝕，并且在整體能效上優(yōu)良的渦輪機(jī)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明具備具有可自由旋轉(zhuǎn)地支撐的軸，在該軸的周?chē)O(shè)置有 多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片的葉輪；以及設(shè)置為在該葉輪的外圓周一側(cè)與上述旋轉(zhuǎn)葉片夾有間隔的輪 蓋；上述旋轉(zhuǎn)葉片在從上述軸朝向上述輪蓋的方向上扭轉(zhuǎn)，在上述輪蓋附近處的上述旋轉(zhuǎn) 葉片的扭轉(zhuǎn)方向與上述軸附近的上述旋轉(zhuǎn)葉片的扭轉(zhuǎn)方向相反。本發(fā)明的效果如下。采用本發(fā)明，由于減少了旋轉(zhuǎn)葉片的輪蓋一側(cè)的葉片負(fù)荷，能夠抑制旋轉(zhuǎn)葉片的 輪蓋一側(cè)的端部的泄漏、剝離、氣蝕以及逆流，并且能夠提高渦輪機(jī)整體的能效。


圖1是在本發(fā)明的第一實(shí)施方式的水輪機(jī)中，從水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的徑向觀察水輪機(jī)轉(zhuǎn)
4子周邊的圖。圖2是從水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向觀察本發(fā)明的第一實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)葉片的圖。圖3是從水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的徑向觀察本發(fā)明的第一實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)葉片的圖。圖4是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)葉片的任意位置的剖視圖。圖5是從水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的徑向觀察以往的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)葉片的圖。圖6是以往的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)葉片的葉片表面的壓力分布圖。圖7是對(duì)于本發(fā)明的第一實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)葉片的任意位置的剖面，表示在流體流 入時(shí)作用的力的圖。圖8是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)葉片的葉片表面的壓力分布圖。圖9是在本發(fā)明的第二實(shí)施方式的水輪機(jī)中，從水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的徑向觀察水輪機(jī)轉(zhuǎn) 子周邊的圖。圖10是本發(fā)明的第二實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)葉片的任意位置的剖視圖。其中1-旋轉(zhuǎn)葉片，3-水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，4-輪蓋，5-內(nèi)部外殼，6-軸，7-輪蓋一側(cè)的端部， 8-前緣，9-后緣，10、11、12、13-圓筒面，10b、lib、12b、13b_葉片剖面，20-水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的旋 轉(zhuǎn)方向，30-流入角度，40-中心軸(水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸)，57-迎角，58-基準(zhǔn)線，60-葉弦 角度，70-在第一區(qū)間的旋轉(zhuǎn)葉片1的扭轉(zhuǎn)方向，71-在第二區(qū)間的旋轉(zhuǎn)葉片1的扭轉(zhuǎn)方向， 90、91、92、93-圓錐面，Rl、R2-基準(zhǔn)半徑。
具體實(shí)施例方式下面，使用附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。首先，作為用于實(shí)施本發(fā)明的渦輪 機(jī)以軸流水輪機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明。軸流水輪機(jī)是具有與水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的軸大致成直角地安裝的 旋轉(zhuǎn)葉片，使從水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向流入的流體通過(guò)旋轉(zhuǎn)葉片向軸向流出的水輪機(jī)。圖1是在本發(fā)明的第一實(shí)施方式的水輪機(jī)(水力機(jī)械)中，從水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的徑向 觀察水輪機(jī)轉(zhuǎn)子周邊的側(cè)視圖。該圖所示的水輪機(jī)，即橫軸貫流式水輪機(jī)，其具備水輪機(jī) 轉(zhuǎn)子(葉輪)3;與水輪機(jī)轉(zhuǎn)子3隔著間隔設(shè)置在水輪機(jī)轉(zhuǎn)子3的外圓周一側(cè)的輪蓋(外部 外殼)4 ；與輪蓋4隔著間隔設(shè)置在輪蓋4的內(nèi)側(cè)的內(nèi)部外殼5。水輪機(jī)轉(zhuǎn)子3具備被容納在內(nèi)部外殼5內(nèi)，以中心軸40為中心可自由旋轉(zhuǎn)地支 撐的軸6 ；固定在軸6的前端的轂(boss)(輪轂hub)2 ；以及設(shè)置在轂2的周?chē)亩鄠€(gè)旋轉(zhuǎn) 葉片1;水輪機(jī)轉(zhuǎn)子3在圖中的箭頭20的方向(旋轉(zhuǎn)方向)上旋轉(zhuǎn)。本實(shí)施方式的轂2形 成為大致圓筒形，從相對(duì)于中心軸40大致成直角的方向上將多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片1安裝在該轂2 的圓筒側(cè)面上。這樣安裝在轂2上的旋轉(zhuǎn)葉片1隔著間隔配置在轂2的圓周方向上，相對(duì) 于中心軸40固定成放射狀。旋轉(zhuǎn)葉片1的輪蓋一側(cè)的端部(末端部)7與輪蓋4對(duì)置，在 輪蓋一側(cè)的端部7與輪蓋4之間形成有間隙(未圖示)，從而使旋轉(zhuǎn)葉片1不與輪蓋4接 觸。圖2是從水輪機(jī)轉(zhuǎn)子3的軸向觀察本發(fā)明的第一的實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)葉片1的俯視 圖。在該圖中，為了簡(jiǎn)單，僅放大表示多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片1中的一片。此外，對(duì)與之前的圖相同 的部分標(biāo)示相同的附圖標(biāo)記并省略其說(shuō)明(之后的圖也是如此)。在此，如圖2所示，以與輪蓋4大致平行的面設(shè)定為距輪蓋4的距離不同的多個(gè)面10、11、12、13，進(jìn)而，將從中心軸40至旋轉(zhuǎn)葉片1的輪蓋一側(cè)的端部7的徑向距離設(shè)為基準(zhǔn) 半徑R1。在本實(shí)施方式中，由于是以軸流水輪機(jī)為對(duì)象，面10、11、12、13分別成為與軸6共 有中心軸40，并距軸6 (中心軸40)的距離不同的圓筒面。面11是距軸6最近的面(S卩，位 于旋轉(zhuǎn)葉片1的軸側(cè)端部的面)，面13是距輪蓋4最近的面(即，位于旋轉(zhuǎn)葉片1的輪蓋一 側(cè)的端部7的面)。面12位于中心軸40與輪蓋一側(cè)的端部7的大致中央，若利用基準(zhǔn)半徑 Rl表示的話則位于距中心軸40的距離為基準(zhǔn)半徑Rl的約50%的位置。面10位于比面12 更接近輪蓋4 一側(cè)，從面10至中心軸40的距離大于基準(zhǔn)半徑Rl的50%。在水輪機(jī)轉(zhuǎn)子3向旋轉(zhuǎn)方向20旋轉(zhuǎn)時(shí)，由其旋轉(zhuǎn)決定的旋轉(zhuǎn)葉片1的速度隨著距 中心軸40的距離而改變，距中心軸40的距離越大則速度越大。因此，若考慮流體流入水輪 機(jī)轉(zhuǎn)子3的葉片間入口時(shí)的相對(duì)速度(流入速度)，則越是接近輪蓋4，流體的圓周方向速 度就越大。例如，若比較面11、12、13的流入速度的圓周方向成分21、22、23，則如圖2所示， 面13的流入速度的圓周方向成分23為最大，面11的流入速度的圓周方向成分21為最小。圖3是從水輪機(jī)轉(zhuǎn)子3的徑向觀察本發(fā)明的第一實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)葉片1的側(cè)視 圖。在該圖中，將以圖2所示的面10、11、12、13剖切旋轉(zhuǎn)葉片1時(shí)所得的剖面(翼形)分別 表示為剖面10a、11a、12a、13a，特別是以斜線表示以面10剖切旋轉(zhuǎn)葉片1而得的剖面10a。圖3的箭頭27、28、29分別表示了水輪機(jī)轉(zhuǎn)子3向旋轉(zhuǎn)方向20旋轉(zhuǎn)時(shí)的各面11、 12、13的流體的流入方向(流體流入水輪機(jī)轉(zhuǎn)子3時(shí)的方向)。流體的流入方向能夠由流 體流入水輪機(jī)轉(zhuǎn)子3時(shí)的圓周方向速度及軸向速度求得，其中，如圖2所說(shuō)明的那樣，從中 心軸40距輪蓋4越近，流體的圓周方向速度越大。因此，如圖3所示，假設(shè)各面11、12、13 的流體的軸向速度24、25、26大體相等，若將各面11、12、13的流體的流入方向27、28、29相 對(duì)于中心軸40的角度以角度30表示，則流體的流入角度30與距中心軸40的距離成比例 地增大。即，流體以其流入角度30從面11向面13增大的方式流入旋轉(zhuǎn)葉片1。圖3的旋轉(zhuǎn)葉片1如從未相互重疊地表示的其剖面10a、lla、12a、13a所表明的， 旋轉(zhuǎn)葉片1從軸6向輪蓋4的方向(即，水輪機(jī)轉(zhuǎn)子3的徑向)被扭轉(zhuǎn)。在此，在水輪機(jī)轉(zhuǎn) 子3的徑向上，以從距軸6最近的剖面Ila朝向輪蓋4并到達(dá)剖面IOa的區(qū)間作為第一區(qū) 間，將從剖面IOa朝向輪蓋4并到達(dá)剖面13a的區(qū)間作為第二區(qū)間。旋轉(zhuǎn)葉片1在第一區(qū)間內(nèi)沿箭頭70的方向(在圖3中的左旋)扭轉(zhuǎn)，從而以與流 體的流入角度30的變化對(duì)應(yīng)的方式改變旋轉(zhuǎn)葉片1的葉弦54(參照后述的圖4)的方向。 此外，此時(shí)，為了在第一區(qū)間的全部區(qū)域內(nèi)使旋轉(zhuǎn)葉片1的迎角57保持恒定，優(yōu)選改變?nèi)~弦 54的方向。若像這樣使迎角57恒定，則能夠使在第一區(qū)間內(nèi)作用在旋轉(zhuǎn)葉片1上的葉片負(fù) 荷均衡。另一方面，旋轉(zhuǎn)葉片1在第二區(qū)間內(nèi)沿箭頭71的方向(在圖3中的右旋)扭轉(zhuǎn)， 從而使葉弦54與流體的流入角度30的改變相反地改變，以朝向輪蓋4迎角57變小的方式 扭轉(zhuǎn)。即，在本實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)葉片1中，以剖面IOa為邊界線，位于輪蓋4附近的第二區(qū) 間的扭轉(zhuǎn)方向71與位于軸6附近的第一區(qū)間的扭轉(zhuǎn)方向70相反。接下來(lái)，使用葉弦角度這個(gè)詞，用其它說(shuō)法來(lái)替換旋轉(zhuǎn)葉片1的扭轉(zhuǎn)。圖4是本發(fā) 明的第一實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)葉片1位于任意位置的剖視圖，從與圖3相同的方向觀察旋轉(zhuǎn)葉 片。該圖所示的旋轉(zhuǎn)葉片1的剖面15a與之前的說(shuō)明相同地以與輪蓋4大致平行的面剖切 旋轉(zhuǎn)葉片時(shí)所表示的剖面。在該圖中，將在剖面15a上連結(jié)旋轉(zhuǎn)葉片的前緣8與后緣9的線作為葉弦54，將在剖面15a上沿軸6的旋轉(zhuǎn)方向20畫(huà)出的圓(或圓弧)作為基準(zhǔn)線58， 將葉弦54與基準(zhǔn)線58的夾角60作為葉弦角度。此外，將流向水輪機(jī)轉(zhuǎn)子3 (前緣8)的流 體的流入方向31與葉弦54的夾角作為迎角57。若使用這樣設(shè)定的葉弦角度60，則也能夠改說(shuō)成，圖3所示的旋轉(zhuǎn)葉片1在第一區(qū) 間內(nèi)葉弦角度60向逐漸變小的方向扭轉(zhuǎn)，在第二區(qū)間內(nèi)葉弦角度60向逐漸變大的方向扭 轉(zhuǎn)。若像這樣形成旋轉(zhuǎn)葉片1，則葉弦角度60在位于從旋轉(zhuǎn)葉片1的軸側(cè)端部至輪蓋一側(cè) 的端部7的全部區(qū)間(第一區(qū)間及第二區(qū)間)的任一個(gè)剖面中，取得該全部區(qū)間的最小值。 此外，更具體地說(shuō)，圖3的旋轉(zhuǎn)葉片1的葉弦角度60在位于軸6 —側(cè)的第一區(qū)間單調(diào)地減 少，然后，在位于輪蓋4 一側(cè)的第二區(qū)間單調(diào)地增加。即，旋轉(zhuǎn)葉片1的葉弦角度60在剖面 IOa中取得最小值，如之前說(shuō)明的那樣，旋轉(zhuǎn)葉片1的扭轉(zhuǎn)方向在剖面IOa的前后翻轉(zhuǎn)。此 外，在本實(shí)施方式中，雖然使旋轉(zhuǎn)葉片1形成為僅在剖面IOa內(nèi)取得最小值，但既可使旋轉(zhuǎn) 葉片1形成為在兩個(gè)以上的剖面(點(diǎn))取得相同的最小值，也可以使旋轉(zhuǎn)葉片1形成為在 橫跨水輪機(jī)轉(zhuǎn)子3的徑向的規(guī)定的范圍持續(xù)取得最小值。接下來(lái)將本實(shí)施方式的效果與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比并且進(jìn)行說(shuō)明。圖5是從水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的徑向觀察一般的以往的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)葉片100的側(cè)視 圖。在該圖中，與圖3相同地，將以圖2的面10、11、12、13剖切旋轉(zhuǎn)葉片100時(shí)的剖面(翼 形)分別表示為剖面10b、lib、12b、13b，特別是以斜線表示以面10剖切旋轉(zhuǎn)葉片100而得 的剖面10b。該圖所示的旋轉(zhuǎn)葉片100設(shè)計(jì)為迎角57在葉片的全部區(qū)域內(nèi)幾乎恒定。由此，旋 轉(zhuǎn)葉片100對(duì)應(yīng)于流體的流入角度30的改變，在從剖面lib至剖面13b的第一區(qū)間及第二 區(qū)間的整個(gè)區(qū)間內(nèi)僅在箭頭70的方向扭轉(zhuǎn)。換句話說(shuō)，旋轉(zhuǎn)葉片100的葉弦角度60在從 剖面lib至剖面13b的整個(gè)區(qū)間單調(diào)地減少。圖6是使用通用軟件對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片100實(shí)施流體解析，并表示該葉片表面的壓力分 布的圖。此外，在圖中的旋轉(zhuǎn)葉片100上表示的曲線80為等壓線，壓力在圖中從右側(cè)向左側(cè) 增高。雖然旋轉(zhuǎn)葉片100形成為在全部的半徑位置上被均衡地施加負(fù)荷，但由于流體的速 度隨著朝向外周而變快，如圖6所示，越是靠近葉片100的外周，高壓區(qū)域81就越大。艮口， 若如上述那樣形成旋轉(zhuǎn)葉片100，則與軸6 —側(cè)相比，輪蓋4 一側(cè)具有更易于得到較大負(fù)荷 的優(yōu)點(diǎn)，另一方面，旋轉(zhuǎn)葉片100的輪蓋一側(cè)的端部由于流體的速度快并且接近輪蓋4，從 而存在易于產(chǎn)生剝離或逆流的趨勢(shì)。此外，由于在旋轉(zhuǎn)葉片100的輪蓋一側(cè)的端部與輪蓋 4之間存在間隙，還有由泄漏產(chǎn)生壓力損失或氣蝕的危險(xiǎn)。與此相對(duì)，本實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)葉片1在從軸6朝向輪蓋4的方向上扭轉(zhuǎn)，在位于軸 6附近的第一區(qū)間內(nèi)，對(duì)應(yīng)于流體的流入角度30向箭頭70的方向扭轉(zhuǎn)，在輪蓋4附近的第 二區(qū)間內(nèi)，向與第一區(qū)間相反的箭頭71的方向扭轉(zhuǎn)。若像這樣在第二區(qū)間內(nèi)翻轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)葉片 1的扭轉(zhuǎn)方向，就能夠使旋轉(zhuǎn)葉片1在第一區(qū)間內(nèi)保持與通常的旋轉(zhuǎn)葉片100相同的迎角 57，并在第二區(qū)間內(nèi)與通常的旋轉(zhuǎn)葉片100相比使迎角57變小。在此，使用圖7對(duì)減小迎 角57所產(chǎn)生的效果進(jìn)行說(shuō)明。圖7是對(duì)任意位置的旋轉(zhuǎn)葉片1的剖面50，表示在流體51流入時(shí)對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片作 用的力的圖。圖7(a)所示的例子與圖7(b)所示的例子相比，葉弦角度60變小，迎角57變大。
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在如圖7(a)那樣迎角57較大的情況下，與旋轉(zhuǎn)葉片1的壓力面一側(cè)的流體路線 53相比負(fù)壓面一側(cè)的流體路線52變長(zhǎng)。因此，負(fù)壓面一側(cè)與壓力面一側(cè)的壓力差變大，其 結(jié)果，增大了升力56。此外，在這種情況下，流體51與壓力面一側(cè)碰撞，由該碰撞所產(chǎn)生的 力55也作用于增大升力的方向。另一方面，如圖7(b)所示，在迎角57較小的情況下，負(fù)壓 面一側(cè)的流體路線52與壓力面一側(cè)的流體路線53之差變小，因而與圖7 (a)的情況相比升 力56變小。此外，由碰撞所產(chǎn)生的力55也作用于與升力方向幾乎正交的方向，因而無(wú)助于 升力56的增加。由此，若旋轉(zhuǎn)葉片1的姿勢(shì)傾斜成使迎角57變小，則能夠抑制作用于旋轉(zhuǎn) 葉片1的升力56。由此，若如本實(shí)施方式那樣形成旋轉(zhuǎn)葉片1，使第二區(qū)間的迎角變小，則能夠抑制 作用于旋轉(zhuǎn)葉片1的第二區(qū)間的升力，因而在使作用于旋轉(zhuǎn)葉片1的軸6—側(cè)(第一區(qū)間) 的負(fù)荷與通常的旋轉(zhuǎn)葉片100保持為相同的同時(shí)，與通常的旋轉(zhuǎn)葉片100相比，能夠減少作 用于旋轉(zhuǎn)葉片1的輪蓋4 一側(cè)(第二區(qū)間)的負(fù)荷。此外，通過(guò)像本實(shí)施方式那樣形成旋轉(zhuǎn)葉片1，在減少由在第二區(qū)間的前緣處的碰 撞損失或剝離而產(chǎn)生的壓力損失這方面也具有優(yōu)點(diǎn)。圖8是使用通用軟件對(duì)本實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)葉片1實(shí)施流體解析，并表示該葉片表 面的壓力分布的圖。在本實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)葉片1中，在到達(dá)旋轉(zhuǎn)葉片1的輪蓋一側(cè)的端部 之前使葉片剖面的迎角57變小，因而減少了在輪蓋4 一側(cè)對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片1施加的負(fù)荷。其結(jié) 果，如該圖所示，高壓區(qū)域81從旋轉(zhuǎn)葉片1的徑向中央附近至輪蓋一側(cè)的端部變得大致均 衡。由此，采用本實(shí)施方式，能夠減少旋轉(zhuǎn)葉片1的輪蓋一側(cè)的葉片負(fù)荷，從而能夠抑制旋 轉(zhuǎn)葉片1的輪蓋一側(cè)的端部7的泄漏、剝離、氣蝕以及逆流，并且提高整體的能效。此外，在上述內(nèi)容中，優(yōu)選為將葉弦角度60變得最小的剖面IOa設(shè)定在從基準(zhǔn)半 徑Rl的60%以上至90%以下的區(qū)間內(nèi)。在此，之所以設(shè)定在基準(zhǔn)半徑Rl的60%以上，是 因?yàn)閮?yōu)選在基準(zhǔn)半徑Rl為50%的葉片中央附近盡可能地獲得葉片負(fù)荷，另一方面，之所以 設(shè)定在基準(zhǔn)半徑Rl的90%以下，是因?yàn)榧词褂纱硕谳喩w4 一側(cè)減小迎角57，在實(shí)際中也 難以得到減少葉片負(fù)荷的效果。接下來(lái)，作為用于實(shí)施本發(fā)明的渦輪機(jī)以斜流水輪機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明。所謂斜流水 輪機(jī)是具有對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的軸傾斜地安裝的旋轉(zhuǎn)葉片，從水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的軸的傾斜方向流入 的流體通過(guò)旋轉(zhuǎn)葉片向軸向流出水輪機(jī)。圖9是在本發(fā)明的第二的實(shí)施方式的水輪機(jī)中，從水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的徑向觀察水輪機(jī) 轉(zhuǎn)子周邊的側(cè)視圖。該圖所示的水輪機(jī)是所謂縱軸斜流水輪機(jī)(特里阿滋水輪機(jī))，具備 大致圓錐狀的轂2A及旋轉(zhuǎn)葉片IA的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子3A以及輪蓋4A。旋轉(zhuǎn)葉片IA安裝成與 轂2A的圓錐面大致成直角，并相對(duì)于水輪機(jī)轉(zhuǎn)子3A的中心軸40傾斜。旋轉(zhuǎn)葉片IA的輪 蓋一側(cè)的端部與輪蓋4A對(duì)置，在輪蓋一側(cè)的端部與輪蓋4A之間與軸流水輪機(jī)的情況同樣 地形成有間隙(未圖示)。在此，如圖9所示，作為與輪蓋4大致平行的面設(shè)定距輪蓋4的距離不同的多個(gè)面 90、91、92、93，另外，以作為在通過(guò)旋轉(zhuǎn)葉片IA的大致中心并與面90、91、92、93正交的直線 上的距離，即從中心軸40至旋轉(zhuǎn)葉片IA的輪蓋一側(cè)的端部的距離為基準(zhǔn)半徑R2。由于在 本實(shí)施方式中是以斜流水輪機(jī)為對(duì)象，面90、91、92、93分別成為具有位于軸6的中心軸40 上的頂點(diǎn)及與旋轉(zhuǎn)葉片IA大致正交的側(cè)面的圓錐面，并與旋轉(zhuǎn)葉片1的周?chē)牡攘髁棵娲?br> 8致重合。面91是旋轉(zhuǎn)葉片IA的軸側(cè)端部的面，面93是旋轉(zhuǎn)葉片IA的輪蓋一側(cè)的端部的 面。在利用基準(zhǔn)半徑R2表示的情況下，面92位于距中心軸40的距離為基準(zhǔn)半徑R2的約 50%的位置。面90位于比面92靠近輪蓋4 一側(cè)、從面90至中心軸40的距離大于基準(zhǔn)半 徑R2的50%的位置。在本實(shí)施方式中，通過(guò)以上述的面90、91、92、93剖切旋轉(zhuǎn)葉片1A，將該各個(gè)剖面 配置為像第一實(shí)施方式中圖3所示的剖面10a、11a、12a、13a那樣，在從轂2k朝向輪蓋4A 的方向(即，基準(zhǔn)半徑R2的方向)上扭轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)葉片1A。即，本實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)葉片1在從 面91通過(guò)面92到達(dá)面90的第一區(qū)間內(nèi)對(duì)應(yīng)于流體的流入角度的改變進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，在從面90 至面93的第二區(qū)間內(nèi)朝向與第一區(qū)間的扭轉(zhuǎn)方向相反的方向扭轉(zhuǎn)。然而，圖10是任意位置的旋轉(zhuǎn)葉片IA的剖視圖，從與圖9相同的方向觀察旋轉(zhuǎn)葉 片1A。該圖所示的旋轉(zhuǎn)葉片IA的剖面95a是與之前說(shuō)明的面90等相同的，以與輪蓋4A大 致平行的面95剖切旋轉(zhuǎn)葉片IA時(shí)所表示的剖面。在該圖中，以在剖面95a上在軸6的旋 轉(zhuǎn)方向20上畫(huà)出的圓(或者圓弧)為基準(zhǔn)線58，以葉弦54與基準(zhǔn)線58的夾角為葉弦角度 60。若使用這樣定義的葉弦角度60，則能夠換一個(gè)說(shuō)法說(shuō)成，本實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)葉片IA與 第一實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)葉片1同樣地在第一區(qū)間內(nèi)葉弦角度60向逐漸變小的方向扭轉(zhuǎn)，在第 二區(qū)間內(nèi)葉弦角度60向逐漸變大的方向扭轉(zhuǎn)。即，若像這樣形成旋轉(zhuǎn)葉片1A，葉弦角度60 在位于旋轉(zhuǎn)葉片IA的軸側(cè)端部至輪蓋一側(cè)的端部的整個(gè)區(qū)間(第一區(qū)間及第二區(qū)間)的 任一個(gè)剖面上取得該全區(qū)間的最小值。更具體地說(shuō)，旋轉(zhuǎn)葉片IA的葉弦角度60在由面90 所得的剖面取得最小值，旋轉(zhuǎn)葉片IA的扭轉(zhuǎn)方向在由面90所得的剖面的前后翻轉(zhuǎn)。若如上述那樣形成旋轉(zhuǎn)葉片1A，則與第一實(shí)施方式同樣地能夠在第一區(qū)間內(nèi)仍然 保持與通常的旋轉(zhuǎn)葉片相同的迎角57，并在第二區(qū)間內(nèi)與通常旋轉(zhuǎn)葉片相比縮小迎角57。 由此，即使在斜流水輪機(jī)的本實(shí)施方式中，由于減少旋轉(zhuǎn)葉片IA的輪蓋4A —側(cè)的葉片負(fù) 荷，也能夠提高整體的能效。此外，在上述內(nèi)容中，基于與第一實(shí)施方式相同的理由，優(yōu)選為 將葉弦角度60為最小的面90設(shè)定在基準(zhǔn)半徑R2的60%以上至90%以?xún)?nèi)的區(qū)間。
權(quán)利要求
一種渦輪機(jī)，其特征在于，具備具有可自由旋轉(zhuǎn)地支撐的軸及設(shè)置在該軸的周?chē)亩鄠€(gè)旋轉(zhuǎn)葉片的葉輪；以及與上述旋轉(zhuǎn)葉片隔有間隔地設(shè)置在該葉輪的外圓周一側(cè)的輪蓋；上述旋轉(zhuǎn)葉片在從上述軸朝向上述輪蓋的方向上扭轉(zhuǎn)，上述輪蓋附近的上述旋轉(zhuǎn)葉片的扭轉(zhuǎn)方向與上述軸附近的上述旋轉(zhuǎn)葉片的扭轉(zhuǎn)方向相反。
2.一種渦輪機(jī)，其特征在于，具備具有可自由旋轉(zhuǎn)地支撐的軸及設(shè)置在該軸的周?chē)亩鄠€(gè)旋轉(zhuǎn)葉片的葉輪；以及與上述旋轉(zhuǎn)葉片隔有間隔地設(shè)置在該葉輪的外圓周一側(cè)的輪蓋；以與上述輪蓋大致平行并距上述輪蓋的距離不同的面剖切從上述旋轉(zhuǎn)葉片的從軸側(cè) 端部至輪蓋一側(cè)的端部的上述旋轉(zhuǎn)葉片，在該各個(gè)剖面上，在以連結(jié)上述旋轉(zhuǎn)葉片的前緣 與后緣的葉弦與在上述軸的旋轉(zhuǎn)方向上畫(huà)出的圓的夾角作為葉弦角度時(shí)，在上述各剖面 中，上述葉弦角度在位于從上述旋轉(zhuǎn)葉片的上述軸側(cè)端部至輪蓋一側(cè)的端部的區(qū)間的任一 個(gè)剖面上取得上述區(qū)間的最小值。
3.—種水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，其是隔著間隔地設(shè)置在輪蓋的內(nèi)圓周一側(cè)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征 在于，具備可自由旋轉(zhuǎn)地支撐的軸和安裝在該軸的周?chē)亩鄠€(gè)旋轉(zhuǎn)葉片，上述旋轉(zhuǎn)葉片在從上述軸朝向上述輪蓋的方向上扭轉(zhuǎn)，上述輪蓋附近的上述旋轉(zhuǎn)葉片 的扭轉(zhuǎn)方向與上述軸附近的上述旋轉(zhuǎn)葉片的扭轉(zhuǎn)方向相反。
4.一種水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，其是隔著間隔地設(shè)置在輪蓋的內(nèi)圓周一側(cè)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征 在于，具備可自由旋轉(zhuǎn)地支撐的軸和配置在該軸的圓周方向上，相對(duì)于上述軸大致成直角地 安裝的多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片，以與上述軸具有共同的中心線的圓筒面并為距上述輪蓋的距離不同的圓筒面剖切從 上述旋轉(zhuǎn)葉片的軸側(cè)端部至輪蓋一側(cè)的端部的上述旋轉(zhuǎn)葉片，在該各剖面上，在以連結(jié)上 述旋轉(zhuǎn)葉片的前緣和后緣的葉弦與在上述軸的旋轉(zhuǎn)方向上畫(huà)出的圓的夾角為葉弦角度時(shí)， 在上述各剖面中，上述葉弦角度在位于從上述旋轉(zhuǎn)葉片的上述軸側(cè)端部至輪蓋一側(cè)的端部 的區(qū)間的任一個(gè)剖面上取得上述區(qū)間的最小值。
5.一種水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，其為設(shè)置在輪蓋的內(nèi)圓周一側(cè)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，具備可自由旋轉(zhuǎn)地支撐的軸和配置在該軸的圓周方向上，對(duì)上述軸傾斜地安裝的多 個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片，以具有位于上述軸的中心軸上的頂點(diǎn)及與上述旋轉(zhuǎn)葉片大致正交的側(cè)面的圓錐面并 為距上述輪蓋的距離不同的圓錐面剖切從上述旋轉(zhuǎn)葉片的軸側(cè)端部至輪蓋一側(cè)的端部的 上述旋轉(zhuǎn)葉片，在該各剖面上，在以連結(jié)上述旋轉(zhuǎn)葉片的前緣與后緣的葉弦與在上述軸的 旋轉(zhuǎn)方向上畫(huà)出的圓的夾角為葉弦角度時(shí)，在上述各剖面中，上述葉弦角度在位于從上述 旋轉(zhuǎn)葉片的上述軸側(cè)端部至輪蓋一側(cè)的端部的區(qū)間的任一個(gè)剖面上取得上述區(qū)間的最小 值。
6.如權(quán)利要求4或5所述的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，上述旋轉(zhuǎn)葉片的迎角在從上述旋轉(zhuǎn)葉片的軸側(cè)端部至上述葉弦角度為最小的剖面的 區(qū)間內(nèi)保持恒定。
7.如權(quán)利要求4或5所述的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，上述葉弦角度在從上述旋轉(zhuǎn)葉片的軸側(cè)端部至上述葉弦角度為最小的剖面的區(qū)間內(nèi) 單調(diào)地減少，在從上述葉弦角度為最小的剖面至上述旋轉(zhuǎn)葉片的上述輪蓋一側(cè)的端部的區(qū) 間內(nèi)單調(diào)地增加。
8.如權(quán)利要求4所述的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，在以從上述軸的中心軸至上述旋轉(zhuǎn)葉片的輪蓋一側(cè)的端部的距離為基準(zhǔn)半徑時(shí)，上述 葉弦角度為最小的剖面位于上述基準(zhǔn)半徑的60%以上到90%以?xún)?nèi)的區(qū)間內(nèi)。
9.如權(quán)利要求5所述的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，在以通過(guò)上述旋轉(zhuǎn)葉片的中心并與上述圓錐面正交的直線上的距離，即從上述軸的中 心軸至上述旋轉(zhuǎn)葉片的輪蓋一側(cè)的端部的距離為基準(zhǔn)半徑時(shí)，上述葉弦角度為最小的剖面 位于上述基準(zhǔn)半徑的60%以上到90%以?xún)?nèi)的區(qū)間內(nèi)。
10.如權(quán)利要求6所述的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，上述葉弦角度從上述旋轉(zhuǎn)葉片的軸側(cè)端部至上述葉弦角度為最小的剖面的區(qū)間內(nèi)單 調(diào)地減少，從上述葉弦角度為最小的剖面至上述旋轉(zhuǎn)葉片的上述輪蓋一側(cè)的端部的區(qū)間內(nèi) 單調(diào)地增加。
全文摘要
本發(fā)明涉及渦輪機(jī)及水輪機(jī)轉(zhuǎn)子。本發(fā)明提供抑制旋轉(zhuǎn)葉片的輪蓋一側(cè)的端部的剝離、逆流、泄漏以及氣蝕，并具有優(yōu)良的整體能效的渦輪機(jī)。隔著間隔地設(shè)置在輪蓋(4)的內(nèi)圓周一側(cè)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子(3)具備可自由旋轉(zhuǎn)地支撐的軸(6)；安裝在軸(6)的周?chē)趶妮S(6)朝向輪蓋(4)的方向扭轉(zhuǎn)的多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片(1)；使輪蓋(4)附近的旋轉(zhuǎn)葉片(1)的扭轉(zhuǎn)方向(71)相對(duì)于軸(6)附近的旋轉(zhuǎn)葉片(1)的扭轉(zhuǎn)方向(70)翻轉(zhuǎn)。
文檔編號(hào)F01D5/02GK101929414SQ20101020883
公開(kāi)日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月22日
發(fā)明者新谷賢司, 谷清人, 野本悟 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所