涡轮喷嘴以及具备涡轮喷嘴的径流式涡轮机制造技术

技术编号:18931413 阅读:24 留言:0更新日期:2018-09-15 09:24
提供一种涡轮喷嘴以及具备涡轮喷嘴的径流式涡轮机。本公开的涡轮喷嘴用于径流式涡轮机,具备环状的轮毂、在轮毂上等角度间隔地配置的多个喷嘴叶片、以及在喷嘴叶片之间形成的流路。流路包括在工作流体的流动方向上具有最小的流路截面积的喉部。在比喉部靠流动方向的下游侧的位置,流路截面积变大。在比喉部靠流动方向的下游侧处的喷嘴叶片的高度比在喉部处的喷嘴叶片的高度大,并且从流动方向的上游侧朝向下游侧逐渐增加。

Turbine nozzle and radial turbine with turbine nozzle

A turbine nozzle and a radial turbine with turbine nozzles are provided. Turbine nozzles of the present disclosure are used for a radial-flow turbine, having a ring-shaped hub, a plurality of nozzle blades arranged at equal angular intervals on the hub, and a flow path formed between nozzle blades. The flow path includes the throat with the smallest cross section area of the flow path in the direction of the working fluid. The cross section area of the flow path is larger than that at the downstream side of the throat. The height of the nozzle blade at the downstream side of the flow direction is higher than that at the throat, and increases gradually from the upstream side of the flow direction to the downstream side.

【技术实现步骤摘要】
涡轮喷嘴以及具备涡轮喷嘴的径流式涡轮机
本公开涉及涡轮喷嘴以及具备涡轮喷嘴的径流式涡轮机。
技术介绍
涡轮机以从空气等压缩性的工作流体中取出动力为目的而使用。涡轮机的种类主要有轴流式涡轮机和径流式涡轮机。与轴流式涡轮机相比,径流式涡轮机通常单级效率优异。因此,径流式涡轮机例如适于小规模到中规模的发电设备。径流式涡轮机的重要的部件之一为涡轮喷嘴。涡轮喷嘴是用于将工作流体导向涡轮叶轮的部件,承担使工作流体膨胀而将压力变换成速度的作用。如专利文献1所记载的那样,在径流式涡轮机中,构成涡轮喷嘴的多个涡轮机叶片在涡轮叶轮的周围环状地配置。工作流体的流路由在涡轮叶轮的周向上互相相邻的涡轮机叶片之间的空间形成。通常为了使工作流体膨胀而使流路截面积从上游侧朝向下游侧(也就是说,朝向涡轮叶轮)逐渐缩小。当通过涡轮喷嘴时,工作流体根据其压力而膨胀并增速。因工作流体与涡轮叶轮的翼片碰撞时施加于翼片的冲动、和工作流体通过涡轮叶轮的翼片间的流路时工作流体膨胀由此施加于翼片的反动,涡轮叶轮旋转(所谓的冲动-反动式涡轮机)。由此,连结于涡轮叶轮的发电机旋转从而生成电力。在专利文献2中,以实现冲动式涡轮机的输出增大为目的,公开了一种用于使工作流体高速化的收口喷嘴。现有技术文献专利文献专利文献1:国际公开第2005/085615号专利文献2:日本特开2010-190109号公报专利文献3:美国专利第5657522号说明书非专利文献非专利文献1:NACATECHNICALNOTENo.1651SUPESONICNOZZLEDESIGN
技术实现思路
用于提高径流式涡轮机的效率的方法之一是提高径流式涡轮机中的流体的膨胀比。但是,使用收口喷嘴的径流式涡轮机无法以超过临界压力比的压力比(膨胀比)使工作流体膨胀。“临界压力比”是指工作流体的流速达到音速时的压力比。本公开的目的在于提供一种用于以超过临界压力比的高压力比使工作流体膨胀的技术。即,本公开提供一种用于径流式涡轮机的涡轮喷嘴,具备:具有中心轴线的环状的轮毂;多个喷嘴叶片,其沿所述轮毂的周向在所述轮毂上等角度间隔地配置,并且包括在所述轮毂的周向上互相相邻的第1喷嘴叶片和第2喷嘴叶片;以及在所述第1喷嘴叶片的腹面与所述第2喷嘴叶片的背面之间形成的流路,在将从所述轮毂的外周侧朝向所述轮毂的内周侧的方向定义为所述流路中的工作流体的流动方向时,所述流路包括在所述流动方向上具有最小的流路截面积的喉部(throat),在比所述喉部靠所述流动方向的下游侧的位置,所述流路截面积变大,在比所述喉部靠所述流动方向的下游侧处的所述第1喷嘴叶片的高度,比在所述喉部处的所述第1喷嘴叶片的高度大,并且从所述流动方向的上游侧朝向下游侧逐渐增加。根据本公开的技术,能够以超过临界压力比的高压力比使工作流体膨胀。附图说明图1是本公开的一实施方式的径流式涡轮机的部分剖视图。图2是图1所示的径流式涡轮机的部分俯视图。图3是涡轮喷嘴的部分放大俯视图。图4是喷嘴叶片的放大俯视图。图5是两个喷嘴叶片的后缘部分的放大俯视图。图6A是沿流路的中心线的涡轮喷嘴的剖视图。图6B是沿流路的中心线的变形例的涡轮喷嘴的剖视图。图6C是沿流路的中心线的另一变形例的涡轮喷嘴的剖视图。图7是示出在工作流体为标准空气(κ=1.4)的情况下的式(3)的计算结果的图表。图8A是示出在涡轮喷嘴的出口处的流速的马赫数M为M=1.4的喷嘴叶片中,包括中心轴线的平面与翼片形状中心线所成的角度的图表。图8B是示出在涡轮喷嘴的出口处的流速的马赫数M为M=1.4的又一喷嘴叶片中,包括中心轴线的平面与翼片形状中心线所成的角度的图表。图9是示出与喷嘴叶片的厚度有关的分布的一个例子的图表。图10是示出喷嘴叶片的高度的分布的图表。图11是使用径流式涡轮机的发电系统的构成图。附图标记说明10:涡轮叶轮;11:可动翼片;12:轴;13:涡轮叶轮的轮毂;14:涡轮喷嘴;16:护罩壁;22:涡轮喷嘴的轮毂;22p:轮毂的上表面;24:喷嘴叶片;24p:腹面;24q:背面;24r:上表面;27:流路;27a:收缩部;27b:喉部;27c:扩口部;100:径流式涡轮机;102:冷凝器(制冷器);104:泵;106:蒸发器(蒸气发生器);108:发电机;110:朗肯循环回路;112:热源;114:管道;200:发电系统;O:旋转轴线;L:翼片形状中心线。具体实施方式(作为本公开的基础的见解)在假设工作流体为理想流体的情况下,喷嘴的出口处的工作流体的流速由以下的式(1)来表示。Cs:喷出流速Cp:定压比热T01:喉部处的静温Pexit:喷嘴的出口处的静压P00:喷嘴的入口处的静压κ:比热比喷出流速Cs是以根据工作流体的物理性质和状态量决定的音速为上限、根据压力比Pexit/P00决定的。喷出流速Cs达到音速的压力比被称为“临界压力比”。收口喷嘴那样的通常的喷嘴无法以临界压力比以上的压力比使工作流体膨胀。即,无法实现工作流体的流速超过音速的膨胀。接下来,将由下述式(2)定义的值M称为马赫数。马赫数是通过将流速除以音速而得到的值。M:马赫数V:工作流体的流速a:音速κ:比热比R:工作流体的气体常数T00:工作流体的静温在收口喷嘴的情况下,在其流路截面积最小的部分流速最大。当最大流速达到M=1的流速时,该收口喷嘴中的膨胀比达到临界压力比,工作流体无法进一步膨胀。流路截面积与马赫数M之间具有下述式(3)的关系。A:喷嘴的任意位置处的流路截面积A*:喷嘴的最小的流路截面积M:马赫数κ:比热比图7示出了在工作流体为标准空气(κ=1.4)的情况下的式(3)的计算结果。根据式(3)以及图7可知,在喷嘴的任意位置处,当流动的马赫数M小于1的情况下,喷嘴需要具有比最小的流路截面积(即,M=1时的截面积)大的截面积。伴随流速的增加而流路截面积减少,在流路截面积最小的位置流速达到音速。当流速超过音速时流路截面积变大。即,为了使流速增加至超过音速,需要使流路截面积变大。根据这些事实可知,为了使流速从亚音速流动变化为超音速流动,需要具备具有收口的形状的部分、具有最小的流路截面积的部分(喉部)、以及具有扩口形状的部分的喷嘴。将这样的构造的喷嘴称为“拉瓦尔喷嘴”,该喷嘴用于火箭的发动机或航空器的发动机那样的多利用超音速流动的推进内燃机。在专利文献1中,以实现冲动式涡轮机的输出增大为目的,使用用于使要导向冲动式涡轮机的涡轮叶轮的工作流体高速化的收口喷嘴。冲动式涡轮机构成为:通过喷嘴使工作流体大致完全膨胀,利用工作流体与涡轮叶轮的翼片碰撞时施加于翼片的冲动来使涡轮叶轮旋转。将专利文献1所公开的收口喷嘴沿涡轮叶轮的切线方向配置这一构造,多被在小流量且高压力比的条件下工作的涡轮机所采用。但是,根据该构造,喷嘴部分变得尺寸较长,因此,涡轮机的整体的尺寸变得过大。另外,专利文献1所公开的喷嘴在喷嘴的顶端具有最小的流路截面积。因此,在专利文献1所公开的喷嘴中,马赫数M不超过1,无法实现马赫数超过1的加速。另一方面,专利文献3公开了一种轴流式涡轮机用的超音速分配器。在专利文献3的超音速分配器中,翼片件(叶片)的外形具有上游侧的直线部分、形成喉部的凸部分、以及下游侧的弯曲部分。在专利文献3中记载了能够生成马赫1.2~2.5的范围的马赫数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涡轮喷嘴,用于径流式涡轮机,具备:具有中心轴线的环状的轮毂;多个喷嘴叶片,其沿所述轮毂的周向在所述轮毂上等角度间隔地配置,并且包括在所述轮毂的周向上互相相邻的第1喷嘴叶片和第2喷嘴叶片;以及在所述第1喷嘴叶片的腹面与所述第2喷嘴叶片的背面之间形成的流路,在将从所述轮毂的外周侧朝向所述轮毂的内周侧的方向定义为所述流路中的工作流体的流动方向时,所述流路在所述流动方向上包括具有最小的流路截面积的喉部,在比所述喉部靠所述流动方向的下游侧的位置,所述流路截面积变大,在比所述喉部靠所述流动方向的下游侧处的所述第1喷嘴叶片的高度,比在所述喉部处的所述第1喷嘴叶片的高度大,并且从所述流动方向的上游侧朝向下游侧逐渐增加。

【技术特征摘要】
2017.03.01 JP 2017-038474;2017.03.01 JP 2017-038471.一种涡轮喷嘴,用于径流式涡轮机,具备:具有中心轴线的环状的轮毂;多个喷嘴叶片,其沿所述轮毂的周向在所述轮毂上等角度间隔地配置,并且包括在所述轮毂的周向上互相相邻的第1喷嘴叶片和第2喷嘴叶片;以及在所述第1喷嘴叶片的腹面与所述第2喷嘴叶片的背面之间形成的流路,在将从所述轮毂的外周侧朝向所述轮毂的内周侧的方向定义为所述流路中的工作流体的流动方向时,所述流路在所述流动方向上包括具有最小的流路截面积的喉部,在比所述喉部靠所述流动方向的下游侧的位置,所述流路截面积变大,在比所述喉部靠所述流动方向的下游侧处的所述第1喷嘴叶片的高度,比在所述喉部处的所述第1喷嘴叶片的高度大,并且从所述流动方向的上游侧朝向下游侧逐渐增加。2.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴,在比所述喉部靠所述流动方向的下游侧的位置,所述轮毂的上表面与所述中心轴线垂直,所述第1喷嘴叶片的上表面相对于与所述中心轴线垂直的平面倾斜。3.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴,在比所述喉部靠所述流动方向的下游侧的位置,所述第1喷嘴叶片的上表面与所述中心轴线垂直,...

【专利技术属性】
技术研发人员:田口英俊木户长生西胁文俊西山吉继
申请(专利权)人:松下电器产业株式会社
类型:发明
国别省市:日本,JP

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