JP2002349202A - タービンロータ - Google Patents

タービンロータ

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JP2002349202A
JP2002349202A JP2001157615A JP2001157615A JP2002349202A JP 2002349202 A JP2002349202 A JP 2002349202A JP 2001157615 A JP2001157615 A JP 2001157615A JP 2001157615 A JP2001157615 A JP 2001157615A JP 2002349202 A JP2002349202 A JP 2002349202A
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JP
Japan
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rotor
diameter
turbine rotor
turbine
gas
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Pending
Application number
JP2001157615A
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English (en)
Inventor
Minoru Ishino
実 石野
Hiroshi Uchida
博 内田
Masuo Kawamoto
増夫 川本
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Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 タービンの応答性を確保すると共に、タービ
ン効率を向上させたタービンロータを提供することを課
題とする。 【解決手段】 タービンロータ10は、出口径φDou
tに合わせて入口径φDinが同一に(小型化)されて
おり、これに伴なうロータ周速の低下をガスのロータ周
方向成分の増加によって補うことによって、所定のトル
クを確保している。この場合、ガスのロータ周方向成分
を増加させるために、ガスの流入角度βが直角よりも減
少するが、入口側でロータ回転方向に凸に湾曲している
翼18に沿って流入させることによって、衝突損失を抑
制してタービン効率の向上を図っている。また、出口側
で回転方向に凹に湾曲している翼18によってガスの流
れが半径方向で均一にされ、小型化によってガスの流れ
が垂直になることによって生ずるシュラウド部における
剥離を回避している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車のターボチ
ャージャーに使用されるタービンロータに関する。
【0002】
【従来の技術】従来から自動車のターボチャージャーに
は、タービンハウジング内にタービンロータを収納し、
エンジンの排気ガスを流入させることによってタービン
ロータを回転させる構成としている。
【0003】一般的に、図6に示すように、タービンロ
ータ100の翼102において、タービンハウジング1
04のガス導入路105から排気ガスを受けるロータ入
口側の径(入口径)φDinは、タービンの設計トルク
(ガスの角運動量)に基づいて決定される。一方、ター
ビンロータ100を回転させた排気ガスは、タービンロ
ータ100の回転軸方向から排出されるが、この排気ガ
スを排出するタービンロータ100の出口側の径(以
下、出口径という)φDoutは、設計点流量(出口ス
ロート面積)に関係する値である。これらの関係を満た
すように設計すると、通常、入口径φDinが出口径φ
Doutよりも大きくなる(φDin>φDout)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、タービ
ンロータをタービンハウジングの出口側からタービンハ
ウジングの内部に挿入可能にして製造容易にすることが
望まれている。この場合には、入口径と出口径を同一に
する必要がある。
【0005】入口径を上述のように設計トルクに合わせ
て決定し、出口径をこの入口径と同一の径とした場合、
設計点流量を所定値にするためにタービンロータのハブ
径を増加させて出口スロート面積を減少させる必要があ
った。ところが、タービンロータのハブ径を増大させる
と、タービンロータの慣性モーメントが増加して、ター
ボチャージャーの応答性が低下するという不都合があっ
た。
【0006】逆に、出口径に合わせて入口径を決定した
場合には、入口に流入するガスの流れ方向がラジアルタ
ービンの翼方向と合わず、ガス流入時の衝突損失でター
ビン効率が低下するという不都合があった。
【0007】さらに、入口径と出口径が同一のタービン
ロータでは、入口部のシュラウド形状が水平であるた
め、ほぼ垂直方向から流入するガスの流れが剥離し、タ
ービン性能を悪化させるという不都合もあった。
【0008】本発明は、上記事実を考慮し、タービンの
応答性を確保すると共にタービン効率を向上させたター
ビンロータを提供することを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の発明で
は、ガスが供給されるロータ入口側の入口径と前記ガス
が排出されるロータ出口側の出口径を同一寸法としたタ
ービンロータであって、タービンロータの回転軸に垂直
な翼断面形状がロータ入口側において回転方向に凸形状
に湾曲していることを特徴とする。
【0010】請求項1記載の発明の作用について説明す
る。
【0011】出口径に合わせて同一径とされた入口径を
有するタービンロータでは、ロータが小型化されて外周
部における周速度が小さくなるため、ロータ入口側のガ
ス流入角度を小さくして流入ガスの周方向成分を増加さ
せないと、所定のトルクを確保することができない。こ
の際、タービンロータの回転軸に垂直な翼断面形状がロ
ータ入口側において回転方向に凸形状に湾曲しているこ
とによって、タービンロータの小型化に伴なって小さく
なるガス流入角度に翼断面形状を適合させることができ
る。すなわち、翼に対するガスの衝突損失を抑制して、
タービン効率を向上させることができる。
【0012】また、設計点流量に合わせて出口径を決定
し、この出口径と同一径に入口径を決定するため入口径
が小径化し、結果としてタービンロータの慣性モーメン
トが低下して応答性が向上する。
【0013】請求項2に記載の発明では、ガスが供給さ
れるロータ入口側の入口径と前記ガスが排出されるロー
タ出口側の出口径を同一寸法としたタービンロータであ
って、タービンロータの回転軸に垂直な翼断面形状がロ
ータ出口側において回転方向に凹形状に湾曲しているこ
とを特徴とする。
【0014】請求項2記載の発明の作用について説明す
る。
【0015】タービンロータの出口側において、タービ
ンロータの回転軸に垂直な翼断面形状が回転方向に凹形
状に湾曲してているため、ロータ出口側に向かうガスが
タービンロータの出口側でロータの半径方向で均一化さ
れる。特に、タービンロータを小径化することによっ
て、シュラウド部において剥離が発生するおそれがある
が、回転方向に対して凹形状に湾曲している翼によって
ガスの流れが翼の半径方向に均一化されて剥離を回避す
ることができる。この結果、タービン効率が向上する。
【0016】また、設計点流量に合わせて出口径を決定
し、この出口径と同一径に入口径を決定するため入口径
が小径化し、結果としてタービンロータの慣性モーメン
トも低下して応答性が向上する。
【0017】請求項3に記載の発明では、ガスが供給さ
れるロータ入口側の入口径と前記ガスが排出されるロー
タ出口側の出口径を同一寸法としたタービンロータであ
って、タービンロータの回転軸に垂直な翼断面形状がロ
ータ入口側において回転方向に凸形状に湾曲しており、
ロータ出口側において回転方向に凹形状に湾曲している
ことを特徴とする。
【0018】請求項3記載の発明の作用について説明す
る。
【0019】出口径に合わせて同一径とされた入口径を
有するタービンロータでは、ロータが小型化されて外周
部における周速度が小さくなるため、ロータ入口側のガ
ス流入角度を小さくして流入ガスの周方向成分を増加さ
せないと、所定のトルクを確保することができない。こ
の際、タービンロータの回転軸に垂直な翼断面形状がロ
ータ入口側において回転方向に凸形状に湾曲しているこ
とによって、タービンロータの小型化に伴なって小さく
なるガス流入角度に翼断面形状を適合させることができ
る。すなわち、翼に対するガスの衝突損失を抑制して、
タービン効率を向上させることができる。
【0020】また、タービンロータの出口側において、
タービンロータの回転軸に垂直な翼断面形状が回転方向
に凹形状であるため、ロータ出口側に向かうガスがター
ビンロータの出口側でロータの半径方向で均一化され
る。特に、タービンロータを小径化することによって、
シュラウド部において剥離が発生するおそれがあるが、
回転方向に対して凹形状に湾曲している翼によってガス
の流れが半径方向に均一化されて剥離を回避することが
できる。この結果、タービン効率が向上する。
【0021】さらに、設計点流量に合わせて出口径を決
定し、この出口径と同一径に入口径を決定するため入口
径が小径化し、結果としてタービンロータの慣性モーメ
ントが低下して応答性が向上する。
【0022】
【発明の実施の形態】先ず、本発明の一実施形態に係る
タービンロータについて図1〜図5を参照して説明す
る。
【0023】図1に示すように、タービンロータ10
は、タービンハウジング12の収納孔部14の内部に収
納されている。タービンロータ10は、回転軸となるハ
ブ16と、その外周部に形成されている翼18とからな
る。
【0024】タービンロータ10は、タービンハウジン
グ12の排気導入路20からガスが当接する部分(以
下、入口という)側から流入したガスが翼18によって
ハブ16の軸方向に排出される構成である。
【0025】ハブ16は、入口側から出口側に向けて回
転軸に垂直な断面径が減少するような略円錐台形状とさ
れており、この外側に形成される翼18は、回転中心か
ら外周端までの半径方向距離が一定となるように、入口
側から出口側に向かって半径方向長さが減少するように
形成されている。
【0026】すなわち、タービンロータ10の入口側径
φDinと出口側径φDoutとが一致するようにされ
ている。この場合の設計は、設計点流量に合わせて出口
側径φDoutを決定し、これに一致するように入口側
径φDinを設計したものである。
【0027】また、翼18は、図2に示すように、導入
路20からタービンロータ10の外周方向に沿って導入
される排気ガスの流れ方向(回転方向)に対して入口側
(A−A線断面側)において凸に湾曲して形成されてお
り、出口側(B−B線断面側)において凹に湾曲して形
成されている。
【0028】このように構成されたタービンロータ10
は、以下のような作用を生ずる。
【0029】すなわち、タービンロータ10の入口側径
φDinは、出口側径φDoutに一致させて形成され
ているため、設計トルクに応じて決定される入口径(通
常入口径という)φNDinよりも小さくなる。
【0030】したがって、全体としてタービンロータ1
0が小型化され、慣性モーメントの低下によって応答性
が向上する。
【0031】一方、タービンロータ10のトルクは、図
3に示すように、ロータの周速Uとガス流速Cのロータ
周方向成分のCuの積(U×Cu)で表されるが、ター
ビンロータ10の入口径φDinが通常入口径φNDi
nよりも小さいため、ロータの周速Uが通常のタービン
ロータの周速U’に較べて減少してしまう(U<
U’)。したがって、所定のトルクを確保するために、
ガス流速Cのロータ周方向成分Cuを通常のタービンロ
ータの周速Cu’に較べて増加させる(Cu>Cu’)
ことが必要となる。そこで、タービンロータ10では、
ガス流入角度(タービンロータの回転軸に対する垂直断
面においてガス流入方向(W参照)とロータ周方向のな
す角度)βを小さくして、ガス流速Cのロータ周方向成
分Cuを増加させたものである。しかしながら、通常の
タービンロータの場合には、ロータ周方向に対してガス
が直角に流入して径方向に延在する翼に対する衝突損失
を抑制する構成(W’参照)とされているため、ガス流
入角度βが減少すると、径方向に直線的に形成されてい
る翼に対する衝突損失が増大してタービン効率が低下す
るという問題を生ずる。
【0032】この対策として、本実施形態に係るタービ
ンロータ10は、図2および図4(A)に示すように、
入口側において回転軸に垂直な断面翼形状において、ロ
ータの回転方向に対して凸に湾曲して形成されているた
め、ガス流入角度βが直角よりも小さくなっている場合
にも、翼18の径方向先端がガス流入角度βに一致させ
て、ガスの衝突損失を抑制したものである。
【0033】また、回転軸に垂直な断面翼形状におい
て、翼18が湾曲しているため、翼18に作用する最大
曲げ応力が低減される。すなわち、図4(B)に示すよ
うに、翼18がガス流入角度βに沿って傾斜して形成さ
れた場合には、ガスの衝突損失は抑制できるが、遠心力
による翼18に作用する最大曲げ応力は翼18の根本部
P2にかかるが、本実施形態のように湾曲させている場
合には、最大曲げ応力は翼の中央部P1に作用して、図
4(A)に示すように、翼18を直線に形成した場合と
比較して最大曲げ応力を低減することができる。
【0034】さらに、タービンロータ10が小型化され
ることによって、タービンロータ10の翼のシュラウド
部形状がきつくなるため、シュラウド部において剥離が
生じやすくなる。しかしながら、本実施形態のタービン
ロータ10では、翼18が回転軸に垂直な断面形状にお
いて回転方向に対して凹に形成されてあるため、出口側
で翼18を押すガスは、翼18の円弧面に沿ってシュラ
ウド部方向に流れ、垂直断面において径方向に均一なガ
ス流れを生じさせる。この結果、タービンロータ10の
シュラウド部の曲がりがきつくなったことによって生ず
るおそれがあった剥離を回避することができる。
【0035】したがって、本実施形態に係るタービンロ
ータ10では、入口径φDinと出口径φDoutを一
致させながら小型化を達成して応答性を確保するとと共
に、小型化に伴って発生するガス流入角度βの減少に伴
なう衝突損失の増大やシュラウド部に発生する剥離に対
処して所定のタービン効率を確保することができる。
【0036】
【発明の効果】本発明では、タービンロータの小型化を
達成することによって、応答性を向上させると共に、小
型化しても所定のタービン効率を確保できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るタービンロータを示
す縦断面図である。
【図2】本発明の一実施形態に係るタービンロータの翼
形状説明図である。
【図3】本発明の一実施形態に係るタービンロータ入口
側のガス流入状態説明図である。
【図4】(A)は、本発明の一実施形態に係る翼形状と
ガス流入角度および最大曲げ応力作用地点の関係を説明
する説明図であり、(B)は比較例である。
【図5】本発明の一実施形態に係るタービンロータの剥
離状態説明図である。
【図6】従来例に係るタービンロータの縦断面図であ
る。
【符号の説明】
10…タービンロータ 18…翼
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内田 博 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 川本 増夫 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 Fターム(参考) 3G002 BA01 BB01 3G005 EA16 FA04 FA41 GB25 GB79 GB81

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガスが供給されるロータ入口側の入口径
    と前記ガスが排出されるロータ出口側の出口径を同一寸
    法としたタービンロータであって、 タービンロータの回転軸に垂直な翼断面形状がロータ入
    口側において回転方向に凸形状に湾曲していることを特
    徴とするタービンロータ。
  2. 【請求項2】 ガスが供給されるロータ入口側の入口径
    と前記ガスが排出されるロータ出口側の出口径を同一寸
    法としたタービンロータであって、 タービンロータの回転軸に垂直な翼断面形状がロータ出
    口側において回転方向に凹形状に湾曲していることを特
    徴とするタービンロータ。
  3. 【請求項3】 ガスが供給されるロータ入口側の入口径
    と前記ガスが排出されるロータ出口側の出口径を同一寸
    法としたタービンロータであって、 タービンロータの回転軸に垂直な翼断面形状がロータ入
    口側において回転方向に凸形状に湾曲しており、ロータ
    出口側において回転方向に凹形状に湾曲していることを
    特徴とするタービンロータ。
JP2001157615A 2001-05-25 2001-05-25 タービンロータ Pending JP2002349202A (ja)

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