JP2011132921A

JP2011132921A - タービンハウジング及び過給機

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Publication number: JP2011132921A
Application number: JP2009294864A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakano; 健中野; Yutaka Hirata; 豊平田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2011-07-07

Abstract

【課題】複数の流入流路を形成するタービンハウジング及び過給機の小型化及び軽量化を目的とする。
【解決手段】駆動ガスに関する複数の流入流路２５ａ〜２５ｃがタービン翼の回転半径方向に重なった状態で設けられる遠心型タービンのタービンハウジング２であって、各流入流路２５ａ〜２５ｃは、少なくとも上流側領域の断面形状が矩形である。
【選択図】図２

Description

本発明は、タービンハウジング及び過給機に関する。

例えば船舶に搭載される過給機には、低負荷時の性能向上、排気干渉の低減を目的として、排ガスを受け入れるための複数の流入流路を形成するタービンハウジングを備えるものがある。このような遠心型タービンの各流入流路は、断面形状が略円形かつタービン翼の回転半径方向に重なった状態で渦巻状（スクロール状）に設けられる。また、各流入流路の個数は、エンジンとの兼ね合いで適宜設定されるが、一般的に２個あるいは３個程度である。
下記特許文献１には、舶用ではなく自動車用ではあるが、一般に「ツインスクロールターボ」と称する２個の流入流路からなる遠心型タービンを備えたターボチャージャが開示されている。

特開２００７−３０９１４０号公報

ところで、自動車用の過給機は、特許文献１に開示されているターボチャージャのように流入流路の個数が多くても2個であるが、舶用の過給機は、エンジンが自動車用よりも大型である等の関係で、流入流路の個数が３個以上のものがある。この舶用過給機のように流入流路の個数が多いものでは、特に排ガスの受入口において略円形状の各流入流路がタービン翼の回転半径方向に重なるので、当該回転半径方向における過給機の寸法が大きくなり、また重量も大重量化するという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、複数の流入流路を形成するタービンハウジング及び過給機の小型化及び軽量化を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、タービンハウジングに係る第１の解決手段として、駆動ガスに関する複数の流入流路がタービン翼の回転半径方向に重なった状態で設けられる遠心型タービンのタービンハウジングであって、各流入流路は、少なくとも上流側領域の断面形状が矩形である、という手段を採用する。

タービンハウジングに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、流入流路は３個以上設けられる、という手段を採用する。

また、本発明では、過給機に係る第１の解決手段として、タービン翼の回転半径方向に重なった状態で駆動ガスに関する複数の流入流路を形成するタービンハウジングを備える過給機であって、各流入流路は、少なくとも上流側領域の断面形状が矩形である、という手段を採用する。

過給機に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、流入流路は3個以上設けられる、という手段を採用する。

本発明によれば、各流入流路をタービン翼の回転半径方向に重なった状態で設ける場合において、各流入流路は、少なくとも上流側領域の断面形状が矩形であるので、断面形状が略円形の従来技術に比較して回転半径方向における寸法を小さくすることが可能である。

また、従来技術のように断面形状が略円形の場合には、各流入流路の壁面が曲面となるので、各流入流路を形成する壁の肉厚を全体として均一にすることが困難であり、壁に余計な肉厚の部位が発生し易いが、本発明によれば、断面形状が矩形なので、壁の肉厚を全体として均一にすることが容易であり、余計な肉厚の部位を大幅に削減することが可能であり、よって重量を軽量化することが可能である。

本発明の一実施形態に係る舶用過給機１の回転軸方向における断面図である。本発明の一実施形態に係る舶用過給機１の回転半径方向におけるタービンハウジング２の断面図である。本発明の一実施形態に係る舶用過給機１におけるタービンハウジング２の正面図である。本発明の一実施形態における参考例としてのタービンハウジング２’の断面図である。本発明の一実施形態における参考例としてのタービンハウジング２”の断面図である。本発明の一実施形態に係る舶用過給機１におけるフランジＦ’の正面図（ａ）及び当該正面図におけるＡ-Ａ線断面図（ｂ）である。

以下、上記図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る過給機１は、タービンハウジング２、軸受ハウジング３、コンプレッサハウジング４がボルトによって一体に締結されて構成されている。ロータ軸１０は、軸受ハウジング３内に設けられたスラスト軸受１１及びラジアル軸受１２，１３によって回転自在に支持されている。ロータ軸１０の一端部にはタービン翼１５（インペラ）が固結され、他端部にコンプレッサ翼１６（インペラ）が固結されている。

タービン翼１５は、外周部に複数のブレード１５ａを有している。一方、コンプレッサ翼１６は、外周部に複数のブレード１６ａを有している。各ブレード１６ａは、コンプレッサハウジング４に設けられた吸入空気導入路（不図示）の後方に配置されている。なお、この吸入空気導入路は、コンプレッサ翼１６を介して燃焼空気流路２０に接続され、さらに燃焼空気流路２０は、図示しない排気管を介してエンジンの燃焼室に接続されている。

タービンハウジング２は、図２に示すように３つの流入流路２５ａ〜２５ｃを備える。各流入流路２５ａ〜２５ｃは、タービン翼１５の周りに螺旋状かつタービン翼の回転半径方向に重なった状態で設けられており、エンジンの排気ガス（駆動ガス）をタービン翼１５に対して回転半径方向から導入させる。図示するように、エンジンが例えば５気筒エンジンの場合、流入流路２５ａ〜２５ｃのうち、流入流路２５ａは第１シリンダに接続され、流入流路２５ｂは第２シリンダと第３シリンダとに接続され、また流入流路２５ｃは第４シリンダと第５シリンダとに接続される。第１〜第５シリンダは、排気ガス最大送出流量が全く同一である。

このような各流入流路２５ａ〜２５ｃと第１〜第５シリンダとの接続関係は、事前のシミュレーション等で適宜設定されるが、図２に示す接続関係の場合には、流入流路２５ｂに接続された第２シリンダ及び第３シリンダは、互いに同一の周期かつ異なる位相で排気ガスを送出するものであることが望ましい。また、流入流路２５ｃに接続された第４シリンダ及び第５シリンダについても同様に、互いに同一の周期かつ異なる位相で排気ガスを送出するものであることが望ましい。

すなわち、第２シリンダと第３シリンダとは、また、第４シリンダと第５シリンダとは、最大流量を送り出すタイミングが同時でないことが望ましい。より好ましくは、第２シリンダと第３シリンダとは、また、第４シリンダと第５シリンダとは、一方のシリンダからの送出流量が最大であるときに、他方のシリンダからの送出流量がゼロであることが望ましい。

また、各流入流路２５ａ〜２５ｃは、図２及び図３に示すように、渦の最も外側に位置する入口側の開口２６ａ〜２６ｃが互いに隣り合って位置する。各開口２６ａ〜２６ｃは、同一形状かつ同一面積に形成されており、また１つのフランジＦに設けられている。このフランジＦには、図示するように８個のボルト穴Ｂが設けられている。また、各流入流路２５ａ〜２５ｃは、タービン翼１５に臨む部位２９ａ〜２９ｃよりも上流側領域では等しい開口面積で延在し、タービン翼１５に臨む部位２９ａ〜２９ｃでは下流端に向かって徐々に縮径する形状となっている。上記上流側領域は、矢印３０ａ〜３０ｃで示す領域であり、開口２６ａ〜２６ｃからタービン翼１５に臨む部位２９ａ〜２９ｃまでの領域である。

各流入流路２５ａ〜２５ｃの断面形状は、図示するように開口２６ａ〜２６ｃ（最上流部位）から最下流部位（ノズル２７に臨む部位）に亘って全て矩形である。すなわち、各流入流路２５ａ〜２５ｃは、タービン翼１５の径方向外側の上面３１と内側の下面３２とが流路方向に垂直な断面（図の断面）において互いに平行であり、かつ、各流入流路２５ａ〜２５ｃの幅方向両側の側面３３、３４が上記断面において互いに平行で上面３１及び下面３２に対して垂直である。なお、各流入流路２５ａ〜２５ｃにおいて、断面における各頂部は、上記各面３１〜３４が滑らかに連続するように面取りされている。

また、各流入流路２５ａ〜２５ｃについて、タービン翼１５に臨む部位２９ａ〜２９ｃでは、上記の略矩形が徐々に小さくなり、タービン翼１５の外周を取り囲むノズル２７に臨んで開口する。ノズル２７を通過したエンジン排気がタービン翼１５に導入される。

このように構成された過給機１では、エンジンの排気ガスが過給機１のタービンハウジング２に形成された各流入流路２５ａ〜２５ｃを通ってタービン翼１５に導かれる。そして、タービン翼１５は、排気ガスの運動エネルギーによって回転駆動される。すなわち、本過給機１では、排気ガスの運動エネルギーがタービン翼１５によって回転エネルギーに変換され、この回転エネルギーによってタービン翼１５にロータ軸１０を介して接続されたコンプレッサ翼１６が回転する。

なお、タービン翼１５の回転に寄与した排気ガスは、排気ガス排出路２８から外部に排出される。そして、コンプレッサ翼１６が回転することにより、コンプレッサハウジング４により案内された吸入空気が圧縮され、燃焼空気流路２０を経てエンジンの燃焼室に送り込まれる。これにより、ディーゼルエンジンの高出力化が図られる。

このように、本実施形態によれば、各流入流路２５ａ〜２５ｃにおいて、断面形状が開口２６ａ〜２６ｃ（最上流部位）から最下流部位（ノズル２７に臨む部位）に亘って全て矩形形状となっているため、従来と同じ流路断面積であっても径方向の寸法を小さくすることができ、重なり合った各流入流路２５ａ〜２５ｃの全体の径方向寸法も小さくすることができる。したがって、タービンハウジング２を小型軽量化することができる。

より具体的には、図４（ａ）に示すような各流入流路２５ａ’〜２５ｃ’の断面形状が略円形（正確には楕円形）のタービンハウジング２’では、各流入流路２５ａ’〜２５ｃ’の壁面が曲面となるので、各流入流路２５ａ’〜２５ｃ’を形成する壁の肉厚を全体として均一にすることが困難であり、壁に余計な肉厚の部位が発生し易い。これに対して、本実施形態によれば、上記タービンハウジング２’との比較において、流路の入口側開口の高さを約７６％とすることが可能であり、またタービンハウジング２全体として約９４％のサイズとすることが可能である。

また、本実施形態によれば、第２シリンダと第３シリンダとは、また第４シリンダと第５シリンダとは、一方のシリンダからの送出流量が最大であるときに、他方のシリンダからの送出流量がゼロなので、各流入流路２５ａ〜２５ｃの開口２６ａ〜２６ｃを同形状・等面積にすることができると共に、流入流路２５ａ〜２５ｃの断面積を均一化することができる。

つまり、シリンダの接続数が１つである流入流路２５ａとシリンダの接続数が２つである流入流路２５ｂ、２５ｃとについて、形状や断面積を異ならせる必要がないので、タービンハウジング２を制作するための鋳型の形状がシンプルになり、もってタービンハウジング２の製作が容易になる。なお、流入流路２５ａと流入流路２５ｂ、２５ｃとを異なる形状や断面積にする場合には、製作が容易なので、流路長が最も短い流入流路２５ｃに１つのシリンダを接続することが好ましい。

また、本実施形態によれば、図４（ａ）に示すように各流入流路２５ａ’〜２５ｃ’の外壁や内壁が曲面状である場合よりも、タービンハウジング２の鋳造時に用いる鋳型や中子の形状が簡素となり、鋳型や中子の製作が容易になる。例えば、図５に示すように、外壁の凹凸（くびれ）を少なくしたタービンハウジング２”を用いることも考えられるが、本実施形態によれば、このようなタービンハウジング２”を用いる場合よりも肉厚を均一にすることができ、巣などの鋳造欠陥の発生を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、各流入流路２５ａ〜２５ｃの入口側が隣り合って並んだ構成であり、従来と同様に簡易な形状であり、製造が容易である。
また、本実施形態によれば、エンジンの排気をタービン翼１５に導く流路が３つの流入流路２５ａ〜２５ｃから構成されているため、低負荷時の少ない排気エネルギを有効に利用することができる。

さらに、本実施形態によれば、図４（ｂ）に示すように、各流入流路２５ａ’〜２５ｃ’の各開口２６ａ’〜２６ｃ’に個別のフランジＦａ〜Ｆｃが設けられる場合に比較して、１つのフランジＦに各開口２６ａ〜２６ｃを設けるので、フランジＦ付近の成形が容易になる。また、ボルト等の締結部材の部品点数を少なくでき、タービンハウジング２とエンジンの排気管を接続する際の作業性が向上する。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）各流入流路２５ａ〜２５ｃのタービン翼１５に臨む部位２９ａ〜２９ｃは、上記実施形態のような略矩形状でなくともよく、従来と同様の円形、または徐々に小さくなる任意の形状とすることができる。すなわち、各流入流路２５ａ〜２５ｃにおいて、少なくとも上流側領域の断面形状が略矩形状であれば良い。

（２）上記実施形態では、３つの流入流路２５ａ〜２５ｃの構成について説明したが、流入流路の個数は３個に限定されない。流入流路の個数は、２個あるいは３個以上であっても良い。

（３）上記実施形態では、８個のボルト穴Ｂを有するフランジＦを設けたが、図６（ａ）に示すように６個のボルト穴Ｂを有するフランジＦ’を設けても良い。また、図６（ａ）に示すように、流入流路２５ａ〜２５ｃの並び方向において中間に位置するボルト穴Ｂについては、フランジＦ’において外側に突出する部分に設けても良い。このようなフランジＦ’の構成によれば、図６（ｂ）に示すように、タービンハウジング２とエンジンの排気管を接続する際、工具（スパナ）をフランジＦ’の裏側に入れ易いので、ボルト穴Ｂに挿通させたボルトにナットを締め付ける締結作業の作業性が向上する。

（４）上述したように、第２シリンダと第３シリンダとは、また、第４シリンダと第５シリンダとは、最大流量を送り出すタイミングが同時でないことが望ましく、より好ましくは一方のシリンダからの送出流量が最大であるときに、他方のシリンダからの送出流量がゼロであることが望ましいが、このような状態を実現できない場合には、流入流路２５ｂと流入流路２５ｃとを異なる形状や断面積としても良い。ただし、この場合には、細い流路を長く形成することは製作上困難なので、流路長が長い方の流入流路２５ｂ（外側の流路）の断面積を流路長が短い方の流入流路２５ｃ（内側の流路）の断面積よりも大きくすることが望ましい。つまり、流入流路２５ｂと流入流路２５ｃとで断面積を異ならせる場合には、内側の流入流路２５ｃを外側の流入流路２５ｂよりも小さな断面積とすることが好ましい。

１…過給機、２…タービンハウジング、３…軸受ハウジング、４…コンプレッサハウジング、１５…タービン翼、２５ａ〜２５ｃ…流入流路

Claims

駆動ガスに関する複数の流入流路がタービン翼の回転半径方向に重なった状態で設けられる遠心型タービンのタービンハウジングであって、
各流入流路は、少なくとも上流側領域の断面形状が矩形であることを特徴とする遠心型タービンのタービンハウジング。
流入流路は３個以上設けられることを特徴とする請求項１に記載の遠心型タービンのタービンハウジング。
タービン翼の回転半径方向に重なった状態で駆動ガスに関する複数の流入流路を形成するタービンハウジングを備える過給機であって、
各流入流路は、少なくとも上流側領域の断面形状が矩形であることを特徴とする過給機。
流入流路は３個以上設けられることを特徴とする請求項３記載の過給機。