JP2011231715A - Radial turbine, and supercharger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ラジアルタービン及び過給機に関するものである。 The present invention relates to a radial turbine and a supercharger.
ラジアルタービンは、周知のように外部より供給される流体をラジアルインペラで受けることによって回転動力を得るものであり、例えば過給機に組み込まれて用いられている。
このようなラジアルタービンでは、外部から大量の流体が供給された場合であっても、流体の流れを阻害しないように大容量化が図られている(例えば特許文献1)。
As is well known, a radial turbine obtains rotational power by receiving a fluid supplied from the outside with a radial impeller, and is used, for example, in a supercharger.
In such a radial turbine, even when a large amount of fluid is supplied from the outside, the capacity is increased so as not to hinder the flow of the fluid (for example, Patent Document 1).
ラジアルタービンの大容量化の方法としては、例えばウエストゲートバルブを用いる方法や、ベーンノズル機構を用いる方法が用いられている。
例えば、ウエストゲートバルブを用いる方法では、ラジアルインペラの上流側と下流側とをウエストゲートバルブが設けられたバイパス流路でつなぎ、大量の流体が供給された場合にウエストゲートバルブを開放して流体の一部をバイパスする。
また、ベーンノズル機構を用いる方法では、ラジアルインペラを予め大流量に対応可能な大きさで形成し、小流量の際の効率低下をベーンノズル機構用いて向上する。
As a method for increasing the capacity of the radial turbine, for example, a method using a waste gate valve or a method using a vane nozzle mechanism is used.
For example, in the method using the wastegate valve, the upstream side and the downstream side of the radial impeller are connected by a bypass passage provided with the wastegate valve, and when a large amount of fluid is supplied, the wastegate valve is opened to Bypass some of the.
In the method using the vane nozzle mechanism, the radial impeller is formed in a size that can handle a large flow rate in advance, and the efficiency reduction at the time of the small flow rate is improved using the vane nozzle mechanism.
しかしながら、ウエストゲートバルブを用いる場合には、バイパス流路を流れる流体はラジアルインペラに対して仕事をすることなく、ラジアルインペラの下流側に流される。このため、供給される流体が大流量である程、相対的に効率が低下することとなる。
一方、ベーンノズル機構を用いる方法では、ラジアルインペラそのものが大型化され、さらには複雑なベーンノズル機構を搭載する必要があるため、ラジアルタービンの装置サイズが大型化してしまう。
However, when the wastegate valve is used, the fluid flowing through the bypass flow channel flows to the downstream side of the radial impeller without performing work on the radial impeller. For this reason, the greater the flow rate of the supplied fluid, the lower the efficiency.
On the other hand, in the method using the vane nozzle mechanism, the radial impeller itself is increased in size, and further, since it is necessary to mount a complicated vane nozzle mechanism, the apparatus size of the radial turbine is increased.
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ラジアルタービンにおいて、装置サイズを大型化することなく、大流量の際の仕事の効率を向上することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to improve work efficiency at a large flow rate in a radial turbine without increasing the apparatus size.
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。 The present invention adopts the following configuration as means for solving the above-described problems.
第1の発明は、複数のタービン翼を有するラジアルインペラを備えるラジアルタービンであって、上記タービン翼が回転する領域に臨んで上記ラジアルインペラのスロート領域あるいは該スロート領域よりも上流側に位置するバイパス用開口を有するタービンシュラウドと、上記バイパス用開口を入口開口として上記ラジアルインペラの下流側まで連通するバイパス流路とを備えるという構成を採用する。 1st invention is a radial turbine provided with the radial impeller which has a some turbine blade, Comprising: The bypass located in the throat area | region of the said radial impeller or an upstream from this throat area | region facing the area | region where the said turbine blade rotates A configuration in which a turbine shroud having an opening for opening and a bypass passage communicating with the bypass opening as an inlet opening to the downstream side of the radial impeller is employed.
第2の発明は、上記第1の発明において、上記バイパス流路が、上記バイパス用開口に連結すると共に上記タービンシュラウドを貫通する貫通孔領域と、該貫通孔領域と接続すると共に上記タービンシュラウドと該タービンシュラウドを囲うハウジングとの間の隙間によって形成される隙間領域とを有するという構成を採用する。 According to a second invention, in the first invention, the bypass flow path is connected to the bypass opening and penetrates the turbine shroud, and is connected to the through hole area and the turbine shroud. A configuration is adopted in which a gap region is formed by a gap between the housing surrounding the turbine shroud.
第3の発明は、上記第2の発明において、上記貫通孔領域が、上記バイパス用開口から上記ラジアルタービンの軸方向における後流側に向けて延在して形成されているという構成を採用する。 A third invention adopts a configuration in which, in the second invention, the through hole region is formed to extend from the bypass opening toward the wake side in the axial direction of the radial turbine. .
第4の発明は、上記第1〜第3いずれかの発明において、上記バイパス流路の出口開口の開口面積が上記バイパス流路の入口開口の開口面積よりも広く設定されているという構成を採用する。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the opening area of the outlet opening of the bypass flow path is set wider than the opening area of the inlet opening of the bypass flow path To do.
第5の発明は、上記第1〜第4いずれかの発明において、上記バイパス用開口が、上記スロート領域に臨んで設けられているという構成を採用する。 According to a fifth invention, in any one of the first to fourth inventions, a configuration is adopted in which the bypass opening is provided facing the throat region.
第6の発明は、ラジアルタービンと、コンプレッサとを備える過給機であって、上記ラジアルタービンとして上記第1〜第5いずれかの発明であるラジアルタービンを備えるという構成を採用する。 6th invention is a supercharger provided with a radial turbine and a compressor, Comprising: The structure of providing the radial turbine which is any one of the said 1st-5th invention as said radial turbine is employ | adopted.
本発明によれば、タービン翼が回転する領域に臨んでバイパス流路の入口開口が形成されている。このため、バイパス流路に流れ込む流体は、少なくともラジアルインペラのタービン翼が回転する領域を通過した後にバイパス流路に流れ込む。したがって、本発明によれば、バイパスされる流体からも動力を得ることができ、タービン効率が向上する。
また、本発明においては、入口開口は、スロート領域あるいは当該スロート領域よりも上流側に設けられている。このため、供給される流体が大流量である場合にも、その一部を最も流体が通り難い領域であるスロート領域を通過させる必要がなく、スムーズにバイパス流路に流すことができる。このため、本発明は、ラジアルインペラを大型化することなく大容量のラジアルタービンとなる。
したがって、本発明によれば、装置サイズを大型化することなく、大流量の際の仕事の効率を向上することが可能となる。
According to the present invention, the inlet opening of the bypass passage is formed facing the region where the turbine blade rotates. For this reason, the fluid flowing into the bypass flow channel flows into the bypass flow channel after passing through at least a region where the turbine blade of the radial impeller rotates. Therefore, according to the present invention, power can be obtained from the bypassed fluid, and the turbine efficiency is improved.
In the present invention, the inlet opening is provided upstream of the throat region or the throat region. For this reason, even when the supplied fluid has a large flow rate, it is not necessary to pass a part of the fluid through the throat region, which is the region where the fluid is most difficult to pass, and the fluid can be smoothly passed through the bypass flow path. For this reason, this invention becomes a large capacity radial turbine, without enlarging a radial impeller.
Therefore, according to the present invention, it is possible to improve work efficiency at a large flow rate without increasing the size of the apparatus.
以下、図面を参照して、本発明に係るラジアルタービン及び過給機の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。 Hereinafter, an embodiment of a radial turbine and a supercharger according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the scale of each member is appropriately changed in order to make each member a recognizable size.
図1は、本実施形態の過給機1の概略構成を示す断面図である。
この図に示すように、本実施形態の過給機1は、排気ガス(流体)の運動エネルギを回転動力として回収するラジアルタービン2と、当該ラジアルタービン2によって得られた回転動力によって空気を圧縮するコンプレッサ3と、ラジアルタービン2とコンプレッサ3とを接続してラジアルタービン2からコンプレッサ3に動力を伝達する軸部4とを備えている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a supercharger 1 according to the present embodiment.
As shown in this figure, the supercharger 1 of this embodiment compresses air with a
ラジアルタービン2は、タービンインペラ21(ラジアルインペラ)と、タービンシュラウド22(タービンシュラウド)と、タービンハウジング23(ハウジング)とを備えている。
The
タービンインペラ21は、エンジン等の燃焼機関から供給される排気ガスを受けることによって回転駆動されるものであり、いわゆるラジアルインペラである。
タービンインペラ21は、ディスク21aに対して複数のタービン翼21bが回転方向に配列して取り付けられることによって構成されている。
The
The
図2の拡大図に示すように、各タービン翼21bは、ディスク21aの凹に湾曲された表面に沿って設けられており、排気ガスの流れ方向に沿って湾曲されている。
なお、タービン翼21bの各部位の名称について説明すると、ディスク21aに固着される端部をハブ21b1と称し、ハブ21b1と対向する端部をチップ21b2と称し、排気ガスが流入する側の端部を前縁21b3と称し、排気ガスが排出される側の端部を後縁21b4と称する。また、隣り合うタービン翼21b同士が近接する領域で排気ガスが最も通り難い領域をスロート領域Rと称する。
As shown in the enlarged view of FIG. 2, each
In addition, the name of each part of the
タービンシュラウド22は、図1に示すように、上記タービンインペラ21を、当該タービンインペラ21が備えるタービン翼のチップ21b2側から覆うケースである。
そして、本実施形態のタービンシュラウド22には、図2に示すように、上述のスロート領域Rの上流側に臨むバイパス用開口10aを備えている。
図3は、図2のA方向から見た矢視図である。この図に示すように、バイパス用開口10aは、タービンシュラウド22の内壁面に複数設けられ、タービンインペラ21の回転軸を中心として環状に配列されている。また、各バイパス用開口10aは、円形に形状設定されている。
As shown in FIG. 1, the
And the
FIG. 3 is an arrow view seen from the direction A of FIG. As shown in this figure, a plurality of
また、タービンシュラウド22には、各バイパス用開口10aに連結すると共にタービンシュラウド22を貫通する複数の貫通孔10bが形成されている。これらの貫通孔10bは、後に詳説するバイパス流路10の一部を構成するものである。
Further, the
タービンハウジング23は、ラジアルタービン2の外形を形作るものであり、タービンシュラウド22ごとタービンインペラ21を囲っている。
タービンハウジング23の内部には、一端に排気ガスの入口を備えたスクロール通路24が形成されている。
また、タービンハウジング23の内部には、タービンインペラ21よりも大きな径を有するリング部材25がタービンシュラウド22と対向して配置されている。そして、リング部材25とタービンシュラウド22との挟まれた領域が、上記スクロール通路24とタービンインペラ21とを連通する環状の排気ガス流路26とされている。
なお、本実施形態においては、可変ノズル機構を備えている。この可変ノズル機構は、排気ガス流路26に環状に配列される複数のノズルベーン27を備えている。これらのノズルベーン27は、環状に配列されると共に不図示の駆動機構により回動可能とされており、回動角度が排気ガス流路26を流れる排気ガス流量に応じて最適に設定される。
The
A
A
In the present embodiment, a variable nozzle mechanism is provided. This variable nozzle mechanism includes a plurality of
図2に示すように、タービンシュラウド22とタービンハウジング23との間の一部には、隙間10cが設けられている。この隙間10cは、バイパス流路10の一部を構成するものであり、上記貫通孔10bと連通すると共にラジアルタービン2の下流側まで連通されている。
図4は、図2のB方向から見た矢視図である。この図に示すように、隙間10cは、タービンインペラ21の回転軸を中心とする全周に亘って連続して設けられている。
As shown in FIG. 2, a
FIG. 4 is an arrow view seen from the direction B of FIG. As shown in this figure, the
バイパス流路10は、タービンインペラ21を通過する排気ガスの一部をバイパスするための流路であり、上述の貫通孔10bと隙間10cとによって形成されている。つまり、本実施形態の過給機1においてバイパス流路10は、タービンシュラウド22に形成されたバイパス用開口10aに連結すると共にタービンシュラウド22を貫通する貫通孔領域Raと、この貫通孔領域Raと接続すると共にタービンシュラウド22とこのタービンシュラウド22を囲うタービンハウジング23との間の隙間10cによって形成される隙間領域Rbとを有している。
The
また、本実施形態の過給機1において、バイパス流路10の入口開口となるバイパス用開口10aは、上述したように最も排気ガスが通過し難い領域であるスロート領域Rの上流側に臨んで設けられている。
図5は、横軸をタービンインペラ21の入口と出口とを含む流れ方向の位置とし、縦軸をタービンシュラウド22の壁面静圧としたグラフである。この図に示すように、ラジアルタービン2に対して供給される排気ガスの流量が小流量(タービンインペラ21の容量に対して十分に余裕がある流量)である場合には、入口からタービンインペラ21の下流側までタービンシュラウド22の壁面静圧は殆ど変化がない。
また、ラジアルタービン2に対して供給される排気ガスの流量が多くなるほど、入口からスロート領域にかけてタービンシュラウド22の壁面静圧が増加し、タービンインペラ21の下流側におけるタービンシュラウド22の壁面静圧が低下する。
このため、上述のようにスロート領域Rあるいはその上流側にバイパス用開口10aを設けることによって、特別な駆動機構等を設けることなく、小流量の場合には排気ガスがバイパス流路10に流れ込まず、大流量になるほど排気ガスがバイパス流路10に流れ込むようにすることができる。
Further, in the supercharger 1 of the present embodiment, the
FIG. 5 is a graph in which the horizontal axis represents the position in the flow direction including the inlet and outlet of the
Further, as the flow rate of the exhaust gas supplied to the
For this reason, by providing the
なお、バイパス流路10内を流れる排気ガスは、圧力低下に伴って下流に向かうに連れて膨張する。このため、バイパス流路10における排気ガスのスムーズな流れを確保するために、少なくともバイパス用開口10aの開口総面積よりもバイパス用開口10aの出口開口10d(図4に示す隙間10cの出口となる開口)の面積が広いことが好ましい。
さらに、よりスムーズな排気ガスの流れを確保するためには、バイパス流路10が下流に向けて徐々に流路面積を拡大させる構成を採ることが好ましい。例えば、貫通孔10bと隙間10cとが連結する領域における開口面積をバイパス用開口10aの開口面積よりも1.5倍までの範囲で拡げ、出口開口10dの開口面積を貫通孔10bと隙間10cとが連結する領域における開口面積よりもさらに拡げる構成を採ることによってバイパス流路10において排気ガスをスムーズに流すことができる。
In addition, the exhaust gas flowing through the
Furthermore, in order to ensure a smoother exhaust gas flow, it is preferable to adopt a configuration in which the
また、本実施形態の過給機1において、バイパス流路10の貫通孔領域Ra(すなわち貫通孔10b)は、バイパス用開口10aからラジアルタービン2の軸方向における後流側に向けて延在して形成されている。この結果、貫通孔領域Raは、タービンシュラウド22内部の排気ガスの流れ方向に沿って延在することとなり、バイパス流路10への排気ガスの流れ込みをスムーズに行うことが可能となる。なお、例えば、貫通孔領域Raは、延在方向をタービンインペラ21の回転軸と直交する平面に対して、0〜45°の角度範囲に設定し、これによって、バイパス用開口10aからラジアルタービン2の軸方向における後流側に向ける。
In the supercharger 1 of the present embodiment, the through hole region Ra (that is, the through
このような構成の本実施形態の過給機1においては、ラジアルタービン2に排気ガスが供給されてタービンインペラ21が回転駆動することにより、排気ガスの運動エネルギが回転動力として回収される。そして、ラジアルインペラ2が回収した回転動力が軸部4を介してコンプレッサ3に伝達されて空気が圧縮される。
In the supercharger 1 of this embodiment having such a configuration, exhaust gas is supplied to the
そして、本実施形態の過給機1においては、タービンインペラ21を囲うタービンシュラウド22に対してバイパス流路10の入口開口であるバイパス用開口10aが形成されている。このため、バイパス流路10に流れ込む排気ガスは、少なくともタービンインペラ21のタービン翼21bが回転する領域を通過した後にバイパス流路10に流れ込む。したがって、本実施形態の過給機1によれば、バイパスされる排気ガスからも動力を得ることができ、タービン効率が向上する。
また、本実施形態の過給機1においては、入口開口(バイパス用開口10a)は、スロート領域Rの上流側に設けられている。このため、供給される排気ガスが大流量である場合にも、その一部を最も排気ガスが通り難い領域であるスロート領域Rを通過させる必要がなく、スムーズにバイパス流路10に流すことができる。このため、本実施形態の過給機1は、タービンインペラ21を大型化することなく大容量のラジアルタービンとなる。
したがって、本実施形態の過給機1によれば、装置サイズを大型化することなく、大流量の際の仕事の効率を向上することが可能となる。
In the supercharger 1 of the present embodiment, a bypass opening 10 a that is an inlet opening of the
In the supercharger 1 of the present embodiment, the inlet opening (
Therefore, according to the supercharger 1 of this embodiment, it becomes possible to improve the work efficiency at the time of a large flow rate without increasing the apparatus size.
図6は、本実施形態の過給機1と本実施形態の過給機1からバイパス流路10を除いた構成の過給機(従来過給機と称する)とにおける流量と効率を比較したグラフである。
なお、(a)は本実施形態の過給機1と従来過給機とのタービンインペラのサイズを一致させた場合における流量と効率との関係を示している。この(a)から分かるように、バイパス流路10を設けることにより、最大流量が増加する。
また、(b)は従来過給機のタービンインペラのサイズを大型化させて本実施形態の過給機1と従来過給機との最大流量を一致させた場合における流量と効率との関係を示している。この(b)から分かるように、バイパス流路10を設けることにより、タービンインペラを大型化させる必要がなくなり、小流量側の効率を向上させることができる。
FIG. 6 compares the flow rate and efficiency in the supercharger 1 of the present embodiment and a supercharger (referred to as a conventional supercharger) having a configuration in which the
In addition, (a) has shown the relationship between the flow volume and efficiency in the case of making the size of the turbine impeller of the supercharger 1 of this embodiment and the conventional supercharger correspond. As can be seen from (a), the maximum flow rate is increased by providing the
Further, (b) shows the relationship between the flow rate and efficiency when the size of the turbine impeller of the conventional turbocharger is increased and the maximum flow rates of the turbocharger 1 of this embodiment and the conventional turbocharger are matched. Show. As can be seen from (b), by providing the
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring drawings, this invention is not limited to the said embodiment. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described embodiments are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.
例えば、上記実施形態においては、バイパス用開口10aが円形に形状設定されている構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、図7に示すように、円形のバイパス用開口10aに変えてスリット形状のバイパス用開口10Aを採用しても良い。
For example, in the above embodiment, the configuration in which the
However, the present invention is not limited to this, and a slit-shaped
また、上記実施形態においては、バイパス用開口10aがスロート領域Rの上流側に臨んで形成される構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、バイパス用開口10aは、タービン翼21bが回転する領域に臨む範囲でスロート領域Rに臨んで形成されても良い。
Moreover, in the said embodiment, the structure by which the
However, the present invention is not limited to this, and the
また、上記実施形態においては、本発明のラジアルタービンが過給機のタービンとして用いられる構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、ラジアルタービン全般に適用することができる。
Moreover, in the said embodiment, the structure by which the radial turbine of this invention is used as a turbine of a supercharger was demonstrated.
However, the present invention is not limited to this, and can be applied to all radial turbines.
また、上記実施形態においては、可変ノズル機構を備える構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、可変ノズル機構を設置しない構成や、可変ノズル機構に変えて固定ノズル機構を備える構成を採用することもできる。 Moreover, in the said embodiment, the structure provided with a variable nozzle mechanism was demonstrated. However, the present invention is not limited to this, and a configuration in which the variable nozzle mechanism is not installed or a configuration in which a fixed nozzle mechanism is provided instead of the variable nozzle mechanism can be adopted.
また、上記実施形態においては、バイパス流路10が貫通孔領域Raと隙間領域Rbとによって形成されている構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、タービンインペラの下流側まで貫通孔10bを延ばし、貫通孔10bのみによってバイパス流路10とすることも可能である。
Moreover, in the said embodiment, the structure by which the
However, the present invention is not limited to this. For example, the through
1……過給機、2……ラジアルタービン、10……バイパス流路、10a,10A……バイパス用開口(入口開口)、10b……貫通孔、10c……隙間、10d……出口開口、21……タービンインペラ(ラジアルインペラ)、21b……タービン翼、22……タービンシュラウド、R……スロート領域、Ra……貫通孔領域、Rb……隙間領域 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Supercharger, 2 ... Radial turbine, 10 ... Bypass flow path, 10a, 10A ... Bypass opening (inlet opening), 10b ... Through-hole, 10c ... Clearance, 10d ... Outlet opening, 21 ... Turbine impeller (radial impeller), 21b ... Turbine blade, 22 ... Turbine shroud, R ... Throat region, Ra ... Through hole region, Rb ... Gap region
Claims (6)
前記タービン翼が回転する領域に臨んで前記ラジアルインペラのスロート領域あるいは該スロート領域よりも上流側に位置するバイパス用開口を有するタービンシュラウドと、
前記バイパス用開口を入口開口として前記ラジアルインペラの下流側まで連通するバイパス流路と
を備えることを特徴とするラジアルタービン。 A radial turbine comprising a radial impeller having a plurality of turbine blades,
A turbine shroud having a throat region of the radial impeller facing the region where the turbine blade rotates or a bypass opening located upstream of the throat region;
A radial turbine comprising: a bypass flow path that communicates with the bypass opening as an inlet opening to a downstream side of the radial impeller.
前記ラジアルタービンとして請求項1〜5いずれかに記載のラジアルタービンを備えることを特徴とする過給機。 A turbocharger comprising a radial turbine and a compressor,
A turbocharger comprising the radial turbine according to claim 1 as the radial turbine.
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