JP2011231780A - タービンおよびこれを備えるターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】流体の流量が少ない時または多い時にも、各スロートにおける流速のばらつきを低減し、能力低下を防止できるタービンを提供する。
【解決手段】タービンロータ８０と、タービンロータ８０を収容するタービンハウジング６０と、スクロール部１００を内周スクロール部６６と外周スクロール部６８とに分割する曲線上に固定された複数の固定ベーン１０２と、隣接する固定ベーン１０２間に形成され、内周スクロール部６６と外周スクロール部６８とを連通するスロート１０１と、タービンハウジング６０内の流路を内周スクロール部６６と内周スクロール部６６及び外周スクロール部６８とのいずれかに切り替える切替弁９０とを備え、固定ベーン１０２は、内周スクロール部６６側の後縁から延長される延長線が、隣接する下流側の固定ベーン１０２の前縁よりも内周スクロール部６６側に向けられているタービン５を採用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、容量を可変とするタービンおよびこれを備えるターボチャージャに関するものである。

従来、可変容量ターボチャージャに備えられるタービンとして、例えば、特許文献１に開示された技術が知られている。このタービンは、スクロール部を径方向に内周スクロール部と外周スクロール部とに分割し、これらスクロール部間を連通する連通部（以下、「スロート」という。）と、流体を内周スクロールまたは両スクロールのいずれかに流入させるかを切り替える切替弁とを備え、流体の流量に応じて切替弁により流路を切り替えるものである。

上記技術によれば、流体の流量が少ない時には、切替弁を作動させて内周スクロール部のみに流体を流入させ、タービンロータに回転トルクを与えて、タービンロータを効率的に回転させることができる。また、流体の流量が多い時には、切替弁を作動させて外周スクロール部にも流体を流入させ、流体の流速を下げてタービンロータに与える回転トルクを小さくし、必要以上にタービンロータが回転することを防止できる。

特開平１０−８９７７号公報

しかしながら、上記技術では、流体の流量が多い時には、外周スクロール部からスロートを通って内周スクロール部へ流入する際の流量が、スロートの位置によって異なっていた。すなわち、図１４に示すように、スクロール部の下流方向に従って外周スクロールからスロートを通って内周スクロールへ流入する際の流量が増加していた。ここで、固定ベーンスロート番号とは、スクロール部の上流方向から各スロートに付した番号を示している。また、流体の流量が少ない時には、流体が内周スクロール部からスロートを通って外周スクロール部へ流出してしまう。その結果、図１５に示すように、スクロール部の上流ではスロートで外向きの流れが発生し、下流では内向きの流れが発生していた。これら図１４及び図１５に示す各スロートにおける流量のばらつきにより、タービンの能力低下を引き起こしていた。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、流体の流量が少ない時または多い時にも、各スロートにおける流量のばらつきを低減し、能力低下を防止できるタービンおよびこれを備えるターボチャージャを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の参考例は、タービン翼を有するタービンロータと、該タービンロータを収容し、前記タービンロータとの間に形成されたスクロール部の断面積を漸次減少させるハウジングと、前記スクロール部を内周スクロール部と外周スクロール部とに分割する曲線上に固定された複数の固定ベーンと、隣接する前記固定ベーン間に形成され、前記内周スクロール部と前記外周スクロール部とを連通する連通部と、前記ハウジング内の流路を前記内周スクロール部と前記内周スクロール部及び前記外周スクロール部とのいずれかに切り替える切替弁とを備え、前記連通部の流路面積が、前記スクロール部の下流方向に従って縮小するように形成されたタービンを採用する。

本発明の参考例によれば、例えば、ハウジング内に流入する流体の流量が多い時には、切替弁により内周スクロール部だけでなく外周スクロール部にも流体を流入させ、スクロール部の容量を大きくすることによって高速域に応じた流量をタービンへと導き，タービンロータを効率的に回転させることができる。ここで、内周スクロール部と外周スクロール部とを連通する連通部の流路面積が、スクロール部の下流方向に従って縮小するように形成されているため、スクロール部の下流側において、流体の圧力損失を増加させて流速を減少させることができる。これにより、外周スクロール部から連通路を通って内周スクロール部へ流入する際の流速を均一化し、タービンロータを効率的に回転させることができる。

上記の参考例において、隣接する前記固定ベーン間の距離が、前記スクロール部の下流方向に従って小さく形成されていることとしてもよい。
隣接する固定ベーン間の距離をスクロール部の下流方向に従って小さく形成することで、固定ベーンのコード長を変化させることなく連通部の流路面積を縮小することができ、タービンの設計および製作を容易化することができる。

上記の参考例において、前記固定ベーンのコード長が、前記スクロール部の下流方向に従って大きく形成されていることとしてもよい。
固定ベーンのコード長をスクロール部の下流方向に従って大きく形成することで、隣接する固定ベーンの中心間の距離（ピッチ）を変化させることなく連通部の流路面積を縮小することができ、タービンの設計および製作を容易化することができる。

本発明の参考例は、タービン翼を有するタービンロータと、該タービンロータを収容し、前記タービンロータとの間に形成されたスクロール部の断面積を漸次減少させるハウジングと、前記スクロール部を内周スクロール部と外周スクロール部とに分割する曲線上に固定された複数の固定ベーンと、隣接する前記固定ベーン間に形成され、前記内周スクロール部と前記外周スクロール部とを連通する連通部と、前記ハウジング内の流路を前記内周スクロール部と前記内周スクロール部及び前記外周スクロール部とのいずれかに切り替える切替弁とを備え、前記外周スクロール部の流路面積をＡ、前記外周スクロール部の流路中心から前記タービンロータの回転中心までの距離をＲとした場合に、第１の位置におけるＡ／Ｒの流体流れ方向に対する変化率が、前記第１の位置よりも下流側の第２の位置におけるＡ／Ｒの流体流れ方向に対する変化率よりも大きく形成されているタービンを採用する。

本発明の参考例によれば、外周スクロール部の流路面積をＡ、外周スクロール部の流路中心からタービンロータの回転中心までの距離をＲとした場合に、第１の位置におけるＡ／Ｒの流体流れ方向に対する変化率を、第１の位置よりも下流側の第２の位置におけるＡ／Ｒの流体流れ方向に対する変化率よりも大きくすることで、流体の圧力を、外周スクロール部の上流側において増加させると共に、外周スクロール部の下流側において減少させる。これにより、外周スクロール部から連通部を通って内周スクロール部に流入する際の流速を、外周スクロール部の上流側において増加させると共に、外周スクロール部の下流側において減少させる。したがって、外周スクロール部から連通路を通って内周スクロール部へ流入する際の流量を均一化し、タービンロータを効率的に回転させることができる。

本発明は、タービン翼を有するタービンロータと、該タービンロータを収容し、前記タービンロータとの間に形成されたスクロール部の断面積を漸次減少させるハウジングと、前記スクロール部を内周スクロール部と外周スクロール部とに分割する曲線上に固定された複数の固定ベーンと、隣接する前記固定ベーン間に形成され、前記内周スクロール部と前記外周スクロール部とを連通する連通部と、前記ハウジング内の流路を前記内周スクロール部と前記内周スクロール部及び前記外周スクロール部とのいずれかに切り替える切替弁とを備え、前記固定ベーンは、前記内周スクロール部側の後縁から延長される延長線が、隣接する下流側の前記固定ベーンの前縁よりも前記内周スクロール部側に向けられているタービンを採用する。

本発明によれば、例えば、流体の流量が少ない時には、切替弁により内周スクロール部のみに流体を流入させ、タービンロータに回転トルクを与えて、タービンロータを効率的に回転させる。そして、固定ベーンの内周スクロール部側の後縁から延長される延長線を、隣接する下流側の固定ベーンの前縁よりも内周スクロール部側に向けることで、内周スクロール部を流通する流体が、固定ベーンの前縁に衝突し、連通路を通って外周スクロール部へ流出してしまうことを防止することができる。これにより、タービンの能力低下を防止することが可能となる。

本発明は、上記のタービンと、前記タービンロータに接続されたシャフトと、該シャフトの前記タービンロータとは他端側に接続されたコンプレッサロータと、該コンプレッサロータを収容するコンプレッサハウジングとを備えるターボチャージャを採用する。

本発明によれば、シャフトによりタービンロータとコンプレッサロータを接続し、タービンロータを回転させることで、コンプレッサロータを回転させてコンプレッサハウジング内の流体を効率的に過給することが可能となる。

本発明によれば、流体の流量が少ない時または多い時にも、各スロートにおける流速のばらつきを低減し、能力低下を防止できるという効果を奏する。

本発明に係るターボチャージャの全体構成を示す縦断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 第１の実施形態に係るタービンの部分拡大図である。 図３のスロートと流路位置との関係を示すグラフである。 従来のタービンにおけるスロートと流路位置との関係を示すグラフである。 図３の流速と流路位置との関係を示すグラフである。 図３の変形例を示す部分拡大図である。 第２の実施形態に係るタービンの外周スクロールの流路面積とその位置との関係を示すグラフである。 図８の流速と流路位置との関係を示すグラフである。 従来のタービンの固定ベーンの配置を示す図である。 第３の実施形態に係るタービンの固定ベーンの配置を示す図である。 図２のタービンの低流量時の流路を示す図である。 図２のタービンの高流量時の流路を示す図である。 従来のタービンにおける高流量時の流速と流路位置との関係を示すグラフである。 従来のタービンにおける低流量時の流速と流路位置との関係を示すグラフである。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の参考例としてのタービンおよびこれを備えるターボチャージャの第１の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る可変容量ターボチャージャ１の縦断面を示している。
図１に示すように、コンプレッサハウジング１０には、コンプレッサ導入口１２、コンプレッサ排出口１４、リング状のスクロール１６、１８が設けられている。スクロール１６、１８はコンプレッサ排出口１４に隣接する位置からコンプレッサハウジング１０の外周方向に延びて、コンプレッサ排出口１４に連通する。そして、コンプレッサ排出口１４に近づくにつれて断面積を徐々に拡大するように構成されている。ディフューザー２０は、スクロール１６，１８を区画し、ボルト２２によってコンプレッサハウジング１０に取り付けられている。

コンプレッサハウジング１０に隣接するベアリングハウジング３０の外周には、潤滑油導入口３２が形成されている。潤滑油導入口３２は、軸方向に形成された油路３４を介して枝油路３６、３８、４０に通じており、図示しないオイルポンプから供給される潤滑油をシャフト５０とシャフト５０を支持する軸受４２、４３、４４、４５、４６の摺動面に供給している。この摺動面に供給された潤滑油は、ベアリングハウジング３０の内部に形成された空間５２を介して潤滑油排出口５４から排出される。符号５６は可変容量ターボチャージャを冷却するための冷却水通路であり、符号５８はプレートシールである。なお、符号５９は、ベアリングハウジング３０に設けられる各部位を成形するために分割したベアリングハウジング３０の一片である。ベアリングハウジング３０に隣接するタービンハウジング６０には、排気ガス導入口６２と排気ガス排出口６４が形成されている。

また、ベアリングハウジング３０の軸受４２、４３、４４、４５、４６に支持されるシャフト５０は、コンプレッサハウジング１０側の端部においてボルト７４とナット７６によって固定されたコンプレッサロータ７０を相対回転不能に取付けており、タービンハウジング６０側の端部においてタービンロータ８０を相対回転不能に取付けている。コンプレッサロータ７０とタービンロータ８０には、それぞれ径方向に延在するコンプレッサ翼７２とタービン翼８２が取り付けられており、タービンロータ８０を回転させることによってコンプレッサロータ７０が一体的に回転するようになっている。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図であり、可変容量ターボチャージャ１に備えられたタービン５の横断面図を示している。
図２に示すように、タービン５は、タービン翼８２を有するタービンロータ８０と、タービンロータ８０を収容し、タービンロータ８０との間に形成されたスクロール部１００の断面積を漸次減少させるタービンハウジング６０とを備えている。スクロール部１００は、タービンハウジング６０に取り付けられたインボリュート区画壁６７及び複数の固定ベーン１０２により、内周スクロール部６６と内周スクロール部６６よりも大きな容積を有する外周スクロール部６８とに分割されている。隣接する固定ベーン１０２の間には、内周スクロール部６６と外周スクロール部６８とを連通するスロート（連通部）１０１が複数形成されている。

また、タービンハウジング６０の排気ガス導入口６２側には、切替弁９０が設けられている。この切替弁９０は、図示しない回転手段により回転軸９４を中心に回転して、図２の実線で示した外周スクロール部６８の導入口の閉鎖位置９２と、図２の破線で示した外周スクロール部６８の導入口の開放位置９６とを切り替えるものである。これにより、タービンハウジング６０内の流路を内周スクロール部６６と内周スクロール部６６及び外周スクロール部６８とのいずれかに切り替えるようになっている。

また、スロート１０１は、その流路面積が、スクロール部１００の下流方向に従って縮小するように構成されている。具体的には、図３に示す固定ベーン１０２ａとこの固定ベーン１０２ａに隣接する固定ベーン１０２ｂとの間の距離Ｃが、図４に示すように、スクロール部１００の下流方向に従って小さく形成されている。ここで、図４における固定ベーンスロート番号とは、スクロール部１００の上流方向から順番にスロート１０１に付した番号を示している。なお、図５は、従来のタービンにおける固定ベーン１０２の間の距離Ｃを示しており、スクロール部１００の位置に関わらず、固定ベーン１０２の間の距離Ｃは一定となっている。

次に、上記構成を有する可変容量ターボチャージャ１の作動について説明する。
排気ガス導入口６２から導入した排気ガスは、タービンハウジング６０内部のスクロール部１００に導かれ、タービンロータ８０を回転させて排気ガス排出口６４から排出される。タービンロータ８０の回転は、シャフト５０を介してコンプレッサロータ７０に伝達され、コンプレッサロータ７０を回転させる。コンプレッサロータ７０は、コンプレッサ導入口１２に導かれたガス（大気）を圧縮し、コンプレッサ排出口１４から図示しない内燃機関へ圧縮ガスを供給する。

排気ガス流量の多い高速域においては、図１３に示すように、切替弁９０を外周スクロール部６８の導入口の開放する開放位置９６として、排気ガス導入口６２から取り入れた排気ガスを内周スクロール部６６および外周スクロール部６８に導く。これにより、スクロール部１００の容量を大きくすることができ、高速域に応じた流量をタービンロータ８０へと導くことで、タービンロータ８０を効率的に回転させることができる。

ここで、内周スクロール部６６と外周スクロール部６８とを連通するスロート１０１の流路面積が、スクロール部１００の下流方向に従って縮小するように構成されているため、スクロール部１００の下流側において、流体の圧力損失を増加させて流速を減少させることができる。これにより、図６に示すように、外周スクロール部６８からスロート１０１を通って内周スクロール部６６へ流入する際の流量を均一化し、タービンロータ８０を効率的に回転させることができる。

また、隣接する固定ベーン１０２の間の距離をスクロール部１００の下流方向に従って小さく形成することで、固定ベーン１０２のコード長を変化させることなくスロート１０１の流路面積を縮小することができ、タービン５の設計および製作を容易化することができる。

なお、図７に示すように、固定ベーン１０２のコード長をスクロール部１００の下流方向に従って大きくなるように形成してもよい。これにより、隣接する固定ベーン１０２の中心間の距離（ピッチ）Ｌを変化させることなくスロート１０１の流路面積を縮小することができ、タービン５の設計および製作を容易化することができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の参考例としての第２の実施形態について、図８および図９を用いて説明する。
本実施形態のタービンおよびこれを備えるターボチャージャが第１の実施形態と異なる点は、外周スクロール部６８の流路面積Ａを外周スクロール部６８の流路中心からタービンロータ８０の回転中心までの距離Ｒで除算した値Ａ／Ｒを、所定の規則に従って変化させる点である。以下、本実施形態のタービンおよびこれを備えるターボチャージャについて、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。

図８には、外周スクロール部６８の流路面積をＡ、外周スクロール部６８の流路中心からタービンロータ８０の回転中心までの距離をＲとした場合において、Ａ／Ｒとスクロール角度との関係が示されている。
図８に示すように、破線で示す従来のタービンにおけるＡ／Ｒは、スクロール角度が大きくなるにつれて一定の割合で減少するように設計されている。これに対し、実線で示す本実施形態に係るタービン５におけるＡ／Ｒは、下向きに凸形状を有する曲線とされており、スクロール角度が大きくなるにつれて緩やかに減少するようになっている。

このようにすることで、流体の圧力を、外周スクロール部６８の上流側において増加させると共に、外周スクロール部６８の下流側において減少させる。これにより、外周スクロール部６８からスロート１０１を通って内周スクロール部６６に流入する際の流量を、外周スクロール部６８の上流側において増加させると共に、外周スクロール部６８の下流側において減少させることができる。したがって、図９に示すように、外周スクロール部６８からスロート１０１を通って内周スクロール部６６へ流入する際の流量を均一化し、タービンロータ８０を効率的に回転させることが可能となる。

なお、図８に示すＡ／Ｒとスクロール角度との関係は、必ずしも下向きに凸形状を有する曲線である必要はなく、任意の第１の位置におけるＡ／Ｒのスクロール角度に対する変化率が、第１の位置よりも下流側の第２の位置におけるＡ／Ｒのスクロール角度に対する変化率よりも大きく形成されていればよく、例えば、傾きの異なる２本の線分を第１の位置と第２の位置との間で接続した折れ線形状であってもよい。また、外周スクロール部６８における位置を示す指標としてスクロール角度を例示したが、流体の流れ方向を示すものであればよく、例えば、所定位置からの距離であってもよい。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について、図１０および図１１を用いて説明する。
本実施形態のタービンおよびこれを備えるターボチャージャが前述の各実施形態と異なる点は、固定ベーンを傾斜して設けることにより内部スクロール内の流体の流路方向を規制する点である。以下、本実施形態のタービンおよびこれを備えるターボチャージャについて、前述の各実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。

図１０および図１１には、固定ベーン１０２、スロート１０１、スクロール部１００を内周スクロール部６６と外周スクロール部６８とに分割するインボリュート曲線１０５と、内周スクロール部６６内の流体の流路方向を表す矢印１０６，１０７が示されている。ここで、図１０は従来のタービンにおける部分拡大図であり、図１１は本実施形態に係るタービン５の部分拡大図である。

図１０に示すように、従来のタービンにおいて、固定ベーン１０２ａ，１０２ｂは、それぞれ内周スクロール部６６側の面１１１ａ，１１１ｂが、インボリュート曲線１０５に沿うように設けられている。このようなタービンにおいて、内周スクロール部６６内の流体は、固定ベーン１０２ａの面１１１ａにより矢印１０６の方向に案内された後、固定ベーン１０２ａの下流側に配置された固定ベーン１０２ｂの前縁の面１１２ｂに衝突して、矢印１０７の方向に向けられる。その結果、内周スクロール部６６内の流体は、内周スクロール部６６からスロート１０１を通って外周スクロール部６８へ流出してしまい、タービンの効率低下を招いていた。

これに対し、本実施形態に係るタービン５では、図１１に示すように、固定ベーン１０２ａは、内周スクロール部６６側の後縁１１３ａから延長される延長線が、隣接する下流側の固定ベーン１０２ｂの前縁１１２ｂよりも内周スクロール部６６側に向けられている。
上記のように構成されたタービン５によれば、内周スクロール部６６内の流体は、固定ベーン１０２ａの面１１１ａにより矢印１０８の方向に案内された後、固定ベーン１０２ａの下流側に配置された固定ベーン１０２ｂの面１１１ｂにより矢印１０９の方向に向けられる。

排気ガス流量の少ない低速域においては、図１２に示すように、排気ガスが効率的にタービンロータ８０を回転させるために、切替弁９０を外周スクロール部６８の導入口を閉鎖する閉鎖位置９２として、排気ガス導入口６２から取り入れた排気ガスを容積の小さな内周スクロール部６６のみに導く。内周スクロール部６６に導かれ、流速を速められた排気ガスは、タービンロータ８０の接線方向に流れる、すなわち、タービンロータ８０の回転を考慮すると、タービン翼８２に対して適切な角度で流入するので、効率的にタービンロータ８０を回転させることができる。

この際、固定ベーン１０２ａの内周スクロール部６６側の後縁１１３ａから延長される延長線を、隣接する下流側の固定ベーン１０２ｂの前縁１１２ｂよりも内周スクロール部６６側に向けることで、内周スクロール部６６を流通する流体が、固定ベーン１０２ｂの前縁１１２ｂに衝突し、スロート１０１を通って外周スクロール部６８へ流出してしまうことを防止することができる。これにより、タービン５の能力低下を防止することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述した各実施形態において本発明に係るタービンをターボチャージャに適用する例を説明したが、他の設備に適用しても同様の効果を奏することが可能である。

１ ターボチャージャ
５ タービン
５０ シャフト
６０ タービンハウジング
６６ 内周スクロール部
６８ 外周スクロール部
７０ コンプレッサロータ
７２ コンプレッサ翼
８０ タービンロータ
８２ タービン翼
９０ 切替弁
１００ スクロール部
１０１，１０１ａ，１０１ｂ スロート
１０２，１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ 固定ベーン

Claims (2)

1. タービン翼を有するタービンロータと、
   該タービンロータを収容し、前記タービンロータとの間に形成されたスクロール部の断面積を漸次減少させるハウジングと、
   前記スクロール部を内周スクロール部と外周スクロール部とに分割する曲線上に固定された複数の固定ベーンと、
   隣接する前記固定ベーン間に形成され、前記内周スクロール部と前記外周スクロール部とを連通する連通部と、
   前記ハウジング内の流路を前記内周スクロール部と前記内周スクロール部及び前記外周スクロール部とのいずれかに切り替える切替弁とを備え、
   前記固定ベーンは、前記内周スクロール部側の後縁から延長される延長線が、隣接する下流側の前記固定ベーンの前縁よりも前記内周スクロール部側に向けられているタービン。
2. 請求項１に記載のタービンと、
   前記タービンロータに接続されたシャフトと、
   該シャフトの前記タービンロータとは他端側に接続されたコンプレッサロータと、
   該コンプレッサロータを収容するコンプレッサハウジングとを備えるターボチャージャ。

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