JP2013015034A - 可変容量ラジアルタービンおよびそれを備えたターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】タービンホイールのシュラウド側に設置された第２ノズルからタービンホイールに向けて流入した流れのエネルギーをより効率良く回転動力に変換できるタービンホイールの構造、第２ノズルの設置構造、および第２ノズルに流れを供給する流路構造を実現すること。
【解決手段】タービン翼１１をガスの入口部から中間部に設けられた上流側翼２３と、中間部から出口部に設けられた下流側翼２５とで分割して構成し、上流側翼２３と下流側翼２５とは周方向において位相がずれて配置されて、スクロール室１３からのガスを上流側翼２３の上流端部に流入する第１ガス流出口２０と、上流側翼の後縁部２７と下流側翼の前縁部２９とは子午面形状において重なり合うように配置されるとともに、該重なりあう部分を含めてその近傍に、シュラウド部１６からガスを流出する第２ガス流出口２６とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャ用のラジアルタービン、工場排熱や地熱などの排圧を膨脹させて動力を得る排熱回収用のエキスパンションタービン、ガスタービン用のラジアルタービン等において可変容量機構を有した可変容量ラジアルタービンおよび該可変容量ラジアルタービンを備えたターボチャージャに関する。

ターボチャージャ用のラジアルタービン、排熱回収用のエキスパンションタービン、ガスタービン用のラジアルタービン等のラジアルタービンは、空気や作動気体の出力を回転動力へ変換する「効率の向上」と、適用されるエンジン等の出力変化に対する「回転加速度の向上」が常に要望されている。
例えば、過渡応答性が要求されるターボチャージャでは、排気エネルギーを吸い込み空気を圧縮するエネルギーへの変換効率の向上の要望と、小型軽量化を行いタービンホイールの慣性モーメントを低減し、加速時のターボエンジンのレスポンス向上に繋げるという要望がある。

また、排熱回収用エキスパンダーなど排気エネルギーを電気エネルギーに変換に変換する設備では、タービン効率の向上による出力向上や、回収動力に対する設備コスト低減のためにタービンの小型化が要望されている。

さらに、飛翔体用ジェットエンジンや航空機用ガスタービンエンジンに使用される場合には、小型軽量が重視され、タービン本体の小型軽量化とともに、効率向上による積載燃料の低減や、航続距離の延長が要望されている。さらに、航空機の運動性能を向上させるために急速な出力上昇を可能にするラジアルタービンの「回転加速度の向上」が要望される。

このようなラジアルタービンの回転加速度の性能向上や、効率向上に関して種々の提案がなされており、流量制御や回転加速度の向上を狙った手法して、ラジアルタービンホイールのシュラウド側に第２ノズルを設置して可変容量化する手法が知られている。
例えば、特開２００７−２３８９３号公報（特許文献１）には、タービンハウジングのスクロール室からタービンホイール室へのガス流入口が、リーディングエッジ部とシュラウド部との２箇所から流入する構造が示されている。

また、特開２００７−２３８９４号公報（特許文献２）にも、タービンハウジングのスクロール室からタービンホイール室へのガス流入口が、タービン軸方向に並んで配置される上流側流入口と下流側流入口とを備え、下流側流入口はタービンホイールのシュラウド部に対向し、上流側流入口はタービンホイールの最外周のリーディングエッジ部に対向して設けられている。

特開２００７−２３８９３号公報 特開２００７−２３８９４号公報

一般的なラジアルタービンの子午面形状は、図１３に示すような形状を有している。
図１３において、タービンケーシング０１内に収納されたタービンホイール０２は、回転軸０３と、該回転軸０３に一体に形成されたハブ０４と、ハブ０４の外周に設けられたタービン翼０５とを備え、タービンケーシング０１内に形成されたカタツムリ状のスクロール室０６により回転軸心０７周りの速度を持った流れが作られてタービンホイール０２の周りに旋回する。さらに、第１ノズル０８によってその旋回速度が加速され、旋回流れがタービンホイール０２のタービンホイール入口０９から流入して径方向内向きに流れて、その後、タービンホイール０２の回転軸心０７方向に向きを変えてタービンホイール出口０１０から回転軸心０７の方向に排出されるようになっている。

このタービンホイール０２のタービン翼０５の形状は、タービンホイール入口０９から径方向内向きに流入する流れに対して、効率よく回転動力を得るように設計された形状を有しているが、第２ノズル０１２からの流入に対しては、高い変換能率、また、高い効率で、流れのエネルギーを回転動力に変換することができない。

まず、図１４に示すように、タービンホイール０２の入口領域の半径内向きの流れの領域に注目し、Ａ−Ａ断面のタービン翼０５の前縁の速度三角形について説明する。
タービン翼０５の前縁の周速ｖａ１は半径と回転数できまる。流入ガスは第１ノズル０８で加速される。周速ｖａ１と第１ノズル０８で加速された流速ｖａ２からタービン翼０５の前縁における相対流速（二重線で示す）ｖａ３が決まる。
この相対流速ｖａ３は流れのベクトルからタービン翼０５の前縁にほぼ無衝突に入るように設計され、入口の衝突損失は小さくなるようになっている。

一方、第２ノズル０１２からの流れによるＢ−Ｂ断面の速度三角形について、図１４を参照して説明する。周速ｖｂ１は半径と回転数で決まるので、タービン翼０５の前縁の周速ｖａ１に比べて半径比で小さくなる。流入ガスは第２ノズル０１２で加速される。周速ｖｂ１と第２ノズル０１２で加速された流速ｖｂ２からタービン翼０５のシュラウド側における相対流速（二重線で示す）ｖｂ３が決まる。

第２ノズル０１２で加速される流れは、ノズル入口の全圧が第１ノズル０８の入口全圧とほぼ同じであるが、ノズル出口静圧はタービン翼０５のシュラウド側に沿って出口まで壁面静圧が低下する途中に流入するので、第１ノズル０８の出口静圧より低く、その結果、第２ノズル０１２の出口流速は、第１ノズル０８の出口流速に比べて増加する。従って、Ｂ−Ｂ断面での速度三角形でのタービン翼０５のシュラウド側における相対流速（二重線で示す）ｖｂ３は、タービン翼の回転方向に向かう速度になる。この流れがタービン翼０５に流入する部分では、翼はほぼ半径線で構成されているためシュラウド側の先端で大きな入射角を有することとなり、衝突損失が増大化する。

また、第２ノズル０１２の流れ旋回エネルギーを回転動力に変換するメカニズムは、相対流速の周方向成分が翼面で旋回エネルギーを失い、圧力に変換されることにより生じるが、この時の圧力上昇が翼面負荷の増加であり、翼面負荷の増加が大きいと圧力に変換される際に損失が増加し変換効率が低下する。

従って、第２ノズル０１２からの流れを高い変換能率、高い効率で回転動力に変換するための案として、翼枚数を増加させて前述した翼面負荷を低減するようにすることが必要であるが、重量の増加と慣性モーメントの増加という問題が生じ、特に、ターボチャージャでは、高効率且つ、同一の大きさでより大流量を流したいという要求に加え、慣性モーメントを低くしたいという要求があるので、翼枚数を増加するとレスポンスが低下し、さらに、流量が減少するという逆効果となる問題がある。

前記特許文献１、２に示されるような、ラジアルタービンホイールのシュラウド側に第２ノズルを設置する可変容量構造を有した可変容量ラジアルタービンおいても、前述同様に第２ノズルからの流入ガスの衝突損失の増大化や、翼面負荷の増加による変換効率の低下の問題点を有している。

そこで、本発明は以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、タービンホイールのシュラウド側に設置された第２ノズルからタービンホイールに向けて流入した流れのエネルギーをより効率良く回転動力に変換できるタービンホイールの構造、第２ノズルの設置構造、および第２ノズルに流れを供給する流路構造を備えた可変容量ラジアルタービン、および該可変容量ラジアルタービンを備えたターボチャージャを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、タービンケーシング内に収納され、該タービンケーシングに形成されたスクロール室によって生成された回転軸周りのガスの旋回流を径方向内向きに導入してから回転軸方向に向きを変えて排出して回転運動が与えられるタービンホイールと、該タービンホイールのハブ外周面上に周方向に複数枚立設されるタービン翼と、該タービン翼を構成するとともに、ガスの入口部から中間部に設けられた上流側翼と、中間部から出口部に設けられ、前記上流側翼とは周方向において位相がずれて配置される下流側翼と、前記スクロール室からのガスを前記上流側翼の上流端部に流入する第１ガス流出口と、前記上流側翼の後縁部と前記下流側翼の前縁部とは子午面形状において重なり合うように配置されるとともに、該重なり合う部分を含めその近傍に前記スクロール室からのガスを流入する第２ガス流出口と、を備えたことを特徴とする。

具体的には、本発明において好ましくは、前記第２ガス流出口が前記回転軸方向における前記上流側翼の後縁部と前記下流側翼の前縁部との重なり合う部分であって、前記タービンケーシングのシュラウド部に設けられるとよい。

この場合には、ラジアルタービンのタービン翼が、タービンホイール入口から出口まで繋がったフルブレード（全翼）ではなく、途中で分断された上流側翼と下流側翼とによって構成され、その上流側翼と下流側翼とが周方向に相対的に位相がずれて設けられるとともに、上流側翼の後縁部と下流側翼の前縁部とは子午面形状において重なり合うように配置されている。そして、その重なり合う部分にガスを流入するので、上流側翼と下流側翼とが同枚数の場合であれば、その重なり合う部分では翼枚数が２倍になり第２ガス流出口からの流れは、２倍の翼枚数で受け止められるので、従来技術の全翼（フルブレード）タイプの構造に比べて、翼面の負荷が低減して、圧力に変換される際の圧力損失が低減して旋回流れのエネルギーを回転動力に変換する変換効率が向上する。その結果、第２ガス流出口からのガス流によってタービンホイールの回転動力を増大することができる。

さらに、２倍の全翼を有するタービンホイールに比べて格段に重量および慣性モーメントを低減できるため、前記の回転動力の増加との相乗作用によりタービンの「回転加速度の向上」ができ、内燃機関やガスタービンに用いた場合には、ターボラグの低減による性能向上が達成される。
なお、本発明では、ラジアルタービンとは、背板が傾斜してなるもの、および入口が回転軸に対して傾斜して径方向内向きに流入する斜流タービンも含む。

また、本発明において好ましくは、前記第２ガス流出口が前記重なり合う部分の上流側近傍であって、前記タービンケーシングのシュラウド部に設けられるとよい。
このように上流側翼の後縁部と下流側翼の前縁部との重なり合う部分より上流側、つまり下流側翼の前縁部より上流側から第２ガスが流入されるので、下流側翼の前縁部分の形状を第２ガス流出口からのガス流に対応した形状とすることが可能となり、下流側翼の前縁部の衝突損失を低減できる。従って、第２ガス流出口からの流れの回転動力への変換効率を一層向上できる。

また、本発明において好ましくは、前記第２ガス流出口に第２ノズルが設けられ、該第２ノズルは周方向に複数のノズル翼を配置して構成され、該ノズル翼の下流端部は前記タービンケーシングのシュラウド部の内壁面に位置して設けられるとよい。

また、本発明において好ましくは、前記第２ガス流出口に第２ノズルが設けられ、該第２ノズルは周方向に複数の円錐状のノズル孔を配置して構成され、ガス流出部がシュラウド内壁面に複数の開口として形成されるとよい。

さらに、前記ノズル孔は主流と混合損失を防止するため周方向に配列されるだけではなく軸方向に複数配列されること、軸方向成分を持つようにノズル孔の中心線が軸方向に所定角度傾斜して設けられるとよい。

このように、第２ノズルのノズル流路の下流端部をタービンケーシングのシュラウド部の内壁面に離散的に位置して設けるため、タービン翼先端と第２ガス流入用ノズルのノズル流路の下流端との隙間Ｑ（半開放部、図６参照）を通じてタービン翼の圧力面側と負圧面側との間で漏れが大きくなり、タービン翼先端からの漏れ損失が増大する問題を防止できる。
すなわち、ノズル流路の下流端部がタービンケーシングのシュラウド部の内壁面に離散的に位置していることで、前記タービン翼先端と第２ノズルのノズル流路の下流端との隙間Ｑ（半開放部）を減少させ、第２ノズル流出口周辺にシュラウド壁を残すことで実質的なシュラウドクリアランスβを大きくすることなく、タービン翼先端からの漏れ損失を低減できる。

また、本発明において好ましくは、前記ノズル翼の下流端部はシュラウド面の一部を構成するように面形状に形成されて、前記ノズル翼間のノズルスロートが、シュラウド部の内面から見てスリット状に形成されるとよい。
また、本発明において好ましくは、前記ノズル孔の中心線が周方向に所定角度傾斜して設けられてガス流出部がシュラウド内壁面に複数の楕円状の開口として形成されるとよい。

すなわち、前記ノズル翼及び円錐状ノズルの下流端部の周辺はシュラウド部の内壁面と同一面に形成されて、前記ノズル流路下流端部のノズルスロートが、シュラウド部の内面から見てスリット状又は傾斜した楕円孔状に形成されるとよい。

このように、第２ガス流入用ノズル部を構成するノズル流路の下流端部の周辺を前記タービンケーシングのシュラウド部の内壁面と同一面になるように面形状に形成し、ノズル流路下流端部の間に形成されるノズルスロートがシュラウド部の内面から見たときにスリット状又は傾斜した楕円孔状に形成されているので、前記シュラウドクリアランスβよりタービン翼先端側にクリアランスが大きくなる領域Ｒ（図６、７参照）の範囲を小さくできる。

図６の符号Ｑで示すように、ノズル翼の圧力面側の下流端と、スロートが負圧面に接する点と、負圧面の下流端からなる所謂半開放部が構成される。この半開放部のノズル翼の負圧面と、タービン翼の翼先端との間に、シュラウドクリアランスより大きくなる領域Ｒが形成される。
このシュラウドクリアランスより隙間が大きくなると、タービン翼の圧力面側と負圧面側との間で漏れが大きくなり、タービン翼先端からの漏れ損失が増大するが、本発明では、第２ガス流入用ノズル部を構成するノズル翼の下流端部をタービンケーシングのシュラウド部の内壁面と同一面になるような面形状に形成して、シュラウドクリアランスより大きくなる領域Ｒを狭くすることによって、タービン翼先端からの漏れ損失を低減できる。

また、本発明において好ましくは、前記第２ノズルの上流側に形成された環状通路と、該環状通路と前記スクロール室とを連通する貫通通路に前記第２ガス流出口からの流出量を調整する第２ガス流出量調整手段を設けるとよい。

このように、第２ガス流出量調整手段を設けたため、前記第２ガス流出口からのタービン翼への流入量を調整でき、加速時に第２ガス流出量調整手段によって第２ガス流出口からタービンホイールへの流入量を増加させるようにすれば、運転状態に応じたタービンホイールの加速度を得ることができる。
また、第２ノズルの上流側に形成された環状通路と、該環状通路とスクロール室とを連通する貫通通路に第２ガス流出量調整手段を設けるので、タービンケーシング内にスクロール室の内周側にこれら環状通路、第２ガス流出量調整手段、および第２ノズルをコンパクトに収納可能となる。

また、本発明において好ましくは、前記第２ガス流出量調整手段によって、通常運転時に常時一定のガスを前記第２ガス流出口から供給するとよい。
このように常時一定流量のガスを第２ガス流出口から供給するようにすることによって、前記したように、半開放部Ｑによって生じるタービン翼先端からの漏れを第２ガス流出口からのガス流で抑制して、翼端漏れ損失の増大を防止することができる。

さらに、本発明のターボチャージャは、以上説明した可変容量ラジアルタービンが設けられるとともに、該可変容量ラジアルタービンによって駆動されるコンプレッサを備えたことを特徴とする。

そして、好ましくは、前記タービンホイールへの流入ガスをバイパスさせて排出するウエストゲートバルブが設けられ、前記第２ガス流出口からの流入ガス量を増加した場合に於いても、前記コンプレッサによる過給圧力が所定値以上に上昇したときに前記ウエストゲートバルブが開くようにするとよい。

このように構成することで、タービンホイールの小型化、タービン翼枚数野低減、レスポンスの向上、回転動力への変換効率の向上が図れる可変容量ラジアルタービンを備えたターボチャージャを得ることができる。

本発明によれば、タービン翼をガスの入口部から中間部に設けられた上流側翼と、中間部から出口部に設けられた下流側翼とで分割して構成し、上流側翼と下流側翼とは周方向において位相がずれて配置されて、スクロール室からのガスを上流側翼の上流端部に流入する第１ガス流出口と、上流側翼の後縁部と下流側翼の前縁部とは子午面形状において重なり合うように配置されるとともに、該重なりあう部分を含めてその近傍に、シュラウド部からのガスを流入する第２ガス流出口とを備えたので、
上流側翼と下流側翼とが同枚数の場合であれば、その重なり合う部分では翼枚数が２倍になり第２ガス流出口から流出した流れは、２倍の翼枚数で受け止められるので、従来技術としての全翼（フルブレード）タイプのタービン翼構造に比べて、翼面の負荷が低減して、圧力に変換される効率が向上して旋回流れのエネルギーを回転動力に変換する変換効率が向上できる。

さらに、従来の全翼タイプ（分割されていないタイプ）を有するタービンホイールに比べて重量および慣性モーメントを低減できるため、前記の回転動力の増加との相乗作用によりタービンの「回転加速度の向上」ができ、内燃機関やガスタービンに用いた場合には、ターボラグの低減による性能向上が達成される。
以上のように本発明によれば、タービンホイールの重量の増大および慣性モーメントの増大を抑えつつ、旋回流れのエネルギーを回転動力に効率よく変換することができる。

本発明の第１実施形態にかかる可変容量ラジアルタービンンの全体構成を示す軸方向の断面図である。 第１実施形態の可変容量ラジアルタービンの一部断面正面図である。 第２実施形態を示し、図１に対応する軸方向の断面図である。 第２実施形態の下流側翼の前縁形状の説明図である。 第３実施形態を示し、図１に対応する軸方向の断面図である。 第３実施形態の図２に対応する一部断面正面図である。 第４実施形態を示し、（ａ）は図２に対応する一部断面正面図であり、（ｂ）は（ａ）の半開放部Ｑの拡大説明図であり、（ｃ）はスリット状の説明図である。 第５実施形態を示し、（ａ）は円錐状ノズルのシュラウド内壁面の開口を示す説明図、（ｂ）は円錐状ノズルを軸方向に傾斜した例の説明図である。 第６実施形態を示し、図１に対応する軸方向の断面図である。 第６実施形態の図２に対応する一部断面正面図である。 第７実施形態を示し、図１に対応する軸方向の断面図である。 第７実施形態の一部断面説明図である。 従来技術を示す断面図である。 従来技術を示す一部断面正面図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１、２を参照して説明する。
このラジアルタービン１は、車両エンジンの過給機（ターホチャージャ）に用いられる例について説明する。
図１において、可変容量ラジアルタービン１には、タービンケーシング３と、タービンケーシング３内に回転可能に支持されて収納されたタービンホイール５とが備えられている。このタービンホイール５は、回転軸７と該回転軸７に一体形成されたハブ９と、ハブ９の外周面に立設されたタービン翼１１とを備え、タービンケーシング３内に形成されたカタツムリ状のスクロール室１３によって回転軸心１５周りの速度を持った旋回流れが作られて、タービンホイール５の外周側を旋回する。
また、タービンケーシング３のタービンホイール５の外周側にタービンホイール５を覆うようにシュラウド部１６が形成されている。

また、タービンケーシング３には、タービンホイール入口１９に対向して第１ガス流出口２０が形成され、該第１ガス流出口２０には第１ノズル１７が設けられている。
そして、スクロール室１３からの排ガスは、第１ノズル１７によって旋回速度が加速され、旋回流れがタービンホイール５のタービンホイール入口１９から径方向内向きに流れて、その後向きを変えてタービンホイール５の回転軸心１５の方向に流れてタービンホイール出口２１から排出されるようになっている。

また、タービンケーシング３には、タービン翼１１の外周側を覆うようにタービンケーシング３のシュラウド部１６が形成され、該シュラウド部１６にタービン翼１１に対向して第２ガス流出口２６が形成され、該第２ガス流出口２６には第２ノズル２８が設けられている。そして、スクロール室１３からの排ガスは、第２ガス流入量調整手段３０を介して流量が調整され、第２ノズル２８の出口からタービン翼１１に対して所定方向の旋回流として流入し、その後、回転軸心１５方向に向きを変えてタービンホイール出口２１から排出されるようになっている。

この第２ノズル２８は、図２に示されるように、翼断面形状を有したノズル翼３２をシュラウド部１６に周方向に複数枚並べられて構成され、それぞれのノズル翼３２、３２との間の隙間を通過して増速されてシュラウド部１６の内壁に沿う方向に流出される。

なお、第１ノズル１７は流速を高くする効果があるが、流量を制限する作用があるため、大流量が要求され且つ流量変化が大きいターボチャージャでは設けなくてもよく、また、流速と流量を変化させるために可変ノズルを設けてもよい。
また、このラジアルタービン１にはエンジンへの給気を加圧する図示しないコンプレッサが接続されてターボチャージャを構成している。

タービンホイール５のハブ９外周面上には、周方向に複数枚のタービン翼１１が立設され、このタービン翼１１は、ガスの入口部であるタービンホイール入口１９から中間部までに設けられた上流側翼２３と、中間部から排ガスの出口部であるタービンホイール出口２１までに設けられた下流側翼２５とによって構成され、上流側翼２３と下流側翼２５とは周方向において位相がずれて同枚数配置されている。
さらに、上流側翼の後縁部２７と、下流側翼の前縁部２９とはハブ９の子午面形状において重なり合うように設置されている。すなわち、図１において符号Ｓで示す領域において重なり合うように設置されている。

そして、上流側翼の後縁部２７と、下流側翼の前縁部２９との重なり合う領域Ｓは、排ガスがタービンホイール入口１９から流入して、回転軸心１５へ内向き方向に流入し、中間部で回転軸心１５の軸方向に向きを変える転向領域に設けられている。

また、上流側翼２３と下流側翼２５とは同数からなり周方向に相対的に位相がずれて設けられ、上流側翼の後縁部２７と、下流側翼の前縁部２９とは周方向において、均等な間隔になるように、上流側翼の後縁部２７、２７間のほぼ中央に、下流側翼の前縁部２９が位置するように配置されている。
従って、重なり合う領域Ｓにおいては、翼枚数が周方向に等間隔に２倍設けられている関係になっている。
そして、前記第２ガス流出口２６に設けられた第２ノズル２８の出口が、この重なり合う領域Ｓの部分に設定されている。

以上の構成によるラジアルタービン１の作用について説明する。
エンジンからの排ガスは、スクロール室１３に流れ、該スクロール室１３で旋回流が形成され、旋回流を維持しながら第１ガス流出口２０の第１ノズル１７を介してタービンホイール入口１９から半径方向内向きに流入する。
一方、スクロール室１３で形成された旋回流は旋回流を維持しながら一部は、第２ガス流出量調整手段３０で流量が調整されて、第２ガス流出口２６の第２ノズル２８からタービン翼１１の先端部に所定方向の旋回流となって、上流側翼の後縁部２７と下流側翼の前縁部２９との重なり合う領域Ｓに流入していく。

従って、タービン翼１１が、タービンホイール入口１９から出口２１まで繋がったフルブレード（全翼）ではなく、途中で分断された上流側翼と下流側翼とによって構成され、その上流側翼と下流側翼とが周方向に相対的に位相がずれて設けられ、さらに、上流側翼の後縁部と下流側翼の前縁部とは子午面形状において重なり合うように配置され、その重なり部分に第２ノズル２８からガスが流入するので、ガスの流れに対して２倍の翼枚数で受け止められるようになっているため、従来技術の全翼（フルブレード）タイプのタービン翼構造に比べて、翼面の負荷が低減して、圧力に変換される際の圧力損失が低減して旋回流れのエネルギーを回転動力に変換する変換効率が向上できる。

さらに、２倍の全翼を有するタービンホイールに比べて格段に重量および慣性モーメントを低減できるため、前記の回転動力の増加との相乗作用によりタービンの「回転加速度の向上」ができ、内燃機関やガスタービンに用いた場合には、ターボラグの低減による性能向上が達成される。

（第２実施形態）
次に、図３、４を参照して、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態に対して、第２ノズル２８の出口位置が、重なり合う領域Ｓの上流側の近傍に位置されている点が異なるだけでその他構成は第１実施形態と同様であり、第１実施形態と同様の構成については同一符号を付して説明を省略する。

図３のように、第２ノズル２８の出口位置が、重なり合う領域Ｓの上流側の近傍に位置して設けられる。
このため、下流側翼の前縁部２９の形状を、第２ノズル２８からのガス流に対して翼前縁の衝突損失を低減できるような形状に傾斜を持たせることが可能となる。
例えば、図４に示すように、第２ノズル２８からのガス流は、シュラウド部１６の内壁面に沿うような周方向の旋回流Ｇとして流入し、下流側翼の前縁部２９をその旋回流の方向に対して衝突角が大きくならないように傾斜させることで（図４のα）、衝突損失の低減効果が期待でき、第２ノズル２８からの流れの回転動力への変換効率を一層向上できる。

（第３実施形態）
次に、図５、６を参照して、第３実施形態について説明する。
第３実施形態は、第２実施形態に対して、第２ノズル２８をノズル翼３２で構成するとともに、そのノズル翼３２の下流端部がタービンケーシング３のシュラウド部１６の内壁面に位置して設けられていることが異なるだけでその他は第２実施形態と同様であり、第２実施形態と同一構成には同一符号を付して説明を省略する。

すなわち、図６に示すように、第２ノズル２８を構成するノズル翼３２の下流端部Ｐ１をタービンケーシング３のシュラウド部１６の内壁面と同一面の位置に位置して設けている。
すなわち、タービン翼１１の先端と第２ノズル２８のノズル翼３２の下流端部Ｐ１との隙間（以下シュラウドクリアランスという、図６のβ）が形成されている。このシュラウドクリアランスβがあると、このシュラウドクリアランスβを通じてタービン翼１１（上流側翼２３、下流側翼２５）の圧力面側と負圧面側との間で漏れが大きくなり、タービン翼１１の先端からの漏れ損失が生じる。

本実施形態では、タービン翼１１の先端と第２ノズル２８のノズル翼３２の下流端部Ｐ１との隙間β（シュラウドクリアランス）を減少させるように、タービンケーシング３のシュラウド部１６の内壁面と同一面の位置まで近接して設けることにより、シュラウドクリアランスβを介してのタービン翼１１先端からの漏れ損失を低減できる。

なお、第３実施形態は、第２ノズル２８の位置を第２実施形態の下流側翼の前縁部２９の上流側に設ける場合を例に説明したが、第１実施形態のように上流側翼の後縁部２７と、下流側翼の前縁部２９との重なり合う領域Ｓの位置に設置した場合でも同様である。

（第４実施形態）
次に、図６、７を参照して、第４実施形態について説明する。
第４実施形態は、第３実施形態に対して、ノズル翼３２の下流端部Ｐ１がシュラウド面の一部を構成するように面形状に形成されていることが異なり、他の構成は第３実施形態と同様である。同一構成には同一符号を付して説明を省略する。

図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、第２ノズル２８を構成するノズル翼３２の下流端部Ｐ１をシュラウド部１６の内壁面と同一面になるように面形状に形成し、ノズル翼３２、３２の間に形成されるノズルスロートをシュラウド部１６の内側から見たときにスリット状（図７（ｃ））に形成されている。

図６、図７（ｂ）の符号Ｑで示すように、ノズル翼３２の圧力面３２ａ側の下流端部Ｐ１と、スロートｈが負圧面３２ｂに接する点Ｐ２と、負圧面３２ｂの下流端部Ｐ３からなる所謂半開放部が構成される。
この半開放部Ｑでは、シュラウドクリアランスβよりタービン翼１１の先端側に大きな隙間が形成される。このため、このシュラウドクリアランスβよりタービン翼１１（上流側翼２３、下流側翼２５）先端側に大きな隙間が形成される領域Ｒが拡大すると、タービン翼１１の圧力面側と負圧面側との間で漏れが大きくなり、タービン翼１１の先端からの漏れ損失が増大する。

しかし、本実施形態のように、第２ノズル２８のノズル翼３２の下流端部Ｐ１をタービンケーシング３のシュラウド部１６の内壁面と同一面になるように面形状に形成して、半開放部Ｑの領域Ｒを小さくすることが可能になり、第２ノズル２８に流れが流入していないときのタービン翼１１の先端での漏れ流れ損失を効果的に低減できる。

（第５実施形態）
次に、図８を参照して、第５実施形態について説明する。
第３、第４実施形態は第２ノズルをノズル翼３２で構成していたが、第５実施形態は円錐状ノズル孔３９で構成することが異なり、その他の構成は第３、第４実施形態と同様である。

図８に示すように、第２ノズルを構成する流路を円錐状ノズル孔３９で形成する。この場合には、流路断面は、図７（ａ）と同様の形状となり、ノズル流路の圧力面３２ａ側の下流端部Ｐ１と、スロートｈが負圧面３２ｂに接する点Ｐ２と、負圧面３２ｂの下流端部Ｐ３からなる半開放部が構成される。
しかし、円錐状ノズル孔３９のガス流出部はシュラウド内壁面に複数の楕円状の開口を形成するよう設けられるため、半開放部Ｑの領域Ｒを小さくすることが可能になり、第２ノズル２８に流れが流入していないときのタービン翼１１の先端での漏れ流れ損失を効果的に低減できる。

さらに、円錐状ノズル孔３９を周方向だけでなく、軸方向に複数列設けることで、必要なスロート面積に調整でき、また複数例における周方向の位相を異なるように配置することで、タービンホイール５の１枚の翼（上流側翼２３、下流側翼２５）に同時に対向する半開放部Ｑの面積を小さくすることが可能になる。

また、図８（ａ）のように、旋回流を形成するために円錐状ノズル孔３９の中心線ｎは、タービンホイール５の回転する周方向に傾斜して設けられている。旋回方向の流速成分を有するため、旋回流れのエネルギーを回転動力への変換効率が向上する。

また、円錐状ノズル孔３９の他の例として、図８（ｂ）のように、円錐状ノズル孔３９の中心線ｎは、タービンホイール５の回転軸心１５の軸方向に傾斜して設けてもよい。すなわち、タービンホイール５の回転する周方向に対して角度θを持って回転軸心１５の軸方向に傾斜させてもよい。これによって、第２ノズル２８から流出した流れが、軸方向の流速成分を有するため、タービンホイール５の主流（第１ノズル１７からの流れ）と混合する際の混合損失を小さくする効果があり、旋回流れエネルギーの回転動力への変換効率が向上する。

（第６実施形態）
次に、図９、１０を参照して、第６実施形態について説明する。
第６実施形態は、第１実施形態、第２実施形態に対して、第２ノズル２８の上流側に設置される第２ガス流出量調整手段３０の具体的な構造を示すものである。

図９に示すように、第２ガス流出量調整手段３０は、第２ノズル２８の上流側に形成された環状通路４０と、該環状通路４０のさらに外周側に形成された前記スクロール室１３とを径方向に連通する貫通通路４２を開閉するように配設され、タービンケーシング３に軸部４４が支持された断面翼形状を有する弁体４６によって構成されている。

この軸部４４は一端部が翼形状の弁体４６の一方端側に取り付けられ、該軸部４４を回動することで、弁体の他方端側を開閉作動して、タービンケーシング３のシート部に当接して閉状態とするとともに、軸部４４の回動角度を調整してスクロール室１３から環状通路４０に流入するガス量を調整している。

また、軸部４４の他端部は、タービンケーシング３を貫通して、該タービンケーシング３の外側に突出して、該突出した部分にリンク機構を構成するアーム４８が取り付けられ、該アーム４８を介して回転力が与えられるようになっている。また、弁体４６はタービンケーシング３の周方向に等間隔に複数箇所設置されており、リンク機構を介して全ての弁体４６は同一開度に連動して開閉作動するようになっている。

このような構成によって、第２ノズル２８からタービン翼１１への流入量を調整でき、加速時に第２ガス流出量調整手段３０によって第２ノズル２８からの流出量を増加すれば、運転状態に応じたタービンホイール５の加速度を調整することができ、運転状態に応じた過給機をレスポンスよく得ることができる。

また、第２ノズル２８の上流側に形成された環状通路４０と、該環状通路４０のさらに外周側に形成されているスクロール室１３とを径方向に連通する貫通通路４２に、第２ガス流出量調整手段３０としての弁体４６を設ける構造であるため、タービンケーシング３内のスクロール室１３の内周側に、環状通路４０、第２ガス流出量調整手段３０、および第２ノズル２８をコンパクトに収納可能となる。

（第７実施形態）
次に、図９、１０を参照して、第７実施形態について説明する。
この第７実施形態は、第６実施形態における第２ガス流出量調整手段３０による流出ガス量の調整方法の一例を示すものである。

図１０に示すように弁体４６の位置を、実線の全開状態と、二点鎖線の最小開度状態との間を開閉作動する。このように、弁体４６を全閉にせずに最小開度ｍに保持して、最小開度時の流れを保持する。
このように常時一定流量のガスを第２ガス流出量調整手段３０から供給するようにすることによって、前記したように、ノズル翼３２の圧力面側の下流端と、スロートが負圧面に接する点と、負圧面の下流端からなる所謂半開放部Ｑ（図６、図７のＰ１、Ｐ２、Ｐ３参照）によって生じるタービン翼１１の先端からの漏れ損失の増大を防止することができる。

すなわち、第２ガス流出量調整手段３０から常時最小開度にｍに相当する最小限のガス量が半開放部Ｑに供給されるので、半開放部Ｑを介してタービン翼１１の圧力面側から負圧面側への漏れ流れを抑え込んで漏れ流れによる損失の増大を防止するものである。

この最小限のガス量は、例えば、タービン翼１１の先端の旋回周速度からその１／２程度の速度で流入させる。
タービン翼１１の先端の旋回周速度とほぼ同一に設定すれば、タービン翼１１の先端での漏れ損失は基本的には無くなる。しかし、通常運転時に完全に無くなるように設定しなくても、ある程度（半分程度）抑え込むことが可能であれば、漏れ損失の低減効果が期待できるため、一例として１／２程度として設定する。

なお、図１０において、Ｃ−Ｃ断面の第２ノズル２８における速度三角形より算出される第２ノズル２８における流速ｖ３と、第２ガス流出量調整手段３０の弁体４６の最小開度ｍ時の流速ｖｍとは、同一方向に向かうように設定されている。これによって、常時効率良く第２ノズル２８の半開放部Ｑにガスが流入するため、タービン翼１１の先端からの漏れを抑え込み損失の増大を常時効率良く防止することができる。

以上のように本実施形態では、通常の運転時に第２ガス流出量調整手段３０からの流出量を最小に設定することで、タービン翼１１の翼端漏れ損失低減を発揮し、加速時にタービン翼１１の先端周速より大きい流速をタービン翼１１に流すことによって、回転加速度を大きくする作用効果を発揮できる。

（第８実施形態）
次に、図１１、１２を参照して、第８実施形態について説明する。
この第８実施形態は、第６実施形態の第２ガス流出量調整手段３０が設けられたラジアルタービンに流入する排ガスをバイパスさせるウエストゲートバルブ５０を備えたことが特徴であり、他の構成は第６実施形態と同様であり、同一構成については同一符号を付して説明を省略する。

図１２に示すように、タービンケーシング３のスクロール室１３に連通する排ガス通路５２に、該排ガス通路５２からの排ガスを、タービン側を通さずに排出通路５４側との連通を開閉制御するウエストゲートバルブ５０をさらに設けるものである。
このウエストゲートバルブ５０は、バルブ回動軸５１を中心に回動されて、シート面５３に対する弁体５６の着座が制御される。図１１の点線状態が開いた状態で、排ガスはウエストゲート通路５５を通って排出通路５４側に流れる。
また、ウエストゲートバルブ５０は、スクロール室１３へ繋がる排ガス通路５２に設けられる（図１２）とともに、環状通路４０の外側に設けられる（図１１）。

ターボチャージャにおいて、タービンホイールの最外周の外側にノズル翼を取り付けて、該ノズル翼の角度を可変化する可変容量ラジアルタービンがある。しかし、この可変容量ラジアルタービンでは、タービンホイールへの流入量を増大するために可変ノズルのノズル面積を制御して流路を増大させることができるが、ノズル翼の角度を大きくするため、ノズル角度を変化させない場合に比べて、旋回速度が相対的に小さく、回転加速度の増加においてマイナスである。

しかし、本実施形態においては、シュラウド部１６からの第２ノズル２８によって高旋回速度の流れを付加することにより、流量の増加と同時に第２ノズルからの旋回流速による大きな加速度を与えることができる。

また、本実施形態によれば、第２ノズル２８からの流入によって、高旋回速度の流れを付加することにより、流量の増加と同時に第２ノズルからの旋回流速による大きな加速度を与えることができることとなるが、第２ノズルからの流量の増加に伴ってコンプレッサによる圧力が過大になり易い。このため、第２ノズル２８を備えて高い変換効率で回転動力に変換できる本願発明のような可変容量ラジアルタービンを備えたターボチャージャにおいては、ウエストゲートバルブ５０を開いての過給圧の調整が有効である。

本発明によれば、タービンホイールのシュラウド側に設置された第２ノズルからタービンホイールに向けて流入した流れのエネルギーをより効率良く回転動力に変換できるタービンホイールの構造、第２ノズルの設置構造、および第２ノズルに流れを供給する流路構造を得ることができるため、ターボチャージャ用のラジアルタービン、工場排熱や地熱などの排圧を膨脹させて動力を得る排熱回収用のエキスパンションタービン、ガスタービン用のラジアルタービン等のラジアルタービンへの利用に適している。

１ 可変容量ラジアルタービン
３ タービンケーシング
５ タービンホイール
７ 回転軸
９ ハブ
１１ タービン翼
１３ スクロール室
１５ 回転軸心
１６ シュラウド部
１７ 第１ノズル
１９ タービンホイール入口
２０ 第１ガス流出口
２１ タービンホイール出口
２３ 上流側翼
２５ 下流側翼
２６ 第２ガス流出口
２７ 上流側翼の後縁部
２８ 第２ノズル
２９ 下流側翼の前縁部
３０ 第２ガス流出量調整手段
３２ ノズル翼
３９ 円錐状ノズル孔
４０ 環状通路
４２ 貫通通路
５０ ウエストゲートバルブ
５２ 排ガス通路
５４ 排出通路

Claims (13)

1. タービンケーシング内に収納され、該タービンケーシングに形成されたスクロール室によって生成された回転軸周りのガスの旋回流を径方向内向きに導入してから回転軸方向に向きを変えて排出して回転運動が与えられるタービンホイールと、
   該タービンホイールのハブ外周面上に周方向に複数枚立設されるタービン翼と、
   該タービン翼を構成するとともに、ガスの入口部から中間部に設けられた上流側翼と、
   中間部から出口部に設けられ、前記上流側翼とは周方向において位相がずれて配置される下流側翼と、
   前記スクロール室からのガスを前記上流側翼の上流端部に流入する第１ガス流出口と、
   前記上流側翼の後縁部と前記下流側翼の前縁部とは子午面形状において重なり合うように配置されるとともに、該重なり合う部分を含めその近傍に前記スクロール室からのガスを流入する第２ガス流出口と、を備えたことを特徴とする可変容量ラジアルタービン。
2. 前記第２ガス流出口が前記回転軸方向における前記上流側翼の後縁部と前記下流側翼の前縁部との重なり合う部分であって、前記タービンケーシングのシュラウド部に設けられることを特徴とする請求項１記載の可変容量ラジアルタービン。
3. 前記第２ガス流出口が前記重なり合う部分の上流側近傍であって、前記タービンケーシングのシュラウド部に設けられることを特徴とする請求項１記載の可変容量ラジアルタービン。
4. 前記第２ガス流出口に第２ノズルが設けられ、該第２ノズルは周方向に複数のノズル翼を配置して構成され、該ノズル翼の下流端部は前記タービンケーシングのシュラウド部の内壁面に位置して設けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の可変容量ラジアルタービン。
5. 前記ノズル翼の下流端部はシュラウド面の一部を構成するように面形状に形成されて、前記ノズル翼間のノズルスロートが、シュラウド部の内面から見てスリット状に形成されることを特徴とする請求項４記載の可変容量ラジアルタービン。
6. 前記第２ガス流出口に第２ノズルが設けられ、該第２ノズルは周方向に複数の円錐状のノズル孔を配置して構成され、ガス流出部がシュラウド内壁面に複数の開口として形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の可変容量ラジアルタービン。
7. 前記ノズル孔の中心線が周方向に所定角度傾斜して設けられてガス流出部がシュラウド内壁面に複数の楕円状の開口として形成されることを特徴とする請求項６記載の可変容量ラジアルタービン。
8. 前記ノズル孔の中心線が軸方向に所定角度傾斜して設けられることを特徴とする請求項６記載の可変容量ラジアルタービン。
9. 前記ノズル孔は軸方向に複数配列されることを特徴とする請求項６記載の可変容量ラジアルタービン。
10. 前記第２ノズルの上流側に形成された環状通路と、該環状通路と前記スクロール室とを連通する貫通通路に前記第２ガス流出口からの流出量を調整する第２ガス流出量調整手段を設けたことを特徴とする請求項４記載の可変容量ラジアルタービン。
11. 前記第２ガス流出量調整手段によって、通常運転時に常時一定のガスを前記第２ガス流出口から供給することを特徴とする請求項１０記載の可変容量ラジアルタービン。
12. 前記請求項１乃至１１に記載の可変容量ラジアルタービンが設けられるとともに、該可変容量ラジアルタービンによって駆動されるコンプレッサを備えたことを特徴とするターボチャージャ。
13. 前記タービンホイールへの流入ガスをバイパスさせて排出するウエストゲートバルブが設けられ、前記第２ガス流出口からの流入ガス量を増加した場合に於いても、前記コンプレッサによる過給圧力が所定値以上に上昇したときに前記ウエストゲートバルブが開くことを特徴とする請求項１２記載のターボチャージャ。

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