JP2014126018A - ラジアルタービン及び過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン効率の低下を抑えつつ、タービンインペラ１５の加速応答性を向上させること。
【解決手段】タービンディスク１７の最大径面１７ｇの半径R1がタービンブレード１９の前縁１９ａの回転半径R2よりも短く設定され、タービンブレード１９の前縁１９ａのハブ端１９ａｈの軸方向位置がタービンディスク１７の最大径面１７ｇとタービンブレード１９の基端縁１９ｂの境界部ＢＤの軸方向位置よりも前側に位置し、タービンブレード１９の基端縁１９ｂにおける境界部ＢＤよりも径方向外側に位置する部分１９ｂｅの回転軌跡とタービンディスク１７の最大径面１７ｇとによって環状の嵌合空間ＡＳが区画形成され、遮熱板２７の嵌合突起２７ｐが嵌合空間ＡＳに嵌合するようになっていること。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガス等のガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるラジアルタービン等に関する。

従来から車両用過給機等に用いられるラジアルタービンについて種々の開発がなされており、従来のラジアルタービンの構成について図５及び図６を参照して説明すると、次のようになる。なお、図面中において、「Ｆ」は、前方向、「Ｒ」は、後方向をそれぞれ指してある。

図５（ａ）（ｂ）に示すように、従来の一般的なラジアルタービン１０１は、タービンハウジング１０３を具備しており、このタービンハウジング１０３は、内側に、シュラウド面１０３ｓを有している。また、タービンハウジング１０３内には、タービンインペラ１０５がその軸心Ｃ周りに回転可能に設けられており、このタービンインペラ１０５は、タービンディスク１０７を備えており、このタービンディスク１０７のハブ面１０７ｈは、前側（タービンインペラ１０５の軸方向の一方側）から径方向外側へ延びている。更に、タービンディスク１０７のハブ面１０７ｈには、複数（１つのみ図示）のタービンブレード１０９が周方向に等間隔に一体形成されており、各タービンブレード１０９の先端縁（外縁）１０９ｔは、タービンハウジング１０３のシュラウド面１０３ｓに沿うように延びている。

タービンハウジング１０３の内部におけるタービンインペラ１０５の入口側には、渦巻き状のタービンスクロール流路１１１が形成されており、このタービンスクロール流路１１１は、ガスを取入れ可能である。また、タービンハウジング１０３におけるタービンインペラ１０５の出口側には、排気ガスを排出するためのガス排出口１１３が形成されている。ここで、タービンスクロール流路１１１に取入れたガスをタービンインペラ１０５の入口側から出口側へ流通させることにより、ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させるようになっている。

タービンインペラ１０５の加速応答性の向上の要請に伴い、タービンインペラ１０５の慣性モーメントを低減できる、図６（ａ）（ｂ）に示すような所謂スカロップ型のラジアルタービン１１５も開発されている。スカロップ型のラジアルタービン１１５にあっては、タービンディスク１０７の外縁側における周方向に各隣接するタービンブレード１０９の間には、扇状の切欠（スカロップ）１１７が形成されている。これにより、タービンディスク１０７の一部を削り取って、一般的なラジアルタービン１０１に比してタービンインペラ１０５の軽量化を図り、タービンインペラ１０５の慣性モーメントを低減することができる。なお、従来のスカロップ型のラジアルタービン１１５における複数の構成要素のうち、従来の一般的なラジアルタービン１０１における構成要素と対応するものについては、図中に同一番号を付して説明を省略している。

本発明に関連する先行技術として特許文献１から特許文献３に示すものがある。

特開２００３−２０１８０２号公報 特開２０１１−９９３６６号公報 特開平８−３２６５０１号公報

ところで、従来のスカロップ型のラジアルタービン１１５においては、前述のように、タービンインペラ１０５の慣性モーメントを低減して、タービンインペラ１０５の加速応答性を向上させることができるものの、タービンディスク１０７の外縁側に複数の切欠１１７が形成されることによって、複数の切欠１１７の開口面積に応じた分だけリークパスが広がる。そのため、図６（ａ）において点線矢印で示すように、タービンディスク１０７の背面１０７ｄ側からタービンブレード１０９の負圧面１０９ｎ側に流れ込む二次流れ（漏れ流れ）が増えて、ラジアルタービン１１５のタービン効率が低下するという問題がある。

つまり、従来のラジアルタービン１０１，１１５においては、タービン効率の低下を抑えつつ、タービンインペラ１０５の慣性モーメントを低減して、タービンインペラ１０５の加速応答性を向上させることが困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のラジアルタービン等を提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、図４（ａ）（ｂ）に示すように、ガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるラジアルタービンにおいて、内側にシュラウド面（内壁面）を有したタービンハウジングと、前記タービンハウジング内に回転可能に設けられ、ハブ面が軸方向の一方側から径方向外側へ延びかつ前記ハブ面と背面との間に最大径面（最大径を有する周面）が形成されたタービンディスク、及び前記タービンディスクの前記ハブ面に周方向に等間隔に一体形成されかつ先端縁が前記タービンハウジングの前記シュラウド面に沿うように延びた複数のタービンブレードを備えたタービンインペラと、を具備し、前記タービンハウジングの内部における前記タービンインペラの入口側にガスを取入れ可能な渦巻き状のタービンスクロール流路が形成され、前記タービンハウジングにおける前記タービンインペラの出口側にガスを排出するためのガス排出口が形成され、前記タービンディスクの前記最大径面の半径が前記タービンブレードの前縁（入口縁）の回転半径よりも短く設定され、前記タービンブレードの前縁のハブ端（基端）の軸方向位置（前記軸方向の位置）が前記タービンディスクの前記最大径面と前記タービンブレードの基端縁の境界部の軸方向位置よりも前記軸方向の一方側に位置しているか又は前記境界部の軸方向位置と同じ位置に位置してあって、前記タービンブレードの前記基端縁における前記境界部よりも径方向外側（前記タービンディスクの前記最大径面よりも径方向外側）に位置する部分の回転軌跡と前記タービンディスクの前記最大径面とによって前記タービンディスクの前記背面側に連通した環状の嵌合空間が区画形成（区画）され、前記タービンディスクの背面側に設けられた静止部の少なくとも一部分が前記嵌合空間に嵌合するようになっていることを要旨とする。なお、図面中において、「Ｆ」は、前方向、「Ｒ」は、後方向をそれぞれ指してある。

ここで、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「軸方向」とは、タービンインペラの軸方向のことをいい、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたことを含む意である。また、「内側にシュラウド壁を有し」とは、タービンハウジングの内側にシュラウド壁を有する場合の他に、タービンハウジング内に設けられた別部材の内側にシュラウド壁を有する場合を含む意である。更に、「上流」とは、ガスの主流の流れ方向から見て上流のことをいい、「下流」とは、ガスの主流の流れ方向から見て下流のことをいい、「静止部」は、タービンハウジングと異なる別部材からなるものであってもよく又はタービンハウジングの一部であっても構わない。

第１の特徴によると、前記タービンスクロール流路に取入れたガスを前記タービンインペラの入口側から出口側へ流通させることにより、ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させることができる（第１の特徴による通常の作用）。

第１の特徴による通常の作用の他に、前記タービンディスクの前記最大径面の半径が前記タービンブレードの前記前縁の回転半径よりも短く設定されているため、前記タービンディスクの一部を削り取って、従来の一般的なラジアルタービン１０１(図５（ａ）（ｂ）参照）に比して前記タービンディスクの軽量化を図ることができる。また、前記タービンブレードの前縁のハブ端（基端）の軸方向位置（前記軸方向の位置）が前記タービンディスクの前記最大径面と前記タービンブレードの基端縁の境界部の軸方向位置よりも前記軸方向の一方側に位置しているか又は前記境界部の軸方向位置と同じ位置に位置しているため、前記タービンブレードの一部を削り取って、従来の一般的なラジアルタービン１０１に比して前記タービンブレードの軽量化を図ると共に、前記タービンディスクの前記最大径面付近の遠心応力を低減することができる。

前記タービンブレードの前記基端縁における前記境界部よりも径方向外側に位置する部分の回転軌跡と前記タービンディスクの前記最大径面とによって環状の前記嵌合空間が区画形成され、前記静止部の少なくとも一部分が前記嵌合空間に嵌合するようになっているため、前記タービンディスクの背面側から前記タービンブレードの負圧面側に流れ込む二次流れ（漏れ流れ）を低減することができる（第１の特徴による特有の作用）。

本発明の第２の特徴は、エンジンからの排気ガスの圧力エネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する過給機において、エンジン側に供給される空気を過給する過給機において、第１の特徴からなるタービンを具備したことを要旨とする。

第２の特徴によると、第１の特徴による作用と同様の作用を奏する。

本発明によれば、前記タービンディスク及び前記タービンブレードの軽量化、換言すれば、前記タービンインペラの軽量化を図ることができるため、前記タービンインペラの慣性モーメントを低減して、前記タービンインペラの加速応答性を向上させることができる。また、前記タービンディスクの背面側から前記タービンブレードの負圧面側に流れ込む二次流れを低減できるため、前記ラジアルタービンのタービン効率の低下を抑えることができる。つまり、前記ラジアルタービンのタービン効率の低下を抑えつつ、前記タービンインペラの慣性モーメントを低減して、前記タービンインペラの加速応答性を向上させることができる。

更に、前記タービンディスクの前記最大径面付近の遠心応力を低減できるため、前記タービンディスクにクラック等が発生し難くなって、前記ラジアルタービンの耐久性を向上させることができる。

図１は、本発明の実施形態に係るラジアルタービンの要部を示す断面図である。 図２は、本発明の実施形態に係る車両用過給機の正断面図である。 図３は、発明品、従来品１、及び従来品２について空力性能試験の結果を示す図である。 図４（ａ）は、発明例に係るラジアルタービンの要部を示す断面図、図４（ｂ）は、発明例に係るラジアルタービンにおけるタービンインペラを先端側から見た図である。 図５（ａ）は、従来の一般的なラジアルタービンの要部を示す断面図、図５（ｂ）は、従来の一般的なラジアルタービンにおけるタービンインペラを先端側から見た図である。 図６（ａ）は、従来のスカロップ型のラジアルタービンの要部を示す断面図、図６（ｂ）は、従来のスカロップ型のラジアルタービンにおけるタービンインペラを先端側から見た図である。

本発明の実施形態について図１及び図２を参照して説明する。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。

図２に示すように、本発明の実施形態に係る車両用過給機１は、エンジン（図示省略）からの排気ガス（ガスの一例）の圧力エネルギーを利用して、エンジンに供給される空気を過給（圧縮）するものである。そして、車両用過給機１の具体的な構成等は、以下のようになる。

車両用過給機１は、ベアリングハウジング３を具備しており、ベアリングハウジング３内には、一対のラジアルベアリング５及び一対のスラストベアリング７が設けられている。また、複数のベアリング５，７には、前後方向へ延びたロータ軸（タービン軸）９が回転可能に設けられており、換言すれば、ベアリングハウジング３には、ロータ軸９が複数のベアリング５，７を介して回転可能に設けられている。

ベアリングハウジング３の前側には、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させるラジアルタービン１１が配設されており、このラジアルタービン１１の具体的な構成は、次のようになる。

図１及び図２に示すように、ベアリングハウジング３の前側には、タービンハウジング１３が設けられており、このタービンハウジング１３は、内側に、シュラウド面（内壁面）１３ｓを有している。また、タービンハウジング１３内には、タービンインペラ１５がその軸心Ｃ周りに回転可能に設けられている。そして、タービンインペラ１５は、ロータ軸９の前端部に一体的に連結されたタービンディスク１７を備えており、このタービンディスク１７のハブ面１７ｈは、前側（タービンインペラ１５の軸方向の一方側）から径方向外側へ延びてあって、タービンディスク１７のハブ面１７ｈと背面１７ｄとの間には、最大径面（最大径の外周面）１７ｇが形成されている。更に、タービンディスク１７のハブ面１７ｈには、複数のタービンブレード１９が周方向に等間隔に一体形成されており、各タービンブレード１９の先端縁（外縁）１９ｔは、タービンハウジング１３のシュラウド面１３ｓに沿うように延びている。

図２に示すように、タービンハウジング１３の適宜位置には、排気ガスを取入れるためのガス取入口２１が形成されており、このガス取入口２１は、エンジンの排気マニホールド（図示省略）に接続可能である。また、タービンハウジング１３の内部におけるタービンインペラ１５の入口側には、渦巻き状のタービンスクロール流路２３が形成されており、このタービンスクロール流路２３は、ガス取入口２１に連通してあって、排気ガスを取入れ可能である。更に、タービンハウジング１３におけるタービンインペラ１５の出口側（タービンハウジング１３の前側）には、排気ガスを排出するガス排出口２５が形成されており、このガス排出口２５は、接続管（図示省略）を介して排気ガス浄化装置（図示省略）に接続可能である。

図１及び図２に示すように、タービンハウジング１３内におけるタービンディスク１７の背面１７ｄ側には、環状の遮熱板２７がベアリングハウジング３の前側面を覆うように配設されており、この遮熱板２７の外周縁部は、タービンハウジング１３とベアリングハウジング３によって挟持されている。

図２に示すように、ベアリングハウジング３の後側には、遠心力を利用して空気を圧縮するコンプレッサ２９が配設されており、このコンプレッサ２９の具体的な構成は、次のようになる。

ベアリングハウジング３の後側には、コンプレッサハウジング３１が設けられており、このコンプレッサハウジング３１は、内側に、シュラウド面（内壁面）３１ｓを有している。また、コンプレッサハウジング３１内には、コンプレッサインペラ３３が回転可能に設けられている。そして、コンプレッサインペラ３３は、ロータ軸９の後端部に一体的に連結されたコンプレッサディスク３５を備えており、このコンプレッサディスク３５のハブ面３５ｈは、後側から径方向外側へ延びている。更に、コンプレッサディスク３５のハブ面３５ｈには、複数のコンプレッサブレード３７が周方向に等間隔に一体形成されており、各コンプレッサブレード３７の先端縁（外縁）３７ｔは、コンプレッサハウジング３１のシュラウド面３１ｓに沿うように延びている。

コンプレッサハウジング３１におけるコンプレッサインペラ３３の入口側（コンプレッサハウジング３１の後側部）には、空気を取入れるための空気取入口３９が形成されており、この空気取入口３９は、空気を浄化するエアクリーナ（図示省略）に接続可能である。また、ベアリングハウジング３とコンプレッサハウジング３１との間におけるコンプレッサインペラ３３の出口側には、圧縮された空気を昇圧する環状のディフューザ流路４１が形成されている。更に、コンプレッサハウジング３１の内部には、渦巻き状のコンプレッサスクロール流路４３が形成されており、このコンプレッサスクロール流路４３は、ディフューザ流路４１に連通してある。そして、コンプレッサハウジング３１の適宜位置には、圧縮された空気を排出するための空気排出口４５が形成されており、この空気排出口４５は、コンプレッサスクロール流路４３に連通してあって、エンジンの吸気マニホールド（図示省略）に接続可能である。

続いて、本発明の実施形態に係るラジアルタービン１１の特徴部分について説明する。

図１に示すように、タービンディスク１７の最大径面１７ｇの半径R1は、タービンブレード１９の前縁（入口縁）１９ａの回転半径R2よりも短く設定されている。また、タービンブレード１９の前縁１９ａのハブ端（基端）１９ａｈの軸方向位置（タービンインペラ１５の軸方向の位置）は、タービンディスク１７の最大径面１７ｇとタービンブレード１９の基端縁１９ｂの境界部ＢＤの軸方向位置よりも前側（タービンインペラ１５の軸向一方側）に位置している。換言すれば、タービンブレード１９の基端縁１９ｂにおける境界部ＢＤよりも径方向外側（タービンディスク１７の最大径面１７ｇよりも径方向外側）に位置する部分１９ｂｅは、径方向に対して前側に傾斜している。なお、タービンブレード１９の前縁１９ａのハブ端１９ａｈの軸方向位置が境界部ＢＤの軸方向位置よりも前側に位置する代わりに、境界部ＢＤの軸方向位置と同じ位置に位置してあっても構わない。

タービンブレード１９の基端縁１９ｂにおける境界部ＢＤよりも径方向外側に位置する部分１９ｂｅの回転軌跡と、タービンディスク１７の最大径面１７ｇとによって、環状の嵌合空間ＡＳが区画形成（区画）されており、この嵌合空間ＡＳは、タービンディスク１７の背面１７ｄ側に連通してある。また、タービンディスク１７の背面１７ｄ側に設けられた静止部としての遮熱板２７には、嵌合空間ＡＳに嵌合可能な環状の嵌合突起２７ｐが形成されており、遮熱板２７の嵌合突起２７ｐの断面は、嵌合空間ＡＳの断面と整合する形状を呈している。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

ガス取入口２１からタービンスクロール流路２３に取入れた排気ガスをタービンインペラ１５の入口側から出口側へ流通させることにより、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させて、ロータ軸９及びコンプレッサインペラ３３をタービンインペラ１５と一体的に回転させることができる。これにより、空気取入口３９から取入れた空気を圧縮して、ディフューザ流路４１及びコンプレッサスクロール流路４３を経由して空気排出口４５から排出することができ、エンジンに供給される空気を過給することができる（車両用過給機１の通常の作用）。

車両用過給機１の通常の作用の他に、タービンディスク１７の最大径面１７ｇの半径R1がタービンブレード１９の前縁１９ａの回転半径R2よりも短く設定されているため、タービンディスク１７の一部を削り取って、従来の一般的なラジアルタービン１０１(図５（ａ）（ｂ）参照）に比してタービンディスク１７の軽量化を図ることができる。また、タービンブレード１９の前縁１９ａのハブ端１９ａｈの軸方向位置がタービンディスク１７の最大径面１７ｇとタービンブレード１９の基端縁１９ｂの境界部ＢＤの軸方向位置よりも前側に位置しているか又は境界部ＢＤの軸方向位置と同じ位置に位置しているため、タービンブレード１９の一部を削り取って、従来の一般的なラジアルタービン１０１に比してタービンブレード１９の軽量化を図ると共に、タービンディスク１７の最大径面１７ｇ付近の遠心応力を低減することができる。

タービンブレード１９の基端縁１９ｂにおける境界部ＢＤよりも径方向外側に位置する部分１９ｂｅの回転軌跡とタービンディスク１７の最大径面１７ｇとによって環状の嵌合空間ＡＳが区画形成され、遮熱板２７の嵌合突起２７ｐが嵌合空間ＡＳに嵌合するようになっているため、タービンディスク１７の背面１７ｄ側からタービンブレード１９の負圧面１９ｎ側に流れ込む二次流れ（漏れ流れ）を低減することができる（車両用過給機１におけるラジアルタービン１１の特有の作用）。

従って、本発明の実施形態によれば、タービンディスク１７及びタービンブレード１９の軽量化、換言すれば、タービンインペラ１５の軽量化を図ることができるため、タービンインペラ１５の慣性モーメントを低減して、タービンインペラ１５の加速応答性を向上させることができる。また、タービンディスク１７の背面１７ｄ側からタービンブレード１９の負圧面１９ｎ側に流れ込む二次流れを低減できるため、ラジアルタービン１１のタービン効率の低下を抑えることができる（後述の実施例参照）。つまり、ラジアルタービン１１のタービン効率の低下を抑えつつ、タービンインペラ１５の慣性モーメントを低減して、タービンインペラ１５の加速応答性を向上させることができる。

更に、タービンディスク１７の最大径面１７ｇ付近の遠心応力を低減できるため、タービンディスク１７にクラック等が発生し難くなって、ラジアルタービン１１の耐久性、換言すれば、車両用過給機１の耐久性を向上させることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものでなく、例えば車両用過給機１のラジアルタービン１１に適用した技術的思想を車両用過給機１のラジアルタービン１１以外のラジアルタービンに適用する等、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

本発明の実施例について図３を参照して説明する。

発明例に係るラジアルタービン（図４（ａ）（ｂ）参照）を発明品、従来の一般的なラジアルタービン１０１（図５（ａ）（ｂ）参照）を従来品１、従来のスカロップ型のラジアルタービン１１５（図６（ａ）（ｂ）参照）を従来品２としてそれぞれ試作し、発明品、従来品１、及び従来品２について実際の運転条件を模擬して空力性能試験を行い、その結果をまとめると、図３に示すようになる。即ち、空力性能試験の結果によると、従来品２は従来品１に比してタービン効率が大きく低下したのに対して、発明品はタービン効率の低下が抑えることができることが判明した。

１ 車両用過給機
３ ベアリングハウジング
９ ロータ軸
１１ ラジアルタービン
１３ タービンハウジング
１３ｓ シュラウド面
１５ タービンインペラ
１７ タービンディスク
１７ｄ 背面
１７ｇ 最大径面
１７ｈ ハブ面
１９ タービンブレード
１９ａ 前縁
１９ａｈ 前縁のハブ端
１９ｂ 基端縁
１９ｎ 負圧面
２１ ガス取入口
２３ タービンスクロール流路
２５ ガス排出口
２７ 遮熱板
２７ｐ 嵌合突起
ＡＳ 環状空間
２９ コンプレッサ
３１ コンプレッサインペラ
３１ コンプレッサハウジング

Claims (3)

1. ガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるラジアルタービンにおいて、
   内側にシュラウド面を有したタービンハウジングと、
   前記タービンハウジング内に回転可能に設けられ、ハブ面が軸方向の一方側から径方向外側へ延びかつ前記ハブ面と背面との間に最大径面が形成されたタービンディスク、及び前記タービンディスクの前記ハブ面に周方向に等間隔に一体形成されかつ先端縁が前記タービンハウジングの前記シュラウド面に沿うように延びた複数のタービンブレードを備えたタービンインペラと、を具備し、
   前記タービンハウジングの内部における前記タービンインペラの入口側にガスを取入れ可能な渦巻き状のタービンスクロール流路が形成され、前記タービンハウジングにおける前記タービンインペラの出口側にガスを排出するためのガス排出口が形成され、
   前記タービンディスクの前記最大径面の半径が前記タービンブレードの前縁の回転半径よりも短く設定され、前記タービンブレードの前縁のハブ端の軸方向位置が前記タービンディスクの前記最大径面と前記タービンブレードの基端縁の境界部の軸方向位置よりも前記軸方向の一方側に位置しているか又は前記境界部の軸方向位置と同じ位置に位置してあって、
   前記タービンブレードの前記基端縁における前記境界部よりも径方向外側に位置する部分の回転軌跡と前記タービンディスクの前記最大径面とによって前記タービンディスクの前記背面側に連通した環状の嵌合空間が区画形成され、前記タービンディスクの背面側に設けられた静止部の少なくとも一部分が前記嵌合空間に嵌合するようになっていることを特徴とするラジアルタービン。
2. 前記タービンブレードの前記基端縁における前記境界部よりも径方向外側に位置する部分が径方向に対して前記軸方向の一方側に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載のラジアルタービン。
3. エンジンからの排気ガスの圧力エネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する過給機において、
   請求項１又は請求項２のうちのいずれかの請求項に記載のラジアルタービンを具備したことを特徴とする過給機。

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