JP2015124743A - タービン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】タービンは、タービン動翼と、タービン動翼の周方向に沿って延在するスクロール部を有するタービンハウジングとを有する。スクロール部は、スクロール部の流路面積をAとし、スクロール部の流路中心からタービン動翼の軸線までの距離をRとし、タービン動翼の軸線の周りでの周方向位置を横軸にとり、距離Rに対する流路面積Aの比であるA/Rを縦軸にとったグラフにおいて、A/Rが少なくとも一部において凹型の分布を有するように構成されている。
【選択図】図4
Description
またこのほかのA/Rの分布として、スクロール部の入口から末端に向かって線形に減少するものがある。
しかしながら、近年、排気脈動によりタービン効率が大きく低下することが報告されている。この報告によれば、従来のタービンでも、排気脈動による性能低下が生じていることになる。
タービン動翼と、
前記タービン動翼の周方向に沿って延在するスクロール部を有するタービンハウジングとを備え、
前記スクロール部は、前記スクロール部の流路面積をAとし、前記スクロール部の流路中心から前記タービン動翼の軸線までの距離をRとし、前記タービン動翼の軸線の周りでの周方向位置を横軸にとり、距離Rに対する流路面積Aの比であるA/Rを縦軸にとったグラフにおいて、前記A/Rが少なくとも一部において凹型の分布を有するように構成されている。
このようにスクロール部の入口側で体積が縮小されたことにより、スクロール部の入口側で流体の脈動圧力の振幅が増大される。そして、入口側で脈動圧力が増大されたことで、スクロール部の入口側で流体がタービン動翼に向かって円滑に流れる。この結果、タービン効率が高くなり、タービン出力が向上する。
なお、A/Rが線形に減少する従来の場合、スクロール部の体積を絞るためにはスクロール部の入口の面積を縮小しなければならない。しかしながらスクロール部の入口の面積が縮小されると、流量特性が大きく変化してしまう。この点、上記構成によれば、スクロール部の入口側で体積が縮小されることにより、スクロール部の入口の面積を変更せずにスクロール部の体積を縮小することができる。このため、上記構成によれば、流量特性への影響を最小限に抑えながら、タービン効率の向上を図ることが可能である。
前記スクロール部の入口の位置を前記周方向位置が0°である位置とし、前記スクロール部の入口から末端に向かって前記周方向位置の値が増加するとしたときに、
前記スクロール部は、前記周方向位置が0°から90°に至るまでの前記A/Rの変化率が、前記A/Rが線形減少する場合の1.2倍以上になるように構成されている。
前記スクロール部は、前記周方向位置が0°から90°に至るまでの前記A/Rの変化率が、前記A/Rが線形減少する場合の1.4倍以上になるように構成されている。
この構成によれば、A/Rの変化率が、前記A/Rが線形減少する場合の1.4倍以上であることにより、スクロール部の入口における流路面積を所定の値に保ちながら、A/Rが線形減少する場合に比べて、スクロール部の体積をより一層縮小することができる。これにより、流量特性への影響を最小限に抑えながら、タービン効率をより一層向上させることができる。
前記スクロール部は、前記周方向位置が0°から90°に至るまでの前記A/Rの変化率が、前記A/Rが線形減少する場合の3倍以下になるように構成されている。
周方向位置が0°から90°に至るまでのA/Rの変化率が、線形減少する場合の3倍以下であれば、スクロール部により形成される流れの角度が局所的に過大になることが防止され、圧力損失の発生が抑制される。
ターボチャージャは、タービン10と、コンプレッサ12とを有する。タービン10は、タービンハウジング14と、タービンハウジング14に収容されたタービン動翼(羽根車)16とを有し、コンプレッサ12は、コンプレッサハウジング18と、コンプレッサハウジング18に収容されたインペラ20とを有する。
また例えば、コンプレッサハウジング18は、コンプレッサケーシング30と、コンプレッサケーシング30に結合された端壁32とからなり、シャフト22は端壁32を貫通している。端壁32は、ベアリングハウジング28と一体に形成されている。
スクロール部36の入口(開始端)は、図2に示したように、タービン動翼16の周方向での位置(周方向位置θ)が0°の位置にある。なお、周方向位置θが0°の位置は、舌部41の先端の位置として定義される。舌部41は、タービンケーシング24のスクロール部36の外周壁42と導入部40の壁44とが鋭角に交わる部分である。
そして、スクロール部36の末端は、タービン動翼16の周方向での位置(周方向位置θ)が360°の位置にある。
なお、周方向位置θの値は、スクロール部36の入口から末端に向かって増加するものとし、スクロール部36における流体の流れに沿う方向にて増加するものとする。
なお、サイクル平均タービン圧力比とは、タービンに導入される流体(排ガス)の圧力変動の1サイクルの間におけるタービンの圧力比の平均値であり、サイクル平均タービン効率とは、排ガスの圧力変動の1サイクルの間におけるタービンの効率の平均値である。
図9は、横軸にタービンの圧力比をとり、縦軸にタービンの流量をとったグラフであり、タービンに導入される流体に脈動が有る場合と無い場合のそれぞれにおける、圧力比と流量の関係を、実施例と線形減少の場合について示すグラフである。
このようにスクロール部36の入口側で体積が縮小されたことにより、スクロール部36の入口側で流体の脈動圧力の振幅が増大される。そして、入口側で脈動圧力が増大されたことで、スクロール部36の入口側で流体がタービン動翼16に向かって円滑に流れる。この結果、タービン効率が高くなり、タービン出力が向上する。
また、図7に示したように、導入される流体に相対的に高周波数の脈動が有っても、サイクル平均圧力比が低い側及び高い側でそれぞれ約5%、実施例の方が線形減少の場合よりもサイクル平均タービン効率が向上している。
なお、周方向位置θが0°から90°に至るまでのA/Rの変化率Δ(A/R)/Δθとは、周方向位置が0°でのA/R((A/R)θ=0)と周方向位置が90°でのA/R((A/R)θ=90)との差((A/R)θ=0−(A/R)θ=90)を、周方向位置θの差である90°で除して得られる値である。
この構成によれば、例えば図4のA/R分布の場合、スクロール部36の入口における流路面積Aを所定の値に保ちながら、A/Rが線形減少する場合に比べて、スクロール部36の体積を10%以上縮小することができる。これにより、流量特性への影響を最小限に抑えながら、タービン効率をより一層向上させることができる。
周方向位置θが0°から90°に至るまでのA/Rの変化率Δ(A/R)/Δθが、線形減少する場合の3倍以下であれば、スクロール部36により形成される流れの角度が局所的に過大になることが防止され、圧力損失の発生が抑制される。
12 コンプレッサ
14 タービンハウジング
16 タービン動翼
18 コンプレッサハウジング
20 インペラ
22 シャフト
24 タービンケーシング
26 端壁
28 ベアリングハウジング
30 コンプレッサケーシング
32 端壁
34 筒部
36 スクロール部
38 連通部
40 導入部
41 舌部
42 外周壁
44 壁
48 円
50 軸線
Claims (4)
- タービン動翼と、
前記タービン動翼の周方向に沿って延在するスクロール部を有するタービンハウジングとを備え、
前記スクロール部は、前記スクロール部の流路面積をAとし、前記スクロール部の流路中心から前記タービン動翼の軸線までの距離をRとし、前記タービン動翼の軸線の周りでの周方向位置を横軸にとり、距離Rに対する流路面積Aの比であるA/Rを縦軸にとったグラフにおいて、前記A/Rが少なくとも一部において凹型の分布を有するように構成されている
ことを特徴とするタービン。 - 前記スクロール部の入口の位置を前記周方向位置が0°である位置とし、前記スクロール部の入口から末端に向かって前記周方向位置の値が増加するとしたときに、
前記スクロール部は、前記周方向位置が0°から90°に至るまでの前記A/Rの変化率が、前記A/Rが線形減少する場合の1.2倍以上になるように構成されている
ことを特徴とする請求項1に記載のタービン。 - 前記スクロール部は、前記周方向位置が0°から90°に至るまでの前記A/Rの変化率が、前記A/Rが線形減少する場合の1.4倍以上になるように構成されている
ことを特徴とする請求項2に記載のタービン。 - 前記スクロール部は、前記周方向位置が0°から90°に至るまでの前記A/Rの変化率が、前記A/Rが線形減少する場合の3倍以下になるように構成されている
ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載のタービン。
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