JP2016053352A - ターボチャージャの排気タービン - Google Patents
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Abstract
【課題】タービン効率の低下を抑制できる排気タービン4を提供する。【解決手段】排気タービン4のタービン翼22は、リーディングエッジLEでの羽根高さが小さい短羽根23と、リーディングエッジLEでの羽根高さが大きい長羽根24とを有し、短羽根23と長羽根24とが交互に等間隔に配置される。隔壁7aにより第1スクロール流路19aと第2スクロール流路19bとに分割されたスクロール流路19は、第1スクロール流路19aの出口が短羽根23のリーディングエッジLEに対向して形成され、第2スクロール流路19bの出口が短羽根23の羽根高さより高い範囲で長羽根24のリーディングエッジLEに対向して形成される。この構成によれば、第2スクロール流路19bに対応して長羽根24のリーディングエッジLEからトレーリングエッジTEまで翼間流路を形成できるので、タービン効率が向上する。【選択図】図1
Description
本発明は、容量が異なる二つのスクロール流路を有するターボチャージャの排気タービンに関する。
ターボチャージャの排気タービンに関する従来技術として特許文献1が公知である。
同文献1に記載される排気タービンは、容量が異なる二つのスクロール流路を有する。
具体的には、タービンホイールの第1流入部に排気ガスを流入させる第1スクロール流路と、第1流入部の軸心方向下流側に設けられる第2流入部に排気ガスを流入させる第2スクロール流路とを有し、第1スクロール流路の方が第2スクロール流路より流量が小さく形成されている。
また、タービンホイールは、第2流入部から下流側に設けられる羽根枚数が、第2流入部よりも上流側に設けられる羽根枚数より少なくなるように構成されている。すなわち、タービンホイールの羽根は、上流側の前端縁(リーディングエッジとも呼ばれる)から下流側の後端縁(トレーリングエッジとも呼ばれる)まで延設される全翼羽根と、前端縁から第2流入部の手前まで延設される半翼羽根とが交互に配置される。
同文献1に記載される排気タービンは、容量が異なる二つのスクロール流路を有する。
具体的には、タービンホイールの第1流入部に排気ガスを流入させる第1スクロール流路と、第1流入部の軸心方向下流側に設けられる第2流入部に排気ガスを流入させる第2スクロール流路とを有し、第1スクロール流路の方が第2スクロール流路より流量が小さく形成されている。
また、タービンホイールは、第2流入部から下流側に設けられる羽根枚数が、第2流入部よりも上流側に設けられる羽根枚数より少なくなるように構成されている。すなわち、タービンホイールの羽根は、上流側の前端縁(リーディングエッジとも呼ばれる)から下流側の後端縁(トレーリングエッジとも呼ばれる)まで延設される全翼羽根と、前端縁から第2流入部の手前まで延設される半翼羽根とが交互に配置される。
ところが、特許文献1の構成では、タービンホイールの第2流入部が全翼羽根の前端縁より下流側に設けられるため、第2流入部から全翼羽根の後端縁までの距離が短くなってしまう。言い換えると、第2スクロール流路を通って第2流入部より流入した排気ガスがタービンホイール内を流れる翼間流路が短くなる。この場合、全翼羽根の前端縁から後端縁まで翼間流路を形成する構成と比較すると、全翼羽根に加わる排気ガスの運動エネルギが小さくなる。
また、第2流入部を全翼羽根の前端縁より下流側に設けたことで、第1スクロール流路を通って第1流入部より流入した排気ガスと、第2スクロール流路を通って第2流入部より流入した排気ガスとが衝突するため、排気ガスの流れに乱れが生じる。
また、第2流入部を全翼羽根の前端縁より下流側に設けたことで、第1スクロール流路を通って第1流入部より流入した排気ガスと、第2スクロール流路を通って第2流入部より流入した排気ガスとが衝突するため、排気ガスの流れに乱れが生じる。
上記のように、特許文献1に記載された従来技術では、全翼羽根に加わる排気ガスの運動エネルギが小さく、且つ、排気ガスの流れに乱れが生じるために、タービン効率が低下する。特に、第2スクロール流路を通る排気ガス流量が多くなる程、タービン効率の低下によるターボチャージャの性能低下が問題となる。
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、容量が異なる第1スクロール流路と第2スクロール流路とを有し、容量の大きい第2スクロール流路を通ってタービン翼に排気ガスが吹き付けられる場合にタービン効率の低下を抑制できるターボチャージャの排気タービンを提供することにある。
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、容量が異なる第1スクロール流路と第2スクロール流路とを有し、容量の大きい第2スクロール流路を通ってタービン翼に排気ガスが吹き付けられる場合にタービン効率の低下を抑制できるターボチャージャの排気タービンを提供することにある。
請求項1に係る本発明は、シャフトに固定されるハブの周囲に複数のタービン翼を設けて構成されるタービンホイールと、このタービンホイールの外周にスクロール流路を形成するタービンハウジングとを備え、内燃機関より排出される排気ガスがスクロール流路を通ってタービン翼に吹き付けられることでタービンホイールが回転するターボチャージャの排気タービンであって、タービンハウジングは、スクロール流路を軸方向の一方側と他方側とに分割して一方側に容量の小さい第1スクロール流路、他方側に容量の大きい第2スクロール流路を形成し、排気ガスの流れに対向するタービン翼の前端縁をリーディングエッジと呼ぶ時に、タービン翼は、第1スクロール流路に対応してリーディングエッジでの羽根高さが小さく形成される短羽根と、第1スクロール流路と第2スクロール流路とに対応してリーディングエッジでの羽根高さが大きく形成される長羽根とを有すると共に、周方向に隣り合う長羽根同士の間にそれぞれ少なくとも1枚の短羽根が配置されることを特徴とする。
上記の構成では、第1、第2スクロール流路が共にタービン翼のリーディングエッジに対応して設けられるので、従来技術(特許文献1)の構成と比較して、第2スクロール流路に対応するタービンホイールの翼間流路を長く形成できる。これにより、第2スクロール流路を通ってタービン翼に与えられる排気ガスの運動エネルギが大きくなるので、タービン効率が向上する。
なお、リーディングエッジでの羽根高さとは、ハブに対するタービン翼の付け根側から反付け根側までの軸方向長さである。よって、本発明の短羽根は、リーディングエッジでのハブに対する付け根側から反付け根側までの軸方向長さ(羽根高さ)が小さく形成されて第1スクロール流路に対応している。一方、長羽根は、リーディングエッジでのハブに対する付け根側から反付け根側までの軸方向長さ(羽根高さ)が短羽根より大きく形成されて第1スクロール流路と第2スクロール流路の両方に対応している。
なお、リーディングエッジでの羽根高さとは、ハブに対するタービン翼の付け根側から反付け根側までの軸方向長さである。よって、本発明の短羽根は、リーディングエッジでのハブに対する付け根側から反付け根側までの軸方向長さ(羽根高さ)が小さく形成されて第1スクロール流路に対応している。一方、長羽根は、リーディングエッジでのハブに対する付け根側から反付け根側までの軸方向長さ(羽根高さ)が短羽根より大きく形成されて第1スクロール流路と第2スクロール流路の両方に対応している。
本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。
〔実施例1〕
実施例1のターボチャージャ1は、図4に示すように、エンジン2の排気経路において排気マニホールド3の下流側に配設される排気タービン4と、エンジン2の吸気経路において吸気マニホールド5の上流側に配設される吸気コンプレッサ6とを備える。
排気タービン4は、排気マニホールド3を通じて排気ガスを導入するタービンハウジング7と、このタービンハウジング7の内部に収容されて排気ガスの運動エネルギを回転力に変換するタービンホイール8とを有する。なお、タービンホイール8は、半径方向の外周より流入する排気ガスを軸方向へ吐出するラジアルタービンである。
排気タービン4より下流側の排気経路には、排気ガスに含まれる有害物質を除去する排気浄化装置9および消音装置10であるマフラーなどが配置される。
実施例1のターボチャージャ1は、図4に示すように、エンジン2の排気経路において排気マニホールド3の下流側に配設される排気タービン4と、エンジン2の吸気経路において吸気マニホールド5の上流側に配設される吸気コンプレッサ6とを備える。
排気タービン4は、排気マニホールド3を通じて排気ガスを導入するタービンハウジング7と、このタービンハウジング7の内部に収容されて排気ガスの運動エネルギを回転力に変換するタービンホイール8とを有する。なお、タービンホイール8は、半径方向の外周より流入する排気ガスを軸方向へ吐出するラジアルタービンである。
排気タービン4より下流側の排気経路には、排気ガスに含まれる有害物質を除去する排気浄化装置9および消音装置10であるマフラーなどが配置される。
この排気タービン4には、タービンホイール8に流入する排気ガス流量を調整できるウェイストゲート機構が設けられる。ウェイストゲート機構は、例えば、タービンハウジング7の排気上流側と排気下流側とを連通してタービンホイール8をバイパスする排気バイパス通路11と、この排気バイパス通路11を開閉できるウェイストゲートバルブ12とを有する。ウェイストゲートバルブ12は、エンジン2に送り込まれる空気の圧力(過給圧)が一定値以上になると開弁する。ウェイストゲートバルブ12が開弁すると、排気ガスの一部が排気バイパス通路11を通ってタービンホイール8の下流側へ流れるため、タービンホイール8に当たる排気ガス流量が減少することで過給圧をコントロールできる。なお、ウェイストゲート機構は、タービンハウジング7に排気バイパス通路11を形成してウェイストゲートバルブ12を組み込んだ内蔵型、あるいは排気タービン4とは独立して構成する外付け型でも良い。
吸気コンプレッサ6は、タービンシャフト13を介してタービンホイール8に連結されるコンプレッサホイール14と、このコンプレッサホイール14を内部に収容するコンプレッサハウジング15とを有する。この吸気コンプレッサ6は、タービンホイール8の回転によってコンプレッサホイール14が回転することにより、コンプレッサハウジング15に導入される空気を圧縮して強制的にエンジン2に送り込む。
吸気コンプレッサ6より上流側の吸気経路には、エンジン2が吸入する空気をろ過するエアクリーナ16が設けられる。一方、吸気コンプレッサ6より下流側の吸気経路には、吸気コンプレッサ6で圧縮された空気を冷却するインタークーラ17が配設され、インタークーラ17より下流側に吸気量を調節する電子スロットル装置18などが配設される。
吸気コンプレッサ6より上流側の吸気経路には、エンジン2が吸入する空気をろ過するエアクリーナ16が設けられる。一方、吸気コンプレッサ6より下流側の吸気経路には、吸気コンプレッサ6で圧縮された空気を冷却するインタークーラ17が配設され、インタークーラ17より下流側に吸気量を調節する電子スロットル装置18などが配設される。
続いて、本発明に係る排気タービン4の特徴を説明する。
タービンハウジング7は、タービンホイール8の外周に渦巻き状のスクロール流路19を形成し、図1に示すように、スクロール流路19が隔壁7aによって軸方向(図示左右方向)の一方側と他方側とに分割されている。隔壁7aによって分割されたスクロール流路19の一方側を第1スクロール流路19a、他方側を第2スクロール流路19bと呼ぶ時に、第1スクロール流路19aの方が第2スクロール流路19bより容量が小さく形成される。なお、軸方向の一方側とは、タービンホイール8より排気ガスが流出する方向と反対側(図示左側)であり、軸方向の他方側とは、排気ガスが流出する方向と同じ側(図示右側)を言う。
タービンハウジング7は、タービンホイール8の外周に渦巻き状のスクロール流路19を形成し、図1に示すように、スクロール流路19が隔壁7aによって軸方向(図示左右方向)の一方側と他方側とに分割されている。隔壁7aによって分割されたスクロール流路19の一方側を第1スクロール流路19a、他方側を第2スクロール流路19bと呼ぶ時に、第1スクロール流路19aの方が第2スクロール流路19bより容量が小さく形成される。なお、軸方向の一方側とは、タービンホイール8より排気ガスが流出する方向と反対側(図示左側)であり、軸方向の他方側とは、排気ガスが流出する方向と同じ側(図示右側)を言う。
第2スクロール流路19bの入口には、第2スクロール流路19bに導入される排気ガス流量を調整することで排気タービン4の容量を可変する可変容量バルブ20(図4参照)が配設される。この可変容量バルブ20は、エンジンの運転状態に応じてバルブ開度が制御される。例えば、低速低負荷運転時にバルブ開度が小さく、高速高負荷運転時にバルブ開度が大きく制御される。可変容量バルブ20が閉弁して第2スクロール流路19bの入口を閉じると、エンジンより排出される排気ガスが第1スクロール流路19aにのみ導入され、可変容量バルブ20が開弁して第2スクロール流路19bの入口を開くと、第1スクロール流路19aと第2スクロール流路19bの両方に排気ガスが導入される。
タービンホイール8は、図1に示すように、タービンシャフト13(図4参照)に固定されるハブ21と、このハブ21の周囲に設けられる複数枚のタービン翼22とで構成される。なお、図1に示すタービン翼22は、タービンホイール8の軸中心に沿って切った断面に回転投影した子午面形状を表示している。
ハブ21は、タービンホイール8に対する排気ガスの入口側から出口側へ向かって、タービンホイール8の軸中心と直交する半径方向の高さであるハブ半径が二次曲線的に減少するように設けられる。つまり、タービン翼22が設けられるハブ21の表面は、排気ガスの入口側から出口側へ向かって軸中心側へ湾曲する凹曲面となっている。
タービン翼22は、排気ガスの流れ方向に対する前端縁での羽根高さが異なる短羽根23と長羽根24とを有し、図2および図3に示すように、短羽根23と長羽根24とが周方向に交互に等間隔に配置されている。
ハブ21は、タービンホイール8に対する排気ガスの入口側から出口側へ向かって、タービンホイール8の軸中心と直交する半径方向の高さであるハブ半径が二次曲線的に減少するように設けられる。つまり、タービン翼22が設けられるハブ21の表面は、排気ガスの入口側から出口側へ向かって軸中心側へ湾曲する凹曲面となっている。
タービン翼22は、排気ガスの流れ方向に対する前端縁での羽根高さが異なる短羽根23と長羽根24とを有し、図2および図3に示すように、短羽根23と長羽根24とが周方向に交互に等間隔に配置されている。
ここで、図1に示すタービン翼22の前端縁をリーディングエッジLEと呼び、後端縁をトレーリングエッジTEと呼ぶ。
短羽根23のリーディングエッジLEと長羽根24のリーディングエッジLEは、図2に示すように、タービンホイール8の軸中心から半径方向の距離が同一の位置に設定される。言い換えると、短羽根23および長羽根24のリーディングエッジLEは、タービンホイール8の同一半径上に存在する。
リーディングエッジLEでの羽根高さとは、先に説明したように、ハブ21に対するタービン翼22の付け根側から反付け根側までの軸方向長さであり、短羽根23より長羽根24の方がリーディングエッジLEでの羽根高さが大きく形成される。以下、リーディングエッジLEでのハブ21に対するタービン翼22の付け根側をハブ側と呼び、反付け根側を反ハブ側と呼ぶ。
短羽根23のリーディングエッジLEと長羽根24のリーディングエッジLEは、図2に示すように、タービンホイール8の軸中心から半径方向の距離が同一の位置に設定される。言い換えると、短羽根23および長羽根24のリーディングエッジLEは、タービンホイール8の同一半径上に存在する。
リーディングエッジLEでの羽根高さとは、先に説明したように、ハブ21に対するタービン翼22の付け根側から反付け根側までの軸方向長さであり、短羽根23より長羽根24の方がリーディングエッジLEでの羽根高さが大きく形成される。以下、リーディングエッジLEでのハブ21に対するタービン翼22の付け根側をハブ側と呼び、反付け根側を反ハブ側と呼ぶ。
短羽根23のリーディングエッジLEでの羽根高さは、軸方向に対する第1スクロール流路19aの出口幅と略同一寸法を有する。つまり、リーディングエッジLEでの短羽根23の反ハブ側の端部は、図1に示すように、タービンホイール8の径方向外周に対向する隔壁7aの先端部の軸方向位置と略同位置にある。一方、長羽根24のリーディングエッジLEでの羽根高さは、軸方向に対する第1スクロール流路19aの出口幅と第2スクロール流路19bの出口幅とを合わせたスクロール流路19全体の出口幅と略同一寸法を有する。
また、短羽根23のリーディングエッジLEでの反ハブ側の端部とトレーリングエッジTEでの反ハブ側の端部とを結ぶ稜線をシュラウド側エッジSEと呼ぶ時に、短羽根23のシュラウド側エッジSEは、ハブ21の表面と同様に二次曲線的に湾曲して形成される。
また、短羽根23のリーディングエッジLEでの反ハブ側の端部とトレーリングエッジTEでの反ハブ側の端部とを結ぶ稜線をシュラウド側エッジSEと呼ぶ時に、短羽根23のシュラウド側エッジSEは、ハブ21の表面と同様に二次曲線的に湾曲して形成される。
さらに、短羽根23は、排気ガスの流れ方向に沿ったリーディングエッジLEからトレーリングエッジTEまでの羽根長さが長羽根24の羽根長さより短く形成される。一例として、短羽根23の羽根長さが長羽根24の羽根長さの1/2程度である。なお、短羽根23の羽根長さと比較する長羽根24の羽根長さは、両者の羽根高さが同一の部分であることは言うまでもない。先に述べたように、短羽根23のリーディングエッジLEと長羽根24のリーディングエッジLEは、タービンホイール8の軸中心から半径方向の距離が同一の位置に設定されるので、短羽根23の羽根長さが長羽根24の羽根長さより短いということは、図1に示すように、短羽根23のトレーリングエッジTEが長羽根24のトレーリングエッジTEより排気ガス流れの上流側に位置していることである。
また、長羽根24は短羽根23の全体形状を含んで形成される。すなわち、タービンホイール8の回転方向に長羽根24と短羽根23とを重ね合わせて見た時に、長羽根24において短羽根23と重なる部分の形状が短羽根23と同一形状に設けられている(図2参照)。
また、長羽根24は短羽根23の全体形状を含んで形成される。すなわち、タービンホイール8の回転方向に長羽根24と短羽根23とを重ね合わせて見た時に、長羽根24において短羽根23と重なる部分の形状が短羽根23と同一形状に設けられている(図2参照)。
〔実施例1の作用及び効果〕
1)実施例1の排気タービン4は、第2スクロール流路19bの出口が長羽根24のリーディングエッジLE(但し、短羽根23の羽根高さより高い範囲)に対応して設けられている。このため、第2スクロール流路19bを通ってタービン翼22に吹き付けられる排気ガスは、長羽根24のリーディングエッジLEからトレーリングエッジTEまでの翼間流路を流れる。なお、翼間流路とは、周方向に隣り合うタービン翼22同士の間に形成される排気ガス流路を言う。
上記の構成によれば、特許文献1に記載された従来構成と比較して第2スクロール流路19bに対応するタービンホイール8の翼間流路を長く形成できるので、排気ガスの運動エネルギを回転力に変換するタービン効率が向上する。
1)実施例1の排気タービン4は、第2スクロール流路19bの出口が長羽根24のリーディングエッジLE(但し、短羽根23の羽根高さより高い範囲)に対応して設けられている。このため、第2スクロール流路19bを通ってタービン翼22に吹き付けられる排気ガスは、長羽根24のリーディングエッジLEからトレーリングエッジTEまでの翼間流路を流れる。なお、翼間流路とは、周方向に隣り合うタービン翼22同士の間に形成される排気ガス流路を言う。
上記の構成によれば、特許文献1に記載された従来構成と比較して第2スクロール流路19bに対応するタービンホイール8の翼間流路を長く形成できるので、排気ガスの運動エネルギを回転力に変換するタービン効率が向上する。
2)第2スクロール流路19bの出口は、図1に示すように、タービンホイール8に対して第1スクロール流路19aの出口と同一方向を向いて開口している。よって、第1スクロール流路19aを通ってタービン翼22に吹き付けられる排気ガスに対し、第2スクロール流路19bを通ってタービン翼22に吹き付けられる排気ガスが大きな角度で衝突することはない。これにより、タービンホイール8内での排気ガス流れの乱れを抑制できるので、タービン効率の向上に寄与する。
3)タービン翼22は、リーディングエッジLEでの羽根高さが小さい短羽根23とリーディングエッジLEでの羽根高さが大きい長羽根24とを交互に配置して構成されるので、タービンホイール8の入口側では軸方向ハブ側の羽根枚数が増加する。つまり、第1スクロール流路19aに対応するタービン翼22の軸方向ハブ側では、短羽根23と長羽根24とが交互に配置されるため、長羽根24のみ配置される軸方向反ハブ側と比較して羽根枚数が2倍になる。その結果、第1スクロール流路19aを通ってタービンホイール8に排気ガスが吹き付けられる際に、タービン翼22に加わる負荷分布を減少させることができる。
3)タービン翼22は、リーディングエッジLEでの羽根高さが小さい短羽根23とリーディングエッジLEでの羽根高さが大きい長羽根24とを交互に配置して構成されるので、タービンホイール8の入口側では軸方向ハブ側の羽根枚数が増加する。つまり、第1スクロール流路19aに対応するタービン翼22の軸方向ハブ側では、短羽根23と長羽根24とが交互に配置されるため、長羽根24のみ配置される軸方向反ハブ側と比較して羽根枚数が2倍になる。その結果、第1スクロール流路19aを通ってタービンホイール8に排気ガスが吹き付けられる際に、タービン翼22に加わる負荷分布を減少させることができる。
4)排気ガスの流れ方向に沿った短羽根23の羽根長さは、長羽根24の羽根長さより短く、短羽根23のトレーリングエッジTEが長羽根24のトレーリングエッジTEより上流側に位置している。つまり、短羽根23のトレーリングエッジTEより下流側では羽根枚数が少なく長羽根24のみとなる。この場合、羽根枚数が少なくなる分、翼間流路の断面積が大きくなり、より多くの排気ガスを流すことができるので、チョークが発生し難くなる。
5)短羽根23は長羽根24と比較して羽根高さが小さい(低い)ので、ハブ21に対する短羽根23の付け根に掛かる応力が小さくなる。これにより、長羽根24と比べて短羽根23の翼厚分布を薄くできるため、タービン翼22の重量を低減できる。その結果、イナーシャが小さく応答性に優れた排気タービン4を提供できる。
5)短羽根23は長羽根24と比較して羽根高さが小さい(低い)ので、ハブ21に対する短羽根23の付け根に掛かる応力が小さくなる。これにより、長羽根24と比べて短羽根23の翼厚分布を薄くできるため、タービン翼22の重量を低減できる。その結果、イナーシャが小さく応答性に優れた排気タービン4を提供できる。
6)実施例1のタービンホイール8は、短羽根23と長羽根24とが交互に等間隔に配置され、且つ、短羽根23の全体形状が長羽根24のハブ側に含まれている。但し、上記のように長羽根24と比べて短羽根23の翼厚分布が薄くなっている。
この構成によれば、長羽根24に短羽根23の全体形状が含まれていない構成と比較した場合に、タービンホイール8の回転時に生じる圧力脈動を小さくできる。その結果、スクロール流路19の排気ガス導入側と巻き終わり側との境界部であるスクロール舌部(図示せず)に生じる振動を小さくでき、その振動により発生する騒音を低減できる。
この構成によれば、長羽根24に短羽根23の全体形状が含まれていない構成と比較した場合に、タービンホイール8の回転時に生じる圧力脈動を小さくできる。その結果、スクロール流路19の排気ガス導入側と巻き終わり側との境界部であるスクロール舌部(図示せず)に生じる振動を小さくでき、その振動により発生する騒音を低減できる。
以下、本発明に係る他の実施例について説明する。
なお、実施例1と共通する部品および同一構成を示すものは、実施例1と同一符号を付与して重複する説明を省略する。
〔実施例2〕
実施例2は、図5に示すように、長羽根24と長羽根24との間に複数枚(図5では2枚)の短羽根23を等間隔に配置した事例である。
この場合、長羽根24と長羽根24との間に配置する短羽根23の枚数を1枚に限定するのではなく、例えば、第1スクロール流路19aの容量に応じて短羽根23の枚数を適宜に設定できる。言い換えると、第1スクロール流路19aの容量と第2スクロール流路19bの容量とに応じて短羽根23と長羽根24の枚数を最適化することが可能である。
なお、実施例1と共通する部品および同一構成を示すものは、実施例1と同一符号を付与して重複する説明を省略する。
〔実施例2〕
実施例2は、図5に示すように、長羽根24と長羽根24との間に複数枚(図5では2枚)の短羽根23を等間隔に配置した事例である。
この場合、長羽根24と長羽根24との間に配置する短羽根23の枚数を1枚に限定するのではなく、例えば、第1スクロール流路19aの容量に応じて短羽根23の枚数を適宜に設定できる。言い換えると、第1スクロール流路19aの容量と第2スクロール流路19bの容量とに応じて短羽根23と長羽根24の枚数を最適化することが可能である。
〔実施例3〕
実施例3は、図6に示すように、短羽根23のシュラウド側エッジSEに沿って仕切り板25を設けた事例である。この仕切り板25は、第1スクロール流路19aを通ってタービン翼22に吹き付けられる一方側の排気ガスと、第2スクロール流路19bを通ってタービン翼22に吹き付けられる他方側の排気ガスとが互いに独立した流れとなるように設けられる。これにより、一方側の排気ガスと他方側の排気ガスとの干渉を低減でき、且つ、一方側と他方側との間で排気ガスが拡散することを抑制できるのでタービン効率が向上する。また、仕切り板25を設けることで、タービン翼22に対する補強リブの効果を期待できる。
なお、図6に示す仕切り板25の下流端は、短羽根23のトレーリングエッジTEで終わっているが、図7に示すように、長羽根24のトレーリングエッジTEまで延設しても良い。
実施例3は、図6に示すように、短羽根23のシュラウド側エッジSEに沿って仕切り板25を設けた事例である。この仕切り板25は、第1スクロール流路19aを通ってタービン翼22に吹き付けられる一方側の排気ガスと、第2スクロール流路19bを通ってタービン翼22に吹き付けられる他方側の排気ガスとが互いに独立した流れとなるように設けられる。これにより、一方側の排気ガスと他方側の排気ガスとの干渉を低減でき、且つ、一方側と他方側との間で排気ガスが拡散することを抑制できるのでタービン効率が向上する。また、仕切り板25を設けることで、タービン翼22に対する補強リブの効果を期待できる。
なお、図6に示す仕切り板25の下流端は、短羽根23のトレーリングエッジTEで終わっているが、図7に示すように、長羽根24のトレーリングエッジTEまで延設しても良い。
〔実施例4〕
実施例4は、実施例1と比較して短羽根23の羽根高さを大きくした事例である。
実施例1では、リーディングエッジLEでの短羽根23の反ハブ側の端部が隔壁端部(隔壁7aの先端部)の軸方向位置と略同位置にあるが、実施例4では、図8に示すように、短羽根23の反ハブ側の端部が隔壁端部を越えて第2スクロール流路19bの出口側まで延設されている。すなわち、リーディングエッジLEでの短羽根23の羽根高さが第1スクロール流路19aの出口幅より大きく設定されている。
実施例1に記載した可変容量バルブ20を閉弁する(第2スクロール流路19bの入口を閉じる)と、第1スクロール流路19aにのみ排気ガスが導入される。この場合、第1スクロール流路19aの出口より流出する排気ガスが第2スクロール流路19bの出口側へ拡がる傾向があるため、それに対応して短羽根23の羽根高さを大きく設定することにより、効率良く排気ガスの運動エネルギを短羽根23に与えることが可能である。
実施例4は、実施例1と比較して短羽根23の羽根高さを大きくした事例である。
実施例1では、リーディングエッジLEでの短羽根23の反ハブ側の端部が隔壁端部(隔壁7aの先端部)の軸方向位置と略同位置にあるが、実施例4では、図8に示すように、短羽根23の反ハブ側の端部が隔壁端部を越えて第2スクロール流路19bの出口側まで延設されている。すなわち、リーディングエッジLEでの短羽根23の羽根高さが第1スクロール流路19aの出口幅より大きく設定されている。
実施例1に記載した可変容量バルブ20を閉弁する(第2スクロール流路19bの入口を閉じる)と、第1スクロール流路19aにのみ排気ガスが導入される。この場合、第1スクロール流路19aの出口より流出する排気ガスが第2スクロール流路19bの出口側へ拡がる傾向があるため、それに対応して短羽根23の羽根高さを大きく設定することにより、効率良く排気ガスの運動エネルギを短羽根23に与えることが可能である。
〔実施例5〕
実施例5は、子午面形状で示される短羽根23のシュラウド側エッジSEを直線状に形成した事例である。言い換えると、短羽根23の羽根高さがタービンホイール8の入口側から出口側へ向かって次第に小さくなるように形成されている。
図9に示す短羽根23は、入口側であるリーディングエッジLEの反ハブ側の端部から出口側であるハブ付け根位置までシュラウド側エッジSEを直線状に形成した一例である。
図10に示す短羽根23は、出口側に羽根高さを残した状態でシュラウド側エッジSEを直線状に形成した一例である。
実施例5は、子午面形状で示される短羽根23のシュラウド側エッジSEを直線状に形成した事例である。言い換えると、短羽根23の羽根高さがタービンホイール8の入口側から出口側へ向かって次第に小さくなるように形成されている。
図9に示す短羽根23は、入口側であるリーディングエッジLEの反ハブ側の端部から出口側であるハブ付け根位置までシュラウド側エッジSEを直線状に形成した一例である。
図10に示す短羽根23は、出口側に羽根高さを残した状態でシュラウド側エッジSEを直線状に形成した一例である。
なお、図9および図10に示す事例は、短羽根23のシュラウド側エッジSEをタービンホイール8の軸中心と直交する半径方向に沿って形成しているが、半径方向に対して多少の傾きを有して形成することもできる。つまり、シュラウド側エッジSEの出口側の端部が入口側の端部(リーディングエッジLEの反ハブ側の端部)より軸方向の一方側または他方側にずれていても良い。
この実施例5の構成では、短羽根23の羽根高さが入口側から出口側へ向かって次第に小さく形成されるので、短羽根23をより軽量化できる。その結果、タービンホイール8全体の軽量化を図ることができ、且つハブ21に対する短羽根23の付け根に掛かる応力の低減にも寄与する。
この実施例5の構成では、短羽根23の羽根高さが入口側から出口側へ向かって次第に小さく形成されるので、短羽根23をより軽量化できる。その結果、タービンホイール8全体の軽量化を図ることができ、且つハブ21に対する短羽根23の付け根に掛かる応力の低減にも寄与する。
〔実施例6〕
実施例6は、タービン翼22の第1スクロール流路19aに対応する部位と第2スクロール流路19bに対応する部位とでタービン半径が異なる事例である。タービン半径とは、タービンホイール8の軸中心(図11に一点鎖線で示す位置)からタービン翼22の入口であるリーディングエッジLEまでの距離を言う。
以下、実施例6の具体的な構成を図11に示す。
長羽根24は、第1スクロール流路19aに対応する軸方向の一方側でタービン半径が大きく形成され、第2スクロール流路19bに対応する軸方向の他方側でタービン半径が小さく形成される。また、短羽根23は、長羽根24の軸方向の一方側と同一のタービン半径を有する。
実施例6は、タービン翼22の第1スクロール流路19aに対応する部位と第2スクロール流路19bに対応する部位とでタービン半径が異なる事例である。タービン半径とは、タービンホイール8の軸中心(図11に一点鎖線で示す位置)からタービン翼22の入口であるリーディングエッジLEまでの距離を言う。
以下、実施例6の具体的な構成を図11に示す。
長羽根24は、第1スクロール流路19aに対応する軸方向の一方側でタービン半径が大きく形成され、第2スクロール流路19bに対応する軸方向の他方側でタービン半径が小さく形成される。また、短羽根23は、長羽根24の軸方向の一方側と同一のタービン半径を有する。
つまり、タービン翼22の第1スクロール流路19aに対応する部位のタービン半径をr1、第2スクロール流路19bに対応する部位のタービン半径をr2とすると、図11に示すように、r1>r2の関係が成立している。
このような構成とすることで、第1スクロール流路19aに対応する軸方向の一方側と第2スクロール流路19bに対応する軸方向の他方側とで、タービン翼22の入口における排気ガスの相対流入角度を相互に近づけることができる。その結果、乱流もしくはチョークの発生を前述の各実施例よりも更に抑制でき、タービンホイール8内での剥離損失が抑えられるので、タービン効率を高めることができる。
このような構成とすることで、第1スクロール流路19aに対応する軸方向の一方側と第2スクロール流路19bに対応する軸方向の他方側とで、タービン翼22の入口における排気ガスの相対流入角度を相互に近づけることができる。その結果、乱流もしくはチョークの発生を前述の各実施例よりも更に抑制でき、タービンホイール8内での剥離損失が抑えられるので、タービン効率を高めることができる。
〔変形例〕
本発明は、第1スクロール流路19aの出口および第2スクロール流路19bの出口にそれぞれ複数のノズルベーンを周方向に配置した固定ノズルを有する構成にも適用できる。
本発明は、第1スクロール流路19aの出口および第2スクロール流路19bの出口にそれぞれ複数のノズルベーンを周方向に配置した固定ノズルを有する構成にも適用できる。
1 ターボチャージャ
2 エンジン(内燃機関)
4 排気タービン
7 タービンハウジング
7a 隔壁
8 タービンホイール
13 タービンシャフト
19 スクロール流路
19a 第1スクロール流路
19b 第2スクロール流路
21 ハブ
22 タービン翼
23 短羽根
24 長羽根
LE タービン翼のリーディングエッジ
2 エンジン(内燃機関)
4 排気タービン
7 タービンハウジング
7a 隔壁
8 タービンホイール
13 タービンシャフト
19 スクロール流路
19a 第1スクロール流路
19b 第2スクロール流路
21 ハブ
22 タービン翼
23 短羽根
24 長羽根
LE タービン翼のリーディングエッジ
Claims (10)
- シャフト(13)に固定されるハブ(21)の周囲に複数のタービン翼(22)を設けて構成されるタービンホイール(8)と、
このタービンホイール(8)の外周にスクロール流路(19)を形成するタービンハウジング(7)とを備え、
内燃機関(2)より排出される排気ガスが前記スクロール流路(19)を通って前記タービン翼(22)に吹き付けられることで前記タービンホイール(8)が回転するターボチャージャ(1)の排気タービン(4)であって、
前記タービンハウジング(7)は、前記スクロール流路(19)を軸方向の一方側と他方側とに分割して前記一方側に容量の小さい第1スクロール流路(19a)、前記他方側に容量の大きい第2スクロール流路(19b)を形成し、
排気ガスの流れに対向する前記タービン翼(22)の前端縁をリーディングエッジ(LE)と呼ぶ時に、
前記タービン翼(22)は、前記第1スクロール流路(19a)に対応して前記リーディングエッジ(LE)での羽根高さが小さく形成される短羽根(23)と、前記第1スクロール流路(19a)と前記第2スクロール流路(19b)とに対応して前記リーディングエッジ(LE)での羽根高さが大きく形成される長羽根(24)とを有すると共に、周方向に隣り合う前記長羽根(24)同士の間にそれぞれ少なくとも1枚の前記短羽根(23)が配置されることを特徴とするターボチャージャの排気タービン。 - 請求項1に記載したターボチャージャ(1)の排気タービン(4)において、
周方向に隣り合う前記長羽根(24)同士の間にそれぞれ2枚以上の前記短羽根(23)が等間隔に配置されることを特徴とするターボチャージャの排気タービン。 - 請求項1または2に記載したターボチャージャ(1)の排気タービン(4)において、
前記タービンハウジング(7)は、前記スクロール流路(19)を前記第1スクロール流路(19a)と前記第2スクロール流路(19b)とに分割する隔壁(7a)を有し、
前記タービンホイール(8)の径方向外周に対向する前記隔壁(7a)の先端部を隔壁端部と呼ぶ時に、
前記リーディングエッジ(LE)での前記短羽根(23)の羽根高さは、前記タービンホイール(8)の軸方向に対する前記隔壁端部の位置まで延設されていることを特徴とするターボチャージャの排気タービン。 - 請求項1または2に記載したターボチャージャ(1)の排気タービン(4)において、
前記タービンハウジング(7)は、前記スクロール流路(19)を前記第1スクロール流路(19a)と前記第2スクロール流路(19b)とに分割する隔壁(7a)を有し、
前記タービンホイール(8)の径方向外周に対向する前記隔壁(7a)の先端部を隔壁端部と呼ぶ時に、
前記リーディングエッジ(LE)での前記短羽根(23)の羽根高さは、前記タービンホイール(8)の軸方向に対する前記隔壁端部の位置を超えて前記第2スクロール流路(19b)側まで延設されていることを特徴とするターボチャージャの排気タービン。 - 請求項1または2に記載したターボチャージャ(1)の排気タービン(4)において、
前記タービンホイール(8)の軸中心から前記タービン翼(22)の前記リーディングエッジ(LE)までの距離をタービン半径(r1、r2)と呼ぶ時に、
前記長羽根(24)は、前記第1スクロール流路(19a)に対応する軸方向の一方側で前記タービン半径(r1)が大きく形成され、前記第2スクロール流路(19b)に対応する軸方向の他方側で前記タービン半径(r2)が小さく形成され、
前記短羽根(23)は、前記長羽根(24)の軸方向の一方側と同一のタービン半径(r1)を有することを特徴とするターボチャージャの排気タービン。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載したターボチャージャ(1)の排気タービン(4)において、
前記長羽根(24)は、前記短羽根(23)の全体形状を含んで形成されていることを特徴とするターボチャージャの排気タービン。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載したターボチャージャ(1)の排気タービン(4)において、
排気ガスの流れ方向に対する前記長羽根(24)の羽根長さより前記短羽根(23)の羽根長さの方が短く形成されていることを特徴とするターボチャージャの排気タービン。 - 請求項1〜7のいずれか一項に記載したターボチャージャ(1)の排気タービン(4)において、
前記ハブ(21)に対する前記短羽根(23)の付け根側をハブ側、反付け根側を反ハブ側と呼び、前記短羽根(23)の高さ方向で前記反ハブ側の稜線をシュラウド側エッジ(SE)と呼ぶ時に、
前記第1スクロール流路(19a)を通って前記タービン翼(22)に吹き付けられる排気ガスの流れと、前記第2スクロール流路(19b)を通って前記タービン翼(22)に吹き付けられる排気ガスの流れとが独立するように、前記シュラウド側エッジ(SE)に沿って仕切り板(25)が設けられていることを特徴とするターボチャージャの排気タービン。 - 請求項1〜7のいずれか一項に記載したターボチャージャ(1)の排気タービン(4)において、
前記ハブ(21)に対する前記短羽根(23)の付け根側をハブ側、反付け根側を反ハブ側と呼び、前記短羽根(23)の高さ方向で前記反ハブ側の稜線をシュラウド側エッジ(SE)と呼ぶ時に、
前記短羽根(23)は、前記リーディングエッジ(LE)での前記反ハブ側の角部から排気ガスの流れ方向下流に向かって、子午面形状で示される前記シュラウド側エッジ(SE)が直線状に形成されていることを特徴とするターボチャージャの排気タービン。 - 請求項1〜9のいずれか一項に記載したターボチャージャ(1)の排気タービン(4)において、
前記第2スクロール流路(19b)に導入される排気ガス流量を調整できる流量調整手段(20)を有することを特徴とするターボチャージャの排気タービン。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014180482A JP2016053352A (ja) | 2014-09-04 | 2014-09-04 | ターボチャージャの排気タービン |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014180482A JP2016053352A (ja) | 2014-09-04 | 2014-09-04 | ターボチャージャの排気タービン |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016053352A true JP2016053352A (ja) | 2016-04-14 |
Family
ID=55744950
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014180482A Pending JP2016053352A (ja) | 2014-09-04 | 2014-09-04 | ターボチャージャの排気タービン |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2016053352A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110159419A (zh) * | 2019-05-07 | 2019-08-23 | 常州环能涡轮动力股份有限公司 | 涡轮增压器 |
US10662904B2 (en) | 2018-03-30 | 2020-05-26 | Deere & Company | Exhaust manifold |
US11073076B2 (en) | 2018-03-30 | 2021-07-27 | Deere & Company | Exhaust manifold |
WO2022196234A1 (ja) * | 2021-03-17 | 2022-09-22 | 株式会社Ihi | タービンおよび過給機 |
-
2014
- 2014-09-04 JP JP2014180482A patent/JP2016053352A/ja active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US11384716B2 (en) | 2018-03-30 | 2022-07-12 | Deere & Company | Exhaust manifold |
US11486297B2 (en) | 2018-03-30 | 2022-11-01 | Deere & Company | Exhaust manifold |
CN110159419A (zh) * | 2019-05-07 | 2019-08-23 | 常州环能涡轮动力股份有限公司 | 涡轮增压器 |
WO2022196234A1 (ja) * | 2021-03-17 | 2022-09-22 | 株式会社Ihi | タービンおよび過給機 |
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