JP2017193984A - ターボ機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】俊敏な応答特性を有しながら、小型軽量化がはかり易く、製造コストが低廉なターボ機械を提供する。【解決手段】タービンハウジング4内にタービンインペラ5を有するターボ機械1であって、排気タービン部3のタービンインペラ5は、前縁から後縁まで延在する主翼と、主翼の前縁位置と自己の前縁位置が揃い自己の前縁位置から主翼の後縁位置にまでは至らない途中位置まで延在して自己の後縁で終端したスプリッタとを有し、且つ、主翼とスプリッタとは周方向に交互に複数配され、排気タービン部3のタービンハウジング4は、排気の入口から出口の間にタービンインペラ5の外周を廻るように配されタービンインペラ5に向けて連通するガス入口通路45が形成された単一のガス周回通路を成すスクロール流路42を有する。【選択図】図1

Description

本発明は、例えば、内燃機関の過給機として構成され得る、ターボ機械に関する。
内燃機関に適用される過給機は遠心型のものが広く普及している。過給機におけるようなターボ機械では、特に俊敏な応答特性が要求されるため、加速時における応答遅れである所謂ターボラグが問題になる。ターボラグを低減させるためには、排気タービン部及び吸気コンプレッサ部でのロータ(インペラ)における慣性モーメント(イナーシャ)の低減が求められる。
更に、このような過給機では、排気タービン部に供給される排気流の変化が大きくともタービン効率が低下しない広範な流量レンジが要求される。この要求に応えるために、インペラの曲り角度を工夫してスロート面積を広くしチョークマージンを大きくとることなどが必要とされる。
過給機に対する上述のような要求に応えるための技術も既に種々提案されている。
例えば、排気タービン部に供給される排気流の流路を2つのスクロール流路に分けて排気タービンのインペラに当て、2つに分かれた排気流が合流する下流側の領域では上流側に比し、インペラの枚数が半減するように、一つ置きに半翼のインペラを配した技術が提案されている(特許文献1、特許文献2参照)。
特開2007−192172号公報 特許第5762641号公報
特許文献1及び特許文献2の過給機では、タービンインペラに対し第1流入部(ハブ側)に排気流を流入させる第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タービンインペラの第2流入部(シュラウド側)に排気流を流入させる第2スクロール流路とに分割されている構成が前提とされている。
特許文献1の技術では、このようにスクロール流路が分割されているという前提において、第2流入部から下流側に設けられる羽根の枚数が、第2流入部よりも上流側に設けられている羽根の枚数よりも少なくなるように構成している。これにより、排気流が少ない第2流入部よりも上流側では、羽根の正圧面側と負圧面側との圧力差を減少させ、排気流が多くなる第2流入部から下流側においては、総スロート面積を増加させて、排気流がチョークすることを抑制し、排気流と羽根の表面との摩擦による圧力損失を抑えている。
また、特許文献2の技術は斜流タービンに関するものであり、上述のようにスクロール流路が分割されているという前提において、ハブ側の衝動翼とシュラウド側の反動翼とでこの斜流タービンが構成されている。この衝動翼として、主翼が入口部から中間部にわたって配された中間位置に中間翼を配置している。中間翼の高さを主翼より低い中程度のものとして、その前縁にハブ流入路からの作動流体(排気流)が流入するように構成している。これにより、衝動翼タービン特性を生じる部分の性能改善をはかっている。
上述のとおり、特許文献1及び特許文献2の過給機では、何れも、スクロール流路が分割されている構成が前提とされている。
従って、構成が複雑化することが避けられず、小型軽量化がはかりにくい。また、高度な生産技術が要求されるため、製造コストが嵩むという問題も派生する。
本発明は、俊敏な応答特性を有しながら、小型軽量化がはかり易く、製造コストが低廉なターボ機械を提供することを目的とする。
(1)タービンハウジング(例えば、後述するタービンハウジング4)内にタービンインペラ(例えば、後述するタービンインペラ5)を有するターボ機械であって、前記タービンインペラは、既定の前縁から後縁まで延在する主翼(例えば、後述する主翼51)と、前記主翼の前縁位置と自己の前縁位置が揃い自己の後縁位置は前記主翼の後縁位置にまでは至らない途中位置まで延在して自己の後縁で終端したスプリッタ(例えば、後述するスプリッタ52)とを有し、且つ、前記主翼と前記スプリッタは周方向に交互に複数配され、前記タービンハウジングは、前記排気の入口(不図示)から出口(例えば、後述する排出部44)の間に前記タービンインペラの外周を廻るように配され前記タービンインペラに向けて連通するガス入口通路(例えば、後述する排気流路45)が形成された単一のガス周回通路を成すスクロール流路(例えば、後述するスクロール流路42)を有する、ターボ機械。
上記(1)のターボ機械では、タービンインペラは、既定の前縁から後縁まで延在する主翼と、前記主翼と自己の前縁位置が揃い自己の後縁位置は前記主翼の後縁位置にまでは至らない途中位置まで延在して自己の後縁で終端したスプリッタとを有し、且つ、前記主翼と前記スプリッタは周方向に交互に複数配されている。このため、全て通常の主翼が配置されたタービンインペラに比し、慣性モーメントが小さくなるため、ターボラグが低減され俊敏な応答特性が発揮される。また、全て通常の主翼が配置される場合に比し下流側でのスロート面積を広くしてチョークマージンを大きくとることができる。このため、シングルステージのターボ機械として構成しても広範な流量レンジが得られ、排気タービン部に供給される排気流の変化が大きくともタービン効率が低下しにくい特性が得られる。また特に、前記タービンハウジングのスクロール流路は、前記排気の入口から出口の間に前記タービンインペラの外周を廻るように配され前記タービンインペラに向けて連通するガス入口通路が形成された単一のガス周回通路を成すものであるため、構成が簡単で小型軽量に構成できる。更にまた、構成が簡単であることから、製造コストが低廉である。
(2) 前記タービンインペラは、前記主翼及び前記スプリッタの前縁チップ位置が共にP1(Z1tip,R1tip)であり、前記主翼の後縁チップ位置がP2(Z2tip,R2tip)であり、前記スプリッタの後縁チップ位置がPs(Zsp,Rsp)であり、前記位置P1と位置Psとの間の子午断面におけるコード長Lが次の式(1)で表され、、
Figure 2017193984
前記主翼の枚数と前記スプリッタの枚数との合計である翼枚数をNとしたとき、次の式(2)により定義されるSolidityが、式(2)における不等号の関係を充足し、
Figure 2017193984
前記複数の主翼の各後縁チップ先端位置Z2tipの包絡面に垂直な仮想面と翼弦方向とのなす角(劣角)をβ2としたとき、前記複数のスプリッタの各後縁位置Zsptipが、次の式(3)を満たす領域内にある
Figure 2017193984
上記(1)に記載のターボ機械。
上記(2)のターボ機械では、上記(1)のターボ機械において特に、スプリッタが効果的に排気流を整流しつつ主翼とスプリッタとが狭いスロートを形成せず、チョークマージンが十分に得られ、タービンインペラの空力特性に優れる。従って、広範な流量レンジで十分な性能を維持できる。
(3)前記式(3)における角β2を65度から75度の範囲内に設定し、次の式(4)を満たす関係にした、
Figure 2017193984
上記(1)又は(2)のターボ機械。
上記(3)のターボ機械では、上記(2)のターボ機械において特に、タービンインペラの空力特性に優れる。
本発明によれば、俊敏な応答特性を有しながら、小型軽量化がはかり易く、製造コストが低廉なターボ機械を具現することができる。
本発明の一実施形態としてのターボ機械を示す断面図である。 図1のターボ機械のタービンインペラを例示する平面図である。 図2のタービンインペラを一つのスプリッタを中央にする視座で見た側面図である。 図2のタービンインペラを一つの主翼を中央にする視座で見た側面図である。 図2のタービンインペラの子午断面図である。 図2のタービンインペラの部分断面図である。
以下に、図面を参照して本発明の実施形態について詳述することにより本発明を明らかにする。尚、最初に本発明の一実施形態としてのターボ機械全体ついてその構成及び作用の概要を説明し、次いで、本発明の一つの要部であるタービンインペラについて詳述する。
(本発明の一実施形態としてのターボ機械)
図1は、本発明の一実施形態としてのターボ機械を示す断面図である。
ターボ機械である過給機1は、排気タービン部であるタービン3と、吸気コンプレッサ部であるコンプレッサ6と、回転軸部(回転軸21及びそのベアリングハウジング2)とを備える。
タービン3は、タービンハウジング4内に図示しない内燃機関からの排気を受けて回転するタービンインペラ5有する。
また、コンプレッサ6は、コンプレッサハウジング7内にコンプレッサインペラ8を有する。
回転軸21はタービンインペラ5の軸とコンプレッサインペラ8の軸とを結ぶ棒状の軸でありベアリングハウジング2内にベアリング22により支持されている。
タービンハウジング4は、排気の入口としての排気取入部(不図示)と出口としての排出部44との間に、タービンインペラ5の外周を廻るように配されたスクロール流路42を有する。このスクロール流路42には、タービンインペラ5に向けて連通するガス入口通路としての排気流路45が形成されている。
本例におけるスクロール流路42は、特に、上述のようにタービンインペラ5の外周を廻るように配され、内部には別段の隔壁等が設けられない単一のガス周回通路として形成されている。
タービンインペラ5はスクロール流路42に取り囲まれるように形成された管状のタービンインペラ室43に配され、スクロール流路42とタービンインペラ室43の基端部側とを連通する円環状の排気流路45と、が設けられている。排気流路45には、複数個の翼形状のノズルベーン46がタービンインペラ室43の基端部側を取り囲むように、回転軸21の円周方向に沿って等間隔かつ円周方向に対し所定の角度で設けらている。また、ノズルベーン46の出口近傍がシュラウド部47を成している。これら排気流路45及びノズルベーン46によって、タービンインペラ5に作動流体としての排気を供給する排気供給部49が構成されている。
コンプレッサ6は、内燃機関の吸気通路の一部を構成するコンプレッサハウジング7と、このコンプレッサハウジング7内に設けられたコンプレッサインペラ8及びディフューザ9と、を備える。
コンプレッサハウジング7には、その先端側に内燃機関の吸気管(不図示)と接続される吸気取入部71が形成された管状のコンプレッサインペラ室72と、このコンプレッサインペラ室72を取り囲むように形成された円環状のスクロール流路73と、コンプレッサインペラ室72の基端部側とスクロール流路73とを連通する円環状の吸気流路74と、が形成されている。
コンプレッサインペラ8は、回転軸21の他端部側に連結された状態で、コンプレッサインペラ室72内で回転可能に設けられている。ディフューザ9は、円盤状であり、吸気流路74に設けられる。ディフューザ9は、コンプレッサインペラ室72の基端部側から回転軸21の遠心方向に沿ってスクロール流路73へ向けて吐出される吸気を減速することによって吸気を圧縮する。
以上のように構成された過給機1は、以下のように作用し、内燃機関の排気のエネルギーを利用して吸気を過給する。
先ず、内燃機関の排気は、排気取入部(不図示)からスクロール流路42に導入される。スクロール流路42を通過することによって旋回が与えられた排気は、ノズルベーン46によって定められた角度でタービンインペラ室43の基端部側に流れ込み、タービンインペラ5を回転させて、タービンインペラ室43の下流側の排出部44から排出する。タービンインペラ5の回転は、回転軸21によってコンプレッサインペラ8に伝達され、コンプレッサインペラ8がコンプレッサインペラ室72内で回転する。コンプレッサインペラ8の回転によって、吸気取入部71を介してコンプレッサインペラ室72内に導入された吸気は、コンプレッサインペラ8の基端部側から遠心方向に沿ってスクロール流路73へ向けて吐出される。コンプレッサインペラ8から吐出される吸気は、ディフューザ9によって拡がりながら減速され、これにより吸気が圧縮される。圧縮された吸気は、スクロール流路73を流れて図示しない内燃機関の吸気ポートに導入される。
(本発明の一実施形態としてのターボ機械におけるタービンインペラ)
次に、図2、図3及び図4を参照してタービンインペラ5の構成について説明する。
図2は、図1のターボ機械1のタービンインペラを例示する平面図である。
図3は、図2のタービンインペラを一つのスプリッタを中央にする視座で見た側面図である。
図4は、図2のタービンインペラを一つの主翼を中央にする視座で見た側面図である。
図2の平面図より特に明らかなように、タービンインペラ5は、ハブ50のハブ面50aに、周方向に複数枚(本例では5枚)の主翼51が配置され、更に、隣接する主翼51の間にスプリッタ52が配置され、中央のボス部53で回転軸21の一端に固定されている。ボス部53は多角ボルト状頭部54を有している。
スプリッタ52は、図示の如く、前縁から後縁まで延在する主翼51との対比において前縁から後縁までは至らずに、前縁から途中位置まで延在するように形成されている。
本実施形態のターボ機械である過給機1のタービンインペラ5は、主翼51との相対におけるスプリッタ52の配置と寸法とを適切に規定している。本明細書において「配置」とは、翼枚数をも一つの要素とする概念であり以下において同様である。
次に、既述の図1ないし図4に、更に、図5及び図6を併せ参照して、タービンインペラ5について更に詳述する。
図5は、図2のタービンインペラの子午断面図である。
図6は、図2のタービンインペラの部分断面図である。
タービンインペラ5は、主翼51の前縁とスプリッタ52の前縁とがタービンインペラ5外周の揃った位置に周方向に等間隔で配置され、それらのチップが共に位置P1(Z1tip,R1tip)であり、主翼51の後縁が位置P2(Z2tip,R2tip)であり、スプリッタ52の後縁が位置Ps(Zsp,Rsp)であり、上記位置P1と位置Psとの間の子午断面におけるコード長Lは次の式(1)で表される。
Figure 2017193984
主翼の枚数(本例では5枚)とスプリッタの枚数(本例では5枚)との合計である翼枚数をN(本例では10)としたとき、次の式(2)により定義される「Solidity」が、この式(2)における不等号の関係を充足するようにしている。
Figure 2017193984
即ち、「Solidity」は、スプリッタの翼の長さを翼間距離で除した値に相応し、この値が一定以上の値(0.6以上)をとる。
更に、複数の主翼51の後縁における各後縁チップ先端位置Z2tipの包絡面PEに垂直な仮想面と当該主翼51の翼弦方向D1とのなす角をβ2としたとき、前記スプリッタの後縁位置Zsptipが、次の式(3)を満たす領域内にある。
Figure 2017193984
また、本例では特に、式(3)における角β2を65度乃至75度の範囲内に設定し、次の式(4)を満たす関係にした。
Figure 2017193984
本実施形態のターボ機械1の作用、特に、タービン3の作用について次に説明する。
本実施形態では、タービンインペラ5における主翼51との相対におけるスプリッタ52の配置と寸法が上掲の式(1)〜(4)の関係に規定されている。既述の通り、本明細書において「配置」とは、翼枚数をも一つの要素とする概念である。
主翼51との相対におけるスプリッタ52の配置と寸法を上掲の式(1)〜(4)の関係に規定する理由は次の通りである。即ち、スプリッタ52の配置は、排気流の流れを制御する(整流する)作用を極力強いものとしながら、主翼51とスプリッタ52とがスロートを形成しないように選択することが一つの要件であるが、発明者等は、種々の実験と考究によって、主翼51との相対におけるスプリッタ52の配置と寸法が上掲の式(1)〜(2)の関係を充足することによって、上記要件を満たし得るという知見を得た。
本実施形態のターボ機械1では、上掲の式(1)〜(2)の関係を充足し、且つ、より具体的に、上掲の式(3)〜(4)の関係を充足するように主翼51との相対におけるスプリッタ52の配置と寸法を規定している。
この結果、主翼51とスプリッタ52とが狭いスロートを形成せず、チョークマージンが十分に得られ、従って、過給機1は排気流の広範な流量域で高効率な作動を示す。
更に、スプリッタ52は、主翼51との相対において、前縁から後縁に到る翼の長さが短いため、タービンインペラ5全体としての慣性モーメントが小さい。従って、過給機1は低イナーシャ化がはかられターボラグが低減されて俊敏な応答特性を発揮する。
この場合特に、本実施形態のターボ機械である過給機1では、既述のように、タービンインペラ5の周囲を周回するように設けられたスクロール流路42は、タービンインペラ5に向けて連通するガス入口通路としての排気流路45が形成された単一のガス周回通路を成している。
このため、スクロール流路42は、内部に隔壁が設けられたような複雑な形態で重量化し易く且つ製造が難しいものとは異なり、簡単な構成で軽量化がはかりやすく且つ製造が容易で製造コストが低廉である。従って、ターボ機械である過給機1全体として、簡単な構成で軽量化がはかりやすく且つ製造コストが低廉である。
以上述べた本実施形態のターボ機械の作用効果を要約する。
(1)ターボ機械である過給機1では、タービンインペラ5は、既定の前縁から後縁まで延在する主翼51と、主翼51と自己の前縁位置が揃い自己の後縁位置は主翼51の後縁位置にまでは至らない途中位置まで延在して自己の後縁で終端したスプリッタ52とを有し、且つ、主翼51とスプリッタ52は周方向に交互に複数配されている。このため、全て通常の主翼が配置されたタービンインペラに比し、慣性モーメントが小さくなる。即ち、低イナーシャ化がはかられターボラグが低減されて俊敏な応答特性を発揮する。また、全て通常の主翼が配置される場合に比し下流側でのスロート面積を広くしてチョークマージンを大きくとることができる。このため、シングルステージの過給機として構成しても広範な流量レンジが得られ、排気タービン部に供給される排気流の変化が大きくともタービン効率が低下しにくい特性が得られる。また特に、タービンハウジング4のスクロール流路42は、排気の入口(不図示)から出口(排出部44)の間にタービンインペラ5の外周を廻るように配されタービンインペラ5に向けて連通するガス入口通路(排気流路45)が形成された単一のガス周回通路を成すものであるため、構成が簡単で小型軽量に構成できる。更にまた、構成が簡単であることから、製造コストが低廉である。
(2)ターボ機械である過給機1では、特に、タービンインペラ5は、主翼51とスプリッタ52とのそれぞれの前縁における代表チップ位置が揃って位置P1(Z1tip,R1tip)であり、スプリッタ52の後縁における代表位置が位置Ps(Zsp,Rsp)であり、上記位置P1と位置Psとの間の距離であってスプリッタ52の子午断面での代表長さであるスプリッタの翼長Lが上掲の式(1)で表される。
主翼51の枚数とスプリッタ52の枚数との合計である翼枚数をNとしたとき、上掲の式(2)により定義されるSolidityが、式(2)における不等号の関係を充足するようにしている。
即ち、「Solidity」は、スプリッタ52の翼の長さを翼間距離で除した値に相応し、この値が一定以上の値(0.6以上)をとる。
更に、ターボ機械である過給機1では特に、複数の主翼51の後縁における各代表チップ先端位置Z2tipの包絡面PEに垂直な仮想面と当該主翼の厚み中心を前縁から後縁に向かう方向D1とのなす角をβ2としたとき、前記スプリッタの後縁位置Zsptipが、上掲の式(3)を満たす領域内にある。
これにより、主翼51とスプリッタ52とが狭いスロートを形成せず、チョークマージンが十分に得られ、タービンインペラの空力特性に優れる。従って、過給機1は広範な流量レンジに対して十分な性能を維持できる。
更に、スプリッタ52は、主翼51との相対において、前縁から後縁に到る翼の長さが短いため、タービンインペラ5全体としての慣性モーメントが小さい。従って、過給機1は低イナーシャ化がはかられてターボラグが小さくなり俊敏な応答特性を発揮する。
(3)ターボ機械である過給機1では特に、式(3)における角β2を65度乃至75度の範囲内に設定し、上掲の式(4)を満たす関係にした。
このため、主翼51とスプリッタ52とが狭いスロートを形成せず、チョークマージンが十分に得られ、従って、過給機1は排気流の広範な流量域で高効率な作動を示す。
更に、スプリッタ52は、主翼51との相対において、前縁から後縁に到る翼の長さが短いため、タービンインペラ5全体としての慣性モーメントが小さい。従って、過給機1は低イナーシャ化がはかられターボラグが低減されて俊敏な応答特性を発揮する。
以上説明した本実施形態のターボ機械である過給機では、シングルステージの過給機として構成しても、広範な流量レンジが得られるが、更に、上述した態様の過給機を直列に接続して2ステージの過給機として構成することもできる。
このほか、本発明の趣旨を逸脱しない種々の変形例や変更例は本発明の範囲に包摂される。
例えば、本発明のターボ機械は、上述のような内燃機関用過給機として具現されるに留まらず、航空機用エンジンや産業用発電機の原動機として具現されても、タービンインペラ全体として低イナーシャ化がはかられるため、俊敏な応答性を発揮し得、更には、既述のように低コストである。また特に、タービンハウジングのスクロール流路は、排気の入口から出口の間にタービンインペラの外周を廻るように配されタービンインペに向けて連通するガス入口通路が形成された単一のガス周回通路を成すものであるため、構成が簡単で小型軽量に構成できる。更にまた、構成が簡単であることから、製造コストが低廉である。
1…過給機
2…ベアリングハウジング
3…タービン
4…タービンハウジング
5…インペラ
6…コンプレッサ
7…コンプレッサハウジング
8…コンプレッサインペラ
21…回転軸
42…スクロール流路
51…主翼
52…スプリッタ

Claims (3)

  1. タービンハウジング内にタービンインペラを有するターボ機械であって、
    前記タービンインペラは、既定の前縁から後縁まで延在する主翼と、前記主翼の前縁位置と自己の前縁位置が揃い自己の前縁位置から前記主翼の後縁位置にまでは至らない途中位置まで延在して自己の後縁で終端したスプリッタとを有し、且つ、前記主翼と前記スプリッタとは周方向に交互に複数配され、
    前記タービンハウジングは、排気の入口から出口の間に前記タービンインペラの外周を廻るように配され前記タービンインペラに向けて連通するガス入口通路が形成された単一のガス周回通路を成すスクロール流路を有する、
    ターボ機械。
  2. 前記タービンインペラは、前記主翼及び前記スプリッタの前縁チップ位置が共にP1(Z1tip,R1tip)であり、前記主翼の後縁チップ位置がP2(Z2tip,R2tip)であり、前記スプリッタの後縁チップ位置がPs(Zsp,Rsp)であり、前記位置P1と位置Psとの間の子午断面におけるコード長Lが次の式(1)で表され、
    Figure 2017193984
    前記主翼の枚数と前記スプリッタの枚数との合計である翼枚数をNとしたとき、次の式(2)により定義されるSolidityが、式(2)における不等号の関係を充足し、
    Figure 2017193984
    前記複数の主翼の各後縁チップ先端位置Z2tipの包絡面に垂直な仮想面と当該主翼の翼弦方向とのなす角(劣角)をβ2としたとき、前記複数のスプリッタの各後縁位置Zsptipが、次の式(3)を満たす領域内にある
    Figure 2017193984
    請求項1に記載のターボ機械。
  3. 前記式(3)における角β2を65度から75度の範囲内に設定し、次の式(4)を満たす関係にした、
    Figure 2017193984
    請求項2に記載のターボ機械。
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