JP2017193984A

JP2017193984A - ターボ機械

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Publication number: JP2017193984A
Application number: JP2016083766A
Authority: JP
Inventors: 直樹久野; Naoki Kuno; 直紀伊藤; Naoki Ito
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2016-04-19
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2036-04-19
Also published as: CN107304708B; CN107304708A; JP6651404B2; US20170298737A1

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、、

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、

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

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、

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。

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。

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。

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。

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

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。
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、

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、

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

請求項１に記載のターボ機械。
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、

請求項２に記載のターボ機械。