JP2020118160A - 流体機関 - Google Patents

Abstract

【課題】流れが妨げられない流体機関を提供する。【解決手段】インペラ１１の下流に設けられるとともに、内部シェル１３と外部シェル１４とによって画定されたディフューザ１２と、ディフューザ１２の下流に設けられた収集チャンバ１５と、ディフューザ１２の外部シェル１４の出口側端部と、を備える流体機関である。外部シェル１４の出口側端部は、収集チャンバ１５に対向する平面部分であって、断面において径方向に延在する平面部分を有する。径方向に延在するとともに、収集チャンバ１５に対向する、外部シェル１４の出口側端部の平面部分は、断面において円セグメント形状の輪郭を備える平面部分によって、外部シェル１４の出口側端部のディフューザ１２に対向する平面部分に移行する。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１のおいて書きに記載の流体機関に関する。

ターボチャージャの基本的構成は、本願が対象とする当業者には既知のものである。ターボチャージャはタービンを有し、当該タービン内で第一の媒体が膨張させられる。ターボチャージャはさらに、コンプレッサを有し、当該コンプレッサ内で第二の媒体が圧縮され、当該圧縮はタービン内で第一の媒体が膨張する際に得られるエネルギーを用いて行われる。ターボチャージャのタービンは、タービンハウジングおよびタービンロータを有している。ターボチャージャのコンプレッサは、コンプレッサハウジングおよびコンプレッサロータを有している。タービンのタービンハウジングと、コンプレッサのコンプレッサハウジングとの間に、軸受ハウジングが配置されており、当該軸受ハウジングは一方でタービンハウジングに、他方でコンプレッサハウジングに結合されている。軸受ハウジング内に軸が支承されており、当該軸を経てタービンロータはコンプレッサロータに連結されている。

特許文献１から軸流タービンとして形成されたターボチャージャのタービンが知られており、当該タービンはディフューザを有し、当該ディフューザはタービンインペラに接続するとともに、内部シェルと外部シェルとによって画定されている。排ガスの流れ方向で見ると、ディフューザには収集チャンバが接続し、ディフューザは径方向において、開口部断面で収集チャンバに移行するか、もしくは収集チャンバに入り込む。収集チャンバから排ガス流れ管路が外に出ている。ディフューザの外部シェルの出口側もしくは出力側の端部に、一のエッジが形成されており、当該エッジは、ディフューザの開口部断面に隣接する状態で、収集チャンバ内に突出するか、もしくは収集チャンバに接している。

流れはディフューザから、できるだけ妨げられずに収集チャンバ内に移行すべきである。実践から知られている流体機関において、この点は困難を生じさせ、特に、収集チャンバ内に突出するか、もしくは収集チャンバに隣接している、ディフューザの外部シェルの出口側端部の領域内で、流れの剥離を生じさせる可能性がある。この点は不利である。

独国特許発明第１０１３７８９９号明細書

したがって、流れがディフューザを起点として、妨げられることなく、ディフューザに隣接する収集チャンバ内に越流することができる流体機関が求められている。

上記の点に鑑み、本発明は新式の流体機関を創出することを課題とする。この課題は請求項１に記載の流体機関によって解決される。

本発明によれば、外部シェルの出口側端部は、収集チャンバに対向する平面部分であって、断面において径方向に延在する平面部分を有する。径方向に延在するとともに、収集チャンバに対向する、外部シェルの出口側端部の平面部分は、断面において円セグメント形状の輪郭を備える平面部分によって、外部シェルの出口側端部のディフューザに対向する平面部分に移行する。

ディフューザの外部シェルの出口側端部において、流体機関を本発明に応じて構成することにより、流れがディフューザから、妨げられることなく収集チャンバ内に越流できることが保証され得る。特に流れ剥離および渦流を回避することができる。これにより流動損失を最小化し、効率を増大させることができる。

好ましくは円セグメント形状の輪郭を備える平面部分は、接線方向において、収集チャンバに対向する平面部分に、および／またはディフューザに対向する平面部分に移行する。出口側端部においてディフューザの外部シェルをこのような輪郭に形成することは、流動損失を最小化するために特に好ましい。

一の有利な発展的構成によれば、ディフューザの外部シェルの出口側端部の径方向に延在する平面部分は、径方向において長さＬを有し、当該長さに対して０．１^＊Ｘ＜＝Ｌ＜＝Ｘが当てはまり、当該式においてＸは、ディフューザの開口部断面の軸方向における寸法である。一のさらなる有利な発展的構成によれば、ディフューザの外部シェルの出口側端部の円セグメント形状の輪郭を備える平面部分は、半径Ｒを有し、当該半径に対して０．１^＊Ｘ＜＝Ｒ＜＝Ｘが当てはまり、当該式においてＸは、ディフューザの開口部断面の軸方向における寸法である。これらの条件のうちの一つ、または好ましくは両方が満たされている場合、流れはディフューザから特に有利に収集チャンバ内に移行することができ、それにより流動損失を最小化する。

流体機関は好ましくは軸流タービンであり、特に好適には、ターボチャージャの軸流タービンである。本発明は、ターボチャージャの軸流タービンとして形成された流体機関に用いられる場合、特に有利である。

本発明の好適な発展的構成は従属請求項および以下の詳細な説明に記載されている。本発明の実施の形態を図面に基づいてより詳しく説明するが、本発明は当該実施の形態に限定されるものではない。図面に示すのは以下のとおりである。

本発明に係る流体機関の断面を概略的かつ部分的に示す図である。

図１は、ターボチャージャの軸流タービン１０として形成された流体機関の、極めて概略的かつ部分的な断面、すなわち子午断面を示しており、軸流タービン１０のインペラ１１は軸方向において流れが流入し、軸方向において流れが流出している。タービンインペラ１１の下流にはディフューザ１２が接続し、ディフューザは軸流タービン１０内の流れを軸方向から径方向に偏向させ、ディフューザ１２は、内部シェル１３と外部シェル１４によって画定されている。排ガスの流れ方向で見ると、ディフューザ１２には収集チャンバ１５が接続する。ディフューザ１２を経て収集チャンバ１５内に入る、もしくは越流する排ガスは、図に示されていない排出管路を経て、収集チャンバ１５から排出することができる。

ディフューザ１２は、開口部断面１６により、収集チャンバ１５に入り込む。すでに述べたように、ディフューザ１２およびそれとともに開口部断面１６は一方で内部シェル１３によって、他方で外部シェル１４によって画定されている。

ディフューザ１２の出口側端部１７において、およびそれとともに外部シェル１４の出口側端部１７において、外部シェル１４は確定された輪郭、すなわち、外部シェル１４の出口側端部１７が、収集チャンバに対向する平面部分１８であって、開口部断面において、すなわち図１の子午断面において、径方向に、しかも径方向のみに延在する平面部分を有するように確定された輪郭を有している。

子午断面において径方向のみに延在する、外部シェル１４の出口側端部１７の収集チャンバ１５に対向する平面部分１８は、断面もしくは子午断面において円セグメント形状の輪郭を備える平面部分１９によって、外部シェル１４の出口側端部１７のディフューザ１２に対向する平面部分２０に移行する。

このとき好ましくは、外部シェル１４の出口側端部１７の円セグメント形状の輪郭を備える平面部分１９は、子午断面において径方向のみに延在する、収集チャンバ１５に対向する平面部分１８と、ディフューザ１２の輪郭に沿うとともにディフューザ１２に対向する平面部分２０とに、それぞれ接線方向において、すなわち連続的に移行することが行われている。

ディフューザ１２の外部シェル１４の出口側端部１７は、収集チャンバ１５に隣接するか、あるいは少なくとも部分的に収集チャンバ１５内に突出する。

子午断面で見ると、ディフューザ１２を外側で画定している外部シェル１４の出口側端部１７は、二つの幾何学的パラメータによって、すなわち径方向に延在する平面部分１８の長さＬと、円セグメント形状の輪郭を備える平面部分１９の半径Ｒとによって特徴づけられている。

好ましくは以下の条件式の一つ、特に好ましくは両方が当てはまる。

上記の式において、Ｌは径方向に延在する平面部分１８の長さであり、Ｒは円セグメント形状の輪郭を備える平面部分１９の半径であり、Ｘはディフューザの開口部断面１６の軸方向における寸法である。

ディフューザ１２の外部シェル１４の出口側端部１７は、バルジ状の膨張部を形成し、当該膨張部は図１の子午断面において、外部シェル１４の隣接する部分よりも厚みの大きい壁厚を有している。

開口部断面１６の領域内でディフューザ１２を画定する外部シェル１４の出口側端部１７をこのように構成することにより、流れをディフューザ１２から、ディフューザ１２に接続する収集チャンバ１５内に、特に有利に、かつ損失を有さずに移行させることを確実に行うことができる。流れ損失を最小化することにより、流体機関の効率を高めることができる。

本発明は好ましくは、ターボチャージャの軸流タービンにおいて用いられる。本発明は当該応用例において、特に好適に用いられるが、本発明はディフューザと、当該ディフューザに隣接する収集チャンバとを備える他の流体機関であって、流れがディフューザを起点として径方向において、当該ディフューザに隣接する、もしくは接続する収集チャンバに移行する他の流体機関においても用いることができる。

１０ 流体機関
１１ インペラ
１２ ディフューザ
１３ 内部シェル
１４ 外部シェル
１５ 収集チャンバ
１６ 開口部断面
１７ 出口側端部
１８ 平面部分
１９ 平面部分
２０ 平面部分

Claims (9)

1. インペラ（１１）の下流に設けられるとともに、内部シェル（１３）と外部シェル（１４）とによって画定されたディフューザ（１２）と、
   前記ディフューザ（１２）の下流に設けられた収集チャンバ（１５）であって、前記ディフューザ（１２）は径方向において、開口部断面（１６）により、当該収集チャンバ（１５）に入り込む前記収集チャンバ（１５）と、
   前記ディフューザ（１２）の前記外部シェル（１４）の出口側端部（１７）であって、前記収集チャンバ（１５）に隣接するか、あるいは前記収集チャンバ（１５）内に少なくとも部分的に突出する前記出口側端部（１７）と、
   を備える流体機関において、
   前記外部シェル（１４）の前記出口側端部（１７）は、前記収集チャンバ（１５）に対向する平面部分（１８）であって、断面において径方向に延在する前記平面部分（１８）を有し、
   径方向に延在するとともに、前記収集チャンバ（１５）に対向する、前記外部シェル（１４）の前記出口側端部（１７）の前記平面部分（１８）は、断面において円セグメント形状の輪郭を備える平面部分（１９）によって、前記外部シェル（１４）の前記出口側端部（１７）の前記ディフューザ（１２）に対向する平面部分（２０）に移行することを特徴とする流体機関。
2. 前記円セグメント形状の輪郭を備える平面部分（１９）は、接線方向において、前記収集チャンバ（１５）に対向する前記平面部分（１８）に移行することを特徴とする請求項１に記載の流体機関。
3. 前記円セグメント形状の輪郭を備える平面部分（１９）は、接線方向において、前記ディフューザ（１２）に対向する前記平面部分（２０）に移行することを特徴とする請求項１または２に記載の流体機関。
4. 前記収集チャンバ（１５）に対向する前記平面部分（１８）は、前記開口部断面において径方向のみに延在することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の流体機関。
5. 前記径方向に延在する平面部分（１８）は、径方向において長さＬを有し、前記長さＬに対して、
   の関係が成立し、
   Ｘは、前記ディフューザ（１２）の前記開口部断面（１６）の軸方向における寸法であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の流体機関。
6. 前記円セグメント形状の輪郭を備える平面部分（１９）は、半径Ｒを有し、前記半径Ｒに対して、
   の関係が成立し、
   Ｘは、前記ディフューザ（１２）の前記開口部断面（１６）の軸方向における寸法であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の流体機関。
7. 前記流体機関は、軸流タービンであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の流体機関。
8. 前記軸流タービンは、ターボチャージャのタービンであることを特徴とする請求項７に記載の流体機関。
9. 前記断面それぞれは、子午断面であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の流体機関。