JP2023131315A - 過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】２つのスクロール流路の間の排気ガスの漏れを抑制すること。【解決手段】過給機１００は、インペラ８を収容する空間ＳＰ１と、インペラ８の径方向において空間ＳＰ１の外側に位置する第１のスクロール流路１５および第２のスクロール流路１６と、第１のスクロール流路１５および第２のスクロール流路１６を空間ＳＰ１に接続する接続流路１４と、を含むハウジング３と、接続流路１４に配置される複数の固定式のベーンＶであって、各スクロール流路１５，１６および接続流路１４を径方向に仕切る壁Ｗ１，Ｗ２と一体に形成される第１のベーンＶ１と、インペラ８の円周方向において第１のベーンＶ１の間に配置される第２のベーンＶ２と、を含む複数の固定式のベーンＶと、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、過給機に関する。

過給機のタービンは、スクロール流路の下流にベーンを備える場合がある。例えば、特許文献１は、可動ベーンを備える過給機を開示する。この過給機は、２つのスクロール流路を備え、各スクロール流路の端部と対向する可動ベーンは、他の可動ベーンよりも大きい。これらの大きい可動ベーンは、２つのスクロール流路を互いに連通させる位置と、２つのスクロール流路を互いに遮断する位置と、の間で移動可能である。低速運転時には、これらの大きい可動ベーンは、２つのスクロール流路を互いに遮断する。

また、特許文献２は、可動式のシールベーンを備えるターボチャージャを開示する。このターボチャージャは、２つのスクロール流路を備え、各スクロール流路の端部と対向するシールベーンは、２つのスクロール流路の間のバイパスを開閉するように構成される。このターボチャージャでは、必要な温度まで排気ガス温度を上げる場合に、ターボチャージャの効率を積極的に低下させるために、シールベーンによってバイパスを開く。

特開２００９－１４４６６４号公報 特表２０１６－５０４５２０号公報

２つのスクロール流路を備える過給機では、一方のスクロール流路で圧力が高くなり、他方のスクロール流路で圧力が低くなる。したがって、高い圧力を有するスクロール流路から、低い圧力を有するスクロール流路に向けて排気ガスが漏れる可能性がある。このような排気ガスの漏れは、過給機の効率の低下に繋がり得る。

このような排気ガスの漏れを防止するために、例えば、上記の特許文献１，２の可動式のベーンを使用して、２つのスクロール流路を互いに遮断することが考えられ得る。しかしながら、ベーンとスクロール流路の壁面との間の頻繁な接触は、ベーンの故障に繋がり得る。したがって、このような接触を避けるためには、ベーンとスクロール流路の壁面との間に隙間を維持しなければならない。この場合、排気ガスの漏れを抑制することができないおそれがある。

本開示は、２つのスクロール流路の間の排気ガスの漏れを抑制することができる過給機を提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る過給機は、インペラを収容する空間と、インペラの径方向において空間の外側に位置する第１のスクロール流路および第２のスクロール流路と、第１のスクロール流路および第２のスクロール流路を空間に接続する接続流路と、を含むハウジングと、接続流路に配置される複数の固定式のベーンであって、各スクロール流路および接続流路を径方向に仕切る壁と一体に形成される第１のベーンと、インペラの円周方向において第１のベーンの間に配置される第２のベーンと、を含む複数の固定式のベーンと、を備える。

本開示の他の態様に係る過給機は、インペラを収容する空間と、インペラの径方向において空間の外側に位置する第１のスクロール流路および第２のスクロール流路と、第１のスクロール流路および第２のスクロール流路を空間に接続する接続流路と、を含むハウジングと、接続流路に配置される複数の固定式のベーンであって、当該ベーンと、各スクロール流路および接続流路を径方向に仕切る壁との間の距離は、各スクロール流路の舌部において最小である、複数の固定式のベーンと、を備える。

複数の固定式のベーンは、各スクロール流路の舌部に最も近い第１のベーンと、インペラの円周方向において第１のベーンの間に配置される第２のベーンと、を含んでもよく、第１のベーンの長さは、第２のベーンの長さよりも大きくてもよい。

第１のベーンは、対応する舌部と接触してもよい。

第１のベーンと、対応する舌部とは、それらの間に隙間を有してもよく、複数の固定式のベーンの間の全てのスロートの合計面積に対する、隙間の面積の割合が、０％より大きく４％以下であってもよい。

上記の割合が、２％以下であってもよい。

本開示によれば、２つのスクロール流路の間の排気ガスの漏れを防止することができる。

図１は、第１実施形態に係る過給機の概略的な断面図である。 図２は、図１中のII－II線に沿った概略的な断面図である。 図３は、第２実施形態に係る過給機を示す概略的な断面図である。 図４は、第３実施形態に係る過給機を示す概略的な断面図である。 図５は、第１のベーンと舌部との間の隙間がどのように漏れ量に影響を及ぼすかを説明するグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す具体的な寸法、材料および数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、第１実施形態に係る過給機１００の概略的な断面図である。本実施形態に係る過給機１００は、例えば、船舶のエンジンに適用される。過給機１００の適用先はこれに限定されず、過給機１００は船舶以外の様々な機械に適用されてもよい。過給機１００は、ハウジング１と、シャフト７と、タービンインペラ８と、コンプレッサインペラ９と、を備える。

後述するように、タービンインペラ８およびコンプレッサインペラ９は、シャフト７と一体的に回転する。したがって、シャフト７の中心軸線方向、径方向および円周方向は、タービンインペラ８およびコンプレッサインペラ９にも共通である。本開示では、これらシャフト７、タービンインペラ８およびコンプレッサインペラ９の中心軸線方向、径方向および円周方向は、他に指示が無い限り、それぞれ単に「中心軸線方向」、「径方向」および「円周方向」と称され得る。

ハウジング１は、ベアリングハウジング２と、タービンハウジング３と、コンプレッサハウジング４と、を含む。中心軸線方向において、ベアリングハウジング２の一方の端部は、Ｇカップリング等の締結機構２１ａによってタービンハウジング３に連結される。中心軸線方向において、ベアリングハウジング２の他方の端部は、締結ボルト等の締結機構２１ｂによってコンプレッサハウジング４に連結される。

ベアリングハウジング２は、軸受孔２２を含む。軸受孔２２は、ベアリングハウジング２内を中心軸線方向に延在する。軸受孔２２は、軸受５０，６０を収容する。軸受５０，６０は、シャフト７を回転可能に支持する。

中心軸線方向において、シャフト７の第１の端部には、タービンインペラ８が設けられる。タービンハウジング３は、タービンインペラ８を回転可能に収容する第１の空間ＳＰ１を含む。中心軸線方向において、第１の端部とは反対側のシャフト７の第２の端部には、コンプレッサインペラ９が設けられる。コンプレッサハウジング４は、コンプレッサインペラ９を回転可能に収容する第２の空間ＳＰ２を含む。

コンプレッサハウジング４は、中心軸線方向においてベアリングハウジング２と反対側の端部に、吸気口１０を含む。吸気口１０は、不図示のエアクリーナに接続される。ベアリングハウジング２およびコンプレッサハウジング４は、それらの間にディフューザ流路１１を規定する。ディフューザ流路１１は、環状形状を有する。ディフューザ流路１１は、コンプレッサインペラ９および第２の空間ＳＰ２に対して径方向外側に位置する。ディフューザ流路１１は、第２の空間ＳＰ２を介して吸気口１０に連通する。

コンプレッサハウジング４は、コンプレッサスクロール流路１２を含む。コンプレッサスクロール流路１２は、ディフューザ流路１１に対して径方向外側に位置する。コンプレッサスクロール流路１２は、ディフューザ流路１１と連通する。また、コンプレッサスクロール流路１２は、不図示のエンジンの吸気口と連通する。

コンプレッサＣでは、コンプレッサインペラ９が回転すると、吸気口１０からコンプレッサハウジング４内に空気が吸気される。吸気は、コンプレッサインペラ９の翼の間の空間を通る間に、遠心力によって増速される。増速された空気は、ディフューザ流路１１およびコンプレッサスクロール流路１２で加圧される。加圧された空気は、不図示の吐出口から流出し、エンジンの吸気口に導かれる。

タービンハウジング３は、中心軸線方向においてベアリングハウジング２と反対側の端部に、吐出口１３を含む。吐出口１３は、不図示の排気ガス浄化装置に接続される。

図２は、図１中のII－II線に沿った概略的な断面図である。タービンハウジング３は、接続流路１４と、第１のスクロール流路１５と、第２のスクロール流路１６と、を含む。すなわち、タービンＴｂは、ダブルスクロールタービンである。接続流路１４は、環状形状を有する。接続流路１４は、第１のスクロール流路１５および第２のスクロール流路１６を、第１の空間ＳＰ１に接続する。接続流路１４は、タービンインペラ８および第１の空間ＳＰ１の径方向外側に位置する。接続流路１４には、複数の固定式のベーンＶが配置される。ベーンＶについては、詳しくは後述する。

第１のスクロール流路１５は、接続流路１４の径方向外側に位置する。第１のスクロール流路１５および接続流路１４は、壁Ｗ１によって径方向に互いに仕切られる。第２のスクロール流路１６は、部分的に第１のスクロール流路１５の径方向外側に位置し、かつ、部分的に接続流路１４の径方向外側に位置する。第２のスクロール流路１６および接続流路１４は、壁Ｗ２によって径方向に互いに仕切られる。第１のスクロール流路１５および第２のスクロール流路１６の各々は、不図示のガス流入口と連通する。ガス流入口は、不図示のエンジンの排気マニホールドから排出される排気ガスを受け入れる。

図１を参照して、タービンＴｂでは、排気ガスがガス流入口から第１のスクロール流路１５および第２のスクロール流路１６に導かれ、さらに、接続流路１４および第１の空間ＳＰ１を介して吐出口１３に導かれる。排気ガスは、タービンインペラ８の翼の間の空間を通る間に、タービンインペラ８を回転させる。

タービンインペラ８の回転力は、シャフト７を介してコンプレッサインペラ９に伝達される。コンプレッサインペラ９が回転すると、上記のとおりに空気が加圧される。こうして、加圧された空気がエンジンの吸気口に導かれる。

続いて、ベーンＶについて詳細に説明する。

図２を参照して、複数のベーンＶは、円周方向に沿って互いに離間して接続流路１４に配置される。複数のベーンＶは、第１のベーンＶ１と、第２のベーンＶ２と、を含む。

第１のベーンＶ１は、壁Ｗ１，Ｗ２に一体に形成される。すなわち、径方向において第１のベーンＶ１の最も内側の部分は、第１のスクロール流路１５の舌部Ｔ１、および、第２のスクロール流路１６の舌部Ｔ２を規定する。本開示において、「舌部」とは、スクロール流路１５，１６および接続流路１４を径方向に仕切る壁Ｗ１，Ｗ２の円周方向における端部を意味する。したがって、第１のベーンＶ１と壁Ｗ１，Ｗ２との間には、隙間は無い。もし、第１のベーンＶ１と壁Ｗ１，Ｗ２とが離れている場合、排気ガスの流れＦとは逆向きの方向に、第１のスクロール流路１５から第２のスクロール流路１６に向かう漏れ流れ、または、第２のスクロール流路１６から第１のスクロール流路１５に向かう漏れ流れが発生する場合がある（例えば、図４の漏れ流れＬ１，Ｌ２を参照）。図２を参照して、しかしながら、本実施形態では、第１のベーンＶ１と壁Ｗ１，Ｗ２との間に隙間は無いため、このような漏れ流れを遮断することができる。

第１のベーンＶ１の表面は、壁Ｗ１の径方向外側の表面、すなわち、第１のスクロール流路１５を規定する表面に対して滑らかに連続する。また、第１のベーンＶ１の表面は、壁Ｗ１の径方向内側の表面、すなわち、接続流路１４を規定する表面に対して滑らかに連続する。他の実施形態では、例えば、壁Ｗ１と別に準備される第１のベーンＶ１が後で壁Ｗ１に対して連結される場合には、第１のベーンＶ１の表面と、壁Ｗ１の径方向内側の表面との間の接合部には、窪みまたは突起等の滑らかでない部分が形成されてもよい。

第１のベーンＶ１の表面は、壁Ｗ２の径方向外側の表面、すなわち、第２のスクロール流路１６を規定する表面に対して滑らかに連続する。また、第１のベーンＶ１の表面は、壁Ｗ２の径方向内側の表面、すなわち、接続流路１４を規定する表面に対して滑らかに連続する。他の実施形態では、例えば、壁Ｗ２と別に準備される第１のベーンＶ１が後で壁Ｗ２に対して連結される場合には、第１のベーンＶ１の表面と、壁Ｗ２の径方向内側の表面との間の接合部には、窪みまたは突起等の滑らかでない部分が形成されてもよい。

第２のベーンＶ２は、円周方向において２つの第１のベーンＶ１の間に位置する。第２のベーンＶ２は、壁Ｗ１，Ｗ２から離間する。第２のベーンＶ２は、流れ方向Ｆにおいて下流側の端部、すなわちトレイリングエッジが、上流側の端部、すなわちリーディングエッジよりも径方向内側に位置するように、円周方向に対して傾斜する。

第１のベーンＶ１は、第１のベーンＶ１が壁Ｗ１，Ｗ２と一体に形成される点で第２のベーンＶ２と異なり、その他の点については、第１のベーンＶ１は、第２のベーンＶ２と略同じであってもよい。具体的には、第１のベーンＶ１の径方向内側の部分は、第２のベーンＶ２の径方向内側の部分と同じまたは略同じであってもよい。

上記のような過給機１００は、タービンインペラ８を収容する第１の空間ＳＰ１と、径方向において第１の空間ＳＰ１の外側に位置する第１のスクロール流路１５および第２のスクロール流路１６と、第１のスクロール流路１５および第２のスクロール流路１６を第１の空間ＳＰ１に接続する接続流路１４と、を含むタービンハウジング３と、接続流路１４に配置される複数の固定式のベーンＶと、を備える。ベーンＶは、各スクロール流路１５，１６および接続流路１４を径方向に仕切る壁Ｗ１，Ｗ２に一体に形成される第１のベーンＶ１と、円周方向において第１のベーンＶ１の間に配置される第２のベーンＶ２と、を含む。このような構成によれば、第１のベーンＶ１と壁Ｗ１，Ｗ２との間に隙間は無いため、第１のスクロール流路１５から第２のスクロール流路１６に向かう漏れ流れ、または、第２のスクロール流路１６から第１のスクロール流路１５に向かう漏れ流れを遮断することができる。

続いて、他の実施形態について説明する。

図３は、第２実施形態に係る過給機２００を示す概略的な断面図である。過給機２００は、第１のベーンＶ１が壁Ｗ１，Ｗ２とは別体である点で、上記の過給機１００と異なる。他の点については、過給機２００は、過給機１００と同じであってもよい。

上記のように、第１のベーンＶ１は、壁Ｗ１，Ｗ２とは別体である。したがって、第１のスクロール流路１５の舌部Ｔ１、および、第２のスクロール流路１６の舌部Ｔ２は、第１のベーンＶ１とは別である。

本実施形態では、ベーンＶと壁Ｗ１，Ｗ２との間の距離は、舌部Ｔ１，Ｔ２において最小である。具体的には、本実施形態では、第１のベーンＶ１は、舌部Ｔ１，Ｔ２に連続的に形成される。別の表現では、第１のベーンＶ１は、舌部Ｔ１，Ｔ２と接触する。したがって、第１のベーンＶ１と舌部Ｔ１，Ｔ２との間には、隙間は無い。すなわち、第１のベーンＶ１と舌部Ｔ１，Ｔ２との間の距離は、ゼロである。したがって、第１のベーンＶ１と壁Ｗ１，Ｗ２との間の距離、すなわち、第１のベーンＶ１と舌部Ｔ１，Ｔ２との間の距離は、第２のベーンＶ２と壁Ｗ１，Ｗ２との間の距離ｄよりも小さい。

第１のベーンＶ１の長さは、第２のベーンＶ２の長さよりも大きい。本開示において、第１のベーンＶ１および第２のベーンＶ２の「長さ」とは、各ベーンのリーディングエッジおよびトレイリングエッジを結ぶ線分の長さを意味する。

上記のような過給機２００は、タービンインペラ８を収容する第１の空間ＳＰ１と、径方向において第１の空間ＳＰ１の外側に位置する第１のスクロール流路１５および第２のスクロール流路１６と、第１のスクロール流路１５および第２のスクロール流路１６を第１の空間ＳＰ１に接続する接続流路１４と、を含むタービンハウジング３と、接続流路１４に配置される複数の固定式のベーンＶと、を備える。ベーンＶと、各スクロール流路１５，１６および接続流路１４を径方向に仕切る壁Ｗ１，Ｗ２との間の距離は、各スクロール流路１５，１６の舌部Ｔ１，Ｔ２において最小である。このような構成によれば、舌部Ｔ１，Ｔ２における隙間を、他の位置におけるベーンＶと壁Ｗ１，Ｗ２との間の距離ｄよりも小さくすることができるため、舌部Ｔ１，Ｔ２における漏れ流れを抑制することができる。

また、過給機２００では、複数の固定式のベーンＶは、各スクロール流路１５，１６の舌部Ｔ１，Ｔ２に最も近い第１のベーンＶ１と、円周方向において第１のベーンＶ１の間に配置される第２のベーンＶ２と、を含み、第１のベーンＶ１の長さは、第２のベーンＶ２の長さよりも大きい。このような構成によれば、舌部Ｔ１，Ｔ２に最も近い第１のベーンＶ１の長さを延ばすだけで、舌部Ｔ１，Ｔ２における隙間を小さくすることができる。したがって、簡単な構成によって、舌部Ｔ１，Ｔ２における漏れ流れを抑制することができる。

また、過給機２００では、第１のベーンＶ１は、対応する舌部Ｔ１，Ｔ２と接触する。このような構成によれば、第１のベーンＶ１と舌部Ｔ１，Ｔ２との間に隙間は無いため、漏れ流れを遮断することができる。

図４は、第３実施形態に係る過給機３００を示す概略的な断面図である。過給機３００は、第１のベーンＶ１が壁Ｗ１，Ｗ２から離間している点で、上記の過給機２００と異なる。他の点については、過給機３００は、過給機２００と同じであってもよい。

上記のように、本実施形態では、第１のベーンＶ１は、舌部Ｔ１，Ｔ２から離間している。別の表現では、第１のベーンＶ１は、舌部Ｔ１，Ｔ２と非接触である。したがって、第１のベーンＶ１と舌部Ｔ１，Ｔ２との間には、隙間ｇが形成される。このような構成では、隙間ｇにおいて、第１のスクロール流路１５から第２のスクロール流路１６に向かう漏れ流れＬ１、または、第２のスクロール流路１６から第１のスクロール流路１５に向かう漏れ流れＬ２が発生する場合がある。

図５は、第１のベーンＶ１と舌部Ｔ１，Ｔ２との間の隙間ｇがどのように漏れ量に影響を及ぼすかを説明するグラフである。図５では、図４に示すような過給機３００における漏れ流れＬ１，Ｌ２を、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamic）によって解析した。

グラフの横軸は、複数のベーンＶの間の総スロート面積に対する、各隙間ｇの面積の割合ｒ（％）を示す。各スロートの面積は、中心軸線方向に見て隣接する２つのベーンの間の距離が最短な位置における、流路の断面から得られる。同様に、隙間ｇの面積は、中心軸線方向に見て第１のベーンと舌部Ｔ１，Ｔ２との間の距離が最短な位置における、隙間ｇの断面から得られる。割合ｒは、総スロート面積に対する、各舌部Ｔ１，Ｔ２における隙間ｇの面積、すなわち、舌部Ｔ１，Ｔ２の一方における隙間ｇの面積の割合を示す。

グラフの縦軸は、漏れ量（％）を示す。

図５に示されるように、割合ｒが減少するにつれて、すなわち、隙間ｇが減少するにつれて、漏れ量も減少する。漏れ量は、割合ｒが約４％において急激に減少する。したがって、割合ｒが４％以下になるように隙間ｇを設計することによって、漏れ量を大きく低減させることができることがわかる。また、割合ｒが約２％以下であれば、漏れ量を２０％以下という小さい値に抑制することができることがわかる。

図４を参照して、上記の知見に基づく過給機３００では、第１のベーンＶ１と、対応する舌部Ｔ１，Ｔ２とは、それらの間に隙間ｇを有し、複数の固定式のベーンＶの間の全てのスロートの合計面積に対する、隙間ｇの面積の割合ｒが、０％より大きく４％以下、より具体的には０％より大きく２％以下である。このような構成によれば、第１のスクロール流路１５から第２のスクロール流路１６に向かう漏れ流れＬ１、または、第２のスクロール流路１６から第１のスクロール流路１５に向かう漏れ流れＬ２を、小さい値に抑制することができる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

本開示は、過給機の効率の低下を抑制することができるので、例えば、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７「手ごろで信頼でき、持続可能かつ近代的なエネルギーへのアクセスを確保する」に貢献することができる。

３ タービンハウジング
８ タービンインペラ
１４ 接続流路
１５ 第１のスクロール流路
１６ 第２のスクロール流路
１００ 過給機
２００ 過給機
３００ 過給機
ｇ 隙間
ｒ スロートの合計面積に対する隙間の面積の割合
ＳＰ１ 第１の空間
Ｔ１ 舌部
Ｔ２ 舌部
Ｖ ベーン
Ｖ１ 第１のベーン
Ｖ２ 第２のベーン
Ｗ１ 壁
Ｗ２ 壁

Claims (6)

1. インペラを収容する空間と、前記インペラの径方向において前記空間の外側に位置する第１のスクロール流路および第２のスクロール流路と、前記第１のスクロール流路および前記第２のスクロール流路を前記空間に接続する接続流路と、を含むハウジングと、
   前記接続流路に配置される複数の固定式のベーンであって、各スクロール流路および前記接続流路を前記径方向に仕切る壁と一体に形成される第１のベーンと、前記インペラの円周方向において前記第１のベーンの間に配置される第２のベーンと、を含む複数の固定式のベーンと、
   を備える、過給機。
2. インペラを収容する空間と、前記インペラの径方向において前記空間の外側に位置する第１のスクロール流路および第２のスクロール流路と、前記第１のスクロール流路および前記第２のスクロール流路を前記空間に接続する接続流路と、を含むハウジングと、
   前記接続流路に配置される複数の固定式のベーンであって、当該ベーンと、各スクロール流路および前記接続流路を前記径方向に仕切る壁との間の距離は、各スクロール流路の舌部において最小である、複数の固定式のベーンと、
   を備える、過給機。
3. 前記複数の固定式のベーンは、各スクロール流路の前記舌部に最も近い第１のベーンと、前記インペラの円周方向において前記第１のベーンの間に配置される第２のベーンと、を含み、
   前記第１のベーンの長さは、前記第２のベーンの長さよりも大きい、請求項２に記載の過給機。
4. 前記第１のベーンは、対応する舌部と接触する、請求項３に記載の過給機。
5. 前記第１のベーンと、対応する舌部とは、それらの間に隙間を有し、
   前記複数の固定式のベーンの間の全てのスロートの合計面積に対する、前記隙間の面積の割合が、０％より大きく４％以下である、請求項３に記載の過給機。
6. 前記割合が、２％以下である、請求項５に記載の過給機。

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