JP3462613B2 - タービンスクロール - Google Patents

タービンスクロール

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JP3462613B2
JP3462613B2 JP08248195A JP8248195A JP3462613B2 JP 3462613 B2 JP3462613 B2 JP 3462613B2 JP 08248195 A JP08248195 A JP 08248195A JP 8248195 A JP8248195 A JP 8248195A JP 3462613 B2 JP3462613 B2 JP 3462613B2
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2200/00Mathematical features
    • F05B2200/20Special functions
    • F05B2200/26Special functions trigonometric
    • F05B2200/261Sine

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、過給機等に適用され
る、ラジアルタービン、斜流タービンの性能向上を図る
ためのタービンスクロールに関する。 【0002】 【従来の技術】過給機等のラジアルタービン、若しくは
斜流タービンにおいて、動翼の外周辺に、渦巻状の流路
を形成し、流路の接線方向に設けた入口から流入する作
動流体を動翼の全周方向に流させるようにしたタービ
ンスクロールとして、図3に示すものが、従来から使用
されている。 【0003】図に示すように、紙面直角方向に設けた回
転軸4の外周に固着した動翼2の外周辺に設けられた、
渦巻状流路であるスクロール1に矢視方向に流入した
作動ガスは、スクロール1内を流れる間に半径方向の流
速成分が与えられ、その周から動翼2に流入する。さ
らに、動翼2に流入した作動ガスは、動翼2の流路内で
加速膨張、及び偏向により動翼2に仕事を与え、動翼2
を回転軸4まわりに回転させた後、紙面直角方向に設置
された、図示省略したディフューザを通ってタービンか
ら流出する。なお、同図において11は、スクロール1
が始まる、流路を渦巻状に巻き始める断面、12は、ス
クロール1が終わる、渦巻状を巻き終る断面、13は、
スクロール1が始まる部分と終る部分をへだてる壁の終
端部で、舌部とよばれている。 【0004】このように構成されたタービンスクロール
では、タービンケーシング8の入口10から流入したエ
ネルギの高い作動ガスは、巻き始め断面11からスクロ
ール1に流入して流入流れ14となり、タービン回転中
心3まわりに反時計まわりにまわりながら、一部は
から動翼2に流入して動翼2を回転させる。スクロール
1を一周して流れる間に動翼2に流入しなかった作動ガ
スは、巻き終り断面12より、再びスクロール1の巻き
始め部に吹き出す、吹き抜け流れ15となり、巻き始め
断面11より流入した流入流れ14と合流する。なお、
スクロール1の円周方向の断面位置は、タービン回転中
心3と巻き始め断面11を通る半径線を基準0°とす
る、タービン回転中心3まわりの周方向角度で定義する
ことが行われており、以下この周方向角度を本明細書
では、単に巻き角φと称することにする。 【0005】上述した吹き抜け流れ15と流入流れ14
とが合流した舌部13の後流側のスクロール1内には、
エネルギの低いウェイク16が発達し、この低エネルギ
のウェイク16は、舌部13の後端からスクロール1の
形状によって、ほぼ決まった軌跡17を通って、巻き角
φa のa点にて動翼2に流入する。なお、巻き角φ
a は、本願出願人の製造するタービンスクロールについ
て、本願発明者等が計測した結果では、おおむね180
°近傍になることが多いことがわかっている。 【0006】また、a点から動翼2に流入する作動ガス
の流れは、他の巻き角φの部分から動翼2に流入する流
れに比べて損失が大きく、エネルギが低くなっているた
め、図4に点線でその1例を示すように、動翼2への流
入角α2 が巻き角φa (=180°)近傍で小さくな
る。このため、動翼2への作動ガスの流入角α2 には、
周方向の不均一が生じ、タービンの性能が低下するとい
う不具合が発生する。 【0007】すなわち、この種のタービンでは、タービ
ンの種々の設計条件に対し、効率が最も高くなるよう
に、図4に示す平均的なスクロール1の設計流出角α2D
を定め、その設計流出角α2Dで作動ガスが動翼2に流入
するように、スクロール1の流出角α2 を設計するよう
にしているが、上述のように、巻き角φa 近傍では、タ
ービン効率が最高となる設計流出角α2Dから外れた流出
角α2 となるため、タービン性能が低下することとな
る。 【0008】なお、上述した説明では、説明の便宜上、
軌跡17、動翼流入点aは、一定の巻き角φa の位置に
あるかのような説明をしたが、実際には、流入流れ14
の脈動や、乱れにより、軌跡17および点aの巻き角φ
a は、多少の変動し、さらに低エネルギ流体、すなわ
ち、ウェイク16は、幅をもっているため、実際にはa
点のまわりに幅をもった巻き角φの範囲に、低エネルギ
流体が流入することとなる。図4において、流入角α2
の小さい部分が、巻き角φのある幅の範囲にわたって存
在しているのはこの理由による。 【0009】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した従
来のタービンスクロールの不具合を解消するため、スク
ロールから動翼に流出する作動ガスの流出角が、略全周
にわたってタービン効率を最大にできる、略均一した角
度になり、タービン性能を向上できるタービンスクロー
ルを提供することを課題とする。 【0010】 【課題を解決するための手段】このため、本発明のター
ビンスクロールは次の手段とした。 【0011】渦巻状に形成されるスクロールの巻き始め
断面中心位置とタービン回転中心とを通る半径線を巻き
角0°の基準とし、タービン回転中心まわりに半径線を
基準から回転させたときの巻き角が、150°〜210
°の範囲のみのスクロール流出部に、次の条件を満す複
数のノズル翼を設けた。 【0012】(1)α2O/P=sin -1O/Pで定義される
ノズル翼の流出角が、設計流出角α 2Dに略等しい。但
し、Pは隣接して設けられるノズル翼のピッチ、Oは隣
接して設けられるノズル翼の間に形成される流路の幅
が、最も狭くなるスロートでの流路の幅である。また、
設計流出角α2Dとは、タービン設計条件に対して、効率
が最も高くなるような、スクロールから流出する作動ガ
スの平均的な流出角である。 【0013】(2)隣接して設けられるノズル翼で形成
される流路に、絞り通路が設けられている。絞り通路と
は、上述したスロートの幅を結んだ線、すなわちスロー
トラインの一端が、上流側に設置されたノズル翼上面の
後縁にくるようにされた通路である。 【0014】 【作用】本発明のタービンスクロールにおいては、上述
の手段、すなわち巻き角φ=150°〜210°におけ
るスクロール流出部に、流出角α20/P=sin -1O/Pが
設計流出角α2Dに略等しくなるように複数設けられたノ
ズルは、この巻き角位置近傍で動翼に流入する低エネル
ギの流入流れの流出角α2 を、設計流出角α2Dに合わせ
る作用をする。 【0015】また、隣接するノズル翼の間の流路に形成
された絞り流路は、巻き角φ=150°〜210°近傍
で動翼に流入する低エネルギ流入流れを加速して、ノズ
ル翼表面上における境界層の発達を抑え、スクロールに
ノズル翼を挿入することによって、新たに付加される摩
擦損失を小さく抑えるとともに、巻き角150°〜21
0°から外れた巻き角での流入流れとの速度差を小さく
する作用をする。 【0016】これにより、タービンの設計条件に対し、
効率が最も高くなるような流出角で作動ガスはスクロー
ルの全周から動翼に流入し、タービン効率を向上できる
とともに、ノズル翼をスクロールに設置したことによる
作動ガスのエネルギ損失も発生せず、タービン性能は向
上する。 【0017】 【実施例】以下、本発明のタービンスクロールの実施例
を図面にもとづき説明する。図1は、本発明のタービン
スクロールの一実施例を示す側断面図である。 【0018】図に示すように、スクロール1の巻き角φ
=150°〜210°の範囲の流出部には、後縁52を
内周側にして、流入流れ14の方向から傾斜させた複数
のノズル翼5が設置されている。このノズル翼5は、ス
クロール1を形成するタービンケーシング8に支持さ
れ、動翼2の外周に配置されている。 【0019】また、図1の部分拡大図である、図2に
すように、ノズル翼5は、隣接して配置したノズル翼5
の間の流路7の最も狭いところで結んだ、いわゆるスロ
ートライン9の一端がノズル翼5上面の後縁52にくる
ようにした、絞り流路に形成されるとともに、隣接して
配置したノズル翼5の後縁52の間の出口翼ピッチPと
スロートの幅Oで定義される角度α20/P=sin -1O/P
が、略スクロール設計流出角α2Dとなるようにした。す
なわち、タービンの設計条件に対し、効率が最も高くな
るよう、平均的なスクロール1における設計流出角α2D
を定め、その設計流出角α2Dで作動ガスが動翼に流入す
るように、ノズル翼5の流出角α2 を設計して設置して
いる。これにより、図4において示すように、スクロー
ル流出角α2 分布の平均値が全周にわたって設計流出角
α2Dと略等しくなる。 【0020】また、ノズル翼5の翼形状は、本実施例で
は、できるだけスクロール内流れ(ほぼ流線が角度α2D
の対数らせんに近い形と想定)に沿うよう、若干上面を
凸の形状にしているが、直線翼であっても、その他のプ
ロファイル翼であっても良い。 【0021】本実施例は、上述した構成にされ、巻き角
φに対する(したがって、動翼2周方向の)スクロール
流出角=動翼流入角α2 の分布が、図4の実線で示すよ
うに、全周にわたり一様で、かつ設計値α2Dに近づく。
さらに、データの図示は省略したが、巻き角φに対する
スクロール流出速度、すなわち、動翼2への流入速度の
分布も従来より一様化する。これにより、動翼2への流
入流れの周方向非一様性に起因する、動翼2の性能低下
が抑制され、タービン性能が向上する。 【0022】また、動翼2のまわり全周にノズル翼を設
ける、いわゆるノズル付スクロールにする場合に比べ、
ノズルリングをスクロール1に挿入するスペースをとる
必要がないため、ノズルレススクロールの特徴であるコ
ンパクトさをキープできる。また、ノズル付スクロール
にするより安価にできる。さらに、空力的にも広い流量
範囲にわたって性能低下が小さいという、ノズルレスス
クロールのメリットをキープできる。 【0023】従来のノズル付スクロール、ノズルレスス
クロールと本実施例のタービンスクロールの比較をして
みると次のようになる。 【0024】 【0025】 【発明の効果】以上説明したように、本発明のタービン
スクロールによれば、特許請求の範囲に示す構成によ
り、 (1)タービンの設計条件に対し、効率が最も高くなる
ような流出角で、作動ガスはスクロールの全周から動翼
に流入し、タービン効率を向上できる。 (2)ノズル翼のスクロールへの設置による作動ガスの
エネルギ損失も発生しない。(3)また、動翼のまわり全周にノズル翼を設ける、い
わゆるノズル付スクロールにする場合に比べ、ノズルリ
ングをスクロールに挿入するスペースをとる必要がない
ため、ノズルレススクロールの特徴であるコンパクトさ
をキープできる。)コンパクト性に富み、また広い流量範囲にわたっ
て秀れた性能を発揮できる。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明のタービンスクロールの一実施例を示す
側断面図、 【図2】図1に示す実施例の部分細図、 【図3】従来のタービンスクロールの側断面図、 【図4】スクロールの全巻き角における流出角と設計流
出角を示す図である。 【符号の説明】 1 スクロール 2 動翼 3 タービン回転中心 4 回転軸 5 ノズル翼 52 後縁 53 上面 7 流路 8 タービンケーシング 9 スロートライン 10 入口 11 スクロール巻き始め断面 12 スクロール巻き終り断面 13 舌部 14 流入流れ 15 吹き抜け流れ 16 ウェイク 17 軌跡 O スロート部 P 隣接するノズル翼のピッチ
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F01D 1/08,9/00 F02C 7/00 F02B 39/00

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 タービン動翼の外周に渦巻状流路を形成
    するスクロールを設けたタービンスクロールにおいて、
    前記スクロールの巻き始めの巻き角を0°としたとき
    の、巻き角150°〜210°のみにおける前記スクロ
    ールの流出部に、流出角α20/P=sin -1O/Pが設計流
    出角α2Dに略等しく、かつ隣接させた翼の間の流路が絞
    り流路に形成される複数のノズル翼を設けたことを特徴
    とするタービンスクロール。但し、Pは隣接させたノズ
    ル翼のピッチ、Oはスロート幅である。
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JP5660878B2 (ja) * 2010-12-20 2015-01-28 三菱重工業株式会社 ラジアルタービンあるいは斜流タービンのスクロール部構造
EP3943731B1 (en) * 2019-04-24 2023-09-06 Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha Straddled vehicle

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