JP5870083B2 - タービン - Google Patents

Description

本開示はタービンに関する。

ターボチャージャ等に使用されるタービンのハウジングはスクロール部を有し、スクロール部は、タービン動翼を囲むようにタービン動翼の周方向に沿って延在している。スクロール部の形状は、スクロール部の入口に流入した流体が、タービン動翼に対し、タービン動翼の全周に渡って均等に衝突するように構成されている。具体的には、スクロール部の流路面積をＡとし、スクロール部の流路中心からタービン動翼の軸線までの距離をＲとしたときに、距離Ｒに対する流路面積Ａの比であるＡ／Ｒが、スクロール部の入口から末端に向かって減少するように、スクロール部は構成されている。

例えば、特許文献１の図４には、体積の異なる３つのスクロール部（ボリュート）について、タービン動翼の周方向におけるスクロール部の流路の位置とＡ／Ｒとの関係を表すカーブが示されている。これらのカーブは、上に凸形状を有しており、スクロール部の末端側でＡ／Ｒの変化率が大きくなっている。
またこのほかのＡ／Ｒの分布として、スクロール部の入口から末端に向かって線形に減少するものがある。

米国特許出願公開第２０１３／０２１９８８５号明細書

従来、タービンのスクロール部の設計は排気脈動を考慮せずに行われている。これは、排気脈動の周期が長いためにその影響を無視できると考えられていたことや、排気脈動を考慮してタービンの設計を行うことは、タービンでの非定常な流れを評価せねばならず容易なことではなかったからである。
しかしながら、近年、排気脈動によりタービン効率が大きく低下することが報告されている。この報告によれば、従来のタービンでも、排気脈動による性能低下が生じていることになる。

かかる状況において、排気脈動を考慮した新規なコンセプトに基づいてタービンのスクロール部の設計を行えば、タービン効率の向上を図ることができ、ひいては、タービンが適用された自動車や船舶等の燃費向上を図ることができると考えられる。

そこで、本発明の少なくとも一実施形態の目的は、導入される流体に脈動があっても、良好なタービン効率を有するタービンを提供することにある。

本発明の少なくとも一実施形態に係るタービンは、
タービン動翼と、
前記タービン動翼の周方向に沿って延在するスクロール部を有するタービンハウジングとを備え、
前記スクロール部は、前記スクロール部の流路面積をＡとし、前記スクロール部の流路中心から前記タービン動翼の軸線までの距離をＲとし、前記タービン動翼の軸線の周りでの周方向位置を横軸にとり、距離Ｒに対する流路面積Ａの比であるＡ／Ｒを縦軸にとったグラフにおいて、前記Ａ／Ｒが少なくとも一部において凹型の分布を有するように構成されている。

この構成によれば、Ａ／Ｒが少なくとも一部において凹型の分布を有しており、スクロール部の流路面積が、末端側よりも入口側で大きく変化している。このため、スクロール部の体積が、従来に比べて、入口側で大きく縮小されている。
このようにスクロール部の入口側で体積が縮小されたことにより、スクロール部の入口側で流体の脈動圧力の振幅が増大される。そして、入口側で脈動圧力が増大されたことで、スクロール部の入口側で流体がタービン動翼に向かって円滑に流れる。この結果、タービン効率が高くなり、タービン出力が向上する。
なお、Ａ／Ｒが線形に減少する従来の場合、スクロール部の体積を絞るためにはスクロール部の入口の面積を縮小しなければならない。しかしながらスクロール部の入口の面積が縮小されると、流量特性が大きく変化してしまう。この点、上記構成によれば、スクロール部の入口側で体積が縮小されることにより、スクロール部の入口の面積を変更せずにスクロール部の体積を縮小することができる。このため、上記構成によれば、流量特性への影響を最小限に抑えながら、タービン効率の向上を図ることが可能である。

幾つかの実施形態では、
前記スクロール部の入口の位置を前記周方向位置が０°である位置とし、前記スクロール部の入口から末端に向かって前記周方向位置の値が増加するとしたときに、
前記スクロール部は、前記周方向位置が０°から９０°に至るまでの前記Ａ／Ｒの変化率が、前記Ａ／Ｒが線形減少する場合の１．２倍以上になるように構成されている。

この構成によれば、Ａ／Ｒの変化率が線形減少する場合の１．２倍以上であることにより、スクロール部の入口における流路面積を所定の値に保ちながら、Ａ／Ｒが線形減少する場合に比べて、スクロール部の体積を縮小することができる。これにより、脈動があっても、流量特性への影響を最小限に抑えながら、タービン効率を確実に向上させることができる。

幾つかの実施形態では、
前記スクロール部は、前記周方向位置が０°から９０°に至るまでの前記Ａ／Ｒの変化率が、前記Ａ／Ｒが線形減少する場合の１．４倍以上になるように構成されている。
この構成によれば、Ａ／Ｒの変化率が、前記Ａ／Ｒが線形減少する場合の１．４倍以上であることにより、スクロール部の入口における流路面積を所定の値に保ちながら、Ａ／Ｒが線形減少する場合に比べて、スクロール部の体積をより一層縮小することができる。これにより、流量特性への影響を最小限に抑えながら、タービン効率をより一層向上させることができる。

幾つかの実施形態では、
前記スクロール部は、前記周方向位置が０°から９０°に至るまでの前記Ａ／Ｒの変化率が、前記Ａ／Ｒが線形減少する場合の３倍以下になるように構成されている。
周方向位置が０°から９０°に至るまでのＡ／Ｒの変化率が、線形減少する場合の３倍以下であれば、スクロール部により形成される流れの角度が局所的に過大になることが防止され、圧力損失の発生が抑制される。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、導入される流体に脈動があっても、良好なタービン効率を有するタービンが提供される。

本発明の幾つかの実施形態に係るターボチャージャを概略的に示す縦断面図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略的な断面図である。 スクロール部のＡ／Ｒを説明するための図である。 タービン動翼の軸線の周りでの周方向位置θを横軸にとり、Ａ／Ｒを縦軸にとったグラフであり、周方向位置θとＡ／Ｒの関係を、実施例と線形減少の場合について示すグラフである。 タービン動翼の軸線の周りでの周方向位置θを横軸にとり、周方向位置θの変化Δθに対するＡ／Ｒの変化Δ（Ａ／Ｒ）の比である変化率Δ（Ａ／Ｒ）／Δθを縦軸にとったグラフであり、周方向位置θと変化率Δ（Ａ／Ｒ）／Δθの関係を、実施例と線形減少の場合について示すグラフである。 横軸にサイクル平均タービン圧力比をとり、縦軸にサイクル平均タービン効率をとったグラフであり、排ガスの圧力変動が２０Ｈｚの場合におけるサイクル平均タービン圧力比とサイクル平均タービン効率の関係を、実施例と線形減少の場合について示すグラフである。 横軸にサイクル平均タービン圧力比をとり、縦軸にサイクル平均タービン効率をとったグラフであり、排ガスの圧力変動が６０Ｈｚの場合におけるサイクル平均タービン圧力比とサイクル平均タービン効率の関係を、実施例と線形減少の場合について示すグラフである。 横軸にタービンの圧力比をとり、縦軸にタービンの効率をとったグラフであり、タービンに導入される流体に脈動が無い場合における圧力比と効率の関係を、実施例と線形減少の場合について示すグラフである。 横軸にタービンの圧力比をとり、縦軸にタービンの流量をとったグラフであり、タービンに導入される流体に脈動が有る場合と無い場合のそれぞれにおける、圧力比と流量の関係を、実施例と線形減少の場合について示すグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状及びその相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、本発明の幾つかの実施形態に係るターボチャージャを概略的に示す縦断面図である。ターボチャージャは、例えば、車両や船舶等に適用される。
ターボチャージャは、タービン１０と、コンプレッサ１２とを有する。タービン１０は、タービンハウジング１４と、タービンハウジング１４に収容されたタービン動翼（羽根車）１６とを有し、コンプレッサ１２は、コンプレッサハウジング１８と、コンプレッサハウジング１８に収容されたインペラ２０とを有する。

タービン１０のタービン動翼１６とコンプレッサ１２のインペラ２０は、シャフト２２によって相互に連結されている。タービン１０のタービン動翼１６は、例えば、内燃機関から排出された排ガスによって回転させられ、これによりシャフト２２を介してコンプレッサ１２のインペラ２０が回転させられる。そして、コンプレッサ１２のインペラ２０の回転によって、内燃機関に供給される吸気が圧縮される。

例えば、タービンハウジング１４は、タービンケーシング２４と、タービンケーシング２４と結合された端壁２６とからなり、シャフト２２は端壁２６を貫通している。端壁２６は、タービンケーシング２４とベアリングハウジング２８との間に挟まれており、ベアリングハウジング２８は、軸受を介して、シャフト２２を回転自在に支持している。
また例えば、コンプレッサハウジング１８は、コンプレッサケーシング３０と、コンプレッサケーシング３０に結合された端壁３２とからなり、シャフト２２は端壁３２を貫通している。端壁３２は、ベアリングハウジング２８と一体に形成されている。

タービンハウジング１４は、タービン動翼１６を収容する筒部３４と、タービン動翼１６及び筒部３４の周方向に沿って延在するスクロール部（ボリュート部）３６と、筒部３４とスクロール部３６とを繋ぐ連通部３８とを有する。また、幾つかの実施形態では、タービンハウジング１４は、スクロール部３６に連なる流体の導入部４０を有する。流体の出口は、筒部３４によって形成されている。

図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略的な断面図である。
スクロール部３６の入口（開始端）は、図２に示したように、タービン動翼１６の周方向での位置（周方向位置θ）が０°の位置にある。なお、周方向位置θが０°の位置は、舌部４１の先端の位置として定義される。舌部４１は、タービンケーシング２４のスクロール部３６の外周壁４２と導入部４０の壁４４とが鋭角に交わる部分である。
そして、スクロール部３６の末端は、タービン動翼１６の周方向での位置（周方向位置θ）が３６０°の位置にある。
なお、周方向位置θの値は、スクロール部３６の入口から末端に向かって増加するものとし、スクロール部３６における流体の流れに沿う方向にて増加するものとする。

一方、スクロール部３６の内周縁は、タービン動翼１６の軸線（回転軸）を中心として、舌部４１に接する仮想的な円４８によって規定されている。スクロール部３６の外周縁は、スクロール部の外周壁４２によって規定されており、スクロール部３６の流路面積Ａは、円４８とスクロール部３６の外周壁４２との間に区画される空間の面積である。

図３は、スクロール部３６のＡ／Ｒを説明するための図である。Ａ／Ｒは、スクロール部３６の流路面積をＡとし、スクロール部３６の流路中心Ｃからタービン動翼１６の軸線５０までの距離をＲとしたときに、距離Ｒに対する流路面積Ａの比である。なお、図３では、スクロール部３６の流路に相当する領域にハッチングが付されている。

ここで、Ａ／Ｒは、タービン動翼１６の径方向での位置をｒとし、スクロール部３６の流路の断面の微小面積要素をｄＡとしたときに、次式（１）によって定義される。スクロール部３６の流路の流路面積Ａ及び断面形状がわかれば、式（１）に基づいて距離Ｒを決定することができる。ただし、簡易的には、距離Ｒは、軸線５０からスクロール部３６の流路の図心までの距離で代用できる。

図４は、タービン動翼１６の軸線の周りでの周方向位置θを横軸にとり、Ａ／Ｒを縦軸にとったグラフであり、周方向位置θとＡ／Ｒの関係を、実施例と線形減少の場合について示すグラフである。なお、スクロール部３６の入口での流路面積Ａは、実施例と線形減少の場合との間で同じであり、図４中のＡ／Ｒは、スクロール部３６の入口でのＡ／Ｒが１になるように規格化されている。

また図５は、タービン動翼１６の軸線の周りでの周方向位置θを横軸にとり、周方向位置θの変化Δθに対するＡ／Ｒの変化Δ（Ａ／Ｒ）の比（以下、変化率Δ（Ａ／Ｒ）／Δθともいう）を縦軸にとったグラフであり、周方向位置θと変化率Δ（Ａ／Ｒ）／Δθの関係を、実施例と線形減少の場合について示すグラフである。つまり、図５のカーブは、図４のＡ／Ｒのカーブを微分したものの絶対値を示している。

図６は、横軸にサイクル平均タービン圧力比をとり、縦軸にサイクル平均タービン効率をとったグラフであり、排ガスの圧力変動が２０Ｈｚの場合におけるサイクル平均タービン圧力比とサイクル平均タービン効率の関係を、実施例と線形減少の場合について示すグラフである。
なお、サイクル平均タービン圧力比とは、タービンに導入される流体（排ガス）の圧力変動の１サイクルの間におけるタービンの圧力比の平均値であり、サイクル平均タービン効率とは、排ガスの圧力変動の１サイクルの間におけるタービンの効率の平均値である。

図７は、図６と同様に、横軸にサイクル平均タービン圧力比をとり、縦軸にサイクル平均タービン効率をとったグラフであり、排ガスの圧力変動が６０Ｈｚの場合におけるサイクル平均タービン圧力比とサイクル平均タービン効率の関係を、実施例と線形減少の場合について示すグラフである。

図８は、横軸にタービンの圧力比をとり、縦軸にタービンの効率をとったグラフであり、タービンに導入される流体に脈動が無い場合における圧力比と効率の関係を、実施例と線形減少の場合について示すグラフである。
図９は、横軸にタービンの圧力比をとり、縦軸にタービンの流量をとったグラフであり、タービンに導入される流体に脈動が有る場合と無い場合のそれぞれにおける、圧力比と流量の関係を、実施例と線形減少の場合について示すグラフである。

図４に示したように、スクロール部３６は、タービン動翼１６の軸線５０の周りでの周方向位置θを横軸にとり、Ａ／Ｒを縦軸にとったグラフにおいて、Ａ／Ｒが少なくとも一部において凹型の分布を有するように構成されている。換言すれば、スクロール部３６は、入口側でのＡ／Ｒの変化率Δ（Ａ／Ｒ）／Δθが、末端側でのＡ／Ｒの変化率Δ（Ａ／Ｒ）／Δθよりも大である。なお変化率Δ（Ａ／Ｒ）／Δθが大であるとは、変化率Δ（Ａ／Ｒ）／Δθの絶対値が大であることを意味する。

この構成によれば、図４に示すようにＡ／Ｒが少なくとも一部において凹型の分布を有しており、スクロール部３６の流路面積Ａが、末端側よりも入口側で大きく変化している。このため、スクロール部３６の体積が、従来に比べて、入口側で大きく縮小されている。
このようにスクロール部３６の入口側で体積が縮小されたことにより、スクロール部３６の入口側で流体の脈動圧力の振幅が増大される。そして、入口側で脈動圧力が増大されたことで、スクロール部３６の入口側で流体がタービン動翼１６に向かって円滑に流れる。この結果、タービン効率が高くなり、タービン出力が向上する。

具体的には、図６に示したように、導入される流体に低周波数の脈動が有っても、サイクル平均圧力比が低い側では約４％、高い側では約２％、実施例の方が線形減少の場合よりもサイクル平均タービン効率が向上している。
また、図７に示したように、導入される流体に相対的に高周波数の脈動が有っても、サイクル平均圧力比が低い側及び高い側でそれぞれ約５％、実施例の方が線形減少の場合よりもサイクル平均タービン効率が向上している。

一方、図８に示したように、導入される流体に脈動が無い場合でも、圧力比が高い側で最大２％超、実施例の方が線形減少の場合よりもタービン効率が向上している。

なお、Ａ／Ｒが線形に減少する従来の場合、スクロール部の体積を絞るためにはスクロール部の入口の面積を縮小しなければならない。しかしながらスクロール部の入口の面積が縮小されると、流量特性が大きく変化してしまう。この点、上記構成によれば、スクロール部３６の入口側で体積が縮小されることにより、スクロール部３６の入口の面積変更を最小限に抑制しながらスクロール部３６の体積を縮小することができる。このため、上記構成によれば、流量特性への影響を最小限に抑えながら、タービン効率の向上を図ることが可能である。

具体的には、図９に示したように、導入される流体に脈動が無ければ、実施例と線形減少の場合で、流量特性に大きな相違はない。しかしながら、導入される流体に脈動が有ると、線形減少の場合、圧力比の変動に応じて流量が大きく変動し、大きなヒステリシスが観測される。これに対し、実施例の場合、圧力比の変動に対する流量の変動が抑制され、ヒステリシスが縮小されている。

幾つかの実施形態では、スクロール部３６の入口の位置を周方向位置θが０°である位置とし、スクロール部３６の入口から末端に向かって周方向位置θの値が増加するとしたときに、スクロール部３６は、周方向位置θが０°から９０°に至るまでのＡ／Ｒの変化率Δ（Ａ／Ｒ）／Δθが、Ａ／Ｒが線形減少する場合の１．２倍以上になるように構成されている。
なお、周方向位置θが０°から９０°に至るまでのＡ／Ｒの変化率Δ（Ａ／Ｒ）／Δθとは、周方向位置が０°でのＡ／Ｒ（（Ａ／Ｒ）_θ＝０）と周方向位置が９０°でのＡ／Ｒ（（Ａ／Ｒ）_θ＝９０）との差（（Ａ／Ｒ）_θ＝０−（Ａ／Ｒ）_θ＝９０）を、周方向位置θの差である９０°で除して得られる値である。

この構成によれば、例えば図４のＡ／Ｒ分布の場合、スクロール部３６の入口における流路面積Ａを所定の値に保ちながら、Ａ／Ｒが線形減少する場合に比べて、スクロール部３６の体積を５％以上縮小することができる。これにより、脈動があっても、流量特性への影響を最小限に抑えながら、タービン効率を確実に向上させることができる。

幾つかの実施形態では、スクロール部３６は、周方向位置θが０°から９０°に至るまでのＡ／Ｒの変化率Δ（Ａ／Ｒ）／Δθが、Ａ／Ｒが線形減少する場合の１．４倍以上になるように構成されている。
この構成によれば、例えば図４のＡ／Ｒ分布の場合、スクロール部３６の入口における流路面積Ａを所定の値に保ちながら、Ａ／Ｒが線形減少する場合に比べて、スクロール部３６の体積を１０％以上縮小することができる。これにより、流量特性への影響を最小限に抑えながら、タービン効率をより一層向上させることができる。

幾つかの実施形態では、スクロール部３６は、周方向位置θが０°から９０°に至るまでのＡ／Ｒの変化率Δ（Ａ／Ｒ）／Δθが、Ａ／Ｒが線形減少する場合の３倍以下になるように構成されている。
周方向位置θが０°から９０°に至るまでのＡ／Ｒの変化率Δ（Ａ／Ｒ）／Δθが、線形減少する場合の３倍以下であれば、スクロール部３６により形成される流れの角度が局所的に過大になることが防止され、圧力損失の発生が抑制される。

幾つかの実施形態では、スクロール部３６の入口の位置を周方向位置θが０°である位置とし、スクロール部３６の入口から末端に向かって周方向位置θの値が増加するとしたときに、スクロール部３６のＡ／Ｒの変化率Δ（Ａ／Ｒ）／Δθは、周方向位置θが少なくとも０°以上９０°以下である範囲において、Ａ／Ｒが線形減少する場合に比べて大きくなるように構成されている。

幾つかの実施形態では、スクロール部３６は、周方向位置θが０°以上６０°以下である範囲において、Ａ／Ｒの変化率Δ（Ａ／Ｒ）／Δθが、Ａ／Ｒが線形減少する場合に比べて大きくなるように構成されている。換言すれば、スクロール部３６は、図４に示したように、周方向位置θが０°以上６０°以下である範囲において、Ａ／Ｒの傾きが、Ａ／Ｒが線形減少する場合に比べて大きくなるように構成されている。

幾つかの実施形態では、スクロール部３６は、周方向位置θが３０°である位置において、Ａ／Ｒの変化率Δ（Ａ／Ｒ）／Δθが、Ａ／Ｒが線形減少する場合の１．３倍以上になるように構成されている。換言すれば、スクロール部３６は、周方向位置θが３０°である位置において、Ａ／Ｒの傾きが、Ａ／Ｒが線形減少する場合の１．３倍以上になるように構成されている

本発明は、上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変更を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせ形態も含む。

１０ タービン
１２ コンプレッサ
１４ タービンハウジング
１６ タービン動翼
１８ コンプレッサハウジング
２０ インペラ
２２ シャフト
２４ タービンケーシング
２６ 端壁
２８ ベアリングハウジング
３０ コンプレッサケーシング
３２ 端壁
３４ 筒部
３６ スクロール部
３８ 連通部
４０ 導入部
４１ 舌部
４２ 外周壁
４４ 壁
４８ 円
５０ 軸線

Claims (4)

1. タービン動翼と、
   前記タービン動翼の周方向に沿って延在するスクロール部を有するタービンハウジングとを備え、
   前記スクロール部は、前記タービン動翼の軸線を中心として舌部に接する仮想的な円によって規定された内周縁及び外周壁によって規定された外周縁を有し、前記スクロール部の流路面積であって前記円と前記外周壁との間に規定される空間における面積をＡとし、前記スクロール部の流路中心から前記タービン動翼の軸線までの距離をＲとし、前記タービン動翼の軸線の周りでの周方向位置を横軸にとり、距離Ｒに対する流路面積Ａの比であるＡ／Ｒを縦軸にとったグラフにおいて、前記Ａ／Ｒが少なくとも一部において凹型の分布を有するように構成されている
   ことを特徴とするタービン。
2. 前記スクロール部の入口の位置を前記周方向位置が０°である位置とし、前記スクロール部の入口から末端に向かって前記周方向位置の値が増加するとしたときに、
   前記スクロール部は、前記周方向位置が０°から９０°に至るまでの前記Ａ／Ｒの変化率が、前記Ａ／Ｒが線形減少する場合の１．２倍以上になるように構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のタービン。
3. 前記スクロール部は、前記周方向位置が０°から９０°に至るまでの前記Ａ／Ｒの変化率が、前記Ａ／Ｒが線形減少する場合の１．４倍以上になるように構成されている
   ことを特徴とする請求項２に記載のタービン。
4. 前記スクロール部は、前記周方向位置が０°から９０°に至るまでの前記Ａ／Ｒの変化率が、前記Ａ／Ｒが線形減少する場合の３倍以下になるように構成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のタービン。

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