JP6222613B2 - 開閉弁装置、及び回転機械 - Google Patents

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Description

本発明は回転機械に設けられ、作動流体の流量を調整する開閉弁装置、及びこれを備えた回転機械に関する。
例えば、流体の運動エネルギーを機械的なエネルギーとして取り出すことのできる回転機械が知られている。
回転機械としては、ターボチャージャ、エキスパンダ、及びガスタービン等が知られており、これらにはラジアルタービンや斜流タービン等が設けられている。
ターボチャージャには、エンジンの出力変化に合わせて作動流体となる排気ガスの流量を調整する機能を有する可変容量タービンが一般に用いられている。
また、エキスパンダが排気エネルギーを電気エネルギーに変換する設備に用いられる場合には、発電周波数を一定に保つために回転数を一定に保ちつつ、出力を変化させる必要がある。このような状況に対応するため、エキスパンダは上述の可変容量の機能を有している。
さらに、ジェットエンジン等に使用されるガスタービンは、航空機の加減速等のため、やはり可変容量の機能を有している。
ところで、ターボチャージャの可変容量機能を実現するため、現在、様々な技術が知られており、例えば、ノズルの取付角を調整することでスロート面積を可変にするものや（例えば特許文献１）、流量調整弁やバイパス弁を用いるもの等が挙げられる。
ここで、従来の技術におけるノズルを用いた可変容量機能を有するタービンを図１１に示す。このタービン１００では、可変容量機能を発揮する構成として、スクロール流路Ｃ０の分割壁１０２の上流端部に設けられて、この上流端を支点として回動することでタービン動翼１０３に流入する作動流体Ｆ０の流量を調整する開閉弁１０１を有している。
特開２０１２−１０２７４５号公報
しかしながら、上述した従来例である図１１に示す構成では、開閉弁１０１の作動流体Ｆ０の流れ方向に対する角度が大きくなると、ディフーザ効果によって下流側で作動流体Ｆ０が剥離して逆流が発生し（図１０の破線Ｙに示す速度分布を参照）、圧力損失が増大してタービン１００の運転効率低下を招く可能性がある。
特にターボチャージャや小型のガスタービンでは、開閉弁は１０００℃レベルの高温ガスに晒された状態となるため、開閉弁の駆動機構における熱応力、熱変形、摩耗等の発生を回避する必要がある。このため、駆動機構を保護するような機構を設けたり、開閉弁とハウジングとのクリアランスを確保したりする必要がある。そしてこのような保護機構や、クリアランスからの漏れ流れによっても運転効率が低下してしまう可能性がある。
本発明は、簡易な構造で、運転効率を向上することが可能な開閉弁装置、及びこの開閉弁装置を備える回転機械を提供する。
本発明の第一の態様の開閉弁装置は、タービン動翼を覆うハウジングの流入口からスクロール部に至り、単一で構成され、又は複数に分割されて構成されるとともに、第一壁面及び、該第一壁面に対向する第二壁面をその一部として内面が形成されて前記タービン動翼に流体を供給する吸込流路内に配置され、流体の流れの上流から下流に向かって延び、前記第一壁面及び前記第二壁面に対して近接離間する方向に回動可能に前記ハウジングに設けられ、前記上流側の端部で前記第一壁面との間に上流側絞り流路を形成し、かつ、前記下流側の端部で前記第二壁面との間に下流側絞り流路を形成する弁本体を備え、前記弁本体では、前記上流側の端部は、前記第一壁面に対向した端部であり、該上流側の端部は、前記上流側から下流側向かって該第一壁面に漸次近接した後に漸次離間する第一面で形成されており、前記下流側の端部には、前記第二壁面に対向する第二面を有している。
このような開閉弁装置によれば、弁本体を回動させることにより、ハウジングの第一壁面との間の隙間、即ち、上流側絞り流路の流路幅を調整することができ、タービン動翼に流入する流体の流量を変化させることができる。
そして、上流側絞り流路では、弁本体の第一面の形状に応じて、徐々に流路幅が小さくなり、その後、徐々に流路幅が大きくなる。このため、上流側絞り流路を通過する流体は、第一面から剥離することを抑制されながら、ディフューザ効果によって圧力回復される。
さらに、下流側絞り流路を流体が通過すると流体は加速されるため、下流側絞り流路周辺の静圧が低下する。このため、第一壁面と弁本体との間の流路を流通する流体は、下流側絞り流路によって形成された静圧低下領域に向かって加速される。従って、第一面からの流体の剥離を抑制することができる。即ち、弁本体の下流側で流体の速度分布が均一化の方向に向かい、圧力損失を抑えることが可能となり全圧低下を抑制することができる。
また、本発明の第二の態様に係る開閉弁装置では、上記第一の態様における前記弁本体には、前記第二面に開口する上流側開口と、該上流側開口よりも前記下流側で前記第一面に開口する下流側開口と、これら上流側開口と下流側開口とを接続するとともに前記第一面と前記第二面との間を貫通する貫通孔部とが形成されていてもよい。
このように弁本体に貫通孔部が形成されていることで、貫通孔部に上流側開口から流体が流入し、下流側開口から流出する。この結果、下流側開口の出口周辺で流体の流速が増大して静圧が低下するため、第一面を沿って流れる流体を下流側に向かって、加速させることができる。よって、弁本体の下流側で流体の速度分布が均一化の方向に向かい、圧力損失を抑えることが可能となり全圧低下をさらに抑制することができる。
また、本発明の第三の態様に係る開閉弁装置では、上記第一又は第二の態様における前記弁本体は、前記第一面として前記下流側に向かって該第一壁面に漸次近接する凸面、該凸面の下流側に連続して前記第二面に向かって凹状に湾曲する第一凹面、及び、該第一凹面の下流側に連続し、該第一凹面よりも大きな曲率半径で前記第二面に向かって凹状に湾曲する第二凹面と、前記第二面として前記第一面から離間する側に向かって凸状に湾曲する凸面と、を有していてもよい。
このように、上流側絞り流路を通過した流体は凸面に沿って流通した後に、第一凹面と第二凹面とに沿って下流側へ流通することになる。この際、まず第一凹面によって第一壁面との間の流路幅の増加率を大きくとりつつ流体を流通させることができる。その後、第二凹面によって流路幅の増加率を小さく抑えながら流体を流通させることができる。即ち、より流速が速く、境界層が発達し易い下流側に曲率半径がより大きな第二凹面を設けることで、第一面からの流体の剥離をより効果的に抑制することができる。
さらに、第二壁面側に第二面としての凸面が設けられていることで、上流側で第二壁面との間の流路幅の減少率が急激に大きくなった後に、次第に流路幅の減少率が小さくなる。即ち、下流側絞り流路に向かって第二面に沿って流通する流体は加速され、下流側絞り流路周辺の静圧が低下する。このため、第一壁面と弁本体との間の流路を流通する流体は、下流側絞り流路によって形成された静圧低下領域に向かって加速され、第一面からの流体の剥離を抑制することができる。
よって、圧力損失を抑えることが可能となり全圧低下を抑制することができる。
また、本発明の第四の態様に係る開閉弁装置は、上記第一から第三のいずれかの態様における前記弁本体を回動させる回動部を、前記ハウジングと別体として備えていてもよい。
このように回動部を別体で備えることで、ハウジングの製造とは異なる工程で、回動部を別途加工することができ、加工精度を向上させることができる。このため、第一壁面及び第二壁面と弁本体とのクリアランスを可能な限り小さくできるような正確な加工が可能であり、クリアランスからの漏れ流れによる運転効率低下を抑制することができる。
また、回動部と弁本体との取り付け部分の加工精度を向上することが容易となり、取り付け部分の剛性を向上でき、取り付け部分の耐久性を向上でき、開閉弁装置の信頼性の向上につながる。
また、本発明の第五の態様に係る開閉弁装置は、上記第一から第四のいずれかの態様における前記弁本体を、上流側から下流側に向かって列をなすように複数備え、各々の前記弁本体を個別に回動させる回動部を備えていてもよい。
このように、弁本体が複数設けられて各々を回動させることで、最も上流側に位置する弁本体と第一壁面との間で上流側絞り流路を形成し、最も下流側に位置する弁本体と第二壁面との間で下流側絞り流路を形成することができる。さらに、これら弁本体を各々に回動させることで、上流側絞り流路及び下流側絞り流路の流路幅を任意に変化させることができる。また、これら弁本体を各々に回動させることで、弁本体同士の間で、上流から下流に向けて流体を流通させることが可能である。即ち、弁本体同士の間を流体が流通し、弁本体の第一面側に流出する。この結果、この流体の流出する位置で静圧が低下する。よって、第一面を沿って流れる流体を、下流側に向かって加速させることができる。従って、弁本体の下流側で流体の速度分布が均一化の方向に向かい、圧力損失を抑えることが可能となり全圧低下を抑制することができる。
また、各々の弁本体の回動角を選択することで、列をなす複数の弁本体全体として、第二壁面へ向かって凸状をなす形状としたり、第一壁面に向かって凸状をなす形状としたり、任意の形状の弁本体を選択することができる。よって、流体の流れ場の状況に応じて、各々の弁本体を回動させることで、剥離等の抑制を効果的に行うことができる。
また、本発明の第六の態様に係る回転機械は、軸線を中心として回転する回転軸と、回転軸とともに回転するタービン動翼と、前記回転軸及び前記タービン動翼を覆うとともに、該タービン動翼に流体を供給する吸込流路が形成されたハウジングと、前記吸込流路内で、前記ハウジングに設けられた上記第一から第五のいずれかの態様に記載の開閉弁装置と、を備えている。
このような回転機械によれば、開閉弁装置を備えていることで、上流側絞り流路では、弁本体の第一面の形状に応じて、徐々に流路幅が小さくなり、その後、徐々に流路幅が大きくなる。このため、上流側絞り流路を通過する流体は、第一面から剥離することを抑制されながら、ディフューザ効果によって圧力回復される。さらに、下流側絞り流路を流体が通過すると流体は加速されるため、下流側絞り流路周辺の静圧が低下する。このため、第一壁面と弁本体との間の流路を流通する流体は、下流側絞り流路によって形成された静圧低下領域に向かって加速される。従って、第一面からの流体の剥離を抑制することができ、即ち、弁本体の下流側で流体の速度分布が均一化の方向に向かう。この結果、圧力損失を抑えることが可能となり全圧低下を抑制することができる。
また、本発明の第七の態様に係る回転機械では、上記第六の態様における前記ハウジングでは、前記第二壁面が、前記スクロール部を前記流体の流通方向に交差する方向に二分割する分割壁面として形成されていてもよい。
このようにスクロール部が二分割された回転機械であっても、弁本体の下流側で流体の速度分布が均一化の方向に向かい、圧力損失を抑えることが可能となり、全圧低下を抑制することができる。
上記の開閉弁装置、及び回転機械によれば、上流側絞り流路及び下流側絞り流路を形成するとともに、第一面を有する弁本体を設けることによって、簡易な構造で、運転効率を向上することが可能である。
本発明の第一実施形態に係るターボチャージャの全体を示す縦断面図である。 本発明の第一実施形態に係るターボチャージャの要部を示す縦断面図である。 本発明の第一実施形態に係るターボチャージャの要部を示す縦断面図であって、全開時の開閉弁装置を示す。 本発明の第一実施形態に係るターボチャージャの要部を示す縦断面図であって、中間開度の開閉弁装置を示す。 本発明の第一実施形態に係るターボチャージャの要部を示す縦断面図であって、全閉時の開閉弁装置を示す。 本発明の第二実施形態に係るターボチャージャの要部を示す縦断面図である。 本発明の第三実施形態に係るターボチャージャの要部を示す縦断面図である。 本発明の第四実施形態に係るターボチャージャの要部を示す縦断面図である。 本発明の第五実施形態に係るターボチャージャの要部を示す縦断面図であって、回転軸の周方向から見た図を示す。 本発明の第五実施形態に係るターボチャージャの要部を示す縦断面図であって、図７ＡのＸ−Ｘ断面図を示す。 本発明の第六実施形態に係るターボチャージャの要部を示す縦断面図である。 本発明の各実施形態の第一変形例に係るターボチャージャの要部を示す縦断面図である。 本発明の各実施形態の第二変形例に係るターボチャージャの要部を示す縦断面図である。 従来のターボチャージャの要部を示す縦断面図である。
〔第一実施形態〕
以下、本発明の第一実施形態に係るターボチャージャ１について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、ターボチャージャ１（回転機械）は、軸線Ｏ１を中心として回転する回転軸５と、回転軸５とともに回転するタービン２及び圧縮機３と、回転軸５を覆うハウジング４と、ハウジング４に設けられて回転軸５を支持する軸受装置７とを備えている。
軸受装置７は、回転軸５のラジアル方向の荷重を受けるラジアル軸受７ａと、スラスト方向の荷重を受けるスラスト軸受７ｂとを有している。
このターボチャージャ１は、図示しないエンジンからの排気ガスＧ（流体）によりタービン２が回転し、当該回転に伴って圧縮機３が圧縮した空気ＡＲをエンジンに供給する。
図２に示すように、タービン２は、タービン回転軸５ａと、タービン回転軸５ａに取り付けられたタービン動翼６と、タービン動翼６を覆うタービンハウジング４ａと、タービンハウジング４ａに設けられた開閉弁装置８とを備えている。
タービン回転軸５ａは、上記回転軸５におけるタービン２側の部分である。タービン回転軸５ａは、圧縮機３側の圧縮機回転軸５ｂと一体となって、回転軸５を構成している。
タービンハウジング４ａは、圧縮機３を覆う圧縮機ハウジング４ｂと一体となってハウジング４を構成している。
また、このタービンハウジング４ａには、排気ガスＧをタービン動翼６に取り込むスクロール流路Ｃ（吸込流路）が形成されている。
スクロール流路Ｃは、タービンハウジング４ａに設けられて軸線Ｏ１の径方向外側に向かって延びて開口する入口部１４（流入口）と、入口部１４に連続してタービンハウジング４ａに設けられ、周方向に渦巻き状にタービン動翼６に向かって延びるスクロール部１５との内部に形成されている。
入口部１４には、スクロール流路Ｃの内面を形成する壁面１７（第一壁面）と、この壁面１７に軸線Ｏ１の方向に対向するように配されてタービン動翼６への入口から径方向外側に向かって延びる分割壁面１８（第二壁面）とが形成されている。これにより、スクロール流路Ｃは軸線Ｏ１の方向に二つに分割されている。即ち、本実施形態のターボチャージャ１は、いわゆるツインスクロールターボとなっている。
以下、分割壁面１８を挟んでスクロール流路Ｃにおけるタービン動翼６側の部分を第一流路Ｃ１とし、圧縮機３側の部分を第二流路Ｃ２とする。
開閉弁装置８は、壁面１７と分割壁面１８との間にわたってタービンハウジング４ａに設けられた弁本体１０と、弁本体１０をタービンハウジング４ａに取り付ける回動部１１とを備えている。
弁本体１０は、排気ガスＧの流れの上流側から下流側に向かって、即ち、回転軸５の径方向に沿って延びる部材である。この弁本体１０は、タービンハウジング４ａの壁面１７側を向く第一面２１と、分割壁面１８側を向く第二面２２とを有しており、回転軸５の周方向から見た形状が翼形状をなしている。
弁本体１０は、上流側の端部（径方向外側の端部（前縁部１０ａ））で壁面１７との間に上流側絞り流路Ｆ１を形成し、下流側の端部（径方向内側（後縁部１０ｂ））で分割壁面１８との間に下流側絞り流路Ｆ２を形成するように設けられている。上流側絞り流路Ｆ１及び下流側絞り流路Ｆ２は、排気ガスＧの流路幅が小さくなる絞り部である。
また、弁本体１０の下流側の端部は、分割壁面１８の先端部１８ａが、回転軸５の径方向に重なる位置まで延びている。換言すると、弁本体１０の下流側の端部と回転軸５の軸線Ｏ１との距離は、先端部１８ａと回転軸５の軸線Ｏ１との距離に比べ小さくなっている。
弁本体１０における第一面２１は、上流側の端部の位置となる前縁部１０ａに、後縁部１０ｂ側に向かって滑らかに湾曲して壁面１７に漸次近接した後に、下流側に向かって壁面１７から漸次離間するように直線状に形成されている。即ち、第一面２１は、軸線Ｏ１の方向に壁面１７側に向かって凸形状をなしている。
弁本体１０における第二面２２は、第一面２１と同様な形状をなしている。即ち、第二面２２は、分割壁面１７側に向かって凸形状をなしており、後縁部１０ｂ側に直線状に延びて形成されている。
即ち、第一面２１と第二面２２とが後縁部１０ｂ側に向かって互いに離間した後、近接する。よって、弁本体１０は、前縁部１０ａから後縁部１０ｂ側に向かって徐々に軸線Ｏ１方向に沿う方向の厚みが増大した後に徐々に厚みが減少し、前縁部１０ａに比べて後縁部１０ｂでは、厚みが小さくなって先細り形状をなしている。
回動部１１は、入口部１４でタービンハウジング４ａに設けられて弁本体１０を取り付けている。回動部１１は、図２に示すように、壁面１７及び分割壁面１８に近接離間する方向、即ち、回転軸５の周方向に沿って延びる軸線Ｏ２を中心として弁本体１０を回動可能としている。この回動部１１は不図示の制御部によって、弁本体１０を所定の角度、回動させる。
さらに、この回動部１１は、弁本体１０の回動中心となる軸線Ｏ２が弁本体１０の外部に位置している。即ち、弁本体１０の回動中心は、回転軸５の軸線Ｏ１の方向に圧縮機３側に、弁本体１０から離間して配置されている。
次に、図３Ａから図３Ｃを参照して、弁本体１０の動作について説明する。
具体的には、図３Ａに示すように、全開時は、弁本体１０の前縁部１０ａが壁面１７から離間し、第一面２１が壁面１７に沿うように配置される。また後縁部１０ｂが分割壁面１８から離間し、第二面２２が分割壁面１８に沿うように配置される。
本実施形態では、第一面２１が壁面１７に略平行になった状態が全開時となり、第一流路Ｃ１を通じてタービン動翼６に流入する排気ガスＧの流量が最大となる。
さらに、図３Ｂに示すように、中間開度の場合には、全開時から開度θ（弁本体１０の後縁部１０ｂにおける壁面１７から分割壁面１８に向かう方向の傾き角）となって、弁本体１０の前縁部１０ａが壁面１７に近接し、後縁部１０ｂが分割壁面１８に近接する。この際、弁本体１０の前縁部１０ａと壁面１７との間には隙間が形成され、この隙間が上流側絞り流路Ｆ１となる。また、後縁部１０ｂと分割壁面１８との間にも隙間が形成され、この隙間が下流側絞り流路Ｆ２となる。
そして、図３Ｃに示すように、全閉時には弁本体１０の前縁部１０ａが壁面１７に接触するとともに、後縁部１０ｂが分割壁面１８の先端部に接触し、第一流路Ｃ１を閉塞する。
ここで、実際には全閉時は、弁本体１０が完全に壁面１７及び分割壁面１８に接触する状態のみを示すのではなく、弁本体１０と壁面１７及び分割壁面１８との間に微小な隙間が形成されている場合も含んでいる。
ところで、開度θを大きくすることによって、弁本体１０の翼弦長（前縁部１０ａから後縁部１０ｂまでの長さ寸法）を小さくすることが可能である。この場合、弁本体１０が高温の排気ガスＧに晒される表面積が低減される。従って、開度θが１０度よりも大きくなることが好ましい。またこの開度θは、１５度から４５度の範囲に設定することがさらに好ましい。
このようなターボチャージャ１によると、弁本体１０を回動部１１によって回動させることにより、上流側絞り流路Ｆ１の流路幅を調整することができ、第一流路Ｃ１を通じてタービン動翼６に流入する排気ガスＧの流量を変化させることができる。
そして、中間開度の場合には、上流側絞り流路Ｆ１の形状は弁本体１０の第一面２１の形状に応じて、徐々に流路幅が小さくなり、その後、徐々に流路幅が大きくなる。このため、上流側絞り流路Ｆ１を通過する排気ガスＧは、第一面２１から剥離してしまうことを抑制されながら、ディフューザ効果によって圧力回復される。
さらに、下流側絞り流路Ｆ２を排気ガスＧが通過すると、排気ガスＧは加速されるため、下流側絞り流路Ｆ２周辺の静圧が低下する。このため、弁本体１０における第一面２１と壁面１７との間を流通する排気ガスＧは、下流側絞り流路Ｆ２によって形成された上記の静圧低下領域Ｓ１（図２参照）に向かって加速される。
従って、第一面２１からの排気ガスＧの剥離を抑制することができる。即ち、図２の破線Ａに示すように、弁本体１０の下流側で流体の速度分布が均一化の方向に向かい、圧力損失を抑えることが可能となり第一流路Ｃ１での全圧低下を抑制することができる。
本実施形態のターボチャージャ１によると、上流側絞り流路Ｆ１及び下流側絞り流路Ｆ２を形成するとともに、翼形状をなす弁本体１０を設けることによって、簡易な構造で、運転効率を向上することが可能である。
ここで、本実施形態では弁本体１０は、断面翼形状をなしているが、これに代えて、例えば断面楕円形状や、前縁部、後縁部を頂点とする断面ひし形状をなしていてもよい。即ち、前縁部から後縁部側に向かって第一面が漸次近接した後に漸次離間するように形成されていればよい。このため、第二面は必ずしも分割壁面１８側に向かって凸形状をなしていなくともよく、例えば、周方向から見て直線状をなしていてもよい。
〔第二実施形態〕
次に、図４を参照して、本発明の第二実施形態に係るターボチャージャ３１について説明する。
なお、第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、開閉弁装置３０の弁本体３２が第一実施形態とは異なっている。
弁本体３２は、第一実施形態と同様に断面翼形状をなしている。さらに、弁本体３２には、第二面３４に開口する上流側開口３６と、第一面３３に開口する下流側開口３７と、上流側開口３６と下流側開口３７とを接続して弁本体３２を貫通する貫通孔部３８とが形成されている。
上流側開口３６は、弁本体３２の回動中心となる軸線Ｏ２を回転軸５の径方向内外の両側から挟むようにして拡がり、第二面３４に開口している。
下流側開口３７は、軸線Ｏ２よりも回転軸５の径方向内側の位置で、第一面３３に開口している。下流側開口３７の開口面積は上流側開口３６の開口面積よりも小さくなっている。
即ち、弁本体３２の前縁部３２ａと後縁部３２ｂとを結ぶ直線に対して、上流側開口３６は下流側開口３７に比べて前縁部３２ａに近接して第二面３４に開口し、下流側開口３７は後縁部３２ｂに近接して第一面３３に開口している。
貫通孔部３８は、上流側開口３６から徐々に孔径が小さくなる。また、貫通孔部３８の内面のうち、弁本体３２の後縁部３２ｂ側に位置する内面３８ａが、前縁部３２ａ側に凸となるように円弧状に滑らかに湾曲して下流側開口３７に接続されている。換言すると、貫通孔部３８は、上流側開口３６側では弁本体３２の外方に向かって拡径するベルマウス状に形成されている。
弁本体３２に貫通孔部３８が形成されていることで、貫通孔部３８に上流側開口３６から排気ガスＧが流入して下流側開口３７から流出する。この際、下流側開口３７の出口周辺で排気ガスＧの流速が増大して静圧が低下するため、第一面３３を沿って流れる排気ガスＧを下流側に向かって、加速させることができる。
この結果、図４の破線Ｂに示すように、弁本体３２の下流側で排気ガスＧの速度分布が均一化の方向に向かい、圧力損失を抑えることが可能となり全圧低下をさらに抑制することができる。よって、本実施形態のターボチャージャ３１では運転効率をさらに向上することが可能である。
ここで、貫通孔部３８は、弁本体３２の回動中心となる軸線Ｏ２の方向に離間して複数形成されていてもよいし、一つのみが形成されていてもよい。同様に、弁本体３２の延在方向（前縁部３２ａから後縁部３２ｂに向かう方向）に複数形成されていてもよい。
また、貫通孔部３８の形状は必ずしも本実施形態の場合に限定されず、上流側開口３６側がベルマウス状になっていなくともよい。例えば、上流側開口３６から下流側開口３７まで、断面積が一律となった単純な孔部であってもよい。さらに孔部は断面円形状でもよいし、断面矩形状であってもよい。
〔第三実施形態〕
次に、図５を参照して、本発明の第三実施形態に係るターボチャージャ４１について説明する。
なお、第一実施形態及び第二実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、開閉弁装置４０の弁本体４２が第一実施形態及び第二実施形態とは異なっている。
弁本体４２は、第一面４３として、前縁部４２ａから後縁部４２ｂに連続する凸面４３ａ、第一凹面４３ｂ、及び第二凹面４３ｃを有している。また第二面４４として凸面４４ａを有している。
第一面４３の凸面４３ａは、弁本体４２の前縁部４２ａに形成されており、後縁部４２ｂ側に向かって湾曲しつつ壁面１７に漸次近接する。
第一凹面４３ｂは、凸面４３ａに対して後縁部４２ｂ側に滑らかに連続し、第二面４４に向かって曲率半径Ｒ１で凹状に湾曲している。
第二凹面４３ｃは、第一凹面４３ｂに対して後縁部４２ｂ側に滑らかに連続し、第一凹面４３ｂよりも大きな曲率半径Ｒ２で第二面４４に向かって湾曲している。
第二面４４の凸面４４ａは、前縁部４２ａから後縁部４２ｂ側に向かって延びるとともに、第一面４３から離間する側に向かって凸状に湾曲している。
本実施形態のターボチャージャ４１によると、上流側絞り流路Ｆ１を通過した排気ガスＧは、凸面４３ａに沿って流通した後に第一凹面４３ｂと第二凹面４３ｃとに沿って下流側へ流通することになる。この際、まず、より小さな曲率半径Ｒ１の第一凹面４３ｂによって、壁面１７との間の流路幅の増加率を大きくとりつつ排気ガスＧを流通させることができる。
その後、第二凹面４３ｃによって流路幅の増加率を小さく抑えながら排気ガスＧを流通させることができる。即ち、境界層が発達し易い下流側により大きな、曲率半径Ｒ２の第二凹面４３ｃを設けることで、第一面４３からの排気ガスＧの剥離をより効果的に抑制することができる。
さらに、第二面４４が凸面４４ａとなっていることで、弁本体４２が全閉の場合に近づくと、下流側絞り流路Ｆ２における上流側で分割壁面１８との間の流路幅の減少率が急激に大きくなった後に、次第に流路幅の減少率が小さくなっていく（図５のＤ部参照）。即ち、下流側絞り流路Ｆ２は、下流側に向かって流路面積が拡大するベルマウス形状となっている。
この結果、第二面４４の凸面４４ａに沿って流通する排気ガスＧは、下流側絞り流路Ｆ２で下流側に向かって加速され、下流側絞り流路Ｆ２周辺の静圧が低下する。このため、壁面１７と弁本体４２との間を流通する排気ガスＧは、下流側絞り流路Ｆ２によって形成された静圧低下領域Ｓ２に向かって加速され、第一面４３からの排気ガスＧの剥離を抑制することができる。よって、第一流路Ｃ１での圧力損失を抑えることが可能となり、全圧低下を抑制することができる。
さらに、弁本体４２の第二面４４が凸面４４ａとなって、分割壁面１８との間の下流側絞り流路Ｆ２がベルマウス状に形成されている。このため、排気ガスＧが流通すると排気ガスＧが加速された後に加速度が減少する。従って、排気ガスＧの急激な加速によって排気ガスＧの流れが乱れ、スクロール流路Ｃにおける第二流路Ｃ２に流入する排気ガスＧの流れを乱して損失が生じてしまうことを抑制することができる。
〔第四実施形態〕
次に、図６を参照して、本発明の第四実施形態に係るターボチャージャ５１について説明する。
なお、第一実施形態から第三実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、開閉弁装置５０の弁本体５２が第一実施形態から第三実施形態とは異なっている。
弁本体５２は、第三実施形態の弁本体４２と同様に、第一面５３として凸面５３ａ、第一凹面５３ｂ、及び第二凹面５３ｃを有し、第二面５４として、凸面５４ａを有している。さらに、弁本体５２には、第二実施形態と同様に、上流側開口３６、下流側開口３７、及び貫通孔部３８が形成されていている。
本実施形態では、下流側開口３７は、第一面５３における第一凹面５３ｂと第二凹面５３ｃとの境界位置近傍に形成されている。
本実施形態のターボチャージャ５１によると、第二実施形態と同様に弁本体５２の下流側で排気ガスＧの速度分布が均一化の方向に向かい、圧力損失を抑えることが可能となり全圧低下をさらに抑制することができる。よって、ターボチャージャ５１の運転効率をさらに向上することが可能である。
また、第一面５３が第一凹面５３ｂと第二凹面５３ｃとによって湾曲して形成されているため、第一面５３が直線的に形成されている場合に比べ、より第一面５３に沿って排気ガスＧを加速することができる。
即ち、下流側開口３７よりも上流側（前縁部５２ａ側）での第一面５３の接線の傾きと、下流側開口３７よりも下流側（後縁部５２ｂ側）での第一面５３の接線の傾きとの角度差αが存在する。このため、下流側開口３７から流出した排気ガスＧを第二凹面５３ｃに押し付けるようにして流通させ、第一面５３での境界層流れの剥離を抑制することができる。
〔第五実施形態〕
次に、図７Ａ及び図７Ｂを参照して、本発明の第五実施形態に係るターボチャージャ６１について説明する。
なお、第一実施形態から第四実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、ターボチャージャ６１は第一実施形態と同様の構成を備えているが、弁本体６２を回動させる開閉弁装置６０の回動部６３が第一実施形態から第四実施形態とは異なっている。弁本体６２は第一実施形態の弁本体１０と同様の形状をなしている。
回動部６３は、弁本体６２の回動中心となる軸線Ｏ２の方向の一方側（本実施形態では、図７Ａの紙面奥側）で、タービンハウジング４ａの入口部１４に開口する開口孔６５から、スクロール流路Ｃ内に挿入されて設けられている。即ち、回動部６３は、タービンハウジング４ａとは別体で製造され、タービンハウジング４ａに取り付けられている。
より具体的には、図７Ｂに示すように、回動部６３は、開口孔６５にタービンハウジング４ａの外側から接触するフランジ部６３ａを有し、かつ、フランジ部６３ａがタービンハウジング４ａに接触した状態で、スクロール流路Ｃの内面と面一となる回動部本体６３ｂを有している。
また回動部６３は、軸線Ｏ２を中心とした円柱状に形成されて回動部本体６３ｂを軸線Ｏ２方向に貫通する軸部材６３ｃと、弁本体６２と軸部材６３ｃとの間に介在された円盤状をなす取付板６３ｄとを有している。
取付板６３ｄは回動部本体６３ｂに埋め込まれるようにして設けられ、スクロール流路Ｃ側の表面は、回動部本体６３ｂの表面とともに、スクロール流路Ｃの内面と面一になっている。
また、第一実施形態から第四実施形態と同様に、弁本体６２の回動中心が、弁本体６２の外部に位置するように取付板６３ｄに弁本体６２が取り付けられている。
本実施形態のターボチャージャ６１によると、回動部６３を別体で備えることで、タービンハウジング４ａの製造とは異なる工程で、回動部６３を別途加工することができる。このため、タービンハウジング４ａに回動部６３を直接形成する場合に比べて加工が容易となり、加工精度を向上させることができる。
このため、弁本体６２と壁面１７、及び弁本体６２と分割壁面１８とのクリアランスを、可能な限り小さくできるような正確な加工が可能となる。よって、クリアランスからの漏れ流れによる運転効率低下を抑制することができる。
また、取付板６３ｄの加工精度を向上することが容易となり、取付板６３ｄの剛性を向上することが可能となり、取付板６３ｄと弁本体６２との取り付け部分の耐久性を向上することができ、信頼性の向上につながる。
ここで、本実施形態での回動部６３を、第一実施形態から第四実施形態の回動部１１に代えて用いてもよい。
〔第六実施形態〕
次に、図８を参照して、本発明の第六実施形態に係るターボチャージャ７１について説明する。
なお、第一実施形態から第五実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、開閉弁装置７０の弁本体７２が第一実施形態から第四実施形態とは異なっている。
弁本体７２としては、第一実施形態の弁本体１０と同様な形状をなすものが、上流側から下流側に向かって列をなすように複数（本実施形態では二つ）設けられている。各々の弁本体７２は、回動部１１によって個別に回動される。
ここで、上流側の弁本体７２を第一弁本体７２Ａ、下流側の弁本体７２を第二弁本体７２Ｂとする。
第一弁本体７２Ａは、上流側の端部（径方向外側の端部（前縁部７２Ａａ））でタービンハウジング４ａの壁面１７との間に上流側絞り流路Ｆ１を形成している。
第二弁本体７２Ｂは、下流側の端部（径方向内側の端部（後縁部７２Ｂｂ））でタービンハウジング４ａの分割壁面１８との間に下流側絞り流路Ｆ２を形成している。
ここで、複数の弁本体７２が列をなす状態とは、上流側の第一弁本体７２Ａの後縁部７２Ａｂに隣接して下流側の第二弁本体７２Ｂの前縁部７２Ｂａが配置されている状態をいう。そして、上流側の第一弁本体７２Ａと、下流側の第二弁本体７２Ｂとが完全に一列になっていない状態、即ち、例えば弁本体７２同士が回転軸５の軸線Ｏ１の方向に多少ずれた位置に配置されていてもよい。
本実施形態のターボチャージャ７１によると、第一弁本体７２Ａ及び第二弁本体７２Ｂの各々を回動させることで、上流側絞り流路Ｆ１及び下流側絞り流路Ｆ２の流路幅を任意に変化させることができる。また、これら第一弁本体７２Ａ、第二弁本体７２Ｂを各々に回動させることで、第一弁本体７２Ａと第二弁本体７２Ｂとの間で、上流から下流に向けて排気ガスＧを流通させることが可能である。
弁本体７２同士の間を排気ガスＧが流通し、第一弁本体７２Ａ及び第二弁本体７２Ｂの第一面７３側に流出することで、この流出する位置で静圧が低下する。よって、第一面７３を沿って流れる排気ガスＧを下流側に向かって加速させることができる。この結果、図８の破線Ｅに示すように、下流側に位置する第二弁本体７２Ｂの下流側で、排気ガスＧの速度分布が均一化の方向に向かい、圧力損失を抑えることが可能となり全圧低下をさらに抑制することができる。
また、各々の弁本体７２の回動角を選択することで、列をなす複数の弁本体７２の全体で、分割壁面１８へ向かって凸状をなす形状としたり、壁面１７に向かって凸状をなす形状としたり、弁本体７２の全体を任意の形状とすることができる。よって、排気ガスＧの流れ場の状況に応じて、各々の弁本体７２を回動させることで、剥離等の抑制を効果的に行うことができる。
以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、図９に示すように、開閉弁装置８（３０、４０、５０、６０、７０）を、スクロール流路Ｃ３が軸線Ｏ１に交差する方向に二つに分割された構造のターボチャージャ８１に適用してもよい。
即ち、スクロール流路Ｃ３は、軸線Ｏ１を中心とした渦巻き状に形成された分割壁８４を介して隣接する径方向外側の第一流路Ｃ４と、径方向内側の第二流路Ｃ５とから構成されている。分割壁８４には、第一流路Ｃ４から第二流路Ｃ５に向かって排気ガスＧを流入させる貫通孔８６が、周方向に間隔をあけて複数形成されている。
貫通孔８６は、第一流路Ｃ４側で大きく開口し、第一流路Ｃ４側に比べて第二流路Ｃ５側で小さく開口しており、径方向外側から内側に向かうに従って、タービン動翼６の回転方向に向かって傾斜して形成されている。
開閉弁装置８（３０、４０、５０、６０、７０）における弁本体１０（３２、４２、５２、６２、７２）は、第一流路Ｃ４内に配されて、第一流路Ｃ４を形成するハウジング８２の壁面８３（軸線Ｏ１の径方向内側を向く面（第一壁面））と、分割壁８４における分割壁面８５（軸線Ｏ１の径方向外側を向く面（第二壁面））との間に配されている。
この弁本体１０（３２、４２、５２、６２、７２）は、弁本体１０の回動軸となる軸線Ｏ２が軸線Ｏ１に沿うようにハウジング８２に設けられている。
また、上述の実施形態では、スクロール流路Ｃ（Ｃ３）は軸線Ｏ１の方向に二つに分割されている例について説明したが、このように複数に分割されてスクロール流路Ｃ（Ｃ３）が構成されている場合に限定されず、単一の流路としてスクロール流路が構成されていてもよい。
具体的には、図１０に示すように、ターボチャージャ９１では、ハウジング９２に単一の流路としてのスクロール流路Ｃ７が形成されている。
図１０に示す例では、スクロール流路Ｃ７は、軸線Ｏ１の径方向外側に向かって延びて開口する入口部９３（流入口）と、入口部９３に連続して周方向に渦巻き状にタービン動翼６に向かって延びるスクロール部９４との内部に形成されている。
また、スクロール流路Ｃ７はハウジング９２の壁面である第一壁面９５と、第一壁面９５に軸線Ｏ１に交差する方向で対向する第二壁面９６との間に形成されている。
さらに、入口部９３とスクロール部９４との接続部分でハウジング９２には、スクロール流路Ｃ７内で、軸線Ｏ１の周方向に沿って延びるように舌部９２ａが形成されている。舌部９２ａの内面は第二壁面９６の端部を形成している。
開閉弁装置８（３０、４０、５０、６０、７０）における弁本体１０（３２、４２、５２、６２、７２）は、スクロール流路Ｃ７内で第一壁面９５と第二壁面９６との間に配されている。
また、弁本体１０（３２、４２、５２、６２、７２）は、弁本体１０の回動軸となる軸線Ｏ２が軸線Ｏ１に沿うようにハウジング９２に設けられている。
弁本体１０が軸線Ｏ２を中心として回動すると、弁本体１０の後縁部１０ｂが舌部９２ａに近接、離間するようになっている。
ここで、スクロール流路Ｃ（Ｃ３、Ｃ７）の断面形状（排気ガスＧの流れに交差する断面）は、矩形、円形、楕円形等、様々な形状であってもよいが、矩形状であることが好ましい。
また、上述の各実施形態、の構成を組み合わせてもよい。
さらに、上述の各実施形態では、回転機械としてターボチャージャに開閉弁装置８（３０、４０、５０、６０、７０）を適用した例について説明を行ったが、ガスタービンやエキスパンダ等の他の回転機械に適用することも可能である。
上記した開閉弁装置、回転機械によれば、上流側絞り流路及び下流側絞り流路を形成するとともに、第一面を有する弁本体を設けることによって、簡易な構造で、運転効率を向上することが可能である。
１ ターボチャージャ（回転機械）
２ タービン
３ 圧縮機
４ ハウジング
４ａ タービンハウジング
４ｂ 圧縮機ハウジング
５ 回転軸
５ａ タービン回転軸
５ｂ 圧縮機回転軸
６ タービン動翼
７ 軸受装置
７ａ ラジアル軸受
７ｂ スラスト軸受
８ 開閉弁装置
１０ 弁本体
１０ａ 前縁部
１０ｂ 後縁部
１１ 回動部
１４ 入口部（流入口）
１５ スクロール部
１７ 壁面（第一壁面）
１８ 分割壁面（第二壁面）
１８ａ 先端部
２１ 第一面
２２ 第二面
Ｆ１ 上流側絞り流路
Ｆ２ 下流側絞り流路
Ｃ スクロール流路（吸込流路）
Ｃ１ 第一流路
Ｃ２ 第二流路
Ｏ１ 軸線
Ｏ２ 軸線
Ｇ 排気ガス（流体）
ＡＲ 空気
Ｓ１ 静圧低下領域
３０ 開閉弁装置
３１ ターボチャージャ（回転機械）
３２ 弁本体
３２ａ 前縁部
３２ｂ 後縁部
３３ 第一面
３４ 第二面
３６ 上流側開口
３７ 下流側開口
３８ 貫通孔部
３８ａ 内面
４０ 開閉弁装置
４１ ターボチャージャ（回転機械）
４２ 弁本体
４２ａ 前縁部
４２ｂ 後縁部
４３ 第一面
４３ａ 凸面
４３ｂ 第一凹面
４３ｃ 第二凹面
４４ 第二面
４４ａ 凸面
５０ 開閉弁装置
５１ ターボチャージャ（回転機械）
５２ 弁本体
５２ａ 前縁部
５２ｂ 後縁部
５３ 第一面
５３ａ 凸面
５３ｂ 第一凹面
５３ｃ 第二凹面
５４ 第二面
５４ａ 凸面
６０ 開閉弁装置
６１ ターボチャージャ（回転機械）
６２ 弁本体
６３ 回動部
６５ 開口孔
６３ａ フランジ部
６３ｂ 回動部本体
６３ｃ 軸部材
６３ｄ 取付板
７０ 開閉弁装置
７１ ターボチャージャ（回転機械）
７２ 弁本体
７２Ａ 第一弁本体
７２Ｂ 第二弁本体
７２Ａａ 前縁部
７２Ａｂ 後縁部
７２Ｂａ 前縁部
７２Ｂｂ 後縁部
７３ 第一面
８１ ターボチャージャ（回転機械）
８２ ハウジング
８３ 壁面（第一壁面）
８４ 分割壁
８５ 分割壁面（第二壁面）
８６ 貫通孔
Ｃ３ スクロール流路（吸込流路）
Ｃ４ 第一流路
Ｃ５ 第二流路
９１ ターボチャージャ
９２ ハウジング
９２ａ 舌部
９３ 入口部
９４ スクロール部
９５ 第一壁面
９６ 第二壁面
Ｃ７ スクロール流路（吸込流路）
１００ タービン
１０１ 開閉弁
１０２ 分割壁
１０３ タービン動翼
Ｆ０ 作動流体
Ｃ０ スクロール流路

Claims (7)

  1. タービン動翼を覆うハウジングの流入口からスクロール部に至り、単一で構成され、又は複数に分割されて構成されるとともに、第一壁面及び、該第一壁面に対向する第二壁面をその一部として内面が形成されて前記タービン動翼に流体を供給する吸込流路内に配置され、流体の流れの上流から下流に向かって延び、前記第一壁面及び前記第二壁面に対して近接離間する方向に回動可能に前記ハウジングに設けられ、前記上流側の端部で前記第一壁面との間に上流側絞り流路を形成し、かつ、前記下流側の端部で前記第二壁面との間に下流側絞り流路を形成する弁本体を備え、
    前記弁本体では、
    前記上流側の端部は、前記第一壁面に対向した端部であり、該上流側の端部は、前記上流側から下流側向かって該第一壁面に漸次近接した後に漸次離間する第一面で形成されており、
    前記下流側の端部には、前記第二壁面に対向する第二面を有する開閉弁装置。
  2. 前記弁本体には、前記第二面に開口する上流側開口と、該上流側開口よりも前記下流側で前記第一面に開口する下流側開口と、これら上流側開口と下流側開口とを接続するとともに前記第一面と前記第二面との間を貫通する貫通孔部とが形成されている請求項１に記載の開閉弁装置。
  3. 前記弁本体は、前記第一面として前記下流側に向かって該第一壁面に漸次近接する凸面、該凸面の下流側に連続して前記第二面に向かって凹状に湾曲する第一凹面、及び、該第一凹面の下流側に連続し、該第一凹面よりも大きな曲率半径で前記第二面に向かって凹状に湾曲する第二凹面と、
    前記第二面として前記第一面から離間する側に向かって凸状に湾曲する凸面と、
    を有する請求項１又は２に記載の開閉弁装置。
  4. 前記弁本体を回動させる回動部を、前記ハウジングと別体として備える請求項１から３のいずれか一項に記載の開閉弁装置。
  5. 前記弁本体を、上流側から下流側に向かって列をなすように複数備え、
    各々の前記弁本体を個別に回動させる回動部を備える請求項１から４のいずれか一項に記載の開閉弁装置。
  6. 軸線を中心として回転する回転軸と、
    前記回転軸とともに回転するタービン動翼と、
    前記回転軸及び前記タービン動翼を覆うとともに、該タービン動翼に流体を供給する吸込流路が形成されたハウジングと、
    前記弁本体が前記吸込流路内で前記ハウジングに設けられた請求項１から５のいずれか一項に記載の開閉弁装置と、
    を備える回転機械。
  7. 前記ハウジングでは、前記第二壁面が、前記スクロール部を前記流体の流通方向に交差する方向に二分割する分割壁面として形成されている請求項６に記載の回転機械。
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