JP6844341B2 - タービンハウジング - Google Patents

Description

本発明は、タービンハウジングに関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載のタービンが知られている。タービンのスクロール流路は、外部からガスを導入する上流部と、上流部の径方向内側に入り込むように巻かれた下流部と、を有する螺旋状をなし、上流部と下流部とを径方向に隔てる舌部が形成されている。

特開平10-68303号公報 特許第3586515号公報 特開2016-31027号公報 特開2016-108974号公報 特開2016-173067号公報

この種のスクロール流路では、上流部のガスの流れと下流部におけるガスの再循環流とが舌部の下流側で合流する。舌部の直ぐ下流の位置には、舌部の厚さに対応して舌部ウエークと呼ばれる低流速の領域が発生する。この舌部ウエークによって、タービン翼車入口におけるガス流量が周方向で不均一になり、タービン効率が低下する場合がある。特に、舌部ウエークがタービン翼車の位置まで延在する場合には、タービン効率が顕著に低下することになる。舌部ウエークを小さくするためには、舌部の径方向の厚さを可能な限り薄くすることが好ましい。しかしながら、タービンハウジングが鋳造で製作される場合には、その一部位である舌部を鋳造で薄く形成することにも限界がある。また、鋳造された舌部を薄くすると舌部の耐熱性が低下し好ましくない。本発明は、タービンの舌部ウエークを低減するタービンハウジングを提供することを目的とする。

本発明のタービンハウジングは、タービン外部からタービン翼車に送られるガスを導入する上流部と上流部の径方向内側に入り込むように巻かれた下流部とを有しタービン翼車の周囲で螺旋状をなすスクロール流路と、スクロール流路の舌部と、が設けられた鋳造物のハウジング本体と、舌部の下流側に連続して設けられ、舌部と一緒にスクロール流路の上流部と下流部とを径方向に隔てる擬似的舌部を構成し、当該擬似的舌部の下流端部を成す延長舌部と、を備え、延長舌部は、別体として舌部に取付けられ、舌部に対して非可動であり、舌部よりも径方向に薄く形成されている。

また、タービン翼車の回転軸方向から見て、回転軸と舌部とを通る直線と、回転軸と延長舌部の下流端とを通る直線と、のなす角度が２０〜４０°であるようにしてもよい。

本発明によれば、タービンの舌部ウエークを低減するタービンハウジングを提供することができる。

図１は、過給機の断面図である。 図２は、タービンの断面図である。 図３は、タービンハウジングの排気ガス流入口近傍を示す分解斜視図である。 図４は、擬似的舌部近傍を示す断面図である。 図５は、変形例に係る排気ガス流入口近傍を示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るタービンハウジングの実施形態について詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、過給機１の回転軸線Ａを含む断面を取った断面図である。この過給機１が備えるタービン２は、本実施形態に係るタービンハウジング４を有している。まず、過給機１について説明する。

過給機１は、例えば、船舶や車両の内燃機関に適用されるものである。図１に示されるように、過給機１は、タービン２とコンプレッサ３とを備えている。タービン２は、タービンハウジング４と、タービンハウジング４に収納されたタービン翼車６と、を備えている。タービンハウジング４は、タービン翼車６の周囲において周方向に延びるスクロール流路１６を有している。コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング５と、コンプレッサハウジング５に収納されたコンプレッサ翼車７と、を備えている。コンプレッサハウジング５は、コンプレッサ翼車７の周囲において周方向に延びるスクロール流路１７を有している。

タービン翼車６は回転軸１４の一端に設けられており、コンプレッサ翼車７は回転軸１４の他端に設けられている。タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５との間には、軸受ハウジング１３が設けられている。回転軸１４は、軸受１５を介して軸受ハウジング１３に回転可能に支持されており、回転軸１４、タービン翼車６及びコンプレッサ翼車７が一体の回転体１２として回転軸線Ａ周りに回転する。

タービンハウジング４には、排気ガス流入口８及び排気ガス流出口１０が設けられている。内燃機関（図示せず）から排出された排気ガスが、排気ガス流入口８を通じてタービンハウジング４内に流入し、スクロール流路１６を通じてタービン翼車６に流入し、タービン翼車６を回転させる。その後、排気ガスは、排気ガス流出口１０を通じてタービンハウジング４外に流出する。

コンプレッサハウジング５には、吸入口９及び吐出口１１が設けられている。上記のようにタービン翼車６が回転すると、回転軸１４を介してコンプレッサ翼車７が回転する。回転するコンプレッサ翼車７は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入する。この空気が、コンプレッサ翼車７及びスクロール流路１７を通過して圧縮され吐出口１１から吐出される。吐出口１１から吐出された圧縮空気は、前述の内燃機関に供給される。

続いて、タービンハウジング４について更に詳細に説明する。以下の説明において、単に「軸方向」、「径方向」、「周方向」と言うときには、タービン翼車６の回転の軸方向、径方向、周方向を意味するものとする。また、単に「上流」、「下流」と言うときには、タービン２におけるガスの流れの上流、下流を意味するものとする。

図２は、回転軸線Ａに直交する断面を取ったタービン２の断面図である。図に示されるように、タービンハウジング４は鋳造により製作されるハウジング本体３１を備えている。タービンハウジング４のハウジング本体３１は、後述するようなスクロール流路１６、ノズル流路２１、及び舌部２３等を含んで一体で形成される鋳造物である。タービンハウジング４の内空部には、ノズル流路２１と、スクロール流路１６とが形成されている。ノズル流路２１はタービン翼車６の周囲に配置され、スクロール流路１６はノズル流路２１の周囲に配置されている。排気ガス流入口８から流入するガスは、スクロール流路１６を周方向に旋回すると共に径方向内側に向かい、ノズル流路２１に流入し、更にタービン翼車６に流入する。

スクロール流路１６の上流部１６ａは、内燃機関からのガスを導入する部分であり径方向及び軸方向に閉じた断面を有している。スクロール流路１６の下流部１６ｂは、ノズル流路２１と径方向に連通している。スクロール流路１６の下流部１６ｂは、上流部１６ａの径方向内側に入り込むように巻かれ、ガスを周方向に旋回させる。上流部１６ａと下流部１６ｂとが舌部２３によって径方向に隔てられている。すなわち、舌部２３は、螺旋状に巻かれるスクロール流路１６の巻き始めと巻き終わりとを径方向に隔てている。

本実施形態のタービンハウジング４は、上述のハウジング本体３１と、舌部２３の下流側に連続して設けられた延長舌部３３とを備えている。延長舌部３３は、舌部２３よりも更に下流側の位置においてスクロール流路１６の上流部１６ａと下流部１６ｂとを径方向に隔てている。延長舌部３３は、例えば金属製であり、ハウジング本体３１とは別体の部材からなり、舌部２３の下流端部に取付けられている。また、延長舌部３３は、舌部２３に対して非可動の状態で取付けられている。すなわち、延長舌部３３は、ハウジング本体３１に対して移動や回転をする部材ではなく、タービン２の運転中に位置や姿勢を変える部材ではない。

延長舌部３３の径方向の厚みは、舌部２３の径方向の厚みよりも薄い。また、延長舌部３３の径方向の厚みは下流側に向かうに従って徐々に薄くなっており、延長舌部３３の下流端３３ａが尖っている。延長舌部３３の軸方向の幅は、舌部２３とほぼ同じ幅である。延長舌部３３の上流部１６ａ側の縁、及び下流部１６ｂ側の縁は、それぞれ、舌部２３の形状に円滑に連続するように延びている。図２の例の場合、折り返された板材によって延長舌部３３が形成されており、延長舌部３３の上流部１６ａ側を形成する部位と下流部１６ｂ側を形成する部位と舌部２３とで囲まれた三角形状の空隙が現れている。

上流部１６ａと下流部１６ｂとが径方向に隔てられる領域が、延長舌部３３によって、舌部２３よりも更に下流側に延長されている。すなわち、上流部１６ａと下流部１６ｂとを径方向に隔てる擬似的な舌部（以下「擬似的舌部３４」という）が、舌部２３及び延長舌部３３で構成されていると言える。そして、この擬似的舌部３４の下流端部が延長舌部３３によって形成されている。スクロール流路１６の上流部１６ａと下流部１６ｂとは、擬似的舌部３４よりも下流側の位置において径方向に連通している。

続いて、図２に示されるように、回転軸線Ａを中心とし、舌部２３を通るラインの周方向の位置をθ＝０°とし、タービン２内のガスの旋回方向前方を＋θ方向とするθ座標系を設定し、周方向の座標をθで表すものとする。「舌部２３を通る」とは、厳密には、図２の方向から見て舌部２３の先端がＲ形状をなすとき、当該Ｒの中心を通ることを意味する。

延長舌部３３の下流端３３ａは、θ＝２０〜４０°の範囲に位置することが好ましい。換言すれば、図２のように回転軸線Ａ方向から見て、回転軸線Ａと舌部２３とを通る直線Ｌ０と、回転軸線Ａと延長舌部３３の下流端３３ａとを通る直線Ｌ１と、のなす角度αが２０〜４０°であることが好ましい。

仮に延長舌部３３が無い場合においては、一般的に、下流部１６ｂで再循環するガスのほとんどがθ＝３０°の位置に到達する前にタービン翼車６に流入すると考えられる。従って、延長舌部３３がθ＝３０±１０°（すなわちθ＝２０〜４０°）の位置まで舌部２３から延びていれば、再循環流のほとんどが上流部１６ａのガスの流れから隔てられる。このように再循環流を上流部１６ａのガスの流れから隔てることにより、互いに流速が異なるガスの合流に起因する流れの乱れを抑えることができる。

続いて、図２及び図３を参照しながら、上記の延長舌部３３を舌部２３に取付けるための構成について説明する。図３は、タービンハウジング４の排気ガス流入口８近傍を示す分解斜視図である。

舌部２３は一体の鋳造物であるハウジング本体３１の内部にあるので工具等が届き難い場合があり、延長舌部３３の取付け加工等が困難な場合がある。そこで、金属部材３５の下流端部に延長舌部３３が形成され、この金属部材３５がスクロール流路１６内に設置されることで、先端の延長舌部３３が舌部２３の下流側に配置された状態となる。

具体的には、金属部材３５は、スクロール流路１６の上流部１６ａの断面形状に対応する固定リング部４１を有している。固定リング部４１は、排気ガス流入口８の縁に沿って延在する細板状をなす。排気ガス流入口８においてスクロール流路１６の流路壁面には溝４５が形成されており、固定リング部４１はこの溝４５に嵌め込まれる。固定リング部４１には、当該固定リング部４１の周方向の一部を欠いた欠部４１ａが形成されている。この欠部４１ａの存在により、固定リング部４１は、当該固定リング部４１の径を拡大縮小する方向に弾性変形可能である。そして、固定リング部４１は、拡径する方向の弾性力によって溝４５に嵌り込む。

更に金属部材３５は、固定リング部４１から下流側に向かって延在する細板部４３を有している。細板部４３は、上流部１６ａの流路壁面のうち径方向内側に位置する流路壁面１６ｈに沿って設置される。なお、細板部４３が溝４５の段差部４５ａに干渉することを回避するために、流路壁面１６ｈには、細板部４３を通過させる傾斜溝４６が形成されている。細板部４３の下流端部が径方向内側にフック状に折り返されることで、延長舌部３３が形成されており、このフック状の延長舌部３３が舌部２３に引っ掛かっている。

フック状の延長舌部３３が舌部２３に引っ掛かることで、金属部材３５の上流側への移動が規制される。また、前述のように固定リング部４１が溝４５に嵌り込むことで、段差部４５ａが金属部材３５の下流側への移動を規制する。その結果、金属部材３５全体がハウジング本体３１に対して所定の位置で固定される。また、延長舌部３３は、舌部２３に引っ掛かって当該舌部２３に取付けられた状態となる。

図４に例示されるように、舌部２３には、引っ掛かった延長舌部３３が係合する係合溝２４といったような係合部位が設けられてもよい。図４の場合、折り返された細板部４３の先端が係合溝２４に係合する。また、折り返された細板部４３の先端が所定の接合手段（例えば溶接など）によって舌部２３に接合されてもよい。これにより、延長舌部３３がより確実に舌部２３に固定される。

更に、金属部材３５全体の上下流方向へのガタつきを抑えるために、溝４５内には、固定リング部４１と一緒に充填リング４７が設置されている。充填リング４７は、固定リング部４１と同様の形状を呈し、溝４５内で固定リング部４１の下流側に設置される。充填リング４７には、当該充填リング４７の周方向の一部を欠いた欠部４７ａが形成されており、充填リング４７は拡径する方向の弾性力によって溝４５に固定される。また、欠部４７ａにより、充填リング４７と細板部４３との干渉が回避される。このような充填リング４７によって固定リング部４１と溝４５の段差部４５ａとの隙間が埋められるので、金属部材３５全体の上下流方向へのガタつきが抑えられる。

また、金属部材３５の上下流方向へのガタつきを抑える構造としては、上記のような充填リング４７を用いる構造には限定されない。充填リング４７に代えて、図５に示されるように、ハウジング本体３１の外部から溝４５まで貫通するネジ４９を設置し、ネジ４９の先端部４９ａが固定リング部４１と段差部４５ａとの間に挿入されるようにしてもよい。このようなネジ４９が溝４５の延在方向に沿って複数設けられてもよい。

続いて、上述のような延長舌部３３を有するタービンハウジング４の作用効果について説明する。

ここで、延長舌部３３が無い場合について考えると、スクロール流路１６では、上流部１６ａの内燃機関からのガスの流れと、下流部１６ｂにおけるガスの再循環流とが舌部２３の下流側で合流する。そして、舌部２３の直ぐ下流の位置には、舌部２３の厚さに対応して舌部ウエークと呼ばれる低流速の領域が発生する。舌部ウエークは、タービン翼車６の入口におけるガス流量を周方向で不均一にしタービン効率の低下の原因になる。舌部ウエークを小さくするためには、舌部２３を可能な限り径方向に薄くすることが好ましい。しかしながら、舌部２３は鋳造物であるハウジング本体３１の一部位であるので、舌部２３を鋳造で薄く形成することにも限界がある。また、鋳造された舌部２３を薄くすると舌部２３の耐熱性が低下し好ましくない。

これに対しタービンハウジング４では、舌部２３及び延長舌部３３が擬似的舌部３４を構成する。延長舌部３３は舌部２３とは別体で設けられるので、鋳造物である舌部２３よりも径方向の厚みを薄く形成しやすい。従って、擬似的舌部３４の下流端部の径方向厚みを薄くすることができる。そして、この擬似的舌部３４の下流側に発生する舌部ウエークは、当該擬似的舌部３４の下流端部の厚みに対応して小さくなる。また、延長舌部３３の下流端３３ａが尖っていることによっても、上流部１６ａのガスの流れと、下流部１６ｂのガスの再循環流とが円滑に合流し、舌部ウエークが小さくなる。このように、舌部ウエークを低減することができ、その結果、タービン効率の向上を図ることができる。

また、舌部２３の下流側に別体の薄い延長舌部３３を取付ける方式により、鋳造物の一部位である舌部２３自体を薄くする必要がない。また、舌部２３の厚さにより当該舌部２３の耐熱性も確保することができる。その一方、延長舌部３３の耐熱性を確保するために、延長舌部３３は、ハウジング本体３１を形成する鋳造物よりも高耐熱性の材料からなることが好ましい。また、鋳造物は比較的耐熱性が低いことから、延長舌部３３は鋳造以外の方法（例えば、板金加工等）で製作されることが好ましい。

また、本実施形態では、先端に延長舌部３３を形成した金属部材３５を排気ガス流入口８側から下流側に向けてハウジング本体３１に挿入し、金属部材３５を排気ガス流入口８近傍で固定することで、舌部２３の下流側に延長舌部３３が取付けられた状態としている。この方式によれば、舌部２３に工具等が届き難い場合であっても、延長舌部３３を舌部２３の下流側に取付けることができる。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

４ タービンハウジング
６ タービン翼車
１６ スクロール流路
１６ａ 上流部
１６ｂ 下流部
２３ 舌部
３１ ハウジング本体
３３ 延長舌部
３３ａ 下流端
３４ 擬似的舌部
Ａ 回転軸線

Claims (2)

1. タービン外部からタービン翼車に送られるガスを導入する上流部と前記上流部の径方向内側に入り込むように巻かれた下流部とを有し前記タービン翼車の周囲で螺旋状をなすスクロール流路と、前記スクロール流路の舌部と、が設けられた鋳造物のハウジング本体と、
   前記舌部の下流側に連続して設けられ、前記舌部と一緒に前記スクロール流路の前記上流部と前記下流部とを径方向に隔てる擬似的舌部を構成し、当該擬似的舌部の下流端部を成す延長舌部と、
   前記スクロール流路のガス流入口の口縁に沿って延在し前記ガス流入口に係止される流入口側係止部と、前記流入口側係止部から前記スクロール流路の下流側に向けて前記舌部を超える位置まで延在する細板部と、を有し前記スクロール流路の前記上流部に取付けられた延長舌部形成部材と、を備え、
   前記延長舌部は、
   別体として前記舌部に取付けられ、前記舌部に対して非可動であり、前記舌部よりも前記径方向に薄く形成されており、
   前記延長舌部は、
   前記延長舌部形成部材のうち前記舌部を超えて延在する前記細板部の下流端部として形成されている、タービンハウジング。
2. 前記タービン翼車の回転軸方向から見て、
   前記回転軸と前記舌部とを通る直線と、前記回転軸と前記延長舌部の下流端とを通る直線と、のなす角度が２０〜４０°である、請求項１に記載のタービンハウジング。

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