JP6947304B2

JP6947304B2 - タービンおよび過給機

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Publication number: JP6947304B2
Application number: JP2020527211A
Authority: JP
Inventors: 大神崎
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2039-03-19
Also published as: WO2020003649A1; US20210102471A1; US11261746B2; DE112019003298T5; CN112236584B; DE112019003298B4; JPWO2020003649A1; CN112236584A

Description

本開示は、タービンおよび過給機に関する。本出願は２０１８年６月２９日に提出された日本特許出願第２０１８−１２３８４２号に基づく優先権の利益を主張するものであり、その内容は本出願に援用される。

過給機には、タービンが設けられる。タービンのうち、タービンロータの径方向外側には、タービンスクロール流路が形成される。例えば、特許文献１に記載のように、タービンスクロール流路の上流部と下流部は、舌部によって仕切られる。舌部は、タービンロータと径方向に対向する。

特開２０１２−１３２３２１号公報

上記の舌部とタービンロータの隙間を通って、タービンスクロール流路の上流部から下流部に排気ガスが漏出すると、タービン性能が低下する。そのため、排気ガスの漏出量を抑制し、タービン性能を向上する技術の開発が希求される。

本開示の目的は、タービン性能を向上することが可能なタービンおよび過給機を提供することである。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係るタービンは、吐出口が形成されたハウジングと、ハウジング内に配され、シャフトに設けられたハブと、ハブの外周に設けられた羽根と、羽根の外周端に形成され、吐出口側ほど、回転方向の前方側となる向きに傾斜する傾斜部と、を有するタービンロータと、ハウジング内に形成されたタービンスクロール流路と、タービンスクロール流路に突出する先端部を有し、吐出口側ほど、シャフトの回転方向の前方側となる向きに傾斜し羽根の傾斜部と径方向に対向するテーパ面が先端部に設けられた舌部と、を備える。

テーパ面は、先端部のうち、回転方向の前方側の面に形成されてもよい。

テーパ面は、先端部のうち、回転方向の後方側の面に形成されてもよい。

タービンスクロール流路は、複数のタービンスクロール流路部を含んで構成され、舌部の数は、タービンスクロール流路部と同数であってもよい。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る過給機は、上記タービンを備える。

本開示によれば、タービン性能を向上することが可能となる。

図１は、過給機の概略断面図である。図２は、タービンハウジングの断面図である。図３は、図１の破線部分の抽出図である。図４は、タービンハウジングの図２のＩＶ矢視図である。図５は、変形例を説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の一実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、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する。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、過給機Ｃの概略断面図である。図１に示す矢印Ｌ方向を過給機Ｃの左側として説明する。図１に示す矢印Ｒ方向を過給機Ｃの右側として説明する。図１に示すように、過給機Ｃは、過給機本体１を備える。過給機本体１は、ベアリングハウジング２を備える。ベアリングハウジング２の左側には、締結ボルト３によってタービンハウジング４（ハウジング）が連結される。ベアリングハウジング２の右側には、締結ボルト５によってコンプレッサハウジング６が連結される。

ベアリングハウジング２には、軸受孔２ａが形成されている。軸受孔２ａは、過給機Ｃの左右方向に貫通する。軸受孔２ａに軸受７が設けられる。図１では、軸受７の一例としてフルフローティング軸受を示す。ただし、軸受７は、セミフローティング軸受や転がり軸受など、他のラジアル軸受であってもよい。軸受７によって、シャフト８が回転自在に軸支されている。シャフト８の左端部にはタービンロータ９（タービンインペラ）が設けられる。タービンハウジング４内に形成された収容空間Ｓに、タービンロータ９が回転自在に収容されている。また、シャフト８の右端部にはコンプレッサインペラ１０が設けられる。コンプレッサインペラ１０がコンプレッサハウジング６内に回転自在に収容されている。

コンプレッサハウジング６には、吸気口１１が形成される。吸気口１１は、過給機Ｃの右側に開口する。吸気口１１は、不図示のエアクリーナに接続される。また、締結ボルト５によってベアリングハウジング２とコンプレッサハウジング６が連結された状態では、ディフューザ流路１２が形成される。ディフューザ流路１２は、空気を昇圧する。ディフューザ流路１２は、シャフト８の径方向内側から外側に向けて環状に形成されている。ディフューザ流路１２は、上記の径方向内側において、コンプレッサインペラ１０を介して吸気口１１に連通している。

また、コンプレッサハウジング６の内部には、コンプレッサスクロール流路１３が形成される。コンプレッサスクロール流路１３は環状である。コンプレッサスクロール流路１３は、例えばディフューザ流路１２よりもシャフト８の径方向外側に位置する。コンプレッサスクロール流路１３は、不図示のエンジンの吸気口と連通する。コンプレッサスクロール流路１３は、ディフューザ流路１２にも連通している。コンプレッサインペラ１０が回転すると、吸気口１１からコンプレッサハウジング６内に空気が吸気される。吸気された空気は、コンプレッサインペラ１０の翼間を流通する過程において、遠心力の作用により増速される。増速された空気は、ディフューザ流路１２およびコンプレッサスクロール流路１３で昇圧される。昇圧された空気は、エンジンの吸気口に導かれる。

タービンハウジング４には、吐出口１４が形成されている。吐出口１４は、過給機Ｃの左側に開口する。吐出口１４は、不図示の排気ガス浄化装置に接続される。吐出口１４は、収容空間Ｓに連通する。また、タービンハウジング４には、流路１５と、タービンスクロール流路１６とが設けられている。タービンスクロール流路１６は、収容空間Ｓよりもタービンロータ９の径方向外側に位置する。流路１５は、収容空間Ｓとタービンスクロール流路１６との間に位置する。流路１５は、収容空間Ｓとタービンスクロール流路１６を連通する。

タービンスクロール流路１６は、２つのタービンスクロール流路部１６ａ、１６ｂを含んで構成される。タービンスクロール流路部１６ａ、１６ｂそれぞれの形状については、後に詳述する。

タービンスクロール流路１６は、ガス流入口１７（図２参照）と連通する。ガス流入口１７には、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が導かれる。タービンスクロール流路１６は、上記の流路１５にも連通している。ガス流入口１７からタービンスクロール流路１６に導かれた排気ガスは、流路１５およびタービンロータ９の翼間を介して吐出口１４に導かれる。吐出口１４に導かれた排気ガスは、その流通過程においてタービンロータ９を回転させる。

このように、過給機Ｃは、タービンＴを備える。タービンＴは、タービンハウジング４、タービンロータ９、タービンスクロール流路１６を含んで構成される。タービンロータ９の回転力は、シャフト８を介してコンプレッサインペラ１０に伝達される。上記のとおりに、空気は、コンプレッサインペラ１０の回転力によって昇圧されて、エンジンの吸気口に導かれる。

図２は、タービンハウジング４の断面図である。図２では、シャフト８の軸方向に垂直かつ流路１５を通る平面で、タービンハウジング４を切断した図を示す。また、図２では、タービンロータ９について、外周のみを円で示す。

図２に示すように、タービンハウジング４には、ガス流入口１７が形成される。ガス流入口１７は、２つのガス流入口部１７ａ、１７ｂを含んで構成される。ガス流入口部１７ａ、１７ｂは、タービンハウジング４の外部に開口する。

ガス流入口部１７ａとタービンスクロール流路部１６ａの間には、大凡直線状に延在する導入路１８ａが形成される。ガス流入口部１７ａは、導入路１８ａを介してタービンスクロール流路部１６ａに連通する。同様に、ガス流入口部１７ｂとタービンスクロール流路部１６ｂの間には、大凡直線状に延在する導入路１８ｂが形成される。ガス流入口部１７ｂは、導入路１８ｂを介してタービンスクロール流路部１６ｂに連通する。

タービンスクロール流路部１６ａ、ガス流入口部１７ａ、導入路１８ａと、タービンスクロール流路部１６ｂ、ガス流入口部１７ｂ、導入路１８ｂは、隔壁１９によって仕切られている。

タービンスクロール流路部１６ａは、タービンスクロール流路部１６ｂよりもシャフト８の径方向内側に位置する。タービンスクロール流路部１６ａは、タービンロータ９の径方向外側に、大凡半周に亘って延在する。タービンスクロール流路部１６ａは、大凡半周に亘って、タービンロータ９に対して径方向に対向する。タービンスクロール流路部１６ａは、ガス流入口部１７ａから遠ざかるにつれて径方向の幅が小さくなる。

タービンスクロール流路部１６ｂは、タービンロータ９の径方向外側に、大凡全周に亘って延在する。タービンスクロール流路部１６ｂのうち、タービンロータ９の大凡半周分は、タービンロータ９との間にタービンスクロール流路部１６ａが介在する。タービンスクロール流路部１６ｂは、タービンスクロール流路部１６ａが介在しない残りの部分である大凡半周に亘って、タービンロータ９に対して径方向に対向する。タービンスクロール流路部１６ｂは、ガス流入口部１７ｂから遠ざかるにつれて径方向の幅が小さくなる。

タービンスクロール流路部１６ａのうち、上流部１６ａ２は、下流部１６ａ１よりも排気ガスの流れ方向における上流側に位置する。上流部１６ａ２は、下流部１６ａ１よりもガス流入口部１７ａに近い。上流部１６ａ２は、下流部１６ａ１よりも、シャフト８の径方向の幅が大きい。同様に、タービンスクロール流路部１６ｂのうち、上流部１６ｂ２は、下流部１６ｂ１よりも排気ガスの流れ方向の上流側に位置する。上流部１６ｂ２は、下流部１６ｂ１よりもガス流入口部１７ｂに近い。上流部１６ｂ２は、下流部１６ｂ１よりも、シャフト８の径方向の幅が大きい。

また、タービンハウジング４には、２つの舌部２０、２１が形成される。舌部２０の先端部２０ａは、タービンスクロール流路１６に突出する。舌部２０によって、タービンスクロール流路部１６ｂの下流部１６ｂ１と、タービンスクロール流路部１６ａの上流部１６ａ２が仕切られる。同様に、舌部２１の先端部２１ａは、タービンスクロール流路１６に突出する。舌部２１によって、タービンスクロール流路部１６ａの下流部１６ａ１と、タービンスクロール流路部１６ｂの上流部１６ｂ２が仕切られる。舌部２０、２１は、タービンロータ９に対して径方向に対向する。

このように、過給機ＣのタービンＴは、２つのタービンスクロール流路部１６ａ、１６ｂを有する、所謂ダブルスクロール流路型である。

図３は、図１の破線部分の抽出図である。図３では、タービンロータ９を側面図で示す。また、図３では、タービンロータ９の径方向外側に位置する舌部２０を、径方向内側のタービンロータ９に投影したものを一点鎖線で示す。図３では、シャフト８の回転方向（すなわち、タービンロータ９の回転方向、以下、単に回転方向という）を矢印で示す。

図３に示すように、タービンロータ９は、ハブ９ａおよび羽根９ｂを有する。ハブ９ａは、シャフト８に設けられる。ハブ９ａの外周面９ａ１に羽根９ｂが設けられる。羽根９ｂは、ハブ９ａの周方向に離隔して複数設けられる。

羽根９ｂのうち、ハブ９ａの径方向外側の端部である外周端９ｂ１（羽根９ｂのうち、基端と反対側の端面）には、傾斜部９ｂ２（リーディングエッジ）が形成される。傾斜部９ｂ２は、吐出口１４側（図３中、左側、ハブ９ａの先端側、シャフト８から軸方向に離隔する側）ほど、回転方向の前方側となる向きに傾斜する。傾斜部９ｂ２は、流路１５に径方向に対向する。

また、羽根９ｂの外周端９ｂ１のうち、傾斜部９ｂ２より吐出口１４側には、逆傾斜部９ｂ３が形成される。逆傾斜部９ｂ３は、傾斜部９ｂ２と反対向きに傾斜する。すなわち、逆傾斜部９ｂ３は、吐出口１４側ほど、回転方向の後方側となる向きに傾斜する。

このように、傾斜部９ｂ２、逆傾斜部９ｂ３が形成されることで、羽根９ｂは、中央付近が回転方向の前方側に膨らんだ形状となる。そのため、羽根９ｂが排気ガスの流れを受けると、排気ガスのエネルギーが効率的にシャフト８の回転力に変換される。

図４は、タービンハウジング４の図２のＩＶ矢視図である。すなわち、図４は、タービンハウジング４を、シャフト８の径方向内側から見た図を示す。図４では、タービンハウジング４のうち、シャフト８の周方向の一部を抽出して示す。図４中、左側が吐出口１４側、右側がベアリングハウジング２との当接面４ｂ側である。図４では、流路１５（図１参照）をクロスハッチングで示す。

舌部２０の先端部２０ａには、２つのテーパ面２０ｂ、２０ｃが形成される。テーパ面２０ｂは、先端部２０ａのうち、回転方向の前方側（図４中、下側）の面に形成される。テーパ面２０ｃは、先端部２０ａのうち、回転方向の後方側（図４中、上側）の面に形成される。

テーパ面２０ｂ、２０ｃは、吐出口１４側（図４中、左側、ベアリングハウジング２から離隔する側）ほど、回転方向の前方側（図４中、下側）となる向きに傾斜する。すなわち、テーパ面２０ｂ、２０ｃは、タービンロータ９の羽根９ｂの傾斜部９ｂ２と同じ向きに傾斜する。また、テーパ面２０ｂの傾きは、テーパ面２０ｃの傾きに対して平行である。ただし、テーパ面２０ｂの傾きは、テーパ面２０ｃの傾きに対して平行でなくてもよい。

タービンロータ９が回転するとき、タービンロータ９の回転角度（位相）によっては、羽根９ｂの傾斜部９ｂ２に対して、舌部２０の先端部２０ａが径方向に対向する。このとき、仮に、排気ガスが、舌部２０の先端部２０ａと羽根９ｂの傾斜部９ｂ２との隙間を通るとする。そうすると、タービンスクロール流路部１６ａの上流部１６ａ２からタービンスクロール流路部１６ｂの下流部１６ｂ１に排気ガスが漏出し、タービン性能が低下してしまう。

上記のように、舌部２０の先端部２０ａには、羽根９ｂの傾斜部９ｂ２と同じ向きに傾斜するテーパ面２０ｂ、２０ｃが形成されている。そのため、羽根９ｂの傾斜部９ｂ２に対して、舌部２０の先端部２０ａが径方向に対向するとき、以下の作用がある。すなわち、タービンスクロール流路部１６ａの上流部１６ａ２と、タービンスクロール流路部１６ｂの下流部１６ｂ１との連通部の流路幅が小さく抑えられる。その結果、タービンスクロール流路部１６ａの上流部１６ａ２からタービンスクロール流路部１６ｂの下流部１６ｂ１への排気ガスの漏出量が抑えられる。こうして、タービン性能が向上する。

また、テーパ面２０ｂ、２０ｃの傾きは、羽根９ｂの傾斜部９ｂ２の傾きに対して平行である。そのため、タービンスクロール流路部１６ａの上流部１６ａ２からタービンスクロール流路部１６ｂの下流部１６ｂ１に排気ガスの漏出量が抑制され易い。ただし、テーパ面２０ｂ、２０ｃの傾きは、羽根９ｂの傾斜部９ｂ２の傾きに対して平行でなくてもよい（傾斜角が異なってもよい）。

図５は、変形例を説明するための図である。図５では、変形例における図４に対応する部位の図を示す。図５に示すように、変形例の舌部１２０の先端部１２０ａには、上述した実施形態のテーパ面２０ｂと同様のテーパ面１２０ｂが形成される。ただし、先端部１２０ａには、テーパ面２０ｃが形成されていない。すなわち、先端部１２０ａのうち、回転方向の後方側（図５中、下側）の面は、シャフト８の軸方向に平行な平行面１２０ｃである。

このように、先端部１２０ａにテーパ面１２０ｂのみが形成されていても、タービンスクロール流路部１６ａの上流部１６ａ２からタービンスクロール流路部１６ｂの下流部１６ｂ１への排気ガスの漏出量が抑えられる。こうして、タービン性能が向上する。

変形例では、先端部１２０ａのうち、回転方向の前方側にテーパ面１２０ｂが形成され、回転方向の後方側に平行面１２０ｃが形成される場合について説明した。先端部１２０ａのうち、回転方向の後方側にテーパ面が形成され、回転方向の前方側に平行面が形成されてもよい。ただし、変形例のように、先端部１２０ａのうち、回転方向の前方側のみにテーパ面１２０ｂが形成される方が、以下の効果がある。すなわち、タービンスクロール流路部１６ａの上流部１６ａ２からタービンスクロール流路部１６ｂの下流部１６ｂ１への排気ガスの流入が抑制される。

このように、タービンスクロール流路１６に突出する先端部１２０ａは、回転方向の前方側の面と、回転方向の後方側の面を有する。そして、先端部１２０ａの回転方向の前方側の面および回転方向の後方側の面の一方にのみテーパ面が形成されてもよい。先端部１２０ａの回転方向の前方側の面および回転方向の後方側の面の双方にテーパ面が形成されてもよい。

また、上述した実施形態では、舌部２０の先端部２０ａには、テーパ面２０ｂ、２０ｃの双方が形成される場合について説明した。この場合、上記の変形例に比べて、舌部２０の先端部２０ａの回転方向の厚み（幅）を小さくできる。その結果、羽根９ｂが舌部２０の先端部２０ａに対向する位置を通過するときの圧力変動が抑えられる。そのため、羽根９ｂに作用する応力が抑えられる。

また、上述した実施形態および変形例では、舌部２０、１２０について説明したが、舌部２１についても、舌部２０、１２０と同様の構成となっている。ただし、舌部２０、１２０および舌部２１のうち、一方のみが、上述した実施形態および変形例の構成であってもよい。

以上、添付図面を参照しながら本開示の一実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。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。

例えば、上述した実施形態および変形例では、タービンＴが過給機Ｃに組み込まれる場合について説明した。しかし、タービンＴは、過給機Ｃ以外の装置に組み込まれてもよいし、単体であってもよい。

また、上述した実施形態および変形例では、タービンスクロール流路１６は、２つのタービンスクロール流路部１６ａ、１６ｂを含んで構成される場合について説明した。また、舌部２０、２１、１２０の数は、タービンスクロール流路部１６ａ、１６ｂと同数の２つである場合について説明した。ただし、タービンスクロール流路部１６ａ、１６ｂおよび舌部２０、２１、１２０の数は、３つ以上であってもよい。また、タービンスクロール流路１６は、シングルスクロール流路であってもよい（複数のタービンスクロール流路部１６ａ、１６ｂを含まなくてもよい）。ただし、タービンスクロール流路１６が複数のタービンスクロール流路部１６ａ、１６ｂを含んで構成される場合の方が、以下の効果がある。すなわち、舌部２０、２１、１２０で仕切られるタービンスクロール流路部１６ａ、１６ｂの圧力差が大きくなる。そのため、排気ガスの漏出量の抑制効果が大きい。

本開示は、タービンおよび過給機に利用することができる。

４：タービンハウジング（ハウジング）８：シャフト９：タービンロータ９ａ：ハブ９ｂ：羽根９ｂ１：外周端９ｂ２：傾斜部１４：吐出口１５：流路１６：タービンスクロール流路１６ａ、１６ｂ：タービンスクロール流路部２０、２１、１２０：舌部２０ａ、２１ａ、１２０ａ：先端部２０ｂ、２０ｃ、１２０ｂ：テーパ面
Ｃ：過給機Ｔ：タービン

Claims

吐出口が形成されたハウジングと、
前記ハウジング内に配され、シャフトに設けられたハブと、前記ハブの外周に設けられた羽根と、前記羽根の外周端に形成され、前記吐出口側ほど、回転方向の前方側となる向きに傾斜する傾斜部と、を有するタービンロータと、
前記ハウジング内に形成されたタービンスクロール流路と、
前記タービンスクロール流路に突出する先端部を有し、前記吐出口側ほど、前記シャフトの回転方向の前方側となる向きに傾斜し前記羽根の傾斜部と径方向に対向するテーパ面が前記先端部に設けられた舌部と、
を備えるタービン。
前記テーパ面は、前記先端部のうち、前記回転方向の前方側の面に形成される請求項１に記載のタービン。
前記テーパ面は、前記先端部のうち、前記回転方向の後方側の面に形成される請求項１または２に記載のタービン。
前記タービンスクロール流路は、複数のタービンスクロール流路部を含んで構成され、
前記舌部の数は、前記タービンスクロール流路部と同数である請求項１から３のいずれか１項に記載のタービン。
請求項１から４のいずれか１項に記載の前記タービンを備える過給機。