JPH08326501A - タービン羽根車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱応力に強く、しかもタービンの効率低下を
もたらさないタービン羽根車を提供することにある。 【構成】 ディスク１に複数枚タービン羽根３を接合し
たタービン羽根車１０において、上記ディスク１の最外
周端縁１３から径方向内方の接合部側のタービン羽根３
をディスク１に沿って切り欠いてスリット９を形成する
ことにより、タービン羽根３とディスク１が各々の熱膨
張速度で膨脹しても歪みが発生し難くなると共に効率の
良いタービンとすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車用等のターボ過
給機に使用されるタービン羽根車に係り、特に、ターボ
過給機のスタート、ストップ時に生じる熱応力を緩和す
るタービン羽根車に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車用等のターボ過給機に用い
られるタービンとしてはラジアル（半径流）形が圧倒的
に多い。

【０００３】図３には、そのラジアル形タービンを備え
たターボ過給機が示されている。

【０００４】図示するように、ターボ過給機ａはタービ
ンケーシングｂを有し、このタービンケーシングｂには
タービン収容室ｃとスクロール室ｄとが形成される。タ
ービン収容室ｃにはタービン羽根車ｅが回転自在に収容
され、このタービン羽根車ｅはスクロール室ｄ内に排ガ
スが導入されて、回転駆動される。スクロール室ｄはタ
ービン収容室ｃの外周に沿ってラジアル方向に形成さ
れ、スクロール室ｄ内に導入された排ガスは、半径方向
内方に流れてタービン収容室ｃ内に導入される。そこ
で、排ガスはタービン羽根車ｅを回転させつつその流れ
方向を直角に変え、その後はタービン軸ｆの軸方向へと
排気される。なお、タービン軸ｆの他端にはコンプレッ
サ羽根車ｉが連結され、タービン羽根車ｅの回転でコン
プレッサ羽根車ｉが回転され、その回転でコンプレッサ
羽根車ｉの軸方向から空気を導入すると共に圧縮して、
その外周のスクロール室ｊから自動車等のエンジンに圧
気を供給するようになっている。

【０００５】このラジアル形タービンのタービン羽根車
ｅとしては、断面略円錐形状のディスクｋの面に複数枚
のタービン羽根ｈが、ディスクｋの中心側からディスク
ｋの最外周端縁まで、伸びるように設けられた形状を呈
したものが一般的である。

【０００６】しかし、上記構成であると特に自動車用な
ど、加減速等に伴う排ガスによる急速加熱・放熱が頻繁
に繰り返される場合には、比較的薄くて熱容量の小さい
タービン羽根ｈと、比較的厚く熱容量の大きいディスク
ｋとの間で大きな熱応力が生じ、これに起因するタービ
ン羽根ｈの歪みが生ずる虞があった。

【０００７】これは、急速加熱時、タービン羽根ｈは即
座に伸びようとするがディスクｋは伸びず、放熱時、タ
ービン羽根ｈは即座に縮もうとするがディスクｋは縮ま
ないため、結果的に、タービン羽根ｈの径方向外側に位
置する付け根部分に大きな熱応力が生じるからである。

【０００８】そして、この解決策としては、図２で示す
ように、タービン羽根ｈ間に位置するディスクｋの径方
向外側部分を切り欠くようにしてスキャロップｓが設け
られている。スキャロップｓは、タービン羽根ｈ間に形
成される溝状の空間のことで、これによりディスクｋの
背面部の半径は小さくなり、その背面部側から見ると図
２（ｂ）の如くタービン羽根ｈの径方向外側部分が突出
したような恰好となる。そしてスキャロップｓが設けら
れると、タービン羽根ｈの突出部分の付け根には、前述
の図２（ｂ）の二点鎖線の形状を残すように肉厚部ｍが
形成され、その肉厚部ｍを含む突出部分の背面側端面
は、ディスクｋの背面部と同一面状とされて半径方向に
沿って延出する。肉厚部ｍは、図２（ｂ）の如く裾野状
とされ、あたかも水掻きのような形状を呈している。

【０００９】このように、ディスクｋの径方向外側部分
を切り欠いてスキャロップｓを設けると、タービン羽根
ｈの自由伸縮を許容し、破壊を防止できるのである。ま
た、急速加熱・放熱による伸縮時には、肉厚部ｍが緩衝
部分となって熱応力を緩和する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなス
キャロップｓを設けると以下のような問題が発生する。

【００１１】図２（ａ）に示すように、スクロール室ｄ
から導入される排ガスは、半径方向内側に向かって正規
の入口から矢印Ｐのように流入するものと、タービンケ
ーシングｂとの隙間ｔやスキャロップｓを通ってディス
クｋの背面に位置するタービンケーシングｂの背面側ｒ
に流れ、再度スキャロップｓを通って矢印Ｑに示すよう
に入ってくるものとがあり、特に後者の矢印Ｑのように
流入する排ガスは、矢印Ｐのように正規に流入する排ガ
スの流れを妨げ、これが抵抗となってタービンのタービ
ン効率低下の原因となっていた。

【００１２】更に、スキャロップｓからの矢印Ｑのよう
に流入する排ガスを可能な限り少なくするため、タービ
ンケーシングｂの背面側ｒの形状に特に注意を払う必要
があり（図示例ではクランク状に形成されている）、ま
たタービン羽根ｈの最外周端縁とタービンケーシングｂ
との隙間ｔの寸法のばらつきが、性能のばらつきに直結
するため、その管理も大変であった。特にこのことは、
比較的大形のタービンよりも、隙間ｔが必然的、相対的
に小さくなる小形のタービンにおいて顕著となる傾向が
あった。

【００１３】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
するために、熱応力に強く、しかもタービンの効率低下
をもたらさないタービン羽根車を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１の発明は、ディスクの外周面に複数枚のター
ビン羽根を接合したタービン羽根車において、上記ディ
スクの最外周端縁から径方向内方へ、ディスクとタービ
ン羽根の接合部を切り欠いてスリットを形成したことを
特徴とするタービン羽根車である。

【００１５】請求項２の発明は、上記スリット幅が０．
１〜０．２ｍｍである請求項１記載のタービン羽根車で
ある。

【００１６】

【作用】上記構成により、上記スリットはディスクとタ
ービン羽根とが各々の熱膨張速度で膨脹してもこれらの
膨脹を許容し、歪みを未然に防止することができる。ま
た、タービンケーシングと羽根との間に存在するガスが
減少し、羽根がディスクとタービンケーシングとの間に
存在するガスを直接掻きまぜることがなくなるので、タ
ービン入口の高圧・高温の高いエネルギを持ったガスが
直接タービン羽根車に入るようになる。これにより、エ
ネルギを十分に羽根に伝えることができるようになり、
羽根部と静止部のタービンケーシング間に生じるエネル
ギ損失は極めて小さくなるので、高い効率を持つタービ
ンを構成することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。

【００１８】図１に示すタービン羽根車１０は、ディス
ク１の外周面に複数（８〜１２枚程度）のタービン羽根
３が等間隔で立設されて成り、ディスク１は略円錘形状
とされて、その外周面は滑らかな窪みを形成する曲面状
とされている。ここで便宜上、図示するタービン羽根車
１０は、これをタービン軸心１１を含む縦平面即ち垂直
平面で切って、その平面上にタービン羽根３を位置付け
ることによって表現されており、実際のタービン羽根車
１０、特にタービン羽根３は、より３次元的で複雑な形
状を呈している。通常、タービン羽根車１０の最外周端
縁１３はリーディングエッジ、ガス排出側端縁１４はト
レーリングエッジと称され、最外周端縁１３であるリー
ディングエッジは、排ガスが導入されるタービンケーシ
ング７のスクロール室６に位置するように、またガス排
出側端縁１４であるトレーリングエッジは、排ガス排出
口に位置するように設けられる。タービン羽根３のリー
ディングエッジからトレーリングエッジに至るのガス導
入部は、図示していないが、ガス流れ方向に沿うにつ
れ、回転方向に向かうよう方向付けられている。

【００１９】ディスク１は、その外周径がタービン羽根
車１０の最外周端縁１３の径と同じになるように形成さ
れ、タービンケーシング７の背面側２の形状は、クラン
ク状に形成され、ディスク１の背面と一定の間隔で、ま
たディスク１の外縁とケーシング７の間隔８も所定の間
隔で形成される。

【００２０】ところで、従来においては、タービン羽根
３は最外周端縁１３のリーディングエッジからガス排出
側端縁１４のトレーリングエッジに至るまでディスク１
に接合されるが、特に本発明にあっては、最外周端縁１
３の部分にディスク１の外周面に沿って切り欠かれた幅
０．１〜０．２ｍｍのスリット９が設けられている。こ
のスリット９の切り込み深さはディスク１の半径に対し
ての約１／５〜１／２の範囲で形成される。

【００２１】次に、本実施例の作用を説明する。

【００２２】図１に示すように、スクロール室６から導
入される排ガスはタービン羽根車１０の半径方向内方に
向かってタービン羽根３間に流入する。この際、ディス
ク１は、従来のようにタービンケーシングｂの背面を覆
う外形に形成され、ケーシング７との隙間８を通って背
面側にガスが流れても、タービン羽根３に戻る流れをほ
ぼ除去できる。従って、排ガスがタービン羽根車１０と
ケーシング７との隙間８に流入するも、タービン羽根車
１０の駆動エネルギの損失あるいは消費が解消されて効
率が向上する。また、スリット９の幅を０．１〜０．２
ｍｍとすることで、スリット９を通しての排ガスの漏れ
がなく、効率を低下させることはない。

【００２３】さらに、熱膨張速度の相違によるタービン
羽根３の歪みや破損においても、熱応力がより大きくか
かる、ディスク１とタービン羽根３との接合部分の一部
を削除したスリット９を形成しているため、タービン羽
根３の自由伸縮を許容して、歪みや破損を防止できる。

【００２４】また、スリット９の切り込み深さをディス
ク１の半径に対しての約１／５〜１／２の範囲にするこ
とで、急速加熱・放熱による伸縮時において、タービン
羽根３とディスク１間の熱応力に対して強く、またター
ビン羽根３の機械的強度も損なうことがない。

【００２５】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００２６】（１）タービンに入ってくる高温、高圧の
排ガスの持っているエネルギが十分にタービン羽根に伝
わり、高い効率を持つタービンが得られる。

【００２７】（２）小形とすることが可能で、重量、慣
性モーメントの低減化が図れる。

【００２８】（３）ターボ過給機のスタート、ストップ
時に生じる、急速加熱・放熱による熱応力を十分小さく
できる。

【００２９】以上本発明を用いることにより、小形で高
性能な信頼性の高いラジアルタービンを作ることが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す側断面図である。

【図２】従来のラジアル形タービンのタービン羽根車を
示し、（ａ）は側断面図、（ｂ）は背面側から見たとき
の概略図である。

【図３】ラジアル形タービン羽根車を備えたターボ過給
機を示す側断面図である。

【符号の説明】

１ ディスク ３ タービン羽根 ９ スリット １０ タービン羽根車 １３ 最外周端縁

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ディスクの外周面に複数枚のタービン羽
   根を接合したタービン羽根車において、上記ディスクの
   最外周端縁から径方向内方へ、ディスクとタービン羽根
   の接合部を切り欠いてスリットを形成したことを特徴と
   するタービン羽根車。
2. 【請求項２】 上記スリット幅が、０．１〜０．２ｍｍ
   である請求項１記載のタービン羽根車。