JPH09144550A

JPH09144550A - 過給機用タービン

Info

Publication number: JPH09144550A
Application number: JP7306077A
Authority: JP
Inventors: Masaru Sakakida; 勝榊田; Hiromi Matsushita; 博美松下; Hisaaki Koike; 尚昭小池; Yukio Takahashi; 幸雄高橋
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1995-11-24
Filing date: 1995-11-24
Publication date: 1997-06-03

Abstract

(57)【要約】【課題】タービン羽根車を小径とした場合でも、小流
量の排ガス等で十分な速度比を得て高効率を達成する。【解決手段】本発明に係る過給機用タービン１は、タ
ービンケーシング２内にてスクロール室１１をタービン
羽根車９のラジアル方向に位置させ、上記タービン羽根
車９のタービン羽根１３の上記スクロール室１１側のリ
ーディングエッジ部１７を、上記タービン羽根車９の軸
方向１４に対し斜めに形成すると共に、上記タービン羽
根１３を上記軸方向１４に沿って一定外径Ｄに形成し、
上記タービン羽根１３が取り付けられたタービンディス
ク１２を、上記タービン羽根１３が径方向外方に位置さ
れ且つ小面積とされて小流量の排ガス等で上記タービン
羽根車９が所望の回転を得られるように、上記タービン
羽根１３の外径Ｄと所定比をなす大径ｄに形成したもの
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車等のディー
ゼルエンジン、ガソリンエンジンの出力向上、燃費低
減、排ガスのクリーン化等を目的として使用されるター
ボ過給機のタービンに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】軽自動車の小排気量エンジンにターボ過
給機を搭載する場合、特にスタート時の加速応答性（レ
スポンス）が重要であるため、小量の排ガス流量で高効
率を発生することが必須の要件となってくる。そして、
レスポンス向上のための軽量化を推進すべく、従来一般
的なラジアル形（半径流形）タービンを小径化する手法
を考えると、これでは効率が悪化し満足な性能を得られ
ない。

【０００３】そこで、従来のラジアル形タービンに代わ
って、本出願人が先に提案した高効率タービン（特願平
7-20157 号）を用い、これを小径化することが考えられ
る。

【０００４】一方、特に軽自動車用としては低価格化の
要請があり、このためタービンケーシングを一体化でき
る所謂外径一定形のタービンを用いることが前提とされ
る。これらの内容を以下において具体的に説明する。

【０００５】図５（ａ）は一般的なラジアル形タービン
を示すが、これはタービン羽根車ａの外径が比較的大き
く、慣性モーメント大でレスポンスがあまり良くない。
またスクロール室ｂからの排ガスがタービン羽根ｃのガ
ス導入部（入口）で遠心力を受け、導入が妨げられるた
めに羽根車にガスを流入させるために高い圧力が必要と
される。

【０００６】特に、ラジアル形タービンではタービン羽
根ｃが径方向外方にせり出すため、組立てを考慮すると
タービンケーシングｄを分割式（ｄ₁，ｄ₂で示す）に
せざるを得ず、コストアップを免れられない。

【０００７】そこで、この分割式を一体式にすべく、ラ
ジアル形タービンのタービン羽根ｃのせり出し部分を除
去し（除去ラインをｅで示す）、図５（ｂ）に示すよう
に、外径を一定のタービン羽根ｆとすればよい。こうす
れば、一体式タービンケーシングｇにタービン羽根車ｈ
を軸方向から差し込むことができる。

【０００８】しかしこの構造であると、排ガスはやはり
ラジアル方向から導入されるため、先の遠心力の影響に
より導入がスムーズにいかない。

【０００９】そこで、図５（ｃ）に示すように、前述の
本出願人によるタービンｉ（以下ラジアル斜流形タービ
ンという）を採用し、そのタービン羽根ｊを外径一定に
することを考える。このタービンｉにおいては、スクロ
ール室ｋがタービン羽根車ｌのラジアル方向（径方向外
側）に位置される一方、タービン羽根車ｌのタービン羽
根ｊは、そのガス導入側端縁部即ちリーディングエッジ
部ｍが、軸方向に対し斜めに形成されて斜流形タービン
の構成が採られている。

【００１０】このようにすると、スクロール室ｋの排ガ
スはタービン羽根車ｌに、或いはタービン羽根ｊ間に斜
めから導入されるようになり、これにより遠心力の影響
を除去し高効率を達成できる。特にリーディングエッジ
部ｍがなす軸方向に対する角度αは、一般的な斜流形タ
ービンが最大30°までであるのに対し、35°〜60°と大
きいものとなっている。従来の斜流形タービンではその
角度αが小さいため、遠心力の影響を除去しきれずラジ
アル形に近い特性となっていたが、かかるラジアル斜流
形の場合、その角度αが大きく、これによって遠心力の
影響を完全に除去することができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】このようにして小径
（軽量）、高効率で且つ安価なタービンができる訳だ
が、このようにしたとしても以下のような問題が依然残
されている。

【００１２】図５（ｃ）に示すラジアル斜流形タービン
は、前記特願平7-20157 号で提案されたタービンのター
ビン羽根車を外径一定とし小径にしたものであるが、特
にこの小径化により次のような問題が生じる。

【００１３】タービン効率に大きな影響を与えるパラメ
ータとして速度比がある。この速度比はガスの有するエ
ネルギを速度の単位で表した値で、Ｕ＝ｕ／Ｃ₀（ｕ；
タービン羽根車の周速、Ｃ₀；理論速度）で表される。

【００１４】図６にタービン効率η_Tと速度比Ｕとの関
係を示すが、これによれば所定の速度比Ｕ₀においてタ
ービン効率η_Tが極大値をとっている。よって最大効率
を得ようとすれば速度比もＵ₀付近に設定しなければな
らないが、タービン羽根車が小径であると、タービン羽
根車の周速がｕ＝ｎπｄ／60（ｎ；回転数、ｄ；タービ
ン羽根車の外径）で与えられｄの値が小さいため、周速
ｕが小さくなり速度比もＵ₀より小さい値（例えば図中
ΔＵの範囲内）となって高効率を得られない。

【００１５】また、先に提案したラジアル斜流形タービ
ンを、単純にスケールダウンして小径化を図ろうとする
と、タービン羽根の排ガス通過部分（タービン羽根間）
のボリュームが大きくなり過ぎ、小流量の排ガスではそ
れが単に抜けるように通過してしまい、ある程度充満さ
せることができず、これによってタービン羽根車を十分
に駆動できず、それに所望の回転、即ちコンプレッサに
通常の過給圧を発生させ得るような回転を与えることが
できない。また、タービン羽根間で循環する流れ（２次
流れ）が生じ、効率も落ちてしまう。

【００１６】なお、速度比を一定値以上に保つため、大
径で且つ小面積のタービン羽根を有する軸流タービンの
採用が考えられるが、これは流路構造上、小型過給機に
は不向きで、しかもタービン羽根車とタービンケーシン
グ間の隙間の影響も強く受け、効率を上げることが難し
い。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る過給機用タ
ービンは、タービンケーシング内にてスクロール室をタ
ービン羽根車のラジアル方向に位置させ、上記タービン
羽根車のタービン羽根の上記スクロール室側のリーディ
ングエッジ部を、上記タービン羽根車の軸方向に対し斜
めに形成すると共に、上記タービン羽根を上記軸方向に
沿って一定外径に形成し、上記タービン羽根が取り付け
られたタービンディスクを、上記タービン羽根が径方向
外方に位置され且つ小面積とされて小流量の排ガス等で
上記タービン羽根車が所望の回転を得られるように、上
記タービン羽根の外径と所定比をなす大径に形成したも
のである。

【００１８】これによれば、ラジアル斜流形タービンに
あって、タービンディスクを大径に形成し、タービン羽
根を径方向外方に位置させ且つ小面積としたので、小流
量の排ガス等でも速度比を大きくとれ高効率を得られる
と共に、排ガスをタービン羽根車の駆動に十分利用でき
てコンプレッサを十分駆動することができる。またター
ビン羽根を一定外径としたため、タービンケーシングの
一体化が可能となり低コスト化も図れる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下本発明の好適な実施の形態を
添付図面に基づいて詳述する。

【００２０】図２は、本発明に係るタービンを備えたタ
ーボ過給機を示す縦断面図である。図示するように、タ
ーボ過給機１は、互いに結合されるタービンケーシング
２及びコンプレッサケーシング４を有し、特にタービン
ケーシング２は図示しないセンターケーシング部を一体
的に有する。このセンターケーシング部に軸受５が収容
され、この軸受５によってタービン軸６が回転可能に支
持されている。タービン軸６の一端（左端）にはコンプ
レッサ８がコンプレッサケーシング４内にて固定され、
またその他端（右端）にはタービン羽根車９が一体的に
設けられている。タービン羽根車９はタービンケーシン
グ２内に形成されたタービン収容室１０に収容され、ま
たタービンケーシング２内には、タービン収容室１０に
対してラジアル方向（径方向外側）に位置するスクロー
ル室１１が区画形成される。スクロール室１１はタービ
ン収容室１０の外周に沿って形成され、且つその断面は
周方向に沿って順次拡大或いは縮小されている。

【００２１】タービン羽根車９は、タービンディスク１
２の外周面３に複数（８〜１２枚程度）のタービン羽根
１３を周方向等間隔で立設して構成される。タービンデ
ィスク１２は略円錘台形状とされてその外周面３は滑ら
かな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９は、これをタービン軸心１４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１３の
各要素を位置付けた子午面形状によって表現されてお
り、実際のタービン羽根車９、特にタービン羽根１３は
より３次元的で複雑な形状を呈している。また通常、タ
ービン羽根１３の最外周端縁部１５はシュラウド、その
タービンディスク１２との接続端縁部１６はハブと称さ
れ、タービン羽根１３のガス導入側端縁部１７はリーデ
ィングエッジ部、ガス排出側端縁部１８はトレーリング
エッジ部と称される。そしてタービンディスク１２の外
周面３はハブ面と称される。

【００２２】図１は、かかるタービンをより明確に示す
ための拡大縦断面図である。図示するように、タービン
羽根１３のリーディングエッジ部１７は、それがタービ
ン軸６の軸方向、即ちタービン軸心１４方向に対し所定
の角度αをなすよう傾斜して形成されている。特にその
角度α（以下斜め度と称す）は、35°以上60°以下に設
定され、従来の斜流形タービン（最大で30°）に比べそ
の斜め度αは大きくとられている。

【００２３】そして、タービン軸心１４を中心とするタ
ービン羽根１３の外径Ｄは軸方向に沿って一定とされ、
つまりシュラウド１５はタービン軸心１４に平行に形成
されている。これによって、タービン羽根車９から径方
向外側へのせり出し乃至突出部分がなくなり、タービン
羽根車９をタービンケーシング２に軸方向から挿入でき
るようになって、タービンケーシング２を分割式とせず
一体に形成でき、低価格化を達成できる。

【００２４】このタービン羽根車９をタービン収容室１
０に収容すると、スクロール室１１からタービン収容室
１０に至る間には中間ゾーン２１が区画形成される。即
ち、中間ゾーン２１は、スクロール室１１のタービン収
容室１０側の排ガス出口を区画する開口のど部２２か
ら、タービン羽根車９のタービン羽根１３のリーディン
グエッジ部１７までのゾーンである（図中一点鎖線間の
領域）。中間ゾーン２１の軸方向基端側（左側）の区画
壁２４は、タービンディスク１２のハブ面３に連続する
よう滑らかに湾曲されて傾斜されている。そして中間ゾ
ーン２１の軸方向先端側（右側）の区画壁２５は、図示
の如く断面アール状とされタービン収容室１０の内周壁
２３に連続している。なお内周壁２３もシュラウド１５
に沿って内径一定とされる。これらにより、中間ゾーン
２１は全体として、断面略三角乃至台形状の全周に亘る
リング状に形成されている。

【００２５】この構成は、前述の特願平7-20157 号で示
されたラジアル斜流形のものであり、これによると、タ
ービン羽根１３のリーディングエッジ部１７が比較的大
きな角度で斜めに傾斜されているため、排ガスのタービ
ン羽根１３間への導入方向も斜めからとなり、これによ
り排ガスの導入を遠心力で阻害されることなく、スムー
ズな導入即ち無衝突流入を達成して高効率とすることが
できる。

【００２６】そしてリーディングエッジ部１７手前に中
間ゾーン２１を形成したので、この領域を整流或いは遷
移領域としてガスをスムーズに案内することができる。
即ち、中間ゾーン２１は、ラジアル方向に位置するスク
ロール室１１からの排ガスを、タービン羽根１３のリー
ディングエッジ部１７に向けて斜めに方向付け（流れ方
向を変え）、さらにタービン羽根１３間の流路内にスム
ーズに案内する。そしてこの中間ゾーン２１により、ス
クロール室１１をラジアル方向に位置付けることが可能
となり、タービンケーシング２の軸受５側へのせり出し
も防止できるから、軸受５の過熱を防止でき且つ構成が
コンパクトとなり、自動車用として最適となる。

【００２７】このように高効率化した結果、従来のラジ
アル形タービンと同等な性能を小形、小径のものでも得
ることができるようになり、タービン羽根車９の慣性モ
ーメントの低減化が図れ、重量の軽減を図ることができ
る。尚、この構成によればタービン羽根車９の慣性モー
メントを従来のラジアル形に比べ約50％に低減できる。

【００２８】ここで、かかるターボ過給機１は、軽自動
車等の小排気量エンジンに搭載されるものであり、スタ
ート時のレスポンス向上のため、タービン羽根車９は比
較的小径に形成される。また小排気量エンジンであるこ
とで排ガス流量も小さいことから、その小流量の排ガス
でタービン羽根車９を効率よく駆動しなければ、通常の
過給圧を得られる程度にコンプレッサを駆動できない。

【００２９】そこでかかる構成にあっては、タービン羽
根車９の全体としての外径、即ちタービン羽根１３の外
径Ｄは通常のものより小径としつつも、タービンディス
ク１２をその外径Ｄと所定比をなす大径に形成し、ター
ビン羽根１３を径方向外方に位置させて十分な周速（50
0m/s程度）及び速度比を得ると共に、タービン羽根１３
の径方向長さを短縮してタービン羽根１３を小面積化す
るようにしている。

【００３０】具体的には、タービン羽根１３の特にガス
排出側を小面積化しており、これによりタービン羽根１
３は、その径方向長さがガス導入側からガス排出側にか
けてそれほど変化しない。さらに、タービンディスク１
２のガス排出側端部の外径ｄ、詳しくはトレーリングエ
ッジ部１８の付け根端の外径ｄは、タービン羽根１３の
外径Ｄとの比において０．４５＜ｄ／Ｄ＜０．６５の関
係を満足する。一方、特願平7-20157 号で示された関係
は０．２５＜ｄ／Ｄ＜０．３５であり、これよりタービ
ンディスク１２は従来より大径であるのが分かる。

【００３１】これにより、タービン羽根車９において十
分な速度比が得られるようになり、最大効率付近でター
ビンを運転させることができる。またタービン羽根１３
の小面積化により、タービン羽根１３間の流路のボリュ
ームを小流量の排ガスに適した小さい値にでき、排ガス
の過剰な抜けを防止すると共にそれをある程度充満させ
るようにして、タービン羽根車９を十分に駆動し、コン
プレッサによる過給を十分に行わせることができる。

【００３２】ところで、このようにタービンディスク１
２を大径化すると、タービンディスク１２の重量が大き
くなりレスポンスの悪化が懸念される。そこでかかるタ
ービンにあっては、タービンディスク１２のガス排出側
端面１２ａを窪ませて凹部１９を形成している。凹部１
９は端面１２ａを軸方向に沿って円柱状に窪ませてな
り、その内周壁１９ａは上記外径ｄより小さい内径を有
する。そしてその内周壁１９ａは、ハブ面３との間に所
定の肉厚を確保しつつ、そのハブ面３と平行に沿うよう
にして形成される。凹部１９の開口端縁は端面１２ａに
滑らかに接続する断面アール状に形成されている。

【００３３】この凹部１９を形成したことで、タービン
ディスク１２の肉抜きを達成し、タービンディスク１２
を軽量化して慣性モーメントの低減を図れる。また凹部
１９は、この他に次のような作用効果ももたらす。即
ち、図３に示すように、タービン羽根１３のハブ１６側
から導出される排ガスＧ₁は、タービンディスク１２の
ガス排出側端縁で剥離し、凹部１９内に渦Ｒを発生させ
る。この渦Ｒは、排出された排ガスＧ₁を滑らかに径方
向内方に案内すると共に、高速の排ガスＧ₁の動圧を静
圧に変換するディフューザとしての役割を果たす。これ
により、全体として排ガスの排出はスムーズとなり、さ
らなる効率向上を達成できる。特にこれは、タービンデ
ィスク１２の大径化に伴う排ガス出口領域（面積）の縮
小を補うのに大変有効である。なおタービン羽根１３の
シュラウド１５側から排出される排ガスＧ₂は、タービ
ンケーシング２及びこれに接続されるディフューザとし
ての排気管２０の内壁に沿って流れる。

【００３４】なお、凹部１９がない場合の排ガスの流れ
は図４に示す通りであり、この場合排ガスは出口通路の
中心部で循環Ｃを生じ、逆流成分を生じさせてしまう。
これが排気損失となり効率低下の一因となる訳だが、か
かる凹部１９はこれも防止し、効率向上に寄与し得るも
のである。

【００３５】ところで、上記タービン羽根車９は耐熱金
属製で凹部１９によって軽量化を図っているが、これを
セラミックやＴｉＡｌ等の比重の小さい材料で作ると、
さらに軽量となり一層効果的である。ここで通常排ガス
には、エンジンからの鉄粉や排気マニホールドの溶接カ
スといった異物が混入しており、特にラジアル形の場合
排ガスの導入がスムーズでないため、タービン羽根の入
口で外部異物が衝突を繰り返しなかなか排出されず、傷
付きに弱いセラミック製タービン羽根が、その衝突の繰
り返しで破損するという所謂ＦＯＤの問題がある。

【００３６】しかしながら、かかるタービンによれば、
排ガスの導入・排出がスムーズであるため、異物を速や
かに導入し且つ排出でき、ＦＯＤの問題も解決できる。
そしてこれによりセラミック製タービンが使用可能とな
り、さらなる性能の向上を達成することができる。

【００３７】以上、本発明の好適な実施の形態について
述べたが、本発明は以上の形態に限定されず、他の様々
な形態が可能である。なおこのタービンは自動車エンジ
ン用として創案されたものであるが、かかる構成をガス
タービンや膨脹タービン等に適用することも可能で、駆
動流体に関しても、エンジンの排ガス以外のガスが可能
である。

【００３８】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００３９】（１）タービン羽根車を小径とした場合で
も、高効率化を達成して、小流量の排ガス等でタービン
羽根車を十分に駆動できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るタービンを示す縦断面図である。

【図２】ターボ過給機を示す縦断面図である。

【図３】排ガスの出口側の流れを示す図である。

【図４】凹部がない場合の排ガスの出口側の流れを示す
図である。

【図５】従来例を示す図である。

【図６】速度比とタービン効率との関係を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１ターボ過給機２タービンケーシング９タービン羽根車１１スクロール室１２タービンディスク１２ａガス排出側端面１３タービン羽根１７リーディングエッジ部１９凹部ｄタービンディスクのガス排出側端部の外径Ｄタービン羽根の外径

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【手続補正書】

【提出日】平成８年１月１１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋幸雄東京都江東区豊洲三丁目２番16号石川島播磨重工業株式会社豊洲総合事務所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】タービンケーシング内にてスクロール室
をタービン羽根車のラジアル方向に位置させ、上記ター
ビン羽根車のタービン羽根の上記スクロール室側のリー
ディングエッジ部を、上記タービン羽根車の軸方向に対
し斜めに形成すると共に、上記タービン羽根を上記軸方
向に沿って一定外径に形成し、上記タービン羽根が取り
付けられたタービンディスクを、上記タービン羽根が径
方向外方に位置され且つ小面積とされて小流量の排ガス
等で上記タービン羽根車が所望の回転を得られるよう
に、上記タービン羽根の外径と所定比をなす大径に形成
したことを特徴とする過給機用タービン。
【請求項２】上記タービンディスクが、そのガス排出
側端部の外径ｄと上記タービン羽根の外径Ｄとの比にお
いて以下の関係を満足するよう形成された請求項１記載
の過給機用タービン。０．４５＜ｄ／Ｄ＜０．６５
【請求項３】上記タービンディスクが、そのガス排出
側端面を窪ませて形成された凹部を有する請求項１又は
２記載の過給機用タービン。