JPS58150007A - タ−ビンハウジング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明の分野 本発明は、タービンロータのまわりに本質的に均一な排
気ガスの流れを与える固定構造及び可変流量の両方のベ
ーンレスノズルタービンのための改良されたタービンハ
ウシンクに関する。

本発明の背景 大部分の汎用のべ一／レスノズルタービンは、うず巻状
部分とそれに接続されている直線状入口部分とを有する
ハウジングを備えている。直線状入口部分はうず巻状部
分の入口へ向って細くなっており、排気ガスはほぼ均一
な速度輪郭をもってうず巻状部分に入る。排気ガスがう
ず巻状部分の内部のまわりを通るに従って、均一の速度
輪郭はうず巻状の輪郭に変る。このうず巻状輪郭では、
隣り合う流線の流速の大きさはその流線の曲率半径に逆
比例する。また、うず巻状部分内の各Ｒ線に沿って、そ
の曲率半径は所定の割合で減少しでおり、従ってその接
線方向流速は加速される。

ターンビンロータに入る所定の流線の速度は、うず巻状
部分の入［」からタービンロータの周囲への当該ａｌ１
Ｍの曲率半径の長さの減少に依る。このことは所定流線
に対して、うず巻状部分の入口での曲率半径が長い程、
その流線がタービンロータへ入るまでの曲率半径の変化
が大きいことを意味する。従って、タービンロータ周縁
のまわりでの流速及び圧力分布が不均一となり、タービ
ンの効率を低下させる。

更に、排気ガスからタービンロータへ伝えられるエネル
ギは以下のよく知られているオイラーのタービン式によ
って決定される。

ｇに こで、Ｈは、排気ガス単位量当りのタービングードベ伝
えられるエネルギ； ｕｌは、タービンロータの周縁におけるタービングレー
ドの速度； Ｃｕ　１は、タービンロータへ入る排気ガスの速度の接
線方向成分； ｕ２は、タービンロータから出る排気ガスの平均半径に
おけるタービンブレードの速度；ｅ　ｕ　２は、タービ
ンロータを離れる排気ガスの速度の平均接線方向成分； ｇｃ　は、重力定数；である。

うず巻状部分の入口から内方へ向いタービンロータの周
縁に至る曲率半径の大きな変化を有する流線に沿う流速
は、同じ曲率半径の小さな兎：化を有する流線に沿う流
速よりも大きく増大する。このことにより、タービンロ
ータの周縁のまわりでの周方向での不均一な流れを生じ
る。タービンブレードの速度値ｕ１より小さい、タービ
ンロータの周縁における接線速度成分ｃｕ１を持つ流線
に沿う速度値はタービンロータ上への負の動きを生じる
・この負の働きは、タービンブレード速度値ｕ１　　よ
り大きい接線速度成分ｃｕ１を有する流線に沿う速度値
による正の働きを減する。

不均一な速度に対処することに加え、最大タービン効率
を達成するためには、所定の操作条件に対しての入射角
度を最適条件にする必要がある。

この入射角度とは、タービングレードの平面に平行で外
方に伸びる線と、タービンブレードに対する排気ガスの
相対的速度を表わすベクトルとの間の角度である。ター
ビンロータの周縁のまわりでの排気ガスの不均一な速度
輪郭のため、各流線に対して異る入射角度があるように
なる。

また、本質的に全てのベーンレスノズルタービンにおい
ては、タービンロータに入るガス流速度の大きさの角度
変化は、タービンロータの周縁に生じる角度静圧勾配を
生じる。この圧力勾配は、低速の流線を高速の流線に向
けて曲げ、それによりタービンの効率を下げる。特にタ
ービンハウジングの入口近くにある舌状部分の領域にお
いては、静圧勾配が流入してくる排気ガスの流れをター
ビンロータの回転方向と反対の方向に向け、舌状部分の
下に押しやる。

本発明の説明 本発明は以上のような従来技術の欠点を解消することを
目的としている。

丁なわ′ら、本発明に係るタービンハウジングは、１つ
の細線のまわりに設定され、同軸線のまわりで回転でき
るようにされたタービンロータを収納する、一端に入口
を有するうず巻状部分と；一端にガス入口を有し、他端
がうず巻状部分の入口に接続されている湾曲部分で、ガ
スの流れの方向において連続的に曲率半径が減少するよ
うになされ、上記ガス入口における流入ガスの比較的均
一な速度輪郭が上記他端において所定のうす速度輪郭に
変るのに十分な長さとされている湾曲部分と； を有することを、その基本的構成としている。

以上の構成により、本発明に係るタービンハウジングを
用いたタービンにおいては、タービンロータの周縁にお
けるガス流は本質的に均一となり、また、タービンロー
タの周縁に入るガスの入射角を均一に丁、ることかでき
る。史にまた、タービンロータ周縁の１わりの静圧も均
一のものとすることができる。

添付図面に参づく説明 以下、温性図面に基づき、従来技術の説明と本発明の詳
細な説明とを行う。

従来技術の説明 第１図には、うず巻状部分１４及び直線状入口部分１６
からなるハウジング１２を有する従来のタービン１０が
示されている。入口部分１６は流路断面積が次第に小さ
くなっており、その一端にはフランジ２０によって囲ま
れた入口１８がある。

７ランゾは、エンジンの排気マニホールドにボルト止め
される。タービン１０は、うず巻状部分１４の入口近く
で且つタービンロータ２６の周縁に隣接した尖端２４を
有する舌状部分２２を備えている。うず巻状部分１４内
のタービンロータ２６は、回転接続シャフト２８に取り
付けられており、該シャフトはその一端に（図示しない
）コングレツサ輪を支持している。タービンロータ２６
は複数のタービンブレード６０を有しており、該ブレー
ドは排気ガスをタービン１０の中心に向けて内方に流す
。排気ガスは（図示しない）出口を通して排出される。

高温排気ガスがエンジンの燃焼γを出ると、排気マニホ
ルドを通り、全てＩｌ□ｌ’！同じ長さの速度ベクトル
の流線で示したように比較的均一な速度輪郭を持ってタ
ービン１０の入口１８に入る。排気ガスは直線状の入口
部分１６を辿して流ね、人口部分１６の小さくなる流路
断面によって加速される。しかし、うず巻状部分１４へ
の入口においては排気ガスの比較的均一な速度輪郭は、
等しい長さの接線方向速度ベクトルの流線で示すように
変化しない。排気ガスがうず巻状部分１４に入り、その
まわりを流れると、流線はタービンブレード６０に当り
タービンロータ２６を、回転し、それにより接続シャフ
トを回転する。排気ガスがうず巻状部分１４内へ内方に
向うに従い、排気ガスはタービンロータの周縁を囲みな
がらその速度を増”ちまた、タービンロータ周縁のまわ
りでの静圧は、ガスの接線方向速度が増大するにつれて
減少する。

そのような速展及び圧力の角度変化はタービン６０の不
均等な１動を生じ、これはタービンロ−タ２６の効率を
下ける。

実施例の歇、明 第２図には、うず巻状部分４４及び湾曲入口部分４６に
よって作られた改良されたノ・ウゾング４２をゼするタ
ービン４０が示されている。湾曲入口部分４６はその一
端にフランジ５０によって囲まれた入口４８を有してい
る０フランジ５０はエンジンの排気マニホルドにボルト
止めされるようになっている。湾曲入口部分４６の他端
５１はうず巻状部分４４の入口に接続されている。

湾曲入口部分４６の内側面５２はうず巻状部分４４の内
面４５に接続されて、うず巻状部分４６の入口に位置し
且つタービンロータ５６の周縁に隣接した尖端５４を有
する舌状部分５６を形成している。従来のタービン１０
と同様に、タービンロータ５６は回転シャフト５８に取
り付けられており、該シャフトはその一端に（図示しな
い）コンゾレツサ輪を支持している０タービンロータ５
６は複数のタービンブレード６０を有しており、排気を
受けてそれをタービン４０の中心に向ける。中心に向け
られたガスは（図示しない）出口を通して排出される。

エンシンの燃焼室から出た排気ガスは排気マニホルドを
′ａジ、比較的に均一な速度輪郭でタービン４０の入口
４８へ至る。この均一な速度輪郭は、全てほぼ同じ長さ
の速度ベクトルの流線で示しである。湾曲入口部分４６
に入ると、排気ガスの速度輪郭はうす状となり、排気ガ
スが加速される。

この２つの特徴は、湾曲入口部分４６をガス流の方向で
曲率半径が連続的に小さくなるように構成し、当該部分
４６を上記速度輪郭の変形が生じる十分な長さとするこ
とにより達成される。湾曲入口部分４６の十分な長さは
少くとも３Ｕ０、好ましくは３００度乃至１８Ｕ０、よ
り好ましくは約４５°乃至９ｕ０、そして最も好ましく
は６ｕ０の角度範囲にわたるものとする。この角厩如）
囲は、湾曲入口部分４６の内側面５２に隣接する流線が
外側の流線より加速されるのを可能とする。これは、タ
ービンロータ５６の周縁に隣接したうず巻状部分内の流
線が、半径方向平面を償切るように見た他の速度ｆｆｐ
に比べた場合、大きな速度を有することを意味する。こ
のことは、タービンロータ５６の周縁のまわりのどの点
においても生じる。更に、湾曲入口部分４６の横断面積
は、入口４８からその反対の端部５１にかけて一定かま
たは減少するようにされている。減少する横断面積が好
ましく、この場合、湾曲入口部分４６の内面５２が収束
して流入する排気ガスが加速される。

上述の曲率半径は、ニューヨークのマグロ−ヒル社によ
って１９６４年に刊行されたＨａｒｏｌｄ　Ａ。

Ｒｏｔｈｄａｒｔ　著の”Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｄｅ
ｓｉｇｎ　ａｎｄＳｌｔｅｍｓ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ”の
５８頁に記載された方法を使用して計算できる。各流線
の連続的に減少する曲率半径は、次の式に従って各流線
に沿う速度をカロ速する。

ここで、 Ｃ２は、タービンロータに入る流線に沿う排気ガスの速
度； Ｒ１は、うず巻状部分の人口における流線の曲率半径； Ｒ２は、タービンロータの周縁におけるＩＮ、線の曲率
半径； Ｃ１ば、うず巻状部分に入る流線に沿う排気ガスの速度
； Ｌｓは、流線の長さの関数とすることかできるうず損失
係数；である。

排気ガスの加速は薄い境界層に対する好ましい圧力勾配
を生じ、排気ガス流が湾曲入口部分４６の内側壁から離
れるのを防止する。

流入する排気ガスの速度輪郭をうず巻状部分４４の入口
における上述のうす状輪郭に震えることにより、タービ
ンロータ５６の周縁のまわりの本質的に均一な流れ分布
を得ることができる。このことは、タービンブレード６
Ｕと接触する全ての流線の速度が等しいことを意味する
。従って、タービンロータ５６の周縁は速度そして／又
は圧力の大きな角度変化を受は丁、従って、タービン４
０の効率は増大する。また、タービンロータ５６の周縁
のまわりの排気ガスの均一な流れを維持することにより
、一定の入射角度が各タービングレード６Ｕと排気ガス
の流入相対速度成分との間に成立する。この一定の入射
角度は、タービン４ｏの全効率を増大するのを助ける。

第６−図乃至第５図には、湾曲入口部分の６つの実施例
が示されており、これら入口部分は約９００の角度範囲
にわたり湾曲しており、流れの方向において連続的に曲
率半径が減少している。第６図の実施例における入口部
分６２の入口６４の横断面は、出口６６の横断面と寸法
が同じでその形状が類似している。従って、ｈ□はｈ２
に、また、ｂｌはｂ２に等しい。

第４図の実施例における湾曲入口部分６８は、その人ロ
ア０の横断面が出ロア２の横断面より大きい。この実施
例では、ｈ□をｈ２と等しくし、ｂｌをｂ２よジ大きく
することによりそのようにしている。

第５図の実施例における湾曲人口部材７４では、分割壁
７６が設けられており、２つの横並べにした通路７８，
１：３Ｌｌが＃成されている。分割壁７６は、偶数のシ
リンダを有するエンジンに接←“ｒされる場合に特に有
益である。一対の排気マニホルドがエンジンの排気口を
、半分のシリンダからの排気ガスが排気路７８に、他の
半分のシリンダからの排気ガスが排気路８０に向けられ
るように、湾曲入口部分７４に接＠する。シリンダの分
割は、タービンへのエネルギを最大限にするような態様
で、それらの点火順序に基づき渕択される。第５図の実
施例においては、各通路７８．８０の断面積は出口８４
におけるよりも入口８２において大きくなっている。こ
の面積の差は、湾曲入口部分７４の内部面積を減少させ
、出口８４における通路７８．８［］を所望の寸法及び
形状に変えることにより行っている。出口８４における
湾曲入口部分の内部形状はうす状部分の入口における内
部形状に一致させる。以上、三つの湾曲入口部分の形態
につき述べたが、急檄な内部壁の変化かない限り他の形
態のものも用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のタービンの横断面図；第２図は、本発
明に係るタービンの横断面図；第６図は、本発明に係る
タービンの曲率が次第に減少し且つ横断面が一定の湾曲
入口部分の側面図及び端面図； 第４図は、他の実施例に係る湾曲入口部分の側面図及び
端面図；及び、 第５図は、更に他の実施例に係る湾曲入口部分の側面図
及び端面図；である。 ４４・・・・・・うず巻状部分；４６・・・・・・湾曲
　（入口）部分：４８・・・・・・ガス人口；５１・・
・・・・他端。 特許出願人　　ディー了・アンド拳カンパニー（外４名
）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）１つの軸線のまわりに設定され、同軸線のまわり
   で回転できるようにされたタービンロータを収納する、
   一端に入口を有するうず巻状部分と； 一端にガス人口を有し、他端がうず巻状部分の人口に接
   続されている湾曲部分で、ガスの流れの方向において連
   続的に曲率半径が減少するようになされ、上記ガス入口
   における流入ガスの比較的均一な速度輪郭が上記他端に
   おいて所定のうず速度輪郭に変るのに十分な長さとされ
   ている湾曲部分と： を有するタービンノ・ウジフグ。 （２）１つの軸線のまわりに設けられ、一端に設けられ
   た人口と上記軸線と平行に整合された川口とを有するう
   ず巻状部分を備え、該うず巻状部分内に収納されたター
   ビンロータの周縁に本質的に均一なガス流を供給するよ
   うにしたタービンハウシングにおいて、一端にガス入目
   を均し、他端で上記うす巻状部分の入口に接＆された湾
   曲部分を備え、該湾曲部分がガスの流れの方向において
   連続的に曲率半径が減少するようｅごなっており、また
   、上記ガス入口において流入するガスの比較的均一な速
   度輪郭を上記他端において所定のうず速ｍ輪郭に変える
   のに十分な程度だけ上記ガス入口及び他端の間が長くさ
   れていることを特徴とするタービンハウジングＤ（３）
   上記湾曲部分が上記ガス人口から他端に向けて横断面積
   が減少するようにされている特許請求の範Ｆｆ（７４１
   ４２柳に記載のタービン・・ウジング。 （４）　　上記湾曲部分が少くとも３（Ｊｏの角度範囲
   にわたり延びている特許請求の範囲第２１：Ａ若しくは
   第６項に記載のタービンハウジング。 （５）　　上記湾曲部分が約６００乃至１８Ｕ０の角に
   ０囲にわたり延ひている特許請求の範囲第４項に記載の
   タービンハウジング。 （６）　　上記湾曲部分が約４５°乃至９ＬＪ″″の角
   度Φ１】囲にわたり延びている特許請求の範囲第５項に
   記載のタービンハウジング。 （７）　　上記湾曲部分が約６００の角度範囲にわたり
   蝙ひている特許請求の範囲第６項に記載のタービンハウ
   シング。 （８）上記湾曲部分が上記ガス入口から他端まで一定の
   横断面積を有している特許請求の範囲第２項に記載のタ
   ービンハウジング。 （９）　　タービンロータを収納し、タービンロータの
   周縁のまわりの一対の軸方向で分離された流路と連通す
   る１つの入口を一端に有するうず巻状部分を備え、ター
   ビンロータの周縁に周方向で均一なガス流を供給するよ
   うにしたタービンハウジングにおいて、一端にガス入口
   を有し、他端で上記うず巻状部分の入口に接続された湾
   曲部分を有し、該湾曲部分はガスの流れの方向において
   連続的に曲率半径が減少するようにされており、且つ、
   上記ガス入口における流入ガスの比較的に均一な速度輪
   郭を上記他端における所定のうす状速度輪郭へ変えるに
   十分な長さを有していること全特徴とするタービンハウ
   ジング０