JPWO2015002228A1 - スクロール部構造及び過給機 - Google Patents

Abstract

過給機（１）は、タービン（２）と、コンプレッサ（３）と、を備える。タービン（２）は、タービン動翼（２１）の回転軸周りに渦巻き形状に形成されたスクロール部（流路）（４）を備える。スクロール部（４）は、入口部（４１）と出口部（４２）との中間部分（４３）で流路断面形状のアスペクト比が入口部（４１）及び出口部（４２）のアスペクト比よりも高くなるように構成されている。

Description

本発明は、流体を動翼に供給する渦巻き形状の流路を備えたスクロール部構造及び該スクロール部構造を備えた過給機に関し、特に、圧力損失を低減することができるスクロール部構造及び過給機に関する。

流体を動翼に供給して、流体の運動エネルギーを回転運動に変換して動力を得る回転式原動機は、一般にタービンと呼ばれている。かかるタービンを利用した装置の一つに過給機がある。例えば、車両用の過給機（ターボチャージャー）は、排気ガスの供給により回転するタービン動翼を含むタービンと、前記タービン動翼と同軸に連結された羽根車を含み、前記羽根車の回転により空気を吸入するコンプレッサと、を備えている。

前記コンプレッサにより吸入された空気は、圧縮されてエンジンに供給され、燃料と混合されて燃焼される。燃焼後の排気ガスは、前記タービンに送られて仕事をした後、最終的に大気中に放出される。前記排気ガスを前記タービン動翼に供給する流路は、排気ガスを加速させるためのスクロール部を有する。スクロール部は、前記タービン動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成され、前記タービン動翼の回転軸に向けて前記排気ガスを供給する流路として構成されている。

かかる過給機において、車両のエンジンの回転数に合わせて適切なタービン出力を得るために、可変容量過給機が開発されている（特許文献１及び２参照）。可変容量過給機は、スクロール部とタービン動翼との間の流路に配置される複数の回動可能なベーン（翼）を備えている。近年、過給機の性能向上が益々要求されるようになっており、可変容量過給機における圧力損失をより低減したいというニーズがある。

過給機の圧力損失を低減しようとした場合、同じ流量であれば流路断面積が大きい方が流速を抑えることができるため、圧力損失を低減させることができる。しかしながら、車載条件等との関係から、過給機又はタービンの設計において、スクロール部をある一定の大きさ以上に設計することができない。

そこで、特許文献２に記載されたようなスクロール部を内側に拡径した過給機が提案されている。かかる過給機では、特許文献１の図５と特許文献２の図１を比較すると理解しやすいように、シュラウドと呼ばれる可変ノズル機構の一部がスクロール部内に突出している。

特開２００２−２０６４２７号公報 特開２００６−１３２３８６号公報

しかしながら、特許文献２に記載されたような可変容量過給機では、スクロール部内に突出した可変ノズル機構の一部が排気ガスの流れを阻害し、流路断面積を大きくしたことによる圧力損失の低減効果を減殺してしまう。

本発明は上述した問題点に鑑み創案されたものであり、可変ノズル機構の一部がスクロール部に突出した場合でも、動翼に供給される流体の圧力損失を低減することができるスクロール部構造及び過給機を提供することを目的とする。換言すれば、本発明は、スクロール部に可変ノズル機構を設けた場合であっても、突出した可変ノズル機構の一部による、流体の圧力損失の低減への影響が少ないスクロール部構造及び過給機を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様はスクロール部構造であって、流体を動翼に供給して動力を得るタービンの前記動翼の回転軸周りに、入口部、出口部、および前記入口部と前記出口部の中間部分からなる渦巻き形状に形成された流路を備え、前記中間部分の流路断面形状のアスペクト比は、前記入口部及び前記出口部のアスペクト比よりも高く、前記アスペクト比は、（前記流路断面形状の前記タービンの軸方向長さ）／（前記流路断面形状の前記タービンの径方向長さ）によって定義され、前記中間部分は少なくとも前記アスペクト比が１．８以上の部分を有することを要旨とする。

本発明の第２の態様は、排気ガスの供給により回転するタービン動翼を含むタービンと、前記タービン動翼と同軸に連結された羽根車を含み、前記羽根車の回転により空気を吸入するコンプレッサと、を有する過給機であって、第１の態様に係るスクロール部構造を備えていることを要旨とする。

前記スクロール部は、始点から３０°〜１２０°の範囲内で前記アスペクト比のピーク値を有してもよい。前記ピーク値は、２．０〜３．０の範囲内に設定されてもよい。

前記タービンは、前記スクロール部から前記動翼に流体を供給する導入路に複数の回動可能なベーンを配置した可変ノズル機構を備え、該可変ノズル機構の一部が前記スクロール部に突出するように配置されていてもよい。

上述した本発明のスクロール部構造及び過給機によれば、スクロール部の中間部分で流路断面形状のアスペクト比を高くすることにより、スクロール部の流路断面積を確保しつつ、流路断面形状を扁平形状に構成することができる。したがって、可変ノズル機構の一部がスクロール部に突出するように配置されたタービン又は該タービンを有する過給機であっても、突出した部分を避けるようにスクロール部の流路を形成することができ、動翼に供給される流体の圧力損失を低減することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る過給機を示す断面図である。 図２（ａ）は本実施形態に係るスクロール部構造を示す平面図であり、図２（ｂ）は従来技術に係るスクロール部構造を示す平面図である。 図３（ａ）は図２（ａ）に示したスクロール部の流路断面形状を積層して表示した断層図であり、図３（ｂ）は図２（ｂ）に示したスクロール部の流路断面形状を積層して表示した断層図である。 図４（ａ）は本実施形態に係るスクロール部（流路）のアスペクト比を示す図であり、図４（ｂ）は本実施形態の変形例に係るスクロール部（流路）のアスペクト比を示す図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）はＣＦＤを用いたスクロール部における全圧分布の解析結果の一例を示す図であり、図５（ａ）は本実施形態に係るスクロール部に対する解析結果、図５（ｂ）は従来技術に係るスクロール部に対する解析結果を示している。 図６（ａ）及び図６（ｂ）はタービンの要素試験結果を示す図であり、図６（ａ）はタービン効率、図６（ｂ）はタービン流量比を示している。

以下、本発明の実施形態について図１〜図６を用いて説明する。ここで、図１は、本実施形態に係る過給機を示す断面図である。図２（ａ）は本実施形態に係るスクロール部構造を示す平面図である。図２（ｂ）は従来技術に係るスクロール部構造を示す平面図である。 図３（ａ）は図２（ａ）に示したスクロール部の流路断面形状を積層して表示した断層図である。図３（ｂ）は図２（ｂ）に示したスクロール部の流路断面形状を積層して表示した断層図である。

本実施形態に係る過給機１は、排気ガスの供給により回転するタービン動翼２１を含むタービン２と、タービン動翼２１と同軸に連結された羽根車３１を含み、羽根車３１の回転により空気を吸入するコンプレッサ３と、を備える。タービン２は、タービン動翼２１の回転軸周りに渦巻き形状に形成された流路としてのスクロール部４を有する。スクロール部（流路）４は、入口部４１、出口部４２、入口部４１と出口部４２との中間部分４３とからなる。中間部分４３の流路断面形状のアスペクト比は、入口部４１及び出口部４２のアスペクト比よりも高い。ここで、アスペクト比は、（流路断面形状のタービン２の軸方向長さＬａ）／（流路断面形状のタービン２の径方向長さＬｒ）によって定義される。中間部分４３は少なくともアスペクト比が１．８以上の部分を有する。

過給機１の外形は、タービン２の筐体を構成するタービンハウジング２２と、コンプレッサ３の筐体を構成するコンプレッサハウジング３２と、タービンディスク２３と羽根車３１を連結する回転軸５を支持するセンターハウジング５１と、により構成されている。スクロール部４は、タービンハウジング２２の一部を構成している。

過給機１は、いわゆる車両用過給機である。また、過給機１は、可変ノズル機構６を備えた可変容量過給機でもある。可変ノズル機構６は、車両のエンジンの回転数に合わせて適切なタービン２の出力を得るために、スクロール部４とタービン動翼２１との間の流路に配置された複数の回動可能なベーン６１を備える。

可変ノズル機構６は、タービンハウジング２２に固定された環状のシュラウド６２と、タービンハウジング２２及びセンターハウジング５１の間に支持された環状の支持リング６３と、シュラウド６２及び支持リング６３の間で回動可能に支持された複数のベーン６１と、ベーン６１を回動させる駆動機構６４と、シュラウド６２と支持リング６３との間隔を保持するピン６５と、から構成されている。したがって、シュラウド６２と支持リング６３とにより囲まれた部分が、スクロール部４を流れる排気ガスをタービン動翼２１に供給する導入路７を構成し、シュラウド６２の一部が図４（ｂ）に示した突出部８に相当する。

なお、駆動機構６４は、例えば、リンク機構により構成されている。駆動機構６４には、過給機１の外部に配置されたアクチュエータ（図示せず）により動力が与えられる。この動力によって、駆動機構６４は複数のベーン６１を同期させながら角度を変更できる。

以下、スクロール部構造について詳述する。図２（ａ）に示したように、スクロール部（流路）４は、流路断面積が大きな入口部４１から流路断面積が小さな出口部４２に向かって渦巻き状に形成されている。説明の便宜上、スクロール部４の内側の曲線を内縁と称し、スクロール部４の外側の曲線を外縁と称する。

ここで、入口部４１から供給される排気ガスＧの流れ方向とスクロール部４を構成する外縁の接線方向が一致する点を始点Ｐ１として位相を０°に設定する。この始点Ｐ１よりも上流側の部分が入口部４１を構成し、下流側に向かって（図では反時計回りに）位相が増加するものとする。したがって、入口部４１は、位相が約−６０°〜０°の範囲に相当し、出口部４２は、位相が２７０°〜約３００°の範囲に相当し、中間部分４３は、位相が０°〜２７０°の範囲に相当する。

また、半径Ｒの円Ｃ１は、スクロール部４の設計時に与えられる最大外形を規定するフレームサイズである。半径ｒの円Ｃ２は、スクロール部４の設計時に与えられるシュラウドを規定するフレームサイズである。なお、半径Ｒ，ｒの大きさは、適用されるタービン又は過給機の種類や出力に応じて異なる。

図２（ａ）に示したように、スクロール部４の外縁は、例えば、始点Ｐ１から中間部分４３内の中間点Ｐ２に至るまで円Ｃ１に沿って形成され、中間点Ｐ２から終点Ｐ３に向かって円Ｃ１から漸減するように形成される。この中間点Ｐ２は、例えば、位相が１８０°〜２７０°の範囲内に設定される。

また、スクロール部４の内縁は、例えば、始点Ｑ１から円Ｃ２に向かって漸増し中間部分４３内の中間点Ｑ２から終点Ｐ３に至るまで円Ｃ２に沿って形成される。この中間点Ｑ２は、例えば、位相が４５°〜１３５°の範囲内に設定される。

それに対して、図２（ｂ）に示したように、従来技術のスクロール部４０は、一般に、円Ｃ２がスクロール部４０の中心線となるように形成されている。したがって、スクロール部４０の外縁は、始点Ｐ１から終点Ｐ３に向かって漸減し、スクロール部４０の内縁は、始点Ｑ１から終点Ｐ３に向かって漸増するように形成される。

図２（ａ）及び図２（ｂ）の比較から判るように、本実施形態におけるスクロール部４は、フレーム外形、すなわち、円Ｃ１に寄せた形状を有している。また、スクロール部４の中心から内縁までの距離は、従来技術のスクロール部４０よりも大きい。その結果、後述するように、突出部８のスクロール部４への突出量を従来よりも少なくすることができる。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示した断層図は、位相３０°ごとにスクロール部４，４０を切断し、位相−６０°の流路断面（即ち、主流に対して垂直な面）Ｓ１、位相−４５°の流路断面Ｓ２、位相０°の流路断面Ｓ３、位相３０°の流路断面Ｓ４、位相６０°の流路断面Ｓ５、位相９０°の流路断面Ｓ６、位相１２０°の流路断面Ｓ７、位相１５０°の流路断面Ｓ８、位相１８０°の流路断面Ｓ９、位相２１０°の流路断面Ｓ１０、位相２４０°の流路断面Ｓ１１、位相２７０°の流路断面Ｓ１２、位相３００°の流路断面Ｓ１３、を積層して表示したものである。なお、各位相の値は流路に沿った基準線（例えば中心軸）上の位置に対する指標として与えられている。また、図中の矩形部分は突出部８を示している。

これらの図からわかるように、本実施形態におけるスクロール部４は、流路断面形状のタービン２の軸方向長さＬａが、従来技術におけるスクロール部４０の流路断面形状のタービン２の軸方向長さＬａ′よりも長く形成されている。また、本実施形態におけるスクロール部４は、流路断面形状のタービン２の径方向長さＬｒが、位相９０°の流路断面Ｓ６において、突出部８の上端部に接近している。これに対して、従来技術におけるスクロール部４０は、流路断面形状のタービン２の径方向長さＬｒが、位相１８０°の流路断面Ｓ９において、突出部８の上端部に接近している。なお、０°以下の位相の流路断面（即ち入口部４１における各流路断面）での径方向長さＬｒとは、当該流路断面において軸方向長さＬａに垂直な方向の長さを意味する。

これは、本実施形態におけるスクロール部４では、位相９０°〜３００°の範囲内において突出部８の突出量が少なく、特に、位相９０°〜１８０°の範囲内において、従来技術におけるスクロール部４０よりも突出部８の突出量が少ないことを意味している。

概念的には、位相９０°〜１８０°の範囲内において、スクロール部４をフレーム外形に寄せることによって、流路断面形状のタービン２の径方向長さＬｒを従来技術の径方向長さＬｒ′よりも短くし、流路断面積を確保するために、流路断面形状を軸方向長さＬａに引き延ばしたものといえる。

すなわち、スクロール部４の中間部分４３は、流路断面形状のタービン２の軸方向長さＬａを長くして、流路断面形状のタービン２の径方向長さＬｒを短くすることにより、アスペクト比が高くなるように構成されている。その結果、本実施形態におけるスクロール部４は、中間部分４３において、（流路断面形状のタービン２の軸方向長さＬａ）／（流路断面形状のタービン２の径方向長さＬｒ）によって定義されるアスペクト比が従来技術のスクロール部４０よりも高くなるように形成されている。

図４（ａ）は、本実施形態に係るスクロール部４のアスペクト比を示す図である。図４（ｂ）は本実施形態の変形例に係るスクロール部のアスペクト比を示す図である。各図において、横軸は位相（°）、縦軸はアスペクト比、を示している。また、図４（ａ）において、四角（□）は本実施形態におけるスクロール部４の数値を示し、丸（○）は従来技術におけるスクロール部４０の数値を示している。

図４（ａ）に示したように、本実施形態におけるスクロール部４のアスペクト比は、位相−６０°で１．０（円形状）である。アスペクト比は、位相が増加するに連れて滑らかに上昇し、位相９０°でピーク値２．６に達し、その後滑らかに下降し、位相２７０°で約１．３になる。このように、アスペクト比を滑らかな曲線で構成することにより、スクロール部４を流れる排気ガスの圧力損失を低減することができる。

一方、従来技術におけるスクロール部４０のアスペクト比は、位相−６０°で１．０（円形状）である。アスペクト比は、位相が増加するに連れて上昇し、位相９０°〜１８０°の範囲で略一定値１．７となり、その後下降し、位相２７０°で約１．１になる。

図示したように、従来技術におけるスクロール部４０は、アスペクト比が１．８未満であるのに対し、本実施形態におけるスクロール部４は、中間部分４３においてアスペクト比が１．８以上である部分を有している。すなわち、本実施形態におけるスクロール部４は、従来技術におけるスクロール部４０よりも扁平形状を有している。

本実施形態におけるスクロール部４は、図示した形状に限定されるものではなく、例えば、始点Ｐ１から位相３０°〜１２０°の範囲内でアスペクト比のピーク値を有していてもよいし、ピーク値は２．０〜３．０の範囲内に設定されていてもよい。図４（ｂ）には、変形例として、位相６０°でアスペクト比のピーク値３．０を有する第一変形例（□）と、位相９０°でアスペクト比のピーク値２．０を有する第二変形例（○）と、を図示している。

第一変形例に示したように、アスペクト比のピーク値を位相９０°よりも上流側に設定することにより、早い段階で突出部８の突出量を低減させることができ、突出部８による圧力損失をより低減することができる。また、第二変形例に示したように、アスペクト比のピーク値を位相９０°よりも下流側に設定することにより、流路断面形状の変形をより滑らかにすることができ、流路断面形状の変化に伴う圧力損失を低減しやすくすることができる。

ところで、アスペクト比を高くするためには、流路断面形状のタービン２の軸方向長さＬａをより長くすることが好ましい。しかしながら、スクロール部４は、図１に示したように、一般的に、入口部４１に他の配管との取り合い部分を構成するフランジ部４４を有している。このフランジ部４４の軸方向端部ラインＷよりも外側にスクロール部４がはみ出てしまうと、他の車載部品と干渉してしまう可能性がある。そこで、スクロール部４の外形がフランジ部４４からはみ出さないように構成することが好ましい。

上述した本実施形態に係るスクロール部構造及び過給機１によれば、スクロール部４の中間部分４３で流路断面形状のアスペクト比を高くすることにより、スクロール部４の流路断面積を確保しつつ、流路断面形状を扁平形状に構成することができ、可変ノズル機構６の一部がスクロール部４に突出するように配置されたタービン２であっても、突出部８を避けるようにスクロール部４の流路を形成することができ、タービン動翼２１に供給される流体の圧力損失を低減することができる。

ここで、上述したスクロール部構造の効果について図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照しつつ説明する。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics：数値流体力学）を用いたスクロール部における全圧分布の解析結果の一例を示す図である。図５（ａ）は本実施形態に係るスクロール部４に対する解析結果を示している。図５（ｂ）は従来技術に係るスクロール部に対する解析結果を示している。なお、各図において、圧力分布図は位相９０°の流路断面Ｓ６の場合を例示的に図示している。

図５（ａ）に示したように、本実施形態におけるスクロール部４の流路断面の中央部分から外縁部分に渡って高圧のエリアαが広く分布しており、内縁側の部分に低圧のエリアβが僅かに分布している。それに対して、図５（ｂ）に示したように、従来技術におけるスクロール部４０の流路断面の中央部分から外縁部分に渡って高圧のエリアα′が広く分布しており、内縁側の部分に低圧のエリアβ′が広く分布している。

ここでは、圧力分布図をグレースケールで表示しているが、実際のＣＦＤ解析結果の圧力分布図では、圧力分布がカラー表示されており、圧力が高い方から順に、赤色（レベル１）→橙色（レベル２）→黄色（レベル３）→緑色（レベル４）→青色（レベル５）と表示されている。そして、エリアβとエリアβ′を比較した場合、エリアβでは、緑色（レベル４）で留まっているのに対し、エリアβ′では青色（レベル５）まで達しており、本実施形態に係るスクロール部構造では圧力損失が低減できていることを視覚的に理解することができる。

上述した本実施形態に係るスクロール部構造の評価試験結果について、図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照しつつ説明する。ここで、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、タービンの要素試験結果を示す図である。図６（ａ）はタービン効率を示している。図６（ｂ）はタービン流量比を示している。各図において、図２（ａ）及び図３（ａ）に示した本実施形態に係るスクロール部構造のデータを四角（□）及び実線で図示し、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示した従来技術に係るスクロール部構造のデータを丸（○）及び破線で図示している。

本要素試験は、過給機の単体試験設備にて、タービンに高圧及び高温の燃焼ガスを供給することによってタービン軸を回転させ、タービン出入口の圧力比（出口圧力／入口圧力）とタービンを通過する流量を計測するとともに、同軸上のコンプレッサの消費動力を計測してタービン効率を算出したものである。

図６（ａ）において、横軸は圧力比、縦軸はタービン効率（％）を示している。図示したように、高回転数におけるタービン効率については、従来技術に係るスクロール部構造を有するタービンと本実施形態に係るスクロール部構造を有するタービンとの間で顕著な差異は見られなかった。しかしながら、低回転数におけるタービン効率ついては、従来技術に係るスクロール部構造を有するタービンよりも本実施形態に係るスクロール部構造を有するタービンの方が約２〜３ｐｔｓ優れていることが理解できる。一般に、低回転数領域は、過給機（タービン）の運転時に必ず使用（又は通過）する領域であり、低回転数領域のタービン効率を僅かでも改善することは非常に有意義である。

図６（ｂ）において、横軸は圧力比、縦軸はタービン流量比（本実施形態に係るスクロール部構造を有するタービン流量／従来技術に係るスクロール部構造を有するタービン流量）を示している。図示したように、タービン流量比については、高回転数の場合においても低回転数の場合においても、従来技術に係るスクロール部構造を有するタービンよりも本実施形態に係るスクロール部構造を有するタービンの方が約２〜３％優れていることが理解できる。

上述した本評価試験結果によれば、本実施形態に係るスクロール部構造を有する過給機は、動翼に供給される流体の圧力損失を低減したことにより、従来技術に係るスクロール部構造を有する過給機と比較して、タービン効率を改善することができるとともに、流量の増大を図ることができる。

なお、図１に示した過給機１は、図示した構造のものに限定されるものではなく、可変ノズル機構６の構成が異なる過給機や可変ノズル機構６を有しない過給機であってもよいし、車両用以外の過給機であってもよいし、排気ガス以外の気体や水等の液体により駆動されるタービン２を有するものであってもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

Claims (5)

1. スクロール部構造であって、
   流体を動翼に供給して動力を得るタービンの前記動翼の回転軸周りに、入口部、出口部、および前記入口部と前記出口部の中間部分からなる渦巻き形状に形成された流路を備え、
   前記中間部分の流路断面形状のアスペクト比は、前記入口部及び前記出口部のアスペクト比よりも高く、
   前記アスペクト比は、（前記流路断面形状の前記タービンの軸方向長さ）／（前記流路断面形状の前記タービンの径方向長さ）によって定義され、
   前記中間部分は少なくとも前記アスペクト比が１．８以上の部分を有する
   ことを特徴とするスクロール部構造。
2. 前記流路は、始点から３０°〜１２０°の範囲内で前記アスペクト比のピーク値を有することを特徴とする請求項１に記載のスクロール部構造。
3. 前記ピーク値は、２．０〜３．０の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項２に記載のスクロール部構造。
4. 前記タービンは、前記流路から前記動翼に流体を供給する導入路に複数の回動可能なベーンを配置した可変ノズル機構を備え、
   該可変ノズル機構の一部が前記流路に突出するように配置されていることを特徴とする請求項３に記載のスクロール部構造。
5. 排気ガスの供給により回転するタービン動翼を含むタービンと、前記タービン動翼と同軸に連結された羽根車を含み、前記羽根車の回転により空気を吸入するコンプレッサと、を有する過給機であって、
   前記タービンは請求項１〜請求項４の何れか一項に記載のスクロール部構造を備えていることを特徴とする過給機。