WO2014033920A1

WO2014033920A1 - 過給機用軸流タービン

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Publication number: WO2014033920A1
Application number: PCT/JP2012/072193
Authority: WO
Inventors: 亮 ▲高▼田
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2014-03-06
Also published as: US9677463B2; US20150167543A1; EP2853715A4; EP2853715A1; CN104487673B; EP2853715B1; CN104487673A; JPWO2014033920A1; JP5281724B1

Abstract

【課題】ハブ部の上流側端面とハウジング端面との間の隙間から低温の外気や潤滑油などがガス流路に逆流することのない過給機用軸流タービンを提供すること。【解決手段】軸受２と、軸受によって回転可能に支持された回転軸４と、回転軸の軸端に設けられたハブ部６と、該ハブ部の周面６ａから径方向外側へ突設された複数の動翼８とを有するタービンホイール１０と、タービンホイールを収容するとともに、回転軸を収容する回転軸収容部２６と、ハウジング内に導流したガスを回転軸周りに旋回させるスクロール部２２と、スクロール部の出口２２ａから流出したガスを軸方向へと導流する、回転軸収容部の周囲に形成されたベンド部２４とを少なくとも有するハウジング２０と、を備える過給機用軸流タービン１において、ハウジングは、タービンホイールのハブ部の上流側端面６ｂに対向するハウジング端面２０ａよりも上流側の位置に、ベンド部と回転軸収容部とを連通するバイパス流路４０を有している。

Description

過給機用軸流タービン

　本開示は、過給機用軸流タービンに関する。

　近年、自動車用ターボチャージャなどの小型過給機において、低イナーシャ化によるターボラグの低減等を目的として、これまでのラジアルタービンに替えて、軸方向に流れる流体によってタービンホイールを回転させる軸流タービンの開発が進められている。

　図１０は、過給器用軸流タービンの構成を示した概略断面図である。
図１０に示したように、過給器用軸流タービン１００は、ハウジング１２０と、ハウジング１２０に収容された回転軸１０４およびタービンホイール１１０などから構成されている。

　回転軸１０４は、軸受１０２に中心軸ＣＬを中心として回転可能に支持されており、その軸端には円柱状のハブ部１０６が設けられている。また、軸受１０２とハブ部１０６との間には、回転軸１０４の周面をシールする軸シール部１０２ａが設けられている。そして、ハブ部１０６の平坦な周面１０６ａからは複数の動翼１０８が径方向外側に向かって突設しており、これらハブ部１０６および複数の動翼１０８によって、上述したタービンホイール１１０が構成されている。

　ハウジング１２０には、上述したタービンホイール１１０が収容されている。また、ハウジング１２０の内部には、中心軸ＣＬを中心としたその近傍に回転軸１０４を収容する回転軸収容部１２６が形成されている。そして、この回転軸収容部１２６の周囲には、ハウジング１２０内に導流された排気ガスを回転軸１０４周りに旋回させるスクロール部１２２、およびこのスクロール部１２２の出口１２２ａから流出した排気ガスを軸方向へと導流するベンド部１２４が形成されている。また、タービンホイール１１０の下流側には下流側流路部１２８が形成されている。そして、スクロール部１２２からベンド部１２４を流れ、タービンホイール１１０を回転せしめた排気ガスが下流側流路部１２８へと流入し、この下流側流路部１２８から不図示の排気管路へと排出されるようになっている。

特開平１１－３４３８０８号公報特開２００５－２４０７２７号公報

　ところで、自動車用ターボチャージャ等の比較的小型なボス比（動翼の根元径／先端径）の低い軸流タービンでは、タービンホイール１１０の上流側の内周面近傍における圧力Ｐ１ｈが低下する場合があることとの知見を本発明者らは得た。タービンホイール１１０の上流側には、ハブ部１０６の上流側端面１０６ｂとハウジング１２０のハウジング端面１２０ａとの間に回転軸収容部１２６と繋がる隙間１３０が存在する。このため、隙間１３０の開口近傍における圧力Ｐ１ｈが大気圧Ｐａよりも低くなると、図中の矢印ｆ´で示したように、低温の外気や潤滑油などが軸シール部１０２ａからリークして隙間１３０を介してベンド部１２４に逆流し、逆流した外気によって排気ガスの流れが乱されることによるタービン効率の低下や、潤滑油の浸入による動翼１０８のエロージョン等の恐れがある。

　特許文献１および２には、本願発明と同様の軸流タービンにおいて、動翼部を通過する流体の漏れ流れに関する技術について開示されている。しかしながらこれら特許文献１および２は、本願発明とは異なり、上述した外気や潤滑油の逆流を問題とするものではない。

　本発明の少なくとも一つの実施形態は、上述したような課題に鑑みなされたものであって、ハブ部の上流側端面とハウジング端面との間の隙間から低温の外気や潤滑油などがガス流路に逆流することのない過給機用軸流タービンを提供することを目的としている。

　また、本発明の少なくとも一つの実施形態は、ハブ部の周面近傍に形成される境界層を薄くすることでタービン効率の低下を防止することができる過給機用軸流タービンを提供することを目的としている。

　本発明の少なくとも一つの実施形態は、上述した目的を達成するために、
軸受と、
前記軸受によって回転可能に支持された回転軸と、
　前記回転軸の軸端に設けられたハブ部と、該ハブ部の周面から径方向外側へ突設された複数の動翼とを有するタービンホイールと、
　前記タービンホイールを収容するとともに、前記回転軸を収容する回転軸収容部と、ハウジング内に導流したガスを前記回転軸周りに旋回させるスクロール部と、該スクロール部の出口から流出したガスを軸方向へと導流する、前記回転軸収容部の周囲に形成されたベンド部とを少なくとも有するハウジングと、
　を備える過給機用軸流タービンにおいて、
前記ハウジングは、前記タービンホイールのハブ部の上流側端面に対向するハウジング端面よりも上流側の位置に、前記ベンド部と前記回転軸収容部とを連通するバイパス流路を有していることを特徴とする。

　このように構成される過給機用軸流タービンは、ハブ部の上流側端面とハウジング端面との間に存在する隙間よりも上流側の位置に、ベンド部と回転軸収容部とを連通するバイパス流路を有している。このため、バイパス流路を介して排気ガスがベンド部から回転軸収容部へと流入するため、外気や潤滑油などがハブ部の上流側端面とハウジング端面との隙間を介してベンド部などのガス流路に逆流するのを防止することができる。

　また、本発明の一実施形態の過給機用軸流タービンでは、
　前記バイパス流路は、前記ベンド部における圧力が大気圧よりも高い位置と、前記回転軸収容部とを連通している。

　このように、バイパス流路がベンド部における圧力が大気圧よりも高い位置と回転軸収容部とを連通していれば、バイパス流路を介して大気圧よりも高いガスが回転軸収容部に流入するため、外気や潤滑油などがベンド部などのガス流路に逆流するのを確実に防止することができる。

　また、本発明の一実施形態の過給機用軸流タービンでは、
　前記回転軸収容部は、前記軸受と前記タービンホイールとの間に設けられたシール部によって軸受側とタービンホイール側とに区画されており、
前記バイパス流路は、前記ベンド部と、前記回転軸収容部のタービンホイール側とを連通している。

このように、回転軸収容部がシール部によって軸受側とタービンホイール側とに区画されている場合において、上述したバイパス流路が、ベンド部と回転軸収容部のタービンホイール側とを連通していれば、軸受側から低温の外気や潤滑油がリークするのを防止することができる。

　また、本発明の一実施形態の過給機用軸流タービンでは、
　前記ハウジングは、前記タービンホイールのハブ部の上流側端面に対向する前記ハウジング端面の外周縁に、該ハウジング端面から突設する凸部を有している。

　ハウジングがこのような凸部を有していれば、バイパス流路から回転軸収容部へと流入したガスが、ハブ部の上流側端面とハウジング端面との間の隙間からベンド部などのガス流路に還流する場合に、還流するガスの流れ方向を軸方向に導流することができる。このため、還流するガス流れによってタービン効率が低下するのを防止することができる。

　また、本発明の一実施形態の過給機用軸流タービンでは、
前記タービンホイールのハブ部の上流側端面の直径が、該ハブ部の上流側端面に対向する前記ハウジング端面の外周縁の直径よりも小さくなっている。

このように、タービンホイールのハブ部の上流側端面の直径が、前記ハウジング端面の外周縁の直径よりも小さくなっていれば、バイパス流路から回転軸収容部へと流入したガスが、ハブ部の上流側端面とハウジング端面との間の隙間からベンド部などのガス流路に還流する場合に、ガス流路におけるガス流れとの混合を抑制することができる。このため、還流するガス流れによってタービン効率が低下するのを防止することができる。

　また、本発明の少なくとも一つの実施形態は、上述した目的を達成するために、
軸受と、
前記軸受によって回転可能に支持された回転軸と、
　前記回転軸の軸端に設けられたハブ部と、該ハブ部の周面から径方向外側へ突設された複数の動翼とを有するタービンホイールと、
　前記タービンホイールを収容するとともに、前記回転軸を収容する回転軸収容部と、ハウジング内に導流したガスを前記回転軸周りに旋回させるスクロール部と、該スクロール部の出口から流出したガスを軸方向へと導流する、前記回転軸収容部の周囲に形成されたベンド部とを少なくとも有するハウジングと、
　を備える過給機用軸流タービンにおいて、
　前記ハブ部の上流側端面の外周縁に、該上流側端面から突設する突起が形成されている。

このように構成される過給機用軸流タービンは、ハブ部の上流側端面の外周縁に、該上流側端面から突設する突起が形成されている。このため、ベンド部などのガス流路を流れる排気ガスが、ハブ部の上流側端面とハウジング端面との間に存在する隙間に流入し易くなる。これにより、ハブ部の周面近傍に形成される境界層を薄くすることが出来、タービン効率の低下を防止することができる。

　また、本発明の一実施形態の過給機用軸流タービンでは、
　前記タービンホイールのハブ部の上流側端面の直径が、該ハブ部の下流側端面の直径よりも大きく形成されている。

このように、タービンホイールのハブ部の上流側端面の直径が、該ハブ部の下流側端面の直径よりも大きく形成されている場合は、ハブ部の周面近傍に形成される境界層が下流側に向かって厚くなるように形成される。このため、上述したように、ハブ部の上流側端面の外周縁に、該上流側端面から突設する突起を形成することで、ハブ部の周面近傍に形成される境界層を薄く出来るため、タービン効率の低下を防止する上で効果的である。

　本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、ハブ部の上流側端面とハウジング端面との間の隙間から低温の外気や潤滑油などがガス流路に逆流することのない過給機用軸流タービンを提供することができる。

　また、本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、ハブ部の周面近傍に形成される境界層を薄くすることでタービン効率の低下を防止することができる過給機用軸流タービンを提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる過給器用軸流タービンの構成を示した概略断面図である。図１の過給器用軸流タービンの一部を拡大して示した概略断面図である。凸部の実施例を示した断面図である。本発明の一実施形態にかかる過給器用軸流タービンの構成を示した概略断面図である。図４の過給器用軸流タービンの一部を拡大して示した概略断面図である。隙間出口におけるガス流れを説明するための断面図である。本発明の一実施形態にかかる過給器用軸流タービンの構成を示した概略断面図である。隙間におけるガス流れを説明するための断面図である。ハブ部の周面近傍における境界層を説明するための断面図である。参考例の過給器用軸流タービンの構成を示した概略断面図である。

　以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
　ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

　図１は、本発明の一実施形態にかかる過給器用軸流タービンの構成を示した概略断面図である。図２は、図１の過給器用軸流タービンの一部を拡大して示した概略断面図である。

図１に示したように、本発明の一実施形態にかかる過給器用軸流タービン１は、ハウジング２０と、ハウジング２０に収容された回転軸４およびタービンホイール１０などから構成されている。

　回転軸４は、軸受２に中心軸ＣＬを中心として回転可能に支持されており、その軸端には円柱状のハブ部６が設けられている。また、回転軸４における軸受２とハブ部６との間には、回転軸４の周面をシールする軸シール部２ａが設けられている。そして、ハブ部６の平坦な周面６ａからは複数の動翼８が径方向外側に向かって突設しており、これらハブ部６および複数の動翼８によって、上述したタービンホイール１０が構成されている。

　ハウジング２０には、上述したタービンホイール１０が収容されている。また、ハウジング２０の内部には、中心軸ＣＬを中心としたその近傍に回転軸４を収容する回転軸収容部２６が形成されている。そして、この回転軸収容部２６の周囲には、ハウジング２０内に導流された排気ガスを回転軸４周りに旋回させるスクロール部２２、およびこのスクロール部２２の出口２２ａから流出した排気ガスを軸方向へと導流するベンド部２４が形成されている。また、タービンホイール１０の下流側には下流側流路部２８が形成されており、スクロール部２２からベンド部２４を流れ、タービンホイール１０を回転せしめた排気ガスはこの下流側流路部２８へと流入し、下流側流路部２８から不図示の排気管路へと排出されるようになっている。

　また、図２に拡大して示したように、タービンホイール１０の上流側には、ハブ部６の上流側端面６ｂと、該上流側端面６ｂに対向するハウジング２０のハウジング端面２０ａとの間には、回転軸収容部２６に繋がる隙間３０が存在している。また、ハウジング端面２０ａの外周縁には、ハウジング端面２０ａから突設する凸部３２が設けられている。

そして図１に示したように、ハウジング２０には、ハウジング端面２０ａよりも上流側の位置に、ベンド部２４と回転軸収容部２６とを連通するバイパス流路４０が設けられている。またこのバイパス流路４０は、過給器用軸流タービン１が稼動している状態において、ベンド部２４の内周面２４ａにおける圧力Ｐ０が大気圧Ｐａよりも高い位置と、回転軸収容部２６とを連通している。

　このように構成される本発明の一実施形態にかかる過給器用軸流タービン１では、隙間３０よりも上流側の位置に設けられたバイパス流路４０を介して、図中の矢印ｆ１で示したように、排気ガスがベンド部２４から回転軸収容部２６へと流入する。このため、軸シール部２ａよりも軸受２側に存在する低温の外気や潤滑油などが隙間３０を介してベンド部２４などのガス流路に逆流するのを防止することができ、逆流した外気によってガス流れｆ３が乱されることによるタービン効率の低下や、潤滑油の浸入による動翼のエロージョン等を防ぐことができるようになっている。

　また上述したように、バイパス流路４０が、ベンド部２４における圧力Ｐ０が大気圧Ｐａよりも高い位置と、回転軸収容部２６とを連通しているため、バイパス流路４０を介して大気圧Ｐａよりも高いガスが回転軸収容部２６へと流入する。このため、軸シール部２ａよりも軸受２側に存在する外気や潤滑油などがベンド部２４などのガス流路に逆流するのを確実に防止することができるようになっている。

　また上述したように、ハウジング端面２０ａの外周縁には、ハウジング端面２０ａから突設する凸部３２が設けられているため、図中の矢印ｆ２で示したように、バイパス流路４０から回転軸収容部２６へと流入した排気ガスが、隙間３０からベンド部２４などのガス流路に還流する場合に、ガス流路に還流された排気ガスが軸方向に導流される。このため、ガス流路のガス流れｆ３の乱れを抑制することができるため、還流するガス流れｆ２によってタービン効率が低下するのを防止することができる。

　この凸部３２の断面形状は、特に限定されるものではないが、図３に示したように、隙間３０を流れる排気ガスのガス流れｆ２が下流側に向かって軸方向に導流されるように、その下面側が軸方向の下流側に向かってテーパ状または湾曲状に形成されているのが好ましい。

　図４は、本発明の一実施形態にかかる過給器用軸流タービンの構成を示した概略断面図である。この図４に示した過給器用軸流タービン１は、図１に示した過給器用軸流タービン１に対して、タービンホイール１０のハブ部６の上流側端面６ｂの直径Ｄ１が、該ハブ部６の上流側端面６ｂに対向するハウジング端面２０ａの外周縁の直径Ｄ２よりも小さくなっている点が異なっている。また、図５に拡大して示したように、ハブ部６の上流側端面６ｂの外周縁には、上流側端面６ｂから突設する第２の凸部３４が設けられている点が異なっている。

　このように、タービンホイール１０のハブ部６の上流側端面６ｂの直径Ｄ１が、ハウジング端面２０ａの外周縁の直径Ｄ２よりも小さくなっていれば、図６に拡大して示したように、バイパス流路４０から回転軸収容部２６へと流入した排気ガスが、隙間３０からベンド部２４などのガス流路に還流する場合に、両者の半径差により生成される領域ａが緩衝領域となって、還流するガス流れｆ２によるガス流れｆ３の乱れが抑制される。これにより、還流するガス流れｆ２によるタービン効率の低下が防止される。

　また、ハブ部６の上流側端面６ｂの外周縁に、上流側端面６ｂから突設する第２の凸部３４が設けられていれば、上述したハウジング端面２０ａから突設する凸部３２と相まって、隙間３０からベンド部２４に還流するガス流れｆ２をより正確に軸方向に導流できるようになっている。

　なお、上述した実施形態では、回転軸収容部２６は、軸受２とタービンホイール１０との間に設けられた軸シール部２ａによって軸受側とタービンホイール側とに区画されていたが、この軸シール部２ａは、本発明において必ずしも必須の構成ではない。しかしながら、上述した実施形態のように、回転軸収容部２６が軸シール部２ａによって軸受側とタービンホイール側とに区画されている場合は、上述したバイパス流路４０が、ベンド部２４と回転軸収容部２６のタービンホイール側とを連通することで、軸受側から低温の外気や潤滑油がリークするのを確実に防止することができる。

　図７は、本発明の一実施形態にかかる過給器用軸流タービンの構成を示した概略断面図である。この図７に示した過給器用軸流タービン１は、図１に示した過給器用軸流タービン１に対して、ベンド部２４と回転軸収容部２６とを連通するバイパス流路４０が設けられていない点が異なっている。また、図８に拡大して示したように、ハブ部６の上流側端面６ｂから突設する突起３６が形成されているとともに、タービンホイール１０のハブ部６の上流側端面６ｂの直径Ｄ１が、該ハブ部６の下流側端面６ｃの直径Ｄ１´よりも大きく形成されており、ハブ部６の周面６ａが平坦面ではなくテーパ面に形成されている点が異なっている。

　図８に示したように、回転軸４とともに回転する回転面である上流側端面６ｂの近傍では、遠心力により、径方向外側に向かうガスの流れαが生成される。一方、静止面であるハウジング端面２０ａの近傍では、径方向内側に向かうガス流れβが生成される。そして、これらガス流れα、βにより、隙間３０には、図８に示した如く、例えば反時計回りの回転流γが生成される。

　したがって、ハブ部６の上流側端面６ｂの外周縁に、該上流側端面６ｂから突設する突起３６が形成されていれば、径方向外側に向かうガス流れαがベンド部２４などのガス流路に流出し難くなり、その分だけ、ガス流路からガス流れｆ４が隙間３０に流入し易くなる。よって、図９（ａ）に示したように、隙間３０に流入するガス流れｆ４によって、ハブ部６の周面６ａの近傍に形成される境界層が吸い込まれ、境界層の厚さがｂ´からｂに薄くなり、境界層の発達によるタービン効率の低下を防止できるようになっている。

　この際、上述したように、タービンホイール１０のハブ部６の上流側端面６ｂの直径Ｄ１が、該ハブ部６の下流側端面６ｃの直径Ｄ１´よりも大きく、ハブ部６の周面６ａがテーパー面に形成されていると、図９（ｂ）に点線で示したように、ハブ部６の周面６ａの近傍に形成される境界層ｂ´が下流側に向かって厚くなるように形成され、タービン効率が低下する。このようなタービン効率の低下を避けるため、軸流タービンにおいては、ハブ部６の周面６ａを平坦面に形成するのが一般的である。

　しかしながら、ハブ部６の上流側端面６ｂの直径Ｄ１を大きくすることで、隙間３０の開口近傍の圧力Ｐ１ｈを高くすることが出来ることを本発明者らは見出した。そこで、ハブ部６の上流側端面６ｂを適当な直径Ｄ１に形成し、過給器用軸流タービン１が稼動している状態において、圧力Ｐ１ｈが大気圧Ｐａよりも高くなるようにすることで、回転軸収容部２６からの逆流を防止することが出来るとともに、上述した突起３６を形成することで、ハブ部６の周面６ｂの近傍に形成される境界層を薄くすることが出来、タービン効率の低下を防止することも可能となる。

　以上、本発明の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。

　本発明の少なくとも一つの実施形態は、過給機用軸流タービン、例えば、自動車用ターボチャージャなどの小型過給機用軸流タービンとして、好適に用いることが出来る。

１　　　　　過給器用軸流タービン
２　　　　　軸受
２ａ　　　　軸シール部
４　　　　　回転軸
６　　　　　ハブ部
６ａ　　　　周面
６ｂ　　　　上流側端面
８　　　　　動翼
１０　　　　タービンホイール
２０　　　　ハウジング
２０ａ　　　ハウジング端面
２２　　　　スクロール部
２２ａ　　　出口
２４　　　　ベンド部
２６　　　　回転軸収容部
２８　　　　下流側流路部
３０　　　　隙間
３２　　　　凸部
３４　　　　第２の凸部
３６　　　　突起
４０　　　　バイパス流路

Claims

軸受と、
前記軸受によって回転可能に支持された回転軸と、
　前記回転軸の軸端に設けられたハブ部と、該ハブ部の周面から径方向外側へ突設された複数の動翼とを有するタービンホイールと、
　前記タービンホイールを収容するとともに、前記回転軸を収容する回転軸収容部と、ハウジング内に導流したガスを前記回転軸周りに旋回させるスクロール部と、該スクロール部の出口から流出したガスを軸方向へと導流する、前記回転軸収容部の周囲に形成されたベンド部とを少なくとも有するハウジングと、
　を備える過給機用軸流タービンにおいて、
前記ハウジングは、前記タービンホイールのハブ部の上流側端面に対向するハウジング端面よりも上流側の位置に、前記ベンド部と前記回転軸収容部とを連通するバイパス流路を有していることを特徴とする過給機用軸流タービン。
　前記バイパス流路は、前記ベンド部における圧力が大気圧よりも高い位置と、前記回転軸収容部とを連通していることを特徴とする請求項１に記載の過給機用軸流タービン。
　前記回転軸収容部は、前記軸受と前記タービンホイールとの間に設けられたシール部によって軸受側とタービンホイール側とに区画されており、
前記バイパス流路は、前記ベンド部と、前記回転軸収容部のタービンホイール側とを連通していることを特徴とする請求項１に記載の過給機用軸流タービン。
　前記ハウジングは、前記タービンホイールのハブ部の上流側端面に対向する前記ハウジング端面の外周縁に、該ハウジング端面から突設する凸部を有することを特徴とする請求項１に記載の過給機用軸流タービン。
前記タービンホイールのハブ部の上流側端面の直径が、該ハブ部の上流側端面に対向する前記ハウジング端面の外周縁の直径よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の過給機用軸流タービン。