WO2017149693A1 - タービンホイール、ラジアルタービン、及び過給機 - Google Patents

タービンホイール、ラジアルタービン、及び過給機 Download PDF

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turbine
turbine wheel
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blade
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豊隆 吉田
横山　隆雄
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三菱重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a turbine wheel, a radial turbine, and a supercharger.
  • the turbine includes a turbine rotating shaft that rotates about an axis, a turbine wheel fixed to the outer peripheral side of the turbine rotating shaft, and a housing that covers the turbine wheel.
  • the turbine wheel has a disk fixed to the turbine rotating shaft and a plurality of blades provided on the outer peripheral surface of the disk at intervals in the circumferential direction. The working fluid flows between the blades from the leading edges of the blades. This working fluid flows out between the trailing edges of each blade.
  • the leading edge of the blade faces radially outward relative to the axis. Further, the rear edge of the blade faces the rear side in the axial direction in which the axis extends. Therefore, in the radial turbine, the working fluid flows from the outside in the radial direction and escapes to the rear side in the axial direction.
  • a radial turbine for example, there is a radial turbine described in Patent Document 1 below.
  • the pressure surface of the radial turbine forms a concave curved surface that is recessed toward the rotation side from the pressure surface toward the suction surface. Further, the negative pressure surface forms a convex curved surface that is convex on the rotation side.
  • an object of this invention is to provide the turbine wheel which can reduce clearance flow, a radial turbine, and a supercharger.
  • the turbine wheel as the first aspect according to the invention for achieving the above object is as follows: A disk having a rotationally symmetric shape about an axis, the diameter of which is gradually reduced from the front side, which is one side in the axial direction in which the axis extends, to the rear side, which is the other side; A plurality of blades fixed on the outer peripheral surface at intervals in a circumferential direction D with respect to the axis, the blades extending from the front portion of the disk in a direction including the axial component, A leading edge facing radially outward relative to the axis, and extending from the rear portion of the disc in a direction including a radial component relative to the axis, extending from the trailing edge facing the rear and from the leading edge to the trailing edge A pressure surface and a suction surface facing opposite sides, and a tip forming an edge far from the outer peripheral surface, and the suction surface defines a boundary between the suction surface and the tip and the front edge.
  • the chip-side rear part forms a convex curved surface that is convex on the rotation side from the pressure surface toward the suction surface side in the radial direction.
  • tip clearance between the blade tip of the turbine wheel and the inner peripheral surface of the turbine housing that covers the turbine wheel.
  • a blade whose entire suction surface is a convex curved surface on the rotation side is a comparative example.
  • the leakage fluid that flows from the pressure surface side of the blade to the suction surface side becomes a vortex and flows along the suction surface of the blade.
  • the flow of leakage fluid along the suction surface of the blade induces further clearance flow.
  • the tip-side front part of the suction surface of the blade is a concave curved surface that is recessed on the counter-rotating side.
  • the clearance angle of the clearance flow with respect to a suction surface becomes larger than the clearance angle of the clearance flow with respect to a suction surface in a comparative example. Therefore, in the turbine wheel, most of the leakage fluid that has flowed to the suction surface side of the blade through the tip clearance at the leading edge side portion of the blade does not adhere to the suction surface of the blade but leaves the suction surface. Flowing.
  • the clearance flow can be reduced as compared with the comparative example, and the turbine efficiency can be increased.
  • a turbine wheel as a second aspect according to the invention for achieving the above object is as follows:
  • the suction surface includes a boundary with the outer peripheral surface, the front edge, and the rear edge, and has a root portion that contacts the tip side front portion and the tip side rear portion, The root portion forms a convex curved surface that is convex on the rotation side.
  • a turbine wheel as a third aspect according to the invention for achieving the above object is as follows:
  • the boundary between the tip side front portion and the root portion is a position less than half of the blade height from the tip in the blade height direction.
  • a turbine wheel as a fourth aspect according to the invention for achieving the above object is as follows:
  • the tip side front portion and the tip side rear portion are in contact with each other, and the tip is formed on a tip line formed at a boundary between the tip and the suction surface.
  • the boundary between the side front part and the chip side rear part is a position where the distance from the front edge is more than half of the total length of the chip line.
  • a turbine wheel as a fifth aspect according to the invention for achieving the above object is as follows.
  • a radius of curvature of the concave curved surface at the tip side front portion is greater than or equal to a radius of curvature of the convex curved surface at the tip side rear portion.
  • the pressure surface includes a boundary between the pressure surface and the tip and a tip side front portion including the front edge, and a boundary between the pressure surface and the tip.
  • a tip side rear portion including the rear edge, and the tip side front portion of the pressure surface forms a convex curved surface convex toward the counter-rotation side in a radial direction, and the tip side of the pressure surface
  • the rear part also forms a concave curved surface that is recessed toward the rotation side as viewed in the radial direction.
  • a radial turbine as a seventh aspect according to the invention for achieving the above object is as follows:
  • the turbine wheel of any one of the first to sixth aspects a turbine rotating shaft that extends in the axial direction about the axis and to which the turbine wheel is fixed,
  • a turbine housing that rotatably covers the turbine wheel.
  • the supercharger as the eighth aspect according to the invention for achieving the above object is: A radial turbine according to the seventh aspect; and a compressor, wherein the compressor includes a compressor rotating shaft that rotates about the axis, an impeller fixed to the compressor rotating shaft, and the impeller.
  • a compressor housing that covers the turbine rotating shaft, and the turbine rotating shaft and the compressor rotating shaft are connected to each other on the same axis and are rotated together to form a supercharger rotating shaft.
  • the Clarins flow can be reduced.
  • the supercharger of the present embodiment includes a compressor 10 that compresses air A and sends it to the engine, a radial turbine 30 that is driven by exhaust gas EX from the engine, and the compressor 10 and the radial turbine. And a connecting portion 20 that connects 30 and the like.
  • the compressor 10 includes a cylindrical compressor rotating shaft 11 that rotates about an axis Ar, a compressor impeller 16 that is attached to the outer periphery of the compressor rotating shaft 11, and a compressor housing 12 that covers the compressor impeller 16. And having.
  • the radial turbine 30 includes a turbine rotating shaft 31 that rotates about an axis Ar, a turbine wheel 40 that is attached to the turbine rotating shaft 31, and a turbine housing 32 that covers the turbine wheel 40.
  • the connecting portion 20 includes a columnar connecting rotary shaft 21 that rotates about the axis Ar, a center housing 22 that covers the connecting rotary shaft 21, and a bearing 23 that rotatably supports the connecting rotary shaft 21.
  • the bearing 23 is fixed to the inner peripheral side of the center housing 22.
  • the axis Ar of the compressor rotating shaft 11, the axis Ar of the connecting rotating shaft 21, and the axis Ar of the turbine rotating shaft 31 are arranged in this order on the same axis Ar.
  • the compressor rotating shaft 11, the connecting rotating shaft 21, and the turbine rotating shaft 31 are connected to each other and integrally rotate to form a supercharger rotating shaft.
  • the compressor housing 12, the center housing 22, and the turbine housing 32 are connected to each other to form a supercharger housing.
  • the direction in which the axis Ar extends is the axial direction Da
  • one side of the axial direction Da is the axial front side Daf
  • the other side of the axial direction Da is the axial rear side Dab.
  • the compressor 10 is provided on the axially front side Daf with respect to the connecting portion 20
  • the radial turbine 30 is provided on the axially rear side Dab with respect to the connecting portion 20.
  • the radial direction with respect to the axis Ar is simply referred to as the radial direction Dr
  • the side farther from the axis Ar in the radial direction Dr is the radially outer Drro
  • the side closer to the axis Ar in the radial direction Dr is the radially inner Dri.
  • the circumferential direction around the axis Ar is simply referred to as a circumferential direction Dc.
  • the side on which the turbine wheel 40 rotates in the circumferential direction Dc is referred to as a circumferential direction rotation side Dcr.
  • the turbine wheel 40 has a disk 41 and a plurality of blades 42 as shown in FIGS.
  • the disk 41 has a rotationally symmetric shape about the axis Ar and is gradually reduced in diameter toward the rear side Dab in the axial direction.
  • the plurality of blades 42 are fixed to the outer peripheral surface 41a of the disk 41 with an interval in the circumferential direction Dc.
  • the blade 42 has a front edge 43, a rear edge 44, a tip 45, a positive pressure surface 46p, and a negative pressure surface 46n.
  • the front edge 43 extends from the axially front side Daf portion of the disk 41 in a direction including the axial component, and faces the radially outer side Dro.
  • the rear edge 44 extends in the direction including the radial component from the axial rear side Dab portion of the disk 41 and faces the axial rear side Dab.
  • the positive pressure surface 46p and the negative pressure surface 46n extend from the front edge 43 to the rear edge 44 and face opposite sides. Therefore, the positive pressure surface 46p and the negative pressure surface 46n have a back-to-back relationship.
  • the negative pressure surface 46n faces the circumferential direction rotation side Dcr, and the positive pressure surface 46p faces the opposite side.
  • the chip 45 is an edge on the side farther from the outer peripheral surface 41 a of the disk 41 in the blade 42.
  • the negative pressure surface 46n has a chip side front part 47n, a chip side rear part 48n, and a root part 49n.
  • the tip-side front portion 47n is a portion including the boundary between the tip 45 and the suction surface 46n and the front edge 43.
  • the chip-side rear part 48n is a part in contact with the chip-side front part 47n and including the boundary between the chip 45 and the negative pressure surface 46n and the rear edge 44.
  • the root portion 49n is in contact with the chip-side front portion 47n and the chip-side rear portion 48n, and includes a boundary between the outer peripheral surface 41a of the disk 41 and the negative pressure surface 46n, a front edge 43, and a rear edge 44.
  • the chip side front part 47n, the chip side rear part 48n, and the root part 49n do not overlap each other.
  • the side from the positive pressure surface 46p toward the negative pressure surface 46n is defined as a rotation side Sr (see FIG. 2). Further, the side from the negative pressure surface 46n toward the positive pressure surface 46p is defined as a counter-rotation side So.
  • the tip-side front portion 47n forms a concave curved surface that is recessed toward the counter-rotation side So when viewed in the radial direction with respect to the blade 42.
  • the tip-side rear portion 48n forms a convex curved surface that is convex on the rotation side Sr when viewed in the radial direction with respect to the blade 42.
  • the root portion 49n of the negative pressure surface 46n forms a convex curved surface that is convex on the rotation side Sr when viewed in the radial direction with respect to the blade 42.
  • the curvature radius R1 of the concave curved surface at the tip side front portion 47n is, for example, not less than the curvature radius R2 of the convex curved surface at the chip side rear portion 48n.
  • the boundary b between the chip side front portion 47n and the chip side rear portion 48n is, for example, a distance from the front edge 43 of the chip line 45l. The position is more than half of the total length. Further, as shown in FIG. 2, the boundary between the tip side front portion 47n and the root portion 49n is a position less than half of the blade height from the tip 45 in the blade height direction.
  • the positive pressure surface 46p also has a chip side front portion 47p, a chip side rear portion 48p, and a root portion 49p, as shown in FIGS.
  • the tip-side front portion 47 p is a portion including the boundary between the tip 45 and the positive pressure surface 46 p and the front edge 43.
  • the chip-side rear portion 48p is a portion that contacts the chip-side front portion 47p and includes the boundary between the chip 45 and the positive pressure surface 46p and the rear edge 44.
  • the root portion 49p is a portion that contacts the tip side front portion 47p and the tip side rear portion 48p, and includes a boundary between the outer peripheral surface 41a of the disk 41 and the positive pressure surface 46p, a front edge 43, and a rear edge 44.
  • the chip-side front part 47p, the chip-side rear part 48p, and the root part 49p in the positive pressure surface 46p do not overlap each other.
  • the tip-side front portion 47p of the positive pressure surface 46p forms a convex curved surface convex toward the half-rotation side So when viewed in the radial direction with respect to the blade 42.
  • the tip-side rear portion 48p of the positive pressure surface 46p also forms a concave curved surface that is recessed in the rotation side Sr when viewed in the radial direction with respect to the blade 42.
  • the root portion 49p of the positive pressure surface 46p also forms a concave concave surface on the rotation side Sr in the radial direction relative to the blade 42.
  • a wheel chamber 33 in which the turbine wheel 40 is rotatably accommodated a scroll flow path 34 into which the working fluid F (EX) flows, and the working fluid F are exhausted.
  • An exhaust port 35 is formed.
  • the scroll flow path 34 is a flow path extending in a direction including a circumferential direction component.
  • the scroll channel 34 communicates with the wheel chamber 33 at a portion on the axially rear side Dab of the wheel chamber 33 and at a portion on the radially outer side Dro of the wheel chamber 33.
  • the working fluid F that has flowed into the scroll flow path 34 flows into the wheel chamber 33 from the radially outer side Dro through this communicating portion.
  • the wheel chamber 33 opens at the end of the axial rear side Dab. This opening is the aforementioned exhaust port 35.
  • the working fluid F flowing into the wheel chamber 33 is exhausted from the exhaust port 35.
  • the working fluid F that has flowed into the wheel chamber 33 flows between the blades 42 from the front edges 43 of the blades 42 in the turbine wheel 40.
  • the working fluid F flowing between the blades 42 flows out from between the trailing edges 44 of the blades 42.
  • the working fluid F applies a rotational force to the turbine wheel 40 in the process of flowing between the blades 42.
  • the working fluid F is the exhaust gas EX.
  • tip clearance Ct there is a gap called a tip clearance Ct (see FIG. 2) between the tip 45 of the blade 42 and the portion of the inner peripheral surface of the turbine housing 32 facing the tip 45.
  • a tip clearance Ct it is preferable to make the tip clearance Ct as small as possible.
  • the tip clearance Ct in order to avoid the risk of contact between the tip 45 of the blade 42 and the inner peripheral surface of the turbine housing 32 due to the influence of axial vibration or thermal expansion of the turbine wheel 40, there is a limit to the reduction of the tip clearance Ct. .
  • the turbine wheel of the comparative example also has 40c, a disk 41c, and a plurality of blades 42c.
  • the positive pressure surface 46pc of the blade 42c forms a concave curved surface that is entirely concave on the rotation side Sr.
  • the negative pressure surface 46nc of the blade 42c forms a convex curved surface that is convex on the rotation side Sr.
  • the leakage fluid Fl flowing between the second blade 42cy and the third blade 42cz becomes a vortex, adheres to the negative pressure surface 46nc of the second blade 42cy, and flows along the negative pressure surface 46nc.
  • the flow of leakage fluid Fl along the suction surface 46nc of the second blade 42cy induces a clearance flow. Therefore, the clearance flow Fc generated at the front edge 43 side portion of the second blade 42cy causes a clearance flow at the intermediate portion between the front edge 43 and the rear edge 44 of the second blade 42cy. Due to this induced clearance flow, the leaked fluid Fl flowing between the second blade 42 cy and the third blade 42 cz also becomes a vortex and flows along the negative pressure surface 46 nc of the second blade 42 cy.
  • the clearance flow is also induced by the flow of the leaking fluid Fl along the suction surface 46nc of the second blade 42cy. For this reason, the clearance flow generated in the intermediate portion of the second blade 42 cy causes a clearance flow in the portion on the rear edge 44 side of the second blade 42 cy.
  • a clearance flow occurs in the entire blade 42c from the front edge 43 to the rear edge 44 of the blade 42c.
  • a part of the working fluid F flowing between the first blade 42x and the second blade 42y is a portion on the front edge 43 side of the second blade 42y, and the positive pressure surface 46p of the second blade 42y. From the side, through the tip clearance Ct in the second blade 42y, the leakage fluid Fl flows to the negative pressure surface 46n side of the second blade 42y. In other words, a part of the working fluid F flows between the second blade 42y and the third blade 42z as the leakage fluid Fl through the tip clearance Ct at the front edge 43 side portion of the second blade 42y.
  • the leaking fluid Fl that flows between the second blade 42y and the third blade 42z also becomes a vortex in this embodiment.
  • most of the leakage fluid Fl is separated from the suction surface 46n of the second blade 42y, and the trailing edge 44 of the blades 42y and 42z is interposed between the second blade 42y and the third blade 42z. Flows to the side.
  • the entire suction surface 46nc of the comparative example is a convex curved surface that is convex on the rotation side Sr.
  • the tip side front portion 47n of the negative pressure surface 46n of the present embodiment is a concave curved surface that is recessed on the counter-rotation side So. Therefore, the separation angle ⁇ 1 of the clearance flow Fc with respect to the suction surface 46n in the present embodiment is larger than the separation angle ⁇ 2 of the clearance flow Fc with respect to the suction surface 46nc in the comparative example.
  • the separation ⁇ is an angle formed between the clearance flow Fc and a tangent to the suction surface at a position where the clearance flow Fc crosses the boundary between the suction surface and the tip.
  • most of the leakage fluid Fl flowing between the second blade 42y and the third blade 42z through the tip clearance Ct in the portion on the front edge 43 side of the second blade 42y is the second blade 42y.
  • the blade 42y flows away from the negative pressure surface 46n without adhering to the negative pressure surface 46n.
  • the working fluid F flowing between the second blade 42y and the third blade 42z flows between the flow of the leakage fluid Fl and the negative pressure surface 46n of the second blade 42y.
  • the tip clearance Ct is basically reduced. However, even if the radial turbine 30 is reduced in size, the tip clearance Ct is not so reduced. This is because, as described above, the tip clearance Ct is a gap for avoiding contact between the tip 45 of the blade 42 and the inner peripheral surface of the turbine housing 32 due to the influence of axial vibration or thermal expansion of the turbine wheel 40. Because. For this reason, the ratio of the tip clearance Ct to the length of the front edge 43 or the length of the rear edge 44 increases as the radial turbine 30 becomes smaller. Therefore, the smaller the radial turbine 30 is, the higher the ratio of the flow rate of the clearance flow to the flow rate of the working fluid F flowing into the radial turbine 30 is.
  • the tip-side front portion 47n and the tip-side rear portion 48n on the negative pressure surface 46n are arranged on the tip line 45l in order to increase the clearance flow reduction rate.
  • the boundary b is preferably at a position where the distance from the front edge 43 is at least half the total length of the chip line 45l.
  • the radius of curvature R1 of the concave curved surface at the tip side front portion 47n is preferably equal to or larger than the radius of curvature R2 of the convex curved surface at the tip side rear portion 48n as described above.
  • the Clarins flow can be reduced.

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Abstract

　ラジアルタービンのブレード（４２）の負圧面（４６ｎ）は、負圧面（４６ｎ）とチップ（４５）との境界及び前縁（４３）を含むチップ側前部（４７ｎ）と、負圧面（４６ｎ）とチップ（４５）との境界及び後縁（４４）を含むチップ側後部（４８ｎ）とを有する。チップ側前部（４７ｎ）は、径方向視で、反回転側（Ｓｏ）に凹む凹曲面を成す。チップ側後部（４８ｎ）は、径方向視で、回転側（Ｓｒ）に凸の凸曲面を成す。

Description

タービンホイール、ラジアルタービン、及び過給機
　本発明は、タービンホイール、ラジアルタービン、及び過給機に関する。
　タービンは、軸線を中心として回転するタービン回転軸と、タービン回転軸の外周側に固定されているタービンホイールと、タービンホイールを覆うハウジングと、を有する。タービンホイールは、タービン回転軸に固定されているディスクと、このディスクの外周面に周方向に間隔をあけて設けられている複数のブレードと、を有する。複数のブレードの相互間には、各ブレードの前縁相互間から作動流体が流入する。この作動流体は、各ブレードの後縁相互間から流出する。
　ラジアルタービンでは、ブレードの前縁が軸線に対する径方向外側を向いている。また、ブレードの後縁が軸線が延びる軸方向における後側を向いている。よって、ラジアルタービンでは、作動流体が径方向外側から流入し、軸方向の後側に抜ける。
　このようなラジアルタービンとしては、例えば、以下の特許文献１に記載されているラジアルタービンがある。このラジアルタービンの正圧面は、正圧面から負圧面に向かう回転側に凹む凹曲面を成している。また、負圧面は、回転側に凸の凸曲面を成している。
特開２００４－０１１５６０号公報
　タービンでは、ハウジングに対してタービンホイールを相対回転させるために、ブレードのチップとハウジングの内周面との間に隙間がある。この隙間は、一般的にチップクリアランスと呼ばれる。タービン効率を高めるためには、このチップクリアランスをできる限り小さくすることが好ましい。しかしながら、軸震動やタービンホイールの熱膨張の影響等で、ブレードのチップとハウジングの内周面との接触を回避するため、このチップクリアランスの縮小には限度がある。
　タービンでは、チップクリアランスを抜ける作動流体の流れ、つまりクリアランスフローを低減することがタービン効率の向上につながる。そこで、本発明は、クリアランスフローを低減できるタービンホイール、ラジアルタービン、及び過給機を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するための発明に係る第一態様としてのタービンホイールは、
　軸線を中心として回転対称な形状を成し、前記軸線が延びる軸方向の一方の側である前側から他方の側である後側に向うに連れて次第に縮径されているディスクと、前記ディスクの外周面に、前記軸線に対する周方向Ｄに間隔をあけて固定されている複数のブレードと、を備え、前記ブレードは、前記ディスクの前記前側の部分から前記軸方向成分を含む方向に延び、前記軸線に対する径方向外側を向く前縁と、前記ディスクの前記後側の部分から前記軸線に対する径方向成分を含む方向に延び、前記後側の向く後縁と、前記前縁から前記後縁まで延び、互いに相反する側を向く正圧面及び負圧面と、前記外周面から遠い側の縁を成すチップと、を有し、前記負圧面は、前記負圧面と前記チップとの境界及び前記前縁を含むチップ側前部と、前記負圧面と前記チップとの境界及び前記後縁を含むチップ側後部とを有し、前記チップ側前部は、径方向視で、前記負圧面から前記正圧面に向かう反回転側に凹む凹曲面を成し、前記チップ側後部は、径方向視で、前記正圧面から前記負圧面側に向かう回転側に凸の凸曲面を成す。
　タービンホイールにおけるブレードのチップと、このタービンホイールを覆うタービンハウジングの内周面との間には、チップクリアランスと呼ばれる隙間がある。チップクリアランスを抜ける作動流体の流れ、つまりクリアランスフローの存在は、タービン効率の低下につながる。
　ここで、仮に、負圧面の全体が回転側に凸の凸曲面であるブレードを比較例とする。この比較例では、クリアランスフローの結果、ブレードの正圧面側から負圧面側に流れた漏れ流体が、渦流となり、このブレードの負圧面に沿って流れる。このブレードの負圧面に沿う漏れ流体の流れは、さらになるクリアランスフローを誘引する。
　一方、当該タービンホイールでは、ブレードの負圧面におけるチップ側前部が、反回転側に凹む凹曲面である。このため、当該タービンホイールでは、負圧面に対するクリアランスフローの離角が、比較例における負圧面に対するクリアランスフローの離角よりも大きくなる。よって、当該タービンホイールでは、ブレードの前縁側の部分におけるチップクリアランスを経て、このブレードの負圧面側に流れた漏れ流体の多くは、このブレードの負圧面に付着せずに、この負圧面から離れて流れる。このように、当該タービンホイールでは、漏れ流体の多くがブレードの負圧面から離れて流れるため、クリアランスフローの誘引を抑えることができる。この結果、当該タービンホイールでは、比較例よりもクリアランスフローを低減でき、タービン効率を高めることができる。
　上記目的を達成するための発明に係る第二態様としてのタービンホイールは、
　前記第一態様のタービンホイールにおいて、前記負圧面は、前記外周面との境界と前記前縁と前記後縁とを含み、前記チップ側前部及び前記チップ側後部に接する根元部を有し、前記根元部は、前記回転側に凸の凸曲面を成す。
　上記目的を達成するための発明に係る第三態様としてのタービンホイールは、
　前記第二態様のタービンホイールにおいて、前記チップ側前部と根元部との境目は、翼高さ方向で前記チップから翼高さの半分未満の位置である。
　上記目的を達成するための発明に係る第四態様としてのタービンホイールは、
　前記第一から第三態様のいずれかのタービンホイールにおいて、前記チップ側前部と前記チップ側後部とは互いに接し、前記チップと前記負圧面との境に形成されるチップライン上で、前記チップ側前部と前記チップ側後部との境目は、前記前縁からの距離が前記チップラインの全長の半分以上の位置である。
　上記目的を達成するための発明に係る第五態様としてのタービンホイールは、
　前記第一から第四態様のいずれかのタービンホイールにおいて、前記チップ側前部における前記凹曲面の曲率半径は、前記チップ側後部における前記凸曲面の曲率半径以上である。
　上記目的を達成するための発明に係る第六態様としてのタービンホイールは、
　前記第一から第五態様のいずれかのタービンホイールにおいて、前記正圧面は、前記正圧面と前記チップとの境界及び前記前縁を含むチップ側前部と、前記正圧面と前記チップとの境界及び前記後縁を含むチップ側後部とを有し、前記正圧面の前記チップ側前部は、径方向視で、前記反回転側に凸の凸曲面を成し、前記正圧面の前記チップ側後部も、径方向視で、前記回転側に凹む凹曲面を成す。
　上記目的を達成するための発明に係る第七態様としてのラジアルタービンは、
　前記第一から第六態様のいずれかのタービンホイールと、前記軸線を中心として前記軸方向に延び、前記タービンホイールが固定されているタービン回転軸と、
　前記タービンホイールを回転可能に覆うタービンハウジングと、を備える。
　上記目的を達成するための発明に係る第八態様としての過給機ルは、
　前記第七態様のラジアルタービンと、圧縮機と、を備え、前記圧縮機は、前記軸線を中心として回転する圧縮機回転軸と、前記圧縮機回転軸に固定されているインペラと、前記インペラを覆う圧縮機ハウジングと、を有し、前記タービン回転軸と前記圧縮機回転軸とは、同一の軸線上に位置して互いに連結されて一体回転し、過給機回転軸を成す。
　本発明の一態様では、クラランスフローを低減できる。
本発明に係る一実施形態における過給機の断面図である。 本発明に係る一実施形態におけるラジアルタービンの要部断面図である。 本発明に係る一実施形態におけるタービンホイールの展開図である。 本発明に係る一実施形態におけるタービンホイールの斜視図である。 本発明に係る一実施形態におけるラジアルタービン内での作動流体の流れを示す説明図である。 比較例におけるラジアルタービン内での作動流体の流れを示す説明図である。
　以下、本発明に係る過給機の実施形態について、図面を用いて説明する。
　本実施形態の過給機は、図１に示すように、空気Ａを圧縮してエンジンに送り込む圧縮機１０と、エンジンからの排気ガスＥＸで駆動するラジアルタービン３０と、圧縮機１０とラジアルタービン３０とを連結する連結部２０と、を備える。
　圧縮機１０は、軸線Ａｒを中心として回転する円柱状の圧縮機回転軸１１と、圧縮機回転軸１１の外周に取り付けられている圧縮機インペラ１６と、圧縮機インペラ１６を覆う圧縮機ハウジング１２と、を有する。
　ラジアルタービン３０は、軸線Ａｒを中心として回転するタービン回転軸３１と、タービン回転軸３１に取り付けられているタービンホイール４０と、タービンホイール４０を覆おうタービンハウジング３２と、を有する。
　連結部２０は、軸線Ａｒを中心として回転する円柱状の連結回転軸２１と、連結回転軸２１を覆うセンターハウジング２２と、連結回転軸２１を回転可能に支持する軸受２３と、を有する。軸受２３は、センターハウジング２２の内周側に固定されている。
　圧縮機回転軸１１の軸線Ａｒと連結回転軸２１の軸線Ａｒとタービン回転軸３１の軸線Ａｒとは、同一軸線Ａｒ上をこの順で並んで配置されている。圧縮機回転軸１１と連結回転軸２１とタービン回転軸３１とは、互い連結されて一体回転し、過給機回転軸を成す。また、圧縮機ハウジング１２とセンターハウジング２２とタービンハウジング３２は、互いに連結されて過給機ハウジングを成す。
　ここで、軸線Ａｒが延びる方向を軸方向Ｄａとし、この軸方向Ｄａの一方側を軸方向前側Ｄａｆ、この軸方向Ｄａの他方側を軸方向後側Ｄａｂとする。本実施形態では、圧縮機１０が連結部２０に対して軸方向前側Ｄａｆに設けられ、ラジアルタービン３０が連結部２０に対して軸方向後側Ｄａｂに設けられている。また、軸線Ａｒに対する径方向を単に径方向Ｄｒとし、径方向Ｄｒで軸線Ａｒから遠ざかる側を径方向外側Ｄｒｏ、径方向Ｄｒで軸線Ａｒに近づく側を径方向内側Ｄｒｉとする。また、軸線Ａｒを中心とした周方向を単に周方向Ｄｃとする。この周方向Ｄｃでタービンホイール４０が回転する側を周方向回転側Ｄｃｒとする。
　タービンホイール４０は、図２～図４に示すように、ディスク４１と、複数のブレード４２と、を有する。ディスク４１は、軸線Ａｒを中心として回転対称な形状を成し、軸方向後側Ｄａｂに向うに連れて次第に縮径されている。複数のブレード４２は、ディスク４１の外周面４１ａに、周方向Ｄｃに間隔をあけて固定されている。
　ブレード４２は、図２及び図４に示すように、前縁４３と、後縁４４と、チップ４５と、正圧面４６ｐと、負圧面４６ｎと、を有する。前縁４３は、ディスク４１の軸方向前側Ｄａｆの部分から軸方向成分を含む方向に延び、径方向外側Ｄｒｏを向いている。後縁４４は、ディスク４１の軸方向後側Ｄａｂの部分から径方向成分を含む方向に延び、軸方向後側Ｄａｂを向いている。正圧面４６ｐと負圧面４６ｎとは、前縁４３から後縁４４まで延び、互いに相反する側を向いている。よって、正圧面４６ｐと負圧面４６ｎとは、背合わせの関係である。負圧面４６ｎは周方向回転側Ｄｃｒを向いており、正圧面４６ｐはその反対側を向いている。チップ４５は、ブレード４２中でディスク４１の外周面４１ａから遠い側の縁である。
　負圧面４６ｎは、チップ側前部４７ｎと、チップ側後部４８ｎと、根元部４９ｎと、を有する。チップ側前部４７ｎは、チップ４５と負圧面４６ｎとの境界及び前縁４３を含む部分である。チップ側後部４８ｎは、チップ側前部４７ｎに接し、チップ４５と負圧面４６ｎとの境界及び後縁４４を含む部分である。根元部４９ｎは、チップ側前部４７ｎ及びチップ側後部４８ｎに接し、ディスク４１の外周面４１ａと負圧面４６ｎとの境界と、前縁４３と、後縁４４と、を含む部分である。負圧面４６ｎ中における、チップ側前部４７ｎとチップ側後部４８ｎと根元部４９ｎとは、互いに重なり合う部分がない。
　ここで、正圧面４６ｐから負圧面４６ｎに向かう側を回転側Ｓｒ（図２参照）とする。また、負圧面４６ｎから正圧面４６ｐに向かう側を反回転側Ｓｏとする。
　チップ側前部４７ｎは、図３に示すように、このブレード４２に対する径方向視で、反回転側Ｓｏに凹む凹曲面を成す。チップ側後部４８ｎは、このブレード４２に対する径方向視で、回転側Ｓｒに凸の凸曲面を成す。負圧面４６ｎの根元部４９ｎは、このブレード４２に対する径方向視で、回転側Ｓｒに凸の凸曲面を成す。
　チップ側前部４７ｎにおける凹曲面の曲率半径Ｒ１は、例えば、チップ側後部４８ｎにおける凸曲面の曲率半径Ｒ２以上である。また、チップ４５と負圧面４６ｎとの境に形成されるチップライン４５ｌ上で、チップ側前部４７ｎとチップ側後部４８ｎとの境目ｂは、例えば、前縁４３からの距離がチップライン４５ｌの全長の半分以上の位置である。また、チップ側前部４７ｎと根元部４９ｎとの境目は、図２に示すように、翼高さ方向でチップ４５から翼高さの半分未満の位置である。
　正圧面４６ｐも、負圧面４６ｎと同様、図２及び図４に示すように、チップ側前部４７ｐと、チップ側後部４８ｐと、根元部４９ｐと、を有する。チップ側前部４７ｐは、チップ４５と正圧面４６ｐとの境界及び前縁４３を含む部分である。チップ側後部４８ｐは、チップ側前部４７ｐに接し、チップ４５と正圧面４６ｐとの境界及び後縁４４を含む部分である。根元部４９ｐは、チップ側前部４７ｐ及びチップ側後部４８ｐに接し、ディスク４１の外周面４１ａと正圧面４６ｐとの境界と、前縁４３と、後縁４４と、を含む部分である。正圧面４６ｐ中における、チップ側前部４７ｐとチップ側後部４８ｐと根元部４９ｐとは、互いに重なり合う部分がない。
　正圧面４６ｐのチップ側前部４７ｐは、図３に示すように、このブレード４２に対する径方向視で、半回転側Ｓｏに凸の凸曲面を成す。正圧面４６ｐのチップ側後部４８ｐも、このブレード４２に対する径方向視で、回転側Ｓｒに凹む凹曲面を成す。さらに、正圧面４６ｐの根元部４９ｐも、このブレード４２に対する径方向視で、回転側Ｓｒに凹の凹曲面を成す。
　タービンハウジング３２には、図１に示すように、タービンホイール４０が回転可能に収納されるホイール室３３と、作動流体Ｆ（ＥＸ）が流入するスクロール流路３４と、作動流体Ｆが排気される排気口３５と、が形成されている。スクロール流路３４は、周方向成分を含む方向に延びる流路である。スクロール流路３４は、ホイール室３３の軸方向後側Ｄａｂの部分であって、ホイール室３３の径方向外側Ｄｒｏの部分で、ホイール室３３と連通している。スクロール流路３４に流入した作動流体Ｆは、この連通部分を経て、径方向外側Ｄｒｏからホイール室３３内に流入する。ホイール室３３は、軸方向後側Ｄａｂの端で開口している。この開口が、前述の排気口３５である。ホイール室３３に流入した作動流体Ｆは、この排気口３５から排気される。
　ホイール室３３に流入した作動流体Ｆは、図５に示すように、タービンホイール４０における各ブレード４２の前縁４３相互間からブレード４２相互間に流入する。ブレード４２相互間に流入した作動流体Ｆは、各ブレード４２の後縁４４相互間から流出する。作動流体Ｆは、ブレード４２相互間を流れる過程で、タービンホイール４０に対して回転力を付与する。なお、本実施形態において、作動流体Ｆは、排気ガスＥＸである。
　ブレード４２のチップ４５と、タービンハウジング３２の内周面であってチップ４５と対向する部分との間には、チップクリアランスＣｔ（図２参照）と呼ばれる隙間がある。タービン効率を高めるためには、このチップクリアランスＣｔをできる限り小さくすることが好ましい。しかしながら、軸震動やタービンホイール４０の熱膨張の影響等で、ブレード４２のチップ４５とタービンハウジング３２の内周面とが接触するリスクを回避するため、このチップクリアランスＣｔの縮小には限度がある。
　チップクリアランスＣｔを抜ける作動流体Ｆの流れ、つまりクリアランスフローの存在は、タービン効率の低下につながる。このため、クリアランスフローの低減が望まれる。
　ここで、本実施形態におけるクリアランスフローについて説明するまえに、比較例のタービンホイールにおけるクリアランスフローについて、図６を参照して説明する。
　比較例のタービンホイールも４０ｃ、ディスク４１ｃと複数のブレード４２ｃとを有する。ブレード４２ｃの正圧面４６ｐｃは、その全体が回転側Ｓｒに凹む凹曲面を成している。また、このブレード４２ｃの負圧面４６ｎｃは、その全体が回転側Ｓｒに凸の凸曲面を成している。
　周方向Ｄｃで隣接している第一ブレード４２ｃｘと第二ブレード４２ｃｙとの間に流入した作動流体Ｆの多くは、前述したように、これらのブレード４２ｃｘ，４２ｃｙの後縁４４相互間から流出する。しかしながら、一部の作動流体Ｆは、第二ブレード４２ｃｙの正圧面４６ｐｃ側から、この第二ブレード４２ｃｙにおけるチップクリアランスＣｔを経て、漏れ流体Ｆｌとして、この第二ブレード４２ｃｙの負圧面４６ｎｃ側に流れる。すなわち、一部の作動流体Ｆは、第二ブレード４２ｃｙにおけるチップクリアランスＣｔを経て、漏れ流体Ｆｌとして、第二ブレード４２ｃｙと第三ブレード４２ｃｚとの間に流入する。
　第二ブレード４２ｃｙと第三ブレード４２ｃｚとの間に流入した漏れ流体Ｆｌは、渦流となり、第二ブレード４２ｃｙの負圧面４６ｎｃに付着し、この負圧面４６ｎｃに沿って流れる。この第二ブレード４２ｃｙの負圧面４６ｎｃに沿った漏れ流体Ｆｌの流れにより、クリアランスフローが誘引される。よって、第二ブレード４２ｃｙの前縁４３側の部分で生じたクリアランスフローＦｃにより、第二ブレード４２ｃｙの前縁４３と後縁４４との中間部分でも、クリアランスフローが生じる。この誘引されたクリアランスフローにより、第二ブレード４２ｃｙと第三ブレード４２ｃｚとの間に流入した漏れ流体Ｆｌも、渦流となり、第二ブレード４２ｃｙの負圧面４６ｎｃに沿って流れる。この第二ブレード４２ｃｙの負圧面４６ｎｃに沿った漏れ流体Ｆｌの流れによっても、クリアランスフローが誘引される。このため、第二ブレード４２ｃｙの中間部分で生じたクリアランスフローにより、第二ブレード４２ｃｙの後縁４４側の部分でも、クリアランスフローが生じる。
　すなわち、比較例では、ブレード４２ｃの前縁４３から後縁４４までのブレード４２ｃ全体でクリアランスフローが生じる。
　次に、本実施形態におけるクリアランスフローについて、図６を用いて説明する。
　本実施形態においても、第一ブレード４２ｘと第二ブレード４２ｙとの間に流入した作動流体Ｆの一部は、第二ブレード４２ｙの前縁４３側の部分で、第二ブレード４２ｙの正圧面４６ｐ側から、この第二ブレード４２ｙにおけるチップクリアランスＣｔを経て、漏れ流体Ｆｌとして、この第二ブレード４２ｙの負圧面４６ｎ側に流れる。すなわ、一部の作動流体Ｆは、第二ブレード４２ｙの前縁４３側の部分におけるチップクリアランスＣｔを経て、漏れ流体Ｆｌとして、第二ブレード４２ｙと第三ブレード４２ｚとの間に流入する。
　第二ブレード４２ｙと第三ブレード４２ｚとの間に流入した漏れ流体Ｆｌは、本実施形態でも、渦流となる。但し、本実施形態では、この漏れ流体Ｆｌのほとんどが、第二ブレード４２ｙの負圧面４６ｎから離れて、この第二ブレード４２ｙと第三ブレード４２ｚの間をこれらのブレード４２ｙ，４２ｚの後縁４４側に流れる。
　比較例の負圧面４６ｎｃ全体は、回転側Ｓｒに凸の凸曲面である。一方、本実施形態の負圧面４６ｎにおけるチップ側前部４７ｎは、反回転側Ｓｏに凹む凹曲面である。よって、本実施形態における負圧面４６ｎに対するクリアランスフローＦｃの離角α１は、比較例における負圧面４６ｎｃに対するクリアランスフローＦｃの離角α２よりも大きくなる。なお、離隔αとは、クリアランスフローＦｃが負圧面とチップとの境界を横切る位置における負圧面に対する接線と、このクリアランスフローＦｃとが成す角度である。このため、本実施形態では、第二ブレード４２ｙの前縁４３側の部分におけるチップクリアランスＣｔを経て、第二ブレード４２ｙと第三ブレード４２ｚとの間に流入した漏れ流体Ｆｌの多くは、第二ブレード４２ｙの負圧面４６ｎに付着せずに、この負圧面４６ｎから離れて流れる。この漏れ流体Ｆｌの流れと、第二ブレード４２ｙの負圧面４６ｎとの間には、第二ブレード４２ｙと第三ブレード４２ｚの間に流入した作動流体Ｆが流れる。
　この結果、本実施形態では、第二ブレード４２ｙの前縁４３側の部分でクリアランスフローＦｃが生じても、このクリアランスフローＦｃにより新たなクリアランスフローＦｃが誘引されない。このため、本実施形態では、比較例よりもクリアランスフローＦｃを低減でき、タービン効率を高めることができる。
　ところで、ラジアルタービン３０のサイズが小さくなれば、基本的にチップクリアランスＣｔも小さくなる。しかしながら、ラジアルタービン３０のサイズが小さくなっても、チップクリアランスＣｔはそれほど小さくならない。この理由は、前述したように、チップクリアランスＣｔが、軸震動やタービンホイール４０の熱膨張の影響等で、ブレード４２のチップ４５とタービンハウジング３２の内周面との接触を回避するための隙間であるからである。このため、前縁４３の長さ又は後縁４４の長さに対するチップクリアランスＣｔの割合は、ラジアルタービン３０が小型化するほど大きくなる。よって、ラジアルタービン３０が小型化するほど、ラジアルタービン３０に流入する作動流体Ｆの流量に対するクリアランスフローの流量の割合が高まる。
　このため、例えば、中型又は小型乗用車用の過給機に用いるラジアルタービン３０では、クリアランスフローの低減率を高めるため、チップライン４５ｌ上で、負圧面４６ｎにおけるチップ側前部４７ｎとチップ側後部４８ｎとの境目ｂは、前述したように、前縁４３からの距離がチップライン４５ｌの全長の半分以上の位置であることが好ましい。また、チップ側前部４７ｎにおける凹曲面の曲率半径Ｒ１は、前述したように、チップ側後部４８ｎにおける凸曲面の曲率半径Ｒ２以上であることが好ましい。
　本発明の一態様では、クラランスフローを低減できる。
　１０：圧縮機、１１：圧縮機回転軸、１２：圧縮機ハウジング、１６：圧縮機インペラ、２０：連結部、２１：連結回転軸、２２：センターハウジング、２３：軸受、３０：ラジアルタービン、３１：タービン回転軸、３２：タービンハウジング、３３：ホイール室、３４：スクロール流路、３５：排気口、４０：タービンホイール、４１：ディスク、４１ａ：外周面、４２：ブレード、４３：前縁、４４：後縁、４５：チップ、４５ｌ：チップライン、４６ｎ：負圧面、４６ｐ：正圧面、４７ｎ，４７ｐ：チップ側前部、４８ｎ，４８ｐ：チップ側後部、４９ｎ，４９ｐ：根元部、Ｃｔ：チップクリアランスＣｔ、Ｆ：作動流体、Ｆｃ：クリアランスフロー、Ｆｌ：漏れ流体、Ａｒ：軸線、Ｄａ：軸方向、Ｄａｂ：軸方向後側、Ｄａｆ：軸方向前側、Ｄｃ：周方向、Ｄｒ：径方向、Ｄｒｉ：径方向内側、Ｄｒｏ：径方向外側、Ｓｒ：回転側、Ｓｏ：反回転側

Claims (8)

  1. 　軸線を中心として回転対称な形状を成し、前記軸線が延びる軸方向の一方の側である前側から他方の側である後側に向うに連れて次第に縮径されているディスクと、
    　前記ディスクの外周面に、前記軸線に対する周方向Ｄに間隔をあけて固定されている複数のブレードと、
    　を備え、
    　前記ブレードは、
    　前記ディスクの前記前側の部分から前記軸方向成分を含む方向に延び、前記軸線に対する径方向外側を向く前縁と、
    　前記ディスクの前記後側の部分から前記軸線に対する径方向成分を含む方向に延び、前記後側の向く後縁と、
    　前記前縁から前記後縁まで延び、互いに相反する側を向く正圧面及び負圧面と、
    　前記外周面から遠い側の縁を成すチップと、
    　を有し、
    　前記負圧面は、前記負圧面と前記チップとの境界及び前記前縁を含むチップ側前部と、前記負圧面と前記チップとの境界及び前記後縁を含むチップ側後部とを有し、
    　前記チップ側前部は、径方向視で、前記負圧面から前記正圧面に向かう反回転側に凹む凹曲面を成し、
    　前記チップ側後部は、径方向視で、前記正圧面から前記負圧面側に向かう回転側に凸の凸曲面を成す、
    　タービンホイール。
  2. 　請求項１に記載のタービンホイールにおいて、
    　前記負圧面は、前記外周面との境界と前記前縁と前記後縁とを含み、前記チップ側前部及び前記チップ側後部に接する根元部を有し、
    　前記根元部は、前記回転側に凸の凸曲面を成す、
    　タービンホイール。
  3. 　請求項２に記載のタービンホイールにおいて、
    　前記チップ側前部と根元部との境目は、翼高さ方向で前記チップから翼高さの半分未満の位置である、
     タービンホイール。
  4. 　請求項１から３のいずれか一項に記載のタービンホイールにおいて、
    　前記チップ側前部と前記チップ側後部とは互いに接し、
    　前記チップと前記負圧面との境に形成されるチップライン上で、前記チップ側前部と前記チップ側後部との境目は、前記前縁からの距離が前記チップラインの全長の半分以上の位置である、
    　タービンホイール。
  5. 　請求項１から４のいずれか一項に記載のタービンホイールにおいて、
    　前記チップ側前部における前記凹曲面の曲率半径は、前記チップ側後部における前記凸曲面の曲率半径以上である、
    　タービンホイール。
  6. 　請求項１から５のいずれか一項に記載のタービンホイールにおいて、
    　前記正圧面は、前記正圧面と前記チップとの境界及び前記前縁を含むチップ側前部と、前記正圧面と前記チップとの境界及び前記後縁を含むチップ側後部とを有し、
    　前記正圧面の前記チップ側前部は、径方向視で、前記反回転側に凸の凸曲面を成し、
    　前記正圧面の前記チップ側後部も、径方向視で、前記回転側に凹む凹曲面を成す、
    　タービンホイール。
  7. 　請求項１から６のいずれか一項に記載のタービンホイールと、
    　前記軸線を中心として前記軸方向に延び、前記タービンホイールが固定されているタービン回転軸と、
    　前記タービンホイールを回転可能に覆うタービンハウジングと、
    　を備えるラジアルタービン。
  8. 　請求項７に記載のラジアルタービンと、
    　圧縮機と、
    　を備え、
    　前記圧縮機は、
    　前記軸線を中心として回転する圧縮機回転軸と、
    　前記圧縮機回転軸に固定されているインペラと、
    　前記インペラを覆う圧縮機ハウジングと、
    　を有し、
    　前記タービン回転軸と前記圧縮機回転軸とは、同一の軸線上に位置して互いに連結されて一体回転し、過給機回転軸を成す、
    　過給機。
PCT/JP2016/056381 2016-03-02 2016-03-02 タービンホイール、ラジアルタービン、及び過給機 WO2017149693A1 (ja)

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