(57)【要約】【課題】装置サイズを大型化することなく、大流量の際の仕事の効率を向上する。【解決手段】タービン翼２１ｂが回転する領域に臨んでラジアルインペラのスロート領域Ｒあるいはこのスロート領域Ｒよりも上流側に位置するバイパス用開口１０ａを有するタービンシュラウド２２と、バイパス用開口１０ａを入口開口としてタービンインペラ２１の下流側まで連通するバイパス流路１０とを備える。【選択図】図２
2011231715.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のタービン翼を有するラジアルインペラを備えるラジアルタービンであって、
前記タービン翼が回転する領域に臨んで前記ラジアルインペラのスロート領域あるいは該スロート領域よりも上流側に位置するバイパス用開口を有するタービンシュラウドと、
前記バイパス用開口を入口開口として前記ラジアルインペラの下流側まで連通するバイパス流路と
を備えることを特徴とするラジアルタービン。
【請求項２】
前記バイパス流路は、前記バイパス用開口に連結すると共に前記タービンシュラウドを貫通する貫通孔領域と、該貫通孔領域と接続すると共に前記タービンシュラウドと該タービンシュラウドを囲うハウジングとの間の隙間によって形成される隙間領域とを有することを特徴とする請求項１記載のラジアルタービン。
【請求項３】
前記貫通孔領域は、前記バイパス用開口から前記ラジアルタービンの軸方向における後流側に向けて延在して形成されていることを特徴とする請求項２記載のラジアルタービン。
【請求項４】
前記バイパス流路の出口開口の開口面積が前記バイパス流路の入口開口の開口面積よりも広く設定されていることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のラジアルタービン。
【請求項５】
前記バイパス用開口は、前記スロート領域に臨んで設けられていることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のラジアルタービン。
【請求項６】
ラジアルタービンと、コンプレッサとを備える過給機であって、
前記ラジアルタービンとして請求項１〜５いずれかに記載のラジアルタービンを備えることを特徴とする過給機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラジアルタービン及び過給機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ラジアルタービンは、周知のように外部より供給される流体をラジアルインペラで受けることによって回転動力を得るものであり、例えば過給機に組み込まれて用いられている。
このようなラジアルタービンでは、外部から大量の流体が供給された場合であっても、流体の流れを阻害しないように大容量化が図られている（例えば特許文献１）。
【０００３】
ラジアルタービンの大容量化の方法としては、例えばウエストゲートバルブを用いる方法や、ベーンノズル機構を用いる方法が用いられている。
例えば、ウエストゲートバルブを用いる方法では、ラジアルインペラの上流側と下流側とをウエストゲートバルブが設けられたバイパス流路でつなぎ、大量の流体が供給された場合にウエストゲートバルブを開放して流体の一部をバイパスする。
また、ベーンノズル機構を用いる方法では、ラジアルインペラを予め大流量に対応可能な大きさで形成し、小流量の際の効率低下をベーンノズル機構用いて向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３３５５８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ウエストゲートバルブを用いる場合には、バイパス流路を流れる流体はラジアルインペラに対して仕事をすることなく、ラジアルインペラの下流側に流される。このため、供給される流体が大流量である程、相対的に効率が低下することとなる。
一方、ベーンノズル機構を用いる方法では、ラジアルインペラそのものが大型化され、さらには複雑なベーンノズル機構を搭載する必要があるため、ラジアルタービンの装置サイズが大型化してしまう。
【０００６】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ラジアルタービンにおいて、装置サイズを大型化することなく、大流量の際の仕事の効率を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
【０００８】
第１の発明は、複数のタービン翼を有するラジアルインペラを備えるラジアルタービンであって、上記タービン翼が回転する領域に臨んで上記ラジアルインペラのスロート領域あるいは該スロート領域よりも上流側に位置するバイパス用開口を有するタービンシュラウドと、上記バイパス用開口を入口開口として上記ラジアルインペラの下流側まで連通するバイパス流路とを備えるという構成を採用する。
【０００９】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記バイパス流路が、上記バイパス用開口に連結すると共に上記タービンシュラウドを貫通する貫通孔領域と、該貫通孔領域と接続すると共に上記タービンシュラウドと該タービンシュラウドを囲うハウジングとの間の隙間によって形成される隙間領域とを有するという構成を採用する。
【００１０】
第３の発明は、上記第２の発明において、上記貫通孔領域が、上記バイパス用開口から上記ラジアルタービンの軸方向における後流側に向けて延在して形成されているという構成を採用する。
【００１１】
第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記バイパス流路の出口開口の開口面積が上記バイパス流路の入口開口の開口面積よりも広く設定されているという構成を採用する。
【００１２】
第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記バイパス用開口が、上記スロート領域に臨んで設けられているという構成を採用する。
【００１３】
第６の発明は、ラジアルタービンと、コンプレッサとを備える過給機であって、上記ラジアルタービンとして上記第１〜第５いずれかの発明であるラジアルタービンを備えるという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、タービン翼が回転する領域に臨んでバイパス流路の入口開口が形成されている。このため、バイパス流路に流れ込む流体は、少なくともラジアルインペラのタービン翼が回転する領域を通過した後にバイパス流路に流れ込む。したがって、本発明によれば、バイパスされる流体からも動力を得ることができ、タービン効率が向上する。
また、本発明においては、入口開口は、スロート領域あるいは当該スロート領域よりも上流側に設けられている。このため、供給される流体が大流量である場合にも、その一部を最も流体が通り難い領域であるスロート領域を通過させる必要がなく、スムーズにバイパス流路に流すことができる。このため、本発明は、ラジアルインペラを大型化することなく大容量のラジアルタービンとなる。
したがって、本発明によれば、装置サイズを大型化することなく、大流量の際の仕事の効率を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態における過給機の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における過給機が備えるタービンシュラウドを含む拡大断面図である。
【図３】図２のＡ方向から見た矢視図である。
【図４】図２のＢ方向から見た矢視図である。
【図５】横軸をタービンインペラの入口と出口とを含む流れ方向の位置とし、縦軸をタービンシュラウドの壁面静圧としたグラフである。
【図６】本発明の一実施形態における過給機と従来過給機と称するとにおける流量と効率を比較したグラフである。
【図７】本発明の一実施形態における過給機が備えるバイパス用開口の変形例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明に係るラジアルタービン及び過給機の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１７】
図１は、本実施形態の過給機１の概略構成を示す断面図である。
この図に示すように、本実施形態の過給機１は、排気ガス（流体）の運動エネルギを回転動力として回収するラジアルタービン２と、当該ラジアルタービン２によって得られた回転動力によって空気を圧縮するコンプレッサ３と、ラジアルタービン２とコンプレッサ３とを接続してラジアルタービン２からコンプレッサ３に動力を伝達する軸部４とを備えている。
【００１８】
ラジアルタービン２は、タービンインペラ２１（ラジアルインペラ）と、タービンシュラウド２２（タービンシュラウド）と、タービンハウジング２３（ハウジング）とを備えている。
【００１９】
タービンインペラ２１は、エンジン等の燃焼機関から供給される排気ガスを受けることによって回転駆動されるものであり、いわゆるラジアルインペラである。
タービンインペラ２１は、ディスク２１ａに対して複数のタービン翼２１ｂが回転方向に配列して取り付けられることによって構成されている。
【００２０】
図２の拡大図に示すように、各タービン翼２１ｂは、ディスク２１ａの凹に湾曲された表面に沿って設けられており、排気ガスの流れ方向に沿って湾曲されている。
なお、タービン翼２１ｂの各部位の名称について説明すると、ディスク２１ａに固着される端部をハブ２１ｂ１と称し、ハブ２１ｂ１と対向する端部をチップ２１ｂ２と称し、排気ガスが流入する側の端部を前縁２１ｂ３と称し、排気ガスが排出される側の端部を後縁２１ｂ４と称する。また、隣り合うタービン翼２１ｂ同士が近接する領域で排気ガスが最も通り難い領域をスロート領域Ｒと称する。
【００２１】
タービンシュラウド２２は、図１に示すように、上記タービンインペラ２１を、当該タービンインペラ２１が備えるタービン翼のチップ２１ｂ２側から覆うケースである。
そして、本実施形態のタービンシュラウド２２には、図２に示すように、上述のスロート領域Ｒの上流側に臨むバイパス用開口１０ａを備えている。
図３は、図２のＡ方向から見た矢視図である。この図に示すように、バイパス用開口１０ａは、タービンシュラウド２２の内壁面に複数設けられ、タービンインペラ２１の回転軸を中心として環状に配列されている。また、各バイパス用開口１０ａは、円形に形状設定されている。
【００２２】
また、タービンシュラウド２２には、各バイパス用開口１０ａに連結すると共にタービンシュラウド２２を貫通する複数の貫通孔１０ｂが形成されている。これらの貫通孔１０ｂは、後に詳説するバイパス流路１０の一部を構成するものである。
【００２３】
タービンハウジング２３は、ラジアルタービン２の外形を形作るものであり、タービンシュラウド２２ごとタービンインペラ２１を囲っている。
タービンハウジング２３の内部には、一端に排気ガスの入口を備えたスクロール通路２４が形成されている。
また、タービンハウジング２３の内部には、タービンインペラ２１よりも大きな径を有するリング部材２５がタービンシュラウド２２と対向して配置されている。そして、リング部材２５とタービンシュラウド２２との挟まれた領域が、上記スクロール通路２４とタービンインペラ２１とを連通する環状の排気ガス流路２６とされている。
なお、本実施形態においては、可変ノズル機構を備えている。この可変ノズル機構は、排気ガス流路２６に環状に配列される複数のノズルベーン２７を備えている。これらのノズルベーン２７は、環状に配列されると共に不図示の駆動機構により回動可能とされており、回動角度が排気ガス流路２６を流れる排気ガス流量に応じて最適に設定される。
【００２４】
図２に示すように、タービンシュラウド２２とタービンハウジング２３との間の一部には、隙間１０ｃが設けられている。この隙間１０ｃは、バイパス流路１０の一部を構成するものであり、上記貫通孔１０ｂと連通すると共にラジアルタービン２の下流側まで連通されている。
図４は、図２のＢ方向から見た矢視図である。この図に示すように、隙間１０ｃは、タービンインペラ２１の回転軸を中心とする全周に亘って連続して設けられている。
【００２５】
バイパス流路１０は、タービンインペラ２１を通過する排気ガスの一部をバイパスするための流路であり、上述の貫通孔１０ｂと隙間１０ｃとによって形成されている。つまり、本実施形態の過給機１においてバイパス流路１０は、タービンシュラウド２２に形成されたバイパス用開口１０ａに連結すると共にタービンシュラウド２２を貫通する貫通孔領域Ｒａと、この貫通孔領域Ｒａと接続すると共にタービンシュラウド２２とこのタービンシュラウド２２を囲うタービンハウジング２３との間の隙間１０ｃによって形成される隙間領域Ｒｂとを有している。
【００２６】
また、本実施形態の過給機１において、バイパス流路１０の入口開口となるバイパス用開口１０ａは、上述したように最も排気ガスが通過し難い領域であるスロート領域Ｒの上流側に臨んで設けられている。
図５は、横軸をタービンインペラ２１の入口と出口とを含む流れ方向の位置とし、縦軸をタービンシュラウド２２の壁面静圧としたグラフである。この図に示すように、ラジアルタービン２に対して供給される排気ガスの流量が小流量（タービンインペラ２１の容量に対して十分に余裕がある流量）である場合には、入口からタービンインペラ２１の下流側までタービンシュラウド２２の壁面静圧は殆ど変化がない。
また、ラジアルタービン２に対して供給される排気ガスの流量が多くなるほど、入口からスロート領域にかけてタービンシュラウド２２の壁面静圧が増加し、タービンインペラ２１の下流側におけるタービンシュラウド２２の壁面静圧が低下する。
このため、上述のようにスロート領域Ｒあるいはその上流側にバイパス用開口１０ａを設けることによって、特別な駆動機構等を設けることなく、小流量の場合には排気ガスがバイパス流路１０に流れ込まず、大流量になるほど排気ガスがバイパス流路１０に流れ込むようにすることができる。
【００２７】
なお、バイパス流路１０内を流れる排気ガスは、圧力低下に伴って下流に向かうに連れて膨張する。このため、バイパス流路１０における排気ガスのスムーズな流れを確保するために、少なくともバイパス用開口１０ａの開口総面積よりもバイパス用開口１０ａの出口開口１０ｄ（図４に示す隙間１０ｃの出口となる開口）の面積が広いことが好ましい。
さらに、よりスムーズな排気ガスの流れを確保するためには、バイパス流路１０が下流に向けて徐々に流路面積を拡大させる構成を採ることが好ましい。例えば、貫通孔１０ｂと隙間１０ｃとが連結する領域における開口面積をバイパス用開口１０ａの開口面積よりも１．５倍までの範囲で拡げ、出口開口１０ｄの開口面積を貫通孔１０ｂと隙間１０ｃとが連結する領域における開口面積よりもさらに拡げる構成を採ることによってバイパス流路１０において排気ガスをスムーズに流すことができる。
【００２８】
また、本実施形態の過給機１において、バイパス流路１０の貫通孔領域Ｒａ（すなわち貫通孔１０ｂ）は、バイパス用開口１０ａからラジアルタービン２の軸方向における後流側に向けて延在して形成されている。この結果、貫通孔領域Ｒａは、タービンシュラウド２２内部の排気ガスの流れ方向に沿って延在することとなり、バイパス流路１０への排気ガスの流れ込みをスムーズに行うことが可能となる。なお、例えば、貫通孔領域Ｒａは、延在方向をタービンインペラ２１の回転軸と直交する平面に対して、０〜４５°の角度範囲に設定し、これによって、バイパス用開口１０ａからラジアルタービン２の軸方向における後流側に向ける。
【００２９】
このような構成の本実施形態の過給機１においては、ラジアルタービン２に排気ガスが供給されてタービンインペラ２１が回転駆動することにより、排気ガスの運動エネルギが回転動力として回収される。そして、ラジアルインペラ２が回収した回転動力が軸部４を介してコンプレッサ３に伝達されて空気が圧縮される。
【００３０】
そして、本実施形態の過給機１においては、タービンインペラ２１を囲うタービンシュラウド２２に対してバイパス流路１０の入口開口であるバイパス用開口１０ａが形成されている。このため、バイパス流路１０に流れ込む排気ガスは、少なくともタービンインペラ２１のタービン翼２１ｂが回転する領域を通過した後にバイパス流路１０に流れ込む。したがって、本実施形態の過給機１によれば、バイパスされる排気ガスからも動力を得ることができ、タービン効率が向上する。
また、本実施形態の過給機１においては、入口開口（バイパス用開口１０ａ）は、スロート領域Ｒの上流側に設けられている。このため、供給される排気ガスが大流量である場合にも、その一部を最も排気ガスが通り難い領域であるスロート領域Ｒを通過させる必要がなく、スムーズにバイパス流路１０に流すことができる。このため、本実施形態の過給機１は、タービンインペラ２１を大型化することなく大容量のラジアルタービンとなる。
したがって、本実施形態の過給機１によれば、装置サイズを大型化することなく、大流量の際の仕事の効率を向上することが可能となる。
【００３１】
図６は、本実施形態の過給機１と本実施形態の過給機１からバイパス流路１０を除いた構成の過給機（従来過給機と称する）とにおける流量と効率を比較したグラフである。
なお、（ａ）は本実施形態の過給機１と従来過給機とのタービンインペラのサイズを一致させた場合における流量と効率との関係を示している。この（ａ）から分かるように、バイパス流路１０を設けることにより、最大流量が増加する。
また、（ｂ）は従来過給機のタービンインペラのサイズを大型化させて本実施形態の過給機１と従来過給機との最大流量を一致させた場合における流量と効率との関係を示している。この（ｂ）から分かるように、バイパス流路１０を設けることにより、タービンインペラを大型化させる必要がなくなり、小流量側の効率を向上させることができる。
【００３２】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３３】
例えば、上記実施形態においては、バイパス用開口１０ａが円形に形状設定されている構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、図７に示すように、円形のバイパス用開口１０ａに変えてスリット形状のバイパス用開口１０Ａを採用しても良い。
【００３４】
また、上記実施形態においては、バイパス用開口１０ａがスロート領域Ｒの上流側に臨んで形成される構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、バイパス用開口１０ａは、タービン翼２１ｂが回転する領域に臨む範囲でスロート領域Ｒに臨んで形成されても良い。
【００３５】
また、上記実施形態においては、本発明のラジアルタービンが過給機のタービンとして用いられる構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、ラジアルタービン全般に適用することができる。
【００３６】
また、上記実施形態においては、可変ノズル機構を備える構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、可変ノズル機構を設置しない構成や、可変ノズル機構に変えて固定ノズル機構を備える構成を採用することもできる。
【００３７】
また、上記実施形態においては、バイパス流路１０が貫通孔領域Ｒａと隙間領域Ｒｂとによって形成されている構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、タービンインペラの下流側まで貫通孔１０ｂを延ばし、貫通孔１０ｂのみによってバイパス流路１０とすることも可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１……過給機、２……ラジアルタービン、１０……バイパス流路、１０ａ，１０Ａ……バイパス用開口（入口開口）、１０ｂ……貫通孔、１０ｃ……隙間、１０ｄ……出口開口、２１……タービンインペラ（ラジアルインペラ）、２１ｂ……タービン翼、２２……タービンシュラウド、Ｒ……スロート領域、Ｒａ……貫通孔領域、Ｒｂ……隙間領域
【図１】
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【図２】
2011231715.tif 000004
【図３】
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【図４】
2011231715.tif 000006
【図５】
2011231715.tif 000007
【図６】
2011231715.tif 000008
【図７】
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