(57)【要約】【課題】ラジアルタービン３１の出口側の温度分布を均一な温度分布に近づけて、下流装置４７の性能を十分に発揮させること。【解決手段】各タービンブレード３９にタービンブレード３９の圧力面３９ｐ側を局所的に凹ませる屈曲部５１が後縁３９ｂから前縁３９ａ側へ向かって同一スパン上に形成され、各屈曲部５１の中心５１ｃは、タービンブレード３９のスパン方向の長さＬｓの６０〜９０％のスパン方向位置に位置し、各屈曲部５１は、タービンブレード３９の流れ方向の長さＬｆの４０％以上の流れ方向位置まで少なくとも延びていること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるラジアルタービンにおいて、
内側にシュラウド壁を有したタービンハウジングと、
前記タービンハウジング内に回転可能に設けられ、ハブ面が軸方向一方側から径方向外側へ延びたタービンディスク、及び前記タービンディスクのハブ面に周方向に間隔を置いて一体的に設けられかつチップ端が前記シュラウド壁に沿うように延びた複数のタービンブレードを備えたタービンインペラと、を具備し、
各タービンブレードに圧力面側を局所的に凹ませる屈曲部が後縁から前縁側へ向かって形成され、各屈曲部の中心が前記タービンブレードのミッドスパンよりもチップ端側に位置していることを特徴とするラジアルタービン。
【請求項２】
各屈曲部の中心は、前記タービンディスクのハブ面を起点とする前記タービンブレードのスパン方向の長さの６０〜９０％のスパン方向位置に位置していることを特徴とする請求項１に記載のラジアルタービン。
【請求項３】
各屈曲部は、前記タービンブレードの後縁を起点とする前記タービンブレードの流れ方向の長さの４０％以上の流れ方向位置まで少なくとも延びていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のラジアルタービン。
【請求項４】
エンジンからの排気ガスのエネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する過給機において、
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載のラジアルタービンを具備した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、過給機、ガスタービン等のターボ回転機械に用いられ、排気ガス等のガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるラジアルタービン等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、過給機に用いられるラジアルタービンについて種々の開発がなされており、一般的なラジアルタービンの構成等について簡単に説明すると、次のようになる（特許文献１及び特許文献２等参照）。
【０００３】
即ち、ラジアルタービンは、タービンハウジングを具備しており、このタービンハウジングは、内側に、シュラウド壁を有している。また、タービンハウジング内には、タービンインペラが回転可能に設けられており、このタービンインペラは、タービンディスクを備えており、このタービンディスクのハブ面（外周面）は、軸方向一方側から径方向外側へ延びている。更に、タービンディスクのハブ面には、複数のタービンブレードが周方向に間隔を置いて一体的に設けられており、各タービンブレードのチップ端（先端）は、シュラウド壁に沿うように延びている。なお、ラジアルタービンの下流側（排気ガスの流れ方向から見て下流側）には、排気ガスを浄化する触媒（下流装置の一例）が配設されている。
【０００４】
従って、タービンハウジング内に取入れた排気ガスがタービンインペラの入口側から出口側へ流通することにより、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させて、タービンインペラを回転させることができる。また、タービンインペラの出口側へ流通した排気ガスは、タービンハウジングの外側へ排出されて、触媒に送られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１５０３５号公報
【特許文献２】特開２００３−１７６７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、例えばエンジン始動時（コールドスタート時）のように、ラジアルタービンの作動点が小流量側の作動域（低回転域）にある時に、タービンインペラの出口側のシュラウド壁付近において、タービンブレードのチップ端とシュラウド壁との間を流れるクリアランスフローによる旋回流れが大きくなる。そのため、ラジアルタービンの出口側（換言すれば、タービンインペラの下流側）における温度分布の不均一の度合いが大きくなって、下流装置としての触媒の活性度を高めることができず、触媒の性能を十分に発揮させることができないという問題がある。
【０００７】
なお、前述の問題は、ラジアルタービンの下流側に触媒以外の下流装置が配設される場合においても、同様に生じるものである。
【０００８】
そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のラジアルタービン等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の発明者は、前述の問題を解決するために、試行錯誤を繰り返した結果、図４Ａ（ａ）（ｂ）に示すように、各タービンブレードに圧力面側を局所的に凹ませる所定の屈曲部が後縁から前縁側へ向かって形成された場合には、各タービンブレードに所定の屈曲部が形成されていない場合（図４Ｂ（ａ）（ｂ）参照）に比べて、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、ラジアルタービンの小流量側の作動域（低回転域）において、タービンインペラの出口の手前側におけるタービンブレードの圧力面側に循環流を生成して、タービンインペラの出口側のシュラウド壁付近におけるクリアランスフローによる旋回流れを小さくすることができるという、新規な知見を得ることができ、本発明を完成するに至った。また、所定の屈曲部の中心は、タービンブレードのミッドスパンよりもチップ端側に位置しており、タービンブレードの圧力面側の循環流の大部分は、所定の屈曲部の中心よりも径方向外側に位置している。
【００１０】
ここで、図４Ａ（ａ）は、発明例に係るタービンインペラを示す図、図４Ａ（ｂ）は、発明例に係るタービンインペラにおけるタービンブレードの後縁の周方向角度（周方向位置）とスパン方向位置との関係を示す図、図４Ｂ（ａ）は、比較例に係るタービンインペラを示す図、図４Ｂ（ｂ）は、比較例に係るタービンインペラにおけるタービンブレードの後縁の周方向角度とスパン方向位置との関係を示す図、図５Ａは、発明例に係るラジアルタービンの小流量側の作動域におけるシュラウド壁側の流跡線図、図５Ｂは、比較例に係るラジアルタービンの小流量側の作動域におけるシュラウド壁側の流跡線図である。なお、小流量側の作動域におけるシュラウド壁側の流跡線図については、３次元定常粘性ＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  Ｆｌｕｉｄ  Ｄｙｎａｍｉｃｓ）解析により求めた。
【００１１】
本発明の第１の特徴は、ガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるラジアルタービンにおいて、内側にシュラウド壁を有したタービンハウジングと、前記タービンハウジング内に回転可能に設けられ、ハブ面が軸方向一方側から径方向外側へ延びたタービンディスク、及び前記タービンディスクのハブ面に周方向に間隔を置いて一体的に設けられかつチップ端（先端）が前記シュラウド壁に沿うように延びた複数のタービンブレードを備えたタービンインペラと、を具備し、各タービンブレードに圧力面側を局所的に凹ませる屈曲部が後縁から前縁側へ向かって形成され、各屈曲部が前記タービンブレードのミッドスパンよりもチップ端側に位置していることを要旨とする。なお、前記ラジアルタービンの下流側（ガスの流れ方向から見て下流側）には、例えばガスを浄化する触媒等の下流装置が配設されている。
【００１２】
ここで、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたことを含む意であって、「一体的に設けられ」とは、一体形成されたことを含む意である。また、「軸方向」とは、タービンインペラの軸方向のことをいい、「径方向」とは、タービンインペラの径方向のことをいう。
【００１３】
第１の特徴によると、前記タービンハウジング内に取入れたガスが前記タービンインペラの入口側から出口側へ流通することにより、ガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させて、前記タービンインペラを回転させることができる。なお、前記タービンインペラの出口側へ流通したガスは、前記タービンハウジングの外側へ排出されて、前記下流装置に送られる。
【００１４】
各タービンブレードに圧力面側を局所的に凹ませる前記屈曲部が後縁から前縁側へ向かって形成され、各屈曲部の中心が前記タービンブレードのミッドスパンよりもチップ端側に位置しているため、前述の新規な知見を適用すると、前記ラジアルタービンの小流量側の作動域（低回転域）において、前記タービンインペラの出口の手前側における前記タービンブレードの圧力面側に循環流を生成して、前記タービンインペラの出口側の前記シュラウド壁付近におけるクリアランスフローによる旋回流れを小さくすることができる。
【００１５】
本発明の第２の特徴は、エンジンからの排気ガスのエネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する過給機において、第１の特徴からなるラジアルタービンを具備したことを要旨とする。
【００１６】
第２の特徴によると、第１の特徴による作用と同様の作用を奏する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、前記ラジアルタービンの小流量側の作動域において、前記タービンインペラの出口側の前記シュラウド壁付近におけるクリアランスフローによる旋回流れを小さくできるため、前記ラジアルタービンの出口側（換言すれば、前記タービンインペラの下流側）の温度分布を均一な温度分布に近づけて、前記下流装置の性能を十分に発揮させることができる。
【００１８】
なお、前記ラジアルタービンの小流量側の作動域におけるスパン方向位置とラジアルタービンの出口温度の関係ついて、３次元定常粘性ＣＦＤ解析を行った結果、図６に示すように、発明例に係るラジアルタービンの場合の方が比較例に係るラジアルタービンの場合に比べて均一な温度分布に近づけることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、図２における矢視部Iの拡大図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る車両用過給機におけるラジアルタービンを示す正断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る車両用過給機を示す正断面図である。
【図４Ａ】図４Ａ（ａ）は、発明例に係るタービンインペラを示す図、図４Ａ（ｂ）は、発明例に係るタービンインペラにおけるタービンブレードの後縁の周方向角度（周方向位置）とスパン方向位置との関係を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂ（ａ）は、比較例に係るタービンインペラを示す図、図４Ｂ（ｂ）は、比較例に係るタービンインペラにおけるタービンブレードの後縁の周方向角度とスパン方向位置との関係を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、発明例に係るラジアルタービンの小流量側の作動域におけるシュラウド壁側の流跡線図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、比較例に係るラジアルタービンの小流量側の作動域におけるシュラウド壁側の流跡線図である。
【図６】図６は、小流量側の作動域におけるスパン方向位置とラジアルタービンの出口温度の関係について示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態について図１から図３を参照して説明する。なお、図面に示すとおり、「Ｌ」は、左方向、「Ｒ」は、右方向である。
【００２１】
図３に示すように、本発明の実施形態に係る車両用過給機（過給機の一例）１は、エンジン（図示省略）からの排気ガス（ガスの一例）の圧力エネルギーを利用して、エンジンに供給される空気を過給（圧縮）するものである。そして、車両用過給機１の具体的な構成等は、以下のようになる。
【００２２】
車両用過給機１は、ベアリングハウジング３を具備しており、ベアリングハウジング３内には、一対のラジアルベアリング５及び一対のスラストベアリング７が設けられている。また、複数のベアリング５，７には、左右方向へ延びたロータ軸（タービン軸）９が回転可能に設けられており、換言すれば、ベアリングハウジング３には、ロータ軸９が複数のベアリング５，７を介して回転可能に設けられている。
【００２３】
ベアリングハウジング３の右側には、遠心力を利用して空気を圧縮するコンプレッサ１１が配設されており、このコンプレッサ１１の具体的な構成は、次のようになる。
【００２４】
ベアリングハウジング３の右側には、コンプレッサハウジング１３が設けられており、このコンプレッサハウジング１３は、内側に、シュラウド壁ＣＳを有している。また、コンプレッサハウジング１３内には、コンプレッサインペラ１５がその軸心周りに回転可能に設けられており、このコンプレッサインペラ１５は、ロータ軸９の右端部に一体的に連結されている。そして、コンプレッサインペラ１５は、コンプレッサディスク１７を備えており、このコンプレッサディスク１７のハブ面１７ｈは、右側から径方向外側（コンプレッサインペラ１５の径方向外側）へ延びている。更に、コンプレッサディスク１７のハブ面１７ｈには、複数のコンプレッサブレード１９が周方向に等間隔に一体形成されており、各コンプレッサブレード１９の先端縁（外縁）１９ｔは、シュラウド壁ＣＳに沿うように延びている。
【００２５】
コンプレッサハウジング１３におけるコンプレッサインペラ１５の入口側（空気の流れ方向から見て上流側）には、空気をコンプレッサハウジング１３内に取入れるための空気取入口２１が形成されており、この空気取入口２１は、空気を浄化するエアクリーナ（図示省略）に接続可能である。また、ベアリングハウジング３とコンプレッサハウジング１３との間におけるコンプレッサインペラ１５の出口側（空気の流れ方向から見て下流側）には、圧縮された空気を昇圧する環状のディフューザ流路２３が形成されている。更に、コンプレッサハウジング１３の内部には、渦巻き状のコンプレッサスクロール流路２５が形成されており、このコンプレッサスクロール流路２５は、ディフューザ流路２３に連通してある。そして、コンプレッサハウジング１３の適宜位置には、圧縮された空気をコンプレッサハウジング１３の外側へ排出するための空気排出口２７が形成されており、この空気排出口２７は、エンジンの吸気マニホールド（図示省略）に接続可能である。
【００２６】
なお、ベアリングハウジング３の右側部には、スラストベアリング７側への圧縮空気の漏れを防止する環状のシールプレート２９が設けられている。
【００２７】
図２及び図３に示すように、ベアリングハウジング３の左側には、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させるラジアルタービン３１が配設されており、このラジアルタービン３１の具体的な構成は、次のようになる。
【００２８】
ベアリングハウジング３の左側には、タービンハウジング３３が設けられており、このタービンハウジング３３は、内側に、シュラウド壁ＴＳを有している。また、タービンハウジング３３内には、タービンインペラ３５がその軸心周りに回転可能に設けられており、このタービンインペラ３５は、ロータ軸９の左端部に一体的に連結されている。そして、タービンインペラ３５は、タービンディスク３７を備えており、このタービンディスク３７のハブ面３７ｈは、左側（タービンインペラ３５の軸方向一方側）から径方向外側（タービンインペラ３５の径方向外側）へ延びている。更に、タービンディスク３７のハブ面３７ｈには、複数のタービンブレード３９が周方向に等間隔に一体形成されており、各タービンブレード３９のチップ端（先端）３９ｔは、シュラウド壁ＴＳに沿うように延びている。
【００２９】
タービンハウジング３３の適宜位置には、排気ガスをタービンハウジング３３内に取入れるためのガス取入口４１が形成されており、このガス取入口４１は、エンジンの排気マニホールド（図示省略）に接続可能である。また、タービンハウジング３３の内部におけるタービンインペラ３５の入口側（排気ガスの流れ方向から見て上流側）には、渦巻き状のタービンスクロール流路４３が形成されており、このタービンスクロール流路４３は、ガス取入口４１に連通してある。更に、タービンハウジング３３におけるタービンインペラ３５の出口側（排気ガスの流れ方向から見て下流側）には、排気ガスを排出するためのガス排出口４５が形成されており、このガス排出口４５は、排気ガスを浄化する触媒４７に接続可能である。なお、触媒４７は、ラジアルタービン３１の下流側（排気ガスの流れ方向から見て下流側）に配設される下流装置の１つである。
【００３０】
なお、タービンハウジング３３内には、タービンインペラ３５側からの熱を遮熱する環状の遮熱板４９が配設されており、この遮熱板４９の外周縁部は、タービンハウジング３３とベアリングハウジング３によって挟持されている。
【００３１】
続いて、本発明の実施形態に係るラジアルタービン３１の特徴部分について説明する。
【００３２】
各タービンブレード３９には、屈曲部５１が後縁３９ｂから前縁３９ａ側へ向かって同一スパン上に形成されており、各屈曲部５１は、タービンブレード３９の圧力面３９ｐ側を局所的に凹ませるようになっている。換言すれば、各屈曲部５１は、タービンブレード３９の負圧面３９ｎ側を局所的に突出させるようになっている。また、各屈曲部５１の中心５１ｃは、タービンブレード３９のミッドスパンよりもチップ端３９ｔ側に位置している。
【００３３】
具体的には、各屈曲部５１の中心５１ｃは、タービンディスク３７のハブ面３７ｈを起点とするタービンブレード３９のスパン方向の長さＬｓの６０〜９０％のスパン方向位置に位置している。これは、ラジアルタービン３１の小流量側の作動域（低回転域）において、タービンインペラ３５の出口の手前側におけるタービンブレード３９の圧力面３９ｐ側に効果的な循環流を生成して、タービンブレード３９のチップ端３９ｔとシュラウド壁ＴＳとの間を流れるクリアランスフローをより十分に低減するためである。
【００３４】
各屈曲部５１は、タービンブレード３９の後縁３９ｂを起点とするタービンブレード３９の流れ方向の長さＬｆの４０％以上の流れ方向位置まで少なくとも延びており、タービンブレード３９の後縁３９ｂから前縁３９ａに亘って延びてあっても構わない。各屈曲部５１がタービンブレード３９の流れ方向の長さＬｆの４０％以上の流れ方向位置まで延びるようにしたのは、ラジアルタービン３１の小流量側の作動域において、タービンインペラ３５の出口の手前側におけるタービンブレード３９の圧力面３９ｐ側に効果的な循環流生成して、クリアランスフローをより十分に低減するためである。
【００３５】
なお、各タービンブレード３９に屈曲部５１が後縁３９ｂから前縁３９ａ側へ向かって同一スパン上に形成される他に、各タービンブレード３９に別の屈曲部（図示省略）が後縁３９ｂから前縁３９ａ側へ向かって同一スパン上に形成されても構わない。この場合には、各別の屈曲部の中心は、通常、タービンブレード３９のスパン方向の長さＬｓの６０〜９０％のスパン方向位置に位置してあるが、その位置に位置していなくても構わない。また、各別の屈曲部は、通常、タービンブレード３９の流れ方向の長さＬｆの４０％以上の流れ方向位置まで延びているが、その位置まで延びていなくても構わない。
【００３６】
続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。
【００３７】
ガス取入口４１からタービンハウジング３３内に取入れた排気ガスがタービンスクロール流路４３を経由してタービンインペラ３５の入口側から出口側へ流通する。すると、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させて、タービンインペラ３５、ロータ軸９、及びコンプレッサインペラ１５を一体的に回転させることができる。これにより、空気取入口２１から取入れた空気を圧縮して、ディフューザ流路２３及びコンプレッサスクロール流路２５を経由して空気排出口２７から排出することができ、エンジンに供給される空気を過給することができる。なお、タービンインペラ３５の出口側へ流通した排気ガスは、ガス排出口４５からタービンハウジング３３の外側へ排出され、下流装置としての触媒４７に送られる（車両用過給機１の通常の作用）。
【００３８】
各タービンブレード３９に屈曲部５１が後縁３９ｂから前縁３９ａ側へ向かって同一スパン上に形成され、各屈曲部５１の中心５１ｃがタービンブレード３９のミッドスパンよりもチップ端３９ｔ側に位置しているため、前述の新規な知見を適用すると、車両用過給機１（ラジアルタービン３１）の小流量側の作動域（低回転域）において、タービンインペラ３５の出口の手前側におけるタービンブレード３９の圧力面３９ｐ側に循環流を生成して、タービンインペラ３５の出口側のシュラウド壁ＴＳ付近におけるクリアランスフローによる旋回流れを小さくすることができる（車両用過給機１の特有の作用）。
【００３９】
以上の如き、本発明の実施形態によれば、ラジアルタービン３１の小流量側の作動域において、タービンインペラ３５の出口側のシュラウド壁ＴＳ付近におけるクリアランスフローによる旋回流れを小さくできるため、ラジアルタービン３１の出口側（換言すれば、タービンインペラ３５の下流側）の温度分布を均一な温度分布に近づけて、下流装置としての触媒４７の活性度を高めて、触媒４７の性能を十分に発揮させることができる。
【００４０】
なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、例えば車両用過給機１に適用した技術的思想を車両用過給機以外の過給機、ガスタービン等の過給機以外のターボ回転機械に適用する等、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。
【符号の説明】
【００４１】
１：車両用過給機、３：ベアリングハウジング、９：ロータ軸、１１：コンプレッサ、１３：コンプレッサハウジング、１５：コンプレッサインペラ、３１：ラジアルタービン、３３：タービンハウジング、ＴＳ：シュラウド壁、３５：タービンインペラ、３７：タービンディスク、３７ｈ：ハブ面、３９：タービンブレード、３９ａ：タービンブレードの前縁、３９ｂ：タービンブレードの後縁、３９ｎ：タービンブレードの負圧面、３９ｐ：タービンブレードの圧力面、３９ｔ：タービンブレードのチップ端、４１：ガス取入口、４３：タービンスクロール流路、４５：ガス排出口、４７：触媒（下流装置）、５１：屈曲部、５１ｃ：屈曲部の中心
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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