(57)【要約】【解決手段】本発明の一実施形態は、回転軸の一端側に連結されるハブ部と、ハブ部の周面に間隔を置いて設けられる複数の主翼と、複数の主翼のうちの互いに隣接する２つの主翼の間に設けられる短翼と、を備えるタービン動翼である。隣接する２つの主翼の間には、タービン動翼の半径方向外側から半径方向内側に向かって流体が流れる翼間流路が形成される。そして、短翼の前縁のハブ側端は、子午面上において主翼の前縁のハブ側端よりも半径方向内側に位置する。
2016151849.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の一端側に連結されるハブ部と、
前記ハブ部の周面に間隔を置いて設けられる複数の主翼と、
前記複数の主翼のうちの互いに隣接する２つの主翼の間に設けられる短翼と、を備えるタービン動翼であって、
前記隣接する２つの主翼の間には、前記タービン動翼の半径方向外側から半径方向内側に向かって流体が流れる翼間流路が形成され、
前記短翼の前縁のハブ側端は、子午面上において前記主翼の前縁のハブ側端よりも半径方向内側に位置する
タービン動翼。
【請求項２】
前記短翼の後縁のハブ側端は、子午面上において、前記主翼の後縁のハブ側端と軸方向において同じ位置に位置するか、又は前記主翼の後縁のハブ側端よりも前記流体の流れ方向の下流側に位置する
請求項１に記載のタービン動翼。
【請求項３】
前記子午面上における、前記主翼の前縁のハブ側端から前記主翼の後縁のハブ側端までの距離をＬｈ１、
前記子午面上における、前記主翼の前縁のハブ側端から前記短翼の前縁のハブ側端までの距離をＬｈ２、としたときに、
前記短翼の前縁のハブ側端は、０．３０＜Ｌｈ２／Ｌｈ１＜０．８９を満たす領域に位置する
請求項２に記載のタービン動翼。
【請求項４】
前記短翼の前縁のハブ側端は、０．５２＜Ｌｈ２／Ｌｈ１＜０．８４を満たす領域に位置する
請求項３に記載のタービン動翼。
【請求項５】
前記短翼の前縁のハブ側端は、０．６０＜Ｌｈ２／Ｌｈ１＜０．８０を満たす領域に位置する
請求項４に記載のタービン動翼。
【請求項６】
前記短翼の後縁のハブ側端は、前記主翼の後縁のハブ側端よりも前記流体の流れ方向の下流側に位置する
請求項２から５の何れか一項に記載のタービン動翼。
【請求項７】
前記短翼の後縁のシュラウド側端は、前記子午面上において、前記主翼の後縁上に位置する
請求項６に記載のタービン動翼。
【請求項８】
前記短翼の翼高は、前記主翼の翼高よりも低い
請求項１から７の何れか一項に記載のタービン動翼。
【請求項９】
請求項１から８の何れか一項に記載のタービン動翼と、
前記タービン動翼を収容するタービンハウジングと、
前記タービン動翼に向かって流れる流体の流れ方向を制御するための可変ノズル機構と、を備える可変容量タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、タービン動翼及び可変容量タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、低燃費化技術として、ターボ過給を用いたエンジンのダウンサイジング化が自動車用エンジンにおいて普及している。また近年、自動車の燃費性能の評価方法が、エンジンの極低速時や加速時なども多く含むようになったことから、エンジンの極低速時においても高いタービン効率を発揮するターボチャージャに対するニーズが高まっている。このため、タービン動翼に向かって流れる流体の流れ方向を制御する可変ノズル機構を備える可変容量ターボチャージャが普及してきている。このような背景の下、エンジンの極低速時から高速時までの幅広い運転範囲において高いタービン効率を発揮するとともに、過渡応答性にも優れるタービン動翼が求められている。【０００３】
一般的に、エンジンの低速時におけるタービン動翼の性能を向上させるには、小流量時に合わせて、タービン動翼の翼高やスロート面積を設定する必要がある。しかしながら、その背反事象として大流量時におけるタービン効率が低下するとの問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１４／０３８０５４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には、ハブ側とシュラウド側の２つのスクロール流路を有する斜流タービンにおいて、ハブ側の衝動翼タービン特性を有する部分に中間高さの中間翼を設けて衝動翼タービン特性の改善およびタービン動翼全体の慣性モーメントの低減を図り、タービン効率の向上と過渡応答性の向上の両立を図った斜流タービンが開示されている。しかしながら、この特許文献１の斜流タービンでは、慣性モーメントの低減が十分ではなく、過渡応答性が改善し難いとの問題があった。【０００６】
本発明の少なくとも一実施形態は、上述した従来技術の課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、小流量時におけるタービン効率を向上させるとともに、過渡応答性を向上させたタービン動翼、及び該タービン動翼を備える可変容量タービンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の少なくとも一実施形態にかかるタービン動翼は、回転軸の一端側に連結されるハブ部と、ハブ部の周面に間隔を置いて設けられる複数の主翼と、複数の主翼のうちの互いに隣接する２つの主翼の間に設けられる短翼とを備える。隣接する２つの主翼の間には、タービン動翼の半径方向外側から半径方向内側に向かって流体が流れる翼間流路が形成される。そして、短翼の前縁のハブ側端は、子午面上において主翼の前縁のハブ側端よりも半径方向内側に位置するように構成される。【０００８】
タービン動翼に流入する流体は、タービン動翼の半径方向外側から半径方向内側に向かって、主翼の前縁に対して斜め方向に流れる。このため、タービン動翼に流入する流体が主翼の前縁に衝突して剥離し、損失が発生する。また、本発明者の知見によれば、タービン動翼に流入する流体が主翼の前縁に衝突して剥離することで、翼間流路内に旋回成分を有する二次流れを誘発し、この二次流れによっても損失が発生する。【０００９】
また、本発明者の知見によれば、隣接する２つの主翼の間に、その半径方向における前縁位置を主翼の前縁位置と同じとする短い短翼を設けることで、主翼の前縁および短翼の前縁における剥離を抑制することが出来る。しかしながら、翼間流路内を流れる二次流れによる損失の低減効果は限定的である。これは、主翼と短翼の一面（例えば負圧面）との間を流れる二次流れと、隣接する主翼と短翼の他面（例えば圧力面）との間を流れる二次流れとが、翼間流路内における短翼の下流側にて衝突し、損失が発生するのが一因と考えられる。また、タービン動翼における半径方向外側に短翼を設けることで、慣性モーメントが増加し、過渡応答性が悪化してしまう。【００１０】
これに対して上記（１）に記載のタービン動翼は、隣接する２つの主翼の間に設けられる短翼を備えており、この短翼の前縁のハブ側端が、子午面上において主翼の前縁のハブ側端よりも半径方向内側に位置している。本発明者の知見によれば、この構成によって、翌間流路内を流れる二次流れによる損失を大きく低減することが出来る。また、タービン動翼における半径方向内側に短翼を設けることで、短翼を設けることによる慣性モーメントの増加を抑制することが出来る。【００１１】
しかも、上記（１）に記載のタービン動翼によれば、このような短翼を設けることで、短翼が設けられていないタービン動翼や、半径方向外側の位置に短翼が設けられるタービン動翼と比べて、主翼の枚数を減らすことが可能となる。このため、各主翼の前縁の剥離による損失は大きくなるものの、タービン動翼全体としての主翼前縁の剥離による損失を抑制することが出来る。また、主翼の枚数を減らすことで、慣性モーメントを低減することが出来る。【００１２】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載のタービン動翼において、上記短翼の後縁のハブ側端は、子午面上において、主翼の後縁のハブ側端と軸方向において同じ位置に位置するか、又は主翼の後縁のハブ側端よりも流体の流れ方向の下流側に位置するように構成される。【００１３】
上記（２）に記載の実施形態によれば、主翼と短翼の一面との間を流れる二次流れと、隣接する主翼と短翼の他面との間を流れる二次流れとが、翼間流路内で衝突することを防ぐことが出来る。これにより、翼間流路内を流れる二次流れによる損失を低減することが出来る。【００１４】
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）に記載のタービン動翼において、子午面上における、主翼の前縁のハブ側端から主翼の後縁のハブ側端までの距離をＬｈ１、子午面上における、主翼の前縁のハブ側端から短翼の前縁のハブ側端までの距離をＬｈ２、としたときに、上記短翼の前縁のハブ側端は、０．３０＜Ｌｈ２／Ｌｈ１＜０．８９を満たす領域に位置するように構成される。【００１５】
本発明者の知見によれば、主翼の前縁のハブ側端から短翼の前縁のハブ側端までの距離が近過ぎると、主翼の前縁に衝突して発生した剥離流が短翼の前縁に衝突し、損失が発生する。また、慣性モーメントも大きくなってしまう。一方、主翼の前縁のハブ側端から短翼の前縁のハブ側端までの距離が遠過ぎると、翼間流路内を流れる二次流れによる損失を十分に抑制することが出来ない。本発明者が検討したところによれば、上記（３）に記載の実施形態のように、短翼の前縁のハブ側端が、０．３０＜Ｌｈ２／Ｌｈ１＜０．８９を満たす領域に位置するように構成することで、翼間流路内を流れる二次流れによる損失を低減し、所定以上のタービン効率の向上を図れることが明らかとなった。【００１６】
（４）幾つかの実施形態では、上記（３）に記載のタービン動翼において、上記短翼の前縁のハブ側端は、０．５２＜Ｌｈ２／Ｌｈ１＜０．８４を満たす領域に位置するように構成される。【００１７】
本発明者が検討したところによれば、上記（４）に記載の実施形態のように、短翼の前縁のハブ側端が、０．５２＜Ｌｈ２／Ｌｈ１＜０．８４を満たす領域に位置するように構成することで、一層のタービン効率の向上を図れることが明らかとなった。【００１８】
（５）幾つかの実施形態では、上記（４）に記載のタービン動翼において、上記短翼の前縁のハブ側端は、０．６０＜Ｌｈ２／Ｌｈ１＜０．８０を満たす領域に位置するように構成される。【００１９】
本発明者が検討したところによれば、上記（５）に記載の実施形態のように、短翼の前縁のハブ側端が、０．６０＜Ｌｈ２／Ｌｈ１＜０．８０を満たす領域に位置するように構成することで、より一層のタービン効率の向上を図れることが明らかとなった。【００２０】
（６）幾つかの実施形態では、上記（２）から（５）の何れかに記載のタービン動翼において、上記短翼の後縁のハブ側端は、主翼の後縁のハブ側端よりも流体の流れ方向の下流側に位置するように構成される。【００２１】
上記（６）に記載の実施形態によれば、短翼の後縁のハブ側端が、主翼の後縁のハブ側端よりも、流体の流れ方向の下流側に位置するように構成される。すなわち、短翼の後縁のハブ側端が、子午面上において、主翼の後縁のハブ側端よりも軸方向においてハブ部の先端側に位置するように構成される。この構成により、主翼と短翼の一面との間を流れる二次流れと、隣接する主翼と短翼の他面との間を流れる二次流れとが衝突する位置を、主翼の後縁から下流側に離すことが出来る。これにより、翼間流路内を流れる二次流れによる損失を一層抑制することが出来る。【００２２】
（７）幾つかの実施形態では、上記（６）に記載のタービン動翼において、上記短翼の後縁のシュラウド側端は、子午面上において、主翼の後縁上に位置するように構成される。【００２３】
上記（６）に記載の実施形態における効果、すなわち、主翼と短翼の一面との間を流れる二次流れと、隣接する主翼と短翼の他面との間を流れる二次流れとが衝突する位置を、主翼の後縁から下流側に離すことが出来るとの効果は、短翼のハブ側の部分の方がシュラウド側の部分よりも大きく寄与する。よって、上記（７）に記載の実施形態によれば、二次流れによる損失を低減しつつ、短翼の後縁の全体を主翼の後縁よりも下流側に位置させる場合と比べて短翼の形状を小さくすることが出来、慣性モーメントの低減を図ることが出来る。【００２４】
（８）幾つかの実施形態では、上記（１）から（７）の何れか一項に記載のタービン動翼において、上記短翼の翼高は、主翼の翼高よりも低く構成される。【００２５】
短翼を設けることによる、翼間流路内を流れる二次流れによる損失を低減する効果は、上述したように、短翼のハブ側の部分方がシュラウド側の部分よりも大きく寄与する。よって、上記（８）に記載の実施形態によれば、短翼の翼高を主翼の翼高よりも低くすることで、二次流れによる損失を低減しつつ、慣性モーメントの低減を図ることが出来る。【００２６】
（９）本発明の少なくとも一実施形態にかかる可変容量タービンは、上記（１）から（８）の何れかに記載のタービン動翼と、タービン動翼を収容するタービンハウジングと、タービン動翼に向かって流れる流体の流れ方向を制御するための可変ノズル機構と、を備える。【００２７】
タービン動翼に向かって流れる流体の流れ方向を制御する可変ノズル機構を備える可変容量タービンでは、タービン動翼に流入する流体の流れ方向は、小流量時の方が大流量時よりもタービン動翼の接線方向とのなす角度が小さくなる。このため、タービン動翼に流入する流体が主翼の前縁に衝突することで発生する剥離による損失は、小流量時の方が大流量時よりもその影響が大きくなる。よって、上記（９）に記載の実施形態によれば、上述したタービン動翼を備えているため、可変容量タービンにおいて、小流量時におけるタービン効率を向上させることが出来る。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、小流量時におけるタービン効率を向上させるとともに、過渡応答性を向上させたタービン動翼、及び該タービン動翼を備える可変容量タービンを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態にかかる可変容量タービンを示した断面図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかるタービン動翼を示した図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかるタービン動翼の子午面形状を示した図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかるタービン動翼の子午面形状を示した図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかるタービン動翼の子午面形状を示した図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかるタービン動翼の子午面形状を示した図である。
【図７】本発明の一実施形態にかかるタービン動翼の子午面形状を示した図である。
【図８Ａ】本発明の一実施形態にかかるタービン動翼における短翼の前縁位置とタービン効率との関係を示した図である。
【図８Ｂ】本発明の一実施形態にかかるタービン動翼における短翼の前縁位置と慣性モーメントとの関係を示した図である。
【図９】本発明の一実施形態にかかる可変容量タービンにおいて、大流量時および小流量時における流体の流れを説明するための説明図である。
【図１０Ａ】第１の比較形態にかかるタービン動翼を示した図である。
【図１０Ｂ】第２の比較形態にかかるタービン動翼を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
また、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付してその詳細な説明を省略する場合がある。
また、以下の比較形態の説明において、実施形態に対応する構成には同じ符号に「´」を付してその詳細な説明を省略する場合がある。
【００３１】
図１は、本発明の一実施形態にかかる可変容量タービンを示した概略断面図である。
図１に示すように、本発明の一実施形態にかかる可変容量タービン１０は、タービン動翼１と、タービン動翼１を収容するタービンハウジング２と、タービン動翼１に向かって流れる流体（例えば、不図示のエンジンから排出される排気ガス）の流れ方向を制御するための可変ノズル機構３とを備える。
【００３２】
図２は、本発明の一実施形態にかかるタービン動翼を示した図である。図２の（ａ）はタービン動翼１の斜視図、図２の（ｂ）はタービン動翼１を流れる流体の流れを示した図である。
図２に示すように、タービン動翼１は、回転軸４の一端側に連結されるハブ部１１と、ハブ部１１の周面に間隔を置いて設けられる複数の主翼１２と、複数の主翼１２のうちの互いに隣接する２つの主翼１２，１２の間に設けられる短翼１３とを含んでいる。そして、隣接する２つの主翼１２，１２の間には、図２の矢印Ｒに示すように、タービン動翼１の半径方向外側から半径方向内側に向かって流体が流れる翼間流路１４が形成される。
【００３３】
図２に示した実施形態では、隣接する２つの主翼１２，１２の間に、１つの短翼１３が設けられている。そして、８枚の主翼１２と８枚の短翼１３とがそれぞれ交互に等間隔に配置されている。ただし、本発明の一実施形態にかかるタービン動翼１はこの形態に限定されず、隣接する２つの主翼１２，１２の間に２つ以上の短翼１３が設けられていても良い。また例えば、隣接する２つの主翼１２，１２の間に一つ置きに短翼１３を設けるなど、必ずしも全ての隣接する２つの主翼１２，１２の間に短翼１３が設けられていなくても良い。
【００３４】
また、図１に示した実施形態では、タービンハウジング２には、タービン動翼１の外周側に形成されるスクロール流路２１と、回転軸４の回転軸線Ｋの延伸方向に沿って形成される出口流路２２とが内部に形成されている。タービンハウジング２は、出口流路２２の開口端と反対側において、軸受ハウジング５と連結されている。軸受ハウジング５には、回転軸４を回転可能に支持する軸受５１が収容されている。
【００３５】
図３〜図７は、本発明の一実施形態にかかるタービン動翼の子午面形状を示した図である。
本発明の一実施形態にかかるタービン動翼１は、図２及び図３〜図７に示すように、短翼１３の前縁１３１のハブ側端１３１ａが、子午面上において主翼１２の前縁１２１のハブ側端１２１ａよりも半径方向内側に位置するように構成される。
【００３６】
図１０Ａは、第１の比較形態にかかるタービン動翼を示した図である。図１０Ａの（ａ）はタービン動翼１´の斜視図、図１０Ａの（ｂ）はタービン動翼１´を流れる流体の流れを示した図である。また、図１０Ｂは、第２の比較形態にかかるタービン動翼を示した図である。図１０Ｂの（ａ）はタービン動翼１´の斜視図、図１０Ｂの（ｂ）はタービン動翼１´を流れる流体の流れを示した図である。
スクロール流路２１からタービン動翼１に流入する流体は、図２の（ｂ）の矢印ｆで示したように、タービン動翼１の半径方向外側から半径方向内側に向かって、主翼１２の前縁１２１に対して斜め方向に流れる。このため、図１０Ａに示すように、タービン動翼１´に流入する流体が主翼１２´の前縁１２１´に衝突して剥離し、損失が発生する。また、本発明者の知見によれば、タービン動翼１´に流入する流体が主翼１２´の前縁１２１´に衝突して剥離することで、翼間流路１４´内に旋回成分を有する二次流れｓｆ´を誘発し、この二次流れｓｆ´によっても損失が発生する。
【００３７】
また、本発明者の知見によれば、図１０Ｂに示すように、隣接する２つの主翼１２´，１２´の間に、その半径方向における前縁１３１´の位置を主翼１２´の前縁１２１´の位置と同じとする短い短翼１３´を設けることで、主翼１２´の前縁１２１´および短翼１３´の前縁１３１´における剥離を抑制することが出来る。しかしながら、翼間流路１４´内を流れる二次流れｓｆ´による損失の低減効果は限定的である。これは、主翼１２´と短翼１３´の一面１３ａ´（例えば負圧面）との間を流れる二次流れｓｆ１´と、隣接する主翼１２´と短翼１３´の他面１３ｂ´（例えば圧力面）との間を流れる二次流れｓｆ２´とが、翼間流路１４´内における短翼１３´の下流側にて衝突し、損失が発生するためと考えられる。また、タービン動翼１´における半径方向外側に短翼を１３´設けることで、慣性モーメントが増加し、過渡応答性が悪化してしまう。
【００３８】
これに対して、本発明の一実施形態にかかるタービン動翼１は、隣接する２つの主翼１２に間に設けられる短翼１３を備えており、この短翼１３の前縁１３１のハブ側端１３１ａが、子午面上において主翼１２の前縁１２１のハブ側端１２１ａよりも半径方向内側に位置している。本発明者の知見によれば、この構成によって、第２の比較形態のタービン動翼１´と比べて翌間流路１４内を流れる二次流れｓｆ１、ｓｆ２による損失を大きく低減することが出来る。また、タービン動翼１における半径方向内側に短翼１３を設けることで、上述した第２の比較形態と比べて、短翼１３を設けることによる慣性モーメントの増加を抑制することが出来る。
【００３９】
しかも、本発明の一実施形態にかかるタービン動翼１では、タービン動翼１の半径方向内側に短翼１３を設けることで、短翼が設けられていない第１の比較形態のタービン動翼１´（図１０Ａ）、及び半径方向外側に短翼１３´が設けられている第２の比較形態のタービン動翼１´（図１０Ｂ）と比べて、主翼の枚数を減らすことが可能となる。図２に示す実施形態では、８枚の主翼１２と８枚の短翼１３を備えているのに対して、第１の比較形態では、１１枚の主翼１２´を備えている。第２の比較形態では、１０枚の主翼１２´と１０枚の短翼１３´とを備えている。タービン動翼１の半径方向内側に短翼１３を設けると、翼間流路１４の最小幅部を短翼１３が横断する形となる。このため、主翼１２と短翼１３との最小幅部（スロート部）を適切なスロート幅とするために、主翼１２の枚数が減らされることとなるのである。
したがって、本発明の一実施形態にかかるタービン動翼１によれば、各主翼１２の前縁１２１の剥離による損失は大きくなるものの、タービン動翼１全体としての主翼１２の前縁１２１における剥離による損失を抑制することが出来る。また、主翼１２の枚数を減らすことで、慣性モーメントを低減することが出来る。
【００４０】
幾つかの実施形態では、図２及び図３〜図７に示すように、タービン動翼１の短翼１３の後縁１３２のハブ側端１３２ａは、子午面上において、主翼１２の後縁１２２のハブ側端１２２ａと軸方向において同じ位置に位置するか、又は主翼１２の後縁１２２のハブ側端１２２ａよりも流体の流れ方向の下流側（軸方向においてハブ部１１の先端側）に位置するように構成される。
【００４１】
図２、及び図３、図６に示した実施形態では、タービン動翼１の短翼１３の後縁１３２のハブ側端１３２ａは、子午面上において、主翼１２の後縁１２２のハブ側端１２２ａと軸方向において同じ位置に位置している。一方、図４、図５、図７に示した実施形態では、タービン動翼１の短翼１３の後縁１３２のハブ側端１３２ａは、子午面上において、主翼１２の後縁１２２のハブ側端１２２ａよりも軸方向においてハブ部１１の先端側に位置するように構成される。
【００４２】
このような実施形態によれば、主翼１２と短翼１３の一面１３ａとの間を流れる二次流れｓｆ１と、隣接する主翼１２と短翼１３の他面１３ｂとの間を流れる二次流れｓｆ２とが、翼間流路１４内で衝突することを防ぐことが出来る。これにより、翼間流路１４内を流れる二次流れｓｆ１、ｓｆ２による損失を低減することが出来る。
【００４３】
図８Ａは、本発明の一実施形態にかかるタービン動翼における短翼の前縁位置とタービン効率との関係を示した図である。図８Ｂは、本発明の一実施形態にかかるタービン動翼における短翼の前縁位置と慣性モーメントとの関係を示した図である。図８Ａおよび図８Ｂにおいて、その横軸は、子午面上における、主翼１２の前縁１２１のハブ側端１２１ａから主翼１２の後縁１２２のハブ側端１２２ａまでの距離をＬｈ１、主翼１２の前縁１２１のハブ側端１２１ａから短翼１３の前縁１３１のハブ側端１３１ａまでの距離をＬｈ２としたときにおける、Ｌｈ２とＬｈ１との比（Ｌｈ２／Ｌｈ１）を示している。また、図８Ａの縦軸は、基準となるタービン動翼に対するタービン効率の変化を示している。図８Ｂの縦軸は、基準となるタービン動翼に対する慣性モーメントの変化を示している。
【００４４】
本実施形態では、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、Ｌｈ２／Ｌｈ１を「０」、「０．２」、「０．４」、「０．６」、「０．８」、「１」と変化させたときのタービン効率および慣性モーメントの変化を解析し、その近似曲線を求めた。本実施形態では、主翼および短翼をそれぞれ８枚有するタービン動翼を用いた。ここで、図８Ａおよび図８Ｂにおける横軸におけるＬｈ２／Ｌｈ１が「０」とは、主翼のみを有するタービン動翼のことであり、主翼１６枚のみを有するタービン動翼に相当する。また、Ｌｈ２／Ｌｈ１が「１」とは、短翼が存在しないタービン動翼のことであり、主翼８枚のみを有するタービン動翼に相当する。また、本実施形態において、上述した基準となるタービン動翼とは、図１０Ａに示す主翼１１枚のみを有するタービン動翼１´である。また、短翼の翼高は、主翼の翼高と同じである。なお、本実施形態では、数値流体力学（ＣＦＤ）を用いて解析を行ったが、解析の手法は特に数値流体力学（ＣＦＤ）に限定されない。
【００４５】
図８Ａに示したように、主翼１２の前縁１２１のハブ側端１２１ａから短翼１３の前縁１３１のハブ側端１３１ａまでの距離が近いと（Ｌｈ２／Ｌｈ１が小さいと）、タービン効率はあまり向上しない。これは、主翼１２の前縁１２１のハブ側端１２１ａから短翼１３の前縁１３１のハブ側端１３１ａまでの距離が近過ぎると、主翼１２の前縁１２１に衝突して発生した剥離流が短翼１３の前縁１３１に衝突し、損失が発生するためと考えられた。一方、図８Ｂに示すように、主翼１２の前縁１２１のハブ側端１２１ａから短翼１３の前縁１３１のハブ側端１３１ａまでの距離が遠過ぎると（Ｌｈ２／Ｌｈ１が１に近いと）、翼間流路１４内を流れる二次流れｓｆ１、ｓｆ２による損失を十分に抑制することが出来ない。
【００４６】
本発明者が検討したところによれば、図８Ａに示すように、短翼１３の前縁１３１のハブ側端１３１ａが、０．３０＜Ｌｈ２／Ｌｈ１＜０．８９を満たす領域に位置するように構成することで、翼間流路１４内を流れる二次流れｓｆ１、ｓｆ２による損失を低減し、上述した主翼１１枚のみを有する基準となるタービン動翼１´に対して、１％以上のタービン効率の向上を図れることが明らかとなった。
【００４７】
また、本発明者が検討したところによれば、図８Ａに示すように、短翼１３の前縁１３１のハブ側端１３１ａが、０．５２＜Ｌｈ２／Ｌｈ１＜０．８４を満たす領域に位置するように構成することで、上述したタービン動翼１´に対して、１．４％以上のタービン効率の向上を図れることが明らかとなった。
【００４８】
また、本発明者が検討したところによれば、図８Ａに示すように、短翼１３の前縁１３１のハブ側端１３１ａが、０．６０＜Ｌｈ２／Ｌｈ１＜０．８０を満たす領域に位置するように構成することで、上述したタービン動翼１´に対して、１．６％以上のタービン効率の向上を図れることが明らかとなった。
【００４９】
幾つかの実施形態では、図４、図５、図７に示すように、短翼１３の後縁１３１のハブ側端１３１ａは、主翼１２の後縁１２２のハブ側端１２２ａよりも流体の流れ方向の下流側（半径方向内側）に位置するように構成される。
【００５０】
このような実施形態によれば、主翼１２と短翼１３の一面１３ａとの間を流れる二次流れｓｆ１と、隣接する主翼１２と短翼１３の他面１３ｂとの間を流れる二次流れｓｆ２とが衝突する位置を主翼１２の後縁１２２から下流側に離すことが出来る。これにより、翼間流路１４内を流れる二次流れｓｆ１、ｓｆ２による損失を一層抑制することが出来る。
【００５１】
幾つかの実施形態では、図５、図７に示すように、短翼１３の後縁１３２のシュラウド側端１３２ｂは、子午面上において、主翼１２の後縁１２２上に位置するように構成される。
【００５２】
上述した実施形態における効果、すなわち、主翼１２と短翼１３の一面１３ａとの間を流れる二次流れｓｆ１と、隣接する主翼１２と短翼１３の他面１３ｂとの間を流れる二次流れｓｆ２とが衝突する位置を主翼１２の後縁１２２から下流側に離すことが出来るとの効果は、短翼１３のハブ側の部分の方がシュラウド側の部分よりも大きく寄与する。よって、このような実施形態によれば、短翼１３の後縁１３２の全体を主翼１２の後縁１２２よりも下流側に位置させる場合（図４）と比べて、二次流れｓｆ１、ｓｆ２による損失を低減しつつ、短翼１３の形状を小さくすることが出来、慣性モーメントの低減を図ることが出来る。
【００５３】
幾つかの実施形態では、図６、図７に示すように、短翼１３の翼高Ｈ２は、主翼１２の翼高Ｈ１よりも低く構成される。
【００５４】
短翼１３を設けることによる、翼間流路１４内を流れる二次流れｓｆ１、ｓｆ２による損失を低減する効果は、上述したように、短翼１３のハブ側の方がシュラウド側の部分よりも大きく寄与する。よって、このような実施形態によれば、短翼１３の翼高Ｈ２を主翼１２の翼高Ｈ１よりも低くすることで、二次流れｓｆ１、ｓｆ２による損失を低減しつつ、慣性モーメントの低減を図ることが出来る。
【００５５】
幾つかの実施形態では、短翼１３の翼高Ｈ２は、１／３Ｈ１≦Ｈ２＜２／３Ｈ１の範囲にある。このような実施形態によれば、二次流れｓｆ１、ｓｆ２による損失を低減しつつ、適切に慣性モーメントの低減を図ることが出来る。
【００５６】
幾つかの実施形態では、上述した図１に示すように、本発明の一実施形態にかかる可変容量タービン１０は、タービン動翼１を収容するタービンハウジング２と、タービン動翼１に向かって流れる流体の流れ方向を制御するための可変ノズル機構３とを備える。
【００５７】
図１に示した実施形態では、可変ノズル機構３は、ノズルマウント３１と、ノズルプレート３２と、ノズルサポート３３と、ノズルベーン３４と、を含んでいる。ノズルマウント３１は、中央部に開口を有する円板状の部材であって、その外周部がタービンハウジング２と軸受ハウジング５とによって挟持されることで、タービンハウジング２と軸受ハウジング５との間に固定されている。ノズルプレート３２は、中央部に開口を有する円板状の部材であって、ノズルマウント３１と対向した位置において、タービンハウジング２のシュラウド部２３に固定されている。ノズルマウント３１とノズルプレート３２とは、複数のノズルサポート３３によって連結されている。また、ノズルマウント３１とノズルプレート３２との間には、複数のノズルベーン３４が周方向に間隔を置いて配置されている。隣接するノズルベーン３４，３４の間にはノズル流路３４ａが形成される。ノズルベーン３４は、駆動機構３６によってノズル軸３５がその軸線周りに回動されることで、その翼角が変化するように構成されている。
【００５８】
図９は、本発明の一実施形態にかかる可変容量タービンにおいて、大流量時および小流量時における流体の流れを説明するための説明図である。図９の（ｂ）に示す大流量時においては、複数のノズルベーン３４の各々は、隣接する２つのノズルベーン３４の間に形成されるノズル流路３４ａが拡がる方向に回動する。一方、図９（ａ）に示す小流量時においては、複数のノズルベーン３４の各々は、隣接する２つのノズルベーン３４の間に形成されるノズル流路３４ａが狭くなる方向に回動する。そして、タービン動翼１に流入する流体の流れ方向ｆａ、ｆｂは、小流量時（ｆａ）の方が大流量時（ｆｂ）よりもタービン動翼１の接線方向とのなす角度が小さくなる。このため、タービン動翼１に流入する流体が主翼１２の前縁１２１に衝突することで発生する剥離による損失は、小流量時の方が大流量時よりもその影響が大きくなる。
【００５９】
したがって、このような可変容量タービン１０によれば、上述したようなタービン動翼１を備えているため、小流量時におけるタービン効率を向上させることが出来る。
【００６０】
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。
例えば、上述した図１に示す可変容量タービン１０は、タービン動翼１に対して半径方向から流体が流入するラジアルタービンとして構成されている。しかしながら、本発明の一実施形態にかかる可変容量タービン１０はこれに限定されず、タービン動翼１対して斜め方向に流体が流入する斜流タービンとして構成されてもよいものである。
【符号の説明】
【００６１】
１            タービン動翼
２            タービンハウジング
３            可変ノズル機構
４            回転軸
５            軸受ハウジング
１０          可変容量タービン
１１          ハブ部
１２          主翼
１２１        主翼の前縁
１２１ａ      主翼の前縁のハブ側端
１２２        主翼の後縁
１２２ａ      主翼の後縁のハブ側端
１３          短翼
１３１        短翼の前縁
１３１ａ      短翼の前縁のハブ側端
１３２        短翼の後縁
１３２ａ      短翼の後縁のハブ側端
１３２ｂ      短翼の後縁のシュラウド側端
１３ａ        短翼の一面
１３ｂ        短翼の他面
１４          翼間流路
２１          スクロール流路
２２          出口流路
２３          シュラウド部
３１          ノズルマウント
３２          ノズルプレート
３３          ノズルサポート
３４          ノズルベーン
３４ａ        ノズル流路
３５          ノズル軸
３６          駆動機構
５１          軸受
【図１】
2016151849.tif 000003
【図２】
2016151849.tif 000004
【図３】
2016151849.tif 000005
【図４】
2016151849.tif 000006
【図５】
2016151849.tif 000007
【図６】
2016151849.tif 000008
【図７】
2016151849.tif 000009
【図８Ａ】
2016151849.tif 000010
【図８Ｂ】
2016151849.tif 000011
【図９】
2016151849.tif 000012
【図１０Ａ】
2016151849.tif 000013
【図１０Ｂ】
2016151849.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成27年10月1日(2015.10.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の一端側に連結されるハブ部と、
前記ハブ部の周面に間隔を置いて設けられる複数の主翼と、
前記複数の主翼のうちの互いに隣接する２つの主翼の間に設けられる短翼と、を備えるタービン動翼であって、
前記隣接する２つの主翼の間には、前記タービン動翼の半径方向外側から半径方向内側に向かって流体が流れる翼間流路が形成され、
前記短翼の前縁のハブ側端は、子午面上において前記主翼の前縁のハブ側端よりも半径方向内側に位置し、
前記短翼の後縁のハブ側端は、子午面上において、前記主翼の後縁のハブ側端と軸方向において同じ位置に位置する
タービン動翼。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
前記子午面上における、前記主翼の前縁のハブ側端から前記主翼の後縁のハブ側端までの距離をＬｈ１、
前記子午面上における、前記主翼の前縁のハブ側端から前記短翼の前縁のハブ側端までの距離をＬｈ２、としたときに、
前記短翼の前縁のハブ側端は、０．３０＜Ｌｈ２／Ｌｈ１＜０．８９を満たす領域に位置する
請求項１に記載のタービン動翼。
【請求項４】
前記短翼の前縁のハブ側端は、０．５２＜Ｌｈ２／Ｌｈ１＜０．８４を満たす領域に位置する
請求項３に記載のタービン動翼。
【請求項５】
前記短翼の前縁のハブ側端は、０．６０＜Ｌｈ２／Ｌｈ１＜０．８０を満たす領域に位置する
請求項４に記載のタービン動翼。
【請求項６】
前記短翼の後縁のハブ側端は、前記主翼の後縁のハブ側端よりも前記流体の流れ方向の下流側に位置する
請求項１、及び３から５の何れか一項に記載のタービン動翼。
【請求項７】
前記短翼の後縁のシュラウド側端は、前記子午面上において、前記主翼の後縁上に位置する
請求項６に記載のタービン動翼。
【請求項８】
前記短翼の翼高は、前記主翼の翼高よりも低い、
請求項１、及び３から７の何れか一項に記載のタービン動翼。
【請求項９】
（削除）
【請求項１０】
回転軸の一端側に連結されるハブ部と、
前記ハブ部の周面に間隔を置いて設けられる複数の主翼と、
前記複数の主翼のうちの互いに隣接する２つの主翼の間に設けられる短翼と、を備えるタービン動翼であって、
前記隣接する２つの主翼の間には、前記タービン動翼の半径方向外側から半径方向内側に向かって流体が流れる翼間流路が形成され、
前記短翼の前縁のハブ側端は、子午面上において前記主翼の前縁のハブ側端よりも半径方向内側に位置し、
前記短翼の後縁のハブ側端は、子午面上において、前記主翼の後縁のハブ側端と軸方向において同じ位置に位置するか、又は前記主翼の後縁のハブ側端よりも前記流体の流れ方向の下流側に位置し、
前記子午面上における、前記主翼の前縁のハブ側端から前記主翼の後縁のハブ側端までの距離をＬｈ１、
前記子午面上における、前記主翼の前縁のハブ側端から前記短翼の前縁のハブ側端までの距離をＬｈ２、としたときに、
前記短翼の前縁のハブ側端は、０．３０＜Ｌｈ２／Ｌｈ１＜０．８９を満たす領域に位置する
タービン動翼。
【請求項１１】
回転軸の一端側に連結されるハブ部と、
前記ハブ部の周面に間隔を置いて設けられる複数の主翼と、
前記複数の主翼のうちの互いに隣接する２つの主翼の間に設けられる短翼と、を備えるタービン動翼であって、
前記隣接する２つの主翼の間には、前記タービン動翼の半径方向外側から半径方向内側に向かって流体が流れる翼間流路が形成され、
前記短翼の前縁のハブ側端は、子午面上において前記主翼の前縁のハブ側端よりも半径方向内側に位置し、
前記短翼の後縁のハブ側端は、子午面上において、前記主翼の後縁のハブ側端と軸方向において同じ位置に位置するか、又は前記主翼の後縁のハブ側端よりも前記流体の流れ方向の下流側に位置し、
前記短翼の後縁のシュラウド側端は、前記子午面上において、前記主翼の後縁上に位置する
タービン動翼。
【請求項１２】
請求項１、３から８、１０、及び１１の何れか一項に記載のタービン動翼と、
前記タービン動翼を収容するタービンハウジングと、
前記タービン動翼に向かって流れる流体の流れ方向を制御するための可変ノズル機構と、を備える可変容量タービン。
【国際調査報告】
2016151849.tif 000015
2016151849.tif 000016
2016151849.tif 000017
2016151849.tif 000018