(57)【要約】【課題】簡易かつ低コストな構成で、低回転領域におけるタービン効率の向上を図る。【解決手段】タービンは、タービン軸７と、タービン軸を回転自在に支持するベアリングハウジングと、ベアリングハウジングに延設されたタービンハウジング４と、タービンハウジングに収容され、タービン軸に固定されたタービンホイール８ａと、タービンホイールから径方向外側に延在し、径方向外側に位置する湾曲部８ｃがタービンハウジング内壁に臨む複数のタービンブレード８ｂとを有し、径方向内側に向かって流れる流体のエネルギーをタービン軸を中心とした回転運動のエネルギーに変換するタービンインペラとを備え、湾曲部の下流側端部８ｅは、タービン軸に垂直な断面の流路面積が下流に向かうにつれ漸減する領域に位置する。【選択図】図２
2013204422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン軸と、
前記タービン軸を回転自在に支持するベアリングハウジングと、
前記ベアリングハウジングに延設されたタービンハウジングと、
前記タービンハウジングに収容され、前記タービン軸に固定されたタービンホイールと、該タービンホイールから径方向外側に向かって延在する複数のタービンブレードとを有し、径方向内側に向かって流れる流体のエネルギーを該タービン軸を中心とした回転運動のエネルギーに変換するタービンインペラと、
を備え、
前記湾曲部における前記流体の流れ方向下流側に位置する端部は、前記タービン軸に垂直な断面の流路面積が前記流体の流れ方向の下流に向かうにつれ漸減する領域に位置することを特徴とするタービン。
【請求項２】
タービン軸と、
前記タービン軸を回転自在に支持するベアリングハウジングと、
前記ベアリングハウジングに延設されたタービンハウジングと、
前記タービンハウジングに収容され、前記タービン軸に固定されたタービンホイールと、該タービンホイールから径方向外側に向かって延在し、径方向外側に位置する湾曲部が前記タービンハウジングの内壁に臨む複数のタービンブレードとを有し、径方向内側に向かって流れる流体のエネルギーを該タービン軸を中心とした回転運動のエネルギーに変換するタービンインペラと、
を備え、
前記湾曲部における前記流体の流れ方向下流側に位置する端部における、前記タービン軸の軸心と該端部とを含む面上に投影した接線は、前記流体の流れ方向の下流に向かうにつれ該タービン軸との距離が短くなることを特徴とするタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体のエネルギーを回転運動のエネルギーに変換するタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンは、流体のエネルギーでインペラ（羽根車）を回転駆動し、回転運動エネルギーを得るものである。かかるタービンは、例えばエンジンに接続する過給機に用いられる。過給機では、エンジンから排出される排気ガスによってタービンインペラが回転し、タービン軸を介して、このタービンインペラの回転が遠心圧縮機のコンプレッサインペラに伝達される。そして、吸入口から吸入された気体がコンプレッサインペラの作用で昇圧される。このとき、タービンインペラに回転運動エネルギーを与えた排気ガスは、タービンインペラの中心側を通過して吐出口から吐き出される。
【０００３】
上記タービンにおいては、タービンインペラのブレードを、タービンハウジングの内壁（シュラウド）に沿った形状に形成している。こうして、タービンハウジング内壁とタービンインペラとの隙間を、エネルギーの変換なく流体が通過するのを回避し、タービン効率（タービンにおけるエネルギーの変換効率）の向上を図っている。
【０００４】
また、タービンにおける単位時間当たりの回転数が低い領域（以下、単に低回転領域という）では、タービンハウジングの内壁におけるタービンインペラの流体出口付近で流体の逆流が生じ、タービン効率が低下していた。そこで、ディフューザ内周の流路に突出する案内翼を別途設け、逆流による損失を抑制し、タービン効率を向上する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２６４１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、車両での街乗りやアイドリングストップ機能等、低回転領域に対するタービン効率の向上が熱望されている。しかし、上述した特許文献１の技術では、タービンハウジングに対する高精度な加工や、案内翼、案内翼回転軸等の別途の部材を要し、コストが高くなる問題がある。
【０００７】
また、上述した特許文献１の技術では、タービンにおける単位時間当たりの回転数が高い領域（以下、単に高回転領域という）では、案内翼が流体の摩擦損失を起こし、タービン効率の低下を招いてしまう。
【０００８】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、簡易かつ低コストな構成で、特に低回転領域におけるタービン効率の向上を図ることが可能なタービンを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のタービンは、タービン軸と、タービン軸を回転自在に支持するベアリングハウジングと、ベアリングハウジングに延設されたタービンハウジングと、タービンハウジングに収容され、前記タービン軸に固定されたタービンホイールと、該タービンホイールから径方向外側に向かって延在する複数のタービンブレードとを有し、径方向内側に向かって流れる流体のエネルギーを該タービン軸を中心とした回転運動のエネルギーに変換するタービンインペラと、を備え、湾曲部における前記流体の流れ方向下流側に位置する端部は、前記タービン軸に垂直な断面の流路面積が前記流体の流れ方向の下流に向かうにつれ漸減する領域に位置することを特徴とする。
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の他のタービンは、タービン軸と、タービン軸を回転自在に支持するベアリングハウジングと、ベアリングハウジングに延設されたタービンハウジングと、タービンハウジングに収容され、前記タービン軸に固定されたタービンホイールと、該タービンホイールから径方向外側に向かって延在し、径方向外側に位置する湾曲部が前記タービンハウジングの内壁に臨む複数のタービンブレードとを有し、径方向内側に向かって流れる流体のエネルギーを該タービン軸を中心とした回転運動のエネルギーに変換するタービンインペラと、を備え、湾曲部における前記流体の流れ方向下流側に位置する端部における、前記タービン軸の軸心と該端部とを含む面上に投影した接線は、前記流体の流れ方向の下流に向かうにつれ該タービン軸との距離が短くなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡易かつ低コストな構成で、特に低回転領域におけるタービン効率の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】過給機の概略断面図である。
【図２】図１におけるＡＡの部分拡大図である。
【図３】タービンインペラにおける上流側から下流側にかけての流体のエントロピー増加量を説明する説明図である。
【図４】流路面積の変化を示した説明図である。
【図５】流体流量とタービン効率との関係を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１４】
本実施形態では、タービンの典型例としてラジアルタービンを備える過給機を挙げる。過給機は、エンジンから排出される排気ガスのエネルギーを利用してタービンを動作させ、その回転力を用いて当該エンジンに供給される空気を過給するものである。タービンは過給機の一部として一体的に形成されている。ここでは、ラジアルタービンを備えた過給機を例示しているが、ラジアルタービンの代わりに斜流タービンを用いてもよく、また、過給機のみならず、ガスタービン、蒸気タービン等、様々な用途に用いることができる。
【００１５】
（過給機１）
図１は、過給機１の概略断面図である。以下では、Ｆで示す矢印の方向を過給機１の前側とし、Ｒで示す矢印の方向を過給機１の後側として説明する。図１に示すように、過給機１は、ベアリングハウジング２と、ベアリングハウジング２の前側に締結ボルト３によって連結されるタービンハウジング４と、ベアリングハウジング２の後側に締結ボルト５によって連結されるコンプレッサハウジング６とを備えている。
【００１６】
ベアリングハウジング２には、過給機１の前後方向に貫通する軸受孔２ａが形成されており、この軸受孔２ａにタービン軸（回転軸）７がベアリングを介して回転自在に支持されている。タービン軸７の前端部にはタービンインペラ８が一体的に連結されており、このタービンインペラ８がタービンハウジング４内に回転自在に収容されている。また、タービン軸７の後端部にはコンプレッサインペラ９が一体的に連結されており、このコンプレッサインペラ９がコンプレッサハウジング６内に回転自在に収容されている。
【００１７】
タービンハウジング４には、過給機１の前側に開口するとともに不図示の排気ガス浄化装置に接続される吐出口１０が形成されている。また、締結ボルト３によってベアリングハウジング２とタービンハウジング４とが連結された状態では、これら両ハウジング２、４の対向面間に流路１１が形成される。この流路１１は、タービン軸７（タービンインペラ８）の径方向内側から外側に向けて環状に形成されている。
【００１８】
また、タービンハウジング４には、流路１１よりもタービン軸７（タービンインペラ８）の径方向外側に位置する環状のタービンスクロール流路１２が設けられている。タービンスクロール流路１２は、エンジンから排出される排気ガスが導かれる不図示のガス流入口と連通するとともに、上記の流路１１にも連通している。したがって、ガス流入口からタービンスクロール流路１２に導かれた排気ガスは、流路１１およびタービンインペラ８を介して吐出口１０に導かれるとともに、その流通過程において径方向の速度成分が与えられ、タービンインペラ８を回転させることとなる。そして、上記のタービンインペラ８の回転力は、タービン軸７を介してコンプレッサインペラ９に伝達されることとなる。
【００１９】
コンプレッサハウジング６には、過給機１の後側に開口するとともに不図示のエアクリーナに接続される吸入口１３が形成されている。また、締結ボルト５によってベアリングハウジング２とコンプレッサハウジング６とが連結された状態では、これら両ハウジング２、６の対向面によって、空気を圧縮して昇圧するディフューザ流路１４が形成される。このディフューザ流路１４は、タービン軸７（コンプレッサインペラ９）の径方向内側から外側に向けて環状に形成されており、上記の径方向内側において、コンプレッサインペラ９を介して吸入口１３に連通している。
【００２０】
また、コンプレッサハウジング６には、ディフューザ流路１４よりもタービン軸７（コンプレッサインペラ９）の径方向外側に位置する環状のコンプレッサスクロール流路１５が設けられている。コンプレッサスクロール流路１５は、不図示のエンジンの吸入口と連通するとともに、ディフューザ流路１４にも連通している。したがって、コンプレッサインペラ９が回転すると、吸入口１３からコンプレッサハウジング６内に流体が吸入されるとともに、当該吸入された流体は、ディフューザ流路１４およびコンプレッサスクロール流路１５で昇圧されてエンジンの吸入口に導かれることとなる。以下、タービンについて詳述する。
【００２１】
（タービン）
図２は、図１におけるＡＡの部分拡大図であり、図３は、タービンインペラ８における排気ガスの流れる方向の上流側から下流側（以後、単に上流側、下流側という）にかけての排気ガスのエントロピー増加量を説明する説明図である。タービンスクロール流路１２から流入した排気ガスは、図２の実線矢印で示すように、タービンインペラ８の径方向外側から内側に向かってタービンインペラ８に衝突し、その流れの方向を吐出口１０側に偏向して吐き出される。こうして、径方向内側に流れる排気ガスのエネルギー（運動エネルギーや圧力エネルギーを含む）が、タービン軸７を中心としたタービンインペラ８の回転運動エネルギーに変換される。
【００２２】
また、タービンハウジング４における内径は、下流側に向かって、タービンインペラ８が占有する領域で一旦狭められ、所定の切り返し点４ａから吐出口１０まで徐々に広がることとなる。これは、切り返し点４ａから下流に向かって流路面積を漸増することで、タービンハウジング４の内壁による圧力損失を抑制し、排気ガスのエネルギーを最大限タービンインペラ８で受けさせるためである。
【００２３】
タービンインペラ８は、タービン軸７に固定され、タービン軸７の下流に向かうにつれ径が漸減するように形成されたタービンホイール８ａと、タービンホイール８ａから径方向外側に向かって延在し、周方向に等間隔に配された複数のタービンブレード８ｂとを有する。
【００２４】
また、タービンインペラ８は、タービンハウジング４の内壁との離間距離を縮め、その隙間を、エネルギーの変換なく排気ガスが通過するのを回避している。したがって、タービンブレード８ｂの径方向外側には、タービンハウジング４の内壁に沿って臨む湾曲部（シュラウドライン）８ｃと、吐出口１０に開放された直線部８ｄとが形成されている。
【００２５】
ここで、図２において破線で示したように、タービンブレード８ｂの湾曲部８ｃの下流側端部８ｅを切り返し点４ａの下流側に位置させ、直線部８ｄを、タービン軸７の下流に向かうにつれ径が漸減するように傾斜させるとする。このように、タービンハウジング４の内壁に沿って、タービンブレード８ｂの径方向外側に位置する端部形状を流路面積が拡大するように形成することで、特に、高回転領域のタービン効率を向上することができる。
【００２６】
しかし、近年では、車両での街乗りやアイドリングストップ機能等、低回転領域に対するタービン効率が高回転領域より優先されるケースもある。ここで、図２において破線で示した位置に下流側端部８ｅがある場合、高回転領域では逆流は生じないものの、低回転領域において、図３（ａ）の如く、タービンインペラ８の径方向外側から内側に向かう排気ガスに、その流れの方向を吐出口１０側に偏向する領域２０のタービンハウジング４内壁側において逆流が生じ（淀み）、エントロピーが大きくなる。ここで、エントロピーは、断熱変化の不可逆性を表す指標であり、エントロピーが増加するほど損失が大きいことを示す。上記逆流領域は、タービンインペラ８の回転による遠心力がタービンハウジング４の内壁の曲率（子午面曲率）による遠心力に比べて過小となることから生じると考えられる。
【００２７】
そこで、本実施形態では、タービンブレード８ｂより下流において流路面積が最も絞られるように構成する。かかる構成により、排気ガスが逆流する領域を削減し、逆流によるエントロピーの増加を抑制することができるので、特に、低回転領域でのタービン効率を向上することができる。
【００２８】
タービンブレード８ｂより下流において流路面積を絞る構成としては、例えば、タービンブレード８ｂより下流のタービンハウジング４の内壁において、タービンハウジング４の内径を下流側に向かって漸減するように突出部を設けることが考えられる。しかし、この場合、タービンハウジング４の加工等を伴い、突出部の分だけタービンハウジング４の材料を多く要し、かつ、質量も増加する。
【００２９】
そこで、本実施形態では、図２において一点鎖線で示すように、湾曲部８ｃの下流側に位置する端部である下流側端部８ｅを、タービン軸７に垂直な断面の流路面積が下流に向かうにつれ漸減する領域に位置させる。換言すれば、湾曲部８ｃの下流側端部８ｅにおける、タービン軸７の軸心と下流側端部８ｅとを含む面（図２に示す断面に相当）上に投影した接線２１が、下流に向かうにつれタービン軸７との距離が短くなるように、タービンブレード８ｂを形成する。
【００３０】
図４は、流路面積の変化を示した説明図である。図２において破線で示した位置に下流側端部８ｅがある場合（以下、単に比較対象という）、図４において破線で示すように、タービンブレード８ｂの直線部８ｄより下流の流路面積が漸増する傾向にある。これに対して、図２において一点鎖線で示した位置に下流側端部８ｅがある場合（以下、本願対象という）、図４において一点鎖線で示すように、タービンブレード８ｂの直線部８ｄより下流の流路面積が一旦漸減し、切り返し点４ａを境に漸増することとなる。なお、タービンインペラ８の上流側で本願対象と比較対象との流路面積が異なるのは、羽根角（ブレードの周方向への曲がり角度）や同位置でのブレードの厚さが異なるからである。
【００３１】
かかる構成においては、タービンインペラ８以外の例えばタービンハウジング４は既存のものをそのまま利用でき、タービンインペラ８の下流側端部８ｅを、図２において破線で示した位置から、一点鎖線で示した位置まで後退させることのみで、低回転領域でのタービン効率を向上することが可能となる。
【００３２】
このような本願対象のエントロピー損失は、図３（ｂ）のようになり、比較対象のエントロピー損失である図３（ａ）と比べ、タービンハウジング４内壁側の領域２０においてエントロピー損失が抑制されたことが理解できる。
【００３３】
また、下流側端部８ｅを、図２において破線で示した位置から、一点鎖線で示した位置まで後退させると、図４に示すように、下流側端部８ｅの位置での流路面積が大きくなり、最大流量を増加させることが可能となる。
【００３４】
図５は、流体流量とタービン効率との関係を示した説明図である。本願対象と比較対象とを比較すると、本願対象の方が、比較対象と比べ、タービン効率のピーク値は下がるものの、流体流量の少ない低回転領域では、タービン効率が高くなることが理解できる。また、さらに流体流量が多い高回転領域において、所定のタービン効率を得られる流量（最大流量）が増加しているのも理解できる。
【００３５】
以上、説明したように、本実施形態のタービンによれば、簡易かつ低コストな構成で、特に低回転領域におけるタービン効率の向上および最大流量の増加を図ることが可能となる。また、タービンハウジング４の切り返し点４ａを頂部とする凸部に対して、湾曲部８ｃの下流側端部８ｅにおけるタービン軸７を含む面上に投影した接線が、下流に向かうにつれタービン軸７との距離が短くなるように形成されているので、タービンインペラ８をタービンハウジング４の上流側から容易に嵌合でき、製造負担の軽減も図ることができる。
【００３６】
以上、添付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、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、流体のエネルギーを回転運動のエネルギーに変換するタービンに利用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１     …過給機
２     …ベアリングハウジング
４     …タービンハウジング
４ａ   …切り返し点
７     …タービン軸
８     …タービンインペラ
８ａ   …タービンホイール
８ｂ   …タービンブレード
８ｃ   …湾曲部
８ｄ   …直線部
８ｅ   …下流側端部
１０   …吐出口
１２   …タービンスクロール流路
【図１】
2013204422.tif 000003
【図２】
2013204422.tif 000004
【図４】
2013204422.tif 000005
【図５】
2013204422.tif 000006
【図３】
2013204422.tif 000007