(57)【要約】【課題】タービンホイールの大型化、重量増大、慣性モーメントの増大を伴わずに、タービンホイールに流入する流体の流れエネルギーを回転動力に効率的に変換可能なラジアルタービンおよび該ラジアルタービンを備えたターボチャージャを提供することを目的とする。【解決手段】タービンホイール５のハブ外周面上に周方向に複数枚立設される動翼１１と、該動翼１１をガスの入口部から中間部に設けられた上流側翼２３と、中間部から出口部に設けられて前記上流側翼２３とは周方向において位相がずれて配置される下流側翼２５と、を備え、上流側翼の後縁部２７と下流側翼の前縁部２９とは子午面形状において領域Ｓで重なり合って設けられ、または一定距離以下の隙間を存して近接して設けることを特徴とする。【選択図】図１
2013015035.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンケーシング内に収納され、該タービンケーシングに形成されたスクロール室によって生成された回転軸周りのガスの旋回流を径方向内向きに導入してから回転軸方向に向きを変えて排出して回転運動が与えられるタービンホイールと、
該タービンホイールのハブ外周面上に周方向に複数枚立設される動翼と、
該動翼を構成するとともに、ガスの入口部から中間部に設けられた上流側翼と、
前記タービン翼を構成するとともに、中間部から出口部に設けられ、前記上流側翼とは周方向において位相がずれて配置される下流側翼と、を備え、
前記上流側翼の後縁部と前記下流側翼の前縁部とが子午面形状において重なり合うように配置されることを特徴とするラジアルタービン。
【請求項２】
タービンケーシング内に収納され、該タービンケーシングに形成されたスクロール室によって生成された回転軸周りのガスの旋回流を径方向内向きに導入してから回転軸方向に向きを変えて排出して回転運動が与えられるタービンホイールと、
該タービンホイールのハブ外周面上に周方向に複数枚立設される動翼と、
該動翼を構成するとともに、ガスの入口部から中間部に設けられた上流側翼と、
前記タービン翼を構成するとともに、中間部から出口部に設けられ、前記上流側翼とは周方向において位相がずれて配置される下流側翼と、を備え、
前記上流側翼の後縁部と前記下流側翼の前縁部とが子午面形状において一定の距離以下の隙間を有して近接して配置されることを特徴とするラジアルタービン。
【請求項３】
前記上流側翼の後縁部と前記下流側翼の前縁部とが重なり合う、または一定距離以下の隙間を存して近接する領域が、前記タービンホイールに流入したガスが半径方向から回転軸方向に向きを変える転向領域に設けられることを特徴とする請求項１または２記載のラジアルタービン。
【請求項４】
前記下流側翼の前縁部の位置を前記上流側翼の圧力面側もしくは負圧面側に偏って設置されることを特徴とする請求項１または２記載のラジアルタービン。
【請求項５】
前記上流側翼の後縁部と前記下流側翼の前縁部はほぼ半径方向に形成されることを特徴とする請求項１または２記載のラジアルタービン。
【請求項６】
前記上流側翼の後縁部がほぼ半径方向に形成され、前記下流側翼の前縁部が回転軸方向とほぼ平行に形成されることを特徴とする請求項１または２記載のラジアルタービン。
【請求項７】
前記下流側翼の前縁部がほぼ半径方向に形成されるとともに、前記下流側翼の前縁部の流れ方向上流側から見た形状が、シュラウド側では子午面からタービンホイールの回転方向に開く入口角が形成され、ハブ側では子午面から回転方向と逆向きに開く入口角が形成されていることを特徴とする請求項５記載のラジアルタービン。
【請求項８】
前記下流側翼の前縁部が回転軸方向とほぼ平行に形成されるとともに、前記下流側翼の前縁部を回転軸方向から見た断面形状が、シュラウド側からハブ側に亘ってタービンホイールの回転方向と逆向きに開く入口角が形成されることを特徴とする請求項６記載のラジアルタービン。
【請求項９】
前記請求項１乃至８に記載のラジアルタービンが設けられるとともに、該ラジアルタービンによって駆動されるコンプレッサを備えたことを特徴とするターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャ用のラジアルタービン、工場排熱や地熱などの排圧を膨脹させて動力を得る排熱回収用のエキスパンションタービン、ガスタービン用のラジアルタービン等のラジアルタービンおよび該ラジアルタービンを備えたターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
これらターボチャージャ用のラジアルタービン、排熱回収用のエキスパンションタービン、ガスタービン用のラジアルタービン等のラジアルタービンは、空気出力を回転動力へ変換する「効率の向上」と、適用されるエンジン等の出力変化に対する「回転加速度の向上」が常に要望されている。
例えば、過渡応答性が要求されるターボチャージャでは、排気エネルギーを吸い込み空気を圧縮するエネルギーへの変換効率の向上の要望と、小型軽量化を行いタービンホイールの慣性モーメントを低減し、加速時のターボエンジンのレスポンス向上に繋げるという要望がある。
【０００３】
また、排熱回収用エキスパンダーなど排気エネルギーを電気エネルギーに変換に変換する設備では、タービン効率の向上による出力向上や、回収動力に対する設備コスト低減のためにタービンの小型化が要望されている。
【０００４】
さらに、飛翔体用ジェットエンジンや航空機用ガスタービンエンジンに使用される場合には、小型軽量が重視され、タービン本体の小型軽量化とともに、効率向上による積載燃料の低減や、航続距離の延長が要望されている。さらに、航空機の運動性能を向上させるために急速な出力上昇を可能にするラジアルタービンの「回転加速度の向上」が要望される。
【０００５】
ラジアルタービンの回転加速度の性能向上や、効率向上に関して種々の提案がなされている。例えば、特開平５−１４９１０３号公報（特許文献１）には、分割形ラジアルタービンインペラについて開示されており、タービンブレードの共振による破損を回避して、かつタービンインペラの効率向上を可能とするために、大径側タービンブレードと小径側タービンブレードとを、突部と、この突部と凹凸逆形状の切込み部との組み合わせによって接合してタービンインペラを形成する技術が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１４９１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的なラジアルタービンの子午面形状は、図１４（ａ）に示すような形状を有している。
図１４（ａ）において、タービンケーシング０１内に収納されたタービンホイール０２は、回転軸０３と、該回転軸０３に一体に形成されたハブ０４と、ハブ０４の外周に設けられたタービン翼０５とを備え、タービンケーシング０１内に形成されたカタツムリ状のスクロール室０６により回転軸心０７周りの速度を持った流れが作られてタービンホイール０２の周りに旋回する。さらに、ノズル０８によってその旋回速度が加速され、旋回流れがタービンホイール０２のタービンホイール入口０９から流入して径方向内向きに流れて、タービンホイール０２の回転軸心０７方向に向きを変えてタービンホイール出口０１０から回転軸心０７の方向に排出されるようになっている。
【０００８】
この図１４（ａ）において、ノズル０８は流速を高くする効果があるが、流量を制限する作用があるため、高効率が重視されるエキスパンションタービンには不可欠な要素であるが、大流量が要求され且つ流量変化が大きいターボチャージャではノズルを設けないことが一般的であり、また、その両立を狙って可変ノズルを設けることも多用されている。
【０００９】
図１４（ｂ）は、翼枚数が少ないラジアルタービンの例を示しており、翼が８枚の場合のタービンホイールを軸方向下流側から見た（Ｘ方向視）図である。ターボチャージャでは一般に数枚から十数枚程度の翼枚数が使用されている。
ターボチャージャにおいて翼枚数を少なくする理由は、翼重量を小さくし、慣性モーメントを小さくすることにより、エンジンの出力増加および減少に対するターボチャージャのレスポンスの遅れ（所謂ターボラグ）を低減することにある。ところが翼枚数を少なくすると、流れのエネルギーを回転動力に変換する「変換能率」が低下する問題がある。
なお、以下この変換能率とは、タービンホイールによって流れの速度と向きを変化させることによって理論的に得られる出力への変換割合を示すものと定義する。また、この変換能率に内部損失の割合を掛けた値を「タービン効率」と定義する。
【００１０】
この変換能率の低下は、次のようなメカニズムで発生する。
まず、図１４（ａ）、（ｂ）において、タービンホイール０１０の入口領域の半径内向きの流れの領域に注目しＡ−Ａ断面の流れを説明する。この断面内では、渦なし流れの原理によりタービンホイールに相対的にタービンホイールの回転方向と逆方向の旋回流（見かけの旋流）０１１が生じる。
【００１１】
その結果、タービンホイール入口０９に旋回速度−ΔＣｕ１（逆方向を示すためにマイナスを付記し、また入口を示す添え字として「１」を使用）が生じ、実質的にタービンホイール入口０９の旋回速度Ｃｕ１が減少しタービンホイール０２が回転エネルギーに変換できるエネルギー量が減少する。
【００１２】
さらに、Ｂ−Ｂ断面は流れが半径方向内向きから軸方向に転向した後の断面である。この断面Ｂ−Ｂでは、主流の流れはこの断面にほぼ直角に流れるので、その流れを下流から見たときの流れ場に渦なし流れの原理が影響する。この断面でも、渦なし流れはタービンホイール０１０の回転方向とは逆向きの旋回流０１２として現れる。この旋回流０１２は主流の流れにほぼ直角な断面内の流れであるため、二次流れと呼ばれる。
【００１３】
これら断面内の逆旋回流の流速の大きさは、翼間に分布した−２ωの渦度によって生じるものであり、おおよそそれぞれの通路の幅を代表長さとする円の半径にωを掛けた値で代表される。
【００１４】
この断面Ｂ−Ｂにおける二次流れの効果について説明する。この二次流れが発生すると、断面Ｂ−Ｂのシュラウド側の旋回速度Ｃｕ２が減少し、タービンホイールが回転エネルギーに変換できるエネルギー量が減少する。逆に、ハブ側ではタービンホイールの回転方向の旋回流速が大きくなるが、シュラウド側とハブ側とでは回転軸心０７からの半径が大きく異なり、回転エネルギーに変換できるエネルギー量は旋回速度Ｃｕと翼の旋回流の旋回速度Ｕの積で表される量を持つので、半径の大きいシュラウド側の効果が大きい。
以上のような作用により、Ａ−Ａ断面でも、Ｂ−Ｂ断面でも、渦なし流れ効果により、変換能率が低下しタービン効率が低下することとなる。
【００１５】
この流れのエネルギーを回転動力に変換する変換能率は主にタービンの大きさや翼面積により支配され、タービン効率はこの変換能率とタービン内部の流れの圧力損失に依存して決まる。
高効率が要求される機種では、この流れエネルギーを回転動力に変換する変換能率低下を防止するために、翼枚数を増加する。例えば、図１４（ｃ）に翼枚数を２倍にした場合を示す。このようにすると、前述した逆旋回流の代表直径が半分になるので、逆旋回流速が同様に半減し、動力への変換能率上昇し、同一サイズ（外径）のタービンホイールでも大きい回転動力を取り出すことが可能になる。
【００１６】
しかし、動翼出口スロート面積が減少して、タービンの大きさを維持しながら、大きい流量にすることが困難になる問題や、重量の増加と慣性モーメントの増加という問題が生じる。
特に、ターボチャージャでは、高効率且つ、同一の大きさでより大流量を流したいという要求に加え、慣性モーメントを低くしたいという要求があるので、翼枚数を増加するとレスポンスが低下し、さらに、流量が減少するという逆効果となる問題がある。
【００１７】
また、前記した特許文献１には、タービンブレードの共振による破損を回避してタービンインペラの効率向上を可能とする技術が示されているが、流れエネルギーを回転動力に効率良く変換してタービンインペラの効率向上を図る記載はない。
【００１８】
そこで、本発明は以上のような問題に鑑みてなされたものであり、タービンホイールの大型化、重量増大、慣性モーメントの増大を伴わずに、タービンホイールに流入する流体の流れエネルギーを回転動力に効率的に変換可能なラジアルタービンおよび該ラジアルタービンを備えたターボチャージャ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】
【００１９】
前記目的を達成するため、本発明は、タービンケーシング内に収納され、該タービンケーシングに形成されたスクロール室によって生成された回転軸周りのガスの旋回流を径方向内向きに導入してから回転軸方向に向きを変えて排出して回転運動が与えられるタービンホイールと、該タービンホイールのハブ外周面上に周方向に複数枚立設される動翼と、該動翼を構成するとともに、ガスの入口部から中間部に設けられた上流側翼と、前記タービン翼を構成するとともに、中間部から出口部に設けられ、前記上流側翼とは周方向において位相がずれて配置される下流側翼と、を備え、前記上流側翼の後縁部と前記下流側翼の前縁部とが子午面形状において重なり合うように配置されることを特徴とする。
【００２０】
かかる発明によれば、ラジアルタービンの動翼が、流体入口から流体出口まで繋がったフルブレード（全翼）ではなく、途中で分断された上流側翼と下流側翼とによって構成し、上流側翼と下流側翼とが周方向に相対的に位相がずれて設けられる。
そして、上流側翼の後縁部と下流側翼の前縁部とは子午面形状において重なり合う領域を設けることによって、上流側翼と下流側翼とが同枚数の場合であれば、図１の断面Ｂ−Ｂでは翼枚数が２倍になり、これによって翼間の長さは逆に半分になるので、二次流れの強さは半分になり、下流側翼の入口部におけるシュラウド近傍の逆向きの旋回流速が半減する。これによって、下流側翼の変換能率が向上する。
【００２１】
また、下流側翼の作用が上流にも及ぶので、上流側の流れの変換能率も向上する。すなわち、下流側翼の入口部において翼枚数が２倍となったことによって二次流れの低減効果が生じると同時に、この低減効果が上流側の流れにも影響して結果的にはタービンホイール全体としての入口部の旋回速度の減少を抑えて動翼全体の変換能率が向上し、タービン効率の向上効果も期待できる。
【００２２】
動翼の変換能率が向上し、タービン効率が向上することができるようになるため、変換能率が向上した分、タービンホイールの動翼の翼枚数を減少させることもできる。つまり、上流側翼と、下流側翼とを設けるとともに重なり合う領域を設けたため、その重なり合う領域の分だけ重量が増加し、慣性モーメントも増加するが、変換能率が向上した分翼枚数を低減することによって対応可能となる。
【００２３】
なお、本発明では、ラジアルタービンとは、背板が傾斜してなるもの、および入口が回転軸に対して傾斜して径方向に対して傾斜してガスが流入する斜流タービンも含むものとする。
また、前述した上流側翼と下流側翼との重なりは、子午面形状においてシュラウド側からハブ側に至る全域で重なり合う場合に限らず、一部で重なっていてもよい。
【００２４】
また、本発明は、タービンケーシング内に収納され、該タービンケーシングに形成されたスクロール室によって生成された回転軸周りのガスの旋回流を径方向内向きに導入してから回転軸方向に向きを変えて排出して回転運動が与えられるタービンホイールと、該タービンホイールのハブ外周面上に周方向に複数枚立設される動翼と、該動翼を構成するとともに、ガスの入口部から中間部に設けられた上流側翼と、前記タービン翼を構成するとともに、中間部から出口部に設けられ、前記上流側翼とは周方向において位相がずれて配置される下流側翼と、を備え、前記上流側翼の後縁部と前記下流側翼の前縁部とが子午面形状において一定の距離以下の隙間を有して近接して配置されることを特徴とする。
【００２５】
かかる発明によれば、前記上流側翼の後縁部と前記下流側翼の前縁部とは子午面形状において重なり合わずに一定の距離以下の隙間を有して近接して設けられていてもよく、この重なり合わない場合には上流側翼の後縁部と下流側翼の前縁部との間で生じる二次流れ強さの低減効果、すなわち、翼枚数を２倍としたのと同様の旋回流の生成による二次流れの低減効果は得られないとしても、低減の影響が得られる。この近接の間隔は、例えば、上流側翼と下流側翼の周方向間隔以下とするとよい。
重なり合わずに一定距離以下の距離を有して近接して配置させることによって、動翼の製作において重なり合うことによる流路の閉塞が少なくなるため、鋳造等による製作が容易になる利点を有する。
【００２６】
また、本発明において好ましくは、前記上流側翼の後縁部と前記下流側翼の前縁部とが重なり合う、または一定距離以下の隙間を存して近接する領域が、前記タービンホイールに流入したガスが半径方向から回転軸方向に向きを変える転向領域に設けられるとよい。
【００２７】
このように、上流側翼はタービンホイールの半径の大きい領域に設けられ、下流側翼は半径の小さい領域に設けられ、重なり合う領域または一定距離以下の隙間を存して近接する領域が、前記タービンホイールに流入したガスが半径方向から回転軸方向に向きを変える半径の小さい転向領域に設けられるため、翼枚数の低減は半径の大きい領域の重量減少に大きく寄与し、半径の小さい領域の重量が増加する傾向を生じる。
【００２８】
この半径毎の領域の重量分布の変化を慣性モーメントに関して思料すると慣性モーメントは半径の２乗に比例するので、従来タービンのような入口部から出口部の全域にわたって全翼を有するラジアルタービンに比べて、半径の大きい領域の重量低減が大きく、タービンホイール全体としての慣性モーメントの低減を効果的に達成できる。
従って、慣性モーメントを低減でき、タービンの「回転加速度の向上」ができるため、内燃機関やガスタービンに用いた場合には、ターボラグの低減による性能向上が達成される。
【００２９】
また、本発明において好ましくは、前記下流側翼の前縁部の位置を前記上流側翼の圧力面側もしくは負圧面側に偏って設置されるとよい。
このように、前記下流側翼の前縁部の位置を前記上流側翼の圧力面側に偏って近接して設ける場合、翼間が狭くなることによる流れの整流作用によって、下流側翼の負圧面側の流れが下流側翼の負圧面に沿って流入させることができる。
また、前記下流側翼の前縁部の位置を前記上流側翼の負圧面側に偏って近接して設ける場合、翼間が狭くなることによる流れの整流作用によって、下流側翼の圧力面側の流れが下流側翼の圧力面に沿って流入させることができる。
従って、下流側翼の圧力面側もしくは負圧面側に沿った流れとすることができるため、下流側翼による流れ損失を低減できる。
【００３０】
また、本発明において好ましくは、前記上流側翼の後縁部と前記下流側翼の前縁部はほぼ半径方向に形成されるとよい。
このように、下流側翼の前縁部がほぼ半径方向に形成されることによって、前記上流側翼の後縁部と前記下流側翼の前縁部との重なり合うまたは近接する領域を、回転軸方向に向きを変える転向領域の後半部に位置させることが容易になり、前述したようにタービンホイール全体としての慣性モーメントの低減を効果的に達成できるようになる。
【００３１】
また、本発明において好ましくは、前記上流側翼の後縁部がほぼ半径方向に形成され、前記下流側翼の前縁部が回転軸方向とほぼ平行に形成されるとよい。
このような構成により、回転軸方向に向きを変える転向領域の全域に重なり合う領域を位置させることができる。
渦なし流れの原理によりタービンホイールに相対的にタービンホイールの回転方向と逆方向に発生する見かけの旋回流はタービンホイールの回転によるものであるため、旋回流は回転軸に平行な軸の廻りにできる。従って、下流側翼の前縁部を回転軸方向とほぼ平行に形成することによって、下流側翼の前縁部によって、下流側翼上流の旋回流を効果的に２つに分割することができる。このため、下流側翼の翼間長さに応じた二次流れを確実に低減できるので、二次流れ強さの低減によって下流側翼での変換能率をより確実に向上できるようになる。
【００３２】
また、本発明において好ましくは、前記下流側翼の前縁部がほぼ半径方向に形成されるとともに、前記下流側翼の前縁部の流れ方向上流側から見た形状が、シュラウド側では子午面からタービンホイールの回転方向に開く入口角が形成され、ハブ側では子午面から回転方向と逆向きに開く入口角が形成されているとよい。
【００３３】
図９のＣ−Ｃ断面においても、渦なし流れの原理により、タービンホイールの回転方向と逆方向に発生する見かけの旋回流が生じている（図１０、１１）。このため、下流側翼の前縁部におけるシュラウド側では負圧面側から流入し、ハブ側では圧力面側から流入するため、下流側翼の前縁部への衝突角度が大きくなり損失が増大する。そのため、前記下流側翼の前縁部がほぼ半径方向に形成される場合には、シュラウド側の前縁部の翼形状を子午面からタービンホイールの回転方向に開くように入口角α（図１１、１２）が形成され、ハブ側では子午面から回転方向と逆向きに開くように入口角β（図１１、１２）が形成されることによって、下流側翼の前縁部への旋回流の流入に対する衝突角度（インシデンス）を小さくでき、流れ損失を低減できる。なお、入口角α、βについては同一に設定しているが異ならせてもよい。
【００３４】
また、本発明において好ましくは、前記下流側翼の前縁部が回転軸方向とほぼ平行に形成されるとともに、前記下流側翼の前縁部を回転軸方向から見た断面形状が、シュラウド側からハブ側に亘ってタービンホイールの回転方向と逆向きに開く入口角が形成されるとよい。
【００３５】
前記下流側翼の前縁部が回転軸方向とほぼ平行に形成される場合においては、前記下流側翼の前縁部の子午面に直角方向の断面形状が、シュラウド側からハブ側に亘ってタービンホイールの回転方向と逆向きに開く入口角が形成されることによって、下流側翼の前縁部への旋回流の流入に対する衝突角度（インシデンス）を小さくでき、流れ損失を低減できる。
【００３６】
また、本発明のラジアルタービンを具備するターボチャージャは、以上説明したラジアルタービンが設けられるとともに、該ラジアルタービンによって駆動されるコンプレッサを備えることを特徴とする。
これによって、タービンホイールの小型化、タービン翼枚数の低減、レスポンスの向上、回転動力への変換効率の向上が図れるラジアルタービンを備えたターボチャージャを得ることができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、タービン翼をガスの入口部から中間部に設けられた上流側翼と、中間部から出口部に設けられた下流側翼とで分割して構成し、上流側翼と下流側翼とは周方向において位相がずれて配置されるとともに、前記上流側翼の後縁部と前記下流側翼の前縁部とは子午面形状において重なり合う、または一定距離以下の隙間を存して近接して設けるので、タービンホイールの大型化、重量増大、慣性モーメントの増大を伴わずに、タービンホイールに流入する流体の流れエネルギーを回転動力に効率的に変換可能となる。
【００３８】
また、変換能率が向上した分、翼枚数を低減することが可能になり、これによって、タービンホイールの小型化、タービン翼枚数の低減、レスポンスの向上、回転動力への変換効率の向上が図れるラジアルタービンを備えたターボチャージャを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるラジアルタービンンの全体構成を示す断面図である。
【図２】第１実施形態のタービンホイールの軸方向視を示す説明図である。
【図３】第１実施形態の上流側翼の後縁形状および下流側翼の前縁形状の変形例を示す図１対応の断面図である。
【図４】第２実施形態を示す図２に対応する説明図である。
【図５】第３実施形態を示す図１に対応する断面図である。
【図６】第３実施形態のタービンホイールの軸方向視を示す説明図である。
【図７】第３実施形態の下流側翼の前縁部の作用を示す説明図である。
【図８】第４実施形態を示す図１に対応する断面図である。
【図９】第５実施形態を示す図１に対応する断面図である。
【図１０】第５実施形態のタービンホイールの軸方向視を示す説明図である。
【図１１】第５実施形態のＢ−Ｂ線断面図、Ｃ−Ｃ線断面図を示す説明図である。
【図１２】第５実施形態の下流側翼の形状を示す説明図である。
【図１３】第６実施形態を示し、下流端翼の前縁形状を示す一部断面説明図である
【図１４】従来技術を示す説明図であり、（ａ）は全体構成を示す断面図であり、（ｂ）はタービンホイールの軸方向視を示し、（ｃ）はタービンホイールの翼枚数を増加した場合の（ｂ）対応説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００４１】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜３を参照して説明する。
このラジアルタービン１は、車両エンジンの過給機（ターホチャージャ）に用いられる例について説明する。
図１において、ラジアルタービン１には、タービンケーシング３と、タービンケーシング３内に回転可能に支持されて収納されたタービンホイール５とが備えられている。このタービンホイール５は、回転軸７と該回転軸７に一体形成されたハブ９と、ハブ９の外周面に立設された動翼１１とを備え、タービンケーシング３内に形成されたカタツムリ状のスクロール室１３によって回転軸心１５周りの速度を持った旋回流れが作られて、タービンホイール５の外周側を旋回する。
また、タービンケーシング３のタービンホイール５の外周側にタービンホイール５を覆うようにシュラウド部１６が形成されている。
【００４２】
さらに、ノズル１７によってその旋回速度が加速され、旋回流れがタービンホイール５のタービンホイール入口１９から流入して径方向内向きに流れて、その後向きを変えてタービンホイール５の回転軸心１５の方向に流れてタービンホイール出口２１から排出されるようになって。そして、排ガスの旋回流による旋回エネルギーがタービンホイール５の回転エネルギーに変換されて、タービンホイール５を回転させて、図示されないエンジンの排気部へと排ガスが排出されるようになっている。
また、このラジアルタービン１にはエンジンへの給気を加圧する図示しないコンプレッサが接続されてターボチャージャを構成している。
【００４３】
なお、ノズル１７は流速を高くする効果があるが、流量を制限する作用があるため、大流量が要求され且つ流量変化が大きいターボチャージャでは設けなくてもよく、また、流速と流量を変化させるために可変ノズルを設けてもよい。
【００４４】
タービンホイール５のハブ９外周面上には周方向に複数枚の動翼１１が立設され、この動翼１１は、排ガスの入口部であるタービンホイール入口１９から中間部までに設けられた上流側翼２３と、中間部から排ガスの出口部であるタービンホイール出口２１までに設けられた下流側翼２５とによって構成され、上流側翼２３と下流側翼２５とは周方向において位相がずれて同枚数配置されている。
さらに、上流側翼の後縁部２７と、下流側翼の前縁部２９とはハブ９の子午面形状において重なり合うように設置されている。すなわち、図１において符号Ｓで示す領域において重なり合うように設置されている。
【００４５】
そして、上流側翼の後縁部２７と、下流側翼の前縁部２９との重なり合う領域Ｓは、排ガスがタービンホイール入口１９から流入して、回転軸心１５へ内向き方向に流入し、中間部で回転軸心１５方向に向きを変える転向領域に設けられている。
【００４６】
また、上流側翼２３と下流側翼２５とは同数からなり周方向に相対的に位相がずれて設けられ、上流側翼の後縁部２７と、下流側翼の前縁部２９とは周方向において、均等な間隔になるように、上流側翼の後縁部２７、２７間のほぼ中央に、下流側翼の前縁部２９が位置するように配置されている。
従って、重なり合う領域Ｓにおいては、翼枚数が周方向に等間隔に２倍設けられている関係になっている。
【００４７】
以上の構成によるラジアルタービン１の作用について図２を参照して説明する。
エンジンからの排ガスは、タービンホイール５のタービンホイール入口１９から径方向内向きに流れ込んで、上流側翼２３の圧力面３１側に当たり、タービンホイール５に図２において左回りの回転を付与するように作用する。そして回転角速度ωで回転する。
【００４８】
図２において、タービンホイール５の入口領域の半径内向きの流れの領域に注目しＡ−Ａ断面内では、渦なし流れの原理によりタービンホイール５に相対的にタービンホイール５の回転方向と逆方向の旋回流３３が生じる。
【００４９】
この逆方向の旋回流３３は、下流に流れるにつれて下流側翼の前縁部２９で２分割されて旋回流３３ａ、３３ｂとなり、逆旋回流の代表直径である翼間の長さが半分になるため、重なり合う領域Ｓでは、タービンホイール５の回転方向と逆向きの旋回速度も半分になる。すなわち、断面Ｂ−Ｂの部分では、図２に示すように、下流側翼２５の入口部におけるシュラウド部１６近傍に生じる逆向きの旋回流速３５が半減する。
【００５０】
これによって、下流側翼２５の変換能率を向上することができる。そして、下流側翼２５の作用が上流にも及ぶので、上流側の流れの変換能率も向上する。すなわち、下流側翼２５の前縁部２９の重なり合う領域Ｓでは、翼枚数が２倍となったことによって二次流れの低減効果が生じるが、この低減効果が上流側の流れにも影響して結果的にはタービンホイール５全体としてのタービンホイール入口１９の旋回速度Ｃｕ１の減少を抑えて動翼１１全体の変換能率が向上し、タービン効率の向上効果も期待できる。
【００５１】
なお、上流側翼の後縁部２７、および下流側翼の前縁部２９の翼端形状は半径方向線に沿った直線状の形状を説明したが、図３のように、径方向に直線形状ではなく径方向に対して傾斜形状２７ａ、２９ａ、曲線形状２７ｂ、２９ｂであってもよく、鋳造による一体成型が行いやすい形状に設定することで設計の自由度および製作の容易性を向上できる。
【００５２】
以上のように動翼１１の変換能率が向上し、タービン効率が向上できるようになるため、変換能率が向上した分、動翼１１の翼枚数を減少させることができる、上流側翼２３と、下流側翼２５とを設けるとともに重なり合う領域Ｓを設けるため、その重なり合う領域の分だけ重量が増加し、慣性モーメントも増加するが、変換能率が向上した分、翼枚数を低減することによって結果的に軽量化を達成し、慣性モーメントも低減可能となる。
【００５３】
すなわち、上流側翼２３はタービンホイール５の半径の大きい領域に設けられ、下流側翼２５は半径の小さい領域に設けられ、重なり合う領域Ｓが、排ガス流が回転軸方向に向きを変える半径の小さい転向領域に設けられるため、翼枚数の低減は半径の大きい領域の重量減少に大きく寄与し、重なり合う領域による重量増加は半径の小さい領域の重量増加を生じる傾向である。  
【００５４】
この半径毎の領域の重量分布の変化を慣性モーメントに関して思料すると慣性モーメントは半径の２乗に比例するので、従来タービンのような入口部から出口部の全域にわたって全翼を有するラジアルタービンに比べて、慣性モーメントは半径の２乗に比例するので、半径の大きい領域の重量低減が大きく、タービンホイール全体としての慣性モーメントの低減を効果的に達成できる。従って、慣性モーメントを低減でき、タービンの「回転加速度の向上」ができるため、内燃機関やガスタービンに用いた場合には、ターボラグの低減による性能向上が得られる。
【００５５】
一例として、上流側翼２３と下流側翼２５とがそれぞれ１０枚の動翼１１において、重なり領域が、従来の全翼（フルブレード）の翼面積の１０％であれば、翼の重量は１０％重くなる。しかし、本実施形態においては重なり面積に比例して変化効率が増加すると考えられるため、重なり部分の翼面積に相当する１０％の変化効率の増加が得られるので、翼枚数を９枚に減少させることができ、重量は従来と同等となる。その時、上流側翼２３は下流側翼２５に比べて半径が約２倍なので、翼の１枚分の慣性モーメントが減少し、重なり部の慣性モーメントの増加が約１／４故に、結果として約７．５％の慣性モーメントを低減できる。
【００５６】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について図４を参照して説明する。
第２実施形態は、第１実施形態においては、上流側翼の後縁部２７、２７間のほぼ中央に、下流側翼の前縁部２９が位置するように配置されていたが、第２実施形態においては、下流側翼の前縁部２９の位置を上流側翼２３の圧力面３１側もしくは負圧面３７側に偏って配置するものである。第１実施形態と同様の構成について同一符号を付して説明は省略するする。
【００５７】
図４に示すように、両側の上流側翼の後縁部２７、２７の間に配置された下流側翼の前縁部２９を、上流側翼２３の圧力面３１側に偏って配置されている。
このように、下流側翼の前縁部２９の位置を上流側翼２３の圧力面３１側に偏って近接して設ける場合には、上流側翼２３の圧力面３１側と下流側翼２５の負圧面３９側との間の翼間隔が狭くなることによる流れの整流作用によって、下流側翼２５に沿って流れる排ガスを下流側翼２５の負圧面３９に沿って流すことができる。
【００５８】
また、図４の下流側翼の前縁部２９の配置とは逆の配置関係として、下流側翼の前縁部２９の位置を上流側翼２３の負圧面３７側に偏って近接して設ける場合には、上流側翼２３の負圧面３３７側と下流側翼２５の圧力面４１側との間の翼間隔が狭くなることによる流れの整流作用によって、下流側翼２５に沿って流れる排ガスを下流側翼２５の圧力面４１に沿って流すことができる。
【００５９】
このように、下流側翼の前縁部２９と上流側翼の後縁部２７との配置関係を偏らせて翼間隔を狭くして流れの整流作用によって、上流側翼２３の間から下流側翼２５の間に流れる排ガス流に対して、下流側翼２５の圧力面４１側もしくは負圧面３９側に沿った流れとすることができるため、下流側翼２５による流れ損失を低減できる。
【００６０】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について図５〜７を参照して説明する。
第１実施形態においては上流側翼の後縁部２７と下流側翼の前縁部２９とは、ほぼ半径方向に形成されているが、この第３実施形態では、上流側翼の後縁部２７がほぼ半径方向に形成され、下流側翼の前縁部４５が回転軸心１５方向とほぼ平行に形成されるものである。第１実施形態と同様の構成について同一符号を付して説明は省略する。
【００６１】
図５に示ように、下流側翼４４の前縁部４５が回転軸心１５方向とほぼ平行に形成されている。
また、図７に示すように、タービンホイール５の入口領域の半径内向きの流れの領域に注目しＡ−Ａ断面内では、渦なし流れの原理によりタービンホイール５に相対的にタービンホイール５の回転方向と逆方向の旋回流５３が生じる。
【００６２】
この逆方向の旋回流３３は、下流に流れるにつれて下流側翼の前縁部４５で２分割されて旋回流５３ａ、５３ｂとなり、逆旋回流の代表直径である翼間の長さが半分になるため、重なり合う領域Ｓでは、タービンホイール５の回転方向と逆向きの旋回速度も半分になる。すなわち、断面Ｂ−Ｂの部分では、図７に示すように、下流側翼４４の入口部におけるシュラウド部１６近傍に生じる逆向きの旋回流速５５が半減する。
【００６３】
渦なし流れの原理によりタービンホイール５に相対的にタービンホイール５の回転方向と逆方向に発生する旋回流５３はタービンホイール５の回転によるものであるため、旋回流５３は回転軸心１５に平行な軸の廻りにできる。従って、下流側翼の前縁部４５を回転軸心１５方向とほぼ平行に形成することによって、下流側翼の前縁部４５によって、下流側翼４４上流の旋回流５３の下流側への流れに沿って効果的に２つ旋回流５３ａ、５３ｂに分割することができる。
【００６４】
すなわち、旋回流５３の旋回面に対して直角方向に下流側翼の前縁部４５が延びて設けられるため、この下流側縁の前縁部４５によって２つの旋回流５３ａ、５３ｂに効果的に分割が可能である。
このため、下流側翼２５の翼間長さに応じた二次流れを確実に生成できるので、二次流れ強さの低減によって下流側翼２５での変換能率をより確実に向上できるようになる。
【００６５】
なお、下流側翼の前縁部４５の形状は、回転軸方向とほぼ平行に形成された直線状の形状を説明したが、図５のように、回転軸心１５に平行に直線形状ではなく、回転軸心１５方向に対して傾斜形状４５ａであって、曲線形状４５ｂであってもよく、鋳造による一体成型が行いやすい形状に設定することで設計の自由度および製作の容易性を向上できる。
また、図７は、下流側翼４４のＡ−Ａ断面形状を分かりやすく模式的に記載したものであり、図６は下流側翼４４を図２に対応するように回転軸心１５方向に見た図面である。
【００６６】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態について図８を参照して説明する。
第１実施形態においては、上流側翼の後縁部２７と、下流側翼の前縁部２９とはハブ９の子午面形状において重なり合うように設置されている。すなわち、図１において符号Ｓで示す領域において重なり合っていたが、この第４実施形態では、上流側翼の後縁部２７と下流側翼の前縁部２９との重なりは、子午面形状においてシュラウド側からハブ側に至る全域で重なり合う場合に限らず、一部で重なっているか、または、重なり合わずに一定の距離以下で近接して設けられている。第１実施形態と同様の構成について同一符号を付して説明は省略する。
【００６７】
図８に示すように、上流側翼の後縁部２７と下流側翼の前縁部２９との重なりは、子午面形状においてシュラウド部１６側からハブ９側に至る全域で重なり合わず、一部で重なっているか、または、重なり合わずに近接して設けられている。
図８の符号２９ａは下流側翼の前縁部２９が、半径方向に斜めに傾斜した形状に形成され、上流側翼の後縁部２７と一部において重なっている。一部において重なっていれば、第１実施形態で説明したような二次流れ強さの低減効果が、その重なり部分で得られ、また重なり状態の寸法を厳しく管理することが不要になるため、タービンホイールの製造が容易化する。
【００６８】
また、下流側翼の前縁部２９が、上流側翼の後縁部２７と回転軸心１５方向において隙間Ｌを介しており、重なり合わないように設置されている。
この重なり合わない場合には、上流側翼の後縁部２７と下流側翼の前縁部２９との間で生じる二次流れ強さの低減効果が、翼枚数を２倍としたのと同様の旋回流の生成による二次流れの低減効果ほど得られなくても低減効果の影響が得られる程度の隙間Ｌ（図８）であればよい。
この隙間Ｌは一定の距離以下の間隔であり、例えば、上流側翼２３と下流側翼２５の周方向間隔以下とする。上流側翼の後縁部２７と、下流側翼の前縁部２９との間で生じる二次流れの旋回流の径が、上流側翼２３と下流側翼２５の周方向間隔に相当するため、この間隔の範囲内であれば旋回流の影響が及ぶからである。
【００６９】
なお、重なり合わずに所定の間隔を隔て上流側翼２３と下流側翼２５を配置することで、動翼１１の鋳造等による製作において重なり合うことによる流路の閉塞がなくなるため、製作が容易になる利点を有する。
【００７０】
（第５実施形態）
次に、第５実施形態について図９〜１２を参照して説明する。
この第５実施形態は、第１実施形態の下流側翼の前縁部２９の形状を、該下流側翼の前縁部２９に流入される旋回流３３に対して、衝突角度（インシデンス）を小さくするように傾斜している。第１実施形態と同様の構成について同一符号を付して説明は省略する。
【００７１】
図９のＣ−Ｃ断面においても、渦なし流れの原理により、タービンホイール５の回転方向と逆方向に発生する旋回流６３が生じている（図１０、１１）。
図１１は、下流側翼２５のＢ−Ｂ断面形状、Ｃ−Ｃ断面形状を、ハブ９側を下部にシュラウド部１６を上部にして模式的に示したものである。図１２は、この下流側翼２５のハブ９上面の取り付け形状と、シュラウド部１６側の形状をそれぞれ示すものである。
【００７２】
旋回流６３は、下流側翼２５に対してシュラウド部１６側では負圧面３９側から流入し、ハブ９側では圧力面４１側から流入する。このため、下流側翼の前縁部２９の流れ方向上流側から見た形状が、シュラウド部１６側では子午面からタービンホイール５の回転方向（ω方向）に開くように入口角α（図１１、１２）が形成され、ハブ側では子午面から回転方向と逆向きに開くように入口角β（図１１、１２）が形成される。入口角α、βについては同一に設定しているが異ならせてもよい。
【００７３】
図１２に示すように、下流側翼２５のハブ９面上の形状と、シュラウド部１６側の翼形状とをそれぞれ示すものであり、Ｃ−Ｃ断面においては、ハブ９面上の位置とシュラウド部１６側の位置とが、回転軸心１５を含む子午線に対して入口角α、βだけ開いた形状をしていることが分かる。
【００７４】
下流側翼２５の前縁部分をこのような形状に形成されることによって、下流側翼の前縁部２９への旋回流６３の流入に対して衝突角度（インシデンス）を小さくでき、流れ損失を低減できる。
【００７５】
（第６実施形態）
次に、第６実施形態について図１３を参照して説明する。
この第６実施形態は、第３実施形態の下流側翼の前縁部４５の形状を、流入される旋回流５３に対して、衝突角度（インシデンス）を小さくするように傾斜している。第３実施形態と同様の構成について同一符号を付して説明は省略する。
【００７６】
図５の第３実施形態のように下流側翼の前縁部４５が回転軸心１５方向とほぼ平行に形成される場合においては、図１３のＡ−Ａ断面に示すように、この断面においても、渦なし流れの原理により、タービンホイール５の回転方向と逆方向に発生する旋回流５３が生じている。この旋回流５３は、下流側翼４４に対して、図１３の符号５３で示すように旋回して流入するため、下流側翼の前縁部４５の形状が、タービンホイール５の回転方向と逆向きに開く入口角γが形成されている。
【００７７】
すなわち、下流側翼の前縁部４５のＡ−Ａ断面形状が、シュラウド側からハブ側に亘ってタービンホイール５の回転方向と逆向きに開く入口角γが形成されることによって、下流側翼の前縁部４５への旋回流５３の流入に対する衝突角度（インシデンス）を小さくでき、流れ損失を低減できる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明によれば、タービンホイールの大型化、重量増大、慣性モーメントの増大を伴わずに、タービンホイールに流入する流体の流れエネルギーを回転動力に効率的に変換可能であるため、ターボチャージャ用のラジアルタービン、工場排熱や地熱などの排圧を膨脹させて動力を得る排熱回収用のエキスパンションタービン、ガスタービン用のラジアルタービン等のラジアルタービンへの利用に適している。
【符号の説明】
【００７９】
１    ラジアルタービン
３    タービンケーシング
５    タービンホイール
７    回転軸
９    ハブ
１１  動翼
１３  スクロール室
１５  回転軸心
１６  シュラウド部
１７  ノズル
１９  タービンホイール入口
２１  タービンホイール出口
２３  上流側翼
２５、４４  下流側翼
２７  上流側翼の後縁部
２９、４５  下流側翼の前縁部
【図１】
2013015035.tif 000003
【図２】
2013015035.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2013015035.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2013015035.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2013015035.tif 000014
【図１３】
2013015035.tif 000015
【図１４】
2013015035.tif 000016