(57)【要約】一実施形態に係るターボ機械は、少なくとも１枚の羽根を有する羽根車と、前記羽根車を回転自在に収容するケーシングと、を備えるターボ機械であって、前記羽根車の停止時における、前記羽根の先端部と前記ケーシングの内面との隙間の大きさは、前記羽根車の周方向に亘って不均一に形成されている。
2020129234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１枚の羽根を有する羽根車と、
前記羽根車を回転自在に収容するケーシングと、
を備えるターボ機械であって、
前記羽根車の停止時における、前記羽根の先端部と前記ケーシングの内面との隙間の大きさは、前記羽根車の周方向に亘って不均一に形成されている
ターボ機械。
【請求項２】
前記羽根車の停止時における前記隙間の最大値と最小値との差は、前記隙間の前記周方向についての平均値の１０％以上である
請求項１に記載のターボ機械。
【請求項３】
前記ケーシングの内周縁は、楕円形状を有する
請求項１又は２に記載のターボ機械。
【請求項４】
前記羽根車の停止時において、前記ケーシングの中心軸線は、前記羽根車の回転軸線と平行、且つ、前記羽根車の回転軸線から径方向にずれている
請求項１乃至３の何れか一項に記載のターボ機械。
【請求項５】
前記羽根車の停止時において、前記ケーシングの中心軸線は、前記羽根車の回転軸線と平行でない
請求項１乃至３の何れか一項に記載のターボ機械。
【請求項６】
前記羽根車は、半径流式の羽根車であり、
前記ケーシングは、前記ケーシングの中心軸線の周りに回転非対称である
請求項１乃至５の何れか一項に記載のターボ機械。
【請求項７】
前記ケーシングは、
前記羽根車よりも径方向外側で周方向に流体が流れるスクロール流路を内部に有するスクロール部を含み、
前記スクロール流路と前記スクロール流路よりも径方向外側の流路とを仕切る舌部を有し、
前記羽根車の停止時における前記隙間は、前記舌部における前記隙間が前記隙間の前記周方向についての平均値よりも大きい
請求項６に記載のターボ機械。
【請求項８】
前記周方向における角度範囲のうち、前記舌部の角度位置を０度とし、且つ、前記スクロール流路の延在方向のうち、前記延在方向に沿って前記舌部から離れるにつれて前記延在方向と直交する断面における前記スクロール流路の流路断面積が漸増する方向を正の方向としたときに、
前記羽根車の停止時における前記隙間は、−９０度以上０度以下の角度範囲内で前記羽根車の停止時における最大値をとる
請求項７に記載のターボ機械。
【請求項９】
前記羽根車の停止時における前記隙間の大きさは、前記羽根の前縁と前記前縁から後縁に向かって前記先端部の全長の２０％の距離だけ離れた位置との間の領域の少なくとも一部、又は、前記後縁と前記後縁から前記前縁に向かって前記全長の２０％の距離だけ離れた位置との間の領域の少なくとも一部の少なくとも何れか一方において、前記羽根車の周方向に亘って不均一に形成されている
請求項１乃至８の何れか一項に記載のターボ機械。
【請求項１０】
前記羽根車は、回転軸線が水平方向に延在する軸流式の羽根車であり、
前記ケーシングは、第１支持台と、前記第１支持台から前記羽根車の回転軸線に沿った方向に離間して設けられた第２支持台によって支持されている
請求項１乃至５の何れか一項に記載のターボ機械。
【請求項１１】
前記第１支持台と前記第２支持台との中間位置であって、前記周方向に沿った位置のうち前記羽根車の鉛直上方向の位置において、前記羽根車の停止時における前記隙間は、前記隙間の前記周方向についての平均値よりも大きい
請求項１０に記載のターボ機械。
【請求項１２】
前記回転軸線方向に沿った前記羽根車の両端の位置であって、前記周方向に沿った位置のうち前記羽根車の鉛直下方向の位置において、前記羽根車の停止時における前記隙間は、前記隙間の前記周方向についての平均値よりも大きい
請求項１０又は１１に記載のターボ機械。
【請求項１３】
前記周方向における前記隙間の大きさのばらつきは、前記羽根車の回転時よりも、前記羽根車の停止時の方が大きい
請求項１乃至１２の何れか一項に記載のターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用圧縮機や過給機等に用いられるターボ機械では、複数の羽根（動翼）を有する羽根車が回転して、流体を圧縮、又は流体から動力を吸収するように構成されている。
ターボ機械の一例として、例えば、ターボチャージャを挙げることができる。
ターボチャージャは、回転軸と、回転軸の一端側に設けられるタービンホイールと、回転軸の他端側に設けられるコンプレッサホイールとを備えている。そして、排気ガスの排気エネルギーがタービンホイールに作用して回転軸が高速回転することで、回転軸の他端側に設けられたコンプレッサホイールが吸気を圧縮するように構成されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１６／０９８２３０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ターボ機械では、動翼の先端部とケーシングの内面との間に隙間が存在するが、この隙間から漏れ流れが発生し、ターボ機械における流れ場と性能に影響を与える。そのため、上記隙間はできるだけ小さくしたいが、ターボ機械を運転させることで動翼やケーシングの変形等が発生しても動翼とケーシングとが接触しないようにする必要がある。
そのため、羽根車やケーシングの設計にあたり、上記の変形等を考慮する必要がある。【０００５】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、ターボ機械の運転中における動翼の先端部とケーシングの内面との間の隙間を適切にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るターボ機械は、
少なくとも１枚の羽根を有する羽根車と、
前記羽根車を回転自在に収容するケーシングと、
を備えるターボ機械であって、
前記羽根車の停止時における、前記羽根の先端部と前記ケーシングの内面との隙間の大きさは、前記羽根車の周方向に亘って不均一に形成されている。【０００７】
上記（１）の構成によれば、羽根車の停止時における上記隙間の大きさを羽根車の周方向に亘って敢えて不均一に形成することで、羽根車の回転時、すなわちターボ機械の運転時における羽根車やケーシングの変形等による上記隙間の変化を相殺し、運転時の上記隙間が周方向に亘って均一となる状態に近づけることができる。すなわち、ターボ機械の運転中に接触するおそれのある箇所について、停止時の上記隙間を他の周方向位置における停止時の上記隙間よりも大きくすることで運転時における上記隙間の変化を相殺することができる。これにより、運転時の上記隙間を小さくすることができ、ターボ機械における効率低下を抑制できる。【０００８】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記羽根車の停止時における前記隙間の最大値と最小値との差は、前記隙間の前記周方向についての平均値の１０％以上である。【０００９】
上記（２）の構成によれば、羽根車の停止時における上記隙間の最大値と最小値との差を、上記隙間の周方向についての平均値の１０％以上とすることで、ターボ機械の運転時における上記隙間が周方向に亘って均一となる状態に一層近づけることができる。【００１０】
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、前記ケーシングの内周縁は、楕円形状を有する。【００１１】
例えば、ターボ機械の運転時にケーシングの内周縁が円形状から楕円形状に変化するように変形する場合がある。このような場合には、ターボ機械の停止時におけるケーシングの内周縁の形状を、上記のような形状の変化をしたときに円形に近づくように予め楕円形状にしておくとよい。
その点、上記（３）の構成によれば、ケーシングの内周縁が楕円形状を有するので、ターボ機械の運転時における上記隙間が周方向に亘って均一となる状態に近づけることができる。【００１２】
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、前記羽根車の停止時において、前記ケーシングの中心軸線は、前記羽根車の回転軸線と平行、且つ、前記羽根車の回転軸線から径方向にずれている。【００１３】
例えば、ターボ機械の運転時にケーシングの中心軸線と羽根車の回転軸線とがずれる場合がある。このような場合には、ターボ機械の運転時における上述したずれを考慮してターボ機械の停止時における該中心軸線と該回転軸線とを予めずらしておくことで、ターボ機械の運転時に該中心軸線と該回転軸線とのずれが小さくなるようにすることができる。
その点、上記（４）の構成によれば、羽根車の停止時において、ケーシングの中心軸線は、羽根車の回転軸線と平行、且つ、羽根車の回転軸線から径方向にずれている。これにより、ターボ機械の運転時に該中心軸線と該回転軸線とのずれを小さくすることができる。【００１４】
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、前記羽根車の停止時において、前記ケーシングの中心軸線は、前記羽根車の回転軸線と平行ではない。【００１５】
例えば、ターボ機械の運転時にケーシングの中心軸線と羽根車の回転軸線とがずれて平行でなくなる場合がある。このような場合には、ターボ機械の運転時における上述したずれを考慮してターボ機械の停止時における該中心軸線と該回転軸線とを予め非平行となるようにしておくことで、ターボ機械の運転時に該中心軸線と該回転軸線とが平行となる状態に近づけることができる。
その点、上記（５）の構成によれば、羽根車の停止時において、ケーシングの中心軸線は、羽根車の回転軸線と平行でない。これにより、ターボ機械の運転時に該中心軸線と該回転軸線とが平行となる状態に近づけることができる。【００１６】
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、
前記羽根車は、半径流式の羽根車であり、
前記ケーシングは、前記ケーシングの中心軸線の周りに回転非対称である。【００１７】
ケーシングがケーシングの中心軸線の周りに回転非対称であるであると、熱伸びによる変形も該中心軸線の周りに回転非対称に表れる。そのため、ケーシングの中心軸線の周りに回転非対称であるケーシングを有するターボ機械では、羽根車の停止時における上記隙間の大きさを羽根車の周方向に亘って均一に形成した場合、羽根車の運転時には、上記隙間の大きさが羽根車の周方向に亘って不均一にあるおそれがある。
その点、上記（６）の構成によれば、上記（１）乃至（５）の何れかの構成を有するので、運転時の上記隙間が周方向に亘って均一となる状態に近づけることができる。【００１８】
（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、
前記ケーシングは、
前記羽根車よりも径方向外側で周方向に流体が流れるスクロール流路を内部に有するスクロール部を含み、
前記スクロール流路と前記スクロール流路よりも径方向外側の流路とを仕切る舌部を有し、
前記羽根車の停止時における前記隙間は、前記舌部における前記隙間が前記隙間の前記周方向についての平均値よりも大きい。【００１９】
発明者らが鋭意検討した結果、ケーシングがスクロール部を含む場合、スクロール流路の延在方向に直交する断面におけるスクロール流路の流路断面積が比較的大きい領域では、羽根車の回転時の上記隙間が停止時に比べて小さくなる傾向があり、該流路断面積が比較的小さい領域では、羽根車の回転時の上記隙間が停止時に比べて大きくなる傾向があることが見出された。
したがって、スクロール流路の延在方向に沿った位置のうち、該流路断面積が最も大きくなる位置では、停止時の上記隙間に対する運転時の上記隙間の減少量が最も大きくなる。
また、ケーシングがスクロール部を含む場合、該流路断面積は、上記舌部の近傍において最も大きい。したがって、ケーシングがスクロール部を含む場合、停止時の上記隙間に対する運転時の上記隙間の減少量は、上記舌部の近傍において、最も大きくなる。
その点、上記（７）の構成によれば、羽根車の停止時における上記隙間は、舌部における上記隙間が上記隙間の周方向についての平均値よりも大きい。したがって、上記（７）の構成によれば、運転時の上記隙間が周方向に亘って均一となる状態に近づけることができる。【００２０】
（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の構成において、
前記周方向における角度範囲のうち、前記舌部の角度位置を０度とし、且つ、前記スクロール流路の延在方向のうち、前記延在方向に沿って前記舌部から離れるにつれて前記延在方向と直交する断面における前記スクロール流路の流路断面積が漸増する方向を正の方向としたときに、
前記羽根車の停止時における前記隙間は、−９０度以上０度以下の角度範囲内で前記羽根車の停止時における最大値をとる。【００２１】
ケーシングがスクロール部を含む場合、スクロール流路の流路断面積は、一般的に上述した−９０度以上０度以下の角度範囲内で最も大きくなる。
また、上述したように、スクロール流路の延在方向に沿った位置のうち、該流路断面積が最も大きくなる位置では、停止時の上記隙間に対する運転時の上記隙間の減少量が最も大きくなる。
その点、上記（８）の構成によれば、羽根車の停止時における上記隙間は、−９０度以上０度以下の角度範囲内で羽根車の停止時における最大値をとる。したがって、上記（８）の構成によれば、運転時の上記隙間が周方向に亘って均一となる状態に近づけることができる。【００２２】
（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の何れかの構成において、前記羽根車の停止時における前記隙間の大きさは、前記羽根の前縁と前記前縁から後縁に向かって前記先端部の全長の２０％の距離だけ離れた位置との間の領域の少なくとも一部、又は、前記後縁と前記後縁から前記前縁に向かって前記全長の２０％の距離だけ離れた位置との間の領域の少なくとも一部の少なくとも何れか一方において、前記羽根車の周方向に亘って不均一に形成されている。【００２３】
ターボ機械では、前縁近傍及び後縁の近傍における上記隙間を小さくすることで、ターボ機械の効率を効果的に向上できる。
その点、上記（９）の構成によれば、前縁近傍、又は、後縁の近傍の少なくとも何れか一方において、上記隙間が周方向に亘って不均一に形成されている。したがって、前縁の近傍、又は、後縁の近傍の少なくとも何れか一方において、運転時の上記隙間が周方向に亘って均一となる状態に近づけることができる。これにより、ターボ機械における効率低下を効果的に抑制できる。【００２４】
（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、
前記羽根車は、回転軸線が水平方向に延在する軸流式の羽根車であり、
前記ケーシングは、第１支持台と、前記第１支持台から前記羽根車の回転軸線に沿った方向に離間して設けられた第２支持台によって支持されている。【００２５】
軸流式の羽根車を有するターボ機械では、軸方向に沿って羽根が複数段設けられている場合や、比較的大型のターボ機械である場合のように、軸方向に沿ったケーシングの大きさが比較的大きい場合、ケーシングは、第１支持台と、第１支持台から羽根車の回転軸線に沿った方向に離間して設けられた第２支持台によって支持されることがある。
このようなターボ機械では、ケーシングは、その自重によって第１支持台と第２支持台との間で下方に撓み易い。そのため、ターボ機械の運転時には、熱伸び等の影響により、ケーシングがさらに撓み易くなることが考えられる。
その点、上記（１０）の構成によれば、上記（１）乃至（５）の何れかの構成を有するので、上述したケーシングの撓みが上記隙間に与える影響を考慮して、羽根車の停止時における上記隙間を羽根車の周方向に亘って不均一に形成することで、運転時の上記隙間が周方向に亘って均一となる状態に近づけることができる。これにより、ターボ機械における効率低下を抑制できる。【００２６】
（１１）幾つかの実施形態では、上記（１０）の構成において、前記第１支持台と前記第２支持台との中間位置であって、前記周方向に沿った位置のうち前記羽根車の鉛直上方向の位置において、前記羽根車の停止時における前記隙間は、前記隙間の前記周方向についての平均値よりも大きい。【００２７】
上記第１支持台と上記第２支持台によってケーシングが支持されたターボ機械では、上述したように、第１支持台と第２支持台との間でケーシングが下方に撓み易く、ターボ機械の運転時には、さらに撓み易くなることが考えられる。
その点、上記（１１）の構成のように上記隙間を設定することで、上記中間位置における運転時の上記隙間が周方向に亘って均一となる状態に近づけることができる。【００２８】
（１２）幾つかの実施形態では、上記（１０）又は（１１）の構成において、前記回転軸線方向に沿った前記羽根車の両端の位置であって、前記周方向に沿った位置のうち前記羽根車の鉛直下方向の位置において、前記羽根車の停止時における前記隙間は、前記隙間の前記周方向についての平均値よりも大きい。【００２９】
上記第１支持台と上記第２支持台によってケーシングが支持されたターボ機械では、回転軸線方向に沿った羽根車の両端の位置では、第１支持台と第２支持台との間の中間位置の場合とは反対に、ケーシングが上方に撓み易く、ターボ機械の運転時には、さらに撓み易くなることが考えられる。
その点、上記（１２）の構成のように上記隙間を設定することで、回転軸線方向に沿った羽根車の両端の位置における運転時の上記隙間が周方向に亘って均一となる状態に近づけることができる。【００３０】
（１３）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１２）の何れかの構成において、前記周方向における前記隙間の大きさのばらつきは、前記羽根車の回転時よりも、前記羽根車の停止時の方が大きい。【００３１】
上記（１３）の構成によれば、周方向における前記隙間の大きさのばらつきは、羽根車の停止時よりも、羽根車の回転時の方が小さくなる。これにより、羽根車の回転時、すなわちターボ機械の運転時における上記隙間が周方向に亘って均一となる状態に近づけて小さくすることができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、ターボ機械の運転中における動翼の先端部とケーシングの内面との間の隙間を適切化できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】ターボ機械の一例としての、幾つかの実施形態に係るターボチャージャの一例を示す断面図である。
【図２】幾つかの実施形態に係るタービンホイールの外観の斜視図である。
【図３】幾つかの実施形態に係るタービンの断面を模式的に示した図である。
【図４】一実施形態に係る羽根車の停止時と回転時における隙間を模式的に示した図であり、図３のＡ−Ａ矢視図に相当する。
【図５】一実施形態に係る羽根車の停止時と回転時における隙間を模式的に示した図であり、図３のＡ−Ａ矢視図に相当する。
【図６】一実施形態に係る羽根車の停止時と回転時における隙間を模式的に示した図であり、図３のＡ−Ａ矢視図に相当する。
【図７】一実施形態に係る羽根車とケーシングとの関係を模式的に示す図である。
【図８】一実施形態に係る羽根車とケーシングとの関係を模式的に示す図である。
【図９】スクロール部について説明するための図であり、回転軸線に直交する断面における断面図である。
【図１０】一実施形態に係る羽根車の停止時における隙間について示すグラフであり、周方向位置を横軸に採り、隙間の大きさを縦軸に採ったグラフである。
【図１１】一実施形態に係る軸流式のターボ機械の模式的な斜視図である。
【図１２】従来の軸流式のターボ機械のケーシングの変形について説明するための模式的な図である。
【図１３】一実施形態に係る軸流式のターボ機械の模式的な断面図である。
【図１４】図１３のＤ−Ｄ矢視断面図である。
【図１５】図１３のＥ−Ｅ矢視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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。
【００３５】
図１は、ターボ機械の一例としての、幾つかの実施形態に係るターボチャージャ１の一例を示す断面図である。
幾つかの実施形態に係るターボチャージャ１は、例えば自動車などの車両に搭載されるエンジンの吸気を過給するための排気ターボ過給機である。
ターボチャージャ１は、ロータシャフト２を回転軸として連結されたタービンホイール３及びコンプレッサホイール４と、タービンホイール３を回転自在に収容するケーシング（タービンハウジング）５と、コンプレッサホイール４を回転自在に収容するケーシング（コンプレッサハウジング）６とを有する。また、タービンハウジング５は、内部にスクロール流路７ａを有するスクロール部７を含む。コンプレッサハウジング６は、内部にスクロール流路８ａを有するスクロール部８を含む。
幾つかの実施形態に係るタービン３０は、タービンホイール３と、ケーシング５とを備える。幾つかの実施形態に係るコンプレッサ４０は、コンプレッサホイール４と、ケーシング６とを備える。
【００３６】
図２は、幾つかの実施形態に係るタービンホイール３の外観の斜視図である。
幾つかの実施形態に係るタービンホイール３は、ロータシャフト（回転軸）２に連結されて回転軸線ＡＸｗの周りに回転される羽根車である。幾つかの実施形態に係るタービンホイール３は、回転軸線ＡＸｗに沿った断面において、回転軸線ＡＸｗに対して傾斜するハブ面３２を有するハブ３１と、ハブ面３２に設けられた複数の羽根（動翼）３３とを有する。なお、図１、２に示したタービンホイール３はラジアルタービンであるが、斜流タービンであってもよい。図２において、矢印Ｒはタービンホイール３の回転方向を示す。羽根３３は、タービンホイール３の周方向に間隔をあけて複数設けられる。
【００３７】
なお、斜視図による図示は省略するが、幾つかの実施形態に係るコンプレッサホイール４も、幾つかの実施形態に係るタービンホイール３と同様の構成を有している。すなわち、幾つかの実施形態に係るコンプレッサホイール４は、ロータシャフト（回転軸）２に連結されて回転軸線ＡＸｗの周りに回転される羽根車である。幾つかの実施形態に係るコンプレッサホイール４は、回転軸線ＡＸｗに沿った断面において、回転軸線ＡＸｗに対して傾斜するハブ面４２を有するハブ４１と、ハブ面４２に設けられた複数の羽根（動翼）４３とを有する。羽根４３は、コンプレッサホイール４の周方向に間隔をあけて複数設けられる。
【００３８】
このように構成されるターボチャージャ１では、作動流体である排気ガスは、タービンホイール３の前縁３６から後縁３７に向かって流れる。これにより、タービンホイール３は、回転させられるとともに、ロータシャフト２を介して連結されたコンプレッサ４０のコンプレッサホイール４が回転させられる。これにより、コンプレッサ４０の入口部４０ａから流入した吸気は、コンプレッサホイール４の前縁４６から後縁４７に向かって流れる過程でコンプレッサホイール４によって圧縮される。
【００３９】
なお、以下の説明では、ターボ機械に関する内容であり、タービン３０とコンプレッサ４０とに共通する内容については、上述した各構成要素について、以下のように表記することがある。
例えば、タービンホイール３とコンプレッサホイール４とで特に区別する必要がない場合には、タービンホイール３、又は、コンプレッサホイール４のことを羽根車Ｗと呼ぶことがある。
また、タービンホイール３の羽根３３とコンプレッサホイール４の羽根４３とで特に区別する必要がない場合には、羽根の符号をアルファベットのＢに変更して、羽根Ｂと表すことがある。
タービン３０のケーシング５とコンプレッサ４０のケーシング６とで特に区別する必要がない場合には、ケーシングの符号をアルファベットのＣに変更して、ケーシングＣと表すことがある。
すなわち、以下で説明する幾つかの実施形態に係るターボ機械１０は、少なくとも１枚の羽根Ｂを有する羽根車Ｗと、羽根車Ｗを回転自在に収容するケーシングＣとを備える。
【００４０】
図３は、幾つかの実施形態に係るタービン３０の断面を模式的に示した図である。
なお、以下の説明では、幾つかの実施形態に係るターボ機械１０の構造について、幾つかの実施形態に係るタービン３０の構造を参照して説明するが、特に断りがない限り、その説明の内容は、幾つかの実施形態に係るコンプレッサ４０についても同様に適用できるものとする。
【００４１】
ターボ機械では、例えば図３に示したタービン３０のように、羽根３３の先端部３４とケーシング５の内面５１との間に隙間Ｇが存在するが、この隙間Ｇから漏れ流れが発生し、ターボ機械における流れ場と性能に影響を与える。そのため、ターボ機械では、この隙間Ｇはできるだけ小さくしたいが、ターボ機械を運転させることで羽根ＢやケーシングＣの変形等が発生しても羽根ＢとケーシングＣとが接触しないようにする必要がある。
そのため、羽根車ＷやケーシングＣの設計にあたり、上記の変形等を考慮する必要がある。
【００４２】
そこで、幾つかの実施形態に係るターボ機械１０では、以下で説明する構成によって、羽根ＢとケーシングＣとの接触を回避しつつ、隙間Ｇの大きさの適切化を図ることで、ターボ機械１０における損失を抑制するようにしている。
なお、以下の説明では、隙間Ｇの大きさｔｃは、次のとおりとする。すなわち、隙間Ｇの大きさｔｃは、羽根Ｂの先端部３４に沿った前縁３６と後縁３７との間の任意の位置における点Ｐｂと、ケーシングＣの内面５１において点Ｐｂに最も近い点Ｐｃとの距離である。
【００４３】
なお、以下の説明では、羽根車Ｗの停止時、又は、ターボ機械１０の停止時とは、羽根車Ｗ、又は、ターボ機械１０の冷間停止時のことであり、少なくともターボ機械１０の各部の温度がターボ機械１０の周囲の温度と等しい場合を含む。また、以下の説明では、羽根車Ｗの回転時、又は、ターボ機械１０の運転時とは、羽根車Ｗ、又は、ターボ機械１０の温間運転時のことであり、少なくともターボ機械１０の各部の温度がターボ機械１０が正常に作動している場合に到達する温度と等しい場合を含む。
【００４４】
図４は、一実施形態に係る羽根車Ｗの停止時と回転時における隙間Ｇを模式的に示した図であり、図３のＡ−Ａ矢視図に相当する。
図５は、一実施形態に係る羽根車Ｗの停止時と回転時における隙間Ｇを模式的に示した図であり、図３のＡ−Ａ矢視図に相当する。
図６は、一実施形態に係る羽根車Ｗの停止時と回転時における隙間Ｇを模式的に示した図であり、図３のＡ−Ａ矢視図に相当する。
図７は、一実施形態に係る羽根車ＷとケーシングＣとの関係を模式的に示す図である。
図８は、一実施形態に係る羽根車ＷとケーシングＣとの関係を模式的に示す図である。
図９は、スクロール部について説明するための図であり、回転軸線ＡＸｗに直交する断面における断面図である。
図１０は、一実施形態に係る羽根車Ｗの停止時における隙間Ｇについて示すグラフであり、周方向位置θを横軸に採り、隙間Ｇの大きさｔｃを縦軸に採ったグラフである。
図１１は、一実施形態に係る軸流式のターボ機械１０Ａの模式的な斜視図である。
図１２は、従来の軸流式のターボ機械１０ＢのケーシングＣの変形について説明するための模式的な図である。
図１３は、一実施形態に係る軸流式のターボ機械１０Ａの模式的な断面図である。
図１４は、図１３のＤ−Ｄ矢視断面図である。
図１５は、図１３のＥ−Ｅ矢視断面図である。
【００４５】
図３に示した点Ｐｂは、羽根車Ｗの回転によって回転軸線ＡＸｗを中心とする円となる軌跡を描く。そこで、図４〜６では、点Ｐｂを羽根車Ｗを回転させたときの軌跡９１として表している。また、点Ｐｂの周方向位置θが変われば、点Ｐｃの周方向位置θも変わる。そこで、図４〜６では、点Ｐｂの周方向位置θの変化に応じて採り得る点Ｐｃの位置を環状の線９２で描いている。
【００４６】
図４〜６において、軌跡９１と線９２との間の領域が隙間Ｇであり、任意の周方向位置θにおける隙間Ｇの大きさｔｃは、任意の周方向位置θにおける軌跡９１と線９２との間の距離で表される。
図４〜６において、２点鎖線９３で示した円は、隙間Ｇの周方向についての大きさの平均値ｔｃａｖｅを表している。
ここで、隙間Ｇの周方向についての平均値ｔｃａｖｅとは、例えば周方向位置θの位置によって異なる隙間Ｇの大きさｔｃについての平均値である。
なお、図４〜６では、隙間Ｇの大きさｔｃを誇張して描いている。
【００４７】
図７、８は、羽根車Ｗの停止時の状態を示す図であり、羽根車Ｗ及びケーシングＣを、単純な円錐台形状で表している。図７では、ケーシングＣの中心軸線ＡＸｃは、羽根車Ｗの回転軸線ＡＸｗと平行、且つ、羽根車Ｗの回転軸線ＡＸｗから径方向にずれている。図８では、ケーシングＣの中心軸線ＡＸｃは、羽根車Ｗの回転軸線ＡＸｗと平行でない。
【００４８】
図１１に示す一実施形態に係る軸流式のターボ機械１０Ａは、ケーシングＣと、羽根車Ｗとを有している。図１１に示す一実施形態に係る軸流式のターボ機械１０Ａは、回転軸線ＡＸｗが水平方向に延在する軸流式の羽根車である。図１１に示す一実施形態に係る軸流式のターボ機械１０Ａでは、ケーシングＣは、第１支持台１１１と、第１支持台から羽根車Ｗの回転軸線ＡＸｗに沿った方向に離間して設けられた第２支持台１１２によって支持されている。
【００４９】
例えば、図３〜８に示す幾つかの実施形態では、羽根車Ｗの停止時における、羽根Ｂの先端部３４とケーシングＣの内面５１との隙間Ｇの大きさｔｃは、羽根車Ｗの周方向に亘って不均一に形成されている。
【００５０】
図３〜８に示す幾つかの実施形態では、羽根車Ｗの停止時、すなわち冷間停止時における隙間Ｇの大きさｔｃを羽根車Ｗの周方向に亘って敢えて不均一に形成することで、羽根車Ｗの回転時、すなわちターボ機械１０の温間運転時における羽根車ＷやケーシングＣの変形等による隙間Ｇの変化を相殺し、運転時の隙間Ｇが周方向に亘って均一となる状態に近づけることができる。すなわち、ターボ機械１０の運転中に接触するおそれのある箇所について、停止時の隙間Ｇを他の周方向位置における停止時の隙間Ｇよりも大きくすることで運転時における隙間Ｇの変化を相殺することができる。これにより、運転時の隙間Ｇを小さくすることができ、ターボ機械１０における効率低下を抑制できる。
【００５１】
例えば、図３〜８に示す幾つかの実施形態では、周方向における隙間Ｇの大きさのばらつきは、羽根車Ｗの回転時よりも、羽根車Ｗの停止時の方が大きい。
【００５２】
図３〜８に示す幾つかの実施形態では、周方向における隙間Ｇの大きさｔｃのばらつきは、羽根車Ｗの停止時よりも、羽根車Ｗの回転時の方が小さくなる。これにより、羽根車Ｗの回転時、すなわちターボ機械１０の温間運転時における隙間Ｇが周方向に亘って均一となる状態に近づけて小さくすることができる。
なお、周方向における隙間Ｇの大きさｔｃのばらつきは、例えば周方向位置θの位置によって異なる隙間Ｇの大きさｔｃについての分散や標準偏差等である。
【００５３】
例えば、図５に示す一実施形態では、ケーシングＣの内周縁５１ａは、楕円形状を有する。
ここで、内周縁５１ａとは、ケーシングＣを回転軸線ＡＸｗに直交する断面において現れるケーシングＣの内縁であり、内面５１と該断面との交差部分である。
【００５４】
例えば、ターボ機械１０の運転時にケーシングＣの内周縁５１ａが円形状から楕円形状に変化するように変形する場合がある。このような場合には、ターボ機械１０の停止時におけるケーシングＣの内周縁５１ａの形状を、上記のような形状の変化をしたときに円形に近づくように予め楕円形状にしておくとよい。
これにより、ターボ機械１０の運転時における隙間Ｇが周方向に亘って均一となる状態に近づけることができる。
【００５５】
例えば、図６、７に示す幾つかの実施形態では、羽根車Ｗの停止時において、ケーシングＣの中心軸線ＡＸｃは、羽根車Ｗの回転軸線ＡＸｗと平行、且つ、羽根車Ｗの回転軸線ＡＸｗから羽根車Ｗの径方向にずれている。
【００５６】
例えば、ターボ機械１０の運転時にケーシングＣの中心軸線ＡＸｃと羽根車Ｗの回転軸線ＡＸｗとがずれる場合がある。このような場合には、ターボ機械１０の運転時における上述したずれを考慮してターボ機械１０の停止時における該中心軸線ＡＸｃと該回転軸線ＡＸｗとを予めずらしておくことで、ターボ機械１０の運転時該中心軸線ＡＸｃと該回転軸線ＡＸｗとのずれが小さくなるようにすることができる。
その点、例えば、図６、７に示す幾つかの実施形態によれば、羽根車Ｗの停止時において、ケーシングＣの中心軸線ＡＸｃは、羽根車Ｗの回転軸線ＡＸｗと平行、且つ、羽根車Ｗの回転軸線ＡＸｗから径方向にずれている。これにより、ターボ機械１０の運転時に該中心軸線ＡＸｃと該回転軸線ＡＸｗとのずれを小さくすることができる。
【００５７】
例えば、図８に示す一実施形態では、羽根車Ｗの停止時において、ケーシングの中心軸線は、前記羽根車の回転軸線と平行でない。
【００５８】
例えば、ターボ機械１０の運転時にケーシングＣの中心軸線ＡＸｃと羽根車Ｗの回転軸線ＡＸｗとがずれて平行でなくなる場合がある。このような場合には、ターボ機械１０の運転時における上述したずれを考慮してターボ機械１０の停止時における該中心軸線ＡＸｃと該回転軸線ＡＸｗとを予め非平行となるようにしておくことで、ターボ機械１０の運転時に該中心軸線ＡＸｃと該回転軸線ＡＸｗとが平行となる状態に近づけることができる。
その点、例えば、図８に示す一実施形態によれば、羽根車Ｗの停止時において、ケーシングＣの中心軸線ＡＸｃは、羽根車Ｗの回転軸線ＡＸｗと平行でない。これにより、ターボ機械１０の運転時に該中心軸線ＡＸｃと該回転軸線ＡＸｗとが平行となる状態に近づけることができる。
【００５９】
なお、上述した幾つかの実施形態、及び、後述する幾つかの実施形態において、羽根車Ｗの停止時における隙間Ｇの最大値ｔｃｍａｘと最小値ｔｃｍｉｎとの差は、隙間Ｇの周方向についての平均値ｔｃａｖｅの１０％以上であるとよい。
これにより、ターボ機械１０の運転時における隙間Ｇが周方向に亘って均一となる状態に一層近づけることができる。
【００６０】
例えば、図１、３、９に示すように、幾つかの実施形態では、羽根車Ｗは、半径流式の羽根車Ｗである。そして、例えば、図１、３、９に示すように、幾つかの実施形態では、ケーシングＣは、ケーシングＣの中心軸線ＡＸｃの周りに回転非対称である。
【００６１】
例えば、図１、３、９に示すように、ケーシングＣがスクロール部７、８を含む場合のように、ケーシングＣがケーシングＣの中心軸線ＡＸｃの周りに回転非対称であるであると、熱伸びによる変形も該中心軸線ＡＸｃの周りに回転非対称に表れる。そのため、ケーシングＣの中心軸線ＡＸｃの周りに回転非対称であるケーシングＣを有するターボ機械１０では、羽根車Ｗの停止時における隙間Ｇの大きさを羽根車Ｗの周方向に亘って均一に形成した場合、羽根車Ｗの運転時には、隙間Ｇの大きさが羽根車Ｗの周方向に亘って不均一にあるおそれがある。
その点、上述した幾つかの実施形態によれば、上述したように、羽根車Ｗの停止時における、羽根Ｂの先端部３４とケーシングＣの内面５１との隙間Ｇの大きさｔｃを、羽根車Ｗの周方向に亘って不均一に形成したので、運転時の隙間Ｇが周方向に亘って均一となる状態に近づけることができる。
【００６２】
なお、ケーシングＣが中心軸線ＡＸｃの周りに回転非対称となる場合として、上述したように、ケーシングＣがスクロール部７、８を含む場合の他に、例えば、以下のような場合も考えられる。
例えば、ケーシングＣを支持するための構造物がケーシングＣに取り付けられる等、ケーシングＣが中心軸線ＡＸｃの周りに回転非対称となるように付加物が付加されていて、該付加物を含めたケーシングＣの形状が中心軸線ＡＸｃの周りに回転非対称となる場合が考えられる。
また、例えば、該構造物によって、ケーシングＣの熱伸びが制約を受ける場合が考えられる。
【００６３】
例えば、図１、３、９に示すように、幾つかの実施形態では、ケーシングＣは、羽根車Ｗよりも径方向外側で周方向に流体が流れるスクロール流路７ａ、８ａを内部に有するスクロール部７、８を含む。例えば、図９に示すように、幾つかの実施形態では、ケーシングＣは、スクロール流路７ａとスクロール流路７ａよりも径方向外側の流路９とを仕切る舌部７１を有する。例えば、図１０に示すように、幾つかの実施形態では、羽根車Ｗの停止時における隙間Ｇは、舌部７１における隙間Ｇが隙間Ｇの前記周方向についての平均値よりも大きい。
なお、図１０では、周方向における角度範囲のうち、図９に示すように、舌部７１の角度位置を０度とし、且つ、スクロール流路７ａの延在方向のうち、延在方向に沿って舌部７１から離れるにつれて延在方向と直交する断面におけるスクロール流路７ａの流路断面積が漸増する方向を正の方向とする。
【００６４】
発明者らが鋭意検討した結果、ケーシングＣがスクロール部７、８を含む場合、スクロール流路の延在方向に直交する断面におけるスクロール流路７ａ、８ａの流路断面積が比較的大きい領域では、羽根車Ｗの回転時の隙間Ｇが停止時に比べて小さくなる傾向があり、該流路断面積が比較的小さい領域では、羽根車Ｗの回転時の隙間Ｇが停止時に比べて大きくなる傾向があることが見出された。
したがって、スクロール流路７ａ，８ａの延在方向に沿った位置のうち、該流路断面積が最も大きくなる位置では、停止時の隙間Ｇに対する運転時の隙間Ｇの減少量が最も大きくなる。
また、ケーシングＣがスクロール部７、８を含む場合、該流路断面積は、舌部（舌部７１）の近傍において最も大きい。したがって、ケーシングＣがスクロール部７、８を含む場合、停止時の隙間Ｇに対する運転時の隙間Ｇの減少量は、上記舌部（舌部７１）の近傍において、最も大きくなる。
その点、幾つかの実施形態では、図１０に示すように、羽根車Ｗの停止時における隙間Ｇは、舌部７１における隙間Ｇの大きさｔｃが隙間Ｇの周方向についての平均値ｔｃａｖｅよりも大きい。したがって、運転時の隙間Ｇが周方向に亘って均一となる状態に近づけることができる。
【００６５】
幾つかの実施形態では、羽根車Ｗの停止時における隙間Ｇは、−９０度以上０度以下の角度範囲内で羽根車Ｗの停止時における最大値ｔｃｍａｘをとる。
【００６６】
ケーシングＣがスクロール部７、８を含む場合、スクロール流路７ａ、８ａの流路断面積は、一般的に上述した−９０度以上０度以下の角度範囲内で最も大きくなる。
また、上述したように、スクロール流路７ａ、８ａの延在方向に沿った位置のうち、該流路断面積が最も大きくなる位置では、停止時の隙間Ｇに対する運転時の隙間Ｇの減少量が最も大きくなる。
その点、幾つかの実施形態では、図１０に示すように、羽根車Ｗの停止時における隙間Ｇは、−９０度以上０度以下の角度範囲内で羽根車Ｗの停止時における最大値ｔｃｍａｘをとる。したがって、運転時の隙間Ｇが周方向に亘って均一となる状態に近づけることができる。
【００６７】
なお、上述した幾つかの実施形態において、羽根車Ｗの停止時における隙間Ｇの大きさは、以下の（ａ）又は（ｂ）の少なくとも何れか一方において、羽根車Ｗの周方向に亘って不均一に形成されているとよい。
（ａ）羽根Ｂの前縁３６、４６と前縁３６、４６から後縁３７、４７に向かって先端部３４、４４の全長の２０％の距離だけ離れた位置との間の領域の少なくとも一部
（ｂ）後縁３７、４７と後縁３７、４７から前縁３６、４６に向かって該全長の２０％の距離だけ離れた位置との間の領域の少なくとも一部
【００６８】
ターボ機械１０では、前縁３６、４６近傍及び後縁３７、４７の近傍における隙間Ｇを小さくすることで、ターボ機械１０の効率を効果的に向上できる。
その点、上記（ａ）又は（ｂ）の少なくとも何れか一方において、隙間Ｇが周方向に亘って不均一に形成すれば、前縁３６、４６の近傍、又は、後縁３７、４７の近傍の少なくとも何れか一方において、運転時の隙間Ｇが周方向に亘って均一となる状態に近づけることができる。これにより、ターボ機械１０における効率低下を効果的に抑制できる。
なお、上記（ａ）又は（ｂ）の何れか一方にだけ、羽根車Ｗの周方向に亘って不均一に形成するのであれば、上記（ａ）、すなわち、流体の出口側ではなく入口側において、羽根車Ｗの周方向に亘って不均一に形成するとよい。
【００６９】
なお、上述の説明では、主に半径流式のターボ機械１０について説明したが、上述した構成は、図１１に示すような軸流式のターボ機械１０Ａについても適用可能であり、同様の作用効果を奏する。
【００７０】
軸流式の羽根車Ｗを有するターボ機械１０Ａにおいて、軸方向に沿って羽根が複数段設けられている場合や、比較的大型のターボ機械である場合のように、軸方向に沿ったケーシングＣの大きさが比較的大きい場合がある。このような場合には、ケーシングＣは、第１支持台１１１と、第１支持台１１１から羽根車Ｗの回転軸線ＡＸｗに沿った方向に離間して設けられた第２支持台１１２によって支持されることがある。
このような場合には、図１２に示すように、ターボ機械１０Ｂでは、ケーシングＣは、その自重によって第１支持台１１１と第２支持台１１２との間で下方に撓み易い。そのため、従来のターボ機械１０Ｂの運転時には、熱伸び等の影響により、ケーシングＣがさらに撓み易くなることが考えられる。
なお、図１２では、破線で表したケーシングＣは、上述したように撓む前のケーシングＣである。図１２では、ケーシングＣの変形を誇張して描いている。
【００７１】
そこで、上述したケーシングＣの撓みが隙間Ｇに与える影響を考慮して、羽根車Ｗの停止時における隙間Ｇを羽根車Ｗの周方向に亘って不均一に形成することで、運転時の隙間Ｇが周方向に亘って均一となる状態に近づけることができる。これにより、軸流式の羽根車Ｗを有するターボ機械１０Ａにおいて効率低下を抑制できる。
【００７２】
具体的には、例えば図１３、１４に示すように、第１支持台１１１と第２支持台１１２との中間位置Ｐ１であって、周方向に沿った位置のうち羽根車Ｗの鉛直上方向の位置Ｐ２において、羽根車Ｗの停止時における隙間Ｇの大きさｔｃ１は、隙間Ｇの周方向についての大きさの平均値ｔｃａｖｅよりも大きい。
なお、該平均値ｔｃａｖｅは、中間位置Ｐ１における平均値である。
【００７３】
第１支持台１１１と第２支持台１１２によってケーシングＣが支持された従来のターボ機械１０Ｂでは、上述したように、第１支持台１１１と第２支持台１１２との間でケーシングが下方に撓み易く、ターボ機械１０Ｂの運転時には、さらに撓み易くなることが考えられる。
その点、上記中間位置Ｐ１であって鉛直上方向の位置Ｐ２において、隙間Ｇの大きさｔｃ１を隙間Ｇの周方向についての大きさの平均値ｔｃａｖｅよりも大きくるすことで、中間位置Ｐ１における運転時の隙間Ｇが周方向に亘って均一となる状態に近づけることができる。
【００７４】
また、例えば図１３、１５に示すように、回転軸線ＡＸｗ方向に沿った羽根車Ｗの両端の位置Ｐ３であって、周方向に沿った位置のうち羽根車Ｗの鉛直下方向の位置Ｐ４において、羽根車Ｗの停止時における隙間Ｇの大きさｔｃ２は、隙間Ｇの周方向についての大きさの平均値ｔｃａｖｅよりも大きい。
なお、該平均値ｔｃａｖｅは、位置Ｐ３における平均値である。
【００７５】
第１支持台１１１と第２支持台１１２によってケーシングＣが支持された従来のターボ機械１０Ｂでは、回転軸線ＡＸｗ方向に沿った羽根車Ｗの両端の位置Ｐ３では、第１支持台１１１と第２支持台１１２との間の中間位置Ｐ１の場合とは反対に、ケーシングＣが上方に撓み易く、ターボ機械１０Ｂの運転時には、さらに撓み易くなることが考えられる。
その点、回転軸線ＡＸｗ方向に沿った羽根車Ｗの両端の位置Ｐ３であって、周方向に沿った位置のうち羽根車Ｗの鉛直下方向の位置Ｐ４において、羽根車Ｗの停止時における隙間Ｇの大きさｔｃ２を隙間Ｇの周方向についての大きさの平均値ｔｃａｖｅよりも大きくすることで、回転軸線方向に沿った羽根車Ｗの両端の位置Ｐ３における運転時の隙間Ｇが周方向に亘って均一となる状態に近づけることができる。
【００７６】
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
【符号の説明】
【００７７】
１  ターボチャージャ
２  ロータシャフト
３  タービンホイール
４  コンプレッサホイール
５  ケーシング（タービンハウジング）
６  ケーシング（コンプレッサハウジング）
７、８  スクロール部
７ａ、８ａ  スクロール流路
１０  ターボ機械
１０Ａ  軸流式のターボ機械
１０Ｂ  従来の軸流式のターボ機械
３０  タービン
３４、４４  先端部
４０  コンプレッサ
４１  舌部
５１  内面
５１ａ  内周縁
ＡＸｃ  中心軸線
ＡＸｗ  回転軸線
Ｂ  羽根
Ｃ  ケーシング
Ｇ  隙間
Ｗ  羽根車
【図１】
2020129234.tif 000003
【図２】
2020129234.tif 000004
【図３】
2020129234.tif 000005
【図４】
2020129234.tif 000006
【図５】
2020129234.tif 000007
【図６】
2020129234.tif 000008
【図７】
2020129234.tif 000009
【図８】
2020129234.tif 000010
【図９】
2020129234.tif 000011
【図１０】
2020129234.tif 000012
【図１１】
2020129234.tif 000013
【図１２】
2020129234.tif 000014
【図１３】
2020129234.tif 000015
【図１４】
2020129234.tif 000016
【図１５】
2020129234.tif 000017
【国際調査報告】
2020129234.tif 000018
2020129234.tif 000019
2020129234.tif 000020
2020129234.tif 000021