(57)【要約】第１コンプレッサ部及び第１タービン部を備える回転機械であって、第１コンプレッサ部は、回転軸の周方向に間隔をあけて設けられ、回転軸とともに回転するように構成された複数の第１コンプレッサ翼と、複数の第１コンプレッサ翼が配置された第１コンプレッサ流路と、を含み、第１タービン部は、周方向に間隔をあけて設けられ、回転軸とともに回転するように構成された複数の第１タービン動翼と、複数の第１タービン動翼が配置された第１タービン流路と、を含み、複数の第１コンプレッサ翼は、回転軸の径方向において複数の第１タービン動翼の外側又は内側に配置され、第１コンプレッサ流路と第１タービン流路は、複数の第１コンプレッサ翼と複数の第１タービン動翼とに接続する仕切壁部によって仕切られる。
2020144854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を共有する第１コンプレッサ部及び第１タービン部を備える回転機械であって、
前記第１コンプレッサ部は、
前記回転機械の周方向に間隔をあけて設けられ、前記回転軸とともに回転するように構成された複数の第１コンプレッサ翼と、
前記複数の第１コンプレッサ翼が配置された第１コンプレッサ流路と、
を含み、
前記第１タービン部は、
前記周方向に間隔をあけて設けられ、前記回転軸とともに回転するように構成された複数の第１タービン動翼と、
前記複数の第１タービン動翼が配置された第１タービン流路と、
を含み、
前記複数の第１コンプレッサ翼は、前記回転機械の径方向において前記複数の第１タービン動翼の外側又は内側に配置され、
前記第１コンプレッサ流路と前記第１タービン流路は、前記複数の第１コンプレッサ翼と前記複数の第１タービン動翼とに接続する仕切壁部によって仕切られた、回転機械。
【請求項２】
前記複数の第１コンプレッサ翼は、前記径方向において前記複数の第１タービン動翼の内側に配置され、
前記仕切壁部は、前記径方向における前記第１コンプレッサ翼の外側端と前記径方向における前記第１タービン動翼の内側端とに接続する、請求項１に記載の回転機械。
【請求項３】
前記第１コンプレッサ部は、ラジアルコンプレッサである、請求項２に記載の回転機械。
【請求項４】
前記第１タービン部は、軸流タービンである、請求項３に記載の回転機械。
【請求項５】
前記第１タービン部は、半径流入式の軸流タービンである、請求項３に記載の回転機械。
【請求項６】
前記第１タービン部は、斜流タービンである、請求項３に記載の回転機械。
【請求項７】
前記複数の第１コンプレッサ翼は、前記径方向において前記複数の第１タービン動翼の外側に配置され、
前記仕切壁部は、前記径方向における前記第１コンプレッサ翼の内側端と前記径方向における前記第１タービン動翼の外側端とに接続する、請求項１に記載の回転機械。
【請求項８】
前記第１タービン部は、ラジアルタービンであり、
前記第１コンプレッサ部は、軸流コンプレッサ、斜流コンプレッサ又はラジアルコンプレッサである、請求項７に記載の回転機械。
【請求項９】
前記第１タービン部は、半径流入式の軸流タービンであり、
前記第１コンプレッサ部は、軸流コンプレッサである、請求項７に記載の回転機械。
【請求項１０】
前記第１タービン部は、軸流タービンであり、
前記第１コンプレッサ部は、軸流コンプレッサである、請求項７に記載の回転機械。
【請求項１１】
前記第１コンプレッサ部及び前記第１タービン部は前記回転軸の一端側に配置され、
前記回転機械は、前記回転軸の他端側に配置された第２コンプレッサ部を更に備える、請求項１乃至１０の何れか１項に記載の回転機械。
【請求項１２】
前記第１コンプレッサ部から吐出された気体を内燃機関に供給するための第１流路と、
前記第２コンプレッサ部から吐出された気体を前記内燃機関に供給するための第２流路であって、前記第１流路と合流する第２流路と、
前記第１流路及び前記第２流路の少なくとも一方に設けられ、前記第１流路又は前記第２流路の流量を調整可能な流量調整部と、
を更に備える、請求項１１に記載の回転機械。
【請求項１３】
前記回転軸の他端側に配置された第２タービン部を更に備え、
前記第２コンプレッサ部は、
前記周方向に間隔をあけて設けられ、前記回転軸とともに回転するように構成された複数の第２コンプレッサ翼と、
前記複数の第２コンプレッサ翼が配置された第２コンプレッサ流路と、
を含み、
前記第２タービン部は、
前記周方向に間隔をあけて設けられ、前記回転軸とともに回転するように構成された複数の第２タービン動翼と、
前記複数の第２タービン動翼が配置された第２タービン流路と、
を含み、
前記複数の第２コンプレッサ翼は、前記径方向において前記複数の第２タービン動翼の外側又は内側に配置され、
前記第２コンプレッサ流路と前記第２タービン流路は、前記複数の第２コンプレッサ翼と前記複数の第２タービン動翼とに接続する仕切壁部によって仕切られた、請求項１１に記載の回転機械。
【請求項１４】
前記第２コンプレッサ部から吐出された気体を前記第１コンプレッサ部に導くための第３流路と、
前記第１タービン部から吐出された気体を前記第２タービン部に導くための第４流路と、
を更に備える、請求項１３に記載の回転機械。
【請求項１５】
前記第１タービン部は、前記第１タービン動翼と、前記第１タービン動翼の上流側に設けられたタービン静翼と、からなるタービン段落を複数含む、請求項４に記載の回転機械。
【請求項１６】
前記第１コンプレッサ部及び前記第１タービン部は前記回転軸の一端側に配置され、
前記回転機械は、前記回転軸の他端側に接続されたモータを更に備え、
前記第１コンプレッサ部は、前記第１コンプレッサ翼を通過した気体を冷却対象に導くための第１ガイド部を備え、
前記第１タービン部は、前記冷却対象の冷却に使用された前記気体を前記第１タービン動翼に導くための第２ガイド部を備える、請求項２に記載の回転機械。
【請求項１７】
前記第１コンプレッサ翼と前記第１タービン動翼とは、同一材料で一体的に構成された、請求項１乃至１６の何れか１項に記載の回転機械。
【請求項１８】
前記第１コンプレッサ翼と前記第１タービン動翼とは、互いに異なる材料で構成された、請求項１乃至１６の何れか１項に記載の回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転機械の一種である過給機は、例えば特許文献１に記載されるように、回転軸の一端側に設けられたコンプレッサと、回転軸の他端側に設けられたタービンとを備えている。この従来の過給機では、排気ガスの流れを受けてタービンが回転し、タービンの回転力が回転軸を介してコンプレッサに伝達されてコンプレッサで空気が圧縮される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−１１５５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したような従来の過給機では、回転軸の一端側にコンプレッサが設けられ、回転軸の他端側にタービンが設けられているため、軸方向の寸法が大きくなりやすい。【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、軸方向に小型化可能な回転機械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】
【０００６】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る回転機械は、
回転軸を共有する第１コンプレッサ部及び第１タービン部を備える回転機械であって、
前記第１コンプレッサ部は、
前記回転機械の周方向に間隔をあけて設けられ、前記回転軸とともに回転するように構成された複数の第１コンプレッサ翼と、
前記複数の第１コンプレッサ翼が配置された第１コンプレッサ流路と、
を含み、
前記第１タービン部は、
前記周方向に間隔をあけて設けられ、前記回転軸とともに回転するように構成された複数の第１タービン動翼と、
前記複数の第１タービン動翼が配置された第１タービン流路と、
を含み、
前記複数の第１コンプレッサ翼は、前記回転機械の径方向において前記複数の第１タービン動翼の外側又は内側に配置され、
前記第１コンプレッサ流路と前記第１タービン流路は、前記複数の第１コンプレッサ翼と前記複数の第１タービン動翼とに接続する仕切壁部によって仕切られる。【０００７】
上記（１）に記載の回転機械によれば、第１コンプレッサ翼が径方向において第１タービン動翼の外側又は内側に配置されており、第１コンプレッサ翼と第１タービン動翼とが仕切壁部を介して接続されている。このため、回転軸の一端側と他端側にコンプレッサとタービンをそれぞれ設ける場合と比較して、軸方向に小型化され軽量化された回転機械を実現することができる。【０００８】
また、第１コンプレッサ流路と第１タービン流路とを仕切る仕切壁部が第１コンプレッサ翼と第１タービン動翼とに接続しているため、第１コンプレッサ翼と第１タービン動翼のうち径方向における内側に配置された翼と仕切壁部との間に隙間がない。このため、従来のターボチャージャと比較して、コンプレッサの翼の先端（径方向外側端）と流路壁との間のリーク流れ又はタービンの動翼の先端（径方向外側端）と流路壁との間のリーク流れを抑制して高性能な回転機械を実現することができる。【０００９】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の回転機械において、
前記複数の第１コンプレッサ翼は、前記径方向において前記複数の第１タービン動翼の内側に配置され、
前記仕切壁部は、前記径方向における前記第１コンプレッサ翼の外側端と前記径方向における前記第１タービン動翼の内側端とに接続する。【００１０】
上記（２）に記載の回転機械は、ターボチャージャに好適に使用することができる。ターボチャージャでは、タービンは高温の排気ガスが供給されてコンプレッサよりも高温になりやすい。このため、上記（１）に記載の回転機械において、仮に第１タービン動翼を第１コンプレッサ翼の径方向内側に配置した場合には、第１コンプレッサ翼の重さを高温の第１タービン動翼によって支える必要が生じ、第１タービン動翼の設計をする上で強度上の制約が生じやすい。これに対し、上記（２）に記載のように第１コンプレッサ翼を第１タービン動翼の径方向内側に配置することによって、第１タービン動翼よりも低温の第１コンプレッサ翼によって第１タービン動翼を支持することができるため、第１タービン動翼の設計自由度を高めることができる。【００１１】
また、第１コンプレッサ翼の径方向外側端と仕切壁部とが接続しているため第１コンプレッサ翼と仕切壁部との間に隙間がなく、従来のターボチャージャと比較して、コンプレッサの翼の先端と流路壁との間のリーク流れを抑制してターボ効率を向上することができる。【００１２】
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）に記載の回転機械において、
前記第１コンプレッサ部は、ラジアルコンプレッサである。【００１３】
（４）幾つかの実施形態では、上記（３）に記載の回転機械において、
前記第１タービン部は、軸流タービンである。【００１４】
上記（４）に記載の回転機械によれば、回転機械の作動時におけるコンプレッサ出口流路部の圧力がタービン出口流路部の圧力よりも大きくなるように設計できる。これにより、コンプレッサ出口流路部からタービン出口流路部へのリーク流れが発生し、このリーク流れが仕切壁部の内周面の境界層の吸い込みに寄与する。したがって、通常のターボチャージャにおいて発生するコンプレッサ翼の先端側のサージ流れを緩和することができる。【００１５】
（５）幾つかの実施形態では、上記（３）に記載の回転機械において、
前記第１タービン部は、半径流入式の軸流タービンである。【００１６】
上記（５）に記載の回転機械によれば、回転機械の作動時におけるコンプレッサ入口流路部の圧力がタービン出口流路部の圧力と同程度になるように設計できるため、コンプレッサ入口流路部からタービン出口流路部へのリーク流れを抑制できる。また、回転機械の作動時におけるコンプレッサ入口流路部の圧力がタービン出口流路部の圧力よりも若干高くなるように設計することにより、コンプレッサ出口流路部からタービン入口流路部へのリーク流れが発生し、このリーク流れが仕切壁部の内周面の境界層の吸い込みに寄与する。したがって、通常のターボチャージャにおいて発生するコンプレッサ翼の先端側のサージ流れを緩和することができる。【００１７】
（６）幾つかの実施形態では、上記（３）に記載の回転機械において、
前記第１タービン部は、斜流タービンである。【００１８】
上記（６）に記載の回転機械によれば、斜流タービンとして構成された第１タービン部により、回転数及び圧力比を調整することが可能となる。【００１９】
（７）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の回転機械において、
前記複数の第１コンプレッサ翼は、前記径方向において前記複数の第１タービン動翼の外側に配置され、
前記仕切壁部は、前記径方向における前記第１コンプレッサ翼の内側端と前記径方向における前記第１タービン動翼の外側端とに接続する。【００２０】
上記（７）に記載の回転機械によれば、第１タービン動翼の外側端と仕切壁部とが接続しているため第１タービン動翼と仕切壁部との間に隙間がない。このため、タービン動翼の先端と流路壁との間のリーク流れを抑制して高性能な回転機械を実現することができる。【００２１】
（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の何れかに記載の回転機械において、
前記第１タービン部は、ラジアルタービンであり、
前記第１コンプレッサ部は、軸流コンプレッサ、斜流コンプレッサ又はラジアルコンプレッサである。【００２２】
上記（８）に記載のように内周側の第１タービン部がラジアルタービンである場合には、外周側の第１コンプレッサ部の設計自由度を高めることができ、用途に合わせて第１コンプレッサ翼の形状を決めることができる。【００２３】
（９）幾つかの実施形態では、上記（７）に記載の回転機械において、
前記第１タービン部は、半径流入式の軸流タービンであり、
前記第１コンプレッサ部は、軸流コンプレッサである。【００２４】
上記（９）に記載の回転機械によれば、回転機械の作動時におけるコンプレッサ入口流路部の圧力とタービン出口流路部の圧力が同程度となり、コンプレッサ出口流路部の圧力とタービン入口流路部の圧力が同程度となるように設計することが可能なため、コンプレッサ部とタービン部との間のリーク流れを効果的に抑制することができる。また、半径流入式の軸流タービンはラジアルタービンに対して運用可能な圧力比の範囲が広いため、ラジアルタービンの定常運用範囲外のサイクルにも対応することができる。【００２５】
（１０）幾つかの実施形態では、上記（７）に記載の回転機械において、
前記第１タービン部は、軸流タービンであり、
前記第１コンプレッサ部は、軸流コンプレッサである。【００２６】
上記（１０）に記載の回転機械によれば、回転機械の作動時におけるコンプレッサ入口流路部の圧力とタービン出口流路部の圧力が同程度となり、コンプレッサ出口流路部の圧力とタービン入口流路部の圧力が同程度となるように設計することが可能なため、コンプレッサ部とタービン部との間のリーク流れを効果的に抑制することができる。また、軸流タービンはラジアルタービンに対して運用可能な圧力比の範囲が広いため、ラジアルタービンの定常運用範囲外のサイクルにも対応することができる。【００２７】
（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１０）の何れかに記載の回転機械において、
前記第１コンプレッサ部及び前記第１タービン部は前記回転軸の一端側に配置され、
前記回転機械は、前記回転軸の他端側に配置された第２コンプレッサ部を更に備える。【００２８】
上記（１１）に記載の回転機械によれば、ターボチャージャに適用した場合に、軸流タービンとラジアルコンプレッサとを軸方向に組み合わせた従来のターボチャージャでは困難なコンプレッサの大流量化が容易となり、ターボチャージャとしての性能を向上させることができる。【００２９】
例えば、第２コンプレッサ部側のロータ外径を従来のターボチャージャのコンプレッサのロータ外径と同等とし、第１タービン部側（第１コンプレッサ部側）のロータ外径を従来のターボチャージャのタービンのロータ外径と同等とした場合、回転数を同等とすると、レスポンスを維持したままコンプレッサの流量を増加させることができる。【００３０】
また、例えば、第２コンプレッサ部側のロータ外径を従来のターボチャージャのコンプレッサのロータ外径より小さくしても、第１コンプレッサ部によって流量を補うことができる。この場合、第２コンプレッサ部の小型化により高周速化ができるため、軸流タービンの効率がピークとなる周速に対応する高い回転数で運転することが可能となり、ターボチャージャを高性能化することができる。【００３１】
また、スラスト力に大きな影響を与える第１コンプレッサ部の背圧と第２コンプレッサ部の背圧とが軸方向に相殺する構造となるため、軸系の信頼性を向上することができる。【００３２】
（１２）幾つかの実施形態では、上記（１１）に記載の回転機械において、
前記第１コンプレッサ部から吐出された気体を内燃機関に供給するための第１流路と、
前記第２コンプレッサ部から吐出された気体を前記内燃機関に供給するための第２流路であって、前記第１流路と合流する第２流路と、
前記第１流路及び前記第２流路の少なくとも一方に設けられ、前記第１流路又は前記第２流路の流量を調整可能な流量調整部と、
を更に備える。【００３３】
上記（１２）に記載の回転機械によれば、第１コンプレッサ部から第１流路を介して内燃機関に供給する気体の流量と第２コンプレッサ部から第２流路を介して内燃機関に供給する気体の流量の少なくとも一方を流量調整部によって調整することができるため、可変容量型のターボチャージャとして機能することができる。例えば、回転機械の起動時等の小流量時には、第１コンプレッサ部と第２コンプレッサ部のうち一方のみを駆動し、定常運転時等の大流量時は第１コンプレッサ部と第２コンプレッサ部の両方を使用することによって、可変容量型のターボチャージャとして機能することができる。【００３４】
（１３）幾つかの実施形態では、上記（１１）に記載の回転機械において、
前記回転軸の他端側に配置された第２タービン部を更に備え、
前記第２コンプレッサ部は、
前記回転軸の周方向に間隔をあけて設けられ、前記回転軸とともに回転するように構成された複数の第２コンプレッサ翼と、
前記複数の第２コンプレッサ翼が配置された第２コンプレッサ流路と、
を含み、
前記第２タービン部は、
前記周方向に間隔をあけて設けられ、前記回転軸とともに回転するように構成された複数の第２タービン動翼と、
前記複数の第２タービン動翼が配置された第２タービン流路と、
を含み、
前記複数の第２コンプレッサ翼は、前記回転軸の径方向において前記複数の第２タービン動翼の外側又は内側に配置され、
前記第２コンプレッサ流路と前記第２タービン流路は、前記複数の第２コンプレッサ翼と前記複数の第２タービン動翼とを接続する仕切壁部によって仕切られる。【００３５】
上記（１３）に記載の回転機械によれば、軸方向に小型化された高性能な２段過給装置を実現することができる。【００３６】
（１４）幾つかの実施形態では、上記（１３）に記載の回転機械において、
前記第２コンプレッサ部から吐出された気体を前記第１コンプレッサ部に導くための第３流路と、
前記第１タービン部から吐出された気体を前記第２タービン部に導くための第４流路と、
を更に備える。【００３７】
上記（１４）に記載の回転機械によれば、軸方向に小型化された高性能な２段過給装置を実現することができる。例えば、２段過給装置として構成された回転機械のうち高圧側の第１タービン部を半径流入式の軸流タービンとして構成し、低圧側の第２タービン部を斜流タービンとして構成した場合、従来２つのハウジングが必要だった２段過給装置に対して、１つのハウジングで済み、２段過給装置の小型化及び軽量化が可能である。【００３８】
（１５）幾つかの実施形態では、上記（４）に記載の回転機械において、
前記第１タービン部は、前記第１タービン動翼と、前記第１タービン動翼の上流側に設けられたタービン静翼と、からなるタービン段落を複数含む。【００３９】
上記（１５）に記載の回転機械によれば、例えば小型のガスタービンに適用することができる。この場合、既存のタービン速度比Ｕ／ＣＯや流量特性を変更せずにガスタービンを軸方向に小型化し軽量化することができる。また、従来のガスタービンと比較して第１コンプレッサ翼と仕切壁部とが接続されていてコンプレッサ翼と仕切壁部との間に隙間がないため、コンプレッサ翼の先端と流路壁との間のリーク流れを抑制して高効率なガスタービンを実現することができる。【００４０】
（１６）幾つかの実施形態では、上記（２）に記載の回転機械において、
前記第１コンプレッサ部及び前記第１タービン部は前記回転軸の一端側に配置され、
前記回転機械は、前記回転軸の他端側に接続されたモータを更に備え、
前記第１コンプレッサ部は、前記第１コンプレッサ翼を通過した気体を冷却対象に導くための第１ガイド部を備え、
前記第１タービン部は、前記冷却対象の冷却に使用された前記気体を前記第１タービン動翼に導くための第２ガイド部を備える。【００４１】
上記（１６）に記載の回転機械によれば、第１ガイド部によって冷却対象に導かれた流体は、冷却対象を冷却した後に第１タービン部に導かれる。これにより、冷却対象の排熱を利用して第１タービン動翼で動力を回収し、モータの駆動力をアシストすることができる。したがって、従来捨てられていた排熱を有効活用して、モータの電力使用量を低減することができる。【００４２】
（１７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１６）の何れかに記載の回転機械において、
前記第１コンプレッサ翼と前記第１タービン動翼とは、同一材料で一体的に構成される。【００４３】
上記（１）乃至（１６）の何れかに記載の回転機械を例えばガソリンエンジン用のターボチャージャとして使用する場合には、ガソリンエンジンの排気ガスが高温であるため、上記（１７）に記載のように、第１コンプレッサ翼とタービン動翼は、耐熱性を考慮して、一般的なタービン材料を用いて同一材料で一体的に構成されてもよい。また、必要な耐熱性を満たす場合には、コンプレッサ翼及びタービン動翼は一般的なコンプレッサ材料を用いて同一材料で一体的に構成されていてもよい。【００４４】
（１８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１６）の何れかに記載の回転機械において、
前記第１コンプレッサ翼と前記第１タービン動翼とは、互いに異なる材料で構成される。【００４５】
上記（１）乃至（１６）の何れかに記載の回転機械を比較的低い温度の排熱の回収に使用する場合（例えば燃料電池やディーゼルエンジンの排熱回収や、バイナリーサイクル等における排熱温度が比較的低いタービンの排熱回収に使用する場合）には、上記（１８）に記載のようにコンプレッサ翼の材料とタービン動翼の材料とを分けても強度的に成立し易い。この場合、三次元金属積層造形法による加工を好適に使用することができる。
【発明の効果】
【００４６】
本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、軸方向に小型化可能な回転機械が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】一実施形態に係る回転機械２（２Ａ）の概略断面図である。
【図２Ａ】回転機械２（２Ａ）の径方向視における第１コンプレッサ翼、第１タービン動翼及び静翼の配置を示す図である。
【図２Ｂ】回転機械２（２Ａ）の回転軸４に接続するモータ２１を示す図である。
【図３】一実施形態に係る回転機械２（２Ｂ）の概略断面図である。
【図４】回転機械２（２Ｂ）の径方向視における第１コンプレッサ翼及び第１タービン動翼の配置を示す図である。
【図５】一実施形態に係る回転機械２（２Ｃ）の概略断面図である。
【図６】回転機械２（２Ｃ）の径方向視における第１コンプレッサ翼及び第１タービン動翼の配置を示す図である。
【図７】一実施形態に係る回転機械２（２Ｄ）の概略断面図である。
【図８】回転機械２（２Ｄ）の径方向視における第１コンプレッサ翼及び第１タービン動翼の配置を示す図である。
【図９】一実施形態に係る回転機械２（２Ｅ）の概略断面図である。
【図１０】回転機械２（２Ｅ）の径方向視における第１コンプレッサ翼及び第１タービン動翼の配置を示す図である。
【図１１】一実施形態に係る回転機械２（２Ｆ）の概略断面図である。
【図１２】一実施形態に係る回転機械２（２Ｇ）の概略断面図である。
【図１３】一実施形態に係る回転機械２（２Ｈ）の概略断面図である。
【図１４】一実施形態に係る回転機械２（２Ｉ）の概略断面図である。
【図１５】一実施形態に係る回転機械２（２Ｊ）の概略断面図である。
【図１６】一実施形態に係る回転機械２（２Ｋ）の概略断面図である。
【図１７】一実施形態に係る回転機械２（２Ｌ）の概略断面図である。
【図１８】一実施形態に係る回転機械２（２Ｌ）の概略断面図である。
【図１９】一実施形態に係る回転機械２（２Ｍ）の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
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。
【００４９】
図１は、一実施形態に係る回転機械２（２Ａ）の概略断面図である。図２Ａは、回転機械２（２Ａ）の径方向視における第１コンプレッサ翼、第１タービン動翼及び静翼の配置を示す図である。図２Ｂは、回転機械２（２Ａ）の回転軸４に接続するモータ２１を示す図である。図３は、一実施形態に係る回転機械２（２Ｂ）の概略断面図である。図４は、回転機械２（２Ｂ）の径方向視における第１コンプレッサ翼及び第１タービン動翼の配置を示す図である。図５は、一実施形態に係る回転機械２（２Ｃ）の概略断面図である。図６は、回転機械２（２Ｃ）の径方向視における第１コンプレッサ翼及び第１タービン動翼の配置を示す図である。図７は、一実施形態に係る回転機械２（２Ｄ）の概略断面図である。図８は、回転機械２（２Ｄ）の径方向視における第１コンプレッサ翼及び第１タービン動翼の配置を示す図である。図９は、一実施形態に係る回転機械２（２Ｅ）の概略断面図である。
【００５０】
図１０は、回転機械２（２Ｅ）の径方向視における第１コンプレッサ翼及び第１タービン動翼の配置を示す図である。図１１は、一実施形態に係る回転機械２（２Ｆ）の概略断面図である。図１２は、一実施形態に係る回転機械２（２Ｇ）の概略断面図である。図１３は、一実施形態に係る回転機械２（２Ｈ）の概略断面図である。図１４は、一実施形態に係る回転機械２（２Ｉ）の概略断面図である。図１５は、一実施形態に係る回転機械２（２Ｊ）の概略断面図である。図１６は、一実施形態に係る回転機械２（２Ｋ）の概略断面図である。図１７は、一実施形態に係る回転機械２（２Ｌ）の概略断面図である。図１８は、一実施形態に係る回転機械２（２Ｌ）の概略断面図である。図１９は、一実施形態に係る回転機械２（２Ｍ）の概略断面図である。
【００５１】
以下では、回転機械２の周方向（回転機械２の回転軸４の周方向）を単に「周方向」と記載し、回転機械２の径方向（回転機械２の回転軸４の径方向）を単に「径方向」と記載し、回転機械２の軸方向（回転機械２の回転軸４の軸線方向）を単に「軸方向」と記載することとする。
【００５２】
幾つかの実施形態では、例えば図１〜図１９に示すように、回転機械２（２Ａ〜２Ｍ）は、回転軸４を共有する第１コンプレッサ部６及び第１タービン部８を備える。第１コンプレッサ部６は、周方向に間隔をあけて設けられ、回転軸４とともに回転するように構成された複数のコンプレッサ翼１０（第１コンプレッサ翼）と、複数のコンプレッサ翼１０が配置されたコンプレッサ流路１２（第１コンプレッサ流路）とを含む。第１タービン部８は、周方向に間隔をあけて設けられ、回転軸４とともに回転するように構成された複数のタービン動翼１４（第１タービン動翼）と、複数のタービン動翼１４が配置されたタービン流路１６（第１タービン流路）とを含む。
【００５３】
コンプレッサ流路１２は、コンプレッサ流路１２の入口からコンプレッサ翼１０に気体を導くように構成されたコンプレッサ入口流路部２２と、コンプレッサ翼１０を通過した気体をコンプレッサ流路１２の出口に導くコンプレッサ出口流路部２３とを含む。タービン流路１６は、タービン流路１６の入口からタービン動翼１４に気体を導くタービン入口流路部２８と、タービン動翼１４を通過した気体をタービン流路１６の出口に導くタービン出口流路部３０とを含む。
【００５４】
複数のコンプレッサ翼１０は、径方向において複数のタービン動翼１４の外側又は内側に配置される。コンプレッサ流路１２とタービン流路１６は、複数のコンプレッサ翼１０と複数のタービン動翼１４とに接続するように周方向に沿って延在する筒状の仕切壁部１８によって仕切られている。すなわち、コンプレッサ流路１２とタービン流路１６は、複数のコンプレッサ翼１０と複数のタービン動翼１４とに接続するように周方向に沿って延在する筒状の仕切壁部１８を共有している。このように、回転機械２（２Ａ〜２Ｍ）では、複数のコンプレッサ翼１０、複数のタービン動翼１４及び仕切壁部１８が回転軸４とともにロータ２０の少なくとも一部を構成するように構成される。
【００５５】
上記回転機械２（２Ａ〜２Ｍ）によれば、コンプレッサ翼１０が径方向においてタービン動翼１４の外側又は内側に配置されており、コンプレッサ翼１０とタービン動翼１４とが仕切壁部１８を介して接続されている。このため、回転軸４の一端側と他端側にコンプレッサとタービンをそれぞれ設ける場合と比較して、軸方向に小型化され軽量化された回転機械２を実現することができる。
【００５６】
また、コンプレッサ流路１２とタービン流路１６とを仕切る仕切壁部１８がコンプレッサ翼１０とタービン動翼１４とに接続しているため、コンプレッサ翼１０とタービン動翼１４のうち径方向における内側に配置された翼と仕切壁部１８との間に隙間がない。このため、コンプレッサ翼１０とタービン動翼１４のうち径方向における内側に配置された翼と仕切壁部１８との間にリーク流れが生じないため、高性能な回転機械を実現することができる。
【００５７】
幾つかの実施形態では、例えば図１〜図１８に示す回転機械２（２Ａ〜２Ｌ）は、ターボチャージャとして構成され、タービン流路１６に不図示の内燃機関からの排気ガスが供給される。これにより、タービン動翼１４が排気ガスの流れを受けて動力を回収し、タービン動翼１４と一体的に回転するコンプレッサ翼１０が空気を圧縮して内燃機関に供給する。なお、内燃機関の種類は特に限定されず、例えばガスエンジン、ガスタービン又はディーゼルエンジンであってもよい。また、内燃機関に代えて燃料電池を使用してもよい。この場合、燃料電池の排ガスはタービン流路１６に供給され、コンプレッサ翼１０を用いて圧縮した空気が燃料電池に供給される。
【００５８】
幾つかの実施形態では、例えば図１、図３及び図１４〜図１９に示すように、複数のコンプレッサ翼１０は、径方向において複数のタービン動翼１４の内側に配置され、仕切壁部１８は、径方向におけるコンプレッサ翼１０の外側端１０ａと径方向におけるタービン動翼１４の内側端１４ａとに接続するように周方向に沿って延在する。
【００５９】
回転機械２（２Ａ〜２Ｌ）をターボチャージャに適用する場合には、第１タービン部８は高温の排気ガスが供給されて第１コンプレッサ部６よりも高温になりやすい。このため、タービン動翼１４をコンプレッサ翼１０の内側に配置した場合には、コンプレッサ翼１０の重さを高温のタービン動翼１４によって支える必要が生じ、タービン動翼１４の設計をする上で強度上の制約が生じやすい。これに対し、上記のようにコンプレッサ翼１０をタービン動翼１４の径方向内側に配置することによって、タービン動翼１４よりも低温のコンプレッサ翼１０によってタービン動翼１４を支持することができるため、タービン動翼１４の設計自由度を高めることができる。また、コンプレッサ翼１０の外側端１０ａと仕切壁部１８とが接続しているためコンプレッサ翼１０と仕切壁部１８との間に隙間がなく、従来のターボチャージャと比較して、コンプレッサ翼１０の外側端１０ａと流路壁（仕切壁部１８）との間のリーク流れが生じないため、ターボ効率を向上することができる。
【００６０】
幾つかの実施形態では、例えば図５、図７、図９、図１１〜図１３に示すように、複数のコンプレッサ翼１０は、径方向において複数のタービン動翼１４の外側に配置され、仕切壁部１８は、径方向におけるコンプレッサ翼１０の内側端１０ｂと径方向におけるタービン動翼１４の外側端１４ｂとに接続するように周方向に沿って延在する。
【００６１】
このように、回転機械２（２Ｃ〜２Ｈ）によれば、タービン動翼１４の外側端１４ｂと仕切壁部１８とが接続しているためタービン動翼１４と仕切壁部１８との間に隙間がなく、タービン動翼１４の外側端１４ｂと流路壁（仕切壁部１８）との間のリーク流れが生じないため、高性能な回転機械を実現することができる。したがって、回転機械２（２Ｃ〜２Ｈ）をターボチャージャに適用した場合には、従来のターボチャージャと比較して、タービン動翼１４の外側端１４ｂと流路壁（仕切壁部１８）との間のリーク流れが生じないため、ターボ効率を向上することができる。
【００６２】
次に、回転機械２（２Ａ〜２Ｍ）の各々の詳細構成について、回転機械２（２Ａ）から順に説明する。
図１及び図２Ａに示すように、回転機械２（２Ａ）では、内周側の第１コンプレッサ部６はラジアルコンプレッサであり、外周側の第１タービン部８は軸流タービンである。コンプレッサ入口流路部２２は、軸方向に沿って軸受５と反対側からコンプレッサ翼１０に空気（気体）を流入させるように構成される。コンプレッサ出口流路部２３は、径方向においてコンプレッサ翼１０の外側に設けられたコンプレッサ側スクロール流路部２４と、コンプレッサ翼１０を通過した気体をコンプレッサ側スクロール流路部２４に導くディフューザ流路部２６と、を含む。タービン入口流路部２８は、不図示の内燃機関の排気ガス（気体）を軸方向に沿って軸受５と反対側からタービン動翼１４に流入させるように構成され、タービン入口流路部２８には、タービン動翼１４の上流側に周方向に間隔をあけて複数のタービン静翼３２が設けられている。
【００６３】
図２Ａに示すように、コンプレッサ翼１０の正圧面１０ｃは回転軸４の回転方向における下流側を向いており、タービン動翼１４の正圧面１４ｃは回転軸４の回転方向における上流側を向いており、タービン静翼３２の正圧面３２ｃは回転軸４の回転方向において下流側を向いている。このように、コンプレッサ翼１０の正圧面１０ｃとタービン動翼１４の正圧面１４ｃとは、回転軸４の回転方向において互いに逆方向を向いている。また、径方向視において、コンプレッサ翼１０とタービン動翼１４とは部分的にオーバーラップしている。
【００６４】
上記回転機械２（２Ａ）では、タービン入口流路部２８における高温高圧の排気ガスがタービン静翼３２によって加速され、タービン動翼１４にてその排気ガスから動力が回収される。タービン動翼１４で回収した動力は内周側の第１コンプレッサ部６で消費される。
【００６５】
図１に示す回転機械２（２Ａ）において、コンプレッサ入口流路部２２の圧力をＰ１、コンプレッサ側スクロール流路部２４の圧力をＰ２、タービン入口流路部２８におけるタービン静翼３２の上流側の圧力をＰ３、タービン入口流路部２８におけるタービン静翼３２の径方向内側端３２ａとタービン動翼１４の径方向内側端１４ａとの間の圧力をＰ４、タービン出口流路部３０の圧力をＰ５とする。ここで、Ｐ１≒Ｐ４（≒Ｐ５）を満たす状態で作動するように回転機械２（２Ａ）を設計することが可能なため、性能に大きく影響する圧力Ｐ１と圧力Ｐ４との差圧に起因するコンプレッサ入口流路部２２とタービン入口流路部２８との間のリーク流れ（コンプレッサ入口流路部２２を形成する筒状の案内筒２５と仕切壁部１８との隙間を介したリーク流れ）を抑制することができ、ターボ効率の高い回転機械２（２Ａ）を実現することができる。なお、「Ｐ４≒Ｐ５」の「≒」とは、例えば、タービン動翼１４についての反動度（Ｐ４−Ｐ５）／（Ｐ３−Ｐ５）が−１０％〜３０％となる程度にＰ４とＰ５が等しい状態を示してもよい。
【００６６】
また、コンプレッサ側スクロール流路部２４を構成するスクロールケーシング３４とタービン出口流路部３０における比較的冷めた熱源とが接するため、熱的な強度信頼性を向上させるレイアウトになっている。また、第１タービン部８は第１コンプレッサ部６による冷却が得られるため、強度的な信頼性を向上させることができる。
【００６７】
また、Ｐ２＞Ｐ５（≒Ｐ１）を満たすことにより、コンプレッサ出口流路部２３からタービン出口流路部３０へのリーク流れ（コンプレッサ出口流路部２３とタービン出口流路部３０とを仕切る環状の仕切板８８と仕切壁部１８との隙間を介したリーク流れ）が発生し、このリーク流れが仕切壁部１８の内周面の境界層の吸い込みに寄与する。これにより、通常のターボチャージャにおいて発生するコンプレッサ部の翼先端側のサージ流れを緩和することができる。
【００６８】
なお、図１に示す例示的な形態では、回転機械２（２Ａ）は、ロータ２０を収容するケーシングとして、案内筒２５、外側ケーシング８６、スクロールケーシング３４、仕切板８８及び軸受ケーシング９０を含む。案内筒２５は、コンプレッサ入口流路部２２を内側に形成する。外側ケーシング８６は、径方向における案内筒２５の外側に配置され、案内筒２５との間にタービン入口流路部２８を形成するとともに、仕切板８８との間にタービン出口流路部３０を形成する。仕切板８８は、タービン出口流路部３０とコンプレッサ出口流路部２３とを仕切るように設けられ、スクロールケーシング３４との間にコンプレッサ出口流路部２３を形成する。軸受ケーシング９０は、回転軸４を回転可能に支持する軸受５を収容する。
【００６９】
ロータ２０を収容するケーシングの構成は特に限定されないが、上述のように案内筒２５と外側ケーシング８６とを別部品として構成することにより、メンテナンス時や各翼の加工時に案内筒２５を外側ケーシング８６から取り外してコンプレッサ翼１０、タービン動翼１４及びタービン静翼３２へ容易にアクセスすることができる。また、外側ケーシング８６と仕切板８８とを別部品として構成することにより、メンテナンス時や各翼の加工時に外側ケーシング８６を仕切板８８から取り外してタービン動翼１４へ容易にアクセスすることができる。
【００７０】
また、一実施形態では、例えば図２Ｂに示すように、回転機械２（２Ａ）の軸受５を挟んで回転軸４における第１コンプレッサ部６（図１参照）と反対側の端部に、回転軸４の回転をアシストするためのモータ２１が接続されていてもよい。これにより、電動アシスト式のターボチャージャを簡素な構成により低コストで実現することができる。
【００７１】
次に、図３及び図４を用いて回転機械２（２Ｂ）について説明する。
図３及び図４に示すように、回転機械２（２Ｂ）では、内周側の第１コンプレッサ部６はラジアルコンプレッサであり、外周側の第１タービン部８は半径流入式の軸流タービンである。コンプレッサ入口流路部２２は、軸方向に沿って軸受５と反対側からコンプレッサ翼１０に空気を流入させるように構成される。コンプレッサ出口流路部２３は、径方向においてコンプレッサ翼１０の外側に設けられたコンプレッサ側スクロール流路部２４と、コンプレッサ翼１０を通過した空気をコンプレッサ側スクロール流路部２４に導くディフューザ流路部２６と、を含む。タービン入口流路部２８は、ロータ２０の外周側に設けられたタービン側スクロール流路部３６と、タービン側スクロール流路部３６を通過した排気ガスの流れ方向を、径方向における内側に向かう方向から軸方向に沿う方向に変更するように構成されたベンド流路部３８と、を含み、軸方向に沿って軸受５側からタービン動翼１４に排気ガスを流入させるように構成される。このように、コンプレッサ翼１０への空気の流入方向と、タービン動翼１４における排気ガスの流入方向とは反対方向である。
【００７２】
図４に示すように、コンプレッサ翼１０の正圧面１０ｃは回転軸４の回転方向における下流側を向いており、タービン動翼１４の正圧面１４ｃは回転軸４の回転方向における上流側を向いている。このように、コンプレッサ翼１０の正圧面１０ｃとタービン動翼１４の正圧面１４ｃとは、回転軸４の回転方向において互いに逆方向を向いている。また、径方向視において、コンプレッサ翼１０とタービン動翼１４とは部分的にオーバーラップしている。
【００７３】
上記回転機械２（２Ｂ）では、タービン入口流路部２８のタービン側スクロール流路部３６からベンド流路部３８を通った高温高圧の排気ガスが軸方向に沿って外周側のタービン動翼１４に流入し、タービン動翼１４にてその流体から動力が回収される。タービン動翼１４で回収した動力は内周側の第１コンプレッサ部６で消費される。
【００７４】
図３に示す回転機械２（２Ｂ）において、コンプレッサ入口流路部２２の圧力をＰ１、コンプレッサ側スクロール流路部２４の圧力をＰ２、タービン入口流路部２８におけるタービン静翼３２の上流側の圧力をＰ３、タービン出口流路部３０の圧力をＰ５とする。ここで、単段のターボチャージャにおいては、半径流入式の軸流タービンを採用することにより、Ｐ１≒Ｐ５及びＰ２≒Ｐ３を満たす状態で作動するように回転機械２（２Ｂ）を設計することができるため、コンプレッサ入口流路部２２とタービン出口流路部３０との間のリーク流れ（コンプレッサ入口流路部２２を構成する案内筒２５と仕切壁部１８との隙間を介したリーク流れ）を抑制するとともに、コンプレッサ出口流路部２３とタービン入口流路部２８との間のリーク流れ（コンプレッサ出口流路部２３とタービン入口流路部２８とを仕切る環状の仕切板８８と仕切壁部１８との隙間を介したリーク流れ）を抑制することができる。また、圧力損失によりややＰ２＞Ｐ３となるため、回転機械２（２Ａ）と同様に、コンプレッサ部６のサージ流れを緩和することができる。したがって、ターボ効率の高い回転機械２（２Ｂ）を実現することができる。
【００７５】
また、上記回転機械２（２Ｂ）では、タービン側スクロール流路部３６を形成するスクロールケーシング３４に冷却媒体が流れる冷却流路４０が設けられている。これにより、タービン入口流路部２８からスクロールケーシング３４に伝達される排気ガスの高熱の影響を緩和することができる。
【００７６】
なお、図３に示す例示的な形態では、回転機械２（２Ｂ）は、ロータ２０を収容するケーシングとして、案内筒２５、外側ケーシング８６、スクロールケーシング３４、仕切板８８及び軸受ケーシング９０を含む。案内筒２５は、コンプレッサ入口流路部２２を内側に形成する。外側ケーシング８６は、径方向における案内筒２５の外側に配置され、案内筒２５との間にタービン出口流路部３０を形成するとともに、仕切板８８との間にタービン入口流路部２８を形成する。仕切板８８は、タービン入口流路部２８とコンプレッサ出口流路部２３とを仕切るように設けられ、スクロールケーシング３４との間にコンプレッサ出口流路部２３を形成する。軸受ケーシング９０は、回転軸４を回転可能に支持する軸受５を収容する。
【００７７】
ロータ２０を収容するケーシングの構成は特に限定されないが、上述のように案内筒２５と外側ケーシング８６とを別部品として構成することにより、メンテナンス時や各翼の加工時に案内筒２５を外側ケーシング８６から取り外してコンプレッサ翼１０及びタービン動翼１４へ容易にアクセスすることができる。また、外側ケーシング８６と仕切板８８とを別部品として構成することにより、メンテナンス時や各翼の加工時に外側ケーシング８６を仕切板８８から取り外してタービン動翼１４へ容易にアクセスすることができる。
【００７８】
次に、図５〜図１０を用いて回転機械２（２Ｃ〜２Ｅ）について説明する。
図５、図７及び図９に示すように、回転機械２（２Ｃ〜２Ｅ）では、内周側の第１タービン部８はラジアルタービンある。この場合、外周側の第１コンプレッサ部６は、図５及び図７に示すように軸流コンプレッサであってもよいし、図９に示すようにラジアルコンプレッサであってもよいし、斜流コンプレッサであってもよい。このように、内周側の第１タービン部８がラジアルタービンである場合には、外周側の第１コンプレッサ部６の設計自由度を高めることができ、用途に合わせてコンプレッサ翼１０の形状を決めることができる。
【００７９】
図５に示す回転機械２（２Ｃ）では、コンプレッサ入口流路部２２は、軸方向に沿って軸受５側からコンプレッサ翼１０に気体を流入させるように構成され、タービン入口流路部２８は、径方向に沿ってタービン動翼１４に気体を流入させるように構成される。図７及び図９に示す回転機械２（２Ｄ，２Ｅ）では、コンプレッサ入口流路部２２は、軸方向に沿って軸受５と反対側からコンプレッサ翼１０に気体を流入させるように構成され、タービン入口流路部２８は、径方向に沿ってタービン動翼１４に気体を流入させるように構成される。また、図５及び図７に示す回転機械２（２Ｃ、２Ｄ）では、コンプレッサ出口流路部２３には、周方向に間隔をあけて複数のディフューザ翼４２が設けられる。
【００８０】
図６、図８及び図１０に示すように、回転機械２（２Ｃ〜２Ｅ）では、コンプレッサ翼１０の正圧面１０ｃは回転軸４の回転方向における下流側を向いており、タービン動翼１４の正圧面１４ｃは回転軸４の回転方向における上流側を向いている。このように、コンプレッサ翼１０の正圧面１０ｃとタービン動翼１４の正圧面１４ｃとは、回転軸４の回転方向において互いに逆方向を向いている。また、径方向視において、コンプレッサ翼１０とタービン動翼１４とは部分的にオーバーラップしている。
【００８１】
なお、軸流コンプレッサはラジアルタービンに比べて単段当りの使用圧力比が小さいため、コンプレッサ出口流路部２３の圧力Ｐ２とタービン側スクロール流路部３６の圧力Ｐ３とは、Ｐ２≒Ｐ３を満たさない。つまり、第１タービン部８と第１コンプレッサ部６とがバランスせず、タービン動翼１４にて回収する動力が余るため、ターボチャージャとして構成するよりも、発電機や被駆動機に回転軸４を連結することで発電装置や動力駆動装置として好適に利用することができる。
【００８２】
回転機械２（２Ｃ〜２Ｅ）は、回転軸４に例えば他の過給機を連結して２段過給装置として構成してもよいし、回転軸４に負荷吸収体（被駆動機）を連結してもよい。この場合、回転機械２（２Ｃ〜２Ｅ）は、他の過給機又は負荷吸収体で消費されずに余った動力を第１コンプレッサ部６により別のプロセスで使用するサイクルにおいて好適に使用される。
【００８３】
次に、図１１を用いて回転機械２（２Ｆ）について説明する。
回転機械２（２Ｆ）では、内周側の第１タービン部８は半径流入式の軸流タービンあり、外周側の第１コンプレッサ部６は、軸流コンプレッサである。タービン入口流路部２８は、ロータ２０の外周側に設けられたタービン側スクロール流路部３６と、タービン側スクロール流路部３６を通過した排気ガスの流れ方向を、径方向における内側に向かう方向から軸方向に沿う方向に変更するように構成されたベンド流路部３８と、を含み、軸方向に沿って軸受５側からタービン動翼１４に排気ガスを流入させるように構成される。コンプレッサ入口流路部２２は、軸方向に沿って軸受５と反対側からコンプレッサ翼１０に空気を流入させるように構成される。すなわち、コンプレッサ翼１０への空気の流入方向と、タービン動翼１４における排気ガスの流入方向とは反対方向である。
【００８４】
上記回転機械２（２Ｆ）では、タービン入口流路部２８のタービン側スクロール流路部３６からベンド流路部３８を通った高温高圧の排気ガスがタービン動翼１４に流入し、タービン動翼１４にてその排気ガスから動力が回収される。タービン動翼１４で回収した動力は外周側の第１コンプレッサ部６で消費される。
【００８５】
次に、図１２及び図１３を用いて回転機械２（２Ｇ，２Ｈ）について説明する。
図１２に示すように、回転機械２（２Ｇ）では、内周側の第１タービン部８は軸流タービンあり、外周側の第１コンプレッサ部６は軸流コンプレッサである。
【００８６】
回転機械２（２Ｇ）では、タービン入口流路部２８は、軸方向に沿って軸受５と反対側からタービン動翼１４に気体を流入させるように構成される。タービン入口流路部２８には、タービン動翼１４の上流側に周方向に間隔をあけて複数のタービン静翼３２が設けられている。コンプレッサ入口流路部２２は、軸方向に沿って軸受５側からコンプレッサ翼１０に気体を流入させるように構成される。コンプレッサ出口流路部２３には、周方向に間隔をあけて複数のディフューザ翼４２が設けられる。このように、コンプレッサ翼１０への気体の流入方向と、タービン動翼１４における排気ガスの流入方向とは反対方向である。
【００８７】
図１３に示すように、回転機械２（２Ｈ）では、内周側の第１タービン部８は半径流入式の軸流タービンであり、外周側の第１コンプレッサ部６は軸流コンプレッサである。タービン入口流路部２８は、ロータ２０の外周側に設けられたタービン側スクロール流路部３６と、タービン側スクロール流路部３６を通過した排ガスの流れ方向を、径方向における内側に向かう方向から軸方向に沿う方向に変更するように構成されたベンド流路部３８と、を含み、軸方向に沿って軸受５側からタービン動翼１４に気体を流入させるように構成される。コンプレッサ入口流路部２２は、軸方向に沿って軸受５と反対側からコンプレッサ翼１０に気体を流入させるように構成される。このように、コンプレッサ翼１０への気体の流入方向と、タービン動翼１４における排気ガスの流入方向とは反対方向である。
【００８８】
このように、上記回転機械２（２Ｇ，２Ｈ）では、タービン入口流路部２８を通った高温高圧の排気ガスが内周側のタービン動翼１４に軸方向に沿って流入し、タービン動翼１４にてその流体から動力が回収される。タービン動翼１４で回収した動力は外周側の第１コンプレッサ部６で消費される。
【００８９】
図１１〜図１３に示した回転機械２（２Ｇ〜２Ｈ）によれば、軸流タービンはラジアルタービンに対して運用可能な圧力比の範囲が広い（例えば圧力比１．１程度の低圧力比でも圧力比５以上の高圧力比でも高性能な設計ができる）ため、ラジアルタービンの定常運用範囲（例えば圧力比１．５〜４）外のサイクルにも対応することができる。
【００９０】
また、従来の典型的なターボチャージャに用いられる小型のタービンでは、タービン動翼の翼高さが小さく、チップクリアランスの影響が大きくなるためチップリーク（タービン動翼の先端と流路壁との隙間のリーク流れ）による損失が大きくなりやすい。特に、軸流タービンはラジアルタービンに比べてチップリーク損失が大きくなりやすい。この点、図１１〜図１３に示した回転機械２（２Ｇ〜２Ｈ）によれば、第１タービン部８のタービン動翼１４の外側端１４ｂは仕切壁部１８に接続しており、第１タービン部８のチップリークを略０％まで低減することができるため、大幅な性能向上が可能である。
【００９１】
また、図１１〜図１３に示した回転機械２（２Ｇ〜２Ｈ）によれば、コンプレッサ入口流路部２２の圧力Ｐ１、コンプレッサ出口流路部２３の圧力Ｐ２、タービン入口流路部２８におけるタービン静翼３２の上流側の圧力Ｐ３、及びタービン出口流路部３０の圧力Ｐ５について、Ｐ１≒Ｐ５、及びＰ２≒Ｐ３を満たす状態で作動するように回転機械２（２Ａ）を設計することが可能なため、コンプレッサ流路１２とタービン流路１６との間のリーク流れを効果的に抑制することが可能である。
【００９２】
次に、図１４を用いて回転機械２（２Ｉ）について説明する。
回転機械２（２Ｉ）では、回転軸４の一端側に上述した第１コンプレッサ部６及び第１タービン部８を含む回転機械２（２Ａ）が配置され、回転軸４の他端側に第２コンプレッサ部４４が配置されている。図示する形態では、第２コンプレッサ部４４はラジアルコンプレッサである。
【００９３】
回転機械２（２Ｉ）によれば、軸流タービンとラジアルコンプレッサとを軸方向に組み合わせた従来のターボチャージャでは困難なコンプレッサの大流量化が容易となり、ターボチャージャとしての性能を向上させることができる。
【００９４】
例えば、第２コンプレッサ部４４側のロータ外径を従来のターボチャージャのコンプレッサのロータ外径と同等とし、第１タービン部８側（第１コンプレッサ部６側）のロータ外径を従来のターボチャージャのタービンのロータ外径と同等とした場合、回転数を同等とすると、レスポンスを維持したままコンプレッサの流量を増加させることができる。
【００９５】
また、例えば、第２コンプレッサ部４４側のロータ外径を従来のターボチャージャのコンプレッサのロータ外径より小さくしても、第１コンプレッサ部６によって流量を補うことができる。この場合、第２コンプレッサ部４４の小型化により高周速化ができるため、軸流タービンの効率がピークとなる周速に対応する高い回転数で運転することが可能となり、ターボチャージャを高性能化することができる。
【００９６】
また、スラスト力に大きな影響を与える第１コンプレッサ部６の背圧と第２コンプレッサ部４４の背圧とが軸方向に相殺する構造となるため、軸系の信頼性を向上することができる。
【００９７】
なお、図１４に示す例示的な回転機械２（２Ｉ）では、回転軸４の一端側に上述した回転機械２（２Ａ）が配置された形態を示したが、回転機械２（２Ｉ）における回転軸４の一端側には、回転機械２（２Ａ）に代えて、上述した回転機械２（２Ｂ〜２Ｈ）の何れかを配置してもよい。
【００９８】
次に、図１５を用いて回転機械２（２Ｊ）について説明する。
回転機械２（２Ｊ）では、上述した回転機械２（２Ｉ）における軸流タービンとして構成された外周側の第１タービン部８に代えて、斜流タービンとして構成された第１タービン部８を外周側に備える。この場合、斜流タービンとして構成された第１タービン部８により、回転数及び圧力比を調整することが可能となる。
【００９９】
また、回転機械２（２Ｊ）は、第１コンプレッサ部６から吐出された空気を内燃機関４６に供給するための第１流路４８と、第２コンプレッサ部４４から吐出された空気を内燃機関４６に供給するための第２流路５０と、流量調整部５２とを備える。第２流路５０は、第１流路４８と合流するように構成され、流量調整部５２は、第１流路４８及び第２流路５０の少なくとも一方に設けられ、第１流路４８又は第２流路５０の流量を調整可能に構成される。図示する例示的形態では、流量調整部５２は、第１流路４８に設けられた流量制御弁５４を含む。また、回転機械２（２Ｊ）には、内燃機関４６の排気ガスを第１タービン部８の入口に供給するための排気ガス流路５１が設けられている。一実施形態では、第１流路４８又は第２流路５０には、第１流路４８又は第２流路から吐出された空気の余剰分を貯蔵するための不図示のタンクが接続されていてもよい。
【０１００】
このように、回転機械２（２Ｊ）は、第１コンプレッサ部６から第１流路４８を介して内燃機関４６に供給する空気の流量と第２コンプレッサ部４４から第２流路５０を介して内燃機関４６に供給する空気の流量の少なくとも一方を流量調整部５２によって調整することができるため、可変容量型のターボチャージャとして機能することができる。例えば、回転機械２（２Ｊ）の起動時等の小流量時には、第１コンプレッサ部６と第２コンプレッサ部４４のうち一方のみを駆動し、定常運転時等の大流量時は第１コンプレッサ部６と第２コンプレッサ部４４の両方を使用することによって、可変容量型のターボチャージャとして機能することができる。
【０１０１】
次に、図１６を用いて回転機械２（２Ｋ）について説明する。
回転機械２（２Ｋ）では、回転軸４の一端側に上述した第１コンプレッサ部６及び第１タービン部８を含む回転機械２（２Ｂ）が配置され、回転軸４の他端側に第２コンプレッサ部４４及び第２タービン部５６が配置されている。図示する形態では、内周側の第２コンプレッサ部４４はラジアルコンプレッサであり、外周側の第２タービン部５６は斜流タービンである。
【０１０２】
第２コンプレッサ部４４は、周方向に間隔をあけて設けられ、回転軸４とともに回転するように構成された複数のコンプレッサ翼５８（第２コンプレッサ翼）と、複数のコンプレッサ翼５８が配置されたコンプレッサ流路６０（第２コンプレッサ流路）と、を含む。第２タービン部５６は、周方向に間隔をあけて設けられ、回転軸４とともに回転するように構成された複数のタービン動翼６２（第２タービン動翼）と、複数のタービン動翼６２が配置されたタービン流路６４（第２タービン流路）と、を含む。
【０１０３】
複数のコンプレッサ翼５８は、径方向において複数のタービン動翼６２の内側に配置される。コンプレッサ流路６０とタービン流路６４は、複数のコンプレッサ翼５８と複数のタービン動翼６２とに接続するように周方向に沿って延在する筒状の仕切壁部６６によって仕切られている。すなわち、コンプレッサ流路６０とタービン流路６４は、複数のコンプレッサ翼５８と複数のタービン動翼６２とに接続するように周方向に沿って延在する筒状の仕切壁部６６を共有する。このように、回転機械２（２Ｋ）では、複数のコンプレッサ翼５８、複数のタービン動翼６２及び仕切壁部６６が回転軸４とともにロータ２０の少なくとも一部を構成するように構成される。
【０１０４】
回転機械２（２Ｋ）は、第２コンプレッサ部４４から吐出された空気を第１コンプレッサ部６に導くための第３流路６８と、第１タービン部８から吐出された排気ガスを第２タービン部５６に導くための第４流路７０とを備えており、２段過給装置として構成されている。すなわち、不図示の内燃機関からの排気ガスが第１タービン部８、第４流路７０及び第２タービン部５６を順に流れ、第１タービン部８のタービン動翼１４及び第２タービン部５６のタービン動翼６２にて動力を回収される。また、第２コンプレッサ部４４、第３流路６８及び第１コンプレッサ部６を順に流れて圧縮された気体が内燃機関に供給される。
【０１０５】
上記回転機械２（２Ｋ）では、斜流タービンとして構成された第２タービン部５６によって回転数及び圧力比を調整することが可能である。
【０１０６】
また、２段過給装置として構成された回転機械２（２Ｋ）のうち高圧側の第１タービン部８を半径流入式の軸流タービンとして構成し、低圧側の第２タービン部５６を斜流タービンとして構成しているため、従来２つのハウジングが必要だった２段過給装置に対して、１つのハウジングで済み、２段過給装置の小型化及び軽量化が可能である。
【０１０７】
なお、図１６に示す例示的な回転機械２（２Ｋ）では、回転軸４の一端側に上述した回転機械２（２Ｂ）が配置された２段過給装置を示したが、回転機械２（２Ｋ）における回転軸４の一端側には、回転機械２（２Ｂ）に代えて、上述した回転機械２（２Ａ，２Ｃ〜２Ｈ）の何れかを配置してもよい。
【０１０８】
次に、図１７及び図１８を用いて回転機械２（２Ｌ）について説明する。
回転機械２（２Ｌ）では、内周側の第１コンプレッサ部６はラジアルコンプレッサであり、外周側の第１タービン部８は複数段の軸流タービンである。
【０１０９】
図１７に示すように、第１タービン部８は、タービン動翼１４と、複数のタービン動翼１４の上流側に設けられたタービン静翼３２と、からなるタービン段落７２を複数備える。すなわち、第１タービン部８には、タービン静翼３２とタービン動翼１４とが軸方向に交互に配置されている。
【０１１０】
回転機械２（２Ｌ）は、例えば小型のガスタービンに適用することができる。この場合、コンプレッサ流路１２おいてコンプレッサ翼１０で圧縮された空気は燃焼器７４に供給されてバーナ７６から供給される燃料の燃焼に使用され、燃焼ガスがタービン流路１６に供給されてタービン動翼１４にて動力が回収される。
【０１１１】
この場合、既存のタービン速度比Ｕ／ＣＯや流量特性を変更せずにガスタービンを軸方向に小型化し軽量化することができる。また、従来のガスタービンと比較してコンプレッサ翼１０と仕切壁部１８とが接続されていてコンプレッサ翼１０と仕切壁部１８との間に隙間がないため、コンプレッサ翼の先端側のリーク損失をなくすことができる。
【０１１２】
また、図１８に示すように、回転機械２（２Ｌ）の回転軸４には、発電機又はポンプ等の被駆動機７８が設けられてもよい。
【０１１３】
次に、図１９を用いて回転機械２（２Ｍ）について説明する。
回転機械２（２Ｍ）では、内周側の第１コンプレッサ部６は冷却ファンとして機能する軸流コンプレッサであり、外周側の第１タービン部８は軸流タービンである。第１コンプレッサ部６及び第１タービン部８は回転軸４の一端側に配置され、回転軸４の他端側にはモータ２１が接続される。
【０１１４】
第１コンプレッサ部６は、コンプレッサ翼１０を通過した流体を冷却対象に導くための第１ガイド部８０を含み、第１タービン部８は、冷却対象８２の冷却に使用された流体をタービン動翼１４に導くための第２ガイド部８４を含む。冷却対象８２は特に限定されないが、例えばＰＣの内部の発熱部であってもよいし、半導体等であってもよい。
【０１１５】
回転機械２（２Ｍ）によれば、第１ガイド部８０によって冷却対象に導かれた流体は、冷却対象を冷却した後に第１タービン部８に導かれる。これにより、冷却対象の排熱を利用してタービン動翼１４で動力を回収し、モータ２１の駆動力をアシストすることができる。したがって、従来捨てられていた排熱を有効活用して、冷却ファンのモータ２１の電力使用量を低減することができる。
【０１１６】
なお、上述した回転機械２（２Ａ〜２Ｍ）では、コンプレッサ翼１０、仕切壁部１８及びタービン動翼１４は、フープ力を利用して強度を上げるために、一体的にブリスクとして構成されていてもよい。この場合、コンプレッサ翼１０とタービン動翼１４とは、同一材料で一体的に構成されていてもよいし、互いに異なる材料で構成されていてもよい。コンプレッサ翼１０とタービン動翼１４とを同一材料で一体的に構成する場合には、用途及び形状に見合った加工法、削りだし、溶接及び鋳物等の使用が可能であるが、製品重量の観点からは、コンプレッサ翼１０の材料とタービン動翼１４の材料を分けて、三次元金属積層造形法による加工を行ってもよい。
【０１１７】
また、上述した回転機械２（２Ａ〜２Ｍ）を例えばガソリンエンジン用のターボチャージャとして使用する場合には、ガソリンエンジンの排気ガスが比較的高温であるため、コンプレッサ翼１０、仕切壁部１８及びタービン動翼１４は、耐熱性を考慮して、一般的なタービン材料を用いて一体的に構成されていてもよい。
【０１１８】
また、上述した回転機械２（２Ａ〜２Ｍ）を比較的低い温度の排熱の回収に使用する場合（例えば燃料電池やディーゼルエンジンの排熱回収や、バイナリーサイクル等における排熱温度が比較的低いタービンの排熱回収に使用する場合）には、コンプレッサ翼１０の材料とタービン動翼１４の材料とを分けても強度的に成立し易く、この場合は、三次元金属積層造形法による加工を好適に使用することができる。また、必要な耐熱性を満たす場合には、コンプレッサ翼１０、仕切壁部１８及びタービン動翼１４は一般的なコンプレッサ材料を用いて構成されていてもよい。
【０１１９】
このように、回転機械２を排熱回収に使用する場合には、排熱温度によって第１コンプレッサ部６の材料及び第１タービン部８の材料を適切に選択することにより、コスト及び安全性の最適化を行うことができる。
【０１２０】
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】
【０１２１】
２  回転機械
４  回転軸
５  軸受
６  第１コンプレッサ部
８  第１タービン部
１０  コンプレッサ翼（第１コンプレッサ翼）
１０ａ  外側端
１０ｂ  内側端
１０ｃ  正圧面
１２  コンプレッサ流路（第１コンプレッサ流路）
１４  タービン動翼（第１タービン動翼）
１４ａ  内側端
１４ｂ  外側端
１４ｃ  正圧面
１６  タービン流路（第１タービン流路）
１８，１９，６６  仕切壁部
２０  ロータ
２１  モータ
２２  コンプレッサ入口流路部
２３  コンプレッサ出口流路部
２４  コンプレッサ側スクロール流路部
２５  案内筒
２６  ディフューザ流路部
２８  タービン入口流路部
３０  タービン出口流路部
３２  タービン静翼
３２ａ  内側端
３２ｃ  正圧面
３４  コンプレッサハウジング
３６  タービン側スクロール流路部
３７  スクロールケーシング
３８  ベンド流路部
４０  冷却流路
４２  ディフューザ翼
４４  第２コンプレッサ部
４６  内燃機関
４８  第１流路
５０  第２流路
５１  排気ガス流路
５２  流量調整部
５４  流量制御弁
５６  第２タービン部
５８  コンプレッサ翼（第２コンプレッサ翼）
６０  コンプレッサ流路（第２コンプレッサ流路）
６２  タービン動翼（第２タービン動翼）
６４  タービン流路（第２タービン流路）
６８  第３流路
７０  第４流路
７２  タービン段落
７４  燃焼器
７６  バーナ
７８  被駆動機
８０  第１ガイド部
８２  冷却対象
８４  第２ガイド部
８６  外側ケーシング
８８  仕切板
９０  軸受ケーシング
【図１】
2020144854.tif 000003
【図２Ａ】
2020144854.tif 000004
【図２Ｂ】
2020144854.tif 000005
【図３】
2020144854.tif 000006
【図４】
2020144854.tif 000007
【図５】
2020144854.tif 000008
【図６】
2020144854.tif 000009
【図７】
2020144854.tif 000010
【図８】
2020144854.tif 000011
【図９】
2020144854.tif 000012
【図１０】
2020144854.tif 000013
【図１１】
2020144854.tif 000014
【図１２】
2020144854.tif 000015
【図１３】
2020144854.tif 000016
【図１４】
2020144854.tif 000017
【図１５】
2020144854.tif 000018
【図１６】
2020144854.tif 000019
【図１７】
2020144854.tif 000020
【図１８】
2020144854.tif 000021
【図１９】
2020144854.tif 000022
【国際調査報告】
2020144854.tif 000023
2020144854.tif 000024
2020144854.tif 000025
2020144854.tif 000026
2020144854.tif 000027
2020144854.tif 000028
2020144854.tif 000029
2020144854.tif 000030