JP2012132321A - ラジアルタービンあるいは斜流タービンのスクロール部構造 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンハウジングの接続部（舌部）の外部の外気露出表面積を増加させ、当該部からの放熱を増加させることにより、舌部のみでなくシュラウド全周に蓄積する熱を抑制させて、当該部に使用する材料の耐熱グレードを下げることによるコスト低減を図ること。
【解決手段】タービンハウジング１内に形成された渦巻状のスクロール部４から、該スクロール部４の動翼３へと半径方向に排ガスを流入させて、該動翼３に作用させた後、軸方向に流出させることにより、タービンロータ３１を回転駆動するように構成されたラジアルタービンのスクロール構造において、タービンハウジング１と動翼３が配設されたタービン室との間のシュラウド部１１に放熱空間部を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の過給機（排気ターボチャージャ）に用いられ、排ガスを渦巻状のスクロール部からタービンロータの動翼へと半径方向に流入させて、該動翼に作用させた後、軸方向に流出させることにより、該タービンロータを回転駆動させるように構成されたラジアルタービンあるいは斜流タービンの排ガス流路を形成するスクロール部構造に関する。

自動車の内燃機関等に用いられる過給機（排気ターボチャージャ）には、排ガスをタービンハウジング内に形成された渦巻状のスクロール部から該スクロール部の内側に位置するタービンロータの動翼へと半径方向に流入させて該動翼に作用させた後、軸方向に流出させることにより、タービンロータを回転駆動させるように構成されたラジアルタービンあるいは斜流タービンが多く採用されている。
図４は従来技術であるかかるラジアルタービンを用いた過給機の一例を示す特開２００３−１２０３０３号公報（特許文献１）である。図において０１はタービンハウジング、０４はタービンハウジング０１内に形成された渦巻状のスクロール部、０５はタービンハウジング０１の内周に形成された排ガス排出口通路、０６はコンプレッサハウジング、０９はタービンハウジング０１及び、コンプレッサハウジング０６を連結する軸受ハウジングである。

０１０はタービンホイールで外周部に複数の動翼０３が円周方向等間隔に固着されている。０７はコンプレッサインペラ、０８はコンプレッサインペラ０７の空気出口に設けられたディフューザ、０１２はタービンホイール０１０とコンプレッサインペラ０７とを連結するロータシャフトである。０１１は軸受ハウジング０９に取付けられてロータシャフト１２を支軸する一対の軸受である。
Ｌ１はタービンホイール０１０、コンプレッサインペラ及び、ロータシャフト０１２の回転軸心である。

そして、ラジアルタービンを備えた過給機において、内燃機関（図示省略）からの排ガスはスクロール部０４に入り、スクロール部０４の渦巻状に沿って周回しながら動翼０３外周側入口端面から動翼０３に流入して、タービンロータ０２の中心側に向かい半径方向に流れて、タービンロータ０２に膨張仕事をなした後に、ロータシャフト０１２の軸線Ｌ１方向に流出して、排ガス出口通路０５から過給機外に送出される。

図５（Ａ）は特許文献１のラジアルタービンの排ガス入口内周に形成される舌部近傍で、ロータシャフト０１２の軸線Ｌ１に対し直角方向の断面概略構成図を示し、（Ｂ）は図５（Ａ）のＷ矢視図を示す。
図５（Ａ）において０４はスクロール部、０４４は排ガス導入口、０４５は舌部で排ガス導入口０４４からの排ガスが流路０４６を通過して、スクロール部０４部へ導入される接続部の流路０４６と、動翼０３へ流入する動翼側通路０４７とを仕切る構造となっている。
そして、（Ｂ）図に示すように、舌部０４５は排ガス熱を流路０４６側及び動翼側通路０４７側から受けることになり、一方で、舌部０４５に蓄積された熱は矢印Ｚ〔図５（Ａ）参照〕で表すように放熱経路が狭く放熱効率がよくない。
また、スクロール部０４の断面形状は、ロータシャフト０１２の軸線Ｌ１方向に幅広となり、シュラウド部Ｘが深いので排ガス熱が滞りやすく、当該部での熱放散効率がよくない。
従って、舌部０４５の温度は８００〜９００℃に成ることがある。

特開２００３−１２０３０３号公報

かかる、ラジアルタービンにおいて、エンジンからの高温排ガスは流路０４６を通過して、スクロール部０４を渦巻部に沿って周回しながら動翼側通路０４７へ流出していく。
このため、舌部０４５は流路０４６及び、動翼側通路０４７の両側から高温排ガスに曝され、舌部０４５の放熱経路はＺ方向〔図５（Ａ）参照〕しかないので、熱が蓄積し易く高温になる。
従って、舌部０４５は表面酸化や、熱応力が原因で疲労損傷が発生する。その対応策として、タービンハウジング０１の材料として高温での耐酸化性や耐疲労特性のよい高価な材料（例えばオーステナイト鋳鋼、フェライト鋳鋼等）が使用されておりコスト増加の要因となっている。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、タービンハウジング０１の接続部（舌部）の外部の外気露出表面積を増加させ且つ、舌部０４５が配置されているタービンハウジング０１のシュラウド部Ｘの外部の外気露出表面積を増加させることにより、当該部からの放熱を増加させ、舌部０４５に蓄積する熱を抑制させて、当該部に使用する材料の耐熱グレードを下げることによるコスト低減を図ることを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するため、タービンハウジング内に形成された渦巻状のスクロール部から、該スクロール部の動翼へと半径方向に排ガスを流入させて、該動翼に作用させた後、軸方向に流出させることにより、タービンロータを回転駆動するように構成されたラジアルタービンあるいは斜流タービンのスクロール構造において、
前記ラジアルタービンあるいは斜流タービンの径方向断面における前記スクロール部とから前記動翼を覆うタービン室壁間に形成されるシュラウド部に放熱空間の凹部を形成し、該凹が周方向に形成されていることを特徴とする。

このような構成により、スクロール部とタービン室との間のシュラウド部に放熱空間を設けることにより、タービンハウジングに使用される材料の高温耐酸化性、耐熱疲労特性のグレードを下げ、コスト低減を図ることが可能となる。

また、本発明において好ましくは、前記スクロール部への流路と前記動翼へ流入する動翼側流路とを仕切る舌部と前記スクロール部の軸心とを結ぶ線に対して直角方向に排ガスが流通する前記スクロール部の径方向断面形状が、径方向が軸方向より長い縦長の長方形断面形状にするとよい。

このような構成により、スクロール部の排ガス流通断面の軸方向長さが短くなるので、タービン室壁間とスクロール部との間に形成される凹部の深さが浅くなり、該凹部の開口が大きくできると共に、タービンハウジング成形時、ハウジング側の肉厚を周囲と均等にし易くなり、成形時の凝固退けが抑制され製品精度が安定する。

また、本発明において好ましくは、前記スクロール部の径方向断面形状は、半径方向の幅Ａと、前記軸の軸線方向の幅Ｂとのスクロール幅比Ａ／Ｂは、１＜Ａ／Ｂ≦２の構成にするとよい。

このような構成により、スクロール幅比を大きく（１＜Ａ／Ｂ）して、軸線方向の幅を小さくすることにより、ハウジングの排ガス流出方向側の突出量が小さくなり、当該部のハウジング（シュラウド部）の肉厚を減少させて、放熱空間部となる凹部を大きく形成させて、シュラウド部の放熱効果の向上を図る。
また、スクロール幅比をＡ／Ｂ≦２に構成することにより、スクロール部の外径が大きくなりエンジンへの搭載性が悪くなるのを防止できる。
さらに、同じ断面積の場合、Ｂ幅を狭くすると、流路の表面積が大きくなり排ガスの流通抵抗が大きくなりターボチャージャの性能が落ちると共に、重量も多くなりこれらの不具合を解消することが可能となる。

また、本発明において好ましくは、前記スクロール部への流路と、前記動翼へ流入する動翼側流路とを仕切る舌部の排ガス流通方向の傾斜を対数螺旋に沿った形状にするとよい。

このような構成により、スクロール部に流入した排ガスは該スクロール部の外周に沿ってガイドされるので、舌部の流通方向の傾斜を対数螺旋形状することで、舌部からの流出角度と、動翼３への排ガス流出角度とが同じになり、排ガスのスクロール部における排ガス流通を円滑にすることができ、ターボチャージャの性能を十分に発揮できる。
また、舌部のスクロール部とスクロール部への流路との交差角度が大きくなり、当該部に冷却空間を設けることにより、舌部の温度上昇を抑制することができる。

スクロール部の断面形状を、半径方向の幅Ａと、前記軸の軸線方向の幅Ｂとのスクロール幅比αは、１＜Ａ／Ｂ≦２にすることにより、シュラウド部の凹部を大きくして、外気対流を促進させて、舌部のみでなくシュラウド全周の放熱を促進して、タービンハウジングに使用される材料の高温耐酸化性、耐熱疲労特性のグレードを下げ、コスト低減を図ることが可能とする。
また、舌部の排ガス流通方向の舌部壁面形状を対数螺旋形状とすることで当該部に冷却空間（図２の７９に相当）を設けることにより、外気対流を促進させて舌部の放熱を促進させることを可能とする。

は（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る舌部のタービンロータ軸線と直角方向断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＰ矢視で、スクロール部及び、タービンロータの回転軸線に沿う上半分断面を示す要部概略構造図を示す。 本発明の第２実施形態に係る舌部のタービンロータ軸線に対して直角方向断面図を示す。 は本発明の第２実施形態に係る舌部形状の対数螺旋の説明図を示す。 は本発明が適用されるラジアルタービンを用いた過給機の回転軸線に沿う断面図を示す。 （Ａ）は従来技術における舌部のタービンロータ軸線と直角方向断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＷ矢視図を示す。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。
但し、この実施例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く、単なる説明例にすぎない。

（第１実施形態）
図１に基づいて、本発明の第１実施形態に係るスクロール部の排ガス流通空間部の概略構造図を示す。
本発明の第１実施形態にかかるタービンスクロール部について説明する。
図１は（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る舌部のタービンロータ軸線と直角方向断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＰ矢視で、スクロール部及び、タービンロータの回転軸線に沿う上半分断面を示す要部概略構造図を示す。
本発明が適用されるラジアルタービンを用いた過給機の全体構造を示す図４において、０１はタービンハウジング、０４はタービンハウジング０１内に形成された渦巻状のスクロール部、０５はタービンハウジング０１の内周に形成された排ガス排出口通路、０６はコンプレッサハウジング、０９はタービンハウジング０１及び、コンプレッサハウジング０６を連結する軸受ハウジングである。

０１０はタービンホイールで外周部に複数の動翼０３が円周方向等間隔に固着されている。０７はコンプレッサインペラ、０８はコンプレッサインペラ０７の空気出口に設けられたディフューザ、０１２はタービンホイール０１０とコンプレッサインペラ０７とを連結するロータシャフトである。０１１は軸受ハウジング０９に取付けられてロータシャフト１２を支軸する一対の軸受である。
Ｌ１はタービンホイール０１０、コンプレッサインペラ及び、ロータシャフト０１２
の回転軸心である。

かかるラジアルタービンを備えた過給機において、内燃機関（図示省略）からの排ガスは排ガス導入口からスクロール部４に入り、該スクロール部０４の渦巻に沿って周回しながら複数の動翼０３の外周側入口端面から動翼０３に流入して、タービンホイール０１０の中心側に向かい半径方向に流れて、タービンホイール０１０に膨張仕事をなした後、軸方向に流れて排ガス出口通路０５から排出する。

以上に示すようにラジアルタービン付き過給機の基本構成は従来技術と同様である。
本発明においてはスクロールの形状を改良している。

図１（Ａ）において、４６は排ガス流入口からの排ガスをスクロール部４に流入させるタービンハウジング１によって形成される流路である。４は渦巻状に形成され、流路４６から流入した排ガスを渦巻状の流れに変え、動翼側通路４７を介して動翼３に向け排ガスを流入させるタービンハウジング１によって形成されるスクロール部である。４５は流路４６とスクロール部４との接続部で、動翼側通路４７とを仕切る舌部である。
スクロール部４はその外周壁１５，前側壁１６（説明の便宜上、排ガス排出方向を「後側」とする）、後側壁１７及び、内周壁１８で構成されている。
スクロール部４は前側壁１６と後側壁１７間の距離、即ち、軸線Ｌ１方向の幅Ｂが、外周壁１５と内周壁１８との距離即ち、半径方向の幅Ａよりも小さく形成されている。
そしてスクロール部４における形状は、半径方向の幅Ａと、軸線Ｌ１に沿った方向の幅比αを１＜Ａ／Ｂ≦に１．２〜２．０の範囲に形成されることが好ましい。

これは、スクロール部４の流通面積は維持した状態で、スクロール部４の外周壁１５の長さを、半径方向の長さより小さくすると、外周壁１５の径は大きくなり、後側壁１７は前側壁１６側による形状となる。
また、幅比を２より大きくすると（同じ断面積の場合、Ｂ幅を狭くする）、流路の表面積が大きくなるので、排ガスの流通抵抗が大きくなりターボチャージャの性能が落ちると共に、重量も多くなる。
さらに、半径方向が大きくなると、タービチャージャ全体が大きくなり、エンジンへの搭載性も悪化する。

また、スクロール部の排ガス流通断面の軸方向長さが短くなるので、タービン室壁間とスクロール部との間に形成される凹部の深さが浅くなり、該凹部の開口が大きくできると共に、ハウジング側の肉厚も周囲と均等にし易くなり、成形時の凝固退け（肉厚が大きく異なると、肉厚が薄い部分は早期に凝固するが、厚い場合は中央部の凝固が遅く、中央部の凝固によって、表面部に浅い凹部が形成されやすい。場合によっては変形することもある）が抑制され製品精度が安定する。

このようにすることによって、タービンハウジング１の舌部４５の内周壁１８、動翼側後壁１９及びタービン室壁２０によって形成されるシュラウド部１１の開口部Ｒを大きくすることができ、当該部に接触する外気の流れが発生し易くなるため、当該部から舌部４５のみでなくシュラウド全周に蓄熱した熱を放熱することができる。
舌部及びシュラウド全周に蓄積する熱を抑制することにより、タービンハウジング５に使用する材料の耐熱グレードを下げることによるコスト低減を図ることができる。

（第２実施形態）
本実施形態において、第１実施形態と同じものは同符号を付して、説明を省略する。
図３に基づいて、本発明の第２実施形態にかかるタービンスクロール部について説明する。
図２は本発明の第２実施形態に係る舌部のタービンロータ軸線に対して直角方向断面図を示す。
７６は排ガス導入口７４からの排ガスをスクロール部４に流入させるタービンハウジング５によって形成される流路である。７５は流路７６とスクロール部７との接続部で、動翼側通路７７とを仕切る舌部である。

舌部７５はスクロール部７に向かう排ガス流通方向の傾斜を対数螺旋に沿った形状にしたものである。
対数螺旋に沿った形状の範囲は、軸線Ｌ１と舌部先端とを結んだ線Ｓを基準にして、軸線Ｌ１を中心に排ガス導入口７４側に角度βだけ振れた線Ｍと、舌部７５の表面と交差した部分まで、即ち、対数螺旋部７８とした。
尚、本実施形態ではβを略３０度としたが、対数螺旋部７８の範囲は舌部からスクロール部７に向かう排ガス流出角度が対数螺旋に沿うようになればよく、状況により増減させればよい。
対数螺旋とは、自然界によく見られる螺旋の一種であり、等角螺旋ともいわれる。性質としては図３に示すように、回転中心からある角度θで引いた線と螺旋との交点における接線とがなす角度ｂが常に一定となる。

このようにすることで、舌部７５からの流出角度γと、動翼３への排ガス流出角度γとが同じになり、排ガスのスクロール部における排ガス流通を円滑にすることができ、ターボチャージャの性能を十分に発揮できる。
舌部の流路とスクロール部との交差角度が大きくなり、当該部に冷却空間７９を設けることができ、舌部７５の一部が外気に曝されるので、舌部の温度上昇を効果的に抑制することができる。

内燃機関の出力向上のため、内燃機関等に用いられ、渦巻状のスクロール部から半径方向に流入させて該動翼に作用させた後軸方向に流出させることにより、タービンロータを回転駆動させるように構成されたラジアルタービンに用いられるとよい。

１、５ タービンハウジング
３ 動翼
４、７ スクロール
１１ シュラウド
１５ 外周壁
１６ 前側壁
１７ 後側壁
１８ 内周壁
１９ 動翼側後壁
４５、７５ 舌部
４６、７６ 流路
４７、７７ 動翼側通路
７８ 対数螺旋部
７９ 冷却空間
Ｌ１ 軸線
α 幅比
β 角度（対数螺旋部設定範囲）
γ 流出角度

Claims (4)

1. タービンハウジング内に形成された渦巻状のスクロール部から、該スクロール部の動翼へと半径方向に排ガスを流入させて、該動翼に作用させた後、軸方向に流出させることにより、タービンロータを回転駆動するように構成されたラジアルタービンあるいは斜流タービンのスクロール構造において、
   前記ラジアルタービンの径方向断面における前記スクロール部とから前記動翼を覆うタービン室壁間に形成されるシュラウド部に放熱空間の凹部を形成し、該凹部が周方向に形成されていることを特徴とするラジアルタービンあるいは斜流タービンのスクロール構造。
2. 前記スクロール部への流路と前記動翼へ流入する動翼側流路とを仕切る舌部と前記スクロール部の軸心とを結ぶ線に対して直角方向に排ガスが流通する前記スクロール部の径方向断面形状が、径方向が軸方向より長い縦長の長方形断面形状からなることを特徴とする請求項１記載のラジアルタービンあるいは斜流タービンのスクロール構造。
3. 前記スクロール部の径方向断面形状は、半径方向の幅Ａと、前記軸の軸線方向の幅Ｂとのスクロール幅比Ａ／Ｂは、１＜Ａ／Ｂ≦２に構成したことを特徴とする請求項２記載のラジアルタービンあるいは斜流タービンのスクロール構造。
4. 前記スクロール部への流路と、前記動翼へ流入する動翼側流路とを仕切る舌部の排ガス流通方向の傾斜を対数螺旋に沿った形状にしたことを特徴とする請求項１記載のラジアルタービンあるいは斜流タービンのスクロール構造。

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