JP2013164040A - タービン - Google Patents

Abstract

【課題】タービンインペラの背面側から正面側への漏れ流れによるタービン効率の低下を抑制できるタービンを提供する。
【解決手段】タービンは、流体が導入されるタービンスクロール流路１５、および、タービンスクロール流路から導入された流体を導出する吐出口１３が形成されたタービンハウジングと、タービンハウジング内部に配されたタービンインペラ８と、を備え、タービンスクロール流路から導入された流体が吐出口へと流通する過程でタービンインペラを回転させるタービンであって、タービンインペラは、タービンインペラのうち、吐出口に臨む正面側から正面側と逆側に位置する背面側に貫通する連通孔８ａを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、スクロール流路を流れる流体によってインペラが回転するタービンに関する。

従来、エンジンの排気ガスなどの流体によってインペラを回転させるタービンが過給機などに組み込まれている。タービンのハウジング内には、インペラが収容されており、インペラの外周を周回するスクロール流路が設けられる。排気ガスなどの流体は、スクロール流路からインペラの中心側に流れ、インペラを回転させた後、吐出口から吐き出される。

このようなタービンにおいて、特許文献１に示されるように、インペラのうち、吐出口に臨む正面側と逆側に位置する背面側には、インペラの背面側に配された部材との間に、接触回避のための隙間が設けられている。

特開２０１１−２０２６２３号公報

上述したインペラの背面側の隙間の圧力がインペラの正面側の流路の圧力より高い場合、この隙間の流体がインペラの外周側を迂回して正面側に漏れ出してしまい、スクロール流路からインペラに流れ込む流体の流れ（主流）を乱し、タービン効率を低下させる要因となる。

特許文献１では、インペラの背面側に配された部材に、積極的に貫通孔を設けて漏れ流れの向きをガイドし、漏れ流れを上記の主流の向きに沿わせるとしている。しかし、漏れ流れの流量が減少するわけではないので、インペラの背面側と正面側の圧力差が大きくなると、漏れ流れの流量が増大し、タービン効率の低下は無視できないレベルまで高まるおそれがある。また、主流の流路を形成する壁面に複数の細かな貫通孔が設けられる構成のため、この貫通孔が凹凸として作用し、流路壁面における流れの摩擦損失を増大させてしまう可能性がある。

そこで、本発明の目的は、タービンインペラの背面側から正面側への漏れ流れによるタービン効率の低下を抑制できるタービンを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のタービンは、流体が導入されるスクロール流路、および、該スクロール流路から導入された流体を導出する吐出口が形成されたタービンハウジングと、前記タービンハウジング内部に配されタービン軸の一端に設けられたタービンインペラと、を備え、前記スクロール流路から導入された流体が前記吐出口へと流通する過程で前記タービンインペラを回転させるタービンであって、前記タービンインペラは、前記タービンインペラのうち、前記吐出口に臨む正面側から該正面側と逆側に位置する背面側に貫通する連通孔を備えることを特徴とする。

また、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、前記タービンハウジングと前記ベアリングハウジングとの対向面に固定され、前記スクロール流路と前記吐出口との連通開度を可変する可変静翼機構と、を備え、前記可変静翼機構は、前記タービンハウジングと前記ベアリングハウジングとの対向方向に離隔して配置される一対の流路形成壁部と、前記一対の流路形成壁部の対向間隔に環状に整列配置された複数のノズルベーンと、前記複数のノズルベーンのそれぞれに固定され、前記流路形成壁部に設けられた軸孔に回転自在に軸支された複数の翼軸と、を備え、前記翼軸の回転に伴って前記ノズルベーンが角度を可変されてもよい。

また、前記タービンインペラは、前記タービン軸が挿入されるタービン軸穴が形成された中央部と、前記中央部の外周に周方向に配置された複数の羽根であるインペラ部と、を備え、前記連通孔の一端は、前記インペラ部の回転軌跡範囲よりも前記吐出口側に設けられてもよい。

また、前記連通孔の一端は、前記タービンインペラのうち、前記タービン軸の延長線上に位置する前記中央部の正面側に設けられてもよい。

本発明によれば、タービンインペラの背面側から正面側への漏れ流れによるタービン効率の低下を抑制することができる。

過給機の概略断面図である。 サポートリングの後面図である。 サポートリングに駆動リングが支持された状態を示す図である。 図１の部分拡大図である。 変形例を説明するための説明図である。

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。

なお、本実施形態では、エンジンから排出される排気ガスのエネルギーによって当該エンジンに供給される空気を過給する過給機に適用されるタービンについて説明するが、以下に説明する構成は、ガスタービン、蒸気タービン、風力発電機等、様々な用途のタービンに適用できる。ここでは、まず、過給機の構成について説明し、その後、本実施形態のタービンに特有の構成について具体的に説明する。ただし、過給機において、タービンとコンプレッサは一体となっており、タービンの構成部分とコンプレッサの構成部分を厳密に区分けすることは困難であるため、タービンの一例として過給機を挙げる。

図１は、過給機１の概略断面図である。以下では、図に示す矢印Ｆ方向を過給機１の前側とし、矢印Ｒ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の前側の一端面に締結ボルト３によって固定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によって固定されるコンプレッサハウジング６とを備える。

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の一端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。

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気口１０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１１が形成される。このディフューザ流路１１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を介して吸気口１０に連通している。

また、コンプレッサハウジング６には、ディフューザ流路１１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１２が設けられている。コンプレッサスクロール流路１２は、不図示のエンジンの吸気口と連通するとともに、ディフューザ流路１１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、吸気口１０からコンプレッサハウジング６内に流体が吸気されるとともに、当該吸気された流体は、ディフューザ流路１１およびコンプレッサスクロール流路１２で昇圧されてエンジンの吸気口に導かれることとなる。

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の対向面間に間隙１４が形成される。この間隙１４は、後述するノズルベーン５０が配置されて流体が流通する可変流路ｘが構成される部分であり、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。

タービンハウジング４には、タービンインペラ８よりもタービン軸７の径方向外方に位置する環状のタービンスクロール流路１５（スクロール流路）が形成されている。また、タービンハウジング４には、タービンインペラ８を介してタービンスクロール流路１５に連通するとともに、タービンインペラ８の正面に臨み、不図示の排気ガス浄化装置に接続される吐出口１３が形成されている。

タービンスクロール流路１５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、上記の間隙１４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１５に導かれた排気ガスは、可変流路ｘおよびタービンインペラ８を介して吐出口１３に導かれるとともに、その流通過程においてタービンインペラ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り、コンプレッサインペラ９の回転力によって、上記のとおりに、流体が昇圧されてエンジンの吸気口に導かれることとなる。

このとき、タービンハウジング４に導かれる排気ガスの流量が変化すると、タービンインペラ８およびコンプレッサインペラ９の回転量が変化して、昇圧された流体をエンジンの吸気口に安定的に導くことができなくなってしまう。そこで、タービンハウジング４の間隙１４には、タービンハウジング４とベアリングハウジング２との対向面に固定され、タービンスクロール流路１５と吐出口１３との連通開度を可変する可変静翼機構２０が設けられている。

可変静翼機構２０は、排気ガスの流量に応じて、タービンインペラ８に導かれる排気ガスの流速を変化させる。具体的に、可変静翼機構２０は、エンジンの回転数が低く排気ガスの流量が少ない場合には、可変流路ｘの開度を小さくしてタービンインペラ８に導かれる排気ガスの流速を向上し、少ない流量でもタービンインペラ８を回転させることができるようにするものである。以下に、可変静翼機構２０の構成について説明する。

図１に示すように、可変静翼機構２０は、タービンハウジング４側に設けられるシュラウドリング２１と、このシュラウドリング２１に対向してベアリングハウジング２側に設けられるノズルリング２２とを備える。これらシュラウドリング２１およびノズルリング２２は、排気ガスが流通する流路を区画形成する一対の流路形成壁部を成す。すなわち、流路形成壁部は、タービンハウジング４とベアリングハウジング２との対向方向に離隔して配置される。

この一対の流路形成壁部の間に排気ガスが導かれる。シュラウドリング２１は、薄板リング状の本体２１ａと、この本体２１ａの内周縁部から吐出口１３側に突出する突出部２１ｂと、を有しており、本体２１ａには、厚さ方向（タービン軸７の軸方向）に貫通する複数の軸孔２３が、周方向に等間隔で形成されている。

また、ノズルリング２２は、シュラウドリング２１の本体２１ａと直径が等しい薄板リング状の本体２２ａを備えており、シュラウドリング２１と所定の間隔を維持して対向配置されている。このノズルリング２２は、本体２２ａの外周近傍において、複数（本実施形態では３つ、図１では１つのみ示す）の連結ピン２４が回転自在に挿通されており、この連結ピン２４によって、シュラウドリング２１との対向間隔が一定に維持されている。

なお、ノズルリング２２の本体２２ａには、厚さ方向（タービン軸７の軸方向）に貫通する複数の軸孔２５が周方向に等間隔で形成されており、シュラウドリング２１に形成された軸孔２３と、ノズルリング２２に形成された軸孔２５とが対向配置されている。また、連結ピン２４は、その一端がノズルリング２２の後側に突出しており、この突出部位をかしめることで、ノズルリング２２の後側にサポートリング３０が固定されている。

図２は、サポートリング３０の後面図である。図１および図２に示すように、サポートリング３０は、円筒状の部材で構成されており、薄板状の部材を屈曲させた断面形状をなしている。このサポートリング３０は、環状のフランジ部３１と、このフランジ部３１の内周縁から前側に起立する筒部３２と、この筒部３２の前側端部から径方向内側に屈曲する平面部３３と、を備えており、ベアリングハウジング２とタービンハウジング４との対向面にフランジ部３１を挟持した状態で締結ボルト３を締結することで、タービンハウジング４内に保持される。

平面部３３には、上記した連結ピン２４の一端が挿通可能な挿通孔３３ａが、周方向に等間隔で３カ所設けられており、この挿通孔３３ａに連結ピン２４を挿通させてかしめることにより、当該サポートリング３０、シュラウドリング２１およびノズルリング２２が一体化されることとなる。

また、平面部３３には、その内周側の端部から径方向外方に向けて切り欠かれた凹部３４が、周方向に複数設けられており、この凹部３４に支持片３５が設けられている。この支持片３５は、平面部３３から後側に屈曲する支持部３５ａと、この支持部３５ａから径方向外方に向けて屈曲するとともに、平面部３３から所定距離離間して対面する脱落防止部３５ｂとからなる。この支持片３５には、駆動リング４０が回転自在に支持される（図３参照）。

図３は、サポートリング３０に駆動リング４０が支持された状態を示す図である。この図に示すように、駆動リング４０は、環状の薄板部材によって構成されており、その内周縁が、サポートリング３０の支持片３５によって回転自在に支持されている。駆動リング４０には、その内周側の端部から径方向外方に向けて切り欠かれた係合凹部４１が、周方向に複数形成されており、この係合凹部４１に伝達リンク４２の一端が係合されている。また、駆動リング４０の内周側の端部には、係合凹部４１と同様の形状をなす第２係合凹部４３が１つ形成されており、この第２係合凹部４３に、伝達リンク４２と同様の形状をなす駆動用伝達リンク４４の一端が係合されている。

なお、伝達リンク４２の他端側には嵌合孔４２ａが形成されており、駆動用伝達リンク４４の他端側には嵌合孔４４ａが形成されている。そして、図１に示すように、嵌合孔４２ａには、ノズルベーン５０に固定された翼軸５１が挿通した状態で固定されており、また、駆動用伝達リンク４４の嵌合孔４４ａには、駆動軸４５の一端が嵌合されている。

翼軸５１は、上記の対向する軸孔２３、２５に回転自在に軸支され、翼軸５１およびノズルベーン５０は、上記の一対の流路形成壁部の対向間隔に環状に整列配置される。また、駆動軸４５は、駆動リング４０の後側に延伸しており、その他端には、不図示のシリンダ等のアクチュエータによって駆動する駆動レバー４６が一体的に連結されている。

したがって、駆動レバー４６がアクチュエータによって駆動すると、図１および図３に示すように、駆動軸４５が回転するとともに、当該駆動軸４５を軸として駆動用伝達リンク４４が揺動し、この駆動用伝達リンク４４の揺動に伴って、駆動リング４０が回転する。このようにして駆動リング４０が回転すると、今度は駆動リング４０の回転によって伝達リンク４２が揺動し、この伝達リンク４２の揺動に伴って翼軸５１が回転する。そして、翼軸５１が回転すると、この翼軸５１の回転に伴ってノズルベーン５０が可変流路ｘ内で角度を可変される。こうして、可変流路ｘの面積が可変となる。

図４は、図１の部分拡大図である。図４（ｂ）に示す比較例において、一点鎖線の矢印５２ａで示すように、タービンスクロール流路１５に導かれた排気ガスの一部は、水抜き孔５３から流出し、サポートリング３０を迂回する。そして、一点鎖線の矢印５２ｂで示すように、排気ガスは、一旦、タービン軸７近傍まで回りこんだ後、タービンインペラＩの周方向の外側に折り返し、タービンインペラＩの正面側に面する流路の上流部５４に漏れ出す場合がある。この場合、タービンスクロール流路１５からタービンインペラＩに向かって流れる排気ガスの流れが乱れ、タービン効率が低下してしまう。ここで、タービン効率は、タービン軸７で発生する実際の仕事を理論仕事で除算した比である。

そこで、本実施形態のタービンインペラ８には、図４（ａ）に示すように、連通孔８ａが設けられている。連通孔８ａは、吐出口１３に臨む正面側から、当該正面側と逆側であってベアリングハウジング２の一端面に臨む背面側に貫通するとともに、一点鎖線の矢印５２ｃに示すように、タービンスクロール流路１５から水抜き孔５３を介してベアリングハウジング２側に導かれた排気ガス（流体）を、タービンインペラ８の背面側から正面側に排出する。

このように、本実施形態の過給機１では、タービンインペラ８の背面側に排気ガスが導かれたとしても、そのほとんどが、連通孔８ａを通って吐出口１３に向けて流れ出るため、タービンインペラ８の背面側から上流部５４に漏れ出す排気ガスの流量が減少する。そのため、タービンスクロール流路１５からタービンインペラ８に向かって流れ込み、タービンインペラ８を回転させる排気ガスの流れが乱れ難く、タービン効率の低下を抑制することが可能となる。

また、タービンインペラ８は、図４（ａ）に示すように、中央部８ｂとインペラ部８ｃに区分けされる。中央部８ｂは、図４（ａ）に示すように、正面側から背面側に向かって、周方向の径が大きくなっており、背面側にタービン軸７が挿入されるタービン軸穴が形成される。ここで、タービン軸穴は、中央部８ｂの正面側までは貫通していない。インペラ部８ｃは、中央部８ｂの外周に周方向に配置された複数の羽根である。

そして、連通孔８ａの一端は、インペラ部８ｃの回転軌跡範囲よりも吐出口１３側に設けられている。また、連通孔８ａの他端は、タービンインペラ８のうち、タービン軸穴より周方向の外側に位置する中央部８ｂの背面に設けられている。ここでは、連通孔８ａの他端は、タービンインペラ８における周方向の位置が、インペラ部８ｃの内径から外径までの範囲に含まれる。

かかる構成により、連通孔８ａを通った排気ガスは、インペラ部８ｃを壁面とする流路より下流に流れ出るため、タービンインペラ８の回転に寄与する排気ガスの流れに影響を与え難い。そのため、タービン効率の低下を効果的に抑制可能となる。

さらに詳細には、連通孔８ａの一端は、タービンインペラ８のうち、タービン軸７の延長線上に位置する中央部８ｂの正面に設けられる。

このように、連通孔８ａの一端を、排気ガスの主流に面する流路のうち、より下流側に設けることで、過給機１は、タービンインペラ８の回転に寄与する排気ガスの流れへの漏れ流れの影響を抑制できる。

また、図５に示す変形例のように、連通孔７８ａのうち、タービンインペラ７８の正面側の一端は、タービンインペラ７８のうち、タービン軸７の延長線上ではなく、中央部７８ｂの周方向の側面に設けられてもよい。

かかる構成であっても、図４（ｂ）の矢印５２ｂに示すような漏れ流れが減少し、その減少分の排気ガスは、当該漏れ流れよりも下流側で主流と合流する。そのため、過給機１は、タービンインペラ７８の回転に寄与する排気ガスの流れへの漏れ流れの影響を抑制することが可能となる。

上述した実施形態では、上流部５４に漏れ出す流体として、タービンスクロール流路１５から水抜き孔５３を通り、サポートリング３０を迂回して上流部５４に向かう排気ガスを例に挙げて説明した。このように、可変静翼機構２０を備える過給機１では、タービンスクロール流路１５から水抜き孔５３を通ってタービンインペラの背面側に排気ガスが流れ込んでしまう。本実施形態の過給機１は、この背面側に流れ込んだ排気ガスを連通孔８ａに導くため、可変静翼機構２０によって適切に流量を調整しつつ、タービン効率の低下を抑制することが可能となる。

しかし、過給機１は、可変静翼機構２０や水抜き孔５３を備える構成に限定されない。すなわち、連通孔８ａが導く流体は、水抜き孔５３を通った排気ガスに限らず、タービンインペラ８の背面側から上流部５４に漏れ出すおそれのある流体であれば、どこを経由した排気ガスであってもよいし、排気ガス以外の流体であってもよい。

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。

本発明は、スクロール流路を流れる流体によってインペラが回転するタービンに利用することができる。

１ …過給機（タービン）
２ …ベアリングハウジング
４ …タービンハウジング
７ …タービン軸
８、７８ …タービンインペラ
８ａ、７８ａ …連通孔
８ｂ、７８ｂ …中央部
８ｃ、７８ｃ …インペラ部
１３ …吐出口
１５ …タービンスクロール流路（スクロール流路）
２０ …可変静翼機構
２３、２５ …軸孔
５０ …ノズルベーン
５１ …翼軸

Claims (4)

1. 流体が導入されるスクロール流路、および、該スクロール流路から導入された流体を導出する吐出口が形成されたタービンハウジングと、
   前記タービンハウジング内部に配されタービン軸の一端に設けられたタービンインペラと、を備え、
   前記スクロール流路から導入された流体が前記吐出口へと流通する過程で前記タービンインペラを回転させるタービンであって、
   前記タービンインペラは、
   前記タービンインペラのうち、前記吐出口に臨む正面側から該正面側と逆側に位置する背面側に貫通する連通孔を備えることを特徴とするタービン。
2. 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、
   前記タービンハウジングと前記ベアリングハウジングとの対向面に固定され、前記スクロール流路と前記吐出口との連通開度を可変する可変静翼機構と、を備え、
   前記可変静翼機構は、
   前記タービンハウジングと前記ベアリングハウジングとの対向方向に離隔して配置される一対の流路形成壁部と、
   前記一対の流路形成壁部の対向間隔に環状に整列配置された複数のノズルベーンと、
   前記複数のノズルベーンのそれぞれに固定され、前記流路形成壁部に設けられた軸孔に回転自在に軸支された複数の翼軸と、
   を備え、
   前記翼軸の回転に伴って前記ノズルベーンが角度を可変されることを特徴とする請求項１に記載のタービン。
3. 前記タービンインペラは、
   前記タービン軸が挿入されるタービン軸穴が形成された中央部と、
   前記中央部の外周に周方向に配置された複数の羽根であるインペラ部と、
   を備え、
   前記連通孔の一端は、前記インペラ部の回転軌跡範囲よりも前記吐出口側に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のタービン。
4. 前記連通孔の一端は、前記タービンインペラのうち、前記タービン軸の延長線上に位置する前記中央部の正面に設けられることを特徴とする請求項３に記載のタービン。

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