JP2014234713A - ラジアルタービン及び過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用過給機１の高圧力比化を促進しつつ、タービンインペラ３５等を含むロータ全体のメカニカルロスを低減して、車両用過給機１の効率の向上を図る。【解決手段】タービンディスク３７の背面１７ｂの外周側部分に対向する背面対向部材としての遮熱板４７の左側面には、左方向へ突出した複数のスワールブレーカ（突起列）４９が円周方向に間隔を置いて形成され、各スワールブレーカ４９が円周方向に対して交差する方向へ延びている。【選択図】 図１

Description

本発明は、車両用過給機等の過給機に用いられ、排気ガス等のガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるラジアルタービン等に関する。

近年、車両用過給機に用いられるラジアルタービンについて種々の開発がなされており、一般的なラジアルタービンの構成等について簡単に説明すると、次のようになる（特許文献１及び特許文献２等参照）。

ラジアルタービンは、タービンハウジングを具備しており、このタービンハウジングは、内側に、シュラウド（収容壁）を有している。また、タービンハウジング内には、タービンインペラが回転可能に設けられており、このタービンインペラは、過給機のコンプレッサにおけるコンプレッサインペラに同軸状に一体的に連結されている。そして、タービンインペラは、タービンディスクを備えており、このタービンディスクのハブ面（外周面）は、軸方向一方側から径方向外側へ延びてあって、タービンディスクの背面は、軸方向他方側を向いている。更に、タービンディスクのハブ面には、複数のタービンブレードが周方向に間隔を置いて一体的に設けられており、各タービンブレードの先端縁は、タービンハウジングのシュラウドに沿うように延びている。

従って、タービンハウジング内に取入れた排気ガス（ガスの一例）がタービンインペラの入口側から出口側へ流通することにより、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させて、タービンインペラ及びコンプレッサインペラを一体的に回転させることができる。なお、タービンインペラの出口側へ流通した排気ガスは、タービンハウジングの外側へ排出される。

ここで、車両用過給機の運転中、コンプレッサインペラの出口側の圧力によって、コンプレッサインペラにおけるコンプレッサディスクの背面に軸方向他方側のスラスト力（正方向のスラスト力）が働く。また、タービンインペラの入口側の圧力によって、タービンディスクの背面に軸方向一方側のスラスト力（逆方向のスラスト力）が働く。

特開２０１１−２３１７８０号公報 特開２０１３−１５０３５号公報

ところで、車両用過給機の高圧力比化の要請に伴い、コンプレッサインペラがタービンインペラに比べてより大径化する傾向にある。一方、コンプレッサインペラが大径化すると、コンプレッサディスクの背面に働く正方向のスラスト力とタービンディスクの背面に働く逆方向のスラスト力との差が大きくなり、その差がタービンインペラ及びコンプレッサインペラを含むロータ全体のメカニカルロスになって、車両用過給機の効率の低下を招くことになる。つまり、車両用過給機の高圧力比化を促進しつつ、ロータ全体のメカニカルロスを低減して、車両用過給機の効率の向上を図ることは困難であるという問題がある。

なお、前述の問題は、車両用過給機だけでなく、車両用過給機以外の過給機においても同様に生じるものである。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のラジアルタービン等を提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、過給機に用いられ、ガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるラジアルタービンにおいて、内側にシュラウド（収容壁）を有したタービンハウジングと、前記タービンハウジング内に回転可能に設けられ、ハブ面（外周面）が軸方向一方側から径方向外側へ延びかつ背面が軸方向他方側を向いたタービンディスク、及び前記タービンディスクのハブ面に周方向に間隔を置いて一体的に設けられかつ先端縁が前記タービンハウジングの前記シュラウドに沿うように延びた複数のタービンブレードを備え、前記過給機のコンプレッサにおけるコンプレッサインペラに同軸状に一体的に連結されたタービンインペラと、を具備し、前記タービンディスクの背面の外周側部分に対向する背面対向部材に、軸方向一方側へ突出したスワールブレーカ（突起列）が設けられ、前記スワールブレーカが円周方向に対して交差する方向へ延びていることを要旨とする。

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたこと、及び形成されたことを含む意であって、「一体的に設けられ」とは、一体形成されたことを含む意である。また、「軸方向」とは、タービンインペラの軸方向のことをいい、「径方向」とは、タービンインペラの径方向のことをいう。更に、「背面対向部材」は、タービンディスクの背面の外周側部分に対向する部材であれば、ラジアルタービン以外の過給機の部品の１つ又はその一部であっても構わない。

第１の特徴によると、前記タービンハウジング内に取入れたガスが前記タービンインペラの入口側から出口側へ流通することにより、ガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させて、前記タービンインペラ及び前記コンプレッサインペラを一体的に回転させることができる。なお、前記タービンインペラの出口側へ流通したガスは、前記タービンハウジングの外側へ排出される。

前記過給機の運転中、前記コンプレッサインペラの出口側の圧力によって、前記コンプレッサインペラにおけるコンプレッサディスクの背面に軸方向他方側のスラスト力（正方向のスラスト力）が働く。また、前記タービンインペラの入口側の圧力によって、前記タービンディスクの背面に軸方向他方側のスラスト力（逆方向のスラスト力）が働く。

ここで、前記タービンディスクの背面側に前記タービンインペラの軸心周りの旋回流が生成されて、前記タービンディスクの背面に働く圧力（逆方向のスラスト圧力）が径方向内側へ向かって減少する傾向にある。一方、円周方向に対して交差する方向へ延びた前記スワールブレーカによってその旋回流の一部が遮られ、前記タービンディスクの背面に働く逆方向のスラスト圧力の減少を抑えることができる。換言すれば、前記背面対向部材に前記スワールブレーカが設けられていない場合に比べて、前記タービンディスクの背面に働く逆方向のスラスト力を十分に大きくすることができる。

本発明の第２の特徴は、エンジンからの排気ガスの圧力エネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する過給機において、第１の特徴からなるラジアルタービンを具備したことを要旨とする。

第２の特徴によると、第１の特徴による作用と同様の作用を奏する。

本発明によれば、前記背面対向部材に前記スワールブレーカが設けられていない場合に比べて、前記タービンディスクの背面に働く逆方向のスラスト力を十分に大きくできるため、前記コンプレッサインペラが大径化しても、前記コンプレッサディスクの背面に働く正方向のスラスト力と前記タービンディスクの背面に働く逆方向のスラスト力との差を小さくすることができる。よって、前記過給機の高圧力比化を促進しつつ、前記タービンインペラ及び前記コンプレッサインペラを含むロータ全体のメカニカルロスを低減して、前記過給機の効率の向上を図ることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る車両用過給機におけるラジアルタービンを示す正断面図である。 図２（ａ）（ｂ）は、図１におけるII-II線に沿った図である。 図３は、本発明の実施形態に係る車両用過給機におけるコンプレッサを示す正断面図である。 図４は、本発明の実施形態に係る車両用過給機を示す正断面図である。

本発明の実施形態について図１から図４を参照して説明する。なお、図面に示すとおり、「Ｌ」は、左方向、「Ｒ」は、右方向である。

図４に示すように、本発明の実施形態に係る車両用過給機（過給機の一例）１は、エンジン（図示省略）からの排気ガス（ガスの一例）の圧力エネルギーを利用して、エンジンに供給される空気を過給（圧縮）するものである。そして、車両用過給機１の具体的な構成等は、以下のようになる。

車両用過給機１は、ベアリングハウジング３を具備しており、ベアリングハウジング３内には、一対のラジアルベアリング５及び一対のスラストベアリング７が設けられている。また、複数のベアリング５，７には、左右方向へ延びたロータ軸（タービン軸）９が回転可能に設けられており、換言すれば、ベアリングハウジング３には、ロータ軸９が複数のベアリング５，７を介して回転可能に設けられている。

図３及び図４に示すように、ベアリングハウジング３の右側には、遠心力を利用して空気を圧縮するコンプレッサ１１が配設されており、このコンプレッサ１１の具体的な構成は、次のようになる。

ベアリングハウジング３の右側には、コンプレッサハウジング１３が設けられており、このコンプレッサハウジング１３は、内側に、シュラウド（収容壁）１３ｓを有している。また、コンプレッサハウジング１３内には、コンプレッサインペラ１５がその軸心周りに回転可能に設けられており、このコンプレッサインペラ１５は、ロータ軸９の右端部に一体的に連結されている。そして、コンプレッサインペラ１５は、コンプレッサディスク１７を備えており、このコンプレッサディスク１７の背面１７ｂは、左側（ロータ軸９の軸方向一方側）を向き、かつコンプレッサディスク１７のハブ面１７ｈは、右側（ロータ軸９の軸方向他方側）から径方向外側へ延びている。更に、コンプレッサディスク１７のハブ面１７ｈには、複数のコンプレッサブレード１９が周方向に間隔を置いて一体形成されており、各コンプレッサブレード１９の先端縁（外縁）１９ｔは、コンプレッサハウジング１３のシュラウド１３ｓに沿うように延びている。

コンプレッサハウジング１３におけるコンプレッサインペラ１５の入口側（空気の流れ方向から見て上流側）には、空気をコンプレッサハウジング１３内に取入れるための空気取入口２１が形成されており、この空気取入口２１は、空気を浄化するエアクリーナ（図示省略）に接続可能である。また、ベアリングハウジング３とコンプレッサハウジング１３との間におけるコンプレッサインペラ１５の出口側（空気の流れ方向から見て下流側）には、圧縮された空気を昇圧する環状のディフューザ流路２３が形成されている。更に、コンプレッサハウジング１３の内部には、渦巻き状のコンプレッサスクロール流路２５が形成されており、このコンプレッサスクロール流路２５は、ディフューザ流路２３に連通してある。そして、コンプレッサハウジング１３の適宜位置には、圧縮された空気をコンプレッサハウジング１３の外側へ排出するための空気排出口２７が形成されており、この空気排出口２７は、エンジンの吸気マニホールド（図示省略）に接続可能である。

ベアリングハウジング３の右側部には、スラストベアリング７側への圧縮空気の漏れを防止する環状のシールプレート２９が設けられており、このシールプレート２９は、コンプレッサディスク１７の背面１７ｂに対向してある。

図１及び図４に示すように、ベアリングハウジング３の左側には、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させるラジアルタービン３１が配設されており、このラジアルタービン３１の具体的な構成は、次のようになる。

ベアリングハウジング３の左側には、タービンハウジング３３が設けられており、このタービンハウジング３３は、内側に、シュラウド（収容壁）３３ｓを有している。また、タービンハウジング３３内には、タービンインペラ３５がその軸心周りに回転可能に設けられており、このタービンインペラ３５は、ロータ軸９の左端部に一体的に連結されており、換言すれば、ロータ軸９を介してコンプレッサインペラ１５に同軸状に連結されている。そして、タービンインペラ３５は、タービンディスク３７を備えており、このタービンディスク３７のハブ面３７ｈは、左側（ロータ軸９、換言すれば、タービンインペラ３５の軸方向一方側）から径方向外側へ延び、かつタービンディスク３７の背面３７ｂは、右側（タービンインペラ３５の軸方向他方側）を向いている。更に、タービンディスク３７のハブ面３７ｈには、複数のタービンブレード３９が周方向に等間隔に一体形成されており、各タービンブレード３９の先端縁（外縁）３９ｔは、タービンハウジング３３のシュラウド３３ｓに沿うように延びている。

タービンハウジング３３の適宜位置には、排気ガスをタービンハウジング３３内に取入れるためのガス取入口４１が形成されており、このガス取入口４１は、エンジンの排気マニホールド（図示省略）に接続可能である。また、タービンハウジング３３の内部におけるタービンインペラ３５の入口側（排気ガスの流れ方向から見て上流側）には、渦巻き状のタービンスクロール流路４３が形成されており、このタービンスクロール流路４３は、ガス取入口４１に連通してある。更に、タービンハウジング３３におけるタービンインペラ３５の出口側（排気ガスの流れ方向から見て下流側）には、排気ガスを排出するガス排出口４５が形成されており、このガス排出口４５は、接続管（図示省略）を介して排気ガス浄化装置（図示省略）に接続可能である。

タービンハウジング３３内には、環状の遮熱板４７がベアリングハウジング３の左側面を覆うように配設されており、この遮熱板４７の外周縁部は、タービンハウジング３３とベアリングハウジング３によって挟持されている。また、遮熱板４７は、タービンディスク３７の背面３７ｂの外周側部分に対向してあって、本願の特許請求の範囲に記載の背面対向部材に相当するものである。

図１及び図２（ａ）に示すように、遮熱板４７の左側面には、左方向（タービンインペラ３５の軸方向一方側）へ突出した複数（本発明の実施形態にあっては、４つ）のスワールブレーカ（突起列）４９が円周方向に間隔を置いて形成されている。また、各スワールブレーカ４９は、円周方向に対して交差する方向の一例である径方向（タービンインペラ３５の径方向）へ延びている。更に、各スワールブレーカ４９の外端部は、タービンディスク３７の最大径部よりも径方向外側に位置している。なお、スワールブレーカ４９の個数を適宜に変更したり、図２（ｂ）に示すように、各スワールブレーカ４９が径方向に対して傾斜する方向（円周方向に対して交差する方向の一例）へ延びるようにしたりしても構わない。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

ガス取入口４１からタービンハウジング３３内に取入れた排気ガスがタービンスクロール流路４３を経由してタービンインペラ３５の入口側から出口側へ流通する。すると、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させて、タービンインペラ３５、ロータ軸９、及びコンプレッサインペラ１５を一体的に回転させることができる。これにより、空気取入口２１から取入れた空気を圧縮して、ディフューザ流路２３及びコンプレッサスクロール流路２５を経由して空気排出口２７から排出することができ、エンジンに供給される空気を過給することができる。なお、タービンインペラ３５の出口側へ流通した排気ガスは、ガス排出口タービンハウジングの外側へ排出される。

車両用過給機１の運転中、図３に示すように、コンプレッサインペラ１５の出口側の圧力によって、コンプレッサディスク１７の背面１７ｂには右方向のスラスト力（正方向のスラスト力）ＣＦが働く。また、図１に示すように、タービンインペラ３５の入口側の圧力によって、タービンディスク３７の背面３７ｂに左方向のスラスト力（逆方向のスラスト力）ＴＦが働く。

ここで、タービンディスク３７の背面３７ｂ側にタービンインペラ３５の軸心周りの旋回流が生成されて、タービンディスク３７の背面３７ｂに働く圧力（逆方向のスラスト圧力）が径方向内側へ向かって減少する傾向にある。一方、円周方向に対して交差する方向へ延びた複数のスワールブレーカ４９によってその旋回流の一部が遮られ、かつ円周方向に隣接するスワールブレーカ４９間の領域（空間）Ａ（図２（ａ）（ｂ）参照）によってタービンディスク３７の背面３７ｂ側の流れの一部が拘束され、タービンディスク３７の背面３７ｂに働く逆方向のスラスト圧力の減少を抑えることができる。特に、各スワールブレーカ４９の外端部がタービンディスク３７の最大径部よりも径方向外側に位置しているため、複数のスワールブレーカ４９による旋回流の一部を遮る機能を安定させることができる。つまり、遮熱板４７にスワールブレーカ４９が形成されていない場合に比べて、タービンディスク３７の背面３７ｂに働く逆方向のスラスト力ＴＦを十分に大きくすることができる。

従って、本発明の実施形態によれば、コンプレッサインペラ１５が大径化しても、コンプレッサディスク１７の背面１７ｂに働く正方向のスラスト力ＣＦとタービンディスク３７の背面３７ｂに働く逆方向のスラスト力ＴＦとの差（ＣＦ−ＴＦ）を小さくすることができる。よって、車両用過給機１の高圧力比化を促進しつつ、タービンインペラ３５、ロータ軸９、及びコンプレッサインペラ１５を含むロータ全体のメカニカルロスを低減して、車両用過給機１の効率の向上を図ることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、例えば、タービンディスク３７の背面３７ｂの外周側部分に対向する背面対向部材として遮熱板４７を用いる代わりに、別の部材を背面対向部材として用いる等、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

ＣＦ：正方向のスラスト力、ＴＦ：逆方向のスラスト力、１：車両用過給機、３：ベアリングハウジング、９：ロータ軸、１１：コンプレッサ、１３：コンプレッサハウジング、１５：コンプレッサインペラ、１７：コンプレッサディスク、１７ｂ：背面、１７ｈ：ハブ面、３１：ラジアルタービン、３３：タービンハウジング、３３ｓ：シュラウド、３５：タービンインペラ、３７：タービンディスク、３７ｂ：背面、３７ｈ：ハブ面、３９：タービンブレード、４７：遮熱板、４９：スワールブレーカ

Claims (4)

1. 過給機に用いられ、ガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるラジアルタービンにおいて、
   内側にシュラウドを有したタービンハウジングと、
   前記タービンハウジング内に回転可能に設けられ、ハブ面が軸方向一方側から径方向外側へ延びかつ背面が軸方向他方側を向いたタービンディスク、及び前記タービンディスクのハブ面に周方向に間隔を置いて一体的に設けられかつ先端縁が前記タービンハウジングの前記シュラウドに沿うように延びた複数のタービンブレードを備え、前記過給機のコンプレッサにおけるコンプレッサインペラに同軸状に一体的に連結されたタービンインペラと、を具備し、
   前記タービンディスクの背面の外周側部分に対向する背面対向部材に、軸方向一方側へ突出したスワールブレーカが設けられ、前記スワールブレーカが円周方向に対して交差する方向へ延びていることを特徴とするラジアルタービン。
2. 前記スワールブレーカの個数は、複数であって、複数の前記スワールブレーカが円周方向に間隔を置いて設けられていることを特徴とする請求項１に記載のラジアルタービン。
3. 前記スワールブレーカの外端部が前記タービンディスクの最大径部よりも径方向外側に位置していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のラジアルタービン。
4. エンジンからの排気ガスの圧力エネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する過給機において、
   請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載のラジアルタービンを具備したことを特徴とする過給機。

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