JP5811548B2 - ツインスクロール型の斜流タービン及び過給機 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンから排気された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るツインスクロール型の斜流タービン等に関する。

近年、エンジンの排気のパルス効果によって回転効率を高めることができるツインスクロール型のタービンについて種々の開発がなされており、一般的なツインスクロール型の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２参照）。

一般的なツインスクロール型のタービンは、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内には、タービンインペラが回転可能に設けられている。また、タービンインペラは、軸心（タービンインペラの軸心）周りに回転可能なホイール、及びホイールの外周面に周方向に間隔を置いて設けられた複数枚のタービン動翼を備えている。

タービンハウジングには、エンジンからの排気ガスを取入れるガス取入口が形成されており、タービンハウジングにおけるタービンインペラの出口側には、排気ガスを排出するガス排出口が形成されている。また、タービンハウジングの内部には、環状（渦巻き状）のツインスクロール流路がタービンインペラを囲むように形成されており、このツインスクロール流路は、ガス取入口に連通してある。そして、ツインスクロール流路内には、環状（渦巻き状）の仕切壁が形成されており、ツインスクロール流路は、仕切壁によって、複数枚のタービン動翼の前縁のハブ側部分（ホイール側部分）に向かって排気ガスを供給する環状の第１スクロール流路と、複数枚のタービン動翼の前縁のシュラウド側部分（チップ側部分）に向かって排気ガスを供給する環状の第２スクロール流路とに区画されている。

従って、ガス取入口から取入れた排気ガスをツインスクロール流路（第１スクロール流路及び第２スクロール流路）を経由してタービンインペラの入口側から出口側へ流通させる。これにより、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）を発生させることができる。ここで、エンジンからの排気タイミングの異なる排気ガスを第１スクロール流路及び第２スクロール流路に交互に流通させることにより、エンジンの排気のパルス効果によってタービンインペラの回転効率を高めることができる。

特開２００６−３４８８９４号公報 特開２００９−２８１１９７号公報

ところで、ツインスクロール型のタービンは、タービン動翼の前縁がタービンインペラの軸心に平行なラジアルタービンと、タービン動翼の前縁がシュラウド側（チップ側）からハブ側（ホイール側）に向かうにしたがい前記軸心に漸次近づくように前記軸心に対して傾斜した斜流タービンとに分けることができる。また、後者のツインスクロール型の斜流タービンは、前者のツインスクロール型のラジアルタービンに比較して、タービンインペラの加速応答性を高めることができ、その開発動向が注目されている。

しかしながら、ツインスクロール型の斜流タービンにあっては、前記軸心方向に平行な方向に対する、第１スクロール流路からタービン動翼の前縁のハブ側部分に流入する排気ガスの第１スクロール流入角が鋭角になるものの、第２スクロール流路からタービン動翼の前縁のチップ側部分に流入する排気ガスの第２スクロール流入角が鈍角になるため、後述のように、タービン動翼の入口メタル角（前縁の翼角）の符号がハブ側からシュラウド側に向かう途中で正から負に反転してしまい、排気ガスの流れ角とタービン動翼の入口メタル角の差であるインシデンスが増大する。そのため、タービンインペラ内（隣接するタービン動翼間）における圧力損失（エネルギー損失）が増大し、ツインスクロール型の斜流タービンのタービン効率が低下するという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のツインスクロール型の斜流タービンを提供することを目的とする。

本願の発明者は、前述の問題を解決するために試行錯誤を繰り返して、新規な知見を見出し、この新規な知見に基づいて本発明を完成するに至った。本発明の特徴を説明する前に、新規な知見を見出すまでの経緯について説明する。

本発明の発明者が調査した文献（Srithar Rajoo , Ricardo Martinez-Botas ,2008, "Mixed Flow Turbine Research:A Review" ASME Journal of Turbomachinery, vol.130 ）によれば、単一スクロール型の斜流タービンにおいて、タービン動翼の入口メタル角（前縁の翼角）βｂと、タービン動翼のコーン角λ（図４参照）と、タービン動翼のチャンバー角φとの間には、後記の式(1)の関係が成立する。

ｔａｎβｂ＝ｃｏｓλ・ｔａｎφ ‥式(1)
また、ラジアル要素に基づいて構成されたタービン動翼にあっては、タービンインペラの径方向に沿った任意の断面において、タービンインペラの軸心から径方向外側（放射状）に延びている。換言すれば、タービン動翼の任意の点における軸方向位置（タービンインペラの軸方向の位置）ｚと周方向角度（タービンインペラの軸心ＳＣ周りの周方向角度）θとの関係が、図４に示すように、規定された曲線（θ＝ｆ（ｚ））によって決定されるようになっている。そして、タービン動翼の任意の点における径方向の位置（径方向位置）ｒとすると、ｔａｎφ＝ｒ（ｄθ／ｄｚ）の関係が成立する。よって、式(1)を後記の式(2)に置き換えることができる。

ｔａｎβｂ＝ｃｏｓλ・ｒ（ｄθ／ｄｚ） ‥‥式(2)
式(2)をツインスクロール型の斜流タービンに適用する際に、第１スクロール流路からタービン動翼の前縁のハブ側部分に流入する場合（第１スクロール流から流入する場合）と、第２スクロール流路からタービン動翼の前縁のシュラウド側部分（チップ側部分）に流入する場合（第２スクロール流路から流入する場合）に分ける必要がある。

図５に示すように、第１スクロール流路から流入する場合には、式(2)におけるコーン角λを前記軸心方向に平行な方向に対して第１スクロール流路から流入する角度（以下、適宜に第１スクロール流入角という）λａと同義であるとみなすことができ、式(2)を後記の式(3)に置き換えることができる。ここで、第１スクロール流入角λａは鋭角（λａ＜９０°）である。

ｔａｎβｂ＝ｃｏｓλａ・ｒ（ｄθ／ｄｚ） ‥‥式(3)
同様に、第２スクロール流路から流入する場合には、式(2)におけるコーン角λを前記軸心方向に平行な方向に対して第２スクロール流路から流入する角度（以下、適宜に第２スクロール流入角という）λｂと同義であるとみなすことができ、式(2)を後記の式(4)に置き換えることができる。ここで、第２スクロール流入角λｂは鈍角（λｂ＞９０°）である。

ｔａｎβｂ＝ｃｏｓλｂ・ｒ（ｄθ／ｄｚ） ‥‥式(4)
従来のツインスクロール型の斜流タービンにおいて、式(3)におけるｃｏｓλａ＞０、式(3)におけるｒ（ｄθ／ｄｚ）＞０であるため、第１スクロール流路から流入する場合におけるｔａｎβｂ＞０であって、タービン動翼のハブ側部分の入口メタル角βｂ＞０になる。一方、式(4)におけるｃｏｓλｂ＜０、式(4)におけるｒ（ｄθ／ｄｚ）＞０であるため、第２スクロール流路から流入する場合におけるｔａｎβｂ＜０であって、タービン動翼のシュラウド側部分の入口メタル角βｂ＜０になる。つまり、タービン動翼の入口メタル角の符号がハブ側（シュラウド側）からシュラウド側（チップ側）に向かう途中で正から負に反転してしまい、図６に示すように、排気ガスの流れ角βとタービン動翼の入口メタル角βｂの差であるインシデンスｉが増大する。なお、排気ガスの流れ角βは、タービン動翼の前縁の径方向の長さに逆比例して増加するようになっている。

本願の発明者は、前述の点を検討した結果、タービン動翼の入口メタル角βｂの符号がハブ側からシュラウド側（チップ側）に向かう途中で正から負に反転しないようにするには、式(4)におけるｒ（ｄθ／ｄｚ）＜０になるようにする必要があることを判った。つまり、曲線ＣＬの変曲点Ｆにおける軸方向位置（ｄθ／ｄｚ＝０になる軸方向位置）が仕切壁の先端縁の延長線ＥＬとタービン動翼の前縁との交点Ｎにおける軸方向位置と同じになるように設定されていれば、タービン動翼の入口メタル角の符号がハブ側からシュラウド側に向かう途中で正から負に反転することがなく、排気ガスの流れ角βとタービン動翼の入口メタル角βｂの差であるインシデンスｉを低減できるという、新規な知見を見出すことができた。

続いて、本発明の特徴について説明する。

第１の本発明は、エンジン側に供給される空気を過給する過給機に用いられ、エンジンから排気された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るツインスクロール型の斜流タービンであって、内側にシュラウド（内壁）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、軸心（タービンインペラの軸心）周りに回転可能なホイール、及び前記ホイールの外周面に間隔を置いて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かつ前縁がシュラウド側（チップ側）からハブ側（前記ホイール側又は根本側）に向かうにしたがい前記軸心に漸次近づくように前記軸心に対して傾斜した複数枚のタービン動翼を備えたタービンインペラと、を具備し、前記タービンハウジングの内部に環状（渦巻き状）のツインスクロール流路が前記タービンインペラを囲むように形成され、前記ツインスクロール流路内に環状の仕切壁が形成され、前記ツインスクロール流路は、前記仕切壁によって、複数枚の前記タービン動翼の前縁のハブ側部分に向かって排気ガスを供給する環状の第１スクロール流路と、複数枚の前記タービン動翼の前縁の前記シュラウド側部分（チップ側部分）に向かって排気ガスを供給する環状の第２スクロール流路とに仕切られ、前記タービン動翼は、前記タービンインペラの径方向に沿った任意の断面において、前記タービンインペラの軸心から放射状に延びるように構成され、前記タービン動翼の任意の点における軸方向位置（前記タービンインペラの軸方向の位置）と周方向角度（前記タービンインペラの軸心周りの周方向角度）との関係は、変曲点を有する凸状の曲線によって決定され、前記タービン動翼の入口メタル角の符号がハブ側からシュラウド側に向かう途中で反転しないように、前記曲線の前記変曲点における軸方向位置は、前記仕切壁の先端縁（先端縁の中心）の延長線と前記タービン動翼の前縁との交点の軸方向位置と同じになるように設定されている。

第１の本発明によると、排気ガスを前記ツインスクロール流路（前記第１スクロール流路及び前記第２スクロール流路）を経由して前記タービンインペラの入口側から出口側へ流通させる。これにより、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）を発生させることができる。ここで、エンジンからの排気タイミングの異なる排気ガスを前記第１スクロール流路及び前記第２スクロール流路に交互に流通させることにより、前記エンジンの排気のパルス効果によって前記タービンインペラの回転効率を高めることができる。

前記タービン動翼の任意の点における軸方向位置と周方向角度との関係が前記曲線によって決定され、前記曲線の変曲点における軸方向位置が前記仕切壁の先端縁の延長線と前記タービン動翼の前縁との交点における軸方向位置と同じになるように設定されているため、前述の新規な知見を適用すると、前記タービン動翼の入口メタル角の符号がハブ側からシュラウド側に向かう途中で正から負に反転することがなく、排気ガスの流れ角と前記タービン動翼の入口メタル角の差であるインシデンスを低減できる。

第２の本発明は、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の特徴からなるツインスクロール型の斜流タービンを具備する。

第２の本発明によると、第１の本発明による作用と同様の作用を奏する。

本発明によれば、前記タービン動翼の入口メタル角の符号がハブ側からチップ側に向かう途中で正から負に反転することがなく、インシデンスを低減できるため、前記タービンインペラ内（隣接関係にある前記タービン動翼間）における圧力損失を抑えて、前記ツインスクロール型の斜流タービンのタービン効率を高めることができる。

図１は、本発明の実施形態に係るツインスクロール型の斜流タービンの要部を示す図であって、タービン動翼の任意の点における軸方向位置と周方向角度の関係を示す部分図を含んでいる。 図２は、本発明の実施形態に係るツインスクロール型の斜流タービンにおいて、排気ガスの流れ角、タービン動翼の入口メタル角をタービン動翼のハブ側からシュラウド側にかけて示した図である。 図３は、本発明の実施形態に係るツインスクロール型の斜流タービンの側断面図である。 図４は、新規な知見を見出すまでの経緯を説明する図であって、単一スクロール型の斜流タービンにおいて、タービン動翼の任意の点における軸方向位置と周方向角度の関係を示す部分図を含んでいる。 図５は、新規な知見を見出すまでの経緯を説明する図であって、具体的には、ツインスクロール型の斜流タービンの第１スクロール流路角及び第２スクロール流路角を説明している。 図６は、新規な知見を見出すまでの経緯を説明する図であって、従来のツインスクロール型の斜流タービンにおいて、排気ガスの流れ角、タービン動翼の入口メタル角をタービン動翼のハブ側からシュラウド側にかけて示している。

本発明の実施形態について図１から図３を参照して説明する。なお、図面中、「ＦＦ」は、前方向を指し、「ＦＲ」は、後方向を指してある。

図３に示すように、本発明の実施形態に係るツインスクロール型の斜流タービンは、エンジン側に供給される空気を過給する車両用過給機に用いられ、エンジンから排気された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るものである。そして、ツインスクロール型の斜流タービン１の具体的な構成は、以下のようになる。

ツインスクロール型の斜流タービン１は、タービンハウジング３を具備しており、このタービンハウジング３は、内側に、シュラウド（内壁）３Ｓを有している。また、タービンハウジング３は、車両用過給機におけるベアリングハウジング５の後側に固定されている。

また、タービンハウジング３内には、タービンインペラ７が回転可能に設けられている。そして、タービンインペラ７の構成要素について説明すると、タービンハウジング３内には、ホイール９が設けられており、このホイール９は、タービンインペラ７の軸心ＳＣ周りに回転可能であって、ホイール９の外周面（ハブ面）は、タービンインペラ７の軸方向（前後方向）から径方向外側に向かって延びている。また、ホイール９の外周面には、複数枚のタービン動翼１１が周方向に間隔を置いて設けられており、各タービン動翼１１の先端縁（外縁）１１Ｔは、タービンハウジング３のシュラウド３Ｓに沿うように延びてある。更に、各タービン動翼１１の前縁１１Ｌは、シュラウド側（チップ側）からハブ側（ホイール９側又は根本側）に向かうにしたがいタービンインペラ７の軸心ＳＣに漸次近づくようにタービンインペラ７の軸心ＳＣに対して傾斜してある。なお、ホイール９は、ベアリングハウジング５にベアリング１３等を介して回転可能に支持されたタービン軸（ロータ軸）１５の一端部（後端部）に一体的に連結してある。

タービンハウジング３の適宜位置には、エンジンから排気された排気ガスを取入れるガス取入口１７が形成されており、このガス取入口１７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３におけるタービンインペラ７の出口側（タービンハウジング３の後側）には、排気ガスを排出するガス排出口１９が形成されており、このガス排出口１９は、後方向に向かって拡径するようになっている。

タービンハウジング３の内部には、環状（渦巻き状）のツインスクロール流路２１がタービンインペラ７を囲むように形成されており、ツインスクロール流路２１は、ガス取入口１７に連通してある。また、ツインスクロール流路内には、環状（渦巻き状）の仕切壁２３が形成されており、この仕切壁２３の先端縁２３Ｔ（先端縁２３Ｔの中心）の延長線ＥＬは、タービン動翼１１の前縁１１Ｌに交わるようになっている。そして、ツインスクロール流路２１は、仕切壁２３によって、複数枚のタービン動翼１１の前縁１１Ｌのハブ側部分１１Ｌｈに向かって排気ガスを供給する環状（渦巻き状）の第１スクロール流路２５と、複数枚のタービン動翼１１の前縁１１Ｌのシュラウド側部分（チップ側部分）１１Ｌｓに向かって排気ガスを供給する環状（渦巻き状）の第２スクロール流路２７とに仕切られるようになっている。なお、第１スクロール流路２５及び第２スクロール流路２７の流路面積は、タービンインペラ７の回転方向に沿って徐々に縮小するようになっている。

続いて、本発明の実施形態に係るツインスクロール型の斜流タービン１の特徴部分について説明する。

図１に示すように、複数枚のタービン動翼１１は、特開２００８−１３３７６５号公報に示すように、ラジアル要素に基づいて構成されており、具体的には、タービンインペラ７の径方向に沿った任意の断面において、タービンインペラ７の軸心ＳＣから放射状（タービンインペラ７の径方向外側）に延びるように構成されている。換言すれば、タービン動翼１１の任意の点におけるタービンインペラ７の軸方向位置（タービンインペラ７の軸方向の位置）ｚと周方向角度（タービンインペラ７の軸心ＳＣ周りの周方向角度）θとの関係が、図１に示すように、規定された曲線ＣＬ（θ＝ｆ（ｚ））によって決定されるようになっている。そして、曲線ＣＬの変曲点Ｆにおける軸方向位置は、仕切壁２３の先端縁２３Ｔの延長線ＥＬとタービン動翼１１の前縁との交点Ｎの軸方向位置と同じになるように設定されている。

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１７から取入れた排気ガスをツインスクロール流路２１（第１スクロール流路２５及び第２スクロール流路２７）を経由してタービンインペラ７の入口側から出口側へ流通させる。これにより、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、タービン軸１５を回転させることができる。ここで、エンジンからの排気タイミングの異なる排気ガスを第１スクロール流路２５及び第２スクロール流路２７に交互に流通させることにより、エンジンの排気のパルス効果によってタービンインペラ７の回転効率を高めることができる。

タービン動翼１１の任意の点における軸方向位置ｚと周方向角度θとの関係が規定された曲線ＣＬによって決定され、曲線ＣＬの変曲点Ｆにおける軸方向位置が仕切壁２３の先端縁２３Ｔの延長線ＥＬとタービン動翼１１の前縁１１Ｌとの交点Ｎにおける軸方向位置と同じになるように設定されているため、前述の新規な知見を適用すると、図２に示すように、タービン動翼１１の入口メタル角βｂの符号がハブ側からシュラウド側に向かう途中で正から負に反転することがなく、従来例に係るツインスクロール型の斜流タービンに比べて、排気ガスの流れ角βとタービン動翼１１の入口メタル角βｂの差であるインシデンスｉを十分に低減できる。なお、図２中において、従来例に係るツインスクロール型の斜流タービンにおけるタービン動翼の入口メタル角βｂは、二点鎖線で示してある。

従って、本発明の実施形態に係るツインスクロール型の斜流タービン１によれば、従来例に係るツインスクロール型の斜流タービンに比べて、インシデンスｉを十分に低減できるため、タービンインペラ７内（隣接関係にあるタービン動翼１１間）における圧力損失を抑えて、ツインスクロール型の斜流タービン１のタービン効率を高めることができる。

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、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、ツインスクロール型の斜流タービン１だけでなく、ツインスクロール型の斜流タービン１を具備した車両用過給機にも及ぶものである。

β 流れ角
βｂ 入口メタル角
β 入口メタル角
θ 周方向角度
λａ 第１スクロール流入角
λｂ 第２スクロール流入角
λ コーン角
φ チャンバー角
ＣＬ 規定された曲線
Ｆ 規定された曲線の変曲点
ｉ インシデンス
１ 斜流タービン
３ タービンハウジング
３Ｓ シュラウド
５ ベアリングハウジング
７ タービンインペラ
ＳＣ タービンインペラの軸心
９ ホイール
１１ タービン動翼
１１Ｌ タービン動翼の前縁
１１Ｌｈ タービン動翼の前縁のハブ側部分
１５ タービン軸
１７ ガス取入口
１９ ガス排出口
２１ ツインスクロール流路
２３ 仕切壁
２３Ｔ 仕切壁の先端縁
ＥＬ 仕切壁の先端縁の延長線
Ｎ 仕切壁の先端縁の延長線とタービン動翼の前縁との交点
２５ 第１スクロール流路
２７ 第２スクロール流路

Claims (2)

1. エンジン側に供給される空気を過給する過給機に用いられ、エンジンから排気された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るツインスクロール型の斜流タービンであって、
   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、軸心周りに回転可能なホイール、及び前記ホイールの外周面に間隔を置いて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かつ前縁がシュラウド側からハブ側に向かうにしたがい前記軸心に漸次近づくように前記軸心に対して傾斜した複数枚のタービン動翼を備えたタービンインペラと、を具備し、
   前記タービンハウジングの内部に環状のツインスクロール流路が前記タービンインペラを囲むように形成され、前記ツインスクロール流路内に環状の仕切壁が形成され、前記ツインスクロール流路は、前記仕切壁によって、複数枚の前記タービン動翼の前縁のハブ側部分に向かって排気ガスを供給する環状の第１スクロール流路と、複数枚の前記タービン動翼の前縁の前記シュラウド側部分に向かって排気ガスを供給する環状の第２スクロール流路とに仕切られ、
   前記タービン動翼は、前記タービンインペラの径方向に沿った任意の断面において、前記タービンインペラの軸心から放射状に延びるように構成され、前記タービン動翼の任意の点における軸方向位置と周方向角度との関係は、変曲点を有する凸状の曲線によって決定され、前記タービン動翼の入口メタル角の符号がハブ側からシュラウド側に向かう途中で反転しないように、前記曲線の前記変曲点における軸方向位置は、前記仕切壁の先端縁の延長線と前記タービン動翼の前縁との交点の軸方向位置と同じになるように設定されている、斜流タービン。
2. 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のツインスクロール型の斜流タービンを具備する過給機。

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