JP6064310B2

JP6064310B2 - タービン及び車両用過給機

Info

Publication number: JP6064310B2
Application number: JP2011130440A
Authority: JP
Inventors: 森田　功; 功森田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2031-06-10
Also published as: JP2012255426A

Description

本発明は、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タービン等に関する。

従来から、車両用過給機に用いられるタービンについて種々の開発がなされており、一般的なタービンの構成について図４を参照して説明すると、次のようになる。ここで、図４は、一般的なタービンを示す側断面図である。なお、図面中において、「ＦＦ」は、前方向、「ＦＲ」は、後方向をそれぞれ指してある。

図４に示すように、一般的なタービン１０１は、タービンハウジング１０３を具備しており、このタービンハウジング１０３は、内側に、シュラウド（内壁）１０３ｓを有している。また、タービンハウジング１０３内には、タービンインペラ１０５が回転可能に設けられており、このタービンインペラ１０５は、軸心（タービンインペラ１０５の軸心）ＳＣ周り回転可能なタービンホイール１０７、及びタービンホイール１０７の外周面１０７ｈに間隔を置いて設けられた複数枚（１枚のみ図示）のタービンブレード１０９を備えている。ここで、タービンホイール１０７の外周面１０７ｈは、タービンインペラ１０５の軸方向（換言すれば、タービンホイール１０７の軸方向）から径方向外側へ延びており、各タービンブレード１０９の先端縁（外縁）１０９ｔは、タービンハウジング１０３のシュラウド１０３ｓに沿うように延びている。

タービンハウジング１０３の内部におけるタービンインペラ１０５の入口側には、排気ガス（ガスの一例）を取入れ可能な渦巻き状（環状）のタービンスクロール流路１１１が形成されており、このタービンスクロール流路１１１は、排気ガスを取入れ可能である。また、タービンハウジング１０３におけるタービンインペラ１０５の出口側には、排気ガスを排出するガス排出口１１３が形成されている。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１に示すものがある。

特開平０９−２６４１０６号公報

ところで、タービン１０１の運転中におけるタービンインペラ１０５の入口側から出口側にかけてのガスの流線（流線分布）について、３次元定常粘性ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析を行うと、図５（ａ）（ｂ）及び図４に示すように、タービン１０１の作動点（運転状態）が高回転域（高回転状態）にある場合には、タービンインペラ１０５の入口側から出口側にかけて逆流領域（逆流）が生成されないものの、タービン１０１の作動点が低回転域（低回転状態）にある場合には、タービンインペラ１０５の途中から出口側にかけてタービンハウジング１０３のシュラウド１０３ｓ付近に逆流領域が生成されることが判明した。これは、タービンインペラ１０５の回転による遠心力がタービンハウジング１０３のシュラウド１０３ｓの曲率（子午面曲率）による遠心力に比べて過小となることによるものと考えられる。また、タービンインペラ１０５の途中から出口側にかけての逆流領域が増大すると、タービン１０１のタービン効率の低下を招くことになる。ここで、図５（ａ）は、一般的なタービンの作動点が高回転域にある場合におけるタービンインペラの入口側から出口側にかけてのガスの流線の解析結果を示す図、図５（ｂ）は、一般的なタービンの作動点が低回転域にある場合におけるタービンインペラの入口側から出口側にかけてのガスの流線の解析結果を示す図である。

一方、近年、環境保全及び燃費向上を考慮した所謂アイドリングストップ機能を有した車両が普及しており、それに伴い、エンジン始動後の低回転域におけるタービン効率の向上を図ることが急務になってきている。

そこで、作動点が高回転域にある場合だけでなく、低回転域にある場合においても、タービン効率を向上させることができる、新規な構成のタービン等を提供することを目的とする。

本発明の発明者は、前述の課題を解決するために、試行錯誤を繰り返した結果、タービンハウジングのシュラウドにおけるタービンインペラの直下流側に下流方向に向かって内径を徐々に縮径した絞り部（図４の仮想線部分参照）を形成することにより、図６（ａ）（ｂ）に示すように、作動点が高回転域にある場合に、タービンインペラの入口側から出口側にかけて逆流領域を生成させないようにした上で、作動点が低回転域にある場合には、絞り部を有していない一般的なタービン（図４及び図５（ｂ）参照）に比べて、タービンインペラの途中から出口側にかけて生成される逆流領域を十分に低減できるという、新規な知見を得ることができ、本発明を完成するに至った。ここで、図６（ａ）は、発明例に係るタービン（絞り部を有したタービン）の作動点が高回転域にある場合におけるタービンインペラの入口側から出口側にかけてのガスの流線の解析結果（３次元定常粘性ＣＦＤの結果）を示す図、図６（ｂ）は、発明例に係るタービンの作動点が低回転域にある場合におけるタービンインペラの入口側から出口側にかけてのガスの流線の解析結果（３次元定常粘性ＣＦＤの結果）を示す図である。

なお、３次元定常粘性ＣＦＤの対象となる発明例に係るタービンにあっては、タービンハウジングのシュラウドにおける絞り部の直下流側には下流方向に向かって内径を徐々に拡径した拡張部が形成してある。

第１の本発明は、ガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるタービンにおいて、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、軸心周りに回転可能かつ外周面が軸方向から径方向外側に向かって延びたタービンホイール、及び前記タービンホイールの外周面に間隔を置いて設けられた複数枚のタービンブレード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おける前記タービンインペラの入口側（上流側）にガスを取入れ可能な渦巻き状のタービンスクロール流路が形成され、前記タービンハウジングにおける前記タービンインペラの出口側（下流側）にガスを排出するガス排出口が形成され、前記タービンハウジングの前記シュラウドにおける前記タービンインペラの直下流側（下流側直後）に下流方向に向かって内径を徐々に縮径した絞り部が形成され、前記タービンブレードの後縁のチップ端の回転半径に対する前記絞り部の下流端の内半径の割合は、０．９０〜０．９５に設定され、前記タービンブレードの前縁のハブ端から後縁のチップ端までの軸方向の長さに対する前記タービンブレードの前縁のハブ端から前記絞り部の下流端までの軸方向の長さの割合は、１．２０〜１．３５に設定されている。
第２の本発明は、シュラウドを含むタービンハウジングと、前記タービンハウジング内に設けられ、タービンブレードを有するタービンインペラと、を有し、前記タービンハウジングには、前記シュラウドにおける前記タービンインペラの直下流側に下流方向に向かって内径を徐々に縮径した絞り部が設けられ、前記タービンブレードの後縁のチップ端の回転半径に対する前記絞り部の下流端の内半径の割合は、０．９０〜０．９５であり、前記タービンブレードの前縁のハブ端から後縁のチップ端までの軸方向の長さに対する前記タービンブレードの前縁のハブ端から前記絞り部の下流端までの軸方向の長さの割合は、１．２０〜１．３５である。
第３の本発明は、シュラウドを含むタービンハウジングと、前記タービンハウジング内に設けられたタービンインペラと、を有し、前記タービンハウジングには、前記シュラウドにおける前記タービンインペラの直下流側に下流方向に向かって内径を徐々に縮径した絞り部が設けられ、さらに前記絞り部の直下流側には下流方向に向かって内径を徐々に拡大した拡張部が設けられている。

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「上流」とは、主流の流れ方向から見て上流のことをいい、「下流」とは、主流の流れ方向から見て下流のことをいう。

本発明の構成によると、前記タービンスクロール流路に取入れたガスを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、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。

そして、前記タービンハウジングの前記シュラウドにおける前記タービンインペラの直下流側に下流方向に向かって内径を徐々に縮径した前記絞り部が形成されているため、前述の新規な知見を適用すると、前記タービンの作動点が高回転域にある場合に、前記タービンインペラの入口側から出口側にかけて逆流領域を生成させないようにした上で、前記タービンの作動点が低回転域にある場合には、前記絞り部を有していない一般的なタービンに比べて、前記タービンインペラの途中から出口側にかけて生成される逆流領域を十分に低減できる。

第４の本発明は、第１の本発明から第３の本発明のいずれかの構成からなるタービンを具備した。

第４の本発明の構成によると、第１の本発明から第３の本発明のいずれかの構成による作用と同様の作用を奏する。

本発明によれば、前記タービンの作動点が高回転域にある場合に、前記タービンインペラの入口側から出口側にかけて逆流領域を生成させないようにした上で、前記タービンの作動点が低回転域にある場合には、前記タービンインペラの途中から出口側にかけて生成される逆流領域を十分に低減できるため、前記タービンの作動点が高回転域にある場合だけでなく、低回転域にある場合においても、前記タービンのタービン効率を十分に向上させることができる。

図１は、本発明の実施形態に係るタービンを示す側断面図である。図２は、本発明の実施形態に係る車両用過給機の側断面図である。図３は、発明例及び比較例に係るタービンにおけるタービン回転数とタービン効率との関係を示す図である。図４は、一般的なタービンを示す側断面図であって、併せて、発明例に係るタービンの特徴を仮想線で示している。図５（ａ）は、一般的なタービンの作動点が高回転域にある場合におけるタービンインペラの入口側から出口側にかけてのガスの流線の解析結果を示す図、図５（ｂ）は、一般的なタービンの作動点が低回転域にある場合におけるタービンインペラの入口側から出口側にかけてのガスの流線の解析結果を示す図である。図６（ａ）は、発明例に係るタービンの作動点が高回転域にある場合におけるタービンインペラの入口側から出口側にかけてのガスの流線の解析結果を示す図、図６（ｂ）は、発明例に係るタービンの作動点が低回転域にある場合におけるタービンインペラの入口側から出口側にかけてのガスの流線の解析結果を示す図である。

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２に示すように、本発明の実施形態に係る車両用過給機１は、エンジン（図示省略）からの排気ガス（ガスの一例）の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、前後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。

ベアリングハウジング３の前側には、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、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の前側には、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内には、コンプレッサインペラ１５が回転可能に設けられている。そして、コンプレッサインペラ１５の構成要素について説明すると、コンプレッサハウジング１３内には、コンプレッサホイール１７が設けられており、このコンプレッサホイール１７は、ロータ軸９の前端部に連結してあって、コンプレッサインペラ１５の軸心（換言すれば、ロータ軸９の軸心）ＳＣ周りに回転可能である。また、コンプレッサホイール１７の外周面１７ｈには、複数枚のコンプレッサブレード１９が周方向に間隔を置いて設けられている。

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（コンプレッサハウジング１３の前側）には、空気を取入れる空気取入口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ー（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が形成されており、このディフューザ流路２３は、空気取入口２１に連通してある。更に、コンプレッサハウジング１３の内部には、コンプレッサスクロール流路２５がコンプレッサインペラ１５を囲むように形成されており、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、圧縮された空気を排出する空気排出口２７が形成されており、この空気排出口２７は、コンプレッサスクロール流路２５に連通してあって、エンジンの給気マニホールド（図示省略）に接続可能である。

ベアリングハウジング３の後側には、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）を発生させるタービン２９が配設されており、このタービン２９の具体的な構成は、次のようになる。

図１及び図２に示すように、ベアリングハウジング３の後側には、タービンハウジング３１が設けられており、このタービンハウジング３１は、内側に、シュラウド３１ｓを有してあって、タービンハウジング３１内には、タービンインペラ３３が回転可能に設けられている。そして、タービンインペラ３３の構成要素について説明すると、タービンハウジング３１内には、タービンホイール３５が設けられており、このタービンホイール３５は、ロータ軸９の後端部に一体的に連結してあって、タービンインペラ３３の軸心（換言すれば、ロータ軸９の軸心）ＳＣ周りに回転可能である。また、タービンホイール３５の外周面３５ｈは、タービンインペラ３３の軸方向から径方向外側に向かって延びている。更に、タービンホイール３５の外周面３５ｈには、複数枚のタービンブレード３７が周方向に間隔を置いて設けられており、各タービンブレード３７の先端縁（外縁）３７ｔは、タービンハウジング３１のシュラウド３１ｓに沿うように延びている。

タービンハウジング３１の適宜位置には、排気ガスを取入れるガス取入口３９が形成されており、このガス取入口３９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３１の内部におけるタービンインペラ３３の入口側には、渦巻き状（環状）のタービンスクロール流路４１が形成されており、このタービンスクロール流路４１は、ガス取入口３９に連通してあって、排気ガスを取入れ可能である。更に、タービンハウジング３１におけるタービンインペラ３３の出口側（タービンハウジング３１の後側）には、排気ガスを排出するガス排出口４３が形成されており、このガス排出口４３は、タービンスクロール流路４１に連通してあって、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３１のシュラウド３１ｓにおけるタービンインペラ３３の直下流側（下流側直後）には、下流方向に向かって内径を徐々に縮径した絞り部４５が形成されている。また、タービンハウジング３１のシュラウド３１ｓにおける絞り部４５の直下流側には、下流方向に向かって内径を徐々に拡径した拡張部４７が連続して形成されている。

ここで、タービンブレード３７の後縁３７ｐのチップ端の回転半径Ｒ１に対する絞り部４５の下流端の内半径Ｒ２の割合（Ｒ２／Ｒ１）は、０．９０〜０．９５に設定されている。また、タービンブレード３７の前縁３７ｆのハブ端から後縁３７ｐのチップ端までの軸方向の長さＬ１に対するタービンブレード３７の前縁３７ｆのハブ端から絞り部４５の下流端までの軸方向の長さＬ２の割合（Ｌ２／Ｌ１）は、１．２０〜１．３５に設定されている。ここで、割合（Ｒ２／Ｒ１）を０．９０以上に設定されかつ割合（Ｌ２／Ｌ１）を１．３５以下に設定されるようにしたのは、割合（Ｒ２／Ｒ１）が０．９０未満に設定されたり、割合（Ｌ２／Ｌ１）が１．３５越えて設定されたりすると、後述のタービン２９の作動点が低回転域にある場合における逆流領域の低減作用が十分に発揮されないからである。一方、割合（Ｒ２／Ｒ１）を０．９５以下に設定されかつ割合（Ｌ２／Ｌ１）を１．２０以上に設定されるようにしたのは、割合（Ｌ２／Ｌ１）が１．３５越えて設定されたり、割合（Ｌ２／Ｌ１）が１．２０未満に設定されたりすると、絞り部４５の絞り比が高くなって、作動点が低回転域以外にある場合において新たな逆流領域が生成されることが懸念されるからである。

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３９から取入れた排気ガスをタービンスクロール流路４１を経由してタービンインペラ３３の入口側から出口側へ流通させることにより、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させて、ロータ軸９及びコンプレッサインペラ１５をタービンインペラ３３と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。

タービンハウジング３１のシュラウド３１ｓにおけるタービンインペラ３３の直下流側に下流方向に向かって内径を徐々に縮径した絞り部４５が形成されているため、前述の新規な知見を適用すると、タービン２９の作動点が高回転域にある場合に、タービンインペラ３３の入口側から出口側にかけて逆流領域を生成させないようにした上で、タービン２９の作動点が低回転域にある場合には、絞り部４５を有していない一般的なタービン１０１（図４参照）に比べて、タービンインペラ３３の途中から出口側にかけて生成される逆流領域を十分に低減できる。

従って、本発明の実施形態によれば、タービン２９の作動点が高回転域にある場合だけでなく、低回転域にある場合においても、タービン２９のタービン効率を十分に向上させることができる。

具体的には、本発明の実施形態に係るタービン２９を発明例に係るタービンとし、絞り部４５を有していない一般的なタービン１０１（図４参照）を比較例に係るタービンとして、発明例及び比較例に係るタービンのタービン回転数とタービン効率について３次元定常粘性ＣＦＤ解析を行い、その結果をまとめると、図３に示すようになる。即ち、図３に示すように、低回転域から高回転域にかけての広い作動範囲に亘って、発明例に係るタービンのタービン効率を比較例に係るタービンのタービン効率よりも十分に向上させたことが確認された。

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、これらの実施形態に限定されないものである。

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
２９タービン
３１タービンハウジング
３１ｓタービンハウジングのシュラウド
３３タービンインペラ
３５タービンホイール
３５ｈタービンホイールの外周面
３７タービンブレード
３７ｆタービンブレードの前縁
３７ｐタービンブレードの後縁
３９ガス取入口
４１タービンスクロール流路
４３ガス排出口
４５絞り部
４７拡張部

Claims

ガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるタービンにおいて、
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、軸心周りに回転可能かつ外周面が軸方向から径方向外側に向かって延びたタービンホイール、及び前記タービンホイールの外周面に間隔を置いて設けられた複数枚のタービンブレード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おける前記タービンインペラの入口側にガスを取入れ可能な渦巻き状のタービンスクロール流路が形成され、前記タービンハウジングにおける前記タービンインペラの出口側にガスを排出するガス排出口が形成され、前記タービンハウジングの前記シュラウドにおける前記タービンインペラの直下流側に下流方向に向かって内径を徐々に縮径した絞り部が形成され、
前記タービンブレードの後縁のチップ端の回転半径に対する前記絞り部の下流端の内半径の割合は、０．９０〜０．９５に設定され、前記タービンブレードの前縁のハブ端から後縁のチップ端までの軸方向の長さに対する前記タービンブレードの前縁のハブ端から前記絞り部の下流端までの軸方向の長さの割合は、１．２０〜１．３５に設定されている、タービン。
前記タービンハウジングの前記シュラウドにおける前記絞り部の直下流側に下流方向に向かって内径を徐々に拡径した拡張部が形成されている、請求項１に記載のタービン。
シュラウドを含むタービンハウジングと、
前記タービンハウジング内に設けられ、タービンブレードを有するタービンインペラと、を有し、
前記タービンハウジングには、前記シュラウドにおける前記タービンインペラの直下流側に下流方向に向かって内径を徐々に縮径した絞り部が設けられ、
前記タービンブレードの後縁のチップ端の回転半径に対する前記絞り部の下流端の内半径の割合は、０．９０〜０．９５であり、前記タービンブレードの前縁のハブ端から後縁のチップ端までの軸方向の長さに対する前記タービンブレードの前縁のハブ端から前記絞り部の下流端までの軸方向の長さの割合は、１．２０〜１．３５である、タービン。
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載のタービンを具備した、車両用過給機。