JP6625572B2 - 排気駆動過給機のタービンの流出領域 - Google Patents

Description

本発明は、過給される内燃機関のための排気駆動過給機の分野に関している。また本発明は、そのような排気駆動過給機のタービンの流出領域並びにその種の流出領域を有するタービンを備えた排気駆動過給機に関している。

近年の内燃機関は、単段若しくは多段の排気駆動過給機によって過給される。その際高温の排気ガスは、燃焼に必要な外気を圧縮する圧縮機を駆動するタービンを介して燃焼室から導入される。大型の排気駆動過給機では、主に軸流タービンと半径流圧縮機が使用され、小型の排気駆動過給機では半径流タービン若しくは混合流タービンも使用される。

排気ガスタービンの流出領域におけるディフューザの綿密な構成にもかかわらず、ディフューザの内壁の輪郭において、所定の単位面積当たりの平均ねじれ角度からは、流れ剥離が結果として生じる。この流れ剥離を阻止するためには、タービンの吸気能力を低減させる必要があり、これによって動作領域が縮小し、タービンの効率は悪化する。

２段過給における２つのタービン段の間のタービンディフューザまたは移行部には、今日では、境界層における層流を乱流に移行させ、それによって、増大する圧力勾配に基づく流れの剥離を阻止するために、効果の高いいわゆる渦発生器が使用される。しかしながら特に大型の排気駆動過給機では、渦発生器は、不十分な効果しか発揮できないことが示された。

特にねじれ成分の多い流れの場合の別の手段は、タービンホイール後方の流れのねじれ成分を低減するガイドホイールの使用である。しかしながらこの種の構造は高価であり、設計点以外の誤った流れに基づき損失流の増加につながる。

最終的には、流れの剥離を阻止するために、タービンのブレード足部領域における、この領域でのブレード負荷の低減による、軸方向速度成分の増加が残されている。しかしながら、ブレード負荷の低減は、取り出せる動作量を直接低減し、従ってタービンの効率に悪影響を及ぼす。その他にもこの手段は頻繁に、剥離点からはるかに離れた上流で行われ、その間隔が広すぎるため効果が低減される。

従来技術
米国特許出願公開第２０１１００５８９３９号明細書（ＵＳ２０１１００５８９３９Ａ１）には、流路の径方向内側の輪郭に沿ってガス状流体を吹き付けるためのノズルを備えた駆動タービンの排気ディフューザシステムが開示されている。

米国特許第５４６７５９１号明細書（ＵＳ５４６７５９１）には、径方向外側の壁部領域に再循環器を有する排気ガスディフューザシステムを備えたガスタービンが開示されている。

独国特許出願公開第１０２０１１０１２０３９号明細書（ＤＥ１０２０１１０１２０３９Ａ１）では、より高い流速のゾーンからより低い流速を有するゾーンへ作動流体の一部を案内する流れ案内面を備えた軸流ファンのディフューザ領域における流路が開示されている。

発明の概要
本発明の課題は、排気ガスタービンの流出領域におけるディフューザの内壁の輪郭における流れ分離を、簡単な手段によって阻止することである。

本発明によれば、この課題は、流路の径方向内側領域の境界層流に作用する、ディフューザの内壁の領域に配置された、圧力回復を増大させる手段の使用によって達成される。

第１の実施形態では、本発明によれば、ディフューザ領域の流路の内側に配置された内壁に成形された案内要素からなる整流器が使用される。

案内要素の高さは、案内要素の領域における平均流路高さの約２０％から６０％であり、案内要素の長さは、案内要素の領域における平均流路高さの約２倍から４倍である。渦発生器の場合とは異なり、本発明による周方向に作用する整流器は、境界層流れの厚さによってではなく、案内要素の領域における平均流路高さの約１／４から１／２の案内要素の高さによって著しく大きくスケーリングされる。

軸方向の整流器の位置は、剥離点の近傍に選択することができ、この場合案内要素の入口縁部は、剥離点の上流に置かれる。

第２の実施形態では、本発明によれば、圧縮機段における安定化間隙に比肩し得る再循環器が、ディフューザ領域における流路の内側に配置された内壁に埋め込まれる。本発明によれば、この再循環器は２つの開口部を含む。第１の開口部、すなわちそこを通って流路からの流体が再循環器内へ流入する流入開口部は、ディフューザ出口に存在する。第２の開口部、すなわちそこを通って再循環器からの流体が再び流路に流出する流出開口部は、剥離箇所の上流に密に配置されており、それによって、流路内へ流出する流体は、剥離領域内の境界層流に対するその効果を発揮する。これらの２つの開口部は、環状間隙として実施される。特に流出開口部は、好ましくは、その開口部が下流に面しており、それによって再循環器を通って流れる流体をコアンダ効果により壁と平行に流路にもたらし得るコアンダノズルとして成形されている。流入開口部に対してもこの種のコアンダ形状は同様に利点となり得る。なぜなら再循環器を通って流れる流体を、壁と平行に流路から取り出すことができるからである。

再循環器を通る流れは、これらの開口部間の圧力勾配に基づいて自ずと生じ、付加的な圧力形成機構は不要である。

本発明は、簡単かつ安価にディフューザ壁部内へ統合可能であり、タービン段の効率を大幅に向上させる。排気ガスタービンの流出領域の本発明による構成のおかげで、タービンの動作範囲をより高い吸気能力へ拡張することができ、このことは効率の向上を伴わせる。それにより、本発明によって構成された流出領域を有する排気タービンを備えた排気駆動過給機は、同等の出力のもとで、より大型でより高価な排気駆動過給機と置き換えることが可能になる。

さらなる利点は、従属請求項から明らかとなる。

以下では、本発明によって構成された軸流タービンの流出領域の実施形態を、図中の概略的な描写に基づき説明する。

本発明による流れ整流器を備えた軸流タービンのシャフト軸線に沿った断面図 図１による軸流タービンの流れ整流器のＩＩ−ＩＩ線に沿って導出される断面図（シャフト軸線に対して垂直方向） 本発明による再循環器を備えた軸流タービンのシャフト軸線に沿った断面図 図３による軸流タービンの再循環器のＩＶ−ＩＶ線に沿って導出される断面図（シャフト軸線に対して垂直方向） 本発明による流れ整流器と本発明による再循環器とを備えた軸流タービンのシャフト軸線に沿った断面図 図５による軸流タービンの流れ整流器と再循環器のＩＶ−ＩＶ線に沿って導出される断面図（シャフト軸線に対して垂直方向）

発明を実施するための形態
図１は、排気駆動過給機の軸流タービンのシャフト軸線に沿った断面図において、タービンホイール直前の流れ領域並びにタービンホイール下流の流出領域を概略的に示している。矢印で示されている流れは、この図面では左から右に起きている。ここでは、内燃機関の燃焼室から来る排気ガス流が、タービンハウジング内へ流入した後で、周囲に沿って分散された複数の案内要素２を備えた案内装置（ノズルリング）に衝突する。案内装置の案内要素は、この流れを、すぐ後に続くタービンホイールのロータブレード１２へ配向する。タービンホイールは、このロータブレードを複数有しており、それらはシャフト（図示せず）に接続されたハブ体１１に配置されている。タービンホイールは、ロータブレードに作用する排気ガス流によって回転させられ、排気駆動過給機におけるシャフトを介して圧縮機ホイールを駆動する。タービンホイールの下流では、いわゆるディフューザにおいて流路が広がる。環状の流路の断面は、この場合、特に、外壁５が径方向外側に向かって湾曲することによって、所定の範囲に亘って連続的に面積を増加させる。

ディフューザの内壁における流れの剥離を効果的に阻止するために、図１および図２による第１の実施形態によれば、軸流タービンの流出領域が整流器を備えている。この場合ディフューザの内壁６に沿って周面に亘り分散して成形された薄板が案内要素３１として配置されている。案内要素３１の最大高さは、本発明によれば、案内要素の領域における平均流路高さの１／４から最大で１／２の値である。案内要素の長さは、案内要素の領域における平均流路高さの約２倍から最大で４倍の値に定められている。整流器の位置は、剥離点の領域内で選択する必要があり、この場合案内要素の入口縁部は、剥離点の上流に位置するようになる。

図３および図４の第２の実施形態では、ディフューザの内壁６内に、再循環器が埋め込まれている。このような流れ再循環部は、流路に対して実質的に２つの開口部を含み、これらの開口部は再循環路を介して相互に接続している。剥離点の下流において、ディフューザ出口領域においては、再循環器は、流入開口部４２を含んでいる。この流入開口部は流路に平行に案内される再循環器チャンバ４１を介して流出ノズル４３に接続しており、この流出ノズルは、剥離箇所の上流側の近接位置に配置されている。これらの２つの開口部は、環状の間隙として形成されている。少なくともこの流出ノズル４３は、その開口部が下流に面しており、それによって流体を再循環器から壁と平行に主流にもたらす、コアンダノズルとして成形されている。流入開口部４２もまた、再循環器内への壁と平行な流入を可能にするために、相応に成形されていてもよい。この場合流入開口部４２は、この目的のために上流に面している。再循環器内の流れは、流入開口部４２と流出ノズル４３との間の圧力勾配に基づいて自ずと生じ、付加的な圧力形成機構は不要である。再循環器チャンバ４１内で流れを誘導する要素を任意に設けていてもよい。この要素は、再循環器を通る流れを整流するかまたはこの流れに所定の周方向成分を加えると同時に再循環器チャンバ４１を流路から分離する壁部分のための支持部として用いられる。再循環器は、任意に複数のチャンバに分割されていてもよく、その場合各チャンバは、１つ以上の固有の流入開口部と流出ノズルとを含むことが可能であり、その際それらはこのケースにおいては環状のセグメント間隙または孔部として実施される。

図５および図６による第３実施形態では、最初の２つの実施形態の特徴を組み合わせている。ここでは整流器の案内要素３１は、再循環器チャンバを流路から分離している壁部分の領域に配置されている。

本発明を、軸流タービンの例に基づいて説明してきたが、これは、いかなるケースにおいても、本発明による手段を他の流れ機械のために使用する可能性を制限する効果を有するものではない。特に本発明による手段は、排気駆動過給機の半径流若しくは混合流タービンにおいても使用可能である。

２ タービンブレード前の案内要素
５ 流路の外壁（タービンハウジング）
６ 流路の内壁（タービンハウジング）
１１ タービンホイールのハブ
１２ タービンブレード
３１ 流れ整流器の案内要素
４１ 再循環器チャンバ
４２ 流入開口部
４３ 流出ノズル

Claims (6)

1. タービンホイールの下流に環状の流路を備えた排気駆動過給機のタービンの流出領域であって、
   前記流路は、流れ方向に向けて増大する流路断面を有するディフューザを有している、タービンの流出領域において、
   前記ディフューザにおける前記流路の径方向内側に配置された内壁（６）の領域内で、圧力回復を増大させるために、周方向に作用する、複数の案内要素（３１）を備えた流れ整流器が配置されており、前記流れ整流器の前記複数の案内要素の高さは、当該案内要素の領域における径方向の平均流路高さの２０％乃至６０％に亘って延在しており、
   圧力回復を増大する再循環器の形態の付加的手段が、前記流路の径方向内側に配置された前記内壁（６）に埋め込まれており、前記再循環器は、下流側の少なくとも１つの流入開口部（４２）と、上流側の少なくとも１つの流出ノズル（４３）とを接続する少なくとも１つの再循環器チャンバ（４１）を備えていることを特徴とする、タービンの流出領域。
2. 前記少なくとも１つの流出ノズル（４３）は、前記再循環器を通って流れる流体の、前記流路内への壁と平行な吹き込みのためのコアンダノズルとして構成されている、請求項１に記載のタービンの流出領域。
3. 前記少なくとも１つの流入開口部（４２）は、前記流路からの前記再循環器を通って流れる流体への、壁と平行な取り出しのためのコアンダノズルとして構成されている、請求項１または２に記載のタービンの流出領域。
4. 前記再循環器チャンバ内に、流れを案内する要素が配置されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のタービンの流出領域。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流出領域を備えた軸流タービンを含んだ排気駆動過給機。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流出領域を備えた半径流若しくは混合流タービンを含んだ排気駆動過給機。

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