JP7435164B2 - タービンおよび過給機 - Google Patents

Description

本開示は、タービンおよび過給機に関する。

過給機等に設けられるタービンとして、オープン型（つまり、翼車を覆う側板が設けられていないタイプ）のタービン翼車を備えるタービンがある。オープン型のタービン翼車では、翼体の振動を抑制する必要性が高い。例えば、特許文献１には、径方向外側からタービン翼車にガスが流入するラジアルタービンにおいて、翼体の振動を抑制するために、翼厚（つまり、翼体の肉厚）を部分的に厚くする技術が開示されている。

国際公開第２０１４／１２８８９８号

しかしながら、翼厚を厚くすると、空力性能が低下するおそれがある。ゆえに、径方向外側からタービン翼車にガスが流入するタービン（具体的には、ラジアルタービンまたは斜流タービン）において、翼厚分布を工夫する以外の方法によって翼体の振動を抑制することが望まれている。

本開示の目的は、翼体の振動を抑制することが可能なタービンおよび過給機を提供することである。

上記課題を解決するために、本開示のタービンは、周方向に間隔を空けて設けられる複数の翼体を有するオープン型のタービン翼車と、タービン翼車よりも径方向外側に形成されるタービンスクロール流路と、タービン翼車を介してタービンスクロール流路と連通される吐出口と、互いに隣り合う翼体を連結し、翼体におけるリーディングエッジよりもトレーリングエッジ側に接続される連結部材と、を備え、互いに隣り合う翼体同士が連結部材により連結されている領域と、互いに隣り合う翼体同士が連結部材により連結されていない領域とが、周方向に交互に並んでいる。

連結部材は、翼体におけるリーディングエッジよりもトレーリングエッジ側のうちの径方向外側に接続されてもよい。

連結部材は、互いに隣り合う翼体の間において、互いに隣り合う翼体の各々と連結部材との接続位置を通る周方向に延びた円弧に沿って形成されていてもよい。

連結部材は、互いに隣り合う翼体の間において、互いに隣り合う翼体の各々と連結部材との接続位置を通る周方向に延びた円弧よりも径方向内側を通る経路に沿って形成されていてもよい。

連結部材は、中空であってもよい。

上記課題を解決するために、本開示の過給機は、上記のタービンを備える。

本開示によれば、翼体の振動を抑制することができる。

図１は、本開示の第１の実施形態の過給機を示す概略断面図である。 図２は、図１の一点鎖線部分を抽出した図である。 図３は、本開示の第１の実施形態のタービン翼車を示す斜視図である。 図４は、本開示の第１の実施形態のタービン翼車を示す上面図である。 図５は、本開示の第１の実施形態の連結部材を示す断面図である。 図６は、本開示の第２の実施形態のタービン翼車を示す上面図である。 図７は、本開示の第３の実施形態のタービン翼車を示す上面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、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、本開示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、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本開示の第１の実施形態の過給機ＴＣを示す概略断面図である。以下では、図１に示す矢印Ｌ方向を過給機ＴＣの左側として説明する。図１に示す矢印Ｒ方向を過給機ＴＣの右側として説明する。図１に示されるように、過給機ＴＣは、過給機本体１を備える。過給機本体１は、ベアリングハウジング３と、タービンハウジング５と、コンプレッサハウジング７とを含む。タービンハウジング５は、ベアリングハウジング３の左側に締結機構９によって連結される。コンプレッサハウジング７は、ベアリングハウジング３の右側に締結ボルト１１によって連結される。過給機ＴＣは、タービンＴおよび遠心圧縮機Ｃを備える。タービンＴは、ベアリングハウジング３およびタービンハウジング５を含む。遠心圧縮機Ｃは、ベアリングハウジング３およびコンプレッサハウジング７を含む。

ベアリングハウジング３の外周面には、突起３ａが設けられる。突起３ａは、タービンハウジング５側に設けられる。突起３ａは、ベアリングハウジング３の径方向に突出する。タービンハウジング５の外周面には、突起５ａが設けられる。突起５ａは、ベアリングハウジング３側に設けられる。突起５ａは、タービンハウジング５の径方向に突出する。ベアリングハウジング３とタービンハウジング５は、締結機構９によってバンド締結される。締結機構９は、例えば、Ｇカップリングである。締結機構９は、突起３ａおよび突起５ａを挟持する。

ベアリングハウジング３には、軸受孔３ｂが形成される。軸受孔３ｂは、過給機ＴＣの左右方向に貫通する。軸受孔３ｂには、セミフローティング軸受１３が配される。セミフローティング軸受１３は、シャフト１５を回転自在に軸支する。シャフト１５の左端部には、タービン翼車１７が設けられる。タービン翼車１７は、タービンハウジング５に回転自在に収容される。シャフト１５の右端部には、コンプレッサインペラ１９が設けられる。コンプレッサインペラ１９は、コンプレッサハウジング７に回転自在に収容される。シャフト１５の軸方向が、過給機ＴＣの軸方向（つまり、左右方向）である。以下、過給機ＴＣの軸方向、径方向および周方向を、それぞれ単に軸方向、径方向および周方向と呼ぶ。

コンプレッサハウジング７には、吸気口２１が形成される。吸気口２１は、過給機ＴＣの右側に開口する。吸気口２１は、不図示のエアクリーナに接続される。ベアリングハウジング３とコンプレッサハウジング７の対向面によって、ディフューザ流路２３が形成される。ディフューザ流路２３は、空気を昇圧する。ディフューザ流路２３は、環状に形成される。ディフューザ流路２３は、径方向内側において、コンプレッサインペラ１９を介して吸気口２１に連通している。

コンプレッサハウジング７には、コンプレッサスクロール流路２５が設けられる。コンプレッサスクロール流路２５は、環状に形成される。コンプレッサスクロール流路２５は、例えば、ディフューザ流路２３よりも径方向外側に位置する。コンプレッサスクロール流路２５は、不図示のエンジンの吸気口と、ディフューザ流路２３とに連通している。コンプレッサインペラ１９が回転すると、吸気口２１からコンプレッサハウジング７内に空気が吸気される。吸気された空気は、コンプレッサインペラ１９の翼間を流通する過程において加圧加速される。加圧加速された空気は、ディフューザ流路２３およびコンプレッサスクロール流路２５で昇圧される。昇圧された空気は、エンジンの吸気口に導かれる。

タービンハウジング５には、吐出口２７が形成される。吐出口２７は、過給機ＴＣの左側に開口する。吐出口２７は、不図示の排気ガス浄化装置に接続される。タービンハウジング５には、連通路２９と、タービンスクロール流路３１とが形成される。タービンスクロール流路３１は、環状に形成される。タービンスクロール流路３１は、タービン翼車１７よりも径方向外側に形成される。タービンスクロール流路３１は、不図示のガス流入口と連通する。ガス流入口には、不図示のエンジンの排気マニホールドから排出される排気ガスが導かれる。連通路２９は、タービン翼車１７を介してタービンスクロール流路３１と吐出口２７とを連通させる。ガス流入口からタービンスクロール流路３１に導かれた排気ガスは、連通路２９、タービン翼車１７を介して吐出口２７に導かれる。吐出口２７に導かれる排気ガスは、流通過程においてタービン翼車１７を回転させる。

タービン翼車１７の回転力は、シャフト１５を介してコンプレッサインペラ１９に伝達される。コンプレッサインペラ１９が回転すると、上記のとおりに空気が昇圧される。こうして、空気がエンジンの吸気口に導かれる。

図２は、図１の一点鎖線部分を抽出した図である。タービン翼車１７は、オープン型（つまり、翼車を覆う側板が設けられていないタイプ）のタービン翼車である。タービン翼車１７は、ハブ１７ａと、複数の翼体１７ｂとを有する。ハブ１７ａは、シャフト１５の左端部と接続されている。ハブ１７ａの外径は、過給機ＴＣの左側に向かうほど小さくなる。ハブ１７ａの外周面に複数の翼体１７ｂが設けられる。複数の翼体１７ｂは、周方向に間隔を空けて設けられる。各翼体１７ｂは、ハブ１７ａの外周面から径方向外側に延びて形成される。

翼体１７ｂの外周縁は、リーディングエッジＲ１、トレーリングエッジＲ２および中間縁部Ｒ３を含む。リーディングエッジＲ１は、翼体１７ｂにおける排気ガスの流れ方向の上流側の縁部である。リーディングエッジＲ１は、翼体１７ｂにおけるタービンスクロール流路３１側の縁部である。リーディングエッジＲ１には、タービンスクロール流路３１からの排気ガスが流入する。リーディングエッジＲ１は、翼体１７ｂの右端側に形成される。リーディングエッジＲ１は、軸方向に延びている。トレーリングエッジＲ２は、翼体１７ｂにおける排気ガスの流れ方向の下流側の縁部である。トレーリングエッジＲ２は、翼体１７ｂにおける吐出口２７側の縁部である。トレーリングエッジＲ２から吐出口２７に向けて排気ガスが流出する。トレーリングエッジＲ２は、翼体１７ｂの左端側に形成される。トレーリングエッジＲ２は、周方向にねじれながら径方向に延びている。中間縁部Ｒ３は、リーディングエッジＲ１とトレーリングエッジＲ２の間に亘って形成される。中間縁部Ｒ３は、タービンハウジング５のうち連通路２９を画成するシュラウド部２９ａに沿って延びている。

図２の矢印Ｄ１により示されるように、タービン翼車１７には、径方向外側から排気ガスが径方向に流入する。このように、タービンＴは、所謂ラジアルタービンである。なお、タービンＴは、径方向に対して傾斜する方向に径方向外側から排気ガスが流入する所謂斜流タービンであってもよい。

ここで、径方向外側からタービン翼車１７にガスが流入するラジアルタービンまたは斜流タービンでは、翼体１７ｂの主な振動モードにおいて、トレーリングエッジＲ２の径方向外側の端部Ｅ１が振動の腹となる。具体的には、１次モードでは、トレーリングエッジＲ２の径方向外側の端部Ｅ１が振動の腹となる。２次モードでは、端部Ｅ１に加えて、リーディングエッジＲ１の左側の端部Ｅ２が振動の腹となる。本実施形態のタービンＴでは、翼体１７ｂの振動を抑制するために、連結部材３３が設けられている。

図３は、タービン翼車１７を示す斜視図である。図４は、タービン翼車１７を示す上面図である。図３および図４に示されるように、タービン翼車１７には、８つの翼体１７ｂが設けられている。なお、タービン翼車１７に設けられる翼体１７ｂの数は、８つ以外であってもよい。連結部材３３は、互いに隣り合う翼体１７ｂを連結する。具体的には、連結部材３３は、ハブ１７ａと同軸の円環状の部材である。連結部材３３は、各翼体１７ｂを貫通した状態で、各翼体１７ｂに取り付けられている。例えば、連結部材３３は、溶接等によって、各翼体１７ｂに対する相対的な移動が制限されるように取り付けられている。なお、連結部材３３は、各翼体１７ｂと別部材であってもよく、各翼体１７ｂと一体的に形成されていてもよい。

連結部材３３は、翼体１７ｂにおけるリーディングエッジＲ１よりもトレーリングエッジＲ２側に接続される。具体的には、連結部材３３は、排気ガスの流れ方向において、翼体１７ｂにおけるリーディングエッジＲ１よりもトレーリングエッジＲ２に近い側の領域に接続される。例えば、図２に示されるように、連結部材３３は、翼体１７ｂにおけるトレーリングエッジＲ２の近傍の領域Ａ１内の位置に接続される。図２～図４では、連結部材３３が翼体１７ｂにおけるトレーリングエッジＲ２側（つまり、下流側）のうちの径方向の中央付近に接続される例が示されている。

上記のように、本実施形態のタービンＴでは、互いに隣り合う翼体１７ｂが連結部材３３によって連結される。連結部材３３は、翼体１７ｂにおけるリーディングエッジＲ１よりもトレーリングエッジＲ２側に接続される。それにより、翼体１７ｂの主な振動モードにおいて、振動の腹となる端部Ｅ１の近傍の振動を抑制することができる。ゆえに、翼体１７ｂの振動を抑制することができる。さらに、翼厚分布を工夫する以外の方法によって翼体１７ｂの振動が抑制されるので、空力性能の低下も抑制される。

ここで、連結部材３３は、翼体１７ｂにおけるリーディングエッジＲ１よりもトレーリングエッジＲ２側のうちの径方向外側に接続されることが好ましい。具体的には、連結部材３３は、翼体１７ｂにおけるトレーリングエッジＲ２側（つまり、下流側）の領域のうちの径方向の中央位置よりも径方向外側の領域に接続されることが好ましい。例えば、連結部材３３は、図２に示される領域Ａ１のうちの径方向外側の領域Ａ２内の位置に接続されることが好ましい。それにより、翼体１７ｂの主な振動モードにおいて、振動の腹となる端部Ｅ１に対してより近い位置の振動を抑制することができる。ゆえに、翼体１７ｂの振動をより効果的に抑制することができる。

図４に示されるように、連結部材３３は、互いに隣り合う翼体１７ｂの間において、互いに隣り合う翼体１７ｂの各々と連結部材３３との接続位置を通る周方向に延びた円弧に沿って形成されている。例えば、連結部材３３は、翼体１７ｂ１に接続位置Ｐ１で接続されている。連結部材３３は、翼体１７ｂ１と隣り合う翼体１７ｂ２に接続位置Ｐ２で接続されている。連結部材３３は、互いに隣り合う翼体１７ｂ１と翼体１７ｂ２との間において、接続位置Ｐ１および接続位置Ｐ２を通る周方向に延びた円弧ＡＲ１に沿って形成されている。

上記のように、連結部材３３は、互いに隣り合う翼体１７ｂの間において、周方向に沿った円弧状に形成されている。ゆえに、互いに隣り合う翼体１７ｂの各々と連結部材３３との接続位置において、連結部材３３は、翼体１７ｂに対して直交する。具体的には、連結部材３３の翼体１７ｂに対する接続方向は、翼体１７ｂの延在方向に直交する方向（つまり、過給機ＴＣの周方向）となる。ここで、翼体１７ｂの振動方向は、翼体１７ｂの延在方向に直交する方向（つまり、過給機ＴＣの周方向）となる。ゆえに、連結部材３３の翼体１７ｂに対する接続方向は、翼体１７ｂの振動方向と一致する。よって、翼体１７ｂの振動をより効果的に抑制することができる。

図５は、連結部材３３を示す断面図である。具体的には、図５は、図４のＡ－Ａ断面を示す図である。図５に示されるように、連結部材３３は、中空である。連結部材３３は、周方向に延びる筒形状である。連結部材３３の肉厚は、図５に示される例のように一定であってもよい。連結部材３３の肉厚は、一定でなくてもよい。例えば、３Ｄプリンタ等を用いた積層造形によって、中空の連結部材３３を形成することが実現される。連結部材３３の体積が一定である場合において、連結部材３３が中空である場合には、連結部材３３が中実である場合と比較して、連結部材３３の重量の増大を抑制しつつ、曲げ変形に対する強度、および、ねじれ変形に対する強度を向上させることができる。

なお、連結部材３３の形状は、図２～図５に示される例に限定されない。例えば、図２～図５では、連結部材３３の径方向の長さが軸方向の長さよりも長い例が示されているが、連結部材３３の径方向の長さが軸方向の長さよりも短くてもよい。連結部材３３の断面形状は、図５に示される形状と異なっていてもよい。連結部材３３は、中実であってもよい。連結部材３３は、回転対称な形状でなくてもよい。

以下、本開示の第１の実施形態のタービン翼車１７と比較して連結部材３３の構成を異ならせた他の実施形態として、本開示の第２の実施形態のタービン翼車１７Ａおよび本開示の第３の実施形態のタービン翼車１７Ｂについて説明する。

図６は、本開示の第２の実施形態のタービン翼車１７Ａを示す上面図である。図６に示されるように、タービン翼車１７Ａには、上述したタービン翼車１７と同様に、８つの翼体１７ｂが設けられている。つまり、互いに隣り合う翼体１７ｂの間の領域（以下、翼間領域とも呼ぶ）の数は、８つである。タービン翼車１７Ａでは、４つの連結部材３３Ａが一部の翼間領域に設けられている。連結部材３３Ａは、当該連結部材３３Ａが設けられる翼間領域を形成する隣り合う翼体１７ｂを連結する。タービン翼車１７Ａでは、連結部材３３Ａが設けられる翼間領域と、連結部材３３Ａが設けられない翼間領域とが、交互に並んでいる。なお、連結部材３３Ａは、翼体１７ｂと別部材であってもよく、翼体１７ｂと一体的に形成されていてもよい。

各翼体１７ｂは、当該各翼体１７ｂに対して周方向一側に隣り合う翼体１７ｂと連結部材３３Ａにより連結されており、当該各翼体１７ｂに対して周方向他側に隣り合う翼体１７ｂとは連結部材３３Ａにより連結されていない。例えば、翼体１７ｂ１は、翼体１７ｂ１に対して周方向一側（紙面反時計回り側）に隣り合う翼体１７ｂ２と連結部材３３Ａにより連結されており、翼体１７ｂ１に対して周方向他側（紙面時計回り側）に隣り合う翼体１７ｂ３とは連結部材３３Ａにより連結されていない。

翼体１７ｂが、当該翼体１７ｂに対して隣り合う２つの翼体１７ｂのうちの一方とのみ連結部材３３Ａにより連結されていれば、振動を抑制する効果は得られる。ゆえに、少なくとも１つの翼体１７ｂを、当該翼体１７ｂに対して隣り合う２つの翼体１７ｂのうちの一方とのみ連結部材３３Ａにより連結させることによって、連結部材３３Ａの総体積および総重量を低下させることができる。

なお、連結部材３３Ａが設けられる翼間領域の配置は、図６に示される例に限定されない。例えば、連結部材３３Ａが設けられる翼間領域が周方向に隣り合っていてもよい。連結部材３３Ａが設けられない翼間領域が周方向に隣り合っていてもよい。ただし、連結部材３３Ａの総体積および総重量を低下させる観点では、翼体１７ｂの数が偶数の場合、連結部材３３Ａが設けられる翼間領域と、連結部材３３Ａが設けられない翼間領域とが、交互に並んでいることが好ましい。

図７は、本開示の第３の実施形態のタービン翼車１７Ｂを示す上面図である。図７に示されるように、タービン翼車１７Ｂでは、連結部材３３Ｂは、ハブ１７ａを囲む環状に、１つまたは複数の部材によって形成される。連結部材３３Ｂは、上述したタービン翼車１７と同様に、各翼体１７ｂを貫通した状態で、各翼体１７ｂに取り付けられている。なお、連結部材３３Ｂは、各翼体１７ｂと別部材であってもよく、各翼体１７ｂと一体的に形成されていてもよい。

図７では、上述したタービン翼車１７の連結部材３３の形状が破線によって示されている。上述したように、タービン翼車１７では、連結部材３３は、互いに隣り合う翼体１７ｂの間において、互いに隣り合う翼体１７ｂの各々と連結部材３３との接続位置を通る周方向に延びた円弧に沿って形成されている。一方、図７に示されるように、タービン翼車１７Ｂでは、連結部材３３Ｂは、互いに隣り合う翼体１７ｂの間において、互いに隣り合う翼体１７ｂの各々と連結部材３３との接続位置を通る周方向に延びた円弧よりも径方向内側を通る経路に沿って形成されている。例えば、連結部材３３Ｂは、互いに隣り合う翼体１７ｂ１と翼体１７ｂ２との間において、接続位置Ｐ１および接続位置Ｐ２を通る周方向に延びた円弧ＡＲ１よりも径方向内側（つまり、ハブ１７ａ側）を通る経路に沿って形成されている。

上記のように、タービン翼車１７Ｂでは、連結部材３３Ｂは、互いに隣り合う翼体１７ｂの間において、周方向に沿った円弧状に形成される場合よりも径方向内側を通って形成されている。それにより、翼間領域において、連結部材３３Ｂをタービン翼車１７Ｂの回転軸に近づけることができる。ゆえに、翼間領域において連結部材３３Ｂに作用する遠心力を低下させることができる。よって、遠心力に対抗するために連結部材３３Ｂの体積および重量が増大することを抑制することができる。

以上、添付図面を参照しながら本開示の実施形態について説明したが、本開示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開示の技術的範囲に属するものと了解される。

上記では、タービンＴが過給機ＴＣに搭載される例を説明したが、タービンＴは、過給機ＴＣ以外の装置（例えば、発電機等）に搭載されてもよい。

上記で説明した実施形態は組み合わされてもよい。例えば、第２の実施形態のように一部の翼間領域で連結部材が省略される場合に、翼間領域における連結部材の軌道が第１の実施形態と同様であってもよく、第３の実施形態と同様であってもよい。

本開示は、タービンおよび過給機に利用することができる。

１７ タービン翼車
１７Ａ タービン翼車
１７Ｂ タービン翼車
１７ｂ 翼体
２７ 吐出口
３１ タービンスクロール流路
３３ 連結部材
３３Ａ 連結部材
３３Ｂ 連結部材
ＡＲ１ 円弧
Ｐ１ 接続位置
Ｐ２ 接続位置
Ｒ１ リーディングエッジ
Ｒ２ トレーリングエッジ
Ｒ３ 中間縁部
Ｔ タービン
ＴＣ 過給機

Claims (6)

1. 周方向に間隔を空けて設けられる複数の翼体を有するオープン型のタービン翼車と、
   前記タービン翼車よりも径方向外側に形成されるタービンスクロール流路と、
   前記タービン翼車を介して前記タービンスクロール流路と連通される吐出口と、
   互いに隣り合う前記翼体を連結し、前記翼体におけるリーディングエッジよりもトレーリングエッジ側に接続される連結部材と、
   を備え、
   互いに隣り合う前記翼体同士が前記連結部材により連結されている領域と、互いに隣り合う前記翼体同士が前記連結部材により連結されていない領域とが、周方向に交互に並んでいる、
   タービン。
2. 前記連結部材は、前記翼体における前記リーディングエッジよりも前記トレーリングエッジ側のうちの径方向外側に接続される、
   請求項１に記載のタービン。
3. 前記連結部材は、互いに隣り合う前記翼体の間において、前記互いに隣り合う翼体の各々と前記連結部材との接続位置を通る周方向に延びた円弧に沿って形成されている、
   請求項１または２に記載のタービン。
4. 前記連結部材は、互いに隣り合う前記翼体の間において、前記互いに隣り合う翼体の各々と前記連結部材との接続位置を通る周方向に延びた円弧よりも径方向内側を通る経路に沿って形成されている、
   請求項１または２に記載のタービン。
5. 前記連結部材は、中空である、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のタービン。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のタービンを備える過給機。

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