特許 6426191 膨張タービン及びターボチャージャ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6426191

(24)【登録日】2018年11月2日

(45)【発行日】2018年11月21日

(54)【発明の名称】膨張タービン及びターボチャージャ

(51)【国際特許分類】

   F01D 25/24 20060101AFI20181112BHJP

   F02B 37/24 20060101ALI20181112BHJP

   F02B 39/00 20060101ALI20181112BHJP

【ＦＩ】

   F01D25/24 E

   F02B37/24

   F02B39/00 D

   F02B39/00 Q

【請求項の数】9

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-545164(P2016-545164)

(86)(22)【出願日】2014年8月28日

(86)【国際出願番号】JP2014072571

(87)【国際公開番号】WO2016031017

(87)【国際公開日】20160303

【審査請求日】2016年10月18日

【審判番号】不服2017-17768(P2017-17768/J1)

【審判請求日】2017年11月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】316015888

【氏名又は名称】三菱重工エンジン＆ターボチャージャ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】誠真ＩＰ特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】吉田 豊隆

(72)【発明者】

【氏名】横山 隆雄

(72)【発明者】

【氏名】段本 洋輔

(72)【発明者】

【氏名】秋山 洋二

【合議体】

【審判長】 金澤 俊郎

【審判官】 鈴木 充

【審判官】 水野 治彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２１４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１４９３０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−１５３４０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６２−１０１０３８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開昭６２−１５２０３４（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

F01D 1/08

F01D 5/14

F01D 17/16

F01D 25/24

F02B 37/24

F02B 39/00

F02C 3/05

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

作動流体が持つエネルギーから動力を回収するための膨張タービンであって、
前記作動流体が導入されるスクロール部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おいて前記膨張タービンの周方向に間隔を空けて配置され、前記スクロール部を通過した前記作動流体の流路面積が変化するように回動軸周りに回動可能に構成された複数の可変ノズルと、
前記可変ノズルの下流側に位置する動翼を複数有し、前記タービンハウジング内に回転自在に設けられたタービンホイールと、を備え、
前記タービンハウジングは、当該タービンハウジングの外形を画定する外殻と、ノズルプレートと、前記ノズルプレートに対向して設けられるノズルマウントとを含み、
前記ノズルプレートは、前記動翼のチップに対向するシュラウド部と、前記タービンの径方向に沿って延在する平坦面部とを含む第１壁面を有し、前記ノズルマウントは、前記作動流体の流路を挟んで前記第１壁面に対向する第２壁面であって、前記タービンの径方向に沿って延在する第２壁面を有し、
前記可変ノズルの出口側の翼高さは前記動翼の入口側の翼高さより大きく、
前記シュラウド部は、
前記可変ノズルの出口の下流側かつ前記動翼の入口の上流側において、前記作動流体の流路高さが下流側に向かって狭まるように、前記第２壁面に向かって突出する環状の突出部であって、前記突出部の先端が前記動翼の前縁よりも上流側、且つ前記平坦面部よりも前記第２壁面側に位置する突出部と、
前記膨張タービンの軸線方向に沿って延在する直線部、及び前記突出部の先端から前記直線部の上流端に向かって、途中に変曲点を有することなく、曲線状に延在する曲線部、を有するシュラウド壁と、を有し、
前記突出部の突出量は、前記突出部の先端が前記動翼の前記入口の前記チップを越えて前記第２壁面側に突出しないように設定されていることを特徴とする膨張タービン。

【請求項2】

前記膨張タービンは、前記膨張タービンの半径方向に沿って前記作動流体が前記動翼の前記入口に流れ込むラジアルタービンであり、
前記動翼の前記入口における根本の軸方向位置を原点とし、前記動翼の前記入口における前記動翼の前記チップの軸方向位置をＸ_ｔとしたとき、前記突出部の先端の軸方向位置Ｘ_ｐは０＜Ｘ_ｔ≦Ｘ_ｐの関係を満たしていることを特徴とする請求項１に記載の膨張タービン。

【請求項3】

前記第１壁面は前記半径方向に対して傾斜したテーパ面を有し、該テーパ面によって前記突出部が形成されており、
前記テーパ面が前記膨張タービンの軸方向に対してなす角度が４０度以下であることを特徴とする請求項２に記載の膨張タービン。

【請求項4】

前記膨張タービンの中心軸から前記可変ノズルの前記回動軸までの前記半径方向における距離をＲ_Ｓとし、前記膨張タービンの中心軸から前記動翼の前記入口までの前記半径方向における距離をＲ_Ｒとしたとき、Ｒ_Ｓ／Ｒ_Ｒ≧１．４を満たすことを特徴とする請求項２又は３に記載の膨張タービン。

【請求項5】

前記ノズルプレートの前記第１壁面は、前記可変ノズルの入口の上流側において前記第２壁面に向かって突出する突出部を有していない請求項１乃至４の何れか１項に記載の膨張タービン。

【請求項6】

当該膨張タービンの軸線に沿った断面において、前記ノズルプレートの前記第１壁面は、前記シュラウド部の前記突出部から当該第１壁面の上流端にわたって直線状に形成されている請求項１乃至５の何れか１項に記載の膨張タービン。

【請求項7】

前記突出部より上流側の前記シュラウド部には、前記可変ノズルの熱膨張による伸びを許容するように、最大開度時の前記可変ノズルの出口と前記突出部との間に伸び代が設けられている請求項１乃至６の何れか１項に記載の膨張タービン。

【請求項8】

前記タービンホイールのハブのハブ面は、前記動翼の前縁位置まで延在している請求項１乃至７の何れか１項に記載の膨張タービン。

【請求項9】

内燃機関からの排ガスによって駆動されるように構成された請求項１乃至８の何れか一項に記載の膨張タービンと、
前記膨張タービンによって駆動されて前記内燃機関への吸気を圧縮するように構成されたコンプレッサと、を備えていることを特徴とするターボチャージャ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、可変ノズルを有する膨張タービン及び該膨張タービンを備えたターボチャージャに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、燃費向上を狙って自動車用内燃機関にターボチャージャを装着する傾向が顕著である。ターボチャージャの中で、膨張タービンの入口側に可変ノズルを有する可変容量ターボチャージャがあり、可変容量ターボチャージャは可変ノズルの開度調整で作動流体の流量調整が可能になる。そのため、内燃機関の負荷変動に合わせた運転が可能になると共に、特に、低負荷時のレスポンス性能に優れている。
しかし、可変容量ターボチャージャの特性として、図８に示すように、可変ノズルの開度が小さいとき、タービン効率は、ピーク点（ノズル開度が中開度域付近）と比べて大きく低下する。ノズル開度が小開度域のときのタービン効率は、レスポンス性能に大きく影響する。このため、小開度域でタービン効率を向上させることが求められている。

【0003】

小開度域でのタービン効率を向上させるためには、可変ノズルのインシデンス角（可変ノズルへ流入する作動流体の流入角と可変ノズルの前縁翼角度との差）を小さくすることが有利である。そこで、インシデンス角を小さくするため、小開度域における可変ノズルの前縁翼角度に応じて、タービンハウジングのスクロール部を絞る（スクロール部を小さくする）ことが考えられる。
一方、スクロール部を絞ると、ノズル開度が大開度域のときのインシデンス角が大きくなり、可変ノズルの翼面で流れの剥離が生じ、実流路面積が低下し、作動流体の流量（最大流量）が低下してしまうという問題がある。
このように、タービンハウジングのスクロール部の形状の工夫だけで、可変ノズルの小開度域におけるタービン効率向上と、可変ノズルの大開度域における最大流量の確保と、を両立することは容易ではない。そこで、スクロール部の形状変更以外の手法も活用することで、これら二つの要求を満たすことが望まれる。

【0004】

なお、可変ノズルの小開度域におけるタービン効率向上と大開度域における最大流量の確保の両立を図ったものではないが、特許文献１には、動翼のチップに対向するタービンハウジングのシュラウド壁面における動翼の入口側に、タービンの半径方向に対してタービンホイールの背面側に向かって傾斜した環状のガイド部（ガイド面）が形成されたタービンが開示されている。
特許文献１に記載のタービンでは、前記ガイド部の形成により、動翼に流入した作動流体をタービンホイールの背面側へ寄せ、可変ノズルの後流（ウェイク）による励振力が動翼先端縁付近に作用することを抑制し、動翼の振れが抑制される。また、前記ガイド部によって動翼とシュラウド壁面との間の隙間を塞ぐことで、該隙間を介したクリアランスフローが抑制されるようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２−００２１４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１に開示されたタービンでは、動翼とシュラウド壁面との間の隙間を介したクリアランスフローを低減するために、前記ガイド部をハブ側に大きく突出させている。このため、動翼入口前縁の一部はガイド部の先端によって覆われており、流路幅が最も狭まる箇所が動翼入口の上流側に存在する。したがって、縮流効果によって動翼前縁の一部には作動流体が流れ込まず、所期の動翼性能を発揮できず、タービン効率が低下するおそれがある。

【0007】

本発明の少なくとも一実施形態は、かかる従来技術の課題に鑑み、可変ノズルが小開度域のときのタービン効率の低下を抑制すると共に、可変ノズルが大開度域のときの作動流体の流量を確保し、併せて、所期の動翼性能を引き出してタービン効率の低下を抑制することができる膨張タービン及びターボチャージャを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る膨張タービンは、作動流体が持つエネルギーから動力を回収するための膨張タービンであって、前記作動流体が導入されるスクロール部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おいて前記膨張タービンの周方向に間隔を空けて配置され、前記スクロール部を通過した前記作動流体の流路面積が変化するように回動軸周りに回動可能に構成された複数の可変ノズルと、前記可変ノズルの下流側に位置する動翼を複数有し、前記タービンハウジング内に回転自在に設けられたタービンホイールと、を備え、
前記タービンハウジングは、前記動翼のチップに対向するシュラウド部を含む第１壁面と、前記作動流体の流路を挟んで前記第１壁面に対向する第２壁面とを有し、
前記可変ノズルの出口側の翼高さは前記動翼の入口側の翼高さより大きく、
前記シュラウド部は、前記可変ノズルの出口の下流側かつ前記動翼の入口の上流側において、前記作動流体の流路高さが下流側に向かって狭まるように、前記第２壁面に向かって突出する突出部を有し、
前記突出部の突出量は、前記突出部の先端が前記動翼の前記入口の前記チップを越えて前記第２壁面側に突出しないように設定されている。

【0009】

前記構成（１）によれば、可変ノズルの出口側の翼高さを動翼の入口側の翼高さより大きくしたことで、可変ノズル間の作動流体流路におけるスロート面積を増大させることができる。よって、可変ノズルが大開度域のとき動翼に流入する作動流体の流量（最大流量）を十分に確保できる。

【0010】

また、可変ノズルが小開度域のとき、動翼に流れ込む作動流体は、ノズル開度が小さいために強い旋回成分を持つ一方、半径方向内側に向かう流速成分は小さい。そのため、従来の膨張タービンでは、可変ノズルの小開度域において、動翼に流入する作動流体が持つ旋回成分に起因した遠心力により、作動流体はシュラウド側（第１壁面側）に押し付けられやすい。作動流体がシュラウド壁面側に押し付けられると、動翼出口において、作動流体の流れはシュラウド側に偏り、シュラウド側で流速が大きく、ハブ側（第２壁面側）で流速が小さくなる。そのため、動翼の下流側で流速不均衡を解消するように作動流体が広がり、混合損失が起こりやすい。
この点、前記構成（１）によれば、前記突出部を有するので、作動流体は突出部に沿って流れることで第２壁面側（ハブ側）へ寄せられ、第１壁面側（シュラウド側）への作動流体の偏流が抑制される。そのため、動翼出口での不均衡な流れが緩和され、混合損失が低減するため、タービン効率が向上する。
従って、前記構成（１）により、上述した可変ノズルの大開度域における最大流量確保というメリットに加えて、可変ノズルが小開度域のときのタービン効率向上というメリットも享受できる。

【0011】

また、前記構成（１）によれば、前記突出部の突出量は、前記突出部の先端が動翼の入口のチップを越えて第２壁面側に突出しないように設定されているので、動翼高さ方向における広い範囲に作動流体が流れ込むので、突出部による縮流効果に起因した動翼入口における実効流路面積の低下を抑制できる。そのため、所期の動翼性能が得られやすくなり、タービン効率を高く維持できる。

【0012】

（２）幾つかの実施形態では、前記構成（１）において、
前記膨張タービンは、前記膨張タービンの半径方向に沿って前記作動流体が前記動翼の前記入口に流れ込むラジアルタービンであり、
前記動翼の前記入口における根本の軸方向位置を原点とし、前記動翼の前記入口における前記チップの軸方向位置をＸ_ｔとしたとき、前記突出部の先端の軸方向位置Ｘ_ｐは０＜Ｘ_ｔ≦Ｘ_ｐの関係を満たしている。
前記構成（２）によれば、ラジアルタービンにおいて、前記突出部の突出量は、前記突出部の先端が動翼のハブ側に突出しないように設定されている。そのため、動翼入口における流路面積の低下を抑制できるので、所期の動翼性能が得られやすくなり、タービン効率を高く維持できる。

【0013】

（３）幾つかの実施形態では、前記構成（２）において、
前記第１壁面は前記半径方向に対して傾斜したテーパ面を有し、該テーパ面によって前記突出部が形成されており、
前記テーパ面が前記膨張タービンの軸方向に対してなす角度が４０度以下である。
前記構成（３）によれば、動翼入口の上流側において前記テーパ面に沿って作動流体を第２壁面側（ハブ側）へ十分に寄せることができ、そのため、第１壁面側（シュラウド側）への作動流体の偏流を抑制できる。これによって、動翼出口における流速分布を均一化し、混合損失を抑制することで、タービン効率が向上する。

【0014】

（４）幾つかの実施形態では、前記構成（２）又は（３）の何れかにおいて、
前記膨張タービンの中心軸から前記可変ノズルの前記回動軸までの前記半径方向における距離をＲ_Ｓとし、前記膨張タービンの中心軸から前記動翼の前記入口までの前記半径方向における距離をＲ_Ｒとしたとき、Ｒ_Ｓ／Ｒ_Ｒ≧１．４を満たす。
前記構成（４）によれば、可変ノズル出口から動翼入口までの距離が広がり、この部分の距離が広がることで、可変ノズル出口側で作動流体の流速低下が起り、静圧の低下を抑制できる。そのため、可変ノズルの圧力面と負圧面間の圧力差を低減できるので、クリアランスフローを抑制でき、タービン効率を向上できる。
特に、小開度域では、流れ損失全体に占めるクリアランスフローに起因した損失の割合が高いため、上記構成（４）による効果（クリアランスフローの抑制によるタービン効率向上効果）が大きい。

【0015】

（５）幾つかの実施形態では、前記構成（１）〜（４）の何れかにおいて、
内燃機関からの排ガスによって駆動されるように構成された請求項１乃至６の何れか一項に記載の膨張タービンと、
前記膨張タービンによって駆動されて前記内燃機関への吸気を圧縮するように構成されたコンプレッサと、を備えたターボチャージャである。
前記構成（５）によれば、前記ターボチャージャにおいて、可変ノズルが小開度域のときのタービン効率の低下を抑制できると共に、可変ノズルが大開度域のときの作動流体の流量を確保することができる。また、所期の動翼性能が得られやすくなり、タービン効率を高く維持できる。

【発明の効果】

【0016】

本発明の少なくとも一実施形態によれば、可変ノズルが小開度域のときのタービン効率の低下を抑制すると共に、可変ノズルが大開度域のときの作動流体の流量を確保し、併せて、動翼性能の低下を抑制し、タービン効率の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の一実施形態に係るターボチャージャの全体構成を示す図である。

【図2】本発明の一実施形態に係るターボチャージャの排気タービンを示す縦断面図である。

【図3】一実施形態に係る膨張タービンの可変ノズル及び動翼周辺の構造を示す断面図である。

【図4】一実施形態に係る膨張タービンの可変ノズル及び動翼周辺の構造を示す断面図である。

【図5】一実施形態に係る膨張タービンにおける作動流体の流れを示す説明図である。

【図6】従来の膨張タービンの一部拡大断面図である。

【図7】図６に示す従来の膨張タービンの作動流体の流れを示す説明図である。

【図8】膨張タービンの作動流体の流量とタービン効率との関係を示す線図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

【0019】

はじめに、本発明の適用対象であるターボチャージャについて説明する。本発明の適用対象であるターボチャージャは、内燃機関に吸気を強制的に送り込むための過給機であれば特に限定されず、例えば、自動車用のターボチャージャであってもよいし、舶用のターボチャージャであってもよい。

【0020】

図１は、一実施形態に係るターボチャージャの全体構成を示す図である。図２は、一実施形態に係るターボチャージャの排気タービンの詳細構造を示す断面図である。

【0021】

図１に示すターボチャージャ１は、自動車用のターボチャージャであり、自動車用エンジン６に装備されている。ターボチャージャ１は排気タービン１ａ、軸受台１ｂ及びコンプレッサ１ｃで構成されている。排気タービン１ａは、後で詳述する膨張タービン１０Ａ又は膨張タービン１０Ｂによって構成されている。排気タービン１ａは、タービンハウジング２ａを有し、軸受台１ｂは軸受ハウジング２ｂを有し、コンプレッサ１ｃはコンプレッサハウジング２ｃを有している。
これらハウジングの内部に中心軸３がターボチャージャ１の軸方向に沿って設けられ、中心軸３は軸受（不図示）によって回転自在に支持されている。タービンハウジング２ａ側に位置する中心軸３の一端にタービンホイール４が固定され、コンプレッサハウジング２ｃ側に位置する中心軸３の他端にコンプレッサホイール５が固定されている。

【0022】

自動車用エンジン６の排気口６ａに排気管７が接続され、排気管７の他端はタービンハウジング２ａの入口ケーシング２ｄに接続されている。コンプレッサハウジング２ｃの出口ケーシング２ｇに給気管８が接続され、給気管８の他端は自動車用エンジン６の給気口６ｂに接続されている。
排気口６ａから排出された排ガスｅは排気管７を経て、作動流体としてタービンハウジング２ａのスクロール部に接線方向に流入し、タービンホイール４を回転させた後、出口開口２ｅから流出する。

【0023】

タービンホイール４の回転は中心軸３を介してコンプレッサホイール５に伝わり、コンプレッサホイール５の回転によってコンプレッサハウジング２ｃの入口開口２ｆから空気ａが吸入される。入口開口２ｆから吸入された空気ａはコンプレッサホイール５で圧縮され、コンプレッサハウジング２ｃの出口ケーシング２ｇから給気管８に吐出される。給気管８に吐出された高圧空気はインタークーラ９で冷却された後、給気口６ｂから自動車用エンジン６の燃焼室（不図示）に供給される。

【0024】

なお、図１に示した例示的な実施形態では、ターボチャージャ１の排気タービン（膨張タービン）１ａが排ガスのみで駆動されるようになっているが、他の実施形態では、排ガスを主駆動源とし、モータを補助駆動源としてもよい。

【0025】

また、図２に示す例示的な実施形態では、排気タービン１ａのタービンハウジング２ａと軸受ハウジング２ｂとが結合具１６で結合されている。軸受ハウジング２ｂに設けられ中心軸３を回転自在に支持する軸受２０には、潤滑油路２２から潤滑油ｒが供給される。なお、排気タービン１ａとは反対側で軸受ハウジング２ｂに隣接してコンプレッサハウジング２ｃ（図１参照）が設けられている。
前記ハウジング内にターボチャージャ１の軸方向に沿って設けられた中心軸３のタービン側端部には、タービンホイール４が固定されている。タービンホイール４は、中心軸３に固定されたハブ２６と、ハブ２６の外表面（ハブ面２６ａ）に周方向に放射状に固定された複数の動翼２８とで構成されている。

【0026】

タービンハウジング２ａには、作動流体として排ガスｅが導入されるスクロール部３０が形成され、スクロール部３０の内部に排ガスｅが導入される渦巻き形状の空間ｓが形成されている。タービンハウジング２ａは、タービンハウジング２ａの外形を画定する外殻部１２と、空間ｓの下流端付近に設けられるノズルプレート３２と、ノズルプレート３２に対向して設けられるノズルマウント３４とを有する。
ノズルプレート３２とノズルマウント３４との間に、空間ｓに連通する流路ｆが形成されている。流路ｆに複数の可変ノズル３６が中心軸３の周方向（排気タービン１ａの周方向）に配置され、これら複数の可変ノズル３６は動翼２８の周囲に間隔を空けて配置されている。

【0027】

複数の可変ノズル３６には夫々回動軸３８が一体に結合されており、各可変ノズル３６の回動軸３８はノズルマウント３４に形成された貫通孔からノズルマウント３４の背面側に形成された空間に突出している。ノズルマウント３４の背面側で、各回動軸３８は同期機構４０及び伝導軸（不図示）を介して軸受ハウジング２ｂの外部に設けられたアクチュエータ（不図示）に接続されている。
該アクチュエータを稼働させることで、複数の可変ノズル３６を回動軸３８を中心に同期して回動させることができる。複数の可変ノズル３６を同期して回動させることで、空間ｓを通過した排ガスｅが流路ｆを通過して動翼２８に流入する際に、流路ｆの流路面積を変化させることができる。

【0028】

ノズルプレート３２の一部は動翼２８のチップ２８ａを覆うシュラウド壁面３２ａを構成している。タービンハウジング２ａのノズルプレート３２の壁面は、シュラウド壁面３２ａを含む第１壁面を構成し、ノズルプレート３２に対向したタービンハウジング２ａのノズルマウント３４の壁面は第２壁面を構成している。これら、タービンハウジング２ａの第１壁面及び第２壁面については、後で詳述する。
流路ｆは中心軸３の軸線Ｃと直交する方向、即ち、排気タービン１ａの半径方向に沿って形成されており、排気タービン１ａはラジアルタービンを構成している。
排気管７からスクロール部３０の空間ｓに流入した排ガスｅは、流路ｆに接線方向に流入する。流路ｆに流入した排ガスｅは動翼２８に達してタービンホイール４及び中心軸３を回転し、その後、中心軸３の軸線Ｃ上に形成された出口開口４２から流出する。

【0029】

以下、排気タービン１ａとして用いることができる膨張タービンの可変ノズル及び動翼周辺の構造について説明する。

【0030】

図３は、一実施形態に係る膨張タービンの可変ノズル及び動翼周辺の構造を示す断面図である。図４は、他の実施形態に係る膨張タービンの可変ノズル及び動翼周辺の構造を示す断面図である。

【0031】

幾つかの実施形態では、図３及び４に示すように、膨張タービン１０（１０Ａ、１０Ｂ）のタービンハウジング１３は、動翼２８のチップ２８ａに対向するシュラウド部（シュラウド壁面３２ａ）を含む第１壁面５０と、作動流体ｗの流路ｆを挟んで第１壁面５０に対向する第２壁面５２とを有する。図３及び図４に示す膨張タービン１０（１０Ａ，１０Ｂ）では、可変ノズル３６の出口における翼高さは動翼２８の入口における翼高さより大きく形成されている。また、可変ノズル３６の出口の下流側でかつ動翼２８の入口の上流側の第１壁面５０に、作動流体の下流側に向かって流路ｆの流路高さが狭まるように、第２壁面５２に向かって突出する突出部４４，５４が形成されている。図３及び図４に示す例示的な実施形態では、突出部４４，５４は、膨張タービン１０の軸方向（軸線Ｃの方向）に対して傾斜した平面形状のテーパ面４４ａ，５４ａを有する。

【0032】

突出部４４，５４の突出量は、突出部４４の先端が動翼２８の入口（前縁２８ｂ）におけるチップ２８ａを越えて第２壁面５２側に突出しないように設定されている。即ち、動翼２８の前縁２８ｂにおける動翼根本の軸方向位置（前縁２８ｂとタービンホイール２４のハブ２６のハブ面２６ａとの交点）を原点Ｏとし、動翼２８の前縁２８ｂにおけるチップ２８ａの軸方向位置をＸ_ｔとしたとき、突出部４４の先端の軸方向位置Ｘ_ｐは、０＜Ｘ_ｔ≦Ｘ_ｐを満たしている。
なお、図３に示す例示的な実施形態では、突出部４４の先端の軸方向位置Ｘ_ｐが、動翼２８の前縁２８ｂにおけるチップ２８ａの軸方向位置Ｘ_ｔと一致している（即ち、Ｘ_ｐ＝Ｘ_ｔの条件を満たす）。一方、図４に示す例示的な実施形態では、突出部４４の先端の軸方向位置Ｘ_ｐが、動翼２８の前縁２８ｂにおけるチップ２８ａの軸方向位置Ｘ_ｔよりもシュラウド側に後退している（即ち、Ｘ_ｐ＞Ｘ_ｔの条件を満たす）。

【0033】

幾つかの実施形態では、突出部４４，５４のテーパ面４４ａ，５４ａは軸方向に対して４０度以下の角度で傾斜している。

【0034】

また、幾つかの実施形態では、図３及び図４に示すように、軸線Ｃから回動軸３８の軸線までの半径方向の距離Ｒ_Ｓと、軸線Ｃから動翼２８の入口（前縁２８ｂ）までの距離Ｒ_Ｒとの比は、１．４≦Ｒ_Ｓ／Ｒ_Ｒの条件を満たしている。
また、突出部４４，５４より上流側のシュラウド壁３２ａには、可変ノズル３６の熱膨張による伸びを許容するため、最大開度時の可変ノズル３６の出口端と突出部４４，５４（テーパ面４４ａ，５４ａ）との間に伸び代ｈが残るようになっている。

【0035】

かかる構成において、空間ｓから流路ｆに流入した作動流体ｗは可変ノズル３６の開度調整により流量が調節される。可変ノズル３６の出口で、第１壁面５０（シュラウド側）に近い領域を流れる作動流体は、図５中の破線で示すように、突出部４４，５４の外表面（テーパ面４４ａ，５４ａ）に沿って流れる際に第２壁面５２側へ寄せられ、この状態で動翼２８の翼高さ方向で比較的均一に動翼２８間の流路を流れ、タービンホイール２４を回転させた後、出口開口４２に流出する。

【0036】

上述した実施形態では、突出部４４，５４の先端が動翼２８の入口のチップ２８ａを越えて第２壁面５２側に突出しないように設定されている。即ち、動翼２８の前縁２８ｂにおける動翼根本の軸方向位置（前縁２８ｂとタービンホイールのハブ２６のハブ面２６ａとの交点）を原点Ｏとし、チップ２８ａの軸方向（軸線Ｃの方向）位置をＸ_ｔとしたとき、突出部４４，５４の先端の軸方向位置Ｘ_ｐは、０＜Ｘ_ｔ≦Ｘ_ｐを満たしているので、突出部４４，５４による縮流効果に起因した動翼２８の入口における実効流路面積の低下を抑制できる。そのため、所期の動翼性能が得られやすくなり、タービン効率を高く維持できる。

【0037】

また、テーパ面４４ａ，５４ａが軸方向に対してなす角度が４０度以下であるため、動翼２８の入口でテーパ面４４ａ，５４ａに沿って作動流体ｗを第２壁面５２側（ハブ側）へ十分寄せることができ、そのため、第１壁面５０側（シュラウド壁３２ａ側）への作動流体ｗの偏流が抑制される。これによって、動翼出口における流速分布を均一化し、混合損失を抑制することで、タービン効率が向上する。

【0038】

また、軸線Ｃから回動軸３８の軸線までの半径方向の距離Ｒ_Ｓと、軸線Ｃから前縁２８ｂまでの距離Ｒ_Ｒとの比が、１．４≦Ｒ_Ｓ／Ｒ_Ｒであるので、可変ノズル３６の出口から動翼２８の入口までの距離が広がり、この部分の距離が広がることで、可変ノズル出口側で作動流体ｗの流速低下が起り、静圧の低下を抑制できる。
そのため、可変ノズル３６の圧力面と負圧面間の圧力差を低減できるので、クリアランスフローを抑制でき、タービン効率を向上できる。特に、小開度域では、流れ損失全体に占めるクリアランスフローの抑制によるタービン効率向上効果が大きい。

【0039】

また、上述した実施形態によれば、可変ノズル３６の出口側翼高さを動翼２８の入口側翼高さより大きくしたことで、隣接する可変ノズル３６間の作動流体ｗの流路ｆにおけるスロート面積を増大させることができる。よって、可変ノズル３６が大開度域のとき動翼２８に流入する作動流体ｗの流量（最大流量）を十分に確保できる。
また、突出部４４，５４によって作動流体ｗは第２壁面５２側（ハブ側）へ寄せられ、第１壁面５０側（シュラウド側）への偏流が抑制される。そのため、動翼２８の出口で膨張タービン１０（１０Ａ，１０Ｂ）の径方向における流速分布（流速Ｖの径方向分布）の不均一性が緩和され、混合損失が低減する。従って、可変ノズル３６が小開度域にある場合でも、タービン効率を高く維持できる。
これによって、スクロール部の形状に依存することなく、可変ノズル３６が小開度域のときのタービン効率を向上できると共に、可変ノズル３６が大開度域のときの動翼２８へ流入する作動流体ｗの流量（最大流量）を確保できる。

【0040】

図６及び図７は従来の膨張タービンを示しており、本実施形態を示す図３〜図５に対応する図である。一般に、可変ノズル３６が小開度域のときは、作動流体ｗは強い旋回成分を持ちながら動翼２８に流れ込み、作動流体ｗの半径方向の流速成分は小さい。
従来の膨張タービン１００は、可変ノズル３６の出口側翼高さと動翼２８の入口側翼高さとは同等であり、かつテーパ面４４ａ（５４ａ）及び突出部４４（５４）が形成されていない。そのため、図７に示すように、可変ノズル３６の小開度領域において、動翼２８に流入する作動流体ｗが持つ旋回成分に起因した遠心力により、作動流体ｗはシュラウド壁３２ａの壁面を含む第１壁面５０側に押し付けられやすい。
従って、作動流体ｗが第１壁面５０側に押し付けられると、動翼２８の出口において、作動流体ｗの流れは第１壁面５０側に偏り、第１壁面５０側で流速Ｖが大きく、第２壁面５２側で流速が小さくなる。その結果、動翼２８の下流側で流速不均衡を解消するように作動流体ｗが広がり、混合損失が起こりやすい。

【0041】

なお、上述した実施形態は本発明をラジアルタービンに適用した例であるが、本発明の適用対象はラジアルタービンに限定されず、例えば、斜流タービン及び該斜流タービンを有するターボチャージャにも適用できる。

【産業上の利用可能性】

【0042】

本発明の少なくとも一態様によれば、可変ノズルが小開度域のときのタービン効率の低下を抑制すると共に、可変ノズルが大開度域のときの作動流体の流量を確保し、併せて、動翼性能の低下を抑制し、タービン効率の低下を抑制できる膨張タービンを実現できる。

【符号の説明】

【0043】

１ ターボチャージャ
１ａ 排気タービン
１ｂ 軸受台
１ｃ コンプレッサ
２ａ、１３ タービンハウジング
１２ 外殻部
２ｄ 入口ケーシング
２ｅ、４２ 出口開口
２ｂ 軸受ハウジング
２ｃ コンプレッサハウジング
２ｆ 入口開口
２ｇ 出口ケーシング
３ 中心軸
４ タービンホイール
５ コンプレッサホイール
６ 自動車用エンジン
６ａ 排気口
６ｂ 給気口
７ 排気管
８ 給気管
９ インタークーラ
１０Ａ、１０Ｂ、１００ 膨張タービン
１６ 結合具
２０ 軸受
２２ 潤滑油路
２６ ハブ
２６ａ ハブ面
２８ 動翼
２８ａ チップ
２８ｂ 前縁
３０ スクロール部
３２ ノズルプレート
３２ａ シュラウド壁面
３４ ノズルマウント
３６ 可変ノズル
３８ 回動軸
４０ 同期機構
４２ 出口開口
４４、５４ 突出部
４４ａ、５４ａ テーパ面
５０ 第１壁面
５２ 第２壁面
Ｃ 軸線
ａ 空気
ｅ 排ガス
ｆ 流路
ｈ 伸び代
ｒ 潤滑油
ｓ 空間
ｗ 作動流体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】