特許 6852504 タービンハウジング

(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】6852504

(24)【登録日】2021年3月15日

(45)【発行日】2021年3月31日

(54)【発明の名称】タービンハウジング

(51)【国際特許分類】

   F02B 39/00 20060101AFI20210322BHJP

   F01D 25/24 20060101ALI20210322BHJP

【ＦＩ】

   F02B39/00 D

   F01D25/24 E

【請求項の数】2

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2017-63317(P2017-63317)

(22)【出願日】2017年3月28日

(65)【公開番号】特開2018-165494(P2018-165494A)

(43)【公開日】2018年10月25日

【審査請求日】2019年11月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100176245

【弁理士】

【氏名又は名称】安田 亮輔

(74)【代理人】

【識別番号】100122781

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 寛

(72)【発明者】

【氏名】塩屋 貴之

【審査官】 家喜 健太

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０１−２４７７１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２１４１７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５０９５３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−３０６２３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００２／０１９２０７６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 実開平０２−０８３３０４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 国際公開第２０１２／０３４３４７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｂ ３９／００

Ｆ０１Ｄ ２５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

タービン翼車の周囲に配置されるノズル流路と、前記ノズル流路の周囲に配置されると共に前記ノズル流路から前記タービン翼車の回転軸方向に張出すように配置されるスクロール流路と、が形成されたタービンハウジングであって、
前記スクロール流路の断面のうち、前記スクロール流路の舌部を通り断面積を最小とする断面を基準断面としたとき、
前記基準断面の輪郭線は、
前記ノズル流路から前記回転軸方向に張出した部分のうち張出し量がより大きい側の部分で、且つ前記タービン翼車の回転径方向において前記基準断面の中央よりも径方向内側の部分に形成され、前記基準断面の内側に向けて凸の形状をなす内凸部分を有し、
前記内凸部分は、
前記輪郭線のなかに１箇所のみ存在している、タービンハウジング。

【請求項2】

前記内凸部分は、
前記回転軸方向に平行に直線状に延在する軸方向直線部分を有する、請求項１に記載のタービンハウジング。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、タービンハウジングに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載のタービンが知られている。この特許文献１では、スクロール流路の回転軸方向の幅と回転径方向の幅との関係を調整すること等によりタービン効率を向上させることが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第3534728号公報

【特許文献2】特開2012-255418号公報

【特許文献3】特許第5929016号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

この種のタービンにおいては、スクロール流路の舌部を通過したガスの一部が、スクロール流路を旋回せずにタービン翼車に直接向かうような流れが発生する。このようなガスの流れは、タービン翼車に流入するガスの流量の周方向分布を不均一にする原因となる。そして、ガスの流量分布の不均一性がタービン効率の低下の原因になり得る。このような課題に鑑み、本発明は、タービン効率を向上するタービンハウジング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】

【0005】

本発明のタービンハウジングは、タービン翼車の周囲に配置されるノズル流路と、ノズル流路の周囲に配置されると共にノズル流路からタービン翼車の回転軸方向に張出すように配置されるスクロール流路と、が形成されたタービンハウジングであって、スクロール流路の断面のうち、スクロール流路の舌部を通り断面積を最小とする断面を基準断面としたとき、基準断面の輪郭線は、ノズル流路から回転軸方向に張出した部分のうち張出し量がより大きい側の部分で、且つタービン翼車の回転径方向において基準断面の中央よりも径方向内側の部分に形成された不規則形状部分を有し、不規則形状部分は、基準断面の内側に向けて凸の形状をなす部分、又は直線形状の部分を含む。

【0006】

不規則形状部分は、回転軸方向に平行に直線状に延在する軸方向直線部分を有するようにしてもよい。

【発明の効果】

【0007】

本発明のタービンハウジングによれば、タービン効率を向上するタービンハウジングを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、過給機の断面図である。

【図2】図２は、タービンの断面図である。

【図3】図３（ａ）は、III-III断面図であり、図３（ｂ）は基準断面の輪郭線である。

【図4】図４（ａ）は、シミュレーション結果であり、図４（ｂ）は、従来のタービンの基準断面の輪郭線である。

【図5】図５（ａ）〜（ｃ）は、基準断面の断面形状の変形例である。

【図6】図６（ａ）は、第２実施形態に係るIII-III断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しつつ本発明に係るタービンハウジングの実施形態について詳細に説明する。

【0010】

（第１実施形態）
図１は、過給機１の回転軸線Ａを含む断面を取った断面図である。この過給機１が備えるタービン２は、本実施形態に係るタービンハウジング４を有している。まず、過給機１について説明する。

【0011】

過給機１は、例えば、船舶や車両の内燃機関に適用されるものである。図１に示されるように、過給機１は、タービン２とコンプレッサ３とを備えている。タービン２は、タービンハウジング４と、タービンハウジング４に収納されたタービン翼車６と、を備えている。タービンハウジング４は、タービン翼車６の周囲において周方向に延びるスクロール流路１６を有している。コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング５と、コンプレッサハウジング５に収納されたコンプレッサ翼車７と、を備えている。コンプレッサハウジング５は、コンプレッサ翼車７の周囲において周方向に延びるスクロール流路１７を有している。

【0012】

タービン翼車６は回転軸１４の一端に設けられており、コンプレッサ翼車７は回転軸１４の他端に設けられている。タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５との間には、軸受ハウジング１３が設けられている。回転軸１４は、軸受１５を介して軸受ハウジング１３に回転可能に支持されており、回転軸１４、タービン翼車６及びコンプレッサ翼車７が一体の回転体１２として回転軸線Ａ周りに回転する。

【0013】

タービンハウジング４には、排気ガス流入口８及び排気ガス流出口１０が設けられている。内燃機関（図示せず）から排出された排気ガスが、排気ガス流入口８を通じてタービンハウジング４内に流入し、スクロール流路１６を通じてタービン翼車６に流入し、タービン翼車６を回転させる。その後、排気ガスは、排気ガス流出口１０を通じてタービンハウジング４外に流出する。

【0014】

コンプレッサハウジング５には、吸入口９及び吐出口１１が設けられている。上記のようにタービン翼車６が回転すると、回転軸１４を介してコンプレッサ翼車７が回転する。回転するコンプレッサ翼車７は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入する。この空気が、コンプレッサ翼車７及びスクロール流路１７を通過して圧縮され吐出口１１から吐出される。吐出口１１から吐出された圧縮空気は、前述の内燃機関に供給される。

【0015】

続いて、タービンハウジング４について更に詳細に説明する。以下の説明において、単に「軸方向」、「径方向」、「周方向」と言うときには、タービン翼車６の回転の軸方向、径方向、周方向を意味するものとする。また、単に「上流」、「下流」と言うときには、タービン２におけるガスの流れの上流、下流を意味するものとする。

【0016】

図２は、回転軸線Ａに直交する断面を取ったタービン２の断面図である。図に示されるように、タービンハウジング４の内空部には、ノズル流路２１と、スクロール流路１６とが形成されている。ノズル流路２１はタービン翼車６の周囲に配置され、スクロール流路１６はノズル流路２１の周囲に配置されている。排気ガス流入口８からタービン２内に流入するガスは、スクロール流路１６を周方向に旋回すると共に径方向内側に向かい、ノズル流路２１に流入し、更にタービン翼車６に流入する。

【0017】

続いて、図２に示されるIII-III断面を考える。図３（ａ）は、タービンハウジング４のIII-III断面図である。断面III-IIIは、スクロール流路１６の舌部２３を通る断面である。舌部２３とは、螺旋状に巻かれるスクロール流路１６の巻き始めと巻き終わりとを径方向に隔てる部分である。スクロール流路１６の上流部１６ａは、内燃機関からのガスを導入する部分であり径方向及び軸方向に閉じた断面を有している。スクロール流路１６の下流部１６ｂは、ノズル流路２１と径方向に連通している。スクロール流路１６の下流部１６ｂは、上流部１６ａの径方向内側に入り込むように巻かれ、ガスを周方向に旋回させる。上流部１６ａと下流部１６ｂとが舌部２３によって径方向に隔てられている。「舌部２３を通る」とは、厳密には、図２の方向から見て舌部２３の先端がＲ形状をなすとき、当該Ｒの中心を通ることを意味する。断面III-IIIは、舌部２３を通り、且つ当該断面上に現れるスクロール流路１６の上流部１６ａの面積を最小とするような断面である。以下、断面III-III上のスクロール流路１６の上流部１６ａの断面を基準断面と呼び、符号「２５」を付す。

【0018】

図３（ａ）に示されるように、スクロール流路１６はノズル流路２１に比較して軸方向の幅が広いので、スクロール流路１６はノズル流路２１から軸方向に張出すことになる。スクロール流路１６のノズル流路２１からの軸方向への張出し量に関しては、タービン２のガス吐出方向（図３の左方向）への張出し量ｈ１が、その反対方向（図３の右方向）への張出し量ｈ２に比較して大きくなっている。

【0019】

図３（ｂ）は、基準断面２５の輪郭線２７を示す図である。図３（ｂ）に示されるように、輪郭線２７は、局所的に不規則な形状をなす不規則形状部分２９を有している。不規則形状部分２９が基準断面２５のどの位置に形成されるかについて説明する。

【0020】

不規則形状部分２９は、軸方向においては、基準断面２５がノズル流路２１から軸方向に張出した部分のうち張出し量がより大きい側の部分に形成される。以下、基準断面２５のなかで、ノズル流路２１から軸方向に張出した部分のうち張出し量がより大きい側の部分を「大張出部分」と呼ぶ場合がある。具体的には、図３の方向から見て、基準断面２５のノズル流路２１からの張出し量に関し、左方向への張出し量ｈ１が右方向への張出し量ｈ２よりも大きいので、基準断面２５のうちノズル流路２１から左側に張出した部分が大張出部分である。換言すれば、基準断面２５のうちノズル流路２１のシュラウド側の入口２１ａ（図３（ａ）参照）よりも左側の領域に存在する部分が大張出部分である。このような大張出部分に不規則形状部分２９が形成される。

【0021】

また、径方向においては、不規則形状部分２９は、基準断面２５の中央よりも径方向内側の部分に形成される。具体的には、径方向において、基準断面２５のうち最も外側である最外径部１８ａと最も内側である最内径部１８ｂとの中央位置１８ｃよりも径方向内側の部分に不規則形状部分２９が形成される。

【0022】

不規則形状部分２９の形状に関する特徴は次の通りである。不規則形状部分２９は、基準断面２５の内側に向けて凸の形状をなす部分を含んでいる。例えば、図３の例では、不規則形状部分２９は、基準断面２５の内側に凸になる向きに湾曲する内湾曲部分３１を備えている。また、図３の例では、不規則形状部分２９は、軸方向に平行に直線状に延在する軸方向直線部分３２を有している。

【0023】

以上の構成に基づくタービンハウジング４の作用効果について説明する。

【0024】

図２に示されるように、回転軸線Ａを中心とし、舌部２３を通るラインの周方向の位置をθ＝０°とし、タービン２内のガスの旋回方向前方を＋θ方向とするθ座標系を設定し、周方向の座標をθで表すものとする。ここで、本発明者らは、前述のような不規則形状部分２９を備えていない従来のタービン（以下「従来タービン」）についてシミュレーションを行った。従来タービンの基準断面２５は、例えば、図４（ｂ）の実線で示される輪郭線２７’を有する形状をなす。当該シミュレーションでは、タービン翼車６に流入するガスについて、当該ガスの質量流量の周方向の分布が導出された。シミュレーションの結果は図４（ａ）に示される。図４（ａ）のグラフの横軸はθであり、縦軸はタービン翼車６に流入するガスの、流入路の断面積当たりの質量流量である。

【0025】

図４（ａ）に示されるように、従来タービンのθ＝３０〜４０°の位置においては、それ以外の位置に比較して大きい質量流量で、タービン翼車６にガスが流入していることが判る。このように、ガスの質量流量の周方向の分布に不均一があると、タービン効率の低下の要因になる。また、ガスの質量流量の周方向の分布の不均一に起因してタービン翼車６の翼振動が発生する。

【0026】

上記のようなガスの質量流量の分布の不均一の原因は次のように考えられる。図４（ｂ）は、前述の通り、従来タービンについて基準断面２５の輪郭線２７’を模式的に示す図である。従来タービンのスクロール流路１６では、基準断面２５の大張出部分で径方向内側の部分を通過したガスの一部には、下流部１６ｂで旋回することなくタービン翼車６に向かう傾向がある。このように基準断面２５の通過直後（すなわち舌部２３の通過直後）に旋回せずにタービン翼車６に向かう一部のガスの存在が、θ＝３０〜４０°の位置におけるガスの質量流量を高めていると考えられる。

【0027】

これに対し、タービン２の基準断面２５では、図４（ｂ）中に破線で示されるように、内側に凸の内湾曲部分３１を含む不規則形状部分２９が形成されることで、基準断面２５のうち大張出部分の径方向内側の部分が侵食される。このようなスクロール流路１６においては、上記のように侵食された部分に応じて、基準断面２５におけるガスの通過位置が径方向外側にずれることになる。基準断面２５においてガスが径方向外側を通過する場合には、径方向内側を通過する場合に比べてガスに作用する遠心力が強い。従って、基準断面２５の通過直後のガスは、周方向に進んで旋回する傾向が強くなり、直接タービン翼車６に向かう傾向は弱くなる。その結果、基準断面２５の通過直後にタービン翼車６に向かうガスは減少し、前述のようなθ＝３０〜４０°の位置におけるガスの質量流量が抑えられる。また、上記のように旋回する傾向が強くなったガスは、θ＝３０〜４０°よりも下流側（θが大きい側）まで進んでタービン翼車６に流入することになる。

【0028】

従って、スクロール流路１６においては、タービン翼車６に流入するガスの質量流量の周方向の分布の不均一性が軽減され、その結果、タービン２の効率が向上する。また、上記の不均一性に起因するタービン翼車６の翼振動も低減される。また、不規則形状部分２９が、軸方向に平行に直線状に延在する軸方向直線部分３２を有しているので、基準断面２５におけるガスの通過位置が全体として均等に径方向外側に移動し、上述のような作用効果がより顕著に奏される。

【0029】

なお、上述のような作用効果を奏するためには、基準断面２５及び不規則形状部分２９の形状は、図３には限定されない。例えば、図５（ａ）〜（ｃ）に示されるように、不規則形状部分２９が、基準断面２５の内側に凸になる向きに湾曲する内湾曲部分３１のみで構成されてもよい。すなわち、不規則形状部分２９が軸方向直線部分３２（図３（ｂ）参照）を含まないものであってもよい。また、図５（ａ）〜（ｃ）に示されるように、基準断面２５の不規則形状部分２９以外の輪郭の形状も限定されない。

【0030】

なお、図３、図５の各図に示されるような不規則形状部分２９は、スクロール流路１６の周方向において基準断面２５にのみ現れるとは限らない。すなわち、スクロール流路１６の基準断面２５近傍の壁面は、不規則形状部分２９に対応する三次元形状で周方向にも連続的な滑らかな形状をなしていてもよい。この場合、不規則形状部分２９は、例えば、θ＝０〜３０°の位置範囲でスクロール流路１６の断面上に連続的に現れるようにしてもよい。

【0031】

（第２実施形態）
続いて、第２実施形態に係るタービンハウジングについて説明する。本実施形態においては、第１実施形態と同一又は同等の構成要素には図面に同一の符号を付して重複する説明を省略する。図６に示される本実施形態のタービンハウジング１０４と、前述の第１実施形態のタービンハウジング４との相違点は、スクロール流路１６の基準断面２５の形状にある。

【0032】

タービンハウジング１０４においては、基準断面２５の輪郭線１２７は局所的に不規則な形状をなす不規則形状部分１２９を備えている。不規則形状部分１２９は直線形状部分１３１を含んでいる。直線形状部分１３１は、径方向及び軸方向の双方に対して傾斜して延在している。直線形状部分１３１は、軸方向においてノズル流路２１から遠くなるに従って輪郭線１２７が径方向外側に行くように傾斜している。このような不規則形状部分１２９の存在によっても、基準断面２５の大張出部分の径方向内側の部分が侵食され、第１実施形態と同様の作用効果が奏される。

【0033】

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

【符号の説明】

【0034】

４，１０４ タービンハウジング
６ タービン翼車
１６ スクロール流路
２１ ノズル流路
２３ 舌部
２５ 基準断面
２７，１２７ 輪郭線
２９，１２９ 不規則形状部分
３１ 内湾曲部分
３２ 軸方向直線部分
１３１ 直線形状部分
Ａ 回転軸線
ｈ１，ｈ２ 張出し量

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】