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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023118180
(43)【公開日】2023-08-25
(54)【発明の名称】タービン及び過給機
(51)【国際特許分類】
   F02B 39/16 20060101AFI20230818BHJP
   F02B 37/18 20060101ALI20230818BHJP
   F01D 15/08 20060101ALI20230818BHJP
   F01D 9/02 20060101ALI20230818BHJP
   F02B 77/04 20060101ALI20230818BHJP
【FI】
F02B39/16 A
F02B37/18 E
F01D15/08 C
F01D9/02 101
F02B77/04
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022020982
(22)【出願日】2022-02-15
(71)【出願人】
【識別番号】518131296
【氏名又は名称】三菱重工マリンマシナリ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000785
【氏名又は名称】SSIP弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】矢野 由祐
(72)【発明者】
【氏名】小野 友嗣
【テーマコード(参考)】
3G005
3G202
【Fターム(参考)】
3G005EA04
3G005EA16
3G005FA43
3G005FA45
3G005FA60
3G005GA04
3G005GB27
3G005GB79
3G005GB86
3G202GA01
3G202GA07
3G202GA17
3G202GB05
(57)【要約】
【課題】ロバスト性を向上できるタービン、及び該タービンを備える過給機を提供する。
【解決手段】タービンは、タービンインペラと、タービンインペラの外周側に形成されたスクロール流路からタービンインペラへ排ガスを導くための排ガス流路を形成する排ガス流路形成部であって、排ガス流路を画定するハブ側流路面及びシュラウド側流路面を含む排ガス流路形成部と、排ガス流路に配置されてハブ側流路面又はシュラウド側流路面の少なくとも一方に固定された少なくとも1つのノズルベーンと、を備え、少なくとも1つのノズルベーンのタービンインペラの軸方向における長さである翼高さW1は、タービンインペラの翼前縁位置における排ガス流路の軸方向における長さである流路幅W0よりも小さい。
【選択図】 図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
タービンインペラと、
前記タービンインペラの外周側に形成されたスクロール流路から前記タービンインペラへ排ガスを導くための排ガス流路を形成する排ガス流路形成部であって、前記排ガス流路を画定するハブ側流路面及びシュラウド側流路面を含む排ガス流路形成部と、
前記排ガス流路に配置されて前記ハブ側流路面又は前記シュラウド側流路面の少なくとも一方に固定された少なくとも1つのノズルベーンと、を備え、
前記少なくとも1つのノズルベーンの前記タービンインペラの軸方向における長さである翼高さW1は、前記タービンインペラの翼前縁位置における前記排ガス流路の前記軸方向における長さである流路幅W0よりも小さい、
タービン。
【請求項2】
前記少なくとも1つのノズルベーンは、前記タービンインペラの周方向に互いに間隔をあけて配置された複数のノズルベーンを含み、
前記複数のノズルベーンの各々は、所望のノズルスロート幅となるように、前記タービンインペラの軸線から前記ノズルベーンの後縁までの距離が決定された、
請求項1に記載のタービン。
【請求項3】
前記少なくとも1つのノズルベーンは、前記タービンインペラの周方向に互いに間隔をあけて配置された複数のノズルベーンを含み、
前記複数のノズルベーンの各々は、前記タービンインペラの軸線を中心として前記ノズルベーンの後縁を通る仮想円の前記後縁における接線と、前記ノズルベーンの前記タービンインペラ側の翼面の前記後縁における接線とのなす角度を置き角度θと定義した場合において、所望のノズルスロート幅となるように、前記置き角度θが決定された、
請求項1又は2に記載のタービン。
【請求項4】
前記ハブ側流路面は、前記シュラウド側流路面との間に前記少なくとも1つのノズルベーンを挟む領域に形成される平坦面であって、前記軸方向における前記タービンインペラの前縁のハブ側端よりもシュラウド側に位置して前記タービンインペラの径方向に沿って延在する平坦面を含む、
請求項1に記載のタービン。
【請求項5】
前記ハブ側流路面は、前記平坦面よりも前記タービンインペラの前記径方向における内側に、前記径方向における内側に向かうにつれてハブ側に傾斜する内側傾斜面をさらに含む、
請求項4に記載のタービン。
【請求項6】
前記ハブ側流路面は、前記平坦面よりも前記タービンインペラの前記径方向における外側に、前記径方向における外側に向かうにつれてハブ側に傾斜する外側傾斜面をさらに含む、
請求項4又は5に記載のタービン。
【請求項7】
請求項1に記載のタービンと、
前記タービンにより駆動されるように構成された遠心圧縮機と、を備える、
過給機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、タービン及び該タービンを備える過給機に関する。
【背景技術】
【0002】
過給機のタービンには、タービン翼と、タービン翼よりもエンジンの排気流路における上流側に設けられる複数のノズル翼と、を備えるものがある。複数のノズル翼は、タービン翼の径方向における外側に配置される。上記タービンは、ノズル翼がタービン翼に導かれる排ガスを膨張及び加速させることで、エネルギーの回収効率を向上させるようになっている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2021-124020号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
エンジンの排気流路を流れる排ガスには、気化した燃料や潤滑油などが含まれることがあり、ノズル翼などの排ガスに曝される部分には、カーボン(粉塵)が堆積し易い。ノズル翼の翼面にカーボンが堆積すると、ノズル翼のスロート面積が小さくなるので、サージングの発生を招く虞がある。カーボンの堆積に対する対策として、早期のメンテナンスやノズル翼の洗浄が必要となるので、過給機や過給機を搭載するエンジンの連続運転が困難になっているという問題がある。このため、カーボン堆積に対するタービン(具体的には、ノズル翼)のロバスト性の向上が求められている。
【0005】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、ロバスト性を向上できるタービン、及び該タービンを備える過給機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】
【0006】
本発明の少なくとも一実施形態にかかるタービンは、
タービンインペラと、
前記タービンインペラの外周側に形成されたスクロール流路から前記タービンインペラへ排ガスを導くための排ガス流路を形成する排ガス流路形成部であって、前記排ガス流路を画定するハブ側流路面及びシュラウド側流路面を含む排ガス流路形成部と、
前記排ガス流路に配置されて前記ハブ側流路面又は前記シュラウド側流路面の少なくとも一方に固定された少なくとも1つのノズルベーンと、を備え、
前記少なくとも1つのノズルベーンの前記タービンインペラの軸方向における長さである翼高さW1は、前記タービンインペラの翼前縁位置における前記排ガス流路の前記軸方向における長さである流路幅W0よりも小さい。
【0007】
本発明の少なくとも一実施形態にかかる過給機は、
前記タービンと、
前記タービンにより駆動されるように構成された遠心圧縮機と、を備える。
【発明の効果】
【0008】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、ロバスト性を向上できるタービン、及び該タービンを備える過給機が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】一実施形態に係るタービンの軸線に沿った断面を示す概略断面図である。
図2】一実施形態に係るタービンの軸線よりも一方側の軸線に沿った断面を示す概略断面図である。
図3】一実施形態に係るタービンのハブ側流路面及び複数のノズルベーンをシュラウド側から視た状態を示す概略図である。
図4】比較例に係るタービンの軸線よりも一方側の軸線に沿った断面を示す概略断面図である。
図5】比較例に係るタービンのハブ側流路面及び複数のノズルベーンをシュラウド側から視た状態を示す概略図である。
図6】タービンのノズルスロート形状に応じたカーボンの堆積量を説明するための説明図である。
図7】一実施形態に係るタービンのカーボンの堆積による有効ノズルスロート面積の変化を説明するための説明図である。
図8】一実施形態に係る過給機の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
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ている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。
【0011】
(タービンの基本構成)
図1は、一実施形態に係るタービンの軸線に沿った断面を示す概略断面図である。幾つかの実施形態に係るタービン1は、図1に示されるように、タービンインペラ(以下、インペラ)2と、インペラ2を回転可能に収容するように構成されるケーシング3と、を備える。なお、本開示にかかるタービン1は、例えば、自動車用、舶用又は産業用(例えば、陸上発電用)の過給機10などに搭載可能である。
【0012】
インペラ2は、ケーシング3の内部に収容された軸受(不図示)に支持されることで、インペラ2の軸線LAを中心として回転可能に構成される。以下、インペラ2の軸線LAが延在する方向をインペラ2(タービン1)の軸方向とし、軸線LAに直交する方向をインペラ2(タービン1)の径方向と定義する。インペラ2は、インペラ2の径方向における外側から導入される排ガスを、インペラ2の軸方向に沿ってタービン1の出口側(図1中右側)に導くように構成される。
【0013】
以下、上記軸方向における上記タービン1の出口側をシュラウド側とし、シュラウド側とは反対側をハブ側とする。以下の説明では、単に上流側と呼ぶ場合、方向の説明にかかる部位や領域における流体の主たる流れの方向に沿った上流側を指すものとする。同様に、以下の説明では、単に下流側と呼ぶ場合、方向の説明にかかる部位や領域における流体の主たる流れの方向に沿った下流側を指すものとする。
【0014】
インペラ2は、ハブ21と、ハブ21の外面22に立設された複数のインペラ翼23と、を含む。複数のインペラ翼23の各々は、インペラ2の周方向に互いに間隔をあけて配置されている。複数のインペラ翼23の各々の先端24は、ケーシング3の内面であるシュラウド面31に対して、所定の隙間を存して配置される。
【0015】
(ケーシング)
ケーシング3は、図1に示されるように、上述したシュラウド面31を有するシュラウド部32と、インペラ2の外周側にスクロール流路33を形成するスクロール流路形成部34と、スクロール流路33からインペラ2へ排ガスを導くための排ガス流路35を形成する排ガス流路形成部36と、を含む。スクロール流路33及び排ガス流路35の夫々は、ケーシング3の内部に形成される。
【0016】
スクロール流路33は、インペラ2の外周側に設けられる渦状流路からなる。この渦状流路は、インペラ2の外周側(径方向における外側)を囲むように、インペラ2の周方向に沿って延在している。排ガス流路35は、インペラ2の外周側(径方向における外側)を囲むように、インペラ2の径方向においてスクロール流路33とインペラ2との間に設けられる。
【0017】
図示される実施形態では、排ガス流路35は、インペラ2の周方向に沿って延在する環状に形成されており、排ガス流路35の上流端(外周端)がスクロール流路33に連通している。排ガス流路35は、図1に示されるような、インペラ2の軸方向に沿った断面において、インペラ2の径方向に沿って延在している。ケーシング3の内部に導入された排ガスは、スクロール流路33を通り、その次に排ガス流路35を通った後に、インペラ2に導かれて、インペラ2を回転させる。
【0018】
排ガス流路形成部36は、排ガス流路35を画定するハブ側流路面4及びシュラウド側流路面5を含む。シュラウド側流路面5は、ハブ側流路面4よりもシュラウド側に設けられて、排ガス流路35を挟んでハブ側流路面4と対向している。ハブ側流路面4は、排ガス流路35のハブ側(図1中左側)を画定し、シュラウド側流路面5は、排ガス流路35のシュラウド側(図1中右側)を画定している。図示される実施形態では、ハブ側流路面4及びシュラウド側流路面5の夫々は、インペラ2の外周側において、インペラ2の周方向に沿って延在する環状に形成されている。
【0019】
(ノズルベーン)
図2は、一実施形態に係るタービンの軸線よりも一方側の軸線に沿った断面を示す概略断面図である。図3は、一実施形態に係るタービンのハブ側流路面及び複数のノズルベーンをシュラウド側から視た状態を示す概略図である。
上述したタービン1は、図2及び図3に示されるように、排ガス流路35に配置されてハブ側流路面4又はシュラウド側流路面5の少なくとも一方に固定された少なくとも1つのノズルベーン6をさらに備える。図示される実施形態では、上述した少なくとも1つのノズルベーン6は、インペラ2の周方向に互いに間隔をあけて配置された複数のノズルベーン6を含む。
【0020】
図示される実施形態では、排ガス流路形成部36は、ハブ側流路面4を有する環状部材40を含む。複数のノズルベーン6の各々は、環状部材40と一体的に形成され、その軸方向におけるハブ側の端面がハブ側流路面4に接続されている。これにより、複数のノズルベーン6の各々は、ハブ側流路面4に固定されている。
【0021】
複数のノズルベーン6の各々は、図3に示されるように、ノズルベーン6の翼厚中心を通る翼厚中心ラインCLの延在方向における一端に設けられる前縁61と、ノズルベーン6の翼厚中心ラインCLの延在方向における他端に設けられる後縁62と、前縁61から後縁62までに亘り夫々が延在する内側翼面63及び外側翼面64と、を含む。複数のノズルベーン6の各々は、その後縁62がその前縁61よりもインペラ2の径方向における内側に設けられる。複数のノズルベーン6の各々は、その内側翼面63がその外側翼面64とは翼厚中心ラインCLを挟んで反対側に、且つその外側翼面64よりも径方向における内側に設けられる。ノズルベーン6の前縁61、後縁62、内側翼面63及び外側翼面64により、排ガス流路35に面する翼面が構成される。
【0022】
(スロート)
図3に示されるように、インペラ2の周方向に沿って互いに隣接する一対のノズルベーン6、6間の流路面積が最小になる位置をスロートTとする。スロートTにおける一対のノズルベーン6、6間の流路面積をノズルスロート面積とし、スロートTにおける排ガス流路35の軸方向における長さをノズルスロート高さとし、スロートTにおける一対のノズルベーン6、6間の長さをノズルスロート幅とする。
【0023】
(翼高さW1と流路幅W0の関係)
幾つかの実施形態に係るタービン1は、図2に示されるように、上述した上述したハブ側流路面4及びシュラウド側流路面5を含む排ガス流路形成部36と、上述した少なくとも1つのノズルベーン6と、を備える。少なくとも1つのノズルベーン6のインペラ2の軸方向における長さである翼高さW1は、インペラ2の翼前縁位置における排ガス流路35の軸方向における長さである流路幅W0よりも小さい。インペラ2の翼前縁位置は、ケーシング3の内部にインペラ2が配置されたときに、ケーシング3上におけるインペラ2の前縁25が配置される位置である。
【0024】
図2及び図3に示される実施形態では、ハブ側流路面4は、インペラ2の前縁25のハブ側端26よりもシュラウド側に突出する段差42を有する。これにより、複数のノズルベーン6の各々は、その翼高さW1が流路幅W0よりも小さくなっている。なお、ハブ側流路面4に段差42を設ける代わりに、シュラウド側流路面5にハブ側に突出する段差を設けることで、翼高さW1を流路幅W0よりも小さくしてもよい。
【0025】
(比較例に係るタービン)
図4は、比較例に係るタービンの軸線よりも一方側の軸線に沿った断面を示す概略断面図である。図5は、比較例に係るタービンのハブ側流路面及び複数のノズルベーンをシュラウド側から視た状態を示す概略図である。比較例に係るタービン1Aは、図4及び図5に示されるように、環状部材40Aのハブ側流路面4Aからシュラウド側に突出する段差や、シュラウド側流路面5からハブ側に突出する段差を有しない。ハブ側流路面4Aは、インペラ2の軸方向において、インペラ2の前縁25のハブ側端26と同じ位置に設けられる。複数のノズルベーン6Aの各々の、インペラ2の軸方向における長さである翼高さW2は、インペラ2の翼前縁位置における排ガス流路35の軸方向における長さである流路幅W0と同じ長さになっている。本実施形態における複数のノズルベーン6の各々の翼高さW1は、複数のノズルベーン6Aの各々の翼高さW2よりも小さい。
【0026】
(ノズルスロート形状に応じたカーボンの堆積量)
図6は、タービンのノズルスロート形状に応じたカーボンの堆積量を説明するための説明図である。図6では、本実施形態に係るタービン1のノズルスロート高さ(ノズルベーン6の翼高さ)THが、比較例に係るタービン1Aのノズルスロート高さ(ノズルベーン6Aの翼高さ)TH1よりも小さくなっている。なお、図6では、タービン1のノズルスロート幅TWを、タービン1Aのノズルスロート幅TW1よりも大きくすることで、タービン1とタービン1Aのノズルスロート面積TAが同じになっている。図6に示されるように、ノズルスロート高さ(ノズルベーンの翼高さ)が大きい程、ノズルベーン6、6Aの翼面(内側翼面63、63A、外側翼面64、64A等)の面積が大きくなり、ノズルベーン6の翼面に付着するカーボンの堆積量が増量する。なお、ハブ側流路面4及びシュラウド側流路面5は、ノズルベーン6の翼面に比べて、カーボンの堆積量が少ない傾向がある。
【0027】
(有効ノズルスロート面積の変化)
図7は、一実施形態に係るタービンのカーボンの堆積による有効ノズルスロート面積の変化を説明するための説明図である。図7では、タービンの稼働期間WTを横軸とし、ノズルスロート面積TAから上記閉塞面積を除いた有効ノズルスロート面積ETAを縦軸とするグラフが示されている。図7中におけるSLは、サージング限界であり、有効ノズルスロート面積ETAがサージング限界SL以下になると、サージングが発生する可能性が高い。図7中におけるL1は、図6に示されるタービン1Aの稼働期間WTに応じた有効ノズルスロート面積ETAの変化を示す近似直線であり、期間WT1において有効ノズルスロート面積ETAがサージング限界SLに至る。図7中におけるL2は、図6に示されるタービン1の稼働期間WTに応じた有効ノズルスロート面積ETAの変化を示す近似直線であり、期間WT2において有効ノズルスロート面積ETAがサージング限界SLに至る。図7に示されるように、期間WT2は、期間WT1よりも大きい。すなわち、タービン1は、タービン1Aよりもサージング限界SLに至るまでの稼働期間を長くすることができる。
【0028】
本実施形態では、少なくとも1つのノズルベーン6の翼高さW1を、インペラ2の翼前縁位置における排ガス流路35の流路幅W0よりも小さくすることで、翼高さW1が流路幅W0と同じ長さの場合に比べて、ノズルベーン6の翼面の面積が小さくなるので、カーボンの堆積量を減少させることができる。これにより、ノズルベーン6の翼面に付着したカーボンがノズルスロート面積TAを閉塞する面積(閉塞面積)を低減できる。閉塞面積を低減することで、タービン1のメンテナンスの頻度を減らすことができ、タービン1やタービン1を備える過給機10の運転時間を延ばすことができる。このようなタービン1によれば、ノズルスロート面積TAへのカーボンの堆積による悪影響を低減できるため、タービン1のロバスト性を向上できる。
【0029】
幾つかの実施形態では、上述した複数のノズルベーン6の各々は、所望のノズルスロート幅TWとなるように、インペラ2の軸線LAからノズルベーン6の後縁62までの距離D1(図3参照)が決定されている。
【0030】
上記の構成によれば、単に翼高さW1を流路幅W0よりも小さくすると、翼高さW1が流路幅W0と同じ長さの場合に比べて、ノズルスロート面積が小さくなる。翼高さW1を流路幅W0よりも小さくした場合において、翼高さW1が流路幅W0と同じ長さの場合と同様のノズルスロート面積TAを確保するためには、翼高さW1が流路幅W0と同じ長さの場合よりもノズルスロート幅TWを長くする必要がある(図6参照)。
【0031】
図3に示されるタービン1のインペラ2の軸線LAからノズルベーン6の後縁62までの距離D1は、図5に示されるタービン1Aのインペラ2の軸線LAからノズルベーン6Aの後縁62Aまでの距離D2よりも大きくなっている。このように、翼高さW1を流路幅W0よりも小さくした場合に、翼高さW1が流路幅W0と同じ長さの場合よりもインペラ2の軸線LAからノズルベーン6の後縁62までの距離D1を大きくすることで、ノズルスロート幅TWを広げることができる。複数のノズルベーン6の各々について、インペラ2の軸線LAからノズルベーン6の後縁62までの距離D1を調整することで、所望のノズルスロート幅TWや所望のノズルスロート面積TAを確保でき、ひいてはタービン1やタービン1を備える過給機10の性能も確保できる。
【0032】
幾つかの実施形態では、上述した複数のノズルベーン6の各々は、インペラ2の軸線LAを中心としてノズルベーン6の後縁62を通る仮想円VCの後縁62における接線TL1と、ノズルベーン6のインペラ2側の翼面(内側翼面63)の後縁62における接線TL2とのなす角度を置き角度θと定義した場合において、所望のノズルスロート幅TWとなるように、置き角度θが決定されている。
【0033】
上記の構成によれば、単に翼高さW1を流路幅W0よりも小さくすると、翼高さW1が流路幅W0と同じ長さの場合に比べて、ノズルスロート面積が小さくなる。翼高さW1を流路幅W0よりも小さくした場合において、翼高さW1が流路幅W0と同じ長さの場合と同様のノズルスロート面積TAを確保するためには、翼高さW1が流路幅W0と同じ長さの場合よりもノズルスロート幅TWを長くする必要がある(図6参照)。
【0034】
図5に示されるように、比較例に係るタービン1Aの上記置き角度θに相当する角度を置き角度θ1とする。置き角度θ1は、仮想円VCの後縁62Aにおける接線と、ノズルベーン6Aの内側翼面63Aの後縁62Aにおける接線とのなす角度である。図3に示されるタービン1の置き角度θは、図5に示されるタービン1Aの置き角度θ1よりも大きくなっている。このように、翼高さW1を流路幅W0よりも小さくした場合に、翼高さW1が流路幅W0と同じ長さの場合よりも置き角度θを大きくすることで、ノズルスロート幅TWを広げることができる。複数のノズルベーン6の各々について、置き角度θを調整することで、所望のノズルスロート幅TWや所望のノズルスロート面積TAを確保でき、ひいてはタービン1やタービン1を備える過給機10の性能も確保できる。
【0035】
(段差)
幾つかの実施形態では、図2及び図3に示されるように、上述したハブ側流路面4は、シュラウド側流路面5との間に少なくとも1つのノズルベーン6を挟む領域に形成される平坦面41を含む。平坦面41は、インペラ2の軸方向におけるインペラ2の前縁25のハブ側端26よりもシュラウド側に位置してインペラ2の径方向に沿って延在している。図示される実施形態では、平坦面41は、インペラ2の周方向に沿って延在する環状面からなる。
【0036】
上記の構成によれば、ハブ側流路面4に、インペラ2の前縁25のハブ側端26よりもシュラウド側に突出する平坦面41を頂面とする段差42を設けることで、翼高さW1を流路幅W0よりも小さくできる。段差42をハブ側流路面4に設けることで、段差42をシュラウド側流路面5に設ける場合に比べて、排ガス流路35における流路損失を低減でき、タービン1の性能低下を抑制できる。
【0037】
(段差の内側傾斜面)
幾つかの実施形態では、図2及び図3に示されるように、上述したハブ側流路面4は、平坦面41よりもインペラ2の径方向における内側に、径方向における内側に向かうにつれてハブ側に傾斜する内側傾斜面43をさらに含む。
【0038】
図示される実施形態では、内側傾斜面43は、インペラ2の周方向に沿って延在する環状面からなる。内側傾斜面43の外周縁は、平坦面41の内周縁に連なる。また、内側傾斜面43の内周縁は、環状部材40のハブ側流路面4の内周縁を構成する。なお、内側傾斜面43の内周縁位置における排ガス流路35の軸方向における長さ(流路幅)は、流路幅W0と同じ長さになっていることが好ましい。
【0039】
上記の構成によれば、ハブ側流路面4に設けられる段差42が内側傾斜面43を含むことで、排ガス流路35の少なくとも1つのノズルベーン6よりも下流側(径方向における内側)において、排ガス流路35の流路断面積を徐々に増加させることができる。これにより、排ガス流路35を流れる排ガスの一部を内側傾斜面43に沿ってインペラ2の前縁25のハブ側に導くことができるため、段差42によるタービン1の性能低下を抑制できる。仮に段差42が内側傾斜面43を含まない場合には、インペラ2の前縁25の軸方向の領域において、排ガスが供給されない領域が発生し、インペラ2の有効面積が低下する虞がある。また、段差42が内側傾斜面43を含まない場合には、排ガスの流れ方向における段差42よりも下流側において、排ガス流れの渦や剥離が発生する虞がある。
【0040】
(段差の外側傾斜面)
幾つかの実施形態では、図2及び図3に示されるように、上述したハブ側流路面4は、平坦面41よりもインペラ2の径方向における外側に、径方向における外側に向かうにつれてハブ側に傾斜する外側傾斜面44をさらに含む。図示される実施形態では、外側傾斜面44は、インペラ2の周方向に沿って延在する環状面からなる。
【0041】
図示される実施形態では、外側傾斜面44は、インペラ2の周方向に沿って延在する環状面からなる。外側傾斜面44の内周縁は、平坦面41の外周縁に連なる。また、外側傾斜面44の外周縁は、環状部材40のハブ側流路面4の外周縁を構成する。なお、外側傾斜面44の外周縁位置における排ガス流路35の軸方向における長さ(流路幅)は、流路幅W0と同じ長さになっていてもよい。
【0042】
上記の構成によれば、ハブ側流路面4に設けられる段差42が外側傾斜面44を含むことで、排ガス流路35の少なくとも1つのノズルベーン6よりも上流側(径方向における外側)において、排ガス流路35の流路断面積を徐々に減少させることができる。これにより、段差42による排ガス流路35における流路損失を低減できるため、段差42によるタービン1の性能低下を抑制できる。
【0043】
(外側傾斜面と内側傾斜面の傾斜角度)
幾つかの実施形態では、図2に示されるように、上述したハブ側流路面4は、外側傾斜面44の傾斜角度αが、内側傾斜面43の傾斜角度βよりも小さくなるように構成される。外側傾斜面44の傾斜角度αは、平坦面41を延長した仮想延長面VLと外側傾斜面44とがなす角度である。内側傾斜面43の傾斜角度βは、仮想延長面VLと内側傾斜面43とがなす角度である。
【0044】
上記の構成によれば、外側傾斜面44の傾斜角度αを内側傾斜面43の傾斜角度βよりも小さくすることで、排ガス流路35の少なくとも1つのノズルベーン6よりも上流側(径方向における外側)において、排ガス流路35の流路断面積を緩やかに減少させることができる。これにより、段差42による排ガス流路35における流路損失を効果的に低減できる。
【0045】
(過給機)
図8は、一実施形態に係る過給機の概略図である。幾つかの実施形態に係る過給機10は、上述したロバスト性を向上させたタービン1と、タービン1により駆動されるように構成された遠心圧縮機11と、を備える。遠心圧縮機11は、コンプレッサインペラ12を含み、過給機10は、インペラ2が一端側に連結され、且つコンプレッサインペラ12が他端側に連結される回転シャフト13をさらに備える。エンジン14からの排ガスによりインペラ2が回転駆動する。コンプレッサインペラ12は、インペラ2の回転駆動に連動して回転駆動し、エンジン14に送られる流体(例えば、空気等)を圧縮する。
【0046】
本開示の幾つかの実施形態は、比較例に係るタービン1Aをタービン1に改造するタービンの改造方法にも適用可能である。タービン1Aのケーシング3から複数のノズルベーン6Aが固定された環状部材40Aを取り外し、複数のノズルベーン6が固定された環状部材40を新たにケーシング3に取り付けることで、タービン1Aをタービン1に改造できる。
【0047】
本明細書において、「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。
また、本明細書において、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。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「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。
【0048】
本開示は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
【0049】
上述した幾つかの実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握されるものである。
【0050】
1)本開示の少なくとも一実施形態にかかるタービン(1)は、
タービンインペラ(2)と、
前記タービンインペラ(2)の外周側に形成されたスクロール流路(33)から前記タービンインペラ(2)へ排ガスを導くための排ガス流路(35)を形成する排ガス流路形成部(36)であって、前記排ガス流路(35)を画定するハブ側流路面(4)及びシュラウド側流路面(5)を含む排ガス流路形成部(36)と、
前記排ガス流路(35)に配置されて前記ハブ側流路面(4)又は前記シュラウド側流路面(5)の少なくとも一方に固定された少なくとも1つのノズルベーン(6)と、を備え、
前記少なくとも1つのノズルベーン(6)の前記タービンインペラ(2)の軸方向における長さである翼高さW1は、前記タービンインペラ(2)の翼前縁位置における前記排ガス流路(35)の前記軸方向における長さである流路幅W0よりも小さい。
【0051】
上記1)の構成によれば、少なくとも1つのノズルベーンの翼高さW1を、タービンインペラ(2)の翼前縁位置における排ガス流路(35)の流路幅W0よりも小さくすることで、翼高さW1が流路幅W0と同じ長さの場合に比べて、ノズルベーン(6)の翼面の面積が小さくなるので、カーボンの堆積量を減少させることができる。これにより、ノズルベーン(6)の翼面に付着したカーボンがノズルスロート面積を閉塞する面積(閉塞面積)を低減できる。閉塞面積を低減することで、タービン(1)のメンテナンスの頻度を減らすことができ、タービン(1)やタービン(1)を備える過給機(10)の運転時間を延ばすことができる。このようなタービン(1)によれば、ノズルスロート面積へのカーボンの堆積による悪影響を低減できるため、タービン(1)のロバスト性を向上できる。
【0052】
2)幾つかの実施形態では、上記1)に記載のタービン(1)であって、
前記少なくとも1つのノズルベーン(6)は、前記タービンインペラ(2)の周方向に互いに間隔をあけて配置された複数のノズルベーン(6)を含み、
前記複数のノズルベーン(6)の各々は、所望のノズルスロート幅となるように、前記タービンインペラ(2)の軸線(LA)から前記ノズルベーン(6)の後縁(62)までの距離(D1)が決定された。
【0053】
上記2)の構成によれば、単に翼高さW1を流路幅W0よりも小さくすると、翼高さW1が流路幅W0と同じ長さの場合に比べて、ノズルスロート面積が小さくなる。翼高さW1を流路幅W0よりも小さくした場合において、翼高さW1が流路幅W0と同じ長さの場合と同様のノズルスロート面積を確保するためには、翼高さW1が流路幅W0と同じ長さの場合よりもノズルスロート幅を長くする必要がある。翼高さW1を流路幅W0よりも小さくした場合に、翼高さW1が流路幅W0と同じ長さの場合よりもタービンインペラ(2)の軸線(LA)からノズルベーン(6)の後縁(62)までの距離(D1)を大きくすることで、ノズルスロート幅を広げることができる。複数のノズルベーン(6)の各々について、タービンインペラ(2)の軸線(LA)からノズルベーン(6)の後縁(62)までの距離(D1)を調整することで、所望のノズルスロート幅や所望のノズルスロート面積を確保でき、ひいてはタービン(1)やタービン(1)を備える過給機(10)の性能も確保できる。
【0054】
3)幾つかの実施形態では、上記1)又は上記2)に記載のタービン(1)であって、
前記少なくとも1つのノズルベーン(6)は、前記タービンインペラ(2)の周方向に互いに間隔をあけて配置された複数のノズルベーン(6)を含み、
前記複数のノズルベーン(6)の各々は、前記タービンインペラ(2)の軸線(LA)を中心として前記ノズルベーン(6)の後縁(62)を通る仮想円(VC)の前記後縁(62)における接線(TL1)と、前記ノズルベーン(6)の前記タービンインペラ(2)側の翼面(内側翼面63)の前記後縁(62)における接線(TL2)とのなす角度を置き角度θと定義した場合において、所望のノズルスロート幅となるように、前記置き角度θが決定された。
【0055】
上記3)の構成によれば、翼高さW1を流路幅W0よりも小さくした場合に、翼高さW1が流路幅W0と同じ長さの場合よりも上記置き角度θを大きくすることで、ノズルスロート幅を広げることができる。複数のノズルベーン(6)の各々について、上記置き角度θを調整することで、所望のノズルスロート幅や所望のノズルスロート面積を確保でき、ひいてはタービン(1)やタービン(1)を備える過給機(10)の性能も確保できる。
【0056】
4)幾つかの実施形態では、上記1)から上記3)までの何れかに記載のタービン(1)であって、
前記ハブ側流路面(4)は、前記シュラウド側流路面(5)との間に前記少なくとも1つのノズルベーン(6)を挟む領域に形成される平坦面(41)であって、前記軸方向における前記タービンインペラ(2)の前縁(25)のハブ側端(26)よりもシュラウド側に位置して前記タービンインペラ(2)の径方向に沿って延在する平坦面(41)を含む。
【0057】
上記4)の構成によれば、ハブ側流路面(4)に、タービンインペラ(2)の前縁(25)のハブ側端(26)よりもシュラウド側に突出する平坦面(41)を頂面とする段差(42)を設けることで、翼高さW1を流路幅W0よりも小さくできる。上記段差(42)をハブ側流路面(4)に設けることで、上記段差(42)をシュラウド側流路面(5)に設ける場合に比べて、排ガス流路(35)における流路損失を低減でき、タービン(1)の性能低下を抑制できる。
【0058】
5)幾つかの実施形態では、上記4)に記載のタービン(1)であって、
前記ハブ側流路面(4)は、前記平坦面(41)よりも前記タービンインペラ(2)の前記径方向における内側に、前記径方向における内側に向かうにつれてハブ側に傾斜する内側傾斜面(43)をさらに含む。
【0059】
上記5)の構成によれば、ハブ側流路面(4)に設けられる上記段差(42)が内側傾斜面(43)を含むことで、排ガス流路(35)の少なくとも1つのノズルベーン(6)よりも下流側において、排ガス流路(35)の流路断面積を徐々に増加させることができる。これにより、排ガス流路(35)を流れる排ガスの一部を内側傾斜面(43)に沿ってタービンインペラ(2)の前縁(25)のハブ側に導くことができるため、上記段差(42)によるタービン(1)の性能低下を抑制できる。
【0060】
6)幾つかの実施形態では、上記4)又は上記5)に記載のタービン(1)であって、
前記ハブ側流路面(4)は、前記平坦面(41)よりも前記タービンインペラ(2)の前記径方向における外側に、前記径方向における外側に向かうにつれてハブ側に傾斜する外側傾斜面(44)をさらに含む。
【0061】
上記6)の構成によれば、ハブ側流路面(4)に設けられる上記段差(42)が外側傾斜面(44)を含むことで、排ガス流路(35)の少なくとも1つのノズルベーン(6)よりも上流側において、排ガス流路(35)の流路断面積を徐々に減少させることができる。これにより、上記段差(42)による排ガス流路(35)における流路損失を低減できるため、上記段差(42)によるタービン(1)の性能低下を抑制できる。
【0062】
7)本開示の少なくとも一実施形態にかかる過給機(10)は、
上記1)から上記6)までの何れかに記載のタービン(1)と、
前記タービン(1)により駆動されるように構成された遠心圧縮機(11)と、を備える。
【0063】
上記7)の構成によれば、過給機(10)は、ロバスト性を向上させたタービン(1)を備える。
【符号の説明】
【0064】
1,1A タービン
2 インペラ(タービンインペラ)
3 ケーシング
4,4A ハブ側流路面
5 シュラウド側流路面
6 ノズルベーン
10 過給機
11 遠心圧縮機
12 コンプレッサインペラ
13 回転シャフト
14 エンジン
21 ハブ
22 外面
23 インペラ翼
24 先端
25 前縁
26 ハブ側端
31 シュラウド面
32 シュラウド部
33 スクロール流路
34 スクロール流路形成部
35 排ガス流路
36 排ガス流路形成部
40,40A 環状部材
41 平坦面
42 段差
43 内側傾斜面
44 外側傾斜面
61 前縁
62,62A 後縁
63,63A 内側翼面
64,64A 外側翼面
CL 翼厚中心ライン
D1,D2 距離
ETA 有効ノズルスロート面積
LA 軸線
SL サージング限界
T スロート
TL1,TL2 接線
VC 仮想円
VL 仮想延長面
W0 流路幅
W1 翼高さ
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8