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JP2013204422A - Turbine - Google Patents

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JP2013204422A
JP2013204422A JP2012070599A JP2012070599A JP2013204422A JP 2013204422 A JP2013204422 A JP 2013204422A JP 2012070599 A JP2012070599 A JP 2012070599A JP 2012070599 A JP2012070599 A JP 2012070599A JP 2013204422 A JP2013204422 A JP 2013204422A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
turbine
housing
shaft
turbine shaft
impeller
Prior art date
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Pending
Application number
JP2012070599A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Isao Morita
功 森田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IHI Corp
Original Assignee
IHI Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IHI Corp filed Critical IHI Corp
Priority to JP2012070599A priority Critical patent/JP2013204422A/en
Publication of JP2013204422A publication Critical patent/JP2013204422A/en
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  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve turbine efficiency in a low rotation region, with simplified and cost-reduced configuration.SOLUTION: A turbine includes: a turbine shaft 7; a bearing housing in which the turbine shaft is supported in a freely rotatable manner; a turbine housing 4 extended in the bearing housing; and a turbine impeller which includes a turbine wheel 8a accommodated in the turbine housing and fixed to the turbine shaft, and a plurality of turbine blades 8b which extend from the turbine wheel to the outside in a radial direction and whose curved parts 8c positioned outside in the radial direction are opposed to an inner wall of the turbine housing, and converts energy of a fluid flowing inwards in the radial direction into energy of rotary motion around the turbine shaft. Downstream side end portions of the curved parts 8e are positioned in a region where a flow passage area of a cross section vertical to the turbine shaft is decreased gradually toward the downstream.

Description

本発明は、流体のエネルギーを回転運動のエネルギーに変換するタービンに関する。   The present invention relates to a turbine that converts fluid energy into rotational motion energy.

タービンは、流体のエネルギーでインペラ(羽根車)を回転駆動し、回転運動エネルギーを得るものである。かかるタービンは、例えばエンジンに接続する過給機に用いられる。過給機では、エンジンから排出される排気ガスによってタービンインペラが回転し、タービン軸を介して、このタービンインペラの回転が遠心圧縮機のコンプレッサインペラに伝達される。そして、吸入口から吸入された気体がコンプレッサインペラの作用で昇圧される。このとき、タービンインペラに回転運動エネルギーを与えた排気ガスは、タービンインペラの中心側を通過して吐出口から吐き出される。   A turbine rotates an impeller (impeller) with fluid energy to obtain rotational kinetic energy. Such a turbine is used, for example, in a supercharger connected to an engine. In the supercharger, the turbine impeller is rotated by exhaust gas discharged from the engine, and the rotation of the turbine impeller is transmitted to the compressor impeller of the centrifugal compressor via the turbine shaft. The gas sucked from the suction port is boosted by the action of the compressor impeller. At this time, the exhaust gas that gives rotational kinetic energy to the turbine impeller passes through the center side of the turbine impeller and is discharged from the discharge port.

上記タービンにおいては、タービンインペラのブレードを、タービンハウジングの内壁(シュラウド)に沿った形状に形成している。こうして、タービンハウジング内壁とタービンインペラとの隙間を、エネルギーの変換なく流体が通過するのを回避し、タービン効率(タービンにおけるエネルギーの変換効率)の向上を図っている。   In the turbine described above, the blades of the turbine impeller are formed in a shape along the inner wall (shroud) of the turbine housing. In this way, fluid is prevented from passing through the gap between the turbine housing inner wall and the turbine impeller without energy conversion, and the turbine efficiency (energy conversion efficiency in the turbine) is improved.

また、タービンにおける単位時間当たりの回転数が低い領域(以下、単に低回転領域という)では、タービンハウジングの内壁におけるタービンインペラの流体出口付近で流体の逆流が生じ、タービン効率が低下していた。そこで、ディフューザ内周の流路に突出する案内翼を別途設け、逆流による損失を抑制し、タービン効率を向上する技術が開示されている(例えば、特許文献1)。   Further, in a region where the number of revolutions per unit time in the turbine is low (hereinafter, simply referred to as a low-speed region), a back flow of fluid occurs near the fluid outlet of the turbine impeller on the inner wall of the turbine housing, and the turbine efficiency is lowered. Therefore, a technique has been disclosed in which guide vanes protruding in the flow passage on the inner periphery of the diffuser are separately provided to suppress loss due to backflow and improve turbine efficiency (for example, Patent Document 1).

特開平9−264106号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-264106

近年、車両での街乗りやアイドリングストップ機能等、低回転領域に対するタービン効率の向上が熱望されている。しかし、上述した特許文献1の技術では、タービンハウジングに対する高精度な加工や、案内翼、案内翼回転軸等の別途の部材を要し、コストが高くなる問題がある。   In recent years, improvements in turbine efficiency in low-speed regions such as city riding in vehicles and idling stop functions have been eagerly desired. However, the technique of Patent Document 1 described above has a problem that high-precision processing for the turbine housing and separate members such as a guide blade and a guide blade rotation shaft are required, which increases costs.

また、上述した特許文献1の技術では、タービンにおける単位時間当たりの回転数が高い領域(以下、単に高回転領域という)では、案内翼が流体の摩擦損失を起こし、タービン効率の低下を招いてしまう。   Further, in the technique of Patent Document 1 described above, in a region where the number of revolutions per unit time in the turbine is high (hereinafter simply referred to as a high revolution region), the guide blade causes a friction loss of the fluid, leading to a decrease in turbine efficiency. End up.

そこで本発明は、このような課題に鑑み、簡易かつ低コストな構成で、特に低回転領域におけるタービン効率の向上を図ることが可能なタービンを提供することを目的としている。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a turbine capable of improving turbine efficiency, particularly in a low rotation region, with a simple and low-cost configuration.

上記課題を解決するために、本発明のタービンは、タービン軸と、タービン軸を回転自在に支持するベアリングハウジングと、ベアリングハウジングに延設されたタービンハウジングと、タービンハウジングに収容され、前記タービン軸に固定されたタービンホイールと、該タービンホイールから径方向外側に向かって延在する複数のタービンブレードとを有し、径方向内側に向かって流れる流体のエネルギーを該タービン軸を中心とした回転運動のエネルギーに変換するタービンインペラと、を備え、湾曲部における前記流体の流れ方向下流側に位置する端部は、前記タービン軸に垂直な断面の流路面積が前記流体の流れ方向の下流に向かうにつれ漸減する領域に位置することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, a turbine according to the present invention includes a turbine shaft, a bearing housing that rotatably supports the turbine shaft, a turbine housing that extends from the bearing housing, and a turbine housing that is accommodated in the turbine shaft. A turbine wheel fixed to the turbine wheel, and a plurality of turbine blades extending radially outward from the turbine wheel, and rotational movement of fluid energy flowing radially inward about the turbine axis A turbine impeller that converts the energy of the flow path to the downstream side in the fluid flow direction of the curved portion, the flow passage area of the cross section perpendicular to the turbine axis is directed downstream in the fluid flow direction It is located in the area | region which decreases gradually as it is characterized.

上記課題を解決するために、本発明の他のタービンは、タービン軸と、タービン軸を回転自在に支持するベアリングハウジングと、ベアリングハウジングに延設されたタービンハウジングと、タービンハウジングに収容され、前記タービン軸に固定されたタービンホイールと、該タービンホイールから径方向外側に向かって延在し、径方向外側に位置する湾曲部が前記タービンハウジングの内壁に臨む複数のタービンブレードとを有し、径方向内側に向かって流れる流体のエネルギーを該タービン軸を中心とした回転運動のエネルギーに変換するタービンインペラと、を備え、湾曲部における前記流体の流れ方向下流側に位置する端部における、前記タービン軸の軸心と該端部とを含む面上に投影した接線は、前記流体の流れ方向の下流に向かうにつれ該タービン軸との距離が短くなることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, another turbine of the present invention includes a turbine shaft, a bearing housing that rotatably supports the turbine shaft, a turbine housing that extends from the bearing housing, and is accommodated in the turbine housing. A turbine wheel fixed to the turbine shaft, and a plurality of turbine blades extending radially outward from the turbine wheel and facing the inner wall of the turbine housing. A turbine impeller for converting energy of a fluid flowing inward in a direction into energy of rotational motion about the turbine shaft, and the turbine at an end portion located downstream of the fluid flow direction in the curved portion A tangent projected on the plane including the axis of the shaft and the end is directed downstream in the fluid flow direction. The distance between the turbine shaft is equal to or shorter as the power sale.

本発明によれば、簡易かつ低コストな構成で、特に低回転領域におけるタービン効率の向上を図ることが可能となる。   According to the present invention, it is possible to improve the turbine efficiency particularly in a low rotation region with a simple and low-cost configuration.

過給機の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of a supercharger. 図1におけるAAの部分拡大図である。It is the elements on larger scale of AA in FIG. タービンインペラにおける上流側から下流側にかけての流体のエントロピー増加量を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the entropy increase amount of the fluid from the upstream to the downstream in a turbine impeller. 流路面積の変化を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the change of the flow-path area. 流体流量とタービン効率との関係を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the relationship between a fluid flow volume and turbine efficiency.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の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、本発明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、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in the embodiments are merely examples for facilitating the understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted, and elements not directly related to the present invention are not illustrated. To do.

本実施形態では、タービンの典型例としてラジアルタービンを備える過給機を挙げる。過給機は、エンジンから排出される排気ガスのエネルギーを利用してタービンを動作させ、その回転力を用いて当該エンジンに供給される空気を過給するものである。タービンは過給機の一部として一体的に形成されている。ここでは、ラジアルタービンを備えた過給機を例示しているが、ラジアルタービンの代わりに斜流タービンを用いてもよく、また、過給機のみならず、ガスタービン、蒸気タービン等、様々な用途に用いることができる。   In the present embodiment, a turbocharger including a radial turbine is given as a typical example of a turbine. The supercharger operates the turbine using the energy of exhaust gas discharged from the engine, and supercharges the air supplied to the engine using the rotational force. The turbine is integrally formed as part of the supercharger. Here, a turbocharger provided with a radial turbine is illustrated, but a mixed flow turbine may be used instead of the radial turbine, and not only the turbocharger but also various gas turbines, steam turbines, etc. Can be used for applications.

(過給機1)
図1は、過給機1の概略断面図である。以下では、Fで示す矢印の方向を過給機1の前側とし、Rで示す矢印の方向を過給機1の後側として説明する。図1に示すように、過給機1は、ベアリングハウジング2と、ベアリングハウジング2の前側に締結ボルト3によって連結されるタービンハウジング4と、ベアリングハウジング2の後側に締結ボルト5によって連結されるコンプレッサハウジング6とを備えている。
(Supercharger 1)
FIG. 1 is a schematic sectional view of the supercharger 1. Below, the direction of the arrow shown by F is set as the front side of the supercharger 1, and the direction of the arrow shown by R is set as the back side of the supercharger 1. As shown in FIG. 1, the supercharger 1 is connected to a bearing housing 2, a turbine housing 4 connected to the front side of the bearing housing 2 by a fastening bolt 3, and a fastening bolt 5 to the rear side of the bearing housing 2. And a compressor housing 6.

ベアリングハウジング2には、過給機1の前後方向に貫通する軸受孔2aが形成されており、この軸受孔2aにタービン軸(回転軸)7がベアリングを介して回転自在に支持されている。タービン軸7の前端部にはタービンインペラ8が一体的に連結されており、このタービンインペラ8がタービンハウジング4内に回転自在に収容されている。また、タービン軸7の後端部にはコンプレッサインペラ9が一体的に連結されており、このコンプレッサインペラ9がコンプレッサハウジング6内に回転自在に収容されている。   The bearing housing 2 is formed with a bearing hole 2a penetrating in the front-rear direction of the supercharger 1, and a turbine shaft (rotating shaft) 7 is rotatably supported by the bearing hole 2a via a bearing. A turbine impeller 8 is integrally connected to a front end portion of the turbine shaft 7, and the turbine impeller 8 is rotatably accommodated in the turbine housing 4. A compressor impeller 9 is integrally connected to the rear end portion of the turbine shaft 7, and the compressor impeller 9 is rotatably accommodated in the compressor housing 6.

タービンハウジング4には、過給機1の前側に開口するとともに不図示の排気ガス浄化装置に接続される吐出口10が形成されている。また、締結ボルト3によってベアリングハウジング2とタービンハウジング4とが連結された状態では、これら両ハウジング2、4の対向面間に流路11が形成される。この流路11は、タービン軸7(タービンインペラ8)の径方向内側から外側に向けて環状に形成されている。   The turbine housing 4 is formed with a discharge port 10 that opens to the front side of the supercharger 1 and is connected to an exhaust gas purification device (not shown). Further, in a state where the bearing housing 2 and the turbine housing 4 are connected by the fastening bolt 3, a flow path 11 is formed between the opposing surfaces of both the housings 2 and 4. The flow path 11 is formed in an annular shape from the radially inner side to the outer side of the turbine shaft 7 (turbine impeller 8).

また、タービンハウジング4には、流路11よりもタービン軸7(タービンインペラ8)の径方向外側に位置する環状のタービンスクロール流路12が設けられている。タービンスクロール流路12は、エンジンから排出される排気ガスが導かれる不図示のガス流入口と連通するとともに、上記の流路11にも連通している。したがって、ガス流入口からタービンスクロール流路12に導かれた排気ガスは、流路11およびタービンインペラ8を介して吐出口10に導かれるとともに、その流通過程において径方向の速度成分が与えられ、タービンインペラ8を回転させることとなる。そして、上記のタービンインペラ8の回転力は、タービン軸7を介してコンプレッサインペラ9に伝達されることとなる。   Further, the turbine housing 4 is provided with an annular turbine scroll flow path 12 that is located on the radially outer side of the turbine shaft 7 (turbine impeller 8) than the flow path 11. The turbine scroll channel 12 communicates with a gas inlet (not shown) through which exhaust gas discharged from the engine is guided, and also communicates with the channel 11 described above. Therefore, the exhaust gas led from the gas inlet to the turbine scroll passage 12 is led to the discharge port 10 via the passage 11 and the turbine impeller 8, and a radial velocity component is given in the flow process thereof. The turbine impeller 8 is rotated. The rotational force of the turbine impeller 8 is transmitted to the compressor impeller 9 through the turbine shaft 7.

コンプレッサハウジング6には、過給機1の後側に開口するとともに不図示のエアクリーナに接続される吸入口13が形成されている。また、締結ボルト5によってベアリングハウジング2とコンプレッサハウジング6とが連結された状態では、これら両ハウジング2、6の対向面によって、空気を圧縮して昇圧するディフューザ流路14が形成される。このディフューザ流路14は、タービン軸7(コンプレッサインペラ9)の径方向内側から外側に向けて環状に形成されており、上記の径方向内側において、コンプレッサインペラ9を介して吸入口13に連通している。   The compressor housing 6 is formed with a suction port 13 that opens to the rear side of the supercharger 1 and is connected to an air cleaner (not shown). Further, in a state where the bearing housing 2 and the compressor housing 6 are connected by the fastening bolt 5, a diffuser flow path 14 that compresses and pressurizes air is formed by the facing surfaces of both the housings 2 and 6. The diffuser flow path 14 is formed in an annular shape from the radially inner side to the outer side of the turbine shaft 7 (compressor impeller 9), and communicates with the suction port 13 via the compressor impeller 9 on the radially inner side. ing.

また、コンプレッサハウジング6には、ディフューザ流路14よりもタービン軸7(コンプレッサインペラ9)の径方向外側に位置する環状のコンプレッサスクロール流路15が設けられている。コンプレッサスクロール流路15は、不図示のエンジンの吸入口と連通するとともに、ディフューザ流路14にも連通している。したがって、コンプレッサインペラ9が回転すると、吸入口13からコンプレッサハウジング6内に流体が吸入されるとともに、当該吸入された流体は、ディフューザ流路14およびコンプレッサスクロール流路15で昇圧されてエンジンの吸入口に導かれることとなる。以下、タービンについて詳述する。   Further, the compressor housing 6 is provided with an annular compressor scroll passage 15 positioned on the radially outer side of the turbine shaft 7 (compressor impeller 9) with respect to the diffuser passage 14. The compressor scroll passage 15 communicates with an intake port of an engine (not shown) and also communicates with the diffuser passage 14. Therefore, when the compressor impeller 9 rotates, fluid is sucked into the compressor housing 6 from the suction port 13, and the sucked fluid is pressurized by the diffuser flow path 14 and the compressor scroll flow path 15 to be sucked into the engine. Will be led to. Hereinafter, the turbine will be described in detail.

(タービン)
図2は、図1におけるAAの部分拡大図であり、図3は、タービンインペラ8における排気ガスの流れる方向の上流側から下流側(以後、単に上流側、下流側という)にかけての排気ガスのエントロピー増加量を説明する説明図である。タービンスクロール流路12から流入した排気ガスは、図2の実線矢印で示すように、タービンインペラ8の径方向外側から内側に向かってタービンインペラ8に衝突し、その流れの方向を吐出口10側に偏向して吐き出される。こうして、径方向内側に流れる排気ガスのエネルギー(運動エネルギーや圧力エネルギーを含む)が、タービン軸7を中心としたタービンインペラ8の回転運動エネルギーに変換される。
(Turbine)
FIG. 2 is a partially enlarged view of AA in FIG. 1, and FIG. 3 shows the exhaust gas flow from the upstream side to the downstream side (hereinafter simply referred to as the upstream side and the downstream side) in the flow direction of the exhaust gas in the turbine impeller 8. It is explanatory drawing explaining an entropy increase amount. The exhaust gas flowing in from the turbine scroll passage 12 collides with the turbine impeller 8 from the radially outer side to the inner side of the turbine impeller 8 as shown by the solid line arrows in FIG. It is deflected to be exhaled. In this way, the energy (including kinetic energy and pressure energy) of the exhaust gas flowing radially inward is converted into rotational kinetic energy of the turbine impeller 8 around the turbine shaft 7.

また、タービンハウジング4における内径は、下流側に向かって、タービンインペラ8が占有する領域で一旦狭められ、所定の切り返し点4aから吐出口10まで徐々に広がることとなる。これは、切り返し点4aから下流に向かって流路面積を漸増することで、タービンハウジング4の内壁による圧力損失を抑制し、排気ガスのエネルギーを最大限タービンインペラ8で受けさせるためである。   Further, the inner diameter of the turbine housing 4 is once narrowed in the region occupied by the turbine impeller 8 toward the downstream side, and gradually expands from the predetermined turning point 4 a to the discharge port 10. This is because the pressure loss due to the inner wall of the turbine housing 4 is suppressed and the exhaust gas energy is received by the turbine impeller 8 to the maximum by gradually increasing the flow path area from the turning point 4a toward the downstream.

タービンインペラ8は、タービン軸7に固定され、タービン軸7の下流に向かうにつれ径が漸減するように形成されたタービンホイール8aと、タービンホイール8aから径方向外側に向かって延在し、周方向に等間隔に配された複数のタービンブレード8bとを有する。   The turbine impeller 8 is fixed to the turbine shaft 7 and has a turbine wheel 8a formed so as to gradually decrease in diameter toward the downstream side of the turbine shaft 7, and extends radially outward from the turbine wheel 8a. And a plurality of turbine blades 8b arranged at equal intervals.

また、タービンインペラ8は、タービンハウジング4の内壁との離間距離を縮め、その隙間を、エネルギーの変換なく排気ガスが通過するのを回避している。したがって、タービンブレード8bの径方向外側には、タービンハウジング4の内壁に沿って臨む湾曲部(シュラウドライン)8cと、吐出口10に開放された直線部8dとが形成されている。   Further, the turbine impeller 8 shortens the separation distance from the inner wall of the turbine housing 4 and prevents the exhaust gas from passing through the gap without energy conversion. Therefore, a curved portion (shroud line) 8c facing the inner wall of the turbine housing 4 and a straight portion 8d opened to the discharge port 10 are formed on the radially outer side of the turbine blade 8b.

ここで、図2において破線で示したように、タービンブレード8bの湾曲部8cの下流側端部8eを切り返し点4aの下流側に位置させ、直線部8dを、タービン軸7の下流に向かうにつれ径が漸減するように傾斜させるとする。このように、タービンハウジング4の内壁に沿って、タービンブレード8bの径方向外側に位置する端部形状を流路面積が拡大するように形成することで、特に、高回転領域のタービン効率を向上することができる。   Here, as shown by a broken line in FIG. 2, the downstream end portion 8e of the curved portion 8c of the turbine blade 8b is positioned downstream of the turning point 4a, and the linear portion 8d is moved downstream of the turbine shaft 7. It is assumed that the diameter is inclined so as to gradually decrease. As described above, the end portion located on the radially outer side of the turbine blade 8b along the inner wall of the turbine housing 4 is formed so as to increase the flow path area, thereby improving the turbine efficiency particularly in the high rotation region. can do.

しかし、近年では、車両での街乗りやアイドリングストップ機能等、低回転領域に対するタービン効率が高回転領域より優先されるケースもある。ここで、図2において破線で示した位置に下流側端部8eがある場合、高回転領域では逆流は生じないものの、低回転領域において、図3(a)の如く、タービンインペラ8の径方向外側から内側に向かう排気ガスに、その流れの方向を吐出口10側に偏向する領域20のタービンハウジング4内壁側において逆流が生じ(淀み)、エントロピーが大きくなる。ここで、エントロピーは、断熱変化の不可逆性を表す指標であり、エントロピーが増加するほど損失が大きいことを示す。上記逆流領域は、タービンインペラ8の回転による遠心力がタービンハウジング4の内壁の曲率(子午面曲率)による遠心力に比べて過小となることから生じると考えられる。   However, in recent years, there are cases in which the turbine efficiency in the low rotation region is prioritized over the high rotation region, such as city riding in vehicles and an idling stop function. Here, when the downstream end portion 8e is located at the position shown by the broken line in FIG. 2, no backflow occurs in the high rotation region, but in the low rotation region, as shown in FIG. 3A, the radial direction of the turbine impeller 8 In the exhaust gas traveling from the outside to the inside, a reverse flow is generated (stagnation) on the inner wall side of the turbine housing 4 in the region 20 where the flow direction is deflected toward the discharge port 10 side, and entropy increases. Here, entropy is an index representing the irreversibility of the adiabatic change, and indicates that the loss increases as entropy increases. It is considered that the reverse flow region is generated because the centrifugal force caused by the rotation of the turbine impeller 8 is smaller than the centrifugal force caused by the curvature of the inner wall of the turbine housing 4 (meridional curvature).

そこで、本実施形態では、タービンブレード8bより下流において流路面積が最も絞られるように構成する。かかる構成により、排気ガスが逆流する領域を削減し、逆流によるエントロピーの増加を抑制することができるので、特に、低回転領域でのタービン効率を向上することができる。   Therefore, in the present embodiment, the flow path area is configured to be most restricted downstream from the turbine blade 8b. With such a configuration, it is possible to reduce the region where the exhaust gas flows backward and to suppress an increase in entropy due to the backward flow, so that it is possible to improve the turbine efficiency particularly in the low rotation region.

タービンブレード8bより下流において流路面積を絞る構成としては、例えば、タービンブレード8bより下流のタービンハウジング4の内壁において、タービンハウジング4の内径を下流側に向かって漸減するように突出部を設けることが考えられる。しかし、この場合、タービンハウジング4の加工等を伴い、突出部の分だけタービンハウジング4の材料を多く要し、かつ、質量も増加する。   As a configuration for narrowing the flow path area downstream of the turbine blade 8b, for example, a protrusion is provided on the inner wall of the turbine housing 4 downstream of the turbine blade 8b so as to gradually reduce the inner diameter of the turbine housing 4 toward the downstream side. Can be considered. However, in this case, as the turbine housing 4 is processed, a larger amount of material is required for the turbine housing 4 by the amount of the protruding portion, and the mass also increases.

そこで、本実施形態では、図2において一点鎖線で示すように、湾曲部8cの下流側に位置する端部である下流側端部8eを、タービン軸7に垂直な断面の流路面積が下流に向かうにつれ漸減する領域に位置させる。換言すれば、湾曲部8cの下流側端部8eにおける、タービン軸7の軸心と下流側端部8eとを含む面(図2に示す断面に相当)上に投影した接線21が、下流に向かうにつれタービン軸7との距離が短くなるように、タービンブレード8bを形成する。   Therefore, in the present embodiment, as shown by a one-dot chain line in FIG. 2, the downstream end portion 8 e, which is an end portion located on the downstream side of the curved portion 8 c, has a channel area in a cross section perpendicular to the turbine shaft 7. It is located in a region that gradually decreases as it goes to. In other words, the tangent line 21 projected on the surface (corresponding to the cross section shown in FIG. 2) including the axis of the turbine shaft 7 and the downstream end 8e at the downstream end 8e of the curved portion 8c is downstream. The turbine blade 8b is formed so that the distance from the turbine shaft 7 becomes shorter as it goes.

図4は、流路面積の変化を示した説明図である。図2において破線で示した位置に下流側端部8eがある場合(以下、単に比較対象という)、図4において破線で示すように、タービンブレード8bの直線部8dより下流の流路面積が漸増する傾向にある。これに対して、図2において一点鎖線で示した位置に下流側端部8eがある場合(以下、本願対象という)、図4において一点鎖線で示すように、タービンブレード8bの直線部8dより下流の流路面積が一旦漸減し、切り返し点4aを境に漸増することとなる。なお、タービンインペラ8の上流側で本願対象と比較対象との流路面積が異なるのは、羽根角(ブレードの周方向への曲がり角度)や同位置でのブレードの厚さが異なるからである。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing changes in the flow path area. When the downstream end portion 8e is located at the position indicated by the broken line in FIG. 2 (hereinafter simply referred to as a comparison target), the flow passage area downstream from the straight portion 8d of the turbine blade 8b gradually increases as indicated by the broken line in FIG. Tend to. On the other hand, when the downstream end portion 8e is located at the position indicated by the alternate long and short dash line in FIG. 2 (hereinafter referred to as the subject of the present application), as indicated by the alternate long and short dashed line in FIG. 4, the downstream portion from the straight portion 8d of the turbine blade 8b. The flow path area of the filter gradually decreases and gradually increases with the turning point 4a as a boundary. Note that the flow path areas of the subject of the present application and the subject of comparison differ on the upstream side of the turbine impeller 8 because the blade angle (bending angle in the circumferential direction of the blade) and the thickness of the blade at the same position are different. .

かかる構成においては、タービンインペラ8以外の例えばタービンハウジング4は既存のものをそのまま利用でき、タービンインペラ8の下流側端部8eを、図2において破線で示した位置から、一点鎖線で示した位置まで後退させることのみで、低回転領域でのタービン効率を向上することが可能となる。   In this configuration, for example, the turbine housing 4 other than the turbine impeller 8 can be used as it is, and the downstream end portion 8e of the turbine impeller 8 is a position indicated by a one-dot chain line from a position indicated by a broken line in FIG. It is possible to improve the turbine efficiency in the low rotation region only by retreating to the minimum.

このような本願対象のエントロピー損失は、図3(b)のようになり、比較対象のエントロピー損失である図3(a)と比べ、タービンハウジング4内壁側の領域20においてエントロピー損失が抑制されたことが理解できる。   The entropy loss of the subject of the present application is as shown in FIG. 3B, and the entropy loss is suppressed in the region 20 on the inner wall side of the turbine housing 4 as compared to FIG. 3A, which is the entropy loss of the comparison subject. I understand that.

また、下流側端部8eを、図2において破線で示した位置から、一点鎖線で示した位置まで後退させると、図4に示すように、下流側端部8eの位置での流路面積が大きくなり、最大流量を増加させることが可能となる。   Further, when the downstream end 8e is retracted from the position indicated by the broken line in FIG. 2 to the position indicated by the alternate long and short dash line, as shown in FIG. 4, the flow path area at the position of the downstream end 8e is increased. It becomes larger and the maximum flow rate can be increased.

図5は、流体流量とタービン効率との関係を示した説明図である。本願対象と比較対象とを比較すると、本願対象の方が、比較対象と比べ、タービン効率のピーク値は下がるものの、流体流量の少ない低回転領域では、タービン効率が高くなることが理解できる。また、さらに流体流量が多い高回転領域において、所定のタービン効率を得られる流量(最大流量)が増加しているのも理解できる。   FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the fluid flow rate and the turbine efficiency. Comparing the subject of the present application with the subject of comparison, it can be understood that the subject of the present subject matter has a lower turbine efficiency peak value compared to the subject of comparison, but the turbine efficiency is higher in the low rotation region where the fluid flow rate is low. It can also be understood that the flow rate (maximum flow rate) at which a predetermined turbine efficiency can be obtained increases in a high rotation region where the fluid flow rate is higher.

以上、説明したように、本実施形態のタービンによれば、簡易かつ低コストな構成で、特に低回転領域におけるタービン効率の向上および最大流量の増加を図ることが可能となる。また、タービンハウジング4の切り返し点4aを頂部とする凸部に対して、湾曲部8cの下流側端部8eにおけるタービン軸7を含む面上に投影した接線が、下流に向かうにつれタービン軸7との距離が短くなるように形成されているので、タービンインペラ8をタービンハウジング4の上流側から容易に嵌合でき、製造負担の軽減も図ることができる。   As described above, according to the turbine of the present embodiment, it is possible to improve the turbine efficiency and increase the maximum flow rate particularly in a low rotation region with a simple and low-cost configuration. Further, the tangent projected on the surface including the turbine shaft 7 at the downstream end portion 8e of the curved portion 8c with respect to the convex portion having the turning point 4a of the turbine housing 4 as the apex, and the turbine shaft 7 as it goes downstream. Therefore, the turbine impeller 8 can be easily fitted from the upstream side of the turbine housing 4 and the manufacturing burden can be reduced.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明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発明の技術的範囲に属するものと了解される。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Is done.

本発明は、流体のエネルギーを回転運動のエネルギーに変換するタービンに利用することができる。   The present invention can be used in a turbine that converts fluid energy into rotational energy.

1 …過給機
2 …ベアリングハウジング
4 …タービンハウジング
4a …切り返し点
7 …タービン軸
8 …タービンインペラ
8a …タービンホイール
8b …タービンブレード
8c …湾曲部
8d …直線部
8e …下流側端部
10 …吐出口
12 …タービンスクロール流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Supercharger 2 ... Bearing housing 4 ... Turbine housing 4a ... Turning point 7 ... Turbine shaft 8 ... Turbine impeller 8a ... Turbine wheel 8b ... Turbine blade 8c ... Curved part 8d ... Linear part 8e ... Downstream end part 10 ... Discharge Outlet 12 Turbine scroll flow path

Claims (2)

タービン軸と、
前記タービン軸を回転自在に支持するベアリングハウジングと、
前記ベアリングハウジングに延設されたタービンハウジングと、
前記タービンハウジングに収容され、前記タービン軸に固定されたタービンホイールと、該タービンホイールから径方向外側に向かって延在する複数のタービンブレードとを有し、径方向内側に向かって流れる流体のエネルギーを該タービン軸を中心とした回転運動のエネルギーに変換するタービンインペラと、
を備え、
前記湾曲部における前記流体の流れ方向下流側に位置する端部は、前記タービン軸に垂直な断面の流路面積が前記流体の流れ方向の下流に向かうにつれ漸減する領域に位置することを特徴とするタービン。
A turbine shaft;
A bearing housing that rotatably supports the turbine shaft;
A turbine housing extending from the bearing housing;
A turbine wheel housed in the turbine housing and fixed to the turbine shaft, and a plurality of turbine blades extending radially outward from the turbine wheel, and fluid energy flowing radially inward A turbine impeller for converting the energy into rotational motion energy about the turbine shaft;
With
An end portion of the curved portion located on the downstream side in the fluid flow direction is located in a region where a flow path area of a cross section perpendicular to the turbine axis gradually decreases as the fluid flows in the downstream direction. Turbine.
タービン軸と、
前記タービン軸を回転自在に支持するベアリングハウジングと、
前記ベアリングハウジングに延設されたタービンハウジングと、
前記タービンハウジングに収容され、前記タービン軸に固定されたタービンホイールと、該タービンホイールから径方向外側に向かって延在し、径方向外側に位置する湾曲部が前記タービンハウジングの内壁に臨む複数のタービンブレードとを有し、径方向内側に向かって流れる流体のエネルギーを該タービン軸を中心とした回転運動のエネルギーに変換するタービンインペラと、
を備え、
前記湾曲部における前記流体の流れ方向下流側に位置する端部における、前記タービン軸の軸心と該端部とを含む面上に投影した接線は、前記流体の流れ方向の下流に向かうにつれ該タービン軸との距離が短くなることを特徴とするタービン。
A turbine shaft;
A bearing housing that rotatably supports the turbine shaft;
A turbine housing extending from the bearing housing;
A turbine wheel housed in the turbine housing and fixed to the turbine shaft, and a plurality of curved portions extending radially outward from the turbine wheel and positioned radially outward face the inner wall of the turbine housing. A turbine impeller for converting fluid energy flowing radially inward into energy of rotational motion about the turbine shaft;
With
A tangent line projected on a surface including the axial center of the turbine shaft and the end portion at an end portion of the curved portion located on the downstream side in the fluid flow direction, as the fluid flows toward the downstream in the fluid flow direction. A turbine characterized in that a distance from a turbine shaft is shortened.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016084730A (en) * 2014-10-24 2016-05-19 三菱重工業株式会社 Axial flow turbine and supercharger
US10731467B2 (en) 2014-09-30 2020-08-04 Mitsubishi Heavy Industries Engine & Turbocharger, Ltd. Turbine
EP4187057A1 (en) 2021-11-25 2023-05-31 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Fuel cell fluid machine

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