JP5047364B2 - ラジアルタービンのスクロール構造 - Google Patents

Description

本発明は、比較的中小型内燃機関の排気ターボ過給機に用いられ、エンジン（内燃機関）からの作動ガスを、タービンケーシング内に形成された渦巻状のスクロールから該スクロールの内側に位置するタービンロータのタービン動翼へと半径方向に流入させて該タービン動翼に作用させた後、軸方向に流出させることにより該タービンロータを回転駆動するように構成されたラジアルタービンのスクロール構造に関する。

図６は、エンジン用排気ターボ過給機の構造を示す軸心線に沿う断面図である。
図６において、符号１はタービンケーシングを示し、該タービンケーシング１内には渦巻き状のスクロール４が形成され、また、タービンケーシング１の内周にはガス出口通路５が形成されている。
前記タービンケーシング１には、軸受ハウジング９が固定され、該軸受ハウジング９にはコンプレッサハウジング６が固定されている。
タービンロータは符号１０で示され、該タービンロータ１０の外周に複数のタービン動翼３が円周方向等間隔に固着されている。

前記コンプレッサハウジング６内には、コンプレッサ７が収納され、該コンプレッサ７の空気出口にはディフューザ８が設けられている。前記タービンロータ１０とコンプレッサ７とを連結するロータシャフト１２が、２個の軸受１１，１１にて軸受ハウジング９に支持されている。回転中心を２０ｚで示す。

図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はタービンケーシング１のスクロール４の断面図及びＷ−Ｗ断面図（図７の（Ｃ））である。
かかる排気ターボ過給機において、エンジンからの排気ガスは、前記スクロール４に入り、該スクロール４の渦巻きに沿って周回しながら、タービン動翼３の外周側入口４ｃの端面から該タービン動翼３に流入し、タービンロータ１０の中心側に向かい半径方向に流れてタービンロータ１０に膨張仕事をなした後、軸方向に流出してガス出口通路５から機外に排出される。

そして、前記運転時において、図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、前記タービンケーシング１内には前記スクロール４は渦巻き状に形成されているが、該スクロール４のガス入口部内周には舌部２１が形成され、該舌部２１は、タービンケーシング１が鋳物のため、少なくとも３ｍｍ程度の厚さが必要となる。
このため、排気ガスの流動時に舌部のウェイク（低速領域）３０が発生する。該ウェイク３０は、図７（Ａ）の場合よりも、舌部２１の厚い図７（Ｂ）の方が大きくなって、従って舌部２１のウェイク３０によるタービン性能の低下も大きくなる。

尚、特許文献１（特開２００３−１２０３０３号公報）のものは、スクロールのガス入口部内周には舌部が形成され、該舌部の直下流側の流路断面積を、舌部端の流路断面積よりも幅方向に舌部厚み寸法だけ、小さく形成し、舌部にて発生したウェイクを低減することができる。

前記のように、従来の排気ターボ過給機においては、図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、排気ガスの流動時に舌部のウェイク（低速領域）３０が発生し、かかるウェイク３０は、舌部２１の厚い方が大きくなる。この舌部２１のウェイク３０の発生によって、タービン性能の低下を引き起こす。

即ち、前記ウェイク（低速領域）３０は、径方向の外側から内側に向かうガスの流れによるものであり、かかる排気ガスの内側に向かう流れは、図７（Ａ）のように、舌部２１が薄い場合の方が少なく、タービン性能の低下も小さくなるが、この場合には、舌部２１の厚さが薄いため熱応力が大きくなる。

特開２００３−１２０３０３号公報

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、舌部の近傍の径方向外側から内側に向かうガスの流れを回避してタービン性能の低下を抑制し、且つ舌部の形成による熱応力を最大限に低下したラジアルタービンのスクロール構造を提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、作動ガスをタービンケーシング内に形成された渦巻状のスクロールから該スクロールの内側に位置するタービンロータのタービン動翼へと半径方向に流入させて該タービン動翼に作用させた後、軸方向に流出させることにより該タービンロータを回転駆動するように構成されたラジアルタービンのスクロール構造において、
前記スクロールは、ガス入口部内周に形成される舌部の先端部であって該先端部の通路幅方向に形成されるライン上に、一定範囲の長さに亘って板状仕切部が形成され、該板状仕切部のない部分にスクロール径方向外側の上部空間とスクロール径方向内側の下部空間とを連通する開口部が形成され、その開口部は、前記板状仕切部の周方向若しくは該仕切部の上部空間側から下部空間側に向かう断面方向に向かって変化するとともに、前記開口部の通路幅を、前記板状仕切部の周方向に沿って前記舌部に近づくほど狭くなるように変化させたことを特徴とする。
特に本発明は前記スクロールは、ガス入口部内周に形成される舌部のライン上の一定範囲の長さに仕切板を形成し、該仕切板の上部空間のガスの下部空間への流れを該仕切板で抑制したことを特徴とする。
かかる発明においては、前記仕切板を前記スクロールのタービン動翼のシュラウド側に続くタービンケーシング壁面に突設するのが好ましい。

また、かかる発明において、好ましくは、仕切板の端部の断面形状を上部空間側から下部空間側に切断して上部空間側に向かう傾斜面に構成したことを特徴とする。

また、本発明は、
（１）前記仕切板の下部空間の流路面積を、周方向に減少させることにより絞り効果を発生させ、前記下部空間から仕切板の上部空間へのガスの流れを生成する。
（２）前記仕切板の上部空間の流路面積を減少させず、且つ前記仕切板の下部空間の流路面積を周方向に減少させることにより、上部空間から下部空間へのガスの流れを抑制する。

また、本発明において、前記スクロールのガス入口部内周に形成される舌部の出口部分におけるスクロール側壁間の高さを減少させて、前記舌部の出口部分における通路断面積を絞るように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、ラジアルタービンのスクロール構造において、スクロールは、ガス入口部内周に形成される舌部のライン上の一定範囲の長さに仕切板を形成し、該仕切板の上部空間のガスの下部空間への流れを該仕切板で抑制し、また、かかる発明において、仕切板をスクロールのタービン動翼のシュラウド側に続くタービンケーシング壁面に突設する構成とすれば、
前記舌部のライン上の一定範囲の長さに仕切板を、とくにタービン動翼のシュラウド側に続くタービンケーシング壁面に突設すれば、該仕切板によりスクロールの上部空間側から下部空間側に向かう排気ガス流を抑制できる。
従って、かかる上部空間側から下部空間側に向かう排気ガス流が低減され、ウェイクの発生を抑制でき、これによりタービン効率の低下を防止できる。

また、開口部が形成されるため、該仕切板及び舌部の形成による熱拘束が少なくなり、従ってかかる拘束による熱応力が低減できる。

また、本発明において、仕切板の端部の断面形状を上部空間側から下部空間側に切断して上部空間側に向かう傾斜面に構成すれば、
径方向内側に向かうガス流によって、仕切板からウェイクが発生するが、仕切板の端部に上部空間側に向かう傾斜面に構成することにより、ガス流の方向に対する仕切板の端部の投影面積が縮小され、これによりウェイクが低減される。

また、本発明において、仕切板の下部空間の流路面積を、周方向に減少させることにより絞り効果を発生させ、前記下部空間から仕切板の上部空間へのガスの流れを生成すれば、
仕切板の下部空間の流路面積を、周方向に減少させることにより絞り効果を発生させれば、仕切板の下部空間から上部空間に排気ガスが流れようとする力が働き、上部空間側から舌部の下部空間側に向かう流れ込みを抑制できる。

また、本発明において、仕切板の上部空間の流路面積を減少させず、且つ前記仕切板の下部空間の流路面積を周方向に減少させることにより、上部空間から下部空間へのガスの流れを抑制すれば、
仕切板の上部空間の流路面積を減少させないので、上部空間側から舌部の下部空間側に向かう流れ込みを抑制できる。

また、本発明によれば、スクロールのガス入口部内周に形成される舌部のライン上の一定範囲の長さに仕切部材を配置し、該仕切部材は、円周方向に沿って端部の通路面積が広く該舌部に近づくほど通路面積が狭くなるように通路面積が円周方向に変化するように構成するので、
排気ガスの流れ込みの少ない反舌部の端部を広く、また最も排気ガスの流れ込みの大きい舌部近傍の通路面積を狭くすることにより、排気ガスの流れ込みを抑制できる。また前記により通路の投影面積を減少できるため、舌部のウェイクを低減できる。
尚、仕切部材の、円周方向に沿って端部の通路面積が広く、序々に通路面積を狭くして行き、舌部に近づくと通路面積が最も狭くなるように形成する。

また、本発明において、前記スクロールのガス入口部内周に形成される舌部の出口部分におけるスクロール側壁間の高さを減少させて、前記舌部の出口部分における通路断面積を絞るように構成すれば、
舌部の出口部分におけるスクロールの軸方向の高さを減少させることで、すなわち通路断面積が舌部の出口部分において絞られることで、舌部が無くなることによる急激な通路面積の拡大を防ぎ、スムーズに面積が減少して舌部後流の乱れを低減でき、これによって舌部の内側スクロールのウェイクを低減できる。

本発明の第１実施例にかかる排気ターボ過給機のラジアルタービンのスクロール部の構造を示し、（Ａ）はタービンケーシングの軸直角に視た図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第２，３実施例にかかる排気ターボ過給機のラジアルタービンのスクロール部の構造を示す、タービンケーシングの軸直角に視た図である。 （Ａ）は本発明の第４実施例にかかる排気ターボ過給機のラジアルタービンのスクロール部の構造を示す、タービンケーシングの軸直角に視た図、（Ｂ）は(Ａ)におけるＹ部拡大図である。 （Ａ）は本発明の第５実施例にかかる排気ターボ過給機のラジアルタービンのスクロール部の構造を示す、タービンケーシングの軸直角に視た図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ矢視拡大図である。 本発明の第６実施例にかかる排気ターボ過給機のラジアルタービンのスクロール部の構造を示す、タービンケーシングの軸直角に視た図である。 本発明の第６実施例にかかる図５（Ａ）におけるＺ部拡大図である。 本発明の第６実施例にかかる舌部出口部における内側スクロール高さの変化を説明する説明図である。 本発明の第６実施例にかかる舌部出口部における通路面積の変化を説明する説明図である。 本発明が適用されるエンジン用排気ターボ過給機の構造を示す軸心線に沿う断面図である。 従来技術にかかる（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はタービンケーシングのスクロールの断面図である。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図６は、本発明が適用されるエンジン用排気ターボ過給機の構造を示す軸心線に沿う断面図である。
図６において、符号１はタービンケーシングを示し、該タービンケーシング１内には渦巻き状のスクロール４が形成され、また、タービンケーシング１の内周にはガス出口通路５が形成されている。
前記タービンケーシング１には軸受ハウジング９が固定され、該軸受ハウジング９にはコンプレッサハウジング６が固定されている。
タービンロータは符号１０で示され、該タービンロータ１０の外周に複数のタービン動翼３が円周方向等間隔に固着されている。

前記コンプレッサハウジング６内にはコンプレッサ７が収納され、該コンプレッサ７の空気出口にはディフューザ８が設けられている。前記タービンロータ１０とコンプレッサ７とを連結するロータシャフト１２が、２個の軸受１１，１１にて軸受ハウジング９に支持されている。回転中心を符号２０ｚで示す。

かかる排気ターボ過給機において、エンジンからの排気ガスは、前記スクロール４に入り、該スクロール４の渦巻きに沿って周回しながら、タービン動翼３の外周側入口４ｃの端面から該タービン動翼３に流入し、タービンロータ１０の中心側に向かい半径方向に流れてタービンロータ１０に膨張仕事をなした後、軸方向に流出してガスガス出口通路５から機外に排出される。

そして、かかる運転時において、前記のように、排気ガスの流動時に舌部のウェイク（低速領域）が発生し、タービン性能が低下する。
本発明は、かかるウェイクの発生を抑制して、該ウェイクの発生によるタービン効率の低下を防止するものである。

第１実施例

図１は本発明の第１実施例にかかる排気ターボ過給機のラジアルタービンのスクロール部の構造を示し、（Ａ）はタービンケーシングの軸直角に視た図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
エンジンからの排気ガスは、タービンケーシング１のスクロール４に入り、該スクロール４の渦巻きに沿って周回しながら、タービン動翼３の外周側入口４ｃの端面から該タービン動翼３に流入し、タービンロータ１０の中心側に向かい半径方向に流れてタービンロータ１０に膨張仕事をなした後、軸方向に流出してガス出口通路５から機外に排出される。回転軸心は２０ｚで示す。

本発明の第１実施例は、前記スクロール４には、開口部２１ｓの内周に形成される舌部２１のライン上の、一定範囲の長さに仕切板２０を形成している。
即ち、前記仕切板２０は、図１（Ａ）に示すように、円周方向位置において、前記舌部２１のライン上、つまり舌部２１中心を延長したライン上の、前記舌部２１の端部と回転中心２０ｚとを結ぶ線から反舌部２１側の角θは少なくとも１０°以上が妥当である。
図１（Ａ）のように、該仕切板２０と舌部２１との間には、開口部２１ｓが形成される。

また、前記仕切板２０は、図１（Ｂ）に示すように、板材からなり、前記スクロール４のタービン動翼３のシュラウド側４ｄのタービンケーシング１の壁面に突設されている。
かかる仕切板２０を設けたことにより前記スクロール４は、該仕切板２０よりも外側のスクロール外側４ａと該仕切板２０よりも内側のスクロール内側４ｂとに分けられるとともに、前記仕切板２０のない部分は開口部４ｈとなっている。
これにより、前記仕切板２０の上部空間のスクロール外側４ａとガスの下部空間のスクロール内側４ｂへの流れを、該仕切板２０で抑制している。

尚、前記仕切板２０は、前記スクロール４のタービン動翼３のハブ側４ｆのタービンケーシング１の壁面に突設されても良い。

以上の第１実施例によれば、舌部２１のライン上の一定範囲の長さに仕切板２０を、とくにタービン動翼３のシュラウド側４ｄに続くタービンケーシング壁面に突設したので、該仕切板２０によりスクロール４のスクロール外側（上部空間）４ａからスクロール内側（下部空間）４ｂに向かう排気ガス流を抑制でき、これによりウェイク３０(図７参照)の発生を抑制できる。
従って、かかるスクロール外側（上部空間）４ａからスクロール内側（下部空間）４ｂに向かう排気ガス流が低減され、前記のように、ウェイク３０の発生を抑制でき、これによりタービン効率の低下を防止できる。
また、前記仕切板２０に開口部２１ｓを形成できるため、該仕切板２０及び舌部２１の形成による熱拘束が少なくなり、従ってかかる拘束による熱応力が低減できる。

第２，３実施例

図２は本発明の第２，３実施例にかかる排気ターボ過給機のラジアルタービンのスクロール部の構造を示す、タービンケーシングの軸直角に視た図である。
本発明の第２実施例では、前記仕切板２０のスクロール内側（下部空間）４ｂの流路面積を、周方向に減少させることにより絞り効果を発生させ、前記スクロール内側（下部空間）４ｂから仕切板２０のスクロール外側（上部空間）４ａへのガスの流れを生成している。
このように構成すれば、仕切板２０のスクロール内側（下部空間）４ｂの流路面積を、周方向に減少させることにより絞り効果を発生させれば、仕切板２０のスクロール内側（下部空間）４ｂからスクロール外側（上部空間）４ａに排気ガスが流れようとする力が働き、スクロール外側（上部空間）４ａ側から舌部２１のスクロール内側（下部空間）４ｂ側に、向かう流れ込みを抑制できる。

また、本発明の第３実施例では、仕切板２０のスクロール外側（上部空間）４ａの流路面積を減少させず、且つ前記仕切板２０のスクロール内側（下部空間）４ｂの流路面積を周方向に減少させることにより、スクロール外側（上部空間）４ａからスクロール内側（下部空間）４ｂへのガスの流れを抑制している。
このように構成すれば、仕切板２０のスクロール外側（上部空間）４ａの流路面積を減少させないので、スクロール外側（上部空間）４ａから舌部２１のスクロール内側（下部空間）４ｂに向かう流れ込みを抑制できる。
第２，３実施例において、その他の構成は、前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。

第４実施例

図３（Ａ）は本発明の第４実施例にかかる排気ターボ過給機のラジアルタービンのスクロール部の構造を示す、タービンケーシングの軸直角に視た図、（Ｂ）は(Ａ)におけるＹ部拡大図である。
本発明の第４実施例では、仕切板２０の、端部の断面形状をスクロール外側（上部空間）４ａからスクロール内側（下部空間）４ｂに切断してスクロール外側（上部空間）４ａに向かう傾斜面２０ｙに構成している。即ち、図３（Ｂ）のように、スクロール外側（上部空間）４ａが幅Ｓ１，スクロール内側（下部空間）４ｂが幅Ｓ２のように、幅Ｓを直線的に変化させている。

このように構成すれば、径方向内側（スクロール外側（上部空間）４ａからスクロール内側（下部空間）４ｂ）に向かうガス流によって、仕切板２０からウェイクが発生するが、仕切板２０の端部にスクロール外側（上部空間）４ａに向かう傾斜面２０ｙを構成することにより、ガス流の方向に対する仕切板２０の端部の投影面積が縮小され、これによりウェイクが低減される。
第４実施例において、その他の構成は、前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。

第５実施例

図４（Ａ）は本発明の第５実施例にかかる排気ターボ過給機のラジアルタービンのスクロール部の構造を示す、タービンケーシングの軸直角に視た図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ矢視拡大図である。
本発明の第５実施例では、スクロール４のガス入口部内周に形成される舌部２１のライン上の一定範囲の長さに仕切部材２０ａを配置し、該仕切部材２０ａは、径方向外側の上部空間と径方向内側の下部空間とを連通する開口部Ｈ（図４（B））の通路幅が円周方向に沿って端部の通路幅が広く該舌部に近づくほど通路幅が狭くなるように円周方向に変化している。すなわち図４（Ｂ）に示すように円周方向Ｗに沿って、端部の通路幅ｂが広く該舌部２１に近づくほど通路幅ａが狭くなるように、通路幅ａ、ｂが円周方向Ｗに変化するように構成している。

このように構成すれば、排気ガスの流れ込みの少ない反舌部２１の端部を広く（通路幅ｂ）、また最も排気ガスの流れ込みの大きい舌部２１近傍の通路幅ａを狭くすることにより、排気ガスの流れ込みを抑制できる。また前記により通路の投影面積を減少できるため、舌部２１のウェイクを低減できる。
前記仕切部材２０ａは、円周方向Ｗに沿って端部の通路幅ｂが広く、序々に通路幅狭くして行き、舌部２１に近づくと通路幅ａが最も狭くなるように、通路幅を連続的に変化するように形成している。
第５実施例において、その他の構成は、前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。

第６実施例

図５（Ａ）は本発明の第６実施例にかかる排気ターボ過給機のラジアルタービンのスクロール部の構造を示す、タービンケーシングの軸直角に視た図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＺ部拡大図で矢印Ｒ方向からの斜視図である。
本発明の第６実施例では、前記第１実施例から第５実施例のようにスクロールの一方の壁から他方の壁に向かって途中まで仕切板２０、仕切部材２０ａがある構造でなく、図５（Ｂ）に示すように、舌部２１の出口部分２０Ｃの一方の壁Ｋ１から他方の壁Ｋ２への高さ（Ｈ）が絞られて絞り部分Ｍを形成している。
すなわち、舌部２１の内側に位置する内側スクロールＵＳ、その内側スクロールＵＳの舌部先端側に存在する先端部２０Ｃが図５（Ｂ）のように、舌部２１出口部分において上流側面Ａから出口面Ｂにかけて絞った構造としたものである。
即ち、上流側の面Ａにおける内側スクロールＵＳの高さをH１とし、出口面Ｂの高さをH２とするとH２＜H１の関係にある。

図５（Ｃ）は、内側スクロールＵＳの軸方向長さ即ち図５（Ｂ）における高さHの周方向における関係を示す。従来の内側スクロールＵＳの高さは、図５Ｃの実線のように一定割合にて高さが減少しているが、第６実施例の場合この高さを舌部２１出口部分にて急激に減少させるもので図５（Ｃ）の破線に相当する。
こうすることで舌部２１の出口部分の前後にて、従来は、図５（Ｄ）の実線のように舌分２１が無くなりそこで面積が急拡大するが、第６実施例の如く内側スクロールＵＳの高さを減少させることにより図５（Ｄ）の破線の如く面積の急変を防ぐことができる。

このように構成すれば、内側スクロールＵＳの上流側面Ａを、出口面Ｂにて急激に減少させて、舌部２１の先端部を接続することにより、舌部２１がなくなることによる内側スクロールＵＳへの急激な面積の増加を防ぎ、スムーズに面積が減少するスクロールとなり舌部２１後流の乱れを低減でき、これによって舌部の内側スクロールのウェイクを低減できる。

本発明によれば、舌部の近傍の径方向外側から内側に向かうガスの流れを回避してタービン性能の低下を抑制し、且つ舌部の形成による熱応力を最大限に低下したラジアルタービンのスクロール構造を提供できる。

Claims (7)

1. 作動ガスをタービンケーシング内に形成された渦巻状のスクロールから該スクロールの内側に位置するタービンロータのタービン動翼へと半径方向に流入させて該タービン動翼に作用させた後、軸方向に流出させることにより該タービンロータを回転駆動するように構成されたラジアルタービンのスクロール構造において、
   前記スクロールは、ガス入口部内周に形成される舌部の先端部であって該先端部の通路幅方向に形成されるライン上に、一定範囲の長さに亘って板状仕切部が形成され、該板状仕切部のない部分にスクロール径方向外側の上部空間とスクロール径方向内側の下部空間とを連通する開口部が形成され、その開口部は、前記板状仕切部の周方向若しくは該仕切部の上部空間側から下部空間側に向かう断面方向に向かって変化するとともに、
   前記開口部の通路幅を、前記板状仕切部の周方向に沿って前記舌部に近づくほど狭くなるように変化させたことを特徴とするラジアルタービンのスクロール構造。
2. 前記板状仕切部の端部の断面形状を上部空間側から下部空間側に切断して径内側に向かうに従って、前記スクロール内壁面との開口幅が縮小するように構成したことを特徴とする請求項１記載のラジアルタービンのスクロール構造。
3. 前記スクロール内壁面との開口幅が縮小するように傾斜面に構成したことを特徴とする請求項２記載のラジアルタービンのスクロール構造。
4. 前記板状仕切部を、前記スクロールのタービン動翼のシュラウド側に続くタービンケーシング壁面に突設したことを特徴とする請求項１記載のラジアルタービンのスクロール構造。
5. 前記板状仕切部の下部空間の流路面積を、周方向に減少させることにより絞り効果を発生させ、前記下部空間から仕切板の上部空間へのガスの流れを生成することを特徴とする請求項１記載のラジアルタービンのスクロール構造。
6. 前記板状仕切部の上部空間の流路面積を減少させず、且つ前記板状仕切部の下部空間の流路面積を周方向に減少させることにより、前記上部空間から下部空間へのガスの流れを抑制することを特徴とする請求項１記載のラジアルタービンのスクロール構造。
7. 前記スクロールのガス入口部内周に形成される舌部の出口部分におけるスクロール側壁間の高さを減少させて、前記舌部の出口部分における通路断面積を絞るように構成したことを特徴とする請求項１記載のラジアルタービンのスクロール構造。

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