JP5427900B2 - 斜流タービン - Google Patents

Description

本発明は、小型ガスタービン、過給機、エキスパンダ等に用いられる斜流タービンに関するものである。

この種斜流タービンは、効率の向上が常に求められている。
タービンの効率は、翼入口の周速Ｕと、タービン入り口温度および圧力比でその作動流体（ガス）が加速される最大流速、すなわち、理論速度Ｃ０との比である理論速度比（＝Ｕ／Ｃ０）に対して示される。
この効率を悪化させるものにインシデンス損失というものがある。これは、翼の前縁に流入するガスの流れ角βと、前縁における翼角βｋと、の差であるインシデンスにより生じるものである。すなわち、インシデンスが大きくなると流入するガスが前縁で剥離するので、衝突ロスが大きくなりインシデンス損失が発生する。

斜流タービンの翼は、一定半径線で切り取った場合の断面形状が前縁近傍を含む全体で曲線（放物線状）に形成されているので、斜流タービンでは、流れ角βと翼角βｋとが接近するように設計することが可能である。これにより、たとえば、ハブ面のインシデンスを零に近づけることができるが、ハブとシュラウドとの間ではインシデンスが発生する。
すなわち、斜流タービンの翼は、半径線に沿った断面形状が曲線（放物線状）に形成されているので、図２０に示すように、ハブとシュラウドとの間で流れ角β１０９が直線的に変化する一方で翼角βｋ１１０は放物線的に変化するため、翼高さの中央領域のインシデンスが最大限に増大している。
このように流れ角βの分布と翼角βｋの分布が異なるために生じるインシデンスの増大によるインシデンス損失は、かえって斜流タービンの損失の増大を招き、その効率が低下する。

この効率の低下を抑制するものとして、たとえば、特許文献１に示されるものが提案されている。
これは、図１８あるいは図１９に示されるように、動翼１０１の前縁１０３が作動流体の流れ方向における上流側に向かって凸に形成されている。これによって、流れ角分布１１５は、図２０に示されるように、下に凸の曲線状になる。
その結果特にハブとシュラウドの中央部で翼角βｋ１１０分布と流れ角β１１５分布は接近し、インシデンスＩｎａとなる。すなわち、インシデンスが△Ｉｎだけ低減するので、その分インシデンス損失が軽減される。

また、ラジアルタービンでは、たとえば、特許文献２に示されるように、スクロールを２つに分割し、一方から供給したり、両方から同時に供給したりして作動流体の供給量を可変としたものが用いられている。
これは、図２１に示されるように、スクロール１２０が仕切壁１２１によって、動翼１２４の前縁１２５のハブ側にガスを供給する第一導入路１２２と、シュラウド側にガスを供給する第二導入路１２３と、に分割されている。ガス量が少ない場合は、たとえば、第一導入路１２２からのみ供給し、多くなると、第一導入路１２２および第二導入路１２３から供給するものである。

特開２００４−９２４９８号公報 実開昭６２−７９９３８号公報

ところで、特許文献１に示されるものは、動翼１０１の前縁１０３に対してガスが理想的な状態で供給された場合には、図２０に示される流れ角β１１５分布となるが、実際の製品ではこの理想的な状態でガスが供給されることを期待できない。
すなわち、図１８に示されるようにスクロール１０５から動翼１０１に向けた流路が半径方向に延在している場合、あるいは、図１９に示されるように、この流路がシュラウド面およびハブ面の傾斜を延長するように傾斜されている場合、が通常である。
また、動翼１０１の直上流側に、翼型をなす翼を供えたノズル１０７が設置される場合がある。

図１８のように動翼１０１に対してガスが半径方向に供給される場合、ハブ側の流れの傾斜角δが小さくなるため、前縁１０３が上流側に向かって凸に形成された効果が半減し、ハブ側の流れ角βが図２０の流れ角β分布１０２に示されるように大きくなる。
このため、翼角βｋと流れ角βとの差であるインシデンスが大きくなりハブ側の損失が大きくなる課題を持っている。
図１９のように動翼１０１に対してガスが傾斜して供給される場合、シュラウド側の傾斜角が大きいので、スクロール１０５からシュラウドに流れ込む流れの子午面における転向角が大きくなる。このように子午面における転向角が大きくなると、動翼１０１前縁にてシュラウド面の境界層が拡大するので、シュラウド側の流れ角βが小さくなる。すなわち、図２０の流れ角β分布１０４に示されるようにインシデンスが逆向きに大きくなりシュラウド側の損失が大きくなる課題を持っている。

一方、特許文献２に示されるものは、仕切壁１２１が動翼１２４の前縁１２５から見て上流に有限の厚さを持つ板として存在するため、仕切壁１２１の後縁の下流にウエイク１２８が発達し、損失が増加する。
また、第一導入路１２２および第二導入路１２３からのガスは、動翼１２４の前縁１２５に対して傾斜して供給されるので、前縁１２５のシュラウド側壁面とハブ側壁面で境界層１２７が発達し損失が増加する。

本発明は、上記問題点に鑑み、ハブ側とシュラウド側とで作動流体の供給を工夫し、翼の入口側端縁における形状を効果的に機能させ、インシデンス損失を低減させ得る斜流タービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の一態様は、上流側に位置する入口側端縁の形状線が上流側に向かって凸とされている斜流タービン動翼と、該斜流タービン動翼の外径側端縁を覆うシュラウド部を有するケーシングによって該斜流タービン動翼の上流側に形成され、該斜流タービン動翼の前記入口側端縁に向けて作動流体を供給する空間であるスクロールと、を備えている斜流タービンであって、前記スクロールは、スクロール分割壁によってシュラウド側空間とハブ側空間とに分割され、該スクロール分割壁の後縁側におけるシュラウド側分割壁面およびハブ側分割壁面は、それぞれそれらと対向する部分との間に前記作動流体が略半径方向に流れるシュラウド側流入路および前記斜流タービン動翼入口のハブ外周面の傾斜方向と略同等の方向に流れるハブ側流入路を形成し、前記ハブ側流入路ににハブ側翼型ノズルが備えられ、該ハブ側翼型ノズルは、前記斜流タービン動翼の回転軸を中心とする円筒面で切断した時の翼表面を形成する上面および下面の切断線が、前記回転軸に略平行である斜流タービンを提供する。

斜流タービンの斜流タービン動翼では、入口側端縁のハブ側とシュラウド側とを結ぶ線は、通常シュラウド側が半径方向外側に位置している。
本態様によれば、斜流タービン動翼の入口側端縁は上流側に向かって凸とされている、言い換えると、入口側端縁のハブ側とシュラウド側とを結ぶ線よりもそれらの中間部は上流側に突出しているので、入口側端縁のシュラウド側部分は略同一半径位置に沿うように配置される。
シュラウド側空間からシュラウド側流入路を通って供給される作動流体は、略半径方向に流れているので、シュラウド側壁面に平行に、かつ、動翼の入口側端縁に略直交するように流入する。したがって、斜流タービン動翼入口のシュラウド部に、壁面境界層が増加することを防止できる。
ハブ側空間からハブ側流入路を通って供給される作動流体は、斜流タービン動翼入口のハブ外周面の傾斜方向と略同等の方向に流れているので、ハブ外周面に平行に流入する。したがって、ハブ外周面に、壁面境界層が増加することを防止できる。

作動流体は、シュラウド側流入路において略半径方向に流れ、一方、ハブ側流入路において斜流タービン動翼入口のハブ側の傾斜方向と略同等の方向に流れるので、両流入路を通過した作動流体は交差する状態で斜流タービン動翼の入口側端縁に流入することになる。
言い換えると、斜流タービン動翼の入口側端縁から見た場合、上流側に作動流体の流れを阻止するものが存在しない。
したがって、スクロール分割壁によるウエイクの発達を抑制することができる。
この場合、スクロール分割壁の後縁側におけるシュラウド側分割壁面およびハブ側分割壁面は、それぞれそれらと対向する部分との間に、相互に交差するシュラウド側流入路およびハブ側流入路を形成しているので、シュラウド側面およびハブ側面は後縁側で交差するように延在されている。したがって、後縁でスクロール分割壁の厚さが無くなるように構成すれば、ウエイクの発生を防止することができる。

このように、斜流タービン動翼の入口側端縁でのハブ外周面およびシュラウド部における壁面境界層の増加を防止でき、かつ、中間部分におけるスクロール分割壁によるウエイクの影響を無くすことができるので、入口側端縁が上流側に向かって凸とされている斜流タービン動翼によるインシデンス低減効果を確実に発揮させることができ、インシデンス損失を低減させることができる。

ハブ側流入路は、半径方向に対して傾斜しているので、半径方向に沿うシュラウド側流入路よりも長くなる。さらに、ハブ側では半径が減少するために角運動量保存則によりハブ側の流速が大きくなる。このため作動流体はハブ側壁面での摩擦損失が増加し、ハブ外周面の入り口近傍では境界層が拡大する恐れがある。
本構成では、ハブ側翼型ノズルを備えているので、ハブ側流入路を流れる流れの周方向速度を大きくすることができる。これにより、境界層の拡大を阻止できるとともに斜流タービンの効率を向上させることができる。
ハブ側翼型ノズルは翼面が回転軸と略平行に形成されているので、鋳物にて容易に製作することができる。

また、上記構成では、前記ハブ側翼型ノズルに、該ハブ側翼型ノズルの略延長部分となる案内板が、前記斜流タービン動翼の入口側端縁に接近する位置まで備えられているのが好適である。

ハブ側流入路は半径方向に対して傾斜し、ハブ側翼型ノズルは翼面が回転軸と略平行に形成されているので、ハブ側翼型ノズルの後縁から斜流タービン動翼の入口側端縁までのハブ側壁面の長さが長い空間が形成される。さらにハブ側では半径が減少するために角運動量保存則によりハブ側の流速が大きくなるためハブ側壁面での摩擦損失が増加しハブ外周面近傍では境界層が拡大する恐れがある。言い換えると、半径方向内向きの旋回流が傾斜面を流れるときには旋回による遠心力の作用により流れが半径方向外向きに逆流する傾向があるので、境界層が平板の境界層以上に拡大する恐れがある。
このため、ハブ側翼型ノズルの略延長部分となる案内板を、ハブ側翼型ノズルの後縁から斜流タービン動翼の入口側端縁に接近する位置まで備えたので、流れが半径方向外向きに逆流する傾向を抑制でき、境界層の拡大を阻止できる。

また、上記構成では、前記シュラウド側流入路に、シュラウド側翼型ノズルが備えられ、該シュラウド側翼型ノズルは、前記斜流タービン動翼の回転軸を中心とする円筒面で切断した時の翼表面を形成する上面および下面の切断線が、前記回転軸に略平行であり、該シュラウド側翼型ノズルのスロート幅は前記ハブ側翼型ノズルのスロート幅よりも大きくされているのが好適である。

斜流タービン動翼の入口側端縁における翼角は、ハブ側が、たとえば、４０度と大きく、シュラウド側は、たとえば、ラジアルタービンの動翼程度に小さくされている。言い換えると、シュラウド側の流れが示すタービン特性は反動タービンの特性となり、ハブ側の流れが示すタービン特性は衝動タービン特性となっている。
シュラウド側翼型ノズルのスロート幅はハブ側翼型ノズルのスロート幅よりも大きくされているので、シュラウド側翼型ノズルの翼は円周に対する角度がハブ側翼型ノズルのそれよりも大きくなる。
したがって、ハブ側翼型ノズルではハブ側の衝動タービン特性を持つ領域に適切なノズル翼角とし、シュラウド側翼型ノズルではシュラウド側の反動タービン特性を持つ特性に適切なノズル翼角を持たせることができる。

また、上記態様では、前記スクロールの入口部分には、前記シュラウド側空間に連通するシュラウド側流路と前記ハブ側空間に連通するハブ側流路とに分割する入口分割壁が備えられ、該入口分割壁は、前記シュラウド側流路の流路断面積が前記ハブ側流路の流路断面積よりも大きくなる位置に取り付けられ、前記入口分割壁の上流側には、少なくとも前記シュラウド側流路を全閉可能とするとともに前記シュラウド側流路および前記ハブ側流路への前記作動流体の流入割合を調節する調節部材が備えられている構成としてもよい。

本構成によれば、作動流体はスクロールの入口部分で入口分割壁によってシュラウド側流路とハブ側流路とに分割される。
シュラウド側流路に流入した作動流体はシュラウド側空間、シュラウド側流入路を通って斜流タービン動翼の入口側端縁のシュラウド側に供給される。
一方、ハブ側流路に流入した作動流体はハブ側空間、ハブ側流入路を通って斜流タービン動翼の入口側端縁のハブ側に供給される。
このとき、調整部材はシュラウド側流路を全閉可能とされているので、ハブ側流路にのみ作動流体を流入させることができる。
また、シュラウド側流路が全閉されていない場合、作動流体は調整部材によって調節された流入割合に沿う流入量でシュラウド側流路およびハブ側流路に流入される。

たとえば、斜流タービン動翼のハブ側に流入する作動流体の条件を略一定とすると、ハブ側流路にのみ流れる全閉時と、そのままの状態でシュラウド側流路およびハブ側流路に流れる場合と、で作動流体の流量が異なることになる。すなわち、作動流体の流量は、前者の全閉時にはハブ側流路の流路断面積、後者ではシュラウド側流路の流路断面積およびハブ側流路の流路断面積を加えたもので決まるので、この比率が流量変化となる。
入口分割壁はシュラウド側流路の流路断面積がハブ側流路の流路断面積よりも大きくなる位置に取り付けられているので、この流量変化を大きくすることができる。
これにより、作動流体の供給量におけるより大きな変動量に対応でき、斜流タービンの制御性を向上させることができる。

斜流タービン動翼におけるシュラウド側の流れが示すタービン特性は反動タービンの特性となり、ハブ側の流れが示すタービン特性は衝動タービン特性となっている。
反動タービンは、Ｕ／Ｃ０が小さいときに高効率となり、衝動タービンは、Ｕ／Ｃ０が大きいときに高効率となる。
調整部材は、シュラウド側流路を全閉可能とするとともにシュラウド側流路およびハブ側流路への作動流体の流入割合を調節できるので、作動流体のＵ／Ｃ０の状況に対応してシュラウド側流路およびハブ側流路への作動流体の流入割合を調節することによって高効率な状態で斜流タービンを用いることができる。
たとえば、Ｕ／Ｃ０が小さい場合には、調節部材によってシュラウド側流路を全閉とし、ハブ側流路へのみ作動流体を流入させ、作動流体を斜流タービン動翼の入口側端縁のハブ側に供給するようにする。これにより、低Ｕ／Ｃ０で高効率なハブ側の流れによって高効率な運転を行う。

また、上記構成では、前記調節部材は、前記入口分割壁の上流端を軸線中心として揺動可能とされた板部材を備えていることが好適である。
このようにすると、板部材を揺動させることによって容易に作動流体の流入割合を調節することができる。
なお、調節を確実に行うために板部材は設置された部分の流路断面形状に沿う形状とされるのが好ましい。

また、上記構成では、少なくとも前記板部材が揺動する部分の前記スクロールの前記入口部分の流路断面は、前記軸線中心に沿う高さが略一定とされ、前記板部材の前記軸線中心に沿う長さは前記高さと略同一とされているのが好適である。

このようにすると、軸線中心に直交する板部材の端部からの作動流体の漏れを略防止できるので、調節の精度を向上させ、効率の低下を防止できる。
たとえば、流路断面および板部材としては、矩形、直線部を有する長円形、等が好ましい。

本発明によれば、スクロールは、スクロール分割壁によってシュラウド側空間とハブ側空間とに分割され、スクロール分割壁の後縁側におけるシュラウド側分割壁面およびハブ側分割壁面は、それぞれそれらと対向する部分との間に作動流体が略半径方向に流れるシュラウド側流入路および動翼入口のハブ側の傾斜方向と略同等の方向に流れるハブ側流入路を形成し、前記ハブ側流入路に、翼面が回転軸と略平行に形成されたハブ側翼型ノズルが備えられているので、動翼の入口側端縁におけるハブ外周面およびシュラウド側壁面に壁面境界層が増加することを防止でき、かつ、中間部分におけるスクロール分割壁によるウエイクの影響を無くすことができる。これにより、入口側端縁が上流側に向かって凸とされている動翼によるインシデンス低減効果を確実に発揮させることができ、インシデンス損失を低減させることができる。しかも、ハブ側翼型ノズルを備えたことにより、ハブ側流入路を流れる流れの周方向速度を大きくして、境界層の拡大を阻止できるとともに斜流タービンの効率を向上させることができる。

本発明の第一実施形態にかかる斜流タービンのケーシングを示す正面図である。 図１のＸ−Ｘ断面図である。 図２の一部を拡大して示す部分断面図である。 本発明の第一実施形態にかかる斜流タービンの別の実施態様の図３同様部分を示す部分断面図である。 本発明の第二実施形態にかかる斜流タービンの本体を縦断しその一部を示す部分断面図である。 本発明の第二実施形態にかかるハブ側ノズルの翼および案内板の形状を示す概略図である。 本発明の第三実施形態にかかる斜流タービンの本体を縦断しその一部を示す部分断面図である。 図７のＹ−Ｙ断面図である。 本発明の第四実施形態にかかる斜流タービンの縦断面図である。 図９のＺ視図である。 図９のＷ視図である。 本発明の第四実施形態にかかる翼およびハブを示す縦断面図である。 本発明の第四実施形態にかかる弁体の位置によるハブ側の流路面積とシュラウド側の流路面積の変化を示すグラフである。 本発明の第四実施形態にかかるインシデンス分布を示すグラフである。 本発明の第四実施形態のハブ側ノズルと翼のハブ側形状の関係を示す概略構成図である。 本発明の第四実施形態のシュラウド側ノズルと翼のシュラウド側形状の関係を示す概略構成図である。 本発明の第四実施形態にかかる斜流タービンの無次元特性を示すグラフである。 従来の斜流タービンの本体を縦断しその一部を示す部分断面図である。 従来の斜流タービンの本体を縦断しその一部を示す部分断面図である。 従来の斜流タービンのインシデンス分布を示すグラフである。 従来の別の斜流タービンの本体を縦断しその一部を示す部分断面図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態にかかる斜流タービン１について、図１〜図３を用いて説明する。この斜流タービン１は、自動車のディーゼルエンジン用の過給機（ターボチャージャ）に用いられるものである。
図１は、本実施形態の斜流タービン１のケーシング３を示す正面図である。図２は、図１のＸ−Ｘ断面図である。図３は、図２の一部を拡大して示す部分断面図である。

斜流タービン１には、ケーシング３と、ハブ５と、ハブ５の外周面６にその周方向に略等間隔に設けられた複数枚の翼（斜流タービン動翼）７と、が備えられている。
ハブ５の軸線中心部分には、回転軸９が固定されている。回転軸９は、ベアリングハウジング１１に取り付けられた図示しないベアリングによって回転自在に支持され、その他端が図示しないターボ圧縮機に接続されている。

ケーシング３には、略中空円筒形状をした本体１３と、本体１３にその接線方向に接続された略中空円筒形状の導入部（スクロールの入口部分）１５と、本体１３の一面から略同軸線中心Ｃをもつように突出した略中空円筒形状の吐出部１７とが備えられている。
導入部１５は、図示しないディーゼルエンジンの排気部と接続され、吐出部１７は図示しない自動車の排気部と接続される。

本体１３、導入部１５および吐出部１７の中空部は連通しており、導入部１５の導入口１９から導入されたディーゼルエンジンから排気される排気ガス（作動流体）は、本体１３で翼７に作用しハブ５を回転させ、吐出部１７の吐出口２１から排気される。
このハブ５の回転が、回転軸９を介して図示しないターボ圧縮機に伝達され、ターボ圧縮機は回転させられる。このターボ圧縮機の回転によって空気が圧縮され、ディーゼルエンジンに供給される。

本体１３の内側空間は、排気ガスを加速し、翼７に供給するスクロール２３を構成している。本体１３の内側部分には、図３に示されるように翼７の外径側端縁２５を覆うシュラウド部２７が形成されている。
本体１３の内側には、外側から内側に向けて半径方向に突出するスクロール分割壁２９が設けられている。スクロール２３は、スクロール分割壁２９によってシュラウド側空間３１とハブ側空間３３とに分割されている。

スクロール分割壁２９の内周（後縁）側のハブ側は、シュラウド側に向かい先細りとなるように傾斜したハブ側分割壁面３５を形成している。スクロール分割壁２９の内周側のシュラウド側は、略半径方向に延在するシュラウド側分割壁面３７を形成している。
ケーシング３のハブ側におけるハブ側分割壁面３５と対向するハブ側壁面３９は、ハブ側分割壁面３５と略平行となるようにされており、ハブ側分割壁面３５との間にハブ側流入路４１を形成している。
ハブ側流入路４１は、ハブ５の外周部６の上流端における傾斜方向と略同等の傾斜方向とされている。

ケーシング３のシュラウド側におけるシュラウド側分割壁面３７に対向するシュラウド側壁面４３は、シュラウド側分割壁面３７と略平行となるようにされており、シュラウド側分割壁面３７との間にシュラウド側流入路４５を形成している。
シュラウド側分割壁面３７は略半径方向に延在するので、シュラウド側流入路４５は略半径方向に沿って延在している。

翼７は、板状部材であり、面部が軸線方向に延在するようにハブ３の外周面６に立設されている。
前縁４７と外径側端縁２５との交点は、ハブ５と前縁４５との交点よりも半径方向において外側に位置している。
翼７には、排気ガスの流れ方向上流側に位置する前縁（入口側端縁）４７が備えられている。前縁４７は、図３に示されるように上流側に向かってその全領域で凸状に滑らかに膨れている曲線で形成されている。
前縁４７のシュラウド側部分は略同一半径位置に沿う、言い換えると、半径方向に略直交するような形状をしている。

翼７の翼形状は、一定半径に投影したときに前縁４７から下流側にかけて回転方向に凸になる放物線状の形状を有している。
前縁４７の翼角βｋは、ハブ５側から外径側端縁２５側に向けて、たとえば、図２０に示される従来のものと同様に放物線的に徐々に小さくなるようにされている。前縁４７における翼角βｋは、たとえば、ハブ５側で４０度、外径側端縁２５側で０度とされている。
ハブ５と翼７とは鋳造あるいは削り出しによって一体として形成されている。なお、ハブ５と翼７とは別体とし、溶接等によって強固に固定するようにしてもよい。

以上、説明した本実施形態にかかる斜流タービン１の動作について説明する。
ディーゼルエンジンの排気ガスは、導入口１９から導入部１５に流入し、本体１３に供給される。本体１３に流入した排気ガスは、スクロール分割壁２９によって分割され、それぞれシュラウド側空間３１およびハブ側空間３３に流入する。
シュラウド側空間３１に流入した排気ガスは、シュラウド側流入路４５を通って翼７の前縁４７に供給される。

このとき、シュラウド側流入路４５は略半径方向に延在するようにされているので、排気ガスは略半径方向に流れる。前縁４７のシュラウド側は半径方向に略直交するようにされているので、それに対して排気ガスは略直交するように流入する。このため、シュラウド部２７の前縁４７近傍に、壁面境界層が増加することを防止できる。

一方、ハブ側空間３３に流入した排気ガスは、ハブ側流入路４１を通って翼７の前縁４７に供給される。
このとき、ハブ側流入路４１はハブ５の外周部６の上流端における傾斜方向と略同等の傾斜方向とされているので、ハブ側流入路４１を通って前縁４７に供給される排気ガスは、ハブ外周面６に平行に流入する。したがって、外周面６の前縁４７近傍に、壁面境界層が増加することを防止できる。

排気ガスは、シュラウド側流入路４５において略半径方向に流れ、一方、ハブ側流入路４１において前縁４７のハブ外周面６の傾斜方向と略同等の方向に流れる。シュラウド側分割壁面３７およびハブ側分割壁面３５は、スクロール分割壁２９の後縁で合流しているので、シュラウド側流入路４５およびハブ側流入路４１を流れる排気ガスはスクロール分割壁２９の後縁で合流することになる。これにより、スクロール分割壁２９の後縁に発生するウエイクの発達を抑制することができる。
これは、前縁４７から見た場合、上流側に排気ガスの流れを阻止するものが存在しないことになる。

このように、翼７の前縁４７におけるハブ５の外周面６およびシュラウド部２７での壁面境界層の増加を防止でき、かつ、中間部分でのスクロール分割壁２９によるウエイクの影響を無くすことができるので、前縁４７が上流側に向かって凸とされている翼７によるインシデンス低減効果を確実に発揮させることができ、インシデンス損失を低減させることができる。

なお、図４に示されるようにスクロール分割壁２９と翼７との間に翼面が回転軸と略平行に形成された翼型ノズル４９を備えるようにしてもよい。
このように翼型ノズル４９を備えると、流れの周方向速度を大きくすることができるので、斜流タービン１の効率を向上させることができる。
翼型ノズル４９は翼面が回転軸と略平行に形成されているので、鋳物にて容易に製作することができる。

このように翼７に流入した排気ガスは、翼７間を通る。このとき排気ガスは、翼７の圧力面を押して、翼７を回転方向に移動させる。
これにより、翼７と一体のハブ５が回転方向に回転する。ハブ５の回転力によって回転軸９を介してターボ圧縮機が回転される。ターボ圧縮機は空気を圧縮し、圧縮空気としてディーゼルエンジンに供給する。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図５および図６を用いて説明する。
本実施形態における斜流タービン１は、ハブ側流入路４１の構成が前述した第一実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第一実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての重複した説明は省略する。
なお、前述した第一実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
図５は、本体１３を縦断しその一部を示す部分断面図である。図６は、ハブ側ノズル５１の翼５３および案内板５５の形状を示す概略図である。

本実施形態では、ハブ側流入路４１に、翼面が回転軸Ｃと略平行に形成された複数の翼５３で構成されたハブ側翼型ノズル５１が備えられている。
ハブ側翼型ノズル５１の翼５３は、図６に示されるように円周に対して所定の角度を持つように傾斜して取り付けられている。
翼５３は、ノズル入口半径ＮＩとノズル出口半径ＮＯとの間に取り付けられている。
ハブ側翼型ノズル５１は翼面が回転軸と略平行に形成されているので、鋳物にて容易に製作することができる。

ハブ側翼型ノズル５１の下流側には、案内板５５が各翼５３に対応して取り付けられている。
案内板５５は、対数らせん状断面形状とされ、翼５３の略延長部分となるように取り付けられている。
案内板５５の下流側端部Ｇは、前縁４７の近くまで延び、前縁４７のハブ側形状に略沿った形状とされている。

このように構成された本実施形態にかかる斜流タービン１の動作は、基本的に前述の第一実施形態のものと同様であるので、重複した説明は省略し、異なる部分について説明する。
ハブ側流入路４１は、半径方向に対して傾斜しているので、半径方向に沿うシュラウド側流入路４５よりも長くなる。さらに、ハブ側では半径が減少するために角運動量保存則によりハブ側の流速が大きくなる。このため排気ガスはハブ側壁面３９での摩擦損失が増加し、ハブ５の外周面６の前縁４７近傍では境界層が拡大する恐れがある。

本実施形態では、ハブ側流入路４１にハブ側翼型ノズル５１を備えているので、ハブ側流入路４１を流れる流れの周方向速度を大きくすることができる。
これにより、境界層の拡大を阻止できるとともに斜流タービンの効率を向上させることができる。

また、ハブ側流入路４１は半径方向に対して傾斜し、ハブ側翼型ノズル５１は翼面が回転軸と略平行に形成されているので、ハブ側翼型ノズル５１の後縁から翼７の前縁４７までのハブ側壁面３９の長さが長い空間が形成される。さらにハブ側では半径が減少するために角運動量保存則によりハブ側の流速が大きくなるためハブ側壁面３９での摩擦損失が増加しハブ５の外周面６近傍では境界層が拡大する恐れがある。言い換えると、半径方向内向きの旋回流が傾斜面を流れるときには旋回による遠心力の作用により流れが半径方向外向きに逆流する傾向があるので、境界層が平板の境界層以上に拡大する恐れがある。

本実施形態では、ハブ側翼型ノズル５１の翼５３を出た流れは案内板５５によって前縁４７近傍まで案内される。
ハブ側翼型ノズル５１を出た流れは、角運動量保存則にしたがって流れるので、理想的には対数らせん状の流れとなる。
案内板５５は対数らせん状断面形状とされているので、この理想的な流れを維持することができる。
なお、案内板５５は必要に応じて用いられるので、条件によってこれを省略してもよい。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について、図７および図８を用いて説明する。
本実施形態における斜流タービン１は、シュラウド側流入路４５の構成が前述した第二実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第二実施形態（第一実施形態）のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての重複した説明は省略する。
なお、前述した第一実施形態および第二実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
図７は、本体１３を縦断しその一部を示す部分断面図である。図８は、図７のＹ−Ｙ断面図である。

本実施形態では、シュラウド側流入路４５に、翼面が回転軸Ｃと略平行に形成された複数の翼５７で構成されたシュラウド側翼型ノズル５９が備えられている。シュラウド側翼型ノズル５９は翼面が回転軸と略平行に形成されているので、鋳物にて容易に製作することができる。
翼５７は、図８に示されるように円周に対して所定の角度（翼角）を持つように傾斜して取り付けられている。
翼５７の翼角は、図８に示されるように翼５３の翼角よりも大きくされている。これにより、シュラウド側翼型ノズル５９のスロート幅δｓ（流れが最も絞られる部分での幅）は、ハブ側翼型ノズル５１のスロート幅δｈよりも大きくなる。このため、シュラウド側翼型ノズル５９は、ハブ側翼型ノズル５１よりも流量が多くなる。

このように構成された本実施形態にかかる斜流タービン１の動作は、基本的に前述の第一実施形態および第二実施形態のものと同様であるので、重複した説明は省略し、異なる部分について説明する。
翼７の前縁４７における翼角は、ハブ側が、たとえば、４０度と大きく、シュラウド側は、たとえば、ラジアルタービンの動翼程度に小さくされている。言い換えると、シュラウド側の流れが示すタービン特性は反動タービンの特性となり、ハブ側の流れが示すタービン特性は衝動タービン特性となっている。

シュラウド側流入路４５を流れる排気ガスは、シュラウド側翼型ノズル５９の比較的小さな翼角に案内されて、比較的小さな翼角を持つ前縁４７のシュラウド側へ滑らかに流入する。一方、ハブ側流入路４１を流れる排気ガスは、ハブ側翼型ノズル５１の比較的大きな翼角に案内されて、比較的大きな翼角を持つ前縁４７のハブ側へ滑らかに流入する。
このように、シュラウド側翼型ノズル５９のスロート幅δｓがハブ側翼型ノズル５１のスロート幅δｈよりも大きくすることによって、ハブ側翼型ノズル５１ではハブ側の衝動タービン特性を持つ領域に適切なノズル翼角とし、シュラウド側翼型ノズル５９ではシュラウド側の反動タービン特性を持つ特性に適切なノズル翼角を持たせることができる。
なお、案内板５５は必要に応じて用いられるので、条件によってはこれを省略してもよい。

［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態について、図９〜図１７を用いて説明する。
本実施形態における斜流タービン１は、基本的構成が前述した第二実施形態のものと同じで、導入部１５の構成が異なる。したがって、ここではこの異なる点を主体に説明し、その他の構成要素については重複した説明を省略する。
なお、前述した第一実施形態〜第二実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
図９は、斜流タービン１の縦断面図である。図１０は、図９のＺ視図である。図１１は、図９のＷ視図である。図１２は、翼７およびハブ５を示す縦断面図である。

本実施形態にかかる斜流タービン１は、容量が広い範囲で変動できる可変容量タイプである。
タービン入り口と出口との圧力比が一定の場合、この斜流タービン１を適用したターボチャージャを乗用車やトラック等に搭載した場合、それらのエンジン特性から、斜流タービン１の最小流量と最大流量との流量比が１：３〜１：５の範囲で変化することが要求される。

導入部１５は略矩形断面とされている。導入部１５の内部空間は、入口分割壁６１によってハブ側空間３１と連通するハブ側流路６３と、シュラウド側空間３１と連通するシュラウド側流路６５とに分割されている。
入口分割壁６１は、矩形状をした内部空間の１辺に略平行に設置されている。入口分割壁６１は、ハブ側流路６３の断面面積がシュラウド側流路６５の断面面積よりも小さくなるように、それと略直交する辺の中間位置ＣＬに対してずれる位置に設置されている。

このずれ量は適宜設定されるが、ここではハブ側流路６３の断面面積がシュラウド側流路６５の断面面積の略半分となるようにされている。
すなわち、幅が約同一であるので、ハブ側流路６３の高さＡｈがシュラウド側流路６５の高さＡｓの略半分、言い換えると、Ａｈ：Ａｓ≒１：２とされている。

入口分割壁６１の上流部分である上流端には、流量可変弁（調節部材）６７が備えられている。
流量可変弁６７には、導入部１５および入口分割壁６１の上流端に回転可能に取り付けられた揺動軸６９と、略矩形状をし、その一辺が揺動軸６９に固定して取り付けられた弁体（板部材）７１と、揺動軸６９をその軸線中心回りに回転する油圧シリンダ７３とが備えられている。
矩形状をした導入部１５の内部空間は、揺動軸６９に沿う高さが略一定であり、弁体７１の揺動軸６９に沿う長さはこの高さと略同一とされている。

これにより、弁体７１が移動した場合にすべての開度において導入部１５の内壁面と弁体７１との隙間を一定に維持できる。また、弁体７１のシュラウド側を流れる流れは高さ方向にほぼ一様な流れとなりシュラウド側流路６５に流入し、弁体７１のハブ側を流れる流れは高さ方向にほぼ一様な流れとなりスクロールに流入することができる。

なお、導入部１５の内部空間の断面形状および弁体７１の形状は、矩形状に限らず、適宜形状とできる。
このとき、弁体７１が揺動する部分の導入部１５の内部空間の流路断面は、揺動軸６９に沿う高さが略一定とされ、弁体７１の揺動軸６９に沿う長さはこの高さと略同一とされているのが好適である。この形状としては、たとえば、直線部を有する長円形としてもよい。
このようにすると、揺動軸６９に直交する弁体７１の端部からの作動流体の漏れを略防止できるので、調節の精度を向上させ、効率の低下を防止できる。

弁体７１の最小長さおよび油圧シリンダ７３の伸縮範囲は、弁体７１がシュラウド側流路６５を全閉できるようにされている。
また、油圧シリンダ７３の伸縮範囲は、弁体７１がハブ側流路６３を狭くするように設定されたときの弁角度をマイナスと定義したとき、マイナス側への最大角度は−２０〜−３０度となるように制限されている。
弁体７１の最大長さは、マイナス側へ最大角度となったとき、先端部が形成する面積とハブ側流路６３の面積とが１：２．５以下の比率となるように設定されている。これは、弁体７１とスクロール壁で構成される流路がディフューザになるので、面積比が２．５を越えると圧力損失が急増するためである。

図１２に翼７の前縁４７形状を示す。半径線Ｋとハブ５の外周面に垂直な垂直線Ｖとの中間角度の直線を直線Ｈとし、シュラウド近傍の半径一定の直線Ｓとする。前縁４７の形状は、ハブ側は直線Ｈに沿い、シュラウド側は直線Ｓに略沿い、中間部分はこの２直線を結ぶ円弧で構成されている。
この形状により、シュラウド側ノズル５９後縁と前縁４７との距離、および、ハブ側ノズル５１の下流側に設けた案内板５５の後縁と前縁４７との距離、をほぼ一定に保つことが出来る。

また、前縁４７のハブ側の代表長さｂｈと、シュラウド側の代表長さｂｓとの関係を、ｂｈ：ｂｓ≒２：３にしている。
ハブ側翼型ノズル５１のスロート幅δｈと、シュラウド側翼型ノズル５９のスロート幅δｓをδｈ：δｓ≒３：４に設定している。
これにより、ハブ側翼型ノズル５１のスロート面積Ｓｈとシュラウド側翼型ノズル５９のスロート面積Ｓｔとの関係は２×３：３×４≒１：２になる。
すなわち、入口であるハブ側流路６３とシュラウド側流路６５との面積比と、出口であるスロート面積比が略同じに設定されたことになる。

このように構成された本実施形態にかかる斜流タービン１の動作は、基本的に前述の第一実施形態、第二実施形態および第三実施形態のものと同様であるので、重複した説明は省略し、異なる部分について説明する。

本実施形態によれば、導入部１５に流入する排気ガスは入口分割壁６１によってシュラウド側流路６５とハブ側流路６３とに分割される。
シュラウド側流路６５に流入した排気ガスはシュラウド側空間３１、シュラウド側流入路４５を通って翼７の前縁４７のシュラウド側に供給される。
一方、ハブ側流路６３に流入した排気ガスはハブ側空間３３、ハブ側流入路４１を通って翼７の前縁４７のハブ側に供給される。

このとき、シュラウド側流路６５およびハブ側流路６３はシュラウド側流路を全閉可能とされているので、ハブ側流路にのみ作動流体を流入させることができる。
また、シュラウド側流路６５が全閉されていない場合、排気ガスは弁体７１によって調節された流入割合に沿う流入量でシュラウド側流路６５およびハブ側流路６３に流入される。

弁体７１の位置によってハブ側の流路面積ＡｈＳとシュラウド側の流路面積ＡｓＳが各流路位置でどうなるかの関係を図１３に示している。
変化する節目の流路位置は、スクロールの入口である導入口１９の位置ＳＩ、弁体７１の先端である位置ＢＩ、入口分割壁６１の上流端である位置ＤＩ、ノズル入口半径ＮＩ位置およびノズル出口半径ＮＯ位置である。
弁体７１が入口分割壁６１の延長位置に位置している、いわゆる全開時には、位置ＳＩ、位置ＢＩおよび位置ＤＩにおけるハブ側の流路面積ＡｈＳおよびシュラウド側の流路面積ＡｓＳは線Ｚｏｓおよび線Ｚｏｈに示されるように一定で変化しない。

弁体７１がシュラウド側流路を完全に閉鎖している、いわゆる全閉時には、シュラウド側の流路面積ＡｓＳは線Ｚｓｓに示されるように位置ＢＩにおいて０で、位置ＤＩに向かって全開時の流路面積になるように増加する。一方、ハブ側の流路面積ＡｈＳは、線Ｚｓｈに示されるように位置ＢＩにて導入部１５の全流路面積で、位置ＤＩに向かって全開時の流路面積になるように減少する。

弁体７１がマイナスの角度に位置しているときには、シュラウド側の流路面積ＡｓＳは線Ｍｋｓに示されるように位置ＢＩにおいて弁体７１の上流端位置に対応する量増加し、位置ＤＩに向かって全開時の流路面積になるように減少する。一方、ハブ側の流路面積ＡｈＳは線Ｍｋｈに示されるように位置ＢＩにおいてシュラウド側の流路面積ＡｓＳの増加分に相当するだけ減少し、位置ＤＩに向かって全開時の流路面積になるように増加する。

ハブ側流路６３、ハブ側空間３３およびハブ側流入路４１は徐々に面積が低減されているので、位置ＤＩから位置ＮＯまでハブ側の流路面積は徐々に低減している。
シュラウド側流路６５、シュラウド側空間３１およびシュラウド側流入路４５は徐々に面積が低減されているので、位置ＤＩから位置ＮＯまでシュラウド側の流路面積は徐々に低減している。

全閉時には、排気ガスはハブ側流路６３のみを流れ、全開時には、ハブ側流路６３およびシュラウド側通路６５を流れる。
ハブ側流路６３の断面面積、すなわち、流路面積は、シュラウド側流路６５の断面面積、すなわち、流路面積の略半分とされているので、全閉時と全開時との流路面積比は１：３となる。
たとえば、前縁４７のハブ側に流入する作動流体の条件を略一定とすると、全閉時と全開時との流量比は１：３となる。

このように、入口分割壁６１はシュラウド側流路６５の流路断面積がハブ側流路６３の流路断面積の２倍となる位置に取り付けられているので、最小流量と最大流量との流量比を大きくすることができる。これにより、斜流タービン１の制御性およびエンジン側要求への対応性を向上させることができる。
さらに、全開時には、ハブ側流路６３およびシュラウド側流路６５に面積比に沿った量が流れるので、ハブ側流路６３およびシュラウド側流路６５を流れる排気ガスの流速がほぼ等しくなることにより、ハブ側流路６３およびシュラウド側流路６５の圧力損失を略等しくかつ最小にすることができる。

シュラウド側流路６５およびハブ側流路６３に流入した排気ガスはシュラウド側空間３１およびハブ側空間３３に流入する。
シュラウド側空間３１に流入した排気ガスは、シュラウド側流入路４５を通って翼７の前縁４７に供給される。ハブ側空間３３に流入した排気ガスは、ハブ側流入路４１を通って翼７の前縁４７に供給される。

このとき、第一実施形態で説明したように、翼７の前縁４７におけるハブ５の外周面６およびシュラウド部２７での壁面境界層の増加を防止でき、かつ、中間部分でのスクロール分割壁２９によるウエイクの影響を無くすことができるので、前縁４７が上流側に向かって凸とされている翼７によるインシデンス低減効果を確実に発揮させることができ、インシデンス損失を低減させることができる。

すなわち、図１４に示されるように、特許文献１の特性を持たない従来の斜流タービンでは、翼７の前縁４７は、ハブ５とシュラウド部２７との間で流れ角β７１が直線的に変化する。一方で翼角βｋ７３は放物線的に変化するため、翼高さの中央領域のインシデンスが最大限に増大している。
本実施形態では、翼７の前縁４７が上流側に向かって凸に形成されているので、流れ角β７５が小さくなる方向となり、図１４に示されるように曲線的に減少して変化する。
その結果特にハブ５とシュラウド部２７の中央部で翼角βｋ７３分布と流れ角β７５分布は接近し、インシデンスＩｎａとなる。すなわち、インシデンスが△Ｉｎだけ低減するので、その分インシデンス損失が軽減される。

図１５はハブ側ノズル５１と翼７のハブ側形状の関係を示している。ハブ側ノズル５１のスロート幅δｈは狭く、翼５３の傾斜角度は小さい。一方、翼７の前縁４７の翼角βｋｈは大きくされている。この様な形態のタービンは「衝動タービン」と呼ばれＵ／Ｃ０が小さいときに高効率となる。
図１６はシュラウド側ノズル５９と翼７のシュラウド側形状の関係を示している。シュラウド側ノズル５９のスロート幅δｓは広く、翼５７の傾斜角度は大きい。一方、翼７の前縁４７の翼角βｋｓは小さくされている。この様な形態のタービンは「反動タービン」と呼ばれＵ／Ｃ０が大きいときに高効率となる。

斜流タービン１を乗用車やトラックの可変容量ターボチャージャとして使う場合、加速時にはＵ／Ｃ０は０．５〜０．６まで小さくなり、一方最大出力時にはＵ／Ｃ０は０．７〜０．８まで高くなる。そして常用域ＵＡはＵ／Ｃ０が０．６〜０．７の範囲で使用される。
図１７は、斜流タービン１の無次元特性を示している。
弁体７１を全閉にすると、排気ガスはハブ側流路６３にのみを流れ、ハブ側流入路４１を通って前縁４７のハブ側に供給されるので、低Ｕ／Ｃ０で効率のよい全閉時特性７５を示す。

一方、全開時には、排気ガスはハブ側流路６３およびシュラウド側流路６５を流れ、前縁４７のハブ側およびシュラウド側に供給される。このとき、シュラウド側に供給される排気ガス量はハブ側に供給される排気ガス量の略２倍となるので、シュラウド側の流れの特性が主体となる。したがって、高Ｕ／Ｃ０で効率のよい全開特性７７を示す。
弁体７１が全開と全閉との中間位置になると、全閉時特性７５と全開時特性７７との中間に位置するような中間時特性７９を示す。

全閉時特性７５は、加速時作動点Ａ近辺で最大効率を示し、全開時特性７７は最大出力時作動点Ｍ近辺で最大効率を示している。また、中間開度時特性は、常用域ＵＡで高い効率を示すものもある。
このように、弁体７１の開度を調節することによって、加速時から最大出力時まで連続的に高効率な運転を行うことができる。
エンジンの作動点によってさらに大きなＵ／Ｃ０特性が必要になる場合には、弁体７１の角度をマイナス側に制御し、シュラウド側の特性とハブ側の特性の比率をシュラウド側の特性主体に制御することができる。

なお、本実施形態では、シュラウド側翼型ノズル５９、ハブ側翼型ノズル５１および案内板５５を用いているが、これらは必要に応じて用いられるので、条件によってこれを省略してもよい。すなわち、本実施形態にかかる導入路１５の構成は、第一実施形態、第二実施形態の構成に組み合わせるようにしてもよい。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１ 斜流タービン
３ ケーシング
５ ハブ
６ 外周部
７ 翼
１５ 導入部
２３ スクロール
２５ 外径側端縁
２７ シュラウド部
２９ スクロール分割壁
３１ シュラウド側空間
３３ ハブ側空間
３５ ハブ側分割壁面
３７ シュラウド側分割壁面
４１ ハブ側流入路
４５ シュラウド側流入路
４７ 前縁
４９ 翼型ノズル
５１ ハブ側翼型ノズル
５５ 案内板
５９ シュラウド側翼型ノズル
６１ 入口分割壁
６３ ハブ側流路
６５ シュラウド側流路
６７ 流量可変弁
７１ 弁体

Claims (6)

1. 上流側に位置する入口側端縁の形状線が上流側に向かって凸とされている斜流タービン動翼と、
   該斜流タービン動翼の外径側端縁を覆うシュラウド部を有するケーシングによって該斜流タービン動翼の上流側に形成され、該斜流タービン動翼の前記入口側端縁に向けて作動流体を供給する空間であるスクロールと、を備えている斜流タービンであって、
   前記スクロールは、スクロール分割壁によってシュラウド側空間とハブ側空間とに分割され、
   該スクロール分割壁の後縁側におけるシュラウド側分割壁面およびハブ側分割壁面は、それぞれそれらと対向する部分との間に前記作動流体が略半径方向に流れるシュラウド側流入路および前記斜流タービン動翼入口のハブ外周面の傾斜方向と略同等の方向に流れるハブ側流入路を形成し、前記ハブ側流入路にハブ側翼型ノズルが備えられ、該ハブ側翼型ノズルは、前記斜流タービン動翼の回転軸を中心とする円筒面で切断した時の翼表面を形成する上面および下面の切断線が、前記回転軸に略平行である斜流タービン。
2. 前記ハブ側翼型ノズルに、該ハブ側翼型ノズルの略延長部分となる案内板が、前記斜流タービン動翼の入口側端縁に接近する位置まで備えられている請求項１に記載された斜流タービン。
3. 前記シュラウド側流入路の下流部に、シュラウド側翼型ノズルが備えられ、該シュラウド側翼型ノズルは、前記斜流タービン動翼の回転軸を中心とする円筒面で切断した時の翼表面を形成する上面および下面の切断線が、前記回転軸に略平行であり、該シュラウド側翼型ノズルのスロート幅は前記ハブ側翼型ノズルのスロート幅よりも大きくされている請求項１または請求項２に記載された斜流タービン。
4. 前記スクロールの入口部分には、前記シュラウド側空間に連通するシュラウド側流路と前記ハブ側空間に連通するハブ側流路とに分割する入口分割壁が備えられ、
   該入口分割壁は、前記シュラウド側流路の流路断面積が前記ハブ側流路の流路断面積よりも大きくなる位置に取り付けられ、
   前記入口分割壁の上流側には、少なくとも前記シュラウド側流路を全閉可能とするとともに前記シュラウド側流路および前記ハブ側流路への前記作動流体の流入割合を調節する調節部材が備えられている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載された斜流タービン。
5. 前記調節部材は、前記入口分割壁の上流端を軸線中心として揺動可能とされた板部材を備えている請求項４に記載された斜流タービン。
6. 少なくとも前記板部材が揺動する部分の前記スクロールの前記入口部分の流路断面は、前記軸線中心に沿う高さが略一定とされ、前記板部材の前記軸線中心に沿う長さは前記高さと略同一とされている請求項５に記載された斜流タービン。

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