JP5762641B2 - 斜流タービン - Google Patents

Description

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

過渡応答性が要求されるターボチャージャでは、排気エネルギーを吸気圧力の上昇へ変換する「効率の向上」と、ターボチャージャ付きエンジンの出力増加の遅れ「所謂ターボラグ」の低減のための「回転加速度の向上」が要望されている。
そのため、コンプレッサ、タービンの効率向上と、タービンホイールの小型軽量化によるロータの慣性モーメントの低減を行い、加速時のターボエンジンのレスポンスの向上が行われている。

一般に、「空力的な効率向上」のためには、例えば翼枚数を増加し翼負荷を低減することが有効な手段であるが、一方で、重量が増加、慣性質量が増加するため、「回転加速度の低下」が生じるという問題があり、このような背反する効果を両立させる手段が要望されている。

タービンの効率低下を抑制するもの、特に斜流タービンにおける効率低下を抑制するものとして、本出願人は、特許文献１で示す斜流タービンの技術を提案している。
図１７を参照して、この特許文献１に開示されている斜流タービンについて説明する。

中心軸線Ｋを中心に回転するハブ２０５と、ハブ外周面２０６上に複数枚立設され、前縁２４７が上流側に向かって凸とされている動翼２０７と、動翼２０７の外径側端縁２２５を覆うシュラウド部２２７を有するケーシング２１３と、動翼２０７の上流側に形成され、動翼２０７の前縁２４７に向けて作動流体を供給する空間であるスクロール２２３と、を備えている斜流タービン２０１であって、スクロール２２３は、スクロール分割壁２２９によってシュラウド側空間２３１とハブ側空間２３３とに分割されている。

スクロール分割壁２２９の後縁側におけるシュラウド側分割壁面２３７およびハブ側分割壁面２３５は、それぞれそれらと略平行に対向して形成されるシュラウド側壁面２４３およびハブ側壁面２３９が形成されているので、それぞれの壁面間には、作動流体が略半径方向に流れるシュラウド側流入路２４５、および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２４１が形成されている。

このシュラウド側流入路２４５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２４３に平行に、且つ、動翼の入口側端縁に略直交するように流入する。このため、斜流タービン動翼入口のシュラウド側翼前縁にて適切な流れ角にて流れを動翼２０７の内部に導くことができる。
また、ハブ側流入路２４１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２０６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２０６に平行に且つ、動翼の翼前縁に略直交するように流入する。このため、斜流タービン動翼入口のハブ側翼前縁にて適切な流れ角にて流れを動翼２０７の内部に導くことができる。
また、ハブ側流入路２４１から動翼２０７に流入する流れはハブ外周面２０６の傾斜と略同等の角度を持って動翼２０７に流入するので、シュラウド側流入路２４５から略半径方向に動翼２０７に流入し動翼出口に向かって軸方向に転向するシュラウド側流入路２４５の流れを半径方向から軸方向に滑らかに転向させることができ、その結果、シュラウド部に生じる壁面境界層の増加を防止できるという特長を有する。

一方、作動流体は、シュラウド側流入路２４５においては略半径方向に流れ、一方、ハブ側流入路２４１においては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、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。
従って、シュラウド側流入路２４５およびハブ側流入路２４１を流れる作動流体は、スクロール分割壁２２９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２２９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。

なお、特許文献１のタービン動翼の前縁が上流側に向かって凸とされている動翼を有する斜流タービンについては特許文献２においても開示されている。

特開２００９−２８１１９７号公報 特許４２８８０５１号公報

図１８に、シュラウド側流入路２４５、およびハブ側流入路２４１から流入する動翼２０７のシュラウド側入口およびハブ側入口の代表半径における速度三角形を示す。

シュラウド側流入路２４５から流入する流れは、流れ角αがおおよそ２０〜３０度にて流速Ａにて動翼２０７に流入する。周方向速度Ｃは動翼２０７の旋回周速にほぼ一致した速度であり、相対流速Ｂである半径速度は流量を代表する速度である。
シュラウド側流入路２４５から流入する流れは、動翼２０７の内部で半径変化に伴い流れが動翼２０７に対して仕事をなし、周方向速度が低下し圧力が低下しながら吐出口に向かって流出する。

一方、ハブ側流入路２４１から流入する流れは、ハブ側入口Ｐ２の半径はシュラウド側入口Ｐ１より半径が小さいので、シュラウド側入口からの流れは半径の小さい領域に流れてゆき、圧力が低下した位置に流入するため、シュラウド側入口より大きな流速Ａ'でハブ側入口に流入する。
また、ハブ側入口の半径はシュラウド側入口より半径が小さいので、動翼前縁の旋回速度は半径比に比例して小さくなり、周方向速度Ｃ'となるため、ハブ側入口はシュラウド側入口の相対流速Ｂに比べて大きい相対流速Ｂ'で動翼２０７に流入する。

従って、ハブ側入口から流入する流れは、シュラウド側入口から流入する流れに比べて流速が高く、流れがタービンを通過する際に放出するエネルギーの内、動翼２０７内部での放出エネルギーの割合を示す値である反動度が、ハブ側の流れの方が小さくなる。

つまり、シュラウド側の流れは反動度が大きく動翼内部の流速が低くでき摩擦損失を低くできるので、高効率の流れとなる所謂反動タービンの特性を有する。
一方、ハブ側の流れは、反動度が小さく高速流れを動翼２０７で転向させる際の運動量の方向転換による力で動翼２０７を回転させるので、流れを高速まで加速するため摩擦損失が大きく、反動翼ほど効率が高くできないが、小さな直径の動翼で直径の大きな反動翼と同様の動力を発生できるという、所謂衝動タービンの特性を有する。

言い換えると、図１７に示すシュラウド側流入路２４５、およびハブ側流入路２４１から流入する動翼２０７のような形態を有した斜流タービンでは、ハブ側の衝動翼とシュラウド側の反動翼とで構成されているといえる。

このように、シュラウド側から流入する流れは、翼間の流速が低いので、摩擦損失が低く、半径変化に伴う角運動量の放出によって回転の動力に変換するので、動翼２０７の効率が高く、軸方向に転向した動翼出口では、圧力変化と流れの向きの転向により旋回速度を回転の動力に変換する。
一方、ハブ側の衝動翼は高速で動翼２０７に流入し、速度を高速に維持しながら流れの転向により流れの旋回速度を回転の動力に変換するので、インシデンスが小さいこと、高速の流れを転向できるだけの十分な翼枚数が必要である。

従って、従来の斜流タービンでは、翼枚数が少なく高速の流れを効率よく転向出来ないという問題を有していた。

本発明はかかる従来の斜流タービンの技術的課題に鑑み、ハブ側の衝動翼部分とシュラウド側の反動翼部分とで構成される斜流タービンのハブ側の衝動翼タービン特性を有する部分に、中間高さの中間翼を設けて、衝動翼タービン特性の改善および動翼全体の慣性モーメントの低減を図って、効率向上および過渡応答性を向上する斜流タービンを提供することを目的とする。

第１の発明はかかる目的を達成するため、作動流体が流入する前縁がハブ側とシュラウド側とを結ぶ線よりもハブ側とシュラウド側との中間部が上流側に凸状に形成されたタービン動翼と、該タービン動翼を覆うように形成され、該動翼の前縁に向けて作動流体を供給するスクロール部を備えたタービンハウジングと、前記スクロール部をシュラウド側空間とハブ側空間とに分割するスクロール分割壁と、該スクロール分割壁の内周側におけるシュラウド側分割壁面と該シュラウド側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体が略半径方向に前記動翼のシュラウド側入口に流れるシュラウド側流入路と、前記スクロール分割壁の内周側におけるハブ側分割壁面と該ハブ側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体がハブの傾斜方向と略同一方向に前記動翼のハブ側入口に流れるハブ側流入路と、を備え、
前記タービン動翼は、ハブ外周面上に周方向に複数枚立設されてハブ外周面とシュラウド部の内周面との間の全域にわたる高さを有して形成される主翼と、周方向において前記主翼の間に配設されるとともに、前記主翼の入口部から中間部にわたって、且つ前記主翼の高さの中間高さを有して配置される中間翼とによって構成され、前記中間翼の前縁に前記ハブ側流入路からの作動流体が流入するように構成され、
さらに、前記中間翼の前縁は前記主翼の前縁に一致するとともに、前縁の翼高さを前記シュラウド側流入路の流路幅とハブ側流入路の流路幅との比によって主翼に沿う流れをシュラウド側流路の流れとハブ側流路の流れとの流路面積に分割する子午面上での中心線の高さとほぼ同等もしくはその中心線より高い位置とし、さらに後縁の翼高さを前記前縁より高い位置に設けたことを特徴とする。

かかる発明によれば、図１に示すように、作動流体が流入する前縁がハブ側とシュラウド側とを結ぶ線（図１の線ｍ）よりもハブ側とシュラウド側との中間部が上流側に凸状に形成される。
スクロール分割壁によって、シュラウド側流入路とハブ側流入路とを有する斜流タービンは、前述したように、ハブ側の衝動翼部分とシュラウド側の反動翼部分とによって構成されているといえるので、周方向において主翼間に中間翼を配設し、この中間翼を主翼の入口部から中間部にわたって、且つ主翼の高さの中間高さを有するように構成することによって、さらに中間翼の前縁に前記ハブ側流入路からの作動流体を流入することによって、ハブ側の衝動タービン特性部分の翼枚数を、半径の大きい反動翼枚数を増やすことなく多くすることができる。

従って、従来の斜流タービンでは翼枚数が少ないために高速流を効率よく回転力に変換されていないという問題に対して、本発明では、小さな半径の衝動翼部分で大きな半径の反動翼部分と同等の単位流量あたりの動力を発生させ、所謂衝動タービンの特性を有効に利用することで、タービン動翼の慣性モーメントを増大することなく、斜流タービンの効率向上と過渡応答性の向上を両立できる。

また、それぞれの発明において好ましくは、前記タービン動翼の子午面形状において前記中間翼は、前記ハブ側流入路の流路幅の延長領域と前記シュラウド側流入路の延長領域との重なる領域に少なくとも設けられるとよい。

かかる構成によれば、前記タービン動翼の子午面形状において、前記ハブ側流入路の流路幅の延長領域に中間翼が存在すれば、前記ハブ側流入路からの流れを効率よく受け止めて所謂衝動タービンの特性を発揮できる。しかし、中間翼の後縁端を下流側に長く設置すると、主翼の翼間流路が狭くなり、流速が局所的に増減速を生じ流路損失が増大するため、損失が発生しない範囲に留める必要がある。このため、中間翼３９の後縁端をシュラウド側流入路からの流れを受け止めることのできる主翼前縁端から後縁までの全長のほぼ中間までとして、中間翼による流路損失を抑えることができる。

また、それぞれの発明において好ましくは、前記中間翼を前記主翼の間に周方向において複数枚設置するとよい。
このように中間翼を主翼間に複数枚設置することによって、斜流タービンの効率を維持しつつ、主翼の翼枚数を少なくすることができるため、タービン動翼の慣性モーメントをさらに減少できる。
また、複数枚設置する場合は中間翼の後縁端の位置が相互に異なっていてもよい。

また、第１の発明は、前記中間翼の前縁は前記主翼の前縁に一致するとともに、前縁の翼高さを前記シュラウド側流入路の流路幅とハブ側流入路の流路幅との比によって主翼に沿う流れをシュラウド側流路の流れとハブ側流路の流れとの流路面積に分割する子午面上での中心線の高さとほぼ同等もしくはその中心線より高い位置とし、さらに後縁の翼高さを前記前縁より高い位置に設けることを特徴とする。

このように、中間翼の前縁を主翼の前縁と一致させるとともに、前縁の翼高さを前記中心線の高さとほぼ同等もしくはその中心線より高い位置とすることによって、ハブ側の衝動翼部の翼前縁の負荷を各翼（主翼および中間翼の各翼）が均等に受けることができる。

また、後縁の翼高さを前縁の翼高さより高い位置に設けることによって、加速時においてハブ側の流量が増加した場合には、中間翼で流量の増加を確実に受け止めて、衝動翼の特性を有効に作用させるので過渡応性を改善できる（図４参照）。
また、ターボチャージャが定常的な作動をしているときには、反動翼の特性を有するシュラウド側の流量が増加するように制御されており、このような場合には、シュラウド側の流れを中間翼の後縁部分において角運動量を受け止めて回転動力に変換できる。従って、高効率の効果を得ることができる（図５参照）。

従って、シュラウド側とハブ側との流量のバランスが偏り、シュラウド側の流量が増加した場合にも、ハブ側の流量が増加した場合にも、中間翼はシュラウド側の流量が増加した場合には、シュラウド側の流れの角運動量を動力に変換する反動翼としての作用を有し、ハブ側の流量が増加した場合には、衝動翼としての作用を有することで、前者の場合には、高効率のタービンとして作用し、後者の場合には回転加速度の大きいタービンとして作用する。従って、エンジンの過渡応性を改善する効果と、定常運転の場合の高効率作動を両立することができる。

また、第２の発明は、作動流体が流入する前縁がハブ側とシュラウド側とを結ぶ線よりもハブ側とシュラウド側との中間部が上流側に凸状に形成されたタービン動翼と、該タービン動翼を覆うように形成され、該動翼の前縁に向けて作動流体を供給するスクロール部を備えたタービンハウジングと、前記スクロール部をシュラウド側空間とハブ側空間とに分割するスクロール分割壁と、該スクロール分割壁の内周側におけるシュラウド側分割壁面と該シュラウド側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体が略半径方向に前記動翼のシュラウド側入口に流れるシュラウド側流入路と、前記スクロール分割壁の内周側におけるハブ側分割壁面と該ハブ側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体がハブの傾斜方向と略同一方向に前記動翼のハブ側入口に流れるハブ側流入路と、を備え、前記動翼は、ハブ外周面上に周方向に複数枚立設されてハブ外周面とシュラウド部の内周面との間の全域にわたる高さを有して形成される主翼と、周方向において前記主翼の間に配設されるとともに、前記主翼の入口部から中間部にわたって、且つ前記主翼の高さの中間高さを有して配置される中間翼とによって構成され、前記中間翼の前縁に前記ハブ側流入路からの作動流体が流入するように構成され、さらに、前記中間翼の前縁は前記主翼の前縁半径より小さい位置に設けられるとともに、前記中間翼の上流から下流への全域に渡っての翼高さを、前記シュラウド側流入路の流路幅とハブ側流入路の流路幅との比によって主翼に沿う流れをシュラウド側流路の流れとハブ側流路の流れとの流路面積に分割する子午面上での中心線の高さとほぼ同一高さ、もしくはその中心線より高い位置で一定に維持されることを特徴とする。

このように、中間翼の前縁は主翼の前縁半径より小さい位置に設けられ、さらに中間翼の高さを、前記中間翼の上流から下流の全域に渡って、前記中心線の高とほぼ同一高さもしくは中心線より高い位置で一定に維持するので、すなわち、中間翼の前縁の位置、および全域にわたる翼高さを制限することによって、中間翼の半径方向の大きさを小さくすることができ、タービン動翼の慣性モーメントを減少できる。

また、第３の発明は、作動流体が流入する前縁がハブ側とシュラウド側とを結ぶ線よりもハブ側とシュラウド側との中間部が上流側に凸状に形成されたタービン動翼と、該タービン動翼を覆うように形成され、該動翼の前縁に向けて作動流体を供給するスクロール部を備えたタービンハウジングと、前記スクロール部をシュラウド側空間とハブ側空間とに分割するスクロール分割壁と、該スクロール分割壁の内周側におけるシュラウド側分割壁面と該シュラウド側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体が略半径方向に前記動翼のシュラウド側入口に流れるシュラウド側流入路と、前記スクロール分割壁の内周側におけるハブ側分割壁面と該ハブ側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体がハブの傾斜方向と略同一方向に前記動翼のハブ側入口に流れるハブ側流入路と、を備え、前記動翼は、ハブ外周面上に周方向に複数枚立設されてハブ外周面とシュラウド部の内周面との間の全域にわたる高さを有して形成される主翼と、周方向において前記主翼の間に配設されるとともに、前記主翼の入口部から中間部にわたって、且つ前記主翼の高さの中間高さを有して配置される中間翼とによって構成され、前記中間翼の前縁に前記ハブ側流入路からの作動流体が流入するように構成され、さらに、前記中間翼の前縁は前記主翼の前縁半径より小さい位置に設けられるとともに、前記中間翼の上流から下流への全域に渡っての翼高さを、前記シュラウド側流入路の流路幅とハブ側流入路の流路幅との比によって主翼に沿う流れをシュラウド側流路の流れとハブ側流路の流れとの流路面積に分割する子午面上での中心線より高い位置で、且つ後縁の翼高さを前縁より高い位置に設けられることを特徴とする。

このように、中間翼の後縁の翼高さを前記前縁より高い位置に設けるので、前述したように、シュラウド側とハブ側との流量のバランスが偏り、シュラウド側の流量が増加した場合にも、ハブ側の流量が増加した場合にも、中間翼はシュラウド側の流量が増加した場合には、シュラウド側の流れの角運動量を動力に変換する反動翼としての作用を有し、ハブ側の流量が増加した場合には、衝動翼としての作用を有することで、前者の場合には、高効率のタービンとして作用し、後者の場合には回転加速度の大きいタービンとして作用する。従って、エンジンの過渡応性を改善する効果と、定常運転の場合の高効率作動を両立することができる。
しかも、中間翼の前縁は前記主翼の前縁半径より小さい位置に設けられるので、中間翼の半径方向の大きさを小さくすることができ、タービン動翼の慣性モーメントの減少もさらに達成できる。

さらに、第２、第３の発明において好ましくは、前記中間翼の前縁の半径を前記中間翼のハブへの取り付け半径とほぼ等しい半径に設定されるとよく、タービン動翼の慣性モーメントをさらに減少できる。
また、中間翼の前縁半径を中間翼のハブへの取り付け半径とほぼ等しい半径にするため、中間翼のハブ外表面への固定が安定化する効果も有している。

また、第４の発明は、作動流体が流入する前縁がハブ側とシュラウド側とを結ぶ線よりもハブ側とシュラウド側との中間部が上流側に凸状に形成されたタービン動翼と、該タービン動翼を覆うように形成され、該動翼の前縁に向けて作動流体を供給するスクロール部を備えたタービンハウジングと、前記スクロール部をシュラウド側空間とハブ側空間とに分割するスクロール分割壁と、該スクロール分割壁の内周側におけるシュラウド側分割壁面と該シュラウド側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体が略半径方向に前記動翼のシュラウド側入口に流れるシュラウド側流入路と、前記スクロール分割壁の内周側におけるハブ側分割壁面と該ハブ側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体がハブの傾斜方向と略同一方向に前記動翼のハブ側入口に流れるハブ側流入路と、を備え、前記動翼は、ハブ外周面上に周方向に複数枚立設されてハブ外周面とシュラウド部の内周面との間の全域にわたる高さを有して形成される主翼と、周方向において前記主翼の間に配設されるとともに、前記主翼の入口部から中間部にわたって、且つ前記主翼の高さの中間高さを有して配置される中間翼とによって構成され、前記中間翼の前縁に前記ハブ側流入路からの作動流体が流入するように構成され、さらに、前記中間翼の前縁を前記主翼の前縁に一致させ、該中間翼の翼高さを後縁に向かうにつれて低くすることを特徴とする。
このように構成することで、ハブ側の衝動翼の作用を、主に中間翼の前縁側で負担させて、中間翼の下流側の部分の流路抵抗を低減するとともに、慣性モーメントの低減に寄与することができる。

また、それぞれの発明において好ましくは、前記中間翼の翼先端を円弧状の断面に形成するとよい。
図１１は、図３のＩ−Ｉ断面図であり、この図１１で示すように、主翼に流入する作動流体のシュラウド側の流れの流線Ｒは、中間翼の翼先端を交差するように流れる。
従って、中間翼の翼先端は、翼前縁としての機能を有する必要があり、中間翼の翼先端を円弧状の断面形状に形成することによって、中間翼の先端を交差する流れが中間翼の負圧面で剥離を生じ損失が増大することを防止できる。

また、第５の発明は、作動流体が流入する前縁がハブ側とシュラウド側とを結ぶ線よりもハブ側とシュラウド側との中間部が上流側に凸状に形成されたタービン動翼と、該タービン動翼を覆うように形成され、該動翼の前縁に向けて作動流体を供給するスクロール部を備えたタービンハウジングと、前記スクロール部をシュラウド側空間とハブ側空間とに分割するスクロール分割壁と、該スクロール分割壁の内周側におけるシュラウド側分割壁面と該シュラウド側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体が略半径方向に前記動翼のシュラウド側入口に流れるシュラウド側流入路と、前記スクロール分割壁の内周側におけるハブ側分割壁面と該ハブ側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体がハブの傾斜方向と略同一方向に前記動翼のハブ側入口に流れるハブ側流入路と、を備え、前記動翼は、ハブ外周面上に周方向に複数枚立設されてハブ外周面とシュラウド部の内周面との間の全域にわたる高さを有して形成される主翼と、周方向において前記主翼の間に配設されるとともに、前記主翼の入口部から中間部にわたって、且つ前記主翼の高さの中間高さを有して配置される中間翼とによって構成され、前記中間翼の前縁に前記ハブ側流入路からの作動流体が流入するように構成され、さらに、前記主翼および中間翼の前縁の圧力面と負圧面とによって形成される翼前縁開き角度を、作動流体の圧力変動に伴って変化する前記前縁への作動流体の流入角度の変化に相当する角度に設定するとともに、前記圧力変動が高圧側に上昇したときにおける前記前縁への流入方向が前記負圧面の接線方向に略一致するかもしくは接線方向より圧力面側に向かうように設定することを特徴とする。

図１３に示すように、ターボチャージャをエンジンに搭載した場合にはタービン入口に流入する排ガス圧力は、往復動エンジンの気筒数や加速の程度により変動する。この圧力変動が生じている場合には、ハブ側の衝動タービン部分には、この圧力変動の変化と同様の絶対流速の変化が生じ、その結果、動翼への流入角度に変化が生じる場合が多い。
従って、図１４に示すように、主翼および中間翼の前縁部分の前縁開き角度を作動流体の圧力変動に伴って変化する前記前縁への作動流体の流入角度の変化に相当する角度に設定することによって、中間翼および主翼の前縁部分において、作動流体の圧力変動に伴う流れ損失の増大を防止でき高効率化できる。

さらに、前記圧力変動が高圧側に上昇したときにおける前記前縁への流入方向が前記負圧面の接線方向に略一致するかもしくは接線方向より圧力面側に向かうように設定するので、負圧面における流れの剥離を防止でき、作動流体の圧力変動に伴う衝動翼部分での流れ損失を防止でき、高効率化を図ることができる。

また、それぞれの発明において好ましくは、前記主翼の回転軸に直角方向の断面形状において、主翼の前縁部分を回転方向に湾曲させて、回転方向とは逆方向に凸形状をなすとよい。

図１５に示すように、回転半径に対応して周速Ｕは低下し、絶対流速Ｖの周方向成分である旋回流速Ｖｃは、自由渦の関係を満足しながら半径内向きに流れるので、半径が小さくなると旋回流速が大きくなり、その結果、相対流速Ｗが、主翼の翼前縁近傍において、回転方向から翼にぶつかるように流入するようになる（図１５参照）。この翼前縁から内側に入るに従って相対流速Ｗが回転方向に向きを変えて翼に向かう。このため、翼負荷が増大する。

従って、翼前縁部において、翼前縁の中心線を回転方向に湾曲させて、回転方向とは逆方向に凸形状にさせることにより、翼前縁から内側に入ると相対流速Ｗが回転方向に向きを変えて翼に向かう流れが翼にぶつかるように流入せずに、翼に沿うようになるため、翼前縁の衝突損失を低減でき翼負荷を低減できる。
これにより、主翼の翼枚数を少なくすることによって生じる、主翼の翼前縁の負荷が増大する課題に対応できる。

また、それぞれの発明において好ましくは、前記ハブ側流入路に中心軸線と平行な翼面からなるノズルと、同ノズルの下流側に後縁が前記動翼の前縁に対向するように配置された案内板とを備えるとよい。

このように構成することによって、ハブ側流入路を流れて中間翼前縁に流入する作動流体の流れが加速または理想的な旋回流となるため、動翼の所謂衝動タービンの特性を有する部分への流入速度を高めて過渡応答性が向上される。

本発明によれば、作動流体が流入する前縁がハブ側とシュラウド側とを結ぶ線よりもハブ側とシュラウド側との中間部が上流側に凸状に形成されるとともに、スクロール分割壁によって、シュラウド側流入路とハブ側流入路とを有する斜流タービンであって、タービン動翼のハブ側の衝動翼タービン特性を発揮する部分の主翼間に、中間高さの中間翼を設けて、衝動翼タービン特性の改善を行うとともに、動翼全体としての慣性モーメントの低減を図ることによって、効率向上および過渡応答性を向上できる。

本発明の第１実施形態にかかる斜流タービンの要部断面図である。 第１実施形態にかかる斜流タービンのタービン動翼を示す斜視説明図である。 第２実施形態にかかる斜流タービンの子午面形状を示す。 第２実施形態においてハブ側流路の流量が増加した場合の説明図である。 第２実施形態においてシュラウド側流路の流量が増加した場合の説明図である。 第３実施形態にかかる斜流タービンの子午面形状を示す。 第４実施形態にかかる斜流タービンの子午面形状を示す。 第４実施形態の中間翼の変形例を示す。 第４実施形態におけるハブ側流路とシュラウド側流路の流量変化の説明図である。 第５実施形態にかかる斜流タービンの子午面形状を示す。 第６実施形態にかかる斜流タービンを示し、図３のＩ−Ｉ断面図である。 第７実施形態を示す動翼形状の円筒展開図である。 第７実施形態に関し、タービン入口の圧力変動特性を示す説明図である。 第７実施形態の中間翼の翼前縁開き角度を示す説明図である。 第８実施形態にかかる主翼前縁部の形状、および速度三角形を示す説明図である。 第９実施形態を示し、斜流タービンの要部断面図である。 第９実施形態の翼型ノズルおよび案内板の説明図である。 従来技術の斜流タービンの子午面形状を示す。 従来技術の斜流タービンのタービンホイールの斜視形状および速度三角形を示す。

以下、本発明に係る実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施形態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。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１、２を参照して説明する。
本発明の斜流タービン１は、車両エンジンの過給機（ターホチャージャ）に用いられる例について説明する。
図１において、斜流タービン１には、タービンハウジング３と、タービンハウジング３内に回転可能に支持されて収納されたタービンホイール５とが備えられている。このタービンホイール５は、回転軸７と、該回転軸７に一体成形または溶接で結合されたハブ９と、ハブ９の外周面に立設されたタービン動翼（動翼）１１とを備え、タービンハウジング３内に形成されたカタツムリ状のスクロール室（スクロール部）１３によって回転軸７の中心軸線Ｋ周りの速度を持った旋回流れが作られて、タービンホイール５の外周側を旋回する。

また、回転軸７は、図示しない軸受けによって軸受けハウジングに支持されるようになっている。回転軸７の一端側には前記タービンホイール５が取り付けられ、他端側にはターボ圧縮機の回転軸が接続され、エンジンからの排ガス（作動流体）によってタービンホイール５を介して回転された回転軸７を介してターボ圧縮機を回転し、吸気を圧縮してエンジンに供給するようになっている。

タービンハウジング３のタービンホイール５の外周側には、動翼１１の外径側端縁１４を覆うシュラウド部１５が形成されている。
また、タービンハウジング３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１７が設けられている。スクロール室１３はスクロール分割壁１７によってシュラウド側空間１９とハブ側空間２１とに分割されている。

スクロール分割壁１７の内周側のハブ側は、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２３を形成している。スクロール分割壁１７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２５を形成している。
タービンハウジング３のハブ側におけるハブ側分割壁面２３に対向するハブ側部材のハブ側壁面２７は、ハブ側分割壁面２３と略平行となるように形成されており、ハブ側分割壁面２３との間にハブ側流入路２９を形成している。
ハブ側流入路２９は、ハブ９のハブ外周面３１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。

タービンハウジング３のシュラウド側におけるシュラウド側分割壁面２５に対向するシュラウド側壁面３３は、シュラウド側分割壁面２５と略平行となるように形成されており、シュラウド側分割壁面２５との間にシュラウド側流入路３５を形成している。
シュラウド側分割壁面２５は略半径方向に延在するので、シュラウド側流入路３５は略半径方向に沿って延在している。

動翼１１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外周面３１に立設されている。また、図２に示すように、動翼１１は、ハブ外周面３１上に周方向に複数枚立設されてハブ外周面３１とシュラウド部１５の内周面との間の全域にわたる高さを有して形成される主翼３７と、周方向において隣接する主翼３７間に配設されるとともに、主翼３７の入口部分から中間部分にわたって、且つ主翼３７の高さの中間高さを有して配置される中間翼３９とによって構成されている。

主翼３７の前縁４１と外径側端縁１４との交点は、ハブ９と前縁４１との交点よりも半径方向において外側に位置している。
また、主翼３７には、排ガスの流れ方向上流側に位置する前縁４１が備えられている。前縁４１は、図１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。
すなわち、作動流体が流入する前縁４１は、ハブ側とシュラウド側とを結ぶ線ｍよりもハブ側とシュラウド側との中間部が、上流側に凸状に形成された形状をしている。
前縁４１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。前縁４１のシュラウド側部分でシュラウド側入口４３を形成し、ハブ側部分でハブ側入口４５を形成している。シュラウド側入口４３は中心半径Ｒａ、ハブ側入口４５は中心半径Ｒｂを有している。

中間翼３９は、図１に示すように、子午面形状においてハブ側流入路２９の流路幅の延長領域とシュラウド側流入路３５の延長領域との重なる領域に少なくとも設けられている。本実施形態においては、重なる領域のほぼ全域に形成されている。
すなわち、中間翼３９の前縁は、主翼３７の前縁の形状に一致させ、中間翼高さｈ２は、ハブ側流入路２９の流路幅を有しており、主翼３７の翼高さｈ１に比べて中間高さを有している。中間翼３９の後縁は、シュラウド側流入路３５の延長領域における後縁部分にほぼ一致させて、または少し長く形成されている。

ハブ側流入路２９の流路幅の延長領域に中間翼３９が存在することで、ハブ側流入路２９からの流れを効率よく受け止めて所謂衝動タービンの特性を発揮できる。しかし、中間翼３９の後縁端を下流側にあまり長く設置すると、流速が局所的に増減速を生じ主翼３７の翼間流路が狭くなり、流路損失が増大するため、損失が発生しない範囲に留める必要がある。このため、中間翼３９の後縁をシュラウド側流入路３５からの流れを受け止めることのできる主翼前縁端から後縁までの全長のほぼ中間までとして、中間翼３９による流路損失を抑えている。

中間翼３９の形状を以上のようにすることで、ハブ側の衝動タービン特性部分の翼枚数を、半径の大きい反動翼枚数を増やすことなく多くすることができる。所謂衝動タービン特性を有するハブ側の部分を有効に利用するものである。
従って、従来の斜流タービンでは翼枚数が少ないために高速流を効率よく回転力に変換されていないという問題に対して、主翼の枚数を増加することなく中間翼の増加によって、または主翼の枚数を減らし中間翼の枚数を増やす等によって、タービン動翼の慣性モーメントの増大を抑制して、斜流タービンの効率向上と過渡応答性を向上できる。

ハブ側の衝動タービン特性、およびシュラウド側の反動タービン特性ついては、既に、図１７、図１８を基に説明しているが、図１８の速度三角形を参照して、図１の構成を基に再度説明する。
図１において、シュラウド側流入路３５から流入する流れは、図１８の流れ角αがおおよそ２０〜３０度にて流速Ａにて動翼１１に流入する。周方向速度Ｃは動翼１１の旋回周速にほぼ一致した速度であり、相対流速Ｂである半径速度は流量を代表する速度である。
シュラウド側流入路３５から流入する流れは、動翼１１の内部で半径変化に伴い流れが動翼１１に対して仕事をなし、周方向速度が低下し圧力が低下しながら吐出口に向かって流出する。

一方、ハブ側流入路２９から流入する流れは、ハブ側入口４５の半径Ｒｂはシュラウド側入口４３の半径Ｒａより小さいので、シュラウド側入口からの流れは半径の小さい領域に流れてゆき、圧力が低下した位置に流入するため、シュラウド側入口４３より大きな流速Ａ'でハブ側入口４５に流入する。
また、ハブ側入口４５の半径Ｒｂはシュラウド側入口４３の半径Ｒａより小さいので、動翼前縁の旋回速度は半径比に比例して小さくなり、周方向速度Ｃ'となるため、ハブ側入口４５ではタービン動翼１１のシュラウド側入口４３の相対流速Ｂに比べて大きい相対流速Ｂ'で流れが動翼１１に流入する。

従って、ハブ側入口４５から流入する流れは、シュラウド側入口４３から流入する流れに比べて流速が高く、流れがタービンを通過する際に放出するエネルギーの内、動翼１１内部での放出エネルギーの割合を示す値である反動度が、ハブ側の流れの方が小さくなる。

つまり、シュラウド側の流れは反動度が大きく動翼内部の流速が低くでき摩擦損失を低くできるので、高効率の流れとなる所謂反動タービンの特性を有する。
一方、ハブ側の流れは、反動度が小さく高速流れを動翼１１で転向させる際の運動量の方向転換による力で動翼１１を回転させるので、流れを高速まで加速するため摩擦損失が大きく、反動翼ほど効率が高くできないが、小さな直径の動翼で大きな反動翼と同様の動力を発生できるという、所謂衝動タービンの特性を有する。

なお、図２に示すように中間翼３９を、主翼３７、３７間に１枚設置した例を示しているが、周方向に複数枚並べて設置してもよい。また、複数枚設置する場合は中間翼３９の後縁端の位置が相互に異なっていてもよい。このように中間翼３９を主翼３７、３７間に複数枚設置することで、斜流タービンの効率を維持しつつ、さらに、主翼３７の翼枚数を少なくすることができ、タービン動翼１１の慣性モーメントをさらに減少できる。

（第２実施形態）
次に、図３〜図５を参照して、第２実施形態を説明する。
第２実施形態は、図１の中間翼３９の子午面形状の変形例であり、第２実施形態の中間翼４７は、後縁部分の高さを前縁部分より高くしたものである。

図３のラインＮは、シュラウド側流入路３５の流路幅とハブ側流入路２９の流路幅との比によって主翼３７に沿う流れをシュラウド側流路の流れとハブ側流路の流れとの流路面積に分割する子午面上での中心線を示す。
また、ラインＰは、シュラウド側流路の流れの中心線を示し、ラインＱは、ハブ側流路の流れの中心線を示す。

そして、中間翼４７の前縁は前記主翼３７の前縁４１に一致するとともに、中間翼の前縁の翼高さＥを、前記中心線Ｎの高さＮ１とほぼ同等、もしくはその中心線Ｎより僅かに高い位置とし、前記中間翼４７の後縁の翼高さＦを前縁より高い位置（Ｅ＜Ｆ）に設定されている。

このように、中間翼４７の前縁を主翼３７の前縁に一致させるとともに、中間翼４７の前縁の翼高さＥを中心線Ｎの高さＮ１とほぼ同等もしくは僅かに高い位置とすることによって、ハブ側の衝動翼特性を発揮する翼前縁部分の負荷を、各翼（主翼３７および中間翼４７の各翼）によって均等に受けることができる。

また、後縁の翼高さＦを、前縁の翼高さＥより高い位置（Ｅ＜Ｆ）に設けるため、加速時においてハブ側の流量が増加して、シュラウド側流路の流れの中心線Ｐと、ハブ側流路の流れの中心線Ｑが共に、シュラウド側に偏り、それぞれＰ１、Ｑ１になった場合には、中間翼４７でハブ側流路の流れの中心線Ｑ１を確実に受け止めることができるため（図４参照）、中間翼４７を衝動翼の特性として有効に作用させことができ、過渡応答性を改善できる。

さらに、ターボチャージャが定常的な作動をしているときには、反動翼の特性を有するシュラウド側の流量が増加するように制御されており、このような場合には、すなわちシュラウド側流路の流れの中心線Ｐと、ハブ側流路の流れの中心線Ｑが共に、ハブ側に偏りそれぞれＰ２、Ｑ２になるが、シュラウド側の流れを中間翼４７の後縁部分において受け止めて、角運動量を回転動力に変換できる（図５参照）。従って、中間翼４７を反動翼の特性として作用させて高効率の効果を得ることもできる。

すなわち、シュラウド側とハブ側との流量のバランスが偏り、シュラウド側の流量が増加した場合にも、ハブ側の流量が増加した場合にも中間翼４７は、シュラウド側の流量が増加した場合には、シュラウド側の流れ角運動量を動力に変換する反動翼としての作用を有し、ハブ側の流量が増加した場合には、衝動翼としての作用を有することで、前者の場合には、高効率のタービンとして作用し、後者の場合には回転加速度の大きいタービンとして作用する。従って、エンジンの過渡応性を改善する効果と、定常運転の場合の高効率作動を両立することができる。

（第３実施形態）
次に、図６を参照して、第３実施形態を説明する。
第３実施形態は、図１の中間翼３９の子午面形状の変形例であり、第３実施形態の中間翼４９の前縁は主翼３７の前縁半径より小さい位置に設けられるとともに、中間翼４９の上流から下流への全域に渡っての翼高さＧ１を、図６のラインＮで示す中心線の高さＮ１とほぼ同一高さ、もしくはその中心線Ｎより、僅かに高い位置で一定に維持されている。

また、図６に示すように、中間翼４９の前縁は、中間翼４９のハブ９への取り付け半径Ｒｃとほぼ等しい半径に設定されており、翼高さＧ１は、高さＮ１+ｄで中心線Ｎが含まれる高さに設定されている。
中間翼４９の後縁は、第１実施形態と同様に、シュラウド側流入路３５の延長領域における後縁部分にほぼ一致させて、または少し長く形成されている。

本実施形態によれば、中間翼４９の前縁は主翼３７の前縁半径より小さい位置に設けられ、さらに中間翼４９の高さＧ１を、中心線Ｎの高より若干高い位置で上流から下流にわたって一定に維持するので、すなわち、中間翼４９の前縁の位置、および全域にわたる翼高さを制限することによって、中間翼４９の半径方向の大きさを第１、第２実施形態の中間翼３９、４７より小さくすることができ、動翼１１の慣性モーメントを減少できる。
また、中間翼４９の前縁半径を中間翼４９のハブ９への取り付け半径Ｒｃとほぼ等しい半径にするため、中間翼４９のハブ外周面３１への固定が安定する。

（第４実施形態）
次に、図７〜９を参照して、第４実施形態を説明する。
第４実施形態の中間翼５１は、前記第３実施形態の中間翼４９の翼高さを、前縁より後縁を高い位置に設けたものである。

図７に示すように、中間翼５１の前縁は、中間翼５１のハブ９への取り付け半径Ｒｃとほぼ等しい半径に設定されており、翼高さＧ２は、高さＮ１+ｄで中心線Ｎが含まれる高さに設定されている。
中間翼５１の後縁は、第１実施形態と同様に、シュラウド側流入路３５の延長領域における後縁部分にほぼ一致させて、または少し長く形成されている。後縁の翼高さＧ３は、前縁より高く設定されている。

なお、図８、９は、図７の変形例であり、図７の前縁が半径Ｒｃで一定に延びて、後縁と一致した場合を示している。この中間翼５３の前縁と後縁との間の中間部分が存在せず、前縁と後縁とが交差する形状を有ており、ほぼ三角形状に形成されている。

図７〜９のように、後縁の翼高さＧ３は、前縁の翼高さＧ２より高い位置（Ｇ２＜Ｇ３）に設けるため、加速時においてハブ側の流量が増加して、シュラウド側流路の流れの中心線Ｐと、ハブ側流路の流れの中心線Ｑが共に、シュラウド側に偏り、それぞれＰ１、Ｑ１になった場合でも、中間翼５１、５３でハブ側流路の流れの中心線Ｑ１を確実に受け止めることができるため（図８参照）、中間翼５１、５３を衝動翼の特性として有効に作用させことができ、過渡応答性を改善できる。

さらに、ターボチャージャが定常的な作動をしているときには、反動翼の特性を有するシュラウド側の流量が増加するように制御されており、このような場合には、シュラウド側流路の流れの中心線Ｐと、ハブ側流路の流れの中心線Ｑが共に、ハブ側に偏りそれぞれＰ２、Ｑ２になるが、シュラウド側の流れを中間翼５１、５３の後縁部分において受け止めて、角運動量を回転動力に変換できる（図９参照）。従って、中間翼５１、５３を反動翼の特性として作用させて高効率の効果を得ることもできる。

すなわち、第２実施形態と同様に、シュラウド側とハブ側との流量バランスの変化へ対応することができるとともに、第２実施形態に比べて、半径が小さいため、中間翼５１、５３の慣性モーメントを低減でき、動翼１１の慣性モーメントをより減少できる。

（第５実施形態）
次に、図１０を参照して、第５実施形態を説明する。
第５実施形態の中間翼５５は、前縁を主翼３７の前縁に一致させて翼高さを後縁に向かうにつれて低くしたものである。

図１０に示すように、中間翼５５の前縁は、主翼３７の前縁の形状に一致させ、中間翼５５の前縁高さＧ２は、図１０のラインＮで示す中心線の高さＮ１とほぼ同一高さ、もしくはその中心線Ｎより若干高い位置とし、中間翼５５の後縁は、シュラウド側流入路３５の延長領域における後縁部分にほぼ一致させて形成され、前縁から後縁にかけて翼高さが低下するように形成されている。

本実施形態によれば、ハブ側の衝動翼の作用を、主に中間翼の前縁側で負担させて、中間翼の下流側の部分の流路抵抗を低減するとともに、慣性モーメントの低減に寄与することができ。

（第６実施形態）
次に、図１１を参照して、第６実施形態を説明する。
第６実施形態は、主翼３７の前縁および中間翼３９（４７、４９、５１、５３、５５）の翼先端の形状を円弧状の断面形状とするものである。

図１１は、図３のＩ−Ｉ線の断面図を示し、主翼３７の前縁、および中間翼３９の翼先端が円弧形状に形成されている。
このように、円弧形状に形成されるため、図１１で示すように、シュラウド側の流れの流線Ｓは、中間翼３９の翼先端を交差するように流れる。このため、中間翼３９の翼先端は、翼前縁としての機能を有する必要があり、中間翼３９等の翼先端を円弧状の断面に形成することによって、中間翼３９等の先端を交差する流れが中間翼の負圧面で剥離を生じ損失が増大することを防止できる。

また、中間翼３９等の後縁は、翼先端を意味するほぼ直線状の線と、半径方向を向いた線を曲線で接続した形状を有しており、翼先端と後縁は構造的に明確な区別を持つことはなく、後縁および翼先端の後縁近傍では、下流ほど翼先端の円弧状の半径を小さくするように設定されるとよく、このように設定されると後縁でのウエイクの発生を防止でき、効率低下の防止に寄与できる。

（第７実施形態）
次に、図１２〜１４を参照して、第７実施形態を説明する。
第７実施形態は、第１実施形態の主翼３７および中間翼３９の前縁の圧力面と負圧面とによって形成される翼前縁開き角度を設定した翼前縁の断面形状に関するものである。

図１２は、第１実施形態の動翼１１の主翼３７と中間翼３９とを、ハブ外周面３１またはハブ側流れの代表流線で切断した断面形状を、代表半径（例えば、動翼１１のハブ取付半径Ｒｃ）の円筒上に投影した形状の展開図を示す。

図１４は、図１２の翼前縁部分の拡大図を示し、主翼３７の前縁、および中間翼３９の前縁の圧力面Ｚ１と負圧面Ｚ２とのなす角度である翼前縁開き角度θは、作動流体の排ガスの圧力変動に伴って変化する前縁への排ガスの流入角度の変化に相当する角度に設定されている。
すなわち、動翼１１の入口速度三角形に示すように、作動流体の排ガスの圧力変動に伴って、タービン入口圧力Ｐｓが上昇した場合と、低下した場合とにおいて、その時の相対流速の流入角度の変化に相当する角度が、翼前縁開き角度θとして設定されている。

図１３に示すように、エンジンにターボチャージャを搭載した場合のタービン入口圧力Ｐｓは、往復動エンジンの気筒数や加速の程度により変動し、定常時においても圧力変動が生じており、±１０〜１５％の圧力変動が生じる。
この圧力変動が生じている場合には、ハブ側の衝動タービン特性を有する部分には、この圧力変動の変化同等の絶対流速の変化が生じ、その結果、動翼に流入する相対流れの流入角度βは、おおよそ３０°〜４０°の変化をする。

そこで、タービン入口圧力Ｐｓが上昇した場合と、低下した場合との変化における相対流速の流入角度の変動相当角度が、翼前縁開き角度θとして設定される。
また、図１４に示すように、主翼３７の前縁、および中間翼３９の前縁の負圧面Ｚ２と周方向とのなす角度である翼角度ωは、タービン入口圧力Ｐｓが上昇した場合の流入角度βと同等、もしくは流入角度βより小さく設定される。

この翼前縁開き角度θを、相対流速の流入角度の変動相当角度に設定すること、および、負圧面Ｚ２を、圧力が上昇した場合の流れ角に比べてほぼ同等かそれよりも小さく設定することによって、負圧面Ｚ２における剥離を防止でき、圧力の変動に伴う衝動翼部分における流れの損失を低減できる。
従って、衝動翼部分におけるタービン入口圧力の変動による流入方向の変動に伴う損失増大を防止できる。

（第８実施形態）
次に、図１５を参照して、第８実施形態を説明する。
第８実施形態は、図３の第２実施形態の主翼３７の回転軸に直角方向のＩ−Ｉ線断面形状において、主翼３７の前縁を回転方向に湾曲させて、回転方向とは逆方向に凸形状をなすものである。

図１５に示すように、回転半径に対応して周速Ｕは低下し、絶対流速Ｖの周方向成分である旋回流速Ｖｃは、自由渦の関係を満足しながら半径内向きに流れるので、半径が小さくなると旋回流速が大きくなり、その結果、相対流速Ｗが、主翼の翼前縁近傍において、回転方向から翼にぶつかるように流入するようになる（図１５参照）。この翼前縁から内側に入ると相対流速Ｗが回転方向に向きを変えて翼に向かうため、翼負荷が増大する。

従って、翼前縁において、翼前縁の中心線を回転方向に湾曲させて、回転方向とは逆方向に凸形状にさせる湾曲部６１を形成することにより、翼前縁から内側に入ると相対流速Ｗが回転方向に向きを変えて翼に向かう流れが翼にぶつかるように流入せずに、翼に沿うようになるため、翼前縁の衝突損失を低減でき翼負荷を低減し、翼前縁の負荷が増加することによる損失増加を防止できる。

主翼３７の翼面積と、中間翼３９との翼面積の和が、主翼３７だけの従来の翼面積と同等であることを目安とした場合に、中間翼３９が増加した分、主翼３７の翼枚数を少なくすることで翼面積負荷を同等にできるように、主翼３７の翼枚数を従来に比べて少なくした場合、半径の大きい主翼の枚数が少なくなることで慣性モーメントを小さくすることができる。
しかし、一方で主翼３７の翼枚数が少なくなったことで、シュラウド側から流入する流れに対して主翼３７の翼前縁の負荷が大きくなり翼前縁の損失が増加する問題があるが、本実施形態では、前述のように、翼前縁の負荷が増加することによる損失増加を防止できる。

従って、第２実施形態の中間翼４７の後縁の翼高さが、前縁より高い形状の場合においては、シュラウド側の流れが増加する定常運転状態において、主翼の翼枚数が減少したために生じる翼前縁の衝突損失を低減できる。その結果、定常運転時においても、加速時においても、慣性モーメントの低減と高効率との両立を第２実施形態の場合より一層高効率化できる。

（第９実施形態）
次に、図１６Ａ、図１６Ｂを参照して、第９実施形態を説明する。
第９実施形態は、ハブ側流入路２９に翼型ノズル６３、および案内板６５を設置したものである。その他の構成は、第１実施形態と同様である。

図１６Ａ、図１６Ｂに示すように、ハブ側流入路２９には、翼面が中心軸線Ｋとほぼ平行に形成された複数の翼で構成された翼型ノズル６３が設けられている。翼型ノズル６３の翼は、図１６Ｂに示すように、円周に対して所定の角度をもつように傾斜して取り付けられている。翼型ノズル６３は、ノズル入口６３ａとノズル出口６３ｂはそれぞれ一定の円周上に位置して配置されている。

さらに、翼型ノズル６３の下流側には、案内板６５が各翼に対応して取り付けられている。案内板６５は、対数らせん状断面形状とされ、翼型ノズル６３の略延長部分となるように取り付けられている。案内板６５の下流端６５ａは、主翼３７及び中間翼３９の前縁近くまで延びている。

ハブ側流入路２９に、翼型ノズル６３を備えているので、ハブ側流入路２９を流れる流れの周方向速度を大きくすることができる。さらに、翼型ノズル６３を出た流れは、角運動量保存則に従って流れ、案内板６５によって動翼の前縁近傍まで案内される。また案内板６５が対数らせん状断面形状とされているので、理想的ならせん流となって動翼１１に流入できるため、斜流タービンの効率を向上できる。特に、ハブ側流入路２９に設けられるために、中間翼３９前縁に流入する排ガスの流れが加速または理想的な旋回流となるため、動翼１１の所謂衝動タービンの特性を有する部分への流入速度を高めて過渡応答性を向上できる。

なお、第６実施形態、第７実施形態、第８実施形態、第９実施形態については、各実施形態において説明した主翼および中間翼以外に、他の実施形態の主翼および中間翼に適用してもよいことは勿論である。

本発明によれば、作動流体が流入する前縁がハブ側とシュラウド側とを結ぶ線よりもハブ側とシュラウド側との中間部が上流側に凸状に形成されるとともに、スクロール分割壁によって、シュラウド側流入路とハブ側流入路とを有する斜流タービンであって、タービン動翼のハブ側の衝動翼タービン特性を発揮する部分の主翼間に、中間高さの中間翼を設けて、衝動翼タービン特性の改善を行うとともに、動翼全体としての慣性モーメントの低減を図ることによって、効率向上および過渡応答性を向上できるので、小型ガスタービン、過給機、エキスパンダー等に用いられる斜流タービンへの適用技術として有用である。

１ 斜流タービン
３ タービンハウジング
５ タービンホイール
７ 回転軸
９ ハブ
１１ 動翼（タービン動翼）
１３ スクロール室（スクロール部）
１５ シュラウド部
１７ スクロール分割壁
１９ シュラウド側空間
２１ ハブ側空間
２３ ハブ側分割壁面
２５ シュラウド側分割壁面
２９ ハブ側流入路
３１ ハブ外周面
３５ シュラウド側流入路
３７ 主翼
３９、４７、４９、５１、５３、５５ 中間翼
４３ シュラウド側入口
４５ ハブ側入口
ｈ１ 主翼の翼高さ
ｈ２ 中間翼の翼高さ
Ｎ シュラウド側流路とハブ側流路を分割する中心線
Ｅ、Ｇ２ 中間翼の前縁の翼高さ
Ｆ、Ｇ３ 中間翼の後縁の翼高さ
Ｋ 中心軸線
Ｐ シュラウド側流路の流れの中心線
Ｑ ハブ側流路の流れの中心線
Ｇ１ 中間翼の翼高さ

Claims (11)

1. 作動流体が流入する前縁がハブ側とシュラウド側とを結ぶ線よりもハブ側とシュラウド側との中間部が上流側に凸状に形成されたタービン動翼と、
   該タービン動翼を覆うように形成され、該動翼の前縁に向けて作動流体を供給するスクロール部を備えたタービンハウジングと、
   前記スクロール部をシュラウド側空間とハブ側空間とに分割するスクロール分割壁と、
   該スクロール分割壁の内周側におけるシュラウド側分割壁面と該シュラウド側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体が略半径方向に前記動翼のシュラウド側入口に流れるシュラウド側流入路と、
   前記スクロール分割壁の内周側におけるハブ側分割壁面と該ハブ側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体がハブの傾斜方向と略同一方向に前記動翼のハブ側入口に流れるハブ側流入路と、を備え、
   前記動翼は、ハブ外周面上に周方向に複数枚立設されてハブ外周面とシュラウド部の内周面との間の全域にわたる高さを有して形成される主翼と、
   周方向において前記主翼の間に配設されるとともに、前記主翼の入口部から中間部にわたって、且つ前記主翼の高さの中間高さを有して配置される中間翼とによって構成され、前記中間翼の前縁に前記ハブ側流入路からの作動流体が流入するように構成され、
   さらに、前記中間翼の前縁は前記主翼の前縁に一致するとともに、前縁の翼高さを前記シュラウド側流入路の流路幅とハブ側流入路の流路幅との比によって主翼に沿う流れをシュラウド側流路の流れとハブ側流路の流れとの流路面積に分割する子午面上での中心線の高さとほぼ同等もしくはその中心線より高い位置とし、さらに後縁の翼高さを前記前縁より高い位置に設けたことを特徴とする斜流タービン。
2. 作動流体が流入する前縁がハブ側とシュラウド側とを結ぶ線よりもハブ側とシュラウド側との中間部が上流側に凸状に形成されたタービン動翼と、
   該タービン動翼を覆うように形成され、該動翼の前縁に向けて作動流体を供給するスクロール部を備えたタービンハウジングと、
   前記スクロール部をシュラウド側空間とハブ側空間とに分割するスクロール分割壁と、
   該スクロール分割壁の内周側におけるシュラウド側分割壁面と該シュラウド側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体が略半径方向に前記動翼のシュラウド側入口に流れるシュラウド側流入路と、
   前記スクロール分割壁の内周側におけるハブ側分割壁面と該ハブ側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体がハブの傾斜方向と略同一方向に前記動翼のハブ側入口に流れるハブ側流入路と、を備え、
   前記動翼は、ハブ外周面上に周方向に複数枚立設されてハブ外周面とシュラウド部の内周面との間の全域にわたる高さを有して形成される主翼と、
   周方向において前記主翼の間に配設されるとともに、前記主翼の入口部から中間部にわたって、且つ前記主翼の高さの中間高さを有して配置される中間翼とによって構成され、前記中間翼の前縁に前記ハブ側流入路からの作動流体が流入するように構成され、
   さらに、前記中間翼の前縁は前記主翼の前縁半径より小さい位置に設けられるとともに、前記中間翼の上流から下流への全域に渡っての翼高さを、前記シュラウド側流入路の流路幅とハブ側流入路の流路幅との比によって主翼に沿う流れをシュラウド側流路の流れとハブ側流路の流れとの流路面積に分割する子午面上での中心線の高さとほぼ同一高さ、もしくはその中心線より高い位置で一定に維持されることを特徴とする斜流タービン。
3. 作動流体が流入する前縁がハブ側とシュラウド側とを結ぶ線よりもハブ側とシュラウド側との中間部が上流側に凸状に形成されたタービン動翼と、
   該タービン動翼を覆うように形成され、該動翼の前縁に向けて作動流体を供給するスクロール部を備えたタービンハウジングと、
   前記スクロール部をシュラウド側空間とハブ側空間とに分割するスクロール分割壁と、
   該スクロール分割壁の内周側におけるシュラウド側分割壁面と該シュラウド側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体が略半径方向に前記動翼のシュラウド側入口に流れるシュラウド側流入路と、
   前記スクロール分割壁の内周側におけるハブ側分割壁面と該ハブ側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体がハブの傾斜方向と略同一方向に前記動翼のハブ側入口に流れるハブ側流入路と、を備え、
   前記動翼は、ハブ外周面上に周方向に複数枚立設されてハブ外周面とシュラウド部の内周面との間の全域にわたる高さを有して形成される主翼と、
   周方向において前記主翼の間に配設されるとともに、前記主翼の入口部から中間部にわたって、且つ前記主翼の高さの中間高さを有して配置される中間翼とによって構成され、前記中間翼の前縁に前記ハブ側流入路からの作動流体が流入するように構成され、
   さらに、前記中間翼の前縁は前記主翼の前縁半径より小さい位置に設けられるとともに、前記中間翼の上流から下流への全域に渡っての翼高さを、前記シュラウド側流入路の流路幅とハブ側流入路の流路幅との比によって主翼に沿う流れをシュラウド側流路の流れとハブ側流路の流れとの流路面積に分割する子午面上での中心線より高い位置で、且つ後縁の翼高さを前縁より高い位置に設けられることを特徴とする斜流タービン。
4. 前記中間翼の前縁の半径を前記中間翼のハブへの取り付け半径とほぼ等しい半径に設定されることを特徴とする請求項２または３記載の斜流タービン。
5. 作動流体が流入する前縁がハブ側とシュラウド側とを結ぶ線よりもハブ側とシュラウド側との中間部が上流側に凸状に形成されたタービン動翼と、
   該タービン動翼を覆うように形成され、該動翼の前縁に向けて作動流体を供給するスクロール部を備えたタービンハウジングと、
   前記スクロール部をシュラウド側空間とハブ側空間とに分割するスクロール分割壁と、
   該スクロール分割壁の内周側におけるシュラウド側分割壁面と該シュラウド側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体が略半径方向に前記動翼のシュラウド側入口に流れるシュラウド側流入路と、
   前記スクロール分割壁の内周側におけるハブ側分割壁面と該ハブ側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体がハブの傾斜方向と略同一方向に前記動翼のハブ側入口に流れるハブ側流入路と、を備え、
   前記動翼は、ハブ外周面上に周方向に複数枚立設されてハブ外周面とシュラウド部の内周面との間の全域にわたる高さを有して形成される主翼と、
   周方向において前記主翼の間に配設されるとともに、前記主翼の入口部から中間部にわたって、且つ前記主翼の高さの中間高さを有して配置される中間翼とによって構成され、前記中間翼の前縁に前記ハブ側流入路からの作動流体が流入するように構成され、
   さらに、前記中間翼の前縁を前記主翼の前縁に一致させ、該中間翼の翼高さを後縁に向かうにつれて低くしたことを特徴とする斜流タービン。
6. 作動流体が流入する前縁がハブ側とシュラウド側とを結ぶ線よりもハブ側とシュラウド側との中間部が上流側に凸状に形成されたタービン動翼と、
   該タービン動翼を覆うように形成され、該動翼の前縁に向けて作動流体を供給するスクロール部を備えたタービンハウジングと、
   前記スクロール部をシュラウド側空間とハブ側空間とに分割するスクロール分割壁と、
   該スクロール分割壁の内周側におけるシュラウド側分割壁面と該シュラウド側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体が略半径方向に前記動翼のシュラウド側入口に流れるシュラウド側流入路と、
   前記スクロール分割壁の内周側におけるハブ側分割壁面と該ハブ側分割壁面に対向する部分との間に形成され、作動流体がハブの傾斜方向と略同一方向に前記動翼のハブ側入口に流れるハブ側流入路と、を備え、
   前記動翼は、ハブ外周面上に周方向に複数枚立設されてハブ外周面とシュラウド部の内周面との間の全域にわたる高さを有して形成される主翼と、
   周方向において前記主翼の間に配設されるとともに、前記主翼の入口部から中間部にわたって、且つ前記主翼の高さの中間高さを有して配置される中間翼とによって構成され、前記中間翼の前縁に前記ハブ側流入路からの作動流体が流入するように構成され、
   さらに、前記主翼および中間翼の前縁の圧力面と負圧面とによって形成される翼前縁開き角度を、作動流体の圧力変動に伴って変化する前記前縁への作動流体の流入角度の変化に相当する角度に設定するとともに、前記圧力変動が高圧側に上昇したときにおける前記前縁への流入方向が前記負圧面の接線方向に略一致するかもしくは接線方向より圧力面側に向かうように設定することを特徴とする斜流タービン。
7. 前記主翼の回転軸に直角方向の断面形状において、主翼の前縁部分を回転方向に湾曲させて、回転方向とは逆方向に凸形状をなすことを特徴とする請求項１、２、３、５、または６のいずれか１項に記載の斜流タービン。
8. 前記ハブ側流入路に中心軸線と平行な翼面からなるノズルと、同ノズルの下流側に後縁が前記動翼の前縁に対向するように配置された案内板とを備えたことを特徴とする請求項１、２、３、５、または６のいずれか１項に記載の斜流タービン。
9. 前記タービン動翼の子午面形状において前記中間翼は、前記ハブ側流入路の流路幅の延長領域と前記シュラウド側流入路の延長領域との重なる領域に少なくとも設けられることを特徴とする請求項１、２、３、５、または６のいずれか１項に記載の斜流タービン。
10. 前記中間翼を前記主翼の間に周方向において複数枚設置したことを特徴とする請求項１、２、３、５、または６のいずれか１項に記載の斜流タービン。
11. 前記中間翼の翼先端を円弧状の断面に形成したことを特徴とする請求項１、２、３、５、または６のいずれか１項に記載の斜流タービン。
    

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