JPS60501016A - 遠心タ−ビン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、内燃機関のターボ過給機用のタービンに関し、特に運転の効率と信頼 性とがより大きく、製造と保守とがより容易なタービンに関する。

背景技術 ディーゼル　エンノン用とガソリン　エンノン用のターが過給機はよく知られて いる。このようなターぎ過給機は、がレット（Ｇａｒｒｅｔｔ）コーポレーショ ンのエア’Ｊ　を−チェ業部、ウォーレス　マレイ（Ｗａｌｌａｃｅ　Ｍｕｒｒ ａｙ）　コー？レーションのシュヴイソソア部、カミンス　エンノン　カンパニ その他の会社により製造販売されている。

商業的に入手しつる小さいターボ過給機は一般に、半径流入タービンを用い、駆 動エンノン排気ガスは、タービンの小さい径向き羽根付きタービンホイールを包 囲する羽根なし渦巻形タービンホールングがらタービンの中へ向けられる。

この半径流タービンは、背後の開いたホイールを用いテオリ、タービンホイール の径向き羽根は、ポイー／ｌ’＋７）中心ハブ部分を越えて外側へ延び、その外 側半径長さの部分について羽根相互の間で支持されていない。この商業的な径流 タービンのスターホイールの開いた背後部分ヲ形成するために材料を省略するの は、タービンホイールの回転慣性を減少させ、内燃機関の排気に対するターボ過 給機の過渡的応答を改善するためであった、開いた背後をもつタービンホイール を用いる商業的な径流ターヒンハ、タービン羽根の背後の周りからの過大なガス 漏れを防ぐため、回転するタービンホイールの背後に近接して配置された静止壁 を使用していた。タービンホイールのようなバッキング部材は、内燃機関の排気 ガスの高温にさらされ、回転するタービンホイールと接触するかも知れない過大 な歪を避けるため、耐熱性材料から作らなければならない。この半径流タービン を効率的にするために必要とされるきつい公差と、効率的なタービンの運転をう るのに必要な材料と製造工程とは、タービンの製造を高価にする。

現在入手しうるターぎ過給機においては、ターピノ羽根はその外側先端において 、タービン入ロ開ロ部と出口開口部と排気通路とを形成するタービンホールノグ の輪郭と一致するように輪郭付けられる。一般にこのようなターピノにおいては 、タービン羽根は、ターボ過給機の排気ガス出口−タービン入口部分を形成する タービンケーシング部分の中へ中心コア又はハブから外方へ延びる。

タービン羽根のハブの直径が小さい場合、タービン羽根の基部を遠心力に耐える ように厚くしなけれ−ならず、少数の羽根を使用しうるにすぎず、その結果得ら れるタービンの効率が低下する。

先行技術のターボ過給機の半径流タービンは、ターピノの入口と出口上の間で排 気ガスの流れを９０度以上そ３ らせる。このようなタービンの例２はζライスコンシン５３＋２Ｊ、乙、ミルウ オーキ、Ｐ、０．ボックス−乙３θｇ＋　ディーゼル　アンド　がスタービン　 プログレスにより発行されたディーゼルとガスタービンの全世界カタログ（／９ ｇｏ）の／／Ｗ頁に示されている。

このカタログに示されているように、タービンケーシングの゛渦巻き″部分は、 内燃機関からの排気ガスをタービン入口の中へ向けるものであるが、内燃機関の 一方の組のシリンダから一方の渦巻き室の中へ排気ガスの脈流を導き、他の一組 のシリンダから他方の渦巻き室の中へ排気ガスの脈流を導くための子午線分割部 材又は中心分割部材を有することが多い。渦巻き室の中心分割部材は、Ωつの脈 流の分離を維持し、一方の組のシリンダから出る脈流の効果が他方の組のシリン ダの性能と排気ガスの流れに有害な影響を及ぼすことを防止している。このよう な分割されたタービンケーシングは、Ｖ型エンノンにおいては特に望捷しく、Ｖ 型エンジンにおいては、シリンダの一方の列からの排気ガスの流れが分割された タービンケーシングの一方の部分へ供給され、シリンダの他方の列からの排気ガ スの流れがタービンケーシングの他方の部分へ供給される。このような双流ター ビンケーシングが米国特許第３．ＡＩ’１．２５９号に図示され説明されている 。

商業的エンノンは、内燃機関のシリンダのλつの異なル群、例えば■型エツソン のコ列から出る排気ガスの流れを、ケーシングの渦巻き部分の始捷る前又は始め に終るλつの分離された流路内をターボ過給機のタービンへ運ぶ、タービンケー シングをも用いてきた。米国特許第３．９３０．７部７号にはこの形式のタービ ンハウシングが記載されており、このタービンハウシングは、分割された分岐管 の各部分が、脈流から生ずる大きい流れの結果として他方の部分からガスを吸引 し、従って排気７ステム内のエンノンシリンダの背圧を減少させるように設計さ れた追加的な利点を有する。

先行技術の商業的なターボ過給機は、米国特許第３、コ９λ、ｏｑ、２号、第３ ，２９２．３Ａり号、第３．λ７０．り９５号、第３．乙／り、２５９号、第３ ，９３θ、７ケ７号、第３．λ／ｇ、０ユ９号、第３、’ｌＯｇ、０り６号及び 第３．’１−１３．９２乙号に例示されている。

発明の開示 本発明は、タービンケーシングの排気開口部を通してターが過給機へ挿入され且 つターボ過給機から除去されうる組合せ流タービンホイールの利点と、タープ／ の機械的設計を複雑にすることなくタービンホイールの先端をタービンケーシン グの分割壁と接近する位置へ延ばしうるように独得の方法で分割された渦巻きタ ービンケーシングの利点とを組み合せ、それによってターぎ過給機において従来 用いられた半径流タービンと比較して高いタービン効率をもつ経済的な組立体を 提供する。

本発明のタープ過給機においては、タービンホイールは、回転軸線にほぼ沿って り、−ビンケーシングの排気量０部を通してタービンケーシングの排・気ガス出 口に隣接して適所に配置されるのがよい。タービンケーシングの渦巻きの排気ガ ス出口とタービンホイールとは、協働して組合せ流タービンホイールを与え、タ ービンケーシングの渦巻きの出口開口部からタービンホイールの中ヘ一部はその 後部から排気ガスを導き、若干の排気ガスは、羽根の最大径より小さい所からホ イールへ入り、タービン羽根の通路を通ってほぼ軸線方向に流れる。渦巻き通路 即ちタービン入口に隣接する通路を形成するタービンケーシングの部分は、ター ボ過給機のコンプレッサの方へ全体的に傾けられている。ターボケーシノグの主 要部分は、タービンの最後部を通過する回転軸線に直角な平面のコンプレッサ側 にある。排気力スの大部分は、タービンホイールに入り、回転軸線に対し直角よ り小さい角度（９部囲未満として一般的に言及する）でタービンの排気開口部へ 向けられる。

本発明のタービン＋ｃｆいては、タービンケーシングは、排気ガスの流れるため のΩつの渦巻き通路を形成し、一方の渦巻き部分は、タービン入ロ開ロ部の最後 方点を通過し回転軸線に直角な平面のコンプレッサ側にあり、他方の渦巻き部分 は、タービン入ロ開ロ部の最前方部分を通過し回転軸線に直角な平面のコンプレ ッサ側にある。

このターボ過給機においては、λつの渦巻き形排気ガス通路を形成するタービン ケーシングの子午線分割壁即ち中心分割壁は、コンプレッサに最も近いタービン ホイールの部分を通過し回転軸線に直角な平面のコンプレッサ側にある。中心分 割部材の両側面は、タービンの回転軸線に関して鋭角をなし、排気ガスを排気開 口部の方へ向ける。

本発明のこれらの特徴と他の特徴を、添付図面を参照して更に詳細に説明する。

図面の簡単な説明 第１図は、回転軸線を通る中心平面に沿ってとられた本発明のタープ過給機の断 面図である。

第２図は、本発明のもう７つの実施態様を示すタービンの回転軸線を通る中心平 面に沿う部分断面図である。

第３図は、本発明のもう１つの実施態様を示すタービンの回転軸線を通る中心平 面に沿う部分断面図である。

発明を実施するための最良の形態 第１図において、本発明のターボ過給機は、一般に、一端においてタービンを形 成する装置１１と、他端においてコンプレッサを形成する装置１２と、タービン とコンプレッサとの間の回転軸とその軸受／ステムとを支持するためタービンと コンプレッサとの間に設けた装置１３とを有する。

タービンを形成する装置は、タービンケーシング２０と、中心コア又はハブ３２ から外側へ延びる複数の羽根３１を有するタービンホイール３０とな含んでいる 。第１図に示すように、タービン羽根３１の先端３１ａは、タービン羽根３１の 先端３１ａがタービンケーシングの７ 排気開口部２１を通してその中心軸線２２に沿って通過しうる最大直径を有し、 この中心軸線２２は、一般にターボ過給機１０の回転部分の回転軸線である。

第１図に示すように、ターボンケーシング２０は、タービンホイール３０の周囲 のまわりに延びる渦巻き部分２３を形成し、渦巻き部分２３は排気用ロータービ ン入ロ開ロ部２４を形成する。第１図に示す実施態様において、タービンケーシ ング２０の渦巻き部分２３は、λつの渦巻き通路２６と２７を形成する子午線又 は中心の分割器２５を含み、渦巻き通路２６と２７は、周囲のまわりに延び、夫 々のガス出口をタービン入ロ開ロ部２４を通してタービンの中へ向けている。タ ービン入ロ開ロ部２４は、タービンの後部にあるタービンケーシング部分２３ａ とタービン入ロ開ロ部の最前方の縁な形成するケーシング部分２３ｂとにより画 成されている。タービン装置１１を説明する際に用いるパ後方に°″という語は 、コノプレツサ装置１１２に最も近いタービン装置１１の部分を意味しており、 タービン装置１１を説明する際に用いる゛前方に″という語は、タービン排気開 口部２１の方向如より近くにあるタービン装置１１の部分を意味する。

第１図に示すように、タービン入ロ開ロ部２４に通ずる渦巻きを形成するタービ ンケーシング部分２３は、回転軸線２２に垂直なタービンホイールの最後方部分 ３２ａを通る平面のほぼ後方にある。第１図に示されている中心で分割されたタ ーボンケーシングにおいて、渦巻き通路２６と中心分割器２５とは、タービン３ ０の最後方点３２ａが回転する平面の実質的に後方にある。渦巻き通路２７は、 タービン入ロ開ロ部２４の最前方点２３ｂの実質的に後方にある。

タービン３０の中心コア３２の外側表面３３は、回転軸線２２のほぼ全範囲にわ たり外側表面３３に接し且つ回転軸線にほぼ沿って横たわる線が、回転軸線２２ に関して約ＳＯ度以下の角度で横たわるような方法で形成されている。第１図と 第Ω図に示すように、タービン入口３２ａＫ隣接する角度は、約ｙ３度であり、 タービン排気出口２１の方向に実質的に減少している。

図示されている実施態様において、タービン羽根３１ａの先端は、渦巻き部分２ ３の中心分割器２５の最も内側の部分２５ａに密接に隣接して横たわる部分３１ ｂを形成するように後方へ延びている。タービン人口２４に隣接している即ち２ ３ａの所のケーシング２０の渦巻き部分２３の最後方内側表面は、渦巻き通路２ ６を出る排気ガスを、タービンホイールの中心コア３２の後方端即ち３２ａに隣 接している中心コア３２の外側表面３３にほぼ平行の方向に導く。渦巻き通路２ ６？形成する内側表面２５ｂは、中心コア３２の外側表面３３と回転軸線２２の 両方に関して排気ガスを鋭角に向けるように、タービンの中心コア３２の外側表 面３３と回転軸線２２に関して角度をなしている。排気ガスは、ターボンホイー ル３０の中心コア３２の外側表面３３に関してほぼ鋭角に渦巻き通路２７がら向 けられる。渦巻き通路２７を形成する表面２５ｃは、渦巻き通路２７がらの排気 ガスをタービン３０の中心コア３２の外側表面３３に間して鋭角に排気開口部２ １の方へ向ける。従って、第１図ニ示す実施態様において、ターボンケーシング ２゜の渦巻き部分２３を出る排気ガスの実質的に全部が、タービンの回転軸線に 関して鋭角にタービンの排気開口部２１の方へ向けられる。従って、タービンケ ーシング２０の渦巻き部分２３は、タービンの後方へ傾けられることになると考 えてよい。

タービン１１を形成する装置に具体化されたターボ過給機１０の特徴は、混合流 タービン、即ち軸流と半径流とを有するタービンと、排気ガスを反らせる際に失 なうエネルギの減少な与え、タービン羽根の端をタービンの渦巻き部分の中心分 割壁の端に接近して延ばすことを可能とし、分割された通路の間例えば渦巻き通 路２６と２７との間のガスの連通を減少させる。従って、タービンは、排気ガス の偏向により失なわれるエネルギの減少と、タービン入ロ開ロ部における混合と 損失の減少と、軸流とによってより大きい効率で運転される。例えば、第７図に 示すように、渦巻き通路２６からの排気ガスは、タービンを通溝する際一般にり ５度未満（即ち約３θ〜ｑ３度未Ｉ４）の鋭角を通して反らされる。渦巻き通路 ２７から出る排気ガスは、その大部分が９０度より小さい角度で反らされるよう な方向に、約３０〜ケθ度より小さい角度でタービンホイール３０の中心コア３ ２に向けられる。

タービンケーシング２０は、ターボ過給機の回転系の回転軸線２２に関して軸受 ハウソング４０を据付は配置するための据付は表面２８ａと２８’ｂを有する。

軸受ハウソング４０は、タービンの軸受システムをタービン装置１１の熱から保 護するようになっている。従って、熱遮蔽体４１がターボンケーシング２０の表 面２８ａと２８ｂにより配置され、軸受支持体を形成する装置１３は、タービン 装置１１から軸受システムを更に絶縁し且つ後述の方法で回転軸上にピストンリ ングを係合させるための表面を与える部分４２を有する。＠／（２）に示すよう に、ターボンケーシング２０とタービンホイール３０との設計と配列の故に、タ ービンホイール３０　ノ後ｎ　Ｋ密度に接近して伺らの裏当て部材を配置する必 要がない。

第Ω図と第３図は、ターボ過給機の他の実施態様の部分図で、タービン羽根の先 端が幾分異なる方法で終っている。第Ω図と第３図は、タービンを形成する装置 １１のみを示し、ターボ過給機の残りの部分は第１図に示す通りである。第一図 の実施態様において′、タービン羽根の先端３１Ｃの最後方の点は、渦巻き２３ の後部の最前方の点２３ａの後方へ且つ渦巻き通路２６の幾分内側へ延びている 。このような／ステムは、渦巻き通路２６内の排気ガスからタービンホイール３ ０へのエネルギの伝達を改善する傾向があるが、然し回転−線２２の周りのター ビンホイール３０の慣性モーメントを増大させる。

第３図に示す実施態様においては、中心分割部分即ち子午線部分を含１ず、ター ビンホイール３００周りに単一の渦巻き通路１２６を形成する。この実施態様に おいては、タービン入ロ開ロ部２４を形成するターピノケーシングの最後方部分 ２３ａと最前方部分２３ｂとの間の線に沿ってタービン羽根を終らせることによ り、第１図と第Ω図の実施Ｐ様よりもタービンホイール３０の慣性モーメントが 減少される。

本発明の結果として、ターホ゛過給機は、より安価に製造され、先行技術と比較 してより高い効率で運転することができる。本発明にあっては、タービンホイー ルの羽根の外径を輪郭研摩することは不必要である。タービンホイールと軸組ヴ 体とをタービンホールングの中へ挿入してもよく、又は排気出口を通してタービ ンホール／グをタービンホイールの上に嵌めてもよい。ターピノの背後へ接近し て嵌められる部品はない。組合せ流ターヒ゛ンを組み込むことに」二り、タービ ンホールングの直径を小さくし、ターＨ？過給機をよりコン／やクトに作ること ができる。

本発明の好唸しい実施態様を上述したけれども、請求の範囲の精神と範囲から離 れることなく上述の発明を組み入れた他の実施態様を思い付くことができる。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　中心コア３２と複数の外側へ延びる羽根３１とを有するタービンホイール３ ０と； タービンホイールを取り囲む排気ガスが流れるための子午線で分割された渦巻き ２６．１７を形成し、子午線で分割された渦巻きの各側から出る排気ガスがター ビンホイールの外側へ延びる羽根３１に作用することを可能とする開口部２４を 形成する装置２３．２５と；を含む内燃機関のターボ過給機用のタービンにおい て：渦巻きをその開口部に形成する装置２３が、タービンホイールの中心コア３ ２に実質的に接する子午線分割された渦巻きの一方側２６かも、排気ガスの流れ の方向が渦巻き開口部とタービン排気口との間で約３０〜ｌＳ度より小さい角度 でそらされるような方向に排気ガスを導き、前記装置２３は、子午線で分割され た渦巻きの他方側２７からタービンホイールの中心コアに向けて約３０〜の角度 でそらされるような方向に排気ガスを導くこと；を特徴とする内燃機関のターボ 過給機用のタービン。 ２　クーピンホイール３０と、内燃機関の排気ガスをタービンホイールの中へ導 くための渦巻き２３とタービンケーシング２０とを形成する装置と、タービンホ イールにより駆動されるコンプレッサ１２とを含む内燃機関用のターボ過給機に おいて： 渦巻き２３の主要部分が、コンプレッサに最も近く且つ排気ガスにさらされるタ ービンホイールの部分３２ａの回転平面であ−るタービンホイールの回転軸線２ ２に直角の平面のコンプレッサ側にあること； を特徴とする内燃機関用のターボ過給機。 ３　タービンホイール３０が、回転軸線２２に関して約５０度以下の角度を有す る中心コア３２を有し、中心コア３２からタービン羽根３１が突出し、渦巻き２ ３ノ：１７７’レソサ側の表面２３ａが、クーピンホイールの中心コア３２にほ ぼ平行の角度でタービン入ロ開ロ部２４の最後方点３２ａへ排気ガスを導くこと を特徴とする請求の範囲第２項に記載のターボ過給機。 ４　タービンホイール３０と： 内燃機関の排気ガスをタービン入り開口部２４を通してタービンホイールの中へ 導くためのΩつの渦巻き形多岐管部分２６．２７とタービンケーシング２０とを 形成する装置と； クーピンホイールにより駆動されるコンプレッサ１２と；を有する内燃機関用の ターボ過給機においてニ一方の渦巻き部分２６が、タービン入ロ開ロ部の最後方 点２３ａを通過し回転軸線２２に直角な平面のほぼコンプレッサ側にあり； 他方の渦巻き部分２７は、タービン入ロ開ロ部の最前方点２３ｂを通過し回転軸 線２２′に直角な平面のほぼコンプレッサ側にあること； を特徴とする内燃機関用のターボ過給機。 ５　タービンホイール３０が、スターホイールの輪郭を形成する羽根３１をもつ 組合せ流タービンを与え、コン７’Ｌ／ツサに最も近い一方の渦巻き部分２６が 、羽根の最大直径３１ａより小さい所の後部からタービンホイール３０の中へ排 気ガスを導く開口部２４な形成していることを特徴とする請求の範囲第４項に記 載のターボ過給機。 ６　タービンホールング２０とλつの渦巻き部分とを形成する装置が、２つの渦 巻き部分２６．２７を分離する中心分割部材２５，２！５ａを含み、中心分割部 材２５．２５ａは、コンプレッサに最も近い渦巻き部分２６の開口部２４の一方 側と他方の渦巻き部分２７の開口部の一方側とを画成していることな特徴とする 請求の範囲第４項に記載のターボ過給機。 ７　中心分割部材２５が、コンプレッサ１２に最も近いタービンホイールの部分 ３２ａを通過する、回転軸線２２に直角の平面のは１２コンプレツサ側にあるこ とを特徴とする請求の範囲第４項に記載のターボ過給機。 ８　中心分割部材２５の両側の表面２５ｂ　、２５ｃが、タービンの回転軸線２ ２に関して鋭角をなし、排気ガスを排気開口部２１の方へ向けることを特徴とす る請求の範囲第４項に記載のターぎ過給機。 ９　中心分割部材２５が、タービン羽根の先端３１ｂに隣接して終っており、コ ンプレッサに最も近い渦巻き部分２６からタービンホイール３０の背後へタービ ン羽根３１の最大直径３１ａより小さい所でタービン羽根３１に入る排気ガスの 流れを制限し、中心分割部材２５が、タービンの回転軸線２２に関して鋭角をな し、排気ガスの大部分を他方の渦巻き部分２７からタービン羽根３１の中へ、回 転軸線に対し垂直より小さい角度で導くことを特徴とする請求の範囲第４項に記 載のターボ過給機。 １０　タービンホイール３０が、その後部で回転軸線に関して約り０〜３０度の 角度をなす中心コア３２を有し、中心コア３２からタービン羽根が延びており、 一方の渦巻き部分２６が、一方の渦巻き部分２６の開口部に最も近い中心コアの 部分３２ａに対しほぼ平行に排気ガスな導き、他方の渦巻き部分２７が、約９０ 度と５θ度七の間の角度て゛中心コア３２に向けて排気ガスを導き、それによっ て排気ガスをそらせる際のエネルギ損失を減少させることな特徴とする請求の範 囲第４項に記載のターボ過給機。