スクロール部構造及び過給機
【課題】十分な流路断面積を確保することができるとともに、流体の圧力損失を低減することができるスクロール部構造及び過給機を提供する。
【解決手段】本発明のスクロール部構造は、流体Ｇと動翼の間でエネルギーを交換する流体機械の動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成された流路を構成するスクロール部１の構造であって、スクロール部１は、断面形状が角丸四角形状から円形状に移行しながら面積が漸減する第一移行部２を有し、第一移行部２の角部の曲率半径Ｃは同一の大きさに設定されている。
【解決手段】本発明のスクロール部構造は、流体Ｇと動翼の間でエネルギーを交換する流体機械の動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成された流路を構成するスクロール部１の構造であって、スクロール部１は、断面形状が角丸四角形状から円形状に移行しながら面積が漸減する第一移行部２を有し、第一移行部２の角部の曲率半径Ｃは同一の大きさに設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体と動翼の間でエネルギーを交換する流体機械の動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成された流路を構成するスクロール部の構造及びかかるスクロール部構造を備えた過給機に関し、特に、圧力損失を低減することができるスクロール部構造及び過給機に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体と動翼の間でエネルギーを交換する流体機械の一つにタービンがある。タービンは、流体を動翼に供給して、流体の運動エネルギーを回転運動に変換して動力を得る流体機械である。かかるタービンを利用した装置の一つに過給機がある。例えば、車両用の過給機（ターボチャージャー）は、排気ガスの供給によりタービン動翼を回転させるガスタービンと、前記タービン動翼と同軸に連結された羽根車により空気を吸入するコンプレッサと、を備えている。前記コンプレッサにより吸入された空気は、圧縮されてエンジンに供給され、燃料と混合されて燃焼される。燃焼後の排気ガスは、前記タービンに送られて仕事をした後、最終的に大気中に放出される。前記排気ガスを前記タービン動翼に供給する流路は、排気ガスを加速させるために、前記タービン動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成されたスクロール部を有し、前記タービン動翼の周方向端面から前記排気ガスを供給するように構成されている。
【０００３】
かかる過給機等に使用されるタービンは、上述したようにスクロール部を有するが、その断面形状は、一般に、角部にＲを付けた矩形形状（角丸四角形状）か円形状のいずれかである。また、かかる断面形状は、周方向に同一形状を拡大又は縮小した相似形状に構成されていることが多い（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２０６４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、過給機等に使用されるタービンは設置場所のスペース上の制約から、スクロール部の形成可能範囲が制限され、かかる形成可能範囲はフレームサイズとして設計上付与される。したがって、スクロール部を円形状に形成した場合には、十分な流路断面積を確保することができず、矩形形状では角部にコーナー渦を生じ圧力損失が大きくなってしまうという問題がある。また、周方向の全体を角丸四角形の相似形状で形成した場合には、断面積の小さいスクロール部では角部のＲも小さくなってしまい、十分な流路断面積を確保することができない、コーナー渦が生じて圧力損失が大きくなってしまう、という問題がある。
【０００６】
本発明は上述した問題点に鑑み創案されたものであり、十分な流路断面積を確保することができるとともに、流体の圧力損失を低減することができるスクロール部構造及び過給機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、流体と動翼の間でエネルギーを交換する流体機械の前記動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成された流路を構成するスクロール部の構造であって、前記スクロール部は、断面形状が角丸四角形状から円形状に移行しながら面積が漸減する第一移行部を有し、該第一移行部の角部の曲率半径は実質的に同一の大きさに構成されている、ことを特徴とするスクロール部構造が提供される。
【０００８】
また、本発明によれば、排気ガスの供給によりタービン動翼を回転させるガスタービンと、前記タービン動翼と同軸に連結された羽根車により空気を吸入するコンプレッサと、を備えた過給機であって、前記ガスタービンは、前記タービン動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成された流路を構成するスクロール部を有し、該スクロール部は、断面形状が角丸四角形状から円形状に移行しながら面積が漸減する第一移行部を有し、該第一移行部の角部の曲率半径は実質的に同一の大きさに構成されている、ことを特徴とする過給機が提供される。
【０００９】
また、上述したスクロール部構造及び過給機のスクロール部において、前記曲率半径は、前記スクロール部の形成可能範囲として付与されるフレームサイズ内に設定される最大正方形の内接円の半径に対して、０．１〜０．９倍の大きさ、好ましくは、０．２〜０．８倍の大きさ、さらに好ましくは、０．４〜０．６倍の大きさである。
【００１０】
また、前記スクロール部は、前記第一移行部の円形状が徐々に縮径した第二移行部を有していてもよいし、前記スクロール部の外縁は、半径が一定に形成された円弧部と、該円弧部から前記スクロール部の終点に向かって半径が漸減した漸減部と、を有していてもよい。
【００１１】
さらに、前記流体機械又は前記タービンは、前記スクロール部から前記動翼に流体を供給する導入路に複数の回動可能なベーンを配置した可変ノズル機構を備え、該可変ノズル機構の一部が前記スクロール部に突出するように配置されていてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
上述した本発明のスクロール部構造及び過給機によれば、第一移行部を形成したことにより、フレームサイズの面積が大きい位相では角丸四角形状とし、フレームサイズの面積が小さい位相では円形状とすることができ、各位相において十分な流路断面積を確保することができるとともに、流体の圧力損失を低減することができる。特に、第一移行部の角部の曲率半径を同一の大きさに形成したことにより、角丸四角形状から円形状の移行区間において、効果的に本発明の効果を発揮させることができる。
【００１３】
また、角部の曲率半径をフレームサイズの内接円の半径に対して所定の大きさに設定することにより、水力直径を大きく取ることができ、十分な流路断面積を確保することができるとともに、流体の圧力損失を低減することができる。
【００１４】
また、第二移行部を付加することにより、スクロール部の出口部を円滑に構成することができ、スクロール部の外縁に円弧部と漸減部を形成することにより、十分な流路断面積を確保することができ、流体の圧力損失を低減することができる。
【００１５】
さらに、本発明は、可変ノズル機構を備えた流体機械にも適用することができ、可変ノズル機構の一部がスクロール部に突出するように配置されている場合であっても、十分な流路断面積を確保することができるとともに、流体の圧力損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のスクロール部構造に係る第一実施形態を示す図であり、（Ａ）は図１（Ｂ）における断面Ｓ１〜Ｓ１０を積層して表示した断層図、（Ｂ）は平面図、である。
【図２】図１（Ａ）における断層図を部分的に抽出した図であり、（Ａ）は断面Ｓ１、（Ｂ）は断面Ｓ３、（Ｃ）は断面Ｓ５、（Ｄ）は断面Ｓ６、（Ｅ）は断面Ｓ８、を示している。
【図３】本発明のスクロール部構造に係る第二実施形態を示す図であり、（Ａ）は図３（Ｂ）における断面Ｓ１〜Ｓ１１を積層して表示した断層図であり、（Ｂ）は平面図である。
【図４】本発明のスクロール部構造に係る第三実施形態を示す図であり、（Ａ）は図４（Ｂ）における断面Ｓ１〜Ｓ１１を積層して表示した断層図であり、（Ｂ）は平面図である。
【図５】第二実施形態における曲率半径の設定範囲及びその効果を示す図であり、（Ａ）は半径比と水力直径比の関係、（Ｂ）は半径比と圧力損失改善比の関係、を示している。
【図６】本発明のスクロール部構造を採用した過給機の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図１〜図６を用いて説明する。ここで、図１は、本発明のスクロール部構造に係る第一実施形態を示す図であり、（Ａ）は図１（Ｂ）における断面Ｓ１〜Ｓ１１を積層して表示した断層図、（Ｂ）は平面図、である。
【００１８】
図１（Ａ）に示すように、本発明のスクロール部構造は、流体Ｇと動翼の間でエネルギーを交換する流体機械の動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成された流路を構成するスクロール部１の構造であって、スクロール部１は、断面形状が角丸四角形状から円形状に移行しながら面積が漸減する第一移行部２を有し、第一移行部２の角部の曲率半径Ｃは実質的に同一の大きさに構成されている。また、スクロール部１は、第一移行部２の円形状が徐々に縮径した第二移行部３を有している。なお、実質的に同一とは、第一移行部２の角部の曲率半径Ｃが同一の大きさとなるように意図的に設計している場合を含み、製作上の公差や誤差を許容する趣旨である。
【００１９】
また、図１（Ｂ）に示すように、スクロール部１は、外縁１１の半径Ｒが始点Ｐ１から終点Ｐ３に向けて漸減するように形成されており、内縁１２の半径ｒが始点Ｑ１から終点Ｐ３に向けて漸増するように形成されている。すなわち、スクロール部１は、同位相における外縁１１と内縁１２の中心点の軌跡が終点Ｐ３を通る円Ｍと一致するように形成されている。かかるスクロール部１の外縁１１及び内縁１２の形状は、タービン等の流体機械において一般的に使用されている形状である。なお、始点Ｐ１は、外縁１１の接線方向とスクロール部１の入口における流体Ｇの流れ方向と一致する点であり、説明の便宜上、始点Ｐ１の位置を０°と規定する。したがって、スクロール部１の終点Ｐ３の位相は、ここでは約３１０°に設定されていることになるが、かかる数値に限定されるものではない。
【００２０】
前記流体機械は、例えば、流体Ｇを動翼に供給して動力を得るタービンであり、図１（Ａ）に示したように、スクロール部１から動翼に流体を供給する導入路４に複数の回動可能なベーン５１を配置した可変ノズル機構５を備え、可変ノズル機構５の一部がスクロール部１に突出した突出部５２が形成されている。なお、図１（Ｂ）において点線で示す構成部品は、タービンの動翼が立設されるタービンディスク６を示している。
【００２１】
ところで、過給機等に使用されるタービンは設置場所のスペース上の制約から、スクロール部１の形成可能範囲が制限され、かかる形成可能範囲はフレームサイズＦとして設計上付与される。ここで、図２は、図１（Ａ）における断層図を部分的に抽出した図であり、（Ａ）は断面Ｓ１、（Ｂ）は断面Ｓ３、（Ｃ）は断面Ｓ５、（Ｄ）は断面Ｓ７、（Ｅ）は断面Ｓ８、を示している。
【００２２】
図２（Ａ）において、フレームサイズＦは、点線で囲んだ矩形形状に付与される。ここで、フレームサイズＦの横幅Ｘをｘ１、縦幅Ｙをｙ１、断面Ｓ１の角部の曲率半径Ｃをｃ１、断面積をＡ、周長をＬ、水力直径をＤとすれば、断面積Ａ＝（π−４）ｃ１２＋ｘ１ｙ１、周長Ｌ＝２｛（π−４）ｃ１＋ｘ１＋ｙ１｝、水力直径Ｄ＝４Ａ／Ｌ＝２｛（π−４）ｃ１２＋ｘ１ｙ１｝／｛（π−４）ｃ１＋ｘ１＋ｙ１｝、と表現することができる。なお、ここでは、スクロール部１の径方向の幅（横幅Ｘ）が規制されている場合を想定しているため、横幅Ｘ＞縦幅ＹのフレームサイズＦが付与された場合を図示しているが、スクロール部１の中心軸方向の幅（縦幅Ｙ）が規制されているような場合には、縦幅Ｙ＞横幅ＸのフレームサイズＦが付与される場合もある。
【００２３】
水力直径とは、ある流路の断面と等価な円管の直径を意味しており、断面Ｓ１は、水力直径Ｄの円形断面の流路と等価であると評価することができる。したがって、水力直径Ｄが大きいほど送流できる流量を増大させることができ、圧力損失を低減することができる。水力直径Ｄは、上述したように、曲率半径ＣとフレームサイズＦの横幅Ｘ及び縦幅Ｙの関数により表現され、フレームサイズＦは物によって固定される。すなわち、曲率半径Ｃを変化させることにより、水力直径Ｄを調整することができる。そこで、断面Ｓ１における曲率半径Ｃ＝ｃ１は、フレームサイズＦ内において、できるだけ水力直径Ｄが大きくなるように設定される。この曲率半径Ｃの設定方法については後述する。
【００２４】
そして、本発明のスクロール部構造では、断面Ｓ１で設定された曲率半径Ｃ＝ｃ１を維持したまま、各断面におけるフレームサイズＦに合わせて、各断面の形状が設定される。すなわち、図２（Ｂ）に示すように、断面Ｓ３の形状は、横幅Ｘ＝ｘ３、縦幅Ｙ＝ｙ３、曲率半径Ｃ＝ｃ１に設定される。このとき、断面Ｓは、横幅Ｘ＝ｘ３＞２ｃ１、縦幅Ｙ＝ｙ３＞２ｃ１の関係を有し、角丸四角形状をなしている。
【００２５】
また、図２（Ｃ）に示すように、断面Ｓ５の形状は、横幅Ｘ＝ｘ５、縦幅Ｙ＝ｙ５、曲率半径Ｃ＝ｃ１に設定される。このとき、断面Ｓは、横幅Ｘ＝ｘ５＞２ｃ１、縦幅Ｙ＝ｙ５＝２ｃ１の関係を有し、半径ｃ１の半円形状の間に縦幅２ｃ１、横幅（ｘ５−２ｃ１）の長方形状を組み合わせた形状（いわば、カプセル形状）をなしている。
【００２６】
また、図２（Ｄ）に示すように、断面Ｓ６の形状は、横幅Ｘ＝ｘ６、縦幅Ｙ＝ｙ６、曲率半径Ｃ＝ｃ１に設定される。このとき、断面Ｓ６は、横幅Ｘ＝ｘ６＝２ｃ１、縦幅Ｙ＝ｙ６＝２ｃ１の関係を有し、半径ｃ１の円形状をなしている。本実施形態では、曲率半径ｃ１の角丸四角形状をなしている断面Ｓ１から、半径ｃ１の円形状をなしている断面Ｓ６までが第一移行部２を構成している。
【００２７】
そして、図２（Ｅ）に示すように、断面Ｓ８は、横幅Ｘ＝ｘ８＝２ｃ８、縦幅Ｙ＝ｙ８＝２ｃ８の関係を有し、半径ｃ８の円形状をなしている。かかる断面Ｓ８は、第二移行部３の一部を構成し、円形状を維持したまま徐々に縮径されている。なお、図２では、断面Ｓ１を基準にして曲率半径Ｃを設定するようにしたが、他の断面（例えば、断面Ｓ２〜Ｓ６）を基準にして曲率半径Ｃを設定してもよい。
【００２８】
次に、本発明に係るスクロール部構造の第二実施形態について説明する。ここで、図３は、本発明のスクロール部構造に係る第二実施形態を示す図であり、（Ａ）は図３（Ｂ）における断面Ｓ１〜Ｓ１１を積層して表示した断層図であり、（Ｂ）は平面図である。なお、図１に示した第一実施形態と同じ部品については同じ符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２９】
図３（Ａ）及び（Ｂ）に示した第二実施形態は、スクロール部１の断面形状の推移は第一実施形態と同様に第一移行部２と第二移行部３とを有しつつ、スクロール部１の外縁１１及び内縁１２の形状を改良したものである。すなわち、第二実施形態におけるスクロール部１の外縁１１は、半径Ｒが一定に形成された円弧部１１ａと、円弧部１１ａからスクロール部１の終点Ｐ３に向かって半径Ｒが漸減した漸減部１１ｂと、を有する。
【００３０】
また、スクロール部１の内縁１２は、第一実施形態と同様に、外縁１１の始点Ｐ１に対応する始点Ｑ１からスクロール部１の終点Ｐ３に向けて半径ｒが漸増するように形成されている。なお、図示しないが、外縁１１の円弧部１１ａに対応する内縁１２の半径ｒを漸増させ、外縁１１の漸減部１１ｂに対応する内縁１２の半径ｒを一定となるように構成してもよい。
【００３１】
前記円弧部１１ａは、外縁１１の接線方向とスクロール部１の入口における流体Ｇの流れ方向と一致する点である始点Ｐ１から形成されている。ここで、始点Ｐ１の位置を０°と規定すれば、円弧部１１ａの終点Ｐ２の位相は約２５０°に設定され、スクロール部１の終点Ｐ３の位相は約３１０°に設定されている。すなわち、ここでは円弧部１１ａの中心角は、約２５０°に設定されていることとなる。そして、かかる第二実施形態では、始点Ｐ１から終点Ｐ２の間における外縁１１の半径Ｒが一定の大きさに形成されている。
【００３２】
前記漸減部１１ｂは、円弧部１１ａの終点Ｐ２からスクロール部１の終点Ｐ３を結ぶ曲線であり、外縁１１の半径Ｒが徐々に減っていくように形成されている。この漸減部１１ｂの半径Ｒの変化量は、円弧部１１ａの終点Ｐ２の位相によって変化するものであるが、変化量が大きくなるとスクロール部１を流れる流体Ｇの流れを阻害する抵抗となり易い。一方で、円弧部１１ａを長く（終点Ｐ２の位相を大きく）した方が圧力損失を低減し易い。そこで、かかる第二実施形態を採用する場合には、適用されるタービン又は過給機の種類や出力に応じて円弧部１１ａの終点Ｐ２の位相を設定する必要がある。種々のタービンや過給機を想定したうえで、円弧部１１ａの終点Ｐ２の位相を設定する際の指針を経験的に示すとすれば、好ましくは１８０°以上であり、好ましくは１８０°以上２７０°以下であり、好ましくは２２５°以上２７０°以下である。
【００３３】
上述した第二実施形態のスクロール部構造によれば、外縁１１及び内縁１２が、第一実施形態の外縁１１及び内縁１２よりもフレームサイズの外形に接近するように形成されている。したがって、第二実施形態のスクロール部１では、流体Ｇは外縁１１の円弧部１１ａに沿って円滑に流れ、漸減部１１ｂで徐々に終点Ｐ３に向かって流れることとなり、十分な流路断面積を確保することができる。
【００３４】
また、第二実施形態のスクロール部１は、流路断面Ｓ１〜Ｓ８における外縁１１が半径一定に形成された円弧部１１ａを形成しているため、図３（Ａ）に示すように、外縁１１が図の上側に寄せられた状態となる。同様に、内縁１２も図の上側に寄せられることとなる。したがって、流路断面Ｓ１〜Ｓ１１の中心点の軌跡Ｌは、図示したように、外縁１１に向かって上側に凸な曲線となる。したがって、流体Ｇがスクロール部１から導入路４に流入するときの流入角度θを小さくすることができ、突出部５２の表面に負圧となる部分が形成され難い。また、第二実施形態のスクロール部１では、流路が外側に寄せられているため、流路断面Ｓ５の時点において、内縁１２は既に突出部５２と略同じ位置に設定されており、流路断面Ｓ５〜Ｓ１１を流れる流体Ｇに対して突出部５２が流れを阻害することがなく、圧力損失を低減することができる。
【００３５】
なお、第二移行部３の断面Ｓ７〜Ｓ１１は、外縁１１側に寄せられていることから、所定の円形状から導入路４に向かって接線を引いた形状に形成されるが、これは本発明により形成された断面形状と導入路４とを円滑に連結するための処理に過ぎない。すなわち、第二実施形態における各断面Ｓ１〜Ｓ１１は、第一実施形態と同様に設定される。
【００３６】
次に、本発明に係るスクロール部構造の第三実施形態について説明する。ここで、図４は、本発明のスクロール部構造に係る第三実施形態を示す図であり、（Ａ）は図４（Ｂ）における断面Ｓ１〜Ｓ１１を積層して表示した断層図であり、（Ｂ）は平面図である。なお、図１に示した第一実施形態と同じ部品については同じ符号を付し、重複した説明を省略する。
【００３７】
図４（Ａ）及び（Ｂ）に示した第三実施形態は、突出部５２のないスクロール部１に本発明のスクロール部構造を適用したものである。したがって、断面形状の推移は第一実施形態と同様に第一移行部２と第二移行部３とを有する。かかる第三実施形態におけるスクロール部１の外縁１１は、始点Ｐ１から終点Ｐ３に向かって半径Ｒが漸減するように形成されており、スクロール部１の内縁１２は、始点Ｑ１から終点Ｐ３まで半径ｒが一定となるように形成されている。かかる構成によっても、各位相において十分な流路断面積を確保することができるとともに、流体の圧力損失を低減することができる。
【００３８】
ここで、図５は、上述した第二実施形態における曲率半径の設定範囲及びその効果を示す図であり、（Ａ）は半径比と水力直径比の関係、（Ｂ）は半径比と圧力損失改善比の関係、を示している。
【００３９】
図５（Ａ）の横軸は、スクロール部１の形成可能範囲として付与されるフレームサイズＦ内に設定される最大正方形の内接円の半径Ｃｓに対する断面形状の角部の曲率半径Ｃの比率を示しており、１に近づくほど円形状に近くなり、０に近づくほど矩形形状に近くなることを意味している。また、図５（Ａ）の縦軸は、円形断面又は矩形断面の水力直径Ｄｓに対する断面形状の水力直径Ｄの比率を示している。
【００４０】
図５（Ａ）に示すように、断面形状が角丸四角形状の場合、すなわち、０＜半径比（Ｃ／Ｃｓ）＜１の場合、半径比（Ｃ／Ｃｓ）が０．５の場合に水力直径比（Ｄ／Ｄｓ）が最大となる。すなわち、断面形状の角部の曲率半径Ｃが、フレームサイズＦ内に設定される最大正方形の内接円の半径Ｃｓの半分の値の場合に水力直径Ｄが最大となる。したがって、かかる場合に水力直径Ｄを最も大きく取ることができ、十分な流路断面積を確保することができるとともに、流体の圧力損失を低減することができる。
【００４１】
また、曲率半径Ｃが半径Ｃｓの０．５倍の前後において、水力直径比（Ｄ／Ｄｓ）の変化は少ないため、曲率半径Ｃは半径Ｃｓに対して０．４〜０．６倍の大きさであれば、本発明の効果を効率的に発揮させることができる。勿論、水力直径比（Ｄ／Ｄｓ）が１より大きい値であれば、断面形状の水力直径Ｄを円形断面よりも大きくすることができ、曲率半径Ｃｓの大きさは上述した数値に限定されるものではない。例えば、水力直径比（Ｄ／Ｄｓ）の基準値を１．０２とすれば、曲率半径Ｃは半径Ｃｓに対して約０．１〜約０．９倍の大きさであればよいし、水力直径比（Ｄ／Ｄｓ）の基準値を１．０４とすれば、曲率半径Ｃは半径Ｃｓに対して約０．２〜約０．８倍の大きさであればよい。
【００４２】
図５（Ｂ）の横軸は、図５（Ａ）の横軸と同様に、半径Ｃｓに対する曲率半径Ｃの比率を示している。また、図５（Ｂ）の縦軸は、円形断面又は矩形断面の断面形状に対する角丸四角形状の圧力損失改善比を示している。
【００４３】
図５（Ｂ）に示すように、断面形状が角丸四角形状の場合、すなわち、０＜半径比（Ｃ／Ｃｓ）＜１の場合、円形断面又は矩形断面の断面形状に対して圧力損失を低減することができ、半径比（Ｃ／Ｃｓ）が０．５の場合に圧力損失改善比が最大となる。すなわち、断面形状の角部の曲率半径Ｃが、フレームサイズＦ内に設定される最大正方形の内接円の半径Ｃｓの半分の値の場合に圧力損失を最も低減することができる。
【００４４】
また、曲率半径Ｃを半径Ｃｓの０．４〜０．６倍の大きさに設定した場合には圧力損失改善比を約０．２０以上にすることができ、曲率半径Ｃを半径Ｃｓの０．２〜０．８倍の大きさに設定した場合には圧力損失改善比を約０．１５以上にすることができ、曲率半径Ｃを半径Ｃｓの０．１〜０．９倍の大きさに設定した場合には圧力損失改善比を約０．１０以上にすることができ、いずれの範囲で設定しても圧力損失を低減することができることがわかる。
【００４５】
最後に、本発明のスクロール部構造を採用した過給機について図６を参照しつつ説明する。ここで、図６は、本発明のスクロール部構造を採用した過給機の断面図である。なお、上述した本発明のスクロール部構造と同じ部品には同じ符号を付し、重複した説明を省略する。
【００４６】
本発明の過給機は、排気ガスの供給によりタービン動翼６１を回転させるガスタービン７と、タービン動翼６１と同軸に連結された羽根車８１により空気を吸入するコンプレッサ８と、を備えた過給機であり、ガスタービン７は、タービン動翼６１の回転軸周りに渦巻き形状に形成された流路を構成するスクロール部１を有し、スクロール部１は、第一実施形態〜第三実施形態に示したように、断面形状が角丸四角形状から円形状に移行しながら面積が漸減する第一移行部２を有し、第一移行部２の角部の曲率半径Ｃは同一の大きさに構成されている。なお、タービン動翼６１は、タービンディスク６に立設されており、タービン動翼６１及びタービンディスク６によりガスタービン７の羽根車が構成されている。
【００４７】
かかる過給機の外形は、ガスタービン７の筐体を構成するタービンハウジング７１と、コンプレッサ８の筐体を構成するコンプレッサハウジング８２と、タービンディスク６と羽根車８１を連結する回転軸９を支持するセンターハウジング９１と、により構成されている。そして、スクロール部１は、タービンハウジング７１の一部を構成している。また、図示した過給機は、いわゆる車両用過給機であり、車両のエンジンの回転数に合わせて適切なガスタービン７の出力を得るために、スクロール部１とタービン動翼６１との間の導入路４に複数の回動可能なベーン５１を配置した可変ノズル機構５を備えた可変容量過給機である。
【００４８】
ここで、可変ノズル機構５は、タービンハウジング７１に固定された環状のシュラウド５３と、タービンハウジング７１及びセンターハウジング９１の間に支持された環状の支持リング５４と、シュラウド５３及び支持リング５４の間で回動可能に支持された複数のベーン５１と、ベーン５１を回動させる駆動機構５５と、シュラウド５３と支持リング５４との間隔を保持するピン５６と、から構成されている。したがって、シュラウド５３と支持リング５４とにより囲まれた部分が、スクロール部１を流れる排気ガスをタービン動翼６１に供給する導入路４を構成し、シュラウド５３の一部がスクロール部１に突出した突出部５２を構成している。また、駆動機構５５は、例えば、リンク機構により構成されており、過給機の外部に配置されたアクチュエータ（図示せず）により動力が与えられ、複数のベーン５１を同期させながら角度を変更できるように構成されている。
【００４９】
上述した本発明の過給機では、スクロール部１に上述した本発明のスクロール部構造を採用しているため、スクロール部１の各位相において十分な流路断面積を確保することができるとともに、流体の圧力損失を低減することができる。
【００５０】
なお、本発明の過給機は、図示した構造のものに限定されるものではなく、可変ノズル機構５の構成が異なる過給機や可変ノズル機構５を有しない過給機であってもよいし、車両用以外の過給機であってもよいし、排気ガス以外の気体や水等の液体により駆動されるタービンを有するものであってもよい。
【００５１】
本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００５２】
１ スクロール部
２ 第一移行部
３ 第二移行部
４ 導入路
５ 可変ノズル機構
６ タービンディスク
７ ガスタービン
８ コンプレッサ
９ 回転軸
１１ 外縁
１１ａ 円弧部
１１ｂ 漸減部
１２ 内縁
５１ ベーン
５２ 突出部
５３ シュラウド
５４ 支持リング
５５ 駆動機構
５６ ピン
６１ タービン動翼
７１ タービンハウジング
８１ 羽根車
８２ コンプレッサハウジング
９１ センターハウジング
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体と動翼の間でエネルギーを交換する流体機械の動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成された流路を構成するスクロール部の構造及びかかるスクロール部構造を備えた過給機に関し、特に、圧力損失を低減することができるスクロール部構造及び過給機に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体と動翼の間でエネルギーを交換する流体機械の一つにタービンがある。タービンは、流体を動翼に供給して、流体の運動エネルギーを回転運動に変換して動力を得る流体機械である。かかるタービンを利用した装置の一つに過給機がある。例えば、車両用の過給機（ターボチャージャー）は、排気ガスの供給によりタービン動翼を回転させるガスタービンと、前記タービン動翼と同軸に連結された羽根車により空気を吸入するコンプレッサと、を備えている。前記コンプレッサにより吸入された空気は、圧縮されてエンジンに供給され、燃料と混合されて燃焼される。燃焼後の排気ガスは、前記タービンに送られて仕事をした後、最終的に大気中に放出される。前記排気ガスを前記タービン動翼に供給する流路は、排気ガスを加速させるために、前記タービン動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成されたスクロール部を有し、前記タービン動翼の周方向端面から前記排気ガスを供給するように構成されている。
【０００３】
かかる過給機等に使用されるタービンは、上述したようにスクロール部を有するが、その断面形状は、一般に、角部にＲを付けた矩形形状（角丸四角形状）か円形状のいずれかである。また、かかる断面形状は、周方向に同一形状を拡大又は縮小した相似形状に構成されていることが多い（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２０６４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、過給機等に使用されるタービンは設置場所のスペース上の制約から、スクロール部の形成可能範囲が制限され、かかる形成可能範囲はフレームサイズとして設計上付与される。したがって、スクロール部を円形状に形成した場合には、十分な流路断面積を確保することができず、矩形形状では角部にコーナー渦を生じ圧力損失が大きくなってしまうという問題がある。また、周方向の全体を角丸四角形の相似形状で形成した場合には、断面積の小さいスクロール部では角部のＲも小さくなってしまい、十分な流路断面積を確保することができない、コーナー渦が生じて圧力損失が大きくなってしまう、という問題がある。
【０００６】
本発明は上述した問題点に鑑み創案されたものであり、十分な流路断面積を確保することができるとともに、流体の圧力損失を低減することができるスクロール部構造及び過給機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、流体と動翼の間でエネルギーを交換する流体機械の前記動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成された流路を構成するスクロール部の構造であって、前記スクロール部は、断面形状が角丸四角形状から円形状に移行しながら面積が漸減する第一移行部を有し、該第一移行部の角部の曲率半径は実質的に同一の大きさに構成されている、ことを特徴とするスクロール部構造が提供される。
【０００８】
また、本発明によれば、排気ガスの供給によりタービン動翼を回転させるガスタービンと、前記タービン動翼と同軸に連結された羽根車により空気を吸入するコンプレッサと、を備えた過給機であって、前記ガスタービンは、前記タービン動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成された流路を構成するスクロール部を有し、該スクロール部は、断面形状が角丸四角形状から円形状に移行しながら面積が漸減する第一移行部を有し、該第一移行部の角部の曲率半径は実質的に同一の大きさに構成されている、ことを特徴とする過給機が提供される。
【０００９】
また、上述したスクロール部構造及び過給機のスクロール部において、前記曲率半径は、前記スクロール部の形成可能範囲として付与されるフレームサイズ内に設定される最大正方形の内接円の半径に対して、０．１〜０．９倍の大きさ、好ましくは、０．２〜０．８倍の大きさ、さらに好ましくは、０．４〜０．６倍の大きさである。
【００１０】
また、前記スクロール部は、前記第一移行部の円形状が徐々に縮径した第二移行部を有していてもよいし、前記スクロール部の外縁は、半径が一定に形成された円弧部と、該円弧部から前記スクロール部の終点に向かって半径が漸減した漸減部と、を有していてもよい。
【００１１】
さらに、前記流体機械又は前記タービンは、前記スクロール部から前記動翼に流体を供給する導入路に複数の回動可能なベーンを配置した可変ノズル機構を備え、該可変ノズル機構の一部が前記スクロール部に突出するように配置されていてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
上述した本発明のスクロール部構造及び過給機によれば、第一移行部を形成したことにより、フレームサイズの面積が大きい位相では角丸四角形状とし、フレームサイズの面積が小さい位相では円形状とすることができ、各位相において十分な流路断面積を確保することができるとともに、流体の圧力損失を低減することができる。特に、第一移行部の角部の曲率半径を同一の大きさに形成したことにより、角丸四角形状から円形状の移行区間において、効果的に本発明の効果を発揮させることができる。
【００１３】
また、角部の曲率半径をフレームサイズの内接円の半径に対して所定の大きさに設定することにより、水力直径を大きく取ることができ、十分な流路断面積を確保することができるとともに、流体の圧力損失を低減することができる。
【００１４】
また、第二移行部を付加することにより、スクロール部の出口部を円滑に構成することができ、スクロール部の外縁に円弧部と漸減部を形成することにより、十分な流路断面積を確保することができ、流体の圧力損失を低減することができる。
【００１５】
さらに、本発明は、可変ノズル機構を備えた流体機械にも適用することができ、可変ノズル機構の一部がスクロール部に突出するように配置されている場合であっても、十分な流路断面積を確保することができるとともに、流体の圧力損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のスクロール部構造に係る第一実施形態を示す図であり、（Ａ）は図１（Ｂ）における断面Ｓ１〜Ｓ１０を積層して表示した断層図、（Ｂ）は平面図、である。
【図２】図１（Ａ）における断層図を部分的に抽出した図であり、（Ａ）は断面Ｓ１、（Ｂ）は断面Ｓ３、（Ｃ）は断面Ｓ５、（Ｄ）は断面Ｓ６、（Ｅ）は断面Ｓ８、を示している。
【図３】本発明のスクロール部構造に係る第二実施形態を示す図であり、（Ａ）は図３（Ｂ）における断面Ｓ１〜Ｓ１１を積層して表示した断層図であり、（Ｂ）は平面図である。
【図４】本発明のスクロール部構造に係る第三実施形態を示す図であり、（Ａ）は図４（Ｂ）における断面Ｓ１〜Ｓ１１を積層して表示した断層図であり、（Ｂ）は平面図である。
【図５】第二実施形態における曲率半径の設定範囲及びその効果を示す図であり、（Ａ）は半径比と水力直径比の関係、（Ｂ）は半径比と圧力損失改善比の関係、を示している。
【図６】本発明のスクロール部構造を採用した過給機の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図１〜図６を用いて説明する。ここで、図１は、本発明のスクロール部構造に係る第一実施形態を示す図であり、（Ａ）は図１（Ｂ）における断面Ｓ１〜Ｓ１１を積層して表示した断層図、（Ｂ）は平面図、である。
【００１８】
図１（Ａ）に示すように、本発明のスクロール部構造は、流体Ｇと動翼の間でエネルギーを交換する流体機械の動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成された流路を構成するスクロール部１の構造であって、スクロール部１は、断面形状が角丸四角形状から円形状に移行しながら面積が漸減する第一移行部２を有し、第一移行部２の角部の曲率半径Ｃは実質的に同一の大きさに構成されている。また、スクロール部１は、第一移行部２の円形状が徐々に縮径した第二移行部３を有している。なお、実質的に同一とは、第一移行部２の角部の曲率半径Ｃが同一の大きさとなるように意図的に設計している場合を含み、製作上の公差や誤差を許容する趣旨である。
【００１９】
また、図１（Ｂ）に示すように、スクロール部１は、外縁１１の半径Ｒが始点Ｐ１から終点Ｐ３に向けて漸減するように形成されており、内縁１２の半径ｒが始点Ｑ１から終点Ｐ３に向けて漸増するように形成されている。すなわち、スクロール部１は、同位相における外縁１１と内縁１２の中心点の軌跡が終点Ｐ３を通る円Ｍと一致するように形成されている。かかるスクロール部１の外縁１１及び内縁１２の形状は、タービン等の流体機械において一般的に使用されている形状である。なお、始点Ｐ１は、外縁１１の接線方向とスクロール部１の入口における流体Ｇの流れ方向と一致する点であり、説明の便宜上、始点Ｐ１の位置を０°と規定する。したがって、スクロール部１の終点Ｐ３の位相は、ここでは約３１０°に設定されていることになるが、かかる数値に限定されるものではない。
【００２０】
前記流体機械は、例えば、流体Ｇを動翼に供給して動力を得るタービンであり、図１（Ａ）に示したように、スクロール部１から動翼に流体を供給する導入路４に複数の回動可能なベーン５１を配置した可変ノズル機構５を備え、可変ノズル機構５の一部がスクロール部１に突出した突出部５２が形成されている。なお、図１（Ｂ）において点線で示す構成部品は、タービンの動翼が立設されるタービンディスク６を示している。
【００２１】
ところで、過給機等に使用されるタービンは設置場所のスペース上の制約から、スクロール部１の形成可能範囲が制限され、かかる形成可能範囲はフレームサイズＦとして設計上付与される。ここで、図２は、図１（Ａ）における断層図を部分的に抽出した図であり、（Ａ）は断面Ｓ１、（Ｂ）は断面Ｓ３、（Ｃ）は断面Ｓ５、（Ｄ）は断面Ｓ７、（Ｅ）は断面Ｓ８、を示している。
【００２２】
図２（Ａ）において、フレームサイズＦは、点線で囲んだ矩形形状に付与される。ここで、フレームサイズＦの横幅Ｘをｘ１、縦幅Ｙをｙ１、断面Ｓ１の角部の曲率半径Ｃをｃ１、断面積をＡ、周長をＬ、水力直径をＤとすれば、断面積Ａ＝（π−４）ｃ１２＋ｘ１ｙ１、周長Ｌ＝２｛（π−４）ｃ１＋ｘ１＋ｙ１｝、水力直径Ｄ＝４Ａ／Ｌ＝２｛（π−４）ｃ１２＋ｘ１ｙ１｝／｛（π−４）ｃ１＋ｘ１＋ｙ１｝、と表現することができる。なお、ここでは、スクロール部１の径方向の幅（横幅Ｘ）が規制されている場合を想定しているため、横幅Ｘ＞縦幅ＹのフレームサイズＦが付与された場合を図示しているが、スクロール部１の中心軸方向の幅（縦幅Ｙ）が規制されているような場合には、縦幅Ｙ＞横幅ＸのフレームサイズＦが付与される場合もある。
【００２３】
水力直径とは、ある流路の断面と等価な円管の直径を意味しており、断面Ｓ１は、水力直径Ｄの円形断面の流路と等価であると評価することができる。したがって、水力直径Ｄが大きいほど送流できる流量を増大させることができ、圧力損失を低減することができる。水力直径Ｄは、上述したように、曲率半径ＣとフレームサイズＦの横幅Ｘ及び縦幅Ｙの関数により表現され、フレームサイズＦは物によって固定される。すなわち、曲率半径Ｃを変化させることにより、水力直径Ｄを調整することができる。そこで、断面Ｓ１における曲率半径Ｃ＝ｃ１は、フレームサイズＦ内において、できるだけ水力直径Ｄが大きくなるように設定される。この曲率半径Ｃの設定方法については後述する。
【００２４】
そして、本発明のスクロール部構造では、断面Ｓ１で設定された曲率半径Ｃ＝ｃ１を維持したまま、各断面におけるフレームサイズＦに合わせて、各断面の形状が設定される。すなわち、図２（Ｂ）に示すように、断面Ｓ３の形状は、横幅Ｘ＝ｘ３、縦幅Ｙ＝ｙ３、曲率半径Ｃ＝ｃ１に設定される。このとき、断面Ｓは、横幅Ｘ＝ｘ３＞２ｃ１、縦幅Ｙ＝ｙ３＞２ｃ１の関係を有し、角丸四角形状をなしている。
【００２５】
また、図２（Ｃ）に示すように、断面Ｓ５の形状は、横幅Ｘ＝ｘ５、縦幅Ｙ＝ｙ５、曲率半径Ｃ＝ｃ１に設定される。このとき、断面Ｓは、横幅Ｘ＝ｘ５＞２ｃ１、縦幅Ｙ＝ｙ５＝２ｃ１の関係を有し、半径ｃ１の半円形状の間に縦幅２ｃ１、横幅（ｘ５−２ｃ１）の長方形状を組み合わせた形状（いわば、カプセル形状）をなしている。
【００２６】
また、図２（Ｄ）に示すように、断面Ｓ６の形状は、横幅Ｘ＝ｘ６、縦幅Ｙ＝ｙ６、曲率半径Ｃ＝ｃ１に設定される。このとき、断面Ｓ６は、横幅Ｘ＝ｘ６＝２ｃ１、縦幅Ｙ＝ｙ６＝２ｃ１の関係を有し、半径ｃ１の円形状をなしている。本実施形態では、曲率半径ｃ１の角丸四角形状をなしている断面Ｓ１から、半径ｃ１の円形状をなしている断面Ｓ６までが第一移行部２を構成している。
【００２７】
そして、図２（Ｅ）に示すように、断面Ｓ８は、横幅Ｘ＝ｘ８＝２ｃ８、縦幅Ｙ＝ｙ８＝２ｃ８の関係を有し、半径ｃ８の円形状をなしている。かかる断面Ｓ８は、第二移行部３の一部を構成し、円形状を維持したまま徐々に縮径されている。なお、図２では、断面Ｓ１を基準にして曲率半径Ｃを設定するようにしたが、他の断面（例えば、断面Ｓ２〜Ｓ６）を基準にして曲率半径Ｃを設定してもよい。
【００２８】
次に、本発明に係るスクロール部構造の第二実施形態について説明する。ここで、図３は、本発明のスクロール部構造に係る第二実施形態を示す図であり、（Ａ）は図３（Ｂ）における断面Ｓ１〜Ｓ１１を積層して表示した断層図であり、（Ｂ）は平面図である。なお、図１に示した第一実施形態と同じ部品については同じ符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２９】
図３（Ａ）及び（Ｂ）に示した第二実施形態は、スクロール部１の断面形状の推移は第一実施形態と同様に第一移行部２と第二移行部３とを有しつつ、スクロール部１の外縁１１及び内縁１２の形状を改良したものである。すなわち、第二実施形態におけるスクロール部１の外縁１１は、半径Ｒが一定に形成された円弧部１１ａと、円弧部１１ａからスクロール部１の終点Ｐ３に向かって半径Ｒが漸減した漸減部１１ｂと、を有する。
【００３０】
また、スクロール部１の内縁１２は、第一実施形態と同様に、外縁１１の始点Ｐ１に対応する始点Ｑ１からスクロール部１の終点Ｐ３に向けて半径ｒが漸増するように形成されている。なお、図示しないが、外縁１１の円弧部１１ａに対応する内縁１２の半径ｒを漸増させ、外縁１１の漸減部１１ｂに対応する内縁１２の半径ｒを一定となるように構成してもよい。
【００３１】
前記円弧部１１ａは、外縁１１の接線方向とスクロール部１の入口における流体Ｇの流れ方向と一致する点である始点Ｐ１から形成されている。ここで、始点Ｐ１の位置を０°と規定すれば、円弧部１１ａの終点Ｐ２の位相は約２５０°に設定され、スクロール部１の終点Ｐ３の位相は約３１０°に設定されている。すなわち、ここでは円弧部１１ａの中心角は、約２５０°に設定されていることとなる。そして、かかる第二実施形態では、始点Ｐ１から終点Ｐ２の間における外縁１１の半径Ｒが一定の大きさに形成されている。
【００３２】
前記漸減部１１ｂは、円弧部１１ａの終点Ｐ２からスクロール部１の終点Ｐ３を結ぶ曲線であり、外縁１１の半径Ｒが徐々に減っていくように形成されている。この漸減部１１ｂの半径Ｒの変化量は、円弧部１１ａの終点Ｐ２の位相によって変化するものであるが、変化量が大きくなるとスクロール部１を流れる流体Ｇの流れを阻害する抵抗となり易い。一方で、円弧部１１ａを長く（終点Ｐ２の位相を大きく）した方が圧力損失を低減し易い。そこで、かかる第二実施形態を採用する場合には、適用されるタービン又は過給機の種類や出力に応じて円弧部１１ａの終点Ｐ２の位相を設定する必要がある。種々のタービンや過給機を想定したうえで、円弧部１１ａの終点Ｐ２の位相を設定する際の指針を経験的に示すとすれば、好ましくは１８０°以上であり、好ましくは１８０°以上２７０°以下であり、好ましくは２２５°以上２７０°以下である。
【００３３】
上述した第二実施形態のスクロール部構造によれば、外縁１１及び内縁１２が、第一実施形態の外縁１１及び内縁１２よりもフレームサイズの外形に接近するように形成されている。したがって、第二実施形態のスクロール部１では、流体Ｇは外縁１１の円弧部１１ａに沿って円滑に流れ、漸減部１１ｂで徐々に終点Ｐ３に向かって流れることとなり、十分な流路断面積を確保することができる。
【００３４】
また、第二実施形態のスクロール部１は、流路断面Ｓ１〜Ｓ８における外縁１１が半径一定に形成された円弧部１１ａを形成しているため、図３（Ａ）に示すように、外縁１１が図の上側に寄せられた状態となる。同様に、内縁１２も図の上側に寄せられることとなる。したがって、流路断面Ｓ１〜Ｓ１１の中心点の軌跡Ｌは、図示したように、外縁１１に向かって上側に凸な曲線となる。したがって、流体Ｇがスクロール部１から導入路４に流入するときの流入角度θを小さくすることができ、突出部５２の表面に負圧となる部分が形成され難い。また、第二実施形態のスクロール部１では、流路が外側に寄せられているため、流路断面Ｓ５の時点において、内縁１２は既に突出部５２と略同じ位置に設定されており、流路断面Ｓ５〜Ｓ１１を流れる流体Ｇに対して突出部５２が流れを阻害することがなく、圧力損失を低減することができる。
【００３５】
なお、第二移行部３の断面Ｓ７〜Ｓ１１は、外縁１１側に寄せられていることから、所定の円形状から導入路４に向かって接線を引いた形状に形成されるが、これは本発明により形成された断面形状と導入路４とを円滑に連結するための処理に過ぎない。すなわち、第二実施形態における各断面Ｓ１〜Ｓ１１は、第一実施形態と同様に設定される。
【００３６】
次に、本発明に係るスクロール部構造の第三実施形態について説明する。ここで、図４は、本発明のスクロール部構造に係る第三実施形態を示す図であり、（Ａ）は図４（Ｂ）における断面Ｓ１〜Ｓ１１を積層して表示した断層図であり、（Ｂ）は平面図である。なお、図１に示した第一実施形態と同じ部品については同じ符号を付し、重複した説明を省略する。
【００３７】
図４（Ａ）及び（Ｂ）に示した第三実施形態は、突出部５２のないスクロール部１に本発明のスクロール部構造を適用したものである。したがって、断面形状の推移は第一実施形態と同様に第一移行部２と第二移行部３とを有する。かかる第三実施形態におけるスクロール部１の外縁１１は、始点Ｐ１から終点Ｐ３に向かって半径Ｒが漸減するように形成されており、スクロール部１の内縁１２は、始点Ｑ１から終点Ｐ３まで半径ｒが一定となるように形成されている。かかる構成によっても、各位相において十分な流路断面積を確保することができるとともに、流体の圧力損失を低減することができる。
【００３８】
ここで、図５は、上述した第二実施形態における曲率半径の設定範囲及びその効果を示す図であり、（Ａ）は半径比と水力直径比の関係、（Ｂ）は半径比と圧力損失改善比の関係、を示している。
【００３９】
図５（Ａ）の横軸は、スクロール部１の形成可能範囲として付与されるフレームサイズＦ内に設定される最大正方形の内接円の半径Ｃｓに対する断面形状の角部の曲率半径Ｃの比率を示しており、１に近づくほど円形状に近くなり、０に近づくほど矩形形状に近くなることを意味している。また、図５（Ａ）の縦軸は、円形断面又は矩形断面の水力直径Ｄｓに対する断面形状の水力直径Ｄの比率を示している。
【００４０】
図５（Ａ）に示すように、断面形状が角丸四角形状の場合、すなわち、０＜半径比（Ｃ／Ｃｓ）＜１の場合、半径比（Ｃ／Ｃｓ）が０．５の場合に水力直径比（Ｄ／Ｄｓ）が最大となる。すなわち、断面形状の角部の曲率半径Ｃが、フレームサイズＦ内に設定される最大正方形の内接円の半径Ｃｓの半分の値の場合に水力直径Ｄが最大となる。したがって、かかる場合に水力直径Ｄを最も大きく取ることができ、十分な流路断面積を確保することができるとともに、流体の圧力損失を低減することができる。
【００４１】
また、曲率半径Ｃが半径Ｃｓの０．５倍の前後において、水力直径比（Ｄ／Ｄｓ）の変化は少ないため、曲率半径Ｃは半径Ｃｓに対して０．４〜０．６倍の大きさであれば、本発明の効果を効率的に発揮させることができる。勿論、水力直径比（Ｄ／Ｄｓ）が１より大きい値であれば、断面形状の水力直径Ｄを円形断面よりも大きくすることができ、曲率半径Ｃｓの大きさは上述した数値に限定されるものではない。例えば、水力直径比（Ｄ／Ｄｓ）の基準値を１．０２とすれば、曲率半径Ｃは半径Ｃｓに対して約０．１〜約０．９倍の大きさであればよいし、水力直径比（Ｄ／Ｄｓ）の基準値を１．０４とすれば、曲率半径Ｃは半径Ｃｓに対して約０．２〜約０．８倍の大きさであればよい。
【００４２】
図５（Ｂ）の横軸は、図５（Ａ）の横軸と同様に、半径Ｃｓに対する曲率半径Ｃの比率を示している。また、図５（Ｂ）の縦軸は、円形断面又は矩形断面の断面形状に対する角丸四角形状の圧力損失改善比を示している。
【００４３】
図５（Ｂ）に示すように、断面形状が角丸四角形状の場合、すなわち、０＜半径比（Ｃ／Ｃｓ）＜１の場合、円形断面又は矩形断面の断面形状に対して圧力損失を低減することができ、半径比（Ｃ／Ｃｓ）が０．５の場合に圧力損失改善比が最大となる。すなわち、断面形状の角部の曲率半径Ｃが、フレームサイズＦ内に設定される最大正方形の内接円の半径Ｃｓの半分の値の場合に圧力損失を最も低減することができる。
【００４４】
また、曲率半径Ｃを半径Ｃｓの０．４〜０．６倍の大きさに設定した場合には圧力損失改善比を約０．２０以上にすることができ、曲率半径Ｃを半径Ｃｓの０．２〜０．８倍の大きさに設定した場合には圧力損失改善比を約０．１５以上にすることができ、曲率半径Ｃを半径Ｃｓの０．１〜０．９倍の大きさに設定した場合には圧力損失改善比を約０．１０以上にすることができ、いずれの範囲で設定しても圧力損失を低減することができることがわかる。
【００４５】
最後に、本発明のスクロール部構造を採用した過給機について図６を参照しつつ説明する。ここで、図６は、本発明のスクロール部構造を採用した過給機の断面図である。なお、上述した本発明のスクロール部構造と同じ部品には同じ符号を付し、重複した説明を省略する。
【００４６】
本発明の過給機は、排気ガスの供給によりタービン動翼６１を回転させるガスタービン７と、タービン動翼６１と同軸に連結された羽根車８１により空気を吸入するコンプレッサ８と、を備えた過給機であり、ガスタービン７は、タービン動翼６１の回転軸周りに渦巻き形状に形成された流路を構成するスクロール部１を有し、スクロール部１は、第一実施形態〜第三実施形態に示したように、断面形状が角丸四角形状から円形状に移行しながら面積が漸減する第一移行部２を有し、第一移行部２の角部の曲率半径Ｃは同一の大きさに構成されている。なお、タービン動翼６１は、タービンディスク６に立設されており、タービン動翼６１及びタービンディスク６によりガスタービン７の羽根車が構成されている。
【００４７】
かかる過給機の外形は、ガスタービン７の筐体を構成するタービンハウジング７１と、コンプレッサ８の筐体を構成するコンプレッサハウジング８２と、タービンディスク６と羽根車８１を連結する回転軸９を支持するセンターハウジング９１と、により構成されている。そして、スクロール部１は、タービンハウジング７１の一部を構成している。また、図示した過給機は、いわゆる車両用過給機であり、車両のエンジンの回転数に合わせて適切なガスタービン７の出力を得るために、スクロール部１とタービン動翼６１との間の導入路４に複数の回動可能なベーン５１を配置した可変ノズル機構５を備えた可変容量過給機である。
【００４８】
ここで、可変ノズル機構５は、タービンハウジング７１に固定された環状のシュラウド５３と、タービンハウジング７１及びセンターハウジング９１の間に支持された環状の支持リング５４と、シュラウド５３及び支持リング５４の間で回動可能に支持された複数のベーン５１と、ベーン５１を回動させる駆動機構５５と、シュラウド５３と支持リング５４との間隔を保持するピン５６と、から構成されている。したがって、シュラウド５３と支持リング５４とにより囲まれた部分が、スクロール部１を流れる排気ガスをタービン動翼６１に供給する導入路４を構成し、シュラウド５３の一部がスクロール部１に突出した突出部５２を構成している。また、駆動機構５５は、例えば、リンク機構により構成されており、過給機の外部に配置されたアクチュエータ（図示せず）により動力が与えられ、複数のベーン５１を同期させながら角度を変更できるように構成されている。
【００４９】
上述した本発明の過給機では、スクロール部１に上述した本発明のスクロール部構造を採用しているため、スクロール部１の各位相において十分な流路断面積を確保することができるとともに、流体の圧力損失を低減することができる。
【００５０】
なお、本発明の過給機は、図示した構造のものに限定されるものではなく、可変ノズル機構５の構成が異なる過給機や可変ノズル機構５を有しない過給機であってもよいし、車両用以外の過給機であってもよいし、排気ガス以外の気体や水等の液体により駆動されるタービンを有するものであってもよい。
【００５１】
本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００５２】
１ スクロール部
２ 第一移行部
３ 第二移行部
４ 導入路
５ 可変ノズル機構
６ タービンディスク
７ ガスタービン
８ コンプレッサ
９ 回転軸
１１ 外縁
１１ａ 円弧部
１１ｂ 漸減部
１２ 内縁
５１ ベーン
５２ 突出部
５３ シュラウド
５４ 支持リング
５５ 駆動機構
５６ ピン
６１ タービン動翼
７１ タービンハウジング
８１ 羽根車
８２ コンプレッサハウジング
９１ センターハウジング
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体と動翼の間でエネルギーを交換する流体機械の前記動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成された流路を構成するスクロール部の構造であって、
前記スクロール部は、断面形状が角丸四角形状から円形状に移行しながら面積が漸減する第一移行部を有し、該第一移行部の角部の曲率半径は実質的に同一の大きさに構成されている、ことを特徴とするスクロール部構造。
【請求項２】
前記曲率半径は、前記スクロール部の形成可能範囲として付与されるフレームサイズ内に設定される最大正方形の内接円の半径に対して、０．１〜０．９倍の大きさである、ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール部構造。
【請求項３】
前記曲率半径は、前記スクロール部の形成可能範囲として付与されるフレームサイズ内に設定される最大正方形の内接円の半径に対して、０．２〜０．８倍の大きさである、ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール部構造。
【請求項４】
前記曲率半径は、前記スクロール部の形成可能範囲として付与されるフレームサイズ内に設定される最大正方形の内接円の半径に対して、０．４〜０．６倍の大きさである、ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール部構造。
【請求項５】
前記スクロール部は、前記第一移行部の円形状が徐々に縮径した第二移行部を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール部構造。
【請求項６】
前記スクロール部の外縁は、半径が一定に形成された円弧部と、該円弧部から前記スクロール部の終点に向かって半径が漸減した漸減部と、を有することを特徴とする請求項１に記載のスクロール部構造。
【請求項７】
前記流体機械は、前記スクロール部から前記動翼に流体を供給する導入路に複数の回動可能なベーンを配置した可変ノズル機構を備え、該可変ノズル機構の一部が前記スクロール部に突出するように配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール部構造。
【請求項８】
排気ガスの供給によりタービン動翼を回転させるガスタービンと、前記タービン動翼と同軸に連結された羽根車により空気を吸入するコンプレッサと、を備えた過給機であって、前記ガスタービンは、前記タービン動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成された流路を構成するスクロール部を有し、該スクロール部は、請求項１〜請求項６のいずれかに記載のスクロール部構造を備えている、ことを特徴とする過給機。
【請求項９】
前記タービンは、前記スクロール部から前記動翼に流体を供給する導入路に複数の回動可能なベーンを配置した可変ノズル機構を備え、該可変ノズル機構の一部が前記スクロール部に突出するように配置されている、ことを特徴とする請求項８に記載の過給機。
【請求項１】
流体と動翼の間でエネルギーを交換する流体機械の前記動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成された流路を構成するスクロール部の構造であって、
前記スクロール部は、断面形状が角丸四角形状から円形状に移行しながら面積が漸減する第一移行部を有し、該第一移行部の角部の曲率半径は実質的に同一の大きさに構成されている、ことを特徴とするスクロール部構造。
【請求項２】
前記曲率半径は、前記スクロール部の形成可能範囲として付与されるフレームサイズ内に設定される最大正方形の内接円の半径に対して、０．１〜０．９倍の大きさである、ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール部構造。
【請求項３】
前記曲率半径は、前記スクロール部の形成可能範囲として付与されるフレームサイズ内に設定される最大正方形の内接円の半径に対して、０．２〜０．８倍の大きさである、ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール部構造。
【請求項４】
前記曲率半径は、前記スクロール部の形成可能範囲として付与されるフレームサイズ内に設定される最大正方形の内接円の半径に対して、０．４〜０．６倍の大きさである、ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール部構造。
【請求項５】
前記スクロール部は、前記第一移行部の円形状が徐々に縮径した第二移行部を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール部構造。
【請求項６】
前記スクロール部の外縁は、半径が一定に形成された円弧部と、該円弧部から前記スクロール部の終点に向かって半径が漸減した漸減部と、を有することを特徴とする請求項１に記載のスクロール部構造。
【請求項７】
前記流体機械は、前記スクロール部から前記動翼に流体を供給する導入路に複数の回動可能なベーンを配置した可変ノズル機構を備え、該可変ノズル機構の一部が前記スクロール部に突出するように配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール部構造。
【請求項８】
排気ガスの供給によりタービン動翼を回転させるガスタービンと、前記タービン動翼と同軸に連結された羽根車により空気を吸入するコンプレッサと、を備えた過給機であって、前記ガスタービンは、前記タービン動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成された流路を構成するスクロール部を有し、該スクロール部は、請求項１〜請求項６のいずれかに記載のスクロール部構造を備えている、ことを特徴とする過給機。
【請求項９】
前記タービンは、前記スクロール部から前記動翼に流体を供給する導入路に複数の回動可能なベーンを配置した可変ノズル機構を備え、該可変ノズル機構の一部が前記スクロール部に突出するように配置されている、ことを特徴とする請求項８に記載の過給機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２０９８２４（Ｐ２０１０−２０９８２４Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５７８０８（Ｐ２００９−５７８０８）
【出願日】平成２１年３月１１日（２００９．３．１１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１１日（２００９．３．１１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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