ラジアルタービン及び過給機
【課題】ラジアルタービン３１の耐久性を十分に確保した上で、タービンインペラ３５内における圧力損失の増大を抑えること。
【解決手段】各タービン動翼３９の前縁３９Ｌの翼厚は、ミーン部３９Ｌｍ側からハブ部３９Ｌｈ側にかけて漸次厚くなってあって、各タービン動翼３９の前縁３９Ｌにおけるチップ部３９Ｌｔの翼厚に対するハブ部３９Ｌｈの翼厚の比は、３．０〜５．０に設定され、各タービン動翼３９の前縁３９Ｌにおける排気ガスの流れ方向に沿った断面形状は、半円形状になっている。
【解決手段】各タービン動翼３９の前縁３９Ｌの翼厚は、ミーン部３９Ｌｍ側からハブ部３９Ｌｈ側にかけて漸次厚くなってあって、各タービン動翼３９の前縁３９Ｌにおけるチップ部３９Ｌｔの翼厚に対するハブ部３９Ｌｈの翼厚の比は、３．０〜５．０に設定され、各タービン動翼３９の前縁３９Ｌにおける排気ガスの流れ方向に沿った断面形状は、半円形状になっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス等のガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるラジアルタービン等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば車両用過給機等に用いられるラジアルタービンについて種々の開発が行われており、ラジアルタービンの一般的な構成等について説明すると、次のようになる。
【０００３】
ラジアルタービンは、タービンハウジングを具備しており、タービンハウジングは、内側に、シュラウド（シュラウド壁）を有している。また、タービンハウジング内には、タービンインペラが設けられており、タービンインペラは、軸心周りに回転可能なホイール、及びホイールの外周面に周方向に間隔を置いて設けられかつ先端縁（外縁）がタービンハウジングのシュラウドに沿うように延びた複数枚のタービン動翼を備えている。ここで、各タービン動翼の前縁の翼厚は、ハブ部側からチップ部側にかけて略均一になっている。なお、ホイールは、タービンハウジングと異なる別のハウジング（ベアリングハウジング）にベアリングを介して回転可能に設けられたタービン軸（ロータ軸）の一端部に連結してある。
【０００４】
タービンハウジングの適宜位置には、エンジンからの排気ガスを取入れるガス取入口が形成されている。また、タービンハウジングの内部には、環状のタービンスクロール流路（供給流路の一例）がタービンインペラを囲むように形成されており、タービンスクロール流路は、ガス取入口に連通してある。更に、タービンハウジングにおけるタービンインペラの出口側（下流側）には、排気ガスを排出するガス排出口が形成されている。
【０００５】
従って、ガス取入口から取入れた排気ガスをタービンスクロール流路を経由してタービンインペラの入口側から出口側へ流通させる。これにより、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させて、タービン軸を回転させることができる。
【０００６】
なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１及び特許文献２に示すものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１４８１０１号公報
【特許文献２】特開２００２−３６４３０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、ラジアルタービンの運転状態等に応じて、排気ガスの流量が小さくなると、タービン動翼に対する排気ガスの相対流入角が大きくなって、排気ガスの相対流入角とタービン動翼の入口メタル角（前縁の翼角）の差であるインシデンスが増大する。そのため、タービン動翼の前縁近傍において排気ガスの剥離が生じ易くなって、タービンインペラ内（隣接関係にあるタービン動翼間）における圧力損失（エネルギー損失）が増大して、ラジアルタービンのタービン効率の低下を招くという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のラジアルタービン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】
【００１０】
本願の発明者は、まず、図４（ａ）に示すタービンインペラを従来例に係るもの、図４（ｂ）に示すタービンインペラを比較例１に係るもの、図５（ａ）に示すタービンインペラを比較例２に係るもの、及び図５（ｂ）に示すタービンインペラを発明例に係るものをそれぞれ解析対象として特定する。ここで、従来例に係るタービンインペラは、各タービン動翼の前縁の翼厚がハブ部側（ホイール側）からチップ部側（シュラウド側）にかけて略均一になっており、具体的には、各タービン動翼の前縁の翼厚は０．５ｍｍである。比較例１に係るタービンインペラは、各タービン動翼の前縁の翼厚がチップ部側からハブ部側にかけて漸次厚くなっており、具体的には、各タービン動翼の前縁のチップ部の翼厚は０．５ｍｍ、各タービン動翼の前縁のハブ部の翼厚は２．０ｍｍ、各タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比（翼厚比又は比率）は４．０である。比較例２に係るタービンインペラは、各タービン動翼の前縁の翼厚がチップ部側からハブ部側にかけて漸次厚くなっており、具体的には、各タービン動翼の前縁のチップ部の翼厚は０．５ｍｍ、各タービン動翼の前縁のハブ部の翼厚は３．０ｍｍ、各タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比は６．０である。発明例に係るタービンインペラは、各タービン動翼の前縁の翼厚がミーン部側からハブ部側にかけて漸次厚くなっており、具体的には、各タービン動翼の前縁のチップ部の翼厚は０．５ｍｍ、各タービン動翼の前縁のミーン部の翼厚は０．５ｍｍ、各タービン動翼の前縁のハブ部の翼厚は２．０ｍｍ、各タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比は４．０である。なお、従来例、比較例１、比較例２、及び発明例に係るタービンインペラにおいて、タービン動翼の前縁における流れ方向に沿った断面形状は半円形状（曲がり形状の一例）になっており、タービン動翼の前縁の翼厚とは、タービン動翼の前縁における半円形状を除いた部位の翼厚のことをいう。
【００１１】
そして、タービン動翼に対するガスの相対流入角を７０度（この場合、インシデンスも７０度）に設定した上で、ラジアルタービンの運転中における従来例、比較例１、比較例２、及び発明例に係るタービンインペラ内のガスの相対マッハ数分布についてＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析を行い、そのＣＦＤ解析結果として、ガスの流れの極めて遅い領域とガスの流れの遅い領域をまとめると、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）〜図９（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すようになる。なお、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、従来例に係るタービンインペラ内のハブ部近傍（０．１スパン）、ミーン部（０．５スパン）、及びチップ部近傍（０．９スパン）におけるガスの流れの極めて遅い領域とガスの流れを示す図（径方向外側から見た図）、図７（ａ）（ｂ）（ｃ）は、比較例１に係るタービンインペラ内のハブ部近傍、ミーン部、及びチップ部近傍におけるガスの流れの極めて遅い領域とガスの流れを示す図、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）は、比較例２に係るタービンインペラ内のハブ部近傍、ミーン部、及びチップ部近傍におけるガスの流れの極めて遅い領域とガスの流れを示す図、図９（ａ）（ｂ）（ｃ）は、発明例に係るタービンインペラ内のハブ部近傍、ミーン部、及びチップ部近傍におけるガスの流れの極めて遅い領域とガスの流れを示す図である。
【００１２】
ＣＦＤ解析結果によれば、図６（ａ）、図７（ａ）、図８（ａ）、及び図９（ａ）に示すように、比較例１、比較例２、及び発明例に係るタービンインペラの場合には、従来例に係るタービンインペラの場合に比べて、ハブ部近傍においてガスの流れの極めて遅い領域、換言すれば、ガスの剥離領域を低減することができることが判明した。また、図６（ｂ）（ｃ）、図７（ｂ）（ｃ）、図８（ａ）（ｂ）、及び図９（ａ）（ｂ）に示すように、比較例１、比較例２、及び発明例に係るタービンインペラの場合にも、従来例に係るタービンインペラの場合と同程度に、ミーン部及びチップ部近傍においてガスの流れの極めて遅い領域等が生じることが判明した。つまり、各タービンインペラの前縁の翼厚をミーン部側からハブ部側にかけて漸次厚くすることによって、タービンインペラ内のハブ部近傍におけるガスの剥離領域を低減できると共に、各タービンインペラの前縁の翼厚をミーン部側からチップ部側にかけて漸次厚くしても、タービンインペラ内のミーン部及びチップ部近傍におけるガスの剥離領域を十分に低減できないということが判明した。
【００１３】
なお、図示していないが、タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比が３．０〜５．０の範囲内で、発明例に係るタービンインペラと同様に、各タービン動翼の前縁の翼厚がミーン部側からハブ部側にかけて漸次厚くなるようにした他の発明例に係るタービンインペラの場合においても、発明例に係るタービンインペラの場合と同様のＣＦＤ解析結果を得ることができた。
【００１４】
続いて、ラジアルタービンの運転中における従来例、比較例１、比較例２、及び発明例に係るタービンインペラのタービン動翼の応力分布についてＦＥＭ（Finite Element Method）解析を行い、そのＦＥＭ解析結果として、タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比とタービン動翼の最大応力（背面及び腹面の最大応力）との関係をまとめると、図１０に示すようになる。なお、図１０は、タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比とタービン動翼の最大応力との関係を示す図であって、タービン動翼の最大応力は無次元化されている。
【００１５】
ＦＥＭ解析結果によれば、発明例に係るタービンインペラの場合及び前記他の発明例に係るタービンインペラの場合には、従来例に係るタービンインペラの場合と同様に、タービン動翼の背面及び腹面の最大応力が基準の許容最大応力を越えることがないことが判明した。一方、比較例１及び比較例２に係るタービンインペラの場合には、タービン動翼の背面及び腹面の最大応力が基準の許容最大応力を越えることが判明した。ここで、基準の許容最大応力とは、経験的又は試験的に許容できると認められかつタービン動翼に発生する最大応力のことをいう。
【００１６】
本願の発明者は、前述の解析結果に基づいて、各タービン動翼の前縁の翼厚をミーン部側からハブ部側にかけて漸次厚くなるようにし、かつ各タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比を適正な範囲に設定した場合には、ラジアルタービンの運転中に各タービン動翼に発生する応力が基準の許容最大応力を越えることなく、タービン動翼に対するガスの流相対入角とタービン動翼の入口メタル角（前縁の翼角）の差であるインシデンスが増大しても、各タービン動翼の前縁近傍におけるガスの剥離を十分に抑制できるという、新規な知見を得ることができ、本発明を完成するに至った。ここで、適正な範囲とは、３．０〜５．０の範囲のことをいう。
【００１７】
本発明の第１の特徴は、ガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるラジアルタービンであって、内側にシュラウド（内壁）を有したタービンハウジングと、前記タービンハウジング内に回転可能に設けられ、軸心（タービンインペラの軸心）周りに回転可能なホイール、及び前記ホイールの外周面に間隔を置いて設けられかつ先端縁が前記タービンハウジングの前記シュラウドに沿うように延びた複数枚のタービン動翼を備えたタービンインペラと、を具備し、前記タービンハウジングにガスを取入れるガス取入口が形成され、前記タービンハウジングの内部に前記ガス取入口に連通した環状（渦巻き状）の供給流路が前記タービンインペラを囲むように形成され、前記タービンハウジングにおける前記タービンインペラの出口側にガスを排出するガス排出口が形成され、各タービン動翼の前縁の翼厚がミーン部側からハブ部側にかけて漸次厚くなってあって、各タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比（翼厚比又は比率）が３．０〜５．０に設定されていることを要旨とする。
【００１８】
なお、前記ラジアルタービンは、車両用過給機、ガスタービン等に用いられる。また、「タービンハウジングのシュラウド」とは、例えば可変ノズルユニットのシュラウドリング等、前記タービンハウジングの一部に相当する部材の内壁を含む意である。
【００１９】
本発明の特徴によると、前記ガス取入口から取入れたガスを前記供給流路を経由して前記タービンインペラの入口側から出口側へ流通させる。これにより、ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させることができる。
【００２０】
各タービン動翼の前縁の翼厚がミーン部側からハブ部側にかけて漸次厚くなってあって、各タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比（翼厚比）が３．０〜５．０に設定されているため、前述の新規な知見を適用すると、前記ラジアルタービンの運転中に、各タービン動翼に発生する応力が基準の許容最大応力を越えることなく、前記タービン動翼に対するガスの相対流入角が大きくなっても、前記タービン動翼の前縁近傍におけるガスの剥離を十分に抑制することができる。
【００２１】
本発明の第２の特徴は、エンジン側に供給される空気を過給する過給機において、第１の特徴からなるラジアルタービンを具備したことを要旨とする。
【００２２】
第２の特徴によると、第１の特徴による作用と同様の作用を奏する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、前記ラジアルタービンの運転中に、各タービン動翼に発生する応力が基準の許容最大応力を越えることなく、前記タービン動翼に対するガスの相対流入角が大きくなっても、前記タービン動翼の前縁近傍におけるガスの剥離を十分に抑制できるため、前記ラジアルタービンの耐久性を十分に確保した上で、前記タービンインペラ内（隣接関係にある前記タービン動翼間）における圧力損失（エネルギー損失）の増大を抑えて、前記ラジアルタービンのタービン効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、図３における矢視部Iの拡大図である。
【図２】図２（ａ）は、図１におけるIIA-IIA線に沿った拡大図、図２（ｂ）は、図１におけるIIB-IIB線に沿った拡大断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る可変容量型過給機を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）は、従来例に係るタービンインペラの一部を径方向外側から見た図、図４（ｂ）は、比較例１に係るタービンインペラの一部を径方向外側から見た図である。
【図５】図５（ａ）は、比較例２に係るタービンインペラの一部を径方向外側から見た図、図５（ｂ）は、発明例に係るタービンインペラの一部を径方向外側から見た図である。
【図６】図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、従来例に係るタービンインペラ内のハブ部近傍、ミーン部、及びチップ部近傍におけるガスの流れの極めて遅い領域とガスの流れを示す図である。
【図７】図７（ａ）（ｂ）（ｃ）は、比較例１に係るタービンインペラ内のハブ部近傍、ミーン部、及びチップ部近傍におけるガスの流れの極めて遅い領域とガスの流れを示す図である。
【図８】図８（ａ）（ｂ）（ｃ）は、比較例２に係るタービンインペラ内のハブ部近傍、ミーン部、及びチップ部近傍におけるガスの流れの極めて遅い領域とガスの流れを示す図である。
【図９】図９（ａ）（ｂ）（ｃ）は、発明例に係るタービンインペラ内のハブ部近傍、ミーン部、及びチップ部近傍におけるガスの流れの極めて遅い領域とガスの流れを示す図である。
【図１０】図１０は、タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比とタービン動翼の最大応力との関係を示す図である。
【図１１−１】図１１−１は、ガスの流量とタービン効率との関係を示す図である。
【図１１−２】図１１−２は、図１１−１における矢視部XI-IIの拡大図である。
【図１１−３】図１１−３は、図１１−１における矢視部XI-IIIの拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の実施形態について図１から図３、及び図１１−１から図１１−３を参照して説明する。なお、図面中、「ＦＦ」は、前方向を指し、「ＦＲ」は、後方向を指してある。
【００２６】
図３に示すように、本発明の実施形態に係る可変容量型の車両用過給機１は、エンジン（図示省略）からの排気ガスのエネルギーを利用して、エンジンに供給される空気を過給（圧縮）するものである。そして、可変容量型の車両用過給機１の具体的な構成等は、以下のようになる。
【００２７】
可変容量型の車両用過給機１は、ベアリングハウジング３を具備しており、ベアリングハウジング３内には、ラジアルベアリング５及び一対のスラストベアリング７が設けられている。また、複数のベアリング５，７には、前後方向へ延びたタービン軸（ロータ軸）９が回転可能に設けられており、換言すれば、ベアリングハウジング３には、タービン軸９が複数のベアリング５，７を介して回転可能に設けられている。
【００２８】
ベアリングハウジング３の前側には、遠心力を利用して空気を圧縮するコンプレッサ１１が配設されており、コンプレッサ１１の具体的な構成は、次のようになる。
【００２９】
ベアリングハウジング３の前側には、コンプレッサハウジング１３が設けられており、コンプレッサハウジング１３内には、コンプレッサインペラ１５が回転可能に設けられている。そして、コンプレッサインペラ１５の構成要素について説明すると、コンプレッサハウジング１３内には、ホイール１７が設けられており、ホイール１７は、タービン軸９の前端部に固定ナット１９を介して一体的に連結してあって、コンプレッサインペラ１５の軸心（換言すれば、タービン軸９の軸心）Ｃ周りに回転可能である。また、ホイール１７の外周面は、コンプレッサインペラ１５の軸方向から径方向外側に向かって延びている。更に、ホイール１７の外周面には、複数枚のコンプレッサ動翼２１が周方向に間隔を置いて設けられている。
【００３０】
コンプレッサハウジング１３におけるコンプレッサインペラ１５の入口側（コンプレッサハウジング１３の前側）には、空気を取入れる空気取入口２３が形成されており、空気取入口２３は、接続管（図示省略）を介してエアクリーナー（図示省略）に接続可能である。また、ベアリングハウジング３とコンプレッサハウジング１３との間におけるコンプレッサインペラ１５の出口側には、圧縮された空気を昇圧する環状のディフューザ流路２５が形成されており、ディフューザ流路２５は、空気取入口２３に連通してある。更に、コンプレッサハウジング１３の内部には、環状（渦巻き状）のコンプレッサスクロール流路２７がコンプレッサインペラ１５を囲むように形成されており、コンプレッサスクロール流路２７は、ディフューザ流路２５に連通してある。そして、コンプレッサハウジング１３の適宜位置には、圧縮された空気を排出する空気排出口２９が形成されており、空気排出口２９は、コンプレッサスクロール流路２７に連通してあって、エンジンの給気マニホールド（図示省略）に接続可能である。
【００３１】
ベアリングハウジング３の後側には、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させるラジアルタービン３１が配設されており、ラジアルタービン３１の具体的な構成は、次のようになる。
【００３２】
図１及び図３に示すように、ベアリングハウジング３の後側には、タービンハウジング３３が設けられており、このタービンハウジング３３は、内側に、シュラウド（具体的に、後述のシュラウドリングの内壁）Ｓを有している。また、タービンハウジング３３内には、タービンインペラ３５が回転可能に設けられている。そして、タービンインペラ３５の構成要素について説明すると、タービンハウジング３３内には、ホイール３７が設けられており、ホイール３７は、タービン軸９の後端部に一体的に連結してあって、タービンインペラ３５の軸心（換言すれば、タービン軸９の軸心）Ｃ周りに回転可能である。また、ホイール３７の外周面は、タービンインペラ３５の軸方向から径方向外側に向かって延びている。更に、ホイール３７の外周面には、複数枚のタービン動翼３９が周方向に間隔を置いて設けられており、各タービン動翼３９の先端縁（外縁）３９Tは、タービンハウジング３３のシュラウドＳに沿うように延びている。
【００３３】
タービンハウジング３３内には、可変ノズルユニット４１がタービンインペラ３５を囲むように配設されている。より具体的には、タービンハウジング３３内におけるタービンインペラ３５の径方向外側（入口側）には、ノズルリング４３が取付リング４５を介して設けられており、ノズルリング４３には、シュラウドリング４７が複数（１つのみ図示）の連結ピン４９を介して一体的かつ前後に離隔して設けられており、ノズルリング４３及びシュラウドリング４７は、タービンハウジング３３の一部に相当するものとして捉えることができる。
【００３４】
ノズルリング４３とシュラウドリング４７との間、換言すれば、タービンハウジング３３内におけるタービンインペラ３５の入口側には、タービンインペラ３５側に供給される排気ガスの流路面積を可変する複数枚の可変ノズル５１が周方向に間隔を置いて配設されており、各可変ノズル５１は、タービンインペラ３５の軸心Ｃに平行な軸心周りに回転可能（揺動可能）である。ここで、複数枚の可変ノズル５１のノズル軸５３は、特開２００９−２４３４３１号公報又は特開２００９−２４３３００号公報に示すように、同期機構５５によって連動連結してあって、アクチュエータ（図示省略）によって同期して回転するものである。
【００３５】
タービンハウジング３３の適宜位置には、排気ガスを取入れるガス取入口５７が形成されており、ガス取入口５７は、エンジンの排気マニホールド（図示省略）に接続可能である。また、タービンハウジング３３の内部には、環状（渦巻き状）のタービンスクロール流路（供給流路の一例）５９が複数枚の可変ノズル５１及びタービンインペラ３５を囲むように形成されており、タービンスクロール流路５９は、ガス取入口５７に連通してあって、タービンスクロール流路５９の流路断面積は、タービンインペラ３５の回転方向に沿って漸次縮小するようになっている。更に、タービンハウジング３３におけるタービンインペラ３５の出口側（タービンハウジング３３の後側）には、排気ガスを排出するガス排出口６１が形成されており、ガス排出口６１は、タービンスクロール流路５９に連通してあって、接続管（図示省略）を介して排気ガス浄化装置（図示省略）に接続可能である。
【００３６】
続いて、本発明の実施形態に係るラジアルタービン３１の特徴部分について説明する。
【００３７】
複数枚のタービン動翼３９は、特開２００８−１３３７６５号公報に示すように、ラジアル要素に基づいて構成されており、具体的には、タービンインペラ３５の径方向に沿った任意の断面において、タービンインペラ３５の軸心Ｃから放射状（タービンインペラ３５の径方向外側）に延びるように構成されている。
【００３８】
そして、図１及び図２（ａ）に示すように、各タービン動翼３９の前縁３９Ｌの翼厚は、ミーン部３９Ｌｍ側からハブ部３９Ｌｈ側にかけて漸次厚くなってあって、各タービン動翼３９の前縁３９Ｌにおけるチップ部３９Ｌｔの翼厚に対するハブ部３９Ｌｈの翼厚の比（翼厚比又は比率）は、３．０〜５．０に設定されている。ここで、翼厚比が３．０以上に設定されるようにしたのは、 翼厚比が３．０未満であると、各タービン動翼３９の前縁３９Ｌ近傍における排気ガスの剥離を十分に抑制できないからである。一方、翼厚比が５．０以下に設定されるようにしたのは、翼厚比が５．０を越えると、ラジアルタービン３１の運転中に、タービン動翼３９に過大な応力が発生することが懸念されるからである。
【００３９】
図２（ｂ）に示すように、各タービン動翼３９の前縁３９Ｌにおける排気ガスの流れ方向に沿った断面形状は、半円形状（曲がり形状の一例）になっている。なお、各タービン動翼３９の前縁３９Ｌにおける前記断面形状が曲がり形状になる代わりに、ストレート形状（直線形状）になるようにしても構わない。
【００４０】
続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。
【００４１】
(i) 本発明の実施形態の通常の作用
ガス取入口５７から取入れた排気ガスをタービンスクロール流路５９を経由してタービンインペラ３５の入口側から出口側（排気ガスの流れ方向から見て上流側から下流側）へ流通させることにより、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させて、タービン軸９及びコンプレッサインペラ１５をタービンインペラ３５と一体的に回転させることができる。これにより、空気取入口２３から取入れた空気を圧縮して、ディフューザ流路２５及びコンプレッサスクロール流路２７を経由して空気排出口２９から排出することができ、エンジンに供給される空気を過給することができる。
【００４２】
ここで、排気ガスの流量が少ない場合（換言すれば、エンジン回転数が低速域にある場合）には、アクチュエータによって複数枚の可変ノズル５１を絞る方向（閉じる方向）へ同期して回転させることにより、タービンインペラ３５側に供給される排気ガスの流路面積（可変ノズル５１のスロート面積）を小さくして、排気ガスの流速を高くして、タービンインペラ３５の仕事量を十分に確保する。一方、排気ガスの流量が多い場合（換言すれば、エンジン回転数が高速域にある場合）には、アクチュエータによって複数枚の可変ノズル５１を開く方向へ同期して回転させることにより、可変ノズル５１のスロート面積を大きくして、タービンインペラ３５側に多くの排気ガスを供給する。これにより、排気ガスの流量の多少に関係なく、タービンインペラ３５によって回転力を十分かつ安定的に発生させることができる。
【００４３】
(ii) 本発明の実施形態の特有の作用
各タービン動翼３９の前縁３９Ｌの翼厚がミーン部３９Ｌｍ側からハブ部３９Ｌｈ側にかけて漸次厚くなってあって、各タービン動翼３９の前縁３９Ｌにおけるチップ部３９Ｌｔの翼厚に対するハブ部３９Ｌｈの翼厚の翼厚比が３．０〜５．０に設定されているため、前述の新規な知見を適用すると、ラジアルタービン３１の運転中に、各タービン動翼３９に発生する応力が基準の許容最大応力を越えることなく、タービン動翼３９に対する排気ガスの相対流入角が大きくなっても、タービン動翼３９の前縁３９Ｌ近傍における排気ガスの剥離を十分に抑制することができる。特に、各タービン動翼３９の前縁３９Ｌにおける排気ガスの流れ方向に沿った断面形状が半円形状になっているため、タービン動翼３９の前縁３９Ｌに対する排気ガスの衝突損失を低減して、タービン動翼３９の前縁３９Ｌ近傍における排気ガスの剥離をより十分に抑制することができる。
【００４４】
(iii) 本発明の実施形態の効果
本発明の実施形態によれば、ラジアルタービン３１の運転中に、各タービン動翼３９に発生する応力が基準の許容最大応力を越えることなく、タービン動翼３９に対する排気ガスの相対流入角が大きくなっても、タービン動翼３９の前縁３９Ｌ近傍における排気ガスの剥離をより十分に抑制できるため、ラジアルタービン３１の耐久性を十分に確保した上で、タービンインペラ３５内（隣接関係にあるタービン動翼３９間）における圧力損失（エネルギー損失）の増大を抑えて、ラジアルタービン３１のタービン効率の向上を図ることができる。
【００４５】
なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、例えば、ラジアルタービン３１に適用した技術的思想を、可変ノズルユニット４１を具備していないタービンに適用したり、ラジアル要素に基づいて構成された複数枚のタービン動翼３９に代えて、ラジアル要素に基づいて構成されていない複数枚のタービン動翼（図示省略）を用いたりする等、種々の態様で実施可能である。更に、本発明に包含される権利範囲は、ラジアルタービン３１だけでなく、ラジアルタービン３１を具備した可変容量型の車両用過給機１等の過給機にも及ぶものである。
【実施例】
【００４６】
本発明の実施例について図１１−１、図１１−２、図１１−３を参照して説明する。
【００４７】
従来例、比較例１、比較例２、及び発明例に係るタービンインペラ（図４（ａ）（ｂ）及び図５（ａ）（ｂ）参照）について、ガスの流量とタービン効率の関係についてＣＦＤ解析を行い、そのＣＦＤ解析結果をまとめると、図１１−１、図１１−２、図１１−３に示すようになる。即ち、小流量時において、発明例に係るタービンインペラの場合には、比較例１及び比較例２に係るタービンインペラの場合と同様に、従来例に係るタービンインペラの場合に比べて、ラジアルタービンのタービン効率を向上させることがＣＦＤ解析によって確認できた。また、大流量時において、発明例に係るタービンインペラの場合には、従来例、比較例１、及び比較例２に係るタービンインペラの場合に比べて、ラジアルタービンのタービン効率を向上させることがＣＦＤ解析結果によって確認できた。なお、図示していないが、前記他の発明例に係るタービンインペラの場合においても、発明例に係るタービンインペラの場合と同様のＣＦＤ解析結果を得ることができた。
【符号の説明】
【００４８】
１ 可変容量型の車両用過給機
３ ベアリングハウジング
９ タービン軸
１１ コンプレッサ
１３ コンプレッサハウジング
１５ コンプレッサインペラ
３１ ラジアルタービン
３３ タービンハウジング
Ｓ シュラウド
３５ タービンインペラ
３７ ホイール
３９ タービン動翼
３９Ｌ タービン動翼の前縁
３９Ｌｈ タービン動翼の前縁のハブ部
３９Ｌｍ タービン動翼の前縁のミーン部
３９Ｌｔ タービン動翼の前縁のチップ部
４１ 可変ノズルユニット
４３ ノズルリング
４７ シュラウドリング
５１ 可変ノズル
５７ ガス取入口
５９ タービンスクロール流路
６１ ガス排出口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス等のガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるラジアルタービン等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば車両用過給機等に用いられるラジアルタービンについて種々の開発が行われており、ラジアルタービンの一般的な構成等について説明すると、次のようになる。
【０００３】
ラジアルタービンは、タービンハウジングを具備しており、タービンハウジングは、内側に、シュラウド（シュラウド壁）を有している。また、タービンハウジング内には、タービンインペラが設けられており、タービンインペラは、軸心周りに回転可能なホイール、及びホイールの外周面に周方向に間隔を置いて設けられかつ先端縁（外縁）がタービンハウジングのシュラウドに沿うように延びた複数枚のタービン動翼を備えている。ここで、各タービン動翼の前縁の翼厚は、ハブ部側からチップ部側にかけて略均一になっている。なお、ホイールは、タービンハウジングと異なる別のハウジング（ベアリングハウジング）にベアリングを介して回転可能に設けられたタービン軸（ロータ軸）の一端部に連結してある。
【０００４】
タービンハウジングの適宜位置には、エンジンからの排気ガスを取入れるガス取入口が形成されている。また、タービンハウジングの内部には、環状のタービンスクロール流路（供給流路の一例）がタービンインペラを囲むように形成されており、タービンスクロール流路は、ガス取入口に連通してある。更に、タービンハウジングにおけるタービンインペラの出口側（下流側）には、排気ガスを排出するガス排出口が形成されている。
【０００５】
従って、ガス取入口から取入れた排気ガスをタービンスクロール流路を経由してタービンインペラの入口側から出口側へ流通させる。これにより、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させて、タービン軸を回転させることができる。
【０００６】
なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１及び特許文献２に示すものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１４８１０１号公報
【特許文献２】特開２００２−３６４３０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、ラジアルタービンの運転状態等に応じて、排気ガスの流量が小さくなると、タービン動翼に対する排気ガスの相対流入角が大きくなって、排気ガスの相対流入角とタービン動翼の入口メタル角（前縁の翼角）の差であるインシデンスが増大する。そのため、タービン動翼の前縁近傍において排気ガスの剥離が生じ易くなって、タービンインペラ内（隣接関係にあるタービン動翼間）における圧力損失（エネルギー損失）が増大して、ラジアルタービンのタービン効率の低下を招くという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のラジアルタービン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】
【００１０】
本願の発明者は、まず、図４（ａ）に示すタービンインペラを従来例に係るもの、図４（ｂ）に示すタービンインペラを比較例１に係るもの、図５（ａ）に示すタービンインペラを比較例２に係るもの、及び図５（ｂ）に示すタービンインペラを発明例に係るものをそれぞれ解析対象として特定する。ここで、従来例に係るタービンインペラは、各タービン動翼の前縁の翼厚がハブ部側（ホイール側）からチップ部側（シュラウド側）にかけて略均一になっており、具体的には、各タービン動翼の前縁の翼厚は０．５ｍｍである。比較例１に係るタービンインペラは、各タービン動翼の前縁の翼厚がチップ部側からハブ部側にかけて漸次厚くなっており、具体的には、各タービン動翼の前縁のチップ部の翼厚は０．５ｍｍ、各タービン動翼の前縁のハブ部の翼厚は２．０ｍｍ、各タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比（翼厚比又は比率）は４．０である。比較例２に係るタービンインペラは、各タービン動翼の前縁の翼厚がチップ部側からハブ部側にかけて漸次厚くなっており、具体的には、各タービン動翼の前縁のチップ部の翼厚は０．５ｍｍ、各タービン動翼の前縁のハブ部の翼厚は３．０ｍｍ、各タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比は６．０である。発明例に係るタービンインペラは、各タービン動翼の前縁の翼厚がミーン部側からハブ部側にかけて漸次厚くなっており、具体的には、各タービン動翼の前縁のチップ部の翼厚は０．５ｍｍ、各タービン動翼の前縁のミーン部の翼厚は０．５ｍｍ、各タービン動翼の前縁のハブ部の翼厚は２．０ｍｍ、各タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比は４．０である。なお、従来例、比較例１、比較例２、及び発明例に係るタービンインペラにおいて、タービン動翼の前縁における流れ方向に沿った断面形状は半円形状（曲がり形状の一例）になっており、タービン動翼の前縁の翼厚とは、タービン動翼の前縁における半円形状を除いた部位の翼厚のことをいう。
【００１１】
そして、タービン動翼に対するガスの相対流入角を７０度（この場合、インシデンスも７０度）に設定した上で、ラジアルタービンの運転中における従来例、比較例１、比較例２、及び発明例に係るタービンインペラ内のガスの相対マッハ数分布についてＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析を行い、そのＣＦＤ解析結果として、ガスの流れの極めて遅い領域とガスの流れの遅い領域をまとめると、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）〜図９（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すようになる。なお、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、従来例に係るタービンインペラ内のハブ部近傍（０．１スパン）、ミーン部（０．５スパン）、及びチップ部近傍（０．９スパン）におけるガスの流れの極めて遅い領域とガスの流れを示す図（径方向外側から見た図）、図７（ａ）（ｂ）（ｃ）は、比較例１に係るタービンインペラ内のハブ部近傍、ミーン部、及びチップ部近傍におけるガスの流れの極めて遅い領域とガスの流れを示す図、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）は、比較例２に係るタービンインペラ内のハブ部近傍、ミーン部、及びチップ部近傍におけるガスの流れの極めて遅い領域とガスの流れを示す図、図９（ａ）（ｂ）（ｃ）は、発明例に係るタービンインペラ内のハブ部近傍、ミーン部、及びチップ部近傍におけるガスの流れの極めて遅い領域とガスの流れを示す図である。
【００１２】
ＣＦＤ解析結果によれば、図６（ａ）、図７（ａ）、図８（ａ）、及び図９（ａ）に示すように、比較例１、比較例２、及び発明例に係るタービンインペラの場合には、従来例に係るタービンインペラの場合に比べて、ハブ部近傍においてガスの流れの極めて遅い領域、換言すれば、ガスの剥離領域を低減することができることが判明した。また、図６（ｂ）（ｃ）、図７（ｂ）（ｃ）、図８（ａ）（ｂ）、及び図９（ａ）（ｂ）に示すように、比較例１、比較例２、及び発明例に係るタービンインペラの場合にも、従来例に係るタービンインペラの場合と同程度に、ミーン部及びチップ部近傍においてガスの流れの極めて遅い領域等が生じることが判明した。つまり、各タービンインペラの前縁の翼厚をミーン部側からハブ部側にかけて漸次厚くすることによって、タービンインペラ内のハブ部近傍におけるガスの剥離領域を低減できると共に、各タービンインペラの前縁の翼厚をミーン部側からチップ部側にかけて漸次厚くしても、タービンインペラ内のミーン部及びチップ部近傍におけるガスの剥離領域を十分に低減できないということが判明した。
【００１３】
なお、図示していないが、タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比が３．０〜５．０の範囲内で、発明例に係るタービンインペラと同様に、各タービン動翼の前縁の翼厚がミーン部側からハブ部側にかけて漸次厚くなるようにした他の発明例に係るタービンインペラの場合においても、発明例に係るタービンインペラの場合と同様のＣＦＤ解析結果を得ることができた。
【００１４】
続いて、ラジアルタービンの運転中における従来例、比較例１、比較例２、及び発明例に係るタービンインペラのタービン動翼の応力分布についてＦＥＭ（Finite Element Method）解析を行い、そのＦＥＭ解析結果として、タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比とタービン動翼の最大応力（背面及び腹面の最大応力）との関係をまとめると、図１０に示すようになる。なお、図１０は、タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比とタービン動翼の最大応力との関係を示す図であって、タービン動翼の最大応力は無次元化されている。
【００１５】
ＦＥＭ解析結果によれば、発明例に係るタービンインペラの場合及び前記他の発明例に係るタービンインペラの場合には、従来例に係るタービンインペラの場合と同様に、タービン動翼の背面及び腹面の最大応力が基準の許容最大応力を越えることがないことが判明した。一方、比較例１及び比較例２に係るタービンインペラの場合には、タービン動翼の背面及び腹面の最大応力が基準の許容最大応力を越えることが判明した。ここで、基準の許容最大応力とは、経験的又は試験的に許容できると認められかつタービン動翼に発生する最大応力のことをいう。
【００１６】
本願の発明者は、前述の解析結果に基づいて、各タービン動翼の前縁の翼厚をミーン部側からハブ部側にかけて漸次厚くなるようにし、かつ各タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比を適正な範囲に設定した場合には、ラジアルタービンの運転中に各タービン動翼に発生する応力が基準の許容最大応力を越えることなく、タービン動翼に対するガスの流相対入角とタービン動翼の入口メタル角（前縁の翼角）の差であるインシデンスが増大しても、各タービン動翼の前縁近傍におけるガスの剥離を十分に抑制できるという、新規な知見を得ることができ、本発明を完成するに至った。ここで、適正な範囲とは、３．０〜５．０の範囲のことをいう。
【００１７】
本発明の第１の特徴は、ガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるラジアルタービンであって、内側にシュラウド（内壁）を有したタービンハウジングと、前記タービンハウジング内に回転可能に設けられ、軸心（タービンインペラの軸心）周りに回転可能なホイール、及び前記ホイールの外周面に間隔を置いて設けられかつ先端縁が前記タービンハウジングの前記シュラウドに沿うように延びた複数枚のタービン動翼を備えたタービンインペラと、を具備し、前記タービンハウジングにガスを取入れるガス取入口が形成され、前記タービンハウジングの内部に前記ガス取入口に連通した環状（渦巻き状）の供給流路が前記タービンインペラを囲むように形成され、前記タービンハウジングにおける前記タービンインペラの出口側にガスを排出するガス排出口が形成され、各タービン動翼の前縁の翼厚がミーン部側からハブ部側にかけて漸次厚くなってあって、各タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比（翼厚比又は比率）が３．０〜５．０に設定されていることを要旨とする。
【００１８】
なお、前記ラジアルタービンは、車両用過給機、ガスタービン等に用いられる。また、「タービンハウジングのシュラウド」とは、例えば可変ノズルユニットのシュラウドリング等、前記タービンハウジングの一部に相当する部材の内壁を含む意である。
【００１９】
本発明の特徴によると、前記ガス取入口から取入れたガスを前記供給流路を経由して前記タービンインペラの入口側から出口側へ流通させる。これにより、ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させることができる。
【００２０】
各タービン動翼の前縁の翼厚がミーン部側からハブ部側にかけて漸次厚くなってあって、各タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比（翼厚比）が３．０〜５．０に設定されているため、前述の新規な知見を適用すると、前記ラジアルタービンの運転中に、各タービン動翼に発生する応力が基準の許容最大応力を越えることなく、前記タービン動翼に対するガスの相対流入角が大きくなっても、前記タービン動翼の前縁近傍におけるガスの剥離を十分に抑制することができる。
【００２１】
本発明の第２の特徴は、エンジン側に供給される空気を過給する過給機において、第１の特徴からなるラジアルタービンを具備したことを要旨とする。
【００２２】
第２の特徴によると、第１の特徴による作用と同様の作用を奏する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、前記ラジアルタービンの運転中に、各タービン動翼に発生する応力が基準の許容最大応力を越えることなく、前記タービン動翼に対するガスの相対流入角が大きくなっても、前記タービン動翼の前縁近傍におけるガスの剥離を十分に抑制できるため、前記ラジアルタービンの耐久性を十分に確保した上で、前記タービンインペラ内（隣接関係にある前記タービン動翼間）における圧力損失（エネルギー損失）の増大を抑えて、前記ラジアルタービンのタービン効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、図３における矢視部Iの拡大図である。
【図２】図２（ａ）は、図１におけるIIA-IIA線に沿った拡大図、図２（ｂ）は、図１におけるIIB-IIB線に沿った拡大断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る可変容量型過給機を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）は、従来例に係るタービンインペラの一部を径方向外側から見た図、図４（ｂ）は、比較例１に係るタービンインペラの一部を径方向外側から見た図である。
【図５】図５（ａ）は、比較例２に係るタービンインペラの一部を径方向外側から見た図、図５（ｂ）は、発明例に係るタービンインペラの一部を径方向外側から見た図である。
【図６】図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、従来例に係るタービンインペラ内のハブ部近傍、ミーン部、及びチップ部近傍におけるガスの流れの極めて遅い領域とガスの流れを示す図である。
【図７】図７（ａ）（ｂ）（ｃ）は、比較例１に係るタービンインペラ内のハブ部近傍、ミーン部、及びチップ部近傍におけるガスの流れの極めて遅い領域とガスの流れを示す図である。
【図８】図８（ａ）（ｂ）（ｃ）は、比較例２に係るタービンインペラ内のハブ部近傍、ミーン部、及びチップ部近傍におけるガスの流れの極めて遅い領域とガスの流れを示す図である。
【図９】図９（ａ）（ｂ）（ｃ）は、発明例に係るタービンインペラ内のハブ部近傍、ミーン部、及びチップ部近傍におけるガスの流れの極めて遅い領域とガスの流れを示す図である。
【図１０】図１０は、タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比とタービン動翼の最大応力との関係を示す図である。
【図１１−１】図１１−１は、ガスの流量とタービン効率との関係を示す図である。
【図１１−２】図１１−２は、図１１−１における矢視部XI-IIの拡大図である。
【図１１−３】図１１−３は、図１１−１における矢視部XI-IIIの拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の実施形態について図１から図３、及び図１１−１から図１１−３を参照して説明する。なお、図面中、「ＦＦ」は、前方向を指し、「ＦＲ」は、後方向を指してある。
【００２６】
図３に示すように、本発明の実施形態に係る可変容量型の車両用過給機１は、エンジン（図示省略）からの排気ガスのエネルギーを利用して、エンジンに供給される空気を過給（圧縮）するものである。そして、可変容量型の車両用過給機１の具体的な構成等は、以下のようになる。
【００２７】
可変容量型の車両用過給機１は、ベアリングハウジング３を具備しており、ベアリングハウジング３内には、ラジアルベアリング５及び一対のスラストベアリング７が設けられている。また、複数のベアリング５，７には、前後方向へ延びたタービン軸（ロータ軸）９が回転可能に設けられており、換言すれば、ベアリングハウジング３には、タービン軸９が複数のベアリング５，７を介して回転可能に設けられている。
【００２８】
ベアリングハウジング３の前側には、遠心力を利用して空気を圧縮するコンプレッサ１１が配設されており、コンプレッサ１１の具体的な構成は、次のようになる。
【００２９】
ベアリングハウジング３の前側には、コンプレッサハウジング１３が設けられており、コンプレッサハウジング１３内には、コンプレッサインペラ１５が回転可能に設けられている。そして、コンプレッサインペラ１５の構成要素について説明すると、コンプレッサハウジング１３内には、ホイール１７が設けられており、ホイール１７は、タービン軸９の前端部に固定ナット１９を介して一体的に連結してあって、コンプレッサインペラ１５の軸心（換言すれば、タービン軸９の軸心）Ｃ周りに回転可能である。また、ホイール１７の外周面は、コンプレッサインペラ１５の軸方向から径方向外側に向かって延びている。更に、ホイール１７の外周面には、複数枚のコンプレッサ動翼２１が周方向に間隔を置いて設けられている。
【００３０】
コンプレッサハウジング１３におけるコンプレッサインペラ１５の入口側（コンプレッサハウジング１３の前側）には、空気を取入れる空気取入口２３が形成されており、空気取入口２３は、接続管（図示省略）を介してエアクリーナー（図示省略）に接続可能である。また、ベアリングハウジング３とコンプレッサハウジング１３との間におけるコンプレッサインペラ１５の出口側には、圧縮された空気を昇圧する環状のディフューザ流路２５が形成されており、ディフューザ流路２５は、空気取入口２３に連通してある。更に、コンプレッサハウジング１３の内部には、環状（渦巻き状）のコンプレッサスクロール流路２７がコンプレッサインペラ１５を囲むように形成されており、コンプレッサスクロール流路２７は、ディフューザ流路２５に連通してある。そして、コンプレッサハウジング１３の適宜位置には、圧縮された空気を排出する空気排出口２９が形成されており、空気排出口２９は、コンプレッサスクロール流路２７に連通してあって、エンジンの給気マニホールド（図示省略）に接続可能である。
【００３１】
ベアリングハウジング３の後側には、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させるラジアルタービン３１が配設されており、ラジアルタービン３１の具体的な構成は、次のようになる。
【００３２】
図１及び図３に示すように、ベアリングハウジング３の後側には、タービンハウジング３３が設けられており、このタービンハウジング３３は、内側に、シュラウド（具体的に、後述のシュラウドリングの内壁）Ｓを有している。また、タービンハウジング３３内には、タービンインペラ３５が回転可能に設けられている。そして、タービンインペラ３５の構成要素について説明すると、タービンハウジング３３内には、ホイール３７が設けられており、ホイール３７は、タービン軸９の後端部に一体的に連結してあって、タービンインペラ３５の軸心（換言すれば、タービン軸９の軸心）Ｃ周りに回転可能である。また、ホイール３７の外周面は、タービンインペラ３５の軸方向から径方向外側に向かって延びている。更に、ホイール３７の外周面には、複数枚のタービン動翼３９が周方向に間隔を置いて設けられており、各タービン動翼３９の先端縁（外縁）３９Tは、タービンハウジング３３のシュラウドＳに沿うように延びている。
【００３３】
タービンハウジング３３内には、可変ノズルユニット４１がタービンインペラ３５を囲むように配設されている。より具体的には、タービンハウジング３３内におけるタービンインペラ３５の径方向外側（入口側）には、ノズルリング４３が取付リング４５を介して設けられており、ノズルリング４３には、シュラウドリング４７が複数（１つのみ図示）の連結ピン４９を介して一体的かつ前後に離隔して設けられており、ノズルリング４３及びシュラウドリング４７は、タービンハウジング３３の一部に相当するものとして捉えることができる。
【００３４】
ノズルリング４３とシュラウドリング４７との間、換言すれば、タービンハウジング３３内におけるタービンインペラ３５の入口側には、タービンインペラ３５側に供給される排気ガスの流路面積を可変する複数枚の可変ノズル５１が周方向に間隔を置いて配設されており、各可変ノズル５１は、タービンインペラ３５の軸心Ｃに平行な軸心周りに回転可能（揺動可能）である。ここで、複数枚の可変ノズル５１のノズル軸５３は、特開２００９−２４３４３１号公報又は特開２００９−２４３３００号公報に示すように、同期機構５５によって連動連結してあって、アクチュエータ（図示省略）によって同期して回転するものである。
【００３５】
タービンハウジング３３の適宜位置には、排気ガスを取入れるガス取入口５７が形成されており、ガス取入口５７は、エンジンの排気マニホールド（図示省略）に接続可能である。また、タービンハウジング３３の内部には、環状（渦巻き状）のタービンスクロール流路（供給流路の一例）５９が複数枚の可変ノズル５１及びタービンインペラ３５を囲むように形成されており、タービンスクロール流路５９は、ガス取入口５７に連通してあって、タービンスクロール流路５９の流路断面積は、タービンインペラ３５の回転方向に沿って漸次縮小するようになっている。更に、タービンハウジング３３におけるタービンインペラ３５の出口側（タービンハウジング３３の後側）には、排気ガスを排出するガス排出口６１が形成されており、ガス排出口６１は、タービンスクロール流路５９に連通してあって、接続管（図示省略）を介して排気ガス浄化装置（図示省略）に接続可能である。
【００３６】
続いて、本発明の実施形態に係るラジアルタービン３１の特徴部分について説明する。
【００３７】
複数枚のタービン動翼３９は、特開２００８−１３３７６５号公報に示すように、ラジアル要素に基づいて構成されており、具体的には、タービンインペラ３５の径方向に沿った任意の断面において、タービンインペラ３５の軸心Ｃから放射状（タービンインペラ３５の径方向外側）に延びるように構成されている。
【００３８】
そして、図１及び図２（ａ）に示すように、各タービン動翼３９の前縁３９Ｌの翼厚は、ミーン部３９Ｌｍ側からハブ部３９Ｌｈ側にかけて漸次厚くなってあって、各タービン動翼３９の前縁３９Ｌにおけるチップ部３９Ｌｔの翼厚に対するハブ部３９Ｌｈの翼厚の比（翼厚比又は比率）は、３．０〜５．０に設定されている。ここで、翼厚比が３．０以上に設定されるようにしたのは、 翼厚比が３．０未満であると、各タービン動翼３９の前縁３９Ｌ近傍における排気ガスの剥離を十分に抑制できないからである。一方、翼厚比が５．０以下に設定されるようにしたのは、翼厚比が５．０を越えると、ラジアルタービン３１の運転中に、タービン動翼３９に過大な応力が発生することが懸念されるからである。
【００３９】
図２（ｂ）に示すように、各タービン動翼３９の前縁３９Ｌにおける排気ガスの流れ方向に沿った断面形状は、半円形状（曲がり形状の一例）になっている。なお、各タービン動翼３９の前縁３９Ｌにおける前記断面形状が曲がり形状になる代わりに、ストレート形状（直線形状）になるようにしても構わない。
【００４０】
続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。
【００４１】
(i) 本発明の実施形態の通常の作用
ガス取入口５７から取入れた排気ガスをタービンスクロール流路５９を経由してタービンインペラ３５の入口側から出口側（排気ガスの流れ方向から見て上流側から下流側）へ流通させることにより、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させて、タービン軸９及びコンプレッサインペラ１５をタービンインペラ３５と一体的に回転させることができる。これにより、空気取入口２３から取入れた空気を圧縮して、ディフューザ流路２５及びコンプレッサスクロール流路２７を経由して空気排出口２９から排出することができ、エンジンに供給される空気を過給することができる。
【００４２】
ここで、排気ガスの流量が少ない場合（換言すれば、エンジン回転数が低速域にある場合）には、アクチュエータによって複数枚の可変ノズル５１を絞る方向（閉じる方向）へ同期して回転させることにより、タービンインペラ３５側に供給される排気ガスの流路面積（可変ノズル５１のスロート面積）を小さくして、排気ガスの流速を高くして、タービンインペラ３５の仕事量を十分に確保する。一方、排気ガスの流量が多い場合（換言すれば、エンジン回転数が高速域にある場合）には、アクチュエータによって複数枚の可変ノズル５１を開く方向へ同期して回転させることにより、可変ノズル５１のスロート面積を大きくして、タービンインペラ３５側に多くの排気ガスを供給する。これにより、排気ガスの流量の多少に関係なく、タービンインペラ３５によって回転力を十分かつ安定的に発生させることができる。
【００４３】
(ii) 本発明の実施形態の特有の作用
各タービン動翼３９の前縁３９Ｌの翼厚がミーン部３９Ｌｍ側からハブ部３９Ｌｈ側にかけて漸次厚くなってあって、各タービン動翼３９の前縁３９Ｌにおけるチップ部３９Ｌｔの翼厚に対するハブ部３９Ｌｈの翼厚の翼厚比が３．０〜５．０に設定されているため、前述の新規な知見を適用すると、ラジアルタービン３１の運転中に、各タービン動翼３９に発生する応力が基準の許容最大応力を越えることなく、タービン動翼３９に対する排気ガスの相対流入角が大きくなっても、タービン動翼３９の前縁３９Ｌ近傍における排気ガスの剥離を十分に抑制することができる。特に、各タービン動翼３９の前縁３９Ｌにおける排気ガスの流れ方向に沿った断面形状が半円形状になっているため、タービン動翼３９の前縁３９Ｌに対する排気ガスの衝突損失を低減して、タービン動翼３９の前縁３９Ｌ近傍における排気ガスの剥離をより十分に抑制することができる。
【００４４】
(iii) 本発明の実施形態の効果
本発明の実施形態によれば、ラジアルタービン３１の運転中に、各タービン動翼３９に発生する応力が基準の許容最大応力を越えることなく、タービン動翼３９に対する排気ガスの相対流入角が大きくなっても、タービン動翼３９の前縁３９Ｌ近傍における排気ガスの剥離をより十分に抑制できるため、ラジアルタービン３１の耐久性を十分に確保した上で、タービンインペラ３５内（隣接関係にあるタービン動翼３９間）における圧力損失（エネルギー損失）の増大を抑えて、ラジアルタービン３１のタービン効率の向上を図ることができる。
【００４５】
なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、例えば、ラジアルタービン３１に適用した技術的思想を、可変ノズルユニット４１を具備していないタービンに適用したり、ラジアル要素に基づいて構成された複数枚のタービン動翼３９に代えて、ラジアル要素に基づいて構成されていない複数枚のタービン動翼（図示省略）を用いたりする等、種々の態様で実施可能である。更に、本発明に包含される権利範囲は、ラジアルタービン３１だけでなく、ラジアルタービン３１を具備した可変容量型の車両用過給機１等の過給機にも及ぶものである。
【実施例】
【００４６】
本発明の実施例について図１１−１、図１１−２、図１１−３を参照して説明する。
【００４７】
従来例、比較例１、比較例２、及び発明例に係るタービンインペラ（図４（ａ）（ｂ）及び図５（ａ）（ｂ）参照）について、ガスの流量とタービン効率の関係についてＣＦＤ解析を行い、そのＣＦＤ解析結果をまとめると、図１１−１、図１１−２、図１１−３に示すようになる。即ち、小流量時において、発明例に係るタービンインペラの場合には、比較例１及び比較例２に係るタービンインペラの場合と同様に、従来例に係るタービンインペラの場合に比べて、ラジアルタービンのタービン効率を向上させることがＣＦＤ解析によって確認できた。また、大流量時において、発明例に係るタービンインペラの場合には、従来例、比較例１、及び比較例２に係るタービンインペラの場合に比べて、ラジアルタービンのタービン効率を向上させることがＣＦＤ解析結果によって確認できた。なお、図示していないが、前記他の発明例に係るタービンインペラの場合においても、発明例に係るタービンインペラの場合と同様のＣＦＤ解析結果を得ることができた。
【符号の説明】
【００４８】
１ 可変容量型の車両用過給機
３ ベアリングハウジング
９ タービン軸
１１ コンプレッサ
１３ コンプレッサハウジング
１５ コンプレッサインペラ
３１ ラジアルタービン
３３ タービンハウジング
Ｓ シュラウド
３５ タービンインペラ
３７ ホイール
３９ タービン動翼
３９Ｌ タービン動翼の前縁
３９Ｌｈ タービン動翼の前縁のハブ部
３９Ｌｍ タービン動翼の前縁のミーン部
３９Ｌｔ タービン動翼の前縁のチップ部
４１ 可変ノズルユニット
４３ ノズルリング
４７ シュラウドリング
５１ 可変ノズル
５７ ガス取入口
５９ タービンスクロール流路
６１ ガス排出口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるラジアルタービンであって、
内側にシュラウドを有したタービンハウジングと、
前記タービンハウジング内に回転可能に設けられ、軸心周りに回転可能なホイール、及び前記ホイールの外周面に間隔を置いて設けられかつ先端縁が前記タービンハウジングの前記シュラウドに沿うように延びた複数枚のタービン動翼を備えたタービンインペラと、を具備し、
前記タービンハウジングにガスを取入れるガス取入口が形成され、前記タービンハウジングの内部に前記ガス取入口に連通した環状の供給流路が前記タービンインペラを囲むように形成され、前記タービンハウジングにおける前記タービンインペラの出口側にガスを排出するガス排出口が形成され、
各タービン動翼の前縁の翼厚がミーン部側からハブ部側にかけて漸次厚くなってあって、各タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比が３．０〜５．０に設定されていることを特徴とするラジアルタービン。
【請求項２】
各タービン動翼の前縁におけるガスの流れ方向に沿った断面形状は、曲がり形状になっていることを特徴とする請求項１に記載のラジアルタービン。
【請求項３】
前記タービンハウジング内における前記タービンインペラの入口側に周方向に間隔を置いて配設され、前記タービンインペラの軸心に平行な軸心周りに回転可能であって、前記タービンインペラ側に供給されるガスの流路面積を可変する複数枚の可変ノズルと、を具備したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のラジアルタービン。
【請求項４】
エンジン側に供給される空気を過給する過給機において、
請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載のラジアルタービンを具備したことを特徴とする過給機。
【請求項１】
ガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるラジアルタービンであって、
内側にシュラウドを有したタービンハウジングと、
前記タービンハウジング内に回転可能に設けられ、軸心周りに回転可能なホイール、及び前記ホイールの外周面に間隔を置いて設けられかつ先端縁が前記タービンハウジングの前記シュラウドに沿うように延びた複数枚のタービン動翼を備えたタービンインペラと、を具備し、
前記タービンハウジングにガスを取入れるガス取入口が形成され、前記タービンハウジングの内部に前記ガス取入口に連通した環状の供給流路が前記タービンインペラを囲むように形成され、前記タービンハウジングにおける前記タービンインペラの出口側にガスを排出するガス排出口が形成され、
各タービン動翼の前縁の翼厚がミーン部側からハブ部側にかけて漸次厚くなってあって、各タービン動翼の前縁におけるチップ部の翼厚に対するハブ部の翼厚の比が３．０〜５．０に設定されていることを特徴とするラジアルタービン。
【請求項２】
各タービン動翼の前縁におけるガスの流れ方向に沿った断面形状は、曲がり形状になっていることを特徴とする請求項１に記載のラジアルタービン。
【請求項３】
前記タービンハウジング内における前記タービンインペラの入口側に周方向に間隔を置いて配設され、前記タービンインペラの軸心に平行な軸心周りに回転可能であって、前記タービンインペラ側に供給されるガスの流路面積を可変する複数枚の可変ノズルと、を具備したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のラジアルタービン。
【請求項４】
エンジン側に供給される空気を過給する過給機において、
請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載のラジアルタービンを具備したことを特徴とする過給機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１−１】
【図１１−２】
【図１１−３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１−１】
【図１１−２】
【図１１−３】
【公開番号】特開２０１２−２４１５６４（Ｐ２０１２−２４１５６４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１０６３３（Ｐ２０１１−１１０６３３）
【出願日】平成２３年５月１７日（２０１１．５．１７）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１７日（２０１１．５．１７）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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