DE112017005519T5

DE112017005519T5 - Variable Düseneinheit und Turbolader

Info

Publication number: DE112017005519T5
Application number: DE112017005519.9T
Authority: DE
Inventors: Natsuko Motoda
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2016-11-01
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2019-08-08
Also published as: JPWO2018084154A1; US10914190B2; JP6690730B2; CN109804149B; WO2018084154A1; CN109804149A; US20190249563A1

Abstract

Eine variable Düseneinheit hat einen variablen Düsenflügel, der zwischen einer Nabenwandfläche und einer Mantelwandfläche angeordnet ist und drehbar um eine Drehachse ist, die parallel zu einer Drehachse eines Turbinenlaufrades im Inneren eines Gasströmungskanals ist. Der variable Düsenflügel hat einen Führungsrand, einen nacheilenden Rand, eine Nabenendfläche, die einer Nabenwandfläche zugewandt ist, und eine Mantelendfläche, die einer Mantelwandfläche zugewandt ist. Der variable Düsenflügel ist um eine Verdrehmitte verdreht, die zwischen dem nacheilenden Rand und der Drehachse so angeordnet ist, dass die Nabenendfläche zu einer radialen Außenseite einer Drehachse in Bezug auf die Mantelendfläche an einer Führungsrandseite vorragt, und die Nabenendfläche zu einer radialen Innenseite der Drehachse in Bezug auf die Mantelendfläche an der Nacheilrandseite vorragt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine variable Düseneinheit und auf einen Turbolader.
Hintergrund des Standes der Technik
Im Stand der Technik ist, wie dies in den Patentdokumenten 1 und 2 beschrieben ist, ein variabler Düsenflügel für ein Ändern einer Strömungskanalfläche (ein Halsbereich) eines in ein Turbinenlaufrad strömendes Gas bekannt. Der variable Düsenflügel ist um eine Achse drehbar, die parallel zu einer Drehachse des Turbinenlaufrades ist. Durch die Drehung des variablen Düsenflügels kann die Strömungskanalfläche für das Gas geändert werden.
Der in Patentdokument 1 beschriebene variable Düsenflügel ist so aufgebaut, dass er um einen Führungsrand so verdreht ist, dass eine Mantelseite nach innen in der radialen Richtung in Bezug auf eine Nabenseite vorragt. Demgemäß nimmt eine Seitenzwischenraumströmung (Seitenspaltströmung) ab, und folglich nimmt ein Energieverlustbereich an einer Einlassseite des Turbinenlaufrades ab. Der in Patentdokument 2 beschriebene variable Düsenflügel ist in einer Form ausgebildet, die in einer Sehnenlängenrichtung gekrümmt ist, in einer Neigungsrichtung schlank ist und um eine Drehachse des variablen Düsenflügels verdreht ist.
Dokumente des Standes der Technik
Patentdokumente

Patentdokument 1: ungeprüfte japanische Patentanmeldung JP 2015-14252
Patentdokument 2: US 2011/0314808

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Bei dem in Patentdokument 1 beschriebenen variablen Düsenflügel wird eine dreidimensionale Form aufgegriffen, die um den nacheilenden Rand herum verdreht ist, und so wird der variable Düsenflügel nahe zu der Mantelseite gebracht und ein Seitenspalt an der Mantelseite ist so festgelegt, dass er kleiner als ein Seitenspalt an der Nabenseite ist. Da demgemäß eine Mantelseitenspaltströmung abnimmt, kann die Turbineneffizienz des Turboladers der Art mit variabler Verdrängung verbessert werden. Jedoch kann bei einem variablen Düsenflügel eine Axialkraft, die gegen die Nabenseite drückt, auf den variablen Düsenflügel aufgebracht werden. Aufgrund dieser Axialkraft kann es sein, dass der variable Düsenflügel nicht mit Leichtigkeit nahe zu der Mantelseite gebracht wird. Bei dem im Patentdokument 2 beschriebenen variablen Düsenflügel wird die Flügelflächenform untersucht und eine Verringerung der Spaltströmung wird nicht erwähnt.
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine variable Düseneinheit und einen Turbolader, die dazu in der Lage sind, einen variablen Düsenflügel zu einer Mantelseite zu bewegen.
Lösung des Problems
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine variable Düseneinheit geschaffen worden, die in einer Turbine angewendet wird, die einen Gasströmungskanal, durch den ein Gas, das von einem Spiralströmungskanal zu einem Turbinenlaufrad strömt, tritt, und eine Nabenwandfläche und eine Mantelwandfläche hat, die einander in einer Richtung einer Drehachse des Turbinenlaufrades zugewandt sind und den Gasströmungskanal ausbilden, mit: einem variablen Düsenflügel, der zwischen der Nabenwandfläche und der Mantelwandfläche angeordnet ist und drehbar um eine Drehachse ist, die parallel zu der Drehachse des Turbinenlaufrades im Inneren des Gasströmungskanals ist, wobei der variable Düsenflügel einen Führungsrand, einen nacheilenden Rand, eine Nabenendfläche, die der Nabenwandfläche zugewandt ist, und eine Mantelendfläche hat, die der Mantelwandfläche zugewandt ist, und wobei der variable Düsenflügel um eine Verdrehmitte verdreht ist, die zwischen dem nacheilenden Rand und der Drehachse so angeordnet ist, dass die Nabenendfläche zu einer radialen Außenseite der Drehachse in Bezug auf die Mantelendfläche an der Führungsrandseite vorragt, und die Nabenendfläche zu einer radialen Innenseite der Drehachse in Bezug auf die Mantelendfläche an der Nacheilrandseite vorragt.
Effekte der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, mit Leichtigkeit einen variablen Düsenflügel zu einer Mantelseite zu bewegen.
Figurenliste

1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Turboladers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Querschnittsansicht, bei der eine variable Düseneinheit in einer Ebene geschnitten ist, die senkrecht zu einer Drehachse ist.
Die 3A bis 3F zeigen sechs ebene Ansichten eines variablen Düsenflügels.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Positionsabweichungsbeziehung zwischen einer Mantelendfläche und einer Nabenendfläche des variablen Düsenflügels.
5A zeigt eine Ansicht des variablen Düsenflügels von einer Mantelendflächenseite, und 5B zeigt eine ausschnittartige vergrößerte Ansicht aus 5A in der Nähe eines nacheilenden Randes.
6 zeigt eine Darstellung einer Form des variablen Düsenflügels in einer Meridianebene.
7 zeigt eine schematische Darstellung von verschiedenen Kräften, die auf den variablen Düsenflügel aufgebracht werden.
8 zeigt eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen einer Verdrehmittenposition und einem Projektionsflächenverhältnis.
9 zeigt eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen einer Verdrehmittenposition und einem Axiallastverhältnis.
10A zeigt eine Darstellung eines variablen Düsenflügels gemäß einem Vergleichsbeispiel von einer Mantelendflächenseite, und 10B zeigt eine ausschnittartige vergrößerte Ansicht aus 10A in der Nähe des nacheilenden Randes.
11A zeigt eine Darstellung eines variablen Düsenflügels gemäß einem Vergleichsbeispiel von einer Mantelendflächenseite, 11B zeigt eine ausschnittartige vergrößerte Ansicht aus 11A in der Nähe eines Führungsrandes, und 11C zeigt eine ausschnittartige vergrößerte Ansicht aus 11A in der Nähe des nacheilenden Randes.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine variable Düseneinheit vorgesehen, die in einer Turbine angewendet wird, die einen Gasströmungskanal, durch den ein Gas, das von einem Spiralströmungskanal zu einem Turbinenlaufrad strömt, tritt, und eine Nabenwandfläche und eine Mantelwandfläche hat, die einander in einer Richtung einer Drehachse des Turbinenlaufrades zugewandt sind und den Gasströmungskanal ausbilden, mit: einem variablen Düsenflügel, der zwischen der Nabenwandfläche und der Mantelwandfläche angeordnet ist und drehbar um eine Drehachse ist, die parallel zu der Drehachse des Turbinenlaufrades im Inneren des Gasströmungskanals ist, wobei der variable Düsenflügel einen Führungsrand, einen nacheilenden Rand, eine Nabenendfläche, die der Nabenwandfläche zugewandt ist, und eine Mantelendfläche hat, die der Mantelwandfläche zugewandt ist, und wobei der variable Düsenflügel um eine Verdrehmitte verdreht ist, die zwischen dem nacheilenden Rand und der Drehachse so angeordnet ist, dass die Nabenendfläche zu einer radialen Außenseite der Drehachse in Bezug auf die Mantelendfläche an der Führungsrandseite vorragt, und die Nabenendfläche zu einer radialen Innenseite der Drehachse in Bezug auf die Mantelendfläche an der Nacheilrandseite vorragt.
In der variablen Düseneinheit ist der variable Düsenflügel um die Verdrehmitte verdreht, die sich zwischen dem nacheilenden Rand und der Drehachse befindet. Wenn die Verdrehmitte in dieser Weise angeordnet wird, ragt die Nabenendfläche zu der radialen Außenseite der Drehachse in Bezug auf die Mantelendfläche an der Führungsrandseite vor, und die Nabenendfläche ragt zu der radialen Innenseite der Drehachse in Bezug auf die Mantelendfläche an der Nacheilrandseite vor. Da die Nabenendfläche zu der radialen Innenseite vorragt, nimmt die vorragende Fläche (Flächeninhalt) der Nabenendfläche zu der radialen Außenseite ab. Demgemäß nimmt eine Axialkraft, die auf die radiale Außenseite (die Hochdruckseite) des variablen Düsenflügels aufgebracht wird, d.h., eine Axialkraft, die gegen die Nabenseite drückt, ab. Da die Axialkraft zu der Nabenseite abnimmt, kann der variable Düsenflügel mit Leichtigkeit zu der Mantelseite bewegt werden. Als ein Ergebnis ist es einfach, die axiale Position des variablen Düsenflügels in dem Gasströmungskanal im Vergleich zu dem variablen Düsenflügel aus Patentdokument 1 einzustellen.
In einigen Aspekten ist der Verdrehwinkel zwischen der Nabenendfläche und der Mantelendfläche auf 1,0 bis 5,0° festgelegt. In diesem Fall können der Effizienzverbesserungseffekt und der Axialkraftverringerungseffekt in geeigneter Weise aufgezeigt werden.
In einigen Aspekten ist eine Außenfläche, an der die Nabenendfläche zu der radialen Außenseite in Bezug auf die Mantelendfläche vorragt, größer als eine Innenfläche, an der die Nabenendseite zu der radialen Innenseite in Bezug auf die Mantelendfläche vorragt. Da in diesem Fall ein Abstand zwischen Flügeln an der Nacheilrandseite der Nabenendfläche an zwei benachbarten variablen Düsenflügeln zunimmt, kann die mantelseitige Spaltströmung verringert werden. Somit wird ein Verbesserungseffekt bei der Turbineneffizienz erzielt.
In einigen Aspekten befindet sich die Verdrehmitte in einem Bereich von 70 bis 85% von dem Führungsrand in Bezug auf einen Abstand zwischen dem Führungsrand und dem nacheilenden Rand. Da die Verdrehmitte in einem Bereich von 70 bis 85% von dem Führungsrand angeordnet ist, ist es möglich, einen noch besser geeigneten Ausgleich in einer Beziehung zwischen der vorragenden Fläche der Nabenendfläche zu der radialen Außenseite und der vorragenden Fläche von dieser zu der radialen Innenseite zu verwirklichen. Somit können der Verbesserungseffekt für die Turbineneffizienz und der Verringerungseffekt für die Axialkraft in geeigneter Weise aufgezeigt werden.
Gemäß einem Turbolader, der irgendeine der variablen Düseneinheiten hat, die in der Turbine vorgesehen sind, wird die Turbinenleistung verbessert.
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel eines Turboladers der Art mit variabler Verdrängung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Darüber hinaus stimmt in den Zeichnungen, da die Merkmale der Bestandteile übertrieben dargestellt sein können, ein Maßverhältnis von jedem Abschnitt in den Zeichnungen nicht unbedingt mit einem wirklichen Verhältnis überein.
Ein in 1 gezeigter Turbolader 1 der Art mit variabler Verdrängung ist beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor eines Schiffes oder eines Fahrzeugs angewendet. Wie dies in 1 gezeigt ist, hat der Turbolader 1 der Art mit variabler Verdrängung eine Turbine 2 und einen Kompressor 3. Die Turbine 2 hat ein Turbinengehäuse 4 und ein Turbinenlaufrad 6, das in dem Turbinengehäuse 4 untergebracht ist. Das Turbinengehäuse 4 hat einen Spiralströmungskanal 16, der sich in der Umfangsrichtung um das Turbinenlaufrad 6 herum erstreckt. Der Kompressor 3 hat ein Kompressorgehäuse 5 und ein Kompressorlaufrad 7, das in dem Kompressorgehäuse 5 untergebracht ist. Das Kompressorgehäuse 5 hat einen Spiralströmungskanal 17, der sich in der Umfangsrichtung um das Kompressorlaufrad 7 herum erstreckt.
Das Turbinenlaufrad 6 ist an einem Ende einer Drehwelle 14 vorgesehen. Das Kompressorlaufrad 7 ist an dem anderen Ende der Drehwelle 14 vorgesehen. Ein Lagergehäuse 13 ist zwischen dem Turbinengehäuse 4 und dem Kompressorgehäuse 5 vorgesehen. Die Drehwelle 14 ist anhand des Lagergehäuses 13 durch das Lager 15 drehbar gestützt, und die Drehwelle 14, das Turbinenlaufrad 6 und das Kompressorlaufrad 7 drehen sich um eine Drehachse H als ein einstückiger Drehkörper 12.
Das Turbinengehäuse 4 ist mit einem (nicht gezeigten) Abgaseinlass und einem Abgasauslass 10 versehen. Ein von einem (nicht gezeigten) Verbrennungsmotor abgegebenes Abgas strömt in das Turbinengehäuse 4 durch den Abgaseinlass und strömt in das Turbinenlaufrad 6 durch den Spiralströmungskanal 16, um das Turbinenlaufrad 6 zu drehen. Dann wird das Abgas zu der Außenseite des Turbinengehäuses 4 durch den Abgasauslass 10 abgegeben.
Das Kompressorgehäuse 5 ist mit einem Sauganschluss (Saugöffnung) 9 und einem (nicht gezeigten) Abgabeanschluss (Abgabeöffnung) versehen. Wenn das Turbinenlaufrad 6 sich wie vorstehend beschrieben dreht, dreht sich das Kompressorlaufrad 7 durch die Drehwelle 14. Das sich drehende Kompressorlaufrad 7 saugt Außenluft durch den Sauganschluss 9 an, komprimiert die Luft und gibt die komprimierte Luft aus dem Abgabeanschluss durch den Spiralströmungskanal 17 ab. Die komprimierte Luft, die von dem Abgabeanschluss abgegeben wird, wird zu dem vorstehend beschriebenen Verbrennungsmotor geliefert.
Nachstehend ist die Turbine 2 detaillierter beschrieben. Die Turbine 2 ist eine Turbine der Art mit variabler Verdrängung, und eine Vielzahl an variablen Düsenflügeln 23 sind in einem Gasströmungskanal 21 vorgesehen, der den Spiralströmungskanal 16 und das Turbinenlaufrad 6 verbindet. Die in Vielzahl vorgesehenen variablen Düsenflügel 23 sind in der Umfangsrichtung um die Drehachse H angeordnet, und jeder variable Düsenflügel 23 dreht sich um eine Drehachse L (sh. 5A), die parallel zu der Drehachse H ist. Der Gasströmungskanal 21 bewirkt, dass ein von dem Spiralströmungskanal 16 zu dem Turbinenlaufrad 6 strömendes Gas durch dieses hindurchströmt. Wenn der variable Düsenflügel 23 sich wie vorstehend beschrieben dreht, wird die Querschnittsfläche (der Halsbereich) des Gasströmungskanals optimal im Ansprechen auf die Strömungsmenge des Abgases eingestellt, das in die Turbine 2 strömt.
Wie dies vorstehend beschrieben ist, hat die Turbine 2 eine variable Düseneinheit 25 als einen Antriebsmechanismus zum Drehen des variablen Düsenflügels 23. Die variable Düseneinheit 25 sitzt in dem Turbinengehäuse 4 und ist zwischen dem Turbinengehäuse 4 und dem Lagergehäuse 13 fixiert.
Nachstehend ist die variable Düseneinheit 25, die bei der Turbine 2 des Turboladers 1 der Art mit variabler Verdrängung angewendet wird, unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung bedeuten die „axial Richtung“, die „radiale Richtung“ und die „Umfangsrichtung“ einfach und jeweils die Richtung der Drehachse H, die Drehradialrichtung und die Drehumfangsrichtung des Turbinenlaufrades 6. Des Weiteren ist in der Richtung der Drehachse H eine Seite, die nahe zu der Turbine 2 ist, einfach als eine „Turbinenseite“ bezeichnet, und eine Seite, die nahe zu dem Kompressor 3 ist, ist einfach als eine „Kompressorseite“ bezeichnet.
Die variable Düseneinheit 25 hat die Vielzahl an (in dem in den Zeichnungen dargestellten Beispiel sind es elf) variablen Düsenflügeln 23 zusammen mit einem ersten Düsenring 31 und einem zweiten Düsenring 32, die die variablen Düsenflügel 23 in der axialen Richtung sandwichartig anordnen. Sowohl der erste Düsenring 31 als auch der zweite Düsenring 32 ist in einer ringartigen Form um die Drehachse H ausgebildet und ist so angeordnet, dass er das Turbinenlaufrad 6 in der Umfangsrichtung umgibt. Ein Bereich, der zwischen dem ersten Düsenring 31 und dem zweiten Düsenring 32 sandwichartig angeordnet ist, bildet den vorstehend beschriebenen Gasströmungskanal 21. Der zweite Düsenring 32 ist dem Spiralströmungskanal 16 zugewandt (sh. 1), und der zweite Düsenring 32 bildet einen Teil der Innenwand des Spiralströmungskanals 16. Eine Drehwelle 23a von jedem variablen Düsenflügel 23 ist durch ein Lagerloch 31a des ersten Düsenrings 31 drehbar eingeführt, und der erste Düsenring 31 stützt axial jeden variablen Düsenflügel 23 in einer einseitig eingespannten Weise. Darüber hinaus sind in dem in den Zeichnungen gezeigten Beispiel die variablen Düsenflügel 23 bei dem gleichen Intervall in der Umfangsrichtung angeordnet, jedoch müssen die variablen Düsenflügel 23 nicht unbedingt bei dem gleichen Intervall angeordnet sein. 2 zeigt außerdem die Drehrichtung D des Turbinenlaufrades 6.
Wie dies in 1 gezeigt ist, ist ein als Ringplatte geformter Stützring 41 an der Kompressorseite des ersten Düsenrings 31 fixiert, und ein ringartiges Antriebsringstützelement 43 ist an der Kompressorseite des Stützrings 41 fixiert. Sowohl der erste Düsenring 31, der zweite Düsenring 32, der Stützring 41 als auch das Antriebsringstützelement 43 ist mit einer Vielzahl an (in dem in den Zeichnungen gezeigten Beispiel sind es drei) Stiftlöchern 35a versehen. Wenn der Verbindungsstift 35 durch jedes Stiftloch 35a eingeführt ist, sind der erste Düsenring 31, der zweite Düsenring 32, der Stützring 41 und das Antriebsringstützelement 43 verbunden.
Außerdem sind der Stützring 41 und das Antriebsringstützelement 43 an dem ersten Düsenring 31 durch den Kompressorseitenabschnitt des Verbindungsstiftes 35 verstemmt. Des Weiteren ist der Turbinenseitenabschnitt des Verbindungsstiftes 35 mit zwei Flanschabschnitten versehen für ein jeweiliges Positionieren des ersten Düsenrings 31 und des zweiten Düsenrings 32. Da ein Maß zwischen zwei Flanschabschnitten mit einer hohen Genauigkeit hergestellt wird, wird die Genauigkeit der axialen Abmessung des Gasströmungskanals 21 sichergestellt. Wenn der Antriebsring 28 an dem Antriebsringstützelement 43 angebracht ist, ist der Antriebsring 28 drehbar um die Drehachse H gestützt. Wenn der Außenumfangsabschnitt des Stützrings 41 zwischen dem Turbinengehäuse 4 und dem Lagergehäuse 13 in der axialen Richtung sandwichartig angeordnet ist, wird die gesamte variable Düseneinheit 25 durch das Turbinengehäuse 4 und das Lagergehäuse 13 gehalten.
Der Antriebsring 28 ist ein Element, das eine von der Außenseite eingegebene Antriebskraft zu dem variablen Düsenflügel 23 überträgt, und er ist als ein einzelnes Element durch beispielsweise ein Metallmaterial ausgebildet. Der Antriebsring 28 ist in einer ringartigen Form ausgebildet, die sich in der Umfangsrichtung um die Drehachse H erstreckt, und er dreht sich um die Drehachse H durch eine von der Außenseite übertragene Antriebskraft. Der Hebel 29 ist an der Drehwelle 23a von jedem variablen Düsenflügel 23 angebracht, und die Hebel sind bei dem gleichen Intervall in der Umfangsrichtung an der Innenseite des Antriebsrings 28 angeordnet.
In einer derartigen variablen Düseneinheit 25 ist ein Abschnitt, der durch den ersten Düsenring 31, den zweiten Düsenring 32, den Stützring 41 und den Verbindungsstift 35 ausgebildet ist, an dem Turbinengehäuse 4 so fixiert, dass die Vielzahl an variablen Düsenflügeln 23 in einer drehbaren Weise axial gestützt ist.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung von 2 sind die variable Düseneinheit 25 und der variable Düsenflügel 23 detaillierter beschrieben. Die in Vielzahl vorgesehenen variablen Düsenflügel 23 sind gleich und haben die gleiche Größe und Form. Ein Seitenspalt (Seitenzwischenraum) ist ausgebildet, um die Zuverlässigkeit des Drehvorgangs der Vielzahl an variablen Düsenflügeln 23 sicherzustellen, die zwischen dem ersten Düsenring 31 und dem zweiten Düsenring 32 angeordnet sind. Das heißt, wie dies in 7 gezeigt ist, ein Nabenseitenspalt CL1 kann zwischen einer Nabenwandfläche 31b des ersten Düsenrings 31 und einer Nabenendfläche 54 des variablen Düsenflügels 23 ausgebildet sein. Ein Mantelseitenspalt CL2 kann zwischen einer Mantelwandfläche 32b des zweiten Düsenrings 32 und einer Mantelendfläche 53 des variablen Düsenflügels 23 ausgebildet sein. Vom Gesichtspunkt der Verbesserung der Turbineneffizienz ist der Mantelseitenspalt CL2 wunschgemäß kleiner als der Nabenseitenspalt CL1. Somit ist der Mantelseitenspalt CL2 wunschgemäß Null (so dass der Mantelseitenspalt CL2 nicht vorhanden ist) während des Betriebs des Turboladers 1 der Art mit variabler Verdrängung (sh. 6).
Da in der variablen Düseneinheit 25 eine dreidimensionale Form des variablen Düsenflügels 23 entworfen worden ist, wird eine auf den variablen Düsenflügel 23 in der axialen Richtung aufgebrachte Kraft (eine Axialkraft) berücksichtigt, und folglich kann die Position des variablen Düsenflügels 23 in der axialen Richtung mit Leichtigkeit eingestellt werden. Das heißt, die dreidimensionale Form des variablen Düsenflügels 23 ist so, dass ein Gleichgewicht der verschiedenen Kräfte F1 bis F4, die in 7 gezeigt sind, in einem erwünschten Zustand ist.
Wie dies in den 2, 3 und 4 gezeigt ist, hat der variable Düsenflügel 23 einen Führungsrand 51, der sich an der stromaufwärtigen Seite befindet, und einen nacheilenden Rand 52, der sich an der stromabwärtigen Seite in Bezug auf die Strömung des Gases in dem Gasströmungskanal 21 befindet. Der variable Düsenflügel 23 hat eine flache Nabenendfläche 54, die der Nabenwandfläche 31b zugewandt ist, die der turbinenseitigen Fläche des ersten Düsenrings 31 entspricht, und eine flache Mantelendfläche 53, die der Mantelwandfläche 32b zugewandt ist, die einer kompressorseitigen Fläche des zweiten Düsenrings 32 entspricht. Die Nabenendfläche 54 und die Mantelendfläche 53 verbinden den Führungsrand 51 und den nacheilenden Rand 52 und sind jeweils so angeordnet, dass sie senkrecht zu der Drehachse H (d.h., der Drehachse L) sind. Da die Nabenendfläche 54 und die Mantelendfläche 53 beispielsweise die gleiche Größe und Form haben, sind beide Flächen zueinander gleich. Darüber hinaus ist es nicht wesentlich, dass die Nabenendfläche 54 und die Mantelendfläche 53 zueinander gleich ausgebildet sind.
Der variable Düsenflügel 23 hat eine Innenflügelfläche 56, die einer radialen Innenseite S1 zugewandt ist, und eine Außenflügelfläche 57, die einer radialen Außenseite S2 zugewandt ist. Die Innenflügelfläche 56 ist der radialen Innenseite S1 zugewandt und ist in einer konkaven Flächenform gekrümmt. Die Außenflügelfläche 57 ist der radialen Außenseite S2 zugewandt und ist in einer konvexen Flächenform gekrümmt. Die Innenflügelfläche 56 und die Außenflügelfläche 57 verbinden den Führungsrand 51 und den nacheilenden Rand 52 und verbinden die Mantelendfläche 53 und die Nabenendfläche 54.
Eine dreidimensionale Form des variablen Düsenflügels 23 ist nachstehend detailliert beschrieben. Wie dies in 4 gezeigt ist, ragt die Nabenendfläche 54 zu der radialen Außenseite S2 in Bezug auf die Mantelendfläche 53 an der Seite des Führungsrandes 51 von dem Mittenabschnitt zwischen dem Führungsrand 51 und dem nacheilenden Rand 52 vor. Anders ausgedrückt, wenn die Nabenendfläche 54 zu der Mantelendfläche 53 in der Richtung der Drehachse L projiziert wird, ragt die Nabenendfläche 54 zu der radialen Außenseite S2 an der Seite des Führungsrandes 51 von dem Mittenabschnitt in Bezug auf die Mantelendfläche 53 vor (weicht sie ab). Außerdem ragt die Nabenendfläche 54 zu der radialen Innenseite S1 in Bezug auf die Mantelendfläche 53 an der Seite des nacheilenden Randes 52 vor. Anders ausgedrückt, wenn die Nabenendfläche 54 zu der Mantelendfläche 53 in der Richtung der Drehachse L projiziert wird, ragt die Nabenendfläche 54 zu der radialen Innenseite S1 an der Seite des nacheilenden Randes 52 in Bezug auf die Mantelendfläche 53 vor (weicht sie ab).
Wenn der variable Düsenflügel 23 aus einem anderen Gesichtspunkt beschrieben wird, ist ein Führungsende 54a der Nabenendfläche 54 an der radialen Außenseite S2 in Bezug auf ein Führungsende 53a der Mantelendfläche 53 angeordnet. Ein Innenrand 54c und ein Außenrand 54d der Nabenendfläche 54 befinden sich jeweils an der radialen Außenseite S2 in Bezug auf einen Innenrand 53c und einen Außenrand 53d der Mantelendfläche 53 an der Seite des Führungsrandes 51 von dem Mittenabschnitt. Außerdem befindet sich ein nacheilendes Ende 54b der Nabenendfläche 54 an der radialen Innenseite S1 in Bezug auf ein nacheilendes Ende 53b der Mantelendfläche 53. Ein nacheilendes Ende 55b eines Mittenspannenabschnittes 55 ist zwischen dem nacheilenden Ende 53b der Mantelendfläche 53 und dem nacheilenden Ende 54b der Nabenendfläche 54 angeordnet. Der Innenrand 54c und der Außenrand 54d der Nabenendfläche 54 befinden sich jeweils an der radialen Innenseite S1 in Bezug auf den Innenrand 53c und den Außenrand 53d der Mantelendfläche 53 an der Seite des nacheilenden Randes 52.
Die Nabenendfläche 54 ragt geringfügig zu der radialen Innenseite S1 vor. Ein sehr kleiner Abschnitt der Nabenendfläche 54 an der Seite des nacheilenden Randes 52 ragt zu der radialen Innenseite S1 vor. Im Gegensatz dazu ragt die Nabenendfläche 54 in relativ starkem Maße zu der radialen Außenseite S2 vor. Eine Außenfläche (Flächeninhalt) Aout, die einer Fläche entspricht, an der die Nabenendfläche 54 zu der radialen Außenseite S2 vorragt, ist größer als eine Innenfläche Ain, die einer Fläche entspricht, an der die Nabenendfläche 54 zu der radialen Innenseite S1 vorragt.
Wie dies in 5A gezeigt ist, hat der variable Düsenflügel 23 eine Verdrehmitte X, die in einem Bereich vorgesehen ist, der sich zwischen dem nacheilenden Rand 52 und der Drehachse L befindet und sowohl den nacheilenden Rand 52 als auch die Drehachse L ausschließt. Der variable Düsenflügel 23 ist um die Verdrehmitte X verdreht. Die Verdrehmitte X ist beispielsweise eine Verdrehachse, die parallel zu der Drehachse L ist. Die Verdrehmitte X befindet sich an einem Mittenabschnitt zwischen dem nacheilenden Rand 52 und der Drehachse L.
Genauer gesagt, befindet sich die Verdrehmitte X in einem Bereich von 60 bis 95% von dem Führungsrand 51 in Bezug auf einen Abstand zwischen dem Führungsrand 51 und dem nacheilenden Rand 52 (d.h., 100%). Die Verdrehmitte X kann an einem Bereich von 70 bis 85% von dem Führungsrand 51 in Bezug auf einen Abstand zwischen dem Führungsrand 51 und dem nacheilenden Rand 52 angeordnet sein. Wie dies in 5B gezeigt ist, befindet sich die Verdrehmitte X an beispielsweise einer Position von 80% von dem Führungsrand 51 an einer Krümmungslinie (Wölbungslinie) C. Die Verdrehmitte X kann an einem Bereich von 70 bis 85% von dem Führungsrand 51 an der Krümmungslinie C vorgesehen sein. Es ist nicht wesentlich, die Verdrehmitte X auf der Krümmungslinie C vorzusehen. Die Verdrehmitte X kann an einer Position vorgesehen sein, die von der Krümmungslinie C abweicht.
Ein Verdrehwinkel θ zwischen der Nabenendfläche 54 und der Mantelendfläche 53 ist beispielsweise auf 1,0 bis 5,0° festgelegt. Wie dies in 4 gezeigt ist, ist der Verdrehwinkel θ beispielsweise ein Winkel, der zwischen einer gedachten Linie Y, die das Führungsende 53a und das nacheilende Ende 53b der Mantelendfläche 53 verbindet, und einer gedachten Linie Z ausgebildet ist, die das Führungsende 54a und das nacheilende Ende 54b der Nabenendfläche 54 verbindet. Wenn der Verdrehwinkel θ von 1,0 bis 5,0° vorgesehen ist, kann beispielsweise die Nabenendfläche 54 um 0,5 bis 2,5° zu der radialen Außenseite S2 (eine Öffnungsrichtung des variablen Düsenflügels 23, eine Richtung der Drehung im Gegenuhrzeigersinn von 5A) in Bezug auf den Mittenspannenabschnitt 55 gedreht werden. Die Mantelendfläche 53 kann um 0,5 bis 2,5° zu der radialen Innenseite S1 (eine Schließrichtung des variablen Düsenflügels 23, eine Richtung der Drehung im Uhrzeigersinn in 5A) in Bezug auf den Mittenspannenabschnitt 55 gedreht werden. Ein Drehwinkel in jeder Richtung auf der Basis des Mittenspannenabschnittes 55 entspricht einer Hälfte (θ/2) des Verdrehwinkels θ. Der Verdrehwinkel θ kann 2,0 bis 3,0° von dem Gesichtspunkt des weiteren Verbesserns der Turbineneffizienz betragen. Eine Linie, die ein Paar an Punkten verbindet, die der Mantelendfläche 53 und der Nabenendfläche 54 entsprechen, ist in Bezug auf die Drehachse L bei der Drehung geneigt. Bei Ansammlung unzähliger geneigter Linien können der Führungsrand 51, der nacheilende Rand 52, die Innenflügelfläche 56 und die Außenflügelfläche 57 ausgebildet werden.
Wie dies in 6 gezeigt ist, sind in einer Meridianebenenform des variablen Düsenflügels 23 die Mantelendfläche 53 und die Nabenendfläche 54 parallel zueinander. Des Weiteren ragt das an der Rückseite befindliche Nabenseitenführungsende 54a zu der radialen Richtung D2 (in der radialen Richtung nach außen) in Bezug auf das Mantelseitenführungsende 53a vor, das sich an der Vorderseite befindet. Das sich an der Vorderseite befindliche nacheilende Ende 54b der Nabenseite ragt geringfügig in der radialen Richtung D2 in Bezug auf das nacheilende Ende 53b der Mantelseite vor, das sich an der Rückseite befindet. Eine Linie, die das Führungsende 53a der Mantelseite und das Führungsende 54a der Nabenseite verbindet, und eine Linie, die das nacheilende Ende 53b der Mantelseite und das nacheilende Ende 54b der Nabenseite verbindet, sind sämtlich in der gleichen Richtung in Bezug auf die axiale Richtung D1 geneigt. Hierbei ist eine Neigung der Linie an der Seite des nacheilenden Randes 52 kleiner als eine Neigung der Linie an der Seite des Führungsrandes 51. In dieser Weise bildet eine Form des variablen Düsenflügels 23 in einer Meridianebene eine asymmetrische Trapezform. Darüber hinaus zeigt auch 6 einen Flügelabschnitt 6a des Turbinenlaufrades 6.
Nachstehend ist ein Konzept unter Bezugnahme auf die 7, 8 und 9 beschrieben, das hinter der dreidimensionalen Form des variablen Düsenflügels 23 steht. 7 zeigt eine schematische Darstellung von verschiedenen Kräften, die auf den variablen Düsenflügel 23 aufgebracht werden. 8 zeigt eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen der Position der Verdrehmitte X und einem Projektionsflächenverhältnis. 9 zeigt eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen der Position der Verdrehmitte X und einem Axiallastverhältnis. Wie dies in 7 gezeigt ist, können verschiedene Kräfte als Kräfte angenommen werden, die auf den variablen Düsenflügel 23 aufgebracht werden. Das heißt, eine auf die Nabenendfläche 54 aufgebrachte Kraft F1, eine auf die Mantelendfläche 53 aufgebrachte zweite Kraft F2, eine auf den Flansch 23c aufgebrachte dritte Kraft F3, wenn der variable Düsenflügel 23 einen mantelseitigen Flansch 23c aufweist, und eine vierte Kraft F4 von einer Verbindungskammer 45 (sh. 1), die an der Rückflächenseite des ersten Düsenrings 31 ausgebildet ist, können angenommen werden. Darüber hinaus können, obwohl dies in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, Kräfte ebenfalls vermutet werden, die auf die Innenflügelfläche 56 und die Außenflügelfläche 57 aufgebracht werden. 7 zeigt außerdem eine Gasströmung FL.
In 8 zeigt ein Projektionsflächenverhältnis für die Außenfläche Aout ein Verhältnis von jeder Außenfläche Aout in Bezug auf einen maximalen Wert der Außenfläche Aout, wenn die Verdrehmitte X von dem Führungsrand 51 zu dem nacheilenden Rand 52 bewegt wird. Ein Projektionsflächenverhältnis für die Innenfläche Ain zeigt ein Verhältnis von jeder Innenfläche Ain in Bezug auf einen maximalen Wert der Innenfläche Ain, wenn die Verdrehmitte X von dem Führungsrand 51 zu dem nacheilenden Rand 52 bewegt wird. Wie dies in 8 gezeigt ist, ist das Projektionsflächenverhältnis das gleiche, wenn die Verdrehmitte X an im Wesentlichen der Mitte (in der Nähe von 0,5) zwischen dem Führungsrand 51 (L/E) und dem nacheilenden Rand 52 (T/E) angeordnet ist.
Wenn, wie in 8 gezeigt, die Verdrehmitte X näher zu dem nacheilenden Rand 52 in Bezug auf die Position ist, an der das Projektionsflächenverhältnis das gleiche ist, wird das Projektionsflächenverhältnis für die Außenfläche Aout dominant, so dass der variable Düsenflügel 23 leicht nahe zu der Nabenaußenfläche 31b bewegt werden kann (sh. ein Bereich R1 der Zeichnung). Wenn die Verdrehmitte X näher zu dem Führungsrand 51 in Bezug auf die Position ist, an der das Projektionsflächenverhältnis das gleiche ist, wird das Projektionsflächenverhältnis für die Innenfläche Ain dominant, so dass der variable Düsenflügel 23 mit Leichtigkeit zu der Mantelwandfläche 32b bewegt werden kann (sh. ein Bereich R2 der Zeichnung).
In 9 zeigt ein Axiallastverhältnis ein Verhältnis aus einer Axiallast, wenn die Verdrehmitte X von dem Führungsrand 51 zu dem nacheilenden Rand 52 in Bezug auf einen zweidimensionalen Flügel bewegt wird (ein variabler Düsenflügel ohne Verdrehung). Genauer gesagt, zeigt das Axiallastverhältnis ein Verhältnis aus einer Differenz, die erlangt wird durch Subtrahieren einer Axiallast eines zweidimensionalen Flügels von einer Axiallast eines dreidimensionalen Flügels, in Bezug auf die Axiallast des zweidimensionalen Flügels. Somit bedeutet in den Zeichnungen ein Schnittpunkt zwischen einem Graphen und einer Linie, in der eine vertikale Linie auf 0,00 festgelegt ist, ein Punkt, an dem die Axiallast des dreidimensionalen Flügels die gleiche ist wie die Axiallast des zweidimensionalen Flügels. Dieser Schnittpunkt entspricht einem Fall, bei dem die Verdrehmitte X sich im Wesentlichen an der Mitte (in der Nähe von 0,55) zwischen dem Führungsrand 51 (L/E) und dem nacheilenden Rand 52 (T/E) befindet. Darüber hinaus ist die Axiallast so festgelegt, dass sie in einer Richtung von der Nabenseite zu der Mantelseite positiv ist.
Wenn, wie in 9 gezeigt, die Verdrehmitte X näher zu dem nacheilenden Rand 52 in Bezug auf den Schnittpunkt ist, wird die Axiallast geringer als bei dem zweidimensionalen Flügel, so dass der variable Düsenflügel 23 leicht nahe zu der Nabenwandfläche 31b bewegt werden kann (sh. der Bereich R1 der Zeichnung). Außerdem wird, wenn die Verdrehmitte X näher zu dem Führungsrand 51 in Bezug auf den Schnittpunkt ist, die Axiallast größer als bei dem zweidimensionalen Flügel, so dass der variable Düsenflügel 23 mit Leichtigkeit nahe zu der Mantelwandfläche 32b bewegt werden kann (sh. der Bereich R2 der Zeichnung).
Da bei der variablen Düseneinheit 25 des vorliegenden Ausführungsbeispiels die vierte Kraft F4 von der Verbindungskammer 45 hoch ist, kann der variable Düsenflügel 23 mit Leichtigkeit nahe zu der Mantelwandfläche 32b selbst in dem Bereich R1 bewegt werden, bei dem der variable Düsenflügel 23 sich leicht nahe zu der Nabenwandfläche 31b auf der Basis der vorstehend beschriebenen Wechselbeziehung bewegt. Das heißt, selbst wenn die Verdrehmitte X sich an der Position von 70 bis 85% befindet und weiter an der Position von 60 bis 95% von dem Führungsrand 51 angeordnet ist, kann sich der variable Düsenflügel 23 nahe zu der Mantelwandfläche 32b bewegen. Darüber hinaus wird selbst dann, wenn der variable Düsenflügel 23 mit dem Flansch 23c versehen ist oder nicht mit dem Flansch 23c versehen ist, das vorstehend beschriebene Konzept nicht geändert.
Gemäß dem variablen Düsenflügel 23 und der variablen Düseneinheit 25, die den variablen Düsenflügel 23 hat, nimmt der Gasströmungskanalflächeninhalt (der Halsflächeninhalt) des zu dem Turbinenlaufrad 6 gelieferten Abgases zu, da die Vielzahl der variablen Düsenflügel 23 synchron zu der Öffnungsrichtung gedreht werden, wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors hoch ist und die Strömungsmenge des Abgases hoch ist während des Betriebs des Turboladers 1 der Art mit variabler Verdrängung. Als ein Ergebnis wird eine hohe Menge an Abgas geliefert. Da außerdem die Vielzahl an variablen Düsenflügeln 23 synchron zu der Schließrichtung gedreht werden, wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors gering ist und die Strömungsmenge des Abgases gering ist, nimmt die Kanalquerschnittsfläche (die Halsfläche) des zu dem Turbinenlaufrad 6 gelieferten Abgases ab. Als ein Ergebnis wird der Arbeitsbetrag des Turbinenlaufrades 6 sichergestellt, da es möglich ist, die Strömungsrate des Abgases zu erhöhen. Demgemäß wird eine Drehkraft stabil durch das Turbinenlaufrad 6 erzeugt.
Hierbei ist der variable Düsenflügel 23 um die Verdrehmitte X verdreht, die sich zwischen dem nacheilenden Rand 52 und der Drehachse L befindet. Wenn die Verdrehmitte X in dieser Weise angeordnet ist, ragt die Nabenendfläche 54 zu der radialen Außenseite S2 in Bezug auf die Mantelendfläche 53 an der Seite des Führungsrandes 51 vor, und ragt die Nabenendfläche 54 zu der radialen Innenseite S1 in Bezug auf die Mantelendfläche 53 an der Seite des nacheilenden Randes 52 vor. Da die Nabenendfläche 54 zu der radialen Innenseite S1 vorragt, nimmt die vorragende Fläche der Nabenendfläche 54 zu der radialen Außenseite S2 ab (sh. die Außenfläche Aout aus 4). Demgemäß nimmt eine Axialkraft, die zu der radialen Außenseite S2 (die Hochdruckseite) des variablen Düsenflügels 23 aufgebracht wird, d.h., die Axialkraft, die gegen die Nabenwandfläche 31b drückt, ab. Da die Axialkraft zu der Nabenseite abnimmt, kann der variable Düsenflügel 23 leicht zu der Mantelwandfläche 32b bewegt werden (sh. 6). Als ein Ergebnis ist es leicht, die Position des variablen Düsenflügels 23 im Inneren des Gasströmungskanals 21 in der axialen Richtung D1 im Vergleich zu dem in Patentdokument 1 beschriebenen herkömmlichen variablen Düsenflügel einzustellen. Des Weiteren nimmt, da die Nabenendfläche 54 zu der radialen Außenseite S2 an der Seite des Führungsrandes 51 vorragt, ein Abstand zwischen den Flügeln an der Seite des Führungsrande 51 der Nabenendfläche 54 zu. Demgemäß wird die Turbineneffizienz verbessert. Insbesondere in einem Zustand, bei dem die Gasströmungskanalfläche gering ist, wird die Turbineneffizienz verbessert.
Gemäß dem Turbolader 1 der Art mit variabler Verdrängung, der die variable Düseneinheit 25 hat, ist der variable Düsenflügel 23 nahe zu der Mantelwandfläche 32b, so dass der mantelseitige Zwischenraum (Spalt) CL2 auf Null gesetzt werden kann. Das heiß, die Mantelendfläche 53 des variablen Düsenflügels 23 kann mit der Mantelwandfläche 32b in Kontakt gelangen. Außerdem wird die Turbinenleistung zuverlässig und ausreichend verbessert, da die Spaltströmung an der Seite der Mantelwandfläche 32b abnimmt.
Da der Verdrehwinkel θ auf 1,0 bis 5,0° festgelegt ist, können ein Verbesserungseffekt bei der Turbineneffizienz und ein Verringerungseffekt bei der Axialkraft in geeigneter Weise aufgezeigt werden.
Da die Außenfläche (Flächeninhalt) Aout größer als die Innenfläche (Flächeninhalt) Ain ist, nimmt ein Abstand zwischen den Flügeln an der Seite des Führungsrandes 51 der Nabenendfläche 54 an zwei benachbarten variablen Düsenflügeln 23 und 23 zu (sh. 2), so dass die Spaltströmung an der Seite der Mantelwandfläche 32b abnimmt. Somit wird der Verbesserungseffekt für die Turbineneffizienz erlangt.
Da die Verdrehmitte X an einem Bereich von 70 bis 85% von dem Führungsrand 51 angeordnet ist, wird ein besser geeigneter Ausgleich bei der Beziehung zwischen der vorragenden Fläche (die Außenfläche Aout) der Nabenendfläche 54 zu der radialen Außenseite S2 und der vorragenden Fläche (die Innenfläche Ain) von dieser zu der radialen Innenseite S1 verwirklicht. Somit können der Verbesserungseffekt der Turbineneffizienz und der Verringerungseffekt der Axialkraft in geeigneter Weise aufgezeigt werden.
Darüber hinaus kann bei einem variablen Düsenflügel 100 gemäß einem in den 10A und 10B gezeigten Vergleichsbeispiel der vorstehend beschriebene Effekt nicht erzielt werden. Das heißt, bei dem variablen Düsenflügel 100 ist die Position der Verdrehmitte X auf den nacheilenden Rand 102 als ein Ergebnis einer Untersuchung eines erwünschten Aufbaus im Hinblick auf die Turbineneffizienz festgelegt. Die Mantelendfläche 103 und die Nabenendfläche 104 sind um die Verdrehmitte X in Bezug auf den Mittenspannenabschnitt 105 gedreht. Somit ragt die Nabenendfläche 104 zu der radialen Außenseite S2 in Bezug auf die Mantelendfläche 103 in dem gesamten Bereich von dem nacheilenden Ende 104b zu dem Führungsende 104a vor. Das nacheilende Ende 103b der Mantelendfläche 103 stimmt mit dem nacheilenden Ende 104b der Nabenendfläche 104 überein. An dem Führungsrand 101 nimmt die Schwenkbreite der Nabenendfläche 104 zu.
Das heißt, das Führungsende 104a der Nabenendfläche 104 ragt in starkem Maße zu der radialen Außenseite S2 in Bezug auf das Führungsende 103a der Mantelendfläche 103 vor. Da bei dem variablen Düsenflügel 100 die Nabenendfläche 104 zu der radialen Außenseite S2, die die Hochdruckseite ist, vorragt, wird eine Axialkraft in der Richtung des Drückens gegen die Nabenwandfläche 31b in starkem Maße aufgebracht, und folglich kann sich der variable Düsenflügel 100 nicht mit Leichtigkeit zu der Mantelwandfläche 32b bewegen.
Dies kann schließlich zu einer Verringerung der Turbineneffizienz führen. Das heißt, die radiale Außenseite S2 des Führungsrandes 101 des variablen Düsenflügels 100 erlangt einen hohen Druck, und die radiale Innenseite S1 wird zu einer Niedrigdruckseite, da der Strömungskanal an jenem Abschnitt schmal ist. Das heißt, um die Strömung zu beschleunigen, wird der Druck in Geschwindigkeitsenergie und einen niedrigen Druck umgewandelt. Da demgemäß die Leckageströmung, die durch den düsenseitigen Spaltabschnitt tritt, von der radialen Außenseite S2 zu der radialen Innenseite S1 zunimmt, erhöht sich ein Mischverlust zu einer Hauptströmung. Da gleichzeitig der Laufradeinströmwinkel zunimmt, kann das Leistungsvermögen aufgrund einer Zunahme eines Eintrittsverlustes abnehmen. Das heißt, der Strömungswinkel nimmt aufgrund einer Verringerung des Massenstrombetrages der Hauptströmung zu. Insbesondere, wenn der mantelseitige Spalt CL2 zunimmt, kann es sein, dass die Leckageströmung durch die Düsenseite in den Endstückspalt strömt, und der Endstückspaltverlust kann zunehmen.
Des Weiteren kann auch bei einem variablen Düsenflügel 200 gemäß einem in den 11A bis 11C gezeigten Vergleichsbeispiel der vorstehend beschriebene Effekt nicht erlangt werden. Das heißt, bei dem variablen Düsenflügel 200 ist die Verdrehmitte X auf die Drehachse L gesetzt. Die Mantelendfläche 203 und die Nabenendfläche 204 sind um die Verdrehmitte X in Bezug auf den Mittenspannenabschnitt 205 gedreht. Somit ragt die Nabenendfläche 204 zu der radialen Außenseite S2 in Bezug auf die Mantelendfläche 203 an der Seite des Führungsrandes 201 vor. Das Führungsende 204a der Nabenendfläche 204 ragt zu der radialen Außenseite S2 in Bezug auf das Führungsende 203a der Mantelendfläche 203 vor. Das Führungsende 205a des Mittenspannenabschnittes 205 befindet sich an dessen Mitte. Außerdem ragt die Nabenendfläche 204 zu der radialen Innenseite S1 in Bezug auf die Mantelendfläche 203 an der Seite des nacheilenden Randes 202 vor. Das nacheilende Ende 204b der Nabenendfläche 204 ragt zu der radialen Innenseite S1 in Bezug auf das nacheilende Ende 203b der Mantelendfläche 203 vor. Das nacheilende Ende 205b des Mittenspannenabschnittes 205 befindet sich an dessen Mitte. Bei dem variablen Düsenflügel 200 ist die Schwenkbreite der Nabenendfläche 204 die gleiche an der Seite des Führungsrandes 201 und des nacheilenden Randes 202. Somit kann, da das Vorragen der Nabenendfläche 204 zu der radialen Außenseite S2 begrenzt ist, ein Abstand zwischen den Flügeln an der Nabenwandfläche 31b erhöht werden. Somit wird die Turbineneffizienz nicht in zufriedenstellender Weise verbessert.
Wie dies vorstehend beschrieben ist, ist es bei dem variablen Düsenflügel 23 und der variablen Düseneinheit 25 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung möglich, die Turbineneffizienz zu verbessern und den variablen Düsenflügel 23 durch die Mantelwandfläche 32b gleichzeitig zu halten, da die Position der Verdrehmitte X auf einen spezifischen Bereich festgelegt ist, der herkömmlich nicht existiert hat. Im Hinblick auf diesen Umstand ist die variable Düseneinheit 25 den variablen Düsenflügeln 100 und 200 überlegen.
Vorstehend sind die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sämtliche variablen Düsenflügel 23 müssen nicht den vorstehend beschriebenen Aufbau aufgreifen. Ein Teil (ein Flügel oder einige Flügel) der Vielzahl an variablen Düsenflügeln 23 können den vorstehend beschriebenen Aufbau der Ausführungsbeispiele aufgreifen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den Fall beschränkt, bei dem der variable Düsenflügel 23 in einer einseitig eingespannten Weise axial gestützt ist, sondern kann auch auf den Fall angewendet werden, bei dem der variable Düsenflügel an seinen beiden Enden axial gestützt ist. Wenn der variable Düsenflügel an seinen beiden Enden axial gestützt ist, ist der zweite Düsenring 32 ebenfalls mit einem Lagerloch versehen, und die an dem variablen Düsenflügel 23 vorgesehene Drehwelle ist drehbar durch das Lagerloch eingeführt.
Wenn der variable Düsenflügel 23 in einer einseitig eingespannten Weise axial gestützt ist, kann eine zweite Strömungskanalwandfläche durch das Turbinengehäuse 4 ausgebildet sein. Das heißt, der zweite Düsenring 32 kann weggelassen werden. In diesem Fall ist der variable Düsenflügel 23 an dem ersten Düsenring 31 angebracht und ist der zweiten Strömungskanalwandfläche zugewandt, die ein Teil des Turbinengehäuses 4 ist.
Industrielle Anwendbarkeit
Gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Erfindung kann der variable Düsenflügel mit Leichtigkeit zu der Mantelseite bewegt werden.
Bezugszeichenliste

1: Turbolader der Art mit variabler Verdrängung
2: Turbine
3: Kompressor
4: Turbinengehäuse
6: Turbinenlaufrad
7: Kompressorlaufrad
14: Drehwelle
16: Spiralströmungskanal
21: Gasströmungskanal
23: variabler Düsenflügel
25: variable Düseneinheit
31: erster Düsenring
31b: Nabenwandfläche
32: zweiter Düsenring
32b: Mantelwandfläche
51: Führungsrand
52: nacheilender Rand
53: Mantelendfläche
54: Nabenendfläche
C: Krümmungslinie
H: Drehachse
S1: radiale Innenseite
S2: radiale Außenseite
X: Verdrehmitte
θ: Verdrehwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 201514252 [0003]
US 2011/0314808 [0003]

Claims

Variable Düseneinheit, die in einer Turbine angewendet wird, die einen Gasströmungskanal, durch den ein Gas, das von einem Spiralströmungskanal zu einem Turbinenlaufrad strömt, tritt, und eine Nabenwandfläche und eine Mantelwandfläche hat, die einander in einer Richtung einer Drehachse des Turbinenlaufrades zugewandt sind und den Gasströmungskanal ausbilden, mit: einem variablen Düsenflügel, der zwischen der Nabenwandfläche und der Mantelwandfläche angeordnet ist und drehbar um eine Drehachse ist, die parallel zu der Drehachse des Turbinenlaufrades im Inneren des Gasströmungskanals ist, wobei der variable Düsenflügel einen Führungsrand, einen nacheilenden Rand, eine Nabenendfläche, die der Nabenwandfläche zugewandt ist, und eine Mantelendfläche hat, die der Mantelwandfläche zugewandt ist, und wobei der variable Düsenflügel um eine Verdrehmitte verdreht ist, die zwischen dem nacheilenden Rand und der Drehachse so angeordnet ist, dass die Nabenendfläche zu einer radialen Außenseite der Drehachse in Bezug auf die Mantelendfläche an der Führungsrandseite vorragt, und die Nabenendfläche zu einer radialen Innenseite der Drehachse in Bezug auf die Mantelendfläche an der Nacheilrandseite vorragt.
Variable Düseneinheit gemäß Anspruch 1, wobei ein Verdrehwinkel zwischen der Nabenendfläche und der Mantelendfläche auf 1,0 bis 5,0° festgelegt ist.
Variable Düseneinheit gemäß Anspruch 1, wobei eine Außenfläche, an der die Nabenendfläche zu der radialen Außenseite in Bezug auf die Mantelendfläche vorragt, größer als eine Innenfläche ist, an der die Nabenendfläche zu der radialen Innenseite in Bezug auf die Mantelendfläche vorragt.
Variable Düseneinheit gemäß Anspruch 2, wobei eine Außenfläche, bei der die Nabenendfläche zu der radialen Außenseite in Bezug auf die Mantelendfläche vorragt, größer als eine Innenfläche ist, bei der die Nabenendfläche zu der radialen Innenseite in Bezug auf die Mantelendfläche vorragt.
Variable Düseneinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Verdrehmitte an einem Bereich von 70 bis 85% von dem Führungsrand in Bezug auf einen Abstand zwischen dem Führungsrand und dem nacheilenden Rand angeordnet ist.
Turbolader mit: der variablen Düseneinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die in der Turbine vorgesehen ist.
Turbolader mit: der variablen Düseneinheit gemäß Anspruch 5, die in der Turbine vorgesehen ist.