JP2000204907A - 可変容量タ―ビン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ノズルサポートピンの配置態様を改善するこ
とにより、該ノズルサポートピンにより起因するウェー
クのタービン性能の低下に及ぼす影響を小さくし、ある
いは無くすことにより、安定したタービン性能が得られ
る可変容量タービンを提供する。 【解決手段】 動翼入口のガス流路に、ノズル回転軸に
よって回転せしめられ、ノズルスロートの面積を変化さ
せる可変ノズルを設けるとともに、該可変ノズルの側面
に対向する前記ガス流路の壁面間に該ガス流路を横切る
ように複数のノズルサポートピンを架設してなる輻流型
の可変容量タービンにおいて、前記複数のノズルサポー
トピンは、タービンロータの円周方向における位相角が
異なるように配置されてなる。また、前記ノズルサポー
トピンの近傍に配置される可変ノズルの入口部分を一部
切断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関用排気ター
ボ過給機、輻流型の小型ガスタービン、膨張機（エキス
パンダ）等に適用される輻流型可変容量タービンに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図３は、ディーゼル機関用排気ターボ過
給機に使用される輻流型可変容量タービンの縦断面図で
ある。図３において、２０はガス入口ケーシング、２１
は該ガス入口ケーシング２０に複数のボルト（不図示）
によって固着されたガス出口ケーシング、１２は該ガス
出口ケーシング２１内に設けられた排気ディフューザ、
１０は回転軸（ロータ）、７は該回転軸１０に固定され
た複数枚の動翼、１は前記ガス入口ケーシングに形成さ
れるスクロール即ちガス入口通路である。

【０００３】２は可変ノズル、１４は前記ガス入口ケー
シング２０に回転可能に支持されたノズル回転軸、１３
は該回転軸１４及び可変ノズル２を駆動するノズル駆動
部で、該可変ノズル２はノズル回転軸１４の端部に固定
されて、前記動翼７の入口とスクロール１との間のガス
通路（ノズルスロート５）の通路面積を変化するように
なっている。３は前記可変ノズル２の入口前縁、４はノ
ズル出口後縁、２２は該後縁４と動翼７の入口端（外
周）との間に形成されるベーンレス部である。

【０００４】また、図４は図３のＢ−Ｂ線断面図に相当
する図で、従来技術に係る輻流型可変容量タービンの構
造を示す。図３〜図４において、エンジンからのガス９
は渦巻き状のガス流路であるスクロール１に流入し、円
周方向（図３において紙面に垂直方向）に旋回しながら
半径方向内側へ流れ込み、可変ノズル２のノズルスロー
ト５で絞られて増速する。該可変ノズル２で増速された
ガス９は、ノズル後縁４及び動翼７の入口前縁８を通っ
て動翼７に流入し、該動翼７内を通過する際に、これを
回転軸（ロータ）１０廻りに回転せしめることにより動
力を発生させ、動翼後縁１１を経て排気ディフューザ１
２に流出する。

【０００５】かかる可変容量タービンにおいて、ガス流
量を変化させてタービン出力を変化させる際には、ノズ
ル駆動部１３を操作してノズル回転軸１４を介して可変
ノズル２をノズル回転軸の回転中心１４ａ廻りに回転せ
しめ、ノズルスロート５の面積を調整することにより、
ガス流量を調整する。該ガス流量を増加させる場合は、
ノズル翼角１５を増加させて可変ノズル２を図４の２ａ
の位置に、ガス流量を減少させる場合は、ノズル翼角１
５を減少させて２ｂの位置に操作することにより、ノズ
ルスロート５の面積を調整する。

【０００６】また、上記可変容量タービンにおいては、
熱伸びによる可変ノズル２とガス入口ケーシング２０の
内面との接触を防止して、可変ノズル２を常時滑らかに
回転可能とするため、該可変ノズル２の前後面とガス入
口ケーシング２０の内面との間に所定のノズルクリアラ
ンス３０ａ，３０ｂを設けている。かかるノズルクリア
ランス３０ａ，３０ｂは、複数のノズルサポートピン６
を前記可変ノズル２の側面に対向するガス入口ケーシン
グ２０の内面間に架設することによって所定寸法に保持
している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】かかる可変容量タービ
ンにあっては、前記のように複数のノズルサポートピン
６を設けることにより、ノズルクリアランス３０ａ，３
０ｂを所定寸法に保持している。前記ノズルサポートピ
ン６は、従来、図４に示すように、可変ノズル２の入口
前縁３のやや外周寄りの部位に円周方向に等間隔に複数
個設けている。

【０００８】このため、かかる従来技術にあっては、ス
クロール１から導入されたガス９がノズルサポートピン
６に衝突してウェーク１６が発生し、該ウェーク１６が
ノズル通路のノズルスロート５に流入してガス９の滑ら
かな流れを阻害し、タービン性能の低下を引き起こすと
いう問題点を有している。

【０００９】本発明に係る従来技術の課題に鑑み、ノズ
ルサポートピンの配置態様を改善することにより、該ノ
ズルサポートピンにより発生するウェークのタービン性
能の低下に及ぼす影響を小さくし、あるいは無くすこと
により、安定したタービン性能が得られる可変容量ター
ビンを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は係る課題を解決
するため、請求項１記載の発明として、動翼入口のガス
流路に、ノズル回転軸によって回転せしめられ、ノズル
スロートの面積を変化させる可変ノズルを設けるととも
に、該可変ノズルの側面に対向する前記ガス流路の壁面
間に該ガス流路を横切るように複数のノズルサポートピ
ンを架設してなる輻流型の可変容量タービンにおいて、
前記複数のノズルサポートピンは、タービンロータの円
周方向における位相角が異なるように配置されてなるこ
とを特徴とする可変容量タービンを提案する。

【００１１】かかる発明によれば、可変ノズルの上流か
ら入ってきたガスはノズルサポートピンに衝突すること
によりウェークを発生するが、複数個のノズルサポート
ピンが円周方向において位相角をずらして配置されてい
るため、前記ノズルサポートピンの下流側に位置する可
変ノズルは、ある特定のノズル翼角の範囲において同時
に前記ウェークが全数ノズルスロートのガス流れに影響
を及ぼすことが無くなり、影響が分散、緩和される。

【００１２】従って、かかる発明によれば、ノズルサポ
ートピンを円周方向において位相角をずらして配置する
ことにより、全てのノズルサポートピンにより発生する
ウェークが可変ノズルのノズルスロートのガス流れを同
時に阻害することが無くなり、前記ウェークによるガス
流れの阻害が分散、緩和される結果、タービン性能の低
下が防止され、ガス流量に対してほぼ一定の性能を実現
できる。

【００１３】また、請求項２記載の発明は、前記輻流型
可変容量タービンにおいて、前記ノズルサポートピンに
近接する部位に配置された前記可変ノズルは、その入口
部分を一定量切断して構成される。

【００１４】かかる発明によれば、ノズルサポートピン
に近接した可変ノズルの入口部分を切断しているため、
可変ノズルのノズル翼角を変化させても切断部のつけ根
は殆ど回転せず、ノズルサポートピンにより発生したウ
ェークはこれに近接している前記切断部によってノズル
スロートへの流動が遮られ、ノズル通路のガス流れを阻
害するのが回避される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施
形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、そ
の相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、こ
の発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説
明例にすぎない。

【００１６】図３は本発明が適用されるディーゼル機関
用可変容量型排気タービン過給機の縦断面図である。図
３において、２０はガス入口ケーシング、２１は該ガス
入口ケーシング２０に複数のボルト（不図示）によって
固着されたガス出口ケーシング、１２は該ガス出口ケー
シング２１内に形成された排気ディフューザ、１０は回
転軸（ロータ）、７は該回転軸１０に固定された複数枚
の動翼、１は前記ガス入口ケーシング２０に形成された
スクロール即ちガス入口通路である。

【００１７】２は可変ノズル、１４は前記ガス入口ケー
シング２０に回転可能に支持されたノズル回転軸、１３
は該回転軸１４及び可変ノズル２を駆動するノズル駆動
部で、該可変ノズル２はノズル回転軸１４の端部に固定
されて前記動翼７の入口とスクロール１との間のガス通
路面積を変化するようになっている。３は前記可変ノズ
ル２の入口前縁、４はノズル出口後縁、２２は該後縁４
と動翼７の入口端（外周）との間に形成されるベーンレ
ス部である。

【００１８】３０ａ，３０ｂは、熱伸びによる可変ノズ
ル２とガス入口ケーシング２０の内面との接触を防止
し、可変ノズル２を常時滑らかに回転可能とするため、
該可変ノズル２の前後面とガス入口ケーシング２０の内
面との間に設けられたノズルクリアランスである。６は
前記可変ノズルに対向するガス入口ケーシング２０の内
面間に架設された複数のノズルサポートピンである。以
上の構成は従来技術と同様である。本発明においては、
前記ノズルサポートピンの構成及び配置態様を改良して
いる。

【００１９】即ち、図１は本発明の第１実施形態に係る
輻流型可変容量タービンを示す図３のＢ−Ｂ線に沿う断
面図である。図１において、２は可変ノズル、７は動
翼、２０はガス入口ケーシング、１４ａは可変ノズル２
の回転中心即ちノズル回転軸１４の回転中心、８は動翼
入口前縁である。

【００２０】６は前記のように、ガス入口ケーシング２
０の内面間に架設されて前記ノズルクリアランス３０
ａ，３０ｂを保持するためのノズルサポートピンであ
る。該ノズルサポートピン６は、円周方向に沿って複数
個設けられている点においては従来技術と同様である
が、この実施形態においては、各ノズルサポートピン６
を可変ノズル２の回転中心１４ａに対して円周方向にお
ける位相をずらして配置している。即ち、例えば、ノズ
ルサポートピン６ａは可変ノズル２の回転中心１４ａに
対する円周方向の位相角度ａであるのに対し、他のノズ
ルサポートピン６ｂは前記回転点中心１４ａに対し、前
記ａとは異なる位相角度ｂの位置に配置される。

【００２１】かかる構成からなる可変容量タービンの作
動時において、エンジンからのガス９は渦巻き状のガス
流路であるスクロール１に流入し、円周方向（紙面に垂
直方向）に旋回しながら半径方向内側へ流れ込み、可変
ノズル２のノズルスロート５で絞られて増速する。該可
変ノズル２で増速されたガス９は、ノズル後縁４及び動
翼７の入口前縁８を通って動翼７に流入し、該動翼７内
を通過する際に、これを回転軸（ロータ）１０廻りに回
転せしめることにより動力を発生させ、動翼後縁１１を
経て排気ディフューザ１２に流出する。

【００２２】そして、かかる可変容量タービンにおい
て、ガス流量を変化させてタービン出力を変化させる際
には、ノズル駆動部１３を操作してノズル回転軸１４を
介して可変ノズル２をノズル回転軸心廻りに回転せし
め、ノズルスロート６の面積を調整することにより、ガ
ス流量を調整する。該ガス流量を増加させる場合は、ノ
ズル翼角１５を増加させて可変ノズル２を図４の２ａの
位置に、ガス流量を減少させる場合は、ノズル翼角１５
を減少させて２ｂの位置に操作することにより、ノズル
スロート５の面積を調整する。

【００２３】係る作動時において、スクロール１を通っ
て可変ノズル２の外周側から入ってきたガス９は、ノズ
ルサポートピン６に衝突して、ウェーク１６を発生す
る。ガス９の流量を増加させてタービンの出力を増加さ
せる場合は、上記のように可変ノズルが２ａの位置にな
るように調整するため、ある１つのノズルサポートピン
６ａのウェーク１６ａは、可変ノズル２の前縁に当た
り、ノズル通路のガス流れに影響を与えない。但し、こ
の場合、位相角度が異なる他のノズルサポートピン６ｂ
のウェーク１６ｂは、ノズル通路のガス流れに影響を与
える。また、ガス流量を減少させる場合は、前記のよう
にノズル翼角１５を狭め、可変ノズルが２ｂの位置にな
るように調整するため、前記他のノズルサポートピン６
ｂのウェーク１６ｂは、ノズル通路の流れに影響を与え
なくなる。但し、この場合、前記一方側のノズルサポー
トピン６ａのウェーク１６ａは、ノズル通路のガス流れ
に影響を与える。

【００２４】然るに、係る実施形態によれば、上記のよ
うに複数個のノズルサポートピン６を、それぞれ可変ノ
ズル２の回転中心１４ａに対して、円周方向に位相をず
らして配置することにより、ある特定のノズル翼角１５
（即ちノズル開度）において、ウェーク１６がノズル通
路の流れを阻害する、すなわち全サポートピンの全ウェ
ークが同時に阻害されるのが回避され、かかるウェーク
１６による性能低下を防止するとともに、ガス流量に対
してほぼ一定の性能特性を実現できる。

【００２５】図２は、本発明の第２実施形態を示す図１
に対応する図である。この実施形態においては、ノズル
サポートピン６の下流側に近接した可変ノズル２の入口
部分を切欠いている。

【００２６】即ち、図２において、６は円周方向に沿っ
て複数個等間隔あるいは不等間隔に配設されたノズルサ
ポートピン、２は円周方向に等間隔に複数枚配設された
可変ノズルであり、該可変ノズル２の配設態様は図１に
示す第１実施形態と同様である。前記複数枚の可変ノズ
ル２のうち、前記ノズルサポートピン６の下流側に位置
する可変ノズルは、その入口部分を所定長さ切断して構
成される。この切断部２１はガス上流側に対して流線形
に形成してガス流れの乱れを抑制するのが好ましい。そ
して、前記ノズルサポートピン６は、該切断部２１が形
成された可変ノズル２の回転中心１４ａに可変な限り近
付けて設置する。

【００２７】かかる可変容量タービンにおいて、可変ノ
ズル２の外周側から入ってきたガス９は、ノズルサポー
トピン６に衝突して、ウェーク１６を発生する。ガス９
の流量を増加させてタービンの出力を増加させる場合
は、上記のように、可変ノズル２のノズル翼角１５を広
げ、該可変ノズルが２ａ，２ａ’の位置になるように調
整する。この際において、ノズルサポートピン６からの
ウェーク１６は可変ノズル２の切断部２１に遮られるた
め、ノズル通路のガス流れには影響を与えることはな
い。一方、ガス流量を減少させる場合は、前記ノズル翼
角１５を狭め、該可変ノズルが２ｂ，２ｂ’の位置にな
るように調整する。この際においても、前記可変ノズル
２が回転中心１４ａ廻りに回転しても、切断部２１の付
け根は殆ど回転しないため、ノズルサポートピン６から
のウェーク１６は、前記切断部２１に遮られて、ノズル
通路のガス流れには影響を与えない。

【００２８】上記のように、かかる実施形態によれば、
可変ノズル２のノズル翼角１５を変化させても入口側に
切断部２１が形成されているため、入口側の向きの変化
量は僅かであり、かつノズルサポートピン６が該切断部
２１に近接させているため、ノズルサポートピン６によ
って発生するウェーク１６はノズル通路のガス流れに影
響を与えることが無く、従ってかかるウェーク１６によ
るノズルスロート５の流れの阻害を防止できる。

【００２９】さらに、前記切断部２１は流線形に形成さ
れているため、該切断部２１における流動抵抗は小さく
なり、該切断部２１を設けることによりガス流れが阻害
されることは殆ど無い。

【００３０】

【発明の効果】以上記載のごとく、請求項１記載の発明
によれば、ノズルサポートピンを円周方向において位相
角をずらして配置しているため、前記ノズルサポートピ
ンによって発生するウェークが全てのノズルサポートピ
ンについてノズルスロートのガス流れに影響を及ぼすこ
とが無くなり、ある特定のノズル翼角の範囲において全
数同時に前記ウェークによるガス流れの阻害発生が回避
され、タービン性能の低下が防止される。

【００３１】また、請求項２記載の発明によれば、ノズ
ルサポートピンに近接したノズルサポートピンにより発
生するウェークは該切断部によって遮られ、ノズルスロ
ートのガス流れを阻害することが無くなる。そして前記
可変ノズルの回転による切断部の回転は僅かであるの
で、全てのノズル翼角において前記ウェークによる影響
を回避できる。

【００３２】以上、要するに本発明によれば、ノズルサ
ポートピンの設置によって発生するウェークによるノズ
ル通路のガス流れの阻害が低減されて、安定したタービ
ン性能を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施形態に係る輻流型可変容量
タービンを示す図３のＢ−Ｂ線断面相当図である。

【図２】 本発明の第２実施形態に係る可変容量タービ
ンの図１相当図である。

【図３】 本発明が適用されるディーゼル機関用可変容
量タービンの縦断面図である。

【図４】 従来技術に係る可変容量タービンの図１対応
図である。

【符号の説明】

１ スクロール ２ 可変ノズル ３ 入口前縁 ４ ノズル出口後縁 ５ ノズルスロート ６，６ａ，６ｂ ノズルサポートピン ７ 動翼 ８ 動翼入口前縁 １０ 回転軸（ロータ） １４ａ ノズル回転中心 １５ ノズル翼角 １６，１６ａ，１６ｂ ウェーク ２１ 切断部

フロントページの続き (72)発明者 陣内 靖明 神奈川県相模原市田名3000番地 三菱重工 業株式会社相模原製作所内 Ｆターム(参考） 3G071 AB06 BA00 DA16 HA02 JA05

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 動翼入口のガス流路に、ノズル回転軸に
   よって回転せしめられ、ノズルスロートの面積を変化さ
   せる可変ノズルを設けるとともに、 該可変ノズルの側面に対向する前記ガス流路の壁面間に
   該ガス流路を横切るように複数のノズルサポートピンを
   架設してなる輻流型の可変容量タービンにおいて、 前記複数のノズルサポートピンは、タービンロータの円
   周方向における位相角が異なるように配置されてなるこ
   とを特徴とする可変容量タービン。
2. 【請求項２】 動翼の入口のガス流路に、ノズル回転軸
   によって回転せしめられ、ノズルスロートの面積を変化
   させる可変ノズルを設けるとともに、 該可変ノズルの側面に対向する前記ガス流路の壁面間に
   該ガス流路を横切るように複数のノズルサポートピンを
   架設してなる輻流型の可変容量タービンにおいて、 前記ノズルサポートピンに近接する部位に配置された前
   記可変ノズルは、その入口部分を一定量切断してなるこ
   とを特徴とする可変容量タービン。