JP2003035151A - 可変形状タービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】軸方向に移動する制御部材を備えた羽根ノズル
をタービンに提供する。 【解決手段】特に、内燃機関の過給用ターボコンプレッ
サのための可変形状タービン（１）は、作動流体のため
のらせん状の入口チャンネル（６）を規定している外部
のハウジング（３）と、このハウジング（３）内で回転
手段に支持されたローター（４）と、前記チャンネル
（６）と前記ローター（４）との間に径方向に挿入され
た可変形状の環状羽根ノズル（１０）とを有する。前記
ノズル（１０）は、互いに入り込むことができるよう
に、ほぼくさび形状のテーパー状になっている２つの羽
根列（１７，１８）をそれぞれ備えた互いに向かい合う
１対の羽根リング（１２，１３）を有し、一方の羽根リ
ング（１３）が、前記２つの羽根リング（１２，１３）
の間に可変ののどセクション（１１）を形成するよう
に、他方の羽根リング（１２）に対して軸方向に移動す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可変形状タービン
に関する。本発明の好ましいが限定されない適用分野
は、内燃機関の過給についてであり、限定されない形式
で以下の記載において説明される。

【０００２】

【従来の技術】タービンは、タービンのローターを囲む
スパイラル状のチャンネルと、前記入口チャンネルとロ
ーターとの間に放射状に挿入された環状の羽根ノズルと
を有することが知られている。また、可変形状タービン
（ＶＧＴ）は、前記入口チャンネルから前記ローターへ
の作動流体の流量パラメーターが変えられ得るように、
可変配置を有することが知られている。公知の態様によ
れば、この可変形状ノズルは、このノズルののどセクシ
ョン、すなわち前記作動流体量を変化させるように、軸
方向に移動する環状の制御部材を有する。この環状の制
御部材は、例えば、羽根支持リングによって形成されて
いて良く、この羽根支持リングから羽根列が軸方向に延
出しており、この羽根支持リングは、前記羽根列が流れ
の中に漬され、かつ前記ノズルののどセクションが最大
である開成位置と、前記リングが、部分的もしくは全体
的に前記ノズルののどセクションを閉じている閉成位置
との間で軸方向に動くことができる。このリングの前進
する動きの間、前記ノズルの羽根列は、このリングと向
かい合う位置で、前記タービンハウジング内に設けられ
たハウジング内の適切なスロットを通って入り込んでい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】概略的に説明された上
述のタイプの可変形状タービンは、多くの課題を有す
る。第１に、前記羽根列は、“真っ直ぐな”側面、すな
わちピッチ角のあらゆるねじれもしくは変形もない軸方
向に一定である側面を有する必要がある。このような側
面を有していない場合、前記各スロット内の羽根列の軸
方向の動きは、この羽根列と前記スロットとの間の実質
的なあそびを設けることによってのみ可能であり、これ
は、前記ノズルの効果に対して有害である。

【０００４】これら設計的な限定に加えて、各スロット
内で摺動する真っ直ぐな羽根列を備えたノズルは、故障
の問題に直面する。実際的には、製造上の許容誤差、も
しくは動作中の熱ひずみによる小さい幾何学的誤差が、
前記ノズルに故障を生じる可能性がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、上述の
公知のタービンに関連する欠点を無くし、軸方向に移動
する制御部材が設けられた羽根ノズルをタービンに提供
することである。

【０００６】この目的は、本発明に係る可変形状タービ
ンによって達成される。この可変形状タービンは、ハウ
ジングと、このハウジング内で回転可能に支持されたロ
ーターと、このローターをスパイラル状に囲む形状で、
前記ハウジングに形成された作動流体用の入口チャンネ
ルと、前記チャンネルから前記ローターへの作動流体の
流れの制御のために、前記チャンネルと前記ローターと
の径方向の間に挿入された可変形状の環状の羽根ノズル
とを具備する可変形状タービンにおいて、前記可変形状
の環状の羽根ノズルは、互いに向かい合う第１の羽根リ
ング及び第２の羽根リングを有し、各羽根リングは、環
状部材と、各環状部材に固定された羽根列とを有し、各
羽根列は、他方の羽根リングの前記環状部材の方へ延出
し、これら２つの羽根列は、互いに入り込むことができ
るように、ほぼくさび形状のテーパー状になっており、
前記羽根リングが、これら羽根リングの間に可変ののど
セクションを形成するように、相対的に軸方向に移動可
能であることを特徴とする。

【０００７】本発明は、図面に図示され、限定されない
例によって示された複数の好ましい実施の形態を参照し
て以下に説明される。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１には、参照符号１によって、
可変形状タービンが全体的に示されている。このタービ
ン１は、内燃機関に過給するためのターボコンプレッサ
２（部分的に示されている）に効果的に用いられる。前
記タービン１は、ハウジング３と、軸Ａを中心とする回
転手段に支持され、かつコンプレッサ（図示されていな
い）の駆動シャフト５に固定的に接続された軸Ａを備え
たローター４とを実質的に有する。前記ハウジング３
は、公知の形状で前記ローター４を囲んでいるスパイラ
ル状の入口チャンネル６を形成し、前記エンジンの排気
用多岐管（図示されていない）に接続されるように適合
された入口開口７が設けられている。前記ハウジング３
は、前記ローター４の出口に、排気ガス用の出口ダクト
８をさらに規定している。

【０００９】前記タービン１は、可変形状の環状の羽根
ノズル１０をさらに有し、このノズル１０は、前記入口
チャンネル６と前記ローター４との間に挿入されてのど
セクション１１、すなわちこのノズル１０の最も細い流
れの作動セクションを規定し、前記入口チャンネル６か
ら前記ローター４への排気ガスの流れを制御するように
変化され得る。

【００１０】本発明によれば（図２並びに３）、互いに
軸方向に向かい合い、かつ前記ノズル１０の前記のどセ
クション１１を軸方向に区切る１対の環状の羽根リング
１２，１３によって、前記ノズル１０が形成されてい
る。特に、これら２つの羽根リング１２，１３は、それ
ぞれ環状部材１５，１６と、この環状部材１５，１６に
それぞれ固定的に接続された羽根列１７，１８とを有す
る。これら２つの羽根リング１２，１３の羽根列１７，
１８は互いに軸方向に向かい合い、前記２つの羽根リン
グ１２，１３の羽根列１７，１８が、互いに、他方の羽
根リング１３，１２の環状部材１６，１５に向かって、
これら環状部材１５，１６からそれぞれ軸方向に延出し
ている。また、前記２つの羽根列１７，１８は、互いに
入り込むことができるように、ほぼくさび形状のテーパ
ー状になっている。

【００１１】前記羽根リング１２は、前記タービン１の
ハウジング３に固定され、羽根リング１３は、前記ノズ
ル１０ののどセクション１１を変化させるために、前記
羽根リング１２に対して軸方向に動くことができる。

【００１２】好ましくは、前記羽根リング１３の環状部
材１６は、漏れ防止の形状（ｉｎａ ｌｅａｋ−ｔｉｇ
ｈｔ ｍａｎｎｅｒ）で、前記ハウジング３内に設けら
れた環状のチャンバ２０（図１）内で摺動するように配
置されている。また、この羽根リング１３の環状部材１
６は、前記ノズル１０ののどセクション１１の制御用の
空気アクチュエータ２１の環状のピストンを形成してい
る。したがって、この羽根リング１３の環状のピストン
は、前記チャンバ２０内の圧力を変化させることによっ
て、直接、制御されることが可能である。

【００１３】図５並びに６を参照すると、前記羽根列１
７，１８は、前記ノズル１０の完全に閉じた配置におい
て、互いにかみ合うように形成されており、このとき、
前記羽根リング１３は、前記ピストンが軸方向に最も前
進し、前記羽根リング１２と接触して配置された状態に
ある。前記羽根列１７，１８は、それぞれ環状部材１
５，１６に、これらのほぼ接線方向に配置され、軸Ａの
シリンダを用いて得られるセクションにおいて、三角形
状、好ましくはのこぎり歯である側面を有する。

【００１４】図６は、前記ノズルの内側から見た前記羽
根列の径方向の図である。すなわち、この図は、軸Ａの
シリンダと、前記環状部材１５，１６の内径と等しい径
とを用いて得られる前記ノズル１０の出口セクションか
ら見た図である。

【００１５】図示されている本発明の実施の形態におい
て（図５）、前記羽根列１７，１８は、前記ノズル１０
の最も閉じた配置において、前記ノズルのシリンダ状の
連続した内壁２４を形成するヘッド面２２，２３によ
り、この出口セクション内で区切られ、前記環状部材１
５，１６の内面とアライメントされる。図５及び６か
ら、前記羽根列１７，１８が、好ましくは、のどセクシ
ョンを無くすように、互いにかみ合っていることが理解
される。

【００１６】また、前記羽根列１７，１８（図４ないし
６）は、それぞれ軸Ａに平行な正接面に位置するほぼ平
らな平フランク２５，２６と、それぞれ向かい合って傾
斜した傾斜フランク２７，２８とを有する。排気ガスに
よって駆動される前記羽根列１８の動的動作の結果、移
動する前記羽根リング１３は、この羽根リング１３のあ
らゆる軸方向位置において、羽根列１８のフランク２６
を、固定された羽根リング１２の羽根列１７のフランク
２５に接触して保持するようにトルクを受ける。したが
って、正確な角度位置が、前記２つの羽根列１７，１８
のフランク２５，２６の間の相互接触によって維持され
ているとき、前記羽根リング１３は、角度に制約されな
い形態で前記ハウジング３内に囲繞されている。

【００１７】前記フランク２５，２６は、これらが相補
形状を有し、かつ前記タービン１の効率にとって有害な
漏れの配置を防止するように、前記ノズル１０のいかな
る配置においても互いにかみ合うのに十分な場合、必ず
しも平坦、すなわち軸に沿っている必要はない。

【００１８】代わりとして、前記羽根リング１３が軸方
向にのみ動くことができるように、この羽根リング１３
を角度的にロックするために、ガイド手段（図示されて
いない）が設けられ得る。これら手段は、例えば、バー
／ブッシュ、もしくはケーブル／キーなどのあらゆるタ
イプのプリズムのカップリングによって形成されて良
い。

【００１９】角度ガイド手段があるとき、前記ノズル１
０のあらゆる配置において、この角度ガイド手段が前記
羽根列１７，１８のそれぞれのフランク２５，２６同士
間で接触する必要はない。図７に示されている変形によ
れば、前記羽根列１７，１８は、かみ合う２組の前記フ
ランク２５，２７；２６，２８が傾斜した状態である非
対称な三角形状の側面を有する。

【００２０】図６，７に示されている前記羽根列１７，
１８の側面は、完全に相補的であり、前記ノズル１０の
漏れ防止のために閉じた配置を得ることを可能とする。

【００２１】図８並びに９は、前記羽根列１７，１８の
側面の別の変形を示している。これら羽根列１７，１８
は、前記ノズル１０の最も閉じた配置であっても、所定
のわずかなのどセクション１１に開放部を残すように、
前記ノズル１０の閉じた配置において相補的にかみ合わ
ない。こうした変形は、いくつかの用途において好まし
い。

【００２２】図８の解決策においては、図６の解決策に
おける場合と同様に、前記羽根列１７，１８の平フラン
ク２５，２６同士間の接触によって、前記羽根リング１
３のみを角度的にガイドするために、前記側面はのこぎ
り歯の側面を有する。しかし、前記傾斜フランク２７，
２８は、最も閉じた位置において接触しない。

【００２３】図９の解決策において、前記羽根列１７，
１８の側面は、図７と同様に三角形状で非対称であり、
また、前記ノズル１０の最も閉じた位置において、前記
平フランク２５，２６同士の間と前記傾斜フランク２
７，２８同士の間との両方に隙間がある。

【００２４】動作中、作動流体は、外側から、すなわち
入口チャンネル６からほぼ径方向に前記ノズル１０に流
入し、前記ローター４に対する前記羽根列１７，１８の
ピッチ角に応じて、これら羽根列１７，１８によって偏
向される。前記羽根リング１３の軸方向の移動によっ
て、前記ノズル１０ののどセクション１１は、前記羽根
列１７，１８の傾斜フランク同士の間で主に制御され、
前記羽根列１７，１８の点と前記環状部材１５，１６と
の間でほんのわずかに制御される。したがって、ガス
は、前記ローター４を回転的に駆動し、前記出口ダクト
８を通って、軸方向に流出する。

【００２５】前記のどセクション１１の大きさは、前記
ノズル１０の最も閉じた配置において、最大から最小に
変えられることが可能であり、図６並びに７に示されて
いる変形の場合には、この大きさはゼロである。動作
中、この状態は、前記作動流体の流れを止め、内燃機関
／ターボコンプレッサシステムにおいて、エンジンブレ
ーキによるブレーキ、コールドスタート、並びにエンジ
ンの緊急停止の段階で効果的に用いられ得る。

【００２６】

【発明の効果】本発明によって得られる効果は、前記タ
ービンの特徴的な性能の検査から証明される。

【００２７】互いに軸方向に動き、それぞれくさび形状
のテーパー状になっている羽根列を有する前記２つの羽
根リングの使用は、前記ノズルのあらゆる故障の問題を
避けることができ、また、公知の解決策の羽根列の設計
に関わる典型的な限定を除外する。

【００２８】前記ノズルのあらゆる配置において、フラ
ンク同士の間の接触を確実にするために、前記２つの羽
根列に、それぞれ相補形状のフランクが形成されている
場合、前記移動する羽根リングは、前記ハウジング内
で、角度に制約されない形態で囲繞されて良く、これに
よって、特に簡易的で経済的な解決策を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の可変形状タービンの軸方向を
通る断面図である。

【図２】図１のタービンのノズルの斜視図である。

【図３】図３は、ノズルの側面図である。

【図４】図４は、図３のノズルのＩＶ−ＩＶ線に沿う断
面図である。

【図５】図５は、最も閉じた配置にある図４のノズルの
Ｖ−Ｖ線に沿う断面図である。

【図６】図６は、図５のノズルの部分断面図である。

【図７】図７は、図６に対応する図であり、ノズルの形
状が変形した実施の形態の部分断面図である。

【図８】図８は、図６に対応する図であり、ノズルの形
状が変形した実施の形態の部分断面図である。

【図９】図９は、図６に対応する図であり、ノズルの形
状が変形した実施の形態の部分断面図である。

【符号の説明】

１……タービン ３……ハウジング ４……ローター １０……ノズル １１……のどセクション １２，１３……羽根リング １５，１６……環状部材 １７，１８……羽根列 ２５，２６……平フランク ２７，２８……傾斜フランク

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G005 EA04 EA15 EA16 FA13 GA01 GA04 GB09 GB24 GB86 GB88 GD03 GD07 3G071 AA02 AB06 CA01 DA16

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジング（３）と、 このハウジング（３）内で回転可能に支持されたロータ
   ー（４）と、 このローター（４）をスパイラル状に囲む形状で、前記
   ハウジング（３）に形成された作動流体用の入口チャン
   ネル（６）と、 前記チャンネル（６）から前記ローター（４）への作動
   流体の流れの制御のために、前記チャンネル（６）と前
   記ローター（４）との径方向の間に挿入された可変形状
   の環状の羽根ノズル（１０）とを具備する可変形状ター
   ビンにおいて、 前記可変形状の環状の羽根ノズル（１０）は、互いに向
   かい合う第１の羽根リング（１２）及び第２の羽根リン
   グ（１３）を有し、 各羽根リング（１２，１３）は、環状部材（１５，１
   ６）と、各環状部材（１５，１６）に固定された羽根列
   （１７，１８）とを有し、各羽根列（１７，１８）は、
   他方の羽根リング（１３，１２）の前記環状部材（１
   ５，１６）の方へ延出し、 これら２つの羽根列（１７，１８）は、互いに入り込む
   ことができるように、ほぼくさび形状のテーパー状にな
   っており、 前記羽根リング（１２，１３）が、これら羽根リング
   （１２，１３）の間に可変ののどセクション（１１）を
   形成するように、相対的に軸方向に移動可能であること
   を特徴とする可変形状タービン。
2. 【請求項２】 前記羽根列（１７，１８）は、前記ノズ
   ル（１０）の最も閉じた配置において、互いにほぼかみ
   合っていることを特徴とする請求項１に記載のタービ
   ン。
3. 【請求項３】 前記第１の羽根リング（１２）は、前記
   ハウジング（３）に固定され、また、前記第２の羽根リ
   ング（１３）は、前記第１の羽根リング（１２）に対し
   て少なくとも軸方向に動くことができることを特徴とす
   る請求項１もしくは２に記載のタービン。
4. 【請求項４】 前記第１の羽根リング（１２）に対する
   前記第２の羽根リング（１３）の所定の角度位置を規定
   するために、ガイド手段（２５，２６）をさらに具備す
   ることを特徴とする請求項３に記載のタービン。
5. 【請求項５】 前記第２の羽根リング（１３）は、前記
   ハウジング（３）に対して角度に制約されず、前記ガイ
   ド手段（２５，２６）は、それぞれ、第２の羽根リング
   （１３）の羽根列（１８）の第２のフランク（２６）と
   協働する前記第１の羽根リング（１２）の羽根列（１
   ７）の第１のフランク（２５）によって規定されてお
   り、 前記第２の羽根リング（１３）は、所定の角度位置に支
   持され、この位置で、前記第２の羽根リング（１３）の
   羽根列（１８）上で作動流体により駆動された動的動作
   から生じるトルクによって、前記第１及び第２のフラン
   ク（２５，２６）が、相互に接触することを特徴とする
   請求項４に記載のタービン。
6. 【請求項６】 前記第１及び第２のフランク（２５，２
   ６）は、互いに相補的な形状を有することを特徴とする
   請求項５に記載のタービン。
7. 【請求項７】 前記第１及び第２のフランク（２５，２
   ６）は、ほぼ平坦面であることを特徴とする請求項５も
   しくは６に記載のタービン。
8. 【請求項８】 前記第１及び第２のフランク（２５，２
   ６）は、前記タービンの軸（Ａ）に平行なほぼ正接面に
   位置することを特徴とする請求項５に記載のタービン。
9. 【請求項９】 前記羽根列（１７，１８）は、前記ター
   ビン（１）に同軸のシリンダによって実行されるセクシ
   ョンにおいて、ほぼ三角形状の側面を有することを特徴
   とする請求項８に記載のタービン。
10. 【請求項１０】 前記側面は、のこぎり歯状の側面を有
    することを特徴とする請求項９に記載のタービン。
11. 【請求項１１】 前記羽根列（１７，１８）は、前記ノ
    ズル（１０）の径方向内側の流出セクションにおいて、
    最も閉じた配置での前記ノズル（１０）の連続的な内壁
    （２４）を形成するヘッド面（２２，２３）によって、
    規定されることを特徴とする請求項２ないし１０のいず
    れか１に記載のタービン。
12. 【請求項１２】 前記羽根列（１７，１８）は、前記ノ
    ズル（１０）の径方向内側の流出セクションにおいて、
    最も閉じた配置での前記ノズル（１０）の内壁（２４）
    を形成するヘッド面（２２，２３）によって規定され、
    この内壁（２４）は、最も閉じた配置において、前記羽
    根（１７，１８）の対をなすフランク（２５，２６；２
    ７，２８）の間に形成された通過口を除いて連続してお
    り、前記ノズル（１０）のわずかに残ったのどセクショ
    ン（１１）を規定することを特徴とする請求項１ないし
    １０のいずれか１に記載のタービン。
13. 【請求項１３】 前記ノズル（１０）の内壁（２４）
    は、シリンダ状であり、前記環状部材（１５，１６）の
    内面とアライメントされていることを特徴とする請求項
    １１もしくは１２に記載のタービン。