JP2003301726A - 可変形態タービン - Google Patents
可変形態タービンInfo
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- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 4
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
- F02B37/12—Control of the pumps
- F02B37/24—Control of the pumps by using pumps or turbines with adjustable guide vanes
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
- F02B37/12—Control of the pumps
- F02B37/22—Control of the pumps by varying cross-section of exhaust passages or air passages, e.g. by throttling turbine inlets or outlets or by varying effective number of guide conduits
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
- F01D17/10—Final actuators
- F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
- F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
- F01D17/141—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path
- F01D17/143—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path the shiftable member being a wall, or part thereof of a radial diffuser
-
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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- F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
- F01D17/167—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes of vanes moving in translation
-
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 タービン効率が良好で、入口マニホールドの
ブースト圧力が排気マニホールドの排気ガス圧力を超え
ることのない可変形態タービンを提供する。 【解決手段】 タービン入口流路を横切りスロット内に
移動できるノズル羽根を含むターボチャージャ可変形態
タービン。上記羽根は、切取り部を有して翼弦を減少さ
せ、タービン効率の頂部を、或る領域に渡る形状として
いる。
ブースト圧力が排気マニホールドの排気ガス圧力を超え
ることのない可変形態タービンを提供する。 【解決手段】 タービン入口流路を横切りスロット内に
移動できるノズル羽根を含むターボチャージャ可変形態
タービン。上記羽根は、切取り部を有して翼弦を減少さ
せ、タービン効率の頂部を、或る領域に渡る形状として
いる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は可変形態タービンに
関し、特に内燃機関用ターボチャージャへの使用に適し
たタービンに関する。更には、本発明は、排気ガス再循
環システムを有する内燃機関用ターボチャージャにおい
て好結果を与える。
関し、特に内燃機関用ターボチャージャへの使用に適し
たタービンに関する。更には、本発明は、排気ガス再循
環システムを有する内燃機関用ターボチャージャにおい
て好結果を与える。
【０００２】
【従来の技術】可変形態タービンは良く知られている
が、一般に、内部にタービンホイールが設けられたター
ビンチャンバと、上記タービンチャンバの周りに配置さ
れた環状入口通路と、上記環状入口通路の周りに配置さ
れた入口チャンバと、上記タービンチャンバから延在す
る出口通路とを備える。上記通路と上記チャンバとは連
通していて、上記入口チャンバに入った圧縮空気が、上
記タービンチャンバを介して、入口通路を通り上記出口
通路に流れる。共通形式の可変形態タービンでは、入口
通路の一つの壁は、一般に「ノズルリング」と称される
可動壁部材によって形成される。入口通路の幅を制御す
るために、入口通路の対向壁に対するノズルリングの位
置は調整可能になっている。タービンを流れるガス量が
減少するときに入口通路の幅も減少して、ガス速度を維
持し従ってタービン効率を維持するように、上記入口通
路幅すなわちタービンの形態が変化する。
が、一般に、内部にタービンホイールが設けられたター
ビンチャンバと、上記タービンチャンバの周りに配置さ
れた環状入口通路と、上記環状入口通路の周りに配置さ
れた入口チャンバと、上記タービンチャンバから延在す
る出口通路とを備える。上記通路と上記チャンバとは連
通していて、上記入口チャンバに入った圧縮空気が、上
記タービンチャンバを介して、入口通路を通り上記出口
通路に流れる。共通形式の可変形態タービンでは、入口
通路の一つの壁は、一般に「ノズルリング」と称される
可動壁部材によって形成される。入口通路の幅を制御す
るために、入口通路の対向壁に対するノズルリングの位
置は調整可能になっている。タービンを流れるガス量が
減少するときに入口通路の幅も減少して、ガス速度を維
持し従ってタービン効率を維持するように、上記入口通
路幅すなわちタービンの形態が変化する。
【０００３】入口通路を流れるガスをタービンホイール
の回転方向に偏向させるために、ノズル羽根と称する羽
根を入口通路に設けて、タービン効率を向上させること
が良く知られている。ノズル羽根は、固定構造タービン
と可変形態タービンの両方に設けられる。後者の場合、
羽根の設置は可変形態の構造を複雑にする。特に、入口
通路の全幅を横切って常に確実に羽根を延在させるため
には、構造が複雑になる。
の回転方向に偏向させるために、ノズル羽根と称する羽
根を入口通路に設けて、タービン効率を向上させること
が良く知られている。ノズル羽根は、固定構造タービン
と可変形態タービンの両方に設けられる。後者の場合、
羽根の設置は可変形態の構造を複雑にする。特に、入口
通路の全幅を横切って常に確実に羽根を延在させるため
には、構造が複雑になる。
【０００４】例えば、米国特許第４，４９９，７３２号
には、羽根が正規の位置に固定され、可動ノズルリング
内のスロットを貫いて延在する可変形態型の装置が記載
されている。このようにして、入口の幅を制御するため
にノズルリングが移動するとき、羽根は常に全幅を横切
って延在する。
には、羽根が正規の位置に固定され、可動ノズルリング
内のスロットを貫いて延在する可変形態型の装置が記載
されている。このようにして、入口の幅を制御するため
にノズルリングが移動するとき、羽根は常に全幅を横切
って延在する。
【０００５】他の可変形態の構造は、米国特許第４，２
９２，８０７号および英国特許明細第ＧＢ−Ａ−１１３
８９４１号と第ＧＢ−Ａ−２０４４８６０号に記載され
ている。これらの明細書には、様々な装置が記載されて
いて、ノズル羽根が移動ノズルリングから入口通路の対
向壁に設けられたスロットの中に延在している。この装
置では、通路が充分に開いているときでも、確実に、羽
根は通路の全幅を横切って常に延在している。
９２，８０７号および英国特許明細第ＧＢ−Ａ−１１３
８９４１号と第ＧＢ−Ａ−２０４４８６０号に記載され
ている。これらの明細書には、様々な装置が記載されて
いて、ノズル羽根が移動ノズルリングから入口通路の対
向壁に設けられたスロットの中に延在している。この装
置では、通路が充分に開いているときでも、確実に、羽
根は通路の全幅を横切って常に延在している。
【０００６】ノズル羽根の設置はタービン効率を最適化
するが、羽根はタービン入口の有効領域を減少させる欠
点があって、タービンを通る最大ガス流量は、羽根が存
在しない場合よりも少なくなる。米国特許第４，９７
３，２２３号には、ノズルリングが「オーバーオープ
ン」すなわち、ノズルリングが入口通路の公称の全幅を
越えて引込めることのできる可変形態タービンが記載さ
れている。このようにするには、羽根は、少なくとも部
分的に、入口通路から引き出される。羽根が引き出され
ると、タービンの効率は下がる。しかし、最大流量の増
加は、タービンによるより広範囲なエンジン速度の整合
化を可能とする。羽根が入口通路から引き出されると、
タービン効率が下がり始める。しかしそれでも、その効
率は、タービンの低流領域で達成される効率よりも遥か
に大きい。それ故、本質的には、羽根を制御して引き出
すことにより、効率対流れに関するタービン特性曲線を
変化させることができるので、所定の流れ範囲に対し
て、低効率の低流量領域でタービンを作動させる必要を
なくすことによって、平均タービン効率は増大する。
するが、羽根はタービン入口の有効領域を減少させる欠
点があって、タービンを通る最大ガス流量は、羽根が存
在しない場合よりも少なくなる。米国特許第４，９７
３，２２３号には、ノズルリングが「オーバーオープ
ン」すなわち、ノズルリングが入口通路の公称の全幅を
越えて引込めることのできる可変形態タービンが記載さ
れている。このようにするには、羽根は、少なくとも部
分的に、入口通路から引き出される。羽根が引き出され
ると、タービンの効率は下がる。しかし、最大流量の増
加は、タービンによるより広範囲なエンジン速度の整合
化を可能とする。羽根が入口通路から引き出されると、
タービン効率が下がり始める。しかしそれでも、その効
率は、タービンの低流領域で達成される効率よりも遥か
に大きい。それ故、本質的には、羽根を制御して引き出
すことにより、効率対流れに関するタービン特性曲線を
変化させることができるので、所定の流れ範囲に対し
て、低効率の低流量領域でタービンを作動させる必要を
なくすことによって、平均タービン効率は増大する。
【０００７】ノズル羽根の外形を変化させることによっ
て、同様な効果を簡単に達成できることも知られてい
る。本出願人は、ノズル羽根が、タービン入口通路の１
つの壁を形成する可動ノズルリングから、上記タービン
入口通路の対向固定壁に形成されたスロットの中に延在
すると共に、ノズルリングが、通路の全幅を越えて過剰
に開くことのできる可変形態タービンを製作した。ノズ
ル羽根は、半径方向内側の縁に、ノズルリングから離れ
た羽根の端部に向かって切取り部を有する。この切取り
は、その幅の一部についてノズル羽根の高さ（ノズル羽
根の高さはタービンの軸に平行なノズル羽根のサイズ、
すなわち、ノズルリングから延在するノズル羽根の長
さ）を有効に減少させる。このように、各羽根の端部へ
に向かって減少した弦を有する領域が存在し、つまり、
その有効幅は、入口チャンバからタービンチャンバへの
流れに対向している。ノズルリングが開の位置にあって
入口通路が充分に開いているときは、上記羽根の減少弦
部はスロットを貫いて延在している。しかし、上記ノズ
ルリングがオーバーオープンすなわち過剰に開いている
ときは、減少弦領域は入口通路の側壁から引き出され
る。その結果、入口通路を横切って延在する羽根の全有
効領域は減少し、タービンの嚥下（えんげ）容量は増大
する。入口通路が完全に開いているときに、各羽根の減
少弦領域が確実に隠蔽されていると、タービン効率のピ
ークに悪い影響が及ぶことはない。
て、同様な効果を簡単に達成できることも知られてい
る。本出願人は、ノズル羽根が、タービン入口通路の１
つの壁を形成する可動ノズルリングから、上記タービン
入口通路の対向固定壁に形成されたスロットの中に延在
すると共に、ノズルリングが、通路の全幅を越えて過剰
に開くことのできる可変形態タービンを製作した。ノズ
ル羽根は、半径方向内側の縁に、ノズルリングから離れ
た羽根の端部に向かって切取り部を有する。この切取り
は、その幅の一部についてノズル羽根の高さ（ノズル羽
根の高さはタービンの軸に平行なノズル羽根のサイズ、
すなわち、ノズルリングから延在するノズル羽根の長
さ）を有効に減少させる。このように、各羽根の端部へ
に向かって減少した弦を有する領域が存在し、つまり、
その有効幅は、入口チャンバからタービンチャンバへの
流れに対向している。ノズルリングが開の位置にあって
入口通路が充分に開いているときは、上記羽根の減少弦
部はスロットを貫いて延在している。しかし、上記ノズ
ルリングがオーバーオープンすなわち過剰に開いている
ときは、減少弦領域は入口通路の側壁から引き出され
る。その結果、入口通路を横切って延在する羽根の全有
効領域は減少し、タービンの嚥下（えんげ）容量は増大
する。入口通路が完全に開いているときに、各羽根の減
少弦領域が確実に隠蔽されていると、タービン効率のピ
ークに悪い影響が及ぶことはない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】良好なタービン効率は
明らかに望ましいことであるが、排ガス再循環システム
（ＥＧＲシステム）を有する内燃機関にタービンが使用
されるときは、従来の可変形態タービンの設計では問題
が多い。ＥＧＲシステムでは、エンジンの排気を減少さ
せるために、排気マニホールドから取られた排ガスの一
部が、入口マニホールドに再度導かれて更に燃焼され
る。しかし、昨今の高効率可変形態タービン設計では、
入口マニホールドのブースト（昇圧）圧力が排気マニホ
ールドの排気ガス圧力をしばしば超えるため、排気ガス
の入口マニホールドへの再導入は問題が多く、例えば、
ＢＧＲポンプなどが必要になる。
明らかに望ましいことであるが、排ガス再循環システム
（ＥＧＲシステム）を有する内燃機関にタービンが使用
されるときは、従来の可変形態タービンの設計では問題
が多い。ＥＧＲシステムでは、エンジンの排気を減少さ
せるために、排気マニホールドから取られた排ガスの一
部が、入口マニホールドに再度導かれて更に燃焼され
る。しかし、昨今の高効率可変形態タービン設計では、
入口マニホールドのブースト（昇圧）圧力が排気マニホ
ールドの排気ガス圧力をしばしば超えるため、排気ガス
の入口マニホールドへの再導入は問題が多く、例えば、
ＢＧＲポンプなどが必要になる。
【０００９】本願発明の目的は、上記欠点を取り除いた
り緩和したりすることである。
り緩和したりすることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明による可変形態タ
ービンは、軸の周りに回転するために、半径方向のブレ
ードを有すると共にハウジングの中で支持されているタ
ービンホイールと、半径方向内側に上記タービンホイー
ルに向かって延在する環状入口通路とを備え、上記入口
通路は、可動壁部材の環状壁と上記ハウジングの対向壁
との間に形成され、上記可動壁部材は、上記入口通路の
幅を変化させるために、上記ハウジングに対して移動で
き、上記入口通路を横切るように延在する環状配列の羽
根を備え、上記羽根は、前縁および後縁と、上記前縁と
上記後縁との間に形成された幅と、上記タービンホイー
ルの上記軸に略平行に延在する高さとを有し、上記高さ
は、上記羽根の幅を横切って最大から最小に変化し、上
記最小高さは上記タービンブレードの翼端の軸方向の幅
よりも小さい。
ービンは、軸の周りに回転するために、半径方向のブレ
ードを有すると共にハウジングの中で支持されているタ
ービンホイールと、半径方向内側に上記タービンホイー
ルに向かって延在する環状入口通路とを備え、上記入口
通路は、可動壁部材の環状壁と上記ハウジングの対向壁
との間に形成され、上記可動壁部材は、上記入口通路の
幅を変化させるために、上記ハウジングに対して移動で
き、上記入口通路を横切るように延在する環状配列の羽
根を備え、上記羽根は、前縁および後縁と、上記前縁と
上記後縁との間に形成された幅と、上記タービンホイー
ルの上記軸に略平行に延在する高さとを有し、上記高さ
は、上記羽根の幅を横切って最大から最小に変化し、上
記最小高さは上記タービンブレードの翼端の軸方向の幅
よりも小さい。
【００１１】上記羽根の最小高さは、好ましくは、上記
入口通路の最小幅よりも大きい。
入口通路の最小幅よりも大きい。
【００１２】上記羽根の最小高さは、好ましくは、上記
羽根の後縁に形成されている。
羽根の後縁に形成されている。
【００１３】上記羽根の最大高さは、好ましくは、上記
入口通路の最大幅よりも大きい。
入口通路の最大幅よりも大きい。
【００１４】上記最小高さと上記最大高さとの差は、好
ましくは、上記タービンブレードの翼端の軸方向の幅以
上である。
ましくは、上記タービンブレードの翼端の軸方向の幅以
上である。
【００１５】上記羽根は、最大幅部と、減少幅部と、上
記２者間の羽根高さにおいて急峻な遷移部とを有してい
る。
記２者間の羽根高さにおいて急峻な遷移部とを有してい
る。
【００１６】上記最大羽根高さは、通常、羽根の前縁に
沿って形成される。例えば、羽根高さは、前縁に隣接す
る羽根の幅の一部を横切って実質的に一定であり、次に
減少して、後縁に隣接して最小の高さとなる。また、羽
根高さは、後縁に隣接する羽根の幅の一部を横切って実
質的に一定であってもよい。
沿って形成される。例えば、羽根高さは、前縁に隣接す
る羽根の幅の一部を横切って実質的に一定であり、次に
減少して、後縁に隣接して最小の高さとなる。また、羽
根高さは、後縁に隣接する羽根の幅の一部を横切って実
質的に一定であってもよい。
【００１７】さらに、本発明の好ましく有利な特徴は、
以下の説明から明らかである。
以下の説明から明らかである。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明の特定の実施形態は、添付
の図面を参照しつつ例証として説明される。
の図面を参照しつつ例証として説明される。
【００１９】図１を参照すると、これが、知られた可変
形態タービンの一部を通る半径方向概略断面図である。
上記タービンは、渦巻チャンバすなわち入口チャンバ２
を形成するタービンハウジング１を備える。上記渦巻チ
ャンバには、内燃機関（図示せず）からのガスが供給さ
れる。ガスは、入口チャンバ２から環状入口通路４を経
て軸方向出口通路３に流れる。上記環状入口通路４の一
方の側は、ノズルリング５の半径方向の面によって形成
され、他方の側は、環状シュラウドプレート（囲い板）
６によって形成される。上記環状シュラウドプレート６
は、ハウジング１の対向壁の中に形成された環状凹部７
の開口部を覆っている。ノズルリング５は、タービンハ
ウジング１に設けられた環状の空洞８内に、滑動可能に
嵌め込まれ、密封リング９により上記環状空洞８に対し
て密封されている。
形態タービンの一部を通る半径方向概略断面図である。
上記タービンは、渦巻チャンバすなわち入口チャンバ２
を形成するタービンハウジング１を備える。上記渦巻チ
ャンバには、内燃機関（図示せず）からのガスが供給さ
れる。ガスは、入口チャンバ２から環状入口通路４を経
て軸方向出口通路３に流れる。上記環状入口通路４の一
方の側は、ノズルリング５の半径方向の面によって形成
され、他方の側は、環状シュラウドプレート（囲い板）
６によって形成される。上記環状シュラウドプレート６
は、ハウジング１の対向壁の中に形成された環状凹部７
の開口部を覆っている。ノズルリング５は、タービンハ
ウジング１に設けられた環状の空洞８内に、滑動可能に
嵌め込まれ、密封リング９により上記環状空洞８に対し
て密封されている。
【００２０】ノズルリング５は、整然と並んだノズル羽
根１０を支持している。ノズル羽根１０は、ノズルリン
グ５の面から入口通路４を横切って延在する。羽根の高
さ（すなわち、羽根１０がノズルリング５の面から軸方
向に延在する度合）は、羽根が、入口通路３４を直角に
横切り、シュラウドプレート６に適切に形成されたスロ
ット（細長い穴）を貫いて、凹部７の中に延在するもの
である。各羽根１０は、幅すなわち前縁と後縁（半径方
向外側の縁と内側の縁）との間の距離として定義される
翼弦長を有している。各羽根（翼）は、その端部が切り
取られ、減少した高さと弦長とを有する部分１０ａを形
成していることが、図１から分かる。
根１０を支持している。ノズル羽根１０は、ノズルリン
グ５の面から入口通路４を横切って延在する。羽根の高
さ（すなわち、羽根１０がノズルリング５の面から軸方
向に延在する度合）は、羽根が、入口通路３４を直角に
横切り、シュラウドプレート６に適切に形成されたスロ
ット（細長い穴）を貫いて、凹部７の中に延在するもの
である。各羽根１０は、幅すなわち前縁と後縁（半径方
向外側の縁と内側の縁）との間の距離として定義される
翼弦長を有している。各羽根（翼）は、その端部が切り
取られ、減少した高さと弦長とを有する部分１０ａを形
成していることが、図１から分かる。
【００２１】使用に際して、入口チャンバ２から出口通
路３に流れるガスは、軸１２の周りを回転するタービン
ホイール１１を通り越す。これによって、圧縮機ホイー
ル（図示せず）を駆動するターボチャージャシャフト１
３に、トルクを与える。タービンホイール１１の速度
は、環状入口通路４を通過するガスの速度に依る。一定
のガス流量に対しては、ガス速度は入口通路４の幅の関
数である。上記入口通路４の幅は、ノズルリング５の軸
方向の位置を制御することによって（すなわち、矢印１
４で示されるように、ノズルリング５を前後に移動する
ことによって）調整される。ノズルリング５の移動は、
適当な作動手段によって制御され得る。例えば、ノズル
リング５は軸方向に延びるピン上に取り付けられ、ピン
の位置は、空気圧で作動するアクチュエータ（図示せ
ず）に連結されたスターラップ部材（あぶみ部材、図示
せず）によって制御される。アクチュエータシステム
は、様々な従来型の形態を取り得るので、特定のアクチ
ュエータ機構は図示していない。
路３に流れるガスは、軸１２の周りを回転するタービン
ホイール１１を通り越す。これによって、圧縮機ホイー
ル（図示せず）を駆動するターボチャージャシャフト１
３に、トルクを与える。タービンホイール１１の速度
は、環状入口通路４を通過するガスの速度に依る。一定
のガス流量に対しては、ガス速度は入口通路４の幅の関
数である。上記入口通路４の幅は、ノズルリング５の軸
方向の位置を制御することによって（すなわち、矢印１
４で示されるように、ノズルリング５を前後に移動する
ことによって）調整される。ノズルリング５の移動は、
適当な作動手段によって制御され得る。例えば、ノズル
リング５は軸方向に延びるピン上に取り付けられ、ピン
の位置は、空気圧で作動するアクチュエータ（図示せ
ず）に連結されたスターラップ部材（あぶみ部材、図示
せず）によって制御される。アクチュエータシステム
は、様々な従来型の形態を取り得るので、特定のアクチ
ュエータ機構は図示していない。
【００２２】図１では、ノズルリングは、入口通路４の
幅が減少して最小になった「閉」の位置で示されてい
る。この位置では、ノズル羽根１０の端部が、凹部７の
中でハウジング１に接していることが分かる。上記羽根
１０の減少した弦長部１０ａは、完全に凹部７の中に収
容されている。
幅が減少して最小になった「閉」の位置で示されてい
る。この位置では、ノズル羽根１０の端部が、凹部７の
中でハウジング１に接していることが分かる。上記羽根
１０の減少した弦長部１０ａは、完全に凹部７の中に収
容されている。
【００２３】図２（ａ）と図２（ｂ）とは、それぞれ、
中間流位置と最大流位置とにおけるノズルリング５を示
している。図２（ａ）に示された中間流位置では、ノズ
ルリング５の一部が空洞８の中に引き込まれて、ノズル
リング５の面がハウジングの壁と面一になり、入口通路
４は最大幅となる。効率を最大限引き出すために、羽根
高さは、一般的に、タービンホイール翼端の幅１１ａよ
り大きくしなければならないと理解されている。したが
って、図２（ａ）に示すように、入口通路が完全に開い
ているときに、羽根（翼）の最小高さが入口通路４を横
切って延在するように、上記羽根１０は形成されてい
る。ここにおいて、上記翼１０の減少弦長部１０ａのみ
が、凹部７の中に収容される。
中間流位置と最大流位置とにおけるノズルリング５を示
している。図２（ａ）に示された中間流位置では、ノズ
ルリング５の一部が空洞８の中に引き込まれて、ノズル
リング５の面がハウジングの壁と面一になり、入口通路
４は最大幅となる。効率を最大限引き出すために、羽根
高さは、一般的に、タービンホイール翼端の幅１１ａよ
り大きくしなければならないと理解されている。したが
って、図２（ａ）に示すように、入口通路が完全に開い
ているときに、羽根（翼）の最小高さが入口通路４を横
切って延在するように、上記羽根１０は形成されてい
る。ここにおいて、上記翼１０の減少弦長部１０ａのみ
が、凹部７の中に収容される。
【００２４】しかし、羽根の減少弦長部１０ａを凹部７
から少なくとも一部分引き出して入口通路４内に位置さ
せるように、ノズルリング５を空洞８に更に引き込むこ
とによって、タービンの嚥下容量は増加する。これによ
って、入口通路４を通るガス流を妨げる羽根の面積は減
少する。最大流位置は、図２（ｂ）に示されている。
から少なくとも一部分引き出して入口通路４内に位置さ
せるように、ノズルリング５を空洞８に更に引き込むこ
とによって、タービンの嚥下容量は増加する。これによ
って、入口通路４を通るガス流を妨げる羽根の面積は減
少する。最大流位置は、図２（ｂ）に示されている。
【００２５】図１に示すようなタービンについての効率
対ガス流の標準特性は、図３に示されている。この図が
示していることは、ノズルリング５が閉位置の近傍にあ
るときの低流量では、効率は（比較的低いが）良好であ
り、中間の流量位置の辺りでは、増大してピークとな
る。ノズル翼１０の減少弦長部が入口通路内に来ると、
効率は落ち、図２（ｂ）に示す最大流位置では、効率が
最も小さくなる。
対ガス流の標準特性は、図３に示されている。この図が
示していることは、ノズルリング５が閉位置の近傍にあ
るときの低流量では、効率は（比較的低いが）良好であ
り、中間の流量位置の辺りでは、増大してピークとな
る。ノズル翼１０の減少弦長部が入口通路内に来ると、
効率は落ち、図２（ｂ）に示す最大流位置では、効率が
最も小さくなる。
【００２６】図４（ａ）〜４（ｃ）は、本発明によるタ
ービン効率特性を変化させるために、図１と２に示した
羽根の外形の変形例を示す。具体的には、各翼の後縁に
沿った最小高さがタービンブレードの翼端の幅１１ａよ
りも小さくなるように、羽根２０の端部の切取りサイズ
を大きくしている。これの効果は、入口通路４が充分に
開いていないときでも、羽根２０の減少弦長部２０ａ
が、入口通路４の中に達していることである。
ービン効率特性を変化させるために、図１と２に示した
羽根の外形の変形例を示す。具体的には、各翼の後縁に
沿った最小高さがタービンブレードの翼端の幅１１ａよ
りも小さくなるように、羽根２０の端部の切取りサイズ
を大きくしている。これの効果は、入口通路４が充分に
開いていないときでも、羽根２０の減少弦長部２０ａ
が、入口通路４の中に達していることである。
【００２７】図４（ａ）に示すように、図示された本発
明の実施形態では、ノズルリングが閉位置にあるとき、
羽根の減少された高さはなんら効果を有しない。それ
は、上記羽根の最小高さが、充分あって、最小の入口開
口部４を横切って延在するからである。しかし、ノズル
リング５を空洞８の中に収納すると、ノズルリング５が
中間流位置に到達する以前に、各羽根２０の減少弦長部
２０ａは凹部７から引き出される。したがって、図４
（ｂ）に示された中間流位置では、羽根２０の減少弦長
部２０ａは、少なくともその一部が、入口通路４に既に
存在する。ノズルリング５を更に空洞８の奥に後退させ
ると、ノズルリング羽根の減少弦長部は、凹部７からよ
り大きく引き出される。図４（Ｃ）に図示された最大流
位置では、羽根２０の減少弦長部がタービンブレード翼
端１１ａの全幅を横切って延在している。
明の実施形態では、ノズルリングが閉位置にあるとき、
羽根の減少された高さはなんら効果を有しない。それ
は、上記羽根の最小高さが、充分あって、最小の入口開
口部４を横切って延在するからである。しかし、ノズル
リング５を空洞８の中に収納すると、ノズルリング５が
中間流位置に到達する以前に、各羽根２０の減少弦長部
２０ａは凹部７から引き出される。したがって、図４
（ｂ）に示された中間流位置では、羽根２０の減少弦長
部２０ａは、少なくともその一部が、入口通路４に既に
存在する。ノズルリング５を更に空洞８の奥に後退させ
ると、ノズルリング羽根の減少弦長部は、凹部７からよ
り大きく引き出される。図４（Ｃ）に図示された最大流
位置では、羽根２０の減少弦長部がタービンブレード翼
端１１ａの全幅を横切って延在している。
【００２８】この変更による図３の流れ対効率の特性曲
線への影響は、図５に示す。低流および最大流の条件で
のタービン効率は、大きな影響はないが、ピーク（頂
部）の効率は減少している。ピーク効率の減少は、羽根
の切取り部の増大に略比例していることが分かった。し
たがって、効率対流れの正確な特性は、切取り部の寸法
と形状によって適当に調整することができる。
線への影響は、図５に示す。低流および最大流の条件で
のタービン効率は、大きな影響はないが、ピーク（頂
部）の効率は減少している。ピーク効率の減少は、羽根
の切取り部の増大に略比例していることが分かった。し
たがって、効率対流れの正確な特性は、切取り部の寸法
と形状によって適当に調整することができる。
【００２９】本願発明は、ＥＧＲシステムを有する内燃
機関用ターボチャージャのタービンに適用されたときに
特に有利である。本願発明は、排ガス再循環のためにエ
ンジン給排気マニホールドの条件を最適化でき、排気を
減少させながら同時に空気と燃料の割合を最小にして、
良好な燃料消費量にできるからである。これは、追加部
品や構造制御機構を必要とすることなく、簡単なノズル
リングの改良によって慎重に制御されたタービン効率の
減少により達成される。
機関用ターボチャージャのタービンに適用されたときに
特に有利である。本願発明は、排ガス再循環のためにエ
ンジン給排気マニホールドの条件を最適化でき、排気を
減少させながら同時に空気と燃料の割合を最小にして、
良好な燃料消費量にできるからである。これは、追加部
品や構造制御機構を必要とすることなく、簡単なノズル
リングの改良によって慎重に制御されたタービン効率の
減少により達成される。
【００３０】上記羽根の切取り部のサイズと形状は、所
望とするタービン特性に大いに依存し、変化することが
認められる。
望とするタービン特性に大いに依存し、変化することが
認められる。
【００３１】本発明は、羽根の上を滑動する可動ノズル
リングを用いて、羽根が正規の位置に固定された可変形
態タービンにも適用できることが認められる。ここにお
いて、入口通路を開くためにノズルリングが収納される
と、羽根の減少弦長部が現れて減少弦長部の量が増大す
るように、切取り部が配置されている。
リングを用いて、羽根が正規の位置に固定された可変形
態タービンにも適用できることが認められる。ここにお
いて、入口通路を開くためにノズルリングが収納される
と、羽根の減少弦長部が現れて減少弦長部の量が増大す
るように、切取り部が配置されている。
【００３２】他の変更も可能であることは当業者には明
らかである。
らかである。
【図１】 知られた可変形態タービンの一部の概略図で
ある。
ある。
【図２】 図２（ａ）と（ｂ）は、図１のタービンのノ
ズルリングの動きを示す。
ズルリングの動きを示す。
【図３】 図１のタービンのガス流対効率の特性を示す
グラフである。
グラフである。
【図４】 図４（ａ）〜（ｃ）は、図１のタービンの本
発明による変形例を示す。
発明による変形例を示す。
【図５】 図４（ａ）〜４（ｃ）の変形例によるタービ
ンのガス流対効率特性に及ぼす影響を示すグラフであ
る。
ンのガス流対効率特性に及ぼす影響を示すグラフであ
る。
１…ハウジング、
４…入口通路、
７…凹部、
８…空洞、
１１…ハウジング、
２０…羽根。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 ジョン・マロイ
アメリカ合衆国47201インディアナ州コロ
ンバス、ビターウッド・コート1212番
(72)発明者 ジョン・フレデリック・パーカー
イギリス、エイチディ８・０ティビー、ウ
エスト・ヨークシャー、ハダーズフィール
ド、ハイ・バートン、エルム・コート６番
Ｆターム(参考） 3G005 EA15 EA16 FA05 GA02 GB25
GB86 HA12 JA05 JA45
3G071 AB06 BA08 BA34 DA05 FA03
FA05 HA04 JA03 JA05
Claims (13)
- 【請求項１】 軸の周りに回転するために、半径方向の
ブレードを有すると共にハウジングの中で支持されてい
るタービンホイールと、 半径方向内側に上記タービンホイールに向かって延在す
る環状入口通路とを備え、 上記入口通路は、可動壁部材の環状壁と上記ハウジング
の対向壁との間に形成され、上記可動壁部材は、上記入
口通路の幅を変化させるために、上記ハウジングに対し
て移動でき、 上記入口通路を横切るように延在する環状配列の羽根を
備え、 上記羽根は、前縁および後縁と、上記前縁と上記後縁と
の間に形成された幅と、上記タービンホイールの上記軸
に略平行に延在する高さとを有し、 上記高さは、上記羽根の幅を横切って最大から最小に変
化し、上記最小高さは上記タービンブレードの翼端の軸
方向の幅よりも小さいことを特徴とする可変形態タービ
ン。 - 【請求項２】 請求項１に記載の可変形態タービンにお
いて、 上記羽根の最小高さは、上記入口通路の最小幅よりも大
きいことを特徴とする可変形態タービン。 - 【請求項３】 請求項２に記載の可変形態タービンにお
いて、 上記最小高さは、上記羽根の後縁に形成されていること
を特徴とする可変形態タービン。 - 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載の可変
形態タービンにおいて、 上記羽根の最大高さは、上記入口通路の最大幅よりも大
きいことを特徴とする可変形態タービン。 - 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれかに記載の可変
形態タービンにおいて、 上記最小高さと上記最大高さとの差は、上記タービンブ
レードの翼端の軸方向の幅以上であることを特徴とする
可変形態タービン。 - 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれかに記載の可変
形態タービンにおいて、 上記羽根は、最大幅部と、減少幅部と、上記最大幅と上
記減少幅部との間の羽根高さにおける急峻遷移部とを有
していることを特徴とする可変形態タービン。 - 【請求項７】 請求項１乃至６のいずれかに記載の可変
形態タービンにおいて、 上記最大高さは、上記羽根の前縁に沿って形成されてい
ることを特徴とする可変形態タービン。 - 【請求項８】 請求項７に記載の可変形態タービンにお
いて、 上記前縁に隣接して上記羽根の幅の一部を横切る羽根高
さは実質的に一定であり、次に、羽根高さは上記後縁に
隣接する最小高さに減少していることを特徴とする可変
形態タービン。 - 【請求項９】 請求項８に記載の可変形態タービンにお
いて、 上記後縁に隣接して上記羽根の幅の一部を横切る羽根高
さは実質的に一定であることを特徴とする可変形態ター
ビン。 - 【請求項１０】 請求項９に記載の可変形態タービンに
おいて、 上記羽根は、上記可動壁部材によって支持されているこ
とを特徴とする可変形態タービン。 - 【請求項１１】 請求項１０に記載の可変形態タービン
において、 上記タービンハウジングの上記対向壁には、上記可動壁
部材が上記対向壁に向けて移動されるときに上記羽根を
収容するために、環状の凹部が設けられていることを特
徴とする可変形態タービン。 - 【請求項１２】 請求項１１に記載の可変形態タービン
において、 上記環状凹部は、上記羽根を収容するためのスロットが
設けられた覆いによって覆われていることを特徴とする
可変形態タービン。 - 【請求項１３】 請求項１乃至１２のいずれかに記載の
可変形態タービンにおいて、 上記可動壁部材は、上記ハウジング内に設けられた環状
空洞の中に嵌め込まれ、上記最大入口幅は、上記可動壁
部材の環状壁が上記空洞の開口部と面一に存在するとき
に形成され、上記壁部材は、上記空洞の中に格納可能で
あることを特徴とする可変形態タービン。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US10/117,872 US6652224B2 (en) | 2002-04-08 | 2002-04-08 | Variable geometry turbine |
| US10/117872 | 2002-04-08 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003301726A true JP2003301726A (ja) | 2003-10-24 |
| JP2003301726A5 JP2003301726A5 (ja) | 2006-04-13 |
| JP4256196B2 JP4256196B2 (ja) | 2009-04-22 |
Family
ID=28453957
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003104238A Expired - Fee Related JP4256196B2 (ja) | 2002-04-08 | 2003-04-08 | 可変形態タービン |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US6652224B2 (ja) |
| EP (1) | EP1353040B1 (ja) |
| JP (1) | JP4256196B2 (ja) |
| KR (1) | KR20030081059A (ja) |
| CN (1) | CN1324222C (ja) |
| DE (1) | DE60311908T2 (ja) |
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