JP2004116313A - 可変容量タービン及びこれを備えた可変容量ターボチャージャ - Google Patents
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Abstract
【課題】ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することのできる可変容量タービン及びこれを備えた可変容量ターボチャージャを提供すること。
【解決手段】回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路に、ノズル回動軸２４に取り付けられた可変ノズル２０を備え、該可変ノズル２０をノズル駆動手段により前記ノズル回動軸２４の軸心回りに回転させてその翼角を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービン１００において、前記流体入口流路を形成する壁部２５に、周方向に少なくとも１本の溝１０１が設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路に、ノズル回動軸２４に取り付けられた可変ノズル２０を備え、該可変ノズル２０をノズル駆動手段により前記ノズル回動軸２４の軸心回りに回転させてその翼角を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービン１００において、前記流体入口流路を形成する壁部２５に、周方向に少なくとも１本の溝１０１が設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスタービン過給機、ガスタービン、ガスエキスパンダ等に適用され、ノズルを回動させてノズル翼角を変化させることにより、タービンロータへのガスの流速を変化させる機能を有する可変容量タービンおよびこれを備えた可変容量ターボチャージャに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の可変容量ターボチャージャについて、図１２および図１３に基づいて説明する。
【０００３】
図１２は一般的な可変容量ターボチャージャの縦断面図であり、図１３は図１２におけるＡ−Ａ矢視断面図であって、ノズルベーンの作動（開閉）状態を説明するための図である。
【０００４】
図１２に示すように、一般に可変容量ターボチャージャ１０は、可変容量タービン（以下、ＶＧ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ）タービンという）１１と、コンプレッサ１２とを主たる要素として構成されたものである（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２０５３４０号公報（図１，図３）
【０００６】
ＶＧタービン１１とコンプレッサ１２とは、軸受ハウジング１３を介して連結されているとともに、この軸受ハウジング１３内には、軸受１４に回転支持されたタービンロータ１５が挿通されている。
【０００７】
コンプレッサ１２は、タービンロータ１５の一端側に取り付けられたコンプレッサホイール１６と、このコンプレッサホイール１６を囲んで覆うように設けられたコンプレッサケーシング１７とを主たる要素として構成されたものである。
【０００８】
一方、ＶＧタービン１１は、タービンロータ１５の他端側に取り付けられたタービンホイール１８と、このタービンホイール１８を囲んで覆うように設けられたタービンケーシング１９と、タービンホイール１８に流入する排気ガス（流体）ｇの流速を変化させる可変ノズル２０とを主たる要素として構成されたものである。
【０００９】
タービンケーシング１９の内側には、タービンロータ１５の回転軸心２１回りにタービンホイール１８の外周を囲むようにスクロール２２が形成されている。このスクロール２２とタービンホイール入口１８’とは流体入口流路２２’により連通されている。
また、スクロール２２の外周側には概ねスクロール２２の接線方向に沿った排気ガス入口（図示せず）が設けられ、タービンロータ１５の回転軸心２１に沿って排気ガス出口２３が設けられている。
【００１０】
可変容量ターボチャージャ１０の駆動流体としての排気ガスｇは、排気ガス入口からスクロール２２に入り、スクロール２２および流体入口流路２２’を通って、スクロール２２の内周側に周方向に等ピッチで設けられた可変ノズル２０によってタービンホイール１８に流入する流速が可変に調整されてタービンホイール１８に流入し、タービンホイール１８を回転駆動した後、タービンホイール１８の出口部空間２３’を通って排気ガス出口２３から排出される。一方、コンプレッサホイール１６は、タービンホイール１８によって回転駆動され、たとえば空気ａ等の圧送に用いられる。
【００１１】
可変ノズル２０はピボット（ノズル回動軸）２４によって（平行）壁部２５に回動制御自在に取り付けられており、可変ノズル機構２６によって回動制御され、可変ノズル２０が隣り合う可変ノズル２０との間にスクロール２２からタービンホイール１８へ排気ガスｇが流入するノズルスロート（図１３を用いて後述する）を形成し、ノズルスロートはその流路の開度が可変ノズル２０のピボット２４回りの回動により制御される。
【００１２】
図１３に示すように、可変ノズル２０のピボット２４は、回転軸心２１回りのピボットピッチサークル２７上に等間隔に位置しており、可変ノズル２０はピボット２４を回動軸として、排気ガスｇの大流量時には（ａ）に示すようなノズルスロート（ｎｏｚｚｌｅ ｔｈｒｏａｔ）２８を開く方向へ、また、排気ガスｇの小流量時には（ｂ）に示すようなノズルスロート２８を閉じる方向へと回動制御される。
なお、図１３（ａ）はノズルスロート２８を最大に開いた状態を示し、（ｂ）はノズルスロート２８を最大に閉じた状態を示している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなＶＧタービン１０では、排気ガスｇの小流量時にノズルスロート２８を閉じる方向に可変ノズル２０が回動されると（図１３（ｂ）参照）、スロート２８の幅（すなわち、流体通路の幅）が狭まるようになる。排気ガスｇはスロート２８を通過する際に絞られて、その流速が増加させられた後、ノズル後縁部翼厚ｔに相当する分だけ急激に拡がる空間内に流入していくこととなる。従って、ノズルスロート２８を最大に閉じた状態（図１３（ｂ）参照）の場合、ノズルスロート２８を最大に開いた状態（図１３（ａ）参照）に比べ、スロート２８の幅（流体通路の幅）に対するノズル翼厚ｔの比率が大きく、排気ガスｇの流れ方向の空間拡大率も大きくなる。
絞られた空間から急に拡がった空間に排気ガスｇが流れていく場合、可変ノズル２０の後縁部からノズルウェーク（ｎｏｚｚｌｅ ｗａｋｅ）が発生し、その大きさは、排気ガスｇの流れ方向の空間拡大率に比例する。従って、ノズルスロート２８を最大に閉じた状態（図１３（ｂ）参照）はノズルウェークがひどく（大きく）、励振力が大きいため、タービンホイール１８のノズルウェーク共振時に、タービンホイール１８が破損してしまうおそれがある。
【００１４】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することのできる可変容量タービン及びこれを備えた可変容量ターボチャージャを提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の可変容量タービン及びこれを備えた可変容量ターボチャージャでは、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１記載の可変容量タービンによれば、回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路に、ノズル回動軸に取り付けられた可変ノズルを備え、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回動軸の軸心回りに回転させてその翼角を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービンにおいて、前記流体入口流路を形成する壁部に、周方向に少なくとも１本の溝が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
この可変容量タービンにおいては、可変ノズルにより発生するノズルウェークの圧力が、壁部に設けられた少なくとも１本の溝により低減させられることとなる。すなわち、流体の主流に比べて高くなっているノズルウェーク部の圧力が均一化されることとなる。言い換えれば、流体の主流に比べて高くなっているノズルウェーク部の圧力が壁部に設けられた少なくとも１本の溝により周方向に拡散されることとなる。
【００１７】
請求項２に記載の可変容量タービンによれば、回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路に、ノズル回動軸に取り付けられた可変ノズルを備え、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回動軸の軸心回りに回転させてその翼角を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービンにおいて、前記流体入口流路を形成する壁部に、周方向にポーラス帯が設けられていることを特徴とする。
【００１８】
この可変容量タービンにおいては、可変ノズルにより発生するノズルウェークの圧力が、壁部に設けられたポーラス帯内の多数の孔により低減させられることとなる。すなわち、流体の主流に比べて高くなっているノズルウェーク部の圧力が均一化されることとなる。言い換えれば、流体の主流に比べて高くなっているノズルウェーク部の圧力が壁部に設けられたポーラス帯により周方向に拡散されることとなる。
【００１９】
請求項３に記載の可変容量タービンによれば、前記ポーラス帯が有する孔は、周方向および／または半径方向に連通していることを特徴とする。
【００２０】
この可変容量タービンにおいては、可変ノズルにより発生するノズルウェークの圧力が、ポーラス帯の内部に設けられた孔を通って周方向および／または半径方向に拡散されることとなる。すなわち、流体の主流に比べて高くなっているノズルウェーク部の圧力が周方向および／または半径方向により均一化されることとなる。
【００２１】
請求項４に記載の可変容量タービンによれば、前記少なくとも１本の溝または前記ポーラス帯は、前記可変ノズルのうち、少なくとも１つの可変ノズルに対応した位置に部分的に設けられていることを特徴とする。
【００２２】
この可変容量タービンにおいては、請求項１に記載した少なくとも１本の溝、あるいは請求項２または３に記載したポーラス帯が、少なくとも１つの可変ノズルに対して部分的に設けられている。これによりポーラス帯が設けられている部分ではノズルウェークの圧力が低減あるいは拡散されて、ノズルウェークによる励振力が低減されることとなる。
【００２３】
請求項５に記載の可変容量タービンによれば、回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路に、ノズル回動軸に取り付けられた可変ノズルを備え、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回動軸の軸心回りに回転させてその翼角を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービンにおいて、前記流体入口流路を形成する壁部のうち、前記可変ノズルの後縁が位置する場所から、流体が流れる方向における下流側に向かう壁部に突出部が設けられていることを特徴とする。
【００２４】
この可変容量タービンにおいては、可変ノズルの出口直後における空間の急激な拡がり、すなわち流路面積の急激な増加が抑制されることとなる。
【００２５】
請求項６に記載の可変容量タービンによれば、回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路に、ノズル回動軸に取り付けられた可変ノズルを備え、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回動軸の軸心回りに回転させてその翼角を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービンにおいて、前記流体入口流路と前記タービンホイールの出口部空間とを連通する連通孔が設けられていることを特徴とする。
【００２６】
この可変容量タービンにおいては、流体入口流路内の流体が、連通孔を通ってタービンホイールの出口部空間に導かれることとなる。すなわち、流体入口流路内の圧力がタービンホイールの出口部空間に導かれて、流体入口流路内の圧力が低減させられることとなる。
【００２７】
請求項７に記載の可変容量タービンによれば、前記連通孔の、前記流体入口流路の側に位置する一端は、前記可変ノズルの後縁が位置する場所から、流体が流れる方向における下流側に設けられていることを特徴とする。
【００２８】
この可変容量タービンにおいては、可変ノズルの後縁が位置する場所の流体が、連通孔を通ってタービンホイールの出口部空間に導かれることとなる。すなわち、可変ノズルの後縁近傍における圧力がタービンホイールの出口部空間に導かれて、その部分の圧力が低減させられることとなる。
【００２９】
請求項８に記載の可変容量タービンによれば、前記可変ノズルに、当該可変ノズルの後縁から所定距離にわたり負圧面を切削して翼厚を薄くした変更形状部が設けられていることを特徴とする。
【００３０】
この可変容量タービンにおいては、可変ノズルの後縁における翼厚が薄くなって、圧力面側から負圧面側に流れ込む流れ強さが小さくなり、可変ノズルから発生するノズルウェークが低減させられることとなる。
【００３１】
請求項９に記載の可変容量タービンによれば、回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路に、ノズル回動軸に取り付けられた可変ノズルを備え、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回動軸の軸心回りに回転させてその翼角を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービンにおいて、前記可変ノズルに、当該可変ノズルの後縁から所定の距離にわたり負圧面を切削して翼厚を薄くした変更形状部が設けられていることを特徴とする。
【００３２】
この可変容量タービンにおいては、可変ノズルの後縁における翼厚が薄くなって、圧力面側から負圧面側に流れ込む流れ強さが小さくなり、可変ノズルから発生するノズルウェークが低減させられることとなる。
【００３３】
請求項１０に記載の可変容量ターボチャージャによれば、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の可変容量タービンと、前記タービンロータの駆動によりシリンダ内に吸気過給するコンプレッサと、を具備することを特徴とする。
【００３４】
この可変容量ターボチャージャにおいては、請求項１ないし９のいずれか一項に記載した可変容量タービンのタービンホイールが回転駆動されることによりコンプレッサが駆動されるようになっている。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る可変容量タービン（以下、ＶＧ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ）タービンという）の第１実施形態を図１および図２に基づいて説明する。なお、ＶＧタービンおよび可変容量ターボチャージャの主たる構成要素は、従来技術のところで既に説明しているのでここではその説明を省略し、本発明の特徴部についてのみ説明することにする。また、上述した従来技術と同一の部材には同一の符号を付して説明する。
【００３６】
図１は、前述した図１３（ｂ）と同様の図であり、本発明によるＶＧタービンの第１実施形態を示す要部平面図である。
本実施形態におけるＶＧタービン１００には、スクロール２２からタービンホイール１８に通じる流体入口流路２２’を形成する一側の壁部２５に、周方向に連続する少なくとも１本（本実施形態では４本）の溝１０１が設けられている。
これら溝１０１は、前述したピボットピッチサークル２７と同心円上に等間隔で配置されたものである。
また、最も外側（外周側）に位置する溝１０１の外周端１０２は、可変ノズル２０の後縁部内周端２０’よりも内側（内周側）あるいは可変ノズル２０の後縁部内周端２０’の真下に位置するように設けられている。
【００３７】
図２は図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。図２に示すように、これら溝１０１はそれぞれ断面視矩形形状（図２のものは正方形）を有するものである。
【００３８】
このように、可変ノズル２０の開度を閉じた状態（絞った状態）における、可変ノズル２０の出口直後（後縁よりも下流側）に、周方向に少なくとも１本（本実施形態では４本）の溝１０１を設けることにより、排気ガスｇの主流に比べて圧力が高くなっているノズルウェークの圧力を低減させて、排気ガスｇの主流とノズルウェークとの圧力差を低減させることができるので、ノズルウェークの発生を抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
また、これら溝１０１は周方向に円を描くように設けられているので、製作時の加工を容易に行うことができる。
【００３９】
本発明に係る可変容量タービンの第２実施形態を図３に基づいて説明する。なお、上述した従来技術および第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付して説明する。
図３は、図１と同様の図であり、本発明によるＶＧタービンの第２実施形態を示す要部平面図である。
図３に示すＶＧタービン２００は、溝２０１が各可変ノズル２０に対応して部分的に設けられている点で図１に示す第１実施形態のものと異なる。すなわち、図１に示す第１実施形態では、溝１０１が周方向に連続して円を形成するように設けられていたが、本実施形態では、溝２０１が周方向に不連続とされ、円弧を形成するように設けられている。断面形状については図２と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００４０】
これら溝２０１はそれぞれ、ノズルウェークの発生が予想される部位（箇所）に設けられている。
【００４１】
溝２０１をこのように構成しても、前述した第１実施形態同様、排気ガスｇの主流に比べて圧力が高くなっているノズルウェークの圧力を低減させて、排気ガスｇの主流とノズルウェークとの圧力差を低減させることができるので、ノズルウェークの発生を抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００４２】
本発明に係る可変容量タービンの第３実施形態を図４および図５に基づいて説明する。なお、上述した従来技術、第１実施形態、および第２実施形態と同一の部材には同一の符号を付して説明する。
図４は、図１と同様の図であり、本発明によるＶＧタービンの第３実施形態を示す要部平面図である。
【００４３】
本実施形態におけるＶＧタービン３００には、スクロール２２からタービンホイール１８に通じる流体入口流路２２’を形成する一側の壁部２５に、周方向に連続してポーラス（ｐｏｒｏｕｓ）帯３０１が設けられている。ポーラス帯３０１は内部に多数の孔３０２を有する帯状（所定幅を有する）の多孔質部材である。
ポーラス帯３０１は、前述したピボットピッチサークル２７と同心円上に配置されたものである。
また、最も外側（外周側）に位置するポーラス帯３０１の外周端３０３は、可変ノズル２０の開度を閉じた状態（絞った状態）において、後縁部内周端２０’よりも内側（内周側）あるいは可変ノズル２０の後縁部内周端２０’の真下に位置するように設けられている。ポーラス帯３０１の内周端３０４もまた、ピボットピッチサークル２７および外周端３０３よりも内側かつ動翼入口端１８’の径より外側で、これらピボットピッチサークル２７および外周端３０３の同心円上に配置されている。
【００４４】
図５は図４のＶ−Ｖ矢視断面図である。図５に示すように、ポーラス帯３０１は壁部２５に所定深さをもって埋め込まれたものであり、断面視矩形形状（図５のものは長方形）を有するものである。
また、ポーラス帯３０１の表面３０５と壁部２５の表面２５’とは同一平面となるように（同一平面を形成するように）設けられている。
【００４５】
このように、可変ノズル２０の開度を閉じた状態（絞った状態）における、可変ノズル２０の出口直後（後縁よりも下流側）に、周方向にポーラス帯３０１を設けることにより、排気ガスｇの主流に比べて圧力が高くなっているノズルウェークの圧力を低減させて、排気ガスｇの主流とノズルウェークとの圧力差を低減させることができるので、ノズルウェークの発生を抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００４６】
また、ポーラス帯３０１の内部に設けられている孔３０２同士が、周方向および／または半径方向に連通するように構成されていればさらに有利である。
これにより一つの孔３０２から入った排気ガス（流体）ｇが別の孔３０２を通って流れていくこととなり、ノズルウェークの圧力をさらに低減させて、排気ガスｇの主流とノズルウェークとの圧力差をさらに低減させることができるので、ノズルウェークの発生をより一層抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損をより防止することができる。
【００４７】
本実施形態についても、図３に示す第２実施形態同様、ポーラス帯３０１を部分的に設けるようにすることができる。
【００４８】
本発明に係る可変容量タービンの第４実施形態を図６および図７に基づいて説明する。なお、上述した従来技術、第１実施形態ないし第３実施形態と同一の部材には同一の符号を付して説明する。
図６は、図１と同様の図であり、本発明によるＶＧタービンの第４実施形態を示す要部平面図である。
【００４９】
本実施形態におけるＶＧタービン４００には、スクロール２２からタービンホイール１８に通じる流体入口流路２２’を形成する一側の壁部２５に、突出部４０１が設けられている。
突出部４０１は各可変ノズル２０の後縁が位置する場所から、排気ガスｇが流れる方向における下流側に向かう壁部、すなわちノズルウェークの発生が予想される部位（箇所）に設けられている。
【００５０】
突出部４０１の上流端４０２は可変ノズル２０の後縁部形状に略合致するように形成されているとともに、可変ノズル２０の開閉（回動）に支障をきたさないように、すなわち可変ノズル２０の開閉が円滑（スムーズ）に行われるように形成されている。
また、突出部４０１の上流端４０２は、可変ノズル２０の開度を閉じた状態（絞った状態）において可変ノズル２０の後縁部に最も近づく位置に設けられている。
一方、突出部４０１の内周端４０３および外周端４０４は、ノズルウェークの発生が予想される部位に重なるよう（上流端４０２から下流側に向かって略放射状あるいは略扇状）に設けられている。
そして、突出部４０１の下流端４０５は、ピボットピッチサークル２７よりも所定距離内側に位置し、このピボットピッチサークル２７と同心円をなすサークル４０６の線上に位置するように設けられている。
【００５１】
図７は図４のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視断面図である。図７に示すように、突出部４０１は従来の壁部２５から所定高さｔだけ内方（流体入口流路２２’側）に突出したものである。ここで、所定高さｔは図１３（ｂ）に示すｔと同一のもので、可変ノズル２０の後縁部における翼厚のことである。
図７に示すように突出部４０１の高さをｔとするのは、流体入口流路２２’の一側の壁部２５に設ける場合であり、流体入口流路２２’の一側の壁部２５と対向して設けられている他側の壁部２５ａ（図１２参照）にも突出部４０１を設ける場合には、突出部４０１の高さはｔ／２となる。
【００５２】
このように、可変ノズル２０の開度を閉じた状態（絞った状態）における、可変ノズル２０の出口直後（後縁よりも下流側）に、突出部４０１を設けることにより、可変ノズル２０の出口直後における空間の急激な拡がり、すなわち流路面積の急激な増加を抑えることができるので、ノズルウェークの発生を抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００５３】
本発明による可変容量タービンの第５実施形態を図８に基づいて説明する。図８は、可変ノズルの後縁部を拡大した要部拡大図である。
本実施形態におけるＶＧタービン５００は、後縁部に変更形状部５０１を有する可変ノズル５０２を具備するものである。
変更形状部５０１は、可変ノズル５０２の後縁から所定距離にわたり負圧面５０３が切削されることにより、翼厚が薄くされた（減少された）部分である。
図における破線は切削前（形状変更前）の翼形を示している。
【００５４】
ここで、図８を用いて圧力面５０５側から負圧面５０３側に流れ込む流れ（白抜き矢印で示す）の強さについて説明する。
図中におけるＲＳは回転軸心２１（たとえば図６参照）から形状変更前の可変ノズルの後縁部内周端２０’までの距離、一方ＲＰは可変ノズルの後縁部外周端２０”までの距離である。
回転軸心２１からの半径距離Ｒとその場所における旋回流速ＣＵとの間には、ＣＵ・Ｒ＝一定という関係式（自由渦の法則）が成り立つ。すなわち、回転軸心２１からの半径距離Ｒが大きくなるほど旋回流速ＣＵが小さく（圧力が高く）なる。
したがって、回転軸心２１からの半径距離が大きい後縁部外周端２０”では圧力が高く、回転軸心２１からの半径距離が小さい後縁部内周端２０’では圧力が低くなる。すなわち、この半径距離の差が大きいほど圧力差は大きくなる。
このように、回転軸心２１から可変ノズルの後縁部内周端２０’までの距離ＲＳと、可変ノズルの後縁部外周端２０”までの距離ＲＰとの差が大きいと圧力面５０５側から負圧面５０３側に流れ込む流れが強くなって、強いウェークが発生してしまうおそれがある。
【００５５】
図８に示す実施形態のものは、この半径距離の差を小さくして圧力差を小さくすることにより、圧力面５０５側から負圧面５０３側に流れ込む流れ強さをできるだけ小さくして（すなわち、回転軸心２１から可変ノズルの後縁部内周端２０ａまでの距離がＲ’となるようにして）、ウェークの発生を抑制しようとするものである。
【００５６】
可変ノズル５０２の後縁部に、このような変更形状部５０１を設けることにより、圧力面５０５側から負圧面５０３側に流れ込む流れ強さを小さくすることができ、ウェークの発生を抑制することができるとともに、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００５７】
なお、本実施形態では、変更形状部５０１が、可変ノズル５０２の後縁から所定距離にわたり負圧面５０３を切削することにより形成されている。しかしながら本発明はこれに限定されるものではなく、可変ノズル５０２の後縁から所定距離にわたり圧力面５０５を切削することにより形成させることもできる。
【００５８】
本発明に係る可変容量タービンの第６実施形態を図９および図１０に基づいて説明する。なお、上述した従来技術、および第１実施形態ないし第４実施形態と同一の部材には同一の符号を付して説明する。
図９は、本発明によるＶＧタービンの縦断面図であり、図１０は図９におけるＸ−Ｘ矢視断面図である。
【００５９】
本実施形態におけるＶＧタービン６００には、流体入口流路２２’とタービンホイール１８の出口部空間２３’とを連通する連通孔６０１が設けられている。
流体入口流路２２’の側に位置する連通孔６０１の一端６０２は、図１０に示すように、各可変ノズル２０の開度を閉じた状態（絞った状態）において、排気ガスｇが流れる方向における下流側で、かつウェークの発生が予想される部位（箇所）にそれぞれ設けられている。図中における破線は、ウェークの発生が予想される部位（箇所）であり、基本的に図６に示す突出部４０１と同様の平面視形状を有するものである。
連通孔６０１の一端６０２が開口する流体入口流路２２’内の圧力は、タービンホイール１８の出口部空間２３’内の圧力よりも高い。したがって、流体入口流路２２’内の排気ガスｇの一部が一端６０２から連通孔６０１内に入ってタービンホイール１８の出口部空間２３’に自然に導かれた後、排気ガス出口２３から排出されることとなる。
【００６０】
このように流体入口流路２２’内の、ウェークの発生が予想される部位（箇所）の排気ガスｇをタービンホイール１８の出口部空間２３’に抜く（吸い出す）ことにより排気ガスｇの主流に比べて圧力が高くなっているノズルウェークの圧力を低減させて、排気ガスｇの主流とノズルウェークとの圧力差を低減させることができるので、ノズルウェークの発生を抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
また、これら連通孔６０１は流体入口流路２２’側から、およびタービンホイール１８の出口部空間２３’側からドリルなどによって容易に明ける（加工する）ことができるので、製造あるいは加工に要するコストおよび作業時間を低く抑えることができる。
【００６１】
なお、上述した実施形態においては、流体入口流路２２’の一側の壁部２５に溝１０１，２０１、ポーラス帯３０１、突出部４０１を設けるようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、流体入口流路２２’の両側の壁部２５，２５ａにそれぞれ設けるようにすることもできる。
【００６２】
また、図１に示す溝１０１および図３に示す溝２０１の断面形状は、図２に示すものに限定されるものではなく、たとえば図１１に示すような形状、すなわち頂部と底部とに丸みがつけられた波形とすることもできる。
【００６３】
さらに、上述した実施形態では、溝２０１、ポーラス帯、突出部４０１、連通孔６０１の一端６０２が、各可変ノズル２０に対応してそれぞれ一つずつ設けられているが、本発明はこれに限定されるものではなく、必要に応じて適宜必要な可変ノズル２０に対してのみ設けるようにすることもできる。
【００６４】
さらにまた、上述した実施形態は、それぞれ単独で用いることもできるし、適宜組み合わせて用いるようにすることもできる。たとえば、第１実施形態ないし第４実施形態、および第６実施形態の各実施形態と第５実施形態とを組み合わせたり、あるいは第１実施形態ないし第４実施形態の各実施形態と第６実施形態とを組み合わせたりすることができる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明の可変容量タービンおよびこれを備えた可変容量ターボチャージャによれば、以下の効果を奏する。
請求項１に記載の可変容量タービンによれば、周方向に設けられた溝により、流体の主流に比べて圧力が高くなっているノズルウェークの圧力を低減させて、流体の主流とノズルウェークとの圧力差を低減させることができるので、ノズルウェークの拡散を助長して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
また、溝が周方向に円を描くように設けられているので、製作時の加工を容易に行うことができる。
【００６６】
請求項２に記載の可変容量タービンによれば、周方向に設けられたポーラス帯の多数の孔により、流体の主流に比べて圧力が高くなっているノズルウェークの圧力を低減させて、流体の主流とノズルウェークとの圧力差を低減させることができるので、ノズルウェークの拡散を助長して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００６７】
請求項３に記載の可変容量タービンによれば、可変ノズルにより発生するノズルウェークの圧力が、ポーラス帯の内部に設けられた孔を通って周方向および／または半径方向に拡散されることとなるので、ノズルウェークの発生をより一層抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損をより確実に防止することができる。
【００６８】
請求項４に記載の可変容量タービンによれば、少なくとも１つの可変ノズルに対して設けられたポーラス帯により、この部分におけるノズルウェークの圧力が低減あるいは拡散されて、ノズルウェークによる励振力が低減されることとなるので、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００６９】
請求項５に記載の可変容量タービンによれば、可変ノズルの出口直後における空間の急激な拡がり、すなわち流路面積の急激な増加を抑えることができるので、ノズルウェークの発生を抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００７０】
請求項６または７に記載の可変容量タービンによれば、可変ノズルの後縁近傍における圧力がタービンホイールの出口部空間に導かれて、その部分の圧力が低減させられることとなるので、ノズルウェークの発生が抑制されて、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００７１】
請求項８に記載の可変容量タービンによれば、可変ノズルの後縁における翼厚が薄くなって、圧力面側から負圧面側に流れ込む流れ強さが小さくなり、可変ノズルから発生するノズルウェークが低減させられることとなるので、ノズルウェークの発生が抑制されて、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００７２】
請求項９に記載の可変容量タービンによれば、可変ノズルの後縁における翼厚が薄くなって、圧力面側から負圧面側に流れ込む流れ強さが小さくなり、可変ノズルから発生するノズルウェークが低減させられることとなるので、ノズルウェークの発生が抑制されて、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００７３】
請求項１０に記載の可変容量ターボチャージャによれば、請求項１ないし９のいずれか一項に記載した可変容量タービンが使用されるため、ノズルウェークの発生が抑制されて、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による可変容量タービンの第１実施形態を示す要部平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。
【図３】本発明による可変容量タービンの第２実施形態を示す要部平面図である。
【図４】本発明による可変容量タービンの第３実施形態を示す要部平面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ矢視断面図である。
【図６】本発明による可変容量タービンの第４実施形態を示す要部平面図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視断面図である。
【図８】本発明による可変容量タービンの第５実施形態を示す図であって、可変ノズルの後縁部を拡大した要部拡大図である。
【図９】本発明による可変容量タービンの第６実施形態を示す要部縦断面図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ矢視断面図である。
【図１１】図２と同様、溝の断面形状を示す断面図である。
【図１２】従来の可変容量ターボチャージャの縦断面図である。
【図１３】図１２におけるＡ−Ａ矢視断面図であって、（ａ）はノズルスロートを最大に開いた状態を示し、（ｂ）はノズルスロートを最大に閉じた状態を示している。
【符号の説明】
１１ 可変容量タービン
１２ コンプレッサ
１８ タービンホイール
２０ 可変ノズル
２２’ 流体入口流路
２３’ 出口部空間
２４ ピボット（ノズル回動軸）
２５ 壁部
２５ａ 壁部
２６ ノズル駆動手段
１００ 可変容量タービン
１０１ 溝
２００ 可変容量タービン
２０１ 溝
３００ 可変容量タービン
３０１ ポーラス帯
３０２ 孔
４００ 可変容量タービン
４０１ 突出部
５００ 可変容量タービン
５０１ 変更形状部
５０２ 可変ノズル
５０３ 負圧面
５０５ 圧力面
６００ 可変容量タービン
６０１ 連通孔
６０２ 一端
ｇ 排気ガス（流体）
ｔ ノズル後縁部翼厚
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスタービン過給機、ガスタービン、ガスエキスパンダ等に適用され、ノズルを回動させてノズル翼角を変化させることにより、タービンロータへのガスの流速を変化させる機能を有する可変容量タービンおよびこれを備えた可変容量ターボチャージャに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の可変容量ターボチャージャについて、図１２および図１３に基づいて説明する。
【０００３】
図１２は一般的な可変容量ターボチャージャの縦断面図であり、図１３は図１２におけるＡ−Ａ矢視断面図であって、ノズルベーンの作動（開閉）状態を説明するための図である。
【０００４】
図１２に示すように、一般に可変容量ターボチャージャ１０は、可変容量タービン（以下、ＶＧ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ）タービンという）１１と、コンプレッサ１２とを主たる要素として構成されたものである（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２０５３４０号公報（図１，図３）
【０００６】
ＶＧタービン１１とコンプレッサ１２とは、軸受ハウジング１３を介して連結されているとともに、この軸受ハウジング１３内には、軸受１４に回転支持されたタービンロータ１５が挿通されている。
【０００７】
コンプレッサ１２は、タービンロータ１５の一端側に取り付けられたコンプレッサホイール１６と、このコンプレッサホイール１６を囲んで覆うように設けられたコンプレッサケーシング１７とを主たる要素として構成されたものである。
【０００８】
一方、ＶＧタービン１１は、タービンロータ１５の他端側に取り付けられたタービンホイール１８と、このタービンホイール１８を囲んで覆うように設けられたタービンケーシング１９と、タービンホイール１８に流入する排気ガス（流体）ｇの流速を変化させる可変ノズル２０とを主たる要素として構成されたものである。
【０００９】
タービンケーシング１９の内側には、タービンロータ１５の回転軸心２１回りにタービンホイール１８の外周を囲むようにスクロール２２が形成されている。このスクロール２２とタービンホイール入口１８’とは流体入口流路２２’により連通されている。
また、スクロール２２の外周側には概ねスクロール２２の接線方向に沿った排気ガス入口（図示せず）が設けられ、タービンロータ１５の回転軸心２１に沿って排気ガス出口２３が設けられている。
【００１０】
可変容量ターボチャージャ１０の駆動流体としての排気ガスｇは、排気ガス入口からスクロール２２に入り、スクロール２２および流体入口流路２２’を通って、スクロール２２の内周側に周方向に等ピッチで設けられた可変ノズル２０によってタービンホイール１８に流入する流速が可変に調整されてタービンホイール１８に流入し、タービンホイール１８を回転駆動した後、タービンホイール１８の出口部空間２３’を通って排気ガス出口２３から排出される。一方、コンプレッサホイール１６は、タービンホイール１８によって回転駆動され、たとえば空気ａ等の圧送に用いられる。
【００１１】
可変ノズル２０はピボット（ノズル回動軸）２４によって（平行）壁部２５に回動制御自在に取り付けられており、可変ノズル機構２６によって回動制御され、可変ノズル２０が隣り合う可変ノズル２０との間にスクロール２２からタービンホイール１８へ排気ガスｇが流入するノズルスロート（図１３を用いて後述する）を形成し、ノズルスロートはその流路の開度が可変ノズル２０のピボット２４回りの回動により制御される。
【００１２】
図１３に示すように、可変ノズル２０のピボット２４は、回転軸心２１回りのピボットピッチサークル２７上に等間隔に位置しており、可変ノズル２０はピボット２４を回動軸として、排気ガスｇの大流量時には（ａ）に示すようなノズルスロート（ｎｏｚｚｌｅ ｔｈｒｏａｔ）２８を開く方向へ、また、排気ガスｇの小流量時には（ｂ）に示すようなノズルスロート２８を閉じる方向へと回動制御される。
なお、図１３（ａ）はノズルスロート２８を最大に開いた状態を示し、（ｂ）はノズルスロート２８を最大に閉じた状態を示している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなＶＧタービン１０では、排気ガスｇの小流量時にノズルスロート２８を閉じる方向に可変ノズル２０が回動されると（図１３（ｂ）参照）、スロート２８の幅（すなわち、流体通路の幅）が狭まるようになる。排気ガスｇはスロート２８を通過する際に絞られて、その流速が増加させられた後、ノズル後縁部翼厚ｔに相当する分だけ急激に拡がる空間内に流入していくこととなる。従って、ノズルスロート２８を最大に閉じた状態（図１３（ｂ）参照）の場合、ノズルスロート２８を最大に開いた状態（図１３（ａ）参照）に比べ、スロート２８の幅（流体通路の幅）に対するノズル翼厚ｔの比率が大きく、排気ガスｇの流れ方向の空間拡大率も大きくなる。
絞られた空間から急に拡がった空間に排気ガスｇが流れていく場合、可変ノズル２０の後縁部からノズルウェーク（ｎｏｚｚｌｅ ｗａｋｅ）が発生し、その大きさは、排気ガスｇの流れ方向の空間拡大率に比例する。従って、ノズルスロート２８を最大に閉じた状態（図１３（ｂ）参照）はノズルウェークがひどく（大きく）、励振力が大きいため、タービンホイール１８のノズルウェーク共振時に、タービンホイール１８が破損してしまうおそれがある。
【００１４】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することのできる可変容量タービン及びこれを備えた可変容量ターボチャージャを提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の可変容量タービン及びこれを備えた可変容量ターボチャージャでは、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１記載の可変容量タービンによれば、回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路に、ノズル回動軸に取り付けられた可変ノズルを備え、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回動軸の軸心回りに回転させてその翼角を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービンにおいて、前記流体入口流路を形成する壁部に、周方向に少なくとも１本の溝が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
この可変容量タービンにおいては、可変ノズルにより発生するノズルウェークの圧力が、壁部に設けられた少なくとも１本の溝により低減させられることとなる。すなわち、流体の主流に比べて高くなっているノズルウェーク部の圧力が均一化されることとなる。言い換えれば、流体の主流に比べて高くなっているノズルウェーク部の圧力が壁部に設けられた少なくとも１本の溝により周方向に拡散されることとなる。
【００１７】
請求項２に記載の可変容量タービンによれば、回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路に、ノズル回動軸に取り付けられた可変ノズルを備え、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回動軸の軸心回りに回転させてその翼角を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービンにおいて、前記流体入口流路を形成する壁部に、周方向にポーラス帯が設けられていることを特徴とする。
【００１８】
この可変容量タービンにおいては、可変ノズルにより発生するノズルウェークの圧力が、壁部に設けられたポーラス帯内の多数の孔により低減させられることとなる。すなわち、流体の主流に比べて高くなっているノズルウェーク部の圧力が均一化されることとなる。言い換えれば、流体の主流に比べて高くなっているノズルウェーク部の圧力が壁部に設けられたポーラス帯により周方向に拡散されることとなる。
【００１９】
請求項３に記載の可変容量タービンによれば、前記ポーラス帯が有する孔は、周方向および／または半径方向に連通していることを特徴とする。
【００２０】
この可変容量タービンにおいては、可変ノズルにより発生するノズルウェークの圧力が、ポーラス帯の内部に設けられた孔を通って周方向および／または半径方向に拡散されることとなる。すなわち、流体の主流に比べて高くなっているノズルウェーク部の圧力が周方向および／または半径方向により均一化されることとなる。
【００２１】
請求項４に記載の可変容量タービンによれば、前記少なくとも１本の溝または前記ポーラス帯は、前記可変ノズルのうち、少なくとも１つの可変ノズルに対応した位置に部分的に設けられていることを特徴とする。
【００２２】
この可変容量タービンにおいては、請求項１に記載した少なくとも１本の溝、あるいは請求項２または３に記載したポーラス帯が、少なくとも１つの可変ノズルに対して部分的に設けられている。これによりポーラス帯が設けられている部分ではノズルウェークの圧力が低減あるいは拡散されて、ノズルウェークによる励振力が低減されることとなる。
【００２３】
請求項５に記載の可変容量タービンによれば、回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路に、ノズル回動軸に取り付けられた可変ノズルを備え、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回動軸の軸心回りに回転させてその翼角を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービンにおいて、前記流体入口流路を形成する壁部のうち、前記可変ノズルの後縁が位置する場所から、流体が流れる方向における下流側に向かう壁部に突出部が設けられていることを特徴とする。
【００２４】
この可変容量タービンにおいては、可変ノズルの出口直後における空間の急激な拡がり、すなわち流路面積の急激な増加が抑制されることとなる。
【００２５】
請求項６に記載の可変容量タービンによれば、回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路に、ノズル回動軸に取り付けられた可変ノズルを備え、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回動軸の軸心回りに回転させてその翼角を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービンにおいて、前記流体入口流路と前記タービンホイールの出口部空間とを連通する連通孔が設けられていることを特徴とする。
【００２６】
この可変容量タービンにおいては、流体入口流路内の流体が、連通孔を通ってタービンホイールの出口部空間に導かれることとなる。すなわち、流体入口流路内の圧力がタービンホイールの出口部空間に導かれて、流体入口流路内の圧力が低減させられることとなる。
【００２７】
請求項７に記載の可変容量タービンによれば、前記連通孔の、前記流体入口流路の側に位置する一端は、前記可変ノズルの後縁が位置する場所から、流体が流れる方向における下流側に設けられていることを特徴とする。
【００２８】
この可変容量タービンにおいては、可変ノズルの後縁が位置する場所の流体が、連通孔を通ってタービンホイールの出口部空間に導かれることとなる。すなわち、可変ノズルの後縁近傍における圧力がタービンホイールの出口部空間に導かれて、その部分の圧力が低減させられることとなる。
【００２９】
請求項８に記載の可変容量タービンによれば、前記可変ノズルに、当該可変ノズルの後縁から所定距離にわたり負圧面を切削して翼厚を薄くした変更形状部が設けられていることを特徴とする。
【００３０】
この可変容量タービンにおいては、可変ノズルの後縁における翼厚が薄くなって、圧力面側から負圧面側に流れ込む流れ強さが小さくなり、可変ノズルから発生するノズルウェークが低減させられることとなる。
【００３１】
請求項９に記載の可変容量タービンによれば、回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路に、ノズル回動軸に取り付けられた可変ノズルを備え、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回動軸の軸心回りに回転させてその翼角を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービンにおいて、前記可変ノズルに、当該可変ノズルの後縁から所定の距離にわたり負圧面を切削して翼厚を薄くした変更形状部が設けられていることを特徴とする。
【００３２】
この可変容量タービンにおいては、可変ノズルの後縁における翼厚が薄くなって、圧力面側から負圧面側に流れ込む流れ強さが小さくなり、可変ノズルから発生するノズルウェークが低減させられることとなる。
【００３３】
請求項１０に記載の可変容量ターボチャージャによれば、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の可変容量タービンと、前記タービンロータの駆動によりシリンダ内に吸気過給するコンプレッサと、を具備することを特徴とする。
【００３４】
この可変容量ターボチャージャにおいては、請求項１ないし９のいずれか一項に記載した可変容量タービンのタービンホイールが回転駆動されることによりコンプレッサが駆動されるようになっている。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る可変容量タービン（以下、ＶＧ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ）タービンという）の第１実施形態を図１および図２に基づいて説明する。なお、ＶＧタービンおよび可変容量ターボチャージャの主たる構成要素は、従来技術のところで既に説明しているのでここではその説明を省略し、本発明の特徴部についてのみ説明することにする。また、上述した従来技術と同一の部材には同一の符号を付して説明する。
【００３６】
図１は、前述した図１３（ｂ）と同様の図であり、本発明によるＶＧタービンの第１実施形態を示す要部平面図である。
本実施形態におけるＶＧタービン１００には、スクロール２２からタービンホイール１８に通じる流体入口流路２２’を形成する一側の壁部２５に、周方向に連続する少なくとも１本（本実施形態では４本）の溝１０１が設けられている。
これら溝１０１は、前述したピボットピッチサークル２７と同心円上に等間隔で配置されたものである。
また、最も外側（外周側）に位置する溝１０１の外周端１０２は、可変ノズル２０の後縁部内周端２０’よりも内側（内周側）あるいは可変ノズル２０の後縁部内周端２０’の真下に位置するように設けられている。
【００３７】
図２は図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。図２に示すように、これら溝１０１はそれぞれ断面視矩形形状（図２のものは正方形）を有するものである。
【００３８】
このように、可変ノズル２０の開度を閉じた状態（絞った状態）における、可変ノズル２０の出口直後（後縁よりも下流側）に、周方向に少なくとも１本（本実施形態では４本）の溝１０１を設けることにより、排気ガスｇの主流に比べて圧力が高くなっているノズルウェークの圧力を低減させて、排気ガスｇの主流とノズルウェークとの圧力差を低減させることができるので、ノズルウェークの発生を抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
また、これら溝１０１は周方向に円を描くように設けられているので、製作時の加工を容易に行うことができる。
【００３９】
本発明に係る可変容量タービンの第２実施形態を図３に基づいて説明する。なお、上述した従来技術および第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付して説明する。
図３は、図１と同様の図であり、本発明によるＶＧタービンの第２実施形態を示す要部平面図である。
図３に示すＶＧタービン２００は、溝２０１が各可変ノズル２０に対応して部分的に設けられている点で図１に示す第１実施形態のものと異なる。すなわち、図１に示す第１実施形態では、溝１０１が周方向に連続して円を形成するように設けられていたが、本実施形態では、溝２０１が周方向に不連続とされ、円弧を形成するように設けられている。断面形状については図２と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００４０】
これら溝２０１はそれぞれ、ノズルウェークの発生が予想される部位（箇所）に設けられている。
【００４１】
溝２０１をこのように構成しても、前述した第１実施形態同様、排気ガスｇの主流に比べて圧力が高くなっているノズルウェークの圧力を低減させて、排気ガスｇの主流とノズルウェークとの圧力差を低減させることができるので、ノズルウェークの発生を抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００４２】
本発明に係る可変容量タービンの第３実施形態を図４および図５に基づいて説明する。なお、上述した従来技術、第１実施形態、および第２実施形態と同一の部材には同一の符号を付して説明する。
図４は、図１と同様の図であり、本発明によるＶＧタービンの第３実施形態を示す要部平面図である。
【００４３】
本実施形態におけるＶＧタービン３００には、スクロール２２からタービンホイール１８に通じる流体入口流路２２’を形成する一側の壁部２５に、周方向に連続してポーラス（ｐｏｒｏｕｓ）帯３０１が設けられている。ポーラス帯３０１は内部に多数の孔３０２を有する帯状（所定幅を有する）の多孔質部材である。
ポーラス帯３０１は、前述したピボットピッチサークル２７と同心円上に配置されたものである。
また、最も外側（外周側）に位置するポーラス帯３０１の外周端３０３は、可変ノズル２０の開度を閉じた状態（絞った状態）において、後縁部内周端２０’よりも内側（内周側）あるいは可変ノズル２０の後縁部内周端２０’の真下に位置するように設けられている。ポーラス帯３０１の内周端３０４もまた、ピボットピッチサークル２７および外周端３０３よりも内側かつ動翼入口端１８’の径より外側で、これらピボットピッチサークル２７および外周端３０３の同心円上に配置されている。
【００４４】
図５は図４のＶ−Ｖ矢視断面図である。図５に示すように、ポーラス帯３０１は壁部２５に所定深さをもって埋め込まれたものであり、断面視矩形形状（図５のものは長方形）を有するものである。
また、ポーラス帯３０１の表面３０５と壁部２５の表面２５’とは同一平面となるように（同一平面を形成するように）設けられている。
【００４５】
このように、可変ノズル２０の開度を閉じた状態（絞った状態）における、可変ノズル２０の出口直後（後縁よりも下流側）に、周方向にポーラス帯３０１を設けることにより、排気ガスｇの主流に比べて圧力が高くなっているノズルウェークの圧力を低減させて、排気ガスｇの主流とノズルウェークとの圧力差を低減させることができるので、ノズルウェークの発生を抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００４６】
また、ポーラス帯３０１の内部に設けられている孔３０２同士が、周方向および／または半径方向に連通するように構成されていればさらに有利である。
これにより一つの孔３０２から入った排気ガス（流体）ｇが別の孔３０２を通って流れていくこととなり、ノズルウェークの圧力をさらに低減させて、排気ガスｇの主流とノズルウェークとの圧力差をさらに低減させることができるので、ノズルウェークの発生をより一層抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損をより防止することができる。
【００４７】
本実施形態についても、図３に示す第２実施形態同様、ポーラス帯３０１を部分的に設けるようにすることができる。
【００４８】
本発明に係る可変容量タービンの第４実施形態を図６および図７に基づいて説明する。なお、上述した従来技術、第１実施形態ないし第３実施形態と同一の部材には同一の符号を付して説明する。
図６は、図１と同様の図であり、本発明によるＶＧタービンの第４実施形態を示す要部平面図である。
【００４９】
本実施形態におけるＶＧタービン４００には、スクロール２２からタービンホイール１８に通じる流体入口流路２２’を形成する一側の壁部２５に、突出部４０１が設けられている。
突出部４０１は各可変ノズル２０の後縁が位置する場所から、排気ガスｇが流れる方向における下流側に向かう壁部、すなわちノズルウェークの発生が予想される部位（箇所）に設けられている。
【００５０】
突出部４０１の上流端４０２は可変ノズル２０の後縁部形状に略合致するように形成されているとともに、可変ノズル２０の開閉（回動）に支障をきたさないように、すなわち可変ノズル２０の開閉が円滑（スムーズ）に行われるように形成されている。
また、突出部４０１の上流端４０２は、可変ノズル２０の開度を閉じた状態（絞った状態）において可変ノズル２０の後縁部に最も近づく位置に設けられている。
一方、突出部４０１の内周端４０３および外周端４０４は、ノズルウェークの発生が予想される部位に重なるよう（上流端４０２から下流側に向かって略放射状あるいは略扇状）に設けられている。
そして、突出部４０１の下流端４０５は、ピボットピッチサークル２７よりも所定距離内側に位置し、このピボットピッチサークル２７と同心円をなすサークル４０６の線上に位置するように設けられている。
【００５１】
図７は図４のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視断面図である。図７に示すように、突出部４０１は従来の壁部２５から所定高さｔだけ内方（流体入口流路２２’側）に突出したものである。ここで、所定高さｔは図１３（ｂ）に示すｔと同一のもので、可変ノズル２０の後縁部における翼厚のことである。
図７に示すように突出部４０１の高さをｔとするのは、流体入口流路２２’の一側の壁部２５に設ける場合であり、流体入口流路２２’の一側の壁部２５と対向して設けられている他側の壁部２５ａ（図１２参照）にも突出部４０１を設ける場合には、突出部４０１の高さはｔ／２となる。
【００５２】
このように、可変ノズル２０の開度を閉じた状態（絞った状態）における、可変ノズル２０の出口直後（後縁よりも下流側）に、突出部４０１を設けることにより、可変ノズル２０の出口直後における空間の急激な拡がり、すなわち流路面積の急激な増加を抑えることができるので、ノズルウェークの発生を抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００５３】
本発明による可変容量タービンの第５実施形態を図８に基づいて説明する。図８は、可変ノズルの後縁部を拡大した要部拡大図である。
本実施形態におけるＶＧタービン５００は、後縁部に変更形状部５０１を有する可変ノズル５０２を具備するものである。
変更形状部５０１は、可変ノズル５０２の後縁から所定距離にわたり負圧面５０３が切削されることにより、翼厚が薄くされた（減少された）部分である。
図における破線は切削前（形状変更前）の翼形を示している。
【００５４】
ここで、図８を用いて圧力面５０５側から負圧面５０３側に流れ込む流れ（白抜き矢印で示す）の強さについて説明する。
図中におけるＲＳは回転軸心２１（たとえば図６参照）から形状変更前の可変ノズルの後縁部内周端２０’までの距離、一方ＲＰは可変ノズルの後縁部外周端２０”までの距離である。
回転軸心２１からの半径距離Ｒとその場所における旋回流速ＣＵとの間には、ＣＵ・Ｒ＝一定という関係式（自由渦の法則）が成り立つ。すなわち、回転軸心２１からの半径距離Ｒが大きくなるほど旋回流速ＣＵが小さく（圧力が高く）なる。
したがって、回転軸心２１からの半径距離が大きい後縁部外周端２０”では圧力が高く、回転軸心２１からの半径距離が小さい後縁部内周端２０’では圧力が低くなる。すなわち、この半径距離の差が大きいほど圧力差は大きくなる。
このように、回転軸心２１から可変ノズルの後縁部内周端２０’までの距離ＲＳと、可変ノズルの後縁部外周端２０”までの距離ＲＰとの差が大きいと圧力面５０５側から負圧面５０３側に流れ込む流れが強くなって、強いウェークが発生してしまうおそれがある。
【００５５】
図８に示す実施形態のものは、この半径距離の差を小さくして圧力差を小さくすることにより、圧力面５０５側から負圧面５０３側に流れ込む流れ強さをできるだけ小さくして（すなわち、回転軸心２１から可変ノズルの後縁部内周端２０ａまでの距離がＲ’となるようにして）、ウェークの発生を抑制しようとするものである。
【００５６】
可変ノズル５０２の後縁部に、このような変更形状部５０１を設けることにより、圧力面５０５側から負圧面５０３側に流れ込む流れ強さを小さくすることができ、ウェークの発生を抑制することができるとともに、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００５７】
なお、本実施形態では、変更形状部５０１が、可変ノズル５０２の後縁から所定距離にわたり負圧面５０３を切削することにより形成されている。しかしながら本発明はこれに限定されるものではなく、可変ノズル５０２の後縁から所定距離にわたり圧力面５０５を切削することにより形成させることもできる。
【００５８】
本発明に係る可変容量タービンの第６実施形態を図９および図１０に基づいて説明する。なお、上述した従来技術、および第１実施形態ないし第４実施形態と同一の部材には同一の符号を付して説明する。
図９は、本発明によるＶＧタービンの縦断面図であり、図１０は図９におけるＸ−Ｘ矢視断面図である。
【００５９】
本実施形態におけるＶＧタービン６００には、流体入口流路２２’とタービンホイール１８の出口部空間２３’とを連通する連通孔６０１が設けられている。
流体入口流路２２’の側に位置する連通孔６０１の一端６０２は、図１０に示すように、各可変ノズル２０の開度を閉じた状態（絞った状態）において、排気ガスｇが流れる方向における下流側で、かつウェークの発生が予想される部位（箇所）にそれぞれ設けられている。図中における破線は、ウェークの発生が予想される部位（箇所）であり、基本的に図６に示す突出部４０１と同様の平面視形状を有するものである。
連通孔６０１の一端６０２が開口する流体入口流路２２’内の圧力は、タービンホイール１８の出口部空間２３’内の圧力よりも高い。したがって、流体入口流路２２’内の排気ガスｇの一部が一端６０２から連通孔６０１内に入ってタービンホイール１８の出口部空間２３’に自然に導かれた後、排気ガス出口２３から排出されることとなる。
【００６０】
このように流体入口流路２２’内の、ウェークの発生が予想される部位（箇所）の排気ガスｇをタービンホイール１８の出口部空間２３’に抜く（吸い出す）ことにより排気ガスｇの主流に比べて圧力が高くなっているノズルウェークの圧力を低減させて、排気ガスｇの主流とノズルウェークとの圧力差を低減させることができるので、ノズルウェークの発生を抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
また、これら連通孔６０１は流体入口流路２２’側から、およびタービンホイール１８の出口部空間２３’側からドリルなどによって容易に明ける（加工する）ことができるので、製造あるいは加工に要するコストおよび作業時間を低く抑えることができる。
【００６１】
なお、上述した実施形態においては、流体入口流路２２’の一側の壁部２５に溝１０１，２０１、ポーラス帯３０１、突出部４０１を設けるようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、流体入口流路２２’の両側の壁部２５，２５ａにそれぞれ設けるようにすることもできる。
【００６２】
また、図１に示す溝１０１および図３に示す溝２０１の断面形状は、図２に示すものに限定されるものではなく、たとえば図１１に示すような形状、すなわち頂部と底部とに丸みがつけられた波形とすることもできる。
【００６３】
さらに、上述した実施形態では、溝２０１、ポーラス帯、突出部４０１、連通孔６０１の一端６０２が、各可変ノズル２０に対応してそれぞれ一つずつ設けられているが、本発明はこれに限定されるものではなく、必要に応じて適宜必要な可変ノズル２０に対してのみ設けるようにすることもできる。
【００６４】
さらにまた、上述した実施形態は、それぞれ単独で用いることもできるし、適宜組み合わせて用いるようにすることもできる。たとえば、第１実施形態ないし第４実施形態、および第６実施形態の各実施形態と第５実施形態とを組み合わせたり、あるいは第１実施形態ないし第４実施形態の各実施形態と第６実施形態とを組み合わせたりすることができる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明の可変容量タービンおよびこれを備えた可変容量ターボチャージャによれば、以下の効果を奏する。
請求項１に記載の可変容量タービンによれば、周方向に設けられた溝により、流体の主流に比べて圧力が高くなっているノズルウェークの圧力を低減させて、流体の主流とノズルウェークとの圧力差を低減させることができるので、ノズルウェークの拡散を助長して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
また、溝が周方向に円を描くように設けられているので、製作時の加工を容易に行うことができる。
【００６６】
請求項２に記載の可変容量タービンによれば、周方向に設けられたポーラス帯の多数の孔により、流体の主流に比べて圧力が高くなっているノズルウェークの圧力を低減させて、流体の主流とノズルウェークとの圧力差を低減させることができるので、ノズルウェークの拡散を助長して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００６７】
請求項３に記載の可変容量タービンによれば、可変ノズルにより発生するノズルウェークの圧力が、ポーラス帯の内部に設けられた孔を通って周方向および／または半径方向に拡散されることとなるので、ノズルウェークの発生をより一層抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損をより確実に防止することができる。
【００６８】
請求項４に記載の可変容量タービンによれば、少なくとも１つの可変ノズルに対して設けられたポーラス帯により、この部分におけるノズルウェークの圧力が低減あるいは拡散されて、ノズルウェークによる励振力が低減されることとなるので、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００６９】
請求項５に記載の可変容量タービンによれば、可変ノズルの出口直後における空間の急激な拡がり、すなわち流路面積の急激な増加を抑えることができるので、ノズルウェークの発生を抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００７０】
請求項６または７に記載の可変容量タービンによれば、可変ノズルの後縁近傍における圧力がタービンホイールの出口部空間に導かれて、その部分の圧力が低減させられることとなるので、ノズルウェークの発生が抑制されて、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００７１】
請求項８に記載の可変容量タービンによれば、可変ノズルの後縁における翼厚が薄くなって、圧力面側から負圧面側に流れ込む流れ強さが小さくなり、可変ノズルから発生するノズルウェークが低減させられることとなるので、ノズルウェークの発生が抑制されて、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００７２】
請求項９に記載の可変容量タービンによれば、可変ノズルの後縁における翼厚が薄くなって、圧力面側から負圧面側に流れ込む流れ強さが小さくなり、可変ノズルから発生するノズルウェークが低減させられることとなるので、ノズルウェークの発生が抑制されて、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【００７３】
請求項１０に記載の可変容量ターボチャージャによれば、請求項１ないし９のいずれか一項に記載した可変容量タービンが使用されるため、ノズルウェークの発生が抑制されて、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による可変容量タービンの第１実施形態を示す要部平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。
【図３】本発明による可変容量タービンの第２実施形態を示す要部平面図である。
【図４】本発明による可変容量タービンの第３実施形態を示す要部平面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ矢視断面図である。
【図６】本発明による可変容量タービンの第４実施形態を示す要部平面図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視断面図である。
【図８】本発明による可変容量タービンの第５実施形態を示す図であって、可変ノズルの後縁部を拡大した要部拡大図である。
【図９】本発明による可変容量タービンの第６実施形態を示す要部縦断面図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ矢視断面図である。
【図１１】図２と同様、溝の断面形状を示す断面図である。
【図１２】従来の可変容量ターボチャージャの縦断面図である。
【図１３】図１２におけるＡ−Ａ矢視断面図であって、（ａ）はノズルスロートを最大に開いた状態を示し、（ｂ）はノズルスロートを最大に閉じた状態を示している。
【符号の説明】
１１ 可変容量タービン
１２ コンプレッサ
１８ タービンホイール
２０ 可変ノズル
２２’ 流体入口流路
２３’ 出口部空間
２４ ピボット（ノズル回動軸）
２５ 壁部
２５ａ 壁部
２６ ノズル駆動手段
１００ 可変容量タービン
１０１ 溝
２００ 可変容量タービン
２０１ 溝
３００ 可変容量タービン
３０１ ポーラス帯
３０２ 孔
４００ 可変容量タービン
４０１ 突出部
５００ 可変容量タービン
５０１ 変更形状部
５０２ 可変ノズル
５０３ 負圧面
５０５ 圧力面
６００ 可変容量タービン
６０１ 連通孔
６０２ 一端
ｇ 排気ガス（流体）
ｔ ノズル後縁部翼厚
Claims (10)
- 回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路に、ノズル回動軸に取り付けられた可変ノズルを備え、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回動軸の軸心回りに回転させてその翼角を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービンにおいて、
前記流体入口流路を形成する壁部に、周方向に少なくとも１本の溝が設けられていることを特徴とする可変容量タービン。 - 回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路に、ノズル回動軸に取り付けられた可変ノズルを備え、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回動軸の軸心回りに回転させてその翼角を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービンにおいて、
前記流体入口流路を形成する壁部に、周方向にポーラス帯が設けられていることを特徴とする可変容量タービン。 - 前記ポーラス帯が有する孔は、周方向および／または半径方向に連通していることを特徴とする請求項２に記載の可変容量タービン。
- 前記少なくとも１本の溝または前記ポーラス帯は、前記可変ノズルのうち、少なくとも１つの可変ノズルに対応した位置に部分的に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の可変容量タービン。
- 回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路に、ノズル回動軸に取り付けられた可変ノズルを備え、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回動軸の軸心回りに回転させてその翼角を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービンにおいて、
前記流体入口流路を形成する壁部のうち、前記可変ノズルの後縁が位置する場所から、流体が流れる方向における下流側に向かう壁部に突出部が設けられていることを特徴とする可変容量タービン。 - 回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路に、ノズル回動軸に取り付けられた可変ノズルを備え、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回動軸の軸心回りに回転させてその翼角を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービンにおいて、
前記流体入口流路と前記タービンホイールの出口部空間とを連通する連通孔が設けられていることを特徴とする可変容量タービン。 - 前記連通孔の、前記流体入口流路の側に位置する一端は、前記可変ノズルの後縁が位置する場所から、流体が流れる方向における下流側に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の可変容量タービン。
- 前記可変ノズルに、当該可変ノズルの後縁から所定距離にわたり負圧面を切削して翼厚を薄くした変更形状部が設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の可変容量タービン。
- 回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路に、ノズル回動軸に取り付けられた可変ノズルを備え、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回動軸の軸心回りに回転させてその翼角を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービンにおいて、
前記可変ノズルに、当該可変ノズルの後縁から所定の距離にわたり負圧面を切削して翼厚を薄くした変更形状部が設けられていることを特徴とする可変容量タービン。 - 請求項１ないし９のいずれか一項に記載の可変容量タービンと、前記タービンロータの駆動によりシリンダ内に吸気過給するコンプレッサと、を具備することを特徴とする可変容量ターボチャージャ。
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