JP2005519219A - 可変形態ターボチャージャーで使用するための改良羽根 - Google Patents

Abstract

【課題】 可変形態ターボチャージャーアッセンブリ内で使用されるように形成された改良羽根を提供する。
【解決手段】 各羽根は、タービンホイールと隣接して配向された翼内面、及びこの翼内面とは反対方向に配向された翼外面を含む。翼内面及び翼外面が羽根の翼厚を画成する。各羽根は、第１翼外面−内面接合部に沿って位置決めされた前縁、及び第２翼外面−内面接合部に沿って位置決めされた後縁を有し、夫々のポストを受け入れるため、外ノズル壁と実質的に平行な軸線方向第１羽根表面内に配置された穴、及び第１羽根表面とは反対側の軸線方向第２羽根表面から延びる作動タブを有する。本発明の改良羽根の重要な特徴は、羽根の翼厚が、羽根間で計測した羽根の長さの０．１６倍以上であるということである。

Description

本特許出願は、２００１年１月１６日に出願された米国特許出願第０９／７６１，２７７号及び２００２年３月１日に出願された「改良羽根可変ノズルターボチャージャー」という表題の米国仮特許出願第Ａ５１０：４７８８２号の一部継続出願である。

本発明は、全体として、可変形態ターボチャージャーの分野に関し、更に詳細には、ターボチャージャー内の流れ効率を最大にする目的で可変形態ターボチャージャー内に配置された複数のピニオニング空力学的羽根用の改良羽根に関する。

ガソリン及びディーゼルエンジンの内燃エンジン用のターボチャージャーは、エンジンを出る排気ガスの熱及び容積流を使用することによって吸気流を加圧し即ちブーストし、エンジンの燃焼チャンバに迂回させるために使用される当該技術分野で周知の装置である。詳細には、エンジンを出た排気ガスをターボチャージャーのタービンハウジングに通すことにより、タービンを排気ガスによって駆動し、ハウジング内で回転させる。排気ガスによって駆動されるタービンは、半径方向空気コンプレッサーと共通のシャフトの一端に取り付けられており、コンプレッサーは、前記シャフトの反対端に取り付けられており、コンプレッサーハウジング内に収容されている。かくして、タービンの回転作用により、空気コンプレッサーをターボチャージャーのコンプレッサーハウジング内で回転させる。コンプレッサーハウジングはタービンハウジングとは別のハウジングである。空気コンプレッサーの回転作用により、吸気をコンプレッサーハウジングに入れ、燃料と混合されてエンジンの燃焼チャンバ内で燃焼される前に所望量の加圧及びブーストを行う。

ターボチャージャーでは、ターボチャージャーの効率及び作動範囲を改善するため、タービンへの排気ガスの流れを制御するのが望ましい場合がある。可変形態ターボチャージャー（ＶＧＴ）は、この必要に対処するために形成されてきた。一つの種類のこのようなＶＧＴは、可変排気ノズルを持つＶＧＴであり、可変ノズルターボチャージャーと呼ばれる。排気ガス流を制御するため、可変ノズルターボチャージャーで様々な形体のノズル使用されてきた。このようなＶＧＴで排気ガス流の制御に用いられた一つの方法は、タービン入口に亘って環状に位置決めされた多数の枢動羽根を使用することである。これらの枢動羽根は、羽根間の通路のスロート面積を変化させるために共通して制御され、これによってタービンへの排気ガスの流入を制御するように機能する。

このようなＶＧＴが適正に且つ信頼性を以て作動するようにするためには、所望の排気ガス流制御作動に応じて自由に移動し枢動するように個々の羽根を形成し、タービンハウジング内に組み立てることが重要である。ターボチャージャーの作動中にこれらの枢動羽根に数百万回の高温サイクルが加わるため、任意のこのような枢動機構が、このようなサイクル温度条件で、このようなサイクル温度と関連した材料又は機構の問題点又は破損を生じることなく、繰り返し機能できる機構であることが必要とされる。

周知の多羽根ＶＧＴは、外方に突出したシャフトを各々備えた形体の羽根を有し、これらのシャフト付き羽根の各々がタービンハウジング又はノズル壁のシャフト開口部の夫々に位置決めされる。これらの羽根は、それらのシャフトを夫々の開口部内で枢動させるように共通して作動されるが、このような羽根取り付け−枢動機構には必ず問題があるということが分かっている。

例えば、羽根シャフトを開口部内で自由に枢動させるためには、望ましからぬ結着等で羽根の枢動が妨げられることがないようにするためにシャフトが羽根から完璧に垂直方向に突出していることが重要である。第２に、羽根シャフトが確実に垂直であるようにするため、場合によっては直線化作業又は機械加工作業を必要とする。この第２の作業には時間及び費用の両方を要する。更に、この種の羽根取り付け枢動機構は、作動時に羽根シャフトに大きな片持ち梁負荷を発生し、これにより羽根の自由な枢動が妨げられ、最終的には羽根の材料又は機構を破損してしまう。

このようなＶＧＴの一例は、ターボチャージャーのターボチャージャーハウジング内に配置された移動自在のユニゾンリング、及びハウジング内に回転自在に配置されており且つユニゾンリングに連結された複数の羽根を含むＶＧＴである。これらの複数の羽根は、タービンハウジング内に排気ガス入口とタービンホイールとの間に配置される。ユニゾンリングは、ターボチャージャーを制御し、エンジンへの空気流の最適化を補助するように作動する目的で、羽根を閉鎖位置（タービンホイールへの排気ガス通路を制限する）から開放位置（タービンホイールへの排気ガス通路を拡げる）に一斉に回転させるように作動する。このようなＶＧＴの一例が米国特許第６，２６９，６４２号に開示されている。同特許に触れたことにより、この特許に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。
米国特許第６，２６９，６４２号 このような周知のＶＧＴで使用された羽根は、“薄型”空力学的羽根形状を備えている、即ち翼厚即ち半径方向厚さ（羽根の外面と羽根の内面との間の最も厚い領域で定義される厚さ）が小さいことを特徴とする。概括的に述べると、従来の羽根の翼厚は、羽根の長さ（羽根の前縁と後縁との間で計測した長さ）の約０．１４倍以下であり、約０．０５倍乃至０．１４倍の範囲内にあってもよい。このような従来の薄型羽根即ち薄翼羽根は、ＶＧＴの空力学的効率をピークにする上で有用であるが、この特定の羽根設計は、ターボチャージャー内の羽根の移動範囲に亘り、流れターンダウン比及びタービン効率を制限する。

従って、可変ノズルターボチャージャーで使用するための羽根枢動機構を、羽根の作動上の信頼性が従来の羽根枢動機構と比較して改善されるように形成するのが望ましい。更に、従来の薄翼羽根形体と同様であるか或いはこれよりも良好なスロート面積を提供すると同時に、従来の薄翼羽根形体と比較してスロート面積ターンダウン比が改善され且つ羽根の移動範囲に亘ってタービン効率が向上した改良羽根形体を形成するのが望ましい

本発明の改良羽根は、ＶＧＴ内で使用するように形成されている。ＶＧＴは、排気ガス入口及び出口、入口に連結されたヴォリュート、及びこのヴォリュートと隣接したノズル壁を持つタービンハウジングを有する。タービンホイールがタービンハウジング内に支持されており、シャフトに取り付けられている。複数のこのような改良羽根を排気ガス入口とタービンホイールとの間でタービンハウジング内に配置する。

各改良羽根は、タービンホイールと隣接して配向された翼内面、及びこの翼内面とは反対方向に差し向けられた翼外面を含む。翼内面及び翼外面が羽根の翼厚を画成する。羽根の前縁即ちノーズが第１翼外面−内面接合部に沿って位置決めされており、羽根後縁が第２翼外面−内面接合部に沿って位置決めされている。各羽根は、ノズル壁から外方に突出したポストを夫々受け入れるため、ノズル外壁と実質的に平行な羽根の軸線方向第１面内に配置された穴を有する。各羽根は、更に、羽根の第１面とは反対側の羽根の軸線方向第２面から延びる作動タブを含む。

本発明の改良羽根の重要な特徴は、これらの羽根の翼厚が、従来の“薄型”羽根よりも大きいということである。例示の実施例では、本発明の改良羽根の翼厚は、羽根の前縁と後縁との間で計測した羽根の長さの約０．１６倍以上である。更に、本発明の改良羽根の実施例は、羽根前縁と隣接した凸状部分、及び羽根後縁と隣接した凹状部分を含む複雑な形状の内面を備えていてもよい。

本発明は、添付図面を参照することにより、更に明瞭に理解されるであろう。

本発明の原理に従って形成された本発明は、ＶＧＴで使用するための改良羽根を含む。この羽根は、ステム無し設計を持ち、変形翼形輪郭を持ち、望ましからぬ空力学的効果を最小にし且つ作動効率を改善する所定の厚さを有する。この厚さは、従来の“薄型”翼厚羽根と比較した場合、例えば改良スロート面積ターンダウンを提供する。

ＶＧＴは、全体として、中央ハウジングを有し、このハウジングの一端にタービンハウジングが取り付けられており、他端にコンプレッサーハウジングが取り付けられている。中央ハウジング内に設けられたベアリングアッセンブリ内にシャフトが回転自在に配置されている。タービン即ちタービンホイールがシャフトの一端に取り付けられており且つタービンハウジング内に配置されており、コンプレッサーインペラーがシャフトの反対端に取り付けられており且つコンプレッサーハウジング内に配置されている。タービンハウジング及びコンプレッサーハウジングは、隣接したハウジング間を延びるボルトによって中央ハウジングに取り付けられている。

図１は、排気ガス流を受け入れるための標準的入口１４及び排気ガスをエンジンの排気システムに差し向けるための出口１６を備えたタービンハウジング１２を持つ周知のＶＧＴ１０の一部を示す。ヴォリュートが排気入口に連結されており、ヴォリュートと隣接して鋳造されたタービンハウジングに外ノズル壁が一体に組み込んである。タービンホイール１７及びシャフトアッセンブリ１８がタービンハウジング１２内に支持されている。排気ガス又は他の高エネルギガスがターボチャージャーに供給され、入口１４を通ってタービンハウジングに進入し、周囲ノズル入口２０を通してタービンホイールに実質的に半径方向に送出するため、タービンハウジング内でヴォリュートに亘って分配される。

多数の羽根２２が、タービンハウジングに機械加工によって形成されたノズル壁２４に、羽根から垂直方向外方に突出したシャフト２６を使用して取り付けられている。このようなＶＧＴで従来使用された羽根は、上文中で言及した薄型翼厚設計である。シャフト２６は、ノズル壁の夫々の開口部２８内に回転自在に係合している。各羽根の前記シャフトとは反対側から作動タブ３０が突出しており、これらのタブは、第２ノズル壁として作用するユニゾンリング（unison ring）３４のスロット３２と夫々係合する。

ユニゾンリング３４にはアクチュエータアッセンブリ（図示せず）が連結されている。このアッセンブリは、リングを必要に応じて一方の方向に又は他方の方向に回転させ、羽根を半径方向外方に又は内方に移動し、タービンへの排気ガス流の量を増減するように形成されている。ユニゾンリング３４を回転させると、羽根タブ３０は、夫々のスロット３２内で一方のスロット端から他方のスロット端まで移動される。スロットがユニゾンリングに沿って半径方向に配向されているため、羽根タブ３０が夫々のスロット３２内で移動することにより、夫々の開口部内での羽根シャフトの回転により羽根を枢動させ、ユニゾンリングの回転方向に応じて半径方向内方又は外方に移動する。このようなエレメントを含む周知のＶＧＴの例は、米国特許第４，６７９，９８４号、米国特許第４，８０４，３１６号、及び米国特許第６，２６９，６４２号に開示されている。これらの特許に触れたことにより、これらの特許に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。

図２は、上文中に説明し且つ例示したＶＧＴで使用された従来の薄型羽根３６の、ユニゾンリングで作動した場合の一般的な移動パターンを示す。しかしながら、この移動パターンは、周知の薄型羽根形体及びＶＧＴで使用される本発明の原理に従って準備された改良羽根設計の両方についてほぼ同じである。各羽根タブ４２は、ユニゾンリング４０の細長いスロット３８内に夫々配置されている。閉鎖位置“Ａ”では、羽根タブ４２はスロット３８の第１端４４と隣接して位置決めされる。この位置は、羽根が半径方向外方に拡がっておらず、これによってタービンへの排気ガスの流れを制限するのに役立つため、閉鎖位置と呼ばれる。中間位置“Ｂ”では、ユニゾンリング４０は、羽根タブ４２をスロット３８内で第１スロット端からスロット中央位置に向かって遠ざかるように移動するのに十分な量だけ回転させてある。羽根をノズル壁に対して枢動させることによって羽根タブを移動し、これによって羽根を半径方向外方に所定程度回転させることができる。“Ｂ”では、羽根中央の半径方向突出部は、閉鎖位置“Ａ”と比較した場合、タービンへの排気ガスの流れを増大させるのに役立つ。位置“Ｃ”では、ユニゾンリングが最大位置まで回転させてあり、これにより羽根タブ４２をスロット３８内で第２端４６まで移動させる。この場合も、羽根とノズル壁との間の枢動構成により、羽根をこのように更に移動させることが容易になり、これにより羽根を半径方向外方に最大位置まで回転させることができる。位置“Ｃ”では、羽根の半径方向最大突出部は、中間位置“Ｂ”と比較した場合、タービンへの排気ガスの流れを増大するのに役立つ。

上文中に「背景技術」で説明したように、上文中に説明し且つ図１に示す複数の移動自在の羽根を持つ周知のＶＧＴを適切に作動させるには、ユニゾンリングによって作動したときに羽根がノズル壁と向き合った状態で自由に枢動できることが必要とされる。このような自由な枢動には、羽根シャフトの夫々のノズル穴内での回転移動が結着等によって妨げられることがないようにすることが必要とされる。周知の羽根設計は、各羽根から突出したシャフトが完全に垂直でない場合には、羽根の自由枢動移動が妨げられてしまう。更に、周知の羽根設計は、羽根シャフト−穴取り付け機構により羽根に比較的高い片持ち梁負荷応力が加わるため、羽根の自由枢動移動が妨げられてしまう。

図３は、ＶＧＴで使用するための本発明の“シャフト無し”又は“ステム無し”羽根５０を示す。この羽根は、半径方向内面５２、反対側の半径方向外面５４、及び軸線方向表面５６及び５８を含む。これらの羽根表面は、タービンハウジング内での羽根配置に対して定義される。羽根５０は、半径方向内面５２及び半径方向外面５４の共通の両端のところに前縁即ちノーズ６０及び後縁６２を含む。本明細書中で使用されているように、前縁という用語は、羽根の丸味を帯びたノーズ部分に関して使用され、尖っていたりいきなり角度をなす表面を意味しない。羽根は、軸線方向表面５８から外方に遠ざかるように突出した、前縁６０と隣接して位置決めされたタブ６４を含む。このタブは、羽根の作動を容易にするため、ユニゾンリングのスロットと上文中に説明したように協働するように形成されている。

上文中に説明した図１及び図２に示す周知の羽根設計とは異なり、羽根５０はシャフトを備えていない。というよりはむしろ、本発明の羽根は、夫々のポスト６８が内部に配置されるような大きさ及び形体の穴６６が軸線方向表面５６に配置されるように設計されている。ポストは、タービンハウジングのノズル壁から垂直方向外方に遠ざかるように突出する。このように形成されているため、ノズル壁と向き合った羽根の枢動移動は、固定ポストと羽根の穴との間の相対的回転移動によって行われる。固定壁及び回転自在の羽根の穴に配置されたポストによって提供される枢動機構は、羽根に作用する片持ち梁負荷応力の量を、周知の羽根設計及び取り付け機構と比較して減少し、これによって羽根の移動及び作動の効率を損なう可能性を小さくする及び／又はなくす。

各ポスト６８は、プレス嵌め又は他の従来の取り付け方法によってノズル壁に取り付けられるように形成でき、間隔が隔てられた所望の羽根配置と一致する実質的に円形のパターンをなしてノズル壁内に位置決めされる。例示の実施例では、ポスト６８は、直径が異なる二つの区分を持つ段をなした設計で形成されている。第１拡径区分７０は、ノズル壁にしっかりとプレス嵌めされるように大きさ及び形体が定められており、第２縮径区分７２は、ノズル壁から外方に突出し、羽根穴６６に嵌着し、この穴に関して回転移動するように大きさ及び形体が定められている。しかしながら、以下に更によく説明するように、本発明のこの他の羽根の実施例では、ポストは直径が均等であってもよく、即ち段を備えていない設計であってもよい。

羽根５０は、半径方向内面５２と半径方向外面５４との間で計測して翼厚が比較的薄い形体を備えている。例えば、羽根長（羽根の前縁と羽根の後縁との間の直線に沿って計測した長さ）が約５２ｍｍの実施例では、翼厚は約５ｍｍであるか或いはこの長さの０．１倍以下である。例示の実施例では、このような薄型羽根設計についての翼厚は、羽根の長さの約０．１４倍以下であり、例えば羽根の長さの約０．０５倍乃至０．１４倍の範囲内にある。

羽根５０の翼厚は、羽根の外面５４及び内面５２が比較的少しずつ湾曲しているため、比較的薄い。羽根５０は、比較的大きな曲率半径によって画成された連続した凸状形状の外面、及び同様の大きな曲率半径によって画成された連続した凹状形状の内面を持つことを特徴とする。このような薄型羽根設計についての羽根外面５４の曲率半径は、羽根の長さの約０．８倍以上であってもよく、例えば羽根の長さの約０．８倍乃至１．５倍の範囲内にあってもよい。このような薄型羽根設計についての羽根内面５２の曲率半径は羽根の長さの一倍以上であり、例えば羽根の長さの約１倍乃至１．８倍の範囲内にある。例えば羽根長が約５２ｍｍの実施例では、羽根外面５４の曲率半径は約５７ｍｍであり、羽根内面５２の曲率半径は６８ｍｍである。更に、このような羽根５０の羽根前縁６０は、比較的小さい半径によって画成されたいきなりの丸味を帯びた形状を有する。

図４は、本発明の第１実施例の改良羽根８０を示す。この羽根は、図３に例示した上述の羽根５０と同様に、半径方向内面８２、反対側の半径方向外面８４、軸線方向表面８６及び８８、前縁即ちノーズ９０、後縁９２、作動タブ９４、及びポスト穴９６を含む。羽根８０は羽根５０とほぼ同様に形成されており、ユニゾンリング及びタービンハウジングと協働し、タービンホイールに対する排気ガス流を制御するため、タービンハウジング内で回転する。

薄型羽根５０と同様に、改良羽根８０は翼形輪郭を有し、翼厚が薄型羽根とは異なる。本発明の改良羽根は、半径方向湾曲の程度が大きい、即ち翼厚が薄い従来の羽根と比較して曲率半径が小さい外面８４を含む。曲率半径が小さいため、翼形の外輪郭の湾曲が、従来の薄型羽根の比較的徐々に湾曲する外面と比較した場合に大きくなる。更に、この小さい曲率半径は、羽根の半径即ち翼厚を増大するように作用する。

第１実施例の例では、本発明の改良羽根の翼厚即ち半径方向厚さは、羽根の長さの約０．１６倍以上、例えば羽根の長さ（羽根の前縁と後縁との間の直線に沿って計測した長さ）の約０．１６倍乃至０．５０倍の範囲内にある。一例では、羽根長が約４７ｍｍである場合には、翼厚は約１２ｍｍ、即ち羽根長の０．２５倍である。本発明の改良羽根の正確な翼厚は、特定のＶＧＴ及びエンジンの用途に応じてこの概括的範囲内で変化でき、変化する。

上述のように、本発明の第１実施例の改良羽根８０は、曲率半径が比較的小さい翼外面８４を含むということは理解されるべきである。第１実施例の例では、本発明の改良羽根の翼外面８４は、羽根長の約０．８倍以下の、例えば羽根長の約０．１倍乃至０．８倍の曲率半径によって画成されていてもよい。第１実施例の改良羽根８０は、ほぼ直線状の外観を持つ翼内面８２を有する。この翼内面は、比較的大きな曲率半径によって画成された凸状の表面を有する。第１実施例の例では、改良羽根の翼内面は、羽根長の約２倍以上の曲率半径によって画成されていてもよい。例えば、羽根長が約４７ｍｍの一実施例では、羽根外面８４の曲率半径は約２８ｍｍであり、羽根内面８２の曲率半径は約２０７ｍｍである。

更に、本発明の改良羽根８０は、羽根の流れ範囲に亘る迎角効果（ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔ）を最小にする目的で、従来の薄型翼状羽根と比べて曲率半径が比較的大きいことを特徴とする前縁９０を有する。

図５のＡ乃至Ｃは、本発明の第１実施例の羽根（図４参照）を、本発明の二つの他の改良羽根実施例と比較して示す。図５のＡは、内面１０２と外面１０４との間の翼厚が比較的大きく、全体に連続した小半径で湾曲した外面及び全体に連続した大半径で湾曲した内面１０２を持つことを特徴とする本発明の第１実施例の改良羽根１００を示す。

図５のＢは、外面１０８、内面１１０、前縁１１２、後縁１１４、作動タブ１１６、及びポスト穴１１８を持つ本発明の第２実施例の改良羽根１０６を示す。この第２実施例の羽根は、前縁及び内面の各々の形状が第１実施例の羽根とは異なっている。詳細には、前縁１１２は、曲率半径が大きく、外面１０８と隣接した部分が作動タブ１１６から比較的大きな位置に配置されており、これによって前縁と隣接した羽根の翼厚が大きいことを特徴とする。第２実施例の羽根の前縁１１２は、第１実施例の羽根についての前縁の曲率半径の少なくとも約１．１倍、例えば第１実施例の改良羽根の曲率半径の約１．１倍乃至１．８倍の範囲の曲率半径によって画成できる。

更に、内面１１０は連続した凹状形状（即ち単一の曲率半径）を備えているのでなく、少なくとも二つの異なる形状の区分によって画成された複雑な形状を有する。内面は、前縁１１２から、前縁を内面に繋げる輪郭に合わせて、前縁の曲率半径よりも大きい曲率半径によって画成された凸状部分１２０を有する。凸状形状部分１２０は、前縁１１２からタブ１１６を過ぎて直ぐのところまで延びている。内面は、凸状形状部分１２０から、羽根の後縁１２２まで延びる凹状形状部分１２２を有する。

この第２実施例の羽根の拡大された上方に配向された前縁及び内面の複雑な形状は、第１実施例の改良羽根と比較して追加の空力学的効果を提供するように作用する。羽根は、羽根システムに進入し、通過し、そして出る複雑な圧力場を発生する。表面圧力と枢動点までの距離の積を羽根全体に亘って積分することにより、羽根に作用する正味トルクが得られる。このトルクに対して羽根タブ及び作動システムが反作用を及ぼす。このトルクは、作動力の大きさを定める上で重要な要因であり、羽根機構の磨耗に大きな影響を及ぼす。圧力場は羽根の作動範囲に亘って大きく変化する。この現象を詳細に検討すると、羽根が閉鎖位置に近い場合に高い羽根閉鎖力を発生できるということがわかった。これは流れが大幅に加速され、その結果、羽根を通る圧力が低下するためである。通路の収束（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ）を調節することによって、通路を通る流れの加速の割合を制御でき、かくして羽根に作用する圧力及びかくして正味トルクを制御する一つの方法が提供される。羽根に作用する正味トルクを制御することにより、羽根システムにおける力を最小にでき、その結果磨耗が減少し、作動システムが小さくなる。

内面１１０の複雑な賦形形状は、スロート面積に進入する前の羽根に沿った排気ガスの通過量を増大するように作用する。更に、内面１１０の特別な賦形形状は、羽根に作用する正味トルクに影響を及ぼし、正味トルクを逆方向に加える。

第２実施例の羽根の前縁及び内面は、作動中に羽根を通る圧力損失の量を減少するように作用する。これは、排気ガスが羽根間を平行な通路でなく収束した通路を通過し、これによってスロートの上流で排気ガスの速度を大幅に低下し、その結果羽根通路を通るガスの摩擦損失が低くなるためである。

図５のＣは、外面１２６、内面１２８、前縁１３０、後縁１３２、作動タブ１３４、及びポスト穴１３６を含む、本発明の第３実施例の改良羽根１２４を示す。第２実施例の羽根と同様に、第３実施例の羽根もまた、第１実施例とは異なる形状の前縁及び内面を有する。詳細には、前縁１３０は曲率半径が幾分小さいことを特徴とし、内面は三つの異なる形状の区分を持つことを特徴とする複雑な形状を有する。

内面１２８は、一つの連続した凸状の円弧によって画成される（即ち一つの曲率半径によって画成される）のではなく、少なくとも三つの異なる形状の区分によって画成された複雑な形状を有する。内面は、前縁１３０に続いて、タブ１３４と隣接した羽根の前縁から遠ざかる方向に約４５度の角度で延びる下方に傾斜した全体に平らな区分１３８を有する。傾斜区分１３８は内面に沿った全距離の約１／４以下に亘って延びており、凸状区分１４０に繋がっている。この凸状区分は、外面１２６の円弧を画成するのに使用された曲率半径よりも全体に小さい曲率半径によって画成されている。凸状区分１４０は、羽根のほぼ中間点まで内面に沿って延びており、羽根に最大翼厚点を画成する。かくして、第３実施例の羽根の翼厚は、第１実施例の羽根及び第２実施例の羽根の両方よりも大きい。

傾斜区分１３８及び凸状区分が一緒になって羽根の上流部分を、第１及び第２の実施例の改良羽根と比べてはっきりと下方に突出させる。この設計は、羽根を通る圧力低下の減少による効率の向上といった、第２実施例の羽根と同様の空力学的改良を、ほんの僅か更にはっきりと提供する。この特定の設計の特徴は、更にはっきりとした収束した通路を形成し、上述の効果を高め、流れを入口に向かって更に半径方向にずらすことであり、閉鎖状態に近い羽根位置で最適の流れ角度が得られる。

図６は、本発明の原理に従って形成された改良羽根１５０の、適当な大きさの段付きポスト１５４を使用したＶＧＴタービンハウジング１５２内での配置を示す。図３の薄型羽根で使用するために段付きポストが上文中で記載され且つ例示されたけれども、上文中に開示した第１、第２、及び第３の実施例の改良羽根は、単直径ポストによってタービンハウジングに枢着されるように形成されている。図６に示すポスト１５４は、タービンハウジングに形成された穴１５８に永久的にプレス嵌めする目的で、返しを備えたヘッド１５６を含む。このように取り付けられると、本発明の改良羽根はＶＧＴ内に上文中に説明したように組み立てられ、設置され、作動する。

図７は、ＶＧＴに配置し、上文中に説明し且つ例示したユニゾンリングによって作動した場合の図４及び図５のＡに示す本発明の第１実施例の改良羽根１６０の移動パターンを例示する。ＶＧＴでの羽根の互いに関する関係を例示する目的で、様々な作動位置の各々について一対の隣接した羽根を示す。閉鎖位置“Ａ”では、羽根は、ユニゾンリングによって（スロットと協働するタブによって）、各羽根の前縁がタービンホイールに向かって半径方向内方に向く位置に作動され、これによって、羽根を通ってタービンに流れる排気ガスの流れを閉止し制限するのに役立つ。中間位置“Ｂ”では、羽根前縁を半径方向外方に移動するのに十分な量だけユニゾンリングを回転させてあり、これによって、羽根は、タービンへの排気ガスの流れを、閉鎖位置“Ａ”と比べて増大できる。位置“Ｃ”では、ユニゾンリングは、羽根１６０を半径方向外方に最大位置まで回転させる最大位置まで回転させてあり、これによって、中間位置“Ｂ”と比べてタービンへの排気ガスの最大流れを提供する。

閉鎖位置“Ａ”では、隣接した羽根間の排気ガス流通路１６１は、羽根の翼外面１６２及び翼内面１６４を含む向き合った実質的に平行な表面によって画成される。上述のように、この平行なガス通路により、タービンハウジング内で大きな圧力損失が生じる。羽根を通る圧力損失により、タービンの圧力差が減少し、かくして効率が低下する。

図８は、ＶＧＴに配置し、上文中に説明し且つ例示したユニゾンリングによって作動した場合の図５のＢに示す本発明の第２実施例の改良羽根１６６の移動パターンを示す。第２実施例の改良羽根は、第１実施例について上文中に説明した改良羽根と同じ方法で作動する。第２実施例の改良羽根の（第１実施例の改良羽根と異なる）重要な特徴は、閉鎖位置“Ａ”に置かれた場合、隣接した羽根間の排気ガス流通路１６８が、羽根の翼外面１７０及び翼内面１７２によって形成された向き合った先細の即ち収束した表面によって画成されるということである。

詳細には、閉鎖位置“Ａ”に置かれた場合、一方の羽根の後縁１７１が隣接した羽根の内面の凸状部分１７３と隣接して位置決めされ、排気ガス流を閉止する。上述のように、この収束したガス通路により、第１実施例の改良羽根と比べて、タービンハウジング内での圧力損失が減少する。

図９は、ＶＧＴに配置し、上文中に説明し且つ例示したユニゾンリングによって作動した場合の図５のＣに示す本発明の第３実施例の改良羽根１７４の移動パターンを示す。第３実施例の改良羽根は、第１及び第２の実施例について上文中に説明した改良羽根と同じ方法で作動する。第２実施例の改良羽根と同様に、第３実施例の改良羽根は、（閉鎖位置“Ａ”に置かれた場合）、隣接した羽根間の排気ガス流通路１７６が、羽根の翼外面１７８及び翼内面１８０によって形成された向き合った収束した表面によって画成されるということである。

詳細には、閉鎖位置“Ａ”に置かれた場合、一方の羽根１７１の後縁１８２が隣接した羽根の内面の凸状部分１８４と隣接して位置決めされ、排気ガス流を閉止する。上述のように、この収束したガス通路により、第１実施例の改良羽根と比べて、タービンハウジング内での圧力損失が減少する。

一般的には、本発明の改良羽根設計は、極めて厚い翼のブロック効果を使用し、所定量の羽根回転について高い面積のターンダウンを発生する。翼の厚さが段階的に大きくなることにより、“羽根閉鎖”位置において“羽根開放”位置におけるよりも大きな影響がスロート面積に及ぼされる。羽根の厚さを大幅に厚くすることにより、及び羽根の軸線方向幅を僅かに大きくすることによって、同じ最大スロート面積が得られる。

羽根が回転して閉鎖したとき、高い割合でスロート面積が減少することの追加の利点は、固定面積ターンダウンについて、必要とされる羽根の回転が小さいということである。羽根の回転が小さくなることにより、最適流れベクトル（半径方向から約７０°）からのずれが小さくなり、かくしてオフ設計効率を向上する。

図１０は、スロート面積の変化を、薄型羽根及び本発明の改良羽根の各々について、羽根回転の関数として示すグラフである。このグラフは、約１．５°乃至２０°の所与の羽根回転について、本発明の改良羽根設計の方が従来の薄型羽根設計よりも大きいスロート面積を提供することを示す。スロート面積ターンダウン比（最大面積を最小面積で除した値）は、薄型羽根についての４．３から、本発明の改良羽根設計についての８．７に上昇する。これを２０°の羽根回転について示す。

図１１は、薄型羽根及び本発明の改良羽根の各々について、流れの関数としての効率の差を示すグラフである。このグラフは、所与の流れに対する本発明の改良羽根の効率が薄型羽根よりも大きいということを示す。本発明の改良羽根を使用して得ることができる最大流れは薄型羽根よりも小さいけれども、効率が高く且つ範囲が広い。更に、改良羽根についての流れ曲線を低い流れ値までシフトすると、エンジンの低い作動状態での大きな作動効率が示される。

本発明の改良羽根は、従来技術の羽根を形成するのに使用されたのと同じ種類の材料で及び同じ方法で形成できる。羽根は、実質的に中実の設計であってもよいし、中心部を抜いた（ｃｏｒｅｄ ｏｕｔ）設計で形成されていてもよい。例示の実施例では、本発明の改良羽根は、中心部を抜いた軸線方向表面を持つように形成される。中心部を抜いた設計が好ましい。これは、従来技術の羽根と比較して、成形性が良好であり、剛性が高く、対費用効果に優れた方法で製造され、質量が減少するためである。

以上、本発明を特許法の定めに従って詳細に説明したが、ここに開示した特定の実施例に対する変形及び変更は、当業者には理解されよう。このような変更は、本発明の範疇に含まれる。

従来の羽根を使用した本発明の可変形態ターボチャージャー用のタービンハウジングの分解斜視図である。 様々な羽根作動位置でのステム無し薄型羽根のタブとの係合を示す、スロットを持つユニゾンリングの平面図である。 図２の薄型ステム無し羽根の詳細図である。 本発明の原理に従って形成された改良羽根の詳細図である。 Ａ、Ｂ、及びＣは、本発明の様々な改良羽根設計の側面図である。 ターボチャージャーハウジングに装着した本発明の改良羽根の概略分解図である。 本発明の第１実施例の改良羽根の様々な羽根作動位置での平面概略図である。 本発明の第２実施例の改良羽根の様々な羽根作動位置での平面概略図である。 本発明の第３実施例の改良羽根の様々な羽根作動位置での平面概略図である。 従来の薄型羽根及び本発明の改良羽根設計の羽根回転データに対するスロート面積の関係を示すグラフである。 従来の薄型羽根及び本発明の改良羽根設計の流れデータに対する効率の関係を示すグラフである。

符号の説明

５０ 薄型羽根
８０ 改良羽根
８２ 半径方向内面
８４ 半径方向外面
８６、８８ 軸線方向表面
９０ 前縁
９２ 後縁
９４ 作動
９６ ポスト穴

Claims (9)

1. 可変形態ターボチャージャーで使用するための羽根において、
   翼内面、
   前記翼内面とは反対方向に差し向けられ、前記翼内面とともに羽根翼厚を画成する翼外面、
   第１翼外面−内面接合部に沿って位置決めされた前縁、及び
   第２翼外面−内面接合部に沿って位置決めされた後縁を有し、
   前記羽根の翼厚は羽根の前記前縁と前記後縁との間で計測した羽根の長さの約０．１６倍以上であり、
   前記翼内面は、羽根の前縁から後縁にかけて凸状表面部分及び凹状表面部分を含む、羽根。
2. 請求項１に記載の羽根において、前記翼外面は、曲率半径が前記羽根長の約０．８倍以下の凸状表面を含む、羽根。
3. 請求項１に記載の羽根において、各羽根の翼厚は前記羽根の前記長さの約０．１６倍乃至０．５倍の範囲内にある、羽根。
4. 請求項１に記載の羽根において、ポストを夫々受け入れるため、ノズル壁と実質的に平行な羽根の軸線方向第１面内に配置された穴を更に含む、羽根。
5. 可変形態ターボチャージャーアッセンブリにおいて、
   排気ガス入口及び出口、前記入口に連結されたヴォリュート、及びこのヴォリュートと隣接したノズル壁を持つタービンハウジング、
   前記タービンハウジング内に支持されており且つシャフトに取り付けられたタービンホイール、
   前記排気ガス入口と前記タービンホイールとの間で前記タービンハウジング内に配置された複数の羽根を含み、各羽根は、
   前記タービンホイールと隣接して配向された翼内面、
   前記翼内面とは反対方向に差し向けられ、前記翼内面とともに羽根翼厚を画成する翼外面、
   第１翼外面−内面接合部に沿って位置決めされた前縁、
   第２翼外面−内面接合部に沿って位置決めされた後縁、及び
   前記ノズル壁から前記タービンホイールに向かって突出したポストを夫々受け入れるため、前記ノズル壁と実質的に平行な羽根の軸線方向第１面内に配置された穴を有し、
   前記羽根の翼厚は羽根の前記前縁と前記後縁との間で計測した羽根の長さの約０．１６倍以上であり、
   前記翼内面は、羽根の前縁から後縁にかけて凸状表面部分及び凹状表面部分を含む、可変形態ターボチャージャーアッセンブリ。
6. 請求項５に記載の可変形態ターボチャージャーアッセンブリにおいて、各羽根の翼厚は前記羽根の前記長さの約０．１６倍乃至０．５倍の範囲内にある、可変形態ターボチャージャーアッセンブリ。
7. 請求項５に記載の可変形態ターボチャージャーアッセンブリにおいて、前記翼外面は、曲率半径が前記羽根長の約０．８倍以下の凸状表面を含む、可変形態ターボチャージャーアッセンブリ。
8. 可変形態ターボチャージャーアッセンブリにおいて、
   排気ガス入口及び排気ガス出口、前記入口に連結されたヴォリュート、及びこのヴォリュートと隣接した一体の外ノズル壁を持ち、複数のポストがノズル壁から外方に突出しているタービンハウジング、
   前記タービンハウジング内に支持されており且つシャフトに取り付けられたタービンホイール、
   前記タービンハウジング内に枢動自在に配置された複数の羽根を含み、各羽根は、
   前記タービンホイールと隣接して位置決めされた翼内面、
   前記翼内面とは反対方向に位置決めされ、前記翼内面とともに羽根翼厚を画成する翼外面、
   第１翼外面−内面接合部に沿って設けられた前縁、及び
   第２翼外面−内面接合部に沿って設けられた後縁を有し、翼厚は前記前縁と前記後縁との間で計測した羽根の長さの少なくとも約０．１６倍であり、前記翼内面は、前縁と隣接した凸状表面部分及び後縁と隣接した凹状表面部分を含み、
   前記一体の外ノズル壁と実質的に平行に位置決めされた軸線方向羽根表面に配置された穴であって、各羽根穴には、羽根を枢動するように、夫々のポストが配置されており、各羽根は、前記穴とは反対側の軸線方向羽根表面から外方に延びる細長い作動タブを更に含み、
   前記タービンハウジング内に配置されており且つ各羽根の作動タブが設けられた軸線方向羽根表面と軸線方向に隣接して位置決めされ、夫々の羽根タブを受け入れる複数のスロットを持ち、各スロットは夫々のタブがスロット内で非回転摺動するように形成されている環状ユニゾンリング、及び
   前記タービンハウジング内でユニゾンリングを前記シャフトを通る軸線に沿って回転するための手段を含み、前記リングを回転させることにより、前記タブを夫々のスロット内で摺動させ、前記羽根を前記シャフトに対して半径方向内方及び外方に移動させ、羽根のこのような移動は、夫々のポストを中心とした各羽根の枢動作用によって容易にされる、可変形態ターボチャージャーアッセンブリ。
9. 請求項８に記載の可変形態ターボチャージャーアッセンブリにおいて、前記翼外面は曲率半径が前記羽根長の約０．８倍以下の凸状表面を含む、可変形態ターボチャージャーアッセンブリ。

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