JP2006258108A - 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
【解決手段】回転駆動されるタービンホイール18への流体入口流路22’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26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18に流入する流体の流速を変化させる可変容量タービン600において、前記流体入口流路22’と前記タービンホイール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。
【選択図】 図9
Description
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。
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。
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。
本発明による可変容量タービンは、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (3)
- 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1に記載の可変容量タービン。
- 請求項1または2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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