JP2009008028A - Variable capacity turbine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の可変ノズルベーンによりタービンホイールに流入する排気ガスの流速を変更可能な可変容量タービンに関するものである。 The present invention relates to a variable capacity turbine capable of changing the flow velocity of exhaust gas flowing into a turbine wheel by a plurality of variable nozzle vanes.
従来、この種の可変容量タービンとして、排気ガスを複数の動翼(タービン翼)に受けて回転するタービンホイールと、回動軸を中心に回動することにより、流入する排気ガスの流速を変更可能な複数のノズルベーン(可変ノズルベーン)と、を備えたものが知られている(特許文献1参照)。この可変容量タービンでは、ノズルウェーク共振による動翼の破損を防ぐべく、ノズルベーンの長さLに対し、各ノズルベーンの回動軸を、各ノズルベーンのガス出口後縁から1/3L以内に位置するように配設している。 Conventionally, as this type of variable capacity turbine, the exhaust gas is received by a plurality of rotor blades (turbine blades), and the turbine wheel that rotates and rotates around the rotating shaft to change the flow rate of the exhaust gas that flows in. A plurality of nozzle vanes that can be used (variable nozzle vanes) are known (see Patent Document 1). In this variable capacity turbine, the rotation axis of each nozzle vane is positioned within 1/3 L from the gas outlet trailing edge of each nozzle vane with respect to the length L of the nozzle vane in order to prevent damage to the moving blade due to nozzle wake resonance. It is arranged.
ここで、ノズルウェーク共振により動翼が破損するのは、タービンホイールの回転駆動による遠心応力と、ノズルウェーク共振による振動応力との総和が、動翼が許容可能な許容応力を超えてしまうからである。このため、上記の構成によれば、動翼に加わる振動応力を低減させることができるため、遠心応力と振動応力との総和を、動翼の許容応力内に収めることができ、これにより、ノズルウェーク共振による動翼の破損を防止している。 Here, the blade is damaged by the nozzle wake resonance because the sum of the centrifugal stress caused by the rotational drive of the turbine wheel and the vibration stress caused by the nozzle wake resonance exceeds the allowable stress that the blade can accept. is there. Therefore, according to the above configuration, the vibration stress applied to the moving blade can be reduced, so that the sum of the centrifugal stress and the vibration stress can be contained within the allowable stress of the moving blade. The blade is prevented from being damaged by the wake resonance.
しかしながら、上記の構成では、ノズルベーンの回動軸をノズルベーンの後縁側に配設するため、ノズルベーンを回動駆動する際に大きなトルクを必要とする。このため、ノズルベーンを回動駆動させるべく大型のアクチュエータを搭載する必要があり、これにより、コストアップになってしまうと共に、可変容量タービンが大型化してしまう問題がある。 However, in the above-described configuration, since the rotation axis of the nozzle vane is disposed on the trailing edge side of the nozzle vane, a large torque is required when rotating the nozzle vane. For this reason, it is necessary to mount a large actuator to rotationally drive the nozzle vanes. This increases the cost and increases the size of the variable capacity turbine.
そこで、本発明は、装置構成を変えることなく低コストでノズルウェーク共振によるタービン翼の破損を抑制することができる可変容量タービンを提供することを課題とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a variable capacity turbine capable of suppressing damage to turbine blades due to nozzle wake resonance at a low cost without changing the device configuration.
本発明の容量可変タービンは、ガス流入通路に配設され、排気ガスを複数のタービン翼に受けて回転可能なタービンホイールと、ガス流入通路のタービンホイール上流側に配設され、タービンホイールに流入する排気ガスの流速を変更可能な複数の可変ノズルベーンとを備え、各タービン翼は、その剛性により負荷を許容する許容応力が設定され、タービンホイールの回転により生ずる遠心応力とタービンホイールの回転により生ずるノズルウェーク共振による振動応力との総和が、許容応力を下回ると共に、タービンホイールの回転により生ずるノズルウェーク共振が、タービンホイールの最大回転数の70%以下で生ずるように、各タービン翼の固有振動数が設定されていることを特徴とする。 The variable capacity turbine of the present invention is disposed in a gas inflow passage, and is rotatable by receiving exhaust gas by a plurality of turbine blades, and is disposed on the upstream side of the turbine wheel in the gas inflow passage and flows into the turbine wheel. A plurality of variable nozzle vanes capable of changing the flow rate of exhaust gas to be generated. Each turbine blade is set with an allowable stress that allows a load depending on its rigidity, and is generated by centrifugal stress generated by rotation of the turbine wheel and rotation of the turbine wheel. The natural frequency of each turbine blade is such that the sum of the vibration stress due to the nozzle wake resonance is less than the allowable stress and the nozzle wake resonance caused by the rotation of the turbine wheel occurs at 70% or less of the maximum rotation speed of the turbine wheel. Is set.
この場合、各タービン翼の固有振動数は、排気ガスが流入する各タービン翼の流入側端部が振動の腹となって変形する振動モードに相当する固有振動数に設定されていることが好ましい。 In this case, it is preferable that the natural frequency of each turbine blade is set to a natural frequency corresponding to a vibration mode in which the inflow end of each turbine blade into which exhaust gas flows flows becomes a vibration antinode. .
また、この場合、各タービン翼の固有振動数は、可変ノズルベーンの個数にタービンホイールの1秒あたりの最大回転数を乗算して算出された共振周波数に、70%以下の百分率を乗算して算出されることが好ましい。 Also, in this case, the natural frequency of each turbine blade is calculated by multiplying the resonance frequency calculated by multiplying the number of variable nozzle vanes by the maximum number of rotations per second of the turbine wheel by a percentage of 70% or less. It is preferred that
また、この場合、ノズルウェーク共振は、タービンホイールの最大回転数の50%以上で生ずるよう、各タービン翼の固有振動数が設定されていることが好ましい。 In this case, it is preferable that the natural frequency of each turbine blade is set so that the nozzle wake resonance occurs at 50% or more of the maximum rotational speed of the turbine wheel.
本発明にかかる可変容量タービンは、装置構成を変えることなく低コストで、各タービン翼の破損を抑制することができるという効果を奏する。 The variable capacity turbine according to the present invention has an effect that the damage of each turbine blade can be suppressed at low cost without changing the device configuration.
以下、添付した図面を参照して、本発明にかかる可変容量タービンについて説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。 Hereinafter, a variable capacity turbine according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
ここで、図1は、ターボチャージャ1の断面図であり、図2は、タービンホイールを軸方向から見た、タービンホイール廻りの模式図である。また、図3は、従来の構成におけるタービンホイールの回転数とタービン翼が受けた全応力とに関するグラフであり、図4は、タービン翼の疲労限度線図である。さらに、図5は、本実施形態におけるタービンホイールの回転数とタービン翼が受けた全応力とに関するグラフであり、図6は、タービン翼のキャンベル線図である。
Here, FIG. 1 is a cross-sectional view of the
先ず、可変容量タービンの説明に先立ち、図1を参照して、可変容量タービンを適用したターボチャージャについて説明する。このターボチャージャ1は、いわゆるVG(Variable Geometry:可変容量)式のターボチャージャである。ターボチャージャ1は、図示右側に配設された可変容量タービン2と、図示左側に配設されたコンプレッサ3と、可変容量タービン2とコンプレッサ3との間に介設されたローターシャフト4とを備えている。可変容量タービン2は、内燃機関から排出された排気ガスが流入することにより回転する。ローターシャフト4は、センターハウジング5に収容されており、可変容量タービン2の回転力をコンプレッサ3に伝達する。コンプレッサ3は、ローターシャフト4から伝達された回転力により、空気を取り込むと共に空気を圧縮して内燃機関に送り込む。つまり、ターボチャージャ1は、内燃機関からの排気ガスにより可変容量タービン2が作動すると、その回転力がローターシャフト4を介してコンプレッサ3に伝達されることで、コンプレッサ3が作動するように構成されている。
First, prior to the description of the variable capacity turbine, a turbocharger to which the variable capacity turbine is applied will be described with reference to FIG. The
コンプレッサ3は、ローターシャフト4の一端部に固定されたコンプレッサホイール10と、コンプレッサホイール10を収容するコンプレッサハウジング11とを有している。また、コンプレッサハウジング11には、取り込んだ空気を燃焼室に送り込むための空気流入経路15が形成されている。
The
コンプレッサハウジング11は、ローターシャフト4のシャフト軸方向と同軸方向に配設したコンプレッサ円筒部11aと、コンプレッサ円筒部11aの外周面に沿って環状に設けられたコンプレッサ環部11bとで一体に形成されている。
The
コンプレッサ円筒部11aは円筒状に形成されており、その図示左側の外側端面には、ローターシャフト4のシャフト軸方向に吸気入口13が円形開口されている。また、コンプレッサ円筒部11aの内部には、コンプレッサホイール10を収容するコンプレッサホイール収容部14が形成されており、上記の吸気入口13と連通している。
The compressor
コンプレッサ環部11bは環状に形成されており、コンプレッサ環部11bの内部には、その周方向に沿ってコンプレッサ側スクロール12が渦巻状に形成されている。また、図示は省略するが、コンプレッサ環部11bには、吸気出口が形成されている。コンプレッサ側スクロール12は、空気流入経路15の上流側に上記したコンプレッサホイール収容部14が連通しており、空気流入経路15の下流側に吸気出口が連通している。
The
そして、コンプレッサハウジング11の内部に形成された空気流入経路15は、上流側から吸気入口13、コンプレッサホイール収容部14、コンプレッサ側スクロール12および吸気出口の順によって構成されている。
And the
ローターシャフト4の回転に伴いコンプレッサホイール10が回転すると、吸気入口13から空気が取り込まれ、取り込まれた空気は、コンプレッサホイール収容部14に流れ込んでコンプレッサホイール10に圧縮された後、コンプレッサ側スクロール12を通過して、吸気出口から排出される。
When the
センターハウジング5は円筒状に形成されており、その軸心には、ローターシャフト4が挿入される軸孔16が貫通形成されている。この軸孔16の内周には、ベアリング等で構成された一対の軸受17が配設されており、ローターシャフト4は、この一対の軸受17により、回転自在に軸支されている。また、センターハウジング5の図示左側の端面には、上記したコンプレッサハウジング11が固定され、図示右側の端面には、後述するタービンハウジング21が固定される。
The
ローターシャフト4は、その一端部に、上述したコンプレッサホイール10が固定され、その他端部に、後述するタービンホイール20が固定されている。このため、ローターシャフト4、コンプレッサホイール10、およびタービンホイール20は、一体となって回転する。
The rotor shaft 4 has the above-described
ここで、本実施形態における可変容量タービン2について詳細に説明する。可変容量タービン2は、ローターシャフト4の他端部に固定されたタービンホイール20と、タービンホイール20を収容するタービンハウジング21と、タービンホイール20の周囲に沿って配設され、タービンホイール20に流入する排気ガスの流速を変更可能な複数の可変ノズルベーン22とを備えている。また、タービンハウジング21には、燃焼室から送り込まれた排気ガスを排出するためのガス流入経路30が形成されている。
Here, the variable capacity turbine 2 in the present embodiment will be described in detail. The variable capacity turbine 2 is disposed along the periphery of the
タービンハウジング21は、コンプレッサハウジング11と略同様に構成されており、ローターシャフト4のシャフト軸方向と同軸方向に配設したタービン円筒部21aと、タービン円筒部21aの外周面に沿って環状に設けられたタービン環部21bとで一体に形成されている。
The
タービン円筒部21aは円筒状に形成されており、その図示左側の外側端面には、ローターシャフト4のシャフト軸方向に排気出口24が円形開口されている。また、タービン円筒部21aの内部には、タービンホイール20を収容するタービンホイール収容部25が形成されており、上記の排気出口24と連通している。
The turbine
タービン環部21bは環状に形成されており、タービン環部21bの内部には、その周方向に沿ってタービン側スクロール23が渦巻状に形成されている。また、図示は省略するが、タービン環部21bには、排気入口が形成されている。タービン側スクロール23は、ガス流入経路30の下流側に上記したタービンホイール収容部25が連通しており、ガス流入経路30の上流側に排気入口が連通している。
The
そして、タービンハウジング21の内部に形成されたガス流入経路30は、上流側から排気入口、タービン側スクロール23、タービンホイール収容部25、および排気出口24の順によって構成されている。
The
排気入口から排気ガスが流入すると、排気ガスは、タービン側スクロール23を通過してタービンホイール収容部25に流入し、流入した排気ガスによりタービンホイール20が回転駆動する。この後、排気ガスは、排気出口24から排出される。
When exhaust gas flows from the exhaust inlet, the exhaust gas passes through the turbine-
図2に示すように、複数の可変ノズルベーン22は、タービン側スクロール23とタービンホイール収容部25との間のガス流入経路30に配設されると共に、タービンホイール20の周囲に沿って配設されている。各可変ノズルベーン22は、翼状に形成され、回動軸35を中心に開放位置と閉塞位置との間で回動することで、タービンホイール収容部25に流入する排気ガスの流速を可変する。すなわち、各可変ノズルベーン22が閉塞位置に回動すると、ガス流入経路30の経路面積が小さくなることで、可変ノズルベーン22上流側のガス流入経路30におけるガス圧が高くなり、これにより、タービンホイール収容部25に流入する排気ガスの流速が早くなる。一方、各可変ノズルベーン22が開放位置に回動すると、ガス流入経路30の経路面積が大きくなることで、可変ノズルベーン22上流側のガス流入経路30におけるガス圧が低くなり、これにより、タービンホイール収容部25に流入する排気ガスの流速が遅くなる。なお、回動軸35は、シャフト軸方向と同軸方向に設けられ、タービンハウジング21に回動自在に軸支されている。
As shown in FIG. 2, the plurality of
タービンホイール20は、ホイール本体40と、ホイール本体40の軸心から放射状に設けられた複数枚のタービン翼41とを有しており、流入した排気ガスを複数枚のタービン翼41に受けて回転するよう構成されている。
The
このとき、各タービン翼41には、タービンホイール20の回転により生ずる遠心応力と、複数の可変ノズルベーン22により生ずる振動応力とが加わる。このため、各タービン翼41は、遠心応力と振動応力との総和の負荷を許容するように所定の許容応力がその剛性により設定されている。
At this time, centrifugal stress generated by the rotation of the
しかしながら、図3に示すように、ノズルウェーク共振が発生すると、その共振点において振動応力が増大してしまい、遠心応力と振動応力との総和を許容応力内に収めることが困難となり、すなわち、各タービン翼41の剛性では回転負荷に耐え切れず、各タービン翼41が破損してしまう虞がある。このため、本実施の可変容量タービン2では、各タービン翼41が、所定の固有振動数に設定されている。以下、設定される各タービン翼41の固有振動数を算出する一連の手順について説明する。
However, as shown in FIG. 3, when nozzle wake resonance occurs, vibration stress increases at the resonance point, and it becomes difficult to keep the sum of centrifugal stress and vibration stress within allowable stress. The rigidity of the
図4は、材料評価を応用して求められたタービン翼41の疲労限度線図であり、縦軸が応力振幅、横軸が平均応力となっている。ここで、S1は、低サイクル(寿命有り)時における疲労限度線であり、S2は、高サイクル(永久寿命)時における疲労限度線である。また、σdは、タービンホイール20の最大回転と内燃機関のアイドル運転相当の最低回転とのサイクル評価時における平均応力であり、σeは、そのときの応力振幅である。さらに、σbは、タービン翼41の破損時における平均応力であり、σaは、タービン翼41の破損時における応力振幅である。
FIG. 4 is a fatigue limit diagram of the
ここで、「σd+σe」はσmaxであり、「σd≒σe」である。これにより、「σmax=2σe」となる。一方、経験により、σaはσbの略半分であり、σaはσeの略半分である。このため、「σmax=2σe」に、「σe≒2σa」および「σa=σb/2」を代入すると、タービン翼破損時のσbは、σmaxの略半分となり、「σb<(1/2)×σmax」であれば、タービン翼41の破損を抑制することができることが分かった。言い換えれば、タービン翼41の破損を抑制するには、タービンホイール20の最大回転時における遠心応力の半分よりも小さい遠心応力の時に、ノズルウェーク共振を生じさせればよい。ここで、遠心応力は、F=mω2rにより求められることから、遠心応力を半分にするには、タービンホイール20の角速度(回転数)を減少させればよい。つまり、所望のタービンホイール20の角速度ωは、√(1/2)×ωmax(タービンホイール20の最大角速度)であり、√1/2≒0.7…であることから、タービンホイール20の1秒あたりの最大回転数の70%以下の時に、ノズルウェーク共振を生じさせればよい。
Here, “σd + σe” is σmax, and “σd≈σe”. As a result, “σmax = 2σe” is obtained. On the other hand, from experience, σa is approximately half of σb, and σa is approximately half of σe. For this reason, when “σe≈2σa” and “σa = σb / 2” are substituted into “σmax = 2σe”, σb at the time of turbine blade breakage is approximately half of σmax, and “σb <(1/2) × It was found that the damage of the
次に、図5を参照して、タービン翼41が受ける応力とタービンホイール20の回転数との関係について説明する。このグラフは、その縦軸がタービン翼41が受ける応力、その横軸がタービンホイール20の回転数となっている。ここで、σbは、遠心応力であり、σaは、ノズルウェーク共振時における振動応力である。また、σcは、タービン翼41が許容可能な許容応力であり、σa+σbは、タービン翼41に加わる全応力である。
Next, with reference to FIG. 5, the relationship between the stress which the
この図を見るに、タービンホイール20の回転数が上昇すると、これに伴って遠心応力σbが増加する一方、遠心応力σbの増加に対して、ノズルウェークの加振力減少に伴い、振動応力σaは減少する。そして、遠心応力σbが振動応力σaの2倍程度となる位置を超えると、全応力σa+σbが許容応力σcをオーバーしてしまう。このとき、全応力σa+σbと許容応力σcとが交差する位置は、タービンホイール20の最大回転数に0.7…を乗算した回転数であるため、タービンホイール20の最大回転数を0.7倍(70%)した回転数においては、タービン翼41の破損を抑制することが可能となる。
As can be seen from the graph, when the rotational speed of the
次に、図6を参照して、ノズルウェーク共振の共振周波数の算出方法について説明する。図6は、タービン翼41のキャンベル線図であり、縦軸が周波数、横軸がタービンホイール20の回転数となっている。タービンホイール20の最大回転時における最大共振周波数fmaxは、可変ノズルベーン22の個数Zn×1秒あたりのタービンホイール20の最大回転数Nmaxである。そして、この最大共振周波数fmaxに、70%以下の百分率を乗算したものが、設定されるタービン翼41の固有振動数faであり、この固有振動数faにおいてノズルウェーク共振が発生することとなる。なお、従来の構成におけるタービン翼の固有振動数fbは、fa<fb<fmaxに設定されている。
Next, a method for calculating the resonance frequency of the nozzle wake resonance will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a Campbell diagram of the
一方、各タービン翼41は、混入する異物等の衝突を考慮して、最低限の剛性が設定されている。このため、各タービン翼41における最低限の許容応力が決まっており、この許容応力を考慮すると、タービンホイール20の最大回転数Nmaxの50%未満にする必要はない。このため、本実施形態では、タービンホイール20の最大回転数Nmaxの50%と70%との間でノズルウェーク共振を生じさせればよい(図5参照)。
On the other hand, the minimum rigidity is set for each
ここで、タービン翼41の固有振動数は、タービン翼41の形状、例えば、厚さ等を変えることにより設定することが可能である。これにより、簡易な手法によりタービン翼41の固有振動数を設定することができるため、低コストで行うことができる。
Here, the natural frequency of the
以上の構成によれば、ノズルウェーク共振を、タービンホイール20の最大回転数の70%以下で生じさせることで、タービンホイール20の回転速度が遅くなった分、各タービン翼41に加わる遠心応力を半減させることができる。この状態において、ノズルウェーク共振を生じさせることで、遠心応力が半減した分、振動応力を許容することが可能となるため、遠心応力と振動応力との総和を許容応力内に収めることができる。これにより、簡易な手法で各タービン翼41の固有振動数を設定するだけで、装置構成を大きく変えることなく低コストで、ノズルウェーク共振によるタービン翼41の破損を抑制することができる。なお、タービン翼41の固有振動数は、材質を変えることにより設定することも可能である。
According to the above configuration, the nozzle wake resonance is generated at 70% or less of the maximum rotational speed of the
以上のように、本発明にかかる可変容量タービンは、可変ノズルベーンを有する可変容量タービンに有用であり、特に、ノズルウェーク共振が生じる場合に適している。 As described above, the variable capacity turbine according to the present invention is useful for a variable capacity turbine having a variable nozzle vane, and is particularly suitable when nozzle wake resonance occurs.
1 ターボチャージャ
2 可変容量タービン
20 タービンホイール
22 可変ノズルベーン
41 タービン翼
σa 振動応力
σb 遠心応力
σc 許容応力
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記ガス流入通路の前記タービンホイール上流側に配設され、前記タービンホイールに流入する前記排気ガスの流速を変更可能な複数の可変ノズルベーンとを備え、
前記各タービン翼は、その剛性により負荷を許容する許容応力が設定され、
前記タービンホイールの回転により生ずる遠心応力と前記タービンホイールの回転により生ずるノズルウェーク共振による振動応力との総和が、前記許容応力を下回ると共に、前記タービンホイールの回転により生ずるノズルウェーク共振が、前記タービンホイールの最大回転数の70%以下で生ずるように、前記各タービン翼の固有振動数が設定されていることを特徴とする可変容量タービン。 A turbine wheel disposed in the gas inflow passage and rotatable by receiving exhaust gas in a plurality of turbine blades;
A plurality of variable nozzle vanes disposed on the turbine wheel upstream side of the gas inflow passage and capable of changing a flow rate of the exhaust gas flowing into the turbine wheel;
Each turbine blade is set with an allowable stress that allows a load due to its rigidity,
The sum of the centrifugal stress caused by the rotation of the turbine wheel and the vibration stress caused by the nozzle wake resonance caused by the rotation of the turbine wheel is less than the allowable stress, and the nozzle wake resonance caused by the rotation of the turbine wheel is caused by the turbine wheel. A variable-capacity turbine characterized in that the natural frequency of each turbine blade is set so as to occur at 70% or less of the maximum rotational speed.
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