JP2009185686A - 可変容量型タービン - Google Patents

Abstract

【課題】可変ノズルを用いた可変容量型タービンにおいて、簡略小型な構成でタービン翼に掛かる加振力を低減し、タービン翼の共振を抑制する。
【解決手段】タービン翼１８が設けられたタービンホイール１１の周囲にノズルベーン２１を配置する。ノズルベーン２１をベーンシャフト２６で軸支して回動可能とし、ノズルベーン２１の翼角を調整しノズルの開口面積を調整する。ベーンシャフト２６をピッチ半径Ｒの円周上にピッチ角θｐで配列する。ピッチ半径Ｒの中心Ｏｎをタービンホイール１１の回転中心Ｏから径方向に距離ΔＲ偏心させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、可変容量型タービンにおけるタービン翼の振動低減に関する。

ターボ過給機などのタービンとして、過給効果を高めるために、エンジンの回転数に応じてタービン翼の周囲に配置されたノズルの開口面積を制御し、タービン翼に向けて送り込まれる排気ガスの流速を変化させるものが知られている。ノズルの開口面積はノズルを構成するノズルベーンの翼角を変更することにより調整される。ノズルベーンはエンジン回転数が低いときにはノズルの開口面積を小さくするように制御され過給効率を高める。一方、エンジン回転数が高いときにはノズルベーンはノズルの開口面積を大きくするように制御されて排気圧力を下げる。これにより可変容量型タービンを用いたターボ過給機ではエンジン回転数に関わらず最適な過給圧を発生させる。

しかしノズルベーンを用いた構成では、ノズルの後流においては絞り効果により流速が高められるが、ノズルベーンのウェークでは流速が低く、タービンホイールの周りには流速の速い領域と、流速の遅い領域とが交互に周期的に発生する。したがって、タービン翼には周期的に変動する流体力が働くこととなり、タービン翼に加振力として作用する。特にこの周期が共振周波数近くにあると、タービン翼の振動は顕著となり、ターボ過給機の信頼性を低下させる。

このような問題に対して、ノズルベーンの回転中心をベーン後縁からベーンのコード長さの１／３よりも後縁側に配置し、ノズルベーンの翼角の変化に対するベーン後縁の位置の変化量を抑制することにより、ウェークの影響を抑制して加振力を低減し、タービン翼の振動を低減したものが提案されている（特許文献１）。
特開平１０−２０５３４０号公報

しかし、特許文献１の構成では、ノズルベーンの回転中心を後縁近くに配置するために、ベーンの回転に大きな力を必要とし、アクチュエータの大型化を招き搭載性の悪化やコスト高を招く。また、ベーン回転力の増大により耐久性の観点からも不利である。

本発明は、可変ノズルを用いた可変容量型タービンにおいて、簡略小型な構成でタービン翼に掛かる加振力を低減し、タービン翼の共振を抑制することを目的としている。

本発明の可変容量型タービンは、翼角が調整可能なノズルベーンをタービンホイールの周囲に配列した可変容量型タービンであって、ノズルベーンを円に沿って所定のピッチで配列し、この円の中心をタービンホイールの回転中心から径方向に偏心させたことを特徴としている。

加振周波数が共振域にあるときにも十分にタービン翼の共振を抑制するには、偏心により分散される加振周波数の変動幅が、タービンホイールにおけるタービン翼の共振域よりも広いことが好ましく、このとき偏心量は、例えば上記円の半径の１．５％以上である。

また本発明のターボ過給機は、上記可変容量型タービンを用いたことを特徴としている。

以上のように、本発明によれば、可変ノズルを用いた可変容量型タービンにおいて、簡略小型な構成でタービン翼に掛かる加振力を低減し、タービン翼の共振を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である可変容量型タービンを用いたターボ過給機の断面図である。

ターボ過給機１０は、内燃機関（図示せず）からの排気により回転されるタービンホイール１１と、タービンホイール１１の回転力により回転され内燃機関への吸気を加圧するコンプレッサホイール１２とを備え、タービンホイール１１とコンプレッサホイール１２は、シャフト１３を介して連結される。シャフト１３は、センタハウジング１４に設けられた軸受部１５によって回転自在に保持され、タービンホイール１１、コンプレッサホイール１２はそれぞれタービンハウジング１６、コンプレッサハウジング１７内に収容される。

タービンホイール１１には多数のタービン翼１８が設けられ、スクロール通路１９から供給される排気がタービンホイール１１の周囲からタービン翼１８へと吹き付けられ、排気出口２０から排出される。これによりタービンホイール１１は排気の流体エネルギを利用して回転される。なお排気は、スクロール通路１９からタービン翼１８へ向けて流れる際、タービンホイール１１の周囲に配置され、その翼角が可変とされた多数のノズルベーン２１の間を通り抜けて流速が調整される。

タービンホイール１１の回転力は、シャフト１３を介してコンプレッサホイール１２へと伝達される。コンプレッサホイール１２には多数のインペラ２２が設けられ、コンプレッサホイール１２が回転されることにより、吸入口２３から吸入されたエアが、遠心力によりコンプレッサ通路２４へと送り出され、加圧された状態で内燃機関へと供給される。

次に図１、図２を参照して、本実施形態の可変容量型タービン４０に用いられる可変ノズル機構の構成について説明する。なお、図２は、タービンホイール１１に対するノズルベーン２１の配置を示すもので、タービンホイール１１の一部と、タービンホイール１１を取り囲むノズルベーン２１の一部が平面図として示される。

可変ノズル機構２５は、ノズルベーン２１の各々を軸支する環状のノズルバックプレート２５を備え、ノズルバックプレート２５はノズルベーン２１の各々が、タービンホイール１１の周囲を取り囲むように、センタハウジング１４とタービンハウジング１６との間に配置される。ノズルベーン２１はコード長さ方向の略中心に取り付けられたベーンシャフト２６を介してノズルバックプレート２５に保持され、ノズルバックプレート２５の円環に沿って、半径Ｒ、ピッチ角θｐで配列される。すなわち、ベーンシャフト２６の軸心は、点Ｏｎを中心にピッチ半径Ｒの円周上に、ピッチ角θｐで配列される。

ノズルベーン２１の翼角は、ベーンシャフト２６の回転により調整可能であり、隣り合うノズルベーン２１によって構成されるノズルの開口面積は、ノズルベーン２１の翼角を制御することにより調整される。なお、図２には、ノズルが閉じられたときのノズルベーン２１の配置が実線で示され、ノズルが最大に開かれたときのノズルベーン２１の配置が破線で示される。

ベーンシャフト２６は、ノズルバックプレート２５に設けられた軸受穴を挿通してノズルバックプレート２５の裏面へと達し、その先端はノズルバックプレート２５の裏面から延出する。ノズルバックプレート２５から延出するベーンシャフト２６の先端にはレバー２７の一端が取り付けられ、レバー２７の他端にはリングプレート２８に設けられたピボット２９が係合する。

リングプレート２８はノズルベーン２１の配列の中心である点Ｏｎを中心に回転可能であり、リングプレート２８の回転により、レバー２７を介して各ベーンシャフト２６が回転され、ノズルベーン２１が各々回転される。なおリングプレート２８には、アクチュエータ（図示せず）により駆動されるレバー機構３０が取り付けられ、アクチュエータの駆動により、リングプレート２８の回転が制御される。

図２に示されるように、本実施形態では、ノズルベーン２１の配列の中心（ノズルベーンのピッチ径中心）Ｏｎが、タービンホイール１１の回転中心Ｏから径方向にΔＲだけ偏心した状態でノズルベーン２１が配置される。

次に、図３を参照して、ノズルベーン２１のピッチ径中心Ｏｎをタービンホイール１１の回転中心ＯからΔＲ偏心させたことによる作用および効果について説明する。

ピッチ径中心Ｏｎがタービンホイール１１の回転中心ＯからΔＲ偏心されたことにより、タービン翼１８に対するノズルのピッチは偏心方向においては狭くなり、その逆方向では広くなる。タービン翼１８は、偏心された方向のノズルからは、周波数ｆ１＝２π（Ｒ＋ΔＲ）Ｎ／（Ｒθｐ）の加振力を受け、その反対側では周波数ｆ２＝２π（Ｒ−ΔＲ）Ｎ／（Ｒθｐ）の加振力を受ける。すなわち、加振力は周方向に沿って周波数ｆ１、ｆ２の間で変動し、その平均周波数は偏心していないときの周波数ｆ０＝２πＮ／θｐとなる。なお、ここでＮはタービンホイール１１の回転数である。

周波数の変動幅をΔｆ＝ｆ１−ｆ２とすると、Δｆ／ｆ０＝２ΔＲ／Ｒとなり、加振周波数は偏心量ΔＲに比例してΔｆの幅で分散される。これにより、各周波数における加振力は低減される。

図３には、周波数に対する加振力とタービン翼の振幅の変化が示され、図３（ａ）に偏心がないとき、図３（ｂ）に偏心があるときの状態が模式的に示される。なお図３では、タービン翼の共振周波数ｆｒに加振力の周波数が一致する場合が例示されているが、加振力の分布は回転数によって異なる。

図３（ａ）に示されるように、偏心がないときには、加振力は一定の周波数に集中し、加振周波数がタービン翼の共振域（例えば共振周波数を中心にタービン翼の振幅が半減する範囲；図３（ａ）では共振幅Ｗとして表される）内にあると、タービン翼の振幅は極めて大きくなる。したがって、本実施形態では、加振周波数の一回転当たりの変動幅Δｆがタービン翼の共振幅Ｗよりも大きくなるように偏心量ΔＲが設定される。すなわち、ΔＲはΔＲ＞Ｗ・Ｒ／（２・ｆ０）に設定される。このとき、図３（ｂ）に示されるように、加振力はΔｆの幅に分散され、加振周波数がタービン翼の共振幅Ｗ内にあっても、タービン翼の振幅は抑制される。

共振幅はタービン翼の減衰率によって決定され、減衰率はタービン翼を構成する材料の物性によって決定される。共振域を振幅が半減するまでの範囲とするとともに、タービン翼（タービンホイール）に一般的な材料を使用するとき、偏心量ΔＲはピッチ半径Ｒの１．５％以上であることが好ましく、このとき加振周波数の分散幅Δｆは、共振幅Ｗよりも大きくなる。

以上のように、本実施形態によれば、ノズルベーンを同一円周上に配置するとともに、この円をタービンホイールの回転中心から偏心させることにより、極めて簡略な構成で、加振周波数を分散させ、各周波数における加振力を低減し、タービン翼の共振を抑制することができる。また、可変ノズル機構は、タービンホイールの回転軸から偏心して配置されるだけであるので、従来のリンク機構を用いることができ、組み付けも容易であり生産コストも抑えることができる。

なお、本実施形態では過給機を例に説明を行ったが、本発明は、過給機に限定されるものではなく、可変ノズル機構を用いた可変容量型タービンを用いた構成であれば如何なるものにも適用することが可能である。

本発明の一実施形態である可変容量型タービンを用いたターボ過給機の断面図である。 タービンホイールに対するノズルベーンの配置を示す平面図である。 周波数に対する加振力とタービン翼の振幅の変化を示すグラフである。

符号の説明

１０ ターボ過給機
１１ タービンホイール
１２ コンプレッサホイール
１３ シャフト
１８ タービン翼
１９ スクロール通路
２１ ノズルベーン
２５ ノズルバックプレート
２６ ベーンシャフト
２７ レバー
２８ リングプレート
２９ ピボット
３０ リンク機構
Ｏｎ ピッチ径中心
Ｏ タービンホイール回転中心
Ｒ ピッチ半径
ΔＲ 偏心量
θｐ ピッチ角

Claims (4)

1. 翼角が調整可能なノズルベーンをタービンホイールの周囲に配列した可変容量型タービンであって、前記ノズルベーンを円に沿って所定のピッチで配列し、前記円の中心を前記タービンホイールの回転中心から径方向に偏心させたことを特徴とする可変容量型タービン。
2. 前記偏心により分散される加振周波数の変動幅が、前記タービンホイールにおけるタービン翼の共振域よりも広いことを特徴とする請求項１に記載の可変容量型タービン。
3. 偏心量が前記円の半径の１．５％以上であることを特徴とする請求項２に記載の可変容量型タービン。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の可変容量型タービンを用いたことを特徴とするターボ過給機。
   
   

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