JP2010096018A - タービンとこれを備える過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズル空間を形成する可動翼の先端または根元に存在する隙間を通した駆動ガスの漏れを抑制することで、タービンの効率を向上させる。
【解決手段】駆動ガスにより回転駆動されるタービンインペラ３と、駆動ガスの速度を調節可能に動作する可動翼９と、を備えるタービン１０であって、タービンインペラ３の回転軸５の半径方向外側からタービンインペラ３へ駆動ガスを案内するガス流路１３が設けられ、可動翼９は、ガス流路１３において回転軸５の周方向に複数配置されているとともに、ガス流路１３を区画する軸方向区画面１７、１９に沿って動作可能であり、軸方向区画面１７、１９と可動翼９との間には隙間２１が設けられており、該隙間２１を覆うように軸方向区画面１７、１９から突出する突起部２３が設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、駆動ガスにより回転駆動されるタービンインペラと、前記駆動ガスの速度を調節可能に動作する可動翼と、を備えるタービンに関する。また、本発明は、タービンを有する過給機に関する。

図６（Ａ）は、タービンを有する過給機の構成図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＶＩＢ−ＶＩＢ線断面図である。

過給機は、図６（Ａ）に示すように、エンジンからの排ガスである駆動ガスにより回転駆動されるタービンインペラ３と、タービンインペラ３と同軸に結合されタービンインペラ３と一体的に回転することで吸入ガスを圧縮するコンプレッサ翼７と、を備える。コンプレッサ翼７で圧縮された圧縮ガスは、エンジンへ供給される。

タービンには、図６（Ｂ）に示すように、駆動ガスにより回転駆動されるタービンインペラ３と、タービンインペラ３を囲むタービンハウジング１１と、を有する。タービンハウジング１１内には、タービンインペラ３へ前記駆動ガスを案内するガス流路１３が設けられている。このガス流路１３には、駆動ガスの速度を調節可能に動作する可動翼９が設けられている。可動翼９は、例えば、中心軸Ｃ１を中心に揺動するようになっている。この構成で、可動翼９が揺動することで、例えば、隣接する可動翼９の間のノズル空間を小さくすることによって、駆動ガスの速度を増加させることができる。

図７は、図６（Ｂ）のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。図７に示すように、回転軸５の軸方向を向きガス流路１３を区画する軸方向区画面１７、１９と、前記可動翼９との間には隙間２１が設けられている。この隙間２１により、可動翼９の円滑な動作（揺動）を確保している。即ち、この隙間２１がないと、熱膨張により可動翼９の先端９ｅまたは根元９ｆが、軸方向区画面１７、１９に引っ掛かってしまうことで、可動翼９が円滑に動作できなくなってしまう。

なお、本願の先行技術文献として、下記の特許文献１、２がある。なお、図６（Ａ）は、特許文献１に記載されている図面に相当する。
特開２０００−８８６９号公報 特開２００２−３６４３７４号公報

しかし、前記隙間を通した駆動ガスの漏れは、タービンの効率が低下することの一因となっていた。特に、前記ノズル空間が小さい時には、前記漏れが大きくなり、その分、タービンの効率が低下してしまう。

そこで、本発明の目的は、前記隙間を通した駆動ガスの漏れを抑制でき、これにより、タービンの効率を向上させることにある。

上記目的を達成するため、本発明によると、駆動ガスにより回転駆動されるタービンインペラと、前記駆動ガスの速度を調節可能に動作する可動翼と、を備えるタービンであって、
前記タービンインペラの回転軸の半径方向外側から前記タービンインペラへ前記駆動ガスを案内するガス流路が設けられ、
前記可動翼は、前記ガス流路において前記回転軸の周方向に複数配置されているとともに、前記回転軸の軸方向を向き前記ガス流路を区画する軸方向区画面に沿って動作可能であり、
前記軸方向区画面と前記可動翼との間には隙間が設けられており、該隙間を覆うように前記軸方向区画面から突出する突起部が設けられている、ことを特徴とするタービンが提供される。

上述した本発明のタービンでは、前記軸方向区画面と前記可動翼との間には隙間が設けられており、該隙間を覆うように前記軸方向区画面から突出する突起部が設けられているので、前記隙間を通した駆動ガスの漏れを抑制できる。これにより、タービンの効率を向上させることができる。

本発明の好ましい実施形態によると、前記可動翼は、前記回転軸と平行な中心軸を中心に揺動可能であり、これにより、隣接する可動翼の間のノズル空間が調節可能であり、
前記可動翼が前記ノズル空間が大きい揺動位置にある第１状態よりも、前記可動翼が前記ノズル空間が小さい揺動位置にある第２状態の方が、前記突起部が前記隙間に近くなるように、前記突起部が配置されている。

前記可動翼が揺動する場合、前記可動翼が前記ノズル空間が大きい揺動位置にある第１状態よりも、前記可動翼が前記ノズル空間が小さい揺動位置にある第２状態の方が、前記隙間を通した駆動ガスの漏れ量が大きくなる。従って、第２状態において、より効果的に前記漏れを抑制することが望ましい。
この点に着目して、上記実施形態では、前記可動翼が前記ノズル空間が相対的に大きい揺動位置にある第１状態よりも、前記可動翼が前記ノズル空間が相対的に小さい揺動位置にある第２状態の方が、前記突起部が前記隙間に近くなるように、前記突起部が配置されているので、第１状態では漏れを抑制する高い効果は期待できないが、第２状態に近づいたときには高い漏れ抑制効果が出てくる。

本発明の好ましい実施形態によると、前記周方向に旋回する前記駆動ガスが、前記可動翼を通過するようになっており、
前記可動翼は、前記旋回する前記駆動ガスの上流端である前縁と、前記旋回する前記駆動ガスの下流端である後縁と、前記タービンインペラ側を向く腹側面と、前記タービンインペラとは反対側を向く背側面と、を有し、
前記中心軸よりも前記後縁の側であって、前記背側面と前記腹側面のうち前記背側面の側に、前記突起部が設けられている。

前記中心軸よりも前記後縁の側にある前記隙間を通した前記漏れは、前記中心軸よりも前記前縁の側にある前記隙間を通した前記漏れよりも大きい。そこで、上記実施形態では、前記中心軸よりも前記後縁の側に前記突起部が設けられている。これにより、前記隙間の一部を前記突起部で覆うだけでも、タービンの効率を十分に向上させることができる。
さらに、前記中心軸よりも前記後縁の側であって、前記背側面と前記腹側面のうち前記背側面の側に、前記突起部が設けられているので、前記ノズル空間を小さくするように前記可動翼が揺動すると、前記突起部が前記隙間に近づく（図３を参照）。これにより、前記ノズル空間が小さい前記第２状態で、高い漏れ抑制効果が得られる。

好ましくは、前記中心軸よりも前記前縁の側であって、前記背側面と前記腹側面のうち前記腹側面の側にも、前記突起部が設けられている。

このように、前記中心軸よりも前記前縁の側であって、前記背側面と前記腹側面のうち前記腹側面の側にも、前記突起部が設けられているので、前記隙間の大部分を前記突起部で覆うことができる。これにより、タービンの効率を一層向上させることができる。
さらに、前記中心軸よりも前記前縁の側であって、前記背側面と前記腹側面のうち前記腹側面の側に、前記突起部が設けられているので、前記ノズル空間を小さくするように前記可動翼が揺動すると、当該突起部が前記隙間に近づく。これにより、前記ノズル空間が小さい前記第２状態で、高い漏れ抑制効果が得られる。

本発明の好ましい実施形態によると、前記軸方向区画面からの前記突起部の高さが、前記軸方向区画面からの前記隙間の高さよりも大きい。

このように、前記軸方向区画面からの前記突起部の高さが、前記軸方向区画面からの前記隙間の高さよりも大きいので、前記可動翼の揺動により、前記突起部の高さ方向の先端が、前記可動翼の前記軸方向区画面に対向する先端または根元に引っかかることが防止される。さらに、可動翼が、所望の揺動限界位置を超えて前記突起部の側へ揺動した異常時に、前記突起部が前記可動翼に接触・衝突して可動翼の揺動を規制することができる。

また、本発明によると、上述のタービンと、
前記タービンインペラと同軸に結合されることにより、前記タービンインペラと一体的に回転することで、吸入ガスを圧縮するコンプレッサ翼と、を有する過給機が提供される。

上述した本発明によると、前記隙間を通した駆動ガスの漏れを抑制でき、これにより、タービンの効率を向上させることができる。

本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、図６（Ａ）に相当し、本発明の第１実施形態によるタービン１０が適用可能な過給機２０を示す。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図であり、タービン１０を示す。図３（Ａ）は、図２の部分拡大図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線断面図である。

過給機２０は、図１に示すように、エンジンからの排ガスである駆動ガスにより回転駆動されるタービンインペラ３と、回転軸５を介してタービンインペラ３と同軸に結合されタービンインペラ３と一体的に回転することで吸入ガスを圧縮するコンプレッサ翼７と、を備える。コンプレッサ翼７で圧縮された圧縮ガスは、前記エンジンへ供給される。

タービン１０は、駆動ガスにより回転駆動されるタービンインペラ３と、前記駆動ガスの速度を調節可能に動作する可動翼９と、を備える。タービン１０には、タービンインペラ３を内部に収容するタービンハウジング１１が設けられる。タービンハウジング１１内には、ガス流路１３が設けられている。

ガス流路１３は、タービンインペラ３の回転軸５の半径方向外側からタービンインペラ３へ前記駆動ガスを案内する。このガス流路１３は、タービンインペラ３を回転軸５の周方向に囲むように区画形成されている。ガス流路１３に、エンジンからの排ガスである駆動ガスが周方向に導入されることで、ガス流路１３において、駆動ガスは、周方向に旋回するものとなる。
ガス流路１３は、回転軸５の半径方向内側と外側のうち内側を向く内側方向区画面１５（図２を参照）と、回転軸５の軸方向を向く軸方向区画面１７、１９（図１を参照）とにより、区画形成されている。図１の例では、内側方向区画面１５と軸方向区画面１７は、タービンハウジング１１の内面であり、軸方向区画面１９は、プレート１２の外面である。

可動翼９は、ガス流路１３において前記周方向に複数配置されているとともに、軸方向区画面１７、１９に沿って動作可能である。この例では、各可動翼９は、互いに連動して、回転軸５と平行な中心軸（揺動シャフト）Ｃ１を中心に軸方向区画面１７、１９に沿って揺動可能であり、これにより、隣接する可動翼９の間のノズル空間の大きさが調節可能である。即ち、回転軸５の半径方向に対する複数の可動翼９の向き（揺動角）が、互いに同じに維持されるように、複数の可動翼９が連動して揺動される。この連動により調節される前記ノズル空間を通して、前記周方向に旋回する前記駆動ガスが、可動翼９を通過するようになっている。なお、中心軸Ｃ１は、可動翼９と一体的に結合されており、図１の駆動機構８により揺動・回転させられる。
可動翼９は、前記旋回する駆動ガスの上流端である前縁９ａと、前記旋回する駆動ガスの下流端である後縁９ｂと、タービンインペラ３側を向く腹側面９ｃと、タービンインペラ３とは反対側を向く背側面９ｄと、を有する。
また、図３（Ｂ）のように、可動翼９と軸方向区画面１７または１９との間には、隙間２１が設けられている。具体的には、可動翼９の先端９ｅと軸方向区画面１７との間に隙間２１が設けられ、可動翼９の根元９ｆと軸方向区画面１９との間に隙間２１が設けられている。

本実施形態によると、突起部２３が設けられる。突起部２３は、軸方向区画面１７または１９から突出し、これにより、軸方向区画面１７または１９と可動翼９との間に設けられた隙間２１（図３（Ｂ）を参照）を前記半径方向に覆うようになっている。突起部２３は、例えば、軸方向区画面１７または１９を有する部材（図１の例では、タービンハウジング１１またはプレート１２）と一体鋳造することで形成されてよい。
図３（Ｂ）の例では、可動翼９の先端９ｅと軸方向区画面１７との間の隙間２１を覆う第１の突起部２３と、可動翼９の根元９ｆと軸方向区画面１９との間の隙間２１を覆う第２の突起部２３とが設けられている。しかし、第１の突起部２３と第２の突起部２３のいずれかのみを設けるようにしてもよい。なお、第２の突起部２３の形状と寸法は、第１の突起部２３と同じであってよい。

隙間２１と突起部２３との距離は、可動翼９の揺動位置に応じて変化する。可動翼９は、前記ノズル空間が相対的に大きい揺動位置（例えば図３（Ａ）の破線で示す最小揺動位置）と、前記ノズル空間が相対的に小さい揺動位置（例えば図３（Ａ）の実線で示す最大揺動位置）との間で揺動可能である。即ち、可動翼９は、図３（Ａ）において、実線で示す最大揺動位置と、破線で示す最小揺動位置との間で揺動する。一方、突起部２３は、軸方向区画面１７または１９に固定されているので、隙間２１と突起部２３との距離は、可動翼９の揺動位置に応じて変化する。
本実施形態では、前記ノズル空間が相対的に小さい時に、隙間２１と突起部２３との距離が小さくなるように、隙間２１が配置されている。即ち、可動翼９が前記ノズル空間が相対的に大きい揺動位置（例えば図３（Ａ）の破線で示す位置）にある第１状態よりも、可動翼９が前記ノズル空間が相対的に小さい揺動位置（例えば図３（Ａ）の実線で示す位置）にある第２状態の方が、突起部２３が隙間２１に近くなるように、突起部２３が配置されている。具体的には、この例では、対象とする可動翼９の中心軸Ｃ１よりも後縁９ｂの側であって、当該可動翼９の背側面９ｄと腹側面９ｃのうち背側面９ｄの側に、突起部２３が設けられている。なお、この例では、当該突起部２３は、当該可動翼９と（これの駆動ガス旋回方向下流側にある）隣接する可動翼９の中心軸Ｃ１よりも前縁９ａの側であって、この隣接する可動翼９の背側面９ｄと腹側面９ｃのうち腹側面９ｃの側に、位置しており、この隣接する可動翼９における中心軸Ｃ１と前縁９ａの間に位置する隙間２１も覆うようになっている。従って、当該突起部２３でこの隙間２１を通した前記漏れも抑制できる。

突起部２３の軸方向区画面１７または１９からの高さは、図３（Ｂ）のように、隙間２１の軸方向区画面１７または１９からの高さよりも大きくなっている。それでも、軸方向区画面１７または１９からの突起部２３の高さは十分に小さいので、突起部２３は駆動ガスの妨げになることはほとんどない。
なお、突起部２３は、曲面の背側面９ｄに沿って後縁９ｂ側から前縁９ａ側へ延びる翼の形状を有していてもよい。

上述した本発明の第１実施形態によるタービン１０によると、次の効果（１）〜（５）が得られる。

（１）軸方向区画面１７、１９と可動翼９との間には隙間２１が設けられており、該隙間２１を前記半径方向に覆うように軸方向区画面１７または１９から突出する突起部２３が設けられているので、隙間２１を通した駆動ガスの漏れを抑制できる。これにより、タービン１０の効率を向上させることができる。

（２）前記第１状態よりも、前記第２状態の方が、隙間２１を通した駆動ガスの漏れ量が大きくなる。従って、第２状態において、より効果的に前記漏れを抑制することが望ましい。この点に着目して、上記第１実施形態では、可動翼９が前記ノズル空間が相対的に大きい揺動位置にある第１状態よりも、可動翼９が前記ノズル空間が相対的に小さい揺動位置にある第２状態の方が、突起部２３が隙間２１に近くなるように、突起部２３が配置されているので、第１状態では漏れを抑制する高い効果は期待できないが、第２状態に近づいたときには高い漏れ抑制効果が出てくる。

（３）中心軸Ｃ１よりも後縁９ｂの側にある隙間２１を通した前記漏れは、中心軸Ｃ１よりも前縁９ａの側にある隙間２１を通した前記漏れよりも大きい。そこで、上記第１実施形態では、中心軸Ｃ１よりも後縁９ｂの側に突起部２３が設けられている。これにより、隙間２１の一部を突起部２３で覆うだけでも、タービン１０の効率を十分に向上させることができる。
さらに、中心軸Ｃ１よりも後縁９ｂの側であって、背側面９ｄと腹側面９ｃのうち背側面９ｄの側に、突起部２３が設けられているので、前記ノズル空間を小さくするように可動翼９が揺動すると、突起部２３が隙間２１に近づく。これにより、前記ノズル空間が小さい前記第２状態で、高い漏れ抑制効果が得られる。

（４）軸方向区画面１７または１９からの突起部２３の高さが、軸方向区画面１７または１９からの隙間２１の高さよりも大きいので、可動翼９の揺動により、突起部２３の高さ方向の先端面が、可動翼９の軸方向区画面１７または１９に対向する先端９ｅまたは根元９ｆに引っかかることが防止される。さらに、可動翼９が、所望の揺動限界位置を超えて突起部２３の側へ揺動した異常時に、突起部２３が可動翼９に接触・衝突して可動翼９の揺動を規制することができる。

（５）突起部２３を設けるという簡単な製作で、駆動ガスの漏れを抑制しながら駆動ガスの速度を調節できる。例えば、突起部２３を、軸方向区画面１７または１９を有する部材（図１の例では、タービンハウジング１１またはプレート１２）と一体鋳造することで、第１実施形態によるタービン１０を簡単に製作できる。
なお、特許文献１と比較すると、第１実施形態によるタービン１０は製作コストが大幅に低減される。特許文献１では、駆動ガスの漏れを抑制するために、可動ノズルベーン（可動翼）のレール部を、タービンケース面のレール溝部に挿入しており、駆動ガスの速度を調節するために、各可動ノズルベーン（可動翼）のレール部をタービンケース面のレール溝部に沿って直線移動させることで、隣接する可動翼間のノズル空間の大きさを調整している。このような構成と比較すると、第１実施形態によるタービン１０は、構成が簡単となり、製作コストが大幅に低減される。

図４は、第１実施形態の突起部２３による効果を確認するために行ったＣＦＤ解析（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ）の結果を示す図である。図４において、「壁」は、突起部２３に相当するものであり、ＣＦＤ解析において背側面９ｄの側における後縁９ｂ付近に境界条件として設定したものである。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）よりも、後縁９ｂの側から前縁９ａの側へ向かう方向に、「壁」の長さを長く設定した場合を示す。図４（Ａ）、図４（Ｂ）のいずれにおいても、隙間２１を通した前記漏れが抑制されているが、突起部２３が長いほうが、前記漏れをより防ぐことができ、それだけ、タービン１０の効率も向上する。

［第２実施形態］
図５（Ａ）は、図３（Ａ）に対応するが本発明の第２実施形態によるタービン１０を示す構成図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＶＢ−ＶＢ線断面図である。

第２実施形態では、第１実施形態の構成に次の構成を付加したものである。即ち、第２実施形態では、図５に示すように、対象とする可動翼９の中心軸Ｃ１よりも前縁９ａの側であって、当該可動翼９の背側面９ｄと腹側面９ｃのうち腹側面９ｃの側にも、突起部２３が設けられている。当該突起部２３は、曲面の腹側面９ｃに沿って前縁９ａ側から後縁９ｂ側へ延びる翼の形状を有していてもよい。当該突起部２３の他の構成は、第１実施形態と同じであってよく、第２実施形態のタービン１０の他の構成も、第１実施形態と同じである。

第２実施形態によると、中心軸Ｃ１よりも前縁９ａの側であって、背側面９ｄと腹側面９ｃのうち腹側面９ｃの側にも、突起部２３が設けられているので、隙間２１の大部分を突起部２３で覆うことができる。これにより、タービン１０の効率を一層向上させることができる。
さらに、中心軸Ｃ１よりも前縁９ａの側であって、背側面９ｄと腹側面９ｃのうち腹側面９ｃの側に、突起部２３が設けられているので、前記ノズル空間を小さくするように可動翼９が揺動すると、当該突起部２３が隙間２１に近づく。これにより、前記ノズル空間が小さい前記第２状態で、高い漏れ抑制効果が得られる。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の第１実施形態によるタービンが適用可能な過給機を示す。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 （Ａ）は、図２の部分拡大図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線断面図である。 第１実施形態の構成に対するＣＦＤ解析の結果である。 本発明の第２実施形態を示す。 （Ａ）は、タービンを有する過給機を示す従来構成図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＶＩＢ−ＶＩＢ線断面図である。 図６（Ｂ）のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。

符号の説明

３ タービンインペラ、５ 回転軸、７ コンプレッサ翼、８ 駆動機構、９ 可動翼、９ａ 前縁、９ｂ 後縁、９ｃ 腹側面、９ｄ 背側面、９ｅ 先端、９ｆ 根元、１０ タービン、１１ タービンハウジング、１２ プレート、１３ ガス流路、１５ 内側方向区画面、１７、１９ 軸方向区画面、２０ 過給機、２１ 隙間、２３ 突起部、Ｃ１ 可動翼の中心軸、

Claims (5)

1. 駆動ガスにより回転駆動されるタービンインペラと、前記駆動ガスの速度を調節可能に動作する可動翼と、を備えるタービンであって、
   前記タービンインペラの回転軸の半径方向外側から前記タービンインペラへ前記駆動ガスを案内するガス流路が設けられ、
   前記可動翼は、前記ガス流路において前記回転軸の周方向に複数配置されているとともに、前記回転軸の軸方向を向き前記ガス流路を区画する軸方向区画面に沿って動作可能であり、
   前記軸方向区画面と前記可動翼との間には隙間が設けられており、該隙間を覆うように前記軸方向区画面から突出する突起部が設けられている、ことを特徴とするタービン。
2. 前記可動翼は、前記回転軸と平行な中心軸を中心に揺動可能であり、これにより、隣接する可動翼の間のノズル空間が調節可能であり、
   前記可動翼が前記ノズル空間が大きい揺動位置にある第１状態よりも、前記可動翼が前記ノズル空間が小さい揺動位置にある第２状態の方が、前記突起部が前記隙間に近くなるように、前記突起部が配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載のタービン。
3. 前記周方向に旋回する前記駆動ガスが、前記可動翼を通過するようになっており、
   前記可動翼は、前記旋回する前記駆動ガスの上流端である前縁と、前記旋回する前記駆動ガスの下流端である後縁と、前記タービンインペラ側を向く腹側面と、前記タービンインペラとは反対側を向く背側面と、を有し、
   前記中心軸よりも前記後縁の側であって、前記背側面と前記腹側面のうち前記背側面の側に、前記突起部が設けられている、ことを特徴とする請求項１または２に記載のタービン。
4. 前記軸方向区画面からの前記突起部の高さが、前記軸方向区画面からの前記隙間の高さよりも大きい、ことを特徴とする請求項１、２または３に記載のタービン。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のタービンと、
   前記タービンインペラと同軸に結合されることにより、前記タービンインペラと一体的に回転することで、吸入ガスを圧縮するコンプレッサ翼と、を有する過給機。

Images