JP2011256720A - 可変容量型タービン - Google Patents

Abstract

【課題】流入容積を絞り込んだ場合のタービン効率を従来よりも向上させる。
【解決手段】タービンインペラ４の回転軸方向に軸支された複数のノズルベーン５ｃによってスクロール流路Ｒ1からタービンインペラ４に流入する駆動ガスの流入容積を可変設定する可変容量型タービンＡであって、ノズルベーン５ｃをタービンインペラ４の先端方向に押圧する付勢手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変容量型タービンに関する。

下記特許文献１には、一般にはＶＧＳ（Variable Geometry System）と称する機能が搭載された可変容量型タービンが開示されている。この可変容量型タービンは、渦巻室と羽根車との間に設けられたノズル室に複数の可動ノズルを設け、該可動ノズルによって渦巻室から羽根車に流入するガス（羽根車を回転駆動するためのガス）の入口容積（流入容積）を可変設定するものである。

特開平１１−２２９８１５号公報

しかしながら、上述した従来の可変容量型タービンは、可動ノズルによって流入容積を絞り込んだ場合のタービン効率が、流入容積を開けた場合のタービン効率よりも低下するという問題点がある。このような問題は、より広いレンジで可変容量型タービンを運転させる場合に特に重要な技術課題である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、流入容積を絞り込んだ場合のタービン効率を従来よりも向上させることを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、タービンインペラの回転軸方向に軸支された複数のノズルベーンによってスクロール流路からタービンインペラに流入する駆動ガスの流入容積を可変設定する可変容量型タービンであって、ノズルベーンをタービンインペラの先端方向に押圧する付勢手段を備える、という手段を採用する。

第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、付勢手段は、複数のノズルベーンを駆動するリンク機構が収容されると共にノズルベーンに対してタービンインペラの基端側に設けられるリンク室に、付勢用ガスを流入させることによってノズルベーンをタービンインペラの先端方向に押圧する、という手段を採用する。

第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、付勢用ガスは、スクロール流路から分離して得られる駆動ガスの一部である、という手段を採用する。

第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、スクロール流路とリンク室との間に設けられたシールド部材に開口を設けて駆動ガスの一部を付勢用ガスとしてリンク室に取り込む、という手段を採用する。

第５の解決手段として、上記第２〜第４のいずれかの解決手段において、スクロール流路を形成するタービンハウジングと第１支持板との隙間を介してリンク室に付勢用ガスを流入させる、という手段を採用する。

本発明によれば、付勢用ガスを流入させることによってノズルベーンをタービンインペラの先端方向に押圧するので、流入容積を絞り込んだ場合のタービン効率を従来よりも向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るラジアルタービンＡ（可変容量型タービン）の要部構成を示す断面図である。 図１におけるＸ線矢視図である。 本発明の一実施形態に係るラジアルタービンＡ（可変容量型タービン）におけるノズルベーン５ｃの位置を示す模式図である。 本発明の一実施形態において、ノズルベーン５ｃの位置に応じたタービン効率の変化を示すグラフ（実験結果）である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るラジアルタービンＡは、図１に示すように、軸受ハウジング１、タービンハウジング２、回転軸３、タービンインペラ４、ノズルユニット５、シールド部材６〜８及び支持部材９によって構成されている。また、ノズルユニット５は、第１支持板５ａ、第２支持板５ｂ、複数のノズルベーン５ｃ及びリンク板５ｄ等から構成されている。

軸受ハウジング１は、回転軸３を回転自在に支持する鋳造部品であり、ボルトによってタービンハウジング２を連結固定されている。タービンハウジング２は、内部に駆動ガスＧが流通すると共にタービンインペラ４が収納された流路が形成された鋳造部品である。この流路は、図示するように、スクロール流路Ｒ1、駆動流路Ｒ2及び排気流路Ｒ3から構成されている。スクロール流路Ｒ1は、タービンインペラ４の周りにスクロール状に形成された領域である。駆動流路Ｒ2は、上記スクロール流路Ｒ1を通過した駆動ガスＧがタービンインペラ４に作用する領域である。排気流路Ｒ3は、タービンインペラ４に作用した駆動ガスＧ（排ガス）を外部に排出するための領域である。

回転軸３は、一端がタービンインペラ４の基端部に固着した棒状部材であり、一点鎖線で示す回転中心周りに回転可能なように、上記軸受ハウジング１に支持されている。タービンインペラ４は、所定枚数の翼４ａが所定間隔で放射状に設けられた羽根車である。ノズルユニット５は、図示するように、上記スクロール流路Ｒ1と駆動流路Ｒ2との境界に位置する箇所（駆動流路Ｒ2の入口）に設けられており、ノズルベーン５ｃの回動角によってスクロール流路Ｒ1から駆動流路Ｒ2（タービンインペラ４）に流入する駆動ガスＧの流入容積を可変設定するものである。

すなわち、本ラジアルタービンＡを回転軸３（タービンインペラ４）の回転中心方向から見ると、本ラジアルタービンＡは、中央部にタービンインペラ４が位置し、該タービンインペラ４の外周に略リング形状のノズルユニット５が位置し、このノズルユニット５の外周にスクロール状のスクロール流路Ｒ1が位置するように構成されている。

上記ノズルユニット５についてさらに詳しく説明ると、当該ノズルユニット５を構成する各構成要素のうち、第１支持板５ａ及び第２支持板５ｂは、複数のノズルベーン５ｃを回動自在に挟持する略リング形状の板部材である。第１支持板５ａは、外形及び内径ともに円形な平板部材であり、図示するようにスクロール流路Ｒ1と面一な状態でタービンインペラ４の基端部側（回転軸３）に配置される。これに対して、第２支持板５ｂは、外形及び内径ともに円形であるものの、断面形状が図示するようにＬ字型の部材であり、タービンインペラ４の先端部側（回転軸３の反対側）に配置されている。

ノズルベーン５ｃは、第１支持板５ａあるいは第２支持板５ｂに嵌め合う軸部５ｅ、５ｆが両側にそれぞれ形成された翼体である。このノズルベーン５ｃは、一対の軸部５ｅ、５ｆによって形成される軸芯が一点鎖線で示すタービンインペラ４（回転軸３）の回転中心と同一方向であり、所定数が所定間隔を隔てて円環状に配置されている。

リンク板５ｄは、図示するように、軸受ハウジング１、タービンハウジング２及び第１支持板５ａによって形成される空間（リンク室Ｋ）に収納されるリング形状の板部材である。このリンク板５ｄは、各ノズルベーン５ｃに備えられた一対の軸部５ｅ、５ｆのうち、タービンインペラ４の基端側に位置する各軸部５ｅに係合すると共に図示しないアクチュエータに係合し、当該アクチュエータの作動によってタービンインペラ４（回転軸３）の回転中心周りに回動することによりノズルベーン５ｃの軸部５ｅ、５ｆ周りの回動角を可変する。

すなわち、このように構成されたノズルユニット５は、リンク板５ｄの回動によって複数のノズルベーン５ｃの回動角が可変されることにより、互いに隣り合う複数のノズルベーン５ｃによって形成される駆動ガスＧの通過面積（流入容積）を可変設定する。

シールド部材６は、図示する断面形状に成型された略リング形状の金属ガスケットである。このシールド部材６は、軸受ハウジング１とタービンハウジング２との機密性を確保するために、内周端部が第１支持板５ａの裏面側（ノズルベーン５ｃの反対側）に固定され、また外周端部が軸受ハウジング１とタービンハウジング２とによって挟持されている。なお、後述するが、シールド部材６は、内周端部と外周端部との間の中間部位がリンク板５ｄの表面（第１支持板５ａ側の面）に当接しており、支持部材９とともにリンク板５ｄを支持する機能をも負う。

シールド部材７は、図示する断面形状に成型された略リング形状の金属ガスケットである。このシールド部材７は、図示するように、軸受ハウジング１と第１支持板５ａとの間に介在し、軸受ハウジング１と第１支持板５ａとの間の機密性を確保する。シールド部材８は、図示するように第２支持板５ｂに嵌め込まれたＯリングであり、第２支持板５ｂとタービンハウジング２との間の機密性を確保する。

支持部材９は、図示する断面形状に成型された略リング形状の金属部品である。支持部材９は、内周端部が上記シールド部材６の内周端部と一緒に第１支持板５ａの裏面に固定され、また外周端部がリンク板５ｄに形成された開口を介してリンク板５ｄの裏面（シールド部材６の反対側面）に抜けることにより当該リンク板５ｄの裏面に当接している。このような支持部材９と上記シールド部材６とは、両側から挟み込むようにしてリンク板５ｄを支持している。

また、本ラジアルタービンＡの特徴的構成（付勢手段）についてさらに説明する。
本ラジアルタービンＡでは、図２に示すように、第１支持板５ａに円形の貫通孔Ｓが所定間隔で環状に形成されている。この貫通孔Ｓは、駆動ガスＧの一部をリンク室Ｋに取り込むために積極的に設けられたものである。また、シールド部材６には、図１に示すように上記貫通孔Ｓに符合する位置に開口６ａ（丸穴）が所定間隔を隔てて設けられている。すなわち、本ラジアルタービンＡでは、図１の矢印で示すように、駆動流路Ｒ1から駆動流路Ｒ2に流れる駆動ガスＧの一部を貫通孔Ｓ及び開口６ａを介してリンク室Ｋ内に取り入れ、さらにリンク板５ｄとシールド部材６との間を介してリンク板５ｄの裏面側に積極的に取り込むように構成されている。このような貫通孔Ｓ及び開口６ａは、本実施形態における付勢手段を構成するものである。

次に、このように構成された本ラジアルタービンＡの動作について、図１、図３及び図４をも参照して詳しく説明する。

なお、図３は、第１支持板５ａと第２支持板５ｂとの間のノズルベーン５ｃの位置関係を示す図である。この図では、第２支持板５ｂとノズルベーン５ｃの側面との距離をＸ1とし、第１支持板５ａとそれに対向するノズルベーン５ｃの側面との距離をＸ2としている。

本ラジアルタービンＡでは、外部から供給された駆動ガスＧの殆ど（主流）は、スクロール流路Ｒ1から駆動流路Ｒ2を経由して排気流路Ｒ3に流れる。このような駆動ガスＧは、駆動流路Ｒ2を通過する際にタービンインペラ４に空力的に作用して回転軸３に回転動力を与える。

このような主流に対して、駆動ガスＧの一部は、駆動流路Ｒ2の上流側に設けられた貫通孔Ｓを介してリンク室Ｋに流れ込み、さらにシールド部材６の開口６ａを経由してリンク室Ｋ内を与圧状態にする。リンク室Ｋは、駆動ガスＧの一部が流入する貫通孔Ｓを除いて気密が確保されているので、リンク板５ｄ、シールド部材６及び一方の軸部５ｅは、駆動ガスＧの圧力によってタービンインペラ４の先端部側（回転軸３の反対側）に押し付ける押圧力（付勢力）を受ける。

そして、このような押圧力（付勢力）がリンク板５ｄ及び一方の軸部５ｅに作用することによって、ノズルベーン５ｃは、図２に示すように第１支持板５ａと第２支持板５ｂとの間の中間位置から第２支持板５ｂ側に変位する。すなわち、従来のように、駆動ガスＧの一部をリンク室Ｋに取り込まず、上記押圧力（付勢力）を作用させない場合、ノズルベーン５ｃは第１支持板５ａと第２支持板５ｂとの間の中間に位置する（Ｘ1＝Ｘ2）が、本実施形態では上記押圧力（付勢力）が作用することによって、ノズルベーン５ｃは、第１支持板５ａよりも第２支持板５ｂ（タービンインペラ４の先端部側）に近いところに位置する（Ｘ2＞Ｘ1）。

図４は、ＣＬ＝Ｘ1／（Ｘ1＋Ｘ2）とした変位量ＣＬに対するタービン効率変化量を示す図である。この図３に示すように、ノズルベーン５ｃが第１支持板５ａよりも第２支持板５ｂ（タービンインペラ４の先端部側）に近いところに位置した場合のタービン効率は、ノズルベーン５ｃによって駆動ガスＧの流入容積を最小に絞り込んだ状態においては、ノズルベーン５ｃが第１支持板５ａと第２支持板５ｂとの中間に位置した場合のタービン効率よりも高い値となる。

すなわち、タービン効率の変化量をノズルベーン５ｃが第１支持板５ａと第２支持板５ｂとの中間に位置する場合（ＣＬ＝０．５）のタービン効率を基準（変化量＝０）として見ると、タービン効率は、ＣＬ値が大きくなる（ノズルベーン５ｃが第２支持板５ｂから離れる）と変化量がマイナスの値となり、ＣＬ値が小さくなる（ノズルベーン５ｃが第２支持板５ｂに近づく）と変化量がプラスの値となる。

したがって、本実施形態によれば、駆動ガスＧの一部をリンク室Ｋに取り込むことによって発生する押圧力（付勢力）によってノズルベーン５ｃを第１支持板５ａよりも第２支持板５ｂ（タービンインペラ４の先端部側）に近いところに位置させるので、従来よりもタービン効率を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、駆動ガスＧの一部をリンク室Ｋに取り込むことによって押圧力（付勢力）を発生させる付勢手段を採用したが、本発明の付勢手段はこれに限定されない。上記押圧力（付勢力）を発生させるための手段としては、種々のものが考えられる。例えば、一方の軸部５ｅと軸受ハウジング１との間に圧縮バネを介装して押圧力を発生させるようにしても良く、また過給機に本願発明を適用する場合にはラジアルタービンに軸結合する圧縮機の吐出ガスをリンク室Ｋに取り込んで押圧力（付勢力）を発生させるようにしても良い。

（２）また、上記実施形態では、シールド部材６に開口６ａ（丸穴）を設けることによって、駆動ガスＧの一部をリンク板５ｄの裏面側に取り込んで上記押圧力（付勢力）を発生させるようにしたが、本発明はこれに限定されない。リンク室Ｋに収容されるシールド部材６及びリンク板５ｄの形状や配置態様には種々のものが考えられるので、シールド部材６及びリンク板５ｄに開口（丸穴）を形成することにより、駆動ガスＧの一部をリンク板５ｄの裏面側に取り込むことも考えられる。

Ａ…ラジアルタービン（可変容量型タービン）、１…軸受ハウジング、２…タービンハウジング、３…回転軸、４…タービンインペラ、５…ノズルユニット、５ａ…第１支持板、５ｂ…第２支持板、５ｃ…ノズルベーン、５ｄ…リンク板、５ｅ、５ｆ…軸部、６〜８…シールド部材、９…支持部材、Ｇ…駆動ガス、Ｒ1…スクロール流路、Ｒ2…駆動流路、Ｒ3…排気流路、Ｋ…リンク室、Ｓ…貫通孔

Claims (5)

1. タービンインペラの回転軸方向に軸支された複数のノズルベーンによってスクロール流路からタービンインペラに流入する駆動ガスの流入容積を可変設定する可変容量型タービンであって、
   ノズルベーンをタービンインペラの先端方向に押圧する付勢手段を備えることを特徴とする可変容量型タービン。
2. 付勢手段は、複数のノズルベーンを駆動するリンク機構が収容されると共にノズルベーンに対してタービンインペラの基端側に設けられるリンク室に、付勢用ガスを流入させることによってノズルベーンをタービンインペラの先端方向に押圧することを特徴とする請求項１記載の可変容量型タービン。
3. 付勢用ガスは、スクロール流路から分離して得られる駆動ガスの一部であることを特徴とする請求項２記載の可変容量型タービン。
4. スクロール流路とリンク室との間に設けられたシールド部材に開口を設けて駆動ガスの一部を付勢用ガスとしてリンク室に取り込むことを特徴とする請求項３記載の可変容量型タービン。
5. スクロール流路を形成するタービンハウジングと第１支持板との隙間を介してリンク室に付勢用ガスを流入させることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の可変容量型タービン。

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