JP2012102642A - 可変ノズル付きタービン - Google Patents

Abstract

【課題】タービンハウジングからアクチュエータへ伝わる熱量を低減できる構成を備える可変ノズル付きタービンを提供する。
【解決手段】可変ノズル付きタービン１０は、駆動用ガスにより回転軸回りに回転駆動されるタービン翼３と、タービン翼を内部に収容しタービン翼へ駆動用ガスを供給する流路５ａが内部に形成されたタービンハウジング５と、流路５ａに設けられた可動翼７と、可動翼７を伝動機構４３を介して駆動することにより駆動用ガスの流速を調節するアクチュエータ９と、タービンハウジング５に取り付けられた取り付け部材１１とを備える。アクチュエータ９は、タービンハウジングから半径方向外側に空間３７を隔てて位置するように、取り付け部材１１に結合されている。タービン軸方向に空間３７に連通する貫通穴１１ｃが、取り付け部材１１に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変ノズル付きタービンに関する。

可変ノズル付きタービンは、タービン翼、タービンハウジング、複数の可動翼、アクチュエータ、および取り付け部材を備える、タービン翼は、駆動用ガス（エンジンの排ガス）により回転駆動される。タービンハウジングは、タービン翼を内部に収容する。タービンハウジングの内部には、タービン翼へ駆動用ガスを供給する流路が形成されている。この流路は、タービンの軸方向から見た場合、環状である。複数の可動翼は、前記流路にて、タービンの周方向に間隔を置いて設けられる。これらの可動翼により可変ノズルが構成される。アクチュエータは、複数の可動翼を伝動機構を介して駆動することにより駆動用ガスの流速を調節する。アクチュエータは、取り付け部材を介してタービンハウジングに取り付けられている。

なお、熱伝導を抑制する先行技術文献として、下記の特許文献１がある。特許文献１では、タービンハウジングとシリンダヘッドとの間の熱伝導を防止するため、両者の間にスペーサを配置している。

特開２００５−３４４６６７号公報

上述したアクチュエータは、高温のタービンハウジングから熱を受けることにより高温となる。そのため、タービンハウジングからアクチュエータへ伝わる熱量を低減するために、タービンハウジングとアクチュエータとの間に遮熱板を配置している。

しかし、タービンハウジングからアクチュエータへの伝熱量をさらに低減するために上述の遮熱板に加えた構成により、または、上述の遮熱板に代わる構成により、アクチュエータの温度を低下させることが望まれる。

そこで、本発明の目的は、上述の遮熱板に加えて、または、上述の遮熱板に代えて使用可能な構成であって、タービンハウジングからアクチュエータへ伝わる熱量を低減できる構成を備える可変ノズル付きタービンを提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明によると、駆動用ガスにより回転軸回りに回転駆動されるタービン翼と、
タービン翼を内部に収容し、タービン翼へ駆動用ガスを供給する流路が内部に形成されたタービンハウジングと、
前記流路に設けられた可動翼と、
駆動力を発生するアクチュエータと、
前記駆動力を前記可動翼に伝達することにより、駆動用ガスの流速を調節するように前記可動翼を動作させる伝動機構と、
前記タービンハウジングに取り付けられた取り付け部材と、を備え、
前記アクチュエータは、前記回転軸に対する半径方向外側に前記タービンハウジングから空間を隔てて位置するように、前記取り付け部材に結合されており、
前記平行な方向に前記空間に連通する貫通穴が、前記取り付け部材に形成されている、ことを特徴とする可変ノズル付きタービンが提供される。

本発明の好ましい実施形態によると、前記取り付け部材は、前記回転軸と平行な方向に関してタービンハウジングの一方側に位置する。

好ましくは、前記空間は、前記平行な方向に関して、前記貫通穴を通して該貫通穴の側に開放されているだけでなく、該貫通穴と反対側にも開放されている。

本発明の好ましい実施形態によると、前記半径方向に関して、前記タービンハウジングと前記空間との間には第１の遮熱体が配置されている。

また、本発明の好ましい実施形態によると、前記半径方向に関して、前記アクチュエータと前記空間との間には第２の遮熱体が配置されている。

上述した本発明によると、前記取り付け部材は、前記回転軸と平行な方向に関してタービンハウジングの一方側に位置し、前記アクチュエータは、前記回転軸に対する半径方向外側に前記タービンハウジングから空間を隔てて位置するように、前記取り付け部材に結合されており、前記平行な方向に前記空間に連通する貫通穴が、前記取り付け部材に形成されている。
この構成により、前記貫通穴を通して前記空間から熱を外部に放射することができるので、前記空間内の温度を低下させることができる。これに伴い、アクチュエータの温度も低下させることができる。

本発明の実施形態による可変ノズル付きタービンを備えた過給機を示す。 図１のＩＩ−ＩＩ矢視図である。 （Ａ）は、図２のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ矢視図であり、（Ｂ）は、図２のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ矢視図である。 図１の部分拡大図であり、伝熱抑制結合構造を示す。 図１のＶ−Ｖ線断面図であり、タービンハウジング近傍を示す。

本発明の好ましい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。

図１は、本発明の実施形態による可変ノズル付きタービン１０を備えた過給機２０を示す。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ矢視図である。

可変ノズル付きタービン１０は、タービン翼３、タービンハウジング５、可動翼７、アクチュエータ９、および取り付け部材１１を備える。

タービン翼３は、駆動用ガス（エンジンの排ガス）により回転軸Ｃｔ回りに回転駆動される。タービン１０の周方向に間隔をおいて配置された複数のタービン翼３によりタービン羽根車１３を構成している。

タービンハウジング５は、タービン翼３を内部に収容するとともに、タービン翼３へ駆動用ガスを供給する流路５ａを内部に形成している。流路５ａは、回転軸Ｃｔと平行な方向（以下、単にタービン軸方向という）から見た場合、環状である。

可動翼７は、流路５ａに設けられる。可動翼７は、タービン１０の周方向に間隔を置いて流路５ａに複数設けられる。これらの可動翼７により可変ノズルが構成される。

アクチュエータ９は、駆動力を発生する。当該駆動力は、後述の伝動機構４３を介して複数の可動翼７に伝達されることにより、駆動用ガスの流速を調節するように可動翼７を動作させる。図１の例では、アクチュエータ９はサーボモータである。

取り付け部材１１は、タービンハウジング５に取り付けられている。取り付け部材１１は、タービン軸方向に関してタービンハウジング５の一方側（この例では、タービン１０の排気口１２ａ側）に位置する。排気口１２ａは、タービン翼３を駆動した駆動用ガスを排出する。排気口１２ａは、図１の例では、タービンハウジング５に取り付けられた排気口形成部材１２により形成されている。

本実施形態によると、タービンハウジング５とアクチュエータ９との間に、タービン軸方向に開放された空間３７を形成している。アクチュエータ９は、タービンハウジング５から空間３７を隔てて回転軸Ｃｔに対する半径方向外側に位置するように、取り付け部材１１に結合されている。取り付け部材１１には、その厚み方向（タービン軸方向）に空間３７に連通する貫通穴１１ｃが形成されている。従って、空間３７は、タービン軸方向に関して、取り付け部材１１側に貫通穴１１ｃを通して開放されている。
このような構成により、貫通穴１１ｃを通して空間３７から熱を外部に放射することができるので、空間３７内の温度を低下させることができる。その結果、アクチュエータ９の温度も低下させることができる（なお、この効果は、貫通穴１１ｃを形成するという簡単な構成により達成可能である）。

空間３７は、図１のように、タービン軸方向に関して、取り付け部材１１と反対側にも開放することができる。図１の例では、空間３７から見て、取り付け部材１１と反対側には、空間３４が存在しているからである。
このような構成により、タービン軸方向の一方側から空間３７へ空気が流入し、空間３７からタービン軸方向の他方側へ空気を流出させることができるので、空間３７内の温度をさらに低下させることができる。その結果、アクチュエータ９の温度もさらに低下させることができる。

本実施形態によると、第１および第２の遮熱体３９、４１の一方または両方が設けられる。図３（Ａ）は、図２のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ矢視図であり、図３（Ｂ）は、図２のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ矢視図である。

第１の遮熱体３９は、タービン１０の半径方向に関して、タービンハウジング５と空間３７との間に配置され両者の間を遮断する。第１の遮熱体３９は、図２に示すように、タービン１０の半径方向にタービンハウジング５を覆う一方面３９ａと、タービン１０の半径方向に空間３７を覆う他方面３９ｂとを有する。これらの一方面３９ａと他方面３９ｂはタービン軸方向に延びている。この例では、第１の遮熱体３９は、板状の部材である。第１の遮熱体３９は、タービンハウジング５の材料（例えば、鋳鉄）および取り付け部材１１の材料（例えば、鋳鉄）よりも熱伝導率が低い材料（例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ））で形成されている。従って、タービン１０の半径方向に関して、タービンハウジング５から空間３７を介してアクチュエータ９に伝わる熱量を減らすことができる。

第２の遮熱体４１は、タービンの半径方向に関して、アクチュエータ９と空間３７との間に配置され両者の間を遮断する。第２の遮熱体４１は、図２に示すように、タービン１０の半径方向にアクチュエータ９を覆う一方面４１ａと、タービン１０の半径方向に空間３７を覆う他方面４１ｂとを有する。これらの一方面４１ａと他方面４１ｂはタービン軸方向に延びている。この例では、第２の遮熱体４１は板状の部材である。第２の遮熱体４１は、タービンハウジング５の材料および取り付け部材１１の材料よりも熱伝導率が低い材料（例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ））で形成されている。従って、タービン１０の半径方向に関して空間３７からアクチュエータ９へ伝わる熱量を減らすことができ、その結果、タービン１０の半径方向に関して、タービンハウジング５から空間３７を介してアクチュエータ９に伝わる熱量を減らすことができる。

このように、アクチュエータ９とタービンハウジング５との間に、遮熱体３９、４１の間の空間３７が配置されていることにより、タービンハウジング５からアクチュエータ９への輻射熱を低減できる。

第１および第２の遮熱体３９、４１は、取り付け部材１１に結合されている。
第１の遮熱体３９を取り付け部材１１に結合するために、図３（Ａ）の例では、タービン軸方向に薄い板状部分４２を第１の遮熱体３９と一体化させ、この板状部分４２をボルト３６で取り付け部材１１に結合している。
第２の遮熱体４１を取り付け部材１１に結合するために、図３（Ｂ）の例では、タービン軸方向に薄い板状部分４４を第２の遮熱体４１と一体化させ、この板状部分４４をボルト３８で取り付け部材１１に結合している。

可変ノズル付きタービン１０は、図１の例では、過給機２０に設けられている。すなわち、過給機２０において、タービン羽根車１３は、回転シャフト１５を介しコンプレッサ羽根車１７に連結され、コンプレッサ羽根車１７と一体的に回転するようになっている。従って、図示しないエンジンからの駆動用ガス（排ガス）によりタービン羽根車１３が回転駆動されることにより、コンプレッサ羽根車１７は、回転駆動されて吸入空気を圧縮してエンジンへ送出する。

可変ノズル付きタービン１０は、好ましくは、以下の構成１〜３の少なくともいずれかを有する。すなわち、可変ノズル付きタービン１０は、構成１〜３のいずれかを、または、構成１〜３を任意に組み合わせたものを有する。

（構成１）
取り付け部材１１とアクチュエータ９とを結合しつつ両者間の熱伝導を抑制する伝熱抑制結合構造３０を設ける。

伝熱抑制結合構造３０は、取り付け部材１１と、アクチュエータ９と、ボルト１９と、ナット２１と、第１および第２の伝熱抑制部材２３、２５とを備える。図４は、図１の部分拡大図であり、伝熱抑制結合構造３０を示す。

取り付け部材１１は、貫通孔２７が形成されている貫通孔形成部１１ａを有する。図１の例では、取り付け部材１１は、タービン軸方向に薄い板状であり、その前後面が該軸方向を向いている。

ボルト１９は、貫通孔２７に通され、アクチュエータ９に一端側が結合している。図４の例では、ボルト１９は、一端側がアクチュエータ９のボルト孔に螺合することによりアクチュエータ９に結合している。

ナット２１は、ボルト１９の他端側に螺合している。ナット２１とアクチュエータ９とで貫通孔形成部１１ａを挟み込むことにより、貫通孔形成部１１ａ（取り付け部材１１）とアクチュエータ９とを結合している。

第１の伝熱抑制部材２３は、貫通孔形成部１１ａとアクチュエータ９との間に配置され、両者間の熱伝導を抑制する。第１の伝熱抑制部材２３は、貫通孔形成部１１ａに接触する接触面２３ａと、アクチュエータ９のフランジ部９ａに接触する接触面２３ｂとを有する。

第２の伝熱抑制部材２５は、ナット２１と貫通孔形成部１１ａとの間に配置され、両者間の熱伝導を抑制する。第２の伝熱抑制部材２５は、ナット２１に接触する接触面２５ａと、貫通孔形成部１１ａに接触する接触面２５ｂとを有する。

第１および第２の伝熱抑制部材２３、２５の接触面２３ａ、２３ｂ、２５ａ、２５ｂは、好ましくは多数の凹凸を有する。これにより、第１および第２の伝熱抑制部材２３、２５の接触面２３ａ、２３ｂ、２５ａ、２５ｂと、相手側部材（すなわち、アクチュエータ９、貫通孔形成部１１ａまたはナット２１）との接触面積を少なくすることができる。例えば、接触面２３ａ、２３ｂ、２５ａ、２５ｂは、相手側部材と、多数の局所部分（点部分）でのみ接触するようにしてよい。この構成により、第１または第２の伝熱抑制部材２３、２５と相手側部材との熱伝導を低減できる。
なお、接触面２３ａ、２３ｂ、２５ａ、２５ｂの面粗さは、一例では、２５Ｒａ程度である。

第１および第２の伝熱抑制部材２３、２５は、本実施形態において、タービンハウジング５の材料および取り付け部材１１の材料よりも熱伝導率が低い材料（例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ））で形成されている。

第１および第２の伝熱抑制部材２３、２５は、各ボルト１９毎に設けられ、該伝熱抑制部材２３、２５は、該ボルト１９が貫通するようになっている。そのために、伝熱抑制部材２３、２５は、ボルト１９の軸と平行な方向から見た場合に、中心部にボルト１９が貫通する環状であってよい。

ボルト１９は、貫通孔２７の内周壁に接触することなく貫通孔２７を貫通している。この構成で、貫通孔形成部１１ａとボルト１９との間の熱伝導を抑制できる。

取り付け部材１１とアクチュエータ９との間に第１の伝熱抑制部材２３を設けることにより、取り付け部材１１とアクチュエータ９との間の直接的な熱伝導を防止できるだけでなく、ボルト１９に螺合したナット２１と取り付け部材１１との間にも第２の伝熱抑制部材２５を設けることにより、ボルト１９を介した、取り付け部材１１とアクチュエータ９との間の熱伝導も防止できる。その結果、アクチュエータ９の温度を約２％下げることができる。

なお、図４において、取り付け部材１１の代わりに、アクチュエータ９のフランジ部９ａが、貫通孔が形成されている貫通孔形成部を有していてもよい。この場合、ボルト１９は、当該貫通孔に通され、取り付け部材１１に一端側が結合し、ボルト１９の他端側にナット２１が螺合し、ナット２１と取り付け部材１１とでフランジ部９ａの前記貫通孔形成部を挟み込むことにより、当該貫通孔形成部を取り付け部材１１に結合させ、第１の伝熱抑制部材２３は、当該貫通孔形成部と取り付け部材１１との間で両者に接触する接触面を有し両者間の熱伝導を抑制し、第２の伝熱抑制部材２５は、ナット２１と貫通孔形成部との間で両者に接触する接触面を有し両者間の熱伝導を抑制する。

また、第１および第２の伝熱抑制部材２３、２５の接触面２３ａ、２３ｂ、２５ａ、２５ｂが多数の凹凸を有する代わりに、上述の相手側部材が上述した多数の凹凸を有していてもよい。

（構成２）
タービンハウジング５と取り付け部材１１との間には、図１のように、スペーサ部材２９が設けられる。図１の例では、スペーサ部材２９は、取り付け部材１１をタービンハウジング５に結合させるボルト３１の位置に設けられる。すなわち、各ボルト３１毎に、スペーサ部材２９が設けられ、該スペーサ部材２９には、該ボルト３１が貫通するようになっている。そのために、スペーサ部材２９は、ボルト３１の軸方向から見た場合に、中心部にボルト３１が貫通する環状であってよい。
このようなスペーサ部材２９により、タービンハウジング５と取り付け部材１１が直接接触しないようにすることができる。この構成２により、アクチュエータ９の温度を約４％下げることができる。
なお、図１、図２では、ボルト３１の一端側部分がタービンハウジング５のボルト孔と螺合し、ボルト３１の他端側部分にナット３３を螺合させ、ナット３３を締め付ける。これにより、取り付け部材１１をタービンハウジング５に取り付けている。

（構成３）
取り付け部材１１におけるタービンハウジング５側のタービン軸方向を向く受熱面１１ｂに、インシュレータ（断熱材）３５を設ける。図２において、インシュレータ３５は、破線による斜線部分である。図１、図２の例では、取り付け部材１１がボルト３１でタービンハウジング５に結合されている部位の近傍にわたってインシュレータ３５が存在している。また、インシュレータ３５は、受熱面１１ｂを覆うように受熱面１１ｂに沿って延びている。インシュレータ３５は、タービンハウジング５の材料および取り付け部材１１の材料よりも熱伝導率が低い材料（例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ））で形成されている。
このようなインシュレータ３５により、タービンハウジング５から取り付け部材１１への輻射熱を遮断することができる。この構成３により、アクチュエータ９の温度を約５％下げることができる。

（可変ノズルの駆動機構）
図５は、図１のＶ−Ｖ線断面図であり、タービンハウジング５近傍を示す。

上述の実施形態において、アクチュエータ９はサーボモータであり、サーボモータ９の回転駆動力を、伝動機構４３により複数の可動翼７に伝達して、複数の可動翼７を揺動させる。
伝動機構４３は、図１、図２、図５の例では、第１〜３連結部材４５、４７、４９、連結シャフト５１、第１の揺動部材５３、回動リング５５、第２の揺動部材５７、および回動ピン５９を有する。

第１の連結部材４５の一端部が、図２のように、タービン軸方向と平行に配置されたサーボモータ９の出力シャフト９ｂに固定される。第１の連結部材４５は、サーボモータ９により、出力シャフト９ｂの中心軸Ｃａを中心に出力シャフト９ｂと一体的に回転駆動される。
第１の連結部材４５の他端部は、第２の連結部材４７に対して中心軸Ｃ１回りに回転可能に、第２の連結部材４７の一端部に連結される。
第２の連結部材４７の他端部は、第３の連結部材４９に対して中心軸Ｃ２回りに回転可能に第３の連結部材４９の一端部に連結される。
第３の連結部材４９の他端部は、図１、図５のように、タービン軸方向と平行に配置された連結シャフト５１の一端部に固定されている。連結シャフト５１は、自身の軸回りに回転自在に取り付け部材１１に支持されている。
連結シャフト５１の他端部は、第１の揺動部材５３の一端部に固定されている。
第１の揺動部材５３の他端部は、回動リング５５に係合している。
回動リング５５は、タービンハウジング５に対しタービン１０の中心軸Ｃｔ回りに回転可能に、タービンハウジング５に取り付けられている。
回動リング５５には、タービン１０の軸方向に延びる複数のピン５５ａが一体的に結合されており、各ピン５５ａには、第２の揺動部材５７の一端部が係合している。
第２の揺動部材５７の他端部には、回動ピン５９の一端部が固定されている。回動ピン５９は、自身の軸周りに回転可能に、タービンハウジング５に支持されている。
回動ピン５９の他端部には可動翼７が固定されている。

上述の構成で、サーボモータ９の出力シャフト９ｂが回転すると、出力シャフト９ｂと一体的に回転する第１の連結部材４５は、第２の連結部材４７を介して第３の連結部材４９を連結シャフト５１の軸回りに回転させる。第２の連結部材４９と一体的に、連結シャフト５１および第１の揺動部材５３も回転する。第１の揺動部材５３が回転すると、第１の揺動部材５３に係合している回動リング５５が、図５の矢印Ａ方向に回動する。この回動により、回動リング５５のピン５５ａに係合している各第２の揺動部材５７は、回動ピン５９と一体的に、回動ピン５９の軸を中心に回動する。その結果、回動ピン５９に固定されている可動翼７は、回動ピン５９の軸を中心に揺動させられる。このような動作により、複数の可動翼７により構成されている可変ノズルを動作させて、タービン翼３へ供給される駆動ガスの流速を調節する。

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。

例えば、本発明の可変ノズル付きタービンは、上述の実施形態では過給機に設けられたものであるが、他の機器に設けられるものであってもよい。

また、上述の実施形態では、遮熱体３９、４１は２つ設けられ、空間３７は１つ設けられ、貫通穴１１ｃは１つ設けられていたが、遮熱体３９、４１、空間３７および貫通穴１１ｃの数は、これらに限定されない。すなわち、タービン１０の半径方向に関して、タービンハウジング５とアクチュエータ９の間に、１個または３個以上の遮熱体（遮熱板）が間隔（空間３７）を置いて設けられてもよい。
ｎ個の遮熱体（遮熱板）が設けられる場合、半径方向に隣接する遮熱体により区画される空間３７は、（ｎ−１）個になる。当該各空間３７には、貫通穴１１ｃがタービン１０の軸方向に連通するので、貫通穴１１ｃは（ｎ−１）個になる。
１つの遮熱体（遮熱板）が設けられる場合、上述した第１および第２の遮熱体３９、４１の一方が省略される。

３ タービン翼、５ タービンハウジング、５ａ 流路、７ 可動翼、９ アクチュエータ（サーボモータ）、１０ 可変ノズル付きタービン、１１ 取り付け部材、３７ 空間、３９ 第１の遮熱体、４１ 第２の遮熱体、４３ 伝動機構

Claims (4)

1. 駆動用ガスにより回転軸回りに回転駆動されるタービン翼と、
   タービン翼を内部に収容し、タービン翼へ駆動用ガスを供給する流路が内部に形成されたタービンハウジングと、
   前記流路に設けられた可動翼と、
   駆動力を発生するアクチュエータと、
   前記駆動力を前記可動翼に伝達することにより、駆動用ガスの流速を調節するように前記可動翼を動作させる伝動機構と、
   前記タービンハウジングに取り付けられた取り付け部材と、を備え、
   前記アクチュエータは、前記回転軸に対する半径方向外側に前記タービンハウジングから空間を隔てて位置するように、前記取り付け部材に結合されており、
   前記平行な方向に前記空間に連通する貫通穴が、前記取り付け部材に形成されている、ことを特徴とする可変ノズル付きタービン。
2. 前記空間は、前記平行な方向に関して、前記貫通穴を通して該貫通穴の側に開放されているだけでなく、該貫通穴と反対側にも開放されている、ことを特徴とする請求項１に記載の可変ノズル付きタービン。
3. 前記半径方向に関して、前記タービンハウジングと前記空間との間には第１の遮熱体が配置されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の可変ノズル付きタービン。
4. 前記半径方向に関して、前記アクチュエータと前記空間との間には第２の遮熱体が配置されている、ことを特徴とする請求項１、２または３に記載の可変ノズル付きタービン。