JP2014156809A - 可変ノズルユニット及び可変容量型過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン効率を高いレベルまで向上させること。
【解決手段】各可変ノズル翼６１における第１インナ鍔６５は、翼長さ方向ＳＤの中央側に、第１翼軸６３の軸心を曲率中心とする円弧状の第１インナ鍔頂部６５ｔを有し、翼長さ方向ＳＤの両端側に、第１インナ鍔頂部６５ｔに滑らかに接続しかつ凹状に湾曲した第１インナ鍔裾部６５ｓをそれぞれ有し、各可変ノズル翼６１における第１インナ鍔６５の各第１インナ鍔裾部６５ｓの曲率半径Ｒ₁は、第１翼軸６３の軸径Ｄ₁よりも大きく設定されていること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、可変容量型過給機、ガスタービン等のターボ回転機械におけるタービンインペラ側へ供給される排気ガス等のガスの流路面積（流量）を可変とする可変ノズルユニット等に関する。

近年、可変容量型過給機に用いられる可変ノズルユニットについて種々の開発がなされており、本願の出願人も既に可変ノズルユニットについて開発して出願し、その内容も公開されている（特許文献１及び特許文献２等参照）。そして、その従来の可変ノズルユニットの具体的な構成は、次のようになる。

可変容量型過給機におけるタービンハウジング内には、第１ベースリングがタービンインペラと同心状に配設されており、この第１ベースリングには、複数の支持穴が円周方向に等間隔に貫通形成されている。また、第１ベースリングに対してタービンインペラの軸方向に離隔対向した位置には、第２ベースリングが第１ベースリングと一体的かつ同心状に設けられている。

第１ベースリングの対向面と第２ベースリングの対向面との間には、複数の可変ノズル翼が円周方向に等間隔に配設されており、各可変ノズル翼は、タービンインペラの軸心に平行な軸心周りに開閉方向（正逆方向）へ回動可能である。また、各可変ノズル翼の前記軸方向一方側の側面には、翼軸が一体形成されており、この翼軸は、第１ベースリングの対応する支持穴に回動可能に支持されている。そして、各可変ノズル翼の径方向内側翼面における翼軸の基端側には、第１ベースリングの対向面に接触可能なアウタ鍔が一体形成されており、このアウタ鍔は、翼軸の軸心を曲率中心とした円弧状を呈している。更に、可変ノズル翼の径方向内側翼面における翼軸の基端側には、第１ベースリングの対向面に接触可能なインナ鍔が一体形成されており、このインナ鍔は、翼軸の軸心を曲率中心とした円弧状を呈している。

ノズルリングの対向面の反対側には、複数の可変ノズル翼を同期して回動させるためのリンク機構（同期機構）が配設されている。ここで、複数の可変ノズル翼を開方向（正方向）へ同期して回動させると、複数の可変ノズル翼の開度が開かれ、タービンインペラ側へ供給される排気ガスの流路面積が大きくなると共に、複数の可変ノズル翼を閉方向（逆方向）へ同期して回動させると、複数の可変ノズル翼の開度が絞られ、前記排気ガスの流路面積が小さくなるようになっている。

特開２００９−２４３４３１号公報 特開２００９−２４３３００号公報

ところで、各可変ノズル翼におけるインナ鍔及びアウタ鍔はノズルリンクの支持穴からの排気ガスの漏れ及び可変ノズル翼の渋りの低減等のために必要であるものの、複数の可変ノズル翼の開度を絞った際に、高速の流れ（排気ガスの流れ）が各可変ノズル翼におけるインナ鍔（各インナ鍔）及びアウタ鍔（各アウタ鍔）に衝突すると、各インナ鍔及び各アウタ鍔の直下流側の流れが乱れて、各インナ鍔及び各アウタ鍔の直下流側の圧力損失が増大する。特に、各インナ鍔の直下流側の圧力損失の増大が顕著である。そのため、複数の可変ノズル翼の開度を絞った際における各インナ鍔の直下流側の圧力損失の増大を十分に抑制して、可変ノズルユニットを用いた可変容量型過給機の効率（タービン効率）をより高いレベルまで向上させることが強く望まれている。

なお、前述の要望は、可変ノズルユニットを可変容量型過給機に用いた場合だけでなく、ガスタービンに用いた場合においても同様に生じるものである。

そこで、本発明は、前述の要望に応えることができる、新規な構成の可変ノズルユニット等を提供することを目的とする。

本発明の発明者は、前述の課題を解決するために、試行錯誤を繰り返した結果、各可変ノズル翼におけるインナ鍔が翼長さ方向の中央側に円弧状のインナ鍔頂部を有し、翼長さ方向の両端側にインナ鍔頂部に滑らかに接続しかつ凹状に湾曲したインナ鍔裾部をそれぞれ有し、インナ鍔の各インナ鍔裾部の曲率半径が翼軸の軸径よりも大きく設定された場合（図７（ａ）に示す発明例に係る可変ノズル翼１００を用いた場合）には、各可変ノズル翼におけるインナ鍔全体が円弧状を呈している場合（図７（ｂ）に示す従来例に係る可変ノズル翼２００を用いた場合）に比べて、図８（ａ）（ｂ）及び図９（ａ）（ｂ）に示すように、複数の可変ノズル翼１００（２００）の開度を絞った際における各可変ノズル翼におけるインナ鍔の直下流側の圧力損失の大きな領域を十分に低減できるという、新規な知見を得ることができ、本発明を完成するに至った。これは、インナ鍔の形状を変更したことにより、各可変ノズル翼におけるインナ鍔（各インナ鍔）の直下流側の流れの乱れを抑えたことによるものと考えられる。なお、発明例に係る可変ノズル翼１００においては、一例として、インナ鍔の各インナ鍔裾部のフィレットアールが先端方向に向かって漸次小さくなるように設定されている。また、発明例に係る可変ノズル翼１００におけるアウタ鍔は、インナ鍔と同様の構成になっているが、従来例に係る可変ノズル翼２００におけるアウタ鍔と同様の構成にしても構わない。

ここで、図７（ａ）は、発明例に係る可変ノズル翼の斜視図、図７（ｂ）は、従来例に係る可変ノズル翼の斜視図、図８（ａ）は、発明例に係る可変ノズル翼を用いた可変ノズルユニットにおける第１ベースリングの対向面側の圧力損失の大きな領域を示す図、図８（ｂ）は、従来例に係る可変ノズル翼を用いた可変ノズルユニットにおける第１ベースリングの対向面側の圧力損失の大きな領域を示す図、図９（ａ）は、発明例に係る可変ノズル翼を用いた可変ノズルユニットにおける第２ベースリングの対向面側の圧力損失の大きな領域を示す図、図９（ｂ）は、従来例に係る可変ノズル翼を用いた可変ノズルユニットにおける第２ベースリングの対向面側の圧力損失の大きな領域を示す図である。また、 第１ベースリングの対向面側の圧力損失の大きな領域、及び第２ベースリングの対向面側の圧力損失の大きな領域は、複数の可変ノズル翼の開度（全開状態に対する開口比）を０．２５として、３次元定常粘性ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析により求めたものであって、この３次元定常粘性ＣＦＤ解析においては、可変ノズル翼を第２ベースリングの対向面側に寄せた状態を想定している。なお、図８及び図９に示すとおり、「ＲＤ」は、タービンインペラの回転方向である。

本発明の第１の特徴は、ターボ回転機械におけるタービンインペラ側へ供給されるガスの流路面積（流量）を可変とする可変ノズルユニットにおいて、前記ターボ回転機械におけるタービンハウジング内に前記タービンインペラと同心状に配設され、複数の支持穴が円周方向に等間隔に貫通形成された第１ベースリングと、前記第１ベースリングに対して前記タービンインペラの軸方向に離隔対向した位置に前記第１ベースリングと一体的かつ同心状に設けられた第２ベースリングと、前記第１ベースリングの対向面と前記第２ベースリングの対向面との間に円周方向に等間隔に配設され、前記タービンインペラの軸心に平行な軸心周りに開閉方向へ回動可能であって、前記軸方向一方側の側面に前記第１ベースリングの対応する前記支持穴に回動可能に支持される翼軸が一体形成され、径方向内側翼面における前記翼軸の基端側に前記第１ベースリングの対向面に接触可能（摺動可能）なインナ鍔が一体形成され、径方向外側翼面における前記翼軸の基端側に前記第１ベースリングの対向面に接触可能（摺動可能）なアウタ鍔が一体形成された複数の可変ノズル翼と、複数の前記可変ノズル翼を同期して回動させるためのリンク機構と、を具備し、各可変ノズル翼における前記インナ鍔は、翼長さ方向の中央側に、円弧状のインナ鍔頂部を有し、前記翼長さ方向の両端側に、前記インナ鍔頂部に滑らかに接続し（繋がり）かつ凹状に湾曲したインナ鍔裾部をそれぞれ有し、各可変ノズル翼における前記インナ鍔の各インナ鍔裾部の曲率半径が前記翼軸の軸径よりも大きく設定されていることを要旨とする。

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「ターボ回転機械」とは、可変容量型過給機、ガスタービンを含む意である。また、「配設され」とは、直接的に配設されたことの他に、別部材を介して間接的に配設されたことを含む意であって、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたことを含む意である。更に、「翼長さ方向」とは、可変ノズル翼の上流側の縁（前縁）と下流側の縁（後縁）を結ぶ方向のことをいう。

第１の特徴によると、エンジン回転数が高回転域にあって、ガスの流量が多い場合には、前記リンク機構を作動させつつ、複数の前記可変ノズル翼を開方向（正方向）へ同期して回動させることにより、複数の前記可変ノズル翼の開度を開いて、前記タービンインペラ側へ供給されるガスの流路面積を大きくし、多くのガスを供給する。一方、エンジン回転数が低回転域にあって、ガスの流量が少ない場合には、複数の前記可変ノズル翼を閉方向（逆方向）へ同期して回動させることにより、複数の前記可変ノズル翼の開度を絞って、前記タービンインペラ側へ供給されるガスの流路面積を小さくし、ガスの流速を高めて、前記タービンインペラの仕事量を十分に確保する。これにより、ガスの流量の多少に関係なく、前記タービンインペラによって回転力を十分かつ安定的に発生させることができる。

前述の作用を奏する他に、各可変ノズル翼における前記インナ鍔が前記翼長さ方向の中央側に前記インナ鍔頂部を有し、前記翼長さ方向の両端側に前記インナ鍔裾部をそれぞれ有し、各可変ノズル翼における前記インナ鍔の各インナ鍔裾部の曲率半径が前記翼軸の軸径よりも大きく設定されているため、前述の新規な知見を適用すると、従来例に係る可変ノズル翼２００（図７（ｂ）参照）を用いた場合に比べて、各可変ノズル翼におけるインナ鍔（各インナ鍔）の直下流側の流れの乱れを抑えて、複数の前記可変ノズル翼の開度を絞った際における各インナ鍔の直下流側の圧力損失の大きな領域を十分に低減できる。換言すれば、複数の前記可変ノズル翼の開度を絞った際における各インナ鍔の直下流側の圧力損失の増大を十分に抑制できる。

本発明の第２の特徴は、エンジンからのガスのエネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する可変容量型過給機において、第１の特徴からなる可変ノズルユニットを具備したことを要旨とする。

第２の特徴によると、第１の特徴による作用と同様の作用を奏する。

本発明によれば、複数の前記可変ノズル翼の開度を絞った際における各インナ鍔の直下流側の圧力損失を十分に抑制できるため、前記可変ノズルユニットを用いた前記可変容量型過給機又は前記ガスタービンの効率（タービン効率）をより高いレベルまで向上させることができる。

図１（ａ）は、ノズルリングの対向面側から見た可変ノズルの断面図、図１（ｂ）は、シュラウドリングの対向面側から見た可変ノズルの断面図である。 図２（ａ）は、図１（ａ）におけるIIA-IIA線に沿った拡大断面図、図２（ｂ）は、図１（ａ）におけるIIB-IIB線に沿った拡大断面図、図２（ｃ）は、図１（ａ）におけるIIC-IIC線に沿った拡大断面図であって、可変ノズル翼の一部のみ図示してある。 図３は、図５におけるIII-III線に沿った拡大断面図であって、複数の可変ノズル翼の開度を絞った状態を示している。 図４は、図５におけるIII-III線に沿った拡大断面図であって、複数の可変ノズル翼の開度を開いた状態を示している。 図５は、図６における矢視部Vの拡大図である。 図６は、本発明の実施形態に係る可変容量型過給機の正断面図である。 図７（ａ）は、発明例に係る可変ノズル翼の斜視図、図７（ｂ）は、従来例に係る可変ノズル翼の斜視図である。 図８（ａ）は、発明例に係る可変ノズル翼を用いた可変ノズルユニットにおける第１ベースリングの対向面側の圧力損失の大きな領域を示す図、図８（ｂ）は、従来例に係る可変ノズル翼を用いた可変ノズルユニットにおける第１ベースリングの対向面側の圧力損失の大きな領域を示す図である。 図９（ａ）は、発明例に係る可変ノズル翼を用いた可変ノズルユニットにおける第２ベースリングの対向面側の圧力損失の大きな領域を示す図、図９（ｂ）は、従来例に係る可変ノズル翼を用いた可変ノズルユニットにおける第２ベースリングの対向面側の圧力損失の大きな領域を示す図である。 図１０は、複数の可変ノズル翼の開度と圧力損失係数の改善度との関係を示す図である。

本発明の実施形態について図１から図６、図１０を参照して説明する。なお、図面に示すとおり、「ＡＤ」は、左方向、「ＢＤ」は、右方向、「ＲＤ」は、タービンインペラの回転方向である。

図６に示すように、本発明の実施形態に係る可変容量型過給機１は、エンジン（図示省略）からの排気ガスのエネルギーを利用して、エンジンに供給される空気を過給（圧縮）するものである。そして、可変容量型過給機１の具体的な構成等は、以下のようになる。

可変容量型過給機１は、ベアリングハウジング３を具備しており、ベアリングハウジング３内には、ラジアルベアリング５及び一対のスラストベアリング７が設けられている。また、複数のベアリング５，７には、左右方向へ延びたロータ軸（タービン軸）９が回転可能に設けられており、換言すれば、ベアリングハウジング３には、ロータ軸９が複数のベアリング５，７を介して回転可能に設けられている。

ベアリングハウジング３の右側には、コンプレッサハウジング１１が設けられており、このコンプレッサハウジング１１内には、遠心力を利用して空気を圧縮するコンプレッサインペラ１３がその軸心（換言すれば、ロータ軸９の軸心）Ｃ周りに回転可能に設けられている。また、コンプレッサインペラ１３は、ロータ軸９の右端部に一体的に連結されたコンプレッサホイール１５と、このコンプレッサホイール１５の外周面に周方向に等間隔に設けられた複数のコンプレッサブレード１７とを備えている。

コンプレッサハウジング１１におけるコンプレッサインペラ１３の入口側（コンプレッサハウジング１１の右側部）には、空気を導入するための空気導入口１９が形成されており、この空気導入口１９は、空気を浄化するエアクリーナ（図示省略）に接続可能である。また、ベアリングハウジング３とコンプレッサハウジング１１との間におけるコンプレッサインペラ１３の出口側には、圧縮された空気を昇圧する環状のディフューザ流路２１が形成されており、このディフューザ流路２１は、空気導入口１９に連通してある。更に、コンプレッサハウジング１１の内部には、渦巻き状のコンプレッサスクロール流路２３が形成されており、このコンプレッサスクロール流路２３は、ディフューザ流路２１に連通してある。そして、コンプレッサハウジング１１の適宜位置には、圧縮された空気を排出するための空気排出口２５が形成されており、この空気排出口２５は、コンプレッサスクロール流路２３に連通してあって、エンジンの吸気マニホールド（図示省略）に接続可能である。

図５及び図６に示すように、ベアリングハウジング３の左側には、タービンハウジング２７が設けられており、このタービンハウジング２７内には、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させるタービンインペラ２９が軸心（タービンインペラ２９の軸心、換言すれば、ロータ軸９の軸心）Ｃ周りに回転可能に設けられている。また、タービンインペラ２９は、ロータ軸９の左端部に一体的に設けられたタービンホイール３１と、このタービンホイール３１の外周面に周方向に等間隔に設けられた複数のタービンブレード３３とを備えている。

タービンハウジング２７の適宜位置には、排気ガスを導入するためのガス導入口３５が形成されており、このガス導入口３５は、エンジンの排気マニホールド（図示省略）に接続可能である。また、タービンハウジング２７の内部には、渦巻き状のタービンスクロール流路３７が形成されており、このタービンスクロール流路３７は、ガス導入口３５に連通してある。そして、タービンハウジング２７におけるタービンインペラ２９の出口側（タービンハウジング２７の左側部）には、排気ガスを排出するためのガス排出口３９が形成されており、このガス排出口３９は、タービンスクロール流路３７に連通してあって、排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置（図示省略）に接続可能である。

なお、ベアリングハウジング３の左側面には、タービンインペラ２９側からの熱を遮蔽する環状の遮熱板４１が設けられており、ベアリングハウジング３の左側面と遮熱板４１の外縁部との間には、波ワッシャ４３が設けられている。

タービンハウジング２７内には、タービンインペラ２９側へ供給される排気ガスの流路面積（流量）を可変とする可変ノズルユニット４５がタービンインペラ２９を囲むように配設されており、この可変ノズルユニット４５の具体的な構成は、次のようになる。

図５に示すように、タービンハウジング２７内には、第１ベースリングとしてのノズルリング４７が取付リング４９を介してタービンインペラ２９と同心状に配設されており、このノズルリング４７の内周縁部は、遮熱板４１の外周縁部に嵌合してある。また、ノズルリング４７には、複数（１つのみ図示）の第１支持穴５１が円周方向に等間隔に貫通形成されている。なお、取付リング４９の外周縁部は、ベアリングハウジング３とタービンハウジング２７によって挟持されている。

ノズルリング４７に対して左右方向（タービンインペラ２９の軸方向）に離隔対向した位置には、第２ベースリングとしてのシュラウドリング５３が複数の連結ピン５５を介してノズルリング４７と一体的かつ同心状に設けられている。また、シュラウドリング５３は、内周縁側に、ガス排出口３９側（ノズルリング４７の反対側）へ突出しかつ複数のタービンブレード３３の外縁を覆う筒状のシュラウド部５７を有している。そして、シュラウドリング５３には、複数（１つのみ図示）の第２支持穴５９がノズルリング４７の複数の第１支持穴５１に整合するように円周方向に等間隔に形成されている。なお、複数の連結ピン５５は、ノズルリング４７の対向面とシュラウドリング５３の対向面との間隔を設定する機能を有している。

図１（ａ）（ｂ）、図３、図４、及び図５に示すように、ノズルリング４７の対向面とシュラウドリング５３の対向面との間には、複数の可変ノズル翼６１が円周方向に等間隔に配設されており、各可変ノズル翼６１は、タービンインペラ２９の軸心Ｃに平行な軸心周りに開閉方向（正逆方向）へ回動可能である。そして、各可変ノズル翼６１の右側面（タービンインペラ２９の軸方向一方側の側面）には、第１翼軸６３が一体形成されており、この第１翼軸６３は、ノズルリング４７の対応する第１支持穴５１に回動可能に支持されている。また、各可変ノズル翼６１の径方向内側翼面６１ｉにおける第１翼軸６３の基端側には、ノズルリング４７の対向面に接触可能（摺動可能）な第１インナ鍔６５が一体形成されており、各可変ノズル翼６１の径方向外側翼面６１ｅにおける第１翼軸６３の基端側には、ノズルリング４７の対向面に接触可能な第１アウタ鍔６７が一体形成されている。同様に、各可変ノズル翼６１の左側面（タービンインペラ２９の軸方向他方側の側面）には、第２翼軸６９が第１翼軸６３と同心状に一体形成されており、この第２翼軸６９は、シュラウドリング５３の対応する第２支持穴５９に回動可能に支持されている。また、各可変ノズル翼６１の径方向内側翼面６１ｉにおける第２翼軸６９の基端側には、シュラウドリング５３の対向面に接触可能な第２インナ鍔７１が一体形成されており、各可変ノズル翼６１の径方向外側翼面６１ｅにおける第２翼軸６９の基端側には、シュラウドリング５３の対向面に接触可能な第２アウタ鍔７３が一体形成されている。

図５に示すように、ノズルリング４７の対向面の反対側に形成した環状のリンク室７７内には、複数の可変ノズル翼６１を同期して回動させるためのリンク機構７９が配設されている。また、リンク機構７９は、特開２００９−２４３４３１号公報及び特開２００９−２４３３００号公報等に示す公知の構成からなるものであって、複数の可変ノズル翼６１を開閉方向へ回動させるモータ又はシリンダ等の回動アクチュエータ（図示省略）に動力伝達機構８１を介して接続されている。

続いて、本発明の実施形態に係る可変ノズルユニット４５の特徴部分について説明する。

図１（ａ）に示すように、各可変ノズル翼６１における第１インナ鍔６５は、翼長さ方向ＳＤの中央側に、第１翼軸６３の軸心を曲率中心とする円弧状の第１インナ鍔頂部６５ｔを有してあって、翼長さ方向ＳＤの両端側に、第１インナ鍔頂部６５ｔに滑らかに接続し（繋がり）かつ凹状に湾曲した第１インナ鍔裾部６５ｓをそれぞれ有している。また、前述の新規な知見を適用するために、各可変ノズル翼６１における第１インナ鍔６５の各第１インナ鍔裾部６５ｓの曲率半径Ｒ₁は、第１翼軸６３の軸径Ｄ₁よりも大きく設定されている。

ここで、図２（ａ）に示すように、各可変ノズル翼６１における第１インナ鍔６５の直下流側の流れ（排気ガスの流れ）の乱れをより小さくするため、各可変ノズル翼６１における第１インナ鍔６５の第１インナ鍔頂部６５ｔのフィレットアール（フィレットの曲率半径）Ｆ₁は、可変ノズル翼６１の翼高さＨの１／１０以下に設定されている。また、図２（ｂ）（ｃ）に示すように、各可変ノズル翼６１における第１インナ鍔６５の各第１インナ鍔裾部６５ｓのフィレットアールＦ₂は、先端方向（各第１インナ鍔裾部６５ｓの先端方向、即ち、図１の翼長さ方向ＳＤに沿う方向）に向かって漸次小さくなるように設定されている。

各可変ノズル翼６１における第１アウタ鍔６７も第１インナ鍔６５と同様の構成になっている。具体的には、図１（ａ）に示すように、各可変ノズル翼６１における第１アウタ鍔６７は、翼長さ方向ＳＤの中央側に、第１翼軸６３の軸心を曲率中心とする円弧状の第１アウタ鍔頂部６７ｔを有してあって、翼長さ方向ＳＤの両端側に、第１アウタ鍔頂部６７ｔに滑らかに接続しかつ凹状に湾曲した第１アウタ鍔裾部６７ｓをそれぞれ有している。また、各可変ノズル翼６１における第１アウタ鍔６７の各第１アウタ鍔裾部６７ｓの曲率半径Ｒ₂は、第１インナ鍔６５の各第１インナ鍔裾部６５ｓの曲率半径Ｒ₁と同じに設定されている。更に、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、各可変ノズル翼６１における第１アウタ鍔６７の第１アウタ鍔頂部６７ｔのフィレットアールＦ₃は、第１インナ鍔頂部６５ｔのフィレットアールＦ₁と同じに設定され、各可変ノズル翼６１における第１インナ鍔６５の各第１インナ鍔裾部６５ｓのフィレットアールＦ₄は、各第１インナ鍔裾部６５ｓのフィレットアールＦ₂と同じに設定されている。

同様に、図１（ｂ）に示すように、各可変ノズル翼６１における第２インナ鍔７１は、翼長さ方向ＳＤの中央側に、第２翼軸６９の軸心を曲率中心とする円弧状の第２インナ鍔頂部７１ｔを有してあって、翼長さ方向ＳＤの両端側に、第２インナ鍔頂部７１ｔに滑らかに接続しかつ凹状に湾曲した第２インナ鍔裾部７１ｓをそれぞれ有している。また、前述の新規な知見を適用するために、各可変ノズル翼６１における第２インナ鍔７１の各第２インナ鍔裾部７１ｓの曲率半径Ｒ₃は、第２翼軸６９の軸径Ｄ₂（Ｄ₂＝Ｄ₁）よりも大きく設定されている。

ここで、図２（ａ）に示すように、各可変ノズル翼６１における第２インナ鍔７１の直下流側の流れの乱れをより小さくするため、各可変ノズル翼６１における第２インナ鍔７１の第２インナ鍔頂部７１ｔのフィレットアールＦ₅は、可変ノズル翼６１の翼高さＨの１／１０以下に設定されている。また、図２（ｂ）（ｃ）に示すように、各可変ノズル翼６１における第２インナ鍔７１の各第２インナ鍔裾部７１ｓのフィレットアールＦ₆は、先端方向（各第２インナ鍔裾部７１ｓの先端方向）に向かって漸次小さくなるように設定されている。

各可変ノズル翼６１における第２アウタ鍔７３も第２インナ鍔７１と同様の構成になっている。具体的には、図１（ｂ）に示すように、各可変ノズル翼６１における第２アウタ鍔７３は、翼長さ方向ＳＤの中央側に、第２翼軸６９の軸心を曲率中心とする円弧状の第２アウタ鍔頂部７３ｔを有してあって、翼長さ方向ＳＤの両端側に、第２アウタ鍔頂部７３ｔに滑らかに接続しかつ凹状に湾曲した第２アウタ鍔裾部７３ｓをそれぞれ有している。また、各可変ノズル翼６１における第２アウタ鍔７３の各第２アウタ鍔裾部７３ｓの曲率半径Ｒ₄は、第２インナ鍔７１の各第２インナ鍔裾部７１ｓの曲率半径Ｒ₃と同じに設定されている。更に、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、各可変ノズル翼６１における第２アウタ鍔７３の第２アウタ鍔頂部７３ｔのフィレットアールＦ₇は、第２インナ鍔頂部７１ｔのフィレットアールＦ₅と同じに設定され、各可変ノズル翼６１における第２アウタ鍔７３の各第２アウタ鍔裾部７３ｓのフィレットアールＦ₈は、各第２インナ鍔裾部７１ｓのフィレットアールＦ₆と同じに設定されている。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

ガス導入口３５から導入した排気ガスがタービンスクロール流路３７を経由してタービンインペラ２９の入口側から出口側へ流通することにより、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させて、ロータ軸９及びコンプレッサインペラ１３をタービンインペラ２９と一体的に回転させることができる。これにより、空気導入口１９から導入した空気を圧縮して、ディフューザ流路２１及びコンプレッサスクロール流路２３を経由して空気排出口２５から排出することができ、エンジンに供給される空気を過給（圧縮）することができる。

可変容量型過給機１の運転中、エンジン回転数が高回転域にあって、排気ガスの流量が多い場合には、回動アクチュエータによってリンク機構７９を作動させつつ、複数の可変ノズル翼６１を正方向（開方向）へ同期して回動させることにより、複数の可変ノズル翼６１の開度を開いて、タービンインペラ２９側へ供給される排気ガスの流路面積（可変ノズル翼６１のスロート面積）を大きくし、多くの排気ガスを供給する。一方、エンジン回転数が低回転域にあって、排気ガスの流量が少ない場合には、回動アクチュエータによってリンク機構７９を作動させつつ、複数の可変ノズル翼６１を逆方向（閉方向）へ同期して回動させることにより、複数の可変ノズル翼６１の開度を絞って、タービンインペラ２９側へ供給される排気ガスの流路面積を小さくし、排気ガスの流速を高めて、タービンインペラ２９の仕事量を十分に確保する。これにより、排気ガスの流量の多少に関係なく、タービンインペラ２９によって回転力を十分かつ安定的に発生させることができる。

前述の作用を奏する他に、各可変ノズル翼６１における第１インナ鍔６５が翼長さ方向ＳＤの中央側に第１インナ鍔頂部６５ｔを有し、翼長さ方向ＳＤの両端側に第１インナ鍔裾部６５ｓをそれぞれ有し、各可変ノズル翼６１における第１インナ鍔６５の各第１インナ鍔裾部６５ｓの曲率半径Ｒ₁が第１翼軸６３の軸径Ｄ₁よりも大きく設定されているため、前述の新規な知見を適用すると、従来例に係る可変ノズル翼２００（図７（ｂ）参照）を用いた場合に比べて、各可変ノズル翼６１における第１インナ鍔６５（各第１インナ鍔６５）の直下流側の流れの乱れを抑えて、複数の可変ノズル翼６１の開度を絞った際における各第１インナ鍔６５の直下流側の圧力損失の大きな領域を十分に低減できる。換言すれば、複数の可変ノズル翼６１の開度を絞った際における各第１インナ鍔６５の直下流側の圧力損失を十分に抑制できる。特に、各可変ノズル翼６１における第１インナ鍔６５の各第１インナ鍔裾部６５ｓのフィレットアールＦ₂が先端方向に向かって漸次小さくなるように設定されているため、各可変ノズル翼６１における第１インナ鍔６５の直下流側の流れの乱れをより抑えることができる。更に、各可変ノズル翼６１における第１アウタ鍔６７も第１インナ鍔６５と同様の構成になっているため、前述の新規な知見を類推適用すると、各可変ノズル翼６１における第１アウタ鍔６７の直下流側の流れの乱れを抑えることができる。

同様に、各可変ノズル翼６１における第２インナ鍔７１が翼長さ方向ＳＤの中央側に第２インナ鍔頂部７１ｔを有し、翼長さ方向ＳＤの両端側に第２インナ鍔裾部７１ｓをそれぞれ有し、各可変ノズル翼６１における第２インナ鍔７１の各第２インナ鍔裾部７１ｓの曲率半径Ｒ₃が第２翼軸６９の軸径Ｄ₂よりも大きく設定されているため、前述の新規な知見を適用すると、従来例に係る可変ノズル翼２００を用いた場合に比べて、各可変ノズル翼６１における第２インナ鍔７１（各第２インナ鍔７１）の直下流側の流れの乱れを抑えて、複数の可変ノズル翼６１の開度を絞った際における各第２インナ鍔７１の直下流側の圧力損失の大きな領域を十分に低減できる。換言すれば、複数の可変ノズル翼６１の開度を絞った際における各第２インナ鍔７１の直下流側の圧力損失を十分に抑制できる。特に、各可変ノズル翼６１における第２インナ鍔７１の各第２インナ鍔裾部７１ｓのフィレットアールＦ₆が先端方向に向かって漸次小さくなるように設定されているため、各可変ノズル翼６１における第２インナ鍔７１の直下流側の流れの乱れをより抑えることができる。更に、各可変ノズル翼６１における第２アウタ鍔７３も第２インナ鍔７１と同様の構成になっているため、前述の新規な知見を類推適用すると、各可変ノズル翼６１における第２アウタ鍔７３の直下流側の流れの乱れを抑えることができる。

具体的には、図１０に示すように、複数の可変ノズル翼６１を絞って、複数の可変ノズル翼６１の開度（全開状態に対する開口比）が小さくなる程、圧力損失係数の改善度が向上することが３次元定常粘性ＣＦＤ解析結果によって確認された。なお、圧力損失係数の改善度は、従来例に係る可変ノズル翼２００（図７（ｂ）参照）を用いた場合の圧力損失係数に対する発明例に係る可変ノズル翼１００（図７（ａ）参照）を用いた場合の圧力損失係数の割合（比）のことをいい、圧力損失係数は、タービン入口圧力とタービン出口圧力との差に対する可変ノズル翼１００（又は２００）のノズル入口圧力とノズル出口圧力との差の割合のことをいう。

従って、本発明の実施形態によれば、複数の可変ノズル翼６１の開度を絞った際における各第１インナ鍔６５及び各第２インナ鍔７１の直下流側の圧力損失を十分に抑制できるため、可変容量型過給機１の効率（タービン効率）をより高いレベルまで向上させることができる。

本発明は、前述の実施形態の説明に限るものでなく、例えば、次のように種々の態様で実施可能である。

即ち、ノズルリング４７を第１ベースリングとしかつシュラウドリング５３を第２ベースリングとする代わりに、シュラウドリング５３を第１ベースリングとしかつノズルリング４７を第２ベースリングとしても構わなく、この場合には、シュラウドリング５３の対向面の反対面側に形成したリンク室（図示省略）内にリンク機構７９が設けられることになる。また、各可変ノズル翼６１は第１翼軸６３と第２翼軸６９を備えた両持ちタイプであるが、第２翼軸６９を省略して片持ちタイプにしても構わなく、この場合には、第２インナ鍔７１及び第２アウタ鍔７３も省略することになる。更に、第１アウタ鍔６７を第１インナ鍔６５と同様の構成にする代わりに、第１アウタ鍔６７を第１翼軸６５の軸心を曲率中心として円弧状を呈するようにしたり、第２アウタ鍔７３を第２インナ鍔７１と同様の構成にする代わりに、第２アウタ鍔７３を第２翼軸６９の軸心を曲率中心として円弧状を呈するようにしたりしても構わない。

そして、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものでなく、例えば、可変ノズルユニット４５と同様の構成の可変ノズルユニット（図示省略）をガスタービン（図示省略）に用いた場合にも及ぶものである。

１ 可変容量型過給機
３ ベアリングハウジング
９ ロータ軸
１１ コンプレッサハウジング
１３ コンプレッサインペラ
２７ タービンハウジング
２９ タービンインペラ
４５ 可変ノズルユニット
４７ ノズルリング
５１ 第１支持穴
５３ シュラウドリング
５５ 連結ピン
５７ シュラウド部
５９ 第２支持穴
６１ 可変ノズル翼
６１ｅ 径方向外側翼面
６１ｉ 径方向内側翼面
６３ 第１翼軸
６５ 第１インナ鍔
６５ｔ 第１インナ鍔頂部
６５ｓ 第１インナ鍔裾部
６７ 第１アウタ鍔
６７ｔ 第１アウタ鍔頂部
６７ｓ 第１アウタ鍔裾部
６９ 第２翼軸
７１ 第２インナ鍔
７１ｔ 第２インナ鍔頂部
７１ｓ 第２インナ鍔裾部
７３ 第２アウタ鍔
７３ｔ 第２アウタ鍔頂部
７３ｓ 第２アウタ鍔裾部
７７ リンク室
７９ リンク機構
１００ 発明例に係る可変ノズル翼
２００ 従来例に係る可変ノズル翼

Claims (8)

1. ターボ回転機械におけるタービンインペラ側へ供給されるガスの流路面積を可変とする可変ノズルユニットにおいて、
   ターボ回転機械におけるタービンハウジング内に前記タービンインペラと同心状に配設され、複数の支持穴が円周方向に等間隔に貫通形成された第１ベースリングと、
   前記第１ベースリングに対して前記タービンインペラの軸方向に離隔対向した位置に前記第１ベースリングと一体的かつ同心状に設けられた第２ベースリングと、
   前記第１ベースリングの対向面と前記第２ベースリングの対向面との間に円周方向に等間隔に配設され、前記タービンインペラの軸心に平行な軸心周りに開閉方向へ回動可能であって、前記軸方向一方側の側面に前記第１ベースリングの対応する前記支持穴に回動可能に支持される翼軸が一体形成され、径方向内側翼面における前記翼軸の基端側に前記第１ベースリングの対向面に接触可能なインナ鍔が一体形成され、径方向外側翼面における前記翼軸の基端側に前記第１ベースリングの対向面に接触可能なアウタ鍔が一体形成された複数の可変ノズル翼と、
   複数の前記可変ノズル翼を同期して回動させるためのリンク機構と、を具備し、
   各可変ノズル翼における前記インナ鍔は、翼長さ方向の中央側に、円弧状のインナ鍔頂部を有し、前記翼長さ方向の両端側に、前記インナ鍔頂部に滑らかに接続しかつ凹状に湾曲したインナ鍔裾部をそれぞれ有し、各可変ノズル翼における前記インナ鍔の各インナ鍔裾部の曲率半径が前記翼軸の軸径よりも大きく設定されていることを特徴とする可変ノズルユニット。
2. 各可変ノズル翼における前記インナ鍔の各インナ鍔裾部のフィレットアールは、先端方向に向かって漸次小さくなるように設定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ユニット。
3. 各可変ノズル翼における前記インナ鍔の前記インナ鍔頂部のフィレットアールは、前記可変ノズル翼の翼高さの１／１０以下に設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の可変ノズルユニット。
4. 前記支持穴は、第１支持穴、前記翼軸は、第１翼軸であって、前記第２ベースリングに複数の第２支持穴が前記第１ベースリングの複数の前記第１支持穴に整合するように円周方向に等間隔に貫通形成され、各可変ノズル翼の前記軸方向他方側の側面に前記第２ベースリングの対応する前記第２支持穴に回動可能に支持される第２翼軸が一体形成され、
   前記インナ鍔は、第１インナ鍔、前記アウタ鍔は、第１アウタ鍔、前記インナ鍔頂部は、第１インナ鍔頂部、前記インナ鍔裾部は、第１インナ鍔裾部であって、各可変ノズル翼の径方向内側翼面における前記第２翼軸の基端側に前記第２ベースリングの対向面に接触可能な第２インナ鍔が一体形成され、各可変ノズル翼の径方向外側翼面における前記第２翼軸の基端側に前記第２ベースリングの対向面に接触可能な第２アウタ鍔が一体形成され、
   各可変ノズル翼における前記第２インナ鍔は、前記翼長さ方向の中央側に、円弧状の第２インナ鍔頂部を有し、前記翼長さ方向の両端側に、前記第２インナ鍔頂部に滑らかに接続しかつ凹状に湾曲した第２インナ鍔裾部をそれぞれ有し、各可変ノズル翼における前記第２インナ鍔の各第２インナ鍔裾部の曲率半径が前記第２翼軸の軸径よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の可変ノズルユニット。
5. 各可変ノズル翼における前記第２インナ鍔の前記第２インナ鍔頂部のフィレットアールは、前記可変ノズル翼の翼高さの１／１０以下に設定され、各可変ノズル翼における前記第２インナ鍔の前記第２インナ鍔裾部のフィレットアールは、先端方向に向かって漸次小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項４に記載の可変ノズルユニット。
6. 各可変ノズル翼における前記アウタ鍔は、翼長さ方向の中央側に、円弧状のアウタ鍔頂部を有し、前記翼長さ方向の両端側に、前記アウタ鍔頂部に滑らかに接続しかつ凹状に湾曲したアウタ鍔裾部をそれぞれ有し、各可変ノズル翼における前記アウタ鍔の各アウタ鍔裾部の曲率半径が前記翼軸の軸径よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の可変ノズルユニット。
7. 前記支持穴は、第１支持穴、前記翼軸は、第１翼軸であって、前記第２ベースリングに複数の第２支持穴が前記第１ベースリングの複数の前記第１支持穴に整合するように円周方向に等間隔に貫通形成され、各可変ノズル翼の前記軸方向他方側の側面に前記第２ベースリングの対応する前記第２支持穴に回動可能に支持される第２翼軸が一体形成され、
   前記インナ鍔は、第１インナ鍔、前記アウタ鍔は、第１アウタ鍔、前記インナ鍔頂部は、第１インナ鍔頂部、前記インナ鍔裾部は、第１インナ鍔裾部であって、各可変ノズル翼の径方向内側翼面における前記第２翼軸の基端側に前記第２ベースリングの対向面に接触可能な第２インナ鍔が一体形成され、各可変ノズル翼の径方向外側翼面における前記第２翼軸の基端側に前記第２ベースリングの対向面に接触可能な第２アウタ鍔が一体形成され、
   各可変ノズル翼における前記第２インナ鍔は、前記翼長さ方向の中央側に、円弧状の第２インナ鍔頂部を有し、前記翼長さ方向の両端側に、前記第２インナ鍔頂部に滑らかに接続しかつ凹状に湾曲した第２インナ鍔裾部をそれぞれ有し、各可変ノズル翼における前記第２インナ鍔の各第２インナ鍔裾部の曲率半径が前記第２翼軸の軸径よりも大きく設定され、
   各可変ノズル翼における前記第２アウタ鍔は、前記翼長さ方向の中央側に、円弧状の第２アウタ鍔頂部を有し、前記翼長さ方向の両端側に、前記第２アウタ鍔頂部に滑らかに接続しかつ凹状に湾曲した第２アウタ鍔裾部をそれぞれ有し、各可変ノズル翼における前記第２アウタ鍔の各第２アウタ鍔裾部の曲率半径が前記第２翼軸の軸径よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項６に記載の可変ノズルユニット。
8. エンジンからのガスのエネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する可変容量型過給機において、
   請求項１から請求項７のうちのいずれか１項に記載の可変ノズルユニットを具備したことを特徴とする可変容量型過給機。

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