JP2023182873A - 過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却時に発生するシール部材の熱応力を低減する過給機を提供する。【解決手段】過給機１は、タービンハウジング４と、タービンハウジング４内でガスの流路面積を調整する可変ノズルユニット２５と、タービンハウジング４と可変ノズルユニット２５との隙間Ｇをシールするためのシール部材４５と、を備え、シール部材４５は、タービン２の回転軸線Ｈ方向から見て、タービンハウジング４の円柱面５３に内周側を全長に亘って当接させ円柱面５３の周囲でＣ字状に延在する。【選択図】図２

Description

本発明は、過給機に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の過給機が知られている。この過給機は、タービン翼車を収容するタービンハウジングと、タービンハウジングの内側に配置された可変ノズルユニットと、を備えている。可変ノズルユニットはノズルベーンを駆動してタービン翼車に流入するガスの流路面積を調整する。タービンハウジングと可変ノズルユニットとの隙間には、タービン翼車の回転軸線方向から見て円環状をなすシール部材が挟み込まれることで、上記隙間がシールされている。

国際公開第2016/159004号

上記の過給機において、シール部材は、可変ノズルユニットとタービンハウジングとの間に隙間なく挿入される。過給機の運転停止後の冷却時には、比表面積が大きい部品であるシール部材が、タービンハウジングに比較して早く温度低下する。このため、シール部材は、このシール部材が当接しているタービンハウジングの部位に比較して早く熱収縮し、このタービンハウジングとの熱収縮の差によって、シール部材には熱応力が発生する。

例えば、図８は、この種の過給機の一例について行ったシミュレーション結果のイメージ図であり、グラフ２０１はシール部材の温度変化、グラフ２０２はシール部材の周方向応力の変化を示す。図８に示されるように、ｔ＝ｔ１で過給機が運転停止されると、シール部材の温度が低下していく。この温度低下に伴って、シール部材の周方向応力が大きくなり、ピークに達する。近年では、従来よりも高温環境下で過給機を運転することが要求されている。この場合、上記のようなシール部材に作用する熱応力は大きくなり、シール部材の損傷の原因にもなり得る。そして、このようなシール部材の損傷を予防すべく、シール部材の材料には破断強度が大きいものを選択する必要があるので、シール部材の材料選択の幅が狭くなってしまうという問題もある。

このような問題に鑑み、本発明は、冷却時に発生するシール部材の熱応力を低減する過給機を提供することを目的とする。

本発明の過給機は、タービンハウジングと、タービンハウジング内のガスの流路に配置されるノズルベーンを駆動する可変ノズルユニットと、タービンハウジングと可変ノズルユニットとの隙間をシールするためのシール部材と、を備え、シール部材は、タービンの回転軸線方向から見て、タービンハウジング又は可変ノズルユニットのうちの何れか一方の一部位である所定部位に対し内周側を全長に亘って当接させ所定部位の周囲でＣ字状に延在する。

シール部材の外周側は、タービンハウジング又は可変ノズルユニットのうちの他方に対し全長に亘って当接していることとしてもよい。また、タービンの高圧部と低圧部とが隙間によって接続され、隙間はシール部材によって高圧部側と低圧部側とに仕切られ、シール部材の断面は高圧部側に開いた開口部を有する形状をなすこととしてもよい。

シール部材は、タービンハウジング及び可変ノズルユニットから取り外された状態において、延在方向の中央で曲率が最小であり延在方向の両端に近づくに従って曲率が大きくなる形状をなすこととしてもよい。

本発明によれば、冷却時に発生するシール部材の熱応力を低減する過給機を提供することができる。

実施形態の過給機の断面図である。 図１の過給機のシール部材の近傍を拡大して示す断面図である。 図１におけるIII-III断面図である。 （ａ）はシール部材の平面図、（ｂ）はそのIVb-IVb断面図、（ｃ）はシール部材の断面内での弾性変形を示す断面図である。 本発明者らによるシミュレーション結果のイメージ図である。 （ａ）～（ｄ）は、シール部材の変形例を示す断面図である。 過給機の変形例を示す断面図である。 本発明者らによるシミュレーション結果のイメージ図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の可変容量型過給機の実施形態について説明する。なお、各図面においては、構成要素の特徴を誇張して描写する場合があるため、図面上の各部位の寸法比は必ずしも実物とは一致しない。

図１に示される可変容量型過給機１は、例えば、船舶や車両の内燃機関に適用されるものである。図１に示されるように、可変容量型過給機１は、タービン２とコンプレッサ３とを備えている。タービン２は、タービンハウジング４と、タービンハウジング４に収納されたタービン翼車６と、を備えている。タービンハウジング４は、タービン翼車６の周囲において周方向に延びるスクロール流路１６を有している。コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング５と、コンプレッサハウジング５に収納されたコンプレッサ翼車７と、を備えている。コンプレッサハウジング５は、コンプレッサ翼車７の周囲において周方向に延びるスクロール流路１７を有している。

タービン翼車６は回転軸１４の一端に設けられており、コンプレッサ翼車７は回転軸１４の他端に設けられている。タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５との間には、軸受ハウジング１３が設けられている。回転軸１４は、軸受１５を介して軸受ハウジング１３に回転可能に支持されており、回転軸１４、タービン翼車６及びコンプレッサ翼車７が一体の回転体１２として回転軸線Ｈ周りに回転する。

タービンハウジング４には、排気ガス流入口（図示せず）及び排気ガス流出口１０が設けられている。内燃機関（図示せず）から排出された排気ガス（流体）が、排気ガス流入口を通じてタービンハウジング４内に流入し、スクロール流路１６を通じてタービン翼車６に流入し、タービン翼車６を回転させる。その後、排気ガスは、排気ガス流出口１０を通じてタービンハウジング４外に流出する。

コンプレッサハウジング５には、吸入口９及び吐出口（図示せず）が設けられている。上記のようにタービン翼車６が回転すると、回転軸１４を介してコンプレッサ翼車７が回転する。回転するコンプレッサ翼車７は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入する。この空気が、コンプレッサ翼車７及びスクロール流路１７を通過して圧縮され吐出口から吐出される。吐出口から吐出された圧縮空気は、前述の内燃機関に供給される。

以下の説明において、単に「軸方向」、「径方向」、「周方向」等と言うときには、それぞれ、タービン翼車６の回転軸線方向、回転径方向、回転周方向を意味するものとする。また、「上流」、「下流」などと言うときには、スクロール流路１６における排気ガスの上流、下流を意味するものとする。

図１～図４を参照しながら、タービン２について更に説明する。タービン２は可変容量型タービンであり、スクロール流路１６とタービン翼車６とを接続するガス流入路２１には、可動のノズルベーン２３が設けられている。複数のノズルベーン２３が回転軸線Ｈを中心とする円周上に配置されており、各々のノズルベーン２３は回転軸線Ｈに平行な軸線周りに回動する。上記のようにノズルベーン２３が回動することで、タービン２に導入される排気ガスの流量に応じてガス流路の断面積が最適に調整される。

このためタービン２は、ノズルベーン２３を駆動するための可変ノズルユニット２５を備えている。可変ノズルユニット２５は、タービンハウジング４の内側に嵌め込まれており、タービンハウジング４と軸受ハウジング１３とで挟み込まれて固定される。可変ノズルユニット２５は、上記ノズルベーン２３と、ノズルベーン２３を軸方向に挟む第１ノズルリング３１及び第２ノズルリング３２と、を有している。第１ノズルリング３１と第２ノズルリング３２とは、それぞれタービン翼車６を周方向に囲むリング状を成している。

第１ノズルリング３１と第２ノズルリング３２とで挟まれた領域が前述のガス流入路２１を構成する。第１ノズルリング３１には、各ノズルベーン２３の回動軸２３ａが回転可能に挿通されており、第１ノズルリング３１は各ノズルベーン２３を片持ちで軸支している。第１ノズルリング３１と第２ノズルリング３２とは軸方向に延びる複数の連結ピン３５で連結されている。この連結ピン３５が高精度の寸法に作製されることで、ガス流入路２１の軸方向の寸法精度が確保されている。

可変ノズルユニット２５は駆動力伝達部２７を有しており、タービン２の外部からの駆動力が駆動力伝達部２７によってノズルベーン２３に伝達される。駆動力伝達部２７は、第１ノズルリング３１と軸受ハウジング１３との間のスペースに収納されている。タービン２の外部からの駆動力が駆動力伝達部２７に入力されると、所定の機構により各ノズルベーン２３の回動軸２３ａが同期して回動され、各ノズルベーン２３が同期して回動する。

次に、タービンハウジング４内における可変ノズルユニット２５の配置について説明する。タービン翼車６を周方向に覆うシュラウド４１は、タービンハウジング４の内周面の一部として形成されている。シュラウド４１よりも径方向外側の位置に、可変ノズルユニット２５の第２ノズルリング３２が嵌め込まれている。第２ノズルリング３２はスクロール流路１６に面しており、第２ノズルリング３２がスクロール流路１６の内壁の一部を形成している。

第２ノズルリング３２とタービンハウジング４との間には隙間Ｇが生じている。隙間Ｇは、スクロール流路１６とガス流入路２１の下流部２１ａ（タービン翼車６の入口近傍）とを接続している。スクロール流路１６（高圧部）はガス流入路２１の下流部２１ａ（低圧部）よりも高圧であるので、スクロール流路１６の排気ガスが隙間Ｇを通じてガス流入路２１の下流部にリークする虞がある。このような排気ガスのリークを抑えるために、ガスケットとして隙間Ｇをシールするための環状のシール部材４５が設置されている。

シール部材４５を設置するために、第２ノズルリング３２の内周縁には段差部４７が形成されている。段差部４７は、段差側面４９と段差底面５１とを有しており、段差側面４９は回転軸線Ｈを円柱軸とする円柱面をなし、段差底面５１は回転軸線Ｈに直交する平面内に位置する。タービンハウジング４側においては、シュラウド４１の裏面側の位置に、上記段差側面４９と対面し回転軸線Ｈを円柱軸とする円柱面５３が形成されている。シール部材４５は、段差側面４９と円柱面５３との間に径方向に挟み込まれている。また、シール部材４５は、段差底面５１に突当てられて軸方向に支持されている。

図３を参照し、タービン２に組付けられた状態のシール部材４５について説明する。この状態のシール部材４５を軸方向から見る（回転軸線Ｈ方向の視線で見る）と、シール部材４５は、内周側を全長に亘ってタービンハウジング４の円柱面５３に当接させている。そしてシール部材４５は、当該円柱面５３の周囲で回転軸線Ｈを中心とする仮想円周に沿ってＣ字状に延在している。すなわち、シール部材４５は、軸方向から見て、円環に対し周方向の不連続部分４５ｓを一か所設けた形状をなす。更に換言すれば、シール部材４５は、長尺の部材を両端面４５ｔ同士がほぼ対面するように湾曲させた形状をなしている。軸方向から見て、シール部材４５は、円環の一箇所が周方向に切り離されてなるＣ字の形状をなしており、シール部材４５の周方向の端面４５ｔ同士は、僅かな隙間（不連続部分４５ｓ）をあけて対面している。また、シール部材４５は、外周側を全長に亘って可変ノズルユニット２５の段差側面４９に当接させている。なお、図面においては、特徴を分りやすくするために比較的周方向に大きい不連続部分４５ｓが描かれているが、不連続部分４５ｓは極めて小さいものであってもよい。

タービン２から取り外された状態の単独のシール部材４５について説明する。図４（ａ）は、タービン２から取り外された状態の単独のシール部材４５を軸方向から見た状態を実線で示したものである。なお、比較のため同図中にタービン２に組付けられた状態のシール部材４５が二点鎖線で示されている。タービン２から取り外された状態のシール部材４５（実線）は、タービン２に組付けられた状態（二点鎖線）と比較して、端面４５ｔ同士の間の不連続部分４５ｓがやや広くなっている。この状態において、回転軸線Ｈを中心として両端面４５ｔ同士が開いている角度（図中の角度α）は、例えば20°以下である。また、タービン２から取り外された状態のシール部材４５は、延在方向の中央４５ｐにおいて曲率が最も小さく、延在方向の両端面４５ｔに近づくに従って曲率が徐々に大きくなる形状をなしている。

図４（ｂ），（ｃ）に示されるように、シール部材４５の断面はＶ字状をなしており、シール部材４５は、Ｖ字断面の両端部４５ａ，４５ａの間隔を開く方向に弾性力を発揮する。そして、タービン２に組付けられたシール部材４５は、上記の弾性力をもって段差側面４９と円柱面５３との径方向の距離を押し拡げる方向の付勢力を発揮する。この付勢力によってシール部材４５が段差側面４９と円柱面５３とに密着し、隙間Ｇの高圧部側（スクロール流路１６側）と低圧部側（ガス流入路２１の下流部２１ａ側）とを仕切るようにシール部材４５が存在するので、隙間Ｇがシールされ排気ガスのリークが抑制される。

また、過給機１においてはタービン２の温度に応じて隙間Ｇの寸法が変動するところ、上述のようなシール部材４５が弾性変形して隙間Ｇの寸法変動に追従し隙間Ｇのシール性が維持される。なお、シール部材４５によれば、例えば特許文献１に記載のような環状のシール部材と比較して、不連続部分４５ｓに起因してシール性が僅かに犠牲になる。

このようなシール部材４５がタービン２に組付けられるときには、軸方向から見て仮想円周に沿う形状に弾性的に変形した状態で隙間Ｇに挿入され、前述の図３の状態になる。なお、シール部材４５がタービン２に組付けられるときには、可変ノズルユニット２５の段差側面４９にシール部材４５が圧入され、更にシール部材４５が円柱面５３に圧入されて可変ノズルユニット２５とタービンハウジング４とが組付けられる。

前述のとおり、隙間Ｇはタービン２の高圧部（スクロール流路１６）と低圧部（ガス流入路２１の下流部２１ａ）とを接続するものである。そして、シール部材４５は、上記の高圧部側と低圧部側との接続経路を横切るように配置されることで隙間Ｇを高圧部側と低圧部側とに仕切るものである。そして、シール部材４５の断面形状は、高圧部側（スクロール流路１６側）に開いた開口部４５ｂを有するＶ字形状である。この断面形状によれば、シール部材４５は、高圧部側からの圧力によって開口部４５ｂの開口幅が更に開く方向の力を受ける。すなわち、シール部材４５の両端部４５ａ，４５ａの距離が拡大する方向の力を受ける。そうすると、両端部４５ａ，４５ａが段差側面４９及び円柱面５３に対して更に強く押し付けられるので、排気ガスのリーク抑制効果が更に高められる。

過給機１が上記のシール部材４５を備えることによる作用効果について説明する。過給機１の運転停止後の冷却時には、比表面積が大きい部品であるシール部材４５が、タービンハウジング４に比較して早く温度低下する。このため、シール部材４５は、タービンハウジング４に比較して早く熱収縮し、このタービンハウジング４との熱収縮の差によって、シール部材４５には熱応力が発生する。ここで、シール部材４５は円環形状ではなく、前述のように不連続部分４５ｓを有する形状であるので、シール部材４５とタービンハウジング４との熱収縮差の一部は不連続部分４５ｓの拡縮により吸収される。その結果、過給機１の冷却時にシール部材４５に発生する熱応力が低減される。

図５は、図８のシミュレーションと同等の過給機モデルを用いて過給機１の昇温時に生じるシール部材４５の周方向応力の分布をシミュレーションした結果のイメージ図である。図中のグラフ１０１は、過給機１の昇温時に生じるシール部材４５の周方向応力の分布であり、図中のグラフ１０２は、過給機１の降温時に生じるシール部材４５の周方向応力の分布である。グラフの横軸はシール部材４５の周方向位置を示し、不連続部分４５ｓの位置を０°位置としている。図８の結果とグラフ１０２を比較し、過給機１の冷却時におけるシール部材４５の周方向応力は、図８の結果よりも低減されることが確認された。

また、シール部材４５がタービン２に組付けられたとき、シール部材４５は、内周側を全長に亘ってタービンハウジング４の円柱面５３に当接させるのみならず、外周側を全長に亘って可変ノズルユニット２５の段差側面４９に当接させて、隙間Ｇに挿入される。これにより、シール部材４５は、不連続部分４５ｓを周方向に縮小するように変形した状態で隙間Ｇに嵌め込まれる。そして、このように不連続部分４５ｓが縮小することによりシール部材４５のシール性の低減が抑えられる。

また、図４（ａ）で説明したように、タービン２から取り外された状態のシール部材４５は、軸方向から見て、延在方向の中央４５ｐにおいて曲率が最も小さく、延在方向の両端面４５ｔに近づくに従って曲率が徐々に大きくなる形状をなしている。この形状のシール部材４５は、タービン２に組付ける際に、中央４５ｐの曲率変化が最も大きく、両端面４５ｔに近づくに従って曲率変化が小さくなるような変形によって、隙間Ｇに沿った正円に近づけることができる。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、下記の変形例を構成することも可能である。実施形態及び下記変形例の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

シール部材４５の断面形状は図４のものには限定されない。すなわち、シール部材４５に代えて、図６（ａ）～（ｄ）に示されるような断面形状のシール部材５５が採用されてもよい。図６（ａ）～（ｄ）のいずれの断面形状においても、シール部材５５は高圧部側に開いた開口部５５ｅを有する。

シール部材５５を段差側面４９と円柱面５３との両方に密着させるためには、シール部材５５をタービンハウジング４の円柱面５３に圧入すると共に、第２ノズルリング３２の段差側面４９にも圧入する必要がある。この組立方法に鑑みれば、シール部材５５の断面形状を図６（ａ）のようにしてもよい。すなわち、シール部材５５の断面における端部５５ａ，５５ｂのうち、径方向内側の端部５５ｂを径方向外側に向けて湾曲させてもよい。この構成によれば、シール部材５５がタービンハウジング４の円柱面５３に圧入される際に、シール部材５５の端部５５ｂが円滑に円柱面５３を摺動し、シール部材５５が円滑に挿入される。

また、同様の理由により、シール部材５５の断面形状を図６（ｂ）のようにしてもよい。すなわち、図６（ｂ）におけるシール部材５５の断面は、全体としてＳ字をなし、径方向内側の部分５５ｃにおいてはタービンハウジング４側に凸になるように湾曲しており、径方向外側の部分５５ｄにおいては可変ノズルユニット２５側に凸になるように湾曲している。この構成によれば、シール部材５５がタービンハウジング４の円柱面５３にも、第２ノズルリング３２の段差側面４９にも円滑に圧入される。

また、シール部材５５の断面形状を図６（ｃ）のようにしてもよい。すなわち、図６（ｃ）におけるシール部材５５の断面は、段差側面４９と円柱面５３とに沿うように軸方向に延在する部分と、段差底面５１に沿うように径方向に延在する部分と、を有するＵ字状をなしている。また、例えば、図６（ｄ）のように断面形状を径方向に複数段（図の例では２段）のＶ字状部分が並んだ形状としてもよい。

また、図７に示されるように、第２ノズルリング３２の内周縁が排気ガス流出口１０側に延びシュラウド４１を形成してもよい。この場合、隙間Ｇはスクロール流路１６（高圧部）と排気ガス流出口１０（低圧部）とを接続している。そして隙間Ｇにはシール部材４５が設置され、シール部材４５は、隙間Ｇをスクロール流路１６側と排気ガス流出口１０側とに仕切っている。シール部材４５は、開口部４５ｂを高圧側に向けるように設置されている。また、シール部材４５は、内周側を全長に亘って第２ノズルリング３２に当接させ、外周側を全長に亘ってタービンハウジング４に当接させ、隙間Ｇを径方向に拡げる方向に付勢力を発揮する。このようなシール部材４５においても、不連続部分４５ｓの存在により、冷却時に発生する熱応力が低減される。

１ 過給機
２ タービン
４ タービンハウジング
２５ 可変ノズルユニット
４５，５５ シール部材
４５ｔ 端面
４５ｐ 中央
４５ｂ，５５ｅ 開口部
４９ 段差側面
５３ 円柱面
Ｇ 隙間
Ｈ 回転軸線

Claims (4)

1. タービンハウジングと、
   前記タービンハウジング内のガスの流路に配置されるノズルベーンを駆動する可変ノズルユニットと、
   前記タービンハウジングと前記可変ノズルユニットとの隙間をシールするためのシール部材と、を備え、
   前記シール部材は、タービンの回転軸線方向から見て、前記タービンハウジング又は前記可変ノズルユニットのうちの何れか一方の一部位である所定部位に対し内周側を全長に亘って当接させ前記所定部位の周囲でＣ字状に延在する、過給機。
2. 前記シール部材の外周側は、前記タービンハウジング又は前記可変ノズルユニットのうちの他方に対し全長に亘って当接している、請求項１に記載の過給機。
3. 前記タービンの高圧部と低圧部とが前記隙間によって接続され、
   前記隙間は前記シール部材によって高圧部側と低圧部側とに仕切られ、
   前記シール部材の断面は前記高圧部側に開いた開口部を有する形状をなす、請求項１又は２に記載の過給機。
4. 前記シール部材は、
   前記タービンハウジング及び前記可変ノズルユニットから取り外された状態において、延在方向の中央で曲率が最小であり延在方向の両端に近づくに従って曲率が大きくなる形状をなす、請求項１～３の何れか１項に記載の過給機。
   

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