JP4935534B2 - 可変容量タービン - Google Patents

Description

本発明は、複数の可変ノズルベーンによりタービンホイールに流入する排気ガスの流速を変更可能な可変容量タービンに関するものである。

従来、この種の可変容量タービンとして、排気ガスを複数の動翼（タービン翼）に受けて回転するタービンホイールと、回動軸を中心に回動することにより、流入する排気ガスの流速を変更可能な複数のノズルベーン（可変ノズルベーン）と、を備えたものが知られている（特許文献１参照）。この可変容量タービンでは、ノズルウェーク共振による動翼の破損を防ぐべく、ノズルベーンの長さＬに対し、各ノズルベーンの回動軸を、各ノズルベーンのガス出口後縁から１／３Ｌ以内に位置するように配設している。

ここで、ノズルウェーク共振により動翼が破損するのは、タービンホイールの回転駆動による遠心応力と、ノズルウェーク共振による振動応力との総和が、動翼が許容可能な許容応力を超えてしまうからである。このため、上記の構成によれば、動翼に加わる振動応力を低減させることができるため、遠心応力と振動応力との総和を、動翼の許容応力内に収めることができ、これにより、ノズルウェーク共振による動翼の破損を防止している。

特開平１０−２０５３４０号公報

しかしながら、上記の構成では、ノズルベーンの回動軸をノズルベーンの後縁側に配設するため、ノズルベーンを回動駆動する際に大きなトルクを必要とする。このため、ノズルベーンを回動駆動させるべく大型のアクチュエータを搭載する必要があり、これにより、コストアップになってしまうと共に、可変容量タービンが大型化してしまう問題がある。

そこで、本発明は、装置構成を変えることなく低コストでノズルウェーク共振によるタービン翼の破損を抑制することができる可変容量タービンを提供することを課題とする。

本発明の容量可変タービンは、ガス流入通路に配設され、排気ガスを複数のタービン翼に受けて回転可能なタービンホイールと、ガス流入通路のタービンホイール上流側に配設され、タービンホイールに流入する排気ガスの流速を変更可能な複数の可変ノズルベーンとを備え、各タービン翼は、その剛性により負荷を許容する許容応力が設定され、タービンホイールの回転により生ずる遠心応力とタービンホイールの回転により生ずるノズルウェーク共振による振動応力との総和が、許容応力を下回ると共に、タービンホイールの回転により生ずるノズルウェーク共振が、タービンホイールの最大回転数の７０％以下で生ずるように、各タービン翼の固有振動数が設定されていることを特徴とする。

この場合、各タービン翼の固有振動数は、排気ガスが流入する各タービン翼の流入側端部が振動の腹となって変形する振動モードに相当する固有振動数に設定されていることが好ましい。

また、この場合、各タービン翼の固有振動数は、可変ノズルベーンの個数にタービンホイールの１秒あたりの最大回転数を乗算して算出された共振周波数に、７０％以下の百分率を乗算して算出されることが好ましい。

また、この場合、ノズルウェーク共振は、タービンホイールの最大回転数の５０％以上で生ずるよう、各タービン翼の固有振動数が設定されていることが好ましい。

本発明にかかる可変容量タービンは、装置構成を変えることなく低コストで、各タービン翼の破損を抑制することができるという効果を奏する。

以下、添付した図面を参照して、本発明にかかる可変容量タービンについて説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

ここで、図１は、ターボチャージャ１の断面図であり、図２は、タービンホイールを軸方向から見た、タービンホイール廻りの模式図である。また、図３は、従来の構成におけるタービンホイールの回転数とタービン翼が受けた全応力とに関するグラフであり、図４は、タービン翼の疲労限度線図である。さらに、図５は、本実施形態におけるタービンホイールの回転数とタービン翼が受けた全応力とに関するグラフであり、図６は、タービン翼のキャンベル線図である。

先ず、可変容量タービンの説明に先立ち、図１を参照して、可変容量タービンを適用したターボチャージャについて説明する。このターボチャージャ１は、いわゆるＶＧ（Variable Geometry：可変容量）式のターボチャージャである。ターボチャージャ１は、図示右側に配設された可変容量タービン２と、図示左側に配設されたコンプレッサ３と、可変容量タービン２とコンプレッサ３との間に介設されたローターシャフト４とを備えている。可変容量タービン２は、内燃機関から排出された排気ガスが流入することにより回転する。ローターシャフト４は、センターハウジング５に収容されており、可変容量タービン２の回転力をコンプレッサ３に伝達する。コンプレッサ３は、ローターシャフト４から伝達された回転力により、空気を取り込むと共に空気を圧縮して内燃機関に送り込む。つまり、ターボチャージャ１は、内燃機関からの排気ガスにより可変容量タービン２が作動すると、その回転力がローターシャフト４を介してコンプレッサ３に伝達されることで、コンプレッサ３が作動するように構成されている。

コンプレッサ３は、ローターシャフト４の一端部に固定されたコンプレッサホイール１０と、コンプレッサホイール１０を収容するコンプレッサハウジング１１とを有している。また、コンプレッサハウジング１１には、取り込んだ空気を燃焼室に送り込むための空気流入経路１５が形成されている。

コンプレッサハウジング１１は、ローターシャフト４のシャフト軸方向と同軸方向に配設したコンプレッサ円筒部１１ａと、コンプレッサ円筒部１１ａの外周面に沿って環状に設けられたコンプレッサ環部１１ｂとで一体に形成されている。

コンプレッサ円筒部１１ａは円筒状に形成されており、その図示左側の外側端面には、ローターシャフト４のシャフト軸方向に吸気入口１３が円形開口されている。また、コンプレッサ円筒部１１ａの内部には、コンプレッサホイール１０を収容するコンプレッサホイール収容部１４が形成されており、上記の吸気入口１３と連通している。

コンプレッサ環部１１ｂは環状に形成されており、コンプレッサ環部１１ｂの内部には、その周方向に沿ってコンプレッサ側スクロール１２が渦巻状に形成されている。また、図示は省略するが、コンプレッサ環部１１ｂには、吸気出口が形成されている。コンプレッサ側スクロール１２は、空気流入経路１５の上流側に上記したコンプレッサホイール収容部１４が連通しており、空気流入経路１５の下流側に吸気出口が連通している。

そして、コンプレッサハウジング１１の内部に形成された空気流入経路１５は、上流側から吸気入口１３、コンプレッサホイール収容部１４、コンプレッサ側スクロール１２および吸気出口の順によって構成されている。

ローターシャフト４の回転に伴いコンプレッサホイール１０が回転すると、吸気入口１３から空気が取り込まれ、取り込まれた空気は、コンプレッサホイール収容部１４に流れ込んでコンプレッサホイール１０に圧縮された後、コンプレッサ側スクロール１２を通過して、吸気出口から排出される。

センターハウジング５は円筒状に形成されており、その軸心には、ローターシャフト４が挿入される軸孔１６が貫通形成されている。この軸孔１６の内周には、ベアリング等で構成された一対の軸受１７が配設されており、ローターシャフト４は、この一対の軸受１７により、回転自在に軸支されている。また、センターハウジング５の図示左側の端面には、上記したコンプレッサハウジング１１が固定され、図示右側の端面には、後述するタービンハウジング２１が固定される。

ローターシャフト４は、その一端部に、上述したコンプレッサホイール１０が固定され、その他端部に、後述するタービンホイール２０が固定されている。このため、ローターシャフト４、コンプレッサホイール１０、およびタービンホイール２０は、一体となって回転する。

ここで、本実施形態における可変容量タービン２について詳細に説明する。可変容量タービン２は、ローターシャフト４の他端部に固定されたタービンホイール２０と、タービンホイール２０を収容するタービンハウジング２１と、タービンホイール２０の周囲に沿って配設され、タービンホイール２０に流入する排気ガスの流速を変更可能な複数の可変ノズルベーン２２とを備えている。また、タービンハウジング２１には、燃焼室から送り込まれた排気ガスを排出するためのガス流入経路３０が形成されている。

タービンハウジング２１は、コンプレッサハウジング１１と略同様に構成されており、ローターシャフト４のシャフト軸方向と同軸方向に配設したタービン円筒部２１ａと、タービン円筒部２１ａの外周面に沿って環状に設けられたタービン環部２１ｂとで一体に形成されている。

タービン円筒部２１ａは円筒状に形成されており、その図示左側の外側端面には、ローターシャフト４のシャフト軸方向に排気出口２４が円形開口されている。また、タービン円筒部２１ａの内部には、タービンホイール２０を収容するタービンホイール収容部２５が形成されており、上記の排気出口２４と連通している。

タービン環部２１ｂは環状に形成されており、タービン環部２１ｂの内部には、その周方向に沿ってタービン側スクロール２３が渦巻状に形成されている。また、図示は省略するが、タービン環部２１ｂには、排気入口が形成されている。タービン側スクロール２３は、ガス流入経路３０の下流側に上記したタービンホイール収容部２５が連通しており、ガス流入経路３０の上流側に排気入口が連通している。

そして、タービンハウジング２１の内部に形成されたガス流入経路３０は、上流側から排気入口、タービン側スクロール２３、タービンホイール収容部２５、および排気出口２４の順によって構成されている。

排気入口から排気ガスが流入すると、排気ガスは、タービン側スクロール２３を通過してタービンホイール収容部２５に流入し、流入した排気ガスによりタービンホイール２０が回転駆動する。この後、排気ガスは、排気出口２４から排出される。

図２に示すように、複数の可変ノズルベーン２２は、タービン側スクロール２３とタービンホイール収容部２５との間のガス流入経路３０に配設されると共に、タービンホイール２０の周囲に沿って配設されている。各可変ノズルベーン２２は、翼状に形成され、回動軸３５を中心に開放位置と閉塞位置との間で回動することで、タービンホイール収容部２５に流入する排気ガスの流速を可変する。すなわち、各可変ノズルベーン２２が閉塞位置に回動すると、ガス流入経路３０の経路面積が小さくなることで、可変ノズルベーン２２上流側のガス流入経路３０におけるガス圧が高くなり、これにより、タービンホイール収容部２５に流入する排気ガスの流速が早くなる。一方、各可変ノズルベーン２２が開放位置に回動すると、ガス流入経路３０の経路面積が大きくなることで、可変ノズルベーン２２上流側のガス流入経路３０におけるガス圧が低くなり、これにより、タービンホイール収容部２５に流入する排気ガスの流速が遅くなる。なお、回動軸３５は、シャフト軸方向と同軸方向に設けられ、タービンハウジング２１に回動自在に軸支されている。

タービンホイール２０は、ホイール本体４０と、ホイール本体４０の軸心から放射状に設けられた複数枚のタービン翼４１とを有しており、流入した排気ガスを複数枚のタービン翼４１に受けて回転するよう構成されている。

このとき、各タービン翼４１には、タービンホイール２０の回転により生ずる遠心応力と、複数の可変ノズルベーン２２により生ずる振動応力とが加わる。このため、各タービン翼４１は、遠心応力と振動応力との総和の負荷を許容するように所定の許容応力がその剛性により設定されている。

しかしながら、図３に示すように、ノズルウェーク共振が発生すると、その共振点において振動応力が増大してしまい、遠心応力と振動応力との総和を許容応力内に収めることが困難となり、すなわち、各タービン翼４１の剛性では回転負荷に耐え切れず、各タービン翼４１が破損してしまう虞がある。このため、本実施の可変容量タービン２では、各タービン翼４１が、所定の固有振動数に設定されている。以下、設定される各タービン翼４１の固有振動数を算出する一連の手順について説明する。

図４は、材料評価を応用して求められたタービン翼４１の疲労限度線図であり、縦軸が応力振幅、横軸が平均応力となっている。ここで、Ｓ１は、低サイクル（寿命有り）時における疲労限度線であり、Ｓ２は、高サイクル（永久寿命）時における疲労限度線である。また、σｄは、タービンホイール２０の最大回転と内燃機関のアイドル運転相当の最低回転とのサイクル評価時における平均応力であり、σｅは、そのときの応力振幅である。さらに、σｂは、タービン翼４１の破損時における平均応力であり、σａは、タービン翼４１の破損時における応力振幅である。

ここで、「σｄ＋σｅ」はσｍａｘであり、「σｄ≒σｅ」である。これにより、「σｍａｘ＝２σｅ」となる。一方、経験により、σａはσｂの略半分であり、σａはσｅの略半分である。このため、「σｍａｘ＝２σｅ」に、「σｅ≒２σａ」および「σａ＝σｂ／２」を代入すると、タービン翼破損時のσｂは、σｍａｘの略半分となり、「σｂ＜（１／２）×σｍａｘ」であれば、タービン翼４１の破損を抑制することができることが分かった。言い換えれば、タービン翼４１の破損を抑制するには、タービンホイール２０の最大回転時における遠心応力の半分よりも小さい遠心応力の時に、ノズルウェーク共振を生じさせればよい。ここで、遠心応力は、Ｆ＝ｍω^２ｒにより求められることから、遠心応力を半分にするには、タービンホイール２０の角速度（回転数）を減少させればよい。つまり、所望のタービンホイール２０の角速度ωは、√（１／２）×ωｍａｘ（タービンホイール２０の最大角速度）であり、√１／２≒０．７…であることから、タービンホイール２０の１秒あたりの最大回転数の７０％以下の時に、ノズルウェーク共振を生じさせればよい。

次に、図５を参照して、タービン翼４１が受ける応力とタービンホイール２０の回転数との関係について説明する。このグラフは、その縦軸がタービン翼４１が受ける応力、その横軸がタービンホイール２０の回転数となっている。ここで、σｂは、遠心応力であり、σａは、ノズルウェーク共振時における振動応力である。また、σｃは、タービン翼４１が許容可能な許容応力であり、σａ＋σｂは、タービン翼４１に加わる全応力である。

この図を見るに、タービンホイール２０の回転数が上昇すると、これに伴って遠心応力σｂが増加する一方、遠心応力σｂの増加に対して、ノズルウェークの加振力減少に伴い、振動応力σａは減少する。そして、遠心応力σｂが振動応力σａの２倍程度となる位置を超えると、全応力σａ＋σｂが許容応力σｃをオーバーしてしまう。このとき、全応力σａ＋σｂと許容応力σｃとが交差する位置は、タービンホイール２０の最大回転数に０．７…を乗算した回転数であるため、タービンホイール２０の最大回転数を０．７倍（７０％）した回転数においては、タービン翼４１の破損を抑制することが可能となる。

次に、図６を参照して、ノズルウェーク共振の共振周波数の算出方法について説明する。図６は、タービン翼４１のキャンベル線図であり、縦軸が周波数、横軸がタービンホイール２０の回転数となっている。タービンホイール２０の最大回転時における最大共振周波数ｆｍａｘは、可変ノズルベーン２２の個数Ｚｎ×１秒あたりのタービンホイール２０の最大回転数Ｎｍａｘである。そして、この最大共振周波数ｆｍａｘに、７０％以下の百分率を乗算したものが、設定されるタービン翼４１の固有振動数ｆａであり、この固有振動数ｆａにおいてノズルウェーク共振が発生することとなる。なお、従来の構成におけるタービン翼の固有振動数ｆｂは、ｆａ＜ｆｂ＜ｆｍａｘに設定されている。

一方、各タービン翼４１は、混入する異物等の衝突を考慮して、最低限の剛性が設定されている。このため、各タービン翼４１における最低限の許容応力が決まっており、この許容応力を考慮すると、タービンホイール２０の最大回転数Ｎｍａｘの５０％未満にする必要はない。このため、本実施形態では、タービンホイール２０の最大回転数Ｎｍａｘの５０％と７０％との間でノズルウェーク共振を生じさせればよい（図５参照）。

ここで、タービン翼４１の固有振動数は、タービン翼４１の形状、例えば、厚さ等を変えることにより設定することが可能である。これにより、簡易な手法によりタービン翼４１の固有振動数を設定することができるため、低コストで行うことができる。

以上の構成によれば、ノズルウェーク共振を、タービンホイール２０の最大回転数の７０％以下で生じさせることで、タービンホイール２０の回転速度が遅くなった分、各タービン翼４１に加わる遠心応力を半減させることができる。この状態において、ノズルウェーク共振を生じさせることで、遠心応力が半減した分、振動応力を許容することが可能となるため、遠心応力と振動応力との総和を許容応力内に収めることができる。これにより、簡易な手法で各タービン翼４１の固有振動数を設定するだけで、装置構成を大きく変えることなく低コストで、ノズルウェーク共振によるタービン翼４１の破損を抑制することができる。なお、タービン翼４１の固有振動数は、材質を変えることにより設定することも可能である。

以上のように、本発明にかかる可変容量タービンは、可変ノズルベーンを有する可変容量タービンに有用であり、特に、ノズルウェーク共振が生じる場合に適している。

本実施形態に係る可変容量タービンを適用したターボチャージャの断面図である。 軸方向から見たタービンホイール廻りの模式図である。 従来の構成におけるタービンホイールの回転数とタービン翼が受けた全応力とに関するグラフである。 タービン翼の疲労限度線図である。 本実施形態におけるタービンホイールの回転数とタービン翼が受けた全応力とに関するグラフである。 タービン翼のキャンベル線図である。

符号の説明

１ ターボチャージャ
２ 可変容量タービン
２０ タービンホイール
２２ 可変ノズルベーン
４１ タービン翼
σａ 振動応力
σｂ 遠心応力
σｃ 許容応力

Claims (4)

1. ガス流入通路に配設され、排気ガスを複数のタービン翼に受けて回転可能なタービンホイールと、
   前記ガス流入通路の前記タービンホイール上流側に配設され、前記タービンホイールに流入する前記排気ガスの流速を変更可能な複数の可変ノズルベーンとを備え、
   前記各タービン翼は、その剛性により負荷を許容する許容応力が設定され、
   前記タービンホイールの回転により生ずる遠心応力と前記タービンホイールの回転により生ずるノズルウェーク共振による振動応力との総和が、前記許容応力を下回ると共に、前記タービンホイールの最大回転時における前記遠心応力の半分以下とすべく、前記タービンホイールの回転により生ずるノズルウェーク共振が、前記タービンホイールの最大回転数の７０％以下で生ずるように、前記各タービン翼の固有振動数が設定されていることを特徴とする可変容量タービン。
2. 前記各タービン翼の固有振動数は、前記排気ガスが流入する前記各タービン翼の流入側端部が振動の腹となって変形する振動モードに相当する固有振動数に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の可変容量タービン。
3. 前記各タービン翼の固有振動数は、前記可変ノズルベーンの個数に前記タービンホイールの１秒あたりの最大回転数を乗算して算出された共振周波数に、７０％以下の百分率を乗算して算出されることを特徴とする請求項１または２に記載の可変容量タービン。
4. 前記ノズルウェーク共振は、前記タービンホイールの最大回転数の５０％以上で生ずるよう、前記各タービン翼の固有振動数が設定されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の可変容量タービン。

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