JP5310132B2

JP5310132B2 - 可変容量タービン及び過給機

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Publication number: JP5310132B2
Application number: JP2009058080A
Authority: JP
Inventors: 章弘山方
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2029-03-11
Also published as: JP2010209833A

Description

本発明は、枠体に挟まれて配置される可動ベーンをインペラ周りに複数備える可変容量タービン及び該可変容量タービンを備える過給機に関するものである。

従来より、車両搭載用の過給機等においては、インペラ周りにノズルユニットを備える可変容量タービンが用いられている。
このような可変容量タービンでは、ノズルユニットがインペラ周りに配列される複数の可動ベーンを備えており、これらの可動ベーンを回動させて可動ベーン間隔を調節することによって、効率的なインペラへの排気ガス供給を実現している。
そして、各可動ベーンは、同一形状を有しており、さらに等間隔で配列される。この結果、インペラに対して、周囲から均一に排気ガスが供給される。

実開昭６３−５７３２８号公報

しかしながら、従来の可変容量タービンにおいては、各稼動ベーンが同一形状でかつ等間隔で配置されていることから、各可動ベーンにおける排気ガス流れが同様となり、各可動ベーンにおける下流側の圧力が均等となる。
この結果、タービンインペラの各翼には、各可動ベーンの下流領域を通過するたびに、同じ強さの応力が作用することとなり、励振される。
このような各タービンインペラの各翼の励振が強い場合には、タービンインペラに疲労が蓄積し、タービンインペラの寿命が低下する等の問題が生じる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、枠体に挟まれて配置される可動ベーンをインペラ周りに複数備える可変容量タービン及び該可変容量タービンを備える過給機において、インペラの各翼における励振を抑制することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、枠体に挟まれて配置される可動ベーンをインペラ周りに複数備える可変容量タービンであって、各上記可動ベーンにおける上記可動ベーンと上記枠体との隙間距離を不均等とすることにより、各可動ベーンの下流側圧力を不均等とするという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記可動ベーンの配列方向において、上記可動ベーンの下流側圧力が相対的に高い領域あるいは上記可動ベーンの下流側圧力が上記相対的に低い領域が不等間隔に配列されているという構成を採用する。

第３の発明は、タービンとコンプレッサとを備える過給機であって、上記第１または第２の発明である可変容量タービンを上記タービンとして備えるという構成を採用する。

本発明によれば、各可動ベーンにおける当該可動ベーンと枠体との隙間距離を不均等とすることにより、各可動ベーンの下流側圧力が不均等とされている。
このため、各可動ベーンの下流領域を通過する際にインペラの各翼に作用する応力の強さが変化することとなり、インペラの各翼の励振を抑制することが可能となる。
したがって、本発明によれば、枠体に挟まれて配置される可動ベーンをインペラ周りに複数備える可変容量タービン及び該可変容量タービンを備える過給機において、インペラの各翼における励振を抑制することが可能となる。

本発明の一実施形態である過給機の概略構成を示す断面図である。本発明の一実施形態である過給機においてタービンが備えるタービンインペラとノズルベーンとの位置関係を示す模式図である。本発明の一実施形態である過給機においてタービンが備えるノズルベーンと枠体との拡大図である。本発明の一実施形態である過給機においてノズルベーンの下流領域における圧力を不均等とする場合の圧力分布の一例を示すグラフである。本発明の一実施形態である過給機においてノズルベーンの下流領域における圧力を不均等とする場合の圧力分布の一例を示すグラフである。本発明の一実施形態である過給機においてノズルベーンの下流領域における圧力を不均等とする場合の圧力分布の一例を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明に係る可変容量タービン及び過給機の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
また、以下の説明においては、本発明の可変容量タービンを備える過給機について説明する。

図１は、本実施形態の過給機１０の概略構成を示す断面図である。この図に示すように、過給機１０は、タービン２０と、コンプレッサ３０と、軸部４０とを備えている。

タービン２０は、内燃機関から供給される排気ガスのエネルギを回転動力に変換するものであり、タービンインペラ２１、タービンハウジング２２及びノズルユニット２３を備えている。

タービンインペラ２１は、ディスクの一面に複数の翼２１ａが立設されたラジアルインペラであり、その外周部から流入して隣り合う翼間を流れて軸線方向へ抜ける排気ガスＧによってトルクを受けて回転する。

タービンハウジング２２は、タービンインペラ２１を覆うものであって、外側に突出した排気ガス導入路を有している。この排気ガス導入路は、内燃機関の排気口に接続されて、内燃機関が排出する排気ガスＧをタービンハウジング２２内に導き入れる。また、タービンハウジング２２には、軸部４０が備えるシャフト４１の同軸上に位置させて排気ガス排出口２２ａが形成されている。この排気ガス排出口２２ａは、排気筒（図示せず）等に接続される。

ノズルユニット２３は、タービンインペラ２１（インペラ）に排気ガスＧを効率的に供給するためのものであり、複数のノズルベーン５０（５０ａ〜５０ｋ）、枠体５１，５２及びベーン駆動機構５３を有している。
図２は、図１で示したノズルベーン５０（可動ベーン）とタービンインペラ２１との位置関係を示すための模式図である。そして、この図に示すように、ノズルベーン５０ａ〜５０ｋは、タービンインペラ２１周りに等間隔で配列されている。図３は、ノズルベーン５０と枠体５１，５２とを拡大した拡大図である。この図に示すように、各ノズルベーン５０は、枠体５１，５２に挟まれて配置されている。
枠体５１，５２は、ノズルベーン５０の配列方向に沿った環状形状を有しており、タービンハウジング２２に固定されている。

ベーン駆動機構５３は、ノズルベーン駆動リング５３ａ、ノズルベーン駆動軸５３ｂ、ノズルリンク板５３ｃ、駆動軸５３ｄ、ピストンロッド５３ｅ及び連結部５３ｆ，５３ｇを備えている。
ノズルベーン駆動リング５３ａは、枠体５２に対して回動自在に設置されている。ノズルベーン駆動軸５３ｂは、ノズルベーン５０と同数設けられ、ノズルベーン駆動リング５３ａに貫装されている。ノズルリンク板５３ｃは、各ノズルベーン５０の駆動軸と各ノズルベーン駆動軸５３ｂとを、クランク状に連結する。駆動軸５３ｄは、一端部を連結部５３ｆによってピストンロッド５３ｅと連結されており、ピストンロッド５３ｅの往復運動によって回動される。また、駆動軸５３ｄは、他端部を連結部５３ｇによってノズルベーン駆動リング５３ａに連結されており、ノズルベーン駆動リング５３ａは、駆動軸５３ｄの回転運動によって回動される。
このように構成されたベーン駆動機構５３が駆動されることによって、各ノズルベーン５０が等しく回動される。

コンプレッサ３０は、外気を圧縮して内燃機関に供給するものであり、コンプレッサインペラ３１、及びコンプレッサハウジング３２を備えている。

コンプレッサインペラ３１は、ディスクの一面に複数の翼が立設されたラジアルインペラであり、回転駆動されることによりディスクの翼が立設された側に軸線方向から流入する外気を圧縮する。

コンプレッサハウジング３２は、コンプレッサインペラ３１を覆うものである。コンプレッサハウジング３２には、シャフト４１と同軸上に位置させて吸気口３２ａが形成されている。この吸気口３２ａから外気が吸引される。
また、コンプレッサハウジング３２は、外周側から突出した吐出流路を有している。この吐出流路は、内燃機関の給気口に接続されて、加圧空気を内燃機関へと導く。

軸部４０は、タービン２０とコンプレッサ３０とを接続すると共にタービンインペラ２１の回転動力をコンプレッサインペラ３１に伝達するものであり、シャフト４１と、ベアリング４２と、ベアリングハウジング４３とを備えている。

シャフト４１は、タービンインペラ２１とコンプレッサインペラ３１とを連結する。シャフト４１の軸心と、タービンインペラ２１及びコンプレッサインペラ３１の回転軸とは、同心である。
タービンインペラ２１とシャフト４１とは溶接等により一体化され、コンプレッサインペラ３１とシャフト４１とはボルト等を介して結合されている。

ベアリング４２は、ベアリングハウジング４３内でシャフト４１を回転自在に支持するものである。

ベアリングハウジング４３は、ベアリング４２及びシャフト４１を囲い、ベアリング４２の位置固定するものである。このベアリングハウジング４３は、タービンハウジング２２とコンプレッサハウジング３２との間に設けられ、タービンハウジング２２とコンプレッサハウジング３２とを接続する。

このような構成を有する本実施形態の過給機１０においては、内燃機関が排出する高温及び高圧の排気ガスＧが、排気ガス導入路よりタービンハウジング２２内に導入されて、タービンインペラ２１を回転させた後に、排気ガス排出口２２ａより外部へ排気される。そして、タービンインペラ２１の回転は、シャフト４１を介してコンプレッサインペラ３１に伝達され、コンプレッサインペラ３１を回転させる。これにより、吸気口３２ａから外気が、コンプレッサハウジング３２内に吸入され、圧縮された後に、吐出流路を通過して、内燃機関に供給される。

そして、本実施形態の過給機１０のタービン２０においては、各ノズルベーン５０と枠体５１，５２との隙間距離が不均等とされており、これによって各ノズルベーン５０の下流側圧力が不均等になるように構成されている。
つまり、本実施形態の過給機１０のタービン２０においては、図２に示すノズルベーン５０の下流領域Ｒａ〜Ｒｋにおける圧力が不均等となるように、各ノズルベーン５０と枠体５１，５２との隙間距離が不均等に設定されている。
なお、ノズルベーン５０と枠体５１，５２との隙間距離とは、図３に示すように、ノズルベーン５０と枠体５１との隙間距離ｄ１と、ノズルベーン５０と枠体５２との隙間距離ｄ２とを合わせた距離である。
具体的には、ノズルベーン５０と枠体５１，５２との隙間距離を広げることによって漏れ流れが増えて圧力損失が生まれることからノズルベーン５０の下流領域の圧力が相対的に低くなる。一方、ノズルベーン５０と枠体５１，５２との隙間距離を狭めることによって漏れ流れが減少して圧力損失を低下させることができ、ノズルベーン５０の下流領域の圧力が相対的に高くなる。

図４〜図６は、実際に図２に示すノズルベーン５０の下流領域Ｒａ〜Ｒｋにおける圧力を不均等とする場合の圧力分布を示すグラフであり、横軸が下流領域Ｒａ〜Ｒｋの位置を示し、縦軸が圧力を示している。
この図に示すように、ノズルベーン５０の下流領域Ｒａ〜Ｒｋにおける圧力を不均等とする場合には、例えば、図４に示すように一箇所の下流領域Ｒｄのみの圧力を他の下流領域Ｒａ〜Ｒｃ，Ｒｅ〜Ｒｋに対して低く設定する場合、図５に示すように連続する下流領域Ｒａ〜Ｒｆの圧力を高くして他の連続する下流領域Ｒｇ〜Ｒｋの圧力を低く設定する場合、図６に示すように下流領域Ｒａ，Ｒｃ，Ｒｆ，Ｒｊの圧力を高くして他の下流領域Ｒｂ，Ｒｄ，Ｒｅ，Ｒｇ〜Ｒｉ，Ｒｋの圧力を低く設定する場合等が考えられる。

このように本実施形態の過給機１０におけるタービン２０によれば、各ノズルベーン５０における当該ノズルベーン５０と枠体５１，５２との隙間距離を不均等とすることにより、各ノズルベーン５０の下流側圧力が不均等とされている。
このため、各ノズルベーン５０の下流領域Ｒａ〜Ｒｋを通過する際にタービンインペラ２１の各翼２１ａに作用する応力の強さが変化することとなり、タービンインペラ２１の各翼２１ａの励振を抑制することが可能となる。

また、よりタービンインペラ２１の各翼２１ａの励振を抑制するためには、図６に示したように、ノズルベーン５０の配列方向において、ノズルベーン５０の下流側圧力が相対的に高い領域が不当間隔に配列されていることが好ましい。
また、よりタービンインペラ２１の各翼２１ａの励振を抑制するためには、ノズルベーン５０の配列方向において、ノズルベーン５０の下流側圧力が相対的に低い領域が不当間隔に配列されていても良い。

なお、このような本実施形態の過給機１０におけるタービン２０は、例えば、組立て寸法の管理レベルを従来よりも低く設定することによって容易に製造することができる。
つまり、このような本実施形態の過給機１０におけるタービン２０は、従来の可変容量タービンよりも組立てた際の歩留まりが向上する。
また、このような本実施形態の過給機１０におけるタービン２０は、例えば、先にタービン２０を組立て、その後ノズルベーン５０等を加工することによって上記隙間距離を調節するようにしても良い。

また、本実施形態の過給機１０におけるタービン２０は、従来の可変容量タービンと同様に、全てのノズルベーンの形状が同一でかつその配置間隔が等間隔とされている。このため、低コストで製造することが可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、ノズルベーン５０の枚数が１１枚である構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、ノズルベーン５０の枚数がより多いまたはより少ない構成を採用することもできる。

また、上記実施形態においては、本発明の可変容量タービンを備える過給機について説明した。
しかしながら、本発明の可変容量タービンは、過給機のみに適用されるものではなく、例えば、発電用タービン等に用いることも可能である。

１０……過給機、２０……タービン（可変容量タービン）、３０……コンプレッサ、５０……ノズルベーン（可動ベーン）、５１，５２……枠体

Claims

枠体に挟まれて配置される可動ベーンをインペラ周りに複数備える可変容量タービンであって、
可動ベーンと枠体との隙間距離が他の可動ベーンと枠体との隙間距離との対比において相対的に狭い部位と、可動ベーンと隙間距離が他の可動ベーンと枠体との隙間距離との対比において相対的に広い部位とが、合計して可動ベーンの数分だけインペラ周りに複数設けられ、
前記狭い部位が他の前記狭い部位と隣り合わない、あるいは、前記広い部位が他の前記広い部位と隣り合わないよう、前記狭い部位と前記広い部位とがインペラ周りに配列されている
ことを特徴とする可変容量タービン。
タービンとコンプレッサとを備える過給機であって、
請求項１記載の可変容量タービンを前記タービンとして備えることを特徴とする過給機。