JP5473762B2 - 可変容量タービンおよびこれを備えた可変容量ターボチャージャ - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスタービン過給機、ガスタービン、ガスエキスパンダ等に適用され、タービンホイールへの流体（例えば、排気ガス）の流速を変化させる機能を有する可変容量タービンおよびこれを備えた可変容量ターボチャージャに関するものである。

タービンロータへのガスの流速を変化させる機能を有する可変容量タービンとしては、駆動リンク機構およびノズル駆動軸を介してノズル翼を回動させることにより、タービンホイールに流入する流体の流路断面積を変化させるものが知られている（特許文献１参照）。

特開２００９−１４４６１５号公報

しかしながら、ノズル翼を回動させてタービンホイールに流入する流体の流路断面積を変化させるものでは、駆動リンク機構およびノズル駆動軸が必要であるため、構造が複雑で部品点数も多かった。したがって、製造コストの上昇を招くとともに、メンテナンスが困難であるという問題があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、構造の簡略化を図り、部品点数を減少させることができ、製造コストを抑制することができて、メンテナンス性を向上させることができる可変容量タービンおよびこれを備えた可変容量ターボチャージャを提供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、以下の手段を採用した。
本発明に係る可変容量タービンは、回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路の流路断面積を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービンであって、前記流体入口流路に、周方向に沿って等ピッチで配置された複数枚のノズル翼と、前記流体入口流路の一壁面を形成するとともに、前記ノズル翼の一側の端面が結合される端面を備えたノズル台板と、前記ノズル台板と対向し前記流体入口流路の他壁面を形成するとともに、前記ノズル翼の他側の端部を収容する凹所が形成された端面を備えたバックプレートと、前記ノズル翼と結合された前記ノズル台板を回転軸方向に沿って進退させ、前記流体入口流路の流路断面積を変化させる駆動手段とを備え、該駆動手段は、前記ノズル台板に形成されたねじ部に対して螺合されるとともに周方向に回転することによって該ノズル台板を進退させる駆動リングと、該駆動リングに取り付けられ、該駆動リングを周方向に回転させる駆動レバーとを備え、該駆動レバーは、前記ノズル台板および前記駆動リングを収容するケーシングを貫通して径方向に沿って該ケーシング外部へと伸びている。

本発明に係る可変容量タービンによれば、例えば、図２に示すように、駆動レバー４５を周方向に沿って回転操作することにより、ノズル翼３１と結合されたノズル台板３２を、白抜き矢印の方向に移動させ（バックプレート３４に向かって進み出させ）、流体入口流路２４の流路断面積を線形的に減少させるようにしている。また、図１に示すように、駆動レバー４５を周方向に沿って逆回転操作することにより、ノズル翼３１と結合されたノズル台板３２を、バックプレート３４から遠ざかるように移動させ（バックプレート３４から退かせ）、流体入口流路２４の流路断面積を線形的に増加させるようにしている。
これにより、構造が複雑で部品点数の多い駆動リンク機構およびノズル駆動軸を不要とすることができる。すなわち、構造の簡略化を図り、部品点数を減少させることができ、製造コストを抑制することができて、メンテナンス性を向上させることができる。

上記可変容量タービンにおいて、前記凹所が、前記ノズル翼の他側の端部と嵌め合うように形成されているとさらに好適である。

このような可変容量タービンによれば、例えば、図３に示すように、凹所３４ｂ内にノズル翼３１の他側の端部３１ｂ（図１および図２参照）がすっぽりと嵌り込み、流体が、流体入口流路２４（図１および図２参照）を通らずに凹所３４ｂを通ってタービンホイール入口２３（図１および図２参照）に抜け出てしまう（流入してしまう）ことを防止することができ、流体をタービンホイール入口２３にスムーズに導くことができる。

上記可変容量タービンにおいて、前記流体入口流路と、前記ノズル台板を収容する空間とは、前記ノズル台板の内周側および／または外周側に配置されたシール部材により、仕切られているとさらに好適である。

このような可変容量タービンによれば、例えば、図１および図２に示すピストンリング３８，３９，４７により、流体が、流体入口流路２４からノズル台板３２を収容する空間Ｓに抜け出てしまう（流入してしまう）ことを、防止することができ、メンテナンス性を向上させるとともに流体をタービンホイール入口２３にスムーズに導くことができる。

本発明に係る可変容量ターボチャージャは、上記いずれかの可変容量タービンを具備している。

本発明に係る可変容量ターボチャージャによれば、構造が複雑で部品点数の多い駆動リンク機構およびノズル駆動軸を不要とすることができる可変容量タービンを具備しているので、構造の簡略化を図り、部品点数を減少させることができ、製造コストを抑制することができて、メンテナンス性を向上させることができる。

本発明に係る可変容量タービンおよびこれを備えた可変容量ターボチャージャによれば、構造の簡略化を図り、部品点数を減少させることができ、製造コストを抑制することができて、メンテナンス性を向上させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る可変容量タービンを具備した可変容量ターボチャージャの要部縦断面図であって、排気ガスの流路を最大限に開いた状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る可変容量タービンを具備した可変容量ターボチャージャの要部縦断面図であって、排気ガスの流路を最大限に閉じた状態を示す図である。 図２のａ−ａ矢視断面図である。

以下、本発明に係る可変容量タービンの一実施形態について、図１から図３を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係る可変容量タービンを具備した可変容量ターボチャージャの要部縦断面図であって、排気ガスの流路を最大限に開いた状態を示す図、図２は本実施形態に係る可変容量タービンを具備した可変容量ターボチャージャの要部縦断面図であって、排気ガスの流路を最大限に閉じた状態を示す図、図３は図２のａ−ａ矢視断面図である。

図１および図２に示すように、可変容量ターボチャージャ１０は、可変容量タービン（以下、ＶＧ（Variable Geometry）タービンという。）１１と、コンプレッサ（図示せず）とを主たる要素として構成されている。
ＶＧタービン１１とコンプレッサとは、軸受ハウジング１３を介して連結されているとともに、この軸受ハウジング１３内には、軸受１４に回転支持されたタービンロータ１５が挿通されている。

コンプレッサは、タービンロータ１５の一端側に取り付けられたコンプレッサホイール（図示せず）と、このコンプレッサホイールを囲んで覆うように設けられたコンプレッサケーシング（図示せず）とを主たる要素として構成されている。
一方、ＶＧタービン１１は、タービンロータ１５の他端側に取り付けられたタービンホイール１８と、このタービンホイール１８を囲んで覆うように設けられたタービンケーシング（ガス入口ケーシング）１９と、タービンホイール１８に流入する排気ガス（流体）の流路断面積を変化させる可変ノズル機構２０とを主たる要素として構成されている。

タービンケーシング１９の内側には、タービンロータ１５の回転軸心２１回りにタービンホイール１８の外周を囲むようにスクロール２２が形成されている。このスクロール２２とタービンホイール入口２３とは流体入口流路２４により連通されている。また、スクロール２２の外周側には概ねスクロール２２の接線方向に沿った排気ガス入口（図示せず）が設けられ、タービンロータ１５の回転軸心２１に沿って排気ガス出口２５が設けられている。

可変ノズル機構２０は、図３に示すような断面視翼形状を呈する複数枚のノズル翼３１と、断面視環形状を呈する一本のノズル台板３２と、断面視環形状を呈する一本の駆動リング（駆動手段）３３と、断面視環形状を呈する一本のバックプレート３４とを備えている。
ノズル翼３１は、スクロール２２の内周側（半径方向内側）に、周方向に沿って等ピッチで配置されており、ノズル翼３１の一側（図１および図２において右側）の端面３１ａは、流体入口流路２４の一壁面を形成するノズル台板３２の一側（図１および図２において左側）の端面３２ａにその全体が密着するようにして固定されている。

ノズル台板３２は、タービンケーシング１９と、断面視環形状を呈するとともに、タービンケーシング１９の内周側（半径方向内側）に配置される一本のタービンシュラウドリング３５と、タービンケーシング１９とタービンシュラウドリング３５とを結合して、タービンシュラウドリング３５をタービンケーシング１９に対して固定するガス出口フランジ３６とにより形成された空間Ｓ内に収容されている。また、タービンケーシング１９とタービンシュラウドリング３５との間には、平面視環形状を呈する開口３７が形成されており、ノズル台板３２は、開口３７を介して回転軸心２１に平行となる方向に進退可能となっている。

ノズル台板３２の外周面３２ｅには、周方向に沿って二本の周溝３８，３９が設けられ、回転軸心２１に平行となる方向（周方向と直交する方向）に沿って少なくとも一本のキー溝４０が設けられている。周溝３８，３９にはそれぞれ、ピストンリング（シール部材）４１，４２が嵌め込まれ、キー溝４０には、キー４３が嵌め込まれている。一方、ノズル台板３２の外周面３２ｅと対向するタービンケーシング１９の内周面１９ａには、キー４３の外周側を収容して、キー４３を回転軸心２１に平行となる方向のみに案内（ガイド）する（第１の）案内溝４４が設けられており、案内溝４４には、キー４３の外周側の端部が嵌り込んでいる。

また、ノズル台板３２の内周側（半径方向内側）には、タービンシュラウドリング３５の外周面３５ａの直径よりもわずかに大きい内径を有する第１の内周面３２ｂと、第１の内周面３２ｂの直径よりも概ね駆動リング３３の板厚分だけ大きい内径を有する第２の内周面３２ｃとが形成されている。また、第２の内周面３２ｃには、駆動リング３３の外周面に設けられた雄ねじ部３３ａと螺合する雌ねじ部３２ｄが設けられている。

駆動リング３３の外周面には、ノズル台板３２の第２の内周面３２ｃに形成された雌ねじ部３２ｄと螺合する雄ねじ部３３ａが形成されているとともに、径方向（回転軸心２１と直交する方向）に沿って延びる駆動レバー（操作レバー：駆動手段）４５が立設されている。

バックプレート３４は、ノズル翼３１の他側（図１および図２において左側）の端部３１ｂと対向するようにして配置されており、ノズル台板と対向する流体入口流路２４の他壁面を形成するバックプレート３４の一側（図１および図２において右側）の端面３４ａには、ノズル翼３１の他側の端部３１ｂを収容する凹所３４ｂが、周方向に沿って等ピッチで形成されている。また、凹所３４ｂは、平面視翼形状を呈しており、図３に示すように、凹所３４ｂ内にノズル翼３１の他側の端部３１ｂがすっぽりと嵌り込むようになっている。

ノズル台板３２の第１の内周面３２ｂと対向するタービンシュラウドリング３５の外周面３５ａには、周方向に沿って一本の周溝４６が設けられており、周溝４６には、ピストンリング（シール部材）４７が嵌め込まれている。また、ノズル台板３２の第１の内周面３２ｂと対向するタービンシュラウドリング３５の外周面３５ａには、駆動リング３３方向を周方向に案内（ガイド）する（第２の）案内溝４８が設けられており、案内溝４８には、駆動リング３３の内周側の端部が嵌り込んでいる。

ガス出口フランジ３６には、駆動レバー４５が貫通するとともに、駆動レバー４５の周方向への移動を許容する貫通穴４９が、周方向に沿って設けられている。また、タービンシュラウドリング３５の端面と接するガス出口フランジ３６の端面３６ａの外周部は、案内溝４８に収容された駆動リンク３３の回転軸方向（回転軸心２１に平行となる方向）への移動を制限（阻止）するストッパとしての役目を果たしている。

そして、このような構成を有する可変ノズル機構２０では、図示しないリンク機構および駆動装置を介して、または人の手で駆動レバー４５を周方向に沿って回転操作することにより、図２に示すように、ノズル翼３１と結合されたノズル台板３２が、白抜き矢印の方向に移動して（バックプレート３４に向かって進み出て）、流体入口流路２４の流路断面積を線形的に減少させるようになっている。一方、図示しないリンク機構および駆動装置を介して、または人の手で駆動レバー４５を周方向に沿って逆回転操作することにより、図１に示すように、ノズル翼３１と結合されたノズル台板３２が、バックプレート３４から遠ざかるように移動して（バックプレート３４から退いて）、流体入口流路２４の流路断面積を線形的に増加させるようになっている。

また、可変容量ターボチャージャ１０の駆動流体としての排気ガスは、排気ガス入口からスクロール２２に入り、スクロール２２および流体入口流路２４を通って、スクロール２２の内周側に周方向に等ピッチで設けられたノズル翼３１およびノズル台板３２によってタービンホイール１８に流入する流量（流速）が調整されてタービンホイール１８に流入し、タービンホイール１８を回転駆動した後、タービンホイール１８の出口部空間２５を通って排気ガス出口から排出される。一方、コンプレッサホイールは、タービンホイール１８によって回転駆動され、例えば、空気等の圧送に用いられる。

本実施形態に係るＶＧタービン１１および本実施形態に係るＶＧタービン１１を具備した可変容量ターボチャージャ１０によれば、駆動レバー４５を周方向に沿って回転操作することにより、図２に示すように、ノズル翼３１と結合されたノズル台板３２を、白抜き矢印の方向に移動させ（バックプレート３４に向かって進み出させ）、流体入口流路２４の流路断面積を線形的に減少させるようにしている。また、駆動レバー４５を周方向に沿って他側（前記一側と反対の側）に操作することにより、図１に示すように、ノズル翼３１と結合されたノズル台板３２を、バックプレート３４から遠ざかるように移動させ（バックプレート３４から退かせ）、流体入口流路２４の流路断面積を線形的に増加させるようにしている。
これにより、構造が複雑で部品点数の多い駆動リンク機構およびノズル駆動軸を不要とすることができる。すなわち、構造の簡略化を図り、部品点数を減少させることができ、製造コストを抑制することができて、メンテナンス性を向上させることができる。

また、本実施形態に係るＶＧタービン１１および本実施形態に係るＶＧタービン１１を具備した可変容量ターボチャージャ１０によれば、凹所３４ｂが、ノズル翼３１の他側の端部３１ｂと嵌め合うように、すなわち、凹所３４ｂ内にノズル翼３１の他側の端部３１ｂがすっぽりと嵌り込むように形成されているので、排気ガスが、流体入口流路２４を通らずに凹所３４ｂを通ってタービンホイール入口２３に抜け出てしまう（流入してしまう）ことを防止することができ、排気ガスをタービンホイール入口２３にスムーズに導くことができる。

さらに、本実施形態に係るＶＧタービン１１および本実施形態に係るＶＧタービン１１を具備した可変容量ターボチャージャ１０によれば、流体入口流路２４と、ノズル台板３２を収容する空間Ｓとは、ノズル台板３２の内周側および外周側に配置されたピストンリング３８，３９，４７により、仕切られているので、排気ガスが、流体入口流路２４からノズル台板３２を収容する空間Ｓに抜け出てしまう（流入してしまう）ことを防止することができ、メンテナンス性を向上させるとともに排気ガスをタービンホイール入口２３にスムーズに導くことができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜必要に応じて変形して、あるいは変更して実施することができる。

１０ 可変容量ターボチャージャ
１１ ＶＧタービン（可変容量タービン）
２４ 流体入口流路
３１ ノズル翼
３１ａ 端面
３１ｂ 端部
３２ ノズル台板
３２ａ 端面
３３ 駆動リング（駆動手段）
３４ バックプレート
３４ａ 端面
３４ｂ 凹所
３８ ピストンリング（シール部材）
３９ ピストンリング（シール部材）
４５ 駆動レバー（駆動手段）
４７ ピストンリング（シール部材）
Ｓ 空間

Claims (4)

1. 回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路の流路断面積を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービンであって、
   前記流体入口流路に、周方向に沿って等ピッチで配置された複数枚のノズル翼と、
   前記流体入口流路の一壁面を形成するとともに、前記ノズル翼の一側の端面が結合される端面を備えたノズル台板と、
   前記ノズル台板と対向し前記流体入口流路の他壁面を形成するとともに、前記ノズル翼の他側の端部を収容する凹所が形成された端面を備えたバックプレートと、
   前記ノズル翼と結合された前記ノズル台板を回転軸方向に沿って進退させ、前記流体入口流路の流路断面積を変化させる駆動手段とを備え、
   該駆動手段は、前記ノズル台板に形成されたねじ部に対して螺合されるとともに周方向に回転することによって該ノズル台板を進退させる駆動リングと、該駆動リングに取り付けられ、該駆動リングを周方向に回転させる駆動レバーと、を備え、
   該駆動レバーは、前記ノズル台板および前記駆動リングを収容するケーシングを貫通して径方向に沿って該ケーシング外部へと伸びていることを特徴とする可変容量タービン。
2. 前記凹所が、前記ノズル翼の他側の端部と嵌め合うように形成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. 前記流体入口流路と、前記ノズル台板を収容する空間とは、前記ノズル台板の内周側および／または外周側に配置されたシール部材により、仕切られていることを特徴とする請求項１または２に記載の可変容量タービン。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載された可変容量タービンを具備していることを特徴とする可変容量ターボチャージャ。

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