JP6099987B2 - 可変容量タービン及びこれを備えた過給機並びに可変容量タービンの制御方法 - 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、羽根車への流体（例えば、排気ガス）の流路面積を変化させる機能を有する可変容量タービン及びこれを備えた過給機並びに可変容量タービンの制御方法に関するものである。

タービンへのガスの入口流路面積を変化させる機能を有する可変容量ラジアルタービンとしては、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、羽根車に流入する流体のノズルスロート面積を変化させるものが知られている。
しかしながら、ノズル翼を回動させて羽根車に流入する流体のノズルスロート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が多くなる。これにより、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。
そこで、特許文献１には、ノズル翼と結合されたノズル台板を回転軸方向に沿って進退させることによりノズルスロート面積を変化させる技術が開示されている。

特開２０１１−２３１７４０号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている技術によってもなお、ノズル翼が駆動するため、駆動部分が増えることにより、次のような問題がある。すなわち、（１）各ノズル翼を駆動させる機構が複雑でコストがかかること、（２）メンテナンス方法が複雑で時間がかかること、（３）駆動部分が増加することにより排気ガスシール機構が複雑なこと、（４）駆動部分が増加するため排気ガスシール機構が複雑なこと、（５）排気ガスによるカーボンの堆積により、各ノズル翼の駆動機構が固着するおそれがあること等である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、駆動部分を可及的に少なくした可変容量タービン及びこれを備えた過給機並びに可変容量タービンの制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の可変容量タービン及びこれを備えた過給機並びに可変容量タービンの制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる可変容量タービンは、回転軸線回りに回転する羽根車と、前記回転軸線方向に連結されるとともに翼形状が同一のプロファイルとされた第一ノズル翼及び第二ノズル翼を有し、前記羽根車に流入する流体の流路面積を可変とするノズル翼と、前記第一ノズル翼と前記第二ノズル翼との流路を仕切る仕切板と、前記第二ノズル翼の側方に固定されたノズル台板と、前記ノズル翼を部分的に閉塞するように、前記回転軸線方向にスライド可能とされた可動壁とを備え、前記可動壁は、前記ノズル台板に沿ってスライドし、その先端が前記仕切板まで進出することによって前記第二ノズル翼の流路を閉塞し、前記可動壁の前記先端の反対側である基端部には、該可動壁をスライドするためのネジ部が設けられ、前記仕切板の上流側先端部には、前記可動壁の先端と当接する当接面が設けられており、該当接面は、流体の流れ方向に対して斜めにかつ流体圧によりシールするように交差する斜面を有することを特徴とする。

本発明によれば、ノズル翼を部分的に閉塞するように、羽根車の回転軸線方向にスライド可能とされた可動壁を設けているため、可動壁をスライドさせるのみで複雑な駆動機構を有することなくノズルスロート面積を変化させることができる。駆動部分が少ないため排気ガスシール機構（ピストンリング）を簡易にすること及び駆動部分の熱変形による固着の発生を低下することができる。
また、可動壁をノズル台板に沿ってスライドすることにより、第二ノズル翼の流路の一部を閉鎖することができる。
また、可動壁の先端が前記仕切板まで進出することにより、第二ノズル翼の流路を可動壁で閉鎖することができる。これにより、第一ノズル翼のみの流路と、第一ノズル翼及び第二ノズル翼の流路とすることができ、ノズルスロート面積を二段階で変えることができる。
第一ノズル翼と第二ノズル翼の翼形状を同一のプロファイルとしたため、それぞれ別々に製造する必要がなく製造コストを抑えることができる。

本発明にかかる可変容量タービンは、前記仕切板の上流側先端部には、前記可動壁の先端と当接する当接面が設けられており、該当接面は、流体の流れ方向に対して斜めに交差する斜面を有することを特徴とする。

本発明によれば、仕切板の上流側先端部に、可動壁の先端と当接する当接面を設け、当接面を流体の流れ方向に対して斜めに交差する斜面を有する形状としたため、仕切板を可動壁のストッパとすることができる。
また、流体圧により可動壁が第二ノズル翼側に押し付けられ、第二ノズル翼の流路をシールする効果が得られる。

本発明にかかる可変容量タービンは、上記いずれかに記載の可変容量タービンと、該可変容量タービンにより駆動される遠心圧縮機と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、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る。また、製造コストの抑制及びメンテナンス性を向上させることができる。

本発明にかかる可変容量タービンの制御方法は、回転軸線回りに回転する羽根車と、前記回転軸線方向に連結される第一ノズル翼及び第二ノズル翼を有し、前記羽根車に流入する流体の流路面積を可変とするノズル翼と、前記第一ノズル翼と前記第二ノズル翼との流路を仕切る仕切板と、前記第二ノズル翼の側方に固定されたノズル台板と、前記ノズル翼を部分的に閉塞するように、前記回転軸線方向にスライド可能とされた可動壁とを備えた可変容量タービンの制御方法であって、前記可動壁の先端の反対側である基端部には、該可動壁をスライドするためのネジ部が設けられ、前記可動壁を前記ノズル台板に沿ってスライドさせ、前記先端が前記仕切板まで進出することによって前記第二ノズル翼の流路を閉塞させることを特徴とする。

本発明によれば、ノズル翼を部分的に閉塞するように、羽根車の回転軸線方向に可動壁をスライド制御したため、複雑な駆動機構を有することなくノズルスロート面積を変化させることができる。

本発明によれば、ノズル翼を部分的に閉塞するように、羽根車の回転軸線方向にスライド可能とされた可動壁を設けているため、複雑な駆動機構を有することなくノズルスロート面積を変化させることができる。また、駆動部分が少ないため排気ガスシール機構（ピストンリング）を簡易にすることができ、駆動部分の熱変形による固着の発生を低下することができる。

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過給機の要部縦断面図であって可動壁をスライドさせる前の退避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過給機の要部縦断面図であって、可動壁の先端が仕切板までスライドした後の進出状態を示す図である。 図１及び図２のノズル翼および羽根車を示した平面図である。 図１及び図２のノズル翼の組み立て方法を示した分解側面図である。

以下に、本発明に係る可変容量タービンの実施形態について、図１乃至図４を用いて説明する。
図１は可変容量タービンを具備した可変容量過給機の要部縦断面図であって、可動壁３がスライド状態を示す図、図２は本発明の実施形態に係る可変容量タービンを具備した可変容量過給機の要部縦断面図であって、可動壁３の先端が仕切板１７までスライドした状態を示す図である。

可変容量過給機は、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関に用いられ、タービンへのガスの入口流路面積を排気ガス流量に応じて切り換える機能を有するものである。このような可変容量過給機は、可変容量タービンと、コンプレッサ（遠心圧縮機）とを主たる要素として構成されている。
可変容量タービンとコンプレッサとは、軸受ハウジング１８を介して連結されているとともに、この軸受ハウジング１８内には、軸受１９に回転支持されたタービンロータ３９が挿通されている。

コンプレッサは、タービンロータ３９の一端側に取り付けられたコンプレッサホイールと、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とを主たる要素として構成されている。
一方、可変容量タービンは、タービンロータ３９の他端側に取り付けられた羽根車４１と、この羽根車４１を囲んで覆うように設けられたケーシング３３と、排気ガス入口部３４を介して羽根車４１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２３とを主たる要素として構成されている。

ケーシング３３の内側には、羽根車４１の回転軸線Ｌ回りに羽根車４１の外周を囲むようにスクロール形状の導入流路３７が形成されている。ケーシング３３の外周側には、図示しない排気ガス出口部が接続されている。

可変ノズル機構２３は、ノズル翼１と、ノズル台板２１と、ノズル台板２１に対してスライドする可動壁３と、可動壁３を駆動する駆動部７とを備えている。

図１及び図２に示されているように、ノズル翼１は、第一ノズル翼１ａと第二ノズル翼１ｂとが軸方向に連結されて組合されている。また、図３に示されているように、第一ノズル翼１ａ及び第二ノズル翼１ｂは、周方向に沿って等ピッチで配置されている。
図１に示されているように、第一ノズル翼１ａの縦寸法すなわち回転軸線Ｌに対して直交する方向（同図縦方向）の長さと、第二ノズル翼１ｂの縦寸法は略等しくなっている。一方、第二ノズル翼１ｂの横寸法すなわち回転軸線Ｌに対して水平方向（同図横方向）の長さは、第二ノズル翼１ａの横寸法より短くなっている。また、これらノズル翼１ａ，１ｂの翼形状は略同一のプロファイルとされている。これにより、各ノズル翼１ａ，１ｂを容易に製造でき、製造コストを抑えることができる。
第一ノズル翼１ａ及び第二ノズル翼１ｂのそれぞれを通過する流路は、仕切板１７によって分割されている。具体的には、図４に示されているように、第二ノズル翼１ｂの端部に仕切板１７が一体成形されており、この仕切板１７の側面１７ａが第一ノズル翼１ａの端面１ａ−１に当接して嵌合されるようになっている。これにより、各ノズル翼１ａ，１ｂの翼部と仕切板１７との間に隙間が形成されずに、性能の低下を来すことがない。なお、仕切板１７を、第一ノズル翼１ａに対して一体的に構成することとしても良い。
また、第一ノズル翼１ａの他端部（同図において左端）には固定用基部１ａ−２が設けられており、この固定用基部１ａ−２が過給機本体の軸受ハウジング１８側に形成された凹所１８ａに嵌合されるようになっている。
仕切板１７により、第二ノズル翼１ｂ上流側を可動壁３で閉塞することで、第一ノズル翼１ａのみを流れる流路が形成されるようになっている（図２参照）。

図２に部分的に拡大して示してあるように、仕切板１７の上流側先端部には、可動壁３の先端と当接する当接面が設けられている。この当接面は、流体の流れ方向に対して斜めに交差する斜面を有している。なお、当接面はテーパー形状となっていてもよい。

図１に示されているように、ノズル台板２１は、第二ノズル翼１ｂの回転軸線Ｌ方向の側方に固定され、横断面視して環形状とされている。
ノズル台板２１の外周面には、キー溝が設けられており、キー溝にキー２５が嵌め込まれている。一方、ノズル台板２１の外周面と対向する可動壁３の内周面には、キー２５の外周側を収容して、キー２５を回転軸線Ｌに平行となる方向のみに案内（ガイド）する案内溝が設けられている。これにより、可動壁３は、回転軸線Ｌ方向にスライド可能となっている。

ノズル台板２１の外周側でかつ基端部側（図において右側）には、駆動部７が位置している。駆動部７の外周側でかつ先端側（図において左側）には、駆動側ネジ部５が設けられている。
駆動部７の基端部には、径方向（回転軸線Ｌと直交する方向）に沿って延び、一定の角度範囲内で動くレバー９が立設されている。

可動壁３の基端部（図において右側）には、回転軸線Ｌを中心とする被駆動側ネジ部６が設けられている。被駆動側ネジ部６は、ノズル台板２１に形成された駆動側ネジ部５と螺合するようになっている。
可動壁３の先端部（図において左側）はスライド前（可動壁３が第二ノズル翼１ｂ側にスライドしない退避位置）において、図１に示すように、ノズル台板２１の先端面及び導入流路３７の内周面と滑らかに接続する形状とされている。
可動壁３は縦断面が先端部を除いて略長方形形状となっており、可動壁３の横寸法すなわち回転軸線Ｌに対して水平方向（同図横方向）の長さは、第一ノズル翼１ａ及び第二ノズル翼１ｂによって形成された翼高さ方向（同図横方向）の寸法Ｈよりも長くなっている。
また、可動壁３とノズル台板２１との間、及び、可動壁３とケーシング３３との間は、それぞれの間に配置されたピストンリング１５，１６によりシールされている。

上述した可変ノズル機構２３は、基端部側から取り付けられる固定具１１によって固定されている。固定具１１の一端は、ボルト３１によりノズル台板２１に固定されており、もう一端はボルト３２によりケーシング３３に固定されている。ボルト３１，３２は回転軸線Ｌを中心とした周方向に複数箇所設置されている。
固定具１１には、レバー９が貫通するとともに、レバー９の周方向へのスライドを許容する貫通穴３５が、周方向に沿って設けられている。

上記構成の可変容量タービンは、ディーゼルエンジン等の内燃機関の負荷が高く所定量以上の排気ガス流量が得られる場合は、ノズル翼１の流路面積を大きくした状態、すなわち図１に示すように可動壁３が退避した位置で用いられる。また、ディーゼルエンジン等の内燃機関の負荷が低く所定量以上の排気ガス流量が得られない場合は、ノズル翼１の流路面積を小さくした状態、すなわち図２に示すように可動壁３の先端が仕切板１７まで進出して第二ノズル翼１ｂの流路を閉塞した状態で用いられる。
図１に示した可動壁３の退避位置から、図２に示した可動壁３の進出位置まで可動壁３を移動させるには、図示しないアクチュエータによってレバー９を回動させる。レバー９を回動させることにより、駆動部７を回転軸線Ｌ回りに回動させ、駆動部７の駆動側ネジ部５に螺合された被駆動側ネジ部６を介して、可動壁３は進出方向（図１の符号Ｂ参照）にスライドさせられる。この際、可動壁３は、キー２５によってガイドされて、回転軸線Ｌ回りに回転することなく回転軸線Ｌ方向に進出する。可動壁３が進出すると、図２に示すように、可動壁３の先端と仕切板１７の上流側端部とが当接し、可動壁３の進出動作が停止される。
図２に示した可動壁３の進出位置から、図１に示した可動壁３の退避位置まで可動壁３を移動させる場合は、上述と逆の動作となり、図示しないアクチュエータによってレバー９を進出動作時とは逆方向に回動させることによって、可動壁３を退避方向（図１の符号Ａ参照）へとスライドさせる。なお、アクチュエータの回動は手動によっても良いし、もしくは油圧ジャッキと組み合せて、図示しない制御部からの指令信号により自動でレバーを回転させるようにしても良い。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
ノズル翼１を部分的に閉塞するように、回転軸線Ｌ方向にスライド可能とされた可動壁３を設けているため、可動壁３をスライドさせるのみで複雑な駆動機構を有することなくノズルスロート面積を変化させることができる。
また、可動壁３と駆動部７とをネジ部によって結合し、駆動部７を回動させることによって可動壁３を進退させるという構成を採用することにより、駆動部分を少なくすることができる。これにより、排気ガスシール機構（ピストンリング１５，１６）を簡易にすること及び駆動部分の熱変形による固着の発生を低下させることができる。
また、基端部側からアクセスできる固定具１１によって可変ノズル機構２３を固定し、取り外すことができるので、メンテナンスが容易となる。
また、可変ノズル機構２３とケーシング３３とを支給するだけで、既存の過給機にとりつけることができる。
また、仕切板１７の上流側先端部に、可動壁３の先端と当接する当接面を設け、当接面を流体の流れ方向に対して斜めに交差する斜面を有する形状としたため、仕切板１７を可動壁３のストッパとすることができる。
また、流体圧により可動壁３が第二ノズル翼１ｂ側に押し付けられ、第二ノズル翼１ｂの流路をシールする効果が得られる。
また、可動壁３の先端部形状を、図１に示した退避位置にて、隣接するノズル台板及びケーシングに対して滑らかに接続する形状としたので、エネルギーロスを減らすことができる。

１ ノズル翼
１ａ 第一ノズル翼
１ｂ 第二ノズル翼
３ 可動壁
５ 駆動側ネジ部
６ 被駆動側ネジ部
７ 駆動部
９ レバー
１１ 固定具
１５，１６ ピストンリング
１７ 仕切板
２１ ノズル台板
２３ 可変ノズル機構
２５ キー
３１，３２ ボルト
３３ ケーシング
４１ 羽根車
Ｌ 回転軸線

Claims (3)

1. 回転軸線回りに回転する羽根車と、
   前記回転軸線方向に連結されるとともに翼形状が同一のプロファイルとされた第一ノズル翼及び第二ノズル翼を有し、前記羽根車に流入する流体の流路面積を可変とするノズル翼と、
   前記第一ノズル翼と前記第二ノズル翼との流路を仕切る仕切板と、
   前記第二ノズル翼の側方に固定されたノズル台板と、
   前記ノズル翼を部分的に閉塞するように、前記回転軸線方向にスライド可能とされた可動壁と、
   を備え、
   前記可動壁は、前記ノズル台板に沿ってスライドし、その先端が前記仕切板まで進出することによって前記第二ノズル翼の流路を閉塞し、
   前記可動壁の前記先端の反対側である基端部には、該可動壁をスライドするためのネジ部が設けられ、
   前記仕切板の上流側先端部には、前記可動壁の先端と当接する当接面が設けられており、
   該当接面は、流体の流れ方向に対して斜めにかつ流体圧によりシールするように交差する斜面を有することを特徴とする可変容量タービン。
2. 請求項１に記載の可変容量タービンと、
   該可変容量タービンにより駆動される遠心圧縮機と、
   を備えていることを特徴とする過給機。
3. 回転軸線回りに回転する羽根車と、
   前記回転軸線方向に連結されるとともに翼形状が同一のプロファイルとされた第一ノズル翼及び第二ノズル翼を有し、前記羽根車に流入する流体の流路面積を可変とするノズル翼と、
   前記第一ノズル翼と前記第二ノズル翼との流路を仕切る仕切板と、
   前記第二ノズル翼の側方に固定されたノズル台板と、
   前記ノズル翼を部分的に閉塞するように、前記回転軸線方向にスライド可能とされた可動壁と、
   を備えた可変容量タービンの制御方法であって、
   前記可動壁の前記先端の反対側である基端部には、該可動壁をスライドするためのネジ部が設けられ、
   前記仕切板の上流側先端部には、前記可動壁の先端と当接する当接面が設けられており、
   該当接面は、流体の流れ方向に対して斜めにかつ流体圧によりシールするように交差する斜面とされ、
   前記可動壁を前記ノズル台板に沿ってスライドさせ、その先端が前記仕切板の前記当接面まで進出することによって前記第二ノズル翼の流路を閉塞させることを特徴とする可変容量タービンの制御方法。

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