JP6578617B2 - ターボチャージャー - Google Patents

Description

この発明は、ターボチャージャーに関する。

ターボチャージャーにおいては、タービンホイールの径方向外側からタービンホイールに流れ込むノズル流路の開口面積を変化とすることで、タービンホイールに供給するガスの流量を可変とした、可変容量型のターボチャージャーが知られている。
特許文献１には、ノズル流路に、周方向に間隔をあけて複数の板状のベーンが設けられた構成の可変容量型のターボチャージャーが開示されている。この構成においては、それぞれのベーンが回動可能に支持され、ベーンの角度を変更することで、周方向で互いに隣り合うベーン同士の間に形成されるノズル流路の開口面積を可変としている。

特開２０１３−１３７０１７号公報

ところで、径方向外側のノズル流路からタービンホイールに送り込まれた排気ガスは、ブレードの後縁近傍では、タービンホイールのディスクと、ブレードの径方向外側に設けられたシュラウドとの間のガス流路を流れる。このとき、タービンホイールの回転によって排気ガスに遠心力が作用するため、ブレードの後縁近傍においては、排気ガスはガス流路の径方向外側に偏る。その結果、ガス流路の径方向において、排気ガスの流速分布が不均一となる。すると、ブレードの後縁から送り出された排気ガスは、その下流側で、流速の高い部分と流速の低い部分とで流れが混合するようにして流速分布の平均化を図る結果、排気ガスに乱れが生じる。これにより、タービン効率が低下してしまう。
この発明は、タービンホイールのブレード後縁近傍におけるガスの流れの流速分布の均一化を図り、タービン効率を高めることのできるターボチャージャーを提供することを目的とする。

この発明に係る第一態様によれば、ターボチャージャーは、軸線に沿って延びる回転軸と、前記回転軸の第一端部側に設けられ、周方向に間隔をあけて複数のブレードが形成されたタービンホイールと、前記タービンホイールを収容するタービンハウジングと、前記タービンハウジングに形成され、前記タービンホイールの径方向外側で周方向に連続し、前記タービンホイールを回転駆動させるガスが流れるスクロール流路と、前記スクロール流路から径方向内側に前記ガスを導き、前記タービンホイールに前記ガスを供給するノズル流路と、前記ノズル流路における前記ガスの導入量を調整するベーンと、を備え、前記ベーンは、前記ガスの流れの少なくとも一部が前記タービンホイールの前記ブレードの後縁側で径方向内側を流れるように導くガイド部を備えている。
このような構成によれば、スクロール流路を流れてきたガスは、ノズル流路を通して径方向内側のタービンホイールに導かれる。タービンホイールは、径方向外側のノズル流路から導入されるガスがブレードに衝突することで中心軸回りに回転する。タービンホイールの回転によって遠心力が作用するため、ガスは、タービンホイールの後縁に近づくにつれて径方向外側に偏ろうとする。しかし、ベーンに形成されたガイド部によって、タービンホイールに送り込まれるガスの流れの少なくとも一部が、タービンホイールのブレードの後縁側で径方向内側を流れるように導かれている。そのため、ガスは径方向外側に偏りにくくなる。その結果、ガスの流れは、ブレードの後縁の下流で径方向全体に分散し、ブレードの後縁の下流で流速の不均衡が生じにくく、損失を抑えることができる。

この発明に係る第二態様によれば、ターボチャージャーは、第一態様において、前記ガイド部が、前記ベーンにおいて前記ガスの流れが衝突する側の正圧面に形成され、前記ガスの流れ方向下流側の後縁部に隆起する凸部からなるようにしてもよい。
これにより、ベーンに沿って流れるガスは、ベーンの後縁部に形成された凸部によって、凸部の幅方向両側に分かれるように案内される。これによって、ベーンを経たガスの流れの一部は、タービンホイールにおける径方向内側に導かれる。

この発明に係る第三態様によれば、ターボチャージャーは、第二態様において、前記ガイド部が、前記正圧面の前記流れ方向上流側の前縁部に形成され、前記正圧面と反対側の面側に窪んだ凹部を備えるようにしてもよい。
これにより、ベーンに衝突したガスは、ベーンの前縁部に形成された凹部によって、幅方向中央部に向かって寄せられるように導かれる。そのため、ベーンの前縁部から後縁部に向かうガスの流れは、凹部によって幅方向中央部に寄せられた後、凸部によって幅方向両側に広がって分岐するように流れる。その結果、凸部によって、ガスの流れをより効率的に制御することができる。

上述したターボチャージャーによれば、タービンホイールのブレード後縁近傍におけるガスの流れの流速分布の均一化を図り、タービン効率を高めることが可能となる。

この発明の実施形態に係るターボチャージャーの全体構成を示す断面図である。 上記ターボチャージャーを構成するタービンホイールの周辺の構成を示す断面図である。 上記タービンホイール、その径方向外側に設けられたノズル流路、及びスクロール流路を示す断面図である。 上記ノズル流路に設けられたベーンの形状を示す斜視図である。 上記ベーンの側面図である。 ノズル流路に設けられたベーンを経て、タービンホイールに流れ込む排気ガスの流れの様子を示す模式図である。 比較のため、ガイド部を備えないベーンを経て、タービンホイールに流れ込む排気ガスの流れの様子を示す模式図である。

図１は、この発明の実施形態に係るターボチャージャーの全体構成を示す断面図である。
図１に示すように、この実施形態のターボチャージャー１０は、ターボチャージャー本体１１と、コンプレッサ１７と、タービン３０と、を備えている。このターボチャージャー１０は、例えば、回転軸１４が水平方向に延在するような姿勢で自動車等にエンジンの補機として搭載される。

ターボチャージャー本体１１は、回転軸１４と、軸受１５Ａ，１５Ｂと、軸受ハウジング１６と、を備えている。

軸受ハウジング１６は、ブラケット（図示せず）、コンプレッサ１７、タービン３０等を介して車体等に支持される。軸受ハウジング１６は、その一端側に開口部１６ａを有し、その他端側に開口部１６ｂを有している。
軸受１５Ａ，１５Ｂは、軸受ハウジング１６の内部に設けられている。軸受１５Ａ，１５Ｂは、回転軸１４を中心軸Ｃ回りに回転自在に支持する。
回転軸１４の第一端部１４ａ、第二端部１４ｂは、開口部１６ａ、１６ｂを通して軸受ハウジング１６の外部に突出している。

コンプレッサ１７は、軸受ハウジング１６の他端側に設けられている。コンプレッサ１７は、コンプレッサホイール１３と、コンプレッサハウジング１８と、を備えている。
コンプレッサホイール１３は、軸受ハウジング１６の外部で、回転軸１４の第二端部１４ｂに設けられている。コンプレッサホイール１３は、回転軸１４と一体に中心軸Ｃ回りに回転する。
コンプレッサハウジング１８は、軸受ハウジング１６の他端側に連結されている。コンプレッサハウジング１８は、コンプレッサホイール１３を内部に収容している。

タービン３０は、軸受ハウジング１６の一端側に設けられている。タービン３０は、タービンハウジング３１と、タービンホイール１２と、を備えている。

図２は、ターボチャージャーを構成するタービンホイールの周辺の構成を示す断面図である。図３は、タービンホイール、その径方向外側に設けられたノズル流路、及びスクロール流路を示す断面図である。
図２、図３に示すように、タービンハウジング３１は、軸受ハウジング１６の一端側に連結されている。タービンハウジング３１は、タービンホイール１２を内部に収容している。
タービンハウジング３１は、ガス導入部３２（図３参照）と、スクロール流路３４と、ノズル流路３５と、排気部３６と、を備えている。

図３に示すように、ガス導入部３２は、エンジン（図示無し）から排出される排気ガスをスクロール流路３４に送り込む。
スクロール流路３４は、ガス導入部３２に連続して、タービンホイール１２の径方向外側で周方向に連続して形成されている。スクロール流路３４は、タービンホイール１２を回転駆動させる排気ガスが周方向に流れる流路を形成する。

図２、図３に示すように、ノズル流路３５は、タービンハウジング３１において軸受ハウジング１６に対向する側に形成されている。このノズル流路３５は、周方向全周にわたって、スクロール流路３４とタービンホイール１２とを径方向に連通するよう形成されている。

図２に示すように、排気部３６は、タービンホイール１２から排出される排気ガスが流れる。排気部３６は、タービンホイール１２の外周部から、回転軸１４の中心軸Ｃ方向に沿ってターボチャージャー本体１１から離間する方向に連続して形成されている。

タービンホイール１２は、軸受ハウジング１６の外部で、回転軸１４の第一端部１４ａに一体に設けられている。タービンホイール１２は、回転軸１４と一体に中心軸Ｃ回りに回転する。

図２、図３に示すように、タービンホイール１２は、ディスク２２と、ブレード２３と、を備える。

ディスク２２は、中心軸Ｃ方向に一定長を有し、回転軸１４の第一端部１４ａに固定されている。ディスク２２は、径方向外側に延びる円盤状をなし、中心軸Ｃ方向の一方側に、ディスク面２２ｆを有している。ディスク面２２ｆは、径方向外側に向かうにしたがって、中心軸Ｃ方向一方側の排気部３６（図２参照）側から中心軸Ｃ方向の他方側の軸受ハウジング１６側に漸次向かう湾曲面により形成されている。

ブレード２３は、ディスク面２２ｆに、中心軸Ｃ回りの周方向に間隔をあけて複数が設けられている。ブレード２３は、径方向外側を向き、ノズル流路３５に面する前縁２３ｆと、中心軸Ｃ方向一方側を向き、排気部３６に面する後縁２３ｒと、を有する。ブレード２３は、径方向外側の外縁２３ｓが、径方向外側に位置するノズルプレート５２に近接するよう形成されている。

このようなタービン３０において、ガス導入部３２から流れ込んだ排気ガスは、スクロール流路３４に沿ってタービンホイール１２の外周側を周方向に流れる。このように周方向に流れる排気ガスは、ノズル流路３５を通って径方向内側に流れ、タービンホイール１２のブレード２３に当たることで、タービンホイール１２が回転駆動される。タービンホイール１２を経た排気ガスは、タービンホイール１２の内周側から排気部３６内に排出される。

タービンホイール１２において、径方向外側のノズル流路３５から径方向内側に向かって流入する排気ガスは、ディスク２２のディスク面２２ｆとノズルプレート５２との間であって、周方向で互いに隣り合うブレード２３の間のインペラ流路２５を通る。ブレード２３の前縁２３ｆから径方向内側に向かって流れ込んだ排気ガスは、ディスク面２２ｆの湾曲によって流れの向きを変え、ブレード２３の後縁２３ｒから中心軸Ｃ方向に沿って排出される。

ノズル流路３５には、このノズル流路３５を通してスクロール流路３４からタービンホイール１２に供給する排気ガスの量を調整する可変ベーン機構５０が設けられている。
可変ベーン機構５０は、ノズルマウント５１と、ノズルプレート５２と、ベーン５３と、駆動部５５と、を備えている。

ノズルマウント５１は、ノズル流路３５の軸受ハウジング１６側に設けられ、中心軸Ｃに直交する面内に位置する円環プレート状に形成されている。
図２に示すように、ノズルプレート５２は、ノズル流路３５においてノズルマウント５１と反対側に、ノズルマウント５１と間隔を空けて設けられている。これらノズルマウント５１とノズルプレート５２との間が、ノズル流路３５とされている。
ノズルマウント５１の径方向内側には、回転軸１４の第一端部１４ａの外周部の隙間を塞ぐバックプレート４１が設けられている。

図２、図３に示すように、ベーン５３は、例えば、翼形等の板状で、ノズルマウント５１とノズルプレート５２との間に設けられている。ベーン５３は、周方向に連続するノズル流路３５において、周方向に間隔を空けて複数が設けられている。各ベーン５３は、ノズルマウント５１を中心軸Ｃ方向に貫通するシャフト５４によって、シャフト５４の中心軸回りに回転自在に支持されている。

図２に示すように、駆動部５５は、ノズルマウント５１から軸受ハウジング１６側に突出したシャフト５４を回転させることによって、ベーン５３の角度を調整する。駆動部５５は、ノズルマウント５１に対し、軸受ハウジング１６側に設けられている。駆動部５５は、ドライブリング５６と、リンクアーム５７と、を備えている。

ドライブリング５６は、円環状で、シャフト５４よりも径方向外周側に設けられている。ドライブリング５６は、アクチュエータ（図示無し）等によって、その周方向に旋回可能に設けられている。

リンクアーム５７は、各シャフト５４のそれぞれに連結されている。各リンクアーム５７は、一端がシャフト５４に連結され、他端がドライブリング５６に回動自在に連結されている。ドライブリング５６が回転すると、リンクアーム５７がシャフト５４を中心として回動し、これによって、周方向に複数設けられたベーン５３の角度がシャフト５４の中心軸回りに変わる。
ベーン５３の角度が変わると、周方向で互いに隣り合うベーン５３，５３の隙間が増減し、これによってノズル流路３５を通ってタービンホイール１２に送り込まれる排気ガスの量（導入量）が増減される。

図４は、上記ターボチャージャーのノズル流路に設けられたベーンの形状を示す斜視図である。図５は、上記ベーンの側面図である。
図３、図４、図５に示すように、各ベーン５３は、翼断面形状を有し、スクロール流路３４から流れ込む排気ガスの流れＦが衝突する正圧面５３ｐと、その反対側の負圧面５３ｓとを有している。

図４、図５に示すように、ベーン５３の正圧面５３ｐには、ガイド部６０が形成されている。ガイド部６０は、ベーン５３を経て径方向内側のタービンホイール１２に送り込まれた排気ガスの流れＦの少なくとも一部を、ブレード２３の後縁２３ｒ近傍において径方向内側に導き、排気ガスの流れＦが径方向外側に偏るのを抑える。ガイド部６０は、ベーン５３の正圧面５３ｐにおいて、流れＦの流れ方向上流側の前縁５３ｆ側に形成された凹曲面（凹部）６１と、流れＦの流れ方向下流側の後縁５３ｒ側に形成された凸曲面（凸部）６２と、を有する。

凹曲面６１は、正圧面５３ｐの前縁５３ｆ側において、幅方向の両端部５３ａに対し、幅方向中間部５３ｂが、負圧面５３ｓ側に窪むよう形成されている。また、凹曲面６１は、前縁５３ｆ側から後縁５３ｒ側に向かって、幅方向中間部５３ｂの窪み寸法が漸次小さくなるよう形成されている。

正圧面５３ｐは、前縁５３ｆと後縁５３ｒとを結ぶ方向の中間部５３ｃにおいて、幅方向の両端部５３ａを結ぶ幅方向において平面状に形成されている。

凸曲面６２は、正圧面５３ｐの後縁５３ｒ側において、幅方向の両端部５３ａ、５３ａに対し、幅方向中間部５３ｄが、負圧面５３ｓ側から離間する方向に隆起するよう形成されている。また、凸曲面６２は、中間部５３ｃ側から後縁５３ｒ側に向かって、幅方向中間部５３ｄの隆起寸法が漸次大きくなるよう形成されている。

図６は、ノズル流路に設けられたベーンを経てタービンホイールに流れ込む排気ガスの流れの様子を示す模式図である。
図４、図６に示すように、径方向外側のスクロール流路３４（図２，図３参照）から流れ込んだ排気ガスは、ベーン５３の正圧面５３ｐに衝突し、前縁５３ｆから後縁５３ｒに向かって正圧面５３ｐに沿って流れる。
前縁５３ｆ側の凹曲面６１においては、排気ガスの流れＦは、凹曲面６１の湾曲によって正圧面５３ｐの幅方向の中央部に寄る方向に案内される。
凹曲面６１を経た排気ガスの流れＦは、平面状の中間部５３ｃを経て、凸曲面６２に至る。凸曲面６２では、幅方向中間部５３ｄが、後縁５３ｒに向かうにしたがってその隆起寸法が大きくなるので、排気ガスの流れＦは、幅方向の両端部５３ａに分かれるように案内される。

ベーン５３の後縁５３ｒから径方向内側に送り出された排気ガスは、タービンホイール１２に供給される。タービンホイール１２においては、径方向外側の前縁２３ｆから導入される排気ガスがブレード２３の正圧面２３ｐに衝突することで、タービンホイール１２が中心軸Ｃ（図１、図２参照）回りに回転する。タービンホイール１２の回転によって、前縁２３ｆから後縁２３ｒに向かって流れる排気ガスには遠心力が作用するため、排気ガスは、後縁２３ｒに近づくにつれて径方向外側に偏ろうとする。しかし、ベーン５３の凸曲面６２によって、排気ガスの一部は、タービンホイール１２の径方向内側（ディスク２２の表面２２ｆ側）に案内されているため、この排気ガスは径方向外側に偏りにくい。これにより、ブレード２３の後縁２３ｒの下流で、排気ガスの流れＦは、径方向全体に分散する。

上述した実施形態のターボチャージャー１０によれば、ノズル流路３５におけるガスの導入量を調整するベーン５３が、タービンホイール１２におけるガスの流れＦを径方向内側に導くガイド部６０を備えている。この構成により、スクロール流路３４を流れてきたガスは、ノズル流路３５を通して径方向内側のタービンホイール１２に導かれる。ノズル流路３５に設けられたベーン５３にガスが衝突すると、ガスの流れＦの少なくとも一部は、ガイド部６０によってタービンホイール１２における径方向内側に導かれる。これによって、ガスの流れＦは径方向外側に偏りにくくなる。そのため、ガスの流れＦは、ブレード２３の後縁２３ｒの下流で径方向全体に分散し、ブレードの後縁の下流で流速の不均衡が生じにくく、損失を抑えることができる。
その結果、タービンホイール１２のブレード２３の後縁２３ｒの近傍におけるガスの流れの流速分布の均一化を図り、タービン効率を高めることが可能となる。

さらに、ガイド部６０は、ベーン５３の正圧面５３ｐにおいて流れＦ方向下流側の後縁５３ｒ側に隆起して形成された凸曲面６２からなる。これにより、ベーン５３に沿って流れるガスは、凸曲面６２によって、幅方向両側に分かれるように案内される。これによって、ベーン５３を経たガスの流れＦの一部を、タービンホイール１２における径方向内側に確実に導くことができる。

さらに、ガイド部６０は、ベーン５３の正圧面５３ｐの流れＦ方向上流側の前縁５３ｆに凹曲面６１を備えている。これにより、ベーン５３に衝突したガスは、凹曲面６１によって、幅方向中央部に向かって寄せられるように導かれる。そのため、凹曲面６１からベーン５３の後縁５３ｒ側に向かうガスの流れＦは、幅方向中央部に寄せられた後、凸曲面６２によって幅方向両側に広がって分岐するように流れる。したがって、凸曲面６２によって、ガスの流れＦをより効率的に制御することができる。

ここで、ターボチャージャー１０は、ベーン５３によってノズル流路３５の流路断面積を変化させることでガス導入量を調整できる可変容量型である。可変容量型のターボチャージャー１０では、互いに隣り合うベーン５３の隙間が狭められてガスの導入量が小さい小流量領域では、ノズル流路３５が狭いために排気ガスの流速が上がり、強い旋回成分を持ってブレード２３に流れ込む。すると、例えば図７に示すように、ベーン５３’にガイド部６０を備えない場合は、タービンホイール１２の遠心力によって、排気ガスの流れＦ’が径方向外側に偏りやすい。
これに対し、上記したように、ベーン５３にガイド部６０として形成した凹曲面６１及び凸曲面６２により、排気ガスの流れＦが径方向外側に偏るのを抑えることができる。すると、ブレード２３の後縁２３ｒの下流で、流速の不均衡が生じにくく、損失を抑えることができる。
したがって、小流量領域において、ターボチャージャー１０の効率を高めることができ、ひいてはターボチャージャー１０で圧縮したガスを送り込むエンジンの性能を高めることが可能となる。

さらに、ベーン５３の凸曲面６２によって、ガスの流れＦの一部は、タービンホイール１２の径方向外側に案内される。タービンホイール１２の径方向外側においては、ブレード２３の先端とノズルプレート５２との間に存在する隙間において、ガスの漏れが生じる。これに対し、ガスの流れの一部をタービンホイール１２の径方向外側に導くことで、ガスによるシール効果を得ることができる。これによっても、タービン効率を高めることが可能となる。

（その他の実施形態）
この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、設計変更可能である。
例えば、凹曲面６１や凸曲面６２の断面形状は、上記実施形態で示したものに限定されない。ガスの流れを制御できるのであれば、上記に示した以外の形状により、凹部、凸部を形成してもよい。

また、ターボチャージャー１０のターボチャージャー本体１１、コンプレッサ１７、タービン３０等の各部の構成については、上記に例示したものに限らず、他の構成に変更してもよい。

この発明は、ターボチャージャーに適用できる。この発明によれば、ガスの導入量を調整するベーンに、ガスの流れをタービンホイールで径方向内側に導くガイド部を形成することで、タービンホイールのブレード後縁近傍におけるガスの流れの流速分布の均一化を図り、タービン効率を高めることができる。

１０ ターボチャージャー
１１ ターボチャージャー本体
１２ タービンホイール
１３ コンプレッサホイール
１４ 回転軸
１４ａ 第一端部
１４ｂ 第二端部
１５Ａ，１５Ｂ 軸受
１６ 軸受ハウジング
１６ａ、１６ｂ 開口部
１７ コンプレッサ
１８ コンプレッサハウジング
２２ ディスク
２２ｆ ディスク面
２３ ブレード
２３ｆ 前縁
２３ｐ 正圧面
２３ｒ 後縁
２３ｓ 外縁
２５ インペラ流路
３０ タービン
３１ タービンハウジング
３２ ガス導入部
３４ スクロール流路
３５ ノズル流路
３６ 排気部
４１ バックプレート
５０ 可変ベーン機構
５１ ノズルマウント
５２ ノズルプレート
５３ ベーン
５３ａ 両端部
５３ｂ 幅方向中間部
５３ｃ 中間部
５３ｄ 幅方向中間部
５３ｆ 前縁
５３ｐ 正圧面
５３ｒ 後縁
５３ｓ 負圧面
５４ シャフト
５５ 駆動部
５６ ドライブリング
５７ リンクアーム
６０ ガイド部
６１ 凹曲面（凹部）
６２ 凸曲面（凸部）
Ｃ 中心軸（軸線）
Ｆ ガスの流れ

Claims (3)

1. 軸線に沿って延びる回転軸と、
   前記回転軸の第一端部側に設けられ、周方向に間隔をあけて複数のブレードが形成されたタービンホイールと、
   前記タービンホイールを収容するタービンハウジングと、
   前記タービンハウジングに形成され、前記タービンホイールの径方向外側で周方向に連続し、前記タービンホイールを回転駆動させるガスが流れるスクロール流路と、
   前記スクロール流路から径方向内側に前記ガスを導き、前記タービンホイールに前記ガスを供給するノズル流路と、
   前記ノズル流路における前記ガスの導入量を調整するベーンと、を備え、
   前記ベーンは、前記ガスの流れの少なくとも一部が前記タービンホイールの前記ブレードの後縁側で径方向内側を流れるように導くガイド部を備えているターボチャージャー。
2. 前記ガイド部は、前記ベーンにおいて前記ガスの流れが衝突する側の正圧面に形成され、前記ガスの流れ方向下流側の後縁部に隆起する凸部からなる請求項１に記載のターボチャージャー。
3. 前記ガイド部は、前記正圧面の前記流れ方向上流側の前縁部に形成され、前記正圧面と反対側の面側に窪んだ凹部を備える、請求項２に記載のターボチャージャー。

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