JP6617837B2 - 可変ノズルユニットおよび過給機 - Google Patents

Description

本開示は、可変ノズルユニットおよび過給機に関する。

従来、特許文献１に記載されるように、タービン翼車へ流入するガスの流路面積を可変とするためのノズルベーン（可変ノズル翼）が知られている。ノズルベーンは、タービン翼車の回転軸線に平行な軸線周りに回動可能である。ノズルベーンの回動によって、ガスの流路面積が変更され得る。特許文献１に記載のノズルベーンは、高さを規定するハブ端面とシュラウド端面とを含み、長さを規定する前縁と後縁とを含み、厚みを規定する内側面と外側面とを含む。そして、ノズルベーンの少なくとも一部において、長さおよび厚みは、高さに応じて変化するように構成されている。

米国特許第７２５５５３０号明細書

本開示の発明者らは、可変ノズル翼においてシュラウド側のクリアランスフローを低減することにより、タービン効率が向上することを見出している。そのため、可変ノズル翼をシュラウド側へ寄せる技術を検討している。一方、可変ノズル翼をシュラウド側へ寄せると、ハブ側にクリアランスが生じる。従来、ハブ側をロングコード化することによりハブ側のクリアランスフローを低減し、それによってタービンの性能改善を図る技術も知られている。しかしながら、実際には、ハブ側のクリアランスフローを低減することは難しかった。そして、ハブ側のクリアランスフローが大きくなってしまうと、主流に沿う流れが減少してしまう。

本開示は、ハブ側のクリアランスフローを相対的に低減することにより、主流に沿う流れを増やすことができる可変ノズルユニットおよび過給機を説明する。

本開示の一態様に係る可変ノズルユニットは、スクロール流路からタービン翼車へ流入するガスを通過させるガス流入路と、タービン翼車の回転軸線方向に互いに対面しガス流入路を形成するハブ壁面およびシュラウド壁面と、を備えるタービンに用いられる可変ノズルユニットであって、ハブ壁面およびシュラウド壁面の間に配置され、ガス流入路内でタービン翼車の回転軸線に平行な回動軸線周りに回動可能な可変ノズル翼を備え、可変ノズル翼は、前縁と、後縁と、前縁および後縁を連結すると共に回転軸線の径方向外側に対面する外側翼面と、を含み、外側翼面のハブ壁面側には、少なくとも回動軸線よりも前縁側の範囲において凹部が形成されている。

本開示の一態様によれば、ハブ側のクリアランスフローを相対的に低減することができ、これにより、主流に沿う流れを増やすことができる。

図１は、本開示の一実施形態に係る過給機の断面図である。 図２は、可変ノズルユニットを回転軸線に垂直な面で切断した断面図である。 図３の（ａ）〜図３の（ｆ）は、可変ノズル翼の６面図である。 図４の（ａ）は図３の（ａ）の矢印Ａ１方向から可変ノズル翼を見て示す斜視図であり、図４の（ｂ）は図３の（ｆ）の矢印Ａ２方向から可変ノズル翼を見て示す斜視図である。 図５の（ａ）は可変ノズル翼をシュラウド端面側から見て示す正面図であり、図５の（ｂ）は可変ノズル翼を前縁側から見て示す図である。 図６の（ａ）は可変ノズル翼の３次元形状を示す正面図であり、図６の（ｂ）は前縁付近における図６の（ａ）の部分拡大図であり、図６の（ｃ）は後縁付近における図６の（ａ）の部分拡大図である。 図７は、可変ノズル翼の子午面形状を示す図である。 図８は、スパン方向位置に応じた径方向速度比の一例を示す図である。

本開示の一態様に係る可変ノズルユニットは、スクロール流路からタービン翼車へ流入するガスを通過させるガス流入路と、タービン翼車の回転軸線方向に互いに対面しガス流入路を形成するハブ壁面およびシュラウド壁面と、を備えるタービンに用いられる可変ノズルユニットであって、ハブ壁面およびシュラウド壁面の間に配置され、ガス流入路内でタービン翼車の回転軸線に平行な回動軸線周りに回動可能な可変ノズル翼を備え、可変ノズル翼は、前縁と、後縁と、前縁および後縁を連結すると共に回転軸線の径方向外側に対面する外側翼面と、を含み、外側翼面のハブ壁面側には、少なくとも回動軸線よりも前縁側の範囲において凹部が形成されている。

この可変ノズルユニットでは、外側翼面のハブ壁面側に、凹部が形成されている。通常、可変ノズル翼の前縁側では、径方向外側は高圧となり、可変ノズル翼の径方向内側は低圧となる。このように、外側と内側の間で圧力差が生じる。前縁側の範囲に凹部が設けられることにより、外側の凹部付近では圧力が低下し得る。これにより、外側と内側の間における圧力差が低減する。よって、ハブ側のクリアランスフローを相対的に低減することができる。クリアランスフローの低減により、主流に沿う流れを増やすことができる。

いくつかの態様において、凹部は、前縁と後縁とによって規定される可変ノズル翼の全長のうち８０％以上の範囲に形成されている。このように、凹部が全長の大部分にわたって設けられることにより、可変ノズル翼のより広い範囲において、外側と内側の間における圧力差を低減することができる。よって、クリアランスフローをより一層低減することができる。

いくつかの態様において、可変ノズル翼は、ハブ壁面に対面するハブ端面と、シュラウド壁面に対面するシュラウド端面と、を含み、外側翼面は、ハブ端面とシュラウド端面とによって規定される可変ノズル翼の全高のうちシュラウド端面側の第１の範囲に形成され、回動軸線に垂直な断面が定常な定常部と、定常部に境界線を介して連続すると共に全高のうちハブ端面側の第２の範囲に形成され、境界線とハブ端面との間で線形的に延びて凹部を形成する斜面部と、を含む。定常部との境界線からハブ端面にかけて線形的に延びる斜面部により、低圧部を確実に形成することができる。

いくつかの態様において、第２の範囲は、全高の１５％以下の範囲である。全高のうち、凹部があまりに広い範囲に設けられていると、外側翼面の機能が損なわれかねない。第２の範囲が全高の１５％以下であれば、上記したようにクリアランスフローを低減しつつ、外側翼面による主流の流路面積の調整機能が損なわれることを防止できる。

タービンに設けられた上記のいずれかの可変ノズルユニットを備えた過給機によれば、タービンの性能改善効果が得られる。

以下、図面を参照しながら、本開示の可変容量型過給機の実施形態について説明する。なお、各図面においては、構成要素の特徴を誇張して描写する場合があるため、図面上の各部位の寸法比は必ずしも実物とは一致しない。

図１に示される可変容量型過給機１は、例えば、船舶や車両の内燃機関に適用されるものである。図１に示されるように、可変容量型過給機１は、タービン２とコンプレッサ３とを備えている。タービン２は、タービンハウジング４と、タービンハウジング４に収納されたタービン翼車６と、を備えている。タービンハウジング４は、タービン翼車６の周囲において周方向に延びるスクロール流路１６を有している。コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング５と、コンプレッサハウジング５に収納されたコンプレッサ翼車７と、を備えている。コンプレッサハウジング５は、コンプレッサ翼車７の周囲において周方向に延びるスクロール流路１７を有している。

タービン翼車６は回転軸１４の一端に設けられている。コンプレッサ翼車７は回転軸１４の他端に設けられている。タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５との間には、軸受ハウジング１３が設けられている。回転軸１４は、軸受１５を介して軸受ハウジング１３に回転可能に支持されており、回転軸１４、タービン翼車６およびコンプレッサ翼車７が一体の回転体１２として回転軸線Ｈ周りに回転する。

タービンハウジング４には、排気ガス流入口（図示せず）および排気ガス流出口１０が設けられている。内燃機関（図示せず）から排出された排気ガスが、排気ガス流入口を通じてタービンハウジング４内に流入し、スクロール流路１６を通じてタービン翼車６に流入し、タービン翼車６を回転させる。その後、排気ガスは、排気ガス流出口１０を通じてタービンハウジング４外に流出する。

コンプレッサハウジング５には、吸入口９および吐出口（図示せず）が設けられている。上記のようにタービン翼車６が回転すると、回転軸１４を介してコンプレッサ翼車７が回転する。回転するコンプレッサ翼車７は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入し、圧縮して、スクロール流路１７を通じて吐出口から吐出する。吐出口から吐出された圧縮空気は、前述の内燃機関に供給される。

続いて、タービン２について更に詳細に説明する。タービン２は可変容量型タービンであり、スクロール流路１６とタービン翼車６とを接続するガス流入路２１には、複数の可変ノズル翼２３が設けられている。複数の可変ノズル翼２３が回転軸線Ｈを中心とする円周上に配置されており、各々の可変ノズル翼２３は回転軸線Ｈに平行な回動軸線Ｌ（図６の（ａ）参照）周りに回動する。ガス流入路２１は、スクロール流路１６からタービン翼車６に流入するガスを通過させる。上記のように可変ノズル翼２３が回動することで、タービン２に導入される排気ガスの流量に応じてガス流路の断面積（スロート面積）が最適に調整される。

上記のように可変ノズル翼２３を回動させるための駆動機構として、タービン２は可変ノズルユニット２５を備えている。可変ノズルユニット２５は、タービンハウジング４の内側に嵌め込まれており、例えばタービンハウジング４と軸受ハウジング１３とで挟み込まれて固定される。

以下、図１および図２を参照しながら、可変容量型過給機１のタービン２に適用された可変ノズルユニット２５について説明する。以下の説明において、単に「軸線方向」、「径方向」、「周方向」等と言うときには、それぞれ、タービン翼車６の回転軸線Ｈ方向、回転径方向、回転周方向を意味するものとする。また、回転軸線Ｈ方向において、タービン２に近い側を単に「タービン側」と言い、コンプレッサ３に近い側を単に「コンプレッサ側」と言う場合がある。

可変ノズルユニット２５は、上記の複数（図の例では１１個）の可変ノズル翼２３と、可変ノズル翼２３を軸線方向に挟む第１ノズルリング３１および第２ノズルリング３２と、を有している。第１ノズルリング３１と第２ノズルリング３２とは、それぞれ回転軸線Ｈを中心とするリング状を成しており、タービン翼車６を周方向に囲むように配置されている。第１ノズルリング３１と第２ノズルリング３２とで挟まれた領域が前述のガス流入路２１を構成する。第２ノズルリング３２はスクロール流路１６（図１参照）に面しており、第２ノズルリング３２がスクロール流路１６の内壁の一部を形成している。第１ノズルリング３１の軸受孔３１ａには、各可変ノズル翼２３の回動軸２３ａが回転可能に挿通されており、第１ノズルリング３１は各可変ノズル翼２３を片持ちで軸支している。なお、図の例では、可変ノズル翼２３は円周上に等間隔に配置されているが、可変ノズル翼２３を等間隔に配置することは必須ではない。図２には、タービン翼車６の回転方向Ｄが併せて示されている。

図１に示されるように、第１ノズルリング３１のコンプレッサ側には、円環板状のサポートリング４１が固定され、更にサポートリング４１のコンプレッサ側には、リング状をなす駆動リングサポート部材４３が固定されている。第１ノズルリング３１、第２ノズルリング３２、サポートリング４１および駆動リングサポート部材４３には、それぞれ複数（図の例では３つ）ずつのピン孔３５ａが設けられている。これらの各ピン孔３５ａに連結ピン３５が挿通されることで、第１ノズルリング３１、第２ノズルリング３２、サポートリング４１および駆動リングサポート部材４３が互いに連結される。

なお、サポートリング４１および駆動リングサポート部材４３は、連結ピン３５のコンプレッサ側の部分により、第１ノズルリング３１に対して共カシメされる。また、連結ピン３５のタービン側の部分には、第１ノズルリング３１および第２ノズルリング３２をそれぞれ位置決めするための２つの鍔部が設けられている。２つの鍔部の間の寸法が高精度に作製されることで、ガス流入路２１の軸線方向の寸法精度が確保されている。駆動リングサポート部材４３に駆動リング２８が取り付けられることで、駆動リング２８が回転軸線Ｈ周りで回動可能に支持される。サポートリング４１の外周部分が、タービンハウジング４と軸受ハウジング１３とで軸線方向に挟み込まれることにより、可変ノズルユニット２５全体がタービンハウジング４および軸受ハウジング１３によって保持される。

駆動リング２８は、外部から入力される可変ノズル翼２３への駆動力を伝達する部材であり、例えば金属材料により一部材で形成されている。駆動リング２８は、回転軸線Ｈを中心とする円周上に延在するリング状をなしており、外部からの駆動力を受けて回転軸線Ｈ周りに回動する。レバー２９は各可変ノズル翼２３の回動軸２３ａにそれぞれ取り付けられ、駆動リング２８の内側で円周上に等間隔に配置されている。

このような可変ノズルユニット２５のうち、第１ノズルリング３１、第２ノズルリング３２、サポートリング４１、および連結ピン３５からなる部分が、タービンハウジング４に固定され複数の可変ノズル翼２３を回動可能に軸支している。

図２以降の図面を参照しながら、可変ノズルユニット２５および可変ノズル翼２３についてより詳しく説明する。複数の可変ノズル翼２３は、同一であり、等しい大きさおよび形状を有する。第１ノズルリング３１と第２ノズルリング３２との間に配置された複数の可変ノズル翼２３において、回動動作の信頼性を確保するため、サイドクリアランスが形成される。すなわち、図７に示されるように、第１ノズルリング３１のハブ壁面３１ｂと可変ノズル翼２３のハブ端面５４との間には、ハブ側クリアランスＧが形成され得る。タービン効率の向上の観点から、可変容量型過給機１の運転中において、可変ノズル翼２３はシュラウド壁面３２ｂ側に寄せられており、シュラウド側クリアランスが無い状態または極小さい状態とされ得る。

可変ノズルユニット２５では、可変ノズル翼２３の３次元形状を工夫することにより、可変ノズルユニット２５の径方向外側Ｓ２と径方向内側Ｓ１の間における圧力差が低減されている。特に、可変ノズル翼２３のハブ壁面３１ｂ側であって、可変ノズルユニット２５に流入するガスが最初に当たる前縁５１付近において、径方向外側Ｓ２の圧力が低減されている。

図２および図３に示されるように、可変ノズル翼２３は、ガス流入路２１におけるガスの流れを基準として上流側に位置する前縁５１と、下流側に位置する後縁５２とを含む。前縁５１と後縁５２とは、可変ノズル翼２３の長さ（全長）を規定する。可変ノズル翼２３は、第１ノズルリング３１のハブ壁面３１ｂに対面する平坦なハブ端面５４と、第２ノズルリング３２のシュラウド壁面３２ｂに対面する平坦なシュラウド端面５３とを含む。ハブ端面５４およびシュラウド端面５３は、前縁５１と後縁５２とを連結しており、回転軸線Ｈに（すなわち回動軸線Ｌに）直交するようにそれぞれ配置される。ハブ端面５４とシュラウド端面５３とは、可変ノズル翼２３の高さ（全高）を規定する。ハブ端面５４は、シュラウド端面５３とは異なる大きさおよび形状を有する。後述する凹部６０が設けられることにより、ハブ端面５４の面積は、シュラウド端面５３の面積より小さい。

可変ノズル翼２３は、径方向内側Ｓ１に面する内側翼面５６と、径方向外側Ｓ２に面する外側翼面５７とを含む。内側翼面５６は、径方向内側Ｓ１に対面しており、凹面状に湾曲する。外側翼面５７は、径方向外側Ｓ２に対面しており、凸面状に湾曲する。内側翼面５６および外側翼面５７は、前縁５１と後縁５２とを連結しており、シュラウド端面５３とハブ端面５４とを連結している。内側翼面５６と外側翼面５７とは、可変ノズル翼２３の厚みを規定する。

可変ノズル翼２３の３次元形状について詳しく説明する。図４の（ａ）および図４の（ｂ）に示されるように、可変ノズル翼２３の外側翼面５７には、ハブ端面５４側において凹部６０が形成されている。すなわち、外側翼面５７には、第１ノズルリング３１のハブ壁面３１ｂ側に凹部６０が形成されている。凹部６０は、ハブ壁面３１ｂ側に開口しており、ハブ端面５４に連絡している。凹部６０が形成されている分、ハブ端面５４の面積は小さくなっている。この凹部６０は、ガス流路の空間を局所的に拡大することで、ハブ壁面３１ｂ側における径方向外側Ｓ２の圧力の低減に寄与する。凹部６０は、ハブ側クリアランスＧを流れるクリアランスフローを、主流に対して相対的に減少させる。

図５の（ｂ）に示されるように、可変ノズル翼２３は、可変ノズル翼２３の全高Ｘのうち、シュラウド壁面３２ｂ側の第１の範囲に形成された定常部Ｐ１を含む。以下、回動軸線Ｌ方向に平行な方向を高さ方向またはスパン方向という。定常部Ｐ１は、シュラウド端面５３を含む。すなわち、定常部Ｐ１は、外側翼面５７の外側シュラウド稜部５７ａと、内側翼面５６の内側シュラウド稜部５６ａとを含む。定常部Ｐ１では、回動軸線Ｌに垂直な断面がスパン方向で同一（すなわち不変）である。この定常部Ｐ１が全高Ｘに占める割合は、８５％以上であってもよいし、９０％以上であってもよい。すなわち、上記の第１の範囲は、全高Ｘの８５％以上の範囲であってもよいし、全高Ｘの９０％以上の範囲であってもよい。

一方、可変ノズル翼２３は、定常部Ｐ１に連続するようにして定常部Ｐ１のハブ壁面３１ｂ側（コンプレッサ側）に設けられたハブ側部Ｐ２を含む。ハブ側部Ｐ２は、可変ノズル翼２３の全高Ｘのうち、ハブ壁面３１ｂ側の第２の範囲に形成されている。ハブ側部Ｐ２は、上記した凹部６０と、ハブ端面５４とを含む。すなわち、ハブ側部Ｐ２は、ハブ端面５４の外側ハブ稜部５４ａと内側ハブ稜部５４ｂとを含む。また、ハブ側部Ｐ２は、定常部Ｐ１の下端（ハブ側端）をなす外側境界線５７ｂおよび内側境界線５６ｂを介して、定常部Ｐ１に連続している。これらの外側境界線５７ｂおよび内側境界線５６ｂは、定常部Ｐ１の一部であるから、外側シュラウド稜部５７ａおよび内側シュラウド稜部５６ａと同一の大きさおよび形状をなす。

ハブ側部Ｐ２では、回動軸線Ｌに垂直な断面がスパン方向に応じて変化する。ハブ側部Ｐ２は、外側シュラウド稜部５７ａと外側ハブ稜部５４ａとの間で、スパン方向に沿って線形的に延びる斜面部６１を含む。ハブ側部Ｐ２は、内側シュラウド稜部５６ａと内側ハブ稜部５４ｂとの間で、スパン方向に沿って線形的に延びる斜面部６２を含む。径方向外側Ｓ２の斜面部６１は、外側翼面５７より窪んでおり、凹部６０を形成している。すなわち、外側ハブ稜部５４ａは、外側境界線５７ｂよりも径方向内側Ｓ１に配置されている。一方、径方向内側Ｓ１の斜面部６２は、内側翼面５６から突出している。すなわち、内側ハブ稜部５４ｂは、内側境界線５６ｂよりも径方向内側Ｓ１に配置されている。

このハブ側部Ｐ２が全高Ｘに占める割合は、１５％以下であってもよいし、１０％以下であってもよい。すなわち、上記の第２の範囲は、全高Ｘの１５％以下の範囲であってもよいし、全高Ｘの１０％以下の範囲であってもよい。第２の範囲は、上記した径方向外側Ｓ２側の圧力の低減効果と、可変ノズル翼２３間を通る主流の流路面積の調整機能とを考慮して、適宜設定され得る。

このような定常部Ｐ１とハブ側部Ｐ２とが設けられることにより、可変ノズル翼２３の前縁５１は、定常部前縁５１ａと、ハブ側部前縁５１ｂとを含む。図５の（ａ）および図６の（ｂ）に示されるように、ハブ側部前縁５１ｂは、定常部前縁５１ａよりも外側へ突出している。ハブ側部Ｐ２の大部分は、凹部６０であって定常部Ｐ１の外側翼面５７よりも内側に凹んでいる（えぐれている）が、ハブ側部前縁５１ｂは、定常部前縁５１ａよりも突出している。凹部６０と定常部前縁５１ａとは連結されているが、これらの中間の位置において、ハブ側部Ｐ２は外側境界線５７ｂを横断している。

また、図６の（ｃ）に示されるように、可変ノズル翼２３の後縁５２は、定常部後縁５２ａと、ハブ側部後縁５２ｂとを含む。ハブ側部後縁５２ｂは、定常部後縁５２ａに対して僅かにずれている。なお、これらの位置は略一致していてもよい。

図３の（ｆ）、図４の（ａ）、図４の（ｂ）、および図５の（ａ）に示されるように、凹部６０は、可変ノズル翼２３の長さ方向（すなわち前縁５１から後縁５２に延びる長手方向）に沿って延びている。より詳細には、凹部６０は、少なくとも可変ノズル翼２３の回動軸線Ｌ（図６の（ａ）参照）よりも前縁５１側の所定範囲に形成されている。より詳細には、凹部６０は、長さ方向の中央部を含み当該中央部から前縁５１にわたる領域で延在している。前縁５１側では、径方向外側Ｓ２の圧力が高くなる傾向にあるため、凹部６０が前縁５１側に設けられることで、上記した圧力の低減効果が高められる。

図６の（ａ）に示されるように、凹部６０は、可変ノズル翼２３の全長Ｒのうち、８０％以上の範囲に形成されている。凹部６０は、可変ノズル翼２３の全長Ｒのうち、８５％以上の範囲に形成されてもよい。全長Ｒは、可変ノズル翼２３のコード長に相当する。

たとえば、図６の（ｂ）に示されるように、凹部６０は、全長Ｒを基準として、定常部前縁５１ａから５％以上離れた位置に始端（すなわち前端７１）を有する。すなわち、凹部６０の前端７１の定常部前縁５１ａからの距離は、全長Ｒの５％以上である。また、図６の（ｃ）に示されるように、凹部６０は、全長Ｒを基準として、定常部前縁５１ａから９５％以内離れた位置に終端（すなわち後端７２）を有する。すなわち、凹部６０の後端７２の定常部前縁５１ａからの距離は、全長Ｒの９５％以下である。図６の（ａ）に示される凹部長さＲａは、全長Ｒの８０％以上の範囲であってもよいし、全長Ｒの８５％以上の範囲であってもよい。

より詳細には、図６の（ｂ）に示されるように、ハブ側部前縁５１ｂの前縁中心Ｃ１ｂは、定常部Ｐ１の形状すなわち定常部前縁５１ａからはみ出さないように設けられる。また、たとえば、前端７１は、キャンバーラインＣ上の前縁中心Ｃ１ａを中心として定常部前縁５１ａを通って円弧状に延びる周面部分よりも後縁５２側に設けられる。

図６の（ｃ）に示されるように、ハブ側部後縁５２ｂの後縁中心Ｃ２ｂは、定常部Ｐ１の形状すなわち定常部後縁５２ａからはみ出さないように設けられる。さらに、ハブ側部後縁５２ｂは、定常部後縁５２ａからはみ出さないように設けられる。後端７２は、キャンバーラインＣ上の後縁中心Ｃ２ａを中心として定常部後縁５２ａを通って円弧状に延びる周面部分よりも前縁５１側に設けられてもよい。

可変ノズル翼２３および可変ノズル翼２３を備えた可変ノズルユニット２５によれば、可変容量型過給機１の運転中、エンジンの回転数が高く、排気ガスの流量が多い場合には、複数の可変ノズル翼２３が開方向へ同期して回動させられることにより、タービン翼車６へ供給される排気ガスのガス流路面積（スロート面積）は大きくなる。この結果、多くの排気ガスが供給される。一方、エンジンの回転数が低く、排気ガスの流量が少ない場合には、複数の可変ノズル翼２３が閉方向へ同期して回動させられることにより、タービン翼車６へ供給される排気ガスのガス流路面積（スロート面積）は小さくなる。この結果、排気ガスの流速が高められ、タービン翼車６の仕事量が確保される。これにより、タービン翼車６による回転力が安定的に発生させられる。

図７に示されるように、可変ノズル翼２３は、軸方向Ｄ１においてシュラウド壁面３２ｂ側に寄せられている。可変ノズル翼２３とハブ壁面３１ｂとの間にはハブ側クリアランスＧが形成される。径方向外側Ｓ２から流入する排気ガスは、可変ノズル翼２３と可変ノズル翼２３との間を通る主流、または、ハブ側クリアランスＧを半径方向Ｄ２に通り抜けるクリアランスフローとなって、タービン翼車６側に流入する。

可変ノズルユニット２５では、外側翼面５７のハブ壁面３１ｂ側に、凹部６０が形成されている。可変ノズル翼２３の前縁５１側では、径方向外側Ｓ２は高圧となり、径方向内側Ｓ１は低圧となる。外側翼面５７より窪んだ凹部６０が前縁５１側の範囲に設けられることにより、径方向外側Ｓ２の凹部６０付近では、圧力が低下し得る。これにより、径方向外側Ｓ２と径方向内側Ｓ１の間における圧力差が低減する。よって、ハブ側のクリアランスフローは相対的に低減され得る。そして、クリアランスフローの低減により、主流に沿う流れを増やすことができる。可変ノズルユニット２５を備えた可変容量型過給機１によれば、タービン２の性能改善効果が得られる。

従来であれば、可変ノズル翼の前縁の径方向外側は高圧となり、径方向内側は流路が狭まる部分のため低圧となる。つまり、流れを増速するため、圧力は速度エネルギーに変換され、低圧となる。これにより、径方向外側から径方向内側に向かって、ノズルサイドクリアランス部を通る漏れ流れが増加し、主流に対する混合損失が増加する。これとともに、インペラ流入角が増加し、インシデンスロスの増大により、性能が低下し得る。つまり、主流の質量流量の減少により、流れ角が増大する。特に、シュラウド側クリアランスが大きくなった場合、ノズルサイドを通る漏れ流れがチップクリアランスへ流入し、チップクリアランスロスが増大し得る。

本実施形態の可変ノズル翼２３では、凹部６０が圧力差を低減しているため、クリアランスフローが低減されている。特に、ガス流路面積を絞った際に、この効果は顕著に現れる。

凹部６０が全長Ｒの大部分にわたって設けられることにより、可変ノズル翼２３のより広い範囲において、径方向外側Ｓ２と径方向内側Ｓ１の間における圧力差が低減される。よって、クリアランスフローをより一層低減することができる。

定常部Ｐ１との境界線（外側境界線５７ｂおよび内側境界線５６ｂ）からハブ端面５４にかけて線形的に延びる斜面部６１により、低圧部が確実に形成される。

スパン方向において凹部６０があまりに広い範囲に設けられていると、外側翼面５７の機能が損なわれかねない。凹部６０が設けられた第２の範囲が全高Ｘの１５％以下であれば、上記したようにクリアランスフローを低減しつつ、外側翼面５７による主流の流路面積の調整機能が損なわれることを防止できる。

図８を参照して、可変ノズル翼２３の後縁５２近傍における径方向速度比Ｃｍのスパン方向における分布を説明する。実施例には、可変ノズル翼２３の構成が採用され、比較例には、凹部が設けられない、定常形状を有する従来の可変ノズル翼が採用されている。図８からわかるように、太線で示された実施例の可変ノズル翼２３では、主流（すなわちＸｐ／Ｘ＝０より大きい領域）において、比較例の可変ノズル翼に比して径方向速度比Ｃｍが増加している。これは、主流における速度分布が増大し、主流の流量が増加していることを意味する。よって、タービン２の性能改善が実現されている。径方向速度比Ｃｍの増加は、定常部Ｐ１（すなわちＸｐ／Ｘ＝０．１より大きい領域）においても、ハブ側部Ｐ２（すなわちＸｐ／Ｘ＝０．１より小さい領域）においても、同様に確認された。なお、ハブ側クリアランスＧに相当する領域（すなわちＸｐ／Ｘ＝０〜−０．０２の領域）では、径方向速度比Ｃｍは略同じであった。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限られない。たとえば、凹部６０が設けられる範囲は、前縁５１寄りのみであってもよい。凹部６０は前縁５１から後縁５２までの全域に設けられてもよい。

すべての可変ノズル翼２３に対して上記の構成が採用されなくてもよい。複数の可変ノズル翼２３のうち一部（１つまたは複数）の可変ノズル翼２３に対して、上記の実施形態に係る構成が採用されてもよい。

可変ノズル翼２３は、片持ちで軸支される場合に限られず、両持ちで軸支されてもよい。両持ちで軸支される場合には、第２ノズルリング３２にも軸受孔が設けられ、可変ノズル翼２３に設けられた回動軸が軸受孔に回動可能に挿通される。

可変ノズル翼２３が片持ちで軸支される場合に、第２流路壁面がタービンハウジング４によって形成されてもよい。すなわち、第２ノズルリング３２が省略されてもよい。この場合、可変ノズル翼２３は、第１ノズルリング３１に取り付けられて、タービンハウジング４の一部である第２流路壁面に対面する。

本開示のいくつかの態様によれば、ハブ側のクリアランスフローを相対的に低減することができ、これにより、主流に沿う流れを増やすことができる。

１ 可変容量型過給機
２ タービン
３ コンプレッサ
４ タービンハウジング
６ タービン翼車
７ コンプレッサ翼車
１４ 回転軸
１６ スクロール流路
２１ ガス流入路
２３ 可変ノズル翼
２５ 可変ノズルユニット
３１ 第１ノズルリング
３１ｂ ハブ壁面
３２ 第２ノズルリング
３２ｂ シュラウド壁面
５１ 前縁
５２ 後縁
５３ シュラウド端面
５４ ハブ端面
５６ 内側翼面
５７ 外側翼面
６０ 凹部
６１ 斜面部
６２ 斜面部
Ｃ キャンバーライン
Ｈ 回転軸線
Ｐ１ 定常部
Ｐ２ ハブ側部
Ｒ 全長
Ｓ１ 径方向内側
Ｓ２ 径方向外側
Ｘ 全高

Claims (7)

1. スクロール流路からタービン翼車へ流入するガスを通過させるガス流入路と、前記タービン翼車の回転軸線方向に互いに対面し前記ガス流入路を形成するハブ壁面およびシュラウド壁面と、を備えるタービンに用いられる可変ノズルユニットであって、
   前記ハブ壁面および前記シュラウド壁面の間に配置され、前記ガス流入路内で前記タービン翼車の前記回転軸線に平行な回動軸線周りに回動可能な可変ノズル翼を備え、
   前記可変ノズル翼は、前縁と、後縁と、前記前縁および前記後縁を連結すると共に前記回転軸線の径方向外側に対面する外側翼面と、を含み、
   前記外側翼面の前記ハブ壁面側には、少なくとも前記回動軸線よりも前記前縁側の範囲において凹部が形成されている、可変ノズルユニット。
2. 前記凹部は、前記前縁と前記後縁とによって規定される前記可変ノズル翼の全長のうち８０％以上の範囲に形成されている、請求項１に記載の可変ノズルユニット。
3. 前記可変ノズル翼は、前記ハブ壁面に対面するハブ端面と、前記シュラウド壁面に対面するシュラウド端面と、を含み、
   前記外側翼面は、
   前記ハブ端面と前記シュラウド端面とによって規定される前記可変ノズル翼の全高のうち前記シュラウド端面側の第１の範囲に形成され、前記回動軸線に垂直な断面が定常な定常部と、
   前記定常部に境界線を介して連続すると共に前記全高のうち前記ハブ端面側の第２の範囲に形成され、前記境界線と前記ハブ端面との間で線形的に延びて前記凹部を形成する斜面部と、を含む、請求項１に記載の可変ノズルユニット。
4. 前記可変ノズル翼は、前記ハブ壁面に対面するハブ端面と、前記シュラウド壁面に対面するシュラウド端面と、を含み、
   前記外側翼面は、
   前記ハブ端面と前記シュラウド端面とによって規定される前記可変ノズル翼の全高のうち前記シュラウド端面側の第１の範囲に形成され、前記回動軸線に垂直な断面が定常な定常部と、
   前記定常部に境界線を介して連続すると共に前記全高のうち前記ハブ端面側の第２の範囲に形成され、前記境界線と前記ハブ端面との間で線形的に延びて前記凹部を形成する斜面部と、を含む、請求項２に記載の可変ノズルユニット。
5. 前記第２の範囲は、前記全高の１５％以下の範囲である、請求項３に記載の可変ノズルユニット。
6. 前記第２の範囲は、前記全高の１５％以下の範囲である、請求項４に記載の可変ノズルユニット。
7. 前記タービンに設けられた請求項１〜６のいずれか一項に記載の可変ノズルユニットを備える、過給機。

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