JPS5945808B2 - タ−ビンの構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はたとえば内燃機関に応用されるターボ過給機の
制御に関し、より詳細にはターボ過給機の作動がエンジ
ンの要求により合うようにタービンの作動特性を制御す
ることに関する。

ターボ過給機は一般に内燃機関の空気の流れの率及び吸
気圧力を増加させるのに用いられ、それによってエンジ
ンの出力及び効率を増加せしめる。

通常の装置において、遠心圧縮機はエンジンの排気ガス
によって、動力を供給される内向き半径流タービンによ
って駆動される。

普通の場合のように圧縮機とタービンの形状寸法が決め
られているならば、遊転から最大出力状態まで望ましい
エンジン作動範囲を通してターボ過給機の適箔な作動を
提供することは困難である。

仮にターボ過給機がエンジンの遊転速度において作動す
るよう設計されているならば、最大出力においては過剰
のターボ過給機の速度及びエンジン供給圧力が提供され
ることがわかる。

逆に、ターボ過給機が最大出力に合っているならば、遊
転のときはターボ過給機の速度は遅すぎそのため空気流
及び吸気圧力が低すぎることがわかる。

このような状態においては、エンジン出力は希望より低
く、過剰の排気煙及び熱を発生させうるであろう。

このような難点を克服するため従来数多くの装置が用い
られてきた。

ある手段はタービンの周りのエンジン排気ガスのための
バイパスが設けられている排気ゲートであり、これによ
りターボ過給機の回転速度及び増強圧力を制限する。

他の手段さしては、タービン羽根車の前のタービンハウ
ジング内の回転又は可動羽根（米国特許第２，９４４，
７８６号−エンジェル（ａｎｇｅｌｌ））、分けられた
ハウジングの一面又は両面に流れを向けるタービンハウ
ジング内の羽根（米国特許第８，４２３，９２６号−ナ
ンキャロウ（Ｎａｎｃａｒｒｏｗ乃、ターボ過給機の前
の排気マニホルド（米国特許第２，８３８，９０７号−
カラランド（ｃｏｗ ｌ ａｎｄ ） ）、及び可動タ
ービン吸気ノズル（米国特許第３，６３９，０７５号−
エルウィン（Ｅｒｗｉｎ））がある（但し、これらに必
ずしも制限されるものではない。

）。これらの構成は夫々過剰の空気力学上の損失も生じ
、このため効力を低めあるいはターボ過給機の作動環境
における確実性の問題がある複雑な機構を必要とする。

知る限りにおいて従来のターボ過給機制御機構のすべて
はタービン羽根車の前の流れの状態を変化させることに
よって作動することがわかる。

羽根の動作の調査により羽根車の出力の部分の二は羽根
車の羽根の通路内の（エンジン排気ガスの）半径方向の
流れにより、出力の約三分の−は羽根車のエックスデュ
ーサ内の空気の変向によることがわかる。

エックスデューサは羽根車の羽根が実質上軸方向よりタ
ービンの回転さ逆方向に重大な角度に曲げられている羽
根車の羽根システムの一部である。

従って、もし羽根車のエックスデューサ部分を通る空気
流の率がタービン吸気ハウジング及びタービンの羽根の
放射状部分を通るものに比較し減少せしめられるならば
、出力及びそれによるターボ過給機の回転速度は修正さ
れ及び制御され得る。

エックスデューサ流出として言及されるこの概念は空気
がタービンの吸気ハウジングを通過するのを妨げられず
、羽根の半径方向部分は全エネルギ伝達の重大な割合を
占めるという潜在的な利益を提供する。

それ故エックスデューサ流出はタービン効率の減少を最
少とする。

圧力がタービンの放出圧力より充分上で空気は放出され
るので、エックスデューサから放出されたこの空気はな
お充分なエネルギを有す。

この空気のエネルギ量は、タービンハウジング放出の下
流での圧力が上昇している間、エックスデューサ放出部
の圧力を減少せしめるためエックスデューサ放出におい
てジェットポンプ用、駆動媒質としてそれを用いること
により部分的に埋め合せすることができる。

本発明の実施によると、ターボ過給機制御のための改良
された配置はエックスデューサ放出でジェットポンプに
より１駆動される流出空気といっしょになるエックスデ
ューサ流出（ｅｘｄｕｃｅｒ ｂｌｅｅｄ）によりなさ
れる。

このようなターボ過給機は典型的には直径が３〜５〔イ
ンチ’ｌ（７，６２〜１２．７〔ホ〕）である。

エックスデューサは外部の形状は通常円筒形であり、先
端の直径はタービンの先端の直径の７５％から９０％ま
で変化する。

エックスデューサのバブは代表的には先端の直径の約４
０％の直径をなしている。

タービンの入口の温度はエンジンの作動状態により８０
０〜１．３００（Ｆｌ（４２６，７〜７０４．４°Ｃ）
の範囲変化して良く、ターボ過給機はその大きさにより
最大スピードは７０，０００〜１２０，０００〔ＲＰＭ
）の範囲である。

タービンの入口圧力はターボ過給機が使用される特有の
エンジンの作動特性により、最大出力で３．５〔気圧〕
から遊転で１．５〔気圧〕まで変化する。

タービンの流出圧力は通常大気圧より少し高い。

次に、添付図面を参照して本発明のタービンの構造の好
適具体例について説明する。

第１図を参照して説明すると、番号１０はタニボ過給機
ハウジングの一部分の全体を示し、該ハウジングは内燃
機関からの排気ガスを収容するための環状チャンバ１２
を具備する。

番号１４はタービン排気装置の一部を示し、その内部は
番号１６で示される。

代表的な構成のタービン羽根車は番号２０で示され、従
来の如くターボ過給機の圧縮部分（図示せず）と結合さ
れるようになっている軸２２を具備する及番号２４は複
数個の羽根の各々のうちの１つを示し、その半径方向の
最も外側部分は番号２６で示し、そのエックスデューサ
部分は番号２８で示される。

エンジンからの排気ガスはチャンバ１２に供給され各羽
根車の羽根の部分２６の方に半径方向内側に進み、そし
てエックスデューサ部分を通過し排気される。

番号３０は排気通路内１６に設置された制御リングを示
し、ハウジング部分１４の内面と制御リング３０の半径
方向の数も外側の面との間に環状空間即ち区域３２を形
成する。

制御リングは最も左側の位置に図示されており、後述す
るエンジン作動状態に応じて右にそして左に等動かされ
るようになっている。

区域３２は制御リング３０とタービンハウジング排出部
１４、即ち排気通路１６の面の間に環状流出通路を形成
する。

制御リングがタービンの方に図示された閉じた最も左の
位置に動かされる際には、流出は行なわれずタービンを
正常に作動せしめる。

ガスの流れは曲がった矢印で示される。制御リングがタ
ービンより離されたとき、流出スロット（制御リングと
左エツジと羽根部分２６との間の）の面積は増加し、流
出流量率は増加する。

典型的には最大の出力エンジン作動状態における１０％
のタービン出力を減らすことが好ましく、これはタービ
ンの空気の流れ一２０％から３０％が流出スロットから
流れることが必要である。

直径３インチ（７，６２ｃｒｒＬ）の先端のタービンの
典型的な応用においては、流出通路３２の半径方向の厚
さは約０．２５インチ（０，６３５ｃ１ｒＬ）である。

この寸法は特別なタービン設計及び必要な出力減少量の
関数である。

□第２図は本発明の特有の具体例を示す。

第１図、第２図の両図面において対応する要素を示すい
くつかの参照番号は同じである。

第２図の制御リングは番号５０で示され、所定の角度で
間隔が開けられたランド部分５２を具備する。

順次ランド５２は環状排気部分１４のスラント５５を通
って半径方向外側に延びているピン５４を支持する。

ピン５４は外部の作動リング５６により支持され、この
部材は輪状即ち環状をしている。

オーリングの形状で良い軸方向に間隔を有するシール要
素５８が作動リング５６下面に設けられている。

上記オーリングは高温条件に適したものならどのような
材質及び形状であっても良い。

密閉状態は排気装置１４の外側部分をすべるようになっ
ている。

制御リング５０の動きの両極端、即最も右側及び最も左
側において、第２図に示される如くランドが常にスロッ
ト５５を覆うように、ランド５２の軸方向の巾はスロッ
ト５５の軸方向中より広くなっている。

オーリングを除き、ハウジング１０、制御リング５０及
び関連要素の構成材料は延性鉄とし、熱膨張による遊び
の変化を最小とするのが好ましい。

エックスデューサ放出通路を囲んでいるタービン流出通
路の放出はエゼクタポンプを構成する。

エゼクタポンプからのいくらかの混合及び静的圧力の補
充は第１図に示された構成で行なわれる。

しかし、タービンの効力を最大とするため、より有効な
放出の構成を設けることが望ましい。

流出され又はバイパスされた空気の急な膨張を防ぐため
、第２図の番号６４で示される概ね円錐状の案内部材が
排気装置１６の支持部材６６により支持されており、排
気ガスは周囲を通る。

第４図は案内部材の構成を図示している。

円錐案内部材６４はその一端が羽根車２０と隣接した位
置にあり、右端部は図示された如くテーパが付けられて
いる。

円錐案内部材はよりゆっくりしたエネルギ放出ができる
ようにする。

作動リング５６の左側又は右側への動きはタービン羽根
車のエックスデューサ部分を通る排気ガスの量を変化せ
しめる制御リング５０の相応する動きを伴なうことがわ
かるであろう。

第２図の曲がった矢印は流出部分（上方矢印）及び残留
部分（下方部分）を示す。

流出部分はハウジング１４の環状絞り１５を通過し、半
径方向外側に進み、環状区域３２を通り軸方向にも進む
。

リング５０の右方向への動きが大きければ大きい程流出
ガスの量は多くなる。

作動リング５６の動きは、エンジン燃料制御装置の位置
の関数とすることができる。

たとえば、最大出力のあるパーセントまで流出を塞いだ
ままにしておくことができ、出力を最大に上げる時、作
動リング５６を右方向に漸進的に動かし、制御リング５
０によりそれ以上に流出を増加せしめる。

別の配置はたとえば制御信号のような吸気多枝管圧力が
用いられ、このような圧力は所望の値又はそれ以下で吸
気多枝管圧力を維持する流出制御リング５０の位置を調
整する。

エックスデューサ流出は閉じられたままで、そしてター
ビンはエンジンの作動範囲のほさんどを通して正常な作
動を続ける。

通常、本発明のエックスデューサ流出の構成はエンジン
の高出力及び高速度作動範囲でのみ用いられ又は有効に
なる。

第５図は典型的な羽根車のエックスデューサ部分を図示
する。

曲がった矢印は羽根車の回転方向を示す。

エックスデューサ部分の軸方向の延びは中間羽根車の羽
根の中間部分として示されている。

羽根のエックスデューサ部分は軸方向より回転と反対方
向に曲がっているのが明示されている。

【図面の簡単な説明】

第１図はエックスデューサ流出制御リングを具備するタ
ービンの部分断面図で、本発明の原理を図解する。 第２図は第１図と同様の図で、−具体例に従う本発明の
実施を図解する。 第３図は第２図の断面３−３に沿った図。 第４図は第２図の断面４−４に沿った図。 第５図は第１図又は第２図のような代表的な羽根車の部
分斜視図で、羽根車のエックスデューサ部分を図解する
。 １０・・・・・・ターボ過給機ハウジング、１２・・・
・・・環状チャンバ、１６・・・・・・排気通路、２０
・・・・・・タービン羽根車、３０・・・・・・制御リ
ング、５０・・・・・・制御リング、５２・・・・・・
ランド、５４・・・・・・ピン、５６・・・・・・作動
リング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ タービン羽根車を介して膨張させるためのエンジン
   排気ガスを収容するためのタービンハウジング内の環状
   チャンバ１２と、回転可能に設置され且つエックスデュ
   ーサ部分を有していて該環状チャンバより排気ガスを受
   けるようになっているタービン羽根車２０と、該タービ
   ン羽根車を通過したガスを受ける細長い排気通路１６と
   を具備し、該タービン羽根車のエックスデューサ部分が
   該細長い排気通路内に位置付けされているタービンの構
   造において、該タービン羽根車の該エックスデューサ部
   分の羽根の半径方向量も外側部分と該排気通路の内壁と
   の間の空隙の環状区域と、該環状区域内に少なくともそ
   の一部を有し、該環状区域の半径方向寸法より小さい半
   径方向厚さを有し、軸方向前後に動くように設置された
   、タービン羽根車の回転軸線と同軸で環状の制御リング
   ３０゜５０とを具備し、該制御リングが該エックスデュ
   ーサ部分の周りの一方の最端部位置にある時は、該ター
   ビン羽根車に入る実質上全ガスが該タービン羽根車のエ
   ックスデューサ部分の軸方向外に進み、該制御リングが
   該一方の最端部位置より離れる方向に軸方向を動く時は
   、タービン羽根車に入るガスの一部が該エックスデュー
   サ部分の半径方向外側及び制御リングと排気通路間の軸
   方向に放出されることを特徴とするターボ過給機に使用
   するに適するタービンの構造。 ２ 該制御リングの軸方向の巾が該制御リングの一方の
   最端部位置においてその軸方向端部がタービン羽根車を
   越えて軸方向に延びていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のタービンの構造。 ３ 該制御リングが複数個の半径方向外側に延びている
   ランド５２を支持し、該ランドは各々該排気通路の壁の
   軸方向に延びたスロット５５を通って半径方向外側に延
   びているピン５４を支持し、該ピンが該排気通路の外面
   に支持された作動リングに固着され、該ランドの軸方向
   の巾が該スロットの軸方向の巾より広く該ランドが該制
   御リングの軸方向の全位置において該スロットを覆うこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のタービンの
   構造。 ４ 該排気通路の内面と周囲間の連絡を禁するため該ス
   ロットを密閉する手段５８を具備する特許請求の範囲第
   ３項記載のタービンの構造。 ５ 該密閉するための手段が該作動リングの底に支持さ
   れた軸方向に間隔を有し、該スロットの両側に位置する
   ２つのオーリング５８を具備することを特徴とする特許
   請求の範囲第４項記載のタービンの構造。 ６ 該ランドの半径方向の最も外側の面が該スロットと
   隣接する該排気通路の最も内側の而に摺接することを特
   徴とする特許請求の範囲第３項記載のタービンの構造。 ７ 該タービン羽根車の下流に位置し、該排気通路と同
   軸的に設置された軸方向に延びた案内部材６４を具備す
   る特許請求の範囲第１項記載のタービンの構造。 ８ 該タービン羽根車の下流に位置し、該排気通路と同
   軸的に設置された軸方向に延びた案内部材６４を具備す
   る特許請求の範囲第３項記載のタービンの構造。 ９ 該タービン羽根車の下流に位置し、該排気通路と同
   軸的に設置された軸方向に延びた案内部材６４を具備す
   る特許請求の範囲第５項記載のタービンの構造。 １０ 該排気通路１６と該環状チャンバ１２との結合
   部に環状絞り１５が形成され、該環状絞り１５は該排気
   通路の隣接する内側の直径よりも小さい直径を有し、該
   制御リング３０．５０の一端は該環状絞りの近くに位置
   する特許請求の範囲第１項記載のタービンの構造。