JPS6285127A - 渦流ケーシング型タービン装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産ｌユ！吋分野 本発明は車両機関のターボ過給機の圧縮機等を駆動する
ラジアルタービン用の可変入口の改良に関する。

従来立■ ラジアルタービンは機関の排気ガスで駆動され。

ガス流を調整して圧縮機速度を制御して機関マニホール
ド圧力を制御する。現在のターボ過給機はラジアルター
ビンが簡単な渦室を有し機関排気ガスを円運動即ち渦流
としタービンローターのブレード先端に供給される。ガ
スの角運動量はローターに吸収され、ターボ過給機圧縮
機に必要とする駆動トルクを発生する。ローターの出口
ベーンはガスをローター内でタービン回転と反対方向に
約６０°回して更にトルクを発生させる。かくしてラジ
アルタービンは反動タービンであり、ローターベーン入
口から排気ダクトに入るベーン出口の間にガス流の圧力
低下を生ずる。このターボ過給機タービンの流れの容７
はケーシングの渦室面積。

ローター先端面積、流路特にローター出［］ベーン通路
の全出口絞り面積の関数である。

ターボ過給機の速度とガス流を機関に適合させて最大ク
ランク軸速度の選択された一部例えば最大クランク軸速
度の約７０χで所要のマニホールド圧力とするのは通常
である。このクランク軸速度以上ではゲート弁を開いて
機関排気ガスの一部をターボ過給機タービン入口からタ
ービン排気ダクトに分流してターボ過給機速度を調節す
る。ゲート弁を開けばタービン出入口間の膨張比を減少
してターボ過給機の過大速度を防く。設計速度以」二最
大機関クランク軸速度まではゲート弁を開いて一定の機
関マニホールドブースト圧力を保つ。ゲート弁は簡単有
効な機材であるがこの使用は利用可能エネルギの損失に
なる。クランク軸速度が低下して７０″を以下となった
時にはターボ過給機速度も低下し過給圧力は低下して機
関トルクは減少する。これは明らかに不具合であり機関
性能の向上の余地がある。

低機関クランク軸速度で高マニホールドブースト圧力を
必要とする場合はターボ過給機は低ガス流量に適合する
寸法が必要になる。この場合はゲート弁容９を著しく大
きくして高クランク軸速度での過大排気背圧を防ぐ必要
がある。

機関を過給する圧縮機の所要と、高クランク軸速度で圧
縮機を駆動するタービンの要求との間には流量と出）の
不適合がある。更に、ゲート弁流量が増大すれば機関の
排気側の全体としての膨張効率は低下する。尚、凡ての
ガスをタービンローターを通せば機関は以前より高い排
気背圧で運転される。

上述の問題点を解決するためにはターボ過給機に可変面
積タービンノズルを組合せる。

現在の簡単な１機械的に有効な、効率の良くない輻流タ
ービンローターはケーー′弓・′グ内に鋳込んだ１個の
ノズルオリフィスを有し９次の渦型通路がガスをローク
ー外周３６０°に導く。

タービンノズル面積を設計値の２５χに減少させたい場
合には、ローターの入口でノズルオリフィスの面積を減
少する方法は不満足である。即ち高速ノズル流がロータ
ー外周の一部に集中しノズル流の摩擦損失が大きく、流
れがローターの外周を動きノズル流がローターブレード
に入る時の速度が減少する。

この欠点を解決するためには可変流量タービンを使用し
、タービン出入口間の膨張比を低機関クランク軸速度の
時に保ち、ターボ過給機速度と機関の過給圧力を保つ。

プ≧ｉケづηトυしル２：、−う−ζ二にイＬ艮Ｊ足１
本発明はゲート弁の低効率とローター入口のみの竿−可
変面積ノズルオリフィスの出力制限を解決する。

本発明は上述の目的を達するためのラジアルタービンケ
ーシングを提供し、比較的安価に既存のターボ過給機に
通用できる。

特に本発明によって、凡てのタービン原動ガスが凡ての
条件でタービンローターを通る。

町肥立４３プこちノ峨 本発明による扇型ケーシングは、内部流路を有する扇型
ケーシングの流路に少な（とも１個の入口を設けて原動
ガス流を受け排出し、流路の一部を少なくとも１個の可
動壁部材によって画成し。

該壁部材は可動として流路面積を変化させ全原動ガス流
を流路内を通過可能とする。可動壁部材は例えば１個の
部材としてスピンドルを中心として回動可能に枢支し、
制御ロッドによって操作される。

本発明の他の実施例によって、２個以１の可動壁部材を
設け、共に又は量刑に動いて流路面積を変化させ原動ガ
スの全流量をケーシング通路内を通過させる。本発明は
既存の車両機関のターボ過給機に大きな改造なしで取付
けられる。

夫庭凱 本発明を例示とした実施例並びに図面について説明する
。

図において９図示しない車両のターボ過給機用のラジア
ルタービンの扇型ケーシング１０に内部流路即ちノズル
１４を有するケーシング１２を設ける。

流路１４はタービン用の原動ガスを受けてタービンロー
ターに排出する。車両では原動ガスは通常は機関の排気
ガスである。

流路１４の一部は司勅壁部材即ちベーン１６によって画
成され、ベーンはスピンドル１８を中心とし２て回動可
能とし、流路の残部はケーシングの固定の平行璧によっ
て画成される。壁部材は第３図に示すセラミックの面シ
ール２０を有しケーシングの内面の漏洩を最小にする。

壁部材１６はスピンドル１８に取付けた図示しない制御
ロッドによ−１て第１図に示す第１の位置へと第２の位
置Ｂとの間に順次可動とする。

機関のクランク速度が最大クランク速度の選択された一
部である時に壁部材は位置へであり、所要の機関マニホ
ールドのブースＩ−Ｔカを与える構成とする。

クランク速度が選択された一部より低い時は機関のクラ
ンク速度のσ戊少と共に壁部材は順次位置已に向けて動
く。ノズル入口面積は設計面積ＮｄからＮｘに減少する
が二次ノズル面積Ｎ、ｙが開くため排気ガスは壁部材の
両側を流れる。この構成はノズル面積（Ｎｘ＋Ｎｙ）が
減少した時にタービンローターの外刃のガス流配分を良
くシ、ガス流の広範囲の変化に際してタービン効率を保
つ。

ターボ過給機圧縮機と機関を通る凡ての空気とガスは凡
ての条件でタービンローターを通る。圧縮機とタービン
とが速度と流量に関して正しく適合すれば通常のゲート
弁の必要はない。しかし。

ゲート弁を設けて、微細な調整のため及びターボ過給機
の過大速度を防ぐために使用する。

第５図は扇型ケーシングと可動ベーン１６との他の実施
例を示す。ベーン１６に延長部１６Δを設けてケーシン
グ１２の延長部１２Ａ内に収容する。更に。

ベーユ／１６にベーンの前後面間に延長する通路２２を
形成し１通路のノズル面積ＮＯとする。ケーシング１２
の延長部１２Ａにノズル面積Ｎｐの通路２４を形成する
。この通路を通る流れは後述する通りベーン１６の延長
部１６Ａによって制御される。

壁部材１６と延長部１６Ａは機関クランク速度が選択最
大クランク速度の所定の一部である時に位置へにあり、
上述の実施例と同様に所要の機関マニホールド圧力を与
える。この位置では通路２２を通る流れはなく、ベーン
ＩＧの延長部１６Ａが通路２ｉを閉鎖するためこの通路
を通る流れもない、この位置では作動状態に関しては前
の実施例と同様で１ちる。

ベーン１６が位置Ｂに向けて動けば面積Ｎｘは減少し、
ベーン１６を横切る圧力低下に比例して＼０を通る流量
は増加すて）。ノズル面積Ｎｙは開き、ベーン１６が通
路２４を開くためノズル面積Ｎｐも開く。

この実施例では別のノズル面積Ｎｏ、Ｎｐを形成するた
めタービンローターの外周へのガス流の配分は更に良く
なる。

上述の構成によって、ターボ過給機のラジアルタービン
の作動は可動ベーン１６が第１．５図に示す位置Ａにあ
る時は通常の通りに作動し、扇型ケーシング内に生ずる
ガス渦流によって定ってローターベーン２５に供給され
、可動ベーン１６が位ＦＢにある時は異なる作動となる
。この場合はローターベーン２５に供給されて駆動する
２本のガスノズル流を有しノズル面積Ｎｘ＋Ｎｙ（第１
図）又はノズル面ｆｆ１Ｎｘ、　　Ｎｏ、Ｎｙ、Ｎｐ（
第５図）である。

第６−１０図は車両機関ターボ過給機のラジアルタービ
ンの扇型ケーシング１０に内部入口流路１４を設けた実
施例を示す。流路１４は重両機関からタービンへのａ動
ガスを受けてタービンローターの入口に排出する６市両
では原動ガスは通常は機関の排気ガスである。

入口通路の下流で流路面積は一部は２個の壁部材即ちセ
グメント１６Ａ、１６Ｂによって画成され、セグメント
は人々スピンドル１８Ａ、　１８Ｂを中心として回動可
能とし１通路の残部はケーシングの固定の平行壁１加、
１２Ｂによって画成される。各セグメント１６Ａ、１．
６Ｂに組合せたノズルベーン素子１７八、　１７Ｂ。

１．７Ｃ，１９Ａ、　１９Ｂ、　１９Ｃを設ける。セグ
メント１６へのベーン３−子は固定面積のノズル２２Ａ
、２２１１ｔを形成し。

セグメント１６Ｂのベーン素子は固定面精のノズル２４
Ａ、２４Ｂを形成する。ベーンセグメント１６Ａは可変
面積の入口Ｐを有し、ベーンセグメント１６Ｂは可変面
積の出口Ｖを有し、ベーンセグメント１６へ。

１６８間には可変面積の通路Ｕを形成する。

ベーンセグメント１６Ａ、１６Ｂは３個の素子リンク装
置２６によって互いに連結され、レバー２８によって操
作する。レバー２Ｂの操作によって両ベーンセグメント
（よ人々のスピンドルを中心として回動し可変面積Ｒ，
Ｉ１．υを変化させてラジアルタービン１２の速度を制
御する。リンクに代えてカムとレバー装置を使用してセ
グメント１６Ａ、　１６Ｂの動きを制御することもでき
ろ。

図示の通り、ノズルセグメントをレバー２８とリンク機
ｔ１２６によって動かしてターボ過給機速度を調節し、
所要の機関過給機圧力をクランク軸速度の１０ｏｚから
最大機関クランク軸速度の２５χまでの間保たせる。

２個のベーンセグメントを設けることによって一連のノ
ズルを低機関クランク軸速度において扇型ケーシング面
積に比較して著しく少ない流路面積のタービンローター
の近接した上流部に設けることができる。第６図に示す
２個のベーンセグメントは位置Ｂにあり最小機関クラン
ク軸速度に対応する。第７図は２個のベーンセグメント
は位置へにあり、最大機関クランク軸速度に対応し、タ
ービンローターは通常のターボ過給機と同様に渦流で作
動する。

歴動ガスはベーンセグメント１６Ａ、　１６Ｂの固定面
積、ノズルを通り、可変面債通路３人ロ、出［コを通る
。全体のｊヴ勤ガスはタービン１２のケーシング１０を
流れ、ターヒ゛ンをバイパスして排出ゲート弁に流れる
ことはない。第８図に示す絞り弁３０をタービンの下流
のケーシング内に組合−Ｕ、タービンの入［］出口の圧
力値を上昇させてタービンを通る容積流量を減少させ、
特定設計と寸法のタービンローダ−を選択（７た機関の
ガス流に適合させる時に必゛用Ｃ，’：　ｌ、ｉ）廻し
て採用する。

弁３０はコーリス型とし高い機関速度での・ン排気流を
通す時にタービンの流路面積が過大である時に弁の所定
流路抵抗Ｑこよって排気ガスの密度を」二げろ屓ゾ用の
、ｂる時乙、二使用する。弁３０：よリン′ノ装置３？
に一’；、５てレバ〜＝２）（に結合し弁３０をベーン
セグメン慢と１司！ｖ１竹１的さＯｒイ）。

第１０図に小−・（通り、λ−ンセグノン）１６Ａ、１
６Ｂはセニ・ミ、りの面シール３４をイ了し７．ばね３
６乙どよってケーシング内１２ａ、ｔ２Ｂの内面に接触
を保つ。セグメン）　１６Ａ、　１６Ｂは冷却路３８を
有し１機関のブースト圧力供給装置からの空気を供給し
、スピンドル１８Ａの内部を通りスピンドルの出口・１
０を出る。

スピンドル自体二よケーシング内にセラミックのブツシ
ュ４２内に取付ける。

最低選択クランク軸速度では全ター」で過給機圧力を保
つ必要があるがターボ過給機の圧縮機を通るガス流が最
低友定流量より少ない場合がある。

この場合には圧縮機供給空気の一部をタービン入口に分
流すて〕尼・要がある。このために１分流り゛クト４４
．弁、１６．混合ノズル４８を第６凹に示す通り乙こ設
ける。弁４６を繰作する信号は機関に対する過給機圧力
とタービン入口における排気ガス圧力との差の所定値等
とすも。

第１１図は同し、符号によって前の図と同様の部分を示
すゆケー・シング１０は、′μ路１４を有する。２列の
う・リング列を有する機関の人々のシリンダ列から排気
流を流路１・１が受ける。各シリンダ列は個別の排気マ
ニホールドを有すイ）６ケーう・ングは２個のセグメン
ト１６Ａ、　１６１’ｌを存し、第６−１０図で説明し
た通りにガス流を制御する。

本発明は車両機関ターボ過給機の速度を制御する装置を
有し１機関の最大出力トルクを保ち１機関クランク軸速
度が最大ＲＰｊからこの最大ＲＰＨの約２５χに減少し
た時に出力トルクは多少増加し燃料損失は最小である。

このためには、利用可能の機関排気ガスエネルギを最も
効率の良い使用とし。

ターボ過給機圧縮機又は機関排気流を直接大気に放出す
ることなく、ターボ過給機流を機関ガス流に対して適合
させる。

既存ターボ過給機を適合させるためには、可動壁部材を
取付は収容しく７る別の扇型ケーンングを設ける。これ
には新しい鋳物又は組合せによってケーシングを形成し
、ターボ過給機のローター装置、又は圧縮機ユニットは
変更しない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による扇型ケーシングの図、第２図は第
１図のｎ　−ｍ線に沿う断面図、第３図は第１図のｍ　
−ｍ線に沿う断面図、第４図は第１図のＩＶ線乙こ沿う
断面図、第５図は本発明の第２の実施例による扇型ケー
ンングの図、第６図は本発明の他の実施例に、ト’！ｒ
　２１！Ｕの可ｆ；Ｊ］壁部材を有才ろ扇型ケーシング
の図、第７図５よ第６図の扇型ケーシングの可動壁部材
の他の位置を示す図、第８図は第６図のＡ−へ線に沿う
断面図、第９図は第８図のＣ−Ｃ線に沿う図、第１Ｏ図
は第７図のＢ−Ｂ線に沿う図、第１１図は本発明の別の
実施例ζこよる扇型ケーシングの図である。 １０３．扇型ケーシング　１２０．ケーシング　１４１
．流路１６、、可動２部材（ベーン）　　＋８．、スピ
ンドル２０８９面シール　２２，２４．、、流路　２６
０．リンク装置２８９．レバー　３０８．絞り弁　４６
３．弁　４８１．ノズル（ント計λ；） 図面の浄店〈内容に変更なし）。 Ｆｌケ、１゜ ６Ａ □ ｌ　　　　　　　　Ｌ４６ １−Ｆ′ ’Ｔ”−−ｒ−″ Ａ二 手　　続　　７市　　Ｔ　　μ巨Ｉう式）特ｊＴＩｉ’
ｌ’−１：官　　　黒　１）明　雄　　殿２、発明の名
称 ラジアルタービン用可変入口の改良 ５３、補正を４る育 事件どの関係　　　出　願　人 住所 氏　名　　ジオフリー・ライト・ワイルド１、代即人 住　所　　東京都千代１１１区大手町二丁目２祖１号新
大手町ビル　２０６号室 ５、補正命令の［［付　　昭１１１６１年　９月３０Ｅ
Ｉ　　（発送Ｅｌ）別紙の通り（＜’ｔお、図面の内容
には変更なし）−←）−＋　ど二

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内部流路を有する渦型ケーシングの流路に少なくと
   も１個の入口を設けて原動ガス流を受け排出し、流路の
   一部を少なくとも１個の可動壁部材によって画成し、該
   壁部材は可動として流路面積を変化させ全原動ガス流を
   流路内を通過可能とすることを特徴とする渦型ケーシン
   グ。 ２、２個以上の可動壁部材を有し、該壁部材は可動とし
   て渦型ケーシング内で流路面積を変化させ同時に原動ガ
   スの流れの全部をケーシング流路内を通過させることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の渦型ケーシン
   グ。 ３、前記壁部材を回動可能に枢支して制御機構によって
   操作することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の渦型ケーシング。 ４、前記壁部材は少なくとも１個の固定面積ノズルを有
   して原動ガスの一部を通過させることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の渦型ケーシング。 ５、渦型ケーシングの出口の下流に絞り弁を設けてケー
   シング入口出口の圧力を制御することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の渦型ケーシング。 ６、前記壁部材は１個以上の面シールを設けて渦型ケー
   シングの内面に接触させることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の渦型ケーシング。 ７、前記壁部材に冷却媒体流を受ける冷却路を設けるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の渦型ケー
   シング。 ８、渦型ケーシングの内部流路内に圧縮空気を受ける分
   路ダクトを設けることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の渦型ケーシング。 ９、前記ケーシングに２個の入口を設け、各入口は内燃
   機関の別の排気マニホールドからの排気ガスを受ける構
   成とすることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の渦型ケーシング。