JPWO2018084154A1 - 可変ノズルユニットおよび過給機 - Google Patents

Abstract

可変ノズルユニットは、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る。可変ノズル翼は、前縁と、後縁と、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、を含む。可変ノズル翼は、ハブ端面が前縁側においてシュラウド端面よりも回転軸線の径方向外側にはみ出すと共に、ハブ端面が後縁側においてシュラウド端面よりも回転軸線の径方向内側にはみ出すように、後縁と回動軸線との間に位置するひねり中心周りでひねられて構成される。

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および２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（スロート面積）を可変とするための可変ノズル翼が知られている。可変ノズル翼は、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。可変ノズル翼の回動によって、ガスの流路面積が変更され得る。

特許文献１に記載の可変ノズル翼は、シュラウド側がハブ側よりも径方向内側へせり出すように、後縁を中心として捻られて構成されている。これにより、サイドクリアランスフローが低減され、タービン翼車の入口側におけるエネルギー損失の領域が低減される。特許文献２に記載の可変ノズル翼は、コード長方向に傾けられ（sweep）、反り方向に傾けられ（lean）、さらに、可変ノズル翼の回動軸線を中心にねじられた（twist）形状をなしている。

特開２０１５−１４２５２号公報 米国特許出願公開第２０１１／０３１４８０８号明細書

上記の特許文献１に記載の可変ノズル翼では、後縁を中心に捻られた３次元形状を採用することにより、可変ノズル翼をシュラウド側に寄せ、シュラウド側のサイドクリアランスをハブ側のサイドクリアランスよりも小さくしている。これにより、シュラウド側のクリアランスフローを低減し、可変容量型過給機のタービン効率の向上を図っている。しかしながら、この可変ノズル翼では、可変ノズル翼に対してハブ側に押し付けようとするスラスト力がかかり得る。このスラスト力が、可変ノズル翼をシュラウド側へ寄せることを困難にしている。特許文献２に記載の可変ノズル翼では、翼面形状が検討されており、クリアランスフローの低減については言及がない。

本開示は、可変ノズル翼をシュラウド側へ容易に近寄らせる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、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、可変ノズル翼は、ハブ端面が前縁側においてシュラウド端面よりも回転軸線の径方向外側にはみ出すと共に、ハブ端面が後縁側においてシュラウド端面よりも回転軸線の径方向内側にはみ出すように、後縁と回動軸線との間に位置するひねり中心周りでひねられて構成される。

本開示の一態様によれば、可変ノズル翼をシュラウド側へ容易に近寄らせることができる。

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は、可変ノズル翼のシュラウド端面とハブ端面との位置ずれの関係を模式的に示す図である。 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図であり、図５の（ｂ）は後縁付近における図５の（ａ）の部分拡大図である。 図６は、可変ノズル翼の子午面形状を示す図である。 図７は、可変ノズル翼にかかる各種の力を模式的に示す図である。 図８は、ひねり中心の位置と投影面積比との関係を示す図である。 図９は、ひねり中心の位置とスラスト荷重比との関係を示す図である。 図１０の（ａ）は比較例に係る可変ノズル翼をシュラウド端面側から見て示す図であり、図１０の（ｂ）は後縁付近における図１０の（ａ）の部分拡大図である。 図１１の（ａ）は比較例に係る可変ノズル翼をシュラウド端面側から見て示す図であり、図１１の（ｂ）は前縁付近における図１１の（ａ）の部分拡大図であり、図１１の（ｃ）は後縁付近における図１１の（ａ）の部分拡大図である。

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、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、可変ノズル翼は、ハブ端面が前縁側においてシュラウド端面よりも回転軸線の径方向外側にはみ出すと共に、ハブ端面が後縁側においてシュラウド端面よりも回転軸線の径方向内側にはみ出すように、後縁と回動軸線との間に位置するひねり中心周りでひねられて構成される。

この可変ノズルユニットでは、可変ノズル翼は、後縁と回動軸線との間に位置するひねり中心周りでひねられている。このようなひねり中心の配置により、ハブ端面が前縁側においてシュラウド端面よりも回転軸線の径方向外側にはみ出し、一方で、ハブ端面が後縁側においてシュラウド端面よりも回転軸線の径方向内側にはみ出す。このハブ端面の径方向内側へのはみ出しにより、ハブ端面の径方向外側へのはみ出し面積が低減されている。これにより、可変ノズル翼の径方向外側（高圧側）で作用し得るスラスト力、すなわちハブ側へ押し付けようとするスラスト力が低減されている。ハブ側へのスラスト力の低減により、可変ノズル翼をシュラウド側へ容易に近寄らせることができる。その結果として、特許文献１に記載の可変ノズル翼に比して、ガス流入路内での可変ノズル翼の軸方向の位置調整が容易になっている。

いくつかの態様において、ハブ端面とシュラウド端面との間のひねり角は１．０〜５．０°に設定されている。この場合、タービン効率の向上効果と、上記したスラスト力の低減効果とが適切に発揮され得る。

いくつかの態様において、ハブ端面がシュラウド端面よりも径方向外側にはみ出す外側面積は、ハブ端面がシュラウド端面よりも径方向内側にはみ出す内側面積よりも大きい。この場合、隣り合う２枚の可変ノズル翼において、ハブ端面の前縁側の翼間距離が大きくなり、シュラウド側のクリアランスフローが低減され得る。よって、タービン効率の向上効果が奏される。

いくつかの態様において、ひねり中心は、前縁と後縁との間の距離を基準として、前縁から７０〜８５％の領域に位置する。前縁から７０〜８５％の領域に、ひねり中心を配置することにより、ハブ端面の径方向外側へのはみ出し面積と径方向内側へのはみ出し面積との関係において、より適切なバランスが実現される。よって、タービン効率の向上効果と、上記したスラスト力の低減効果とが適切に発揮され得る。

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、タービン性能が高められる。

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５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、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ＣＬ１が形成され得る。第２ノズルリング３２のシュラウド壁面３２ｂと可変ノズル翼２３のシュラウド端面５３との間には、シュラウド側クリアランスＣＬ２が形成され得る。上述したタービン効率の向上の観点から、シュラウド側クリアランスＣＬ２をハブ側クリアランスＣＬ１よりも小さくすることが望ましい。よって、シュラウド側クリアランスＣＬ２は、可変容量型過給機１の運転中において、零（シュラウド側クリアランスＣＬ２が無い）になることが望ましい（図６参照）。

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、可変ノズル翼２３に対して軸方向にかかる力（スラスト力）が考慮されており、それによって可変ノズル翼２３の軸方向の位置が容易に調整され得る。すなわち、図７に示される各種の力Ｆ１〜Ｆ４のバランスが所望の状態となるよう、可変ノズル翼２３の３次元形状が決定されている。

図２、図３、および図４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。可変ノズル翼２３は、第１ノズルリング３１のタービン側の面であるハブ壁面３１ｂに対面する平坦なハブ端面５４と、第２ノズルリング３２のコンプレッサ側の面であるシュラウド壁面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およびシュラウド端面５３は、たとえば、等しい大きさおよび形状を有しており、したがって合同である。なお、ハブ端面５４およびシュラウド端面５３が合同であることは必須ではない。

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。

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に示されるように、ハブ端面５４は、前縁５１と後縁５２との間の中央部から前縁５１側において、シュラウド端面５３よりも径方向外側Ｓ２にはみ出している。言い換えれば、回動軸線Ｌ方向においてハブ端面５４をシュラウド端面５３に投影した場合に、ハブ端面５４は、シュラウド端面５３に対し、上記の中央部から前縁５１側において径方向外側Ｓ２にはみ出す（ずれている）。一方、ハブ端面５４は、後縁５２側において、シュラウド端面５３よりも径方向内側Ｓ１にはみ出している。言い換えれば、回動軸線Ｌ方向においてハブ端面５４をシュラウド端面５３に投影した場合に、ハブ端面５４は、シュラウド端面５３に対し、後縁５２側において径方向内側Ｓ１にはみ出す（ずれている）。

可変ノズル翼２３を別の観点から説明すると、ハブ端面５４の前端５４ａは、シュラウド端面５３の前端５３ａよりも径方向外側Ｓ２に位置する。ハブ端面５４の内側縁５４ｃおよび外側縁５４ｄは、上記の中央部から前縁５１側において、シュラウド端面５３の内側縁５３ｃおよび外側縁５３ｄよりもそれぞれ径方向外側Ｓ２に位置する。一方、ハブ端面５４の後端５４ｂは、シュラウド端面５３の後端５３ｂよりも径方向内側Ｓ１に位置する。シュラウド端面５３の後端５３ｂとハブ端面５４の後端５４ｂとの間には、ミッドスパン部５５の後端５５ｂが位置する。ハブ端面５４の内側縁５４ｃおよび外側縁５４ｄは、後縁５２側において、シュラウド端面５３の内側縁５３ｃおよび外側縁５３ｄよりもそれぞれ径方向内側Ｓ１に位置する。

ハブ端面５４は、径方向内側Ｓ１に、僅かにはみ出している。ハブ端面５４の後縁５２側のごく一部が、径方向内側Ｓ１にはみ出している。これに対し、ハブ端面５４は、径方向外側Ｓ２に、比較的大きくはみ出している。ハブ端面５４が径方向外側Ｓ２にはみ出す面積である外側面積Ａｏｕｔは、ハブ端面５４が径方向内側Ｓ１にはみ出す面積である内側面積Ａｉｎよりも大きい。

図５の（ａ）に示されるように、可変ノズル翼２３は、後縁５２と回動軸線Ｌとの間であって、後縁５２および回動軸線Ｌの両方を除く領域に、ひねり中心Ｘを有する。可変ノズル翼２３は、このひねり中心Ｘ周りでひねられるように構成される。ひねり中心Ｘは、たとえば回動軸線Ｌに平行なひねり軸線（twist axis）である。ひねり中心Ｘは、後縁５２と回動軸線Ｌとの中間部に位置する。

より詳しくは、ひねり中心Ｘは、前縁５１と後縁５２との間の距離を基準（すなわち１００％）として、前縁５１から６０〜９５％の領域に位置する。ひねり中心Ｘは、前縁５１と後縁５２との間の距離を基準として、前縁５１から７０〜８５％の領域に位置してもよい。図５の（ｂ）に示されるように、ひねり中心Ｘは、たとえばキャンバーラインＣ上における前縁５１から８０％の位置に設けられている。ひねり中心Ｘは、キャンバーラインＣ上における前縁５１から７０〜８５％の領域に設けられてもよい。ひねり中心ＸがキャンバーラインＣ上に設けられることは必須ではない。ひねり中心Ｘは、キャンバーラインＣからずれた位置に設けられてもよい。

ハブ端面５４とシュラウド端面５３との間のひねり角θは、たとえば、１．０〜５．０°に設定されている。図４に示されるように、ひねり角θは、たとえば、シュラウド端面５３における前端５３ａと後端５３ｂとを繋いだ仮想線Ｙと、ハブ端面５４における前端５４ａと後端５４ｂとを繋いだ仮想線Ｚとがなす角である。１．０〜５．０°のひねり角θを設ける場合、たとえば、ミッドスパン部５５をベースとして、ハブ端面５４を径方向外側Ｓ２（可変ノズル翼２３が開く方向、図５の（ａ）における反時計回り）に０．５〜２．５°回転させてもよい。ミッドスパン部５５をベースとして、シュラウド端面５３を径方向内側Ｓ１（可変ノズル翼２３が閉じる方向、図５の（ａ）における時計回り）に０．５〜２．５°回転させてもよい。ミッドスパン部５５を基準とする各方向への回転角度は、ひねり角θの半分（θ／２）に相当する。ひねり角θは、タービン効率を更に高める観点から、２．０〜３．０°であってもよい。シュラウド端面５３およびハブ端面５４の対応する一対の点を結ぶ線分は、上記の回転に伴い回動軸線Ｌに対して傾斜させられる。傾斜した無数の線分の集合により、前縁５１、後縁５２、内側翼面５６および外側翼面５７が形成され得る。

図６に示されるように、可変ノズル翼２３の子午面形状において、シュラウド端面５３とハブ端面５４は平行である。また、手前側に位置するシュラウド側前端５３ａよりも、奥側に位置するハブ側前端５４ａの方が、半径方向Ｄ２（半径方向外側）に張り出す。奥側に位置するシュラウド側後端５３ｂよりも、手前側に位置するハブ側後端５４ｂの方が、僅かに半径方向Ｄ２に張り出す。シュラウド側前端５３ａとハブ側前端５４ａとを結ぶ線分、および、シュラウド側後端５３ｂとハブ側後端５４ｂとを結ぶ線分は、いずれも軸方向Ｄ１に対して同様の向きに傾斜する。ただし、後縁５２側の線分の傾きは、前縁５１側の線分の傾きよりも小さい。このように、可変ノズル翼２３の子午面形状は、非対称な台形をなす。なお、図６には、タービン翼車６の羽根部６ａも併せて示されている。

続いて、図７、図８、および図９を参照して、可変ノズル翼２３の３次元形状の基となる考え方を説明する。図７は、可変ノズル翼２３にかかる各種の力を模式的に示す図である。図８は、ひねり中心Ｘの位置と投影面積比との関係を示す図である。図９は、ひねり中心Ｘの位置とスラスト荷重比との関係を示す図である。図７に示されるように、可変ノズル翼２３に作用する力として、いくつかの力が想定され得る。すなわち、ハブ端面５４にかかる第１の力Ｆ１、シュラウド端面５３にかかる第２の力Ｆ２、可変ノズル翼２３がシュラウド側の鍔２３ｃを含む場合に、その鍔２３ｃにかかる第３の力Ｆ３、および、第１ノズルリング３１の裏面側に形成されたリンク室４５（図１参照）からの第４の力Ｆ４が想定され得る。なお、図示されないが、内側翼面５６および外側翼面５７にかかる力も想定され得る。図７には、ガスの流れＦＬも併せて示されている。

図８において、外側面積Ａｏｕｔに関する投影面積比は、ひねり中心Ｘを前縁５１から後縁５２まで移動させた場合における、外側面積Ａｏｕｔの最大値に対する各外側面積Ａｏｕｔの比である。内側面積Ａｉｎに関する投影面積比は、ひねり中心Ｘを前縁５１から後縁５２まで移動させた場合における、内側面積Ａｉｎの最大値に対する各内側面積Ａｉｎの比である。図８に示されるように、投影面積比は、ひねり中心Ｘが前縁５１（Ｌ／Ｅ）と後縁５２（Ｔ／Ｅ）との略中間（０．５付近）に位置する場合に、等しくなる。

図８に示されるように、上記の投影面積比が等しくなる位置より、ひねり中心Ｘが後縁５２寄りであると、外側面積Ａｏｕｔに関する投影面積比が優勢となり、可変ノズル翼２３はハブ壁面３１ｂに近寄りやすくなる（図中の領域Ｒ１参照）。一方、上記の投影面積比が等しくなる位置より、ひねり中心Ｘが前縁５１寄りであると、内側面積Ａｉｎに関する投影面積比が優勢となり、可変ノズル翼２３はシュラウド壁面３２ｂに近寄りやすくなる（図中の領域Ｒ２参照）。

図９において、スラスト荷重比は、２次元翼（ひねり無しの可変ノズル翼）に対する、ひねり中心Ｘを前縁５１から後縁５２まで移動させた場合におけるスラスト荷重の比である。詳細には、２次元翼のスラスト荷重に対する、３次元翼のスラスト荷重から２次元翼のスラスト荷重を差し引いた差分の比である。したがって、図中において、縦軸が０．００に設定されているラインとグラフの交点は、３次元翼のスラスト荷重が２次元翼のスラスト荷重に等しい点であることを意味する。この交点は、ひねり中心Ｘが前縁５１（Ｌ／Ｅ）と後縁５２（Ｔ／Ｅ）との略中間（０．５５付近）に位置する場合に相当する。なお、スラスト荷重は、ハブ側からシュラウド側に向かう方向を正としている。

図９に示されるように、上記の交点より、ひねり中心Ｘが後縁５２寄りであると、スラスト荷重は２次元翼に比べて小さくなり、可変ノズル翼２３はハブ壁面３１ｂに近寄りやすくなる（図中の領域Ｒ１参照）。一方、上記の交点より、ひねり中心Ｘが前縁５１寄りであると、スラスト荷重は２次元翼に比べて大きくなり、可変ノズル翼２３はシュラウド壁面３２ｂに近寄りやすくなる（図中の領域Ｒ２参照）。

本実施形態の可変ノズルユニット２５では、リンク室４５からの第４の力Ｆ４が大きいことにより、上記の相関に基づけば可変ノズル翼２３がハブ壁面３１ｂに近寄りやすいとされる領域Ｒ１であっても、可変ノズル翼２３をシュラウド壁面３２ｂに近寄らせることができる。すなわち、ひねり中心Ｘが前縁５１から７０〜８５％の位置であっても、さらに言えば６０〜９５％の位置であっても、可変ノズル翼２３をシュラウド壁面３２ｂに近寄らせることができる。なお、可変ノズル翼２３に鍔２３ｃが設けられる場合であっても、鍔２３ｃが設けられない場合であっても、上記の考え方は変わることがない。

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。

ここで、可変ノズル翼２３は、後縁５２と回動軸線Ｌとの間に位置するひねり中心Ｘ周りでひねられている。このようなひねり中心Ｘの配置により、ハブ端面５４が前縁５１側においてシュラウド端面５３よりも径方向外側Ｓ２にはみ出し、一方で、ハブ端面５４が後縁５２側においてシュラウド端面５３よりも径方向内側Ｓ１にはみ出す。このハブ端面５４の径方向内側Ｓ１へのはみ出しにより、ハブ端面５４の径方向外側Ｓ２へのはみ出し面積が低減されている（図４の外側面積Ａｏｕｔ参照）。これにより、可変ノズル翼２３の径方向外側Ｓ２（高圧側）で作用し得るスラスト力、すなわちハブ壁面３１ｂ側へ押し付けようとするスラスト力が低減されている。ハブ側へのスラスト力の低減により、可変ノズル翼２３をシュラウド壁面３２ｂ側へ容易に近寄らせることができる（図６参照）。その結果として、特許文献１に記載の従来の可変ノズル翼に比して、ガス流入路２１内での可変ノズル翼２３の軸方向Ｄ１の位置調整が容易になっている。しかも、ハブ端面５４が前縁５１側において径方向外側Ｓ２にはみ出しているため、ハブ端面５４の前縁５１側の翼間距離が大きくなっている。これにより、タービン効率の向上も図られている。特に、ガス流路面積が小さくなった状態において、タービン効率の向上が図られる。

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、可変ノズル翼２３がシュラウド壁面３２ｂに近寄っており、シュラウド側クリアランスＣＬ２を零にすることができる。すなわち、可変ノズル翼２３のシュラウド端面５３は、シュラウド壁面３２ｂに当接し得る。これにより、シュラウド壁面３２ｂ側のクリアランスフローが低減され、タービン性能が確実かつ十分に高められている。

ひねり角θが１．０〜５．０°に設定されているため、タービン効率の向上効果と、上記したスラスト力の低減効果とが適切に発揮され得る。

外側面積Ａｏｕｔは内側面積Ａｉｎよりも大きいため、隣り合う２枚の可変ノズル翼２３，２３において、ハブ端面５４の前縁５１側の翼間距離が大きくなり（図２参照）、シュラウド壁面３２ｂ側のクリアランスフローが低減される。よって、タービン効率の向上効果が奏される。

前縁５１から７０〜８５％の領域に、ひねり中心Ｘを配置することにより、ハブ端面５４の径方向外側Ｓ２へのはみ出し面積（外側面積Ａｏｕｔ）と径方向内側Ｓ１へのはみ出し面積（内側面積Ａｉｎ）との関係において、より適切なバランスが実現される。よって、タービン効率の向上効果と、上記したスラスト力の低減効果とが適切に発揮され得る。

なお、図１０の（ａ）および図１０の（ｂ）に示される比較例に係る可変ノズル翼１００では、上記のような効果は得られない。すなわち、可変ノズル翼１００では、タービン効率を考慮の上で好ましい構成が検討された結果、ひねり中心Ｘの位置が後縁１０２に設定されている。ミッドスパン部１０５を基準として、ひねり中心Ｘ周りでシュラウド端面１０３およびハブ端面１０４を回転させている。よって、ハブ端面１０４は、後端１０４ｂから前端１０４ａに至る全域にわたって、シュラウド端面１０３よりも径方向外側Ｓ２側にはみ出ている。シュラウド端面１０３の後端１０３ｂと、ハブ端面１０４の後端１０４ｂとは、一致している。前縁１０１では、ハブ端面１０４の振れ幅が大きくなっている。つまり、ハブ端面１０４の前端１０４ａは、シュラウド端面１０３の前端１０３ａよりも、大きく径方向外側Ｓ２にはみ出している。このような可変ノズル翼１００では、ハブ端面１０４が高圧の径方向外側Ｓ２にせり出しているため、ハブ壁面３１ｂに押し付ける方向のスラスト力が大きく作用してしまい、可変ノズル翼１００をシュラウド壁面３２ｂに近寄らせるのが困難である。

このことは、結局はタービン効率の低下につながり得る。すなわち、可変ノズル翼１００の前縁１０１の径方向外側Ｓ２は高圧となり、径方向内側Ｓ１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Ｓ２から径方向内側Ｓ１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ＣＬ２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。

また、図１１の（ａ）〜図１１の（ｃ）に示される比較例に係る可変ノズル翼２００でも、上記のような効果は得られない。すなわち、可変ノズル翼２００では、ひねり中心Ｘが回動軸線Ｌに設定されている。ミッドスパン部２０５を基準として、ひねり中心Ｘ周りでシュラウド端面２０３およびハブ端面２０４を回転させている。よって、ハブ端面２０４は、前縁２０１側において、シュラウド端面２０３よりも径方向外側Ｓ２側にはみ出している。ハブ端面２０４の前端２０４ａは、シュラウド端面２０３の前端２０３ａよりも、径方向外側Ｓ２にはみ出している。ミッドスパン部２０５の前端２０５ａは、これらの中間に位置する。一方、ハブ端面２０４は、後縁２０２側において、シュラウド端面２０３よりも径方向内側Ｓ１側にはみ出している。ハブ端面２０４の後端２０４ｂは、シュラウド端面２０３の後端２０３ｂよりも、径方向内側Ｓ１にはみ出ている。ミッドスパン部２０５の後端２０５ｂは、これらの中間に位置する。このような可変ノズル翼２００では、前縁２０１側および後縁２０２側において、ハブ端面２０４の振れ幅は均等である。よって、ハブ端面２０４の径方向外側Ｓ２へのせり出しが限定的となり、ハブ壁面３１ｂ側における翼間距離を大きくすることができない。よって、タービン効率の向上が十分でない。

以上述べたように、本開示の実施形態に係る可変ノズル翼２３および可変ノズルユニット２５では、ひねり中心Ｘの位置が従来にはない特定の範囲に設定されたことにより、タービン効率の向上と、可変ノズル翼２３のシュラウド壁面３２ｂ側への保持とが両立されている。可変ノズルユニット２５は、この点において、上記した可変ノズル翼１００，２００に対して優位性を発揮する。

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。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、可変ノズル翼をシュラウド側へ容易に近寄らせることができる。

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
Ｃ キャンバーライン
Ｈ 回転軸線
Ｓ１ 径方向内側
Ｓ２ 径方向外側
Ｘ ひねり中心
θ ひねり角

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、
   前記可変ノズル翼は、前記ハブ端面が前記前縁側において前記シュラウド端面よりも前記回転軸線の径方向外側にはみ出すと共に、前記ハブ端面が前記後縁側において前記シュラウド端面よりも前記回転軸線の径方向内側にはみ出すように、前記後縁と前記回動軸線との間に位置するひねり中心周りでひねられて構成される、可変ノズルユニット。
2. 前記ハブ端面と前記シュラウド端面との間のひねり角は１．０〜５．０°に設定されている、請求項１に記載の可変ノズルユニット。
3. 前記ハブ端面が前記シュラウド端面よりも前記径方向外側にはみ出す外側面積は、前記ハブ端面が前記シュラウド端面よりも前記径方向内側にはみ出す内側面積よりも大きい、請求項１に記載の可変ノズルユニット。
4. 前記ハブ端面が前記シュラウド端面よりも前記径方向外側にはみ出す外側面積は、前記ハブ端面が前記シュラウド端面よりも前記径方向内側にはみ出す内側面積よりも大きい、請求項２に記載の可変ノズルユニット。
5. 前記ひねり中心は、前記前縁と前記後縁との間の距離を基準として、前記前縁から７０〜８５％の領域に位置する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の可変ノズルユニット。
6. 前記タービンに設けられた請求項１〜４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。
7. 前記タービンに設けられた請求項５に記載の可変ノズルユニットを備える、過給機。

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