WO2020100222A1 - ノズルベーン - Google Patents

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nozzle
trailing edge
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ビピン グプタ
豊隆 吉田
洋輔 段本
洋二 秋山
サンブハブ ジェイン
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三菱重工エンジン＆ターボチャージャ株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a variable capacity turbocharger nozzle vane.
  • variable capacity turbocharger that can change the flow characteristics of exhaust gas by adjusting the opening of the nozzle has been installed in automobiles.
  • the configuration of such a variable capacity turbocharger is disclosed in Patent Documents 1 to 4 and the like.
  • Nozzle vanes provided in conventional variable displacement turbochargers generally have a structure in which the pressure surface is convexly curved toward the turbine wheel near the leading edge and concavely curved relative to the turbine wheel near the trailing edge. ing.
  • the variable displacement turbocharger is provided with an actuator that rotates the nozzle vane in order to adjust the opening of the nozzle.
  • the nozzle vane uses the torque given by the actuator, the torque given by the exhaust gas, and the nozzle vane. It rotates by the torque that is the sum of the frictional force that acts at the moment of starting movement.
  • the torque applied to the nozzle vane also changes.
  • the frictional force is large with respect to the force (vane torque) that the nozzle vane receives from the fluid, the rotation of each nozzle vane varies and the nozzle opening degree varies in the circumferential direction.
  • the flow rate of exhaust gas flowing through the turbine wheel becomes different even if the nozzle is controlled to have a predetermined opening degree, which may adversely affect the engine performance.
  • the torque in the opening direction given by the exhaust gas is increased, in other words, when the exhaust gas flows between the nozzle vanes, the static pressure generated on the pressure surface near the trailing edge of the nozzle vane is reduced. It is necessary to reduce the pressure and increase the static pressure difference between the pressure surface side and the suction surface side near the trailing edge.
  • the static pressure generated on the pressure surface near the trailing edge of the nozzle vane cannot be reduced.
  • At least one embodiment of the present disclosure aims to provide a nozzle vane capable of increasing the torque in the opening direction provided by exhaust gas in a variable capacity turbocharger.
  • a nozzle vane according to at least one embodiment of the present invention, A variable capacity turbocharger nozzle vane, The nozzle vane has a blade shape including a leading edge, a trailing edge, a pressure surface, and a suction surface at least at a blade height direction central position, In the wing shape, from the line segment connecting the fixed point on the pressure surface and the trailing edge at the 40% code position from the trailing edge to the leading edge, the pressure surface between the trailing edge and the fixed point.
  • W max maximum value of the distance to the arbitrary point above
  • L 0 ⁇ W max /L ⁇ 0.03.
  • the exhaust gas flowing through the spiral turbine scroll becomes an arc-shaped flow in each flow path formed between the adjacent nozzle vanes.
  • This flow is convexly curved towards the pressure surface that defines each flow path.
  • the flow velocity of the fluid increases toward the inner diameter side, but if this principle is applied to the flow of exhaust gas that curves convexly toward the pressure surface, the negative pressure surface side that defines the flow path together with the pressure surface
  • the flow rate of the exhaust gas increases as the flow rate increases.
  • the pressure surface is located closer to the negative pressure surface side that forms a flow path together with the pressure surface than in the configuration in which this portion is concavely curved. Then, the flow velocity of the exhaust gas along the pressure surface increases near the trailing edge, and as a result, the static pressure generated on the pressure surface near the trailing edge decreases. By reducing the static pressure generated on the pressure surface near the trailing edge, the static pressure difference between the pressure surface side and the suction surface side near the trailing edge increases. As a result, the torque in the opening direction given to the nozzle vanes by the exhaust gas can be increased.
  • the nozzle vane in the configuration of (1) above, includes a hub side edge and a tip side edge, In at least 30 to 70% of the blade height from the hub side edge in the direction from the hub side edge to the tip side edge, the nozzle vane has the blade shape.
  • the camber lines at equal distances from the pressure surface and the suction surface are linear at least in a range from the trailing edge toward the leading edge to a 40% code position, and It does not intersect with the code line connecting the front edge and the rear edge between the front edge and the rear edge. According to the configuration of (3), even if the pressure surface has the configuration of (1) or (2), it is possible to prevent the configuration of the suction surface from becoming complicated.
  • the suction surface is configured such that the curvature of the region connected to the trailing edge is larger than the curvature of the region connected to the leading edge.
  • the pressure surface is located closer to the negative pressure surface forming a flow path together with the pressure surface than in the configuration in which this portion is concavely curved. Then, the flow velocity of the exhaust gas along the pressure surface increases near the trailing edge, and as a result, the static pressure generated on the pressure surface near the trailing edge decreases.
  • the static pressure difference between the pressure surface side and the suction surface side near the trailing edge increases. As a result, the torque in the opening direction given to the nozzle vanes by the exhaust gas can be increased.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a turbine of a variable capacity turbocharger including a nozzle vane according to Embodiment 1 of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing a blade shape at a blade height direction central position of the nozzle vane according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the principle of increasing torque on the pressure surface near the trailing edge of the nozzle vane according to the first embodiment of the present disclosure. It is a figure which shows the structure of the pressure surface near the trailing edge of the modification of the nozzle vane which concerns on Embodiment 1 of this indication.
  • FIG. 8 is a diagram showing a blade shape of a nozzle vane according to a second embodiment of the present disclosure at a blade height direction central position.
  • FIG. 10 is a diagram showing blade shapes at various positions in the blade height direction of various modifications of the nozzle vane according to the second embodiment of the present disclosure.
  • a turbine 2 of a variable capacity turbocharger 1 is provided with a turbine housing 3 in which a spiral turbine scroll 5 is formed, and is rotatable inside the turbine housing 3 in a radial direction of the turbine scroll 5.
  • the turbine wheel 7 is provided, and the variable nozzle mechanism 9 that controls the flow passage area of the exhaust gas flowing from the turbine scroll 5 to the turbine wheel 7 is provided.
  • the variable nozzle mechanism 9 includes a nozzle 15, a nozzle mount 17 fixed to the bearing housing 13, and a nozzle plate 18.
  • the nozzle 15 has a plurality of nozzle vanes 15a provided so as to surround the turbine wheel, and a nozzle shaft 15b fixed to each nozzle vane 15a.
  • Each nozzle shaft 15b is rotatably supported by the nozzle mount 17.
  • Each nozzle shaft 15b is connected to an actuator (not shown) via a link mechanism 21, and each nozzle shaft 15b is rotated by the torque given from the actuator, and the nozzle vane 15a is rotated by the rotation of each nozzle shaft 15b. It is configured to rotate.
  • a flow path 23 through which the exhaust gas G flowing through the turbine scroll 5 flows is formed between the adjacent nozzle vanes 15a and 15a.
  • the turbine scroll 5 side on the outer peripheral side is a high pressure side H due to the exhaust gas G
  • the turbine wheel 7 side on the inner peripheral side is a low pressure side U across the flow path 23.
  • the exhaust gas that has passed through the turbine scroll 5 flows into the flow path 23 with a constant flow angle. At this time, the pressure rises on the pressure surface 25 facing the flow, and on the contrary, the pressure is low on the suction surface 27 side.
  • a moment M (-) in the closing direction of the flow path 23 is generated on the front edge 29 side of the nozzle vane 15a with the nozzle shaft 15b as the rotation center, and on the rear edge 31 side the flow path is generated.
  • a moment M (+) in the opening direction of 23 is generated.
  • a balance of these moments M (-) and M (+) is the torque given to the nozzle vane 15a by the exhaust gas G.
  • FIG. 3 shows a blade shape 40 at the center position of the nozzle vane 15a in the blade height direction.
  • the pressure surface 25 includes a straight portion 33 in the range from the trailing edge 31 toward the leading edge 29 to the 40% chord position. That is, the pressure surface 25 includes the flat portion 26 in the range from the trailing edge 31 toward the leading edge 29 to the code position of 40% at the blade height direction central position of the nozzle vane 15a.
  • variable capacity turbocharger 1 As shown in FIG. 2, an actuator (not shown) rotates each nozzle shaft 15b via the link mechanism 21 in accordance with the flow rate of the exhaust gas G from the turbine scroll 5, and the nozzle vanes 15b are rotated by the rotation of each nozzle shaft 15b. 15a rotates. At this time, each nozzle vane 15a rotates by a torque that is the sum of the torque given from the actuator, the torque given by the exhaust gas G, and the frictional force that acts at the moment when each nozzle vane 15a starts to turn. By rotating each nozzle vane 15a, the flow passage area of each flow passage 23 changes, that is, the opening degree of the nozzle 15 changes, and the opening degree control of the nozzle 15 is performed based on the flow rate of the exhaust gas G.
  • the pressure surface 25 has a 40% cord position from the trailing edge 31 toward the leading edge 29 at the blade height direction central position of the nozzle vane 15a.
  • the flat portion 26 By including the flat portion 26 in the range up to, there is an effect of increasing the moment M (+) in the opening direction on the trailing edge 31 side of the nozzle vane 15a. The principle of obtaining this effect will be described below with reference to FIG.
  • the exhaust gas G flowing through the spiral turbine scroll 5 becomes a flow curved in an arc shape in each flow path 23.
  • This flow is convexly curved toward the pressure surface 25 that defines each flow path 23.
  • the flow velocity of the fluid increases toward the inner diameter side.
  • the flow surface 23 is defined together with the pressure surface 25.
  • the flow rate of the exhaust gas G increases as the flow on the negative pressure surface 27 side increases.
  • the pressure surface 25 and the pressure surface 25 can flow together with the flow path more than the configuration 100 in which this portion is curved in a concave shape. It is located on the negative pressure surface 27 side that defines 23. Then, the flow velocity of the exhaust gas along the pressure surface 25 increases near the trailing edge 31, and as a result, the static pressure generated on the pressure surface 25 near the trailing edge 31 decreases. By reducing the static pressure generated on the pressure surface 25 near the trailing edge 31, the moment M (+) in the opening direction on the trailing edge 31 side of the nozzle vane 15a increases.
  • the vane torque with respect to the frictional force can be made large in the opening direction of the nozzles 15, so that the variation in the rotation of each nozzle vane 15a is suppressed and the variation in the opening degree of the nozzles 15 in the circumferential direction is suppressed. Can be suppressed.
  • the nozzle 15 can be surely controlled to the predetermined opening, and the exhaust gas G having a flow rate according to the opening of the nozzle 15 flows to the turbine wheel 7. Therefore, the variable capacity turbocharger 1 (see FIG. It is possible to suppress the adverse effect on the performance of the engine equipped with (see).
  • the presence of the flat portion 26 near the trailing edge 31 of the pressure surface 25 causes the pressure surface 25 to form a negative flow surface 27 with the pressure surface 25, rather than the concavely curved configuration 100. Will be located on the side.
  • the flow velocity of the exhaust gas G along the pressure surface 25 near the trailing edge 31 increases, and as a result, the static pressure generated on the pressure surface 25 near the trailing edge 31 decreases. Since the static pressure generated on the pressure surface 25 near the trailing edge 31 decreases, the static pressure difference between the pressure surface 25 side and the suction surface 27 side near the trailing edge 31 increases. As a result, the torque in the opening direction applied to the nozzle vane 15a by the exhaust gas G can be increased.
  • the flat portion 26 is formed in the range from the trailing edge 31 to the leading edge 29 up to the 40% code position.
  • the flat portion 26 is not limited to this form. Absent.
  • the flat portion 26 may be formed in a range from the trailing edge 31 toward the front edge 29 to at least 40% of the cord position, and the flat portion 26 may extend to the range of the leading edge 29 side from the 40% cord position. May be formed.
  • the flat portion 26 is formed at the center position in the blade height direction of the nozzle vane 15a, but the present invention is not limited to this form. It suffices that the flat portion 26 is formed at least at the center position in the blade height direction of the nozzle vane 15a, and as shown in FIG.
  • the flat portion 26 may be formed in the area A of at least 30 to 70% of the height. The wider the flat portion 26 in the blade height direction, the wider the range in which a large static pressure is generated. Therefore, the moment M (+) in the opening direction on the trailing edge 31 side of the nozzle vane 15a (see FIG. 4) can be further increased. it can.
  • the flat portion 26 may be formed in a wider area than the area A, and the flat portion 26 is entirely formed from the hub side edge 32 to the tip side edge 34. It may be formed over the blade height.
  • the flat portion 26 has a completely flat configuration, but the configuration is not limited to this.
  • a line segment connecting the fixed point P1 on the pressure surface 25 and the trailing edge 31 at the 40% code position from the trailing edge 31 toward the leading edge 29 (see FIG. 3). If the maximum value of the distance from LS to the arbitrary point P2 on the pressure surface 25 between the trailing edge 31 and the fixed point P1 is W max, and the length of the line segment LS is L, then 0 ⁇ W max / L It may be ⁇ 0.03.
  • W max the maximum value of the distance from LS to the arbitrary point P2 on the pressure surface 25 between the trailing edge 31 and the fixed point P1
  • the pressure surface 25 is convexly curved toward the side opposite to the suction surface 27 with respect to the line segment LS.
  • the negative pressure surface 27 may be curved concavely with respect to the line segment LS, or at least one convex curved portion and at least one concave curved portion may be provided.
  • This form means that the flat portion 26 does not have to be completely flat, but may be a substantially flat portion including some unevenness or curvature.
  • the nozzle vane according to the second embodiment will be described.
  • the structure of the suction surface 27 is not particularly referred to, the nozzle vane according to the second embodiment has the structure of the suction surface 27 limited to that of the first embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • the nozzle vane 15a according to the second embodiment of the present disclosure has the pressure surface 25 having the same shape as the first embodiment in the blade shape 40.
  • the negative pressure surface 27 has a shape in which the camber line CaL at the same distance from each of the pressure surface 25 and the negative pressure surface 27 is configured as described below with respect to the pressure surface 25 having the same shape as that of the first embodiment. Have Other configurations are the same as those in the first embodiment.
  • the graph of FIG. 7 shows the shape of the camber line CaL in the blade shape 40 of the nozzle vane 15a according to the second embodiment of the present disclosure.
  • the horizontal axis represents the code position of the nozzle vane 15a
  • the vertical axis represents the distance from the code line ChL connecting the leading edge 29 and the trailing edge 31. This distance has a positive value in the direction from the code line ChL toward the suction surface 27 side.
  • the camber line CaL is linear in the code position from 0% to 40%.
  • the camber line CaL is curved on the pressure surface 25 side with respect to the code line ChL in the code position range of 40% to 100%. Therefore, the camber line CaL does not intersect the code line ChL between the leading edge 29 and the trailing edge 31. That is, the distance from the code line ChL to the camber line CaL does not change from a negative value to a positive value between the leading edge 29 and the trailing edge 31 (an inflection point at which the sign of this distance changes). Calling a point, there is no inflection point between the leading edge 29 and the trailing edge 31).
  • the nozzle vane 15a according to the second embodiment of the present disclosure has the pressure surface 25 having the same shape as that of the first embodiment of the present disclosure, and the camber line CaL has such a shape in the blade shape 40. It is possible to prevent the configuration of 27 from becoming complicated.
  • the negative pressure surface 27 has a larger curvature in the region C connected to the front edge 29 than in the region B connected to the trailing edge 31. It may be configured as follows.
  • the opening degree of the nozzle 15 becomes large, so that the rotation angle of the nozzle vane in the opening direction becomes large. Therefore, the exhaust gas enters the nozzle vane 15a from the turbine scroll 5 (see FIG. 1) at an angle such that separation occurs near the front edge 29 of the negative pressure surface 27. As a result, the static pressure decreases near the front edge 29 of the negative pressure surface 27, and the moment M (+) in the opening direction (see FIG. 2) generated on the front edge 29 side of the nozzle vane 15a increases.
  • FIG. 8 shows various modified examples thereof in addition to the nozzle vane 15a specifically described in the first and second embodiments.
  • the nozzle vane 15a1 which is one modification is one in which the pressure surface 25 in the blade shape 40 is made substantially flat from the trailing edge 31 to the leading edge 29 with respect to the nozzle vane 15a.
  • a nozzle vane 15a2, which is another modification, is one in which the suction surface 27 in the blade shape 40 is made substantially flat from the trailing edge 31 to the leading edge 29 with respect to the nozzle vane 15a.
  • the nozzle vane 15a3, which is another modification, has a greater curvature rate in the vane shape 40 near the front edge 29 of the suction surface 27 than the nozzle vane 15a.
  • a nozzle vane 15a4, which is another modification, is obtained by moving a portion D of the blade shape 40 in which the suction surface 27 has a large curvature rate to the trailing edge 31 side of the nozzle vane 15a1.

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Abstract

可変容量ターボチャージャのノズルベーンは、少なくとも翼高さ方向中央位置において、前縁と、後縁と、圧力面と、負圧面とを含む翼形状を有し、この翼形状において、後縁から前縁に向かって４０％のコード位置における圧力面上の定点と後縁とを結ぶ線分から、後縁と定点との間における圧力面上の任意の点までの距離の最大値をＷｍａｘとし、線分の長さをＬとすると、０≦Ｗｍａｘ／Ｌ＜０．０３である。

Description

ノズルベーン
　本開示は、可変容量ターボチャージャのノズルベーンに関する。
　近年、燃費改善を目的として、ノズルの開度を調整することにより排気ガスの流れ特性を変化させることのできる可変容量ターボチャージャが自動車に搭載されるようになっている。このような可変容量ターボチャージャの構成が特許文献１～４等に開示されている。従来の可変容量ターボチャージャに設けられるノズルベーンは一般的に、圧力面が前縁付近でタービンホイールに向かって凸状に湾曲するとともに後縁付近でタービンホイールに対して凹状に湾曲する構成を有している。
米国特許第８６４１３８２号明細書 米国特許第８８３４１０４号明細書 国際公開第２００６／０５３５７９号 特許第３６０５３９８号公報
　可変容量ターボチャージャには、ノズルの開度を調整するためにノズルベーンを回動させるアクチュエータが設けられているが、ノズルベーンは、アクチュエータから与えられるトルクと、排気ガスによって与えられるトルクと、ノズルベーンが回動し始める瞬間に働く摩擦力とを合算したトルクによって回動する。その際、ノズル開度に応じて流量が変化するため、ノズルベーンにかかるトルクも変化する。このとき、ノズルベーンが流体から受ける力（ベーントルク）に対して摩擦力が大きい場合、各ノズルベーンの回動にばらつきが生じて、ノズル開度が周方向にばらつく現象が生じてしまう。このような現象が生じると、ノズルを所定開度に制御したつもりでも、タービンホイールに流れる排気ガスの流量が異なるようになり、エンジン性能に悪影響をもたらす可能性がある。
　このようなばらつき現象を抑制するためには、排気ガスによって与えられる開方向のトルクを大きくすること、言い換えると、排気ガスがノズルベーン間を流れる際に、ノズルベーンの後縁付近の圧力面に生じる静圧を小さくして、後縁付近における圧力面側と負圧面側との間の静圧差を大きくすることが必要である。従来の可変容量ターボチャージャのノズルベーンのように、圧力面が後縁付近でタービンホイールに対して凹状に湾曲する構成では、ノズルベーンの後縁付近の圧力面に生じる静圧を小さくすることはできない。
　上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、可変容量ターボチャージャにおいて排気ガスによって与えられる開方向のトルクを大きくすることのできるノズルベーンを提供することを目的とする。
（１）本発明の少なくとも１つの実施形態に係るノズルベーンは、
　可変容量ターボチャージャのノズルベーンであって、
　前記ノズルベーンは、少なくとも翼高さ方向中央位置において、前縁と、後縁と、圧力面と、負圧面とを含む翼形状を有し、
　前記翼形状において、前記後縁から前記前縁に向かって４０％のコード位置における前記圧力面上の定点と前記後縁とを結ぶ線分から、前記後縁と前記定点との間における前記圧力面上の任意の点までの距離の最大値をＷｍａｘとし、前記線分の長さをＬとすると、０≦Ｗｍａｘ／Ｌ＜０．０３である。
　可変容量ターボチャージャにおいて、渦巻き状のタービンスクロールを流通した排気ガスは、隣り合うノズルベーン間に形成される各流路内において円弧状に湾曲した流れとなる。この流れは、各流路を画定する圧力面に向かって凸状に湾曲する。一般に自由渦では、内径側ほど流体の流速は大きくなるが、圧力面に向かって凸状に湾曲する排気ガスの流れにこの原理を適用すれば、圧力面と共に流路を画定する負圧面側の流れほど排気ガスの流速は大きくなる。
　上記（１）の構成によると、圧力面の後縁付近に略平坦な部分が存在する。この構成では、この部分が凹状に湾曲した構成よりも、圧力面は、当該圧力面と共に流路を形成する負圧面側に位置することになる。そうすると、後縁付近で圧力面に沿った排気ガスの流速が大きくなり、その結果、後縁付近の圧力面に生じる静圧が小さくなる。後縁付近の圧力面に生じる静圧が小さくなることにより、後縁付近における圧力面側と負圧面側との間の静圧差が大きくなる。これにより、排気ガスによってノズルベーンに与えられる開方向のトルクを大きくすることができる。
（２）いくつかの実施形態では、上記（１）の構成において、
　前記ノズルベーンは、ハブ側縁及びチップ側縁を備え、
　前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かう方向に前記ハブ側縁から翼高さの少なくとも３０～７０％の領域において、前記ノズルベーンは前記翼形状を有する。
　上記（２）の構成によると、圧力面の後縁付近において翼高さ方向中央位置を含む比較的広い範囲に略平坦な部分が存在する。この略平坦な部分が翼高さ方向に広いほど、大きな静圧が生じる範囲が広くなるので、排気ガスによってノズルベーンに与えられる開方向のトルクをさらに大きくすることができる。
（３）いくつかの実施形態では、上記（１）または（２）の構成において、
　前記翼形状において、前記圧力面及び前記負圧面のそれぞれから等しい距離にあるキャンバーラインは、少なくとも前記後縁から前記前縁に向かって４０％のコード位置までの範囲で直線状であるとともに、前記前縁と前記後縁との間で前記前縁と前記後縁とを結ぶコードラインと交差しない。
　上記（３）の構成によると、圧力面を上記（１）または（２）の構成にしても、負圧面の構成が複雑化することを抑制できる。
（４）いくつかの実施形態では、上記（３）の構成において、
　前記翼形状において、前記負圧面は、前記後縁に接続する領域の曲率よりも前記前縁に接続する領域の曲率の方が大きくなるように構成されている。
　排気ガスの質量流量が大きい場合、開方向のノズルベーンの回動角度が大きくなる。このため、排気ガスは、負圧面の前縁付近で剥離が起こるような角度でタービンスクロールからノズルベーンに入射する。これにより、負圧面の前縁付近で静圧が小さくなるので、ノズルベーンの前縁側に生じる開方向の力（モーメント）が大きくなる。ノズルベーンの前縁側に生じる開方向のモーメントが大きくなると、排気ガスによってノズルベーンに与えられる開方向のトルクが非常に大きくなるので、アクチュエータを損傷するおそれがある。上記（４）の構成によれば、負圧面の前縁側の曲率及び厚さが大きくなることから、剥離の発生が抑えられて前縁付近の負圧面に生じる静圧の低下が抑制されるので、ノズルベーンの前縁側に生じる閉方向のモーメントが大きくなる。その結果、排気ガスによってノズルベーンに与えられる開方向のトルクの増大を抑えることができる。
　本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、圧力面の後縁付近に略平坦な部分が存在する。この構成では、この部分が凹状に湾曲した構成よりも、圧力面は、当該圧力面と共に流路を形成する負圧面側に位置することになる。そうすると、後縁付近で圧力面に沿った排気ガスの流速が大きくなり、その結果、後縁付近の圧力面に生じる静圧が小さくなる。後縁付近の圧力面に生じる静圧が小さくなることにより、後縁付近における圧力面側と負圧面側と間の静圧差が大きくなる。これにより、排気ガスによってノズルベーンに与えられる開方向のトルクを大きくすることができる。
本開示の実施形態１に係るノズルベーンを含む可変容量ターボチャージャのタービンの断面図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 本開示の実施形態１に係るノズルベーンの翼高さ方向中央位置における翼形状を示す図である。 本開示の実施形態１に係るノズルベーンの後縁付近の圧力面においてトルクが増大する原理を説明するための図である。 本開示の実施形態１に係るノズルベーンの変形例の後縁付近の圧力面の構成を示す図である。 本開示の実施形態１に係るノズルベーンの別の変形例の後縁付近の圧力面の構成を示す図である。 本開示の実施形態２に係るノズルベーンの翼高さ方向中央位置における翼形状を示す図である。 本開示の実施形態２に係るノズルベーンの各種変形例の翼高さ方向中央位置における翼形状を示す図である。
　以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
（実施形態１）
　図１に示されるように、可変容量ターボチャージャ１のタービン２は、渦巻き状のタービンスクロール５が形成されたタービンハウジング３と、タービンハウジング３内においてタービンスクロール５の径方向内側に回動可能に設けられたタービンホイール７と、タービンスクロール５からタービンホイール７へ流通する排気ガスの流路面積を制御する可変ノズル機構９とを備えている。
　可変ノズル機構９は、ノズル１５と、軸受ハウジング１３に固定されたノズルマウント１７と、ノズルプレート１８とを備えている。ノズル１５は、タービンホイールの周囲を取り囲むように設けられた複数のノズルベーン１５ａと、各ノズルベーン１５ａに固定されたノズル軸１５ｂとを有している。各ノズル軸１５ｂは、ノズルマウント１７に回動可能に支持されている。各ノズル軸１５ｂは、リンク機構２１を介してアクチュエータ（図示せず）に連結されており、アクチュエータから与えられるトルクによって各ノズル軸１５ｂが回動し、各ノズル軸１５ｂの回動によってノズルベーン１５ａが回動するように構成されている。
　図２に示されるように、隣り合うノズルベーン１５ａ，１５ａ間に、タービンスクロール５を流通した排気ガスＧが流通する流路２３が形成されている。流路２３を挟んで、外周側のタービンスクロール５側は排気ガスＧにより高圧側Ｈとなり、内周側のタービンホイール７側は低圧側Ｕとなっている。タービンスクロール５を通過した排気ガスは、一定の流れ角を伴って流路２３に流れ込む。その際、流れに面する圧力面２５は圧力が上昇し、反対に負圧面２７側は圧力が低い。この圧力差によって、ノズルベーン１５ａにはノズル軸１５ｂを回動中心としてノズルベーン１５ａの前縁２９側においては、流路２３の閉方向のモーメントＭ（－）が生じ、後縁３１側においては流路２３の開方向のモーメントＭ（＋）が生じる。これらのモーメントＭ（－）及びＭ（＋）のバランスしたものが、排気ガスＧによってノズルベーン１５ａに与えられるトルクとなる。
　図３は、ノズルベーン１５ａの翼高さ方向中央位置における翼形状４０を示している。翼形状４０において、圧力面２５は、後縁３１から前縁２９に向かって４０％のコード位置までの範囲に直線部分３３を含んでいる。すなわち、圧力面２５は、ノズルベーン１５ａの翼高さ方向中央位置において、後縁３１から前縁２９に向かって４０％のコード位置までの範囲に平坦部分２６を含んでいる。
　次に、可変容量ターボチャージャ１の動作について説明する。図２に示されるように、タービンスクロール５からの排気ガスＧの流量に応じて、図示しないアクチュエータがリンク機構２１を介して各ノズル軸１５ｂを回動させ、各ノズル軸１５ｂの回動によってノズルベーン１５ａが回動する。この際、各ノズルベーン１５ａは、アクチュエータから与えられるトルクと、排気ガスＧによって与えられるトルクと、各ノズルベーン１５ａが回動し始める瞬間に働く摩擦力とを合算したトルクによって回動する。各ノズルベーン１５ａが回動することにより、各流路２３の流路面積が変化する、すなわちノズル１５の開度が変化し、排気ガスＧの流量に基づくノズル１５の開度制御が行われる。
　ここで、排気ガスＧの流量が小さい場合のように、ノズル１５を所定開度に制御するためにアクチュエータから各ノズルベーン１５ａに与えられるトルクが小さい場合、排気ガスＧによって与えられるトルクも小さいので、合算したトルクがノズル１５の開方向に小さい値、又は、ノズル１５の閉方向の値になってしまい、各ノズルベーン１５ａの回動にばらつきが生じて、ノズル１５の開度が周方向にばらつく現象が生じてしまう。このような現象が生じると、ノズル１５を所定開度に制御したつもりでも、タービンホイール７に流れる排気ガスＧの流量が異なるようになり、可変容量ターボチャージャ１（図１参照）を搭載したエンジンの性能に悪影響をもたらす可能性がある。
　しかしながら、図３に示されるように、実施形態１に係るノズルベーン１５ａでは、圧力面２５が、ノズルベーン１５ａの翼高さ方向中央位置において、後縁３１から前縁２９に向かって４０％のコード位置までの範囲に平坦部分２６を含むことにより、ノズルベーン１５ａの後縁３１側における開方向のモーメントＭ（＋）を大きくする効果を有する。この効果が得られる原理を、図４に基づいて以下に説明する。
　渦巻き状のタービンスクロール５（図１参照）を流通した排気ガスＧは、各流路２３内において円弧状に湾曲した流れとなる。この流れは、各流路２３を画定する圧力面２５に向かって凸状に湾曲する。一般に自由渦では、内径側ほど流体の流速は大きくなるが、この原理を、圧力面２５に向かって凸状に湾曲する排気ガスＧの流れに適用すれば、圧力面２５と共に流路２３を画定する負圧面２７側の流れほど排気ガスＧの流速は大きくなる。
　本実施形態に係るノズルベーン１５ａのように、圧力面２５の後縁３１付近に平坦部分２６が存在すると、この部分が凹状に湾曲した構成１００よりも、圧力面２５は、圧力面２５と共に流路２３を画定する負圧面２７側に位置することになる。そうすると、後縁３１付近で圧力面２５に沿った排気ガスの流速が大きくなり、その結果、後縁３１付近の圧力面２５に生じる静圧が小さくなる。後縁３１付近の圧力面２５に生じる静圧が小さくなることにより、ノズルベーン１５ａの後縁３１側における開方向のモーメントＭ（＋）が大きくなる。
　開方向のモーメントＭ（＋）が大きくなれば、摩擦力に対するベーントルクをノズル１５の開方向に大きくできるので、各ノズルベーン１５ａの回動のばらつきを抑えて、ノズル１５の開度の周方向のばらつきを抑えることができる。これにより、ノズル１５を確実に所定開度に制御できるようになり、ノズル１５の開度に応じた流量の排気ガスＧがタービンホイール７に流れるようになるので、可変容量ターボチャージャ１（図１参照）を搭載したエンジンの性能の悪影響を抑えることができる。
　このように、圧力面２５の後縁３１付近に平坦部分２６が存在すると、この部分が凹状に湾曲した構成１００よりも、圧力面２５は、圧力面２５と共に流路２３を形成する負圧面２７側に位置することになる。そうすると、後縁３１付近で圧力面２５に沿った排気ガスＧの流速が大きくなり、その結果、後縁３１付近の圧力面２５に生じる静圧が小さくなる。後縁３１付近の圧力面２５に生じる静圧が小さくなることにより、後縁３１付近における圧力面２５側と負圧面２７側との間の静圧差が大きくなる。これにより、排気ガスＧによってノズルベーン１５ａに与えられる開方向のトルクを大きくすることができる。
　実施形態１では、図３に示されるように、平坦部分２６は、後縁３１から前縁２９に向かって４０％のコード位置までの範囲に形成されていたが、この形態に限定するものではない。平坦部分２６は、後縁３１から前縁２９に向かって少なくとも４０％のコード位置までの範囲に形成されていればよく、４０％のコード位置よりも前縁２９側の範囲にまで平坦部分２６が形成されていてもよい。
　実施形態１では、平坦部分２６は、ノズルベーン１５ａの翼高さ方向中央位置に形成されていたが、この形態に限定するものではない。ノズルベーン１５ａの少なくとも翼高さ方向中央位置に平坦部分２６が形成されていればよく、図５に示されるように、ハブ側縁３２からチップ側縁３４に向かう方向にハブ側縁３２から翼高さの少なくとも３０～７０％の領域Ａに平坦部分２６が形成されてもよい。平坦部分２６が翼高さ方向に広いほど、大きな静圧が生じる範囲が広くなるので、ノズルベーン１５ａの後縁３１側における開方向のモーメントＭ（＋）（図４参照）をさらに大きくすることができる。したがって、開方向のモーメントＭ（＋）をさらに大きくするために、平坦部分２６は領域Ａよりもさらに広い範囲に形成してもよく、平坦部分２６をハブ側縁３２からチップ側縁３４まで全翼高さに渡って形成してもよい。
　実施形態１では、平坦部分２６は完全に平坦な構成であったが、この形態に限定するものではない。図６に示されるように、翼形状４０において、後縁３１から前縁２９（図３参照）に向かって４０％のコード位置における圧力面２５上の定点Ｐ１と後縁３１とを結ぶ線分ＬＳから、後縁３１と定点Ｐ１との間における圧力面２５上の任意の点Ｐ２までの距離の最大値をＷｍａｘとし、線分ＬＳの長さをＬとすると、０≦Ｗｍａｘ／Ｌ＜０．０３であってもよい。図６では、後縁３１から前縁２９に向かって４０％のコード位置までの範囲において、圧力面２５は、線分ＬＳに対して負圧面２７とは反対側に向かって凸状に湾曲しているが、線分ＬＳに対して負圧面２７側に凹状に湾曲してもよいし、凸状に湾曲した部分及び凹状に湾曲した部分を少なくとも１つずつ有してもよい。この形態は、平坦部分２６は完全に平坦でなくても、多少の凸凹や湾曲等を含む略平坦な部分であってもよいことを意味する。
（実施形態２）
　次に、実施形態２に係るノズルベーンについて説明する。実施形態１では、負圧面２７の構成については特に言及しなかったが、実施形態２に係るノズルベーンは、実施形態１に対して、負圧面２７の構成を限定したものである。尚、実施形態２において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　図７に示されるように、本開示の実施形態２に係るノズルベーン１５ａは、翼形状４０において実施形態１と同じ形状の圧力面２５を有している。一方、負圧面２７は、実施形態１と同じ形状の圧力面２５に対して、圧力面２５及び負圧面２７のそれぞれから等しい距離にあるキャンバーラインＣａＬが以下に説明するような構成となる形状を有している。その他の構成は実施形態１と同じである。
　図７のグラフは、本開示の実施形態２に係るノズルベーン１５ａの翼形状４０におけるキャンバーラインＣａＬの形状を示している。このグラフにおいて、横軸は、ノズルベーン１５ａのコード位置をとるとともに、縦軸は、前縁２９と後縁３１とを結ぶコードラインＣｈＬからの距離をとっている。この距離は、コードラインＣｈＬから負圧面２７側に向かう方向の距離を正の値としている。
　キャンバーラインＣａＬは、コード位置が０％から４０％までの範囲で直線状になっている。キャンバーラインＣａＬは、コード位置が４０％から１００％までの範囲では、コードラインＣｈＬに対して圧力面２５側で湾曲している。したがって、キャンバーラインＣａＬは、前縁２９と後縁３１との間でコードラインＣｈＬと交差しない。すなわち、コードラインＣｈＬからキャンバーラインＣａＬまでの距離は、前縁２９と後縁３１との間で、負の値から正の値に変化することはない（この距離の符号が変わる点を変曲点と呼ぶと、前縁２９と後縁３１との間で変曲点は存在しない）。本開示の実施形態２に係るノズルベーン１５ａは、本開示の実施形態１と同じ形状の圧力面２５を有した上で、翼形状４０においてキャンバーラインＣａＬがこのような形状となることにより、負圧面２７の構成が複雑化することを抑制できる。
　また、本開示の実施形態２に係るノズルベーン１５ａの翼形状４０において、負圧面２７は、後縁３１に接続する領域Ｂの曲率よりも前縁２９に接続する領域Ｃの曲率の方が大きくなるように構成されていてもよい。
　実施形態１で説明したように、排気ガスの質量流量が大きい場合、ノズル１５の開度が大きくなるので、開方向のノズルベーンの回動角度が大きくなる。このため、排気ガスは、負圧面２７の前縁２９付近で剥離が起こるような角度でタービンスクロール５（図１参照）からノズルベーン１５ａに入射する。これにより、負圧面２７の前縁２９付近で静圧が小さくなるので、ノズルベーン１５ａの前縁２９側に生じる開方向のモーメントＭ（＋）（図２参照）が大きくなる。ノズルベーン１５ａの前縁２９側に生じる開方向のモーメントＭ（＋）が大きくなると、排気ガスによってノズルベーン１５ａに与えられる開方向のトルクが非常に大きくなるので、アクチュエータを損傷するおそれがある。上記（４）の構成によれば、負圧面２７の前縁２９側の曲率及び厚さが大きくなることから、剥離の発生が抑えられて前縁２９付近の負圧面２７に生じる静圧の低下が抑制されるので、ノズルベーン１５ａの前縁２９側に生じる閉方向のモーメントＭ（－）が大きくなる。その結果、排気ガスによってノズルベーン１５ａに与えられる開方向のトルクの増大を抑えることができる。
　図８には、実施形態１及び２で具体的に説明したノズルベーン１５ａの他に、その各種変形例を示している。１つの変形例であるノズルベーン１５ａ１は、ノズルベーン１５ａに対して、翼形状４０において圧力面２５を後縁３１から前縁２９まで略平坦にしたものである。別の変形例であるノズルベーン１５ａ２は、ノズルベーン１５ａに対して、翼形状４０において負圧面２７を後縁３１から前縁２９まで略平坦にしたものである。別の変形例であるノズルベーン１５ａ３は、ノズルベーン１５ａに対して、翼形状４０において負圧面２７の前縁２９付近の湾曲率を大きくしたものである。別の変形例であるノズルベーン１５ａ４は、翼形状４０において負圧面２７の湾曲率が大きい部分Ｄを、ノズルベーン１５ａ１よりも後縁３１側に移動したものである。
１　可変容量ターボチャージャ
２　タービン
３　タービンハウジング
５　タービンスクロール
７　タービンホイール
９　可変ノズル機構
１３　軸受ハウジング
１５　ノズル
１５ａ　ノズル弁
１５ｂ　ノズル軸
１７　ノズルマウント
１８　ノズルプレート
２１　リンク機構
２３　流路
２５　圧力面
２６　平坦部分
２７　負圧面
２９　前縁
３１　後縁
３２　ハブ側縁
３３　直線部分
３４　チップ側縁
４０　翼形状
Ｂ　後縁に接続する領域
Ｃ　前縁に接続する領域
ＣａＬ　キャンバーライン
ＣｈＬ　コードライン
Ｇ　排気ガス
ＬＳ　線分
Ｐ１　定点
Ｐ２　後縁と定点との間における圧力面上の任意の点

Claims (4)

  1. 　可変容量ターボチャージャのノズルベーンであって、
    　前記ノズルベーンは、少なくとも翼高さ方向中央位置において、前縁と、後縁と、圧力面と、負圧面とを含む翼形状を有し、
    　前記翼形状において、前記後縁から前記前縁に向かって４０％のコード位置における前記圧力面上の定点と前記後縁とを結ぶ線分から、前記後縁と前記定点との間における前記圧力面上の任意の点までの距離の最大値をＷｍａｘとし、前記線分の長さをＬとすると、０≦Ｗｍａｘ／Ｌ＜０．０３であるノズルベーン。
  2. 　前記ノズルベーンは、ハブ側縁及びチップ側縁を備え、
    　前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かう方向に前記ハブ側縁から翼高さの少なくとも３０～７０％の領域において、前記ノズルベーンは前記翼形状を有する、請求項１に記載のノズルベーン。
  3. 　前記翼形状において、前記圧力面及び前記負圧面のそれぞれから等しい距離にあるキャンバーラインは、少なくとも前記後縁から前記前縁に向かって４０％のコード位置までの範囲で直線状であるとともに、前記前縁と前記後縁との間で前記前縁と前記後縁とを結ぶコードラインと交差しない、請求項１または２に記載のノズルベーン。
  4. 　前記翼形状において、前記負圧面は、前記後縁に接続する領域の曲率よりも前記前縁に接続する領域の曲率の方が大きくなるように構成されている、請求項３に記載のノズルベーン。
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