JP2005299660A - 可変形態タービン - Google Patents

Abstract

【課題】 タービンの効率を調整できる回転翼可変形態タービンを提供する。
【解決手段】 環状入口１８が対向環状側壁１９，２０間に形成され、回転翼２２が環状入口１８内に取り付けられている可変形態タービン。回転翼２２は軸方向長さと前縁と後縁の間の弦長とを有する。回転翼２２は、環状入口１８の面積が最小と最大になるそれぞれ第１位置と第２位置との間で旋回可能である。環状側壁１９，２０は、回転翼２２が第１位置と上記第２位置との間で移動するとき、環状側壁１９，２０と回転翼２２の縁との間のクリアランスが変化する形状を有している。
【選択図】図４

Description

本発明は、可変形態タービンに関し、特に、内燃機関用ターボチャージャに用いるのに適した形式のタービンに関する。さらに具体的には、本発明は、排ガス再循環（ＥＧＲ）システムを有する内燃機関用ターボチャージャに利点を付与する。

一般に、タービンはチャンバを形成するタービンハウジングを備え、上記チャンバ内にはタービンホイールが取り付けられている。タービンチャンバは環状入口通路を有する。上記通路は、タービンホイールの外周の周辺に配置され、環状の入口チャンバ（渦巻室）によって包囲されている。出口通路は上記タービンチャンバからタービンホイールの回転軸に略沿って延在する。

可変形態タービンは、可変形態の入口通路を有し、周知になっている。汎用型可変形態タービンでは、入口通路の一壁は、移動可能な壁部材によって形成され、一般に「ノズルリング」と称されている。上記移動可能壁部材の位置は、入口通路の幅を制御するために、上記入口通路の対向する壁に対して調整可能になっている。上記入口通路の幅つまりタービンの形態は、タービンを貫流するガスの量が減少するときは、入口通路の幅を減少させるように変化して、ガス速度つまりタービンの効率を維持している。

ノズル翼と称される翼にノズルリングを設けることによってタービン効率を改善することは、周知である（同様に、固定形態タービンに固定ノズル翼を設けることも周知である）。上記ノズル翼は、タービンホイールの回転方向に向かって入口通路を貫流するガスを検出するために、入口通路に延在する。

もう１つの汎用可変形態タービンは「回転翼（スイング翼）」型である。このタービンは、タービン入口通路に配置された移動可能翼を備える。上記各翼は、それぞれ入口に延在してタービンの軸に平行な軸の周りに（円周方向に測って翼長の約半分の所で略位置調整される）、旋回可能である。翼作動機構は、各翼に結合されて設けられ、各翼を一体に動かすようにして変位できる。この動きによって、流入ガスの利用可能断面領域およびタービンホイールへのガス近接角の制御が可能となる。例えば、ホイールに対して翼弦が略半径方向となるように翼を方向付けることは、隣接する翼間の間隔を増大させ、したがって、タービンの「喉」と称される通路の流れ断面積を増大させる。一方、ホイールに対して翼弦が略円周方向に延在するように翼を旋回させると、隣接する翼間の間隙（スペース）が減少し、したがって、タービンの喉を減少させる。所定の翼角に対して、喉部の大きさと入口通路に延在する翼の一定軸長さとの積によって流量が決まる。

回転翼ターボチャージャでは、典型的には、各翼が旋回軸上に取り付けられ、上記旋回軸は入口壁を貫いて突出し、入口外側のクランクすなわちレバーを支えている。各翼の上記クランクはアクチュエータリングに結合されている。上記アクチュエータリングは、入口の外側、翼クランクの近傍でターボチャージャハウジング周辺に延在している。一般に、アクチュエータリングはユニオンリングと呼ばれる。ユニオンリングは、直接翼クランクに結合されるか、或いは結合部品間の相対運動をさせるリンクによって翼クランクに結合される。従来技術においては、欧州特許出願第１１９７６３７号に開示された可撓性リンク装置を含む様々の異なる作動機構および結合装置が提案されている。

可変形態タービンは、今や通常、ターボチャージャに含まれる。ターボチャージャは大気圧以上の圧力（ブースト圧）で内燃機関の吸入口に空気を供給するための周知な装置である。従来型ターボチャージャは基本的に排ガス駆動のタービンホイールを備え、上記タービンホイールはタービンハウジング内の回転可能なターボシャフトの一端に取り付けられる。タービンホイールの回転によって、圧縮機ハウジング内のターボシャフトの一端に取り付けられた圧縮機ホイールを回転させる。圧縮機ホイールは、圧縮空気をエンジンの吸気マニホールドに供給する。通常、ターボシャフトはジャーナル軸受とスラスト軸受によって支持される。上記ジャーナル軸受とスラスト軸受は、タービンと圧縮機ホイールハウジングとの間に接続された中央軸受ハウジング内に配置されている。

タービン開発の目的が、一般的に、利用可能な排ガス圧から最大ブースト圧を引き出すために、或いは、最小排気マニホールド背圧に対して所要のブースト圧を得るために、タービン効率を最大化することにあるので、ターボチャージャに可変形態タービンを使用することは特に重要となる。例えば、回転翼型可変形態タービンでは、タービンに供給される排ガス量が比較的少ないとき、タービンホイールに到達するガスの速度は、隣接翼間の喉部を狭小にすることによって、効率的なタービン作動を保証するレベルに維持できる。喉部が所定のガス流量に対して狭小になるにつれて、タービン入口通路を通過するガスの速度は増大する。逆に、タービンに供給されるガスの量が比較的大きいとき、タービンホイールに到達するガスの速度は、翼間の喉の幅を広げることによって、減少させることができる。これは背圧を減少させ、同時にエンジンに供給されるブースト充填空気の圧力を減少させる。このため、出力や燃料効率あるいは汚染物質排出の最適範囲内で、エンジンを動かし続けることができる。
欧州特許出願第１１９７６３７号

最近、或る適用例では、タービン効率の最大化が作動上問題となると認識されている。例えば、タービンが、排ガス再循環（ＥＧＲ）システム付き内燃機関に用いられるターボチャージャに含まれる場合、高いピーク効率は不利となる。ＥＧＲシステムでは、エンジンの排気物を減少させるために、排気マニホールドから採取された排ガスの一部は、エンジンの吸入マニホールドに再導入して、排ガスを更に燃焼させる。最新の高効率可変形態型タービン設計では、吸入マニホールドのブースト圧は、排ガスマニホールドの排ガス圧を超えていて、入口マニホールドに排ガスを再導入させるためには、例えばＥＧＲポンプを必要とする等、厄介な状況が生じる。排ガスマニホールドの高い圧力は、回転翼タービンのノズルを閉塞して喉部を減少させることによって得られる。しかし、これは、高効率タービンの場合、生成されるブースト圧が増大するので、いっそう高い入口マニホールド圧力となる。このことは、結果的に、エンジンシリンダ圧力が許容限界値に近づいたり越えたりすることがある。

タービンの効率は、質量流、圧力、温度などのタービンの瞬間的運転状態に依って変化する。上記問題を考慮すると、或る運転状態の下では、タービンの効率を減少させることが、特にＥＧＲ流を機能させることが、有益となる。出願人の欧州特許出願第１３５３０４０号は、上述のノズルリング型可変形態タービンに関して、この問題に取り組んでいる。具体的には、移動可能なノズルリングによって支持されるノズル翼は、低流状態および最大流状態での効率に重大な影響を与えることなく、ピーク効率が減少する形状になっている。

上述した問題や不利益に対処するために、タービン効率を調整できる回転翼可変形態タービンを提供することが、本発明の目的である。

本発明によると、タービンチャンバを形成するタービンハウジングを備え、上記タービンチャンバア内には、タービンホイールがタービン軸の周りに回転するように取り付けられ、
上記タービンチャンバは上記タービンハウジングの対向する環状側壁の間に形成された半径方向に延在する環状入口を有し、上記環状入口は上記環状側壁の間に形成された軸方向幅を有し、
上記入口内に設けられた環状配列の回転翼を備え、各翼は、入口に延在して上記環状入口の各側壁に隣接する弦翼縁間の軸方向長さを有し、各翼は前縁と後縁との間に形成された弦長とを有し、上記前縁と上記後縁とは、タービンを通る流れの方向に対してそれぞれ入口上流と入口下流とに延在し、
上記環状入口の有効断面積を調整するために、上記入口に延在する各旋回軸の周りに各翼を旋回させる手段を備え、各翼は入口面積が最小となる第１位置と入口面積が最大になる第２位置との間で旋回可能であり、
上記環状側壁の少なくとも１つは、上記翼が上記第１位置と上記第２位置との間の中間位置で移動するとき、上記側壁と、隣接する各翼の弦縁の少なくとも一部分との間のクリアランスが予め決められた様式で変化するように、形状化されていることを特徴とするタービンが提供される。

本発明の特定実施例が、単なる一例として、添付の図面を参照してここに説明される。

図１は、固定形態タービン付きのターボチャージャの軸方向断面であり、ターボチャージャの基本構成部品を示す。ターボチャージャは、中央軸受ハウジング３を介して、圧縮機２に結合されたタービン１を備える。タービン１は、タービンホイール５を収容するタービンハウジング４を備える。同様に、圧縮機２は、圧縮機ホイール７を収容する圧縮機ハウジング６を備える。タービンホイール５と圧縮機ホイール７とは、共通ターボシャフト８の両端に取り付られている。上記共通ターボシャフト８は、軸受ハウジング３内の軸受アセンブリ９に支持されている。

タービンハウジング４には、排ガス入口１０と排ガス出口１１とが設けられている。上記入口１０は、流入する排ガスを環状の入口チャンバすなわち渦巻室１２に導く。上記渦巻室１２は、タービンホイール５を取り囲むと共に、半径方向に延在する環状入口通路１３を介して、タービンホイール５に連通している。タービンホイール５の回転は、圧縮機ホイール７を回転させ、軸方向入口１４を介して空気を引き込むと共に、環状出口渦巻室１５を介して圧縮空気をエンジンの吸込口（図示せず）に供給する。

図２と図３を参照すると、これらは従来型回転翼タービンの一部を概略的に示したものである。この従来型回転翼タービンは、タービンハウジング内の軸１７の周りに、回転可能なタービンホイール１６を備えている。上記タービンハウジングは環状入口通路１８を有し、上記環状入口通路１８は、対向するタービンハウジング壁１９，２０の間に形成されている。上記各タービンハウジング壁１９，２０はタービン軸１７に垂直な平面の中に存在する。排ガスは、入口渦巻室２１から入口通路１８を介してタービンホイール１６に流れる。

入口通路１８内には、環状に配列された翼２２が取り付られている。上記翼２２の各々は、入口壁１９，２０を貫いて突出した一体型翼アクスル２３と共に形成されている。上記翼アクスル２３の一端はクランク２４を形成する。アクスル２３上の翼２２の回転を制御するために、クランク２４に取り付られたピン２５に、アクチュエータ（図示せず）を結合してもよい。従来の装置では、典型的には、アクチュエータはユニオンリングと称されるリングを備えて、ユニオンリングの回転によって、全ての翼が同時に制御される。ユニオンリングの動きは、空気圧アクチュエータや電気アクチュエータを含む様々な形態のアクチュエータによって制御される。本発明の理解と無関係なものは、当業者に周知なものであり、その詳細な説明を省略する。

図２では、全開位置（すなわち、最大喉部幅）における翼２２が示されている。上記全開位置では、翼２２は略半径方向に延在する。図２に示す平面図では、各翼２２は、軸方向長さＬと弦幅Ｗとを有する略矩形である。図２に示すように、入口通路１８を形成するハウジング壁１９，２０と翼縁との間のクリアランス（隙間）を最小にするために、翼２２が環状入口通路１８の軸方向幅に略等しい長さを有することには、独創性はない。これは、タービン効率に有害な翼縁周りのガス漏れを最小化するためである。

図３を参照すると、図３は円周方向の隣接する２つの翼２２を示す。実線で示された翼は、入口（すなわち喉部）断面が相対的に大きい位置にあり、破線で示された翼は喉部断面が相対的に小さい位置にある。図３に示された２つの位置は、完全閉塞位置と完全開放位置の間にある。翼が閉塞位置にあるとき、すなわち、図２に示すタービンの軸に対して、翼が略円周方向に延在するとき、喉部は最小になることがわかる。また、翼が開放位置にあるとき、すなわち、略半径方向にあるとき、喉部は最大になるということがわかる。翼２２が完全開放位置と完全閉塞位置との間で旋回するとき、翼縁は、入口通路壁１９２０の半径方向に延在する部分を掃行する。

周知なように、使用時の瞬間作動状態に対して、翼２２の位置を適切に調整することにより、タービンへのガス流を最適化できる。また、翼が閉塞位置から開放位置に移るとき、タービンの固有特性によって、効率が増大することも周知の事実となっている。しかし、このことは、例えば、効率が高くなり過ぎて、排ガス再循環（ＥＧＲ）流を駆動できなくなる場合があって、上述した問題を引き起す可能性がある。

図４を参照すると、図４は、図２と３に示された従来型回転翼タービンアセンブリの変形例として、本願発明の第１実施例を示す。図２と３の特徴に対応する図４の特徴は、同一参照番号によって識別されている。これからわかることは、この発明の図示された実施例は、環状入口通路１８を形成する環状ハウジング壁１９，２０が翼２２の旋回半径近傍の半径から半径方向にテーパー（先細り）になっている点で、図２の実施例と異なっていることである。このため、入口通路の軸方向幅は、半径の減少と共に増大する。このテーパーは線対称になっていて、テーパーが各翼２２の領域で同一になっている。この効果は、開放位置と閉塞位置の間で翼が旋回するときに、環状側壁１１９，１８と翼２２の隣接縁との間のクリアランス（隙間）を変化させることである。すなわち、翼が略円周方向に延在して閉塞位置にある場合、クリアランスは、最小であり、各翼の前縁から後縁の翼縁沿に、略一定である（各翼の前縁は、入口通路１８を貫流するガスの方向に対して上流側の入口通路１８に延在する）。しかし、各翼２２が開放位置に向かって旋回するとき、各翼の後縁は入口通路１８のテーパー領域を掃行し始めて、翼と通路側壁１９，２０の間のクリアランスが増大する。この効果は、翼が開放位置に向かって移動するときに、タービンの効率が、一定のクリアランスを維持する従来型タービンに比べて、減少することである。したがって、この構造により、概述した従来型回転翼タービン設計の問題を回避することができる。

タービン効率への厳密な効果は、テーパーの角度（ａ）や側壁１９，２０のテーパー開始半径といった特徴を変えることによって、調整することができる。例えば、テーパーが図４に図示されたものよりも小さい半径で始まる場合、テーパーが効率に影響を及ぼし始めるには、翼２２を開放位置に向かってさらに回転しなければならない。同様に、所定のテーパー開始半径に対するテーパー角は、翼と側壁との間の最大のクリアランスに影響を及ぼし、したがって、効率に最大の影響を及ぼす。

図４の側壁１９，２０は直線的に先細りになっているが、（軸方向断面図において側壁１９，２０のテーパー部が湾曲するように）半径の減少と共にテーパーの度合を増減させることによって、翼が開放位置に向かって回転する際に、効率に影響を及ぼす度合を変化させることができる。テーパー角は、最初増大し次に減少するのが適切な場合、或いは、その逆が適切な場合がある。

側壁１９，２０の各々は必ずしも同じ様なテーパーである必要はないことがわかる。例えば、所望するタービン効率への効果に依って、側壁２０と側壁１９とは異なる角度のテーパーでもよく、また、異なる半径開始点を有するテーパーであってもよい。同様に、側壁１９，２０の両方をテーパーにする必要はないことがわかる。側壁１９，２０の１つのみをテーパーにし、もう一方はタービンの軸に垂直な平面内に延在させることによって、必要な効率の減少が得られる場合がある。

本発明の別の実施例が、図２または図３に示された従来型回転翼タービンの変形例として、図５に図示されている。図５は、図３の断面図に対応する軸方向図である。図５では、適用可能な場合、図３と同一の参照番号が使用されている。この本発明の実施例では、入口通路壁１９，２０は、テーパーになっていない。各入口通路壁１９，２０は、図２と図３に示す従来型タービンのように、軸１７に垂直な平面内に在る。しかし、翼２２の弦縁と入口通路壁１９との間に存在する可変クリアランスは、側壁内の凹部即ちポケットの形成によって成る。上記翼２２が開位置と閉位置との間で移動するとき、上記翼２２は上記ポケットを掃行する。図５に示すように、完全閉位置では、各翼２２の後縁は各ポケットから離れている。しかし、各翼２２が開放位置に向かって移動すると、翼２２は、各ポケット２６の半径方向外側の先端部を掃行し始める点に到達する。これにより、翼の縁部周辺に、漏洩経路が効果的に開かれる。すなわち、少なくとも翼２２の縁部に沿って、翼２２と壁１９の間のクリアランスが増大する。

翼と側壁の間のクリアランスへの影響、つまり、タービン効率への影響は、ポケット２６を適切に配置および形状化することによって調整できる。例えば、特定の翼位置に対して、所定半径でのポケット２６の外周幅と軸方向深さは、翼２２と側壁１９の間のクリアランスの効果的な増大を決定する（すなわち、翼縁周辺の漏洩流路の有効サイズを確定する）。したがって、タービン効率に対する所望の効果は、ポケット２６の適切な寸法と配置によって成し遂げられる。例えば、各翼２２と側壁１９間のクリアランスの増大効果は、図５に示すように、初期の相対的閉塞翼位置で最大となり、翼が完全開放位置に移動するにつれて減少する。図４の実施例に関連して述べた入口通路壁をテーパー状にすることによって、同一効果を得るのはいっそう困難である。

図５の実施例は、ポケット２６が入口通路１８の一方の側壁のみに形成されているが、同じ様なポケットが他方の側壁２０においても形成され得ることがわかる。また、各側壁に形成されたポケットは、もう一方の側壁に形成されたポケットと、位置、寸法、形状が相対的に異なっていてもよいことが理解される。

上述した上記本発明の特定実施例に対する更なる変更は、当業者にとって容易に想到である。

ターボチャージャの基本構成要素を示す固定形態タービン付きターボチャージャの軸方向断面図である。 従来型回転翼可形態タービンの一部分の軸方向概略断面図である。 上記回転翼アセンブリの軸方向の図を示す図２の３−３線断面である。 本発明の第１実施例による図２と図３の上記回転翼タービンの変形例を概略的に示す。 本発明の第２実施例による図２と図３の上記回転翼タービンの変形例を概略的に示す。

符号の説明

４ タービンハウジング
１６ タービンホイール
１７ タービンの軸
１８ 環状入口
２２ 回転翼
２６ 凹部

Claims (18)

1. タービンチャンバを形成するタービンハウジングを備え、上記タービンチャンバ内には、タービンホイールがタービン軸の周りに回転するように取り付けられ、
   上記タービンチャンバは上記タービンハウジングの対向する環状側壁の間に形成された半径方向に延在する環状入口を有し、上記環状入口は上記環状側壁の間に形成された軸方向幅を有し、
   上記入口内に設けられた環状配列の回転翼を備え、各翼は、上記入口に延在して上記環状入口の各側壁に隣接する弦翼縁間の軸方向長さを有し、各翼は前縁と後縁との間に形成された弦長とを有し、上記前縁と上記後縁とは、タービンを通る流れの方向に対してそれぞれ入口上流と入口下流とに延在し、
   上記環状入口の有効断面積を調整するために、上記入口に延在する各旋回軸の周りに各翼を旋回させる手段を備え、各翼は入口面積が最小となる第１位置と入口面積が最大になる第２位置との間で旋回可能であり、
   上記環状側壁の少なくとも１つは、上記翼が上記第１位置と上記第２位置との間の中間位置で移動するとき、上記側壁と、隣接する各翼の弦縁の少なくとも一部分との間のクリアランスが予め決められた様式で変化するように、形状化されていることを特徴とするタービン。
2. 請求項１に記載のタービンにおいて、
   上記少なくとも１つの環状側壁は、各翼が上記第１位置にあるときに各翼の上記壁と上記隣接する弦縁との間のクリアランスが最小であるように、形状化されていることを特徴とするタービン。
3. 請求項１または２に記載のタービンにおいて、
   上記少なくとも１つの環状側壁は、上記翼が上記第１位置にあるときに上記壁と上記隣接する各翼の弦縁との間のクリアランスが上記翼縁に沿って略一定であるように、形状化されていることを特徴とするタービン。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載のタービンにおいて、
   上記環状側壁または各環状側壁は、半径の減少と共に入口の軸方向幅が最小幅から最大幅に増大するように、形状化されていることを特徴とするタービン。
5. 請求項４に記載のタービンにおいて、
   半径の減少と共に増大する上記入口の軸方向幅の増大率が、上記半径の減少と共に変化することを特徴とするタービン。
6. 請求項４または５に記載のタービンにおいて、
   各翼が上記第１位置と上記第２位置との間の第１中間位置に在るとき、上記入口の軸方向幅は、各翼の上記後縁の半径方向位置に対応する半径方向位置から増大することを特徴とするタービン。
7. 請求項４乃至６のいずれか１つに記載のタービンにおいて、
   上記環状入口の軸方向幅の変化は、上記第１位置に在るときの各翼の上記後縁の半径方向の位置よりも小さい半径から始まることを特徴とするタービン。
8. 請求項４乃至７のいずれか１つに記載のタービンにおいて、
   上記側壁または各側壁は、上記環状入口の軸方向幅の変化を生じるように、線対称に形状化されていることを特徴とするタービン。
9. 請求項８に記載のタービンにおいて、
   上記環状側壁または各環状側壁は線対称なテーパーになっていることを特徴とするタービン。
10. 請求項９に記載のタービンにおいて、
    上記テーパーは直線状であることを特徴とするタービン。
11. 請求項９に記載のタービンにおいて、
    上記テーパーは非直線状であることを特徴とするタービン。
12. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載のタービンにおいて、
    上記少なくとも１つの環状側壁には各翼のための凹部が設けられ、上記凹部は上記環状壁の部材表面の一部分に形成され、上記各翼は上記第１位置と上記第２位置との間の移動時に上記凹部を掃行し、上記翼が上記凹部の位置に対応する上記第１位置と上記第２位置との中間位置に在るとき、上記凹部は上記隣接する翼弦縁の周りにガス漏洩通路を提供することを特徴とするタービン。
13. 請求項１２に記載のタービンにおいて、
    各凹部は同一の大きさと形状を有していることを特徴とするタービン。
14. 請求項１２または１３に記載のタービンにおいて、
    上記タービンの軸に対する円周方向における各凹部の幅は、上記タービンの軸に対する半径と共に変化することを特徴とするタービン。
15. 請求項１２乃至１４のいずれか１つに記載のタービンにおいて、
    各凹部の軸方向深さは、上記タービンの軸に対する半径と共に変化することを特徴とするタービン。
16. 請求項１２乃至１５のいずれか１つに記載のタービンにおいて、
    各凹部は上記各環状側壁の半径方向領域に限定され、上記限定半径方向領域は、各翼が上記第１位置と上記第２位置との間の第１中間位置に在るときの各翼の後縁の半径方向位置と、各環状側壁部材の内側半径方向縁との間に形成されていることを特徴とするタービン。
17. 請求項１２乃至１６のいずれか１つに記載のタービンにおいて、
    上記環状側壁の両方が上記凹部を備えていることを特徴とするタービン。
18. 添付の図４と５に関連する請求項１乃至１７のいずれか１つに記載の可変形態タービン。
    

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