(57)【要約】【課題】簡単な構造で製造しやすく、しかもシュラウド側からの排気ガスの漏れを減少させたタービンの可変ノズル構造を提供する。【解決手段】タービンケース１０内に、タービンインペラ２の径方向外方に位置して、タービンケース１０のシュラウド３とハブ１４との間を支持軸４１，４２で掛け渡すように形成されたベーン４０を周方向に間隔を隔てて回動可能に複数設けたタービンの可変ノズル構造であって、各ベーン４０のシュラウド３側の翼端面４５に少なくとも翼端面４５の一部と密着する支持部材４３を設けた。【選択図】図１
2011169233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンケース内に、タービンインペラの径方向外方に位置して、タービンケースのシュラウドとハブとの間を支持軸で掛け渡すように形成されたベーンを周方向に間隔を隔てて回動可能に複数設けたタービンの可変ノズル構造であって、
前記各ベーンのシュラウド側の翼端面に少なくとも翼端面の一部と密着する支持部材を設けたことを特徴とするタービンの可変ノズル構造。
【請求項２】
前記支持部材が円柱体であり、該円柱体に前記支持軸が偏芯して取り付けられた請求項１記載のタービンの可変ノズル構造。
【請求項３】
前記シュラウドに、前記支持部材を前記支持軸を中心に回動可能に嵌装する凹部を形成した請求項１又は請求項２記載のタービンの可変ノズル構造。
【請求項４】
前記円柱体を、前記ベーンの翼端面の上流側に設けた請求項２又は請求項３記載のタービンの可変ノズル構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンの可変ノズル構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンの可変ノズルは、ターボチャージャーなどの過給機のタービンケース内に、タービンインペラの径方向外方に位置して、周方向に間隔を隔てて複数のベーンを配設し、タービンインペラへのガス流量に応じて各ベーンの角度を変更することで効率を高めるものである。
【０００３】
一般に可変ノズル４を備えた過給機１は、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示すようにエンジン（図示せず）から排出される排気ガスが、タービンケース１０のスクロール通路１２で周方向に分配されながらタービンインペラ２の入り口に周方向に間隔を隔てて配設された複数のベーン４０からなる可変ノズル４の間を通り、タービンインペラ２を回転させながら排気口１３より排出される。タービンインペラ２が回転することで回転軸２０が回転し、回転軸２０の先に設けられたコンプレッサインペラ（図示せず）も回転し、外部からコンプレッサケース（図示せず）に導かれた空気が加圧されてエンジンに過給される。
【０００４】
このとき、ベーン４０を適宜回動させることによりベーン４０，４０間の流路面積を任意に調節できる。
【０００５】
エンジンが低回転状態のときは、ベーン４０を図５（Ｄ）の実線の状態に回動してベーン４０，４０間のスロート幅Ｗ１を狭めて開口面積を小さくすることで、排気ガスの流れを増速して過給効率を上げる。エンジンが高回転状態のときは、ベーン４を図５（Ｄ）の点線の状態に回動してベーン４０，４０間のスロート幅Ｗ２を広げて開口面積を大きくすることでベーン４０間におけるチョーク（詰まり）を防止するようになっている。
【０００６】
ベーン４０は、図５（Ａ）に示すようにタービンケース１０に設けられたシュラウド３とタービンケース１０のハブ１４とで形成されるリング状の空間からなる環状ガス流路１５に、支持軸４１，４２を介して回動自在に配置されており、ベーン４０が適宜回動することができるように、ベーン４０翼端面とシュラウド３との間、ベーン４０翼端面とハブ１４との間には多少のクリアランスを有している(特許文献１の図４、特許文献２の図３、図５)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−８８６９号公報
【特許文献２】特開２００２−３６４３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、環状ガス流路１５を通ってタービンインペラ２を回転させる排気ガスの流れは、図５（Ｂ）〜（Ｄ）の矢印ａで示すようにベーン４０の表面に沿った流れである。
【０００９】
これに対し、ベーン４０翼端面と、シュラウド３及びハブ１４との間に設定されたクリアランスより漏出するガスの流れ方向は、図５（Ｂ）、（Ｄ）の矢印ｂで示すようにベーン４０を横切る方向（支持軸４１，４２の軸線方向）である。
【００１０】
このため、クリアランスより漏出するガスは、ベーン４０の表面を流れる排気ガスと交差しており、タービンインペラ２に流入する排気ガスの流れが不安定となり、排気ガスの持つエネルギーがタービンインペラ２に有効に伝達されず、特に小流量時においてタービンの効率が低下するという問題を有する。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、タービン効率を低下させないタービンの可変ノズル構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために本発明のタービンの可変ノズル構造は、タービンケース内に、タービンインペラの径方向外方に位置して、タービンケースのシュラウドとハブとの間を支持軸で掛け渡すように形成されたベーンを周方向に間隔を隔てて回動可能に複数設けたタービンの可変ノズル構造であって、前記各ベーンのシュラウド側の翼端面に少なくとも翼端面の一部と密着する支持部材を設けたことを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、ベーンのシュラウド側の翼端面に少なくとも翼端面の一部と密着する支持部材が設けられているので、ベーンの一部とシュラウドとの間にはクリアランスがなく、排気ガスがシュラウド側から漏出するのを減少させることができる。
【００１４】
また前記支持部材が円柱体であり、該円柱体に前記支持軸が偏芯して取り付けられるのが好ましい。
【００１５】
上記構成によれば、製造が容易である。
【００１６】
また前記シュラウドに、前記支持部材を前記支持軸を中心に回動可能に嵌装する凹部を形成するのが好ましい。
【００１７】
上記構成によれば、ベーンが支持部材と共に支持軸を中心に回動することができる。
【００１８】
また前記円柱体を、前記ベーンの翼端面の上流側に設けるのが好ましい。
【００１９】
上記構成によれば、排気ガスがベーンの上流側においてシュラウド側から漏出することがない。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、タービン効率を低下させないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るタービンの可変ノズル構造を示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示す可変ノズル部分の拡大図で、（Ａ）は正面図で、（Ｂ）は側面図で、（Ｃ）は可変ノズルの斜視図である。
【図３】図３は、可変ノズルの小開度の状態を示す図で、（Ａ）はハブ側から見た側面図であり、（Ｂ）はベーンの回動状態を示す図である。
【図４】図４は、可変ノズルの大開度の状態を示す図で、（Ａ）はハブ側から見た側面図であり、（Ｂ）はベーンの回動状態を示す図である。
【図５】図５は、従来のタービンの可変ノズル部分を示す図で、（Ａ）は断面図で、（Ｂ）は可変ノズル部分の拡大正面図で、（Ｃ）は可変ノズル部分の拡大側面図で、（Ｄ）は可変ノズルの小開度の状態(破線は大開度の状態)を示す図で、ハブ側から見た側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２３】
なお、図１〜図４(本実施形態)中、図５ (従来例)で示した部材と同等の機能を有する部材については同一の符号を付して説明する。
【００２４】
図１〜図４に示すように、過給機１のタービン部は、タービンインペラ２を収納するタービンケース１０、可変ノズル４等から構成されている。タービンインペラ２から延出する回転軸２０は、軸受ケース２１に回転自在に支持されており、回転軸２０の先に図示してないが、コンプレッサインペラが結合し、タービンインペラ２とコンプレッサインペラが一体に回転するようになっている。
【００２５】
タービンケース１０には、排気ガスを周方向に分配するためのスクロール通路１２が形成され、またタービンインペラ２と同軸に排気口１３が形成される。
【００２６】
さらにタービンケース１０には、内側に突出する環状のハブ１４が形成され、またタービンインペラ２のブレード形状に沿って形成されたシュラウド３が設けられている。
【００２７】
シュラウド３は、回転軸２０と平行な円筒部３０とこれと直交するフランジ部３１を有しており、フランジ部３１はハブ１４との間に所定の間隔があけられている。フランジ部３１には、環状凹部３１ａが形成され、この環状凹部３１ａに環状支持部材３２がフランジ部３１と同一平面で嵌め込まれている。
【００２８】
フランジ部３１及び環状支持部材３２と、ハブ１４とでリング状の空間からなる環状ガス流路１５が形成され、環状ガス流路１５に可変ノズル４が配設される。可変ノズル４は、タービンインペラ２の径方向外方であって、周方向に間隔をおいて配設される多数の羽根状のベーン４０からなる。
【００２９】
ベーン４０には、図１及び図２に示すように、ベーン４０を回動させるための支持軸４１，４２が回転軸２０と平行に設けられており、支持軸４１はハブ１４に回動自在に支持され、支持軸４２は環状支持部材３２を貫通してシュラウド３のフランジ部３１（または環状支持部材３２）に回動自在に支持されている。
【００３０】
本発明の特徴は、排気ガスがシュラウド３側からベーン４０を横切って漏れるのを、特に小流量時において減少させることにある。
【００３１】
これを実現させるために本発明は、ベーン４０のシュラウド３側の翼端面４５に少なくとも翼端面４５の一部と密着する支持部材４３を設けている。すなわち、図１及び図２に示すようにベーン４０には、シュラウド３のフランジ部３１に対する翼端面４５に、例えば円柱体等の支持部材４３が密着して設けられている。このため支持部材（以下、円柱体という）４３が設けられている箇所は、円柱体４３の端面４３ａとベーン４０の翼端面４５とのクリアランスが零となっている。
【００３２】
円柱体４３の端面４３ａは、ベーン４０の翼端面４５上流側に設けられるように、例えば径方向一端が支持軸４２を包含し、径方向他端がベーン４０先端と略一致する大きさとなっており、円柱体４３の径がベーン４０の長手方向の長さの略半分となっている(図２参照)。このため、ベーン４０の上流側では、シュラウド３との間でクリアランスが零になり、排気ガスが少なくともベーン４０の上流側においてシュラウド３側から漏出することがない。
【００３３】
タービンインペラ２内を流れる流量はハブ側＜シュラウド側であり、タービンインペラ２はシュラウド側でより多くの仕事を取り出している。このことから、ノズルのクリアランスより漏出するガスがタービンインペラ２の性能へ与える影響はシュラウド３側でより大きなものとなると考えられる。
【００３４】
そこで本発明は、ベーン４０のシュラウド３側の翼端面４５の上流側に円柱体４３を密着して設けて、ベーン４０のシュラウド３側に壁を構成することでクリアランスを零にしてタービン効率の低下を抑制している。
【００３５】
この円柱体４３をシュラウド３のフランジ部３１に嵌装するために、前記した環状支持部材３２には凹部３２ａが形成されている。凹部３２ａは、後述するように円柱体４３が支持軸４２を中心に回動しながら移動できるように、断面長円(楕円)形状となっている。
【００３６】
なお、支持部材４３は製造が容易な円柱体が好ましいが、円柱体に限らず多角形状の柱体でもよい。
【００３７】
また、ベーン４０の翼端面４５の全域をカバーする大きさの円柱体４３を設けると、隣接するベーン４０の翼端面４５と干渉するため、円柱体４３は翼端面４５の上流側をカバーする大きさとしている。
【００３８】
ハブ１４に回動自在に支持されている支持軸４１の突出端には、操作機構６が連結され、操作機構６は図示しないアクチュエータ等によって駆動される。操作機構６が駆動されることによって支持軸４１が回動され、各ベーン４０が支持軸４１，４２を中心に連動して回動するようになっている。
【００３９】
操作機構６によって各ベーン４０が回動された状態を図３、図４に示す。
【００４０】
図３（Ａ）で示す可変ノズル４は、ベーン４０，４０間のスロート幅Ｗ１を狭めて可変ノズル４の開度を最小とした場合であり、図４（Ａ）で示す可変ノズル４は、ベーン４０，４０間のスロート幅Ｗ２を広げて可変ノズル４の開度を最大とした場合を示している。
【００４１】
可変ノズル４を、図３（Ａ）で示す小開度から図４（Ａ）で示す大開度に変えるとき、あるいは図４（Ａ）で示す大開度から図３（Ａ）で示す小開度に変えるとき、円柱体４３は図３（Ｂ）あるいは図４（Ｂ）で示すように支持軸４１，４２の軸心４１ａを中心にして反時計方向あるいは時計方向へ回動しながら移動することになり、凹部３２ａは円柱体４３の移動を許容できるように、断面長円(楕円)形状となっている。
【００４２】
以下、本実施形態による過給機の可変ノズル４の作用について説明する。
【００４３】
外部よりスクロール通路１２に流入した排気ガスは、環状ガス流路１５、可変ノズル４を経て増速されてタービンインペラ２に流入し、タービンインペラ２を回転し、排気口１３より排気される。
【００４４】
エンジンの回転数が低く、排気ガス流量が少ないときには、可変ノズル４は、図３（Ａ）に示すようにベーン４０，４０間のスロート幅Ｗ１を狭めて小開度とし、排気ガスの流れを増速してタービンインペラ２の回転を高速にして過給効率を上げる。
【００４５】
このとき、ベーン４０のシュラウド３側の翼端面４５に少なくとも翼端面４５の一部(上流側)と密着する円柱体４３を設けているため、ベーン４０のシュラウド３側は、円柱体４３の端面４３ａと密着した壁が構成されることになり、ベーン４０の上流側にはシュラウド３側との間にクリアランスが形成されず、排気ガスがベーン４０の上流側においてシュラウド３側から漏出することがない。
【００４６】
また可変ノズル４が、シュラウド３側とハブ１４側との圧力のバランスでハブ１４側に移動したとしても、ベーン４０と共にこれに密着された円柱体４３も移動するため、シュラウド３側には、ベーン４０の翼端面４５の上流側と円柱体の端面４３ａとの間にクリアランスが生じることがない。
【００４７】
特にタービンは、排気ガス流量が少なく、ベーン４０が小開度(図３の状態)の場合に、排気ガスがシュラウド３側のクリアランスから生じる漏れ流れが、タービンの効率を著しく悪化させている。
【００４８】
本発明によれば、ベーン４０の翼端面４５における上流側では、シュラウド３側でのクリアランスが零になり、排気ガスは、図２（Ａ）及び図３（Ａ）の矢印ｂのごとくベーン４０の翼端面４５上流側と円柱体４３の端面４３ａとの密着部に遮られてベーン４０を横切ることがなく、排気ガスが少なくともベーン４０の上流側においてシュラウド３側から漏出することがない（矢印ａはベーン４０表面に沿った流れである）。すなわち、ベーン４０の翼端面４５上流側におけるスロート近傍の排気ガスの流れ（矢印ａ）を阻害しない。
【００４９】
このように本発明によれば、ベーン４０のシュラウド３側の翼端面４５に少なくとも翼端面４５の一部と密着する支持部材４３を設けて、漏れ流れが生じる箇所を減らすことで、これまで問題とされていた小流量時におけるシュラウド３側からの漏れを減少させることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１  過給機
２  タービンインペラ
３  シュラウド
４  可変ノズル
６  操作機構
１０  タービンケース
１２  スクロール通路
１３  排気口
１４  ハブ
１５  環状ガス流路
２０  回転軸
３０  円筒部
３１  フランジ部
３１ａ  環状凹部
３２  環状支持部材
３２ａ  凹部
４０  ベーン
４１，４２  支持軸
４３  支持部材（円柱体）
４３ａ  端面
４５  翼端面
【図１】
2011169233.tif 000003
【図２】
2011169233.tif 000004
【図３】
2011169233.tif 000005
【図４】
2011169233.tif 000006
【図５】
2011169233.tif 000007