(57)【要約】タービン羽根車の周りに環状に位置決めされた複数の反り羽根を有する可変ノズルアセンブリを備えたターボ過給機であって、各羽根（２０）が、旋回中心点（Ｐｐ）の周りで旋回可能で、外側翼表面（２）と内側翼表面（４）とによって連結された前縁（Ｐｌｅ）および後縁（Ｐｔｅ）を有するように構成されており、前記外側翼表面（２）がほぼ凸状であり、前記内側翼表面（４）が、曲率の局所的極値（Ｐｅｘ）を有する前縁（Ｐｌｅ）のところの凸状部と、後縁（Ｐｔｅ）に向かう凹状部への移行部とを有する、ターボ過給機が提供される。旋回中心点（Ｐｐ）および局所的極値（Ｐｅｘ）の位置は、羽根が閉位置に置かれたときでも、排気ガスストリームがノズルを開く傾向にある正のトルクを羽根へと及ぼすように設定される。
2008520881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン羽根車（３０）の周りに環状に位置決めされた複数の反り羽根（２０）を有する可変ノズルアセンブリを備えたターボ過給機（１０）であって、各羽根（２０）が、旋回中心点（Ｐｐ）の周りで旋回可能で、前記羽根（２０）の外側にある外側翼表面（２）と前記羽根（２０）の内側にある内側翼表面（４）とによって連結された前縁（Ｐｌｅ）および後縁（Ｐｔｅ）を有するように構成されており、前記外側翼表面（２）がほぼ凸状であり、前記内側翼表面（４）が、曲率の局所的極値（Ｐｅｘ）を有する前記前縁（Ｐｌｅ）のところの凸状部と、前記後縁（Ｐｔｅ）に向かう凹状部への移行部とを有しており、ここで、
原点が前記前縁（Ｐｌｅ）であり、ｘ軸が前記後縁（Ｐｔｅ）を通り、ｙ軸が前記ｘ軸に垂直で前記羽根（２０）の外側へと走る座標系において、前記旋回中心点（Ｐｐ）が次式を満たす位置に位置しており：
０．２５＜Ｘｐ／Ｃ＜０．４５、好ましくは０．３０＜Ｘｐ／Ｃ＜０．４０、
および
−０．１０≦Ｙｐ／Ｃ≦０．０５、好ましくは−０．１０≦Ｙｐ／Ｃ≦０、最も好ましくは−０．１０≦Ｙｐ／Ｃ≦−０．０５、
式中、Ｘｐが、前記旋回中心点（Ｐｐ）と前記前縁（Ｐｌｅ）との間の前記ｘ軸上の距離であり、Ｃが、前記前縁（Ｐｌｅ）と前記後縁（Ｐｔｅ）との間の距離であり、Ｙｐが、前記旋回中心点（Ｐｐ）と前記羽根（２０）の反り曲線（６）との間の前記ｙ軸上の距離であり、Ｙｐの負の値が、前記羽根（２０）のより内側にある旋回中心点（２０）を表すことを特徴とするターボ過給機。
【請求項２】
Ｙｐが、前記旋回中心点（Ｐｐ）が前記外側翼表面（２）と前記内側翼表面（４）との間に位置するように設定される、請求項１に記載のターボ過給機（１０）。
【請求項３】
前記局所的極値（Ｐｅｘ）が次式を満たす位置に位置しており：
０．３＜（Ｘｐ−Ｘｅｘ）／Ｘｐ＜０．８、好ましくは０．４＜（Ｘｐ−Ｘｅｘ）／Ｘｐ＜０．７、最も好ましくは０．４９＜（Ｘｐ−Ｘｅｘ）／Ｘｐ＜０．６０、
式中、Ｘｅｘが、前記局所的極値（Ｐｅｘ）と前記前縁（Ｐｌｅ）との間の前記ｘ軸上の距離である、請求項１または２に記載のターボ過給機（１０）。
【請求項４】
前記局所的極値（Ｐｅｘ）が次式を満たす位置に位置しており：
０．４０＜Ｙｅｘ／Ｘｅｘ＜０．８３、
式中、Ｘｅｘが、前記局所的極値（Ｐｅｘ）と前記前縁（Ｐｌｅ）との間の前記ｘ軸上の距離であり、Ｙｅｘが、前記局所的極値（Ｐｅｘ）と前記前縁（Ｐｌｅ）との間の前記ｙ軸上の距離である、前記請求項のいずれか一項に記載のターボ過給機（１０）。
【請求項５】
前記羽根（２０）が閉位置に置かれたときに、前記前縁（Ｐｌｅ）と前記旋回中心点（Ｐｐ）とを結ぶ線に対する排気ガスの流れの入射角度（α）が５°以上である、前記請求項のいずれか一項に記載のターボ過給機（１０）。
【請求項６】
タービン羽根車（３０）の周りに環状に位置決めされた複数の反り羽根（２０）を有する可変ノズルアセンブリを備えたターボ過給機（１０）であって、各羽根（２０）が、旋回中心点（Ｐｐ）の周りで旋回可能で、前記羽根（２０）の外側にある外側翼表面（２）と前記羽根（２０）の内側にある内側翼表面（４）とによって連結された前縁（Ｐｌｅ）および後縁（Ｐｔｅ）を有するように構成されており、前記外側翼表面（２）がほぼ凸状であり、前記内側翼表面（４）が、曲率の局所的極値（Ｐｅｘ）を有する前記前縁（Ｐｌｅ）のところの凸状部と、前記後縁（Ｐｔｅ）に向かう凹状部への移行部とを有しており、ここで、
原点が前記前縁（Ｐｌｅ）であり、ｘ軸が前記後縁（Ｐｔｅ）を通り、ｙ軸が前記ｘ軸に垂直で前記羽根（２０）の外側へと走る座標系において、前記局所的極値（Ｐｅｘ）が次式を満たす位置に位置しており：
０．３＜（Ｘｐ−Ｘｅｘ）／Ｘｐ＜０．８、好ましくは０．４＜（Ｘｐ−Ｘｅｘ）／Ｘｐ＜０．７、最も好ましくは０．４９＜（Ｘｐ−Ｘｅｘ）／Ｘｐ＜０．６０、
式中、Ｘｐが、前記旋回中心点（Ｐｐ）と前記前縁（Ｐｌｅ）との間の前記ｘ軸上の距離であり、（Ｘｅｘ）が、前記局所的極値（Ｐｅｘ）と前記前縁（Ｐｌｅ）との間の前記ｘ軸上の距離であることを特徴とするターボ過給機。
【請求項７】
タービン羽根車（３０）の周りに環状に位置決めされた複数の反り羽根（２０）を有する可変ノズルアセンブリを備えたターボ過給機（１０）であって、各羽根（２０）が、旋回中心点（Ｐｐ）の周りで旋回可能で、前記羽根（２０）の外側にある外側翼表面（２）と前記羽根（２０）の内側にある内側翼表面（４）とによって連結された前縁（Ｐｌｅ）および後縁（Ｐｔｅ）を有するように構成されており、前記外側翼表面（２）がほぼ凸状であり、前記内側翼表面（４）が、曲率の局所的極値（Ｐｅｘ）を有する前記前縁（Ｐｌｅ）のところの凸状部と、前記後縁（Ｐｔｅ）に向かう凹状部への移行部とを有しており、ここで、
原点が前記前縁（Ｐｌｅ）であり、ｘ軸が前記後縁（Ｐｔｅ）を通り、ｙ軸が前記ｘ軸に垂直で前記羽根（２０）の外側へと走る座標系において、前記局所的極値（Ｐｅｘ）が次式を満たす位置に位置しており：
０．４０＜Ｙｅｘ／Ｘｅｘ＜０．８３、
式中、Ｘｅｘが、前記局所的極値（Ｐｅｘ）と前記前縁（Ｐｌｅ）との間の前記ｘ軸上の距離であり、Ｙｅｘが、前記局所的極値（Ｐｅｘ）と前記前縁（Ｐｌｅ）との間の前記ｙ軸上の距離であることを特徴とするターボ過給機。
【請求項８】
タービン羽根車（３０）の周りに環状に位置決めされた複数の反り羽根（２０）を有する可変ノズルアセンブリを備えたターボ過給機（１０）であって、各羽根（２０）が、旋回中心点（Ｐｐ）の周りで旋回可能で、前記羽根（２０）の外側にある外側翼表面（２）と前記羽根（２０）の内側にある内側翼表面（４）とによって連結された前縁（Ｐｌｅ）および後縁（Ｐｔｅ）を有するように構成されており、前記外側翼表面（２）がほぼ凸状であり、前記内側翼表面（４）が前記前縁（Ｐｌｅ）のところに凸状部を有し、前記凸状部が前記後縁（Ｐｔｅ）に向かって凹状部へと移行しており、ここで、
前記羽根（２０）が閉位置に置かれたときに、前記前縁（Ｐｌｅ）と前記旋回中心点（Ｐｐ）とを結ぶ線に対する排気ガスの流れの入射角度（α）が５°以上であることを特徴とするターボ過給機。
【請求項９】
前記前縁（Ｐｌｅ）が、次式を満たす半径ｒを有する円曲線によって画定され：
０．０４５＜ｒ／Ｘｐ＜０．０８、
式中、Ｘｐが、前記旋回中心点（Ｐｐ）と前記前縁（Ｐｌｅ）との間の前記ｘ軸上の距離である、前記請求項のいずれか一項に記載のターボ過給機（１０）。
【請求項１０】
前記内側翼表面（４）の前記凸状部が、前記前縁（Ｐｌｅ）を画定する円曲線と、放物曲線への移行部と、さらに任意で、前記放物曲線と前記凹状部とを結ぶ円または楕円曲線とから成る一連の複合曲線によって画定される、前記請求項のいずれか一項に記載のターボ過給機（１０）。
【請求項１１】
前記外側翼表面（２）が、前記前縁（Ｐｌｅ）を画定する円曲線と、楕円曲線への移行部とを含む一連の複合曲線によって画定される、前記請求項のいずれか一項に記載のターボ過給機（１０）。
【請求項１２】
前記羽根（２０）が閉位置と開位置との間で旋回するときに、前記羽根（２０）の前記前縁（Ｐｌｅ）に接する円の半径Ｒｌｅと前記後縁（Ｐｔｅ）に接する円の半径Ｒｔｅとの比Ｒｌｅ／Ｒｔｅが、１．０３〜１．５の範囲にある、前記請求項のいずれか一項に記載のターボ過給機（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、可変ノズルターボ過給機の分野に関し、より詳細には、可変ノズルターボ過給機のタービンハウジング内の複数の旋回羽根のための改良された羽根設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
可変ノズルターボ過給機は、一般に、一端にタービンハウジングが取り付けられ、かつ反対側の端部に圧縮機ハウジングが取り付けられた、センターハウジングを含む。シャフトが、センターハウジング内に収められた軸受アセンブリ内に回転自在に配置される。タービンまたはタービン羽根車が、シャフトの一端に取り付けられ、タービンハウジング内に設置されており、圧縮機インペラが、シャフトの反対側の端部に取り付けられ、圧縮機ハウジング内に設置される。
【０００３】
図１は、タービンハウジング１２とセンターハウジング３２とを含む、公知の可変ノズルターボ過給機１０の一部を示す。タービンハウジング１２は、排気ガスストリームを受ける排気ガス入口（図示せず）と、排気ガスをエンジンの排気系に導く排気ガス出口１６とを有する。渦形室１４が、排気入口と、インサート１８とノズルリング２８との間に画定されるノズルとを連結する。インサート１８は、外側ノズル壁を形成し、該インサート１８が渦形室１４に隣接してタービンハウジング１２に組み込まれるようにセンターハウジング３２に取り付けられる。ノズルリング２８は、内側ノズル壁の役割を果たし、インサート１８内に嵌合される。タービン羽根車３０は、タービンハウジング１２の排気ガス出口１６内に設置される。ターボ過給機１０を満たす排気ガスまたは他の高エネルギーガスは、排気ガス入口を通ってタービン羽根車３０に進入し、インサート１８とノズルリング２８とによって画定される周囲ノズルを通ってタービン羽根車３０にほぼ放射状に進入するように、タービンハウジング１２内の渦形室１４を通じて分配される。
【０００４】
多数の羽根２０が、それらの羽根２０から外側に垂直に突き出る羽根ピン２２を使用してノズルリング２８に据え付けられる。各羽根ピン２２は、羽根アーム２４に取り付けられており、羽根アーム２４は、回転自在に据え付けられたユニゾンリング２８で受けられる。アクチュエータアセンブリが、ユニゾンリング２６と連結されており、アクチュエータアセンブリは、また、タービン羽根車３０の回転軸線に対して羽根２０を径方向外側または内側に移動させて、それぞれ圧力差を増大または低減させ、またタービン羽根車３０を通る排気ガスの流れを変化させるために、必要に応じてユニゾンリング２６をいずれかの方向に回転させるように構成される。ユニゾンリング２６が回転されるにつれて、羽根アーム２４が動かされ、羽根アーム２４の動きが、羽根ピン２４の回転によって羽根２０を旋回させ、ユニゾンリング２６の回転方向に応じてノズルのスロート部を開閉させる。
【０００５】
このような可変ノズルアセンブリを使用する公知のターボ過給機の一例が、ＷＯ２００４／０２２９２６Ａに開示されている。
羽根は、一般に、閉位置に置かれたときには隣接する羽根との相補的な嵌合をもたらし、かつ開位置に置かれたときにはタービンハウジング内の排気ガスのタービン羽根車への通過をもたらすように構成された翼形状をもつように設計される。このような羽根は、羽根の内側にある内側翼表面と羽根の外側にある外側翼表面とによって連結された、第１の曲率半径を有する前縁もしくは先端と、かなり小さい第２の曲率半径を有する後縁もしくは尾部とを有する。この羽根設計では、外側翼表面は、凸形であり、内側翼表面は、前縁のところでは凸形で、後縁に向かって凹形になる。内側および外側翼表面は、互いに相補的な、ほぼ連続的な曲線によって画定される。本明細書で使用するとき、羽根表面は、羽根の内部（外部ではなく）に対して「凹状」または「凸状」として特徴付けられる。このような羽根の非対称形状は、湾曲した中心線をもたらし、この中心線は、また、一般的に羽根の反り曲線（ｃａｍｂｅｒｌｉｎｅ）とも呼ばれる。反り曲線は、羽根の内側翼表面と外側翼表面との中間点を通り、羽根の前縁と後縁との間を走る線である。その意味は、関連技術分野の技術者には良く理解されている。この羽根は、湾曲した反り曲線を有するので、「反り（ｃａｍｂｅｒｅｄ）」羽根である。
【０００６】
可変ノズルターボ過給機でのこのような反り羽根の使用は、タービンハウジング内の空気力学的効果のいくらかの改善をもたらしてきた。特に有用な羽根設計が、米国特許第６７０９２３２Ｂ１号にいくつか開示されている。これらの羽根設計は、排気ガスがタービンハウジングを通り過ぎるときの排気ガス加速率を一定に維持し、それによって、ターボ過給機およびターボ過給機付きエンジンの作業効率の損失の一因となることで知られるタービンハウジング内の望ましくない背圧を低減することによって、タービンハウジング内の望ましくない空気力学的効果を低減する。
【０００７】
反り羽根の使用は、効率のいくらかの改善をもたらしてきたが、羽根表面に作用する空気力学的トルクの反転（ｒｅｖｅｒｓｉｏｎ）を起こす危険があることが判明している。具体的には、ノズルのスロート面積が小さいときには通常は負のトルクが存在し、ノズルのスロート面積が大きいときには正のトルクが存在することが観察されている。トルクは、排気ガスの流れが羽根を開位置へと押し動かすのに十分な力を有するときに、正として定義される。空気力学的トルクの反転は、羽根を旋回させるアクチュエータアセンブリおよびユニゾンリングの機能に影響を及ぼす。可制御性を考慮すると、羽根に及ぼされるトルクが、羽根の位置にかかわらず常に同一の向きを有することが好ましい。トルクが正で、ノズルを開放する（すなわち、ノズルのスロート面積を増大させる）傾向にあることがさらに好ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、可変ノズルターボ過給機に、従来のターボ過給機に比べて改善された羽根の運転時可制御性がもたらされることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、タービン羽根車の周りに環状に位置決めされた複数の反り羽根を有する可変ノズルアセンブリを備えたターボ過給機におけるトルク反転の原因を見つけるために、広範な調査を実施した。本発明者らは、支配因子が、（ａ）羽根の旋回中心点の位置、（ｂ）旋回中心点に対する内側翼表面の凸状部における曲率の局所的極値の位置、（ｃ）内側翼表面の凸状部の形状、および（ｄ）羽根表面上の排気ガスの流れの入射角度であることを見出した。
【００１０】
因子（ａ）に関して、原点が羽根前縁であり、ｘ軸が羽根後縁を通り、ｙ軸がｘ軸に垂直で羽根の外側へと走る座標系では、旋回中心点が次式を満たす位置に位置することが有利であることがわかった：
０．２５＜Ｘｐ／Ｃ＜０．４５、好ましくは０．３０＜Ｘｐ／Ｃ＜０．４０、
および
−０．１０≦Ｙｐ／Ｃ≦０．０５、好ましくは−０．１０≦Ｙｐ／Ｃ≦０、最も好ましくは−０．１０≦Ｙｐ／Ｃ≦−０．０５、
式中、Ｘｐは、旋回中心点と前縁との間のｘ軸上の距離であり、Ｃは、前縁と後縁との間の距離であり、Ｙｐは、旋回中心点と羽根の反り曲線との間のｙ軸上の距離であり、Ｙｐの負の値は、羽根のより内側にある旋回中心点を表す。旋回中心点が外側翼表面と内側翼表面との間に位置することが好ましい。
【００１１】
因子（ｂ）に関して、内側翼表面の凸状部における曲率の局所的極値が、特にその局所的極値が極大である場合に、羽根に加わる空気力学的トルクに対して強い影響を有することがわかった。前述の座標系では、局所的極値が次式を満たす位置に位置することが有利である：
０．３＜（Ｘｐ−Ｘｅｘ）／Ｘｐ＜０．８、好ましくは０．４＜（Ｘｐ−Ｘｅｘ）／Ｘｐ＜０．７、最も好ましくは０．４９＜（Ｘｐ−Ｘｅｘ）／Ｘｐ＜０．６０、
式中、Ｘｐは、旋回中心点（Ｐｐ）と前縁（Ｐｌｅ）との間のｘ軸上の距離であり、（Ｘｅｘ）は、局所的極値（Ｐｅｘ）と前縁（Ｐｌｅ）との間のｘ軸上の距離である。
【００１２】
因子（ｃ）に関して、内側翼表面の凸状部がいくらか長めの形状を有することが好ましいことがわかった。したがって、前述の座標系では、局所的極値が次式を満たす位置に位置することが有利である：
０．４０＜Ｙｅｘ／Ｘｅｘ＜０．８３、
式中、Ｘｅｘは、局所的極値と前縁との間のｘ軸上の距離であり、Ｙｅｘは、局所的極値と前縁との間のｙ軸上の距離である。
【００１３】
因子（ｄ）に関して、羽根が閉位置に置かれるときには、前縁と旋回中心点とを結ぶ線に対する排気ガスの流れの入射角度が５°以上であることが有利であることがわかった。
本発明によれば、ターボ過給機は、因子（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）に関して論じた式のうちの少なくとも１つを満たす。
【００１４】
さらに、羽根前縁が、次式を満たす半径ｒを有する円曲線によって画定されることが好ましい：
０．０４５＜ｒ／Ｘｐ＜０．０８、
式中、Ｘｐは、旋回中心点と前縁との間のｘ軸上の距離である。
【００１５】
さらに、内側翼表面の凸状部が、前縁を画定する円曲線と、放物曲線への移行部と、さらに任意で、放物曲線と凹状部とを結ぶ円または楕円曲線とから成る、一連の複合曲線によって画定されることが好ましい。また、外側翼表面が、前縁を画定する円曲線と、楕円曲線への移行部とを含む、一連の複合曲線によって画定されることが好ましい。
【００１６】
最後に、羽根が閉位置と開位置との間で旋回するときに、羽根（２０）の前縁（Ｐｌｅ）に接する円の半径Ｒｌｅと後縁（Ｐｔｅ）に接する円の半径Ｒｔｅとの比Ｒｌｅ／Ｒｔｅが、１．０３〜１．５の範囲にあることが好ましい。
【００１７】
本発明は、添付図面を参照すれば、より明確に理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図２は、本発明の好ましい一実施形態による反り羽根２０を示す。この実施形態による反り羽根２０は、図１に示した可変ノズルターボ過給機１０で使用することができる。他のターボ過給機配置も、同様に適している可能性がある。
【００１９】
図２に示したように、反り羽根２０は、ほぼ凸形で、一連の複合曲線によって画定される外側翼表面２と、凸形部と凹形部とを含み、やはり一連の複合曲線によって画定される反対側の内側翼表面４とを含む。前縁もしくは先端Ｐｌｅは、羽根の一端で内側翼表面と外側翼表面との間に位置し、後縁もしくは尾部Ｐｔｅは、羽根の反対側の端部で内側翼表面と外側翼表面との間に位置する。前縁Ｐｌｅは、第１の曲率半径ｒ（図示せず）を有する円曲線によって画定され、後縁Ｐｔｅは、好ましくはそれよりも小さい第２の曲率を有する円曲線によって画定される。
【００２０】
羽根は、羽根前縁Ｐｌｅと羽根後縁Ｐｔｅとの間を走る弦（直線）Ｃの長さとして画定される、特定の長さを有する。さらに、羽根は、旋回中心点Ｐｐを有し、したがって回転することができる。
【００２１】
外側翼表面２を画定する一連の複合曲線は、羽根の長さＣの初めの１０もしくは２０％にわたる、先端を切断された楕円（ｔｒｕｎｃａｔｅｄ  ｅｌｌｉｐｓｅ）の形状を有する部分と、羽根の長さＣの残りの部分にわたる、曲率が一定または曲率が縮小していく部分とを含む。内側翼表面４を画定する一連の複合曲線は、羽根の長さＣの初めの２０〜３０％にわたる、２次多項式によって画定される凸状部と、羽根の長さＣの残りのほとんどにわたる、曲率が一定または曲率が増大していく凹状部とを含む。凸状部の端部は、変曲点によって示される。凸状部は、放物曲線と凹状部とを結ぶ短い円または楕円曲線へと移行する可能性のある放物曲線に似ている。放物曲線の頂点は、曲率の局所的極値Ｐｅｘを定義する。以上の形状を有する内側翼表面４と外側翼表面２との中間点は、湾曲した反り曲線６を画定する。反り曲線は、羽根の長さＣの初めの１５〜２５％はほぼ平らで、その後、反り曲線６は湾曲する。
【００２２】
旋回中心点Ｐｐおよび局所的極値Ｐｅｘの位置を定義するために、図２に示した座標系が使用される。この座標系の原点は、前縁Ｐｌｅである。ｘ軸は、羽根の長さを画定し、羽根前縁Ｐｌｅと羽根後縁Ｐｔｅとの間を走る弦Ｃと一致する。ｙ軸は、ｘ軸に垂直で、外側翼表面２が延びる方向に羽根の外側へと走る。この座標系では、旋回中心点Ｐｐは、旋回中心点Ｐｐと前縁Ｐｌｅとの間のｘ軸上の距離Ｘｐと、旋回中心点Ｐｐと羽根の反り曲線６との間のｙ軸上の距離Ｙｐとによって定義される位置に位置する。Ｙｐの負の値は、内側翼表面４または羽根の内側により近いところにある旋回中心点Ｐｐを表す（図の右上の例を参照）。局所的極値Ｐｅｘは、前縁Ｐｌｅと局所的極値Ｐｅｘとの間のｘ軸上の距離Ｘｅｘと、前縁Ｐｌｅと局所的極値Ｐｅｘとの間のｙ軸上の距離Ｙｅｘとによって定義される位置に位置する。
【００２３】
より具体的に言えば、この実施形態の羽根は、次の仕様を有する：
Ｘｐ／Ｃ＝０．３５；
Ｙｐ／Ｃ＝０．００；
（Ｘｐ−Ｘｅｘ）／Ｘｐ＝０．５６、
Ｙｅｘ／Ｘｅｘ＝０．５０；
ｒ／Ｘｐ＝０．０５。
【００２４】
図３および図４に示したように、複数の、例えば１１個の羽根２０が、ターボ過給機のタービンハウジング内に、可変排気ノズルアセンブリを形成するようにタービン羽根車の周りに放射状に等間隔で配置される。各羽根２０の旋回中心点は、可変排気ノズルアセンブリの半径中心０と同軸の半径Ｒｐ上に位置する。羽根２０は、最小食違い角θと最大食違い角θとの間を旋回する。食違い角θは、羽根の弦Ｃと、可変排気ノズルアセンブリの半径中心０と羽根の旋回中心点Ｐｐとの間を走る直線との間に画定される。最大食違い角θでは、羽根２０は、隣接する２つの羽根の間に最小スロート距離ｄを画定する閉位置にある。最小食違い角θでは、羽根２０は、最大スロート距離ｄを画定する開位置にある。羽根２０が最小食違い角θと最大食違い角θとの間を旋回するときには、羽根前縁Ｐｌｅは、第１の半径Ｒｌｅを画定し、羽根後縁Ｐｔｅは、第１の半径Ｒｌｅよりも小さい第２の半径Ｒｔｅを画定する。
【００２５】
図４に矢印によって示されるように、羽根２０は、内側翼表面４が排気ガスストリームに面するようにタービンハウジング内に配置される。図２から最も良くわかるように、排気ガスの流れの入射角度αは、羽根２０の前縁Ｐｌｅと旋回中心点Ｐｐとの間を走る直線に対して画定される。αの正の値は、ノズルを開く傾向にあり、αの負の値は、ノズルを閉じる傾向にある。したがって、羽根２０の可制御性に影響を及ぼす空気力学的トルク反転の危険は、食違い角θが大きく、流れの入射角度αが小さいときに最高になる。
【００２６】
この実施形態では、排気ガスの流れの入射角度αが約５°になるように羽根２０の最大食違い角θが設定されるときには、空気力学的トルクの反転が起こらないことが確認された。換言すれば、この実施形態の羽根２０を使用すると、可変ノズルターボ過給機に、従来のターボ過給機に比べて改善された羽根の運転時可制御性を与えることが可能になる。
【実施例】
【００２７】
本発明者らは、様々な羽根プロファイルを有する多数の羽根を調製し、流れ分析および他の方法を用いて、羽根のプロファイルが運転時可制御性とターボ過給機作業効率とに及ぼす影響を調査した。最小および最大食違い角付近の２つの食違い角θにおいて空気力学的トルクを測定し、スロート距離ｄが最大となる最小食違い角において効率を測定した。
【００２８】
図５は、本発明者らが調べた羽根プロファイルのいくつかの例を示す。以下の表は、仕様の詳細を与える。実施例ａ）が図２に示したものと同一であることに留意すべきである。
【００２９】
【表１】
2008520881.tif 000003
【００３０】
図５に示した羽根プロファイルのうち、実施例ａ）は、ターボ過給機内に据え付けられたときに優れた可制御性および優れた効率を示した。実施例ｂ）の可制御性は、実施例ａ）の可制御性と同程度に良好であったが、効率は、依然として良好ではあるものの、いくらか低下した。実施例ｃ）は、可制御性は最高であったが、まずまずの効率しか示さなかった。実施例ｄ）は、効率は最高であったが、可制御性が不十分であった。実施例ｅ）は、可制御性が実施例ｄ）と同程度に不十分であり、効率が実施例ｃ）と同様であった。したがって、図２に示した羽根に対応する実施例ａ）が、良好な可制御性の必要と良好な効率の必要との最良の妥協であることになる。ただし、実施例ｂ）およびｃ）も、必要を満たしている。
【００３１】
まとめると、試験によって、前縁Ｐｌｅと旋回中心点Ｐｐとの間の約半分のところに位置する局所的極値Ｐｅｘを有する羽根の場合に最良の結果が示された。具体的には、局所的極値Ｐｅｘが、局所的極値Ｐｅｘと前縁Ｐｌｅとの間のｘ軸上の距離Ｘｅｘが式０．３＜（Ｘｐ−Ｘｅｘ）／Ｘｐ＜０．８、好ましくは０．４＜（Ｘｐ−Ｘｅｘ）／Ｘｐ＜０．７、最も好ましくは０．４９＜（Ｘｐ−Ｘｅｘ）／Ｘｐ＜０．６０を満たす位置に位置することが好ましい。
【００３２】
また、局所的極値Ｐｅｘが、内側翼表面２の凸状部がいくらか長めの形状を有するように配置されることが好ましいことがわかった。具体的には、局所的極値が、局所的極値Ｐｅｘと前縁Ｐｌｅとの間のｘ軸上の距離Ｘｅｘおよびｙ軸上の距離Ｙｅｘが式０．４０＜Ｙｅｘ／Ｘｅｘ＜０．８３を満たす位置Ｘｅｘ、Ｙｅｘに位置することが有利である。
【００３３】
さらに、本発明者らは、図２に示した羽根２０と同一の形状を有するが、旋回中心点Ｐｐが異なる位置Ｘｐ、Ｙｐに位置する、いくつかの羽根を調製した。この場合もやはり、最小および最大食違い角付近の２つの食違い角θ１およびθ２において空気力学的トルクを測定し、スロート距離ｄが最大となる最小食違い角において効率を測定した。これらの試験の結果が図６に示されている。
【００３４】
図６では、食違い角θ１およびθ２に対応する２つの縦線の左側が、正のトルクの領域を画定し、斜めの曲線の右下側が、増大していく最大ノズルスロート面積の領域を画定する。したがって、旋回中心点Ｐｐと前縁Ｐｌｅとの間のｘ軸上の距離Ｘｐおよび羽根の長さＣが式Ｘｐ／Ｃ＜０．４５を満たす場合、所望の正のトルクを達成することが可能になる。しかし、Ｘｐ／Ｃが小さくなるほど、最大ノズルスロート面積が小さくなり、したがってターボ過給機およびターボ過給機付きエンジンの作業効率が小さくなる。したがって、Ｘｐ／Ｃが０．２５よりも大きいことが好ましい。ＸｐおよびＣが式０．３０＜Ｘｐ／Ｃ＜０．４０を満たすことが、より好ましい。
【００３５】
さらに、図６は、旋回中心点Ｐｐと羽根８の反り曲線６との間のｙ軸上の距離Ｙｐが、空気力学的トルクに対しても効率に対してもいくらかの影響を有することを示す。旋回中心点Ｐｐが内側翼表面４に近いほど、最大ノズルスロート面積がより増大する。旋回中心点Ｐｐが羽根の内側で反り曲線６の下方に位置する場合、大きい食違い角θにおける空気力学的トルク反転の危険は、さらに低減される。したがって、旋回中心点Ｐｐが、式−０．１０≦Ｙｐ／Ｃ≦０．０５、好ましくは−０．１０≦Ｙｐ／Ｃ≦０、最も好ましくは−０．１０≦Ｙｐ／Ｃ≦−０．０５を満たす位置に位置することが有利である。いずれにしても、構造要件は、旋回中心点Ｐｐを外側翼表面２および内側翼表面４の外側に配置することには反することがある。
【００３６】
さらに、本発明者らは、排気ガスの流れの入射角度αの影響を空気力学的トルクの点から調査した。図２に示した羽根２０を使用すると、羽根の前縁Ｐｌｅと旋回中心点Ｐｐとを結ぶ線に対する排気ガスの流れの入射角度αが最大食違い角θにおいて５°以上になるように設定される場合、空気力学的トルク反転の危険を最小限に抑えることができることがわかった。このことは、排気ガスの流れの入射角度αが羽根の最大食違い角θにおいて通常０°〜３°である従来のターボ過給機とは対照的である。
【００３７】
以上の発見は、本発明の反り羽根を画定する重要な特徴と見なされるが、羽根の可制御性に影響を及ぼす他の特徴が存在する。
前縁Ｐｌｅの円曲線を画定する半径ｒと、旋回中心点Ｐｐと前縁Ｐｌｅとの間のｘ軸上の距離Ｘｐとが、式０．０４５＜ｒ／Ｘｐ＜０．０８を満たすことが好ましいことがわかった。半径ｒをこの範囲内に設定すると、流れの入射の変動に対する羽根の感度が低減される。
【００３８】
さらに、羽根の最小および最大食違い角θを、羽根前縁Ｐｌｅに接する円の半径Ｒｌｅと羽根後軸Ｐｔｅに接する円の半径Ｒｔｅとの比Ｒｌｅ／Ｒｔｅが１．０３〜１．５の範囲になるように設定することが有利であることが確認された。このことは、典型的な範囲Ｒｌｅ／Ｒｔｅが１．０５〜１．７の間にある従来のターボ過給機とは対照的である。
【００３９】
また、内側翼表面４の凸状部の形状が、放物曲線、または前縁Ｐｌｅと凹状部への移行を示す変曲点との間に局所的極大値を有する曲線だけに制限されず、また、局所的極小値を有する２次多項式も適していることがわかった。ただし、局所的極大値が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】可変ノズルアセンブリを使用するターボ過給機の部分断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による反り羽根の側面図である。
【図３】ターボ過給機の可変ノズルアセンブリにおける図２の羽根の断面図である。
【図４】図３の細部Ａを示す図である。
【図５】様々な羽根プロファイルを有する羽根を示す図である。
【図６】空気力学的トルクおよび最大ノズルスロート面積に対する、所与の羽根プロファイルについて旋回中心点を変化させる複合効果を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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