(57)【要約】【課題】通常のリンク機構やカム機構によりベーンが開閉される場合、翼型断面形状が一通りのベーンによる可変ノズルでは、車輌用ターボ過給機等の排気タービンの低負荷運転領域を含む使用負荷範囲の全域にわたって良好なノズル性能を得ることが困難であることに対処し、低負荷運転領域に於いても良好なノズル性能を得ることのできる可変ノズル用ベーンを提供する。【解決手段】ベーンの背面の下流端部に翼長の少なくとも一部に亙って翼型断面形状より膨出した流体そらせ隆起を設ける。【選択図】図２
2005351241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個が間隔を置いて配列されることにより流体機械の可変ノズルを構成し、その傾動角が変えられることにより該可変ノズルの開度を変化させるベーンにして、背面の下流端部に翼長の少なくとも一部に亙って翼型断面形状より膨出した流体そらせ隆起が設けられていることを特徴とするベーン。
【請求項２】
前記流体そらせ隆起は翼長に沿って一端から途中まで設けられていることを特徴とする請求項１に記載のベーン。
【請求項３】
前記流体そらせ隆起は翼長に沿って両端部を除く中央部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のベーン。
【請求項４】
前記流体そらせ隆起は翼長に沿って中央部を除く両端部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のベーン。
【請求項５】
前記流体そらせ隆起は翼長に沿って一端から下流側へ向かうにつれて増大する幅にて設けられていることを特徴とする請求項１に記載のベーン。
【請求項６】
前記流体そらせ隆起は翼長に沿って中央部が中高となるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のベーン。
【請求項７】
前記流体そらせ隆起は可変ノズルが最も絞られたとき隣りのベーンの腹面に当接するようになっていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のベーン。
【請求項８】
ベーンはその上流端と下流端の間の実質的に中央の位置にて支持されて傾動角が変更されるようになっていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のベーン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体機械の可変ノズルを構成するベーンに係り、特に可変ノズルを絞ったときのノズルに於ける流体の流れを改善し、流体機械の低負荷運転時の作動効率を高めることに係わる
【背景技術】
【０００２】
排気タービンの如き流体機械のノズルを複数個のベーンの間隔を置いた配列により構成し、流体機械の負荷に合わせてベーンの傾動角を変えることによりノズルの開度を変える可変ノズルはよく知られている。この種の可変ノズルに於ける各ベーンは、一般に、ノズル開度の変更のためにそれらを回動させることのできる支持軸により担持され、これらの支持軸を互いに連結する種々の構造のリンク機構やカム機構により、一斉に同期して回動されるようになっている。また、かかるリンク機構やカム機構を省略すべく、各ベーンに対し２種類の異なる偏向角を呈するベーンを用意し、それらを翼長方向に接続しておき、排気タービンの負荷範囲を大小に２分し、その大小に応じてベーンを翼長方向にスライドさせて、負荷に合わせたベーン偏向角の切り換えを行うことが、下記の特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開平４−６６７２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年とくにその需要が増している車輌用ターボ過給機に於ける排気タービンでは、その使用負荷範囲が広いので、上記特許文献１に記載の如くベーン偏向角が２種類に切り換えられるだけでは不十分であるだけでなく、通常のリンク機構やカム機構によりベーンが開閉される場合にも、翼型断面形状が一通りのベーンでは、排気タービンの使用負荷範囲の全域にわたって、特に運転時間のかなりの部分を占める低負荷運転領域に於いても、良好なノズル性能を得ることが困難であるという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記の事情に鑑み、低負荷運転領域に於いても良好なノズル性能を得ることのできる可変ノズル用ベーンを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するものとして、本発明は、複数個が間隔を置いて配列されることにより流体機械の可変ノズルを構成し、その傾動角が変えられることにより該可変ノズルの開度を変化させるベーンにして、背面の下流端部に翼長の少なくとも一部に亙って翼型断面形状より膨出した流体そらせ隆起が設けられていることを特徴とするベーンを提案するものである。
【０００６】
前記流体そらせ隆起は、翼長に沿って一端から途中まで、或は翼長に沿って両端部を除く中央部に、或は翼長に沿って中央部を除く両端部に、或は翼長に沿って一端から下流側へ向かうにつれて増大する幅にて、或は翼長に沿って中央部が中高となるように、設けられてよい。
【０００７】
前記流体そらせ隆起は可変ノズルが最も絞られたとき隣りのベーンの腹面に当接するようになっていてもよい。
【０００８】
また、上記の如きベーンは、その上流端と下流端の間の実質的に中央の位置にて支持されて傾動角が変更されるようになっていてよい。
【発明の効果】
【０００９】
この種の複数個のベーンが間隔を置いて配列され、その傾動角が変えられることにより開度が変えられるようになった可変ノズルに於いては、例えば排気タービンの負荷が低下し、ベーンが大きく傾動されてノズルが絞られたとき、各ベーンの背面に沿って流れた流体流は、その流れに含まれているロータの中心へ向かう方向の運動量により、ベーンの下流端を出たところで該ベーンの腹側へ回り込むように流れ、ノズル出口に渦流層が形成されてタービンの作動効率が大きく低下するが、このとき、上記の如く背面の下流端部に翼長の少なくとも一部に亙って翼型断面形状より膨出した流体そらせ隆起が設けられていれば、ベーンの背面に沿って流れる流体流に上記のロータ中心へ向かう方向の運動量を打ち消す放射方向の運動量を付与し、ノズル出口に渦流層が形成されことを抑え、低負荷運転時に於けるタービンの作動効率を高めることができる。
【００１０】
上記の如き流体そらせ隆起は、ベーンがある程度以上開方向に回動され、ベーン間を通って流れる流体流にベーンにより偏向を付与する度合が低減された流体機械の中乃至高負荷運転時には、ベーン間を通って流れる流体流に対するその影響は薄れ、ノズルを通って流れる流体流に実質的な乱れを生じさせることはないが、特にかかる流体そらせ隆起が翼長に沿って一端から途中まで、或は翼長に沿って両端部を除く中央部に、或は翼長に沿って中央部を除く両端部に、或は翼長に沿って一端から下流側へ向かうにつれて増大する幅にて、或は翼長に沿って中央部が中高となるように設けられれば、ベーンによるノズルの個別の設計に応じて、流体機械の中乃至高負荷運転時にノズルを通って流れる流体流が流体そらせ隆起より受ける影響と、流体機械の低負荷運転時に於ける流体そらせ隆起の渦流抑制効果の間の調和を最適化することができる。
【００１１】
尚、上記の各例の如く流体そらせ隆起がベーンの翼長に沿う幅の一部に設けられれば、流体そらせ隆起の部分の上を流れる流体流がロータ中心へ向かう方向の運動量を打ち消す放射方向の運動量を付与されると共に、流体そらせ隆起によりベーン間の流路断面積がそれだけ絞られるので、流体そらせ隆起が設けられていない部分を流れる流体の流速がそれに応じて増大され、流体そらせ隆起が設けられていない部分を流れた流体流についても、ベーンの下流端を出たところでのベーンの腹面方向への回りこみ傾向は低減され、こうして流体そらせ隆起をベーンの翼長に沿う幅の一部に設けることによっても、ベーン出口に於ける渦流抑制効果を十分に得ることができる。また、特に流体そらせ隆起が翼長に沿って中央部を除く両端部に設けられる場合には、ベーンの両端部とハウジングのノズル壁面との間にある不可避のクリアランスを経て漏洩する流体の流れを抑制し、それだけ流体機械の作動効率を上げる効果も得られる。
【００１２】
また、この種の可変ノズル用ベーンは、特にノズルが大きく絞られたとき、即ちベーンの偏向角が増大したときには、流体流により振動起こしやすく、ベーン駆動機構に不可避的に存在する遊びによりベーンの偏向角にばらつきが生じやすいが、可変ノズルが最も絞られたとき流体そらせ隆起が隣りのベーンの腹面に当接するようになっていれば、このことによってベーンの偏向角にばらつきが生ずることが回避される。尚、この場合には、可変ノズルが最終位置まで閉じられたときに限り、流体そらせ隆起部分がその上を流れる流体流にロータ中心へ向かう方向の運動量を打ち消す放射方向の運動量を付与作用は失われるが、その場合にも、流体そらせ隆起によりベーン間の流路断面積が絞られた分、流体そらせ隆起が設けられていない部分を流れる流体の流速が増大し、流体そらせ隆起が設けられていない部分を流れた流体流がベーンの下流端を出たところでベーンの腹面方向への回り込む傾向が低減されという効果は維持される。
【００１３】
また、ベーンが上記の如き流体そらせ隆起を設けられない通常の翼型断面を有しているときには、ベーンが全開位置近傍にあるときと全閉位置近傍にあるときとでベーンに作用する偏向モーメントの方向が反転するので、ベーンをその上流端と下流端の間の中央位置にて支持して傾動角を変更しようとすれば、ベーンの回動支持は強固で遊びのないものとされなければならないが、上記の流体そらせ隆起が設けられた場合には、ベーンに作用する流体からの偏向モーメントの方向のそのような反転は生じないので、特に強固で遊びのないベーン回動支持構造によらなくても、ベーンをその上流端と下流端の間の実質的に中央の位置にて支持して傾動角を安定して変更することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に添付の図を参照して本発明を実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明によるベーンによって可変ノズルが構成された排気タービンの要部を示す概略断面図である。排気タービンは回転中心軸線Ｃ−Ｃの周りに回転するよう、ハウジング１０より図には示されていない軸受を介して支持されたタービンロータ１２を備えている。図はタービンロータ１２の回転中心軸線Ｃ−Ｃを含む垂直面による断面を回転中心軸線Ｃ−Ｃより上の半分についてのみ示している。タービンロータ１２は回転中心軸線Ｃ−Ｃの周りに環状に配列された翼列１４を備えており、その周縁がなす翼列入口の周りに複数のベーン１６が環状に配列されてタービンのノズルを形成している。各ベーン１６は軸１８により支持され、軸１８がベーン回動機構２０によりその中心軸線の周りに回動されることによりその偏向姿勢を制御され、ロータ回転中心軸線Ｃ−Ｃの周りに環状に延在する排ガス室２２よりノズル入口通路２４を経て内向きに流れる排ガス流を偏向させつつ絞って加速し、タービンロータ１２の翼列入口へ噴付けるようになっている。
【００１６】
図２はノズルを構成しているベーン１６の配列の一部を示す側面図である。ベーン１６はノズルを開く方向へは図中二点鎖線にて示されている位置まで回動され、タービンの負荷の低下に伴って最大で図中実線にて示されている位置までノズルを閉じる方向へ回動されるようになっている。ベーン１６には、その背面２６の下流端部に翼長の少なくとも一部に亙って翼型断面形状より図２に例示したような形状に膨出した流体そらせ隆起２８が設けられている。
【００１７】
図示の例では、ベーン１６が図２に於いて実線にて示されている最大閉じ位置まで偏向されたとき、流体そらせ隆起２８は隣りのベーンの腹面に当接するようになっている。ベーン１６が上記の如き流体そらせ隆起２８が設けられていない場合には、例えばベーンがその一つを点線にて示されている如き回動位置にあるとき、ベーンの背面２６に沿って流れた流体流は、その流れに含まれているロータの中心へ向かう方向の運動量により、ベーンの下流端を出たところで図２に矢印Ｓ１にて示されている如くベーンの腹側へ回り込むように流れ、ノズル出口に渦流層が形成されてタービンの作動効率が大きく低下するが、これに対し上記の如き流体そらせ隆起２８が設けられることにより、ベーンの背面２６に沿って流れる流体流は図２に矢印Ｓ２にて示されている如く偏向されてロータ中心へ向かう方向の運動量を打ち消す放射方向の運動量を付与され、ノズル出口に渦流層が形成されことが抑制される。
【００１８】
ベーン１６がかかる閉じ位置より図２に於いて二点鎖線にて示されている最大開き位置へ向けてある程度以上開き方向に回動されると、ベーン間を通って流れる流体流がベーンにより偏向を受ける度合が下がるので、ベーン間を通って流れる流体流に対する流体そらせ隆起２８の影響は薄れるが、この点については、特にかかる流体そらせ隆起をベーンの翼長に沿う全幅のうちのどの程度の幅に亙って設けるかを考慮することにより、排気タービンの中乃至高負荷運転時にノズルを通って流れる排ガス流が流体そらせ隆起より受ける影響と、排気タービンの低負荷運転時に於ける流体そらせ隆起の渦流抑制効果の間の調和を最適化することができる。
【００１９】
図１および２に示されている例では、流体そらせ隆起２６は翼長に沿ってベーンの一端から全幅の半分を幾分越えるところまで設けられているが、流体そらせ隆起２６を設ける位置および態様については、図３および４に例示した如く種々の実施の形態が可能である。図３はベーン１６を図２の矢印III−IIIの方向に見た流体そらせ隆起２６のいくつかの例を示すベーンの平面図であり、図４は図３のベーンを図示の切断面にて矢印IV−IVに見た断面図である。このうちＡは図１および２に示した例に対応しており、Ｂは流体そらせ隆起がベーンの翼長に沿って両端部を除く中央部に設けられている例であり、Ｃは流体そらせ隆起がベーンの翼長に沿って中央部を除く両端部に設けられている例であり、Ｄは流体そらせ隆起がベーンの翼長に沿って一端から下流側へ向かうにつれて増大する幅にて設けられている例であり、Ｅは流体そらせ隆起がベーンの翼長に沿って中央部が中高となるように設けられている例である。
【００２０】
以上に於いては本発明をいくつかの実施の形態について詳細に説明したが、これらの実施の形態について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明によるベーンによって可変ノズルが構成された排気タービンの要部を示す概略断面図。
【図２】図１の排気タービンに於けるノズルを構成しているベーンの配列の一部を示す側面図。
【図３】図２のベーンを図２の矢印III−IIIの方向に見た流体そらせ隆起のいくつかの例を示すベーンの平面図。
【図４】図３のベーンを図示の切断面にて矢印IV−IVの方向に見た断面図。
【符号の説明】
【００２２】
１０…ハウジング、１２…タービンロータ、１４…翼列、１６…ベーン、１８…軸、２０…ベーン回動機構、２２…排ガス室、２４…ノズル入口通路、２６…ベーンの背面、２８…流体そらせ隆起
【図１】
2005351241.tif 000003
【図２】
2005351241.tif 000004
【図３】
2005351241.tif 000005
【図４】
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