(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクロール形状のガス入口ケーシングから回転駆動される動翼へガスを導くガス入口流路に、ノズル回転軸に取付けられた翼型可変ノズルを設け、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回転軸の軸心廻りに回転させてその翼角を変化させることにより、タービン容量を変化させるように構成された可変容量タービンにおいて、
ノズル後流のノズルウェークが増大する断面非対称の翼型可変ノズルの回転軸の回転中心を、該ノズルの出口後縁からノズルコード長さ（Ｌ）の１／３近傍に位置させるとともに、円周方向におけるノズル翼角αが最適となる２０°近傍よりノズル後縁距離ΔＲとノズル翼幅ＷNとの比ΔＲ／ＷNが、ノズルウェークによる励振力Ｐが急激に立ち上がる点より大きくなる４０°近傍の最大流量設定時まで回転させたときに、前記そのノズル出口後縁が最大ノズル翼角の位置から最小ノズル翼角の位置まで移動するように構成し、これによりノズル翼角αが増加しても前記ΔＲ／ＷNの変化量が小さく抑えられ、ノズルウェークによる動翼の励振力Ｐの増加を抑制することを特徴とする可変容量タービンの制振方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は排気ガスタービン過給機、ガスタービン、ガスエキスパンダ等に適用され、ノズルを回転してノズル翼角を変化することにより、タービン動翼へのガス流量を変化させる可変容量タービンにおける可変ノズルの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３及び図４は、従来技術に係るディーゼル機関用排気ガスタービン過給機の排気タービン側の基本構造を示し、図３は回転軸（ロータ）の軸心に沿う断面図、図４は図３のＢ−Ｂ矢視図である。
【０００３】
図３〜図４において２０はガス入口ケーシング、１は該ガス入口ケーシング２０に形成された渦巻状のスクロール、２１はガス出口ケーシング、１２は該ガス出口ケーシング２１に形成された排気ディフューザ、１０は回転軸（ロータ）、７は該回転軸１０の軸端部に固着された複数枚の動翼である。
なお、前記回転軸１０の他端にはコンプレッサ（図示省略）が固着されている。
【０００４】
２は前記スクロール１の終端の動翼７の入口のベーンレス部６に設けられた可変ノズルであり、該可変ノズル２はノズル回転軸１４の端部に固着され、該ノズル回転軸１４と一体となって回転してガス９の入口角及び通路面積を変化せしめる。
１３は前記ノズル回転軸１４を回転させるためのノズル駆動部である。
【０００５】
上記可変ノズル２は、その回転中心つまりノズル回転軸１４の軸心１４ａが、図４に示すように、ノズルコード長さをＬ、ノズル出口後縁４から前記軸心１４ａまでの長さをＬ1とするとＬ1／Ｌ＝０．５近傍になるようにノズル回転軸１４に取付けられている。
【０００６】
かかる従来の可変容量型排気タービン過給機の運転時において、エンジン（図示省略）のシリンダから排出された排気ガスはガス入口ケーシング２０のスクロール１を通ってその円周方向に旋回することにより半径方向の流速を与えられ、可変ノズル２の入口前縁３を経て該ノズル２内に流入する。
【０００７】
前記可変ノズル２内において、排気ガスはノズルスロート部５で流路を絞られて流速を増し、ノズル出口後縁４から流出し、ベーンレス部６及び動翼７の入口前縁８を経て動翼７に流入し、該動翼７内を通過する際に膨張仕事をなし動翼７の回転軸心廻りに回転せしめることにより動力を発生させ、動翼７の後縁１１を経て排気ディフューザ１２に流出する。
【０００８】
前記過給機において、ガス流量を変化させて排気タービンの駆動排気エネルギー（排気タービン駆動馬力）を変化させる際には、ノズル駆動部１３を操作してノズル回転軸１４を介して可変ノズル２を該ノズル回転軸１４の軸心、つまり回転中心１４ａ廻りに設定されたノズル翼角まで回転せしめ、ガスの最小通路であるノズルスロート部５の面積を変化させることにより、ガス流量を調整する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の可変容量排気ガスタービン過給機にあっては、図４に示すように、円周方向におけるノズル翼角αは、これが最適となる２０°近傍を設計点とし、ノズル出口後縁４と動翼の入口前縁８との間のベーンレス部６の距離つまりノズル後縁距離ΔＲをこれとノズル翼幅ＷNとの比ΔＲ／ＷN＝０．５近傍となるように設定する。
【００１０】
可変ノズル２のコード長さをＬとすると、かかる設定におけるノズル翼幅ＷNO、ノズル後縁距離ΔＲOは次式のようになる。
ＷNO＝Ｌ・Ｓｉｎ２０°＝０．３４２０２Ｌ    （１）
ΔＲO＝０．５・ＷNO＝０．１７１０１０Ｌ      （２）
【００１１】
次に最大流量設定時に相当するノズル翼角α＝４０°近傍、即ち可変ノズル２の出口後縁が図４の４ａにあるときは、かかる従来技術では、前記のように可変ノズル２はノズル回転軸１４に対し、Ｌ1／Ｌ＝０．５近傍に取付けられているので、ノズル後縁距離ΔＲとノズル幅ＷNの関係は、次のようになる。
【００１２】
ＷN＝Ｌ・Ｓｉｎ４０°＝０．６４２７８８Ｌ    （３）
ΔＲ＝ΔＲO−（０．５Ｌ・Ｓｉｎ４０°−０．５Ｌ・Ｓｉｎ２０°）
ここでΔＲO＝０．５Ｌ・Ｓｉｎ２０°であるから
ΔＲ＝０．５Ｌ・Ｓｉｎ２０°−(０．５Ｌ・Ｓｉｎ４０°−０．５Ｌ・Ｓｉｎ２０°)
＝０．０２０６２６Ｌ    （４）
故に
ΔＲ／ＷN＝０．０３２０８９                  （５）
となり、初期設定値であるΔＲ／ＷN＝０．５よりも低下する。
【００１３】
ここで前記ノズル後縁距離／ノズル幅＝ΔＲ／ＷNとノズルウェークによる動翼７の励振力Ｐには図５に示すような関係がある。
【００１４】
即ち、図５に示すように、前記ΔＲ／ＷNが低下するに従い、つまりノズル出口後縁４が動翼入口前縁に近づくに従い、ノズル後流のノズルウェークが増大して動翼励振力Ｐが増大する。
前記従来技術の場合においては、初期設定時ΔＲO／ＷNO＝０．５であったものが最大流量設定時（α＝４０°近傍）にはΔＲ／ＷN＝０．０３２０８９となり、図５に示すように、動翼励振力Ｐは初期設定時の６倍以上に増加し、このためノズルウェーク共振により動翼の破損発生の恐れがある。
【００１５】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みて、最大流量時等のノズル翼角が設計点よりも大きくなる運転域においてノズルウェークによる励振力の増大を抑制することにより、動翼の振動による破損の発生を防止した可変容量タービンの制振方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決する為に、スクロール形状のガス入口ケーシングから回転駆動される動翼へガスを導くガス入口流路に、ノズル回転軸に取付けられた翼型可変ノズルを設け、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回転軸の軸心廻りに回転させてその翼角を変化させることにより、タービン容量を変化させるように構成された可変容量タービンにおいて、
ノズル後流のノズルウェークが増大する断面非対称の翼型可変ノズルの回転軸の回転中心を、該ノズルの出口後縁からノズルコード長さ（Ｌ）の１／３近傍に位置させるとともに、円周方向におけるノズル翼角αが最適となる２０°近傍よりノズル後縁距離ΔＲとノズル翼幅ＷNとの比ΔＲ／ＷNが、ノズルウェークによる励振力Ｐが急激に立ち上がる点より大きくなる４０°近傍の最大流量設定時まで回転させたときに、前記そのノズル出口後縁が最大ノズル翼角の位置から最小ノズル翼角の位置まで移動するように構成し、これによりノズル翼角αが増加しても前記ΔＲ／ＷNの変化量が小さく抑えられ、ノズルウェークによる動翼の励振力Ｐの増加を抑制することを特徴とする可変容量タービンの制振方法を提案する。
【００１７】
かかる発明によれば、スクロール形状のガス入口ケーシングから回転駆動される動翼へガスを導くガス入口流路に、ノズル回転軸に取付けられた翼型可変ノズルを設け、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回転軸の軸心廻りに回転させてその翼角を変化させることにより、タービン容量を変化させるように構成された可変容量タービンにおいて、
ノズル後流のノズルウェークが増大する断面非対称の翼型可変ノズルの回転軸の回転中心を、該ノズルの出口後縁からノズルコード長さ（Ｌ）の１／３近傍に位置させているので、該可変ノズルの設計点において設定されたノズル翼角（α）に対応するノズル後縁距離（ノズル出口後縁と動翼別縁との間の半径方向距離）（ΔＲO）に対して、可変ノズルを前記回転中心廻りに回転させたときのノズル後縁距離ΔＲの変化量が少なくなる。
【００１８】
これにより、前記ΔＲとノズル翼幅ＷNとの比ΔＲ／ＷNの変化量が小さく抑えられ、ノズルウェークによる動翼の励振力の増加を抑えることができ、ノズルウェーク共振の発生、及びこれによる動翼の破損の発生を防止することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。
但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２０】
図１は本発明の実施形態に係る可変容量型排気タービン過給機の回転軸心に沿う断面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視図である。
【００２１】
図１〜図２において２０はガス入口ケーシング、１は該ガス入口ケーシング２０に形成された渦巻状のスクロール、２１はガス出口ケーシング、１２は該ガス出口ケーシング２１に形成された排気ディフューザ、１０は回転軸（ロータ）、７は該回転軸１０の軸端部に固着された複数枚の動翼である。
尚前記回転軸１０の他端にはコンプレッサ（図示省略）が固着されている。
【００２２】
２は前記スクロール１の終端の動翼７入口のベーンレス部６に設けられた可変ノズルであり、該可変ノズル２はノズル回転軸１４の端部に固着され、該ノズル回転軸１４と一体となって回転して上記ガス９の入口角及び通路面積を変化せしめる。
１３は前記ノズル回転軸１４を回転させるためのノズル駆動部である。
以上の構成は従来技術と同様である。
【００２３】
本発明の実施形態においては、可変ノズル２のノズル翼角を変化させるノズル回転軸１４を、その軸心つまり可変ノズルの回転中心１４ａが、可変ノズル２のノズル出口後縁４からの距離Ｌ1≦１／３Ｌ（Ｌはノズルコード長さ）になるように該可変ノズル２に取付けて、ノズル回転軸１４及び可変ノズル２を回転させたとき、前記ノズル後縁距離ΔＲの距離の変化量が最小となるように構成している。
【００２４】
前記可変ノズル２に対する可変ノズルの回転中心１４ａの位置の設定、即ち
Ｌ1≦１／３Ｌの設定根拠は次の通りである。
【００２５】
図５において、ノズルウェークによる励振力Ｐが急激に立ち上がる（大きくなる）点は前記ノズル後縁距離ΔＲとノズル翼幅ＷNとの比、即ち無次元ノズル後縁距離ΔＲ／ＷN＝０．１１近傍の点である。そこで前記ノズルコード長さＬの１／χの点にノズル回転軸１４の軸心１４ａを取付けるものとすると、
ΔＲ／ＷN＝｛ΔＲO−（Ｘ・Ｓｉｎ４０°−Ｘ・Ｓｉｎ２０°）｝／ＷN  （６）
ここでＸ＝Ｌ／χとする。
【００２６】
また前記（２）式及び（３）式のように、
ΔＲO＝０．５ＷNO＝０．１７１０１０Ｌ
ＷN＝０．６４２７８８Ｌ
であるから、これらと前記ΔＲ／ＷN＝０．１１を（６）式に代入して整理すると、
０．１１＝｛０.１７１０１０Ｌ−（０.３００７６８）Ｌ／χ｝／０.６４２７８８Ｌ
χ＝０.３００７６８／０.１００３０２＝（約）３    （７）
【００２７】
従って、（７）式より、前記回転中心１４ａをノズルコード長さＬの１／χ、即ち１／３の点よりも小さい位置、つまり出口後縁４寄りに取付ければ前記励振力Ｐが小さくなる。
【００２８】
ただし前記のように可変ノズル２の回転中心１４ａは、ノズルコード長さＬの１／３よりもノズル出口後縁４寄りで、かつ該後縁４に近づける程前記励振力Ｐは小さくなるが、その分ノズル２に加わる曲げモーメントが大きくなるので、前記取付け位置Ｌ1は１／３Ｌ近傍とするのが好ましい。
【００２９】
かかる構成からなる可変容量型排気ガスタービン過給機の運転時において、エンジン（図示省略）のシリンダから排出された排気ガスはガス入口ケーシング２０のスクロール１を通ってその円周方向に旋回することにより半径方向の流速を与えられ可変ノズル２の入口前縁３を経て該ノズル２内に流入する。
【００３０】
前記可変ノズル２内において、排気ガスはノズルスロート部５で流路を絞られて流速を増し、ノズル出口後縁４から流出し、ベーンレス部６及び動翼７の入口前縁８を経て動翼７に流入し、該動翼７内を通過する際に膨張仕事をなし動翼７を回転軸１０廻りに回転せしめることにより動力を発生させ、動翼７の後縁１１を経て排気ディフューザ１２に流出する。
【００３１】
前記過給機において、ガス流量を変化させて排気ガスタービンの駆動排気エネルギ（排気タービン駆動馬力）を変化させる際には、ノズル駆動部１３を操作してノズル回転軸１４を介して可変ノズル２を該ノズル回転軸１４の回転中心１４ａ廻りに設定されたノズル翼角αまで回転せしめ、ガスの最小通路であるノズルスロート部５の面積を変化させることにより、ガス流量を調整する。
【００３２】
前記可変ノズル２はノズルの回転中心１４ａ廻りに回転せしめられ、図２に示すように、そのノズル出口後縁４が最大ノズル翼角の位置４ａから最小ノズル翼角の位置４ｂまで移動するが、前記のように上記軸心１４ａの位置をＬ1≦１／３Ｌに設定しているので、設計点において設定されたノズル翼角αに対応するノズル後縁距離ΔＲO（ノズル出口後縁４の位置）に対して、該ノズル後縁距離ΔＲの変化量が少なくなる。
【００３３】
従って、ノズル翼角αが増加しても前記ΔＲとノズル翼幅ΔＲ／ＷNの変化量が小さく抑えられ、ノズルウェークによる動翼７の励振力Ｐの増加を抑制することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上の記載のごとく本発明によれば、可変ノズルの回転中心をノズル出口後縁からノズルコード長さの１／３近傍に設定したので、可変ノズルを設計点から回転させたときのノズル後縁距離の変化量が少なくなる。
【００３５】
これにより、前記ノズル後縁距離（ΔＲ）とノズル翼幅（ＷN）との比ΔＲ／ＷNの変化量が小さく抑えられ、ノズルウェークによる動翼の励振力の増加を抑えることができ、ノズルウェーク共振の発生及びこれによる動翼の破損の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態に係る可変容量型排気タービン過給機の回転軸心に沿う断面図である。
【図２】  図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】  従来技術に係る可変容量型排気ガスタービン過給機の図１相当図である。
【図４】  図３のＢ−Ｂ矢視図である。
【図５】  可変ノズルにおけるノズルウェークによる励振力の変化を示す線図である。
【符号の説明】
１                スクロール
２                可変ノズル
４、４ａ、４ｂ    ノズル出口後縁
５                ノズルスロート部
６                ベーンレス部
７                動翼
１０              回転軸
１２              排気ディフューザ
１３              ノズル駆動部
１４              ノズル回転軸
１４ａ            ノズル回転軸中心
２０              ガス入口ケーシング
２１              ガス出口ケーシング
【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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