(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、ハウジング内の予め定められた軸線上を回転するよう装着されたタービンホイールと、固定壁および環状側壁の間に画定されるタービン用のガス入口通路であって、ハウジング内に装着されて、軸方向に離間された第一および第二の位置の間で固定壁に対し変位可能なガス入口通路と、側壁を固定壁から第一位置の方向へ向け離間するよう付勢する少なくとも１つのスプリングと、および側壁に対し軸方向の力を前記少なくとも１つのスプリングとは反対方向へ向け適用することにより側壁の軸方向位置を制御する手段とを含む可変形態タービンにおいて、
前記少なくとも１つのスプリングがスプリング力に対し非線形の長さ特性を有し、これにより、適用されるスプリング力とおよび通路を通るガス流の結果側壁に適用される軸方向の力との合成力が、側壁が第一位置から第二位置へ変位するに従い連続的に増大されることを特徴とする可変形態タービン。
【請求項２】
側壁の変位に伴うスプリング力の変化率が、側壁が第一位置から第二位置へ変位するに従い増大されることを特徴とする請求項１記載の可変形態タービン。
【請求項３】
１つまたはそれ以上のスプリングを含み、その各々がスプリング力に対し非線形の長さ特性を有することを特徴とする請求項２記載の可変形態タービン。
【請求項４】
少なくとも２つのスプリングを含み、その各々がスプリング力に対し線形の長さ特性を有し、そしてこれらのスプリングが、これらによって側壁に適用されるその合成力が非線形となるように構成されることを特徴とする請求項２記載の可変形態タービン。
【請求項５】
側壁が、ホイールの軸線に平行して延在する支持ロッド上に装着され、各々の支持ロッドが、それぞれの圧縮スプリングによって挿通且つ作用されることを特徴とする請求項２、３または４のいずれかに記載の可変形態タービン。
【請求項６】
各支持ロッドが、ホイール軸線と同一軸線の圧縮スプリングによって更に作用されることを特徴とする請求項５記載の可変形態タービン。
【請求項７】
側壁が、ホイールの軸線に平行して延在する支持ロッド上に装着され、各々の支持ロッドが、ハウジングの外側に装着されるアクチュエータに結合された機構によって作用され、前述した少なくとも１つのスプリングおよび軸方向力の適用手段がアクチュエータによって規定されることを特徴とする請求項１、２または３のいずれかに記載の可変形態タービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変位可能なタービン入口通路側壁を組込まれた可変形態タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
米国特許第５５２２６９７号公報には、タービンホイールがハウジング内の予め定められた軸線周りを回転するように装着された、公知の可変形態タービンが開示されている。タービンホイールに対する入口通路が、ハウジングの固定壁とこの固定壁に対して変位可能な側壁との間に画定され、これにより入口通路の幅が制御されるように構成されている。側壁は、ハウジングの回転軸線に平行して延在するロッド上に支持され、そしてこのロッドがハウジングに対し軸線方向へ移動され、これにより側壁を適用する位置が制御されれるように構成されている。
【０００３】
ロッドは、ハウジングの外側に装着される空気圧アクチュエータで変位され、この空気圧アクチュエータはピストンを駆動する。アクチュエータピストンは、ハウジングに枢支される軸から延在するレバーに結合され、そしてこれによりレバーの変位を介して軸が回転される。２つの離間アームを備えたヨークが、ハウジング内部の凹部内の軸上に装着されている。ヨークの各アームの端縁部は、それぞれの側壁支持ロッド内のスロットに受入れられている。これにより、アクチュエータピストンが変位されると、アームが旋回され、側壁が軸方向へ駆動され、そしてこの結果アームと側壁支持ロッドとが相互係合される。
【０００４】
この出願と同一優先日の同時係属出願にも可変形態タービンが開示されているが、これにおいては、側壁に対して機械的に結合される外部アクチュエータがハウジング内のピストン・シリンダ装置により変位されるように構成されている。側壁の軸方向位置の制御において、従来の前記外部アクチュエータ装置とおよびハウジング内ピストン・シリンダに依存する装置との双方に関して種々の問題がこれまでに経験されて来た。特に、この側壁が、その全閉位置−すなわち、タービン入口通路の幅が最少に近接される位置−へ接近される際に、その制御が困難となることが判明した。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上述した問題を解決乃至軽減することにある。
【０００６】
【発明の概要】
本発明によれば、以下のような可変形態タービン、すなわち、ハウジングと、ハウジング内の予め定められた軸線上を回転するよう装着されたタービンホイールと、固定壁および環状側壁の間に画定されるタービン用のガス入口通路であって、ハウジング内に装着されて、軸方向に離間された第一および第二の位置の間で固定壁に対し変位可能なガス入口通路と、側壁を固定壁から第一位置の方向へ向け離間するよう付勢する少なくとも１つのスプリングと、および側壁に対し軸方向の力を前記少なくとも１つのスプリングとは反対方向へ向け適用することにより側壁の軸方向位置を制御する手段とを含む可変形態タービンにおいて、前記少なくとも１つのスプリングがスプリング力に対し非線形の長さ特性を有し、これにより、適用されるスプリング力とおよび通路を通るガス流の結果側壁に適用される軸方向の力との合成力が、側壁が第一位置から第二位置へ変位するに従い連続的に増大されることを特徴とする可変形態タービンが提供される。
【０００７】
側壁の変位に伴うスプリング力の変化率は、側壁が第一位置から第二位置へ変位するに従って増大されることができる。スプリング力は、１つまたはそれ以上のスプリングにより供給され、そして、そのまたはそれらの各々がスプリング力に対し非線形の長さ特性を有するように、或いは、２つまたはそれ以上のスプリングにより供給され、そして、それらの各々がスプリング力に対し線形の長さ特性を有するが、合成されたスプリング合成力は非線形となるように構成されることができる。
【０００８】
側壁は、ホイールの軸線に平行して延在する支持ロッド上に装着されることができ、そしてこの支持ロッドは、そのまたはそれぞれのスプリングによって直接作用されるか、或いは、そのまたはそれぞれのスプリングを組込まれる外部アクチュエータに結合されることができる。
【０００９】
【実施例】
次に、本発明の一実施態様を、実施例として、添付図面を参照しながら以下説明する。
【００１０】
図１および図２を参照すると、図示される可変形態タービンは、環状クリップ３でクランプ結合された軸受ハウジング１およびタービンホイール・ハウジング２で画定されるハウジングと、軸線６周りを回転するよう軸５上に装着されるタービンホイール４とを含む。軸５は、軸受ハウジング１内の軸受上に支持されている。タービンハウジング２は、側壁９で画定される面８に対面する面７を画定する。図示される組立における側壁９は、比較的に薄い鋼材から全体的にＣ形状の断面に形成されているが、この側壁９は、例えば、鋳造部品から構成され得ることは理解されるであろう。側壁上に装着されるベーン１０は、面８から、ハウジング内に画定された環状凹部１１内へ突出されている。図示実施例におけるベーンを支持する側壁は、しばしば“ノズルリング”と呼称されているが、ここでは“側壁”と言う用語を使用する。
【００１１】
シールリング１２が、面７および面８の間に画定される入口通路１３と、側壁のベーン１０から離間する側に位置するチャンバ１４との間におけるガス流を規制している。すなわち、側壁９は、チャンバ１４を画定している環状シリンダ内に受入れられる環状ピストンを形成している。側壁９が装着される支持ロッド１５が、チャンバ１４内に延在されている。入口１６が、ハウジング１４内の圧力を制御できるようにして軸受ハウジング１内に形成されている。圧力が増大すると、側壁９は、図１に示す全閉位置へ向け移動され、一方、圧力が減少すると、側壁９は、図２に示す全開位置へ向け移動される。
【００１２】
図３を参照すると、ここには、軸受ハウジング１内におけるスプリング装着支持ロッド１５に対する１つの装置が示されている。図３に示す装置−これは、全開位置における、図１および図２に示す側壁９に対応されている−において、各支持ロッドは、軸受ハウジング１内の孔部を貫通して凹部１７内へ延在されている。凹部１７は、軸受ハウジング１とこの軸受ハウジング１に結合される別のハウジング要素１８との間に画定されている。凹部１７内の圧力は大気圧に近似して維持されている。
【００１３】
チャンバ１４内の圧力は、側壁９の軸方向変位を制御するのに用いられる。チャンバ１４内の圧力を制御する−例えば、エンジンの速度およびトルク、およびタービンの圧力および温度に対応した制御プログラムに従って−手段（図示せず）が設けられている。圧力制御手段は入口１６に接続されている。
【００１４】
ロッド１５は、線形のスプリング力特性を有する圧縮スプリング１９−これは、軸受ハウジング１とロッド１５の一端縁部上に保持されるワッシャ２０との間で圧縮されている−を介して、図３において左方向へ付勢されている。従って、若し入口通路１３とチャンバ１４とが大気に開放されていると、ロッド１５は図３に示す軸方向の位置に位置されるであろう。次いで、若しチャンバ１４内の圧力が増大されると、ロッド１５と側壁９とは、適用された圧力に対応する距離だけ、図３において右側へ変位されるであろう。
【００１５】
次に図４を参照すると、これは、本発明の一実施例を示し、そして、図３に示すと同等の要素には同一の参照符号が付されているが、しかしながら、この図４に示す装置では、更に別の圧縮スプリング２１−軸線６と同一軸線を有する−が、環状支持リング２２−図３に示す装置のワッシャ２０と同一機能を果たす−に対接されていることが、注目されるであろう。各支持ロッド１５は、また、同一軸線の圧縮スプリング１９内を貫通して延在されている。従って、ロッド１５を図４において左側へ駆動する力は、スプリング１９および２１によって適用される圧縮力と、入口通路１３内を流動するガスによって側壁９に適用される軸方向力との合成力となる。
【００１６】
スプリング１９および２１は、そのロッド１５に適用される復帰力を、側壁９の面８がタービンハウジング２で画定される面７に近付く程増大されるように構成されている。例えば、スプリング２１は、その弛緩時における長さを、側壁９が面７に比較的近接する場合を除き、リング２２の図示右側への移動に対抗しないような長さに設定されることができる。このことは、入口通路１３内の圧力−これは、面８上に作用される−が、面８が面７に近接する際に減少される−これら両面の間に画定される隙間内の流動条件のために−場合に、有利な特性となることが判明した。
【００１７】
図５に、図３に関して説明したような装置−これでは、スプリング１９は線形のスプリング率を有する−と、図４に示す本発明に係る装置−これでは、スプリング１９および２１の組み合わせは非線形のスプリング率を発生する−と、の間の作動的な相違を示す。図５において、曲線は、面７および面８間の間隔（入口通路の幅）が最少２３（図１に示す全閉）から最大２４（図２に示す全開）まで増大される際における、側壁９を含む要素組立に適用される軸方向の力を表している。
【００１８】
図５の曲線２５は、側壁９の面８上の反応ガスによる軸方向の力の変化を表している。通路幅が減少するに従い、反応ガス力は、最初は連続的に上昇するが次いで側壁９がタービンの面７に近付くに従い下降することが注目されるであろう。曲線２６および２７は、図３のスプリング１９で適用される力を表している。曲線２８および２９は、側壁９上の合成軸方向力を表し、この合成力は、通路幅が線３０で示される間隔を越えて減少するに従い減少されている。従って、図３に示す装置−これでは、スプリング１９は線形の特性を有する−においては、入口通路幅が線３０で表される限界まで減少すると、側壁９の軸方向位置が不安定となる。特に、側壁が線３０で表される位置を通過するや否や、この側壁は最少幅の位置へ向け制御不能な状態で急速に移動される傾向を発生するであろう。
【００１９】
図４に示す装置では、入口通路の幅が線２４および２５の間の間隔で表される範囲にある場合には、スプリング２１は作用されない。しかしながら、通路幅が線３１で表される限界まで減少されるや否や、通路幅のそれ以上の減少は、スプリング２１およびスプリング１９の双方を圧縮する。この結果、組み合わせスプリングの特性は線２６および線３２として表され、また合成力は線２８および線３３で表される。すなわち、スプリングおよび反応ガスの合成力は、入口通路幅が線２３で表される最少幅まで減少されるにつれて連続的に増大される。従って、側壁９の軸方向位置の不安定性が解消される。
【００２０】
図６を参照すると、これには、通常の構造−但し、線形の特性を有する通常の圧縮スプリングを非線形の特性を有する圧縮スプリングに変更したことを除いて−を有する外部アクチュエータ組立の断面図が示されている。図６に示すアクチュエータを図１乃至図４に示すような制御ロッドに相互連結する機構は、例えば米国特許第５５２２６９５号公報に開示されている。
【００２１】
図６を参照して、この図の下半部は、全伸長状態におけるアクチュエータ（協働する側壁が、図１に示すように全閉されている位置に対応する）を示し、一方図６の上半部は、全収縮位置におけるアクチュエータ（協働する側壁が、図２に示すように全閉されている位置に対応する）を示している。アクチュエータは、鋼材のプレス要素３５からなるカバーを有し、このカバーの間に、ダイアフラム３６の周縁部がクランプされている。図６には、チャンバ３７がダイアフラム３６の左手側に図示されており、そしてこのチャンバ内に圧力ガスが入口（図示せず）から導入されることにより、カップ状部材３９−この部材は、ダイアフラム３６のチャンバ３７から離間する側に対接されている−に連結されたアクチュエータ出力ロッド３８の軸方向の移動が制御される。圧縮スプリング４０がカバー内に受入れられ、そして、その一端部をピストン部材３９に対接されると共に他端部をクランプ板４１に対接されており、そして、このクランプ板からはスタッド４２が延在され、このスタッドにはアクチュエータをサポート（図示せず）に固定するための適宜の手段が設けられている。塵埃シールド４３は、汚染物質のカバー内への浸入を抑止している。
【００２２】
通常のアクチュエータでは、圧縮スプリング４０が長さ関係に対し線形のスプリング力を有するので、従って、図５において図３に示す構造を参照して説明したのと同様の制御問題が提起される。しかしながら、図６に示す本発明に係るアクチュエータでは、その圧縮スプリング４０が非線形の特性を有することにより、図４に示すスプリング装置で発揮されるのと同等の性能が提供される。このような非線形のスプリング特性は、適宜通常の方法で、例えば、圧縮スプリング４０を、その一方の端部スプリング巻回で他方の端部スプリング巻回の前に互いに接触されるように形成することにより、達成されることができる。別の装置、例えば、図６に示す円筒形よりはむしろ全体的に円錐形の圧縮スプリングを、企図し得ることは勿論である。
【００２３】
更に、上述したように、本発明の代案としての実施態様では、２つまたはそれ以上のスプリング−これらのスプリングは、その各々はスプリング力に対して線形の長さ特性を有するが、合成されると非線形のスプリング力を発生するように構成されている−と協働されることができる。このようなスプリングの２つは、例えば、一方を他方の内部に収納するか、或いはこれらの端縁部同士を単一板のような適宜のサポートで分離して連結するように構成することができる。その他の可能な装置が、当業者には適宜容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】可変形態タービンの側壁組立の上半部−但し、側壁はガス入口通路が最少幅となる位置に図示されている−を示す断面図である。
【図２】図１に示す側壁組立の下半部−但し、側壁は全開位置に変位されている−を示す断面図である。
【図３】図１および図２に示す側壁支持ロッドに対するスプリング装置を示す断面図である。
【図４】図１および図２に示す側壁支持ロッドに対する本発明に係るスプリング装置を示す断面図である。
【図５】図３および図４に示すスプリング組立の別の特性と、およびこのような組立を有する側壁上の反応ガス力および合成力とを示す略説明図である。
【図６】側壁支持ロッドに対する外部アクチュエータ組立−但し、アクチュエータは本発明に従い変更されている−を示す断面図である。
【符号の説明】
１  軸受ハウジング
２  タービンホイール・ハウジング
３  環状クリップ
４  タービンホイール
５  軸
６  軸線
７，８  面
９  側壁
１０  ベーン
１１  環状凹部
１２  シールリング
１３  入口通路
１４  チャンバ
１５  支持ロッド
１６  入口
１７  凹部
１８  ハウジング要素
１９，２１  圧縮スプリング
２０  ワッシャ
２２  環状支持リング
２３  最少間隔
２４  最大間隔
２５，２６，２７，２８，２９，３２，３３  曲線（線）
３０，３１  間隔
３５  要素（カバー）
３６  ダイアフラム
３７  チャンバ
３８  出力ロッド
３９  カップ状部材（ピストン部材）
４０  圧縮スプリング
４１  クランプ板
４２  スタッド
４３  塵埃シールド
【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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