JP2002129970A - 可変容量タービン - Google Patents
可変容量タービンInfo
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- F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
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- F01D9/045—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector for radial flow machines or engines
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2220/00—Application
- F05D2220/40—Application in turbochargers
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Abstract
を小さくし、小流量時のタービン効率を改善すること。 【解決手段】 最大開度位置Aと最小開度位置Cとの間
に設定される定格開度位置Bに可動ノズル翼19が位置
している状態にて、当該可動ノズル翼19の前縁19a
より前方位置にサポートピン24を配置する。
Description
用のターボチャージャ等で使用されるラジアルタービン
に関し、特に、可動ノズル翼(可変ノズル)を有する可
変容量タービンに関するものである。
量タービンは、タービン翼車の外周囲にて相対向する二
つの側壁面部間に複数枚の可動ノズル翼を各々軸体によ
って回動可能に設けられており、当該可動ノズル翼の回
動によってノズル流出角、動翼入口部の通路面積が変化
し、タービン容量を変化する。
は、可動ノズル翼を配置される二つの側壁面間の間隔、
すなわち、ノズルクリアランスを、当該部分が排気ガス
等の高温ガスに曝されても、適正値に保つために、当該
二つの側壁面間を横切って延在するクリアランス設定用
のサポートピンが設けられる。
のであるが、タービン入口部の作動ガス流路中に存在す
ることから、流路抵抗になり、空力的影響によってター
ビン効率を低下させる原因になる。特に、小流量時にお
けるサポートピンの空力的影響は大きく、小流量時のタ
ービン効率の低下が問題になる。
ビン効率の低下を減らす工夫は、従来より種々行われて
おり、たとえば、実開平7−25249号公報、特開平
11−190219号公報、特開平11−336554
号公報に示されているようなものがある。これら公報に
示されている技術は、サポートピンの機械的な構造を改
良することにより、サポートピンによる流路抵抗を減ら
し、タービン効率の低下を低減するものである。
トピンの機械的な構造を改良した従来技術は、一往、所
期の目的を達成するが、サポートピンの構造を複雑なも
のにする傾向があり、また、サポートピンの機械的な構
造の改良だけでは、流路抵抗の低減に限度があり、より
よいタービン効率を得るためには、サポートピンによる
流路抵抗を、より一層低減する必要がある。
ためになされたもので、サポートピンの機械的な構造の
観点とは別の観点から、サポートピンによる流路抵抗を
効果的に低減し、特に、小流量時におけるサポートピン
の空力的影響を小さくし、小流量時のタービン効率を改
善できる可変容量タービンを提供することを目的として
いる。
めに、この発明による可変容量タービンは、タービン翼
車の外周囲にて相対向する二つの側壁面部間に複数枚の
可動ノズル翼が各々軸体によって回動可能に設けられ、
前記二つの側壁面間の間隔を適正値に保つために、当該
二つの側壁面間を横切って延在するクリアランス設定用
のサポートピンを有する可変容量タービンにおいて、最
大開度位置と最小開度位置との間に設定される定格開度
位置に前記可動ノズル翼が位置している状態にて、当該
可動ノズル翼の前縁より前方位置に前記サポートピンが
配置されているものである。
サポートピンの配置位置によって空力的影響、特に、定
格開度位置〜最小開度位置の状態での空力的影響が低減
し、小流領域における高効率化が図られる。
は、より一層の効果が得られるべく、前記サポートピン
の配置位置を、前記定格開度位置に位置している前記可
動ノズル翼の翼厚中央部を通る対数螺線の延長線上ある
いはそれの近傍の位置の位置に、更に特定したものであ
る。
は、より一層の効果が得られるべく、前記サポートピン
の配置位置を、前記サポートピンの外径をdとした場
合、前記サポートピンは前記可動ノズル翼の前縁より3
dの離間距離範囲内に、更に特定したものである。
は、より一層の効果が得られるべく、前記サポートピン
の配置位置を、前記可動ノズル翼が前記定格開度位置よ
り開度を増大することにより当該可動ノズル翼の負圧面
側に前記サポートピンが位置し、前記可動ノズル翼が前
記定格開度位置より開度を低減することにより当該可動
ノズル翼の圧力面側に前記サポートピンが位置する位置
に、更に特定したものである。
発明による可変容量タービンは、タービン翼車の外周囲
にて相対向する二つの側壁面部間に複数枚の可動ノズル
翼が各々軸体によって回動可能に設けられ、前記二つの
側壁面間の間隔を適正値に保つために、当該二つの側壁
面間を横切って延在するクリアランス設定用のサポート
ピンを有する可変容量タービンにおいて、前記可動ノズ
ル翼の圧力面側で、最大開度位置にある可動ノズル翼と
接触することがなく、当該可動ノズル翼の回動中心位置
より当該可動ノズル翼の前縁側の位置に前記サポートピ
ンが配置されているものである。
るサポートピンの配置位置によって空力的影響、特に、
低開度位置の状態での空力的影響が低減し、小流領域に
おける高効率化が図られる。
は、より一層の効果が得られるべく、前記サポートピン
の配置位置を、前記可動ノズル翼の回動中心と当該可動
ノズル翼の前縁との間の略中間位置と当該可動ノズル翼
の前縁位置との間の位置に、更に特定したものである。
明の実施の形態を詳細に説明する。図1はこの発明によ
る可変容量タービンを自動車用ターボチャージャに適用
した場合の全体構成を示している。
受ハウジング1と、軸受ハウジング1の一方の側に取り
付けられたタービンハウジング2およびタービンアウト
レットハウジング3と、軸受ハウジング1の他方の側に
取り付けられたコンプレッサハウジング4の4個のハウ
ジングの組立体により構成されている。
ビン軸6を回転可能に支持している。タービン軸6は、
軸受ハウジング1を図1にて左右方向に貫通して延在し
ており、一方の端部にタービン翼車7を一体に有し、他
端にコンプレッサ翼車8を取り付けられている。
をなして複数枚のタービン翼(動翼)9を有しており、
タービンハウジング2が画定するタービン室10内に配
置されている。タービン室10の外側にはタービンハウ
ジング2によってタービンのスクロール部11が形成さ
れている。コンプレッサ翼車8はコンプレッサハウジン
グ4が画定するコンプレッサ室12内にあり、コンプレ
ッサ室12の外側にはコンプレッサハウジング4によっ
てコンプレッサのスクロール部13が形成されている。
ば、タービン室10とスクロール部11との間には、相
対向する二つの側壁面部14、15によってインレット
通路部16が画定されている。この実施の形態では、一
方の側壁面部14はタービンハウジング2に固定された
ノズルマウント部材17により与えられ、他方の側壁面
部15はタービンハウジング2に設けられたノズルプレ
ート18により与えられている。
の回転中心と同心の円環状をなしており、インレット通
路部16には複数枚の可動ノズル翼19が各々軸体20
によって回動可能に設けられている。軸体20は、リン
ク機構21によってアクチュエータ22の動作ロッド2
3と駆動連結され、アクチュエータ22によって回動駆
動される。これにより、可動ノズル翼19は、最大開度
位置A〜定格開度位置(中間位置)B〜最小開度位置C
(図2参照)との間に回動変位する。
隔、換言すれば、インレット通路部16の幅方向の寸法
を適正値に保つために、インレット通路部16を横切っ
て延在するクリアランス設定用のサポートピン24が設
けられている。サポートピン24は、円柱形状をなし、
一端をノズルマウント部材17に固定され、他端をノズ
ルプレート18と接続されている。
は、可動ノズル翼19に対するサポートピン24の位置
関係にあり、サポートピン24の配置位置の最適化であ
り、図2に示されているように、最大開度位置Aと最小
開度位置Cとの間に設定される定格開度位置Bに可動ノ
ズル翼19が位置している状態にての可動ノズル翼19
の前縁19aより前方位置にサポートピン24が配置さ
れている。より詳細には、サポートピン24は、定格開
度位置Bに位置している可動ノズル翼19の翼厚中央部
を通る対数螺線LSの延長線上あるいはそれの近傍の位
置であって、前縁19aに極く接近した位置に配置され
ている。
ーク効率が得られる設計流量に相当する開度である。
定格開度位置Bより開度を増大(図2にて時計廻り方向
の回動)することにより、可動ノズル翼19の負圧面1
9b側にサポートピン24が位置し、これとは反対に、
可動ノズル翼19が定格開度位置Bより開度を低減(図
2にて反時計廻り方向の回動)することにより、可動ノ
ズル翼19の圧力面19c側にサポートピン24が位置
する。
配置位置に配置した場合の流動解析結果より得られる可
動ノズル翼19およびサポートピン24周りの流線を、
図4は同様に静圧力分布を、図5は同様に絶対流速分布
を各々示している。なお、図3〜図5において、(a)
は最大開度位置状態を、(b)は定格開度位置状態を、
(c)は最小開度位置状態を各々示している。
ピンの標準的な配置位置を示しており、図16はサポー
トピンpの場合の流動解析結果より得られる可動ノズル
翼19およびサポートピンp周りの流線を、図17は同
様に静圧力分布を、図18は同様に絶対流速分布を各々
示している。なお、図16〜図18においても、(a)
は最大開度位置状態を、(b)は定格開度位置状態を、
(c)は最小開度位置状態を各々示している。
のノズル開度でもサポートピンpが可動ノズル翼19に
空力的影響を与え、特に、最小開度位置では、サポート
ピンpがノズル翼間通路を塞ぎ、大きい流路抵抗にな
る。これに対し、サポートピン24の場合には、最小開
度位置〜定格開度位置において、殆ど空力影響が出るこ
とがなく、最大開度位置では、やや影響が出るが、この
ときにはノズル翼付近での圧力膨張はあまりなく、しか
もノズルスロート面積が大きくなっているため、問題に
ならないと考えられる。これにより、サポートピン24
は、特に、可動ノズル翼19が最小開度位置〜定格開度
位置にあるときに、空力的に殆ど影響せず、小流量側の
高効率化が図られる。
の周りの流れにより、円柱下流に生じる渦列(カルマン
の渦列)は、渦列が互いの誘導速度で影響し合う結果、
渦列が安定して存在するためには、円柱の外径の略3倍
の長さが必要であることが分かっている。
いためには、サポートピン24の外径をdとした場合、
サポートピン24は可動ノズル翼19の前縁19aより
3dの離間距離範囲内に配置されていることが好まし
い。図2にて符合24’は可動ノズル翼19の前縁19
aより3d離間した位置にサポートピンを配置した限界
例を示している。
な配置位置に配置した場合の流動解析結果より得られる
可動ノズル翼19およびサポートピン24’周りの流線
を、図7は同様に静圧力分布を、図8は同様に絶対流速
分布を各々示している。なお、図6〜図8においては、
定格開度位置状態を代表して示している。
位置〜定格開度位置において、殆ど空力影響が出ること
がなく、可動ノズル翼19が最小開度位置〜定格開度位
置にあるときに、空力的に殆ど影響せず、小流量側の高
効率化が図られる。
他の実施の形態の要部を示している。なお、図9におい
て、図2に対応する部分は、図2に付した符号と同一の
符号を付けて、その説明を省略する。
が、可動ノズル翼19の圧力面19c側で、最大開度位
置Aにある可動ノズル翼19と接触することがなく、可
動ノズル翼19の回動中心位置(軸体20の位置)より
可動ノズル翼19の前縁19a側の位置に配置されてい
る。
うな配置位置に配置した場合の流動解析結果より得られ
る可動ノズル翼19およびサポートピン124周りの流
線を、図11は同様に静圧力分布を、図12は同様に絶
対流速分布を各々示している。なお、図10〜図12に
おいても、(a)は最大開度位置状態を、(b)は定格
開度位置状態を、(c)は最小開度位置状態を各々示し
ている。
述したように、どのノズル開度でもサポートピンpが可
動ノズル翼19に空力的影響を与え、特に、最小開度位
置では、サポートピンpがノズル翼間通路を塞ぎ、大き
い流路抵抗になるが、サポートピン124の場合には、
最小開度位置において、殆ど空力影響が出ることがな
く、定格開度〜位置最大開度位置では、やや影響が出る
が、このときノズル翼付近での圧力膨張はあまりなく、
しかもノズルスロート面積が大きくなっているため、問
題にならないと考えられる。これにより、サポートピン
124は、特に、可動ノズル翼19が低開度位置にある
ときに、空力的に殆ど影響せず、小流量側の高効率化が
図られる。
範囲は、可動ノズル翼19の回動中心と可動ノズル翼前
縁19aとの間の略中間位置(符合124で示されてい
るサポートピンの位置相当)と可動ノズル翼19の前縁
位置(符合124’で示されているサポートピンの位置
相当)との間程度である。
ような配置位置に配置した場合の流動解析結果より得ら
れる可動ノズル翼19およびサポートピン124’周り
の流線を、図14は同様に静圧力分布を、図15は同様
に絶対流速分布を各々示している。なお、図14〜図1
5においては、定格開度位置状態を代表して示してい
る。
ズル翼19が低開度位置にあるときに、空力的に殆ど影
響せず、小流量側の高効率化が図られる。
明による可変容量タービンによれば、最大開度位置と最
小開度位置との間に設定される定格開度位置に可動ノズ
ル翼が位置している状態にて、可動ノズル翼前縁より前
方位置にサポートピンが配置されているから、この可動
ノズル翼に対するサポートピンの配置位置によって空力
的影響、特に、定格開度位置〜最小開度位置の状態での
空力的影響が低減し、小流領域における高効率化が図ら
れる。
よれば、可動ノズル翼の圧力面側で、最大開度位置にあ
る可動ノズル翼と接触することがなく、当該可動ノズル
翼の回動中心位置より当該可動ノズル翼の前縁側の位置
にサポートピンが配置されているから、この可動ノズル
翼に対するサポートピンの配置位置によって空力的影
響、特に、低開度位置の状態での空力的影響が低減し、
小流領域における高効率化が図られる。
ーボチャージャに適用した場合の全体構成を示す断面図
である。
の形態の要部を示す説明図である。
ビンにおける可動ノズル翼およびサポートピン周りの流
線を示す図である。
ビンにおける可動ノズル翼およびサポートピン周りの静
圧力分布を示す図である。
ビンにおける可動ノズル翼およびサポートピン周りの絶
対流速分布を示す図である。
ノズル翼およびサポートピン周りの流線を示す図であ
る。
ノズル翼およびサポートピン周りの静圧力分布を示す図
である。
ノズル翼およびサポートピン周りの絶対流速分布を示す
図である。
形態の要部を示す説明図である。
ービンにおける可動ノズル翼およびサポートピン周りの
流線を示す図である。
ービンにおける可動ノズル翼およびサポートピン周りの
静圧力分布を示す図である。
ービンにおける可動ノズル翼およびサポートピン周りの
絶対流速分布を示す図である。
動ノズル翼およびサポートピン周りの流線を示す図であ
る。
動ノズル翼およびサポートピン周りの静圧力分布を示す
図である。
動ノズル翼およびサポートピン周りの絶対流速分布を示
す図である。
おける可動ノズル翼およびサポートピン周りの流線を示
す図である。
おける可動ノズル翼およびサポートピン周りの静圧力分
布を示す図である。
おける可動ノズル翼およびサポートピン周りの絶対流速
分布を示す図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 タービン翼車の外周囲にて相対向する二
つの側壁面部間に複数枚の可動ノズル翼が各々軸体によ
って回動可能に設けられ、前記二つの側壁面間の間隔を
適正値に保つために、当該二つの側壁面間を横切って延
在するクリアランス設定用のサポートピンを有する可変
容量タービンにおいて、 最大開度位置と最小開度位置との間に設定される定格開
度位置に前記可動ノズル翼が位置している状態にて、当
該可動ノズル翼の前縁より前方位置に前記サポートピン
が配置されていることを特徴とする可変容量タービン。 - 【請求項2】 前記サポートピンは前記定格開度位置に
位置している前記可動ノズル翼の翼厚中央部を通る対数
螺線の延長線上あるいはそれの近傍の位置に配置されて
いることを特徴とする請求項1に記載の可変容量タービ
ン。 - 【請求項3】 前記サポートピンの外径をdとした場
合、前記サポートピンは前記可動ノズル翼の前縁より3
dの離間距離範囲内に配置されていることを特徴とする
請求項1または2に記載の可変容量タービン。 - 【請求項4】 前記可動ノズル翼が前記定格開度位置よ
り開度を増大することにより当該可動ノズル翼の負圧面
側に前記サポートピンが位置し、前記可動ノズル翼が前
記定格開度位置より開度を低減することにより当該可動
ノズル翼の圧力面側に前記サポートピンが位置すること
を特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の可変容
量タービン。 - 【請求項5】 タービン翼車の外周囲にて相対向する二
つの側壁面部間に複数枚の可動ノズル翼が各々軸体によ
って回動可能に設けられ、前記二つの側壁面間の間隔を
適正値に保つために、当該二つの側壁面間を横切って延
在するクリアランス設定用のサポートピンを有する可変
容量タービンにおいて、 前記可動ノズル翼の圧力面側で、最大開度位置にある可
動ノズル翼と接触することがなく、当該可動ノズル翼の
回動中心位置より当該可動ノズル翼の前縁側の位置に前
記サポートピンが配置されていることを特徴とする可変
容量タービン。 - 【請求項6】 前記可動ノズル翼の回動中心と当該可動
ノズル翼の前縁との間の略中間位置と当該可動ノズル翼
の前縁位置との間に前記サポートピンが配置されている
ことを特徴とする請求項5に記載の可変容量タービン。
Priority Applications (8)
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---|---|---|---|
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