JP2011509371A - 可変のタービンジオメトリのためのガイドベーン - Google Patents

Abstract

本発明に係るガイドベーン（１０）、特にターボチャージャのためのガイドベーン（１０）は、当該ガイドベーン（１０）の曲率線（１２）が、不連続的な延びを有する少なくとも１つ又は複数の領域（ｂ１，ｂ２，ｂ３）を有することを特徴とする。

Description

本発明は、ターボチャージャの可変のタービンジオメトリのためのガイドベーンに関する。

ターボチャージャは、一般に、排ガス流中の排ガスタービンからなる。排ガスタービンは、シャフトを介して吸気管路内の圧縮機に結合されている。その際、タービンは、エンジンの排ガス流によって回転させられて、圧縮機を駆動する。圧縮機を介して、エンジンの吸気管路内の圧力が高められる。その結果、吸気行程中、自然吸気型のエンジンと比較してより大量の空気がシリンダ内に達する。こうして、より大量の酸素が、相応に大量の燃料を燃焼させるために提供される。

従来慣用のターボチャージャでは、給気圧は、必要なときに、吹出弁、バイパス又はウェイストゲートによって高温の排ガスの一部を、タービンを迂回するように案内して、タービンの出力を低下させることによって制限される。このために、タービンは、既にエンジンの定格作業点の遥か下で良好に作業するような大きさに設計される。

背景技術では、さらに、出力及び応答特性を種々異なる運転条件、例えば負荷交番に、より良好に適合させ得るように、可変のタービンジオメトリ（ＶＴＧ：ｖａｒｉａｂｌｅ Ｔｕｒｂｉｎｅｎｇｅｏｍｅｔｒｉｅ）を備えるターボチャージャが公知である。このことを達成するために、調節可能な、回転しないガイドベーン（Ｌｅｉｔｓｃｈａｕｆｅｌ）がタービン入口又はタービンハウジング内に存在する。ガイドベーンの閉鎖位置において、流動速度の高い周方向成分と、高いエンタルピーの勾配とは、高いタービン出力、ひいては高い給気圧に至る。他方、ガイドベーンの全開位置において、流動の速度ベクトルの向心成分が高いとき、タービンの最大の流量が生じる。バイパス制御に対するこの出力制御の利点は、常に完全な排ガス質量流量がタービンを介して案内され、出力変換のために利用されることにある。

可変のタービンジオメトリにとって、ベーンプロフィールの形状は、熱力学的な効率、制御特性及び必要な半径方向の構成スペースに対して影響を与える主な要因である。

背景技術では、調節ベーンの輪郭に関して種々異なる形状が存在する。一般に、最良の効率、制御特性及び可及的小さなピッチ円（構成スペース）を実現することが重要である。一般に、この形状は、調節ベーンのヘッド部半径の中心とエンド部半径の中心との間で延びる曲率線により表される。この曲率線は、ヘッド部半径の中心とエンド部半径の中心との間で、輪郭内に、上面及び下面に接する円を仮定することによって生じる。これらの円の中心を結んだ線が曲率線となる。

その際、純粋に真っ直ぐな変化例、湾曲した変化例、又はこれらの両可能性を組み合わせた変化例が存在する。これらのすべての変化例は、曲率線が連続的な延びを有すること、すなわち個々の曲線区間が接線方向で互いに移行している点で共通している。換言すると、曲率線は折れ目（Ｋｎｉｃｋ）を有しない。

したがって、本発明の課題は、可変のタービンジオメトリを備えるターボチャージャのための改良されたガイドベーンジオメトリを提供することである。

上記課題は、請求項１に記載の構成を備えるガイドベーン、すなわち、ガイドベーン、特にターボチャージャのためのガイドベーンにおいて、当該ガイドベーンの曲率線が、不連続的な延びを有する少なくとも１つ又は複数の領域を有することを特徴とする、ガイドベーンによって解決される。

請求項１に記載の構成では、本発明により、曲率線が、不連続的な延びを有する少なくとも１つ又は複数の領域を有するガイドベーン、特にターボチャージャのためのガイドベーンが提供される。

このガイドベーンは、流動パターンの形成において特に有利である。この場合、制御特性及び所要スペースは不変のまま、効率を改善することができる。

本発明の有利な態様及び構成は、従属請求項、及び図面に基づく説明から看取される。好ましくは、前記曲率線が、互いに結合されている２つの区分を有する少なくとも１つの領域を有しており、両区分が両区分の接続箇所において不連続的に互いに移行しているか、又は接線方向で互いに移行していない。好ましくは、前記曲率線が、互いに結合されている２つの区分を有する少なくとも１つの領域を有しており、両区分が両区分の接続箇所において連続的に互いに移行しているか、又は接線方向で互いに移行している。好ましくは、少なくとも１つの、複数の、又はすべての区分が、それぞれ同じか、又は異なる形状及び／又は寸法を有している。好ましくは、少なくとも１つの、複数の、又はすべての領域が、それぞれ同じか、又は異なる形状及び／又は寸法を有している。好ましくは、当該ガイドベーンが４つの区分からなり、第１の区分及び第２の区分が第１の領域を形成し、両区分が両区分の接続箇所において連続的に互いに移行しており、第２の領域が第２の区分及び第３の区分により形成され、第２及び第３の区分が両区分の接続箇所において不連続的に互いに移行しているか、又は折れ目を形成しており、第３の領域が第３の区分及び第４の区分により形成され、第３及び第４の区分が両区分の接続箇所において連続的に互いに移行している。好ましくは、第１及び第３の領域がそれぞれ上方若しくは下方に湾曲しているか、又は両領域のうちの一方が上方に、他方が下方に湾曲している。好ましくは、１つの領域の一方又は両方の区分が例えば弧状又は直線状に形成されており、上方若しくは下方に湾曲しているか、又は方向付けられている。さらに本発明に係る、可変のタービンジオメトリを備えるターボチャージャは、該可変のタービンジオメトリが、前記の少なくとも１つ又は複数のガイドベーンを備えることを特徴とする。好ましくは、可変のタービンジオメトリの少なくとも１つの、複数の、又はすべてのガイドベーンが、同じか、又は異なる形状を有している。

本発明の一態様では、曲率線が、互いに結合されている２つの区分を有する少なくとも１つの領域を有しており、両区分が両区分の接続箇所において不連続的に互いに移行しているか、又は接線方向で互いに移行していない。換言すれば、これらの区分は両区分の接続箇所において折れ目を形成する。このことは、ガイドベーンのこのような形態によって、例えば可変のタービンジオメトリにおいて、ターボチャージャの効率を改善することができるという利点を有する。

本発明の別の態様では、曲率線が、２つの区分間に折れ目あるいは接線方向で延びない移行部を備える少なくとも１つの領域の他に、少なくとも１つの領域を有しており、この領域の両区分が両区分の接続箇所において連続的に移行しているか、又は接線方向で互いに移行している。こうして、ガイドベーンの曲率線は、どのような流動パターンが達成されるべきかに応じて、任意に適当に、連続的及び不連続的に延びる領域を伴って変更され得る。

本発明の別の態様では、曲率線の少なくとも１つの、複数の、又はすべての区分が、例えば形状、位置及び／又は寸法に関して同じか、又は異なっている。同じことは、曲率線の、区分により形成される領域についてもいえる。こうして、ガイドベーンの種々異なる構造形式が実現される。すべてのガイドベーンは、不連続的な延びを有する少なくとも１つの領域を有する。

本発明の別の態様では、ガイドベーンが例えば４つの区分からなる。第１及び第２の区分は、連続的な延びを有する第１の領域を形成する。第２の領域は、第２の区分及び第３の区分により形成される。第２及び第３の区分は、両区分の接続箇所において不連続的に互いに移行するか、又は折れ目を形成する。他方、第３の区分及び第４の区分からなる第３の領域は、連続的な延びを有する。このようなガイドベーンは、曲率線が折れ目を有する一例である。第１あるいは第３の領域の区分は、この態様では、例えば両方又は少なくとも一方が上方又は下方に湾曲していてよい。

本発明の別の態様では、曲率線を形成する区分が例えば弧状又は直線状に形成されていてよい。この態様では、これらの区分は、上方又は下方に湾曲していているか、あるいは区分が直線状であれば、例えば水平、垂直又は斜め上方若しくは斜め下方に方向付けられていてよい。この場合、これらの区分は、任意に互いに組み合わされてよく、区分により形成される少なくとも１つの領域は、不連続的な延びを有する。こうして、所望の機能あるいは所望の使用目的に応じて多数の流動パターンを実現することができる。

以下に、本発明について、概略図に示した実施の形態を参照しながら詳述する。

背景技術に係るガイドベーンの第１の形態を示す図である。 背景技術に係るガイドベーンの第２の形態を示す図である。 背景技術に係るガイドベーンの第３の形態を示す図である。 本発明に係るガイドベーンの第１の実施の形態を示す図である。 本発明に係るガイドベーンの第２の実施の形態を示す図である。

図中、同一の符号は、何か反する記載がない限り、同一又は機能同一の構成要素を指している。

図１には、背景技術に係るガイドベーン１０の第１の形態を示す。ガイドベーン１０はグラフに記載されており、グラフはＸ軸及びＹ軸を有する。この描写法は、図１〜図５に示すすべてのガイドベーン１０に当てはまる。

前述のように、ガイドベーン１０の形状は、通常、ガイドベーン１０のヘッド部半径の中心１４と、エンド部半径の中心１６との間を延びる曲率線１２によって描写される。この曲率線１２は、ガイドベーン１０の輪郭内に、上面１８及び下面２０に接する円を仮定することによって生じる。これらの円の中心を結んだ線が曲率線１２となる。

本形態では、図１に示すように、曲率線１２が波形に延びる。曲率線１２は、４つの区分ａ１〜ａ４からなる。第１及び第２の区分ａ１，ａ２は、第１の領域ｂ１を形成し、本形態では、それぞれ弧状に上方に湾曲して形成されている。曲率線１２の両区分ａ１，ａ２は、両区分ａ１，ａ２の接続箇所２２において接線方向で互いに移行している。領域ｂ１は、本例では折れ目のない連続的な延びを形成する。さらに、第３の区分ａ３は、やはり弧状に形成されているものの、第１及び第２の区分ａ１，ａ２とは反対に、下方に湾曲している。第２及び第３の区分ａ２，ａ３は、両区分ａ２，ａ３の接続箇所２２において、やはり接線方向で互いに移行している。その結果、第２及び第３の区分ａ２，ａ３から形成される第２の領域ｂ２は、連続的な延びを有する。同じことは、第３の領域ｂ３についてもいえる。第３の領域ｂ３は、第３の区分ａ３及び第４の区分ａ４から形成される。両区分ａ３，ａ４は、弧状に形成されており、下方に湾曲している。両区分ａ３，ａ４の接続箇所２２において、曲率線１２の両区分ａ３，ａ４は、接線方向で互いに移行する。すなわち、領域ｂ３は、折れ目が両区分ａ３，ａ４の移行部２２に生じることなく、連続的な延びを有する。全３つの領域ｂ１〜ｂ３は、図１のグラフにおいて、Ｘ軸の上側を延びる。さらに、第１の領域ｂ１は、第３の領域ｂ３より明らかに長く、そしてより強く湾曲している。

図２に示す、背景技術に係るガイドベーン１０の第２の形態では、曲率線１２が、やはり４つの区分ａ１〜ａ４からなる。曲率線１２は、本形態では、Ｘ軸の上側を延びており、本形態では、まず、弧状に上方に上昇した後、他端に向かって徐々に下降している。

曲率線１２の第１の区分ａ１は、本形態では、弧状に下方に湾曲しており、第１の区分ａ１に続く区分ａ２は、弧状に上方に湾曲している。両区分ａ１，ａ２の接続箇所２２において、両区分ａ１及びａ２は、接線方向で互いに移行している。その結果、第１及び第２の区分ａ１，ａ２により形成される第１の領域ｂ１は、連続的な延びを有する。第２の区分ａ２及び第３の区分ａ３からなる第２の領域ｂ２は、やはり連続的な延びを有する。第３の区分ａ３は、やはり弧状に上方に湾曲している。第３の区分ａ３及び第２の区分ａ２は、両区分ａ３，ａ２の接続箇所２２において、その際に折れ目が生じることなく、接線方向で互いに移行している。曲率線１２の第３の領域ｂ３は、第３の区分ａ３及び第４の区分ａ４から形成される。その際、第４の区分ａ４は、弧状に下方に湾曲しており、第３及び第４の区分ａ３，ａ４は、両区分ａ３，ａ４の接続箇所２２において接線方向で互いに移行している。

さらに、図３には、背景技術のガイドベーン形状の第３の形態が示されている。本形態では、ガイドベーン１０が、第１及び第２の形態と同様に４つの区分ａ１〜ａ４からなる。曲率線１２は波形に、まず、弧状にＸ軸の上側を延び、その後、弧状にＸ軸の下側を延びる。

曲率線１２の第１及び第２の区分ａ１，ａ２は、弧状に形成されており、上方に湾曲して延びる。両区分ａ１，ａ２の接続箇所２２において、両第１及び第２の区分ａ１，ａ２は、接線方向で互いに移行している。曲率線１２の第２の領域ｂ２は、第２の区分ａ２及び第３の区分ａ３によって形成される。第３の区分ａ３は、やはり弧状に形成されており、下方に湾曲している。両区分ａ２及びａ３は、両区分ａ２，ａ３の接続箇所２２において接線方向で互いに移行している。その結果、シャープな折れ目はこの領域に生じない。さらに、第３の領域ｂ３は、第３の区分ａ３及び第４の区分ａ４により形成される。第４の区分ａ４は、やはり弧状に、下方に湾曲して形成されている。両区分ａ３，ａ４の接続箇所２２の領域において、第３及び第４の区分ａ３，ａ４は、接線方向で互いに移行している。これにより、領域ｂ１〜ｂ３あるいは曲率線１２は、全体として、背景技術に係るガイドベーン１０の前述した他の両形態と同様に、連続的な延びを有する。

図４には、本発明に係るガイドベーン１０の第１の実施の形態が示されている。ガイドベーン１０は、本実施の形態では、例えば４つの区分ａ１〜ａ４からなる。第１及び第２の区分ａ１，ａ２からなる第１の領域は、連続的な延びを有する。第１及び第２の区分ａ１，ａ２は、本実施の形態では、弧状に形成されており、上方に湾曲している。その際、両区分ａ１，ａ２の接続区分あるいは接続箇所２２において、第１の区分ａ１は、接線方向で第２の区分ａ２に移行している。その結果、折れ目のない連続的な延びが生じる。第２の領域ｂ２は、第２の区分ａ２及び第３の区分ａ３によって形成される。第２及び第３の区分ａ２，ａ３は、それぞれ弧状に形成されており、上方に湾曲している。しかし、区分ａ２及びａ３は、両区分ａ２，ａ３の接続箇所２２において、接線方向で互いに移行しているのではなく、折れ目２４を形成している。第２の領域ｂ２は、このために、背景技術のように連続的な延びを形成しているのではなく、不連続的な延びを形成しているか、あるいはシャープな折れ目２４を両区分ａ２，ａ３の接続箇所２２において有している。第３の領域ｂ３は、第３の区分ａ３及び第４の区分ａ４からなり、本実施の形態では連続的な延びを形成している。その際、第４の区分ａ４は、弧状に形成されており、上方に湾曲している。両区分ａ３，ａ４の接続箇所２２において、第３及び第４の区分ａ３，ａ４は、接線方向で互いに移行している。このことは、本実施の形態ではガイドベーン１０が、第２及び第３の区分ａ２，ａ３が両区分ａ２，ａ３の接続箇所２２において一種の折れ目２４を形成するか、又は接線方向で互いに移行しない、曲率線１２の不連続的な延びを有する領域ｂ２を有することを意味する。これに対して、他の領域ｂ１及びｂ３は、本実施の形態では折れ目を形成せずに、曲率線１２の連続的な延びを有する。

曲率線１２は、本実施の形態では、２つの弧、すなわち、上方に湾曲した、区分ａ１及びａ２からなる孤と、この孤と比較して遥かにフラットに湾曲した、区分ａ３及びａ４からなる別の孤とを形成する。両孤は、両弧の接続箇所２２において折れ目２４を形成している。

さらに、図５には、本発明に係るガイドベーン１０の第２の実施の形態が示されている。ガイドベーン１０の曲率線１２は、第２の実施の形態では、４つの区分ａ１〜ａ４からなる。第１及び第２の区分ａ１，ａ２は、本実施の形態では、弧状に形成されており、上方に湾曲している。両区分ａ１，ａ２の接続箇所２２において、第１及び第２の区分ａ１，ａ２は、接線方向で互いに移行している。その結果、両区分ａ１，ａ２から形成される領域ｂ１は、連続的な延びを有する。第２の領域ｂ２は、第２の区分ａ２及び第３の区分ａ３から形成される。第３の区分ａ３は、やはり上方に湾曲している。しかし、両区分ａ２，ａ３は、両区分ａ２，ａ３の接続箇所２２において、接線方向で互いに移行しているのではなく、図５に示すように一種の折れ目２４を形成している。これにより、第２の領域ｂ２は、不連続的な延びを有する。他方、第３の区分ａ３及び第４の区分ａ４から形成される第３の領域ｂ３は、連続的な延びを有する。両第３及び第４の区分ａ３，ａ４は、本実施の形態では、弧状に形成されており、上方に湾曲している。両区分ａ３，ａ４の接続箇所２２において、両区分ａ３，ａ４は、接線方向で互いに移行している。これにより、本発明に係るガイドベーン１０の曲率線１２は、少なくとも領域ｂ２において不連続的な延びを有する一方、他の両領域ｂ１及びｂ３は、折れ目を形成しない連続的な延びを有する。本発明の第１の実施の形態に対して、本発明の第２の実施の形態では、第１の領域ｂ１又は区分ａ１及びａ２から形成される孤は、より長く形成されている。このため、第３の領域ｂ３又は区分ａ３及びａ４から形成される孤は、第２の実施の形態では、第１の実施の形態のものより短い。

本発明について、前述の２つの有利な実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、多様に変更可能である。特に、弧状の区分の代わりに、例えば直線状の形状（図示せず）を有する区分が、互いに、かつ／又は弧状の区分に、例えばそれぞれのガイドベーンの達成すべき流動パターンに応じて組み合わされてもよい。さらに、ガイドベーンは、２つの区分からなる少なくとも１つの領域を有していてもよいし、又は多数の領域あるいは区分、例えば２つ、３つ、４つ、５つ、６つ又はそれ以上の領域あるいは区分を有していてもよい。その際、任意の形状、配置及び／又は寸法を有する区分が、互いに組み合わされてもよい。同じことは、区分から形成される領域についてもいえる。図４及び図５に示す、本発明に係る両実施の形態において、領域ｂ１〜ｂ３は、それぞれ、実質的にグラフのＸ軸の上側に配置されている。原則的には、曲率線１２の領域あるいは区分は任意に、例えば少なくとも部分的にＸ軸の下側に、例えば図３に背景技術に関して示したように延びていてもよい。選択的には、曲率線１２の領域あるいは区分は、完全にＸ軸の下側を延びていても、部分的にＸ軸上を延びていてもよい。さらに、ガイドベーン１０の曲率線１２における直線状及び弧状の区分は、任意に変更することができる。この場合、原則的には、ガイドベーン１０は、少なくとも１つの若しくは多数の折れ目２４か、又は曲率線１２の個々の曲線区間が接線方向で互いに移行しない箇所を有していてよい。例えば、曲率線１２は、１つ、２つ、３つ、４つ又はそれ以上の折れ目２４か、又は接線方向で延びない移行部を有していてよい。折れ目２４は、機能あるいは使用目的次第で、曲率線１２の任意の位置に設けることができる。

Claims (10)

1. ガイドベーン（１０）、特にターボチャージャのためのガイドベーン（１０）において、当該ガイドベーン（１０）の曲率線（１２）が、不連続的な延びを有する少なくとも１つ又は複数の領域（ｂ１，ｂ２，ｂ３）を有することを特徴とする、ガイドベーン。
2. 前記曲率線（１２）が、互いに結合されている２つの区分（ａ２，ａ３）を有する少なくとも１つの領域（ｂ２）を有しており、両区分（ａ２，ａ３）が両区分の接続箇所（２２）において不連続的に互いに移行しているか、又は接線方向で互いに移行していない、請求項１記載のガイドベーン。
3. 前記曲率線（１２）が、互いに結合されている２つの区分（ａ１，ａ２；ａ３，ａ４）を有する少なくとも１つの領域（ｂ１，ｂ３）を有しており、両区分（ａ１，ａ２；ａ３，ａ４）が両区分の接続箇所（２２）において連続的に互いに移行しているか、又は接線方向で互いに移行している、請求項１又は２記載のガイドベーン。
4. 少なくとも１つの、複数の、又はすべての区分（ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）が、それぞれ同じか、又は異なる形状及び／又は寸法を有している、請求項２又は３記載のガイドベーン。
5. 少なくとも１つの、複数の、又はすべての領域（ｂ１，ｂ２，ｂ３）が、それぞれ同じか、又は異なる形状及び／又は寸法を有している、請求項２から４までのいずれか１項記載のガイドベーン。
6. 当該ガイドベーン（１０）が４つの区分（ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）からなり、第１の区分（ａ１）及び第２の区分（ａ２）が第１の領域（ｂ１）を形成し、両区分（ａ１，ａ２）が両区分の接続箇所（２２）において連続的に互いに移行しており、第２の領域（ｂ２）が第２の区分（ａ２）及び第３の区分（ａ３）により形成され、第２及び第３の区分（ａ２，ａ３）が両区分の接続箇所（２２）において不連続的に互いに移行しているか、又は折れ目（２４）を形成しており、第３の領域（ｂ３）が第３の区分（ａ３）及び第４の区分（ａ４）により形成され、第３及び第４の区分（ａ３，ａ４）が両区分の接続箇所（２２）において連続的に互いに移行している、請求項１から５までのいずれか１項記載のガイドベーン。
7. 第１及び第３の領域（ｂ１，ｂ３）がそれぞれ上方若しくは下方に湾曲しているか、又は両領域（ｂ１，ｂ３）のうちの一方が上方に、他方が下方に湾曲している、請求項６記載のガイドベーン。
8. １つの領域（ｂ１，ｂ２，ｂ３）の一方又は両方の区分（ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）が例えば弧状又は直線状に形成されており、上方若しくは下方に湾曲しているか、又は方向付けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載のガイドベーン。
9. 可変のタービンジオメトリを備えるターボチャージャにおいて、該可変のタービンジオメトリが、請求項１から８までのいずれか１項記載の少なくとも１つ又は複数のガイドベーン（１０）を備えることを特徴とする、可変のタービンジオメトリを備えるターボチャージャ。
10. 可変のタービンジオメトリの少なくとも１つの、複数の、又はすべてのガイドベーン（１０）が、同じか、又は異なる形状を有している、請求項９記載のターボチャージャ。

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