JP2018521259A

JP2018521259A - 脈動最適化流れ制御

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Publication number: JP2018521259A
Application number: JP2017562309A
Authority: JP
Inventors: マルチネス−ボタス，リカルド; カオ，クン
Original assignee: インペリアルイノベ−ションズリミテッド
Priority date: 2015-06-08
Filing date: 2016-06-08
Publication date: 2018-08-02
Also published as: EP3303775A1; GB201509873D0; WO2016198854A1; US20180156060A1

Abstract

翼を含み、回転軸の周りに回転するように構成されたタービンと、タービンと流体連通し、流れガイドベーンを含み、タービンを回転軸の周りに回転させるように流体の流れを相対的な流体流れ角度で導くように構成されている流れ誘導素子とを含み、流れ誘導素子が、流体の流れにおける変動する質量流量から生じるタービン入口での相対的な流体流れ角度の変動を変更するように、タービンと同じ回転軸の周りを回転するように構成されている、可変質量流量を有する流体の流れをタービンに導くための流れ制御アセンブリ。
【選択図】図２

Description

本開示は、可変質量流量を有する流体の流れをタービンに導くための方法および流れ制御アセンブリに関する。実施形態では、本開示は、流れ制御アセンブリを含むターボチャージャ、およびターボチャージャを含むエンジンに関する。

ガソリンおよびディーゼルの内燃機関のターボチャージャは、エンジンの燃焼室に送られる吸気流を加圧するために、エンジンから出る排気ガスの熱および流量を利用する。具体的には、エンジンから出る排気ガスは、排気ガス駆動タービンをハウジング内で回転させるようにターボチャージャのタービンに送られる。タービンは、シャフトの一端に取り付けられたラジアルエアコンプレッサに共通のシャフトの他端に取り付けられている。したがって、タービンの回転動作は、さらに、エアコンプレッサを、排気ハウジングとは別のターボチャージャのコンプレッサハウジング内で回転させる。エアコンプレッサの回転動作は、吸入空気をコンプレッサハウジングに流入させ、燃料が混合されてエンジン燃焼室内で燃焼する前に加圧される。

ターボチャージャ技術は、発電プラント、車両、船舶、および電力出力を向上させるための他のアプリケーションなど、さまざまなアプリケーションに幅広く使用されている。往復運動式内燃機関の例では、排気ガス中のエネルギーを用いてエンジン出力を４０％以上増加させることができる。ディーゼルエンジンとスパーク点火エンジンの両方のエンジン技術の最近の発展に伴い、過去数十年に渡って絶えず厳しくなる排出規制のもと、ターボチャージャのルネッサンスが業界で現在進行中である。

内燃機関のターボチャージャタービンには、往復運動エンジンの排気流れの性質により、連続的に脈動する流れが供給される。この脈動によってタービンの性能が低下することが一般に認められている。重大なことに、脈動排気流れと回転動力学ターボ機械との間のこのような不合理は、ターボチャージャが流体の非定常流れに含まれる全エネルギーポテンシャルを利用することができず、最適ではない部品を選択することを意味するが、このことはターボチャージャの性能を低下させ、環境全体への影響をより高める。この問題は、燃焼エンジン内のターボチャージャ、およびより一般的には流体の流れが可変である場合のターボチャージャ両方において、より優れた性能を有する新技術を開発する必要性を意味する。

第１の態様によれば、可変質量流量を有する流体の流れをタービンに導くための流れ制御アセンブリであって、翼（ｂｌａｄｅ）を含み、回転軸の周りに回転するように構成されたタービンと、タービンと流体連通し、流れガイドベーン（ｖａｎｅ）を含み、タービンを回転軸の周りに回転させるように流体の流れを相対的な流体流れ角度で導くように構成されている流れ誘導素子とを含み、流れ誘導素子が、流体の流れにおける変動する質量流量に起因するタービン入口での相対的な流体流れ角度の変量を変更するように、タービンと同じ回転軸の周りを回転するように構成されている、流れ制御アセンブリを提供する。

本発明者らは、ターボチャージシステムのようなシステムは、非常に動的な流体流れ、特に、可変質量流量を有する流体流れの受動的レシーバであることができ、たとえば、質量流量が内燃機関の排気サイクルによって変動することを認識している。しかしながら、たとえば、ターボチャージャシステムの設計は、定常ターボ機械部品マップを利用することができるだけであり、したがって、準定常運転のラインに沿ったシステムの設計、整合および最終的な設置をせざるを得ない。

タービンへの流体の質量流量の変動によってもたらされる実際的な結果として、質量流量が変動するにつれてタービンの回転翼に対する流れ角度がずれる。したがって、流れ角度は調和した最適点で安定しておらず、非効率につながる。第１の態様は、これに対処するために流れ角度の変動を制御することができる。通常、タービン翼の形状が固定されているので、相対的な流れを直接制御することは困難である。しかし、タービンと流体連通している流れ誘導素子を回転させることによって、絶対的な流れ角度を調節することによって相対的な流れ角度の変動を減少させることができる。入射（ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ：Ｉ）は、相対的な入口流れ角度と入口翼角度との間の差として定義される。

ここで、β₃はタービン入口での相対的な流れ角度であり、β_bはタービン翼の入口翼角度である。

β_bは一般にあらかじめ定義されているので、β₃のずれにより、タービンが「設計外」で動作しているところで発生する入射損失を引き起こす。換言すれば、相対的な流れ角度が変動する場合、入射値が変化し、タービンでエネルギーを回転エネルギーに変換する際の効率の損失が起こる。この効率低下の原因としては、流体が固体翼に衝突し、その結果流れが剥離し、再循環の結果となることである。

この問題に対処するために、タービン翼上への流れを導くための新しいアプローチが示されている。静止ノズルリングがタービンの周囲に配置される従来のアプローチとは異なり、本開示の流れ制御アセンブリは、タービンと同じ回転軸の周りを回転するように構成される。この新しい流れ制御方法の起点は、可変可能な非定常排気流れの大きさが、回転流れ制御アセンブリによって絶対的な流れ角度の変動に変換され得るという事実に基づいている。したがって、相対的な流れ角度の変動を低減し、それによってタービンの効率を改善することが可能であるという利点がある。

第２の態様によれば、流体の流れは脈動する排気ガスである、第１の態様の流れ制御アセンブリを含むターボチャージャが提供される。

先行技術において変動する質量流量がタービン入口に到着する配置の一例は、内燃機関から出る非定常排気ガスの流れに関する図１に見ることができる。

特に、図１に示すように、排気マニホールドにおける排気ガス圧力は、クランク角度に基づいて周期的に脈動することが分かる。したがって、内燃機関の一連の動作により、エンジンを出る排気ガスが複数の圧力のピークとトラフ（ｔｒｏｕｇｈ）を有する結果となる。したがって、ターボチャージャに入るガスの質量流量は固定されず、ピーク質量流量とトラフ質量流量との間で振動する。この質量流量の変化は、タービン入口における絶対的な流速の変動、したがってタービンが回転するときのタービンにおけるガスの相対的な流れ角度の変動をもたらす。タービン入口での排気ガスの相対的な流れは質量流量に応じて変動するので、タービンの相対的な流れ角度が最適化された角度からずれる場合、タービンの効率は低下する。

相対的な流れ角度β₃におけるこの最適下限偏差は、タービン入口における流体の質量流量の変化によって引き起こされることが理解されよう。したがって、タービン効率が低下する問題は、内燃機関から排気ガスを受け取るように構成されたターボチャージャのみに限定されない。むしろ、この問題は、タービンへの質量流量が変動するかまたは不安定である場合いつでも発生する。

したがって、本開示は、内燃機関用のターボチャージャ以外の用途も有し、より一般的には、タービン入口における流体の相対的な流れ角度がタービンの入口翼角度β_bに対して変動する流体の任意の不規則な質量流量または変動する質量流量を最適化するために適用される。

流れ制御アセンブリはターボチャージャに適用されるが、流れ制御アセンブリは、ガスタービンや風力タービンなどの多くの異なる用途に利用し得ることが理解されよう。他の例として、可変流動条件に供され得る航空機エンジンを含む。

第３の態様によれば、第２の態様によるターボチャージャを含むエンジンが提供される。第４の態様によれば、第３の態様によるエンジンを含む車両が提供される。

多くの異なる用途が第２の態様によるターボチャージャについて考えられる。たとえば、ターボチャージャは、自動車、トラック、トラクタ、タンク、オートバイ、船、船舶および他の自動車両を含む多数の異なるタイプの乗り物のエンジンの一部として使用することができる。

第５の態様によれば、可変質量流量を有する流体の流れを、翼を含み、回転軸の周りに回転するように構成されたタービンに導き、タービンと流体連通し、流れガイドベーンを含み、タービンを回転軸の周りに回転させるように流体の流れを相対的な流体流れ角度で導くように構成されている、流れ誘導素子を使用する方法であって、流れ誘導素子を、流体の流れにおける変動する質量流量に起因するタービン入口での相対的な流体流れ角度の変量を変更するように、タービンと同じ回転軸の周りを回転させることを含む方法を提供する。

理解されるように、流体の流れにおける変動する質量流量に起因するタービン入口での相対的な流体流れ角度の変動は、流れ誘導素子をタービンと同じ回転軸の周りに回転させることによって減少させることができる。

タービンは、複数の翼を含むものでもよく、流れ誘導素子は、互いに変位された複数の流れガイドベーンを含む。

タービンおよび流れ誘導素子の回転は、回転軸の周りで同じ方向であってもよく、回転軸の周りで異なる方向であってもよい。

流れ誘導素子の回転は、アクチュエータによって制御されてもよい。アクチュエータは、流体の流れの質量流量に基づいて流れ誘導素子の回転速度を変動させるように構成されてもよい。アクチュエータは、トラフ質量流量よりもピーク質量流量において、より高速で流れ誘導素子を回転させるように構成されてもよい。アクチュエータは、トラフ質量流量よりもピーク質量流量において、より低い速度で流れ誘導素子を回転させるように構成されてもよい。

アクチュエータは、流れ誘導素子を固定速度で回転させるように構成されてもよい。固定速度は、タービンの回転速度以下であってもよく、１５０回転／秒以下であってもよい。

流れ誘導素子の回転は、流体の流れによって駆動されてもよい。

流れ誘導素子は、リング形状であってもよく、タービンの周囲に配置されてもよい。

流れ誘導素子は、タービンに対して軸方向に変位するものでもよい。そのような場合、タービンは軸流タービンであってもよい。

実施形態について、添付の図面を参照して、実施例としてのみ以下に説明する。

自動車型のバルブタイミングを有する内燃機関マニホールド内の排気圧力トレースを示すグラフである。一実施例における流れ制御アセンブリの断面図である。トラフ質量流量において、静止した従来技術のノズルリングを通過する流体速度を示す速度三角形図である。トラフ質量流量において、図３ａの静止した従来技術のノズルリングを通過する回転タービンにおける流体速度を示す速度三角形図である。ピーク質量流量において、静止した従来技術のノズルリングを通過する流体速度を示す速度三角形図である。ピーク質量流量において、図４ａの静止した従来技術のノズルリングを通過した回転タービンにおける流体速度を示す速度三角形図である。トラフ質量流量において、本開示の一実施例における回転流れ誘導素子を通過する流体速度を示す速度三角形図である。トラフ質量流量において、図５ａの回転流れ誘導素子を通過した回転タービンにおける流体速度を示す速度三角形図である。ピーク質量流量において、本開示の一実施例における回転流れ誘導素子を通過する流体の速度を示す速度三角形図である。ピーク質量流量において、図６ａの回転流れ誘導素子を通過した回転タービンにおける流体速度を示す速度三角形図である。図５ｂおよび図６ｂの回転タービンにおける流体速度を示す複合速度三角形図である。トラフ質量流量において、ターボ・モードとコンプレッサ・モードの両方における流れ誘導素子の回転速度の関数としてのタービン段効率（ｔｕｒｂｉｎｅｓｔａｇｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を示す。ピーク質量流量において、ターボ・モードとコンプレッサ・モードの両方における流れ誘導素子の回転速度の関数としてのタービン段効率を示す。トラフ質量流量において、ターボ・モードとコンプレッサ・モードの両方における流れ誘導素子の回転速度の関数としての出力を示す。ピーク質量流量において、ターボ・モードとコンプレッサ・モードの両方における流れ誘導素子の回転速度の関数としての出力を示す。

以下の実施形態は、一般に、タービンを回転させるようにタービン上に流体の流れを導く流れ制御アセンブリに関する。

本開示の一実施例における流れ制御アセンブリ１００の断面図を図２に示す。流れ制御アセンブリ１００は、回転軸１５０を中心に回転するように構成されたタービン１１０を含む。タービン１１０は、翼１１５を横切る流体の流れに応答してタービン１１０を軸１５０の周りに回転させるように構成された少なくとも１つの翼１１５を含む。

流れ制御アセンブリ１００は、さらに、タービン１１０と流体連通し、流れ誘導素子１２０の周囲に分離配置された少なくとも１つの流れガイドベーン１２５を含む流れ誘導素子１２０を含む。流れガイドベーン１２５は、流体をタービン１１０の翼１１５に導くノズルなどの成形素子である。流れ誘導素子１２０は、タービン入口への流体の流れを導くように作用する１つ以上のノズルを有するノズルリングの形状であってもよい。

ベーン１２５および翼１１５は、エーロフォイル（ａｅｒｏｆｏｉｌ）として作用するように、圧力面および吸引面を含むものでもよい。

流れ誘導素子１２０は、タービン１１０の上流に配置され、回転軸１５０の周りでタービンを回転させるために、タービンの翼１１５上に流体の流れを導くように構成される。

流れ誘導素子１２０は、タービン１１０と同じ回転軸の周りに回転するように構成され、流体の流れにおける変動する質量流量に起因するタービン入口における相対的な流体流れ角度の変量を変化させるか、または減少させる。

図２の例では、流れ誘導素子１２０は、タービン１１０の周囲に到着する流体をタービン１１０の翼１１５上に導くために、タービン１１０の外周の周りに配置される。たとえば、内燃機関用のターボチャージャは、図２に示すように配置された流れ制御アセンブリを含むものでもよい。

上述したように、タービンの非効率的な動作は、翼の回転に対する流体の流れ角β₃が最適状態ではない場合に生じ得る。相対的な流れ角度におけるこの変動は、図３ａ、図３ｂ、図３ｃ、および図３ｄにおいてさらに詳細に示される。

従来技術の配置では、静止ノズルリング１４０をタービンの周囲に配置してもよい。図３ａは、このような従来技術のノズルリング１４０の速度三角形を示しており、ここではノズルリングはタービンの周囲の周りに配置されている。図２の構成とは異なり、図３ａの従来技術のノズルリング１４０は、回転軸に対して固定されており、したがって回転することができない。

図３ａの構成では、トラフ質量流量において静止ノズルリング１４０に流入する流体の絶対的な流速をＣ１_minと定義する。図３ａにも示すように、トラフ質量流量において静止ノズルリング１４０から流出する流体の絶対的な流速は、Ｃ２_minと定義される。ノズルリング１４０が静止しているので、ノズルリング１４０に流入してそこから流出する相対的な流れの角度は対応する絶対値と同じであるため、ノズルリング１４０に対する流れ角度は示されない。

図３ｂでは、図３ａのノズルリングを通過した流体がタービン入口に到達する。回転タービン１１０上に流れる流体の絶対的な流速、すなわちタービン入口での絶対的な流速はＣ３_minと定義される。タービン１１０の回転速度Ｕに対する回転タービン１１０上に流れる流体の流速（ｍ／ｓ）は、Ｗ３_minによって定義される。図３ｂによって定義されるように、絶対的な流れ角度αおよび相対的な流れ角度βは、タービンの回転速度および絶対的な流速Ｃ３_minに基づいて決定される。

図３ａと図３ｂの配置は、流体のトラフ質量流量における流体の相対的な流れ角度を示す。図４ａおよび図４ｂは、流体の質量流量がトラフ質量流量ではなくピーク質量流量であるという点を除いて、図３ａおよび３ｂの配置に対応する配置の速度三角形を示す。

図４ａは、固定ノズルリング１４０に入る絶対的な流速をＣ１_maxおよびそこから出る絶対的な流速をＣ２_maxで示す。図４ｂはまた、回転タービン１１０に流れる絶対的な流速Ｃ３_maxを示す。

図４ｂはまた、タービン１１０の回転速度Ｕに対して回転タービン１１０上に流れる流体の流速Ｗ３_maxを示す。図３ａおよび図４ａから分かるように、ピーク質量流量Ｃ２_maxでの絶対的な流速は、トラフ質量流量Ｃ２_minでの絶対的な流速よりも大きい。したがって、タービン入口における相対的な流速Ｗ３_maxおよびＷ３_minは、タービン入口における流体の絶対的な流速に応じて異なる。したがって、任意の点における相対的な流速はＷ３_maxとＷ３_minとの間にある。

図３ｂおよび図４ｂの配置から分かるように、タービン入口における相対的な流れ角度βは、質量流量に応じて変化する。タービン１１０の翼１１５上への最適な相対的な流れ角度からのずれは、入射損失によるタービンの非効率的な運転をもたらす。（式１参照）したがって、タービン１１０の効率を上げるために、βの変動を低減することが望ましい。

図５は、流れ誘導素子１２０がタービン１１０の翼１１５上に流体の流れを導くように構成された少なくとも１つのベーン１２５を含む、本開示による流れ制御アセンブリの一実施例を示す。図５の配置では、速度Ｕ_n1で回転するように構成された流れ制御アセンブリ１２０の速度三角形図が示されている。

図５ａは、流体がトラフ質量流量では、絶対的な流速Ｃ１_minおよび相対的な流速Ｗ１_minで回転流れ誘導素子１２０に入る配置を示す。理解されるように、図５ａの回転流れ誘導素子１２０に入る相対的な流れ角度Ｗ１_minは、流れ誘導素子１２０が回転しているので、図３ａの静止ノズル１４０の場合の相対的な流れ角度Ｗ１_minとは異なる。流れ誘導素子１２０を出る絶対的な流れはＣ２_minとして図５ａに示され、流れ誘導素子１２０に対する流体の流れはＷ２_minとして定義される。図５ｂは、タービン入口において得られた絶対的な流速Ｃ３_minおよび相対的な流速Ｗ’３_minを示す。図５ｂから分かるように、図３のノズルリング１４０が図５の例示的な流れ制御アセンブリの代わりに使用される場合のタービン翼に到着する対応する流れ角度と比較すると、タービン１１０に対するトラフ質量流量での流体の相対的な流れ角度が変更される。

ピーク質量流量の対応する配置は図６ａに図示されているが、ここで流れ誘導素子に入る絶対的な流速Ｃ１_maxおよび相対的な流速Ｗ１_max、ならびに流れ誘導素子から出る絶対的な流速Ｃ２_maxおよび相対的な流速Ｗ２_maxを定義する。同様に、流れ制御アセンブリ１２０の回転により、図３の従来技術のノズルリング１４０が図５の流れ誘導素子１２０の代わりに使用される場合のタービン入口における対応する流れ角度と比較して、ピーク質量流量におけるタービン１１０に対する相対的な流れ角度が変更される。

図５ｂおよび図６ｂに示されるピーク質量流量およびトラフ質量流量の両方における相対的な流れ角度および絶対的な流れ角度を、説明のために図７に重ね合わせて示す。

図７では、静止ノズルリング１４０が使用される配置（図３参照）の相対的な流れ角度の変動がΔβによって示されている。同様に、流れ制御アセンブリ１２０を使用する配置に対するピーク質量流量とトラフ質量流量との間の相対的な流れ角度の変動がΔβ’で示される。

図７から分かるように、Δβ’はΔβより小さい。換言すれば、流れ誘導素子１２０が静止ノズルリング１４０の代わりに使用されるとき、タービン入口における相対的な流れ角度の全体的な変動が低減される。したがって、タービンの効率が向上する。

流れ誘導素子１２０から出てタービン入口における流体の絶対的な流れは、静止ノズルリング１４０の場合よりもトラフ質量流量において、より接線方向である。同様に、流れ誘導素子１２０から出たタービン入口での流体の絶対的な流れは、静止ノズルリング１４０の場合よりもピーク質量流量において、より半径方向である。したがって、タービン入口での相対的な流れ角度の変動は低減される。

[回転モード]
上記の例で述べたように、流れ制御アセンブリ１２０は、進入流体をタービン１１０の翼１１５上に導くために、タービン１００と同じ回転軸の周りに回転するように構成される。流れ制御アセンブリ１２０を回転軸の周りに回転させるための異なるアプローチが想定されており、以下でさらに詳細に説明する。

第１回転モードでは、外部アクチュエータが、流れ誘導素子１２０を回転軸の周りに回転させるために使用される。この第１モードでは、流れ誘導ベーン１２５の圧力面および吸入面の配置は、タービン１１０の翼１１５のそれと対向している。流体が流れ誘導ベーン１２５の上を流れるにつれて、流れガイドベーン１１５の圧力面と吸入面との間の圧力差によって流れ誘導素子１２０に加えられるトルクの方向は、タービン１１０の方向と反対である。したがって、外部アクチュエータは、負のトルクを克服し、流れ誘導素子１２０がタービンに対し好適に回転するのを可能にするために使用される。この配置を、本明細書において「コンプレッサ・モード」と称する。

アクチュエータは、電気モータのような、回転軸の周りで流れ誘導素子を回転させる任意の外部動力手段であってもよい。

コンプレッサ・モードは、アクチュエータを使用して、流れ誘導素子の回転速度を回転軸廻りに制御することができるので有利である。しかしながら、このように駆動される流れ誘導素子１２０は、流れ誘導素子１２０を回転させるために外部電力が必要とされるので、エネルギー消費するものとみなされ得る。

流れ誘導素子１２０の流れガイドベーン１２５は、外部動力コンプレッサ・モードで使用されるとき、「前方ベーン」または「後方ベーン」として構成されてもよい。具体的には、「前方ベーン」は、流れ誘導素子１２０を上流の排気流れに好適に回転させるように構成され、「後方ベーン」は、流れ誘導素子１２０を排気流れの方に回転させるように構成される。

以上と異なり、動作の第２モードでは、流れ誘導素子１２０を回転させるために外部電力を供給する必要がない。代わりに、圧力面と吸入面との間の圧力差によってベーン１２５に加えられるトルクの方向が、タービン１１０のトルクと同じであるように、流れガイドベーン１２５は、圧力面と吸着面の位置が上記コンプレッサ・モードと異なるように構成される。したがって、流れ誘導素子１２０は、外部アクチュエータを必要とせずにタービン１１０に好適に回転することができる。流れガイドベーン１２５を通過する流体流れは、流れ誘導素子１２０を回転させる。この配置を、本明細書において「ターボ・モード」と称する。

[回転方向]
タービン１１０の回転方向に対して流れ誘導素子１２０の回転方向を選択して、タービン１１０の入口における相対的な流れ角度を適合させることも可能である。

具体的には、上述の前方ベーンおよび後方ベーンに基づき４つの構成が可能である。

第１の構成はタービンと同じ回転方向に回転する流れ誘導素子１２０上の前方ベーンを使用するものである。第２の構成は、タービンに対して反対の回転方向に回転する流れ誘導素子１２０上の前方ベーンを使用するものである。第３の構成では、タービンと同じ回転方向に回転する流れ誘導素子１２０上の後方ベーンである。第４の構成は、タービンとは反対の回転方向に回転する流れ誘導素子１２０上の後方ベーンを使用するものである。

これらの４つの構成は、いずれも、変動する質量流量に従い流れ角度を適宜調整することができる。これらの構成の違いは、流れ角度調整の方向である。第１および第２の構成では、流れ誘導素子１２０からの流れ角度は、高い質量流量よりも低い質量流量においてより大きくなる。

第３および第４の構成では、流れ誘導素子１２０からの流れ角度は、高い質量流量よりも低い質量流量においてより小さくなり、このことはターボチャージャタービンには適さないかもしれないが、他の適用例には、適することができる。

当業者であれば、外部電源を使用して、設計要件に従い流れ誘導素子１２０の動きを駆動させてもよいことを認識するであろう。

[回転速度]
いくつかの構成において、流れ誘導素子１２０の回転速度は一定であってもよい。たとえば、流れ誘導素子１２０を、アクチュエータによって、ゼロ回転／秒より大きく、タービン１１０の回転速度までの任意の回転速度で回転させてもよい。

図５から図９の速度三角形解析によって示されるように、より高い回転速度は、一般に、相対的な角度流れの変動の減少を有利に増加させる。しかし、流れ誘導素子の回転速度の増加に伴って流れ誘導素子の入射損失も増加し、実際の適用では摩擦損失も増加する。これらの損失は、流れ誘導素子の利点を相殺する。したがって、ノズルの回転速度は毎秒１５０回転以下であることが好ましい。しかしながら、他の回転速度も想定される。

可変回転速度を用いてタービン入口における相対的な流れ角度の変動を制御することも可能である。

相対的な流れ角度β₃のずれを制御する第１のアプローチは、トラフ質量流量での流れ誘導素子１２０の回転速度と比較して、流れ誘導素子１２０への質量流量がピークにあるとき、流れ誘導素子１２０をより低い回転速度で回転させることである。

相対的な流れ角度β₃のずれを制御する第２のアプローチは、トラフ質量流量での流れ誘導素子１２０の回転速度と比較して、流れ誘導素子１２０への質量流量がピークにあるとき、流れ誘導素子１２０をより高い回転速度で回転させることである。

第１のアプローチでは、流れ誘導素子１２０からの絶対的な流れ角度は、固定ノズルリングまたは一定の回転速度における流れ誘導素子１２０と比較して、トラフ質量流量で大きくなり、高質量流量で小さくなる。これにより、変動する相対的な流れ角度のさらなる減少がもたらされ、故にタービン回転の効率が向上する。第２のアプローチでは、流れ誘導素子１２０からの絶対的な流れ角度は、固定回転速度と比較してトラフ質量流量で小さくなり、ピーク質量流量では大きくなる。このアプローチはターボチャージャタービンには有利ではないかもしれないが、他の用途には適している。

ある構成では、流れ誘導素子は、ピーク質量流れの下で静的であり、質量流量が減少するにつれて、トラフ質量流量の下でピーク回転速度に達するまで流れ誘導素子は徐々に加速し、質量流量が増加するにつれて再び減速する。この方法では、内側タービン入口における相対的な流れ方向を、ピークタービン効率を伴う設計ポイントに正確に維持することができることが分かる。

[計算結果]
本開示の例示的な流れ制御アセンブリの性能をシミュレートするために、計算流体力学（ＣＦＤ）モデルを使用した。タービンの以下のパラメータを使用した。

ＣＦＤモデルの２つの主要な構成要素、すなわち流れ誘導素子とタービンは、構造六面体メッシュでメッシュされ、各構成要素について以下のメッシュ統計を与えた。

流れ制御アセンブリへの変動する質量流量をシミュレーションするために、以下の境界条件およびセットアップパラメータを使用した。

上記のパラメータは、単に流れ制御アセンブリの性能をシミュレーションするために使用されることが理解されるであろう。上記パラメータは、限定的なものではなく、流れ制御アセンブリの性能に影響を与えることなく、多くの異なるパラメータが変更されてもよい。

このモデルを使用して、上述のコンプレッサおよびタービンの回転モードを評価した。これらのモードの評価結果を図８ａ、８ｂ、９ａおよび９ｂに示す。

流れ制御アセンブリの効率の評価は、図８ａおよび図８ｂに示されており、タービン段の効率を流れ誘導素子１２０の回転速度、この場合はノズルリングの回転速度の関数として示す。図８ａは、トラフ質量流量におけるタービン段の効率を示し、図８ｂは、ピーク質量流量におけるタービン段の効率を示す。

シミュレーション結果から分かるように、ターボ・モードで動作する流れ制御アセンブリは、流れ誘導素子が１２０ｒｐｓで回転する場合に特に高い効率をもたらす。この構成は、トラフ質量流れで７．２％の効率アップとピーク質量流れで３．３％の効率アップをもたらす。コンプレッサ・モードでは、流れ制御アセンブリは、５０ｒｐｓで特に高い効率を提供し、トラフ質量流量で２．５％の効率アップおよびピーク質量流量で０．９％の効率アップとなる。

図９ａおよび図９ｂは、タービンの動力出力も、上述したターボ・モードおよびコンプレッサ・モードの両方を使用して増加することを示す。コンプレッサ・モードでは、最高性能点とみなし得る５０ｒｐｓでの出力アップは、トラフ質量流れで１３．１％、ピーク質量流れで６．０４％である。ターボ・モードでは、１２０ｒｐｓでの出力アップはトラフ質量流れで３４．７％、ピーク質量流れで１８．５％である。

流れ誘導素子１２０は、タービン１１０から物理的に分離されてもよい。流れ誘導素子１２０は、タービン１１０とは独立して回転するように構成されてもよい。

図２に示すタービン１１０と流れ誘導素子１２０との相対的な物理的配置は必須ではなく、他の構成も考えられる。具体的には、いくつかの構成では、翼上への流体の流れは、たとえば航空宇宙用途において、タービン１１０および流れ誘導素子１２０の回転軸と実質的に平行であってもよい。そのような構成で、流れ誘導素子１２０は、タービン１１０から軸方向に変位することができる。したがって、流れ誘導素子１２０は、タービン１１０の翼１１５上に流体を軸方向に導くことができる。

当業者であれば、他の変形および修正が明らかであろう。そのような変形および修正は、すでに知られている、あるいは本明細書に記載された特徴に代えて、またはそれに加えて、使用されることができる等価な特徴および他の特徴を含むものでもよい。別々の実施形態の文脈で説明される特徴は、単一の実施形態において組み合わせて提供されてもよい。逆に、単一の実施形態の文脈で説明されている特徴は、別個にまたは任意の適切なサブコンビネーションにおいて提供されてもよい。なお、「を含む」という用語は、他の要素またはステップを排除せず、「１つの」という用語は複数を排除せず、単一の特徴が特許請求の範囲に記載の複数の特徴の機能を実現してもよく、特許請求の範囲における参照記号は特許請求の範囲を限定するものと解釈してはならないことに留意すべきである。また、図面は必ずしも実寸ではなく、代わりに通常は本発明の原理を説明する際に強調がなされていることにも留意すべきである。

Claims

可変質量流量を有する流体の流れをタービンに導くための流れ制御アセンブリであって、
翼を含み、回転軸の周りに回転するように構成されたタービンと、
前記タービンと流体連通し、流れガイドベーンを含み、前記タービンを回転軸の周りに回転させるように流体の流れを相対的な流体流れ角度で導くように構成されている流れ誘導素子とを含み、
前記流れ誘導素子が、前記流体の流れにおける変動する質量流量に起因するタービン入口での前記相対的な流体流れ角度の変動を変更するように、前記タービンと同じ回転軸の周りを回転するように構成されている、流れ制御アセンブリ。
前記流体の流れにおける変動する質量流量に起因するタービン入口での前記相対的な流体流れ角度の変動が低減される、請求項１に記載の流れ制御アセンブリ。
前記タービンは、複数の翼を含み、前記流れ誘導素子は互いに変位した複数の流れガイドベーンを含む、請求項１または請求項２に記載の流れ制御アセンブリ。
前記タービンおよび前記流れ誘導素子の回転が前記回転軸の周りで同じ方向にある、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の流れ制御アセンブリ。
前記タービンおよび前記流れ誘導素子の回転が前記回転軸の周りで異なる方向にある、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の流れ制御アセンブリ。
前記流れ誘導素子の回転が、アクチュエータによって制御される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の流れ制御アセンブリ。
前記アクチュエータが、前記流体の流れの前記質量流量に基づいて前記流れ誘導素子の回転速度を変動させるように構成される、請求項６に記載の流れ制御アセンブリ。
前記アクチュエータが、ピーク質量流量で、トラフ質量流量よりも高い速度で前記流れ誘導素子を回転させるように構成される、請求項６または請求項７に記載の流れ制御アセンブリ。
前記アクチュエータが、ピーク質量流量で、トラフ質量流量よりも低い速度で前記流れ誘導素子を回転させるように構成される、請求項６または請求項７に記載の流れ制御アセンブリ。
前記アクチュエータが、前記流れ誘導素子を固定速度で回転させるように構成される、請求項６に記載の流れ制御アセンブリ。
前記固定速度が前記タービンの回転速度以下である、請求項１０に記載の流れ制御アセンブリ。
前記固定速度が１５０回転／秒であるかまたはそれに等しい、請求項１０または請求項１１に記載の流れ制御アセンブリ。
前記流れ誘導素子の回転が前記流体の流れによって駆動される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の流れ制御アセンブリ。
前記流れ誘導素子がリング形状であり、前記タービンの周囲に配置される、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の流れ制御アセンブリ。
前記流れ誘導素子が前記タービンに対して軸方向に変位する、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の流れ制御アセンブリ。
前記流体の流れは脈動する排気ガスである、請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の流れ制御アセンブリを含むターボチャージャ。
請求項１６に記載のターボチャージャを含むエンジン。
請求項１７に記載のエンジンを含む車両。
可変質量流量を有する流体の流れを、翼を含み、回転軸の周りに回転するように構成されたタービンに導き、前記タービンと流体連通し、流れガイドベーンを含み、前記タービンを回転軸の周りに回転させるように流体の流れを相対的な流体流れ角度で導くように構成されている、流れ誘導素子を使用する方法であって、
前記流れ誘導素子を、前記流体の流れにおける変動する質量流量に起因するタービン入口での前記相対的な流体流れ角度の変動を変更するように、前記タービンと同じ回転軸の周りを回転させることを含む方法。
前記流体の流れにおける変動する質量流量に起因するタービン入口での前記相対的な流体流れ角度の変動が低減される、請求項１９に記載の方法。
前記タービンは、複数の翼を含み、前記流れ誘導素子は、お互い変位した複数の流れガイドベーンを含む、請求項１９または請求項２０に記載の方法。
前記流れ誘導素子を前記回転軸の周りに前記タービンと同じ回転方向に回転させることをさらに含む、請求項１６から請求項２１のいずれか１項に記載の方法。
前記流れ誘導素子を前記回転軸の周りに前記タービンと異なる回転方向に回転させることをさらに含む、請求項１６から請求項２１のいずれか１項に記載の方法。
アクチュエータを使って前記流れ誘導素子を回転させることをさらに含む、請求項１６から請求項２３のいずれか１項に記載の方法。
前記ガス流れの前記質量流量に基づいて前記流れ誘導素子の前記回転速度を変動させることをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
前記流れ誘導素子を、トラフ質量流量よりもピーク質量流量において、より高速で回転させることを含む、請求項２４または請求項２５に記載の方法。
前記流れ誘導素子を、トラフ質量流量よりもピーク質量流量において、より低い速度で回転させることを含む、請求項２４または請求項２５に記載の方法。
前記流れ誘導素子を固定速度で回転させることをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
前記固定速度がタービンの回転速度以下である、請求項２８に記載の方法。
前記固定速度が１５０回転／秒以下である、請求項２８または請求項２９に記載の方法。
前記流れ誘導素子の回転が、前記ガス流れによって駆動される、請求項１９から請求項２３のいずれか１項に記載の方法。
前記流れ誘導素子がリング形状であり、前記タービンの周囲に配置される、請求項１９から請求項３１のいずれか１項に記載の方法。
前記流れ誘導素子が前記タービンに対して軸方向に変位する、請求項１９から請求項３１のいずれか１項に記載の方法。