JP3605398B2 - Variable capacity turbocharger - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、過給機、小型ガスタービン、エキスパンダタービン等の可変容量ターボチャージャに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の可変容量ターボチャージャにつき、図6から図10に基づき説明する。図6は、一般的な可変容量ターボチャージャの縦断面図であり、図7は図6中A−A矢視によるノズルベーンの操作説明図、図8は図7と同じ面を示すノズルベーンにおける圧力作用の説明図、図9は図7と同じ面を示す従来の流体力学的設計のノズルベーンの断面説明図であり、(a)はノズルベーンが閉じた状態、(b)はノズルベーンの断面形状の拡大図である。図10(a)はノズルベーンにおけるピボットの位置の説明図、(b)は従来の流体力学的設計のノズルベーンに作用するピボット回りのモーメントの説明図である。
【0003】
図6に示すように、一般に可変容量ターボチャージャ30は、軸受ハウジング31内に軸受32に回転支持されたタービンロータ33を挿通させ、タービンロータ33の一端側に取り付けられたコンプレッサホイール34を囲んで覆うようにコンプレッサケーシング35が軸受ハウジング31に取り付けられている。一方、タービンロータ33の他端側には、タービンホイール36が取り付けられ、タービンホイール36を囲んで覆うようにタービンケーシング37が軸受ハウジング31に取り付けられている。
【0004】
タービンケーシング37の内側には、タービンロータ33の回転軸心41回りにタービンホイール36の外周を囲むようにスクロール通路40が形成されている。また、スクロール通路40の外周側には概ねスクロール通路40の接線方向に沿った排気ガス入口38が設けられ、タービンロータ33の回転軸心41に沿って排気ガス出口39が設けられている。
【0005】
可変容量ターボチャージャ30の駆動流体としての排気ガスgは、排気ガス入口38からスクロール通路40に入り、スクロール通路40を通り、スクロール通路40の内周側に周方向に等ピッチで設けられたノズルベーン1によって流量を可変に調整されてタービンホイール36に流入し、タービンホイール36を回転駆動し、排気ガス出口39から排出される。一方コンプレッサホイール34は、タービンホイール36によって回転駆動され、空気a等の圧送に用いられる。
【0006】
ノズルベーン1はピボット3によってノズルマウント2に回動制御自在に取り付けられており、可変ノズル機構4によって回動制御され、ノズルベーン1が隣り合うノズルベーン1との間にスクロール通路40からタービンホイールへ排気ガスgが流入すノズルスロート5を形成し、ノズルスロート5はその流路の開度がノズルベーン1のピボット3回りの回動により制御される。
【0007】
図6中A−A矢視断面を示す図7に示すように、ノズルベーン1のピボット3は、回転軸心41回りのピボットピッチサークル6上に等間隔に位置しており、ノズルベーン1はピボット3を回動軸として、排気ガスgの小流量時には(a)に示すようなノズルスロート5を閉じる方向へ、また、排気ガスgの大流量時には(b)に示すようなノズルスロート5を開く方向へと回動制御される。
【0008】
図8に示すように、ノズルベーン1とその間に形成されるノズルスロート5とを挟んで、外周側のスクロール通路40は駆動流体として送り込まれた排気ガスgにより高圧側Zpとなり、内周側のタービンホイール36は低圧側Znとなり、ノズルベーン1の周りには図中の等圧線7に例示するような静圧分布を生じる。
【0009】
したがって、高圧側Zpに接するノズルベーン1の圧力面1pにかかる静圧と、低圧側Znに接する負圧面1nにかかる静圧の圧力差によって、ノズルベーン1のピボット3より前縁1a側においては、ノズルスロート5の閉方向のモーメントM(−)を発生させ、後縁1b側においては開方向モーメントM(+)が発生する。
【0010】
一方、図9(a)に示すように、ノズルベーン1はノズルスロート5を閉じるために、隣り合うノズルベーン1の前縁1a側と後縁1b側とがノズルベーン1の全長Lに対してある程度重なるように設けられており、断面における重なり長さLo は、ノズルベーン1の長さL、ノズルベーン1 の枚数、ピボットピッチサークル6の半径、機種等により異なる。
【0011】
例えば、ノズルベーン長さL=16mm、ノズルベーン枚数N=12、ピボットピッチサークル半径R= 26.26mmの場合、重なり長さLo =(L−2πR/N)≒0.14L程度である。
【0012】
また、従来のノズルベーン1は、図9(b)に示すように、流体力学的に圧損ができるだけ小さく効率が高くなるように、前縁1aは流体の剥離を起こさないために比較的大きな半径で形成され、前縁1aから後縁1bにかけてノズルベーン1の翼型の反り中心線8に沿って滑らかに圧力面1pと負圧面1nが形成されるように設計されている。
【0013】
図9(b)に示すノズルベーン1は、翼型の中心線8が曲線のカーブドバックベーンであるが、図示しない翼型の中心線が直線のストレートベーンの場合も同様に、通常行なわれる好ましいとされる標準的設計のノズルベーンのベーン表面形状は、流体力学的に圧損ができるだけ小さく効率が高くなるように、前縁は流体の剥離を起こさないために比較的大きな半径で形成され、前縁から後縁にかけて翼型の中心線に沿って滑らかに圧力面と負圧面が形成されるように設計されている。本明細書において、そのような従来の流体力学的に圧損ができるだけ小さく効率が高くなるように設計したノズルベーンを「流体力学的設計のノズルベーン」という。
【0014】
ピポット3の位置を決めるにあたっては、下流側のタービンホイール36との排気ガスgの流れの流体特性を好ましく維持するために、ピボット3回りの回動による後縁1bの移動距離を小さくすることが好ましく、通常、後縁1bからピボット3までの距離Lpが、 0.5L程度あるいは 0.5L以下に設定されることが多い。
【0015】
しかしながら、従来のそのようなピボット3の位置の流体力学的設計のノズルベーン1においては、前縁1a側に働く静圧による閉方向のモーメントM(−)と後縁1b側に働く開方向モーメントM(+)とのバランスにおいて、閉方向モーメントM(−)が勝る設定となったり、均衡していても、ノズルベーン1の開度により静圧分布やその変動によって、そのバランスが変動して、トータルのモーメントMの方向が入れ替わるものとなった。
【0016】
ノズルベーン1に働くモーメントMの方向が入れ替わるとノズルベーン1を回動制御する可変ノズル機構4の機構的、制御的ヒステリシスのため制御位置、制御特性が一定とならず、可変容量ターボチャージャのノズル制御の精度に問題を生じる恐れがあった。また、閉方向モーメントM(−)が勝る設定の場合、万一可変ノズル機構4のアクチュエータ等駆動系の故障が起きた場合は、ノズル流路が閉鎖され、可変容量ターボチャージャの機能が停止するという問題を生じる恐れもあった。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の様な従来の流体力学的設計のノズルベーン1を備えた可変容量ターボチャージャにおける問題を解決するためになされたものであり、本発明のために、本発明者によりなされた従来のノズルベーン1に作用するモーメントMの状態の検討結果を、図10に基づき説明する。
【0018】
図10(a)は、従来の流体力学的設計のノズルベーン1の形状と、試験的に設定したピボット3の位置P1 〜P5 を示すものであり、ノズルベーン1の全長をLとしたとき、ピボット3の位置P1 〜P5 の後縁1bからの距離Lpは、P1 でLp≒0.17L、P2 でLp≒0.37L、P3 でLp≒0.5 L、P4 でLp≒0.63L、P5 でLp≒0.75Lである。
【0019】
なお、前述のノズルベーン1の前縁1aと後縁1bの重なり長さLo のためピボット3の位置は前縁1a側も後縁1b側もあまり端部には設けられず、概ね上記のP1 〜P5 の範囲が考えられるものである。
【0020】
図10(b)は、上記の従来のノズルベーン1の中程度の開度におけるノズルベーン1に働く、ピボット3(位置P1 〜P5 ) 回りのモーメントの試験結果のグラフである。
【0021】
図10(b)に示されるように、P4 ( Lp≒0.63L) より前縁1a側にピボット3 が位置すれば、モーメントMは正(開方向)となり、ノズルベーン1には開方向のモーメントが働くことになるが、P4 ( Lp≒0.63L) 近辺では、モーメントMが正負均衡し不安定の恐れがあり、Lpがそれ以下、例えばP3 ( Lp≒0.50L) では、モーメントMは常に負(閉方向)となり、それぞれ上記のような問題を有することが判明した。
【0022】
そこで、ピボット3 を、P4 ( Lp≒0.63L) より前縁1a側に位置させれば良いが、一方、ピボット3 が後縁1bから離れ過ぎると前述のように下流側のタービンホイール36との排気ガスgの流れの流体特性上好ましくない。
【0023】
そのため、より後縁1bに近い位置、少なくとP3 ( Lp≒0.50L) にピボット3を設置しても、モーメントMは常に正(開方向)となりノズルベーン1に開方向のモーメントが働き、モーメントMが常にノズルベーン1の前縁1aをスクロール通路40側に回動する方向に働くようなノズルベーン1を備えた可変容量ターボチャージャ30が望まれる。
【0024】
本発明は、かかる知見を得てなされたものであって、ノズルベーンに作用するモーメントを正(開方向)に維持し、ノズルベーンの前縁をスクロール通路側に回動する方向に働くようにしつつ、ピボット位置をより後縁側に近付けることができ、ノズルベーンの操作性、制御性が良く、且つノズルベーンからタービンホイールへの排気ガスの流れの流体特性が良好な可変容量ターボチャージャを提供することを課題とするものである。
【0025】
【課題を解決するための手段】
(1)本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その第1の手段として、タービンホイールを囲んで駆動流体が導入されるスクロール通路と、同スクロール通路の内周側に周方向に等ピッチで配置され、ピボット回りに回動制御自在に取付けられた複数のノズルベーンを備え、同ノズルベーンが隣り合うノズルベーンとの間に前記スクロール通路から前記タービンホイールへ駆動流体が流入するノズルスロートを形成する可変容量ターボチャージャにおいて、前記ノズルベーンは、同ノズルベーンにおけるピボットの位置を、前記駆動流体が前記スクロール通路に導入されているとき同駆動流体の静圧により同ノズルベーンに働く前記ピボット回りのモーメントが、前記ノズルベーンの前縁を前記スクロール通路側に回動させる方向に働く位置に設定してなることを特徴とする可変容量ターボチャージャを提供する。
【0034】
第1の手段の可変容量ターボチャージャによれば、ピボットの後縁からの距離を従来より小さく取っても駆動流体の静圧によるモーメントの方向が入れ替わらないようにでき、その場合ノズルベーンの回動制御における制御位置、制御特性が一定化し、また、万一可変ノズル機構のアクチュエータ等駆動系の故障が起きた場合も、ノズル流路が閉鎖され、可変容量ターボチャージャの機能が停止するという問題の恐れがなく、且つ、ノズルベーンの後縁の移動距離を小さくできタービンホイールとの駆動流体の流れの流体特性を好ましく維持できる。
【0035】
(2)第2の手段として、第1の手段の可変容量ターボチャージャにおいて、前記ピボットの位置を、前記ノズルベーンの後縁からの距離が同ノズルベーンの翼型断面の全長の50%から75%の範囲としてなること特徴とする可変容量ターボチャージャを提供する。
【0036】
第2の手段の可変容量ターボチャージャによれば、第1の手段の作用に加え、ノズルベーンには常に安定して開方向のモーメントが働くようにでき、ノズルベーンの操作性、制御性が良好となり、可変容量ターボチャージャのノズル制御の精度が向上する。
【0037】
【発明の実施の形態】
図1に基づき、本発明の実施の第1形態に係る可変容量ターボチャージャを説明する。図1は、本実施の形態に係る可変容量ターボチャージャに備えられるノズルベーンの断面図である。本実施の形態の可変容量ターボチャージャはノズルベーンの断面形状が、図6から図10で説明した従来の可変容量ターボチャージャのノズルベーンと異なり、その結果ノズルベーンにおけるピボットの位置が移動したものとなるが、他は同様に構成されており、本実施の形態において、図6から図10に示されると同様なものは図示を省略し、また説明を省略して、異なる点を主に説明する。
【0038】
従って、上記同様な点に関しては本実施の形態の説明においても同じ名称、同じ符号により図6から図10を参照するものとする。
【0039】
なお、このことは後述の他の実施の形態において同様である。
【0040】
図1に示されるように、本実施の形態の可変容量ターボチャージャのノズルベーン101は、負圧面101nの前縁101a側に、その断面において前縁101aから後方L1 の距離にわたる領域を、従来の流体力学的設計のノズルベーン1の断面の変更前形状1cに対して、最大T1 の深さを切削し翼厚を薄くした変更形状部101cを有するものとしている。このことにより、変更形状部101cに面するノズルスロート5aが拡大される。なお、101pは圧力面、101bは後縁である。
【0041】
変更形状部101cの長さL1 は、前述の前縁と後縁の重なり長さLo によって異なるが、重なり長さLo の考えられる範囲から、ノズルベーン101の全長Lに対して、L1 ≒0.1 〜0.3 Lである。また、切削深さT1 は、翼厚Tに対して、T1 ≒0.1 〜0.5 T程度である。
【0042】
以上のような本実施の形態の可変容量ターボチャージャにおいては、従来の変更前形状1cの場合に対して、ノズルベーン101の負圧面101nの前縁101a側の変更形状部101cに面するノズルスロート5aが拡大されるため、ノズルスロート5aにおける排気ガスgの流速が遅くなり、流速が低下した分、静圧p1 が上昇することになる。
【0043】
そのため、前縁101aを押上げる力が増加し、発生した正のモーメントΔMが、前縁101a側に働く閉方向のモーメントM(−)を減少させ、ノズルベーン101のピボット3回りのトータルなモーメントMが正方向に移行するので、モーメントMが正となるピボット3位置をより後縁101b側に近付けることができ、ノズルベーン101の操作性、制御性が良く、且つノズルベーン101からタービンホイール36への排気ガスgの流れの流体特性が良好な可変容量ターボチャージャとなる。
【0044】
図2に基づき、本発明の実施の第2形態に係る可変容量ターボチャージャを説明する。図2は、本実施の形態に係る可変容量ターボチャージャに備えられるノズルベーンの要部断面図である。
【0045】
図2に示されるように、本実施の形態の可変容量ターボチャージャのノズルベーン201は、圧力面201pの後縁201b側に、その断面において後縁201bから前方L2 の距離にわたる領域を、従来の流体力学的設計のノズルベーン1の断面の変更前形状1cに対して、最大T2 の深さを切削し翼厚を薄くした変更形状部201cを有するものとしている。このことにより、変更形状部201cに面するノズルスロート5bが拡大される。なお、201nは負圧面である。前縁およびピボットは図1同様であり図示省略する。
【0046】
変更形状部201cの長さL2 は、前述の前縁と後縁の重なり長さLo によって異なるが、後縁201b側は翼厚が薄いことを考慮して、ノズルベーン201の全長Lに対して、L2 ≒0.05〜0.15Lである。
【0047】
また、切削深さT2 は、翼厚Tに対して、T2 ≒0.1 〜0.5 T程度である。
【0048】
以上のような本実施の形態の可変容量ターボチャージャにおいては、従来の変更前形状1cの場合に対して、ノズルベーン201の圧力面201pの後縁201b側の変更形状部201cに面するノズルスロート5bが拡大されるため、ノズルスロート5bにおける排気ガスgの流速が遅くなり、流速が低下した分、静圧p2 が上昇することになる。
【0049】
そのため、後縁201bを押下げる力が増加して、発生した正のモーメントΔMが、後縁201b側に働く開方向のモーメントM(+)を増加させ、ノズルベーン201のピボット3回りのトータルなモーメントMが正方向に移行するので、モーメントMが正となるピボット3位置をより後縁201b側に近付けることができ、ノズルベーン201の操作性、制御性が良く、且つノズルベーン201からタービンホイール36への排気ガスgの流れの流体特性が良好な可変容量ターボチャージャとなる。
【0050】
図3に基づき、本発明の実施の第3形態に係る可変容量ターボチャージャを説明する。図3は、本実施の形態に係る可変容量ターボチャージャに備えられるノズルベーンの断面図である。
【0051】
図3に示されるように、本実施の形態の可変容量ターボチャージャのノズルベーン301は、圧力面301pの前縁301a側に、その断面において前縁301aから後方L3 の距離にわたる領域を、従来の流体力学的設計のノズルベーン1の断面の変更前形状1cに対して、折れ曲がって前後の面と接続する面を形成するように最大T3 の深さを切削し翼厚を薄くした変更形状部301cを有するものとしている。このことにより、変更形状部301cに面するノズルスロート5cが不連続的に急拡大される。なお、301nは負圧面、301bは後縁である。
【0052】
変更形状部301cの長さL3 は、前述の前縁と後縁の重なり長さLo 、及び後述の変更形状部301cに面するノズルスロート5cでの有効な排気ガスg流れの剥離挙動によって決められるが、ノズルベーン301の全長Lに対して、L3 ≒0.1 〜0.3 Lである。
【0053】
また、切削深さT3 は、翼厚Tに対して、T3 ≒0.1 〜0.5 T程度である。
【0054】
以上のような本実施の形態の可変容量ターボチャージャにおいては、従来の変更前形状1cの場合に対して、ノズルベーン301の圧力面301pの前縁301a側の変更形状部301cに面するノズルスロート5cで不連続的な急激な流路拡大が生じ、排気ガスg流れが高速の場合流体の慣性力が高いため、急激な流路拡大で流れを転向させると剥離が生じ、ノズルスロート5cの静圧p3 が低下することになる。
【0055】
剥離による静圧低下は、解析の結果の例によると、排気ガスgの大流量時(ノズルベーン開度大)の時には、剥離により、前縁301aから0.345 Lの距離まで、ノズルスロート5出口部の静圧と同じ 130kPaの静圧が形成された。このため有効な剥離による静圧低下域を考慮し、変更形状部301cの長さL3 は、ノズルベーン301の全長Lに対して、L3 ≒0.1 〜0.3 L程度とするものである。
【0056】
そのため、前縁301aを押上げる力が増加して、発生した正のモーメントΔMが、前縁301a側に働く閉方向のモーメントM(−)を減少させ、ノズルベーン301のピボット3回りのトータルなモーメントMが正方向に移行する。
【0057】
図4に基づき、本発明の実施の第4形態に係る可変容量ターボチャージャを説明する。図4は、本実施の形態に係る可変容量ターボチャージャに備えられるノズルベーンの要部断面図である。
【0058】
図4に示されるように、本実施の形態の可変容量ターボチャージャのノズルベーン401は、負圧面401nの後縁401b側に、その断面において後縁401bから前方L4 の距離にわたる領域を、従来の流体力学的設計のノズルベーン1の断面の変更前形状1cに対して、折れ曲がって前後の面と接続する面を形成するように最大T4 の深さを切削し翼厚を薄くした変更形状部401cを有するものとしている。このことにより、変更形状部401cに面するノズルスロート5dが不連続的に急拡大される。なお、401pは圧力面である。前縁およびピボットは図3同様であり図示省略する。
【0059】
変更形状部401cの長さL4 は、前述の前縁と後縁の重なり長さLo 、及び前述と同様の変更形状部401cに面するノズルスロート5dでの有効な排気ガスg流れの剥離挙動によるが、後縁401b側は翼厚が薄いことを考慮して、ノズルベーン401の全長Lに対して、L4 ≒0.05〜0.15Lである。また、切削深さT4 は、翼厚Tに対して、T4 ≒0.1 〜0.5 T程度である。
【0060】
以上のような本実施の形態の可変容量ターボチャージャにおいては、従来の変更前形状1cの場合に対して、ノズルベーン401の負圧面401nの後縁401b側の変更形状部401cに面するノズルスロート5dで不連続的な急激な流路拡大が生じ、排気ガスg流れが高速の場合流体の慣性力が高いので、急激な流路拡大により流れを転向させると剥離が生じ、ノズルスロート5dの静圧p4 が低下することになる。
【0061】
そのため、後縁401bを押下げる力が増加して、発生した正のモーメントΔMが、後縁401b側に働く開方向のモーメントM(+)を増加させ、ノズルベーン401のピボット3回りのトータルなモーメントMが正方向に移行する。
【0062】
以上のように、実施の第1形態ないし第4形態の何れにおいても、ノズルベーン101ないし401のピボット3回りのトータルなモーメントMが正方向に移行するため、図10(a)で示したと同じピボット3の位置P1 〜P5 におけるモーメントMは何れも、正方向に移行する。
【0063】
図5は、図10(a)で示したと同様の、ノズルベーンに作用するピボット回りのモーメントの説明図であり、黒四角点は従来の流体力学的設計のノズルベーン1の場合、白四角点は本発明の実施の第1形態のノズルベーン101の場合の解析結果を示す。なお、実施の第2形態ないし第4形態の何れの場合も同様な結果である。
【0064】
図5に示すように、実施の第1形態のピボット3回りのトータルなモーメントMが正方向にΔM移行するため、モーメントMが0となるピボット3の位置(開方向と閉方向のモーメントが均衡し、その位置より前縁101a側ではノズルベーン101に正(開方向)のモーメントMがかかった状態となる)は、従来のP4 近傍の図中P01の位置から、P3 とP2 の間の図中P02の位置へ移行する。
【0065】
従って、実施の第1形態の可変容量ターボチャージャにおいては、モーメントMが、正(開方向)となり、ノズルベーン101の前縁101aをスクロール通路40側の回動する方向に働くピボット3の後縁101bからの距離Lpを、0.5 L以下とすることができ、Lp=0.5 〜0.75Lの範囲にピボット3 を位置させれば、ノズルベーン101には常に安定して開方向のモーメントが働くようにでき、万一可変ノズル機構4のアクチュエータ等駆動系の故障が起きた場合にも、ノズル流路が閉鎖され、可変容量ターボチャージャの機能が停止するという事故を回避でき、且つノズルベーンの操作性、制御性が良好なものとでき、可変容量ターボチャージャのノズル制御の精度を向上できる。
【0066】
また、ノズルベーン101に常に開方向のモーメントが働く状態が得られるようにする場合でも、ピボット3を従来の流体力学的設計のノズルベーン1に於けるよりはるかに後縁101b側、例えばLp=0.5 の位置(P3 )に位置させることができ、その結果、ノズルベーン101からタービンホイール36への排気ガスgの流れの流体特性を良好に維持でき、可変容量ターボチャージャの効率を高く維持できる。
【0067】
なお、実施の第1形態を例に説明したが、上述のことは実施の第2形態ないし第4形態の何れにおいても同様である。
【0068】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。
【0069】
例えば、従来例、実施の形態はともに、ノズルベーンの翼型の中心線8が曲線のカーブドバックベーンを示して説明したが、図示しない翼型の中心線が直線のストレートベーンの場合においても同様の作用効果を奏することができる。
【0070】
【発明の効果】
(1)請求項1の発明によれば、可変容量ターボチャージャを、タービンホイールを囲んで駆動流体が導入されるスクロール通路と、同スクロール通路の内周側に周方向に等ピッチで配置され、ピボット回りに回動制御自在に取付けられた複数のノズルベーンを備え、同ノズルベーンが隣り合うノズルベーンとの間に前記スクロール通路から前記タービンホイールへ駆動流体が流入するノズルスロートを形成する可変容量ターボチャージャにおいて、前記ノズルベーンは、同ノズルベーンにおけるピボットの位置を、前記駆動流体が前記スクロール通路に導入されているとき同駆動流体の静圧により同ノズルベーンに働く前記ピボット回りのモーメントが、前記ノズルベーンの前縁を前記スクロール通路側に回動させる方向に働く位置に設定してなるように構成したので、ピボットの後縁からの距離を従来より小さく取っても駆動流体の静圧によるモーメントの方向が入れ替わらないようにでき、その場合ノズルベーンの回動制御における制御位置、制御特性が一定化し、可変容量ターボチャージャのノズル制御の精度が向上する。また、万一可変ノズル機構のアクチュエータ等駆動系の故障が起きた場合も、ノズル流路が閉鎖され、可変容量ターボチャージャの機能が停止するという問題の恐れがなくなり、且つ、ノズルベーンの後縁の移動距離を小さくできてとタービンホイールとの駆動流体の流れの流体特性を好ましく維持でき可変容量ターボチャージャの効率を高く維持できる。
【0075】
(2)請求項2の発明によれば、請求項1に記載の可変容量ターボチャージャにおいて、前記ピボットの位置を、前記ノズルベーンの後縁からの距離が同ノズルベーンの翼型断面の全長の50%から75%の範囲としてなるようにしたので、請求項1の発明の効果に加え、ノズルベーンには常に安定して開方向のモーメントが働くようにでき、ノズルベーンの操作性、制御性が良好となり、ノズル制御の精度の高い可変容量ターボチャージャとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の第1形態に係る可変容量ターボチャージャに備えられるノズルベーンの断面図である。
【図2】本発明の実施の第2形態に係る可変容量ターボチャージャに備えられるノズルベーンの要部断面図である。
【図3】本発明の実施の第3形態に係る可変容量ターボチャージャに備えられるノズルベーンの断面図である。
【図4】本発明の実施の第4形態に係る可変容量ターボチャージャに備えられるノズルベーンの要部断面図である。
【図5】図10(b)で示したと同様の、ノズルベーンに作用するピボット回りのモーメントの説明図である。
【図6】一般的な可変容量ターボチャージャの縦断面図である。
【図7】図6中A−A矢視によるノズルベーンの操作説明図である。
【図8】図7と同じ面を示すノズルベーンにおける圧力作用の説明図である。
【図9】図7と同じ面を示す従来のノズルベーンの断面説明図であり、(a)はノズルベーンが閉じた状態、(b)はノズルベーンの断面形状の拡大図である。
【図10】(a)はノズルベーンにおけるピボットの位置の説明図、(b)は従来の流体力学的設計のノズルベーンに作用するピボット回りのモーメントの説明図である。
【符号の説明】
1 ノズルベーン
1c 変更前形状
2 ノズルマウント
3 ピボット
4 可変ノズル機構
5 ノズルスロート
5a、5b、5c、5d ノズルスロート
6 ピボットピッチサークル
30 可変容量ターボチャージャ
33 タービンロータ
36 タービンホイール
37 タービンケーシング
38 排気ガス入口
39 排気ガス出口
40 スクロール通路
41 回転軸心
101、201、301、401 ノズルベーン
101a、301a 前縁
101b、201b、301b、401b 後縁
101c、201c、301c、401c 変更形状部
101p、201p、301p、401p 圧力面
101n、201n、301n、401n 負圧面[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a variable capacity turbocharger such as a supercharger, a small gas turbine, an expander turbine, and the like.
[0002]
[Prior art]
A conventional variable capacity turbocharger will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a general variable capacity turbocharger, FIG. 7 is an explanatory view of the operation of the nozzle vane as viewed from the direction of arrows AA in FIG. 6, and FIG. 8 is a pressure action in the nozzle vane showing the same surface as FIG. FIG. 9 is a sectional view of a nozzle vane of a conventional hydrodynamic design showing the same surface as that of FIG. 7, (a) is a state in which the nozzle vane is closed, and (b) is an enlarged view of a sectional shape of the nozzle vane. It is. FIG. 10A is an explanatory view of the position of the pivot in the nozzle vane, and FIG. 10B is an explanatory view of a moment around the pivot acting on the nozzle vane of the conventional hydrodynamic design.
[0003]
As shown in FIG. 6, generally, the variable-
[0004]
A
[0005]
Exhaust gas g as a driving fluid of the
[0006]
The nozzle vane 1 is attached to the
[0007]
6, the
[0008]
As shown in FIG. 8, with the nozzle vane 1 and the
[0009]
Therefore, due to the pressure difference between the static pressure applied to the pressure surface 1p of the nozzle vane 1 in contact with the high pressure side Zp and the static pressure applied to the negative pressure surface 1n in contact with the low pressure side Zn, the nozzle at the front edge 1a side of the
[0010]
On the other hand, as shown in FIG. 9A, the nozzle vane 1 closes the
[0011]
For example, when the nozzle vane length L = 16 mm, the number of nozzle vanes N = 12, and the pivot pitch circle radius R = 26.26 mm, the overlapping length Lo = (L−2πR / N) ≒ 0.14L.
[0012]
In addition, as shown in FIG. 9 (b), the leading edge 1a of the conventional nozzle vane 1 has a relatively large radius so that fluid separation does not occur so that the pressure loss is as small as possible and the efficiency is high. The pressure surface is formed smoothly from the leading edge 1a to the trailing edge 1b along the
[0013]
The nozzle vane 1 shown in FIG. 9 (b) is a curved back vane in which the
[0014]
In determining the position of the
[0015]
However, in the conventional nozzle vane 1 of hydrodynamic design at such a position of the
[0016]
When the direction of the moment M acting on the nozzle vane 1 is switched, the control position and control characteristics are not constant due to the mechanical and control hysteresis of the variable nozzle mechanism 4 for controlling the rotation of the nozzle vane 1, and the nozzle control of the variable capacity turbocharger is not performed. There was a risk of causing a problem in accuracy. If the closing moment M (−) is set to be superior, and if a drive system such as an actuator of the variable nozzle mechanism 4 fails, the nozzle flow path is closed and the function of the variable capacity turbocharger stops. There was also the possibility that the problem that it might occur.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problem in the variable displacement turbocharger having the nozzle vane 1 of the conventional hydrodynamic design as described above, and has been made by the present inventor for the present invention. The result of studying the state of the moment M acting on the nozzle vane 1 will be described with reference to FIG.
[0018]
FIG. 10A shows the shape of the nozzle vane 1 of the conventional hydrodynamic design and the positions P1 to P5 of the
[0019]
Because of the overlapping length Lo of the front edge 1a and the rear edge 1b of the nozzle vane 1, the position of the
[0020]
FIG. 10B is a graph of a test result of a moment around the pivot 3 (positions P1 to P5) acting on the nozzle vane 1 at the medium opening degree of the conventional nozzle vane 1 described above.
[0021]
As shown in FIG. 10B, if the
[0022]
Thus, the
[0023]
Therefore, even if the
[0024]
The present invention has been made based on such knowledge, and maintains the moment acting on the nozzle vane in the positive direction (opening direction) while acting in the direction of rotating the front edge of the nozzle vane toward the scroll passage. An object of the present invention is to provide a variable displacement turbocharger in which the pivot position can be closer to the trailing edge, the operability and controllability of the nozzle vanes are good, and the fluid characteristics of the flow of exhaust gas from the nozzle vanes to the turbine wheel are good. Is what you do.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
(1) The present invention has been made to solve the above-described problems, and as a first means, a scroll passage surrounding a turbine wheel and introducing a driving fluid, and an inner periphery of the scroll passage. A plurality of nozzle vanes are arranged at equal pitches in the circumferential direction on the side and are mounted so as to be rotatable around a pivot, and the driving fluid flows into the turbine wheel from the scroll passage between the nozzle vanes and the adjacent nozzle vanes. In a variable capacity turbocharger forming a nozzle throat, the nozzle vane includes: The position of the pivot in the nozzle vane, the moment around the pivot acting on the nozzle vane by the static pressure of the drive fluid when the driving fluid is introduced into the scroll passage, the front edge of the nozzle vane toward the scroll passage side Set to a position that works in the direction of rotation A variable-capacity turbocharger is provided.
[0034]
No. 1 According to the variable capacity turbocharger of the means of , Even if the distance from the trailing edge of the bot is smaller than before, the direction of the moment due to the static pressure of the driving fluid can be prevented from being switched, in which case the control position and control characteristics in the rotation control of the nozzle vane are stabilized, and Should the drive system such as the actuator of the variable nozzle mechanism fail, the nozzle flow path is closed and the function of the variable capacity turbocharger does not stop, and the trailing edge of the nozzle vane moves. And the fluid characteristics of the flow of the driving fluid with the turbine wheel can be preferably maintained.
[0035]
( 2 ) 2 As means of 1 In the variable capacity turbocharger according to the above means, the position of the pivot is set so that a distance from a trailing edge of the nozzle vane is in a range of 50% to 75% of a total length of an airfoil cross section of the nozzle vane. I will provide a.
[0036]
No. 2 According to the variable capacity turbocharger of the means of 1 In addition to the operation of the means, a moment in the opening direction can always be stably applied to the nozzle vane, so that the operability and controllability of the nozzle vane are improved, and the accuracy of nozzle control of the variable displacement turbocharger is improved.
[0037]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A variable capacity turbocharger according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view of a nozzle vane provided in the variable capacity turbocharger according to the present embodiment. The variable-capacity turbocharger according to the present embodiment has a nozzle vane having a cross-sectional shape different from that of the conventional variable-capacity turbocharger nozzle vane described with reference to FIGS. 6 to 10. As a result, the pivot position of the nozzle vane is shifted. The other components are configured in the same manner. In the present embodiment, the same components as those shown in FIGS. 6 to 10 are omitted from the drawings and the description is omitted, and different points are mainly described.
[0038]
Accordingly, regarding the same points as above, FIGS. 6 to 10 are referred to by the same names and the same reference numerals in the description of the present embodiment.
[0039]
This is the same in other embodiments described later.
[0040]
As shown in FIG. 1, the nozzle vane 101 of the variable displacement turbocharger according to the present embodiment is configured such that a region extending over a distance from the front edge 101 a to a rear L1 from the front edge 101 a in the cross section is provided on the front edge 101 a side of the suction surface 101 n. The mechanically designed nozzle vane 1 has a modified shape portion 101c in which the maximum T1 depth is cut to reduce the blade thickness to the pre-change shape 1c of the cross section of the nozzle vane 1. This enlarges the nozzle throat 5a facing the modified shape portion 101c. Note that 101p is a pressure surface, and 101b is a trailing edge.
[0041]
The length L1 of the modified shape portion 101c varies depending on the overlapping length Lo of the leading edge and the trailing edge. However, from the possible range of the overlapping length Lo, the length L1 of the nozzle vane 101 is set to L110.1 0.30.3 L. The cutting depth T1 is about T1T0.1 to 0.5T with respect to the blade thickness T.
[0042]
In the variable capacity turbocharger according to the present embodiment as described above, the nozzle throat 5a facing the changed shape portion 101c on the front edge 101a side of the negative pressure surface 101n of the nozzle vane 101 is different from the case of the conventional shape 1c before change. Is increased, the flow velocity of the exhaust gas g in the nozzle throat 5a becomes slow, and the static pressure p1 rises by the decrease in the flow velocity.
[0043]
Therefore, the force for pushing up the leading edge 101a increases, and the generated positive moment ΔM reduces the closing moment M (−) acting on the leading edge 101a side, and the total moment M around the
[0044]
Referring to FIG. 2, a variable capacity turbocharger according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of a nozzle vane provided in the variable capacity turbocharger according to the present embodiment.
[0045]
As shown in FIG. 2, the nozzle vane 201 of the variable-capacity turbocharger according to the present embodiment is configured such that a region extending over a distance from the rear edge 201b to the front L2 in the cross section on the rear edge 201b side of the
[0046]
The length L2 of the modified shape portion 201c differs depending on the overlapping length Lo of the leading edge and the trailing edge, but the trailing edge 201b side has a smaller blade thickness, and the length L2 of the nozzle vane 201 is smaller than the length L2. L2 ≒ 0.05 to 0.15 L.
[0047]
Further, the cutting depth T2 is about 0.1 to 0.5 T with respect to the blade thickness T.
[0048]
In the variable capacity turbocharger according to the present embodiment as described above, the nozzle throat 5b facing the changed shape portion 201c on the trailing edge 201b side of the
[0049]
Therefore, the force for pushing down the trailing edge 201b increases, and the generated positive moment ΔM increases the moment M (+) in the opening direction acting on the trailing edge 201b side, and the total moment of the nozzle vane 201 around the
[0050]
A variable capacity turbocharger according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of a nozzle vane provided in the variable displacement turbocharger according to the present embodiment.
[0051]
As shown in FIG. 3, the
[0052]
The length L3 of the modified shape portion 301c is determined by the overlapping length Lo of the leading edge and the trailing edge described above and the separation behavior of the effective flow of the exhaust gas g at the nozzle throat 5c facing the modified shape portion 301c described later. Is L3 ≒ 0.1-0.3 L with respect to the total length L of the
[0053]
The cutting depth T3 is about T3T0.1 to 0.5T with respect to the blade thickness T.
[0054]
In the variable capacity turbocharger of the present embodiment as described above, the nozzle throat 5c facing the changed shape portion 301c on the front edge 301a side of the pressure surface 301p of the
[0055]
According to an example of the analysis result, the static pressure drop due to the separation is that when the exhaust gas g has a large flow rate (nozzle vane opening is large), the separation causes the
[0056]
For this reason, the force for pushing up the leading edge 301a increases, and the generated positive moment ΔM decreases the closing moment M (−) acting on the leading edge 301a side, and the total moment of the
[0057]
Referring to FIG. 4, a variable capacity turbocharger according to a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part of a nozzle vane provided in the variable capacity turbocharger according to the present embodiment.
[0058]
As shown in FIG. 4, the
[0059]
The length L4 of the modified shape portion 401c depends on the overlapping length Lo of the leading edge and the trailing edge, and the separation behavior of the effective flow of the exhaust gas g at the nozzle throat 5d facing the similar modified shape portion 401c. However, in consideration of the thin blade thickness on the trailing
[0060]
In the variable capacity turbocharger according to the present embodiment as described above, the nozzle throat 5d facing the changed shape portion 401c on the trailing
[0061]
Therefore, the force for pushing down the trailing
[0062]
As described above, in any of the first to fourth embodiments, since the total moment M of the nozzle vanes 101 to 401 around the
[0063]
FIG. 5 is an explanatory view of the moment around the pivot acting on the nozzle vane as shown in FIG. 10 (a). The black square points indicate the nozzle vane 1 of the conventional hydrodynamic design, and the white square points indicate the head. The analysis result in the case of the nozzle vane 101 of the first embodiment of the present invention is shown. Note that the same result is obtained in any of the second to fourth embodiments.
[0064]
As shown in FIG. 5, since the total moment M around the
[0065]
Therefore, in the variable capacity turbocharger according to the first embodiment, the moment M becomes positive (opening direction), and the trailing edge 101b of the
[0066]
Further, even in a case where a state in which a moment in the opening direction is always applied to the nozzle vane 101 is obtained, the
[0067]
Although the first embodiment has been described as an example, the above is the same in any of the second to fourth embodiments.
[0068]
As described above, the embodiments of the present invention have been described. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and it goes without saying that various changes may be made to the specific structure within the scope of the present invention. Nor.
[0069]
For example, both the conventional example and the embodiment have been described by showing the
[0070]
【The invention's effect】
(1) According to the first aspect of the present invention, the variable-capacity turbocharger is disposed at a constant pitch in the circumferential direction on the inner circumferential side of the scroll passage in which the driving fluid is introduced surrounding the turbine wheel, A variable-capacity turbocharger comprising a plurality of nozzle vanes rotatably controlled around a pivot, the nozzle vane forming a nozzle throat between the adjacent nozzle vanes and a nozzle passage through which the driving fluid flows from the scroll passage to the turbine wheel. , The nozzle vane The position of the pivot in the nozzle vane, the moment around the pivot acting on the nozzle vane by the static pressure of the drive fluid when the driving fluid is introduced into the scroll passage, the front edge of the nozzle vane toward the scroll passage side Since it is configured to be set to a position that acts in the direction of rotation, even if the distance from the trailing edge of the pivot is smaller than in the past, the direction of the moment due to the static pressure of the driving fluid can be prevented from being switched. In this case, the control position and control characteristics in the rotation control of the nozzle vanes are made constant, and the accuracy of the nozzle control of the variable displacement turbocharger is improved. Also, in the unlikely event that a drive system such as an actuator of the variable nozzle mechanism fails, the nozzle flow path is closed and the function of the variable capacity turbocharger stops functioning, and the trailing edge of the nozzle vane is eliminated. If the moving distance can be reduced, the fluid characteristics of the flow of the driving fluid with the turbine wheel can be preferably maintained, and the efficiency of the variable capacity turbocharger can be maintained high. .
[0075]
( 2 )
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a nozzle vane provided in a variable capacity turbocharger according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of a main part of a nozzle vane provided in a variable capacity turbocharger according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view of a nozzle vane provided in a variable capacity turbocharger according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view of a main part of a nozzle vane provided in a variable capacity turbocharger according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory view of a moment around a pivot acting on a nozzle vane, similar to that shown in FIG. 10 (b).
FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a general variable capacity turbocharger.
FIG. 7 is an operation explanatory view of the nozzle vane as viewed from the direction of arrows AA in FIG. 6;
FIG. 8 is an explanatory diagram of a pressure action in a nozzle vane showing the same surface as FIG. 7;
9A and 9B are cross-sectional explanatory views of a conventional nozzle vane showing the same surface as FIG. 7, wherein FIG. 9A is a state in which the nozzle vane is closed, and FIG. 9B is an enlarged view of the cross-sectional shape of the nozzle vane.
10A is an explanatory diagram of a position of a pivot in a nozzle vane, and FIG. 10B is an explanatory diagram of a moment around the pivot acting on a nozzle vane of a conventional hydrodynamic design.
[Explanation of symbols]
1 nozzle vane
1c Shape before change
2 Nozzle mount
3 pivot
4 Variable nozzle mechanism
5 Nozzle throat
5a, 5b, 5c, 5d Nozzle throat
6 pivot pitch circle
30 Variable capacity turbocharger
33 Turbine rotor
36 Turbine wheel
37 Turbine casing
38 Exhaust gas inlet
39 Exhaust gas outlet
40 scroll passage
41 axis of rotation
101, 201, 301, 401 Nozzle vane
101a, 301a Leading edge
101b, 201b, 301b, 401b Trailing edge
101c, 201c, 301c, 401c Modified shape part
101p, 201p, 301p, 401p Pressure surface
101n, 201n, 301n, 401n Suction surface
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