JP3605398B2

JP3605398B2 - Variable capacity turbocharger

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Publication number: JP3605398B2
Application number: JP2002049347A
Authority: JP
Inventors: 隆雄横山; 雄志大迫; 靖明陣内; 義光三浦
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: JP2003254074A

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≒０．５Ｌ、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 ≒０．１〜０．３Ｌである。また、切削深さＴ１は、翼厚Ｔに対して、Ｔ１ ≒０．１〜０．５Ｔ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 ≒０．１〜０．５Ｔ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 ≒０．１〜０．３Ｌである。
【００５３】
また、切削深さＴ３は、翼厚Ｔに対して、Ｔ３ ≒０．１〜０．５Ｔ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０．３４５Ｌ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 ≒０．１〜０．３Ｌ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 ≒０．１〜０．５Ｔ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、０．５Ｌ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-capacity turbocharger 30 surrounds a compressor wheel 34 attached to one end of the turbine rotor 33 by inserting a turbine rotor 33 rotationally supported by a bearing 32 into a bearing housing 31. A compressor casing 35 is attached to the bearing housing 31 so as to cover it. On the other hand, a turbine wheel 36 is attached to the other end of the turbine rotor 33, and a turbine casing 37 is attached to the bearing housing 31 so as to surround and cover the turbine wheel 36.
[0004]
A scroll passage 40 is formed inside the turbine casing 37 so as to surround the outer periphery of the turbine wheel 36 around the rotation axis 41 of the turbine rotor 33. On the outer peripheral side of the scroll passage 40, an exhaust gas inlet 38 is provided substantially along a tangential direction of the scroll passage 40, and an exhaust gas outlet 39 is provided along a rotation axis 41 of the turbine rotor 33.
[0005]
Exhaust gas g as a driving fluid of the variable capacity turbocharger 30 enters the scroll passage 40 from the exhaust gas inlet 38, passes through the scroll passage 40, and is provided on the inner peripheral side of the scroll passage 40 at equal pitches in the circumferential direction at the same pitch. The flow rate is variably adjusted by 1 and flows into the turbine wheel 36, drives the turbine wheel 36 to rotate, and is discharged from the exhaust gas outlet 39. On the other hand, the compressor wheel 34 is driven to rotate by a turbine wheel 36 and is used for pumping air a and the like.
[0006]
The nozzle vane 1 is attached to the nozzle mount 2 by a pivot 3 so as to be freely rotatable, and is rotatably controlled by a variable nozzle mechanism 4. A nozzle throat 5 into which g flows is formed, and the opening degree of the flow path of the nozzle throat 5 is controlled by the rotation of the nozzle vane 1 around the pivot 3.
[0007]
6, the pivots 3 of the nozzle vane 1 are located at equal intervals on a pivot pitch circle 6 around the rotation axis 41, and the nozzle vane 1 is connected to the pivot 3 as shown in FIG. When the exhaust gas g is at a small flow rate, the nozzle throat 5 is closed in a direction shown in (a) at a small flow rate, and when the exhaust gas g is at a large flow rate, the nozzle throat 5 is opened in a direction shown in (b). Is controlled to rotate.
[0008]
As shown in FIG. 8, with the nozzle vane 1 and the nozzle throat 5 formed therebetween, the scroll passage 40 on the outer peripheral side becomes the high-pressure side Zp by the exhaust gas g sent as the driving fluid, and the turbine on the inner peripheral side. The wheel 36 becomes the low-pressure side Zn, and generates a static pressure distribution around the nozzle vane 1 as exemplified by the isobar 7 in the drawing.
[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 pivot 3 of the nozzle vane 1 A moment M (-) in the closing direction of the throat 5 is generated, and a moment M (+) in the opening direction is generated on the trailing edge 1b side.
[0010]
On the other hand, as shown in FIG. 9A, the nozzle vane 1 closes the nozzle throat 5 so that the front edge 1 a side and the rear edge 1 b side of the adjacent nozzle vane 1 overlap to some extent with the overall length L of the nozzle vane 1. The overlap length Lo in the cross section differs depending on the length L of the nozzle vanes 1, the number of nozzle vanes 1, the radius of the pivot pitch circle 6, the model, and the like.
[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 warp center line 8 of the airfoil of the nozzle vane 1. 1p And suction surface 1n Is designed to be formed.
[0013]
The nozzle vane 1 shown in FIG. 9 (b) is a curved back vane in which the center line 8 of the airfoil is a curved line. The vane surface shape of the standard design nozzle vane is such that the leading edge is formed with a relatively large radius to avoid fluid separation so that the hydrodynamic pressure drop is as small as possible and the efficiency is high. It is designed so that the pressure surface and the suction surface are formed smoothly along the centerline of the airfoil toward the trailing edge. In the present specification, such a conventional nozzle vane designed to minimize the pressure loss in terms of hydrodynamics and increase the efficiency is referred to as a "hydrodynamically designed nozzle vane".
[0014]
In determining the position of the pivot 3, in order to preferably maintain the fluid characteristics of the flow of the exhaust gas g with the downstream turbine wheel 36, it is necessary to reduce the moving distance of the trailing edge 1b due to the rotation around the pivot 3. Preferably, usually, the distance Lp from the trailing edge 1b to the pivot 3 is often set to about 0.5L or less than 0.5L.
[0015]
However, in the conventional nozzle vane 1 of hydrodynamic design at such a position of the pivot 3, the closing moment M (-) due to the static pressure acting on the leading edge 1a side and the opening moment M acting on the trailing edge 1b side. In the balance with (+), the closing moment M (-) is set to be superior or hand However, the balance varies due to the static pressure distribution and the variation thereof due to the opening degree of the nozzle vane 1, and the direction of the total moment M is changed.
[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 pivot 3 set experimentally. When the total length of the nozzle vane 1 is L, the pivot 3 Of the positions P1 to P5 from the trailing edge 1b are Lp５0.17L at P1, Lp ≒ 0.37L at P2, Lp ≒ 0.5L at P3, Lp ≒ 0.63L at P4, and Lp ≒ 0.63L at P4. Lp ≒ 0.75L.
[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 pivot 3 is not provided much at the front edge 1a side or the rear edge 1b side. The range of P5 is conceivable.
[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 pivot 3 is located on the leading edge 1a side from P4 (Lp ≒ 0.63L), the moment M becomes positive (opening direction), and the moment in the opening direction is applied to the nozzle vane 1. In the vicinity of P4 (Lp ≒ 0.63L), the moment M may be unstable due to the positive / negative equilibrium. When Lp is less than, for example, P3 (Lp ≒ 0.50L), the moment M becomes It was always negative (close direction), and it was found that each had the above-mentioned problems.
[0022]
Thus, the pivot 3 may be positioned closer to the leading edge 1a than P4 (Lp ≒ 0.63L). On the other hand, if the pivot 3 is too far from the trailing edge 1b, the pivot 3 is connected to the downstream turbine wheel 36 as described above. Is not preferable in terms of fluid characteristics of the flow of the exhaust gas g.
[0023]
Therefore, even if the pivot 3 is installed at a position closer to the trailing edge 1b, at least at P3 (Lp ≒ 0.50L), the moment M is always positive (opening direction), and the opening direction moment acts on the nozzle vane 1, and the moment It is desirable to have a variable capacity turbocharger 30 having a nozzle vane 1 such that M always acts in the direction of rotating the leading edge 1a of the nozzle vane 1 toward the scroll passage 40 side.
[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 pivot 3 of the nozzle vane 101. Moves in the positive direction, the position of the pivot 3 at which the moment M becomes positive can be closer to the trailing edge 101b side, the operability and controllability of the nozzle vane 101 are good, and the exhaust from the nozzle vane 101 to the turbine wheel 36 is improved. A variable capacity turbocharger having good flow characteristics of the flow of the gas g is obtained.
[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 pressure surface 201p is a conventional fluid The mechanically designed nozzle vane 1 has a modified shape portion 201c in which a maximum T2 depth is cut to reduce the blade thickness with respect to the pre-change shape 1c of the cross section of the nozzle vane 1. This enlarges the nozzle throat 5b facing the modified shape portion 201c. In addition, 201n is a negative pressure surface. The leading edge and the pivot are the same as in FIG.
[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 pressure surface 201p of the nozzle vane 201 is different from the conventional shape 1c before change. Is increased, the flow velocity of the exhaust gas g in the nozzle throat 5b is reduced, and the static pressure p2 is increased by the reduced flow velocity.
[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 pivot 3 Since M shifts in the positive direction, the position of the pivot 3 at which the moment M becomes positive can be closer to the trailing edge 201b side, the operability and controllability of the nozzle vane 201 are good, and the movement of the nozzle vane 201 to the turbine wheel 36 is improved. A variable capacity turbocharger having good flow characteristics of the flow of the exhaust gas g is obtained.
[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 nozzle vane 301 of the variable-capacity turbocharger according to the present embodiment is configured such that a region extending over the distance from the front edge 301a to the rear L3 in the cross section on the front edge 301a side of the pressure surface 301p is a conventional fluid. The nozzle vane 1 of the mechanical design has a modified shape portion 301c in which a maximum T3 depth is cut and the blade thickness is reduced so as to bend and form a surface connected to the front and rear surfaces with respect to the shape 1c before the cross section of the nozzle vane 1 is changed. It is assumed. As a result, the nozzle throat 5c facing the modified shape portion 301c is discontinuously and rapidly enlarged. Note that 301n is a negative pressure surface, and 301b is a trailing edge.
[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 nozzle vane 301.
[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 nozzle vane 301 is different from the case of the conventional shape 1c before change. When the flow rate of the exhaust gas g is high, the inertia of the fluid is high, and when the flow is turned by the rapid flow path expansion, separation occurs, and the static pressure of the nozzle throat 5c is increased. p3 will decrease.
[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 nozzle throat 5 outlet to reach a distance of 0.345 L from the leading edge 301a. A static pressure of 130 kPa, the same as the static pressure of the part, was formed. Therefore, the length L3 of the modified shape portion 301c is set to about L3３0.1 to 0.3 L with respect to the entire length L of the nozzle vane 301 in consideration of the effective static pressure drop region due to peeling.
[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 nozzle vane 301 around the pivot 3 M moves in the forward direction.
[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 nozzle vane 401 of the variable displacement turbocharger according to the present embodiment is configured such that a region extending over the distance from the rear edge 401 b to the front L4 in the cross section is located on the rear edge 401 b side of the suction surface 401 n in the conventional fluid. The nozzle vane 1 having the mechanical design has a modified shape portion 401c in which a maximum T4 depth is cut and a blade thickness is reduced so as to bend and form a surface connected to the front and rear surfaces with respect to the shape 1c before the cross section of the nozzle vane 1 is changed. It is assumed. As a result, the nozzle throat 5d facing the modified shape portion 401c is discontinuously and rapidly enlarged. In addition, 401p is a pressure surface. The leading edge and the pivot are the same as in FIG. 3 and are not shown.
[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 edge 401b side, L4 is about 0.05 to 0.15L with respect to the total length L of the nozzle vane 401. Further, the cutting depth T4 is about 0.1 to 0.5 T with respect to the blade thickness T.
[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 edge 401b side of the negative pressure surface 401n of the nozzle vane 401 is different from the case of the conventional shape 1c before change. When the flow rate of the exhaust gas g is high, the inertia of the fluid is high. When the flow is turned by the rapid flow expansion, separation occurs, and the static pressure of the nozzle throat 5d is increased. p4 will decrease.
[0061]
Therefore, the force for pushing down the trailing edge 401b increases, and the generated positive moment ΔM increases the moment M (+) in the opening direction acting on the trailing edge 401b side, and the total moment of the nozzle vane 401 around the pivot 3 M moves in the forward direction.
[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 pivot 3 shifts in the positive direction, the same pivot as shown in FIG. The moments M at the positions P1 to P5 of No. 3 shift in the positive direction.
[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 pivot 3 in the first embodiment shifts by ΔM in the positive direction, the position of the pivot 3 at which the moment M becomes 0 (the moment in the opening direction and the moment in the closing direction are balanced) On the leading edge 101a side from that position, a positive (opening) moment M is applied to the nozzle vane 101) from the position of P01 near the conventional P4 in the figure between P3 and P2 in the figure. Move to the position of P02.
[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 pivot 3 acts on the leading edge 101a of the nozzle vane 101 in the direction in which the scroll passage 40 rotates. Can be set to 0.5 L or less, and if the pivot 3 is positioned in the range of Lp = 0.5 to 0.75 L, the nozzle vane 101 is always stably provided with a moment in the opening direction. In the event that a failure occurs in the drive system such as the actuator of the variable nozzle mechanism 4, the accident that the nozzle flow path is closed and the function of the variable capacity turbocharger is stopped can be avoided, and the nozzle vane can be prevented. Operability and controllability can be improved, and the accuracy of nozzle control of the variable capacity turbocharger can be improved.
[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 pivot 3 is farther away from the trailing edge 101b than in the nozzle vane 1 of the conventional hydrodynamic design, for example, Lp = 0. 5 (P3). As a result, the fluid characteristics of the flow of the exhaust gas g from the nozzle vanes 101 to the turbine wheel 36 can be maintained well, and the efficiency of the variable displacement turbocharger can be maintained high.
[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 center line 8 of the airfoil of the nozzle vane as a curved back vane, but the same applies to the case where the centerline of the airfoil (not shown) is a straight straight vane. Action and effect can be obtained.
[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 ) Claims 2 According to the invention of claim 1 In the variable displacement turbocharger described in the above, the position of the pivot is set so that the distance from the trailing edge of the nozzle vane is in the range of 50% to 75% of the total length of the airfoil section of the nozzle vane. 1 In addition to the effects of the invention described above, a moment in the opening direction can always be stably applied to the nozzle vane, the operability and controllability of the nozzle vane are improved, and a variable displacement turbocharger with high nozzle control accuracy is obtained.
[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

Claims

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。A scroll passage surrounding the turbine wheel, into which a drive fluid is introduced, and a plurality of nozzle vanes disposed at an equal pitch in a circumferential direction on an inner peripheral side of the scroll passage and attached so as to be rotatable around a pivot. In a variable capacity turbocharger in which a nozzle vane forms a nozzle throat through which a driving fluid flows from the scroll passage to the turbine wheel between adjacent nozzle vanes, the nozzle vane has a pivot position in the nozzle vane, and the driving fluid has The moment around the pivot acting on the nozzle vane due to the static pressure of the driving fluid when introduced into the scroll passage is set to a position acting in a direction for rotating the front edge of the nozzle vane toward the scroll passage. Variable capacity turbocharger characterized by the following.

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％の範囲としてなること特徴とする可変容量ターボチャージャ。 In the variable geometry turbocharger according to claim 1, the position of the pivot, and wherein the distance from the rear edge of the nozzle vane is in the range of 50% of the total length of the airfoil cross section of the nozzle vane 75% variable capacity turbocharger to be.