JP4436346B2 - Variable capacity turbine and variable capacity turbocharger equipped with the same - Google Patents

Variable capacity turbine and variable capacity turbocharger equipped with the same Download PDF

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Description

本発明は、排気ガスタービン過給機、ガスタービン、ガスエキスパンダ等に適用され、ノズルを回動させてノズル翼角を変化させることにより、タービンロータへのガスの流速を変化させる機能を有する可変容量タービンおよびこれを備えた可変容量ターボチャージャに関するものである。   The present invention is applied to an exhaust gas turbine supercharger, a gas turbine, a gas expander, and the like, and has a function of changing the flow velocity of gas to the turbine rotor by rotating the nozzle and changing the nozzle blade angle. The present invention relates to a variable capacity turbine and a variable capacity turbocharger including the same.

従来の可変容量ターボチャージャについて、図１２および図１３に基づいて説明する。   A conventional variable capacity turbocharger will be described with reference to FIGS.

図１２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１３は図１２におけるＡ−Ａ矢視断面図であって、ノズルベーンの作動（開閉）状態を説明するための図である。   FIG. 12 is a longitudinal sectional view of a general variable capacity turbocharger, and FIG. 13 is a sectional view taken along the line AA in FIG. 12, for explaining the operation (opening / closing) state of the nozzle vane.

図１２に示すように、一般に可変容量ターボチャージャ１０は、可変容量タービン（以下、ＶＧ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ）タービンという）１１と、コンプレッサ１２とを主たる要素として構成されたものである（たとえば、特許文献１参照）。
特開平１０−２０５３４０号公報（図１，図３） As shown in FIG. 12, the variable capacity turbocharger 10 is generally configured with a variable capacity turbine (hereinafter referred to as a VG (Variable Geometry) turbine) 11 and a compressor 12 as main elements (for example, Patent Documents). 1).
JP-A-10-205340 (FIGS. 1 and 3)

ＶＧタービン１１とコンプレッサ１２とは、軸受ハウジング１３を介して連結されているとともに、この軸受ハウジング１３内には、軸受１４に回転支持されたタービンロータ１５が挿通されている。   The VG turbine 11 and the compressor 12 are connected via a bearing housing 13, and a turbine rotor 15 rotatably supported by the bearing 14 is inserted into the bearing housing 13.

コンプレッサ１２は、タービンロータ１５の一端側に取り付けられたコンプレッサホイール１６と、このコンプレッサホイール１６を囲んで覆うように設けられたコンプレッサケーシング１７とを主たる要素として構成されたものである。   The compressor 12 includes a compressor wheel 16 attached to one end side of the turbine rotor 15 and a compressor casing 17 provided so as to surround and cover the compressor wheel 16.

一方、ＶＧタービン１１は、タービンロータ１５の他端側に取り付けられたタービンホイール１８と、このタービンホイール１８を囲んで覆うように設けられたタービンケーシング１９と、タービンホイール１８に流入する排気ガス（流体）ｇの流速を変化させる可変ノズル２０とを主たる要素として構成されたものである。   On the other hand, the VG turbine 11 includes a turbine wheel 18 attached to the other end of the turbine rotor 15, a turbine casing 19 provided so as to surround and cover the turbine wheel 18, and exhaust gas flowing into the turbine wheel 18 ( The variable nozzle 20 that changes the flow rate of the fluid (g) is a main element.

タービンケーシング１９の内側には、タービンロータ１５の回転軸心２１回りにタービンホイール１８の外周を囲むようにスクロール２２が形成されている。このスクロール２２とタービンホイール入口１８’とは流体入口流路２２’により連通されている。
また、スクロール２２の外周側には概ねスクロール２２の接線方向に沿った排気ガス入口（図示せず）が設けられ、タービンロータ１５の回転軸心２１に沿って排気ガス出口２３が設けられている。 Inside the turbine casing 19, a scroll 22 is formed around the rotational axis 21 of the turbine rotor 15 so as to surround the outer periphery of the turbine wheel 18. The scroll 22 and the turbine wheel inlet 18 'communicate with each other through a fluid inlet passage 22'.
Further, an exhaust gas inlet (not shown) is provided along the tangential direction of the scroll 22 on the outer peripheral side of the scroll 22, and an exhaust gas outlet 23 is provided along the rotational axis 21 of the turbine rotor 15. .

可変容量ターボチャージャ１０の駆動流体としての排気ガスｇは、排気ガス入口からスクロール２２に入り、スクロール２２および流体入口流路２２’を通って、スクロール２２の内周側に周方向に等ピッチで設けられた可変ノズル２０によってタービンホイール１８に流入する流速が可変に調整されてタービンホイール１８に流入し、タービンホイール１８を回転駆動した後、タービンホイール１８の出口部空間２３’を通って排気ガス出口２３から排出される。一方、コンプレッサホイール１６は、タービンホイール１８によって回転駆動され、たとえば空気ａ等の圧送に用いられる。   Exhaust gas g as the driving fluid of the variable capacity turbocharger 10 enters the scroll 22 from the exhaust gas inlet, passes through the scroll 22 and the fluid inlet passage 22 ′, and reaches the inner peripheral side of the scroll 22 at an equal pitch in the circumferential direction. The flow velocity flowing into the turbine wheel 18 is variably adjusted by the provided variable nozzle 20 and flows into the turbine wheel 18. After the turbine wheel 18 is driven to rotate, the exhaust gas passes through the outlet space 23 ′ of the turbine wheel 18. It is discharged from the outlet 23. On the other hand, the compressor wheel 16 is rotationally driven by the turbine wheel 18 and is used, for example, for pumping air a or the like.

可変ノズル２０はピボット（ノズル回動軸）２４によって（平行）壁部２５に回動制御自在に取り付けられており、可変ノズル機構２６によって回動制御され、可変ノズル２０が隣り合う可変ノズル２０との間にスクロール２２からタービンホイール１８へ排気ガスｇが流入するノズルスロート（図１３を用いて後述する）を形成し、ノズルスロートはその流路の開度が可変ノズル２０のピボット２４回りの回動により制御される。   The variable nozzle 20 is attached to a (parallel) wall portion 25 by a pivot (nozzle rotation shaft) 24 so that the variable nozzle 20 can be controlled to rotate. A nozzle throat (which will be described later with reference to FIG. 13) through which the exhaust gas g flows from the scroll 22 to the turbine wheel 18 is formed. The nozzle throat rotates around the pivot 24 of the variable nozzle 20. Controlled by movement.

図１３に示すように、可変ノズル２０のピボット２４は、回転軸心２１回りのピボットピッチサークル２７上に等間隔に位置しており、可変ノズル２０はピボット２４を回動軸として、排気ガスｇの大流量時には（ａ）に示すようなノズルスロート（ｎｏｚｚｌｅ ｔｈｒｏａｔ）２８を開く方向へ、また、排気ガスｇの小流量時には（ｂ）に示すようなノズルスロート２８を閉じる方向へと回動制御される。
なお、図１３（ａ）はノズルスロート２８を最大に開いた状態を示し、（ｂ）はノズルスロート２８を最大に閉じた状態を示している。 As shown in FIG. 13, the pivots 24 of the variable nozzle 20 are positioned at equal intervals on a pivot pitch circle 27 around the rotation axis 21, and the variable nozzle 20 uses the pivot 24 as a rotation axis and exhaust gas g. When the flow rate is large, the nozzle throat (nozzle throat) 28 as shown in (a) is opened, and when the exhaust gas g is low, the nozzle throat 28 is closed as shown in (b). Is done.
FIG. 13A shows a state where the nozzle throat 28 is opened to the maximum, and FIG. 13B shows a state where the nozzle throat 28 is closed to the maximum.

しかしながら、このようなＶＧタービン１０では、排気ガスｇの小流量時にノズルスロート２８を閉じる方向に可変ノズル２０が回動されると（図１３（ｂ）参照）、スロート２８の幅（すなわち、流体通路の幅）が狭まるようになる。排気ガスｇはスロート２８を通過する際に絞られて、その流速が増加させられた後、ノズル後縁部翼厚ｔに相当する分だけ急激に拡がる空間内に流入していくこととなる。従って、ノズルスロート２８を最大に閉じた状態（図１３（ｂ）参照）の場合、ノズルスロート２８を最大に開いた状態（図１３（ａ）参照）に比べ、スロート２８の幅（流体通路の幅）に対するノズル翼厚ｔの比率が大きく、排気ガスｇの流れ方向の空間拡大率も大きくなる。
絞られた空間から急に拡がった空間に排気ガスｇが流れていく場合、可変ノズル２０の後縁部からノズルウェーク（ｎｏｚｚｌｅ ｗａｋｅ）が発生し、その大きさは、排気ガスｇの流れ方向の空間拡大率に比例する。従って、ノズルスロート２８を最大に閉じた状態（図１３（ｂ）参照）はノズルウェークがひどく（大きく）、励振力が大きいため、タービンホイール１８のノズルウェーク共振時に、タービンホイール１８が破損してしまうおそれがある。 However, in such a VG turbine 10, when the variable nozzle 20 is rotated in the direction in which the nozzle throat 28 is closed when the flow rate of the exhaust gas g is small (see FIG. 13B), the width of the throat 28 (that is, the fluid The width of the passageway becomes narrower. The exhaust gas g is squeezed when passing through the throat 28, and after the flow velocity is increased, the exhaust gas g flows into a space where the exhaust gas g rapidly expands by an amount corresponding to the nozzle trailing edge blade thickness t. Therefore, in the state where the nozzle throat 28 is closed to the maximum (see FIG. 13B), the width of the throat 28 (of the fluid passage) is larger than the state in which the nozzle throat 28 is opened to the maximum (see FIG. 13A). The ratio of the nozzle blade thickness t to the width) is large, and the space expansion ratio in the flow direction of the exhaust gas g is also large.
When the exhaust gas g flows from the constricted space to a space that suddenly expands, a nozzle wake is generated from the rear edge of the variable nozzle 20, and the size of the exhaust gas g is in the flow direction of the exhaust gas g. It is proportional to the space expansion rate. Therefore, in the state where the nozzle throat 28 is closed to the maximum (see FIG. 13B), the nozzle wake is severe (large) and the excitation force is large, so that the turbine wheel 18 is damaged at the nozzle wake resonance of the turbine wheel 18. There is a risk that.

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することのできる可変容量タービン及びこれを備えた可変容量ターボチャージャを提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a variable capacity turbine capable of preventing damage to a turbine wheel due to nozzle wake resonance and a variable capacity turbocharger including the same.

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明による可変容量タービンは、回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路に、ノズル回動軸に取り付けられた可変ノズルを備え、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回動軸の軸心回りに回転させてその翼角を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービンにおいて、前記流体入口流路と前記タービンホイールの出口部空間とを連通する連通孔が設けられており、前記連通孔の、前記流体入口流路の側に位置する一端は、前記可変ノズルの後縁が位置する場所から、流体が流れる方向における下流側に設けられている。 The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
A variable capacity turbine according to the present invention includes a variable nozzle attached to a nozzle rotation shaft in a fluid inlet passage to a turbine wheel that is rotationally driven, and the variable nozzle is connected to the axis of the nozzle rotation shaft by nozzle driving means. In the variable capacity turbine that changes the flow velocity of the fluid flowing into the turbine wheel by rotating around the center and changing the blade angle, the communication that connects the fluid inlet channel and the outlet space of the turbine wheel A hole is provided, and one end of the communication hole located on the fluid inlet channel side is provided on the downstream side in the fluid flow direction from the position where the rear edge of the variable nozzle is located .

この可変容量タービンにおいては、流体入口流路内の流体が、連通孔を通ってタービンホイールの出口部空間に導かれることとなる。すなわち、流体入口流路内の圧力がタービンホイールの出口部空間に導かれて、流体入口流路内の圧力、特に、可変ノズルの後縁近傍における圧力が低減させられることとなる。これにより、ノズルウェークの発生が抑制されて、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
また、この可変容量タービンにおいては、可変ノズルの後縁が位置する場所の流体が、連通孔を通ってタービンホイールの出口部空間に導かれることとなる。すなわち、流体入口流路内の圧力がタービンホイールの出口部空間に導かれて、流体入口流路内の圧力、特に、可変ノズルの後縁近傍における圧力が低減させられることとなる。これにより、ノズルウェークの発生が抑制されて、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。 In this variable capacity turbine, the fluid in the fluid inlet channel is guided to the outlet space of the turbine wheel through the communication hole. That is, the pressure in the fluid inlet channel is guided to the outlet space of the turbine wheel, and the pressure in the fluid inlet channel, particularly, the pressure in the vicinity of the trailing edge of the variable nozzle is reduced. Thereby, generation | occurrence | production of nozzle wake is suppressed and the failure | damage of the turbine wheel by nozzle wake resonance can be prevented.
In this variable capacity turbine, the fluid at the location where the trailing edge of the variable nozzle is located is guided to the exit space of the turbine wheel through the communication hole. That is, the pressure in the fluid inlet channel is guided to the outlet space of the turbine wheel, and the pressure in the fluid inlet channel, particularly, the pressure in the vicinity of the trailing edge of the variable nozzle is reduced. Thereby, generation | occurrence | production of nozzle wake is suppressed and the failure | damage of the turbine wheel by nozzle wake resonance can be prevented.

本発明による可変容量ターボチャージャは、上記可変容量タービンと、前記タービンロータの駆動によりシリンダ内に吸気過給するコンプレッサと、を具備している。 Variable capacity turbocharger according to the present invention is equipped with upper listen variable capacity turbine, and a compressor for sucking supercharge the cylinder by driving the turbine rotor.

この可変容量ターボチャージャにおいては、上記いずれかの可変容量タービンのタービンホイールが回転駆動されることによりコンプレッサが駆動されるようになっているので、ノズルウェークの発生が抑制されて、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。   In this variable capacity turbocharger, the compressor wheel is driven by rotating the turbine wheel of one of the variable capacity turbines described above, so that the generation of nozzle wakes is suppressed and nozzle wake resonance is caused. Damage to the turbine wheel can be prevented.

ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することのできるという効果を奏する。   The turbine wheel can be prevented from being damaged due to nozzle wake resonance.

以下、本発明に係る可変容量タービン（以下、ＶＧ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ）タービンという）の第１参考実施形態を図１および図２に基づいて説明する。なお、ＶＧタービンおよび可変容量ターボチャージャの主たる構成要素は、従来技術のところで既に説明しているのでここではその説明を省略し、本発明の特徴部についてのみ説明することにする。また、上述した従来技術と同一の部材には同一の符号を付して説明する。 Hereinafter, a first reference embodiment of a variable capacity turbine (hereinafter referred to as a VG (Variable Geometry) turbine) according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. Since the main components of the VG turbine and the variable capacity turbocharger have already been described in the prior art, the description thereof will be omitted here, and only the characteristic part of the present invention will be described. Further, the same members as those in the above-described prior art will be described with the same reference numerals.

図１は、前述した図１３（ｂ）と同様の図であり、本発明によるＶＧタービンの第１参考実施形態を示す要部平面図である。
本実施形態におけるＶＧタービン１００には、スクロール２２からタービンホイール１８に通じる流体入口流路２２’を形成する一側の壁部２５に、周方向に連続する少なくとも１本（本実施形態では４本）の溝１０１が設けられている。
これら溝１０１は、前述したピボットピッチサークル２７と同心円上に等間隔で配置されたものである。
また、最も外側（外周側）に位置する溝１０１の外周端１０２は、可変ノズル２０の後縁部内周端２０’よりも内側（内周側）あるいは可変ノズル２０の後縁部内周端２０’の真下に位置するように設けられている。 FIG. 1 is a view similar to FIG. 13B described above, and is a plan view of a main part showing a first reference embodiment of a VG turbine according to the present invention.
In the VG turbine 100 according to the present embodiment, at least one (four in the present embodiment) continuous in the circumferential direction is formed on one side wall portion 25 that forms a fluid inlet channel 22 ′ leading from the scroll 22 to the turbine wheel 18. ) Groove 101 is provided.
These grooves 101 are arranged at equal intervals on a concentric circle with the above-described pivot pitch circle 27.
Further, the outer peripheral end 102 of the groove 101 located on the outermost side (outer peripheral side) is on the inner side (inner peripheral side) of the rear edge portion inner peripheral end 20 ′ of the variable nozzle 20 or the rear inner peripheral end 20 ′ of the variable nozzle 20. It is provided so that it may be located just below.

図２は図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。図２に示すように、これら溝１０１はそれぞれ断面視矩形形状（図２のものは正方形）を有するものである。   FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. As shown in FIG. 2, each of the grooves 101 has a rectangular shape in sectional view (the one in FIG. 2 is a square).

このように、可変ノズル２０の開度を閉じた状態（絞った状態）における、可変ノズル２０の出口直後（後縁よりも下流側）に、周方向に少なくとも１本（本実施形態では４本）の溝１０１を設けることにより、排気ガスｇの主流に比べて圧力が高くなっているノズルウェークの圧力を低減させて、排気ガスｇの主流とノズルウェークとの圧力差を低減させることができるので、ノズルウェークの発生を抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
また、これら溝１０１は周方向に円を描くように設けられているので、製作時の加工を容易に行うことができる。 Thus, at least one (4 in this embodiment) in the circumferential direction immediately after the outlet of the variable nozzle 20 (downstream from the rear edge) in a state where the opening of the variable nozzle 20 is closed (squeezed state). ) Groove 101, the pressure of the nozzle wake having a pressure higher than that of the main flow of the exhaust gas g can be reduced, and the pressure difference between the main flow of the exhaust gas g and the nozzle wake can be reduced. Therefore, generation | occurrence | production of nozzle wake can be suppressed and the failure | damage of the turbine wheel by nozzle wake resonance can be prevented.
Further, since these grooves 101 are provided so as to draw a circle in the circumferential direction, it is possible to easily perform processing during manufacture.

本発明に係る可変容量タービンの第２参考実施形態を図３に基づいて説明する。なお、上述した従来技術および第１参考実施形態と同一の部材には同一の符号を付して説明する。
図３は、図１と同様の図であり、本発明によるＶＧタービンの第２参考実施形態を示す要部平面図である。
図３に示すＶＧタービン２００は、溝２０１が各可変ノズル２０に対応して部分的に設けられている点で図１に示す第１参考実施形態のものと異なる。すなわち、図１に示す第１参考実施形態では、溝１０１が周方向に連続して円を形成するように設けられていたが、本実施形態では、溝２０１が周方向に不連続とされ、円弧を形成するように設けられている。断面形状については図２と同様であるので、ここではその説明を省略する。 A second reference embodiment of the variable capacity turbine according to the present invention will be described with reference to FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the member same as the prior art mentioned above and 1st reference embodiment.
FIG. 3 is a view similar to FIG. 1 and is a plan view of a principal part showing a second reference embodiment of the VG turbine according to the present invention.
The VG turbine 200 shown in FIG. 3 is different from that of the first reference embodiment shown in FIG. 1 in that the groove 201 is partially provided corresponding to each variable nozzle 20. That is, in the first reference embodiment shown in FIG. 1, the groove 101 is provided so as to continuously form a circle in the circumferential direction, but in this embodiment, the groove 201 is discontinuous in the circumferential direction. It is provided so as to form an arc. Since the cross-sectional shape is the same as in FIG. 2, the description thereof is omitted here.

これら溝２０１はそれぞれ、ノズルウェークの発生が予想される部位（箇所）に設けられている。   Each of these grooves 201 is provided in a portion (location) where occurrence of nozzle wake is expected.

溝２０１をこのように構成しても、前述した第１参考実施形態同様、排気ガスｇの主流に比べて圧力が高くなっているノズルウェークの圧力を低減させて、排気ガスｇの主流とノズルウェークとの圧力差を低減させることができるので、ノズルウェークの発生を抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。 Be configured groove 201 in this manner, by reducing the first same referential embodiment, a pressure nozzle wake the pressure than the main stream of the exhaust gas g is higher mentioned above, the main nozzle of the exhaust gas g Since the pressure difference with the wake can be reduced, the generation of the nozzle wake can be suppressed, and the turbine wheel can be prevented from being damaged by the nozzle wake resonance.

本発明に係る可変容量タービンの第３参考実施形態を図４および図５に基づいて説明する。
なお、上述した従来技術、第１参考実施形態、および第２参考実施形態と同一の部材には同一の符号を付して説明する。
図４は、図１と同様の図であり、本発明によるＶＧタービンの第３参考実施形態を示す要部平面図である。 A third reference embodiment of the variable capacity turbine according to the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the member same as the prior art mentioned above, 1st reference embodiment, and 2nd reference embodiment.
FIG. 4 is a view similar to FIG. 1 and is a plan view of a principal part showing a third reference embodiment of the VG turbine according to the present invention.

本実施形態におけるＶＧタービン３００には、スクロール２２からタービンホイール１８に通じる流体入口流路２２’を形成する一側の壁部２５に、周方向に連続してポーラス（ｐｏｒｏｕｓ）帯３０１が設けられている。ポーラス帯３０１は内部に多数の孔３０２を有する帯状（所定幅を有する）の多孔質部材である。
ポーラス帯３０１は、前述したピボットピッチサークル２７と同心円上に配置されたものである。
また、最も外側（外周側）に位置するポーラス帯３０１の外周端３０３は、可変ノズル２０の開度を閉じた状態（絞った状態）において、後縁部内周端２０’よりも内側（内周側）あるいは可変ノズル２０の後縁部内周端２０’の真下に位置するように設けられている。ポーラス帯３０１の内周端３０４もまた、ピボットピッチサークル２７および外周端３０３よりも内側かつ動翼入口端１８’の径より外側で、これらピボットピッチサークル２７および外周端３０３の同心円上に配置されている。 In the VG turbine 300 according to the present embodiment, a porous band 301 is continuously provided in the circumferential direction on a wall portion 25 on one side forming a fluid inlet channel 22 ′ leading from the scroll 22 to the turbine wheel 18. ing. The porous band 301 is a band-shaped (having a predetermined width) porous member having a large number of holes 302 therein.
The porous band 301 is arranged concentrically with the pivot pitch circle 27 described above.
Further, the outer peripheral end 303 of the porous band 301 located on the outermost side (outer peripheral side) is inside (inner peripheral) of the rear edge inner peripheral end 20 ′ when the opening of the variable nozzle 20 is closed (squeezed state). Side) or the rear edge portion inner peripheral end 20 ′ of the variable nozzle 20. The inner peripheral end 304 of the porous band 301 is also arranged on the concentric circles of the pivot pitch circle 27 and the outer peripheral end 303 inside the pivot pitch circle 27 and the outer peripheral end 303 and outside the diameter of the moving blade inlet end 18 ′. ing.

図５は図４のＶ−Ｖ矢視断面図である。図５に示すように、ポーラス帯３０１は壁部２５に所定深さをもって埋め込まれたものであり、断面視矩形形状（図５のものは長方形）を有するものである。
また、ポーラス帯３０１の表面３０５と壁部２５の表面２５’とは同一平面となるように（同一平面を形成するように）設けられている。 FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG. As shown in FIG. 5, the porous band 301 is embedded in the wall portion 25 with a predetermined depth, and has a rectangular shape in sectional view (the one in FIG. 5 is rectangular).
Further, the surface 305 of the porous band 301 and the surface 25 ′ of the wall portion 25 are provided so as to be on the same plane (so as to form the same plane).

このように、可変ノズル２０の開度を閉じた状態（絞った状態）における、可変ノズル２０の出口直後（後縁よりも下流側）に、周方向にポーラス帯３０１を設けることにより、排気ガスｇの主流に比べて圧力が高くなっているノズルウェークの圧力を低減させて、排気ガスｇの主流とノズルウェークとの圧力差を低減させることができるので、ノズルウェークの発生を抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。   Thus, by providing the porous band 301 in the circumferential direction immediately after the outlet of the variable nozzle 20 (downstream side from the rear edge) in the state where the opening of the variable nozzle 20 is closed (squeezed state), exhaust gas is provided. The pressure of the nozzle wake, which is higher in pressure than the main flow of g, can be reduced to reduce the pressure difference between the main flow of exhaust gas g and the nozzle wake. It is possible to prevent damage to the turbine wheel due to nozzle wake resonance.

また、ポーラス帯３０１の内部に設けられている孔３０２同士が、周方向および／または半径方向に連通するように構成されていればさらに有利である。
これにより一つの孔３０２から入った排気ガス（流体）ｇが別の孔３０２を通って流れていくこととなり、ノズルウェークの圧力をさらに低減させて、排気ガスｇの主流とノズルウェークとの圧力差をさらに低減させることができるので、ノズルウェークの発生をより一層抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損をより防止することができる。 It is further advantageous if the holes 302 provided in the porous band 301 are configured to communicate with each other in the circumferential direction and / or the radial direction.
As a result, the exhaust gas (fluid) g entering from one hole 302 flows through the other hole 302, further reducing the pressure of the nozzle wake, and the pressure between the main flow of the exhaust gas g and the nozzle wake. Since the difference can be further reduced, generation of nozzle wakes can be further suppressed, and damage to the turbine wheel due to nozzle wake resonance can be further prevented.

本実施形態についても、図３に示す第２参考実施形態同様、ポーラス帯３０１を部分的に設けるようにすることができる。 Also in the present embodiment, the porous band 301 can be partially provided as in the second reference embodiment shown in FIG.

本発明に係る可変容量タービンの第４参考実施形態を図６および図７に基づいて説明する。なお、上述した従来技術、第１参考実施形態ないし第３参考実施形態と同一の部材には同一の符号を付して説明する。
図６は、図１と同様の図であり、本発明によるＶＧタービンの第４参考実施形態を示す要部平面図である。 A fourth reference embodiment of the variable capacity turbine according to the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the member same as the prior art mentioned above and 1st reference embodiment thru | or 3rd reference embodiment.
FIG. 6 is a view similar to FIG. 1 and is a plan view of a principal part showing a fourth reference embodiment of the VG turbine according to the present invention.

本実施形態におけるＶＧタービン４００には、スクロール２２からタービンホイール１８に通じる流体入口流路２２’を形成する一側の壁部２５に、突出部４０１が設けられている。
突出部４０１は各可変ノズル２０の後縁が位置する場所から、排気ガスｇが流れる方向における下流側に向かう壁部、すなわちノズルウェークの発生が予想される部位（箇所）に設けられている。 In the VG turbine 400 in the present embodiment, a protruding portion 401 is provided on a wall portion 25 on one side that forms a fluid inlet channel 22 ′ leading from the scroll 22 to the turbine wheel 18.
The protruding portion 401 is provided at a wall portion that is directed downstream from the location where the rear edge of each variable nozzle 20 is located, that is, at a portion (location) where nozzle wake is expected to occur.

突出部４０１の上流端４０２は可変ノズル２０の後縁部形状に略合致するように形成されているとともに、可変ノズル２０の開閉（回動）に支障をきたさないように、すなわち可変ノズル２０の開閉が円滑（スムーズ）に行われるように形成されている。
また、突出部４０１の上流端４０２は、可変ノズル２０の開度を閉じた状態（絞った状態）において可変ノズル２０の後縁部に最も近づく位置に設けられている。
一方、突出部４０１の内周端４０３および外周端４０４は、ノズルウェークの発生が予想される部位に重なるよう（上流端４０２から下流側に向かって略放射状あるいは略扇状）に設けられている。
そして、突出部４０１の下流端４０５は、ピボットピッチサークル２７よりも所定距離内側に位置し、このピボットピッチサークル２７と同心円をなすサークル４０６の線上に位置するように設けられている。 The upstream end 402 of the protruding portion 401 is formed so as to substantially match the shape of the rear edge of the variable nozzle 20, and does not hinder the opening and closing (turning) of the variable nozzle 20, that is, the variable nozzle 20. It is formed so that opening and closing is performed smoothly.
Further, the upstream end 402 of the protrusion 401 is provided at a position closest to the rear edge of the variable nozzle 20 when the opening of the variable nozzle 20 is closed (squeezed state).
On the other hand, the inner peripheral end 403 and the outer peripheral end 404 of the protruding portion 401 are provided so as to overlap with a portion where nozzle wake is expected to occur (substantially radially or substantially fan-shaped from the upstream end 402 toward the downstream side).
The downstream end 405 of the projecting portion 401 is located inside a predetermined distance from the pivot pitch circle 27 and is provided on a line of a circle 406 that is concentric with the pivot pitch circle 27.

図７は図４のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視断面図である。図７に示すように、突出部４０１は従来の壁部２５から所定高さｔだけ内方（流体入口流路２２’側）に突出したものである。ここで、所定高さｔは図１３（ｂ）に示すｔと同一のもので、可変ノズル２０の後縁部における翼厚のことである。
図７に示すように突出部４０１の高さをｔとするのは、流体入口流路２２’の一側の壁部２５に設ける場合であり、流体入口流路２２’の一側の壁部２５と対向して設けられている他側の壁部２５ａ（図１２参照）にも突出部４０１を設ける場合には、突出部４０１の高さはｔ／２となる。 7 is a cross-sectional view taken along arrow VII-VII in FIG. As shown in FIG. 7, the protrusion 401 protrudes inward (fluid inlet channel 22 ′ side) from the conventional wall 25 by a predetermined height t. Here, the predetermined height t is the same as t shown in FIG. 13B and is the blade thickness at the rear edge of the variable nozzle 20.
As shown in FIG. 7, the height of the protrusion 401 is set to t when it is provided on the wall 25 on one side of the fluid inlet channel 22 ′, and the wall on one side of the fluid inlet channel 22 ′. In the case where the protruding portion 401 is also provided on the other wall portion 25a (see FIG. 12) that is provided to face 25, the height of the protruding portion 401 is t / 2.

このように、可変ノズル２０の開度を閉じた状態（絞った状態）における、可変ノズル２０の出口直後（後縁よりも下流側）に、突出部４０１を設けることにより、可変ノズル２０の出口直後における空間の急激な拡がり、すなわち流路面積の急激な増加を抑えることができるので、ノズルウェークの発生を抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。   Thus, by providing the protrusion 401 immediately after the exit of the variable nozzle 20 (downstream side from the rear edge) in the state where the opening of the variable nozzle 20 is closed (squeezed state), the exit of the variable nozzle 20 Since the rapid expansion of the space immediately after that, that is, the rapid increase in the flow path area, can be suppressed, generation of nozzle wakes can be suppressed, and damage to the turbine wheel due to nozzle wake resonance can be prevented.

本発明による可変容量タービンの第５参考実施形態を図８に基づいて説明する。図８は、可変ノズルの後縁部を拡大した要部拡大図である。
本実施形態におけるＶＧタービン５００は、後縁部に変更形状部５０１を有する可変ノズル５０２を具備するものである。
変更形状部５０１は、可変ノズル５０２の後縁から所定距離にわたり負圧面５０３が切削されることにより、翼厚が薄くされた（減少された）部分である。
図における破線は切削前（形状変更前）の翼形を示している。 A fifth reference embodiment of the variable capacity turbine according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is an enlarged view of a main part in which the rear edge of the variable nozzle is enlarged.
The VG turbine 500 in this embodiment includes a variable nozzle 502 having a modified shape portion 501 at the rear edge.
The changed shape portion 501 is a portion in which the blade thickness is reduced (decreased) by cutting the suction surface 503 over a predetermined distance from the rear edge of the variable nozzle 502.
The broken line in the figure shows the airfoil before cutting (before shape change).

ここで、図８を用いて圧力面５０５側から負圧面５０３側に流れ込む流れ（白抜き矢印で示す）の強さについて説明する。
図中におけるＲＳは回転軸心２１（たとえば図６参照）から形状変更前の可変ノズルの後縁部内周端２０’までの距離、一方ＲＰは可変ノズルの後縁部外周端２０”までの距離である。
回転軸心２１からの半径距離Ｒとその場所における旋回流速ＣＵとの間には、ＣＵ・Ｒ＝一定という関係式（自由渦の法則）が成り立つ。すなわち、回転軸心２１からの半径距離Ｒが大きくなるほど旋回流速ＣＵが小さく（圧力が高く）なる。
したがって、回転軸心２１からの半径距離が大きい後縁部外周端２０”では圧力が高く、回転軸心２１からの半径距離が小さい後縁部内周端２０’では圧力が低くなる。すなわち、この半径距離の差が大きいほど圧力差は大きくなる。
このように、回転軸心２１から可変ノズルの後縁部内周端２０’までの距離ＲＳと、可変ノズルの後縁部外周端２０”までの距離ＲＰとの差が大きいと圧力面５０５側から負圧面５０３側に流れ込む流れが強くなって、強いウェークが発生してしまうおそれがある。 Here, the strength of the flow (indicated by a white arrow) flowing from the pressure surface 505 side to the suction surface 503 side will be described with reference to FIG.
In the figure, R S is the distance from the rotation axis 21 (see, for example, FIG. 6) to the rear edge inner peripheral end 20 ′ of the variable nozzle before the shape change, while R P is up to the rear edge outer peripheral end 20 ″ of the variable nozzle. Is the distance.
Between the radial distance R from the rotation axis 21 and the turning velocity C U at that location, that relation C U · R = constant (law of free vortex) holds. That is, as the turning velocity C U radial distance R from the rotation axis 21 is increased is reduced (higher pressure).
Accordingly, the pressure is high at the rear edge outer peripheral end 20 ″ having a large radial distance from the rotation axis 21, and the pressure is low at the rear edge inner peripheral end 20 ′ having a small radial distance from the rotation axis 21. The greater the difference in radial distance, the greater the pressure difference.
Thus, the rotation axis 21 and the distance R S to the trailing edge inner peripheral edge 20 'of the variable nozzle from a large difference between the pressure surface and the distance R P to the edge portion the outer peripheral end 20' after the variable nozzle 505 There is a possibility that a strong wake may be generated due to a strong flow flowing from the side to the suction surface 503 side.

図８に示す実施形態のものは、この半径距離の差を小さくして圧力差を小さくすることにより、圧力面５０５側から負圧面５０３側に流れ込む流れ強さをできるだけ小さくして（すなわち、回転軸心２１から可変ノズルの後縁部内周端２０ａまでの距離がＲ ’となるようにして）、ウェークの発生を抑制しようとするものである。   In the embodiment shown in FIG. 8, the difference in the radial distance is reduced to reduce the pressure difference, thereby reducing the flow strength flowing from the pressure surface 505 side to the suction surface 503 side as much as possible (that is, rotation). The distance from the axial center 21 to the rear edge inner peripheral end 20a of the variable nozzle is set to R ′), and the occurrence of wake is to be suppressed.

可変ノズル５０２の後縁部に、このような変更形状部５０１を設けることにより、圧力面５０５側から負圧面５０３側に流れ込む流れ強さを小さくすることができ、ウェークの発生を抑制することができるとともに、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。   By providing such a modified shape portion 501 at the rear edge portion of the variable nozzle 502, the flow strength flowing from the pressure surface 505 side to the negative pressure surface 503 side can be reduced, and generation of wakes can be suppressed. In addition, it is possible to prevent damage to the turbine wheel due to nozzle wake resonance.

なお、本実施形態では、変更形状部５０１が、可変ノズル５０２の後縁から所定距離にわたり負圧面５０３を切削することにより形成されている。しかしながら本発明はこれに限定されるものではなく、可変ノズル５０２の後縁から所定距離にわたり圧力面５０５を切削することにより形成させることもできる。   In the present embodiment, the changed shape portion 501 is formed by cutting the suction surface 503 over a predetermined distance from the rear edge of the variable nozzle 502. However, the present invention is not limited to this, and can be formed by cutting the pressure surface 505 over a predetermined distance from the rear edge of the variable nozzle 502.

本発明に係る可変容量タービンの第１実施形態を図９および図１０に基づいて説明する。なお、上述した従来技術、および第１参考実施形態ないし第４参考実施形態と同一の部材には同一の符号を付して説明する。
図９は、本発明によるＶＧタービンの縦断面図であり、図１０は図９におけるＸ−Ｘ矢視断面図である。 The first embodiment of the variable capacity turbine according to the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the same member as the prior art mentioned above and 1st reference embodiment thru | or 4th reference embodiment.
9 is a longitudinal sectional view of a VG turbine according to the present invention, and FIG. 10 is a sectional view taken along the line XX in FIG.

本実施形態におけるＶＧタービン６００には、流体入口流路２２’とタービンホイール１８の出口部空間２３’とを連通する連通孔６０１が設けられている。
流体入口流路２２’の側に位置する連通孔６０１の一端６０２は、図１０に示すように、各可変ノズル２０の開度を閉じた状態（絞った状態）において、排気ガスｇが流れる方向における下流側で、かつウェークの発生が予想される部位（箇所）にそれぞれ設けられている。図中における破線は、ウェークの発生が予想される部位（箇所）であり、基本的に図６に示す突出部４０１と同様の平面視形状を有するものである。
連通孔６０１の一端６０２が開口する流体入口流路２２’内の圧力は、タービンホイール１８の出口部空間２３’内の圧力よりも高い。したがって、流体入口流路２２’内の排気ガスｇの一部が一端６０２から連通孔６０１内に入ってタービンホイール１８の出口部空間２３’に自然に導かれた後、排気ガス出口２３から排出されることとなる。 The VG turbine 600 in the present embodiment is provided with a communication hole 601 that communicates the fluid inlet channel 22 ′ with the outlet space 23 ′ of the turbine wheel 18.
As shown in FIG. 10, one end 602 of the communication hole 601 located on the fluid inlet channel 22 ′ side is a direction in which the exhaust gas g flows when the opening of each variable nozzle 20 is closed (squeezed state). Are provided on the downstream side and at the sites (locations) where wakes are expected to occur. The broken line in the figure is a portion (location) where wake is expected to occur, and basically has the same planar view shape as the protruding portion 401 shown in FIG.
The pressure in the fluid inlet channel 22 ′ where the one end 602 of the communication hole 601 opens is higher than the pressure in the outlet space 23 ′ of the turbine wheel 18. Accordingly, a part of the exhaust gas g in the fluid inlet passage 22 ′ enters the communication hole 601 from one end 602 and is naturally guided to the outlet space 23 ′ of the turbine wheel 18, and then discharged from the exhaust gas outlet 23. Will be.

このように流体入口流路２２’内の、ウェークの発生が予想される部位（箇所）の排気ガスｇをタービンホイール１８の出口部空間２３’に抜く（吸い出す）ことにより排気ガスｇの主流に比べて圧力が高くなっているノズルウェークの圧力を低減させて、排気ガスｇの主流とノズルウェークとの圧力差を低減させることができるので、ノズルウェークの発生を抑制して、ノズルウェーク共振によるタービンホイールの破損を防止することができる。
また、これら連通孔６０１は流体入口流路２２’側から、およびタービンホイール１８の出口部空間２３’側からドリルなどによって容易に明ける（加工する）ことができるので、製造あるいは加工に要するコストおよび作業時間を低く抑えることができる。 In this way, the exhaust gas g at the site (location) where wake is expected to be generated in the fluid inlet channel 22 ′ is extracted (sucked out) into the outlet space 23 ′ of the turbine wheel 18, so that the exhaust gas g becomes mainstream. The pressure difference between the main flow of the exhaust gas g and the nozzle wake can be reduced by reducing the pressure of the nozzle wake where the pressure is higher than that of the nozzle wake. Damage to the turbine wheel can be prevented.
Further, these communication holes 601 can be easily opened (processed) from the fluid inlet channel 22 ′ side and from the outlet space 23 ′ side of the turbine wheel 18 by a drill or the like. Work time can be kept low.

なお、上述した実施形態においては、流体入口流路２２’の一側の壁部２５に溝１０１，２０１、ポーラス帯３０１、突出部４０１を設けるようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、流体入口流路２２’の両側の壁部２５，２５ａにそれぞれ設けるようにすることもできる。   In the above-described embodiment, the grooves 101 and 201, the porous band 301, and the protruding portion 401 are provided in the wall portion 25 on one side of the fluid inlet channel 22 ′, but the present invention is not limited to this. Instead, it may be provided on the walls 25 and 25a on both sides of the fluid inlet channel 22 '.

また、図１に示す溝１０１および図３に示す溝２０１の断面形状は、図２に示すものに限定されるものではなく、たとえば図１１に示すような形状、すなわち頂部と底部とに丸みがつけられた波形とすることもできる。   Further, the cross-sectional shapes of the groove 101 shown in FIG. 1 and the groove 201 shown in FIG. 3 are not limited to those shown in FIG. 2, but for example, the shape shown in FIG. 11, that is, the top and bottom are rounded. It can also be an attached waveform.

さらに、上述した実施形態では、溝２０１、ポーラス帯、突出部４０１、連通孔６０１の一端６０２が、各可変ノズル２０に対応してそれぞれ一つずつ設けられているが、本発明はこれに限定されるものではなく、必要に応じて適宜必要な可変ノズル２０に対してのみ設けるようにすることもできる。   Further, in the above-described embodiment, the groove 201, the porous band, the protrusion 401, and the one end 602 of the communication hole 601 are provided corresponding to each variable nozzle 20, but the present invention is not limited to this. However, it can be provided only for the necessary variable nozzle 20 as needed.

さらにまた、上述した実施形態は、それぞれ単独で用いることもできるし、適宜組み合わせて用いるようにすることもできる。たとえば、第１参考実施形態ないし第４参考実施形態、および第１実施形態の各実施形態と第５参考実施形態とを組み合わせたり、あるいは第１参考実施形態ないし第４参考実施形態の各実施形態と第１実施形態とを組み合わせたりすることができる。 Furthermore, the above-described embodiments can be used alone or in appropriate combination. For example, the first reference embodiment to the fourth reference embodiment, and the embodiments of the first embodiment and the fifth reference embodiment are combined, or the first reference embodiment to the fourth reference embodiment. And the first embodiment can be combined.

本発明による可変容量タービンの第１参考実施形態を示す要部平面図である。It is a principal part top view which shows 1st reference embodiment of the variable capacity turbine by this invention. 図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。It is II-II arrow sectional drawing of FIG. 本発明による可変容量タービンの第２参考実施形態を示す要部平面図である。The second reference embodiment of a variable capacity turbine according to the present invention is a fragmentary plan view showing. 本発明による可変容量タービンの第３参考実施形態を示す要部平面図である。It is a principal part top view which shows 3rd reference embodiment of the variable capacity turbine by this invention. 図４のＶ−Ｖ矢視断面図である。It is a VV arrow sectional view of Drawing 4. 本発明による可変容量タービンの第４参考実施形態を示す要部平面図である。It is a principal part top view which shows 4th reference embodiment of the variable capacity turbine by this invention. 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視断面図である。It is VII-VII arrow sectional drawing of FIG. 本発明による可変容量タービンの第５参考実施形態を示す図であって、可変ノズルの後縁部を拡大した要部拡大図である。A diagram showing a fifth reference embodiment of the variable capacity turbine according to the present invention, is a main part enlarged view of the trailing edge of the variable nozzle. 本発明による可変容量タービンの第１実施形態を示す要部縦断面図である。It is a principal part longitudinal cross-sectional view which shows 1st Embodiment of the variable capacity turbine by this invention. 図９のＸ−Ｘ矢視断面図である。It is XX arrow sectional drawing of FIG. 図２と同様、溝の断面形状を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross-sectional shape of a groove | channel like FIG. 従来の可変容量ターボチャージャの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of a conventional variable capacity turbocharger. 図１２におけるＡ−Ａ矢視断面図であって、（ａ）はノズルスロートを最大に開いた状態を示し、（ｂ）はノズルスロートを最大に閉じた状態を示している。It is AA arrow sectional drawing in FIG. 12, (a) has shown the state which opened the nozzle throat to the maximum, (b) has shown the state which closed the nozzle throat to the maximum.

１１ 可変容量タービン
１２ コンプレッサ
１８ タービンホイール
２０ 可変ノズル
２２’ 流体入口流路
２３’ 出口部空間
２４ ピボット（ノズル回動軸）
２５ 壁部
２５ａ 壁部
２６ ノズル駆動手段
１００ 可変容量タービン
１０１ 溝
２００ 可変容量タービン
２０１ 溝
３００ 可変容量タービン
３０１ ポーラス帯
３０２ 孔
４００ 可変容量タービン
４０１ 突出部
５００ 可変容量タービン
５０１ 変更形状部
５０２ 可変ノズル
５０３ 負圧面
５０５ 圧力面
６００ 可変容量タービン
６０１ 連通孔
６０２ 一端
ｇ 排気ガス（流体）
ｔ ノズル後縁部翼厚 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Variable capacity turbine 12 Compressor 18 Turbine wheel 20 Variable nozzle 22 'Fluid inlet flow path 23' Outlet space 24 Pivot (nozzle rotation axis)
25 Wall portion 25a Wall portion 26 Nozzle driving means 100 Variable displacement turbine 101 Groove 200 Variable displacement turbine 201 Groove 300 Variable displacement turbine 301 Porous belt 302 Hole 400 Variable displacement turbine 401 Protruding portion 500 Variable displacement turbine 501 Change shape portion 502 Variable nozzle 503 Negative pressure surface 505 Pressure surface 600 Variable capacity turbine 601 Communication hole 602 One end g Exhaust gas (fluid)
t Nozzle trailing edge blade thickness

Claims (2)

回転駆動されるタービンホイールへの流体入口流路に、ノズル回動軸に取り付けられた可変ノズルを備え、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回動軸の軸心回りに回転させてその翼角を変化させることにより、前記タービンホイールに流入する流体の流速を変化させる可変容量タービンにおいて、
前記流体入口流路と前記タービンホイールの出口部空間とを連通する連通孔が設けられており、
前記連通孔の、前記流体入口流路の側に位置する一端は、前記可変ノズルの後縁が位置する場所から、流体が流れる方向における下流側に設けられていることを特徴とする可変容量タービン。 A variable nozzle attached to a nozzle rotation shaft is provided in a fluid inlet passage to the turbine wheel to be rotationally driven, and the variable nozzle is rotated around the axis of the nozzle rotation shaft by nozzle driving means, and the blade In the variable capacity turbine that changes the flow velocity of the fluid flowing into the turbine wheel by changing the angle,
A communication hole is provided for communicating the fluid inlet channel and the outlet space of the turbine wheel ;
One end of the communication hole located on the fluid inlet channel side is provided on the downstream side in the fluid flow direction from the position where the rear edge of the variable nozzle is located. . 請求項１に記載の可変容量タービンと、前記タービンロータの駆動によりシリンダ内に吸気過給するコンプレッサと、を具備することを特徴とする可変容量ターボチャージャ。 A variable capacity turbocharger comprising: the variable capacity turbine according to claim 1; and a compressor that supercharges intake air into a cylinder by driving the turbine rotor.
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