JP5974501B2 - ターボ機械の可変静翼機構 - Google Patents

Description

本発明は、過給機、ガスタービン、蒸気タービン、圧縮機等のターボ機械において、流体の流量を可変制御する可変静翼機構に関する。

従来、過給機をはじめ、流路内を流体が流通するターボ機械において、流体の流量を可変するための可変静翼機構が広く採用されている。こうした可変静翼機構では、例えば、特許文献１に示されるように、流路に環状に整列配置された複数のノズルベーンそれぞれに翼軸が固定されており、この翼軸が、流路壁面に形成された軸孔に回転自在に軸支されている。そして、翼軸の回転に伴ってノズルベーンが流路内で角度を可変させると、流路面積が可変して流路を流通する流体の流量が制御されることとなる。

上記の可変静翼機構において、翼軸を軸支するための軸孔が流路壁面に露出していると、隣接するノズルベーン間を流通する流体の一部が、軸孔から漏れてしまうという問題が生じる。そこで、ノズルベーンの厚さが翼軸の直径に比して薄く、軸孔をノズルベーンの側面（翼軸の固定面）によって完全に塞ぐことができない場合、換言すれば、軸孔の一部が流路に露出してしまう場合等には、ノズルベーンの側面に鍔部を設け、この鍔部を軸孔に対向させて当該軸孔を塞ぐことで、軸孔からの漏れを低減するのが一般的となっている。

特開２０１０−１２７０９３号公報

しかしながら、上記のようにノズルベーンに鍔部を設けると、流体をガイドするノズルベーンの第１の面や第２の面から流路中に鍔部が突出することとなり、この突出した鍔部によって流体に圧力損失が生じるおそれがある。こうした圧力損失は、特に、ノズルベーンが全閉状態に近づくほど、換言すれば、流路面積が小さくなるほど大きくなると考えられる。

そこで、本発明の目的は、流体の漏れを低減しながらも、圧力損失をも低減することができるターボ機械の可変静翼機構を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のターボ機械の可変静翼機構は、流体が流通する流路に環状に整列配置された複数のノズルベーン、および、前記複数のノズルベーンのそれぞれに固定され、前記流路を区画する流路形成壁部に設けられた軸孔に回転自在に軸支された複数の翼軸を有し、前記翼軸の回転に伴って前記ノズルベーンが前記流路内で角度を可変させるターボ機械の可変静翼機構であって、前記ノズルベーンは、互いに表裏関係にある第１の面および第２の面と、前記第１の面および第２の面の対向方向に延在し、当該対向方向の中央から前記第１の面側および第２の面側のいずれかに軸心をずらして前記翼軸が設けられる側面と、前記第１の面側および第２の面側のうち前記翼軸の軸心が位置する側の前記側面の端部から***するとともに、該第１の面側および第２の面側のうち該翼軸の軸心が位置しない側の該側面の端部からは***せず、前記流路形成壁部の軸孔を、前記軸孔が前記流路に露出しないように被覆する鍔部と、を備え、前記鍔部は、前記ノズルベーンが最大に閉じられて隣接するノズルベーン間の流路面積が最も小さくなったときに、前記流体の流れ方向の上流側に位置することを特徴とする。

本発明によれば、流体の漏れを低減しながらも、圧力損失をも低減することができる。

過給機の概略断面図である。 サポートリングの後面図である。 サポートリングに駆動リングが支持された状態を示す図である。 ノズルベーンおよび翼軸の構造を説明する図である。 ノズルベーンによって形成される可変流路を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

なお、本発明の可変静翼機構は、一般的にターボ機械とよばれる機械装置に広く適用することが可能であるが、本実施形態では、エンジンから排出される排気ガスのエネルギーによって当該エンジンに供給される空気を過給する過給機に適用される可変静翼機構について説明する。ここでは、まず、過給機の構成について説明し、その後、可変静翼機構について具体的に説明する。

図１は、過給機１の概略断面図である。以下では、図に示す矢印Ｆ方向を過給機１の前側とし、矢印Ｒ方向を過給機１の後側として説明する。図１に示すように、過給機１は、ベアリングハウジング２と、ベアリングハウジング２の前側に締結ボルト３によって連結されるタービンハウジング４と、ベアリングハウジング２の後側に締結ボルト５によって連結されるコンプレッサハウジング６と、を備えている。

ベアリングハウジング２には、過給機１の前後方向に貫通する軸受孔２ａが形成されており、この軸受孔２ａにタービン軸７がベアリングを介して回転自在に支持されている。タービン軸７の前端部にはタービンインペラ８が一体的に連結されており、このタービンインペラ８がタービンハウジング４内に回転自在に収容されている。また、タービン軸７の後端部にはコンプレッサインペラ９が一体的に連結されており、このコンプレッサインペラ９がコンプレッサハウジング６内に回転自在に収容されている。

コンプレッサハウジング６には、過給機１の後側に開口するとともに不図示のエアクリーナに接続される吸気口１０が形成されている。また、締結ボルト５によってベアリングハウジング２とコンプレッサハウジング６とが連結された状態では、これら両ハウジング２、６の対向面によって、空気を圧縮して昇圧するディフューザ流路１１が形成される。このディフューザ流路１１は、タービン軸７（コンプレッサインペラ９）の径方向内側から外側に向けて環状に形成されており、上記の径方向内側において、コンプレッサインペラ９を介して吸気口１０に連通している。

また、コンプレッサハウジング６には、ディフューザ流路１１よりもタービン軸７（コンプレッサインペラ９）の径方向外側に位置する環状のコンプレッサスクロール流路１２が設けられている。コンプレッサスクロール流路１２は、不図示のエンジンの吸気口と連通するとともに、ディフューザ流路１１にも連通している。したがって、コンプレッサインペラ９が回転すると、吸気口１０からコンプレッサハウジング６内に流体が吸気されるとともに、当該吸気された流体は、ディフューザ流路１１およびコンプレッサスクロール流路１２で昇圧されてエンジンの吸気口に導かれることとなる。

タービンハウジング４には、過給機１の前側に開口するとともに不図示の排気ガス浄化装置に接続される吐出口１３が形成されている。また、締結ボルト３によってベアリングハウジング２とタービンハウジング４とが連結された状態では、これら両ハウジング２、４の対向面間に間隙１４が形成される。この間隙１４は、後述するノズルベーン５０が配置されて流体が流通する可変流路ｘが構成される部分であり、タービン軸７（タービンインペラ８）の径方向内側から外側に向けて環状に形成されている。

また、タービンハウジング４には、間隙１４よりもタービン軸７（タービンインペラ８）の径方向外側に位置する環状のタービンスクロール流路１５が設けられている。タービンスクロール流路１５は、エンジンから排出される排気ガスが導かれる不図示のガス流入口と連通するとともに、上記の間隙１４にも連通している。したがって、ガス流入口からタービンスクロール流路１５に導かれた排気ガスは、可変流路ｘおよびタービンインペラ８を介して吐出口１３に導かれるとともに、その流通過程においてタービンインペラ８を回転させることとなる。そして、上記のタービンインペラ８の回転力は、タービン軸７を介してコンプレッサインペラ９に伝達されることとなり、コンプレッサインペラ９の回転力によって、上記のとおりに、流体が昇圧されてエンジンの吸気口に導かれることとなる。

このとき、タービンハウジング４に導かれる排気ガスの流量が変化すると、タービンインペラ８およびコンプレッサインペラ９の回転量が変化して、昇圧された流体をエンジンの吸気口に安定的に導くことができなくなってしまう。そこで、タービンハウジング４の間隙１４には、排気ガスの流量に応じて、タービンインペラ８に導かれる排気ガスの流速を変化させる可変静翼機構２０が設けられている。この可変静翼機構２０は、エンジンの回転数が低く排気ガスの流量が少ない場合には、可変流路ｘの開度を小さくしてタービンインペラ８に導かれる排気ガスの流速を向上し、少ない流量でもタービンインペラ８を回転させることができるようにするものである。以下に、可変静翼機構２０の構成について説明する。

図１に示すように、可変静翼機構２０は、タービンハウジング４側に設けられるシュラウドリング２１と、このシュラウドリング２１に対向してベアリングハウジング２側に設けられるノズルリング２２と、を備えている。これらシュラウドリング２１およびノズルリング２２は、排気ガスが流通する流路を区画形成する流路形成壁部をなし、これらシュラウドリング２１およびノズルリング２２間に排気ガスが導かれることとなる。シュラウドリング２１は、薄板リング状の本体２１ａと、この本体２１ａの内周縁部から吐出口１３側に突出する突出部２１ｂと、を有しており、本体２１ａには、厚さ方向（タービン軸７の軸方向）に貫通する複数の軸孔２３が、周方向に等間隔で形成されている。

また、ノズルリング２２は、シュラウドリング２１の本体２１ａと直径が等しい薄板リング状の本体２２ａを備えており、シュラウドリング２１と所定の間隔を維持して対向配置されている。このノズルリング２２は、本体２２ａの外周近傍において、複数（本実施形態では３つ、図１では１つのみ示す）の連結ピン２４が回転自在に挿通されており、この連結ピン２４によって、シュラウドリング２１との対向間隔が一定に維持されている。

なお、ノズルリング２２の本体２２ａには、厚さ方向（タービン軸７の軸方向）に貫通する複数の軸孔２５が周方向に等間隔で形成されており、シュラウドリング２１に形成された軸孔２３と、ノズルリング２２に形成された軸孔２５とが対向配置されている。また、連結ピン２４は、その一端がノズルリング２２の後側に突出しており、この突出部位をかしめることで、ノズルリング２２の後側にサポートリング３０が固定されている。

図２は、サポートリング３０の後面図である。図１および図２に示すように、サポートリング３０は、円筒状の部材で構成されており、薄板状の部材を屈曲させた断面形状をなしている。このサポートリング３０は、環状のフランジ部３１と、このフランジ部３１の内周縁から前側に起立する筒部３２と、この筒部３２の前側端部から径方向内側に屈曲する平面部３３と、を備えており、ベアリングハウジング２とタービンハウジング４との対向面にフランジ部３１を挟持した状態で締結ボルト３を締結することで、タービンハウジング４内に保持される。

平面部３３には、上記した連結ピン２４の一端が挿通可能な挿通孔３３ａが、周方向に等間隔で３カ所設けられており、この挿通孔３３ａに連結ピン２４を挿通させてかしめることにより、当該サポートリング３０、シュラウドリング２１およびノズルリング２２が一体化されることとなる。

また、平面部３３には、その内周側の端部から径方向外方に向けて切り欠かれた凹部３４が、周方向に複数設けられており、この凹部３４に支持片３５が設けられている。この支持片３５は、平面部３３から後側に屈曲する支持部３５ａと、この支持部３５ａから径方向外方に向けて屈曲するとともに、平面部３３から所定距離離間して対面する脱落防止部３５ｂとからなる。この支持片３５には、図３に示すように、駆動リング４０が回転自在に支持される。

図３は、サポートリング３０に駆動リング４０が支持された状態を示す図である。この図に示すように、駆動リング４０は、環状の薄板部材によって構成されており、その内周縁が、サポートリング３０の支持片３５によって回転自在に支持されている。駆動リング４０には、その内周側の端部から径方向外方に向けて切り欠かれた係合凹部４１が、周方向に複数形成されており、この係合凹部４１に伝達リンク４２の一端が係合されている。また、駆動リング４０の内周側の端部には、係合凹部４１と同様の形状をなす第２係合凹部４３が１つ形成されており、この第２係合凹部４３に、伝達リンク４２と同様の形状をなす駆動用伝達リンク４４の一端が係合されている。

なお、伝達リンク４２の他端側には嵌合孔４２ａが形成されており、駆動用伝達リンク４４の他端側には嵌合孔４４ａが形成されている。そして、図１に示すように、嵌合孔４２ａには、ノズルベーン５０に固定された翼軸５１が挿通した状態で固定されており、また、駆動用伝達リンク４４の嵌合孔４４ａには、駆動軸４５の一端が嵌合されている。この駆動軸４５は、駆動リング４０の後側に延伸しており、その他端には、不図示のシリンダ等のアクチュエータによって駆動する駆動レバー４６が一体的に連結されている。

したがって、駆動レバー４６がアクチュエータによって駆動すると、図１および図３に示すように、駆動軸４５が回転するとともに、当該駆動軸４５を軸として駆動用伝達リンク４４が揺動し、この駆動用伝達リンク４４の揺動に伴って、駆動リング４０が回転する。このようにして駆動リング４０が回転すると、今度は駆動リング４０の回転によって伝達リンク４２が揺動し、この伝達リンク４２の揺動に伴って翼軸５１が回転する。そして、翼軸５１が回転すると、この翼軸５１を軸としてノズルベーン５０が揺動し、可変流路ｘの面積が可変されることとなる。

図４は、ノズルベーン５０および翼軸５１の構造を説明する図であり、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は平面図である。この図に示すように、ノズルベーン５０は、互いに表裏関係にある第１の面５０ａおよび第２の面５０ｂと、第１の面５０ａおよび第２の面５０ｂの対向方向に延在する側面５０ｃ、５０ｄと、を備えて構成される。本実施形態では、ノズルベーン５０が間隙１４に位置した状態において、第１の面５０ａがタービンスクロール流路１５側に位置し、第２の面５０ｂがタービンインペラ８側に位置している（図１参照）。また、このとき、側面５０ｃが、シュラウドリング２１の本体２１ａに対面するとともに、側面５０ｄが、ノズルリング２２の本体２２ａに対面することとなる。

そして、側面５０ｃ、５０ｄのそれぞれには、翼軸５１が、その軸心を当該側面５０ｃ、５０ｄに直交させるように設けられている。このとき、図４（ｂ）に示すように、翼軸５１の軸心ｚは、第１の面５０ａおよび第２の面５０ｂの対向方向（ノズルベーン５０の厚さ方向）の中央ｃから第１の面５０ａ側にずらして位置している。このようにして設けられた翼軸５１は、シュラウドリング２１に形成された軸孔２３、および、ノズルリング２２に形成された軸孔２５にそれぞれ回転自在に軸支される（図１参照）。

ここで、図４（ｂ）に示すように、翼軸５１は、側面５０ｃ、５０ｄにおける第１の面５０ａ側の端部から突出している。そのため、翼軸５１が軸孔２３、２５に軸支された状態では、これら軸孔２３、２５が、排気ガスが流通する流路中に露出してしまう。このように、軸孔２３、２５が流路中に露出したままになっていると、排気ガスの一部が軸孔２３、２５に流れ込んでリークしてしまい、圧力損失が生じてしまう。そこで、ノズルベーン５０には、側面５０ｃ、５０ｄにおける第１の面５０ａ側の端部から***する鍔部５２が設けられており、この鍔部５２によって軸孔２３、２５を被覆するようにしている。

このように、本実施形態のノズルベーン５０は、互いに表裏関係にある第１の面５０ａおよび第２の面５０ｂと、第１の面５０ａおよび第２の面５０ｂの対向方向に延在するとともに、第１の面５０ａ側に軸心ｚをずらして翼軸５１が設けられる側面５０ｃ、５０ｄと、これら側面５０ｃ、５０ｄに設けられ、翼軸５１の軸心ｚが位置する第１の面５０ａ側の端部から***するとともに軸孔２３、２５を被覆する鍔部５２と、を備えている。そして、鍔部５２は、第１の面５０ａ側にのみ設けられていることから、ノズルベーン５０が最大に閉じられて隣接するノズルベーン５０間の流路面積が最も小さくなったときに、タービンスクロール流路１５側、すなわち、排気ガスの流れ方向の上流側に位置することとなる。

図５は、ノズルベーン５０によって形成される可変流路ｘを説明する図であり、図５（ａ）は従来のノズルベーン１００を示し、図５（ｂ）は本実施形態のノズルベーン５０を示している。なお、従来のノズルベーン１００は、本実施形態のノズルベーン５０と同様、表裏関係にある第１の面１００ａおよび第２の面１００ｂと、これら第１の面１００ａおよび１００ｂの対向方向に延在する側面１００ｃ、１００ｄと、を備えており、その形状は本実施形態のノズルベーン５０と同じである。ただし、ノズルベーン１００は、側面１００ｃ、１００ｄに設けられる翼軸１０１の軸心が、第１の面１００ａ、１００ｂの対向方向の中央に位置しており、第１の面１００ａ側および第２の面１００ｂ側の双方に鍔部１０２が設けられている。

エンジンから排出される排気ガスの流量が少ない場合には、隣接するノズルベーン５０、１００の間隔を小さくして可変流路ｘを絞り、排気ガスの流速を向上してタービンインペラ８に導く。このとき、図５（ａ）に示す従来のノズルベーン１００においては、隣接するノズルベーン１００間に形成される絞られた可変流路ｘの下流に鍔部１０２が位置している。そのため、流速を増した排気ガスの一部が鍔部１０２に衝突して圧力損失が生じ、特に、流路を区画形成する流路形成壁部（シュラウドリング２１の本体２１ａおよびノズルリング２２の本体２２ａの両対向面）近傍において、図５（ａ）の破線で囲まれた部位の流速低下が顕著となる。

これに対して、本実施形態のノズルベーン５０によれば、可変流路ｘが絞られたときに、図５（ｂ）に示すように、可変流路ｘの下流側において、排気ガスの流れが阻害されることがなく、圧力損失が生じることもない。これにより、排気ガスが、所望の流速を維持したままタービンインペラ８に導かれることとなり、従来に比して、タービン効率を向上することが可能となる。

なお、本実施形態においては、第１の面５０ａ側に翼軸５１の軸心をずらして設け、鍔部５２を第１の面５０ａ側にのみ***させる場合について説明したが、翼軸５１の軸心位置や鍔部５２を設ける位置は第２の面５０ｂ側であってもよい。ただし、この場合には、ノズルベーン５０が最大に閉じられて隣接するノズルベーン５０間の流路面積が最も小さくなったときに、流体の流れ方向の上流側に第２の面５０ｂが位置する必要がある。いずれにしても、側面５０ｃ、５０ｄは、第１の面５０ａおよび第２の面５０ｂの対向方向の中央から第１の面５０ａ側および第２の面５０ｂ側のいずれかに軸心をずらした位置に翼軸５１が設けられていればよい。そして、この翼軸５１の軸心が位置する側の側面５０ｃ、５０ｄの端部から鍔部５２が***し、この鍔部５２が、ノズルベーン５０が最大に閉じられて流路面積が最も小さくなったときに、流体の流れ方向の上流側に位置すればよい。

また、本実施形態においては、側面５０ｃ、５０ｄの双方に翼軸５１が設けられ、ノズルベーン５０が所謂両持ちされる場合について説明したが、側面５０ｃ、５０ｄのいずれか一方にのみ翼軸５１を設ける所謂片持ちの構造としてもよい。

また、本実施形態における可変静翼機構２０の構成は一例に過ぎず、ノズルベーン５０を可変させるための具体的な構造は上記の構造に限定されるものではない。また、本実施形態においては、タービンハウジング４内に可変静翼機構２０を設け、排気ガスが流通する流路面積を可変する場合について説明したが、コンプレッサハウジング６内に可変静翼機構２０を設けることとしてもよい。ただし、この場合には、コンプレッサインペラ９側が流体の流れ方向の上流側となり、コンプレッサスクロール流路１２側が流体の流れ方向の下流側となる。したがって、この場合には、ノズルベーン５０が最大に閉じられて隣接するノズルベーン５０間の流路面積が最も小さくなったときに、流体の流れ方向の上流側すなわちコンプレッサインペラ９側に、翼軸５１の軸心および鍔部５２が位置することとなる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、過給機、ガスタービン、蒸気タービン、圧縮機等のターボ機械において、流体の流量を可変制御する可変静翼機構に利用することができる。

１ …過給機
２０ …可変静翼機構
２３、２５ …軸孔
５０ …ノズルベーン
５０ａ …第１の面
５０ｂ …第２の面
５０ｃ、５０ｄ …側面
５１ …翼軸
５２ …鍔部
ｘ …可変流路

Claims (1)

1. 流体が流通する流路に環状に整列配置された複数のノズルベーン、および、前記複数のノズルベーンのそれぞれに固定され、前記流路を区画する流路形成壁部に設けられた軸孔に回転自在に軸支された複数の翼軸を有し、前記翼軸の回転に伴って前記ノズルベーンが前記流路内で角度を可変させるターボ機械の可変静翼機構であって、
   前記ノズルベーンは、
   互いに表裏関係にある第１の面および第２の面と、
   前記第１の面および第２の面の対向方向に延在し、当該対向方向の中央から前記第１の面側および第２の面側のいずれかに軸心をずらして前記翼軸が設けられる側面と、
   前記第１の面側および第２の面側のうち前記翼軸の軸心が位置する側の前記側面の端部から***するとともに、該第１の面側および第２の面側のうち該翼軸の軸心が位置しない側の該側面の端部からは***せず、前記流路形成壁部の軸孔を、前記軸孔が前記流路に露出しないように被覆する鍔部と、
   を備え、
   前記鍔部は、
   前記ノズルベーンが最大に閉じられて隣接するノズルベーン間の流路面積が最も小さくなったときに、前記流体の流れ方向の上流側に位置することを特徴とするターボ機械の可変静翼機構。

Images