可変ノズルのベーン形状及び可変容量過給機
【課題】ベーン背側部の前縁部側における負圧部分の発生の抑制又はノズル流路における速度勾配の緩和を図ることにより、可変ノズルにおける圧力損失を低減し、タービン効率を向上させることができる可変ノズルのベーン形状及び可変容量過給機を提供する。
【解決手段】流体を動翼に供給して動力を得るラジアルタービンの流体供給路３１に断面翼形状のベーン１を回動可能に配置することにより流体の供給量を調節可能に構成した可変ノズルのベーン形状であって、ベーン１の断面翼形状は、腹側部５の前縁部２側に形成された凸部を有し、該凸部は、流体の供給量が最も少ないベーン１の全閉状態において、隣接するベーン１との間に形成されるノズル流路３２を構成する部分に形成されており、ノズル流路３２は、入口から出口までの長さＸ／出口面積Ｗｏｕｔにより表されるノズル流路長さ比Ｔが１．０以上である。
【解決手段】流体を動翼に供給して動力を得るラジアルタービンの流体供給路３１に断面翼形状のベーン１を回動可能に配置することにより流体の供給量を調節可能に構成した可変ノズルのベーン形状であって、ベーン１の断面翼形状は、腹側部５の前縁部２側に形成された凸部を有し、該凸部は、流体の供給量が最も少ないベーン１の全閉状態において、隣接するベーン１との間に形成されるノズル流路３２を構成する部分に形成されており、ノズル流路３２は、入口から出口までの長さＸ／出口面積Ｗｏｕｔにより表されるノズル流路長さ比Ｔが１．０以上である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を動翼に供給して動力を得るラジアルタービンの流体供給路に断面翼形状のベーンを回動可能に配置することにより前記流体の供給量を調節可能に構成した可変ノズルのベーン形状及び該ベーン形状を有する可変容量過給機に関し、特に、可変ノズルにおける圧力損失を低減し、タービン効率を向上させることができる可変ノズルのベーン形状及び可変容量過給機に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体を動翼に供給して、流体の運動エネルギーを回転運動に変換して動力を得る回転式原動機は、一般にタービンと呼ばれている。特に、動翼の半径方向から流体を供給して軸方向に排出するタイプをラジアルタービンという。かかるラジアルタービンを利用した装置の一つに車両用過給機がある。ここで、車両用過給機（ターボチャージャー）は、排気ガスの供給によりタービン動翼を回転させるガスタービンと、前記タービン動翼と同軸に連結された羽根車により空気を吸入するコンプレッサと、を備えている。前記コンプレッサにより吸入された空気は、圧縮されてエンジンに供給され、燃料と混合されて燃焼される。燃焼後の排気ガスは、前記ガスタービンに送られて仕事をした後、最終的に大気中に放出される。前記排気ガスを前記タービン動翼に供給する流路は、排気ガスを加速させるために、前記タービン動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成されたスクロール部を有し、前記タービン動翼の半径方向から前記排気ガスを供給するように構成されている。
【０００３】
かかる車両用過給機において、車両のエンジンの回転数に合わせて適切なタービン出力を得るために、スクロール部からタービン動翼に流体を供給する流体供給路に複数の回動可能なベーンを配置した可変ノズルを備えた可変容量過給機が開発されている（例えば、特許文献１又は特許文献２参照）。そして、排気ガスの流量が少ない場合には、隣接するベーンとの間に形成されるノズル流路が狭くなるように前記ベーンを回動させて、排気ガスにスワールが与えられるようにしている。また、排気ガスの流量が多い場合には、ノズル流路が広くなるように前記ベーンを回動させて、排気ガスに与えられるスワールを抑えるようにしている。かかる可変ノズルのベーン形状は、タービン効率に影響すると考えられており、一般に、前縁部の径を大きくするとともに後縁部の径を小さくした翼形状に形成されている。例えば、特許文献１に記載のベーンは、直線のキャンバーラインに沿って形成された翼形状をなしており、特許文献２に記載のベーンは、背側部側に凸となるように反ったキャンバーラインに沿って形成された翼形状をなしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−４０２５１号公報、図１０（Ａ）
【特許文献２】特開平１１−２５７０８２号公報、図２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のような直線のキャンバーラインに沿って形成された従来の可変ノズルのベーン形状では、流体（排気ガス）の供給量が最も多いベーンの全開状態では、流体（排気ガス）のノズル流路に対する流入角度とベーンの前縁部における前記キャンバーラインの角度（入射角）との差が大きいため、ベーン背側部の前縁部における境界層において負圧となる部分が形成され易く、圧力損失の要因となっていた。特に、負圧が大きい場合には、流体（排気ガス）の剥離が生じてしまうおそれもあった。
【０００６】
また、特許文献１及び特許文献２に記載された従来の可変ノズルのベーン形状では、排気ガスの供給量が最も少ないベーンの全閉状態において、ノズル流路の入口側が広く出口側が狭い形状になっているため、ノズル流路を通過する流体（排気ガス）の速度勾配が大きく、圧力損失の要因となっていた。
【０００７】
本発明は上述した問題点に鑑み創案されたものであり、ベーン背側部の前縁部側における負圧部分の発生の抑制又はノズル流路における速度勾配の緩和を図ることにより、可変ノズルにおける圧力損失を低減し、タービン効率を向上させることができる可変ノズルのベーン形状及び可変容量過給機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、流体を動翼に供給して動力を得るラジアルタービンの流体供給路に断面翼形状のベーンを回動可能に配置することにより前記流体の供給量を調節可能に構成した可変ノズルのベーン形状であって、前記ベーンの断面翼形状は、腹側部の前縁部側に形成された凸部を有し、該凸部は、前記流体の供給量が最も少ない前記ベーンの全閉状態において、隣接するベーンとの間に形成されるノズル流路を構成する部分に形成されており、該ノズル流路は、入口から出口までの長さ／出口面積により表されるノズル流路長さ比Ｔが１．０以上である、ことを特徴とする可変ノズルのベーン形状が提供される。
【０００９】
前記ノズル流路は、入口面積／出口面積により表されるノズル流路面積比Ｓと、入口から出口までの長さ／出口面積により表されるノズル流路長さ比Ｔとの関係が、Ｓ＜０．５・Ｔ＋１．０、Ｓ＞１．０、Ｔ＞１．０を満たすように構成されていてもよい。
【００１０】
前記ノズル流路は、入口面積／出口面積により表されるノズル流路面積比Ｓと、入口から出口までの長さ／出口面積により表されるノズル流路長さ比Ｔとの関係が、Ｓ＜０．２・Ｔ＋１．２、Ｓ＞１．０、Ｔ＞１．０を満たすように構成されていてもよい。
【００１１】
前記ベーンの断面翼形状は、背側部の後縁部側に形成された凹部を有し、該凹部は、前記全閉状態において、隣接するベーンとの間に形成されるノズル流路を構成する部分に形成されていてもよい。
【００１２】
また、本発明によれば、流体の供給により動翼を回転させるラジアルタービンと、前記動翼と同軸に連結された羽根車により空気を吸入するコンプレッサと、前記ラジアルタービンの流体供給路に断面翼形状のベーンを回動可能に配置することにより前記流体の供給量を調節可能に構成した可変ノズルと、を備えた可変容量過給機であって、前記ベーンの断面翼形状は、腹側部の前縁部側に形成された凸部を有し、該凸部は、前記流体の供給量が最も少ない前記ベーンの全閉状態において、隣接するベーンとの間に形成されるノズル流路を構成する部分に形成されており、該ノズル流路は、入口から出口までの長さ／出口面積により表されるノズル流路長さ比Ｔが１．０以上である、ことを特徴とする可変容量過給機が提供される。
【００１３】
前記ノズル流路は、入口面積／出口面積により表されるノズル流路面積比Ｓと、入口から出口までの長さ／出口面積により表されるノズル流路長さ比Ｔとの関係が、Ｓ＜０．５・Ｔ＋１．０、Ｓ＞１．０、Ｔ＞１．０を満たすように構成されていてもよい。
【００１４】
前記ノズル流路は、入口面積／出口面積により表されるノズル流路面積比Ｓと、入口から出口までの長さ／出口面積により表されるノズル流路長さ比Ｔとの関係が、Ｓ＜０．２・Ｔ＋１．２、Ｓ＞１．０、Ｔ＞１．０を満たすように構成されていてもよい。
【００１５】
前記ベーンの断面翼形状は、背側部の後縁部側に形成された凹部を有し、該凹部は、前記全閉状態において、隣接するベーンとの間に形成されるノズル流路を構成する部分に形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
上述した本発明の可変ノズルのベーン形状及び可変容量過給機によれば、全閉状態におけるノズル流路に凸部を形成することにより、全閉状態におけるノズル流路の流路幅（ベーンの背側と隣接するベーンの腹側の距離）の変化を緩和することができる。さらに、ノズル流路のノズル流路長さ比Ｔを１．０以上に設定することにより、全閉状態においても、ノズル流路の速度勾配を緩和しつつノズル流路の出口における必要な流速を確保することができる。したがって、可変ノズルにおける圧力損失を効果的に低減することができる。
【００１７】
また、ノズル流路面積比Ｓとノズル流路長さ比Ｔとが所定の関係式を満たすようにすることにより、全閉状態から全開状態の全域に渡って効果的にノズル流路の流路幅の変化を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の可変ノズルのベーン形状を示す断面図であり、（Ａ）は第一実施形態、（Ｂ）は第二実施形態、（Ｃ）は第三実施形態である。
【図２】第一実施形態のベーン形状における翼厚Ｄ／キャンバー長と無次元キャンバー長との関係を示す図である。
【図３】第一実施形態のベーンにより形成されるノズル流路を示す断面図であり、（Ａ）は全開状態、（Ｂ）は全閉状態を示している。
【図４】ノズル流路面積比とノズル流路長さ比との関係を示す図である。
【図５】本発明の第一実施形態に係るベーン形状を有する可変ノズルの流速分布図であり（Ａ）は全開状態、（Ｂ）は全閉状態を示している。
【図６】本発明の可変ノズルのベーン形状を採用した可変容量過給機の断面図である。
【図７】本発明の可変容量過給機と従来のベーン形状を採用した可変容量過給機におけるタービン効率を比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図１〜図７を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の可変ノズルのベーン形状を示す断面図であり、（Ａ）は第一実施形態、（Ｂ）は第二実施形態、（Ｃ）は第三実施形態である。また、図２は、第一実施形態のベーン形状における翼厚Ｄ／キャンバー長と無次元キャンバー長との関係を示す図である。
【００２０】
図１（Ａ）〜（Ｃ）に示したベーン形状は、流体を動翼に供給して動力を得るラジアルタービンの流体供給路に断面翼形状のベーン１を回動可能に配置することにより前記流体の供給量を調節可能に構成した可変ノズルのベーン形状である。ベーン１の断面翼形状は、流体の入口側を形成する前縁部２と、流体の出口側を形成する後縁部３と、ベーン１の表面における静圧が低圧となる背側部４と、ベーン１の表面における静圧が高圧となる腹側部５と、から構成されている。各図において、背側部４の変曲点をＰ１〜Ｐ４で示し、腹側部の変曲点をＱ１〜Ｑ４で示している。そして、曲線Ｐ１Ｑ１が前縁部２、曲線Ｐ４Ｑ４が後縁部３、曲線Ｐ１Ｐ４が背側部４、曲線Ｑ１Ｑ４が腹側部５を構成している。また、説明の便宜上、曲線Ｐ１Ｐ２を第一背側部４ａ、曲線Ｐ２Ｐ３を第二背側部４ｂ、曲線Ｐ３Ｐ４を第三背側部４ｃ、曲線Ｑ１Ｑ２を第一腹側部５ａ、曲線Ｑ２Ｑ３を第二腹側部５ｂ、曲線Ｑ３Ｑ４を第三腹側部５ｃと称することとする。
【００２１】
ここで、図１（Ａ）〜（Ｃ）に示した本発明のベーン形状における特徴は、腹側部５の前縁部２側に形成された凸部と、背側部４の後縁部３側に形成された凹部と、を有することである。具体的には、第一腹側部５ａ（曲線Ｑ１Ｑ２）を凸に形成し、第三背側部４ｃ（曲線Ｐ３Ｐ４）を凹に形成している。すなわち、前記凸部は第一腹側部５ａ（曲線Ｑ１Ｑ２）に相当し、前記凹部は第三背側部４ｃ（曲線Ｐ３Ｐ４）に相当する。この第一腹側部５ａ（曲線Ｑ１Ｑ２）及び第三背側部４ｃ（曲線Ｐ３Ｐ４）は、後述するように、流体の供給量が最も少ないベーン１の全閉状態において、隣接するベーン１との間に形成されるノズル流路の一部を構成する部分である。かかる部分に対峙する凸部と凹部を形成することにより、ノズル流路の流路幅の変化を小さくすることができ、ノズル流路を通過する流体の速度勾配を緩和することができ、可変ノズルにおける圧力損失を低減することができる。
【００２２】
図１（Ａ）に示す本発明の第一実施形態に係るベーン形状は、背側部４に凸なキャンバーラインＣを有する。また、かかるキャンバーラインＣは、前縁部２における接線方向である入射角と、流体の供給量が最も多いベーン１の全開状態における流入角とがなす角度αが２０°以下となるように形成されている。全開状態における入射角と流入角とがなす角度αを２０°以下に設定することにより、背側部４における負圧の発生を効果的に抑制することができる。
【００２３】
ここで、キャンバーラインＣの前縁部２から後縁部３までの長さにより規定されるキャンバー長をＬ、キャンバーラインＣの垂線と背側部４及び腹側部５との交点の長さにより規定される翼厚をＤとする。キャンバー長Ｌに対する翼厚Ｄの割合（翼厚Ｄ／キャンバー長Ｌ）を前縁部２から後縁部３に渡って図示すると図２のように表記される。なお、無次元キャンバー長とは、キャンバー長Ｌの全体を１として表現したものである。図２に示すように、本発明の第一実施形態では、無次元キャンバー長が約０．３の位置において翼厚Ｄが最大値となっていることがわかる。すなわち、本発明の第一実施形態における最大翼厚部は、キャンバーラインＣに沿って前縁部２から約３０％の位置に配置されていることとなる。この最大翼厚部の位置は、特にベーン１の全開状態におけるノズル流路の形状に影響を与える。全開状態におけるノズル流路の流路幅の変化を小さくするためには、最大翼厚部はノズル流路の入口よりも上流側に配置されていることが好ましい。具体的な配置位置は、ベーンの大きさや個数等によって任意に設定されるものであるが、概ね無次元キャンバー長が０．２〜０．４の範囲（キャンバーラインＣに沿って前縁部２から２０〜４０％の位置）に配置されていることが好ましい。
【００２４】
また、最大翼厚部の厚さもベーン１の全開状態におけるノズル流路の形状に影響を与える。この厚さも全開状態におけるノズル流路の流路幅の変化を小さくするように設定される。具体的な厚さは、ベーンの大きさや個数等によって任意に設定されるものであるが、概ね翼厚Ｄ／キャンバー長Ｌの最大値が０．１５〜０．２の範囲（キャンバー長Ｌに対する１５〜２０％の厚さ）に設定されていることが好ましい。
【００２５】
なお、背側部４の第一背側部４ａ及び第二背側部４ｂ、腹側部５の第二腹側部５ｂ及び第三腹側部５ｃの形状は、キャンバーラインＣの形状及び最大翼厚部の位置を設定した後、隣接するベーンとの間に形成されるノズル流路の流路幅の変化が小さくなるように、かつ第三背側部４ｃ又は第一腹側部５ａと滑らかに接続されるように設定される。ここでは、背側部４の第一背側部４ａ及び第二背側部４ｂにより構成される凸部を２つの異なる曲率を有する曲線Ｐ１Ｐ２，Ｐ２Ｐ３により構成しているが、同一の曲率を有する曲線により構成してもよい。また、腹側部５の第一腹側部５ａ及び第二腹側部５ｂにより構成される凸部を２つの異なる曲率を有する曲線Ｑ１Ｑ２，Ｑ２Ｑ３により構成しているが、同一の曲率を有する曲線により構成してもよい。
【００２６】
図１（Ｂ）に示す本発明の第二実施形態に係るベーン形状は、凹部を構成する第三背側部４ｃ（曲線Ｐ３Ｐ４）の曲率を、凸部を構成する第一腹側部５ａ（曲線Ｑ１Ｑ２）の曲率と等しくなるように設定したものである。また、第三背側部４ｃ（曲線Ｐ３Ｐ４）と第二背側部４ｂ（曲線Ｐ２Ｐ３）、第二背側部４ｂ（曲線Ｐ２Ｐ３）と第一背側部４ａ（曲線Ｐ１Ｐ２）が、それぞれ滑らかに連なるように第一背側部４ａ（曲線Ｐ１Ｐ２）及び第二背側部４ｂ（曲線Ｐ２Ｐ３）の曲率を調節してある。その他の点については、第一実施形態と同じ構成であるため詳細な説明を省略する。なお、凸部を構成する第一腹側部５ａ（曲線Ｑ１Ｑ２）の曲率を、凹部を構成する第三背側部４ｃ（曲線Ｐ３Ｐ４）の曲率と等しくなるように設定してもよいことは勿論である。
【００２７】
図１（Ｃ）に示す本発明の第三実施形態に係るベーン形状は、キャンバーラインＣを直線状に設定したものである。上述したように本発明は、第一腹側部５ａ（曲線Ｑ１Ｑ２）を凸に形成し、第三背側部４ｃ（曲線Ｐ３Ｐ４）を凹に形成したことを特徴とする。したがって、本発明は、キャンバーラインＣを直線状に設定したベーン１にも適用することができる。かかる第三実施形態では、負圧の発生を抑制する効果は低いが、特に全閉状態におけるノズル流路の流路幅の変化を小さくすることができ、ノズル流路を通過する流体の速度勾配を緩和することができ、可変ノズルにおける圧力損失を抑制することができるとの効果を奏する。なお、その他の点については、第一実施形態と同じ構成であるため詳細な説明を省略する。
【００２８】
続いて、上述した第一実施形態のベーン１を用いて、ベーン形状とノズル流路との関係について説明する。ここで、図３は、第一実施形態のベーンにより形成されるノズル流路を示す断面図であり、（Ａ）は全開状態、（Ｂ）は全閉状態を示している。また、図４は、ノズル流路面積比Ｓとノズル流路長さ比Ｔとの関係を示す図である。
【００２９】
図３（Ａ）に示すように、タービン動翼の半径方向に流体を供給する流体供給路３１には、複数のベーン１ａ，１ｂが所定の間隔で配列されている。ノズル流路３２は、ベーン１ａの背側部４と隣接するベーン１ｂの腹側部５とがオーバーラップする部分により構成される。ここで、ノズル流路３２の入口面積をＷｉｎ、出口面積をＷｏｕｔ、入口から出口までの長さをＸで表記することとする。図３（Ａ）に示す全開状態では、ベーン１ａ，１ｂは、ノズル流路３２の入口面積Ｗｉｎ及び出口面積Ｗｏｕｔが最も大きく、かつノズル流路長さＸが最も長くなるように回動されている。このとき、ベーン１ａの最大翼厚部Ｄｍａｘは、ノズル流路３２の入口よりも上流側に配置されている。この位置に最大翼厚部Ｄｍａｘを配置することにより、ベーン１ａのノズル流路３２の入口近傍における背側部４をベーン１ｂの腹側部５に接近させることができ、点線の円で図示したように、ノズル流路３２の長さ方向における流路幅の変化を小さくすることができる。
【００３０】
一方、図３（Ｂ）に示す全閉状態では、ベーン１ａ，１ｂは、ノズル流路３２の入口面積Ｗｉｎ及び出口面積Ｗｏｕｔが最も小さく、かつノズル流路長さＸが最も短くなるように回動されている。このとき、ベーン１ａの背側部４の第三背側部４ｃに相当する凹部と、ベーン１ｂの腹側部５の第一腹側部５ａに相当する凸部とが対峙した状態となり、点線の円で図示したように、ノズル流路３２の長さ方向における流路幅の変化を小さくすることができる。また、ノズル流路長さＸは、ノズル流路３２の出口における必要な流速を確保しつつ、ノズル流路３２の速度勾配を緩和するために、一定の長さを有していることが好ましい。例えば、ノズル流路３２の出口面積Ｗｏｕｔに対するノズル流路３２の長さＸの割合（長さＸ／出口面積Ｗｏｕｔ）により規定されるノズル流路長さ比Ｔが１．０以上であることが好ましい。
【００３１】
また、ノズル流路３２の速度勾配を効果的に緩和するためには、ノズル流路３２のノズル流路面積比Ｓ（入口面積Ｗｉｎ／出口面積Ｗｏｕｔ）とノズル流路長さ比Ｔとが一定の関係を満たしていることが好ましい。図４に示す図は、縦軸にノズル流路面積比Ｓ、横軸にノズル流路長さ比Ｔを示したものである。ノズル流路面積比Ｓ＝１．０の場合は、入口面積Ｗｉｎと出口面積Ｗｏｕｔの大きさが等しく、ノズル流路３２の形状は略長方形となる。そして、ノズル流路面積比Ｓの値が１．０より大きくなるにつれて、入口面積Ｗｉｎ＞出口面積Ｗｏｕｔとなり、ノズル流路３２の形状はラッパ状に変形する。また、ノズル流路長さ比Ｔは、値が大きくなるにつれてノズル流路長さＸが長くなることを意味する。
【００３２】
ここで、従来例１（○）はキャンバーラインＣが直線状の翼断面形状を有する従来のベーンを示し、従来例２（◇）はキャンバーラインＣが背側に凸に形成された翼断面形状を有する従来のベーンを示し、従来例３（□）はキャンバーラインＣが直線状の翼断面形状を有するとともにキャンバーラインＣが長く設定されている従来のベーンを示している。
【００３３】
図４に示すように、ノズル流路長さ比Ｔ＝１．０により表される直線をＦ１とすると、従来例１及び従来例２では、直線Ｆ１よりもノズル流路長さ比Ｔが小さく、ノズル流路長さＸが短く形成されている。したがって、ノズル流路の出口における必要な流速を確保するためには、ノズル流路をより狭くしなければならず、速度勾配が大きくなり易く、可変ノズルにおける圧力損失が生じ易い形状に形成されている。なお、ノズル流路面積比Ｓが１．０よりも小さい部分は、一方のベーンの前縁部が他方のベーンの背側部に接近するように回動されてスロート部が形成されていることを示している。
【００３４】
また、従来例３では、直線Ｆ１よりもノズル流路長さ比Ｔが大きく形成されており、ベーンの全閉時においても十分なノズル流路が確保されている。しかしながら、この従来例３では、ベーンを開く方向に回動させる（ノズル流路長さＸが長くなる）につれて、ノズル流路はラッパ状に変形している。したがって、ノズル流路の長さ方向における速度勾配が大きくなり易く、可変ノズルにおける圧力損失が生じ易い形状に形成されている。
【００３５】
一方、本発明のベーン形状では、ノズル流路３２の圧力損失を低減するために、流路幅の変化を小さくしつつ十分な流路長さを確保する必要がある。すなわち、図４に△で示したように、ノズル流路面積比Ｓはより小さいことが好ましく、ノズル流路長さ比Ｔはより大きいことが好ましい。ただし、ベーン開度が比較的大きい場合には、ノズル流路３２を通過する流体の流量が多いこと、ノズル流路３２に流入する流体の流速が元々速いこと等から、ベーン開度が大きくなるにつれてノズル流路面積比Ｓの許容値を大きくすることができる。また、本発明のベーン形状は、ノズル流路面積比Ｓとノズル流路長さ比Ｔの関係が、Ｓ＜０．５・Ｔ＋１．０、Ｓ＞１．０、Ｔ＞１．０の関係式を満たすように設計されている。ここで、図４における直線Ｆ２は、Ｓ＝０．５・Ｔ＋１．０を示している。この直線Ｆ２の関係式は、従来例１〜従来例３に基づいて設定したものであるが、これに限定されるものではない。例えば、図示した本発明の数値に基づいて条件を設定すれば、ノズル流路面積比Ｓとノズル流路長さ比Ｔの関係は、Ｓ＜０．２・Ｔ＋１．２、Ｓ＞１．０、Ｔ＞１．０の関係式を満たすように設計されていてもよい。また、図４における従来例３と本発明との間に配置される他の直線や曲線であってもよい。なお、上述した条件式において、図示しない従来例を部分的に含むような場合もあるかもしれないが、本発明のベーン形状は上述した条件式によってのみ定められるものではなく、それによって何ら本発明の有用性が否定されるものではない。
【００３６】
次に、本発明のベーン形状の効果について説明する。ここで、図５は、本発明の第一実施形態に係るベーン形状を有する可変ノズルの流速分布図であり（Ａ）は全開状態、（Ｂ）は全閉状態を示している。なお、本図において、ノズル流路３２の入口側の流速が遅く、出口側の流速が速くなっており、その流速が徐々に変化していく様子を図示している。
【００３７】
図５（Ａ）に示す全開状態では、図１（Ａ）及び図３に示したように、ベーン１ａ，１ｂのキャンバーラインＣが背側部４側に凸な曲線に形成されていること、流入角と入射角の角度αが２０°以下に設定されていること、最大翼厚部Ｄｍａｘがノズル流路３２の入口よりも上流側に形成されていることから、ベーン１ａの前縁部２の後流側における背側部４に流速が遅くなっている部分、換言すれば、負圧になっている部分が形成されていないことがわかる。
【００３８】
また、図５（Ｂ）に示す全閉状態では、図１（Ａ）及び図３に示したように、ノズル流路長さＸが十分に確保されていること、ベーン１ａの背側部４に凹部（第三背側部４ｃ）を形成するとともにベーン１ｂの腹側部５に凸部（第一腹側部５ａ）を形成していることから、ノズル流路３２の出口における必要な流速を確保しつつ速度勾配を緩和することができる。ここで、ノズル流路３２における等速線の本数が図５（Ａ）に示した全開状態よりも多いことは、ノズル流路３２の出口における必要な流速が略同じ速さであるのに対して、ノズル流路３２の入口における流体の流速が遅いことを示している。すなわち、図５（Ｂ）に示す全閉状態では、流速の変化率を大きくしなければならない。そこで、本発明では、ノズル流路長さＸを十分に確保するとともに対峙する凸部及び凹部を形成して流路幅の長さ方向の変化を小さくしたことにより、図示したように、徐々に流速を速めることができる。したがって、ノズル流路３２における圧力損失を低減することができる。
【００３９】
続いて、本発明の可変ノズルのベーン形状を採用した可変容量過給機について図６を参照しつつ説明する。ここで、図６は、本発明の可変ノズルのベーン形状を採用した可変容量過給機の断面図である。
【００４０】
本発明の可変容量過給機は、排気ガスの供給によりタービン動翼６１ａを回転させるガスタービン６１と、タービン動翼６１ａと同軸に連結された羽根車６２ａにより空気を吸入するコンプレッサ６２と、ガスタービン６１の流体供給路３１に断面翼形状のベーン１を回動可能に配置することにより前記流体の供給量を調節可能に構成した可変ノズル６３と、を備えた可変容量過給機であり、ベーン１の断面翼形状は、例えば、図１（Ａ）に示したように、腹側部５の前縁部２側に形成された凸部（第一腹側部５ａ）と、背側部４の後縁部３側に形成された凹部（第三背側部４ｃ）と、を有する。なお、ベーン１の形状における他の構成部分については、本発明のベーン形状に関する説明で述べたとおりであるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００４１】
かかる可変容量過給機の外形は、タービン６１の筐体を構成するタービンハウジング６４と、コンプレッサ６２の筐体を構成するコンプレッサハウジング６５と、タービン動翼６１ａを有するタービンディスクと羽根車７２ａを連結する回転軸６６を支持するセンターハウジング６７と、により構成されている。また、流体供給路３１には、タービンハウジング６４の外周に形成されたスクロール部６４ａから排気ガスが供給されるように構成されている。
【００４２】
ここで、可変ノズル６３は、タービンハウジング６４に固定された環状のシュラウド６３ａと、タービンハウジング６４及びセンターハウジング６７の間に支持された環状の支持リング６３ｂと、シュラウド６３ａ及び支持リング６３ｂの間で回動可能に支持された複数のベーン１と、ベーン１を回動させる駆動機構６３ｃと、シュラウド６３ａと支持リング６３ｂとの間隔を保持するピン６３ｄと、から構成されている。したがって、シュラウド６３ａと支持リング６３ｂとにより囲まれた部分が、スクロール部６４ａを流れる排気ガスをタービン動翼６１ａに供給する流体供給路３１を構成している。ここでは、シュラウド６３ａの一部がスクロール部６４ａ内に突出した場合を図示しているが、本発明の可変容量過給機は、かかる構造に限定されるものではなく、シュラウド６３ａの一部がスクロール部６４ａ内に突出していない構造でもよいことは勿論である。なお、駆動機構６３ｃは、例えば、リンク機構により構成されており、可変容量過給機の外部に配置されたアクチュエータ（図示せず）により動力が与えられ、複数のベーン１を同期させながら角度を変更できるように構成されている。
【００４３】
続いて、本発明の可変容量過給機を使用した効果について説明する。ここで、図７は、本発明の可変容量過給機と従来のベーン形状を採用した可変容量過給機におけるタービン効率を比較した図である。なお、従来の可変容量過給機に採用したベーン形状は、図４で使用した従来例２のもの（キャンバーラインＣが背側に凸に形成された翼断面形状を有する従来のベーン）である。
【００４４】
図７において、縦軸にタービン効率を示し、横軸にタービン流量を示している。タービン効率は、図の上側ほど高効率であり、下側ほど低効率である。また、タービン流量は図の右側ほど多流量であり、左側ほど少流量である。すなわち、図示したタービン効率曲線の左端がベーン１の全閉状態を示し、右端がベーン１の全開状態を示している。そして、本発明の可変容量過給機のタービン効率曲線を実線で示し、従来の可変容量過給機のタービン効率曲線を点線で示している。図７に示したように、両者のタービン効率曲線を比較すると、ベーン１の全閉状態及び全開状態に近づくにつれて本発明の可変容量過給機のタービン効率が向上していることがわかる。具体的には、タービン効率は４〜５％程度改善されている。このタービン効率の改善は、可変容量過給機の可変ノズルに本発明のベーン形状を採用したことにより、可変ノズルにおける圧力損失が低減されているためである。特に、図７を参酌すれば、ベーン１の全閉状態及び全開状態において圧力損失の低減効果が高いことが分かる。
【００４５】
本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の可変容量過給機において、図１（Ｂ）に示した第二実施形態のベーン形状や図１（Ｃ）に示した第三実施形態のベーン形状を採用してもよい等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００４６】
１ ベーン
２ 前縁部
３ 後縁部
４ 背側部
４ａ 第一背側部
４ｂ 第二背側部
４ｃ 第三背側部
５ 腹側部
５ａ 第一腹側部
５ｂ 第二腹側部
５ｃ 第三腹側部
３１ 流体供給路
３２ ノズル流路
６１ ガスタービン
６１ａ タービン動翼
６２ コンプレッサ
６２ａ 羽根車
６３ 可変ノズル
６３ａ シュラウド
６３ｂ 支持リング
６３ｃ 駆動機構
６３ｄ ピン
６４ タービンハウジング
６４ａ スクロール部
６５ コンプレッサハウジング
６６ 回転軸
６７ センターハウジング
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を動翼に供給して動力を得るラジアルタービンの流体供給路に断面翼形状のベーンを回動可能に配置することにより前記流体の供給量を調節可能に構成した可変ノズルのベーン形状及び該ベーン形状を有する可変容量過給機に関し、特に、可変ノズルにおける圧力損失を低減し、タービン効率を向上させることができる可変ノズルのベーン形状及び可変容量過給機に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体を動翼に供給して、流体の運動エネルギーを回転運動に変換して動力を得る回転式原動機は、一般にタービンと呼ばれている。特に、動翼の半径方向から流体を供給して軸方向に排出するタイプをラジアルタービンという。かかるラジアルタービンを利用した装置の一つに車両用過給機がある。ここで、車両用過給機（ターボチャージャー）は、排気ガスの供給によりタービン動翼を回転させるガスタービンと、前記タービン動翼と同軸に連結された羽根車により空気を吸入するコンプレッサと、を備えている。前記コンプレッサにより吸入された空気は、圧縮されてエンジンに供給され、燃料と混合されて燃焼される。燃焼後の排気ガスは、前記ガスタービンに送られて仕事をした後、最終的に大気中に放出される。前記排気ガスを前記タービン動翼に供給する流路は、排気ガスを加速させるために、前記タービン動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成されたスクロール部を有し、前記タービン動翼の半径方向から前記排気ガスを供給するように構成されている。
【０００３】
かかる車両用過給機において、車両のエンジンの回転数に合わせて適切なタービン出力を得るために、スクロール部からタービン動翼に流体を供給する流体供給路に複数の回動可能なベーンを配置した可変ノズルを備えた可変容量過給機が開発されている（例えば、特許文献１又は特許文献２参照）。そして、排気ガスの流量が少ない場合には、隣接するベーンとの間に形成されるノズル流路が狭くなるように前記ベーンを回動させて、排気ガスにスワールが与えられるようにしている。また、排気ガスの流量が多い場合には、ノズル流路が広くなるように前記ベーンを回動させて、排気ガスに与えられるスワールを抑えるようにしている。かかる可変ノズルのベーン形状は、タービン効率に影響すると考えられており、一般に、前縁部の径を大きくするとともに後縁部の径を小さくした翼形状に形成されている。例えば、特許文献１に記載のベーンは、直線のキャンバーラインに沿って形成された翼形状をなしており、特許文献２に記載のベーンは、背側部側に凸となるように反ったキャンバーラインに沿って形成された翼形状をなしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−４０２５１号公報、図１０（Ａ）
【特許文献２】特開平１１−２５７０８２号公報、図２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のような直線のキャンバーラインに沿って形成された従来の可変ノズルのベーン形状では、流体（排気ガス）の供給量が最も多いベーンの全開状態では、流体（排気ガス）のノズル流路に対する流入角度とベーンの前縁部における前記キャンバーラインの角度（入射角）との差が大きいため、ベーン背側部の前縁部における境界層において負圧となる部分が形成され易く、圧力損失の要因となっていた。特に、負圧が大きい場合には、流体（排気ガス）の剥離が生じてしまうおそれもあった。
【０００６】
また、特許文献１及び特許文献２に記載された従来の可変ノズルのベーン形状では、排気ガスの供給量が最も少ないベーンの全閉状態において、ノズル流路の入口側が広く出口側が狭い形状になっているため、ノズル流路を通過する流体（排気ガス）の速度勾配が大きく、圧力損失の要因となっていた。
【０００７】
本発明は上述した問題点に鑑み創案されたものであり、ベーン背側部の前縁部側における負圧部分の発生の抑制又はノズル流路における速度勾配の緩和を図ることにより、可変ノズルにおける圧力損失を低減し、タービン効率を向上させることができる可変ノズルのベーン形状及び可変容量過給機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、流体を動翼に供給して動力を得るラジアルタービンの流体供給路に断面翼形状のベーンを回動可能に配置することにより前記流体の供給量を調節可能に構成した可変ノズルのベーン形状であって、前記ベーンの断面翼形状は、腹側部の前縁部側に形成された凸部を有し、該凸部は、前記流体の供給量が最も少ない前記ベーンの全閉状態において、隣接するベーンとの間に形成されるノズル流路を構成する部分に形成されており、該ノズル流路は、入口から出口までの長さ／出口面積により表されるノズル流路長さ比Ｔが１．０以上である、ことを特徴とする可変ノズルのベーン形状が提供される。
【０００９】
前記ノズル流路は、入口面積／出口面積により表されるノズル流路面積比Ｓと、入口から出口までの長さ／出口面積により表されるノズル流路長さ比Ｔとの関係が、Ｓ＜０．５・Ｔ＋１．０、Ｓ＞１．０、Ｔ＞１．０を満たすように構成されていてもよい。
【００１０】
前記ノズル流路は、入口面積／出口面積により表されるノズル流路面積比Ｓと、入口から出口までの長さ／出口面積により表されるノズル流路長さ比Ｔとの関係が、Ｓ＜０．２・Ｔ＋１．２、Ｓ＞１．０、Ｔ＞１．０を満たすように構成されていてもよい。
【００１１】
前記ベーンの断面翼形状は、背側部の後縁部側に形成された凹部を有し、該凹部は、前記全閉状態において、隣接するベーンとの間に形成されるノズル流路を構成する部分に形成されていてもよい。
【００１２】
また、本発明によれば、流体の供給により動翼を回転させるラジアルタービンと、前記動翼と同軸に連結された羽根車により空気を吸入するコンプレッサと、前記ラジアルタービンの流体供給路に断面翼形状のベーンを回動可能に配置することにより前記流体の供給量を調節可能に構成した可変ノズルと、を備えた可変容量過給機であって、前記ベーンの断面翼形状は、腹側部の前縁部側に形成された凸部を有し、該凸部は、前記流体の供給量が最も少ない前記ベーンの全閉状態において、隣接するベーンとの間に形成されるノズル流路を構成する部分に形成されており、該ノズル流路は、入口から出口までの長さ／出口面積により表されるノズル流路長さ比Ｔが１．０以上である、ことを特徴とする可変容量過給機が提供される。
【００１３】
前記ノズル流路は、入口面積／出口面積により表されるノズル流路面積比Ｓと、入口から出口までの長さ／出口面積により表されるノズル流路長さ比Ｔとの関係が、Ｓ＜０．５・Ｔ＋１．０、Ｓ＞１．０、Ｔ＞１．０を満たすように構成されていてもよい。
【００１４】
前記ノズル流路は、入口面積／出口面積により表されるノズル流路面積比Ｓと、入口から出口までの長さ／出口面積により表されるノズル流路長さ比Ｔとの関係が、Ｓ＜０．２・Ｔ＋１．２、Ｓ＞１．０、Ｔ＞１．０を満たすように構成されていてもよい。
【００１５】
前記ベーンの断面翼形状は、背側部の後縁部側に形成された凹部を有し、該凹部は、前記全閉状態において、隣接するベーンとの間に形成されるノズル流路を構成する部分に形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
上述した本発明の可変ノズルのベーン形状及び可変容量過給機によれば、全閉状態におけるノズル流路に凸部を形成することにより、全閉状態におけるノズル流路の流路幅（ベーンの背側と隣接するベーンの腹側の距離）の変化を緩和することができる。さらに、ノズル流路のノズル流路長さ比Ｔを１．０以上に設定することにより、全閉状態においても、ノズル流路の速度勾配を緩和しつつノズル流路の出口における必要な流速を確保することができる。したがって、可変ノズルにおける圧力損失を効果的に低減することができる。
【００１７】
また、ノズル流路面積比Ｓとノズル流路長さ比Ｔとが所定の関係式を満たすようにすることにより、全閉状態から全開状態の全域に渡って効果的にノズル流路の流路幅の変化を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の可変ノズルのベーン形状を示す断面図であり、（Ａ）は第一実施形態、（Ｂ）は第二実施形態、（Ｃ）は第三実施形態である。
【図２】第一実施形態のベーン形状における翼厚Ｄ／キャンバー長と無次元キャンバー長との関係を示す図である。
【図３】第一実施形態のベーンにより形成されるノズル流路を示す断面図であり、（Ａ）は全開状態、（Ｂ）は全閉状態を示している。
【図４】ノズル流路面積比とノズル流路長さ比との関係を示す図である。
【図５】本発明の第一実施形態に係るベーン形状を有する可変ノズルの流速分布図であり（Ａ）は全開状態、（Ｂ）は全閉状態を示している。
【図６】本発明の可変ノズルのベーン形状を採用した可変容量過給機の断面図である。
【図７】本発明の可変容量過給機と従来のベーン形状を採用した可変容量過給機におけるタービン効率を比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図１〜図７を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の可変ノズルのベーン形状を示す断面図であり、（Ａ）は第一実施形態、（Ｂ）は第二実施形態、（Ｃ）は第三実施形態である。また、図２は、第一実施形態のベーン形状における翼厚Ｄ／キャンバー長と無次元キャンバー長との関係を示す図である。
【００２０】
図１（Ａ）〜（Ｃ）に示したベーン形状は、流体を動翼に供給して動力を得るラジアルタービンの流体供給路に断面翼形状のベーン１を回動可能に配置することにより前記流体の供給量を調節可能に構成した可変ノズルのベーン形状である。ベーン１の断面翼形状は、流体の入口側を形成する前縁部２と、流体の出口側を形成する後縁部３と、ベーン１の表面における静圧が低圧となる背側部４と、ベーン１の表面における静圧が高圧となる腹側部５と、から構成されている。各図において、背側部４の変曲点をＰ１〜Ｐ４で示し、腹側部の変曲点をＱ１〜Ｑ４で示している。そして、曲線Ｐ１Ｑ１が前縁部２、曲線Ｐ４Ｑ４が後縁部３、曲線Ｐ１Ｐ４が背側部４、曲線Ｑ１Ｑ４が腹側部５を構成している。また、説明の便宜上、曲線Ｐ１Ｐ２を第一背側部４ａ、曲線Ｐ２Ｐ３を第二背側部４ｂ、曲線Ｐ３Ｐ４を第三背側部４ｃ、曲線Ｑ１Ｑ２を第一腹側部５ａ、曲線Ｑ２Ｑ３を第二腹側部５ｂ、曲線Ｑ３Ｑ４を第三腹側部５ｃと称することとする。
【００２１】
ここで、図１（Ａ）〜（Ｃ）に示した本発明のベーン形状における特徴は、腹側部５の前縁部２側に形成された凸部と、背側部４の後縁部３側に形成された凹部と、を有することである。具体的には、第一腹側部５ａ（曲線Ｑ１Ｑ２）を凸に形成し、第三背側部４ｃ（曲線Ｐ３Ｐ４）を凹に形成している。すなわち、前記凸部は第一腹側部５ａ（曲線Ｑ１Ｑ２）に相当し、前記凹部は第三背側部４ｃ（曲線Ｐ３Ｐ４）に相当する。この第一腹側部５ａ（曲線Ｑ１Ｑ２）及び第三背側部４ｃ（曲線Ｐ３Ｐ４）は、後述するように、流体の供給量が最も少ないベーン１の全閉状態において、隣接するベーン１との間に形成されるノズル流路の一部を構成する部分である。かかる部分に対峙する凸部と凹部を形成することにより、ノズル流路の流路幅の変化を小さくすることができ、ノズル流路を通過する流体の速度勾配を緩和することができ、可変ノズルにおける圧力損失を低減することができる。
【００２２】
図１（Ａ）に示す本発明の第一実施形態に係るベーン形状は、背側部４に凸なキャンバーラインＣを有する。また、かかるキャンバーラインＣは、前縁部２における接線方向である入射角と、流体の供給量が最も多いベーン１の全開状態における流入角とがなす角度αが２０°以下となるように形成されている。全開状態における入射角と流入角とがなす角度αを２０°以下に設定することにより、背側部４における負圧の発生を効果的に抑制することができる。
【００２３】
ここで、キャンバーラインＣの前縁部２から後縁部３までの長さにより規定されるキャンバー長をＬ、キャンバーラインＣの垂線と背側部４及び腹側部５との交点の長さにより規定される翼厚をＤとする。キャンバー長Ｌに対する翼厚Ｄの割合（翼厚Ｄ／キャンバー長Ｌ）を前縁部２から後縁部３に渡って図示すると図２のように表記される。なお、無次元キャンバー長とは、キャンバー長Ｌの全体を１として表現したものである。図２に示すように、本発明の第一実施形態では、無次元キャンバー長が約０．３の位置において翼厚Ｄが最大値となっていることがわかる。すなわち、本発明の第一実施形態における最大翼厚部は、キャンバーラインＣに沿って前縁部２から約３０％の位置に配置されていることとなる。この最大翼厚部の位置は、特にベーン１の全開状態におけるノズル流路の形状に影響を与える。全開状態におけるノズル流路の流路幅の変化を小さくするためには、最大翼厚部はノズル流路の入口よりも上流側に配置されていることが好ましい。具体的な配置位置は、ベーンの大きさや個数等によって任意に設定されるものであるが、概ね無次元キャンバー長が０．２〜０．４の範囲（キャンバーラインＣに沿って前縁部２から２０〜４０％の位置）に配置されていることが好ましい。
【００２４】
また、最大翼厚部の厚さもベーン１の全開状態におけるノズル流路の形状に影響を与える。この厚さも全開状態におけるノズル流路の流路幅の変化を小さくするように設定される。具体的な厚さは、ベーンの大きさや個数等によって任意に設定されるものであるが、概ね翼厚Ｄ／キャンバー長Ｌの最大値が０．１５〜０．２の範囲（キャンバー長Ｌに対する１５〜２０％の厚さ）に設定されていることが好ましい。
【００２５】
なお、背側部４の第一背側部４ａ及び第二背側部４ｂ、腹側部５の第二腹側部５ｂ及び第三腹側部５ｃの形状は、キャンバーラインＣの形状及び最大翼厚部の位置を設定した後、隣接するベーンとの間に形成されるノズル流路の流路幅の変化が小さくなるように、かつ第三背側部４ｃ又は第一腹側部５ａと滑らかに接続されるように設定される。ここでは、背側部４の第一背側部４ａ及び第二背側部４ｂにより構成される凸部を２つの異なる曲率を有する曲線Ｐ１Ｐ２，Ｐ２Ｐ３により構成しているが、同一の曲率を有する曲線により構成してもよい。また、腹側部５の第一腹側部５ａ及び第二腹側部５ｂにより構成される凸部を２つの異なる曲率を有する曲線Ｑ１Ｑ２，Ｑ２Ｑ３により構成しているが、同一の曲率を有する曲線により構成してもよい。
【００２６】
図１（Ｂ）に示す本発明の第二実施形態に係るベーン形状は、凹部を構成する第三背側部４ｃ（曲線Ｐ３Ｐ４）の曲率を、凸部を構成する第一腹側部５ａ（曲線Ｑ１Ｑ２）の曲率と等しくなるように設定したものである。また、第三背側部４ｃ（曲線Ｐ３Ｐ４）と第二背側部４ｂ（曲線Ｐ２Ｐ３）、第二背側部４ｂ（曲線Ｐ２Ｐ３）と第一背側部４ａ（曲線Ｐ１Ｐ２）が、それぞれ滑らかに連なるように第一背側部４ａ（曲線Ｐ１Ｐ２）及び第二背側部４ｂ（曲線Ｐ２Ｐ３）の曲率を調節してある。その他の点については、第一実施形態と同じ構成であるため詳細な説明を省略する。なお、凸部を構成する第一腹側部５ａ（曲線Ｑ１Ｑ２）の曲率を、凹部を構成する第三背側部４ｃ（曲線Ｐ３Ｐ４）の曲率と等しくなるように設定してもよいことは勿論である。
【００２７】
図１（Ｃ）に示す本発明の第三実施形態に係るベーン形状は、キャンバーラインＣを直線状に設定したものである。上述したように本発明は、第一腹側部５ａ（曲線Ｑ１Ｑ２）を凸に形成し、第三背側部４ｃ（曲線Ｐ３Ｐ４）を凹に形成したことを特徴とする。したがって、本発明は、キャンバーラインＣを直線状に設定したベーン１にも適用することができる。かかる第三実施形態では、負圧の発生を抑制する効果は低いが、特に全閉状態におけるノズル流路の流路幅の変化を小さくすることができ、ノズル流路を通過する流体の速度勾配を緩和することができ、可変ノズルにおける圧力損失を抑制することができるとの効果を奏する。なお、その他の点については、第一実施形態と同じ構成であるため詳細な説明を省略する。
【００２８】
続いて、上述した第一実施形態のベーン１を用いて、ベーン形状とノズル流路との関係について説明する。ここで、図３は、第一実施形態のベーンにより形成されるノズル流路を示す断面図であり、（Ａ）は全開状態、（Ｂ）は全閉状態を示している。また、図４は、ノズル流路面積比Ｓとノズル流路長さ比Ｔとの関係を示す図である。
【００２９】
図３（Ａ）に示すように、タービン動翼の半径方向に流体を供給する流体供給路３１には、複数のベーン１ａ，１ｂが所定の間隔で配列されている。ノズル流路３２は、ベーン１ａの背側部４と隣接するベーン１ｂの腹側部５とがオーバーラップする部分により構成される。ここで、ノズル流路３２の入口面積をＷｉｎ、出口面積をＷｏｕｔ、入口から出口までの長さをＸで表記することとする。図３（Ａ）に示す全開状態では、ベーン１ａ，１ｂは、ノズル流路３２の入口面積Ｗｉｎ及び出口面積Ｗｏｕｔが最も大きく、かつノズル流路長さＸが最も長くなるように回動されている。このとき、ベーン１ａの最大翼厚部Ｄｍａｘは、ノズル流路３２の入口よりも上流側に配置されている。この位置に最大翼厚部Ｄｍａｘを配置することにより、ベーン１ａのノズル流路３２の入口近傍における背側部４をベーン１ｂの腹側部５に接近させることができ、点線の円で図示したように、ノズル流路３２の長さ方向における流路幅の変化を小さくすることができる。
【００３０】
一方、図３（Ｂ）に示す全閉状態では、ベーン１ａ，１ｂは、ノズル流路３２の入口面積Ｗｉｎ及び出口面積Ｗｏｕｔが最も小さく、かつノズル流路長さＸが最も短くなるように回動されている。このとき、ベーン１ａの背側部４の第三背側部４ｃに相当する凹部と、ベーン１ｂの腹側部５の第一腹側部５ａに相当する凸部とが対峙した状態となり、点線の円で図示したように、ノズル流路３２の長さ方向における流路幅の変化を小さくすることができる。また、ノズル流路長さＸは、ノズル流路３２の出口における必要な流速を確保しつつ、ノズル流路３２の速度勾配を緩和するために、一定の長さを有していることが好ましい。例えば、ノズル流路３２の出口面積Ｗｏｕｔに対するノズル流路３２の長さＸの割合（長さＸ／出口面積Ｗｏｕｔ）により規定されるノズル流路長さ比Ｔが１．０以上であることが好ましい。
【００３１】
また、ノズル流路３２の速度勾配を効果的に緩和するためには、ノズル流路３２のノズル流路面積比Ｓ（入口面積Ｗｉｎ／出口面積Ｗｏｕｔ）とノズル流路長さ比Ｔとが一定の関係を満たしていることが好ましい。図４に示す図は、縦軸にノズル流路面積比Ｓ、横軸にノズル流路長さ比Ｔを示したものである。ノズル流路面積比Ｓ＝１．０の場合は、入口面積Ｗｉｎと出口面積Ｗｏｕｔの大きさが等しく、ノズル流路３２の形状は略長方形となる。そして、ノズル流路面積比Ｓの値が１．０より大きくなるにつれて、入口面積Ｗｉｎ＞出口面積Ｗｏｕｔとなり、ノズル流路３２の形状はラッパ状に変形する。また、ノズル流路長さ比Ｔは、値が大きくなるにつれてノズル流路長さＸが長くなることを意味する。
【００３２】
ここで、従来例１（○）はキャンバーラインＣが直線状の翼断面形状を有する従来のベーンを示し、従来例２（◇）はキャンバーラインＣが背側に凸に形成された翼断面形状を有する従来のベーンを示し、従来例３（□）はキャンバーラインＣが直線状の翼断面形状を有するとともにキャンバーラインＣが長く設定されている従来のベーンを示している。
【００３３】
図４に示すように、ノズル流路長さ比Ｔ＝１．０により表される直線をＦ１とすると、従来例１及び従来例２では、直線Ｆ１よりもノズル流路長さ比Ｔが小さく、ノズル流路長さＸが短く形成されている。したがって、ノズル流路の出口における必要な流速を確保するためには、ノズル流路をより狭くしなければならず、速度勾配が大きくなり易く、可変ノズルにおける圧力損失が生じ易い形状に形成されている。なお、ノズル流路面積比Ｓが１．０よりも小さい部分は、一方のベーンの前縁部が他方のベーンの背側部に接近するように回動されてスロート部が形成されていることを示している。
【００３４】
また、従来例３では、直線Ｆ１よりもノズル流路長さ比Ｔが大きく形成されており、ベーンの全閉時においても十分なノズル流路が確保されている。しかしながら、この従来例３では、ベーンを開く方向に回動させる（ノズル流路長さＸが長くなる）につれて、ノズル流路はラッパ状に変形している。したがって、ノズル流路の長さ方向における速度勾配が大きくなり易く、可変ノズルにおける圧力損失が生じ易い形状に形成されている。
【００３５】
一方、本発明のベーン形状では、ノズル流路３２の圧力損失を低減するために、流路幅の変化を小さくしつつ十分な流路長さを確保する必要がある。すなわち、図４に△で示したように、ノズル流路面積比Ｓはより小さいことが好ましく、ノズル流路長さ比Ｔはより大きいことが好ましい。ただし、ベーン開度が比較的大きい場合には、ノズル流路３２を通過する流体の流量が多いこと、ノズル流路３２に流入する流体の流速が元々速いこと等から、ベーン開度が大きくなるにつれてノズル流路面積比Ｓの許容値を大きくすることができる。また、本発明のベーン形状は、ノズル流路面積比Ｓとノズル流路長さ比Ｔの関係が、Ｓ＜０．５・Ｔ＋１．０、Ｓ＞１．０、Ｔ＞１．０の関係式を満たすように設計されている。ここで、図４における直線Ｆ２は、Ｓ＝０．５・Ｔ＋１．０を示している。この直線Ｆ２の関係式は、従来例１〜従来例３に基づいて設定したものであるが、これに限定されるものではない。例えば、図示した本発明の数値に基づいて条件を設定すれば、ノズル流路面積比Ｓとノズル流路長さ比Ｔの関係は、Ｓ＜０．２・Ｔ＋１．２、Ｓ＞１．０、Ｔ＞１．０の関係式を満たすように設計されていてもよい。また、図４における従来例３と本発明との間に配置される他の直線や曲線であってもよい。なお、上述した条件式において、図示しない従来例を部分的に含むような場合もあるかもしれないが、本発明のベーン形状は上述した条件式によってのみ定められるものではなく、それによって何ら本発明の有用性が否定されるものではない。
【００３６】
次に、本発明のベーン形状の効果について説明する。ここで、図５は、本発明の第一実施形態に係るベーン形状を有する可変ノズルの流速分布図であり（Ａ）は全開状態、（Ｂ）は全閉状態を示している。なお、本図において、ノズル流路３２の入口側の流速が遅く、出口側の流速が速くなっており、その流速が徐々に変化していく様子を図示している。
【００３７】
図５（Ａ）に示す全開状態では、図１（Ａ）及び図３に示したように、ベーン１ａ，１ｂのキャンバーラインＣが背側部４側に凸な曲線に形成されていること、流入角と入射角の角度αが２０°以下に設定されていること、最大翼厚部Ｄｍａｘがノズル流路３２の入口よりも上流側に形成されていることから、ベーン１ａの前縁部２の後流側における背側部４に流速が遅くなっている部分、換言すれば、負圧になっている部分が形成されていないことがわかる。
【００３８】
また、図５（Ｂ）に示す全閉状態では、図１（Ａ）及び図３に示したように、ノズル流路長さＸが十分に確保されていること、ベーン１ａの背側部４に凹部（第三背側部４ｃ）を形成するとともにベーン１ｂの腹側部５に凸部（第一腹側部５ａ）を形成していることから、ノズル流路３２の出口における必要な流速を確保しつつ速度勾配を緩和することができる。ここで、ノズル流路３２における等速線の本数が図５（Ａ）に示した全開状態よりも多いことは、ノズル流路３２の出口における必要な流速が略同じ速さであるのに対して、ノズル流路３２の入口における流体の流速が遅いことを示している。すなわち、図５（Ｂ）に示す全閉状態では、流速の変化率を大きくしなければならない。そこで、本発明では、ノズル流路長さＸを十分に確保するとともに対峙する凸部及び凹部を形成して流路幅の長さ方向の変化を小さくしたことにより、図示したように、徐々に流速を速めることができる。したがって、ノズル流路３２における圧力損失を低減することができる。
【００３９】
続いて、本発明の可変ノズルのベーン形状を採用した可変容量過給機について図６を参照しつつ説明する。ここで、図６は、本発明の可変ノズルのベーン形状を採用した可変容量過給機の断面図である。
【００４０】
本発明の可変容量過給機は、排気ガスの供給によりタービン動翼６１ａを回転させるガスタービン６１と、タービン動翼６１ａと同軸に連結された羽根車６２ａにより空気を吸入するコンプレッサ６２と、ガスタービン６１の流体供給路３１に断面翼形状のベーン１を回動可能に配置することにより前記流体の供給量を調節可能に構成した可変ノズル６３と、を備えた可変容量過給機であり、ベーン１の断面翼形状は、例えば、図１（Ａ）に示したように、腹側部５の前縁部２側に形成された凸部（第一腹側部５ａ）と、背側部４の後縁部３側に形成された凹部（第三背側部４ｃ）と、を有する。なお、ベーン１の形状における他の構成部分については、本発明のベーン形状に関する説明で述べたとおりであるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００４１】
かかる可変容量過給機の外形は、タービン６１の筐体を構成するタービンハウジング６４と、コンプレッサ６２の筐体を構成するコンプレッサハウジング６５と、タービン動翼６１ａを有するタービンディスクと羽根車７２ａを連結する回転軸６６を支持するセンターハウジング６７と、により構成されている。また、流体供給路３１には、タービンハウジング６４の外周に形成されたスクロール部６４ａから排気ガスが供給されるように構成されている。
【００４２】
ここで、可変ノズル６３は、タービンハウジング６４に固定された環状のシュラウド６３ａと、タービンハウジング６４及びセンターハウジング６７の間に支持された環状の支持リング６３ｂと、シュラウド６３ａ及び支持リング６３ｂの間で回動可能に支持された複数のベーン１と、ベーン１を回動させる駆動機構６３ｃと、シュラウド６３ａと支持リング６３ｂとの間隔を保持するピン６３ｄと、から構成されている。したがって、シュラウド６３ａと支持リング６３ｂとにより囲まれた部分が、スクロール部６４ａを流れる排気ガスをタービン動翼６１ａに供給する流体供給路３１を構成している。ここでは、シュラウド６３ａの一部がスクロール部６４ａ内に突出した場合を図示しているが、本発明の可変容量過給機は、かかる構造に限定されるものではなく、シュラウド６３ａの一部がスクロール部６４ａ内に突出していない構造でもよいことは勿論である。なお、駆動機構６３ｃは、例えば、リンク機構により構成されており、可変容量過給機の外部に配置されたアクチュエータ（図示せず）により動力が与えられ、複数のベーン１を同期させながら角度を変更できるように構成されている。
【００４３】
続いて、本発明の可変容量過給機を使用した効果について説明する。ここで、図７は、本発明の可変容量過給機と従来のベーン形状を採用した可変容量過給機におけるタービン効率を比較した図である。なお、従来の可変容量過給機に採用したベーン形状は、図４で使用した従来例２のもの（キャンバーラインＣが背側に凸に形成された翼断面形状を有する従来のベーン）である。
【００４４】
図７において、縦軸にタービン効率を示し、横軸にタービン流量を示している。タービン効率は、図の上側ほど高効率であり、下側ほど低効率である。また、タービン流量は図の右側ほど多流量であり、左側ほど少流量である。すなわち、図示したタービン効率曲線の左端がベーン１の全閉状態を示し、右端がベーン１の全開状態を示している。そして、本発明の可変容量過給機のタービン効率曲線を実線で示し、従来の可変容量過給機のタービン効率曲線を点線で示している。図７に示したように、両者のタービン効率曲線を比較すると、ベーン１の全閉状態及び全開状態に近づくにつれて本発明の可変容量過給機のタービン効率が向上していることがわかる。具体的には、タービン効率は４〜５％程度改善されている。このタービン効率の改善は、可変容量過給機の可変ノズルに本発明のベーン形状を採用したことにより、可変ノズルにおける圧力損失が低減されているためである。特に、図７を参酌すれば、ベーン１の全閉状態及び全開状態において圧力損失の低減効果が高いことが分かる。
【００４５】
本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の可変容量過給機において、図１（Ｂ）に示した第二実施形態のベーン形状や図１（Ｃ）に示した第三実施形態のベーン形状を採用してもよい等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００４６】
１ ベーン
２ 前縁部
３ 後縁部
４ 背側部
４ａ 第一背側部
４ｂ 第二背側部
４ｃ 第三背側部
５ 腹側部
５ａ 第一腹側部
５ｂ 第二腹側部
５ｃ 第三腹側部
３１ 流体供給路
３２ ノズル流路
６１ ガスタービン
６１ａ タービン動翼
６２ コンプレッサ
６２ａ 羽根車
６３ 可変ノズル
６３ａ シュラウド
６３ｂ 支持リング
６３ｃ 駆動機構
６３ｄ ピン
６４ タービンハウジング
６４ａ スクロール部
６５ コンプレッサハウジング
６６ 回転軸
６７ センターハウジング
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を動翼に供給して動力を得るラジアルタービンの流体供給路に断面翼形状のベーンを回動可能に配置することにより前記流体の供給量を調節可能に構成した可変ノズルのベーン形状であって、
前記ベーンの断面翼形状は、腹側部の前縁部側に形成された凸部を有し、該凸部は、前記流体の供給量が最も少ない前記ベーンの全閉状態において、隣接するベーンとの間に形成されるノズル流路を構成する部分に形成されており、該ノズル流路は、入口から出口までの長さ／出口面積により表されるノズル流路長さ比Ｔが１．０以上である、ことを特徴とする可変ノズルのベーン形状。
【請求項２】
前記ノズル流路は、入口面積／出口面積により表されるノズル流路面積比Ｓと、入口から出口までの長さ／出口面積により表されるノズル流路長さ比Ｔとの関係が、Ｓ＜０．５・Ｔ＋１．０、Ｓ＞１．０、Ｔ＞１．０を満たす、ことを特徴とする請求項１に記載の可変ノズルのベーン形状。
【請求項３】
前記ノズル流路は、入口面積／出口面積により表されるノズル流路面積比Ｓと、入口から出口までの長さ／出口面積により表されるノズル流路長さ比Ｔとの関係が、Ｓ＜０．２・Ｔ＋１．２、Ｓ＞１．０、Ｔ＞１．０を満たす、ことを特徴とする請求項１に記載の可変ノズルのベーン形状。
【請求項４】
前記ベーンの断面翼形状は、背側部の後縁部側に形成された凹部を有し、該凹部は、前記全閉状態において、隣接するベーンとの間に形成されるノズル流路を構成する部分に形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の可変ノズルのベーン形状。
【請求項５】
流体の供給により動翼を回転させるラジアルタービンと、前記動翼と同軸に連結された羽根車により空気を吸入するコンプレッサと、前記ラジアルタービンの流体供給路に断面翼形状のベーンを回動可能に配置することにより前記流体の供給量を調節可能に構成した可変ノズルと、を備えた可変容量過給機であって、前記ベーンは、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の可変ノズルのベーン形状に形成されている、ことを特徴とする可変容量過給機。
【請求項１】
流体を動翼に供給して動力を得るラジアルタービンの流体供給路に断面翼形状のベーンを回動可能に配置することにより前記流体の供給量を調節可能に構成した可変ノズルのベーン形状であって、
前記ベーンの断面翼形状は、腹側部の前縁部側に形成された凸部を有し、該凸部は、前記流体の供給量が最も少ない前記ベーンの全閉状態において、隣接するベーンとの間に形成されるノズル流路を構成する部分に形成されており、該ノズル流路は、入口から出口までの長さ／出口面積により表されるノズル流路長さ比Ｔが１．０以上である、ことを特徴とする可変ノズルのベーン形状。
【請求項２】
前記ノズル流路は、入口面積／出口面積により表されるノズル流路面積比Ｓと、入口から出口までの長さ／出口面積により表されるノズル流路長さ比Ｔとの関係が、Ｓ＜０．５・Ｔ＋１．０、Ｓ＞１．０、Ｔ＞１．０を満たす、ことを特徴とする請求項１に記載の可変ノズルのベーン形状。
【請求項３】
前記ノズル流路は、入口面積／出口面積により表されるノズル流路面積比Ｓと、入口から出口までの長さ／出口面積により表されるノズル流路長さ比Ｔとの関係が、Ｓ＜０．２・Ｔ＋１．２、Ｓ＞１．０、Ｔ＞１．０を満たす、ことを特徴とする請求項１に記載の可変ノズルのベーン形状。
【請求項４】
前記ベーンの断面翼形状は、背側部の後縁部側に形成された凹部を有し、該凹部は、前記全閉状態において、隣接するベーンとの間に形成されるノズル流路を構成する部分に形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の可変ノズルのベーン形状。
【請求項５】
流体の供給により動翼を回転させるラジアルタービンと、前記動翼と同軸に連結された羽根車により空気を吸入するコンプレッサと、前記ラジアルタービンの流体供給路に断面翼形状のベーンを回動可能に配置することにより前記流体の供給量を調節可能に構成した可変ノズルと、を備えた可変容量過給機であって、前記ベーンは、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の可変ノズルのベーン形状に形成されている、ことを特徴とする可変容量過給機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１５９０８９（Ｐ２０１２−１５９０８９Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１２６１５６（Ｐ２０１２−１２６１５６）
【出願日】平成２４年６月１日（２０１２．６．１）
【分割の表示】特願２００８−６０９１８（Ｐ２００８−６０９１８）の分割
【原出願日】平成２０年３月１１日（２００８．３．１１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月１日（２０１２．６．１）
【分割の表示】特願２００８−６０９１８（Ｐ２００８−６０９１８）の分割
【原出願日】平成２０年３月１１日（２００８．３．１１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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