可変容量型タービン
【課題】漏れ流れが発生したとしても、漏れ流れによるタービン効率の低下を抑制し、結果として、タービン効率を向上させることができる可変容量型タービンを提供する。
【解決手段】本発明の可変容量型タービンは、回転翼３に導入される気体の流量を増減できるノズル５を備え、ノズル５は、略環状を呈する一対の導入壁と、一対の導入壁の間に回転自在に設けられる複数の可変翼５３とを有する可変容量型タービンであって、少なくとも一方の導入壁５１から他方の導入壁に向かって突出し、導入壁５１の径方向に関して可変翼５３の内側に位置する凸部５５を有し、凸部５５は、可変翼５３と一方の導入壁５１との間の隙間から漏出する気体（漏れ流れ）の流動方向を、隣接する複数の可変翼の間における開口部Ｓ３を通過する気体の流動方向に沿う向きに変位させるという構成を採用する
【解決手段】本発明の可変容量型タービンは、回転翼３に導入される気体の流量を増減できるノズル５を備え、ノズル５は、略環状を呈する一対の導入壁と、一対の導入壁の間に回転自在に設けられる複数の可変翼５３とを有する可変容量型タービンであって、少なくとも一方の導入壁５１から他方の導入壁に向かって突出し、導入壁５１の径方向に関して可変翼５３の内側に位置する凸部５５を有し、凸部５５は、可変翼５３と一方の導入壁５１との間の隙間から漏出する気体（漏れ流れ）の流動方向を、隣接する複数の可変翼の間における開口部Ｓ３を通過する気体の流動方向に沿う向きに変位させるという構成を採用する
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体の流動により回転翼を回転させるタービンに関わり、特に可変容量型のタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、エンジンに空気を過給するターボチャージャ等に、エンジンの排気ガス（気体）の流動により回転翼を回転させるタービンが用いられている。タービンの回転翼は遠心圧縮機に連結され、遠心圧縮機がエンジンに圧縮空気を供給し、エンジンの性能を向上させる。また、低回転域から高回転域までの広い範囲に亘り、エンジンの性能向上を図ることのできる可変容量型タービンも使用されている。
上記可変容量型タービンは、一対の略環状を呈する導入壁と、それら導入壁の間に回転自在に設けられる複数の可変翼とを有している。隣接する複数の可変翼の間には開口部が形成され、気体は上記開口部を通って回転翼に導入される。可変容量型タービンは、可変翼の向きを変え、開口部の大きさを変化させることで、回転翼に導入される気体の流量を増減させることができる。なお、可変翼を滑らかに回転させるために、可変翼と導入壁との間には適宜隙間が設けられている。
【０００３】
ところで、上記隙間が設けられているために、一部の気体は上記隙間から漏出する。漏出した気体（漏れ流れ）は上記開口部を通る気体とは異なる方向で流動するため、回転翼を回転させるために漏れ流れの流動を利用することは難しく、また、漏れ流れがタービン内における気体の流動を乱すことによる損失も発生する。そのため、漏れ流れはタービンの効率を低下させており、タービン効率の更なる向上のためには上記漏れ流れを抑制する等の対策が必要である。
【０００４】
ここで、特許文献１には、上記隙間からの漏れ流れを抑制するための可変翼が開示されている。
特許文献１に開示された可変翼では、導入壁に対向する可変翼の両端部端面がその中央部の断面よりも広く形成され、両端部端面は導入壁と平行に形成されている。この可変翼における両端部端面は、従来の可変翼に比べ大きな面積を持つため、上記端面と導入壁との間の隙間を流動する気体には大きな流動抵抗が生じ、漏れ流れが抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２２９８１５号公報（第４頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示された可変翼は、その両端部端面が中央部断面よりも広く形成されていることから、可変翼の向きを変えたときに、隣接する可変翼の両端部が干渉する虞がある。そのため、可変翼の回転範囲が制限され、可変容量型タービンにおける気体の流量調整に必要な可変翼の回転範囲を確保できない場合がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、漏れ流れが発生したとしても、漏れ流れによるタービン効率の低下を抑制し、結果として、タービン効率を向上させることができる可変容量型タービン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】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の可変容量型タービンは、回転翼に導入される気体の流量を増減できるノズルを備え、該ノズルは、略環状を呈する一対の導入壁と、一対の導入壁の間に回転自在に設けられる複数の可変翼とを有する可変容量型タービンであって、少なくとも一方の導入壁から他方の導入壁に向かって突出し、導入壁の径方向に関して可変翼の内側に位置し、かつ、可変翼と一方の導入壁との間の隙間から漏出する気体の流動を規制することで、隙間から漏出する気体の流動方向を、隣接する複数の可変翼の間における開口部を通過する気体の流動方向に沿う向きに変位させる凸部を有するという構成を採用する。
【０００９】
このような構成を採用する本発明では、上記漏れ流れの流動方向が、上記開口部を通過する気体の流動方向に沿う向きに変位する。よって、本発明では、回転翼を回転させるために漏れ流れの流動を利用することが可能となる。
また、本発明では、漏れ流れが凸部における上記他方の導入壁側の端部を通って下流側に流れた場合、漏れ流れは上記一方の導入壁から離間する。離間した漏れ流れは、回転翼周辺の他の漏れ流れ等と合流することなく、回転翼に直接導入される。よって、本発明では、上記隙間からの漏れ流れと他の漏れ流れとが合流するときに生じる気体の流動乱れを抑制でき、この気体の流動乱れによる損失が生じない。
【００１０】
また、本発明の可変容量型タービンは、凸部は、可変翼が開口部を最も狭くする位置にあるときの、可変翼における下流側先端部の径方向内側近傍に形成され、少なくとも凸部の下流側先端部は、可変翼が開口部を最も狭くする位置にあるときの、該開口部を通過する気体の流動方向に略沿って延在しているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、可変翼における下流側先端部の径方向内側近傍を流動する漏れ流れが、凸部の下流側先端部に規制され、開口部を通過する気体の流動方向に沿う向きに変位する。
【００１１】
また、本発明の可変容量型タービンは、凸部の上流側先端部は、可変翼が開口部を最も狭くする位置にあるときの、可変翼の下流側先端部と一方の導入壁との間の隙間から漏出する気体の流動方向に略沿って延在しているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、可変翼における下流側先端部の径方向内側近傍を流動する漏れ流れが、抵抗なく凸部の上流側先端部に沿って流動する。
【００１２】
また、本発明の可変容量型タービンは、凸部は、その上流側先端部から下流側先端部に向かうに従って、その延在方向が漸次変化するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、凸部の上流側先端部に沿って流動している漏れ流れが、抵抗なく凸部の下流側先端部に沿って流動する。
【００１３】
また、本発明の可変容量型タービンは、凸部は、回転翼を囲んで略環状に形成されるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、可変翼と上記一方の導入壁との間の隙間から漏出する漏れ流れが、略環状に形成された凸部に規制され、開口部を通過する気体の流動方向に沿う向きに変位する。
【００１４】
また、本発明の可変容量型タービンは、凸部の一方の導入壁からの突出高さは、一対の導入壁の間隔に対して５％以上１０％以下であるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、凸部の突出高さが一対の導入壁の間隔に対して５％以上であるために、漏れ流れが、開口部を通過する気体の流動方向に沿う向きに変位する。また、本発明では、凸部の突出高さが上記間隔に対して１０％以下であるために、開口部を通過する気体の流動を阻害しない。
【００１５】
また、本発明の可変容量型タービンは、凸部の気体が流動する流動面は、一方の導入壁から離間するに従って漸次径方向外側に向かって傾斜しているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、漏れ流れが、凸部における上記他方の導入壁側の端部を乗り越えて下流側に流れることが難しく、開口部を通過する気体の流動方向に沿う向きに変位しやすくなる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、可変翼と導入壁との間の隙間から漏出する漏れ流れが発生したとしても、回転翼を回転させるために漏れ流れの流動を利用することができ、また、漏れ流れが生じることによる気体の流動乱れを抑制することができることから、従来の可変容量型タービンに比べタービン効率を向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る可変容量型タービンＡの全体構成を示す概略図である。
【図２】図１におけるノズル５周辺の拡大図である。
【図３】第１の実施形態におけるノズル５の正面図である。
【図４】図３におけるノズルベーン５３周辺の拡大図である。
【図５】第１の実施形態における開口部Ｓ３が最小であるときの隙間Ｓ１を通過して漏出する漏れ流れの流動方向を示す概略図である。
【図６】第２の実施形態におけるノズルベーン５３周辺の拡大図である。
【図７】第３の実施形態におけるノズルベーン５３周辺の拡大図である。
【図８】第１、第２及び第３の実施形態における凸部５５、第２凸部５６及び第３凸部５７の変形例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
第１の実施形態に係る可変容量型タービンＡの構成を、図１から図４を参照して説明する。
図１は、第１の実施形態に係る可変容量型タービンＡの全体構成を示す概略図である。図２は、図１におけるノズル５周辺の拡大図である。図３は、第１の実施形態におけるノズル５の正面図である。図４は、図３におけるノズルベーン５３周辺の拡大図である。なお、上記図内における矢印Ｆは前方を示す。
【００１９】
本実施形態に係る可変容量型タービンＡは、不図示のエンジンから導かれる排気ガス（気体）の運動エネルギーを利用してエンジンに空気を過給する、可変容量型のターボチャージャ（不図示）に用いられるものである。
図１に示すように、可変容量型タービンＡは、タービンハウジング１と、タービンハウジング１の前方側に一体的に接続される軸受けハウジング２とを有している。
【００２０】
タービンハウジング１は、インペラ（回転翼）３と、タービンスクロール流路４と、ノズル５と、排出口６とを有している。
【００２１】
インペラ３は、タービンハウジング１の略中央部に、前後方向で延びる所定の軸回りに回転自在に設けられている。インペラ３は、略円錐状を呈するベース３１の外周面に複数の翼３２が周方向で略等間隔に配設された構成となっており、ベース３１の底面部（前方側端部）には、前後方向で延びるインペラ軸３３が一体的に接続されている。なお、インペラ軸３３は、軸受けハウジング２に軸受け２１を介して回転自在に設けられ、不図示の遠心圧縮機に一体的に接続されている。
【００２２】
タービンスクロール流路４は、インペラ３をその周方向で囲んで略環状に形成されており、エンジンの排気ガスが導入される流路である。タービンスクロール流路４は、不図示の排気ガス吸入口と接続されている。
【００２３】
ノズル５は、インペラ３をその周方向で囲み、かつ、タービンスクロール流路４の径方向内側に設けられ、略環状に形成されている。ノズル５は、タービンスクロール流路４から導入された排気ガスをインペラ３に供給する流路であり、排気ガスの流量を増減することができる。
ノズル５は、略円環状を呈する板状部材である第１リング（導入壁）５１及び第２リング（導入壁）５２と、第１リング５１と第２リング５２との間に回転自在に複数設けられるノズルベーン（可変翼）５３とを有している。
【００２４】
第１リング５１と第２リング５２とは、互いに対向して設けられ、複数の連結ピン５４を介して一体的に接続されている。なお、第２リング５２は、第１リング５１の前方側に設けられている。
図２に示すように、第１リング５１及び第２リング５２の互いに対向する面である、第１対向面５１ａ及び第２対向面５２ｂは、いずれも平面状に形成されている。また、第１リング５１及び第２リング５２には、前後方向で貫通する第１孔部５１ｃ及び第２孔部５２ｄが各々形成されている。
【００２５】
ノズルベーン５３は、略矩形を呈する板状の部材であり、前後方向と直交する方向での断面は、中央部が厚く両端部が薄い、いわゆる翼形状に形成されている（図４参照）。ノズルベーン５３の前後方向での両端部には、第１対向面５１ａ及び第２対向面５２ｂに各々平行する第１端面５３ａ及び第２端面５３ｂが形成されている。
第１対向面５１ａと第１端面５３ａとの間には、ノズルベーン５３を滑らかに回転させるための隙間Ｓ１が形成され、第２対向面５２ｂと第２端面５３ｂとの間には、同様に隙間Ｓ２が形成されている。
第１端面５３ａ及び第２端面５３ｂからは、それぞれ第１軸５３ｃ及び第２軸５３ｄが前後方向に突出しており、第１軸５３ｃ及び第２軸５３ｄは、第１孔部５１ｃ及び第２孔部５２ｄに各々回転自在に嵌合している。
【００２６】
図３に示すように、ノズルベーン５３は、第１リング５１と第２リング５２との間に周方向に関して略等間隔で複数設けられている。隣接する複数のノズルベーン５３の間には開口部Ｓ３が各々形成されており、ノズルベーン５３の向きを変えることで、開口部Ｓ３の大きさを変化させることができる。エンジンの排気ガスは、開口部Ｓ３を径方向外側から内側に向かって、ノズルベーン５３の向きに沿って流動する。なお、図３及び図４において、開口部Ｓ３が最小となるときのノズルベーン５３の位置を実線で表し、開口部Ｓ３が最大となるときのノズルベーン５３の位置を二点鎖線で表している。
【００２７】
第１リング５１の第１対向面５１ａには、所定の方向で延びる凸部５５が複数設けられている。
凸部５５は、第１対向面５１ａから第２リング５２に向けて突出しており、開口部Ｓ３が最小となるときのノズルベーン５３における下流側先端部５３ｅの径方向内側近傍に設けられている。また、図４に示すように、凸部５５は、開口部Ｓ３が最小であるときの、開口部Ｓ３を通過する排気ガスの流動方向を示す矢印Ｖの方向に略沿って延在している。
図２に示すように、凸部５５の第１対向面５１ａからの突出高さＷは、第１対向面５１ａと第２対向面５２ｂとの間の間隔Ｄの５％以上１０％以下で形成されている。また、凸部５５の幅方向断面は、矩形を呈している。
【００２８】
図１に示すように、排出口６は、タービンハウジング１内に導入された排気ガスを排出する箇所であり、インペラ３の後方側に設けられている。排出口６は、不図示の有害成分抑制装置（触媒）及び消音装置に接続されている。
ノズル５の前方側には、複数のノズルベーン５３を同期して回転させるための駆動部７が設けられている。
【００２９】
続いて、本実施形態に係る可変容量型タービンＡの動作・作用を説明する。
【００３０】
最初に、可変容量型タービンＡの動作を説明する。
エンジンから排出された排気ガスが、可変容量型タービンＡの吸入口を通ってタービンスクロール流路４に導入される。タービンスクロール流路４は略環状に形成されているため、排気ガスはインペラ３を中心として周方向で回転するように流動する。次に、排気ガスはノズル５の開口部Ｓ３を通ってインペラ３の翼３２に導入されるのであるが、上記回転流動のためにインペラ３を中心として渦巻くように導入される。この排気ガスの流動により、インペラ３が回転する。
【００３１】
インペラ３は、インペラ軸３３を介して不図示の遠心圧縮機と接続されているため、遠心圧縮機は空気を圧縮し、圧縮された空気をエンジンに供給する。この供給動作により、エンジンの性能を向上させることができる。
なお、排気ガスがノズル５を通ってインペラ３に導入されるにあたり、ノズルベーン５３の向きを変え、開口部Ｓ３の大きさを変化させることにより、インペラ３に導入される排気ガスの流量を増減させることができる。このように排気ガスの流量を増減させることで、低回転域から高回転域までの広い範囲に亘り、エンジンの性能向上を図ることができる。
【００３２】
インペラ３を回転させた排気ガスは、インペラ３の後方側に流動し、排出口６から排出される。
以上で、可変容量型タービンＡの動作が終了する。
【００３３】
続いて、本実施形態における凸部５５が、隙間Ｓ１から漏出する排気ガス（漏れ流れ）の流動方向を変位させる動作・作用を、図５を参照して説明する。
図５は、シミュレーションを用いて解析した、第１の実施形態における開口部Ｓ３が最小であるときの隙間Ｓ１を通過して漏出する漏れ流れの流動方向を示す概略図である。
【００３４】
前述の通り、排気ガスはノズル５の開口部Ｓ３を通ってインペラ３に導入される。図４に示すように、例えば開口部Ｓ３が最小である場合の開口部Ｓ３を通る排気ガスは、矢印Ｖに示す方向で流動する。
ほとんどの排気ガスは開口部Ｓ３を通ってインペラ３に導入されるのであるが、ノズルベーン５３と第１リング５１及び第２リング５２との間には、隙間Ｓ１及びＳ２が各々形成されているため、一部の排気ガスは隙間Ｓ１及びＳ２を通って漏出する。なお、以下の説明では、漏れ流れの流動方向を変位させる動作・作用は、開口部Ｓ３が最小となっている場合について記述する。
【００３５】
図５に示すように、隙間Ｓ１を通過する排気ガスの漏れ流れは、ノズルベーン５３の厚さ方向に略沿って流動している。ノズルベーン５３の径方向内側に漏出した漏れ流れにおいて、ノズルベーン５３の上流側先端部５３ｆ側から漏出した漏れ流れは、下流側先端部５３ｅ側にその流動方向を変え、ノズルベーン５３の下流側先端部５３ｅから漏出した漏れ流れと合流する。これは、隣接する開口部Ｓ３を流動する排気ガスによって付勢されるためである。したがって、開口部Ｓ３が最小であるときの隙間Ｓ１から漏出する漏れ流れは、ノズルベーン５３の下流側先端部５３ｅの径方向内側近傍でほぼ集約され、図４に示す矢印ｖ１の方向で流動する。
【００３６】
図４に示すように、下流側先端部５３ｅの径方向内側近傍には凸部５５が設けられており、また、凸部５５の第１対向面５１ａからの突出高さＷも漏れ流れを規制するに適切な高さ（第１対向面５１ａと第２対向面５２ｂとの間の間隔Ｄに対して５％以上）で形成されているため、上記漏れ流れを凸部５５により規制し、凸部５５の延在方向に沿う向きに変位させることができる。したがって、上記漏れ流れは、図４に示す矢印ｖ２の向きで流動する。
凸部５５の延在方向は、開口部Ｓ３を通る排気ガスの流動方向である矢印Ｖの向きと略同一に形成されているため、漏れ流れの流動方向である矢印ｖ２の向きは、矢印Ｖと略同一となる。開口部Ｓ３が最小であるときにインペラ３を効率よく回転させるためには、排気ガスが矢印Ｖの方向でインペラ３に導入されることが必要となるため、矢印ｖ２の向きに変位した漏れ流れの運動エネルギーを、インペラ３を回転させるために利用することができる。
【００３７】
なお、図２に示すように、上記漏れ流れはその全てが矢印ｖ２の方向に変位するのではなく、一部の漏れ流れは凸部５５の第２リング５２側の端部を通って下流側に流動する。この流動方向を、図２中の矢印ｖ３で示している。
凸部５５は、第１対向面５１ａからの突出高さＷを有しているため、上記端部を通って下流側に流動した漏れ流れは、第１対向面５１ａから距離Ｗだけ離間した位置を流動する。離間して流動する漏れ流れは、インペラ３の翼３２周辺の他の漏れ流れ等と合流することなく、翼３２に直接導入される。したがって、漏れ流れが合流するときに生じる排気ガスの流動乱れ、及び、この流動乱れによる損失を抑制することができる。
以上で、隙間Ｓ１から漏出する漏れ流れの流動方向を変位させる動作が終了する。
【００３８】
ところで、図４に示すように、開口部Ｓ３の大きさが変化すれば、開口部Ｓ３を通って流動する排気ガスの流動方向も変化する。その一方で、凸部５５の延在方向は一定であることから、開口部Ｓ３が最小であるとき以外では、漏れ流れの運動エネルギーをインペラ３を回転させるために利用することが難しい。
もっとも、開口部Ｓ３が最小であるときに、ノズル５における径方向外側の排気ガス内圧と内側の排気ガス内圧との差が最大となるため、隙間Ｓ１から漏出する漏れ流れの流量が最大となる。したがって、開口部Ｓ３が最小であるときの隙間Ｓ１からの漏れ流れを変位させることで、タービン効率に対する改善効果を効果的に得ることができる。
【００３９】
なお、排気ガスが矢印Ｖとは異なった方向で流動している場合は、その流動方向と凸部５５の延在方向は異なるのであるが、凸部５５の突出高さは第１対向面５１ａと第２対向面５２ｂとの間の間隔Ｄに対して１０％以下に抑えられているため、開口部Ｓ３を通る排気ガスの流動を阻害しない。
【００４０】
したがって、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、ノズルベーン５３と第１リング５１との間の隙間Ｓ１から漏出する漏れ流れが発生したとしても、インペラ３を回転させるために漏れ流れの流動を利用することができ、また、漏れ流れが生じることによる気体の流動乱れを抑制することができることから、従来の可変容量型タービンに比べタービン効率を向上させることができるという効果がある。
【００４１】
〔第２実施形態〕
第２の実施形態に係る可変容量型タービンＡ２の構成を、図６を参照して説明する。
図６は、第２の実施形態におけるノズルベーン５３周辺の拡大図である。なお、図６において、図４に示す第１の実施形態の構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４２】
本実施形態に係る可変容量型タービンＡ２において、第１の実施形態に係る可変容量型タービンＡと異なる点は、第１の実施形態における凸部５５が第２凸部５６に変更されていることである。したがって、以下の説明では、第２凸部５６の構成及び動作・作用についてのみ説明する。なお、ノズルベーン５３は、開口部Ｓ３を最小とする向きに位置しているものとする。
【００４３】
図６に示すように、第２凸部５６は、ノズルベーン５３の下流側先端部５３ｅの径方向内側近傍に設けられている。また、第２凸部５６の延在方向は、その上流側先端部５６ａと下流側先端部５６ｂとで異なっている。
より詳細には、上流側先端部５６ａの延在方向は、漏れ流れの流動方向を示す矢印ｖ１の方向と略同一に形成されている。また、下流側先端部５６ｂの延在方向は、開口部Ｓ３を通る排気ガスの流動方向を示す矢印Ｖの方向と略同一に形成されている。なお、第２凸部５６の延在方向は、上流側先端部５６ａから下流側先端部５６ｂに向かうに従って漸次変化している。
【００４４】
第２凸部５６の第１対向面５１ａからの突出高さＷは、第１対向面５１ａと第２対向面５２ｂとの間の間隔Ｄの５％以上１０％以下で形成されている。また、第２凸部５６の幅方向断面は、矩形を呈している。
【００４５】
続いて、本実施形態における第２凸部５６を用いて、隙間Ｓ１から漏出する漏れ流れの流動方向を変位させる動作・作用を説明する。
【００４６】
第１の実施形態と同様に、隙間Ｓ１から漏出する漏れ流れは、ノズルベーン５３における下流側先端部５３ｅの径方向内側近傍で集約され、矢印ｖ１の方向で流動する（図５参照）。この漏れ流れは、第２凸部５６の上流側先端部５６ａが設けられている箇所に導入されるのであるが、上流側先端部５６ａは矢印ｖ１に略沿った方向で延在しているので、漏れ流れは抵抗なく上流側先端部５６ａに沿って流動することができる。
【００４７】
次に、漏れ流れは第２凸部５６の径方向外側の面に沿って流動する。ここで、第２凸部５６の延在方向は、上流側先端部５６ａから下流側先端部５６ｂに向かうに従って漸次変化しているため、漏れ流れは抵抗なく下流側先端部５６ｂに沿うことができる。下流側先端部５６ｂは、開口部Ｓ３を通る排気ガスの流動方向を示す矢印Ｖの方向と略同一に形成されているため、漏れ流れを矢印Ｖと略同一の方向、すなわち矢印ｖ２の方向に変位させることができる。
【００４８】
なお、矢印ｖ２の方向に変位せず、第２凸部５６の第２リング５２側の端面から下流側に流れる漏れ流れを、第１対向面５１ａから離間できることは、第１の実施形態と同様である。
【００４９】
したがって、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができると共に、漏れ流れが第２凸部５６に導入されるときに発生する損失や、漏れ流れが矢印ｖ２の向きに変位するときに発生する損失を低減させることができる。したがって、第１の実施形態に比べ、さらにタービン効率を向上させることができるという効果がある。
【００５０】
〔第３実施形態〕
第３の実施形態に係る可変容量型タービンＡ３の構成を、図７を参照して説明する。
図７は、第３の実施形態におけるノズルベーン５３周辺の拡大図である。なお、図７において、図４に示す第１の実施形態の構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５１】
本実施形態に係る可変容量型タービンＡ３において、第１の実施形態に係る可変容量型タービンＡと異なる点は、第１の実施形態における凸部５５が第３凸部５７に変更されていることである。したがって、以下の説明では、第３凸部５７の構成及び動作・作用についてのみ説明する。なお、ノズルベーン５３は、開口部Ｓ３を最小とする向きに位置しているものとする。
【００５２】
図７に示すように、第３凸部５７は、ノズルベーン５３の径方向内側に設けられ、インペラ３を囲んで略環状に形成されている。
【００５３】
第３凸部５７の第１対向面５１ａからの突出高さＷは、第１対向面５１ａと第２対向面５２ｂとの間の間隔Ｄの５％以上１０％以下で形成されている。また、第３凸部５７の幅方向断面は、矩形を呈している。
【００５４】
続いて、本実施形態における第３凸部５７を用いて、隙間Ｓ１から漏出する漏れ流れの流動方向を変位させる動作・作用を説明する。
【００５５】
第１の実施形態と同様に、隙間Ｓ１から漏出する漏れ流れは、ノズルベーン５３における下流側先端部５３ｅの径方向内側近傍で集約され、矢印ｖ１の方向で流動する（図５参照）。この漏れ流れは、第３凸部５７が設けられている箇所に導入されるのであるが、矢印ｖ１は第３凸部５７の接線方向と直交しておらず、矢印Ｖと同様の方向に傾いている。したがって、矢印ｖ１の向きで第３凸部５７に導入された漏れ流れを、第３凸部５７が規制することにより、矢印Ｖに沿う向き、すなわち矢印ｖ２の向きに変位させることができる。
【００５６】
なお、矢印Ｖの方向に変位せず、第３凸部５７の第２リング５２側の端面から下流側に流れる漏れ流れを、第１対向面５１ａから離間できることは、第１の実施形態と同様である。もっとも、第３凸部５７は略環状に形成されているため、いかなる方向から漏れ流れが導入されたとしても、全ての漏れ流れを第１対向面５１ａから離間させることができる。
【００５７】
したがって、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、ノズルベーン５３と第１リング５１との間の隙間Ｓ１から漏出する漏れ流れが発生したとしても、インペラ３を回転させるために漏れ流れの流動を利用することができ、また、漏れ流れが生じることによる気体の流動乱れを抑制することができることから、従来の可変容量型タービンに比べタービン効率を向上させることができるという効果がある。
【００５８】
なお、前述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲においてプロセス条件や設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００５９】
例えば、上記実施形態では、凸部５５、第２凸部５６及び第３凸部５７は、第１対向面５１ａから突出していたが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、第２対向面５２ｂから第１リング５１に向けて突出していてもよい。隙間Ｓ１だけでなく隙間Ｓ２からも漏れ流れは発生するため、この漏れ流れを変位させることでタービン効率を向上させることができる。また、上記凸部を、第１対向面５１ａ及び第２対向面５２ｂのいずれにも設けてよい。
なお、上記凸部を第２対向面５２ｂのみに設けた場合に比べ、第１対向面５１ａのみに設けた場合は、より大きくタービン効率を向上させることができる。そのため、少なくとも第１対向面５１ａには上記凸部を設けることが好ましい。
【００６０】
また、上記実施形態では、凸部５５、第２凸部５６及び第３凸部５７の幅方向断面はいずれも矩形を呈していたが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、例えば図８に示す形状であってもよい。図８は、第１、第２及び第３の実施形態における凸部５５、第２凸部５６及び第３凸部５７の変形例を示す概略図である。
すなわち、図８に示すように、上記凸部における漏れ流れが流動する流動面５８が、第１対向面５１ａから離間するに従って漸次直交する方向の径方向外側に向かって傾斜しているという構成であってもよい。このような構成を採用することで、漏れ流れが上記凸部の第２リング５２側の端部５８ａを乗り越えて下流側に流れることを抑制でき、結果として、漏れ流れが開口部Ｓ３を通過する排気ガスの流動方向に沿う向きに変位しやすくなるという効果がある。
【符号の説明】
【００６１】
Ａ、Ａ２、Ａ３…可変容量型タービン、３…インペラ（回転翼）、５…ノズル、５１…第１リング（導入壁）、５２…第２リング（導入壁）、５３…ノズルベーン（可変翼）、５３ｅ…下流側先端部、５５…凸部、５６…第２凸部、５６ａ…上流側先端部、５６ｂ…下流側先端部、５７…第３凸部、５８…流動面、Ｓ３…開口部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体の流動により回転翼を回転させるタービンに関わり、特に可変容量型のタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、エンジンに空気を過給するターボチャージャ等に、エンジンの排気ガス（気体）の流動により回転翼を回転させるタービンが用いられている。タービンの回転翼は遠心圧縮機に連結され、遠心圧縮機がエンジンに圧縮空気を供給し、エンジンの性能を向上させる。また、低回転域から高回転域までの広い範囲に亘り、エンジンの性能向上を図ることのできる可変容量型タービンも使用されている。
上記可変容量型タービンは、一対の略環状を呈する導入壁と、それら導入壁の間に回転自在に設けられる複数の可変翼とを有している。隣接する複数の可変翼の間には開口部が形成され、気体は上記開口部を通って回転翼に導入される。可変容量型タービンは、可変翼の向きを変え、開口部の大きさを変化させることで、回転翼に導入される気体の流量を増減させることができる。なお、可変翼を滑らかに回転させるために、可変翼と導入壁との間には適宜隙間が設けられている。
【０００３】
ところで、上記隙間が設けられているために、一部の気体は上記隙間から漏出する。漏出した気体（漏れ流れ）は上記開口部を通る気体とは異なる方向で流動するため、回転翼を回転させるために漏れ流れの流動を利用することは難しく、また、漏れ流れがタービン内における気体の流動を乱すことによる損失も発生する。そのため、漏れ流れはタービンの効率を低下させており、タービン効率の更なる向上のためには上記漏れ流れを抑制する等の対策が必要である。
【０００４】
ここで、特許文献１には、上記隙間からの漏れ流れを抑制するための可変翼が開示されている。
特許文献１に開示された可変翼では、導入壁に対向する可変翼の両端部端面がその中央部の断面よりも広く形成され、両端部端面は導入壁と平行に形成されている。この可変翼における両端部端面は、従来の可変翼に比べ大きな面積を持つため、上記端面と導入壁との間の隙間を流動する気体には大きな流動抵抗が生じ、漏れ流れが抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２２９８１５号公報（第４頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示された可変翼は、その両端部端面が中央部断面よりも広く形成されていることから、可変翼の向きを変えたときに、隣接する可変翼の両端部が干渉する虞がある。そのため、可変翼の回転範囲が制限され、可変容量型タービンにおける気体の流量調整に必要な可変翼の回転範囲を確保できない場合がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、漏れ流れが発生したとしても、漏れ流れによるタービン効率の低下を抑制し、結果として、タービン効率を向上させることができる可変容量型タービン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】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の可変容量型タービンは、回転翼に導入される気体の流量を増減できるノズルを備え、該ノズルは、略環状を呈する一対の導入壁と、一対の導入壁の間に回転自在に設けられる複数の可変翼とを有する可変容量型タービンであって、少なくとも一方の導入壁から他方の導入壁に向かって突出し、導入壁の径方向に関して可変翼の内側に位置し、かつ、可変翼と一方の導入壁との間の隙間から漏出する気体の流動を規制することで、隙間から漏出する気体の流動方向を、隣接する複数の可変翼の間における開口部を通過する気体の流動方向に沿う向きに変位させる凸部を有するという構成を採用する。
【０００９】
このような構成を採用する本発明では、上記漏れ流れの流動方向が、上記開口部を通過する気体の流動方向に沿う向きに変位する。よって、本発明では、回転翼を回転させるために漏れ流れの流動を利用することが可能となる。
また、本発明では、漏れ流れが凸部における上記他方の導入壁側の端部を通って下流側に流れた場合、漏れ流れは上記一方の導入壁から離間する。離間した漏れ流れは、回転翼周辺の他の漏れ流れ等と合流することなく、回転翼に直接導入される。よって、本発明では、上記隙間からの漏れ流れと他の漏れ流れとが合流するときに生じる気体の流動乱れを抑制でき、この気体の流動乱れによる損失が生じない。
【００１０】
また、本発明の可変容量型タービンは、凸部は、可変翼が開口部を最も狭くする位置にあるときの、可変翼における下流側先端部の径方向内側近傍に形成され、少なくとも凸部の下流側先端部は、可変翼が開口部を最も狭くする位置にあるときの、該開口部を通過する気体の流動方向に略沿って延在しているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、可変翼における下流側先端部の径方向内側近傍を流動する漏れ流れが、凸部の下流側先端部に規制され、開口部を通過する気体の流動方向に沿う向きに変位する。
【００１１】
また、本発明の可変容量型タービンは、凸部の上流側先端部は、可変翼が開口部を最も狭くする位置にあるときの、可変翼の下流側先端部と一方の導入壁との間の隙間から漏出する気体の流動方向に略沿って延在しているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、可変翼における下流側先端部の径方向内側近傍を流動する漏れ流れが、抵抗なく凸部の上流側先端部に沿って流動する。
【００１２】
また、本発明の可変容量型タービンは、凸部は、その上流側先端部から下流側先端部に向かうに従って、その延在方向が漸次変化するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、凸部の上流側先端部に沿って流動している漏れ流れが、抵抗なく凸部の下流側先端部に沿って流動する。
【００１３】
また、本発明の可変容量型タービンは、凸部は、回転翼を囲んで略環状に形成されるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、可変翼と上記一方の導入壁との間の隙間から漏出する漏れ流れが、略環状に形成された凸部に規制され、開口部を通過する気体の流動方向に沿う向きに変位する。
【００１４】
また、本発明の可変容量型タービンは、凸部の一方の導入壁からの突出高さは、一対の導入壁の間隔に対して５％以上１０％以下であるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、凸部の突出高さが一対の導入壁の間隔に対して５％以上であるために、漏れ流れが、開口部を通過する気体の流動方向に沿う向きに変位する。また、本発明では、凸部の突出高さが上記間隔に対して１０％以下であるために、開口部を通過する気体の流動を阻害しない。
【００１５】
また、本発明の可変容量型タービンは、凸部の気体が流動する流動面は、一方の導入壁から離間するに従って漸次径方向外側に向かって傾斜しているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、漏れ流れが、凸部における上記他方の導入壁側の端部を乗り越えて下流側に流れることが難しく、開口部を通過する気体の流動方向に沿う向きに変位しやすくなる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、可変翼と導入壁との間の隙間から漏出する漏れ流れが発生したとしても、回転翼を回転させるために漏れ流れの流動を利用することができ、また、漏れ流れが生じることによる気体の流動乱れを抑制することができることから、従来の可変容量型タービンに比べタービン効率を向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る可変容量型タービンＡの全体構成を示す概略図である。
【図２】図１におけるノズル５周辺の拡大図である。
【図３】第１の実施形態におけるノズル５の正面図である。
【図４】図３におけるノズルベーン５３周辺の拡大図である。
【図５】第１の実施形態における開口部Ｓ３が最小であるときの隙間Ｓ１を通過して漏出する漏れ流れの流動方向を示す概略図である。
【図６】第２の実施形態におけるノズルベーン５３周辺の拡大図である。
【図７】第３の実施形態におけるノズルベーン５３周辺の拡大図である。
【図８】第１、第２及び第３の実施形態における凸部５５、第２凸部５６及び第３凸部５７の変形例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
第１の実施形態に係る可変容量型タービンＡの構成を、図１から図４を参照して説明する。
図１は、第１の実施形態に係る可変容量型タービンＡの全体構成を示す概略図である。図２は、図１におけるノズル５周辺の拡大図である。図３は、第１の実施形態におけるノズル５の正面図である。図４は、図３におけるノズルベーン５３周辺の拡大図である。なお、上記図内における矢印Ｆは前方を示す。
【００１９】
本実施形態に係る可変容量型タービンＡは、不図示のエンジンから導かれる排気ガス（気体）の運動エネルギーを利用してエンジンに空気を過給する、可変容量型のターボチャージャ（不図示）に用いられるものである。
図１に示すように、可変容量型タービンＡは、タービンハウジング１と、タービンハウジング１の前方側に一体的に接続される軸受けハウジング２とを有している。
【００２０】
タービンハウジング１は、インペラ（回転翼）３と、タービンスクロール流路４と、ノズル５と、排出口６とを有している。
【００２１】
インペラ３は、タービンハウジング１の略中央部に、前後方向で延びる所定の軸回りに回転自在に設けられている。インペラ３は、略円錐状を呈するベース３１の外周面に複数の翼３２が周方向で略等間隔に配設された構成となっており、ベース３１の底面部（前方側端部）には、前後方向で延びるインペラ軸３３が一体的に接続されている。なお、インペラ軸３３は、軸受けハウジング２に軸受け２１を介して回転自在に設けられ、不図示の遠心圧縮機に一体的に接続されている。
【００２２】
タービンスクロール流路４は、インペラ３をその周方向で囲んで略環状に形成されており、エンジンの排気ガスが導入される流路である。タービンスクロール流路４は、不図示の排気ガス吸入口と接続されている。
【００２３】
ノズル５は、インペラ３をその周方向で囲み、かつ、タービンスクロール流路４の径方向内側に設けられ、略環状に形成されている。ノズル５は、タービンスクロール流路４から導入された排気ガスをインペラ３に供給する流路であり、排気ガスの流量を増減することができる。
ノズル５は、略円環状を呈する板状部材である第１リング（導入壁）５１及び第２リング（導入壁）５２と、第１リング５１と第２リング５２との間に回転自在に複数設けられるノズルベーン（可変翼）５３とを有している。
【００２４】
第１リング５１と第２リング５２とは、互いに対向して設けられ、複数の連結ピン５４を介して一体的に接続されている。なお、第２リング５２は、第１リング５１の前方側に設けられている。
図２に示すように、第１リング５１及び第２リング５２の互いに対向する面である、第１対向面５１ａ及び第２対向面５２ｂは、いずれも平面状に形成されている。また、第１リング５１及び第２リング５２には、前後方向で貫通する第１孔部５１ｃ及び第２孔部５２ｄが各々形成されている。
【００２５】
ノズルベーン５３は、略矩形を呈する板状の部材であり、前後方向と直交する方向での断面は、中央部が厚く両端部が薄い、いわゆる翼形状に形成されている（図４参照）。ノズルベーン５３の前後方向での両端部には、第１対向面５１ａ及び第２対向面５２ｂに各々平行する第１端面５３ａ及び第２端面５３ｂが形成されている。
第１対向面５１ａと第１端面５３ａとの間には、ノズルベーン５３を滑らかに回転させるための隙間Ｓ１が形成され、第２対向面５２ｂと第２端面５３ｂとの間には、同様に隙間Ｓ２が形成されている。
第１端面５３ａ及び第２端面５３ｂからは、それぞれ第１軸５３ｃ及び第２軸５３ｄが前後方向に突出しており、第１軸５３ｃ及び第２軸５３ｄは、第１孔部５１ｃ及び第２孔部５２ｄに各々回転自在に嵌合している。
【００２６】
図３に示すように、ノズルベーン５３は、第１リング５１と第２リング５２との間に周方向に関して略等間隔で複数設けられている。隣接する複数のノズルベーン５３の間には開口部Ｓ３が各々形成されており、ノズルベーン５３の向きを変えることで、開口部Ｓ３の大きさを変化させることができる。エンジンの排気ガスは、開口部Ｓ３を径方向外側から内側に向かって、ノズルベーン５３の向きに沿って流動する。なお、図３及び図４において、開口部Ｓ３が最小となるときのノズルベーン５３の位置を実線で表し、開口部Ｓ３が最大となるときのノズルベーン５３の位置を二点鎖線で表している。
【００２７】
第１リング５１の第１対向面５１ａには、所定の方向で延びる凸部５５が複数設けられている。
凸部５５は、第１対向面５１ａから第２リング５２に向けて突出しており、開口部Ｓ３が最小となるときのノズルベーン５３における下流側先端部５３ｅの径方向内側近傍に設けられている。また、図４に示すように、凸部５５は、開口部Ｓ３が最小であるときの、開口部Ｓ３を通過する排気ガスの流動方向を示す矢印Ｖの方向に略沿って延在している。
図２に示すように、凸部５５の第１対向面５１ａからの突出高さＷは、第１対向面５１ａと第２対向面５２ｂとの間の間隔Ｄの５％以上１０％以下で形成されている。また、凸部５５の幅方向断面は、矩形を呈している。
【００２８】
図１に示すように、排出口６は、タービンハウジング１内に導入された排気ガスを排出する箇所であり、インペラ３の後方側に設けられている。排出口６は、不図示の有害成分抑制装置（触媒）及び消音装置に接続されている。
ノズル５の前方側には、複数のノズルベーン５３を同期して回転させるための駆動部７が設けられている。
【００２９】
続いて、本実施形態に係る可変容量型タービンＡの動作・作用を説明する。
【００３０】
最初に、可変容量型タービンＡの動作を説明する。
エンジンから排出された排気ガスが、可変容量型タービンＡの吸入口を通ってタービンスクロール流路４に導入される。タービンスクロール流路４は略環状に形成されているため、排気ガスはインペラ３を中心として周方向で回転するように流動する。次に、排気ガスはノズル５の開口部Ｓ３を通ってインペラ３の翼３２に導入されるのであるが、上記回転流動のためにインペラ３を中心として渦巻くように導入される。この排気ガスの流動により、インペラ３が回転する。
【００３１】
インペラ３は、インペラ軸３３を介して不図示の遠心圧縮機と接続されているため、遠心圧縮機は空気を圧縮し、圧縮された空気をエンジンに供給する。この供給動作により、エンジンの性能を向上させることができる。
なお、排気ガスがノズル５を通ってインペラ３に導入されるにあたり、ノズルベーン５３の向きを変え、開口部Ｓ３の大きさを変化させることにより、インペラ３に導入される排気ガスの流量を増減させることができる。このように排気ガスの流量を増減させることで、低回転域から高回転域までの広い範囲に亘り、エンジンの性能向上を図ることができる。
【００３２】
インペラ３を回転させた排気ガスは、インペラ３の後方側に流動し、排出口６から排出される。
以上で、可変容量型タービンＡの動作が終了する。
【００３３】
続いて、本実施形態における凸部５５が、隙間Ｓ１から漏出する排気ガス（漏れ流れ）の流動方向を変位させる動作・作用を、図５を参照して説明する。
図５は、シミュレーションを用いて解析した、第１の実施形態における開口部Ｓ３が最小であるときの隙間Ｓ１を通過して漏出する漏れ流れの流動方向を示す概略図である。
【００３４】
前述の通り、排気ガスはノズル５の開口部Ｓ３を通ってインペラ３に導入される。図４に示すように、例えば開口部Ｓ３が最小である場合の開口部Ｓ３を通る排気ガスは、矢印Ｖに示す方向で流動する。
ほとんどの排気ガスは開口部Ｓ３を通ってインペラ３に導入されるのであるが、ノズルベーン５３と第１リング５１及び第２リング５２との間には、隙間Ｓ１及びＳ２が各々形成されているため、一部の排気ガスは隙間Ｓ１及びＳ２を通って漏出する。なお、以下の説明では、漏れ流れの流動方向を変位させる動作・作用は、開口部Ｓ３が最小となっている場合について記述する。
【００３５】
図５に示すように、隙間Ｓ１を通過する排気ガスの漏れ流れは、ノズルベーン５３の厚さ方向に略沿って流動している。ノズルベーン５３の径方向内側に漏出した漏れ流れにおいて、ノズルベーン５３の上流側先端部５３ｆ側から漏出した漏れ流れは、下流側先端部５３ｅ側にその流動方向を変え、ノズルベーン５３の下流側先端部５３ｅから漏出した漏れ流れと合流する。これは、隣接する開口部Ｓ３を流動する排気ガスによって付勢されるためである。したがって、開口部Ｓ３が最小であるときの隙間Ｓ１から漏出する漏れ流れは、ノズルベーン５３の下流側先端部５３ｅの径方向内側近傍でほぼ集約され、図４に示す矢印ｖ１の方向で流動する。
【００３６】
図４に示すように、下流側先端部５３ｅの径方向内側近傍には凸部５５が設けられており、また、凸部５５の第１対向面５１ａからの突出高さＷも漏れ流れを規制するに適切な高さ（第１対向面５１ａと第２対向面５２ｂとの間の間隔Ｄに対して５％以上）で形成されているため、上記漏れ流れを凸部５５により規制し、凸部５５の延在方向に沿う向きに変位させることができる。したがって、上記漏れ流れは、図４に示す矢印ｖ２の向きで流動する。
凸部５５の延在方向は、開口部Ｓ３を通る排気ガスの流動方向である矢印Ｖの向きと略同一に形成されているため、漏れ流れの流動方向である矢印ｖ２の向きは、矢印Ｖと略同一となる。開口部Ｓ３が最小であるときにインペラ３を効率よく回転させるためには、排気ガスが矢印Ｖの方向でインペラ３に導入されることが必要となるため、矢印ｖ２の向きに変位した漏れ流れの運動エネルギーを、インペラ３を回転させるために利用することができる。
【００３７】
なお、図２に示すように、上記漏れ流れはその全てが矢印ｖ２の方向に変位するのではなく、一部の漏れ流れは凸部５５の第２リング５２側の端部を通って下流側に流動する。この流動方向を、図２中の矢印ｖ３で示している。
凸部５５は、第１対向面５１ａからの突出高さＷを有しているため、上記端部を通って下流側に流動した漏れ流れは、第１対向面５１ａから距離Ｗだけ離間した位置を流動する。離間して流動する漏れ流れは、インペラ３の翼３２周辺の他の漏れ流れ等と合流することなく、翼３２に直接導入される。したがって、漏れ流れが合流するときに生じる排気ガスの流動乱れ、及び、この流動乱れによる損失を抑制することができる。
以上で、隙間Ｓ１から漏出する漏れ流れの流動方向を変位させる動作が終了する。
【００３８】
ところで、図４に示すように、開口部Ｓ３の大きさが変化すれば、開口部Ｓ３を通って流動する排気ガスの流動方向も変化する。その一方で、凸部５５の延在方向は一定であることから、開口部Ｓ３が最小であるとき以外では、漏れ流れの運動エネルギーをインペラ３を回転させるために利用することが難しい。
もっとも、開口部Ｓ３が最小であるときに、ノズル５における径方向外側の排気ガス内圧と内側の排気ガス内圧との差が最大となるため、隙間Ｓ１から漏出する漏れ流れの流量が最大となる。したがって、開口部Ｓ３が最小であるときの隙間Ｓ１からの漏れ流れを変位させることで、タービン効率に対する改善効果を効果的に得ることができる。
【００３９】
なお、排気ガスが矢印Ｖとは異なった方向で流動している場合は、その流動方向と凸部５５の延在方向は異なるのであるが、凸部５５の突出高さは第１対向面５１ａと第２対向面５２ｂとの間の間隔Ｄに対して１０％以下に抑えられているため、開口部Ｓ３を通る排気ガスの流動を阻害しない。
【００４０】
したがって、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、ノズルベーン５３と第１リング５１との間の隙間Ｓ１から漏出する漏れ流れが発生したとしても、インペラ３を回転させるために漏れ流れの流動を利用することができ、また、漏れ流れが生じることによる気体の流動乱れを抑制することができることから、従来の可変容量型タービンに比べタービン効率を向上させることができるという効果がある。
【００４１】
〔第２実施形態〕
第２の実施形態に係る可変容量型タービンＡ２の構成を、図６を参照して説明する。
図６は、第２の実施形態におけるノズルベーン５３周辺の拡大図である。なお、図６において、図４に示す第１の実施形態の構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４２】
本実施形態に係る可変容量型タービンＡ２において、第１の実施形態に係る可変容量型タービンＡと異なる点は、第１の実施形態における凸部５５が第２凸部５６に変更されていることである。したがって、以下の説明では、第２凸部５６の構成及び動作・作用についてのみ説明する。なお、ノズルベーン５３は、開口部Ｓ３を最小とする向きに位置しているものとする。
【００４３】
図６に示すように、第２凸部５６は、ノズルベーン５３の下流側先端部５３ｅの径方向内側近傍に設けられている。また、第２凸部５６の延在方向は、その上流側先端部５６ａと下流側先端部５６ｂとで異なっている。
より詳細には、上流側先端部５６ａの延在方向は、漏れ流れの流動方向を示す矢印ｖ１の方向と略同一に形成されている。また、下流側先端部５６ｂの延在方向は、開口部Ｓ３を通る排気ガスの流動方向を示す矢印Ｖの方向と略同一に形成されている。なお、第２凸部５６の延在方向は、上流側先端部５６ａから下流側先端部５６ｂに向かうに従って漸次変化している。
【００４４】
第２凸部５６の第１対向面５１ａからの突出高さＷは、第１対向面５１ａと第２対向面５２ｂとの間の間隔Ｄの５％以上１０％以下で形成されている。また、第２凸部５６の幅方向断面は、矩形を呈している。
【００４５】
続いて、本実施形態における第２凸部５６を用いて、隙間Ｓ１から漏出する漏れ流れの流動方向を変位させる動作・作用を説明する。
【００４６】
第１の実施形態と同様に、隙間Ｓ１から漏出する漏れ流れは、ノズルベーン５３における下流側先端部５３ｅの径方向内側近傍で集約され、矢印ｖ１の方向で流動する（図５参照）。この漏れ流れは、第２凸部５６の上流側先端部５６ａが設けられている箇所に導入されるのであるが、上流側先端部５６ａは矢印ｖ１に略沿った方向で延在しているので、漏れ流れは抵抗なく上流側先端部５６ａに沿って流動することができる。
【００４７】
次に、漏れ流れは第２凸部５６の径方向外側の面に沿って流動する。ここで、第２凸部５６の延在方向は、上流側先端部５６ａから下流側先端部５６ｂに向かうに従って漸次変化しているため、漏れ流れは抵抗なく下流側先端部５６ｂに沿うことができる。下流側先端部５６ｂは、開口部Ｓ３を通る排気ガスの流動方向を示す矢印Ｖの方向と略同一に形成されているため、漏れ流れを矢印Ｖと略同一の方向、すなわち矢印ｖ２の方向に変位させることができる。
【００４８】
なお、矢印ｖ２の方向に変位せず、第２凸部５６の第２リング５２側の端面から下流側に流れる漏れ流れを、第１対向面５１ａから離間できることは、第１の実施形態と同様である。
【００４９】
したがって、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができると共に、漏れ流れが第２凸部５６に導入されるときに発生する損失や、漏れ流れが矢印ｖ２の向きに変位するときに発生する損失を低減させることができる。したがって、第１の実施形態に比べ、さらにタービン効率を向上させることができるという効果がある。
【００５０】
〔第３実施形態〕
第３の実施形態に係る可変容量型タービンＡ３の構成を、図７を参照して説明する。
図７は、第３の実施形態におけるノズルベーン５３周辺の拡大図である。なお、図７において、図４に示す第１の実施形態の構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５１】
本実施形態に係る可変容量型タービンＡ３において、第１の実施形態に係る可変容量型タービンＡと異なる点は、第１の実施形態における凸部５５が第３凸部５７に変更されていることである。したがって、以下の説明では、第３凸部５７の構成及び動作・作用についてのみ説明する。なお、ノズルベーン５３は、開口部Ｓ３を最小とする向きに位置しているものとする。
【００５２】
図７に示すように、第３凸部５７は、ノズルベーン５３の径方向内側に設けられ、インペラ３を囲んで略環状に形成されている。
【００５３】
第３凸部５７の第１対向面５１ａからの突出高さＷは、第１対向面５１ａと第２対向面５２ｂとの間の間隔Ｄの５％以上１０％以下で形成されている。また、第３凸部５７の幅方向断面は、矩形を呈している。
【００５４】
続いて、本実施形態における第３凸部５７を用いて、隙間Ｓ１から漏出する漏れ流れの流動方向を変位させる動作・作用を説明する。
【００５５】
第１の実施形態と同様に、隙間Ｓ１から漏出する漏れ流れは、ノズルベーン５３における下流側先端部５３ｅの径方向内側近傍で集約され、矢印ｖ１の方向で流動する（図５参照）。この漏れ流れは、第３凸部５７が設けられている箇所に導入されるのであるが、矢印ｖ１は第３凸部５７の接線方向と直交しておらず、矢印Ｖと同様の方向に傾いている。したがって、矢印ｖ１の向きで第３凸部５７に導入された漏れ流れを、第３凸部５７が規制することにより、矢印Ｖに沿う向き、すなわち矢印ｖ２の向きに変位させることができる。
【００５６】
なお、矢印Ｖの方向に変位せず、第３凸部５７の第２リング５２側の端面から下流側に流れる漏れ流れを、第１対向面５１ａから離間できることは、第１の実施形態と同様である。もっとも、第３凸部５７は略環状に形成されているため、いかなる方向から漏れ流れが導入されたとしても、全ての漏れ流れを第１対向面５１ａから離間させることができる。
【００５７】
したがって、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、ノズルベーン５３と第１リング５１との間の隙間Ｓ１から漏出する漏れ流れが発生したとしても、インペラ３を回転させるために漏れ流れの流動を利用することができ、また、漏れ流れが生じることによる気体の流動乱れを抑制することができることから、従来の可変容量型タービンに比べタービン効率を向上させることができるという効果がある。
【００５８】
なお、前述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲においてプロセス条件や設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００５９】
例えば、上記実施形態では、凸部５５、第２凸部５６及び第３凸部５７は、第１対向面５１ａから突出していたが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、第２対向面５２ｂから第１リング５１に向けて突出していてもよい。隙間Ｓ１だけでなく隙間Ｓ２からも漏れ流れは発生するため、この漏れ流れを変位させることでタービン効率を向上させることができる。また、上記凸部を、第１対向面５１ａ及び第２対向面５２ｂのいずれにも設けてよい。
なお、上記凸部を第２対向面５２ｂのみに設けた場合に比べ、第１対向面５１ａのみに設けた場合は、より大きくタービン効率を向上させることができる。そのため、少なくとも第１対向面５１ａには上記凸部を設けることが好ましい。
【００６０】
また、上記実施形態では、凸部５５、第２凸部５６及び第３凸部５７の幅方向断面はいずれも矩形を呈していたが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、例えば図８に示す形状であってもよい。図８は、第１、第２及び第３の実施形態における凸部５５、第２凸部５６及び第３凸部５７の変形例を示す概略図である。
すなわち、図８に示すように、上記凸部における漏れ流れが流動する流動面５８が、第１対向面５１ａから離間するに従って漸次直交する方向の径方向外側に向かって傾斜しているという構成であってもよい。このような構成を採用することで、漏れ流れが上記凸部の第２リング５２側の端部５８ａを乗り越えて下流側に流れることを抑制でき、結果として、漏れ流れが開口部Ｓ３を通過する排気ガスの流動方向に沿う向きに変位しやすくなるという効果がある。
【符号の説明】
【００６１】
Ａ、Ａ２、Ａ３…可変容量型タービン、３…インペラ（回転翼）、５…ノズル、５１…第１リング（導入壁）、５２…第２リング（導入壁）、５３…ノズルベーン（可変翼）、５３ｅ…下流側先端部、５５…凸部、５６…第２凸部、５６ａ…上流側先端部、５６ｂ…下流側先端部、５７…第３凸部、５８…流動面、Ｓ３…開口部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転翼に導入される気体の流量を増減できるノズルを備え、該ノズルは、略環状を呈する一対の導入壁と、前記一対の導入壁の間に回転自在に設けられる複数の可変翼とを有する可変容量型タービンであって、
少なくとも一方の前記導入壁から他方の前記導入壁に向かって突出し、前記導入壁の径方向に関して前記可変翼の内側に位置し、かつ、前記可変翼と前記一方の導入壁との間の隙間から漏出する前記気体の流動を規制することで、前記隙間から漏出する前記気体の流動方向を、隣接する前記複数の可変翼の間における開口部を通過する前記気体の流動方向に沿う向きに変位させる凸部を有することを特徴とする可変容量型タービン。
【請求項２】
前記凸部は、前記可変翼が前記開口部を最も狭くする位置にあるときの、前記可変翼における下流側先端部の前記径方向内側近傍に形成され、
少なくとも前記凸部の下流側先端部は、前記可変翼が前記開口部を最も狭くする位置にあるときの、該開口部を通過する前記気体の流動方向に略沿って延在していることを特徴とする請求項１に記載の可変容量型タービン。
【請求項３】
前記凸部の上流側先端部は、前記可変翼が前記開口部を最も狭くする位置にあるときの、前記可変翼の下流側先端部と前記一方の導入壁との間の隙間から漏出する前記気体の流動方向に略沿って延在していることを特徴とする請求項２に記載の可変容量型タービン。
【請求項４】
前記凸部は、その上流側先端部から下流側先端部に向かうに従って、その延在方向が漸次変化することを特徴とする請求項３に記載の可変容量型タービン。
【請求項５】
前記凸部は、前記回転翼を囲んで略環状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の可変容量型タービン。
【請求項６】
前記凸部の前記一方の導入壁からの突出高さは、前記一対の導入壁の間隔に対して５％以上１０％以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の可変容量型タービン。
【請求項７】
前記凸部の前記気体が流動する流動面は、前記一方の導入壁から離間するに従って漸次前記径方向外側に向かって傾斜していることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の可変容量型タービン。
【請求項１】
回転翼に導入される気体の流量を増減できるノズルを備え、該ノズルは、略環状を呈する一対の導入壁と、前記一対の導入壁の間に回転自在に設けられる複数の可変翼とを有する可変容量型タービンであって、
少なくとも一方の前記導入壁から他方の前記導入壁に向かって突出し、前記導入壁の径方向に関して前記可変翼の内側に位置し、かつ、前記可変翼と前記一方の導入壁との間の隙間から漏出する前記気体の流動を規制することで、前記隙間から漏出する前記気体の流動方向を、隣接する前記複数の可変翼の間における開口部を通過する前記気体の流動方向に沿う向きに変位させる凸部を有することを特徴とする可変容量型タービン。
【請求項２】
前記凸部は、前記可変翼が前記開口部を最も狭くする位置にあるときの、前記可変翼における下流側先端部の前記径方向内側近傍に形成され、
少なくとも前記凸部の下流側先端部は、前記可変翼が前記開口部を最も狭くする位置にあるときの、該開口部を通過する前記気体の流動方向に略沿って延在していることを特徴とする請求項１に記載の可変容量型タービン。
【請求項３】
前記凸部の上流側先端部は、前記可変翼が前記開口部を最も狭くする位置にあるときの、前記可変翼の下流側先端部と前記一方の導入壁との間の隙間から漏出する前記気体の流動方向に略沿って延在していることを特徴とする請求項２に記載の可変容量型タービン。
【請求項４】
前記凸部は、その上流側先端部から下流側先端部に向かうに従って、その延在方向が漸次変化することを特徴とする請求項３に記載の可変容量型タービン。
【請求項５】
前記凸部は、前記回転翼を囲んで略環状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の可変容量型タービン。
【請求項６】
前記凸部の前記一方の導入壁からの突出高さは、前記一対の導入壁の間隔に対して５％以上１０％以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の可変容量型タービン。
【請求項７】
前記凸部の前記気体が流動する流動面は、前記一方の導入壁から離間するに従って漸次前記径方向外側に向かって傾斜していることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の可変容量型タービン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１８０８１１（Ｐ２０１０−１８０８１１Ａ）
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６０９４（Ｐ２００９−２６０９４）
【出願日】平成２１年２月６日（２００９．２．６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月６日（２００９．２．６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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