JPH0348335B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は可変容量式のラジアルタービンに関
し、特にターボチヤージヤに於ける排気タービン
として好適な可変容量式タービンの可変ノズル構
造に関する。

＜従来の技術＞ ターボチヤージヤの排気タービンとして用いら
れるラジアルタービンに於ては、エンジンの回転
速度が低い領域に於ても過給効果を確保すること
が望まれる場合があり、そのためには、タービン
ホイールの上流側の通路を狭窄することにより、
流体の流入速度を増大させると良い。しかしなが
ら、このように通路を狭窄した場合には、タービ
ンの入口圧、即ちエンジンの排気ガスに対する背
圧が高まり、エンジンの効率を低下させる不都合
が発生する。

そこで特公昭38−7653号公報に記載されている
ように、複数の可動ベーンをタービンホイール外
周部を臨むノズル部に環状に配設し、これら可動
ベーンを傾動させることにより、これらベーン間
に郭成される実質的なノズルの開口面積を変化さ
せるものとすれば、エンジンの低速域に於ても過
給効果を確保し、エンジンの中高速域にあつては
エンジンの排気に対する背圧を小さく保つことが
できる。しかしながら、上記した構成によると、
これらベーンが、流体速度の比較的高い領域に配
設されることから、流体の抵抗損失が比較的大き
くなりがちであり、そのためにタービンの効率が
低下するという問題がある。また、互いに隣接す
る可動ベーン間にノズルが郭成されるものである
ことから、特にノズルの開口面積が小さい領域に
あつては、ベーンの傾動角度の僅かな狂いにより
ノズルの開口面積が大きく変化しがちであり、そ
の制御精度に難点がある。特に、このようなター
ビンをターボチヤージヤに於ける排気タービンと
して利用する場合には、これらのベーンが高温の
排気ガス流に暴露されるため、これら可動ベーン
を信頼性高く調節することが困難である。

特開昭53−136113号公報等に開示されているよ
うに、タービンケーシングのスクロール通路の壁
体の一部をなすフラツプを傾動し得るようにし
て、スクロール通路の断面積を可変にする構造も
公知となつている。この形式の可変ノズル構造に
よれば、構造が簡単であつて比較的抵抗損失を発
生することなく流体のタービンホイールへの流入
速度を調節することができるが、必ずしも可変領
域が十分に広いとは言えず、また、特にフラツプ
開度が大きい場合にタービンホイールに向かう流
体の流れが乱され、その流速分布が不均一とな
り、そのためにタービンの効率が低下するという
問題がある。

＜発明が解決しようとする問題点＞ 上記のような可変容量タービンに於いては、可
変ノズルを形成するベーンは、タービンケーシン
グの内面とタービンホイールの軸受側を閉塞する
ベースプレートの内面との間に沿つて傾動するよ
うにされており、特に複雑な形状を有するタービ
ンケーシング側の熱膨脹率が不均一であることか
ら、可変ノズル部分の、特に高温環境下に於ける
可動ベーンのサイドクリアランスの精度管理が問
題となり得る。

また、前記した従来形式による可変容量タービ
ンの問題点を解決するためには、タービンホイー
ルの外周部を臨むノズル部の外側に可変ノズルを
環状に配設すると良いが、上記した熱膨脹による
影響が特に顕著に現れ、可動ベーン部分のリーク
防止が困難である。

このような従来技術の問題点及び発明者の知見
に鑑み、本発明の主な目的は、高温環境下にあつ
ても信頼性高くタービンホイールへの流体の流入
速度を制御し得るような可変容量タービンのため
の可変ノズル構造を提供することにある。

＜問題点を解決するための手段＞ このような目的は、本発明によれば、タービン
ホイールと、該タービンホイールの外周に郭成さ
れたタービンケーシングと、前記タービンホイー
ルの前面を臨む軸線方向通路とを有すると共に、
前記タービンホイールの外周部の外側の或る円周
上に、固定ベーン及び可動ベーンからなる可変ノ
ズルを環状に配設してなるタービンの可変ノズル
構造であつて、前記タービンケーシングのタービ
ンホイールの軸受側を閉塞するベースプレートと
該ベースプレートの内面に対向する面を郭成する
トツププレートとを両プレート間に前記タービン
ホイールの外周にあつて周方向に沿つて等間隔に
設けられた固定ベーンを介して締結具により結合
し、前記両プレート間の内面に沿つて前記可動ベ
ーンを回動することにより前記固定ベーン間の空
〓を開閉し得るように構成したことを特徴とする
タービンの可変ノズル構造を提供することにより
達成される。特に、前記固定ベーンをトツププレ
ート側に一体的に形成し、該固定ベーンの軸線方
向ベースプレート側端を前記ベースプレートに締
結具により結合すると共に、前記可動ベーンを前
記ベースプレート側に枢支するものとしたり、前
記可動ベーンを傾動自在に受容すべく前記ベース
プレート及び前記トツププレートにより郭成され
る空〓を、外周部から内周部にかけて次第に拡開
するものとしたり、前記トツププレートに、前記
軸線方向通路の内端部に浮動式にかつ概ね気密に
接続される筒状部分を設けるようにすると良い。

＜作用＞ このようにすれば、ベースプレートの内面と、
タービンケーシングとは別体をなすトツププレー
トとの対向面と、固定ベーンと、可動ベーンとが
協働することによつて可変ノズルが郭成される。
そしてベースプレートとトツププレートとが固定
ベーンの部分によつて剛固に連結させるため、ま
た、円板形という比較的均質な形状をトツププレ
ートがとり得るため、熱変形を勘案したベースプ
レート並びにトツププレートと可動ベーンの各側
端との〓間の精度管理を好適に行うことが可能と
なる。

また、可動ベーンを受容する空隙を、外周部か
ら内周部にかけて次第に拡開させることにより、
可変ノズル開度の小さい時には、可動ベーンの間
隙を最小とし、タービン効率を高め、可変ノズル
全開時には、可動ベーンの間隙を最大とし、可動
ベーンの膠着可能性が回避される。

＜実施例＞ 以下、本発明の好適実施例を添付の図面につい
て詳しく説明する。

第１図及び第２図は本発明に基づく可変容量タ
ービンが適用されたエンジン用ターボチヤージヤ
を示している。このターボチヤージヤは、コンプ
レツサ部分のスクロールを形成するコンプレツサ
ケーシング１と、該コンプレツサケーシングの背
面を閉塞する背板２とからなるケーシングと、タ
ーボチヤージヤの主軸を軸支すると共にその軸受
を潤滑する構造を内蔵する潤滑部ケーシング３
と、タービン部分のスクロールを形成するタービ
ンケーシング４とを有している。

コンプレツサケーシング１の内部には、スクロ
ール通路５及び軸線方向通路６が郭成されてお
り、このスルロール通路５の中心部であつてしか
も軸線方向通路６の内端側に隣接する領域にコン
プレツサホイール７が設けられている。このコン
プレツサホイール７は、潤滑部ケーシング３の中
心部に回転自在に枢支されたターボチヤージヤの
主軸８の一端部に後記する要領にて取着されてい
る。コンプレツサ側にあつては、スクロール通路
５は吸気出口通路をなし、軸線方向通路６は吸気
入口をなしている。

コンプレツサケーシング１と背板２とは、リン
グ部材９を介してボルト１０をコンプレツサケー
シング１の外周部に螺着することにより一体化さ
れており、背板２の中央部に潤滑部ケーシング３
が接続されている。

潤滑部ケーシング３の内部に形成された軸受孔
１１，１２には、ラジアル軸受メタル１３によ
り、前記したように主軸８が枢支されている。ま
た、背板２と潤滑部ケーシング３の端面との間に
は、スラスト軸受メタル１４が挾設されている
が、主軸８の段付部にカラー１５、スラスト軸受
メタル１４、ブツシング１６、コンプレツサホイ
ール７をこの順に嵌装し、主軸８のコンプレツサ
側端部に切設されたねじ部１７にナツト１８を螺
着することにより、主軸８のスラストの方向支持
及びコンプレツサホイール７の装着が行なわれ
る。尚、カラー１５はスラスト軸受メタル１４の
挾持圧力を設定するためのスペーサとして機能す
る。

ナツト１８を締結する際に、ねじ部１７の遊端
部に設けられた六角断面部１９を別の工具により
把持することにより、主軸８の共回りを防止し得
ると共に、主軸８の中間部に過大な捩り力を加え
る不都合が回避される。

タービンケーシング４は、その内部に、スクロ
ール通路２１と、接線方向に向けて開口するその
入口開口２１ａと、軸線方向に延在する出口通路
２２と、その開口２２ａとを郭成している。

タービンケーシング４の潤滑部ケーシング３と
の間には、その外周部に外向突設されたフランジ
２３ａをもつてベースプレートをなす背板２３が
挾設されている。タービンケーシング４と潤滑部
ケーシング３との間の結合は、タービンケーシン
グ４の側に螺合されたスタツドボルト２４に、リ
ング部材２５を介してナツト２６を締結すること
により、タービンケーシング４の外周部とリング
部材２５との間に、潤滑部ケーシング３の外周部
と背板２３の外向フランジ２３ａとを挾持するこ
とにより行なわれる。

スクロール通路２１の中心部には、スクロール
通路内を外周路２１ｂと流入路２１ｃとに区画す
る固定ベーン部材２７が配設されている。この固
定ベーン部材２７は、中心部に形成された円筒部
２８ａと、該円筒部２８ａの軸線方向中間部から
半径方向外向に形成されたトツププレートをなす
円板部２８ｂと、該円板部の外周部から潤滑部ケ
ーシング３に向けて軸線方向に沿つて突設された
固定ベーン２９とからなつており、円筒部２８ａ
の内側に主軸８の他端側に形成されたタービンホ
イール３０を受容している。そして円筒部２８ａ
が、二重に設けられた金属製のシールリング３１
を介して出口通路２２の内端部に対し、このシー
ルリング３１のシールコンタクトによつて略浮動
的かつ概ね気密に接続嵌入しており、更に固定ベ
ーン２９の軸線方向端部が、ボルト３２により背
板２３に結合されている。

第２図に併せて示されるように、固定ベーン部
材２７の外周部には、タービンホイール３０を同
心的に外囲するように、４つの固定ベーン２９が
形成されている。これらの固定ベーン２９は、そ
れぞれが部分弧状をなすと共に、円周方向に沿つ
て等幅かつ等間隔に設けられている。これら固定
ベーン２９同士間の空隙は、背板２３に回動自在
に枢着されたピン３３の遊端に固着された可動ベ
ーン３４により開閉される。これら可動ベーン３
４は、固定ベーン２９と同等の曲率の弧状をな
し、かつ概ね同一の円周上に位置している。ま
た、これら可動ベーン３４は、対応する固定ベー
ン２９の円周方向端縁部に近接する位置にて枢支
されると共に、前記円周の内側に向けてのみ傾動
し得るようにされており、これが最も外向きに傾
動した状態にあつては、両ベーン２９，３４が連
続した翼形をなすように形成されている。従つ
て、これら固定ベーン２９及び、対応する可動ベ
ーン３４は、スクロール通路２１の外周器２１ｂ
を流れる流体に対する４つのベーンの前縁部分及
び後縁部分をそれぞれ形成している。尚、これら
可動ベーン３４を支持するピン３３は、それぞれ
適度なリンク機構３５を介して、図示されない適
宜な構造を有するアクチユエータに連結されてお
り、別途制御信号により、これら可動ベーン３４
の傾斜角度が調節される。

また、タービン側の背板２３と潤滑部ケーシン
グ３との間には、タービンホイール３０の背部に
延在するシールド板３６が挾設されており、排気
タービン部を流れる排気ガスの熱が、潤滑部ケー
シング３の内部に伝達されることを防止してい
る。また、タービン側の排気ガスが潤滑部ケーシ
ング３の内部に向けて漏洩することを回避するた
めに、主軸８の潤滑部ケーシング３の中心孔３７
を貫通する部分に、ラビリンス溝として機能する
環状溝３８が凹設されている。

次に、このターボチヤージヤの潤滑系統につい
て説明する。

潤滑部ケーシング３の第１図に於ける上端部に
は、潤滑油導入孔４０が穿設されており、図示さ
れていない潤滑油ポンプから供給された潤滑油
を、潤滑部ケーシング３の内部に穿設された潤滑
油通路４１を経てラジアル軸受メタル１３、及び
スラスト軸受メタル１４に供給している。各潤滑
部から排出された潤滑油は、潤滑部ケーシング３
内に郭定された潤滑油排出口４２から排出され、
図示されていないオイルサンプに回収される。

特にスラスト軸受メタル１４に供給された潤滑
油が、ブツシング１６の外周面に付着してコンプ
レツサ側に流れ込むことを回避するために、ブツ
シング１６の外周面がシールリング４３を介して
背板２の中心孔４４を貫通しており、また、背板
２とスラスト軸受メタル１４との間には、その中
心部に設けられた孔にブツシング１６を挿通した
上でガイド板４５が挾設されている。また、この
ガイド板４５の下端部は、湾曲した形状に形成さ
れている。

従つて、スラスト軸受メタル１４から流れ出し
た潤滑油は、ブツシング１６の外周面から遠心力
により投げ飛ばされ、ガイド板４５により受止め
られ、オイルサンプに戻されることとなる。

このようなターボチヤージヤのタービン部はそ
の作動中にかなりの高温となり、各部の熱膨張の
不均等に起因する、特に可動ベーン３４の両側面
空隙や、その膠着可能性が問題となるが、本実施
例によれば、可動ベーン３４の各側端が対向する
背板２３と円板部２８ｂとが、固定ベーン２９の
内端部をボルト３２により背板２３に結合するよ
うにして剛固に結合され、しかも固定ベーン部材
２７は、スクロール通路２１を形成するタービン
ハウジング４に対してシールリング３１を介して
略浮動的に接続しているため、タービンハウジン
グ４の熱影響が幾分緩和される。従つて、可動ベ
ーン３４のサイドクリアランスの精度管理を好適
に行うことができる。

また、第３図に良く示したように、可動ベーン
３４を傾動自在に受容すべく背板２３及び円板部
２８ｂにより郭成される空隙の幅が、外周部にあ
つてはａであるのに対して、内周部にあつてｂと
なるように（ａ＜ｂ）次第に拡開しているため、
熱変形により、内周側が内向きに変形する傾向に
対処することができ、可動ベーン３４が膠着する
心配がない。即ち、可変ノズル開度の小さい時に
は、可動ベーンの両側端面と背板２３並びに円板
部２８ｂの内面との間隙が最小となるようにして
タービン効率を高め、比較的クリアランスの精度
を低くしても性能上の影響が少ない可変ノズル全
開時には、可動ベーンの両側端面と背面２３並び
に円板部２８ｂの内面との間隙が最大となるよう
にして可動ベーンの膠着可能成が回避される。

次に本実施例の作動の要領について説明する。

エンジンの回転速度が低く比較的排気ガスの流
量が小さい場合には、第２図に於て実線により示
されているように、可動ベーン３４を外向きに傾
動することにより、固定ベーン２９の前縁部と、
可動ベーン３４の後縁部とのラツプ部分に郭成さ
れるノズルの間隙を最も小さいgminとなるよう
にする。そのため排気ガスは、このノズルにより
最大限に絞られ加速され、固定ベーン部材２７と
タービンホイール３１との間の流入路２１ｃ内に
て旋回流となつた後タービンホイール３０に至る
ため、排気流が加速されてタービンホイール３１
を駆動することとなり、エンジンの低速域に於て
も過給効果を確保することができる。

エンジンの回転速度が増大し、過給効果が十分
となつた場合には、想像線により示されるように
可動ベーン３４を内向きに傾動させ、固定ベーン
２９と可動ベーン３４との間に郭定されるノズル
の大きさを増大させる。その結果、排気流が増速
されることなく、また比較的流路抵抗無くタービ
ンホイール３０に至り、エンジンに対する排気背
圧を小さくすることができる。

＜発明の効果＞ このように本発明によれば、タービンに流入す
る流体の抵抗損失を小さく抑えると共に可変ノズ
ルの可変領域を極めて大きくとることができ、し
かも可動ベーンが傾動する範囲における背板と円
板部との内面間の寸法精度の管理を容易に行うこ
とができるため、製作性及び信頼性を向上する上
で、その効果は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づく可変容量タービンが適
用されたターボチヤージヤの縦断面図である。第
２図は第１図の−線からタービンケーシング
側を見た矢視図である。第３図は第２図の−
線について見た断面図であつて、可動ベーンを受
容する空隙に付与されたテーパを誇張して示す。 １……コンプレツサケーシング、２……背板、
３……潤滑部ケーシング、４……タービンケーシ
ング、５……スクロール通路、６……軸線方向通
路、７……コンプレツサホイール、８……主軸、
９……リング部材、１０……ボルト、１１，１２
……軸受孔、１３……ラジアル軸受メタル、１４
……スラスト軸受メタル、１５……カラー、１６
……ブツシング、１７……ねじ部、１８……ナツ
ト、１９……六角断面部、２１……スクロール通
路、２１ａ……入口開口、２１ｂ……外周路、２
１ｃ……流入路、２２……出口通路、２２ａ……
出口開口、２３……背板、２３ａ……フランジ、
２４……スタツドボルト、２５……リング部材、
２６……ナツト、２７……固定ベーン部材、２８
ａ……円筒部、２８ｂ……円板部、２９……固定
ベーン、３０……タービンホイール、３１……シ
ールリング、３２……ボルト、３３……ピン、３
４……可動ベーン、３５……リンク機構、３６…
…シールド板、３７……中心孔、３８……環状
溝、４０……潤滑油導入孔、４１……潤滑油通
路、４２……潤滑油排出孔、４３……シールリン
グ、４４……中心孔、４５……ガイド板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ タービンホイールと、該タービンホイールの
   外周に郭成されたタービンケーシングと、前記タ
   ービンホイールの前面を臨む軸線方向通路とを有
   すると共に、前記タービンホイールの外周部の外
   側の或る円周上に、固定ベーン及び可動ベーンか
   らなる可変ノズルを環状に配設してなるタービン
   の可変ノズル構造であつて、 前記タービンケーシングのタービンホイールの
   軸受側を閉塞するベースプレートと該ベースプレ
   ートの内面に対向する面を郭成するトツププレー
   トとを両プレート間に前記タービンホイールの外
   周にあつて周方向に沿つて等間隔に設けられた固
   定ベーンを介して締結具により結合し、 前記プレート間の内面に沿つて前記可動ベーン
   を回動することにより前記固定ベーン間の空隙を
   開閉し得るように構成したことを特徴とするター
   ビンの可変ノズル構造。 ２ 前記固定ベーンはトツププレート側に一体的
   に形成されて、該固定ベーンの軸線方向ベースプ
   レート側端を前記ベースプレートに締結具により
   結合されると共に、 前記可動ベーンは前記ベースプレート側に枢支
   されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のタービンの可変ノズル構造。 ３ 前記可能ベーンを傾動自在に受容すべく前記
   ベースプレート及び前記トツププレートにより郭
   成される空隙が、外周部から内周部にかけて次第
   に拡開していることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載のタービンの可変ノズル構造。 ４ 前記トツププレートが、前記軸線方向通路の
   内端部に浮動式にかつ概ね気密に接続される筒状
   部分を有することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項若しくは第２項に記載のタービンの可変ノズ
   ル構造。