JP3876185B2

JP3876185B2 - Variable capacity turbine and variable capacity turbocharger using the same

Info

Publication number: JP3876185B2
Application number: JP2002126663A
Authority: JP
Inventors: 雄志大迫
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: JP2003322025A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流量特性を変化させる機能を有する可変容量タービンに関し、特に、低コストで高い信頼性を有し、かつ流量切り替えによる性能低下を抑えることのできる可変容量タービン及びこれを用いた可変容量ターボチャージャに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、エンジンの出力を増し燃費を低減させる目的でターボ型過給機（ターボチャージャ）が用いられている。かかるターボチャージャは、大きくコンプレッサとタービンから構成され、エンジンの排気によってタービンが回転し、それによりコンプレッサが回転して大気を高圧空気としてエンジンへ送り込む。
【０００３】
そして、エンジンの様々な運転状態に適した過給を行うために、エンジンの運転条件に応じてターボチャージャの流量特性（一定の圧力条件において流れる作動ガスの流量）を変えることのできるターボチャージャが望まれており、従来から、かかる流量特性を変化させる機能を有するターボチャージャが提案されている。
【０００４】
図４及び図５は、かかる機能を有する従来のターボチャージャに用いられるタービンを例示した図である。まず、図４は、従来のＶＧ（ＶａｒｉａｂｌｅＧｅｏｍｅｔｒｙ）タービンの軸直角断面を示している。かかるＶＧタービン１０は、一般のタービンと同様に、外周壁１１、それに囲われたスクロール１５、及び動翼１２等で構成されているが、図に示すように、スクロール１５内に複数の可動ノズル１３が設けられている点に特徴がある。
【０００５】
このＶＧタービン１０では、エンジンの排気がタービン入口１０ａから前記スクロール１５に流れ込み（図４の矢印イ）、その後スクロール１５内を流れながら順次前記ノズル１３間を通って（図４の矢印ロ）動翼１２へ流れる。図に示した状態は、前記ノズル１３間の面積（矢印ロの部分の面積）が広い状態であり、タービンに流れるガスの流量を大きくしている場合である。かかるガスの流量を小さくする場合には、前記ノズル１３を図の矢印ハの方向へ動かし、前記前記ノズル１３間の面積を小さくすることにより、タービンに流れるガス量を制御する。このように、従来のＶＧタービン１０では、複数のノズル１３を動かすことにより、流量を変化させる機能を達成している。
【０００６】
次に、図５は、従来のＶＩ（ＶａｒｉａｂｌｅＩｎｌｅｔ）タービンの軸直角断面を示している。かかるＶＩタービンも同様に、外周壁２１、スクロール２５、及び動翼２２等を有するが、可動なベーン２４を設けたことを特徴としている。ＶＩタービンでは、このベーン２４を動かして排気ガスが流れるスクロール２５の面積を変化させ、流量の制御を行っている。図に示す状態は、流量を小さくしている場合であり、タービン入口２０ａから入ったガス（図の矢印ニ）は、ベーン２４によって面積を小さくされたスクロール２５内を流れる（図の矢印ホ）。流量を大きくする場合には、ベーン２４を図の矢印ヘの方向に動かす。これにより、ガスの流れる面積が図のａ１からａ２に広がり、ガスが多く流れるようになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のＶＧタービン１０では、流量の切り替え性能は良いものの、複数のノズル１３を動かす機構となっているため、構造が複雑であり、部品点数も多い。従って、コスト的に高く、また、部品集積誤差によるガタ、ノズル開閉操作でのヒステリシス、ノズルにかかる力の方向の逆転等の課題により信頼性が低下するという問題がある。
【０００８】
また、上述した従来のＶＩタービン２０では、構造が簡単であるため信頼性は高いものの、流量を１枚あるいは２枚のベーン２４で制御するため、流量切り替え性能に劣り、更にベーン後流で流路が拡大して剥離やウェーク等が発生するので効率が低下する。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、流量特性を変化させる機能を有する可変容量タービンであって、低コスト、高信頼性、及び高性能を実現することのできる可変容量タービン、及びこれを用いた可変容量ターボチャージャを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の一つの側面は、導入部においては完全に区切られており、内部においては動翼の高さ方向に両側から突き出して設けられた板状のフローガイドによって区切られている複数のスクロールと、当該スクロールへの流体の流入を制御するベーンとを設け、小流量制御時に最も内周の前記スクロールを使用するようにすると共に、前記複数のスクロールの巻き終わり位置をそれぞれ周方向にずらすことである。従って、本発明によれば、流量の変更を比較的簡単な構造で実現しているので、部品点数が少なく、低コストでかつ高信頼性を有することができる。また、動翼の高さ方向に両側から突き出して設けられた板状のフローガイドを設けること、小流量時に最内周のスクロールを用いること、及び各スクロールの巻き終わり位置をずらしたことにより、タービン効率の低下を抑制することができ、高性能を実現できる。
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明の別の側面は、導入した流体を旋回させながら動翼の半径方向に流入させて当該動翼を駆動するタービンにおいて、前記流体が導入した直後である導入部においては、互いに前記動翼の半径方向に区別されており、当該導入部以降の部分においては、互いに前記動翼の半径方向に貫通している、前記流体の通路となる複数のスクロールと、同スクロール間に動翼の高さ方向に両側から突き出して設けられた板状のフローガイドと、前記複数のスクロールの入口部を開閉することにより、当該タービンに導入する前記流体の容量を変化させる可動に設けられたベーンとを有することを特徴とする。
【００１３】
また、上記の発明において、好ましい態様は、前記流体の容量が小さい場合に、前記ベーンによって、前記複数のスクロールのうちの最も前記動翼に近いスクロールに当該流体が導入されることを特徴とする。
【００１４】
更にまた、上記の発明において、好ましい態様は、前記スクロールが終了する前記スクロールの巻き終わりの位置が、前記各スクロール毎に前記動翼の周方向に異なっていることを特徴とする。
【００１５】
上記の目的を達成するために、本発明の別の側面は、可変容量ターボチャージャが、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の可変容量タービンを有することである。
【００１６】
本発明の更なる目的及び、特徴は、以下に説明する発明の実施の形態から明らかになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。なお、図において、同一又は類似のものには同一の参照番号又は参照記号を付して説明する。
【００１８】
図１は、本発明を適用した可変容量タービンの実施の形態例に係る軸直角断面図である。また、図２は、同タービンの軸心線に沿った断面図である。図１に示す可変容量タービン３０が、本実施の形態例に係るタービンであり、可変容量ターボチャージャに用いられ、エンジンの運転条件に応じて流量を制御し、エンジンへの適切な過給を行おうとするものである。特に、本可変容量タービン３０は、以下に詳述する、３つのスクロールを有する点、フローガイド３７を有する点、各スクロールの巻き終わり位置をずらしてある点等に特徴を有し、低コスト、高信頼性、及び高性能を実現しようとするものである。
【００１９】
図１に示すように、本可変容量タービン３０は、外周壁３１、当該外周壁３１に囲われたスクロール３５、可変ベーン３４、及び動翼３２等で構成されている。スクロール３５は、図に示すように、タービン入口３０ａ付近では、一つの空間であるが、その先においては３つのスクロール、即ち小スクロール３５ａ、中スクロール３５ｂ、及び大スクロール３５ｃに分かれている。また、これら３つのスクロールは、図１のＸで示す導入部においては、仕切壁３６によって完全に区切られているが、その内部（図１のＹで示す部分）においては、半径方向に互いに貫通した形状となっている。
【００２０】
更に、かかる内部における３つのスクロール間には、図１及び図２に示すように、フローガイド３７が設けられる。かかるフローガイド３７は、図２に示すように、動翼１２の高さ方向（図２のＺ）に延びた鍔状の板であり、その高さ（図２のｈ１）は境界層厚さ程度となっている。具体的には、各スクロール間の境界部分の長さ（図２のｈ２）の１０〜２０％の高さを有している。なお、図２は、図１におけるＢ―Ｂ断面図であるが、前述した導入部（図１のＸ部）での断面では、図２の点線で表した仕切壁３６が各スクロール間に現れ、３つのスクロールは、完全に区切られた形状となる。
【００２１】
また、上記３つのスクロール３５ａ、３５ｂ、３５ｃは、先に（図１のθ方向に）進むにつれ、流路面積が小さくなり、その面積がなくなった時点で終了するが、この終了する位置、即ち各スクロールの巻き終わりの位置が、それぞれ周方向（図１のθの方向）に異なった位置となっている。図１に示す例では、小スクロール３５ａ、中スクロール３５ｂ、及び大スクロール３５ｃの巻き終わり位置が、それぞれα、β、及びγで示す位置となっており、各巻き終わり位置が周方向にずらされている。
【００２２】
前記可変ベーン３４は、図１に示すように、前記３つのスクロール３５ａ、３５ｂ、３５ｃの入口に設けられ、図の矢印のように動くことが可能である。かかる可変ベーン３４の位置により本可変容量タービン３０の流量が変化し、図に示した位置（図の▲１▼）では、流量が最も小さくなる。かかる小流量制御時に、本可変容量タービン３０では、最も内周側（半径方向の最も内側）に設けられている前記小スクロール３５ａが用いられることとなり、この点も本可変容量タービン３０の特徴の一つである。また、可変ベーン３４が、図の▲２▼あるいは▲３▼の位置に移動することにより、流路面積が大きくなり、可変容量タービン３０の流量が大きくなる。なお、可変ベーン３４の長さを図１に示す例よりも長くし、ベーンの先端が外周壁３１の内側（図１のＣ部）に届くようにしても良い。
【００２３】
以上説明したような構成を有する本実施の形態例に係る可変容量タービン３０は、以下のような作用及び効果を有している。本可変容量タービン３０においても、その主な作用は従来のタービンと同様であり、タービン入口３０ａから入った排気が（図１の矢印ト）、スクロール３５内を周方向に進みながら動翼３２側に流れ（図１の矢印チ）、動翼３２を回転させて大気放出される。これにより、本可変容量タービン３０が用いられている可変容量ターボチャージャのコンプレッサが回転し、高圧空気がエンジンに供給される。
【００２４】
本可変容量タービン３０における流量の変更は、前述した３つのスクロール３５ａ、３５ｂ、３５ｃと可変ベーン３４によって実現され、主に小、中、大の３段階の流量制御を行うことができる。下記表１は、かかる３段階の流量制御時の状態をまとめて表示したものである。
【００２５】
【表１】

【００２６】
上記表１の「ポジション」は、可変ベーン３４の位置を意味し、小流量制御時では、その位置は、前述の通り、図１における▲１▼となり、可変容量タービン３０に入った排気は、小スクロール３５ａにのみ流れることができ、その流路面積はＡ₁となる。その際の排気の流れは、図２に示すＦ₁のみとなる。
【００２７】
流量を大きくし、中流量あるいは大流量に制御する場合には、表１に示すとおり、それぞれ可変ベーン３４の位置を図１の▲２▼、▲３▼の位置とする。すると、それぞれ、表１に示されている流路面積と排気の流れが得られ、流量が増加する。
【００２８】
このように、本可変容量タービン３０では、１枚の可変ベーン３４で流量を制御するため、構造が比較的簡単であり部品点数が少ないことから、低コストで信頼性の高いタービンを実現することができる。一方、流量も大きく３段階に切り替えることが可能であり、さらに各スクロールの中間位置で可変ベーン３４を止めることにより、中間の流量にも調整可能であり、流量切り替え性能も悪いものではない。
【００２９】
また、前述の通り、小流量制御時に最も内周側（半径方向の最も内側）に設けられている前記小スクロール３５ａを用いていることにより、小流量時の周方向の旋回距離を短くでき、壁面との接触による摩擦損失を低減できるので、タービン効率の低下を抑制することができる。
【００３０】
次に、本可変容量タービン３０における特徴の一つである前記フローガイド３７の効果について説明する。図３は、従来のスクロール内における流体の流動を示した図である。即ち、本可変容量タービン３０のように前記フローガイド３７を有していない場合の一般的な流動を示している。図の（ａ）は、流体の半径方向の速度Ｃ_R及び周方向の速度Ｃθを３次元グラフに表したものであり、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ前記半径方向の速度Ｃ_Rの周方向（θ）の分布と翼（動翼３２）高さ方向（Ｚ）の分布を表したものである。
【００３１】
通常、前記半径方向速度Ｃ_Rは、翼高さ方向において、図３の（ａ）及び（ｃ）に示されるように、その両側の部分において発生する境界層で大きい値をとる傾向にある。図の（ａ）におけるＥは、その境界層の厚さを示しており、図の（ｃ）におけるＨ部は、境界層における速度Ｃ_Rを示している。このように翼高さ方向において速度が変化していることは、タービンの効率上好ましくなく、極力均一な速度分布が望まれる。
【００３２】
本可変容量タービン３０では、前述したように、上記境界層の厚さ（図３のＥ）程度の高さを有するフローガイド３７がスクロール間に設けられているので、上述した境界層の発達を抑制でき、従って、速度の大きい部分がカットされるので翼高さ方向の速度の均一性を高めることができる。
【００３３】
また、通常、スクロール内にフローガイド３７のようなものがない場合には、半径方向（図３のＲ）の内側の流れは、その遠心力により外側へ移動しようとするため、中々動翼３２側へ移動しない傾向がある。従って、スクロールの巻き終わり周辺でまとまって動翼３２側へ移動する傾向となっている。よって、動翼３２側へ移動する速度、即ちＣ_Rは、図３の（ｂ）に示すように、周方向（θ）の最後の部分（図３の（ｂ）のＧ部）で大きくなる。このような、速度変化は、前述した翼高さ方向と同様に、タービンの効率上好ましくなく、周方向においても極力均一な速度分布が望まれる。
【００３４】
本可変容量タービン３０では、フローガイド３７がスクロール間に設けられているので、半径方向の内側の流れが外側に移動することを抑制することができる。言い換えれば、小スクロール３５ａ及び中スクロール３５ｂ内の流れが、その外側のスクロールに移動することを抑制することができる。従って、従来よりも、流体を早く動翼３２側に移動させられ、周方向の最終部分でまとまって動翼３２側に移動することが軽減されるので、速度Ｃ_Rの周方向の分布の均一化を図ることができる。
【００３５】
以上説明したように、フローガイド３７を設けることにより、翼高さ方向及び周方向の流体速度の均一化を図ることができ、流動歪みを抑制できるので、タービン効率を従来よりも向上できる。
【００３６】
更に、本実施の形態例に係る可変容量タービン３０では、前述したように、各スクロールの巻き終わり位置が周方向にずらしてある。これにより、巻き終わり部分で発生するウェークの影響を周方向に分散することができ、周方向の流動歪みが低減し、当該歪みによるタービン効率の低下を抑制することができる。
【００３７】
以上説明したように本実施の形態例に係る可変容量タービン３０は、その簡単な構造から低コストでかつ信頼性が高い。また、フローガイド３７等の特徴によりタービン効率の低下を極力防止することができ、性能的にも優れている。
【００３８】
なお、上記実施の形態例では、スクロール３５の数を３つとしたが、複数であれば３つでなくても良い。また、上記可変容量タービン３０は、可変容量ターボチャージャに用いられるものとして説明したが、小型ガスタービンやエキスパンダタービン等他の用途に利用されても良い。
【００３９】
本発明の保護範囲は、上記の実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００４０】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、可変容量タービンにおいて流量の変更を比較的簡単な構造で実現しているので、部品点数が少なくなり、低コストかつ高信頼性を達成することができる。また、動翼の高さ方向に両側から突き出して設けられた板状のフローガイドを設けること、小流量時に最内周のスクロールを用いること、及び各スクロールの巻き終わり位置をずらしたことにより、タービン効率の低下を抑制することができ、可変容量タービン及びこれを用いた可変容量ターボチャージャの高性能を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した可変容量タービンの実施の形態例に係る軸直角断面図である。
【図２】図１に示すタービンの軸心線に沿った断面図である。
【図３】従来のスクロール内における流体の流動を示した図である。
【図４】従来のＶＧタービンを説明するために図である。
【図５】従来のＶＩタービンを説明するために図である。
【符号の説明】
１０ＶＧタービン
１０ａタービン入口
１１外周壁
１２動翼
１３ノズル
１５スクロール
２０ＶＩタービン
２０ａタービン入口
２１外周壁
２２動翼
２４ベーン
２５スクロール
３０可変容量タービン
３０ａタービン入口
３１外周壁
３２動翼
３４可変ベーン
３５スクロール
３５ａ小スクロール
３５ｂ中スクロール
３５ｃ大スクロール
３６仕切壁
３７フローガイド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a variable capacity turbine having a function of changing flow characteristics, and in particular, a variable capacity turbine having high reliability at a low cost and capable of suppressing performance degradation due to flow switching, and a variable capacity using the variable capacity turbine. Regarding turbochargers.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, turbochargers have been used for the purpose of increasing engine output and reducing fuel consumption. Such a turbocharger is largely composed of a compressor and a turbine, and the turbine is rotated by exhaust of the engine, whereby the compressor is rotated and air is sent to the engine as high-pressure air.
[0003]
In order to perform supercharging suitable for various operating conditions of the engine, a turbocharger that can change the flow rate characteristics of the turbocharger (the flow rate of the working gas that flows under a constant pressure condition) according to the operating conditions of the engine. Conventionally, a turbocharger having a function of changing the flow rate characteristic has been proposed.
[0004]
4 and 5 are diagrams illustrating a turbine used in a conventional turbocharger having such a function. First, FIG. 4 shows a cross section perpendicular to the axis of a conventional VG (Variable Geometry) turbine. The VG turbine 10 includes an outer peripheral wall 11, a scroll 15 surrounded by the outer peripheral wall 11, a moving blade 12, and the like, as in a general turbine. As shown in FIG. 13 is provided.
[0005]
In this VG turbine 10, engine exhaust flows from the turbine inlet 10 a into the scroll 15 (arrow A in FIG. 4), and then moves through the scroll 15 in sequence through the nozzles 13 (arrow B in FIG. 4). Flows to wing 12. The state shown in the figure is a state in which the area between the nozzles 13 (the area of the arrow b) is wide, and the flow rate of the gas flowing through the turbine is increased. In order to reduce the flow rate of such gas, the nozzle 13 is moved in the direction of arrow C in the figure, and the area between the nozzles 13 is reduced to control the amount of gas flowing to the turbine. As described above, the conventional VG turbine 10 achieves the function of changing the flow rate by moving the plurality of nozzles 13.
[0006]
Next, FIG. 5 shows a cross section perpendicular to the axis of a conventional VI (Variable Inlet) turbine. Similarly, the VI turbine has an outer peripheral wall 21, a scroll 25, a moving blade 22, etc., but is characterized by providing a movable vane 24. In the VI turbine, the flow rate is controlled by moving the vane 24 to change the area of the scroll 25 through which the exhaust gas flows. The state shown in the figure is a case where the flow rate is reduced, and the gas (arrow D in the figure) entered from the turbine inlet 20a flows in the scroll 25 whose area is reduced by the vane 24 (arrow E in the figure). . When increasing the flow rate, the vane 24 is moved in the direction of the arrow in the figure. As a result, the area in which the gas flows increases from a1 to a2 in the figure, and a large amount of gas flows.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, although the above-described conventional VG turbine 10 has a good flow rate switching performance, it has a mechanism for moving a plurality of nozzles 13, and therefore has a complicated structure and a large number of parts. Therefore, there is a problem that the cost is high, and reliability is lowered due to problems such as backlash due to component integration error, hysteresis in nozzle opening / closing operation, and reversal of the direction of force applied to the nozzle.
[0008]
Further, although the conventional VI turbine 20 described above has a simple structure and high reliability, the flow rate is controlled by one or two vanes 24, so that the flow rate switching performance is inferior, and further, the flow is performed in the downstream of the vane. Since the road is enlarged and peeling or wake occurs, the efficiency is lowered.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is a variable capacity turbine having a function of changing flow characteristics, which can realize low cost, high reliability, and high performance, and a variable capacity using the variable capacity turbine. It is to provide a turbocharger.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, one aspect of the present invention is a plate-like flow guide that is completely delimited at the introduction portion and that protrudes from both sides in the height direction of the moving blade inside. A plurality of scrolls separated by each other, and a vane for controlling the flow of fluid into the scrolls, so that the innermost scroll is used at the time of small flow control, and the scroll ends of the scrolls Each position is shifted in the circumferential direction. Therefore, according to the present invention, since the flow rate is changed with a relatively simple structure, the number of parts is small, and the cost can be reduced and the reliability can be increased. In addition, by providing a plate-like flow guide that protrudes from both sides in the height direction of the rotor blade, by using the innermost scroll at a small flow rate, and by shifting the winding end position of each scroll, Reduction in turbine efficiency can be suppressed, and high performance can be realized.
[0011]
In order to achieve the above object, another aspect of the present invention is immediately after the introduction of the fluid in a turbine that drives the moving blade by causing the introduced fluid to flow in the radial direction of the moving blade while swirling. The introduction portion is distinguished from each other in the radial direction of the moving blade, and in the portion after the introduction portion, there are a plurality of scrolls that pass through each other in the radial direction of the moving blade and serve as a passage for the fluid. The volume of the fluid introduced into the turbine is changed by opening and closing the plate-shaped flow guides protruding from both sides in the height direction of the moving blades between the scrolls and the inlet portions of the plurality of scrolls. And a movably provided vane.
[0013]
In the above invention, a preferred aspect is that the fluid is introduced into a scroll closest to the moving blade among the plurality of scrolls by the vane when the volume of the fluid is small. .
[0014]
Furthermore, in the above-mentioned invention, a preferred aspect is characterized in that the scroll end position at which the scroll ends is different in the circumferential direction of the moving blade for each scroll.
[0015]
In order to achieve the above object, another aspect of the present invention is that the variable capacity turbocharger has the variable capacity turbine according to any one of claims 1 to 3 .
[0016]
Further objects and features of the present invention will become apparent from the embodiments of the invention described below.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, such an embodiment does not limit the technical scope of the present invention. In the drawings, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals or reference symbols.
[0018]
FIG. 1 is a cross-sectional view perpendicular to an axis according to an embodiment of a variable capacity turbine to which the present invention is applied. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the axial center line of the turbine. A variable capacity turbine 30 shown in FIG. 1 is a turbine according to the present embodiment, and is used in a variable capacity turbocharger to control the flow rate according to the operating conditions of the engine and to appropriately supercharge the engine. It is something to try. In particular, this variable capacity turbine 30 is characterized in that it has three scrolls, a flow guide 37, a point where the scroll end position of each scroll is shifted, and the like, which will be described in detail below. It is intended to achieve high reliability and high performance.
[0019]
As shown in FIG. 1, the variable capacity turbine 30 includes an outer peripheral wall 31, a scroll 35 surrounded by the outer peripheral wall 31, a variable vane 34, a moving blade 32, and the like. As shown in the drawing, the scroll 35 is one space near the turbine inlet 30a, but is further divided into three scrolls, that is, a small scroll 35a, a middle scroll 35b, and a large scroll 35c. Further, these three scrolls are completely separated by the partition wall 36 in the introduction portion indicated by X in FIG. 1, but in the inside (portion indicated by Y in FIG. 1), they penetrate each other in the radial direction. It has a shape.
[0020]
Further, a flow guide 37 is provided between the three scrolls in the interior as shown in FIGS. 2, the flow guide 37 is a bowl-shaped plate extending in the height direction (Z in FIG. 2) of the rotor blade 12, and the height (h1 in FIG. 2) is the boundary layer thickness. It is about. Specifically, it has a height of 10 to 20% of the length of the boundary portion between the scrolls (h2 in FIG. 2). 2 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 1. In the cross section at the introduction portion (X portion in FIG. 1), the partition wall 36 indicated by the dotted line in FIG. 2 appears between the scrolls. The three scrolls have a completely separated shape.
[0021]
Further, as the three scrolls 35a, 35b, and 35c advance (in the θ direction in FIG. 1), the flow path area becomes smaller and ends when the area disappears. Each scroll end position is different in the circumferential direction (direction of θ in FIG. 1). In the example shown in FIG. 1, the winding end positions of the small scroll 35a, the middle scroll 35b, and the large scroll 35c are positions indicated by α, β, and γ, respectively, and the winding end positions are shifted in the circumferential direction. ing.
[0022]
As shown in FIG. 1, the variable vane 34 is provided at the entrance of the three scrolls 35a, 35b, and 35c, and can move as shown by the arrows in the figure. The flow rate of the variable capacity turbine 30 changes depending on the position of the variable vane 34, and the flow rate becomes the smallest at the position shown in the figure ((1) in the figure). At the time of such small flow rate control, the variable capacity turbine 30 uses the small scroll 35a provided on the innermost side (innermost side in the radial direction), which is also a feature of the variable capacity turbine 30. One. Further, the variable vane 34 moves to the position {circle over (2)} or {circle over (3)} in the figure, so that the flow path area is increased and the flow rate of the variable capacity turbine 30 is increased. In addition, the length of the variable vane 34 may be made longer than the example shown in FIG. 1, and the front-end | tip of a vane may be made to reach the inner side (C part of FIG. 1) of the outer peripheral wall 31. FIG.
[0023]
The variable capacity turbine 30 according to the present embodiment having the configuration as described above has the following operations and effects. The main function of the variable capacity turbine 30 is the same as that of the conventional turbine. Exhaust gas that has entered from the turbine inlet 30a (arrow G in FIG. 1) proceeds in the circumferential direction in the scroll 35 to the moving blade 32 side. 1 (arrow H in FIG. 1), and the moving blade 32 is rotated to be released into the atmosphere. As a result, the compressor of the variable capacity turbocharger in which the variable capacity turbine 30 is used rotates, and high pressure air is supplied to the engine.
[0024]
The change of the flow rate in the variable capacity turbine 30 is realized by the three scrolls 35a, 35b, 35c and the variable vane 34 described above, and the flow control can be performed mainly in three stages of small, medium and large. Table 1 below collectively shows the state at the time of such three-stage flow rate control.
[0025]
[Table 1]

[0026]
“Position” in the above Table 1 means the position of the variable vane 34, and at the time of small flow control, the position is (1) in FIG. can flow only in a small scroll 35a, the flow passage area becomes a _1. The exhaust flow at that time is only F ₁ shown in FIG.
[0027]
When the flow rate is increased and controlled to a medium flow rate or a large flow rate, as shown in Table 1, the positions of the variable vanes 34 are set to the positions (2) and (3) in FIG. Then, the flow path area and the exhaust flow shown in Table 1 are obtained, respectively, and the flow rate increases.
[0028]
Thus, since the flow rate is controlled by the single variable vane 34 in the present variable capacity turbine 30, the structure is relatively simple and the number of parts is small, so that a low-cost and highly reliable turbine can be realized. Can do. On the other hand, the flow rate can be largely switched to three stages. Further, by stopping the variable vane 34 at the intermediate position of each scroll, the intermediate flow rate can be adjusted, and the flow rate switching performance is not bad.
[0029]
Further, as described above, by using the small scroll 35a provided on the innermost side (the innermost side in the radial direction) at the time of the small flow rate control, the circumferential turning distance at the time of the small flow rate can be shortened. Since friction loss due to contact with the wall surface can be reduced, it is possible to suppress a decrease in turbine efficiency.
[0030]
Next, the effect of the flow guide 37 that is one of the features of the variable displacement turbine 30 will be described. FIG. 3 is a diagram showing the flow of fluid in a conventional scroll. That is, the general flow when the flow guide 37 is not provided as in the variable capacity turbine 30 is shown. (A) of the figure shows the radial velocity C _R and the circumferential velocity C θ in a three-dimensional graph, and (b) and (c) show the radial velocity C _R of the radial velocity C _R , respectively. The distribution in the circumferential direction (θ) and the distribution in the height direction (Z) of the blade (robot 32) are shown.
[0031]
Usually, the radial velocity C _R tends to take a large value in the boundary layer generated at both sides as shown in FIGS. 3A and 3C in the blade height direction. E in (a) in the figure indicates the thickness of the boundary layer, H portion in (c) of the figure shows the velocity C _R in the boundary layer. Such a change in speed in the blade height direction is undesirable in terms of turbine efficiency, and a uniform speed distribution is desired.
[0032]
In the present variable capacity turbine 30, as described above, the flow guide 37 having a height of about the thickness of the boundary layer (E in FIG. 3) is provided between the scrolls. Therefore, since the high speed portion is cut, the speed uniformity in the blade height direction can be improved.
[0033]
In general, when there is no flow guide 37 in the scroll, the flow inside in the radial direction (R in FIG. 3) tends to move outward due to the centrifugal force, so the moving blade 32 in the middle. There is a tendency not to move to the side. Therefore, it tends to move toward the moving blade 32 around the scroll end. Therefore, the speed of moving the moving blade 32 side, i.e., C _R, as shown in (b) of FIG. 3, increased in the last part of the circumferential direction (theta) (G part of (b) in FIG. 3) . Such a speed change is not preferable in terms of turbine efficiency as in the blade height direction described above, and a uniform speed distribution in the circumferential direction is desired as much as possible.
[0034]
In this variable capacity turbine 30, since the flow guide 37 is provided between the scrolls, it is possible to prevent the radially inner flow from moving outward. In other words, the flow in the small scroll 35a and the middle scroll 35b can be prevented from moving to the outer scroll. Accordingly, the fluid is moved to the moving blade 32 side earlier than in the prior art, and it is reduced that the fluid moves to the moving blade 32 side at the final portion in the circumferential direction, so the distribution of the velocity _{CR in} the circumferential direction is uniform. Can be achieved.
[0035]
As described above, by providing the flow guide 37, the fluid velocity in the blade height direction and the circumferential direction can be made uniform, and the flow distortion can be suppressed, so that the turbine efficiency can be improved as compared with the conventional case.
[0036]
Furthermore, in the variable capacity turbine 30 according to the present embodiment, as described above, the winding end position of each scroll is shifted in the circumferential direction. Thereby, the influence of the wake generated at the winding end portion can be dispersed in the circumferential direction, the flow distortion in the circumferential direction can be reduced, and the decrease in turbine efficiency due to the distortion can be suppressed.
[0037]
As described above, the variable capacity turbine 30 according to the present embodiment is low in cost and highly reliable due to its simple structure. Further, the characteristics of the flow guide 37 and the like can prevent a decrease in turbine efficiency as much as possible, and are excellent in performance.
[0038]
In the above embodiment, the number of scrolls 35 is three. However, the number of scrolls 35 is not limited to three as long as it is plural. Moreover, although the said variable capacity turbine 30 demonstrated as what was used for a variable capacity turbocharger, you may utilize for other uses, such as a small gas turbine and an expander turbine.
[0039]
The protection scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment, but covers the invention described in the claims and equivalents thereof.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the flow rate is changed with a relatively simple structure in the variable capacity turbine, the number of parts is reduced, and low cost and high reliability can be achieved. In addition, by providing a plate-like flow guide that protrudes from both sides in the height direction of the rotor blade, by using the innermost scroll at a small flow rate, and by shifting the winding end position of each scroll, Reduction in turbine efficiency can be suppressed, and high performance of a variable capacity turbine and a variable capacity turbocharger using the variable capacity turbine can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view perpendicular to an axis according to an embodiment of a variable capacity turbine to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the axial center line of the turbine shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing fluid flow in a conventional scroll.
FIG. 4 is a diagram for explaining a conventional VG turbine.
FIG. 5 is a diagram for explaining a conventional VI turbine.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 VG turbine 10a Turbine inlet 11 Outer wall 12 Moving blade 13 Nozzle 15 Scroll 20 VI turbine 20a Turbine inlet 21 Outer wall 22 Moving blade 24 Vane 25 Scroll 30 Variable capacity turbine 30a Turbine inlet 31 Outer wall 32 Moving blade 34 Variable vane 35 Scroll 35a Small scroll 35b Middle scroll 35c Large scroll 36 Partition wall 37 Flow guide

Claims

In the turbine that drives the moving blade by flowing the introduced fluid in the radial direction of the moving blade, the introduction portion immediately after the introduction of the fluid is distinguished from each other in the radial direction of the moving blade. In the portion subsequent to the introduction portion, a plurality of scrolls that pass through each other in the radial direction of the moving blade and serve as a passage for the fluid protrude between both sides in the height direction of the moving blade between the scrolls. wherein a plate-shaped flow guide provided by opening and closing the inlet portion of the plurality of scroll, the Rukoto which have a a vane provided on the movable to vary the volume of the fluid to be introduced into the turbine Te And variable capacity turbine.

2. The variable capacity turbine according to claim 1, wherein when the volume of the fluid is small, the fluid is introduced into a scroll closest to the moving blade among the plurality of scrolls by the vane. Variable capacity turbine.

In the variable capacity turbine according to claim 1 or claim 2, the position of the winding end of the scroll the scroll is completed, wherein the differ in the circumferential direction of the rotor blade in each scroll variable Capacity turbine.

A variable capacity turbocharger comprising the variable capacity turbine according to any one of claims 1 to 3 .