JP2018003619A - タービン - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、タービン効率を低下させたりタービンインペラの出口における圧力損失を増加させたりすることなくタービンインペラの出口から排出される流体を減速できるタービンを提供すること。【解決手段】タービン３は、タービンインペラ５の軸線Ｃと略平行な流出方向Ｆへ排気が流出する管状の流出部４３２が設けられたタービンインペラ室４３と、タービンインペラ室４３の内部を迂回するバイパス流路４９１と、流出部４３２から流出方向Ｆへ向けて拡径する内周面４７５が形成された外側ダクト４７と、流出部４３２から流出方向Ｆへ向けて延びる内側ダクト４８と、を備え、内側ダクト４８には、流出部４３２からその先端部４８１ａまでの間の少なくとも一部で流出方向Ｆへ向けて拡径するディフューザ流路４８３が設けられ、内周面４７５にはバイパス流路４９１の出口４９２と、出口４９２を開閉するウェイストゲートバルブ４９３とが設けられる。【選択図】図２

Description

本発明は、タービンに関する。より詳しくは、インペラを収容するインペラ室の内部を迂回するバイパス流路及びこのバイパス流路を開閉するウェイストゲートバルブを備えるタービンに関する。

内燃機関の過給システムでは、内燃機関の吸気流路に設けられたコンプレッサインペラと排気流路に設けられたタービンインペラとを回転軸で連結した過給機を備える。過給システムでは、タービンインペラに内燃機関の排気を作用させることによって、排気のエネルギーの一部を回転軸の軸出力に変換し、この軸出力によってコンプレッサインペラを回転駆動し、内燃機関の吸気を過給する。またこのような過給機には、タービンインペラに作用させる排気の流量を増減するためにウェイストゲート機構が設けられる。ウェイストゲート機構は、タービンインペラを迂回する排気のバイパス流路とこのバイパス流路を開閉するウェイストゲートバルブとを備える。

また多くの場合、このバイパス流路の出口とこの出口を開閉するウェイストゲートバルブは、タービンインペラの出口の近傍に設けられる。このため、排気の流路断面積は、タービンインペラの出口において急激に大きくなり、結果としてタービンインペラの出口における圧力損失が大きくなってしまう。

また特許文献１には、タービンインペラの出口とバイパス流路の出口とで別々にパイプ材を設け、これらパイプ材の先端近傍で各々の軸線が鋭角状に交叉するように接続する技術が示されている。このようにタービンインペラの出口とバイパス流路とで別々のパイプを設けることにより、タービンインペラの出口では流路断面積が急激に大きくなるのを防止できるので、タービンインペラの出口における圧力損失の増加を抑制できると考えられる。

特開平１０−８２３２４号公報

しかしながら特許文献１の発明では、２本のパイプを並列に設けることから、外気に接する面積が増えてしまい、タービンの熱が逃げやすく、タービン効率が低下するおそれがある。またタービンインペラの出口から排出される排気は動圧が高いので、衝突損失や摩擦損失を軽減するためには、タービンインペラの出口から排出される排気は適切な速度まで減速する必要があるが、特許文献１の発明ではタービンインペラの出口にはほぼ一定の流路断面積のパイプ材を接続しているため、このような減速効果を得ることができない。

本発明は、タービン効率を低下させたりタービンインペラの出口における圧力損失を増加させたりすることなくタービンインペラの出口から排出される流体を減速できるタービンを提供することを目的とする。

（１）タービン（例えば、後述のタービン３）は、流体のエネルギーを用いてインペラ（例えば、後述のタービンインペラ５）を回転させるものであって、前記インペラを回転可能に収容するとともに、流体の流入部（例えば、後述の流入部４３１）及び前記インペラの軸線（例えば、後述の軸線Ｃ）と略平行な流出方向（例えば、後述の流出方向Ｆ）へ流体が流出する流出部（例えば、後述の流出部４３２）が設けられたインペラ室（例えば、後述のタービンインペラ室４３）と、前記インペラ室の内部を迂回するバイパス流路（例えば、後述のバイパス流路４９１）と、前記流出部から前記流出方向へ向けて拡径する略円錐状の内周面（例えば、後述の内周面４７５）が形成された外側ダクト（例えば、後述の外側ダクト４７）と、前記外側ダクトの内側に設けられ、前記流出部から前記流出方向へ向けて延びる管状の内側ダクト（例えば、後述の内側ダクト４８）と、を備え、前記内側ダクトには、前記流出部からその先端部（例えば、後述の先端部４８１ａ）までの間の少なくとも一部で前記流出方向へ向けて拡径するディフューザ流路（例えば、後述のディフューザ流路４８３）が設けられ、前記内周面には前記バイパス流路の出口（例えば、後述の出口４９２）と当該出口を開閉するウェイストゲートバルブ（例えば、後述のウェイストゲートバルブ４９３）とが設けられる。

（２）この場合、前記外側ダクトの先端部には前記インペラの径方向へ延びる外側フランジ（例えば、後述の外側フランジ４７１）が設けられ、前記内側ダクトの先端部（例えば、後述の先端部４８１ａ）には前記インペラの径方向へ向かって延びかつ１つ又は複数の貫通孔（例えば、後述の貫通孔４８９ａ〜４８９ｆ）が形成された内側フランジ（例えば、後述の内側フランジ４８５）が設けられ、前記内側フランジは前記外側フランジに固定されることが好ましい。

（３）この場合、前記外側ダクトの基端部には、前記流出部の内周面と接続する外側開口部（例えば、後述の外側開口部４７６）が形成され、前記内側ダクトの基端部には、当該内側ダクトの内部に形成される流路と接続しかつ前記内側フランジが前記外側フランジに固定された状態で前記外側開口部と対向する内側開口部（例えば、後述の内側開口部４８４）が形成され、前記内側フランジが前記外側フランジに固定されかつ前記流出部及び前記内側ダクトが常温である状態では、前記外側開口部と前記内側開口部との間には隙間（例えば、後述の隙間４９）が形成されることが好ましい。

（４）この場合、前記内側フランジが前記外側フランジに固定されかつ前記流出部及び前記内側ダクトが常温である状態では、前記内側ダクトのうち前記内側開口部側の内径（ｄｉ）は、前記流出部のうち前記外側開口部側の内径（ｄｏ）よりも僅かに大きいことが好ましい。

（５）この場合、前記内側ダクトの内部に形成される流路の入口と出口との間の広がり角２θは８度から３０度の間であることが好ましい。

（１）本発明では、インペラ室内から流出方向へ流体が流出する流出部に、この流出部から流出方向へ向けて拡径する略円錐状の内周面が形成された外側ダクトと、この外側ダクトの内側に設けられ、流出部から流出方向へ向けて延びる管状の内側ダクトとを設ける。また外側ダクトの内周面を略円錐状とすることにより、外側ダクトと内側ダクトとの間に空間を形成し、またこの外側ダクトの内周面にはバイパス流路の出口とこの出口を開閉するウェイストゲートバルブを設ける。これにより、バイパス流路の出口から流出する流体は外側ダクトと内側ダクトとの間を流れ、またインペラ室の流出部から流出する流体は内側ダクトの内部を流れる。これにより、インペラ室の流出部から流出する流体の流路断面積が急激に大きくなることがないので、流出部における圧力損失の増加を抑制できる。また外側ダクトの内側に内側ダクトを設けることにより、内側ダクトは直接外気に晒されることがないので、インペラ室内の熱を逃げにくくすることができ、ひいてはタービン効率の低下を抑制できる。また内側ダクトには、流出部からその先端部までの間の少なくとも一部で流出方向へ向けて拡径するディフューザ流路を設けることにより、流出部から流出する流体はこのディフューザ流路を流れる過程で減速させ、静圧を上昇させることができるので、衝突損失や摩擦損失を低減できる。

（２）本発明では、外側ダクトのうち流出部と反対側の先端部に外側フランジを設け、内側ダクトのうち流出部と反対側の先端部に少なくとも１つ又は複数の貫通孔が形成された内側フランジを設け、これら内側フランジと外側フランジとを固定することによって内側ダクトを外側ダクトに取り付ける。すなわち、バイパス流路から流出する流体は、外側ダクトと内側ダクトとの間を流れ、内側フランジに形成された貫通孔を通って内側ダクト内を流れる流体と合流する。したがって本発明によれば、バイパス流路から流出する流体の流れを阻害することなく内側ダクトを外側ダクトに固定できる。またフランジは外部に接触する面積が大きいため、温度の低下が大きい。そこで本発明では、このように流出部から離れた先端部にフランジを設けることにより、タービンインペラ室内の熱をさらに逃げにくくすることができ、ひいては外側ダクトと内側ダクトとの間の温度差を小さくできるので、タービン効率の低下をさらに抑制できる。

（３）本発明によれば、内側フランジが外側フランジに固定されかつ流出部及び内側ダクトが常温である状態では、内側ダクトの内部に形成される流路と接続する内側開口部と流出部の内周面と接続する外側開口部とが対向し、かつこれらの間には隙間が形成される。ここで流出部から内側ダクトへはタービンインペラ室から流出する高温の流体が流れるため、内側ダクトは高温になり、軸線に沿って熱延びする場合がある。本発明では、常温の状態ではこれら内側開口部と外側開口部との間に隙間が設けられるようにすることにより、内側ダクトの熱延び時には、内側ダクトの流出部側への熱延びを許容することができる。

（４）本発明によれば、内側フランジが外側フランジに固定されかつ流出部及び内側ダクトが常温である状態では、内側ダクトの内径は流出部の内径よりも僅かに大きい。ここで流出部から内側ダクトへはタービンインペラ室から流出する高温の流体が流れるため、流出部及び内側ダクトは高温になり、熱膨張によって各々の内径は大きくなる。この際、内側ダクトの温度と流出部の温度とを比較すると、流出部の方がタービンインペラ室に近いため、流出部の方がより高温になり、より大きく膨張する。本発明では、内側ダクトと流出部との温度差を考慮して、これらが常温である状態では、内側ダクトのうち内側開口部側の内径を流出部のうち外側開口部側の内径よりも大きくする。これにより、内側ダクト及び流出部が高温になった際には、内側ダクトの内径と流出部の内径とを略等しくし、内側ダクトの内周面と流出部の内周面とを、略面一にすることができるので、内側ダクトと流出部との間における損失を低減できる。

（５）内側ダクトの内部に形成される流路における静圧回復係数は、理論的には入口と出口との間の広がり角２θを大きくするほど大きくなる。しかしながら広がり角２θには限界があり、限界を超えて広げ過ぎると流体が流路の内周面から剥離し、乱流が発生してしまい、静圧回復係数がかえって小さくなる場合がある。本発明では、内側ダクトの内部に形成される流路の入口と出口との間の広がり角２θを８度から３０度の間に設定する。このような範囲内に広がり角を設定することにより、流体の剥離が生じない範囲内で静圧回復係数を適切な大きさにすることができる。

本発明の一実施形態に係るタービンが適用された内燃機関の過給システムの構成を示す図である。 タービンの構成を示す断面図である。 排気ダクトの構成を示す斜視図である。 回転軸の軸線に沿って視た外側ダクトの正面図である。 回転軸の軸線に沿って視た内側ダクトの正面図である。 中央ダクトの内部の流路の形状を模式的に示す図である。 中央ダクトの内部の流路における静圧回復係数と広がり角との関係を示す図である。 排気ダクトにおける排気の流量と全圧損失との関係を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係るタービン３が適用された内燃機関９１の過給システムＳの構成を示す図である。

過給システムＳは、内燃機関９１の燃焼室へ吸気を導く吸気流路９２と、内燃機関９１の燃焼室から排出される排気を導く排気流路９３と、これら吸気流路９２に設けられたコンプレッサ６及び排気流路９３に設けられたタービン３を回転軸２で連結して構成され、排気のエネルギーを用いて吸気を圧縮する過給機１と、を備える。

タービン３は、排気流路９３の一部を構成するタービンインペラ室４３が形成されたタービンハウジング４と、このタービンインペラ室４３内で回転軸２を中心として回転可能に設けられたタービンインペラ５と、タービンインペラ室４３の内部を迂回するバイパス流路４９１と、このバイパス流路４９１を開閉するウェイストゲートバルブ４９３と、を備える。

コンプレッサ６は、吸気流路９２の一部を構成するコンプレッサインペラ室７２が形成されたコンプレッサハウジング７と、コンプレッサインペラ室７２内で回転軸２を中心として回転可能に設けられたコンプレッサインペラ８と、を備える。

過給機１は、以下のようにして排気のエネルギーを用いて吸気を圧縮する。まず、ウェイストゲートバルブ４９３を閉じ側に制御すると、内燃機関９１の排気はタービンインペラ室４３内に導入される。タービンインペラ室４３内に導入された排気は、このタービンインペラ室４３内を入口から出口へ向けて流れる過程でタービンインペラ５に作用し、排気のエネルギーによってタービンインペラ５が回転軸２を中心として回転する。また回転軸２が回転すると、これに連結されたコンプレッサインペラ８が回転し、これによって吸気流路９２を流れ内燃機関９１に導入される吸気が圧縮される。

以下、図２〜図７を参照して、タービン３の構成について詳細に説明する。
図２は、本実施形態に係るタービン３の構成を示す断面図である。
タービン３は、排気流路の一部を構成するタービンハウジング４と、このタービンハウジング４に設けられたタービンインペラ５と、を備え、排気流路を流れる排気のエネルギーを回転軸２及びこれに連結されたコンプレッサインペラ８（図１参照）を回転する機械的動力に変換する。

タービンハウジング４には、内燃機関の排気流路と接続された排気導入ダクト（図示せず）と、この排気導入ダクトから導入された排気が流れる環状のタービンスクロール流路４２と、タービンインペラ５を回転可能に収容するとともに、排気の入口である流入部４３１及び排気の出口である流出部４３２が設けられたタービンインペラ室４３と、タービンスクロール流路４２とタービンインペラ室４３の流入部４３１とを連通する環状の排気流路４５と、タービンインペラ室４３の流出部４３２から流出する排気を導く排気ダクト４６と、を備える。

タービンインペラ５は、円錐状のホイール５１と、このホイール５１の外周面に設けられた板状の複数のブレード５２と、を備える。ホイール５１には、回転軸２の軸線Ｃに沿って流入部４３１側から流出部４３２側へ向けて滑らかに縮径するハブ面が形成されている。各ブレード５２は、ホイール５１のハブ面において周方向に沿って等間隔に設けられている。各ブレード５２は、ハブ面において排気の入口である前縁部５３から、排気の出口である後縁部５４に向けて所定の角度分布で延びる板状である。各ブレード５２のチップ端縁５５は、タービンインペラ５をタービンインペラ室４３に収めたときに対向する後述のシュラウド４３３の表面形状に沿って形成される。

タービンスクロール流路４２は、環状でありタービンインペラ室４３を囲むように形成されている。タービンスクロール流路４２は、排気導入ダクトに接続される基端側から先端側に向けてタービンインペラ５の周方向に沿って延びる。またタービンスクロール流路４２の流路断面積は、タービンインペラ５の回転方向と同じ向きに従って徐々に小さくなっている。これにより排気導入ダクトから導入された排気は、タービンスクロール流路４２を流れる過程でタービンインペラ５の回転方向と同じ向きに加速されながら排気流路４５を介してタービンインペラ室４３の流入部４３１に流入する。

タービンインペラ室４３には、タービンインペラ５の側部を覆うシュラウド４３３が形成されている。シュラウド４３３は、タービンインペラ５の前縁部５３から後縁部５４までチップ端縁５５に沿った形状のシュラウド面、より具体的には、タービンインペラ５が回転軸２を中心として回転した時に、タービンインペラ５のチップ端縁５５によって形成される包絡面と略等しい形状のシュラウド面を備え、このシュラウド面によってタービンインペラ５の側部であるチップ端縁５５を覆う。

このようなシュラウド４３３のうち、タービンインペラ５の前縁部５３側は、この前縁部５３の高さと略等しい幅を有する環状の流入部４３１となっている。またシュラウド４３３のうち、タービンインペラ５の後縁部５４側は、回転軸２の軸線Ｃと略平行な管状の流出部４３２となっている。なお流出部４３２は、図２に示すように軸線Ｃに沿って略一定の内径を有するものに限らず、流出方向Ｆへ向けてその内径が拡径するものや、回転軸２と同心の環状の開口状のものであってもよい。

タービンスクロール流路４２によってタービンインペラ５の回転方向と同じ向きに加速された排気は、流入部４３１を介してタービンインペラ室４３内に設けられたタービンインペラ５の前縁部５３へ流入し、各ブレード５２の間に形成された流路をハブ面に沿って流れ、後縁部５４から流出する。後縁部５４から流出した排気は、流出部４３２内を軸線Ｃと略平行な流出方向Ｆへ向けて流れる。

図３は、排気ダクト４６の構成を示す斜視図である。
排気ダクト４６は、タービンインペラ室４３やタービンスクロール流路４２等と一体として、すなわちタービンハウジング４の一部分である外側ダクト４７と、この外側ダクト４７とは別部品であり外側ダクト４７の内側に設けられる内側ダクト４８と、複数の締結部材であるボルトＢで締結することによって構成される。

図４は、回転軸の軸線に沿って視た外側ダクト４７の正面図である。
図５は、回転軸の軸線に沿って視た内側ダクト４８の正面図である。

外側ダクト４７は、タービンインペラ室４３の流出部４３２から流出方向Ｆに向かって延びる管状であり、流出方向Ｆ側の先端部にはタービンインペラ５の径方向へ延びるフランジ面４７２が形成された外側フランジ４７１が形成されている。また外側ダクト４７の内周面４７５は、タービンインペラ室４３の流出部４３２から流出方向Ｆへ向けて拡径する略切頭円錐状となっている。外側ダクト４７の内周面４７５のうちタービンインペラ室４３の流出部４３２側には、回転軸２と同心でありかつ流出部４３２の内周面と接続する環状の外側開口部４７６が形成されている。

図４に示すように、外側ダクト４７の内周面４７５の中心は、流出部４３２側と外側フランジ４７１側とで偏心している。より具体的には、内周面４７５の流出部４３２側の中心Ｃ１は、内周面４７５の外側フランジ４７１側の中心Ｃ２に対し、図４中右下側にずれている。このため、内周面４７５の広がり角はタービンインペラ５の周方向に沿って一様ではない。すなわち、内周面４７５は、タービンインペラ５の軸線に沿って視たときに、中心Ｃ１寄りにおいて広がり角の小さな急斜面４７７となっており、中心Ｃ２寄りにおいて広がり角の大きな緩斜面４７８となっている。

また外側ダクト４７の内周面４７５のうち、上記のように広がり角の小さな急斜面４７７には上述のバイパス流路４９１の出口４９２と、この出口４９２を開閉するウェイストゲートバルブ４９３と、が設けられている。したがって、ウェイストゲートバルブ４９３を開くと、タービンインペラ室４３の内部を迂回した排気は、バイパス流路４９１の出口４９２から外側ダクト４７と内側ダクト４８との間に排出される。

内側ダクト４８は、タービンインペラ室４３の流出部４３２から流出方向Ｆに向かって延びる管状の中央ダクト４８１と、この中央ダクト４８１の先端部４８１ａにおいてタービンインペラ５の径方向へ向かって延びる内側フランジ４８５と、を備える。図２に示すように、中央ダクト４８１の先端部４８１ａは、内側フランジ４８５の正面４８５ａに対し流出方向Ｆへ向けてやや突出している。

中央ダクト４８１の内部には、タービンインペラ室４３の流出部４３２側から一定の内径で軸線Ｃに沿って延びる直線流路４８２と、直線流路４８２から先端部４８１ａまで流出方向Ｆへ向けて拡径しながら軸線Ｃに沿って延びるディフューザ流路４８３と、が形成されている。また中央ダクト４８１のうちタービンインペラ室４３の流出部４３２側の基端部４８１ｂには、直線流路４８２と接続しかつ外側ダクト４７に形成された外側開口部４７６と対向する環状の内側開口部４８４が形成されている。

なお以下では、図２に示すように中央ダクト４８１の内部の流路を内径が一定の直線流路４８２と内径が拡径するディフューザ流路４８３とを組み合わせて構成した場合について説明するが、直線流路４８２は設ける必要は無い。換言すれば、中央ダクト４８１の内部の流路は、その入口側から出口側へかけて後述の広がり角２θで拡径すればよい。

内側フランジ４８５のうち外側ダクト４７側の周縁には、外側ダクト４７のフランジ面４７２と接する円環状のフランジ面４８６が形成されている。また図５に示すように、内側フランジ４８５のうちフランジ面４８６と中央ダクト４８１との間には、バイパス流路４９１の出口４９２から排出される排気が流れる複数（図５の例では、６つ）の貫通孔４８９ａ，４８９ｂ，４８９ｃ，４８９ｄ，４８９ｅ，４８９ｆが、タービンインペラ５の周方向に沿って間隔を空けて形成されている。

図５に示すように、内側ダクト４８の中心は、中央ダクト４８１側と内側フランジ４８５側とで偏心している。より具体的には、中央ダクト４８１の中心Ｃ３は、フランジ面４８６の中心Ｃ４に対し図５中左下側にずれている。内側ダクト４８を外側ダクト４７に固定した状態では、内側ダクト４８の中心Ｃ３は外側ダクト４７の中心Ｃ１と略一致し、内側ダクト４８の中心Ｃ４は外側ダクト４７の中心Ｃ２と略一致するようになっている（図４参照）。このため内側フランジ４８５のうちフランジ面４８６と中央ダクト４８１との間のタービンインペラ５の径方向に沿った長さは、周方向に沿って一様ではない。このため、中心Ｃ３寄りに形成された貫通孔４８９ａ，４８９ｂ，４８９ｆの面積は、中心Ｃ４寄りに形成された貫通孔４８９ｃ，４８９ｄ，４８９ｅの面積よりも小さい。

ここで、バイパス流路４９１の出口４９２から排出される排気は、タービンインペラ室４３内を経由していないため、中央ダクト４８１から排出される排気よりも温度が高い。本実施形態の内側ダクト４８では、このように複数の貫通孔４８９ａ〜４８９ｆを中央ダクト４８１の周囲に形成することにより、バイパス流路４９１を経た高温の排気を撹拌できるので、内側ダクト４８よりも下流側に設けられる排気浄化触媒へ高温の排気をむらなく接触させることができるので、排気浄化触媒の温度を速やかに上昇させることができる。

なおこれら貫通孔４８９ａ〜４８９ｆの数や形状は、図５に示すものに限らない。すなわち、バイパス流路４９１を経由する排気の流路としての貫通孔の数は、図５の例に示すように６つに限らず、少なくとも１つあればよい。また貫通孔の形状は、図５に示すような円形状に限らず、楕円形状、矩形状、又は各貫通孔４８９ａ〜４８９ｆを接続して構成される円弧状のスリットであってもよい。

以上のように構成された内側ダクト４８と外側ダクト４７とは、内側フランジ４８５のフランジ面４８６と外側フランジ４７１のフランジ面４７２とが接し、内側ダクト４８の中心Ｃ３と外側ダクト４７の中心Ｃ１とが略一致し、さらに内側ダクト４８の中心Ｃ４と外側ダクト４７の中心Ｃ２とが略一致するようにして、複数のボルトＢで締結することによって固定される。

また図２に示すように、内側ダクト４８を外側ダクト４７に固定すると、内側ダクト４８の内側開口部４８４は外側ダクト４７の外側開口部４７６と対向し、これにより、流出部４３２内の流路と内側ダクト４８内の直線流路４８２及びディフューザ流路４８３とによって排気の流路が形成される。

また内側ダクト４８は、排気の熱によって回転軸２の軸線に沿って熱延びすることを考慮して、これら内側開口部４８４と外側開口部４７６との間には、流出部４３２及び内側ダクト４８が常温である状態では隙間４９が形成されるようになっている。また排気の熱によって流出部４３２及び内側ダクト４８は熱膨張し、各々の内径は大きくなる。この際、流出部４３２は、内側ダクト４８よりもタービンインペラ室４３に近いことから、内側ダクト４８よりも大きく膨張する。流出部４３２と内側ダクト４８にはこのような温度差が生じることを考慮して、流出部４３２及び内側ダクト４８が常温である状態では、内側ダクト４８のうち内側開口部４８４側の内径ｄｉは、流出部４３２のうち外側開口部４７６側の内径ｄｏよりも僅かに大きくなるように形成されている。

また内側開口部４８４と外側開口部４７６との間には隙間４９が形成されることから、流出部４３２から流出する排気の一部が、内側ダクト４８内の流路を流れずに隙間４９を介して内側ダクト４８と外側ダクト４７との間に流れ込む場合がある。そこで本実施形態では、図２に示すようにこれら内側開口部４８４及び外側開口部４７６は共に流出方向Ｆへ向けて拡径するテーパ状に形成する。これにより、内側開口部４８４と外側開口部４７６との間で熱延びを許容するための隙間４９を確保しつつ、この隙間４９への排気の流れ込みを抑制できる。なおこの他、図示を省略するが、内側開口部４８４には環状の凸条部又は凹条部を設け、外側開口部４７６にはこれと対になる環状の凹条部又は凸条部を設けても隙間４９を確保しつつこの隙間４９への排気の流れ込みを抑制できる。

また図２に示すように、内側ダクト４８を外側ダクト４７に固定すると、内側ダクト４８の中央ダクト４８１はタービンインペラ室４３と、僅かな隙間４９を介して接続される。これにより、タービンインペラ室４３に形成された流出部４３２と中央ダクト４８１内に形成された直線流路４８２及びディフューザ流路４８３とが略一体となる。したがって、タービンインペラ室４３内を通過し、流出部４３２から流出方向Ｆへ向けて流出する排気は、直線流路４８２及びディフューザ流路４８３を流れる過程で減速され、静圧が上昇する。一方、ウェイストゲートバルブ４９３を開くことにより、バイパス流路４９１の出口４９２から排出される排気は、外側ダクト４７の内周面４７５と内側ダクト４８の中央ダクト４８１の外周面との間に形成された流路を流れ、内側フランジ４８５に形成された複数の貫通孔４８９ａ〜４８９ｆを介して内側ダクト４８の外側へ排出され、中央ダクト４８１から排出される排気と合流する。

ここで、中央ダクト４８１の内部の流路の入口と出口との間の広がり角２θの好ましい設定について、図６及び図７を参照しながら説明する。

図６は、中央ダクト４８１の内部の流路の形状を模式的に示す図である。
上述のように中央ダクト４８１の内部に形成される流路は、直線流路４８２とディフューザ流路４８３とを組み合わせて構成される。ここで中央ダクト４８１の内部の流路の入口と出口との間の広がり角２θは、直線流路４８２とディフューザ流路４８３とを合わせた流路全体の長さを“Ｚ”とし、直線流路４８２の入口側の半径を“Ｒ１”とし、ディフューザ流路４８３の出口側の半径を“Ｒ２”とすると、広がり角２θは、これらを用いた逆正接関数によって表される（２θ＝２ｔａｎ^−１（（Ｒ２−Ｒ１）／Ｚ））。

図７は、中央ダクトの内部の流路における静圧回復効果の指標となる静圧回復係数Ｃｐと、上記のように定義された広がり角２θとの関係を示す図である。
静圧回復係数は、理論的には入口と出口の広がり角２θを大きくするほど大きくなる。しかしながら図７に示すように、広がり角２θには限界があり、限界を超えて広げ過ぎると排気が流路の内周面から剥離し、乱流が発生してしまい、静圧回復係数がかえって小さくなる場合がある。そこで図７の結果から、十分な静圧回復効果が得られるよう、中央ダクトの内部の流路の広がり角２θは、８度から３０度の間に設定することが好ましい。

本実施形態のタービン３によれば、以下の効果を奏する。
（１）タービン３では、タービンインペラ室４３の流出部４３２に、この流出部４３２から流出方向Ｆへ向けて拡径する略切頭円錐状の内周面４７５が形成された外側ダクト４７と、流出部４３２から流出方向Ｆへ向けて延びる内側ダクト４８とを設ける。また外側ダクト４７の内周面４７５を略切頭円錐状とすることにより、外側ダクト４７と内側ダクト４８との間に空間を形成し、またこの外側ダクト４７の内周面４７５にはバイパス流路４９１の出口４９２とこの出口４９２を開閉するウェイストゲートバルブ４９３を設ける。これにより、バイパス流路４９１の出口４９２から流出する排気は外側ダクト４７と内側ダクト４８との間を流れ、またタービンインペラ室４３の流出部４３２から流出する排気は内側ダクト４８の中央ダクト４８１の内部を流れる。これにより、流出部４３２から流出する排気の流路断面積が急激に大きくなることがないので、流出部４３２における圧力損失の増加を抑制できる。また外側ダクト４７の内側に内側ダクト４８を設けることにより、内側ダクト４８は直接外気に晒されることがないので、タービンインペラ室４３内の熱を逃げにくくすることができ、ひいてはタービン効率の低下を抑制できる。また中央ダクト４８１の内部には、流出部４３２からその先端部４８１ａまでの間の少なくとも一部で流出方向Ｆへ向けて拡径するディフューザ流路４８３を設けることにより、流出部４３２から流出する排気はこのディフューザ流路４８３を流れる過程で減速させ、静圧を上昇させることができるので、衝突損失や摩擦損失を低減できる。

図８は、排気ダクトにおける排気の流量［ｋｇ／ｓ］と全圧損失［％］との関係を示す図である。図８において、破線は従来のタービン３の排気ダクトの入口から出口までの間における全圧損失を示し、実線は本実施形態に係るタービン３の排気ダクト４６の入口から出口まで（すなわち、排気ダクト４６のうち内側ダクト４８の中央ダクト４８１の基端部４８１ｂから先端部４８１ａまで）の間における全圧損失を示す。ここで従来のタービンの排気ダクトとは、本実施形態のタービン３から内側ダクト４８を取り除いたもの、すなわち外側ダクト４７であるとする。この図８に示すように、本実施形態のタービン３によれば、内側ダクト４８を設けることにより、全流量域において全圧損失を下げることができる。

（２）タービン３では、外側ダクト４７のうち流出部４３２と反対側の先端部に外側フランジ４７１を設け、内側ダクト４８のうち流出部４３２と反対側の先端部４８１ａに複数の貫通孔４８９ａ〜４８９ｆが形成された内側フランジ４８５を設け、これら内側フランジ４８５と外側フランジ４７１とを固定することによって内側ダクト４８を外側ダクト４７に取り付ける。すなわち、バイパス流路４９１から流出する排気は、外側ダクト４７と内側ダクト４８との間を流れ、内側フランジ４８５に形成された貫通孔４８９ａ〜４８９ｆを通って中央ダクト４８１内を流れる排気と合流する。したがってタービン３によれば、バイパス流路４９１から流出する排気の流れを阻害することなく内側ダクト４８を外側ダクト４７に固定できる。またフランジは外部に接触する面積が大きいため、温度の低下が大きい。そこでタービン３では、このように流出部４３２から離れた先端部にフランジ４７１，４８５を設けることにより、タービンインペラ室４３内の熱をさらに逃げにくくすることができ、ひいては外側ダクト４７と内側ダクト４８との間の温度差を小さくできるので、タービン効率の低下をさらに抑制できる。

（３）タービン３によれば、内側フランジ４８５が外側フランジ４７１に固定されかつ流出部４３２及び内側ダクト４８が常温である状態では、直線流路４８２と接続する内側開口部４８４と流出部４３２の内周面と接続する外側開口部４７６とが対向し、かつこれらの間には隙間４９が形成される。タービン３では、このような隙間４９が設けられるようにすることにより、内側ダクト４８の熱延び時には、内側ダクト４８の流出部４３２側への熱延びを許容することができる。

（４）タービン３によれば、内側フランジ４８５が外側フランジ４７１に固定されかつ流出部４３２及び内側ダクト４８が常温である状態では、内側ダクト４８の内径ｄｉは流出部４３２の内径ｄｏよりも僅かに大きい。流出部４３２は、内側ダクト４８よりもタービンインペラ室４３に近いため、内側ダクト４８よりも高温になり、より大きく膨張する。タービン３によれば、このような温度差を考慮して内径に差を設けることにより、内側ダクト４８及び流出部４３２が高温になった際には、内側ダクト４８の内径ｄｉと流出部４３２の内径ｄｏとを略等しくし、内側ダクト４８の内周面と流出部４３２の内周面とを、略面一にすることができるので、内側ダクト４８と流出部４３２との間における損失を低減できる。

（５）タービン３では、中央ダクト４８１の内部において直線流路４８２及びディフューザ流路４８３によって形成される流路の入口と出口との間の広がり角２θを８度から３０度の間に設定する。このような範囲内に広がり角を設定することにより、流体の剥離が生じない範囲内で静圧回復係数を適切な大きさにすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。

例えば上記実施形態では、本発明のタービンを、内燃機関９１が吸入する吸気を圧縮する過給機１に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明のタービンは、内燃機関の過給機の他、ジェットエンジンやポンプ等、インペラを用いて流体のエネルギーと機械的エネルギーとの変換を行ういわゆるターボ機械に適用できる。

３…タービン
４…タービンハウジング
４３…タービンインペラ室（インペラ室）
４３１…流入部
４３２…流出部
４６…排気ダクト
４７…外側ダクト
４７１…外側フランジ
４７５…内周面
４７６…外側開口部
４９１…バイパス流路
４９２…出口
４９３…ウェイストゲートバルブ
４８…内側ダクト
４８１ａ…先端部
４８１ｂ…基端部
４８３…ディフューザ流路
４８４…内側開口部
４８５…内側フランジ
４８９ａ，４８９ｂ，４８９ｃ，４８９ｄ，４８９ｅ，４８９ｆ…貫通孔
４９…隙間
Ｆ…流出方向

Claims (5)

1. 流体のエネルギーを用いてインペラを回転させるタービンであって、
   前記インペラを回転可能に収容するとともに、流体の流入部及び前記インペラの軸線と略平行な流出方向へ流体が流出する流出部が設けられたインペラ室と、
   前記インペラ室の内部を迂回するバイパス流路と、
   前記流出部から前記流出方向へ向けて拡径する略円錐状の内周面が形成された外側ダクトと、
   前記外側ダクトの内側に設けられ、前記流出部から前記流出方向へ向けて延びる管状の内側ダクトと、を備え、
   前記内側ダクトには、前記流出部からその先端部までの間の少なくとも一部で前記流出方向へ向けて拡径するディフューザ流路が設けられ、
   前記内周面には前記バイパス流路の出口と当該出口を開閉するウェイストゲートバルブとが設けられることを特徴とするタービン。
2. 前記外側ダクトの先端部には前記インペラの径方向へ延びる外側フランジが設けられ、
   前記内側ダクトの先端部には前記インペラの径方向へ向かって延びかつ１つ又は複数の貫通孔が形成された内側フランジが設けられ、
   前記内側フランジは前記外側フランジに固定されることを特徴とする請求項１に記載のタービン。
3. 前記外側ダクトの基端部には、前記流出部の内周面と接続する外側開口部が形成され、
   前記内側ダクトの基端部には、当該内側ダクトの内部に形成される流路と接続しかつ前記内側フランジが前記外側フランジに固定された状態で前記外側開口部と対向する内側開口部が形成され、
   前記内側フランジが前記外側フランジに固定されかつ前記流出部及び前記内側ダクトが常温である状態では、前記外側開口部と前記内側開口部との間には隙間が形成されることを特徴とする請求項２に記載のタービン。
4. 前記内側フランジが前記外側フランジに固定されかつ前記流出部及び前記内側ダクトが常温である状態では、前記内側ダクトのうち前記内側開口部側の内径は、前記流出部のうち前記外側開口部側の内径よりも僅かに大きいことを特徴とする請求項３に記載のタービン。
5. 前記内側ダクトの内部に形成される流路の入口と出口との間の広がり角２θは８度から３０度の間であることを特徴とする請求項１又は２に記載のタービン。

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