JP5392285B2

JP5392285B2 - タービン、及びこれを備えたターボチャージャ

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Publication number: JP5392285B2
Application number: JP2011059514A
Authority: JP
Inventors: 正義大塚; 実石野
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2031-03-17
Also published as: JP2012193708A

Description

本発明は、タービン、及びこれを備えたターボチャージャに関する。

従来から、タービンホイールが収容されたタービン室に流入する排気ガスの流量を調節する可変ノズルベーン機構を備えた可変容量タービンが知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示された可変容量タービンは、タービン室におけるタービンホイールの出口部に対する上流側領域と下流側領域とをバイパスするバイパス通路と、バイパス通路を流れる流体の流量を調節する流量調節機構を備えている。そして、流量調節機構により、タービン室に流入する流体の流量に応じてバイパス通路へ流す流体の流量を増減することで、タービンホイールの出口部を通過する流体の流量が所定量に保たれるようになっている。これにより、タービン室に流入する流体の流量が増減した場合あっても、タービン効率が維持されるようになっている。

特開２００９−１９１６３９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、流量調節機構や当該流量調節機構を制御する制御回路等が必要となるため、構造が複雑化する可能性がある。

本発明は、上記の事実を考慮し、タービン室に流入される流体の流量の増減に起因したタービン効率の低下を低減しつつ、装置構造を単純化することができるタービン及びこれを備えたターボチャージャを提供することを目的とする。

請求項１に記載のタービンは、回転軸と、前記回転軸の径方向外側から流体が流入されるホイール流入部と、前記ホイール流入部から流入された流体を前記回転軸の軸方向へ流出させるホイール流出部を有するタービンホイールと、前記ホイール流入部が配置されると共に該ホイール流入部の上流側にタービン室入口を有する上流側タービン室と、前記ホイール流出部が配置されると共に該ホイール流出部の下流側にタービン室出口を有する下流側タービン室を内部に備え、前記タービンホイールを回転可能に収容するハウジング本体と、前記下流側タービン室内に設けられ、内部に前記ホイール流出部を収容するホイール流出部室を形成すると共に、径方向外側に前記下流側タービン室に流入された流体を前記ホイール流出部室を迂回して前記タービン室出口へ流すバイパス室を形成する筒状部と、前記バイパス室に設けられて前記筒状部の軸方向へ延びると共に該筒状部の周方向に間隔を空けて配置され、前記筒状部と前記ハウジング本体とを連結し、前記バイパス室を周方向に仕切る複数の隔壁部と、を備えている。

請求項１に記載のタービンによれば、タービン室入口から上流側タービン室に流入された流体がタービンホイールのホイール流入部に流入されると、タービンホイールが回転する。このタービンホイールの回転に伴って、ホイール流入部に流入した流体がタービンホイールに沿って下流側タービン室へ流されると共に、ホイール流出部室に収容されたホイール流出部から軸方向下流側へ流出され、タービン室出口からハウジング本体の外部へ流出される。

ここで、下流側タービン室内には、下流側タービン室に流入された流体を、ホイール流出部室を迂回してタービン室出口から流出させるバイパス室が形成されている。このバイパス室には、タービンホイールから径方向外側かつ斜め方向へ流出した流体が流入される。即ち、バイパス室には、タービンホイールの回転軸の軸方向に対して回転軸の周方向に傾斜する方向に流体が流入される。

この際、上流側タービン室に流入される流体の流量が小さい小流量（以下、単に「小流量」という）時には、バイパス室を流れる流体の周方向の速度成分が軸方向の速度成分に対して相対的に大きくなる。ここで、バイパス室には、筒状部の軸方向へ延びると共に筒状部の周方向に間隔を空けて配置された複数の隔壁部が設けられている。そのため、流体がバイパス室内の複数の隔壁部に衝突し易くなり、流体がバイパス室内を流れ難くなる。従って、小流量時には、流体がバイパス室へ流入し難くなり、下流側タービン室に流入された流体は、主としてホイール流出部室を通ってタービン室出口へ流出される。

一方、上流側タービン室に流入される流体の流量が大きい大流量（以下、単に「大流量」という）時には、バイパス室を流れる流体の軸方向の速度成分が、周方向の速度成分に対して相対的に大きくなる。そのため、流体がバイパス室内の複数の隔壁部に沿って流れ易くなる。従って、大流量時には、流体がバイパス室へ流入し易くなり、下流側タービン室に流入された流体は、バイパス室及びホイール流出部室を通ってタービン室出口へ流出される。即ち、大流量時には、流体がバイパス室を流れるため、ホイール流出部室の径、換言すると、ホイール流出部のスロート面積（開口面積）を大きくした場合と同様の効果を得ることができる。

従って、小流量時に流体を円滑に流出させることができる大きさにホイール流出部のスロート面積を設定することにより、小流量時に対応した高いタービン効率を確保しつつ、大流量時には、流体がバイパス室及びホイール流出部室を流れるため、ホイール流出部のスロート面積が実質的に拡大し、大流量時に対応した高いタービン効率を確保することができる。よって、上流側タービン室に流入される流体の流量の増減に起因したタービン効率の低下を低減することができる。

更に、本発明に係るタービンは、従来技術（例えば、特許文献１）のような流量調節機構や当該流量調節機構を制御する制御回路等が不要になるため、装置構造を単純化することができる。

このように本発明に係るタービンによれば、上流側タービン室に流入される流体の流量の増減に起因したタービン効率の低下を低減しつつ、装置構造を単純化することができる。

請求項２に記載のタービンは、請求項１に記載のタービンにおいて、前記タービン室入口から前記上流側タービン室へ流入される流体の流量を増減する可変ノズルベーン機構を備えている。

請求項２に記載のタービンによれば、可変ノズルベーン機構によって、タービン室入口から上流側タービン室へ流入される流体の流量が増減される。そして、可変ノズルベーン機構によって上流側タービン室へ流入される流体の流量が小流量に調整されると、下流側タービン室に流入された流体は、主としてホイール流出部室を通ってタービン室出口へ流出される。一方、可変ノズルベーン機構によって上流側タービン室へ流入される流体の流量が大流量に調整されると、下流側タービン室に流入された流体は、バイパス室及びホイール流出部室を通ってタービン室出口へ流出される。

このように可変ノズルベーン機構によって、タービン室入口から上流側タービン室へ流入される流体の流量を増減することにより、可変ノズルベーン機構に供給される流体の流量が増減した場合であっても、タービン効率の低下を低減することができる。

請求項３に記載のタービンは、請求項１又は請求項２に記載のタービンにおいて、前記バイパス室が、前記筒状部の上流側端部を前記回転軸の径方向に開口するバイパス室入口を有している。

請求項３に記載のタービンによれば、バイパス室のバイパス室入口が、筒状部の上流側端部を径方向に開口している。これにより、大流量時において、タービンホイールから径方向外側かつ斜め方向へ流出された流体がバイパス室入口からバイパス室へ流入し易くなり、バイパス室を流れる流体の流量が増加する。従って、大流量時に、ホイール流出部室へ流入する流体の流量が過大となり、ホイール流出部室において流体の流れが制限されることが抑制されるため、大流量時におけるタービン効率の低下が低減される。

請求項４に記載のタービンは、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のタービンにおいて、前記バイパス室が、前記回転軸の軸方向に開口するバイパス室出口を有している。

請求項４に記載のタービンによれば、バイパス室のバイパス室出口が、タービンホイールの回転軸の軸方向に開口している。従って、バイパス室内の隔壁部に沿って流れた流体がバイパス室出口から流出し易くなるため、流体がバイパス室へ流入し易くなる。従って、大流量時に、ホイール流出部室へ流入する流体の流量が過大となり、ホイール流出部室において流体の流れが制限されることが抑制されるため、大流量時におけるタービン効率の低下が低減される。

請求項５に記載のタービンは、請求項４に記載のタービンにおいて、前記バイパス室出口が、前記回転軸を中心とした円環形状に形成され、前記タービン室出口が、前記回転軸を中心とした円形状に形成され、前記タービン室出口の径が、前記バイパス室出口の外径よりも大きい。

請求項５に記載のタービンによれば、タービン室出口の径が、バイパス室出口の外径よりも大きくされている。換言すると、タービン室出口の軸方向下流側に、タービン室出口が形成されている。従って、大流量時にバイパス室へ流入された流体が、バイパス室出口からタービンホイールの回転軸の軸方向に沿ってそのままタービン室出口へ流出されるため、流体がバイパス室内へ流れ易くなる。従って、大流量時に、ホイール流出部室へ流入する流体の流量が過大となり、ホイール流出部室において流体の流れが制限されることが抑制されるため、大流量時におけるタービン効率の低下が低減される。

請求項６に記載のターボチャージャは、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載のタービンを備えている。

請求項６に記載のターボチャージャによれば、請求項１〜請求項７の何れか１項に記載のタービンを備えたことにより、上流側タービン室に流入される流体の流量の増減に起因したタービン効率の低下を低減することができる。更に、従来技術（例えば、特許文献１）のような流量調節機構や当該流量調節機構を制御する制御回路等が不要になるため、装置構造を単純化することができると共に、装置コストを削減することができる。

以上説明したように、本発明に係るタービン、及びこれを備えたターボチャージャは、タービン室に流入される流体の流量の増減に起因したタービン効率の低下を低減しつつ、装置構造を単純化することができる。

本発明の一実施形態に係るタービン部を示す図３（Ｂ）の１−１線断面図である。本発明の一実施形態におけるバイパス室入口を示す図１の２−２線断面図である。（Ａ）は本発明の一実施形態に係るタービン部を径方向外側から見た平面図であり、（Ｂ）は図１の３Ｂ−３Ｂ線断面図である。本発明の一実施形態におけるタービンホイールとノズルベーンとの位置関係を示すタービンホイールを軸方向下流側から見た説明図である。図２に示す断面における小流量時の圧力分布、及び排気ガスの速度ベクトルを部分的に示す図である。本発明の一実施形態におけるハウジング本体のバイパス室入口周辺の内周面を平面に展開し、展開された展開図における小流量時の圧力分布、及び排気ガスの速度ベクトルを部分的に示す図である。（Ａ）は本発明の一実施形態に係るタービン部の小流量時の動作を示す図１に相当する断面図であり、（Ｂ）は本発明の一実施形態に係るタービン部の大流量時の動作を示す図１に相当する断面図である。図２に示す断面における大流量時の圧力分布、及び排気ガスの速度ベクトルを部分的に示す図である。本発明の一実施形態におけるハウジング本体のバイパス室入口周辺の内周面を平面に展開し、展開された展開図における大流量時の圧力分布、及び排気ガスの速度ベクトルを部分的に示す図である。本発明の一実施形態に係るタービン部の変形例を示す図であり、（Ａ）は図１０（Ｂ）の１０Ａ−１０Ａ線断面図であり、（Ｂ）は図１０（Ａ）の１０Ｂ−１０Ｂ線断面図である。本発明の一実施形態に係るタービン部の変形例を示す図１に相当する断面図である。比較例に係るタービン部を示す図であり、（Ａ）は図１２（Ｂ）の１２Ａ−１２Ａ線断面図であり、（Ｂ）は図１２（Ａ）の１２Ａ−１２Ａ線断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係るタービン、及びこれを備えたターボチャージャについて説明する。なお、各図に適宜示される矢印Ａは、タービンホイールの回転軸の軸方向下流側を示し、矢印Ｒはタービンホイールの回転軸の径方向外側を示し、矢印Ｃはタービンホイールの回転軸の周方向（回転方向前側）を示している。

（ターボチャージャ、タービン）
図１には、本発明の一実施形態に係るターボチャージャ１０の一部を構成するタービンとしてのタービン部１２が示されている。ターボチャージャ１０は、例えば、自動車用のエンジンに好適に搭載されるものである。タービン部１２は、流体としての排気ガス（気体）を動力としてターボチャージャ１０の一部を構成する図示しないコンプレッサ部を動作させるためのものであり、タービンホイール１４と、タービンハウジング１６と、可変ノズルベーン機構１８を備えている。

（タービンホイール）
図１及び図２に示されるように、タービンホイール１４は、回転軸２０と、回転軸２０の中心Ｏを中心として径方向外側に放射状に延びると共に、上流側端部２２Ｕが径方向外側へ向けて湾曲された複数の羽根２２を備え、図示しないコンプレッサ部のコンプレッサホイールと回転可能に連結されている。このタービンホイール１４は一般的なラジアルタービンホイールとされており、隣接する羽根２２における上流側端部２２Ｕ間に、径方向外側から排気ガスが流入されるホイール流入部２４が形成され、隣接する羽根２２における下流側端部２２Ｌ間に、ホイール流入部２４から流入されると共に羽根２２に沿って流れた排気ガスを軸方向下流側へ流出させるホイール流出部２６が形成されている。このホイール流出部２６のスロート面積（開口面積）は、ホイール流出部２６を形成する羽根２２の下流側端部２２Ｌの高さＴ、及び隣接する羽根２２の間隔により、後述する可変ノズルベーン機構１８によって上流側タービン室３４Ｕに流入される排気ガスの流量が最小とされた最小流量（以下、単に「最小流量」という）時に、ホイール流出部２６から排気ガスを円滑に流出させることができる値に設定されている。

（タービンハウジング）
タービンハウジング１６は、ハウジング本体３０と筒状部３２を備えている。ハウジング本体３０は、その内部にタービンホイール１４を回転可能に収容するタービン室３４と、スクロール通路３６と、ノズル通路３８を備えている。タービン室３４は、その上流側を構成すると共にタービン室入口３４ＵＩを有する上流側タービン室３４Ｕと、その下流側を構成すると共にタービン室出口３４ＬＥを有する下流側タービン室３４Ｌを有している。上流側タービン室３４Ｕと下流側タービン室３４Ｌとは、これらの上流側タービン室３４Ｕと下流側タービン室３４Ｌとの間に形成された接続口３４Ｃで通じている。

上流側タービン室３４Ｕには、タービンホイール１４の上流側端部が配置されると共に、ホイール流入部２４が配置されており、このホイール流入部２４の上流側（径方向外側）にタービン室入口３４ＵＩが形成されている。また、上流側タービン室３４Ｕの径方向外側には、渦巻状のスクロール通路３６が形成されている。このスクロール通路３６と上流側タービン室３４Ｕとはノズル通路３８を介して接続されており、スクロール通路３６から流入した排気ガスが、ノズル通路３８を通してタービン室入口３４ＵＩから上流側タービン室３４Ｕへ流入するようになっている。また、ノズル通路３８には、後述する可変ノズルベーン機構１８が設けられており、この可変ノズルベーン機構１８によってノズル通路３８を流れる排気ガスの流量が増減可能になっている。

一方、下流側タービン室３４Ｌには、円筒形状の筒状部３２が設けられている。この筒状部３２によって、下流側タービン室３４Ｌが径方向にホイール流出部室４０とバイパス室４２とに仕切られている。ホイール流出部室４０は、筒状部３２の上流側端部に形成されたホイール流出部室入口と、筒状部３２の下流側端部に形成されたホイール流出部室出口を有している。このホイール流出部室４０は、上流側タービン室３４Ｕと軸方向に連続するように形成されており、その内部にタービンホイール１４の下流側端部が配置されると共に、ホイール流出部２６が配置されている。

ホイール流出部２６の軸方向下流側には、タービン室出口３４ＬＥが形成されており、ホイール流出部２６から軸方向下流側へ流出された排気ガスが、そのままタービン室出口３４ＬＥへ流れるようになっている。このタービン室出口３４ＬＥは、タービンホイール１４の回転軸２０の中心Ｏを中心とした円形状に形成されており、その径Ｒ_２が後述するバイパス室４２のバイパス室出口４２Ｅの外径Ｒ_１よりも大きくされている。また、タービン室出口３４ＬＥの径Ｒ_２は、後述する可変ノズルベーン機構１８によって上流側タービン室３４Ｕに流入される排気ガスの流量が最大とされた最大流量（例えば、エンジンの最大出力時であり、以下、単に「最大流量」という）時に、排気ガスをハウジング本体３０の外部へ円滑に流出させることができる値に設定されている。

筒状部３２の径方向外側には、バイパス室４２が形成されている。バイパス室４２は、筒状部３２の外周面とハウジング本体３０の内周面との間に形成されている。このバイパス室４２は、ホイール流出部２６よりも軸方向上流側に設けられたバイパス室入口４２Ｉと、ホイール流出部２６よりも軸方向下流側に設けられたバイパス室出口４２Ｅを有している。

バイパス室４２のバイパス室入口４２Ｉは、図２に示されるように、タービンホイール１４の羽根２２の径方向外側に設けられ、筒状部３２の上流側端部を径方向に開口すると共に、筒状部３２の周方向に沿って環状に形成されている。このバイパス室入口４２Ｉには、タービンホイール１４の羽根２２から径方向外側かつ斜め方向（回転を伴って径方向外側）へ流出した排気ガスが流入されるようになっている。即ち、バイパス室４２には、タービンホイール１４の軸方向に対して周方向に傾斜する方向に排気ガスが流入される。

図１に示されるように、バイパス室４２のバイパス室出口４２Ｅは、筒状部３２の下流側端部の径方向外側に設けられ、当該下流側端部とハウジング本体３０との間を軸方向に開口すると共に、筒状部３２の周方向に沿ってタービンホイール１４の回転軸２０の中心Ｏを中心とした円環形状に形成されている。このバイパス室出口４２Ｅの軸方向下流側にはタービン室出口３４ＬＥが形成されており、バイパス室出口４２Ｅから軸方向下流側へ流出された排気ガスが、そのままタービン室出口３４ＬＥへ流れるようになっている。即ち、タービンホイール１４に沿って流れた排気ガスの一部が、ホイール流出部室４０を迂回し、バイパス室４２を通してタービン室出口３４ＬＥからハウジング本体３０の外部へ流出されるようになっている。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示されるように、バイパス室４２内には、軸方向に延びる複数（本実施形態では、４つ）の隔壁部４４が設けられている。各隔壁部４４は、筒状部３２の軸方向の略全長に渡って設けられると共に、筒状部３２の周方向に所定の間隔を空けて設けられている。これらの隔壁部４４によって、筒状部３２とハウジング本体３０とが径方向に連結されると共に、バイパス室４２が筒状部３２の周方向に複数（本実施形態では、４つ）のバイパス流路４８に仕切られている。

ここで、バイパス室４２には、前述したようにタービンホイール１４の羽根２２から径方向外側かつ斜め方向へ流出された排気ガスが流入される。そのため、図３（Ａ）に示されるように、バイパス流路４８には、排気ガスが軸方向に対して周方向に傾斜する方向（矢印Ｖ_１，Ｖ_２）に流入される。そして、小流量時には、排気ガスＶ_１の周方向の速度成分Ｖ_１Ｃが軸方向の速度成分Ｖ_１Ａに対して相対的に大きくなり、大流量時には、排気ガスＶ_２の軸方向の速度成分Ｖ_２Ａが、周方向の速度成分Ｖ_２Ｃに対して相対的に大きくなる。従って、小流量時には、排気ガスＶ_１が隔壁部４４に衝突し易くなり、大流量時と比較して排気ガスがバイパス室入口４２Ｉからバイパス室４２へ流入し難くなっている。一方、大流量時には、排気ガスＶ_２が隔壁部４４に沿って流れ易くなるため、小流量時と比較して排気ガスがバイパス室入口４２Ｉからバイパス室４２へ流入し易くなっている。

（可変ノズルベーン機構）
図１に示されるように、可変ノズルベーン機構１８は、ノズル通路３８を通して、タービン室入口３４ＵＩから上流側タービン室３４Ｕに流入する排気ガスの流量を増減するためのものであり、複数のノズルベーン５０と、各ノズルベーン５０を支持する支持部材５２を備えている。ノズルベーン５０は、ノズル通路３８の一部を形成する支持部材５２に回転可能に支持された回転軸部５０Ａと、ノズル通路３８内に配置され、回転軸部５０Ａに支持された羽根形状のベーン本体５０Ｂを備えている。

図４に示されるように、隣接するベーン本体５０Ｂの間には、排気ガス（矢印Ｆ）が通過するベーン流路５４が形成されている。これらのベーン流路５４は、回転軸部５０Ａを中心としたベーン本体５０Ｂの回転に伴って開閉されるようになっている。また、回転軸部５０Ａには、図示しないアクチュエータが連結されている。このアクチュエータは、エンジンの回転数に応じて車両状態検出センサ（図示省略）から出力された車両状態信号に基づいて各回転軸部５０Ａを同時に回転してベーン本体５０Ｂを回転させることにより、ベーン流路５４を開閉するようになっている。これにより、エンジンの回転数に応じて、ノズル通路３８を通過する排気ガスの流量が調整され、タービン室入口３４ＵＩから上流側タービン室３４Ｕに流入する排気ガスの流量が増減されるようになっている。

次に、本実施形態に係る作用について説明する。

本発明の一実施形態に係るタービン部１２では、スクロール通路３６、ノズル通路３８を通してタービン室入口３４ＵＩから上流側タービン室３４Ｕへ排気ガスが流入される。そして、上流側タービン室３４Ｕに流入された排気ガスが、タービンホイール１４のホイール流入部２４へ流入すると、タービンホイール１４が回転される。この回転に伴って、ホイール流入部２４から流入した排気ガスがタービンホイール１４の羽根２２に沿って流れると共に、ホイール流出部室４０内に収容されたホイール流出部２６から軸方向下流側へ流出され、タービン室出口３４ＬＥからタービン部１２の外部へ流出される。

この際、エンジンの回転数に応じて図示しないアクチュエータが可変ノズルベーン機構１８を動作することにより、タービン室入口３４ＵＩから上流側タービン室３４Ｕへ流入される排気ガスの流量が増減される。具体的には、図４に示されるように、エンジンの回転数が低回転数のときには、アクチュエータが、ベーン本体５０Ｂがベーン流路５４を閉じる方向に回転軸部５０Ａを回転し、上流側タービン室３４Ｕへ流入する排気ガスの流量を減少させる（小流量）。一方、エンジンの回転数が高回転数のときには、アクチュエータが、ベーン本体５０Ｂがベーン流路５４を開く方向に回転軸部５０Ａを回転し、上流側タービン室３４Ｕへ流入する排気ガスの流量を増加させる（大流量）。このようにエンジンの回転数に応じて上流側タービン室３４Ｕに流入される排気ガスの流量が増減される。

ここで、下流側タービン室３４Ｌには、当該下流側タービン室３４Ｌに流入された排気ガスを、ホイール流出部室４０を迂回してタービン室出口３４ＬＥへ流すバイパス室４２が形成されている。このバイパス室４２は、隔壁部４４によって周方向に複数のバイパス流路４８に仕切られている。そのため、前述したように小流量時には、排気ガスが隔壁部４４に衝突し易くなり、排気ガスがバイパス流路４８内を流れ難くなる。従って、小流量時は、大流量時と比較して、タービンホイール１４の羽根２２から径方向外側かつ斜め方向へ流出した排気ガスがバイパス室入口４２Ｉへ流入し難くなる。

また、図５には、一例として、タービンホイール１４をバイパス室入口４２Ｉの位置で切断した断面における小流量時の圧力分布、及び排気ガスの速度ベクトルが部分的に示されている。なお、羽根２２間の圧力は、等圧線Ｌから等圧線Ｈへ向けて徐々に圧力が高くなっている。図５から分かるように、小流量時には、タービンホイール１４の隣接する羽根２２の間に、渦巻き状の２次流れ５５が発生する。このように２次流れ５５が発生した領域は、その径方向外側に形成されたバイパス室４２よりも圧力が低下するため、隣接する羽根２２の間からバイパス室入口４２Ｉへ向けて排気ガスが流れ難くなっている。

更に、図６には、一例として、ハウジング本体３０におけるバイパス室入口４２Ｉ周辺の内周面を平面に展開し、展開された展開図における小流量時の圧力分布、及び排気ガスの速度ベクトルが部分的に示されている。なお、羽根２２間の圧力は、等圧線Ｌから等圧線Ｈへ向けて徐々に圧力が高くなっている。図６から分かるように、バイパス室入口４２Ｉに対する上流側領域５６及び下流側領域５８では圧力が共に低下し、上流側領域５６と下流側領域５８との圧力差が小さくなっている。そのため、タービンホイール１４の羽根２２に沿って軸方向下流側へ流れる排気ガスが、バイパス室入口４２Ｉへ向けて流れ難くなっている。

従って、小流量時には、図７（Ａ）に示されるように、下流側タービン室３４Ｌに流入された排気ガスは、主としてホイール流出部室４０を通ってタービン室出口３４ＬＥへ流出される。従って、排気ガスがホイール流出部室４０を迂回してバイパス室４２を流れることによるタービンホイール１４のトルク損失が低減されるため、小流量時におけるタービン効率の低下が低減される。

また、本実施形態では、ホイール流出部２６を形成する羽根２２の下流側端部２２Ｌのスロート面積は、最小流量時にホイール流出部２６から排気ガスを円滑に流出させることができる値に設定されている。従って、小流量時に対応した高いタービン効率が確保される。更に、小流量時は大流量時と比較して、ホイール流入部２４を形成する各羽根２２の下流側端部２２Ｌに対する排気ガスの流入角度が大きくなるため、ホイール流入部２４でのタービンホイール１４のトルク発生効率が高くなる。従って、ホイール流出部室４０を迂回してバイパス室４２へ排気ガスが流れることによるタービンホイール１４のトルク損失を考慮しても、十分なタービン効率を確保することができる。

一方、大流量時には、前述したように隔壁部４４に沿って排気ガスが軸方向下流側へ流れ易くなる。従って、大流量時には、小流量時と比較して、タービンホイール１４の羽根２２から回転を伴って径方向外側へ流出した排気ガスがバイパス室４２へ流入し易くなる。

また、図８には、一例として、タービンホイール１４をバイパス室入口４２Ｉの位置で切断した断面における大流量時の圧力分布、及び排気ガスの速度ベクトルが部分的に示されている。なお、羽根２２間の圧力は、等圧線Ｌから等圧線Ｈへ向けて徐々に圧力が高くなっている。図８から分かるように、大流量時には、タービンホイール１４における羽根２２の回転方向（矢印Ｃ方向）と反対側に、バイパス室４２よりも圧力が高い領域が発生する。従って、隣接する羽根２２の間からバイパス室入口４２Ｉへ向けて排気ガスが流れ易くなっている。

更に、図９には、一例として、ハウジング本体３０におけるバイパス室入口４２Ｉ周辺の内周面を平面に展開し、展開された展開図における大流量時の圧力分布、及び排気ガスの速度ベクトルが部分的に示されている。なお、羽根２２間の圧力は、等圧線Ｌから等圧線Ｈへ向けて徐々に圧力が高くなっている。図９から分かるように、バイパス室入口４２Ｉに対する上流側領域５６では圧力が高くなり、バイパス室入口４２Ｉに対する下流側領域５８では圧力が低くなり、上流側領域５６と下流側領域５８との圧力差が大きくなる。そのため、タービンホイール１４の羽根２２に沿って軸方向下流側へ流れる排気ガスが、バイパス室入口４２Ｉへ向けて流れ易くなっている。

更にまた、本実施形態では、図１に示されるように、タービン室出口３４ＬＥの径Ｒ_２がバイパス室出口４２Ｅの外径Ｒ_１よりも大きくされており、バイパス室出口４２Ｅから軸方向下流側へ流出された排気ガスが、そのままタービン室出口３４ＬＥへ流れるようになっている。従って、タービン室出口３４ＬＥの径Ｒ_２がバイパス室出口４２Ｅの外径Ｒ_１よりも小さくされた構成と比較して、排気ガスがバイパス室４２内を流れ易くなると共に、バイパス室入口４２Ｉ付近の圧力が低下する。

従って、大流量時には、図７（Ｂ）に示されるように、下流側タービン室３４Ｌに流入された排気ガスは、バイパス室４２及びホイール流出部室４０を通ってタービン室出口３４ＬＥへ流される。即ち、大流量時には、排気ガスがバイパス室４２を流れるため、下流側タービン室３４Ｌの径、換言すると、ホイール流出部２６のスロート面積を大きくした場合と同様の効果を得ることができる。これにより、ホイール流出部室４０へ流入する排気ガスの流量が過大となり、ホイール流出部室４０において排気ガスの流れが制限されることが抑制されるため、大流量時におけるタービン効率の低下が低減される。

また、本実施形態では、タービン室出口３４ＬＥの径Ｒ_２が、大流量時に排気ガスをハウジング本体３０の外部へ円滑に流出させることができる値に設定されている。従って、大流量時に対応したタービン効率が確保される。

このように、本発明の一実施形態に係るタービン部１２、及びターボチャージャ１０によれば、小流量時には、排気ガスがホイール流出部室４０を流れるため、小流量時に対応した高いタービン効率を確保することができると共に、大流量時には、排気ガスがバイパス室４２及びホイール流出部室４０を流れるため、ホイール流出部２６のスロート面積が実質的に拡大し、大流量時に対応した高いタービン効率を確保することができる。従って、上流側タービン室３４Ｕに流入される排気ガスの流量の増減に起因したタービン効率の低下を低減することができる。

更に、本実施形態では、従来技術（例えば、特許文献１）のような流量調節機構や当該流量調節機構を制御する制御回路等が不要になるため、装置構造を単純化することができると共に、装置コストを削減することができる。

なお、最大流量時にホイール流出部室４０へ流入する排気ガスの流量が過大となり、ホイール流出部室４０において排気ガスの流れが制限される場合には、可変ノズルベーン機構１８によって上流側タービン室３４Ｕへ流入する排気ガスの流量を減少させることも可能である。この場合、タービンホイール１４のホイール流入部２４に流入する排気ガスの速度が上がるため、ホイール流入部２４におけるタービンホイール１４のトルク発生効率が向上する。

次に、本実施形態の変形例について説明する。

上記実施形態では、筒状部３２の軸方向に延びる隔壁部４４をバイパス室４２に設けたがこれに限らない。隔壁部４４は、筒状部３２とハウジング本体３０とを連結すると共に、バイパス室４２を周方向に仕切れば良く、隔壁部４４の形状、大きさ、数等は適宜変更可能である。例えば、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示されるタービン部７０のように、バイパス室入口４２Ｉに複数（本変形例では、４つ）の隔壁部６４を設けても良い。これらの隔壁部６４は、筒状部３２の周方向に間隔を空けて設けられ、筒状部３２の上流側端部とハウジング本体３０とを連結すると共に、バイパス室入口４２Ｉを周方向に複数の開口に仕切っている。

このようにバイパス室入口４２Ｉを隔壁部６４で仕切り、バイパス室入口４２Ｉの開口面積を小さくすることより、小流量時にバイパス室４２へ流入する排気ガスの流量が低減される。従って、小流量時に、排気ガスがホイール流出部室４０を迂回してバイパス室４２を流れることによるタービンホイール１４のトルク損失が低減されるため、小流量時におけるタービン効率の低下が低減される。

また、上記実施形態では、タービン室出口３４ＬＥの径Ｒ_２をバイパス室出口４２Ｅの外径Ｒ_１よりも大きくしたが、タービン室出口３４ＬＥの径Ｒ_２とバイパス室出口４２Ｅの外径Ｒ_１とを同じにしても良いし、図１１に示されるタービン部８０のように、タービン室出口３４ＬＥの径Ｒ_２をバイパス室出口４２の外径Ｒ_１よりも小さくしても良い。この構成では、バイパス室出口４２Ｅが、筒状部３２の下流側端部を径方向に開口すると共に、筒状部３２の周方向に沿って環状に形成されており、バイパス室４２を流れた排気ガスがホイール流出部室４０の下流側で、ホイール流出部室４０を流れた排気ガスと合流するようになっている。これにより、バイパス室出口４２Ｅから排気ガスを流出し難くし、大流量時におけるタービン効率を調整しても良い。

更に、上記実施形態では、上流側タービン室３４Ｕに流入する排気ガスの流量を増減する可変ノズルベーン機構１８をノズル通路３８に設けたが、この可変ノズルベーン機構１８は適宜省略可能である。

次に、本実施形態に係るタービン部の性能評価について説明する。

本性能評価では、ＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ）によって、実施例に係るタービン部と比較例に係るタービン部について、最小流量時及び最大流量時の流体（空気）の流れを解析し、両者の性能を比較した。

実施例１の構成は図１に示されるタービン部１２の構成と同じであり、実施例２の構成は図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示されるタービン部７０と同じ構成である。一方、比較例１の構成は図１に示されるタービン部１２からバイパス室４２を省略した構成と同じ構成であり、比較例２の構成は図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示されるタービン部１００の構成である。図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示されるタービン部１００は、図１に示されるタービン部１２から隔壁部４４に省略し、筒状部３２の軸方向中央部を貫通する円柱形状のピン１０２によって、筒状部３２とハウジング本体３０とを連結した構成である。

下記表１には、最小流量時の解析結果が示されており、下記表２には、最大流量時及び大流量時の解析結果が示されている。表１，表２では、比較例１の性能を評価基準としている。なお、評価項目は下記の通りである。
タービン室出口の流量の増減率（％）：タービン室出口を通過した流体の流量の増減率。
バイパス流量比（％）：タービン室出口を通過した流体の流量に対するバイパス室出口を通過した流体の流量の割合。
タービン効率の増減値：下記出力の増減等に基づいて数値化したタービン性能の増減値。
出力の増減（％）：タービンホイールに発生したトルクの増減率
バイパス室入口とバイパス室出口の全圧差（ＫＰａ）：バイパス室入口の全圧値とバイパス室出口の全圧値との差分。
ノズルベーンの回転角度：ノズル流路を全開にするノズルベーンの最大回転角度からノズル流路を閉じる方向にノズルベーンを回転させた角度。

表１から分かるように、実施例１では比較例１に対するタービン効率の増減値が±０となり、実施例２では比較例１に対するタービン効率の増減値が＋０．３となり、何れの実施例１，２においても比較例１と同等若しくはそれ以上の性能が得られた。一方、比較例２では、比較例１に対するタービン効率の増減値が−１．７となり、比較例１よりも性能が低下したことが分かる。

次に、表２から分かるように、実施例１では、比較例１に対するタービン効率の増減値が＋１０．４となり、実施例２では、比較例１に対するタービン効率の増減値が＋１１．２となり、何れの実施例１，２においても比較例１以上の性能が得られた。なお、実施例１，２では、ノズルベーン５０（図４参照）の回転角度をベーン流路５４が閉じる方向へ−８°回転させた状態で解析を行った。一方、比較例２では、ノズルベーン５０の回転角度を０°にした状態で、比較例１に対するタービン効率の増減値が−２．３となり、比較例１よりも性能が低下したが、ノズルベーン５０の回転角度をベーン流路５４が閉じる方向へ−８°回転させた状態で、比較例１に対するタービン効率の増減値が＋１１．１となり、比較例１以上の性能が得られた。

このように、実施例１，２に係るタービン部１２，７０では、バイパス室４２に隔壁部４４，６４を設けたことにより、下流側タービン室３４Ｌに流入される排気ガスの流量の増減に起因するタービン効率の低下を低減しつつ、装置構造を単純化することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に限定されるものでなく、一実施形態及び各種の変形例を適宜組み合わせて用いても良いし、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

１０ターボチャージャ
１２タービン部（タービン）
１４タービンホイール
１８可変ノズルベーン機構
２０回転軸
２４ホイール流入部
２６ホイール流出部
３０ハウジング本体
３２筒状部
３４Ｕ上流側タービン室
３４ＵＩタービン室入口
３４Ｌ下流側タービン室
３４ＬＥタービン室出口
４０ホイール流出部室
４２バイパス室
４４隔壁部
６４隔壁部
７０タービン部（タービン）
８０タービン部（タービン）

Claims

回転軸と、前記回転軸の径方向外側から流体が流入されるホイール流入部と、前記ホイール流入部から流入された流体を前記回転軸の軸方向へ流出させるホイール流出部を有するタービンホイールと、
前記ホイール流入部が配置されると共に該ホイール流入部の上流側にタービン室入口を有する上流側タービン室と、前記ホイール流出部が配置されると共に該ホイール流出部の下流側にタービン室出口を有する下流側タービン室を内部に備え、前記タービンホイールを回転可能に収容するハウジング本体と、
前記下流側タービン室内に設けられ、内部に前記ホイール流出部を収容するホイール流出部室を形成すると共に、径方向外側に前記下流側タービン室に流入された流体を前記ホイール流出部室を迂回して前記タービン室出口へ流すバイパス室を形成する筒状部と、
前記バイパス室に設けられて前記筒状部の軸方向へ延びると共に該筒状部の周方向に間隔を空けて配置され、前記筒状部と前記ハウジング本体とを連結し、前記バイパス室を周方向に仕切る複数の隔壁部と、
を備えるタービン。
前記タービン室入口から前記上流側タービン室へ流入される流体の流量を増減する可変ノズルベーン機構を備える請求項１に記載のタービン。
前記バイパス室が、前記筒状部の上流側端部を前記回転軸の径方向に開口するバイパス室入口を有する請求項１又は請求項２に記載のタービン。
前記バイパス室が、前記回転軸の軸方向に開口するバイパス室出口を有する請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のタービン。
前記バイパス室出口が、前記回転軸を中心とした円環形状に形成され、
前記タービン室出口が、前記回転軸を中心とした円形状に形成され、
前記タービン室出口の径が、前記バイパス室出口の外径よりも大きい請求項４に記載のタービン。
請求項１〜請求項５の何れか１項に記載のタービンを備えるターボチャージャ。