JP6572195B2

JP6572195B2 - タービンユニット、ターボチャージャ

Info

Publication number: JP6572195B2
Application number: JP2016222651A
Authority: JP
Inventors: 実石野; 正和田畑; 寛之菅沼
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2016-11-15
Filing date: 2016-11-15
Publication date: 2019-09-04
Anticipated expiration: 2036-11-15
Also published as: JP2018080620A

Description

本発明は、タービンユニット、及びターボチャージャに関する。

特許文献１には、作動ガスをタービンケーシング内に形成された渦巻状のスクロールからスクロールの内側に位置するタービンロータのタービン動翼へと半径方向に流入させてタービン動翼に作用させた後、軸方向に流出させることによりタービンロータを回転駆動するように構成されたラジアルタービンのスクロール構造が記載されている。

特許第５０４７３６４号

ターボチャージャ用のタービンユニットは、回転するタービンロータと、タービンロータに流入する流体が流れるスクロール流路が形成されたハウジングとを備えている。このスクロール流路は、タービンロータの回転軸方向から見て、タービンロータの周りに形成されている。そして、このスクロール流路を流れる流体の圧力分布がばらつくと、タービン効率が低下してしまう。

本願発明の課題は、タービンロータに流入する流体であって、タービンロータの周りに形成されている流路を流れる流体の圧力分布のばらつきに起因して、タービン効率が低下するのを抑制することである。

本発明の請求項１に係るタービンユニットは、径方向の外側から流入する流体に押されて軸周りに回転するタービンロータと、前記タービンロータを内部に収容するハウジングであって、前記タービンロータに流入する流体が流れ、前記タービンロータの軸方向から見て、前記タービンロータの周りに円弧状に形成されているスクロール流路と、前記スクロール流路に流体を導く導入流路とが形成されている前記ハウジングと、を備え、前記スクロール流路において、流体の流れ方向の上流端と、前記流れ方向の下流端とが、前記タービンロータの周方向で離れており、前記導入流路には、前記スクロール流路を流れる流体が前記導入流路へ流れるように、前記スクロール流路の下流端が接続され、前記スクロール流路の上流端での第一流路断面の流路面積と、前記導入流路において前記スクロール流路の下流端が接続されている部位での第二流路断面の流路面積とが同等で、かつ、前記軸方向から見て、前記第一流路断面と前記第二流路断面とが平行であり、前記導入流路は、前記軸方向から見て、前記第一流路断面と前記第二流路断面との間では、図心が直線状になるように形成されており、流体の流れ方向から見て、前記第一流路断面の図心と、前記第二流路断面の図心とが重なっていることを特徴とする。

上記構成によると、導入流路は、スクロール流路の上流端に流体を導く。さらに、スクロール流路は、上流端からスクロール流路に流れ込んだ流体を下流端側に流す。そして、スクロール流路の下流端から導入流路に流れた流体と、導入流路によってスクロール流路の上流端に導かれる流体とが合流する。さらに、導入流路は、この合流した流体をスクロール流路の上流端に導く。

スクロール流路を流れる流体、及び導入流路を流れる流体は、径方向の外側からタービンロータに流入し、タービンロータを押す。タービンロータは、流体に押されることで、軸周りに回転する。

ここで、スクロール流路の上流端での第一流路断面の流路面積と、導入流路においてスクロール流路の下流端が接続されている部位での第二流路断面の流路面積とが同等である。

これにより、導入流路においてスクロール流路の下流端が接続されている部位で、流体の全圧が低くなるのが抑制される。このように流体の圧力分布のばらつきが抑制されることで、タービン効率が低下するのを抑制することができる。

換言すれば、タービンロータに流入する流体であって、タービンロータの周りに形成されている流路を流れる流体の圧力分布のばらつきに起因して、タービン効率が低下するのを抑制することができる。

本発明の請求項２に係るタービンユニットは、請求項１に記載のタービンユニットにおいて、前記軸方向から見て、前記第一流路断面の図心と前記タービンロータの回転中心とを通る直線に対して直交し、かつ、前記回転中心を通る直線を基準直線とし、前記基準直線から前記第二流路断面の図心までの距離は、前記基準直線から前記第一流路断面の図心までの距離と比して同等又は短いことを特徴とする。

上記構成によると、軸方向から見て、基準直線から第二流路断面の図心までの距離は、基準直線から第一流路断面の図心までの距離と比して同等又は短い。このため、導入流路によってスクロール流路の上流端に導かれた流体は、上流端からスクロール流路に流れ込み、スクロール流路を構成する壁面において、タービンロータの径方向の外側の部分に当たって、スクロール流路を流れる。

これにより、スクロール流路を流れる流体の圧力分布のばらつきが抑制される。そして、このようにスクロール流路を流れる流体の圧力分布のばらつきが抑制されることで、タービン効率が低下するのを効果的に抑制することができる。

換言すれば、タービンロータに流入する流体であって、スクロール流路を流れる流体の圧力分布のばらつきに起因して、タービン効率が低下するのを効果的に抑制することができる。

本発明の請求項３に係るターボチャージャは、エンジンから排出される流体としての排気ガスに押されて、回転するタービンロータを有する請求項１又は２に記載のタービンユニットと、前記タービンロータから回転力がインペラに伝達され、前記エンジンに供給する空気を圧縮する遠心圧縮機と、を備えたことを特徴とする。

上記構成によると、ターボチャージャでは、請求項１又は２に記載のタービンユニットを備えることで、効率よくタービンロータが回転し、圧縮空気をエンジンに効率よく供給することができる。

本発明によれば、タービンロータに流入する流体であって、タービンロータの周りに形成されている流路を流れる流体の圧力分布のばらつきに起因して、タービン効率が低下するのを抑制することができる。

本発明の実施形態に係るタービンユニットを示した拡大正面図である。本発明の実施形態に係るタービンユニットを示した正面図である。本発明の実施形態に係るタービンユニットを示した断面図である。（Ａ）（Ｂ）本発明の実施形態に係るタービンユニットの解析結果と、比較形態に係るタービンユニットの解析結果とを示した図面である。（Ａ）（Ｂ）本発明の実施形態に係るタービンユニットの解析結果と、比較形態に係るタービンユニットの解析結果とを示した図面である。本発明の実施形態に係るタービンユニットの実験結果と、比較形態に係るタービンユニットの実験結果とをグラフで示した図面である。本発明の実施形態に係るターボチャージャを示した構成図である。本発明の実施形態に対する比較形態に係るタービンユニットを示した拡大正面図である。本発明の実施形態に対する比較形態に係るタービンユニットを示した正面図である。（Ａ）（Ｂ）本発明の実施形態に対する変形例に係るタービンユニットのスクロール流路を示した断面図である。

本発明の第１実施形態に係るタービンユニット、及びターボチャージャの一例について図１〜図１０を用いて説明する。

（全体構成）
本実施形態に係るターボチャージャ１０は、図７に示されるように、タービンユニット２０、遠心圧縮機３０、及びタービンユニット２０と遠心圧縮機３０とを連結する連結ユニット４０を備えている。そして、タービンユニット２０は、自動車のエンジン（図示省略）の排気通路１２の途中に配置され、遠心圧縮機３０は、このエンジンの吸気通路１４の途中に配置されている。

タービンユニット２０は、ハウジング２４を備え、遠心圧縮機３０は、ハウジング５０を備え、連結ユニット４０は、ハウジング２４とハウジング５０とを連結するハウジング４４を備えている。

さらに、ターボチャージャ１０は、ハウジング２４、ハウジング４４、及びハウジング５０の内部を通る回転軸４２を備えている、そして、この回転軸４２の軸方向（図中矢印Ｅ方向：以下単に「軸方向」）の一端側（図中右側）から他端側（図中左側）へ、ハウジング２４、ハウジング４４、及びハウジング５０は、図示せぬ固定具を用いて互いに固定され、この順番で並んでいる。

〔遠心圧縮機〕
遠心圧縮機３０は、図７に示されるように、ハウジング５０と、インペラ３２とを備えている。ハウジング５０は、内部が空洞とされ、このハウジング５０の内部に、インペラ３２が配置されている。そして、インペラ３２は、回転軸４２の軸方向の他端側の部分に固定されている回転軸部３４と、回転軸部３４から延びる複数のインペラ翼３６とを有している。

また、ハウジング５０においてインペラ３２に対してインペラ３２の軸方向の外側（ハウジング４４側とは反対側）の部分には、吸気通路１４を流れる空気を、インペラ３２に導く流入流路５２が形成されている。さらに、ハウジング５０においてインペラ３２に対して回転軸４２の径方向（図中矢印Ｄ方向：以下単に「径方向」）の外側の部分には、空気をハウジング５０の外部に流出させて吸気通路１４に排出させる渦巻き状の渦巻き流路５４（所謂スクロール流路）が形成されている。

〔連結ユニット〕
連結ユニット４０は、図７に示されるように、ハウジング４４を備えている。そして、このハウジング４４は、回転軸４２を回転可能に支持する支持部４４Ａを有している。

さらに、ハウジング４４は、循環しながら支持部４４Ａへ供給されるエンジンオイルを、ハウジング４４の内部に流入させる流入口（図示省略）と、エンジンオイルをハウジング４４の内部から排出させる排出口（図示省略）とを有している。

この構成において、ハウジング４４の内部へ流入したエンジンオイルは、支持部４４Ａに供給され、回転軸４２が滑らかに回転するようになっている。

〔タービンユニット〕
タービンユニット２０は、図７に示されるように、ハウジング２４と、タービンロータ２２とを備えている。ハウジング２４は、内部が空洞とされ、このハウジング２４の内部に、タービンロータ２２が配置されている。そして、タービンロータ２２は、回転軸４２の軸方向の一端側の部分に接合されているロータハブ２８と、ロータハブ２８から延びる複数のタービン翼２６とを有している。

また、ハウジング２４において、タービンロータ２２に対して径方向の外側（回転軸４２側とは反対側）の部分には、排気通路１２を流れる流体の一例としての排気ガスをハウジング２４の内部へ流入させるスクロール流路５６が形成されている。さらに、ハウジング２４においてタービンロータ２２に対して軸方向の外側（ハウジング４４側とは反対側）の部分には、排気ガスをハウジング２４の外部に流出させて排気通路１２に排出させる排出流路５８が形成されている。

なお、タービンユニット２０の構成については、詳細を後述する。

（全体構成の作用）
次に、ターボチャージャ１０の作用について説明する。

スクロール流路５６からハウジング２４の内部へ流入した排気ガスによってタービン翼２６が押されることで、タービンロータ２２は、回転する。タービンロータ２２の回転力は、回転軸４２を介してインペラ３２に伝達される。なお、ハウジング２４の内部でタービンロータ２２を回転させた排気ガスは、排出流路５８から排気通路１２に排出される。

インペラ３２は、回転軸４２を介してタービンロータ２２の回転力が伝達されることで回転する。そして、回転するインペラ３２は、流入流路５２によって、吸気通路１４から導かれた空気を圧縮する。また、回転するインペラ３２は、圧縮した空気を径方向の外側に流す。さらに、径方向の外側に流された圧縮空気は、渦巻き流路５４を流れて吸気通路１４に排出される。渦巻き流路５４から排出された圧縮空気は、燃焼用の圧縮空気としてエンジンに供給される。

（要部構成）
次に、タービンユニット２０について説明する。
タービンユニット２０は、図３に示されるように、タービンロータ２２と、内部にタービンロータ２２が収容されているハウジング２４とを備えている。

〔タービンロータ〕
タービンロータ２２は、前述したように、回転軸４２の軸方向の一端側の部分に接合されているロータハブ２８と、ロータハブ２８から延出する複数のタービン翼２６とを有している。

ロータハブ２８は、軸方向の外側（ハウジング４４側とは反対側：図中右側）に向かうに従って徐々に細くなっている。また、夫々のタービン翼２６は、図２に示されるように、軸方向から見て、ロータハブ２８から湾曲しながら径方向の外側へ延出している。そして、夫々のタービン翼２６は、図３に示されるように、軸方向の外側の部分で径方向へ延びる先端縁２６Ａと、先端縁２６Ａの径方向の外側の端部から、湾曲しながら軸方向の内側（ハウジング４４側：図中左側）に延びる湾曲縁２６Ｂとを有している。さらに、夫々のタービン翼２６は、湾曲縁２６Ｂの端部から、軸方向に延びる基端縁２６Ｃを有している。

この構成において、径方向の外側からタービン翼２６の基端縁２６Ｃを通ってタービンロータ２２に流入する排気ガスによってタービン翼２６が押され、タービンロータ２２は、回転軸４２周りに回転するようになっている。そして、回転するタービンロータ２２は、タービン翼２６を押した排気ガスを、タービン翼２６の先端縁２６Ａから軸方向の外側に流出させるようになっている。

〔ハウジング〕
ハウジング２４は、図２に示されるように、軸方向から見て、タービンロータ２２の周りに形成されているスクロール流路５６と、スクロール流路５６に排気ガスを導く導入流路６２とを有している。さらに、ハウジング２４は、図３に示されるように、スクロール流路５６を流れる排気ガスをタービンロータ２２側に流す増速流路６４（所謂ノズル流路）と、タービン翼２６の先端縁２６Ａから軸方向の外側に流出された排気ガスを流す排出流路５８とを有している。

スクロール流路５６は、図２に示されるように、軸方向から見て、タービンロータ２２の周りに円弧状に形成され、タービンロータ２２に流入する排気ガスを流すようになっている。このスクロール流路５６の流路断面は、円形状とされている（図３参照）。さらに、スクロール流路５６の流路面積は、排気ガスが流れる流れ方向（以下「ガス流れ方向」図中矢印参照）において上流側から下流側に、徐々に小さくなっている。そして、スクロール流路５６のガス流れ方向の上流端５６Ａと、ガス流れ方向の下流端５６Ｂとはタービンロータ２２の周方向で離れている。

なお、スクロール流路５６の上流端５６Ａの位置、及び上流端５６Ａでのスクロール流路５６の断面（以下「第一流路断面８０」）等については、詳細を後述する。

導入流路６２は、軸方向から見て、スクロール流路５６の上流端５６Ａと排気通路１２との間で、図心が直線状になるように形成され、排気通路１２からスクロール流路５６の上流端５６Ａに排気ガスを導くようになっている。この導入流路６２の流路断面は、円形状とされている。さらに、ガス流れ方向において、導入流路６２の中間部位には、スクロール流路５６の下流端５６Ｂが接続されている。

スクロール流路５６の下流端５６Ｂには、図１に示されるように、導入流路６２を構成する壁面と、スクロール流路５６を構成する壁面とを繋ぐ舌部６６が形成されている。舌部６６は、軸方向から見て、ガス流れ方向の下流側に凸となる円弧状とされている。

そして、ガス流れ方向において、スクロール流路５６の下流端５６Ｂには、導入流路６２の一部を構成する合流部６０が形成されている。この合流部６０は、スクロール流路５６の下流端５６Ｂから導入流路６２に流れた排気ガスと、導入流路６２によって排気通路１２からスクロール流路５６の上流端５６Ａに導かれる排気ガスとが合流する領域である。

なお、導入流路６２においてスクロール流路５６の下流端５６Ｂが接続されている部位（導入流路６２において舌部６６と接している部位）での断面（以下「第二流路断面８２」）等については、詳細を後述する。

増速流路６４は、図２に示されるように、軸方向から見て、タービンロータ２２を囲むように形成されている。そして、増速流路６４は、導入流路６２の一部及びスクロール流路５６を流れる排気ガスを、タービン翼２６の基端縁２６Ｃからタービンロータ２２に流入させるようになっている。

この増速流路６４の軸方向の流路幅は、図３に示されるように、スクロール流路５６の直径よりも狭くなっている。

排出流路５８は、図３に示されるように、タービンロータ２２に対して軸方向の外側に形成され、タービン翼２６の先端縁２６Ａから流出した排気ガスを排気通路１２に向けて流すようになっている。また、軸方向から見て、排出流路５８の流路断面は、タービンロータ２２を回転させることで、タービン翼２６の先端縁２６Ａが描く円より大きくされている。

以下、導入流路６２の第二流路断面８２の位置、第二流路断面８２の断面形状等、及びスクロール流路５６の第一流路断面８０の位置、第一流路断面８０の断面形状等について説明する。

先ず、導入流路６２の第二流路断面８２の位置について説明する。第二流路断面８２は、図１に示されるように、導入流路６２においてスクロール流路５６の下流端５６Ｂが接続されている部位での流路断面である。

第二流路断面８２を得るために、導入流路６２を切断する切断面７０は、軸方向から見て、円弧状の舌部６６の導入流路６２側のＲ止まり６６Ａ（円弧端）を通り、タービンロータ２２の回転中心線Ｃ１に平行な面である。さらに、切断面７０で導入流路６２を切断した場合の導入流路６２の流路面積が、前述した条件を満たした他の面で導入流路６２を切断した場合の導入流路６２の流路面積と比して、最も小さくなるように、切断面７０が決めされている。

そして、第二流路断面８２の流路面積は、Ｓ２（以下「流路面積Ｓ２」）とされ、第二流路断面８２の流路の図心は、Ｇ２（以下「図心Ｇ２」）とする。

次に、スクロール流路５６の第一流路断面８０の位置について説明する。前述したように、第一流路断面８０は、スクロール流路５６の上流端５６Ａでの流路断面である。

第一流路断面８０を得るために、第一流路断面８０を上流端５６Ａで切断する切断面７２は、第二流路断面８２を得るための切断面７０に平行で、かつ、タービンロータ２２の回転中心線Ｃ１を通る面である。換言すると、切断面７２とスクロール流路５６とが交差する位置が、スクロール流路５６の上流端５６Ａである。

そして、第一流路断面８０の流路面積は、Ｓ１（以下「流路面積Ｓ１」）とされ、第一流路断面８０の流路の図心は、Ｇ１（以下「図心Ｇ１」）とする。

本実施形態では、スクロール流路５６の上流端５６Ａでの第一流路断面８０の流路面積Ｓ１と、導入流路６２においてスクロール流路５６の下流端５６Ｂが接続されている部位での第二流路断面８２の流路面積Ｓ２とが同等とされている。ここで、同等とは、流路断面Ｓ１を１とした場合に、流路断面Ｓ２が、１以上１．１以下の範囲内にあることである。

さらに、軸方向から見て、第一流路断面８０の図心Ｇ１とタービンロータ２２の回転中心線Ｃ１とを通る直線Ｌ１に対して直交し、かつ、回転中心線Ｃ１を通る直線を基準直線Ｌ２とする。基準直線Ｌ２から第二流路断面８２の図心Ｇ２までの距離Ｄ２は、基準直線Ｌ２から第一流路断面８０の図心Ｇ１までの距離Ｄ１と比して、同一又は短くされている。

また、軸方向から見て、第二流路断面８２の図心Ｇ２とタービンロータ２２の回転中心線Ｃ１とを通る直線Ｌ３と、直線Ｌ１との成す角度Ｋ１は、１０°以上４５°以下とされている。

（作用）
次に、タービンユニット２０の作用について、比較形態に係るタービンユニット１２０と比較しつつ説明する。先ず、タービンユニット１２０の構成について、タービンユニット２０と異なる点を主に説明する。

〔比較形態に係るタービンユニット〕
タービンユニット１２０のスクロール流路１５６は、図９に示されるように、軸方向から見て、タービンロータ２２の周りに円弧状に形成され、タービンロータ２２に流入する排気ガスを流すようになっている。このスクロール流路１５６の流路断面は、円形状とされている。さらに、スクロール流路１５６の流路面積は、ガス流れ方向（図中矢印参照）において、上流側から下流側に徐々に小さくなっている。そして、スクロール流路１５６のガス流れ方向の上流端１５６Ａと、後述する舌部１６６の先端とは、タービンロータ２２の周方向で離れておらず、一致している。

なお、スクロール流路１５６の上流端１５６Ａの位置、及びこの上流端１５６Ａでのスクロール流路１５６の断面（以下「第三流路断面１８０」）等については、詳細を後述する。

タービンユニット１２０の導入流路１６２は、軸方向から見て、スクロール流路１５６の上流端１５６Ａと排気通路１２との間で、図心が直線状になるように形成されている。そして、導入流路１６２は、排気通路１２からスクロール流路１５６の上流端１５６Ａに、排気ガスを導くようになっている。この導入流路１６２の流路断面は、円形状とされている。さらに、導入流路１６２は、スクロール流路１５６の下流端１５６Ｂに接続されていない。

また、スクロール流路１５６の下流端１５６Ｂには、図８に示されるように、導入流路１６２を構成する壁面と、スクロール流路１５６を構成する壁面とを繋ぐ舌部１６６が形成されている。舌部１６６は、軸方向から見て、排気ガスの流れ方向の下流側に凸となる円弧状とされている。

そして、ガス流れ方向において、スクロール流路１５６の下流端１５６Ｂには、導入流路１６２の一部を構成する合流部１６０が形成されている。この合流部１６０は、スクロール流路１５６の下流端１５６Ｂからスクロール流路１５６に流れた排気ガスと、導入流路１６２によってスクロール流路１５６の上流端１５６Ａからスクロール流路１５６に流れ込んだ排気ガスとが合流する領域である。

以下、導入流路１６２において舌部１６６が形成されている部位での流路断面（以下「第四流路断面１８２」）の位置、第四流路断面１８２の断面形状等、及びスクロール流路１５６の第三流路断面１８０の位置、第三流路断面１８０の断面形状等について説明する。

先ず、導入流路１６２の第四流路断面１８２の位置について説明する。第四流路断面１８２を得るために、導入流路１６２を切断する切断面１７０は、図８に示されるように、軸方向から見て、円弧状の舌部１６６の導入流路１６２側のＲ止まり１６６Ａ（円弧端）を通り、タービンロータ２２の回転中心線Ｃ１に平行な面である。さらに、切断面１７０で導入流路１６２を切断した場合の導入流路１６２の流路面積が、前述した条件を満たした他の面で導入流路１６２を切断した場合の導入流路１６２の流路面積と比して、最も小さくなるように、切断面１７０が決めされている。

そして、第四流路断面１８２の流路面積は、Ｓ４（以下「流路面積Ｓ４」）とされ、第四流路断面１８２の流路の図心は、Ｇ４（以下「図心Ｇ４」）とする。

次に、スクロール流路１５６の第三流路断面１８０の位置について説明する。前述したように、第三流路断面１８０は、スクロール流路１５６の上流端１５６Ａでの流路断面である。

第三流路断面１８０を得るために、第三流路断面１８０を上流端１５６Ａで切断する切断面１７２は、第四流路断面１８２を求めるための切断面１７０に平行で、かつ、タービンロータ２２の回転中心線Ｃ１を通る面である。換言すると、切断面１７２とスクロール流路１５６とが交差する位置が、スクロール流路１５６の上流端１５６Ａである。

また、第三流路断面１８０の流路面積は、Ｓ３（以下「流路面積Ｓ３」）とされ、第三流路断面１８０の図形の図心は、Ｇ３（以下「図心Ｇ３」）とする。

そして、比較形態に係るタービンユニット１２０では、スクロール流路１５６における第三流路断面１８０の流路面積Ｓ３は、導入流路１６２における第四流路断面１８２の流路面積Ｓ４と比して大きくされている。

さらに、軸方向から見て、第三流路断面１８０の図心Ｇ３とタービンロータ２２の回転中心線Ｃ１とを通る直線Ｌ４に対して直交し、かつ、回転中心線Ｃ１を通る直線を基準直線Ｌ５とする。そうすると、基準直線Ｌ５から第四流路断面１８２の図心Ｇ４までの距離Ｄ４は、基準直線Ｌ５から第三流路断面１８０の図心Ｇ３までの距離Ｄ３と比して、長くされている。

また、軸方向から見て、第四流路断面１８２の図心Ｇ４とタービンロータ２２の回転中心線Ｃ１とを通る直線Ｌ６と、直線Ｌ４との成す角度Ｋ２は、１０°未満とされている。

〔タービンユニットの作用〕
タービンユニット２０の導入流路６２は、図２に示されるように、排気通路１２を流れている排気ガスをスクロール流路５６の上流端５６Ａに導く。さらに、スクロール流路５６は、上流端５６Ａからスクロール流路５６に流れ込んだ排気ガスを下流端５６Ｂに向けて流す。

ここで、タービンユニット２０では、スクロール流路５６の下流端５６Ｂから導入流路６２に流れた排気ガスは、合流部６０で、導入流路６２によって排気通路１２からスクロール流路５６の上流端５６Ａに導かれる排気ガスと合流する。

さらに、タービンロータ２２を囲むように形成されている増速流路６４は、導入流路６２の一部及びスクロール流路５６を流れる排気ガスを、増速し、タービン翼２６の基端縁２６Ｃからタービンロータ２２に流入させる（図３参照）。

一方、タービンユニット１２０では、図９に示されるように、スクロール流路１５６の下流端１５６Ｂからスクロール流路１５６に流れた排気ガスは、合流部１６０で、導入流路１６２によって上流端１５６Ａからスクロール流路１５６に流れ込んだ排気ガスと合流する。

さらに、タービンロータ２２を囲むように形成されている増速流路６４は、スクロール流路１５６を流れる排気ガスを、増速し、タービン翼２６の基端縁２６Ｃからタービンロータ２２に流入させる。

タービンロータ２２は、基端縁２６Ｃから流入した排気ガスによって押されて回転する。そして、タービンロータ２２を押した排気ガスは、図３に示されるように、タービン翼２６の先端縁２６Ａから流出し、排出流路５８を流れて排気通路１２に排出される。

次に、本実施形態のタービンユニット２０を用いた解析結果、及び実験結果と、比較形態のタービンユニット１２０を用いた解析結果、及び実験結果とについて説明する。

先ず、解析について説明する。タービンユニット２０を用いた場合と、タービンユニット１２０を用いた場合とでＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ）解析を行った。具体的には、スクロール流路５６、１５６の下流端５６Ｂ、１５６Ｂの近傍を流れる排気ガスの全圧についてＣＦＤ解析を行った。この部分に着目したのは、排気ガスが合流する合流部６０、１６０で、圧力分布がばらついてしまうことが考えられるからである。

図４（Ａ）には、タービンユニット２０を用いた場合の解析結果が示され、図４（Ｂ）には、タービンユニット１２０を用いた場合の解析結果が示されている。ドット（模様）を分けることで、排気ガスの全圧の高低を示している。ドットの密度が高い程、排気ガスの全圧が高くなり、ドットの密度が低い程、排気ガスの全圧が低くなっている。

図４（Ｂ）に示す、タービンユニット１２０において全圧が最も低くなる部分（図中範囲Ｈ２）は、図４（Ａ）に示す、タービンユニット２０において、流れの剥離損失によって全圧が最も低くなる部分（図中範囲Ｈ１）と比して、大きくなっている（図５（Ａ）（Ｂ）参照）。換言すれば、タービンユニット２０において全圧が最も低くなる部分は、タービンユニット１２０において全圧が最も低くなる部分と比して、小さくなっている。

この理由としては、タービンユニット２０では、図１に示されるように、スクロール流路５６の上流端５６Ａでの第一流路断面８０の流路面積Ｓ１と、導入流路６２において舌部６６が形成されている部位での第二流路断面８２の流路面積Ｓ２とが同等とされている。これに対して、タービンユニット１２０では、図８に示されるように、スクロール流路１５６の上流端１５６Ａでの第三流路断面１８０の流路面積Ｓ３は、導入流路１６２において舌部１６６が形成されている部位での第四流路断面１８２の流路面積Ｓ４と比して大きくされているからである。このため、前述したように、タービンユニット１２０において全圧が最も低くなる部分（図中範囲Ｈ２）は、タービンユニット２０において全圧が最も低くなる部分（図中範囲Ｈ１）と比して、大きくなると考える。

次に、実験について説明する。タービンユニット２０を用いた場合と、タービンユニット１２０を用いた場合とで、タービンユニット２０、１２０内を流れる排気ガスの流量と、タービン効率との関係を実験により求めた。

図６に示すグラフの縦軸は、タービン効率で、グラフの横軸は、排気ガスの流量である。グラフ中の実線が、タービンユニット２０を用いた場合の実験結果で、グラフ中の破線が、タービンユニット１２０を用いた場合の実験結果である。なお、排気ガスの流量については、タービンユニット２０、１２０を使用する上で、想定されている下限から上限までの流量について実験を行った。また、

図６に示すグラフで分かるように、全ての流量で、タービンユニット２０のタービン効率が、タービンユニット１２０のタービン効率と比して高くなっている。

（まとめ）
タービンユニット２０では、スクロール流路５６の第一流路断面８０の流路面積と、導入流路６２の第二流路断面８２の流路面積とが同等とされている。このため、前述した解析結果から分かるように、タービンユニット２０において全圧が最も低くなる部分は、タービンユニット１２０において全圧が最も低くなる部分と比して、小さくなる。

つまり、タービンユニット２０を用いた場合は、タービンユニット１２０を用いた場合と比して、タービンロータ２２の周りに形成された流路を流れる排気ガスの圧力分布のばらつきが小さくなる。

また、前述した解析結果から分かるように、全ての流量で、タービンユニット２０のタービン効率が、タービンユニット１２０のタービン効率と比して高い。

以上より、タービンユニット２０では、タービンユニット１２０を用いる場合と比して、タービンロータ２２の周りに形成された流路を流れる排気ガスの全圧分布のばらつきに起因して、タービン効率が低下するのを抑制することができる。

また、タービンユニット２０では、図１に示されるように、基準直線Ｌ２から第二流路断面８２の図心Ｇ２までの距離Ｄ２は、基準直線Ｌ２から第一流路断面８０の図心Ｇ１までの距離Ｄ１と比して、同等又は短い。このため、導入流路６２によってスクロール流路５６の上流端５６Ａを通過した排気ガスは、下流端５６Ｂから流入するガスで内周側が支えられるため、図心Ｇ２から図心Ｇ１に向かうように、図中矢印Ｆ１方向に流れ、上流端５６Ａからスクロール流路５６に流れ込み、スクロール流路５６を構成する壁面において、径方向の外側の部分に当たって、下流端５６Ｂに向けて流れる。

これに対して、タービンユニット１２０では、図８に示されるように、基準直線Ｌ５から第四流路断面１８２の図心Ｇ４までの距離Ｄ４は、基準直線Ｌ５から第三流路断面１８０の図心Ｇ３までの距離Ｄ３と比して、長い。このため、導入流路１６２によってスクロール流路１５６に導かれた排気ガスは、図心Ｇ４から図心Ｇ３に向かうように、図中矢印Ｆ２方向に流れる。これによって、タービンユニット１２０では、スクロール流路１５６を構成する壁面において、径方向の外側の部分に当たる排気ガスの量が、タービンユニット２０を用いる場合と比して少なくなる。また、Ｆ２方向に急にガスの流れは変わらないため、下流端１５６Ｂを通過したガスが外周側に引き出される。

換言すれば、タービンユニット２０では、スクロール流路５６を構成する壁面において、径方向の外側の部分に当たる排気ガスの量が、タービンユニット１２０を用いる場合と比して多くなり、また、下流端５６Ｂを通過したガスの流れもスムーズとなる。これにより、タービンユニット２０では、タービンユニット１２０を用いる場合と比して、スクロール流路５６内を流れる排気ガスの全圧分布がばらついてしまうのが抑制される。

以上より、タービンユニット２０では、タービンユニット１２０を用いる場合と比して、タービンロータ２２の周りに形成されたスクロール流路５６を流れる排気ガスの全圧分布のばらつきに起因して、タービン効率が低下するのを効果的に抑制することができる。

また、タービンユニット２０の導入流路６２は、軸方向から見て、図心が直線状になるように形成されている。このため、導入流路が軸方向から見て、湾曲状に形成されている場合と比して、導入流路６２を流れる排気ガスの圧力損失を低減することができる。

また、ターボチャージャ１０においては、タービンユニット２０を備えることで、タービンユニット１２０を備える場合と比して、効率よくタービンロータが回転し、圧縮空気をエンジンに効率よく供給することができる。

なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態をとることが可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では、タービンロータ２２を押す流体は、排気ガスであったが、例えば、蒸気や水等であってもよい。

また、上記実施形態では、スクロール流路５６の第一流路断面８０の流路面積Ｓ１と、導入流路６２の第二流路断面８２の流路面積Ｓ２とが同等とされたが、同一であってもよい。同一とすることで、同一ではない場合と比して、導入流路６２を流れる排気ガスの圧力損失を低減することができる。

また、上記実施形態では、スクロール流路５６の断面は、円形状とされたが、図１０（Ａ）（Ｂ）に示されるように、円形状とは異なる形状であってもよい。

また、増速流路が短い場合（例えば、増速流路の幅よりも、増速流路の半径方向の長さが短い）には、全圧分布の偏りが緩和されずにタービン翼２６の基端縁２６Ｃに到達するため、増速流路が短い場合においては効率低下が顕著となる。このような場合には、流路断面Ｓ１’としてスクロールに加えてタービン翼２６の基端縁２６Ｃの外周側の増速流路６４を加えた面積を用いて算出し、このＳ１’に対してＳ２の断面積を１から１．１倍の範囲で設定することが望ましい。この場合の面積を算出する断面は、前述のＳ１の面積を算出した断面と同一でよい。

１０ターボチャージャ
２０タービンユニット
２２タービンロータ
２４ハウジング
３０遠心圧縮機
３２インペラ
５６スクロール流路
５６Ａ上流端
５６Ｂ下流端
６２導入流路
８０第一流路断面
８２第二流路断面

Claims

径方向の外側から流入する流体に押されて軸周りに回転するタービンロータと、
前記タービンロータを内部に収容するハウジングであって、前記タービンロータに流入する流体が流れ、前記タービンロータの軸方向から見て、前記タービンロータの周りに円弧状に形成されているスクロール流路と、前記スクロール流路に流体を導く導入流路とが形成されている前記ハウジングと、を備え、
前記スクロール流路において、流体の流れ方向の上流端と、前記流れ方向の下流端とが、前記タービンロータの周方向で離れており、
前記導入流路には、前記スクロール流路を流れる流体が前記導入流路へ流れるように、前記スクロール流路の下流端が接続され、
前記スクロール流路の上流端での第一流路断面の流路面積と、前記導入流路において前記スクロール流路の下流端が接続されている部位での第二流路断面の流路面積とが同等で、かつ、前記軸方向から見て、前記第一流路断面と前記第二流路断面とが平行であり、
前記導入流路は、前記軸方向から見て、前記第一流路断面と前記第二流路断面との間では、図心が直線状になるように形成されており、
流体の流れ方向から見て、前記第一流路断面の図心と、前記第二流路断面の図心とが重なっているタービンユニット。
前記軸方向から見て、前記第一流路断面の図心と前記タービンロータの回転中心とを通る直線に対して直交し、かつ、前記回転中心を通る直線を基準直線とし、前記基準直線から前記第二流路断面の図心までの距離は、前記基準直線から前記第一流路断面の図心までの距離と比して同等又は短い請求項１に記載のタービンユニット。
エンジンから排出される流体としての排気ガスに押されて、回転するタービンロータを有する請求項１又は２に記載のタービンユニットと、
前記タービンロータから回転力がインペラに伝達され、前記エンジンに供給する空気を圧縮する遠心圧縮機と、
を備えたターボチャージャ。