JP6889750B2 - タービン用のディフューザダクト及びタービン - Google Patents

Description

本開示は、タービン用の排気ダクト及びタービンに関する。

過給機に用いられるタービンでは、排気ガスのエネルギを有効に利用するためには、タービンから排出される排気ガスが流れる排気ダクトにおける損失をできるだけ小さくし、効率的に圧力回復させることが望ましい。
そのため、従来のタービンでは、排気ダクトにおいて下流側に向かうにつれて流路断面積が増加するような形状とすることで、圧力回復を大きくすることも行われることがある。
しかし、車両等に搭載される過給機では、過給機や排気ダクトの配置に対する制約から、タービンの近くで排気ダクトを比較的大きな角度で曲げなくてはならない場合もある（例えば特許文献１参照）。

特開平４−３２１７２１号公報

例えば、近年のディーゼルエンジンに対する排ガス規制の強化による排気装置等の増加や排気再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムの導入等のように、限られたスペースに収容すべき機器が増加する等して、過給機や排気ダクトの配置に対する制約が益々厳しくなる傾向にある。そのため、タービンの近くで排気ダクトをより大きな角度で曲げなくてはならない場合も考えられる。

タービン出口の近くで排気ダクトが比較的大きな角度で曲がっている場合、遠心力によって排気ダクトの曲がり部の内側から排気ガスの流れが剥離して、曲がり部の内側の領域で排気ガスが逆流する現象が生じる場合がある。このような現象が生じると、実質的に有効となる流路断面積が減少してしまうため、排気損失が増加するとともに、十分な圧力回復がなされなくなってしまう。そのため、上述したような、曲がり部の内側からの排気ガスの流れの剥離を抑制することが望まれている。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、タービン用の排気ダクトにおいて曲がり部の内側からの排気ガスの流れの剥離を抑制することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るタービン用の排気ダクトは、
タービンから排出される流体が流通可能な排気ダクトであって、
入口部と、
出口部と、
前記入口部と前記出口部との間に位置する流体の流路の曲がり部と、
を備え、
前記曲がり部は、前記曲がり部における前記排気ダクトの中心線の各々の流れ方向位置における曲率半径に沿った第１方向の寸法が下流側に向かうにつれて減少する流路高さ減少領域を含む。

上記（１）の構成において、上記第１方向は曲がり部における排気ダクトの中心線の曲率半径に沿った方向である。したがって、曲がり部の壁面のうち、上記第１方向に沿って離間して互いに対向する一方の壁面（内側壁面とも呼ぶ）と他方の壁面（外側壁面とも呼ぶ）とは、内側壁面が上記中心線に対して上記曲率半径に関する内側に位置し、外側壁面が上記中心線に対して上記曲率半径に関する外側に位置することとなる。
したがって、上記（１）の構成によれば、流路高さ減少領域において上記第１方向の寸法が下流側に向かうにつれて減少するので、下流側に向かうにつれて内側壁面と外側壁面とが接近する。そのため、曲がり部において内側壁面からの排気ガスの流れの剥離が起こり難くなる。したがって、上記（１）の構成によれば、曲がり部の内側からの排気ガスの流れの剥離を抑制でき、実質的に有効となる流路断面積の減少を抑制できるので、排気ダクトにおける排気損失の増加を抑制できるとともに、圧力回復を大きくすることができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記曲がり部は、各々の前記流れ方向位置における前記第１方向の寸法が前記下流側に向かうにつれて増加する流路高さ増加領域を含む。

流路高さ増加領域では、上述した流路高さ減少領域とは逆に下流側に向かうにつれて内側壁面と外側壁面とが離間する。例えば下流側に向かって流路断面積が増加する領域において、上記（１）の構成における流路高さ減少領域が存在する場合、下流側に向かうにつれて第１方向の寸法は小さくなるが、第１方向に直交する方向の寸法は大きくなる傾向にある。そのため、例えば下流側に向かって流路断面積が増加する領域において、上述した流路高さ減少領域が存在する場合、下流側に向かうにつれて、第１方向の寸法が第１方向に直交する方向の寸法に対して相対的に小さくなるような流路断面の扁平化が進行する。
これに対し、上記（２）の構成によれば、曲がり部に流路高さ増加領域を含めることで、例えば下流側に向かって流路断面積が増加する領域において、下流側に向かうにつれて上述したような流路断面の偏平化が進行することを抑制できる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、
前記曲がり部は、壁面のうち前記排気ダクトの前記中心線についての前記曲率半径の曲率中心に近い方の内側壁面に前記流路高さ減少領域と前記流路高さ増加領域とに跨って突出部が設けられており、
前記突出部は、前記出口部における前記排気ダクトの前記中心線を上流側に延長した直線との距離が極小となる部位を含む。

上記（３）の構成によれば、突出部を設けることで、流路断面積を縮小させることができ、曲がり部における排気ガスの流速を局所的に増加させることができ、内側壁面近傍の静圧を低下させることができる。これにより、曲がり部の外側に偏った排気ガスの流れを曲がり部の内側に向かわせる効果が生じるので、曲がり部の内側からの排気ガスの流れの剥離を抑制できる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、前記突出部は、仮想的に前記突出部を除いた前記内側壁面の曲率半径よりも小さな曲率半径となる曲面を有する。

上記（４）の構成によれば、曲がり部における突出部よりも上流側及び下流側の内側壁面よりも突出部が排気ダクトの中心線側に向かって突出することとなる。これにより、突出部による流路断面積を縮小させる領域が局所的となり、排気ダクトの損失増加を抑制できる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、
前記曲がり部は、流路断面積が前記下流側に向かうにつれて減少する流路断面積減少領域を含み、
前記流路高さ減少領域は、重複領域において少なくとも部分的に前記流路断面積減少領域と重複する。

上述したように、流路高さ減少領域を設けることにより、排気ガスの流れの剥離を抑制することができる。また、流路断面積減少領域では、流路断面積の減少により排気ガスの流速が増加するので静圧が低下する。したがって、上記（５）の構成によれば、重複領域では、上述した流路高さ減少領域を設けることによる効果と、流路断面積減少領域を設けることによる効果とが相乗的に作用するので、曲がり部の内側からの排気ガスの流れの剥離をさらに抑制できる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、前記流路断面積減少領域は、少なくとも前記重複領域において、各々の前記流れ方向位置における前記第１方向の寸法が前記第１方向と直交する第２方向の寸法よりも小さい。

上記（６）の構成によれば、少なくとも重複領域において、第１方向の寸法が第２方向の寸法よりも大きい場合と比べて、第１方向の寸法を小さくできる。したがって、上記（６）の構成によれば、少なくとも重複領域において、内側壁面と外側壁面とを接近させることができ、内側壁面からの排気ガスの流れの剥離が起こり難くなる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、前記流路断面積減少領域は、少なくとも前記重複領域において、流路断面が前記第１方向を短軸とし、前記第２方向を長軸とする楕円形状を有する。

例えば矩形断面の流路における角部のように、異なる角度で２つの壁面が交差する部分が存在すると、この角部の近傍では、２つの壁面の影響を受けて流体の流速が低下する。そのため、実質的に有効となる流路断面積が減少してしまう。
これに対して、上記（７）の構成によれば、少なくとも重複領域において、壁面が楕円形状となるように流路の周方向に沿って滑らかに形成されるので、例えば矩形断面の流路における角部のように、異なる角度で２つの壁面が交差する部分がなく、実質的に有効となる流路断面積が減少してしまうおそれが少ない。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかの構成において、前記流路高さ減少領域は、前記入口部における前記排気ダクトの前記中心線を前記下流側に延長した直線と前記曲がり部における前記排気ダクトの前記中心線についての接線とのなす角度が３０度以上となる領域に存在する。

発明者らが鋭意検討した結果、入口部における排気ダクトの中心線を下流側に延長した直線と曲がり部における排気ダクトの中心線についての接線とのなす角度が３０度以上となる領域に流路高さ減少領域を設けることで、曲がり部の内側からの排気ガスの流れの剥離を効果的に抑制できることが判明した。
上記（８）の構成によれば、該角度が３０度以上となる領域に流路高さ減少領域を設けたので、曲がり部の内側からの排気ガスの流れの剥離を効果的に抑制できる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の何れかの構成において、前記曲がり部は、前記曲がり部の上流側端部における前記排気ダクトの前記中心線と前記曲がり部の下流側端部における前記排気ダクトの中心線とのなす角度が３０度を超えている。

発明者らが鋭意検討した結果、曲がり部の上流側端部における排気ダクトの中心線と曲がり部の下流側端部における排気ダクトの中心線とのなす角度が３０度を超えると、内側壁面からの排気ガスの流れの剥離が起こり易くなることが判明した。
上記（９）の構成によれば、曲がり部における該角度が３０度を超えるため内側壁面からの排気ガスの流れの剥離が起こり易くなるところ、上記（１）の構成を備えるので、曲がり部の内側からの排気ガスの流れの剥離を抑制できる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（９）の何れかの構成において、前記曲がり部は、壁面のうち前記排気ダクトの前記中心線についての前記曲率半径の曲率中心から遠い方の外側壁面と前記出口部における前記排気ダクトの中心線を上流側に延長した直線との距離が前記下流側に向かうにつれて増加するように形成されている。

上記（１０）の構成によれば、外側壁面と出口部における排気ダクトの中心線を上流側に延長した直線との距離が下流側に向かうにつれて減少するような区間が存在する場合と比べて、排気ダクトの損失を抑制できる。

（１１）本発明の少なくとも一実施形態に係るタービン用の排気ダクトは、
タービンから排出される流体が流通可能な排気ダクトであって、
入口部と、
出口部と、
前記入口部と前記出口部との間に位置する曲がり部と、
を備え、
前記曲がり部は、下流側に向かって流れ方向位置が微小変化したときの各々の前記流れ方向位置における曲率半径に沿った第１方向の寸法の変化率が、前記流れ方向位置が微小変化したときの各々の前記流れ方向位置における流路断面積の平方根の変化率よりも小さい領域を有する。

該領域では、上述したように、下流側に向かって流れ方向位置が微小変化したときの第１方向の寸法の変化率が、流れ方向位置が微小変化したときの各々の流れ方向位置における流路断面積の平方根の変化率よりも小さい。そのため、下流側に向かうにつれて流路断面積が漸増する場合、流路断面の寸法のうち、第１方向の寸法の増加割合は、第１方向に直交する方向の寸法の増加割合よりも小さくなる。すなわち、下流側に向かうにつれて流路断面積が漸増する場合、該領域では、下流側に向かうにつれて、第１方向の寸法が第１方向に直交する方向の寸法に対して相対的に小さくなるように流路断面の扁平化が進行する。
上記（１）の構成において述べたように、上記（１１）の構成においても、上記第１方向は曲がり部における排気ダクトの中心線の曲率半径に沿った方向である。したがって、曲がり部の壁面のうち、上記第１方向に沿って離間して互いに対向する一方の壁面（内側壁面）と他方の壁面（外側壁面）とは、内側壁面が上記中心線に対して上記曲率半径に関する内側に位置し、外側壁面が上記中心線に対して上記曲率半径に関する外側に位置することとなる。
したがって、上記（１１）の構成によれば、下流側に向かうにつれて流路断面積が漸増する場合、該領域では、下流側に向かうにつれて、第１方向の寸法が第１方向に直交する方向の寸法に対して相対的に小さくなるように流路断面の扁平化が進行する。そのため、上記（１１）の構成では、第１方向に直交する方向に離間して互いに対向する一対の壁面との離間距離に対する、内側壁面と外側壁面との離間距離は、下流側に向かうにつれて相対的に小さくなる。そのため、曲がり部において内側壁面からの排気ガスの流れの剥離が起こり難くなる。したがって、上記（１１）の構成によれば、曲がり部の内側からの排気ガスの流れの剥離を抑制でき、実質的に有効となる流路断面積の減少を抑制できるので、排気ダクトにおける排気損失の増加を抑制できるとともに、圧力回復を大きくすることができる。

（１２）本発明の少なくとも一実施形態に係るタービンは、上記（１）乃至（１１）の何れかの構成の排気ダクトを備える。

したがって、上記（１２）の構成によれば、曲がり部の内側からの排気ガスの流れの剥離を抑制でき、実質的に有効となる流路断面積の減少を抑制できるので、排気ダクトにおける排気損失の増加を抑制できるとともに、圧力回復を大きくすることができる。これにより、タービンの効率を向上できる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、タービン用の排気ダクトにおいて曲がり部の内側からの排気ガスの流れの剥離を抑制できる。

実施形態に係るターボチャージャのタービン、及び排気ダクトの一例を示す模式的な図である。 実施形態に係るターボチャージャのタービン、及び排気ダクトの一例を示す模式的な図である。 実施形態に係るターボチャージャのタービン、及び排気ダクトの一例を示す模式的な図である。 図１に示した排気ダクト及び従来の排気ダクトにおける無次元流路方向長さと、無次元流路方向長さの各位置における排気ダクト及び従来の排気ダクトの断面積（流路断面積）との関係を示すグラフである。 図１に示した排気ダクト及び従来の排気ダクトにおける無次元流路方向長さと、無次元流路方向長さの各位置における排気ダクト及び従来の排気ダクトの流路高さとの関係を示すグラフである。 図１に示した排気ダクトにおける、各々の流れ方向位置における排気ダクトの流路断面の形状を例示した図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１から図３は、幾つかの実施形態に係るターボチャージャのタービン、及び排気ダクトの一例を示す模式的な図である。
幾つかの実施形態に係るターボチャージャ１は、例えば自動車などの車両に搭載されるエンジンの吸気を過給するための排気ターボ過給機である。
ターボチャージャ１は、ロータシャフト２を回転軸として連結されたタービンホイール（タービン動翼）３及び不図示のコンプレッサホイールと、タービン動翼３を回転自在に収容するケーシング（タービンハウジング）５と、コンプレッサホイールを回転自在に収容する不図示のコンプレッサハウジングとを有する。
幾つかの実施形態に係るタービン７は、タービン動翼３と、ケーシング５とを備える。

幾つかの実施形態では、タービン７の出口には排気ガスＧをタービン７の外部に導くための排気ダクト１００が接続されている。より具体的には、ケーシング５における排気ガスの排出口５ａには、排気ダクト１００の入口側（上流側）の端部である入口フランジ１０１が接続されている。
幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、排気ダクト１００の出口側（下流側）の端部である出口フランジ１０３が排気ダクト１００の下流の排気管２１に接続されている。
なお、図１では、一実施形態に係る排気ダクト１００の断面を模式的に示している。図２では、他の実施形態に係る排気ダクト１００の断面を模式的に示している。図３では、さらに他の実施形態に係る排気ダクト１００の断面を模式的に示している。

幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００は、排気ダクト１００における損失をできるだけ小さくし、効率的に圧力回復させるために、全体的には下流側に向かうにつれて流路断面積が増加するような形状とされている。すなわち、幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００は、ディフューザとしての役割を果たし得る。したがって、幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００のことをディフューザダクトとも呼ぶ。

幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００は、配置の制約上の理由等から、入口部１１１から出口部１１３にかけて、例えば９０度の角度で曲げられている。
幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、排気ガスＧの流れ方向に沿った位置（流れ方向位置Ｐ）のうち、排気ダクト１００における曲がり始めの位置が入口部１１１の位置となり、排気ダクト１００における曲がり終わりの位置が出口部１１３の位置となる。なお、幾つかの実施形態では、出口部１１３は、ディフューザダクトとしての役割を終えたところであってもよい。
幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００において、入口部１１１から出口部１１３までの区間を曲がり部１１０と呼ぶ。
以下の説明では、曲がり部１１０における角度に関し、曲がり部１１０における排気ダクト１００の中心線ＡＸ１の接線Ｌ１とロータシャフト２の回転軸線ＡＸｒの延在方向とのなす角度θを用いて説明することとする。

なお、幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、入口フランジ１０１の位置と入口部１１１とが異なっているが、同じであってもよい。同様に、幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、出口フランジ１０３の位置と出口部１１３とが異なっているが、同じであってもよい。

幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００は、上述したようにタービン７の近くで比較的大きな角度で曲げられているため、遠心力によって曲がり部１１０の内側から排気ガスＧの流れが剥離して、曲がり部１１０の内側の領域で排気ガスＧが逆流する現象が生じるおそれがある。なお、曲がり部１１０の内側の領域とは、曲がり部１１０における排気ダクト１００の中心線ＡＸ１についての曲率中心に近い方の領域のことであり、例えば図１において中心線ＡＸ１よりも上側又は左側の領域を指す。

そこで、幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、以下で説明するような構成とすることで、曲がり部１１０の内側からの排気ガスＧの流れの剥離を抑制するようにしている。以下、幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００について、図４から図６も参照しつつ、詳細に説明する。

図４は、図１に示した排気ダクト１００及び従来の排気ダクトにおける無次元流路方向長さＳと、無次元流路方向長さＳの各位置における排気ダクト１００及び従来の排気ダクトの断面積（流路断面積）Ａとの関係を示すグラフである。
なお、本稿において、無次元流路方向長さＳとは、流れ方向位置Ｐを表すパラメータのことであり、入口フランジ１０１の位置を０とし、出口フランジ１０３の位置を１とする。
図１に示した排気ダクト１００及び従来の排気ダクトでは、例えば入口部１１１における無次元流路方向長さＳは０．０５であり、出口部１１３における無次元流路方向長さＳは０．６７である。

図５は、図１に示した排気ダクト１００及び従来の排気ダクトにおける無次元流路方向長さＳと、無次元流路方向長さＳの各位置における排気ダクト１００及び従来の排気ダクトの流路高さＨとの関係を示すグラフである。

流路高さＨとは、各々の流れ方向位置Ｐにおける排気ダクト１００の流路断面１０５（図６参照）の寸法のうち、流路高さ方向の寸法のことである。また、流路高さ方向とは、曲がり部１１０における排気ダクト１００の中心線ＡＸ１の各々の流れ方向位置Ｐにおける曲率半径に沿った方向（第１方向Ｄ１）のことである。換言すると、流路高さ方向とは、曲がり部１１０における排気ダクト１００の中心線ＡＸ１の各々の流れ方向位置Ｐにおける接線Ｌ１と直交する主法線Ｌ２の延在方向のことである。

流路幅Ｗは、各々の流れ方向位置Ｐにおける排気ダクト１００の流路断面１０５の寸法のうち、流路高さ方向（第１方向Ｄ１）と直交する方向（以下第２方向Ｄ２とも呼ぶ）である流路幅方向の寸法とする。第２方向Ｄ２は、図１から図３における紙面と直交する方向である。

なお、各々の流れ方向位置Ｐにおける排気ダクト１００の流路断面１０５は、中心線ＡＸ１又は中心線ＡＸの接線Ｌ１と直交する方向に延在する平面で切断したときの排気ダクト１００の断面である。また、中心線ＡＸ１は、各々の流れ方向位置Ｐにおける排気ダクト１００の流路断面１０５の図心を結ぶ線である。なお、流路断面１０５は、流れ方向位置Ｐにおける排気ダクト１００の断面のうち、流路高さが最小となる断面である。

図６は、図１に示した排気ダクト１００における、各々の流れ方向位置Ｐにおける排気ダクト１００の流路断面１０５の形状を例示した図である。図６では、例えば角度θが０度から９０度までの１５度毎の流路断面１０５の形状を例示している。

図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、図５に示すように、曲がり部１１０は、曲がり部１１０における排気ダクト１００の中心線ＡＸ１の各々の流れ方向位置Ｐにおける曲率半径に沿った第１方向Ｄ１の寸法（内寸）、すなわち流路高さＨが下流側に向かうにつれて減少する流路高さ減少領域１２１を含む。

図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、上記第１方向Ｄ１は、曲がり部１１０における排気ダクト１００の中心線ＡＸ１の曲率半径に沿った方向である。したがって、曲がり部１１０の壁面１１６のうち、上記第１方向Ｄ１に沿って離間して互いに対向する一方の壁面（内側壁面とも呼ぶ）１１７と他方の壁面（外側壁面とも呼ぶ）１１８とは、内側壁面１１７が上記中心線ＡＸ１に対して上記曲率半径に関する内側に位置し、外側壁面１１８が上記中心線ＡＸ１に対して上記曲率半径に関する外側に位置することとなる。
したがって、図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、流路高さ減少領域１２１において第１方向Ｄ１の寸法（流路高さＨ）が下流側に向かうにつれて減少するので、下流側に向かうにつれて内側壁面１１７と外側壁面１１８とが接近する。そのため、曲がり部１１０において内側壁面１１７からの排気ガスＧの流れの剥離が起こり難くなる。したがって、図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、曲がり部１１０の内側からの排気ガスＧの流れの剥離を抑制でき、実質的に有効となる流路断面積の減少を抑制できるので、排気ダクト１００における排気損失の増加を抑制できるとともに、圧力回復を大きくすることができる。

図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、曲がり部１１０は、各々の流れ方向位置Ｐにおける第１方向Ｄ１の寸法（流路高さＨ）が下流側に向かうにつれて増加する流路高さ増加領域１２３を含む。

流路高さ増加領域で１２３は、上述した流路高さ減少領域１２１とは逆に下流側に向かうにつれて内側壁面１１７と外側壁面１１８とが離間する。例えば下流側に向かって流路断面積Ａが増加する流路断面積増加領域１３３（図４参照）において、流路高さ減少領域１２１が存在する場合、すなわち、流路断面積増加領域１３３Ａと流路高さ減少領域１２１Ａとの重複領域１４２では、下流側に向かうにつれて第１方向の寸法（流路高さＨ）は小さくなる。しかし、第１方向Ｄ１に直交する方向（第２方向Ｄ２）の寸法は大きくなる傾向にある。そのため、例えば流路断面積増加領域１３３において、上述した流路高さ減少領域１２１が存在する場合、下流側に向かうにつれて、第１方向Ｄ１の寸法（流路高さＨ）が第２方向Ｄ２の寸法に対して相対的に小さくなるような流路断面１０５の扁平化が進行する。
これに対し、図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、例えば流路断面積増加領域１３３Ａと流路高さ増加領域１２３Ａとの重複領域１４２のように、曲がり部１１０に流路高さ増加領域１２３を含めることで、例えば流路断面積増加領域１３３において、下流側に向かうにつれて上述したような流路断面１０５の偏平化が進行することを抑制できる。

図２に示した他の実施形態に係る排気ダクト１００では、曲がり部１１０は、内側壁面１１７に流路高さ減少領域１２１と流路高さ増加領域１２３とに跨って突出部１６０（１６０Ａ）が設けられている。図３に示したさらに他の実施形態に係る排気ダクト１００においても同様に、曲がり部１１０は、内側壁面１１７に流路高さ減少領域１２１と流路高さ増加領域１２３とに跨って突出部１６０（１６０Ｂ）が設けられている。
図２及び図３に示した実施形態に係る排気ダクト１００では、突出部１６０は、出口部１１３における排気ダクト１００の中心線ＡＸ１を上流側に延長した直線Ｌ３との距離ａが極小となる部位（先端部）１６１を含む。
突出部１６０を設けることで、流路断面積Ａを縮小させることができ、曲がり部１１０における排気ガスＧの流速を局所的に増加させることができ、内側壁面１１７近傍の静圧を低下させることができる。これにより、曲がり部１１０の外側に偏った排気ガスＧの流れを曲がり部１１０の内側に向かわせる効果が生じるので、曲がり部１１０の内側からの排気ガスＧの流れの剥離を抑制できる。

図２に示した他の実施形態に係る排気ダクト１００では、突出部１６０Ａは、仮想的に突出部を除いた内側壁面１１７Ａの曲率半径ｒａよりも小さな曲率半径ｒｂとなる曲面１６３を有する。
したがって、図２に示した突出部１６０Ａは、曲がり部１１０における突出部１６０Ａよりも上流側及び下流側の内側壁面１１７よりも排気ダクト１００の中心線ＡＸ１側に向かって突出することとなる。これにより、図２に示した突出部１６０Ａによる流路断面積Ａを縮小させる領域が局所的となり、排気ダクト１００の損失増加を抑制できる。

図３に示したさらに他の実施形態に係る排気ダクト１００における突出部１６０Ｂは、図２に示した他の実施形態に係る突出部１６０Ａのように突出部１６０Ａよりも上流側の内側壁面１１７から曲がり部１１０の内側に向かって突出するように形成されているのではなく、突出部１６０Ｂよりも上流側の内側壁面１１７と突出部１６０Ｂがなだらかに接続されている。
なお、図２及び図３に示した突出部１６０における曲面１６３の曲率中心１６３ａは、排気ダクト１００の外部（曲がり部１１０の外部）に存在する。

図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、曲がり部１１０は、流路断面積Ａが下流側に向かうにつれて減少する流路断面積減少領域１３１を含む。また、図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、流路高さ減少領域１２１は、重複領域１４１において少なくとも部分的に流路断面積減少領域１３１と重複する。

上述したように、流路高さ減少領域１２１を設けることにより、排気ガスＧの流れの剥離を抑制することができる。また、流路断面積減少領域１３１では、流路断面積Ａの減少により排気ガスＧの流速が増加するので静圧が低下する。したがって、重複領域１４１では、上述した流路高さ減少領域１２１を設けることによる効果と、流路断面積減少領域１３１を設けることによる効果とが相乗的に作用するので、曲がり部１１０の内側からの排気ガスＧの流れの剥離をさらに抑制できる。

図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、流路断面積減少領域１３１は、少なくとも上記重複領域１４１において、各々の流れ方向位置Ｐにおける第１方向Ｄ１の寸法（流路高さＨ）が第２方向Ｄ２の寸法（流路幅Ｗ）よりも小さい。なお、上記重複領域１４１は、角度θがおおよそ６０度となる流れ方向位置Ｐ（Ｓ＝０．４２）から角度θがおおよそ７５度となる流れ方向位置Ｐ（Ｓ＝０．５４）までの領域となる。図６に示した例では、すくなくとも角度θがおおよそ１５度となる流れ方向位置Ｐ（Ｓ＝０．１２）から角度θがおおよそ９０度となる流れ方向位置Ｐ（Ｓ＝０．６７）までの領域において、流路高さＨが流路幅Ｗよりも小さい。
これにより、少なくとも重複領域１４１において、流路高さＨが流路幅Ｗよりも大きい場合と比べて、流路高さＨを小さくできる。したがって、少なくとも重複領域１４１において、内側壁面１１７と外側壁面１１８とを接近させることができ、内側壁面１１７からの排気ガスＧの流れの剥離が起こり難くなる。

図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、流路断面積減少領域１３１は、少なくとも重複領域１４１において、流路断面１０５が第１方向Ｄ１（流路高さＨ方向）を短軸とし、第２方向Ｄ２（流路幅Ｗ方向）を長軸とする楕円形状を有する。なお、図６に示した例では、すくなくとも角度θがおおよそ１５度となる流れ方向位置Ｐ（Ｓ＝０．１２）から角度θがおおよそ９０度となる流れ方向位置Ｐ（Ｓ＝０．６７）までの領域において、流路断面１０５が上述したような楕円形状を有する。

例えば矩形断面の流路における角部のように、異なる角度で２つの壁面が交差する部分が存在すると、この角部の近傍では、２つの壁面の影響を受けて流体の流速が低下する。そのため、実質的に有効となる流路断面積が減少してしまう。
これに対して、図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、少なくとも重複領域１４１において、壁面１１６が楕円形状となるように流路の周方向に沿って滑らかに形成されるので、例えば矩形断面の流路における角部のように、異なる角度で２つの壁面が交差する部分がなく、実質的に有効となる流路断面積Ａが減少してしまうおそれが少ない。

図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、流路高さ減少領域１２１Ｂは、入口部１１１における排気ダクト１００の中心線ＡＸ１を下流側に延長した直線、すなわちロータシャフト２の回転軸線ＡＸｒと同軸の直線と曲がり部１１０における排気ダクト１００の中心線ＡＸ１についての接線とのなす角度、すなわち角度θが３０度以上となる領域に存在する。

発明者らが鋭意検討した結果、角度θが３０度以上となる領域に流路高さ減少領域１２１を設けることで、曲がり部１１０の内側からの排気ガスＧの流れの剥離を効果的に抑制できることが判明した。
図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、角度θが３０度以上となる領域に流路高さ減少領域１２１Ｂを設けたので、曲がり部１１０の内側からの排気ガスＧの流れの剥離を効果的に抑制できる。

図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、曲がり部１１０は、曲がり部１１０の上流側端部（入口部１１１）における排気ダクト１００の中心線ＡＸ１と曲がり部１１０の下流側端部（出口部１１３）における排気ダクト１００の中心線ＡＸ１とのなす角度が３０度を超えている。より具体的には、図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、曲がり部１１０は、曲がり部１１０の上流側端部（入口部１１１）における排気ダクト１００の中心線ＡＸ１と曲がり部１１０の下流側端部（出口部１１３）における排気ダクト１００の中心線ＡＸ１とのなす角度が９０度である。

発明者らが鋭意検討した結果、曲がり部１１０の上流側端部（入口部１１１）における排気ダクト１００の中心線ＡＸ１と曲がり部１１０の下流側端部（出口部１１３）における排気ダクト１００の中心線ＡＸ１とのなす角度が３０度を超えると、内側壁面１１７からの排気ガスＧの流れの剥離が起こり易くなることが判明した。
図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、曲がり部１１０における該角度が３０度を超えるため内側壁面１１７からの排気ガスＧの流れの剥離が起こり易くなるところ、上述したように曲がり部１１０が流路高さ減少領域１２１を含むので、曲がり部１１０の内側からの排気ガスＧの流れの剥離を抑制できる。

図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、曲がり部１１０は、壁面１１６のうち排気ダクト１００の中心線ＡＸ１についての曲率半径の曲率中心から遠い方の外側壁面１１８と出口部１１３における排気ダクト１００の中心線ＡＸ１を上流側に延長した直線Ｌ３との距離ｂが下流側に向かうにつれて増加するように形成されている。
これにより、外側壁面１１８と直線Ｌ３との距離ｂが下流側に向かうにつれて減少するような区間が存在する場合と比べて、排気ダクト１００の損失を抑制できる。
なお、図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、外側壁面１１８の内側の面１１８ａ、すなわち中心線ＡＸ１側を向いた面は、入口部１１１から出口部１１３にかけて滑らかな曲線で形成されている。また、図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、外側壁面１１８の内側の面１１８ａは、入口部１１１から出口部１１３にかけて突出部１６０のような突部が形成されていないことが望ましい。

図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、曲がり部１１０は、下流側に向かって流れ方向位置Ｐが微小変化したときの各々の流れ方向位置Ｐにおける曲率半径に沿った第１方向Ｄ１の寸法（流路高さＨ）の変化率ｄＨ／ｄＳが、流れ方向位置Ｐが微小変化したときの各々の流れ方向位置Ｐにおける流路断面積Ａの平方根の変化率ｄＡ^０．５／ｄＳよりも小さい領域を有する。
図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、少なくとも流路断面積増加領域１３３Ａと流路高さ減少領域１２１Ａとの重複領域１４２において、上記変化率ｄＨ／ｄＳが、上記変化率ｄＡ^０．５／ｄＳよりも小さい。

上記変化率ｄＨ／ｄＳが、上記変化率ｄＡ^０．５／ｄＳよりも小さくなる領域では、下流側に向かうにつれて流路断面積Ａが漸増する場合、流路高さＨの寸法の増加割合は、流路幅Ｗの寸法の増加割合よりも小さくなる。すなわち、下流側に向かうにつれて流路断面積Ａが漸増する場合、該領域では、下流側に向かうにつれて、流路高さＨが流路幅Ｗに対して相対的に小さくなるように流路断面１０５の扁平化が進行する。
上述したように、流路高さＨ方向は曲がり部１１０における排気ダクト１００の中心線ＡＸ１の曲率半径に沿った方向である。したがって、曲がり部１１０の壁面１１６のうち、内側壁面１１７が中心線ＡＸ１に対して上記曲率半径に関する内側に位置し、外側壁面１１８が中心線ＡＸ１に対して上記曲率半径に関する外側に位置することとなる。
したがって、図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、下流側に向かうにつれて流路断面積Ａが漸増する場合、上記変化率ｄＨ／ｄＳが、上記変化率ｄＡ^０．５／ｄＳよりも小さくなる領域では、下流側に向かうにつれて、流路高さＨが流路幅Ｗに対して相対的に小さくなるように流路断面１０５の扁平化が進行する。そのため、図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、流路幅Ｗ方向に離間して互いに対向する一対の壁面との離間距離に対する、内側壁面１１７と外側壁面１１８との離間距離は、下流側に向かうにつれて相対的に小さくなる。そのため、曲がり部１１０において内側壁面１１７からの排気ガスＧの流れの剥離が起こり難くなる。したがって、図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００では、曲がり部１１０の内側からの排気ガスＧの流れの剥離を抑制でき、実質的に有効となる流路断面積Ａの減少を抑制できるので、排気ダクト１００における排気損失の増加を抑制できるとともに、圧力回復を大きくすることができる。

図１から図３に示した幾つかの実施形態に係る排気ダクト１００を備えるタービン７では、上述したように排気ダクト１００における排気損失の増加を抑制できるとともに、圧力回復を大きくすることができるので、タービン７の効率を向上できる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、図１から図３に示した幾つかの実施形態に係るタービン７は、ラジアルタービンであった。しかし、幾つかの実施形態に係るタービン７は、斜流タービンであってもよく、軸流タービンであってもよい。

１ ターボチャージャ
７ タービン
１００ 排気ダクト
１１０ 曲がり部
１１１ 入口部
１１３ 出口部
１２１ 流路高さ減少領域
１２３ 流路高さ増加領域
１３１ 流路断面積減少領域
１３３ 流路断面積増加領域

Claims (11)

1. タービンから排出される流体が流通可能なディフューザダクトであって、
   入口部と、
   出口部と、
   前記入口部と前記出口部との間に位置する流体の流路の曲がり部と、
   を備え、
   前記曲がり部は、
   前記曲がり部における前記ディフューザダクトの中心線の各々の流れ方向位置における曲率半径に沿った第１方向の寸法が下流側に向かうにつれて減少する流路高さ減少領域と、
   流路断面積が前記下流側に向かうにつれて増加する流路断面積増加領域とを含み、
   前記流路高さ減少領域は、少なくとも部分的に前記流路断面積増加領域と重複する
   タービン用のディフューザダクト。
2. 前記曲がり部は、各々の前記流れ方向位置における前記第１方向の寸法が前記下流側に向かうにつれて増加する流路高さ増加領域を含む
   請求項１に記載のタービン用のディフューザダクト。
3. 前記曲がり部は、壁面のうち前記ディフューザダクトの前記中心線についての前記曲率半径の曲率中心に近い方の内側壁面に前記流路高さ減少領域と前記流路高さ増加領域とに跨って突出部が設けられており、
   前記突出部は、前記出口部における前記ディフューザダクトの前記中心線を上流側に延長した直線との距離が極小となる部位を含む
   請求項２に記載のタービン用のディフューザダクト。
4. 前記突出部は、仮想的に前記突出部を除いた前記内側壁面の曲率半径よりも小さな曲率半径となる曲面を有する
   請求項３に記載のタービン用のディフューザダクト。
5. 前記曲がり部は、流路断面積が前記下流側に向かうにつれて減少する流路断面積減少領域を含み、
   前記流路高さ減少領域は、重複領域において少なくとも部分的に前記流路断面積減少領域と重複する
   請求項１乃至４の何れか一項に記載のタービン用のディフューザダクト。
6. 前記流路断面積減少領域は、少なくとも前記重複領域において、各々の前記流れ方向位置における前記第１方向の寸法が前記第１方向と直交する第２方向の寸法よりも小さい
   請求項５に記載のタービン用のディフューザダクト。
7. 前記流路断面積減少領域は、少なくとも前記重複領域において、流路断面が前記第１方向を短軸とし、前記第２方向を長軸とする楕円形状を有する
   請求項６に記載のタービン用のディフューザダクト。
8. 前記流路高さ減少領域は、前記入口部における前記ディフューザダクトの前記中心線を前記下流側に延長した直線と前記曲がり部における前記ディフューザダクトの前記中心線についての接線とのなす角度が３０度以上となる領域に存在する
   請求項１乃至７の何れか一項に記載のタービン用のディフューザダクト。
9. 前記曲がり部は、前記曲がり部の上流側端部における前記ディフューザダクトの前記中心線と前記曲がり部の下流側端部における前記ディフューザダクトの中心線とのなす角度が３０度を超えている
   請求項１乃至８の何れか一項に記載のタービン用のディフューザダクト。
10. 前記曲がり部は、壁面のうち前記ディフューザダクトの前記中心線についての前記曲率半径の曲率中心から遠い方の外側壁面と前記出口部における前記ディフューザダクトの中心線を上流側に延長した直線との距離が前記下流側に向かうにつれて増加するように形成されている
    請求項１乃至９の何れか一項に記載のタービン用のディフューザダクト。
11. 請求項１乃至１０の何れか一項に記載のディフューザダクトを備える
    タービン。
    

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