JP7303763B2 - 排気ディフューザ及びタービンハウジング、並びに過給機 - Google Patents

Description

本開示は、排気ディフューザ及びタービンハウジング、並びに過給機に関する。

例えば、舶用ディーゼルエンジンンなどに搭載される過給機は、エンジンから排気された排ガスでタービンのタービンホイールを回転駆動させ、タービンホイールに同軸で連結したコンプレッサを回転させ、コンプレッサで圧縮した圧縮空気をエンジンに送り込むように構成されている。また、タービンホイールの動翼から出た排ガスは排気ディフューザを通って外部に排出される。

排気ディフューザは、例えば、タービンホイール側で流入口側の前端部から排出口側の後端部に向かうに従い漸次径が大となり、内部の流路面積が漸次拡大する略円錐状の排気流路を備えて形成されている。すなわち、排気ディフューザは、前端部から後端部に向けて拡径した排気流路を備えることにより、流入口から入った排ガスの流れをスムーズに減速させ、その圧力を低下させる圧力回復性能を発揮し、圧力回復を行った排ガスを外部に排出できるように構成されている。

また、舶用ディーゼルエンジンンに搭載される過給機などでは、タービンホイールを収容するタービンハウジングによって、タービンホイールに排ガスを供給するスクロール流路やノズル流路などの排ガス供給流路や、タービンホイールから出た排ガスを排出する排気流路、すなわち、排気ディフューザを形成されている。

一方、この種の排気ディフューザは、軸線に対するディフューザ壁面（排気ディフューザの排気流路を形成する内周面）の開き角、言い換えれば、排気流路の拡径角度を大きくするほど、圧力回復性能を高めることができ得る。しかし、実際には、開き角を大きくし過ぎると、排ガスの流れがディフューザ壁面から剥がれる剥離現象が発生し、これに伴い、排気流路内の排ガスの流れに渦流などの乱流が発生して、効率的且つ効果的に圧力回復が図れなくなる。すなわち、逆に圧力回復性能の低下を招くことになってしまう。

これに対し、特許文献１には、ディフューザ壁面から軸線中心の径方向内側に突出し、軸線に沿って前端部側から後端部側に真っ直ぐに延在するガイドベーン（The diswirl ribs５０）を、周方向に所定の間隔をあけて複数設けて構成した排気ディフューザ及びターボチャージャが開示されている。
この排気ディフューザ及びターボチャージャにおいては、タービンホイールから出た排ガスの旋回流を複数のガイドベーンによって軸線方向に導くことができ、排ガスの流れがディフューザ壁面から剥離することを抑制でき得る。

米国特許第１０４２２３４４号明細書

ここで、本願の発明者は、鋭意研究を重ね、エンジンの負荷状態などの諸条件によって排気ディフューザの流入口から流入する排ガスの旋回方向に変化が生じることを見出した。特に、エンジンの高負荷時に、軸線周りの一方向に回転するタービンホイールから出た排ガスの旋回流の旋回方向がタービンホイールの回転方向の一方向と逆の他方向を向くケースがあることを知見として得た。

これに対し、特許文献１の排気ディフューザにおいては、ガイドベーンが軸線方向に沿って真っ直ぐに延在している。このため、特に、エンジンの高負荷時に、タービンホイールから出た高速、高圧力で大流量の排ガスの旋回流がガイドベーンにあたって大きく乱れ、ガイドベーンの周囲だけでなく、ガイドベーンの径方向内側、ガイドベーンの後端部よりも後方側にも乱流が発生し、排ガスの剥離、排気ディフューザの有効流路面積の減少などによってエンジンの高負荷時の圧力回復性能が大きく低下するという問題があった。

すなわち、特許文献１の排気ディフューザにおいては、特に、エンジンの高負荷時において、軸線方向に沿って真っ直ぐ延びるガイドベーンを備えるが故にポテンシャル干渉、後流干渉、伴流干渉などの非定常干渉が発生し、圧力回復性能の著しい低下を招くという不都合があった。
したがって、特許文献１の排気ディフューザにおいても、やはり排気ディフューザの開き角を大きくすることは難しい。

本開示は、上記事情に鑑み、開き角が大きい場合であっても、排ガスの流れに剥離などが生じることを抑え、効率的且つ効果的で、好適に圧力回復性能を向上できる排気ディフューザ及びタービンハウジング、並びに過給機を提供することを目的とする。

本開示の排気ディフューザの一態様は、径方向外側から流入した排ガスで駆動されるタービンの排気ディフューザであって、前記タービンのタービンホイールの回転軸線との距離が下流に向かうにつれて大きくなるテーパ部を含むディフューザ本体と、前記ディフューザ本体の内周面から内側に突出する少なくとも一つのガイドベーンと、を備え、前記少なくとも一つのガイドベーンは、前記ディフューザ本体の入口側から出口側に向かって延在するとともに、前記少なくとも一つのガイドベーンの後端部が前端部に対して前記タービンホイールの回転方向の一方向側と反対の他方向側に位置するように構成されている。

本開示のタービンハウジングの一態様は、前記タービンホイールを収容するとともに、前記タービンホイールの周囲にスクロール流路を形成するスクロール本体と、上記の排気ディフューザと、を備える。

本開示の過給機の一態様は、エンジンから排出された排ガスで駆動されるタービンであって、上記のタービンハウジングを含むタービンと、前記タービンに同軸で連結し、回転とともに圧縮した空気を前記エンジンに供給するためのコンプレッサと、を備える。

本開示の排気ディフューザ及びタービンハウジング、並びに過給機によれば、排気ディフューザの開き角／拡径角度が大きい場合であっても、排ガスの流れに剥離などが生じることを抑え、圧力回復性能の向上を図ることが可能になる。

第１実施形態、第２実施形態の過給機、タービンハウジング、排気ディフューザを示す図である。 図１のＳ２部を示す拡大図であり、第１実施形態、第２実施形態の排気ディフューザのガイドベーンを示す図である。 図１のＸ１－Ｘ１線矢視図であり、第１実施形態の排気ディフューザを出口側から軸線方向に見た図である。 図１のＳ１部を軸線位置から軸線周りに順に見ていった時の第１実施形態の排気ディフューザの内周面の投影平面図であり、複数のガイドベーンの相対位置、向き（相対角度）などの状態を示す図である。 図１のＸ２－Ｘ２線矢視図であり、第１実施形態の排気ディフューザの断面図である。 第１実施形態の排気ディフューザのガイドベーンを示す拡大図である。 第１実施形態の排気ディフューザのガイドベーンの変更例を示す拡大図である。 図１のＸ１－Ｘ１線矢視図、且つ第１実施形態の排気ディフューザの変更例を示す図であり、排気ディフューザを出口側から軸線方向に見た図である。 図１のＳ１部を軸線位置から軸線周りに順に見ていった時の図８の排気ディフューザの内周面の投影平面図であり、複数のガイドベーンの相対位置、向き（相対角度）などの状態を示す図である。 図１のＸ１－Ｘ１線矢視図、且つ第１実施形態の排気ディフューザの変更例を示す図であり、排気ディフューザを出口側から軸線方向に見た図である。 図１のＳ１部を軸線位置から軸線周りに順に見ていった時の図１０の排気ディフューザの内周面の投影平面図であり、複数のガイドベーンの相対位置、向き（相対角度）などの状態を示す図である。 図１のＸ１－Ｘ１線矢視図であり、第２実施形態の排気ディフューザを出口側から軸線方向に見た図である。 図１のＳ１部を軸線位置から軸線周りに順に見ていった時の第２実施形態の排気ディフューザの内周面の投影平面図であり、複数のガイドベーンの相対位置、向き（相対角度）などの状態を示す図である。

（第１実施形態）
以下、図１から図１１を参照し、第１実施形態に係る排気ディフューザ及びタービンハウジング、並びに過給機について説明する。

（過給機）
本実施形態の過給機１は、例えば、図１に示すように、舶用ディーゼルエンジンなどのエンジンから送られた排ガスＧのエネルギーでタービン２のタービンホイール３を軸線（回転軸線）Ｏ１周りに回転させ、これとともにタービンホイール３に同軸で連結した回転軸４、さらに回転軸４に同軸で連結したコンプレッサ５のコンプレッサホイール６を回転させ、コンプレッサホイール６で空気Ａを吸入して圧縮し、圧縮空気Ａ’をエンジンに供給するように構成されている。

より具体的に、本実施形態の過給機１は、図１に示すように、タービン２と、回転軸４と、コンプレッサ５と、を備えている。なお、図１中の符号７はコンプレッサ５で生じる音を低減するためのサイレンサである。

（コンプレッサ）
コンプレッサ５は、軸受台に回転可能に軸支された回転軸４の一端側に同軸で連結して設けられたコンプレッサホイール６と、コンプレッサホイール６を収容するコンプレッサハウジング８と、備えて構成されている。

コンプレッサホイール６は、回転軸４に同軸で連結して設けられる略円錐台状のコンプレッサハブ９と、コンプレッサハブ９の外周面から軸線Ｏ１心の径方向外側に延在するコンプレッサ動翼１０と、を備えている。なお、図１では、コンプレッサ動翼１０として、短翼１０ａと長翼１０ｂの２種の動翼を備えた形で図示している。

コンプレッサホイール６の軸線Ｏ１方向前方側、すなわち、空気Ａの吸入口１１側には、コンプレッサホイール６の回転とともに空気Ａを吸入してコンプレッサホイール６に給送するための吸入流路Ｒ１が設けられている。

また、コンプレッサホイール６の軸線Ｏ１中心の径方向外側には、コンプレッサホイール６から出た圧縮空気Ａ’を受け入れてエンジンに給送するための圧縮空気供給流路Ｒ２が設けられている。

そして、本実施形態の過給機１では、これら吸入流路Ｒ１と圧縮空気供給流路Ｒ２とがコンプレッサホイール６を収容するコンプレッサハウジング８によって形成されている。

（タービン／タービンハウジング）
タービン２は、回転軸４の他端側に同軸で連結して設けられたタービンホイール３と、タービンホイール３を収容するタービンハウジング１２と、備えて構成されている。

タービンホイール３は、回転軸４に同軸で連結して設けられる略円錐台状のタービンハブ１５と、タービンハブ１５の外周面から軸線Ｏ１中心の径方向外側に延在するタービン動翼１６と、を備えている。

タービンホイール３の径方向外側には、タービンホイール３の周囲に設けられ、エンジンから排出された排ガスＧをタービンホイール３に給送するためのスクロール流路ｒ３、ノズル流路ｒ４などを有する排ガス供給流路Ｒ３を構成するスクロール本体１７が設けられている。

また、タービンホイール３の軸線Ｏ１方向後方側には、タービンホイール３と同軸で、タービンホイール３のタービン動翼１６の出口から出た排ガスＧを受け入れて外部に排出するための排気流路Ｒ４を構成する排気ディフューザ１８が設けられている。

そして、本実施形態の過給機１では、これら排ガス供給流路Ｒ３を構成するスクロール本体１７と排気流路Ｒ４を構成する排気ディフューザ１８とがタービンホイール３を収容するタービンハウジング１２によって形成されている。

このように構成した過給機１では、排ガス供給流路Ｒ３を流れ、径方向外側から流入した排ガスＧのエネルギーによってタービンホイール３が回転駆動し、このタービンホイール３の回転によって回転軸４及びコンプレッサホイール６が回転駆動する。コンプレッサホイール６の回転によって空気Ａが吸入されて圧縮され、圧縮空気供給流路Ｒ２を通じて圧縮空気Ａ’がエンジンに供給される。また、タービンホイール３を回転駆動させた後の排ガスＧは、排気ディフューザ１８を流れて圧力回復され、外部に排出される。

（排気ディフューザ）
一方、本実施形態の排気ディフューザ１８は、図１、図２、図３、図４、図５に示すように、タービンホイール３の軸線（回転軸線）Ｏ１との径方向の距離が排ガスＧの流れ方向下流に向かうにつれて大きくなるテーパ部（拡径部）２０を有するディフューザ本体２１と、ディフューザ本体２１の内周面（以下、ディフューザ壁面というときもある）２２から軸線Ｏ１側の内側に突出するガイドベーン２３と、を備えて構成されている。

ここで、本実施形態において、ガイドベーン２３は、例えば、排気ディフューザ１８の図１のＳ１部で示す部位の範囲内に設けられている。図２は、図１のＳ２部を示す拡大図である。図３は、図１のＸ１－Ｘ１線矢視図であり、排気ディフューザ１８の排出口２４側から軸線Ｏ１方向に見た図である。図４は、図１のＳ１部を軸線Ｏ１位置から軸線Ｏ１周りに順に見ていった時の排気ディフューザ１８の内周面２２の投影平面図であり、複数のガイドベーン２３の相対位置、向き（相対角度）などの状態を示す図である。図５は、図１のＸ２－Ｘ２線矢視図であり、図１のＳ１部の断面図である。

ディフューザ本体２１のテーパ部２０は、その内部の排気流路Ｒ４が軸線Ｏ１方向に沿う排ガスＧの流れ方向下流に向かうに従い漸次径が大となる円錐台状の空間として形成されている。

また、図２に示すように、本実施形態では、ディフューザ本体２１が、テーパ部２０の軸線Ｏ１に対する拡径角度（開き角）をθ１と定義した場合に、１５°≦θ１≦２５°を満たすように形成されている。すなわち、本実施形態の排気ディフューザ１８においては、ディフューザ本体２１が大きな拡径角度θ１をもって形成されている。

なお、テーパ部２０は、排ガスＧの流れ方向下流に向かうにつれて径方向の距離が大きくなればよく、例えば、略ラッパ状に形成されていてもよい。この場合には、ラッパ状の最大傾斜角度を本開示における拡径角度θ１とすればよい。

また、本実施形態の排気ディフューザ１８は、１５°≦θ１≦２５°を満たすように形成されていることが好ましいが、必ずしも１５°≦θ１≦２５°を満たすように形成されていなくても構わない。

本実施形態のガイドベーン２３は、図２、図３、図４、図５に示すように、ディフューザ本体２１の排ガスＧの入口側から出口（排出口２４）側に向かって延在するとともに、ガイドベーン２３の後端部（後縁部）２３ｂが前端部（前縁部）２３ａに対してタービンホイール３の回転方向の一方向Ｔ１側と反対の他方向Ｔ２側に位置するように、軸線Ｏ１方向に対して斜めに延設して構成されている。

言い換えれば、本願の発明者による鋭意研究によって得られた「エンジンの高負荷時に、軸線Ｏ１周りの一方向Ｔ１に回転するタービンホイール３から出た排ガスＧの旋回流Ｍの旋回方向がタービンホイール３の回転方向の一方向Ｔ１と逆の他方向Ｔ２を向く。（図３参照）」という知見に基づき、本実施形態のガイドベーン２３は、ディフューザ壁面２２から内側に突出するとともに、高負荷時にタービンホイール３から排出される排ガスＧの旋回流Ｍの旋回方向に合わせ、前端部２３ａから後端部２３ｂに向かうにつれてタービンホイール３の回転方向の一方向Ｔ１側と反対の他方向Ｔ２側に向かい、軸線Ｏ１方向に対して斜めに延設されている。

本実施形態の排気ディフューザ１８においては、同形同大の複数のガイドベーン２３が軸線Ｏ１中心の周方向に所定の間隔をあけて等間隔で並設されている。

また、本実施形態では、図１、図２、図４、図６に示すように、ディフューザ本体２１がテーパ部２０から上流に向かって延在する直線部（円筒部）２５を備え、ガイドベーン２３はその前端部２３ａを直線部２５に配置して設けられている。
なお、ディフューザ本体２１は、必ずしも直線部２５を備えていなくてもよい。

ガイドベーン２３は、図１、図６に示すように、ガイドベーン２３の翼高さ（軸線側の内側に突出する突出高さ寸法）をＨ、ディフューザ本体２１の入口２６の直径をＤ、と定義した場合に、０．０５Ｄ≦Ｈ≦０．２０Ｄ（Ｄの５％以上、２０％以下）の関係を満たすように形成されている。
なお、ガイドベーン２３は、前端部２３ａから後端部２３ｂまで一定の翼高さＨで形成されていることが好ましいが、これに限定する必要はない。

ガイドベーン２３は、図１、図６に示すように、周方向を向く側面である一面２３ｃと他面２３ｄとを繋ぐ前端面２３ｅが凸曲面状に形成されている。
なお、図７（図６）に示すように、ガイドベーン２３は、ディフューザ本体２１の内周面２２から内側に突出する突出方向先端の先端面２３ｆと前端面２３ｅの接続部分（角部）が凸曲面状に形成されていてもよい。

ガイドベーン２３は、図３、図４に示すように平板状で直線状に形成されてもよいが、図８、図９に示すように、タービンホイール３の回転方向と同方向の一方向Ｔ１側に配向された一面２３ｃ、言い換えれば、タービンホイール３の回転方向前方側を向く一面２３ｃが一方向Ｔ１側に凸の凸曲面状に形成され、他方向Ｔ２側に配向された他面２３ｄ、すなわち、タービンホイール３の回転方向後方側を向く他面２３ｄが一方向Ｔ１側に凹の凹曲面状に形成されてもよい。

さらに、ガイドベーン２３は、図１０、図１１に示すように、翼型で形成されてもよい。

そして、本実施形態の排気ディフューザ１８（及びタービンハウジング１２、並びに過給機１）においては、ディフューザ本体２１のディフューザ壁面である内周面２２から内側に突出するガイドベーン２３が、後端部２３ｂを前端部２３ａに対してタービンホイール３の回転方向の一方向Ｔ１側と反対の他方向Ｔ２側に位置するように、斜めに延設されている。

これにより、タービンホイール３から排出され、タービンホイール３の回転方向と逆方向（他方向Ｔ２）側に旋回する高速、高圧力で大流量の排ガスＧの旋回流Ｍを、ガイドベーン２３によって、旋回を促進させながら滑らかに導いて、ディフューザ壁面の内周面２２に押し付ける力を効果的に作用させることができる。その結果、ディフューザ壁面２２から排ガスＧ流れが剥離することを抑制できる。

すなわち、本実施形態のガイドベーン２３を備えることで、ディフューザ壁面２２から剥離が生じやすいエンジンの高負荷時であっても、従来よりも好適に、排ガスＧの剥離を抑制することができる。また、ポテンシャル干渉、後流干渉、伴流干渉などの非定常干渉の発生を抑制でき、所望の有効流路面積を確保することが可能になる。

したがって、本実施形態の排気ディフューザ１８（タービンハウジング１２、過給機１）によれば、発明者の鋭意研究による知見に基づいてガイドベーン２３の形状、配置を設定したことで、エンジンの高負荷時の排ガスＧの剥離、排気ディフューザ１８の有効流路面積の減少などを抑制でき、従来よりも圧力回復性能に優れた排気ディフューザ１８を実現することが可能になる。

また、このようなガイドベーン２３を備えて優れた圧力回復性能を実現できるため、排気ディフューザ１８の拡径角度（開き角）θ１を大きくすることが可能になり、より一層、優れた圧力回復性能を発揮する排気ディフューザ１８を実現することが可能になる。

なお、エンジンの低負荷時においては、高負荷時とは逆に、タービンホイール３の回転方向と同じ一方向Ｔ１側に旋回方向を向けた排ガスＧの旋回流Ｍが排気ディフューザ１８の入口２６から流入する。このとき、ガイドベーン２３が高負荷時の排ガスＧの旋回流Ｍの旋回方向に合わせて斜めに延設されているため、エンジンの低負荷時においては、ガイドベーン２３によって排ガスＧの流れが乱されるおそれがある。

しかしながら、エンジンの低負荷時に排気ディフューザ１８に流入する排ガスＧは、相対的に、低速、低圧力で小流量の排ガスＧの旋回流Ｍである。このため、本実施形態の排気ディフューザ１８（タービンハウジング１２、過給機１）では、ガイドベーン２３がこのエンジンの低負荷時にタービンホイール３から排出される旋回流Ｍと逆側に斜めに延設されていても、剥離が生じないようにしながら排ガスＧの旋回流Ｍを入口２６から排出口２４に導くことが可能である。

また、稼働時の諸条件などによって、仮に、エンジンの低負荷時にタービンホイール３から排出されて入口２６から流入した排ガスＧの旋回流Ｍがガイドベーン２３によって乱される場合であっても、排ガスＧの旋回流Ｍが低速、低圧力で小流量であるため、剥離の発生、有効流路面積の低減の影響は非常に小さく、十分で好適な圧力回復性能を確保できる。これも発明者の鋭意研究によって確認されている。

次に、本実施形態の排気ディフューザ１８（タービンハウジング１２、過給機１）において、複数のガイドベーン２３が軸線Ｏ１中心の周方向に所定の間隔をあけて並設されている。
このように複数のガイドベーン２３を備えることで、タービンホイール３の回転方向と逆方向側に旋回する高速、高圧力で大流量の排ガスＧの旋回流Ｍを、複数のガイドベーン２３のそれぞれによって、より効果的に旋回を促進させながら滑らかに導き、ディフューザ壁面２２に押し付ける力を大きく作用させることができる。

さらに、本実施形態の排気ディフューザ１８（タービンハウジング１２、過給機１）においては、ガイドベーン２３が、ガイドベーン２３の翼高さをＨ、ディフューザ本体２１の入口２６の直径をＤ、と定義した場合に、０．０５Ｄ≦Ｈ≦０．２０Ｄ（Ｄの５％以上、２０％以下）の関係を満たすように形成されている。
このようにガイドベーン２３の翼嵩さＨが設定されていることにより、ガイドベーン２３を設けることによって排気流路Ｒ４の内側に排ガスＧの流れの乱れが生じることを抑制でき、ガイドベーン２３を設けることによって有効流路面積が低減すること、ひいては圧力回復性能の低下を招くことを防止できる。

すなわち、Ｈ＜０．０５Ｄとすると、場合によっては、旋回領域が狭くなって、排ガスＧの旋回の促進効果が得られないおそれがあり、Ｈ＞０．２０Ｄとすると、場合によっては、排気流路Ｒ４の中心部に剥離域が生じてしまい、ガイドベーン２３を設けることによって圧力回復性能が逆に低下するおそれがある。

また、ガイドベーン２３が一面２３ｃを一方向Ｔ１側に凸の凸曲面状に、他面２３ｄを一方向Ｔ１側に凹の凹曲面状にして形成されていれば、エンジンの高負荷時にタービンホイール３から排出される高速、高圧力で大流量の排ガスＧの旋回流Ｍを、より一層効果的に、ガイドベーン２３によって、旋回を促進させながら滑らかに導き、ディフューザ壁面２２に押し付ける力を作用させて剥離の発生を抑制できる。

さらに、ガイドベーン２３が翼型で形成されていれば、エンジンの高負荷時の排ガスＧの旋回流をＭ、さらに一層効果的に、翼型のガイドベーン２３によって、旋回を促進させながら滑らかに導き、ディフューザ壁面２２に押し付ける力を作用させて剥離の発生を抑制できる。

一方、本実施形態では、ディフューザ本体２１がテーパ部２０からタービンホイール３側の上流に向かって延在する直線部２５を備え、ガイドベーン２３はその前端部２３ａを直線部２５に配置して設けられている。
このようにディフューザ本体２１の前端部２３ａ側に僅かな範囲でも直線部２５を設け、タービンホイール３から排出された排ガスＧを一旦直線部２５で軸線Ｏ１方向に流してからテーパ部２０に導入し、圧力回復を行うようにすることで、且つ、この直線部２５に前端部２３ａを配置してガイドベーン２３を延設しておくことで、効果的に、ポテンシャル干渉、後流干渉、伴流干渉などの非定常干渉の発生を抑制することができ、優れた圧力回復性能を実現することが可能になる。

また、ガイドベーン２３の前端面２３ｅや、先端面２３ｆと前端面２３ｅの接続部分を凸曲面状に形成することにより、より効果的に、ポテンシャル干渉、後流干渉、伴流干渉などの非定常干渉の発生を抑制することができ、一層、優れた圧力回復性能を実現することが可能になる。

さらに、例えば図４に示すように、ガイドベーン２３の前端部２３ａと後端部２３ｂを結ぶ直線（ガイドベーン２３が図４のように平板状の場合には中心線）Ｐと、タービンホイール３の軸線Ｏ１との角度θ２が５°～３０°程度となるように、ガイドベーン２３を斜めに延設することで、本開示のガイドベーン２３の作用効果を好適に発揮させることができる。

すなわち、この角度θ２が５°よりも小さいと、場合によっては、排ガスＧの旋回促進効果が小さくなって圧力回復性能が低下する可能性がある。
逆に、角度θ２が３０°よりも大きいと、場合によっては、排ガスＧの旋回とそれによって生じる遠心力とが大きくなり過ぎ、排ガスＧの流れがディフューザ壁面２２に偏ることにより、有効流路面積の減少を招き、圧力回復性能が低下する可能性がある。

（第２実施形態）
次に、図１２、図１３（及び図１、図２）を参照し、第２実施形態に係る排気ディフューザ及びタービンハウジング、並びに過給機について説明する。

ここで、本実施形態は、第１実施形態と同様、例えば、舶用ディーゼルエンジンなどのエンジンから排出される排ガスＧのエネルギーを利用し、圧縮空気Ａ’をエンジンに供給するように構成した過給機１に関し、第１実施形態に対し、排気ディフューザ１８に関する構成のみが異なる。よって、本実施形態では、第１実施形態と同様の構成について同一符号を付すなどし、詳細な説明を省略する。

（排気ディフューザ）
本実施形態の排気ディフューザ１８は、図１、図２に示すように、第１実施形態と同様、タービンホイール３の軸線Ｏ１との径方向の距離が排ガスＧの流れ方向下流に向かうにつれて大きくなるテーパ部２０を有するディフューザ本体２１と、ディフューザ本体２１のディフューザ壁面である内周面２２から軸線Ｏ１側の内側に突出するガイドベーン２３と、を備えて構成されている。

一方、本実施形態の排気ディフューザ１８の複数のガイドベーン２３は、図１２、図１３に示すように、第１のガイドベーン２３Ａと、第１のガイドベーン２３Ａに対してタービンホイール３の周方向に沿って間隔をあけて配置される第２のガイドベーン２３Ｂと、第２のガイドベーン２３Ｂに対して周方向に沿って間隔をあけて配置される第３のガイドベーン２３Ｃと、に分類される。

そして、本実施形態の排気ディフューザ１８は、第１のガイドベーン２３Ａと第２のガイドベーン２３Ｂとの間隔Ｌ１が、第２のガイドベーン２３Ｂと第３のガイドベーン２３Ｃとの間隔Ｌ２と異なるように構成されている。

言い換えれば、本実施形態において、排気ディフューザ１８の複数のガイドベーン２３は、周方向に不等間隔で並設されており、周方向に隣り合う少なくとも一部のガイドベーン２３同士の間隔が、ポテンシャル干渉、後流干渉、伴流干渉などの非定常干渉を抑制するように設定されている。

すなわち、第１実施形態で示したように、同形同大の複数のガイドベーン２３が周方向に等間隔で並設されている場合には、エンジンの高負荷時にタービンホイール３から排出される排ガスＧが高速、高圧力、大流用の旋回流であるが故に、例えば、ポテンシャル干渉、後流干渉、伴流干渉などの非定常干渉に起因し、タービンホイール３（タービン動翼１６）とガイドベーン２３との間に共振現象が発生し、この共振現象によってタービンホイール３の破損、耐久性低下などが生じることも考え得る。

これに対し、本実施形態の排気ディフューザ１８では、予め共振解析などを行い、複数のガイドベーン２３の周方向の間隔を、非定常干渉、ひいてはタービンホイール３とガイドベーン２３との間の共振の発生を抑制するように設定されている。

これにより、本実施形態の排気ディフューザ１８（及びタービンハウジング１２、並びに過給機１）によれば、第１実施形態の作用効果に加え、エンジンの高負荷時において、タービンホイール３とガイドベーン２３との間に共振現象が発生することを防止できる。

よって、圧力回復性能とともに、信頼性、耐久性に優れた排気ディフューザ１８及びタービンハウジング１２、並びに過給機１を実現することが可能になる。

以上、本開示の排気ディフューザ及びタービンハウジング、並びに過給機の第１実施形態、第２実施形態について説明したが、上記の第１実施形態、第２実施形態に限定されるものではなくその趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、第２実施形態の排気ディフューザ（タービンハウジング、過給機）に対し、第１実施形態の排気ディフューザ（タービンハウジング、過給機）の構成、変更例を適宜選択的に組み合わせるなどしても勿論構わない。

また、本開示のタービン（過給機）は、ラジアルタービン、斜流タービンのいずれであってもよい。

最後に、実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

（１）一の態様に係る排気ディフューザは、径方向外側から流入した排ガス（Ｇ）で駆動されるタービン（２）の排気ディフューザ（１８）であって、タービンのタービンホイール（３）の回転軸線（Ｏ１）との距離が下流に向かうにつれて大きくなるテーパ部（２０）を含むディフューザ本体（２１）と、ディフューザ本体の内周面（２２）から内側に突出する少なくとも一つのガイドベーン（２３）と、を備え、少なくとも一つのガイドベーンは、ディフューザ本体の入口（２６）側から出口（２４）側に向かって延在するとともに、少なくとも一つのガイドベーンの後端部（２３ｂ）が前端部（２３ａ）に対してタービンホイールの回転方向の一方向（Ｔ１）側と反対の他方向（Ｔ２）側に位置するように構成された。

本開示の排気ディフューザによれば、ガイドベーンが、後端部を前端部に対してタービンホイールの回転方向の一方向側と反対の他方向側に位置するように、斜めに延設されているので、タービンホイールから排出され、タービンホイールの回転方向と逆方向（他方向）側に旋回する高速、高圧力で大流量の排ガスの旋回流を、ガイドベーンによって、旋回を促進させながら滑らかに導いて、内周面に押し付ける力を効果的に作用させることができ、結果、内周面から排ガスの流れが剥離することを抑制できる。

したがって、発明者の鋭意研究による知見に基づいてガイドベーンの形状、配置を設定したことで、エンジンの高負荷時の排ガスの剥離、排気ディフューザの有効流路面積の減少などを抑制でき、従来よりも圧力回復性能に優れた排気ディフューザを実現することが可能になる。

また、このようなガイドベーンを備えて優れた圧力回復性能を実現できるため、排気ディフューザの拡径角度（開き角）を大きくすることが可能になり、より一層、優れた圧力回復性能を発揮する排気ディフューザを実現することが可能になる。

（２）別の態様に係る排気ディフューザは、（１）に記載の排気ディフューザであって、ディフューザ本体は、テーパ部の回転軸線に対する拡径角度をθと定義した場合に、１５°≦θ≦２５°を満たす。

本開示の排気ディフューザによれば、テーパ部の拡径角度が１５°≦θ≦２５°を満たすように形成されているので、ガイドベーンによって排ガスの剥離を抑止しつつ、さらなる圧力回復性能の向上を図ることが可能になる。

（３）別の態様に係る排気ディフューザは、（１）又は（２）に記載の排気ディフューザであって、少なくとも一つのガイドベーンの翼高さをＨ、ディフューザ本体の入口の直径をＤ、と定義した場合に、０．０５Ｄ≦Ｈ≦０．２０Ｄの関係を満たす。

本開示の排気ディフューザによれば、このようにガイドベーンの翼嵩さが設定されていることにより、ガイドベーンを設けることによって排気流路の内側に排ガスの流れの乱れが生じることを抑制でき、ガイドベーンを設けることによって有効流路面積が低減すること、ひいては圧力回復性能の低下を招くことを防止できる。

（４）別の態様に係る排気ディフューザは、（１）乃至（３）の何れかに記載の排気ディフューザであって、少なくとも一つのガイドベーンは、一方向側に配向された一面（２３ｃ）が、一方向側に凸の凸曲面状に形成され、他方向側に配向された他面（２３ｄ）が一方向側に凹の凹曲面状に形成されている。

本開示の排気ディフューザによれば、ガイドベーンが一面を一方向側に凸の凸曲面状に、他面を一方向側に凹の凹曲面状にして形成されていることにより、エンジンの高負荷時にタービンホイールから排出される高速、高圧力で大流量の排ガスの旋回流を、より一層効果的に、ガイドベーンによって、旋回を促進させながら滑らかに導き、内周面に押し付ける力を作用させて剥離の発生を抑制できる。

（５）別の態様に係る排気ディフューザは、（４）に記載の排気ディフューザであって、少なくとも一つのガイドベーンは、翼型で形成されている。

本開示の排気ディフューザによれば、ガイドベーンが翼型で形成されていることにより、エンジンの高負荷時の排ガスの旋回流を、さらに一層効果的に、翼型のガイドベーンによって、旋回を促進させながら滑らかに導き、内周面に押し付ける力を作用させて剥離の発生を抑制できる。

（６）別の態様に係る排気ディフューザは、（１）乃至（５）の何れかに記載の排気ディフューザであって、少なくとも一つのガイドベーンは、第１のガイドベーン（２３Ａ）と、第１のガイドベーンに対してタービンホイールの周方向に沿って間隔を空けて配置される第２のガイドベーン（２３Ｂ）と、第２のガイドベーンに対して周方向に沿って間隔を空けて配置される第３のガイドベーン（２３Ｃ）と、を含み、第１のガイドベーンと第２のガイドベーンとの間隔（Ｌ１）は、第２のガイドベーンと第３のガイドベーンとの間隔（Ｌ２）と異なるように構成された。

本開示の排気ディフューザによれば、エンジンの高負荷時において、タービンホイールとガイドベーンとの間に共振現象が発生することを防止できる。これにより、圧力回復性能とともに、信頼性、耐久性に優れた排気ディフューザを実現することが可能になる。

（７）別の態様に係る排気ディフューザは、（１）乃至（６）の何れかに記載の排気ディフューザであって、ディフューザ本体は、テーパ部から上流に向かって延在する直線部（２５）をさらに含み、少なくとも一つのガイドベーンの前端部は、直線部に配置されている。

本開示の排気ディフューザによれば、このようにディフューザ本体の前端部側に僅かな範囲でも直線部を設け、タービンホイールから排出された排ガスを一旦直線部で軸線方向に流してからテーパ部に導入し、圧力回復を行うようにすることで、且つ、この直線部に前端部を配置してガイドベーンを延設しておくことで、効果的に、ポテンシャル干渉、後流干渉、伴流干渉などの非定常干渉の発生を抑制することができ、優れた圧力回復性能を実現することが可能になる。

（８）別の態様に係る排気ディフューザは、（１）乃至（７）の何れかに記載の排気ディフューザであって、少なくとも一つのガイドベーンは、一方向側に配向された一面と他方向側に配向された他面とを繋ぐ前端面（２３ｅ）が凸曲面状に形成されている。

本開示の排気ディフューザによれば、ガイドベーンの前端面を凸曲面状に形成することにより、より効果的に、ポテンシャル干渉、後流干渉、伴流干渉などの非定常干渉の発生を抑制することができ、一層、優れた圧力回復性能を実現することが可能になる。

（９）一の態様に係るタービンハウジング（１２）は、タービンホイールを収容するとともに、タービンホイールの周囲にスクロール流路（ｒ３）を形成するスクロール本体１７と、（１）乃至（８）の何れかに記載の排気ディフューザを、備える。

本開示のタービンハウジングによれば、（１）乃至（８）の何れかに記載の排気ディフューザをタービンハウジングで形成し、これら排気ディフューザの作用効果を奏功することができる。

（１０）一の態様に係る過給機（１）は、エンジンから排出された排ガス（Ｇ）で駆動されるタービンであって、（９）に記載のタービンハウジングを含むタービンと、タービンに同軸で連結し、回転とともに圧縮した空気（圧縮空気Ａ’）をエンジンに供給するためのコンプレッサと、を備える。

本開示の過給機によれば、（１）乃至（８）の何れかに記載の排気ディフューザをタービンハウジングで形成したタービンを備えることで、（１）乃至（８）の何れかに記載の排気ディフューザの作用効果を奏功することができる。

１ 過給機
２ タービン
３ タービンホイール
４ 回転軸
５ コンプレッサ
６ コンプレッサホイール
８ コンプレッサハウジング
１２ タービンハウジング
１５ タービンハブ
１６ タービン動翼
１７ スクロール本体
１８ 排気ディフューザ
２０ テーパ部
２１ ディフューザ本体
２２ 内周面（ディフューザ壁面）
２３ ガイドベーン
２３ａ 前端部（前縁部）
２３ｂ 後端部（後縁部）
２３ｃ 一面
２３ｄ 他面
２３ｅ 前端面
２３ｆ 先端面
２３Ａ 第１のガイドベーン
２３Ｂ 第２のガイドベーン
２３Ｃ 第３のガイドベーン
２４ 出口（排出口）
２５ 直線部
２６ 入口
Ａ 空気（吸気）
Ａ’ 圧縮空気
Ｇ 排ガス
Ｌ１ 間隔
Ｌ２ 間隔
Ｍ 旋回流
Ｏ１ 軸線（回転軸線）
Ｒ４ 排気流路
Ｔ１ 一方向
Ｔ２ 他方向

Claims (10)

1. 径方向外側から流入した排ガスで駆動されるタービンの排気ディフューザであって、
   前記タービンのタービンホイールの回転軸線との距離が下流に向かうにつれて大きくなるテーパ部を含むディフューザ本体と、
   前記ディフューザ本体の内周面から内側に突出する少なくとも一つのガイドベーンと、
   を備え、
   前記少なくとも一つのガイドベーンは、前記ディフューザ本体の入口側から出口側に向かって延在するとともに、前記少なくとも一つのガイドベーンの後端部が前端部に対して前記タービンホイールの回転方向の一方向側と反対の他方向側に位置するように構成された、
   排気ディフューザ。
2. 前記ディフューザ本体は、
   前記テーパ部の前記回転軸線に対する拡径角度をθと定義した場合に、
   １５°≦θ≦２５°を満たす、
   請求項１に記載の排気ディフューザ。
3. 前記少なくとも一つのガイドベーンの翼高さをＨ、
   前記ディフューザ本体の前記入口の直径をＤ、と定義した場合に、
   ０．０５Ｄ≦Ｈ≦０．２０Ｄの関係を満たす、
   請求項１又は２に記載の排気ディフューザ。
4. 前記少なくとも一つのガイドベーンは、
   前記一方向側に配向された一面が、前記一方向側に凸の凸曲面状に形成され、前記他方向側に配向された他面が前記一方向側に凹の凹曲面状に形成されている、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の排気ディフューザ。
5. 前記少なくとも一つのガイドベーンは、翼型で形成されている、
   請求項４に記載の排気ディフューザ。
6. 前記少なくとも一つのガイドベーンは、第１のガイドベーンと、前記第１のガイドベーンに対して前記タービンホイールの周方向に沿って間隔を空けて配置される第２のガイドベーンと、前記第２のガイドベーンに対して前記周方向に沿って間隔を空けて配置される第３のガイドベーンと、を含み、
   前記第１のガイドベーンと前記第２のガイドベーンとの間隔は、前記第２のガイドベーンと前記第３のガイドベーンとの間隔と異なるように構成された、
   請求項１乃至５の何れか一項に記載の排気ディフューザ。
7. 前記ディフューザ本体は、前記テーパ部から上流に向かって延在する直線部をさらに含み、
   前記少なくとも一つのガイドベーンの前記前端部は、前記直線部に配置されている、
   請求項１乃至６の何れか一項に記載の排気ディフューザ。
8. 前記少なくとも一つのガイドベーンは、
   前記一方向側に配向された一面と前記他方向側に配向された他面とを繋ぐ前端面が凸曲面状に形成されている、
   請求項１乃至７の何れか一項に記載の排気ディフューザ。
9. 前記タービンホイールを収容するとともに、前記タービンホイールの周囲にスクロール流路を形成するスクロール本体と、
   請求項１乃至８の何れか１項に記載の排気ディフューザと、を備える、
   タービンハウジング。
10. エンジンから排出された排ガスで駆動されるタービンであって、請求項９に記載のタービンハウジングを含むタービンと、
    前記タービンに同軸で連結し、回転とともに圧縮した空気を前記エンジンに供給するためのコンプレッサと、を備える、
    過給機。

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