JP7395002B2 - タービン及びターボチャージャ - Google Patents

Description

本開示は、タービン及びターボチャージャに関する。

ターボチャージャには、過給圧の過度な上昇を抑制するためにウェストゲートバルブが設けられる場合がある。ウェストゲートバルブは、ターボチャージャのタービンをバイパスするバイパス通路であるウェストゲート流路を開閉することにより、タービンへの排ガスの流入量を調節するものである（例えば特許文献１参照）。

特開２０１８－１２７９８９号公報

特許文献１に記載のウェストゲート流路では、タービンホイールの翼をバイパスするように排ガスをタービンの下流側に流すように構成されている。そのため、タービン飲み込み流量を超える排ガスをバイパスさせるためにウェストゲート流路の排ガスを流す場合、ウェストゲート流路を流れる排ガスはタービンの出力向上に寄与できない。

本開示の少なくとも一実施形態は、上述の事情に鑑みて、排ガスをウェストゲート流路にバイパスさせたときのタービンの出力を向上することを目的とする。

（１）本開示の少なくとも一実施形態に係るタービンは、
複数の翼を有するタービンホイールと、
前記タービンホイールを収容するタービンホイール収容空間を内部に形成するタービンハウジングと、
前記タービンハウジングの内部に形成されたウェストゲート流路を流れる排ガスの流量を制御するためのウェストゲートバルブと、を備えるタービンであって、
前記ウェストゲート流路は、前記タービンハウジングの内部に形成されたスクロール流路と、前記タービンホイール収容空間における前記複数の翼の後縁よりも上流側の領域とを接続するように構成されている。

（２）本開示の少なくとも一実施形態に係るターボチャージャは、上記（１）の構成のタービン、を備える。

本開示の少なくとも一実施形態によれば、排ガスをウェストゲート流路にバイパスさせたときのタービンの出力を向上できる。

幾つかの実施形態に係るターボチャージャの一例を示す断面図である。 幾つかの実施形態に係るタービンホイールの外観の斜視図である。 幾つかの実施形態に係るタービンの一部の断面を模式的に示した図である。 他の実施形態に係るタービンの一部の断面を模式的に示した図である。 図３におけるＶ－Ｖ矢視断面を模式的に示した図の一例である。 図３におけるＶ－Ｖ矢視断面を模式的に示した図の他の一例である。 図３におけるＶ－Ｖ矢視断面を模式的に示した図の他の一例である。 図３におけるＶ－Ｖ矢視断面を模式的に示した図の他の一例である。 図３におけるＶ－Ｖ矢視断面を模式的に示した図の他の一例である。 図３におけるＶ－Ｖ矢視断面を模式的に示した図の他の一例である。 他の実施形態に係るタービンの断面を模式的に示した図である。 さらに他の実施形態に係るタービンの一部の断面を模式的に示した図である。 さらに他の実施形態に係るタービンの一部の断面を模式的に示した図である。 さらに他の実施形態に係るタービンの一部の断面を模式的に示した図である。 さらに他の実施形態に係るタービンの一部の断面を模式的に示した図である。 さらに他の実施形態に係るタービンの一部の断面を模式的に示した図である。 さらに他の実施形態に係るタービンの一部の断面を模式的に示した図である。 さらに他の実施形態に係るタービンの一部の断面を模式的に示した図である。

以下、添付図面を参照して本開示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、本開示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。

（ターボチャージャ１の全体構成）
図１は、幾つかの実施形態に係るターボチャージャ１の一例を示す断面図である。
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３及びコンプレッサホイール４と、タービンホイール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４を回転自在に収容するケーシング（コンプレッサハウジング）６とを有する。また、タービンハウジング５は、内部にスクロール流路７ａを有するスクロール部７を含む。コンプレッサハウジング６は、内部にスクロール流路８ａを有するスクロール部８を含む。
幾つかの実施形態に係るタービン３０は、タービンホイール３と、ケーシング５とを備える。幾つかの実施形態に係るコンプレッサ４０は、コンプレッサホイール４と、ケーシング６とを備える。

（タービンホイール３）
図２は、幾つかの実施形態に係るタービンホイール３の外観の斜視図である。
図３は、幾つかの実施形態に係るタービン３０の一部の断面を模式的に示した図である。
幾つかの実施形態に係るタービンホイール３は、ロータシャフト（回転軸）２に連結されて回転軸線ＡＸｗの周りに回転される羽根車である。幾つかの実施形態に係るタービンホイール３は、回転軸線ＡＸｗに沿った断面において、回転軸線ＡＸｗに対して傾斜するハブ面３２を有するハブ３１と、ハブ面３２に設けられた複数の翼（動翼）３３とを有する。なお、図１、２に示したタービンホイール３はラジアルタービンであるが、斜流タービンであってもよい。図２において、矢印Ｒはタービンホイール３の回転方向を示す。翼３３は、タービンホイール３の周方向に間隔をあけて複数設けられる。
幾つかの実施形態に係るタービンホイール３では、周方向で隣り合う２つの翼３３の間に形成される流路の流路面積が最も小さくなるスロート部３５が形成されている（図３参照）。なお、幾つかの実施形態に係るタービンホイール３では、スロート部３５は、翼３３の腹側において、翼の後縁３７よりも前縁３６側の領域に形成されている。

なお、斜視図による図示は省略するが、幾つかの実施形態に係るコンプレッサホイール４も、幾つかの実施形態に係るタービンホイール３と同様の構成を有している。すなわち、幾つかの実施形態に係るコンプレッサホイール４は、ロータシャフト（回転軸）２に連結されて回転軸線ＡＸｗの周りに回転される羽根車である。幾つかの実施形態に係るコンプレッサホイール４は、回転軸線ＡＸｗに沿った断面において、回転軸線ＡＸｗに対して傾斜するハブ面４２を有するハブ４１と、ハブ面４２に設けられた複数の翼（動翼）４３とを有する。翼４３は、コンプレッサホイール４の周方向に間隔をあけて複数設けられる。
以下の説明では、回転軸線ＡＸｗの延在方向を単に軸方向とも称し、回転軸線ＡＸｗを中心とする径方向を単に径方向とも称し、回転軸線ＡＸｗを中心とする周方向を単に周方向とも称する。

このように構成されるターボチャージャ１では、タービン３０の作動流体である排ガスは、タービンホイール３の前縁３６から後縁３７に向かって流れる。これにより、タービンホイール３は、回転させられるとともに、ロータシャフト２を介して連結されたコンプレッサ４０のコンプレッサホイール４が回転させられる。これにより、コンプレッサ４０の入口部４０ａから流入した吸気は、コンプレッサホイール４の前縁４６から後縁４７に向かって流れる過程でコンプレッサホイール４によって圧縮される。

（ウェストゲート流路１１０の概要）
幾つかの実施形態に係るタービン３０は、上述したように、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ホイール収容空間５３を内部に形成するタービンハウジング５と、を備える。幾つかの実施形態に係るタービン３０は、タービンハウジング５の内部に形成されたウェストゲート流路１１０を流れる排ガスの流量を制御するためのウェストゲートバルブ５５を備える。幾つかの実施形態では、例えば図３、後述する図４、図６、図７及び図８Ａ乃至図８Ｃに示すように、ウェストゲートバルブ５５は、ウェストゲートバルブ５５の径方向外側の位置がタービンハウジング５に揺動可能に支持されたスイングバルブからなっていてもよい。また、例えば後述する図９Ａ乃至図９Ｃに示すように、ウェストゲートバルブ５５Ａは、揺動するのではなく、タービンハウジング５に対する姿勢を変えずに軸方向に移動可能に構成されていてもよい。
なお、図１は、ウェストゲートバルブ５５によって開閉されるウェストゲート流路１１０の開口１１１がウェストゲートバルブ５５によって閉じられた状態を示している。また、図３は、開口１１１が開放された状態を示している。
また、例えば図１、図３、及び後述する各図において、ウェストゲートバルブ５５の揺動中心Ｃｖの位置を図示しているが、揺動中心Ｃｖの位置は、各図において図示した位置に限定されない。

幾つかの実施形態に係るタービン３０では、図１、図３、及び後述する各図に示すように、ウェストゲート流路１１０は、タービンハウジング５の内部に形成されたスクロール流路７ａと、タービンホイール収容空間５３における複数の翼３３の後３７縁よりも上流側の領域とを接続するように構成されている。より具体的には、幾つかの実施形態に係るウェストゲート流路１１０は、翼３３の先端部（チップ）３４と対向するケーシング５の内面５１に形成された開口部５７を下流端とする連通部１２０を含んでいる。幾つかの実施形態に係る連通部１２０は、ウェストゲート流路１１０とタービンホイール収容空間５３とを連通する。なお、連通部１２０の詳細については、後で説明する。

一般的なターボチャージャでは、タービンにおけるウェストゲート流路では、タービンホイールの翼をバイパスするように排ガスをタービンの下流側に流すように構成されている。そのため、タービン飲み込み流量を超える排ガスをバイパスさせるためにウェストゲート流路の排ガスを流す場合、ウェストゲート流路を流れる排ガスはタービンの出力向上に寄与できない。

これに対して、幾つかの実施形態に係るタービン３０によれば、ウェストゲート流路１１０を流れた排ガスがタービンホイール収容空間５３における複数の翼３３の後縁３７よりも上流側の領域に案内されるようにウェストゲート流路１１０が構成されている。これにより、ウェストゲート流路１１０内の排ガスがタービンホイール３の複数の翼３３に向かって流れるので、該排ガスのエネルギーをタービンホイール３の運動エネルギーとして回収可能である。したがって、ウェストゲート流路１１０を流れた排ガスからの動力回収が可能となるので、排ガスをウェストゲート流路１１０にバイパスさせたときのタービン３０の出力を向上できる。

ターボチャージャにおける一般的なタービンでは、翼３３のチップ３４とケーシング５の内面５１との間に隙間が存在するが、この隙間から漏れ流れ（チップリーク）が発生し、ターボ機械における流れ場と性能に影響を与える。
ターボチャージャにおけるタービンでは、ウェストゲート流路の上流端は、一般的にはスクロール流路７ａの途中やスクロール流路７ａよりも上流の流路等、タービンホイール３よりも径方向外側に位置する流路に設けられる。そのため、幾つかの実施形態に係るタービン３０において、ウェストゲート流路１１０をタービンホイール収容空間５３に接続するためには、ウェストゲート流路１１０の下流端、すなわち幾つかの実施形態に係る連通部１２０の下流端は、翼３３のチップ３４と対向するケーシング５の内面５１に設けることとなる。そのため、幾つかの実施形態に係るタービン３０によれば、ウェストゲート流路１１０を流れた排ガスがタービンホイール収容空間５３に案内される際にケーシング５の内面５１からチップ３４に向かって流れるので、上述したチップリークの流れを阻害して、チップリークを抑制できる。これにより、タービン３０の効率が向上するので、タービン３０の出力を向上できる。
幾つかの実施形態に係るターボチャージャ１によれば、幾つかの実施形態に係るターボチャージャ１が幾つかの実施形態に係るタービン３０を備えるので、タービン３０の部分負荷性能を向上させたターボチャージャ１を実現できる。

幾つかの実施形態に係るタービン３０では、例えば図３に示すように、ウェストゲート流路１１０は、スクロール流路７ａと、タービンホイール収容空間５３における複数の翼３３の後縁３７よりも上流側の領域の内のスロート部３５よりも下流側の領域とを接続するように構成されているとよい。
一般的に、タービンにおける飲み込み流量はスロート部の流路面積によって決まる。そのため、スロート部３５よりも上流側の領域にウェストゲート流路１１０を接続すると、ウェストゲート流路１１０を介してスロート部３５よりも上流側の領域に流入した排ガスの影響でタービン３０における飲み込み流量が減ってしまうおそれがある。
したがって、幾つかの実施形態に係るタービン３０のようにスロート部３５よりも下流側の領域にウェストゲート流路１１０を接続することで、ウェストゲート流路１１０を流れた排ガスがタービンホイール収容空間５３に流入しても、タービン３０における飲み込み流量に及ぼす影響を抑制できる。また、スロート部３５よりも下流側の領域にウェストゲート流路１１０を接続することで、スロート部３５よりも上流側の領域にウェストゲート流路１１０を接続した場合と比べて、排ガスを効率的にウェストゲート流路１１０を介してタービン３０の下流側に排出できる。

（タービンホイール３が短翼１３３を有する場合）
図４は、他の実施形態に係るタービン３０の一部の断面を模式的に示した図である。
幾つかの実施形態に係るタービン３０では、例えば図４に示すように、タービンホイール３は、複数の翼３３の間に配置される複数の短翼１３３であって、複数の短翼１３３の各々の後縁１３７が複数の翼３３の各々の後縁３７よりも前縁３６側に位置するように形成された複数の短翼１３３をさらに有していてもよい。そして、幾つかの実施形態に係るタービン３０では、ウェストゲート流路１１０は、スクロール流路７ａと、タービンホイール収容空間５３における複数の翼３３の後縁３７よりも上流側の領域の内の短翼１３３の後縁１３７よりも下流側の領域とを接続するように構成されているとよい。

周方向で隣り合う２つの翼３３の間に形成される流路の内、短翼１３３が存在する領域においてスロート部３５が存在していれば、タービンホイール収容空間５３において複数の翼３３の後縁３７よりも上流側且つ短翼１３３の後縁１３７よりも下流側の領域にウェストゲート流路１１０を接続することで、スロート部３５よりも下流側の領域にウェストゲート流路１１０を接続することになる。したがって、ウェストゲート流路１１０を流れた排ガスがタービンホイール収容空間５３に流入しても、タービン３０における飲み込み流量に及ぼす影響を抑制できる。また、短翼１３３の後縁１３７よりも下流側の領域にウェストゲート流路１１０を接続することで、短翼１３３の後縁１３７よりも上流側の領域にウェストゲート流路１１０を接続した場合と比べて、排ガスを効率的にウェストゲート流路１１０を介してタービン３０の下流側に排出できる。さらに、タービンホイール３が複数の短翼１３３を有するので、ウェストゲート流路１１０に排ガスが流れていない状態においても、タービン３０の性能を向上できる。

（幾つかの実施形態に係る連通部１２０について）
図５Ａは、図３におけるＶ－Ｖ矢視断面を模式的に示した図の一例である。
図５Ｂは、図３におけるＶ－Ｖ矢視断面を模式的に示した図の他の一例である。
図５Ｃは、図３におけるＶ－Ｖ矢視断面を模式的に示した図の他の一例である。
図５Ｄは、図３におけるＶ－Ｖ矢視断面を模式的に示した図の他の一例である。
図５Ｅは、図３におけるＶ－Ｖ矢視断面を模式的に示した図の他の一例である。
図５Ｆは、図３におけるＶ－Ｖ矢視断面を模式的に示した図の他の一例である。
なお、図５Ａ乃至図５Ｆでは、タービンホイール３の記載を省略している。

幾つかの実施形態では、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、連通部１２０は、周方向に間隔を置いて配置された複数の連通孔１２１、１２２を含んでいてもよい。
これにより、ウェストゲート流路１１０内の排ガスを複数の連通孔１２１、１２２からタービンホイール３の複数の翼３３に向かって流すことができ、複数の連通孔１２１、１２２から吹き出される排ガスの流速を確保できる。

図５Ａ及び図５Ｂに示す複数の連通孔１２１、１２２のそれぞれは、径方向内側に向かうにつれてタービンホイール３の回転方向Ｒの下流側に向かうように、径方向に対して傾斜していてもよい。
例えば、図５Ａに示す複数の連通孔１２１のそれぞれは、上流側端部１２１ａから下流側端部１２１ｂに至るまでの流路断面積が一定である。
例えば、図５Ｂに示す複数の連通孔１２２のそれぞれは、上流側端部１２２ａから下流側端部１２２ｂに向かうにつれて流路断面積が漸増する。
なお、図５Ａ及び図５Ｂに示した複数の連通孔１２１、１２２において上流側端部１２１ａ、１２２ａから下流側端部１２１ｂ、１２２ｂに向かって見たときの流路断面の形状は、矩形であってもよく、円形であってもよく、矩形以外の多角形であってもよい。また、該流路断面の形状は、周方向に延在する長軸を有する楕円形状であってもよい。

図５Ａ及び図５Ｂに示した複数の連通孔１２１、１２２の周方向への配置ピッチは、等ピッチでもよいし、不等ピッチでもよい。なお、図５Ａ及び図５Ｂに示した複数の連通孔１２１、１２２の周方向への配置ピッチや孔数は、連通孔１２１、１２２から吹き出される排ガスによって翼３３の振動が引きこ起こされないように設定するとよい。

幾つかの実施形態では、図５Ｃ乃至図５Ｅに示すように、連通部１２０は、周方向に延在する溝１２５を含んでいてもよい。
これにより、ウェストゲート流路１１０内の排ガスを周方向に延在する溝１２５からタービンホイール３の複数の翼３３に向かって流すことで、翼３３の振動を抑制できるので、タービン３０の信頼性を向上できる。
なお、幾つかの実施形態に係る溝１２５は、例えば図５Ｃに示すように周方向に沿って複数に分割されていてもよく、全周にわたって連続して設けられた単一の溝１２５であってもよい。

幾つかの実施形態では、図５Ｄ及び図５Ｅに示すように、溝１２５内に周方向に間隔を置いて配置された複数のノズル部材１３１、１３２であって、径方向内側に向かうにつれてタービンホイール３の回転方向Ｒの下流側に向かって流れるように上記溝１２５内を通過する排ガスを案内するための複数のノズル部材１３１、１３２を備えていてもよい。
これにより、排ガスが複数のノズル部材１３１、１３２によって上述のように案内されることで、排ガスを効率的にタービンホイール収容空間５３に流入させることができる。これにより、排ガスをウェストゲート流路１１０にバイパスさせたときのタービン３０の出力を一層向上できる。

例えば、図５Ｄに示す複数のノズル部材１３１のそれぞれは、例えば軸方向（図５Ｄにおける紙面奥行き方向）が厚さ方向となる板状の部材であってもよい。これにより、ノズル部材１３１の製造コストを抑制できる。
また、例えば、図５Ｅに示す複数のノズル部材１３２のそれぞれは、例えば翼型形状を有する部材であってもよい。これにより、排ガスを効率的にタービンホイール収容空間５３に流入させることができる。

幾つかの実施形態では、図５Ｆに示すように、連通部１２０は、先細末広形状を有していてもよい。すなわち、幾つかの実施形態では、図５Ｆに示すように、連通部１２０は、先細末広形状を有するノズル部１４０を有していてもよい。
一般的に、ウェストゲートバルブ５５、５５Ａが開いてウェストゲート流路１１０に排ガスを流す状況では、タービン３０の圧力比が高い場合が多い。そのため、連通部１２０を流れる排ガスの流速は非常に大きい。したがって、上記のように、連通部１２０を先細末広形状、すなわちラバールノズルのような形状にすることで、連通部１２０から吹き出す排ガスのエネルギーを効率的にタービンホイール３の運動エネルギーに変換できる。これにより、排ガスをウェストゲート流路１１０にバイパスさせたときのタービン３０の出力を一層向上できる。また、連通部１２０を先細末広形状に加工することは比較的容易であるので、製造コストを抑制できる。
なお、図５Ｃ乃至５Ｅに示すように、連通部１２０が周方向に延在する溝１２５を含む場合、溝１２５を周方向に沿って見たときに溝１２５が先細末広形状を有するように、軸方向に沿った溝１２５の幅を径方向の位置によって変更すればよい。

図６は、他の実施形態に係るタービン３０の断面を模式的に示した図である。
幾つかの実施形態では、例えば図６に示すように、ウェストゲート流路１１０は、タービンホイール３の回転方向Ｒの下流側に向かって断面積が小さくなるように構成されたスクロール部１５０であって、上記溝１２５を介してタービンホイール収容空間５３と連通するスクロール部１５０を含んでいてもよい。
これにより、排気ガスがウェストゲート流路１１０のスクロール部１５０で周方向に沿って案内されることで、上記溝１２５を介してタービンホイール収容空間５３に流入する排ガスの流量についての周方向の位置による差を抑制できる。これにより、排ガスをウェストゲート流路１１０にバイパスさせたときのタービン３０の出力を一層向上できる。

（バイパス部１６０を有する場合）
図７は、さらに他の実施形態に係るタービン３０の一部の断面を模式的に示した図である。図７は、開口１１１が開放された状態を示している。
図８Ａ乃至図８Ｃは、さらに他の実施形態に係るタービン３０の一部の断面を模式的に示した図である。
図８Ａは、開口１１１がウェストゲートバルブ５５によって閉じられた状態を示している。
図８Ｂは、ウェストゲートバルブ５５の開度が比較的小さい場合を示している。
図８Ｃは、ウェストゲートバルブ５５の開度が比較的大きい場合を示している。
図９Ａ乃至図９Ｃは、さらに他の実施形態に係るタービン３０の一部の断面を模式的に示した図である。
図９Ａは、開口１１１がウェストゲートバルブ５５Ａによって閉じられた状態を示している。
図９Ｂは、ウェストゲートバルブ５５Ａの開度が比較的小さい場合を示している。
図９Ｃは、ウェストゲートバルブ５５Ａの開度が比較的大きい場合を示している。

図７、図８Ａ乃至図８Ｃ及び図９Ａ乃至図９Ｃに示すように、幾つかの実施形態に係るタービン３０では、ウェストゲート流路１１０とタービンホイール３の下流側に形成される排出流路１７１とを接続するように構成されたバイパス部１６０をさらに備えてもよい。
これにより、ウェストゲート流路１１０を流れる排ガスの流量を増やすことができる。また、コンプレッサ４０駆動のために要求されるタービン動力を得るのに必要な排ガス量を超えて排ガスが供給されても、余剰の排ガスをタービン３０の外にバイパスさせることができる。よって、排ガスをウェストゲート流路１１０にバイパスさせたときのタービン３０の出力を向上できるとともに、タービン３０の過回転を抑制してタービン３０の信頼性を向上できる。

より具体的には、図７に示すタービン３０では、ウェストゲート流路１１０における開口１１１よりも下流側の領域にバイパス部１６０の上流端１６１が接続されている。該バイパス部１６０の下流端１６３は、タービンホイール３の複数の翼３３の後縁３７よりも下流側に形成された排出流路１７１に接続されている。図７に示すタービン３０では、ウェストゲートバルブ５５が開口１１１を開放すると、開口１１１から流出した排ガスは、連通部１２０とバイパス部１６０とに流入する。
図７に示すタービン３０では、上述したように連通部１２０に流入した排ガスは、連通部１２０からタービンホイール収容空間５３に流入して、タービンホイール３の複数の翼３３に向かって流れる。
図７に示すタービン３０では、バイパス部１６０に流入した排ガスは、バイパス部１６０からタービンホイール収容空間５３に流入することなく、排出流路１７１に直接流入する。

図７、図８Ａ乃至図８Ｃ及び図９Ａ乃至図９Ｃに示すように、幾つかの実施形態に係るタービン３０では、ウェストゲート流路１１０とタービンホイール収容空間５３とを連通する連通部１２０は、開口１１１に対して軸方向の上流側に位置するとよい。バイパス部１６０は、開口１１１に対して軸方向の下流側に位置するとよい。

例えばウェストゲートバルブ５５、５５Ａの開度が比較的小さく、ウェストゲートバルブ５５、５５Ａと開口１１１との間の隙間の軸方向位置がバイパス部１６０の上流端１６１よりも軸方向に沿って上流側に位置する場合、開口１１１から流出した排ガスは、ウェストゲートバルブ５５、５５Ａによってバイパス部１６０側への流れが阻害される。そのため、開口１１１から流出した排ガスは、連通部１２０側に向かって流れるようになる。すなわち、ウェストゲートバルブ５５、５５Ａの開度が比較的小さいと、開口１１１から流出した排ガスは、主として連通部１２０を流れるようになる。

ウェストゲートバルブ５５、５５Ａの開度が比較的大きいと、開口１１１から流出した排ガスは、ウェストゲートバルブ５５、５５Ａによってバイパス部１６０側への流れが阻害され難くため、バイパス部１６０側に向かって流れ易くなる。すなわち、例えばウェストゲートバルブ５５、５５Ａの開度が比較的大きく、例えば図７、図８Ａ乃至図８Ｃ及び図９Ａ乃至図９Ｃに示すようにウェストゲートバルブ５５、５５Ａと開口１１１との間の隙間の軸方向位置の範囲内にバイパス部１６０の上流端１６１が位置する場合、開口１１１から流出した排ガスは、連通部１２０だけでなく、バイパス部１６０にも流れるようになる。
これにより、ウェストゲートバルブ５５、５５Ａの開度によって連通部１２０及びバイパス部１６０を流れる排ガスの分配比率を調節できる。よって、排ガスをウェストゲート流路１１０にバイパスさせたときのタービン３０の出力をより向上できるとともに、タービン３０の過回転を抑制してタービン３０の信頼性を向上できる。

なお、例えば図８Ａ乃至図８Ｃに示すように、揺動可能に支持されたウェストゲートバルブ５５は、ウェストゲートバルブ５５の揺動中心Ｃｖから最も遠い位置にある先端部５６を有していてもよい。例えば図８Ａ乃至図８Ｃに示すタービン３０は、ウェストゲート流路１１０内でウェストゲートバルブ５５の先端部５６と比較的小さな隙間を介して対向する対向部１１５を有していてもよい。例えば図８Ａ乃至図８Ｃに示すタービン３０では、バイパス部１６０の上流端１６１は、対向部１１５よりも軸方向の下流側に位置しているとよい。

図８Ａ乃至図８Ｃに示すタービン３０では、図８Ａに示すようにウェストゲートバルブ５５が開口１１１を閉じている場合、開口１１１よりも下流側のウェストゲート流路１１０には排ガスは流れない。

図８Ａ乃至図８Ｃに示すタービン３０において、図８Ｂに示すようにウェストゲートバルブ５５の開度が比較的小さく、ウェストゲートバルブ５５の先端部５６の少なくとも一部と対向部１１５とが軸方向に沿って重複する位置に存在する場合、すなわち、先端部５６の少なくとも一部がバイパス部１６０の上流端１６１よりも軸方向の上流側に位置している場合について考える。この場合、ウェストゲートバルブ５５の先端部５６の少なくとも一部が対向部１１５と軸方向に沿って重複しているため、ウェストゲートバルブ５５の先端部５６と対向部１１５との間の隙間を排ガスは、ほとんど流れることができない。そのため、開口１１１から流出した排ガスは、該隙間を流れた僅かな量を除いて、連通部１２０に流入する。

図８Ａ乃至図８Ｃに示すタービン３０において、図８Ｃに示すようにウェストゲートバルブ５５の開度が比較的大きく、ウェストゲートバルブ５５の先端部５６が対向部１１５よりも軸方向に沿って下流側に存在する場合、すなわち、バイパス部１６０の上流端１６１の少なくとも一部がウェストゲートバルブ５５の先端部５６よりも軸方向の上流側に位置する場合について考える。この場合、開口１１１から流出した排ガスは、連通部１２０とバイパス部１６０とに流入する。

また、例えば図９Ａ乃至図９Ｃに示すように、ウェストゲートバルブ５５Ａは、揺動するのではなく、タービンハウジング５に対する姿勢を変えずに軸方向に移動可能に構成されていて、軸方向に移動することで開口１１１を閉止又は開放するように構成されていてもよい。図９Ａ乃至図９Ｃに示すウェストゲートバルブ５５Ａは、ウェストゲートバルブ５５Ａの径方向内側に位置する先端部５６Ａを有していてもよい。例えば図９Ａ乃至図９Ｃに示すタービン３０は、ウェストゲート流路１１０内でウェストゲートバルブ５５Ａの先端部５６Ａと比較的小さな隙間を介して対向する対向部１１５Ａを有していてもよい。例えば図９Ａ乃至図９Ｃに示すタービン３０では、バイパス部１６０の上流端１６１は、対向部１１５Ａよりも軸方向の下流側に位置しているとよい。

図９Ａ乃至図９Ｃに示すタービン３０では、図９Ａに示すようにウェストゲートバルブ５５Ａが開口１１１を閉じている場合、開口１１１よりも下流側のウェストゲート流路１１０には排ガスは流れない。

図９Ａ乃至図９Ｃに示すタービン３０において、図９Ｂに示すようにウェストゲートバルブ５５Ａの開度が比較的小さく、ウェストゲートバルブ５５Ａの先端部５６Ａの少なくとも一部と対向部１１５Ａとが軸方向に沿って重複する位置に存在する場合、すなわち、先端部５６Ａの少なくとも一部がバイパス部１６０の上流端１６１よりも軸方向の上流側に位置している場合について考える。この場合、ウェストゲートバルブ５５Ａの先端部５６Ａの少なくとも一部が対向部１１５と軸方向に沿って重複しているため、ウェストゲートバルブ５５Ａの先端部５６Ａと対向部１１５Ａとの間の隙間を排ガスは、ほとんど流れることができない。そのため、開口１１１から流出した排ガスは、該隙間を流れた僅かな量を除いて、連通部１２０に流入する。

図９Ａ乃至図９Ｃに示すタービン３０において、図９Ｃに示すようにウェストゲートバルブ５５Ａの開度が比較的大きく、ウェストゲートバルブ５５Ａの先端部５６Ａが対向部１１５Ａよりも軸方向に沿って下流側に存在する場合、すなわち、バイパス部１６０の上流端１６１の少なくとも一部がウェストゲートバルブ５５Ａの先端部５６Ａよりも軸方向の上流側に位置する場合について考える。この場合、開口１１１から流出した排ガスは、連通部１２０とバイパス部１６０とに流入する。

なお、図８Ａ乃至図８Ｃ及び図９Ａ乃至図９Ｃに示すように、バイパス部１６０の下流側の領域１６０Ｄを軸方向下流側に向けて傾斜させ、バイパス部１６０から排出される排ガスが排出流路１７１を形成する流路壁面１７２に沿って軸方向下流側に流れるようにするとよい。
上述したように、一般的に、ウェストゲートバルブ５５Ａが開いてウェストゲート流路１１０に排ガスを流す状況では、タービン３０の圧力比が高い場合が多い。そのため、バイパス部１６０を流れる排ガスの流速は比較的大きい。そのため、バイパス部１６０から排出される排ガスが流路壁面１７２に沿って軸方向下流側に流れるようにバイパス部１６０を構成することで、バイパス部１６０から排出された排ガスによって排出流路１７１の下流側に接続された不図示のタービンディフューザにおける境界層に運動量を与えることができる。これにより、タービンディフューザにおける流れの剥離を抑制できる。

本開示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。

上記各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）本開示の少なくとも一実施形態に係るタービン３０は、複数の翼３３を有するタービンホイール３と、タービンホイール３を収容するタービンホイール収容空間５３を内部に形成するタービンハウジング５と、タービンハウジング５の内部に形成されたウェストゲート流路１１０を流れる排ガスの流量を制御するためのウェストゲートバルブ５５、５５Ａと、を備える。ウェストゲート流路１１０は、タービンハウジング５の内部に形成されたスクロール流路７ａと、タービンホイール収容空間５３における複数の翼３３の後縁３７よりも上流側の領域とを接続するように構成されている。

上記（１）の構成によれば、ウェストゲート流路１１０を流れた排ガスがタービンホイール収容空間５３における複数の翼３３の後縁３７よりも上流側の領域に案内されるようにウェストゲート流路１１０が構成されている。これにより、ウェストゲート流路１１０内の排ガスがタービンホイール３の複数の翼３３に向かって流れるので、該排ガスのエネルギーをタービンホイール３の運動エネルギーとして回収可能である。したがって、ウェストゲート流路１１０を流れた排ガスからの動力回収が可能となるので、排ガスをウェストゲート流路１１０にバイパスさせたときのタービン３０の出力を向上できる。また、ウェストゲート流路１１０を流れた排ガスをタービンホイール収容空間５３に導くことで、複数の翼３３のチップ３４とタービンハウジング５との間の隙間における排ガスのチップリークを抑制できる。これにより、タービン３０の効率が向上するので、タービン３０の出力を向上できる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、ウェストゲート流路１１０は、スクロール流路７ａと、タービンホイール収容空間５３における複数の翼３３の後縁３７よりも上流側の領域の内のスロート部３５よりも下流側の領域とを接続するように構成されているとよい。

上述したように、一般的に、タービンにおける飲み込み流量はスロート部の流路面積によって決まる。そのため、スロート部３５よりも上流側の領域にウェストゲート流路１１０を接続すると、ウェストゲート流路１１０を介してスロート部３５よりも上流側の領域に流入した排ガスの影響でタービン３０における飲み込み流量が減ってしまうおそれがある。
したがって、上記（２）の構成のようにスロート部３５よりも下流側の領域にウェストゲート流路１１０を接続することで、ウェストゲート流路１１０を流れた排ガスがタービンホイール収容空間５３に流入しても、タービン３０における飲み込み流量に及ぼす影響を抑制できる。また、スロート部３５よりも下流側の領域にウェストゲート流路１１０を接続することで、スロート部３５よりも上流側の領域にウェストゲート流路１１０を接続した場合と比べて、排ガスを効率的にウェストゲート流路１１０を介してタービン３０の下流側に排出できる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、タービンホイール３は、複数の翼３３の間に配置される複数の短翼１３３であって、複数の短翼１３３の各々の後縁１３７が複数の翼３３の各々の後縁３７よりも前縁３６側に位置するように形成された複数の短翼１３３をさらに有していてもよい。ウェストゲート流路１１０は、スクロール流路７ａと、タービンホイール収容空間５３における複数の翼３３の後縁３７よりも上流側の領域の内の短翼１３３の後縁１３７よりも下流側の領域とを接続するように構成されているとよい。

周方向で隣り合う２つの翼３３の間に形成される流路の内、短翼１３３が存在する領域においてスロート部３５が存在していれば、上記（３）の構成を採用することで、スロート部３５よりも下流側の領域にウェストゲート流路１１０を接続することになるので、ウェストゲート流路１１０を流れた排ガスがタービンホイール収容空間５３に流入しても、タービンにおける飲み込み流量に及ぼす影響を抑制できる。また、短翼１３３の後縁１３７よりも下流側の領域にウェストゲート流路１１０を接続することで、短翼１３３の後縁１３７よりも上流側の領域にウェストゲート流路１１０を接続した場合と比べて、排ガスを効率的にウェストゲート流路１１０を介してタービン３０の下流側に排出できる。さらに、タービンホイール３が複数の短翼１３３を有するので、ウェストゲート流路１１０に排ガスが流れていない状態においても、タービン３０の性能を向上できる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、ウェストゲート流路１１０とタービンホイール収容空間５３とを連通する連通部１２０は、周方向に間隔を置いて配置された複数の連通孔１２１、１２２を含むとよい。

上記（４）の構成によれば、ウェストゲート流路１１０内の排ガスを複数の連通孔１２１、１２２からタービンホイール３の複数の翼３３に向かって流すことができ、複数の連通孔１２１、１２２から吹き出される排ガスの流速を確保できる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、ウェストゲート流路と１１０タービンホイール収容空間５３とを連通する連通部１２０は、周方向に延在する溝１２５を含むとよい。

上記（５）の構成によれば、ウェストゲート流路１１０内の排ガスを周方向に延在する溝１２５からタービンホイール３の複数の翼３３に向かって流すことで、翼３３の振動を抑制できるので、タービン３０の信頼性を向上できる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、ウェストゲート流路１１０は、タービンホイール３の回転方向Ｒの下流側に向かって断面積が小さくなるように構成されたスクロール部１５０であって、上記溝１２５を介してタービンホイール収容空間５３と連通するスクロール部１５０を含むとよい。

上記（６）の構成によれば、排気ガスがスクロール部１５０で周方向に沿って案内されることで、上記溝１２５を介してタービンホイール収容空間５３に流入する排ガスの流量についての周方向の位置による差を抑制できる。これにより、排ガスをウェストゲート流路１１０にバイパスさせたときのタービン３０の出力を一層向上できる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（５）又は（６）の構成において、上記溝１２５内に周方向に間隔を置いて配置された複数のノズル部材１３１、１３２であって、径方向内側に向かうにつれてタービンホイール３の回転方向Ｒの下流側に向かって流れるように上記溝１２５内を通過する排ガスを案内するための複数のノズル部材１３１、１３２をさらに備えるとよい。

上記（７）の構成によれば、排ガスが複数のノズル部材１３１、１３２によって上述のように案内されることで、排ガスを効率的にタービンホイール収容空間５３に流入させることができる。これにより、排ガスをウェストゲート流路１１０にバイパスさせたときのタービン３０の出力を一層向上できる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（４）乃至（７）の何れかの構成において、連通部１２０は、先細末広形状を有していてもよい。

一般的に、ウェストゲートバルブ５５、５５Ａが開いてウェストゲート流路１１０に排ガスを流す状況では、タービン３０の圧力比が高い場合が多い。そのため、連通部１２０を流れる排ガスの流速は非常に大きい。したがって、上記（８）の構成によれば、連通部１２０を先細末広形状、すなわちラバールノズルのような形状にしているので、連通部１２０から吹き出す排ガスのエネルギーを効率的にタービンホイール３の運動エネルギーに変換できる。これにより、排ガスをウェストゲート流路１１０にバイパスさせたときのタービン３０の出力を一層向上できる。また、連通部１２０を先細末広形状に加工することは比較的容易であるので、製造コストを抑制できる。

（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、ウェストゲート流路１１０とタービンホイール３の下流側に形成される排出流路１７１とを接続するように構成されたバイパス部１６０をさらに備えてもよい。

上記（９）の構成によれば、ウェストゲート流路１１０を流れる排ガスの流量を増やすことができる。また、コンプレッサ４０駆動のために要求されるタービン動力を得るのに必要な排ガス量を超えて排ガスが供給されても、余剰の排ガスをタービン３０の外にバイパスさせることができる。よって、排ガスをウェストゲート流路１１０にバイパスさせたときのタービン３０の出力を向上できるとともに、タービン３０の過回転を抑制してタービン３０の信頼性を向上できる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（９）の構成において、ウェストゲート流路１１０は、ウェストゲートバルブ５５によって開閉される開口１１１を含むとよい。ウェストゲートバルブ５５は、ウェストゲートバルブ５５の径方向外側の位置がタービンハウジング５に揺動可能に支持されたスイングバルブからなるとよい。ウェストゲート流路１１０とタービンホイール収容空間５３とを連通する連通部１２０は、上記開口１１１に対して軸方向の上流側に位置するとよい。バイパス部１６０は、上記開口１１１に対して軸方向の下流側に位置するとよい。

上記（１０）の構成によれば、ウェストゲートバルブ５５の開度が比較的小さいと、開口１１１から流出した排ガスは、ウェストゲートバルブ５５によってバイパス部１６０側への流れが阻害されるため、連通部１２０側に向かって流れるようになる。そのため、ウェストゲートバルブ５５の開度が比較的小さいと、開口１１１から流出した排ガスは、主として連通部１２０を流れるようになる。
ウェストゲートバルブ５５の開度が比較的大きいと、開口１１１から流出した排ガスは、ウェストゲートバルブ５５によってバイパス部１６０側への流れが阻害され難くため、バイパス部１６０側に向かって流れ易くなる。そのため、ウェストゲートバルブ５５の開度が比較的大きいと、開口１１１から流出した排ガスは、連通部１２０だけでなく、バイパス部１６０にも流れるようになる。
これにより、ウェストゲートバルブ５５の開度によって連通部１２０及びバイパス部１６０を流れる排ガスの分配比率を調節できる。よって、排ガスをウェストゲート流路１１０にバイパスさせたときのタービン３０の出力をより向上できるとともに、タービンの過回転を抑制してタービン３０の信頼性を向上できる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（９）の構成において、ウェストゲート流路１１０は、ウェストゲートバルブ５５Ａによって開閉される開口１１１を含むとよい。ウェストゲートバルブ５５Ａは、軸方向に移動可能に構成されていてもよい。ウェストゲート流路１１０とタービンホイール収容空間５３とを連通する連通部１２０は、上記開口１１１に対して軸方向の上流側に位置するとよい。バイパス部１６０は、上記開口１１１に対して軸方向の下流側に位置するとよい。

上記（１１）の構成によれば、ウェストゲートバルブ５５Ａの開度が比較的小さいと、開口１１１から流出した排ガスは、ウェストゲートバルブ５５Ａによってバイパス部１６０側への流れが阻害されるため、連通部１２０側に向かって流れるようになる。そのため、ウェストゲートバルブ５５Ａの開度が比較的小さいと、開口１１１から流出した排ガスは、主として連通部１２０を流れるようになる。
ウェストゲートバルブ５５Ａの開度が比較的大きいと、開口１１１から流出した排ガスは、ウェストゲートバルブ５５Ａによってバイパス部１６０側への流れが阻害され難くため、バイパス部１６０側に向かって流れ易くなる。そのため、ウェストゲートバルブ５５Ａの開度が比較的大きいと、開口１１１から流出した排ガスは、連通部１２０だけでなく、バイパス部１６０にも流れるようになる。
これにより、ウェストゲートバルブ５５Ａの開度によって連通部１２０及びバイパス部１６０を流れる排ガスの分配比率を調節できる。よって、排ガスをウェストゲート流路１１０にバイパスさせたときのタービン３０の出力をより向上できるとともに、タービンの過回転を抑制してタービン３０の信頼性を向上できる。

（１２）本開示の少なくとも一実施形態に係るターボチャージャ１は、上記（１）乃至（１１）の何れかの構成のタービン３０を備える。

上記（１２）の構成によれば、タービン３０の部分負荷性能を向上させたターボチャージャ１を提供できる。

１ ターボチャージャ
３ タービンホイール
５ ケーシング（タービンハウジング）
７ スクロール部
７ａ スクロール流路
３０ タービン
３３ 翼（動翼）
３４ 先端部（チップ）
３５ スロート部
３６ 前縁
３７ 後縁
５３ タービンホイール収容空間
５５、５５Ａ ウェストゲートバルブ
１１０ ウェストゲート流路
１１１ 開口
１２０ 連通部
１２１、１２２ 連通孔
１２５ 溝
１３１、１３２ ノズル部材
１３３ 短翼
１３７ 後縁
１４０ ノズル部
１６０ バイパス部
１７１ 排出流路

Claims (12)

1. 複数の翼を有するタービンホイールと、
   前記タービンホイールを収容するタービンホイール収容空間を内部に形成するタービンハウジングと、
   前記タービンハウジングの内部に形成されたウェストゲート流路を流れる排ガスの流量を制御するためのウェストゲートバルブと、を備えるタービンであって、
   前記ウェストゲート流路は、前記タービンハウジングの内部に形成されたスクロール流路と、前記タービンホイール収容空間における前記複数の翼の後縁よりも上流側の領域とを接続するように構成され、
   前記ウェストゲート流路と前記タービンホイールの下流側に形成される排出流路とを接続するように構成されたバイパス部を備え、
   前記ウェストゲート流路は、前記ウェストゲートバルブによって開閉される開口を含み、
   前記ウェストゲートバルブは、前記開口からの排ガスを前記タービンホイール収容空間における前記複数の翼の後縁よりも上流側の領域に流す流量と、前記開口からの排ガスを前記バイパス部を介して前記排出流路に流す流量との分配比率を前記ウェストゲートバルブの開度によって調節可能に構成されている
   タービン。
2. 前記ウェストゲートバルブは、
   規定の開度未満の開度において、前記開口からの排ガスを前記タービンホイール収容空間における前記複数の翼の後縁よりも上流側の領域に流すことを許可するとともに、前記開口からの排ガスを前記バイパス部を介して前記排出流路に流すことを阻害し、
   前記規定の開度以上の開度において、前記開口からの排ガスを前記タービンホイール収容空間における前記複数の翼の後縁よりも上流側の領域に流すことを許可するとともに、前記開口からの排ガスを前記バイパス部を介して前記排出流路に流すことを許可する、
   請求項１に記載のタービン。
3. 前記ウェストゲート流路は、前記スクロール流路と、前記タービンホイール収容空間における前記複数の翼の後縁よりも上流側の領域の内のスロート部よりも下流側の領域とを接続するように構成された、
   請求項１又は２に記載のタービン。
4. 前記タービンホイールは、前記複数の翼の間に配置される複数の短翼であって、前記複数の短翼の各々の後縁が前記複数の翼の各々の前記後縁よりも前縁側に位置するように形成された複数の短翼をさらに有し、
   前記ウェストゲート流路は、前記スクロール流路と、前記タービンホイール収容空間における前記複数の翼の後縁よりも上流側の領域の内の前記短翼の前記後縁よりも下流側の領域とを接続するように構成された、
   請求項１又は２に記載のタービン。
5. 前記ウェストゲート流路と前記タービンホイール収容空間とを連通する連通部は、周方向に間隔を置いて配置された複数の連通孔を含む、
   請求項１又は２に記載のタービン。
6. 前記ウェストゲート流路と前記タービンホイール収容空間とを連通する連通部は、周方向に延在する溝を含む、
   請求項１又は２に記載のタービン。
7. 前記ウェストゲート流路は、前記タービンホイールの回転方向の下流側に向かって断面積が小さくなるように構成されたスクロール部であって、前記溝を介して前記タービンホイール収容空間と連通するスクロール部を含む、
   請求項６に記載のタービン。
8. 前記溝内に周方向に間隔を置いて配置された複数のノズル部材であって、径方向内側に向かうにつれて前記タービンホイールの回転方向の下流側に向かって流れるように前記溝内を通過する排ガスを案内するための複数のノズル部材、
   をさらに備える請求項６に記載のタービン。
9. 前記連通部は、先細末広形状を有する、
   請求項５に記載のタービン。
10. 前記ウェストゲート流路は、前記ウェストゲートバルブによって開閉される開口を含み、
    前記ウェストゲートバルブは、前記ウェストゲートバルブの径方向外側の位置が前記タービンハウジングに揺動可能に支持されたスイングバルブからなり、
    前記ウェストゲート流路と前記タービンホイール収容空間とを連通する連通部は、前記開口に対して軸方向の上流側に位置し、
    前記バイパス部は、前記開口に対して軸方向の下流側に位置する、
    請求項１又は２に記載のタービン。
11. 前記ウェストゲート流路は、前記ウェストゲートバルブによって開閉される開口を含み、
    前記ウェストゲートバルブは、軸方向に移動可能に構成され、
    前記ウェストゲート流路と前記タービンホイール収容空間とを連通する連通部は、前記開口に対して軸方向の上流側に位置し、
    前記バイパス部は、前記開口に対して軸方向の下流側に位置する、
    請求項１又は２に記載のタービン。
12. 請求項１又は２に記載のタービン、
    を備えるターボチャージャ。

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