JPWO2019030892A1 - ターボチャージャ用タービン及びターボチャージャ - Google Patents

Abstract

ターボチャージャ用タービンは、コンプレッサインペラと回転軸を介して連結されるタービンインペラと、前記タービンインペラを覆うように設けられ、スクロール流路および該スクロール流路の径方向内側に設けられて前記スクロール流路からの排ガスを前記タービンインペラへと導くためのスクロール出口部を含むタービンケーシングと、前記タービンインペラの背面に対向するように設けられる背面側部材とを備え、前記背面側部材は、前記タービンインペラの前記背面と対向するインペラ対向面に、前記背面に向かって突出するとともに周方向に延在する凸部を有する。

Description

本開示はターボチャージャ用タービン及びターボチャージャに関する。

従来、舶用、自動車用等の内燃機関では、その排気エネルギーを利用して駆動させられ、内燃機関の給気圧力を高めて内燃機関の出力を増大させるターボチャージャについて、種々の発明がなされている。このようなターボチャージャは、軸受ケーシングを挟んで配置されたコンプレッサとタービンとを備える。

特許文献１には、コンプレッサインペラとタービンインペラとが、軸受で支持された回転軸によって互いに連結されるターボチャージャが開示されている。

特開２０１４−２３４７１３号公報

ところが、近年、ターボチャージャの高圧力比化の要請に伴い、コンプレッサインペラがタービンインペラに比べて大径化する傾向にある。コンプレッサインペラの大径化に伴って、コンプレッサインペラの背面に働くスラスト力（タービンからコンプレッサに向かう方向に生じる力）は、タービンインペラの背面に働くスラスト力（コンプレッサからタービンに向かう方向に生じる力）に比較して大きくなる。この結果、軸受にかかる荷重が増加しロータ全体にメカニカルロスが生じることで、ターボチャージャの効率低下を招いてしまう。

そこで、本発明の少なくとも幾つかの実施形態の目的は、ターボチャージャの高圧力比化を促進しながら、コンプレッサインペラ及びタービンインペラを含むロータ全体に生じるメカニカルロスの低減に有効なターボチャージャ用タービン及びターボチャージャを提供することである。

（１）本発明の幾つかの実施形態に係るターボチャージャ用タービンは、
コンプレッサインペラと回転軸を介して連結されるタービンインペラと、
前記タービンインペラを覆うように設けられ、スクロール流路および該スクロール流路の径方向内側に設けられて前記スクロール流路からの排ガスを前記タービンインペラへと導くためのスクロール出口部を含むタービンケーシングと、
前記タービンインペラの背面に対向するように設けられる背面側部材と
を備え、
前記背面側部材は、前記タービンインペラの前記背面と対向するインペラ対向面に、前記背面に向かって突出するとともに周方向に延在する凸部を有する。

上記（１）の構成では、背面側部材は、タービンインペラの背面と対向するインペラ対向面に、背面に向かって突出するとともに周方向に延在する凸部を有する。スクロール出口部からタービンインペラの背面とインペラ対向面との隙間に取り込まれる排ガス流れは、凸部によって縮流される。これにより、タービンインペラの背面にかかる静圧が凸部の近傍又は凸部の上流側で上昇するとともに、凸部を迂回しようとする流れがタービンインペラの背面に衝突するため、タービンインペラの背面に働くスラスト力を大きくすることができる。この結果、コンプレッサインペラの大径化によりコンプレッサインペラの背面に働くスラスト力が大きくなる場合であっても、コンプレッサインペラ及びタービンインペラのそれぞれの背面に働くスラスト力の大きさの差が減少するため、ロータ全体に生じるメカニカルロスを低減することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記背面側部材の前記インペラ対向面は、
前記凸部の径方向外側に位置して径方向に沿って延在する第１領域と、
前記第１領域から前記背面に向かって軸方向に沿って延在し、前記凸部の外表面の一部を形成する第２領域と、
前記第２領域の前記径方向内側に位置し、前記凸部の前記外表面の他の一部を形成する第３領域と、
を含む。

上記（２）の構成によれば、背面側部材のインペラ対向面は、第１領域から背面に向かって軸方向に沿って延在し、前記凸部の外表面の一部を形成する第２領域を含んでいる。軸方向に沿った第２領域にて排ガスの流路が急激に狭まることで、第２領域によって排ガス流れを効果的に縮流させることができる。このため、タービンインペラの背面にかかる静圧をより一層高めることができ、かつ、タービンインペラの背面に向かう排ガス流れを効果的に形成可能である。よって、タービンインペラの背面に働くスラスト力を効果的に増大させることができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記凸部の先端の半径方向位置において前記タービンインペラの前記背面と前記凸部との距離が最も小さくなるように形成される。

上記（３）の構成によれば、スクロール出口部から背面に取り込まれる排ガス流れは、凸部の先端の半径方向位置で最も流路幅が小さくなる。これにより、凸部の先端の半径方向位置付近又はその上流側においてタービンインペラの背面にかかる静圧が上昇することで、タービンインペラの背面に働くスラスト力を増大させることができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（３）の何れか一つの構成において、
前記凸部の最外周部は、前記タービンインペラの半径をｒとしたとき、０．６ｒ以上０．８ｒ以下の径方向位置範囲内に含まれる。

本発明者らの知見によれば、スクロール出口部からタービンインペラの背面とインペラ対向面との間に流入した排ガス流れは旋回成分を有するため、タービンインペラの背面に働く静圧はタービンインペラの外周領域において径方向内側に向かって減少する傾向がある。
この点、上記（４）の構成のように、前記タービンインペラの半径をｒとしたとき、凸部の最外周部を０．６ｒ以上の径方向位置に設けることで、排ガス流れの旋回成分に起因したタービンインペラの外周領域における静圧の減少を凸部によって効果的に抑制し、タービンインペラの背面に働くスラスト力を効果的に増大させることができる。
また、凸部の最外周部を０．８ｒ以下の径方向位置に設けることで、凸部の縮流効果によって凸部近傍又は凸部の上流側で高められた静圧を受けるタービンインペラ背面の面積を十分に確保し、タービンインペラの背面に働くスラスト力を効果的に増大させることができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（４）の何れか一つの構成において、
前記背面側部材は、前記凸部の径方向外側に位置し、前記径方向内側に向かって前記タービンインペラの前記背面に近づくように前記径方向に対して斜めに形成された第１テーパ面を有する。

上記（５）の構成によれば、径方向内側に向かってタービンインペラの背面に近づくように径方向に対して斜めに形成された第１テーパ面によって、タービンインペラの背面と背面側部材との間に流れる排ガスの流路を背面側へ絞ることができる。排ガス流れを積極的に背面側へ導くことによって、より背面に近い領域で圧力を高めることができ、タービンインペラの背面に働くスラスト力を大きくすることができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記背面側部材は、前記第１テーパ面の径方向内側かつ前記凸部の径方向外側に位置し、前記径方向内側に向かって前記タービンインペラの前記背面から離れるように前記径方向に対して斜めに形成された第２テーパ面を有する。

上記（６）の構成によれば、第１テーパ面の径方向内側かつ凸部の径方向外側に位置し、径方向内側に向かってタービンインペラの背面から離れるように径方向に対して斜めに形成された第２テーパ面を有するため、第１テーパ面で絞った流路を第２テーパ面によって広げることができる。拡大した流路によって排ガス流れが減速するため、タービンインペラの背面に働く静圧を高めることができる。したがって、タービンインペラの背面に働くスラスト力を増大させることができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（６）の何れか一つの構成において、
前記スクロール出口部は、
シュラウド側壁面と、
前記シュラウド側壁面に対向するように前記タービンインペラのハブ側に位置するハブ側壁面と、
を有し、
前記ハブ側壁面は、少なくとも一部の径方向領域において、前記径方向内側に向かって前記シュラウド側壁面から軸方向に離れるように前記径方向に対して斜めに形成された第３テーパ面を有する。

上記（７）の構成によれば、ハブ側壁面は、少なくとも一部の径方向領域において、径方向内側に向かってシュラウド側壁面から軸方向に離れるように径方向に対して斜めに形成された第３テーパ面を有するため、スクロール出口部からの排ガスの旋回成分を弱めて排ガスをタービンインペラの背面と背面側部材との間へスムーズに導くことができる。これにより、背面と背面側部材との間に流れる排ガスの流量が増え、背面側における圧力を高めることができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の構成において、
前記第３テーパ面は、前記径方向に対してなす角度が１０度以上４０度以下である。

本発明者らの検討の結果、第３テーパ面の径方向に対してなす角度を１０度以上４０度以下とすることによって、タービンインペラの背面に働くスラスト力を効果的に増大可能であることが判明した。上記（８）の構成は、本発明者らの上記検討の結果を利用したものであり、タービンインペラの背面に働くスラスト力を効果的に増大させることができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（７）又は（８）の構成において、
前記背面側部材は、前記径方向内側に向かって前記タービンインペラの前記背面に近づくように前記径方向に対して斜めに形成された第１テーパ面を有するとともに、
前記第１テーパ面の最外周部は、前記第３テーパ面の径方向内側端を通る前記ハブ側壁面の接線を前記シュラウド側壁面から前記軸方向に離れる方向に１０度傾けた第１直線と、前記第３テーパ面の接線を前記シュラウド側壁面へ前記軸方向に近づく方向に１０度傾けた第２直線とで挟まれた領域に含まれる。

第１テーパ面の最外周部が第１直線よりも径方向外側の領域にある場合、第１テーパ面の最外周部付近に形成されて排ガスがほとんど流れない領域（死水域）が大きくなる。このため、スクロール出口部からの排ガス流れのうち死水域で滞る排ガス流れが増え、第１テーパ面によって得られる圧力増加効果が小さくなってしまう。また、第１テーパ面の最外周部が第２直線よりも径方向内側の領域にある場合、スクロール出口部からの排ガスの流路中に飛び出した最外周部によって排ガス流れが妨げられ、圧力損失を生じる可能性がある。
この点、上記（９）の構成によれば、スクロール出口部からの排ガス流れをスムーズにタービンインペラの背面に導くことができるうえ、背面における圧力増加効果を効果的に享受することができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（５）、（６）及び（９）の何れか一つの構成において、
前記第１テーパ面は、前記径方向に対してなす角度が５度以上４５度以下である平坦面である。

上記（１０）の構成によれば、第１テーパ面の径方向に対してなす角度を５度以上４５度以下である平坦面とすることで、タービンインペラの背面に働くスラスト力の増加に望ましい角度で排ガスの流路を絞り、背面側へ案内できる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（１０）の何れか一つの構成において、
前記背面側部材は、前記タービンインペラの前記背面に対向して設けられる遮熱板を含む。

上記（１１）の構成によれば、タービン側からの熱が軸受ケーシング側へ伝わるのを抑制するための遮熱板を背面側部材として用い、上記（１）で述べたインペラ対向面を遮熱板によって形成することで、タービンインペラの背面に働くスラスト力を簡素な構成で増大させることができる。

（１２）本発明の幾つかの実施形態に係るターボチャージャは、
上記（１）〜（１１）の何れか一つに記載のタービンと、
前記コンプレッサインペラを有し、前記タービンによって駆動されるように構成されたコンプレッサと、
を備える。

上記（１２）の構成によれば、上記（１）で述べたように、背面側部材の凸部による縮流効果の結果、凸部近傍又は凸部の上流側においてタービンインペラの背面にかかる静圧が上昇するとともに、凸部を迂回しようとする流れがタービンインペラの背面に衝突する。よって、タービンインペラの背面に働くスラスト力が増大し、コンプレッサインペラが大径化する場合であっても、ロータ全体に生じるメカニカルロスを低減し、ターボチャージャの効率を向上させることができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、ターボチャージャの高圧力比化を促進しながら、コンプレッサインペラ及びタービンインペラを含むロータ全体に生じるメカニカルロスを効果的に低減することができる。

本発明の一実施形態に係るタービンを備えたターボチャージャの全体構成を概略的に示す模式図である。 幾つかの実施形態に係るタービンにおいて、背面側部材付近を拡大した図である。 変形例に係る背面側部材の形状についての変形例を示す図である。 比較例に係るタービンの凸部の形状を示す図である。 図４Ａに示すタービンについてのＣＦＤ解析により得られた周方向速度分布を示す図である。 図４Ａに示すタービンについてのＣＦＤ解析により得られた全圧分布を示す図である。 図４Ａに示すタービンについてのＣＦＤ解析により得られた静圧分布を示す図である。 図２に示すタービンに関するＣＦＤ解析結果を示す図である。 比較例に係るタービンに関するＣＦＤ解析結果を示す図である。 幾つかの実施形態に係るタービンにおいて、スクロール出口部と背面側部材との位置関係を説明するための拡大図である。 図６に示した実施形態に係るタービンについてのＣＦＤ解析結果を示す図である。 図２に示した実施形態に係るタービンについてのＣＦＤ解析結果を示す図である。 スクロール出口部のハブ側壁面が第３テーパ面を具備する場合におけるＣＦＤ解析結果を示す図である。 比較例のＣＦＤ解析結果を示す図である。 径方向に対する第３テーパ面の傾斜角度とスラスト力との関係を示すグラフである。 第１テーパ面の最外周部が領域Ｚに含まれる場合の排ガス流れを示す図である。 第１テーパ面の最外周部が領域Ｚよりも径方向外側に第１テーパ面の最外周部が存在する場合の排ガス流れを示す図である。 第１テーパ面の最外周部が領域Ｚよりも径方向内側に第１テーパ面の最外周部が存在する場合の排ガス流れを示す図である。

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。

まず、図１を参照して、幾つかの実施形態に係るタービン４１が適用されるターボチャージャ１０の全体構成について説明する。図１は、一実施形態に係るタービン４１が適用されるターボチャージャ１０の概略構成を表す図である。

図１に示すように、本発明の幾つかの実施形態に係るターボチャージャ１０は、軸受ケーシング２０を挟んで配置されたコンプレッサケーシング３０とタービンケーシング４０とを備える。回転軸２２は、タービンケーシング４０内に収容されるタービンインペラ４２を一端に有し、コンプレッサケーシング３０に収容されるコンプレッサインペラ３２を他端に有している。回転軸２２、タービンインペラ４２及びコンプレッサインペラ３２は、それぞれが一体となって回転可能に設けられる。軸受ケーシング２０には、ラジアル軸受２４及びスラスト軸受２６が設けられる。ラジアル軸受２４は、回転軸２２を回転可能に支持するものであり、スラスト軸受２６は、回転軸２２が軸方向に移動しないように支持するものである。

コンプレッサケーシング３０には、空気をコンプレッサケーシング３０内に取り入れるための空気入口部３４が形成されている。コンプレッサインペラ３２の回転により圧縮された空気は、ディフューザ流路３６やコンプレッサスクロール流路３７を通り昇圧され、空気出口部（不図示）を経由してコンプレッサケーシング３０の外側へ排出される。

タービンケーシング４０には、エンジン（不図示）からの排ガスをタービンケーシング４０内に取入れるためのガス入口部４４が形成されており、このガス入口部４４は、エンジンの排気マニホールド（不図示）に接続可能である。また、タービンケーシング４０内においてタービンインペラ４２の外周部には、渦巻き状のスクロール流路４６がタービンインペラ４２を覆うように設けられる。このスクロール流路４６は、ガス入口部４４と連通しており、排ガスを内部に取入れるように形成される。スクロール流路４６の径方向内側には、スクロール流路４６からの排ガスをタービンインペラ４２へと導くためのスクロール出口部４８が設けられる。スクロール出口部４８は、シュラウド側壁面５１と、シュラウド側壁面５１に対向するようにタービンインペラ４２のハブ側に位置するハブ側壁面５３とを有する。タービンインペラ４２を経由した排ガスは、ガス排出部５５を介してタービンケーシング４０の外側に排出される。
以上のように、ターボチャージャ１０は、エンジンの排ガスを用いてタービンインペラ４２を回転駆動することで、回転軸２２を介して回転力をコンプレッサインペラ３２に伝達し、コンプレッサケーシング３０に入る空気を遠心力によって圧縮してエンジンへ供給することができる。

このようなターボチャージャ１０は、運転中に軸方向の力（スラスト力）を受ける。具体的には、コンプレッサ３１側では、空気の出口側での圧力により、タービン４１側からコンプレッサ３１側に向かう方向（図１中の矢印Ａ方向）のスラスト力Ｆ_Ｃがコンプレッサインペラ３２の背面３９に働く。一方で、タービン４１側においても、ガスの入口側での圧力によって、コンプレッサ３１側からタービン４１側に向う方向（図１中の矢印Ｂ方向）のスラスト力Ｆ_Ｔが、タービンインペラ４２の背面４９に働く。これら２つのスラスト力（Ｆ_Ｃ、Ｆ_Ｔ）は互いに向きが逆であるから、軸方向への移動を抑制するスラスト軸受２６には、２つのスラスト力（Ｆ_Ｃ、Ｆ_Ｔ）の大きさの差分が正味の荷重としてかかることになる。
ところが、近年の需要によりコンプレッサインペラ３２が大径化すると、空気の出口側における圧力が増加するため、コンプレッサ方向のスラスト力Ｆ_Ｃがタービン方向のスラスト力Ｆ_Ｔに比べ大きくなる。したがって、２つのスラスト力（Ｆ_Ｃ、Ｆ_Ｔ）の大きさの差が拡大し、スラスト軸受２６が受ける荷重が増すことにより、ターボチャージャ１０全体の効率が低下する場合が考えられる。
以下では、このような課題に対する幾つかの実施形態について説明する。

まず、幾つかの実施形態に係る背面側部材６０の形状について、図２及び図３を参照しながら説明する。図２は、図１においてタービンインペラ４２の背面４９及び背面側部材６０の付近を拡大した図である。図３は、変形例に係る背面側部材６０の形状についての変形例を示す図である。
図２及び図３に示すように、タービンケーシング４０内には、環状の背面側部材６０（６０Ａ，６０Ｂ）がタービンインペラ４２の背面４９に対向するように設けられている。この背面側部材６０（６０Ａ，６０Ｂ）は、タービンケーシング４０と軸受ケーシング２０によって挟持されている。
なお、図２及び３に示す例示的な実施形態では、背面側部材６０は、タービンインペラ４２の背面４９に対向して設けられる遮熱板により構成される。このように、タービンケーシング４０からの熱が軸受ケーシング２０へ伝わるのを抑制するための遮熱板を背面側部材６０として用い、後述の特徴を具備するインペラ対向面６４を遮熱板（６０）によって形成することで、タービンインペラ４２の背面４９に働くスラスト力Ｆ_Ｔを簡素な構成で増大させることができる。

図２及び図３に示すように、幾つかの実施形態にかかるタービン４１において、背面側部材６０は、タービンインペラ４２の背面４９と対向するインペラ対向面６４に、背面４９に向かって突出するとともに周方向に延在する凸部６５を有する。凸部６５は、タービン４１の軸方向から視たとき、周方向に沿って円弧状に延在していている。なお、凸部６５は、背面側部材６０の一部の周方向範囲のみに対して設けられていてもよいし、背面側部材６０の全周に亘って連続的に設けられていてもよい。

本実施形態によれば、スクロール出口部４８からタービンインペラ４２の背面４９とインペラ対向面６４との隙間に取り込まれる排ガス流れが、凸部６５によって縮流される。狭まった流路により排ガス流れが滞るため、タービンインペラ４２の背面４９にかかる静圧が凸部６５の近傍又は凸部６５の上流側で上昇するとともに（後述の図５Ａ及び図５ＢのＣＦＤ解析結果の比較から、本実施形態に係るタービン４１において凸部６５の近傍及び上流側で静圧が上昇していることが分かる。）、凸部６５を迂回しようとする流れがタービンインペラの背面４９に衝突する。この結果、タービンインペラ４２の背面４９に働くスラスト力Ｆ_Ｔを大きくすることができる。

ここで、図２及び図３に示した実施形態に係るタービン４１の凸部６５の技術的利得について、本発明者らが行った比較例に係るタービンについてのＣＦＤ解析結果と対比しながら補足しておく。
図４Ａは、比較例に係るタービンの凸部の形状を示す図であり、図４Ｂ〜図４Ｄは図４Ａに示すタービンについてのＣＦＤ解析結果を示す図である。図４Ａに示すように、タービン１００では、タービンインペラに対向する背面側部材６００が、周方向に設けられた複数の凸部６５０を含む。各々の凸部６５０は、タービンインペラ側に突出するように径方向に沿って設けられている。このような形状の凸部６５０では、背面側部材６００のインペラ対向面６６４とタービンインペラ背面との間に流入した排ガス流れの旋回成分を低減可能である。しかしながら、図５Ｂから分かるように、背面側部材６００のインペラ対向面６６４とタービンインペラ背面との間において、凸部６５０によって流れが大きく乱される。その結果、インペラ背面側における全圧（図４Ｃ参照）および静圧（図４Ｄ参照）が、凸部６５０によって却って低下し得ることが明らかになった。
これに対し、上述した実施形態に係るタービン４１によれば、凸部６５は周方向に延在した形状であるから、タービンインペラ４２の背面４９とインペラ対向面６４との間における排ガス流れの乱れを抑制しながら、スラスト力Ｆ_Ｔを効果的に増大させることができる。

以上のように、本実施形態によれば、コンプレッサインペラ３２の大径化によりコンプレッサインペラ３２の背面３９に働くスラスト力Ｆ_Ｃが大きくなる場合であっても、コンプレッサインペラ３２及びタービンインペラ４２のそれぞれの背面（３９、４９）に働くスラスト力（Ｆ_Ｃ、Ｆ_Ｔ）の大きさの差が減少するため、回転軸２２全体に生じるメカニカルロスを低減することができる。

幾つかの実施形態では、図２に示すように、背面側部材６０のインペラ対向面６４は、凸部６５の径方向外側に位置して径方向に沿って延在する第１領域６１と、第１領域６１から背面４９に向かって軸方向に沿って延在し、凸部６５の外表面の一部を形成する第２領域６２と、第２領域６２の径方向内側に位置し、凸部６５の外表面の他の一部を形成する第３領域６３と、を含む。

本実施形態によれば、第２領域６２が軸方向に沿って延在するため、第２領域６２にて排ガスの流路を急激に狭めることができる。これにより、排ガス流れを効果的に縮流できるため、タービンインペラ４２の背面４９にかかる静圧をより一層高めることができ、かつ、背面４９に衝突する排ガス流れを効果的に形成可能である。したがって、タービンインペラ４２の背面４９に働くスラスト力Ｆ_Ｔを効果的に増大させることができる。

幾つかの実施形態では、図２及び図３に示すように、凸部６５の先端６７の半径方向位置Ｒ_１においてタービンインペラ４２の背面４９と凸部６５との距離Ｄが最も小さくなるように形成される。
このような構成によれば、スクロール出口部４８から背面４９に取り込まれる排ガス流れは、凸部６５の先端６７の半径方向位置Ｒ_１で最も流路幅が小さくなる。これにより、凸部６５の先端６７の半径方向位置Ｒ_１付近又はその上流側においてタービンインペラ４２の背面４９にかかる静圧が上昇することで、タービンインペラ４２の背面４９に働くスラスト力Ｆ_Ｔを増大させることができる。

図５Ａは、図２に示すタービン４１に関するＣＦＤ解析結果を示す図である。図５Ｂは、比較例に係るタービンに関するＣＦＤ解析結果を示す図である。
図５Ａ及び図５Ｂを比較すれば明らかなように、凸部６５の先端６７において流路幅が最小となるタービン４１では、凸部６５の先端６７の半径方向位置Ｒ_１付近又はその上流側においてタービンインペラ４２の背面４９にかかる静圧が比較例に比べて高い。このため、タービン４１の場合、タービンインペラ４２の背面４９に働くスラスト力Ｆ_Ｔは比較的高いと言える。

幾つかの実施形態では、図２及び図３に示すように、凸部６５の最外周部６９の半径方向位置Ｒ_２は、タービンインペラ４２の半径をｒとしたとき、０．６ｒ以上０．８ｒ以下の径方向位置範囲内に含まれる。

本発明者らの知見によれば、スクロール出口部４８からタービンインペラ４２の背面４９とインペラ対向面６４との間に流入した排ガス流れは旋回成分を有するため、タービンインペラ４２の背面４９に働く静圧はタービンインペラ４２の外周領域において径方向内側に向かって減少する傾向がある。
この点、本実施形態のように、タービンインペラ４２の半径をｒとしたとき、凸部の最外周部６９の半径方向位置Ｒ_２を０．６ｒ以上の径方向位置に設けることで、排ガス流れの旋回成分に起因したタービンインペラ４２の外周領域における静圧の減少を凸部６５によって効果的に抑制し、タービンインペラ４２の背面４９に働くスラスト力Ｆ_Ｔを効果的に増大させることができる。
また、凸部６５の最外周部６９を０．８ｒ以下の径方向位置に設けることで、凸部６５の縮流効果によって凸部６５近傍又は凸部６５の上流側で高められた静圧を受ける背面４９の面積を十分に確保し、タービンインペラ４２の背面４９に働くスラスト力Ｆ_Ｔを効果的に増大させることができる。

なお、図２に示す例示的な実施形態では、凸部６５の先端６７及び最外周部６９の半径方向位置（Ｒ_１、Ｒ_２）が一致しているが、幾つかの実施形態はこれに限られるものではない。図３に例示する実施形態のように、凸部６５の先端６７が凸部６５の最外周部６９よりも径方向内側に位置していてもよい。

以下では、背面側部材６０のテーパ面に関する幾つかの実施形態について、図６を参照しながら説明する。図６は、幾つかの実施形態に係るタービンにおいて、背面側部材６０の形状及びスクロール出口部４８と背面側部材６０との位置関係を説明するための拡大図である。
図６に示すように、幾つかの実施形態では、背面側部材６０は、凸部６５の径方向外側に位置し、径方向内側に向かってタービンインペラ４２の背面４９に近づくように径方向に対して斜めに形成された第１テーパ面７１を有する。

本実施形態によれば、第１テーパ面７１によって、タービンインペラの背面４９と背面側部材６０との間に流れる排ガスの流路を背面４９側へ絞ることができる。排ガス流れを積極的に背面４９側へ導くことによって、より背面４９に近い領域で圧力を高めることができ、タービンインペラ４２の背面４９に働くスラスト力Ｆ_Ｔを大きくすることができる。

一実施形態では、第１テーパ面７１は、径方向に対してなす角度θ_１が５度以上４５度以下である平坦面である。このような実施形態によれば、スラスト力Ｆ_Ｔの増加効果を得るのに望ましい角度で排ガスの流路を絞り、背面４９側へ案内できる。

幾つかの実施形態では、背面側部材６０は、第１テーパ面７１の径方向内側かつ凸部６５の径方向外側に位置し、径方向内側に向かってタービンインペラ４２の背面４９から離れるように径方向に対して斜めに形成された第２テーパ面７２を有する。

本実施形態によれば、第１テーパ面７１で絞った流路を第２テーパ面７２によって広げることができる。拡大した流路によって排ガス流れを減速させ、タービンインペラ４２の背面４９に働く静圧を高めることができる。したがって、静圧が高まることによって、タービンインペラ４２の背面４９に働くスラスト力Ｆ_Ｔを増大させることができる。

なお、第１テーパ面７１と第２テーパ面７２は連続して形成されていなくてもよい。例えば、第１テーパ面７１と第２テーパ面７２の間に、流路幅を一定に保つように形成された別の面が含まれていてもよい。また、第１テーパ面７１は背面側部材６０の最外周部から形成されなくてもよい。

図７Ａは、図６に示した実施形態に係るタービンについてのＣＦＤ解析結果を示す図である。図７Ｂは、図７Ａに示すものと同一の解析条件下で行った、図２に示す実施形態に係るタービンについてのＣＦＤ解析結果である。
図７Ａ及び図７Ｂの比較から明らかなように、背面側部材６０が第１テーパ面７１及び第２テーパ面７２を有する場合、そうでない場合に比べて、凸部６５の上流側における静圧が高くなっている。これは、上述のとおり、第１テーパ面７１によって流路が絞られることによる動圧が上昇するとともに、第１テーパ面７１の下流側の第２テーパ面７２によって流路が拡大することで流れを減速させて静圧が上昇することの結果であると考えられる。

以下では、スクロール出口部４８の形状に関する幾つかの実施形態について、図２、図３及び図６を参照しながら説明する。
幾つかの実施形態では、図２、図３及び図６に示すように、スクロール出口部４８におけるハブ側壁面５３は、少なくとも一部の径方向領域において、径方向内側に向かってシュラウド側壁面５１から軸方向に離れるように径方向に対して斜めに形成された第３テーパ面７３を有する。

本実施形態によれば、第３テーパ面７３によって、スクロール出口部４８からの排ガスの旋回成分を弱めて排ガスをタービンインペラ４２の背面４９と背面側部材６０との間へスムーズに導くことができる。これにより、背面４９と背面側部材６０との間に流れる排ガスの流量が増え、背面４９側における圧力を高めることができる。

図８Ａは、スクロール出口部４８のハブ側壁面５３が第３テーパ面７３を具備する場合におけるＣＦＤ解析結果を示す図である。図８Ｂは、比較例のＣＦＤ解析結果を示す図である。
図８Ａ及び図８Ｂの比較から明らかなように、第３テーパ面７３を設けることで、スクロール出口部４８からの排ガスの旋回流が弱まり、タービンインペラ４２の背面４９と背面側部材６０との間にスクロール出口部４８からの排ガスがスムーズに導かれる結果、インペラ背面側における圧力は高くなる。

一実施形態では、第３テーパ面７３は、径方向に対してなす角度が１０度以上４０度以下である。本発明者らの検討結果によれば、第３テーパ面７３の径方向に対してなす角度を１０度以上４０度以下とすることによって、タービンインペラ４２の背面４９に働くスラスト力Ｆ_Ｔを効果的に増大可能である。本実施形態は、本発明者らの上記検討結果を利用したものであり、タービンインペラ４２の背面に４９働くスラスト力Ｆ_Ｔを効果的に増大させることができる。
さらに、一実施形態では、第３テーパ面７３は、径方向に対してなす角度θ_２が２４度から２６度の範囲であることが望ましく、このような角度範囲とすることでより大きなスラスト力Ｆ_Ｔを得ることができる。

図９は、径方向に対する第３テーパ面７３の傾斜角度とスラスト力Ｆ_Ｔとの関係を示すグラフである。
同図に示すように、第３テーパ面７３を設けない場合に比べて、第３テーパ面７３を設ける場合の方がスラスト力Ｆ_Ｔは大きくなる。また、第３テーパ面７３の傾斜角度が異なる３つの場合（１２度、２４度、４２度）で比べると、第３テーパ面７３の傾斜角度が２４度の場合にスラスト力Ｆ_Ｔが最大である。

幾つかの実施形態では、第１テーパ面７１の最外周部７５は、第３テーパ面７３の径方向内側端を通るハブ側壁面５３の接線をシュラウド側壁面５１から軸方向に離れる方向に１０度傾けた第１直線Ｌ_１と、第３テーパ面７３の接線をシュラウド側壁面５１へ軸方向に近づく方向に１０度傾けた第２直線Ｌ_２とで挟まれた領域Ｚに含まれる。

図１０Ａは、第１テーパ面７１の最外周部７５が領域Ｚに含まれる場合の排ガス流れを示す図である。図１０Ｂは、第１テーパ面７１の最外周部７５が領域Ｚよりも径方向外側に第１テーパ面７１の最外周部７５が存在する場合の排ガス流れを示す図である。図１０Ｃは、第１テーパ面７１の最外周部７５が領域Ｚよりも径方向内側に第１テーパ面７１の最外周部７５が存在する場合の排ガス流れを示す図である。

図１０Ｂに示すように、第１テーパ面７１の最外周部７５がＬ_１を挟んで領域Ｚの反対側（領域Ｚの径方向外側）にある場合、第１テーパ面７１の最外周部７５付近に形成されて排ガスがほとんど流れない領域（死水域）Ｓが大きくなる。このため、スクロール出口部４８からの排ガス流れのうち死水域Ｓで滞る排ガス流れが増え、第１テーパ面７１によって得られる圧力増加効果が小さくなってしまう。一方、図１０Ｃに示すように、第１テーパ面７１の最外周部７５がＬ_２を挟んで領域Ｚの反対側（径方向内側）にある場合、排ガスの流路内に飛び出した最外周部７５によって排ガス流れが妨げられ、圧力損失を生じる可能性がある。
この点、第１テーパ面７１の最外周部７５が領域Ｚに含まれる場合、図１０Ａに示すように、スクロール出口部４８からの排ガス流れをスムーズにタービンインペラ４２の背面４９に導くことができ、背面４９における圧力増加効果を効果的に享受することができる。

一実施形態では、第３テーパ面７３の径方向内側端を通るハブ側壁面５３の接線を延長した線Ｌ_３は、第１テーパ面７１の最外周部７５と交わることが望ましい。このような実施形態によれば、スクロール出口部４８からタービンインペラ４２の背面４９側に至る排ガス流路において、排ガス流路内の阻害構造や死水域の形成を効果的に抑制できるため、上記の圧力増加効果を高めることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、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。

本明細書において、「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。
また、本明細書において、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。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「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。

１０ ターボチャージャ
２０ 軸受ケーシング
２２ 回転軸
２４ ラジアル軸受
２６ スラスト軸受
３０ コンプレッサケーシング
３１ コンプレッサ
３２ コンプレッサインペラ
３４ 空気入口部
３６ ディフューザ流路
３７ スクロール流路（コンプレッサ）
３９ 背面（コンプレッサ）
４０ タービンケーシング
４１ タービン
４２ タービンインペラ
４６ スクロール流路（タービン）
４８ スクロール出口部
４９ 背面（タービン）
５１ シュラウド側壁面
５３ ハブ側壁面
５５ ガス排出部
６０ 背面側部材
６１ 第１領域
６２ 第２領域
６３ 第３領域
６４ インペラ対向面
６５ 凸部
６７ 先端
６９ 最外周部（凸部）
７１ 第１テーパ面
７２ 第２テーパ面
７３ 第３テーパ面
７５ 最外周部（第１テーパ面）

Claims (12)

1. コンプレッサインペラと回転軸を介して連結されるタービンインペラと、
   前記タービンインペラを覆うように設けられ、スクロール流路および該スクロール流路の径方向内側に設けられて前記スクロール流路からの排ガスを前記タービンインペラへと導くためのスクロール出口部を含むタービンケーシングと、
   前記タービンインペラの背面に対向するように設けられる背面側部材と
   を備え、
   前記背面側部材は、前記タービンインペラの前記背面と対向するインペラ対向面に、前記背面に向かって突出するとともに周方向に延在する凸部を有する
   ことを特徴とするターボチャージャ用タービン。
2. 前記背面側部材の前記インペラ対向面は、
   前記凸部の径方向外側に位置して径方向に沿って延在する第１領域と、
   前記第１領域から前記背面に向かって軸方向に沿って延在し、前記凸部の外表面の一部を形成する第２領域と、
   前記第２領域の前記径方向内側に位置し、前記凸部の前記外表面の他の一部を形成する第３領域と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ用タービン。
3. 前記凸部の先端の半径方向位置において前記タービンインペラの前記背面と前記凸部との距離が最も小さくなるように形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のターボチャージャ用タービン。
4. 前記凸部の最外周部は、前記タービンインペラの半径をｒとしたとき、０．６ｒ以上０．８ｒ以下の径方向位置範囲内に含まれることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のターボチャージャ用タービン。
5. 前記背面側部材は、前記凸部の径方向外側に位置し、前記径方向内側に向かって前記タービンインペラの前記背面に近づくように前記径方向に対して斜めに形成された第１テーパ面を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のターボチャージャ用タービン。
6. 前記背面側部材は、前記第１テーパ面の径方向内側かつ前記凸部の径方向外側に位置し、前記径方向内側に向かって前記タービンインペラの前記背面から離れるように前記径方向に対して斜めに形成された第２テーパ面を有することを特徴とする請求項５に記載のターボチャージャ用タービン。
7. 前記スクロール出口部は、
   シュラウド側壁面と、
   前記シュラウド側壁面に対向するように前記タービンインペラのハブ側に位置するハブ側壁面と、
   を有し、
   前記ハブ側壁面は、少なくとも一部の径方向領域において、前記径方向内側に向かって前記シュラウド側壁面から軸方向に離れるように前記径方向に対して斜めに形成された第３テーパ面を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のターボチャージャ用タービン。
8. 前記第３テーパ面は、前記径方向に対してなす角度が１０度以上４０度以下であることを特徴とする請求項７に記載のターボチャージャ用タービン。
9. 前記背面側部材は、前記径方向内側に向かって前記タービンインペラの前記背面に近づくように前記径方向に対して斜めに形成された第１テーパ面を有するとともに、
   前記第１テーパ面の最外周部は、前記第３テーパ面の径方向内側端を通る前記ハブ側壁面の接線を前記シュラウド側壁面から前記軸方向に離れる方向に１０度傾けた第１直線と、前記第３テーパ面の接線を前記シュラウド側壁面へ前記軸方向に近づく方向に１０度傾けた第２直線とで挟まれた領域に含まれることを特徴とする請求項７又は８に記載のターボチャージャ用タービン。
10. 前記第１テーパ面は、前記径方向に対してなす角度が５度以上４５度以下である平坦面であることを特徴とする請求項５、６及び９の何れか一項に記載のターボチャージャ用タービン。
11. 前記背面側部材は、前記タービンインペラの前記背面に対向して設けられる遮熱板を含むことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載のターボチャージャ用タービン。
12. 請求項１乃至１１の何れか一項に記載のタービンと、
    前記コンプレッサインペラを有し、前記タービンによって駆動されるように構成されたコンプレッサと、
    を備えることを特徴とするターボチャージャ。

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