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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6017033
(24)【登録日】2016年10月7日
(45)【発行日】2016年10月26日
(54)【発明の名称】半径流入式軸流タービン及びターボチャージャ
(51)【国際特許分類】
F01D 25/24 20060101AFI20161013BHJP
F02B 39/00 20060101ALI20161013BHJP
【ＦＩ】
F01D25/24 E
F02B39/00 D
F02B39/00 Q
【請求項の数】14
【全頁数】20
(21)【出願番号】特願2015-522434(P2015-522434)
(86)(22)【出願日】2013年6月20日
(86)【国際出願番号】JP2013066963
(87)【国際公開番号】WO2014203372
(87)【国際公開日】20141224
【審査請求日】2015年10月29日
(73)【特許権者】
【識別番号】000006208
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000785
【氏名又は名称】誠真ＩＰ特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】▲高▼田 亮
(72)【発明者】
【氏名】大迫 雄志
【審査官】
瀬戸 康平
(56)【参考文献】
【文献】
特開昭６４−０６９７１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開昭６０−０１３９２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
実開昭４８−１１１７０７（ＪＰ，Ｕ）
【文献】
特開昭５２−０３４１１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開昭５３−０１７８１８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ０１Ｄ ２５／２４
Ｆ０２Ｂ ３９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
作動流体が持つエネルギーから動力を回収するための半径流入式の軸流タービンであって、
前記軸流タービンの軸方向に延在する回転軸と、
前記軸流タービンの径方向の外側に向かって動翼根本から動翼先端まで延在する複数の動翼を有し、前記回転軸と一体的に回転するように構成されたタービンホイールと、
ハウジング内に流入する前記作動流体を前記回転軸の周方向に沿って旋回させるためのスクロール部と、前記スクロール部から前記径方向の内側に向かう前記作動流体の流れを前記軸方向に沿った向きに変向して前記動翼に導くためのベンド部とを有するハウジングとを備え、
前記ベンド部は、少なくとも、前記動翼の前縁のうちハブ側の部位よりも前記軸方向の上流側の領域において、ベンド形状のチップ側内壁面を有し、
前記チップ側内壁面の前記軸方向に沿った前記ベンド形状は、
前記ベンド形状の開始点の前記軸方向の位置をＸ＝０とし、前記動翼先端における前記前縁の前記軸方向の位置をＸ＝Ｘ０とし、前記動翼先端における前記動翼の前記軸方向に沿った幅をＷとしたとき、Ｘupst＝Ｘ０−０．５Ｗで表される前記軸方向における上流側位置とＸdownst＝Ｘ０＋０．５Ｗで表される前記軸方向における下流側位置との間の位置Ｘｚにおいて最小曲率半径を有し、且つ、前記位置Ｘｚよりも前記軸方向の上流側において、前記最小曲率半径よりも大きな曲率半径を有する、
半径流入式軸流タービン。
前記軸流タービンの軸方向に延在する回転軸と、
前記軸流タービンの径方向の外側に向かって動翼根本から動翼先端まで延在する複数の動翼を有し、前記回転軸と一体的に回転するように構成されたタービンホイールと、
ハウジング内に流入する前記作動流体を前記回転軸の周方向に沿って旋回させるためのスクロール部と、前記スクロール部から前記径方向の内側に向かう前記作動流体の流れを前記軸方向に沿った向きに変向して前記動翼に導くためのベンド部とを有するハウジングとを備え、
前記ベンド部は、少なくとも、前記動翼の前縁のうちハブ側の部位よりも前記軸方向の上流側の領域において、ベンド形状のチップ側内壁面を有し、
前記チップ側内壁面の前記軸方向に沿った前記ベンド形状は、
前記ベンド形状の開始点の前記軸方向の位置をＸ＝０とし、前記動翼先端における前記前縁の前記軸方向の位置をＸ＝Ｘ０とし、前記動翼先端における前記動翼の前記軸方向に沿った幅をＷとしたとき、Ｘupst＝Ｘ０−０．５Ｗで表される前記軸方向における上流側位置とＸdownst＝Ｘ０＋０．５Ｗで表される前記軸方向における下流側位置との間の位置Ｘｚにおいて最小曲率半径を有し、且つ、前記位置Ｘｚよりも前記軸方向の上流側において、前記最小曲率半径よりも大きな曲率半径を有する、
半径流入式軸流タービン。
【請求項2】
前記動翼先端は、シール部材を介さずに前記ハウジングの内壁面に向かい合っており、
前記動翼先端と前記ハウジングの前記内壁面との間には間隙が形成された請求項１に記載の半径流入式軸流タービン。
前記動翼先端と前記ハウジングの前記内壁面との間には間隙が形成された請求項１に記載の半径流入式軸流タービン。
【請求項3】
前記ベンド形状は、前記位置Ｘｚの上流側の第１直線部と、前記位置Ｘｚの下流側の第２直線部とが交差する不連続点を含み、
前記位置Ｘｚにおいて前記不連続点が前記最小曲率半径を有する請求項１又は２に記載の半径流入式軸流タービン。
前記位置Ｘｚにおいて前記不連続点が前記最小曲率半径を有する請求項１又は２に記載の半径流入式軸流タービン。
【請求項4】
前記ベンド部の前記ベンド形状は、少なくとも０≦Ｘ≦Ｘｚの前記軸方向における位置範囲において大きさが異なる２以上の曲率半径を有し、
前記位置範囲内において前記軸方向の上流側から下流側に向かって曲率半径が小さくなる順番で前記２以上の曲率半径が並んだ請求項１乃至３の何れか一項に記載の半径流入式軸流タービン。
前記位置範囲内において前記軸方向の上流側から下流側に向かって曲率半径が小さくなる順番で前記２以上の曲率半径が並んだ請求項１乃至３の何れか一項に記載の半径流入式軸流タービン。
【請求項5】
前記ベンド部の前記チップ側内壁面の一部は、該チップ側内壁面の他の部分から前記径方向の内側に突出するように前記位置Ｘｚに設けられた凸部によって形成され、
前記凸部の突起端が前記最小曲率半径を有する請求項１乃至４の何れか一項に記載の半径流入式軸流タービン。
前記凸部の突起端が前記最小曲率半径を有する請求項１乃至４の何れか一項に記載の半径流入式軸流タービン。
【請求項6】
前記凸部は、前記チップ側内壁面の前記他の部分から前記径方向の内側に向かって延在する環状板部を含み、
前記環状板部の突起端のエッジが前記最小曲率半径を有する請求項５に記載の半径流入式軸流タービン。
前記環状板部の突起端のエッジが前記最小曲率半径を有する請求項５に記載の半径流入式軸流タービン。
【請求項7】
前記突起端は、前記動翼先端よりも前記径方向の外側に位置する請求項５又は６に記載の半径流入式軸流タービン。
【請求項8】
前記凸部は、前記動翼先端よりも軸方向の上流側に設けられ、
前記突起端は、前記動翼先端よりも前記径方向の内側に位置し、
前記ハウジングは、前記凸部を含む第１部分と、該第１部分の下流側の第２部分とに分割可能である請求項５又は６に記載の半径流入式軸流タービン。
前記突起端は、前記動翼先端よりも前記径方向の内側に位置し、
前記ハウジングは、前記凸部を含む第１部分と、該第１部分の下流側の第２部分とに分割可能である請求項５又は６に記載の半径流入式軸流タービン。
【請求項9】
前記動翼のチップ面は、前記前縁から後縁に向けて前記動翼の翼長が徐々に大きくなるように前記軸方向に対して傾斜しており、
前記ハウジングの内壁面は、前記動翼の前記チップ面に沿って前記軸方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の半径流入式軸流タービン。
前記ハウジングの内壁面は、前記動翼の前記チップ面に沿って前記軸方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の半径流入式軸流タービン。
【請求項10】
前記ハウジングは、前記タービンホイールの出口に対応する前記軸方向の位置において、前記径方向の内側に突出する突出部を有する請求項１乃至９の何れか一項に記載の半径流入式軸流タービン。
【請求項11】
前記動翼先端に対向する前記ハウジングの内壁面の前記軸方向に沿った形状は、前記ベンド部の上流側端の位置Ｘ＝０と、前記動翼の前記動翼先端における後縁から距離Ｄ＝１．５×Ｗだけ前記軸方向の下流側にずれた位置との間において、少なくとも一つの負の曲率半径を有する請求項１乃至１０の何れか一項に記載の半径流入式軸流タービン。
【請求項12】
内燃機関からの排ガスによって駆動されるように構成された半径流入式の軸流タービンと、
前記軸流タービンによって駆動されて前記内燃機関への吸気を圧縮するように構成されたコンプレッサとを備えるターボチャージャであって、
前記軸流タービンは、
前記軸流タービンの軸方向に延在する回転軸と、
前記軸流タービンの径方向の外側に向かって動翼根本から動翼先端まで延在する複数の動翼を有し、前記回転軸と一体的に回転するように構成されたタービンホイールと、
ハウジング内に流入する前記排ガスを前記回転軸の周方向に沿って旋回させるためのスクロール部と、前記スクロール部から前記径方向の内側に向かう前記排ガスの流れを前記軸方向に沿った向きに変向して前記動翼に導くためのベンド部とを有するハウジングとを備え、
前記ベンド部は、少なくとも、前記動翼の前縁のうちハブ側の部位よりも前記軸方向の上流側の領域において、ベンド形状のチップ側内壁面を有し、
前記チップ側内壁面の前記軸方向に沿った前記ベンド形状は、
前記ベンド形状の開始点の前記軸方向の位置をＸ＝０とし、前記動翼先端における前記前縁の前記軸方向の位置をＸ＝Ｘ０とし、前記動翼先端における前記動翼の前記軸方向に沿った幅をＷとしたとき、Ｘupst＝Ｘ０−０．５Ｗで表される前記軸方向における上流側位置とＸdownst＝Ｘ０＋０．５Ｗで表される前記軸方向における下流側位置との間の位置Ｘｚにおいて最小曲率半径を有し、且つ、前記位置Ｘｚよりも前記軸方向の上流側において、前記最小曲率半径よりも大きな曲率半径を有する、
ターボチャージャ。
前記軸流タービンによって駆動されて前記内燃機関への吸気を圧縮するように構成されたコンプレッサとを備えるターボチャージャであって、
前記軸流タービンは、
前記軸流タービンの軸方向に延在する回転軸と、
前記軸流タービンの径方向の外側に向かって動翼根本から動翼先端まで延在する複数の動翼を有し、前記回転軸と一体的に回転するように構成されたタービンホイールと、
ハウジング内に流入する前記排ガスを前記回転軸の周方向に沿って旋回させるためのスクロール部と、前記スクロール部から前記径方向の内側に向かう前記排ガスの流れを前記軸方向に沿った向きに変向して前記動翼に導くためのベンド部とを有するハウジングとを備え、
前記ベンド部は、少なくとも、前記動翼の前縁のうちハブ側の部位よりも前記軸方向の上流側の領域において、ベンド形状のチップ側内壁面を有し、
前記チップ側内壁面の前記軸方向に沿った前記ベンド形状は、
前記ベンド形状の開始点の前記軸方向の位置をＸ＝０とし、前記動翼先端における前記前縁の前記軸方向の位置をＸ＝Ｘ０とし、前記動翼先端における前記動翼の前記軸方向に沿った幅をＷとしたとき、Ｘupst＝Ｘ０−０．５Ｗで表される前記軸方向における上流側位置とＸdownst＝Ｘ０＋０．５Ｗで表される前記軸方向における下流側位置との間の位置Ｘｚにおいて最小曲率半径を有し、且つ、前記位置Ｘｚよりも前記軸方向の上流側において、前記最小曲率半径よりも大きな曲率半径を有する、
ターボチャージャ。
【請求項13】
作動流体が持つエネルギーから動力を回収するための半径流入式の軸流タービンであって、
前記軸流タービンの軸方向に延在する回転軸と、
前記軸流タービンの径方向の外側に向かって動翼根本から動翼先端まで延在する複数の動翼を有し、前記回転軸と一体的に回転するように構成されたタービンホイールと、
ハウジング内に流入する前記作動流体を前記回転軸の周方向に沿って旋回させるためのスクロール部と、前記スクロール部から前記径方向の内側に向かう前記作動流体の流れを前記軸方向に沿った向きに変向して前記動翼に導くためのベンド部とを有するハウジングとを備え、
前記ベンド部は、少なくとも、前記動翼の前縁のうちハブ側の部位よりも前記軸方向の上流側の領域において、ベンド形状のチップ側内壁面を有し、
前記チップ側内壁面の前記軸方向に沿った前記ベンド形状は、第１直線部と、該第１直線部に対して前記軸方向の下流側に位置する第２直線部と、前記第１直線部及び前記第２直線部とが交差する角部とを含む半径流入式軸流タービン。
前記軸流タービンの軸方向に延在する回転軸と、
前記軸流タービンの径方向の外側に向かって動翼根本から動翼先端まで延在する複数の動翼を有し、前記回転軸と一体的に回転するように構成されたタービンホイールと、
ハウジング内に流入する前記作動流体を前記回転軸の周方向に沿って旋回させるためのスクロール部と、前記スクロール部から前記径方向の内側に向かう前記作動流体の流れを前記軸方向に沿った向きに変向して前記動翼に導くためのベンド部とを有するハウジングとを備え、
前記ベンド部は、少なくとも、前記動翼の前縁のうちハブ側の部位よりも前記軸方向の上流側の領域において、ベンド形状のチップ側内壁面を有し、
前記チップ側内壁面の前記軸方向に沿った前記ベンド形状は、第１直線部と、該第１直線部に対して前記軸方向の下流側に位置する第２直線部と、前記第１直線部及び前記第２直線部とが交差する角部とを含む半径流入式軸流タービン。
【請求項14】
前記ベンド形状の開始点の前記軸方向の位置をＸ＝０とし、前記動翼先端における前記前縁の前記軸方向の位置をＸ＝Ｘ０とし、前記動翼先端における前記動翼の前記軸方向に沿った幅をＷとしたとき、Ｘupst＝Ｘ０−０．５Ｗで表される前記軸方向における上流側位置とＸdownst＝Ｘ０＋０．５Ｗで表される前記軸方向における下流側位置との間の位置Ｘｚに前記角部が配置された請求項１３に記載の半径流入式軸流タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、半径流入式軸流タービン及びターボチャージャに関する。【背景技術】
【0002】
近年、作動流体を軸方向に流してタービンホイールの動翼に作用させ、該タービンホイールを回転させる半径流入式の軸流タービンの開発が進められている。このような半径流入式の軸流タービンは、例えば、低イナーシャ化によるターボラグの低減が望まれる自動車用ターボチャージャなどの小型過給機において有用であると考えられている。【0003】
特許文献１には、スクロール部からの排ガスが概ね軸方向にタービン翼の前縁に作用するように構成された半径流入式の軸流タービンを備えたターボチャージャが開示されている。【0004】
また、軸流タービンに関するものではないが、特許文献２には、軸方向に対して斜めに形成されたリーディングエッジ部を有するタービン羽根車にスクロール室からの排ガスを導くようにした過給機用の斜流タービンが開示されている。なお、斜流タービンは、ラジアルタービンと軸流タービンとの中間の性質を持つ。【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】米国特許第４８５０８２０号明細書
【特許文献2】特開平９−１４４５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、典型的な軸流タービンでは、動翼のチップとハウジングの内壁面との接触を回避する必要があることから、動翼チップとハウジング内壁面との間に間隙（チップクリアランス）が設けられる。そのため、軸流タービンの使用時、動翼の正圧面側（腹側）と負圧面側（背側）との間に圧力差が生じるから、かかる圧力差をドライビングフォースとしてチップクリアランスを介した作動流体の漏れ（チップ漏れ）が起こり得る。特に、自動車用ターボチャージャ等に用いられる小型の軸流タービンでは、翼長（翼高さ）に対するチップクリアランスの比が大きくなる傾向があり、チップ漏れに起因したタービン効率の低下を無視できない。
【0007】
なお、小型の軸流タービンにおいて翼長に対するチップクリアランスの比が大きくなる傾向があるのは、次の理由による。すなわち、チップクリアランスの大きさは、軸流タービンの運転中において想定される振動や、軸流タービンの回転軸を回転可能に支持する軸受の加工精度などを考慮して設定される。そのため、翼長のサイズダウンに応じてチップクリアランスを小さくすることには限界があり、小型の軸流タービンでは動翼の翼長に対してチップクリアランスが相対的に大きくなってしまう。
【0008】
特許文献１には、軸流タービンにおけるチップ漏れを抑制するための構成は開示されていない。また、特許文献２に記載の過給機用タービンは軸流タービンではなく斜流タービンであり、スクロール室から動翼に導かれる排ガスの流れが軸流タービンのそれとは大きく異なる。そのため、特許文献２には、軸流タービンにおけるチップ漏れを抑制するための構成についての示唆すら存在しない。
【0009】
よって、本発明の幾つかの実施形態は、チップ漏れに起因したタービン効率の低下を抑制可能な半径流入式軸流タービン及びこれを備えたターボチャージャを提供することを目的としている。【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の幾つかの実施形態に係る半径流入式軸流タービンは、作動流体が持つエネルギーから動力を回収するための半径流入式の軸流タービンであって、
前記軸流タービンの軸方向に延在する回転軸と、
前記軸流タービンの径方向の外側に向かって動翼根本（ハブ）から動翼先端（チップ）まで延在する複数の動翼を有し、前記回転軸と一体的に回転するように構成されたタービンホイールと、
ハウジング内に流入する前記作動流体を前記回転軸の周方向に沿って旋回させるためのスクロール部と、前記スクロール部から前記径方向の内側に向かう前記作動流体の流れを前記軸方向に沿った向きに変向して前記動翼に導くためのベンド部とを有するハウジングとを備え、
前記ベンド部は、少なくとも、前記動翼の前縁のうちハブ側の部位よりも前記軸方向の上流側の領域において、ベンド形状のチップ側内壁面（ベンド部の内壁面のうち軸流タービン径方向外側のチップ側の部位）を有し、
前記チップ側内壁面の前記軸方向に沿った前記ベンド形状は、
前記ベンド形状の開始点の前記軸方向の位置をＸ＝０とし、前記動翼先端における前記前縁の前記軸方向の位置をＸ＝Ｘ０とし、前記動翼先端における前記動翼の前記軸方向に沿った幅をＷとしたとき、Ｘupst＝Ｘ０−０．５Ｗで表される前記軸方向における上流側位置とＸdownst＝Ｘ０＋０．５Ｗで表される前記軸方向における下流側位置との間の位置Ｘｚにおいて最小曲率半径を有し、且つ、前記位置Ｘｚよりも前記軸方向の上流側において、前記最小曲率半径よりも大きな曲率半径を有する。
【0011】
上記半径流入式軸流タービンでは、ベンド部のチップ側内壁面の軸方向に沿ったベンド形状が動翼前縁近傍の軸方向位置Ｘｚにおいて最小曲率半径を有するので、ベンド部を流れる作動流体が軸方向位置Ｘｚを通過する際、最小曲率半径に起因した遠心力によってチップ側からハブ側に亘って圧力分布（圧力勾配）が形成される。すなわち、最小曲率半径に起因した遠心力により、チップ側において作動流体の圧力が減少する一方、ハブ側で作動流体の圧力が上昇し、作動流体の上記圧力勾配が形成される。そのため、チップ側では、圧力減少に伴って、作動流体の速度（軸方向速度成分）が増大する。このように、チップ側において、動翼に作用する作動流体の相対速度ベクトルの軸方向速度成分が大きくなる結果、作動流体の流れの転向角（動翼に作用する作動流体の相対速度ベクトルと、動翼から流出する作動流体の相対速度ベクトルとがなす角度）は小さくなる。よって、流れの転向角の減少に伴ってチップ側における動翼の背側と腹側との圧力差が減少し、チップクリアランスを介した作動流体の漏れが抑制されてタービン効率は向上する。なお、上記半径流入式軸流タービンにおいて、ベンド部の形状の変更という簡素な手法にてチップ漏れを効果的に抑制できるのは、位置Ｘｚにて最小曲率半径を有するベンド部が、少なくとも、動翼の前縁のうちハブ側の部位よりも軸方向上流側の領域においてベンド形状のチップ側内壁面を有するためである。換言すれば、スクロール部からの作動流体の流れの変向に寄与できるような場所（動翼前縁のハブの上流側の領域）にベンド形状のチップ側内壁面が一部でも存在するからこそ、チップ側内壁面に沿って変向されながら流れる作動流体の軸方向速度成分を位置Ｘｚの最小曲率半径に起因した遠心力を利用して増大させ、チップ側における流れの転向角を小さくすることができる。
【0012】
幾つかの実施形態では、前記動翼先端は、シール部材を介さずに前記ハウジングの内壁面に向かい合っており、前記動翼先端と前記ハウジングの前記内壁面との間には間隙が形成される。このように、動翼のチップとハウジングの内壁面との間の間隙（チップクリアランス）にシール部材が存在しない場合においても、上記半径流入式軸流タービンでは位置Ｘｚにおいて最小曲率半径を有するベンド部を用いることで、チップ漏れに起因したタービン効率の低下を抑制できる。そのため、タービン効率を維持しながらシール部材を省略することができる。例えば、ラビリンスシール等のシール部材がチップクリアランスに設けられることが多い比較的大型の軸流タービンにおいても、タービン効率を維持しながらシール部材を省略することができる可能性がある。シール部材を省略できれば、軸流タービンの製造コストを低減できることに加え、シール部材のメンテナンスも不要になる。
【0013】
幾つかの実施形態では、前記ベンド形状は、前記位置Ｘｚの上流側の第１直線部と、前記位置Ｘｚの下流側の第２直線部とが交差する不連続点を含み、前記位置Ｘｚにおいて前記不連続点が前記最小曲率半径を有する。このように、第１直線部と第２直線部との交点により位置Ｘｚの最小曲率半径を実現することで、複雑な曲面形状により位置Ｘｚの最小曲率半径を実現する場合に比べてベンド形状を大幅に簡素化でき、軸流タービンの加工コストを低減できる。また、複雑な曲面形状により最小曲率半径を実現する場合に比べて、最小曲率半径の実際に形成される位置Ｘｚがベンド部の加工精度の影響を受けずに正確に定まるため、位置ＸＺの最小曲率半径による所期のチップ漏れ抑制効果を確実に得ることができる。
【0014】
幾つかの実施形態では、前記ベンド部の前記ベンド形状は、少なくとも０≦Ｘ≦Ｘｚの前記軸方向における位置範囲において大きさが異なる２以上の曲率半径を有し、前記位置範囲内において前記軸方向の上流側から下流側に向かって曲率半径が小さくなる順番で前記２以上の曲率半径が並ぶ。この場合、上記位置範囲（０≦Ｘ≦Ｘｚ）において、上流側から下流側に向かってベンド形状の曲率半径が徐々に小さくなり、最下流側の軸方向位置Ｘｚにおいてベンド形状の曲率半径は最小となる。これにより、軸方向位置Ｘｚの最小曲率半径に起因した大きな遠心力によって形成される上述の圧力勾配を持つ作動流体を動翼に直接的に作用させることができる。その結果、動翼に作用する作動流体のチップ側における流れの転向角を効果的に小さくすることができる。よって、チップ漏れに起因したタービン効率の低下を効果的に抑制できる。
【0015】
幾つかの実施形態では、前記ベンド部の前記チップ側内壁面の一部は、該チップ側内壁面の他の部分から前記径方向の内側に突出するように前記位置Ｘｚに設けられた凸部によって形成され、前記凸部の突起端が前記最小曲率半径を有する。この場合、凸部の形状を変更することで最小曲率半径を容易に調整できる。また、凸部を有しないベンド部に比べて、より小さな最小曲率半径を凸部によって実現しやすく、チップ漏れに起因したタービン効率の低下を効果的に抑制できる。
【0016】
一実施形態では、前記凸部は、前記チップ側内壁面の前記他の部分から前記径方向の内側に向かって延在する環状板部を含み、前記環状板部の突起端のエッジが前記最小曲率半径を有する。この場合、環状板部によって所望の最小曲率半径を有するベンド形状を簡単に実現することができる。
【0017】
一実施形態では、前記突起端は、前記動翼先端よりも前記径方向の外側に位置する。この場合、凸部の突起端が動翼のチップよりも径方向外側に位置するため、凸部の後流に渦が形成されても、この渦による影響が動翼に及ぶことは実質的にない。よって、凸部により生じる渦に起因してタービン効率が低下してしまうことを防止しながら、最小曲率半径を有する凸部によるチップ漏れ抑制効果を享受できる。
【0018】
他の実施形態では、前記凸部は、前記動翼先端よりも軸方向の上流側に設けられ、前記突起端は、前記動翼先端よりも前記径方向の内側に位置し、前記ハウジングは、前記凸部を含む第１部分と、該第１部分の下流側の第２部分とに分割可能である。この場合、凸部の後流に形成される渦に起因したタービン効率の低下が起こりうるものの、凸部の最小曲率半径によるチップ漏れ抑制効果に起因したタービン効率の向上を見込める。また、凸部を含む第１部分と、第１部分の下流側の第２部分とに分割可能なハウジングを採用することで、軸流タービンの組立て性を向上させることができる。
【0019】
幾つかの実施形態では、前記動翼のチップ面は、前記前縁から後縁に向けて前記動翼の翼長（翼高さ）が徐々に大きくなるように前記軸方向に対して傾斜しており、前記ハウジングの内壁面は、前記動翼の前記チップ面に沿って前記軸方向に対して傾斜している。剥離は、動翼前縁上流側のハウジング（ケーシング）の内壁面の傾きの影響を強く受ける。しかし、本実施例では、動翼前縁上流側のケーシング形状は変えることなく、即ち剥離のリスクは従来のままであるにもかかわらずベンド部の最少曲率半径をさらに小さくでき、チップ漏れに起因したタービン効率の低下を効果的に防止できる。
【0020】
幾つかの実施形態では、前記ハウジングは、前記タービンホイールの出口に対応する前記軸方向の位置において、前記径方向の内側に突出する突出部を有する。この場合、タービンホイール出口近傍において、チップクリアランスを介した作動流体のリーク経路がハウジングの突出部によって塞がれるので、作動流体のチップ漏れをより一層抑制できる。
【0021】
幾つかの実施形態では、前記動翼先端に対向する前記ハウジングの内壁面の前記軸方向に沿った形状は、前記ベンド部の上流側端の位置Ｘ＝０と、前記動翼の前記動翼先端における後縁から距離Ｄ＝１．５×Ｗだけ前記軸方向の下流側にずれた位置との間において、少なくとも一つの負の曲率半径を有する。【0022】
本発明の幾つかの実施形態に係るターボチャージャは、前記内燃機関からの排ガスによって駆動されるように構成された半径流入式の軸流タービンと、
前記軸流タービンによって駆動されて内燃機関への吸気を圧縮するように構成されたコンプレッサとを備えるターボチャージャであって、
前記軸流タービンは、
前記軸流タービンの軸方向に延在する回転軸と、
前記軸流タービンの径方向の外側に向かって動翼根本から動翼先端まで延在する複数の動翼を有し、前記回転軸と一体的に回転するように構成されたタービンホイールと、
ハウジング内に流入する前記作動流体を前記回転軸の周方向に沿って旋回させるためのスクロール部と、前記スクロール部から前記径方向の内側に向かう前記作動流体の流れを前記軸方向に沿った向きに変向して前記動翼に導くためのベンド部とを有するハウジングとを備え、
前記ベンド部は、少なくとも、前記動翼の前縁のうちハブ側の部位よりも前記軸方向の上流側の領域において、ベンド形状のチップ側内壁面を有し、
前記チップ側内壁面の前記軸方向に沿った前記ベンド形状は、
前記ベンド形状の開始点の前記軸方向の位置をＸ＝０とし、前記動翼先端における前記前縁の前記軸方向の位置をＸ＝Ｘ０とし、前記動翼先端における前記動翼の前記軸方向に沿った幅をＷとしたとき、Ｘupst＝Ｘ０−０．５Ｗで表される前記軸方向における上流側位置とＸdownst＝Ｘ０＋０．５Ｗで表される前記軸方向における下流側位置との間の位置Ｘｚにおいて最小曲率半径を有し、且つ、前記位置Ｘｚよりも前記軸方向の上流側において、前記最小曲率半径よりも大きな曲率半径を有する。
【0023】
上記ターボチャージャによれば、半径流入式軸流タービンのチップ側内壁面の軸方向に沿ったベンド形状が動翼前縁近傍の軸方向位置Ｘｚにおいて最小曲率半径を有するので、ベンド部を流れる作動流体が軸方向位置Ｘｚを通過する際、最小曲率半径に起因した遠心力によってチップ側（低圧側）からハブ側（高圧側）に亘って圧力分布が形成される。そのため、チップ側では、圧力減少に伴って作動流体の速度（軸方向速度成分）が増大し、作動流体の流れの転向角が小さくなる。よって、チップ側における動翼の背側と腹側との圧力差が減少し、チップクリアランスを介した作動流体の漏れが抑制されてタービン効率は向上する。【0024】
本発明の幾つかの実施形態に係る半径流入式軸流タービンは、作動流体が持つエネルギーから動力を回収するための半径流入式の軸流タービンであって、
前記軸流タービンの軸方向に延在する回転軸と、
前記軸流タービンの径方向の外側に向かって動翼根本から動翼先端まで延在する複数の動翼を有し、前記回転軸と一体的に回転するように構成されたタービンホイールと、
ハウジング内に流入する前記作動流体を前記回転軸の周方向に沿って旋回させるためのスクロール部と、前記スクロール部から前記径方向の内側に向かう前記作動流体の流れを前記軸方向に沿った向きに変向して前記動翼に導くためのベンド部とを有するハウジングとを備え、
前記ベンド部は、少なくとも、前記動翼の前縁のうちハブ側の部位よりも前記軸方向の上流側の領域において、ベンド形状のチップ側内壁面を有し、
前記チップ側内壁面の前記軸方向に沿った前記ベンド形状は、第１直線部と、該第１直線部に対して前記軸方向の下流側に位置する第２直線部と、前記第１直線部及び前記第２直線部とが交差する角部とを含む。
【0025】
上記半径流入式軸流タービンによれば、チップ側内壁面の軸方向に沿ったベンド形状が、第１直線部とその下流側の第２直線部とが交差する角部を有するため、この曲率半径が極めて小さい角部を作動流体が通過する際、角部に起因した遠心力によってチップ側（低圧側）からハブ側（高圧側）に亘って圧力分布が形成される。そのため、チップ側では、圧力減少に伴って作動流体の速度（軸方向速度成分）が増大し、作動流体の流れの転向角が小さくなる。よって、チップ側における動翼の背側と腹側との圧力差が減少し、チップクリアランスを介した作動流体の漏れが抑制されてタービン効率は向上する。また、主として第１直線部と第２直線部とで構成されるベンド部は加工が容易であり、軸流タービンの加工コストを低減できる。なお、上記半径流入式軸流タービンにおいて、ベンド部の形状の変更という簡素な手法にてチップ漏れを効果的に抑制できるのは、作動流体の圧力勾配を生み出す角部を有するベンド部が、少なくとも、動翼の前縁のうちハブ側の部位よりも軸方向上流側の領域にチップ側内壁面を有するためである。換言すれば、スクロール部からの作動流体の流れの変向に寄与できるような場所（動翼前縁のハブの上流側の領域）にベンド形状のチップ側内壁面するからこそ、チップ側内壁面に沿って変向されながら流れる作動流体の軸方向速度成分を角部に起因した大きな遠心力を利用して増大させ、チップ側における流れの転向角を小さくすることができるのである。
【0026】
幾つかの実施形態では、前記ベンド形状の開始点の前記軸方向の位置をＸ＝０とし、前記動翼先端における前記前縁の前記軸方向の位置をＸ＝Ｘ０とし、前記動翼先端における前記動翼の前記軸方向に沿った幅をＷとしたとき、Ｘupst＝Ｘ０−０．５Ｗで表される前記軸方向における上流側位置とＸdownst＝Ｘ０＋０．５Ｗで表される前記軸方向における下流側位置との間の位置Ｘｚに前記角部が配置される。これにより、動翼に作用する作動流体におけるチップ側からハブ側に亘る圧力分布（圧力勾配）が角部に起因した遠心力によって適切に形成される。よって、チップ側における転向角の減少に起因して動翼の背側と腹側との圧力差が小さくなり、チップ漏れが効果的に抑制される。
【発明の効果】
【0027】
本発明の幾つかの実施形態によれば、ベンド部の形状の工夫により、動翼に作用する作動流体にチップ側からハブ側に亘って圧力分布（圧力勾配）が形成され、チップ側では圧力減少に伴って、作動流体の速度（軸方向速度成分）が増大する。そのため、チップ側において作動流体の流れの転向角が小さくなり、動翼の背側と腹側との圧力差が減少して、チップクリアランスを介した作動流体の漏れが抑制される。よって、チップ漏れに起因したタービン効率の低下を抑制できる。【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】本発明の一実施形態に係るターボチャージャの概略断面図である。
【図2】一実施形態に係る軸流タービンの概略断面図である。
【図3A】一実施形態に係る軸流タービンのベンド部周辺の概略断面図である。
【図3B】一実施形態に係る軸流タービンのベンド部周辺の概略断面図である。
【図3C】一実施形態に係る軸流タービンのベンド部周辺の概略断面図である。
【図3D】一実施形態に係る軸流タービンのベンド部周辺の概略断面図である。
【図3E】一実施形態に係る軸流タービンのベンド部周辺の概略断面図である。
【図3F】一実施形態に係る軸流タービンのベンド部周辺の概略断面図である。
【図3G】一実施形態に係る軸流タービンのベンド部周辺の概略断面図である。
【図3H】一実施形態に係る軸流タービンのベンド部周辺の概略断面図である。
【図3I】一実施形態に係る軸流タービンのベンド部周辺の概略断面図である。
【図3J】一実施形態に係る軸流タービンのベンド部周辺の概略断面図である。
【図3K】一実施形態に係る軸流タービンのベンド部周辺の概略断面図である。
【図3L】一実施形態に係る軸流タービンのベンド部周辺の概略断面図である。
【図3M】一実施形態に係る軸流タービンのベンド部周辺の概略断面図である。
【図3N】一実施形態に係る軸流タービンのベンド部周辺の概略断面図である。
【図3O】一実施形態に係る軸流タービンのベンド部周辺の概略断面図である。
【図5】一実施形態における作動流体の流れの転向角を説明するための図である。
【図6】参考例に係る斜流タービンの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【0030】
図１は、本発明の一実施形態に係るターボチャージャの概略断面図である。図１に示すターボチャージャ１は、内燃機関に吸気を強制的に送り込むための過給機であれば特に限定されず、例えば、自動車用のターボチャージャであってもよいし、舶用のターボチャージャであってもよい。【0031】
幾つかの実施形態では、図１に示すように、ターボチャージャ１は、軸流タービン１０と、軸流タービン１０によって駆動されるコンプレッサ２０とを備える。軸流タービン１０は、不図示の内燃機関からの排ガスによって駆動されるように構成される。一方、コンプレッサ２０は、軸流タービン１０によって駆動され、内燃機関への吸気を圧縮するように構成される。【0032】
軸流タービン１０は、軸方向に延在する回転軸１２と、回転軸１２と一体的に回転可能なタービンホイール１４とを含む。こうして、高温・高圧の作動流体としての内燃機関からの排ガスが持つエネルギーがタービンホイール１４によって回収されると、タービンホイール１４及び回転軸１２が一体的に回転するようになっている。【0033】
図１に示す例示的な実施形態では、軸流タービン１０の回転軸１２は、軸受１６によって回転可能にハウジング４０に支持されている。また、回転軸１２は、軸受１６を挟んで軸流タービン１０に対して軸方向の反対側において、コンプレッサ２０のコンプレッサホイール２２に連結されている。【0034】
タービンホイール１４は、複数の動翼（タービン羽根）３０が設けられている。動翼３０は、ハブ３２からチップ３４に向かって軸流タービン１０の径方向の外側に延在している。また、ハブ３２とチップ３４との間において、動翼３０は、腹側面（正圧面）と背側面（負圧面）とによって形成される翼型を有する。翼型を形成する腹側面及び背側面は、軸方向上流側において互いに接続されて前縁３６を形成しており、且つ、軸方向下流側において互いに接続されて後縁３８を形成している。【0035】
一実施形態では、別体として形成された回転軸１２とタービンホイール１４とが連結されることで、回転軸１２とタービンホイール１４とが一体的に回転するように構成される。他の実施形態では、回転軸１２とタービンホイール１４とが一体物（single piece）として形成される結果、回転軸１２とタービンホイール１４とが一体的に回転するようになっている。【0036】
タービンホイール１４は、ハウジング４０によって覆われる。図１に示す例示的な実施形態では、ハウジング４０は、タービンハウジング４２、軸受ハウジング４４及びコンプレッサハウジング４６からなる３個のセクションに分割可能な構成を有する。タービンハウジング４２は、主としてタービンホイール１４を覆うように配置される。軸受ハウジング４４は、主として軸受１６を覆うように配置される。コンプレッサハウジング４６は、主としてコンプレッサホイール２２を覆うように配置される。なお、ハウジング４０の各セクション（４２，４４，４６）への分割線の位置は、特に限定されず、ターボチャージャ１の組立て性を考慮して適宜設定される。また、ハウジング４０の分割セクションの個数も３個に限られず、ハウジング４０は、３以外の個数（例えば４個以上）の分割セクションに分割可能であってもよい。
【0037】
ハウジング４０（図１に示す実施形態ではタービンハウジング４２）は、ハウジング４０内に排ガスを導入するためのスクロール部５０と、スクロール部５０からの排ガスを動翼３０に導くためのベンド部５２とを有する。スクロール部５０は、排ガス入口部５１から流れ込んでくる排ガス（矢印ａ参照）を回転軸１２の周方向に旋回させるように構成されている。この排ガスの旋回流は、スクロール部５０から、軸流タービン１０の径方向の内側に向かって流出する。スクロール部５０から流出した排ガスは、ベンド部５２によって動翼３０に導かれる。この際、スクロール部５０からの排ガスの径方向内側に向かう流れは、ベンド部５２によって軸流タービン１０の軸方向に沿った向きに変向される。こうしてベンド部５２により変向された排ガスは動翼３０に作用し、タービンホイール１４を回転させる。そして、タービンホイール１４に対して仕事を行った後の排ガスは、ハウジング４０（図１に示す実施形態ではタービンハウジング４２）に設けられたガス出口部５４から排出される。
【0038】
軸流タービン１０の回転軸１２は、上述のように、軸受１６を挟んで軸流タービン１０に対して反対側において、コンプレッサ２０のコンプレッサホイール２２に連結されている。そのため、タービンホイール１４からのトルクは、回転軸１２を介してコンプレッサホイール２２に入力される。よって、排ガスから回収したエネルギーを動力としてタービンホイール１４が回転すると、コンプレッサホイール２２がタービンホイール１４とともに回転するようになっている。【0039】
ハウジング４０（図１に示す実施形態ではコンプレッサハウジング４６）には、ハウジング４０内に空気を導入するための空気入口部５８が設けられている。空気入口部５８からの空気は、回転するコンプレッサホイール２２の複数のインペラ２４に導かれ、インペラ２４を通過する際に圧縮される。コンプレッサホイール２２によって圧縮された空気（圧縮空気）は、ハウジング４０（図１に示す実施形態ではコンプレッサハウジング４６）に設けられた圧縮空気出口部（スクロール）５６から排出され、内燃機関に送り込まれる。【0040】
以下、軸流タービン１０のベンド部５２のベンド形状についてより詳細に説明する。図２は、一実施形態に係る軸流タービン１０の概略断面図である。図３Ａ〜図３Ｏは、実施形態に係る軸流タービン１０のベンド部周辺の概略断面図である。なお、図３Ａ〜図３Ｏにおいて、Ｘ軸は軸流タービン１０の軸方向に平行な座標系であり、ベンド部５２のベンド形状の開始点の軸方向位置を原点（Ｘ＝０）とする。【0041】
幾つかの実施形態では、図２に示すように、ベンド部５２は、少なくとも、動翼３０の前縁３６のうちハブ３２側の部位３６Ｈよりも軸方向上流側の領域５２Ａにおいて、ベンド形状のチップ側内壁面６０を有する。すなわち、ベンド部５２のベンド形状のチップ側内壁面６０が、少なくとも、動翼３０の部位３６Ｈよりも軸方向上流側の領域５２Ａ内に存在する。ベンド形状のチップ側内壁面６０は、領域５２Ａの全体に亘って設けられていてもよいし、領域５２Ａの一部に設けられていてもよい。また、ベンド形状のチップ側内壁面６０は、領域５２Ａから下流側に向かって延びており、動翼３０の部位３６Ｈよりも軸方向下流側の位置において終了していてもよい。
【0042】
なお、ここでいうチップ側内壁面６０とは、軸流タービン１０における作動流体通路の一部を形成するベンド部５２の内壁面のうち、タービン径方向外側に位置するチップ３４側の部位を指す。一方、ベンド部５２の内壁面のうち、タービン径方向内側に位置するハブ３２側の部位はハブ側内壁面６２であり、ハブ側内壁面６２はチップ側内壁面６０に対向している。基本的には、チップ側内壁面６０が全体として凸面であるのに対してハブ側内壁面６２は全体として凹面であるが、チップ側内壁面６０が部分的に凹面で形成されていてもよいし、ハブ側内壁面６２が部分的に凸面で形成されていてもよい。【0043】
幾つかの実施形態では、チップ側内壁面６０のタービン軸方向に沿ったベンド形状は、図３Ａ〜図３Ｏに示すように、位置Ｘｚにおいて最小曲率半径Ｒｍｉｎで規定される曲率最大部６４を有し、位置Ｘｚよりも軸方向上流側において曲率半径Ｒで規定される部位６６を有する。曲率半径Ｒは、曲率最大部６４の最小曲率半径Ｒｍｉｎよりも大きい（即ち、Ｒ＞Ｒｍｉｎ）。幾つかの実施形態では、曲率最大部６４が配置される位置Ｘｚは、Ｘupst＝Ｘ０−０．５Ｗで表されるタービン軸方向における上流側の位置と、Ｘdownst＝Ｘ０＋０．５Ｗで表されるタービン軸方向における下流側の位置との間に存在する。ただし、Ｗは動翼チップ幅であり、チップ３４における動翼３０のタービン軸方向（Ｘ方向）の幅である。また、位置Ｘ０は、チップ３４における前縁３６の軸方向位置（即ち前縁３６のうちチップ側の部位３６Ｔの軸方向位置）である。【0044】
このように、動翼前縁近傍の軸方向位置Ｘｚにおいて最小曲率半径Ｒｍｉｎを有する曲率最大部６４が存在する場合、ベンド部５２を流れる作動流体が動翼前縁近傍の軸方向位置Ｘｚを通過する際、作動流体は最小曲率半径Ｒｍｉｎに起因した遠心力の影響を受ける。そのため、曲率最大部６４周辺の領域Ｚ（曲率最大部６４から見て最小曲率半径Ｒｍｉｎの径方向の延長線上の領域）には、曲率最大部６４の最小曲率半径Ｒｍｉｎに起因した遠心力によって、チップ側からハブ側に亘る圧力分布（圧力勾配）が形成される。すなわち、最小曲率半径Ｒｍｉｎに起因した遠心力により、領域Ｚのチップ側において作動流体の圧力ＰＴｉｐが減少する一方、領域Ｚのハブ側で作動流体の圧力ＰＨｕｂが上昇する。よって、領域Ｚのチップ側では圧力減少に伴って、作動流体の速度（軸方向速度成分）が増大する。そのため、動翼３０のチップ側に作用する作動流体の流れの転向角は小さくなる。したがって、流れの転向角の減少に伴ってチップ側における動翼３０の背側と腹側との圧力差が減少し、チップクリアランス３５を介した作動流体の漏れが抑制されてタービン効率は向上する。なお、チップクリアランス３５は、チップ３４とハウジング４０の内壁面との間に形成される間隙である。【0045】
このようなベンド部５２の最小曲率半径Ｒｍｉｎの遠心力に起因したチップ漏れ抑制効果は、最小曲率半径Ｒｍｉｎの位置が動翼前縁の近傍であれば享受でき、最小曲率半径Ｒｍｉｎの軸方向位置Ｘｚが動翼３０の部位３６Ｔに対して上流側に存在してもよいし、部位３６Ｔに対して下流側に存在してもよい。図３Ａ，図３Ｃ〜図３Ｄ，及び図３Ｆ〜図３Ｏに示す例示的な実施形態では、軸方向位置Ｘｚにおいて最小曲率半径Ｒｍｉｎによって規定される曲率最大部６４は、動翼３０の部位３６Ｔに対して上流側であるＸupst＜Ｘｚ＜Ｘ０の範囲内に存在する。一方、図３Ｂ及び図３Ｅに示す例示的な実施形態では、軸方向位置Ｘｚにおいて最小曲率半径Ｒｍｉｎによって規定される曲率最大部６４は、動翼３０の部位３６Ｔに対して下流側であるＸ０＜Ｘｚ＜Ｘdownstの範囲内に存在する。
【0046】
なお、一実施形態では、曲率最大部６４の軸方向位置Ｘｚは、Ｘ０−０．３５Ｗ≦Ｘ０≦Ｘ０＋０．３５Ｗの範囲内に設定される。この場合、動翼前縁に近い範囲に曲率最大部６４が配置されるので、最小曲率半径Ｒｍｉｎに起因した遠心力によるチップ漏れ抑制効果は一層向上する。また、曲率最大部６４の軸方向位置ＸｚをＸ０−０．２Ｗ≦Ｘ０≦Ｘ０＋０．２Ｗの範囲内に設定すれば、チップ漏れをより一層効果的に抑制できる。
【0047】
幾つかの実施形態では、チップ３４とハウジング４０の内壁面との間に形成される間隙（チップクリアランス３５）にはシール部材は設けられず、チップ３４はハウジング４０の内壁面にシール部材を介さずに向かい合う。このように、チップクリアランス３５にシール部材が存在しない場合であっても、軸方向位置Ｘｚにおいて最小曲率半径Ｒｍｉｎを有するベンド部５２を用いれば、チップ漏れに起因したタービン効率の低下を抑制できる。そのため、タービン効率を維持しながらシール部材を省略することができる。例えば、ラビリンスシール等のシール部材がチップクリアランスに設けられることが多い比較的大型の軸流タービンにおいても、タービン効率を維持しながらシール部材を省略することができる可能性がある。シール部材を省略できれば、軸流タービンの製造コストを低減できることに加え、シール部材のメンテナンスも不要になる。
【0048】
ここで、図４Ａ及び図４Ｂ並びに図５を用いて、ベンド部５２の最小曲率半径Ｒｍｉｎに起因した遠心力のタービン効率改善効果についてより詳細に説明する。図４Ａは、ベンド部５２が、動翼前縁近傍の軸方向位置Ｘｚに曲率最大部６４を有し、位置Ｘｚの軸方向上流側において部位６６を有する実施形態における領域Ｚのチップ側の速度三角形を示す図である。図４Ｂは、ベンド部のチップ側内壁面の曲率半径を軸方向位置にかかわらず一定とした比較例における領域Ｚのチップ側における速度三角形を示す図である。図５は、一実施形態における作動流体の流れの転向角を説明するための図である。
図４Ａ及び図４Ｂに示すように、実施形態に係るベンド部５２を用いれば、比較例に比べて動翼３０に作用する絶対速度ベクトルＶの軸方向速度成分ｖｘが増大する。一方、絶対速度ベクトルＶの周方向速度成分ｖｃは、基本的にはスクロール部５０によって作動流体に与えられるものであり、ベンド部５２の形状によらない。そのため、実施形態の場合（図４Ａ）と、比較例（図４Ｂ）との間で、絶対速度ベクトルＶの周方向速度成分ｖｃに差はない。そのため、実施形態では、絶対速度ベクトルＶから動翼３０の周速ベクトルＶｒを減算して得られる相対速度ベクトルＶ＊がタービン軸方向に対してなす角度（流入角）Ａは小さい。したがって、実施形態によれば、動翼３０のチップ３４側に作用する作動流体の流れの転向角Ｂ（図５参照）は比較例に比べて小さくなり、チップクリアランス３５を介した作動流体の漏れは抑制されてタービン効率が改善される。
【0049】
幾つかの実施形態では、図３Ｄ〜図３Ｆに示すように、チップ側内壁面６０のベンド形状は、軸方向位置Ｘｚの上流側の第１直線部６８と、軸方向位置Ｘｚの下流側の第２直線部６９とが交差する不連続点を含む。そして、この不連続点により、最小曲率半径Ｒｍｉｎによって規定される曲率最大部６４が形成される。この場合、曲率最小半径Ｒｍｉｎは実質的にゼロ（ゼロ又はこれに近い値）である。一方、位置Ｘｚよりも軸方向上流側において曲率半径Ｒ（＞Ｒｍｉｎ）で規定される部位６６は、第１直線部６８によって形成される。この場合、曲率半径Ｒは、実質的に無限大である。
図３Ｄ〜図３Ｆに示す例示的な実施形態のように、第１直線部６８と第２直線部６９との交点により軸方向位置Ｘｚの最小曲率半径Ｒｍｉｎ（≒０）を実現すれば、複雑な曲面形状により位置Ｘｚの最小曲率半径を実現する場合に比べてベンド形状を大幅に簡素化でき、軸流タービン１０の加工コストを低減できる。また、複雑な曲面形状により最小曲率半径を実現する場合に比べて、最小曲率半径Ｒｍｉｎの実際に形成される軸方向位置Ｘｚがベンド部５２の加工精度の影響を受けずに正確に定まるため、位置Ｘｚの最小曲率半径Ｒｍｉｎによる所期のチップ漏れ抑制効果を確実に得ることができる。
【0050】
幾つかの実施形態では、図３Ｇに示すように、チップ側内壁面６０のベンド形状は、少なくとも０≦Ｘ≦Ｘｚの軸方向の位置範囲において最小曲率半径Ｒｍｉｎを含む２以上の曲率半径を有する。そして、これら２以上の曲率半径は、０≦Ｘ≦Ｘｚの軸方向の位置範囲内において、軸方向の上流側から下流側に向かって曲率半径が小さくなる順番で配置される。この場合、上記位置範囲（０≦Ｘ≦Ｘｚ）において、上流側から下流側に向かってベンド形状の曲率半径が徐々に小さくなり、最下流側の軸方向位置Ｘｚにおいてベンド形状の曲率半径は最小（最小曲率半径Ｒｍｉｎ）となる。これにより、軸方向位置Ｘｚの最小曲率半径Ｒｍｉｎに起因した大きな遠心力によって形成される領域Ｚの圧力勾配を持つ作動流体を動翼３０に直接的に作用させることができる。その結果、動翼３０に作用する作動流体のチップ側における流れの転向角を効果的に小さくすることができる。よって、チップ漏れに起因したタービン効率の低下を効果的に抑制できる。
なお、図３Ｇに示す例示的な実施形態では、０≦Ｘ≦Ｘｚの軸方向の位置範囲において、４つの曲率半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒｍｉｎが軸方向の上流側から下流側に向かって並んでおり、Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３＞Ｒｍｉｎの関係を満たす。
【0051】
幾つかの実施形態では、図３Ｈ〜図３Ｎに示すように、ベンド部５２のチップ側内壁面６０の一部は、軸方向位置Ｘｚに設けられた凸部７０によって形成される。凸部７０は、チップ側内壁面６０の他の部分から、軸流タービン１０の径方向の内側に突出して設けられる。そして、最小曲率半径Ｒｍｉｎによって規定される曲率最大部６４は、凸部７０の先端（突起端）に設けられる。この場合、凸部７０の形状を変更することで最小曲率半径Ｒｍｉｎを容易に調整できる。また、凸部７０を有しないベンド部５２に比べて、より小さな最小曲率半径Ｒｍｉｎを凸部７０によって実現しやすく、チップ漏れに起因したタービン効率の低下を効果的に抑制できる。
【0052】
幾つかの実施形態では、凸部７０は、チップ側内壁面６０の他の部分とは別体として形成される。図３Ｌ〜図３Ｎに示す例示的な実施形態では、凸部７０は、チップ側内壁面６０の他の部分から径方向の内側に向かって延在する環状板部７２を含み、環状板部７２の先端（突起端）のエッジにより曲率最大部６４が形成される。この場合、凸部７０としての環状板部７２の突起端のエッジ形状により最小曲率半径Ｒｍｉｎを任意に調節可能であり、所望の最小曲率半径Ｒｍｉｎを有するベンド形状を簡単に実現することができる。
なお、環状板部７２は、図３Ｌ及び図３Ｍに示すように軸流タービン１０の径方向に平行に設けられていてもよいし、図３Ｎに示すように軸流タービンの径方向に対して傾斜して設けられていてもよい。
【0053】
幾つかの実施形態では、図３Ｈ，図３Ｋ，図３Ｌ及び図３Ｎに示すように、最小曲率半径Ｒｍｉｎを有する凸部７０の突起端は、動翼３０のチップ３４よりも軸流タービン１０の径方向の外側に位置する。この場合、凸部７０の後流に渦が形成されても、この渦が動翼３０に及ぼす影響は実質的に無視できる。よって、凸部７０により生じる渦に起因して、タービン効率が低下してしまうことを防止できる。
【0054】
他の実施形態では、図３Ｉ〜図３Ｊ及び図３Ｍに示すように、最小曲率半径Ｒｍｉｎを有する凸部７０の突起端は、動翼３０のチップ３４よりも軸流タービン１０の径方向の内側に位置する。この場合、凸部７０の後流に形成される渦に起因したタービン効率の低下が起こりうるものの、凸部７０の最小曲率半径Ｒｍｉｎによるチップ漏れ抑制効果に起因したタービン効率の向上を見込める。よって、全体としてタービン効率を改善できる可能性がある。
【0055】
なお、凸部７０が動翼３０のチップ３４よりも軸方向上流側に設けられており、凸部７０の突起端がチップ３４よりも径方向の内側に位置する場合、軸流タービン１０の組立て時、凸部７０と動翼３０との干渉が問題になり得る。そこで、図３Ｊに示すように、ハウジング４０が、凸部７０を含む第１部分４０Ａと、第１部分４０Ａの下流側に位置する第２部分４０Ｂとに分割可能になっていてもよい。これにより、凸部７０が動翼３０のチップ３４よりも軸方向上流側に設けられており、凸部７０の突起端がチップ３４よりも径方向の内側に位置する場合であっても、軸流タービン１０の組立て作業を容易に行うことができる。
【0056】
幾つかの実施形態では、図３Ｏに示すように、動翼３０のチップ面は、前縁３６から後縁３８に向けて動翼３０の翼長が徐々に大きくなるように軸流タービン１０の軸方向に対して傾斜している。この場合、ハウジング４０の内壁面もまた、動翼３０のチップ面に沿って軸流タービン１０の軸方向に対して傾斜している。これにより、作動流体の流れのハウジング４０の内壁面からの剥離を抑制することができる。よって、作動流体の流れの剥離のリスクを低減しながら、ベンド部５２の最小曲率半径Ｒｍｉｎをさらに小さくし、チップ漏れに起因したタービン効率の低減をより効果的に防止できる。
【0057】
幾つかの実施形態では、図３Ｃ，図３Ｆ及び図３Ｋに示すように、ハウジング４０は、タービンホイール１４の出口に対応する軸方向位置において、軸流タービン１０の径方向の内側に突出する突出部７４を有する。この場合、タービンホイール１４の出口近傍において、チップクリアランス３５を介した作動流体のリーク経路がハウジング４０の突出部７４によって塞がれるので、作動流体のチップ漏れをより一層抑制できる。
【0058】
幾つかの実施形態では、図３Ｋに示すように、動翼３０のチップ３４に対向するハウジング４０の内壁面の軸流タービン１０の軸方向に沿った形状は、ベンド部５２の上流側端の位置Ｘ＝０と、動翼３０のチップ３４における後縁３８から距離Ｄ＝１．５×Ｗだけ軸方向の下流側にずれた位置ＸＦとの間において、少なくとも一つの負の曲率半径を有する。ここで、負の曲率半径とは、ハウジング４０の内壁面が軸流タービン１０の径方向の外側に凹んだ曲率半径をいう。図３Ｋに示す例示的な実施形態では、ハウジング４０の内壁面は、０≦Ｘ≦ＸＦの位置範囲において矢印で示す４箇所の負の曲率半径を有する。
【0059】
以上説明したように、上述の実施形態によれば、ベンド部５２の形状の工夫により、動翼３０に作用する作動流体にチップ側からハブ側に亘って圧力分布（圧力勾配）が形成され、チップ側では圧力減少に伴って、作動流体の速度（軸方向速度成分）が増大する。そのため、チップ側において作動流体の流れの転向角が小さくなり、動翼３０の背側と腹側との圧力差が減少して、チップクリアランス３５を介した作動流体の漏れが抑制される。よって、チップ漏れに起因したタービン効率の低下を抑制できる。なお、小型の軸流タービンでは動翼の翼長に対してチップクリアランスが相対的に大きくなってしまう傾向があるから、上述の実施形態のようにベンド部５２の形状の工夫によりチップ漏れを抑制できることは、小型の軸流タービンの場合に特に有用である。
【0060】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。例えば、上述の実施形態では、ターボチャージャ１に用いられる軸流タービン１０について説明したが、軸流タービン１０について上述した内容は、作動流体が持つエネルギーから動力を回収するための半径流入式の任意の軸流タービンに適用可能である。
【0061】
なお、上述の実施形態では、ベンド部５２のチップ側内壁面６０が、少なくとも、動翼３０の前縁３６のうちハブ側の部位３６Ｈよりも軸方向上流側の領域５２Ａに存在する軸流タービン１０について説明したが、斜流タービンについても本発明と類似の技術を適用可能である。図６は、参考例に係る斜流タービンの概略断面図である。同図に示すように、斜流タービン１００は、軸方向に延在する回転軸１１２と、該回転軸１１２と一体的に回転するように構成されたタービンホイール１１４と、タービンホイール１１４を覆うハウジング１４０とを備える。ハウジング１４０は、ハウジング１４０内に流入する作動流体を回転軸１１２の周方向に沿って旋回させるためのスクロール部１５０を有する。また、ハウジング１４０のベンド部１５２は、スクロール部１５０とタービンホイール１１４との間に位置する。ベンド部１５２のチップ側内壁面１６０は、動翼８０の前縁８６のうちハブ８２側の部位８６Ｈよりも軸方向上流側には延在しておらず、この部位８６Ｈよりも軸方向下流側に存在する。この点において、斜流タービン１００は、上述した軸流タービン１０とは異なる。図３Ａ〜図３Ｏに示した実施形態のようなベンド形状は、斜流タービン１００のベンド部１５２のベンド形状にも適用可能である。すなわち、チップ側内壁面１６０のタービン軸方向に沿ったベンド形状は、該ベンド形状の開始点の軸方向の位置をＸ＝０とし、チップ８４における前縁８６の軸方向位置をＸ＝Ｘ０とし、チップ８４における動翼８０の軸方向に沿った幅をＷとしたとき、Ｘupst＝Ｘ０−０．５Ｗで表される軸方向における上流側位置とＸdownst＝Ｘ０＋０．５Ｗで表される軸方向における下流側位置との間の位置Ｘｚにおいて最小曲率半径Ｒｍｉｎを有し、且つ、前記位置Ｘｚよりも軸方向上流側において曲率半径Ｒ（＞Ｒｍｉｎ）を有していてもよい。この場合にも、本発明と同様な効果を享受できる。
【符号の説明】
【0062】
１ ターボチャージャ１０ 軸流タービン
１２ 回転軸
１４ タービンホイール
１６ 軸受
２０ コンプレッサ
２２ コンプレッサホイール
２４ インペラ
３０ 動翼
３２ ハブ
３４ チップ
３５ チップクリアランス
３６ 前縁
３８ 後縁
４０ ハウジング
４０Ａ 第１部分
４０Ｂ 第２部分
４２ タービンハウジング
４４ 軸受ハウジング
４６ コンプレッサハウジング
５０ スクロール部
５２ ベンド部
５４ ガス出口部
６０ チップ側内壁面
６２ ハブ側内壁面
６４ 曲率最大部
７０ 凸部
７２ 環状板部
７４ 突出部
８０ 動翼
８２ ハブ
８４ チップ
８６ 前縁
１００ 斜流タービン
１１２ 回転軸
１１４ タービンホイール
１４０ ハウジング
１５０ スクロール部
１６０ ベンド部