特許 6019794 ラジアルタービンロータ、及びこれを備えた可変容量ターボチャージャ

(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】6019794

(24)【登録日】2016年10月14日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】ラジアルタービンロータ、及びこれを備えた可変容量ターボチャージャ

(51)【国際特許分類】

   F01D 5/14 20060101AFI20161020BHJP

   F01D 1/08 20060101ALI20161020BHJP

   F01D 15/08 20060101ALI20161020BHJP

   F01D 17/16 20060101ALI20161020BHJP

   F02B 37/24 20060101ALI20161020BHJP

【ＦＩ】

   F01D5/14

   F01D1/08

   F01D15/08 C

   F01D17/16 A

   F02B37/24

【請求項の数】4

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2012-138752(P2012-138752)

(22)【出願日】2012年6月20日

(65)【公開番号】特開2014-1712(P2014-1712A)

(43)【公開日】2014年1月9日

【審査請求日】2014年9月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(72)【発明者】

【氏名】石野 実

【審査官】 瀬戸 康平

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０３４１２９７８（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１４８１０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５９−２０３８０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１６８９１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２１５９９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５２４０２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１２０２０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ １／０８， ５／０４， ５／１４，１５／０８

Ｆ０２Ｂ ３７／００

ＤＷＰＩ（Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロータ軸部と、
前記ロータ軸部から延出すると共に隣り合う翼間に、前記ロータ軸部の径方向外側から流入する流体を該ロータ軸部の軸方向一方側へ流出させる流路を形成する複数の動翼と、
前記動翼における流体の流れ方向の中央部に対する上流側を構成し、前記流路の流入口から流体の流れ方向の下流側へ向うに従って該流路の流路断面積を減少させる流路減少部と、
を備え、
前記流路減少部の延出方向の基端部の翼厚は、前記流入口から前記流れ方向の下流側へ向うに従って増加し、前記動翼の前記流れ方向の中央部よりも上流側で最大となっている、
ラジアルタービンロータ。

【請求項2】

ロータ軸部と、
前記ロータ軸部から延出すると共に隣り合う翼間に、前記ロータ軸部の径方向外側から流入する流体を該ロータ軸部の軸方向一方側へ流出させる流路を形成する複数の動翼と、
前記動翼における流体の流れ方向の中央部に対する上流側を構成し、前記流路の流入口から流体の流れ方向の下流側へ向うに従って該流路の流路断面積を減少させる流路減少部と、
を備え、
前記動翼は、前記動翼の回転方向を向く負圧面と、該動翼の回転方向と反対側を向く正圧面と、を有し、
前記流路減少部の延出方向の基端部における前記負圧面は、前記流れ方向に沿った断面形状が前記回転方向へ凸を成す湾曲面とされている、
ラジアルタービンロータ。

【請求項3】

前記流路減少部の上流側の上流側端部における前記動翼の回転方向側の縁部が、該回転方向へ凸を成す湾曲部とされている、
請求項１又は請求項２に記載のラジアルタービンロータ。

【請求項4】

タービンハウジングと、
前記タービンハウジングに回転可能に収容された請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のラジアルタービンロータと、
前記タービンハウジングに設けられ、前記ラジアルタービンロータの前記流入口へ流入する流体の流量を増減する可変ノズルベーン機構と、
を備えた可変容量ターボチャージャ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ラジアルタービンロータ、及びこれを備えた可変容量ターボチャージャに関する。

【背景技術】

【0002】

複数の動翼を有するラジアルタービンロータと、ラジアルタービンロータに流入する排気ガス等の流体の流量を調整する可変ノズルベーン機構を備えたラジアルタービンが知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。この種のラジアルタービンでは、例えば、エンジンから排出される排気ガスの流量に応じて、可変ノズルベーン機構によりラジアルタービンロータへ供給する排気ガスの流量を増減することにより、タービン効率を向上させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３−１４８１０１号公報

【特許文献2】特開昭５９−２０３８０８号公報

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】「自動車用高性能・高信頼性ＶＧターボチャージャの開発」、三菱重工技報、２００６、ＶＯＬ．４３、ＮＯ．３、Ｐ．３１−３５

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、ラジアルタービンロータに供給される流体の流量が少ない少流量時（以下、単に「少流量時」という）には、動翼間に形成された流路の流入口に対する流体の流入角度が大きくなり、流路の上流側において動翼の負圧面側に流体の低速領域が発生する可能性がある。

【0006】

しかしながら、従来のラジアルタービンロータでは、流路の流路断面積が流入口から下流側へ向うに従って増加している。そのため、前述した少流量時には、流路の上流側において流体の低速領域が拡大し、動翼の負圧面側に渦が発生し易くなる。このような渦が発生すると、圧力損失が増加し、タービン効率が低下する。

【0007】

本発明は、上記の事実を考慮し、少流量時におけるタービン効率の低下を低減することができるラジアルタービンロータ、及びこれを備えた可変容量ターボチャージャを得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

請求項１に記載のラジアルタービンロータは、ロータ軸部と、前記ロータ軸部から延出すると共に隣り合う翼間に、前記ロータ軸部の径方向外側から流入する流体を該ロータ軸部の軸方向一方側へ流出させる流路を形成する複数の動翼と、前記動翼における流体の流れ方向の中央部に対する上流側を構成し、前記流路の流入口から流体の流れ方向の下流側へ向うに従って該流路の流路断面積を減少させる流路減少部と、を備え、前記流路減少部の延出方向の基端部の翼厚は、前記流入口から前記流れ方向の下流側へ向うに従って増加し、前記動翼の前記流れ方向の中央部よりも上流側で最大となっている。

【0009】

請求項１に係るラジアルタービンロータによれば、動翼における流体の流れ方向の中央部に対する上流側は、流路減少部によって構成されている。この流路減少部によって、隣り合う翼間（動翼間）に形成された流路の流路断面積が流入口から流体の流れ方向の下流側へ向うに従って減少している。これにより、流路の流路断面積が流入口から流体の流れ方向の下流側へ向うに従って増加する場合と比較して、少流量時に、流路の上流側において流路減少部の負圧面側に流体の低速領域が発生し難くなる。この結果、少流量時に、流路の上流側において流路減少部の負圧面側に渦が発生することが抑制される。したがって、少流量時におけるタービン効率の低下が低減される。

【0011】

また、流路減少部の延出方向の基端部の翼厚は、流入口から流体の流れ方向の下流側へ向うに従って増加し、動翼の前記流れ方向の中央部よりも上流側で最大となっている。つまり、流路減少部の基端部側の流路幅が、流入口から流体の流れ方向の下流側へ向うに従って減少している。これにより、流路の上流側において流路減少部の基端部の負圧面側に流体の低速領域が発生し難くなる。したがって、少流量時におけるタービン効率の低下を効率的に低減することができる。

【0012】

請求項２に記載のラジアルタービンロータは、ロータ軸部と、前記ロータ軸部から延出すると共に隣り合う翼間に、前記ロータ軸部の径方向外側から流入する流体を該ロータ軸部の軸方向一方側へ流出させる流路を形成する複数の動翼と、前記動翼における流体の流れ方向の中央部に対する上流側を構成し、前記流路の流入口から流体の流れ方向の下流側へ向うに従って該流路の流路断面積を減少させる流路減少部と、を備え、前記動翼は、前記動翼の回転方向を向く負圧面と、該動翼の回転方向と反対側を向く正圧面と、を有し、前記流路減少部の延出方向の基端部における前記負圧面は、前記流れ方向に沿った断面形状が前記回転方向へ凸を成す湾曲面とされている。

【0013】

請求項２に係るラジアルタービンロータによれば、動翼における流体の流れ方向の中央部に対する上流側は、流路減少部によって構成されている。この流路減少部によって、隣り合う翼間（動翼間）に形成された流路の流路断面積が流入口から流体の流れ方向の下流側へ向うに従って減少している。これにより、流路の流路断面積が流入口から流体の流れ方向の下流側へ向うに従って増加する場合と比較して、少流量時に、流路の上流側において流路減少部の負圧面側に流体の低速領域が発生し難くなる。この結果、少流量時に、流路の上流側において流路減少部の負圧面側に渦が発生することが抑制される。したがって、少流量時におけるタービン効率の低下が低減される。
また、流路減少部の延出方向の基端部における負圧面は、流れ方向に沿った断面形状が回転方向へ凸を成す湾曲面とされている。これにより、流入口から流入した流体が湾曲面に沿って流れ易くなるため、圧力損失が低減される。この結果、少流量時に、流路の上流側において流路減少部の基端部の負圧面側に流体の低速領域がさらに発生し難くなる。したがって、少流量時におけるタービン効率の低下がさらに低減される。

【0014】

請求項３に記載のラジアルタービンロータは、請求項１又は請求項２に記載のラジアルタービンロータにおいて、前記流路減少部の上流側の上流側端部における前記動翼の回転方向側の縁部が、該回転方向へ凸を成す湾曲部とされている。

【0015】

請求項３に係るラジアルタービンロータによれば、流路減少部の上流側の上流側端部における動翼の回転方向側の縁部が回転方向へ凸を成す湾曲部とされている。

【0016】

ここで、ラジアルタービンロータに供給される流体の流量が多い大流量時（以下、単に「大流量時」という）には、流体が流入口に対して動翼の回転方向と反対方向から流入する可能性がある。このように流体が流入口に対して動翼の回転方向と反対方向から流入すると、流体が流路減少部の負圧面に衝突する。そのため、流路の上流側において流路減少部の正圧面側に低速領域が発生し、流体が滞留し易くなる。この結果、流路の上流側において流体が流れる流路断面積（有効流路断面積）が実質的に減少し、タービン効率が低下する可能性がある。

【0017】

これに対して本発明では、前述したように流路減少部の上流側端部における動翼の回転方向側の縁部を湾曲部としたことにより、流体が流路減少部の負圧面に衝突した後に湾曲部に沿って流れ易くなる。これにより、大流量時に、流路の上流側において流路減少部の正圧面側に低速領域が発生することが抑制される。この結果、流路の上流側において流路断面積が実質的に減少することが抑制される。したがって、大流量時におけるタービン効率の低下が抑制される。

【0018】

請求項４に記載の可変容量ターボチャージャは、タービンハウジングと、前記タービンハウジングに回転可能に収容された請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のラジアルタービンロータと、前記タービンハウジングに設けられ、前記ラジアルタービンロータの前記流入口へ流入する流体の流量を増減する可変ノズルベーン機構と、を備えている。

【0019】

請求項４に係る可変容量ターボチャージャによれば、タービンハウジングに供給される流体の流量に応じて、タービンハウジングに設けられた可変ノズルベーン機構により、ラジアルタービンロータの流入口へ流入する流体の流量を増減することにより、タービン効率の低下が抑制される。

【0020】

しかも、翼の上流側を流路減少部によって構成したことにより、流路の上流側において動翼の負圧面側に流体の低速領域が発生し難くなる。この結果、流路の上流側において動翼の負圧面側に渦が発生することが抑制される。したがって、少流量時におけるタービン効率の低下が抑制される。

【発明の効果】

【0021】

以上説明したように、本発明に係るラジアルタービンロータ、及びこれを備えた可変容量ターボチャージャによれば、少流量時におけるタービン効率の低下を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の第１実施形態に係るラジアルタービンを径方向に沿って切断した断面図である。

【図2】図１に示されるラジアルタービンを軸方向から見た正面図である。

【図3】（Ａ）は図１に示されるラジアルタービンロータを示す拡大図であり、（Ｂ）は図３（Ａ）の３Ｂ−３Ｂ線断面図である。

【図4】（Ａ）は、図３（Ａ）の４Ａ−４Ａ線断面図であり、（Ｂ）は比較例における動翼を示す図４（Ａ）に相当する断面図である。

【図5】（Ａ）は、図３（Ａ）の５Ａ−５Ａ線断面における動翼のキャンバーラインに沿った翼厚分布であり、（Ｂ）は図３（Ａ）の４Ａ−４Ａ線断面における動翼のキャンバーラインに沿った翼厚分布である。

【図6】本発明の第１，第２実施形態及び比較例における各流路の流路断面積の変化を示すグラフである。

【図7】比較例における動翼の流路内の排気ガスの流れを示す説明図であり、（Ａ）は中流量時の排気ガスの流れを示し、（Ｂ）は少流量時の排気ガスの流れを示し、（Ｃ）は大流量時の排気ガスの流れを示している。

【図8】（Ａ）は、数値解析により求めた本発明の第１実施形態における流路内の流体の流れを示す図４（Ａ）に相当する断面図であり、（Ｂ）は、数値解析により求めた比較例における流路内の流体の流れを示す図４（Ｂ）に相当する断面図である。

【図9】本発明の第１実施形態における動翼の負圧面及び正圧面の圧力分布を示すグラフである。

【図10】（Ａ）は、数値解析により求めた本発明の第１実施形態における流路内の流体の流れを示す図４（Ａ）に相当する断面図であり、（Ｂ）は、数値解析により求めた比較例における流路内の流体の流れを示す図４（Ｂ）に相当する断面図である。

【図11】実験から得られた本発明の第１，第２実施形態及び比較例における各動翼のタービン効率を示すグラブである。

【図12】本発明の第２実施形態における動翼を示す図４（Ａ）に相当する断面図である。

【図13】本発明の第２実施形態における動翼の図５（Ａ）に相当する翼厚分布である。

【図14】（Ａ）は、数値解析により求めた本発明の第２実施形態における流路の基端部側の流体の流れを示す図１２（Ａ）に相当する断面図であり、（Ｂ）は、数値解析により求めた本発明の第１実施形態における流路の基端部側の流体の流れを示す図４（Ａ）に相当する断面図である。

【図15】本発明の第２実施形態における動翼の負圧面及び正圧面の圧力分布を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るラジアルタービンロータ、及びこれを備えた可変容量ターボチャージャについて説明する。

【0024】

先ず、第１実施形態について説明する。

【0025】

（可変容量ターボチャージャ、ラジアルタービン）
図１には、一実施形態に係る可変容量ターボチャージャ（以下、単に「ターボチャージャ」という）１０の一部を構成するラジアルタービン１２が示されている。ターボチャージャ１０は、例えば、自動車用のエンジンに好適に搭載されるものである。そして、ラジアルタービン１２は、流体としての排気ガス（気体）を動力としてターボチャージャ１０の一部を構成する図示しないコンプレッサ部を動作させるものである。このラジアルタービン１２は、ラジアルタービンロータ１４と、タービンハウジング２０と、可変ノズルベーン機構３０とを備えている。

【0026】

（ラジアルタービンロータ）
図１に示されるように、ラジアルタービンロータ１４は、ロータ軸部１６と、複数の動翼４０を備えている。ロータ軸部１６は、図示しないコンプレッサ部のコンプレッサロータと一体に回転可能に連結されている。複数の動翼４０は、ロータ軸部１６の回転軸Ｏを中心としてロータ軸部１６の外周面１６Ａから後述するシュラウド部２２の内周面２２Ａへ向けて放射状に延出している。

【0027】

（タービンハウジング）
タービンハウジング２０は、シュラウド部２２を有している。このシュラウド部２２の内部には、ラジアルタービンロータ１４が回転可能に収容されたタービン室２４が形成されている。このタービン室２４の上流側には、ロータ軸部１６の径方向外側へ向けて開口したタービン室入口２４Ａが形成されている。一方、タービン室２４の下流側には、ロータ軸部１６の軸方向一方側（下流側）へ向けて開口したタービン室出口２４Ｂが形成されている。

【0028】

タービンハウジング２０におけるタービン室２４の径方向外側には、図示しないエンジンから排気ガスが供給される渦巻状のスクロール通路２６が形成されている。さらに、タービンハウジング２０には、スクロール通路２６とタービン室２４とを連通するノズル通路２８が形成されており、スクロール通路２６に供給された排気ガスがノズル通路２８を介してタービン室入口２４Ａからタービン室２４へ流入するように構成されている。

【0029】

（可変ノズルベーン機構）
可変ノズルベーン機構３０は、タービン室入口２４Ａからタービン室２４に流入する排気ガスの流量を調節するものであり、複数のノズルベーン３２と、ノズルベーン３２を支持する支持部材３４とを有している。ノズルベーン３２は、ノズル通路２８内に配置された羽根状のベーン本体３２Ａと、支持部材３４に対してベーン本体３２Ａを回転可能に支持する回転軸部３２Ｂとを有している。

【0030】

図２に示されるように、隣り合うベーン本体３２Ａの間には、排気ガス（矢印Ｆ）が通過するベーン流路３６が形成されている。また、回転軸部３２Ｂには、図示しないアクチュエータが連結されている。このアクチュエータによって、例えば、図示しないエンジンの回転数に応じて複数のベーン本体３２Ａを同時に回転させることにより、複数のベーン流路３６が開閉されるように構成されている。これにより、エンジンの回転数、即ち、エンジンから排出される排気ガスの流量に応じて、ノズル通路２８からタービン室入口２４Ａへ流入する排気ガスの流量が増減されるように構成されている。

【0031】

ここで、ラジアルタービンロータ１４の動翼４０の構成について詳説する。

【0032】

（動翼）
図３（Ａ）には、動翼４０を回転方向から見た側面が示されており、図３（Ｂ）には、動翼４０の延出方向に沿った断面（図３（Ａ）の３Ｂ−３Ｂ線断面）が示されている。なお、図３（Ａ）には、排気ガスの流れ方向が矢印Ｖで示されている。また、図４（Ａ）には、動翼４０の延出方向の基端部４０Ｂにおける排気ガスの流れ方向（以下、「流線方向」ともいう）に沿った断面（図３（Ａ）の４Ａ−４Ａ線断面）が示されている。

【0033】

図３（Ａ）に示されるように、動翼４０の下流側は、回転方向から見てロータ軸部１６の軸方向に沿って延びている。一方、動翼４０の上流側は、回転方向から見て動翼４０の下流側に対してロータ軸部１６の径方向外側（矢印Ｄ方向）へ湾曲されている。

【0034】

図３（Ｂ）に示されるように、動翼４０は、回転方向を向く負圧面４０Ｓ１と、回転方向と反対側を向く正圧面４０Ｓ２とを有している。この動翼４０の翼厚Ｔは、ロータ軸部１６の外周面１６Ａから動翼４０の延出方向の先端部４０Ａへ向うに従って減少している。なお、本実施形態では、一例として、負圧面４０Ｓ１及び正圧面４０Ｓ２の流線方向から見た断面形状が直線状に形成されているが、二点鎖線で示されるように、動翼４０の中心ＣＬ側へ凹む曲線状に形成することも可能である。

【0035】

図４（Ａ）に示されるように、隣り合う一対の動翼４０は、その翼間（動翼４０間）に流路４２を形成している。また、動翼４０の上流側の端部（以下、「上流側端部」という）４４の間には、ロータ軸部１６の径方向外側へ開口した流入口４２Ａが形成されている。一方、動翼４０の下流側の端部（以下、「下流側端部」という）４６の間には、ロータ軸部１６の軸方向一方側へ開口した流出口４２Ｂが形成されている。これにより、ロータ軸部１６の径方向外側から流入口４２Ａに流入された排気ガスが、流路４２に沿って流れ、流出口４２Ｂからロータ軸部１６（図１参照）の軸方向一方側へ流出するように構成されている。

【0036】

また、動翼４０は流路減少部４０Ｆを有している。流路減少部４０Ｆは、動翼４０の流線方向の中央部に対する上流側を構成しており、この流路減少部４０Ｆによって、流路４２の流路断面積が流入口４２Ａから排気ガスの流れ方向の下流側へ向うに従って減少している。

【0037】

具体的に説明すると、図５（Ａ）には、動翼４０の先端部４０Ａ（シュラウド部２２の内周面２２Ａ側の端部）のキャンバーラインＫに沿った翼厚Ｔ_Ａの分布が示されている。また、図５（Ｂ）には、動翼４０の基端部４０Ｂ（ロータ軸部１６側の端部）のキャンバーラインＫに沿った翼厚Ｔ_Ｂの分布が示されている。なお、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）では、動翼４０のキャンバーラインＫが、その全長を１．０として無次元化されている。また、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）には、後述する従来の動翼９０の負圧面９０Ｓ１及び正圧面９０Ｓ２が点線で示されている。

【0038】

また、図６には、本実施形態における流路４２の流路断面積の変化を示すグラフ７０が示されている。なお、図６では、流路４２の流路断面積が、その最大値を１．０として無次元化されている。また、グラフ１００は、後述する比較例に係る流路９２の流路断面積の変化を示しており、グラフ７２は、後述する第２実施形態に係る流路５２の流路断面積の変化を示している。

【0039】

図５（Ａ）に示されるように、流路減少部４０Ｆの先端部４０Ａでは、キャンバーラインＫを境に負圧面４０Ｓ１側の翼厚が正圧面４０Ｓ２側の翼厚よりも肉厚となっている。なお、流路減少部４０Ｆの先端部４０Ａでは、点線で示される従来の動翼９０と同様に、キャンバーラインＫを境に負圧面９０Ｓ１側と正圧面９０Ｓ２側との翼厚を同じにしても良い。

【0040】

一方、図５（Ｂ）に示されるように、流路減少部４０Ｆの基端部４０Ｂでは、キャンバーラインＫを境に負圧面４０Ｓ１側の翼厚と正圧面４０Ｓ２側の翼厚とが同じになっている。また、流路減少部４０Ｆの基端部４０Ｂの翼厚Ｔ_Ｂは、上流側端部４４（流入口４２Ａ）から下流側へ向うに従って徐々に増加し、動翼４０における排ガスの流れ方向の中央部（Ｓ＝０．５）よりも上流側で最大となっている。より具体的には、流路減少部４０Ｆの翼厚Ｔ_Ｂは、キャンバーラインＫの無次元長さＳが０．２付近で最大となっている。なお、キャンバーラインＫの無次元長さＳが０．１〜０．４の範囲で流路減少部４０Ｆの翼厚Ｔ_Ｂを最大にすることも可能である。換言すると、動翼４０（流路減少部４０Ｆ）の翼厚Ｔ_Ｂは、上流側端部４４（流入口４２Ａ）から１０％〜４０％の範囲で最大にすることができる。

【0041】

このように構成された流路減少部４０Ｆを有する動翼４０は、図６に示されるグラフ７０のように、流路４２の流路断面積が流入口４２Ａから排気ガスの流れ方向の下流側へ向うに従って減少している。

【0042】

また、図４（Ａ）に示されるように、流路減少部４０Ｆの上流側端部４４における動翼４０の回転方向側の縁部は、動翼４０の回転方向へ凸を成す湾曲部４８とされている。

【0043】

次に、第１実施形態の作用について説明する。

【0044】

図１に示されるように、ラジアルタービン１２では、スクロール通路２６、ノズル通路２８を通過し、タービン室入口２４Ａからタービン室２４へ排気ガスが流入される。そして、タービン室２４に流入された排気ガスがラジアルタービンロータ１４の流入口４２Ａから流路４２内に流入すると、ラジアルタービンロータ１４が回転する。このラジアルタービンロータ１４の回転に伴って、排気ガスが流路４２に沿って流れ、流出口４２Ｂからロータ軸部１６の軸方向一方側（下流側）へ流出される。

【0045】

この際、エンジンの回転数に応じて、即ちエンジンから排出される排気ガスの流量に応じて図示しないアクチュエータが可変ノズルベーン機構３０を動作することにより、ノズル通路２８からタービン室２４へ供給される排気ガスの流量が増減される。具体的には、エンジンの回転数が低回転数のときには、図２に示されるように、図示しないアクチュエータがベーン流路３６を閉じる方向にベーン本体３２Ａを回転させ、タービン室２４へ供給される排気ガスの流量を減少させる（少流量時）。一方、エンジンの回転数が高回転数のときには、図示しないアクチュエータがベーン流路３６を開く方向にベーン本体３２Ａを回転させ、タービン室２４へ供給される排気ガスの流量を増加させる（大流量時）。

【0046】

このようにエンジンから排出される排気ガスの流量に応じてタービン室２４、即ちラジアルタービンロータ１４へ供給される排気ガスの流量を増減することにより、エンジンから排出される排気ガスの流量が変化した場合であってもタービン効率を維持することができる。

【0047】

ここで、本実施形態の作用を明確にするために、比較例について説明する。

【0048】

先ず、比較例に係る動翼９０の構成について説明する。

【0049】

比較例に係る動翼９０では、図５（Ｂ）に示されるように、基端部９０Ｂの翼厚Ｔ_Ｂが上流側端部（流入口９２Ａ）から下流側へ向うに従って増加し、動翼９０の流線方向の中央部（Ｓ＝０．５）よりも下流側（流出口９２Ｂ側）で最大となっている。具体的には、比較例に係る動翼９０の基端部９０Ｂの翼厚Ｔ_Ｂは、キャンバーラインＫの無次元長さＳが０．７付近で最大になっている。これにより、図４（Ｂ）に示されるように、比較例に係る動翼９０では、流路９２の上流側において隣り合う基端部９０Ｂ間の流路幅Ｌ_０が本実施形態における流路幅Ｌ_１よりも広くなっている（Ｌ_１＜Ｌ_０）。また、比較例に係る動翼９０では、図６に示されるグラフ１００のように、流路９２の流路断面積が流入口９２Ａ付近から下流側へ向うに従って増加し、キャンバーラインＫの無次元長さＳが０．１５付近で最大となっている。

【0050】

次に、比較例に係る動翼９０の流路９２内の排気ガスの流れについて説明する。

【0051】

図７（Ａ）〜図７（Ｃ）には、比較例に係る動翼９０の基端部９０Ｂの流線方向に沿った断面が示されている。なお、図７（Ａ）〜図７（Ｃ）には、動翼９０の上流側端部９４の回転速度ベクトルＵ、排気ガスの絶対速度ベクトルＣ、及び排気ガスの相対速度ベクトルＷが示されている。

【0052】

（少流量時）
図７（Ａ）に示されるように、比較例に係る動翼９０に所定量（中流量）の排気ガスが供給される場合は、流入口９２Ａに対する排気ガス（相対速度ベクトルＷ）の流入角度が小さくなり、排気ガスが流路９２に沿って流れ易くなる。一方、図７（Ｂ）に示されるように、ベーン流路３６の開度を小さくし、動翼９０に供給される排気ガスを所定量よりも少なくした場合は、流入口９２Ａに対する排気ガス（相対速度ベクトルＷ）の流入角度が大きくなる。このように動翼９０に供給される排気ガスの流量が少ない少流量時には、流路９２の上流側において動翼９０の負圧面９０Ｓ１側に渦Ｘが発生し易くなる。

【0053】

より具体的に説明すると、図８（Ｂ）には、数値解析で求めた少流量時における流路９２内の基端部９０Ｂ側の排気ガスの流れが示されている。この図８（Ｂ）に示されるように、少流量時には、流入口９２Ａに対する排気ガスの流入角度が大きくなり、排気ガスが動翼９０の正圧面９０Ｓ２に衝突する。これにより、流路９２の上流側において動翼９０の負圧面９０Ｓ１側に排気ガスの低速領域が発生し易くなる。この排気ガスの低速領域では、動翼９０の回転に伴う遠心力Ｐによって排気ガスが流入口９２Ａ側へ押し戻される。この結果、排気ガスが逆流すると、渦Ｘが発生する。特に、比較例に係る動翼９０では、図４（Ｂ）に示されるように、流路９２の上流側において隣り合う基端部９０Ｂ間の流路幅Ｌ_０が本実施形態における流路幅Ｌ_１（図４（Ａ）参照）よりも広くなっているため（Ｌ_１＜Ｌ_０）、流路９２の上流側において排気ガスの低速領域が拡大し、渦Ｘが発生し易くなる。

【0054】

このように動翼９０の負圧面９０Ｓ１側に渦Ｘが発生すると、圧力損失を増加する。また、図９に実線で示されるように、負圧面９０Ｓ１の圧力が上昇し、正圧面９０Ｓ２と負圧面９０Ｓ１との圧力差が小さくなる。この結果、動翼９０に発生するトルクが減少し、少流量時におけるタービン効率が低下する。なお、図９に示される点線は、渦Ｘが発生しない場合の負圧面９０Ｓ１の圧力分布を示している。

【0055】

これに対して本実施形態では、動翼４０の上流側が流路減少部４０Ｆによって構成されている。この流路減少部４０Ｆの基端部４０Ｂの翼厚Ｔ_Ｂは、図５（Ｂ）に示されるように、流入口４２Ａから下流側へ向うに従って増加し、動翼４０の流線方向の中央部（Ｓ＝０．５）よりも上流側で最大となっている。これにより、図４（Ａ）に示されるように、隣り合う流路減少部４０Ｆの基端部４０Ｂ間の流路幅Ｌ_１が、比較例における流路幅Ｌ_０（図４（Ｂ）参照）よりも狭くなっている。この流路減少部４０Ｆによって、図６に示されるグラフ７０のように、流路４２の流路断面積が流入口４２Ａから排気ガスの流れ方向の下流側へ向うに従って減少している。

【0056】

これにより、図８（Ａ）に示されるように、少流量時に、流路４２の上流側において流路減少部４０Ｆの基端部４０Ｂの負圧面４０Ｓ１側に排気ガスの低速領域が発生し難くなる。この結果、少流量時に、流路４２の上流側において流路減少部４０Ｆの負圧面４０Ｓ１側に渦Ｘが発生することが抑制される。したがって、少流量時におけるタービン効率の低下が低減される。なお、図８（Ａ）には、数値解析で求めた少流量時における流路４２内の基端部４０Ｂ側の排気ガスの流れが示されている。

【0057】

（大流量時）
次に、比較例に係る動翼９０では、大流量時に、流路９２内の排気ガスの流れが以下のようになる。即ち、図７（Ｃ）に示されるように、ベーン流路３６の開度を大きくし、動翼９０に供給される排気ガスを所定量よりも多くした場合は、流入口９２Ａに対して排気ガス（相対速度ベクトルＷ）が動翼９０の回転方向と反対方向から流入する可能性がある。このように動翼９０に供給される排気ガスの流量が多い大流量時には、流路９２の上流側において動翼９０の正圧面９０Ｓ２側に排気ガスの低速領域が発生し易くなり、渦Ｘが発生する。

【0058】

より具体的に説明すると、図１０（Ｂ）には、数値解析で求めた大流量時における流路９２内の基端部９０Ｂ側の排気ガスの流れが示されている。この図１０（Ｂ）に示されるように、大流量時には、排気ガスが動翼９０の負圧面９０Ｓ１に衝突する。そのため、流路９２の上流側において正圧面９０Ｓ２側に低速領域Ｙが発生し易くなる。このような低速領域Ｙが発生すると、前述した渦Ｘ（図７（Ｃ）参照）が発生し、圧力損失が増加する。さらに、低速領域Ｙでは排気ガスが滞留し易く、流路９２の上流側において排気ガスが流れる流路断面積（有効流路断面積）が実質的に減少する。この結果、タービン効率と流量が低下する。

【0059】

これに対して本実施形態では、前述したように流路減少部４０Ｆの上流側端部４４の回転方向側の縁部が、回転方向へ凸を成す湾曲部４８とされている。これにより、図１０（Ａ）に示されるように、大流量時に、排気ガスが流路減少部４０Ｆの負圧面４０Ｓ１に衝突した後に排気ガスが湾曲部４８に沿って流れ易くなる。これにより、圧力損失が低減される。また、流路減少部４０Ｆの正圧面４０Ｓ２側に低速領域が発生することが抑制される。この結果、流路４２の上流側において、渦の発生が抑制されると共に流路断面積が実質的に減少することが抑制される。したがって、大流量時におけるタービン効率と流量の低下が抑制される。

【0060】

なお、図１１には、実験から得られた本実施形態に係る動翼４０のタービン効率を示すグラブ８０、及び比較例に係る動翼９０のタービン効率を示すグラブ１０２が示されている。この図１１に示されるように、本実施形態に係る動翼４０では、少流量時（流体の流量Ｑ_２）及び大流量時（流体の流量Ｑ_３）におけるタービン効率と流量が比較例に係る動翼９０よりも向上していることが分かる。なお、グラフ８２は、後述する第２実施形態に係る動翼５０のタービン効率である。

【0061】

次に、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成のものは、同符号を付すると共に、適宜省略して説明する。

【0062】

図１２には、第２実施形態に係る動翼５０の基端部５０Ｂにおける排気ガスの流れ方向に沿った断面が示されている。第２実施形態に係る動翼５０は、その上流側に流路減少部５０Ｆを有している。この流路減少部５０Ｆの基端部５０Ｂにおける負圧面５０Ｓ１は、排気ガスの流れ方向に沿った断面形状が動翼５０の回転方向へ凸を成す湾曲面５４とされている。これにより、第２実施形態に係る動翼５０では、流路５２の上流側において隣り合う動翼５０の基端部５０Ｂ間の流路幅Ｌ_２が第１実施形態における流路幅Ｌ_１（図４（Ａ）参照）よりも狭くなっている（Ｌ_２＜Ｌ_１）。

【0063】

また、図１３には、動翼５０の基端部５０ＢのキャンバーラインＫに沿った翼厚Ｔ_Ｂの分布が示されている。なお、図１３では、動翼５０のキャンバーラインＫが、その全長を１．０として無次元化されている。また、図１３には、従来の動翼９０の負圧面９０Ｓ１及び正圧面９０Ｓ２が点線で示されている。

【0064】

前述したように、流路減少部５０Ｆの基端部５０Ｂにおける負圧面５０Ｓ１は、湾曲面５４とされている。この湾曲面５４が形成された領域では、キャンバーラインＫを境に負圧面５０Ｓ１側の翼厚が正圧面５０Ｓ２側の翼厚よりも肉厚になっている。また、流路減少部５０Ｆの翼厚Ｔ_Ｂは、湾曲面５４の頂部（Ｓ＝０．２５付近）で最大となっている。

【0065】

このように構成された流路減少部５０Ｆを有する動翼５０は、前述した図６に示されるグラフ７２のように、流路５２の流路断面積が流入口５２Ａから排気ガスの流れ方向の下流側（流出口５２Ｂ）へ向うに従って減少している。

【0066】

次に、第２実施形態の作用について説明する。

【0067】

図１４（Ｂ）に示されるように、第１実施形態では、動翼４０に供給される排ガスの流量が前述した少流量時より少なくなると、流入口４２Ａに対する排気ガスの流入角度がさらに大きくなる。この場合、第１実施形態に係る動翼４０では、流路４２の上流側において流路減少部４０Ｆの基端部４０Ｂの負圧面４０Ｓ１側に渦Ｘが発生する可能性がある。

【0068】

これに対して第２実施形態に係る動翼５０では、図１２に示されるように、流路減少部５０Ｆの基端部５０Ｂにおける負圧面５０Ｓ１が湾曲面５４とされている。そのため、図１４（Ａ）に示されるように、前述した少流量時よりも排気ガスの流量が少なくなった場合であっても、流入口５２Ａから流入した排気ガスが湾曲面５４に沿って流れ易くなり、流路５２の上流側において湾曲面５４側に排気ガスの低速領域が発生し難くなる。したがって、タービン効率の低下が低減される。

【0069】

また、図１５に示されるように、動翼５０の負圧面５０Ｓ１の圧力（実線）が、第１実施形態に係る動翼４０の負圧面４０Ｓ１の圧力（点線）よりも低くなる。この結果、動翼５０の正圧面５０Ｓ２と負圧面５０Ｓ１との圧力差が第１実施形態の動翼４０よりも大きくなる。つまり、動翼５０に発生するトルクが、第１実施形態に係る動翼４０よりも大きくなる。したがって、第２実施形態に係る動翼５０では、第１実施形態に係る動翼４０よりもタービン効率を向上させることができる。

【0070】

なお、図１１には、前述したように実験から得られた本実施形態に係る動翼５０のタービン効率を示すグラブ８２が示されている。この図１１に示されるように、第２実施形態に係る動翼５０では、少流量時（流体の流量Ｑ_２）よりも流体の流量が少ない流量時（流体の流量Ｑ_１）において、第１実施形態に係る動翼４０よりもタービン効率が向上していることが分かる。

【0071】

以上、本発明の第１，第２実施形態について説明したが、本発明はこうした第１，第２実施形態に限定されるものでなく、第１，第２実施形態を適宜組み合わせて用いても良いし、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

【符号の説明】

【0072】

１０ 可変容量ターボチャージャ
１４ ラジアルタービンロータ
１６ ロータ軸部
２０ タービンハウジング
３０ 可変ノズルベーン機構
４０ 動翼
４０Ｂ 基端部（動翼の延出方向の基端部）
４０Ｆ 流路減少部
４０Ｓ１ 負圧面
４０Ｓ２ 正圧面
４２ 流路
４２Ａ 流入口
４４ 上流側端部（動翼の上流側の端部）
４８ 湾曲部
５０ 動翼
５０Ｂ 基端部（動翼の延出方向の基端部）
５０Ｆ 流路減少部
５０Ｓ１ 負圧面
５０Ｓ２ 正圧面
５２ 流路
５２Ａ 流入口
５４ 湾曲面
Ｒ 動翼の回転方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図9】

【図11】

【図12】

【図13】

【図15】

【図8】

【図10】

【図14】