特許 6633761 タービン及びターボチャージャ

(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】6633761

(24)【登録日】2019年12月20日

(45)【発行日】2020年1月22日

(54)【発明の名称】タービン及びターボチャージャ

(51)【国際特許分類】

   F02B 39/00 20060101AFI20200109BHJP

   F01D 25/24 20060101ALI20200109BHJP

【ＦＩ】

   F02B39/00 D

   F01D25/24 E

   F01D25/24 G

【請求項の数】5

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2018-532478(P2018-532478)

(86)(22)【出願日】2016年12月28日

(86)【国際出願番号】JP2016089175

(87)【国際公開番号】WO2018123045

(87)【国際公開日】20180705

【審査請求日】2018年6月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】316015888

【氏名又は名称】三菱重工エンジン＆ターボチャージャ株式会社

(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】吉田 豊隆

(72)【発明者】

【氏名】尾▲崎▼ 誠

(72)【発明者】

【氏名】横山 隆雄

【審査官】 家喜 健太

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−１３２９９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６３−０３４３２８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０１５−１２４７４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１００７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５４−０２３８１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１９４０９２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｂ ３７／００ − ３９／１６

Ｆ０１Ｄ ２５／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

タービン動翼と、
前記タービン動翼を収容するタービンハウジングと備え、
前記タービンハウジングは、
前記タービン動翼を収容するシュラウド部と、
前記タービン動翼の外周側に形成されたスクロール部と、
前記スクロール部と前記シュラウド部とを接続する連通部と、
を含み、
前記スクロール部の流路断面積をＡとし、前記スクロール部の流路断面の図心から前記タービン動翼の回転軸線までの距離をＲとすると、
前記スクロール部の周方向における角度位置θを横軸にとり、前記距離Ｒに対する前記流路断面積Ａの比Ａ／Ｒを縦軸にとった第１グラフが少なくとも一部において凹型の分布を含むように、前記スクロール部が構成されており、
前記スクロール部は、
前記周方向における第１角度範囲に属する第１区間部と、
前記周方向における第１角度範囲よりも下流側の第２角度範囲に属し、前記タービン動翼の軸方向において前記第１区間部のスロート幅よりも小さいスロート幅を有する第２区間部と、
前記第２角度範囲よりも下流側の角度範囲に属し、前記第２区間部の下流端におけるスロート幅から前記第１区間部の上流端におけるスロート幅に向かってスロート幅が増大するように構成された擦り付け区間部と、
を含む、
タービン。

【請求項2】

前記スクロール部の周方向における角度位置θを横軸にとり、前記第１グラフの傾きの絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜を縦軸にとった第２グラフにおいて、前記絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜の最大値と最小値との平均値を前記第２グラフがとる角度位置をθ_ＡＶＥ１とすると、
前記スクロール部は、前記周方向において前記角度位置θ_ＡＶＥ１よりも下流側の角度位置において、前記軸方向におけるスロート幅の最小値を有する、請求項１に記載のタービン。

【請求項3】

前記スクロール部の周方向における角度位置θを横軸にとり、前記第１グラフの傾きの絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜を縦軸にとった第２グラフにおいて、前記角度位置θが０°の位置における前記第１グラフの傾きの絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜と前記角度位置θが３６０°の位置における前記第１グラフの傾きの絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜との平均値を前記第２グラフがとる角度位置をθ_ＡＶＥ２とすると、
前記スクロール部は、前記周方向において前記角度位置θ_ＡＶＥ２よりも下流側の角度位置において、前記軸方向におけるスロート幅の最小値を有する、請求項１又は２に記載のタービン。

【請求項4】

前記スクロール部は、前記周方向において下流側に向かうにつれて前記軸方向におけるスロート幅が減少するよう構成された区間部を含む、請求項１乃至３の何れか１項に記載のタービン。

【請求項5】

前記請求項１乃至４の何れか１項に記載のタービンを備えるターボチャージャ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、タービン及びターボチャージャに関する。

【背景技術】

【0002】

ターボチャージャ等に使用されるタービンのハウジングはスクロール部を有し、スクロール部は、タービン動翼を囲むようにタービン動翼の周方向に沿って延在している。スクロール部の形状は、スクロール部の入口に流入した流体が、タービン動翼に対し、タービン動翼の全周に渡って均等に衝突するように構成されている。具体的には、スクロール部の流路断面積をＡとし、スクロール部の流路断面の図心（重心）からタービン動翼の軸線までの距離をＲとしたときに、距離Ｒに対する流路断面積Ａの比であるＡ／Ｒが、スクロール部の入口から末端に向かって減少するように、スクロール部は構成されている。

【0003】

また、典型的なタービンのスクロール部の設計は排気脈動を考慮せずに行われている。これは、排気脈動の周期が長いためにその影響を無視できると考えられていたことや、排気脈動を考慮してタービンの設計を行うことは、タービンでの非定常な流れを評価せねばならず容易なことではなかったからである。

【0004】

これに対し、特許文献１では、排気脈動を考慮してタービンのスクロール部の設計を行うことにより、タービン効率の向上を図ることができるタービンが提案されている。特許文献１に記載のタービンのスクロール部は、タービン動翼の軸線の周りでの周方向位置を横軸にとり、上記比Ａ／Ｒを縦軸にとったグラフにおいて、比Ａ／Ｒが少なくとも一部において凹型の分布を有するように構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第５８７００８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の少なくとも一実施形態は、上記特許文献１に記載される従来技術を更に改良したものであり、その目的とするところは、排気脈動を考慮した高効率なタービン及びこれを備えるターボチャージャを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るタービンは、タービン動翼と、前記タービン動翼を収容するタービンハウジングと備え、前記タービンハウジングは、前記タービン動翼を収容するシュラウド部と、前記タービン動翼の外周側に形成されたスクロール部と、前記スクロール部と前記シュラウド部とを接続する連通部と、を含み、前記スクロール部の流路断面積をＡとし、前記スクロール部の流路断面の図心から前記タービン動翼の回転軸線までの距離をＲとすると、前記スクロール部の周方向における角度位置θを横軸にとり、前記距離Ｒに対する前記流路断面積Ａの比Ａ／Ｒを縦軸にとった第１グラフが少なくとも一部において凹型の分布を含むように、前記スクロール部が構成されており、前記スクロール部は、前記周方向における第１角度範囲に属する第１区間部と、前記周方向における第１角度範囲よりも下流側の第２角度範囲に属し、前記タービン動翼の軸方向において前記第１区間部のスロート幅よりも小さいスロート幅を有する第２区間部と、を含む。

【0008】

スクロール部からのスクロール流れの流速ベクトルの大きさは、排気脈動によって変化する。具体的には、排気脈動によってタービン動翼の入口圧が一時的に大きくなるタイミングでスクロール流れの流速ベクトルが大きくなり、排気脈動によってタービン動翼の入口圧が一時的に小さくなるタイミングでスクロール流れの流速ベクトルが小さくなる。このため、タービン動翼の入口の位置におけるタービン動翼に対するスクロール流れの相対速度ベクトルも、排気脈動によって変化する。

【0009】

一方、スクロール部の流路断面積Ａは、下流側に向かうにつれて小さくなるため、スクロール部の流路断面における単位流量に対する濡れ面積（単位流量当たりのスクロール部３６の流路壁面と排ガスとの接触面積）は、下流側に向かうにつれて大きくなる。このため、スクロール部では、排ガスの持つエネルギーが大きい入口側で極力エネルギーを回収することが効率の観点から好ましい。

【0010】

そこで、上記（１）に記載のタービンでは、脈動によって排ガスのエネルギーの大きさが変動することを考慮し、排気脈動によって一時的に大きくなったスクロール流れのエネルギーをスクロール部の入口側で効率的に回収するために、第１グラフが少なくとも一部において凹型の分布を含むようにスクロール部が構成されている。

【0011】

これにより、スクロール部の入口側での第１グラフの傾きの絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜が、末端側での第１グラフの傾きの絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜よりも大きくなり、スクロール部の入口側でのスクロール流れの流れ角（スクロール流れが周方向に対してなす角度）を、スクロール部の末端側でのスクロール流れの流れ角より大きくすることが容易となる。すなわち、スクロール部の入口側での動翼入口流れの流れ角（動翼入口流れが径方向に対してなす角度）を、スクロール部の末端側での動翼入口流れの流れ角より大きくすることが容易となる。

【0012】

したがって、排気脈動によってタービン動翼の入口圧が一時的に高くなったタイミングでスクロール部の入口側における動翼入口流れの流れ角が最適な流れ角に近い角度となるように、スクロール部を構成することができる。よって、排気脈動によって一時的に大きくなったスクロール流れのエネルギーをスクロール部の入口側で効率的に回収することが可能となり、排気脈動を考慮した高効率なタービンを実現することができる。

【0013】

ただし、この場合において軸方向におけるスクロール部のスロート幅を何も工夫せずに周方向位置によらず一定に設定すると、スクロール部の末端側では、排気脈動によってタービン動翼の入口圧が一時的に大きくなったタイミングで、動翼入口流れの流れ角が最適な流れ角から大きくずれてしまう。

【0014】

そこで、上記（１）に記載のタービンは、スクロール部の末端側でも回収できるエネルギーを高めるように構成されており、スクロール部は、周方向における第１角度範囲に属する第１区間部と、周方向における第１角度範囲よりも下流側の第２角度範囲に属し、軸方向において第１区間部のスロート幅よりも小さいスロート幅を有する第２区間部とを含む。

【0015】

本願発明者の知見によれば、スクロール流れの流れ角αは、下記式（ａ）によって表すことができる。

（但し、ｂは、軸方向におけるスクロール部３６のスロート幅である。）

【0016】

このため、上記のように第１グラフが少なくとも一部において凹型の分布を含むようにスクロール部が構成されている場合であっても、スクロール部の末端側の第２区間部でスロート幅を小さくすることにより、第２区間部におけるスクロール流れの流れ角αの減少を抑制することができる。したがって、スクロール部の末端側の第２区間部においても、排気脈動によってタービン動翼の入口圧が一時的に高くなったタイミングで動翼入口流れの流れ角が最適な流れ角に近い角度となるように、スクロール部を構成することができる。よって、排気脈動を考慮した、より高効率なタービンを実現することができる。

【0017】

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載のタービンにおいて、前記スクロール部の周方向における角度位置θを横軸にとり、前記第１グラフの傾きの絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜を縦軸にとった第２グラフにおいて、前記絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜の最大値と最小値との平均値を前記第２グラフがとる角度位置をθ_ＡＶＥ１とすると、前記スクロール部は、前記周方向において前記角度位置θ_ＡＶＥ１よりも下流側の角度位置において、前記軸方向におけるスロート幅の最小値を有する。

【0018】

上記（２）に記載のタービンによれば、スクロール部における角度位置θ_ＡＶＥ１よりも下流側において、排気脈動を考慮してスクロール流れの適切な流れ角を設定することができ、より高効率なタービンを実現することができる。

【0019】

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載のタービンにおいて、前記スクロール部の周方向における角度位置θを横軸にとり、前記第１グラフの傾きの絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜を縦軸にとった第２グラフにおいて、前記角度位置θが０°の位置における前記第１グラフの傾きの絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜と前記角度位置θが３６０°の位置における前記第１グラフの傾きの絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜との平均値を前記第２グラフがとる角度位置をθ_ＡＶＥ２とすると、前記スクロール部は、前記周方向において前記角度位置θ_ＡＶＥ２よりも下流側の角度位置において、前記軸方向におけるスロート幅の最小値を有する。

【0020】

上記（３）に記載のタービンによれば、スクロール部における角度位置θ_ＡＶＥ２よりも下流側において、排気脈動を考慮してスクロール流れの適切な流れ角を設定することができ、より高効率なタービンを実現することができる。

【0021】

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れか１項に記載のタービンにおいて、前記スクロール部は、前記周方向において下流側に向かうにつれて前記軸方向におけるスロート幅が減少するよう構成された区間部を含む。

【0022】

上記（４）に記載のタービンによれば、スクロール部の流路壁面に段差を設けることなく、排気脈動を考慮してスクロール流れの適切な流れ角を設定することができ、高効率なタービンを実現することができる。

【0023】

（５）本発明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）乃至（４）の何れか１項に記載のタービンを備える。

【0024】

上記（５）に記載のターボチャージャによれば、上記（１）乃至（４）の何れか１項に記載のタービンを備えるため、排気脈動を考慮した高効率なターボチャージャを実現することができる。

【発明の効果】

【0025】

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、排気脈動を考慮した高効率なタービン及びこれを備えるターボチャージャが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の幾つかの実施形態に係るターボチャージャを概略的に示す縦断面図である。

【図2】図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略的な断面図である。

【図3】スクロール部３６における比Ａ／Ｒを説明するための図である。

【図4】スクロール部３６の周方向における角度位置θを横軸にとり、距離Ｒに対する流路断面積Ａの比Ａ／Ｒを縦軸にとった場合における、角度位置θと比Ａ／Ｒとの関係を示す第１グラフｇ１を、従来例に係る線形減少のグラフとともに示す図である。

【図5】スクロール部３６の周方向における角度位置θを横軸にとり、図４に示した第１グラフＧ１の傾きの絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜を縦軸にとった場合における、角度位置θと絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜との関係を示す第２グラフｇ２を、上記従来例のグラフとともに示すグラフである。

【図6】スクロール部３６の周方向における角度位置θを横軸にとり、軸方向におけるスクロール部３６のスロート幅ｂを縦軸にとった場合における、角度位置θとスロート幅ｂとの関係を示す第３グラフＧ３を、比較例に係るスロート幅ｂが一定のグラフとともに示す図である。

【図7】スクロール流れの流速ベクトルと、動翼周速の速度ベクトルと、動翼入口流れの流速ベクトルとの関係を説明するための図であり、動翼入口流れの流れ角が最適な流れ角である状態を示している。

【図8】排気脈動によって変化する動翼入口流れの流速ベクトルを示す図である。

【図9】スクロール部３６の入口側でのスクロール流れの流れ角αの一例を、最適な流れ角とともに示す図である。

【図10】スクロール部３６の出口側でのスクロール流れの流れ角αの一例を、最適な流れ角とともに示す図である。

【図11】排気脈動によって動翼の入口圧が変動した場合における、スクロール部３６の入口側での動翼入口流れの流れ角の変化の一例（実施例）を、最適な流れ角とともに示す図である。

【図12】排気脈動によって動翼の入口圧が変動した場合における、スクロール部３６の末端側での動翼入口流れの流れ角の変化の一例（比較例）を、最適な流れ角とともに示す図である。

【図13】排気脈動によって動翼の入口圧が変動した場合における、スクロール部３６の末端側での動翼入口流れの流れ角の変化の一例（実施例例）を、最適な流れ角とともに示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

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。
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。

【0028】

図１は、本発明の幾つかの実施形態に係るターボチャージャを概略的に示す縦断面図である。ターボチャージャは、例えば、車両や船舶等に適用される。
ターボチャージャは、タービン１０と、コンプレッサ１２とを備える。タービン１０は、タービンハウジング１４と、タービンハウジング１４に収容されたタービン動翼（羽根車）１６とを含み、コンプレッサ１２は、コンプレッサハウジング１８と、コンプレッサハウジング１８に収容されたインペラ２０とを含む。

【0029】

タービン１０のタービン動翼１６とコンプレッサ１２のインペラ２０は、シャフト２２によって相互に連結されている。タービン１０のタービン動翼１６は、例えば、内燃機関から排出された排ガスによって回転させられ、これによりシャフト２２を介してコンプレッサ１２のインペラ２０が回転させられる。そして、コンプレッサ１２のインペラ２０の回転によって、内燃機関に供給される吸気が圧縮される。

【0030】

例えば、タービンハウジング１４は、タービンケーシング２４と、タービンケーシング２４と結合された端壁２６とからなり、シャフト２２は端壁２６を貫通している。端壁２６は、タービンケーシング２４とベアリングハウジング２８との間に挟まれており、ベアリングハウジング２８は、軸受を介して、シャフト２２を回転自在に支持している。

【0031】

また例えば、コンプレッサハウジング１８は、コンプレッサケーシング３０と、コンプレッサケーシング３０に結合された端壁３２とからなり、シャフト２２は端壁３２を貫通している。端壁３２は、ベアリングハウジング２８と一体に形成されている。

【0032】

タービンハウジング１４は、タービン動翼１６の翼先端と対向するようにタービン動翼１６を収容する筒状のシュラウド部３４と、タービン動翼１６の外周側に形成され、タービン動翼１６の周方向に沿って延在するスクロール部（ボリュート部）３６と、シュラウド部３４とスクロール部３６とを接続する連通部３８とを有する。また、幾つかの実施形態では、タービンハウジング１４は、スクロール部３６に連なる流体の導入部４０を有する。流体の出口は、シュラウド部３４によって形成されている。

【0033】

図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略的な断面図である。以下では、特記しない限り、スクロール部３６の周方向（タービン動翼１６の周方向）を単に「周方向」といい、スクロール部３６の径方向（タービン動翼１６の径方向）を単に「径方向」といい、スクロール部３６の軸方向（タービン動翼１６の軸方向）を単に「軸方向」ということとする。

【0034】

スクロール部３６の入口（巻き始め）は、図２に示したように、周方向における角度位置θが０°の位置にある。なお、周方向における角度位置θが０°の位置は、スクロール部３６の舌部４１の先端の角度位置として定義される。舌部４１は、タービンケーシング２４のスクロール部３６の外周壁４２と導入部４０の壁４４とが鋭角に交わる部分である。

【0035】

そして、スクロール部３６の末端（巻き終わり）は、タービン動翼１６の周方向における角度位置θが３６０°の位置にある。なお、角度位置θの値は、スクロール部３６の入口から末端に向かって増加するものとし、スクロール部３６における流体の流れに沿う方向にて増加するものとする。

【0036】

一方、スクロール部３６の内周縁は、タービン動翼１６の軸線（回転軸）を中心として、舌部４１に接する仮想的な円４８によって規定されている。スクロール部３６の外周縁は、スクロール部の外周壁４２によって規定されており、スクロール部３６の流路断面積Ａは、円４８とスクロール部３６の外周壁４２との間に区画される空間の面積である。

【0037】

図３は、スクロール部３６における比Ａ／Ｒを説明するための図である。Ａ／Ｒは、スクロール部３６の流路断面積をＡとし、スクロール部３６の流路断面の図心Ｃ（当該流路断面の重心）からタービン動翼１６の回転軸線５０までの距離をＲとしたときに、距離Ｒに対する流路断面積Ａの比である。なお、図３では、スクロール部３６の流路断面に相当する領域にハッチングが付されている。

【0038】

図４は、スクロール部３６の周方向における角度位置θを横軸にとり、距離Ｒに対する流路断面積Ａの比Ａ／Ｒを縦軸にとった場合における、角度位置θと比Ａ／Ｒとの関係を示す第１グラフｇ１を、従来例に係る線形減少のグラフとともに示す図である。図５は、スクロール部３６の周方向における角度位置θを横軸にとり、図４に示した第１グラフＧ１の傾きの絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜を縦軸にとった場合における、角度位置θと絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜との関係を示す第２グラフｇ２を、上記従来例のグラフとともに示すグラフである。図６は、スクロール部３６の周方向における角度位置θを横軸にとり、軸方向におけるスクロール部３６のスロート幅ｂを縦軸にとった場合における、角度位置θとスロート幅ｂとの関係を示す第３グラフＧ３を、比較例に係るスロート幅ｂが一定のグラフとともに示す図である。なお、軸方向におけるスクロール部３６のスロート幅ｂは、図３に示すように、上記円４８の位置での軸方向におけるスクロール部３６の流路幅であって、軸方向における連通部３８の流路幅に相当する。

【0039】

図４に示すように、スクロール部３６は、周方向において下流側（末端側）に向かうにつれて比Ａ／Ｒが単調減少するように構成されている。また、スクロール部３６は、第１グラフｇ１が少なくとも一部において凹型の分布を含むように構成されている。すなわち、入口側（巻き始め側）での第１グラフｇ１の傾きの絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜が、末端側（巻き終わり側）での第１グラフｇ１の傾きの絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜よりも大きくなるように構成されている。

【0040】

かかる構成によれば、排気脈動を考慮した高効率なタービンを実現することができる。以下、そのメカニズムについて説明する。

【0041】

図７は、スクロール流れの流速ベクトルと、動翼周速の速度ベクトルと、動翼入口流れの流速ベクトルとの関係を説明するための図であり、動翼入口流れの流れ角が最適な流れ角である状態を示している。なお、スクロール流れの流速ベクトルは、タービン動翼１６の入口（翼前縁）の位置におけるスクロール部３６からの流れの流速ベクトルを意味し、動翼周速の速度ベクトルは、タービン動翼１６の入口の位置におけるタービン動翼１６の周速ベクトルを意味し、動翼入口流れの流速ベクトルは、タービン動翼１６の入口の位置におけるタービン動翼１６に対するスクロール流れの相対速度ベクトルを意味する。したがって、図７に示すように、動翼入口流れの流速ベクトルは、スクロール流れの流速ベクトルから動翼周速の速度ベクトルを減算したものに相当する。

【0042】

ここで、スクロール流れの流速ベクトルの大きさは排気脈動によって変化する。すなわち、排気脈動によってタービン動翼１６の入口圧が一時的に大きくなるタイミングでスクロール流れの流速ベクトルが大きくなり、排気脈動によってタービン動翼１６の入口圧が一時的に小さくなるタイミングでスクロール流れの流速ベクトルが小さくなる。このため、図８に示すように、動翼入口流れの流速ベクトルも、排気脈動によって変化する。

【0043】

一方、スクロール部３６の流路断面積Ａは、下流側に向かうにつれて小さくなるため、スクロール部３６の流路断面における単位流量に対する濡れ面積（単位流量当たりのスクロール部３６の流路壁面と排ガスとの接触面積）は、下流側に向かうにつれて大きくなる。このため、スクロール部３６では、排ガスの持つエネルギーが大きい入口側で極力エネルギーを回収することが効率の観点から好ましい。

【0044】

そこで、タービン１０では、脈動によって排ガスのエネルギーの大きさが変動することを考慮し、排気脈動によって一時的に大きくなったスクロール流れのエネルギーをスクロール部３６の入口側で効率的に回収するために、上述のように、第１グラフＧ１が少なくとも一部において凹型の分布を含むようにスクロール部３６が構成されている。

【0045】

これにより、スクロール部３６の入口側での第１グラフｇ１の傾きの絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜が、末端側での第１グラフｇ１の傾きの絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜よりも大きくなり、スクロール部３６の入口側でのスクロール流れの流れ角α（スクロール流れが周方向に対してなす角度；図９参照）を、スクロール部３６の末端側でのスクロール流れの流れ角α（図１０参照）より大きくすることが容易となる。すなわち、スクロール部３６の入口側での動翼入口流れの流れ角β（動翼入口流れが径方向に対してなす角度；図９参照）を、スクロール部３６の末端側での動翼入口流れの流れ角β（図１０参照）より大きくすることが容易となる。なお、図９及び図１０では、動翼入口流れの流れ角が最適な流れ角となる場合を破線で示している。

【0046】

したがって、図１１に示すように、排気脈動によってタービン動翼１６の入口圧が一時的に高くなったタイミングでスクロール部３６の入口側における動翼入口流れの流れ角が最適な流れ角に近い角度となるように、スクロール部３６を構成することができる。よって、排気脈動によって一時的に大きくなったスクロール流れのエネルギーをスクロール部３６の入口側で効率的に回収することが可能となり、排気脈動を考慮した高効率なタービンを実現することができる。

【0047】

ところで、図６の破線に示すように、軸方向におけるスクロール部３６のスロート幅ｂを何も工夫せずに周方向位置によらず一定に設定した場合、図１２に示すように、スクロール部３６の末端側では、排気脈動によってタービン動翼１６の入口圧が一時的に大きくなったタイミングで、動翼入口流れの流れ角が最適な流れ角から大きくずれてしまう。

【0048】

そこで、タービン１０は、スクロール部３６の末端側でも回収できるエネルギーを高めるように構成されており、図６に例示するように、スクロール部３６は、周方向における第１角度範囲Ｗ１に属する第１区間部５２と、周方向における第１角度範囲Ｗ１よりも下流側の第２角度範囲Ｗ２に属し、軸方向において第１区間部５２のスロート幅ｂ１よりも小さいスロート幅ｂ２を有する第２区間部５４とを含む。

【0049】

本願発明者の知見によれば、スクロール流れの流れ角αは、下記式（ａ）によって表すことができる。

（但し、ｂは、軸方向におけるスクロール部３６のスロート幅である。）

【0050】

このため、図４に示すように第１グラフｇ１が少なくとも一部において凹型の分布を含むようにスクロール部３６が構成されている場合であっても、スクロール部３６の末端側の第２区間部５４でスロート幅ｂ２を小さくすることにより、第２区間部５４におけるスクロール流れの流れ角αの減少を抑制することができる。したがって、スクロール部３６の末端側の第２区間部５４においても、図１３に示すように、排気脈動によってタービン動翼１６の入口圧が一時的に高くなったタイミングで動翼入口流れの流れ角が最適な流れ角に近い角度となるように、スクロール部３６を構成することができる。よって、排気脈動を考慮したより高効率なタービン１０を実現することができる。

【0051】

幾つかの実施形態では、図５に示すように、スクロール部３６について、第１グラフｇ１の傾きの絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜の最大値Ｅと最小値Ｆとの平均値Ｍを第２グラフｇ２がとる角度位置をθ_ＡＶＥ１とすると、スクロール部３６は、図６に示すように、周方向において角度位置θ_ＡＶＥ１よりも下流側の角度位置において、軸方向におけるスロート幅ｂの最小値ｂ_ＭＩＮを有する。

【0052】

かかる構成によれば、スクロール部３６における角度位置θ_ＡＶＥ１よりも下流側において、排気脈動を考慮してスクロール流れの適切な流れ角を設定することができ、より高効率なタービン１０を実現することができる。

【0053】

幾つかの実施形態では、図５に示すように、角度位置０度における第１グラフｇ１の傾きの絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜と角度位置３６０度における第１グラフｇ１の傾きの絶対値｜ｄ（Ａ／Ｒ）／ｄθ｜との平均値Ｎを第２グラフがとる角度位置をθ_ＡＶＥ２とすると、スクロール部３６は、図６に示すように、周方向において角度位置θ_ＡＶＥ２よりも下流側の角度位置において、軸方向におけるスロート幅ｂの最小値ｂ_ＭＩＮを有する。なお、図示する例示的形態では、Ｎ＝Ｍ、θ_ＡＶＥ２＝θ_ＡＶＥ１、及びｂ_ＭＩＮ＝ｂ２を満たす。

【0054】

かかる構成によれば、スクロール部３６における角度位置θ_ＡＶＥ２よりも下流側において、排気脈動を考慮してスクロール流れの適切な流れ角を設定することができ、より高効率なタービン１０を実現することができる。

【0055】

なお、図６に示す例示的形態では、スクロール部３６の第１区間部５２における軸方向のスロート幅ｂ１と、スクロール部３６の第２区間部５４における軸方向のスロート幅ｂ２とはそれぞれ一定である。また、スクロール部３６は、第１区間部５２と第２区間部５４とを接続するとともに周方向において下流側に向かうにつれて軸方向におけるスロート幅ｂが減少するよう構成された第３区間部５６と、第２区間部５４の下流側に接続するとともに周方向において下流側に向かうにつれて軸方向におけるスロート幅ｂが増加して舌部４１の先端に接続するよう構成された第４区間部５８とを含む。

【0056】

かかる構成によれば、スクロール部３６の流路壁面に段差を設けることなく、排気脈動を考慮してスクロール流れの適切な流れ角を設定することができ、高効率なタービンを実現することができる。

【0057】

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。
例えば、図６に示す形態では、第１区間部５２における軸方向のスロート幅ｂ１と第２区間部５４における軸方向のスロート幅ｂ２とがそれぞれ一定の場合を例示したが、第１区間部５２における軸方向のスロート幅と、第２区間部５４における軸方向のスロート幅とは、それぞれ周方向における角度位置θに応じて変化してもよい。

【符号の説明】

【0058】

１０ タービン
１２ コンプレッサ
１４ タービンハウジング
１６ タービン動翼
１８ コンプレッサハウジング
２０ インペラ
２２ シャフト
２４ タービンケーシング
２６，３２ 端壁
２８ ベアリングハウジング
３０ コンプレッサケーシング
３４ シュラウド部
３６ スクロール部
３８ 連通部
４０ 導入部
４１ 舌部
４２ 外周壁
４４ 壁
４８ 円
５０ 回転軸線
５２ 第１区間部
５４ 第２区間部
５６ 第３区間部
５８ 第４区間部
１００ 可変容量型ターボチャージャ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】