特許 7463498 流れが最適化された軸方向ディフューザ内へのウェイストゲート質量流の同心的な導入

(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】

(24)【登録日】2024-03-29

(45)【発行日】2024-04-08

(54)【発明の名称】流れが最適化された軸方向ディフューザ内へのウェイストゲート質量流の同心的な導入

(51)【国際特許分類】

   F02B 39/00 20060101AFI20240401BHJP

   F01D 25/24 20060101ALI20240401BHJP

   F02C 6/12 20060101ALI20240401BHJP

   F02B 37/18 20060101ALI20240401BHJP

   F01D 25/30 20060101ALI20240401BHJP

   F02C 7/00 20060101ALI20240401BHJP

【ＦＩ】

F02B39/00 D

F01D25/24 E

F02C6/12

F02B37/18 F

F01D25/30 B

F02C7/00 B

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2022517485

(86)(22)【出願日】2020-09-02

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-11-21

(86)【国際出願番号】 EP2020074471

(87)【国際公開番号】W WO2021052759

(87)【国際公開日】2021-03-25

【審査請求日】2023-04-06

(31)【優先権主張番号】19198053.1

(32)【優先日】2019-09-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】522056149

【氏名又は名称】ターボ システムズ スウィッツァーランド リミテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｔｕｒｂｏ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ Ｌｔｄ

【住所又は居所原語表記】Ｂｒｕｇｇｅｒｓｔｒａｓｓｅ ７１ａ， ５４００ Ｂａｄｅｎ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100134315

【弁理士】

【氏名又は名称】永島 秀郎

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】クリストフ マテイ

(72)【発明者】

【氏名】シュテファン ゼン

【審査官】北村 亮

(56)【参考文献】

【文献】実開昭５５－０３５３８３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】欧州特許出願公開第０３３５８１４８（ＥＰ，Ａ２）

【文献】米国特許第０９７３９１６６（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】独国特許出願公開第１０２０１７１２１３３７（ＤＥ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１１／００２７３２（ＷＯ，Ａ２）

【文献】西独国特許出願公開第０３１０１１３１（ＤＥ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｂ ３９／００

Ｆ０１Ｄ ２５／２４

Ｆ０２Ｃ ６／１２

Ｆ０２Ｂ ３７／１８

Ｆ０１Ｄ ２５／３０

Ｆ０２Ｃ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

排ガスタービンであって、
－多数の動翼（８）を備えたタービンホイール（７）と、
－前記タービンホイールの動翼の下流側に配置されている排ガス流出通路（１２）であって、該排ガス流出通路（１２）が、半径方向外側で軸方向のタービンディフューザ（１）により画定されており、前記排ガス流出通路（１２）を通って、排ガス質量流が軸方向の流れ方向（５）で吹出し可能である、排ガス流出通路（１２）と、
を有し、
－前記軸方向のタービンディフューザ（１）は、下流側で半径方向外方に向かって、第１のディフューザ開き角が第２のディフューザ開き角とは少なくとも１°異なっているように、一定ではないディフューザ開き角で開いており、
－ウェイストゲート通路（１３）をさらに有しており、該ウェイストゲート通路（１３）の出口領域（１３ａ）が、前記タービンディフューザ内に、または前記タービンディフューザのすぐ下流側で前記排ガス流出通路（１２）内に開口しており、該ウェイストゲート通路（１３）を通って、ウェイストゲート質量流が、排ガス質量流の軸方向の流れ方向（５）に一致する軸方向の流れ方向（１１）で前記排ガス質量流内に吹込み可能であり、前記ウェイストゲート通路（１３）の半径方向内側に位置する端部領域（１３ｂ）及び半径方向外側に位置する端部領域（１３ｃ）が、前記タービンディフューザ（１）の端部領域（１ｂ）と所定の移行角（１４）を形成している、排ガスタービンにおいて、
前記タービンディフューザ（１）が、増大するディフューザ開き角を有する第１のディフューザ区分と、該第１のディフューザ区分に対して下流側に位置する、減少するディフューザ開き角を有する第２のディフューザ区分とを有しており、
前記移行角（１４）が、５°未満であることを特徴とする、排ガスタービン。

【請求項2】

前記排ガス質量流内への前記ウェイストゲート質量流の吹込みが、前記ウェイストゲート通路の全周に沿って前記タービンホイール（７）の回転軸線（６）に対して同心的に、または前記タービンホイールの前記回転軸線に対してセグメント状に同心的に、または前記ウェイストゲート通路の全周に沿って互いに離間して設けられている、前記タービンディフューザの複数の孔を通って行われる、請求項１記載の排ガスタービン。

【請求項3】

前記タービンディフューザ（１）の、下流側で半径方向外側に位置する端部領域（１ａ）が、前記タービンホイール（７）の回転軸線（６）を中心として同心的に延びている、請求項１または２記載の排ガスタービン。

【請求項4】

前記タービンディフューザ（１）の、下流側で半径方向外側に位置する前記端部領域（１ａ）が、前記ウェイストゲート通路（１３）の半径方向内側に位置する端部領域（１３ｂ）を形成するか、または直接に前記ウェイストゲート通路（１３）の前記半径方向内側に位置する前記端部領域（１３ｂ）に隣接する、請求項３記載の排ガスタービン。

【請求項5】

前記ウェイストゲート通路（１３）の、半径方向外側に位置する端部領域（１３ｃ）が、前記ウェイストゲート通路（１３）の半径方向内側に位置する前記端部領域（１３ｂ）を下流方向で越えている、請求項４記載の排ガスタービン。

【請求項6】

前記軸方向のタービンディフューザ（１）が、Ｎ＞１の個数の連続する円錐形のディフューザセグメントを有しているか、または前記ディフューザ開き角が、常に異なり得る形式で非一定に延びている、請求項１から５までのいずれか１項記載の排ガスタービン。

【請求項7】

前記排ガス流出通路（１２）が、半径方向内側で部分的にスピナ（２）により画定されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の排ガスタービン。

【請求項8】

前記スピナ（２）が、前記タービンホイール（７）の統合された構成部材として構成されているか、または別個の構成部材としてタービンホイールハブ上に収縮嵌めされているか、または螺合されているか、またはプレス嵌めされているか、または締め付けられている、請求項７記載の排ガスタービン。

【請求項9】

前記タービンディフューザ（１）と、前記ウェイストゲート通路（１３）の半径方向の内壁（１３ｂ）との間の移行領域が、丸み付けされて形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の排ガスタービン。

【請求項10】

前記第１のディフューザ開き角が、前記第２のディフューザ開き角の上流側に配置されており、前記第２のディフューザ開き角よりも大きい、請求項１から９までのいずれか１項記載の排ガスタービン。

【請求項11】

前記ウェイストゲート通路（１３）の前記出口領域（１３ａ）が、前記第２のディフューザ区分に、または前記第２のディフューザ区分の下流側に開口している、請求項１０記載の排ガスタービン。

【請求項12】

前記ウェイストゲート通路が通流可能であるか、または通流不能である、請求項１から１１までのいずれか１項記載の排ガスタービン。

【請求項13】

請求項１から１２までのいずれか１項記載の排ガスタービンを備えた排ガスターボチャージャ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、過給される内燃機関用の排ガスターボチャージャの分野に関する。特に本発明は、流れが最適化された軸方向ディフューザを備えた排ガスタービンに関し、この排ガスタービンを、排ガスターボチャージャにおいて、かつガスタービンおよび商用タービンにおいて、どのように使用することができるかに関する。

【背景技術】

【0002】

内燃機関の出力向上のために、今日では標準的に排ガスターボチャージャが使用される。排ガスターボチャージャは、内燃機関の排ガス路内のタービンと、内燃機関に前置されたコンプレッサとを備えている。内燃機関の排ガスは、タービンにおいて膨張する。この場合に得られる仕事量は、軸によってコンプレッサへと伝達され、コンプレッサは、内燃機関に供給される空気を圧縮する。排ガスのエネルギを、内燃機関における燃焼プロセスに供給される空気を圧縮するために使用することにより、燃焼プロセスと、内燃機関の効率とを最適化することができる。

【0003】

排ガスターボチャージャの、先行技術から公知の排ガスタービンでは、排ガスタービン出口における圧力回収率が、典型的にはディフューザにより実現される。ディフューザは、たとえば環状に、かつ直線的に円錐形に形成されていてよい。さらに典型的には、圧力回収率を改善するために、タービンホイールのハブに、回転しない円錐形の構造エレメントが取り付けられている。

【0004】

排ガスタービンの、先行技術から公知のこのようなディフューザでは、圧力回収率のさらなる改善が望まれていることが判った。さらに、従来のディフューザは、複雑性、構造空間サイズおよびコストに関して幾らか欠点を有していることが判った。

【0005】

独国特許出願公開第１０２０１７１２１３３７号明細書からは、複数の動翼を備えたタービンホイールと、このタービンホイールの動翼の下流側に配置されている排ガス流出通路とを有している排ガスタービンが知られている。この場合、排ガス流出通路は、半径方向外側では、軸方向のタービンディフューザにより画定されており、半径方向内側では少なくとも部分的にスピナにより画定されている。軸方向のタービンディフューザとスピナとはそれぞれ、連続する円錐形の複数のディフューザセグメントから形成されている。

【0006】

欧州特許出願公開第３３５８１４８号明細書からは、タービンホイールと、排ガス流出通路と、タービンホイールの下流側に配置され、排ガス流出通路を半径方向外側で画定し、半径方向外方に向かって開いているディフューザと、ウェイストゲート通路とを有している、排ガスタービンが知られている。ウェイストゲート通路の出口領域は、排ガス流出通路に開口している。

【0007】

米国特許第９７３９１６６号明細書からは、ウェイストゲート質量流が、小さな角度でタービンの排ガス出口通路内に直接に噴射される排ガスタービンが知られている。

【0008】

実全昭５５－３５３８３号公報からは、ウェイストゲート質量流が小さな角度で、または平行にタービンの排ガス流出通路内に直接に噴射される排ガスタービンが知られている。

【0009】

独国特許出願公開第３１０１１３１号明細書からは、ウェイストゲート質量流が、１０°未満の所定の角度でタービンの排ガス流出通路内に噴射される排ガスタービンが知られている。

【0010】

今日、内燃機関、特に大型エンジンには、準定圧的な排ガスコレクタが単一管構成で装備されるようになってきた。この排ガスコレクタは、排ガスターボチャージャに関連して、部分負荷時や負荷増幅切換時または加速時に熱制御可能な運転を確実にするために、できるだけ小さなターボチャージャタービンの使用を必要とする。しかし、小さなターボチャージャタービンは、高負荷運転時または全負荷運転時に許容できないほど高い過給圧をもたらしてしまい、この高い過給圧は、ターボチャージャまたは基本エンジンの持続的な損傷をもたらしてしまう。この高すぎる過給圧を阻止するために、吸気側でも排ガス側でもいわゆるウェイストゲートと呼ばれる排ガス逃がし弁が使用される。このようなウェイストゲートによりガイドされるウェイストゲート質量流は通常、プレミックス方式のガスエンジンを除いて、ターボチャージャのタービン流出部の通過後にすぐ再び排ガスシステムに戻される。ウェイストゲート質量流がエンジンの加入のために使用されないことにより、エンジンの燃費の悪化が生じる。

【0011】

排ガスシステム内へのウェイストゲート質量流を戻す構造設計に基づいて、接続部自体の構成によって、または流出通路の急激な拡大によって、排ガス質量流のガイドされた流れを有する構成でも、ターボチャージャタービンからの流出の障害が生じる。この障害は、タービンの運転挙動を妨害する。この妨害は、タービン動翼の振動励起という形で機械的に生じるか、または効率損失という形でも生じてしまう。これらの作用は、特にディフューザとして構成されたガス流出ケーシングを備えた用途では、特に不都合である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明の課題は、先行技術から公知の排ガスタービンに対して改良された、ディフューザを備えた排ガスタービンを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記課題を解決するために、独立請求項１に記載の排ガスタービンが提供される。本発明の別の態様、利点および特徴は、従属特許請求の範囲、説明および添付の図から分かる。

【0014】

本発明の１つの態様によれば、複数の動翼を備えたタービンホイールと、排ガス流出通路とを有する排ガスタービンが提供される。排ガス流出通路は、タービンホイールの動翼の下流側に配置されている。排ガス流出通路は、半径方向外側で軸方向のタービンディフューザにより画定されている。排ガス流出通路を通って、排ガス質量流は、軸方向の流れ方向で吹出し可能である。軸方向のタービンディフューザは、下流側で半径方向外方に向かって、非一定のディフューザ開き角で開いており、この場合、第１のディフューザ開き角は、第２のディフューザ開き角とは少なくとも１°異なっている。さらに、排ガスタービンは、ウェイストゲート通路を含み、このウェイストゲート通路を通って、ウェイストゲート質量流が排ガス質量流内に吹込み可能である。ウェイストゲート通路は、ウェイストゲート通路の出口領域においてウェイストゲート質量流の実質的に軸方向の流れ方向を生じさせるために形成されている。ウェイストゲート通路の出口領域は、ディフューザ内に開口するか、またはすぐ下流側で排ガス流出通路内に開口している。タービンディフューザは、増大するディフューザ開き角を有する第１のディフューザ区分と、この第１のディフューザ区分に対して下流側に位置し、減少するディフューザ開き角を有する第２のディフューザ区分とを有している。タービンディフューザとウェイストゲート通路の半径方向の内壁との間の移行領域では、５°未満の移行角が存在している。ウェイストゲート質量流の実質的に軸方向の流れ方向は、軸方向の流れ方向からの偏差が５°未満であると理解することができる。

【0015】

本発明の１つの態様によれば、排ガス質量流内へのウェイストゲート質量流の吹込みは、ウェイストゲート通路の全周に沿ってタービンホイールの回転軸線に対して同心的に、またはタービンホイールの回転軸線に対してセグメント状に同心的に、またはウェイストゲート通路の全周に沿って互いに離間して設けられている、タービンディフューザの複数の孔を通って行われる。

【0016】

本発明の１つの態様によれば、タービンディフューザの下流側の半径方向外側に位置する端部領域が、タービンホイールの回転軸線に対して同心的に延びている。

【0017】

本発明の１つの態様によれば、タービンディフューザの下流側の半径方向外側に位置する端部領域が、ウェイストゲート通路の半径方向内側に位置する端部領域を形成している。

【0018】

本発明の１つの態様によれば、ウェイストゲート通路の半径方向外側に位置する端部領域が、ウェイストゲート通路の半径方向内側に位置する端部領域を下流方向で越えている。

【0019】

本発明の１つの態様によれば、軸方向のタービンディフューザが、Ｎ＞１の個数の連続する円錐形のディフューザセグメントを有している。

【0020】

本発明の１つの態様によれば、排ガス流出通路は、半径方向内側で部分的にスピナにより画定されている。

【0021】

本発明の１つの態様によれば、スピナは、タービンホイールの統合された構成部材として構成されている。

【0022】

本発明の１つの態様によれば、スピナは、別個の構成部材としてタービンホイールハブ上に収縮嵌めされているか、螺合されているか、またはプレス嵌めされているか、締め付けられている。

【0023】

本発明の１つの態様によれば、スピナは、Ｐ≧１の個数の連続する円錐形のスピナセグメントを有している。

【0024】

本発明の１つの態様によれば、タービンディフューザとウェイストゲート通路の半径方向の内壁との間の移行領域が、丸み付けされて形成されている。

【0025】

本発明の１つの態様によれば、軸方向のタービンディフューザは、下流側で半径方向外方に向かって非一定のディフューザ開き角で開いており、この場合、タービンディフューザの外周面が軸方向でＳ字形の形状を有するように、または複数のセグメントから形成されたＳ字形の形状を有するようになっている。すなわち、タービンディフューザは、増大するディフューザ開き角を有する第１のディフューザ区分と、この第１のディフューザ区分に対して下流側に位置する、減少するディフューザ開き角を有する第２のディフューザ区分とを有している。これにより、ディフューザを通って流出するガスを短い距離で膨張させ、ひいては短い構造長さで高い膨張率を達成することが可能にされる。同時に、層流であり、ひいては妨げの少ない流出が可能にされる。本発明の１つの態様によれば、ウェイストゲート通路は通流可能であってもよいし、通流不能であってもよい。

【0026】

本発明の１つの態様によれば、排ガスターボチャージャは、本発明による特徴を備えた排ガスタービンを有している。

【0027】

ウェイストゲート通路の出口領域が、ディフューザに、またはすぐ下流側の排ガス流出通路に開口することにより、ウェイストゲート通路の出口領域は、ディフューザの領域に、またはすぐ下流側でディフューザに隣接して配置されている。したがって、ウェイストゲート通路からの排ガスの進入は、ガス流が少なくとも部分的に膨張され、同時にまだ実質的に層流である箇所で行われる。同時に、コンパクトなアセンブリが可能にされる。

【0028】

タービンディフューザとウェイストゲート通路の半径方向の内壁との間の移行領域に、５°未満の移行角が存在していることにより、ウェイストゲート通路からの排ガスの流入時にも、実質的に層流であり、したがって妨げの少ない流出を十分に維持することが可能になる。

【0029】

したがって、タービンの下流でウェイストゲート質量流の供給の特別な構成によって、タービンを通る排ガス質量流の妨害のない流出を行うことができることが保証される排ガスタービンが有利に提供される。タービン動翼の振動という形の不都合な反作用は、流出の妨害が生じ得ないことにより排除される。特許請求された特別な構成により、ディフューザの作用に有利に影響が与えられる。本発明の別の利点は、本発明による特徴を備える排ガスタービンが簡単かつ廉価な形式で構造的に実施可能であることにある。既存の構成要素は、必要に応じて、僅かな追加手間だけで変更することができる。本発明を実現するためには、僅かな新しいエレメントしか要求されない。

【0030】

以下で本発明を図面に示した実施例について説明する。この説明からは別の利点および変化形が分かる。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】本発明のための第１の実施例を可視化するための、排ガスタービンの部分領域を概略的に示す長手方向の断面図である。

【図2】本発明のための第２の実施例を可視化するための、排ガスタービンの排ガス流出通路を概略的に示す長手方向の断面図である。

【図3】本発明のための第３の実施例を可視化するための、排ガスタービンの排ガス流出通路を概略的に示す長手方向の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

図１は、本発明のための第１の実施例を可視化するための、排ガスタービンの部分領域を概略的に示す長手方向の断面図である。

【0033】

特に、図１は、軸方向の回転軸線６を有するタービンホイール７を示しており、回転軸線６を中心としてタービンホイール７が回転可能に支承されている。タービンホイール７は、典型的には、多数の動翼８を有しているが、図１に図示された部分には、例示的にただ１つの動翼８が示されている。本明細書において説明するディフューザ構想は、混合流タービン、ラジアルタービンおよび軸流タービンに適用することができるが、混合流タービン、ラジアルタービンおよび軸流タービンに制限されるものではない。

【0034】

タービンホイール７の動翼８は、典型的には、前縁９および後縁１０を有している。動翼８の前縁９は、動翼の、排ガスタービンの運転時に排ガスが流れ込む側の縁である。動翼８の後縁１０は、動翼の、排ガスタービンの運転時に排ガスが流出する側の縁である。排ガスの流れ方向５が、図１に矢印で示されている。

【0035】

例示的に図１に示したように、本発明に係る排ガスタービンは、排ガス流出通路１２を含んでいる。この排ガス流出通路１２は、タービンホイール７の動翼８の下流側に配置されている。排ガス流出通路１２は、半径方向外側で軸方向のタービンディフューザ１により画定されている。さらに、排ガス流出通路１２は、半径方向内側で部分的にスピナ２により画定されている。本明細書に記載されている別の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、軸方向のタービンディフューザ１は、静的であり、すなわち非回転式に構成されている。さらに、スピナ２は、回転可能に構成されていてよい。スピナを省略することもできる。

【0036】

例示的に図１に図示されているように、タービンディフューザ１は、半径方向外方に向かって非一定のディフューザ開き角で開いている。ディフューザ開き角とは、回転軸線６に対するディフューザ壁の局所的な角度であると理解される。排ガス流出通路１２を画定するディフューザ輪郭３、３ａは、Ｓ字形に形成されている。これは、排ガスタービンから排出される排ガス質量流をウェイストゲート質量流に実質的に平行に、好適には５°未満の角度で合流させることを可能にする。これは、排ガス質量流の剥離に抗して作用するようにウェイストゲート質量流が流れ込むことができるようにするための前提条件を達成する。

【0037】

図１から分かるように、ディフューザ輪郭３は、排ガス流出通路１２の半径方向外側の画定部を成している。スピナ２は、スピナ輪郭４を有している。図１からさらに分かるように、スピナ輪郭４は、排ガス流出通路１２の半径方向内側の画定部を成している。半径方向は、図１～図３において参照番号１５で示されている。「半径方向内方に向けられた」とは、回転軸線６または排ガス流出通路の対称軸線に向いていることを意味する。「半径方向外方に向けられた」とは、回転軸線６または排ガス流出通路の対称軸線から離れる方向に向いていることを意味する。

【0038】

本明細書に記載されている別の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、スピナ２は、例示的に図１に示されているように、タービンホイール７の統合された一体的な構成部材として構成されていてよい。代替的には、スピナ２は、たとえば、タービンホイールに結合されていてよい別個の構成部材として構成されていてよい（明示的に図示されていない）。したがって、スピナ２は、排ガスタービンの運転中に、タービンホイール７と一緒に回転することができる。したがって、スピナ２は、タービンホイールと同一の回転速度で回転する。スピナ２は、軸方向でウェイストゲート通路１３の出口領域１３ａのレベルにまで達していてもよいし、出口領域１３ａを超えていてもよい。

【0039】

さらに、図１に図示した排ガスタービンは、ウェイストゲート通路１３を有しており、このウェイストゲート通路１３を通ってウェイストゲート質量流が排ガス質量流に吹込み可能である。ウェイストゲート通路１３の出口領域１３ａは、タービンディフューザ１の下流側に配置されている。ウェイストゲート質量流内へのウェイストゲート質量流の吹込みは、排ガス質量流の軸方向の流れ方向５に一致する軸方向の流れ方向１１で行われる。さらに、ウェイストゲート質量流の吹込みは、タービンホイール７の回転軸線６に対して同心的に行われる。

【0040】

図１からは、タービンディフューザ１の下流側で半径方向外側に位置する端部領域１ａが、タービンホイール７の回転軸線６に対して同心的に延びていることも明らかである。この同心的な吹込み時に、点線のディフューザ輪郭３ａは、仮想のディフューザ輪郭線であり、この仮想のディフューザ輪郭線に沿ってウェイストゲートの質量流が排ガス質量流内に吹き込まれる。

【0041】

タービンディフューザ１の、下流側で半径方向外側に位置する端部領域１ａは、さらに、ウェイストゲート通路１３の半径方向内側に位置する端部領域１３ｂを形成している。このウェイストゲート通路１３の半径方向内側に位置する端部領域１３ｂは、回転軸線６に対して平行に延びていてよい。しかしながら、その端部領域１３ｂの形状は、上述の平行な形状からたとえば１°の小さな角度で逸脱してもよい。

【0042】

さらに、図１では、ウェイストゲート通路１３の半径方向外側に位置する端部領域１３ｃが、下流方向でウェイストゲート通路１３の半径方向内側に位置する端部領域１３ｂを超えていることが明らかである。

【0043】

さらに、図１からは、タービンディフューザ１の、下流側で半径方向外側に位置する端部領域１ａ、したがってウェイストゲート通路１３の半径方向内側に位置する端部領域１３ｂも、タービンディフューザ１の、下流側で半径方向内側に位置する端部領域１ｂと、５°未満である移行角１４を形成することが分かる。記載されたディフューザ輪郭に関連する移行角１４のこの選択は、排ガス質量流内へのウェイストゲートの質量流の乱流なしの吹込み、ひいては排ガス流出通路１２を通る排ガス質量流の妨げのない流出を可能にする。

【0044】

移行角は、図１に図示したように、タービンディフューザ１の端部領域（開口領域）１ａにおける側壁と、タービンディフューザ１の端部領域（開口領域）１ｂにおける側壁との間の角度によって定義することができる。

【0045】

タービンロータ流出部の外径Ｑに対するディフューザの全長Ｚの比に関して、以下の関係が当てはまる：
Ｚ／Ｑ＜４

【0046】

さらに、ディフューザの出口におけるウェイストゲート開口Ｙに対するディフューザの外径Ｄの比に関しては、次の関係が有利である：
０＜Ｙ／（Ｄ／２）＜０．１５

【0047】

上記では、排ガス質量流内へのウェイストゲート質量流の吹込みが、全周に沿ってタービンホイールの回転軸線に対して同心的に行われる実施形態が説明された。この実施形態に対して代替的には、排ガス質量流内へのウェイストゲートの質量流の吹込みを、タービンホイールの回転軸線に対してセグメント状に同心的に実施することもできる。別の代替的な実施形態は、排ガス質量流内へのウェイストゲート質量流の吹込みを、タービンディフューザに設けられた複数の孔によって実施することにある。これらの孔は、ウェイストゲート通路の全周に沿って互いに離間して設けられている。ウェイストゲート通路１３の出口領域１３ａは、全周に沿って規則的または不規則的に分配された一連の孔またはスリットを有していてもよいし、または中断されない１つの環状通路であってもよい。

【0048】

ターボチャージャタービンの下流側で排ガス質量流内にウェイストゲート質量流を供給する上述の構成により、タービンを通る質量流の妨害のない流出を行うことができることが保証される。これにより、タービン動翼の振動という形の不都合な反作用が、流出の妨害が生じないことによって排除される。上述の構造的な構成により、ディフューザの作用にもスピナの作用にも有利に影響が与えられる。

【0049】

上記では、排ガス質量流内へのウェイストゲート質量流の供給が、タービンホイールの回転軸線に対して同心的に行われることが記載された。

【0050】

本発明の１つの実施形態によれば、ウェイストゲート通路は、通流可能であってもよいし、通流不能であってもよい。通流不能なウェイストゲート通路では、上述の同心的な供給は、後置された多段ディフューザのように作用し、これは、タービン効率の向上につながる。

【0051】

排ガス質量流へのウェイストゲート質量流の供給の上述の構成は、構造的に簡単かつ廉価に実施可能である。既存の構成要素は、僅かな追加手間で変更することができる。本発明を実現するためには、僅かな新しいエレメントしか要求されない。

【0052】

図１について説明した実施例では、示された断面図において、ディフューザ輪郭３およびスピナ輪郭４はそれぞれ、滑らかに形成されている。以下に図２および図３について説明する実施例では、これらの輪郭は、それぞれ、連続する複数の円錐形のセグメントを有している。

【0053】

図２は、本発明のための第２の実施例を可視化するための、排ガス流出通路１２を概略的に示す断面図である。この図では、ディフューザの構成のみが図示されている。

【0054】

特に、図２は、タービンホイールの動翼の下流側に配置されている排ガス流出通路１２を示している。排ガス流出通路１２は、半径方向外側で軸方向のタービンディフューザ１により画定されている。さらに、排ガス流出通路１２は、半径方向内側でスピナ２により部分的に画定されている。

【0055】

例示的に図２に図示されているように、軸方向のタービンディフューザ１は、Ｎ＞１の個数の連続する円錐形のディフューザセグメントを有している。図２では、例示的に３つのディフューザセグメントが図示されている。これに関連して、３つのディフューザセグメントを備えた図２に図示された実施形態は、制限するものとして理解すべきではなく、原則的に、２以上の任意の個数Ｎのディフューザセグメントを選択することができることが指摘される。

【0056】

さらに、図２には、連続するディフューザセグメント間の軸方向のディフューザ開き角Ａが図示されている。図２から分かるように、連続するディフューザセグメント間の軸方向のディフューザ開き角Ａとは、隣接するディフューザセグメント間の移行部において生じる角度であると理解される。典型的には、連続するディフューザセグメント間の軸方向のディフューザ開き角Ａは、Ａ≧１．０°、特にＡ≧２．５°の値を有している。隣接するディフューザセグメント間の軸方向のディフューザ開き角Ａの値は、一定であってもよいし、互いに異なる値であってもよい。たとえば、連続するディフューザセグメント間のディフューザ開き角Ａの値は、流れ方向５で増大するか、または小さくなってもよい。

【0057】

たとえば図２に図示されているように、スピナ２は、Ｐ≧１の個数の連続する円錐形のスピナセグメントを有している。図２では、例示的に３つのスピナセグメントが図示されている。これに関連して、３つのスピナセグメントを備えた図２に図示された実施形態は、制限するものとして理解すべきではなく、原則的に、１以上の任意の個数Ｐのスピナセグメントを選択することができることが指摘される。

【0058】

さらに、図２には、連続するスピナセグメント間の軸方向のスピナ開き角Ｂが図示されている。図２から分かるように、連続するスピナセグメント間の軸方向のスピナ開き角Ｂは、隣接するスピナセグメント間の移行部において生じる角度であると理解される。

【0059】

典型的には、連続するスピナセグメント間の軸方向のスピナ開き角Ｂは、Ｂ≧１．０°、特にＢ≧２．５°の値を有している。隣接するスピナセグメント間の軸方向のスピナ開き角Ｂの値は、一定であってもよく、または互いに異なる値であってもよい。たとえば、連続するスピナセグメント間のスピナ開き角Ｂの値は、流れ方向５で増大するか、または小さくなってもよい。

【0060】

さらに、図２には、軸方向のディフューザセグメント長さＬ、排ガス流出通路１２の流入部高さＨ、スピナ２の最大半径Ｓおよび軸方向のスピナセグメント長さＭが記入されている。これに関連して、軸方向のディフューザセグメント長さＬが、典型的には一定であることを述べておく。代替的には、軸方向のディフューザセグメント長さＬは、流れ方向５で増大するか、または流れ方向５で減少することができる。同様に、典型的には軸方向のスピナセグメント長さＭは一定である。代替的には、軸方向のスピナセグメント長さＭは、流れ方向５で増大するか、または流れ方向５で減少することができる。

【0061】

軸方向のディフューザセグメント長さＬと、排ガス流出通路１５の流入部高さＨとの間の比Ｌ／Ｈは、典型的には、Ｌ／Ｈ≧０．０１、特にＬ／Ｈ≧０．０５の値を有している。

【0062】

排ガス流出通路の流入部高さＨと、スピナ２の最大半径Ｓとの間の比Ｈ／Ｓは、典型的には、Ｈ／Ｓ≧１．０、特にＨ／Ｓ≧１．３の値を有している。

【0063】

軸方向のスピナセグメント長さＭと、排ガス流出通路１５の流入部高さＨとの間の比Ｍ／Ｈは、典型的には、Ｍ／Ｈ≧０．０１、特にＭ／Ｈ≧０．０５の値を有している。

【0064】

本明細書に記載されている別の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、例示的に図２および図３に図示されているように、排ガス流出通路への流入部におけるディフューザ輪郭３の出発点１６は、スピナ輪郭４の出発点１７と比べて、軸方向のオフセット量Ｖを有していてよい。スピナ輪郭４の出発点１７に対するディフューザ輪郭３の出発点１６の軸方の向オフセット量Ｖは、例示的に図２および３に図示されているように、流れ方向５とは逆向きに設けられていてよい。代替的には、スピナ輪郭４の出発点１７に対するディフューザ輪郭３の出発点１６の軸方向のオフセット量Ｖは、流れ方向５に設けられていてよい（明示的に図示されていない）。特に、オフセット量Ｖは、排ガス流出通路の流入部高さの半分以下、すなわち、Ｖ≦Ｈ／２であってよい。

【0065】

したがって、有利には、排ガスタービン出口における改善された圧力回収率を可能にする、改善されたディフューザ設計を有する排ガスタービンが提供される。

【0066】

特に、排ガスタービンの下流側における圧力回収率または静圧の上昇は、タービンホイール出口において静的な（回転しない）軸方向のディフューザおよび回転するスピナによって改善され、ディフューザ輪郭およびスピナ輪郭は、流出領域、特に排ガス流出通路が段階的に拡大し、これにより有利には排ガスタービンの下流側での静圧の段階的な増大を達成することができるように設計されている。これは、排ガスタービンの流出部における流速ならびに運動エネルギ損失を減らすことができるという利点を有している。特に、本発明に係る排ガスタービンは、たとえば先行技術から公知の排ガスタービンの場合に、排ガス流出領域において不連続かつガイドされない面積変化によって発生するような膨張損失を排除することができ、排ガス流が正常化されるという利点を有している。さらに、本発明に係る排ガスタービンにおいて実現可能な、流出流速の減少は、さらに有利には後置された配管システムにおける圧力損失の減少をもたらすことができることに留意されたい。

【0067】

図３は、本明細書に記載されている別の実施形態による排ガスタービンの排ガス流出通路１５を概略的に示す断面図である。図３でも、ディフューザの構成のみが図示されている。

【0068】

特に、図３は、本明細書に記載されている別の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、連続する円錐形のディフューザセグメントが、全体として、半径方向外方に向けられたディフューザ輪郭３を提供することを示している。例示的に図３に図示されているように、半径方向外方に向けられたディフューザ輪郭３は、第１のスプライン曲線輪郭１１によって平滑化されていてよい。これにより、排ガスタービンの下流側の圧力回収率または静圧の上昇をタービンホイール流出部において改善することができる。たとえば、第１のスプライン曲線輪郭１１は、曲率半径Ｒを有する円形の輪郭によって丸み付けされていてよく、曲率半径Ｒは、排ガス流出通路の流入部高さＨの２倍以下（Ｒ≦２Ｈ）である。

【0069】

さらに、図３は、本明細書に記載されている別の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、連続する円錐形のスピナセグメントが半径方向外方に向けられたスピナ輪郭４を提供していることを示している。例示的に図３に図示されているように、半径方向内方に向けられたスピナ輪郭４は、第２のスプライン曲線輪郭１２によって平滑化されていてよい。これにより、タービンホイール流出部における排ガスタービン下流側の圧力回収率または静圧の上昇を改善することができる。たとえば、第２のスプライン曲線輪郭１２は、曲率半径Ｕを有する円形の輪郭によって丸み付けされていてよく、曲率半径Ｕは、スピナの最大半径Ｓ以下である（Ｕ≦Ｓ）。

【0070】

さらに、図３は、本明細書に記載されている別の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、流れ方向５で最後に配置されたディフューザセグメントの縁部１３が、曲率半径Ｒを有する円形の輪郭によって丸み付けされていてよいことを示している。これは、圧力回収率に有利に作用する。典型的には、曲率半径Ｒは、排ガス流出通路の流入部高さＨの２倍以下、すなわち、Ｒ≦２Ｈである。

【0071】

さらに、図３は、本明細書に記載されている別の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、流れ方向５で最後に配置されたスピナセグメントの縁部１４が、曲率半径Ｕを有する円形の輪郭によって丸み付けされていてよいことを示している。これは、圧力回収率に有利に作用する。典型的には、曲率半径Ｕは、スピナの最大半径Ｓ以下であり、すなわち、Ｕ≦Ｓである。

【0072】

図２および図３について説明した、ディフューザの段階的な開きにより、ディフューザの軸方向のコンパクト性が確保される。この軸方向のコンパクト性は、それぞれのエンジンにおいて利用可能なスペースが限られているので、実務上非常に重要である。

【0073】

図１～図３について説明した実施形態から分かるように、有利には、ディフューザおよびウェイストゲート通路を備える排ガスタービンであって、先行技術から公知の排ガスタービンに比べて改良された排ガスタービンが提供される。特に、本発明に係る排ガスタービンにより、排ガスタービン出口における改善された圧力回収率を可能にし、さらにタービンを通る質量流の妨げのない流出を可能にする、改善されたディフューザ設計を有する排ガスタービンが提供される。タービン動翼の振動という形の不都合な反作用は、流出の妨害が生じないことによって排除される。説明したこのような構造的な構成により、ディフューザの作用およびスピナの作用に有利に影響が与えられる。

【0074】

有利には、本発明に係る排ガスタービンのディフューザは、先行技術から公知の排ガスタービンのディフューザと比較して、低い複雑性と構造空間サイズを有しているように実現されており、これは、生産コストに有利に作用する。

【0075】

最後に、ディフューザおよび任意に設けられるスピナの本明細書に記載された設計は、要求される寸法に関して適切に適合させることができることに留意されたい。換言すると、ディフューザおよびスピナの本明細書に記載された設計は、概して有効であり、大中小の構造空間サイズに転用することができる。

【符号の説明】

【0076】

１ 軸方向のタービンディフューザ
１ａ タービンディフューザ１の下流側の半径方向外側に位置する端部領域
１ｂ タービンディフューザ１の下流側の半径方向内側に位置する端部領域
２ スピナ
３ ディフューザ輪郭
３ａ 延長された仮想のディフューザ輪郭
４ スピナ輪郭
５ 軸方向の流れ方向
６ 回転軸線
７ タービンホイール
８ 動翼
９ 動翼８の前縁
１０ 動翼８の後縁
１１ ウェイストゲート質量流の流れ方向
１２ 排ガス流出通路
１３ ウェイストゲート通路
１３ａ ウェイストゲート通路の出口領域
１３ｂ ウェイストゲート通路の下流側の半径方向内側に位置する端部領域
１３ｃ ウェイストゲート通路の下流側の半径方向外側に位置する端部領域
１４ 移行角
１５ 半径方向
１６ ディフューザ輪郭の出発点
１７ スピナ輪郭の出発点
Ｙ 半径方向のウェイストゲート開口
ｒ 半径方向
Ｈ 排ガス流出通路の流入部高さ
Ｓ スピナの最大半径
Ｌ 軸方向のディフューザセグメント長さ
Ａ 軸方向のディフューザ開き角
Ｎ 連続する円錐形のディフューザセグメントの個数
Ｒ 流れ方向で最後に配置されたディフューザセグメントまたは第１のスプライン曲線輪郭の縁部の丸み付け半径
Ｍ 軸方向のスピナセグメント長さ
Ｂ スピナ開き角
Ｐ 連続する円錐形のスピナセグメントの個数
Ｕ 流れ方向で最後に配置されたスピナセグメントまたは第２のスプライン曲線輪郭の縁部の丸み付け半径
Ｖ 軸方向のオフセット量
Ｑ タービンロータ流出部における外径
Ｚ ディフューザの全長
Ｄ ディフューザの流出部直径

【図1】

【図2】

【図3】