JP2010174807A - インペラ、タービンインペラ、ターボチャージャ、及びインペラのバランス調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンインペラ２７の性能向上とタービンインペラ２７の耐久性向上の両立を図ること。
【解決手段】タービンハブ２９の軸心ＳＣに平行な任意の側断面における、タービンブレード３３の径方向外側縁の基端を通りかつタービンハブ２９の軸心ＳＣに垂直な仮想の基準線ＶＬから、タービンハブ２９の背面までの長さが、タービンハブ２９の軸心ＳＣ側に近くなるに従って漸次増加するようになっていること。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャ等の回転機械に用いられるインペラ、及びインペラをバランス調整する方法等に関する。

一般的なタービンインペラについて図５及び図６を参照して説明する。

ここで、図５は、一般的なタービンインペラの側断面図、図６は、他の一般的なタービンインペラの側断面図である。

図５及び図６に示すように、一般的なタービンインペラ１０１Ａ（１０１Ｂ）は、ターボチャージャ（図示省略）に用いられかつエンジン（図示省略）からの排気ガスのエネルギーを利用して回転するものである。そして、一般的なタービンインペラ１０１Ａ（１０１Ｂ）は、タービンハブ１０３を備えており、このタービンハブ１０３は、ロータ軸（タービン軸）１０５に同軸状に一体的に連結しててある。また、タービンハブ１０３の外周面は、タービンハブ１０３の軸方向から径方向外側に向かって延びてあって、タービンハブ１０３は、先端側に、固定ナット１０７を有している。更に、タービンハブ１０３の外周面には、複数のタービンブレード１０９が周方向に間隔を置いて設けられている。

一方、タービンインペラ１０１Ａ（１０１Ｂ）の回転中の振動を抑制するには、タービンインペラ１０１Ａ（１０１Ｂ）を最終的に仕上げる前に、動つりあい試験の結果に基づいてバランス調整（バランス修正）を行う必要がある。そのため、一般的なタービンインペラ１０１Ａにあっては、固定ナット１０７（タービンハブ１０３の先端部）の一部分及びタービンハブ１０３のフラットな背面の一部分にバランス調整用（バランス修正用）の切削加工を施している。また、他の一般的なタービンインペラ１０１Ｂにあっては、固定ナット１０７の一部分及びタービンハブ１０３の背面に形成した環状のバランス調整用突起１１１の一部分に対してバランス調整用の切削加工を施している。図５及び図６中において、バランス調整用の切削加工を施した部位（バランス調整部位）ＦＰは、仮想線で示してある。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１及び特許文献２に示すものがある。

特開２００１−２５４６２７号公報 特許３９１６１４６号公報

ところで、近年、タービンインペラ１０１Ａ（１０１Ｂ）の性能向上（換言すれば、ターボチャージャの性能向上）の要請に応じて、タービンインペラ１０１Ａ（１０１Ｂ）の回転数（回転速度）が高くなる傾向にあり、タービンインペラ１０１Ａ（１０１Ｂ）の回転数が高くなると、次のような問題が生じる。

即ち、一般的なタービンインペラ１０１Ａを高速で回転させた場合には、図７（ａ）に示すように、タービンハブ１０３の背面におけるバランス調整部位ＦＰを除く領域では、過大な応力が発生しないものの、図７（ｂ）に示すように、タービンハブ１０３の背面におけるバランス調整部位ＦＰの周辺に過大な応力が発生する。また、他の一般的なタービンインペラ１０１Ｂを高速で回転させた場合には、図８（ｂ）に示すように、タービンハブ１０３の背面におけるバランス調整部位ＦＰの周辺では、過大な応力が発生しないものの、図８（ａ）に示すように、バランス調整用突起１１１の一部として残存した部位ＳＰの周辺に過大な応力が発生する。そのため、一般的なタービンインペラ１０１Ａ（１０１Ｂ）にあっては、タービンインペラ１０１Ａ（１０１Ｂ）の性能向上を図ろうとすると、タービンハブ１０３に故障が生じ易くなって、タービンインペラ１０１Ａ（１０１Ｂ）の耐久性が低下するという問題がある。換言すれば、タービンインペラ１０１Ａ（１０１Ｂ）の性能向上とタービンインペラ１０１Ａ（１０１Ｂ）の耐久性向上を両立させることは容易でないという問題がある。

ここで、図７（ａ）は、一般的なタービンハブの背面におけるバランス調整部位を除く一部の領域の応力分布を示す図、図７（ｂ）は、一般的なタービンハブの背面におけるバランス調整部位を含む一部の領域の応力分布を示す図、図８（ａ）は、他の一般的なタービンハブの背面におけるバランス調整部位を除く一部の領域の応力分布を示す図、図８（ｂ）は、他の一般的なタービンハブの背面におけるバランス調整部位を含む一部の領域の応力分布を示す図であって、タービンハブの背面の応力分布は、ＦＥＭ（Finite Element Method）解析によって求められ、タービンハブの背面の応力は、無次元化されている。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のインペラ等を提供することを目的とする。

本発明の発明者は、前述の課題を解決するために、種々の試行錯誤を繰り返した結果、タービンハブ（ハブの一例）の軸心に平行な任意の側断面における、タービンブレード（ブレードの一例）の径方向外側縁の基端を通りかつタービンハブの軸心に垂直な仮想の基準線から、タービンハブの背面までの長さが、タービンハブの軸心側に近くなるに従って漸次増加するようにした場合には、タービンインペラ（インペラの一例）を高速で回転させても、図４（ａ）（ｂ）に示すように、バランス調整部位（バランス修正部位）ＦＰを含めて、タービンハブの背面全体に過大な応力が発生することを十分に抑制できるというという、新規な知見を得ることができ、本発明を完成するに至った。

ここで、図４（ａ）は、新規な知見に係るタービンハブの背面におけるバランス調整部位を除く一部の領域（図１における矢視部IVAに相当する領域）の応力分布を示す図、図４（ｂ）は、新規な知見に係るタービンハブの背面におけるバランス調整部位を含む一部の領域（図１における矢視部IVBに相当する領域）の応力分布を示す図であって、タービンハブの背面の応力分布は、ＦＥＭ解析によって求められ、タービンハブの背面の応力は、無次元化されている。

本発明の第１の特徴（請求項１に記載の発明の特徴）は、回転機械に用いられるインペラにおいて、外周面が軸方向から径方向外側に向かって延び、背面の一部に動つりあい試験の結果に基づいてバランス調整用の切削加工を施したハブと、前記ハブの外周面に周方向に間隔を置いて設けられた複数のブレードと、を備え、前記ハブの軸心に平行な任意の側断面における、前記ブレードの径方向外側縁の基端を通りかつ前記ハブの軸心に垂直な仮想の基準線から、前記ハブの背面までの長さが、前記ハブの軸心側に近くなるに従って漸次増加するようになっていることを要旨とする。

ここで、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「回転機械」とは、ターボチャージャ、パワータービン等を含む意であって、「インペラ」とは、タービンインペラ、コンプレッサインペラを含む意である。また、「漸次増加する」とは、ステップ状に増加することも含む意である。

第１の特徴によると、前記ハブの軸心に平行な任意の側断面における前記仮想の基準線から前記ハブの背面までの長さが前記ハブの軸心側に近くなるに従って漸次増加するようになっているため、前述の新規な知見を適用すると、前記インペラを高速で回転させても、バランス調整部位を含めて、前記ハブの背面全体に過大な応力が発生することを十分に抑制できる。

本発明の第２の特徴（請求項２に記載の発明の特徴）は、ガスのエネルギーを利用して回転するタービンインペラにおいて、外周面が軸方向から径方向外側に向かって延び、背面の一部に動つりあい試験の結果に基づいてバランス調整用の切削加工を施したタービンハブと、前記タービンハブの外周面に周方向に間隔を置いて設けられた複数のタービンブレードと、を備え、前記タービンハブの軸心に平行な任意の側断面における、前記タービンブレードの径方向外側縁の基端を通りかつ前記タービンハブの軸心に垂直な仮想の基準線から、前記タービンハブの背面までの長さが、前記タービンハブの軸心側に近くなるに従って漸次増加するようになっていることを要旨とする。

第２の特徴によると、前記タービンハブの軸心に平行な任意の側断面における前記仮想の基準線から前記タービンハブの背面までの長さが前記タービンハブの軸心側に近くなるに従って漸次増加するようになっているため、前述の新規な知見を適用すると、前記タービンインペラを高速で回転させても、バランス調整部位を含めて、前記タービンハブの背面全体に過大な応力が発生することを十分に抑制できる。

本発明の第３の特徴（請求項３に記載の発明の特徴）は、エンジンからの排気ガスのエネルギーを利用して、前記エンジンに供給される空気を過給するターボチャージャにおいて、第２の特徴からなるタービンインペラを備えたことを要旨とする。

第３の特徴によると、第２の特徴による作用と同様の作用を奏する。

本発明の第４の特徴（請求項４又は請求項５に記載の発明の特徴）は、回転機械に用いられるインペラをバランス調整（バランス修正）する方法において、前記インパラのハブの軸心に平行な任意の側断面における、前記インパラのブレードの径方向外側縁の基端を通りかつ前記ハブの軸心に垂直な仮想の基準線から、前記ハブの背面までの長さが、前記ハブの軸心側に近くなるに従って漸次増加するという条件を満たしつつ、前記インペラの動つりあい試験の結果に基づいて前記ハブの背面の一部にバランス調整用の切削加工を施すことを要旨とする。

第４の特徴によると、前記ハブの軸心に平行な任意の側断面における前記仮想の基準線から前記ハブの背面までの長さが前記ハブの軸心側に近くなるに従って漸次増加するという条件を満たしつつ、前記インペラの動つりあい試験の結果に基づいて前記ハブの背面の一部に切削加工を施しているため、前述の新規な知見を適用すると、バランス調整後において、前記インペラを高速で回転させても、バランス調整部位を含めて、前記ハブの背面全体に過大な応力が発生することを十分に抑制できる。

請求項１、請求項４、又は請求項５に記載の発明によれば、前記インペラを高速で回転させても、前記ハブの背面全体に過大な応力が発生することを十分に抑制できるため、前記インペラの性能向上と前記インペラの耐久性向上の両立を図ることができる。

請求項２又は請求項３に記載の発明によれば、前記タービンインペラを高速で回転させても、前記タービンハブの背面全体に過大な応力が発生することを十分に抑制できるため、前記タービンインペラの性能向上と前記タービンインペラの耐久性向上の両立を図ることができる。

本発明の実施形態に係るタービンインペラの側面図であって、一部を破断している。 図３における矢視部IIの拡大図である。 本発明の実施形態に係るターボチャージャの側断面図である。 図４（ａ）は、新規な知見に係るタービンハブの背面におけるバランス調整部位を除く一部の領域の応力分布を示す図、図４（ｂ）は、新規な知見に係るタービンハブの背面におけるバランス調整部位を含む一部の領域の応力分布を示す図である。 一般的なタービンインペラの側断面図であって、一部を破断している。 他の一般的なタービンインペラの側断面図であって、一部を破断している。 図７（ａ）は、一般的なタービンハブの背面におけるバランス調整部位を除く一部の領域の応力分布を示す図、図７（ｂ）は、一般的なタービンハブの背面におけるバランス調整部位を含む一部の領域の応力分布を示す図である。 図８（ａ）は、他の一般的なタービンハブの背面におけるバランス調整部位を除く一部の領域の応力分布を示す図、図８（ｂ）は、他の一般的なタービンハブの背面におけるバランス調整部位を含む一部の領域の応力分布を示す図である。

本発明の実施形態について図１から図４を参照して説明する。

なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。

図２及び図３に示すように、本発明の実施形態に係るターボチャージャ１は、エンジン（図示省略）からの排気ガスのエネルギーを利用して、エンジンに供給される空気を過給するものである。そして、ターボチャージャ１の具体的な構成等は、以下のようになる。

ターボチャージャ１は、ベアリングハウジング３を備えており、このベアリングハウジング３内には、複数のベアリング５が設けられてあって、複数のベアリング５には、前後方向へ延びたロータ軸（タービン軸）７が回転可能に設けられており、換言すれば、ベアリングハウジング３には、ロータ軸７がベアリング５を介して回転可能に設けられている。

ベアリングハウジング３の前側（一側）には、コンプレッサハウジング９が設けられており、このコンプレッサハウジング９内には、ロータ軸７と一体的に回転するコンプレッサインペラ１１が設けられている。そして、コンプレッサインペラ１１の構成要素について説明すると、コンプレッサハウジング９内には、コンプレッサハブ１３が設けられており、コンプレッサハブ１３は、固定ナット１５を介してロータ軸７に連結してある。また、コンプレッサハブ１３の外周面は、コンプレッサハブ１３の軸方向から径方向外側（換言すれば、コンプレッサインペラ１１の軸方向から径方向外側）に向かって延びている。更に、コンプレッサハブ１３の外周面には、複数のコンプレッサブレード１７が周方向に間隔を置いて設けられている。

コンプレッサハウジング９の前側（換言すれば、コンプレッサインペラ１１の入口側）には、空気を取り入れる空気取入口１９が形成されており、この空気取入口１９は、エアクリーナー（図示省略）に接続可能である。また、ベアリングハウジング３とコンプレッサハウジング９の間におけるコンプレッサインペラ１１の出口側には、圧縮された空気を昇圧する環状のディフューザ流路２１が形成されており、このディフューザ流路２１は、空気取入口１９に連通してある。更に、コンプレッサハウジング９の内部には、コンプレッサスクロール流路２３がコンプレッサインペラ１１を囲むように形成されており、このコンプレッサスクロール流路２３は、ディフューザ流路２１に連通してある。そして、コンプレッサハウジング９の適宜位置には、圧縮された空気を排出する空気排出口（図示省略）が形成されており、この空気排出口は、コンプレッサスクロール流路２３に連通してあって、エンジンのシリンダ（図示省略）に接続可能である。

ベアリングハウジング３の後側（他側）には、タービンハウジング２５が設けられている。また、タービンハウジング２５内には、エンジンのシリンダからの排気ガスのエネルギーを利用して回転するタービンインペラ２７が設けられている。そして、タービンインペラ２７の構成要素について説明すると、タービンハウジング２５内には、タービンハブ２９が設けられており、このタービンハブ２９は、ロータ軸７の後端部（他端部）に一体的に連結されている。また、タービンハブ２９の外周面は、タービンハブ２９の軸方向から径方向外側（換言すれば、タービンインペラ２７の軸方向から径方向外側）に向かって延びてあって、タービンハブ２９は、先端側に、固定ナット３１を有している。更に、タービンハブ２９の外周面には、複数のタービンブレード３３が周方向に間隔を置いて設けられている。

タービンハウジング２５の適宜位置には、排気ガスを取り入れるガス取入口（図示省略）が形成されており、このガス取入口は、エンジンのシリンダに接続可能である。また、タービンハウジング２５の内部には、タービンスクロール流路３５がタービンインペラ２７を囲むように形成されており、このタービンスクロール流路３５は、ガス取入口に連通してある。更に、タービンハウジング２５の後側（換言すれば、タービンインペラ２７の出口側）には、排気ガスを排出するガス排出口３７が形成されており、このガス排出口３７は、タービンスクロール流路３５に連通してあって、排気ガス浄化装置（図示省略）に接続可能である。

次に、本発明の実施形態の要部について説明する。

固定ナット３１の一部分及びタービンハブ２９の背面の一部分には、タービンインペラ２７の動つりあい試験の結果に基づいてバランス調整用（バランス修正用）の切削加工が施してある。なお、図１中において、バランス調整用の切削加工を施した部位（バランス調整部位）ＦＰは、仮想線で示してある。

本発明の実施形態にあっては、前述の新規な知見（［課題を解決するための手段］参照）に基づいて、タービンハブ２９の軸心（換言すれば、タービンインペラ２７の軸心）ＳＣに平行な任意の側断面における所定の仮想の基準線ＶＬからタービンハブ２９の背面までの長さｔは、タービンハブ２９の軸心ＳＣ側に近くなるに従ってステップ状に増加（漸次増加の一態様）するようになっている。ここで、所定の仮想の基準線ＶＬとは、タービンブレード３３の径方向外側縁（前縁）の基端を通りかつタービンハブ２９の軸心に垂直な仮想の線のことである。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

ガス取入口からタービンハウジング２５内に取り入れた排気ガスがタービンスクロール流路３５を経由してタービンインペラ２７側へ供給されると、排気ガスのエネルギーによってタービンインペラ２７を回転させることができ、コンプレッサインペラ１１をロータ軸７を介して連動して回転させることができる。これにより、空気取入口１９からコンプレッサインペラ１１側に取り入れた空気を圧縮して、ディフューザ流路２１及びコンプレッサスクロール流路２３を経由して空気排出口から排出することができ、エンジンのシリンダへ供給される空気を過給することができる（ターボチャージャ１の作用(I)）。

ターボチャージャ１の作用(I)の他に、タービンハブ２９の軸心ＳＣに平行な任意の側断面における所定の仮想の基準線ＶＬからタービンハブ２９の背面までの長さｔがタービンハブ２９の軸心ＳＣ側に近くなるに従って漸次増加するようになっているため、前述の新規な知見を適用すると、タービンインペラ２７を高速で回転させても、バランス調整部位ＦＰを含めて、タービンハブ２９の背面全体に過大な応力が発生することを十分に抑制できる（ターボチャージャ１の作用(II)）。

従って、本発明の実施形態によれば、タービンインペラ２７を高速で回転させても、タービンハブ２９の背面全体に過大な応力が発生することを十分に抑制できるため、タービンインペラ２７の性能向上とタービンインペラ２７の耐久性向上の両立（換言すれば、ターボチャージャ１の性能向上及びターボチャージャ１の耐久性向上）を図ることができる。

（変形例）
前述のように、タービンハブ２９の軸心ＳＣに平行な任意の側断面における所定の仮想の基準線ＶＬからタービンハブ２９の背面までの長さｔがタービンハブ２９の軸心ＳＣ側に近くなるに従って漸次増加するようになっているタービンインペラ２７として実施形態に係る発明を捉える他に、タービンインペラ２７をバランス調整（バランス修正）する方法として捉えることができる。

即ち、本発明の実施形態の変形例に係るタービンインペラのバランス調整方法（バランス修正方法）は、タービンハブ２９の軸心ＳＣに平行な任意の側断面における所定の仮想の基準線ＶＬからタービンハブ２９の背面までの長さｔがタービンハブ２９の軸心ＳＣ側に近くなるに従って漸次増加するという条件を満たしつつ、タービンインペラ２７の動つりあい試験の結果に基づいてタービンハブ２９の背面の一部にバランス調整用（バランス修正用）の切削加工を施すことを内容とする。

本発明の実施形態の変形例に係るタービンインペラのバランス調整方法においても、前述の本発明の実施形態の作用(II)及び効果と同様の作用・効果を奏するものである。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、例えば、タービンハブ２９の背面に適用した構成をコンプレッサハブ１３の背面に適用する等、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

ＦＰ バランス調整部位
ＶＬ 基準線
１ ターボチャージャ
７ ロータ軸
９ コンプレッサハウジング
１１ コンプレッサインペラ
１３ コンプレッサハブ
１５ 固定ナット
１７ コンプレッサブレード
１９ 空気取入口
２１ ディフューザ流路
２３ コンプレッサスクロール流路
２５ タービンハウジング
２７ タービンインペラ
２９ タービンハブ
３１ 固定ナット
３３ タービンブレード
３５ タービンスクロール流路
３７ ガス排出口

Claims (5)

1. 回転機械に用いられるインペラにおいて、
   外周面が軸方向から径方向外側に向かって延び、背面の一部に動つりあい試験の結果に基づいてバランス調整用の切削加工を施したハブと、
   前記ハブの外周面に周方向に間隔を置いて設けられた複数のブレードと、を備え、
   前記ハブの軸心に平行な任意の側断面における、前記ブレードの径方向外側縁の基端を通りかつ前記ハブの軸心に垂直な仮想の基準線から、前記ハブの背面までの長さが、前記ハブの軸心側に近くなるに従って漸次増加するようになっていることを特徴とするインペラ。
2. ガスのエネルギーを利用して回転するタービンインペラにおいて、
   外周面が軸方向から径方向外側に向かって延び、背面の一部に動つりあい試験の結果に基づいてバランス調整用の切削加工を施したタービンハブと、
   前記タービンハブの外周面に周方向に間隔を置いて設けられた複数のタービンブレードと、を備え、
   前記タービンハブの軸心に平行な任意の側断面における、前記タービンブレードの径方向外側縁の基端を通りかつ前記タービンハブの軸心に垂直な仮想の基準線から、前記タービンハブの背面までの長さが、前記タービンハブの軸心側に近くなるに従って漸次増加するようになっていることを特徴とするタービンインペラ。
3. エンジンからの排気ガスのエネルギーを利用して、前記エンジンに供給される空気を過給するターボチャージャにおいて、
   請求項２に記載のタービンインペラを備えたことを特徴とするターボチャージャ。
4. 回転機械に用いられるインペラをバランス調整する方法において、
   前記インパラのハブの軸心に平行な任意の側断面における、前記インパラのブレードの径方向外側縁の基端を通りかつ前記ハブの軸心に垂直な仮想の基準線から、前記ハブの背面までの長さが、前記ハブの軸心側に近くなるに従って漸次増加するという条件を満たしつつ、前記インペラの動つりあい試験の結果に基づいて前記ハブの背面の一部にバランス調整用の切削加工を施すことを特徴とするインペラのバランス調整方法。
5. 前記回転機械に用いられる前記インペラは、ターボチャージャに用いられるタービンインペラ又はコンプレッサインペラであることを特徴とする請求項４に記載のインペラのバランス調整方法。

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