JP2019515171A - タービン用タービンホイール - Google Patents

Abstract

本発明は排気ガスターボチャージャのタービン用タービンホイールに関する。タービンホイールは後壁を含むベース本体及びベース本体に連結され、リーディングエッジをそれぞれ含む複数のタービンブレードを有する。リーディングエッジは波形に設計される。【選択図】図１

Description

本発明はタービン、特に排気ガスターボチャージャのタービン用タービンホイール、及び対応するタービンを有する排気ガスターボチャージャに関するものである。

さらに最近世代の車両はますます多くのターボチャージャが取り付けられる。目標需要及び法的要件を達成するためには、完全なドライブトレインの開発を促進し、個々の構成要素のみならず、それらの信頼性及び効率性に対してシステム全体を最適化することが必須的である。

公知のターボチャージャはタービンハウジング、圧縮機ハウジング、及び通常的にタービン側でタービンハウジングに、そして圧縮機側に圧縮機ハウジングに連結されたベアリングハウジングを有する。タービンホイールと圧縮機ホイールを支持するシャフトはベアリングハウジング内に取り付けられる。作動中に、タービンホイールは排気ガスの流れによって駆動される。次に、圧縮機ホイールは、圧縮機ホイールが吸入空気を圧縮することができるように、シャフトを通じて同時に回転に設定される。これによって、排気ガス流れは渦巻きを通じてタービンホイールの方向に案内される。タービンホイールは一般的に主本体及びリーディングエッジを有するタービンブレードを含む。排気ガス流れは初期にはタービンブレードのリーディングエッジに打ちつけ、その後タービンブレードに沿って偏向され（それによってタービンブレードは回転することになり）、その後軸方向にタービンブレードを離れる。これによって、タービンホイールまたはタービンブレード及びそのリーディングエッジの形態及び配列は、タービン、及び、これによる排気ガスターボチャージャの有効性及び効率性に決定的である。

本発明の目的はタービンの高効率性を保証する排気ガスターボチャージャのタービン用タービンホイールを提供することである。

本発明はタービン用タービンホイール、特に請求項１による排気ガスターボチャージャのタービン及び請求項１５による排気ガスターボチャージャに関する。

本発明によるタービンホイールは後壁を含むベース本体及びベース本体に連結され、それぞれリーディングエッジを含む複数のタービンブレードを有する。リーディングエッジは波形に設計されている。リーディングエッジの波形構造は排気ガス流れの運動エネルギがタービンホイールを駆動するために、及び、それによって同時に圧縮機を駆動するためにさらに効率的に利用されることができるという利点を有する。これによって、タービンの効率が増加し 、結果的に、全体排気ガスターボチャージャの効率性が増加する。

実施形態において、リーディングエッジはＳ字状に設計されてもよい。リーディングエッジの形状の曲線は少なくとも一つの変曲点を有してもよい。リーディングエッジはベース本体の後壁で始め、タービンホイールの回転方向と反対の正の方向を有する曲線を有してもよく、この曲線は以下の条件を満たす：（ｉ）曲線は初期勾配を有し；（ｉｉ）曲線は少なくとも一つの極値を有し；及び（ｉｉｉ）曲線は少なくとも一つの変曲点を有する。曲線は初期の正の勾配を有してもよく、少なくとも一つの最大値を有する。少なくとも一つの変曲点は回転方向ｘに最大値の後に提供されてもよい。曲線は付加的に回転方向に変曲点の後に最小値を有してもよい。初期の正の勾配に対案として、曲線は初期の負の勾配を有してもよく、少なくとも一つの最小値を有する。少なくとも一つの変曲点は回転方向に最小値の後に提供されてもよい。曲線は付加的に回転軸の回転方向に変曲点の後に最大値、第２変曲点及び第２最小値を有してもよい。

前述の全ての実施形態と組み合わせ可能な実施形態において、波形のリーディングエッジが各リーディングエッジとタービンホイールの回転軸の回転方向に対する接線によって定義される平面に突出することができるようにリーディングエッジを設計してもよい。

前述の全ての実施形態と組み合わせ可能な実施形態において、リーディングエッジは仮想側面に置かれてもよく、各リーディングエッジの輪郭は側面内に波形を有してもよい。側面は円筒の側面であってもよい。代案的に、側面は円錐体の側面であってもよい。円錐体の直径は後壁で最も大きくてもよく、ここで円錐体は後壁からテーパ状に延長される。代案的に、円錐体の直径は後壁で最も大きくてもよく、円錐体は後壁から拡張されて延長される。

前述の全ての実施形態と組み合わせ可能な実施形態において、ベース本体の後壁で始め、タービンホイールの回転方向と反対の正の角度を有する回転方向ｘへのタービンブレードのブレード傾斜角θの曲線は以下の条件を満たすことができる：（ｉ）θ（ｘ）は初期勾配を有し；（ｉｉ）θ（ｘ）は少なくとも一つの極値を有し；及び（ｉｉｉ）θ（ｘ）は少なくとも一つの変曲点を有する。θ（ｘ）は初期の正の勾配を有してもよく、少なくとも一つの最大値を有し、少なくとも一つの変曲点は回転軸ｘの方向に最大値の後に提供されてもよい。θ（ｘ）は付加的に回転軸ｘの方向に変曲点の後に最小値を有してもよい。初期の正の勾配に対案として、θ（ｘ）は初期の負の勾配を有してもよく、少なくとも一つの最小値を有してもよい。少なくとも一つの変曲点は回転軸ｘの方向に最小値の後に提供されてもよい。変曲点の後に、θ（ｘ）は付加的に軸方向に最大値、第２変曲点及び、第２最小値を有してもよい。

本発明は圧縮機とタービンを有する排気ガスターボチャージャをさらに含み、ここでタービンは前述の実施形態のいずれか一つによるタービンホイールを有する。

図１は、本発明によるタービンホイールの一実施形態の斜視図を示す； 図２は、本発明によるタービンホイールの一実施形態のタービンブレードの側面図、正面図及び平面図を示す。

排気ガスターボチャージャのタービンのための本発明によるタービンホイールの実施形態が続いて図によって説明される。

図１は本発明によるタービンホイールの一実施形態の模式的な図示の斜視図を示す。タービンホイール１０は後壁１１０を有するベース本体１００を有する。複数のタービンブレード２００はベース本体１００上に配列される。各タービンブレードはリーディングエッジ２１０を有する。リーディングエッジ２１０は波形を有するように設計される（図１及び図２の左下を参照）。リーディングエッジ２１０は、設置状態で半径方向（図２の２つの上部図においてr）にタービンハウジングによって外側へ直接に取り囲まれないが、その代わりに渦巻きから出る排気ガス流れと反対に開放的に進むタービンブレード２００の外部エッジの一部を表す。これはリーディングエッジ２１０が流入排気ガスに向かうタービンブレード２００のエッジセクションであることを意味する。図２の左上の図において、リーディングエッジ２１０の領域（さらに具体的に、タービンホイールの回転軸（ｘ）に対するその軸方向の延長部）は「ｂ」と表される。リーディングエッジ２１０の波形構造は排気ガス流れの運動エネルギがタービンホイール１０を駆動するためにさらに効率的に活用されることもでき、従って、圧縮機の機能のために用いられることができるという利点を有する。それによって、タービン及び、結果的に、全体排気ガスターボチャージャの効率性が増加する。

リーディングエッジ２１０は、例えば、Ｓ字状を有するように構成されてもよい。特に、Ｓ字状はアンダーカットなしでタービンホイール１０の後壁１１０から始める、延長されたＳ字状を意味する（図１及び図２の左下を参照）。Ｓ字状のリーディングエッジ２１０は、これによって（アンダーカットのない）完全なＳ字を形成する必要はなく、また対称的に構成される必要がない。波形またはＳ字状の形態は、またリーディングエッジ２１０の全長にわたって延長される必要がない。従って、波形またはＳ字状の領域は、また異なる形状を有する、例えば直線を有する領域を含むことができる。

図１に表示され、図２の左下においてさらに明確に認められるように、曲線形リーディングエッジ２１０は変曲点３を有する。曲線はまた一つ以上の変曲点を有してもよい。図２の左下のリーディングエッジ２１０は特に曲線を有しており、この曲線はベース本体１００の後壁１１０で始め、タービンホイールの回転方向（回転方向は図１及び図２の右上及び左下において矢印で表示される）と反対の正の方向を有し、以下の条件を満たす：
（ｉ）曲線は初期勾配を有し；
（ｉｉ）曲線は少なくとも一つの極値２を有し；及び
（ｉｉｉ）曲線は少なくとも一つの変曲点３を有する。

図２に示された実施形態の曲線は初期の正の勾配を有し、最大値２を有する。変曲点３は回転軸ｘの方向に最大値２の後に提供される。曲線は付加的にリーディングエッジ２１０の末端で最小値を有する。初期の正の勾配に対案として、曲線は初期の負の勾配を有してもよく、少なくとも一つの最小値を有してもよい。次に、少なくとも一つの変曲点３が回転軸の方向に最小値の後に提供される。また、変曲点の後に、曲線は回転軸ｘの方向に最大値、第２変曲点、そして第２最小値をさらに有してもよい。

特に、波形リーディングエッジ２１０が各リーディングエッジ２１０とタービンホイール１０の回転軸ｘの回転方向に対する接線によって定義される平面に突出することができるように、リーディングエッジ２１０が設計される。図２の左下の図示は、このような突出部にあるリーディングエッジの図に対応する：それぞれの平面（各ブレードに対する対応平面）を定義する座標系はタービンブレードの方向に後壁１１０から発生する正の方向を有するタービンホイール１０の回転軸ｘに沿う第１軸及び回転方向に対するそれぞれの接線（図２の左下の矢印を参照）に沿う第２軸を有し、この回転方向はタービンホイール１０の回転方向と反対の正の方向である。言い換えれば: 回転方向に垂直であり、タービンホイール１０の回転軸ｘに垂直である流れ方向から見ると、タービンホイール１０のリーディングエッジ２１０は波形を有する。

代案的に、または同時に、リーディングエッジ２１０の形状及び配向は以下の条件を満たしてもよい：リーディングエッジ２１０は仮想側面に置かれ、側面内の各リーディングエッジ２１０の輪郭は波形を有してもよい。側面は、例えば円筒の側面であってもよい。代案的に、リーディングエッジ２１０が置かれている側面は円錐体の側面であってもよい。図２の左上に示されるリーディングエッジ２１０の例において、外側面は円錐形であり、円錐体の直径は後壁１１０で最も小さい。円錐体は後壁１１０から拡張されて延長される（図２の左上において：側面図の突出部で回転軸ｘに沿った領域ｂにおけるリーディングエッジ２１０の正の増加）。代案的に、円錐体の直径は後壁１１０で最も大きくてもよく、ここで円錐体は後壁１１０からテーパ状に延長される。回転軸ｘ及び（後壁に平行な）半径方向ｒによって定義される側面図の平面に突出される時、従ってリーディングエッジは、回転軸ｘに平行にまたは（図２に示されるように）回転軸ｘへ傾斜して進むことができる。傾斜曲線は、側面図の平面から見ると、リーディングエッジ２１０が後壁から初期に増加するか減少することを意味する（リーディングエッジ２１０の増加する曲線を示している図２の左上の図を参照）。

言い換えれば、リーディングエッジ２１０の形状及び配向は、また回転軸ｘの方向へのタービンブレード２００のブレード傾斜角θの曲線（縦座標軸として図２の右上及び左下を参照）に対する以下の条件を利用して定義することができ、回転軸はベース本体１００の後壁１１０で始まり、タービンホイール１０の回転方向と反対の正の角度を有する：
（ｉ）θ（ｘ）は初期勾配を有し；
（ｉｉ）θ（ｘ）は少なくとも一つの極値２を有し；及び
（ｉｉｉ）θ（ｘ）は少なくとも一つの変曲点３を有する。

ブレード傾斜角θは、例えば、後壁１１０からのタービンブレード２００の原位置に対するタービンブレード２００の任意の地点におけるタービンブレード２００の傾斜度を説明する。ブレード傾斜角θを取り囲む２つの脚部（ｌｅｇ）は次のように定義され得る：第１固定脚部はタービンホイール１０の回転軸ｘに垂直に位置された第１直線Ｇ１（図２の右上の図においてｒと同一）によって定義され、ここで第１直線Ｇ１は回転軸ｘを後壁１１とリーディングエッジ２１０の交差点（図２の右下の図示において地点１）に連結させる。第２脚部は回転軸ｘに垂直に進む平面における第２直線Ｇ２の突出部によって決定され、第１固定脚部はこの平面に置かれる。続いて、第２直線Ｇ２は結果的に回転軸ｘに垂直に位置し、回転軸を各タービンブレード２００の半径方向の外部エッジ上の任意的に選択された地点に連結させる。次に、これに従って得られた２つの脚部は選択された地点で、そして第１固定脚部（リーディングエッジ２１０と後壁１１０の交差点）に対してタービンブレード２００のブレード傾斜角θを定義する。従って、ブレード傾斜角θはブレードエッジの曲線全体にわたって（そしてリーディングエッジ２１０の領域ｂに対してのみならず）いずれか任意の地点に対して決定されることができる。図２の右上の図示において、角度θはタービンブレード２００の半径方向の外部エッジの、回転軸ｘの方向に最外側地点に対してプロットされる（ｐｌｏｔｔｅｄ）。左下の図示は回転軸ｘにわたってプロットされた角度θの曲線を示す。曲線はθ（ｘ）を示す。図２の左下にタービンホイール１０の一実施形態が示され、このタービンホイールはブレード２００の領域ｂ内のリーディングエッジ２１０を有し、この領域は地点１（後壁１１０から出現）でその原点を有し、θ（ｘ）は初期の正の勾配の後に地点２で（局所的な）最大値を有し、地点３では変曲を有する。最小値はリーディングエッジの末端に表示される。

初期の正の勾配に対案として、θ（ｘ）は初期の負の勾配及び少なくとも一つの最小値を有してもよい。その後、変曲点は回転軸ｘの方向に最小値の後に提供される。変曲点の後に、θ（ｘ）はさらに軸方向に最大値、第２変曲点及び第２最小値を有してもよい。

本発明は圧縮機とタービンを有する排気ガスターボチャージャをさらに含み、ここでタービンは前述の実施形態のいずれか一つによるタービンホイール１０を有する。

本発明が上述され、添付された特許請求の範囲に定義されているが、本発明はまた、以下の実施形態によって代案的に定義されてもよいことを理解すべきである：

１．タービン、特に排気ガスターボチャージャのためのタービン用タービンホイール１０であって、
後壁１１０を有するベース本体１００と、
ベース本体１００に連結され、それぞれリーディングエッジ２１０を有する複数のタービンブレード２００とを含み；
前記リーディングエッジ２１０が波形を有するように設計されたことを特徴とする。

２．実施形態１によるタービンホイールは、リーディングエッジ２１０がＳ字状を有するように設計されたことを特徴とする。

３．実施形態１または実施形態２によるタービンホイールは、曲線状のリーディングエッジ２１０が少なくとも一つの変曲点３を有することを特徴とする。

４．先行する実施形態のいずれか一つによるタービンホイールは、リーディングエッジ２１０がベース本体１００の後壁１１０で始め、タービンホイールの回転方向と反対の正の方向を有し、以下の条件を満たす曲線を有することを特徴とする：
（ｉ）曲線は初期勾配を有し；
（ｉｉ）曲線は少なくとも一つの極値２を有し；及び
（ｉｉｉ）曲線は少なくとも一つの変曲点３を有する。

５．実施形態４によるタービンホイールは、曲線が初期に正の勾配を有し、少なくとも一つの最大値２を有し、回転軸ｘの方向に最大値２の後に提供される少なくとも一つの変曲点３を有することを特徴とする。

６．実施形態５によるタービンホイールは、曲線が付加的に回転軸ｘの方向に変曲点３の後に最小値を有することを特徴とする。

７．実施形態４によるタービンホイールは、曲線が初期に負の勾配を有し、少なくとも一つの最小値を有し、少なくとも一つの変曲点は回転軸ｘの方向に最小値の後に提供されることを特徴とする。

８．実施形態７によるタービンホイールは、変曲点の後に、曲線が付加的に回転軸の方向に最大値、第２変曲点及び第２最小値をさらに有することを特徴とする。

９．先行する実施形態のいずれか一つによるタービンホイールは、波形リーディングエッジ２１０がそれぞれのリーディングエッジ２１０とタービンホイール１０の回転軸の回転方向に対する接線によって 定義される平面に突出されるようにリーディングエッジ２１０が設計されたことを特徴とする。

１０．先行する実施形態のいずれか一つによるタービンホイールは、リーディングエッジ２１０が仮想側面に置かれ、それぞれのリーディングエッジ２１０の輪郭は側面内で波形を有することを特徴とする。

１１．実施形態１０によるタービンホイールは、側面が円筒の側面であることを特徴とする。

１２．実施形態１０によるタービンホイールは、側面が円錐体の側面であることを特徴とし、
前記円錐体の直径は後壁１１０で最も大きくてもよく、円錐体は後壁１１０からテーパ状に延長され、または
前記円錐体の直径は後壁１１０で最も小さくてもよく、前記円錐体は後壁１１０から拡張されて延長されてもよい。

１３．先行する実施形態のいずれか一つによるタービンホイールはベース本体１００の後壁１１０で始める回転軸ｘの方向に進み、タービンホイール１０の回転方向と反対の正の角度を有する、タービンブレード２００のブレード傾斜角θの曲線が以下の条件を満たすことを特徴とする：
（ｉ）θ（ｘ）は初期勾配を有し；
（ｉｉ）θ（ｘ）は少なくとも一つの極値２を有し；及び
（ｉｉｉ）θ（ｘ）は少なくとも一つの変曲点３を有する。

１４．実施形態１３によるタービンホイールは、θ（ｘ）が初期の正の勾配を有し、少なくとも一つの最大値２を有し、少なくとも一つの変曲点３は回転軸ｘの方向に最大値２の後に提供されることを特徴とする。

１５．実施形態１４によるタービンホイールは、θ（ｘ）が付加的に回転軸ｘの方向に変曲点３の後に最小値を有することを特徴とする。

１６．実施形態１３によるタービンホイールは、θ（ｘ）が初期の負の勾配を有し、少なくとも一つの最大値を有し、少なくとも一つの変曲点は回転軸ｘの方向に最小値の後に提供されることを特徴とする。

１７．実施形態１６によるタービンホイールは、θ（ｘ）がさらに回転軸ｘの方向に変曲点の後に最大値を有することを特徴とする。

１８．圧縮機及びタービンを含む排気ガスターボチャージャはタービンが実施形態１〜１７のいずれか一つの実施形態によるタービンホイールを有していることを特徴とする。

Claims (15)

1. 排気ガスターボチャージャのタービン用タービン１０であって、
   後壁１１０を有するベース本体１００と；
   前記ベース本体１００に連結され、それぞれリーディングエッジ２１０を有する複数のタービンブレード２００とを含み；
   前記リーディングエッジ２１０は波形を有するように設計されたことを特徴とするタービン。
2. 前記リーディングエッジ２１０の形状の曲線は少なくとも一つの変曲点３を有することを特徴とする請求項１に記載のタービンホイール。
3. 前記リーディングエッジ２１０は前記ベース本体１００の前記後壁１１０から始め、前記タービンホイールの回転方向と反対の正の方向を有し、以下の条件を満たす曲線を有することを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載のタービンホイール：
   （ｉ）前記曲線が初期勾配を有し；
   （ｉｉ）前記曲線が少なくとも一つの極値２を有し；及び
   （ｉｉｉ）前記曲線が少なくとも一つの変曲点３を有する。
4. 前記曲線は初期に正の勾配を有し、少なくとも一つの最大値２を有し、前記少なくとも一つの変曲点３は前記回転軸ｘの方向に前記最大値２の後に提供されることを特徴とする請求項３に記載のタービンホイール。
5. 前記曲線は付加的に前記回転軸ｘの方向に前記変曲点３の後に最小値を有することを特徴とする請求項４に記載のタービンホイール。
6. 前記曲線は初期に負の勾配を有し、少なくとも一つの最小値を有し、前記少なくとも一つの変曲点は前記回転軸ｘの方向に前記最小値の後に提供され；特に、前記変曲点の後に、前記曲線は付加的に前記回転軸ｘの方向に最大値、第２変曲点及び第２最大値を有することを特徴とする請求項３に記載のタービンホイール。
7. 前記波形リーディングエッジ２１０がそれぞれのリーディングエッジ２１０と前記タービンホイール１０の回転軸の回転方向に対する接線によって定義される平面に突出されることができる方式で前記リーディングエッジ２１０が設計されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のタービンホイール。
8. 前記リーディングエッジ２１０は仮想側面に置かれ、それぞれのリーディングエッジ２１０の輪郭は前記側面内で波形を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のタービンホイール。
9. 前記外側面は円筒の外側面であることを特徴とする請求項８に記載のタービンホイール。
10. 前記側面は円錐体の側面であり、
    前記円錐体の直径は前記後壁１１０で最も大きく、前記円錐体は前記後壁１１０からテーパ状に延長され、または
    前記円錐体の直径は前記後壁１１０で最も小さく、前記円錐体は前記後壁１１０から拡張され、延長されることを特徴とする請求項８に記載のタービンホイール。
11. 前記ベース本体１００の後壁１１０で始める回転軸ｘの方向に進み、前記タービンホイール１０の回転方向と反対の正の角度を有する、前記タービンブレード２００のブレード傾斜角θの曲線は以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のタービンホイール：
    （ｉ）θ（ｘ）は初期勾配を有し；
    （ｉｉ）θ（ｘ）は少なくとも一つの極値２を有し；及び
    （ｉｉｉ）θ（ｘ）は少なくとも一つの変曲点３を有する。
12. θ（ｘ）は初期の正の勾配を有し、少なくとも一つの最大値２を有し、前記少なくとも一つの変曲点３は回転軸ｘの方向に前記最大値２の後に提供されることを特徴とする請求項１１に記載のタービンホイール。
13. θ（ｘ）は付加的に前記回転軸ｘの方向に前記変曲点３の後に最小値を有することを特徴とする請求項１２に記載のタービンホイール。
14. θ（ｘ）は初期の負の勾配を有し、少なくとも一つの最小値を有し、前記少なくとも一つの変曲点は前記回転軸ｘの方向に前記最小値の後に提供され；特に、前記変曲点の後に、 θ（ｘ）は付加的に軸方向に最大値、第２変曲点、及び第２最小値を有することを特徴とする請求項１１に記載のタービンホイール。
15. 圧縮機及びタービンを含む排気ガスターボチャージャにおいて、前記タービンは請求項１〜１４のいずれか一項によるタービンホイールを有することを特徴とする排気ガスターボチャージャ。

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