JP2020514610A - ターボチャージャー及びタービンホイール - Google Patents
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Abstract
ターボチャージャー用タービンホイールは、ハブ及びブレードを含む。前記ハブは、一次外面と、後壁面と、前記一次外面と前記後壁面との間に延びる周縁部と、中心軸とを含む。ハブは、一次外面から後壁面まで中心軸に平行に測定される後壁厚さを有する。ブレードは、ハブの一次外面から延び、ハブ鋳造と一体に形成される。各ブレードは、ブレードの対向面間の中心軸に対して接線方向に測定されたブレード厚さを有する。周縁部の最大直径は、60mm以上である。半径方向外側領域の大部分にわたって、ブレード厚さ対後壁厚さの厚さ比は、25%以下に変化する。半径方向外側領域は、周縁部から25%子午線まで延びる。【選択図】図4
Description
本発明はターボチャージャー、特にターボチャージャー用タービンホイールに関する。
内燃機関エンジン用などのターボチャージャーは、エンジンからの排気ガスによって高い速度(例えば、最大250,000rpm)で回転されるタービンホイールを含む。各タービンホイールは、一般に、ハブと、上記ハブから半径方向外側に延びる複数のブレードを含む。タービンホイールは、厳密な製造公差で精密に設計した幾何学的形状を有しており、製造時においてこれらの公差(tolerance)を満たさないと様々な問題を引き起こす可能性がある。例えば、規格外のタービンホイールは、均衡が崩れて回転することがあって、過度の振動、タービンホイール及び他のターボチャージャー構成要素(例えば、軸受)の摩耗、及び最終的にターボチャージャーの早期故障につながる可能性がある。
規格外のタービンホイールの1つの原因は、後壁(back wall)の不規則性(例えば、波形または他の繰り返し不規則性、垂下または他の局所的な不規則性など)である。図1に示したように、タービンホイールの後壁の不規則性は、タービンホイールの中心軸を中心に円周方向に移動するときに、規格に関連して後壁面上の様々な地点の実際の軸方向位置が変化する状況である。後壁の不規則性は、例えば、タービンホイールが最初に形成される鋳造工程(casting process)から生じ得る。後壁の不規則性は、不均一な質量分布によってタービンホイールが回転するにつれて回転の不均衡をもたらすことができる。さらに、タービンホイールの後壁は、回転シャフトをタービンホイールに結合させるなど、他の後鋳造機械加工のための基準(基準面)として使用され得る。したがって、後壁の不規則性は、回転軸とタービンホイールとの不正確な(例えば、軸から外れた)結合及びこれに関連する回転の不均衡をもたらすことができる。
後壁の不規則性及びこれに関連する回転の不均衡が、比較的大きなタービンホイール(すなわち、より大きい最大直径を有するタービンホイール)について複合的であり得る。後壁の不規則性は、小さな半径方向内側の不規則性がより大きな半径方向外側の不規則性に変換することができるので、半径方向外側の位置で悪化することができる。例えば、断面の後壁プロファイルを中心軸から外側に延びる直線として近似することによって、後壁面は、Rの位置から50マイクロン外れて測定されることができ(すなわち、Rは小型タービンホイールの半径に等しい)、これは、2R(例えば、大型タービンホイールの半径)から位置がおよそ100マイクロン外れている後壁面に変換されるであろう。その結果、より小型のタービンホイールは、規格(例えば、75マイクロン)内に収まることができるが、より大型のタービンホイールはそうではない。さらに、回転不均衡は、不規則性の半径方向位置(すなわち、半径)の積(例えば、後壁の不規則性を形成する材料質量)であるため。大型タービンホイールの回転不均衡が複合的に示される。
後壁の不規則性を有するタービンホイールは、規格及び公差範囲内に収まるように機械加工され得る。例えば、材料を後壁から除去して、切断(例えば、バランス切断)するか、または別の機械加工操作を使用することによって回転軸の周りにほぼ均一な質量分布を提供することができる。比較的大型のタービンホイールに対する後壁の不規則性の上述の複合効果のため、より大量の機械加工(例えば、材料除去)が必要とされる場合がある。しかしながら、特に比較的薄い後壁を有するタービンホイールについては、後壁の不規則性を修正するために必要な機械加工は、他の規格及び公差(例えば、強度特性のために十分な材料を保持すること)に違反することができ、それによってこのようなタービンホイールを廃棄(scrap)する必要がある。
したがって、比較的大きな直径及び比較的薄い後壁を有するが、鋳造工程によって引き起こされた後壁の不規則性に対してより頑健な設計を有するタービンホイールを提供することが有利であろう。その結果、後鋳造機械加工の時間及びコストを回避するかまたは減らすことができ、廃棄率を減らすことができる。
様々なタービンホイールが本明細書で開示されている。一実施態様において、ターボチャージャー用タービンホイールは、ハブと、複数のブレードとを含む。前記ハブは、一次外面と、後壁面と、前記一次外面と前記後壁面との間に延びる周縁部と、中心軸とを含む。ハブは、一次外面から後壁面まで中心軸に対して平行に測定される後壁厚さを有する。各ブレードは、ハブの一次外面から延び、鋳造工程を介してハブと一体に形成される。各ブレードは、ブレードの対向面間の中心軸に対して接線方向に測定されるブレード厚さを有する。周縁部の最大直径は、60mm以上である。半径方向外側領域の大部分にわたって、ブレード厚さ対後壁厚さの厚さ比は、25%以下に変化する。半径方向外側領域は、周縁部から一次外面に沿って25%子午線距離まで延びる。
別の実施態様において、ターボチャージャー用のタービンホイールは、ハブと複数のブレードとを含む。前記ハブは、一次外面と、後壁面と、前記一次外面と前記後壁面との間に延びる周縁部と、中心軸とを含む。ハブは、一次外面から後壁面まで中心軸に対して平行に測定される後壁厚さを有する。各ブレードは、ハブの一次外面から延び、鋳造工程を介してハブと一体に形成される。各ブレードは、ブレードの対向面間の中心軸に対して接線方向に測定されるブレード厚さを有する。周縁部の最大直径は、60mm以上である。半径方向外側領域の大部分にわたって、ブレード厚さ対後壁厚さの厚さ比は、1以下である。半径方向外側領域は、周縁部から一次外面に沿って25%子午線距離まで延びる。
一実施態様において、ターボチャージャー用タービンホイールは、ハブと、複数のブレードとを含む。前記ハブは、一次外面と、後壁面と、前記一次外面と前記後壁面との間に延びる周縁部と、中心軸とを含む。ハブは、一次外面から後壁面まで中心軸に対して平行に測定される後壁厚さを有する。ブレードは、ハブの一次外面から延び、鋳造工程を介してハブと一体に形成される。各ブレードは、ブレードの対向面間の中心軸に対して接線方向に測定されるブレード厚さを有する。半径方向外側領域の大部分にわたって、ブレード厚さ対後壁厚さの厚さ比は、0.8〜1.2である。半径方向外側領域は、周縁部から一次外面に沿って25%子午線距離まで延びる。
一実施形態によれば、タービンホイール設計に従ってタービンホイールを鋳造して鋳造タービンホイールを形成するステップと、ハウジングを提供するステップと、鋳造タービンホイールをハウジング内に挿入するステップと、圧縮機ホイールを提供するステップと、圧縮機ホイールをタービンホイールに連結するステップとを含むターボチャージャーの製造方法が提供される。タービンホイール設計は、ハブと複数のブレードとを含む。ハブは、一次外面と、後壁面と、上記一次外面と後壁面との間に延びる周縁部とを含む。ハブは、軸を含む。ブレードは、ハブの一次外面に結合され、これと一体に形成される。半径方向外側領域の全体において、ハブは、周縁部の最大直径の約8%以下である後壁厚さを有する。周縁部の最大直径は、約60mm以上である。半径方向外側領域は、周縁部から一次外面に沿って30%子午線距離まで半径方向内側に延びる。後壁厚さは、一次外面から後壁面まで軸に平行に測定される。半径方向外側領域の全体において、各ブレードは、それに対応する後壁厚さよりも小さいハブにおけるブレード厚さを有する。ブレード厚さは、ブレードの対向面間の軸に対して接線方向に測定される。
ターボチャージャーは、ハウジングと、タービンホイールと、圧縮機ホイールとを含む。タービンホイールは、ハウジング内に配置され、エンジンからハウジング内に受け入れられた排気ガスによって回転されるように構成される。圧縮機ホイールは、タービンホイールに結合され、タービンホイールによって回転されるように構成される。タービンホイールは、ハブと複数のブレードとを含む。ハブは、一次外面と、後壁面と、上記一次外面と後壁面との間に延びる周縁部とを含む。ハブは、軸を含む。ブレードは、ハブの一次外面に結合され、これと一体に形成される。半径方向外側領域の全体において、ハブは、周縁部の最大直径の約8%以下である後壁厚さを有する。周縁部の最大直径は、約60mm以上である。半径方向外側領域は、周縁部から一次外面に沿って30%子午線距離まで半径方向内側に延びる。後壁厚さは、一次外面から後壁面まで軸に平行に測定される。半径方向外側領域の全体において、各ブレードは、それに対応する後壁厚さよりも小さいハブにおけるブレード厚さを有する。ブレード厚さは、ブレードの対向面間の軸に対して接線方向に測定される。
ターボチャージャー用タービンホイールは、ハブと複数のブレードとを含む。上記ハブは、一次外面と、後壁面と、上記一次外面と後壁面との間に延びる周縁部とを含む。ハブは、軸を含む。ハブの半径方向外側領域において、後壁面の少なくとも一部は、実質的に平面である。ブレードは、ハブの一次外面に結合され、これと一体に形成される。半径方向外側領域の全体において、ハブは、一次外面に沿って30%子午線距離で周縁部の最大直径の約8%以下である後壁厚さを有する。周縁部に隣接して、後壁厚さが最大直径の2.5%以下である。周縁部の最大直径は、約60mm以上である。後壁厚さは、ハブの一次外面から後壁面によって形成された平面までの軸に平行に測定される。半径方向外側領域の全体において、各ブレードは、それに対応する後壁厚さよりも小さいハブにおけるブレード厚さを有する。ブレード厚さは、ブレードの対向面間の軸に対して接線方向に測定される。
本発明のこれら及び他の態様は、以下の実施形態の詳細な説明、添付の特許請求の範囲、及び添付の図面に開示される。
本開示は、添付された図面とともに読むとき、以下の詳細な説明から最もよく理解される。一般的な慣行にしたがって、図面の様々な特徴は、一定の縮尺ではないことが強調される。逆に、様々な特徴の寸法は、明確にするために任意に拡大または縮小される。
本発明者は、タービンホイールを製造するために使用された鋳造工程によって引き起こされるターボチャージャーのタービンホイールの後壁の不規則性は、後壁との交差点で比較的薄いタービンホイールのブレードを提供することによって比較的薄い後壁を有する比較的タービンホイールに対して減少し得ることを発見した。より具体的には、比較的大きく(すなわち、大きい直径を有し)、比較的薄い後壁(すなわち、タービンホイールの全体直径に対して測定する)を有するタービンホイールに対して、後壁の不規則性は、後壁の厚さよりも小さいハブ厚さを有するようにブレードを設計することによって減少し得る。
タービンホイールの鋳造工程中に、鋳造鋳型に溶融金属を注いだ後、冷却して凝固させる(例えば、凍結させる)。特定の理論に限定されないが、タービンホイールの鋳造工程中にブレードは、ハブの隣接領域よりも厚く、それによって後で凍結及び収縮すると考えられる。鋳造工程中のブレードのこの後の凍結及び収縮は、ハブにさらなる応力を引き起こし、後壁の不規則性をもたらす。代わりに比較的薄い厚さ(例えば、ハブの後壁厚さよりも小さい)を有するようにブレードを設計することによって、後壁上のブレードによって生じる応力が少なくなり、後壁の不規則性が減少し、それによってその後の機械加工及び廃棄を減らす。
図2に示したように、内燃機関エンジン(図示せず)用などのターボチャージャー10は、一般に、ハウジング11と、タービンホイール13(例えば、タービン)と、圧縮機ホイール12(例えば、圧縮機)とを含む。ターボチャージャー10は、エンジンから排気ガスを受け取り、ハウジング11内のタービンホイール13を高速で回転させる。次いで、タービンホイール13は、圧縮機ホイール12を回転させて、吸入空気を圧縮してエンジンに供給する。
さらに図3〜図11を参照すると、ターボチャージャー10においてタービンホイール13として使用され得るタービンホイール100は、一般に、ハブ110と、鋳造工程を介してハブに結合され、これと一体に形成された複数のブレード120とを含む。ハブ110は、タービンホイール100の本体を形成し、その周りをタービンホイール100が回転する中心軸111を有する。ハブ110は、中心軸111に沿って第1の端部112(すなわち、後壁)から第2の端部113まで延び、一方ブレード120は、ハブ110の外面から半径方向外側に延びる。図示及び理解を容易にするために、複数のブレード120のうちの1つのブレード120のみが図3〜図11に示しているが、タービンホイール100は、図2に示したように、タービンホイール100の周りに等間隔に配置された複数のブレード120を含むことを理解すべきである。
タービンホイール100は、鋳造工程から形成される。例えば、タービンホイール100は、インベストメント鋳造工程によるニッケル・ベース超合金(例えば、インコネル)、または別の適切な鋳造工程による他の適切な材料で形成され得る。
ターボチャージャー10のハブ110は、中心軸111を含み、その周りでタービンホイール100が回転またはスピンする。ハブ110は、第1の端部112(例えば、後段部または近位端部)と第2の端部113(例えば、前段部または遠位端部)との間で中心軸111に沿って延びる。第1の端部112と第2の端部113との間で、ハブ110は、第1の端部112から由来する第1の面115(例えば、後壁面、一次外面)、第2の端部113から由来する第2の面116、及び後壁面115と一次外面116との間に延びる周縁部119を含む。ハブ110の後壁114は、半径方向外側に延びてほぼ一定の直径(すなわち、最大直径)を有する周縁部119を形成し、各ブレード120間で接線方向に延びる。各ブレード120間で接線方向に延びることによって、後壁114は、完全な後面であると考えられる。複数のブレード120は、ハブ110の一次外面116に結合される。代替的に、タービンホイール100は、隣接するブレード120の間で部分的にのみ延びる部分的にスカラップ状の後壁114を有することができる。
中心軸111に沿った(すなわち、中心軸に垂直な)断面において、ハブ110の一次外面116は、実質的に円形の形状を有する(図6〜図8参照;図7〜図8はタービンホイール100の一面のみを示し、それぞれ切断線7−7及び8−8の下のタービンホイール100の一部を省略した部分断面図であることに留意されたい)。中心軸111を含む断面(図10〜図11参照)において、一次外面116は、図10に示したように、ハブ110の直径が中心軸111に沿って第1の端部112から第2の端部113に移動することを減少させる凹状のプロファイルを有する。ハブ110の半径方向外側領域117において、一次外面116は、一次外面116の半径方向位置(すなわち、直径)が軸方向位置と比較して急速に変化する実質的に平坦または薄い領域を含む。ハブ110の半径方向内側領域118において、一次外面116の軸方向位置は、半径方向外側領域117におけるよりも急速に変化する。
1つの比限定的な例にはいで、ハブ110の半径方向外側領域117は、ハブ110の子午線距離の約30%から半径方向外側に配置されると考えられる。子午線距離は、ハブ110の中心軸111を通って延びる平面において、一次外面116の輪郭に沿って周縁部119からハブ110の第2の端部113に向かって測定された距離として定義される。例示のために、0%子午線距離は、外周縁部119に隣接し、100%子午線距離は、中心軸111の近くにある。ハブ110は、上述したように比較的平坦な外側プロファイルを有するので、この外側領域117(再び、30%子午線距離または領域として定義される)は、外周縁部119から半径方向内側に延び、これは、中心軸111から最大半径(Rタービンホイール)の約3分の2(2/3)〜4分の3(3/4)の間に等しい半径方向距離に対して最大半径Rを有する。半径方向外側領域117は、例えば、半径方向位置に対して、最大半径Rの半径方向外側の3分の1(すなわち、1/3)、4分の1(1/4)または10%のように、他の方法で定義され得ると考えられる。
ハブ110の半径方向外側領域117において、後壁面115は、実質的に平面である。後壁面115は、例えば、非平面部分(例えば、直線状または非直線状に周縁部119から離れる軸方向距離が増加する)単独でまたは平面部分と組み合わせて半径方向外側領域117において異なるプロファイルを有することができる。
上述したように、ハブ110は、比較的薄い後壁114を有すると考えられる。平面を形成する後壁面115を有する実施形態において、後壁114の厚さ(例えば、後壁またはハブの厚さ;T後壁)は、後壁面115によって形成された平面から一次外面116まで中心軸111と平行に測定される(図10〜図11参照)。後壁面115が平面を形成しない実施形態において、後壁厚さは、代わりに、周縁部119に直ぐ隣接した後壁面115を通って延びる平面から測定され得る。
ハブ110の周縁部119において(すなわち、0%子午線距離において)、後壁厚さT後壁は、周縁部119の直径の約2.5%以下(すなわち、T後壁縁=<2.5%×Rタービンホイール×2)であり、例えば、約1.0%〜2.5%(例えば、1.3%超過及び/または約2.0%未満)である。例えば、70mm及び96mmの最大直径を有するタービンホイール100の場合、周縁部119における後壁厚さは、それぞれ約1.4mm及び1.9mm以下である。30%子午線距離において、後壁厚さT後壁は、周縁部119直径の約15%以下(例えば、約8%未満または6%未満、約4%〜8%、約8%、または約4%)である(例えば、T後壁30%=<15%×Rタービンホイール×2)。例えば、70mm及び96mmの最大直径を有するタービンホイール100の場合、30%子午線距離での後壁厚さは、それぞれ約5.6mm及び7.7mm以下であり得る。周縁部119は、(例えば、平坦または円筒形になるように)機械加工され得るか、または(鋳造から示したように)丸められることができるか、または0の厚さに減少する別の減少縁プロファイルを有することができ、したがって、後壁厚さT後壁は、任意のこのような減少する縁プロファイルの直半径方向内側に配置される。
各々のブレード120は、ハブ110の一次外面116に結合され、ハブ110の一次外面116から半径方向外側に延びる。各ブレード120は、基部121からその先端部122まで半径方向外側に延び、そしてその対向するブレード面123、124の間で接線方向に(例えば、円周方向に)延びる。基部121は、ハブ110の一次外面116に結合され、図6〜図8に示したように、先端部122よりも中心軸111に対して接線方向に測定されたより大きいブレード厚さを有することができる。これは、各ブレード120が、一般的に緩やかであるが潜在的に変化する速度で外側に広がるかまたは先細りになり得、先端部122からハブ110の一次外面116に向かって半径方向内側方向に移動することを意味する。各ブレード120及びその表面123、124は、中心軸111を通って延びる平面に対して対称であるものとして概略的に描かれているが、表面123、124が異なる半径方向及び/または軸方向位置において一定のまたは可変的な方法で半径方向外側に延びることによって、さらに接線方向に湾曲または傾斜し得る。
フィレット125はまた、ハブ110の一次外面116とブレード120の基部121との間に配置され得る。例えば、図9に示したように、1つのフィレット125は、ブレード120の各側面に配置され、また、ブレード120の対向面123、124のうちの1つとハブ110の一次外面116との間に延びる露出面を含む。フィレット125は、ハブ110の一次外面116とブレード120の対向する外面123、124との間のタービンホイール100の湾曲領域である。例えば、ハブ110の一次外面116とブレード120の基部121との間の交差点に沿った各位置において、フィレット125は、一次外面116に対して実質的に垂直(すなわち、垂直)な平面で、ハブ110の一次外面116とブレード120の外面123、124との間に延びる実質的に一定の半径を有することができる(参照、例えば、図4において断面切断線6−6及び7−7の角度)。ハブ110の一次外面116とブレード120の基部121との間の交差点に沿って移動すると、フィレット125は、様々な半径を有することができる(例えば、ハブ110の第2の端部113に向かって移動することを減少させる)。
ハブ110、ブレード120、及びフィレット125は、鋳造され、互いに一体に形成されるので、フィレット125、ハブ110、及びブレード120の間に明確な描写がないかもしれない。この開示の目的のために、フィレット125は、一次外面116の自然プロファイル116aとブレード120の対向する側面123または124のうちの1つの自然プロファイル123aまたは124aとの間のタービンホイール100の領域と見なされる。図9〜図11に示したように、ハブ110の一次外面116の自然プロファイル116aと、ブレード120の対向する側面123、124の自然プロファイル123a、124aとは、フィレット125が存在しない場合、そうでなければ互いに交差する前に従わなければならない輪郭である。一次外面116の自然プロファイル116aは円形であり、一方、対向する側面123、124の自然プロファイル123a、124aは、一般に、互いに離れるように先細りになり、一次外面116に向かって半径方向内側に移動することができる。自然プロファイル123a、124aは、例えば、直線的に互いに先細りになるが、ブレード120の形状及び曲率に応じて、より複雑な形状(例えば、凹状、凸状など)に従うことができる。図10〜図11において、フィレット125の外縁125a(すなわち、一次外面116と係合するもの)もまた仮想線(すなわち、一点鎖線)で描かれている。
ブレード120の厚さ(Tブレード)は、ブレード120の対向する外面123、124の間で中心軸111に対して接線方向に延びる距離として定義される。図9に示したように、フィレット125が存在する領域において(例えば、一次外面116とブレード120との間の交差点において)、ブレード120の厚さ(Tブレード)は、ブレード120の対向面123、124の自然プロファイル123a、124a間の厚さである。すなわち、ブレード120の厚さ(Tブレード)は、フィレット125を省略する。
同様に、図10〜図11に示したように、ブレード120またはフィレット125が存在する領域における後壁114の厚さ(T後壁)、後壁114の厚さ(T後壁)は、後壁面115とハブ110の一次外面116の自然プロファイル116aとの間の厚さである。すなわち、後壁114の厚さ(T後壁)は、ブレード120及びフィレット125を省略する。
例示的な実施形態によれば、タービンホイール100は、比較的大きく、薄い後壁114を含み、最初の30%子午線距離において、後壁114におけるブレード120の厚さ(Tブレード)は、後壁厚さ(T後壁)よりも小さい。タービンホイール100は、例えば、約60mm以上、約70mm以上、または約96mm以上の直径(例えば、約150mm以下の直径)を有する周縁部119を有することによって、比較的大きいと考えられ得る。後壁114は、例えば、周縁部119におけるハブ110の最大直径の約8%以下である30%子午線距離での厚さを有することにより、薄いと考えられ得る(例えば、T後壁30%=<8%最大直径)。30%子午線距離から、後壁114は、周縁部119における厚さが最大直径の約2.5%以下である厚さに減少する(例えば、T後壁縁=<2.5%最大直径、例えば、1.3%〜2.5%及び/または2%未満)。ブレード厚さは、半径方向外側領域にわたって後壁厚さよりも小さいことができる(例えば、0〜30%子午線距離)。例えば、一般的な子午線位置において、ブレード厚さは、後壁厚さの80%未満、例えば、後壁厚さの60%〜80%であり得る。これは、1未満、例えば、0.8未満(例えば、0.6〜0.8)の共通の子午線位置におけるブレード厚さと後壁厚さとのブレード厚さ比として表すこともできる。
子午線距離に対して定義する代わりに、またはこれに加えて、後壁114におけるブレード120の厚さ(Tブレード)は、半径方向距離または軸方向距離に対して定義され得る。例えば、後壁114におけるブレード120の厚さTブレードは、60%半径方向距離における後壁厚さ(T後壁)よりも小さく(すなわち、一次面116上で直径の60%であり、中心軸111から垂直に測定される)、そこから半径方向外側に移動する。後壁114におけるブレード120の厚さ(Tブレード)は、4%軸方向距離における後壁厚さ(T後壁)よりも小さいことができ(すなわち、一次面116上で、ハブの後壁面115から第2の端部113までの全距離の4%であり、中心軸111と平行に測定される)、そこから後壁114に向かって軸方向に移動することができる。
図12及び図13は、それぞれ最大直径が70mm及び96mmの従来設計のタービンホイールについての後壁厚さ131(T後壁)及びブレード厚さ132Tブレード対%子午線距離のプロットである。図12及び図13において、後壁厚さ131(T後壁)及びブレード厚さ132Tブレードは、絶対尺度(すなわち、mm)で表される。70mmタービンホイール(図12に示す)及び96mmタービンホイール(図13に示す)の両方に対して、ブレード厚さTブレードは、半径方向外側領域117の大部分(すなわち、0〜30%子午線距離の大部分)にわたって後壁厚さ(T後壁)よりも大きい。これらの従来設計の70mm及び96mmタービンホイールのそれぞれについてのコンピューター鋳造シミュレーション及び物理的部品は、過度の機械加工を必要とし、回転シャフトの軸外取り付けをもたらし、及び/またはタービンホイールの廃棄を必要する過度の後壁不規則性を示した。
図14は、例示的な実施形態によるタービンホイール設計についての後壁厚さ131(T後壁)及びブレード厚さ132Tブレード対子午線距離のプロットである。図12及び図13において使用された絶対尺度と対照的に、図14において、後壁厚さ131(T後壁)及びブレード厚さ132(Tブレード)は、代わりにタービンホイールの最大直径の百分率として表される。この例示的なタービンホイールにおいて、ブレード120は、全体半径方向外側領域117にわたって(すなわち、0〜25%または30%子午線距離にわたって)後壁厚さ(T後壁)よりも小さいブレード厚さTブレードを有する。さらに、この例示的なタービンホイールは、比較的薄い後壁114を含む(すなわち、T後壁30%=〜7.5%及びT後壁縁=約1.8%)。コンピューター鋳造シミュレーションによれば、タービンホイール100の例示的な実施形態は、図12及び図13に示した従来設計の70mm及び96mmタービンホイールよりも小さい顕著な後壁不規則性を示した。
以上に基づいて、半径方向外側領域において薄い後壁と、後壁よりも薄いブレードとを有する大型タービンホイールを設計することが有利であろう。大型タービンホイールは、約60mm以上、例えば70mm以上または96mm以上の周縁部119の最大直径を有すると考えられ得る。薄い後壁を有するタービンホイールは、最大直径の8%または6%以下のような15%以下である30%子午線距離で後壁厚さを有し、及び/または最大直径の2.5%以下(例えば、2%以下)である周縁部における後壁厚さ(すなわち、0%子午線距離)を有すると考えられ得る。ブレードは、0%〜30%子午線距離の間に延びる外側領域にわたって後壁よりも薄いことができる。
また、このような鋳造タービンホイール100は、より厚い後壁114を有する他のタービンホイールよりも遠心後壁応力の影響を受け難く、その半径方向外側領域の後壁厚さよりも大きいブレード厚さを有する他のタービンホイールよりも後壁不規則性の影響を受け難いので、上記設計に従って(例えば、インコネル713C、インコネル713LC、MAR246、MAR247、または同様の材料を使用して)このようなタービンホイール100を鋳造することが有利であろう。鋳造に続いて、鋳造タービンホイール100は、後壁面115の後壁不規則性を測定し、後壁不規則性を設計規格及び公差(例えば、第1及び第2の閾値)と比較することによって評価することができる。次いで、後壁不規則性が第1の閾値を超過する場合(例えば、70マイクロン、または10マイクロン増分でホイール直径の約0.001または0.002倍、例えば、70〜80mmホイールの場合70マイクロン、80〜90mmホイールの場合80マイクロンなど)、鋳造タービンホイール100は、ハブ110の後壁114(または後壁面115)の少なくとも一部分から材料を除去するために、及び/または回転シャフトを取り付けるために鋳造タービンホイール100を配向させるための基準として後壁面115を使用して、さらに機械加工することができる。例えば、測定された不規則性が平面であるように設計された後壁についての第1の閾値よりも小さい場合、後壁は、規格範囲内であり、実質的に平面であると考えられる。代替的に、後壁不規則性が第2の閾値(例えば、400マイクロン、またはホイール直径の0.004倍)を超過すると、鋳造タービンホイール100は、廃棄されるか、またはさらなる操作を行うようになる。タービンホイール100が許容可能である場合(例えば、鋳造及び/またはその後の機械加工の後)、ターボチャージャーは、ハウジングを提供し、得られた鋳造及び機械加工タービンホイール100を挿入し、圧縮機ホイールをタービンホイール100に連結することによって組み立てることができる。
なおさらなる例示的実施形態において、タービンホイールが半径方向外側領域117の大部分(例えば、ほぼ全体)にわたってブレード厚さを比較的一定にすること、及び/または1にほぼ等しいことが有利であり得る(例えば、0〜25%または30%子午線距離)。
図15を参照すると、異なるブレード厚さを有する共通のハブ設計を有するタービンホイールについて鋳造シミュレーションを行った。図15には、第1のタービンホイールについてのブレード厚さ比201が示され、第2のタービンホイールについてのブレード厚さ比202が示される。第1のタービンホイールは、外側の25%子午線距離にわたって約0.80〜1.85の範囲のブレード厚さ比201を有する。外側の25%子午線距離の大部分を連続的に含む任意の子午線範囲(すなわち、中間の15%子午線範囲)にわたって、ブレード厚さ比201は、子午線範囲内の最も低いブレード厚さ比から約32%の最小偏差を有する。より具体的に、ブレード厚さ比201は、5%と20%の子午線距離の間に延びる子午線範囲にわたって約1.40〜1.85(すなわち、1.40+約32%)の範囲であった。鋳造シミュレーションにおいて、第1のタービンホイールは、約150マイクロンの後壁不規則性(例えば、波形)を示し、これは許容可能な公差(例えば、100マイクロン)から外れることができる。
第2のタービンホイールは、外側の25%子午線距離にわたって約0.35〜0.95範囲のブレード厚さ比202を有する。外側の25%子午線距離の大部分(すなわち、中間の15%子午線範囲)を連続的に含む任意の子午線範囲にわたって、ブレード厚さ比202は、子午線範囲内の最も低いブレード厚さ比から約19%の最小偏差を有する。より具体的に、ブレード厚さ比202は、10%と25%の子午線距離の間に延びる子午線範囲にわたって約0.8〜0.95(すなわち、0.8+約19%)の範囲であった。鋳造シミュレーションにおいて、第2のタービンホイールは、約60マイクロンの後壁不規則性を示し、したがって、第1のタービンホイールと比較して著しく減少した後壁不規則性を示した。
外側25%子午線距離からなる半径方向外側領域の大部分にわたって第2のタービンホイールのブレード厚さ比202は、1にほぼ等しく(例えば、1+/−0.2)、大部分の中で最も低いブレード厚さ比から25%未満まで変化したことが観察された。特定の理論に限定されず、ブレード及び後壁は、タービンホイールの半径方向外側領域の大部分に沿って互いに近接して近い時間で鋳造工程中に凍結されるからブレード厚さ比が1にほぼ等しいと、後壁不規則性が減少し得ると考えられる。さらに、ブレード及び後壁は、タービンホイールの半径方向外側領域の大部分に沿って一貫した時間シーケンスで鋳造工程中に凍結するから、ブレード厚さ比が25%未満だけで変化すると、後壁不規則性を減少させることができると考えられる。
後壁不規則性に対する可能なさらなる改善は、後壁厚さ比が1にほぼ等しいか、または半径方向外側領域の大部分(例えば、ほぼ全体25%または30%の子午線距離)にわたって低い偏差を有することにより、後壁の厚さ比を1にほぼ等しいが1よりも小さくすることによって(例えば、0.8〜1.0)、及び/またはより小ない偏差(例えば、25%未満、例えば15%以下の偏差)を有することにより、達成することができる。
また上述したように、より大型のタービンホイールは、より大きい直径の拡大する不規則性及びその結果として生じる不均衡によって、後壁不規則性に特に敏感であり得るから、後壁不規則性を減少させることは、より大型のタービンホイール(例えば、60mm超過、70mm以上または96mm以上の直径を有するもの)に特に有利であり得る。タービンホイールを規格(例えば、最大100マイクロンの後壁不規則性)に合わせるためにより少ない材料が除去され得るから、後壁不規則性を減少させることは、薄い後壁を有するタービンホイールに有利であることもできる(例えば、ホイール直径の7.5%以下、例えば、25%または30%の子午線距離で6%以下であり、そこから半径方向外側に後壁厚さを有する)。
したがって、半径方向外側領域の大部分またはほぼ全体にわたって、1にほぼ等しく(例えば、0.8〜1.2)、1未満、及び/または低い偏差(例えば、15%以下など、25%以下)を有する後壁厚さ比を有するタービンホイールが考えられる。半径方向外側領域は、外側25%または30%の子午線距離であることができ、大部分はその内部の少なくとも15%子午線範囲である。このようなタービンホイールはまた、60mm以上(例えば、70mm以上、80mm以上、または96mm以上)の直径及び/または薄い後壁を有し(例えば、30%子午線距離または25%子午線距離でタービンホイール直径の6%以下など、7.5%以下である後壁厚さを有し)、そこから半径方向外側に向かうことができる。
実施形態
1.ターボチャージャーの製造方法であって、
タービンホイール設計に従ってタービンホイールを鋳造して鋳造タービンホイールを形成するステップ、ここで、上記タービンホイール設計は、
一次外面を有するハブ、上記一次外面と上記後壁との間に延びる周縁部、及び中心軸;及び
上記ハブの一次外面に結合され、これと一体に形成された複数のブレードを含み;
周縁部から一次外面に沿って30%子午線距離まで延びる半径方向外側領域の全体において、上記ハブは、周縁部の最大直径の約8%以下である後壁厚さを有し、後壁厚さは、一次外面から後壁面まで軸に実質的に平行に測定され、
上記タービンホイール設計の周縁部の最大直径は、約60mm以上であり;また
半径方向外側領域の全体において、各ブレードは、それに対応する後壁厚さよりも小さいハブにおけるブレード厚さを有し、上記ブレード厚さは、ブレードの対向面間の軸に対して接線方向に測定されるステップ;
ハウジングを提供するステップ;
上記鋳造タービンホイールをハウジング内に挿入するステップ;
圧縮機ホイールを提供するステップ;及び
上記圧縮機ホイールをタービンホイールに連結するステップ;を含む、ターボチャージャーの製造方法。
1.ターボチャージャーの製造方法であって、
タービンホイール設計に従ってタービンホイールを鋳造して鋳造タービンホイールを形成するステップ、ここで、上記タービンホイール設計は、
一次外面を有するハブ、上記一次外面と上記後壁との間に延びる周縁部、及び中心軸;及び
上記ハブの一次外面に結合され、これと一体に形成された複数のブレードを含み;
周縁部から一次外面に沿って30%子午線距離まで延びる半径方向外側領域の全体において、上記ハブは、周縁部の最大直径の約8%以下である後壁厚さを有し、後壁厚さは、一次外面から後壁面まで軸に実質的に平行に測定され、
上記タービンホイール設計の周縁部の最大直径は、約60mm以上であり;また
半径方向外側領域の全体において、各ブレードは、それに対応する後壁厚さよりも小さいハブにおけるブレード厚さを有し、上記ブレード厚さは、ブレードの対向面間の軸に対して接線方向に測定されるステップ;
ハウジングを提供するステップ;
上記鋳造タービンホイールをハウジング内に挿入するステップ;
圧縮機ホイールを提供するステップ;及び
上記圧縮機ホイールをタービンホイールに連結するステップ;を含む、ターボチャージャーの製造方法。
2.上記タービンホイール設計の後壁厚さは、30%子午線距離で周縁部の最大直径の約8%以下であり、周縁部に隣接した周縁部の最大直径の約2.5%以下である、実施形態1に記載の方法。
3.上記タービンホイール設計の周縁部の最大直径が、約96mm以上である、実施形態2に記載の方法。
4.上記タービンホイール設計の後壁面は、半径方向外側領域において平面である、実施形態1に記載の方法。
5.上記後壁が、完全な後面である、実施形態4に記載の方法。
6.上記タービンホイール設計は、複数のフィレットをさらに含み、各フィレットは、ハブの一次外面とブレードのうちの1つの対向面のうちの1つとの間に湾曲したトランジションを形成する、実施形態1に記載の方法。
7.上記ブレード厚さ及び対応する後壁厚さは、フィレットを省略する、実施形態6に記載の方法。
8.上記タービンホイール設計のハブにおけるブレード厚さは、ブレードの対向面の自然プロファイル間で測定され、対応する後壁厚さは、一次外面の自然プロファイルと後壁面との間で測定される、実施形態6に記載の方法。
9.上記鋳造タービンホイールを評価するステップをさらに含み、上記評価ステップは、上記鋳造タービンホイールの後壁面の後壁不規則性を測定するステップ、及び後壁不規則性をタービンホイール設計の許容誤差要件と比較するステップを含み、上記評価ステップは、鋳造ステップ以後及び挿入ステップの以前に行われる、実施形態1に記載の方法。
10.上記後壁不規則性が第1の閾値を超過すると、上記鋳造タービンホイールは、鋳造タービンホイールの後壁面から材料を除去するために機械加工されるか、または後壁不規則性が第2の閾値を超過すると、上記鋳造タービンホイールが廃棄される、実施形態8に記載の方法。
11.ターボチャージャーであって、
エンジンから排気ガスを受けるように構成されたハウジング;
エンジンからハウジング内に受け入れられた排気ガスによって回転するようにハウジング内に配置されたタービンホイール;及び
上記タービンホイールによって回転されるように上記タービンホイールに結合された圧縮機ホイール;を含み;
上記タービンホイールは、
一次外面と、後壁面と、上記一次外面と上記後壁面との間に延びる周縁部とを含み、軸を有するハブ;及び
上記ハブの一次外面に結合され、これと一体に形成された複数のブレードを含み;
半径方向外側領域の全体において、上記ハブは、周縁部の最大直径の約8%以下である後壁厚さを有し、上記半径方向外側領域は、周縁部から一次外面に沿って30%子午線距離まで半径方向内側に延び、上記後壁厚さは、一次外面から後壁面まで軸に平行に測定され;
上記周縁部の最大直径は、約96mm以上であり;
上記半径方向外側領域の全体において、各ブレードは、それに対応する後壁厚さよりも小さいハブにおけるブレード厚さを有し、上記ブレード厚さは、ブレードの対向面間の軸に対して接線方向に測定される、ターボチャージャー。
エンジンから排気ガスを受けるように構成されたハウジング;
エンジンからハウジング内に受け入れられた排気ガスによって回転するようにハウジング内に配置されたタービンホイール;及び
上記タービンホイールによって回転されるように上記タービンホイールに結合された圧縮機ホイール;を含み;
上記タービンホイールは、
一次外面と、後壁面と、上記一次外面と上記後壁面との間に延びる周縁部とを含み、軸を有するハブ;及び
上記ハブの一次外面に結合され、これと一体に形成された複数のブレードを含み;
半径方向外側領域の全体において、上記ハブは、周縁部の最大直径の約8%以下である後壁厚さを有し、上記半径方向外側領域は、周縁部から一次外面に沿って30%子午線距離まで半径方向内側に延び、上記後壁厚さは、一次外面から後壁面まで軸に平行に測定され;
上記周縁部の最大直径は、約96mm以上であり;
上記半径方向外側領域の全体において、各ブレードは、それに対応する後壁厚さよりも小さいハブにおけるブレード厚さを有し、上記ブレード厚さは、ブレードの対向面間の軸に対して接線方向に測定される、ターボチャージャー。
12.上記後壁厚さは、30%子午線距離で周縁部の最大直径の約8%以下であり、また周縁部に隣接した周縁部の最大直径の約2.5%以下である、実施形態11に記載のターボチャージャー。
13.上記周縁部の最大直径は、約96mm以上である、実施形態12に記載のターボチャージャー。
14.上記後壁面は、半径方向外側領域において実質的に平面であり、後壁は、完全な後面である、実施形態10に記載のターボチャージャー。
15.上記タービンホイールは、複数のフィレットをさらに含み、各フィレットは、ハブの一次外面とブレードのうちの1つの対向面のうちの1つとの間に湾曲したトランジションを形成する、実施形態10に記載のターボチャージャー。
16.上記ブレード厚さ及び後壁厚さは、フィレットを省略して測定される、実施形態15に記載のターボチャージャー。
17.上記タービンホイール設計のハブにおけるブレード厚さは、ブレードの対向面の自然プロファイル間で測定され、上記対応する後壁厚さは、一次外面の自然プロファイルと後壁面との間で測定される、実施形態16に記載のターボチャージャー。
18.上記後壁の不規則性は、最大直径の約0.002倍以下である、実施形態17に記載のターボチャージャー。
19.上記後壁におけるブレード厚さは、後壁の対応する厚さの約80%以下である、実施形態10に記載のターボチャージャー。
20.ターボチャージャー用タービンホイールであって、
一次外面と、後壁面と、上記一次外面と上記後壁面との間に延びる周縁部とを含むハブであって、上記ハブが、軸、及び後壁面の少なくとも一部分が実質的に平面である半径方向外側領域を有するハブ;及び
上記ハブの一次外面に結合され、これと一体に形成された複数のブレードを含み;
半径方向外側領域の全体において、上記ハブは、一次外面に沿って30%子午線距離で周縁部の最大直径の約8%以下であり、周縁部に隣接した最大直径より2.5%以下である後壁厚さを有し、上記後壁厚さは、一次外面から後壁面によって形成された平面までの軸に平行に測定され;
上記周縁部の最大直径は、約60mm以上であり;
上記半径方向外側領域の全体において、各ブレードは、それに対応する後壁厚さよりも小さいハブにおけるブレード厚さを有し、上記ブレード厚さは、ブレードの対向面間の軸に対して接線方向に測定される、ターボチャージャー用タービンホイール。
一次外面と、後壁面と、上記一次外面と上記後壁面との間に延びる周縁部とを含むハブであって、上記ハブが、軸、及び後壁面の少なくとも一部分が実質的に平面である半径方向外側領域を有するハブ;及び
上記ハブの一次外面に結合され、これと一体に形成された複数のブレードを含み;
半径方向外側領域の全体において、上記ハブは、一次外面に沿って30%子午線距離で周縁部の最大直径の約8%以下であり、周縁部に隣接した最大直径より2.5%以下である後壁厚さを有し、上記後壁厚さは、一次外面から後壁面によって形成された平面までの軸に平行に測定され;
上記周縁部の最大直径は、約60mm以上であり;
上記半径方向外側領域の全体において、各ブレードは、それに対応する後壁厚さよりも小さいハブにおけるブレード厚さを有し、上記ブレード厚さは、ブレードの対向面間の軸に対して接線方向に測定される、ターボチャージャー用タービンホイール。
本開示は、特定の実施形態に関連して記載されているが、本開示は、開示された実施形態に限定されるものではなく、逆に、添付された特許請求の範囲内に含まれる様々な変更および均等な配列を包括するように意図されるものと理解されるべきであり、この範囲は、法律で許容されるすべての変更および均等な構造を含むように最も広く解釈が与えられるべきであろう。
Claims (15)
- ターボチャージャー(10)用タービンホイール(100)であって、
一次外面(116)と、後壁面(115)と、前記一次外面(116)と前記後壁面(115)との間に延びる周縁部(119)と、中心軸(111)とを含むハブ(110)であって、前記ハブ(110)が、前記一次外面(116)から前記後壁面(115)まで前記中心軸(111)に平行に測定された後壁厚さを有する、ハブ(110);及び
前記ハブ(110)の一次外面(116)から延び、鋳造工程を介して前記ハブ(110)と一体に形成された複数のブレード(120)であって、前記ブレード(120)のそれぞれが、前記ブレード(120)の対向面(123、124)間で前記中心軸(111)に対して接線方向に測定されたブレード厚さを有する、ブレード(120)を含み;
前記周縁部(119)の最大直径は、約60mm以上であり;
前記半径方向外側領域(117)の全体において、前記ブレード厚さ対後壁厚さの厚さ比は、25%以下に変化し、前記半径方向外側領域(117)は、周縁部(119)から前記一次外面(116)に沿って25%子午線距離まで延びる、タービンホイール(100)。 - 前記半径方向外側領域(117)の大部分にわたって、厚さ比は、15%以下に変化する、請求項1に記載のタービンホイール(100)。
- 前記半径方向外側領域(117)の大部分にわたって、厚さ比は、0.8〜1.2である、請求項1または2に記載のタービンホイール(100)。
- 前記25%子午線距離において、後壁厚さは、最大直径の6%以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のタービンホイール(100)。
- 前記大部分が、一次外面(116)に沿って15%子午線範囲を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載のタービンホイール(100)。
- 前記ブレード(120)と前記一次外面(116)との間に前記鋳造工程を介して一体に形成されたフィレット(125)をさらに含み、前記後壁厚さ及びブレード厚さは、前記フィレット(125)なしで測定される、請求項1〜5のいずれか一項に記載のタービンホイール(100)。
- ターボチャージャー(10)用タービンホイール(100)であって、
一次外面(116)と、後壁面(115)と、前記一次外面(116)と前記後壁面(115)との間に延びる周縁部(119)と、中心軸(111)とを含むハブ(110)であって、前記ハブ(110)が、前記一次外面(116)から前記後壁面(115)まで前記中心軸(111)に平行に測定された後壁厚さを有する、ハブ(110);及び
前記ハブ(110)の一次外面(116)から延び、鋳造工程を介して前記ハブ(110)と一体に形成された複数のブレード(120)であって、前記ブレード(120)のそれぞれが、前記ブレード(120)の対向面(123、124)間で前記中心軸(111)に対して接線方向に測定されたブレード厚さを有する、ブレード(120)を含み;
前記周縁部(119)の最大直径は、約60mm以上であり;
前記半径方向外側領域(117)の大部分にわたって、前記ブレード厚さ対後壁厚さの厚さ比は、1未満であり、前記半径方向外側領域(117)は、周縁部(119)から前記一次外面(116)に沿って25%子午線距離まで延びる、タービンホイール(100)。 - 前記半径方向外側領域(117)の大部分にわたって、厚さ比は、25%以下に変化する、請求項7に記載のタービンホイール(100)。
- 前記25%子午線距離において、後壁厚さは、最大直径の6%以下である、請求項7または8に記載のタービンホイール(100)。
- 前記大部分が一次外面(116)に沿って15%子午線範囲を含む、請求項7〜9のいずれか一項に記載のタービンホイール(100)。
- ターボチャージャー(10)用タービンホイール(100)であって、
一次外面(116)と、後壁面(115)と、前記一次外面(116)と前記後壁面(115)との間に延びる周縁部(119)と、中心軸(111)とを含むハブ(110)であって、前記ハブ(110)が、前記一次外面(116)から前記後壁面(115)まで前記中心軸(111)に平行に測定された後壁厚さを有する、ハブ(110);及び
前記ハブ(110)の一次外面(116)から延び、鋳造工程を介して前記ハブ(110)と一体に形成された複数のブレード(120)であって、前記ブレード(120)のそれぞれが、前記ブレード(120)の対向面(123、124)間で前記中心軸(111)に対して接線方向に測定されたブレード厚さを有する、ブレード(120)を含み;
前記半径方向外側領域(117)の大部分にわたって、前記ブレード厚さ対後壁厚さの厚さ比は、0.8〜1.2であり、前記半径方向外側領域(117)は、周縁部(119)から前記一次外面(116)に沿って25%子午線距離まで延びる、タービンホイール(100)。 - 前記半径方向外側領域(117)の大部分にわたって、後壁厚さは、25%以下に変化する、請求項11記載のタービンホイール(100)。
- 前記周縁部(119)の最大直径は、60mm以上である、請求項11または12に記載のタービンホイール(100)。
- 25%子午線距離において、後壁厚さは、最大直径の6%以下である、請求項11〜13のいずれか一項に記載のタービンホイール(100)。
- 前記大部分が、一次外面(116)に沿って15%子午線範囲を含む、請求項12〜14のいずれか一項に記載のタービンホイール(100)。
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