JP2020514610A - ターボチャージャー及びタービンホイール - Google Patents

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。

タービンホイールの後壁面の測定値の３次元プロットであり、後壁の不規則性を示す。 タービンホイールを有するターボチャージャーの斜視断面図である。 複数のブレードのうちの１つのみを含む実施形態による部分タービンホイールの斜視図である。 図３に示したタービンホイールの側面図である。 図３のタービンホイールの平面図である。 図４の線６−６に沿って取った断面模式図である。 図４の線７−７に沿って取った断面模式図であり、線７−７の下のタービンホイールの一部分を省略した部分図である。 図４の線８−８に沿って取った断面模式図であり、線８−８の下のタービンホイールの一部分を省略した部分図である。 図８の線９−９に沿って取った部分図である。 図５の線１０−１０に沿って取った断面図である。 図１０の線１１−１１に沿って取った部分図である。 従来のタービンホイールについてのハブ及びブレード厚さ対子午線距離のプロットである。 別の従来のタービンホイールについてのハブ及びブレード厚さ対子午線距離のプロットである。 一実施形態によるタービンホイールについてのハブ及びブレード厚さ対子午線距離のプロットである。 ２つのタービンホイールについてのブレード厚さ比対子午線距離のプロットである。

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。

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。

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。

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)

1. 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）。
2. 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）。
3. 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）。
4. 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）。
5. 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）。
6. 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）。
7. 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）。
8. 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）。
9. 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）。
10. 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）。
11. 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）。
12. 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）。
13. 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）。
14. 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）。
15. 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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