JP2021006713A - ターボチャージャタービンロータ及びターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】新しいターボチャージャタービンロータと、当該ターボチャージャタービンロータを有するターボチャージャと、を供給する。
【解決手段】ロータブレードは、外側シュラウドを有さないように設計されており、ロータブレードは、所定の、一定又は可変の曲率半径ｒ_ｆを有する湾曲領域を画定しながら、ロータ基部へと移行する。第１のロータブレードの第１の群では、第１のロータブレードの前記湾曲領域の曲率半径に関して、２．５％≦ｒ_ｆ１ ^＊１００／ｌ≦１０％が適用されており、ｒ_ｆ１は、第１のロータブレードの湾曲領域の一定又は可変の曲率半径であり、ｌは、フロー後縁における、第１のロータブレードの長さである。第２のロータブレードの第２の群では、第２のロータブレードの湾曲領域の曲率半径ｒ_ｆ２は、第１のロータブレードの湾曲領域の曲率半径ｒ_ｆ１と、減衰側とにおいて異なっている。
【選択図】図５

Description

本発明は、ターボチャージャタービンロータと、当該ターボチャージャタービンロータを備えたターボチャージャと、に関する。

ターボチャージャは、タービンと圧縮機とを有している。ターボチャージャのタービンは、第１の媒体、特に内燃機関の排ガスの膨張に用いられる。圧縮機は第２の媒体、特に内燃機関によって供給されるべき給気の圧縮に用いられ、圧縮機は、タービン内での第１の媒体の膨張の際に得られるエネルギーを利用する。

ターボチャージャのタービンは、タービンハウジングとタービンロータとを有している。ターボチャージャの圧縮機は、圧縮機ロータと圧縮機ハウジングとを有している。

タービンのタービンロータと、圧縮機の圧縮機ロータと、は軸受ハウジング内に取り付けられたシャフトを介して連結されており、軸受ハウジングは、一方ではタービンハウジングに、他方では圧縮機ハウジングに接続されている。

特許文献１からは、ターボチャージャのタービンロータを、一体的に鋳造された部材として構成することが、すでに知られており、つまりこの場合、タービンロータのロータブレードが、タービンロータのロータ基部に一体的に構成されている。このような、基部と一体的に構成されたロータブレードを有するタービンロータは、ブリスク（ブレード一体化ディスク）とも呼ばれる。

このようなブレードが一体化したロータは、これまで、まず第一に航空機エンジンの製造から知られていた。航空機エンジンの場合、航空機エンジンの限界動作点、すなわち固有振動数領域における動作点が、可能な限り速く通過され、エンジンは、当該限界動作点の下側又は上側において、目標を定めて運転される。従って、航空機エンジンの場合、ブレードが一体化したタービンロータの使用は、重要ではない。

これに対して、ターボチャージャの場合は、ブレードが一体化したタービンロータは、全ての負荷条件に合わせて設計されねばならず、特に限界負荷領域における持続的な動作も考慮されねばならない。なぜなら、ターボチャージャは、内燃機関のアセンブリであり、内燃機関の動作点に依存して動作するからである。従って、ターボチャージャの、ブレードが一体化したタービンロータを、共振に耐え得るように設計することが必要である。

これは、特許文献２に記載のターボチャージャタービンロータの場合、ブレードが一体化したタービンロータが、外側シュラウドを有しており、外側シュラウドを通じて、ロータブレードが、径方向外側の端部において互いに接続されていることによって保証される。しかしながら、このような外側シュラウドは、膨張すべき排ガスの流域にあり、流れ挙動にネガティブな影響を与える。特に、これによって、ターボチャージャの効率が低下する。従って、ターボチャージャのためのタービンロータであって、妨げとなる外側シュラウドが無くとも共振に耐え得るように設計されている、つまり固有振動数領域の限界動作点においても持続的に動作可能であるタービンロータの需要が存在する。

独国実用新案第２０２０１２００９７３９号明細書 独国実用新案第１０２０１２００９７３９号明細書

この需要を受けて、本発明の課題は、新しいターボチャージャタービンロータと、当該ターボチャージャタービンロータを有するターボチャージャと、を供給することにある。本課題は、請求項１に記載のターボチャージャタービンロータによって解決される。

本発明に係るターボチャージャタービンロータは、ロータ基部と、ロータ基部に一体的に構成されたロータブレードと、を有しており、当該ロータブレードは外側シュラウドを有さないように設計されている。ロータブレードは、所定の一定又は可変の曲率半径ｒ_ｆを有する湾曲領域を画定しながら、ロータ基部へと移行する。第１のロータブレードの第１の群では、第１のロータブレードの湾曲領域の曲率半径に関して、
２．５％≦ｒ_ｆ１ ^＊１００／ｌ≦１０％
という関係が有効であり、このとき、ｒ_ｆ１は、第１のロータブレードの湾曲領域の一定又は可変の曲率半径であり、ｌは、フロー後縁（６）における第１のロータブレードの長さである。第２のロータブレードの第２の群では、第２のロータブレードの湾曲領域の曲率半径ｒ_ｆ２は、第１のロータブレードの湾曲領域の曲率半径ｒ_ｆ１と、減衰側において、決められたように異なっている。第１のロータブレードの第１の群は、複数の第１のロータブレードを含んでいる。第２のロータブレードの第２の群は、少なくとも１つの第２のロータブレードを含んでいる。

本発明に係る、ブレードが一体化したターボチャージャタービンロータでは、外側シュラウドは用いられない。本発明に係る、ブレードが一体化したターボチャージャタービンロータのロータブレードは、湾曲領域を画定しながら、ロータ基部に移行する。１つ又は各第２のロータブレードでは、各湾曲領域の一定又は可変の曲率半径が、第１のロータブレードの湾曲領域の一定又は可変の曲率半径から、減衰側において、決められたように異なっている。１つ又は各第２のロータブレードで、第１のロータブレードの曲率半径に対して、減衰側において、決められたように、曲率半径が異なることによって、ターボチャージャタービンロータの各ロータブレード間での振動数離調が、目標を定めて調整される。これによって、いわゆる振動側の節直径と、振動振幅とが、ターボチャージャタービンロータの最適な減衰を調整するために、目標を定めて操作され得る。構造ダイナミクスの観点からは、最適な位相位置は、隣接するロータブレードにおいて調整され得る。

第１のロータブレードにおける曲率半径ｒ_ｆ１が一定である場合、好ましくは各第２のロータブレードの湾曲領域の曲率半径ｒ_ｆ２に関して、
１２０％≦ｒ_ｆ２／ｒ_ｆ１≦３００％
が有効である。特に、第１のロータブレードにおける曲率半径ｒ_ｆ１が一定である場合、各第２のロータブレードにおける曲率半径ｒ_ｆ２も一定である。これは、外側シュラウドを有さない、ブレードが一体化したターボチャージャタービンロータの、最適な減衰特性値を保証するために好ましい。

次に、第１のロータブレードにおける曲率半径ｒ_ｆ１が可変である場合、好ましくは各第２のロータブレードの湾曲領域の曲率半径ｒ_ｆ２に関して、
１３０％≦ｒ_ｆ２／ｒ_ｆ１≦４００％
が有効である。特に、第１のロータブレードにおける曲率半径ｒ_ｆ１が可変である場合、各第２のロータブレードにおける曲率半径ｒ_ｆ２も可変である。これは、外側シュラウドを有さない、ブレードが一体化したターボチャージャタービンロータの、最適な減衰特性値を保証するために好ましい。

本発明のさらなる発展形態によると、第１のロータブレードと第２のロータブレードとから成るロータブレードの総数における、第２のロータブレードの数は、１５％から６０％の間である。これによって、外側シュラウドを有さない、ブレードが一体化したターボチャージャタービンロータの減衰挙動が、最適に調整され得る。

本発明に係るターボチャージャは、請求項１２に規定されている。

本発明の好ましいさらなる発展形態は、従属請求項及び以下の説明から明らかになる。本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明するが、これに限定されるものではない。示されているのは以下の図である。

軸流タービンの本発明に係るターボチャージャタービンロータを示す斜視図である。 図１のＩＩの部分を詳細に示す図である。 ラジアルタービンの本発明に係るターボチャージャタービンロータを示す斜視図である。 図３のＩＶの部分を詳細に示す図である。 図２又は図４の詳細を示す図である。

本発明は、ターボチャージャタービンロータと、当該ターボチャージャタービンロータを有するターボチャージャと、に関する。

ターボチャージャは、タービンと圧縮機とを有している。タービンは、第１の媒体の膨張、特に内燃機関の排ガスの膨張に用いられ、第１の媒体の膨張の際には、エネルギーが得られる。ターボチャージャの圧縮機は、タービン内で得られたエネルギーを用いた第２の媒体の圧縮、特に給気の圧縮に用いられる。

ターボチャージャのタービンは、タービンハウジングと、タービンハウジング内で回転可能に取り付けられたタービンロータと、を有している。ターボチャージャの圧縮機は、圧縮機ハウジングと、圧縮機ハウジング内に回転可能に取り付けられた圧縮機ロータと、を有している。ターボチャージャのタービンロータと圧縮機ロータとは、軸受ハウジング内に回転可能に取り付けられたシャフトを介して連結されており、軸受ハウジングは、タービンハウジングとも圧縮機ハウジングとも接続されている。

本発明は、ターボチャージャのタービンロータの詳細に関する。

図１は、ターボチャージャタービンロータ１を斜視図で示しており、タービンロータ１は、ロータ基部２と、ロータ基部２に一体的に構成されたロータブレード３と、を有している。図２は、図１のＩＩの部分を詳細に示している。ターボチャージャタービンロータ内における軸方向の貫流方向ゆえに、この型は、ターボチャージャ軸流タービンロータと称される。ターボチャージャ軸流タービンロータの貫流方向は、図１及び図２において、矢印Ｓで可視化されている。

図３は、ターボチャージャタービンロータ１を斜視図で示しており、タービンロータ１は、ロータ軸に対して径方向を向いた流入フローにさらされる。図３のターボチャージャタービンロータ１もまた、ロータ基部２と、ロータ基部２に一体的に構成されたロータブレード３と、を有している。図４は、図３のＩＶの部分を詳細に示している。この型のターボチャージャタービンロータは、ターボチャージャラジアルタービンロータと称される。ターボチャージャラジアルタービンロータの貫流方向は、図３及び図４において、やはり矢印Ｓによって可視化されている。

各ターボチャージャタービンロータ１のロータブレード３は、内側において、湾曲領域４を画定しながら、ロータ基部２に移行し、湾曲領域４は、フィレットとも呼ばれる。外側において、ロータブレード３は、シュラウドを有さないように構成されている。

ロータブレード３がロータ基部２に移行する、ロータブレードの湾曲領域４は、曲率半径ｒ_ｆによって特徴付けられている。図５を参照のこと。この曲率半径ｒ_ｆは、一定の曲率半径ｒ_ｆであってもよいし、又は可変の曲率半径ｒ_ｆであってもよい。

ロータブレード３は、フロー後縁６で、径方向において所定の長さｌを有しており、全てのロータブレード３は、好ましくはフロー後縁６で、径方向において同じ長さｌを有している。

ロータブレード３は、第１のロータブレードの第１の群と、第２のロータブレード３の第２の群と、を構成している。第１のロータブレードの第１の群は、複数のロータブレード３を含んでおり、第２のロータブレードの第２の群は、少なくとも１つのロータブレード３を含んでいる。

第１のロータブレード３の第１の群では、ｒ_ｆ１と表記される、第１のロータブレード３の湾曲領域４の曲率半径ｒ_ｆに関して、以下の関係（１）が有効である：
０．０２５≦ｒ_ｆ１／ｌ≦０．１又は２．５％≦ｒ_ｆ１ ^＊１００／ｌ≦１０％ （１）
ここで、
ｒ_ｆ１は、第１のロータブレードの湾曲領域の一定又は可変の曲率半径であり、
ｌは、フロー後縁６における第１のロータブレードの長さである。

第２のロータブレード３の第２の群では、ｒ_ｆ２と表記される、第２のロータブレード３の湾曲領域４の曲率半径ｒ_ｆは、第１のロータブレード３の湾曲領域４の曲率半径ｒ_ｆ１と、減衰側において、すなわち減衰が最適化された方法で異なっており、それによって、ターボチャージャタービンロータ１のロータブレード３の間における、目標を定めた振動数離調の供給下で、ターボチャージャタービンロータ１の最適な振動減衰特性値が供給され、その結果、タービンロータ１は、全ての動作点において、持続的に動作可能である。各第２のロータブレード３の湾曲領域４の曲率半径ｒ_ｆ２は、第１のロータブレード３の湾曲領域４の曲率半径ｒ_ｆ１とは異なっており、各第２のロータブレード３の湾曲領域４の曲率半径ｒ_ｆ２は、第１のロータブレード３の湾曲領域４の曲率半径ｒ_ｆ１に関する、上記の関係（１）を満たさない。

第２の群の第２のロータブレードの数は、第１の群の第１のロータブレード３と第２の群の第２のロータブレード３とから成る総数の１５％から６０％の間である。

各ロータブレード３は、フロー前縁５、フロー後縁６、及びフロー前縁５とフロー後縁６との間に延在する、フローを誘導する側面又は面７、８を有しており、これらのフローを誘導する面の内の一方が吸込側として、これらのフローを誘導する面の内の他方が圧縮側として構成されている。フロー前縁５と、フロー後縁６と、これらのフローを誘導する面７、８と、は各ロータブレード３の湾曲領域４内へ延在している。

湾曲領域４のあらゆる点において、すなわちフロー前縁５の領域において、フロー後縁６の領域において、及びフロー前縁５とフロー後縁６との間に延在する、フローを誘導する面７、８の領域において、曲率半径ｒ_ｆが形成されている。

一定の曲率半径を有するロータブレードの場合、湾曲領域４のあらゆる点において、すなわち、フロー前縁５の領域において、フロー後縁６の領域において、及びフロー前縁とフロー後縁との間に延在する面７、８の領域において、曲率半径が同じ大きさである。この場合、一定の曲率半径が、湾曲領域４全体の周りにわたっている。この種の曲率半径は、各ロータブレードの一定の曲率半径と表される。

可変の曲率半径を有するロータブレードの場合、フロー前縁５の領域において、及び／又はフロー後縁６の領域において、及び／又はフロー前縁とフロー後縁との間に延在する面７、８の領域において、曲率半径の大きさが異なっている。この場合、曲率半径は、各フロー前縁５から各フロー後縁６への方向において変化する。この種の曲率半径は、各ロータブレードの可変の曲率半径と表される。

第１の群の第１のロータブレード３が、各湾曲領域４において、一定の曲率半径を有するか、又は、可変の曲率半径を有するかに関係無く、湾曲領域のあらゆる位置における、第１のロータブレード３の曲率半径に関しては、関係（１）：
０．０２５≦ｒ_ｆ１／ｌ≦０．１又は２．５％≦ｒ_ｆ１ ^＊１００／ｌ≦１０％
が有効である。

次に、湾曲領域４における第１のロータブレード３での曲率半径ｒ_ｆ１が一定である場合、好ましくは、各第２のロータブレード３の湾曲領域４の曲率半径ｒ_ｆ２に関して、以下の関係（２）が有効である：
ｒ_ｆ２＝ｒ_ｆ１ ^＊１．２〜３又は１．２≦ｒ_ｆ２／ｒ_ｆ１≦３又は１２０％≦ｒ_ｆ２ ^＊１００／ｒ_ｆ１≦３００％ （２）

第１のロータブレードにおける曲率半径ｒ_ｆ１が一定である場合、好ましくは１つ又は各第２のロータブレードにおける曲率半径ｒ_ｆ２も一定である。

次に、第１のロータブレードでの曲率半径ｒ_ｆ１が可変である場合、好ましくは各第２のロータブレード３の湾曲領域４の曲率半径ｒ_ｆ２に関して、以下の関係（３）が有効である：
ｒ_ｆ２＝ｒ_ｆ１ ^＊１．３〜４又は１．３≦ｒ_ｆ２／ｒ_ｆ１≦４又は１３０％≦ｒ_ｆ２ ^＊１００／ｒ_ｆ１≦４００％ （３）

第１のロータブレードにおける曲率半径ｒ_ｆ１が可変である場合、好ましくは１つ又は各第２のロータブレードにおける曲率半径ｒ_ｆ２も可変である。

本発明によって、ターボチャージャのためのターボチャージャタービンロータであって、外側シュラウドを有さず、ブレードが一体化されたタービンロータとして構成されており、共振に耐え得るブレード配列を有するターボチャージャタービンロータが供給され得、それによってタービン、すなわちターボチャージャタービンロータが、全ての動作点において、最適な減衰特性値で確実に動作し得る。

本発明に係るターボチャージャは、第１の媒体を膨張させるためのタービンと、タービン内での第１の媒体の膨張の際に得られるエネルギーを用いて第２の媒体を圧縮するための圧縮機と、を有している。タービンは、タービンハウジングと、貫流されるタービンロータと、を有している。圧縮機は、圧縮機ハウジングと、タービンロータにシャフトを介して連結された圧縮機ロータと、を有している。タービンハウジングと圧縮機ハウジングとは、それぞれ、これらの間に配置された軸受ハウジングと接続されており、軸受ハウジング内には、シャフトが取り付けられている。タービンロータは、上述したように、本発明に基づいて設計されている。タービンロータは、軸流タービンロータか、又はラジアルタービンロータであってよい。

１ タービンロータ
２ ロータ基部
３ ロータブレード
４ 湾曲領域
５ フロー前縁
６ フロー後縁
７ 面
８ 面

Claims (14)

1. ロータ基部（２）と、
   前記ロータ基部（２）に一体的に構成されたロータブレード（３）と、を有するターボチャージャタービンロータ（１）であって、
   前記ロータブレード（３）は、外側シュラウドを有さないように設計されており、前記ロータブレード（３）は、所定の、一定又は可変の曲率半径ｒ_ｆを有する湾曲領域（４）を画定しながら、前記ロータ基部（２）へと移行し、
   第１のロータブレード（３）の第１の群では、前記第１のロータブレード（３）の前記湾曲領域（４）の曲率半径に関して、以下の関係：
   ２．５％≦ｒ_ｆ１ ^＊１００／ｌ≦１０％
   が適用されており、
   ここで、ｒ_ｆ１は、前記第１のロータブレードの前記湾曲領域の一定又は可変の曲率半径であり、ｌは、フロー後縁（６）における、前記第１のロータブレードの長さであり、
   第２のロータブレード（３）の第２の群では、前記第２のロータブレード（３）の前記湾曲領域（４）の曲率半径ｒ_ｆ２は、前記第１のロータブレード（３）の前記湾曲領域（４）の曲率半径ｒ_ｆ１と、減衰側において異なっている、ターボチャージャタービンロータ（１）。
2. 前記第２のロータブレード（３）それぞれの前記湾曲領域（４）の曲率半径ｒ_ｆ２が、前記第１のロータブレード（３）の前記湾曲領域（４）の曲率半径ｒ_ｆ１とは異なっており、その結果、前記第２のロータブレード（３）それぞれの前記湾曲領域（４）の曲率半径ｒ_ｆ２は、前記第１のロータブレード（３）の前記湾曲領域（４）の曲率半径ｒ_ｆ１に関する前記関係を満たさないことを特徴とする、請求項１に記載のターボチャージャタービンロータ。
3. 前記第２のロータブレード（３）それぞれにおいて、前記第２のロータブレード（３）の前記湾曲領域（４）の曲率半径ｒ_ｆ２が、前記第１のロータブレード（３）の前記湾曲領域（４）の曲率半径ｒ_ｆ１と、減衰が最適化された方法で異なっていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のターボチャージャタービンロータ。
4. 前記第１のロータブレードにおける曲率半径ｒ_ｆ１が一定である場合、前記第２のロータブレード（３）それぞれの曲率半径ｒ_ｆ２に関して、
   １２０％≦ｒ_ｆ２ ^＊１００／ｒ_ｆ１≦３００％
   が適用されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のターボチャージャタービンロータ。
5. 前記第１のロータブレードにおける曲率半径ｒ_ｆ１が一定である場合、前記第２のロータブレードそれぞれにおける曲率半径ｒ_ｆ２も一定であることを特徴とする、請求項４に記載のターボチャージャタービンロータ。
6. 一定の曲率半径を有するロータブレードの場合、前記湾曲領域（４）の各位置において、すなわちフロー前縁（５）の領域において、フロー後縁（６）の領域及び前記フロー前縁と前記フロー後縁との間に延在する面（７、８）の領域における曲率半径が、同じ大きさであることを特徴とする、請求項４又は５に記載のターボチャージャタービンロータ。
7. 前記第１のロータブレードにおける曲率半径ｒ_ｆ１が可変である場合、前記第２のロータブレード（３）それぞれの曲率半径ｒ_ｆ２に関して、
   １３０％≦ｒ_ｆ２ ^＊１００／ｒ_ｆ１≦４００％
   が適用されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のターボチャージャタービンロータ。
8. 前記第１のロータブレードにおける曲率半径ｒ_ｆ１が可変である場合、前記第２のロータブレードそれぞれの曲率半径ｒ_ｆ２も可変であることを特徴とする、請求項７に記載のターボチャージャタービンロータ。
9. 可変の曲率半径を有するロータブレードの場合、フロー前縁（５）の領域において、及び／又はフロー後縁（６）の領域において、及び／又は前記フロー前縁と前記フロー後縁との間に延在する面（７、８）の領域において、曲率半径の大きさが異なることを特徴とする、請求項７又は８に記載のターボチャージャタービンロータ。
10. 前記第１のロータブレードの前記第１の群が、複数のロータブレードを含んでおり、前記第２のロータブレードの前記第２の群が、少なくとも１つのロータブレードを含んでいることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のターボチャージャタービンロータ。
11. 前記第２のロータブレードの、ロータブレード総数における数は、１５％から６０％の間であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のターボチャージャタービンロータ。
12. 第１の媒体を膨張させるためのタービンと、
    前記タービン内での前記第１の媒体の膨張の際に得られるエネルギーを用いて、第２の媒体を圧縮するための圧縮機と、を有しているターボチャージャであって、
    前記タービンは、タービンハウジングと、タービンロータと、を有しており、
    前記圧縮機は、圧縮機ハウジングと、前記タービンロータにシャフトを介して連結された圧縮機ロータと、を有しており、
    前記タービンハウジングと前記圧縮機ハウジングとは、各々が、前記タービンハウジングと前記圧縮機ハウジングとの間に配置された軸受ハウジングに接続されており、前記軸受ハウジング内には、前記シャフトが取り付けられているターボチャージャにおいて、
    前記タービンロータ（１）は、請求項１から１１のいずれか一項に従って構成されていることを特徴とするターボチャージャ。
13. 前記タービンロータが、軸流タービンロータであることを特徴とする、請求項１２に記載のターボチャージャ。
14. 前記タービンロータが、ラジアルタービンロータであることを特徴とする、請求項１２に記載のターボチャージャ。