JP2023040678A - インペラ、遠心圧縮機、および排気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】軽量化を実現しつつ強度を十分に確保して疲労破壊や振動の増加等の不具合の発生を抑制することが可能なインペラを提供する。【解決手段】軸線Ｘに沿って延びる回転軸１４に取り付けられるとともに中空部分２６ａ～２６ｅが内部に形成されたコンプレッサディスク２６と、コンプレッサディスク２６の外周面２６Ａに軸線Ｘ回りの周方向に沿って間隔を空けて配置される複数のコンプレッサブレード２７と、を備え、コンプレッサディスク２６の外周面２６Ａは、軸線Ｘに沿った一端から他端に向けて軸線Ｘに直交する径方向ＲＤの外径が漸次拡大する形状を有し、中空部分２６ａ～２６ｅは、コンプレッサディスク２６の外周面２６Ａの最大外径を２Ｒとした場合に軸線Ｘからの径方向ＲＤの距離が０．７Ｒ未満となる領域に形成されているコンプレッサインペラ１３を提供する。【選択図】図２

Description

本開示は、インペラ、遠心圧縮機、および排気タービンに関するものである。

３次元（３Ｄ）造形を行うＡＭ（Additive Manufacturing）技術には、複数の方式がある。例えば、粉末床溶融結合（ＰＢＦ）方式では、基板上に平面的に均等に粉末を敷き（スキージングし）、スキージングされた粉末の任意の部分をレーザ等によって溶融後凝固させることで薄い２次元構造を作製する。そして、この手順を繰り返し凝固した部分が高さ方向へ積層されることで任意の３次元構造が造形される。

特許文献１には、ＡＭ技術を用いて製造されたターボチャージャのコンプレッサホイールが開示されている。特許文献１に開示されるコンプレッサホイールには、重量を軽減するために、内部に中空部分が設けられている。

米国特許第７２８１９０１号明細書

特許文献１に開示されるようにコンプレッサホイールの内部に中空部分を設けることにより重量を軽減することができるが、それに伴って強度が低下し、疲労破壊や振動の増加等の不具合が発生する可能性がある。特許文献１では、コンプレッサホイールの内部にリブおよびディスクからなる補強構造を配置している。しなしながら、コンプレッサホイールが回転する軸線から径方向の距離が長くなる外縁部分においては、中空部分が存在することによって十分な強度が得られない可能性がある。

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、軽量化を実現しつつ強度を十分に確保して疲労破壊や振動の増加等の不具合の発生を抑制することが可能なインペラ、遠心圧縮機、および排気タービンを提供することを目的とする。

本開示の一態様に係るインペラは、軸線に沿って延びる回転軸に取り付けられるとともに中空部分が内部に形成されたディスクと、前記ディスクの外周面に前記軸線回りの周方向に沿って間隔を空けて配置される複数のブレードと、を備え、前記ディスクの前記外周面は、前記軸線に沿った一端から他端に向けて前記軸線に直交する径方向の外径が漸次拡大する形状を有し、前記中空部分は、前記ディスクの前記外周面の最大外径を２Ｒとした場合に前記軸線からの前記径方向の距離が０．７Ｒ未満となる領域
に形成されている。

本開示によれば、軽量化を実現しつつ強度を十分に確保して疲労破壊や振動の増加等の不具合の発生を抑制することが可能なインペラ、遠心圧縮機、および排気タービンを提供することができる。

本開示の第１実施形態に係る排気タービン過給機の全体構成を示す縦断面図である。 図１に示すＡ部分の部分拡大図である。 図２に示すコンプレッサインペラを積層造形装置により造形する状態を示す断面図である。 図２に示すコンプレッサブレードのＡ－Ａ矢視端面図である。 本開示の第２実施形態に係る排気タービン過給機の一部を示す縦断面図である。 本開示の第３実施形態に係る排気タービン過給機の一部を示す縦断面図である。

〔第１実施形態〕
以下、本開示の第１実施形態の排気タービン過給機について、図１を用いて説明する。
図１に示すように、排気タービン過給機１１は、タービンインペラ１２と、コンプレッサインペラ１３と、回転軸１４と、ハウジング１５と、を備える。タービンインペラ１２と、コンプレッサインペラ１３と、回転軸１４は、ハウジング１５内に収容されている。

ハウジング１５は、内部が中空に形成され、タービンインペラ１２の構成を収容する第一空間部Ｓ１をなすタービンハウジング１５Ａと、コンプレッサインペラ１３の構成を収容する第二空間部Ｓ２をなすコンプレッサハウジング１５Ｂと、回転軸１４を収容する第三空間部Ｓ３をなす軸受ハウジング１５Ｃとを有している。軸受ハウジング１５Ｃの第三空間部Ｓ３は、タービンハウジング１５Ａの第一空間部Ｓ１とコンプレッサハウジング１５Ｂの第二空間部Ｓ２との間に位置している。

タービンインペラ１２は、内燃機関から排出されるとともに軸線Ｘに直交する径方向に沿って流入する排ガスを軸線Ｘに沿って流出させることにより回転軸１４を回転させる。タービンインペラ１２は、タービンディスク２４と、複数のタービンブレード２５と、を有する。

タービンディスク２４は、回転軸１４に取り付けており、タービンハウジング１５Ａの第一空間部Ｓ１に収容されている。複数のタービンブレード２５は、タービンディスク２４の外周面に軸線Ｘ回りの周方向に沿って間隔を空けて配置されている。

コンプレッサインペラ１３は、軸線Ｘに沿って流入する空気（流体）を圧縮し、軸線Ｘに直交する径方向に沿って圧縮空気（圧縮流体）を吐出する遠心圧縮機として機能する。コンプレッサインペラ１３は、コンプレッサディスク２６と、複数のコンプレッサブレード２７と、を有する。

コンプレッサディスク２６は、回転軸１４に取り付けられており、コンプレッサハウジング１５Ｂの第二空間部Ｓ２に収容されている。複数のコンプレッサブレード２７は、コンプレッサディスク２６の外周面に軸線Ｘ回りの周方向に沿って間隔を空けて配置されている。

回転軸１４は、軸線Ｘに沿って延びるように形成されており、タービンインペラ１２側の端部がタービン側軸受であるジャーナル軸受２１により回転自在に支持され、コンプレッサインペラ１３側の端部がコンプレッサ側軸受であるジャーナル軸受２２により回転自在に支持される。

回転軸１４は、スラスト軸受２３により回転軸１４が延在する軸方向への移動を規制されている。回転軸１４には、軸線Ｘに沿った一端部にコンプレッサインペラ１３のコンプレッサディスク２６が固定され、軸線Ｘに沿った他端部にタービンインペラ１２のタービンディスク２４が固定されている。回転軸１４は、タービンディスク２４と一体に形成されており、コンプレッサインペラ１３側の端部にねじ部３７が形成されている。ねじ部３７は、コンプレッサディスク２６に形成されたねじ穴３８に締結されている。

タービンハウジング１５Ａには、タービンブレード２５に対して、排気ガスの入口通路３１と排気ガスの出口通路３２とが設けられている。また、タービンハウジング１５Ａには、入口通路３１とタービンブレード２５との間にタービンノズル３３が設けられている。タービンノズル３３により静圧膨張された排気ガス流が複数のタービンブレード２５に導かれ、タービンインペラ１２が回転する。

コンプレッサハウジング１５Ｂには、コンプレッサディスク２６に対して、吸入口３４と圧縮空気吐出口３５とが設けられている。また、コンプレッサハウジング１５Ｂには、コンプレッサディスク２６と圧縮空気吐出口３５との間にディフューザ３６が設けられている。コンプレッサディスク２６により圧縮された空気は、ディフューザ３６を通って排出される。

排気タービン過給機１１は、内燃機関（図示略）から排出された排ガスによりタービンインペラ１２が回転し、タービンインペラ１２の回転が回転軸１４に伝達されてコンプレッサインペラ１３が回転し、コンプレッサインペラ１３が燃焼用気体を圧縮して内燃機関に供給する。内燃機関からの排気ガスは、排気ガスの入口通路３１を通り、タービンノズル３３により静圧膨張され、排気ガス流が複数のタービンブレード２５に導かれる。これにより、複数のタービンブレード２５が固定されたタービンディスク２４を介してタービンインペラ１２が回転する。

複数のタービンブレード２５を駆動した排気ガスは、出口通路３２から外部に排出される。タービンインペラ１２により回転軸１４が回転すると、回転軸１４に連結されたコンプレッサディスク２６が回転し、吸入口３４から空気が吸入される。吸入された空気は、コンプレッサディスク２６で加圧されて圧縮空気となる。圧縮空気は、ディフューザ３６を通り、圧縮空気吐出口３５から内燃機関に供給される。

次に、本実施形態のコンプレッサインペラ１３について、図面を参照して説明する。図２は、図１に示すＡ部分の部分拡大図である。図２に示すように、コンプレッサディスク２６の内部には、複数の中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅが形成されている。中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅは、軸線Ｘ回りの周方向沿って環状に形成される空間である。

図２に示すように、コンプレッサディスク２６は、軸線Ｘに沿って方向に隣接して配置される複数の中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅと、隣接する中空部分（２６ａと２６ｂ，２６ｂと２６ｃ，２６ｃと２６ｄ，２６ｄと２６ｅ）の間に配置される複数のリブ２６ｆ，２６ｇ，２６ｈ，２６ｉを有する。複数のリブ２６ｆ，２６ｇ，２６ｈ，２６ｉは、軸線Ｘ回りの周方向に沿って環状に延びている。

図２に示すように、コンプレッサディスク２６には、軸線Ｘに沿った方向に隣接して配置される５つの中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅと、軸線Ｘに沿った方向に隣接して配置される４つのリブ２６ｆ，２６ｇ，２６ｈ，２６ｉを有する。４つのリブ２６ｆ，２６ｇ，２６ｈ，２６ｉは、軸線Ｘに沿った厚みを任意の厚みとすることができる。

また、リブ２６ｆ，２６ｇ，２６ｈ，２６ｉの厚みは、一端（軸線Ｘ上のＸ１の位置）から他端（軸線Ｘ上のＸ２の位置）に向けて増加するように設定するのが好ましい。例えば、リブ２６ｆよりもリブ２６ｇを厚くし、リブ２６ｇよりもリブ２６ｈを厚くし、リブ２６ｈよりも２６ｉを厚くするのが好ましい。このようにすることで、径方向ＲＤにおける外周面２６Ａの外径が大きくそれに伴って遠心力の影響が大きい他端（軸線Ｘ上のＸ２の位置）側における強度を適切に確保することができる。

図２では、中空部分を５つとし、リブを４つとしたが、他の態様であってもよい。例えば、中空部分を２以上の複数個としてもよい。この場合、リブの個数は、中空部分の個数よりも１つ少ない個数となる。また、リブの厚みを一端から他端に向けて増加させる場合は、中空部分を３以上とし、リブを２以上とする。

図３は、図２に示すコンプレッサインペラ１３を積層造形装置１００により造形する状態を示す断面図である。積層造形装置１００は、粉末床溶融結合（ＰＢＦ）方式のＡＭ技術によって金属材料の粉末ＭＰを用いて３次元形状を造形する装置である。積層造形装置１００は、軸線Ｘと平行な造形方向ＭＤに沿って粉末ＭＰを積層しながら造形物となる領域（図３で斜線を付した領域）にレーザ光又は電子ビームを照射し、粉末ＭＰを溶融、凝固させる。

図３は、積層造形装置１００が、造形方向ＭＤに沿って、軸線Ｘ上のＸ０の位置からＸｎの位置までコンプレッサインペラ１３を造形した状態を示す。積層造形装置１００は、図３に示す状態から更に金属材料の粉末ＭＰを積層しながらレーザ光又は電子ビームを照射し、Ｘｎの位置からＸ１の位置までコンプレッサインペラ１３を造形する。

図２に示すように、コンプレッサディスク２６の外周面２６Ａは、軸線Ｘに沿った一端（軸線ＸにおけるＸ１の位置）から他端（軸線ＸにおけるＸ２の位置）に向けて軸線Ｘに直交する径方向ＲＤの外径が漸次拡大する形状を有する。

図２に示すように、中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅは、コンプレッサディスク２６の外周面２６Ａの最大外径（Ｘ２における外径）を２Ｒとした場合に軸線Ｘからの径方向ＲＤの距離がＲｈ未満となる領域に形成されている。中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅは、軸線Ｘからの径方向ＲＤの距離がＲｈ以上となる領域に形成されないように制限されている。ここで、Ｒｈは、０．６Ｒ以上かつ０．７Ｒ以下とするのが好ましく、例えば、０．６５Ｒとする。

図２に示すように、コンプレッサディスク２６の外周面２６Ａには、短翼（Splitter blade）２７Ａと、短翼２７Ａよりも軸線Ｘに沿った長さが長い長翼（Whole blade）２７Ｂが、軸線Ｘ回りの周方向に沿って交互に配置されている。

図４は、図２に示すコンプレッサブレード２７（２７Ａ，２７Ｂ）のＡ－Ａ矢視端面図である。図４に示すコンプレッサブレード２７の端面は、軸線Ｘからの径方向ＲＤの距離が０．７Ｒとなる径方向ＲＤの位置における端面を示す。図４に示すように、コンプレッサブレード２７は、コンプレッサディスク２６の外周面２６Ａから突出するように形成されており、翼根Ｒ部２６Ｂを介して外周面２６Ａと一体となるように形成されている。

図４に示すように、コンプレッサブレード２７の径方向ＲＤに沿った厚みは、翼根Ｒ部２６Ｂとコンプレッサブレード２７とが接続される部分において、Ｔとなっている。なお、軸線Ｘからの径方向ＲＤの距離が０．７Ｒとなる径方向ＲＤの位置において、短翼２７Ａの厚みと長翼２７Ｂの厚みとが異なる場合には、いずれか一方の厚みをコンプレッサブレード２７の厚みＴとする。

図２に示すように、コンプレッサディスク２６は、軸線Ｘからの径方向ＲＤの距離がＲｈとなる位置において、軸線Ｘに沿った方向に３．０Ｔ以上（コンプレッサブレード２７の周方向ＣＤに沿った厚みの３．０倍以上）の厚みＴｄを有する。

また、図２に示すように、中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅは、コンプレッサブレード２７の翼根部の厚みをＴとした場合に外周面２６Ａからの距離がＴ以上となる領域に形成されている。中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅは、外周面２６Ａからの距離がＴ未満となる領域に形成されないように制限されている。

また、コンプレッサブレード２７の翼根部の厚みをＴとした場合、複数のリブ２６ｆ，２６ｇ，２６ｈ，２６ｉの軸線Ｘに沿った厚みは、０．５Ｔ以上かつ３．０Ｔ以下とするのが好ましい。リブ２６ｆ，２６ｇ，２６ｈ，２６ｉの軸線Ｘに沿った厚みを十分に確保することで、軽量化を実現しつつ強度を適切に確保することができる。

コンプレッサディスク２６は、積層造形装置１００を用いて、溶融して凝固した粉末状の金属材料により形成されている。図２に示すように、コンプレッサディスク２６には、一端から他端に向けて貫通する貫通穴２６Ｃが形成されている。貫通穴２６Ｃは、軸線Ｘと交差する軸線Ｙに沿って直線状に延びる穴である。貫通穴２６Ｃは、複数の中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅを外部空間ＳＯと連通させるように、複数のリブ２６ｆ，２６ｇ，２６ｈ，２６ｉを貫通して形成されている。

コンプレッサディスク２６には、複数の貫通穴２６Ｃが軸線Ｘ回りの周方向に間隔を空けて形成されている。これらの貫通穴２６Ｃは、コンプレッサディスク２６を積層造形装置１００で造形した後に、複数の中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅに残存する金属材料の粉末ＭＰを外部空間ＳＯへ排出するために設けられている。

コンプレッサディスク２６に形成する貫通穴２６Ｃの個数は、コンプレッサブレード２７（２７Ａ，２７Ｂ）の枚数以下とするのが好ましい。このようにすることで、金属材料の粉末ＭＰを外部空間ＳＯへ排出する作業を可能としつつ、コンプレッサディスク２６の強度を適切に確保することができる。

以上においては、コンプレッサインペラ１３を積層造形装置１００により金属材料の粉末ＭＰで造形し、コンプレッサディスク２６の内部に中空部分を設けることについて説明したが、タービンインペラ１２も同様であるため、説明を省略する。

すなわち、本実施形態においては、タービンインペラ１２を積層造形装置１００により金属材料の粉末ＭＰで造形し、タービンディスク２４の内部に中空部分を設けるものとする。また、中空部分を設ける領域については、コンプレッサディスク２６と同様に、中空部分を設ける領域によりコンプレッサディスク２６の強度が低下しないように制限を設けるものとする。

以上説明した本実施形態の排気タービン過給機が備えるコンプレッサインペラ１３が奏する作用および効果について説明する。
本実施形態に係るコンプレッサインペラ１３によれば、コンプレッサディスク２６の内部に形成される中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅは、コンプレッサディスク２６の外周面２６Ａの最大外径を２Ｒとした場合に軸線Ｘからの径方向ＲＤの距離が０．７Ｒ未満となる領域に形成されている。径方向ＲＤにおいて、軸線Ｘからコンプレッサディスク２６の外周面２６Ａの最大外径となる距離Ｒまでの領域のうち、０．７Ｒ以上の領域には中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅが形成されない。

そのため、遠心力による影響が大きく軸線に沿った厚さが十分に確保できないコンプレッサディスク２６の外周面２６Ａが最大外径となる部分の強度が適切に確保される。したがって、中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅを設けることで軽量化を実現しつつコンプレッサディスク２６の外周面２６Ａが最大外径となる部分の強度を十分に確保し、疲労破壊や振動の増加等の不具合の発生を抑制することが可能なコンプレッサインペラ１３を提供することができる。

本実施形態に係るコンプレッサインペラ１３によれば、軸線Ｘからの径方向ＲＤの距離が０．７Ｒとなる位置において、コンプレッサブレード２７の翼根部の厚みをＴとした場合に軸線に沿った方向に３．０Ｔ以上の厚みを適切に確保することで、コンプレッサディスク２６の外周面２６Ａが最大外径となる部分の近傍の強度を十分に確保することができる。

本実施形態に係るコンプレッサインペラ１３によれば、軸線Ｘからの径方向ＲＤの距離が０．７Ｒとなる位置でのコンプレッサブレード２７の翼根部の厚みをＴとした場合に外周面２６Ａからの距離がＴ未満となる領域に中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅが形成されない。そのため、コンプレッサディスク２６の外周面２６Ａの近傍の強度を適切に確保することができる。

本実施形態に係るコンプレッサインペラ１３によれば、複数の中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅを有し、隣接する中空部分の間にリブ２６ｆ，２６ｇ，２６ｈ，２６ｉが配置されるため、軽量化を実現しつつ強度を適切に確保することができる。

本実施形態に係るコンプレッサインペラ１３によれば、２以上のリブの軸線Ｘに沿った厚みが一端から他端に向けて増加するため、径方向ＲＤにおける外周面２６Ａの外径が大きくそれに伴って遠心力の影響が大きい他端側における強度を適切に確保することができる。

本実施形態に係るコンプレッサインペラ１３によれば、コンプレッサブレード２７の翼根部の厚みをＴとした場合、リブ２６ｆ，２６ｇ，２６ｈ，２６ｉの軸線Ｘに沿った厚みを、０．５Ｔ以上かつ３．０Ｔ以下とする。リブ２６ｆ，２６ｇ，２６ｈ，２６ｉの軸線Ｘに沿った厚みを十分に確保することにより、軽量化を実現しつつ強度を適切に確保することができる。

本実施形態に係るコンプレッサインペラ１３によれば、コンプレッサディスク２６の一端から他端に向けて貫通する貫通穴２６Ｃが複数の中空部分と外部空間ＳＯとを連通させる。そのため、粉末状の金属材料を溶融させてコンプレッサインペラ１３の形状を形成した後に、中空部分となる領域に存在する粉末状の金属材料を貫通穴２６Ｃから外部空間ＳＯへ排出させることができる。

本実施形態に係るコンプレッサインペラ１３によれば、粉末状の金属材料を外部空間ＳＯへ排出するための貫通穴２６Ｃをコンプレッサブレード２７の枚数以下に制限することで、粉末状の金属材料を外部空間ＳＯへ排出する作業を可能としつつ、コンプレッサインペラ１３の強度を適切に確保することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本開示の第２実施形態の排気タービン過給機について説明する。本実施形態は、第１実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとし、以下での説明を省略する。

第１実施形態の排気タービン過給機のコンプレッサインペラ１３は、軸線Ｘに沿った中心部分が中実であり、コンプレッサディスク２６の端部に形成されたねじ穴３８に回転軸１４のねじ部３７を締結するものであった。それに対して、本実施形態のコンプレッサインペラ１３Ａは、中空であり、コンプレッサディスク２６に挿入された回転軸１４の端部にナット２８を締結したものである。

図５は、本開示の第２実施形態に係る排気タービン過給機の一部を示す縦断面図である。図５に示すように、コンプレッサディスク２６には、回転軸１４が挿入される軸穴２６Ｄが軸線Ｘに沿って形成されている。回転軸１４の先端には、ねじ部１４Ａが設けられている。コンプレッサディスク２６は、ねじ部１４Ａにナット２８を締結することにより、回転軸１４に固定される。

図５に示すように、中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅは、軸穴２６Ｄの内径を２ｒとした場合、軸線Ｘからの径方向ＲＤの距離が１．５ｒ以上となる領域に形成されている。中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅは、軸線Ｘからの径方向ＲＤの距離が１．５ｒ未満となる領域に形成されることが制限されている。

本実施形態に係るコンプレッサインペラ１３によれば、回転軸１４が挿入される軸穴２６Ｄの内径を２ｒとした場合、軸線Ｘからの径方向ＲＤの距離が１．５ｒ未満となる領域には中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅが形成されない。そのため、軸線Ｘからの径方向ＲＤの距離が１．５ｒ未満となる領域に中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅを設ける場合に比べ、コンプレッサインペラ１３の重心が軸線Ｘからずれることによる異常振動の発生等の不具合を抑制することができる。

本実施形態においては、コンプレッサインペラ１３を積層造形装置１００により金属材料の粉末ＭＰで造形し、コンプレッサディスク２６の内部に中空部分を設けることについて説明したが、タービンインペラ１２も同様であるため、説明を省略する。

〔第３実施形態〕
次に、本開示の第３実施形態の排気タービン過給機について説明する。本実施形態は、第２実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第２実施形態と同様であるものとし、以下での説明を省略する。

本実施形態は、中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄを形成するコンプレッサディスク２６の一端側の面２６ａ１，２６ｂ１，２６ｃ１，２６ｄ１が延びる方向と軸線Ｘに沿う方向とがなす鋭角の角度θａ，θｂ，θｃ，θｄに制限を設けたものである。

図６は、本開示の第３実施形態に係る排気タービン過給機の一部を示す縦断面図である。本実施形態のコンプレッサディスク２６は、溶融して凝固した粉末状の金属材料により形成されている。図６に示すように、中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄを形成するコンプレッサディスク２６の一端側（造形方向ＭＤの下流側）の面２６ａ１，２６ｂ１，２６ｃ１，２６ｄ１が延びる方向と軸線Ｘに沿う方向とがなす鋭角の角度がそれぞれθａ，θｂ，θｃ，θｄとなっている。

θａ，θｂ，θｃ，θｄは、３０度以上かつ６０度以下に設定するのが好ましい。また、θａ，θｂ，θｃ，θｄは、４０度以上かつ５０度以下（例えば、４５度）に設定するのが更に好ましい。

本実施形態のコンプレッサインペラ１３によれば、中空部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄを形成するコンプレッサディスク２６の一端側の面２６ａ１，２６ｂ１，２６ｃ１，２６ｄ１が延びる方向と軸線Ｘに沿う方向とがなす鋭角の角度θａ，θｂ，θｃ，θｄを３０度以上かつ６０度以下（より好ましくは４０度以上かつ５０度以下）とすることで、軸線Ｘに沿って粉末状の金属材料を積層しながら金属材料を部分的に溶融させてコンプレッサディスク２６の形状を形成する際に、溶融した金属材料が自重により変形して所望の形状が得られなくなる不具合を抑制することができる。

本実施形態においては、コンプレッサインペラ１３を積層造形装置１００により金属材料の粉末ＭＰで造形し、コンプレッサディスク２６の内部に中空部分を設けることについて説明したが、タービンインペラ１２も同様であるため、説明を省略する。

以上説明した本実施形態に記載のインペラは、例えば以下のように把握される。
本開示に係るインペラ（１３）は、軸線（Ｘ）に沿って延びる回転軸に取り付けられるとともに中空部分が内部に形成されたディスク（２６）と、前記ディスクの外周面に前記軸線回りの周方向に沿って間隔を空けて配置される複数のブレード（２７）と、を備え、前記ディスクの前記外周面は、前記軸線に沿った一端から他端に向けて前記軸線に直交する径方向の外径が漸次拡大する形状を有し、前記中空部分は、前記ディスクの前記外周面の最大外径を２Ｒとした場合に前記軸線からの前記径方向の距離が０．７Ｒ未満となる領域に形成されている。

本開示の一態様に係るインペラによれば、ディスクの内部に形成される中空部分は、ディスクの外周面の最大外径を２Ｒとした場合に軸線からの径方向の距離が０．７Ｒ未満となる領域に形成されている。径方向において、軸線からディスクの外周面の最大外径となる距離Ｒまでの領域のうち、０．７Ｒ以上の領域には中空部分が形成されない。

そのため、遠心力による影響が大きく軸線に沿った厚さが十分に確保できないディスクの外周面が最大外径となる部分の強度が適切に確保される。したがって、中空部分を設けることで軽量化を実現しつつディスクの外周面が最大外径となる部分の強度を十分に確保し、疲労破壊や振動の増加等の不具合の発生を抑制することが可能なインペラを提供することができる。

本開示の一態様に係るインペラにおいて、前記ディスクは、前記軸線からの前記径方向の距離が０．７Ｒとなる位置において、前記ブレードの翼根部の厚みをＴとした場合に前記軸線に沿った方向に３．０Ｔ以上の厚みを有する構成とするのが好ましい。
本構成のインペラによれば、軸線からの径方向の距離が０．７Ｒとなる位置においてディスクの厚みを適切に確保することで、ディスクの外周面が最大外径となる部分の近傍の強度を十分に確保することができる。

本開示の一態様に係るインペラにおいて、前記ディスクには、前記回転軸が挿入される軸穴が前記軸線に沿って形成されており、前記中空部分は、前記軸穴の内径を２ｒとした場合、前記軸線からの前記径方向の距離が１．５ｒ以上となる領域に形成されている構成とするのが好ましい。
本構成のインペラによれば、回転軸が挿入される軸穴の内径を２ｒとした場合、軸線からの径方向の距離が１．５ｒ未満となる領域には中空部分が形成されない。そのため、軸線からの径方向の距離が１．５ｒ未満となる領域に中空部分を設ける場合に比べ、インペラの重心が軸線からずれることによる異常振動の発生等の不具合を抑制することができる。

本開示の一態様に係るインペラにおいて、前記中空部分は、前記軸線からの前記径方向の距離が０．７Ｒとなる位置での前記ブレードの翼根部の厚みをＴとした場合に前記外周面からの距離がＴ以上となる領域に形成されている構成とするのが好ましい。
本構成のインペラによれば、軸線からの径方向の距離が０．７Ｒとなる位置でのブレードの翼根部の厚みをＴとした場合に外周面からの距離がＴ未満となる領域に中空部分が形成されないため、ディスクの外周面の近傍の強度を適切に確保することができる。

本開示の一態様に係るインペラにおいて、前記中空部分は、前記周方向に沿って環状に形成されており、前記ディスクは、前記軸線に沿った方向に隣接して配置される複数の前記中空部分と、隣接する前記中空部分の間に配置されて前記周方向に沿って環状に延びるリブを有する構成とするのが好ましい。
本構成のインペラによれば、複数の中空部分を有し、隣接する中空部分の間にリブが配置されるため、軽量化を実現しつつ強度を適切に確保することができる。

上記構成の一態様に係るインペラにおいて、前記ディスクは、前記軸線に沿った方向に隣接して配置される３以上の前記中空部分と、隣接する前記中空部分の間に配置されて前記周方向に沿って環状に延びる２以上のリブを有し、２以上の前記リブの前記軸線に沿った厚みは、前記一端から前記他端に向けて増加する態様とするのが好ましい。
本態様のインペラによれば、２以上のリブの軸線に沿った厚みが一端から他端に向けて増加するため、径方向における外周面の外径が大きくそれに伴って遠心力の影響が大きい他端側における強度を適切に確保することができる。

上記構成の一態様に係るインペラにおいて、前記ブレードの翼根部の厚みをＴとした場合、前記リブの前記軸線に沿った厚みは、０．５Ｔ以上かつ３．０Ｔ以下である態様とするのが好ましい。
本態様のインペラによれば、リブの軸線に沿った厚みを十分に確保することにより、軽量化を実現しつつ強度を適切に確保することができる。

上記構成の一態様に係るインペラにおいて、前記ディスクは、溶融して凝固した粉末状の金属材料により形成されるとともに、前記一端から前記他端に向けて貫通する貫通穴（２６Ｃ）が形成されており、前記貫通穴は、複数の前記中空部分と外部空間とを連通させるように複数の前記リブを貫通して形成されている態様とするのが好ましい。
本態様のインペラによれば、ディスクの一端から他端に向けて貫通する貫通穴が複数の中空部分と外部空間とを連通させる。そのため、粉末状の金属材料を溶融させてディスクの形状を形成した後に、中空部分となる領域に存在する粉末状の金属材料を貫通穴から外部空間へ排出させることができる。

上記態様の一態様に係るインペラにおいて、前記ディスクには、複数の前記貫通穴が形成されており、前記貫通穴の個数は、前記ブレードの枚数以下であるのが好ましい。
粉末状の金属材料を外部空間へ排出するための貫通穴をブレードの枚数以下に制限することで、粉末状の金属材料を外部空間へ排出する作業を可能としつつ、ディスクの強度を適切に確保することができる。

本開示の一態様に係るインペラにおいて、前記ディスクは、溶融して凝固した粉末状の金属材料により形成されるとともに、前記中空部分を形成する前記ディスクの一端側の面が延びる方向と前記軸線に沿う方向とがなす鋭角の角度が６０度以下となるように形成されている構成が好ましい。
本構成のインペラによれば、中空部分を形成するディスクの一端側の面が延びる方向と軸線に沿う方向とがなす鋭角の角度を６０度以下とすることで、軸線に沿って粉末状の金属材料を積層しながら金属材料を部分的に溶融させてディスクの形状を形成する際に、溶融した金属材料が自重により変形して所望の形状が得られなくなる不具合を抑制することができる。

以上説明した本実施形態に記載の遠心圧縮機は、例えば以下のように把握される。
本開示の一態様に係る遠心圧縮機は、上記のいずれかに記載のインペラと、前記インペラに連結されるとともに前記インペラを軸線回りに回転させる回転軸と、を備え、前記インペラは、前記軸線に沿って流入する流体を圧縮し、前記軸線に直交する径方向に沿って圧縮流体を吐出する。
本開示の一態様に係る遠心圧縮機によれば、インペラの軽量化を実現しつつ強度を十分に確保して疲労破壊や振動の増加等の不具合の発生を抑制することができる。

以上説明した本実施形態に記載の排気タービンは、例えば以下のように把握される。
本開示の一態様に係る排気タービンは、上記のいずれかに記載のインペラと、前記インペラに連結されるとともに軸線に沿って配置される回転軸と、を備え、前記インペラは、内燃機関から排出されるとともに前記軸線に直交する径方向に沿って流入する排ガスを前記軸線に沿って流出させることにより前記回転軸を回転させる。
本開示の一態様に係る排気タービンによれば、インペラの軽量化を実現しつつ強度を十分に確保して疲労破壊や振動の増加等の不具合の発生を抑制することができる。

１１ 排気タービン過給機
１２ タービンインペラ
１３，１３Ａ コンプレッサインペラ
１４ 回転軸
１４Ａ ねじ部
１５ ハウジング
２４ タービンディスク
２５ タービンブレード
２６ コンプレッサディスク
２６Ａ 外周面
２６Ｂ 翼根Ｒ部
２６Ｃ 貫通穴
２６Ｄ 軸穴
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ 中空部分
２６ａ１，２６ｂ１，２６ｃ１，２６ｄ１ 面
２６ｆ，２６ｇ，２６ｈ，２６ｉ リブ
２７ コンプレッサブレード
２８ ナット
３１ 入口通路
３２ 出口通路
３３ タービンノズル
３４ 吸入口
３５ 圧縮空気吐出口
３６ ディフューザ
３７ ねじ部
３８ ねじ穴
１００ 積層造形装置
ＣＤ 周方向
ＭＤ 造形方向
ＭＰ 粉末
ＲＤ 径方向
ＳＯ 外部空間
Ｔｄ 厚み
Ｘ，Ｙ 軸線

Claims (12)

1. 軸線に沿って延びる回転軸に取り付けられるとともに中空部分が内部に形成されたディスクと、
   前記ディスクの外周面に前記軸線回りの周方向に沿って間隔を空けて配置される複数のブレードと、を備え、
   前記ディスクの前記外周面は、前記軸線に沿った一端から他端に向けて前記軸線に直交する径方向の外径が漸次拡大する形状を有し、
   前記中空部分は、前記ディスクの前記外周面の最大外径を２Ｒとした場合に前記軸線からの前記径方向の距離が０．７Ｒ未満となる領域に形成されているインペラ。
2. 前記ディスクは、前記軸線からの前記径方向の距離が０．７Ｒとなる位置において、前記ブレードの翼根部の厚みをＴとした場合に前記軸線に沿った方向に３．０Ｔ以上の厚みを有する請求項１に記載のインペラ。
3. 前記ディスクには、前記回転軸が挿入される軸穴が前記軸線に沿って形成されており、
   前記中空部分は、前記軸穴の内径を２ｒとした場合、前記軸線からの前記径方向の距離が１．５ｒ以上となる領域に形成されている請求項１または請求項２に記載のインペラ。
4. 前記中空部分は、前記軸線からの前記径方向の距離が０．７Ｒとなる位置での前記ブレードの翼根部の厚みをＴとした場合に前記外周面からの距離がＴ以上となる領域に形成されている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のインペラ。
5. 前記中空部分は、前記周方向に沿って環状に形成されており、
   前記ディスクは、前記軸線に沿った方向に隣接して配置される複数の前記中空部分と、隣接する前記中空部分の間に配置されて前記周方向に沿って環状に延びるリブを有する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のインペラ。
6. 前記ディスクは、前記軸線に沿った方向に隣接して配置される３以上の前記中空部分と、隣接する前記中空部分の間に配置されて前記周方向に沿って環状に延びる２以上の前記リブを有し、
   ２以上の前記リブの前記軸線に沿った厚みは、前記一端から前記他端に向けて増加する請求項５に記載のインペラ。
7. 前記ブレードの翼根部の厚みをＴとした場合、前記リブの前記軸線に沿った厚みは、０．５Ｔ以上かつ３．０Ｔ以下である請求項５または請求項６に記載のインペラ。
8. 前記ディスクは、溶融して凝固した粉末状の金属材料により形成されるとともに、前記一端から前記他端に向けて貫通する貫通穴が形成されており、
   前記貫通穴は、複数の前記中空部分を外部空間と連通させるように複数の前記リブを貫通して形成されている請求項５から請求項７のいずれか一項に記載のインペラ。
9. 前記ディスクには、複数の前記貫通穴が形成されており、
   前記貫通穴の個数は、前記ブレードの枚数以下である請求項８に記載のインペラ。
10. 前記ディスクは、溶融して凝固した粉末状の金属材料により形成されるとともに、前記中空部分を形成する前記ディスクの一端側の面が延びる方向と前記軸線に沿う方向とがなす鋭角の角度が６０度以下となるように形成されている請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のインペラ。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のインペラと、
    前記インペラに連結されるとともに前記インペラを軸線回りに回転させる回転軸と、を備え、
    前記インペラは、前記軸線に沿って流入する流体を圧縮し、前記軸線に直交する径方向に沿って圧縮流体を吐出する遠心圧縮機。
12. 請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のインペラと、
    前記インペラに連結されるとともに軸線に沿って配置される回転軸と、を備え、
    前記インペラは、内燃機関から排出されるとともに前記軸線に直交する径方向に沿って流入する排ガスを前記軸線に沿って流出させることにより前記回転軸を回転させる排気タービン。
    

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