JP4718599B2 - タービン・ホイール - Google Patents

Description

本発明は、排ガス・ターボ・チャジャーの分野に係る。本発明は、特に、独立特許請求項の前提部分の特徴を有するラジアルまたは混流タービンのタービン・ホイールに係る。

コンパクトな排ガス・ターボ・チャジャーは、一般的に、厳密に径方向の（ラジアル・タービン）または角度が付いた（混流タービン）入口の流れを有する排ガス・タービンを有している。排ガスの流れは、タービン・ホイールを通って曲げられ、軸方向に流れ去る。

ラジアル及び混流タービンのタービン・ホイールには、しばしば、スカラッピング（scalloping）が設けられる。このスカラッピングは、個別のロータ・ブレードの間の、タービン・ホイールのハブのリア・ウオールの中の切除部（cutout）を意味している。スカラッピングは、タービン・ホイールの径方向に最も外側の領域内で材料を切り取ることにより、主として慣性を減少させるために役立つ。

US 4,659,288 によれば、スカラッピング輪郭は、タービン・ホイールの個々のロータ・ブレードの排ガス入口エッジに対して対称であっても良い。スカラッピング輪郭は、排ガス入口エッジの方向の点に延び、または丸められる。スカラッピング輪郭は、一般的に、スカラッピング輪郭の径方向で最も内側のポイントで、即ち、タービン・ホイールのハブのリア・ウオール内の切除部の最も低いポイントで、同様に丸められ、排ガス入口エッジから隣接するロータ・ブレードの排ガスの入口エッジまで連続的なプロファイルを備えたスカラッピング輪郭が得られる。

それに代わって、例えば、EP 1 462 607 A1 に記載されているように、スカラッピング輪郭は、隣接するロータ・ブレードの排ガス入口エッジの間で、非対称のプロファイルを持っていても良い。

ＡＢＢ社の排ガス・ターボ・チャジャーである TPS...D/E シリーズで使用されているもののような、特に混流タービンの場合には、ロータ・ブレードは、三次元の曲率を有している。他方、各ハブ・ブレード・ジャンクション、即ち、ロータ・ブレードとハブの間のジャンクションは、径方向のラインに対して湾曲したプロファイルを有している。これに対して、ハブは、径方向に最も外側のエッジと反対側の領域内でタービン・シャフトの方向に、後ろ側に傾いている。

三次元のブレード形状は、高い回転速度で且つタービン・ホイールが熱的な負荷を受けたときに、スカラッピングの領域で、非対称の変形を生ずることがある。もし、スカラッピング輪郭が、図２に示されているように、対称であるならば、ハブのリア・ウオールは、強力な遠心力により、径方向に外側に引っ張られる。図の中の太い矢印で示されているように、特に、ロータ・ブレードのプレッシャ側の表面は、ロータ・ブレードの脚部の回りで回転される。これは、スカラッピング輪郭の領域内で、特に最も低いポイントで、大きな応力を生じさせ、そして、極端な場合には、これらが、タービン・ホイールの寿命を制限することがあり得る。
米国特許第ＵＳ４，６５９，２８８号明細書 欧州特許出願公開第ＥＰ１４６２６０７Ａ１号明細書

本発明の目的は、三次元的に湾曲したロータ・ブレード、及びハブのリア・ウオールの領域内のスカラッピングを有するタービン・ホイールを提供することにあり、このタービン・ホイールにおいて、運転中にスカラッピングの変形から生ずる応力が低減される。

本発明によれば、この目的は、各ロータ・ブレードのハブ・ブレード・ジャンクションが、スカラッピング表面に対して、この表面が可能な限り対称に支持されるように配置されることによって、実現される。

この目的のために、ロータ・ブレードは、前記スカラッピング輪郭に対して、プレッシャ側の方向に移動される。スカラッピング輪郭が対称であり且つ波の形態であるとき、ロータ・ブレードの排ガスの入口エッジは、プレッシャ側の方向に湾曲しており、それ故に、スカラッピング輪郭の最も高いポイントには位置せずに、プレッシャ側の方向に移動される。

一つの優位性のある実施形態において、ロータ・ブレードのハブ・ブレード・ジャンクションが、シャフト・ハブのリア・ウオール（これは、スカラッピング輪郭により境界付けられている）の表面を、同じサイズの二つの表面要素に分割する。運転中の変形に対する、二つの表面要素上の負荷は、かくして適合され、一方の側の最大の負荷が軽減される。

本発明について、以下のテキストにおいて、図を参照しながらより詳細に説明される。
図１に示されたタービン・ホイールは、ハブ１５、及びハブの周り全体に配置された複数のロータ・ブレード１４を有している。ハブは、タービン・シャフト２の端に配置され、そのタービン・シャフトは、排ガス・ターボ・チャジャーのハウジングの中で回転することができるように、取り付けられている。ハブは、一体化された材料による接続部により、またはネジによる接続部を介して、タービン・シャフトに接続されても良い。コンプレッサ・ホイール（図示せず）が、タービン・シャフトの他の端に配置されている。

運転中、タービン・ホイールは、コンプレッサ・ホイールを駆動する。図に示された混流タービンのタービン・ホイールは、少数のロータ・ブレードのみを有している。ロータ・ブレードの数は、運転上の要求に応じて、自由に選択されることが可能である。タービン・ホイールのロータ・ブレードの入口エッジ１６は、混流タービン内の流れの方向に対して垂直に配置される。

この場合には、入口エッジは、ラジアル・タービンの場合のように、径方向のラインに対して垂直ではなく、径方向のラインに対して角度を有して傾いて配置されている。それに加えて、ハブのリア・ウオールは、タービン・ホイールの径方向に最も外側の領域内で、タービン・シャフトの方向に傾いている。このハブの径方向に最も外側の領域は、スカラッピング（scalloping）輪郭を有している；即ち、材料が、それぞれ、二つのロータ・ブレードの間で、ハブのリア・ウオールから切り取られている。

タービン・ホイールのロータ・ブレード及びハブは、一般的に、一体的に鋳造され、あるいは塊から削り出される；即ち、ロータ・ブレードは、ハブに強固に接続されている。ジャンクションの曲線が、接続の領域内で、ロータ・ブレード輪郭とハブ表面の間に作り出される。本発明の説明を簡潔にするため、且つ図を簡潔にするため、ハブ・ブレード・ジャンクション１２は、これらの図の中で、線で示されている。しかしながら、図４の中の破線は、ハブ・ブレード・ジャンクション１２のみを示すのみではなく、ロータ・ブレード輪郭とハブ表面の間のジャンクションの曲線の有効プロファイルをも示している。

先に既に述べたように、タービン・ホイールのロータ・ブレードは、三次元的に湾曲している。ハブ／ロータ・ジャンクション１２は、それ故に、図３及び図４の中に示されているように、二重に湾曲した曲線プロファイルを有している。

本発明に基づくタービン・ホイールのロータ・ブレードは、ハブのリア・ウオールの表面がロータ・ブレードの両サイドで均一に支持されるように、スカラッピング輪郭１１に対して配置されている。このことは、図４を参照することにより、より容易に説明されることが可能である。

もし、ロータ・ブレードの仮想的なハブ・ブレード・ジャンクションが、破線１２’に従って延びるとすれば、その場合、ロータ・ブレードの入口エッジは、対称点Ｃで、スカラッピング輪郭１１と交差するであろう。図に示されたケースでは、波の形態のスカラッピング輪郭を備え、これは、波の最も高いポイントになるであろう。仮想的なハブ・ブレード・ジャンクション１２’の二つのサイド上の表面は、異なるサイズになるであろうし、そして、仮想的なハブ・ブレード・ジャンクション１２’のプロファイルに対して、不均等に分配されるであろう。タービンの運転中の高い回転速度で、ハブのリア・ウオールが、ロータ・ブレードのプレッシャ側上のより広い範囲の領域内で、回転されるであろう。ハブ・ウオールは、シャフトの方向に傾いていて、径方向のラインから外れ、それに作用する遠心力を有するであろうし、径方向に外側の方向へ変形されるであろう。

この捩れはまた、図２に示されている従来技術によるタービン・ホイールの図の中に、明確に見ることが可能であり、そして、矢印により示されている。この図は、負荷時のタービン・ホイールを、遠心力により引き起こされる変形が明確に見えるように示している。タービン・ホイールのハブの径方向に最も外側のエッジは、この捩れのために、高い応力を受ける。

しかしながら、もし、本発明によれば、ロータ・ブレードのハブ・ブレード・ジャンクション１２が、スカラッピング輪郭の対称点Ｃに対して、プレッシャ側の方向に、オフセットして延び、二つの表面Ｆ１及びＦ２は、互いに適合する。二つの表面は、一方では、スカラッピング輪郭１１により境界付けられ、もう一方では、ロータ・ブレードのプレッシャ側及びサクション側上の、スカラッピング輪郭の径方向で最も内側のポイントＡとＢの間で、接続ラインにより境界付けられる。

湾曲したハブ・ブレード・ジャンクション１２は、二つの表面の中央を通って延び、それらを最適に支持する。遠心力から生ずる捩れが低減され、タービン・ホイール上の応力が低下する。この減少した捩れはまた、図１に示された、本発明に基づくタービン・ホイール図の中にも、見ることが可能である。二つの矢印は、僅かな変形を示している。この図は、図２に示されたタービン・ホイールと同じ負荷のタービン・ホイールを示している。タービン・ホイールのハブの径方向に最も外側のエッジは、かなり低い応力を受ける。その理由は、捩れが減少するからである。

スカラッピング輪郭に対する、ロータ・ブレードの移動の正確な量は、様々な要因に依存する。例えば、ハブ・ブレード・ジャンクションの曲率及びスカラッピング輪郭の正確な形状が、重要である。

図に示されたタービン・ホイールのスカラッピング輪郭は、波の形態の、対称プロファイルを有している。しかしながら、それに代わって、スカラッピング輪郭はまた、非対称のプロファイルを有していても良く、そして、例えば、ハブ・ブレード・ジャンクションの領域内で、それがロータ・ブレードのプロファイルに適合するように、延びていても良い。

図１は、本発明に基づいてデザインされたタービン・ホイールの、負荷時の状態を示し、スカラッピング輪郭の対称点に対して変位されたロータ・ブレードの排ガスの入口エッジを有している。 図２は、従来技術に基づくタービン・ホイールの、負荷時の状態を示し、ロータ・ブレード排ガスの入口エッジがスカラッピング輪郭の対称点に配置されている。 図３は、図１に示されたタービン・ホイールのハブのリア・ウオールの概略図を、軸方向断面図の形態で示している。 図４は、図３に示されたタービン・ホイールのハブのリア・ウオールの概略図を、ハブ表面（ＩＶ−ＩＶ）に沿った断面図の形態で示している。

符号の説明

１…タービン・ホイール、２…タービン・シャフト、１１…スカラッピング輪郭、１２，１２’…ハブ・ブレード・ジャンクション、１３…スカラッピング輪郭内でハブ表面を二分する径方向のライン、１４…タービン・ロータ・ブレード、１５…タービン・ホイール・ハブ、１６…排ガスの入口エッジ、Ａ…プレッシャ側のスカラッピング輪郭上の、径方向について最も内側の（最も低い）ポイント、Ｂ…サクション側のスカラッピング輪郭上の、径方向について最も内側の（最も低い）ポイント、Ｃ…径方向のラインとスカラッピング輪郭の交差ポイント、Ｒ１１…拘束用突起の最大の外半径、Ｆ１…スカラッピング輪郭内のプレッシャ側のハブ表面、Ｆ２…スカラッピング輪郭内のサクション側のハブ表面。

Claims (4)

1. ハブ（１５）及びロータ・ブレード（１４）を有する、ラジアルまたは混流タービンのタービン・ホイール（１）であって、
   各ロータ・ブレード（１４）は、それぞれ、湾曲したハブ・ブレード・ジャンクション（１２）に沿って前記ハブに接続され、
   前記ロータ・ブレードは、前記ハブ・ブレード・ジャンクション（１２）が、ロータ・ブレードのプレッシャ側の方向に径方向から外れて湾曲して延びるように、デザインされ且つ前記ハブの上に配置され、
   前記ハブは、ハブのリア・ウオールの領域内で、互いに隣接する二つのロータ・ブレードの間にそれぞれ、スカラッピング輪郭（１１）を有し、
   各ロータ・ブレードの領域内のハブ表面（Ｆ１＋Ｆ２）は、ロータ・ブレードのサクション側及びプレッシャ側の前記スカラッピング輪郭の径方向で最も内側のポイント（Ａ，Ｂ）の間のスカラッピング輪郭により、そしてこれら二つのポイントを通る直線により、境界付けられ、
   前記ハブ表面（Ｆ１＋Ｆ２）を二分する径方向のライン（１３）は、交差ポイント（Ｃ）で前記スカラッピング輪郭（１１）に交差する、
   タービン・ホイールにおいて、
   各ロータ・ブレード（１４）の前記ハブ・ブレード・ジャンクション（１２）が、前記交差ポイント（Ｃ）に対して、ロータ・ブレードのプレッシャ側の方向に、それぞれ、オフセットして配置されていること、
   各ロータ・ブレードの前記ハブ・ブレード・ジャンクション（１２）は、ロータ・ブレードのサクション側とプレッシャ側の間で、前記スカラッピング輪郭（１１）の径方向で最も内側のポイント（Ａ，Ｂ）を二分し、且つ、これら二つのポイントを通る直線により境界付けられるハブ表面（Ｆ１＋Ｆ２）を二分すること、及び、
   前記スカラッピング輪郭（１１）は、前記径方向のライン（１３）に対して対称であり、且つ、前記径方向のライン（１３）と前記スカラッピング輪郭（１１）の交差ポイント（Ｃ）は、スカラッピング輪郭（１１）上の径方向について最も高いポイントに位置していること、
   を特徴とするタービン・ホイール。
2. 請求項１に記載のタービン・ホイールを有する混流タービン。
3. 請求項１に記載のタービン・ホイールを有するラジアル・タービン。
4. 請求項１に記載のタービン・ホイールを有するラジアルまたは混流タービンを有する排ガス・ターボ・チャジャー。

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