JP4818121B2 - ターボチャージャタービン及びコンプレッサのための輪郭付きブレード - Google Patents

Description

本発明は一般にターボチャージャ内でガスを循環させるタービン及びコンプレッサのような回転装置に関し、特に、少なくとも１つの縁部に沿って非直線状の輪郭（nonlinear profile）を画定するブレードを有するロータを備えた装置に関する。

ターボチャージャに使用されるようなラジアルタービン及びコンプレッサは、典型的には、ハウジング内に回転自在に装着され、ハウジングの内表面に近接して半径方向外方に延びるブレードを画定するロータ即ちホイールを有する。ハウジングは空気又は他のガスを受け取るための入口と、そこを通してガスを循環させる出口とを画定する。タービンの場合、ロータはタービンホイールハウジング内に回転自在に装着されたタービンホイールである。内燃エンジンからの排気ガスのようなガスはホイールのまわりで円周方向に延びる入口を通ってハウジング内に流入し、ほぼ軸方向で流出する。ガスがハウジングを通過するとき、タービンホイールが回転する。

典型的なターボチャージャにおいては、タービンホイールは、シャフトにより、コンプレッサホイールハウジング内に回転自在に装着されたコンプレッサホイール即ちロータに接続される。コンプレッサホイールハウジングはまた入口及び出口を画定し、コンプレッサホイールはコンプレッサホイールハウジングを通して空気を送給する半径方向のブレードを有する。特に、コンプレッサホイールは入口を通して空気を軸方向内方へ引き込み、コンプレッサホイールのまわりで円周方向に延びるディフューザを通して空気を半径方向外方へ送給する。

タービン及びコンプレッサのロータのブレードはハウジング及び他の相対的に静止の素子に近接して位置する縁部を有する。例えば、近代的なターボチャージャのタービン及びコンプレッサは装置を通るガス流を制御するために入口及び（又は）出口にステータを備えることができる。タービンにおいては、ステータは静止の又は調整可能なノズルを画定するために入口において円周方向に配置された羽根とすることができる。ノズルはタービンを通るガス流を制御するように選択的に開閉できる。コンプレッサにおいては、ステータはコンプレッサを通る空気流を制御する可変のディフューザを画定するために出口において円周方向に配置された羽根とすることができる。

ロータとステータとの近接、ロータの高回転速度及び高作動圧力のため、ロータのブレードはブレード内に交互の歪及び応力を生じさせる不安定な空気力学的な励振力を受ける。このような不安定な又は周期的な励振力は同様に入口の面積を横切って変化する圧力でガスを入口に供給する入口案内羽根又は湾曲入口マニホルドのような他の静止の又は調整可能な素子から由来することがある。例えば、入口案内羽根はしばしばコンプレッサの入口に設けられ、そこを通して空気流を導く。従って、ブレードはロータの回転速度及び羽根又は他の静止の素子の数及び位置に関連する周波数で周期的に応力を受ける。このような周期的な応力はロータの疲労及び故障を招くことがある。

ロータの共振周波数において生じる任意の不安定な空気力学的な励振力のために発生するロータ上の周期的な応力及び歪を決定するために、タービンのような回転装置の設計中に、強制応答解析を行うことができる。ロータの不安定な空気力学的な機械的応答は、例えば、不安定な空気力学的な励振力を決定するためにコンピュータによる流体力学（ＣＦＤ）解析を行い、ロータの自然共振周波数を決定するために三次元有限素子法（ＦＥＭ）解析を行うことにより、最初に解析することができる。典型的には、装置のロータ又は他の素子の幾何学的な形状は、例えば、共振周波数がロータの作動範囲外で生じるようにロータ又は他の装置の形状を調整することにより、不安定な空気力学的な励振力から由来するロータの応力及び歪を減少させるように慣習的に調整又は修正される。装置の通常の作動範囲は、低速度及び作動のその速度に関連する圧力のため、ロータの共振周波数の最低値に対応する周期的な空気力学力を受けたときに、ロータが大きな応力を受けないようなものである。

しかし、ターボチャージャの作動速度範囲外の一層大きな共振周波数を調整することがしばしば不可能であるか又は実践的でないことがある。従って、例えば、作動のある時間中に、ロータはロータの共振振動周波数の第２のモード即ち一層高いモードに等しい周波数を有する周期的な空気力学的な励振力を受けることがある。従って、デザイン解析はそのような周波数においてロータ内に生じる歪及び応力を決定する工程と、ロータの予期される寿命が最小デザイン基準を満たすことを確かめる工程とを有することができる。しかし、ある場合、ロータは、ロータの予期される寿命を最小デザイン基準以下に減少させるような交互する歪を受けることがある。

従って、ターボチャージャに使用するタービン及びコンプレッサのような回転装置のための改善されたロータの要求が存在する。好ましくは、装置のロータの１又はそれ以上の振動モードにおけるものを含む、装置の作動範囲にわたって生じることのある周期的な空気力学的な励振力に拘わらず、装置の作動寿命を延ばすように、装置は減少した歪及び応力を受けるべきである。

一般的な表現で本発明を説明するに当り、必ずしも実寸で描いたとは限らない添付図面をここで参照する。ここで、本発明のすべての実施の形態ではなくそのいくつかを示す添付図面を以後参照しながら、本発明を一層詳細に説明する。実際、本発明は多くの異なる形として具体化でき、ここで述べる実施の形態に限定されるものと解釈すべきではなく；逆に、これらの実施の形態は、この開示が適切な法的要求を満足させるように、提供される。同様の符号は全体にわたって同様の素子を示す。

図１には、本発明の１つの実施の形態に係る回転装置１０を示す。図１に示すように、回転装置１０はタービンとして構成されるが、本発明の他の実施の形態においては、回転装置１０はまたコンプレッサとして使用することもできる。本発明に係るコンプレッサ及びタービンは、内燃エンジンに関連して使用されるターボチャージャ内に含ませることができる。代わりに、回転装置１０は、例えば作動条件が周期的に変化する圧力を含むような他の応用に使用することができる。

回転装置１０は、入口１４及び出口１６を画定するハウジング１２を有する。この場合タービンホイールであるロータ３０はハウジング１２内に回転自在に装着され、ハウジング１２を通るガスにより回転するように形状づけられる。従って、ガスは入口１４から入って、ロータ３０及びシャフト５０の長手軸線に対してほぼ接線方向１５に流れ、ロータ３０のまわりで円周方向に延びるボリュート１８内で円周方向に流れ、次いで、ノズル２０を通ってほぼ半径方向内方へロータ３０まで流れる。ガスはロータ３０上の複数の半径方向に延びるブレード３２上に圧力を作用させ、ロータ３０を旋回させる。次いで、ガスはほぼ軸方向１７に流れてハウジング１２の出口１６から出る。

ロータ３０は、ロータ３０が回転するときにシャフト５０が旋回するように、シャフト５０に接続される。ターボチャージャに使用する場合、シャフト５０は典型的には中央のハウジング（図示せず）を通って延び、そこでは、軸受がシャフト５０を支持することができ、潤滑及び冷却のためにオイルを提供することができる。タービン１０とは反対の中央のハウジングの側で、シャフト５０は、タービン１０がシャフト５０を回転させたときにコンプレッサが回転作動するように、コンプレッサのコンプレッサホイール（図示せず）に接続することができる。

羽根２２のようなステータ又は他の流れ制御装置をノズル２０内に設けて、そこを通るガスの流れを制御又は調整することができる。例えば、羽根２２はノズル２０内で円周方向に間隔を隔てて配置することができ、回転自在に調整されるように形状づけることができ、それによってノズル２０の幾何学形状を変更し、ガスの流れに影響を及ぼすことができる。このような可変のノズル２０は更に米国特許第６，４１９，４６４号明細書に記載されており、その全体の内容を参照のためにここに組み込む。代わりに、羽根２２は固定することができ、軸方向に摺動するピストン（図示せず）を使用してタービンノズルの流れ面積を変更することができる。ノズル２０の調整はその作動範囲にわたってタービン１０の効率を増大させることができる。
米国特許第６，４１９，４６４号明細書 ロータ３０はシャフト５０に接続された本体部分３４と、本体部分３４からほぼ半径方向外方に延びる複数の羽根２２とを有する。「ほぼ半径方向」という用語は、ブレード３２が半径方向に延びるが、ロータ３０の軸方向にも延びることができることを意味する。図２、３に示すように、各ブレード３２はほぼ半径方向に延びる第１の縁部３６と、ほぼ軸方向に延びる第２の縁部３８とを画定する。第１及び第２の縁部３６、３８はその間を延びる覆い部分４０により接続される。縁部３６、３８は典型的には装置１０の他の部分に近接するように形状づけられる。例えば、各ブレード３２の覆い部分４０はハウジング１２の１ミリメートル以内で延びることができ、第２の縁部３８はノズル２０の羽根２２の数ミリメートル以内で延びることができる。

各ブレード３２の第２の縁部３８はブレード３２の前縁又は後縁である。例えば、タービンの場合、各ブレード３２の第２の縁部３８は前縁であり、第１の縁部３６は後縁である。すなわち、ロータ３０が回転すると、第２の縁部３８はハウジング１２内へ流入するガスに接触し、その後、ガスは第１の縁部３６の方へ流れる。また、ロータ３０が回転すると、各ブレード３２は各羽根２２又はノズル２０の周辺のまわりで画定された他の構造体から外れる流れ場を通過する。流れ場は運動するブレード３２に関して不均一であり、一定ではない。その結果、各ブレード３２の対向面４２、４４上の圧力は周期的に増減する。更に、ブレード３２全体にわたる歪はまたロータ３０の回転速度、羽根２２又は他の構造体の数及び位置に対応する周波数で周期的に増減する。一般に、圧力及び歪の一時的な変化はブレード３２の面４２、４４全体にわたって均一ではない。

ブレード３２上の圧力及び歪の変化はまたハウジング１２の他の幾何学的な不均一性から又はそこを通るガスの流れに影響を及ぼすハウジング１２外の構造体から由来することがある。例えば、装置１０の入口１４内へ流入するガスは吸入マニホルドを通して供給することができる。吸入マニホルド内の屈曲部はそこを通るガスの流れを混乱させることがあり、そのため、ガスは入口１４の横断面積を横切って不均一な圧力で装置１０へ入ることがある。

好ましくは、各ブレード３２の第２の縁部３８は子午線（半径方向又は軸方向即ちＲ−Ｚ）面内へ突出するような非直線状の輪郭を画定する。すなわち、Ｒ−Ｚ面内へ突出するような第２の縁部３８の輪郭は直線ではない。非直線状の第２の縁部３８は１又はそれ以上の直線部分を含むことができるが、縁部３８の少なくとも一部はＲ−Ｚ面内で直線状ではなく、例えば、Ｒ−Ｚ面内へ突出するような湾曲部分又は角度部分又は他の不連続部のような非直線部を含む。例えば、図３は本発明の１つの実施の形態に係るブレード３２の外側形状即ち輪郭をグラフ的に示す。図３−８に示す軸はロータ３０のＲ即ち半径方向及びＺ即ち軸方向に対応する。

図３に示すように、第２の縁部３８の輪郭はＲ−Ｚ面内へ突出するような非直線状である。一層詳細には、第２の縁部３８は、凹部分の曲率が第２の縁部３８の半径方向外方に位置する曲率の中心を画定するように、凹状となった輪郭をＲ−Ｚ面内で画定する。これに対比して、従来のタービンのロータブレード３２ａの第２の縁部３８ａの直線状の輪郭は点線で示す。有利には、第２の縁部３８の非直線状の形状はブレード３２上の周期的な空気力学的励振力のためにブレード３２内で誘起される歪を減少させることができる。好ましくは、ロータ３０のすべてのブレード３２は実質上類似の輪郭を持つ第２の縁部３８を有する。

本発明の１つの実施の形態によれば、ブレード３２の形状は作動に関連するブレード３２上の不安定な圧力、並びに、その結果のブレード３２の変位及び歪を最初に決定することにより、決定される。「変位」という用語は一般にブレード３２上の不安定な圧力力の方向において生じるブレード３２の変位を言う。次いで、ブレード３２の輪郭は不安定な高い圧力及び不安定な圧力の方向において生じる大きな変位に曝されるブレード３２の部分を減少させるように修正される。例えば、図３に示すブレード３２の形状は図４Ａ、４Ｂに示すような直線状の第２の縁部３８ａを備えた従来のブレード３２ａのようなブレードを寸法的に画定する第１のパラメータを最初に提供することにより発現することができる。

更に、第１のパラメータは材料又はブレード３２ａの強度即ちこわさのようなブレード３２ａの他の物理的特性を画定することができる。従来のブレード３２ａのための予期される周期的な圧力輪郭を画定する第２のパラメータも提供される。第２のパラメータは、例えばブレード３２ａの近傍での羽根又は他の構造体の存在のために、ブレード３２ａがハウジング内で回転するときにブレード３２ａの対向面４２ａ、４４ａ上に生じる周期的な圧力の周波数及び振幅を画定することができる。特に、第２のパラメータは、周期的な力がブレード３２ａの第２の振動モードに対応する周波数で生じるような速度でブレード３２ａが回転するときに生じるような、輪郭上で不均一な一時的な圧力変化即ちブレード３２ａの各面４２ａ、４４ａ上での不安定圧力の分布を画定することができる。

ブレード３２ａの結果としての変位輪郭又はパターン即ちブレード３２ａ全体の変位の画定も決定することができる。同様に、歪輪郭は周期的な圧力から由来するブレード３２ａ全体の歪を画定するために決定することができる。圧力、変位及び歪輪郭は数学的に決定することができ、例えば、第１及び第２のパラメータに従って圧力、変位及び歪を数学的に模型化するためのコンピュータプログラムを使用して決定することができる。代わりに、ブレード３２ａ上の圧力、変位、歪及び（又は）応力は経験的に又は他の方法により決定することができる。

従来のブレード３２ａの各面４２ａ、４４ａのための変位及び歪輪郭を図４Ａ、４Ｂ及び５Ａ、５Ｂにそれぞれグラフ的に示す。図４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂに示すように、図示の実施の形態のための最大変位及び歪はほぼブレード３２ａの第２の縁部３８ａ即ちタービンブレードの前縁の近傍で生じる。図４Ａ、４Ｂから、第２の縁部３８ａの中心の近傍の部分４６ａはブレード３２ａの隣接する部分よりも相対的に一層大きな変位を受けることが分かろう。図５Ａに示すように、ブレード３２ａの同じ部分４６ａで生じる歪はまたブレード３２ａの隣接する部分での歪よりも相対的に一層大きい。典型的には、大きな歪又は変位を受けるブレード３２ａの部分は大きい周期的な圧力を受けるブレード３２ａの部分と少なくとも部分的に一致する。

本発明の１つの実施の形態によれば、ブレード３２の形状は従来のブレード３２ａを幾何学的に画定する第１のパラメータを調整することにより修正される。一層詳細には、第１のパラメータは、非直線状の縁部を画定し、隣接する部分よりも相対的に一層大きな変位を受ける部分４６ａを少なくとも部分的に取り除くように調整される。従って、図３に示すブレード３２は相対的に大きな変位を受ける従来のブレード３２ａの少なくとも一部を排除するように修正されている。好ましくは、ブレード３２は、大きな変位が大きい周期的な圧力と一致するような即ちブレード３２が不安定な周期的圧力の方向にかなり変位しているような従来のブレード３２ａの部分を排除するように修正できる。

有利には、ブレード３２の輪郭の修正はブレード３２の歪及び応力を減少させることができる。例えば、図７Ａ、７Ｂは従来のブレード３２ａと同様の作動パラメータで作動しているブレード３２の歪輪郭を示す。ブレード３２上の最大歪は図５Ａ、５Ｂに示す従来のブレード３２ａのものよりもかなり小さい。一層詳細には、従来のブレード３２ａの第２の縁部３８ａで生じる最高の歪は排除されてしまっている。更に、本発明のブレード３２の非直線状の縁部３８の近傍の歪は従来のブレード３２ａの対応する部分において生じる歪よりも小さい。

本発明は任意の特定の作動理論に限定されないが、ブレード３２の輪郭の変更は生じる励振力によるロータ３０の特定のモードの励起から由来する変位又は歪を減少させるようにロータ３０のモード形状の変化を生じさせることができると思われる。すなわち、ブレード３２の形状の変更はモード形状の対応する変更を生じさせ、それによって、励振力によるロータ３０への影響を一層少なくするものと思われる。

図７Ａ、７Ｂはブレード３２の第２の振動モードでブレード３２を励振させるための周波数で生じる周期的な力に関連する歪の減少を示すが、また、ブレード３２の非直線状の輪郭が他の作動モード中にブレード３２に生じる歪を減少させることができることを認識されたい。例えば、図６Ａ、６Ｂはブレード３２ａの第３の振動モードに対応する周波数における周期的な力を含む速度での作動中の従来のブレード３２ａの歪輪郭を示す。同様に、図８Ａ、８Ｂはブレード３２の第３の振動モードに対応する周期的な力に対する本発明のブレード３２の歪輪郭を示す。図示のように、ブレード３２の非直線状の縁部での歪は従来のブレード３２ａの直線状の縁部３８ａでの歪よりも小さい。

第２の縁部３８の輪郭の調整は比較的大きな変位を受けるブレード３２ａの部分４６ａに精確に一致させる必要はない。代わりに、輪郭の調整はまたブレード３２の強度、ブレード３２を鋳造又は形成する容易さ、ブレード３２従ってロータ３０の空気力学的な性能及び付加的な考察を考慮して決定することができる。例えば、輪郭は、さもなければ応力を集中させるか又は不必要な圧力損失を生じさせることのある鋭利な縁部を最小にするために円滑な曲線を画定することができる。縁部３８の輪郭の変更は、またロータ３０の振動質量の減少を生じさせることができ、これは典型的にはロータ３０の自然振動周波数を増大させ、ロータ３０の作動周波数を越えるようにロータ３０の１又はそれ以上の共振周波数を増大させることを可能にする。

更に、ブレード３２の輪郭の調整又は修正は、例えばブレード３２の変位又は歪輪郭を繰り返し決定し、最大の変位を受ける１又はそれ以上の部分を解除するようにブレード３２を修正することにより、反復的に遂行することができる。

先の説明では、タービンのためのタービンホイールに関連してロータ３０を述べたが、代わりに、ロータ３０は他の応用のために使用できることも認識されたい。例えば、図９に示すように、ロータ３０はコンプレッサホイールとすることができ、ハウジング１２はコンプレッサ６０のためのコンプレッサハウジングとすることができる。コンプレッサ６０の作動中、コンプレッサホイール３０はタービンホイールにおいて生じるものと同様の圧力、変位及び歪を受けることがある。特に、コンプレッサホイール３０は、例えば羽根２２のようなステータの近傍で回転するブレード３２のために、周期的な力を受けることがある。

典型的には、コンプレッサに使用した場合、各ブレード３２の第１の縁部３６は前縁となり、第２の縁部３８は後縁となる。従って、空気又は他のガスはハウジング１２を通って上述とは逆の方向に流れ、すなわち、空気は入口１４ａを通ってブレード３２の第１の縁部３６の方へ軸方向１５ａに進入し、ブレード３２により加圧され、そこからボリュート（volute;渦巻室）１８へ半径方向外方に送給される。ボリュート１８から、圧縮された空気は出口１６ａを通して横断方向１７ａへ排出される。コンプレッサに関しては、ロータ３０とボリュート１８との間のハウジング１２の部分は一般にディフューザ２１と呼ばれ、ここでは、コンプレッサからの空気の速度が遅くなる。

調整可能な羽根２２はそこを通る空気流を制御するためにディフューザ２１内に設けることができる。羽根２２は、ロータ３０が回転するときに、羽根２２がロータ２０のブレード３２上で周期的な圧力変化を生じさせて、周期的な空気力学的励振力をブレード３２に受けさせるように、ロータ３０に近接するように形状づけられる。ブレード３２上の変位及び（又は）歪は上述のように模型化することができ、ブレード３２の第２の縁部３８は、ブレード３２内の歪を最小化するために非直線状の輪郭を具備することができる。

本発明のいくつかの実施の形態においては、ブレード３２の第１の縁部３６はまた第１の縁部３６での及びその近傍での歪を最少にするために非直線状の輪郭を画定することができる。例えば、ブレード３２の第１の縁部３６の輪郭づけは、ロータ３０が第１の縁部３６において周期的な圧力変化を受ける場合に、有利となる。第１の縁部３６におけるこのような変化は、例えば、入口案内羽根（図示せず）により、第１の縁部３６の近傍のハウジングの幾何学的不均一性により、又はハウジング１２を通る不均一な流れを招くハウジング外部の構造により、生じることがある。

本発明に関連する当業者なら、上述の説明及び関連する図面において示した教示により、ここで述べた本発明の多くの修正及び他の実施の形態が思い浮かぶであろう。それ故、本発明が開示された特定の実施の形態に限定されないこと、および、修正及び他の実施の形態が特許請求の範囲の要旨内に含まれることを意図することを理解すべきである。ここでは特定の用語を使用したが、これらの用語は一般的で記述的な意味においてだけ使用するものであり、限定の目的は持たない。

本発明の１つの実施の形態に係る回転装置を示す断面図である。 図１の装置のロータを示す斜視図である。 従来のブレードと比較した、図２のロータのブレードの１つを示す立面図である。 図４Ａはブレードの第２の振動モードに対応する従来のブレードの第１の側における変位パターンを示すグラフであり、図４Ｂはブレードの第２の振動モードに対応する図４Ａの従来のブレードの第２の側における変位パターンを示すグラフである。 図５Ａはブレードの第２の振動モードに対応する図４Ａの従来のブレードの第１の側における歪パターンを示すグラフであり、図５Ｂはブレードの第２の振動モードに対応する図４Ａの従来のブレードの第２の側における歪パターンを示すグラフである。 図６Ａはブレードの第３の振動モードに対応する図４Ａの従来のブレードの第１の側における歪パターンを示すグラフであり、図６Ｂはブレードの第３の振動モードに対応する図４Ａの従来のブレードの第２の側における歪パターンを示すグラフである。 図７Ａは本発明の１つの実施の形態に係るブレードの第２の振動モードに対応する図３のブレードの第１の側における歪パターンを示すグラフであり、図７Ｂはブレードの第２の振動モードに対応する図３のブレードの第２の側における歪パターンを示すグラフである。 図８Ａはブレードの第３の振動モードに対応する図３のブレードの第１の側における歪パターンを示すグラフであり、図８Ｂはブレードの第３の振動モードに対応する図３のブレードの第２の側における歪パターンを示すグラフである。 本発明の別の実施の形態に係る回転装置を示す断面図である。

Claims (6)

1. 入口及び出口を画定するハウジング（１２）と、該ハウジング内に位置されるロータ（３０）と、を有する回転装置であって、
   前記ロータがハウジング（１２）内において回転するように構成され、
   前記ロータ（３０）は、
   軸線のまわりで回転するようにされた本体部分（３４）と；
   本体部分から半径方向外方へ延びる複数のブレード（３２）であって、各ブレードが第１の縁部（３６）と第２の縁部（３８）とを有し、第１の縁部（３６）がほぼ半径方向に延び、第２の縁部（３８）がほぼ軸方向に延びるような複数のブレードと；を有し、
   各ブレードの第２の縁部（３８）が、ブレードの前縁であり、半径方向又は軸方向の突起内に凹状の輪郭を画定し、
   前記回転装置は、複数の羽根（２２）を更に有し、これらの羽根は、ブレード（３２）がロータの回転中に羽根の近傍を通過するときに、ブレードが周期的に変化する空気力学的な力を受けて、ブレードを周期的に圧迫するように、ブレードの第２の縁部（３８）から半径方向外方でハウジング内に位置し、
   前記羽根（２２）がハウジング（１２）を通るガス流を制御するように調整可能であることを特徴とする回転装置。
2. 前記ロータ（３０）がハウジング（１２）内の複数の羽根（２２）の近傍で回転するように構成されることを特徴とする請求項１の回転装置。
3. 前記ロータ（３０）がシャフト（５０）に接続されたタービンホイールであり、該ホイールがハウジングを通るガスにより回転させられ、それによってシャフト（５０）を回転させるように構成されることを特徴とする請求項１の回転装置。
4. 前記第１の縁部（３６）がブレードの後縁であり半径方向又は軸方向の突起内に非直線状の輪郭を画定することを特徴とする請求項１の回転装置。
5. 前記ブレード（３２）の全部が実質上類似することを特徴とする請求項１の回転装置。
6. 前記ハウジング（１２）がロータ（３０）から半径方向外方に入口（１４）を画定し、ロータがシャフト（５０）に接続されたタービンホイールであり、タービンホイールがハウジング（１２）を通るガスの循環により回転させられシャフト（５０）を回転させるように構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項の回転装置。

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