JP4918455B2

JP4918455B2 - ターボチャージャー

Info

Publication number: JP4918455B2
Application number: JP2007282882A
Authority: JP
Inventors: 隆雄横山; 浩鈴木; 幹惠比寿
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2027-10-31
Also published as: JP2009108791A

Description

本発明は、タービンホイール、特に、ターボチャージャー（過給機）に使用されるタービンホイールに関するものである。

ターボチャージャーに使用されるタービンホイールとしては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。
特開２００３−２０１８０２号公報

また、近年のターボチャージャーにおいては、コンプレッサのさらなる高圧力比化が求められているが、上記特許文献のタービンホイールを用いたとしても、ブレードの翼根およびボスに過大な遠心応力が発生してしまい、コンプレッサのさらなる高圧力比化を図るのは困難な状況にあった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、タービンホイール全体の固有振動数を増加させることができて、タービンホイールの許容回転数（最高回転数）をアップ（増加）させることができるタービンホイールを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係るターボチャージャーは、ボスと、このボスの表面上に放射状に配置された複数枚のブレードとを備え、その外周を取り囲むように配置されたノズルから中心方向に流れ込んだ流体が、流れの方向を変えて軸方向へ流出していくことにより、回転軸線まわりに回転するとともに、前記ブレード間の距離が最も狭くなるスロート部近傍の領域に、前記スロート部よりも上流側で隆起し始め、前記ブレードの後縁よりも上流側で、かつ、前記スロート部近傍で最も高くなり、前記ブレードの翼高さを減少させる肉盛部が形成されているタービンホイールを備えてなる。

本発明に係るターボチャージャーは、許容回転数（最高回転数）の高いタービンホイールを具備していることとなるので、コンプレッサホイールの回転数をアップ（増加）させることができて、コンプレッサの圧力比をアップ（増加）させることができる。

本発明に係るタービンホイールによれば、タービンホイール全体の固有振動数を増加させることができて、タービンホイールの許容回転数（最高回転数）をアップ（増加）させることができるという効果を奏する。

以下、本発明に係るタービンホイールの第１実施形態について、図１を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るタービンホイール（Turbine Wheel）１０は、ラジアルタービン（Radial Flow Turbine）に適用されるものであり、ボス（ディスク）１１と、このボス１１の表面（以下、「ボス面」という。）１１ａ上に放射状に設けられた（配置された）複数枚のブレード（動翼）１２とを備えている。
タービンホイール１０の外周側（半径方向外側）には、図示しないノズル（Nozzle）が周方向に沿って配置されており、このノズルからタービンホイール１０の中心方向に流れ込んだ燃焼ガス（流体）が、直角に流れの方向を変えて軸方向へ流出していくことにより、タービンホイール１０が、回転軸線Ｃまわりに回転するようになっている。

各ブレード１２は、ボス１１の大径側端部１１ｂにその前縁ＬＥが位置するとともに、ボス１１の小径側端部１１ｃにその後縁ＴＥが位置するようにボス面１１ａ上に設けられている。

ボス面１１ａの、スロート部（ブレード１２間の距離が最も狭くなる部分）近傍の領域、すなわち、ブレード１２の翼高さが高くなり、かつ、ブレード１２の翼根に発生する遠心応力が高くなる領域には、肉盛部１３が形成されている。この肉盛部１３は、一のブレード１２の翼根から、一のブレード１２と隣り合う他のブレード１２の翼根にわたって形成されている。また、この肉盛部１３は、スロート部よりも上流側で隆起し始め、スロート部よりも少し（若干）下流側で最も高くなり、小径側端部１１ｃの端面（出口側の端面）１１ｄのところで終了する、あるいは、スロート部よりも上流側で隆起し始め、スロート部よりも上流側で最も高くなり、スロート部よりも上流で終了する、断面視略山型の突起である。
なお、図１中の破線は、肉盛部１３が形成されていない従来のボス面を示している。

本実施形態に係るタービンホイール１０によれば、ブレード１２の後縁部（より詳しくは、スロート部近傍）に、ブレード１２の後縁部における翼高さを低減させる肉盛部１３が設けられている。
これにより、ブレード１２の翼根に発生する遠心応力を低減させることができるとともに、タービンホイール１０全体の固有振動数を増加させることができて、タービンホイール１０の許容回転数（最高回転数）をアップ（増加）させることができる。応力ピークはスロート部より上流側に発生することが多いため、スロート部上流側に前記の肉盛部を設けることで、有効に応力を低減させることができる。

本発明に係るタービンホイールの第１参考実施形態について、図２を参照しながら説明する。
図２に示すように、本実施形態に係るタービンホイール２０は、肉盛部１３の代わりに、肉盛部２１および窪み２２が設けられているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。

肉盛部２１は、一のブレード１２の翼根から、一のブレード１２と隣り合う他のブレード１２の翼根にわたって形成されている。また、この肉盛部２１は、大径側端部１１ｂの端面（入口側の端面）１１ｅよりも少し（若干）下流側で隆起し始め、下流側に向かって徐々に高くなり、ブレード１２の後縁ＴＥ付近で最も高くなって終了する突起である。
なお、図１中の破線は、肉盛部２１が形成されていない従来のボス面を示している。

窪み２２は、肉盛部２１の表面２１ａから半径方向内側（より詳しくは、回転軸線Ｃ）に向かって掘られた、平面視円形状を呈する複数個の穴である。また、この窪み２２は、一のブレード１２と、一のブレード１２と隣り合う他のブレード１２との間に形成された流路の中央部に、ブレード１２の翼根に沿って複数個（本実施形態では２個）ずつ形成されている。

本実施形態に係るタービンホイール２０によれば、ブレード１２の前縁ＬＥよりも下流側に少し（若干）離れた位置から後縁ＴＥにかけて、ブレード１２の翼高さを全体的に低減させる肉盛部２１が設けられているとともに、各流路の中央部に、ボス１１の重量を低減させる窪み２２が形成されている。
これにより、ブレード１２の翼根に発生する遠心応力およびボス１１の中心部に発生する遠心応力を低減させることができるとともに、タービンホイール２０全体の固有振動数を増加させることができて、タービンホイール２０の許容回転数（最高回転数）をアップ（増加）させることができる。

また、本実施形態に係るタービンホイール２０によれば、流路の中央部を肉盛部２１の表面２１ａに沿って上流側から流れてきた（燃焼ガスの）主流の一部が窪み２２内に入り込んで、窪み２２内に循環流が形成されることとなる。
これにより、肉盛部２１の表面２１ａに沿って流れる（燃焼ガスの）主流の剥離を低減させることができ、肉盛部２１の表面２１ａに発生する境界層の拡大を抑制することができて、タービンホイール２０内の損失を低減させることができるとともに、タービン効率の向上を図ることができる。

さらに、本実施形態に係るタービンホイール２０によれば、窪み２２の抜き勾配が０度よりも大きくなるように、すなわち、窪み２２の内径が肉盛部２１の表面２１ａから半径方向内側に向かって徐々に小さくなるように設定されている。
これにより、精密鋳造での製作が可能となり、製造コストを抑制することができる。

なお、本実施形態では、窪み２２の抜き勾配が０度よりも大きくなるように設定しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、窪み２２の抜き勾配を０度、すなわち、窪み２２の内径が肉盛部２１の表面２１ａから半径方向内側に向かって同一となるように設定することもできる。
また、窪み２２の抜き勾配を０度としても、精密鋳造での製作が可能であり、製造コストを抑制することができる。

本発明に係るタービンホイールの第２参考実施形態について、図３を参照しながら説明する。
図３に示すように、本実施形態に係るタービンホイール３０は、窪み２２の代わりに、連通穴３１が設けられているという点で上述した第１参考実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第１参考実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。

連通穴３１は、回転軸線Ｃに沿って延びるとともに、ボス１１の背面１１ｆと肉盛部２１の表面２１ａとを連通する穴であって、各流路に対して少なくとも一つずつ設けられている。

本実施形態に係るタービンホイール３０によれば、ボス１１の背面１１ｆ側に存する（燃焼）ガスが連通孔３１を通って流路内に流れ込むこととなる。
これにより、タービンホイール３０内の損失をより低減させることができ、タービン効率の向上をさらに図ることができる。

また、本実施形態に係るタービンホイール３０によれば、ブレード１２の前縁ＬＥよりも下流側に少し（若干）離れた位置から後縁ＴＥにかけて、ブレード１２の翼高さを全体的に低減させる肉盛部２１が設けられているとともに、ボス１１の重量を低減させる連通孔３１が形成されている。
これにより、ブレード１２の翼根に発生する遠心応力およびボス１１の中心部に発生する遠心応力を低減させることができるとともに、タービンホイール３０全体の固有振動数を増加させることができて、タービンホイール３０の許容回転数（最高回転数）をアップ（増加）させることができる。

なお、本発明はラジアルタービンのみに適用され得るものではなく、斜流タービンにも適用され得るものである。
また、図は全て背板付きのタービンホイールを示しているが、スカラップ付きタービンホイールにも適用可能である。

そして、本発明に係るタービンホイールを備えたターボチャージャー（過給機）によれば、コンプレッサホイールの回転数をアップ（増加）させることができて、コンプレッサの圧力比をアップ（増加）させることができる。

本発明の第１実施形態に係るタービンホイールの側断面図である。本発明の第１参考実施形態に係るタービンホイールの側断面図である。本発明の第２参考実施形態に係るタービンホイールの側断面図である。

１０タービンホイール
１１ボス
１１ａ表面
１１ｆ背面
１２ブレード
１３肉盛部
２０タービンホイール
２１肉盛部
２２窪み
３０タービンホイール
３１連通孔
Ｃ回転軸線
ＬＥ前縁
ＴＥ後縁

Claims

ボスと、このボスの表面上に放射状に配置された複数枚のブレードとを備え、その外周を取り囲むように配置されたノズルから中心方向に流れ込んだ流体が、流れの方向を変えて軸方向へ流出していくことにより、回転軸線まわりに回転するとともに、
前記ブレード間の距離が最も狭くなるスロート部近傍の領域に、前記スロート部よりも上流側で隆起し始め、前記ブレードの後縁よりも上流側で、かつ、前記スロート部近傍で最も高くなり、前記ブレードの翼高さを減少させる肉盛部が形成されているタービンホイールを備えてなることを特徴とするターボチャージャー。