JP5102315B2 - タービン・ホイール - Google Patents

Description

本発明は、流体機械、特に、過給された内燃機関のための排ガスターボチャージャの分野に関する。

本発明は、複数の可動ブレードを有するタービン・ホイールに関する。これらの可動ブレードは、夫々、自由端に、シュラウド・セグメントを有し、タービン・ホイールの、二つの互いに隣接して設けられたシュラウド・セグメントの間に、移行部を有している。

熱式の流体機械の軸方向タービン、例えば、ガスタービンまたは排ガスターボチャージャのタービンは、複数の可動ブレードを有している。これらの可動ブレードは、シャフトを中心として回転可能に取り付けられたハブに設けられている。可動ブレードは、径方向外側の自由端に、しばしば、シュラウド（Shroud）と呼ばれるカバーを有している。シュラウドは、夫々１つの可動ブレードに一体的に結合された個々のセグメントから構成されている。

これらのセグメントは、組立の際にブレードの初期ねじり応力（Torsionsvorspannung）により、または操作中に、遠心力の影響下でのブレードの自然な反作用によって、互いに押圧される。シュラウドの機能は、ギャップ損の最小化による熱力学的な効率の改善、及び制動作用及び補強作用による振動挙動の最適化にある。

隣接して設けられた二つの可動ブレードの複数のシュラウド・セグメントの間の、移行部の設計は、熱力学、作業安定性、表面圧力、据付可能性及び製造に関する種々の基準でなされる。この場合、複数のシュラウド・セグメントの間の移行部の最適な形状は、上記の設計基準に基づいて、しばしば、面倒な製造方法によってしか製造することができない程に複雑である。このことは、例えば一次元の研磨過程によって加工されることが可能な簡単な表面との比較では、鋳造される可動ブレードの製造の際に、かなりの追加コストをもたらす。

ガスタービンの、隣接して設けられた複数の可動ブレードの、その複数のシュラウド・セグメントの間の移行部の実例の形状は、US 5,593,282 の図４に示されている。

タービン・ホイールの、隣接して設けられた複数の可動ブレードの、その複数のシュラウド・セグメントの間の移行部が、EP 1 724 441 に開示されている。この移行部は、接触領域とギャップ領域とに区分されており、接触領域及びギャップ領域は、径方向上方に設けられている。

米国特許第 US 5,593,282 号明細書 米国特許出願公開第 EP 1 724 441 号明細書

本発明の課題は、タービン・ホイールの、隣接して設けられた可動ブレードの、その複数のシュラウド・セグメントの間に移行部を、熱力学、作業安定性、表面圧力、据付可能性及び製造に関する要求を満たすことが可能であるように、構成することである。

本発明により、このためには、タービン・ホイールの、隣接して設けられた複数の可動ブレードの、その複数のシュラウド・セグメントの間の移行部が、二つの領域に、即ち、安価に加工される簡単な接触領域と、任意に複雑な、鋳造された残りの領域とに区分される。この場合、シュラウドは、径方向に、従って、ブレードの高さの上の方向に見て、二つの面に区分されている。径方向外側の上の面は、接触領域で、複数のブレードの間の機械的な結合の機能を担う。複数の隣接したブレードのシュラウド・セグメントは、この領域で接触している。

シュラウドの下面は、流れの案内の、特に、ブレードの先端における過剰流量の減少の機能を担う。この領域では、シュラウドが、流れの方向に見て、接触領域よりも幅広いことは好都合である。この面における、隣接して設けられた複数の可動ブレードへの移行部は、流れ及び据付可能性の観点から、一般的には接触領域とは異なって方向付けされている。この面には、力による結合が不要なので、シュラウド・セグメントの表面の成形を鋳造技術で実現することが可能である。鋳造の許容差を補うためには、この接触領域を隙間嵌めとして設計しても良い。

軸方向に好都合にもシュラウドの中央領域に設けられている接触領域では、可動ブレードの端部の間の力の伝達がなされる。移行部の残りの領域は、夫々互いに隣接して設けられた可動ブレードの複数のシュラウド・セグメントの間にギャップを有している。それ故に、この領域では、これらの可動ブレードの間で接触が生じない。

本発明では、接触領域には、単純な表面形状が備えられる。それ故に、接触領域は、機械的に簡単に加工される。これに対し、ギャップの領域では、移行部は、より複雑な、特に非線形の、表面の広がり（Oberflaechenverlauf）を有している。この広がりは、既に、可動ブレードの鋳造ブランクの製造の際に鋳造の型で、成形される。シュラウドの、接触のために不要な内側領域は、複数の可動ブレードの複数のシュラウド・セグメントの間の力の伝達のために全然寄与しない。内側領域の機能は、実質的に、ブレードの先端における過剰流量による熱力学的損失の減少にある。

接触領域における表面の角度位置は、実質的に、メカニック及び据付可能性の境界条件によって定められている。接触面を、寸法精度の高い要求の故に、機械的に加工、例えば研磨することが可能である。安価な加工のためには、接触面を、平らな面としてデザインすることも可能である。

他の利点は、従属請求項から生じる。

本発明に基づいて並列されている複数の可動ブレードからなる１グループの、軸に対し横方向且つ径方向外側に見た等角投影図を示す。 図１に示した可動ブレードのグループの、軸に対し横方向且つ径方向内側に見た等角投影図を示す。 図１に示した可動ブレードのグループの、軸方向に見た等角投影図を示す。 図１に示した可動ブレードのグループの、軸に対し垂直方向且つ径方向内側に見た等角投影図を示す。

続いて、図面を参照して、タービン・ホイールの、隣接して設けられた複数の可動ブレードの、その複数のシュラウド・セグメントの間の、本発明に係わる移行部の実施の形態を説明する。

図１は、ターボチャージャの軸方向タービンの可動ブレード１０の一部分を示す。可動ブレードのブレードフット１４は、ブレード支持部即ちタービン・ホイールのハブに設けられている。タービン・ホイールのハブは、シャフト上に、軸を中心として回転自在に取り付けられている。ここで用いられる概念「径方向に」、「軸方向に」及び「周方向に」は、この軸に関連している。通常、タービンフットは、もみの木の形状に形成されており、軸方向に、鏡像対称的に形成された複数の溝に押し込まれており、軸方向にロックされている。可動ブレードは、空気力学的に形成されたブレード本体１１を有している。

ブレード本体は、流れ即ち熱い排ガスに晒される。可動ブレードは、自らの径方向外側の自由端で、ブレード本体から軸方向に少なくとも部分的に突き出ているシュラウドを有している。シュラウドは、多くの短いセグメント１２に区分されており、これらのセグメントは夫々、可動ブレードに一体的に結合されている。本発明に基づいて構成される可動ブレードのシュラウドは、軸方向に延びているセグメントの径方向外側に、軸方向にセグメント１２より短く形成された第二の領域１３を有している。この第二の領域は、個々の可動ブレード同士の結合に用いられる。シュラウドの径方向内側の領域の機能は、実質的に、ブレードの先端における過剰流量による熱力学的損失の減少にある。

図１から明らかなように、シュラウド・セグメント１２の径方向内側の領域には、夫々二つの互いに隣接して設けられたシュラウド・セグメントの間に、ギャップ９がある。これに対し、図２から明らかなように、径方向外側のシュラウド・セグメントが、隙間なく、互いに接するように押圧されている。本発明では、従って、複数のシュラウド・セグメントの間の移行部が、接触領域とギャップ領域とに区分されている。

接触領域には、各々のシュラウドメントが、その両端において周方向に、容易に加工される接触面１５を有している。接触面が、一つの平らな面であるか、あるいは、幾つか平らな面からなることは、好都合である。従って、各々の可動ブレードの接触領域は、単純な幾何学的形状の故に、容易に機械的に加工、例えば、研磨またはフライス切削される。

これに対し、ギャップ領域では、表面１６は、任意に複雑な形状を有することが可能である。それ故に、例えば、流体工学的に最適な以降部を成形することが可能である。移行部のこの領域を、既に可動ブレードの鋳造の際に、最終的な形状で製造することが可能である。鋳造の際の造形は、複雑な移行領域の後からの機械的な成形より一層安価である。今あるギャップの故に、複雑な鋳造成形の際に生じる、意図した表面の広がりとの相違を許容することが可能である。それ故に、通常は、この領域の再加工を全面的に省略することが可能である。

図３は、複数の可動ブレードの、軸方向におけるグループを示す。ギャップ１９が、軸方向に突出しているシュラウド・セグメント１２の間に、明瞭に認められる。

図４は、可動ブレードと、径方向外側から内側へ見たシュラウドを示す。同様に、軸方向外側のシュラウド・セグメント１２同士の間のギャップ１９と、シュラウドの、周方向にぴったり隣接するように押圧された内側領域１３とが認められる。

１０・・・可動ブレード、１１・・・ブレード本体、１２・・・シュラウドの内側領域、１３・・・シュラウドの外側領域、１４・・・ブレードフット、１５・・・接触面、１６・・・ギャップ領域における表面の広がり、１８・・・接触領域、１９・・・ギャップ領域。

Claims (5)

1. 複数の可動ブレード（１０）を有するタービン・ホイールであって、
   これらの可動ブレードは、軸を中心として回転可能なハブに設けられていて、夫々、径方向外側の端部にシュラウド・セグメント（１２，１３）を有し、
   これらのシュラウド・セグメントは、周方向に並列された状態で環状のシュラウドを形成し、
   互いに隣接して配置された二つの可動ブレードの間の移行部は、シュラウドの領域において接触領域（１８）とギャップ領域（１９）とに区分されていて、前記接触領域（１８）では、前記各々のシュラウド・セグメントが、周方向に互いに押圧され、前記ギャップ領域（１９）では、前記各々のシュラウド・セグメントの間に、周方向にギャップが存在する、
   タービン・ホイールにおいて、
   前記接触領域（１８）は、前記ギャップ領域（１９）の径方向外側に配置され、それによって、前記各シュラウド・セグメントが、周方向に互いに押圧される径方向外側の部分（１３）と、周方向にギャップによって互いから分離される径方向内側の部分（１２）とに区分され、
   前記径方向内側の部分（１２）は、軸方向において、前記径方向外側の部分（１３）と比べて幅が広いこと、
   を特徴とするタービン・ホイール。
2. 前記可動ブレードは、前記接触領域（１８）で、機械的に加工された接触面（１５）を有し、前記ギャップ領域（１９）では、機械的に処理されていないこと、を特徴とする請求項１に記載のタービン・ホイール。
3. 前記可動ブレードは、前記接触領域（１８）で、平らな接触面（１５）を有し、前記ギャップ領域（１９）で、非線形の表面形状（１６）を有していること、を特徴とする請求項１または２に記載のタービン・ホイール。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載のタービン・ホイールを有する、排ガスターボチャージャのタービン。
5. 請求項４に記載のタービンを有する排ガスターボチャージャ。

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