JP6409048B2 - 排気ガスターボチャージャのタービンホイール - Google Patents

Description

本発明は、燃焼機関、特に内燃機関を過給するためのタービンホイールに関する。

前記タイプのタービンホイールが独国特許出願公開第１０２００５０５０７０７Ａ１号明細書から公知である。前記文献では、前記材料から構成されたタービンホイールが高い質量慣性モーメントを有するので、タービンホイールのニッケルベースの材料がロータ（タービンホイール、コンプレッサホイール及びシャフトから形成された組立体）の加速度に悪影響を及ぼすことが記載されている。

質量慣性モーメントを低減するための措置として、前記文献は、前記タイプの材料から構成されたタービンホイールの質量慣性モーメントが低減されるように、より低い密度を有するチタン・アルミニウム合金の使用を記載している。

本発明の目的は、高水準のタービン効率が達成される簡単な寸法決め、したがって構造のチタンアルミニド（ＴｉＡｌ）から構成されたタービンホイールを提供することである。

この目的は、請求項１の特徴によって達成される。従属請求項は、本発明の好ましい改良形態に関する。これらは、技術的に適切な方法で、互いに組み合わせることが可能であり、これによって、ある程度、個々の効果の総計を越える効果を実現し得る。

ホイール背部の外径がタービンブレードの接続領域の外径以上であることにより、閉鎖したホイール背部が形成され、より小さい通気損失がもたらされる。このようにして、チタンアルミニド材料から構成されたタービンの効率が高められ得る。

一改良形態では、ホイール背部は、少なくとも接続領域に隣接して、タービンブレードの壁厚に対して１．５：１〜２．５：１、特に１．７：１〜２．３：１、特に好ましくは１．８：１〜２．２：１の比率の壁厚を有する。

内燃機関がオーバーラン動作にあるとき、内燃機関はその質量慣性のため回転したままである。この時間中、燃料は注入されず、この結果、タービンホイールが比較的迅速に冷却するように、冷たい排気ガス又は空気がターボチャージャに流れる。タービンホイールの冷却により、タービンホイールの内部応力がもたらされる。従来技術のニッケルベースの材料から構成されたタービンホイールの場合、前記内部応力は危険ではない。しかし、延性、すなわち、チタンアルミニド材料の損傷なしに変形される能力は、関連する温度範囲の温度低下と共に低下する。さらに、チタンアルミニド材料の膨張係数は温度に対して一定でないため、より強力に冷却された領域は、高い内部応力を引き起こす。チタンアルミニド材料から構成されたタービンホイールの場合、一定でない膨張係数と延性の低下との組み合わせは、タービンホイールのクラック形成を生じることがある。驚くべきことに、ホイール背部の壁厚に対するタービンブレードの壁厚の比率が前段落で言及した比率である場合、適切な材料が提供され、これにより、オーバーラン動作のより遅い、したがってより均質な冷却の達成が保証されることが確認されている。

言及した比率により、タービンホイールの質量慣性モーメントは、チタンアルミニド材料の低密度のため、なお十分に低く、排気ガスターボチャージャの適切な加速度特性を達成することができる。

一改良形態では、軸方向に延びるホイールハブ領域は、接続半径が半径方向外側に増大する面取り領域で、ホイール背部の半径方向に延びる中間領域内に連続的に合流する。

前段落に記載したようなホイール背部の構造により、高強度のタービンホイールが得られる。

別の改良形態では、タービンブレードは、ホイール背部から及びタービンブレード接続半径を有するタービンホイールのハブから延び、タービンブレード接続半径はタービンブレードの延長長さ全体にわたって一定である。

この改良形態のため、タービンブレードの延長長さにわたって実質的に一定である、ホイール背部及びハブからタービンブレードの熱伝達率が達成される。このようにして、冷却プロセス中、ホイール背部及びハブは、それらの中に蓄積された熱をタービンブレードに均一に解放することができ、この結果、延長長さに沿った不均一な温度分布、したがって延長線に沿った内部応力が、チタンアルミニド材料に耐えられるレベルに低減される。

別の改良形態では、接続領域の外径に対するタービンブレードの壁厚の比率は、最大０．７：４０、特に好ましくは０．３：４０〜０．５：４０、特に０．３５：４０〜０．４５：４０の範囲にある。

言及した比率により、十分に安定したタービンブレードを形成できることが確認されている。

本発明のさらなる詳細、特徴及び利点は、図面を参照して例示的な実施形態の以下の説明から明らかになる。

本発明による排気ガスターボチャージャの大幅に単純化した概略図である。 本発明によるタービンホイールの第１の実施形態の側面図である。 本発明によるタービンホイールの第２の実施形態の断面図であり、この場合、タービンホイールの上方の半部のみが図３に選択された図面に示されている。 図１に示した本発明によるタービンホイールの実施形態の断面図である。

図１は、内燃機関（図示せず）を過給するための本発明による排気ガスターボチャージャ２の著しく単純化した概略図であり、前記排気ガスターボチャージャは、タービンハウジング１２に配置されるタービンホイール１を有する。タービンホイール１はシャフト１４の一方の端部に締結され、シャフトの他方の端部に、コンプレッサハウジング１６に配置されるコンプレッサホイール１５が取り付けられる。タービンホイール１、シャフト１４及びコンプレッサホイール１５は、ロータとも称される組立体を形成する。シャフト１４は、コンプレッサハウジング１６とタービンハウジング１２との間に配置される軸受ハウジング１３に取り付けられる。

図２は、チタンアルミニド（ＴｉＡｌ）材料から構成された本発明によるタービンホイール１の第１の実施形態を示している。タービンホイール１は、鋳造工程でチタンアルミニド合金から鋳造し得る。タービンホイール１はまた、鍛造されたチタンアルミニドブランクからフライス削りされてもよい。

タービンホイール１は、円形の外側輪郭１７及びハブ３を有し、このハブに複数のタービンブレードが配置され、タービンブレードの１つが、それらのすべてを代表して参照番号４で示されている。タービンブレード４は、延長長さＬに沿って延びる。タービンブレード４の各々は接続領域５を有し、この接続領域で、その半径方向外側の先端においてタービンブレード４の周りに描かれた仮想円は、外径ＤＡＢを有する。接続領域５は、タービンブレード４の出口領域６によって隣接され、この出口領域は、図２の実施形態の場合、接続領域５よりも小さい外径を有する。

タービンホイール１はまた、図２から理解できるように、接続領域５に隣接しかつハブ３に形成されるホイール背部７を有する。

ホイール背部７は、外側領域１１に、少なくとも実質的に直径ＤＡＢに対応するが、好ましくは直径ＤＡＢと同一の値を有する外径ＤＲＲを有する。

さらに、ホイール背部７は壁厚ＷＲＲを有する。タービンホイールブレードは壁厚ＷＴＳを有し、この場合、図２は、一例として、タービンブレード４の２つの領域を有し、この領域に、言及した壁厚領域ＷＴＳが示されている。ホイール背部７は僅かに厚くされ、接続領域５に少なくとも隣接して、タービンブレード４の壁厚ＷＴＳに対して１．５：１〜２．５：１、特に１．７：１〜２．３：１、特に好ましくは１．８：１〜２．２：１の比率の壁厚ＷＲＲを有する。僅かな肉厚のため、内燃機関の通常の又は高いエンジン負荷の期間に続くオーバーラン動作の期間のタービンホイール１の冷却が減速されることが保証される。冷却の減速は、長期の耐用年数のために、チタンアルミニドから構成されたタービンホイールの場合に有利であることが分かっている。この理由は、チタンアルミニド材料の延性が低下する温度に達したときに、不均一の冷却の結果として発生し得るタービンホイール１の高い内部応力を排除できるか、あるいは耐えられるレベルに少なくとも低減できるという事実から理解し得る。

図３は、本発明によるタービンホイール１の第２の実施形態を示しており、この実施形態では、図２の要素に対応するすべての要素が同一の参照符号によって示され、したがって、この点に関して、図２の上記の説明を参照し得る。

図３による実施形態のタービンホイール１は、いわゆる「混合流れのタービンホイール」であり、その接続領域５は、図２の実施形態の場合のように、ホイール背部７の外径ＤＲＲに対応する外径ＤＡＢを有する。出口領域６は、図３に示したように、半径方向Ｒに上向きに延び、混合流れのタービンホイールの特別な形状をもたらし、タービンホイールは、軸方向Ａに対して斜めにタービンホイール１に衝突する排気ガス流れによって駆動されることができる。

さらに、図３及び図４は、断面で、ホイール背部７の構造を示しており、ホイール背部では、軸方向Ａに延びるホイールハブ領域８は、接続半径Ａ（Ｒ）を有する丸い面取り領域９で、ホイール背部７の半径方向Ｒに延びる中間領域１０内に合流する。ここで、接続半径ＡＲ（Ｒ）は、回転軸線Ａから外向きに増大する距離と共に連続的に増大する。これにより、熱を蓄積する剛性の、したがって寸法的に安定したタービンホイール１が得られ、前記熱を比較的長い時間期間にわたってホイール背部７の外側領域１１に解放する。このようにして、外側領域１１及び前記外側領域に隣接するタービンブレード４の領域の両方のホイール背部７が、オーバーラン動作で相応してよりゆっくりと冷却する。

図４は、上方領域、すなわち長手方向軸線Ａの上の領域のみの図３に対応する図１に示した本発明によるタービンホイール１の実施形態を断面図で示している。本実施形態は、接続領域５に隣接して、接続領域５と同一の外径を有する出口領域６を有する半径方向のホイールに関する。

上述の開示に加えて、この場合、本開示を補足するために、図１〜４の本発明の概略図が明示的に参照される。

１ タービンホイール
２ 排気ガスターボチャージャ
３ ハブ
４ タービンブレード
５ 接続領域
６ 出口領域
７ ホイール背部
８ ホイールハブ領域
９ 面取り領域
１０ 中間領域
１１ 外側領域
１２ タービンハウジング
１３ 軸受ハウジング
１４ シャフト
１５ コンプレッサホイール
１６ コンプレッサハウジング
１７ 外側輪郭
ＤＡＢ 接続領域の外径
ＤＲＲ ホイール背部の外径
Ａ 軸方向／長手方向軸線
ＡＲ（Ｒ） 接続半径
ＴＡ タービンブレードの接続半径
Ｒ 半径方向
ＷＲＲ ホイール背部の壁厚
ＷＴＳ タービンブレードの壁厚

Claims (10)

1. 外側輪郭（１７）を有するホイール背部（７）を有し、
   前記ホイール背部（７）から延び、軸方向（Ａ）に沿って先細りするハブ（３）を有し、
   少なくとも接続領域（５）の外径（ＤＡＢ）まで、前記ホイール背部（７）から及び前記ハブ（３）から延び、半径方向（Ｒ）に外向きに延びる複数のタービンブレード（４）を有し、前記接続領域（５）で前記ホイール背部（７）と前記複数のタービンブレード（４）とが接続され、チタンアルミニド材料から形成された排気ガスターボチャージャ（２）のタービンホイール（１）であって、
   前記ホイール背部（７）が、前記接続領域（５）に隣接する外側領域（１１）に、前記接続領域の外径（ＤＡＢ）以上のホイール背部の外径（ＤＲＲ）を有し、
   前記ホイール背部 （７）が、前記接続領域（５）に隣接し、前記タービンブレード（４）の壁厚（ＷＴＳ）に対して１．５：１〜２．５：１の比率の壁厚（ＷＲＲ）を有する、
   タービンホイール。
2. 前記壁厚（ＷＲＲ）の比率が、好ましくは、１．７：１〜２．３：１、特に好ましくは、１．８：１〜２．２：１である、請求項１に記載のタービンホイール。
3. 前記接続領域の外径（ＤＡＢ）に対する前記タービンブレード（４）の前記壁厚（ＷＴＳ）の比率が、０.３ : ４０〜０.７ : ４０、好ましくは、０．３：４０〜０．５：４０、特に好ましくは、０．３５：４０〜０．４５：４０の範囲にある、請求項１又は２に記載のタービンホイール。
4. 前記軸方向（Ａ）に延びるホイールハブ領域（８）が、接続半径（ＡＲ（Ｒ））が半径方向外側に増大する面取り領域（９）で、前記ホイール背部（７）の前記半径方向（Ｒ）に延びる中間領域（１０）内に連続的に合流する、請求項１ないし３の何れか一項に記載のタービンホイール。
5. 前記タービンブレード（４）が、前記ホイール背部（７）から、及びタービンブレードの接続半径（ＴＡ）を有する前記タービンホイールの前記ハブ（３）から延び、前記タービンブレードの接続半径（ＴＡ）が、前記タービンブレード（４）の延長長さ（Ｌ）全体にわたって実質的に一定である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のタービンホイール。
6. 鍛造されかつフライス削りされたタービンホイールとして形成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のタービンホイール。
7. 鋳造されたタービンホイールとして形成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のタービンホイール。
8. 前記半径方向（Ｒ）に内側方向に流れる排気ガス流によって駆動されることができる、請求項１〜５のいずれか一項に記載のタービンホイール。
9. 前記半径方向（Ｒ）及び前記軸方向（Ａ）の両方に斜めに流れる排気ガス流によって駆動されることができる、請求項１〜５のいずれか一項に記載のタービンホイール。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のタービンホイール（１）を有する内燃機関を過給するための排気ガスターボチャージャ（２）。

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