JP7002306B2 - タービンホイール、ターボチャージャー及びタービンホイールの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、タービンホイール、ターボチャージャー及びタービンホイールの製造方法に関する。

自動車等の車両に用いられるターボチャージャーは、性能向上が望まれており、排ガス温度の高温化が進んでいる。排気ガス温度が高温化すると、例えば、部分的な強度低下が発生する可能性があった。
特許文献１には、ＴｉＡＬ製タービンホイールと炭素鋼製シャフトとをＮｉろう材によって接合したタービンローター備えるエンジン用過給機が記載されている。この特許文献１に記載のタービンローターは、ろう付け位置をタービンホイールの背面から遠ざけて排ガス温度によるろう付け部分の強度低下を防止するようにしている。

特許第６０２１３５４号公報

特許文献１に記載のタービンは、ラジアルタービンであって、タービンホイールにタービン動翼を備えている。このようなラジアルタービンや、斜流タービンにおいては、タービン動翼の後縁側の動翼付け根に掛かる応力が大きい。さらに、このようなタービン動翼は、排気ガスによりその前縁側で入熱して後縁側に伝熱される。そのため、排気温度が高温化すると、後縁側の動翼付け根（言い換えれば、動翼のハブ側の部分）における高温強度が特に厳しくなる。
その一方で、曲げ剛性等を確保するようにタービン動翼の後縁翼厚を増加させると、この後縁において翼厚増加によるウェイクが発生して空力性能が低下してしまうという課題がある。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、後縁翼厚を増加させることなしにタービン動翼の後縁部における高温強度を確保して空力性能が低下することを抑制することができるタービンホイール、ターボチャージャー及びタービンホイールの製造方法を提供するものである。

上記の課題を解決するために以下の構成を採用する。
この発明の第一態様によれば、タービンホイールは、ハブと、タービン動翼とを備える。ハブは、軸線回りに回転可能とされ、軸線方向の第一側から第二側に向かうにしたがって前記軸線を中心とした径方向で漸次前記軸線に近づくように形成された凹曲面状のハブ面を有する。タービン動翼は、前記ハブ面から前記ハブ面と交差する方向に延びて前記軸線を中心とした周方向に間隔をあけて複数配置されている。これらタービン動翼は、前縁部と後縁部と、シュラウド部とを備えている。前縁部は、前記軸線方向の第一側に設けられて前記径方向の外側から作動流体が流入する。後縁部は、前記軸線方向の第二側に設けられて前記軸線に沿うように前記第二側に作動流体が流出する。前記シュラウド部は、前記ハブ面とは反対側の前記前縁部及び前記後縁部の端部同士を繋いている。前記タービン動翼は、前記前縁部を含む前記前縁部側の領域に、前記後縁部のハブ側の領域よりも気孔率の高い高気孔率部を備えている。
高温の作動流体は、タービンホイールに対してタービン動翼の前縁部から流入して後縁部から流れ出る。作動流体は、膨張仕事により後縁部では温度低下するため、後縁部は、主に前縁部からの伝熱により温度上昇する。しかし、第一態様では前縁部を含む前縁部側の領域に高気孔率部を備えている。高気孔率部は、後縁部よりも気孔率が高いため、前縁部から後縁部への伝熱を抑制して、後縁部の温度を低下させることができる。したがって、後縁翼厚を増加させることなしにタービン動翼の後縁部における高温強度を確保して空力性能が低下することを抑制することができる。

さらに、第一態様に係る高気孔率部は、前記タービン動翼の内部に形成されている。
このように構成することで、高気孔率部がタービン動翼の表面に露出することを抑制できるため、タービン動翼の表面が粗くなり作動流体の流れが乱れることを抑制できる。

この発明の第二態様によれば、第一態様に係る高気孔率部は、トラス状に形成されていてもよい。
このように構成することで、トラス構造の内部に空隙が形成されるので、気孔率を高めて高気孔率部における熱伝導性を低下させることができる。さらに、トラス構造により翼面の遠心応力に対して必要な剛性を確保することができる。

この発明の第三態様によれば、第一又は第二態様に係る高気孔率部は、前記前縁部から前記後縁部に渡る前記シュラウド部を含む先端部側の領域に形成されていてもよい。
このように構成することで、シュラウド部を含む領域の密度を低下させることができるため、タービン動翼のシュラウド部側の重量を低減できる。そのため、遠心力等により後縁部のハブ側翼面に掛かる曲げ応力を低減できる。また、後縁部のハブ側の領域を高気孔率とする場合と比較して、後縁部のハブ側の領域の剛性が低下することを抑制できる。

この発明の第四態様によれば、ターボチャージャーは、第一から第三態様の何れか一つの態様に係る高気孔率部を備える。
このように構成することで、より高温の作動流体を利用できるため、ターボチャージャーの性能向上を図ることができる。

この発明の第五態様によれば、タービンホイールの製造方法は、第一から第三態様の何れか一つの態様に係るタービンホイールを同種金属による金属積層法により製造する工程を含む。
このようにすることで、上記高気孔率部を有するタービンホイールを容易に製造することができる。

上記タービンホイール、ターボチャージャー及びタービンホイールの製造方法によれば、後縁翼厚を増加させることなしにタービン動翼の後縁部における高温強度を確保して空力性能が低下することを抑制することができる。

この発明の第一実施形態におけるターボチャージャーの概略構成図である。 この発明の第一実施形態におけるタービンホイールの断面図である。 この発明の第一実施形態における回転機械のケーシングの製造方法のフローチャートである。 この発明の第二実施形態における図２に相当する断面図である。 図４のＶ－Ｖ線に沿う断面図である。 この発明の第三実施形態における高気孔率部の断面図である。 この発明の第四実施形態における図２に相当する断面図である。

（第一実施形態）
次に、この発明の第一実施形態におけるタービンホイール、ターボチャージャーを図面に基づき説明する。
図１は、この発明の第一実施形態におけるターボチャージャーの概略構成図である。
図１に示すように、ターボチャージャー１は、軸受部Ｂと、タービン部Ｔと、コンプレッサ部Ｐと、を備えている。ターボチャージャー１は、例えば、自動車等の車両や、船舶等の内燃機関の補機として用いられる。このターボチャージャー１は、作動流体であるエンジン（図示せず）の排気ガス流の熱エネルギーをタービン部Ｔにより回転エネルギーに変換する。このタービン部Ｔで変換された回転エネルギーは、軸受部Ｂに支持された回転軸２を介してコンプレッサ部Ｐに伝達される。コンプレッサ部Ｐは、この伝達された回転エネルギーを利用して空気を圧縮する。このコンプレッサ部Ｐで圧縮された空気は、給気としてエンジン（図示せず）に供給される。図１に示す一点鎖線は、回転軸２の中心軸（軸線）Ｃを示している。以下の説明において、回転軸２の中心軸Ｃが延びる軸線方向を「軸線方向Ｄａ」、中心軸Ｃを中心とした径方向を「径方向Ｄｒ」、中心軸Ｃを中心とした周方向を「周方向Ｄｃ」と称する。

軸受部Ｂは、軸受３と、軸受ハウジング４と、を備えている。
軸受３は、軸受ハウジング４の内部に配置され回転軸２を回転自在に支持する。この実施形態における軸受３は、軸線方向Ｄａに間隔を空けた複数箇所で回転軸２を支持している。軸受ハウジング４は、回転軸２および軸受３を外側から覆うように形成されている。この実施形態で例示する軸受部Ｂは、流体膜を形成する流体軸受けであって、軸受ハウジング４は、その内部に、潤滑用の流体を外部から軸受３に供給するための流体流路を備えている。ここで、詳細説明は省略するが、軸受部Ｂは、更に、回転軸２のスラスト方向の荷重を受ける、いわゆるスラスト軸受に相当する構成も備えている。

コンプレッサ部Ｐは、軸受部Ｂの軸線方向Ｄａの第一側に隣接して設けられている。コンプレッサ部Ｐは、コンプレッサホイール５と、コンプレッサハウジング６と、を備えている。コンプレッサホイール５は、遠心式コンプレッサにおいてインペラと称されるものであって、回転軸２の第一端部２ａに設けられている。この実施形態で例示するコンプレッサホイール５は、回転軸２の第一端部２ａに形成されたネジ部２ｎにナット２１をねじ込むことで結合されている。

コンプレッサハウジング６は、入口流路形成部６１と、コンプレッサホイール収容部６２と、コンプレッサスクロール部６３と、を形成している。
入口流路形成部６１は、空気をコンプレッサホイール収容部６２に案内する流路を形成する。入口流路形成部６１は、中心軸Ｃを中心とした管状に形成され、その内部空間が、コンプレッサホイール収容部６２の内部空間と連通している。

コンプレッサホイール収容部６２は、コンプレッサホイール５を収容する空間を形成している。
コンプレッサスクロール部６３は、コンプレッサホイール収容部６２の径方向Ｄｒの外側に配置され、コンプレッサホイール収容部６２と径方向Ｄｒで連通されている。

コンプレッサスクロール部６３は、コンプレッサホイール収容部６２の径方向Ｄｒの外側で、周方向Ｄｃに延びるとともに、スクロール出口（図示せず）に向かって流路断面積が漸次拡大するように形成されている。このコンプレッサスクロール部６３は、吸気配管やインタークーラー（何れも図示せず）等を介してエンジン（図示せず）に接続されている。

タービン部Ｔは、軸受部Ｂの軸線方向Ｄａの第二側に隣接して設けられている。タービン部Ｔは、タービンホイール７と、タービンハウジング８と、を備えている。
タービンホイール７は、径方向Ｄｒの外側から流入した排気ガスを軸線方向Ｄａの第二側に向けて流す、いわゆる半径流タービンを構成するタービンホイールである。タービンホイール７は、周方向Ｄｃに間隔を空けて配置された複数のタービン動翼７１を備えている。このタービンホイール７は、回転軸２の第二端部２ｂに一体に設けられている。つまり、タービンホイール７が中心軸Ｃを中心として回転することで、このタービンホイール７と共に、回転軸２と、コンプレッサホイール５とが中心軸Ｃ回りに一体に回転する。なお、タービンホイール７と回転軸２とによりタービンローターＴｒが構成されている。

タービンハウジング８は、タービンスクロール部８１と、タービンホイール収容部８２と、ディフューザ８３と、を備えている。
タービンスクロール部８１は、タービンホイール収容部８２の径方向Ｄｒの外側に配置され、周方向Ｄｃに延びている。このタービンスクロール部８１は、タービンホイール収容部８２と径方向Ｄｒで連通されている。

タービンスクロール部８１の流路断面積は、排気ガスが流入するスクロール入口８１ａから周方向Ｄｃに離れるにしたがって、漸次縮小するように形成されている。このタービンスクロール部８１のスクロール入口８１ａは、排気配管を介してエンジン（図示せず）に接続されている。

タービンホイール収容部８２は、タービンホイール７を収容する空間を形成している。タービンスクロール部８１からタービンホイール収容部８２に流入した排気ガスは、径方向Ｄｒ外側からタービンホイール７のタービン動翼７１の間に流入する。このタービン動翼７１の間に流入した排気ガスは、タービンホイール７を回転させた後、タービンホイール７の中心軸Ｃに沿って、軸線方向Ｄａの第二側に向けて流出する。

図２は、この発明の第一実施形態におけるタービンホイールの断面図である。
図２に示すように、タービンホイール７は、ハブ７０と、複数のタービン動翼７１とを備えている。
ハブ７０は、軸線方向Ｄａから見て円形の円盤状に形成されている。ハブ７０は、ハブ面７２を有している。このハブ面７２は、軸線方向Ｄａの第一側（図２中、左側）から第二側（図２中、右側）に向かうにしたがって径方向Ｄｒで漸次中心軸Ｃに近づく凹曲面状に形成されている。この実施形態で例示するハブ面７２は、軸線方向Ｄａの最も第一側において中心軸Ｃと直交する方向に延び、軸線方向Ｄａの最も第二側において軸線方向Ｄａに延びる凹曲面に形成されている。ハブ７０は、上記形状のハブ面７２を有することで、軸線方向Ｄａの第一側から第二側に向かうにしたがって、径方向Ｄｒの厚さ寸法が減少し、この厚さ寸法の減少率が、軸線方向Ｄａの第一側から第二側に向かうにしたがって漸次低下している。

タービン動翼７１は、ハブ面７２から突出するように形成され、ハブ面７２と交差する方向に延びている。タービン動翼７１は、周方向Ｄｒに間隔をあけて複数配置されている。これらタービン動翼７１は、中心軸Ｃを中心として放射状に配置されている。タービン動翼７１は、それぞれ前縁部７３と、後縁部７４と、シュラウド部７５と、基部７６と、を備えている。

前縁部７３は、軸線方向Ｄａの第一側に設けられている。この実施形態における前縁部７３は、軸線方向Ｄａに延びている。この前縁部７３は、上述したタービンスクロール部８１の径方向Ｄｒ内側に配置されている。つまり、周方向Ｄｃに並んだ複数のタービン動翼７１の前縁部７３の間に、径方向Ｄｒ外側から排気ガスＧが流入する。

後縁部７４は、軸線方向Ｄａの第二側に設けられている。この第一実施形態における後縁部７４は、中心軸Ｃと交差する方向に延びている。後縁部７４は、軸線方向Ｄａでディフューザ８３の第一側に配置され、複数のタービン動翼７１の後縁部７４の間から中心軸Ｃに沿って作動流体である排気ガスＧが第二側に流出する。

シュラウド部７５は、タービン動翼７１の翼高さ方向で、ハブ面７２とは反対側に配置されている。シュラウド部７５は、前縁部７３及び後縁部７４の端部７３ａ，７４ａ同士を繋いでいる。シュラウド部７５は、ハブ面７２と同様に凹曲面状に形成されている。

基部７６は、ハブ面７２と交差する部分であり、ハブ面７２の曲面に沿って湾曲して形成されている。
このように形成されたタービン動翼７１は、軸線方向Ｄａの第一側から第二側に向かうにしたがって漸次翼高さ方向の寸法が増加している。

上述したタービン動翼７１は、前縁部７３を含む領域に、少なくとも後縁部７４の基部７６側（言い換えれば、ハブ面７２に近い側）の領域よりも気孔率の高い高気孔率部７７を備えている。
高気孔率部７７は、タービン動翼７１の前縁部７３から中間部７８にまで至る領域に形成されている。この第一実施形態において例示する高気孔率部７７は、タービン動翼７１の前縁部７３を「０」、後縁部７４を「１」とした翼長さの無次元値で０から０．５の領域に形成されている。しかし、中間部７８の位置は、上述した位置に限られず、例えば、無次元値で０．５よりも小さい位置（但し、無次元値で０よりも大きい）に中間部７８を設定するようにしても良い。

この第一実施形態における高気孔率部７７は、タービン動翼７１の厚さ方向の全域に形成されている。つまり、高気孔率部７７は、タービン動翼７１の表面に露出している。この第一実施形態においては、高気孔率部７７を除くタービン動翼７１の残部が、高気孔率部７７よりも気孔率の低い低気孔率部７９となっている。

ここで、高気孔率部７７は、気孔率が高いほど熱伝達が抑制され、剛性も低下する。その一方で、高気孔率部７７は、気孔率が低いほど熱伝達され易く、剛性が高まる。高気孔率部７７の気孔率は、例えば、運転条件等から求められるタービン動翼７１の強度の制約に基づいて、必要な強度を確保しつつ可能な限り熱伝達が抑制可能な気孔率とすることができる。高気孔率部７７における気孔率は、シミュレーションや実験の結果等に基づいて求めてもよい。

この第一実施形態におけるタービン動翼７１及びターボチャージャーは、上述した構成を備えている。次に、この発明の第一実施形態におけるタービンホイールの製造方法について図面を参照しながら説明する。
図３は、この発明の第一実施形態における回転機械のケーシングの製造方法のフローチャートである。
この第一実施形態におけるタービン動翼７１は、例えば、ニッケル基合金等の金属材料を用いて金属積層法により製造される。
図３に示すように、金属積層法は、材料粉を所定厚さに敷き詰めて材料粉層を形成する工程Ｓ１と、材料粉層に溶融ビームを照射する工程Ｓ２と、を順次繰り返す。

材料粉層を形成する工程Ｓ１は、タービンホイール７を形成するニッケル基合金等の金属材料からなる材料粉を、例えば３０～５０μｍといった所定の厚さに敷き詰めることで、材料粉層を形成する。

溶融ビームを照射する工程Ｓ２は、材料粉層に対し、レーザー光、電子ビーム等、材料粉を溶融するエネルギーを有した溶融ビームを照射する。溶融ビームの照射により、材料粉が溶融する。溶融ビームの照射を停止すると、材料粉が冷却固化して金属層が形成される。材料粉層に対する溶融ビームの照射範囲は、タービンホイール７の断面形状に対応した範囲とする。

上記の材料粉層を形成する工程Ｓ１と、溶融ビームを照射する工程Ｓ２とを１サイクル行うと、タービンホイール７の一部を形成する金属層が所定の厚さに形成される。材料粉層を形成する工程Ｓ１と、溶融ビームを照射する工程Ｓ２とを順次繰り返し、溶融ビームの照射範囲をタービンホイール７の断面形状に合わせて順次変更していくことで、複数の金属層が順次積層されていき、所定形状のタービンホイール７が形成される。

高気孔率部７７は、タービンホイール７を上記金属積層法で形成する際に、気泡が含まれる形状で形成することで形成できる。さらに、高気孔率部７７は、タービンホイール７を上記金属積層法で形成する際に、溶融ビームを照射する工程で照射する溶融ビームの出力、ビーム走査速度、ビーム走査線幅等を調整することでも形成できる。例えば、敷き詰めた材料粉が完全に溶融しきらずに、一部が未溶融の状態で残存するよう、溶融ビームの出力を弱めて設定することで、気孔率が相対的に高い高気孔率部７７を形成できる。なお、低気孔率部７９は、敷き詰めた材料粉からなる材料粉層が完全に溶融するよう、溶融ビームの出力を設定することで形成できる。これにより、材料粉は、完全に溶融した後に冷却固化し、気孔率が低くなる。

上述した第一実施形態では、前縁部７３を含む領域に高気孔率部７７を備えている。この高気孔率部７７は、後縁部７４よりも気孔率が高いため、前縁部７３から後縁部７４への伝熱を抑制して、後縁部７４の温度を低下させることができる。その結果、後縁翼厚を増加させることなしにタービン動翼７１の後縁部７４における高温強度を確保して空力性能が低下することを抑制することができる。

（第二実施形態）
次に、この発明の第二実施形態を図面に基づき説明する。この第二実施形態は、上述した第一実施形態に対して、高気孔率部の配置が異なるだけである。そのため、上述した第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、ターボチャージャー全体の詳細説明については省略する。
図４は、この発明の第二実施形態における図２に相当する断面図である。図５は、図４のＶ－Ｖ線に沿う断面図である。

図４、図５に示すように、この第二実施形態におけるタービンホイール２０７は、ハブ７０と、複数のタービン動翼２７１とを備えている。
ハブ７０は、第一実施形態のハブ７０と同様の構成であり、軸線方向Ｄａから見て円形の円盤状に形成されている。また、ハブ７０は、ハブ面７２を有しており、このハブ面７２が、軸線方向Ｄａの第一側から第二側に向かうにしたがって径方向Ｄｒで漸次中心軸Ｃに近づく凹曲面状に形成されている。

タービン動翼２７１は、ハブ面７２から突出するように形成され、ハブ面７２と交差する方向に延びている。さらに、タービン動翼２７１は、周方向Ｄｒに間隔をあけて複数配置されている。これらタービン動翼２７１は、中心軸Ｃを中心として放射状に配置されている。タービン動翼２７１は、それぞれ前縁部７３と、後縁部７４と、シュラウド部７５と、基部７６と、を備えている。

前縁部７３は、軸線方向Ｄａの第一側に設けられている。この第二実施形態における前縁部７３は、軸線方向Ｄａに延びている。この前縁部７３は、上述したタービンスクロール部８１（図１参照）の径方向Ｄｒ内側に配置されている。つまり、周方向Ｄｃに並んだ複数のタービン動翼２７１の前縁部７３の間に、径方向Ｄｒ外側から排気ガスＧが流入する。

後縁部７４は、軸線方向Ｄａの第二側に設けられている。この第二実施形態における後縁部７４は、中心軸Ｃと直交する方向に延びている。後縁部７４は、軸線方向Ｄａでディフューザ８３（図１参照）の第一側に配置されており、作動流体である排気ガスＧが、複数のタービン動翼２７１の後縁部７４の間から中心軸Ｃに沿って第二側に流出する。

シュラウド部７５は、タービン動翼２７１の翼高さ方向で、ハブ面７２とは反対側に配置されている。シュラウド部７５は、前縁部７３及び後縁部７４の端部７３ａ，７４ａ同士を繋いでいる。シュラウド部７５は、ハブ面７２と同様に凹曲面状に形成されている。

基部７６は、ハブ面７２と交差する部分であり、ハブ面７２の曲面に沿って湾曲して形成されている。
このように形成されたタービン動翼２７１は、軸線方向Ｄａの第一側から第二側に向かうにしたがって漸次翼高さ方向の寸法が増加している。

上述したタービン動翼２７１は、第一実施形態のタービン動翼７１と同様に、前縁部７３を含む領域に、少なくとも後縁部７４の基部７６側の領域よりも気孔率の高い高気孔率部２７７を備えている。
この高気孔率部２７７は、タービン動翼２７１の前縁部７３から中間部７８にまで至る領域に形成されている。この第二実施形態において例示する高気孔率部２７７は、第一実施形態と同様に、タービン動翼２７１の前縁部を「０」、後縁部を「１」とした翼長さの無次元値で０から０．５の領域に形成されている。

図５に示すように、この第二実施形態における高気孔率部２７７は、タービン動翼２７１の内部に形成されている。言い換えれば、高気孔率部２７７は、タービン動翼２７１の厚さ方向で、この高気孔率部２７７よりも気孔率の低い低気孔率部２７９に挟まれるようにして形成されている。つまり、高気孔率部２７７は、タービン動翼２７１の厚さ方向の表面に露出していない。低気孔率部２７９は、高気孔率部２７７よりも表面が平滑に形成されている。そして、この第二実施形態においては、高気孔率部２７７を除くタービン動翼２７１の残部が、高気孔率部２７７よりも気孔率の低い低気孔率部２７９となっている。

ここで、高気孔率部２７７は、後縁部７４への伝熱の観点から高気孔率部２７７の気孔率を低下させても問題ない場合には、タービン動翼２７１の厚さに対して８０％以下としても良い。また、タービン動翼２７１の厚さに対する高気孔率部の厚さは、前縁部７３から中間部７８における強度が確保される範囲であればよく、例えば、８０％よりも高い、例えば、９０％以下としたり９５％以下としたりしてもよい。なお、第二実施形態における高気孔率部２７７の気孔率は、タービン動翼２７１の厚さ方向で低気孔率部２７９に挟まれており、低気孔率部２７９によって剛性が確保されるため、第一実施形態の高気孔率部７７よりも気孔率を高くしても良い。

したがって、上述した第二実施形態によれば、第一実施形態と同様に、高気孔率部２７７の気孔率は、後縁部７４の気孔率、言い換えれば、高気孔率部２７７よりも後縁部７４側の領域の低気孔率部２７９の気孔率よりも高いため、前縁部７３から後縁部７４への伝熱を抑制して、後縁部７４の温度を低下させることができる。その結果、後縁翼厚を増加させることなしにタービン動翼２７１の後縁部７４における高温強度を確保して空力性能が低下することを抑制することができる。

さらに、第二実施形態では、高気孔率部２７７がタービン動翼２７１の内部に形成され、高気孔率部２７７がタービン動翼２７１の表面に露出しない。そのため、タービン動翼２７１の表面が粗くなり作動流体である排気ガスＧの流れが乱れることを抑制できる。その結果、空力性能が低下することをより一層抑制することができる。

（第三実施形態）
次に、この発明の第三実施形態を図面に基づき説明する。この第三実施形態は、上述した第一実施形態に対して、高気孔率部の形状が異なるだけである。そのため、上述した第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、ターボチャージャー全体の詳細説明については省略する。
図６は、この発明の第三実施形態における高気孔率部の断面図である。
図６に示すように、この第三実施形態におけるタービン動翼３７１は、高気孔率部３７７を備えている。この高気孔率部３７７は、第一、第二実施形態と同様に前縁部７３、後縁部７４、シュラウド部７５及び基部７６を有したタービン動翼３７１の前縁部７３を含む領域に形成されている。そして、高気孔率部３７７は、タービン動翼３７１の前縁部７３から中間部７８にまで至る領域に形成されている。この第三実施形態において例示する高気孔率部３７７も、第一、第二実施形態と同様に、タービン動翼３７１の前縁部７３を「０」、後縁部７４を「１」とした翼長さの無次元値で０から０．５の領域に形成されている。そして、この第三実施形態における高気孔率部３７７は、タービン動翼３７１においてその厚さ方向の全域に形成されている。

高気孔率部３７７は、トラス状に形成されている。ここで、トラス状とは、三角形を基本形とした集合体で構成した形状であって、この高気孔率部３７７は、三角形の基本形が三次元的に構成されたいわゆる立体トラスとなるように形成されている。ここで、高気孔率部３７７のトラス状の形状は、タービン動翼３７１に必要な剛性が得られる条件下で、単位体積当たりの密度が可能な範囲で低くなるように（言い換えれば、気孔率が高くなるように）形成する。

この第三実施形態におけるタービンホイールも、第一実施形態と同様に、同種金属による金属積層法により形成することができる。

なお、第三実施形態の高気孔率部３７７が、タービン動翼３７１の厚さ方向の全域に形成される場合について説明した。しかし、第二実施形態と同様に、第三実施形態の高気孔率部３７７は、タービン動翼３７１の内部に形成されていても良い。

したがって、第三実施形態によれば、第一実施形態と同様に、高気孔率部３７７の気孔率は、後縁部７４の気孔率よりも高いため、前縁部７３から後縁部７４への伝熱を抑制して、後縁部７４の温度を低下させることができる。その結果、後縁翼厚を増加させることなしにタービン動翼３７１の後縁部７４における高温強度を確保して空力性能が低下することを抑制することができる。

さらに、第三実施形態では、高気孔率部３７７がトラス状に形成されている。そのため、トラス構造の内部に空隙が形成され、この空隙が気孔率を高めて高気孔率部３７７における熱伝導性を低下させることができる。さらに、トラス構造により翼面の遠心応力に対して必要な剛性を確保することができる。

（第四実施形態）
次に、この発明の第四実施形態を図面に基づき説明する。この第四実施形態は、上述した第一実施形態に対して、高気孔率部の形成される範囲が拡張されているだけである。そのため、上述した第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、ターボチャージャー全体の詳細説明については省略する。
図７は、この発明の第四実施形態における図２に相当する断面図である。

図７に示すように、タービンホイール４０７のタービン動翼４７１は、第一実施形態と同様に、前縁部７３、後縁部７４，シュラウド部７５及び基部７６を備えている。
タービン動翼４７１は、前縁部７３を含む領域に、少なくとも後縁部７４の基部側（言い換えれば、ハブ面７２に近い側）の領域よりも気孔率の高い高気孔率部４７７を備えている。

高気孔率部４７７は、タービン動翼４７１の前縁部７３から中間部７８にまで至る領域に形成されている。さらに、高気孔率部４７７は、前縁部７３から後縁部７４に渡るシュラウド部７５を含む領域にも形成されている。この第四実施形態において例示する高気孔率部４７７は、タービン動翼４７１の前縁部を「０」、後縁部を「１」とした翼長さの無次元値で０から０．５の領域に形成されている。さらに、この第四実施形態において例示する高気孔率部４７７は、タービン動翼４７１のハブ７０側の基部７６の位置を「０」、タービン動翼のシュラウド部７５の位置を「１」とした翼スパンの無次元値（言い換えれば、前述した翼長さで同一位置における翼高さの無次元値）が、０．７５以上となる領域に形成されている。

ここで、第四実施形態においては、翼スパンの無次元値０．７５以上の領域に高気孔率部４７７が形成される場合について説明したが、高気孔率部４７７は、タービン動翼４７１の後縁部７４付近の大きな応力が作用する領域よりもシュラウド部７５に近い側、すなわちタービン動翼４７１の先端部側の領域に形成されていればよく、翼スパン０．７５以上に限られるものではない。

この第四実施形態における高気孔率部においては、第一実施形態と同様に、タービン動翼においてその厚さ方向の全域に形成されてもよいし、第二実施形態と同様に、タービン動翼の内部に形成されるようにしてもよい。この第四実施形態においても、上述した第一、第二実施形態と同様に、高気孔率部を除くタービン動翼の残部が、高気孔率部よりも気孔率の低い低気孔率部となっている。なお、第四実施形態の高気孔率部は、第三実施形態の高気孔率部と同様にトラス状に形成するようにしても良い。

したがって、上述した第四実施形態によれば、第一実施形態と同様に、高気孔率部４７７の気孔率は、後縁部７４のハブ７０側の領域の気孔率よりも高いため、前縁部７３から後縁部７４への伝熱を抑制して、後縁部７４の温度を低下させることができる。その結果、後縁翼厚を増加させることなしにタービン動翼の後縁部における高温強度を確保して空力性能が低下することを抑制することができる。

さらに、シュラウド部７５を含む領域、すなわちタービン動翼４７１の先端部側の領域の密度を低下させることができる。そのため、タービン動翼４７１のシュラウド部７５側の重量を低減できる。これにより、遠心力等により後縁部７４のハブ側翼面に掛かる曲げ応力を低減できる。また、後縁部７４のハブ７０側の領域を高気孔率部４７７とする場合と比較して、後縁部７４のハブ７０側の領域に低気孔率部４７９を形成できるため、後縁部７４のハブ７０側の領域における剛性が低下することを抑制できる。

この発明は上述した各実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。
例えば、上述した各実施形態では、タービンホイールをターボチャージャーに適用する場合について説明したが、ターボチャージャー以外のタービンに適用しても良い。

１ ターボチャージャー
２ 回転軸
２ａ 第一端部
２ｂ 第二端部
２ｎ ネジ部
３ 軸受
４ 軸受ハウジング
５ コンプレッサホイール
６ コンプレッサハウジング
７，２０７，４０７ タービンホイール
８ タービンハウジング
２１ ナット
６１ 入口流路形成部
６２ コンプレッサホイール収容部
６３ コンプレッサスクロール部
７１ タービン動翼
７０ ハブ
７１，２７１，４７１ タービン動翼
７２ ハブ面
７３ 前縁部
７４ 後縁部
７５ シュラウド部
７６ 基部
７７，２７７ 高気孔率部
７８ 中間部
７９，２７９ 低気孔率部
８１ タービンスクロール部
８１ａ スクロール入口
８２ タービンホイール収容部
８３ ディフューザ

Claims (5)

1. 金属材料からなるタービンホイールであって、
   軸線回りに回転可能とされ、軸線方向の第一側から第二側に向かうにしたがって前記軸線を中心とした径方向で漸次前記軸線に近づくように形成された凹曲面状のハブ面を有するハブと、
   前記ハブ面から前記ハブ面と交差する方向に延びて前記軸線を中心とした周方向に間隔をあけて複数配置されたタービン動翼と、を備え、
   前記タービン動翼は、
   前記軸線方向の第一側に設けられて前記径方向の外側から作動流体が流入する前縁部と、
   前記軸線方向の第二側に設けられて前記軸線に沿うように前記第二側に作動流体が流出する後縁部と、
   前記ハブ面とは反対側の前記前縁部及び前記後縁部の端部同士を繋ぐシュラウド部と、を有し、
   前記前縁部を含む前記前縁部側の領域に、前記後縁部のハブ側の領域よりも気孔率の高い高気孔率部を備え、
   前記高気孔率部は、前記タービン動翼の内部に形成され、前記タービン動翼の厚さ方向で前記高気孔率部の気孔率よりも低い低気孔率部に挟まれた
   タービンホイール。
2. 前記高気孔率部は、トラス状に形成されている請求項１に記載のタービンホイール。
3. 前記高気孔率部は、前記前縁部から前記後縁部に渡る前記シュラウド部を含む前記タービン動翼の先端部側の領域に形成されている請求項１又は２に記載のタービンホイール。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載のタービンホイールを備えるターボチャージャー。
5. 請求項１から３の何れか一項に記載のタービンホイールを同種金属による金属積層法により製造する工程を含むタービンホイールの製造方法。

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