JPWO2019138497A1 - タービン動翼、ターボチャージャ及びタービン動翼の製造方法 - Google Patents

タービン動翼、ターボチャージャ及びタービン動翼の製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明のタービン動翼（３）は、回転軸に連結されて軸線（ＡＸ）の周りに回転されるタービン動翼（３）であって、前記軸線（ＡＸ）に沿った断面において、前記軸線（ＡＸ）に対して傾斜するハブ面（３２）を有するハブ（３１）と、前記ハブ面（３２）に設けられた少なくとも１枚の動翼（３３）と、前記動翼（３３）に設けられた第１開口（１１）と、前記タービン動翼（３）における前記第１開口（１１）よりも下流側に設けられた第２開口（１２）とを接続する、前記タービン動翼（３）の内部に設けられる連結通路（１０）と、を備える。

Description

本開示は、タービン動翼、ターボチャージャ及びタービン動翼の製造方法に関する。
自動車等に用いられるエンジンにおいて、エンジンの出力を向上させるために、エンジンの排気ガスのエネルギでタービンを回転させ、回転軸を介してタービンと直結させた遠心圧縮機で吸入空気を圧縮してエンジンに供給する排気ターボ過給機が広く知られている。
このような排気ターボ過給機に用いられるタービンとしては、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 特開２００３−１２９８６２号公報 特開２０１５−１９４１３７号公報 特表２０１６−５０２５８９号公報
この種タービンは、例えば、特許文献１に示されるように、ハブの外周に放射状に複数の翼が配置されている。
タービンの効率は、翼入口の周速Ｕと、タービン入口温度および圧力比でその作動流体（排気ガス）が加速される最大流速、すなわち、理論速度Ｃ０との比である理論速度比（＝Ｕ／Ｃ０）に対して示される。
タービンの効率は、ある理論速度比Ｕ／Ｃ０において最大となる。理論速度Ｃ０は排気ガスの状態が変化、すなわち、排気ガスの温度、圧力が変化することによって変化する。自動車等に用いられるエンジンでは、自動車等の運転状態が頻繁に変化するので、排気ガスの温度や圧力も頻繁に変化する。
理論速度Ｃ０が変化すると、翼の前縁に流入する排気ガスの流入角度が変化するので、前縁と排気ガスの流入角度との角度差が大きくなる。
このように前縁と排気ガスの流入角度との角度差が大きくなると、流入する排気ガスが前縁の近傍で剥離するので、タービンの効率が低下してしまう。
また、上述した特許文献２〜４には、ガスタービンや蒸気タービン等の軸流タービンのタービン翼を金属積層造形法によって製造する技術が開示されている。しかしながら、これらの公報に記載された発明は、軸流タービンの一部であるタービン翼を金属積層造形法によって製造するものであり、ロータを含めた軸流タービンの全体を一体的に製造するものではない。
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、流入する作動流体の前縁近傍での剥離を抑制してタービンの効率低下を抑制できるタービン動翼、ターボチャージャ及びタービン動翼の製造方法を提供することを目的とする。
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るタービン動翼は、
回転軸に連結されて軸線の周りに回転されるタービン動翼であって、
前記軸線に沿った断面において、前記軸線に対して傾斜するハブ面を有するハブと、
前記ハブ面に設けられた少なくとも１枚の動翼と、
前記動翼に設けられた第１開口と、前記タービン動翼における前記第１開口よりも下流側に設けられた第２開口とを接続する、前記タービン動翼の内部に設けられる連結通路と、
を備える。
上記（１）の構成によれば、動翼に設けられた第１開口と、タービン動翼における第１開口よりも下流側に設けられた第２開口とがタービン動翼の内部の連結通路で接続されている。また、第２開口が第１開口よりも下流側に設けられているので、第１開口における作動流体の圧力は第２開口における作動流体の圧力よりも高い。そのため、第１開口の近傍の作動流体は、第１開口から吸入されて連結通路を介して第２開口から排出されることとなる。したがって、第１開口近傍の作動流体を第１開口から吸入することで第１開口の近傍の翼面から作動流体が剥離することを抑制でき、理論速度比Ｕ／Ｃ０に関わらずタービンの効率低下を抑制できる。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記動翼の子午線上における中心位置よりも前縁側を前縁側領域、後縁側を後縁側領域と定義した場合に、
前記第１開口は、前記動翼における前記前縁側領域に設けられ、
前記第２開口は、前記動翼における前記後縁側領域に設けられる。
理論速度比Ｕ／Ｃ０の変化による作動流体の翼面からの剥離は、動翼の前縁側で生じやすい。その点、上記（２）の構成によれば、第１開口が動翼における前縁側領域に設けられるので、前縁側領域における作動流体の翼面からの剥離を抑制できる。また、第２開口が動翼における後縁側領域に設けられるので、第２開口が動翼における前縁側領域に設けられる場合と比べて、第２開口における作動流体の圧力が低くなり、第１開口における作動流体の圧力との差を大きくすることができる。これにより、第１開口から吸入した作動流体が効率的に第２開口１２から排出される。
なお、第２開口が動翼における前縁側領域に設けられた場合には、第２開口から排出された作動流体が、前縁側領域における作動流体の翼面からの剥離を助長するおそれがあるが、第２開口が動翼における後縁側領域に設けられるので、第２開口から排出された作動流体が、前縁側領域における作動流体の翼面からの剥離を助長することを防止できる。
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、前記第２開口は、前記動翼の後縁のエッジ面に設けられるエッジ面開口を含む。
作動流体の流れに沿った後縁の下流側には、ウエイク流と呼ばれる後流が発生して損失が生じることがある。
その点、上記（３）の構成によれば、第２開口が動翼の後縁のエッジ面に設けられるエッジ面開口を含むので、エッジ面開口から排出される作動流体によってウエイク流の発達を妨げることで、ウエイクの発生を抑制できる。
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記少なくとも１枚の動翼は、第１動翼と、前記第１動翼の負圧面側で隣接する第２動翼と、を含み、
前記第２開口は、前記第１動翼の負圧面側の翼面であって、前記第２動翼の圧力面との距離が最も近いスロート部よりも前記後縁側の前記翼面に設けられる翼面開口を含む。
上記スロート部よりも後縁側の負圧面側の翼面では、作動流体が翼面から剥離し易い。上記スロート部よりも後縁側の負圧面側の翼面で作動流体が翼面から剥離すると、上述したウエイクの発生を助長して損失を拡大するおそれがある。
その点、上記（４）の構成によれば、第２開口が第１動翼の負圧面側の翼面であって、第２動翼の圧力面との距離が最も近いスロート部よりも後縁側の翼面に設けられる翼面開口を含むので、翼面開口から排出される作動流体によって、スロート部よりも後縁側の負圧面側の翼面における作動流体の剥離を抑制できる。これにより、ウエイクの発生を抑制できる。
（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、前記第２開口は、前記動翼の後縁のエッジ面に設けられるエッジ面開口と、前記翼面開口と、を含む。
上述したように、作動流体の流れに沿った後縁の下流側には、ウエイク流が発生して損失が生じることがある。
その点、上記（５）の構成によれば、第２開口が動翼の後縁のエッジ面に設けられるエッジ面開口を含むので、エッジ面開口から排出される作動流体によって、ウエイクの発生をさらに抑制できる。
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、
前記動翼の子午線上における中心位置よりも前縁側を前縁側領域、後縁側を後縁側領域と定義した場合に、前記第２開口は、前記動翼における前記後縁側領域に設けられ、
前記第２開口は、前記動翼のスパン方向における中心位置よりも前記ハブ面に近い位置に形成される。
一般的に動翼の厚さは、スパン方向に沿ってハブ面に向かうほど厚くなる。そのため、上述したウエイク流は、作動流体の流れに沿った後縁の下流側においてスパン方向におけるハブ面側で発生しやすい。
その点、上記（６）の構成によれば、第２開口が後縁側領域において動翼のスパン方向における中心位置よりもハブ面に近い位置に形成されるので、第２開口から排出される作動流体によってウエイク流の発達を妨げることで、ウエイクの発生を効果的に抑制できる。
（７）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記動翼の子午線上における中心位置よりも前縁側を前縁側領域、後縁側を後縁側領域と定義した場合に、
前記第１開口は、前記動翼における前記前縁側領域に設けられ、
前記第２開口は、前記ハブの先端面に設けられる。
ハブの先端面の下流側では、動翼に沿って流れた作動流体がハブの先端面側に回り込むように流れることで、上述したウエイクがより発生し易い。
その点、上記（７）の構成によれば、第２開口がハブの先端面に設けられるので、第２開口から排出される作動流体によってウエイクの発生を効果的に抑制できる。
（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかの構成において、前記第１開口は、前記動翼の負圧面側の翼面に形成される。
理論速度比Ｕ／Ｃ０が小さくなると、作動流体の相対的な流れが圧力面側に傾くため、負圧面側において翼面からの剥離が生じやすくなる。
その点、上記（８）の構成によれば、第１開口が動翼の負圧面側の翼面に形成されているので、負圧面側における翼面からの作動流体の剥離を効果的に抑制できる。
（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかの構成において、前記第１開口は、前記動翼の圧力面側の翼面に形成される。
理論速度比Ｕ／Ｃ０が大きくなると、作動流体の相対的な流れが負圧面側に傾くため、圧力面側において翼面からの剥離が生じやすくなる。
その点、上記（９）の構成によれば、第１開口が動翼の圧力面側の翼面に形成されているので、圧力面側における翼面からの作動流体の剥離を効果的に抑制できる。
（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（９）の何れかの構成において、
前記動翼の子午線上における中心位置よりも前縁側を前縁側領域、後縁側を後縁側領域と定義した場合に、前記第１開口は、前記動翼における前記前縁側領域に設けられ、
前記第１開口は、前記動翼のスパン方向における中心位置よりも前記ハブ面から遠い位置に形成される。
タービン動翼に流入する作動流体の前縁近傍における剥離は、スパン方向に沿ってハブ面から離れるほど生じ易くなることが分かっている。
その点、上記（１０）の構成によれば、第１開口が前縁側領域において動翼のスパン方向における中心位置よりもハブ面から遠い位置に形成されるので、前縁近傍における作動流体の剥離を効果的に抑制できる。
（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１０）の何れかの構成において、前記第１開口の開口面積は、前記第２開口の開口面積よりも大きい。
タービン動翼に流入する作動流体の前縁近傍における剥離を効果的に抑制するためには、第１開口の開口面積が大きいことが望ましい。しかし、第１開口の開口面積を大きくすると、第１開口から連結通路に流入する作動流体が増えるため、タービン動翼に対して運動エネルギを与えない作動流体が増加して、タービンの効率が低下するおそれがある。
その点、上記（１１）の構成によれば、第１開口の開口面積が第２開口の開口面積よりも大きい、すなわち第２開口の開口面積が第１開口の開口面積よりも小さいので、第２開口の開口面積が第１開口の開口面積と同じ場合と比べて、第１開口から連結通路に流入する作動流体の流量を抑制できる。したがって、タービン動翼に流入する作動流体の前縁近傍における剥離を効果的に抑制しつつ、第１開口から連結通路に流入する作動流体の流量を抑制できるので、タービンの効率低下を効果的に抑制できる。
（１２）本発明の少なくとも一実施形態に係るターボチャージャは、
回転軸と、
前記回転軸の一端側に連結されるコンプレッサホイールと、
前記回転軸の他端側に連結されるタービン動翼であって、上記構成（１）乃至（１１）の何れかの構成のタービン動翼と、を備える。
上記（１２）の構成によれば、上記構成（１）のタービン動翼を備えるので、ターボチャージャのタービンの効率低下を抑制できる。
（１３）本発明の少なくとも一実施形態に係るタービン動翼の製造方法は、
上記構成（１）乃至（１１）の何れかの構成のタービン動翼の製造方法であって、
金属粉末を積層造形することで、前記ハブと、前記連結通路の少なくとも一部が内部に設けられた前記動翼とを一体的に形成する。
例えばタービン動翼を精密鋳造によって製造する場合、金型にワックスを注入し、ワックス模型を製作する。ワックス模型を金型から外さなければならないため、ワックス模型の動翼に相当する部分の内部には、上述した連結通路に相当する通路を金型を抜く方向と交差する方向に延在するように設けることができない。そのため、上記構成（１）のように、動翼に設けられた第１開口と動翼の第１開口よりも後縁側に設けられた第２開口とを接続する、動翼の内部に設けられる連結通路を備えるタービン動翼は、精密鋳造では製造が困難である。
その点、上記（１３）の方法によれば、金属粉末を積層造形することで、ハブと連結通路の少なくとも一部が内部に設けられた動翼とを一体的に形成するので、上記構成（１）のタービン動翼を製造することができる。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、タービンの効率低下を抑制できる。
幾つかの実施形態に係るターボチャージャの一例を示す断面図である。 幾つかの実施形態に係るタービン動翼の外観の斜視図である。 理論速度比Ｕ／Ｃ０が小さい場合において、動翼の前縁に流入する排気ガスの流れを模式的に示す図である。 理論速度比Ｕ／Ｃ０が大きい場合において、動翼の前縁に流入する排気ガスの流れを模式的に示す図である。 実施形態に係る動翼３３の形状を模式的に示す図である。 実施形態に係る動翼３３の形状を模式的に示す図である。 実施形態に係る動翼３３の形状を模式的に示す図である。 実施形態に係る動翼３３の形状を模式的に示す図である。 実施形態に係る動翼３３の形状を模式的に示す図である。 実施形態に係る動翼３３の形状を模式的に示す図である。
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
図１は、幾つかの実施形態に係るターボチャージャ１の一例を示す断面図である。
幾つかの実施形態に係るターボチャージャ１は、例えば自動車などの車両に搭載されるエンジンの吸気を過給するための装置である。
ターボチャージャ１は、ロータシャフト２を回転軸として連結されたタービンホイール（タービン動翼）３及びコンプレッサホイール４と、タービン動翼３を収容するタービンハウジング５と、コンプレッサホイール４を収容するコンプレッサハウジング６とを有する。また、タービンハウジング５は、スクロール７を有する。コンプレッサハウジング６は、スクロール８を有する。
また、タービンハウジング５のタービン動翼３の外周側には、タービン動翼３を覆うようにシュラウド９が形成されている。
図２は、幾つかの実施形態に係るタービン動翼３の外観の斜視図である。
幾つかの実施形態に係るタービン動翼３は、ロータシャフト（回転軸）２に連結されて軸線ＡＸの周りに回転されるタービン動翼である。幾つかの実施形態に係るタービン動翼３は、軸線ＡＸに沿った断面において、軸線ＡＸに対して傾斜するハブ面３２を有するハブ３１と、ハブ面３２に設けられた複数の動翼３３とを有する。なお、図２に示したタービン動翼３はラジアルタービンであるが、斜流タービンであってもよい。また、図２では、後述する第１開口や第２開口の記載を省略している。図２において、矢印Ｒはタービン動翼３の回転方向を示す。動翼３３は、タービン動翼３の周方向に間隔をあけて複数設けられる。
このように構成されるターボチャージャ１では、作動流体である排気ガスは、タービン動翼３の前縁３６から後縁３７に向かって流れる。
上述したように、ターボチャージャ１のタービンの効率は、翼入口の周速Ｕと、タービン入口温度および圧力比で排気ガスが加速される最大流速、すなわち、理論速度Ｃ０との比である理論速度比（＝Ｕ／Ｃ０）に対して示され、ある理論速度比Ｕ／Ｃ０において最大となる。
ターボチャージャ１が用いられるエンジンが搭載される自動車などの車両では、運転状態が頻繁に変化するので、排気ガスの温度や圧力も頻繁に変化する。そのため、理論速度Ｃ０が頻繁に変化し、理論速度比Ｕ／Ｃ０も頻繁に変化する。
図３は、理論速度比Ｕ／Ｃ０が小さい場合において、動翼３３の前縁３６に流入する排気ガスの流れを模式的に示す図である。図４は、理論速度比Ｕ／Ｃ０が大きい場合において、動翼３３の前縁３６に流入する排気ガスの流れを模式的に示す図である。図３及び図４では、動翼３３の翼面に沿って流れる排気ガスの主たる流れの方向に沿った動翼３３の断面を表している。
例えば、理論速度比Ｕ／Ｃ０が小さくなると、動翼３３の前縁３６に流入する排気ガスの流入角度は、図３における矢印４１Ａで示すように、圧力面３８側に傾く。すなわち、理論速度比Ｕ／Ｃ０が小さくなると、排気ガスの流れは、圧力面３８側に向かう方向の成分が大きくなる。その結果、動翼３３の前縁３６から流入した排気ガスは、前縁３６の近傍の負圧面３９側において、矢印４２Ａで示すように剥離する。このような剥離が生じる剥離領域が大きくなるほど、タービンの効率は低下する。
また、例えば、理論速度比Ｕ／Ｃ０が大きくなると、動翼３３の前縁３６に流入する排気ガスの流入角度は、図４における矢印４１Ｂで示すように、負圧面３９側に傾く。すなわち、理論速度比Ｕ／Ｃ０が大きくなると、排気ガスの流れは、負圧面３９側に向かう方向の成分が大きくなる。その結果、動翼３３の前縁３６から流入した排気ガスは、前縁３６の近傍の圧力面３８側において、矢印４２Ｂで示すように剥離する。このような剥離が生じる剥離領域が大きくなるほど、タービンの効率は低下する。
そこで、幾つかの実施形態のタービン動翼３では、動翼３３の翼面のうち、上述したような剥離が生じ易い領域の近傍に排気ガスを吸入する第１開口１１を設け、第１開口１１近傍の排気ガスを第１開口１１から吸入することで第１開口１１の近傍の翼面から排気ガスが剥離することを抑制するようにしている。そして、第１開口１１から吸入した排気ガスを、タービン動翼３の内部に設けた連結通路１０を介して、排気ガスの主たる流れに沿って第１開口１１よりも下流側に設けられた第２開口１２から排出するようにしている。以下、幾つかの実施形態に係るタービン動翼３の第１開口１１、第２開口１２、及び連結通路１０について説明する。
図５〜図１０は、実施形態に係る動翼３３の形状を模式的に示す図である。
なお、図５は、一実施形態に係る動翼３３の子午面形状を模式的に示す図である。図６は、図５に示した一実施形態に係る動翼３３についての連結通路１０に沿った断面を模式的に示す図であり、互いに隣接する２枚の動翼３３について図示している。図７〜図９は、幾つかの実施形態に係る動翼３３についての連結通路１０に沿った断面を模式的に示す図である。図１０は、他の実施形態に係る動翼３３の子午面形状を模式的に示す図である。
図５において、矢印Ｇは、排気ガスの主たる流れの方向を示すものである。
ここで、子午面において、図５に示すように動翼３３の先端部（チップ）３４の全長をＬｔ、動翼３３の基端部（ハブ面３２との接続位置）３５の全長をＬｂ、動翼３３の先端部３４において、前縁３６から所定距離Ｌｔ１だけ離れた位置を第１位置、動翼３３の基端部３５において、前縁３６から所定距離Ｌｂ１（但し、Ｌｂ１＝Ｌｂ×Ｌｔ１／Ｌｔ）だけ離れた位置を第２位置、とした場合に、第１位置と第２位置とを通過する直線に沿った方向が「スパン方向」として定義される。図５において、スパン方向に沿った線分Ｓの１つを一点鎖線で例示している。なお、図５に示した線分Ｓは、後述する変数ｍの値が０．５となる位置を示すものでもある。
また、子午面において、スパン方向における高さ位置が動翼３３の前縁３６から後縁３７に亘って同じ高さ位置となるラインが「子午線」として定義される。図５において、子午線Ｍの１つを一点鎖線で例示している。なお、図５に示した子午線Ｍは、スパン方向における高さ位置が先端部３４と基端部３５との中間位置、すなわちスパン方向における中心位置となる子午線である。
図５〜図１０に示した幾つかの実施形態では、タービン動翼３は、動翼３３に設けられた第１開口１１と、タービン動翼３における第１開口１１よりも排気ガスの主たる流れの下流側に設けられた第２開口１２とを接続する、タービン動翼３の内部に設けられる連結通路１０を備える。
したがって、幾つかの実施形態では、動翼３３に設けられた第１開口１１と、タービン動翼３における第１開口１１よりも下流側に設けられた第２開口１２とは、タービン動翼３の内部の連結通路１０で接続されている。また、第２開口１２が第１開口１１よりも下流側に設けられているので、第１開口１１における排気ガスの圧力は第２開口１２における排気ガスの圧力よりも高い。そのため、第１開口１１の近傍の排気ガスは、第１開口１１から吸入されて連結通路１０を介して第２開口１２から排出されることとなる。したがって、第１開口１１近傍の排気ガスを第１開口１１から吸入することで第１開口１１の近傍の翼面から排気ガスが剥離することを抑制でき、理論速度比Ｕ／Ｃ０に関わらずタービンの効率低下を抑制できる。
また、幾つかの実施形態に係るターボチャージャ１は、図５〜図１０に示した幾つかの実施形態のタービン動翼３の何れかを備えるので、ターボチャージャ１のタービンの効率低下を抑制できる。
図５〜図９に示した幾つかの実施形態では、動翼３３の子午線Ｍ上における中心位置よりも前縁３６側を前縁側領域２１、後縁３７側を後縁側領域２２と定義した場合に、第１開口１１は、動翼３３における前縁側領域２１に設けられ、第２開口１２は、動翼３３における後縁側領域２２に設けられる。
なお、図５において、動翼３３の子午線Ｍ上における中心位置は、図５に示した線分Ｓの位置である。
理論速度比Ｕ／Ｃ０の変化による排気ガスの翼面からの剥離は、動翼３３の前縁３６側で生じやすい。その点、図５〜図９に示した幾つかの実施形態では、第１開口１１が動翼３３における前縁側領域２１に設けられるので、前縁側領域２１における排気ガスの翼面からの剥離を抑制できる。また、第２開口１２が動翼３３における後縁側領域２２に設けられるので、第２開口１２が動翼３３における前縁側領域２１に設けられる場合と比べて、第２開口１２における排気ガスの圧力が低くなり、第１開口１１における排気ガスの圧力との差を大きくすることができる。これにより、第１開口１１から吸入した排気ガスが効率的に第２開口１２から排出される。
なお、仮に、第２開口１２が動翼３３における前縁側領域２１に設けられた場合には、第２開口１２から排出された排気ガスが、前縁側領域２１における排気ガスの翼面からの剥離を助長するおそれがあるが、第２開口１２が動翼３３における後縁側領域２２に設けられるので、第２開口１２から排出された排気ガスが、前縁側領域２１における排気ガスの翼面からの剥離を助長することを防止できる。
なお、図５〜図９に示した幾つかの実施形態では、連結通路１０は、動翼３３の内部に設けられる。
図８に示す一実施形態では、第２開口１２は、動翼３３の後縁３７のエッジ面３７ａに設けられるエッジ面開口１２Ｂを含む。
排気ガスの流れに沿った後縁３７の下流側には、ウエイク流と呼ばれる動翼３３の後縁３７を振動せしめる後流が発生して損失が生じることがある。
その点、図８に示す一実施形態では、第２開口１２が動翼３３の後縁３７のエッジ面３７ａに設けられるエッジ面開口１２Ｂを含むので、エッジ面開口１２Ｂから排出される排気ガスによってウエイク流の発達を妨げることで、ウエイクの発生を抑制できる。
図６に示した一実施形態に係るタービン動翼３は、少なくとも第１動翼３３Ａと、第１動翼３３Ａの負圧面３９側で隣接する第２動翼３３Ｂとを含む。図６に示した一実施形態に係るタービン動翼３では、第２開口１２は、第１動翼３３Ａの負圧面３９側の翼面であって、第２動翼３３Ｂの圧力面３８との距離が最も近いスロート部２３よりも後縁３７側の翼面に設けられる翼面開口１２Ａを含む。
すなわち、図６に示すように、互いに隣接する第１動翼３３Ａと第２動翼３３Ｂとにおいて、第１動翼３３Ａの負圧面３９と第２動翼３３Ｂの圧力面３８とが対向している。第１動翼３３Ａの負圧面３９と第２動翼３３Ｂの圧力面３８との距離が最も近い領域を上述したようにスロート部２３と呼ぶ。図６に示した一実施形態に係るタービン動翼３では、翼面開口１２Ａは、第１動翼３３Ａの負圧面３９側の翼面であって、スロート部２３よりも後縁３７側の翼面に設けられる。
なお、図６に示した一実施形態では、スロート部２３は、第１動翼３３Ａの負圧面３９と第２動翼３３Ｂの後縁３７との間の領域となる。
スロート部２３よりも後縁３７側の負圧面３９側の翼面では、排気ガスが翼面から剥離し易い。スロート部２３よりも後縁３７側の負圧面３９側の翼面で排気ガスが翼面から剥離すると、上述したウエイクの発生を助長して損失を拡大するおそれがある。
その点、図６に示した一実施形態では、第２開口１２が第１動翼３３Ａの負圧面３９側の翼面であって、第２動翼３３Ｂの圧力面３８との距離が最も近いスロート部２３よりも後縁３７側の翼面に設けられる翼面開口１２Ａを含むので、翼面開口１２Ａから排出される排気ガスによって、スロート部２３よりも後縁３７側の負圧面３９側の翼面における排気ガスの剥離を抑制できる。これにより、ウエイクの発生を抑制できる。
なお、以下の説明では、翼面開口１２Ａやエッジ面開口１２Ｂ、後述する先端面開口１２Ｃを特に区別する必要がない場合には、符号の末尾のアルファベットを省略し、単に第２開口１２と記載することとする。
図９に示す一実施形態では、第２開口１２は、翼面開口１２Ａとエッジ面開口１２Ｂとを含む。
図９に示す一実施形態では、第２開口１２が翼面開口１２Ａを含むので、翼面開口１２Ａから排出される排気ガスによって、スロート部２３よりも後縁３７側の負圧面３９側の翼面における排気ガスの剥離を抑制できる。これにより、ウエイクの発生を抑制できる。
また、図９に示す一実施形態では、第２開口１２がエッジ面開口１２Ｂを含むので、エッジ面開口１２Ｂから排出される排気ガスによって、ウエイクの発生をさらに抑制できる。
図５〜図９に示す幾つかの実施形態では、第２開口１２は、上述したように動翼３３における後縁側領域２２に設けられる。また、図５〜図９に示す幾つかの実施形態では、図５に示すように、第２開口１２は、動翼３３のスパン方向における中心位置よりもハブ面３２（図２、図１０参照）に近い位置、すなわち動翼３３のスパン方向における中心位置よりも基端部３５側に形成される。
なお、図５において、スパン方向の中心位置は、図５に示した子午線Ｍの位置である。
一般的に動翼３３の厚さは、スパン方向に沿ってハブ面３２に向かうほど厚くなる。そのため、上述したウエイク流は、排気ガスの流れに沿った後縁３７の下流側においてスパン方向におけるハブ面３２側で発生しやすい。
その点、図５〜図９に示す幾つかの実施形態では、図５に示すように、第２開口１２が後縁側領域２２において動翼３３のスパン方向における中心位置よりもハブ面３２に近い位置に形成されるので、第２開口１２から排出される排気ガスによってウエイク流の発達を妨げることで、ウエイクの発生を効果的に抑制できる。
図１０に示す一実施形態では、第１開口１１は、動翼３３における前縁側領域２１に設けられ、第２開口１２は、ハブ３１の先端面３１ａに設けられる。すなわち、図１０に示す一実施形態では、連結通路１０は、動翼３３の内部及びハブ３１の内部に設けられる。
ハブ３１の先端面３１ａの下流側では、動翼３３に沿って流れた排気ガスがハブ３１の先端面３１ａ側に回り込むように流れることで、上述したウエイクがより発生し易い。
その点、図１０に示す一実施形態では、第２開口１２がハブ３１の先端面３１ａに設けられるので、第２開口１２から排出される排気ガスによってウエイクの発生を効果的に抑制できる。
なお、図１０に示す一実施形態における第２開口１２は、先端面開口１２Ｃとも呼ぶ。
図５、図６、図８〜図１０に示す幾つかの実施形態では、第１開口１１は、動翼３３の負圧面３９側の翼面に形成される。
理論速度比Ｕ／Ｃ０が小さくなると、排気ガスの相対的な流れが圧力面３８側に傾くため、負圧面３９側において翼面からの剥離が生じやすくなる。
その点、図５、図６、図８〜図１０に示す幾つかの実施形態では、第１開口１１が動翼３３の負圧面３９側の翼面に形成されているので、負圧面３９側における翼面からの排気ガスの剥離を効果的に抑制できる。
負圧面３９側の翼面に形成された第１開口１１を、負圧面側開口１１Ａとも呼ぶ。
なお、以下の説明では、負圧面側開口１１Ａと後述する圧力面側開口１１Ｂを特に区別する必要がない場合には、符号の末尾のアルファベットを省略し、単に第１開口１１と記載することとする。
図７に示す一実施形態では、第１開口１１は、動翼３３の圧力面３８側の翼面に形成される。
理論速度比Ｕ／Ｃ０が大きくなると、排気ガスの相対的な流れが負圧面３９側に傾くため、圧力面３８側において翼面からの剥離が生じやすくなる。
その点、図７に示す一実施形態では、第１開口１１が動翼３３の圧力面３８側の翼面に形成されているので、圧力面３８側における翼面からの排気ガスの剥離を効果的に抑制できる。
圧力面３８側の翼面に形成された第１開口１１を、圧力面側開口１１Ｂとも呼ぶ。
図５〜図１０に示す幾つかの実施形態では、第１開口１１は、上述したように動翼３３における前縁側領域２１に設けられる。また、図５〜図１０に示す幾つかの実施形態では、図５及び図１０に示すように、第１開口１１は、動翼３３のスパン方向における中心位置よりもハブ面３２から遠い位置、すなわち動翼３３のスパン方向における中心位置よりも先端部３４側に形成される。
タービン動翼３に流入する排気ガスの前縁３６近傍における剥離は、スパン方向に沿ってハブ面３２から離れるほど生じ易くなることが分かっている。
その点、図５〜図１０に示す幾つかの実施形態では、図５及び図１０に示すように、第１開口１１が前縁側領域２１において動翼３３のスパン方向における中心位置よりもハブ面３２から遠い位置に形成されるので、前縁３６近傍における排気ガスの剥離を効果的に抑制できる。
図５〜図１０に示す幾つかの実施形態では、第１開口１１の開口面積は、第２開口１２の開口面積よりも大きい。
タービン動翼３に流入する排気ガスの前縁３６近傍における剥離を効果的に抑制するためには、第１開口１１の開口面積が大きいことが望ましい。しかし、第１開口１１の開口面積を大きくすると、第１開口１１から連結通路１０に流入する排気ガスが増えるため、タービン動翼３に対して運動エネルギを与えない排気ガスが増加して、タービンの効率が低下するおそれがある。
その点、図５〜図１０に示す幾つかの実施形態では、第１開口１１の開口面積が第２開口１２の開口面積よりも大きい、すなわち第２開口１２の開口面積が第１開口１１の開口面積よりも小さいので、第２開口１２の開口面積が第１開口１１の開口面積と同じ場合と比べて、第１開口１１から連結通路１０に流入する排気ガスの流量を抑制できる。したがって、タービン動翼３に流入する排気ガスの前縁３６近傍における剥離を効果的に抑制しつつ、第１開口１１から連結通路１０に流入する排気ガスの流量を抑制できるので、タービンの効率低下を効果的に抑制できる。
なお、第１開口１１の開口面積が第２開口１２の開口面積よりも大きければ、連結通路１０は、例えば図５及び図１０に示すように第１開口１１から第２開口１２に向かうにつれて内径が漸減するように構成されていてもよく、第１開口１１から第２開口１２の間の少なくとも一部の区間で内径が一定となるように構成されていてもよい。
また、仮に、第２開口１２の開口面積が第１開口１１の開口面積よりも大きくても、例えば連結通路１０の少なくとも一部の区間における流路面積を小さくするなどして、第１開口１１から連結通路１０に流入する排気ガスの流量を抑制できればよい。
第１開口１１の向きは、第１開口１１の形成位置における翼面に対して垂直であってもよく、第１開口１１近傍において翼面に沿って流れる排気ガスの主たる流れの方向（図５の矢印Ｇ参照）の上流側を指向するように傾斜していてもよい。また、図３における矢印４２Ａや図４における矢印４２Ｂで示すように、翼面から剥離する剥離流は、翼面に沿って前縁３６側に向かって流れるので、この剥離流を効率的に吸入できるように、該剥離流の流れの方向の上流側、すなわち、図３や図４における下方を指向するように傾斜していてもよい。
翼面開口１２Ａの向きは、翼面開口１２Ａの形成位置における翼面に対して垂直であってもよく、翼面開口１２Ａ近傍において翼面に沿って流れる排気ガスの主たる流れの方向（図５の矢印Ｇ参照）の下流側を指向するように傾斜していてもよい。
ここで、例えば、翼面における子午線Ｍ（図５参照）に沿った位置を変数ｍの値で表すこととし、子午線Ｍに沿って前縁３６に相当する位置をｍ＝０とし、子午線Ｍに沿って後縁３７に相当する位置をｍ＝１．０とする。
前縁側領域２１は、上述したように動翼３３の子午線Ｍ上における中心位置、すなわちｍ＝０．５の位置よりも前縁３６側である。したがって、前縁側領域２１の範囲をｍの値で表すと、０＜ｍ＜０．５となる。
後縁側領域２２は、上述したように動翼３３の子午線Ｍ上における中心位置であるｍ＝０．５の位置よりも後縁３７側である。したがって、後縁側領域２２の範囲をｍの値で表すと、０．５＜ｍ＜１．０となる。
なお、上述したように、図５に示した線分Ｓは、ｍ＝０．５の位置を示す。
上述したように、図５〜図１０に示した幾つかの実施形態では、第１開口１１は、動翼３３における前縁側領域２１に設けられている。したがって、第１開口１１の位置をｍの値で表すと、０＜ｍ＜０．５となる。
図３における矢印４２Ａや図４における矢印４２Ｂで示すように、翼面から剥離する剥離流は、前縁側領域２１における前縁３６側で生じやすいことが分かっている。そのため、例えば、第１開口１１を０＜ｍ＜０．３の範囲内に形成することで、図３における矢印４２Ａや図４における矢印４２Ｂで示すような剥離流を効果的に抑制できる。
（タービン動翼３の製造方法について）
上述した幾つかの実施形態に係るタービン動翼３は、例えば、いわゆる金属３Ｄプリンターと呼ばれる装置を用い、金属粉末にレーザを照射することによって金属粉末を積層造形させることで製造される。この製造方法では、金属粉末をレーザで局所的に溶融させた後、凝固させて積層させることで金属粉末を積層造形する。
すなわち、幾つかの実施形態に係るタービン動翼の製造方法は、金属粉末を積層造形することで、ハブ３１と、連結通路１０の少なくとも一部が内部に設けられた動翼３３とを一体的に形成する製造方法である。
金属粉末を積層造形させる金属積層造形法としては、例えばレーザ焼結法やレーザ溶融法等の方法を挙げることができる。
上述したように、幾つかの実施形態に係るターボチャージャ１は、自動車などの車両向けの小型ターボチャージャであり、幾つかの実施形態に係るタービン動翼３の直径は、例えば２０ｍｍ以上７０ｍｍ以下程度である。従来、この程度の大きさのタービン動翼は、鋳造によって製造されていた。
一方、例えば、上述した特許文献２〜４には、ガスタービンや蒸気タービン等の軸流タービンのタービン翼を金属積層造形法によって製造する技術が開示されている。しかしながら、これらの公報に記載された発明は、軸流タービンの一部であるタービン翼を金属積層造形法によって製造するものであり、ロータを含めた軸流タービンの全体を一体的に製造するものではない。自動車などの車両向けの小型ターボチャージャに用いられるラジアルタービンや斜流タービンのタービン動翼を、そのハブと翼とを金属積層造形法によって一体的に製造することは従来行われていなかった。
例えばタービン動翼を精密鋳造によって製造する場合、金型にワックスを注入し、ワックス模型を製作する。ワックス模型を金型から外さなければならないため、ワックス模型の動翼に相当する部分の内部には、上述した連結通路に相当する通路を金型を抜く方向と交差する方向に延在するように設けることができない。そのため、上述した幾つかの実施形態のタービン動翼３のように、第１開口１１と第２開口１２とを接続する連結通路１０を内部に備えるタービン動翼３は、精密鋳造では製造が困難である。
その点、金属粉末を積層造形することで、ハブ３１と連結通路１０の少なくとも一部が内部に設けられた動翼３３とを一体的に形成すれば、上述した幾つかの実施形態のタービン動翼３を製造することができる。
なお、上述した幾つかの実施形態のタービン動翼３を金属積層造形法によって一体的に製造する場合、タービン動翼３は、図５及び図１０における図示左方から図示右方に向かって順次金属粉末を積層造形することで製造される。すなわち、上述した幾つかの実施形態のタービン動翼３を金属積層造形法によって一体的に製造する場合、タービン動翼３の姿勢は、図５及び図１０における後縁３７を上方を向け、軸線ＡＸの延在方向を鉛直方向と一致させた姿勢となる。そのため、上述した幾つかの実施形態のタービン動翼３を金属積層造形法によって一体的に製造する場合、図５に示した軸線ＡＸと直交する線分ｈの延在方向は水平方向となる。
金属粉末を積層造形する場合、金属粉末を下方から徐々に積層させるため、オーバーハング部の造形が難しい。そのため、水平方向に延在する空洞を形成することが難しい。そこで、上述した幾つかの実施形態のタービン動翼３では、図５に示すように、連結通路１０の延在方向、すなわち連結通路１０の中心線Ｃの延在方向が、製造時に水平となる線分ｈと交差するように、連結通路１０を設けることとしている。
なお、発明者らの知見によれば、タービン動翼３を金属積層造形法によって製造する場合、連結通路１０の内径がある内径よりも小さいと連結通路１０が潰れてしまうことが分かっている。また、発明者らの知見によれば、タービン動翼３を金属積層造形法によって製造する場合、連結通路１０の内径がある内径よりも大きいと、中心線Ｃを中心とする連結通路１０の断面形状が歪んでしまうことが分かっている。
そのため、発明者らの知見によれば、タービン動翼３の材質がアルミニウム系の材料であれば、連結通路１０の内径は、０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることが望ましいことが分かっている。
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した幾つかの実施形態のタービン動翼３では、１つの動翼３３に対して連結通路１０を１つ設けた例を示しているが、１つの動翼３３に第１開口１１、第２開口１２及び連結通路１０を２組以上設けてもよい。この場合、図６〜図１０に示す幾つかの実施形態の中の何れか一つの第１開口１１、第２開口１２及び連結通路１０の組を２組以上設けてもよく、図６〜図１０に示す幾つかの実施形態の中から異なる実施形態の第１開口１１、第２開口１２及び連結通路１０の組を組み合わせて２組以上設けてもよい。
また、１つの動翼３３に複数の第１開口１１を設け、複数の第１開口１１を１つの連結通路１０と接続してもよい。
また、１つの動翼３３に複数の翼面開口１２Ａを設け、複数の翼面開口１２Ａを１つの連結通路１０と接続してもよく、１つの動翼３３に複数のエッジ面開口１２Ｂを設け、複数のエッジ面開口１２Ｂを１つの連結通路１０と接続してもよい。
上述した幾つかの実施形態に係る連結通路１０は、必ずしもタービン動翼３の全ての動翼３３に設けられていなくてもよく、少なくとも１つの動翼３３に設けられていればよい。
また、第１開口１１の位置や大きさ、形成数が動翼３３毎に異なっていてもよい。同様に、第２開口１２の位置や大きさ、形成数が動翼３３毎に異なっていてもよい。また、連結通路１０の形成位置や形成数が動翼３３毎に異なっていてもよい。
１ ターボチャージャ
２ ロータシャフト
３ タービンホイール（タービン動翼）
４ コンプレッサホイール
１０ 連結通路
１１ 第１開口
１２ 第２開口
１２Ａ 翼面開口
１２Ｂ エッジ面開口
２１ 前縁側領域
２２ 後縁側領域
２３ スロート部
３１ ハブ
３２ ハブ面
３３ 動翼
３３Ａ 第１動翼
３３Ｂ 第２動翼
３４ 先端部（チップ）
３５ 基端部
３６ 前縁
３７ 後縁
３７ａ エッジ面
３８ 圧力面
３９ 負圧面

Claims (13)

  1. 回転軸に連結されて軸線の周りに回転されるタービン動翼であって、
    前記軸線に沿った断面において、前記軸線に対して傾斜するハブ面を有するハブと、
    前記ハブ面に設けられた少なくとも１枚の動翼と、
    前記動翼に設けられた第１開口と、前記タービン動翼における前記第１開口よりも下流側に設けられた第２開口とを接続する、前記タービン動翼の内部に設けられる連結通路と、
    を備える
    タービン動翼。
  2. 前記動翼の子午線上における中心位置よりも前縁側を前縁側領域、後縁側を後縁側領域と定義した場合に、
    前記第１開口は、前記動翼における前記前縁側領域に設けられ、
    前記第２開口は、前記動翼における前記後縁側領域に設けられる
    請求項１に記載のタービン動翼。
  3. 前記第２開口は、前記動翼の後縁のエッジ面に設けられるエッジ面開口を含む
    請求項１又は２に記載のタービン動翼。
  4. 前記少なくとも１枚の動翼は、第１動翼と、前記第１動翼の負圧面側で隣接する第２動翼と、を含み、
    前記第２開口は、前記第１動翼の負圧面側の翼面であって、前記第２動翼の圧力面との距離が最も近いスロート部よりも前記後縁側の前記翼面に設けられる翼面開口を含む
    請求項１又は２に記載のタービン動翼。
  5. 前記第２開口は、前記動翼の後縁のエッジ面に設けられるエッジ面開口と、前記翼面開口と、を含む
    請求項４に記載のタービン動翼。
  6. 前記動翼の子午線上における中心位置よりも前縁側を前縁側領域、後縁側を後縁側領域と定義した場合に、前記第２開口は、前記動翼における前記後縁側領域に設けられ、
    前記第２開口は、前記動翼のスパン方向における中心位置よりも前記ハブ面に近い位置に形成される
    請求項１乃至５の何れか１項に記載のタービン動翼。
  7. 前記動翼の子午線上における中心位置よりも前縁側を前縁側領域、後縁側を後縁側領域と定義した場合に、
    前記第１開口は、前記動翼における前記前縁側領域に設けられ、
    前記第２開口は、前記ハブの先端面に設けられる
    請求項１に記載のタービン動翼。
  8. 前記第１開口は、前記動翼の負圧面側の翼面に形成される
    請求項１乃至７の何れか１項に記載のタービン動翼。
  9. 前記第１開口は、前記動翼の圧力面側の翼面に形成される
    請求項１乃至７の何れか１項に記載のタービン動翼。
  10. 前記動翼の子午線上における中心位置よりも前縁側を前縁側領域、後縁側を後縁側領域と定義した場合に、前記第１開口は、前記動翼における前記前縁側領域に設けられ、
    前記第１開口は、前記動翼のスパン方向における中心位置よりも前記ハブ面から遠い位置に形成される
    請求項１乃至９の何れか１項に記載のタービン動翼。
  11. 前記第１開口の開口面積は、前記第２開口の開口面積よりも大きい
    請求項１乃至１０の何れか１項に記載のタービン動翼。
  12. 回転軸と、
    前記回転軸の一端側に連結されるコンプレッサホイールと、
    前記回転軸の他端側に連結されるタービン動翼であって、請求項１乃至１１の何れか１項の記載のタービン動翼と、を備える
    ターボチャージャ。
  13. 請求項１乃至１１の何れか１項に記載のタービン動翼の製造方法であって、
    金属粉末を積層造形することで、前記ハブと、前記連結通路の少なくとも一部が内部に設けられた前記動翼とを一体的に形成するタービン動翼の製造方法。
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