WO2019087281A1

WO2019087281A1 - 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

Info

Publication number: WO2019087281A1
Application number: PCT/JP2017/039274
Authority: WO
Inventors: 横山　隆雄; 星　徹; 豊隆吉田
Original assignee: 三菱重工エンジン＆ターボチャージャ株式会社
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2019-05-09
Also published as: US20200040737A1; EP3604762A1; JPWO2019087281A1; US11421535B2; CN110637151A; CN110637151B; EP3604762B1; EP3604762A4; JP6789407B2

Abstract

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動翼と、前記動翼の翼面に形成された少なくとも一つのリブであって、前記動翼の子午面において、前記動翼のスパン方向に対して交差する方向に延在する少なくとも一つのリブと、を備える。

Description

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

　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では、作動流体である排気ガスは、タービン動翼の前縁から後縁に向かって流れる。しかし、例えばタービンのハブからシュラウドに向かって翼面に沿って流れる二次流れと呼ばれる作動流体の流れ等が生じると、作動流体の圧力損失が増加して、タービン効率が低下してしまう。そのため、作動流体の二次流れの発生を抑制することが求められている。
　また、排気ターボ過給機に用いられるタービンでは、タービン動翼に振動が生じることがある。タービン動翼に振動が生じると、タービン動翼を破損させるおそれがあるため、タービン動翼の振動を抑制することが求められている。
　そこで、例えばタービン動翼の振動を抑制するように構成されたタービンが知られている（特許文献１参照）。

国際公開第２０１４／１２８８９８号特開２００３－１２９８６２号公報特開２０１５－１９４１３７号公報特表２０１６－５０２５８９号公報

　上述した特許文献に記載のタービンでは、翼高さの中間部における断面形状の翼厚さが前縁側の翼厚に対して急激に上昇する翼厚変化部を設けることで、動翼の固有振動数を調整して動翼の振動を抑制するようにしている。
　しかし、上述した特許文献には、作動流体の二次流れを抑制するための構成が開示されていない。

　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、作動流体の二次流れ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動翼と、
　前記動翼の翼面に形成された少なくとも一つのリブであって、前記動翼の子午面において、前記動翼のスパン方向に対して交差する方向に延在する少なくとも一つのリブと、
を備える。

　上記（１）の構成によれば、少なくとも一つのリブが動翼のスパン方向に対して交差する方向に延在するので、動翼の翼面に沿ったスパン方向の二次流れを抑制することができる。これにより、作動流体の圧力損失を低減でき、タービン効率を向上させることができる。また、上記（１）の構成では、リブによって動翼が補強されるので、動翼に生じる振動を抑制できる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
　前記動翼の子午面において、
　前記少なくとも一つのリブの上流端は、前記軸線から遠ざかる方向を指向するように形成されるとともに、
　前記少なくとも一つのリブの上流端が指向する第１方向と前記軸線に平行な方向とがなす鋭角側の角度をθ１、
　前記少なくとも一つのリブの下流端が指向する第２方向と前記軸線に平行な方向とがなす鋭角側の角度をθ２、
とした場合に、θ１＞θ２の関係を満たす。

　上記（２）の構成によれば、リブの上流端が作動流体の流れの上流側を指向し、下流端が作動流体の流れの下流側を指向するので、少なくとも一つのリブの形状が、作動流体の流れに沿った形状となり、作動流体の圧力損失を低減することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、前記少なくとも一つのリブは、前記動翼の子午面において、前記軸線側に向かって凸となる円弧状を有する。

　上記（３）の構成によれば、リブが軸線側に向かって凸となる円弧状を有するので、少なくとも一つのリブの形状が、作動流体の流れに沿った形状となり、作動流体の圧力損失を低減することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、前記少なくとも一つのリブは、前記動翼の子午面において、前記少なくとも一つのリブの少なくとも一部が前記動翼の子午線に沿って延在する。

　上記（４）の構成によれば、リブの少なくとも一部が、動翼の子午線に沿って延在するので、少なくとも一つのリブの形状が、作動流体の流れに沿った形状となり、作動流体の圧力損失を低減することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、前記少なくとも一つのリブは、前記子午面における前記リブの長さをＬ、前記リブの厚みをｔとした場合に、Ｌ≧２ｔの関係を満たすように構成される。

　上記（５）の構成によれば、長さＬを有するリブによって二次流れを広い範囲で抑制できる。また、リブの厚みｔがＬ≧２ｔの関係を満たすので、リブの厚みを抑制してリブの形成によるタービン動翼の重量増を抑制できる。

（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、前記少なくとも一つのリブは、上流端から下流側に向かって徐々に高さが大きくなる傾斜部を有する。

　上記（６）の構成によれば、リブが上流端から下流側に向かって徐々に高さが大きくなる傾斜部を有するので、傾斜部を有しないリブと比べて作動流体の圧力損失を低減することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの構成において、前記少なくとも一つのリブは、複数のリブを含む。

　上記（７）の構成によれば、長さが大きい１つのリブを形成した場合と比べて、長さの短いリブを二次流れの抑制効果が高い複数個所に形成することで、リブの形成によるタービン動翼の重量増を抑制できる。

（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、
　前記動翼の子午面において、
　前記スパン方向における前記動翼の全高をＨｂ、
　前記スパン方向における前記ハブ面から前記少なくとも一つのリブまでの高さをＨｌ、とした場合に、
　前記少なくとも一つのリブは、Ｈｌ＞０．５×Ｈｂを満たす位置に形成される。

　二次流れによる損失の影響は、動翼の基端部側よりも動翼の先端部側の方が大きい。また、動翼の子午線方向の長さは、基端部側から先端側に向かうにつれて短くなる。そのため、リブの長さが同じであっても、リブが基端部側に形成されている場合よりも先端部側に形成されている場合の方が二次流れによる損失の影響を効果的に抑制できる。
　その点、上記（８）の構成によれば、少なくとも一つのリブがＨｌ＞０．５×Ｈｂを満たす位置に形成されるので、翼面上で基端部側よりも先端部側に寄った位置に形成され、二次流れによる損失の影響を効果的に抑制できる。
　また、動翼に生じる振動は、先端部側でより大きく変形する傾向にあるため、少なくとも一つのリブを翼面上で基端部側よりも先端部側に寄った位置に形成することで、動翼に生じる振動を効果的に抑制できる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（８）の構成において、前記少なくとも一つのリブは、前記動翼の負圧面側の翼面に形成される。

　動翼の負圧面側では、特に、基端側から先端側に向かって翼面に沿って流れる二次流れが問題となる。その点、上記（９）の構成によれば、負圧面側の二次流れを抑制して損失を抑制できる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（８）の構成において、前記少なくとも一つのリブは、前記動翼の圧力面側の翼面における先端部の近傍に形成される。

　動翼の先端部とシュラウドとの間にはチップクリアランスが存在する。動翼の圧力面側では、特に、圧力面からチップクリアランスを経由して負圧面に作動流体が流れるクリアランスフローが問題となる。クリアランスフローが生じると、タービン効率が低下して損失が生じる。
　その点、上記（１０）の構成によれば、クリアランスフローを抑制して損失を低減できる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１０）の構成において、
　前記動翼の子午面において、前記少なくとも一つのリブが形成されている前記翼面上の領域を通過する子午線を基準子午線とした場合に、
　前記領域は、前記基準子午線上における前記翼面の曲がり度が最大となる部分を含むように構成される。

　上述したクリアランスフローは、子午線上における翼面の曲がり度が大きい部分で多くなる傾向にある。
　その点、上記（１１）の構成では、クリアランスフローが多くなる位置にリブが形成されるので、クリアランスフローを効果的に抑制して損失を低減できる。

（１２）幾つかの実施形態では、上記（８）乃至（１１）の何れかの構成において、
　前記少なくとも一つのリブは、
　前記動翼の負圧面側の翼面に形成される負圧面側リブと、
　前記動翼の圧力面側の翼面に形成される圧力面側リブと、を含み、
　前記動翼の子午面において、
　前記スパン方向における前記ハブ面から前記負圧面側リブまでの高さをＨｌｎ、
　前記スパン方向における前記ハブ面から前記圧力面側リブまでの高さをＨｌｐとした場合に、Ｈｌｎ＜Ｈｌｐの関係を満たす。

　上記（１２）の構成によれば、負圧面側リブによって負圧面側の二次流れを抑制して損失を低減できる。また、上記（１２）の構成によれば、負圧面側リブよりも動翼の先端部側に形成した圧力面側リブによって、上述したクリアランスフローを効果的に抑制して損失を低減できる。さらに、スパン方向におけるハブ面からの高さが異なる負圧面側リブと圧力面側リブとによって、動翼の広い範囲で振動を抑制できる。

（１３）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１２）の何れかの構成において、
　前記動翼と前記リブとは、同一の金属材料から形成されるとともに、
　前記少なくとも一つのリブの密度は、前記動翼の密度よりも小さい。

　タービン動翼において動翼に求められる強度とリブに求められる強度は異なる。すなわち、動翼では、遠心力に対抗するために高い強度が必要である。
　しかし、動翼に形成されるリブでは、動翼が高い強度を有するので動翼ほど高い強度を必要としない。そのため、タービン動翼の重量増抑制の観点からリブの重量を抑制することが望まれる。
　また、タービン動翼において動翼とリブとを一体成型する場合、リブの重量を抑制するためには、リブと動翼とで粗密の度合いを変えること等によりリブの密度を動翼の密度よりも小さくすることが考えられる。
　その点、上記（１３）の構成によれば、リブの密度が動翼の密度よりも小さいので、リブの重量を抑制でき、タービン動翼の重量増を抑制できる。

（１４）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（１３）の何れかの構成のタービン動翼と、を備える。

　上記（１４）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効率を向上させることができる。また、上記（１４）の構成では、上記構成（１）のタービン動翼を備えるので、動翼に生じる振動を抑制できる。

（１５）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（１３）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、前記動翼と、前記リブ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、ワックス模型のタービン動翼面に相当する位置には、金型を抜く方向と交差する方向に延在する突部等を設けることができない。そのため、上記構成（１）のように、動翼の子午面において、動翼のスパン方向に対して交差する方向に延在するリブを翼面に形成したタービン動翼は、精密鋳造では製造できない。
　その点、上記（１５）の方法によれば、金属粉末を積層造形することで、ハブと動翼とリブとを一体的に形成するので、翼面にリブが延在する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、タービン効率を向上させることができる。

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。実施形態に係る動翼の形状を模式的に示す図であり、（ａ）は実施形態に係る動翼の子午面形状を模式的に示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示した動翼のそれぞれを排気ガスの流れる方向から見た断面を模式的に示す図である。実施形態に係る動翼の形状を模式的に示す図であり、（ａ）は実施形態に係る動翼の子午面形状を模式的に示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示した動翼のそれぞれを排気ガスの流れる方向から見た断面を模式的に示す図である。実施形態に係る動翼の形状を模式的に示す図であり、（ａ）は実施形態に係る動翼の子午面形状を模式的に示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示した動翼のそれぞれを排気ガスの流れる方向から見た断面を模式的に示す図である。実施形態に係る動翼の形状を模式的に示す図であり、（ａ）は実施形態に係る動翼の子午面形状を模式的に示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示した動翼のそれぞれを排気ガスの流れる方向から見た断面を模式的に示す図である。実施形態に係る動翼の形状を模式的に示す図であり、一実施形態の動翼を排気ガスの流れる方向から見た断面を模式的に示す図である。実施形態に係る動翼の形状を模式的に示す図であり、一実施形態の動翼の子午面形状を模式的に示す図である。複数のリブが排気ガスの流れに沿って直列に延在している実施形態の動翼の子午面形状を模式的に示す図である。複数のリブが排気ガスの流れに沿って並列に延在している実施形態の動翼の子午面形状を模式的に示す図である。複数のリブがスパン方向の異なる位置に配置された実施形態の動翼の子午面形状を模式的に示す図である。リブの断面形状の一例を表す図であり、リブの高さ方向に沿った断面を表す図である。基準子午線に沿った動翼の形状をスパン方向から見たときの展開図である。動翼に１次モードの振動が生じた場合の振幅の等高線の一例を示す図である。動翼に２次モードの振動が生じた場合の振幅の等高線の一例を示す図である。動翼に３次モードの振動が生じた場合の振幅の等高線の一例を示す図である。

　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、後述するリブ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。しかし、例えばハブ面３２側からシュラウド９に向かって翼面に沿って流れる二次流れと呼ばれる作動流体の流れ等が生じると、作動流体の圧力損失が増加して、タービン効率が低下してしまう。そのため、作動流体の二次流れの発生を抑制することが求められている。
　また、ターボチャージャ１では、タービン動翼３の動翼３３に振動が生じることがある。動翼３３に振動が生じると、タービン動翼３を破損させるおそれがあるため、動翼３３の振動を抑制することが求められている。

　そこで、幾つかの実施形態に係るタービン動翼３では、動翼３３の翼面に形成したリブによって、上述した二次流れや動翼３３の振動を抑制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のリブについて説明する。

　図３～図１１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３（ａ）～図６（ａ）は、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り、図３（ｂ）～図６（ｂ）は、図３（ａ）～図６（ａ）に示した動翼３３のそれぞれを作動流体である排気ガスの流れる方向から見た断面を模式的に示す図である。また、図７は、一実施形態の動翼３３を排気ガスの流れる方向から見た断面を模式的に示す図である。図８は、一実施形態の動翼３３の子午面形状を模式的に示す図である。図９は、複数のリブが排気ガスの流れに沿って直列に延在している実施形態の動翼３３の子午面形状を模式的に示す図である。図１０は、複数のリブが排気ガスの流れに沿って並列に延在している実施形態の動翼３３の子午面形状を模式的に示す図である。図１１は、複数のリブが後述するスパン方向の異なる位置に配置された実施形態の動翼３３の子午面形状を模式的に示す図である。

　図３～図７、図９～図１１に示すように、幾つかの実施形態では、動翼３３には、排気ガスの流れる方向Ｇに沿って延在し、翼面から突出する少なくとも一つのリブ１０Ａが翼面に形成されている。図８に示すように、一実施形態では、動翼３３には、排気ガスの流れる方向に沿って延在し、翼面から突出するリブ１０Ｂが翼面に形成されている。
　なお、以下の説明では、リブ１０Ａ，１０Ｂ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、単にリブ１０と記載することとする。

　各リブ１０のそれぞれは、動翼３３の子午面において、動翼３３のスパン方向に対して交差する方向に延在する。
　ここで、子午面において、図３（ａ）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３（ａ）～図６（ａ）、図８～図１０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。

　図３～図１１に示すように、幾つかの実施形態では、各リブ１０がそれぞれ動翼３３のスパン方向に対して交差する方向に延在するので、動翼３３の翼面に沿ったスパン方向の二次流れを抑制することができる。これにより、作動流体である排気ガスの圧力損失を低減でき、タービン効率を向上させることができる。なお、各図において、矢印Ｇ１は、二次流れの流れの様子を模式的に示す矢印であり、矢印Ｇ２は、リブ１０で抑制される二次流れの流れの様子を模式的に示す矢印である。

　また、図３～図１１に示すように、幾つかの実施形態では、各リブ１０によって動翼３３が補強されるので、動翼３３に生じる振動を抑制できる。
　また、幾つかの実施形態に係るターボチャージャ１は、図３～図１１に示す幾つかの実施形態に係るタービン動翼を備えるので、ターボチャージャ１のタービン効率を向上させることができるとともに、動翼３３に生じる振動を抑制できる。
　なお、リブ１０による振動の抑制については後で詳細に説明する。

　図３～図１１に示した幾つかの実施形態では、例えば図３（ａ）に示すように、動翼３３の子午面において、各リブ１０は、前縁３６側に位置する端部である上流端１１と、後縁３７側に位置する端部である下流端１２とを有する。すなわち、図３（ａ）に示したように、上流端１１を通過するスパン方向に沿った直線（上流側直線１１Ｌ）は、下流端１２を通過するスパン方向に沿った直線（下流側直線１２Ｌ）よりも前縁３６側に位置することとなる。各リブ１０の上流端１１は、軸線ＡＸから遠ざかる方向を指向するように形成される。図３～図７、図９～図１１に示す幾つかの実施形態では、例えば図３（ａ）に示すように、各リブ１０Ａは、動翼３３の子午面において、上流端１１から下流端１２に向かうにつれてリブ１０の延在方向が徐々に軸線ＡＸの延在方向に近づくように形成されている。図８に示す一実施形態では、リブ１０Ｂは、動翼３３の子午面において、上流側で直線状に延在する上流部１３と、下流側で直線状に延在する下流部１４とを有する。

　図３～図１１に示した幾つかの実施形態では、例えば図３（ａ）に示すように、リブ１０の上流端１１が指向する第１方向と軸線ＡＸに平行な方向とがなす鋭角側の角度をθ１とし、リブ１０の下流端１２が指向する第２方向と軸線ＡＸに平行な方向とがなす鋭角側の角度をθ２とした場合に、θ１＞θ２の関係を満たす。

　このように、幾つかの実施形態では、各リブ１０の上流端１１が排気ガスの流れの上流側を指向し、下流端１２が排気ガスの流れの下流側を指向するので、各リブ１０の形状が、排気ガスの流れに沿った形状となり、排気ガスの圧力損失を低減することができる。

　図３～図７、図９～図１１に示す幾つかの実施形態では、各リブ１０Ａは、動翼３３の子午面において、軸線ＡＸ側に向かって凸となる円弧状を有するので、各リブ１０Ａの形状が、作動流体の流れに沿った形状となり、作動流体の圧力損失を低減することができる。

　図３～図１１に示した幾つかの実施形態では、各リブ１０は、動翼３３の子午面において、リブ１０の少なくとも一部が動翼３３の子午線に沿って延在する。
　ここで、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３（ａ）において、子午線Ｍの１つを一点鎖線で例示している。

　これにより、各リブ１０の少なくとも一部が、動翼３３の子午線Ｍに沿って延在するので、各リブ１０の形状が、排気ガスの流れに沿った形状となり、排気ガスの圧力損失を低減することができる。

　図３～図１１に示した幾つかの実施形態では、例えば図３（ａ），（ｂ）に示すように、各リブ１０は、子午面におけるリブ１０の長さをＬ、リブ１０の厚みをｔとした場合に、Ｌ≧２ｔの関係を満たすように構成される。

　これにより、長さＬを有するリブ１０によって二次流れを広い範囲で抑制できる。また、リブ１０の厚みｔがＬ≧２ｔの関係を満たすので、リブ１０の厚みを抑制してリブ１０の形成によるタービン動翼３の重量増を抑制できる。

　図１２は、リブ１０の断面形状の一例を表す図であり、リブ１０の高さ方向に沿った断面を表す図である。図１２に示すように、排気ガスの流れに沿ったリブ１０の上流側において、上流端１１から下流側に向かって徐々に高さが大きくなる傾斜部１１１を設けてもよい。
　これにより、リブ１０に傾斜部１１１を設けない場合と比べて排気ガスの圧力損失を低減することができる。
　また、排気ガスの流れに沿ったリブ１０の下流側において、上流側から下流端１２に向かって徐々に高さが小さくなる傾斜部（不図示）を設けてもよい。
　なお、上流側の傾斜部１１１や不図示の下流側の傾斜部以外の部位においてリブ１０の高さは一定の高さでなくてもよい。

　なお、リブ１０は、１つの動翼３３の１箇所に設けてもよく、複数箇所に設けてもよい。例えば、リブ１０は、１つの動翼３３の圧力面３８か負圧面３９の一方に複数設けてもよく、圧力面３８及び負圧面３９の両面に少なくとも１つずつ設けてもよい。
　また、複数の動翼３３の少なくとも１つに対して、リブ１０は、少なくとも１つ設けてもよい。なお、複数の動翼３３のそれそれに対して、同じ形状のリブ１０を設けてもよく、動翼３３によってリブ１０の形状を変更してもよい。

　例えば、図９に示すように、複数のリブ１０Ａを排気ガスの流れに沿って直列に延在するように設けてもよい。なお、図９に示す実施形態では、リブ１０Ａは２つであるが、３つ以上でもよい。図９に示す実施形態では、図示するように複数のリブ１０Ａを１つの子午線Ｍに沿って設けてもよい。

　図９に示す実施形態において、２つのリブ１０Ａのうち、上流側のリブ１０Ａの子午面における長さをＬ９１とし、下流側のリブ１０Ａの子午面における長さをＬ９２とする。図９に示す実施形態において、長さＬ９１と長さＬ９２との和を、例えば図３（ａ）に示した１つのリブ１０Ａの長さＬよりも小さくしてもよい。

　また、例えば、図１０に示すように、複数のリブ１０Ａを排気ガスの流れに沿って並列に延在するように設けてもよい。なお、図１０に示す実施形態では、リブ１０Ａは２つであるが、３つ以上でもよい。
　なお、図１０に示すように、複数のリブ１０Ａを排気ガスの流れに沿って少なくとも一部が重なるように、すなわち、あるスパン方向から見たときに複数のリブ１０Ａの少なくとも一部が重なるように設けてもよい。また、図１１に示すように、複数のリブ１０Ａを排気ガスの流れに沿って重ならないように、すなわち、あるスパン方向から見たときに複数のリブ１０Ａが重ならないように設けてもよい。

　図１０に示す実施形態において、２つのリブ１０Ａのうち、基端部３５側のリブ１０Ａの子午面における長さをＬ１０１とし、先端部３４側のリブ１０Ａの子午面における長さをＬ１０２とする。図１０に示す実施形態において、長さＬ１０１と長さＬ１０２との和を、例えば図３（ａ）に示した１つのリブ１０Ａの長さＬよりも小さくしてもよい。

　図１１に示す実施形態において、２つのリブ１０Ａのうち、基端部３５側のリブ１０Ａの子午面における長さをＬ１１１とし、先端部３４側のリブ１０Ａの子午面における長さをＬ１１２とする。図１１に示す実施形態において、長さＬ１１１と長さＬ１１２との和を、例えば図３（ａ）に示した１つのリブ１０Ａの長さＬよりも小さくしてもよい。

　例えば図９～図１１に示すように複数のリブ１０を設けることで、長さが大きい１つのリブ１０を形成した場合と比べて、長さの短いリブ１０Ａを二次流れの抑制効果が高い複数個所に形成すれば、リブ１０Ａの形成によるタービン動翼３の重量増を抑制できる。

（スパン方向におけるリブ１０の形成位置について）
　図４に示すように、動翼３３の子午面において、スパン方向における動翼３３の全高をＨｂとし、スパン方向におけるハブ面３２からリブ１０までの高さをＨｌとする。幾つかの実施形態では、前記少なくとも一つのリブ１０は、Ｈｌ＞０．５×Ｈｂを満たす位置に形成される。

　二次流れによる損失の影響は、動翼３３の基端部３５側よりも動翼３３の先端部３４側の方が大きい。また、動翼３３の子午線方向の長さは、基端部３５側から先端部３４側に向かうにつれて短くなる。そのため、リブ１０の長さが同じであっても、リブ１０が基端部３５側に形成されている場合よりも先端部３４側に形成されている場合の方が二次流れによる損失の影響を効果的に抑制できる。
　その点、図４に示す実施形態では、リブ１０がＨｌ＞０．５×Ｈｂを満たす位置に形成されるので、翼面上で基端部３５側よりも先端部３４側に寄った位置に形成され、二次流れによる損失の影響を効果的に抑制できる。
　また、動翼３３に生じる振動は、後述するように先端部３４側でより大きく変形する傾向にあるため、リブ１０を翼面上で基端部３５側よりも先端部３４側に寄った位置に形成することで、動翼３３に生じる振動を効果的に抑制できる。

（リブ１０を負圧面３９側に設ける場合について）
　幾つかの実施形態では、図５に示すように、リブ１０は、動翼３３の負圧面３９側の翼面に形成される。
　動翼３３の負圧面３９側では、特に、基端部３５側から先端部３４側に向かって翼面に沿って流れる二次流れが問題となる。その点、図５に示すように、リブ１０を動翼３３の負圧面３９側の翼面に形成することで、負圧面３９側の二次流れを抑制して損失を抑制できる。

（リブ１０を圧力面３８側に設ける場合について）
　また、幾つかの実施形態では、図６に示すように、リブ１０は、動翼３３の圧力面３８側の翼面における先端部３４の近傍に形成される。
　ここで、先端部３４の近傍に該当する位置は、例えば、Ｈｌ＞０．７×Ｈｂを満たす位置であり、好ましくは、Ｈｌ＞０．９×Ｈｂを満たす位置である。なお、リブ１０を動翼３３の圧力面３８側の翼面における先端部３４の近傍に形成することには、リブ１０を先端部３４に形成する場合（Ｈｌ＝１．０×Ｈｂ）も含む。

　動翼３３の先端部３４とシュラウド９との間にはチップクリアランスが存在する。動翼３３の圧力面３８側では、特に、圧力面３８からチップクリアランスを経由して負圧面３９に作動流体が流れるクリアランスフローが問題となる。クリアランスフローが生じると、タービン効率が低下して損失が生じる。
　その点、図６に示すように、リブ１０を動翼３３の圧力面３８側の翼面における先端部３４の近傍に形成することで、クリアランスフローを抑制して損失を低減できる。

　また、図６に示す実施形態におけるリブ１０を次のように構成してもよい。
　すなわち、動翼３３の子午面において、リブ１０が形成されている翼面上の領域を通過する子午線を基準子午線Ｍｓとする。そして、当該領域は、基準子午線Ｍｓ上における翼面の曲がり度が最大となる部分を含むように構成されてもよい。

　ここで、基準子午線Ｍｓ上における翼面の曲がり度が最大となる部分について説明する。図１３は、基準子午線Ｍｓに沿った動翼３３の形状をスパン方向から見たときの展開図である。すなわち、図１３における動翼３３の形状を表す曲線では、該曲線の各位置のそれぞれは、各位置のそれぞれにおけるスパン方向から見たものである。なお、図１３では、動翼３３の厚さは無視している。
　例えば、図６及び図１３において、基準子午線Ｍｓ上の位置を変数ｍの値で表すこととし、基準子午線Ｍｓ上で前縁３６に相当する位置をｍ＝０とし、基準子午線Ｍｓ上で後縁３７に相当する位置をｍ＝１．０とする。

　図１３では、右端がｍ＝０の位置に該当し、左端がｍ＝１．０の位置に該当する。
　図１３において、例えば、動翼３３の形状を表す曲線におけるｍ＝０の位置の接線Ｔ０と、ｍ＝０の位置以外の位置の接線Ｔとがなす角を該位置についての基準子午線Ｍｓ上における翼面の角度βとする。以下の説明では、基準子午線Ｍｓ上における翼面の角度βを単に角度βとも呼ぶ。
　角度βは、基準子午線Ｍｓ上に沿って移動するにつれて徐々に変化する。基準子午線Ｍｓに沿った微小区間ｄｍにおける角度βの変化量をｄβとすると、基準子午線Ｍｓ上における翼面の曲がり度は、ｄβ／ｄｍで表される。例えば、図１３において、ｍ＝ａ（但し０＜ａ＜１．０）となる位置Ｐ１における翼面の角度βをβ_Ｐ１とし、ｍ＝ａ＋ｄｍとなる位置Ｐ２における翼面の角度βをβ_Ｐ２とすると、位置Ｐ１における動翼３３の曲がり度は、ｄβ／ｄｍ＝（β_Ｐ２－β_Ｐ１）／ｄｍで表される。なお、図示の便宜上、図１３では、位置Ｐ１と位置Ｐ２との離間距離を大きくして図示している。

　ところで、上述したクリアランスフローは、子午線上における翼面の曲がり度が大きい部分で多くなる傾向にある。すなわち、子午線上における翼面の曲がり度が大きくなるほど、上流側から下流側に向かって流れる排気ガスの主たる流れの方向と、翼面の延在する方向との乖離が大きくなる。そのため、例えば圧力面３８では、子午線上における翼面の曲がり度が大きくなるほど、排気ガスの圧力は上昇する傾向にある。そのため、子午線上における翼面の曲がり度が大きくなるほど、上記主たる流れの方向とは異なる方向に排気ガスが流れ易くなり、クリアランスフローも多くなる。
　その点、図６に示す実施形態におけるリブ１０について、リブ１０が形成されている翼面上の領域が基準子午線Ｍｓ上における翼面の曲がり度ｄβ／ｄｍが最大となる部分を含むように構成することで、クリアランスフローが多くなる位置にリブ１０が形成されることとなる。これにより、クリアランスフローを効果的に抑制して損失を低減できる。

（リブ１０を圧力面３８側と負圧面３９側とに設ける場合について）
　図７に示す実施形態では、リブ１０は、動翼３３の負圧面３９側の翼面に形成される負圧面側リブ１０９と、圧力面３８側の翼面に形成される圧力面側リブ１０８とを含む。
　図７において、スパン方向におけるハブ面３２から負圧面側リブ１０９までの高さをＨｌｎとし、スパン方向におけるハブ面３２から圧力面側リブ１０８までの高さをＨｌｐとする。
　そして、図７に示す実施形態では、Ｈｌｎ＜Ｈｌｐの関係を満たす。
　これにより、負圧面側リブ１０９によって負圧面３９側の二次流れを抑制して損失を低減できる。また、負圧面側リブ１０９よりも動翼３３の先端部３４側に形成した圧力面側リブ１０８によって、上述したクリアランスフローを効果的に抑制して損失を低減できる。さらに、スパン方向におけるハブ面３２からの高さが異なる負圧面側リブ１０９と圧力面側リブ１０８とによって、動翼３３の広い範囲で振動を抑制できる。

（動翼３３振動について）
　幾つかの実施形態における動翼３３の振動について説明する。幾つかの実施形態における動翼３３に生じる振動には、複数の振動モードが存在する。例えば図１４は、動翼３３に１次モードの振動が生じた場合の振幅の等高線の一例を示す図である。例えば図１５は、動翼３３に２次モードの振動が生じた場合の振幅の等高線の一例を示す図である。例えば図１６は、動翼３３に３次モードの振動が生じた場合の振幅の等高線の一例を示す図である。なお、等高線Ｃの端部近傍に付した数値は、振幅の大きさを表すための相対的な数値であり、数値の絶対値が大きいほど振幅が大きいことを表している。また、数値の正負は、振幅の方向を表しており、正の数値で表した部分と負の数値で表した部分とでは、振幅の方向が逆である。図１４～図１６に示すように、動翼３３に生じる振動は、先端部３４側でより大きく変形する傾向にある。
　なお、図１４～図１６における動翼３３は、前縁３６側の一部がハブ３１よりも周方向外側に突出しており、前縁３６近傍の基端部３５がハブ面３２に固定されていない。

　図１４～図１６に示すように、動翼３３のスパン方向に対して交差する方向に延在するリブ１０は、動翼３３に生じる振動の振幅の等高線とも交差する。したがって、リブ１０によって動翼３３に生じる振動を効果的に抑制できる。

（リブ１０の密度について）
　幾つかの実施形態では、動翼３３とリブ１０とは、同一の金属材料から形成されるとともに、リブ１０の密度は、動翼３３の密度よりも小さい。
　タービン動翼３において動翼３３に求められる強度とリブ１０に求められる強度は異なる。すなわち、動翼３３では、遠心力に対抗するために高い強度が必要である。
　しかし、動翼３３に形成されるリブ１０では、動翼３３が高い強度を有するので動翼３３ほど高い強度を必要としない。そのため、タービン動翼３の重量増抑制の観点からリブ１０の重量を抑制することが望まれる。
　また、タービン動翼３において動翼３３とリブ１０とを一体成型する場合、リブ１０の重量を抑制するためには、リブ１０と動翼３３とで粗密の度合いを変えること等によりリブ１０の密度を動翼３３の密度よりも小さくすることが考えられる。
　例えば、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してタービン動翼３を製造する場合、リブ１０の内部に微小な空間を設けるようにすることで、リブ１０の密度を動翼３３の密度よりも小さくするようにしてもよい。
　幾つかの実施形態では、リブ１０の密度を動翼３３の密度よりも小さくすることで、リブ１０の重量を抑制でき、タービン動翼３の重量増を抑制できる。

（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、上述したように、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、動翼３３と、リブ１０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、ワックス模型のタービン動翼面に相当する位置には、金型を抜く方向と交差する方向に延在する突部等を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、動翼３３の子午面において、動翼３３のスパン方向に対して交差する方向に延在するリブ１０を翼面に形成したタービン動翼３は、精密鋳造では製造できない。
　その点、金属粉末を積層造形することで、ハブ３１と、動翼３３と、動翼３３のスパン方向に対して交差する方向に延在するリブ１０とを一体的に形成すれば、翼面にリブ１０が延在するタービン動翼３を製造することができる。

　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、上述の説明において、複数の動翼３３のそれそれに対して、同じ形状のリブ１０を設けてもよく、動翼３３によってリブ１０の形状を変更してもよいこととしている。しかし、本発明はこれに限定されず、例えば、１つの動翼３３に対して複数のリブ１０を設ける場合に、形態が異なるリブを組み合わせてもよい。
　例えば、１つの動翼３３に対して、図３、図８～図１１に示すリブ１０を適宜組み合わせて設けるようにしてもよい。

１　ターボチャージャ
３　タービンホイール（タービン動翼）
９　シュラウド
１０，１０Ａ，１０Ｂ　リブ
１１　上流端
１２　下流端
３１　ハブ
３２　ハブ面
３３　動翼
３４　先端部（チップ）
３５　基端部
３６　前縁
３７　後縁
３８　圧力面
３９　負圧面
１１１　傾斜部

Claims

　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動翼と、
　前記動翼の翼面に形成された少なくとも一つのリブであって、前記動翼の子午面において、前記動翼のスパン方向に対して交差する方向に延在する少なくとも一つのリブと、
を備える
タービン動翼。
　前記動翼の子午面において、
　前記少なくとも一つのリブの上流端は、前記軸線から遠ざかる方向を指向するように形成されるとともに、
　前記少なくとも一つのリブの上流端が指向する第１方向と前記軸線に平行な方向とがなす鋭角側の角度をθ１、
　前記少なくとも一つのリブの下流端が指向する第２方向と前記軸線に平行な方向とがなす鋭角側の角度をθ２、
とした場合に、θ１＞θ２の関係を満たす
請求項１に記載のタービン動翼。
　前記少なくとも一つのリブは、前記動翼の子午面において、前記軸線側に向かって凸となる円弧状を有する
請求項１又は２に記載のタービン動翼。
　前記少なくとも一つのリブは、前記動翼の子午面において、前記少なくとも一つのリブの少なくとも一部が前記動翼の子午線に沿って延在する
請求項１乃至３の何れか一項に記載のタービン動翼。
　前記少なくとも一つのリブは、前記子午面における前記リブの長さをＬ、前記リブの厚みをｔとした場合に、Ｌ≧２ｔの関係を満たすように構成される
請求項１乃至４の何れか一項に記載のタービン動翼。
　前記少なくとも一つのリブは、上流端から下流側に向かって徐々に高さが大きくなる傾斜部を有する
請求項１乃至５の何れか一項に記載のタービン動翼。
　前記少なくとも一つのリブは、複数のリブを含む
請求項１乃至６の何れか一項に記載のタービン動翼。
　前記動翼の子午面において、
　前記スパン方向における前記動翼の全高をＨｂ、
　前記スパン方向における前記ハブ面から前記少なくとも一つのリブまでの高さをＨｌ、とした場合に、
　前記少なくとも一つのリブは、Ｈｌ＞０．５×Ｈｂを満たす位置に形成される
請求項１乃至７の何れか一項に記載のタービン動翼。
　前記少なくとも一つのリブは、前記動翼の負圧面側の翼面に形成される
請求項８に記載のタービン動翼。
　前記少なくとも一つのリブは、前記動翼の圧力面側の翼面における先端部の近傍に形成される
請求項８に記載のタービン動翼。
　前記動翼の子午面において、前記少なくとも一つのリブが形成されている前記翼面上の領域を通過する子午線を基準子午線とした場合に、
　前記領域は、前記基準子午線上における前記翼面の曲がり度が最大となる部分を含むように構成される
請求項１０に記載のタービン動翼。
　前記少なくとも一つのリブは、
　前記動翼の負圧面側の翼面に形成される負圧面側リブと、
　前記動翼の圧力面側の翼面に形成される圧力面側リブと、を含み、
　前記動翼の子午面において、
　前記スパン方向における前記ハブ面から前記負圧面側リブまでの高さをＨｌｎ、
　前記スパン方向における前記ハブ面から前記圧力面側リブまでの高さをＨｌｐとした場合に、Ｈｌｎ＜Ｈｌｐの関係を満たす
請求項８乃至１１の何れか１項に記載のタービン動翼。
　前記動翼と前記リブとは、同一の金属材料から形成されるとともに、
　前記少なくとも一つのリブの密度は、前記動翼の密度よりも小さい
請求項１乃至１２の何れか１項に記載のタービン動翼。
　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１３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。
　請求項１乃至１３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、前記動翼と、前記リブとを一体的に形成するタービン動翼の製造方法。