WO2024180643A1 - タービンホイール、および、過給機 - Google Patents

タービンホイール、および、過給機 Download PDF

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blades
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大葵 北川
修二 中江
行日出 永代
信仁 岡
洋二 秋山
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Mitsubishi Heavy Industries Engine and Turbocharger Ltd
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
    • F01D5/043—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type
    • F01D5/048—Form or construction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D5/14—Form or construction
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    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise
    • F05D2260/961—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise by mistuning rotor blades or stator vanes with irregular interblade spacing, airfoil shape

Definitions

  • This disclosure relates to a turbine wheel and a supercharger.
  • Turbochargers are known that are installed in the internal combustion engines of large ships or automobiles. Turbochargers use the flow of exhaust gas generated in the internal combustion engine to rotate a turbine impeller, which in turn rotates a compressor impeller that is installed coaxially with the turbine impeller. High-pressure air is sent from the compressor impeller to the combustion chamber, increasing the output of the internal combustion engine.
  • the turbine impeller of the turbocharger disclosed in Patent Document 1 is configured to rotate using the flow of exhaust gas flowing through a scroll passage formed in the turbine housing.
  • the exhaust gas that passes through the turbine impeller is discharged to the outside via a gas outlet portion formed in the turbine housing.
  • Abnormal noises may occur as the turbine impeller rotates. For example, such noises occur when the blades of the turbine impeller interfere with a vortex generated at a tongue formed on the inner wall surface of the turbine housing, or when the blade tip of a following turbine impeller interferes with a vortex generated at the blade tip of a preceding turbine impeller. According to the inventor's knowledge, such abnormal noises tend to occur more noticeably when a specific relationship is established between the number of blades and the rotational frequency of the turbine impeller (or the frequency obtained by multiplying the rotational frequency by an integer of 2 or more).
  • the objective of this disclosure is to provide a turbine wheel and a supercharger that can suppress the generation of abnormal noise.
  • a turbine wheel includes: A turbine wheel provided in a turbine housing of a turbocharger, A hub connected to a rotating shaft of the turbocharger; a plurality of blades provided on the hub at intervals in a circumferential direction based on the rotation axis;
  • the plurality of wings includes at least one first wing and at least one second wing having a different shape than the first wing.
  • the turbocharger includes: A turbine wheel according to any one of claims 1 to 8; a turbine housing that houses the turbine wheel, The turbine housing includes: a scroll portion having a scroll passage formed therein, the scroll passage being located radially outside the turbine wheel and through which exhaust gas flows in the circumferential direction; and a tongue portion formed on an inner circumferential side of the scroll passage.
  • This disclosure provides a turbine wheel and a supercharger that can suppress the generation of abnormal noise.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a turbocharger according to an embodiment.
  • 1 is a schematic cross-sectional view of a turbine housing according to an embodiment
  • FIG. 2 is a schematic meridional section of a turbine wheel according to an embodiment
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a wing according to an embodiment.
  • 4 is a schematic graph illustrating a shape of a leading edge of a first wing according to an embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a turbine wheel according to another embodiment.
  • expressions indicating that things are in an equal state such as “identical,””equal,” and “homogeneous,” not only indicate a state of strict equality, but also indicate a state in which there is a tolerance or a difference to the extent that the same function is obtained.
  • expressions describing shapes such as a rectangular shape or a cylindrical shape do not only represent rectangular shapes or cylindrical shapes in the strict geometric sense, but also represent shapes that include uneven portions, chamfered portions, etc., to the extent that the same effect can be obtained.
  • the expressions “comprise”, “include”, or “have” a certain element are not exclusive expressions excluding the presence of other elements.
  • the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof may be omitted.
  • ⁇ Overall configuration of turbocharger 1> 1 is a schematic cross-sectional view showing a turbocharger 1 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the turbocharger 1 of this example is mounted on a vehicle such as an automobile.
  • the radial direction and the circumferential direction based on a rotating shaft 2 of the turbocharger 1 may be simply referred to as the radial direction and the circumferential direction, respectively.
  • the axial direction of the rotating shaft 2 may be simply referred to as the axial direction.
  • the turbocharger 1 includes a rotating shaft 2, a compressor wheel 4 connected to one end of the rotating shaft 2, a turbine wheel 3 connected to the other end of the rotating shaft 2, a compressor housing 6 that houses the compressor wheel 4, and a turbine housing 5 that houses the turbine wheel 3.
  • the compressor housing 6 includes an intake section 10 in which an intake passage 10A is formed, and a scroll section 8 in which a scroll passage 8A is formed.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a turbine housing 5 according to one embodiment of the present disclosure.
  • the turbine housing 5 includes a scroll section 7 having a scroll passage 7A formed therein, and a tongue portion 51 formed on the inner circumferential side of the scroll passage 7A.
  • the tongue portion 51 separates the scroll passage 7A from the passage 9 formed in the exhaust gas flow direction from the scroll passage 7A.
  • the tongue portion 51 extends at an angle to the axial direction (see FIG. 3).
  • ⁇ Turbine wheel 3> 3 is a schematic diagram of a turbine wheel 3 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the turbine wheel 3 illustrated in the figure is a radial turbine, but the present disclosure is not limited to this, and a mixed flow turbine or the like may be adopted.
  • An arrow R in the figure indicates the rotation direction of the turbine wheel 3.
  • the turbine wheel 3 comprises a hub 31 having a hub surface 32 inclined with respect to the axis S of the rotating shaft 2 (see FIG. 1), and a plurality of blades 33 provided on the hub surface 32.
  • the hub 31 is connected to the rotating shaft 2.
  • the plurality of blades 33 are spaced apart in the rotational direction of the hub 31, and each blade 33 includes a leading edge 35, a trailing edge 36, and a tip end 37.
  • the hub surface 32 of the turbine wheel 3 may be provided with only long blades as shown in FIG. 3, or may be provided with long blades and short blades (not shown). However, in an embodiment in which long blades and short blades are mixed, all of the plurality of blades 33 correspond to long blades.
  • FIG. 4 is a schematic meridian section showing a blade 33 according to one embodiment of the present disclosure.
  • the tip end 39 is a portion of the leading edge 35 that connects to the tip end 37.
  • the hub end 38 is a portion of the leading edge 35 that intersects with an imaginary line L9 that extends from the hub surface 32 toward the leading edge 35.
  • the imaginary line L9 is an imaginary curve that includes the generatrix of the hub 31 (i.e., the curve indicated by reference numeral 32 in FIG. 4) when viewed along the direction of rotation of the turbine wheel 3.
  • trailing edge tip end 41 the portion of the trailing edge 36 that connects to the tip end 37
  • trailing edge hub end 42 the end of the trailing edge 36 opposite the trailing edge tip end 41
  • the leading edge 35 of this embodiment has a twisted shape such that the rotational phase changes as the position in the axial direction changes. More specifically, the leading edge 35 is formed so that the rotational phase at the hub side end 38 is different from the rotational phase at the tip side end 39.
  • the difference between the two rotational phases may be referred to as the leading edge inclination angle.
  • the leading edge inclination angle correlates with the time it takes for the blade 33 to pass the tongue 51. This time is the time it takes from when the hub end 38 of the leading edge 35 passes the tongue 51 to when the tip end 39 passes the tongue 51.
  • Vortices are generated inside the turbine housing 5.
  • a vortex generated near the tongue 51 a vortex generated near the leading edge 35 of the blade 33, or a vortex generated near the trailing edge 36 of the blade 33 (the vortex generated near the tongue 51 is indicated by arrow A in FIG. 2).
  • the vortex generated near the tongue 51 is indicated by arrow A in FIG. 2.
  • the blade 33 periodically hits the vortex, the vortex gradually grows and eventually generates abnormal noise.
  • the inventor of the present application came up with the idea that if the way the blade 33 hits the vortex during one rotation of the turbine wheel 3 is made irregular, the growth of the vortex can be suppressed, and as a result, the generation of abnormal noise can be suppressed.
  • configurations that embody this idea will be described in order as a first embodiment and a second embodiment.
  • the blades 33 include at least one first blade 11 and at least one second blade 12, and the first blade 11 and the second blade 12 have different shapes.
  • various configurations can be adopted.
  • the shape of the leading edge 35 may be made different between the first blade 11 and the second blade 12
  • the shape of the trailing edge 36 may be made different between the first blade 11 and the second blade 12, or a combination of these configurations may be adopted.
  • the shape of the portion on the tip end 37 side of the leading edge 35 may be different, or the shape of the portion on the hub side end 38 of the leading edge 35 may be different.
  • the leading edge inclination angle described later may be different.
  • the shape of the trailing edge 36 is different, the shape of the trailing edge tip end 41 of the trailing edge 36 may be different, the shape of the trailing edge hub end 42 of the trailing edge 36 may be different, or a combination of these may be used.
  • the first blade 11 and the second blade 12, which are different in shape from each other, are included in the plurality of blades 33. Therefore, even if a vortex occurs inside the turbine housing 5, the way in which the plurality of blades 33 and the vortex come into contact during one rotation of the turbine wheel 3 can be made irregular, and the growth of the vortex can be suppressed. As a result, the turbine wheel 3 can suppress the generation of abnormal noise. Also, if the shape of the leading edge 35 differs between the first blade 11 and the second blade 12, the time required for the leading edge 35 to pass through the vortex generated near the tongue portion 51 of the turbine housing 5 becomes irregular.
  • the leading edge 35 is prevented from periodically interfering with the vortex, and the generation of abnormal noise can be suppressed.
  • the shape of the trailing edge 36 differs between the first blade 11 and the second blade 12, the time required for the trailing edge 36 to pass through the above-mentioned vortex generated near the trailing edge 36 of the blade 33 becomes irregular. As a result, the trailing edge 36 of the blade 33 is prevented from periodically interfering with the vortex, and the generation of abnormal noise can be suppressed.
  • FIG. 5 is a schematic graph showing the shape of the leading edge 35 of each of the first blade 11 and the second blade 12, and in the graph area where the dashed line and the solid line overlap, the solid line is preferentially illustrated.
  • the horizontal axis of the graph is the axial distance starting from the trailing edge tip side end 41, which corresponds to the dimension Za in FIG. 4.
  • the vertical axis shows the rotational phase ( ⁇ ), which is the position in the circumferential direction, and the positive direction of ⁇ is the rotational direction of the turbine wheel 3 (arrow R in FIG. 3).
  • the thick solid line shown on the graph shows the relationship between the rotational phase of the first blade 11 defined by the tip end 37 in FIG. 4 and the axial distance
  • the normal solid line shows the relationship between the rotational phase of the first blade 11 defined by L9 and the axial distance
  • the thick dashed line indicates the relationship between the rotation phase of the second blade 12 defined by the tip end 37 and the axial distance
  • the normal dashed line indicates the relationship between the rotation phase of the second blade 12 defined by L9 and the axial distance.
  • the dimensions ⁇ 1 and ⁇ 2 shown in FIG. 5 indicate the leading edge inclination angles of the first blade 11 and the second blade 12, respectively. As shown in both figures, the leading edge inclination angles are different between the first blade 11 and the second blade 12. The leading edge 35 of the blade 33 is likely to hit the vortex generated near the tongue portion 51 of the turbine housing 5.
  • the first blade 11 and the second blade 12 have different leading edge inclination angles, it is possible to make the time required for the leading edge 35 of each blade 33 to pass through the vortex irregular. This prevents the leading edge 35 of the blade 33 from periodically interfering with the vortex, thereby suppressing the generation of abnormal noise.
  • the shapes of any two adjacent blades 33 among the plurality of blades 33 may be different from each other.
  • a configuration may be adopted in which the plurality of blades 33 are composed only of a plurality of first blades 11 and a plurality of second blades 12, and the first blades 11 and the second blades 12 are arranged alternately in the circumferential direction.
  • each of the blades 33 may have a different shape.
  • the leading edge inclination angle may be different for all of the blades 33.
  • the present disclosure is not limited to this.
  • a configuration in which the shape of the trailing edge 36 differs between the first blade 11 and the second blade 12 may be adopted.
  • vortices may be generated near the trailing edges 36 of the blades 33.
  • the vortex grows and abnormal noise is generated.
  • the blades 33 can hit the vortex irregularly, and abnormal noise can be suppressed.
  • FIG. 6 is another schematic diagram showing a specific configuration of the turbine wheel 3.
  • a plurality of blades 33 constituting the turbine wheel 3 are illustrated in a schematic manner.
  • the plurality of blades 33 includes a plurality of first blades 11, and a blade space Bs is formed between two first blades 11 arranged continuously in the circumferential direction.
  • the number of first blades 11 is three
  • the number of blade spaces Bs is three.
  • at least one third blade 13 is disposed in each blade space Bs.
  • the third blade 13 may have a shape different from that of the first blade 11, and may have the same shape as the second blade 12 described above, or may have a shape different from that of the second blade 12.
  • the number of third blades 13 arranged in the blade spaces Bs differs among the three blade spaces Bs.
  • the number of third blades 13 arranged in the first blade space Bs is two
  • the number of third blades 13 arranged in the second blade space Bs is three
  • the number of third blades 13 arranged in the third blade space Bs is four.
  • the multiple blades 33 illustrated in FIG. 6 are arranged so that there are two or more blade pitches.
  • two third blades 13 are arranged on either side of each first blade 11, and the blade pitch ( ⁇ 1) between the third blade 13 and the first blade 11 on one side is different from the blade pitch ( ⁇ 2) between the third blade 13 and the first blade 11 on the other side. This relationship holds for each first blade 11.
  • the blade pitch is, as an example, the pitch of the tip side end 39 (see FIG. 3).
  • the period during which the blades 33 come into contact with the vortex during one rotation of the turbine wheel 3 can be made uneven, thereby suppressing the growth of the vortex. This makes it possible to suppress the generation of abnormal noise.
  • the blade pitch may all be different among the multiple blades 33, and the above advantages can still be obtained in this case.
  • the blade pitch of any two adjacent blades 33 among the plurality of blades 33 is 2° or more greater than the angle obtained by dividing 360° by the number of the plurality of blades 33.
  • both ⁇ 1 and ⁇ 2 are 2° or more greater than the above angles.
  • the pitch of the tip end 39 of any two adjacent blades 33 among the plurality of blades 33 is within 3°.
  • a turbine wheel (3) according to at least one embodiment of the present disclosure, A turbine wheel provided in a turbine housing (5) of a turbocharger (1), A hub (31) connected to the rotating shaft (2) of the turbocharger; a plurality of blades (33) provided on the hub at intervals in a circumferential direction relative to the rotation axis;
  • the plurality of wings includes at least one first wing (11) and at least one second wing (12) having a shape different from that of the first wing.
  • the multiple blades include first and second blades with different shapes, so even if a vortex occurs inside the turbine housing, the way the multiple blades come into contact with the vortex during one rotation of the turbine wheel can be made irregular, and the growth of the vortex can be suppressed. This makes it possible for the turbine wheel to suppress the generation of abnormal noise.
  • Each of the plurality of wings includes a leading edge (35); The shape of the leading edge of the first wing and the shape of the leading edge of the second wing are different from each other.
  • leading edges of the blades are likely to come into contact with the vortexes that are generated at the tongue portion formed in the turbine housing.
  • the shapes of the leading edges of the first blade and the second blade are different from each other, so it is possible to make the time required for the leading edge of each blade to pass through the vortex irregular. This prevents the leading edges of the blades from periodically interfering with the vortex, and suppresses the generation of abnormal noise.
  • the turbine wheel according to 1) or 2) above, When the circumferential position is defined as the rotational phase and the difference between the rotational phase at the hub side end (38) of the leading edge and the rotational phase at the tip side end (39) of the leading edge is defined as the leading edge inclination angle, the leading edge inclination angle at the first blade and the leading edge inclination angle at the second blade are different from each other.
  • leading edges of the blades are likely to come into contact with the vortexes that are generated at the tongue portion formed in the turbine housing.
  • the first blade and the second blade have leading edge inclination angles relative to each other, so that the time required for the leading edge of each blade to pass through the vortex can be made irregular. This prevents the leading edges of the blades from periodically interfering with the vortex, and suppresses the generation of abnormal noise.
  • each of the plurality of wings includes a trailing edge (36); The shape of the trailing edge of the first wing and the shape of the trailing edge of the second wing are different from each other.
  • the configuration of 4) above makes it possible to make the time required for the trailing edge of the blade to pass through a vortex that occurs near the trailing edge irregular. This prevents the trailing edge of the blade from periodically interfering with the vortex, thereby suppressing the generation of abnormal noise.
  • the configuration of 5) above changes the way the blades and vortexes come into contact with each other between two adjacent blades, which helps to suppress the generation of abnormal noise.
  • each of the plurality of wings has a different shape.
  • the configuration of 6) above further changes the way the blades and vortexes come into contact during one rotation of the turbine wheel, thereby suppressing the generation of abnormal noise.
  • the configuration of 7) above makes it possible to make the period in which the blades come into contact with the vortex more uneven during one rotation of the turbine wheel, thereby suppressing the growth of the vortex. This makes it possible to suppress the generation of abnormal noise.
  • the turbine wheel according to any one of 1) to 7) above,
  • the plurality of blades are arranged so as to have two or more types of blade pitch.
  • the configuration of 8) above makes it possible to make the period during which the blades come into contact with the vortex uneven during one rotation of the turbine wheel, thereby suppressing the growth of the vortex. This makes it possible to suppress the generation of abnormal noise.
  • the turbine wheel according to 8) above The blade pitch of any two adjacent blades among the plurality of blades is 2° or more larger than an angle obtained by dividing 360° by the number of the plurality of blades.
  • the configuration of 9) above makes it possible to make the period in which the blades come into contact with the vortex more uneven during one rotation of the turbine wheel, thereby suppressing the growth of the vortex. This makes it possible to suppress the generation of abnormal noise.
  • the configuration of 10) above can fully receive the flow of exhaust gas supplied from the scroll passage, so the force of the exhaust gas flow can be efficiently converted into the rotational force of the turbine wheel, and loss and performance degradation of the turbocharger can be suppressed.
  • the turbocharger (1) is A turbine wheel (3) according to any one of 1) to 10) above; A turbine housing (5) that houses the turbine wheel,
  • the turbine housing includes: a scroll portion (7) having a scroll passage (7A) formed therein, the scroll passage (7A) being located radially outside the turbine wheel and through which exhaust gas flows in the circumferential direction; and a tongue portion (51) formed on the inner circumferential side of the scroll passage.
  • the configuration of 11) above can suppress the generation of abnormal noise even if a vortex occurs near the tongue for the same reason as 1) above.

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Abstract

タービンホイールは、過給機のタービンハウジングの内部に設けられている。このタービンホイールは、ハブと複数の翼とを備えている。ハブは、過給機の回転軸に連結されている。複数の翼は、回転軸を基準とした周方向に間隔を空けてハブに設けられている。そして、複数の翼は、少なくとも１枚の第１翼と、少なくとも１枚の第２翼とを含んでいる。第１翼の形状と第２翼の形状とは互いに異なっている。

Description

タービンホイール、および、過給機
　本開示は、タービンホイール、および、過給機に関する。
　大型船または自動車の内燃機関に設けられる過給機が知られている。過給機は、内燃機関で発生する排ガスの流れを利用してタービンインペラを回転させ、タービンインペラと同軸に設けられるコンプレッサインペラを回転させる。コンプレッサインペラから燃焼室に高圧の空気が送られることで、内燃機関の出力が増大する。
　例えば特許文献１に開示される過給機のタービンインペラは、タービンハウジングに形成されるスクロール流路を流れる排ガスの流れを利用して回転するように構成される。タービンインペラを通過した排ガスは、タービンハウジングに形成されるガス出口部を経由して外側に排出される。
特許第６７９６２１４号公報
　タービンインペラの回転に伴って異音が発生することがある。例えば、タービンハウジングの内壁面に形成される舌部にて生じた渦にタービンインペラの翼が干渉する場合、あるいは、先行するタービンインペラの翼端にて発生した渦に後続のタービンインペラの翼端が干渉する場合などに、上記の異音が発生する。発明者の知見によれば、こういった異音は、翼の枚数とタービンインペラの回転周波数（あるいは当該回転周波数に２以上の整数を乗じて得られる周波数）との間で特定の関係が成立すると、顕著に発生する傾向がある。
　本開示の目的は、異音の発生を抑制できるタービンホイール、および、過給機を提供することである。
　本開示の少なくとも一実施形態に係るタービンホイールは、
　過給機のタービンハウジング内に設けられるタービンホイールであって、
　前記過給機の回転軸に連結するハブと、
　前記回転軸を基準とした周方向に間隔を空けて前記ハブに設けられる複数の翼と
を備え、
　前記複数の翼は、少なくとも１枚の第１翼と、前記第１翼とは異なる形状を呈する少なくとも１枚の第２翼とを含む。
　本開示の少なくとも一実施形態に係る過給機は、
　請求項１乃至８のいずれか１項に記載のタービンホイールと、
　前記タービンホイールを収容するタービンハウジングと
を備え、
　前記タービンハウジングは、
　　前記タービンホイールよりも径方向の外側で前記周方向に排ガスが流れるためのスクロール流路が内部に形成されるスクロール部と、
　前記スクロール流路の内周側に形成される舌部と
を含む。
　本開示によれば、異音の発生を抑制できるタービンホイール、および、過給機を提供できる。
一実施形態に係る過給機を示す概略的な断面図である。 一実施形態に係るタービンハウジングの概略的な断面図である。 一実施形態に係るタービンホイールの概略的な子午断面図である。 一実施形態に係る翼を示す概略図である。 一実施形態に係る第１翼の前縁の形状を示す概略的なグラフである。 他の実施形態に係るタービンホイールの概略図である。
　以下、添付図面を参照して本開示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、本開示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」、「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。
　なお、同様の構成については同じ符号を付し説明を省略することがある。
＜過給機１の全体構成＞
　図１は、本開示の一実施形態に係る過給機１を示す概略的な断面図である。本例の過給機１は、自動車などの車両に搭載される。以下の説明では、過給機１の回転軸２を基準とした径方向と周方向をそれぞれ単に径方向と周方向という場合がある。また、回転軸２の軸方向を単に軸方向という場合がある。
　過給機１は、回転軸２と、回転軸２の一端部に連結されたコンプレッサホイール４と、回転軸２の他端部に連結されたタービンホイール３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、タービンホイール３を収容するタービンハウジング５とを備える。コンプレッサハウジング６は、吸気路１０Ａが内部に形成された吸気部１０と、スクロール流路８Ａが内部に形成されるスクロール部８とを含む。
　図２は、本開示の一実施形態に係るタービンハウジング５の概略的な断面図である。タービンハウジング５は、スクロール流路７Ａが内部に形成されたスクロール部７と、スクロール流路７Ａの内周側に形成される舌部５１とを含む。舌部５１は、スクロール流路７Ａと、スクロール流路７Ａより排ガスの流れ方向に形成される流路９とを仕切る。舌部５１は、軸方向に対して傾斜して延在している（図３参照）。
＜タービンホイール３＞
　図３は、本開示の一実施形態に係るタービンホイール３の概略図である。同図で例示されるタービンホイール３はラジアルタービンであるが、本開示はこれに限定されず、斜流タービンなどが採用されてもよい。同図の矢印Ｒはタービンホイール３の回転方向を示す。
　タービンホイール３は、回転軸２（図１参照）の軸線Ｓ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翼３３とを備える。ハブ３１は回転軸２に連結されている。複数の翼３３はハブ３１の回転方向に間隔を空けて配置され、各々の翼３３は、前縁３５、後縁３６、及び、チップ端３７を含む。なお、タービンホイール３のハブ面３２には図３で示すように長翼のみが設けられてもよいし、長翼と短翼が設けられてもよい（図示外）。但し、長翼と短翼が混在する実施形態においては、複数の翼３３は全て長翼に該当する。
　図４を参照して、前縁３５の両端であるチップ側端３９とハブ側端３８とを定義する。図４は、本開示の一実施形態に係る翼３３を示す概略的な子午断面図である。チップ側端３９は、前縁３５のうちでチップ端３７と接続する部位である。ハブ側端３８は、前縁３５のうちで、ハブ面３２から前縁３５に向かって延びる仮想線Ｌ９と交わる部位である。ここで、仮想線Ｌ９は、タービンホイール３の回転方向に沿ってみたとき、ハブ３１の母線（即ち図４の符号３２で示す曲線）を包含する仮想的な曲線である。なお、図４で例示される仮想線Ｌ１～Ｌ８は、チップ端３７とハブ面３２との間をスパン方向において等分する仮想的な曲線である。また、以下の説明では、後縁３６のうちチップ端３７と接続する部位を後縁チップ側端４１という場合があり、後縁３６のうち後縁チップ側端４１とは反対側の端を後縁ハブ側端４２という場合がある。
　図３に戻り、回転方向における位置を回転位相と捉えたとき、本実施形態の前縁３５は、軸方向における位置が変わるにつれて回転位相が変わるように捻じれた形状を呈する。より具体的には、ハブ側端３８における回転位相とチップ側端３９における回転位相とが異なるように前縁３５は形成されている。以下の説明では、両者の回転位相の差分を前縁傾斜角という場合がある。
　前縁傾斜角は翼３３が舌部５１を通過するのに要する時間と相関する。この所要時間は、前縁３５のハブ側端３８が舌部５１を通過してからチップ側端３９が舌部５１を通過するまでの時間である。
　過給機１の駆動に伴って、タービンハウジング５の内部では渦が発生する。例えば、舌部５１の近傍で発生する渦、翼３３の前縁３５の付近で発生する渦、または、翼３３の後縁３６の付近で発生する渦の少なくとも１つがタービンハウジング５の内部で発生する（舌部５１の近傍で発生する渦は、図２の矢印Ａによって示される。）。翼３３が渦に周期的に当たると、渦は徐々に成長して、やがて異音が発生する。本願の発明者は、タービンホイール３が１回転する間における翼３３と渦との当たり方を不規則にすれば、渦の成長を抑制でき、結果として異音の発生を抑制できるいう着想を得た。以下では、その着想を具体化した構成を、第１実施形態および第２実施形態として順に説明する。
＜タービンホイール３の具体的な構成（第１実施形態）＞
　図３、図５を参照して、第１実施形態に係るタービンホイール３の具体的構成を説明する。複数の翼３３は、少なくとも１枚の第１翼１１と、少なくとも１枚の第２翼１２とを含み、第１翼１１と第２翼１２とは互いに異なる形状を呈する。第１翼１１と第２翼１２の形状を異ならせるためには、種々の構成を採用できる。例えば、前縁３５の形状を第１翼１１と第２翼１２の間で異ならせてもよいし、後縁３６の形状を第１翼１１と第２翼１２の間で異ならせてもよいし、これらの組み合わせた構成が採用されてもよい。前縁３５の形状が異なる場合、前縁３５のチップ端３７側の部位の形状が異なってもよいし、前縁３５のハブ側端３８の部位の形状が異なってもよい。あるいは、後述する前縁傾斜角が異なってもよい。後縁３６の形状が異なる場合、後縁３６の後縁チップ側端４１の部位の形状が異なってもよいし、後縁３６の後縁ハブ側端４２の形状が異なってもよいし、これらの組み合わせであってもよい。
　上記構成によれば、互いに形状の異なる第１翼１１および第２翼１２が複数の翼３３に含まれるので、タービンハウジング５の内部において渦が発生した場合であっても、タービンホイール３が１回転する間における複数の翼３３と渦との当たり方を不規則にすることができ、渦の成長を抑制できる。これにより、タービンホイール３は異音の発生を抑制することができる。また、第１翼１１と第２翼１２の間で前縁３５の形状が異なる場合、タービンハウジング５の舌部５１の付近で発生する渦を前縁３５が通過する所要時間が不規則になる。これにより、前縁３５が周期的に渦に干渉することが抑制され、異音の発生を抑制できる。また、第１翼１１と第２翼１２の間で後縁３６の形状が異なる場合、翼３３の後縁３６の付近で発生する上述の渦を後縁３６が通過する所要時間が不規則になる。これにより、翼３３の後縁３６が周期的に渦に干渉することが抑制され、異音の発生を抑制できる。
　図５を参照し、前縁３５の形状を第１翼１１と第２翼１２の間で前縁３５の形状を異ならせる具体的な構成を例示する。図５は、第１翼１１と第２翼１２の各々の前縁３５の形状を示す概略的なグラフであり、破線と実線が重なるグラフ領域では、実線が優先的に図示されている。グラフの横軸は、後縁チップ側端４１を起点した軸方向距離であり、図４の寸法Ｚａに該当する。縦軸は、周方向における位置である回転位相（θ）を示し、θの正方向はタービンホイール３の回転方向（図３の矢印Ｒ）である。グラフ上で示される太い実線は、図４のチップ端３７によって規定される第１翼１１の回転位相と軸方向距離との関係を示し、通常の実線はＬ９によって規定される第１翼１１の回転位相と軸方向距離との関係を示す。そして、太い破線は、チップ端３７によって規定される第２翼１２の回転位相と軸方向距離との関係を示し、通常の破線はＬ９によって規定される第２翼１２の回転位相と軸方向距離との関係を示す。グラフから判るようにＺａ＜Ｚ１となる範囲では、チップ端３７と仮想線Ｌ９は互いに略同じ回転位相を有する。換言すると、Ｚａ＜Ｚ１となる範囲では第１翼１１と第２翼１２はいずれも殆ど捻じれていない。他方で、Ｚａ≧Ｚ１となる範囲では、チップ端３７と仮想線Ｌ９は互いに異なる回転位相を有しており、これは前縁３５が捻じれた形状を呈していることを示す。
　図５で示される寸法α１，α２はそれぞれ、第１翼１１と第２翼１２の前縁傾斜角を示す。両図で示される通り、第１翼１１と第２翼１２の間で前縁傾斜角が異なっている。タービンハウジング５の舌部５１の付近で発生する渦には、翼３３の前縁３５が当たり易い。この点、上記構成によれば、第１翼１１と第２翼１２が互いに異なる前縁傾斜角を有するので、各翼３３の前縁３５が渦を通過する所要時間を不規則にすることができる。これにより、翼３３の前縁３５が周期的に渦に干渉することが抑制され、異音の発生を抑制できる。
　幾つかの実施形態では、複数の翼３３のうち任意の隣り合う２枚の翼３３の形状が互いに異なってもよい。例えば、複数の翼３３が複数の第１翼１１と複数の第２翼１２とのみによって構成され、第１翼１１と第２翼１２が周方向に交互に配置される構成が採用されてもよい。上記構成によれば、隣り合う２枚の第１翼１１と第２翼１２の間で翼３３の渦への当たり方が変わるので、異音の発生を抑制できる。
　幾つかの実施形態では、複数の翼３３の各々が互いに異なる形状を呈してもよい。例えば、前縁傾斜角が全ての翼３３の間で異なってもよい。上記構成によれば、タービンホイール３が１回転する間における翼３３と渦との当たり方がさらに変化するので、異音の発生を抑制できる。
　なお、前縁３５の形状が第１翼１１と第２翼１２の間で異なる例を第１実施形態の具体例として説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、後縁３６の形状が第１翼１１と第２翼１２の間で異なる構成が採用されてもよい。タービンハウジング５では、翼３３の後縁３６の付近において渦が発生する場合もある。この渦に各々の後縁３６が周期的に当たると、渦の成長が起こり、異音が発生する。この点、後縁３６の形状を第１翼１１と第２翼１２の間で異ならせることで、渦への翼３３の当たり方を不規則にすることができ、異音を抑制することができる。
＜タービンホイール３の具体的な構成（第２実施形態）＞
　図６は、タービンホイール３の具体的構成を示す別の概略図である。同図では、タービンホイール３を構成する複数の翼３３を模式的に図示している。複数の翼３３は、複数の第１翼１１を含み、周方向に連続して並ぶ２枚の第１翼１１の間には翼スペースＢｓが形成されている。同図の例では、第１翼１１の枚数は３枚であり、翼スペースＢｓの個数は３つである。複数の翼３３は、各翼スペースＢｓに少なくとも１枚の第３翼１３が配置される。第３翼１３は、第１翼１１と異なる形状を呈していればよく、例えば上述した第２翼１２と同一形状であってもよいし、第２翼１２とも異なる形状を呈していてもよい。
　本実施形態では、翼スペースＢｓに配置される第３翼１３の個数が、３つの翼スペースＢｓの間で異なる。概略図としての図６を例に説明すると、第１の翼スペースＢｓに配置される第３翼１３の個数は２枚であり、第２の翼スペースＢｓに配置される第３翼１３の個数は３枚であり、第３の翼スペースＢｓに配置される第３翼１３の個数は４枚である。上記構成によれば、タービンホイール３が１回転する間において複数の翼３３が渦に当たる周期を不均一にすることができ、渦の成長を抑制できる。これにより、異音の発生を抑制できる。
　図６で例示される複数の翼３３は、翼ピッチが２種以上あるように配置される。同図では、各第１翼１１の両隣りに２枚の第３翼１３が配置されており、一方側の第３翼１３および第１翼１１の間の翼ピッチ（θ１）と、他方側の第３翼１３および第１翼１１の間の翼ピッチ（θ２）は互いに異なる。この関係が、各々の第１翼１１において成立している。なお、翼ピッチは、一例として、チップ側端３９（図３参照）のピッチである。
　上記構成によれば、タービンホイール３が１回転する間において複数の翼３３が渦に当たる周期を不均一にすることができるので、渦の成長を抑制できる。これにより、異音の発生を抑制できる。なお、翼ピッチは、複数の翼３３の間で全て異なってもよく、この場合であっても上記利点は得られる。
　幾つかの実施形態では、複数の翼３３のうちで任意の隣り合う２枚の翼３３の翼ピッチは、３６０°を複数の翼３３の枚数で除した角度よりも２°以上大きい。図６の例では、θ１，θ２はいずれも、上記の角度よりも２°以上大きい。上記構成によれば、タービンホイール３が１回転する間において複数の翼３３が渦に当たる周期を不均一にできるので、渦の成長を抑制できる。これにより、異音の発生を抑制できる。
　幾つかの事態では、複数の翼３３のうちで任意の隣り合う２枚の翼３３の各々のチップ側端３９のピッチが３°以内である。上記構成によれば、スクロール流路８Ａから供給される排ガスの流れを十分に受けることができるので、排ガスの流れる力をタービンホイール３の回転力に効率よく変換することができ、過給機１の損失および性能低下を抑制できる。
＜まとめ＞
　上述した幾つかの実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
１）本開示の少なくとも一実施形態に係るタービンホイール（３）は、
　過給機（１）のタービンハウジング（５）内に設けられるタービンホイールであって、
　前記過給機の回転軸（２）に連結するハブ（３１）と、
　前記回転軸を基準とした周方向に間隔を空けて前記ハブに設けられる複数の翼（３３）と
を備え、
　前記複数の翼は、少なくとも１枚の第１翼（１１）と、前記第１翼とは異なる形状を呈する少なくとも１枚の第２翼（１２）とを含む。
　上記１）の構成によれば、互いに形状の異なる第１翼および第２翼が複数の翼に含まれるので、タービンハウジングの内部において渦が発生した場合であっても、タービンホイールが１回転する間における複数の翼と渦との当たり方を不規則にすることができ、渦の成長を抑制できる。これにより、タービンホイールは異音の発生を抑制することができる。
２）幾つかの実施形態では、上記１）に記載のタービンホイールであって、
　前記複数の翼の各々は、前縁（３５）を含み、
　前記第１翼の前記前縁の形状と前記第２翼の前記前縁の形状が互いに異なる。
　タービンハウジングに形成される舌部において発生する渦には、翼の前縁が当たり易い。この点、上記２）の構成によれば、第１翼と第２翼の間で前縁の形状が互いに異なるので、各翼の前縁が渦を通過する所要時間を不規則にすることができる。これにより、翼の前縁が渦に周期的に干渉することが抑制され、異音の発生を抑制できる。
３）幾つかの実施形態では、上記１）または２）に記載のタービンホイールであって、
　前記周方向における位置を回転位相として、前記前縁のハブ側端（３８）における前記回転位相と、前記前縁のチップ側端（３９）における前記回転位相との差分を前縁傾斜角と定義したとき、前記第１翼における前記前縁傾斜角と、前記第２翼における前記前縁傾斜角が互いに異なる。
　タービンハウジングに形成される舌部において発生する渦には、翼の前縁が当たり易い。この点、上記３）の構成によれば、第１翼と第２翼が互いに前縁傾斜角を有するので、各翼の前縁が渦を通過する所要時間を不規則にすることができる。これにより、翼の前縁が渦に周期的に干渉することが抑制され、異音の発生を抑制できる。
　４）幾つかの実施形態では、上記１）乃至３）の何れかに記載のタービンホイールであって、
　前記複数の翼の各々は、後縁（３６）を含み、
　前記第１翼の前記後縁の形状と前記第２翼の前記後縁の形状が互いに異なる。
　上記４）の構成によれば、翼の後縁の付近で発生する渦に対して後縁が渦を通過する所要時間を不規則にすることができる。これにより、翼の後縁が渦に周期的に干渉することが抑制され、異音の発生を抑制できる。
５）幾つかの実施形態では、上記１）乃至４）の何れかに記載のタービンホイールであって、
　前記複数の翼のうち任意の隣り合う２枚の前記翼の形状は互いに異なる。
　上記５）の構成によれば、隣り合う２枚の翼の間で翼と渦との当たり方が変わるので、異音の発生を抑制できる。
６）幾つかの実施形態では、上記５）に記載のタービンホイールであって、
　前記複数の翼の各々は、互いに異なる形状を呈する。
　上記６）の構成によれば、タービンホイールが１回転する間における翼と渦との当たり方がさらに変化するので、異音の発生を抑制できる。
７）幾つかの実施形態では、上記１）から６）のいずれかに記載のタービンホイールであって、
　前記複数の翼は、複数の前記第１翼を含み、
　前記複数の第１翼のうちで前記周方向に連続して並ぶ２枚の前記第１翼の間に形成される翼スペース（Ｂｓ）には、少なくとも１枚の他の前記翼（第３翼１３）が配置され、
　前記複数の第１翼の枚数分ある前記翼スペースの各々に配置される前記他の翼の枚数は、前記複数の翼スペースの間で互いに異なる。
　上記７）の構成によれば、タービンホイールが１回転する間において複数の翼が渦に当たる周期をさらに不均一にすることができ、渦の成長を抑制できる。これにより、異音の発生を抑制できる。
８）幾つかの実施形態では、上記１）から７）のいずれかに記載のタービンホイールであって、
　前記複数の翼は、翼ピッチが２種以上あるように配置される。
　上記８）の構成によれば、タービンホイールが１回転する間において複数の翼が渦に当たる周期を不均一にすることができるので、渦の成長を抑制できる。これにより、異音の発生を抑制できる。
９）幾つかの実施形態では、上記８）に記載のタービンホイールであって、
　前記複数の翼のうちで任意の隣り合う２枚の前記翼の翼ピッチは、３６０°を前記複数の翼の枚数で除した角度よりも２°以上大きい。
　上記９）の構成によれば、タービンホイールが１回転する間において複数の翼が渦に当たる周期をさらに不均一にできるので、渦の成長を抑制できる。これにより、異音の発生を抑制できる。
１０）幾つかの実施形態では、上記１）から９）のいずれかに記載のタービンホイールであって、
　前記複数の翼のうち任意の隣り合う２枚の前記翼の各々のチップ側端のピッチが３°以内である。
　上記１０）の構成によれば、スクロール流路から供給される排ガスの流れを十分に受けることができるので、排ガスの流れる力をタービンホイールの回転力に効率よく変換することができ、過給機の損失および性能低下を抑制することができる。
１１）本発明の少なくとも一実施形態に係る過給機（１）は、
　上記１）乃至１０）のいずれかに記載のタービンホイール（３）と、
　前記タービンホイールを収容するタービンハウジング（５）と
を備え、
　前記タービンハウジングは、
　　前記タービンホイールよりも径方向の外側で前記周方向に排ガスが流れるためのスクロール流路（７Ａ）が内部に形成されるスクロール部（７）と、
　前記スクロール流路の内周側に形成される舌部（５１）と
を含む。
　上記１１）の構成によれば、舌部の付近において渦が発生した場合であっても、上記１）と同様の理由により、異音の発生を抑制できる。
１　　　：過給機
２　　　：回転軸
３　　　：タービンホイール
４　　　：コンプレッサホイール
５　　　：タービンハウジング
６　　　：コンプレッサハウジング
７，８　　　：スクロール部
７Ａ，８Ａ　　：スクロール流路
８　　　：スクロール部
９　　　：流路
１０　　：吸気部
１０Ａ　：吸気路
１１　　：第１翼
１２　　：第２翼
１３　　：第３翼
３１　　：ハブ
３２　　：ハブ面
３３　　：翼
３５　　：前縁
３６　　：後縁
３７　　：チップ端
３８　　：ハブ側端
３９　　：チップ側端
４１　　：後縁チップ側端
５１　　：舌部
Ａ　　　：矢印
Ｂｓ　　：翼スペース
Ｓ　　　：軸線
α１，α２：寸法

 

Claims (11)

  1. 　過給機のタービンハウジング内に設けられるタービンホイールであって、
    　前記過給機の回転軸に連結するハブと、
    　前記回転軸を基準とした周方向に間隔を空けて前記ハブに設けられる複数の翼と
    を備え、
    　前記複数の翼は、少なくとも１枚の第１翼と、前記第１翼とは異なる形状を呈する少なくとも１枚の第２翼とを含む
    タービンホイール。
  2. 　前記複数の翼の各々は、前縁を含み、
    　前記第１翼の前記前縁の形状と前記第２翼の前記前縁の形状が互いに異なる
    請求項１に記載のタービンホイール。
  3. 　前記周方向における位置を回転位相として、前記前縁のハブ側端における前記回転位相と、前記前縁のチップ側端における前記回転位相との差分を前縁傾斜角と定義したとき、前記第１翼における前記前縁傾斜角と、前記第２翼における前記前縁傾斜角が互いに異なる
    請求項２に記載のタービンホイール。
  4. 　前記複数の翼の各々は、後縁を含み、
    　前記第１翼の前記後縁の形状と前記第２翼の前記後縁の形状が互いに異なる
    請求項１に記載のタービンホイール。
  5. 　前記複数の翼のうち任意の隣り合う２枚の前記翼の形状は互いに異なる
    請求項１乃至４の何れか１項に記載のタービンホイール。
  6. 　前記複数の翼の各々は、互いに異なる形状を呈する
    請求項５に記載のタービンホイール。
  7. 　前記複数の翼は、複数の前記第１翼を含み、
    　前記複数の第１翼のうちで前記周方向に連続して並ぶ２枚の前記第１翼の間に形成される翼スペースには、少なくとも１枚の他の前記翼が配置され、
    　前記複数の第１翼の枚数分ある前記翼スペースの各々に配置される前記他の翼の枚数は、前記複数の翼スペースの間で互いに異なる
    請求項１乃至３の何れか１項に記載のタービンホイール。
  8. 　前記複数の翼は、翼ピッチが２種以上あるように配置される
    請求項１乃至３の何れか１項に記載のタービンホイール。
  9. 　前記複数の翼のうちで任意の隣り合う２枚の前記翼の翼ピッチは、３６０°を前記複数の翼の枚数で除した角度よりも２°以上大きい
    請求項８に記載のタービンホイール。
  10. 　前記複数の翼のうち任意の隣り合う２枚の前記翼の各々のチップ側端のピッチが３°以内である
    請求項１乃至３の何れか１項に記載のタービンホイール。
  11. 　請求項１乃至３のいずれか１項に記載のタービンホイールと、
    　前記タービンホイールを収容するタービンハウジングと
    を備え、
    　前記タービンハウジングは、
    　　前記タービンホイールよりも径方向の外側で前記周方向に排ガスが流れるためのスクロール流路が内部に形成されるスクロール部と、
    　前記スクロール流路の内周側に形成される舌部と
    を含む過給機。

     
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