特開 2024-164887 タービンホイール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024164887

(43)【公開日】2024-11-28

(54)【発明の名称】タービンホイール

(51)【国際特許分類】

   F02B 39/00 20060101AFI20241121BHJP

【ＦＩ】

F02B39/00 Q

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023080586

(22)【出願日】2023-05-16

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松田 真明

【テーマコード（参考）】

3G005

【Ｆターム（参考）】

3G005EA04

3G005EA16

3G005FA13

3G005GB79

3G005GB81

(57)【要約】

【課題】各タービンブレードの流入側縁部における剛性を確保しつつ、各タービンブレードの負圧面側における渦の発生を抑制することが可能なタービンホイールを提供すること。
【解決手段】タービンホイール１は、ハブ１００と複数枚のタービンブレード２００とを備える。各タービンブレード２００は、ハブ側縁部２０１と、シュラウド側縁部２０２と、流入側縁部２０３と、流出側縁部２０４と、を含む。各タービンブレード２００の入口領域２１０は、入口部２１２と、流出側縁部２０４に向かうにしたがって次第に厚みが小さくなる厚み減少部２１４と、を含む。入口部２１２は、流出側縁部２０４に向かって厚みが一定、あるいは、流出側縁部２０４に向かうにしたがって次第に厚みが増大している。厚み減少部２１４は、流入側縁部２０３及び流出側縁部２０４間の長さに対する、流入側縁部２０３からの長さの比が０．３以下の範囲に形成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸まわりに回転するハブと、
前記ハブに接続された複数枚のタービンブレードと、を備えるタービンホイールであって、
前記複数枚のタービンブレードの各々は、
前記ハブとつながるハブ側縁部と、
前記タービンホイールを収容するシュラウドと対向するシュラウド側縁部と、
ガスの流入側に形成された流入側縁部と、
ガスの流出側に形成された流出側縁部と、を含み、
各前記タービンブレードは、前記流入側縁部を含む入口領域を有し、
前記入口領域は、
前記流入側縁部を含み、かつ、前記ハブ側縁部から前記シュラウド側縁部に至るよう延びる形状を有する入口部と、
前記流入側縁部から前記流出側縁部に向かう方向における前記入口部の下流側の端部につながっており、前記流出側縁部に向かうにしたがって次第に厚みが小さくなる厚み減少部と、を含み、
前記入口部は、前記流出側縁部に向かって厚みが一定、あるいは、前記流出側縁部に向かうにしたがって次第に厚みが増大しており、
前記厚み減少部は、前記タービンブレードの子午面における前記流入側縁部及び前記流出側縁部間の長さに対する、前記子午面における前記流入側縁部からの長さの比が０．３以下の範囲に形成されている、タービンホイール。

【請求項2】

前記入口領域は、
前記流入側縁部につながっており、前記入口部の一部を構成する第１湾曲面と、
前記タービンブレードのキャンバーラインに沿う方向に前記第１湾曲面から離間した位置に形成された第２湾曲面と、
前記第１湾曲面と前記第２湾曲面とを連結しており、前記厚み減少部の一部を構成する連結面と、を含み、
前記第１湾曲面、前記第２湾曲面及び前記連結面は、当該タービンブレードにおける負圧面に形成されており、
前記第１湾曲面及び前記第２湾曲面は、当該タービンブレードの正圧面から前記負圧面に向かう方向に凸となるように湾曲しており、
前記連結面は、当該タービンブレードの前記負圧面から前記正圧面に向かう方向に凸となるように湾曲している、請求項１に記載のタービンホイール。

【請求項3】

前記第１湾曲面、前記第２湾曲面及び前記連結面は、前記ハブ側縁部と前記シュラウド側縁部との中央部と前記シュラウド側縁部との間の範囲に形成されている、請求項２に記載のタービンホイール。

【請求項4】

前記入口部の表面は、鋳肌からなる鋳肌面で構成されており、
前記厚み減少部の表面は、前記鋳肌面とは異なる表面状態を有する加工面で構成されている、請求項１から３のいずれかに記載のタービンホイール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この開示は、タービンホイールに関する。

【背景技術】

【0002】

特開２０２０－７９５７７号公報には、ターボチャージャに用いられるタービンホイールが開示されている。タービンホイールは、回転軸まわりに回転可能なハブと、ハブに接続された複数枚のタービンブレードと、を有している。各タービンブレードの負圧面のうち、径方向における外側の縁部を含むとともに回転軸と平行な方向に延びる領域に、追加工が施されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－７９５７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特開２０２０－７９５７７号公報に記載されるようなタービンホイールでは、各タービンブレードのうちガスの流入側に形成された流入側縁部の剛性を確保しつつ、各タービンブレードの負圧面側における渦の発生を抑制したいというニーズがある。

【0005】

本発明の目的は、各タービンブレードの流入側縁部における剛性を確保しつつ、各タービンブレードの負圧面側における渦の発生を抑制することが可能なタービンホイールを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この開示の一局面に従ったタービンホイールは、回転軸まわりに回転するハブと、前記ハブに接続された複数枚のタービンブレードと、を備え、前記複数枚のタービンブレードの各々は、前記ハブとつながるハブ側縁部と、前記タービンホイールを収容するシュラウドと対向するシュラウド側縁部と、ガスの流入側に形成された流入側縁部と、ガスの流出側に形成された流出側縁部と、を含み、各前記タービンブレードは、前記流入側縁部を含む入口領域を有し、前記入口領域は、前記流入側縁部を含み、かつ、前記ハブ側縁部から前記シュラウド側縁部に至るよう延びる形状を有する入口部と、前記流入側縁部から前記流出側縁部に向かう方向における前記入口部の下流側の端部につながっており、前記流出側縁部に向かうにしたがって次第に厚みが小さくなる厚み減少部と、を含み、前記入口部は、前記流出側縁部に向かって厚みが一定、あるいは、前記流出側縁部に向かうにしたがって次第に厚みが増大しており、前記厚み減少部は、前記タービンブレードの子午面における前記流入側縁部及び前記流出側縁部間の長さに対する、前記子午面における前記流入側縁部からの長さの比が０．３以下の範囲に形成されている。

【発明の効果】

【0007】

この開示によれば、各タービンブレードの流入側縁部における剛性を確保しつつ、各タービンブレードの負圧面側における渦の発生を抑制することが可能なタービンホイールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本開示の第１実施形態におけるタービンホイールの斜視図である。

【図2】図１に示されるタービンホイールの正面図である。

【図3】図１に示されるタービンホイールの平面図である。

【図4】図３におけるＩＶ－ＩＶ線での断面図である。

【図5】タービンブレードを模式的に示す図である。

【図6】子午面における無次元長さと無次元翼厚との関係を示すグラフである。

【図7】ハブ側縁部の断面図である。

【図8】シュラウド側縁部の正面図である。

【図9】ハブ側縁部とシュラウド側縁部との中央部の断面図である。

【図10】本開示の第２実施形態におけるタービンホイールの斜視図である。

【図11】図１０に示されるタービンホイールの正面図である。

【図12】図１０に示されるタービンホイールの平面図である。

【図13】ハブ側縁部の断面図である。

【図14】シュラウド側縁部の正面図である。

【図15】ハブ側縁部とシュラウド側縁部との間の部位の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

【0010】

（第１実施形態）
図１は、本開示の第１実施形態におけるタービンホイールの斜視図である。図２は、図１に示されるタービンホイールの正面図である。図３は、図１に示されるタービンホイールの平面図である。図４は、図３におけるＩＶ－ＩＶ線での断面図である。

【0011】

本実施形態におけるタービンホイール１は、車両に搭載されるターボチャージャに好ましく用いられる。タービンホイール１は、例えばＴｉＡｌ合金からなる。タービンホイール１は、鋳造によって形成された粗材に追加工（切削加工や電解加工）を施すことにより製造されている。なお、前記粗材は、鍛造等によって形成されてもよい。

【0012】

図１～図４に示されるように、タービンホイール１は、ハブ１００と、複数枚のタービンブレード２００と、を備えている。

【0013】

ハブ１００は、回転軸ＡＸまわりに回転可能である。ハブ１００は、回転軸方向における一方側（図１、図２及び図４における上側）から他方側（図１、図２及び図４における下側）に向かうにしたがって次第に拡径する部位を含んでいる。

【0014】

各タービンブレード２００は、ハブ１００に接続されている。各タービンブレード２００は、正圧面（凹面）と、負圧面（凸面）と、を有している。本実施形態では、各タービンブレード２００の負圧面（ハブ１００の回転方向に凸となるように湾曲する面）の少なくとも一部に追加工が施されている。タービンブレード２００のうち追加工が施されていない表面は、鋳肌からなる鋳肌面Ｓ１で構成されている。タービンブレード２００のうち追加工が施された表面は、鋳肌面Ｓ１とは異なる表面状態を有する加工面Ｓ２で構成されている。鋳肌面Ｓ１と加工面Ｓ２との境界は、滑らかにつながっている。

【0015】

各タービンブレード２００は、ハブ側縁部２０１と、シュラウド側縁部２０２と、流入側縁部２０３と、流出側縁部２０４と、を有している。

【0016】

ハブ側縁部２０１は、ハブ１００とつながっている。ハブ側縁部２０１は、ハブ１００とつながっている端面で構成されている。

【0017】

シュラウド側縁部２０２は、タービンホイール１を収容するシュラウド（図示略）と対向している。シュラウド側縁部２０２は、タービンブレード２００の端面で構成されている。

【0018】

流入側縁部（リーディングエッジ）２０３は、ガスの流入側に形成されている。流入側縁部２０３は、ハブ１００の径方向におけるハブ側縁部２０１の外側の端部と、径方向におけるシュラウド側縁部２０２の外側の端部と、を連結している。換言すれば、流入側縁部２０３は、回転軸ＡＸと平行な方向におけるハブ側縁部２０１の前記他方側（図１、図２及び図４における下側）の端部と、回転軸ＡＸと平行な方向におけるシュラウド側縁部２０２の前記他方側の端部と、を連結している。

【0019】

流出側縁部（トレーリングエッジ）２０４は、ガスの流出側に形成されている。流出側縁部２０４は、径方向におけるハブ側縁部２０１の内側の端部と、径方向におけるシュラウド側縁部２０２の内側の端部と、を連結している。換言すれば、流出側縁部２０４は、回転軸ＡＸと平行な方向におけるハブ側縁部２０１の前記一方側（図１、図２及び図４における上側）の端部と、回転軸ＡＸと平行な方向におけるシュラウド側縁部２０２の前記一方側の端部と、を連結している。図２及び図４に示されるように、流出側縁部２０４は、回転軸ＡＸを概ね直交していてもよい。

【0020】

各タービンブレード２００は、流入側縁部２０３を含む入口領域２１０を有している。入口領域２１０は、入口部２１２と、厚み減少部２１４と、を有している。なお、図１及び図４では、入口部２１２がドット模様で示されており、厚み減少部２１４が斜線で示されている。

【0021】

入口部２１２は、流入側縁部２０３を含んでいる。入口部２１２は、ハブ側縁部２０１からシュラウド側縁部２０２に至るよう延びる形状を有している。入口部２１２は、流出側縁部２０４に向かって厚みが一定、あるいは、流出側縁部２０４に向かうにしたがって次第に厚みが増大している。

【0022】

厚み減少部２１４は、流出側縁部２０４に向かうにしたがって次第に厚みが小さくなる部位である。厚み減少部２１４は、流入側縁部２０３から流出側縁部２０４に向かう方向（ガスの流れ方向）における入口部２１２の下流側の端部につながっている。図５及び図６に示されるように、本実施形態では、厚み減少部２１４は、各タービンブレード２００のうちシュラウド側縁部２０２からハブ側縁部２０１とシュラウド側縁部２０２との中央部に至る領域を含んでいる。

【0023】

図５及び図６に示されるように、厚み減少部２１４は、子午面における無次元長さＳが０．３以下の範囲に形成されている。子午面における無次元長さＳは、タービンブレード２００の子午線に沿った流入側縁部２０３及び流出側縁部２０４間の長さに対する、子午線に沿った流入側縁部２０３からの長さの比を意味する。つまり、厚み減少部２１４は、流入側縁部２０３と、流入側縁部２０３から流出側縁部２０４に向かって子午線に沿った流入側縁部２０３及び流出側縁部２０４間の長さの０．３倍の部位と、の間の範囲に形成されている。また、無次元翼厚は、所定の子午線に沿って延びる流入側縁部２０３及び流出側縁部２０４間の部位における最大厚みに対する、前記所定の子午線に沿って延びる流入側縁部２０３及び流出側縁部２０４間の部位における厚みを意味する。

【0024】

図５では、ハブ側縁部２０１の子午線の全長がＬｈで示されており、シュラウド側縁部２０２の子午線の全長がＬｓで示されており、ハブ側縁部２０１とシュラウド側縁部２０２との中央部の子午線の全長がＬｍで示されている。なお、図５において、ハブ側縁部２０１の子午線と対応する位置が０％ｓｐａｎであり、シュラウド側縁部２０２の子午線と対応する位置が１００％ｓｐａｎであり、ハブ側縁部２０１とシュラウド側縁部２０２との中央部の子午線が５０％ｓｐａｎである。

【0025】

また、図５では、子午線に沿った無次元長さＳが０．３の位置が一点鎖線Ａで示されている。この一点鎖線Ａは、ハブ側縁部２０１のうち当該ハブ側縁部２０１の上流側の端部から下流側の端部に向かってハブ側縁部２０１の子午線の全長Ｌｈの０．３倍の長さｈ１の位置と、シュラウド側縁部２０２のうち当該シュラウド側縁部２０２の上流側の端部から下流側の端部に向かってシュラウド側縁部２０２の子午線の全長Ｌｓの０．３倍の長さｓ１の位置と、を結んでいる。

【0026】

図７は、ハブ側縁部の断面図である。図８は、シュラウド側縁部の断面図である。図９は、ハブ側縁部とシュラウド側縁部との中央部の断面図である。

【0027】

図８に示されるように、入口領域２１０は、第１湾曲面２３１と、第２湾曲面２３２と、連結面２３３と、を有している。第１湾曲面２３１、第２湾曲面２３２及び連結面２３３は、タービンブレード２００の負圧面に形成されている。

【0028】

第１湾曲面２３１は、流入側縁部２０３につながっている。第１湾曲面２３１は、入口部２１２の一部を構成している。第１湾曲面２３１は、当該タービンブレード２００の正圧面から負圧面に向かう方向（ハブ１００の回転方向）に凸となるように湾曲している。

【0029】

第２湾曲面２３２は、キャンバーラインに沿う方向に第１湾曲面２３１から離間した位置に形成されている。第２湾曲面２３２は、当該タービンブレード２００の正圧面から負圧面に向かう方向に凸となるように湾曲している。

【0030】

連結面２３３は、第１湾曲面２３１と第２湾曲面２３２とを連結している。連結面２３３は、厚み減少部２１４の一部を構成している。連結面２３３は、当該タービンブレード２００の負圧面から正圧面に向かう方向に凸となるように湾曲している。

【0031】

第１湾曲面２３１、第２湾曲面２３２及び連結面２３３は、ハブ側縁部２０１とシュラウド側縁部２０２との中央部とシュラウド側縁部２０２との間の範囲に形成されている。

【0032】

以上に説明したように、本実施形態におけるタービンホイール１では、各タービンブレード２００が入口部２１２を有しているため、流入側縁部２０３の剛性が確保され、かつ、各タービンブレード２００の厚み減少部２１４は、前記比（子午面における無次元長さＳ）が０．３以下の範囲に形成されているため、各タービンブレード２００の負圧面側での渦の発生が抑制される。

【0033】

（第２実施形態）
次に、図１０～図１５を参照しながら、本開示の第２実施形態におけるタービンホイール１について説明する。なお、第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第１実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は繰り返さない。

【0034】

本実施形態では、各タービンブレード２００の負圧面のうち、流入側縁部２０３及びシュラウド側縁部２０２の近傍の領域、並びに、ハブ側縁部２０１の近傍の領域は、追加工が施されていない鋳肌面Ｓ１で構成されている。

【0035】

本実施形態では、図１５に示されるように、例えば、ハブ側縁部２０１とシュラウド側縁部２０２との中央部に厚み減少部２１４が形成されている。

【0036】

この態様では、第１実施形態におけるタービンホイール１に比べ、各タービンブレード２００の流入側縁部２０３の剛性が有効に確保される。

【0037】

なお、各タービンブレード２００のうち追加工を施す部位は、流入側縁部２０３の剛性の確保や、流出側縁部２０４を薄くすることによる渦の発生の抑制等を踏まえて適宜設定される。

【0038】

上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

【0039】

［態様１］
回転軸まわりに回転するハブと、
前記ハブに接続された複数枚のタービンブレードと、を備えるタービンホイールであって、
前記複数枚のタービンブレードの各々は、
前記ハブとつながるハブ側縁部と、
前記タービンホイールを収容するシュラウドと対向するシュラウド側縁部と、
ガスの流入側に形成された流入側縁部と、
ガスの流出側に形成された流出側縁部と、を含み、
各前記タービンブレードは、前記流入側縁部を含む入口領域を有し、
前記入口領域は、
前記流入側縁部を含み、かつ、前記ハブ側縁部から前記シュラウド側縁部に至るよう延びる形状を有する入口部と、
前記流入側縁部から前記流出側縁部に向かう方向における前記入口部の下流側の端部につながっており、前記流出側縁部に向かうにしたがって次第に厚みが小さくなる厚み減少部と、を含み、
前記入口部は、前記流出側縁部に向かって厚みが一定、あるいは、前記流出側縁部に向かうにしたがって次第に厚みが増大しており、
前記厚み減少部は、前記タービンブレードの子午面における前記流入側縁部及び前記流出側縁部間の長さに対する、前記子午面における前記流入側縁部からの長さの比が０．３以下の範囲に形成されている、タービンホイール。

【0040】

このタービンホイールでは、各タービンブレードが入口部を有しているため、流入側縁部の剛性が確保され、かつ、各タービンブレードの厚み減少部は、前記比が０．３以下の範囲に形成されているため、負圧面側での渦の発生が抑制される。

【0041】

［態様２］
前記入口領域は、
前記流入側縁部につながっており、前記入口部の一部を構成する第１湾曲面と、
前記タービンブレードのキャンバーラインに沿う方向に前記第１湾曲面から離間した位置に形成された第２湾曲面と、
前記第１湾曲面と前記第２湾曲面とを連結しており、前記厚み減少部の一部を構成する連結面と、を含み、
前記第１湾曲面、前記第２湾曲面及び前記連結面は、当該タービンブレードにおける負圧面に形成されており、
前記第１湾曲面及び前記第２湾曲面は、当該タービンブレードの正圧面から前記負圧面に向かう方向に凸となるように湾曲しており、
前記連結面は、当該タービンブレードの前記負圧面から前記正圧面に向かう方向に凸となるように湾曲している、態様１に記載のタービンホイール。

【0042】

［態様３］
前記第１湾曲面、前記第２湾曲面及び前記連結面は、前記ハブ側縁部と前記シュラウド側縁部との中央部と前記シュラウド側縁部との間の範囲に形成されている、態様２に記載のタービンホイール。

【0043】

［態様４］
前記入口部の表面は、鋳肌からなる鋳肌面で構成されており、
前記厚み減少部の表面は、前記鋳肌面とは異なる表面状態を有する加工面で構成されている、態様１から３のいずれかに記載のタービンホイール。

【0044】

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

【符号の説明】

【0045】

１ タービンホイール、１００ ハブ、２００ タービンブレード、２０１ ハブ側縁部、２０２ シュラウド側縁部、２０３ 流入側縁部、２０４ 流出側縁部、２１０ 入口領域、２１２ 入口部、２１４ 厚み減少部、２３１ 第１湾曲部、２３２ 第２湾曲面、２３３ 連結面、Ｓ１ 鋳肌面、Ｓ２ 加工面。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】