(57)【要約】【課題】伝熱を低減することが可能なタービンホイールを提供する。【解決手段】タービンホイール１は、過給機に用いられるタービンホイールであって、ボス部１１と、複数のブレード１２と、を有する。ボス部１１は、シャフト２が接続される第１端１１ａと、第１端１１ａに形成された第１開口１３ａを含む第１中空部１３と、を有する。複数のブレード１２は、ボス部１１の周囲に配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
過給機に用いられるタービンホイールであって、
シャフトが接続される第１端と、前記第１端に形成された第１開口を含む第１中空部と、を有するボス部と、
前記ボス部の周囲に配置された複数のブレードと、を備えた、
タービンホイール。
【請求項２】
前記第１中空部は、前記第１開口の径よりも大きい径の部分を有する、
請求項１に記載のタービンホイール。
【請求項３】
前記ボス部は、
前記第１端の反対側の第２端に形成された第２開口を含む第２中空部と、
前記第１中空部と前記第２中空部の間に設けられた隔壁部と、を更に有する、
請求項１に記載のタービンホイール。
【請求項４】
前記第２中空部は、前記第２開口の径よりも大きい径の部分を有する、
請求項３に記載のタービンホイール。
【請求項５】
前記ボス部の外側面には、隣り合う前記ブレードの間隔が略一定の第１領域と、前記第１端に向かうに従って隣り合う前記ブレードの間隔が広くなる第２領域が設けられ、
前記隔壁部は、回転軸に対して垂直な方向から視て、前記第１領域と前記第２領域の境界に重なるように形成されている、
請求項３に記載のタービンホイール。
【請求項６】
前記タービンホイールは、チタンアルミ合金によって形成されている、
請求項１〜５のいずれか１項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】
本発明は、タービンホイールに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの排気ガスによって駆動される過給機にはタービンホイールが用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
過給機では、シャフトの一端にタービンホイールが取り付けられ、他端にコンプレッサホイールが取り付けられている。タービンホイールを排気ガスによって回転すると、シャフトを介して連結されているコンプレッサホイールが回転する。コンプレッサホイールの回転により、空気が圧縮されてエンジンに供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】昭６１−２１５４０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、シャフトの端面全体がタービンホイールと接触されているため、タービンホイールからコンプレッサホイール側にシャフトを介して熱が伝達されやすかった。
本開示は、伝熱を低減することが可能なタービンホイールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
開示のタービンホイールは、過給機に用いられるタービンホイールであって、ボス部と、複数のブレードと、を有する。ボス部は、シャフトが接続される第１端と、第１端に形成された第１開口を含む第１中空部と、を有する。複数のブレードは、ボス部の周囲に配置されている。ボス部には、第１端に形成された第１開口を有する第１中空部が設けられている。
【発明の効果】
【０００６】
本開示によれば、伝熱を低減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】
【０００７】
【図１】本開示にかかる実施の形態１におけるタービンホイールの正面図。
【図２】図１のタービンホイールの軸断面図。
【図３】図２のタービンホイールがシャフトに取り付けられた状態を示す断面図。
【図４】（ａ）図３のタービンホイールにおいて回転軸に沿ったボス部の距離を説明するための図、（ｂ）回転軸に沿ったボス部の距離に対する隣り合うブレードの間隔の変化を示す図。
【図５】図２のタービンホイールの回転軸に対して垂直な断面の部分拡大図。
【図６】（ａ）第１中空部および第２中空部が形成されていない中実のタービンホイールを示す正面図、（ｂ）図６（ａ）の回転軸を含む断面図。
【図７】（ａ）図６（ｂ）のタービンホイールにおいて回転軸に沿ったボス部の距離を説明するための図、（ｂ）図７（ａ）のタービンホイールを回転させたときの距離に対する発生応力の変化のグラフを示す図。
【図８】（ａ）本開示にかかる実施の形態２におけるタービンホイールの正面図、（ｂ）図８（ａ）のタービンホイールの回転軸を含む断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本開示にかかる実施の形態のタービンホイール１について図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
以下に、本開示にかかる実施の形態１のタービンホイール１について説明する。
図１は、本実施の形態１のタービンホイール１の正面図である。図２は、タービンホイールの回転軸１ａを含む断面図である。図３は、本開示にかかる実施の形態１のタービンホイール１がシャフト２に取り付けられた状態を示す断面図である。
【０００９】
本開示にかかる実施の形態のタービンホイール１は、過給機に用いられる。本実施の形態のタービンホイール１は、図３に示すように、シャフト２の回転軸方向の一方の端である第１端２ａに取り付けられる。シャフト２の回転軸方向の他方の端である第２端２ｂには、図示しないコンプレッサホイールが取り付けられる。タービンホイール１の回転軸１ａは、シャフト２と同軸上に配置されている。
【００１０】
本実施の形態のタービンホイール１は、例えばＴｉ−Ａｌ（チタンアルミ）合金や、インコネル等の合金、あるいは窒化ケイ素等のセラミックを用いて形成することができる。なお、Ｔｉ−Ａｌ合金を用いるほうが軽量化を図ることができるため、より好ましい。また、タービンホイール１は、３次元プリンターや鋳造、あるいは機械加工等によって形成することができる。
【００１１】
タービンホイール１は、図１に示すように、ボス部１１と、複数のブレード１２と、を有する。ボス部１１は、タービンホイール１の回転軸１ａに沿って配置されている。複数のブレード１２は、ボス部１１の外側面１１ｓに配置されている。
ボス部１１は、図１および図２に示すように、第１端部１６と、第２端部１７と、ブレード配置部１８と、を有する。第１端部１６は、略円筒状であり、シャフト２と接続される第１端１１ａを含む。第２端部１７は、外周がポリゴンである正六角形状であり、第１端１１ａの回転軸１ａ方向の反対側の端である第２端１１ｂを含む。ブレード配置部１８は、第１端部１６と第２端部１７の間に設けられている。ブレード配置部１８の側面に複数のブレード１２が配置される。ブレード配置部１８は、第２端１１ｂから第１端１１ａに向かって直径が大きくなるように形成されている。なお、ボス部１１の第１端１１ａは、ろう付け、電子ビーム、レーザ、および圧接等によってシャフト２と接続される。
【００１２】
ボス部１１は、図２に示すように、第１中空部１３と、第２中空部１４と、隔壁部１５と、を更に有する。第１中空部１３および第２中空部１４は、ボス部１１の内側に形成された空間である。第１中空部１３および第２中空部１４は、回転軸１ａを軸とする回転体形状である。隔壁部１５は、回転軸１ａに沿った方向において第１中空部１３と第２中空部１４の間に設けられており、第１中空部１３と第２中空部１４の間を隔てている。隔壁部１５は、回転軸１ａの中心から回転軸１ａに対して垂直な径方向に向かって形成されている。
【００１３】
第１中空部１３は、第１端１１ａに第１開口１３ａを有しており、第１開口１３ａから第２端１１ｂに向かって形成されている。第１開口１３ａの縁部は、円形である。第１開口１３ａの縁部は、ポリゴン、例えば正六角形であってもよい。第１中空部１３は、第１端部１６からブレード配置部１８に亘って形成されている。第１開口１３ａは、第１中空部１３がタービンホイール１の外部空間と連通する連通口である。第１中空部１３は、第１開口１３ａよりも直径が大きい部分を有する。第１中空部１３は、奥側で広がっている。第１中空部１３の最大直径をＲ１とし、第１開口１３ａの直径をｒ１とすると、第１中空部１３は、Ｒ１＞ｒ１に形成されている。なお、直径は、回転軸１ａに対して垂直な方向の長さである。第１中空部１３のうち最大直径Ｒ１の部分が１３ｂとして示されている。
【００１４】
第２中空部１４は、第２端１１ｂに第２開口１４ａを有しており、第２開口１４ａから第１端１１ａに向かって形成されている。第２開口１４ａの縁部は、円形である。第２開口１４ａの縁部は、第２端部１７の形状に相対するポリゴン、例えば正六角形であってもよい。第２中空部１４は、第２端部１７からブレード配置部１８に亘って形成されている。第２開口１４ａは、第２中空部１４がタービンホイール１の外部空間と連通する連通口である。第２中空部１４は、第２開口１４ａよりも直径が大きい部分を有する。第２中空部１４は、奥側で広がっている。第２中空部１４の最大直径をＲ２とし、第２開口１４ａの直径をｒ２とすると、第２中空部１４は、Ｒ２＞ｒ２に形成されている。第２中空部１４のうち最大直径Ｒ２の部分が１４ｂとして示されている。
【００１５】
複数のブレード１２は、図１に示すように、ボス部１１のブレード配置部１８の外側面１１ｓに配置されている。各々のブレード１２は、ボス部１１の第２端１１ｂから第１端１１ａに向かうに従って周方向に移動するように回転軸１ａに対して傾斜して設けられている。
ここで、隣り合うブレード１２間の正面視における間隔をｄとする。図５は、タービンホイール１の回転軸１ａに対して垂直な断面の部分拡大図である。図５に示すように、間隔ｄは、ブレード１２の根元１２ｃ間の距離であり、回転軸１ａに対して垂直な距離である。また、図４（ａ）に示すように第１端１１ａ側のブレード１２の端である第１端１２ａの位置を原点０（ゼロ）として、そこから回転軸１ａの方向に沿って第２端１１ｂに向かった距離Ｈで、回転軸１ａに沿った位置を定義する。
【００１６】
図４（ｂ）は、間隔ｄを横軸に設定し、距離Ｈを縦軸に設定したグラフを示す図である。また、第２端１１ｂ側のブレード１２の端である第２端２１ｂの第１端２１ａからの距離がｈ１で示されている。
図４（ｂ）に示すように、第２端１１ｂ側に位置する距離ｈ１〜距離ｈｎの間において、間隔ｄは略一定であり、距離ｈｎ〜ゼロの間において、間隔ｄはゼロに向かうに従って広くなっている。間隔ｄが略一定である距離ｈ１〜距離ｈｎを第１領域Ｓ１とし、間隔ｄが広くなる距離ｈｎ〜ゼロを第２領域Ｓ２とすると、図４（ａ）に示すように、第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２の境界である距離ｈｎの位置に、回転軸１ａに対して垂直な方向から視て重なるように隔壁部１５が設けられている。回転軸１ａ方向において隔壁部１５の幅１５ｗの範囲に、ゼロからの距離ｈｎの位置が配置されている。
【００１７】
次に、距離ｈｎの位置に重なるように隔壁部１５が形成されていることについて説明する。
図６（ａ）は、第１中空部１３および第２中空部１４が形成されておらずボス部１１が中実であるタービンホイール１００を示す図である。図６（ｂ）は、タービンホイール１００の断面図を示す図である。
【００１８】
タービンホイール１００は、ボス部１１１と、複数のブレード１２とを有する。ボス部１１１は、第１端１１１ａと、第２端１１１ｂを有する。ボス部１１１の外径は、ボス部１１と同様である。第１端１１１ａがシャフト２との接続端となる。ボス部１１１は、その内側に空間を有しておらず、中実に形成されている。複数のブレード１２は、タービンホイール１０のブレード１２と同様の形状である。また、回転軸が１００ａで示されている。
【００１９】
図７（ａ）は、タービンホイール１００において回転軸に沿ったボス部の位置を説明するための図である。ボス部の位置は、図４（ａ）と同様にブレード１２の端である第１端１２ａの位置を原点０（ゼロ）として、そこから回転軸１００ａの方向に沿って第２端１１ｂに向かった距離で示されている。図７（ｂ）は、タービンホイール１００を回転させたときの各位置における発生応力を示す図である。なお、タービンホイール１００における間隔ｄと距離Ｈの関係は、タービンホイール１０と同様であるため、図４（ｂ）のグラフと同様になる。
【００２０】
図７（ａ）および図７（ｂ）から、隣り合うブレード１２の間隔ｄが略一定である第１領域Ｓ１と間隔ｄが広がる第２領域Ｓ２の境界である距離ｈｎの近傍において応力値が最大になっていることがわかる。
このため、ボス部１１の内側に空間を形成した本実施の形態のタービンホイール１において、中実構造であるタービンホイール１００で応力が大きくなる距離ｈｎの位置と重なるように隔壁部１５を設けることにより、強度を確保しつつ軽量化を図ることができる。タービンホイール１００を軽量にすると、慣性質量が小さくなるため、ターボ立ち上がり時のレスポンスが良くなる。
【００２１】
なお、本実施の形態１のタービンホイール１は、同じ外径のタービンホイール１００と比較して、第１中空部１３および第２中空部１４を形成することによって、約３０％の軽量化を図ることができる。また、タービンホイール１００がインコネルで作成され、タービンホイール１がＴｉ−Ａｌ合金で作成された場合には、タービンホイール１は、タービンホイール１００に比較して、約６０％の軽量化を実現できる。
【００２２】
（実施の形態２）
次に、本開示にかかる実施の形態２におけるタービンホイールについて説明する。
本実施の形態２のタービンホイール１０は、実施の形態１のタービンホイール１とボス部１１の内側に形成されている空間が異なっている。
図８（ａ）は、本実施の形態２のタービンホイール１０の正面図である。図８（ｂ）は、本実施の形態２のタービンホイール１０の回転軸１０ａを含む断面図である。
【００２３】
図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、タービンホイール１０は、ボス部２１と、複数のブレード１２と、を有する。複数のブレード１２は、実施の形態１と同様にボス部２１の外側面２１ｓに配置されている。
ボス部２１は、実施の形態１のボス部１１と同様の外形であり、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、第１端部２７と、第２端部２８と、ブレード配置部２９と、を有しているが、ボス部１１とは内側の空間形状が異なっている。ボス部２１の両端は、第１端２１ａおよび第２端２１ｂで示されている。第１端部２７は、略円筒状であり、実施の形態１で示したシャフト２と接続される第１端２１ａを含む。第２端部２８は、外周がポリゴンである正六角形状であり、第１端２１ａの回転軸１０ａ方向の反対側の端である第２端２１ｂを含む。ブレード配置部２９は、第１端部２７と第２端部２８の間に設けられている。ブレード配置部２９の側面に複数のブレード１２が配置される。
【００２４】
ボス部２１には、その内側の空間である中空部２６が形成されている。中空部２６は、第２端２１ｂに開口２６ａを有し、第１端２１ａ側に底面２６ｂを有する。中空部２６は、略円柱状の空間であり、中空部２６の任意の位置における直径は、概ね開口２６ａの直径と同じ大きさである。中空部２６は、第２端２１ｂから第１端２１ａに向かって回転軸１０ａに沿って形成されている。中空部２６は、第２端部２８からブレード配置部２９に亘って形成されている。開口２６ａの縁部は、円形である。開口２６ａの縁部は、第２端部２８の形状に相対するポリゴン、例えば正六角形であってもよい。
【００２５】
ボス部２１の第１端２１ａには、実施の形態１の第１端１１ａとは異なり、開口が形成されていない。
詳細には、中空部２６は、直径が若干小さくなる部分２６ｃ、２６ｄを有している。部分２６ｃ、２６ｄは、開口２６ａと底面２６ｂの間に設けられている。また、部分２６ｄが、最小径の部分であり、底面２６ｂ近傍に設けられている。
【００２６】
本実施の形態２のタービンホイール１０は、タービンホイール１００と比較すると、約１０％軽量化を図ることができる。
（特徴等）
（１）
本実施の形態１のタービンホイール１は、過給機に用いられるタービンホイールであって、ボス部１１と、複数のブレード１２と、を有する。ボス部１１は、シャフト２が接続される第１端１１ａと、第１端１１ａに形成された第１開口１３ａを含む第１中空部１３と、を有する。複数のブレード１２は、ボス部１１の周囲に配置されている。
【００２７】
このように、第１端１１ａとシャフト２は第１開口１３ａにおいて接合されていないため、タービンホイール１とシャフト２の接触面積が少なくなる。これにより、タービンホイール１からシャフト２への断熱効果を得ることができる。
（２）
本実施の形態１のタービンホイール１では、第１中空部１３は、第１開口１３ａの径ｒ１よりも大きい径Ｒ１の部分１３ｂを有する。
【００２８】
このように、第１中空部１３の内側の空間を第１開口１３ａよりも広くすることによって、軽量化を図ることができる。
（３）
本実施の形態１のタービンホイール１では、ボス部１１は、第２中空部１４と、隔壁部１５と、を有する。第２中空部１４は、第１端１１ａの反対側の第２端１１ｂに形成された第２開口１４ａを含む。
【００２９】
このように、第２中空部１４を更に形成することによって軽量化を図ることができる。また、第１中空部１３と第２中空部１４の間に隔壁部１５を形成することによって、強度を確保することができる。
（４）
本実施の形態１のタービンホイール１では、第２中空部１４は、第２開口１４ａの径ｒ２よりも大きい径Ｒ２の部分１４ｂを有する。
【００３０】
このように、第２中空部１４の内側の空間を第２開口１４ａよりも広くすることによって、軽量化を図ることができる。
（５）
本実施の形態１のタービンホイール１では、ボス部１１の外側面１１ｓには、隣り合うブレード１２の間隔ｄが略一定の第１領域Ｓ１と、第１端１１ａに向かうに従って隣り合うブレード１２の間隔ｄが広くなる第２領域Ｓ２が設けられている。隔壁部１５は、回転軸１ａに対して垂直な方向から視て、第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２の境界である距離ｈｎの位置に重なるように形成されている。
【００３１】
隣り合うブレード１２の間隔ｄが略一定の第１領域Ｓ１と、間隔ｄが広くなる第２領域Ｓ２の境界である距離ｈｎの位置の近傍において応力が最大となるため、応力が最大となる位置に対応して隔壁部１５を形成することにより、軽量化を図りつつタービンホイールの強度を確保することができる。
（６）
本実施の形態１のタービンホイール１は、チタンアルミ合金によって形成されている。
【００３２】
これにより、材料の観点からもタービンホイール１の軽量化を図ることができる。
（７）
本実施の形態２のタービンホイール１０は、過給機に用いられるタービンホイールであって、ボス部２１と、複数のブレード１２と、を備える。ボス部２１は、シャフト２が接続される第１端２１ａと、第１端２１ａの反対側の第２端２１ｂと、中空部２６と、を有する。中空部２６は、ボス部２１の内側に形成され、第２端２１ｂに形成された開口２６ａを有する略円柱状である。複数のブレード１２は、ボス部２１の周囲に配置されている。ボス部２１には、中空部２６が設けられている。
【００３３】
本実施の形態２のタービンホイール１０は、例えば、中実のタービンホイール１００に対して中空部２６を形成することによって作成することができる。このため、例えば従来のスリップキャスト法によってボス部に中空部を形成しなくても、ボス部に中空部が形成されたタービンホイールを容易に製造することができる。
（８）
本実施の形態２のタービンホイール１０では、中空部２６は、開口２６ａよりも第１端２１ａ側に、開口２６ａよりも径が小さい部分２６ｃ、２６ｄが形成されている。
中空部２６の適切な位置に、径が小さい部分２６ｃ、２６ｄを設けることによって、応力に対する強度を確保することができる。
【００３４】
＜他の実施形態＞
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
（Ａ）
上記実施の形態１では、第１中空部１３と第２中空部１４の２つの内側空間が設けられているが、第２中空部１４が設けられていなくてもよい。この場合、軽量化の効果が小さくなるものの伝熱の低減効果は発揮することができる。
【００３５】
（Ｂ）
上記実施の形態２のタービンホイール１０では、中空部２６は底面２６ｂを有しているが、中空部２６は、第２端２１ｂから第１端２１ａまでボス部２１を貫通して形成されていてもよい。
（Ｃ）
上記実施の形態１、２のタービンホイール１、１０のブレード１２の形状、枚数に限らず適宜変更してもよい。
【００３６】
（Ｄ）
上記実施の形態１のタービンホイール１の第１中空部１３および第２中空部１４は、図２に示すような形状に限られるものではなく、例えば実施の形態２の中空部２６のように略円柱形状であってもよい。
（Ｅ）
上記実施の形態１では、隔壁部１５によって第１中空部１３と第２中空部１４の間は遮断されているが、必要な強度を確保可能な場合には、隔壁部１５に第１中空部１３と第２中空部１４を連通する連通孔を形成してもよい。
【００３７】
＜付記＞
他の開示について以下に記載する。
（１）の開示は、
過給機に用いられるタービンホイールであって、
シャフトが接続される第１端と、前記第１端の反対側の第２端と、前記第２端に形成された開口を有する略円柱状の中空部と、を有するボス部と、
前記ボス部の周囲に配置された複数のブレードと、を備えた、
タービンホイールである。
【００３８】
（２）の開示は、
前記中空部は、前記第１端から前記第２端まで貫通している、
（１）の発明のタービンホイール。
（３）の開示は、
前記中空部は、前記開口よりも前記第１端側に、径が最も小さい部分が形成されている、
（１）または（２）の発明のタービンホイール。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本開示のタービンホイールによれば、伝熱を低減することが可能な効果を有し、例えば作業車両などに用いるタービンホイールとして有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１        ：タービンホイール
１１      ：ボス部
１１ａ    ：第１端
１１ｂ    ：第２端
１２      ：ブレード
１３      ：第１中空部
１３ａ    ：第１開口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2020204294.tif 000010