(57)【要約】【課題】低い質量と高い精密さを有する閉じたタービンホイールを提供する。【解決手段】本発明は、回転対称のベースプレート（１）と、ハブディスク（２）及びカバーディスク（３）によって画成された流動スペース（４）とを有し、この流動スペースが、内側の軸方向の開口（５）を、外側の半径方向の開口（６）と接続し、タービンブレード（７）によって流路（８）へ分割されている、半径流タービン用のタービンホイールに関する。本発明は、このようなタービンホイールを製造するための方法にも関する。本発明によれば、少なくとも、ハブディスク（２）、タービンブレード（７）及びカバープレート（３）が、付加製造法によってベースプレート（１）に一体的に形成されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転対称のベースプレート（１）と、ハブディスク（２）及びカバーディスク（３）によって画成された流動スペース（４）とを有し、この流動スペースが、内側の軸方向の開口（５）を、外側の半径方向の開口（６）と接続し、タービンブレード（７）によって流路（８）へ分割されている、半径流タービン用のタービンホイールにおいて、
少なくとも、ハブディスク（２）、タービンブレード（７）及びカバープレート（３）が、付加製造法によってベースプレート（１）に一体的に形成されていること、を特徴とするタービンホイール。
【請求項２】
流動スペース（４）の外側の半径方向の開口（６）にまで延在するそれぞれ２つのタービンブレード（７）によって区画された流路（８）が、流動スペース（４）の外側の半径方向の開口（６）にまで延在する少なくとも１つの中間壁（１６）によって、半径方向外側に位置する領域内で複数の部分通路（１７）へ分割されていること、を特徴とする請求項１に記載のタービンホイール。
【請求項３】
流動スペース（４）の外側の半径方向の開口（６）が、流路（８）及び／又は部分通路（１７）の多数の排出口（１８）によって構成され、排出口（１８）が、ベースプレート（１）、カバーディスク（３）及び、タービンブレード（７）及び／又は中間壁（１６）によって構成される壁面によって画成されていること、を特徴とする請求項１又は２に記載のタービンホイール。
【請求項４】
排出口（１８）内で、壁面が、丸みの付いたオーバーハング部においてカバーディスク（３）へ移行すること、を特徴とする請求項３に記載のタービンホイール。
【請求項５】
カバーディスク（３）と中間壁によって、円弧セグメント、特に半円が構成されること、を特徴とする請求項４に記載のタービンホイール。
【請求項６】
ベースプレート（１）が、軸を収容するための中央のハブ貫通部（９）を備えること、タービンホイールが、ベースプレート（１）にまで延在しかつハブ貫通部（９）に接続するスリーブ状の中央の部分（１０）を備えること、及び、中央の部分（１０）、ハブディスク（２）及びベースプレート（１）が、空所（１１）を包囲すること、を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のタービンホイール。
【請求項７】
空所（１１）内に、中央の部分（１０）からハブディスク（２）まで延在する力伝導リブ（１４）が配置されていること、を特徴とする請求項６に記載のタービンホイール。
【請求項８】
力伝導リブ（１４）が、それぞれ、力伝導方向に延在するウェブ（２２）の間に配置されたリセス（２１）によって中断されていること、を特徴とする請求項７に記載のタービンホイール。
【請求項９】
少なくとも個々のタービンブレード（７）及び／又は中間壁（１６）が、傾斜していること、を特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のタービンホイール。
【請求項１０】
流路（８，１７）の排出口（１８）が、交互する傾斜した壁面と軸平行に整向された壁面とによって画成されるように、タービンブレード（７）と場合によっては中間壁（１６）が傾斜していること、を特徴とする請求項９に記載のタービンホイール。
【請求項１１】
内側の開口（５）と外側の開口（６）の間で半径方向に延在する流路（７）が、周方向に湾曲させられていること、を特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載のタービンホイール。
【請求項１２】
タービンブレード（７）の内側の終端が、その外側の終端に対して少なくとも４５°、好ましくは少なくとも６０°の角度αだけ周方向にずらされていること、を特徴とする請求項１１に記載のタービンホイール。
【請求項１３】
回転対称のベースプレート（１）と、ハブディスク（２）及びカバーディスク（３）によって画成された流動スペース（４）とを有し、この流動スペースが、内側の軸方向の開口（５）を、外側の半径方向の開口（６）と接続し、タービンブレード（７）によって流路（８）へ分割されている、特に請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半径流タービン用のタービンホイールを製造するための方法において、
まず、ベースプレート（１）が形成され、次いで、少なくとも、ハブディスク（２）、タービンブレード（７）及びカバープレート（３）が、付加製造法によってベースプレート（１）に一体的に形成されること、を特徴とする方法。
【請求項１４】
付加製造法が、選択的レーザ溶融又は選択的レーザ焼結であること、を特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ベースプレート（１）が、鍛造された円形ブランクの旋盤加工によって製造されること、を特徴とする請求項１３又は１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転対称のベースプレートと、カバーディスク及びハブディスクによって画成された流動スペースとを有し、この流動スペースが、内側の軸方向の開口を、外側の半径方向の開口と接続し、タービンブレードによって流路へ分割されている、半径流タービン用のタービンホイールに関する。本発明は、また、このようなタービンホイールを製造するための方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
このような閉じたタービンホイール、いわゆるカバーディスク型タービンホイールは、タービンによって案内される媒体が、その内部を経て流れ、タービンの外壁と接触できることがないとの利点を有する。これは、タービンホイールとタービンハウジングの間に大きい間隙幅を許容するので、問題なくかつ効率の損失なく大きい熱膨張も補償できる。
【０００３】
通常は、タービンホイールは、切削加工によって製造される。しかしながら、この場合、タービンホイールの製造可能な形状に関する制限が生じる。従って、フライス工具は、任意に深く閉じた流動スペース内へ移動できず、流動スペース内で進路変更できない。これは、タービンホイールが小さい場合には特に、カバーディスク型タービンホイールが中実ブロックから製造される時の費用のかかる形成を排除する。
【０００４】
従って、これまでは、その上にタービンブレードを配置したハブディスクを開放状態で予備製造し、その上に仕上がったカバーディスクを装着することに頼っていた。しかしながら、この後からの固定は、ノッチ効果と、カバーディスクの接合時に生じる材料の弱体化に基づいて、大いに不利である。更に、付加的な質量をタービンホイールに投入する必要があり、加えて、付加的な製造誤差が生じ得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これを背景にして、本発明の根底にある課題は、低い質量と高い精密さを有する閉じたタービンホイールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の対象と、この課題の解決策は、請求項１に記載のタービンホイールと、請求項１３に記載の方法である。
【０００７】
この種のタービンホイールは、作動媒体がタービンホイールの回転軸に対して半径方向に流れる半径流タービン用に設けられている。本発明による教示は、半径流ベンチレータ、半径流ポンプ及び半径流コンプレッサのような半径方向に貫流する他の流体機械にも適用可能である。ホイールは、回転対称のベースプレートを備え、ベースプレートは、回転対称のベースボディを備え、このベースボディに、しかしながらまた回転方向に周期的に配置又は形成された、例えば孔又はセレーションのような接続装置も設けることができる。カバーディスク及びハブディスクにより、内側の軸方向の開口を外側の半径方向の開口と接続する流動スペースが画成される。ハブディスクとカバーディスクは、軸方向に流動スペースを画成し、合目的に均等な厚さを有するように形成されている。流動スペースは、タービンブレードによって流路へ分割されている。
【０００８】
本発明によれば、少なくとも、ハブディスク、タービンブレード及びカバープレートが、付加製造法によってベースプレートに一体的に形成されている。このような方法の場合、所望の形態を得るために、局所的に−例えば粉末状の原料から成る−材料が接合される。このため、特に、例えば選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）及び選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）のような選択的溶融技術及び選択的焼結技術が重要であり、これら技術は、特に、金属粉末から成る金属の構造体を生成するためにも適している。このように生成された予成形部材は、鍛造及び／又は切削加工によって生成された予成形部材とは構造的に異なる。特に、接合箇所−例えば溶接時の−は、存在しない。これにより、生成されたワークピースの高い均質性が達成できる。更に、付加製造法によって、その特殊な造形−例えばアンダカット−のために他の製造法によって製造可能でない形態も生成し得る。
【０００９】
好ましくは、タービンブレードは、それぞれ、流動スペースの外側の半径方向の開口にまで延在する。この場合、それぞれ２つのタービンブレードによって区画された流路は、同様に流動スペースの外側の半径方向の開口にまで延在する少なくとも１つの中間壁によって、複数の部分通路へ分割されている。内方へは、中間壁は、好ましくは流動スペースの内側の軸方向の開口にまで延在するタービンブレードのようにまで達していない。中間壁の配置により、半径方向の流路の拡大は、流路が部分通路へ分割されていることによって、反作用を受け得る。部分通路の小さい横断面は、本発明による製造のためと同様に、流量調整において有利である。何故なら、付加製造時に、小さいオーバーハングは、後から費用をかけて除去すべき付加的な支持構造を用いずに容易に生成し得るからである。
【００１０】
合目的に、流動スペースの周回する外側の半径方向の開口は、流路及び／又は部分通路の多数の排出口によって構成されている。個々の排出口は、周縁側を、ベースプレート、カバーディスク及び、タービンブレード及び／又は中間壁の外側の終端によって構成される壁面によって画成される。
【００１１】
有利には、この排出口内で、壁面は、丸みの付いた移行部においてカバーディスクへ移行する。流路もしくは部分通路の内横断面は、排出口の横断面を好ましくは連続的に継続する。
【００１２】
特に好ましい形成では、カバーディスクと壁面によって、円弧セグメント、特に半円が構成される。この場合、半円の半径は、特に、使用される付加製造法によって支持構造を用いずに構成できる半径に適合させることができる。これにより、さもなければ大きい労力を費やして除去しなければならない、流路及び部分通路内の一時的な支持構造が省略される。従って、タービンブレードは、完成後に直接的にかつべつの後処理なしで使用可能である。
【００１３】
好ましくは、ベースプレートは、軸を収容するための中央のハブ貫通部を有する。これに続き、タービンホイールは、ベースプレートにまで延在しかつハブ貫通部に接続するスリーブ状の中央の部分を備える。ベースプレートとは反対の側で、中央の部分は、流動スペースの内側の中央の開口内のフランジ状の部分にまで達する。中央の部分、ハブディスク及びベースプレートは、空所を包囲する。空所により、タービンホイールの形成時に、材料を節約することができ、これは、一方で製造コストを低下させ、他方で使用特性（遠心力による負荷を下げる質量の低減と慣性モーメントの低減による）も改善する。粉末状の材料のバラ荷から製品を生成する付加製造法において、使用されない粉末材料を空所の内部から除去できるように、空所は、合目的に開口を備えるが、これら開口は、流動スペースと接続していない。有利には、開口は、タービンホイールの組立状態で軸部分又は固定手段によって覆われているフランジ面へ通じる。
【００１４】
好ましい形成では、空所内に、中央の部分から流動スペースとは反対側の、ハブディスクの空所を包囲する背面まで延在する力伝導リブが配置されている。力伝導リブは、通常は、外径の約０．５％〜１％、好ましくは０．６％の壁厚を備え、空所の高さの２５％〜５０％、好ましくは約３０％にわたって軸の長手方向に延在する。それにもかかわらず、力伝導リブは、高回転数時に生じる遠心力を確実に導出するために十分であり、この場合、実質的な材料の使用が必要でない。その上、力伝導リブは、有利にはベースプレートへも移行する。
【００１５】
特に好ましい形成では、力伝導リブは、それぞれ、力伝導方向に延在するウェブの間に配置されたリセスによって中断されている。これにより、更なる材料の節約を得ることができる。
【００１６】
本発明の別の有利な形成では、少なくとも個々のタービンブレード及び／又はタービンホイールの中間壁が、傾斜している。これは、タービンホイールの回転軸と同軸のシリンダ状の面を経る断面において、回転軸に対して平行な面に対して傾斜があると理解する。傾斜は、特に部分的に過ぎなくてもよいので、例えば、タービンブレードは、その内側又は外側の終端のみで傾斜しているが、他端においては真直ぐである。ブレードの傾斜により、一方で、付属する流路もしくは部分通路の流動技術的特性を改善することができ、更に、タービンホイールの捩り剛性を高めることができる。このようなタービンジオメトリは、従来のホイール場合には表現可能でない。
【００１７】
特に好ましい形成では、流路の排出口が、交互する傾斜した壁面と軸平行に整向された壁面とによって画成されるように、タービンブレードと場合によっては中間壁が傾斜している。この場合、同時に有利な流動特性であるにもかかわらず捩り剛性が特に高いことがわかった。
【００１８】
好ましくは、内側の開口と外側の開口の間で半径方向に延在する流路は、周方向に湾曲させられている。
【００１９】
特に好ましくは、タービンブレードの内側の終端は、その外側の終端に対して少なくとも４５°、好ましくは少なくとも６０°だけ周方向にずらされている。このようなカバーディスク型タービンホイールは、流動特性にとって特に有利であるが、従来の製造法では、一体的に製造できない。
【００２０】
本発明の対象は、回転対称のベースプレートと、カバーディスク及びハブディスクによって画成された流動スペースとを有し、この流動スペースが、内側の軸方向の開口を、外側の半径方向の開口と接続し、タービンブレードによって流路へ分割されている、半径流タービン用のタービンホイールを製造するための方法でもある。本発明によれば、まず、ベースプレートが形成され、次いで、少なくとも、ハブディスク、タービンブレード及びカバープレートが、付加製造法によってベースプレートに一体的に形成される。合目的に、回転対称のベースプレートの製造は、少なくとも切削加工ステップを含む。
【００２１】
好ましくは、付加製造法が、選択的レーザ溶融又は選択的レーザ焼結である。
【００２２】
好ましい形成では、ベースプレートは、鍛造された円形ブランクの旋盤加工によって製造される。鍛造された金属部材は、特に高い強度を備え、簡単な基本形状で良好に製造できる。旋盤加工により、ベースプレートのベースボディの高い回転対称が得られる。このようにして、ベースプレートは、通常の方法で、特に簡単かつ有利に予製造できる。
【００２３】
本発明を、以下の図面により説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】部分的に切り開いた本発明によるタービンホイールの概略斜視図
【図２】回転軸に沿って見た本発明によるタービンホイールの概略図
【図３Ａ】第１の実施形態による部分的に切り開いたタービンホイールの概略側面図
【図３Ｂ】図１〜３Ａに記載の実施例の排出口の概略詳細図
【図４Ａ】選択的な実施形態における図３Ａによる概略図
【図４Ｂ】図４Ａに記載の実施例による排出口の概略詳細図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、回転軸ｘを中心として回転対称なベースプレートを有する本発明によるタービンホイールを示す。その上に、ハブディスク２及びカバーディスク３によって画成された流動スペース４が配置されている。この流動スペースは、タービンホイールの、内側の軸方向の開口５を、周回する外側の半径方向の開口６と結合する。半径方向の切断面により、カバーディスクもハブディスクも、内側から外側への過程で実質的に一定の厚さで形成されていることが認められる。ハブディスク２は、カバーディスク３よりも大きい厚さを備え、半径方向外側の領域でベースプレート１へ移行する。流動スペース４は、タービンブレード７によって流路８へ分割されている。
【００２６】
本発明によれば、ハブディスク２、タービンブレード７及びカバープレート３は、付加製造法によってベースプレート１に一体的に形成されている。
【００２７】
ベースプレート１は、中央のハブ貫通部９を備え、このハブ貫通部に、タービンホイールのスリーブ状の中央の部分１０が接続する。中央の部分１０、ハブディスク及びベースプレート１は、空所１１を包囲する。この空所は、中央の部分１０とハブディスク２の軸方向の終端によって構成されかつ流動スペースの内側の軸方向の開口５内に存在するフランジ状の部分１３に配置された開口１２を備える。
【００２８】
空所１１内に、中央の部分１０から、流動スペース４とは反対側の、空所１１を包囲するハブディスク２の背面まで延在する力伝導リブ１４が配置されている。
【００２９】
見通しを良くするために、図２では、軸方向の平面図ではさもなければ流動スペース４を覆い隠すカバーディスク３が図示されてない。参考までに、内側の軸方向の開口５を囲うリング１５が、一点鎖線で示唆されているに過ぎない。この図に、タービンブレード７によって画成された流路８が認められる。良好な理解のために、任意に選択した個々の流路が、強調されて図示され、符号を備えている。残りのタービンブレードは、一点鎖線で示唆されているに過ぎない。
【００３０】
流路８は、外側を２つのタービンブレード７によって画成されている。これらタービンブレードは、流動スペースの内側の軸方向の開口５から外側の半径方向の開口６にまで延在する。流路８の経過のほぼ半分を構成する半径方向外側の部分で、流路は、２つの中間壁１６によって全部で３つの部分通路１７へ分割されている。これにより、外側の開口６における周方向の部分通路１７の膨張が、内側の開口５における流路８の膨張とほぼ同じ大きさとなることが得られる。図から、タービンブレード７も中間壁１６も、そのそれぞれの内側の終端において回転軸ｘに対して傾斜していることがわかる。これとは違って、タービンブレードと中間壁は、外側の半径方向の開口６におけるその外側の終端において、軸平行に、即ち真直ぐに整向されている。タービンブレード７と中間壁１６は、その経過がアーチ状に湾曲させられている。タービンブレード７の内側の終端と外側の終端の間のズレαここでは約６０°である。図には、更に、空所１１へ通じる開口１２が見られる。空所に配置された、ハブディスク２によって大部分を覆われた力伝導リブ１４は、破線で示唆されているに過ぎない。図１と２の比較考察から、この実施例では力伝導リブ１４が中央の部分１０とベースプレート１から離れるとそれぞれ先細るように形成されていることがわかる。
【００３１】
図３Ａには、図１及び２に示した実施形態によるタービンホイールが、側面図で図示されている。この場合、右半分は、半径方向の平面に沿って切り開かれている。左半分に、流動スペース４の周回する外側の半径方向の開口６が、流路８もしくは部分通路１７の多数の排出口１８によって構成されていることが認められる。個々の排出口１８は、その周囲に、ベースプレート１、カバーディスク３並びに、タービンブレード７及び／又は中間壁１６の外側の終端によって構成される壁面によって画成される。図３Ｂの拡大部からわかるように、壁面は、丸みの付いた移行部においてカバーディスク３へ移行する。この場合、排出口１８の横断面は、部分通路１７の内横断面へ連続的に続く。カバーディスク３と壁面の間の移行部は、半径Ｒを有する円弧セグメントによって構成される。この場合、半径Ｒは、使用される付加製造法によって製造可能な、支持構造を用いないオーバーハング部の最大値である。
【００３２】
互いに依存しない複数の部材構成を統合する選択的な実施形態が、図４Ａ及び４Ｂに図示されている。実質的に回転対称のベースプレート１は、流動スペース４から間隔を置いたその終端に、軸に対して確実に連結するためのセレーション１９を備える。更に、切断した半分に、固定ボルトを収容するための孔２０が認められる。切り抜かれた空所１１内に配置された力伝導リブ１４は、この選択的な形成では、均等な厚さを有する面状の要素として形成されている。この場合、力伝導リブ１４にリセス２１が設けられ、これらリセスは、力伝導方向に延在するウェブ２２を残す。更に、力伝導リブ１４の間に、交互に追加リブ２３が存在し、これら追加リブが、ベースプレート１から三角形状にハブディスク２の背面へ延在し、円形のリセス２４によって中断されていることがわかる。図４Ｂ−これは、外側の開口６の拡大部を示す−と図４Ａの左半分の比較考察において、流路１８の排出口が、交互する傾斜した壁面と軸平行に整向された壁面とによって画成されるように、タービンブレードと中間壁が傾斜していることがわかる。それにもかかわらず、壁面とカバーディスクの間の移行部は、丸みを付けて形成されている。
【符号の説明】
【００３３】
１      ベースプレート
２      ハブディスク
３      カバーディスク
４      流動スペース
５      内側の軸方向の開口
６      外側の半径方向の開口
７      タービンブレード
８      流路
９      ハブ貫通部
１０    中央の部分
１１    空所
１２    開口
１３    フランジ状の部分
１４    力伝導リブ
１５    リング
１６    中間壁
１７    部分通路
１８    排出口
１９    セレーション
２０    孔
２１    リセス
２２    ウェブ
２３    追加リブ
２４    リセス
ｘ      回転軸
【図１】
2017075605.tif 000003
【図２】
2017075605.tif 000004
【図３Ａ】
2017075605.tif 000005
【図３Ｂ】
2017075605.tif 000006
【図４Ａ】
2017075605.tif 000007
【図４Ｂ】
2017075605.tif 000008
【外国語明細書】
2017075605000001.pdf