JP7196120B2

JP7196120B2 - タービンホイール

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Publication number: JP7196120B2
Application number: JP2020020333A
Authority: JP
Inventors: 翔策樋渡; 泰行渡邊; 直村形; 芳樹坂本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-02-10
Filing date: 2020-02-10
Publication date: 2022-12-26
Anticipated expiration: 2040-02-10
Also published as: RU2754882C1; CN113250756B; US11384645B2; JP2021124106A; US20210246799A1; CN113250756A; DE102021200813B4; DE102021200813A1

Description

本発明は、ガスタービンのタービンホイールに係り、更に詳しくは、バランスウェイトを備えるタービンホイールに関する。

ガスタービンは、空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、圧縮機からの圧縮空気を燃料と混合して燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスによって軸動力を得るタービンとで大略構成されている。タービンは、燃焼ガスの運動エネルギを回転動力に変換するタービンロータを備えている。タービンでは、回転中の振動を低減するために、タービンロータのバランスを調整する必要がある。タービンロータのバランスを調整する方法として、タービンロータの構成部品の一部分に対して削り加工を行うことやタービンロータの構成部品に対してバランスウェイトを取り付けることなどが挙げられる。

バランスウェイトの取付によりタービンロータのバランスを調整する技術は、一般的に、タービンホイールの壁面に設けた環状のダブテール溝（あり溝）内の周方向の適切な位置に少なくとも１つのバランスウェイトを配置するものである（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に記載のタービン翼車用釣合いおもり（バランスウェイト）は、タービンホイールに形成されたダブテール形状の円周溝内の任意の位置に挿入スロットを設けることなく挿入できるように形成されたものである。このタービン翼車用釣合いおもりは、その本体部の他側面に開口する傾斜通路内に挿入した固定手段がタービンホイールの円周溝の他側面を圧することで、本体部の一側面の突起が円周溝の一側面と当接して円周溝内に保持される。

実開昭４８－６４６０１号公報

ところで、ガスタービンは、高温高圧の燃焼ガスによってタービンロータの軸動力を得るものなので、タービンホイールやタービン動翼等のタービンロータを構成する各部を冷却空気により冷却し、各部の温度上昇を抑制する必要がある。ガスタービンでは、一般的に、圧縮機から抽出した圧縮空気を冷却空気として用いている。この場合、冷却空気の流量を増加させることは、圧縮機から抽気する圧縮空気の流量を増加させることを意味する。したがって、冷却空気の流量を増加させると、その分、タービンロータを駆動する燃焼ガスの流量が減少するので、ガスタービン全体の効率が低下する。

ガスタービンの高効率化の有効な手段の１つとして、タービンロータの各部を冷却する冷却空気を削減することが挙げられる。この場合、タービンホイールの軸方向の前後に形成されたホイールスペース内の雰囲気温度が上昇する。そこで、タービンホイールの材質を従来の１２Ｃｒ鋼材よりも耐熱性の優れたＮｉ基合金に変更することが提案されている。ただし、Ｎｉ基合金の材料により形成された部品では、残留引張応力が生じた状態において高温環境下で使用されると、残留引張応力に起因した割れの発生が懸念されている。

特許文献１に記載の技術では、釣合いおもりの傾斜通路内に挿入された固定手段がタービンホイールの円周溝の他側面を圧して釣合いおもりの突起を円周溝の一側面に当接させることで、釣合いおもりを円周溝内に保持する。このように釣合いおもりを円周溝内に保持する技術においては、釣合いおもりの円周溝に沿った周方向への移動を阻止するために、タービンホイールの円周溝の開口縁部をかしめることがある。この場合、タービンホイールのかしめ部分やその周辺部に残留引張応力が生じてしまう。

上述したようなタービンホイールの一部分のかしめにより釣合いおもりの移動を阻止する方法が採用されるタービンホイールに対して、１２Ｃｒ鋼材でなく、Ｎｉ基合金の材質を適用する場合、かしめにより生じる残留引張応力に起因してタービンホイールの割れの発生が懸念される。

本発明は、上記の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、バランスウェイトの固定の際にタービンホイールに生じる残留引張応力を抑制することができるタービンホイールを提供することである。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、周方向に延在する底面と開口を形成する一対の側壁面とを有する溝部が形成されたタービンホイールであって、前記溝部の前記一対の側壁面の一方側に向かって開口する貫通孔を有し、前記溝部の開口における周方向の任意の位置から挿入可能で前記溝部内に配置されるバランスウェイトと、前記バランスウェイトの前記貫通孔に挿通された状態で前記溝部における前記一対の側壁面の一方側の部分に接触することで、前記バランスウェイトを前記溝部の前記一対の側壁面の他方に当接させて前記バランスウェイトを前記溝部内に保持する保持部材とを備え、前記溝部は、前記底面に周方向に間隔をあけて複数設けられた係合凹部、又は、前記底面に周方向に間隔をあけて複数設けられた嵌合凹部に嵌合して前記底面から突出する係合突起部を有し、前記バランスウェイトは、前記溝部の前記係合凹部又は前記係合突起部に係合し、前記溝部内の前記バランスウェイトの周方向の移動を拘束する係合突起部又は係合溝部を有することを特徴とする。

本発明によれば、タービンホイールの溝部における係合凹部又は係合突起部に対してバランスウェイトの係合突起部又は係合溝部が係合することで、溝部内のバランスウェイトの周方向の移動が拘束されるので、バランスウェイトを固定するためのタービンホイールのかしめが不要となる。したがって、バランスウェイトの固定の際にタービンホイールに生じる残留引張応力を抑制することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明のタービンホイールの第１の実施の形態を備えるガスタービンを下半部を省略した状態で示す断面図である。図１に示す本発明のタービンホイールの第１の実施の形態を備えるタービンロータの一部分を拡大した状態で示す断面図である。本発明のタービンホイールの第１の実施の形態におけるバランスウェイトの取付構造を軸方向から見た拡大図である。図３に示す本発明のタービンホイールの第１の実施の形態における溝部内のバランスウェイトの固定状態をIV－IV矢視から見た断面図である。図３に示す本発明のタービンホイールの第１の実施の形態における溝部をV－V矢視から見た断面図である。本発明のタービンホイールの第１の実施の形態におけるバランスウェイトの断面図である。図６に示す本発明のタービンホイールの第１の実施の形態におけるバランスウェイトを矢視VIIから見た図である。本発明のタービンホイールの第１の実施の形態における保持部材を示す正面図である。本発明のタービンホイールの第１の実施の形態におけるバランスウェイトの溝部内への挿入方法の一例を示す説明図である。本発明のタービンホイールの第２の実施の形態におけるバランスウェイトを示す断面図である。図１０に示す本発明のタービンホイールの第２の実施の形態におけるバランスウェイトを矢視XIから見た図である。本発明のタービンホイールの第３実施の形態における溝部を示す断面図である。本発明のタービンホイールの第３実施の形態におけるバランスウェイトを示す断面図である。図１３に示す本発明のタービンホイールの第３実施の形態におけるバランスウェイトを矢視XIVから見た図である。本発明のタービンホイールの第３の実施の形態におけるバランスウェイトの溝部内への挿入方法の一例を示す説明図である。

以下、本発明のタービンホイールの実施の形態について図面を用いて説明する。

［第１の実施の形態］
まず、本発明のタービンホイールの第１の実施の形態を備えるガスタービンの構成を図１及び図２を用いて説明する。図１は本発明のタービンホイールの第１の実施の形態を備えるガスタービンを下半部を省略した状態で示す断面図である。図２は図１に示す本発明のタービンホイールの第１の実施の形態を備えるタービンロータの一部分を拡大した状態で示す断面図である。

図１において、ガスタービンは、圧縮機１と、燃焼器２と、タービン３とを備えている。圧縮機１は、吸い込んだ空気を圧縮して圧縮空気を生成するものである。燃焼器２は、圧縮機１で生成された圧縮空気を燃料系統（図示せず）からの燃料と混合して燃焼させることで燃焼ガスを生成するものである。本ガスタービンは、例えば、多缶型燃焼器であり、複数の燃焼器２が円環状に間隔をあけて配置されている。タービン３は、燃焼器２で生成された高温高圧の燃焼ガスにより回転駆動されることで、圧縮機１を駆動すると共に図示しない負荷（発電機，ポンプ，プロセス圧縮機などの被駆動機）を駆動するものである。タービン３には、タービン３の構成部品を冷却する冷却空気として、圧縮機１から抽気された圧縮空気が供給される。

圧縮機１は、タービン３により回転駆動される圧縮機ロータ１０と、圧縮機ロータ１０を回転可能に内包する圧縮機ケーシング１５とを備えている。圧縮機１は、例えば、軸流圧縮機である。圧縮機ロータ１０は、軸方向に複数積層された円盤状の圧縮機ホイール１１と、各圧縮機ホイール１１の外周縁部に結合された複数の圧縮機動翼１２とを備えている。圧縮機ロータ１０では、各圧縮機ホイール１１の外周縁部に環状に配列された複数の圧縮機動翼１２により１つの圧縮機動翼列が構成されている。

各圧縮機動翼列における作動流体の流れの下流側には、複数の圧縮機静翼１６が環状に配列されている。環状に配列された複数の圧縮機静翼１６により１つの圧縮機静翼列が構成されている。圧縮機静翼列は、圧縮機ケーシング１５の内側に固定されている。圧縮機１では、各圧縮機動翼列とその直ぐ下流側の各圧縮機静翼列とにより１つの段落が構成されている。

タービン３は、燃焼器２からの燃焼ガスにより回転駆動されるタービンロータ３０と、タービンロータ３０を回転可能に内包するタービンケーシング３５とを備えている。タービン３は、軸流タービンである。タービンロータ３０とタービンケーシング３５の間には、燃焼ガスが流れる流路Ｐが形成されている。

タービンロータ３０は、図１及び図２に示すように、外周縁部における周方向に複数のタービン動翼３１を結合させた円盤状のタービンホイール４０と円盤状のスペーサ３２とを軸方向に交互に複数積層して構成されている。積層されたタービンホイール４０とスペーサ３２は、スタッキングボルト３３によって固定されている。タービンロータ３０では、各タービンホイール４０の外周縁部に環状に配列された複数のタービン動翼３１により１つのタービン動翼列が構成されている。各タービン動翼列は、流路Ｐ内に配置されている。

各タービン動翼列における作動流体の流れの上流側には、複数のタービン静翼３６が環状に配列されている。環状に配列された複数のタービン静翼３６により１つのタービン静翼列が構成されている。タービン静翼列は、タービンケーシング３５の内側に固定されており、流路Ｐ内に配置されている。タービン３では、各タービン静翼列とその直ぐ下流側の各タービン動翼列とにより１つの段落が構成されている。

タービンロータ３０は、中間軸３８を介して圧縮機ロータ１０に接続されている。タービンケーシング３５は、圧縮機ケーシング１５に接続されている。

次に、本発明のタービンホイールの第１の実施の形態の構成及び構造を図２～図８を用いて説明する。図３は本発明のタービンホイールの第１の実施の形態におけるバランスウェイトの取付構造を軸方向から見た拡大図である。図４は図３に示す本発明のタービンホイールの第１の実施の形態における溝部内のバランスウェイトの固定状態をIV－IV矢視から見た断面図である。図５は図３に示す本発明のタービンホイールの第１の実施の形態における溝部をV－V矢視から見た断面図である。図６は本発明のタービンホイールの第１の実施の形態におけるバランスウェイトの断面図である。図７は図６に示す本発明のタービンホイールの第１の実施の形態におけるバランスウェイトを矢視VIIから見た図である。図８は本発明のタービンホイールの第１の実施の形態における保持部材を示す正面図である。

図２及び図３において、タービンホイール４０は、Ｎｉ基合金を基材として形成されている。タービンホイール４０の径方向Ｒの中間部における環状の厚肉部４１には、軸方向Ａ（タービンホイール４０の厚み方向）に貫通するボルト穴４３が設けられている。ボルト穴４３は、周方向Ｃに所定の間隔をあけて複数設けられている。各ボルト穴４３には、スタッキングボルト３３が挿通される。

また、タービンホイール４０の厚肉部４１における軸方向Ａの端面には、図３に示すように、溝部５０がタービンホイール４０の周方向Ｃに延在するように形成されている。溝部５０は、例えば、ボルト穴４３を挟んで断続的にタービンホイール４０の全周に亘って延在している。溝部５０内には、タービンロータ３０（図２を参照）のバランス調整のために、バランスウェイト６０が配置される。バランスウェイト６０は、必要に応じて、溝部５０内に複数配置されることがある。バランスウェイト６０は、保持部材として止めねじ部材８０によって溝部５０内に保持されている。

溝部５０は、図４及び図５に示すように、底面５１の幅（図４及び図５中、上下方向又は径方向Ｒの長さ）が開口５８の幅（図４及び図５中、上下方向又は径方向Ｒの長さ）より大きくなるように形成されており、例えば、蟻溝状に形成されている。溝部５０は、例えば、底面５１の幅及び開口５８の幅が周方向Ｃで略同じとなるように形成されている。

溝部５０は、タービンホイール４０の厚肉部４１の軸方向Ａの端面に対して略平行で平坦な底面５１と、底面５１から離れる方向（図４及び図５中、左方向）に向かうにしたがって互いが接近して開口５８を形成する一対の側壁面としての第１側壁面５２及び第２側壁面５３とを有している。第１側壁面５２は、底面５１側から開口５８側へ向かって徐々に径方向外側Ｒｏに位置するように傾斜している。一方、第２側壁面５３は、底面５１側から開口５８側へ向かって徐々に径方向内側Ｒｉに位置するように傾斜しており、第１側壁面５２よりも径方向外側Ｒｏに位置している。

第１側壁面５２と底面５１との間の第１隅部５４は、凹曲面に形成されている。第１隅部５４の凹曲面は、例えば、その断面形状が所定の曲率半径を有している。第２側壁面５３と底面５１との間の第２隅部５５は、第１隅部５４と同様に、その断面形状が所定の曲率半径を有する凹曲面に形成されている。

溝部５０の底面５１には、図３～図５に示すように、係合凹部５６が周方向Ｃに間隔をあけて複数設けられている。係合凹部５６は、バランスウェイト６０の後述の係合突起部７１と係合するものであり、溝部５０内のバランスウェイト６０の周方向Ｃ（溝部５０の延在方向）の移動を拘束する機能を有している。係合凹部５６は、例えば、溝部５０の溝幅方向（図４及び図５中の上下方向又は径方向Ｒ）に延在する溝部（係合溝部）として形成されている。溝部５０は、図５に示すにように、タービンホイール４０における係合凹部５６を含む子午面断面において、溝部５０の開口５８における第２側壁面５３側の開口縁５８ｂから溝部５０の係合凹部５６の開口縁５９おける第１側壁面５２側の端部５９ａまでの長さＬｇが所定の長さとなるように設定されている。

図３及び図４において、バランスウェイト６０は、タービンホイール４０の溝部５０の開口５８における周方向Ｃの任意の位置から挿入可能に形成されている。また、バランスウェイト６０は、溝部５０の第２側壁面５３に当接すると共に、溝部５０の係合凹部５６に係合するように形成されている。

具体的には、バランスウェイト６０は、図４に示すように、溝部５０の第１側壁面５２と第２側壁面５３との間に配置される本体部６１と、本体部６１と一体に形成された係合突起部７１とで構成されている。本体部６１は、溝部５０の第２側壁面５３に当接する部分であり、溝部５０内のバランスウェイト６０の径方向Ｒ（溝部５０の溝幅方向）の移動を拘束する機能を有している。係合突起部７１は、溝部５０の係合凹部５６に係合する部分であり、溝部５０内のバランスウェイト６０の周方向Ｃ（溝部５０の延在方向）の移動を拘束する機能を有している。

本体部６１は、溝部５０の第２側壁面５３側の側部が溝部５０の溝形状に対して略相補形状に形成されており、溝部５０の第２側壁面５３に対して面接触（当接）可能な形状になっている。また、本体部６１の第２側壁面５３側の側部は、溝部５０の第２隅部５５側の角部に相当する部分が切り取られており、溝部５０の開口５８からのバランスウェイト６０の挿入を阻害しない形状となっている。また、本体部６１の第１側壁面５２側の側部は、溝部５０の溝形状に対して相補形状ではなく、第１側壁面５２との間に間隙が生じる形状に形成され、且つ、溝部５０の第１隅部５４側の角部に相当する部分が切り取られている。すなわち、本体部６１の第１側壁面５２側の側部は、溝部５０の開口５８からのバランスウェイト６０の挿入を阻害しない形状となっている。

より詳細には、本体部６１は、例えば図４、図６、図７に示すように、溝部５０の底面５１側を向く後面６２と、後面６２の反対側に位置して溝部５０の開口５８側を向く前面６３と、後面６２と前面６３とに接続され、溝部５０の第１側壁面５２側を向く第１側面６４と、後面６２と前面６３とに接続され、第１側面６４の反対側に位置して溝部５０の第２側壁面５３側を向く第２側面６５と、後面６２と前面６３とに接続されると共に第１側面６４と第２側面６５とに接続され、溝部５０の周方向Ｃを向く一対の周方向側面６６と有している。

前面６３と後面６２は、互いが略平行になるように形成されている。前面６３における第１側面６４側の辺稜Ｅ１から第２側面６５側の辺稜までの長さＬｗ１（図６を参照）は、図４に示すように、溝部５０の開口５８の幅よりも僅かに小さくなるように設定されている。

第１側面６４は、図４及び図６に示すように、前面６３に対して略直交して接続する垂直面６４ａと、垂直面６４ａから第２側面６５に近づく方向に傾斜して後面６２に接続する第１傾斜面６４ｂとで構成されている。この第１側面６４の構成により、バランスウェイト６０は、第１側面６４が溝部５０の第１側壁面５２側の開口縁５８ａに接触せずに溝部５０内へ挿入可能となっている。

第２側面６５は、前面６３から後面６２側に向かうにしたがって第１側面６４から離れる方向へ傾斜する当接面６５ａと、当接面６５ａから第１側面６４に近づく方向に傾斜して後面６２に接続する第２傾斜面６５ｂとで構成されている。当接面６５ａは、その傾斜角が溝部５０の第２側壁面５３の傾斜角と略同じとなるように形成されており、第２側壁面５３に対して面接触が可能となるように形成されている。

一対の周方向側面６６は、図７に示すように、底面６２及び前面６３に対して略直交し、互いが略平行になるように形成されている。一対の周方向側面６６は、例えば、バランスウェイト６０を溝部５０内へ挿入する際の作業者の把持部となる部分である。

バランスウェイト６０の係合突起部７１は、図４、図６、図７に示すように、本体部６１の後面６２から突出し、溝部５０の係合凹部５６に対して概ね相補形状となるように形成されている。係合突起部７１は、例えば、第１側面６４側と第２側面６５側とを結ぶ方向（溝部５０の溝幅方向）に延在する凸条部として形成されている。

バランスウェイト６０には、本体部６１を貫通して溝部５０の第１側壁面５２側に向かって開口する貫通孔６８が設けられている。貫通孔６８は、例えば、本体部６１の前面６３及び第１側面６４の第１傾斜面６４ｂにそれぞれ開口している。貫通孔６８には、例えば、雌ねじ部が設けられている。雌ねじ部を有する貫通孔６８には、図４に示すように、保持部材としての止めねじ部材８０がねじ込まれた（挿通された）状態で配置される。

また、バランスウェイト６０は、本体部６１の前面６３と第２側面６５との辺稜Ｅ１から係合突起部７１の先端面７１ａにおける第１側面６４側の端部Ｅ２までの長さＬｗ２（図６を参照）が、溝部５０の開口５８における第２側壁面５３側の開口縁５８ｂから係合凹部５６の開口縁５９における第１側壁面５２側の端部５９ａまでの長さＬｇ（図５を参照）よりも、短くなるように形成されている（後述の図９も参照）。これにより、バランスウェイト６０は、係合突起部７１が溝部５０の係合凹部５６の開口縁５９に接触せずに溝部５０内へ挿入可能となっている。

なお、バランスウェイト６０は、例えば、一対の周方向側面６６の間の長さが異なるものであってもよい。この場合、異なる重量のバランスウェイトを確保することができる。

止めねじ部材８０は、図４に示すように、バランスウェイト６０の貫通孔６８に挿通された状態で溝部５０の第１側壁面５２の第１隅部５４に接触することで、バランスウェイト６０の本体部６１の第２側面６５（当接面６５ａ）を溝部５０の第２側壁面５３に当接させてバランスウェイト６０を溝部５０内に保持するものである。止めねじ部材８０は、図４及び図８に示すように、雄ねじ部を有する本体部８１と、本体部８１の一方側に一体に形成された曲面状の先端部８２とで構成されている。先端部８２は、溝部５０の第１隅部５４の凹曲面の一部に対して線接触するように形成されている。先端部８２は、例えば、その子午面断面の輪郭形状が第１隅部５４の凹曲面の断面形状の曲率半径と略同じ曲率半径を有する凸曲面形状となっている。

次に、本発明のタービンホイールの第１の実施の形態におけるバランスウェイトの溝部への組付け手順の一例を図４及び図９を用いて説明する。図９は本発明のタービンホイールの第１の実施の形態におけるバランスウェイトの溝部内への挿入方法の一例を示す説明図である。

先ず、図９に示すように、バランスウェイト６０の本体部６１の前面６３と第２側面６５との辺稜Ｅ１を溝部５０の開口５８における第２側壁面５３側の開口縁５８ｂに当接させる。この状態において、当該辺稜Ｅ１を軸線として、バランスウェイト６０を溝部５０の底面５１側へ向かって回転させる。このとき、バランスウェイト６０の係合突起部７１が溝部５０の係合凹部５６に沿って相対的に移動する。これにより、バランスウェイト６０の本体部６１が溝部５０の第１側壁面５２と第２側壁面５３との間に配置される共に、バランスウェイト６０の係合突起部７１が溝部５０の係合凹部５６内に配置される。

本実施の形態においては、バランスウェイト６０の辺稜Ｅ１から係合突起部７１の先端面７１ａにおける第１側面６４側の端部Ｅ２までの長さＬｗ２が、溝部５０の開口５８における第２側壁面５３側の開口縁５８ｂから係合凹部５６の開口縁５９における第１側壁面５２側の端部５９ａまでの長さＬｇよりも短くなるように設定されている。したがって、バランスウェイト６０の係合突起部７１が溝部５０の係合凹部５６の開口縁５９に接触せずに、バランスウェイト６０の溝部５０内への挿入が可能となっている。

次に、図４に示すように、バランスウェイト６０の雌ねじ部が形成された貫通孔６８に止めねじ部材８０をねじ込み（挿通させ）、止めねじ部材８０の先端部８２を溝部５０の第１隅部５４の凹曲面に押し当てる。貫通孔６８に対して止めねじ部材８０を更にねじ込むことで、バランスウェイト６０が止めねじ部材８０に沿って溝部５０の第２側壁面５３側へ移動する。最終的には、バランスウェイト６０の第２側面６５の当接面６５ａが溝部５０の第２側壁面５３に面接触する。

このように、本実施の形態においては、止めねじ部材８０がバランスウェイト６０の貫通孔６８に挿通された状態で溝部５０の第１側壁面５２側の第１隅部５４に接触することで、バランスウェイト６０の当接面６５ａを溝部５０の第２側壁面５３に面接触（当接）させている。これにより、溝部５０内のバランスウェイト６０の径方向Ｒ（溝部５０の溝幅方向）の移動が拘束され、バランスウェイト６０が溝部５０内に保持される。また、バランスウェイト６０の係合突起部７１が溝部５０の係合凹部５６に係合することにより、溝部５０内のバランスウェイト６０の周方向Ｃ（溝部５０の延在方向）への移動が拘束される。したがって、タービンホイール４０をかしめることなく、バランスウェイト６０をタービンホイール４０の溝部５０内に固定することできる。

上述したように、本発明のタービンホイールの第１の実施の形態によれば、タービンホイール４０の溝部５０の係合凹部５６に対してバランスウェイト６０の係合突起部７１が係合することで、溝部５０内のバランスウェイト６０の周方向Ｃの移動が拘束される。このように、止めネジ部材８０による固定に加えて、係合突起部７１でもバランスウェイト６０の移動を拘束するように構成しているので、確実にバランスウェイト６０を固定することができる。この結果、バランスウェイト６０を固定するためのタービンホイール４０のかしめが不要となる。したがって、バランスウェイト６０の固定の際にタービンホイール４０に生じる残留引張応力を抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、バランスウェイト６０の本体部６１の前面６３と第２側面６５との辺稜Ｅ１から係合突起部７１の先端面７１ａにおける第１側面６４側の端部Ｅ２までの長さＬｗ２が、溝部５０の開口５８における第２側壁面５３側の開口縁５８ｂから係合凹部５６の開口縁５９における第１側壁面５２側の端部５９ａまでの長さＬｇよりも短くなるように設定されているので、タービンホイール４０の溝部５０の開口５８における周方向Ｃの任意の位置から、バランスウェイト６０を溝部５０内へ挿入することが可能である。

さらに、本実施の形態によれば、バランスウェイト６０の本体部６１と係合突起部７１とを一体に形成しているので、バランスウェイトの本体部と係合突起部が別部材である構成よりも、バランスウェイト６０の溝部５０への組付けが容易である。すなわち、バランスウェイト６０の本体部６１と係合突起部７１とを一体構造とすることにより、バランスウェイト６０自体の組み立て作業が不要となる。これに伴い、本体部６１と係合突起部７１を別部材とした場合における、本体部６１からの係合突起部７１の脱落を回避することが可能となる。

また、本実施の形態によれば、溝部５０の第１隅部５４を凹曲面に形成すると共に、止めねじ部材８０の先端部８２を溝部５０の第１隅部５４の凹曲面の一部分に対して線接触するように形成したので、止めねじ部材８０が接触する溝部５０の第１隅部５４の部分に生じる残留引張応力を更に抑制することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明のタービンホイールの第２の実施の形態を図１０及び図１１を用いて説明する。図１０は本発明のタービンホイールの第２の実施の形態におけるバランスウェイトを示す断面図である。図１１は図１０に示す本発明のタービンホイールの第２の実施の形態におけるバランスウェイトを矢視XIから見た図である。なお、図１０及び図１１において、図１～図９に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図１０及び図１１に示す本発明のタービンホイールの第２の実施の形態は、第１の実施の形態がバランスウェイト６０の本体部６１と係合突起部７１とを一体に形成したものであるのに対して（図６を参照）、バランスウェイト６０Ａの本体部６１Ａと係合突起部７２とを別部材で構成したものである。

具体的には、バランスウェイト６０Ａは、貫通孔６８及び嵌合凹部６９を有する本体部６１Ａと、本体部６１Ａの嵌合凹部６９に嵌合して取り付けられたピン７２とで構成されている。本体部６１Ａは、第１の実施の形態のバランスウェイト６０の本体部６１と同様に、後面６２、前面６３、第１側面６４、第２側面６５、一対の周方向側面６６を有している。第１側面６４は、第１の実施の形態と同様に、垂直面６４ａと第１傾斜面６４ｂとで構成されている。第２側面６５は、第１の実施の形態と同様に、当接面６５ａと第２傾斜面６５ｂとで構成されている。後面６２の略中央部には、嵌合凹部６９が設けられている。嵌合凹部６９は、例えば、断面が円形状である。ピン７２は、本体部６１Ａとは別部材であり、溝部５０の係合凹部５６と係合する係合突起部として機能するものである。ピン７２は、例えば、横断面が円形状である。

バランスウェイト６０Ａは、本体部６１Ａの前面６３と第２側面６５との辺稜Ｅ１から係合突起部としてのピン７２の先端面７２ａにおける第１側面６４側の端部Ｅ３までの長さＬｗ３が、溝部５０の開口５８における第２側壁面５３側の開口縁５８ｂから係合凹部５６の開口縁５９における第１側壁面５２側の端部５９ａまでの長さＬｇ（図５を参照）よりも、短くなるように形成されている。これにより、バランスウェイト６０Ａは、係合突起部としてのピン７２が溝部５０の係合凹部５６の開口縁５９に接触せずに溝部５０内へ挿入可能となっている。

上述した本発明のタービンホイールの第２の実施の形態によれば、前述した第１の実施の形態と同様に、タービンホイール４０の溝部５０の係合凹部５６に対してバランスウェイト６０Ａの係合突起部としてのピン７２が係合することで、溝部５０内のバランスウェイト６０Ａの周方向Ｃの移動が拘束されるので、バランスウェイト６０Ａを固定するためのタービンホイール４０のかしめが不要となる。したがって、バランスウェイト６０Ａの固定の際にタービンホイール４０に生じる残留引張応力を抑制することができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明のタービンホイールの第３の実施の形態の構成及び構造を図１２～図１４を用いて説明する。図１２は本発明のタービンホイールの第３実施の形態における溝部を示す断面図である。図１３は本発明のタービンホイールの第３実施の形態におけるバランスウェイトを示す断面図である。図１４は図１３に示す本発明のタービンホイールの第３実施の形態におけるバランスウェイトを矢視XIVから見た図である。なお、図１２～図１４において、図１～図１１に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図１２～図１４に示す本発明のタービンホイールの第３の実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、タービンホイール４０の溝部とバランスウェイトの係合部分の凹凸形状が逆転することである。すなわち、第１の実施の形態は、タービンホイール４０の溝部５０の係合凹部５６にバランスウェイト６０の係合突起部７１を係合させることで、溝部５０内のバランスウェイト６０の周方向Ｃの移動を拘束するものである（図４を参照）。一方、第３の実施の形態は、溝部５０Ｂの係合突起部としてのピン５７にバランスウェイト６０Ｂの係合溝部６９Ｂを係合させることで、溝部５０Ｂ内のバランスウェイト６０Ｂの周方向Ｃの移動を拘束するものである。

具体的には、図１２に示すように、溝部５０Ｂの底面５１には、嵌合凹部５６Ｂが周方向Ｃに間隔をあけて複数設けられている。各嵌合凹部５６Ｂには、ピン５７を嵌合して固定することが可能である。ピン５７は、溝部５０Ｂの底面５１から突出してバランスウェイト６０Ｂの係合溝部６９Ｂと係合するものであり、溝部５０Ｂ内のバランスウェイト６０Ｂの周方向Ｃの移動を拘束する係合突起部として機能する。ピン５７は、溝部５０Ｂの複数の嵌合凹部５６Ｂのうち、バランスウェイト６０Ｂの組付け位置に対応した嵌合凹部５６Ｂのみに嵌合させればよい。

バランスウェイト６０Ｂにおいては、図１３及図１４に示すように、本体部６１Ｂの後面６２に係合溝部６９Ｂが設けられている。係合溝部６９Ｂは、第２側面６５側の端縁から中央部の位置まで第１側面６４側に向かって延在して後面６２側及び第２側面６５側に開口している。係合溝部６９Ｂは、溝部５０の嵌合凹部５６Ｂに嵌合するピン５７と係合するものであり、溝部５０Ｂ内のバランスウェイト６０Ｂの周方向Ｃの移動を拘束する機能を有している。

次に、本発明のタービンホイールの第３の実施の形態におけるバランスウェイトの溝部への組付け手順の一例について図１５を用いて説明する。図１５は本発明のタービンホイールの第３の実施の形態におけるバランスウェイトの溝部内への挿入方法の一例を示す説明図である。

図１５に示すように、バランスウェイト６０Ｂの本体部６１Ｂの前面６３と第２側面６５との辺稜Ｅ１を溝部５０Ｂの開口５８における第２側壁面５３側の開口縁５８ｂに当接させる。この状態において、当該辺稜Ｅ１を軸線として、バランスウェイト６０Ｂを溝部５０Ｂの底面５１側へ向かって回転させる。

本実施の形態においては、溝部５０Ｂの嵌合凹部５６Ｂに嵌合したピン５７がバランスウェイト６０Ｂの本体部６１Ｂの係合溝部６９Ｂに沿って相対的に移動する。これにより、バランスウェイト６０Ｂの第２側面６５及び後面６２が溝部５０Ｂの係合突起部としてのピン５７に接触せずに、バランスウェイト６０が溝部５０Ｂ内へ挿入される。

本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、止めねじ部材８０（図４を参照）がバランスウェイト６０Ｂの貫通孔６８に挿通された状態で溝部５０Ｂの第１側壁面５２側の第１隅部５４に接触することで、バランスウェイト６０Ｂの当接面６５ａを溝部５０Ｂの第２側壁面５３に面接触させる。これにより、溝部５０Ｂ内のバランスウェイト６０Ｂの径方向Ｒ（溝部５０の溝幅方向）の移動が拘束され、バランスウェイト６０が溝部５０内に保持される。また、バランスウェイト６０Ｂの係合溝部６９Ｂが溝部５０の嵌合凹部５６Ｂに嵌合したピン５７と係合することにより、溝部５０Ｂ内のバランスウェイト６０Ｂの周方向Ｃ（溝部５０Ｂの延在方向）の移動が拘束される。したがって、タービンホイール４０をかしめることなく、バランスウェイト６０Ｂを溝部５０Ｂ内に固定することできる。

上述した本発明のタービンホイールの第３の実施の形態によれば、タービンホイール４０の溝部５０Ｂにおける係合突起部としてのピン５７に対してバランスウェイト６０Ｂの係合溝部６９Ｂが係合することで、溝部５０Ｂ内のバランスウェイト６０Ｂの周方向Ｃの移動が拘束されるので、バランスウェイト６０Ｂを固定するためのタービンホイール４０のかしめが不要となる。したがって、バランスウェイト６０Ｂの固定の際にタービンホイール４０に生じる残留引張応力を抑制することができる。

［その他の実施形態］
なお、本発明は上述した第１～第３実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

例えば、上述した第１の実施の形態においては、バランスウェイト６０の係合突起部７１を第１側面６４側と第２側面６５側とを結ぶ方向（溝部５０の溝幅方向）に延在する凸条部として形成した例を示した。しかし、係合突起部７１は、タービンホイール４０の溝部５０の係合凹部５６と係合することで、バランスウェイト６０の周方向Ｃの移動を拘束する形状であれば任意である。係合突起部７１は、例えば、断面形状が円形や矩形、多角形状に形成することも可能である。

また、上述した第１及び第２の実施の形態においては、係合凹部５６を溝部５０の溝幅方向に延在する溝部（係合溝部）として形成した例を示した。しかし、係合凹部５６は、バランスウェイト６０の係合突起部７１又はバランスウェイト６０Ａのピン７２と係合することで、バランスウェイト６０、６０Ａの周方向Ｃの移動を拘束可能な形状であれば任意である。

４０…タービンホイール、５０、５０Ｂ…溝部、５１…底面、５２…第１側壁面（一対の側壁面）、５４…第１隅部（隅部）、５３…第２側壁面（一対の側壁面）、５６…係合凹部、５６Ｂ…嵌合凹部、５７…ピン（係合突起部）、５８…開口、５８ｂ…開口縁、５９…開口縁、５９ａ…端部、６０、６０Ａ、６０Ｂ…バランスウェイト、６１、６１Ａ…本体部、６２…後面、６３…前面、６４…第１側面、６５…第２側面、６８…貫通孔、６９…嵌合凹部、７１…係合突起部、７１ａ…先端面、７２…ピン（係合突起部）、７２ａ…先端面、８０…止めねじ部材（保持部材）、８２…先端部、Ｅ１…辺稜、Ｅ２…端部、Ｅ３…端部

Claims

周方向に延在する底面と開口を形成する一対の側壁面とを有する溝部が形成されたタービンホイールであって、
前記溝部の前記一対の側壁面の一方側に向かって開口する貫通孔を有し、前記溝部の開口における周方向の任意の位置から挿入可能で前記溝部内に配置されるバランスウェイトと、
前記バランスウェイトの前記貫通孔に挿通された状態で前記溝部における前記一対の側壁面の一方側の部分に接触することで、前記バランスウェイトを前記溝部の前記一対の側壁面の他方に当接させて前記バランスウェイトを前記溝部内に保持する保持部材とを備え、
前記溝部は、前記底面に周方向に間隔をあけて複数設けられた係合凹部、又は、前記底面に周方向に間隔をあけて複数設けられた嵌合凹部に嵌合して前記底面から突出する係合突起部を有し、
前記バランスウェイトは、前記溝部の前記係合凹部又は前記係合突起部に係合し、前記溝部内の前記バランスウェイトの周方向の移動を拘束する係合突起部又は係合溝部を有する
ことを特徴とするタービンホイール。
請求項１に記載のタービンホイールにおいて、
前記溝部は、前記係合凹部を有し、
前記バランスウェイトは、
前記貫通孔を有する本体部と、
前記本体部と一体に形成された前記係合突起部とで構成されている
ことを特徴とするタービンホイール。
請求項１に記載のタービンホイールにおいて、
前記溝部は、前記係合凹部を有し、
前記バランスウェイトは、
前記貫通孔を有すると共に、前記溝部の前記底面側に向く側の部分に設けられた嵌合凹部を有する本体部と、
前記本体部の前記嵌合凹部に嵌合する前記係合突起部とで構成されている
ことを特徴とするタービンホイール。
請求項２又は３に記載のタービンホイールにおいて、
前記バランスウェイトは、
前記溝部の前記底面側を向く後面と、
前記後面の反対側に位置し、前記溝部の前記開口側を向く前面と、
前記後面と前記前面とに接続され、前記溝部の前記一対の側壁面の一方側を向く第１側面と、
前記後面と前記前面とに接続され、前記第１側面の反対側に位置して前記溝部の前記一対の側壁面の他方側を向く第２側面とを有し、
前記バランスウェイトは、前記前面と前記第２側面との辺稜から前記係合突起部の先端面における前記第１側面側の端部までの長さが、前記溝部の前記開口における前記一対の側壁面の一方側の開口縁ら前記溝部の前記係合凹部の開口縁における前記一対の側壁面の他方側の端部までの長さよりも、短くなるように形成されている
ことを特徴とするタービンホイール。
請求項１に記載のタービンホイールにおいて、
前記溝部は、前記一対の側壁面の一方側の隅部が凹曲面に形成され、
前記保持部材は、その先端部が前記溝部の前記隅部の凹曲面の一部分に対して線接触するように形成されている
ことを特徴とするタービンホイール。