CN102959197B - 板金涡轮壳体 - Google Patents

Abstract

将板金制的涡卷构件(5、7)面对面地对接焊接而形成的涡轮壳体(1)，其特征在于，配置在涡卷部(3)的中心部的中心核部(9)由钢管材料一体地形成围绕涡轮机叶轮(24)的周围的壳体部(93)、轴支承涡轮机叶轮(24)的轴承嵌合部(91)、在壳体部(93)和轴承嵌合部(91)的圆周方向上隔开间隔架设的多个支柱(92)。

Description

板金涡轮壳体

技术领域

本发明涉及在利用发动机的废气能量产生对发动机的增压的涡轮增压机上所采用的板金制的涡轮壳体，特别是涉及涡轮壳体的中心核部(centercoreportion)的周边构造。

背景技术

以往，如图9所示，涡轮壳体001一体地铸造涡卷部002、围绕涡轮机叶轮004的外周部的芯部003、以及废气流路出口部005。由于为进行铸造制造，所以各部的壁厚厚，热容量大，在设置在废气净化催化剂的上游侧时，妨碍催化剂制热。从近年来的废气限制强化的观点出发，将壳体通过板金进行薄壁轻量化从而使热容量降低，在促进催化剂的制热并使催化剂活化而提高催化剂净化性能这方面是重要的。

在采用板金制的涡轮壳体的情况下，板金部薄、强度弱，因此需要将配设支承涡轮动叶片旋转轴的轴承的轴承壳体侧的部件和废气流路出口侧的部件连结固定的连结部位。

关于该连结部位，作为现有技术，图10中表示有关专利文献1(特开2008-106667号公报)的内容。

如图10所示，公开有在周向上具有多个柱状连结部081的连结环08。另外，轴承壳体侧凸缘03、喷嘴壁面凸缘05、连结环08分别作为不同的零件来制作，连结环08和喷嘴壁面凸缘05被全周焊接(W6)，另外，连结环08和轴承壳体侧凸缘03被全周焊接(W7)。

将轴承壳体侧凸缘03、喷嘴壁面凸缘05、连结环08分别作为不同的零件进行制作，并分别进行全周焊接时，产生零件数量的增加造成的成本升高，而且产生伴随全周焊接的热变形，考虑到变形量，需要增大壳体部和涡轮的间隙量。当增大间隙量时，涡轮的驱动性能降低，结果成为涡轮增压机的性能降低的不良情况。

另外，在采用板金制的涡轮壳体的情况下，虽然通过板金制能够实现轻量化，但容易产生强度降低，在涡轮转子因任何状况产生旋转过快而破裂的情况下，也需要构筑用于达成不使破片飞散的抗冲击性的构造。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2008-106667号公报

发明内容

因此，本发明是鉴于这些问题而完成，其课题在于，中心核，由钢管材料一体地形成流路出口部、轴承嵌合部、及支柱而形成配置在涡轮增压机的涡卷部中心部上的中心核(centercore)，防止涡卷部主体的热变形造成的顶端(tip)间隙的变化，并且实现成本及重量减轻，并且提高涡轮的耐久性及可靠性，进而提高涡轮壳体的抗冲击性。

本发明是实现这样的目的的发明，在安装在发动机排气歧管下游，将构成由废气驱动涡轮的涡轮增压机的涡状的排气通路的涡卷部通过板金制的涡卷构件形成的板金涡轮壳体中，其特征在于，配置在所述涡卷部的中心部的中心核部包括：壳体部，形成在一端侧并围绕所述涡轮的周围；轴承嵌合部，形成在另一端侧并嵌合轴支承所述涡轮的轴承；以及多个支柱部，使所述壳体部和所述轴承嵌合部之间在圆周方向上具有间隔，且架设在涡轮的轴芯方向上，这些所述壳体部、所述轴承嵌合部及所述支柱部为由钢管材料构成的环形状，且一体地形成。

通过形成这种结构，相对将现有的轴承壳体侧凸缘、喷嘴壁面凸缘、连结环分别制作，通过焊接形成一体的中心核，成为将钢管材料环形状地一体成形的中心核，因此，可以使壁厚薄，且热容量减小，因此，具有涡轮部的温度上升加速，促进废气净化装置的制热，能够高效处理废气净化装置的净化作用的效果。

由于涡轮增压机的重量减轻，并且是钢管材料的加工品等，所以相比现有的中心核，可以降低成本。

另外，将轴承壳体侧凸缘、喷嘴壁面、连结环的部分通过钢管材料而一体地成形中心核部，因此，不必考虑伴随焊接不同的零件的热变形，可以减小壳体部和涡轮之间的间隙量，可以防止增大顶端间隙造成的涡轮的驱动性能的降低。

而且，由于通过钢管材料的一体成形，所以比复杂形状的铸造构造容易确保强度，由于为钢管材料制，所以容易提高抗冲击性。

另外，本申请发明中，优选使所述支柱部的所述涡轮轴芯方向观察的截面形状倾斜，以使废气流的上游侧角部及下游侧角部分别形成为锐角，将上游侧面及下游侧面顺着气流。

通过这样的结构，在废气一边在涡卷部旋回一边朝向中心侧流向涡轮部时，由于成为顺着废气的流动的面，所以可以降低支柱部造成的流路阻力，提高涡轮动叶片的旋转效率。

此外，支柱部的截面积具有将轴承壳体侧的构件和形成涡轮动叶片的外侧的流路出口侧的构件连结，并且确保可以将与涡轮动叶片的间隙保持固定的刚性及强度所需的截面积。

另外，本发明中，优选所述涡卷部具有固定于所述一端的所述壳体部的板金制的第1涡卷部和固定于所述另一端的所述轴承嵌合部的板金制的第2涡卷部，所述第1涡卷部和所述第2涡卷部的接合构造在所述涡卷部的外周部进行对接溶化焊接。

通过这种结构，涡卷部因排气的脉动而使拉伸力及弯曲力产生作用，因此，通过进行相对于弯曲力有力的对接溶化焊接，获得提高涡轮壳体的强度提高产生的耐久可靠性，以及通过使接合部成为涡卷部外周部而容易进行焊接作业的效果。

另外，本发明中，优选使围绕所述涡轮的周围的所述壳体部的板厚度比其它部分增加而形成与所述涡轮的外周侧对应的部分板厚度。

这样，通过将与涡轮的外周侧对应的部分的板厚度比其他部分使对应于涡轮的外周侧的部分增加板厚度，在涡轮转子产生任何旋转过快而破裂(burst)的情况下，也能够将因破片的飞散造成的壳体部的损伤抑制到最小限度，提高涡轮壳体的抗冲击性。

另外，所述板厚度增加的部分也可以是至少与所述涡轮的涡轮机叶轮的外周侧相对应的部分。

这样，由于使板厚度增大的部分为至少与所述涡轮的涡轮机叶轮的外周侧相对应的部分，即在涡轮转子产生任何旋转过快而破裂的情况下，涡轮的破片等飞散的部位为涡轮机叶轮的外周侧，因此，通过增厚该部分，可以高效防止破片的飞散造成的壳体部的损伤。

另外，本发明中，优选由双层壁构造构成所述涡卷部的板金制的涡卷构件。通过这样使涡卷部的板材成为双层构造，涡卷部的抗冲击性提高，因此，即使在产生因涡轮转子的旋转过快造成的破裂的情况下，也能够防止破片等贯通涡卷构件而飞散到外部。

另外，通过设为双层构造，内部壁作为通过内部气体的热负荷对应部，可以使外部壁分担作为气体防泄漏部的功能，因此可以维持轻量化，并且可以实现伴随轻量化的对振性能提高，进而也提高涡轮壳体的抗冲击性。

发明效果

由于成为将钢管材料加工为成环形状的中心核，因此，壁厚减薄，且热容量减小，因此，涡轮部的温度上升加快，促进废气净化装置的制热，具有能够高效处理废气净化装置的净化作用的效果。

另外，由于可以使壁厚薄，所以涡轮增压机的重量减轻，并且由于为钢管材料的加工品，所以相比以往的铸造制造可以降低成本。

附图说明

图1是表示本发明第1实施方式的涡轮壳体的概要构成的立体图。

图2表示图1的A-A线主要部分剖面图。

图3表示图1的B-B线主要部分剖面图，表示装入了涡轮机叶轮的状态。

图4表示支柱部分的剖面说明图。

图5表示第2实施方式，是与图3相对应的主要部分剖面图。

图6表示破片贯通涡卷构件向外部飞散的破损模式。

图7表示涡轮机叶轮的动能的时间经过的变化。

图8表示第3实施方式，是与图3相对应的主要部分剖面图。

图9表示现有技术的壳体部为铸造制造的情况下的说明图。

图10表示现有技术的板金制涡轮壳体的主要部分概略构成图。

具体实施方式

下面，使用图示的实施方式详细地说明本发明。但是，该实施方式所记载的构成零件的尺寸、材质、形状、其相对配置等，只要没有特定的记载，则本发明的范围不是仅限定于它的宗旨。

(第1实施方式)

参照图1～图4说明本发明第1实施方式的涡轮壳体。

如图1、2所示，板金制的涡轮壳体1大体由涡卷部3、中心核部9、出口管部23构成，另外，涡卷部3由面对面接合的第1涡卷部5和第2涡卷部7构成。而且，通过将这4个部件焊接接合而形成涡轮壳体1。

形成涡卷状的气体通路的涡卷部3使第1涡卷部5和第2涡卷部7这两个部件对接，在其全周将对接的部分对接溶化焊接接合，形成气体通路。

焊接不是单侧角焊，而是使板金材料的前端彼此对接并将该部分通过对接溶化焊接(a部)而接合。

另外，第1涡卷部5及第2涡卷部7也可以用薄板的板金材料，对材质为奥氏体系不锈钢等耐热钢进行成形加工而构成。

对接溶化焊接部a在涡卷部3的外周部且在涡轮机叶轮24的轴线方向上位于涡卷部3的中间位置。

因此，各涡卷部具有将气体通路在涡卷方向上大致半分割的截面形状。

涡卷部3的外周部因来自发动机的废气流的脉动，对涡卷部3的外周部的壁面，废气的压力作用在该壁面的垂直方向上，因此，通过将焊接部的构造设为对拉伸力有利的对接溶化焊接，提高焊接部的耐久可靠性。

如现有构造，在将接合部角焊于重叠的一端缘的情况下，认为对涡卷部3的外周部的壁面，废气的压力作用在该壁面的直角方向上时，弯曲力作用在焊接部端部，在焊接部的板部件重合的一侧的焊接端缘产生剥离方向的作用力，并且容易产生应力集中，耐久可靠性劣化。

在涡卷部3的旋回中心部设有中心核部9，该中心核部9整体形成大致圆筒形状，由另一端侧配设支承涡轮机叶轮24(参照图3)的旋转轴25的轴承的轴承嵌合部91、围绕形成在一端侧的涡轮机叶轮24的外周而形成气体排出口的壳体部93、在轴承嵌合部91和壳体部93之间圆周方向上隔开间隔架设的多个支柱92构成，且一体地形成。中心核部9通过多轴车床的机械加工而容易地形成。

再有，即使从实心的棒材切削出中心核部9的原材料并制成钢管材料形状，也能够制造与第1实施例相同的中心核部9。

由于中心核部9是机械加工品，所以精加工尺寸精度高，且可减少与涡轮机叶轮24的外周之间的间隙d(图3)，废气从间隙d的泄漏减少，可以提高与涡轮机叶轮24同轴结合的压气机叶轮(省略图示)的驱动力，提高涡轮增压机整体的性能。

另外，由于中心核部9为钢管材料，所以材质强度高，所以可以使各部的厚度薄，还可以减轻重量。

因此，由于中心核部9可以使各部的厚度薄，所以热容量减小，中心核部9因废气温度而温度上升迅速，可以在发动机起动后在早的时期抑制废气温度的降低，促进配置于废气系统的下游侧的废气净化装置的催化剂的制热，可以高效且迅速地进行净化作用。

而且，中心核部9通过机械加工钢管材料而一体地形成，因此，不需要其它作业的焊接，并且通过自动控制机械加工的多轴车床，可以实现大幅的成本降低。

中心核部9的支柱92为确保在涡卷部3内向涡卷方向流动的气体朝向中心侧而能够顺畅地流动的流路94，并且将轴承嵌合部91和壳体部93结合，而在涡轮机叶轮24的外侧周向上隔开间隔而设置多个。

图4中，在周向上配置涡轮机叶轮24的轴方向观察的多个支柱92，表示该支柱92的截面形状，支柱92通过机械加工、例如切削加工具有轴承嵌合部和流路出口部的大致圆筒形状的中心核部9(参照图2)并残留作为该支柱92的部分而将该部分之间进行切除加工，在切除的部位形成流路94。

涡轮机叶轮24的轴方向观察支柱92的截面形状在废气上游侧面95形成上游侧倾斜角度θ1(锐角)的平面，另外，对于下游侧面96形成下游侧倾斜角度θ2(锐角)的平面。作为一例，作为上游侧倾斜角度θ1设定为约20°，对于下游侧倾斜角度θ2设定为约70°。

当θ1不足20°时，支柱的截面形状过于扁平，在强度上确保必要的截面积时，形成于支柱92间的流路94的面积缩小，进而在θ1超过70°时，不能实现支柱92对流动方向的投影面积的减少，不能得到降低支柱92造成的气流的损失降低及尾流(wake)(流动紊乱)产生的降低效果。因此，期望设定在20°～70°的锐角范围。此外，可以说不仅上游侧倾斜角度θ1，对于下游侧倾斜角度θ2也相同。

这样，由于支柱92的上游侧面95和下游侧面96作为整体由大致方形形状构成，所以通过机械加工可以残留成为支柱92的部分，可以将该部分之间通过机械加工的切削容易地切除，支柱92的加工及制作变得容易。

通过将支柱92的截面形状为大致方形形状的上游侧角部形成为θ1，及将下游侧角部形成为θ2，将上游侧面95及下游侧面96形成为顺着气流的倾斜的截面形状，由此，可以使废气的流路阻力相比现有的长方形的截面形状减少，可以降低支柱92造成的气流的损失降低及尾流(流动紊乱)的产生。

另外，支柱92将轴承嵌合部91和壳体部93连结，具有即使在高温时或产生外力时也能够将涡轮机叶轮24和中心核部9的内周面的隙间保持为一定的强度及耐热性。

此外，在壳体部93的前端通过全周焊接而接合有管形状的出口管部23。

另外，第1涡卷部5与中心核部9的一端侧即壳体部93的支柱92的连结部外周全周焊接(焊接部b)，第2涡卷部7与中心核部9的另一端侧即轴承嵌合部91的支柱92的连结部外周全周焊接(焊接部c)，将涡卷部3和中心核部9一体地形成。

此外，由于轴承嵌合部91、壳体部93、以及连结它们的支柱92具有一体构造，所以轴承嵌合部91、壳体部93及支柱92通过切削加工一体地切削形成。

此外，在图4中，支柱92在圆周方向上大致等间隔地配置，但为通过涡卷形状等得到任意的涡轮增压机的性能，也可以将支柱92的配置间隔以不等间距(pitch)进行配设。

(第2实施方式)

接着，参照图5说明第2实施方式。

图5中，对与第1实施方式相同的构成标注同一标号。在涡卷部31的旋回中心部设置中心核部33，该中心核部33整体形成大致圆筒形状，由配设支承涡轮机叶轮24的旋转轴的轴承的轴承嵌合部35、围绕涡轮机叶轮24的外周而形成气体排出口的壳体部37、在该轴承嵌合部35和壳体部37之间圆周方向上隔开间隔架设的多个支柱92构成，且一体地形成。

此外，关于该中心核部33的制造方法、材料等，与上述第1实施方式是同样的。

另外，图5所示的第2实施方式中，表示未设置第1实施方式的出口管部23的结构，但当然也可以在图5的壳体部37的前端部进一步连接出口管部23。

如图5所示，第2实施方式的特征不仅壳体部37的轴方向的板厚度不均一，而且具有厚壁部X，该厚壁部X的长度L为距设有排气体的通路侧即支柱92的一端侧的长度。

期望厚壁部X的另一端侧为包含至设于壳体部37的内侧的涡轮部39的轴方向端部的长度L1的长度，至少设为包含直至涡轮机叶轮24的部分的轴方向端部的长度L2的长度，在抑制伴随板厚度增加的重量的增加的同时，得到涡轮壳体的效果的抗冲击性方面是有效的。

在涡轮机叶轮24(涡轮转子)产生任何旋转过快而破裂的情况下，担心破片等飞散而冲撞到壳体部37，在该情况下，如图6所示，首先冲撞到涡轮机叶轮24的外周侧的壳体部37的A部分，吸收涡轮机叶轮24的破片的动能。在该A部分的吸收量为上述动能(涡轮机叶轮24的破片)的约70％程度。

作为下一阶段，在涡卷部31的内径侧的B部分的破损造成的能量吸收，即该B部分的吸收量为上述动能的约25％程度。

进而，作为下一阶段，在涡卷部31的C部分的破损造成的能量吸收，即该C部分的吸收量为上述动能的约5％程度。

图7中，涡轮机叶轮24的破片冲撞到上述A部、B部、C部各自的部位，伴随经过时间而表示伴随各部位的破损的动能的吸收状态，这些结果通过解析而求得。如图7所示，进行设定，以使壳体部37的厚壁部X的吸收为约70％，之后，涡卷部31的内径侧的B部分的吸收为约25％，之后，涡卷部31的一般部的C部分的吸收为约5％，最终没有残存能量，从而使破片不会飞散到外部。

因此，需要设定板厚度及长度，以使壳体部37的厚壁部X的能量吸收能力具有涡轮机叶轮24的动能的约70％以上的能力来。此外，在轴方向的长度上，如上述，考虑涡轮机叶轮24的破片的飞散方向，需要至少具有涡轮机叶轮24的轴方向长度L2，期望也可以具有涡轮部39的轴方向长度L1。

如上，根据第2实施方式，即使在涡轮机叶轮24产生任何旋转过快而破裂的情况下，由于以涡轮机叶轮24的所有动能通过壳体部37和涡卷部31吸收的方式设定板厚度等，所以也能够防止涡轮机叶轮24的破片飞散到壳体部37的外部，涡轮壳体的抗冲击性变得可靠。

另外，通过将板厚度增大的厚壁部X仅设定在对至少与涡轮机叶轮24的外周侧相对应的部分、即涡轮的外侧部分，由此，在涡轮机叶轮24产生任何旋转过快而破裂的情况下，由于破片等飞散的部位在涡轮机叶轮24的外周侧，所以通过与最可能承受损伤的可能性高的部分相对应地使板厚度比周边部分厚，可以高效防止破片的飞散。

(第3实施方式)

接着，参照图8说明第3实施方式。第3实施方式相对于第2实施方式的特征在于，涡卷部41的板金制的涡卷构件由双层壁构造构成。

如图8所示，涡卷部41由内部壁43和外部壁45构成，构成内部壁43分担内部气体造成的热负荷对应部的功能，外部壁45分担与气体防泄漏部的功能。

另外，在内部壁43和外部壁45之间形成夹置空间层K的隔热层。

通过采用这种双层壁构造，可以增大一层壁构造的第2实施方式的涡卷部31的C部分的破损造成的能量吸收的负担量，在第3实施方式中，可以将该C部分的吸收量设为约25％程度。其结果，只要设定板厚度及长度，以使厚壁部X的能量吸收能力具有约60％以上的能力即可。

如上，根据第3实施方式，通过将涡卷部41的板材设为双层构造，涡卷部41的抗冲击性提高，因此，即使在涡轮机叶轮24产生任何旋转过快而破裂的情况下，也能够可靠地防止破片等贯通涡卷部41而飞散到外部。

另外，通过设为双层构造，可以使内部壁43分担内部气体造成的热负荷荷部，使外部壁45分担气体防泄漏部的功能，因此，可以形成降低热负荷，并且得到防泄漏的涡卷部。因此，可以减轻重量，并且可以提高涡轮增压机的性能，进而也提高涡轮壳体的抗冲击性。

产业上的可利用性

根据本发明，由于将配置在涡卷部中心部的中心核部的轴承嵌合部、流路出口部及支柱形成为钢管材料的一体成形品，所以适用于抑制废气温度的降低，防止涡卷部主体的热变形造成的顶端间隙的变化，并且降低重量及成本，而且提高耐久性、可靠性及抗冲击性的涡轮壳体构造。

Claims (5)

1.一种板金涡轮壳体，其安装在发动机排气歧管下游，构成由废气驱动涡轮的涡轮增压机的涡卷状的排气通路的涡卷部由板金制的涡卷构件形成，其特征在于，

形成涡卷状的排气通路的所述涡卷部包括：壳体部，将第1涡卷部和第2涡卷部的两个构件在涡卷状的全周面对面地接合形成，在所述涡卷部的旋转中心部配置中心核部，该中心核部整体地形成略圆筒形状，形成在一端侧并通过间隙围绕所述涡轮的外周，并且形成气体排出口；轴承嵌合部，形成在另一端侧并嵌合轴支承涡轮的旋转轴的轴承；以及多个支柱部，使所述壳体部和所述轴承嵌合部之间在圆周方向上具有间隔，且架设在涡轮的轴芯方向上，这些所述壳体部、所述轴承嵌合部及所述支柱部为由钢管材料一体地形成，

所述第1涡卷部与所述中心核部的一端侧即所述壳体部的外周全周焊接，所述第2涡卷部与所述中心核部的另一端侧即轴承嵌合部的外周全周焊接，

并且，所述第1涡卷部和所述第2涡卷部之间的接合构造在所述涡卷部的外周部，将板金材料的前端彼此对接并将该部分进行对接溶化焊接，

进而，在所述壳体部的前端设置有管形状的出口管部，通过将所述第1涡卷部、所述第2涡卷部、所述中心核部及所述出口管部这四个部件焊接接合而形成涡轮壳体。

2.权利要求1所述的板金涡轮壳体，其特征在于，

所述支柱部的所述涡轮轴芯方向观察的截面形状以废气流的上游侧角部及下游侧角部分别形成为锐角，使上游侧面及下游侧面顺着气流倾斜。

3.权利要求1所述的板金涡轮壳体，其特征在于，

使围绕所述涡轮的周围的所述壳体部的板厚度比其它部分增加而形成与所述涡轮的外周侧对应的部分。

4.权利要求3所述的板金涡轮壳体，其特征在于，

所述板厚度增加的部分是至少与所述涡轮的涡轮机叶轮的外周侧对应的部分。

5.权利要求1至4中任一项所述的板金涡轮壳体，其特征在于，

由双层壁构造构成所述涡卷部的板金制的涡卷构件。