JP2008255895A - ターボチャージャ用タービンロータ - Google Patents

Abstract

【課題】応答性を向上するとともに、部品点数を削減して製造コストを低減するターボチャージャ用タービンロータを提供する。
【解決手段】タービンロータ１は、タービンシャフト２を備えている。タービンシャフト２の一方の端部には、ハブ１１がタービンシャフト２と一体として設けられており、ハブ１１の外周部には翼部材２１が接合されている。翼部材２１は、複数のタービン翼２２と結合部２３とが一体として形成された部材であり、ハブ１１を形成する材料より軽量なセラミック等によって形成されている。ハブ１１と翼部材２１との２つの部材が接合されて、タービンホイール３を構成している。ハブ１１と翼部材２１とは、先端突出部１２の突起１２ｂ及び１２ｃ、結合部２３の係合溝２３ｃ及び２３ｄによって周方向に位置決めされており、ハブ１１の外周溝１１ｂと翼部材２１のタービン翼２２とは、互いに当接しない状態で対向している。
【選択図】図１

Description

この発明はターボチャージャ用のタービンロータに係り、特にタービンホイールの構造に関する。

エンジンのシリンダ内部に吸気を過給するターボチャージャにおいて、タービンシャフトの一端にタービンホイールが一体として固定されて、タービンホイールが構成される。エンジン運転時、タービンホイールに供給される排気エネルギーが、タービンロータを駆動して回転させるが、排気エネルギーの供給量は運転状況に応じて随時変化する。このように、変化する排気エネルギーの供給量に対するタービンロータの応答性を高めるため、タービンロータを軽量な材料によって形成することが所望されている。
また、タービンホイールは排気の流路内に配置されるため、エンジン運転時には排気の熱による高温の環境下に晒される。したがって、タービンホイールを高い耐熱性を有する材料によって形成することも所望されている。

以上のような条件を満たす材料を用いた例として、例えば特許文献１には、セラミック製のタービンロータを備えたターボチャージャが開示されている。これによれば、タービンシャフトとタービンホイールとの互いに対向する端面に、軸中心を通るとともに所定の幅及び深さを有する係合溝がそれぞれ形成されている。係合溝の底面には、タービンシャフト側に１箇所、タービンホイール側に２箇所の有底穴が設けられており、これらの有底穴の内部には金属製の埋め金がそれぞれ埋設されている。タービンシャフトとタービンホイールとは、係合溝が互いに直角をなして対向するように配置されており、係合溝の内部には十字状に形成された金属製のトルク伝達部材が嵌入されている。係合溝に嵌入されたトルク伝達部材と、係合溝の有底穴に埋設されている埋め金とをそれぞれ溶接することによって、タービンシャフトとタービンホイールとが一体として固定されている。

特開昭６２−１３７０２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のターボチャージャは、タービンシャフトとタービンホイールとを接合するためにトルク伝達部材や複数の埋め金を必要としており、部品点数が多くなって製造コストが高くなるという問題点を有していた。また、タービンホイール全体がセラミックによって一体として形成されているため、タービン翼のみを軽量化した場合と比較すると、径方向外側の重量が重くなり、慣性モーメントが大きくなってタービンロータの応答性が悪くなるという問題点も有していた。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、応答性を向上するとともに、部品点数を削減して製造コストを低減したターボチャージャ用タービンロータを提供することを目的とする。

この発明に係るターボチャージャ用タービンロータは、タービンシャフトと、タービンシャフトの一端に固定されるタービンホイールとを備えるターボチャージャ用タービンロータにおいて、タービンホイールは、タービンシャフトの一端に設けられるハブと、ハブの外周部に配置される複数のタービン翼及び複数のタービン翼を結合する結合部からなり、ハブより軽量な材料によって一体として形成される翼部材とが接合されて構成されることを特徴とするものである。
タービンホイールを、ハブと、複数のタービン翼及び結合部からなる翼部材との２つの部材のみによって構成したので、タービンシャフト、ハブ及び翼部材以外の部材を必要とせずにタービンロータが構成される。また、ハブを形成する材料より軽量な材料によって翼部材を形成したので、タービンホイールの径方向外側は軽量となり、タービンホイールを同一材料によって形成した場合と比較して、タービンロータの慣性モーメントが小さくなる。したがって、ターボチャージャ用タービンロータにおいて、応答性を向上するとともに、部品点数を削減して製造コストを低減することが可能となる。

タービンシャフトとハブとが、一体として形成されてもよい。部品点数がさらに削減されるため、製造コストを低減できる。また、タービンシャフトとハブとが別体である場合と比較して、タービンシャフトの軸中心線とハブの軸中心線とが一致しない、いわゆる芯ずれが生じることがなく、タービンロータの回転バランスを修正する工程が不要となって生産効率が向上する。

ハブ及び翼部材の結合部には、ハブと翼部材との周方向における位置決めを行う係合手段がそれぞれ設けられ、ハブの外周面には、ハブの軸方向に延びる複数の外周溝が設けられ、ハブと翼部材とが、係合手段によって位置決めされると、複数のタービン翼のそれぞれが、対応する複数の外周溝のそれぞれに、当接しない状態で対向するようにしてもよい。ハブと翼部材とが周方向に位置決めされた状態において、タービン翼と外周溝とが当接せずに対向するように構成したので、タービン翼がハブに当接して、ハブと翼部材との間に芯ずれが生じることがない。したがって、タービンロータの回転バランスを修正する工程が不要となって生産効率が向上する。

この発明によれば、ターボチャージャ用タービンロータにおいて、応答性を向上するとともに、部品点数を削減して製造コストを低減することが実現できる。

以下に、この発明の実施の形態について、添付図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この実施の形態１に係るタービンロータ１を示す。尚、タービンロータ１は、図示しないターボチャージャの内部に収容され、エンジンの排気エネルギーによって駆動されて回転するように構成されている。
タービンロータ１は、タービンシャフト２を備えている。タービンシャフト２の一方の端部には、タービンシャフト２と同心の略円錐形状を有し、タービンシャフト２側の端部における外径を最大として先細となるハブ１１が設けられている。ハブ１１は外周面１１ａを有しており、外周面１１ａの軸方向に沿った断面形状は、ハブ１１の軸中心線側に膨らむ円弧状に形成されている。また、タービンシャフト２とハブ１１との結合部において、タービンシャフト２の外周面は径方向外側に広がっており、略円筒形状を有するボス２ａを形成している。

ハブ１１の両端部において、タービンシャフト２側の端部には背面１１ｄ、タービンシャフト２とは反対側の端部には先端面１１ｃが、ハブ１１の軸中心線に対して垂直な平面によってそれぞれ形成されている。先端面１１ｃの径方向内側の一部は軸方向に沿って伸びており、タービンシャフト２と同心の円筒形状を有する先端突出部１２を形成している。ここで、タービンシャフト２とハブ１１とは一体として形成されており、その材料として、例えばインコネル７１３Ｃ等の耐熱合金が用いられている。

ハブ１１の外周部には、複数のタービン翼２２を有する翼部材２１（図４（ｃ）参照）が設けられており、ハブ１１と翼部材２１とが溶接によって接合されている。また、翼部材２１は複数のタービン翼２２の他に、複数のタービン翼２２が結合される結合部２３を有している。結合部２３は環状に形成されており、結合部２３の内周部にハブ１１の先端突出部１２が挿入されて、ハブ１１と翼部材２１とが接合されている。翼部材２１の結合部２３は、ハブ１１の先端面１１ｃに対向して当接する接合面２３ｂを有しており、複数のタービン翼２２の先端部２２ａと結合部２３の接合面２３ｂとが結合されている。複数のタービン翼２２は、接合面２３ｂの外周側から径方向に広がりながら軸方向に延びている。また、タービン翼２２は、ハブ１１の外周面１１ａに対向する内周部２２ｂを有しており、内周部２２ｂの軸方向に沿った形状は、ハブ１１の外周面１１ａと同様の円弧状に形成されている。ここで、複数のタービン翼２２と結合部２３とは、高い耐熱性を有するとともに、タービンシャフト２及びハブ１１を形成する材料より軽量な材料であるセラミック等によって一体として形成されている。

このように、ハブ１１と、ハブ１１を形成する材料より軽量な材料によって形成されている翼部材２１との２つの部材が接合されて、タービンロータ１におけるタービンホイール３を構成している。したがって、タービンホイール３の径方向外側は軽量となっており、タービンホイール３、すなわちハブ１１と翼部材２１とを同じ材料によって形成した場合と比較すると、タービンロータ１の慣性モーメントが小さくなっている。また、図２に示すように、タービンロータ１も、タービンシャフト２及びハブ１１が一体として形成された部材と、複数のタービン翼２２及び結合部２３が一体として形成された翼部材２１との２つの部材が接合されて構成されている。

ハブ１１と翼部材２１との接合部において、ハブ１１が有する先端突出部１２の外周面１２ａには、矩形断面を有し、径方向外側に突出するとともに軸方向に沿って延びる２つの突起１２ｂ及び１２ｃ（図３（ｂ）参照）が形成されている。突起１２ｂ及び１２ｃは、互いに異なる大きさの矩形断面を有しており、周方向に対して１８０°の間隔をおいて設けられている。一方、図４（ｂ）に示すように、翼部材２１の結合部２３において、その内周面２３ａにも、矩形断面を有し、軸方向に沿って延びる２つの係合溝２３ｃ及び２３ｄが形成されている。係合溝２３ｃ及び２３ｄも、周方向に対して１８０°の間隔をおいて設けられており、先端突出部１２の突起１２ｂ及び１２ｃにそれぞれ係合する大きさの矩形断面を有している。したがって、ハブ１１と翼部材２１とは、先端突出部１２の突起１２ｂ及び結合部２３の係合溝２３ｃ、先端突出部１２の突起１２ｃ及び結合部２３の係合溝２３ｄがそれぞれ係合することによって、周方向において所定の位置に位置決めされた状態となっている。ここで、先端突出部１２の突起１２ｂ及び１２ｃと、結合部２３の係合溝２３ｃ及び２３ｄとは、係合手段を構成している。

また、図３（ａ）に示すように、ハブ１１の外周面１１ａには、その円弧状の断面形状に沿って軸方向に延びる外周溝１１ｂが設けられている。外周溝１１ｂは、図３（ｂ）に示すように、周方向に対して等間隔となる角度で複数箇所、図示の場合では９箇所に設けられており、径方向内側に幅ｗ及び深さｄを有する矩形断面（図３（ｃ）参照）を形成している。一方、図４（ｂ）に示すように、翼部材２１もハブ１１の外周溝１１ｂの数と同数である９つのタービン翼２２を有しており、タービン翼２２は、周方向に対して等間隔となる角度で配置されて結合部２３を囲んでいる。ハブ１１と翼部材２１とが周方向に位置決めされた状態において、タービン翼２２のそれぞれは、ハブ１１の外周面１１ａに設けられた外周溝１１ｂ（図３（ｂ）参照）のそれぞれに対応するように構成されている。ここで、ハブ１１の外周溝１１ｂは径方向内側に深さｄを有しているため、外周溝１１ｂとタービン翼２２とは、互いに当接せずに対向している状態となっている。したがって、ハブ１１と翼部材２１とが組み立てられた状態において、ハブ１１の先端面１１ｃと翼部材２１の接合面２３ｂとは当接するが、その他の部位は当接しない構造となっている。

図３（ａ）に示すように、ハブ１１は、先端面１１ｃから背面１１ｄまでの長さＬ１を有している。一方、翼部材２１は、図４（ａ）に示すように、タービン翼２２の後端部２２ｃから結合部２３の接合面２３ｂまでの長さＬ２を有している。ハブ１１の長さＬ１と翼部材２１の長さＬ２とは、Ｌ１≧Ｌ２となっており、タービンロータ１が組み立てられた状態において、タービン翼２２の後端部２２ｃが、ハブ１１の背面１１ｄから突出しないように構成されている。

次に、この実施の形態１に係るタービンロータ１の組み立て方法について説明する。
まず、図２に示すように、ハブ１１の先端突出部１２に対して、翼部材２１の結合部２３が矢印Ａで示される方向から挿入され、ハブ１１の先端面１１ｃと結合部２３の接合面２３ｂとが当接する。ここで、ハブ１１と翼部材２１とは、先端突出部１２の突起１２ｂと結合部２３の係合溝２３ｃとが係合し、先端突出部１２の突起１２ｃと結合部２３の係合溝２３ｄとが係合するため、周方向において所定の位置に位置決めされる。（図３（ｂ）、図４（ｃ）参照）

ハブ１１と翼部材２１とが、周方向において所定の位置で組み立てられると、ハブ１１の外周面に形成されている外周溝１１ｂとタービン翼２２の内周部２２ｂとが互いに対向する。タービン翼２２の内周部２２ｂは、ハブ１１の外周面１１ａと同様の円弧状に形成されているため、外周溝１１ｂの底面１１ｅ（図３（ｃ）参照）とタービン翼２２の内周部２２ｂとの間には隙間が設けられた状態となる。したがって、タービン翼２２の内周部２２ｂがハブ１１の外周面１１ａに当接して、ハブ１１の軸中心線と翼部材２１の軸中心線との位置が一致しなくなる、いわゆる芯ずれが生じることがない。

また、ハブ１１は、先端面１１ｃから背面１１ｄまでの長さＬ１（図３（ａ）参照）を有しており、翼部材２１は、タービン翼２２の後端部２２ｃから結合部２３の接合面２３ｂまでの長さＬ２（図４（ａ）参照）を有している。ハブ１１の長さＬ１と翼部材２１の長さＬ２とは、Ｌ１≧Ｌ２となっているため、ハブ１１の先端面１１ｃと結合部２３の接合面２３ｂとが当接した状態において、タービン翼２２の後端部２２ｃが、ハブ１１の背面１１ｄから突出することがない。

以上のような状態で組み立てられたハブ１１と翼部材２１とにおいて、ハブ１１の先端面１１ｃと結合部２３の接合面２３ｂとが溶接され、外周溝１１ｂの底面１１ｅとタービン翼２２の内周部２２ｂとが溶接されて一体として接合される。
また、図１に示すように、ハブ１１と翼部材２１とが接合されると、タービンロータ１の回転バランスが測定される。回転バランスがアンバランスである場合は、ハブ１１の背面１１ｄまたは先端突出部１２の外周面１２ａが切削されて、回転バランスの修正が行われる。ここで、ハブ１１は、翼部材２１を形成しているセラミックより切削しやすい耐熱合金によって形成されているため、容易に回転バランスの修正を行うことができる。

このように、タービンホイール３を、ハブ１１と、複数のタービン翼２２及び結合部２３を有する翼部材２１との２つの部材のみによって構成したので、タービンシャフト２、ハブ１１及び翼部材２１以外の部材を必要とせずにタービンロータ１が構成される。また、ハブ１１を形成する材料より軽量な材料によって翼部材２１を形成したので、タービンホイール３の径方向外側は軽量な状態となり、タービンホイール３を同一材料によって形成した場合と比較して、タービンロータ１の慣性モーメントが小さくなる。したがって、タービンロータ１の応答性を向上するとともに、部品点数を削減して製造コストを低減することが可能となる。

また、タービンシャフト２とハブ１１とを一体として形成したので、部品点数がさらに削減されるため、製造コストを低減できる。また、タービンシャフト２とハブ１１とが別体である場合と比較して、タービンシャフト２の軸中心線とハブ１１の軸中心線との間に芯ずれが生じることがなく、タービンロータ１の回転バランスを修正する工程が不要となって生産効率が向上する。

さらに、ハブ１１と翼部材２１の結合部２３とに、突起１２ｂ及び１２ｃ、係合溝２３ｃ及び２３ｄをそれぞれ設けたので、ハブ１１と翼部材２１とが周方向において位置決めされる。ハブ１１と翼部材２１とが位置決めされた状態において、ハブ１１に形成された外周溝１１ｂの底面１１ｅと、タービン翼２２の内周部２２ｂとは、互いに当接しない状態で対向する。したがって、タービン翼２２の内周部２２ｂがハブ１１の外周面１１ａに当接し、ハブ１１と翼部材２１との間に芯ずれが生じてタービンロータ１の回転バランスがアンバランスとなることなく、回転バランスを修正する工程が不要となって生産効率が向上する。

実施の形態１において、翼部材は９個のタービン翼を有していたが、タービン翼の数を限定するものではなく、異なる枚数のタービン翼を有する翼部材を用いてタービンロータを構成することもできる。この際、ハブの外周面に形成される外周溝を、異なる枚数のタービン翼を有する翼部材に対しても流用可能な幅に形成しておけば、翼部材のみを替えることによってタービンロータの仕様を増やすこともできる。

この発明の実施の形態１に係るタービンロータの構造を示す断面側面図である。 実施の形態１に係るタービンロータの構造を説明するための側面図である。 （ａ）は実施の形態１に係るタービンロータのハブの構造を示す部分断面側面図、（ｂ）はハブの構造を示す正面図、（ｃ）は図２のＩＩＩ−ＩＩＩに沿った部分拡大断面図である。 （ａ）は実施の形態１に係るタービンロータの翼部材の構造を示す断面側面図、（ｂ）は翼部材の構造を示す正面図、（ｃ）は翼部材の構造を示す斜視図である。

符号の説明

１ タービンロータ（ターボチャージャ用タービンロータ）、２ タービンシャフト、３ タービンホイール、１１ ハブ、１１ａ 外周面（ハブの外周面）、１１ｂ 外周溝、１２ｂ，１２ｃ 突起（係合手段）、２１ 翼部材、 ２２ タービン翼、２３ 結合部、２３ｃ，２３ｄ 係合溝（係合手段）。

Claims (3)

1. タービンシャフトと、
   前記タービンシャフトの一端に固定されるタービンホイールと
   を備えるターボチャージャ用タービンロータにおいて、
   前記タービンホイールは、
   前記タービンシャフトの前記一端に設けられるハブと、
   前記ハブの外周部に配置される複数のタービン翼及び前記複数のタービン翼を結合する結合部からなり、前記ハブより軽量な材料によって一体として形成される翼部材と
   が接合されて構成されることを特徴とするターボチャージャ用タービンロータ。
2. 前記タービンシャフトと前記ハブとが、一体として形成される請求項１に記載のターボチャージャ用タービンロータ。
3. 前記ハブ及び前記翼部材の前記結合部には、前記ハブと前記翼部材との周方向における位置決めを行う係合手段がそれぞれ設けられ、
   前記ハブの外周面には、前記ハブの軸方向に延びる複数の外周溝が設けられ、
   前記ハブと前記翼部材とが、前記係合手段によって位置決めされると、前記複数のタービン翼のそれぞれが、対応する前記複数の外周溝のそれぞれに、当接しない状態で対向する請求項１または２に記載のターボチャージャ用タービンロータ。

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