JP2010053793A - 可変容量排気ガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】蓋部材と遮熱板の構造を簡単化して部品点数を低減し、遮熱板とインサートベーンを支持する蓋部材の組立を容易化し、且つ遮熱板の変形を低減した可変容量排気ガスタービンを提供する。
【解決手段】スクロール部を内周スクロール部と外周スクロール部とに分割した可変容量排気ガスタービンにおいて、タービンハウジングの開口端面に内、外周スクロール部を画成する蓋部材が配設され、該蓋部材の排気通路側に、前記インサートベーンが突設されており、前記蓋部材は、その内径側を軸受ハウジングとタービンロータの空隙に沿ってシャフト直交面方向に延在させた縮径板と一体的に形成されるとともに、前記縮径板をタービンロータに対向させて熱流を遮断する遮熱板として構成したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、比較的中小型内燃機関の排気ターボ過給機に用いられ、エンジン（内燃機関）からの排気ガスを、排気入口部とタービンロータとの間に通路断面積が漸次減少するスクロール部を前記タービンロータの径方向に分割して形成された内周スクロール部および外周スクロール部とを備え、蓋部材の周方向に複数個列設されたインサートベーンにより、内周スクロール部と外周スクロール部とに排気ガスを流動させるようにした可変容量排気ガスタービンに関する。

図４は特許文献１（特許第３９５６８８４号公報）にて開示されている可変容量排気ガスタービンの回転軸心に直角な要部断面図である。図５は図４のＹ−Ｙ断面図である。
かかる可変容量排気ガスタービンは、排気ガスにより回転駆動されるタービンロータ１０を、タービンハウジング０１の中央部に収容（回転軸心１００ａ）している。
前記タービンハウジング０１は、排気入口部２０及び排気出口部２０ａを有して、該排気入口部２０と内周のタービンロータ１０との間に通路断面積が漸次減少するスクロール部１２を有する。

前記スクロール部１２は、前記タービンロータ１０の径方向に２分割されて、内周スクロール部２および外周スクロール部１を形成している。
前記内周スクロール部２と外周スクロール部１との間は、前記スクロール部１２の境界壁２ａに沿うように周方向に複数個列設されたインサートベーン６ａを介して分割され、それぞれのインサートベーン６ａの間には、排気通路６ｂが形成されている。
また、インサートベーン６ａは、図５に示すように、蓋部材６の本体部から前記周方向に複数個突設されており、該インサートベーン６ａにより、該内周スクロール部２と前記外周スクロール部１とを分離している。
また、図５に示すように、前記蓋部材６は遮熱板６ｃの２枚を一体にして、タービンハウジング０１を軸受ハウジング１１に締め付けるボルト２９を用いて、蓋部材の外縁のリング円８で前記タービンハウジング０１の支持部１ｓで挟着しつつ、締め付けられている。

前記内周スクロール部２の入口部には、該入口部に排気ガスをガイドし、排気ガスの流れを円滑に前記内周スクロール部２に流入されるための舌部５が、排気ガス流に沿って形成されている。
また、前記外周スクロール部１の排気入口部側には、制御弁４が設置され、該制御弁４は前記タービンハウジング０１の周壁４ａに接脱することにより、前記内周スクロール部２への排気ガス流量および外周スクロール部１への排気ガス流量をそれぞれ制御している。

即ち、エンジンの低回転時には、制御弁４が周壁４ａに接して閉じることにより外周スクロール部１が閉じて、排気ガスはＵ_２のように内周スクロール部２側にのみ流れる。
またエンジンの高回転時には、制御弁４が周壁４ａから離れて開くことにより、排気ガスは外周スクロール部１をＵ_１のように流れて、インサートベーン６ａの排気通路６ｂを通って内周スクロール部２に流入するとともに、内周スクロール部２へもＵ_２のように流れる。
従って、エンジンの低回転時と高回転時とで、前記制御弁４により排気ガス流量を変えることができる。

特許第３９５６８８４号公報

しかしながら、特許文献１（特許第３９５６８８４号公報）おいては、図５に示すように、蓋部材６と遮熱板６ｃが、タービンハウジング０１を軸受ハウジング１１に、ボルト２９により２枚を一体にして共締めにて締め付けられている。
そして前記インサートベーン６ａは、前記蓋部材６の本体部から前記周方向に複数個突設されており、かかるインサートベーン６ａの構成により、該内周スクロール部２と前記外周スクロール部１とを分離している。

即ち、かかる従来技術においては、蓋部材６と遮熱板６ｃとが、別個に構成されボルト２９により一体に締め付けられているので、部品点数が蓋部材６と遮熱板６ｃとが別個となっているために増加する。
また遮熱板６ｃを前記蓋部材６と別個に製作するため、図５に示すように、組み立て時には排気出口部２０ａ側に位置するタービンハウジングの開口端面１００ｂ側から、前記蓋部材６と遮熱板６ｃとを同時にして組み付け難いために、２枚それぞれに組み付けねばならず、このため多くの組み立て工数を要する。
また、前記遮熱板６ｃは、薄い一枚板であって変形し易いので、高温になると板に変形や倒れを生じ易く、該遮熱板６ｃが変形によりタービンロータ１０に接触するという事故が起こり得る。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、蓋部材と遮熱板の構造を簡単化して部品点数を低減し、遮熱板とインサートベーンを支持する蓋部材の組立を容易化し、且つ遮熱板の変形を低減した可変容量排気ガスタービンを提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、軸受ハウジングにより軸支されるシャフトと、該シャフトの一端に固定され排気ガスにより回転駆動されるタービンロータと、該タービンロータを中央部に収容するとともに排気入口部及び排気出口部を有し、前記排気入口部とタービンロータとの間に通路断面積が漸次減少するスクロール部を有するタービンハウジングと、前記スクロール部を前記タービンロータの径方向に分割して形成された内周スクロール部および外周スクロール部とを備えるとともに、該タービンロータの周方向に複数個列設されたインサートベーンにより、内周スクロール部へ直接流入する排気ガスの流動と前記外周スクロール部を流れる排気ガスを内周スクロール部に流入させる排気ガスの流動とを制御するように構成し、
前記外周スクロール部の排気入口部側に配設され前記内周スクロール部への排気ガス流量および外周スクロール部への排気ガス流量をそれぞれ制御する制御弁を備えるとともに、
前記タービンハウジングの開口端面に前記内、外周スクロール部を画成する蓋部材が配設され、該蓋部材の排気通路側に、前記インサートベーンが突設されている可変容量排気ガスタービンにおいて、
前記蓋部材は、その内径側を軸受ハウジングとタービンロータの空隙に沿ってシャフト直交面方向に延在させた縮径板と一体的に形成されるとともに、前記縮径板を該タービンロータに対向させて熱流を遮断する遮熱板として構成したことを特徴とする。

また、かかる発明において、好ましくは、前記蓋部材の内径側と縮径板との間が、軸受ハウジング側に突設するリング円を介して一体的に形成されている。
また、好ましくは、前記リング円は、軸受ハウジング側の円形段部に嵌合可能に支持される。

また、かかる発明において、好ましくは、前記リング円の外周側に位置する蓋部材に、放射状に補強リブを形成し、一方リング円の内周側に位置する縮径板側には補強リブを形成しない。

本発明によれば、タービンハウジングのスクロール部を内周スクロール部と外周スクロール部とに分割し、前記タービンハウジングの開口端面に前記内、外周スクロール部を画成する蓋部材が配設され、該蓋部材の排気通路側に、前記インサートベーンが突設されている可変容量排気ガスタービンにおいて、
前記蓋部材は、その内径側を軸受ハウジングとタービンロータの空隙に沿ってシャフト直交面方向に延在させた縮径板と一体的に形成されるとともに、前記縮径板をタービンロータに対向させて熱流を遮断する遮熱板として構成したので、
タービンハウジングの開口端面側に前記内、外周スクロール部を画成し、排気通路側に前記インサートベーンが突設されている蓋部材と、内周のシャフト直交面方向に延在させ且つタービンロータに対向させて熱流を遮断する遮熱板として構成した縮径板とを一体的に形成し、該蓋部材と縮径板（遮熱板）との一体化体としたので、複数個のインサートベーンをそれぞれ突設した蓋部材の構成と熱流を遮断する遮熱板としての構成を、１部品で併せ持つことができる。従って、従来技術のような、蓋部材と遮熱板とが別個になってボルトにより一体に締め付けられているものに比べ、部品点数が低減される。

また、前記構成によれば、排気通路側にインサートベーンが突設されている蓋部材と、内周にタービンロータに対向させて熱流を遮断する遮熱板として構成した縮径板とを一体的に形成したので、組み立て時には一体の蓋部材及び縮径板（遮熱板）を排気出口部側のタービンハウジングの開口端側から、かかる蓋部材と縮径板（遮熱板）の一体品を容易に組み付けることができ、図４、５に示す従来品のように２枚それぞれに組み付ける必要はなく、このため組み立て工数を低減できる。

また、かかる発明において、前記蓋部材の内径側と縮径板との間に、軸受ハウジング側に突設するリング円を介して一体的に形成すれば、リング円を介して蓋部材の内径側と縮径板（遮熱板）とを連結しているので、高温になる縮径板（遮熱板）の熱を、リング円のなだらかな円形部で緩和して、蓋部材側及び軸受ハウジング側の円形段部側に接続することとなって、排気通路側にインサートベーンが突設されている蓋部材の無理な変形が無くなる。

また、かかる発明において、前記リング円は、軸受ハウジング側の円形段部に嵌合可能に支持されるように構成すれば、縮径板（遮熱板）の熱膨張をリング円を通じて軸受ハウジング側の円形段部に流してリング円の変形を緩和できるとともに、またリング円を軸受ハウジング側の円形段部に確実に嵌合することにより、蓋部材と縮径板（遮熱板）の一体品の固定が確実にできる。

また、かかる発明において、前記リング円の外周側に位置する蓋部材に、放射状に補強リブを形成し、一方リング円の内周側に位置する縮径板側には補強リブを形成しないように構成することにより、前記リング円の外周側に位置する蓋部材に形成される放射状の補強リブが強度を上昇させるとともに、蓋部材の重量を上げることなく剛性を上げ、熱による変形を防止する。また、リング円の内周側に位置する高温の縮径板側はその板厚のために補強リブによる重量抑制効果は低いため、補強リブを形成しない。これにより、熱拘束がなく熱変形を防止できる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、本発明の実施例に係る可変容量排気ガスタービンのタービン軸心線に沿う断面図である。図２（Ａ）は前記実施例における蓋部材および縮径板の断面図、図２（Ｂ）は（Ａ）のＡ矢視図、図２（Ｃ）は（Ａ）のＢ矢視図である。図３は図１のＣ−Ｃ断面図である。
図１において、かかる可変容量排気ガスタービンは、タービンハウジング０１内に、排気ガスにより回転駆動されるタービンロータ１０を、該タービンハウジング０１の中央部に配置し、該タービンロータ１０は該タービンシャフト１０ａを介して、コンプレッサハウジング１３内に収納されたコンプレッサ１０ｂを直結駆動している（１００ａは回転軸心）。
また、前記コンプレッサハウジング１３は軸受ハウジング１１を介して前記タービンハウジング０１に連結されている。

図３は前記タービンハウジング０１の平面形状を示し、かかるタービンハウジング０１は、排気入口部２０及び排気出口部２０ａ（図１参照）を有して、図３に示すように、該排気入口部２０と内周のタービンロータ１０との間に通路断面積が漸次減少するスクロール部１２を有する。
前記スクロール部１２は、前記タービンロータ１０の径方向に、内周スクロール部２および外周スクロール部１に、２分割して形成されている。後述する制御弁は符号４で、舌部は符号５で示されている。

以上の基本構成は、図４ないし図５に示す従来技術と同様である。本発明は、蓋部材６と縮径板６２からなるインサート部材６０の改良に関するものである。

即ち、図１において、前記タービンハウジング０１によって、開口端面１００ｂ側から覆われる形で、蓋部材６及び縮径板６２からなり一体化されたインサート部材６０が設けられている。
前記蓋部材６及び縮径板６２からなるインサート部材６０は、この実施例では精密鋳造により素材成型を行うものとする。

前記インサート部材６０の前記蓋部材６は、図２に示すように、前記内周スクロール部２と外周スクロール部１とを区画形成し、該内周スクロール部２と外周スクロール部１との間は、図３に示す該スクロール部１２の境界壁２ａが設けられ、該境界壁２ａに沿うように後述する複数のインサートベーン６ａが設置されている。
即ち、前記蓋部材６には、図２に示すように、複数個のインサートベーン６ａを、それぞれ排気側に一体にほぼ軸方向に突設して排気ガスの流動を制御するように構成している。そして、それぞれのインサートベーン６ａの間には、排気通路６ｂが該インサートベーン６ａの周方向に沿って形成されている。

そして、前記インサート部材６０の前記蓋部材６の内径側には、軸受ハウジング１１とタービンロータ１０の空隙に沿ってタービンシャフト１０ａ直交面方向に延在させた縮径板６２が、該蓋部材６と一体的に形成される。
この縮径板６２は、タービンロータ１０の背側１０ｓに対向させて、該タービンロータ１０の背面からの熱流を遮断する遮熱板として用いられる。
以上により、複数のインサートベーン６ａが設置された蓋部材６とタービンシャフト１０ａ直交面方向に延在させた縮径板６２とが、一体化して形成されることとなる。

前記のようにして、精密鋳造により素材成型が行われた蓋部材６と縮径板６２ならなるインサート部材６０は、図２（Ａ）のように、蓋部材６のリング円７の内周側（径Ｄ_１）に切削加工を施して、前記リング円７の内周と軸受ハウジング１１側の円形段部１１ａとを嵌合して支持する。
即ち、前記蓋部材６は、図２（Ａ）のように、内側のリング円７において、該縮径板６２に連結された形態となっている。図２において、内径Ｄ_１なるリング円７で、該リング円７は、蓋部材６に形成された凸部７ａと該凸部７ａに嵌合するように軸受ハウジング１１に形成された円形段部１１ａ（図１参照）を嵌着している。かかるリング円７により、前記蓋部材６および縮径板６２が、軸受ハウジング１１に支持される。

そして、図１に示すように、前記蓋部材６は、タービンハウジング０１と軸受ハウジング１１との間に、該タービンハウジング０１と軸受ハウジング１１とを締着するボルト２９によって、前記該タービンハウジング０１と軸受ハウジング１１間に、止めピン３０を介して挟着されている。

このように、かかる実施例においては、排気通路側にインサートベーン６ａが突設されている蓋部材６と、内周にタービンロータ１０に対向させて熱流を遮断する遮熱板として構成した縮径板６２とを前記インサート部材６０として一体的に構成したので、図１のように、組み立て時には一体の蓋部材６及び縮径板（遮熱板）６２からなるインサート部材６０を、排気出口部２０ａ側のタービンハウジング０１の開口端面１００ｂ側から、かかる一体品を容易に組み付けることができ、図４、５に示す従来品のように２枚それぞれに組み付ける必要はなく、このため組み立て工数を低減できる。
また、複数個のインサートベーン６ａをそれぞれ突設した蓋部材６の構成と、熱流を遮断する遮熱板６２としての構成を、１つの部品で併せ持つことができ、従って、従来技術のような、蓋部材６と遮熱板６２とが別個になってボルトにより一体に締め付けられているものに比べ、部品点数を低減することができる。

また、かかる実施例においては、前記蓋部材６の内径側と縮径板６２との間を、軸受ハウジング１１側に突設するリング円７を介して一体的に形成しており、前記リング円７を介して蓋部材６の内径側と縮径板（遮熱板）６２とを連結しているので、高温になる縮径板（遮熱板）６２の熱を、リング円７のなだらかな円形結合部で緩和して、蓋部材６側および軸受ハウジング１１側の円形段部１１ａ側に接続することとなって、排気通路側にインサートベーン６ａが突設されている蓋部材６の縮径板（遮熱板）６２側による無理な変形が無くなる。

また、かかる実施例においては、前記リング円７は、軸受ハウジング１１側の円形段部１１ａに嵌合可能に支持されている。
このように構成すれば、縮径板（遮熱板）６２の熱膨張がリング円７を通じて軸受ハウジング１１側の円形段部１１ａに流されてリング円７の変形を緩和できるとともに、またリング円７を軸受ハウジング１１側の円形段部１１ａに確実に嵌合することにより、蓋部材６と縮径板（遮熱板）６２の一体品の固定が確実にできる。

また、図２（Ｃ）に示すように、前記リング円７の外周側に位置する蓋部材６には、放射状に複数の補強リブ７ｃを形成する一方、該リング円７の内周側に位置する縮径板６２側には補強リブ７ｃを形成せず扁平な構造とする。
このようにすれば、外周側の蓋部材６に放射状に補強リブ７ｃを形成して強度を上昇させ、内周側に位置する高温の縮径板６２側には補強リブ７ｃを形成せずに一様な肉厚（扁平な構造）とすることにより、熱拘束がなく熱変形を防止できる。なお、図２（Ｂ）（Ｃ）の符号５は舌部を示し、１００ａは回転軸心（図４参照）を示す。

また、前記蓋部材６は、前記複数個のインサートベーン６ａを、それぞれ別体で個別に製作し、このインサートベーン６ａを該蓋部材６の表面に、ろう付け等により、固定することも可能である。
このようにインサートベーン６ａと蓋部材６を別体にして、ろう付け等で固定して製作するようにすれば、高温の際に温度が高くなるインサートベーンのみを高級部材で製作し、それを蓋部材と接続することで、インサートベーンと蓋部材の一体品をすべて高級部材で製作する場合よりもコストが安くなる。

尚、図４に示す従来技術と同様に、蓋部材６の外縁に位置するリング円８は、図２（Ａ）のように、内径Ｄ_２なるリング円８である。蓋部材６の外縁に形成された凸部８ａと、タービンハウジング０１に形成された凹部１ｓ（図１参照）との間には隙間があり、この隙間は、蓋部材６が周方向に熱膨張し、前記タービンハウジング凹部１ｓと干渉、変形するのを防ぐ。
また、リング円７と軸受ハウジング１１との嵌合部で中心を合わせており、軸受ハウジング１１とタービンハウジング０１は軸受ハウジング１１の外形部で嵌合されており、そこで中心を合わせている。これにより、３つの部材の中心が同軸上に合うことになる。
さらに、図３に示すように、前記内周スクロール部２の入口部には、該入口部に排気ガスをガイドし、排気ガスの流れを円滑に前記内周スクロール部２に流入されるための舌部５が、排気ガス流に沿って形成されている。

また、前記図４に示す従来技術と同様に、前記外周スクロール部１の排気入口部側には制御弁４が設置され、該制御弁４は前記タービンハウジング０１の周壁４ａに接脱することにより、前記内周スクロール部２への排気ガス流量および外周スクロール部１への排気ガス流量をそれぞれ制御している。
即ち、エンジンの低回転時には、制御弁４が周壁４ａに接して閉じることにより外周スクロール部１が閉じて、排気ガスはＵ_２のように内周スクロール部２側にのみ流れる。
またエンジンの高回転時には、制御弁４が周壁４ａから離れて開くことにより、排気ガスは外周スクロール部１をＵ_１のように流れて、インサートベーン６ａの排気通路６ｂを通って内周スクロール部２に流入するとともに、内周スクロール部２へもＵ_２のように流れる。
従って、エンジンの低回転時と高回転時とで、前記制御弁４により排気ガス流量を変えることができる。

本発明によれば、蓋部材と遮熱板の構造を簡単化して部品点数を低減し、遮熱板とインサートベーンを支持する蓋部材の組立を容易化し、且つ遮熱板の変形を低減した可変容量排気ガスタービンを提供できる。

本発明の実施例に係る可変容量排気ガスタービンのタービン軸心線に沿う断面図である。 （Ａ）は前記実施例における蓋部材および縮径板の断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ矢視図、（Ｃ）は（Ａ）のＢ矢視図である。 図１のＣ−Ｃ断面図である。 従来技術にかかる可変容量排気ガスタービンの回転軸心に直角な要部断面図である。 従来技術にかかる図４のＹ−Ｙ断面図である。

符号の説明

０１ タービンハウジング
１ 外周スクロール部
２ 内周スクロール部
２ａ 境界壁
４ 制御弁
４ａ 周壁
５ 舌部
６ 蓋部材
６ａ インサートベーン
６ｂ 排気通路
７ リング円
７ｃ 補強リブ
８ リング円
１０ タービンロータ
１１ 軸受ハウジング
１２ スクロール部
２０ 排気入口部
２０ａ 排気出口部
２９ ボルト
３０ 止めピン
６２ 縮径板（遮熱板）
１００ｂ 開口端面

Claims (4)

1. 軸受ハウジングにより軸支されるシャフトと、該シャフトの一端に固定され排気ガスにより回転駆動されるタービンロータと、該タービンロータを中央部に収容するとともに排気入口部及び排気出口部を有し、前記排気入口部とタービンロータとの間に通路断面積が漸次減少するスクロール部を有するタービンハウジングと、前記スクロール部を前記タービンロータの径方向に分割して形成された内周スクロール部および外周スクロール部とを備えるとともに、該タービンロータの周方向に複数個列設されたインサートベーンにより、内周スクロール部へ直接流入する排気ガスの流動と前記外周スクロール部を流れる排気ガスを内周スクロール部に流入させる排気ガスの流動とを制御するように構成し、
   前記外周スクロール部の排気入口部側に配設され前記内周スクロール部への排気ガス流量および外周スクロール部への排気ガス流量をそれぞれ制御する制御弁を備えるとともに、
   前記タービンハウジングの開口端面に前記内、外周スクロール部を画成する蓋部材が配設され、該蓋部材の排気通路側に、前記インサートベーンが突設されている可変容量排気ガスタービンにおいて、
   前記蓋部材は、その内径側を軸受ハウジングとタービンロータの空隙に沿ってシャフト直交面方向に延在させた縮径板と一体的に形成されるとともに、前記縮径板を該タービンロータに対向させて熱流を遮断する遮熱板として構成したことを特徴とする可変容量排気ガスタービン。
2. 前記蓋部材の内径側と縮径板との間が、軸受ハウジング側に突設するリング円を介して一体的に形成されていることを特徴とする請求項１記載の可変容量排気ガスタービン。
3. 前記リング円は、軸受ハウジング側の円形段部に嵌合可能に支持されたことを特徴とする請求項２記載の可変容量排気ガスタービン。
4. 前記リング円の外周側に位置する蓋部材に、放射状に補強リブを形成し、一方リング円の内周側に位置する縮径板側には補強リブを形成しないことを特徴とする請求項２記載の可変容量排気ガスタービン。

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