JP2013170487A

JP2013170487A - 過給機

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Publication number: JP2013170487A
Application number: JP2012033986A
Authority: JP
Inventors: Kazuomi Takahashi; 和臣高橋; Yukio Takahashi; 幸雄高橋; Hiromoto Ono; 博基小野
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2013-09-02
Anticipated expiration: 2032-02-20
Also published as: JP5966417B2

Abstract

【課題】タービン軸におけるタービンインペラとの固定部分近傍の耐久性を向上しつつ、電子ビーム溶接処理の品質および作業効率の低下を抑制する。
【解決手段】一端に軸方向に窪む窪部７ａが形成されたタービン軸７と、タービン軸の一端に固定され窪部を閉塞するホイール２０およびホイールの外周に複数の羽根２１を有するタービンインペラ８とが、過給機本体内に回転自在に収容される過給機は、ホイールで閉塞された窪部の内部空間Ｅを形成する壁面には、内部空間の内側に向かって突出する突出部２２が設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、タービン軸の一端にタービンインペラを固定して収容した過給機に関する。

従来、一端にタービンインペラが設けられ他端にコンプレッサインペラが設けられたタービン軸が、ベアリングハウジングに回転自在に保持された過給機が知られている。こうした過給機を、例えば、エンジンに接続する場合には、エンジンから排出される排気ガスによってタービンインペラを回転させるとともに、このタービンインペラの回転によって、タービン軸を介してコンプレッサインペラを回転させる。

タービンインペラは高温の排気ガスに晒されることから、タービン軸とタービンインペラとの固定には、耐熱性を考慮して電子ビーム溶接処理が用いられる。タービン軸とタービンインペラの溶接部分近傍の耐久性を向上するため、特許文献１には、タービン軸の一端に軸方向に窪む窪部を設け、タービン軸の一端とホイールとで囲繞される内部空間を確保した構成が記載されている。このように内部空間を設けると、タービン軸のうち、内部空間の径方向外方の壁面を構成する部分の剛性が低くなる。そのため、タービンインペラの回転による遠心力などでタービン軸の一端に負荷がかかっても、壁面部分が弾性変形することでタービン軸の一端への応力集中を抑制し、耐久性を向上できる。

特公平０４−０２７３６３号公報

タービン軸の一端とタービンインペラとを電子ビーム溶接して固定する場合、空気が溶接の阻害要因となるため、溶接工程は真空の作業空間で行われる。しかし、上記のように、窪部を設けた構成においては、タービン軸とタービンインペラとで閉塞された内部空間に空気が留まる場合がある。すると、電子ビーム溶接処理において、溶接部分の欠陥を生じさせるおそれがある。また、窪部を設けない構成に比べて、内部空間から空気を確実に排除するために、真空引き処理に十分な時間を確保する必要があり、作業効率が低下してしまう。

本発明の目的は、タービン軸におけるタービンインペラとの固定部分近傍の耐久性を維持しつつ、電子ビーム溶接の精度低下および作業効率の低下を抑制することができる過給機を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の過給機は、一端に軸方向に窪む窪部が形成されたタービン軸と、該タービン軸の一端に固定され前記窪部を閉塞するホイールおよび該ホイールの外周に複数の羽根を有するタービンインペラとが、過給機本体内に回転自在に収容される過給機であって、前記ホイールで閉塞された前記窪部の内部空間を形成する壁面には、該内部空間の内側に向かって突出する突出部が設けられたことを特徴とする。

前記突出部は、前記タービン軸に設けられてもよい。

前記突出部は、前記窪部の底面から隆起していてもよい。

本発明によれば、タービン軸におけるタービンインペラとの固定部分近傍の耐久性を維持しつつ、電子ビーム溶接の精度低下および作業効率の低下を抑制することができる。

過給機の概略断面図である。タービン軸およびタービンインペラの断面図である。比較例におけるタービン軸およびタービンインペラの断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、過給機Ｃの概略断面図であり、図２は、過給機Ｃの外観斜視図である。以下では、図１に示す矢印Ｆ方向を過給機Ｃの前側とし、矢印Ｒ方向を過給機Ｃの後側として説明する。図１に示すように、過給機Ｃは、過給機本体１を備えて構成される。この過給機本体１は、ベアリングハウジング２と、ベアリングハウジング２の前側に締結ボルト３によって連結されるタービンハウジング４と、ベアリングハウジング２の後側に締結ボルト５によって連結されるコンプレッサハウジング６と、が一体化されて形成されている。

ベアリングハウジング２には、過給機Ｃの前後方向に貫通する軸受孔２ａが形成されており、この軸受孔２ａにタービン軸７がベアリングを介して回転自在に支持されている。タービン軸７の前端部（一端）にはタービンインペラ８が一体的に固定されており、このタービンインペラ８がタービンハウジング４内に回転自在に収容されている。また、タービン軸７の後端部（他端）にはコンプレッサインペラ９が一体的に固定されており、このコンプレッサインペラ９がコンプレッサハウジング６内に回転自在に収容されている。

コンプレッサハウジング６には、過給機Ｃの後側に開口するとともに不図示のエアクリーナに接続される吸気口１０が形成されている。また、締結ボルト５によってベアリングハウジング２とコンプレッサハウジング６とが連結された状態では、これら両ハウジング２、６の対向面によって、空気を圧縮して昇圧するディフューザ流路１１が形成される。このディフューザ流路１１は、タービン軸７（コンプレッサインペラ９）の径方向内側から外側に向けて環状に形成されており、上記の径方向内側において、コンプレッサインペラ９を介して吸気口１０に連通している。

また、コンプレッサハウジング６には、ディフューザ流路１１よりもタービン軸７（コンプレッサインペラ９）の径方向外側に位置する環状のコンプレッサスクロール流路１２が設けられている。コンプレッサスクロール流路１２は、不図示のエンジンの吸気口と連通するとともに、ディフューザ流路１１にも連通している。したがって、コンプレッサインペラ９が回転すると、吸気口１０からコンプレッサハウジング６内に流体が吸気されるとともに、当該吸気された流体は、ディフューザ流路１１およびコンプレッサスクロール流路１２で昇圧されてエンジンの吸気口に導かれることとなる。

タービンハウジング４には、過給機Ｃの前側に開口するとともに不図示の排気ガス浄化装置に接続される吐出口１３が形成されている。また、タービンハウジング４には、流路１４と、この流路１４よりもタービン軸７（タービンインペラ８）の径方向外側に位置する環状のタービンスクロール流路１５とが設けられている。タービンスクロール流路１５は、エンジンの排気口から排出される排気ガスが導かれる不図示のガス流入口と連通するとともに、上記の流路１４にも連通している。したがって、ガス流入口からタービンスクロール流路１５に導かれた排気ガスは、流路１４およびタービンインペラ８を介して吐出口１３に導かれるとともに、その流通過程においてタービンインペラ８を回転させることとなる。そして、上記のタービンインペラ８の回転力は、タービン軸７を介してコンプレッサインペラ９に伝達されることとなり、コンプレッサインペラ９の回転力によって、上記のとおりに、流体が昇圧されてエンジンの吸気口に導かれることとなる。

上述したタービンインペラ８は高温の排気ガスに晒されることから、タービン軸７とタービンインペラ８との固定には、耐熱性を考慮して電子ビーム溶接処理が用いられる。以下、このタービン軸７とタービンインペラ８との固定部分について詳述する。

図２は、タービン軸７およびタービンインペラ８の断面図である。ここでは、タービン軸７のコンプレッサインペラ９側は省略し、タービンインペラ８側を示す。また、図３は、比較例における図２に対応する位置の断面図である。

図２に示すように、タービンインペラ８は、ホイール（ハブ）２０と、羽根（ブレード）２１と、を有する。

ホイール２０は、一端から他端に向かって径方向外方に広がる外周面２０ａと、タービン軸７に対向する底面２０ｂと、底面２０ｂより面積の小さい上面２０ｃとを有し、底面２０ｂおよび上面２０ｃの中央を中心として回転する回転体である。

羽根２１は、屈曲した薄板形状の部材であって、ホイール２０の外周面２０ａに周方向に均等に複数配され、ホイール２０の外周面２０ａから径方向外方に延在し、ホイール２０の周方向に傾斜するように屈曲している。羽根２１は、ホイール２０と鋳造などによって一体成型される。

タービン軸７は、棒部材であって、タービンインペラ８が固定される側の一端に、軸方向に窪む窪部７ａが形成されている。

ホイール２０の底面２０ｂには、周方向に延在する環状の突起部２０ｄが形成されており、この突起部２０ｄと、タービン軸７の窪部７ａの縁であるタービン軸７の先端７ｂとが当接された後、その当接部分が電子ビーム溶接される。こうして、底面２０ｂがタービン軸７の一端に固定されることとなる。

このとき、窪部７ａは、ホイール２０の底面２０ｂによって閉塞され、当該底面２０ｂと、窪部７ａを形成する壁面とによって囲繞される内部空間Ｅが設けられることとなる。内部空間Ｅを設けると、タービン軸７のうち、内部空間Ｅの径方向外方の壁面を構成する部分の剛性が低くなるため、この壁面部分が弾性変形することでタービン軸７の端部への応力集中を抑制し、耐久性を向上できる。

ところで、タービン軸７の端部とホイール２０の底面２０ｂとを電子ビーム溶接して固定する場合、空気が溶接の阻害要因となるため、電子ビーム溶接作業を行う空間に対して真空引きをする。

この真空引き処理は、治具によって、ホイール２０の底面２０ｂの突起部２０ｄと、タービン軸７の先端７ｂとを当接させてクランプした状態で行う。そのため、内部空間Ｅから十分に空気を排除できない可能性がある。

また、内部空間Ｅに空気が留まると、溶接部分に空気が混入して欠陥（ボイド）を生じさせるおそれがあるため、内部空間Ｅから空気を確実に排除するために、真空引き処理に十分な時間を確保する必要があり、その結果、作業効率が低下してしまう。

そこで、本実施形態においては、ホイール２０で閉塞された窪部７ａの内部空間Ｅを形成する壁面には、内部空間Ｅの内側に向かって突出する突出部２２が設けられている。ここでは、突出部２２は、タービン軸７、より詳細には、タービン軸７における窪部７ａの底面から軸方向に隆起するように設けられている。

このように、本実施形態の過給機Ｃは、タービン軸７とタービンインペラ８との固定部分において、内部空間Ｅの壁面に突出部２２が設けられており、図３に示す比較例のような突出部を設けていない構成に比べて、内部空間Ｅの容積が小さくなる。そのため、過給機Ｃは、タービン軸７とタービンインペラ８との電子ビーム溶接処理において、内部空間Ｅから空気を迅速に排除でき、窪部７ａを設けたことによる作業効率の低下を抑制できる。また、内部空間Ｅに空気が残留すると、電子ビーム溶接処理において欠陥が生じる場合があるが、過給機Ｃは、内部空間Ｅの容積が小さいため、従来と同じように真空引きした場合に空気が残留し難くなり、欠陥の発生を抑制することが可能となる。

タービン軸７は、中実の棒材を切削して形成されるため、タービン軸７に突出部２２を設けても、材料費の上昇を招き難い。そのため、過給機Ｃは、突出部２２を設けたことによる、製造コストの上昇を抑制できる。

また、突出部２２は、窪部７ａの底面から軸方向に隆起している。このように、底面を隆起させる構成により、例えば、突出部２２を旋盤加工で容易に形成でき、過給機Ｃは、突出部２２を設けたことによる製造コストの上昇をさらに抑制できる。

上述した実施形態では、突出部２２がタービン軸７に設けられた場合について説明したが、突出部は、タービンインペラ８のホイール２０に設けられ、軸方向に突出してもよい。

また、上述した実施形態では、突出部２２が１つ設けられる場合について説明したが、突出部は、複数も受けられてもよい。

また、上述した実施形態では、突出部２２が窪部７ａの底面に設けられた場合について説明したが、突出部は、内部空間Ｅの径方向の壁面、すなわち、窪部７ａのうち、周方向に延在する環状の内周面に設けられてもよい。この場合、突出部は、内周面から径方向内方に向かって突出するものであって、例えば、周方向に等間隔に複数配される。複数の突出部が間隔を空けて配されることで、１つの環状の突出部とする場合に比べ、内部空間Ｅの径方向外方の壁面を構成する部分の剛性を低くし、応力集中を抑制して耐久性を向上できる。

また、上述した実施形態では、ホイール２０に突起部２０ｄが形成される場合について説明したが、突起部２０ｄを形成せず、タービン軸７の先端７ｂを、ホイール２０の底面２０ｂに直接溶接してもよい。

また、タービン軸７とホイール２０の固定部分は、インロー構造であってもよい。この場合、例えば、タービン軸７の先端７ｂの外径を、突起部２０ｄの内側に嵌入できる寸法とすると共に、タービン軸７に、径方向外方に突出する環状の突起であって、突起部２０ｄの軸方向の端面に当接する当接部を設ける。そして、突起部２０ｄの軸方向の端面と当接部を電子ビーム溶接するとよい。

また、タービン軸７とホイール２０の固定部分のインロー構造は、タービン軸７の窪部７ａに、ホイール２０の突起部２０ｄが嵌入する構成であってもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、タービン軸の一端にタービンインペラを固定して収容した過給機に利用することができる。

Ｃ …過給機
Ｅ …内部空間
１ …過給機本体
７ …タービン軸
７ａ …窪部
８ …タービンインペラ
２０ …ホイール
２１ …羽根
２２ …突出部

Claims

一端に軸方向に窪む窪部が形成されたタービン軸と、該タービン軸の一端に固定され前記窪部を閉塞するホイールおよび該ホイールの外周に複数の羽根を有するタービンインペラとが、過給機本体内に回転自在に収容される過給機であって、
前記ホイールで閉塞された前記窪部の内部空間を形成する壁面には、該内部空間の内側に向かって突出する突出部が設けられたことを特徴とする過給機。
前記突出部は、前記タービン軸に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の過給機。
前記突出部は、前記窪部の底面から隆起していることを特徴とする請求項２に記載の過給機。