JP2013194528A

JP2013194528A - 過給機

Info

Publication number: JP2013194528A
Application number: JP2012059620A
Authority: JP
Inventors: Yukio Takahashi; 幸雄高橋; Kazuomi Takahashi; 和臣高橋; Jose Javier Bayod; ホセハビエルバヨッド; Hiromoto Ono; 博基小野
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2013-09-30

Abstract

【課題】タービン軸の一端に設けられた窪部の側面と底面との境界部分への応力集中を抑制し、タービン軸の耐久性を向上する。
【解決手段】過給機は、タービン軸７と、タービンインペラ８と、を備え、タービン軸の一端には、タービンインペラのホイール２３が溶接される溶接面２０と、溶接面よりも小径であって、当該溶接面からタービン軸の軸方向に突出する突出部２１と、突出部よりも当該タービン軸の径方向内方に設けられ、当該タービン軸の一端側から他端側に向けて軸方向に窪む窪部２２と、が設けられ、タービンインペラは、ホイールに形成されタービン軸の突出部が挿入される挿入穴２３ｅを有し、当該挿入穴の周縁が溶接面に対面した状態でタービン軸に溶接され、突出部の先端を基準とする窪部の軸方向の窪みの深さＬは、溶接面を基準とする突出部の軸方向の突出高さＬｒｅｆに対して、１．８倍より大きい。
【選択図】図３

Description

本発明は、一端にタービンインペラが溶接固定されたタービン軸を回転自在に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た構成が記載されている。このように窪部を設けると、タービン軸のうち、窪部の径方向の壁面を構成する部分の剛性を低くできる。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、耐久性を向上することが可能となる。

特公平０４−０２７３６３号公報

しかしながら、上記のように、タービン軸の一端に窪部を設けた場合、窪部を形成する壁面のうち、窪部の径方向の壁面（側面）と窪部の底面との境界部分に応力が集中し易い。そのため、窪部の側面と底面との境界部分への応力集中を抑制する構成の開発が望まれている。

本発明の目的は、タービン軸の一端に設けられた窪部の側面と底面との境界部分への応力集中を抑制し、タービン軸の耐久性を向上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、過給機本体と、前記過給機本体内に配された軸受に回転自在に支持されたタービン軸と、前記タービン軸の一端に固定されるホイール、および、該ホイールの径方向外方に設けられ、互いに周方向に離隔する複数の羽根を有し、前記過給機本体内に収容されたタービンインペラと、を備え、前記タービン軸の一端には、前記タービンインペラのホイールが溶接される溶接面と、前記溶接面よりも小径であって、当該溶接面から前記タービン軸の軸方向に突出する突出部と、前記突出部よりも当該タービン軸の径方向内方に設けられ、当該タービン軸の一端側から他端側に向けて軸方向に窪む窪部と、が設けられ、前記タービンインペラは、前記ホイールに形成され前記タービン軸の突出部が挿入される挿入穴を有し、当該挿入穴の周縁が前記溶接面に対面した状態で前記タービン軸に溶接され、前記突出部の先端を基準とする前記窪部の軸方向の窪みの深さは、前記溶接面を基準とする前記突出部の軸方向の突出高さに対して、１．８倍より大きいことを特徴とする。

前記窪部の軸方向の窪みの深さは、前記突出部の軸方向の突出高さに対して、２．６倍以上であってもよい。

本発明によれば、タービン軸の一端に設けられた窪部の側面と底面との境界部分への応力集中を抑制し、タービン軸の耐久性を向上することができる。

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。シミュレーションモデルを説明するための説明図である。シミュレーション結果を示すグラフである。

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が軸受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。

図２に示すように、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は、当該タービンインペラ８との溶接処理が施される溶接面２０と、この溶接面２０からタービン軸７の軸方向に突出する突出部２１とが設けられている。突出部２１は、環状に形成され、タービンインペラ８側から見たとき、溶接面２０より周方向の外形が小さい。換言すれば、突出部２１の直径は、溶接面２０の内径よりも小さい（小径である）。

また、タービン軸７は、この突出部２１の径方向内方において窪部２２を有する。窪部２２は、突出部２１の先端２１ａ（一端側）から、コンプレッサインペラ９側（他端側）に向かって軸方向に形成された窪みである。

タービンインペラ８は、ホイール（ハブ）２３と、羽根（ブレード）２４と、を有する。

ホイール２３は、一端から他端に向かって径方向外方に広がる外周面２３ａと、タービン軸７に対向する底面２３ｂと、底面２３ｂより面積の小さい上面２３ｃとを有し、底面２３ｂおよび上面２３ｃの中央を中心として回転する回転体である。

羽根２４は、屈曲した薄板形状の部材であって、ホイール２３の外周面２３ａに、互いに周方向に離隔して複数配され、ホイール２３の外周面２３ａから径方向外方に延在し、ホイール２３の周方向に傾斜するように屈曲している。羽根２４は、ホイール２３と鋳造などによって一体成型される。

ホイール２３の底面２３ｂには、環状の突起部２３ｄが設けられており、突起部２３ｄの径方向内方には、突起部２３ｄを外壁とする挿入穴２３ｅが形成される。

挿入穴２３ｅは、タービン軸７の突出部２１が嵌入する寸法関係となっており、タービン軸７の突出部２１とホイール２３の挿入穴２３ｅによってインロー構造となっている。そして、挿入穴２３ｅに突出部２１が挿入された状態において、挿入穴２３ｅの周縁である突起部２３ｄの先端が、タービン軸７の溶接面２０に対面した状態で、当該当接部分が溶接される。こうして、ホイール２３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、タービン軸７は、窪部２２が形成されていることによって、窪部２２の径方向の壁面（側面）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。

しかし、このようなインロー構造を採用して溶接処理を施すと、タービン軸７の一端に設けられた窪部２２の側面と底面との境界部分２１ｂに応力が集中し易い。本願発明者は、この境界部分２１ｂにかかる応力を軽減できる形状を特定するため、複数の形状条件における応力計算のシミュレーションを行った。

その結果に基づき、本実施形態の過給機Ｃは、下記の形状で形成したものとする。すなわち、突出部２１の先端を基準とした、窪部２２の軸方向の窪みの深さは、溶接面２０を基準とした、突出部２１の軸方向の突出高さに対して、１．８倍より大きく、特にここでは、２．６倍以上とする。

以下、シミュレーションの内容について詳述する。図３は、シミュレーションモデルを説明するための説明図であり、図２に示す破線部分に対応する部分の断面を示す。

図３に示すように、タービン軸７の溶接面２０を基準とした、突出部２１の軸方向の突出高さを高さＬｒｅｆとする。また、突出部２１の先端２１ａを基準とした、窪部２２の軸方向の窪みの深さを深さＬとする。

このとき、突出部２１の付け根部分２１ｃから、コンプレッサインペラ９側に向かって亀裂が生じたものとし、この亀裂の先端からコンプレッサインペラ９側に向かう、タービン軸７内部の複数の位置における、内部応力を計算した。さらに、窪部２２の側面と底面との境界部分２１ｂにおける内部応力を計算した。

図４は、シミュレーション結果を示すグラフである。図４（ａ）〜（ｃ）では、突出部２１の軸方向の突出高さＬｒｅｆに対する、窪部２２の軸方向の窪みの深さＬの比（以下、単に寸法比と称す）が、それぞれ、１．４、１．８、２．６となる、形状条件Ａ〜Ｃについて、亀裂の先端近傍におけるタービン軸７の内部応力に対応する点がプロットされている。ここでは、形状条件Ａの凡例を丸、形状条件Ｂの凡例を三角、形状条件Ｃの凡例を四角で示す。

図４（ａ）は、タービン軸７内部の径方向の応力を示すグラフである。図４（ａ）において、横軸は、寸法比を示し、縦軸は、径方向の応力を示す。

シミュレーションの結果、図４（ａ）に示すように、形状条件Ａの応力が最も高く、形状条件Ｃの応力が最も低い。このことから、窪部２２の軸方向の窪みの深さＬが深い方が、突出部２１の付け根部分２１ｃの亀裂近傍の応力を低減できるとわかった。すなわち、付け根部分２１ｃの亀裂の進展速度を低減することが可能となる。

図４（ｂ）は、窪部２２の側面と底面との境界部分２１ｂにおける、相当応力を示すグラフであり、図４（ｃ）は、窪部２２の側面と底面との境界部分２１ｂにおける、タービン軸７内部の主応力を示すグラフである。

図４（ｂ）、（ｃ）において、横軸は、寸法比を示す。また、図４（ｂ）において、縦軸は、相当応力を示し、図４（ｃ）において、縦軸は、主応力を示す。

図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、相当応力および主応力は、寸法比が１．８となる形状条件Ｂの近傍をピークとして、寸法比が１．８より大きくなっても、小さくなっても、低下する。

図４（ａ）を参照して上述したように、寸法比が大きい方が、突出部２１の付け根部分２１ｃの応力は低減できる。そのため、なるべく寸法比が大きくなるように、すなわち、窪部２２の深さを深く形成した方がよい。その上で、上記の窪部２２の側面と底面との境界部分２１ｂにおける応力（相当応力および主応力）を低下させるためには、寸法比を１．８より大きくすればよいことがわかった。

上記のとおり、本実施形態の過給機Ｃは、タービン軸７の窪部２２の窪みの深さを、溶接面２０を基準とした、突出部２１の軸方向の突出高さに対して、１．８倍より大きいものとしている。そのため、突出部２１の付け根部分２１ｃに生じる応力を低く抑えて亀裂の進展速度を低減すると共に、窪部２２の側面と底面との境界部分２１ｂにおける応力を抑制する。こうして、過給機Ｃは、タービン軸７の耐久性を向上することができる。

特に、タービン軸７の窪部２２の窪みの深さを、溶接面２０を基準とした、突出部２１の軸方向の突出高さに対して、２．６倍以上とすることで、突出部２１の付け根部分２１ｃに生じる応力低減と、窪部２２の側面と底面との境界部分２１ｂにおける応力低減という効果を一層向上させることができる。

なお、上述した実施形態では、タービン軸７とホイール２３の固定部分のインロー構造は、タービン軸７の突出部２１がホイール２３の挿入穴２３ｅに嵌入する場合について説明したが、タービン軸７の窪部２２に、ホイール２３の突起部２３ｄ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
１ …過給機本体
７ …タービン軸
８ …タービンインペラ
２０ …溶接面
２１ …突出部
２１ａ …先端
２２ …窪部
２３ …ホイール
２３ｅ …挿入穴
２４ …羽根

Claims

過給機本体と、
前記過給機本体内に配された軸受に回転自在に支持されたタービン軸と、
前記タービン軸の一端に固定されるホイール、および、該ホイールの径方向外方に設けられ、互いに周方向に離隔する複数の羽根を有し、前記過給機本体内に収容されたタービンインペラと、
を備え、
前記タービン軸の一端には、
前記タービンインペラのホイールが溶接される溶接面と、
前記溶接面よりも小径であって、当該溶接面から前記タービン軸の軸方向に突出する突出部と、
前記突出部よりも当該タービン軸の径方向内方に設けられ、当該タービン軸の一端側から他端側に向けて軸方向に窪む窪部と、が設けられ、
前記タービンインペラは、
前記ホイールに形成され前記タービン軸の突出部が挿入される挿入穴を有し、当該挿入穴の周縁が前記溶接面に対面した状態で前記タービン軸に溶接され、
前記突出部の先端を基準とする前記窪部の軸方向の窪みの深さは、前記溶接面を基準とする前記突出部の軸方向の突出高さに対して、１．８倍より大きいことを特徴とする過給機。
前記窪部の軸方向の窪みの深さは、前記突出部の軸方向の突出高さに対して、２．６倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の過給機。