JP2016223332A - ターボチャージャ - Google Patents
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Abstract
【課題】バランス取りを行う削り代を確保しつつ、タービンホイール5aの重心位置xをシャフト7に近づけることのできるターボチャージャ2を提供する。【解決手段】タービンホイール5aの軸方向の先端に、シャフト7に近づく方向へ窪む形状の凹部33を設ける。この凹部33の穴底33aの軸方向の位置を、翼端32aよりシャフト7に近い位置に設ける。また、凹部33の周囲に環状リブ35を設ける。この環状リブ35によってバランス取りを行う際の削り代を確保できるとともに、凹部33によって重心位置xをシャフト7に近づけることができる。このため、第1、第2排気スクロール21、22を備えたツインスクロールタイプを採用しても、重心位置xをシャフト7に近づけることができる。その結果、タービンホイール5aの高速回転化が可能になり、ターボチャージャの小型化が可能になる。【選択図】 図2
Description
本発明は、エンジンから排出された排気ガス流によってエンジンに供給する吸気の過給を行うターボチャージャに関する。
ターボチャージャに備わるタービンホイールは、シャフトの端部に結合されるロータハブと、排気ガス流を受ける複数のタービン翼とが一体に設けられたものである。なお、以下では、シャフトの軸芯が伸びる方向を軸方向、タービン翼の軸方向寸法を翼幅寸法と称する。
ロータハブにおいてシャフトから軸方向に最も離れた部位のハブ端には、シャフトから遠ざかる方向へ突出した形状の凸部が設けられていた。
この凸部は、シャフトとコンプレッサホイールを結合する際に、シャフトの端部に固定されたタービンホイールの回止めを行う工具の係合部として用いられる。
また、凸部は、回転方向のバランス取りを行う際の削り代としても用いられる。
この凸部は、シャフトとコンプレッサホイールを結合する際に、シャフトの端部に固定されたタービンホイールの回止めを行う工具の係合部として用いられる。
また、凸部は、回転方向のバランス取りを行う際の削り代としても用いられる。
(問題点1)
ターボチャージャは、タービンホイールの重心位置がシャフトに近づくほど軸の共振回転数をより高回転にすることができ、逆にタービンホイールの重心位置がシャフトから遠ざかるほど軸の共振回転数が下がることが知られている。
即ち、タービンホイールの重心位置がシャフトに近づくほどタービンホイールの許容回転数をより高速回転化することが可能になる。このようにタービンホイールの高速回転化が可能になると、高過給が可能になるため、過給圧が従来技術と同じであればターボチャージャの小型化が可能になる。
ターボチャージャは、タービンホイールの重心位置がシャフトに近づくほど軸の共振回転数をより高回転にすることができ、逆にタービンホイールの重心位置がシャフトから遠ざかるほど軸の共振回転数が下がることが知られている。
即ち、タービンホイールの重心位置がシャフトに近づくほどタービンホイールの許容回転数をより高速回転化することが可能になる。このようにタービンホイールの高速回転化が可能になると、高過給が可能になるため、過給圧が従来技術と同じであればターボチャージャの小型化が可能になる。
しかし、従来技術では、上述したように、工具の係合部とバランス取り用の削り代として用いる凸部が、シャフトとは異なる側のタービンホイールに設けられていた。この凸部がシャフトとは異なる側に存在することにより、タービンホイールの重心位置がシャフトから遠ざかる不具合があり、タービンホイールの高速回転化の妨げとなっていた。
(問題点2)
タービンホイールの重心位置をシャフトに近づける手段として、翼幅寸法を小さくしてタービンホイールの軸方向寸法を短くすることが考えられる。
しかし、翼幅寸法を小さくすると、排気ガスを効率的にタービンホイールの回転エネルギーに変換できなくなり、タービン効率の低下を招いてしまう。
タービンホイールの重心位置をシャフトに近づける手段として、翼幅寸法を小さくしてタービンホイールの軸方向寸法を短くすることが考えられる。
しかし、翼幅寸法を小さくすると、排気ガスを効率的にタービンホイールの回転エネルギーに変換できなくなり、タービン効率の低下を招いてしまう。
このことを、図5を参照して説明する。
図5の実線Aに示すように、翼幅寸法が小さいとタービン効率が悪く、翼幅寸法を大きくすることでタービン効率を向上できる。
しかし、翼幅寸法が大きくなるほど、タービンホイールの重心位置がシャフトから遠ざかる不具合があり、タービンホイールの高速回転化の妨げとなってしまう。
このように、タービン効率を高める目的で翼幅寸法を大きくすると、タービンホイールの重心位置がシャフトから遠ざかって高速回転時の安全性が低下するという二律背反が生じる不具合がある。
図5の実線Aに示すように、翼幅寸法が小さいとタービン効率が悪く、翼幅寸法を大きくすることでタービン効率を向上できる。
しかし、翼幅寸法が大きくなるほど、タービンホイールの重心位置がシャフトから遠ざかる不具合があり、タービンホイールの高速回転化の妨げとなってしまう。
このように、タービン効率を高める目的で翼幅寸法を大きくすると、タービンホイールの重心位置がシャフトから遠ざかって高速回転時の安全性が低下するという二律背反が生じる不具合がある。
(発明の目的)
本発明は、上記問題点に着目してなされたものであり、その目的は、バランス取りを行う際の削り代を確保しつつ、タービンホイールの重心位置をシャフトに近づけることのできるターボチャージャの提供にある。
本発明は、上記問題点に着目してなされたものであり、その目的は、バランス取りを行う際の削り代を確保しつつ、タービンホイールの重心位置をシャフトに近づけることのできるターボチャージャの提供にある。
本発明は、凹部の周囲に設けた環状リブによりバランス取りを行う際の削り代を確保できる。
また、本発明は、ハブ端に設けた凹部によりタービンホイールの重心位置をシャフトに近づけることができる。
このように本発明を採用することにより、バランス取りを行う際の削り代を確保しつつ、タービンホイールの重心位置をシャフトに近づけることができる。
また、本発明は、ハブ端に設けた凹部によりタービンホイールの重心位置をシャフトに近づけることができる。
このように本発明を採用することにより、バランス取りを行う際の削り代を確保しつつ、タービンホイールの重心位置をシャフトに近づけることができる。
以下では、図面に基づいて発明を実施するための形態を説明する。なお、以下で開示する実施形態は、一例を開示するものであって、本発明が実施形態に限定されないことは言うまでもない。
[実施形態1]
図1〜図5に基づいて実施形態1を説明する。
車両走行用のエンジン1は、ターボチャージャ2を搭載する。
エンジン1は、燃料の燃焼により回転動力を発生する内燃機関であり、吸気をエンジン気筒内へ導く吸気通路3を備えるとともに、気筒内で発生した排気ガスを浄化した後に大気中に排出する排気通路4を備える。
図1〜図5に基づいて実施形態1を説明する。
車両走行用のエンジン1は、ターボチャージャ2を搭載する。
エンジン1は、燃料の燃焼により回転動力を発生する内燃機関であり、吸気をエンジン気筒内へ導く吸気通路3を備えるとともに、気筒内で発生した排気ガスを浄化した後に大気中に排出する排気通路4を備える。
ターボチャージャ2は、エンジン1から排出される排気ガスのエネルギーを利用してエンジン1に吸い込まれる吸気を加圧する過給器である。このターボチャージャ2は、エンジン1の排気ガスによって駆動される排気タービン5を備える。また、ターボチャージャ2は、排気タービン5により駆動されて、エンジン1に吸い込まれる吸気を加圧する吸気コンプレッサ6を備える。
(特徴技術1)
この実施形態1のターボチャージャ2は、少なくとも、高速回転自在に支持される円柱棒状のシャフト7と、このシャフト7の端部に強固に結合されるタービンホイール5aとを備える。
この実施形態1のターボチャージャ2は、少なくとも、高速回転自在に支持される円柱棒状のシャフト7と、このシャフト7の端部に強固に結合されるタービンホイール5aとを備える。
シャフト7の材質や製造技術は限定されるものではなく、周知のターボチャージャ2に用いられる周知の材質や製造技術により設けられる。具体的な一例を開示すると、シャフト7の材質は、ニッケルを含む合金や、コバルトを含む合金などよりなる。また、シャフト7は、削り出し、鍛造、ロストワックス鋳造などにより製造される。
タービンホイール5aの材質や製造技術も限定されるものではなく、周知のターボチャージャ2に用いられる周知の技術により設けられる。具体的な一例を開示すると、タービンホイール5aの材質は、例えばチタンアルミナイド合金、ニッケルを含む合金、コバルトを含む合金などよりなる。あるいは、2種類の合金を組み合わせた複合材料によってタービンホイール5aを設けても良い。また、タービンホイール5aは、ロストワックス鋳造、遠心鋳造などにより製造される。
タービンホイール5aとシャフト7の結合技術も限定するものではなく、周知のターボチャージャ2に用いられる周知の技術により結合される。具体的な一例を開示すると、タービンホイール5aとシャフト7は、摩擦接合、電子ビーム溶接などの溶接技術により強固に結合される。
タービンホイール5aを具体的に説明する。
タービンホイール5aは、略円錐形状を呈するロータハブ31と、排気ガスを受ける複数のタービン翼32とを一体に設けたものである。複数のタービン翼32は、ロータハブ31の外周面から外径方向へ向かって伸びる湾曲した薄板形状を呈する。そして、複数のタービン翼32は、ロータハブ31の外周面において回転方向へ略等間隔に離間して配置される。
タービンホイール5aは、略円錐形状を呈するロータハブ31と、排気ガスを受ける複数のタービン翼32とを一体に設けたものである。複数のタービン翼32は、ロータハブ31の外周面から外径方向へ向かって伸びる湾曲した薄板形状を呈する。そして、複数のタービン翼32は、ロータハブ31の外周面において回転方向へ略等間隔に離間して配置される。
なお、以下では、説明の便宜上、シャフト7の軸芯が伸びる方向を軸方向、ロータハブ31においてシャフト7から最も軸方向に離れた部位をハブ端31a、複数のタービン翼32においてシャフト7から最も離れた軸方向の端を翼端32aと称して説明する。
ハブ端31aは、シャフト7から軸方向に最も離れた箇所の回転中心に、シャフト7に遠い側からシャフト7に近づく方向へ窪む形状の凹部33を備える。
換言すれば、タービンホイール5aを反シャフト7側から見たタービンホイール5aの面を前面とした場合、タービンホイール5aにおける前面の回転中心に、凹部33を設けている。
この凹部33において、最もシャフト7に近い位置を穴底33aと称する。この穴底33aの軸方向の位置は、翼端32aよりシャフト7に近い位置に設けられる。
換言すれば、タービンホイール5aを反シャフト7側から見たタービンホイール5aの面を前面とした場合、タービンホイール5aにおける前面の回転中心に、凹部33を設けている。
この凹部33において、最もシャフト7に近い位置を穴底33aと称する。この穴底33aの軸方向の位置は、翼端32aよりシャフト7に近い位置に設けられる。
凹部33を具体的に説明する。この凹部33は、タービンホイール5aの製造時にタービン翼32とともに同時に形成される。この凹部33を軸方向にカットした場合の断面形状は、限定するものではなく、例えば穴底33aの形状が、軸方向に垂直な平面、断面U字形の球面、断面V字形の円錐面など、種々適用可能なものである。
また、穴底33aの軸方向の具体的な位置は限定するものではないが、使用範囲における最大回転時に、遠心力により生じる応力によって強度低下を招かない範囲に設定される。
具体的な一例として、凹部33の軸方向に沿う断面形状は、筒形の穴であり、凹部33の内周面には工具34が係合する回止形状αが設けられる。
この工具34は、コンプレッサホイール6aをシャフト7にナット7aで締めつける際に凹部33の内部に挿し入れられる。そして、工具34により回転を阻止したシャフト7にナット7aを締めつけることで、コンプレッサホイール6aがシャフト7に固定される。なお、この回止形状αの詳細は後述する。
具体的な一例として、凹部33の軸方向に沿う断面形状は、筒形の穴であり、凹部33の内周面には工具34が係合する回止形状αが設けられる。
この工具34は、コンプレッサホイール6aをシャフト7にナット7aで締めつける際に凹部33の内部に挿し入れられる。そして、工具34により回転を阻止したシャフト7にナット7aを締めつけることで、コンプレッサホイール6aがシャフト7に固定される。なお、この回止形状αの詳細は後述する。
穴底33aの軸方向の位置の具体例を説明する。
タービンホイール5aは、シャフト7から遠ざかるに従って径方向の質量が小さくなる。このため、ロータハブ31は、ハブ端31aに近づくほど遠心力の影響を受けにくくなり、遠心力による応力が小さくなる。
タービンホイール5aの重心位置xをシャフト7に近づける観点からは、穴底33aをシャフト7に近づけて凹部33の軸方向寸法を長くすることが好ましい。しかし、応力の発生範囲の大きい範囲まで凹部33を設けると、タービンホイール5aの強度が低下する懸念がある。
そこで、この実施形態では、タービンホイール5aの強度確保を目的として穴底33aを応力の小さい範囲に設ける。即ち、凹部33は、発生応力が所定範囲以下のロータハブ31に設けられる。
タービンホイール5aは、シャフト7から遠ざかるに従って径方向の質量が小さくなる。このため、ロータハブ31は、ハブ端31aに近づくほど遠心力の影響を受けにくくなり、遠心力による応力が小さくなる。
タービンホイール5aの重心位置xをシャフト7に近づける観点からは、穴底33aをシャフト7に近づけて凹部33の軸方向寸法を長くすることが好ましい。しかし、応力の発生範囲の大きい範囲まで凹部33を設けると、タービンホイール5aの強度が低下する懸念がある。
そこで、この実施形態では、タービンホイール5aの強度確保を目的として穴底33aを応力の小さい範囲に設ける。即ち、凹部33は、発生応力が所定範囲以下のロータハブ31に設けられる。
ハブ端31aは、ロータハブ31の一部として設けられた環状リブ35を備える。この環状リブ35は、凹部33の周囲を囲むように環状に設けられるものであり、翼端32aよりもシャフト7から軸方向に遠ざかる方向へ膨出する形状を呈する。この環状リブ35は、回転バランスのバランス取りを行う際の削り代として用いられる。
環状リブ35は、タービンホイール5aの製造時にタービン翼32や凹部33と同時に形成される。
環状リブ35の形状は、限定するものではなく、この実施形態では一例として軸方向寸法の短い略円筒形状に設けられる例を示す。また、環状リブ35においてシャフト7から最も離れた頂部の形状も限定するものではなく、頂部が軸方向に対して垂直な平面であっても良いし、頂部が円弧面であっても良いし、頂部の断面形状がV字形状のように尖っていても良い。
環状リブ35の形状は、限定するものではなく、この実施形態では一例として軸方向寸法の短い略円筒形状に設けられる例を示す。また、環状リブ35においてシャフト7から最も離れた頂部の形状も限定するものではなく、頂部が軸方向に対して垂直な平面であっても良いし、頂部が円弧面であっても良いし、頂部の断面形状がV字形状のように尖っていても良い。
(特徴技術1の効果1)
この実施形態1のタービンホイール5aは、環状リブ35によってバランス取りを行う際の削り代を確保できる。また、凹部33によって重心位置xをシャフト7に近づけることができる。
このように、重心位置xをシャフト7に近づけることで、タービンホイール5aの高速回転化が可能になり、高過給化が可能になる。このため、過給圧が従来技術と同じであればターボチャージャ2を従来技術より小型化することが可能になる。
この実施形態1のタービンホイール5aは、環状リブ35によってバランス取りを行う際の削り代を確保できる。また、凹部33によって重心位置xをシャフト7に近づけることができる。
このように、重心位置xをシャフト7に近づけることで、タービンホイール5aの高速回転化が可能になり、高過給化が可能になる。このため、過給圧が従来技術と同じであればターボチャージャ2を従来技術より小型化することが可能になる。
(特徴技術1の効果2)
タービンホイール5aを収容するタービンハウジング5bに、2つの独立した第1排気スクロール21と第2排気スクロール22を形成したものをツインスクロールタイプとする。また、図1とは異なり、排気タービン5に1つの排気スクロールを形成したものをシングルスクロールタイプとする。
ツインスクロールタイプまたはシングルスクロールタイプのどちらであっても、図5の実線Aに示すように、翼幅寸法を小さくするとタービン効率が低下してしまう。
そこで、翼幅寸法を大きくしてタービン効率を向上させることが望まれる。しかし、翼幅寸法が大きくなるほど、重心位置xがシャフト7から遠ざかってしまい、タービンホイール5aの高速回転化の妨げとなってしまう。
タービンホイール5aを収容するタービンハウジング5bに、2つの独立した第1排気スクロール21と第2排気スクロール22を形成したものをツインスクロールタイプとする。また、図1とは異なり、排気タービン5に1つの排気スクロールを形成したものをシングルスクロールタイプとする。
ツインスクロールタイプまたはシングルスクロールタイプのどちらであっても、図5の実線Aに示すように、翼幅寸法を小さくするとタービン効率が低下してしまう。
そこで、翼幅寸法を大きくしてタービン効率を向上させることが望まれる。しかし、翼幅寸法が大きくなるほど、重心位置xがシャフト7から遠ざかってしまい、タービンホイール5aの高速回転化の妨げとなってしまう。
これに対し、実施形態1のタービンホイール5aは、凹部33を設けることで重心位置xをシャフト7に近づけることができる。即ち、ツインスクロールタイプであっても、シングルスクロールタイプであっても、凹部33を設けることで重心位置xをシャフト7に近づけることができる。
このため、ツインスクロールタイプであっても、シングルスクロールタイプであっても、翼幅寸法を大きくしてタービン効率の向上を図りつつ、凹部33を設けて重心位置xをシャフト7に近づけることが可能になる。
このため、ツインスクロールタイプであっても、シングルスクロールタイプであっても、翼幅寸法を大きくしてタービン効率の向上を図りつつ、凹部33を設けて重心位置xをシャフト7に近づけることが可能になる。
(特徴技術1の効果3)
ツインスクロールタイプを採用する場合の効果を具体的に説明する。
この実施形態1のターボチャージャ2は、ツインスクロールタイプである。このため、第1排気スクロール21から内径方向へ吹き出した排気ガスと、第2排気スクロール22から内径方向へ吹き出した排気ガスの両方が効率的にタービン翼32の回転エネルギーに変換するために、シングルスクロールタイプに比較して、翼幅寸法を大きく設けることが有効であることがこれまでの検討結果から判っている。しかし、ツインスクロールタイプの場合は、重心位置xがシャフト7から遠ざかってしまい、タービンホイール5aの高速回転化の妨げとなってしまう。
これに対し、実施形態1のタービンホイール5aは、ツインスクロールタイプを採用して翼幅寸法を大きくしても、凹部33を設けることで重心位置xをシャフト7に近づけることができる。即ち、ツインスクロールタイプを採用することで翼幅寸法を大きく設けても、タービンホイール5aの高速回転化が可能になる。
ツインスクロールタイプを採用する場合の効果を具体的に説明する。
この実施形態1のターボチャージャ2は、ツインスクロールタイプである。このため、第1排気スクロール21から内径方向へ吹き出した排気ガスと、第2排気スクロール22から内径方向へ吹き出した排気ガスの両方が効率的にタービン翼32の回転エネルギーに変換するために、シングルスクロールタイプに比較して、翼幅寸法を大きく設けることが有効であることがこれまでの検討結果から判っている。しかし、ツインスクロールタイプの場合は、重心位置xがシャフト7から遠ざかってしまい、タービンホイール5aの高速回転化の妨げとなってしまう。
これに対し、実施形態1のタービンホイール5aは、ツインスクロールタイプを採用して翼幅寸法を大きくしても、凹部33を設けることで重心位置xをシャフト7に近づけることができる。即ち、ツインスクロールタイプを採用することで翼幅寸法を大きく設けても、タービンホイール5aの高速回転化が可能になる。
(特徴技術2)
凹部33の内周面には、工具34と係合してタービンホイール5aを固定する回止形状αが設けられる。
タービンホイール5aを接合したシャフト7に、コンプレッサホイール6aをナット7aで締めつける工程では、工具34を回止形状αに係合させた状態で、ナット7aを締めつける。
凹部33の内周面には、工具34と係合してタービンホイール5aを固定する回止形状αが設けられる。
タービンホイール5aを接合したシャフト7に、コンプレッサホイール6aをナット7aで締めつける工程では、工具34を回止形状αに係合させた状態で、ナット7aを締めつける。
回止形状αを軸方向から見た形状は、限定するものではなく、四角形、五角形、六角形などの多角穴形状であっても良いし、五ぼう星や六ぼう星などの穴形状であっても良いし、2つの平面が対向する二面幅や楕円等の穴形状であっても良い。
(特徴技術2の効果)
この実施形態では、凹部33の内周面に工具34と係合する回止形状αを設けている。このため、ナット7aを締結する際に、タービンホイール5aやシャフト7の固定を行うための部材を別途取り付ける必要がない。これにより、従来技術で説明した凸部を廃止しても、工程数の増加を招かない。
この実施形態では、凹部33の内周面に工具34と係合する回止形状αを設けている。このため、ナット7aを締結する際に、タービンホイール5aやシャフト7の固定を行うための部材を別途取り付ける必要がない。これにより、従来技術で説明した凸部を廃止しても、工程数の増加を招かない。
(特徴技術3)
凹部33の内周面に形成される回止形状αの具体的な一例を説明する。
この実施形態の回止形状αは、図4に示すように、軸方向から見た場合に溝底36aが円弧形状を呈する円弧溝36を回転方向へ等間隔に配置して設けられる。
各円弧溝36は、凹部33の内周面において軸方向に伸びて形成される。
なお、円弧溝36と隣接する円弧溝36との間における峰の形状は限定するものではないが、この実施形態では峰の形状を断面円弧に設けている。
凹部33の内周面に形成される回止形状αの具体的な一例を説明する。
この実施形態の回止形状αは、図4に示すように、軸方向から見た場合に溝底36aが円弧形状を呈する円弧溝36を回転方向へ等間隔に配置して設けられる。
各円弧溝36は、凹部33の内周面において軸方向に伸びて形成される。
なお、円弧溝36と隣接する円弧溝36との間における峰の形状は限定するものではないが、この実施形態では峰の形状を断面円弧に設けている。
一方、タービン翼32からロータハブ31に接続するタービン翼32の付け根箇所には、タービン翼32からロータハブ31に向かって連続的に広がるフィレット部32bが設けられる。即ち、このフィレット部32bは、ロータハブ31に近づくに従ってタービン翼32の回転方向の断面積が徐々に大きくなるものであり、断面が円弧形状に設けられる。
この実施形態では、溝底36aの曲率半径をR、フィレット部32bの曲率半径をRbとした場合に、
R≧Rb
の関係を満足するように設けられる。
R≧Rb
の関係を満足するように設けられる。
(特徴技術3の効果)
この実施形態では、溝底36aの曲率半径Rをフィレット部32bの曲率半径Rb以上にすることにより、溝底36aに集中する応力を、フィレット部32bに生じる応力以下に緩和できる。また、溝底36aからロータハブ31の外周面までの径方向の厚みが局部的に小さくなる不具合を回避できる。
このため、凹部33の内周面に円弧溝36を形成したことによるタービンホイール5aの強度低下を防ぐことができ、タービンホイール5aの信頼性を確保できる。
この実施形態では、溝底36aの曲率半径Rをフィレット部32bの曲率半径Rb以上にすることにより、溝底36aに集中する応力を、フィレット部32bに生じる応力以下に緩和できる。また、溝底36aからロータハブ31の外周面までの径方向の厚みが局部的に小さくなる不具合を回避できる。
このため、凹部33の内周面に円弧溝36を形成したことによるタービンホイール5aの強度低下を防ぐことができ、タービンホイール5aの信頼性を確保できる。
(特徴技術4)
この実施形態では、タービンホイール5aにおいて凹部33が内側に形成される箇所の径方向の最小厚み寸法をL、タービン翼32の厚み寸法をLbとした場合に、
L≧Lb
の関係を満足するように設けられる。
この実施形態では、タービンホイール5aにおいて凹部33が内側に形成される箇所の径方向の最小厚み寸法をL、タービン翼32の厚み寸法をLbとした場合に、
L≧Lb
の関係を満足するように設けられる。
なお、タービンホイール5aにおいて凹部33が内側に形成される箇所とは、凹部33の内周面とロータハブ31との間において略筒形状を成す箇所である。そして、最小厚み寸法Lは、溝底36aからロータハブ31の外周面までの径方向の厚み寸法である。
また、タービン翼32の厚み寸法Lbは、フィレット部32bによって回転方向の厚み寸法が大きくなっていない箇所の厚み寸法である。
また、タービン翼32の厚み寸法Lbは、フィレット部32bによって回転方向の厚み寸法が大きくなっていない箇所の厚み寸法である。
(特徴技術4の効果)
この実施形態では、凹部33の周囲における最小厚み寸法Lを、タービン翼32の厚み寸法Lbより厚く設けることにより、凹部33の内周面とロータハブ31の外周面との間に生じる応力を、タービン翼32の付根箇所の生じる応力以下にできる。
このため、凹部33を形成したことによるタービンホイール5aの強度低下を防ぐことができ、タービンホイール5aの信頼性を確保することができる。
この実施形態では、凹部33の周囲における最小厚み寸法Lを、タービン翼32の厚み寸法Lbより厚く設けることにより、凹部33の内周面とロータハブ31の外周面との間に生じる応力を、タービン翼32の付根箇所の生じる応力以下にできる。
このため、凹部33を形成したことによるタービンホイール5aの強度低下を防ぐことができ、タービンホイール5aの信頼性を確保することができる。
(特徴技術5)
ロータハブ31に作用するタービン翼32の遠心力は、タービン翼32の付根で大きくなり、タービン翼32と隣接するタービン翼32の回転方向の間で小さくなる。
そこで、この実施形態では、凹部33の内周面に形成される円弧溝36の数を、タービン翼32の枚数と同数に設けている。さらに、図4に示すように、凹部33を軸方向から見た場合に、タービン翼32と隣接するタービン翼32との各間に円弧溝36を配置する構成を採用する。
ロータハブ31に作用するタービン翼32の遠心力は、タービン翼32の付根で大きくなり、タービン翼32と隣接するタービン翼32の回転方向の間で小さくなる。
そこで、この実施形態では、凹部33の内周面に形成される円弧溝36の数を、タービン翼32の枚数と同数に設けている。さらに、図4に示すように、凹部33を軸方向から見た場合に、タービン翼32と隣接するタービン翼32との各間に円弧溝36を配置する構成を採用する。
(特徴技術5の効果)
この実施形態では、タービン翼32の遠心力によって生じる応力分布の強弱に合わせて円弧溝36を配置する構成を採用する。具体的には、発生応力の大きい箇所に径方向の厚み寸法が大きくなる箇所を配置するとともに、発生応力の小さい箇所に径方向の厚み寸法が小さくなる溝底36aを配置する構成を採用する。
このように設けることで、最小厚み寸法Lを小さくできる。このため、タービンホイール5aの軽量化を図ることができる。また、ハブ端31a側を軽量化できるため、重心位置xをシャフト7側へより近づけることが可能になる。
この実施形態では、タービン翼32の遠心力によって生じる応力分布の強弱に合わせて円弧溝36を配置する構成を採用する。具体的には、発生応力の大きい箇所に径方向の厚み寸法が大きくなる箇所を配置するとともに、発生応力の小さい箇所に径方向の厚み寸法が小さくなる溝底36aを配置する構成を採用する。
このように設けることで、最小厚み寸法Lを小さくできる。このため、タービンホイール5aの軽量化を図ることができる。また、ハブ端31a側を軽量化できるため、重心位置xをシャフト7側へより近づけることが可能になる。
[実施形態2]
図6に基づいて実施形態2を説明する。なお、以下において上記実施形態1と同一符合は同一機能物を示すものである。また、以下では、実施形態1に対する変更箇所のみを開示するものであり、実施形態2において説明していない箇所については先行して説明した形態を採用するものである。
図6に基づいて実施形態2を説明する。なお、以下において上記実施形態1と同一符合は同一機能物を示すものである。また、以下では、実施形態1に対する変更箇所のみを開示するものであり、実施形態2において説明していない箇所については先行して説明した形態を採用するものである。
上記実施形態1では、凹部33の内周面に回止形状αを設ける例を示した。
これに対し、この実施形態2は、回止形状αを環状リブ35の外周面に設けるものである。
これに対し、この実施形態2は、回止形状αを環状リブ35の外周面に設けるものである。
回止形状αを軸方向から見た形状は、実施形態1と同様、工具34と係合することによりタービンホイール5aの回転を停止できる形状であれば良く、四角形、五角形、六角形などの多角形状、あるいは楕円や二面幅など、種々適用可能なものである。なお、図6は、具体的な一例を示すものであり、軸方向から見た形状が、ボルト頭部と同様の六角形状に設けられるものである。
(実施形態2の効果1)
このように、環状リブ35の外周面に回止形状αを設けることにより、従来技術で説明した凸部を廃止し、ナット7aをシャフト7に締結してコンプレッサホイール6aをシャフト7に固定することができる。
このように、環状リブ35の外周面に回止形状αを設けることにより、従来技術で説明した凸部を廃止し、ナット7aをシャフト7に締結してコンプレッサホイール6aをシャフト7に固定することができる。
(実施形態2の効果2)
また、この実施形態2では、環状リブ35の外周面に回止形状αを設けることで、凹部33の内周面を円筒に設けることができる。このため、凹部33を有するタービンホイール5aの生産性を高めることが可能になる。
また、凹部33の内周面を円筒に設けることによって局所的な応力集中を抑えることができるため、最小厚み寸法Lを小さくできる。このため、タービンホイール5aの軽量化を図ることができる。また、ハブ端31a側を軽量化できるため、重心位置xをシャフト7側へより近づけることが可能になる。
また、この実施形態2では、環状リブ35の外周面に回止形状αを設けることで、凹部33の内周面を円筒に設けることができる。このため、凹部33を有するタービンホイール5aの生産性を高めることが可能になる。
また、凹部33の内周面を円筒に設けることによって局所的な応力集中を抑えることができるため、最小厚み寸法Lを小さくできる。このため、タービンホイール5aの軽量化を図ることができる。また、ハブ端31a側を軽量化できるため、重心位置xをシャフト7側へより近づけることが可能になる。
[他の実施形態]
図1では、第1排気スクロール21と第2排気スクロール22のうち、センターハウジング7aから遠い第2排気スクロール22を切替バルブ20によって開閉する例を示したが、センターハウジング7aに近い第1排気スクロール21を切替バルブ20によって開閉するものであっても良い。
図1では、第1排気スクロール21と第2排気スクロール22のうち、センターハウジング7aから遠い第2排気スクロール22を切替バルブ20によって開閉する例を示したが、センターハウジング7aに近い第1排気スクロール21を切替バルブ20によって開閉するものであっても良い。
また、第1排気スクロール21と第2排気スクロール22から吹き出される排気ガスの吹出し方向は限定するものではなく、回転軸に対して略垂直方向へ吹き出すものであっても良いし、回転軸に対して傾斜して吹き出す斜流タービンであっても良い。斜流タービンを用いる場合は、タービン効率をより高める目的で翼幅寸法を大きくすることが望まれる。このため、凹部33を設けて重心位置xをシャフト7側へ近づけることで、斜流タービンの高速化が可能になる。
図1では、第1排気スクロール21と第2排気スクロール22の一方を切替バルブ20によって開閉する例を示したが、切替バルブ20を搭載せずに、第1排気スクロール21と第2排気スクロール22の両方へ排気ガスを導くツインスクロールタイプのターボチャージャ2に本発明を適用しても良い。
上記の実施形態では、ツインスクロールタイプのターボチャージャ2に本発明を適用したが、シングルスクロールタイプのターボチャージャ2に本発明を適用しても良い。
2・・・ターボチャージャ 5a・・タービンホイール
7・・・シャフト
31・・・ロータハブ 31a・・ハブ端
32・・・タービン翼 32a・・翼端
33・・・凹部 33a・・穴底
35・・・環状リブ
7・・・シャフト
31・・・ロータハブ 31a・・ハブ端
32・・・タービン翼 32a・・翼端
33・・・凹部 33a・・穴底
35・・・環状リブ
Claims (8)
- 回転自在に支持されるシャフト(7)と、
このシャフトの端部に結合されるロータハブ(31)と排気ガス流を受ける複数のタービン翼(32)が一体に設けられたタービンホイール(5a)とを備え、
前記シャフトの軸芯が伸びる方向を軸方向、前記ロータハブにおいて前記シャフトから最も軸方向に離れた部位をハブ端(31a)、複数の前記タービン翼において前記シャフトから最も離れた軸方向の端を翼端(32a)とした場合に、
前記ハブ端は、
前記シャフトに遠い側から前記シャフトに近づく方向へ窪む形状に設けられ、この窪む形状の穴底(33a)が前記翼端より前記シャフトに近い位置に設けられる凹部(33)と、
前記凹部の周囲に環状に設けられ、前記シャフトに遠ざかる方向へ膨出する環状リブ(35)と、
を備えるターボチャージャ(2)。 - 請求項1に記載のターボチャージャにおいて、
前記凹部の内周面には、前記タービンホイールの回転を停止させる工具(34)と係合する回止形状(α)が設けられることを特徴とするターボチャージャ。 - 請求項1に記載のターボチャージャにおいて、
前記環状リブの外周面には、前記タービンホイールの回転を停止させる工具と係合する回止形状が設けられることを特徴とするターボチャージャ。 - 請求項2に記載のターボチャージャにおいて、
前記回止形状は、溝底(36a)が円弧形状を呈する円弧溝(36)を回転方向へ等間隔に配置して設けられ、
前記ロータハブに接続する前記タービン翼の付け根箇所には、前記タービン翼から前記ロータハブに向かって連続的に広がるフィレット部(32b)が設けられ、
このフィレット部は、断面が円弧形状に設けられ、
前記溝底の曲率半径をR、前記フィレット部の曲率半径をRbとした場合に、
R≧Rb
の関係を満足することを特徴とするターボチャージャ。 - 請求項2に記載のターボチャージャにおいて、
前記タービンホイールにおいて前記凹部が内側に形成される箇所の径方向の最小厚み寸法をL、前記タービン翼における回転方向の厚み寸法をLbとした場合に、
L≧Lb
の関係を満足することを特徴とするターボチャージャ。 - 請求項2に記載のターボチャージャにおいて、
前記回止形状は、溝底が円弧形状を呈する円弧溝を回転方向へ等間隔に配置して設けられ、
前記円弧溝の数は、前記タービン翼の枚数と同数に設けられ、
前記凹部を軸方向から見た場合に、前記タービン翼と隣接する前記タービン翼との各間に前記円弧溝が配置されることを特徴とするターボチャージャ。 - 請求項1〜請求項6のいずれか1つに記載のターボチャージャにおいて、
このターボチャージャは、前記タービンホイールを収容するタービンハウジング(5b)を備え、
このタービンハウジングの内部には、エンジン(1)から排出された排気ガスを旋回させて前記タービンホイールへ吹き付ける独立した第1排気スクロール(21)と第2排気スクロール(22)が設けられることを特徴とするターボチャージャ。 - 請求項7に記載のターボチャージャにおいて、
このターボチャージャは、前記第1排気スクロールまたは前記第2排気スクロールの一方を開閉する切替バルブ(20)を備えることを特徴とするターボチャージャ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015109081A JP2016223332A (ja) | 2015-05-28 | 2015-05-28 | ターボチャージャ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2015109081A JP2016223332A (ja) | 2015-05-28 | 2015-05-28 | ターボチャージャ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016223332A true JP2016223332A (ja) | 2016-12-28 |
Family
ID=57746571
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2015109081A Pending JP2016223332A (ja) | 2015-05-28 | 2015-05-28 | ターボチャージャ |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2016223332A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107869359A (zh) * | 2017-12-01 | 2018-04-03 | 无锡宇能选煤机械厂 | 流线型厚叶片涡轮增压器转子轴 |
WO2020203868A1 (ja) * | 2019-04-01 | 2020-10-08 | 株式会社Ihi | タービンホイール及びその製造方法 |
CN114776386A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-07-22 | 中国北方发动机研究所(天津) | 一种钛铝涡轮与转轴的锥体连接结构 |
-
2015
- 2015-05-28 JP JP2015109081A patent/JP2016223332A/ja active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN107869359A (zh) * | 2017-12-01 | 2018-04-03 | 无锡宇能选煤机械厂 | 流线型厚叶片涡轮增压器转子轴 |
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JPWO2020203868A1 (ja) * | 2019-04-01 | 2021-11-25 | 株式会社Ihi | タービンホイール及びその製造方法 |
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CN114776386A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-07-22 | 中国北方发动机研究所(天津) | 一种钛铝涡轮与转轴的锥体连接结构 |
CN114776386B (zh) * | 2022-04-29 | 2023-05-19 | 中国北方发动机研究所(天津) | 一种钛铝涡轮与转轴的锥体连接结构 |
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