JP2018193992A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】タービン流入ハウジングとベアリングハウジングとの間の接続領域において温度に起因する変形が生じ、これが、双方のハウジング間の気密性に悪影響を及ぼす。本発明はこの問題を解決する新規なターボチャージャを提供することを目的とする。【解決手段】 第１媒体を膨張させるためのタービンと、第１媒体の膨張時に抽出されたエネルギーを利用して第２媒体を圧縮するためのコンプレッサとを備え、タービンはタービンハウジング２及びタービンロータ３を備え、コンプレッサは、コンプレッサハウジングと、シャフト４を介してタービンロータに接続されたコンプレッサロータとを備え、タービンハウジング及びコンプレッサハウジングはそれぞれ、両者間に配置されてシャフト４が設けられたベアリングハウジング１に接続されてなる、ターボチャージャにおいて、ベアリングハウジングが補償部材７を介してタービンハウジングに接続されている。【選択図】図１

Description

本発明はターボチャージャに関する。

ターボチャージャはタービン及びコンプレッサを備える。ターボチャージャにおけるタービンにおいては、第１媒体、特に排気ガスが膨張し、かつその過程においてエネルギーが抽出される。ターボチャージャのコンプレッサにおいては、第２媒体、特に空燃混合気が圧縮され、つまり、前記第１媒体の膨張時に前記タービンで抽出されたエネルギーが利用される。ターボチャージャのタービンはタービンハウジング及びタービンロータを備える。タービンロータのコンプレッサとコンプレッサロータとは、ベアリングハウジング内に設けられたシャフトによって連結されている。前記ベアリングハウジングは、一方が前記タービンハウジングに、また他方が前記コンプレッサハウジングに接続されている。

前記ターボチャージャの前記タービンハウジングはタービン流入ハウジングを備え、該タービン流入ハウジング介して、膨張すべき前記媒体が前記タービンロータに送られることも同様に知られている。タービンハウジングは通常、該タービンハウジングのインサート部材及びノズルリングを受けている。前記インサート部材は、前記タービンロータの駆動中のブレードに近接して半径法方向外方に延在しており、膨張した第１媒体は、該インサート部材によってタービンから排出される。前記ノズルリングは、タービンガイド装置、あるいはガイドグリル、あるいはガイド装置とも称されるもので、複数のガイドブレードを備える。これらガイドブレードは、前記第１媒体の流れ方向における前記タービンロータの上流に位置し、このノズルリング介して、膨張すべき前記第１媒体は前記タービンロータの上流に案内される。

実際に知られているターボチャージャでは、前記タービン流入ハウジングは通常、クランプ爪接続によって前記ベアリングハウジングに接続されている。ベアリングハウジングへのタービン流入ハウジングのこのような接続は、その構造故に厳しく評価する必要がある。と言うのは、タービン流入ハウジングとベアリングハウジングとの間には通常高い温度差が存在するからである。従って、タービン流入ハウジングは、比較的高温の排気ガスに曝され、かつ、これによりベアリングハウジング内で高熱負荷に曝される。このため、タービン流入ハウジングとベアリングハウジングとの間の接続領域において温度に起因する変形が生じるおそれがあり、これが、タービン流入ハウジングとベアリングハウジングと前記クランプ爪接続の気密性に悪影響を及ぼす。従って、ベアリングハウジングにタービン流入ハウジングをより良好に取り付ける必要がある。

本発明は、上記の事情に鑑みた新規なタイプのターボチャージャを提供することを目的とする。この目的は、本願請求項１によるターボチャージャによって解決される。本発明によれば、ベアリングハウジングは、タービンハウジングのタービン流入ハウジングに、補償部材を介して接続される。この補償部材によって、タービン流入ハウジングとベアリングハウジングとの間の接続領域における熱に起因する変形は相殺 (offset) される。この補償部材は半径方向において可撓性及び弾性を有し、そのため、該補償部材は、半径方向に拡張することができ、従って、タービン流入ハウジングとベアリングハウジングとの間の熱に起因する変形を吸収又は相殺する。

好ましくは、前記補償部材は、半径方向外方部において前記タービン流入ハウジングに接続され、かつ半径方向内方部において前記ベアリングハウジングに接続されている。該補償部材にあっては、半径方向においてベローズ部の形態とされた、あるは曲がり部として形成された壁がこれら双方の部分の間に延在している。該補償部材の前記タービン流入ハウジング及び前記ベアリングハウジングへの連結として、このような形態並びに構造が特に好ましい。

本発明の更なる好ましい形態によれば、前記補償部材はニッケル合金材料からなる。特に好ましくは、このニッケル合金材料は、以下の組成を以下の重量パーセントで有する：ニッケル (Ni) 50.00 - 55.00%、クロム (Cr) 17.00 - 21.00%、ニオブ (Nb) 4.75 - 5.50%、モリブデン (Mo) 2.80 - 3.30%、チタン (Ti) 0.65 - 1.15%、アルミニウム (Al) 0.20 - 0.80%、残部の鉄 (Fe)。補償部材を構成するこの材料は、６００℃を超える温度においてさえ該補償部材に適度に高い耐クリープ性をもたらす。タービン流入ハウジング及びベアリングハウジングは、実際に知られているターボチャージャにおけるこれらに対して通常用いられる金属材料から製造可能である。

本発明のさらなる変形実施形態は従属請求項及び下記の記載から得られる。以下、本発明の例示的な、かつ非限定的な実施形態を、図面を参照してより詳細に説明する。

本発明の一実施形態によるターボチャージャの、タービン及びベアリングハウジングの部分の軸方向断面図である。

本発明はターボチャージャに関する。ターボチャージャは第１媒体を膨張させるための、特には内燃機関の排気ガスを膨張させるためのタービンを備える。また、ターボチャージャは、第２媒体、特に空燃混合気を圧縮するためのコンプレッサを備え、すなわち、前記第１媒体の膨張時に該タービンから抽出したエネルギーを利用する。ここで、タービンはタービンハウジング及びタービンロータを備える。前記コンプレッサは、コンプレッサハウジング及びコンプレッサロータを備える。前記コンプレッサロータは、ベアリングハウジング内に設けられたシャフトを介して前記タービンロータに接続されている。前記ベアリングハウジングは前記タービンハウジングと前記コンプレッサハウジングとの間に位置し、かつ、これらタービンハウジング及びコンプレッサハウジングの双方に接続している。

本明細書に臨む当業者はターボチャージャの上記の基本的構成については精通しているであろう。

図１は、本発明の一実施形態におけるターボチャージャの、ベアリングハウジング１とタービン流入ハウジング２との間の接続部を示した図である。図１はさらにタービンロータ３及びシャフト４を示しており、ここにおいて、タービンロータ３は、図示しないコンプレッサロータに、前記シャフト４を介して接続されている。ベアリングハウジング１はベアリングハウジングカバー５を有している。該ベアリングハウジングカバー５は、前記ベアリングハウジング１に接続されて、かつ、軸方向において、タービンロータ３と前記ベアリングハウジング１との間の部位に位置している。

前記タービン流入ハウジング２は、膨張させるべき前記第１媒体を前記タービンロータ３に供給する。ここで、いわゆるノズルリング６が、膨張される前記第１媒体の流れ方向において前記タービンロータ３の上流に位置している。該ノズルリング６はまたタービンガイド装置としても記述される。該ノズルリング６を介して前記タービンロータ３に供給される前記媒体は、前記タービンロータ３の上流において、前記ノズルリング６のガイドブレードを介して案内される。

本発明は、前記タービン流入ハウジング２の前記ベアリングハウジング１への接続において全く新しい形態のもの、すなわち補償部材７を介した接続といったものを提供するものである。従って、ベアリングハウジング１及びタービン流入ハウジング２は補償部材７を介して互いに接続される。補償部材は、ベアリングハウジング１及びタービン流入ハウジング２における温度に起因する明確な熱変形を相殺すべく、半径方向において可撓性を有しかつ柔軟である。この柔軟性により、該補償部材７は温度に起因する半径方向の膨張を相殺可能である。

前記補償部材７は、該補償部材７の半径方向外側部分８で、前記タービン流入ハウジング２に取り付けられており、かつ、該補償部材７の半径方向内側部分９で、前記ベアリングハウジングに接続されている。通常、前記補償部材７と前記タービン流入ハウジング２及び前記ベアリングハウジングとの接続は、何れもネジ留めとされる。

該補償部材７は、２つの前記部分８，９の間に壁部を備え、該壁部は、半径方向においてベローズ部として構成され、すなわち曲がった断面を呈している。この壁部１０は、ベローズあるいはコンチェルティーナのように変形し、温度に起因する半径方向の膨張を相殺する。

前記補償部材７の２つの前記部分８，９は、軸方向おいて、ほぼ同じ軸方向位置に設けられている。ただし、こられ２つの部分８，９には半径方向において明確なオフセットが存在しており、前記ベローズ部又は湾曲部として形成された前記壁部は、一部は半径方向に延在し、かつ一部は湾曲部分を挟んで軸方向に延在する。

膨張する第１の媒体の流れ方向において、補償部材７の前記部分８は、ノズルリング６の上流に位置するタービン流入ハウジング２の部分１１に作用する。補償部材７の部分９が作用するベアリングハウジング１の部分１２は、半径方向において、ノズルリング６のほぼ半径方向高さに位置している。

補償部材７はニッケル合金材料から作製されている。

好ましくは、前記ニッケル合金材料は下記の組成を有している。ニッケル (Ni) 50.00 - 55.00%、クロム (Cr) 7.00 - 21.00%、ニオブ (Nb) 4.75 - 5.50%、モリブデン (Mo) 2.80 - 3.30%、チタン (Ti) 0.65 - 1.15%、コバルト、炭素、マグネシウム、シリコン、リン、硫黄、ホウ素、銅、残りの鉄(Fe)。

50.00 - 55.00% ニッケル (Ni)
17.00 - 21.00% クロム (Ci)
4.75 - 5.50% ニオブ (Nb)
2.80 - 3.30% モリブデン (Mo)
0.65 - 1.15% チタン (Ti)
0.20 - 0.80% アルミニウム (Al)
0.00 - 1.00% コバルト (Co)
0.00 - 0.08% 炭素 (C)
0.00 - 0.35% マグネシウム (Mg)
0.00 - 0.35% シリコン (Si)
0.00 - 0.015% リン(P)
0.00 - 0.017% 硫黄 (S)
0.00 - 0.006% ホウ素 (B)
0.00 - 0.30% 銅 (Cu)
残部 鉄 (Fe)

このようなニッケル合金材料は、６００℃を超える温度においてさえ、該補償部材に適度に高い耐クリープ性をもたらし、温度に起因した該補償部材７の損傷のおそれを排除する。

前記補償部材７は、ベアリングハウジングとタービン流入ハウジング２との間の領域における温度に起因した半径方向膨張を保障するのみならず、該ターボチャージャの封じ込め安全性も向上させるものとなる。万一、タービンロータ３が破損した場合でも破片の運動エネルギーを該補償部材７によって遮断することができる。

１ ベアリングハウジング
２ タービン流入ハウジング
３ タービンロータ
４ シャフト
５ ベアリングハウジングカバー
６ ノズルリング
７ 補償部材
８ 半径方向外側部分
９ 半径方向内側部分
１０ 壁部
１１ 部分
１２ 部分

Claims (9)

1. 第１媒体を膨張させるためのタービンと、前記タービン内での前記第１媒体の膨張時に抽出されたエネルギーを利用して第２媒体を圧縮するためのコンプレッサとを備え、
   前記タービンはタービンハウジング及びタービンロータ（３）を備え、
   前記コンプレッサは、コンプレッサハウジングと、シャフト（４）を介して前記タービンロータ（３）に接続されたコンプレッサロータと、を備え、
   前記タービンハウジング及び前記コンプレッサハウジングはそれぞれ、両者間に配置されて前記シャフト（４）が設けられたベアリングハウジング（１）に接続されてなる、ターボチャージャにおいて、
   前記ベアリングハウジング（１）が補償部材（７）を介して前記タービンハウジングのタービン流入ハウジング（２）に接続されていることを特徴とするターボチャージャ。
2. 請求項１記載のターボチャージャにおいて、前記補償部材（７）は、半径方向外側部分（８）において前記タービン流入ハウジング（２）に接続されてなる、ターボチャージャ。
3. 請求項１又は２記載のターボチャージャにおいて、前記補償部材（７）は、半径方向内側部分（９）において前記ベアリングハウジング（１）に接続されてなる、ターボチャージャ。
4. 請求項１ないし３の何れか一項記載のターボチャージャにおいて、前記補償部材（７）は、半径方向に見て、ベローズ部のように形成された又は湾曲形状を描く壁部（１０）を備えている、ターボチャージャ。
5. 請求項１ないし４の何れか一項記載のターボチャージャにおいて、前記ベアリングハウジング（１）にベアリングハウジングカバー（５）が接続されてなる、ターボチャージャ。
6. 請求項１ないし５の何れか一項記載のターボチャージャにおいて、前記補償部材（７）はニッケル合金材料よりなる、ターボチャージャ。
7. 請求項６記載のターボチャージャにおいて、前記ニッケル合金材料が以下の組成を以下の重量パーセントで有してなる、ターボチャージャ：
   ニッケル (Ni) 50.00 - 55.00%、クロム (Cr) 17.00 - 21.00%、ニオブ (Nb) 4.75 - 5.50%、モリブデン (Mo) 2.80 - 3.30%、チタン (Ti) 0.65 - 1.15%、アルミニウム (Al) 0.20 - 0.80%、残部の鉄 (Fe)。
8. 請求項７記載のターボチャージャにおいて、前記ニッケル合金材料は、最大 1.00% のコバルト (Co)、最大 0.08% の炭素 (C)、最大 0.35% のマグネシウム (Mg)、最大 0.35% のシリコン (Si)、最大 0.015% のリン(P)、最大 0.017% の硫黄 (S)、最大 0.006% のホウ素 (B) 及び最大 0.30% の銅 (Cu) を有してなる、ターボチャージャ。
9. 請求項１ないし８の何れか一項記載のターボチャージャにおいて、前記タービンが半径流タービンである、ターボチャージャ。