JP2815697B2 - 過給機およびタービン羽車体 - Google Patents

過給機およびタービン羽車体

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JP2815697B2
JP2815697B2 JP29642490A JP29642490A JP2815697B2 JP 2815697 B2 JP2815697 B2 JP 2815697B2 JP 29642490 A JP29642490 A JP 29642490A JP 29642490 A JP29642490 A JP 29642490A JP 2815697 B2 JP2815697 B2 JP 2815697B2
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孝哉 吉川
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  • Supercharger (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、ターボチェージャやガスターピン等の過給
機や、タービン羽車を備えたタービン羽車体に関する。
[従来の技術] 過給機の一例として、ターボチャージャが知られてい
る。
従来のターボチャージャには、応答性を良くするため
に、セラミック製のタービン羽車を用い、さらに回転軸
を転がり軸受けによって支持したものがある。
回転軸は、金属よりなる。そして、タービン羽車と回
転軸とは、タービン羽車の凸軸と、回転軸の端部に設け
られた凹部とを嵌め合わせ、接合することによって固着
されている。なお、回転軸は、タービン羽車を強固に保
持する金属(凹部)と、軸受けによって支持される金属
(ジャーナル部)とを、溶接によって接合したものであ
る。
また、転がり軸受けは、タービン羽車側のインナーレ
ースと、コンプレッサ羽車側のインナーレースとの間
に、スリーブを配した構造を有する。そして、コンプレ
ッサ羽車を挿入した側の回転軸の端部にナットを締付
け、ナットの締付け力によって、2つのインナーレー
ス、スリーブ、コンプレッサ羽車が、ナットと凹部との
間に挟まれて回転軸に固着されている。
[発明が解決しようとする課題] ナットの締付けによって発生する軸力は、500〜1500k
gと強い。このため、インナーレースのタービン羽車側
の端面(当接面)が回転軸に当接して、当接する回転軸
をタービン羽車の方向へ押さえ付ける力を発生する。つ
まり、ナットの締付けトルクによって、インナーレース
に当接する回転軸の受け面に強い荷重が加えられ、結果
的に溶接部に応力集中が生じる。特に、当接面の内径の
応力値が高い。
溶接部の内径は、外径に比較して接合面積が小さく、
接合強度が外径側に比較して弱い。このため、溶接部の
最内径付近に応力集中が生じると、凹部とジャーナル部
との接合強度が低下するため、外部から応力が加わった
場合に、接合部が変形しやすくなり、タービン羽車など
に回転バランスの変化が生じやすくなる。
本発明の目的は、ナットによって強固に締め付けられ
ても、タービン羽車のバランス変化を抑えた過給機およ
びタービン羽車体の提供にある。
[課題を解決するための手段] 上記の目的を達成するために、本発明の過給機は、次
の2つの技術的手段を採用する。
(第1発明) 過給機は、端部に凸部を備えたセラミック製のタービ
ン羽車と、前記凸部に、接合された金属製の凹部と回転
自在に支持される金属製のジャーナル部とを溶接技術に
よって接合した回転軸と、前記タービン羽車側の端面が
前記回転軸に当接する当接面を有するインナーレースを
備え、前記ジャーナル部を回転自在に支持する転がり軸
受けと、前記回転軸の端部の周囲に装着されるコンプレ
ッサ羽車と、前記回転軸の端部の周囲に形成されたオネ
ジ部に締付けられ、前記凹部との間で前記転がり軸受け
の前記インナーレースおよび前記コンプレッサ羽車を挟
み付けるナットとを備える。
そして、前記凹部と前記ジャーナル部との溶接部の最
内径寸法D1と、前記回転軸に当接する前記当接面の最内
径寸法D2との関係が、D1/D2<0.9を満足するように設け
られる。
(第2発明) タービン羽車体は、端部に凸部を備えたセラミック製
のタービン羽車と、前記凸部に、接合された金属製の凹
部と回転自在に支持される金属製のジャーナル部とを溶
接技術によって接合した回転軸と、前記タービン羽車側
の端面が前記回転軸に当接する当接面を有するインナー
レースとを備える。
そして、前記凹部と前記ジャーナル部との溶接部の最
内径寸法D1と、前記回転軸に当接する前記当接面の最内
径寸法D2との関係が、D1/D2<0.9を満足するように設け
られる。
(第3発明) 過給機は、端部に凸部を備えたセラミック製のタービ
ン羽車と、前記凸部に、接合された金属製の凹部と回転
自在に支持される金属製のジャーナル部とを溶接技術に
よって接合した回転軸と、前記タービン羽車側の端面が
前記回転軸に当接する当接面を有するインナーレースを
備え、前記ジャーナル部を回転自在に支持する転がり軸
受けと、前記回転軸の端部の周囲に装着されるコンプレ
ッサ羽車と、前記回転軸の端部の周囲に形成されたオネ
ジ部に締付けられ、前記凹部との間で前記転がり軸受け
の前記インナーレースおよび前記コンプレッサ羽車を挟
み付けるナットとを備え、このナットの締め付けによっ
て前記ジャーナル部に500kg〜1500kgの軸力が与えられ
る。
そして、前記インナーレースの当接面は、前記ジャー
ナル部に当接し、前記当接面と溶接部との間に前記ジャ
ーナル部が1mm以上介在されるように設けられる。
(第4発明) タービン羽車体は、端部に凸部を備えたセラミック製
のタービン羽車と、前記凸部に、接合された金属製の凹
部と回転自在に支持される金属製のジャーナル部とを溶
接技術によって接合した回転軸と、前記タービン羽車側
の端面が前記回転軸に当接する当接面を有するインナー
レースとを備える。
そして、前記インナーレースの当接面は、前記ジャー
ナル部に当接し、前記当接面と溶接部との間に前記ジャ
ーナル部が1mm以上介在されるように設けられる。
[作用および発明の効果] (第1、第2発明) 溶接部の最内径寸法D1と、当接面の最内径寸法D2との
関係を、D1/D2<0.9を満足するように設けることによ
り、凹部とジャーナル部との接合強度を高くすることが
できる。
この結果、タービン羽車の回転バランスの変化を抑え
ることができる。
(第3、第4発明) 当接面と溶接部との間にジャーナル部が1mm以上介在
することによって、介在するジャーナル部が溶接部にか
かる応力を緩和する。このため、凹部とジャーナル部と
の接合強度を高くすることができる。
この結果、タービン羽車の回転バランスの変化を抑え
ることができる。
[実施例] 次に、本発明をターボチャージャに適用した実施例に
基づき、図面を用いて説明する。
(実施例の構成) 第1図はタービン羽車と回転軸の断面図、第2図はタ
ーボチャージャの断面図を示す。
ターボチャージャ1は、主に、ハウジング2と、ター
ビン羽車3が接合された回転軸4と、この回転軸4に固
着されたコンプレッサ羽車5と、回転軸4をハウジング
2内で回転自在に支持する支持構造6とから構成され
る。
ハウジング2は、排気スクロールを形成するタービン
ケース7と、支持構造6を収納する中間ケース8と、吸
気スクロールを形成するコンプレッサケース9とからな
る3つの分割体で、複数のボルト10によって固着されて
いる。
タービン羽車3は、例えば窒化珪素を主体とするセラ
ミック製で、軸心の端部に回転軸4と接合される凸部11
を備える。
回転時4は、タービン側の端部にタービン羽車3の凸
部11を嵌め込み、凸部11と接合される凹部12を備えた金
属製の軸体で、凸部11の周囲が凹部12の内周に押し付け
られることによって、凸部11と凹部12とが接合されてい
る。
この接合方法の一例として、本実施例では、凸部11と
凹部12とを、圧入によって接合している。なお、圧入し
ろは、数十μm〜百数十μmほどである。
また、回転軸4は、凹部12の金属と、支持構造6によ
って支持されるジャーナル部13の金属とを溶接によって
接合したものである。具体的には、本実施例の凹部12
は、インコロイ903製の筒体で、ジャーナル部13は、ク
ロム・モリブデン綱あるいはニッケル・クロム・モリブ
デン綱製の棒状体で、凹部12とジャーナル部13とが、電
子ビーム溶接によって接合されている。凹部12の底部に
は、貫通穴12aが設けられ、ジャーナル部13の突起13aが
挿入されて、位置決めに用いられている。
支持構造6は、2つのボールベアリング14、15を備え
る。2つのボールベアリング14、15のインナーレース1
6、17の間には、筒状のスリーブ18が配されていてお
り、2つのインナーレース16、17の間隔を保っている。
コンプレッサ羽車5は、例えばアルミニウム製で、イ
ンナーオイルシール19を介して回転軸4に装着され、回
転軸4の端部のオネジ部4aにナット20を締付けることに
より、回転軸4に固着されている。つまり、ナット20を
強いトルクで締付けることにより、ナット20と凹部12と
の間に、2つのインナーレース16、17、スリーブ18、イ
ンナーオイルシール19、コンプレッサ羽車5が挾まれ、
ナット20の締付けトルクによってコンプレッサ羽車5が
回転軸4に固着される。なお、インナーオイルシール19
は、外周に取り付けられたアウターオイルシール21と対
を成すもので、潤滑油がコンプレッサケース9内に流出
するのを防ぐものである。
次に、凹部12とジャーナル部13との溶接部分を説明す
る。
インナーレース16のタービン羽車3側の端面は、回転
軸4に当接する当接面22とされる。本実施例の当接面22
は、ジャーナル部13の鍔部13bに当接する。そして、凹
部12とジャーナル部13との溶接部23の最内径寸法D1は、
回転軸4に当接する当接面22の最内径寸法D2との関係
が、D1/D2<0.9の式を満足するように設けられている。
また、当接面22と溶接部23との間には、上述のジャー
ナル部13の鍔部13bが介在されている。そして、この鍔
部13bの厚さLは1mm以上に設けられている。
(試験および試験結果) 次に、D1/D2、Lや形状等の異なる5つのテスト品を
作成して耐久試験を行い、回転バランスの変化を調べ
た。そして、そのテスト結果を次の表1に示す。
なお、第1テスト品は第1発明および第2発明の両発
明が適用されたもので、第3図に示すように、当接面22
の最内径寸法D2を10mmに形成し、溶接部23の最内径寸法
D1を6mmとし、鍔部13bの厚さLを2mmとしたものであ
る。
第2テスト品は第2発明のみが適用されたもので、第
4図に示すように、当接面22の最内径寸法D2を10mmに形
成し、溶接部23の最内径寸法D1を10mmとし、鍔部13bの
厚さLを2mmとしたものである。
第3テスト品は第2発明のみが適用されたもので、第
5図に示すように、当接面22の最内径寸法D2を10mmに形
成し、溶接部23の最内径寸法D1を10mmとし、鍔部13bの
厚さLを2mmとしたものである。しかるに、第2テスト
品と異なり、凹部12の貫通穴12aの内径を10mmとしたも
のである。
第4テスト品は第1発明のみが適用されたもので、第
6図に示すように、当接面22の最内径寸法D2を10mmに形
成し、溶接部23の最内径寸法D1を6mmとし、鍔部13bの厚
さLを0.5mmとしたものである。
第5テスト品は第1発明および第2発明の両方の発明
の適用を受けないもので、第7図に示すように、当接面
22の最内径寸法D2を10mmに形成し、溶接部23の最内径寸
法D1を10mmとし、鍔部13bの厚さLを0.5mmとしたもので
ある。
本実験で行った耐久試験は、まず、各テスト品をター
ボチャージャ1に組み付け、5分間エンジンのアイドリ
ング運転を行い、次の5分間エンジンに50%の負荷を与
えてエンジン回転速度を2500rpmの運転を行い、その後
5分間エンジンに100%の負荷を与えてエンジン回転速
度を6000rpm(ターボ回転Max150,000rpm)の運転を行う
サイクル運転を、5時間連続して行ったものである。
アンバランスは、頭部/背板部の回転バランスを、試
験前と試験後とで測定したもので、バランスを取った箇
所は、第1図の矢印A(頭部)と矢印B(背板部)であ
る。なお、単位はmg・mmである。
(実施例の効果) 上記の表1に示されるように、第2〜4テスト品に示
されるように、第1発明または第2発明の一方を適用し
たものは、両発明を適用しない第5テスト品に比較し
て、回転バランスの変化を抑えることができる。
また、第1発明と第2発明の両発明を適用することに
より、さらに回転バランスの変化を抑えることができ
る。
(変形例) 本実施例では、凹部12に貫通穴12aを設け、ジャーナ
ル部13の突起13aを貫通穴12a内に挿入した例を示した
が、本発明は実施例に示された形状に限定されるもので
はなく、例えば第8図に示すように、凹部12とジャーナ
ル部13との接合面がともに平面に設けたり、第9図に示
すように、凹部12に貫通穴12aを設けるとともに、ジャ
ーナル部13の接合面に貫通穴12aに連通する窪み13cを設
けたり、第10図示すように、凹部12に突起12bを設け、
ジャーナル部13の接合面に突起12bに嵌まり合う窪み13
を設けるなど、種々な形状に設けることができるもので
ある。
接合例の一例として、凸部と凹部とを圧入によって接
合した例を示したが、焼嵌め、冷嵌め、焼嵌めろう付け
など、他の接合手段を用いても良い。
複数の金属(凹部とジャーナル部)を、ビーム溶接に
よって接合した例を示したが、レーザ溶接など、他の溶
接技術によって接合しても良い。
本発明をターボチャージャに適用した例を示したが、
ガスタービンなど他の過給機に適用できるものである。
上記実施例に示した材質や数値は、説明のために用い
たものであて、適宜変更可能なものである。
【図面の簡単な説明】
第1図および第7図は実施例を示すもので、第1図はタ
ービン羽車と回転軸の断面図、第2図はターボチャージ
ャの断面図、第3図ないし第7図はテスト品を示すター
ボチャージャの要部断面図である。 また、第8図ないし第10図は変形例を示すターボチャー
ジャの要部断面図である。 図中 1……ターボチャージャ(過給機) 3……タービン羽車、4……回転軸 4a……オネジ部、5……コンプレッサ羽車 11……凸部、12……凹部 13……ジャーナル部 14、15……ボールベアリング(転がり軸受け) 16、17……インナーレース 20……ナット、22……当接面 23……溶接部 D1……溶接部の最内径寸法 D2……当接面の最内径寸法
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F04D 29/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】端部に凸部を備えたセラミック製のタービ
    ン羽車と、 前記凸部に、接合された金属製の凹部と回転自在に支持
    される金属製のジャーナル部とを溶接技術によって接合
    した回転軸と、 前記タービン羽車側の端面が前記回転軸に当接する当接
    面を有するインナーレースを備え、前記ジャーナル部を
    回転自在に支持する転がり軸受けと、 前記回転軸の端部の周囲に装着されるコンプレッサ羽車
    と、 前記回転軸の端部の周囲に形成されたオネジ部に締付け
    られ、前記凹部との間で前記転がり軸受けの前記インナ
    ーレースおよび前記コンプレッサ羽車を挟み付けるナッ
    トと を備えた過給機において、 前記凹部と前記ジャーナル部との溶接部の最内径寸法D1
    と、 前記回転軸に当接する前記当接面の最内径寸法D2との関
    係が、 D1/D2<0.9を満足する ことを特徴とする過給機。
  2. 【請求項2】端部に凸部を備えたセラミック製のタービ
    ン羽車と、 前記凸部に、接合された金属製の凹部と回転自在に支持
    される金属製のジャーナル部とを溶接技術によって接合
    した回転軸と、 前記タービン羽車側の端面が前記回転軸に当接する当接
    面を有するインナーレースと を備えたタービン羽車体において、 前記凹部と前記ジャーナル部との溶接部の最内径寸法D1
    と、 前記回転軸に当接する前記当接面の最内径寸法D2との関
    係が、 D1/D2<0.9を満足する ことを特徴とするタービン羽車体。
  3. 【請求項3】端部に凸部を備えたセラミック製のタービ
    ン羽車と、 前記凸部に、接合された金属製の凹部と回転自在に支持
    される金属製のジャーナル部とを溶接技術によって接合
    した回転軸と、 前記タービン羽車側の端面が前記回転軸に当接する当接
    面を有するインナーレースを備え、前記ジャーナル部を
    回転自在に支持する転がり軸受けと、 前記回転軸の端部の周囲に装着されるコンプレッサ羽車
    と、 前記回転軸の端部の周囲に形成されたオネジ部に締付け
    られ、前記凹部との間で前記転がり軸受けの前記インナ
    ーレースおよび前記コンプレッサ羽車を挟み付けるナッ
    トとを備え、このナットの締め付けによって前記ジャー
    ナル部に500kg〜1500kgの軸力が与えられる過給機にお
    いて、 前記インナーレースの当接面は、前記ジャーナル部に当
    接し、前記当接面と溶接部との間に前記ジャーナル部が
    1mm以上介在されることを特徴とする過給機。
  4. 【請求項4】端部に凸部を備えたセラミック製のタービ
    ン羽車と、 前記凸部に、接合された金属製の凹部と回転自在に支持
    される金属製のジャーナル部とを溶接技術によって接合
    した回転軸と、 前記タービン羽車側の端面が前記回転軸に当接する当接
    面を有するインナーレースと を備えたタービン羽車体において、 前記インナーレースの当接面は、前記ジャーナル部に当
    接し、前記当接面と溶接部との間に前記ジャーナル部が
    1mm以上介在されることを特徴とするタービン羽車体。
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JP2010249200A (ja) * 2009-04-14 2010-11-04 Ihi Corp ティルティングパッド軸受及び回転機械
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