JP5260258B2 - タービンハウジング - Google Patents

Description

本発明は、タービンハウジングに関し、特にターボチャージャに使用され、内部に流入する排気ガスと、流入後ハウジング内の排気ガス流路を旋回した排気ガスとが集合する舌部におけるき裂の発生、進展を抑制するタービンハウジングに関するものである。

従来より、エンジンの給気量を増やす手段として、排気ガスのエネルギーを利用してタービンの動翼を回転させ、該動翼に一体に形成されたシャフトを介して遠心型のコンプレッサインペラを駆動し、該コンプレッサインペラの駆動により空気を圧縮してエンジンに給気するターボチャージャが知られている。

図６は、従来より用いられているターボチャージャの側面図である。ターボチャージャ２には、内燃機関の各気筒（不図示）からの排気ガスが集合される排気ガスマニホールド８が接続されている。
ターボチャージャ２は、排気ガスマニホールド８から流入された排気ガスから回転エネルギーを取り出す排気ガス側部４と、該回転エネルギーを利用して空気を圧縮して内燃機関（不図示）に供給する給気側部６とを備えている。

排気ガス側部４は、タービンハウジング１２と、該タービンハウジング１２に囲繞されるタービン１０から成り、排気ガスマニホールド８からの排気ガスを排気ガス通路１４を介してタービンハウジング１２内に導入し、該排気ガスのエネルギーを利用してタービンの動翼（不図示）を回転させるように構成されている。
一方、給気側部６は、コンプレッサ１８から成り、コンプレッサ１８のコンプレッサインペラ（不図示）の駆動により、空気を圧縮してエンジンに給気するように構成されている。
さらに、排気ガスをターボチャージャ２をバイパスさせるためのバイパス弁（不図示）と、該バイパス弁を制御する排気バイパス弁アクチュエータ７が設けられている。

また、前記タービンの動翼（不図示）には、一体にシャフト１６が形成されている。このシャフト１６は、前記コンプレッサインペラ（不図示）とも一体に形成されており、排気ガスマニホールド８から出た排気ガスのエネルギーによりタービンの動翼が回転すると、シャフト１６を介してコンプレッサインペラを駆動するように構成されている。

図７は、図６におけるＡ−Ａ断面を示す概略図である。タービンハウジング１２は、その内部に断面が略円周状の排気ガス通路２０を有しており、該排気ガス通路２０内に排気ガスマニホールドからの排気ガス８を流入することで、排気ガスのエネルギーを利用してタービンの動翼を回転させるように構成されている。

図８は、図７におけるＢ部拡大詳細図であり、タービンハウジング１２の断面図である。また、図９は、図８におけるＣ−Ｃ断面図である。なお、図８は、図９におけるＤ−Ｄ断面図に相当する。
排気マニホールド８から排気ガス通路１４を介してタービンハウジング１２へ流入された排気ガスは、タービンハウジング１２内に形成された断面が略円周状の排気ガス通路２０内を、図８に示したｆの流れで略円周状に流れ、これによりタービン動翼を回転させている。
排気ガス通路２０に導入された排気ガスと、排気ガス通路２０を１周した排気ガスとは舌部２２付近で集合する。

このようなターボチャージャ及びタービンハウジングは広く用いられており、例えば特許文献１などに開示されている。

特開２００４−１３２３６６号公報

一般的に使用されるタービンハウジングにおいては、約８００℃の排気ガスがタービンハウジング内に導入され、該導入された排気ガスが断面が略円周状の排気ガス通路を１周して約６００〜７００℃の排気ガスとなって舌部近傍で集合する。

このようなタービンハウジングでは、タービンハウジング内に導入された約８００℃の排気ガス（以下流入ガスと称する）と、タービンハウジング内の排気ガス通路を１周した約６００〜７００℃の排気ガス（以下集合ガスと称する）とが集合する舌部は、前記流入ガスと集合ガスとの両方により急激に加熱される。

さらに、前記舌部が急激に加熱されることにより、舌部と舌部周辺との温度差が生じ、該温度差によって舌部に熱伸び拘束力が発生し、圧縮側の熱応力が発生する。そして、前記熱応力の繰り返しにより、該熱応力に起因するき裂が舌部に発生する。
さらに、前記き裂の発生位置によっては、き裂が舌部を貫通し、タービンハウジングの機能を損なわせる可能性もある。

従来より、排気マニホールドからの排気ガスをターボチャージャをバイパスする排気バイパス弁を設け、タービンハウジング内に流入する排気ガス量を制限して、舌部の急激な加熱を防止することで前記き裂の発生を抑制することは可能であるが、頻繁に前記排気バイパス弁を使用した排気ガス量制限を行うと、タービンハウジング内に流入する排気ガスが不足し、ターボチャージャの性能が十分に発揮できなくなる可能性がある。

従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、タービンハウジング内に流入する排気ガス量の制限を行うことなく、舌部へのき裂の発生、進展を抑制することができるタービンハウジングを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明においては、内部に周状の排気ガス流路が設けられ、該排気ガス流路内に流入する排気ガスと、流入後前記排気ガス流路内を旋回した排気ガスとを区画する舌部を有するタービンハウジングにおいて、前記舌部は、タービンハウジング内に導入された排ガスで加熱される一面側と、前記排気ガス流路内を旋回して一周した後の排気ガスで加熱される他面側とを有し、前記舌部の、前記排気ガス流れと垂直な板厚方向中央域に、前記排気ガス流れと略平行な方向にスリットが設けられるとともに、該スリットは前記一面側から前記他面側へ舌部を横断するように舌部横断方向の全面に渡って形成されたことを特徴とする。
ここで、中央域とは、前記排気ガス流れと垂直な板厚方向の端部以外のことをいう。

舌部にスリットを設けることにより、該スリットが弱点部分となり、スリット部分に選択的にき裂が発生する。そのため、舌部のスリット部分以外でのき裂の発生を抑制することができる。
舌部での発生熱応力は、舌部表面付近が最も大きく、内部に進むに従って小さくなる。そのため前記スリット部分で選択的に発生したき裂は、一定深さまでは進展するものの、該一定深さ以降では、近傍剛性によって支持されて進展しなくなる。
そのため、スリットを前記排気ガス流れと垂直な板厚方向中央域に、前記排気ガス流れと略平行な方向に設けることで、前記スリット部分に選択的に発生したき裂が前記一定深さまで進展しても、該き裂がタービンハウジング外部まで貫通せず、舌部のき裂が原因によるタービンハウジングの機能損失を防止することができる。

また、前記スリットは、前記舌部の、前記排気ガス流れと垂直な板厚方向中央域に、前記排気ガス流れと略平行な方向に設けられるとともに、前記一面側から前記他面側へ舌部を横断するように舌部横断方向の全面に渡って形成されていることを特徴とする。
スリットを、舌部横断方向全面に渡って形成することにより、スリットの深さ方向に選択的にき裂が発生し、スリットの深さ方向以外の方向へのき裂の発生を抑制することができる。即ち、スリットに発生するき裂の方向性が決まる。これにより、スリットに局所的に深さ方向以外の方向に進展するき裂が発生することを抑制できる。

また、前記スリットは、前記スリットの最深部を、断面円状の形状としたことを特徴とする。
これにより、スリット最深部への応力集中が低減され、き裂発生を遅らせることができる。スリットを舌部横断方向全面に渡って設けるため、例えばスリットを機械加工にて、先端部をエンドミルで加工することによりスリットの最深部を断面球状の形状とすることは可能である。

また、前記スリットは、その最深部で発生する熱応力が、舌部表面で発生する熱応力の１／２〜１／３の範囲となる深さであることを特徴とする。
スリットの深さが、最深部で発生する熱応力が舌部表面で発生する熱応力の１／２以上となる深さであれば、その最深部での熱応力は小さくスリット最深部にき裂はほとんど発生しないが、１／２未満であればスリット最深部にき裂が発生する可能性が高い。
またスリットの深さが、最深部で発生する熱応力が舌部表面で発生する熱応力の１／３未満となる深さであると、スリットが深すぎて加工に労力を要する。
従って、加工に大きな労力を要さずに、スリット最深部でのき裂の発生そのものを抑制することができるため、スリットの深さを、その最深部で発生する熱応力が、舌部表面で発生する熱応力の１／２〜１／３とすることが好ましい。

また、前記スリットを複数設けたことを特徴とする。
これにより、選択的にき裂が発生する部分が複数となり、スリット以外の箇所でのき裂発生の可能性を低減することができる。

以上記載のごとく本発明によれば、タービンハウジング内に流入する排気ガス量の制限を行うことなく、舌部へのき裂の発生、進展を抑制することができるタービンハウジングを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

本実施例におけるターボチャージャの全体構成は図６、図７を用いて説明した従来例と同じであるので、図６及び図７を本実施例におけるターボチャージャの図面として兼用するとともに、その説明は省略する。

図１は、実施例１における図７のＢ部拡大図であり、タービンハウジング１２の断面図である。また、図２は、図１におけるＥ−Ｅ断面図である。なお、図１は、図２におけるＦ−Ｆ断面図に相当する。

排気マニホールド２から排気ガス通路１４を介してタービンハウジング１２へ流入された排気ガスは、タービンハウジング１２内に形成された断面が略円周状の排気ガス通路２０内を、図１に示したｆの流れで略円周状に流れ、これによりタービン動翼を回転させている。
排気ガス通路２０に導入された排気ガスと、排気ガス通路２０を１周した排気ガスとは舌部２２付近で集合する。

前記舌部２２は、排気流れと直交する一面側はタービンハウジング１２内に導入された約８００℃の排気ガス（以下、流入ガスと称する）で加熱されるとともに、他方の面側は流入ガスがタービンハウジングの排気ガス通路２０を１周した後の約６００〜７００℃の排気ガス（以下、集合ガスと称する）で加熱される。
即ち、舌部２２は、排気流れと直交する両面側から加熱されるため、表面で発生する熱応力は大きく、該熱応力に起因するき裂が発生する可能性がある。

そこで、本実施例においては、舌部２２にスリット２４を設け、スリット２４を弱点部分とすることで、前記熱応力をスリット２４に集中させ、スリット２４以外の舌部２４に前記熱応力に起因するき裂の発生を抑制している。

図３は、舌部２２の先端部近傍の斜視図である。
以下で、図１、図２及び図３を用いてスリット２４の形状について説明する。

（スリットの位置）
スリット２４を、排気流れと垂直な方向、即ち図２及び図３に示したＺ方向において、板厚の中央域に設けた。
また、スリットの深さ方向は、排気流れと平行な方向、即ち図２及び図３に示したＺ方向と直交するＨ方向とした。
ここで、中央域とは、前記排気ガス流れと垂直な板厚方向の端部以外のことをいう。

スリット２４を設けることで、熱応力をスリット２４に集中させ、き裂をスリット２４で選択的に発生させる。

舌部２２で発生する熱応力は、舌部２２の表面付近が最も大きく、内部に進むに従って小さくなる。そのため前記スリット部分で選択的に発生したき裂は、一定深さまでは進展するものの、該一定深さ以降では、近傍剛性によって支持されて進展しなくなる。

そこで、スリットの深さ方向を前記排気ガス流れと平行な方向（Ｈ方向）とすることで、スリット２４内で発生したき裂がＨ方向にのみ進展し、図２に領域Ｉ及び領域Ｊで示したタービンハウジング外部まで前記スリット２４内で発生したき裂が進展を防止できる。

また、スリット２４を前記排気ガス流れと垂直な方向（Ｚ方向）の板厚中央域に設けているため、もしき裂がＨ方向からずれた方向に進展しても外部領域Ｉ又は外部領域Ｊまでは届きにくく、タービンハウジングを前記き裂が貫通することを防止することができる。従ってスリット２４の位置はＺ方向の板厚中央域であれば限定されるものではないが、Ｚ方向の板圧中心部に近いほど、き裂がＨ方向からずれた方向に進展した場合においても、該き裂が外部領域Ｉ又は外部領域Ｊまで届く可能性を低減できるため、スリット２４の位置はＺ方向の板厚中心部に近い位置であるほど好ましい。

（スリットの幅）
スリット２４の幅は、排気流れと平行な方向、即ち図１及び図３に示したｗ方向において、舌部２２の横断方向全域とした。
スリット２４を舌部２２横断方向（ｗ方向）全面に渡って形成することにより、スリット２４内に発生するき裂は選択的に深さ方向（Ｈ方向）となる。即ち、スリットに発生するき裂の方向性が決まる。これにより、スリットに局所的に深さ方向以外の方向に進展するき裂が発生し、該き裂によるタービンハウジングの機能損失することを抑制できる。

（スリットの深さ）
前述のように、タービンハウジング１２内に導入された流入ガスと、流入ガスがタービンハウジングの排気ガス通路２０を１周した後の集合ガスとの両方で加熱されることにより、舌部２２の温度は急激に上昇する。これにより、舌部２２と周辺との温度差が大きくなり、特に舌部表面では前記温度差が大きく、前記厚さ方向Ｈに従って周辺との温度差は小さくなる。
従って、圧縮応力は周辺との温度差が大きくなるほど高くなるので、前記周辺との温度差により、舌部表面に高い圧縮応力が発生し、厚さ方向Ｈに従って発生する圧縮応力は低減される。

図４は舌部厚さとき裂面に垂直な応力の関係を示したグラフであり、横軸は舌部厚さ、縦軸はき裂面に垂直な応力を表している。ここで、図４における横軸の舌部厚さとは、舌部厚さ方向Ｈでの舌部２２の表面からの距離を意味している。
図４に示したように、舌部厚さが大きくなる、即ち周辺との温度差が小さくなるほど発生する応力が小さくなっていることが分かる。

以上のことから、舌部厚さ方向Ｈに対して十分な深さを有したスリット２４を設けることで、スリット部分での発生応力が低減され、さらなるき裂の進展を抑制することができるとともに、適正な深さを設定すればスリット部分でのき裂の発生そのものを抑制することができる。
また、深さｈ以上にはき裂が進展しないため、き裂が図１に示した外部領域Ｇまで貫通して、タービンハウジング１２の機能を損失させることを防止できる。

そこで、スリット２４の厚さ方向Ｈに対する深さｈを、その最深部で発生する熱応力が、舌部表面で発生する熱応力の１／２〜１／３の範囲となる深さとした。
前記１／２の範囲については、スリットの深さが、最深部で発生する熱応力が舌部表面で発生する熱応力の１／２以上となる深さであれば、その最深部での熱応力は小さくスリット最深部にき裂はほとんど発生しないためである。
また、前記１／３の範囲については、最深部で発生する熱応力が舌部表面で発生する熱応力の１／３未満となる深さであると、スリットが深すぎて加工に労力を要するためである。

（スリット先端部形状）
図５は、スリット先端部の形状を表す概略図である。
図５に示したように舌部表面２３に形成されたスリットは、その先端部２５で断面円形状の形状としている。
これにより、スリット最深部への応力集中が低減され、き裂発生を遅らせることができる。スリットを舌部横断方向全面に渡って設けるため、例えばスリットを機械加工にて、先端部をエンドミルで加工することによりスリットの最深部を断面球状の形状とすることは可能である。

以上のような形状のスリット２４を舌部２２に設けることにより、スリット２４以外での舌部へのき裂の発生を抑制することができるとともに、スリット２４で発生したき裂が外部領域まで進展することを防止することができる。

また、スリットは１つでなく、前記排気流れと垂直なＺ方向に、２つ以上平行に設けることもできる。これにより、選択的にき裂が発生する部分が複数となり、スリット以外の箇所でのき裂発生の可能性を低減することができる。

さらに、舌部材料と熱導電性が異なる材料を鋳ぐるみしたり、舌部を遮熱コーティングするなどにより、舌部と周辺部との温度差を低減することで、さらに効果的にき裂の発生を防止、抑制することができる。

タービンハウジング内に流入する排気ガス量の制限を行うことなく、舌部へのき裂の発生、進展を抑制することができるタービンハウジングとして利用することができる。

実施例１における図７のＢ部拡大図である。 図１におけるＥ−Ｅ断面図である。 舌部の先端部近傍の斜視図である。 舌部厚さとき裂面に垂直な応力の関係を示したグラフである。 スリット先端部の形状を表す概略図である。 ターボチャージャの側面図である。 図６におけるＡ−Ａ断面を示す概略図である。 従来例における図７のＢ部拡大詳細図である。 図８におけるＣ−Ｃ断面図である。

符号の説明

２ ターボチャージャ
１２ タービンハウジング
２０ 排気ガス流路
２２ 舌部
２４ スリット

Claims (4)

1. 内部に周状の排気ガス流路が設けられ、
   該排気ガス流路内に流入する排気ガスと、流入後前記排気ガス流路内を旋回した排気ガスとを区画する舌部を有するタービンハウジングにおいて、
   前記舌部は、タービンハウジング内に導入された排ガスで加熱される一面側と、前記排気ガス流路内を旋回して一周した後の排気ガスで加熱される他面側とを有し、
   前記舌部の、前記排気ガス流れと垂直な板厚方向中央域に、前記排気ガス流れと略平行な方向にスリットが設けられるとともに、該スリットは前記一面側から前記他面側へ舌部を横断するように舌部横断方向の全面に渡って形成されたことを特徴とするタービンハウジング。
2. 前記スリットの最深部を、断面円状の形状としたことを特徴とする請求項１記載のタービンハウジング。
3. 前記スリットは、その最深部で発生する熱応力が、舌部表面で発生する熱応力の１／２〜１／３の範囲となる深さであることを特徴とする請求項１または２に記載のタービンハウジング。
4. 前記スリットを排気ガス流れと垂直な方向において複数平行に設けたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のタービンハウジング。

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