JP5342427B2 - 板金タービンハウジング - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排ガスエネルギーを利用してエンジンに対する過給圧を発生させるターボチャージャに採用される板金製のタービンハウジング構造に関し、特に、スクロールの巻き終わり部の舌部領域に発生する熱応力に起因する亀裂等の発生を防止する構造に関する。

従来、エンジンから排出される排ガスエネルギーを利用して吸気マニホールド内に加圧空気を供給することによって出力を向上するターボチャージャが知られている。このターボチャージャを車載用として装着して用いる場合には、特に、近年の燃費向上の観点から軽量化が要求され、従来の鋳造製のタービンハウジングに代えて、板金製のタービンハウジングが使用されるようになっている。

一方、タービンハウジングは、エンジン排ガスを取り込み、排ガスを用いてタービンロータを回転させる機能を有するため、６００〜１０５０℃程度の排ガスが流入して、円周形状をしているタービンハウジングの流入口と排ガスが回り込んだ部分の集合部分、所謂舌部においては、流入流れと集合流れにより急激に加熱される。

舌部が急激に加熱されることにより、舌部周辺との温度差によって熱伸び拘束力が発生し圧縮熱応力が発生する。そして熱応力の繰返しにより、熱応力に起因する亀裂が発生する問題があった。

板金製のタービンハウジングにおいても、舌部部分における急加熱による熱応力の繰返しによる亀裂の発生が問題であり、板厚の均一化や、内圧による損傷が起こらない程度に薄肉化して熱応力を低減する必要がある。

なお、関連する先行技術として、板金製のタービンハウジング構造としては、特許文献１（特開２００８−５７４４８号公報）や、特許文献２（特表２００３−５３６００９号公報）が提案されており、さらに、舌部の耐摩耗性を向上するため舌部近傍領域を他の領域に比べて膜厚の厚い溶射被膜を形成する構造として特許文献３（特開２００２−１９４５２５号公報）が提案されている。

特開２００８−５７４４８号公報 特表２００３−５３６００９号公報 特開２００２−１９４５２５号公報

しかし、特許文献１に示される板金製のタービンハウジングは、図８に示すようにスクロール部０２を左右の板金部材０４と０６とを突き合わせて周方向に溶接する構造からなっている。このため、スクロール部０２の巻き終わり部となる舌部領域では急激な加熱および冷却が繰り返して作用するため、突き合わせ部の溶接による強度低下と相俟って熱応力に起因する亀裂等の発生が生じやすい。
また、特許文献２においても、スクロール部を、板金部材を突き合わせて形成する構造であり、前記特許文献１で説明したように舌部領域において熱応力に起因する亀裂等の発生が生じやすい問題がある。さらに、特許文献３には舌部の被膜形成については示されるが、スクロールの巻き終わり部となる舌部領域における急激な加熱およびその加熱の繰り返しによる熱疲労強度の低下に起因する亀裂の発生等の防止策については開示されていない。

そこで、本発明は、これら問題に鑑みてなされたもので、板金製のタービンハウジング構造において、スクロールの巻き終わり部となる舌部領域における急激な加熱の繰り返しから生じる熱疲労に起因する亀裂の発生等を防止して軽量且つ舌部の耐久性を向上することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明の第１の発明は、渦状の排ガス通路を構成するスクロール部が板金製のスクロール部材を向い合わせて接合して形成される板金タービンハウジングにおいて、スクロール部の巻き終わり部を構成する舌部の近傍領域であって、スクロール部材の外壁面に、スクロール部材の合せ部の両側に壁部材を設けて該合せ部を覆うように密閉空間を形成して舌部近傍の外周壁を２重壁構造とすることを特徴とする。

かかる第１の発明によれば、排ガスが流入して、円周形状をしているタービンハウジングの流入口と排ガスが回り込んだ部分の集合部分、所謂舌部においては、流入流れと集合流れにより急激に加熱されるため、冷却と加熱との繰り返しによって、熱応力が高くなるとともに熱疲労が生じる。従ってこの部分を２重壁構造とすることによって、熱応力負荷部と耐圧部との機能を分担させることができ、舌部近傍での熱応力の発生および熱疲労による亀裂の発生等の危険を回避できる。

すなわち、２重壁構造とすることによって、内部流れに沿う内側の板金部分にて熱応力を受け、仮に亀裂発生および貫通が生じたとしても、外側の壁部材によって耐圧されるため、内部ガスの漏えいを防ぐことができる。
その結果、板金タービンハウジングの舌部近傍での亀裂発生を防止でき、板金タービンハウジングの安全性および信頼性を向上できる。

また、本発明において好ましくは、前記壁部材はスクロール部材の外壁面と排ガスの流入口外壁面とを繋ぐようにしてスクロール部材の合せ部の両側に設けられるとよく、つまり排ガスの流入口の外壁とスクロール部材の終端部の外壁との間に形成される窪み状の部分に、これら排ガスの流入口の外壁とスクロール部材の終端部の外壁との間を繋ぐようにして、合せ部材の両側に壁部材を形成するとよい。これによって、壁部材を亀裂貫通の危険性がある部位に限定して２重壁構造を簡単に設けることができる。

また、本発明において好ましくは、向い合わされた両スクロール部材は、スクロール部の渦巻方向全周にわたって溶接接合して一体化してもよく、また、向い合わされた両スクロール部材は、前記壁部材の内側に位置する両スクロール部材の合わせ部は溶接されずに、それ以外の合わせ部をスクロール部の渦巻方向に沿って溶接接合されて一体化してもよい。

このように、壁部材によって覆われる内側の合せ部を溶接してスクロール部の旋回方向全周にわたって溶接する場合には、溶接による熱応力で強度低下を伴うが排ガスの漏えいに対するシール性は向上する。また一方、壁部材によって覆われる内側の合せ部を溶接しない場合には、溶接による熱応力の発生がないため強度低下を防止できるとともに、排ガスの漏えいに対するシール性は外側の壁部材によって十分に達成される。

また、本発明の第２の発明は、渦状の排ガス通路を構成するスクロール部が板金製のスクロール部材を向い合わせて接合して形成される板金タービンハウジングにおいて、前記スクロール部は両スクロール部材を渦巻方向全周にわたって溶接接合して一体化されるとともに、スクロール部の巻き終わり部を構成する舌部の近傍領域では、溶接接合ラインが、タービンの回転軸方向において舌部形成位置から外れるようにずれて設けられ、前記舌部はいずれか一方のスクロール部材だけによって形成されることを特徴とする。

かかる第２の発明によれば、スクロール部材を向い合わせて溶接接合する部分は溶接によって熱応力が高くなるため、その溶接ラインを舌部が形成される舌部形成位置に設けないようにタービン回転軸方向にずらして、舌部はいずれか一方のスクロール部材だけによって形成するので、熱応力による舌部の強度低下を防止できるとともに、舌部近傍での亀裂の発生等の危険を回避でき、板金タービンハウジングの安全性および信頼性を向上できる。

本発明の第１の発明によれば、舌部の近傍領域において、２重壁構造とすることによって、熱応力負荷部と耐圧部との機能を分担させることができ、舌部近傍での熱応力、熱疲労に起因する亀裂の発生等の危険を回避できる。
また、第２の発明によれば、その溶接ラインを舌部が形成される舌部形成位置に設けないようにタービン回転軸方向にずらして、舌部はいずれか一方のスクロール部材だけによって形成するので、熱応力による舌部の強度低下を防止できるとともに、舌部近傍での熱応力および熱疲労に起因する亀裂の発生等の危険を回避できる。
以上のように、第１の発明および第２の発明によれば、舌部近傍での熱応力に起因する亀裂の発生等の危険を回避でき、板金タービンハウジングの安全性および信頼性を向上できる。

本発明の第１実施形態に係る板金タービンハウジングの概要構成を示す斜視図である。 図１のＢ−Ｂ線要部断面図である。 図１のＡ−Ａ線要部断面図である。 図１のＣ部の要部拡大断面図である。 図４のＤ−Ｄ線要部断面図である。 第２実施形態を示す図５対応図である。 第２実施形態の図２対応の要部断面図である。 従来技術を示す全面説明図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（第１実施形態）
図１〜図５を参照して、本発明の第１実施形態に係る板金タービンハウジンについて説明する。
図１、２に示すように、板金製のタービンハウジング１は大きく分けてスクロール部３とセンターコア部９と、出口管部２３とからなり、さらに、スクロール部３は向かい合わせて設けられる第１スクロール部５と、第２スクロール部７とからなっている。そしてこれら４つの部材が溶接接合されることでタービンハウジング１が形成される。

渦巻状のガス通路を形成するスクロール部３は、第１スクロール部５と、第２スクロール部７の２つの部材を突き合わせて、その突き合せの部分を溶接接合し、ガス通路を形成するようになっている。図３に示すＡ−Ａ断面の位置においては、それぞれのスクロール部はほぼ半円形状の断面を有している。

スクロール部３の旋回中心部には、センターコア部９が設けられ、このセンターコア部９は全体に略円筒形状をし、タービン動翼１３（図５、６参照）の回転軸を支持するベアリングが配設されるベアリングハウジング部１５と、ガス流出側を形成する流路出口部１７とを有し、これらベアリングハウジング部１５と、流路出口部１７との間には複数の支柱２１が設けられている。

この支柱２１は、スクロール部３内を渦巻き方向に流れるガスが、中心側に向けてスムーズに流れることができる流路１９を確保するとともに、ベアリングハウジング部１５と流路出口部１７とを結合するために、タービン動翼の周方向の所定位置に間隔をおいて複数本設けられる。ベアリングハウジング部１５と流路出口部１７とはこの支柱２１よって連結して一体化される。

さらに、支柱２１の位置は周方向に等間隔でも不等間隔でもよく、さらに、支柱２１の断面形状は略四角形に形成されているが、流路１９を流れるガス流に対して抵抗とならずにタービン中心側に流すことができように流れ方向に傾斜面を有した三角形状や、または切削加工の削り出しが複雑化するが流線形の曲面形状等に形成されていてもよい。

また、支柱２１はベアリングハウジング部１５と流路出口部１７とを連結して、タービン動翼１３とセンターコア部９の内周面との隙間を、高温時または外力発生時においても一定に保つことができるような強度および耐熱性を持った材料で形成されている。
なお、流路出口部１７の先端にはパイプ形状の出口管部２３が全周溶接によって接合されている。

第１スクロール部５、第２スクロール部７は薄板の板金材（板厚１〜３ｍｍ程度）を成形加工して、それぞれの端面同士を突き合わせて渦巻状のガス通路を形成しており、図３に示すように、先端を重ね合わせて外側から片側すみ肉溶接によって溶接部ａを形成し、該溶接部ａをスクロール部３の渦巻き方向全周にわたって形成している。
なお、溶接は片側すみ肉溶接でなく、板金材の先端同士を突き合わせてその部分を溶接する突合せ溶接によって接合してもよい。また、板金材はオーステナイト系とステンレス鋼等の耐熱鋼によって構成されるとよい。

また、第1スクロール部５、第２スクロール部７のそれぞれのセンターコア部９側の端部は、ベアリングハウジング部１５、流路出口部１７の外周に沿って溶接接合され、流路出口部１７の外周には溶接部ｂを、ベアリングハウジング部１５の外周には溶接部ｃがそれぞれ形成される。

なお、ベアリングハウジング部１５、流路出口部１７、さらにこれらを連結する支柱２１は一体構造を有するため、ベアリングハウジング部１５と流路出口部１７と支柱２は一体として切削加工によって削り出しによって作成されるようになっている。また、出口管部２３も同様に、削り出し加工によって作成される。

排ガスは、入口パイプ部２５（図１、２）から流入し、スクロール部３のガス流路に沿って流れて、旋回して回り込み、入口部分に流入する排ガスと集合して、その排ガスの集合部分であるスクロール部３の巻き終わり部を構成する舌部２７の近傍では、急激な加熱を生じる。そして、舌部２７が、急激に加熱されることにより、舌部２７の周辺との温度差によって熱伸び拘束力が発生し圧縮側の熱応力が発生する。そして熱応力の繰返しにより、熱応力に起因する亀裂が発生する。

この舌部２７の近傍における熱応力に起因する亀裂の発生は、本発明の板金タービンハウジングに限らず、従来の鋳造によるタービンハウジンにおいても発生するものであり、数値解析、試験等において確認されている。

そして、この舌部２７の近傍における熱応力に起因する亀裂の発生を防止するために、本発明は、図５に示すように溶接部ａの両側に壁部材３１が設けられる。
すなわち、壁部材３１が、スクロール部３の巻き終わり部分の外壁と、排ガスの流入口から舌部２７に向う第１および第２スクロール部５、７の外壁との間にわたって形成され、壁部材３１の上端が第１および第２スクロール部５、７の外壁に溶接接合し、壁部材３１の下端がスクロール部３の巻き終わり部分の外壁に溶接接合し、さらに、両壁部材３１、３１の先端部は閉じられて、第１および第２スクロール部５、７の重ね合せ部を覆うようにして内部に密閉空間３３を形成している。

壁部材３１が設けられる範囲は、図４の領域Ｘに示すような舌部近傍領域において形成されている。この舌部近傍領域は、舌部２７が形成されるスクロール部３の巻き終わり部分の外壁と、排ガスの流入口から舌部２７に向う第１および第２スクロール部５、７の外壁との間に形成される窪み状の部分をいい、該窪み部の底部分を形成する第１および第２スクロール部５、７の内側部分に舌部２７が形成される（図４参照）。
このように、壁部材３１によって、亀裂貫通の危険性がある舌部近傍領域Ｘに限定して２重壁構造を簡単に設けることができる。

また、両側の壁部材３１の内側に位置する第１スクロール部５と第２スクロール部７との合せ部を、溶接せずに重ね合わせた状態のままでもよい。壁部材３１によって覆われる密閉空間３３の内側の合せ部を溶接してスクロール部３の旋回方向全体にわたって溶接する場合には、溶接による熱応力で強度低下を伴うが排ガスの漏えいに対するシール性は向上するが、壁部材３１によって覆われる内側の合せ部を溶接しない場合には、溶接による熱応力の発生がないため強度低下を防止できるとともに、排ガスの漏えいに対するシール性は外側に設置された壁部材３１によって十分に達成される。

以上のように、第１スクロール部５と、第２スクロール部７との合せ部による壁構造と、その外側の壁部材３１による壁構造との２重壁構造とすることによって、内部流れに沿う内側の第１スクロール部５および第２スクロール部７によって熱応力を受け、仮に亀裂発生および貫通が生じたとしても、外側の壁部材３１によって耐圧されるため、内部ガスの漏えいを防ぐことができる。
その結果、板金製のタービンハウジング１の舌部２７近傍での排ガスが漏えいするような亀裂発生を防止でき、板金タービンハウジングの安全性および信頼性を向上できる。
（第２実施形態）

次に、図６、図７を参照して第２実施形態について説明する。
図６は、図５に対応するものであり、図４のＤ−Ｄ線方向のタービンハウジング１の全体断面形状を示す。舌部近傍領域Ｘ内において、第１スクロール部５と第２スクロール部７との合せ部を溶接する溶接部ａのラインが、タービンの回転軸方向において舌部２７の形成位置から外れるように迂回して設けられる。スクロール部３の外周側の溶接部ａのラインはａ１位置に移動して設けられ、舌部側の溶接部ａのラインはａ２位置に移動して設けられる。
また、舌部２７が形成される舌部形成位置Ｙにおいては、突き合わされる第１スクロール部５と第２スクロール部７との合わせ部が存在せず、溶接部ａは舌部形成位置Ｙの外側（タービン軸方向外側）に移動されて位置させることで、舌部形成位置Ｙには第１スクロール部５の部材だけが存在して形成される。
なお、舌部形成位置Ｙとは、図５、６に示すようにスクロール部３からタービン動翼１３への径方向流入通路を形成する部分をいう。

図７に、図２対応の第２実施形態を示す要部断面図を示し、舌部近傍領域Ｘ内において、スクロール部３の外周側の溶接部ａのラインがａ１位置に移動した状態を示す。また、図示しないが舌部側の溶接部ａのラインも、ａ１位置と同様の溶接ラインの変更によってａ２位置に移動して設けられる。

かかる第２実施形態によれば、第１スクロール部５と第２スクロール部７を向い合わせて溶接接合する部分は、溶接によって熱応力が高くなり熱疲労による亀裂等の発生の問題が生じる可能性が高いため、その溶接ラインを舌部２７が形成される位置からずらして、舌部２７には向い合わせて接合される第１スクロール部５と第２スクロール部７のいずれか一方のスクロール部材だけが存在して形成されることで、舌部２７における溶接による熱応力の発生を回避し、低サイクル疲労強度を向上することができる。
その結果、熱応力、熱疲労による舌部２７および舌部近傍領域での亀裂の発生等の危険を回避でき、板金タービンハウジングの安全性および信頼性を向上できる。

本発明によれば、板金製のタービンハウジング構造において、スクロールの巻き終わり部となる舌部領域における急激な加熱の繰り返しから生じる熱疲労に起因する亀裂の発生等を防止して軽量且つ舌部の耐久性を向上できるので、板金製のタービンハウジングへの利用に適している。

１ タービンハウジング
３ スクロール部
５ 第１スクロール部（スクロール部材）
７ 第２スクロール部（スクロール部材）
９ センターコア部
１３ タービン動翼
１５ ベアリングハウジング部
１７ 流路出口部
２１ 支柱
２３ 出口管部
２７ 舌部
３１ 壁部材
３３ 密閉空間
ａ、ｂ、ｃ 溶接部
Ｘ 舌部近傍領域
Ｙ 舌部形成位置

Claims (3)

1. 渦状の排ガス通路を構成するスクロール部が板金製のスクロール部材を向い合わせて接合して形成される板金タービンハウジングにおいて、
   前記スクロール部の巻き終わり部を構成する舌部の近傍領域における前記スクロール部材の合せ部の両側に設けられるとともに、前記スクロール部材における前記スクロール部の外壁面と、前記スクロール部材における排ガスの流入口の外壁面との間を繋ぐようにして設けられ、前記合せ部を覆うように密閉空間を形成して舌部近傍の外周壁を２重壁構造とする壁部材を備えることを特徴とする板金タービンハウジング。
2. 向い合わされた両スクロール部材は、スクロール部の渦巻方向全周にわたって溶接接合して一体化されることを特徴とする請求項１記載の板金タービンハウジング。
3. 向い合わされた両スクロール部材は、前記壁部材の内側に位置する両スクロール部材の合わせ部は溶接されずに、それ以外の合わせ部をスクロール部の渦巻方向に沿って溶接接合されて一体化されることを特徴とする請求項１記載の板金タービンハウジング。

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