JP5610067B2

JP5610067B2 - ターボチャージャのタービンハウジング

Info

Publication number: JP5610067B2
Application number: JP2013511821A
Authority: JP
Inventors: 正和田畑
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2031-04-26
Also published as: EP2703620A4; US20140037436A1; CN103429869B; JPWO2012147161A1; WO2012147161A1; US8961122B2; CN103429869A; EP2703620B1; EP2703620A1

Description

本発明は、ターボチャージャに組み込まれるタービンのタービンハウジングに関する。

ターボチャージャに組み込まれるタービンにおいて、タービンハウジングの内部にそのハウジングとは別に排気ノズルが設けられ、ハウジングと排気ノズルとの間の隙間をシール体で塞ぐタービンが知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜５が存在する。

特開２０１０−１１２１９５号公報特開２００７−２７８２２１号公報特開２００２−００４８７１号公報特表２００２−５１９５８１号公報特開２００９−０４１５５１号公報

周知のように内燃機関の排ガスには水分が含まれている。そして、ターボチャージャのタービンで排ガスの温度が低下するとその水分が凝縮してタービン内部に付着し、これによりタービンの部品が腐食する問題が知られている。特許文献１のタービンでは、シール体にて隙間への凝縮水の進入は抑制されるが、タービン内からの凝縮水の除去は考慮されていない。

そこで、本発明は、凝縮水を速やかに除去可能なタービンハウジングを提供することを目的とする。

本発明のタービンハウジングは、ターボチャージャに組み込まれるタービンに適用され、タービンホイールを収容するホイール収容室と、一端が前記ホイール収容室の出口に通じ、かつ他端に排出口が設けられた排出通路と、が内部に設けられた本体を備え、前記ホイール収容室を通過したガスは前記排出通路を介して前記排出口から外に排出されるタービンハウジングにおいて、前記本体の内部には、前記ホイール収容室に配置されて前記タービンホイールのブレードの縁に沿って延びるシュラウド部を有する上流側内管と、前記上流側内管に対してガスの流れ方向の下流側に位置するように前記排出通路に配置された下流側内管と、が設けられ、前記下流側内管は、前記下流側内管と前記本体との間に隙間が設けられるように前記本体と離して設けられるとともに前記上流側内管とも離して設けられ、前記下流側内管の肉厚が、前記上流側内管の肉厚より薄い。

周知のようにタービンホイールの下流側は排気の温度が低下するので、凝縮水が発生し易い。また、旋回流が発生しているので、遠心力によって凝縮水がタービンハウジングの内面に付着し易い。本発明のタービンハウジングによれば、このような位置に設けられた下流側内管の肉厚を薄くしたので、この下流側内管の熱容量を小さくできる。この場合、下流側内管の温度を速やかに上昇させることができるので、凝縮水が付着してもそれを速やかに蒸発させることができる。そのため、凝縮水を速やかに除去できる。また、これにより下流側内管の腐食を抑制できる。

また、本発明のタービンハウジングでは上流側内管の肉厚が厚いため、この上流側内管の剛性を高くできる。これにより上流側内管の変形を抑制できるので、シュラウド部とブレードとの間のクリアランスを維持できる。そのため、タービンの効率低下を防止できる。

本発明のタービンハウジングの一形態において、前記本体の前記排出口の周囲には、前記排出通路の下流に排気管を接続するためのフランジが設けられ、前記下流側内管の長さは、前記下流側内管のガスの流れ方向の下流側の端部が前記本体から突出するように設定されていてもよい。周知のように凝縮水はフランジと排気管との接続部分に溜まりやすい。この形態では、このような接続部分まで下流側内管が延びているので、接続部分に溜まっている凝縮水を下流側内管の熱で速やかに蒸発させることができる。これにより接続部分に凝縮水が溜まることを抑制できる。

本発明のタービンハウジングの一形態において、前記下流側内管は、前記下流側内管と前記本体との間に設けられた複数の固定部材にて前記本体に固定され、前記複数の固定部材は、前記下流側内管の外周に周方向に互いに離して配置されていてもよい。この場合、下流側内管と本体との間の隙間に凝縮水が入り込んでもそれを速やかに排出できるので、その隙間に凝縮水が溜まることを防止できる。

本発明のタービンハウジングの一形態において、前記下流側内管は、前記上流側内管よりも耐腐食性の高い材料で構成されていてもよい。この場合、凝縮水による下流側内管の腐食をさらに抑制できる。

本発明のタービンハウジングの一形態において、前記下流側内管の外面には、前記下流側内管の内面よりも放熱性が高くなる表面加工が施されていてもよい。この場合、下流側内管からの輻射熱によって本体の排出通路の部分の温度を上げることができる。そのため、凝縮水の発生を防止することができる。

本発明のタービンハウジングの一形態において、前記上流側内管のガスの流れ方向下流側の端部及び前記下流側内管のガスの流れ方向上流側の端部は、いずれも円筒状をしており、前記下流側内管のガスの流れ方向上流側の端部の内径は、前記上流側内管のガスの流れ方向下流側の端部の外径よりも大きくてもよい。この場合、下流側内管が上流側内管側に動いても上流側内管に力が加わらない。そのため、シュラウド部とブレードとの間のクリアランスを維持できる。

本発明の一形態に係るタービンハウジングを備えたタービンを示す図。図１の範囲Ａの部分を概略的に示す図。タービンハウジングと排気管との接続部分を示す図。下流側内管の変形例を説明するための図。第１の変形例に係るタービンハウジングの要部を示す図。第２の変形例に係るタービンハウジングの要部を示す図。第２の変形例の他の例を示す図。第３の変形例に係るタービンハウジングの要部を示す図。可動ベーンが無いタービンに適用した本発明のタービンハウジングの要部を示す図。

図１及び図２を参照して本発明の一形態に係るタービンハウジングを説明する。図１は、本発明のタービンハウジングが組み込まれたターボチャージャ１を示している。このターボチャージャ１は、車両に搭載される内燃機関に取り付けられる。ターボチャージャ１は、内燃機関の排気通路に設けられるタービン２と、内燃機関の吸気通路に設けられる不図示のコンプレッサとを備えている。ターボチャージャ１は、内燃機関の排ガスでタービン２を駆動し、そのタービン２でコンプレッサを駆動して内燃機関の吸気を圧縮する周知のものである。

タービン２は、タービンハウジング３と、その内部に収容されるタービンホイール４とを備えている。タービンホイール４には、周方向に並べられた複数のタービンブレード５が設けられている。タービンホイール４は、回転軸６の一端に溶接にて接合されている。回転軸６の他端には、コンプレッサのコンプレッサホイールが取り付けられている。回転軸６は、軸線Ａｘの回りに回転自在にセンタハウジング７に支持されている。

タービンハウジング３は、ハウジング部材８とノズルプレート９とを組み合わせることにより形成された本体１０を備えている。この図に示すようにノズルプレート９には軸線Ａｘの方向に貫通する貫通孔９ａが設けられている。この貫通孔９ａには、タービンホイール４が回転自在に挿入されている。本体１０の内部には、内部に排ガスを導入するための導入通路１１と、その導入通路１１に通じる渦巻き状のスクロール室１２と、タービンホイール４を収容するホイール収容室１３と、スクロール室１２からホイール収容室１３に排ガスを導くノズル部１４と、ホイール収容室１３から軸線方向に延びる排出通路１５とが設けられている。また、図に示すように本体１０には、排出通路１５の下流に排気管を接続するためのフランジ１６が設けられている。このタービンハウジング３において、排ガスは導入通路１１からスクロール室１２に導かれる。続いて、排ガスはノズル部１４を通ってホイール収容室１３に導かれ、タービンホイール４を回転駆動する。その後、排ガスは排出通路１５を通って排出される。

ノズル部１４には、複数の可動ベーン１７が周方向に並べられている。各可動ベーン１７には軸線Ａｘの方向に延びる軸部１８が設けられている。各可動ベーン１７は、軸部１８を中心に左右に回転可能なようにノズルプレート９に支持されている。タービンハウジング３には、各可動ベーン１７の傾き角を一斉に変更可能な駆動機構１９が設けられている。この駆動機構１９にて各可動ベーン１７の傾き角を変化させることにより可動ベーン１７間の開口面積を変更できる。そのため、ターボチャージャ１は可変容量ターボチャージャである。

本体１０の内部には、上流側内管２０と、円筒状の下流側内管２１とが設けられている。図２は、図１の範囲Ａの部分を概略的に示している。この図に示したように上流側内管２０は、ホイール収容室１３に配置されてタービンブレード５の縁に沿って延びるシュラウド部２０ａを備えている。また、上流側内管２０は、ノズル部１４の壁面となるリング部２０ｂと、排出通路１５の壁面の一部となる円筒部２０ｃとを備えている。このように上流側内管２０は、ノズル部１４から排出通路１５にかけて設けられている。上流側内管２０は、不図示の複数のスペーサボルトにてノズルプレート９に固定されている。この際、上流側内管２０は、シュラウド部２０ａとタービンブレード５との間のクリアランスが数百μｍになるように固定される。上流側内管２０と本体１０との間には、この間をガスが流れることを防止するためのシール部材２２が設けられている。

下流側内管２１は、上流側内管２０の下流側に位置するように排出通路１５に設けられている。下流側内管２１は、サポート部材２３にて本体１０に固定されている。サポート部材２３は、下流側内管２１と本体１０との間に全周に亘って設けられている。この図に示すようにサポート部材２３は、排出口１５ａ付近に配置されている。下流側内管２１の長さは、下流側の端部２１ａが本体１０から外に突出するように設定されている。この図に示したように下流側内管２１の肉厚ｔ２は、上流側内管２０の肉厚ｔ１よりも薄い。また、下流側内管２１は、上流側内管２０の材料よりも耐腐食性の高い材料で構成されている。具体的には、例えば下流側内管２１をフェライト系ステンレスで構成し、上流側内管２０をオーステナイト系ステンレスあるいはアルミナイズ処理を行った鋼で構成すればよい。このように上流側内管２０及び下流側内管２１を設けることにより、タービンハウジング３はノズル部１４、ホイール収容室１３、及び排出通路１５の部分が二重管構造になっている。

本発明のタービンハウジング３では、タービンホイール４の下流に設けられた下流側内管２１の肉厚ｔ２を上流側内管２０の肉厚ｔ１よりも薄くしたので、この内管２１の熱容量を小さくできる。また、下流側内管２１はサポート部材２３を介して本体１０に固定されているので、下流側内管２１から本体１０への熱の移動を抑制できる。これにより下流側内管２１の温度を排ガスの熱等によって速やかに上昇させることができるので、付着した凝縮水を速やかに蒸発させることができる。そのため、凝縮水を速やかに除去できる。従って、下流側内管２１の腐食を抑制できる。

また、下流側内管２１は上流側内管２０よりも耐腐食性の高い材料で構成されているので、下流側内管２１の腐食をさらに抑制できる。

本発明のタービンハウジング３では上流側内管２０の肉厚ｔ１が厚いため、この内管２０の剛性を高くできる。これにより上流側内管２０の変形を抑制できるので、シュラウド部２０ａとタービンブレード５との間のクリアランスを維持できる。そのため、タービン２の効率低下を防止できる。

図３に示すように凝縮水ＣＷは、フランジ１６と排気管３０との接続部分に溜まりやすい。また、周知のようにフランジ１６は熱容量が大きいので、排ガスの温度が低下し易い。本発明では、下流側内管２１の下流側の端部２１ａを本体１０から突出させたので、この接続部分の内側にも下流側内管２１が設けられる。この場合、下流側内管２１の熱で凝縮水ＣＷを速やかに蒸発させることができるので、このような部分に凝縮水が溜まることを抑制できる、そのため、腐食を抑制できる。

本発明のタービンハウジング３では、下流側内管２１の外面２１ｂには内面２１ｃよりも放熱性が高くなる表面加工が施されていてもよい。例えば、図４に示すように外面２１ｂには、黒体ＢＢがコーティングされていてもよい。この場合、下流側内管２１からの輻射熱によって本体１０の排出通路１５の部分の温度を上げることができる。そのため、凝縮水の発生を防止することができる。なお、表面加工は黒体のコーティングに限定されず、放熱性を高めることが可能な種々の方法を適用してよい。例えば、外面２１ｂが内面２１ｃよりもでこぼこしているように外面２１ｂを粗くしてもよい。

次に図５〜図８を参照して本発明のタービンハウジング３の変形例を説明する。なお、これらの図において図１〜図４と共通の部分には同一の符号を付して説明を省略する。

図５は、第１の変形例に係るタービンハウジング３の要部を示している。なお、この図は排出通路１５を軸線Ａｘの方向から見た図である。この変形例では、下流側内管２１が固定部材としての複数のサポート部材４０で本体１０に固定されている。各サポート部材４０は、周方向に互いに離して並べて配置されている。これによりサポート部材４０の間に上流側と下流側とを接続する空間Ｓが形成される。この変形例では、下流側内管２１と本体１０との間の隙間に凝縮水が入り込んでもそれを下流側に排出できるので、その隙間に凝縮水が溜まることを防止できる。そのため、下流側内管２１及び本体１０の腐食を抑制できる。

図６は、第２の変形例に係るタービンハウジング３の要部を示している。この変形例では、下流側内管２１の内径ＩＤ２が上流側内管２０の円筒部２０ｃの外径ＯＤ１よりも大きい。この場合、下流側内管２１が上流側内管２０側に動いても上流側内管２０に力が加わらない。そのため、シュラウド部２０ａとタービンブレード５との間のクリアランスを維持できる。なお、この変形例では、図７に示すように下流側内管２１の上流側の端部２１ｄが円筒部２０ｃの外側に位置するように下流側内管２１を配置してもよい。

図８は、第３の変形例に係るタービンハウジング３の要部を示している。上述したようにフランジ１６には排気管３０が取り付けられる。この図に示すように排気管３０の端部にはフランジ３１が設けられている。フランジ１６には、フランジ３１を固定するための複数のスタッドボルト３２が取り付けられている。各スタッドボルト３２は、フランジ３１のボルト孔３１ａに挿入される。この図に示すようにスタッドボルト３２がフランジ３１のボルト孔３１ａに挿入された場合にはそれらの間に隙間Ｃ１が生じる。この変形例では、下流側内管２１の外径ＯＤ２を排気管３０の内径ＩＤ３よりも小さくする。そして、下流側内管２１の外径ＯＤ２は、下流側内管２１と排気管３０との間に生じる隙間Ｃ２が上述した隙間Ｃ１よりも大きくなるように設定する。この場合、排気管３０をタービンハウジング３に取り付ける際に下流側内管２１に外力が加わることを防止できる。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、上流側内管と下流側内管とは同じ材料で構成されていてもよい。本発明は、本体が内殻と、その内殻の外側に設けられた外殻とで構成された二重構造のタービンハウジングに適用してもよい。

本発明のタービンハウジングが適用されるタービンは、ノズル部に可動ベーンが設けられたタービンに限定されない。例えば、図９に示すように可動ベーンが無いタービンに適用してもよい。この場合には、上流側内管２０のリング部２０ｂが省略される。なお、図９において図２と共通の部分には同一の符号を付して説明を省略する。このようなタービンにおいても、下流側内管２１の肉厚ｔ２を上流側内管２０の肉厚ｔ１よりも薄くすることによって凝縮水を速やかに蒸発させることができる。そのため、凝縮水を速やかに除去できる。

Claims

ターボチャージャに組み込まれるタービンに適用され、
タービンホイールを収容するホイール収容室と、一端が前記ホイール収容室の出口に通じ、かつ他端に排出口が設けられた排出通路と、が内部に設けられた本体を備え、前記ホイール収容室を通過したガスは前記排出通路を介して前記排出口から外に排出されるタービンハウジングにおいて、
前記本体の内部には、前記ホイール収容室に配置されて前記タービンホイールのブレードの縁に沿って延びるシュラウド部を有する上流側内管と、前記上流側内管に対してガスの流れ方向の下流側に位置するように前記排出通路に配置された下流側内管と、が設けられ、
前記下流側内管は、前記下流側内管と前記本体との間に隙間が設けられるように前記本体と離して設けられるとともに前記上流側内管とも離して設けられ、
前記下流側内管の肉厚が、前記上流側内管の肉厚より薄いタービンハウジング。
前記本体の前記排出口の周囲には、前記排出通路の下流に排気管を接続するためのフランジが設けられ、
前記下流側内管の長さは、前記下流側内管のガスの流れ方向の下流側の端部が前記本体から突出するように設定されている請求項１に記載のタービンハウジング。
前記下流側内管は、前記下流側内管と前記本体との間に設けられた複数の固定部材にて前記本体に固定され、
前記複数の固定部材は、前記下流側内管の外周に周方向に互いに離して配置されている請求項１又は２に記載のタービンハウジング。
前記下流側内管は、前記上流側内管よりも耐腐食性の高い材料で構成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
前記下流側内管の外面には、前記下流側内管の内面よりも放熱性が高くなる表面加工が施されている請求項１〜４のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
前記上流側内管のガスの流れ方向下流側の端部及び前記下流側内管のガスの流れ方向上流側の端部は、いずれも円筒状をしており、
前記下流側内管のガスの流れ方向上流側の端部の内径は、前記上流側内管のガスの流れ方向下流側の端部の外径よりも大きい請求項１〜５のいずれか一項に記載のタービンハウジング。