JP6708251B2 - タービン軸、および、過給機 - Google Patents

Description

本開示は、シャフトとインペラを備えるタービン軸、および、過給機に関する。

従来、シャフトが、ベアリングハウジングに回転自在に軸支された過給機が知られている。シャフトの一端には、タービンインペラが設けられる。シャフトの他端には、コンプレッサインペラが設けられる。こうした過給機をエンジンに接続する。エンジンから排出される排気ガスによってタービンインペラが回転する。タービンインペラの回転によって、シャフトを介してコンプレッサインペラが回転する。こうして、過給機は、コンプレッサインペラの回転に伴い空気を圧縮してエンジンに送出する。

特許文献１には、インペラとシャフトの溶接構造が記載されている。具体的には、インペラの背面に設けられた窪み部に、シャフトの先端に形成された挿入部が挿入されている。また、シャフトのうち、挿入部の基端側では、窪み部より径方向外側に突出する部位に、溶接面が形成されている。このシャフトの溶接面が、インペラの背面と軸方向に当接する。溶接面は、電子ビームで溶接される。

特開２０１３−１９４５２８号公報

ところで、シャフトの外周面にはシール溝が形成されている。シール溝には、シールリングが設けられる。シール溝に要求される寸法精度は高い。シャフトとインペラの溶接時の熱による熱変形を抑制するため、溶接部分からシール溝への伝熱を抑える技術の開発が希求されている。

本開示の目的は、シャフトとインペラの溶接部分からシール溝への伝熱を抑制することが可能なタービン軸、および、過給機を提供することである。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係るタービン軸は、本体部の背面に設けられた突出部と、本体部の背面のうち、突出部より径方向外側に設けられた被溶接面と、を有するインペラと、一端面に設けられ、突出部が挿通される端穴と、端穴より径方向外側に設けられ、被溶接面に溶接される溶接面と、溶接面より他端側に設けられ、底面が溶接面より径方向外側に位置するシール溝と、溶接面とシール溝との間に形成され、溶接面側からシール溝側に向かって径方向外側に拡径する拡径部と、を有するシャフトと、を備える。

シール溝は、端穴よりも他端側に形成されてもよい。

シャフトの端穴の底面に設けられ、軸方向に窪むセンタ穴と、センタ穴の内周面に設けられ、軸心を含む断面形状が曲線となる湾曲部と、を備えてもよい。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る過給機は、上記タービン軸を備える。

本開示によれば、シャフトとインペラの溶接部分からシール溝への伝熱を抑制することが可能となる。

過給機の概略断面図である。 タービン軸を説明するための説明図である。 タービン軸の溶接構造を説明するための説明図である。 図３の破線部分を拡大した抽出図である。 第１比較例を説明するための第１の図である。 第１比較例を説明するための第２の図である。 第２比較例を説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、過給機Ｃの概略断面図である。以下では、図１に示す矢印Ｌ方向を過給機Ｃの左側として説明する。矢印Ｒ方向を過給機Ｃの右側として説明する。図１に示すように、過給機Ｃは、過給機本体１を備えて構成される。この過給機本体１は、ベアリングハウジング２を備える。ベアリングハウジング２の左側の一端面には、締結ボルト３によってタービンハウジング４が取り付けられる。ベアリングハウジング２の右側の一端面には、締結ボルト５によってコンプレッサハウジング６が取り付けられる。

ベアリングハウジング２には、軸受孔２ａが形成されている。軸受孔２ａは、過給機Ｃの左右方向に貫通する。軸受孔２ａには軸受７が設けられる。軸受７によって、シャフト８が回転自在に軸支されている。シャフト８の左端部には、タービンインペラ９（インペラ）が設けられる。タービンインペラ９がタービンハウジング４内に回転自在に収容されている。また、シャフト８の右端部には、コンプレッサインペラ１０が設けられる。コンプレッサインペラ１０がコンプレッサハウジング６内に回転自在に収容されている。

コンプレッサハウジング６には、吸気口１１が形成されている。吸気口１１は、過給機Ｃの右側に開口する。吸気口１１は、不図示のエアクリーナに接続される。また、締結ボルト５によってベアリングハウジング２とコンプレッサハウジング６が連結された状態では、ディフューザ流路１２が形成される。ディフューザ流路１２は、ベアリングハウジング２とコンプレッサハウジング６の対向面によって形成される。ディフューザ流路１２は、空気を昇圧する。ディフューザ流路１２は、シャフト８の径方向内側から外側に向けて環状に形成されている。ディフューザ流路１２は、上記の径方向内側において、コンプレッサインペラ１０を介して吸気口１１に連通している。

また、コンプレッサハウジング６には、コンプレッサスクロール流路１３が設けられている。コンプレッサスクロール流路１３は環状である。コンプレッサスクロール流路１３は、例えばディフューザ流路１２よりもシャフト８の径方向外側に位置する。コンプレッサスクロール流路１３は、不図示のエンジンの吸気口と連通する。コンプレッサスクロール流路１３は、ディフューザ流路１２にも連通している。したがって、コンプレッサインペラ１０が回転すると、吸気口１１からコンプレッサハウジング６内に空気が吸気される。吸気された空気は、コンプレッサインペラ１０の翼間を流通する過程において、遠心力の作用により増速される。増速された空気は、ディフューザ流路１２およびコンプレッサスクロール流路１３で昇圧される。昇圧された空気は、エンジンの吸気口に導かれる。

タービンハウジング４には、吐出口１４が形成されている。吐出口１４は、過給機Ｃの左側に開口する。吐出口１４は、不図示の排気ガス浄化装置に接続される。また、タービンハウジング４には、流路１５と、タービンスクロール流路１６とが設けられている。タービンスクロール流路１６は環状である。タービンスクロール流路１６は、例えば流路１５よりもタービンインペラ９の径方向外側に位置する。タービンスクロール流路１６は、不図示のガス流入口と連通する。タービンスクロール流路１６は、不図示のエンジンの排気マニホールドから排出される排気ガスが導かれる。タービンスクロール流路１６は、上記の流路１５にも連通している。したがって、ガス流入口からタービンスクロール流路１６に導かれた排気ガスは、流路１５およびタービンインペラ９の翼間（後述する複数の羽根２２の間）を介して、吐出口１４に導かれる。吐出口１４に導かれる排気ガスは、その流通過程においてタービンインペラ９を回転させる。

そして、上記のタービンインペラ９の回転力は、シャフト８を介してコンプレッサインペラ１０に伝達される。上記の通り、空気は、コンプレッサインペラ１０の回転力によって、昇圧されて、エンジンの吸気口に導かれる。

図２は、タービン軸２０を説明するための説明図である。図２に示すように、タービン軸２０は、シャフト８と、例えばラジアル式のタービンインペラ９とで構成される。タービンインペラ９の本体部２１は、タービン軸２０の軸方向（以下、単に軸方向と称す）に、図２中、左側（一方側）から右側（他方側）に向かって拡径する。

そして、本体部２１は、軸方向の一方側に外周面２１ａを臨ませている。本体部２１は、軸方向の他方側に背面２１ｂを臨ませている。外周面２１ａおよび背面２１ｂは、軸方向に見たときの外形が例えば円形である。本体部２１の外周面２１ａは、軸方向の他方側に向かって徐々に外径が大きくなっている。

外周面２１ａには、複数の羽根２２が設けられている。複数の羽根２２は、外周面２１ａの周方向に離隔している。複数の羽根２２は、外周面２１ａから径方向に突出している。

また、本体部２１の背面２１ｂは、径方向内側が軸方向に突出している。具体的には、背面２１ｂの径方向内側の部位は、タービンインペラ９（羽根２２）が軸方向に延在する位置よりもシャフト８側（コンプレッサインペラ１０側、図２中、右側）に突出している。例えば、ラジアル式タービンインペラの場合、図２に示すように、タービンインペラ９のうち、最も径方向外側に位置する最外周部２２ａ（本体部２１の外径が最も大きくなる部分）よりも、右側に突出している。

そして、本体部２１の背面２１ｂのうち、この突出部分がシャフト８の後述する端穴に挿通されて、溶接される。このように、シャフト８は、タービンインペラ９の本体部２１の背面２１ｂに接合される。

図３は、タービン軸２０の溶接構造を説明するための説明図である。図３には、図２の破線ＩＩＩ部分におけるシャフト８の軸心を含む断面構造を抽出して示す。

図３に示すように、本体部２１の背面２１ｂには、被溶接面２３が形成されている。被溶接面２３は、例えば、環状である。被溶接面２３は、シャフト８に溶接される。被溶接面２３は、上記の本体部２１に設けられた羽根２２の最外周部２２ａ（図２参照）よりも、軸方向に（コンプレッサインペラ１０側に、図２、３中、右側に）突出している。

本体部２１の外径が最も大きくなる部分（本体部２１の最大径部分、図２に示すラジアル式のタービンインペラ９の一例では、最外周部２２ａと概ね同じ位置）の径方向内側には、径方向外側まで本体部２１や羽根２２が延在している。本体部２１の最大径部分では、運転時（タービン軸２０の回転時）に作用する遠心力が大きくなる。そのため、シャフト８とタービンインペラ９との溶接部分の位置は、本体部２１の最大径部分から、軸方向において、コンプレッサインペラ１０側にずれている。この場合、溶接部分の遠心力による変位が抑えられる。応力集中を緩和することが可能となる。

本体部２１の背面２１ｂのうち、被溶接面２３の径方向内側には、突出部２４が形成される。突出部２４は、被溶接面２３より軸方向に突出する。また、シャフト８の一端面８ａには、端穴２５が設けられている。端穴２５は、後述する溶接面２６より軸方向に窪んでいる。端穴２５にタービンインペラ９の突出部２４が挿通される。突出部２４が端穴２５に挿通されることで、シャフト８とタービンインペラ９は、それぞれの軸心が同軸になるように、位置決めされる。

シャフト８のうち、端穴２５の径方向外側には、溶接面２６が形成されている。タービンインペラ９の突出部２４をシャフト８の端穴２５に挿通する。こうして、被溶接面２３および溶接面２６が当接した状態では、突出部２４の先端面２４ａは、端穴２５の底面２５ａから離隔している。すなわち、シャフト８の軸方向の位置決めが、溶接面２６によってなされる。ここで、例えば、被溶接面２３および溶接面２６は、軸方向に垂直な面とすることが考えられる。

このとき、溶接面２６および被溶接面２３は、外周側が露出している。溶接面２６および被溶接面２３に対して、外周側から周方向に亘って、電子ビームやレーザ光が照射される。こうして、溶接面２６および被溶接面２３が溶接されている。

また、シャフト８の外周面には、第１シール溝２７、第２シール溝２８（シール溝）が形成されている。第１シール溝２７、第２シール溝２８は、溶接面２６より、図３中、右側（他端側）に位置する。第１シール溝２７、第２シール溝２８は、溶接面２６側から、第１シール溝２７、第２シール溝２８の順に配される。第１シール溝２７、第２シール溝２８には、それぞれ、シールリングの内周側が挿通される。

図４は、図３の破線部分を拡大した抽出図である。図４中、シャフト８の溶接面２６とタービンインペラ９の被溶接面２３との溶接部分は、クロスハッチングで示される。タービン軸２０の回転時、タービンインペラ９の本体部２１に作用する遠心応力による変位量（図４に白抜き矢印ａで示す）は、シャフト８に作用する遠心応力による変位量（図４に白抜き矢印ｂで示す）よりも僅かに大きい。ここで、例えば、タービンインペラ９の材質は、インコネル材などのＮｉ基超合金などが考えられる。シャフト８の材質は、クロムモリブデン鋼などの高強度炭素鋼などが考えられる。

図５、図６は、第１比較例を説明するための図である。図５には、第１比較例における図３に対応する部位の断面図を示す。図６には、図５の破線部分を拡大した抽出図を示す。

図５に示すように、第１比較例では、シャフトＳ_１に突出部Ｓ_１ａを設けている。タービンインペラＴ_１に端穴Ｔ_１ａを設けている。そして、突出部Ｓ_１ａを端穴Ｔ_１ａに挿通している。シャフトＳ_１とタービンインペラＴ_１が回転すると、タービンインペラＴ_１に作用する遠心応力による変位量（図６に白抜き矢印ａで示す）は、シャフトＳ_１に作用する遠心応力による変位量（図６に白抜き矢印ｂで示す）よりも大きくなる。

その結果、溶接部分のうち、突出部Ｓ_１ａの外周面Ｓ_１ｂと端穴Ｔ_１ａの内周面Ｔ_１ｂの近傍（図６中、破線の丸で示す）には、引張応力が作用する。

本実施形態では、シャフト８に端穴２５を設けている。タービンインペラ９に突出部２４を設けている。この場合、前述する通り、タービンインペラ９の突出部２４の外周面２４ｂより、端穴２５の内周面２５ｂの方が、図４中、上側に変位する変位量が小さくなる。このとき、溶接部分のうち、突出部２４の外周面２４ｂと端穴２５の内周面２５ｂの近傍（図４中、破線の丸で示す）の径方向には、圧縮応力が作用する。このため、タービン軸２０の回転時の遠心力によって、溶接部分のうち、突出部２４の外周面２４ｂと端穴２５の内周面２５ｂの近傍に応力集中したとしても、外周面２４ｂと内周面２５ｂで形成される隙間が、き裂として軸方向に進展する方向に力が生じることを防止できる。

また、図３に示すように、シャフト８の外周面のうち、溶接面２６と第１シール溝２７（第２シール溝２８）との間には、拡径部２９を形成してもよい。拡径部２９は、溶接面２６側から第１シール溝２７側に向かって径方向外側に拡径している。図３に示すように、拡径部２９は、シャフト８の軸心を含む断面形状（以下、単に断面形状と称す）が、例えば曲線となっている。

換言すれば、拡径部２９は、隔壁８ｂに形成される。隔壁８ｂは、シャフト８のうち、第１シール溝２７と溶接面２６との間にある。すなわち、隔壁８ｂの軸方向に垂直な厚み（環状の断面積）は、第１シール溝２７に向かうにつれて大きくなっている。また、拡径部２９は、例えば溶接面２６の外周端から、連続形成されている。

例えば、被溶接面２３と溶接面２６の溶接時、溶接による熱は、シャフト８中、溶接面２６から第１シール溝２７、第２シール溝２８に向かって伝熱する。ここで、第１シール溝２７、第２シール溝２８は、要求される寸法精度が高い。第１シール溝２７、第２シール溝２８の熱変形が大きいと、例えば別に機械加工などを行い、精度を確保する必要がある。このため、この熱変形を抑制することが望まれている。拡径部２９を設ける場合、溶接面２６から第１シール溝２７、第２シール溝２８側に伝熱する熱は、径方向に拡散する。軸方向へ到達する熱量を抑制することができる。その結果、溶接時の伝熱による第１シール溝２７、第２シール溝２８の熱変形を緩和することが可能となる。

図７は、第２比較例を説明するための説明図である。図７に示すように、第２比較例においては、シャフトＳ_２の最大外径が、シャフト８の最大外径と大凡等しい。シャフトＳ_２に拡径部２９が形成されない。

本実施形態では、第２比較例に対して、シャフト８の最大外径を変えずに拡径部２９が設けられる。溶接面２６、被溶接面２３、突出部２４、端穴２５が、第２比較例よりも径方向内側に位置している。すなわち、拡径部２９を設けるために、突出部２４の外周面２４ｂおよび端穴２５の内周面２５ｂを、第２比較例よりも径方向内側にずらしている。

第１比較例のように、シャフトＳ_１の突出部Ｓ_１ａを設け、タービンインペラＴ_１に端穴Ｔ_１ａを設けたとする。この場合、シャフトＳ_１に拡径部Ｓ_１ｃを設けると、タービンインペラ９の本体部２１の最大径部分と、突出部Ｓ_１ａの径方向距離が大きくなる。そのため、タービン軸２０の回転時の遠心力によって、突出部Ｓ_１ａの外周面Ｓ_１ｂ、および、端穴Ｔ_１ａの内周面Ｔ_１ｂの変位差が拡大する。溶接部分の引張応力が一層大きくなってしまう。

本実施形態では、シャフト８に端穴２５が設けられる。タービンインペラ９に突出部２４が設けられる。溶接部分には圧縮応力が作用している。このため、シャフト８の最大外径を変えずに拡径部を設ける場合にも適している。ここで、タービンインペラ９の突出部２４は、中実形状である。そのため、遠心応力が大きくなっても、変位量は大きくなり難い。一方で、シャフト８の端穴２５の内周面２５ｂは、遠心応力の増大に対する変位の増加量が、突出部２４の外周面２４ｂよりも大きくなる。

その結果、タービンインペラ９の突出部２４の外周面２４ｂと、端穴２５の内周面２５ｂとの変位差が縮小する。そのため、溶接部分に発生する圧縮応力を一層抑えることが可能となる。

このように、シャフト８に端穴２５が設けられる。タービンインペラ９に突出部２４を設けられる。シャフト８に拡径部２９が設けられる。その結果、溶接部分への応力集中の抑制効果が相乗的に向上する。第１シール溝２７、第２シール溝２８への伝熱を抑制することが可能となる。

また、図３に示すように、第１シール溝２７の底面２７ａ、および、第２シール溝２８の底面２８ａは、溶接面２６より径方向外側に位置してもよい。この場合、被溶接面２３と溶接面２６の溶接による熱は、径方向外側に向かって第１シール溝２７、第２シール溝２８に到達する。その結果、伝熱経路を長く確保し、第１シール溝２７、第２シール溝２８に到達する熱量を抑制することが可能となる。

また、第２シール溝２８は、端穴２５の底面２５ａよりも、図３中、右側（他端側）に形成してもよい。この場合、第２シール溝２８と端穴２５との間の肉厚が十分に確保される。強度を向上することが可能となる。

また、シャフト８の端穴２５の底面２５ａには、軸方向に窪むセンタ穴３０が設けられてもよい。センタ穴３０は、例えば、シャフト８の加工時、シャフト８のセンタ（軸心）を合わせて、加工装置に取り付けるために設けられる。

また、センタ穴３０の内周面３０ａには、湾曲部３０ｂが形成されてもよい。湾曲部３０ｂは、断面形状が曲線となる。湾曲部３０ｂの断面形状は、例えば中心側が両端側よりも径方向内側に向かって突出する曲線である。湾曲部３０ｂを設ける場合、端穴２５およびセンタ穴３０近傍の応力集中が緩和される。シャフト８の強度を向上することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、第１シール溝２７、第２シール溝２８の双方が設けられる場合について説明した。ただし、シール溝はこれに限られない。例えば、第１シール溝２７が設けられず、第２シール溝２８のみが設けられるなど、シャフト８にシール溝が１つだけ設けられてもよい。また、シール溝が、端穴２５よりも他端側に位置する場合、上述した実施形態と同様、シール溝と端穴２５との間の肉厚が十分に確保される。強度を向上することが可能となる。

また、上述した実施形態では、拡径部２９は、溶接面２６の外周端から連続形成される場合について説明した。ただし、拡径部２９はこれに限られない。例えば、溶接面２６と第１シール溝２７との間で、部分的でも拡大する領域が設けられればよい。例えば、拡径部２９が、溶接面２６と回転軸方向に離隔していてもよい。また、例えば、拡径部２９は不連続でもよい。例えば、拡径部２９は、途中に平行部などを設けてもよい。拡径部２９が、溶接面２６の外周端から連続形成されている場合、加工性がよくなる。生産性を向上することが可能となる。

また、上述した実施形態では、拡径部２９は、断面形状が曲線となる場合について説明した。ただし、拡径部２９は、溶接面２６から第１シール溝２７、第２シール溝２８に向かって径方向外側に拡径すれば、例えば、直線であってもよい。

また、上述した実施形態では、突出部２４が、拡径部２９の径方向内側に位置する場合について説明した。ただし、突出部２４は、これに限られない。例えば、突出部２４は、拡径部２９の径方向内側に対応する領域よりも、コンプレッサインペラ１０側まで延在してもよい。

また、上述した実施形態では、第１シール溝２７の底面２７ａ、および、第２シール溝２８の底面２８ａは、溶接面２６より径方向外側に位置する場合について説明した。ただし、第１シール溝２７の底面２７ａ、および、第２シール溝２８の底面２８ａが、溶接面２６より径方向内側に位置してもよい。第１シール溝２７の底面２７ａ、および、第２シール溝２８の底面２８ａは、溶接面２６と径方向の位置が等しくともよい。

また、上述した実施形態では、第２シール溝２８は、端穴２５よりも他端側に形成される場合について説明した。ただし、第２シール溝２８は、端穴２５より一端側に形成されてもよい。第２シール溝２８は、端穴２５と軸方向の位置が等しくともよい。

また、上述した実施形態では、センタ穴３０の内周面３０ａに湾曲部３０ｂが形成される場合について説明した。ただし、湾曲部３０ｂは必須の構成ではない。

また、上述した実施形態では、タービンインペラ９がラジアル式の場合について説明した。ただし、タービンインペラ９は、斜流式、または、軸流式であってもよい。

また、上述した実施形態では、タービンインペラ９の外周面２１ａおよび背面２１ｂは、軸方向に見たときの外径が円形である場合について説明した。ただし、タービンインペラ９の外周面２１ａおよび背面２１ｂは、これに限られない。例えば、背面２１ｂは円形（フルディスク）ではなく、背面２１ｂのうち、複数の羽根２２の間に切欠き（スキャロップ）が設けられてもよい。

また、上述した実施形態では、タービン軸２０は、過給機Ｃに設けられる場合を例に挙げて説明した。ただし、タービン軸２０は、例えば、ガスタービンなどの他のタービンに設けられてもよい。

本開示は、シャフトとインペラを備えるタービン軸、および、過給機に利用することができる。

Ｃ 過給機
８ シャフト
８ａ 一端面
９ タービンインペラ（インペラ）
２０ タービン軸
２１ 本体部
２１ａ 外周面
２１ｂ 背面
２２ 羽根
２３ 被溶接面
２４ 突出部
２５ 端穴
２５ａ 底面
２６ 溶接面
２８ 第２シール溝（シール溝）
２８ａ 底面
２９ 拡径部
３０ センタ穴
３０ａ 内周面
３０ｂ 湾曲部

Claims (4)

1. 本体部の背面に設けられた突出部と、前記本体部の背面のうち、前記突出部より径方向外側に設けられた被溶接面と、を有するインペラと、
   一端面に設けられ、前記突出部が挿通される端穴と、前記端穴より径方向外側に設けられ、前記被溶接面に溶接される溶接面と、前記溶接面より他端側に設けられ、底面が前記溶接面より径方向外側に位置するシール溝と、前記溶接面と前記シール溝との間に形成され、前記溶接面側から前記シール溝側に向かって径方向外側に拡径する拡径部と、を有するシャフトと、
   を備えるタービン軸。
2. 前記シール溝は、前記端穴よりも他端側に形成される請求項１に記載のタービン軸。
3. 前記シャフトの端穴の底面に設けられ、軸方向に窪むセンタ穴と、
   前記センタ穴の内周面に設けられ、軸心を含む断面形状が曲線となる湾曲部と、
   を備える請求項１または２に記載のタービン軸。
4. 前記請求項１から３のいずれか１項に記載のタービン軸を備える過給機。

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