JPWO2013133312A1

JPWO2013133312A1 - タービンハウジング及び過給機

Info

Publication number: JPWO2013133312A1
Application number: JP2014503875A
Authority: JP
Inventors: 加藤　毅彦; 毅彦加藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2015-07-30
Also published as: US20140363282A1; WO2013133312A1; DE112013001950T5; KR20140116967A; CN104145102A

Abstract

タービンハウジング１は、ハウジングタング３１を含むスクロール流路２３を有する。ハウジングタング３１のスクロール流路２３側の壁面Ｓには、溝部（ノッチ）３３が形成される。溝部３３は、壁面Ｓにおいてフランジ１９側の縁部Ｓｆに寄った位置に位置する。溝部３３はハウジングタング３１の先端側からスクロール流路２３の延伸方向に延びている。スクロール流路２３の延伸方向に直交する断面において、溝部３３の最深部分の曲率半径はハウジングタング３１の壁面Ｓの最小曲率半径よりも小さい。

Description

本発明は、過給機におけるタービンインペラを収容するタービンハウジング等に関する。

近年、過給機に用いられるタービンハウジングについて種々の開発がなされている。一般的なタービンハウジングの構成は次の通りである。

タービンハウジングの内部には、タービンインペラを収容するためのインペラ収容空間が形成されている。また、タービンハウジングにおけるインペラ収容空間の軸方向の一端側には、ベアリングハウジングにおける環状の相手フランジにＧカップリングによって締結可能（結合可能）な環状のフランジが形成されている。

タービンハウジングにおける前記軸方向に交差する側には、排気ガスを導入するためのガス導入通路が形成されている。また、タービンハウジングの内部におけるインペラ収容空間の周囲には、渦巻き状のスクロール流路が形成されており、このスクロール流路は、インペラ収容空間及びガス導入通路に連通してあって、スクロール流路の流路面積は、巻き始め側から巻き終わり側に向かって漸次小さくなっている。更に、タービンハウジングの前記軸方向の他端側には、排気ガスを排出するためのガス排出通路が形成されており、このガス排出通路は、インペラ収容空間に連通している。

タービンハウジングの内部におけるガス導入通路とスクロール流路の巻き終わり側との間には、ハウジングタング（ハウジング舌部）が仕切るように形成されており、このハウジングタングの肉厚は、先端側に向かって漸次薄くなっている。

従って、一般的なタービンハウジングを備えた過給機を稼動させる場合には、ガス導入通路から導入した排気ガスがスクロール流路を経由してインペラ収容空間に流通することにより、排気ガスの圧力エネルギーを利用してタービンインペラに回転力を発生させて、タービンインペラと同軸状に一体的に設けられたコンプレッサインペラを回転させる。これにより、エンジンに供給される空気を過給（圧縮）することができる。なお、インペラ収容空間を流通した排気ガスは、ガス排出通路からタービンハウジングの外側へ排出される。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１及び特許文献２に示すものがある。

特開２０１０−１４４６６４号公報特開平７−４９０３６号公報

ところで、過給機の稼働中、ハウジングタングの両方の壁面（ガス導入通路側の壁面とスクロール流路側の壁面）は高温の排気ガスに曝されており、ハウジングタングに高い熱応力が生じて、クラックが発生し易くなっている。また、フランジはＧカップリングによってベアリングハウジングにおける相手フランジに強固に締結されており、フランジの付け根部分に局所的に高い応力が生じて、クラックが発生することがある。更に、ハウジングタングはフランジの近傍に位置しており、ハウジングタングに発生したクラックがフランジ側（径方向外側）へ進展する傾向にある。そのため、ハウジングタングに発生したクラックがフランジ側へ進展することを防止できないと、過給機の稼働状況によってはハウジングタングに発生したクラックとフランジに発生したクラックが繋がって、タービンハウジングの耐久性を低下させる可能性がある。つまり、タービンハウジングの耐久性を向上させるためには、ハウジングタングに発生したクラックがフランジ側に進展しないようにコントロールすることが有効な手段になる。

本発明は、耐久性を高めることが可能なタービンハウジング等を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様はベアリングハウジングに取付けられる過給機のタービンハウジングであって、タービンインペラを収容するインペラ収容部と、前記タービンインペラを前記インペラ収容部に挿入するための開口部を有するフランジと、前記インペラ収容部の外周に沿って形成され、且つ、前記インペラ収容部にガスを導入するためのガス導入通路に連通する巻き始め部と、前記インペラ収容部に連通する巻き終わり部をもつスクロール流路と、を備え、前記スクロール流路は、その前記巻き終わり部と前記ガス導入通路との間を仕切るように、前記インペラ収容部の前記外周に沿って形成されるハウジングタングを含み、前記ハウジングタングは、その先端側に向かって漸次薄くなる肉厚と、スクロール流路側の壁面に形成され、その前記先端側から前記スクロール流路の延伸方向に延びる溝部とを有し、前記溝部は、前記フランジの縁部に寄った位置に位置することを要旨とする。

なお、「前記ハウジングタングの先端側」とは、前記ハウジングタングの先端だけでなく、前記ハウジングタングの先端に寄った位置を含む意である。

本発明の第２の態様は、エンジンからのガスのエネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する過給機であって、第１の態様のタービンハウジングを備えたことを要旨とする。

本発明によれば、ハウジングタングにおける溝部付近に発生したクラックがフランジ側に進展することを防止できるため、ハウジングタングに発生したクラックとフランジに発生したクラックが繋がることがない。即ち、耐久性を高めることが可能なタービンハウジングを提供することができる。

図１（ａ）は、図２におけるIA-IA線に沿った断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）における矢視部IBの拡大図である。図２は、図５におけるII-II線に沿った断面図である。図３は、本発明の一実施形態に係るタービンハウジングの右側面図である。図４は、本発明の一実施形態に係るタービンハウジングの左側面図である。図５は、本発明の一実施形態に係る過給機の一部の正断面図である。

本発明の一実施形態について図１から図５を参照して説明する。なお、図面に示すとおり、「Ｒ」は、右方向、「Ｌ」は、左方向である。

図５に示すように、本発明の実施形態に係るタービンハウジング（ハウジング本体）１は、エンジン（図示省略）からの排気ガス（ガスの一例）のエネルギーを利用してエンジンに供給される空気を過給（圧縮）する過給機３に用いられ、過給機３におけるタービンインペラ５を収容するものである。また、タービンハウジング１は、過給機３におけるベアリングハウジング７に取付可能である。

ここで、ベアリングハウジング７の左端部には、環状のフランジ（相手フランジ）９が形成されており、ベアリングハウジング７内には、複数（１つのみ図示）のベアリング１１が設けられている。また、複数のベアリング１１には、左右方向へ延びたロータ軸（タービン軸）１３が回転可能に設けられており、このロータ軸１３の左端部には、前述のタービンインペラ５が一体形成されている。なお、ロータ軸１３の右端部には、コンプレッサインペラ（図示省略）が一体的に設けられており、換言すれば、コンプレッサインペラがロータ軸１３を介してタービンインペラ５と同軸状に一体的に設けられており、ベアリングハウジング７の右側には、コンプレッサインペラを収容するコンプレッサハウジング（図示省略）が設けられている。

続いて、本発明の実施形態に係るタービンハウジング１の具体的な構成について説明する。

図２から図４に示すように、タービンハウジング１の内部には、タービンインペラ５を収容するためのインペラ収容空間（インペラ収容部）１５が形成されている。また、タービンハウジング１のインペラ収容空間１５の軸方向ＡＤの一端側（右端側）には、ベアリングハウジング７における環状のフランジ９にＧカップリング（カップリングの一例）１７によって締結可能（結合可能）な環状のフランジ１９が形成されている。フランジ１９は、タービンインペラ５をインペラ収容空間１５に挿入するための開口部１９ａを有する。開口部１９ａはタービンインペラ５の直径以上の直径を有し、インペラ収容空間１５に連通している。なお、図１（ａ）に示すように、開口部１９ａは、ベアリングハウジング７の左端部がその内部に嵌まるようにテーパー状に形成されていてもよい。

タービンハウジング１におけるインペラ収容空間１５の軸方向ＡＤに交差する側には、排気ガスを導入するためのガス導入通路（ガス導入口）２１が形成されており、このガス導入通路２１は、エンジンの排気マニホールド（図示省略）に接続可能である。また、タービンハウジング１の内部におけるインペラ収容空間１５の径方向外側には、渦巻き状のスクロール流路２３が形成されている。換言すれば、スクロール流路２３はインペラ収容空間１５の外周に沿って形成されている。このスクロール流路２３は、インペラ収容空間１５及びガス導入通路２１を連通させる。スクロール流路２３の流路面積は、ガス導入通路２１に連通する巻き始め側（巻き始め部）２３ｓから、インペラ収容空間１５に連通する巻き終わり側（巻き終わり部）２３ｅに向けて漸次小さくなっている。

タービンハウジング１のインペラ収容空間１５の軸方向ＡＤの他端側（左端側）には、排気ガスを排出するためのガス排出通路（ガス排出口）２５が形成されている。ガス排出通路２５は、インペラ収容空間１５に連通している。また、タービンハウジング１におけるガス排出通路２５の径方向外側には、排気ガスを排出するためのガス排出通路（ガス排出口）２７が形成されている。ガス排出通路２５及びガス排出通路２７は、排気ガスを浄化する触媒（図示省略）に接続管（図示省略）を介して接続可能である。そして、タービンハウジング１の内部におけるインペラ収容空間１５の径方向外側には、バイパス通路（バイパス穴）２９が形成されている。バイパス通路２９は、ガス導入通路２１から導入した排気ガスをガス排出通路２７側（タービンハウジング１の出口側）へバイパスさせる。バイパス通路２９の開口部は、ウェイストゲートバルブ（図示省略）の作動によって開閉可能である。

図２に示すように、タービンハウジング１の内部におけるガス導入通路２１とスクロール流路２３の巻き終わり側２３ｅとの間には、ハウジングタング（ハウジング舌部）３１が仕切るように突出して形成されている。換言すれば、ハウジングタング３１は、インペラ収容空間１５の外周に沿って形成されている。また、ハウジングタング３１は、ガス導入通路２１側の壁面Ｗとスクロール流路２３側の壁面Ｓを有してあって、ハウジングタング３１の肉厚は、先端側に向かって漸次薄くなっている。

図１（ａ）及び図２に示すように、ハウジングタング３１のスクロール流路２３側の壁面Ｓには溝部（ノッチ）３３が形成されている。溝部３３は、フランジ１９側の縁部Ｓｆに寄った位置に位置する。溝部３３は、ハウジングタング３１の先端側からスクロール流路２３の延伸方向に沿って延びている。また、ハウジングタング３１と交差し、且つ、スクロール流路２３の延伸方向に直交する断面において、溝部３３の最深部分の曲率半径は、ハウジングタング３１のスクロール流路２３側の壁面Ｓの最小曲率半径よりも小さくなっている。なお、溝部３３の本数を複数本として、複数本の溝部３３がハウジングタング３１の先端からスクロール流路２３に沿って延びるようにしても構わない。

そして、図１（ｂ）に示すように、インペラ収容空間１５の軸方向ＡＤに沿った断面（換言すれば、ハウジングタング３１と交差し、且つ、スクロール流路２３の延伸方向に直交する断面）において、溝部３３は、交点ＩＰを中心として、第１仮想基準線Ｌ１から２０〜８０度の角度、好ましくは４０〜６０度の角度に位置する。ここで、第１仮想基準線Ｌ１とは、ハウジングタング３１と交差し、且つ、スクロール流路２３の延伸方向に直交する断面において、ハウジングタング３１の最も肉厚の薄い箇所を通りかつインペラ収容空間１５の軸方向ＡＤ（換言すれば、スクロール流路２３の延伸方向）に直交する仮想線のことをいう。また、第２仮想基準線Ｌ２とは、ハウジングタング３１と交差し、且つ、スクロール流路２３の延伸方向に直交する断面において、ハウジングタング３１のスクロール流路２３側の壁面Ｓにおけるフランジ１９側の縁部Ｓｆを通り、且つ、インペラ収容空間１５の軸方向ＡＤに平行な（換言すれば、スクロール流路２３の延伸方向に直交する）仮想線のことをいう。また、溝部３３の角度位置θを２０度以上に設定したのは、２０度未満であると、ハウジングタング３１における溝部３３付近に発生したクラックがフランジ１９側（径方向外側）に進展することを十分に防止することが困難になるからである。一方、溝部３３の角度位置θを８０度以下に設定したのは、８０度を超えると、フランジ１９側のクラックの誘発を防止することが困難になるからである。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

タービンハウジング１を備えた過給機３を稼動させる場合には、ガス導入通路２１から導入した排気ガスがスクロール流路２３を経由してインペラ収容空間１５に流通することにより、排気ガスの圧力エネルギーを利用してタービンインペラ５に回転力を発生させて、コンプレッサインペラを回転させる。これにより、コンプレッサハウジング１内に取入れた空気を圧縮して、コンプレッサハウジングから排出することができ、エンジンに供給される空気を過給することができる。なお、インペラ収容空間１５を流通した排気ガスは、ガス排出通路２５からタービンハウジング１の外側へ排出される。

過給機３の稼働中に、コンプレッサインペラの出口側の圧力が設定圧に達すると、ウェイストゲートバルブの作動によってバイパス通路２９の開口部を開いて、ガス導入通路２１からタービンハウジング１内に流入した排気ガスを別のガス排出通路２７側へバイパスさせて、過給圧の過度の上昇を抑える。また、バイパス通路２９の開口部を開いた後に、コンプレッサインペラの出口側の圧力が設定圧未満になると、ウェイストゲートバルブの作動によってバイパス通路２９の開口部を閉じる。

ここで、ハウジングタング３１のスクロール流路２３側の壁面Ｓにおけるフランジ１９側の縁部Ｓｆに寄った位置に溝部３３が形成され、溝部３３がハウジングタング３１の先端からスクロール流路２３に沿って延びているため、過給機３の稼働中にハウジングタング３１に発生する熱応力を溝部３３付近に集中させることができる。特に、溝部３３の最深部分の曲率半径がハウジングタング３１のスクロール流路２３側の壁面Ｓの最小曲率半径よりも小さくなっているため、その熱応力を溝部３３付近により集中させることができる。これにより、ハウジングタング３１における溝部３３付近以外の部位にクラックが発生することを抑えて、ハウジングタング３１における溝部３３付近に発生したクラックがフランジ１９側（径方向外側）に進展することを十分に防止することができる。

従って、本発明の実施形態によれば、ハウジングタング３１に発生したクラックとフランジ１９に発生したクラックが繋がることがなく、タービンハウジング１の長寿命化を図り、タービンハウジング１の耐久性を高いレベルまで向上させることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、適宜の変更を行うことにより、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

本発明によれば、ハウジングタングにおけるクラックがフランジ側に進展することを防止できる。従って、耐久性を高めることが可能なタービンハウジングを提供できる。

Claims

ベアリングハウジングに取付けられる過給機のタービンハウジングであって、
タービンインペラを収容するインペラ収容部と、
前記タービンインペラを前記インペラ収容部に挿入するための開口部を有するフランジと、
前記インペラ収容部の外周に沿って形成され、且つ、前記インペラ収容部にガスを導入するためのガス導入通路に連通する巻き始め部と、前記インペラ収容部に連通する巻き終わり部をもつスクロール流路と、
を備え、
前記スクロール流路は、その前記巻き終わり部と前記ガス導入通路との間を仕切るように、前記インペラ収容部の前記外周に沿って形成されるハウジングタングを含み、
前記ハウジングタングは、その先端側に向かって漸次薄くなる肉厚と、スクロール流路側の壁面に形成され、その前記先端側から前記スクロール流路の延伸方向に延びる溝部とを有し、
前記溝部は、前記フランジの縁部に寄った位置に位置することを特徴とするタービンハウジング。
前記ハウジングタングと交差し、且つ、前記スクロール流路の前記延伸方向に直交する断面において、前記溝部の最深部分の曲率半径は、前記ハウジングタングの前記スクロール流路側の前記壁面の最小曲率半径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のタービンハウジング。
前記ハウジングタングと交差し、且つ、前記スクロール流路の前記延伸方向に直交する断面において、前記ハウジングタングの最も肉厚の薄い箇所を通り、且つ、前記スクロール流路の前記延伸方向に直交する第１仮想基準線と、前記ハウジングタングの前記スクロール流路側の前記壁面における前記フランジ側の縁部を通り、且つ、前記スクロール流路の前記延伸方向に直交する第２仮想基準線と、前記第１仮想基準線及び第２仮想基準線の交点とを仮定した場合、前記溝部は、前記交点を中心として前記第１仮想基準線から２０〜８０度の角度に位置することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のタービンハウジング。
エンジンからのガスのエネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する過給機であって、
請求項１から請求項３のうちの何れか一項に記載のタービンハウジングを備えたことを特徴とする過給機。