JPWO2020031262A1 - タービンシャフト、過給機及び過給機の製造方法 - Google Patents

Abstract

タービンとコンプレッサとを備える過給機に用いられるタービンシャフトは、タービンインペラと、タービンインペラが一端側に接合されるタービン軸と、を備え、タービン軸は、タービン軸の他端側がコンプレッサのコンプレッサインペラに形成された貫通孔に挿入されることでコンプレッサインペラと嵌合するように構成された嵌合部分と、嵌合部分よりもタービン軸の他端側に形成されるとともに、締結部材が締結可能に構成された締結部分と、を含むとともに、嵌合部分におけるタービンインペラに最も近い位置において最大外径を有し、且つ、タービンインペラに最も近い位置からコンプレッサインペラの先端側に向かうにつれてタービン軸の外径が小さくなるように形成されたテーパ部を含む。

Description

本開示は、タービンシャフト、過給機及び過給機の製造方法に関する。

従来、典型的な過給機において、タービン軸の一端側にタービンインペラが接合され、タービン軸の他端側にコンプレッサインペラが取り付けられている。タービン軸とタービンインペラとが一体となった部材を、タービンシャフトという。タービン軸の他端側は、先端部に雄ねじが切られており、コンプレッサインペラに形成された貫通孔に、コンプレッサインペラの背面側から挿入される。この際、タービンシャフトのタービン軸に装着したスリーブやタービン軸に形成されているフランジ部に、コンプレッサインペラの背面側の端面を当接させる。さらに、コンプレッサインペラの先端側（コンプレッサインペラの背面の反対側）から突出したタービン軸の他端側に切られた雄ねじにナットを装着し、締め付ける。これにより、コンプレッサインペラをスリーブやフランジ部に押し付けることでタービンシャフトに取り付け、抜けないように固定している。尚、本明細書において、ナットを締め付けることにより生ずる軸力を受けるスリーブやフランジ部などの部分を「軸力受け部」と称する場合がある。

このような典型的な過給機において、タービン軸やコンプレッサインペラが高速回転すると、遠心力でコンプレッサインペラが径方向に僅かに弾性変形して延びるとともに、タービン軸の軸方向に僅かに縮む。コンプレッサインペラが軸方向に縮むと、ナットによる保持力が弱まり、コンプレッサインペラがタービン軸に対して回転方向にずれる虞がある。

このような問題に対応するため、特許文献１に記載されている発明では、タービン軸においてコンプレッサインペラの背面側と嵌合する部分の外径を、コンプレッサインペラの先端側と嵌合する部分の外径よりも僅かに大きくしている。そして、コンプレッサインペラをタービン軸に焼き嵌めによって取り付ける際に、完成品の過給機におけるナットの押圧力よりも予め大きな押圧力でナットを締め付けることで、高速回転時にコンプレッサインペラが回転方向にずれることを防止している。

また、特許文献２には、コンプレッサインペラをタービン軸に焼き嵌めする際に、焼き嵌め後の熱収縮に起因して、コンプレッサインペラの背面側の端面とスリーブとの間に隙間が生じてしまうことが開示されている。この問題に対処するために、特許文献２に記載されている発明では、コンプレッサインペラの貫通孔の内径寸法をスリーブと当接するコンプレッサインペラの背面側の端面位置において最も小さく設定している。これにより、熱収縮の際には、先ず、コンプレッサインペラの背面側の端面位置とタービン軸の外面との間が高い面圧で嵌め合わされるため、コンプレッサインペラの背面側の端面とスリーブとの間に隙間が生じることを防止できるとされている。

特開２００６−９６３４号公報 特開２０１７−１０１６４１号公報

ところで、上述した内容とは別の問題として、典型的な過給機において、過給機を長期間に亘って繰り返し使用すると、コンプレッサインペラの高速回転に伴う振動などの影響によってナットが緩み、コンプレッサインペラの先端面とナットとの間に微小な隙間が生ずる虞がある。このため、定期的にナットを締め直し、コンプレッサインペラの先端面とナットとの間に生じた微小な隙間を消失させることが行われている。

しかしながら、過給機を長期間に亘って繰り返し使用した際に、コンプレッサインペラの先端面とナットとの間ではなく、コンプレッサインペラの背面側の端面とスリーブなどの軸力受け部との間に微小な隙間が形成される現象が発生する場合があることに本発明者らは気が付いた。これは、次のような理由により生じているものと推察された。

すなわち、コンプレッサインペラの高速回転時には遠心力によって貫通孔が径方向に延びるとともに、コンプレッサインペラ自体は軸方向に縮む。そして、回転が停止すると、径方向に延びていた貫通孔が元に戻るが、この際、貫通孔に嵌め合わされているタービン軸の嵌合部分の全体が貫通孔に同時に着座するのではなく、嵌合部分における一部が他の部分に先行して貫通孔に着座することがある。軸方向に縮んだコンプレッサインペラは、この先行して着座した部分を起点として元に戻るため、先行して着座する部分がコンプレッサインペラの背面側の端面から先端側に離れた位置にあると、コンプレッサインペラが先端側にずれることとなる。

このようにコンプレッサインペラの背面側の端面とスリーブなどの軸力受け部との間に隙間が形成されると、ナットを締め直すだけではその隙間を解消することは困難であるため、メンテナンスの負担が増大する。

尚、上記の説明では、コンプレッサインペラをタービンシャフトに取り付ける際の締結部材として、タービン軸の先端部に螺合されるナットを用いる場合について説明したが、締結部材はナットに限定されない。
例えば、締結部材が、タービン軸の外周よりも僅かに小さな穴を有す環状又は有底筒状（キャップ状）の嵌合部材であって、タービン軸の先端部と嵌合されてコンプレッサインペラをタービンシャフトに取り付けるような嵌合部材である場合にも、上述したナットの場合と同様の課題が発生する虞がある。

よって、本発明の幾つかの実施形態は、上記の事情に鑑みて、ナットなどの締結部材が緩んでもコンプレッサインペラとスリーブなどの軸力受け部との間に隙間が生じることを抑制し、メンテナンスの負担を低減できるタービンシャフト及び過給機を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るタービンシャフトは、
タービンとコンプレッサとを備える過給機に用いられるタービンシャフトであって、
前記タービンのタービンインペラと、
前記タービンインペラが一端側に接合されるタービン軸と、
を備え、
前記タービン軸は、
前記タービン軸の他端側が前記コンプレッサのコンプレッサインペラに形成された貫通孔に挿入されることで前記コンプレッサインペラと嵌合するように構成された嵌合部分と、
前記嵌合部分よりも前記タービン軸の他端側に形成されるとともに、締結部材が締結可能に構成された締結部分と、
を含むとともに、
前記嵌合部分における前記タービンインペラに最も近い位置において最大外径を有し、且つ、前記タービンインペラに最も近い位置から前記コンプレッサインペラの先端側に向かうにつれて前記タービン軸の外径が小さくなるように形成されたテーパ部を含む
ことを特徴とする。

上記（１）の構成によれば、タービン軸は、嵌合部分におけるタービンインペラに最も近い位置（即ち、スリーブなどの軸力受け部のコンプレッサインペラ側の端面位置）において最大外径を有し、且つ、タービンインペラに最も近い位置からコンプレッサインペラの先端側に向かうにつれてタービン軸の外径が小さくなるように形成されたテーパ部を含む。そのため、高速回転時に遠心力によって径方向に延びるとともに軸方向に縮んだコンプレッサインペラが回転を停止した際に、タービン軸の嵌合部分における、スリーブなどの軸力受け部のコンプレッサインペラ側の端面位置が、他の部分に先行してコンプレッサインペラの貫通孔に着座する。この時、コンプレッサインペラの貫通孔のうち最もタービンインペラに近い位置、つまりコンプレッサインペラの背面側の端面に、タービン軸が着座する。スリーブなどの軸力受け部は、コンプレッサインペラの背面側の端面に接するように設けられている。このため、コンプレッサインペラの背面側の端面がスリーブなどの軸力受け部に接した状態で、コンプレッサインペラの貫通孔にタービン軸が着座する。それにより、高速回転時に軸方向に縮んだコンプレッサインペラは、コンプレッサインペラの背面側の端面とスリーブなどの軸力受け部とが接する状態を保ったまま、この先行して着座した位置を起点として元に戻る。よって、コンプレッサインペラが先端側にずれることはなく、コンプレッサインペラの背面側の端面とスリーブなどの軸力受け部との間に隙間が形成されることを抑止できる。
こうして、上記（１）の構成により、締結部材が緩んでもコンプレッサインペラとスリーブなどの軸力受け部との間に隙間が生じることを抑制し、メンテナンスの負担を低減できるタービンシャフトを提供することができる。

また、上記（１）の構成では、上述したテーパ部がタービン軸に形成されている。このため、コンプレッサインペラの貫通孔におけるタービンインペラに最も近い位置において最大内径を有し、且つ、タービンインペラに最も近い位置からコンプレッサインペラの先端側に向かうにつれて貫通孔の内径が大きくなるように形成されたテーパ部がコンプレッサインペラの貫通孔の内周面に形成されている場合と比較して、次に示すような有利な効果を奏する。
すなわち、コンプレッサインペラにはタービン軸よりも大きな遠心力が作用するため、高速回転時における遠心力に起因する変形量は、タービン軸よりもコンプレッサインペラの方が大きい。また、コンプレッサインペラの外周面は、圧縮されて高温となった吸気に曝されるため、コンプレッサインペラには遠心力に加えて熱伸びによる影響も作用する。このため、コンプレッサインペラの貫通孔におけるタービンインペラに最も近い位置において最大内径を有し、且つ、タービンインペラに最も近い位置からコンプレッサインペラの先端側に向かうにつれて貫通孔の内径が大きくなるように形成されたテーパ部を設けたとしても、回転停止時におけるコンプレッサインペラの変形から回復する際の挙動が複雑となるため、コンプレッサインペラの回転が停止した際に、タービン軸の嵌合部分における、スリーブなどの軸力受け部のコンプレッサインペラ側の端面位置が、他の部分に先行してコンプレッサインペラの貫通孔に着座するとは必ずしも限らない虞がある。
この点、タービン軸にはコンプレッサインペラと比べて小さな遠心力しか作用せず、且つ、圧縮されて高温となった吸気の影響も殆ど受けない。このため、タービン軸に上述したテーパ部を形成した場合の方が、コンプレッサインペラの貫通孔の内周面にテーパ部を形成した場合よりも、より安定的に、スリーブなどの軸力受け部のコンプレッサインペラ側の端面位置を、他の部分に先行してコンプレッサインペラの貫通孔に着座させることが出来る。また、タービン軸にテーパ部を形成する方が、コンプレッサインペラの貫通孔の内周面にテーパ部を形成する場合と比較して、製造が容易である。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記テーパ部は、前記嵌合部分の全体に亘って形成される全体テーパ部からなる。

上記（２）の構成によれば、嵌合部分において、タービン軸は、嵌合部分におけるタービンインペラに最も近い位置（即ち、スリーブなどの軸力受け部のコンプレッサインペラ側の端面位置）において最大外径を有し、コンプレッサインペラの先端側に向けてその外径は徐々に小さくなる。即ち、嵌合部分の全体に亘って、スリーブなどの軸力受け部のコンプレッサインペラ側の端面位置から、コンプレッサインペラの背面側から先端側に向けて、タービン軸の外径は徐々に小さくなる。そのため、コンプレッサインペラの回転停止時に、嵌合部分において貫通孔に嵌め合わされているタービン軸において、嵌合部分におけるスリーブなどの軸力受け部のコンプレッサインペラ側の端面位置が、他の部分に先行して確実に貫通孔に着座する。その後、タービン軸は、コンプレッサインペラの背面側から先端側に向けて徐々に貫通孔に着座していく。その結果、軸方向に縮んだコンプレッサインペラは、コンプレッサインペラの背面側の端面とスリーブなどの軸力受け部が接する状態を確実に保ったまま、この先行して着座した位置を起点として元に戻る。よって、より一層効果的にコンプレッサインペラの背面側の端面とスリーブなどの軸力受け部との間に隙間が形成されることを抑止できる。
よって、上記（１）で述べた原理に基づいて、締結部材が緩んでもコンプレッサインペラとスリーブなどの軸力受け部との間に隙間が生じることを抑制し、メンテナンスの負担を低減できるタービンシャフトを提供することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の構成において、
前記テーパ部は、前記嵌合部分の一部において形成される部分テーパ部からなる。

上記（３）の構成によれば、嵌合部分は、コンプレッサインペラの背面側に形成される部分テーパ部と、部分テーパ部よりもコンプレッサインペラの先端側に形成される棒状部とを含む。なお、棒状部は、部分テーパ部の最小外径と等しい外径を有し、タービン軸方向においてその外径は一様である。そのため、コンプレッサインペラの回転停止時に、コンプレッサインペラの背面側に形成される部分テーパ部から、タービン軸が貫通孔に確実に着座する。その結果、コンプレッサインペラの背面側の端面とスリーブなどの軸力受け部が接する状態を確実に保ったまま、コンプレッサインペラの背面側の端面でタービン軸が貫通孔に固定され、より一層効果的にコンプレッサインペラの背面側の端面とスリーブなどの軸力受け部との間に隙間が形成されることを抑止できる。
よって、上記（１）で述べた原理に基づいて、締結部材が緩んでもコンプレッサインペラとスリーブなどの軸力受け部との間に隙間が生じることを抑制し、メンテナンスの負担を低減できるタービンシャフトを提供することができる。

（４）本発明の少なくとも一実施形態に係る過給機は、
上記（１）乃至（３）の何れか一つに記載のタービンシャフトを含むタービンと、
前記タービンシャフトの他端側に嵌合されるコンプレッサインペラを含むコンプレッサと、
を備える。

上記（４）の構成によれば、上記（１）で述べた原理に基づいて、締結部材が緩んでもコンプレッサインペラとスリーブなどの軸力受け部との間に隙間が生じることを抑制し、メンテナンスの負担を低減できる過給機を提供することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（４）に記載の構成において、
前記コンプレッサインペラは、前記タービンインペラに最も近い位置において最大ホイール径を有するように構成される。

上記（５）の構成によれば、コンプレッサインペラが、タービンインペラに最も近い位置（即ち、タービン軸においてコンプレッサインペラとスリーブなどの軸力受け部が接する位置）において最大ホイール径を有するため、コンプレッサインペラに作用する遠心力は、タービン軸の軸方向においてコンプレッサインペラとスリーブなどの軸力受け部が接する位置において最大となる。また、コンプレッサインペラの背面側には、圧縮されて高温となった吸気が漏れ流れるため、遠心力に加えて熱伸びによる影響も作用する。このようなコンプレッサインペラに対して、コンプレッサインペラの貫通孔におけるタービンインペラに最も近い位置において最大内径を有し、且つ、タービンインペラに最も近い位置からコンプレッサインペラの先端側に向かうにつれて貫通孔の内径が小さくなるように形成されたテーパ部を設けたとしても、回転停止時におけるコンプレッサインペラの変形から回復する際の挙動がより一層複雑となるため、コンプレッサインペラの回転が停止した際に、タービン軸の嵌合部分における、スリーブなどの軸力受け部のコンプレッサインペラ側の端面位置が、他の部分に先行してコンプレッサインペラの貫通孔に着座するとは必ずしも限らない虞がある。
この点、タービン軸にはコンプレッサインペラと比べて小さな遠心力しか作用せず、且つ、圧縮されて高温となった吸気の影響も殆ど受けない。このため、タービン軸に上述したテーパ部を形成した場合の方が、コンプレッサインペラの貫通孔の内周面にテーパ部を形成した場合よりも、より安定的に、スリーブなどの軸力受け部のコンプレッサインペラ側の端面位置を、他の部分に先行してコンプレッサインペラの貫通孔に着座させることが出来る。

（６）本発明の少なくとも一実施形態に係る過給機の製造方法は、
上記（１）乃至（３）の何れか一つに記載のタービンシャフトを準備するステップと、
コンプレッサインペラを準備するステップと、
前記コンプレッサインペラを前記タービンシャフトのタービン軸に焼き嵌めするステップと、
を備える。

上記（６）の製造方法によれば、製造時においてコンプレッサインペラが冷却により熱収縮しても、コンプレッサインペラとスリーブなどの軸力受け部との間に隙間が生じることを抑制し、コンプレッサインペラがタービン軸に安定して着座した過給機を製造することができる。

本発明の幾つかの実施形態によれば、締結部材が緩んでもコンプレッサインペラとスリーブなどの軸力受け部との間に隙間が生じることを抑制し、メンテナンスの負担を低減できるタービンシャフト及び過給機を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る過給機の構成を示す概略断面図である。 本発明の一実施形態に係るタービン回転体の拡大断面図である。 本発明の他の実施形態に係るタービン回転体の拡大断面図である。 本発明の他の実施形態に係る締結部材の概略断面図である。 本発明の他の実施形態に係るタービン回転体の拡大断面図である。 本発明の他の実施形態に係るタービン回転体の拡大断面図である。 本発明の他の実施形態に係るタービン回転体の拡大断面図である。 本発明の一実施形態に係る過給機を製造するステップ図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
ただし、本発明の範囲は以下実施形態に限定されるものではない。以下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、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、本発明の一実施形態に係る過給機４００の構成を示す概略断面図である。図１を用いて、本発明の一実施形態に係る過給機４００の概要を説明する。本発明の一実施形態に係る過給機４００は、タービン５０及びコンプレッサ２０を備える。

前述した過給機４００は、タービン５０及びコンプレッサ２０との間に位置して、後述するタービンインペラ５６及びコンプレッサインペラ２６を互いに連結するタービン軸１００を有する。タービン軸１００の一端側にはタービンインペラ５６が接合されており、この接合されたタービン軸１００とタービンインペラ５６とを併せてタービンシャフト２００という。また、タービン軸１００（タービンシャフト２００）の他端側にはコンプレッサインペラ２６が取り付けられており、タービンシャフト２００とこの取り付けられたコンプレッサインペラ２６とを併せてタービン回転体３００という。タービン軸１００は、軸受４により回転可能に支持されている。この軸受４は、ベアリングハウジング２に収容される。タービン軸１００の軸方向において、ベアリングハウジング２を挟んで一方側にはタービン５０のケーシングを構成するタービンハウジング５２が設けられており、ベアリングハウジング２を挟んで他方側にはコンプレッサ２０のケーシングを構成するコンプレッサハウジング２２が設けられている。

図１に示すタービン５０は、車両などに用いられる不図示の内燃機関（例えばディーゼルエンジンやガソリンエンジン）から排出される排気によって駆動される。このようなタービン５０は、例えばラジアルタービンであってもよいし、斜流タービンであってもよい。また、タービン５０は、タービンハウジング５２によって形成される渦室５４と、渦室５４の径方向内側に位置するタービンインペラ５６と、を含む。図１に示す実施形態では、タービンハウジング５２は、渦室５４の径方向内側において、タービンインペラ５６が収容されるインペラ収容空間５７と、該インペラ収容空間５７に対して軸方向においてベアリングハウジング２側とは反対側に隣接した排ガス出口部５８を形成する。

上記内燃機関から排出される排気は、渦室５４から径方向内側へとタービンインペラ５６に向かって流れ、タービン５０を駆動する。そして、排気は、タービン５０を駆動した後、排ガス出口部５８を通ってタービン５０の外部に排出される。

図１に示すコンプレッサ２０は、タービン軸１００を介して、タービン５０と連結されており、タービン５０が駆動することで内燃機関に供給する流体（空気）を圧縮する。尚、図示した実施形態では、コンプレッサ２０は、圧縮した流体（空気）を半径方向に吐出するラジアル圧縮機として構成されているが、圧縮した流体（空気）を斜め方向に吐出する斜流圧縮機として構成されていてもよい。また、コンプレッサ２０は、コンプレッサハウジング２２によって形成される渦室２４と、渦室２４の径方向内側に位置するコンプレッサインペラ２６と、を含む。図１に示す実施形態では、コンプレッサハウジング２２は、渦室２４の径方向内側において、コンプレッサインペラ２６が収容されるインペラ収容空間２７と、該インペラ収容空間２７に対して軸方向においてベアリングハウジング２側とは反対側に隣接した空気入口部２８を形成する。

上記構成のコンプレッサ２０において、内燃機関に供給するための流体（空気）は、空気入口部２８を通って軸方向に流れてコンプレッサインペラ２６に導かれ、コンプレッサインペラ２６によって圧縮される。そして、流体（空気）は、圧縮された後、渦室２４を通って内燃機関に供給される。

図２は、本発明の一実施形態に係るタービン回転体３００の拡大断面図である。図３、図５〜図７は、本発明の他の実施形態に係るタービン回転体３００の拡大断面図である。図４は、他の実施形態に係る締結部材４２の概略断面図である。

以下より、図２、図３及び図５〜図７を用いて、タービンシャフト２００及びこれを含むタービン回転体３００の構造を詳細に説明する。タービン回転体３００のタービン軸１００は、タービン軸１００の他端側がコンプレッサ２０のコンプレッサインペラ２６に形成された貫通孔３０に挿入されることでコンプレッサインペラ２６と嵌合するように構成された嵌合部分１１０と、嵌合部分１１０よりもタービン軸１００の他端側に形成されるとともに、後述する締結部材４２が締結可能に構成された締結部分１０４と、を含んでいる。

図２、図３及び図５〜図７のそれぞれに示す一実施形態では、タービン軸１００の他端側は、コンプレッサインペラ２６に形成された貫通孔３０に背面３２側より挿入されることで、コンプレッサインペラ２６と嵌合されている。タービン軸１００は、コンプレッサインペラ２６の先端面３６からその他端側の端面１０１が突出した状態で、コンプレッサインペラ２６と嵌合される。尚、図示した実施形態では、本発明の一実施形態におけるタービンシャフト２００の構成の理解を容易にするため、貫通孔３０と嵌合部分１１０とが離間するように示されているが、コンプレッサインペラ２６がタービンシャフト２００に取り付けられているときには、嵌合部分１１０の全体と貫通孔３０とは接触されている。

タービン軸１００の嵌合部分１１０は、軸方向において、コンプレッサインペラ２６の先端面３６から背面３２側の端面３４までに形成されている貫通孔３０に嵌合している部分である。ここでいう嵌合には、嵌合部分１１０の外径が貫通孔３０の内径よりも大きく形成されている締まり嵌め、嵌合部分１１０の外径が貫通孔３０の内径と同じ大きさで形成されている中間嵌め、及び嵌合部分１１０の外径が貫通孔３０の内径よりも小さく形成されている緩み嵌め、を含む。尚、端面３４とは、軸方向において、背面３２のうち最もタービンインペラ５６に近い面を意味している。図２、図３、図５及び図６に示した実施形態では背面３２の全体が端面３４に相当する。図７に示した実施形態では、コンプレッサインペラ２６の最大外径（最大ホイール径）の位置が端面３４の位置よりも先端面３６側にずれており、背面３２の一部が端面３４に相当する。

タービン軸１００の締結部分１０４は、後述する締結部材４２が締結可能に構成されている部分を含む。図２、図３及び図５〜図７のそれぞれに示す一実施形態では、締結部材４２はナット４２Ａであり、締結部分１０４の外周面には、ナット４２Ａが螺合可能な雄ねじ部４３が形成されている。図示した実施形態では、嵌合部分１１０との境界位置から他端側の端面１０１までの間に雄ねじ部４３が形成されており、嵌合部分１１０との境界位置から他端側の端面１０１までの間が締結部分１０４となっている。

締結部材４２は、締結部分１０４に装着でき、コンプレッサインペラ２６をタービンシャフト２００に取り付けることができればどのような部材であってもよく、例えば図２、図３及び図５〜図７に示すようにナット４２Ａであってもよいし、図４に示すようにタービン軸１００の外周よりも僅かに小さな穴を有す環状の嵌合部材４２Ｂ又は有底筒状（キャップ状）の嵌合部材４２Ｃであって、タービン軸１００の先端部と嵌合されてコンプレッサインペラ２６をタービンシャフト２００に取り付けるような嵌合部材４２Ｂ，Ｃであってもよい。

また、図２、図３及び図５〜図７のそれぞれに示す一実施形態では、コンプレッサインペラ２６の貫通孔３０は、軸方向において同一径を有している。

また、図２、図３及び図５〜図７のそれぞれに示す一実施形態では、コンプレッサインペラ２６の背面３２側の端面３４と当接する位置に軸力受け部４０が形成されている。軸力受け部４０は、締結部材４２から押されることにより生ずる軸力を受けることができればどのような部材でもよく、例えば図２及び図５〜図７に示すようにタービンシャフト２００のタービン軸１００に装着したスリーブ４０Ａであってもよいし、図３に示すようにタービン軸１００に形成されているフランジ部４０Ｂであってもよい。

コンプレッサインペラ２６をタービンシャフト２００に取り付ける際には、先ず、タービン軸１００の他端側をコンプレッサインペラ２６の貫通孔３０に挿入して、軸力受け部４０に、コンプレッサインペラ２６の背面３２側の端面３４を当接させる。そして、コンプレッサインペラ２６の先端面３６から突出している締結部分１０４に、締結部材４２を装着し、コンプレッサインペラ２６を軸力受け部４０に押し付ける。これにより、コンプレッサインペラ２６をタービンシャフト２００に取り付け、抜けないように固定している。

そして、本発明の一実施形態にかかるタービンシャフト２００は、図２、図３及び図５〜図７に示すように、嵌合部分１１０におけるタービンインペラ５６に最も近い位置において最大外径を有し、且つ、タービンインペラ５６に最も近い位置からコンプレッサインペラ２６の先端面３６側に向かうにつれてタービン軸１００の外径が小さくなるように形成されたテーパ部１１２を含んでいる。つまり、嵌合部分１１０は、タービンインペラ５６に最も近い位置からコンプレッサインペラ２６の先端面３６側に向かって連続的に外径が小さくなるように構成されている。

上記の構成によれば、高速回転時に遠心力によって径方向に延びるとともに軸方向に縮んだコンプレッサインペラ２６が回転を停止した際に、タービン軸１００の嵌合部分Ｆにおける、軸力受け部４０のコンプレッサインペラ２６側の端面位置が、他の部分に先行してコンプレッサインペラ２６の貫通孔３０に着座する。この時、コンプレッサインペラ２６の貫通孔３０のうち最もタービンインペラ５６に近い位置、つまりコンプレッサインペラ２６の背面３２側の端面３４に、タービン軸１００が着座する。このため、コンプレッサインペラ２６の背面３２側の端面３４が軸力受け部４０に接した状態で、コンプレッサインペラ２６の貫通孔３０にタービン軸１００が着座する。それにより、高速回転時に軸方向に縮んだコンプレッサインペラ２６は、コンプレッサインペラ２６の背面３２側の端面３４と軸力受け部４０とが接する状態を保ったまま、この先行して着座した位置を起点として元に戻る。よって、コンプレッサインペラが先端面３６側にずれることはなく、コンプレッサインペラ２６の背面３２側の端面３４と軸力受け部４０との間に隙間が形成されることを抑止できる。こうして、締結部材４２が緩んでもコンプレッサインペラ２６と軸力受け部４０との間に隙間が生じることを抑制し、メンテナンスの負担を低減できるタービンシャフト２００を提供することができる。

図２、図３及び図５〜図７のそれぞれに示す一実施形態では、テーパ部１１２は、タービンインペラ５６に最も近い位置からコンプレッサインペラ２６の先端面３６側に向かって直線状に外径が小さくなるように構成されている。

また、幾つかの実施形態では、図６に示すように、テーパ部１１２は、タービンインペラ５６に最も近い位置からコンプレッサインペラ２６の先端面３６側に向かって、径方向の外側に凸となるように曲線状に外径が小さくなるように構成されている。これにより、コンプレッサインペラ２６の貫通孔３０のうち最もタービンインペラ５６に近い位置を含むコンプレッサインペラ２６の背面３２に近い部分が、テーパ部１１２が直線状に形成されているものと比べてタービン軸１００に迅速に着座するため、コンプレッサインペラが先端面３６側にずれることをより防止することが出来る。

上述したテーパ部１１２について、図２、図３及び図５を用いて、詳細に説明する。図２及び図３に示すように、テーパ部１１２は、嵌合部分１１０の全体に亘って形成されている全体テーパ部１１４であってもよい。即ち、嵌合部分１１０において、コンプレッサインペラ２６の背面３２側からコンプレッサインペラ２６の先端面３６側に向かうにつれて、タービン軸１００の外径が徐々に小さくなる。それにより、嵌合部分１１０は、コンプレッサインペラ２６の背面３２側の端面３４の位置で外径が最大となり、嵌合部分１１０のうち最も軸方向外側の位置で外径が最小となる。

上記の構成によれば、コンプレッサインペラ２６の回転停止時に、嵌合部分Ｆにおいて貫通孔３０に嵌め合わされているタービン軸１００において、嵌合部分Ｆにおける軸力受け部４０のコンプレッサインペラ２６側の端面位置が、他の部分に先行して確実に貫通孔３０に着座する。その後、タービン軸１００は、コンプレッサインペラ２６の背面３２側から先端面３６側に向けて徐々に貫通孔３０に着座していく。その結果、軸方向に縮んだコンプレッサインペラ２６は、コンプレッサインペラ２６の背面３２側の端面３４と軸力受け部４０が接する状態を確実に保ったまま、この先行して着座した位置を起点として元に戻る。よって、より一層効果的にコンプレッサインペラ２６の背面３２側の端面３４と軸力受け部４０との間に隙間が形成されることを抑止できる。よって、締結部材４２が緩んでもコンプレッサインペラ２６と軸力受け部４０との間に隙間が生じることを抑制し、メンテナンスの負担を低減できるタービンシャフト２００を提供することができる。

また、図５に示すように、テーパ部１１６は、嵌合部分１１０の一部に亘って形成されてもよい。例えば図５に示す例示的な実施形態では、嵌合部分１１０は、コンプレッサインペラ２６の背面３２側に部分テーパ部１１６と、部分テーパ部１１６よりもコンプレッサインペラ２６の先端面３６側に形成される棒状部１１８と、を含む。部分テーパ部１１６は、コンプレッサインペラ２６の背面３２側からコンプレッサインペラ２６の先端面３６側に向かうにつれて、外径が徐々に小さくなる。それにより、部分テーパ部１１６は、コンプレッサインペラの背面３２側の端面３４の位置で外径が最大となり、部分テーパ部１１６のうち最も軸方向外側（即ち、コンプレッサインペラ２６の先端面３６側）の位置で外径が最小となる。また、棒状部１１８は、部分テーパ部１１６のうち最も軸方向外側（即ち、コンプレッサインペラ２６の先端面３６側）の位置で部分テーパ部１１６と接続しており、部分テーパ部１１６の最小外径と等しい外径を有す。さらに、棒状部１１８の軸方向においてその外径は一様である。

上記の構成によれば、コンプレッサインペラ２６の回転停止時に、コンプレッサインペラ２６の背面３２側に形成される部分テーパ部１１６から、タービン軸１００が貫通孔３０に確実に着座する。その結果、コンプレッサインペラ２６の背面３２側の端面３４と軸力受け部４０が接する状態を確実に保ったまま、コンプレッサインペラ２６の背面３２側の端面３４でタービン軸１００が貫通孔３０に固定され、より一層効果的にコンプレッサインペラ２６の背面３２側の端面３４と軸力受け部４０との間に隙間が形成されることを抑止できる。よって、締結部材４２が緩んでもコンプレッサインペラ２６と軸力受け部４０との間に隙間が生じることを抑制し、メンテナンスの負担を低減できるタービンシャフト２００を提供することができる。

次に、上述したタービンシャフト２００（タービン軸１００がテーパ部１１２を有している）を備える過給機４００について、詳細に説明する。本発明の一実施形態に係る過給機４００は、上述したタービンシャフト２００を含むタービン５０と、タービンシャフト２００の他端側に嵌合されるコンプレッサインペラ２６を含むコンプレッサ２０と、を備える。

上記の構成によれば、締結部材４２が緩んでもコンプレッサインペラ２６と軸力受け部４０との間に隙間が生じることを抑制し、メンテナンスの負担を低減できるタービンシャフト２００を提供することができる。

本発明の他の実施形態に係る過給機４００は、コンプレッサインペラ２６が、軸方向において、タービンインペラ５６に最も近い位置においてホイール径が最大となるように構成されていてもよい。即ち、タービン軸１００においてコンプレッサインペラ２６と軸力受け部４０が接する位置においてホイール径が最大となる。上記の構成では、軸方向において、コンプレッサインペラ２６のホイール径が最大となる位置と、タービン軸１００の嵌合部分１１０の外径が最大となる位置とが、同じ位置となる。

上記構成によれば、コンプレッサインペラ２６に作用する遠心力は、タービン軸１００の軸方向においてコンプレッサインペラ２６と軸力受け部４０が接する位置において最大となる。また、コンプレッサインペラ２６の背面３２側には、圧縮されて高温となった吸気が漏れ流れるため、遠心力に加えて熱伸びによる影響も作用する。よって、例えばコンプレッサインペラ２６のホイール径が、コンプレッサインペラ２６の背面３２ではなく、背面３２と先端（軸方向他端側の端面１０１）との間で最大となる構成のコンプレッサインペラ２６よりも、上述した構成のコンプレッサインペラ２６の方が、高速回転時の遠心力による径方向の延びが大きくなる虞がある。
一方、タービン軸１００には、コンプレッサインペラと２６と比べて小さな遠心力しか作用せず、且つ、圧縮されて高温となった吸気の影響も殆ど受けない。このため、タービン軸１００に上述したテーパ部１１２を形成することで、コンプレッサインペラ２６の貫通孔３０の内周面にテーパ部を形成した場合よりも、より安定的に、軸力受け部４０のコンプレッサインペラ２６側の端面位置を、他の部分に先行してコンプレッサインペラ２６の貫通孔３０に着座させることが出来る。

図８は、本発明の一実施形態に係る過給機を製造するステップ図である。以下、テーパ部１１２を含むタービン軸１００を有すタービンシャフト２００を備える過給機４００の製造方法について、図８を用いて詳細に説明する。

本発明の少なくとも一実施形態に係る過給機４００の製造方法は、テーパ部１１２を含むタービン軸１００を有すタービンシャフト２００を準備するステップＳ１と、コンプレッサインペラ２６を準備するステップＳ２と、コンプレッサインペラ２６をタービンシャフト２００のタービン軸１００に焼き嵌めするステップＳ３と、を備える。コンプレッサインペラ２６をタービンシャフト２００のタービン軸１００に焼き嵌めするステップＳ３は、さらに、コンプレッサインペラ２６を加熱するステップＳ３１と、加熱したコンプレッサインペラ２６を圧入するステップＳ３２と、圧入したコンプレッサインペラ２６を冷却するステップＳ３３と、を備える。尚、図８に示すように、テーパ部１１２を含むタービン軸１００を有するタービンシャフト２００を準備するステップＳ１の後にコンプレッサインペラ２６を準備するステップＳ２を始めるとは限られず、コンプレッサインペラ２６を準備するステップＳ２を終えた後に、テーパ部１１２を含むタービン軸１００を有すタービンシャフト２００を準備するステップＳ１を始めてもよい。

上記の製造方法によれば、製造時においてコンプレッサインペラ２６が冷却されて熱収縮しても、コンプレッサインペラ２６とスリーブ４０Ａなどの軸力受け部４０との間に隙間が生じることを抑制し、コンプレッサインペラ２６がタービン軸１００に安定して着座した過給機４００を製造することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。

２ ベアリングハウジング
４ 軸受
２０ コンプレッサ
２２ コンプレッサハウジング
２４ 渦室
２６ コンプレッサインペラ
２７ インペラ収容空間
２８ 空気入口部
３０ 貫通孔
３２ 背面
３４ 端面
３６ 先端面
４０ 軸力受け部
４０Ａ スリーブ
４０Ｂ フランジ部
４２ 締結部材
４２Ａ ナット
４２Ｂ 嵌合部材
４２Ｃ 嵌合部材
４３ 雄ねじ部
５０ タービン
５２ タービンハウジング
５４ 渦室
５６ タービンインペラ
５７ インペラ収容空間
５８ 排ガス出口部
１００ タービン軸
１０１ 端面
１０４ 締結部分
１１０ 嵌合部分
１１２ テーパ部
１１４ 全体テーパ部
１１６ 部分テーパ部
１１８ 棒状部
２００ タービンシャフト
３００ タービン回転体
４００ 過給機
Ｆ 嵌合部分
Ｔ 締結領域

Claims (6)

1. タービンとコンプレッサとを備える過給機に用いられるタービンシャフトであって、
   前記タービンのタービンインペラと、
   前記タービンインペラが一端側に接合されるタービン軸と、
   を備え、
   前記タービン軸は、
   前記タービン軸の他端側が前記コンプレッサのコンプレッサインペラに形成された貫通孔に挿入されることで前記コンプレッサインペラと嵌合するように構成された嵌合部分と、
   前記嵌合部分よりも前記タービン軸の他端側に形成されるとともに、締結部材が締結可能に構成された締結部分と、
   を含むとともに、
   前記嵌合部分における前記タービンインペラに最も近い位置において最大外径を有し、且つ、前記タービンインペラに最も近い位置から前記コンプレッサインペラの先端側に向かうにつれて前記タービン軸の外径が小さくなるように形成されたテーパ部を含む
   ことを特徴とするタービンシャフト。
2. 前記テーパ部は、前記嵌合部分の全体に亘って形成される全体テーパ部からなる
   請求項１に記載のタービンシャフト。
3. 前記テーパ部は、前記嵌合部分の一部において形成される部分テーパ部からなる
   請求項１に記載のタービンシャフト。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載のタービンシャフトを含むタービンと、
   前記タービンシャフトの他端側に嵌合されるコンプレッサインペラを含むコンプレッサと、
   を備えることを特徴とする過給機。
5. 前記コンプレッサインペラは、前記タービンインペラに最も近い位置において最大ホイール径を有するように構成される
   請求項４に記載の過給機。
6. 請求項１乃至３の何れか一項に記載のタービンシャフトを準備するステップと、
   コンプレッサインペラを準備するステップと、
   前記コンプレッサインペラを前記タービンシャフトのタービン軸に焼き嵌めするステップと、
   を備える過給機の製造方法。

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