JP4838830B2 - 可変容量排気ガスタービンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、比較的中小型内燃機関の排気ターボ過給機の製造に用いられ、エンジン（内燃機関）からの排気ガスを、排気入口部とタービンロータとの間に通路断面積が漸次減少するスクロール部を、前記タービンロータの径方向に分割して形成された内周スクロール部および外周スクロール部とに構成し、蓋部材の周方向に複数個列設されたインサートベーンにより、前記内周スクロール部と外周スクロール部とに排気ガスを流動させるようにした可変容量排気ガスタービンの製造方法に関する。

図４（Ａ）は特許文献１(特許第３９５６８８４号公報）にて開示されている可変容量排気ガスタービンの回転軸心に直角な要部断面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＤ−Ｄ断面図、図５は図４（Ａ）のＹ−Ｙ断面図である。
かかる可変容量排気ガスタービンは、排気ガスにより回転駆動されるタービンロータ１０を、タービンハウジング０１の中央部に収容（回転軸心１００ａ）している。
前記タービンハウジング０１は、排気入口部２０及び排気出口部２０ａを有して、該排気入口部２０と内周のタービンロータ１０との間に通路断面積が漸次減少するスクロール部１２を有する。

前記スクロール部１２は、前記タービンロータ１０の径方向に２分割されて、内周スクロール部２および外周スクロール部１を形成している。
前記内周スクロール部２と外周スクロール部１との間は、前記スクロール部１２の境界壁２ａに沿うように周方向に複数個列設されたインサートベーン６ａを介して分割され、それぞれのインサートベーン６ａの間には、排気通路６ｂが形成されている。
また、インサートベーン６ａは、蓋部材６の本体部から前記周方向に複数個突設されており、図５に示すように、該インサートベーン６ａにより、該内周スクロール部２と前記外周スクロール部１とを分離している。
また、図５に示すように、特許文献１では、前記蓋部材６と遮熱板６ｃの２枚を一体にして、該一体品を、タービンハウジング０１を軸受ハウジング１１に締め付けるボルト２９を用いて、蓋部材６の外縁のリング円８で前記タービンハウジング０１の支持部１ｓで挟着しつつ、締め付けられている。

また、図４（Ａ）に示すように、前記内周スクロール部２の入口部には、該入口部に排気ガスをガイドし、排気ガスの流れを円滑に前記内周スクロール部２に流入されるための舌部５が、排気ガス流に沿って形成されている。
また、前記外周スクロール部１の排気入口部側には、制御弁４が設置され、該制御弁４は前記タービンハウジング０１の周壁４ａに接脱することにより、前記内周スクロール部２への排気ガス流量および外周スクロール部１への排気ガス流量をそれぞれ制御している。

即ち、エンジンの低回転時には、制御弁４が周壁４ａに接して閉じることにより外周スクロール部１が閉じて、排気ガスはＵ_２のように内周スクロール部２側にのみ流れる。
またエンジンの高回転時には、制御弁４が周壁４ａから離れて開くことにより、排気ガスは外周スクロール部１をＵ_１のように流れて、インサートベーン６ａの排気通路６ｂを通って内周スクロール部２に流入するとともに、内周スクロール部２へもＵ_２のように流れる。
従って、エンジンの低回転時と高回転時とで、前記制御弁４により排気ガス流量を変えることができる。

特許第３９５６８８４号公報

図４、５に記載された特許文献１のような可変容量排気ガスタービンを、鋳造、射出成形、もしくは冷間鍛造のいずれかで成型、即ち素材成型により製作し、機械加工により最終仕上り製品を得る場合、次のような解決すべき問題がある。

（１）図４（Ａ）および図４（Ａ）のＤ−Ｄ断面図である図４（Ｂ）に示すように、前記内周スクロール部２の入口部に排気ガスをガイドし、排気ガスの流れを円滑に前記内周スクロール部２に流入されるための舌部５が、排気ガス流に沿って形成されている。
この舌部５と前記蓋部材６の本体面６ｐとの間隙１９ａ、つまりタービンハウジング０１に形成される舌部５と前記本体面６ｐとの間隙１９ａ（間隙寸法Ｓ_１）は、該本体面６ｐのみが素材成型面か、あるいは該本体面６ｐおよび舌部５の双方が素材成型面であるため、素材成型面の公差を考慮して大きめに取っている。
然るに、かかる舌部５と前記本体面６ｐとの間隙１９ａは、これが小さい程、タービン性能が良好であり、前記のように素材成型面の公差を考慮してこれを大きく取ると、かかる間隙１９ａからのガス漏れが多くなって、タービン性能が低下するという問題がある。

（２）また、前記蓋部材６は、図５のように、外周のリング円８で前記タービンハウジング０１の支持部１ｓで挟着して、ボルト２９で締め付けている。しかしながら、かかる構造では、蓋部材６の取り付けが高精度でできず、また前記遮熱板６ｃの熱膨張を考慮した対策がなされていない等の問題がある。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、鋳造等の素材成型により製作し、機械加工により最終仕上げ製品を得るような可変容量排気ガスタービンの構成部材において、排気ガスの流れを円滑に前記内周スクロール部に流入されるための舌部の間隙を最小限度に形成でき、またリング円近傍での蓋部材の装着を高精度で行うことを可能とした可変容量排気ガスタービンの製造方法を提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、軸受ハウジングにより軸支されるシャフトと、該シャフトの一端に固定され排気ガスにより回転駆動されるタービンロータと、該タービンロータを中央部に収容するとともに排気入口部及び排気出口部を有し、前記排気入口部とタービンロータとの間に通路断面積が漸次減少するスクロール部を有するタービンハウジングと、前記スクロール部を前記タービンロータの径方向に分割して形成された内周スクロール部および外周スクロール部とを備えるとともに、該タービンロータの周方向に複数個列設されたインサートベーンにより、内周スクロール部へ直接流入する排気ガスの流動と前記外周スクロール部を流れる排気ガスを内周スクロール部に流入させる排気ガスの流動とを制御するように構成し、前記外周スクロール部の排気入口部側に配設され前記内周スクロール部への排気ガス流量および外周スクロール部への排気ガス流量をそれぞれ制御する制御弁を備えるとともに、前記タービンハウジングの開口端面に前記内、外周スクロール部を画成する蓋部材が配設され、該蓋部材の排気通路側に前記インサートベーンが突設されて構成されている可変容量排気ガスタービンの製造方法において、
前記蓋部材と、該蓋部材の内径側に位置し前記タービンロータに対向するように軸受ハウジングとタービンロータの空隙に沿ってシャフト直交面方向に延在して前記タービンロータからの熱流を遮断する縮径板とを一体的に鋳造、射出成形、若しくは冷間鍛造のいずれかの成型にて形成するとともに、
前記蓋部材および前記縮径板の間に位置して前記蓋部材から軸受ハウジング側に突出するリング円を前記蓋部材及び前記縮径板と一体的に形成し、該リング円を軸受ハウジングに形成した円形段差部に嵌合させたことを特徴とする（請求項１）。

また、本発明は、好ましくは、前記リング円を前記蓋部材及び前記縮径板とともに成型し、該リング円の内周側に切削加工を施して、前記リング円の内周と軸受ハウジング側の円形段部とを嵌合させる（請求項２）。

また、本発明は、好ましくは、前記蓋部材の外径側を軸受ハウジングとタービンハウジングとで挟着支持することで、前記蓋部材と一体的に形成された前記縮径板を前記軸受ハウジングには接触させずフリーの状態で中空保持する（請求項３）。
また、前記蓋部材の外径の外側面に切削加工を施して、前記蓋部材の外径側を軸受ハウジングとタービンハウジングとで挟着支持してもよい（請求項４）。
さらに、前記蓋部材の内周スクロール部の入口相当部分に形成される前記タービンハウジングの排気ガス通路の舌部に対応する、前記蓋部材の成型面を突起させて突出部を形成し、該突出部に切削加工を施して該切削加工面と舌部との間に間隙値を保持して組み付けてもよい（請求項５）。

本発明によれば、鋳造、射出成形、もしくは冷間鍛造のいずれかの成型、即ち素材成型により製作し機械加工により最終仕上り製品を得る場合において、
前記蓋部材と、該蓋部材の内径側に位置し前記タービンロータに対向するように軸受ハウジングとタービンロータの空隙に沿ってシャフト直交面方向に延在して前記タービンロータからの熱流を遮断する縮径板とを一体的に鋳造、射出成形、若しくは冷間鍛造のいずれかの成型にて形成するとともに、
前記蓋部材および前記縮径板の間に位置して前記蓋部材から軸受ハウジング側に突出するリング円を前記蓋部材及び前記縮径板と一体的に形成し、該リング円を軸受ハウジングに形成した円形段差部に嵌合させたので（請求項１）、
図５の従来技術のように、外周のリング円で前記タービンハウジングの支持部で挟着してボルトで締め付けるものに比べて、蓋部材の取り付けを高精度で行うことができる。

また、前記発明において、前記リング円を前記蓋部材及び前記縮径板とともに成型し、該リング円の内周側に切削加工を施して、前記リング円の内周と軸受ハウジング側の円形段部とを嵌合させるように構成すれば（請求項２）、
素材成型にて蓋部材内径側と縮径板との間を、前記リング円を介して一体的に成型接続するにあたり、該リング円の内周側に切削加工を施して、該リング円内周側の切削加工面を高精度に加工して軸受ハウジング側の円形段部に嵌合でき、
これにより、蓋部材内径側と縮径板とを接続するリング円の内周側と、軸受ハウジング側の円形段部とが切削加工面の嵌合により、寸法の狂いがなく高精度に嵌合できる。
従って、図５の従来技術のように、外周のリング円で前記タービンハウジングの支持部で挟着してボルトで締め付けるものに比べて、蓋部材の取り付けを高精度で行うことができる。

また、前記発明において、前記蓋部材の外径側を軸受ハウジングとタービンハウジングとで挟着支持することで、前記蓋部材と一体的に形成された前記縮径板を前記軸受ハウジングには接触させずフリーの状態で中空保持すれば（請求項３）、
素材成型の状態で蓋部材の外径の外側面に切削加工を施して、上述したような構成とすることにより、前記縮径板（遮熱板）の熱膨張を許容することになって熱拘束の発生を防止して、縮径板（遮熱板）の破損を防止できる。
さらに、前記蓋部材の内周スクロール部の入口相当部分に形成される前記タービンハウジングの排気ガス通路の舌部に対応する、前記蓋部材の成型面を突起させて突出部を形成し、該突出部に切削加工を施して該切削加工面と舌部との間に間隙値を保持して組み付けるように構成すれば（請求項５）、
タービンハウジングに形成される前記舌部と前記本体面との間隙は、前記舌部に対応して蓋部材の素材成型面を突起させて突出部を形成しておいてから、該突出部に切削加工を施して、該切削加工面と舌部との間に間隙値を形成するので、前記舌部との間に間隙値を保持して組み付けることとなり、前記間隙値を機械加工面によって形成することができる。従って、かかる舌部と前記本体面との間隙値は機械加工面であるため、これを最小限度に小さく取ることができ、かかる間隙値からのガス漏れが少なくなって、タービン性能が向上する。また、蓋部材の素材成型面を突出させ、該突出部に切削加工を施すのみであるので、加工および構造が簡単で低コストである。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例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く、単なる説明例にすぎない。

図１は、本発明の実施例に係る可変容量排気ガスタービンのタービン軸心線に沿う断面図である。図２（Ａ）は前記実施例における蓋部材および縮径板の断面図、図２（Ｂ）は（Ａ）のＡ矢視図、図２（Ｃ）は（Ａ）のＢ矢視図である。図３（Ａ）は図１のＣ−Ｃ断面図、図３（Ｂ）は（Ａ）のＤ−Ｄ断面図である。
図１において、かかる可変容量排気ガスタービンは、タービンハウジング０１内に、排気ガスにより回転駆動されるタービンロータ１０を、該タービンハウジング０１の中央部に配置し、該タービンロータ１０は該タービンシャフト１０ａを介して、コンプレッサハウジング１３内に収納されたコンプレッサ１０ｂを直結駆動している（１００ａは回転軸心）。
また、前記コンプレッサハウジング１３は軸受ハウジング１１を介して前記タービンハウジング０１に連結されている。

図３（Ａ）は前記タービンハウジング０１の平面形状を示し、かかるタービンハウジング０１は、排気入口部２０及び排気出口部２０ａ（図１参照）を有し、該排気入口部２０と内周のタービンロータとの間に通路断面積が漸次減少するスクロール部１２を有する。
前記スクロール部１２は、前記タービンロータの径方向に、内周スクロール部２および外周スクロール部１に、２分割して形成されている。後述する制御弁は符号４で示されている。

以上の基本構成は、図４〜５の従来技術と同様である。
本発明は、蓋部材６及び縮径板６２からなるインサート部材６０の素材成型および加工仕上げに関するものである。

図１において、前記タービンハウジング０１によって、開口端面１００ｂ側から覆われる形で蓋部材６及び縮径板６２からなるインサート部材６０が設けられている。また、その他に図１に示される可変容量排気ガスタービンは、排気出口２０ａと、スクロール部１２と、後述されるリング円７と、インサートベーン６ａを備える。
前記蓋部材６及び縮径板６２からなるインサート部材６０は、本実施例では精密鋳造により素材成型を行うものとする。尚、前記素材成型は、ロストワックス成形、金属射出成形、もしくは冷間鍛造のいずれかの成型でもよい。

前記インサート部材６０の形状を図２（Ａ）〜（Ｃ）に示す。
前記蓋部材６及び縮径板６２からなるインサート部材６０は、素材成型時には、前記蓋部材６については、前記内周スクロール部２と外周スクロール部１とを区画形成し、該内周スクロール部２と外周スクロール部１との間は、図３（Ａ）に示す該スクロール部１２の境界壁２ａが設けられ、該境界壁２ａに沿うように後述する複数のインサートベーン６ａが設置されている。
そして、前記複数個のインサートベーン６ａを、それぞれ排気側に一体にほぼ軸方向に突設して排気ガスの流動を制御するように構成している。そして、それぞれのインサートベーン６ａの間には、排気通路６ｂが該インサートベーン６ａの周方向に沿って形成されている。

図１に示すように、前記インサート部材６０の前記蓋部材６の内径側には、軸受ハウジング１１とタービンロータ１０の空隙に沿ってタービンシャフト１０ａの直交面方向に延在させた縮径板６２が、該蓋部材６と一体的に形成されている。
この縮径板６２は、タービンロータ１０に対向させて、該タービンロータ１０からの熱流を遮断する遮熱板として用いられる。

以上のようにして、精密鋳造により素材成型が行われた蓋部材６と縮径板６２ならなるインサート部材６０は、図２のように、蓋部材６のリング円７の内周側（径Ｄ_１）に切削加工を施す。
そして、前記リング円７の内周の切削加工面７ｅを、軸受ハウジング１１側の円形段部１１ａに嵌合して、該インサート部材６０を前記軸受ハウジング１１に支持せしめる。即ち、リング円７の内周側（径Ｄ_１）に切削加工を施こすことにより、該リング円７内周側の切削加工面（径Ｄ_１）を高精度に加工して、軸受ハウジング１１側の円形段部１１ａ（図１参照）に嵌合することができる。

これにより、蓋部材６内径側と縮径板６２とを接続するリング円７内周側（径Ｄ_１）と、軸受ハウジング１１側の円形段部１１ａとが、切削加工面の嵌合により、寸法の狂いがなく高精度に嵌合できる。
従って、図５の従来技術のように、外周のリング円で前記タービンハウジング０１の支持部で挟着してボルトで締め付けるものに比べて、蓋部材６の取り付けを高精度で行うことができる。

次に、図２（Ａ）のように、前記蓋部材６の外径の外側面６ｕに、切削加工を施してかかる蓋部材６の外径の外側面６ｕを、軸受ハウジング１１とタービンハウジング０１の間に挟着支持させるとともに、前記リング円７の内周側に延在する縮径板６２をフリーの状態にて中空保持する。
このように構成すれば、素材成型の状態で蓋部材６の外径の外側面６ｕに切削加工を施して、蓋部材６を軸受ハウジング１１とタービンハウジング０１の間に挟着支持させておき、高温になる縮径板（遮熱板）６２をフリーの状態にて中空保持することにより、縮径板（遮熱板）６２の熱膨張を許容することになって熱拘束の発生を防止して、縮径板（遮熱板）６２の破損を防止できる。

次に、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、前記内周スクロール部２の入口部には、該入口部に排気ガスをガイドし、排気ガスの流れを円滑に前記内周スクロール部２に流入されるための舌部５が、素材成型の状態で、排気ガス流に沿って形成されている。
そこで、かかる実施例では、図３（Ｂ）に示すように、タービンハウジング０１の前記舌部５に対応して、前記蓋部材６の成型面６ｓから突起させて厚さｔなる突出部１９ｓを形成しておく。
そして、該突出部１９ｓに切削加工を施して、該切削加工面１９と舌部５との間に間隙値Ｓを保持して組み付ける。

このように構成すれば、図３（Ｂ）に示すように、前記舌部５に対応する突出部１９ｓに切削加工を施こすことにより、舌部５と前記突出部１９ｓの切削加工面１９との間隙値Ｓを、常時舌部５に対応した最小間隙に保持できる。
従って、かかる舌部５と前記突出部１９ｓの切削加工面１９との間隙値Ｓは、機械加工面であるためこれを最小限度に小さく取ることができ、かかる間隙値Ｓからのガス漏れが少なくなって、タービン性能が良好となる。
また、蓋部材６の素材成型面６ｓを突出させ、該突出部１９ｓに切削加工を施すのみであるので、加工および構造が簡単で低コストとなる。

次に、本発明の実施例において、かかる要素の組み立てを以下に述べる。
前記インサート部材６０を構成する蓋部材６は、図１のように、前記タービンハウジング０１と軸受ハウジング１１との間に、該タービンハウジング０１と軸受ハウジング１１とを締着するボルト２９によって、前記該タービンハウジング０１と軸受ハウジング１１間に、止めピン３０を介して挟着されている。
また、外側に位置するリング円８は、図２（Ａ）のように、内径Ｄ_２なるリング円８であり、該リング円８は、蓋部材６に形成された凸部８ａと該凸部８ａに嵌合するようにタービンハウジング０１に形成された凹部１ｓ（図１参照）を嵌着している。

なお、前記図４に示す従来技術と同様に、前記外周スクロール部１の排気入口部側には制御弁４が設置され、該制御弁４は前記タービンハウジング０１の周壁４ａに接脱することにより、前記内周スクロール部２への排気ガス流量および外周スクロール部１への排気ガス流量をそれぞれ制御している。
即ち、エンジンの低回転時には、制御弁４が周壁４ａに接して閉じることにより外周スクロール部１が閉じて、排気ガスはＵ_２のように内周スクロール部２側にのみ流れる。
またエンジンの高回転時には、制御弁４が周壁４ａから離れて開くことにより、排気ガスは外周スクロール部１をＵ_１のように流れて、インサートベーン６ａの排気通路６ｂを通って内周スクロール部２に流入するとともに、内周スクロール部２へもＵ_２のように流れる。
従って、エンジンの低回転時と高回転時とで、前記制御弁４により排気ガス流量を変えることができる。

本発明によれば、鋳造等の素材成型により製作し、機械加工により最終仕上げ製品を得るような可変容量排気ガスタービンの構成部材において、排気ガスの流れを円滑に前記内周スクロール部に流入されるための舌部の間隙を最小限度に形成でき、またリング円近傍での蓋部材の装着を高精度で行うことを可能とした可変容量排気ガスタービンの製造方法を提供できる。

本発明の実施例に係る可変容量排気ガスタービンのタービン軸心線に沿う断面図である。 （Ａ）は前記実施例における蓋部材および縮径板の断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ矢視図、（Ｃ）は（Ａ）のＢ矢視図である。 （Ａ）は図１のＣ−Ｃ断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＤ−Ｄ断面図である。 従来技術にかかる可変容量排気ガスタービンの回転軸心に直角な要部断面図である。 従来技術にかかる図４のＹ−Ｙ断面図である。

０１ タービンハウジング
１ 外周スクロール部
２ 内周スクロール部
２ａ 境界壁
４ 制御弁
４ａ 周壁
５ 舌部
６０ インサート部材
６ 蓋部材
６ａ インサートベーン
６ｂ 排気通路
８ リング円
１０ タービンロータ
１１ 軸受ハウジング
１２ スクロール部
２０ 排気入口部
２０ａ 排気出口部
２９ ボルト
３０ 止めピン
６２ 縮径板（遮熱板）
１００ｂ 開孔端面

Claims (5)

1. 軸受ハウジングにより軸支されるシャフトと、該シャフトの一端に固定され排気ガスにより回転駆動されるタービンロータと、該タービンロータを中央部に収容するとともに排気入口部及び排気出口部を有し、前記排気入口部とタービンロータとの間に通路断面積が漸次減少するスクロール部を有するタービンハウジングと、前記スクロール部を前記タービンロータの径方向に分割して形成された内周スクロール部および外周スクロール部とを備えるとともに、該タービンロータの周方向に複数個列設されたインサートベーンにより、内周スクロール部へ直接流入する排気ガスの流動と前記外周スクロール部を流れる排気ガスを内周スクロール部に流入させる排気ガスの流動とを制御するように構成し、
   前記外周スクロール部の排気入口部側に配設され前記内周スクロール部への排気ガス流量および外周スクロール部への排気ガス流量をそれぞれ制御する制御弁を備えるとともに、
   前記タービンハウジングの開口端面に前記内、外周スクロール部を画成する蓋部材が配設され、該蓋部材の排気通路側に前記インサートベーンが突設されて構成されている可変容量排気ガスタービンの製造方法において、
   前記蓋部材と、該蓋部材の内径側に位置し前記タービンロータに対向するように軸受ハウジングとタービンロータの空隙に沿ってシャフト直交面方向に延在して前記タービンロータからの熱流を遮断する縮径板とを一体的に鋳造、射出成形、若しくは冷間鍛造のいずれかの成型にて形成するとともに、
   前記蓋部材および前記縮径板の間に位置して前記蓋部材から軸受ハウジング側に突出するリング円を前記蓋部材及び前記縮径板と一体的に形成し、該リング円を軸受ハウジングに形成した円形段差部に嵌合させたことを特徴とする可変容量排気ガスタービンの製造方法。
2. 前記リング円を前記蓋部材及び前記縮径板とともに成型し、該リング円の内周側に切削加工を施して、前記リング円の内周と軸受ハウジング側の円形段部とを嵌合させることを特徴とする請求項１記載の可変容量排気ガスタービンの製造方法。
3. 前記蓋部材の外径側を軸受ハウジングとタービンハウジングとで挟着支持することで、前記蓋部材と一体的に形成された前記縮径板を前記軸受ハウジングには接触させずフリーの状態で中空保持するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の可変容量排気ガスタービンの製造方法。
4. 前記蓋部材の外径の外側面に切削加工を施して、前記蓋部材の外径側を軸受ハウジングとタービンハウジングとで挟着支持するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の可変容量排気ガスタービンの製造方法。
5. 前記蓋部材の内周スクロール部の入口相当部分に形成される前記タービンハウジングの排気ガス通路の舌部に対応する、前記蓋部材の成型面を突起させて突出部を形成し、該突出部に切削加工を施して該切削加工面と舌部との間に間隙値を保持して組み付けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の可変容量排気ガスタービンの製造方法。

Images