JPWO2014128930A1 - タービンロータ及び該タービンロータが組み込まれたターボチャージャ - Google Patents
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Abstract
本発明は、タービンホイール5背面に設けるバランス修正部の画定位置が明瞭になり、大量生産においても均等にバランスカットや肉盛りが可能となるタービンロータ及び該タービンロータを用いたターボチャージャを提供することを目的とし、チタンアルミを精密鋳造してホイール回転軸心を通るハブ50の外周囲に複数のインペラ40を周方向に設置する共に、隣接する全てのインペラ40間を切り欠いて水掻き状のスカラップ30が形成されてなるタービンホイール5と、該タービンホイールのハブ背面側の、ホイール回転軸線C-C上に沿って固設してなるロータ軸7と、タービンホイールのハブ背面側に、回転するホイール周方向に沿って設けたバランスカット部11と、を設けてなるタービンロータであって、前記バランスカットの最小径BCminが、ロータ軸のホイール取り付け側の最大径より大きく、バランスカット最大径BCmaxが、タービンホイールのスカラップ径Sより小であって、且つ「ホイール背面からハブ表面までの板厚tが1.75t≧w」(w:周方向領域(バランスカット)の半径方向幅)になる位置に前記領域を設定した。
Description
本発明は、タービンホイールの背面に、ホイール周方向にアンバランス修正部が設けられたタービンロータ及び該タービンロータが組み込まれたターボチャージに係り、特にチタンアルミを精密鋳造して製造してなるタービンホイールの背面側に、アンバランス修正部が設けられたタービンロータに関する発明である。
本発明の前提技術たるタービンロータの構成を図1に基づいて説明する。
図1はラジアルタービンロータの部分正面図で、タービンロータ軸7とタービンホイール5からなり、タービンホイール5は、ホイール回転軸線C-C上に円錐台状のハブ50が、そして該ハブ50の外周囲に複数のインペラ(羽根)40が周方向にほぼ等間隔に設置されている。また隣接する全てのインペラ40の間に水掻き状のスカラップ30が切り欠かれている。そしてスカラップ30はインペラ40の負圧面とこれに隣接するインペラ40の圧力面との間に形成されている。ホイール回転軸線C-Cからスカラップ30の内縁までの最小半径部分は二つのインペラ40、40の間の略中心部に位置している。従って、これらスカラップ30は最小半径部分を中心として左右対称の形状となっている。これらスカラップ30はタービンホイール5における遠心応力と慣性モーメントとを低減させる役目を果たしている。
図1はラジアルタービンロータの部分正面図で、タービンロータ軸7とタービンホイール5からなり、タービンホイール5は、ホイール回転軸線C-C上に円錐台状のハブ50が、そして該ハブ50の外周囲に複数のインペラ(羽根)40が周方向にほぼ等間隔に設置されている。また隣接する全てのインペラ40の間に水掻き状のスカラップ30が切り欠かれている。そしてスカラップ30はインペラ40の負圧面とこれに隣接するインペラ40の圧力面との間に形成されている。ホイール回転軸線C-Cからスカラップ30の内縁までの最小半径部分は二つのインペラ40、40の間の略中心部に位置している。従って、これらスカラップ30は最小半径部分を中心として左右対称の形状となっている。これらスカラップ30はタービンホイール5における遠心応力と慣性モーメントとを低減させる役目を果たしている。
又前記タービンホイール5はその背面側の回転軸線C-C上に沿って延在するロータ軸7が固設されている。ロータ軸7はその先端側に該ロータ軸より太径の中間軸部20が一体的に取り付けられており、該中間軸部20を介してロータホイールを前記ロータ軸7に固着する。(特許文献2,特許文献3参照)
さて、かかるタービンホイール5は、鋳造により製造されるために、ホイールの鋳物自体に回転軸心に対する偏重量、即ちアンバランスが生じやすい。そしてこのアンバランスが生じているタービンホイール5をタービンロータ1に組み込んでターボチャージャを構成した場合、前記タービンロータの高速回転時に前記アンバランスに起因する遠心力によってターボチャージャ自身の振動を招くことになる。
このため、従来より前記鋳造したタービンホイールのアンバランスを修正する技術としてタービンホイール背面側に回転軸線C-Cと同心状にリング円弧状のアンバランスカット部を形成している。
このため、従来より前記鋳造したタービンホイールのアンバランスを修正する技術としてタービンホイール背面側に回転軸線C-Cと同心状にリング円弧状のアンバランスカット部を形成している。
前記ターボチャージャのうち特に自動車用ターボチャージャは、燃費向上のためダウンサイジングが進んでおり、また性能向上のため排ガス温度が高温化する傾向にある。
このような性能向上の要求に対して、耐熱性に優れたTiAl基合金によってタービンホイールを形成し、鋼材のシャフトとNiろう等のろう材によって接合してなるタービンロータが提案されており、例えば、非特許文献1が知られている。
このような性能向上の要求に対して、耐熱性に優れたTiAl基合金によってタービンホイールを形成し、鋼材のシャフトとNiろう等のろう材によって接合してなるタービンロータが提案されており、例えば、非特許文献1が知られている。
このような自動車用ターボチャージャに用いるタービンホイール5は、精密鋳造であっても鋳造であるため、図1に示すように、回転軸心(c)を中心に、機械加工のように周方向に回転バランスを取りながら加工することが出来ず、このため従来は、前記精密鋳造された後のタービンホイール5のハブ背面側に、エンドミル等の切削工具を利用して、ホイール周方向に沿って円弧状に削成してバランスカット部11を形成したり、ハブ50先端側のボス部をカット12して回転アンバランスの修正を図っている。
そして、前記ホイール裏面側に形成する円弧状のバランスカット部11は、回転軸心側の中間軸部20より外側のスカラップ縁側に近づけるほど回転バランスを修正する上で好ましいが、ホイールを形成するTiAlは脆い材料であり、このためスカラップ縁側に近づけてバランスカット11を行えば行うほど切削工具であるエンドミル等の切削押しつけ力がインペラのスカラップ部30に伝搬して該スカラップ部30にクラックや割れが発生しやすくなる。そしてスカラップ部30に割れを有したままホイールを高速区回転させて運転すると、脆性材料のホイールに前記クラックや割れが広がり運転中にタービンホイール5が破損する可能性がある。
スカラップ部30に割れが発生する理由は、図1に示すように回転するエンドミル等の切削工具をタービンホイール5背面部に押し付け切削加工するため、スカラップ部30に押しつけ力が作用され、脆いTiAlに割れが発生するものであるが、一方前記切削工具を用いずにレーザを用いて回転バランスを修正する技術が特許文献1に開示されている。
しかし、かかる技術はタービンホイール5自体を加工するものではなく、インペラ40を締結固定するインペラナットを切削して自動調心するものであるために、ロータ軸とインペラが分離しているコンプレッサホイール側の回転バランスを修正する技術にしか適用出来ない。
しかも前記従来技術においては、「インペラに生じる振動の振幅が最大となる一次共振点を超えるようにインペラナットを回転させた状態で、照射位置を一点に固定したレーザLSによりインペラナットをその正面方向から切削し続けて自動調心する」ものであるために、バランス修正が煩雑化し,特にバランス修正部の画定位置がインペラナットを回転させなければ決定出来ない等の問題があり、大量生産に不向きである。
又前記技術はインペラナット正面側をレーザにより削成して回転バランスの修正を図るものであるために、タービンホイール5背面側にバランスカット部11を設ける本発明とは基本的に異なる。
しかし、かかる技術はタービンホイール5自体を加工するものではなく、インペラ40を締結固定するインペラナットを切削して自動調心するものであるために、ロータ軸とインペラが分離しているコンプレッサホイール側の回転バランスを修正する技術にしか適用出来ない。
しかも前記従来技術においては、「インペラに生じる振動の振幅が最大となる一次共振点を超えるようにインペラナットを回転させた状態で、照射位置を一点に固定したレーザLSによりインペラナットをその正面方向から切削し続けて自動調心する」ものであるために、バランス修正が煩雑化し,特にバランス修正部の画定位置がインペラナットを回転させなければ決定出来ない等の問題があり、大量生産に不向きである。
又前記技術はインペラナット正面側をレーザにより削成して回転バランスの修正を図るものであるために、タービンホイール5背面側にバランスカット部11を設ける本発明とは基本的に異なる。
豊田中央研究所r&DレビューVOl35 NO3 研究報告ターボチャー用高性能合金(2000年9月発行)
本発明は、タービンホイール背面に設けるバランス修正部の画定位置が明瞭になり、大量生産においても均等にバランスカットや肉盛りが可能となるタービンロータ及び該タービンロータを用いたターボチャージャを提供することにある。
特に本発明は、バランス修正がバランスカットの場合に、スカラップ径Sに対し、バランスカット最大径BCmaxを小さくすることで、バランスカット最大径の部分の板厚tを厚くできる為に、割れ発生リスクを低減出来る提供する事にある。
又本発明の他の目的はスカラップ部の断面Rを極力大きくして、バランスカット位置におけるハブ板厚を厚くでき、割れのリスクを極力低減出来るタービンロータを提供する事にある。
特に本発明は、バランス修正がバランスカットの場合に、スカラップ径Sに対し、バランスカット最大径BCmaxを小さくすることで、バランスカット最大径の部分の板厚tを厚くできる為に、割れ発生リスクを低減出来る提供する事にある。
又本発明の他の目的はスカラップ部の断面Rを極力大きくして、バランスカット位置におけるハブ板厚を厚くでき、割れのリスクを極力低減出来るタービンロータを提供する事にある。
本発明はかかる技術的課題を達成する為に、チタンアルミを精密鋳造してホイール回転軸心を通るハブの外周囲に複数のインペラを周方向に設置する共に、隣接する全てのインペラ40間を切り欠いて水掻き状のスカラップ部30が形成されてなるタービンホイール5と、
該タービンホイール5のハブ背面側の、ホイール回転軸線C-C上に沿って固設してなるロータ軸7と、
前記タービンホイール5のハブ背面側に、回転するホイール周方向に沿って設けたバランスカット部11若しくはバランス肉盛り部の何れか若しくは両者からなる回転バランス修正部と、を設けてなるタービンロータであって、
(1)前記バランス修正部の周方向に設けた領域が、該周方向領域の内縁側(バランスカット最小径BCmin)が、ロータ軸のホイール取り付け側の最大径より大きく、
(2)該周方向領域の外縁側(バランスカット最大径BCmax)が、タービンホイール5のスカラップ径Sより小であって、
(3)ホイール背面からハブ表面までの板厚tが「1.75t≧w」(w:周方向領域(バランスカット)の半径方向幅)になる位置に前記領域を設定したタービンロータを提案する。
該タービンホイール5のハブ背面側の、ホイール回転軸線C-C上に沿って固設してなるロータ軸7と、
前記タービンホイール5のハブ背面側に、回転するホイール周方向に沿って設けたバランスカット部11若しくはバランス肉盛り部の何れか若しくは両者からなる回転バランス修正部と、を設けてなるタービンロータであって、
(1)前記バランス修正部の周方向に設けた領域が、該周方向領域の内縁側(バランスカット最小径BCmin)が、ロータ軸のホイール取り付け側の最大径より大きく、
(2)該周方向領域の外縁側(バランスカット最大径BCmax)が、タービンホイール5のスカラップ径Sより小であって、
(3)ホイール背面からハブ表面までの板厚tが「1.75t≧w」(w:周方向領域(バランスカット)の半径方向幅)になる位置に前記領域を設定したタービンロータを提案する。
尚、ロータ軸7は一般的にその先端側に該ロータ軸より太径の中間軸部20が一体的に取り付けられており、該中間軸部を介してタービンホイール5をロウ付け接合若しくは電子ビームを利用して溶着する場合が多いために、ロータ軸のホイール取り付け側の最大径とは例えばロータ軸自体の軸径ではなく前記ロータ軸より拡径されている中間軸部をさす。
又前記(2)で示すスカラップ径とはホイール回転軸心を中心としてスカラップ部30内縁と接する半径を指す。
又前記(2)で示すスカラップ径とはホイール回転軸心を中心としてスカラップ部30内縁と接する半径を指す。
本発明におけるタービンホイール5背面側のバランスカットは円弧状の幅でカットする為に、下面と側面が「刃」になっているエンドミルを切削工具として用いるのが有利である。
そして本発明では、前記(1)で示すように円弧状バランスカットの最小径BCminを、ロータ軸の中間軸径の最大径JKmaxより大きくする(BCmin>JKmax)ことが前提であるが、BCmin=JKma+αxの余裕度αは、エンドミルの側面が刃となっている為に、側面刃により発生した切り粉を除去できる為の空隙幅が必要である。一般的にはこの空隙幅は2mmあればよい
そして本発明では、前記(1)で示すように円弧状バランスカットの最小径BCminを、ロータ軸の中間軸径の最大径JKmaxより大きくする(BCmin>JKmax)ことが前提であるが、BCmin=JKma+αxの余裕度αは、エンドミルの側面が刃となっている為に、側面刃により発生した切り粉を除去できる為の空隙幅が必要である。一般的にはこの空隙幅は2mmあればよい
次にバランスカット最大径BCmaxの検討である。
先ずBCmaxは、ハブ側に位置しなければならず、(2)タービンホイール5のスカラップ径Sより小であることが前提であるが、更に加えてバランスカットの半径方向幅wを、ホイール背面からハブ表面までの板厚tに対し、1.75t≧Wに設定することによりバランスカット削成時のタービンホイール5の割れが低減出来ることが実験結果より判明した。
ここで「1.75t≧w」に規定した理由は後記実施例に示すように、周方向領域(バランスカット)の半径方向幅wを5mmに設定した場合は板厚tが1(mm)では全数われが発生し、一方半径方向幅wを3.5mmと挟幅に設定した場合も板厚tが1(mm)では全数割れが発生したが、半径方向幅wを3.5mmと挟幅に設定し、かつ板厚tを2(mm)以上に設定した場合は割れの発生を低減できることが確認された事による。(後記従来例1及び実施例1参照)
先ずBCmaxは、ハブ側に位置しなければならず、(2)タービンホイール5のスカラップ径Sより小であることが前提であるが、更に加えてバランスカットの半径方向幅wを、ホイール背面からハブ表面までの板厚tに対し、1.75t≧Wに設定することによりバランスカット削成時のタービンホイール5の割れが低減出来ることが実験結果より判明した。
ここで「1.75t≧w」に規定した理由は後記実施例に示すように、周方向領域(バランスカット)の半径方向幅wを5mmに設定した場合は板厚tが1(mm)では全数われが発生し、一方半径方向幅wを3.5mmと挟幅に設定した場合も板厚tが1(mm)では全数割れが発生したが、半径方向幅wを3.5mmと挟幅に設定し、かつ板厚tを2(mm)以上に設定した場合は割れの発生を低減できることが確認された事による。(後記従来例1及び実施例1参照)
即ち、前記(1)及び(2)の条件で、タービンホイール5背面に設けるバランス修正部の画定位置が明瞭になり、大量生産においても均等にバランスカットや肉盛りが可能となるという効果は達成するが、割れ発生リスクを低減する効果は達成されない。
バランスカット部11を削成する場合に、その切削工具であるエンドミルは前記したように軸状刃具で「下面」が刃部となっている為に、ホイール背面よりハブ表面までの板厚で、エンドミルの押しつけ力を受ける為に、ホイール背面よりハブ表面までの板厚が薄くなればなるほどその押しつけ力に起因するタービンホイール5の割れが発生しやすい。
一方前記割れを防止する為にバランスカット部最大径を回転軸心側に近づけることも可能であるが、そのように構成するとホイール回転による慣性力を有効に生かすことが出来ない。
そこで前記(3)の条件を加えることにより、本発明の効果が達成できる。
バランスカット部11を削成する場合に、その切削工具であるエンドミルは前記したように軸状刃具で「下面」が刃部となっている為に、ホイール背面よりハブ表面までの板厚で、エンドミルの押しつけ力を受ける為に、ホイール背面よりハブ表面までの板厚が薄くなればなるほどその押しつけ力に起因するタービンホイール5の割れが発生しやすい。
一方前記割れを防止する為にバランスカット部最大径を回転軸心側に近づけることも可能であるが、そのように構成するとホイール回転による慣性力を有効に生かすことが出来ない。
そこで前記(3)の条件を加えることにより、本発明の効果が達成できる。
そして前記(1)、(2)、(3)の条件はタービンホイール5背面側に形成されるバランスカット部11の削成に有効に適用され、この場合は、前記バランス修正部(バランスカット部11)を形成する周方向領域が、回転軸心と同心の円弧領域であるのがよい。
又タービンホイール5背面のバランス修正部がバランスカット部11である場合に、バランスカット最大径BCmax位置におけるカット深さDpを、「Dp<「BCmax位置におけるホイール背面からハブ表面までの板厚t−Dp」になるようにバランスカット部11を設定するのがよい。(条件(4))
又タービンホイール5背面のバランス修正部がバランスカット部11である場合に、バランスカット最大径BCmax位置におけるカット深さDpを、「Dp<「BCmax位置におけるホイール背面からハブ表面までの板厚t−Dp」になるようにバランスカット部11を設定するのがよい。(条件(4))
即ち、前記(1)、(2)及び(3)のみの規定ではバランスカットの幅を削減することが可能であるが、バランスカット量が減るために、アンバランスを修正できないリスクがある。
そこで本発明は、条件(4)の設定により、バランスカット時に割れが生じない範囲でバランスカットを深くすることが出来、バランスカットの幅を削減しても、バランスカット量が減ることがなく、回転アンバランスを修正出来る。
そこで本発明は、条件(4)の設定により、バランスカット時に割れが生じない範囲でバランスカットを深くすることが出来、バランスカットの幅を削減しても、バランスカット量が減ることがなく、回転アンバランスを修正出来る。
さて、前記(4)の条件によりBCmax位置におけるホイール背面からハブ表面までの板厚tを大きくすれば回転アンバランスをより修正出来る。
更に加えて本発明は好ましくは、ハブ板厚方向に沿うハブ外縁側のスカラップ部30の板厚tを大きくするには、バランスカット最大径BCmaxが、ホイール背面からハブ表面までの板厚tがバランスカットの周方向領域の半径方向幅≧0.57wになる位置に前記領域を設定し、更に好ましくは、
前記インペラ40の円弧状に形成されるハブ面と、
前記タービンホイール5背面側より前記ハブ面に向かって弧状に形成されたスカラップのR部と、を備え
前記R部とハブ面との接続点位置におけるスカラップ部30の板厚が、カット深さDpの1.8倍以上であるのがよい。
前記インペラ40の円弧状に形成されるハブ面と、
前記タービンホイール5背面側より前記ハブ面に向かって弧状に形成されたスカラップのR部と、を備え
前記R部とハブ面との接続点位置におけるスカラップ部30の板厚が、カット深さDpの1.8倍以上であるのがよい。
かかる構成によりスカラップ部30のRを大きくすることにより、バランスカット位置におけるハブ板厚を厚くでき、割れのリスクを低減出来る。
又本発明は、前記バランスカット部11をエンドミル加工を含む機械加工により形成したタービンロータに有効に適用される。即ちエンドミル加工はレーザ加工や超音波加工に比較して精度が出され且つ大量生産に有効である。
又本発明のタービンロータは、前記バランス修正部をバランスカットとともに、ホイール背面の翼根部にTiAlを肉盛りして形成される。
本発明によれば、ホイール背面の翼根部にTiAlを肉盛りすることによりバランスカット部11のカット量低減と共に、付加重量の微調整を行える。
本発明によれば、ホイール背面の翼根部にTiAlを肉盛りすることによりバランスカット部11のカット量低減と共に、付加重量の微調整を行える。
かかる発明によれば、タービンホイール5のハブ背面側にバランスカット部11を設けるタービンロータにおいて、前記ハブ背面に設けるバランスカット部11や肉盛りのバランス修正部の画定位置を明瞭にさせるとともに、大量生産においても均等にバランスカットや肉盛りが可能となる。
特に本発明は、バランス修正がバランスカットの場合に、スカラップ径Sに対し、バランスカット最大径BCmaxを小さくすることで、バランスカット最大径の部分の板厚tを厚くできる為に、割れ発生リスクを低減出来るタービンロータを提供する事にある。
本発明の他の目的はスカラップ部30の断面Rを極力大きくして、バランスカット位置におけるハブ板厚を厚くでき、割れのリスクを極力低減出来るタービンロータを提供する事にある。
特に本発明は、バランス修正がバランスカットの場合に、スカラップ径Sに対し、バランスカット最大径BCmaxを小さくすることで、バランスカット最大径の部分の板厚tを厚くできる為に、割れ発生リスクを低減出来るタービンロータを提供する事にある。
本発明の他の目的はスカラップ部30の断面Rを極力大きくして、バランスカット位置におけるハブ板厚を厚くでき、割れのリスクを極力低減出来るタービンロータを提供する事にある。
(実施形態)
図2は本発明に係るタービンロータが組み込まれたターボチャージャ1の回転軸線C-Cに沿う断面図である。
まず、ターボチャージャ1の構成の概要について乗用車エンジン用のターボチャージャを例として説明する。このターボチャージャ1は、タービンハウジング3の外周部に、渦巻状にスクロール17が形成され、該渦巻状の中心部分に、タービンホイール5が配設され、タービンホイール5とタービンロータ軸7の一端部とはろう材によって接合されて一体とされてタービンロータ19を形成している。タービンロータ19はタービンロータ軸7を回転支持する軸受9を有する軸受ハウジング10と、コンプレッサのインペラ13を収容するコンプレッサハウジング15が、回転軸線C-C方向において隣接して配置されている。
図2は本発明に係るタービンロータが組み込まれたターボチャージャ1の回転軸線C-Cに沿う断面図である。
まず、ターボチャージャ1の構成の概要について乗用車エンジン用のターボチャージャを例として説明する。このターボチャージャ1は、タービンハウジング3の外周部に、渦巻状にスクロール17が形成され、該渦巻状の中心部分に、タービンホイール5が配設され、タービンホイール5とタービンロータ軸7の一端部とはろう材によって接合されて一体とされてタービンロータ19を形成している。タービンロータ19はタービンロータ軸7を回転支持する軸受9を有する軸受ハウジング10と、コンプレッサのインペラ13を収容するコンプレッサハウジング15が、回転軸線C-C方向において隣接して配置されている。
また、軸受ハウジング10には、タービンロータ軸7を回転軸線C-C周りに回転可能に支持する左右一対の軸受9、9が設けられている。そして、この軸受9、9にはそれぞれ潤滑油が潤滑油路21を介して供給されるようになっている。
この軸受ハウジング10と前記タービンハウジング3とは、それぞれの端部に形成された突出フランジ10a、3aが付き合わされて、その外周に断面形状が略コ字形を有した環状のスナップリング23を嵌合することで結合している。この結合部には後述するバックプレート11の固定部である外フランジ部11aが挟持されるようになっている。
この軸受ハウジング10と前記タービンハウジング3とは、それぞれの端部に形成された突出フランジ10a、3aが付き合わされて、その外周に断面形状が略コ字形を有した環状のスナップリング23を嵌合することで結合している。この結合部には後述するバックプレート11の固定部である外フランジ部11aが挟持されるようになっている。
また、タービンロータ軸7の他端部にはコンプレッサのインペラ13が取り付けナット25によって固定されている。また、コンプレッサハウジング15には、空気入口通路27、ディフューザ60、渦巻状の空気通路29、が形成され、これらにより遠心圧縮機31を構成している。
かかる構成からなるターボチャージャ1の作動時において、エンジン(図示省略)からの排ガスは前記スクロール17に入り、該スクロール17からタービンホイール5のタービン羽根にその外周側から流入し、中心側に向かい半径方向に流れて該タービンホイール5に膨張仕事をなした後、軸方向に流出してガス出口33に案内されて機外に送出される。
一方、タービンホイール5の回転はタービンロータ軸7を介してコンプレッサのインペラ13を回転させ、コンプレッサハウジング15の空気入口通路27を通って、吸入された空気を該インペラ13で加圧して、ディフューザ60、空気通路29を通してエンジン(図示省略)に供給される。
一方、タービンホイール5の回転はタービンロータ軸7を介してコンプレッサのインペラ13を回転させ、コンプレッサハウジング15の空気入口通路27を通って、吸入された空気を該インペラ13で加圧して、ディフューザ60、空気通路29を通してエンジン(図示省略)に供給される。
図1は前記ターボチャージャに組み込まれたタービンロータで、(A)はロータ軸下方側を省略して開示しているその要部正面図、(B)はタービンホイールの背面側を示す(A)のA−A矢視図である。
図においてタービンロータは、ホイール回転軸心を通るハブの外周囲に複数のインペラ40を周方向に設置すると共に、隣接する全てのインペラ40間を切り欠いて水掻き状のスカラップ部30が形成されてなるタービンホイール5と、該タービンホイール5のハブ背面側の、ホイール回転軸線C-C上に沿って固設してなるロータ軸7と、タービンホイール5のハブ50背面側に、回転するホイール周方向に沿って設けたバランスカット部11若しくはバランス肉盛り部の何れか若しくは両者からなる回転バランス修正部とからなる。(本図の場合はハブ先端側にもバランスカット部12を設けている。)
図においてタービンロータは、ホイール回転軸心を通るハブの外周囲に複数のインペラ40を周方向に設置すると共に、隣接する全てのインペラ40間を切り欠いて水掻き状のスカラップ部30が形成されてなるタービンホイール5と、該タービンホイール5のハブ背面側の、ホイール回転軸線C-C上に沿って固設してなるロータ軸7と、タービンホイール5のハブ50背面側に、回転するホイール周方向に沿って設けたバランスカット部11若しくはバランス肉盛り部の何れか若しくは両者からなる回転バランス修正部とからなる。(本図の場合はハブ先端側にもバランスカット部12を設けている。)
そしてタービンホイール5は、耐熱性に優れたTiAl製によって形成され、タービンロータ軸7は炭素鋼、例えばSC材、SCM材の鋼材を用いて形成され、タービンホイール5とタービンロータ軸7とは例えばNiろう等のろう材によって高周波加熱を利用してろう付け接合されている。尚、ロータ軸7はその先端側に該ロータ軸7より太径の中間軸部20が一体的に取り付けられており、該中間軸部20を介してロータホイール5をロータ軸7に溶着させている。
ホイール背面側に削成されるバランスカット部11は、切削工具としてエンドミル60を用いて中間軸部20外径より大でハブ外径側のスカラップ径より内側のホイール背面側の180°対称位置に1対、ホイール回転軸心と同心のリング円弧状に形成されている。
もちろん該バランスカット部11は必ずしも円弧ではなく円形状に形成してもよく回転バランスを修正するものであればその個数、位置、形状は問わない。
もちろん該バランスカット部11は必ずしも円弧ではなく円形状に形成してもよく回転バランスを修正するものであればその個数、位置、形状は問わない。
そしてバランスカット部11はエンドミル60をタービンホイール5背面部に押しつけて切削加工するために、スカラップ部30に力が作用され、タービンホイール材質がTiAl材であるためホイール背面に割れが発生する恐れがある。
(従来例1)
例えば図3(A)の従来技術において、タービンホイール外径がφ52mmで、ロータ軸のホイール取り付け側の最大径(JKmax )がφ20mm 、スカラップ径φ34mmのタービンホイール5で、バランスカット最小径BCminφ22mm、バランスカット最大径BCmaxφ32mm(バランスカット幅W‘=5mm)バランスカット位置の最大径/スカラップ径=94%の比率でバランスカットを施した所、ほぼ100%の確率で割れが発生した。(試料:100個)
例えば図3(A)の従来技術において、タービンホイール外径がφ52mmで、ロータ軸のホイール取り付け側の最大径(JKmax )がφ20mm 、スカラップ径φ34mmのタービンホイール5で、バランスカット最小径BCminφ22mm、バランスカット最大径BCmaxφ32mm(バランスカット幅W‘=5mm)バランスカット位置の最大径/スカラップ径=94%の比率でバランスカットを施した所、ほぼ100%の確率で割れが発生した。(試料:100個)
(実施例1)
次に図3(B)に示すようにバランスカット最小径BCminφ22mmを固定し、バランスカット最大径BCmaxをφ32mm(バランスカット幅=5mm)からφ29mm(バランスカット幅w=3.5mm)バランスカット位置の最大径/スカラップ径=85%の比率でバランスカットを施した所、割れ発生率が100%から30%に低減した。(試料:100個)
尚、図3(C)は図3(A)(B)の軸断面図である。
次に図3(B)に示すようにバランスカット最小径BCminφ22mmを固定し、バランスカット最大径BCmaxをφ32mm(バランスカット幅=5mm)からφ29mm(バランスカット幅w=3.5mm)バランスカット位置の最大径/スカラップ径=85%の比率でバランスカットを施した所、割れ発生率が100%から30%に低減した。(試料:100個)
尚、図3(C)は図3(A)(B)の軸断面図である。
次に前記割れ発生がなかったものと割れ発生があったものの、バランスカット最大径BCmax位置におけるカット深さDpを調べてみた。
具体的にはバランスカット最大径BCmaxφ29mm(バランスカット幅=3.5mm)について前記割れが発生しなかったもの30個(尚、板厚tはいずれも2mm以上であった。)と、カット深さDpが5.5mm以下で割れが発生しているもの19個を抽出し、板厚tとカット深さDpとの関係を調べた。
カット深さDp は0.5mm単位では1.5mm(12個)、2.0mm(18個)、2.5mm(5個)3.0mm(4個)であり、一方板厚tは1.7mm〜6.2mmの範囲であった。
そして前記試料49個について、Dp<「BCmax位置におけるホイール背面からハブ表面までの板厚t−Dp」のタービンホイール5(30/49個)については、割れ発生がなく、特にカット深さDpが3.0mm(4個)のものでも板厚tが6mm(0.5mm単位の計測のために板厚tが5.5mm以上でも)のものは割れが発生していないことが確認できた。尚板厚tは0.5mm単位の計測のために板厚tが5.5mm(カット深さDpの1.8培以上)より大であればでも割れが発生していないものと推定される。
具体的にはバランスカット最大径BCmaxφ29mm(バランスカット幅=3.5mm)について前記割れが発生しなかったもの30個(尚、板厚tはいずれも2mm以上であった。)と、カット深さDpが5.5mm以下で割れが発生しているもの19個を抽出し、板厚tとカット深さDpとの関係を調べた。
カット深さDp は0.5mm単位では1.5mm(12個)、2.0mm(18個)、2.5mm(5個)3.0mm(4個)であり、一方板厚tは1.7mm〜6.2mmの範囲であった。
そして前記試料49個について、Dp<「BCmax位置におけるホイール背面からハブ表面までの板厚t−Dp」のタービンホイール5(30/49個)については、割れ発生がなく、特にカット深さDpが3.0mm(4個)のものでも板厚tが6mm(0.5mm単位の計測のために板厚tが5.5mm以上でも)のものは割れが発生していないことが確認できた。尚板厚tは0.5mm単位の計測のために板厚tが5.5mm(カット深さDpの1.8培以上)より大であればでも割れが発生していないものと推定される。
上記より、スカラップ径に対し、バランスカット最大径BCmaxを小さくすることで、バランスカット最大径BCmaxの部分の板厚は厚くなるため、割れ発生リスクを低減でき、更にカット深さDpが、Dp<「BCmax位置におけるホイール背面からハブ表面までの板厚t−Dp」なる不等式を満足させることにより、タービンホイール5については、割れ発生がないとの知見が得られた。
従って、BCmax位置におけるホイール背面からハブ表面までの板厚tを大きくすることが出来れば、カット深さDpの制限によりアンバランスを修正できないリスクを低減でき、円滑に回転バランスを修正できることも理解出来る。
(実施例2)
本発明の実施例2を図4(A)(B)に基づいて従来技術との比較の上で説明する。
図4(A)はタービンホイール背面側にてインペラ40の流路出口側のハブ側板厚tが薄肉となっている状態を示し、各部寸法は前記実施例1と同様である。かかる構成のタービンホイール5では、前記インペラ40のハブ面を区画する円弧曲線の曲率半径R1を小さくすれば、該タービンホイール5の背面側より前記ハブ面50aに向かって弧状に形成されたスカラップのR部は大径化し、R部が大径化すると前記R部とハブ面50aとの接続点位置におけるスカラップ部30の板厚が厚くなることが図4(B)より理解される。
本発明の実施例2を図4(A)(B)に基づいて従来技術との比較の上で説明する。
図4(A)はタービンホイール背面側にてインペラ40の流路出口側のハブ側板厚tが薄肉となっている状態を示し、各部寸法は前記実施例1と同様である。かかる構成のタービンホイール5では、前記インペラ40のハブ面を区画する円弧曲線の曲率半径R1を小さくすれば、該タービンホイール5の背面側より前記ハブ面50aに向かって弧状に形成されたスカラップのR部は大径化し、R部が大径化すると前記R部とハブ面50aとの接続点位置におけるスカラップ部30の板厚が厚くなることが図4(B)より理解される。
本発明を従来技術との比較の上で具体的に説明するに、図4(A)は前記実施例1の寸法に基づく本実施例2の軸断面図である。
本図より理解されるように、前記インペラ40のハブ面を区画する円弧曲線の曲率半径R1を20mmに設定すると、前記タービンホイール5の背面側より前記ハブ面50aに向かって弧状に形成されたスカラップのR部が小になり、前記R部とハブ面50aとの接続点位置におけるスカラップ部30の板厚は1mmであり、スカラップ部30のR/ホイール外径=2%となり、かかる形状では、ほぼ100%の確率で割れが発生した(試料:100個)ことは前記した通りである。
本図より理解されるように、前記インペラ40のハブ面を区画する円弧曲線の曲率半径R1を20mmに設定すると、前記タービンホイール5の背面側より前記ハブ面50aに向かって弧状に形成されたスカラップのR部が小になり、前記R部とハブ面50aとの接続点位置におけるスカラップ部30の板厚は1mmであり、スカラップ部30のR/ホイール外径=2%となり、かかる形状では、ほぼ100%の確率で割れが発生した(試料:100個)ことは前記した通りである。
そこで本発明者は、図4(B)に示す如く前記ハブ50のハブ面50aを画定する曲率半径R1を極力小さくすることにより前記スカラップ部30のR部を大きくすることが出来ることを見いだした。(図4(B)の実施例では半径が13mm)
即ち、前記インペラ40のハブ側の縁線を画定する円弧曲線R1のハブ面50aと、
前記タービンホイール5背面側より前記ハブ外径線R1に向かって弧状に形成されたスカラップのR部と、を備え、
前記R部とハブ面50aとの接続点位置におけるスカラップ部30の板厚が、カット深さDpの1.8培以上、好ましくは2倍以上であるのがよい。
このように規定することにより前記実施例1で示すようにカット深さDpが3.0mm(4個)のものでも板厚tが5.5〜6mmのものは割れが発生していないことが確認できた。
従って本発明によれば、
スカラップ部30のRが小さいと板厚が薄くなるため、バランスカット時に割れが生じやすいが、スカラップ部30のRを大きくすることで板厚が厚くなるため、割れのリスクを低減することができる。前記Rを大きくすることによりホイール背面の翼(インペラ)間を結ぶ円の径が小さくなるため、背面のバランスカット幅を確保できるスカラップ部30のR部が最大となるように形成できる。その際のR部の厚みとホイール背面の外径比は4%以上、好ましくは7%以上更に好ましくは10〜13%に設定できる。
前記タービンホイール5背面側より前記ハブ外径線R1に向かって弧状に形成されたスカラップのR部と、を備え、
前記R部とハブ面50aとの接続点位置におけるスカラップ部30の板厚が、カット深さDpの1.8培以上、好ましくは2倍以上であるのがよい。
このように規定することにより前記実施例1で示すようにカット深さDpが3.0mm(4個)のものでも板厚tが5.5〜6mmのものは割れが発生していないことが確認できた。
従って本発明によれば、
スカラップ部30のRが小さいと板厚が薄くなるため、バランスカット時に割れが生じやすいが、スカラップ部30のRを大きくすることで板厚が厚くなるため、割れのリスクを低減することができる。前記Rを大きくすることによりホイール背面の翼(インペラ)間を結ぶ円の径が小さくなるため、背面のバランスカット幅を確保できるスカラップ部30のR部が最大となるように形成できる。その際のR部の厚みとホイール背面の外径比は4%以上、好ましくは7%以上更に好ましくは10〜13%に設定できる。
以上記載の如く本発明によれば、タービンホイール5背面に設けるバランス修正部の画定位置が明瞭になり、大量生産においても均等にバランスカットや肉盛りが可能となるタービンロータを得ることが出来る。
特にバランス修正がバランスカットの場合に、スカラップ径Sに対し、バランスカット最大径BCmaxを小さくすることで、バランスカット最大径の部分の板厚tを厚くできる為に、割れ発生リスクを低減出来る。
特にバランス修正がバランスカットの場合に、スカラップ径Sに対し、バランスカット最大径BCmaxを小さくすることで、バランスカット最大径の部分の板厚tを厚くできる為に、割れ発生リスクを低減出来る。
本発明はかかる技術的課題を達成する為に、チタンアルミを精密鋳造してホイール回転軸心を通るハブの外周囲に複数のインペラを周方向に設置する共に、隣接する全てのインペラ40間を切り欠いて水掻き状のスカラップ部30が形成されてなるタービンホイール5と、
該タービンホイール5のハブ背面側の、ホイール回転軸線C−C上に沿って固設してなるロータ軸7と、
前記タービンホイール5のハブ背面側に、回転するホイール周方向に沿って設けたバランスカット部11若しくはバランス肉盛り部の何れか若しくは両者からなる回転バランス修正部と、を設けてなるタービンロータであって、
(1)前記バランス修正部の周方向に設けた領域が、該周方向領域の内縁側(バランスカット最小径BCmin)が、ロータ軸のホイール取り付け側の最大径に所定の空隙幅を加えた径より大きく、
(2)該周方向領域の外縁側(バランスカット最大径BCmax)が、タービンホイール5のスカラップ径Sより小であって、
(3)ホイール背面からハブ表面までの板厚tが「1.75t≧w」(w:周方向領域(バランスカット)の半径方向幅)になる位置に前記領域を設定したタービンロータを提案する。
該タービンホイール5のハブ背面側の、ホイール回転軸線C−C上に沿って固設してなるロータ軸7と、
前記タービンホイール5のハブ背面側に、回転するホイール周方向に沿って設けたバランスカット部11若しくはバランス肉盛り部の何れか若しくは両者からなる回転バランス修正部と、を設けてなるタービンロータであって、
(1)前記バランス修正部の周方向に設けた領域が、該周方向領域の内縁側(バランスカット最小径BCmin)が、ロータ軸のホイール取り付け側の最大径に所定の空隙幅を加えた径より大きく、
(2)該周方向領域の外縁側(バランスカット最大径BCmax)が、タービンホイール5のスカラップ径Sより小であって、
(3)ホイール背面からハブ表面までの板厚tが「1.75t≧w」(w:周方向領域(バランスカット)の半径方向幅)になる位置に前記領域を設定したタービンロータを提案する。
本発明におけるタービンホイール5背面側のバランスカットは円弧状の幅でカットする為に、下面と側面が「刃」になっているエンドミルを切削工具として用いるのが有利である。
そして本発明では、前記(1)で示すように円弧状バランスカットの最小径BCminを、ロータ軸の中間軸径の最大径JKmaxより大きくする(BCmin>JKmax)ことが前提であるが、BCmin=JKmax+αの余裕度αは、エンドミルの側面が刃となっている為に、側面刃により発生した切り粉を除去できる為の空隙幅が必要である。一般的にはこの空隙幅は2mmあればよい。
そして本発明では、前記(1)で示すように円弧状バランスカットの最小径BCminを、ロータ軸の中間軸径の最大径JKmaxより大きくする(BCmin>JKmax)ことが前提であるが、BCmin=JKmax+αの余裕度αは、エンドミルの側面が刃となっている為に、側面刃により発生した切り粉を除去できる為の空隙幅が必要である。一般的にはこの空隙幅は2mmあればよい。
又本発明のタービンロータは、前記バランス修正部をバランスカットとともに、タービンホイールのハブ背面側の翼根部にTiAlを肉盛りして形成される。
本発明によれば、タービンホイールのハブ背面側の翼根部にTiAlを肉盛りすることによりバランスカット部11のカット量低減と共に、付加重量の微調整を行える。
本発明によれば、タービンホイールのハブ背面側の翼根部にTiAlを肉盛りすることによりバランスカット部11のカット量低減と共に、付加重量の微調整を行える。
Claims (7)
- チタンアルミを精密鋳造してホイール回転軸心を通るハブの外周囲に複数のインペラを周方向に設置する共に、隣接する全てのインペラ間を切り欠いて水掻き状のスカラップが形成されてなるタービンホイールと、
該タービンホイールのハブ背面側の、ホイール回転軸線上に沿って固設してなるロータ軸と、
タービンホイールのハブ背面側に、回転するホイール周方向に沿って設けたバランスカット部若しくはバランス肉盛り部の何れか若しくは両者からなる回転バランス修正部と、
を設けてなるタービンロータであって、
前記バランス修正部の周方向に設けた領域が、該周方向領域の内縁側(バランスカット最小径BCmin)が、ロータ軸のホイール取り付け側の最大径より大きく、
該周方向領域の外縁側(バランスカット最大径BCmax)が、タービンホイールのスカラップ径Sより小であって、且つ「ホイール背面からハブ表面までの板厚tが1.75t≧w」(w:周方向領域(バランスカット)の半径方向幅)になる位置に前記領域を設定したことを特徴とするタービンロータ。 - タービンホイール背面のバランス修正部がバランスカット部である場合に、バランスカット最大径BCmax位置におけるカット深さDpを、「Dp<「BCmax位置におけるホイール背面からハブ表面までの板厚t−Dp」」になるようにバランスカット部を設定した請求項1記載のタービンロータ。
- ハブ面に沿って複数立設してなるインペラを有するタービンホイールを備えた請求項1記載のタービンロータにおいて、
前記インペラのハブ側の縁線を画定する円弧状に形成されるハブ面と、
前記タービンホイール背面側より前記ハブ面に向かって弧状に形成されたスカラップのR部と、を備え、
前記R部とハブ面との接続点位置が、バランスカットの最大径BCmax位置より外径側で、
且つ前記R部とハブ面との接続点位置におけるスカラップ部の板厚tが、カット深さDpの1.8倍以上であることを特徴とするタービンロータ。 - 前記バランスカット部をエンドミル加工を含む機械加工により形成した請求項1又は2記載のタービンロータ。
- 前記バランス修正部を形成する周方向領域が、円弧領域である請求項1記載のタービンロータ。
- 前記バランス修正部をバランスカットとともに、ホイール背面の翼根部にTiAlを肉盛りして形成した請求項1記載のタービンロータ。
- 請求項1乃至6いずれか1項記載のタービンロータを備えたことを特徴とするターボチャージャ。
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PCT/JP2013/054565 WO2014128930A1 (ja) | 2013-02-22 | 2013-02-22 | タービンロータ及び該タービンロータが組み込まれたターボチャージャ |
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