特許 7268564 タービン回転体およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-25

(45)【発行日】2023-05-08

(54)【発明の名称】タービン回転体およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   F01D 5/04 20060101AFI20230426BHJP

   F02B 39/00 20060101ALI20230426BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20230426BHJP

【ＦＩ】

F01D5/04

F02B39/00 Q

F02B39/00 R

F02B39/00 T

F01D25/00 X

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019179415

(22)【出願日】2019-09-30

(65)【公開番号】P2021055612

(43)【公開日】2021-04-08

【審査請求日】2021-12-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松井 徳行

(72)【発明者】

【氏名】清水 達也

(72)【発明者】

【氏名】北方 謙吾

【審査官】所村 陽一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－０２６８７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－０５０１８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｄ ５／０４

Ｆ０２Ｂ ３９／００

Ｆ０１Ｄ ２５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転シャフトと、
前記回転シャフトに固定されたタービンホイールとを備え、
前記タービンホイールは、形状中心から偏心した位置に重心を有し、
前記回転シャフトの軸心線が前記重心を通り、
前記回転シャフトは、前記タービンホイールに接合された根元部を有し、
前記軸心線が前記根元部の形状中心からずれている、タービン回転体。

【請求項2】

前記タービンホイールは、前記軸心線が通る位置に形成された基準穴を有する、請求項１に記載のタービン回転体。

【請求項3】

回転シャフトと、前記回転シャフトに固定されたタービンホイールとを備える、タービン回転体の製造方法であって、
前記タービンホイールの重心を計測することと、
加工されることにより前記回転シャフトが形成されるシャフト素材を、前記シャフト素材の軸心線が前記タービンホイールの形状中心を通るように前記タービンホイールに接合することと、
前記タービンホイールに接合された前記シャフト素材を加工して、前記回転シャフトの軸心線を前記シャフト素材の軸心線から径方向にずらした、前記回転シャフトを形成することとを備える、タービン回転体の製造方法。

【請求項4】

前記シャフト素材を前記タービンホイールに接合する際の前記軸心線の位置決めに用いられる位置決め部を前記タービンホイールに形成することをさらに備える、請求項３に記載のタービン回転体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、タービン回転体と、タービン回転体の製造方法とに関する。

【背景技術】

【0002】

タービンホイールの加工方法において、軽量化のための有底丸孔をハブ部に形成する前に、タービンホイールの回転軸の軸心線に対する半径方向のバランス測定を行い、測定結果に基づき、有底丸孔をタービンホイールの軸心線より所定量ずらして形成することによりタービンホイールのバランス調整を行うことが提案されている（たとえば、特開２００８－２４０５９４号公報（特許文献１）参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００８－２４０５９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記文献に記載の加工方法では、タービンホイールのハブ部に有底丸孔を形成するため、有底丸孔を形成する位置の回転軸の軸心線に対する距離が十分に取れず、そのためアンバランスの修正量が小さくなる。

【0005】

本開示では、アンバランス量が低減されたタービン回転体と、そのタービン回転体の製造方法とが提供される。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示のある局面に従うと、回転シャフトと、回転シャフトに固定されたタービンホイールとを備える、タービン回転体が提供される。タービンホイールは、形状中心から偏心した位置に重心を有している。回転シャフトの軸心線が、タービンホイールの重心を通る。

【0007】

係る構成によると、タービンホイールと回転シャフトとを含むタービン回転体全体としてのアンバランス量を低減することができる。

【0008】

上記のタービン回転体において、回転シャフトは、タービンホイールに接合された根元部を有している。回転シャフトの軸心線が、根元部の形状中心を通る。これにより、回転シャフトの軸心線が、タービンホイールの形状中心から偏心した重心を通る構成を、確実に実現することができる。

【0009】

上記のタービン回転体において、タービンホイールは、軸心線が通る位置に形成された基準穴を有している。これにより、回転シャフトの軸心線がタービンホイールの重心を通る構成を、確実に実現することができる。

【0010】

本開示のある局面に従うと、回転シャフトと回転シャフトに固定されたタービンホイールとを備えるタービン回転体の製造方法が提供される。製造方法は、以下の処理を備えている。第１の処理は、タービンホイールの重心を計測することである。第２の処理は、加工されることにより回転シャフトが形成されるシャフト素材を、シャフト素材の軸心線が重心を通るようにタービンホイールに接合することである。第３の処理は、タービンホイールに接合されたシャフト素材を加工して、回転シャフトを形成することである。

【0011】

係る製造方法によると、タービンホイールと回転シャフトとを含むタービン回転体全体としてのアンバランス量を低減することができる。

【0012】

上記の製造方法は、シャフト素材をタービンホイールに接合する際の軸心線の位置決めに用いられる位置決め部をタービンホイールに形成する処理をさらに備えている。位置決め部を用いてシャフト素材の軸心線を位置決めすることで、加工後の回転シャフトの軸心線がタービンホイールの重心を通る構成を、確実に実現することができる。

【発明の効果】

【0013】

本開示に係るタービン回転体に従えば、アンバランス量を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第一実施形態のタービン回転体の側面図である。

【図2】第一実施形態のタービン回転体の正面図である。

【図3】第一実施形態のタービン回転体の製造工程を示す第１の図である。

【図4】第一実施形態のタービン回転体の製造工程を示す第２の図である。

【図5】第一実施形態のタービン回転体の製造工程を示す第３の図である。

【図6】第二実施形態のタービン回転体の製造工程を示す第１の図である。

【図7】第二実施形態のタービン回転体の製造工程を示す第２の図である。

【図8】第三実施形態のタービン回転体の製造工程を示す第１の図である。

【図9】第三実施形態のタービン回転体の製造工程を示す第２の図である。

【図10】第四実施形態のタービン回転体の製造工程を示す第１の図である。

【図11】第四実施形態のタービン回転体の製造工程を示す第２の図である。

【図12】第五実施形態のタービン回転体の製造工程を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号が付されている。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

【0016】

［第一実施形態］
図１は、第一実施形態のタービン回転体１の側面図である。図２は、第一実施形態のタービン回転体１の正面図である。図２には、図１中に示す矢印ＩＩ方向から見たタービン回転体１が示されている。タービン回転体１は、たとえば、図示しないターボチャージャの内部に配置され、内燃機関から排出された排気ガスの運動エネルギーを回転駆動力に変換して内燃機関に過給するために、用いられる。

【0017】

図１に示されるように、タービン回転体１は、タービンホイール１０と、回転シャフト３０とを備えている。タービンホイール１０は、回転シャフト３０に固定されている。タービンホイール１０は、たとえば溶接により、回転シャフト３０の一端に一体的に連結されている。タービンホイール１０と回転シャフト３０とは、それぞれ耐熱性の金属材料により形成されている。タービンホイール１０はたとえば、インコネルを形成材料としている。

【0018】

図１，２に示されるように、タービンホイール１０は、山形状のハブ１２と、ハブ１２の外周面に形成された複数のブレード１４とを有している。図２に示される実施形態のタービンホイール１０は、ハブ１２に９枚のブレード１４が取り付けられている。複数のブレード１４は、タービンホイール１０の周方向に並んで、互いに間隔をあけて配置されている。タービンホイール１０はまた、ハブ１２から突き出る頭部１６を有している。頭部１６は、略円柱状の形状を有している。タービンホイール１０はまた、頭部１６の頂面の一部が窪んだ基準穴２０を有している。

【0019】

回転シャフト３０は、タービンホイール１０に接合された根元部３２を有している。回転シャフト３０は、図１中に一点鎖線で示される軸心線ＣＳを有している。回転シャフト３０の軸心線ＣＳは、根元部３２の形状中心を通り、またタービンホイール１０に形成された基準穴２０を通って延びている。基準穴２０は、回転シャフト３０の軸心線ＣＳが通る位置に形成されている。

【0020】

タービンホイール１０は、図１中に一点鎖線で示される軸心線ＣＴを有している。図２にも示される通り、タービンホイール１０の軸心線ＣＴは、タービンホイール１０の形状中心を通って延びている。ハブ１２は略円錐台状の形状を有しており、図２に示される正面視において、ハブ１２は円形状の外周縁を有している。外周縁は、ハブ１２における外形が最大の部位である。ハブ１２の外周縁が形成する円の中心が、タービンホイール１０の形状中心である。

【0021】

図１に示されるように、タービンホイール１０は、重心Ｇを有している。重心Ｇは、タービンホイール１０の形状中心から偏心した位置にある場合がある。図１に示される重心Ｇは、タービンホイール１０の形状中心から偏心した位置にあり、タービンホイール１０の形状中心を示す軸心線ＣＴと位置が一致していない。基準穴２０は、タービンホイール１０の重心Ｇの位置に形成されている。基準穴２０は、軸心線ＣＴからずれた位置に形成されている。

【0022】

回転シャフト３０の軸心線ＣＳは、タービンホイール１０の重心Ｇを通って延びている。回転シャフト３０の軸心線ＣＳは、タービンホイール１０の軸心線ＣＴからずれている場合がある。回転シャフト３０の軸心線ＣＳと、タービンホイール１０の軸心線ＣＴとは、ずれている場合互いに平行に延びている。

【0023】

図１，２による図示では、わかりやすさを優先して、タービンホイール１０の重心Ｇの形状中心に対するずれ量を誇張して示している。重心Ｇの位置に形成される基準穴２０は、タービンホイール１０の重心Ｇがタービンホイール１０の形状中心に対してずれる量に対応して、タービンホイール１０の頭部１６に形成されている。

【0024】

タービンホイール１０の形状中心に対する回転シャフト３０の軸心線ＣＳのずれ量は、実際には、タービン回転体１の設計上の公差の範囲に収まる程度の微量である。そのため、回転シャフト３０の軸心線ＣＳがタービンホイール１０の形状中心からずれていても、高速回転するタービン回転体１の性能への影響は無視できる程度に小さく、タービン回転体１の機能が損なわれることはない。

【0025】

以上の構成を備えているタービン回転体１の製造工程について、以下に説明する。まず、タービンホイール１０の成形加工が行なわれる。この工程では、ハブ１２、ブレード１４および頭部１６が、一体物として成形加工される。次に、別途設けられた重量バランス用の測定器により、タービンホイール１０の径方向のアンバランス計測が行なわれ、タービンホイール１０の重心Ｇの位置が計測される。

【0026】

次に、タービンホイール１０のアンバランス計測により計測された重心Ｇの位置に、基準穴２０が形成される。図３は、第一実施形態のタービン回転体１の製造工程を示す第１の図である。この工程では、図３に示されるように、タービンホイール１０が治具５０によって保持される。この状態で、加工工具５２、たとえばドリル工具をタービンホイール１０に接近させて、頭部１６の頂面に基準穴２０を形成する。

【0027】

基準穴２０は、タービンホイール１０の重心Ｇを通り軸心線ＣＴに平行な直線が頭部１６の頂面と交差する位置に形成される。典型的には基準穴２０は、当該直線を中心線とする有底円筒穴として、頭部１６の頂面に形成される。タービンホイール１０の重心Ｇがタービンホイール１０の形状中心からずれている場合、基準穴２０は、タービンホイール１０の形状中心から外れた位置に形成される。

【0028】

次に、シャフト素材１３０をタービンホイール１０に接合する。図４は、第一実施形態のタービン回転体１の製造工程を示す第２の図である。シャフト素材１３０は、加工されることにより回転シャフト３０が形成される素材であり、典型的には丸棒である。シャフト素材１３０は、軸心線ＣＳを有している。

【0029】

シャフト素材１３０は、軸心線ＣＳが基準穴２０を通るようにタービンホイール１０に対して位置決めされて、タービンホイール１０に接合される。基準穴２０はタービンホイール１０の重心Ｇの位置に形成されているので、シャフト素材１３０は、軸心線ＣＳがタービンホイール１０の重心Ｇを通るようにして、タービンホイール１０に接合される。基準穴２０は、シャフト素材１３０をタービンホイール１０に接合する際のシャフト素材１３０の軸心線ＣＳの位置決めに用いられる、位置決め部として機能する。

【0030】

シャフト素材１３０は、その軸心線ＣＳがタービンホイール１０の軸心線ＣＴから外れた位置に位置決めされて、タービンホイール１０に接合される。タービンホイール１０に形成された基準穴２０を使って機械的に芯出しが可能であるので、タービンホイール１０に対してシャフト素材１３０を精度よく位置決めした上で、シャフト素材１３０がタービンホイール１０に接合される。

【0031】

次に、シャフト素材１３０の加工が行なわれる。図５は、第一実施形態のタービン回転体１の製造工程を示す第３の図である。図４を参照して説明した前工程においてタービンホイール１０に接合されたシャフト素材１３０を、加工工具６０、典型的には切削工具または研磨工具などを用いて加工することで、回転シャフト３０が所定の形状に成形加工される。

【0032】

このような製造工程を順に経ることで、一連の加工が終了し、図１，２に示される第一実施形態のタービン回転体１が完成する。

【0033】

以上説明した本実施形態のタービン回転体１によると、図１，２に示されるように、タービンホイール１０が形状中心から偏心した位置に重心Ｇを有し、回転シャフト３０の軸心線ＣＳが重心Ｇを通るように構成されている。そのため、タービンホイール１０と回転シャフト３０とを含むタービン回転体１全体としてのアンバランス量を低減することができる。タービンホイール１０のアンバランスを修正するためにタービンホイール１０を部分的に加工する加工量が小さくなるので、加工時間を短縮でき、刃具費の低減が可能となる。少ない加工量でアンバランス修正でき、タービン回転体１の製品形状が大きく変わることがないため、製品の強度、製品の信頼性などの製品機能に影響を与えることを抑制できる。

【0034】

図４，５に示されるように、タービンホイール１０の軸心線ＣＴからずれた位置に軸心線ＣＳが位置決めされてシャフト素材１３０がタービンホイール１０に接合されて、その後シャフト素材１３０が加工されて回転シャフト３０が形成される。このようにタービン回転体１を形成するので、図１に示されるように、回転シャフト３０の軸心線ＣＳが、回転シャフト３０の根元部３２の形状中心を通って延びるようになる。これにより、回転シャフト３０の軸心線ＣＳが、タービンホイール１０の形状中心から偏心した重心Ｇを通る構成を、確実に実現することができる。

【0035】

図１に示されるように、タービンホイール１０は、軸心線ＣＳが通る位置に形成された基準穴２０を有している。タービンホイール１０の重心Ｇの位置に基準穴２０を形成し、この基準穴２０を位置決め部として用いて、シャフト素材１３０をタービンホイール１０に接合する際の、シャフト素材１３０の軸心線ＣＳの位置決めがなされる。これにより、回転シャフト３０の軸心線ＣＳがタービンホイール１０の重心Ｇを通る構成を、確実に実現することができる。

【0036】

［第二実施形態］
図６は、第二実施形態のタービン回転体１の製造工程を示す第１の図である。図６に示される工程では、図４と同様に、タービンホイール１０にシャフト素材１３０が接合される。シャフト素材１３０は、軸心線ＣＳを有している。図６においてはシャフト素材１３０は、その軸心線ＣＳがタービンホイール１０の軸心線ＣＴと一致するように位置決めされて、タービンホイール１０に接合される。シャフト素材１３０は、軸心線ＣＳがタービンホイール１０の形状中心に位置決めされて、タービンホイール１０に接合される。

【0037】

続いて、シャフト素材１３０の加工が行なわれる。図７は、第二実施形態のタービン回転体１の製造工程を示す第２の図である。図７に示される工程では、図５と同様に、タービンホイール１０に接合されたシャフト素材１３０を、加工工具６０で加工することで、回転シャフト３０が成形加工される。

【0038】

この成形加工によって、回転シャフト３０の軸心線ＣＳが、シャフト素材１３０の軸心線ＣＳの位置から径方向にずれる。図７に示される回転シャフト３０の軸心線ＣＳは、タービンホイール１０の軸心線ＣＴから外れて、タービンホイール１０の軸心線ＣＴと平行に延びている。回転シャフト３０の軸心線ＣＳは、第一実施形態と同様に、タービンホイール１０の重心Ｇを通って延び、タービンホイール１０に形成された基準穴２０を通って延びている。一方、回転シャフト３０の軸心線ＣＳは、根元部３２の形状中心からずれている。

【0039】

このように、タービンホイール１０の形状中心にシャフト素材１３０を位置決めして接合し、シャフト素材１３０を加工してタービンホイール１０の重心Ｇの位置に回転シャフト３０の軸心線ＣＳを合わせるような製造工程を経ることによっても、製品全体としてアンバランスが低減されたタービン回転体１を実現することができる。

【0040】

［第三実施形態］
図８は、第三実施形態のタービン回転体１の製造工程を示す第１の図である。第一および第二実施形態では、シャフト素材１３０をタービンホイール１０に接合した後にシャフト素材１３０を加工することで、回転シャフト３０の成形加工が行なわれる。これに対し第三実施形態では、図８に示されるように、シャフト素材１３０がタービンホイール１０に接合される前に加工工具６０によって加工されて、回転シャフト３０が成形加工される。

【0041】

次に、成形された回転シャフト３０を、タービンホイール１０に接合する。図９は、第三実施形態のタービン回転体１の製造工程を示す第２の図である。回転シャフト３０は、軸心線ＣＳが基準穴２０を通るようにタービンホイール１０に対して位置決めされて、タービンホイール１０に接合される。回転シャフト３０は、軸心線ＣＳがタービンホイール１０の重心Ｇを通るようにして、タービンホイール１０に接合される。回転シャフト３０は、その軸心線ＣＳがタービンホイール１０の軸心線ＣＴから外れた位置に位置決めされて、タービンホイール１０に接合される。回転シャフト３０をタービンホイール１０に接合する際の軸心線ＣＳの位置決めに、基準穴２０が用いられる。

【0042】

このような製造工程を経ることによっても、製品全体としてアンバランスが低減されたタービン回転体１を実現することができる。

【0043】

［第四実施形態］
図１０は、第四実施形態のタービン回転体１の製造工程を示す第１の図である。図１１は、第四実施形態のタービン回転体１の製造工程を示す第２の図である。第一および第三実施形態では、タービンホイール１０の重心Ｇの位置に基準穴２０を形成して、シャフト素材１３０または回転シャフト３０をタービンホイール１０に接合する際の位置決めに基準穴２０を用いる例を説明した。タービンホイール１０に、必ずしも基準穴２０を形成しなくてもよい。

【0044】

図１０，１１に示される第四実施形態では、シャフト素材１３０をタービンホイール１０に接合する前に、タービンホイール１０の頭部１６がチャック７０により保持される。タービンホイール１０の軸心線ＣＴに対する重心Ｇの位置が、予め計測されている。チャック７０でタービンホイール１０を保持してタービンホイール１０を精度よく位置決めし、位置決めされたタービンホイール１０の重心Ｇの位置にシャフト素材１３０の軸心線ＣＳが通るように、シャフト素材１３０がタービンホイール１０に対して精度よく位置決めされる。この状態で、シャフト素材１３０がタービンホイール１０に接合される。接合された後、シャフト素材１３０が加工工具６０によって加工されて、回転シャフト３０が形成される。

【0045】

このような製造工程を経ることによっても、製品全体としてアンバランスが低減されたタービン回転体１を実現することができる。基準穴２０を形成する加工が必要なくなることで、加工時間をさらに短縮でき、刃具費をさらに低減することができる。

【0046】

［第五実施形態］
図１２は、第五実施形態のタービン回転体の製造工程を示す図である。タービンホイール１０にシャフト素材１３０または回転シャフト３０を接合する際の位置決めに用いる位置決め部として、これまでの実施形態で説明した基準穴２０に替えて、図１２に示される基準突起１２０を設けてもよい。

【0047】

基準突起１２０は、タービンホイール１０の頭部１６から、タービンホイール１０の軸心線ＣＴ（図３など参照）の延びる方向に突き出るように、形成されている。基準突起１２０は、タービンホイール１０の軸心線ＣＴからずれた位置に形成されている。基準突起１２０は、タービンホイール１０の重心Ｇの位置に形成されている。タービンホイール１０に回転シャフト３０が接合された状態において、基準突起１２０は、回転シャフト３０の軸心線ＣＳが通る位置に形成されている。回転シャフト３０の軸心線ＣＳは、基準穴２０を通り、さらに基準突起１２０を通って延びている。

【0048】

基準突起１２０を用いてタービンホイール１０を機械的に芯出しすることで、シャフト素材１３０または回転シャフト３０を、その軸心線ＣＳが重心Ｇの位置を通るようにタービンホイール１０に対して位置決めすることが容易になる。位置決めされたシャフト素材１３０または回転シャフト３０を、その位置でタービンホイール１０に接合することで、シャフト素材１３０または回転シャフト３０の軸心線ＣＳがタービンホイール１０の重心Ｇを通るように、容易に配置することができる。

【0049】

したがって、このような製造工程を経ることによっても、タービン回転体１全体としてのアンバランスを低減することができる。タービンホイール１０の重心Ｇの位置に仮設置した基準突起１２０を、製品形状の仕上げ後に除去することにより、基準突起１２０がアンバランスを発生することを防止することができる。

【0050】

以上のように実施形態について説明を行なったが、各実施形態において互いに組合せ可能な構成を適宜組み合わせてもよい。また、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0051】

１ タービン回転体、１０ タービンホイール、１２ ハブ、１４ ブレード、１６ 頭部、２０ 基準穴、３０ 回転シャフト、３２ 根元部、５０ 冶具、５２，６０ 加工工具、７０ チャック、１２０ 基準突部、１３０ シャフト素材、ＣＴ タービンホイールの軸心線、ＣＳ 回転シャフトの軸心線、Ｇ タービンホイールの重心。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】