DE112016001532T5

DE112016001532T5 - Verstelllader

Info

Publication number: DE112016001532T5
Application number: DE112016001532.1T
Authority: DE
Inventors: Takahiro Kobayashi; Kenji Bunno; Takao ASAKAWA; Ryota SAKISAKA; Kazuko TAKEUCHI
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2018-01-04
Also published as: CN107208546B; JP6394791B2; WO2016159004A1; CN107208546A; US20180030848A1; US10677086B2; JPWO2016159004A1

Abstract

Ein Verstelllader umfasst eine Turbine, mit: einem Turbinengehäuse, das einen Spiralströmungsdurchlass ausbildet, der um ein Turbinenlaufrad angeordnet ist; einer variablen Düseneinheit, die einen zweiten Düsenring umfasst, der dem Spiralströmungsdurchlass gegenüberliegt und einen Abschnitt einer Innenwand des Spiralströmungsdurchlasses ausbildet; und einem ringförmigen Dichtungselement, das den Spalt zwischen dem Turbinengehäuse und dem zweiten Düsenring abdichtet. Das Dichtungselement hat eine Tellerfederstruktur, die in den Spalt eingesetzt ist, und spannt das Turbinengehäuse und den zweiten Düsenring in einer Axialrichtung einer Drehung vor, und ist weiter innen in der Radialrichtung des Turbinenlaufrads angeordnet als der Spiralströmungsdurchlass.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verstelllader.
Stand der Technik
Der nachstehende, in der Patentliteratur 1 beschriebene Verstelllader ist soweit bekannt. Dieser Lader hat einen ringförmigen Dichtungskörper, der zwischen einem Turbinengehäuse und einer Abgaseinführwand einer Abgasdüse fest eingesetzt ist. Ein Spalt zwischen dem Turbinengehäuse und der hinteren Abgaseinführwand wird durch diesen Dichtungskörper abgedichtet und eine Undichtigkeit eines Spiralströmungsdurchlasses wird unterdrückt.
Zitierliste
Patentliteratur

[Patentliteratur 1] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2010-112195

Zusammenfassung der Erfindung
Technische Aufgabe
Um eine Leistungsfähigkeit dieses Typs eines Verstellladers zu verbessern, ist es erwünscht, die Abdichtbarkeit eines Spalts zwischen Abschnitten, durch die der Spiralströmungsdurchlass begrenzt ist, zu steigern und die Abdichtbarkeit des Spiralströmungsdurchlasses zu verbessern. Bei dem Lader der Patentliteratur 1 besteht eine Möglichkeit, dass, auch in dem Fall einer Temperaturverformung des Dichtungskörpers, eine Ungleichmäßigkeit in einer Umfangsrichtung auftritt, und dass eine Dichtungsleistung des Dichtungskörpers aufgrund eines Einflusses einer Umfangstemperaturverteilung eines Abgases, das durch den Spiralströmungsdurchlass strömt, reduziert wird. Daher gibt es bei der Abdichtbarkeit des Spiralströmungsdurchlasses Raum für Verbesserungen. Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Verstelllader, der eine Abdichtbarkeit eines Spiralströmungsdurchlasses einer Turbine verbessert.
Lösung der Aufgabe
Ein Verstelllader gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Turbine auf, mit einem Turbinengehäuse, das eingerichtet ist, einen Spiralströmungsdurchlass auszubilden, der um ein Turbinenlaufrad angeordnet ist; einer verstellbaren Düseneinheit, die eingerichtet ist, einen Düsenring zu umfassen, der dem Spiralströmungsdurchlass gegenüberliegt, und einen Abschnitt einer Innenwand des Spiralströmungsdurchlasses ausbildet; und einem ringförmigen Dichtungselement, das eingerichtet ist, einen Spalt zwischen dem Turbinengehäuse und dem Düsenring abzudichten, wobei das Dichtungselement eine Tellerfederstruktur hat, die in den Spalt eingesetzt ist und das Turbinengehäuse und den Düsenring in einer Axialrichtung der Drehung des Turbinenlaufrads vorspannt, und weiter innen in einer Radialrichtung des Turbinenlaufrads angeordnet ist als der Spiralströmungsdurchlass.
Wirkungen der Erfindung
Gemäß dem Verstelllader der vorliegenden Erfindung kann eine Abdichtbarkeit eines Spiralströmungsdurchlasses einer Turbine verbessert werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht eines Verstellladers gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die die Umgebung eines Spiralströmungsdurchlasses der 1 zeigt.
3(a) ist eine Draufsicht eines Dichtungselements, und 3(b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie III-III der 3(a).
4 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die die Umgebung eines Spiralströmungsdurchlasses eines Verstellladers gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
5(a) ist eine Draufsicht eines Dichtungselements, 5(b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie V-V der 5(a), und 5(c) ist eine Schnittansicht, die eine elastische Verformung des Dichtungselements zeigt.
6 ist eine Schnittansicht, die eine Abwandlung des Dichtungselements zeigt.
7 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die die Umgebung eines Dichtungselements eines Verstellladers gemäß einer Abwandlung zeigt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Ein Verstelllader gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Turbine auf, mit einem Turbinengehäuse, das eingerichtet ist, einen Spiralströmungsdurchlass auszubilden, der um ein Turbinenlaufrad angeordnet ist; einer variablen Düseneinheit, die eingerichtet ist, einen Düsenring zu umfassen, der dem Spiralströmungsdurchlass gegenüberliegt und einen Abschnitt einer Innenwand des Spiralströmungsdurchlasses ausbildet; und einem ringförmigen Dichtungselement, das eingerichtet ist, einen Spalt zwischen dem Turbinengehäuse und dem Düsenring abzudichten, wobei das Dichtungselement eine Tellerfederstruktur hat, die in den Spalt eingesetzt ist und das Turbinengehäuse und den Düsenring in einer Axialrichtung der Drehung des Turbinenlaufrads vorspannt, und weiter innen in einer Radialrichtung des Turbinenlaufrads angeordnet ist als der Spiralströmungsdurchlass.
Ein abgestufter Abschnitt kann so in dem Spalt ausgebildet sein, dass der Spalt in der Nähe des Spiralströmungsdurchlasses zwischen dem Spiralströmungsdurchlass und einem Halteabschnitt verengt ist, der das Dichtungselement in der Axialrichtung der Drehung einsetzt.
Mindestens eines von entgegengesetzten Enden des Dichtungselements in der Axialrichtung der Drehung kann zurückgeklappt sein, um eine gekrümmte Form auszubilden.
Ein Verstelllader gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Turbine auf, mit einem Turbinengehäuse, das eingerichtet ist, einen Spiralströmungsdurchlass auszubilden, der um ein Turbinenlaufrad angeordnet ist; einer variablen Düseneinheit, die eingerichtet ist, einen Düsenring zu umfassen, der dem Spiralströmungsdurchlass gegenüberliegt und einen Abschnitt einer Innenwand des Spiralströmungsdurchlasses ausbildet; und einem ringförmigen Dichtungselement, das eingerichtet ist, einen Spalt zwischen dem Turbinengehäuse und dem Düsenring abzudichten, wobei das Dichtungselement ein Vorspannelement ist, das in den Spalt eingesetzt ist und das Turbinengehäuse und den Düsenring in einer Radialrichtung einer Drehung des Turbinenlaufrads vorspannt, und weiter innen in der Radialrichtung des Turbinenlaufrads angeordnet ist als der Spiralströmungsdurchlass.
Nachstehend werden Ausführungsformen des Verstellladers der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es ist zu beachten, dass in den Zeichnungen Merkmale von Komponenten übertrieben sein können und die Größenverhältnisse zwischen Bereichen in den Zeichnungen nicht notwendigerweise den tatsächlichen Verhältnissen entsprechen.
(Erste Ausführungsform)
Ein Verstelllader 1, der in 1 gezeigt ist, wird beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine eines Schiffs oder eines Fahrzeugs verwendet. Wie in 1 gezeigt ist, ist der Verstelllader 1 mit einer Turbine 2 und einem Verdichter 3 versehen. Die Turbine 2 ist mit einem Turbinengehäuse 4 und einem Turbinenlaufrad 6 versehen, das in dem Turbinengehäuse 4 aufgenommen ist. Das Turbinengehäuse 4 hat einen Spiralströmungsdurchlass 16, der sich in einer Umfangsrichtung um das Turbinenlaufrad 6 erstreckt. Der Verdichter 3 ist mit einem Verdichtergehäuse 5 und einem Verdichterlaufrad 7 versehen, das in dem Verdichtergehäuse 5 aufgenommen ist. Das Verdichtergehäuse 5 hat einen Spiralströmungsdurchlass 17, der sich in einer Umfangsrichtung um das Verdichterlaufrad 7 erstreckt.
Das Turbinenlaufrad 6 ist an einem Ende einer Drehwelle 14 vorgesehen und das Verdichterlaufrad 7 ist an dem anderen Ende der Drehwelle 14 vorgesehen. Ein Lagergehäuse 13 ist zwischen dem Turbinengehäuse 4 und dem Verdichtergehäuse 5 vorgesehen. Die Drehwelle 14 ist über ein Lager 15 durch das Lagergehäuse 13 drehbar gehalten. Die Drehwelle 14, das Turbinenlaufrad 6 und das Verdichterlaufrad 7 sind um eine Drehachse H als ein einstückiger Rotor 12 drehbar.
Ein Abgaseinlass (nicht gezeigt) und ein Abgasauslass 10 sind in dem Turbinengehäuse 4 vorgesehen. Ein Abgas (ein Fluid), das aus der Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) ausgestoßen wird, strömt in das Turbinengehäuse 4 durch den Abgaseinlass. Das Abgas strömt in das Turbinenlaufrad 6 durch den Spiralströmungsdurchlass 16 und dreht das Turbinenlaufrad 6. Danach strömt das Abgas aus dem Turbinengehäuse 4 durch den Abgasauslass 10.
Eine Einlassöffnung 9 und eine Auslassöffnung (nicht gezeigt) sind in dem Verdichtergehäuse 5 vorgesehen. Wenn das Turbinenlaufrad 6, wie oben beschrieben, gedreht wird, wird das Verdichterlaufrad 7 über die Drehwelle 14 gedreht. Das gedrehte Verdichterlaufrad 7 saugt Außenluft durch die Einlassöffnung 9, verdichtet diese Luft und stößt die verdichtete Luft aus der Auslassöffnung durch den Spiralströmungsdurchlass 17 aus. Die verdichtete Luft, die aus der Auslassöffnung ausgestoßen wird, wird der vorstehend genannten Brennkraftmaschine zugeführt.
In der nachfolgenden Beschreibung bezeichnen „eine Axialrichtung“, „eine Radialrichtung“ und „eine Umfangsrichtung“ eine Axialrichtung der Drehung, eine Radialrichtung der Drehung und eine Umfangsrichtung der Drehung des Turbinenlaufrads 6. Zusätzlich bezeichnen „stromaufwärts“ und „stromabwärts“ stromaufwärts und stromabwärts in dem Abgas in dem Spiralströmungsdurchlass 16.
Die Turbine 2 wird unter Bezugnahme auf 1 bis 3 weiter beschrieben. Die Turbine 2 ist eine Verstellturbine. Bewegbare Düsenschaufeln 23 sind in einem Gaseinströmdurchlass 21 vorgesehen, der den Spiralströmungsdurchlass 16 und das Turbinenlaufrad 6 verbindet. Die Vielzahl von Düsenschaufeln 23 ist auf dem Umfang eines Kreises angeordnet, dessen Mitte die Drehachse H ist. Jede der Düsenschaufeln 23 dreht um eine Achse, die parallel zu der Drehachse H ist. Die Düsenschaufeln 23 drehen, wie oben beschrieben, und dadurch wird eine Querschnittsfläche eines Gasströmungsdurchlasses in Abhängigkeit einer Strömungsrate des Abgases, das in die Turbine 2 eingeführt wird, optimal eingestellt.
Aus diesem Grund ist die Turbine 2 mit einer variablen Düseneinheit 25 zum Antreiben der Düsenschaufeln 23 versehen. Die variable Düseneinheit 25 ist in das Turbinengehäuse 4 eingesetzt und ist zwischen dem Turbinengehäuse 4 und dem Lagergehäuse 13 fixiert. Die variable Düseneinheit 25 hat die Düsenschaufeln 23, einen ersten Düsenring 31 und einen zweiten Düsenring (eine Steuerspaltplatte) 32. Der erste Düsenring 31 und der zweite Düsenring 32 sind die Düsenschaufeln 23 in der Axialrichtung übergreifend angeordnet. Jeder des ersten Düsenrings 31 und des zweiten Düsenrings 32 hat eine Ringform, deren Mitte die Drehachse H ist, und ist angeordnet, um das Turbinenlaufrad 6 in der Umfangrichtung zu umgeben. Ein Bereich, der zwischen dem ersten Düsenring 31 und dem zweiten Düsenring 32 angeordnet ist, stellt den vorstehend genannten Gaseinströmdurchlass 21 dar. Eine Drehwelle 23a jeder der Düsenschaufeln 23 ist in den ersten Düsenring 31 drehbar eingesetzt. Der erste Düsenring 31 lagert jede der Düsenschaufeln 23 in einer vorgekragten Art. Eine Stufe 75, die sich in der Umfangsrichtung erstreckt, ist auf einer Fläche des ersten Düsenrings 31 angeordnet, die nahe des Lagergehäuses 13 ist. Die Drehwelle 23a jeder der Düsenschaufeln 23 ist in den ersten Düsenring 31 an einer Position eingesetzt, die weiter innen in der Radialrichtung ist als die Stufe 75. Der erste Düsenring 31 und der zweite Düsenring 32 sind durch eine Vielzahl von Kupplungsstiften 35 gekuppelt, die sich in der Axialrichtung erstrecken. Die Kupplungsstifte 35 sind mit hochpräzisen Maßen gemacht, und dadurch werden präzise Maße des Gaseinlassdurchgangs 21 in der Axialrichtung sichergestellt.
Die variable Düseneinheit 25 hat eine Antriebskraftübertragungseinrichtung (nicht gezeigt), zum Übertragen einer Antriebskraft von außerhalb der Turbine 2 auf die Düsenschaufeln 23, einen Antriebsring 28 und eine Vielzahl von Hebeln 29. Der Antriebsring 28 erstreckt sich auf dem Umfang des Kreises, dessen Mitte die Drehachse H ist. Der Antriebsring 28 nimmt die Antriebskraft von der Antriebskraftübertragungseinrichtung (nicht gezeigt) auf und wird um die Drehachse H gedreht. Die Hebel 29 sind in Übereinstimmung mit den entsprechenden Düsenschaufeln 23 vorgesehen und sind auf dem Umfang eines Kreises innerhalb des Antriebsrings 28 angeordnet. Nuten mit gleicher Anzahl wie die Hebel sind an einer Innenumfangsseite des Antriebsrings 28 ausgebildet. Ein Ende von jedem der Hebel 29 ist mit einer der Nuten des Antriebsrings 28 in Eingriff und das andere Ende von jedem der Hebel 29 ist an der Drehwelle 23a einer der Düsenschaufeln 23 fixiert. Wenn die Antriebskraft von außerhalb der Turbine 2 in die Antriebskraftübertragungseinrichtung 27 eingeleitet wird, wird der Antriebsring 28 um die Drehachse H gedreht. Jeder der Hebel 29 wird in Übereinstimmung mit der Drehung des Antriebsrings 28 gedreht und jede der Düsenschaufeln 23 wird über die Drehwelle 23a gedreht.
Als nächstes wird eine Anordnung der variablen Düseneinheit 25 in dem Turbinengehäuse 4 beschrieben. Ein Kragen 41, der das Turbinenlaufrad 6 in der Umfangsrichtung abdeckt, ist als ein Teil einer Innenumfangswand des Turbinengehäuses 4 ausgebildet. Der zweite Düsenring 32 der variablen Düseneinheit 25 ist an einer Position weiter außen in der Radialrichtung eingesetzt als der Kragen 41. Ein Spalt G tritt zwischen dem zweiten Düsenring 32 und dem Turbinengehäuse 4 auf.
Der zweite Düsenring 32 liegt dem Spiralströmungsdurchlass 16 gegenüber. Der zweite Düsenring 32 bildet einen Abschnitt einer Innenwand des Spiralströmungsdurchlasses 16 aus. Das heißt, eine Innenwandfläche des Spiralströmungsdurchlasses 16 wird durch die Innenumfangsfläche 42 des Turbinengehäuses 4 und einen Abschnitt einer Außenendfläche 34 des zweiten Düsenrings 32 begrenzt. Eine ebene Fläche 44, die senkrecht zu der Drehachse H ist, ist zwischen dem Kragen 41 und der Innenumfangsfläche 42 ausgebildet, die die Innenwandfläche des Spiralströmungsdurchlasses 16 auf der Innenumfangsfläche des Turbinengehäuses 4 ausbildet. Die ebene Fläche 44 liegt der Außenendfläche 34 des zweiten Düsenrings 32 mit dem Spalt G gegenüber. Nachstehend können innerhalb der Außenendfläche 34 ein Abschnitt, der die Innenwandfläche des Spiralströmungsdurchlasses 16 ausbildet, und ein Abschnitt, der der ebenen Fläche 44 gegenüberliegt, unterschieden werden, und als eine Außenendfläche 34a und eine Außenendfläche 34b bezeichnet werden.
Der Spalt G verbindet den Spiralströmungsdurchlass 16 und einen stromabwärtigen Abschnitt des Gaseinströmdurchlasses 21. Um eine Leckage des Abgases aus dem Spalt G zu unterdrücken, wird ein ringförmiges Dichtungselement 45, das als eine Dichtung wirkt, in den Spalt G eingesetzt. Das Dichtungselement 45 ist in der Axialrichtung zwischen der Außenendfläche 34 und der ebenen Fläche 44 angeordnet. Wie in 3 gezeigt ist, erstreckt sich das Dichtungselement 45 entlang des Umfangs des Kreises, dessen Mitte die Drehachse H ist, und hat eine Tellerfederstruktur, deren Mittelachse die Drehachse H ist. Das heißt, das Dichtungselement 45 hat eine Struktur, die eine konische Fläche umfasst, deren Mittelachse die Drehachse H ist. Das Dichtungselement 45 ist beispielsweise aus einem wärmebeständigen, rostfreien Stahl ausgebildet. Das Dichtungselement 45 ist in einer Richtung vorgespannt, in der die Außenendfläche 34 und die ebene Fläche 44 voneinander in der Axialrichtung aufgrund einer elastischen Kraft wegbewegt werden, die durch die Tellerfederstruktur bewirkt wird. Das Dichtungselement 45 wird in engen Kontakt mit der Außenendfläche 34 und der ebenen Fläche 44 aufgrund der elastischen Kraft gebracht und übt eine Abdichtbarkeit aus, um den Spalt G abzudichten.
Während sich ein Maß des Spalts G in der Axialrichtung in Abhängigkeit einer Temperatur der Turbine 2 ändert, folgt das Dichtungselement 45 der Änderung des Maßes des Spalts G aufgrund einer elastischen Verformung, die durch die Tellerfederstruktur bewirkt wird, und hält die Abdichtbarkeit des Spalts G aufrecht. Aufgrund einer Differenz zwischen einer Wärmeausdehnungseigenschaft der gesamten variablen Düseneinheit 25 in der Axialrichtung und einer Wärmeausdehnungseigenschaft des Turbinengehäuses 4 in der Axialrichtung schrumpft das Maß des Spalts G in der Axialrichtung mit steigender Temperatur der Turbine 2, und das Maß des Spalts G in der Axialrichtung vergrößert sich mit sinkender Temperatur der Turbine 2.
Entgegengesetzte Enden 45a und 45b des Dichtungselements 45 in der Axialrichtung sind zurückgeklappt, um eine gekrümmte Form auszubilden. Mit dieser Struktur wird vermieden, dass das Dichtungselement 45 mit der Außenendfläche 34 und der ebenen Fläche 44 mit spitzen Winkelabschnitten in Kontakt kommt. Daher wird eine Berührungsfläche zwischen dem Ende 45a und der Außenendfläche 34 und eine Berührungsfläche zwischen dem Ende 45b und der ebenen Fläche 44 vergrößert und die Abdichtbarkeit des Spalts G wird verbessert. Gemäß der vorstehenden Struktur gleiten die Enden 45a und 45b sanft auf der Außenendfläche 34 und der ebenen Fläche 44, wenn das Dichtungselement 45 der Änderung des Maßes des Spalts G folgt, wie oben beschrieben wurde. Die entgegengesetzten Enden 45a und 45b müssen nicht beide in der gekrümmten Form ausgebildet sein, wie oben beschrieben wurde, sondern es kann eines von ihnen eine gekrümmte Form haben.
Wie in 2 gezeigt ist, ist das Dichtungselement 45 an einer Position angeordnet, die nicht in den Spiralströmungsdurchlass 16 vorsteht. Um genau zu sein, ist der Spiralströmungsdurchlass 16 ein Bereich, der durch die Innenumfangsfläche 42 und die Außenendfläche 34a aufgeteilt ist und den Spalt G nicht umfasst. Ein Teil einer Grenzlinie 16a des Bereichs des Spiralströmungsdurchlasses 16 ist durch eine gestrichelte Linie in 2 gezeigt. Das gesamte Dichtungselement 45 ist außerhalb des Spiralströmungsdurchlasses 16 angeordnet, der durch den vorstehenden Bereich begrenzt ist. Um genau zu sein, ist das gesamte Dichtungselement 45 weiter innen in der Radialrichtung angeordnet, als der Spiralströmungsdurchlass 16. Das heißt, das Dichtungselement 45 ist zwischen der Außenendfläche 34b und der ebenen Fläche 44 angeordnet und steht nicht nach außen aus der Grenzlinie 16a in der Radialrichtung vor. Eine Breite der ebenen Fläche 44 ist in der Umfangsrichtung nicht einheitlich, aber eine Positionsbeziehung, in der das Dichtungselement 45 nicht nach außen aus der Grenzlinie 16a in der Radialrichtung vorsteht, besteht durchgehend in der Umfangsrichtung.
Ein Abschnitt des Spalts G, an dem das Dichtungselement 45 angeordnet ist, wird als ein Halteabschnitt 47 bezeichnet. Ein gestufter Abschnitt 49 ist auf der Außenendfläche 34b zwischen dem Halteabschnitt 47 und dem Spiralströmungsdurchlass 16 ausgebildet. Weil der gestufte Abschnitt 49 vorhanden ist, ist der Spalt G an einer Seite eng, die nahe dem Spiralströmungsdurchlass 16 ist, und ist an einer Seite weit, die von dem Spiralströmungsdurchlass 16 entfernt ist. Von dem Spiralströmungsdurchlass 16 aus betrachtet, ist das Dichtungselement 45 an einer Position gehalten, die weiter entfernt ist als der gestufte Abschnitt 49.
Als nächstes werden ein Betrieb und Wirkungen des Vestellladers 1 beschrieben, der die Turbine 2 hat. In der Turbine 2 ist die Innenwand des Spiralströmungsdurchlasses 16 durch das Turbinengehäuse 4 und den zweiten Düsenring 32 begrenzt und das Dichtungselement 45, das den Spalt G zwischen dem Turbinengehäuse 4 und dem zweiten Düsenring 32 abdichtet, ist vorgesehen. Das Dichtungselement 45 ist angeordnet, um nicht in den Spiralströmungsdurchlass 16 vorzustehen. Gemäß dieser Struktur wird das Dichtungselement 45 nicht dem Abgas ausgesetzt, das durch den Spiralströmungsdurchlass 16 strömt und wird verhältnismäßig kaum durch eine Temperatur des Abgases in dem Spiralströmungsdurchlass 16 beeinträchtigt. Daher wird eine Umfangstemperaturdifferenz des Dichtungselements 45 reduziert, die aus einer Temperaturverteilung des Abgases in der Umfangsrichtung resultiert. Daher wird eine ungleichmäßige Wärmeverformung unterdrückt, die an dem Dichtungselement 45 in der Umfangsrichtung auftritt. Infolgedessen wird die Abdichtbarkeit des Dichtungselements 45 gesteigert und eine Leistungsfähigkeit des Verstellladers 1 wird verbessert. Weil das mit einer Tellerfederstruktur versehene Dichtungselement 45 verhältnismäßig einfach hergestellt werden kann, indem eine ringförmige, ebene Platte in einer Dickenrichtung gepresst wird, können Herstellungskosten gesenkt werden. Weil das Dichtungselement 45 aufgrund einer Eigenschaft der Tellerfederstruktur keinen Bereich hat, in dem eine Spannung äußerst konzentriert ist, hat das Dichtungselement 45 eine ausgezeichnete Haltbarkeit.
Der gestufte Abschnitt 49 ist in der Außenendfläche 34b ausgebildet und das Dichtungselement 45 ist an einer tiefen Seite des gestuften Abschnitts 49, von dem Spiralströmungsdurchlass 16 aus betrachtet, angeordnet. Mit dieser Struktur kann der Spalt G an einer Stelle verengt werden, die näher an dem Spiralströmungsdurchlass 16 ist als der gestufte Abschnitt 49, während ein Installationsraum des Dichtungselements 45 an dem Halteabschnitt 47 sichergestellt ist. Daher kann ein Einfluss der Temperatur des Abgases auf das Dichtungselement 45 reduziert werden. Weil das Dichtungselement 45 die Tellerfederstruktur hat, folgt das Dichtungselement 45 der Änderung des Maßes des Spalts G in der Axialrichtung aufgrund elastischer Verformung, und die Abdichtbarkeit des Spalts G wird aufrechterhalten.
Angesichts dessen, dass das Abgas, das aus einem Spalt G2 zwischen einem äußeren Rand des ersten Düsenrings 31 in der Radialrichtung und dem Turbinengehäuse 4 in einer Richtung ausströmt, die einer Richtung entgegengesetzt ist, in der der erste Düsenring 31 den Düsenschaufeln 23 gegenüberliegt, kann eine Struktur ausgebildet werden, in der ein Dichtungselement 63 zwischen einer Wärmeschutzplatte 61 und dem Lagergehäuse 13 vorgesehen ist. Dieses Dichtungselement 63 kann ausgebildet sein, um dieselbe Tellerfederstruktur zu haben, wie das Dichtungselement 45. Mit dieser Struktur kann die Abdichtbarkeit des Abgases synergistisch verbessert werden. Die Wärmeschutzplatte 61 ist in der Radialrichtung innerhalb des ersten Düsenrings 31 angeordnet und ist zwischen dem Turbinenlaufrad 6 und dem Lagergehäuse 13 angeordnet.
(Zweite Ausführungsform)
Ein Verstelllader 101 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beschrieben. In der Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform werden Komponenten, die identisch oder äquivalent denen der ersten Ausführungsform sind, mit denselben Bezugszeichen in den Zeichnungen bezeichnet und ihre doppelte Beschreibung wird weggelassen.
Wie in 4 gezeigt ist, unterscheidet sich der Verstelllader 101 von dem Verstelllader 1 der ersten Ausführungsform dadurch, dass das vorstehende Dichtungselement 45 durch ein Dichtungselement 55 ersetzt ist. Wie auch in 5 gezeigt ist, hat ein Querschnitt des Dichtungselements 55 eine C-Form, die eine Achse einer Symmetrielinie in einer Axialrichtung hat und zu einer Seite der ebenen Fläche 44 hin offen ist. Das Dichtungselement 55 hat eine ringförmige Form, deren Mitte eine Drehachse H ist, und ist zwischen einer zylindrischen Fläche 34d und einer zylindrischen Fläche 44d in einer Radialrichtung angeordnet. Das heißt, das Dichtungselement 55 berührt ein Turbinengehäuse 4 an einer Innenseite in der Radialrichtung. Die zylindrische Fläche 34d ist eine zylindrische Fläche, die an einem gestuften Abschnitt 49 des zweiten Düsenrings 32 ausgebildet ist und die Drehachse H als eine zylindrische Achse verwendet. Die zylindrische Fläche 44d ist eine zylindrische Fläche, die an einer hinteren Seite eines Kragens 41 in dem Turbinengehäuse 4 ausgebildet ist, und die Drehachse H als eine zylindrische Achse hat.
Wie durch eine Strich-Doppelpunkt-Linie in 5(c) gezeigt ist, übt das Dichtungselement 55 eine elastische Kraft in Richtungen aus, in denen ein Abstand zwischen seinen entgegengesetzten Enden 55a und 55b, die mit einem Cförmigen Querschnitt ausgebildet sind, vergrößert wird. Daher wirkt das Dichtungselement 55 als ein Vorspannelement, das in Richtungen vorgespannt ist, in denen ein Abstand zwischen der zylindrischen Fläche 34d und der zylindrischen Fläche 44d in der Radialrichtung vergrößert wird, wenn das Dichtungselement 55 zwischen der zylindrischen Fläche 34d und der zylindrischen Fläche 44d unter Druck angeordnet ist. Das Dichtungselement 55 wird durch die elastische Kraft in engen Kontakt der zylindrischen Fläche 34d und der zylindrischen Fläche 44d gebracht und übt eine Abdichtbarkeit aus, um einen Spalt G abzudichten.
Während sich ein Maß des Spalts G in der Radialrichtung (ein Abstand zwischen der zylindrischen Fläche 34d und der zylindrischen Fläche 44d) in Abhängigkeit einer Temperatur der Turbine 2 ändert, folgt das Dichtungselement 55 der Änderung des Maßes des Spalts G aufgrund elastischer Verformung und hält eine Abdichtbarkeit des Spalts G aufrecht. Aufgrund der Differenz zwischen einer Wärmeausdehnungseigenschaft des zweiten Düsenrings 32 in der Radialrichtung und einer Wärmeausdehnungseigenschaft des Turbinengehäuses 4 in der Radialrichtung vergrößert sich das Maß des Spalts G in der Radialrichtung mit steigender Temperatur der Turbine 2, und schrumpft das Maß des Spalts G in der Radialrichtung mit sinkender Temperatur der Turbine 2.
Zusätzlich ist ein Haltebereich 57 an dem zweiten Düsenring 32 vorhanden, der weiter innen in der Radialrichtung angeordnet ist als der gestufte Abschnitt 49. Das Dichtungselement 55 wird durch den Haltebereich 57 axial gehalten. Daher widersteht das Dichtungselement 55 auch einem Druck, der aus dem Spiralströmungsdurchlass 16 durch den Spalt G wirkt.
Als nächstes werden ein Betrieb und Wirkungen des Verstellladers 101 beschrieben, der die Turbine 102 hat. In der Turbine 102 wird eine Innenwand des Spiralströmungsdurchlasses 16 durch das Turbinengehäuse 4 und den zweiten Düsenring 32 begrenzt und das Dichtungselement 55, das den Spalt G zwischen dem Turbinengehäuse 4 und dem zweiten Düsenring 32 abdichtet, ist vorgesehen. Das Dichtungselement 55 ist angeordnet, um nicht in den Spiralströmungsdurchlass 16 vorzustehen. Gemäß dieser Struktur wird das Dichtungselement 55 verhältnismäßig kaum durch eine Temperatur eines Abgases in dem Spiralströmungsdurchlass 16 beeinträchtigt. Daher wird eine Umfangstemperaturdifferenz des Dichtungselements 55 reduziert, die aus einer Temperaturverteilung des Abgases in einer Umfangsrichtung resultiert. Daher wird eine ungleichmäßige Temperaturverformung unterdrückt, die an dem Dichtungselement 45 in der Umfangsrichtung auftritt. Infolgedessen wird eine Abdichtbarkeit des Dichtungselements 55 gesteigert und eine Leistungsfähigkeit des Verstellladers 101 wird verbessert. Weil das Dichtungselement 55, das den C-förmigen Querschnitt hat, verhältnismäßig einfach durch Pressen einer ringförmigen, flachen Platte in einer Dickenrichtung hergestellt werden kann, können Herstellungskosten gesenkt werden.
Der gestufte Abschnitt 49 ist an einer Außenendfläche 34b ausgebildet und das Dichtungselement 55 ist an einer tiefen Seite des gestuften Abschnitts 49, von dem Spiralströmungsdurchlass 16 aus betrachtet, angeordnet. Mit dieser Struktur kann der Spalt G an einer Position verengt werden, die näher an dem Spiralströmungsdurchlass 16 als das Dichtungselement 55 ist, während ein Installationsraum des Dichtungselements 55 an einem Halteabschnitt 47 sichergestellt ist. Daher kann ein Einfluss der Temperatur des Abgases auf das Dichtungselement 55 reduziert werden. Weil das Dichtungselement 55 die Struktur zum Ausüben der elastischen Kraft in der Radialrichtung hat, folgt das Dichtungselement 55 der Änderung des Maßes des Spalts G in der Radialrichtung aufgrund elastischer Verformung und die Abdichtbarkeit des Spalts G wird aufrechterhalten.
Die Änderung des Maßes des Spalts G in der Radialrichtung wird im Vergleich mit einer Änderung des Maßes des Spalts G in der Axialrichtung einfach berechnet. Das heißt, zusätzlich zu einer Wärmeausdehnungseigenschaft des Turbinengehäuses 4 muss eine Wärmeausdehnungseigenschaft einer gesamten variablen Düseneinheit 25, die zahlreiche Abschnitte aufweist, für die Berechnung der Änderung des Maßes des Spalts G in der Axialrichtung berücksichtigt werden. Demgegenüber ist es für die Berechnung der Änderung des Maßes des Spalts G in der Radialrichtung ausreichend, lediglich eine Wärmeausdehnungseigenschaft des zweiten Düsenrings 32 zusätzlich zu der Wärmeausdehnungseigenschaft des Turbinengehäuses 4 zu berücksichtigen. Weil hier eine Struktur, in der das Dichtungselement 55 in der Radialrichtung eingesetzt ist, für die Turbine 102 angenommen wird, werden Eigenschaften des Dichtungselements 55 zum Folgen der Änderung des Maßes des Spalts G in der Radialrichtung verhältnismäßig einfach entworfen.
Nachfolgend wird eine Abwandlung des Vestellladers 101 beschrieben. Wie oben beschrieben wurde, muss das Dichtungselement 55 auf die zylindrische Fläche 44b des Turbinengehäuses 4 gepresst werden und ebenfalls auf die zylindrische Fläche 34d des zweiten Düsenrings 32 gepresst werden, um das Dichtungselement 55 in engen Kontakt sowohl mit der zylindrischen Fläche 34d als auch der zylindrischen Fläche 44d zu bringen. Unter Berücksichtigung dieses Zusammenbauverfahrens kann das Dichtungselement 55 eine Querschnittform wie in 6(a) haben. Das heißt, das Innenende 55b in der Radialrichtung in dem Querschnitt des Dichtungselements 55 kann in der Radialrichtung nach außen gebogen sein. Gemäß dieser Konfiguration gleitet das Ende 55b des Dichtungselements 55 sanft auf der zylindrischen Fläche 44d und das Dichtungselement 55 wird problemlos eingesetzt, wenn das Dichtungselement 55 auf die zylindrische Fläche 44d des Turbinengehäuses 4 gepresst wird.
Aus demselben Grund kann das Dichtungselement 55 eine Querschnittsform wie in 6(b) haben. Das heißt, der Querschnitt des Dichtungselements 55 in 6(b) bildet eine allgemeine S-Form aus. Das heißt, ein Innenabschnitt 55c des Dichtungselements 55 in der Radialrichtung ist gebogen, um zu der Seite des Turbinengehäuses 4 vorzustehen. Ein Außenabschnitt 55d des Dichtungselements 55 ist gebogen, um zu der Seite der variablen Düseneinheit 55 vorzustehen. Gemäß dieser Konfiguration wird das Dichtungselement 55 sanft auf die zylindrische Fläche 44d des Turbinengehäuses 4 und die zylindrische Fläche 34d des zweiten Düsenrings gepresst.
Ferner, aus demselben Grund, kann das Dichtungselement 55 eine Querschnittform wie in 6(c) haben. Das heißt, der Querschnitt des Dichtungselements 55 in 6(c) bildet eine allgemeine V-Form aus. Gemäß dieser Konfiguration wird das Dichtungselement 55 sanft auf die zylindrische Fläche 44d des Turbinengehäuses 4 und/oder die zylindrische Fläche 34d des zweiten Düsenrings gepresst. Unabhängig von der Anzahl von V-Buchstaben, kann das Dichtungselement 55 beispielsweise eine Querschnittsform wie in 6(d) haben. Das Dichtungselement 55 kann nicht nur einstückig sondern auch durch eine Vielzahl von Elementen ausgebildet sein.
Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorstehend beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt und kann abgewandelt werden, ohne von dem Umfang, der in jedem Anspruch beschrieben ist, abzuweichen. Ferner kann die in den Ausführungsformen gezeigte Konfiguration durch eine geeignete Kombination verwendet werden. Beispielsweise ist in den Ausführungsformen der gestufte Abschnitt 49, an dem der Freiraum G näher an dem Spiralströmungsdurchlass 16 verengt ist als der Halteabschnitt 47, auf der Außenendfläche 34 des zweiten Düsenrings 32 vorgesehen, aber dieser gestufte Abschnitt kann auch auf der ebenen Fläche 44 des Turbinengehäuses 4 vorgesehen sein.
7 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die die Umgebung eines Dichtungselements 55 eines Verstellladers gemäß einer Abwandlung zeigt. Bei dem Verstelllader der vorliegenden Erfindung kann eine Struktur dieser Abwandlung angenommen werden. Bei der Abwandlung wurden Komponenten, die gleich oder äquivalent denen der ersten oder zweiten Ausführungsform sind, in der Figur dieselben Bezugszeichen gegeben, und ihre doppelte Beschreibung wird weggelassen.
Wie in 7 gezeigt ist, ist in einem Turbinengehäuse 4 gemäß der Abwandlung eine konische Fläche (eine diametrisch reduzierte Fläche) 71 vorgesehen, um mit der zylindrischen Fläche 44d durchgehend zu sein. Die konische Fläche 71 ist nahe einem Gaseinströmdurchlass 21 innerhalb eines Dichtungselements 55 in einer Radialrichtung angeordnet und hat eine Form, bei der ihr Durchmesser in Richtung der Seite des Gaseinströmdurchlasses 21 reduziert ist. Das heißt, die konische Fläche 71 ist von der zylindrischen Fläche 44d nahe an einem Lagergehäuse 13 angeordnet und hat einen reduzierten Durchmesser in Richtung der Seite des Lagergehäuses 13. Eine konische Innenwandfläche 72, die der konischen Fläche 71 gegenüberliegt, ist an einem Abschnitt eines Innenumfangs eines zweiten Düsenrings 32 vorgesehen.
Hier werden ein Betrieb und Wirkungen beschrieben, die durch die konische Fläche 71 erlangt werden. Um das Dichtungselement 55 in engen Kontakt sowohl mit der zylindrischen Fläche 34d als auch der zylindrischen Fläche 44d zu bringen, kann das Dichtungselement 55 sowohl auf die zylindrische Fläche 44d als auch die zylindrische Fläche 34d gepresst werden. Wenn das Dichtungselement 55 von der Seite des Lagergehäuses 13 auf die zylindrische Fläche 44d in Richtung der Seite des Turbinengehäuses 4 gepresst wird, dient die konische Fläche 71 als eine Führung und ein Ende 55b des Dichtungselements 55 wird sanft zu der zylindrischen Fläche 44d geführt. Daher kann das Dichtungselement 55 mit einer elastischen Kraft in einer Radialrichtung einfach eingesetzt werden. Ein Abschnitt einer Außenendfläche 34b des zweiten Düsenrings 32, die dem Turbinengehäuse 4 gegenüberliegt, kann mit einer Stufe 73 versehen sein, die zu der Seite des Turbinengehäuses 4 vorsteht, um eine ausreichende axiale Länge sicherzustellen, um das Dichtungselement 55 sanft einzusetzen. Eine Nut 74, die eine Fläche umfasst, die der Stufe 73 gegenüberliegt, und zu einer Seite hin vertieft ist, die der Seite des zweiten Düsenrings 32 entgegengesetzt ist, kann in einer ebenen Fläche 44 des Turbinengehäuses 4 vorgesehen sein, um einen angemessenen Abstand von der Außenendfläche 34b sicherzustellen.
Wie oben beschrieben wurde, kann die in 7 gezeigte Konfiguration wie folgt angenommen werden. Das Turbinengehäuse 4 hat die ebene Fläche (die ebene Gehäusefläche) 44, die senkrecht zu der Drehachse H ist, die zylindrische Fläche (die zylindrische Gehäusefläche) 44d, die in der Radialrichtung einwärts der ebenen Fläche 44 angeordnet ist, eine zylindrische Fläche ausbildet, deren Mitte die Drehachse H ist, und mit der Innenseite des Dichtungselements in der Radialrichtung in Kontakt ist, sowie die konische Fläche (die diametrisch reduzierte Fläche) 71, die von der zylindrischen Fläche 44d aus nahe dem zweiten Düsenring 32 vorgesehen ist, eine konische Fläche ausbildet, deren Mitte die Drehachse H ist, und so vorgesehen ist, dass ihr Durchmesser im Verhältnis zu einem Abstand von der zylindrischen Fläche 44d reduziert ist. Der zweite Düsenring 32 hat die Außenendfläche (die ebene Fläche des Düsenrings) 34d, die senkrecht zu der Drehachse H ist und der ebenen Fläche 44 gegenüberliegt, die zylindrische Fläche (die zylindrische Fläche des Düsenrings) 34d, die in der Radialrichtung einwärts der Außenendfläche 34b angeordnet ist, eine zylindrische Fläche ausbildet, deren Mitte die Drehachse H ist, und in Kontakt mit der Innenseite des Dichtungselements in der Radialrichtung ist, sowie die konische Innenwandfläche (die konische Fläche des Düsenrings) 72, die der konischen Fläche 71 gegenüberliegt und eine konische Fläche ausbildet, deren Mitte die Drehachse H ist. Die Stufe 73, die zu der Seite des Turbinengehäuses 4 vorsteht, ist an der Außenendfläche 34b vorgesehen, und die Nut 74, die die Fläche 74a umfasst, die der Stufe 73 gegenüberliegt, und zu der Seite vertieft ist, die der Seite des zweiten Düsenrings 32 entgegengesetzt ist, ist vorgesehen.
Der Verstelllader kann mit dem Gaseinströmdurchlass 21 versehen sein, der den Spiralströmungsdurchlass 16 und das Turbinenlaufrad 6 verbindet, und in dem die Düsenschaufeln 23 vorgesehen sind, sowie der konischen Fläche (der diametrisch reduzierten Fläche) 71, die in dem Turbinengehäuse 4 vorgesehen ist, die nahe dem Gaseinströmdurchlass 21 innerhalb des Dichtungselements 55 in der Radialrichtung angeordnet ist, und deren Durchmesser in Richtung der Seite des Gaseinströmdurchlasses 21 reduziert ist.
Bezugszeichenliste

1, 101: Verstelllader
2: Turbine
4: Turbinengehäuse
6: Turbinenlaufrad
16: Spiralströmungsdurchlass
25: Variable Düseneinheit
32: Zweiter Düsenring (Düsenring)
34b: Außenendfläche (ebene Fläche des Düsenrings)
34d: Zylindrische Fläche (zylindrische Fläche des Düsenrings)
44: Ebene Fläche (ebene Gehäusefläche)
44d: Zylindrische Fläche (zylindrische Gehäusefläche)
45, 55: Dichtungselement
45a, 45b: Ende
47: Halteabschnitt
49: Gestufter Abschnitt
71: Konische Fläche (diametrisch reduzierte Fläche)
72: Konische Innenwandfläche (konische Fläche des Düsenrings)
73: Stufe
74: Nut
G: Spalt
H: Drehachse

Claims

Verstelllader, mit: einer Turbine mit einem Turbinengehäuse, das eingerichtet ist, einen Spiralströmungsdurchlass, der um ein Turbinenlaufrad angeordnet ist, auszubilden; einer variablen Düseneinheit, die eingerichtet ist, einen Düsenring zu umfassen, der dem Spiralströmungsdurchlass gegenüberliegt und einen Abschnitt einer Innenwand des Spiralströmungsdurchlasses ausbildet; und einem ringförmigen Dichtungselement, das eingerichtet ist, einen Spalt zwischen dem Turbinengehäuse und dem Düsenring abzudichten, wobei das Dichtungselement eine Tellerfederstruktur hat, die in den Spalt eingesetzt ist und das Turbinengehäuse und den Düsenring in einer Axialrichtung einer Drehung des Turbinenlaufrads vorspannt, und weiter innen in einer Radialrichtung des Turbinenlaufrads angeordnet ist als der Spiralströmungsdurchlass.
Verstelllader nach Anspruch 1, wobei ein gestufter Abschnitt so in den Spalt ausgebildet ist, dass der Spalt in der Nähe des Spiralströmungsdurchlasses zwischen dem Spiralströmungsdurchlass und einem Halteabschnitt verengt ist, der das Dichtungselement in der Axialrichtung der Drehung einsetzt.
Verstelllader nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens ein entgegengesetztes Ende des Dichtungselements in der Axialrichtung der Drehung zurückgeklappt ist, um eine gekrümmte Form auszubilden.
Verstelllader, mit: einer Turbine mit einem Turbinengehäuse, das eingerichtet ist, einen Spiralströmungsdurchlass, der um ein Turbinenlaufrad angeordnet ist, auszubilden; einer variablen Düseneinheit, die eingerichtet ist, einen Düsenring zu umfassen, der dem Spiralströmungsdurchlass gegenüberliegt und einen Abschnitt einer Innenwand des Spiralströmungsdurchlasses ausbildet; und einem ringförmigen Dichtungselement, das eingerichtet ist, einen Spalt zwischen dem Turbinengehäuse und dem Düsenring abzudichten, wobei das Dichtungselement ein Vorspannelement ist, das in den Spalt eingesetzt ist und das Turbinengehäuse und den Düsenring in einer Radialrichtung einer Drehung des Turbinenlaufrads vorspannt, und weiter innen in der Radialrichtung des Turbinenlaufrads angeordnet ist als der Spiralströmungsdurchlass.
Verstelllader nach Anspruch 4, ferner mit: einem Gaseinströmdurchlass, der eingerichtet ist, den Spiralströmungsdurchlass und das Turbinenlaufrad zu verbinden, und der darin vorgesehene Düsenschaufeln hat; und einer diametrisch reduzierten Fläche, die in dem Turbinengehäuse vorgesehen ist, die nahe dem Gaseinströmdurchlass innerhalb des Dichtungselements in der Radialrichtung angeordnet ist und in Richtung der Nähe des Gaseinströmdurchlasses einen reduzierten Durchmesser hat.