JP2003515690A - タービン機械のロータとステータとの間に形成された半径方向間隙における流れを冷却するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明の課題は、冷却作用に関して改良された、タービン機械のロータとステータとの間に形成された半径方向間隙内の流れを冷却する方法を提供することである。さらに、簡単でコストが安く頑丈な、前記方法を実施するための装置が提供されることが望ましい。本発明によれば、前記課題は、半径方向間隙（２４）に隣接したステータ部（２０）に第１の冷却流体（２９）が衝突させられ、第２のガス状の冷却流体（４１）が半径方向間隙（２４）に導入されることによって解決される。さらに、半径方向間隙（２４）に隣接したステータ部（２０）の内部に少なくとも１つの切欠（２６）が形成されているか、又はステータ部（２０）に少なくとも１つの中空室が配置されている。切欠（２６）若しくは中空室は、第１の冷却流体（２９）のための供給導管（２７）及び排出導管（２８）に結合されている。さらに、少なくとも、第２の冷却流体（４１）のための供給チャネル（４０）及び排出装置（４２）が半径方向間隙（２４）に配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 技術分野 本発明は、請求項１の上位概念部と請求項７の上位概念部とに基づく、タービ
ン機械のロータとステータとの間に形成された半径方向間隙内の流れを冷却する
ための方法及び装置、しかしながら特に、遠心圧縮機の圧縮機翼車とケーシング
との間の半径方向間隙内の流れを冷却するための方法及び装置に関する。

【０００２】 従来の技術 回転するシステムをシールするために、タービン機械構造には非接触式シール
、特にラビリンスシールが広く普及している。回転部と固定部との間の流体が流
過する分離間隙には、形成される流れ境界層により、高い摩擦出力が生じる。こ
れは、分離間隙内の流体の加熱、ひいては分離間隙を取り囲む構成部材の加熱を
も生ぜしめる。高い材料温度は、相応の構成部材の寿命を短縮させる。

【０００３】 分離間隙に形成されたシールジオメトリなしに容易に形成された遠心圧縮機は
、ドイツ連邦共和国特許出願第１９５４８８５２号明細書から公知である。この
場合も、流れせん断層によって圧縮機の後壁に生じる摩擦熱により、圧縮機翼車
の加熱及び圧縮機翼車の寿命の短縮を生ぜしめる。

【０００４】 欧州特許第０５１８０２７号明細書から、圧縮機翼車の後側にシールジオメト
リを備えた遠心圧縮機のための空気冷却が知られている。このために、個々のシ
ールエレメントの間には、付加的な環状空間が遠心圧縮機のケーシング壁部側に
形成されている。この環状空間に低温のガスが導入され、このガスは圧縮機翼車
の出口に生じる圧力よりも高い圧力を有している。供給された空気は衝突冷却と
して作用する。この場合、空気はシール領域において分岐し、主として半径方向
に内方及び外方へ流れる。これにより、さらに、分離間隙の貫通流に対する遮断
作用が、圧縮機翼車の出口からの高温の圧縮機空気によって達成されることが望
ましい。

【０００５】 しかしながら、このように達成可能な冷却作用は、複数の要因に基づき制限さ
れている。例えば、空気膨張は圧力及びせん断力の増大をもたらし、これにより
支持負荷が増大する。さらに、供給される空気の温度も、制限の要因である。特
に、高速で走行する圧縮機翼車の場合及び、現在のターボ過給機構造において一
般的である高い圧力比の場合、この冷却形式では十分でない状況を生ぜしめる。

【０００６】 直接的な冷却の他に、ドイツ連邦共和国特許出願第１９６５２７５４号明細書
から、圧縮機翼車の後壁若しくは分離間隙を通流する媒体の間接的な冷却が知ら
れている。このために、後壁に設けられていて、後壁と共に分離間隙を形成して
いるケーシング部には、ターボ過給機の潤滑油システムと結合された供給装置及
び分配装置が配置されている。冷媒として、支持部潤滑のために使用される油が
働き、このために、ターボ過給機の潤滑油循環部が穿孔される。この冷却の欠点
は、比較的高い油需要と、油冷却器から付加的に散逸させたい熱量とである。こ
れは、冷却器のより大きな構造容積をもたらす。さらに、相応の構造部の損傷に
よる破損の場合、爆発危険性が高まる。直接冷却の場合と同様に、間接冷却の場
合に達成可能な冷却作用は制限されており、その理由としては、実際に利用可能
な冷却流体の温度の他に、特に、利用可能な構造容積が僅かであることが挙げら
れる。

【０００７】 発明の概要 本発明は、これら全ての欠点を回避しようとしている。本発明は、タービン機
械のロータとステータとの間に形成された半径方向間隙内の流れを冷却するため
の、冷却作用に関して改良された方法を提供するという課題に基づく。さらに、
この方法を実施するための簡単でコストが安く頑丈な装置が提供されることが望
ましい。

【０００８】 本発明によれば、前記課題は、請求項１の上位概念部に記載の方法の場合に、
半径方向間隙に隣接したステータ部に第１の冷却流体が衝突させられ、第２のガ
ス状の冷却流体が半径方向間隙に導入されることによって達成される。

【０００９】 タービン機械の作動媒体の、半径方向間隙に衝突する部分流れを間接的に冷却
するために第１の冷却流体を使用しかつ付加的に直接的な冷却のために第２の冷
却流体を使用することに基づき、明らかに改善された冷却作用及びより優れた冷
却効果を達成することができる。これにより、まず半径方向間隙のこの２つの冷
却が、熱により高く負荷されるロータの温度を、従来の冷却形式では達成不可能
であった温度領域にまで更に低下させることができる。

【００１０】 このために、半径方向間隙に隣接したステータ部の内部には、少なくとも１つ
の切欠が形成されているか、又はステータ部に少なくとも中空室が配置されてい
る。切欠若しくは中空室は、第１の冷却流体のための供給導管及び排出導管に結
合されている。さらに、半径方向間隙には第２の冷却流体のための少なくとも１
つの供給チャネル及び排出装置が配置されている。

【００１１】 特に有利には、第１の冷却流体として水が使用され、第２の冷却流体として空
気が使用される。

【００１２】 水は、公知の潤滑油よりも僅かに高い密度と、ほぼ２倍の大きさの比熱とを有
している。冷媒によって排出される熱流は、密度と比熱との積に比例するので、
第１の冷却流体として水を使用する場合には、油冷却に対する明らかな利点を生
じる。したがって、水の同じ質量流及び同じ温度の場合に、半径方向間隙を通流
する媒体から、冷却したいステータ部分を介して、より大きな熱量が除去される
ことができる。これにより、ロータの、半径方向間隙に隣接した領域への冷却効
果は、同様に大きくなる。換言すれば、潤滑油と同じ熱量を引き出すために、冷
却水におけるより小さな質量流が必要とされ、これにより、冷却流体のための供
給及び排出装置は、相応により小さく寸法決めすることができる。

【００１３】 できるだけ小さく維持されることが望ましいロータ側の壁厚に応じて、半径方
向間隙に間接的に隣接してステータ部の内部に水を案内することによって、改善
された冷却作用が達成される。しかしながら、ステータ部の切欠の代わりに前記
中空室がステータ部に形成されるならば、同様に良好な冷却作用が得られると同
時に、より簡単でコストの安い製造を実現することができる。

【００１４】 空気を第２の冷却流体として使用することは有利であることが明らかである。
その理由は特に、空気が、環境中においてもタービン機械自体においても十分な
量で、十分な圧力及び適当に低い温度を備えて提供されるからである。

【００１５】 内燃機関と、過給空気冷却器と、排ガスターボ過給機とから成るシステムでは
、システムの外部からの新鮮な水又は有利にはシステム内に存在する水が第１の
冷却流体として使用される。システム内に存在する水が使用される場合、そのた
めに過給空気冷却器の冷却水循環部に存在する冷却水が利用され、この冷却水は
、過給空気冷却器の上流において分岐される。この場合、定置のステータ部は、
遠心圧縮機のケーシング部であり、このケーシング部は、ロータに対して、すな
わち排ガスターボ過給機の回転する圧縮機翼車に対して半径方向間隙を形成して
いる。

【００１６】 これに対して油が第１の冷却流体として使用されるならば、油は、有利には、
タービン機械の支持ケーシングにいずれにしろ設けられる潤滑油システムから分
岐されることができる。この形式では、比較的簡単で、ひいてはコストの安い装
置を提供することができる。第１の冷却流体の場合にガス状媒体が問題となるな
らば、ガス状媒体は、直接冷却及び間接冷却のために使用されることができる。

【００１７】 第１の冷却流体及び／又は第２の冷却流体としてヘリウム又は低温流体からの
ガス、例えば液体窒素、四塩化炭素及びベンゼンニトリドを使用する場合、特に
良好な冷却作用を達成することができる。

【００１８】 図面の簡単な説明 図面には本発明の実施例が内燃機関に結合された排ガスターボ過給機に関して
示されている。

【００１９】 図１は、内燃機関に結合された排ガスターボ過給機の概略図であり； 図２は、排ガスターボ過給機の遠心圧縮機の部分断面図である。

【００２０】 図面には、本発明の理解に重要なエレメントのみが示されている。作動媒体の
流れ方向は矢印で示されている。

【００２１】 発明の実施の形態 図１は、ディーゼルエンジンとして形成された内燃機関と協働する排ガスター
ボ過給機を概略的に示している。この排ガスターボ過給機は、遠心圧縮機３と排
気タービン４とから形成されており、遠心圧縮機と排気タービンとは、共通の軸
５を有している。遠心圧縮機３は過給空気導管６を介して、排気タービン４は排
気導管７を介して、内燃機関１に結合されている。過給空気導管６には、すなわ
ち遠心圧縮機３と内燃機関１との間に過給空気冷却器８が配置されている。過給
空気冷却器８は、図示しない供給部若しくは排出部を備えた冷却水循環部９を有
している。

【００２２】 遠心圧縮機３には圧縮機ケーシング１０が備えられており、圧縮機ケーシング
１０には、圧縮機翼車として形成されていてかつ軸５に結合されたロータ１１が
配置されている。圧縮機翼車１１は、多数の動翼１２が設けられたハブ１３を有
している。ハブ１３と圧縮機ケーシング１０との間には流過チャネル１４が形成
されている。動翼１２の下流で流過チャネル１４には、半径方向に配置されてい
て翼配列されたディフューザ１５が接続しており、このディフューザ１５は側部
で遠心圧縮機３のらせん部１６に開口している。圧縮機ケーシング１０は主とし
て空気流入ケーシング１７と、空気流出ケーシング１８と、ディフューザ板１９
と、排ガスターボ過給機２の支持ケーシング２１に対する隔壁として形成された
ステータ部２０（図２）とから形成されている。

【００２３】 ハブ１３は、タービン側に後壁２２と、軸５のための取付けスリーブ２３とを
有している。取付けスリーブ２３は、圧縮機ケーシング１０の隔壁２０によって
収容される。当然、別の適した圧縮機翼車−軸結合形式を選択することができる
。同様に、翼配列されないディフューザを使用することもできる。

【００２４】 回転する圧縮機翼車１１、すなわち圧縮機翼車の後壁２２と、圧縮機ケーシン
グ１０の定置の隔壁２０との間には必然的に分離間隙が設けられており、この分
離間隙は遠心圧縮機３の場合には半径方向間隙２４として形成されている。半径
方向間隙２４は、取付けスリーブ２３と隔壁２０との間に配置されたシールリン
グ３４によって、支持ケーシング２１に対してシールされている。当然、このシ
ールは、半径方向間隙２４に配置されたラビリンスシールによって実現されるこ
ともできる（図示せず）。圧縮機ケーシング１０の隔壁２０には、周方向に延び
た切欠２６が形成されており、この切欠２６は、第１の冷却流体２９のための供
給導管２７及び排出導管２８に接続されている。圧縮機翼車１１が隣接している
場合にできるだけ高い冷却作用を達成するために、隔壁２０は切欠２５の圧縮機
翼車側においてできるだけ薄く形成されている。そのために、隔壁２０の製造時
に、相応のコアが鋳造時に埋め込まれ、このコアは引き続き再び除去されなけれ
ばならない。当然、隔壁には、薄い壁部を有する両端部において閉鎖された管が
鋳造時に埋め込まれることができ、この管の中空室が切欠２６を形成する（図示
せず）。

【００２５】 排ガスターボ過給機２の駆動時には、圧縮機翼車１１が作動媒体３１として周
囲空気を吸入し、この周囲空気は、主流れ３２として流過チャネル１４及びディ
フューザ１５を介してらせん部１６へ到達し、らせん部において更に圧縮され、
最後に、過給空気導管６を介して排ガスターボ過給機２に結合された内燃機関１
の過給のために送入される。しかしながら、その前に、過給空気冷却器８におい
て、圧縮プロセスにおいて加熱された作動媒体３１の相応の冷却が行われる。

【００２６】 流過チャネル１４からディフューザ１５への途中で、遠心圧縮機３において加
熱された作動媒体３１の主流れ３２は、漏れ流３３として半径方向間隙２４にも
衝突し、これにより、圧縮機翼車１１は付加的に加熱される。しかしながら、圧
縮機翼車１１の外部領域における作動温度が最も高いので、特にこの外部領域に
おいて大きな材料負荷が生じる。この臨界領域に直接に隣接して配置された隔壁
２０の切欠２６には、冷却流体２９として、過給空気冷却器８の冷却水循環部９
から分岐された冷却水が導入される。したがって、半径方向間隙２４に存在する
漏れ流３３、ひいては圧縮機翼車１１の、間接的な冷却が行われる。この場合、
冷却流体２９の分岐は過給空気冷却器８の上流において行われ、これにより、比
較的低温の冷却水を用いて有効な冷却を行うことができる。冷却過程の後、今や
暖まった冷却流体２９は排出導管２８を介して過給空気冷却器８の下流において
冷却水循環部９へ戻される（図１）。もちろん、内燃機関１、過給空気冷却器８
及び排ガスターボ過給機のシステムで用いられる冷却水の代わりに、システムの
外部から新鮮な水を冷却流体２９として提供することもできる（図示せず）。

【００２７】 これまで述べた間接的な冷却に加え、漏れ流３３の直接冷却が提供されている
。このために、圧縮機翼車１１の後壁２２に対して接線方向に半径方向間隙２４
に開口した、第２の冷却流体４１のための複数の供給チャネル４０が、支持ケー
シング２１とディフューザ板１９とを貫通して配置されている（図２）。供給チ
ャネル４０は、過給空気冷却器８の下流で過給空気導管６に接続されており、こ
れにより、第２の冷却流体４１として、冷却された過給空気が利用される（図１
）。当然、第２の冷却流体４１は別の場所において半径方向間隙に導入されるこ
ともできる（図示せず）。

【００２８】 第２の冷却流体４１の接線方向での導入により、圧縮機翼車１１の後壁２２全
体の純粋なフィルム冷却が実現される。第２の冷却流体４１は、高温の漏れ流３
３の代理をするので、圧縮機翼車１１の後壁２２において形成される境界層はす
でに始めから特に冷却された過給空気によって形成される。この後の第２の冷却
流体４１の排出は、圧縮機ケーシング１０の隔壁２０に穿孔された、詳しく示さ
れていない排出装置４０によって行われる。直接冷却と間接冷却とのこの組合せ
は、特別な冷却効果を生じる。なぜならば、両冷却可能性がその作用を互いに補
い合い、ひいては圧縮機翼車１１における極めて大きな温度低下を生じるからで
ある。

【００２９】 もちろん、第１及び第２の冷却流体２９，４１として別の冷媒、例えばヘリウ
ム又は低温流体からのガス（例えば液体窒素、四塩化炭素、ベンゼンニトリド等
）を使用することができる。

【００３０】 油が第１の冷却流体２９として代用されるならば、この油は、外部から供給さ
れるか、有利には、排ガスターボ過給機２の支持ケーシング２１にいずれにして
も設けられる潤滑油システム（図示せず）から分岐されることができる。この形
式では、この同様に適した冷却流体の、比較的容易かつ低コストの供給が可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 内燃機関に結合された排ガスターボ過給機の概略図である。

【図２】 排ガスターボ過給機の遠心圧縮機の部分断面図である。

【符号の説明】

１ 内燃機関、 ２ 排ガスターボ過給機、 ３ 遠心圧縮機、 ４ 排気タ
ービン、 ５ 軸、 ６ 過給空気導管、 ７ 排気導管、 ８ 過給空気冷却
器、 ９ 冷却水循環部、 １０ 圧縮機ケーシング、 １１ ロータ、 １２
動翼、 １３ ハブ、 １４ 流過チャネル、 １５ ディフューザ、 １６
らせん部、 １７ 空気流入ケーシング、 １８ 空気流出ケーシング、 １
９ ディフューザ板、 ２０ ステータ部、 ２１ 支持ケーシング、 ２２
後壁、 ２３ 取付けスリーブ、 ２４ 半径方向間隙、 ２５ ラビリンスシ
ール、２６ 切欠、 ２７ 供給導管、 ２８ 排出導管、 ２９ 第１の冷却
流体、 ３１ 作動媒体、 ３２ 主流れ、 ３４ シールリング、 ４０ 供
給チャネル、 ４１ 第２の冷却流体、 ４２ 排出装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＬ，ＡＭ，Ａ Ｔ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ， ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ， ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，Ｔ Ｍ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ミハイロ−リューディガー ボーティーン ドイツ連邦共和国 ヴァルツフート−ティ ーンゲン アルペンブリックシュトラーセ 15 (72)発明者 ウルフ クリスティアン ミュラー スイス国 キルヒドルフ アーゲー ヘル デリヴェーク ４アー (72)発明者 ヨアヒム ブレーマー スイス国 チューリッヒ イム ティアガ ルテン 40 (72)発明者 ユルク グレーバー スイス国 ヴェッティンゲン ノイフェル トシュトラーセ 27 (72)発明者 ヘルムート ギースツァウフ スイス国 ヌスバウメン シュールシュト ラーセ 24 Ｆターム(参考） 3G005 DA02 EA04 EA16 FA05 FA13 FA28 GB64 GB85 GB93 GB94 HA13 3H034 AA02 AA17 BB03 BB06 CC04 DD20 EE03 EE12

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タービン機械のロータとステータとの間に形成された半径方
   向間隙における流れを冷却する方法において、 半径方向間隙（２４）に隣接したステータ部（２０）に第１の冷却流体（２９
   ）を衝突させ、半径方向間隙（２４）に第２のガス状の冷却流体（４１）を導入
   することを特徴とする、タービン機械のロータとステータとの間に形成された半
   径方向間隙における流れを冷却する方法。
2. 【請求項２】 前記第１の冷却流体（２９）を、ステータ部（２０）に形成
   された切欠（２６）又はステータ部（２０）に配置された中空室に導入する、請
   求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 前記第１の冷却流体（２９）として水を使用する、請求項１
   又は２記載の方法。
4. 【請求項４】 内燃機関（１）と、過給空気冷却器（８）と、排ガスターボ
   過給機（２）とから成るシステムの外部からの新鮮な水を、第１の冷却流体（２
   ９）として使用する、請求項３記載の方法。
5. 【請求項５】 内燃機関（１）と、過給空気冷却器（８）と、排ガスターボ
   過給機（２）とから成るシステムにおいて使用される水を、第１の冷却流体（２
   ９）として使用する、請求項３記載の方法。
6. 【請求項６】 過給空気冷却器（８）の冷却水循環部（９）において使用さ
   れる冷却水を、第１の冷却流体（２９）として使用し、該冷却流体を、過給空気
   冷却器（８）の上流において分岐させる、請求項５記載の方法。
7. 【請求項７】 油、ヘリウム又は低温流体から成るガスを、第１の冷却流体
   （２９）として使用する、請求項１記載の方法。
8. 【請求項８】 第２のガス状の冷却流体（４１）として、空気、ヘリウム又
   は低温流体から成るガスを使用する、請求項１記載の方法。
9. 【請求項９】 請求項１から８までのいずれか１項記載の方法を実施するた
   めの装置において、固定されたステータ部（２０）が、半径方向間隙（２４）を
   ロータ（１１）に対して形成するように配置されている形式のものにおいて、 ａ）ステータ部（２０）の内部に少なくとも１つの切欠（２６）が形成されて
   いるか又はステータ部（２０）に少なくとも１つの中空室が一体形成されており
   、前記切欠（２６）又は中空室が、第１の冷却流体（２９）のための供給導管（
   ２７）及び排出導管（２８）に接続されており、 ｂ）第２の冷却流体のための少なくとも１つの供給チャネル（４０）と排出装
   置（４２）とが半径方向間隙（２４）に配置されていることを特徴とする、請求
   項１から８までのいずれか１項記載の方法を実施するための装置。
10. 【請求項１０】 前記定置のステータ部（２０）が、遠心圧縮機（３）の圧
    縮機ケーシング（１０）の一部として形成されており、前記遠心圧縮機が、排ガ
    スターボ過給機（２）の回転する圧縮機翼車（１１）に対して半径方向間隙（２
    ４）を形成している、請求項９記載の装置。