JP2004132366A - ターボチャージャー及びそれのためのローターハウジング - Google Patents

Abstract

　
【課題】破壊防護を簡単に達成できるターボチャージャーを提供する。
【解決手段】ターボチャージャー１には、回転軸線Rを定めるローター軸5がある。ローター軸の一方の端部は、タービンハウジングの中に突き出ており、少なくとも１つのタービンローター４が、第一ロータースペースの範囲内で回転軸Rに対し垂直である予め定められた第一平面において回転可能にローター軸に支持されている。ローター軸５の他方の端部は、空気用の少なくとも１つの供給流路１１を備えたコンプレッサーハウジング３の中に突き出ていて、少なくとも１つのコンプレッサーローターを支持している。供給流路９、１１のうちの少なくとも１つは、それに属するローター４、のそれぞれの平面に対して軸方向にずらして配置され、ロータースペースへ通じる流路分枝を備えており、流路分枝の半径方向外側の流路壁部は、ロータースペースから供給流路９、１１へ斜めに移行する。
【選択図】　図１

Description

　本発明は、回転軸を定めるローター軸と、排気ガス用の少なくとも１つの供給流路を備えたタービンハウジングであって、前記タービンハウジングの中にはローター軸の一方の端部が突き出ており、前記タービンハウジングの中では少なくとも１つのタービンローターが、前記ローター軸に固定され、それも、第一ロータースペースの範囲内で回転軸に対し垂直である予め定められた第一平面において回転可能に軸受支持されており、前記タービンローターの周囲には排気ガスが供給可能であるタービンハウジングとを備えたターボチャージャーに関するものである。さらに前記ターボチャージャーには、空気用の少なくとも１つの供給流路を備えたコンプレッサーハウジングがあり、前記コンプレッサーハウジングの中にはローター軸の他方の端部が突き出ており、前記ローター軸には少なくとも１つのコンプレッサーローターが、第二のロータースペースの範囲内で回転軸に対し垂直である予め定められた第二の平面において固定されており、前記コンプレッサーローターの周囲には空気が供給可能である。

　上記の諸特徴は、市場に出ているすべてのターボチャージャーと、事実上、一致する。このようなターボチャージャーの場合には、タービンホイールは、それとともにローター軸を介してコンプレッサーホイールも、約２００００ｒｐｍに達し得る比較的高い回転数で作動する。もちろんこれは、その際生じる遠心力とそれに加えてさらに熱的に極端な条件によるローターの非常に大きい荷重を意味している。タービンホイールではさらに排気ガスによる腐食性負荷(korrosive Belastung)も加わる。

　したがって、材料疲労とか材料欠陥などの場合には遠心力がそのようなローターを、それもとりわけ、排気ガスによる荷重もかかったタービンローターを引き裂く可能性があるということは、明白である。それゆえ過去には、ローター部片の貫通とそれに伴うさらに別の損傷を阻止するために、当前記のハウジングは非常に厚壁の構造になっていた。さらに別の措置は、そのような耐破裂性(Berstsicherheit)を保証するために、ハウジングを防護薄板カバーで囲うという措置であった。

　本発明の目的は、ターボチャージャーに重量上の負担をかけ且つ製造価格を高くする追加措置及び／又は厚いハウジング壁部を施す必要なく、破裂防護を簡単に達成できるローターハウジング及びそのようなローターハウジングを使用したターボチャージャーを提供することである。

　本発明によりその課題は、供給流路のうちの少なくとも１つが、それに属するローターのそれぞれの平面に対して軸方向にずらされていて、ロータースペースへ通じる流路分枝部を備えており、前記流路分枝部の半径方向外側の流路壁部が、ロータースペースから供給流路へ斜めに移行することによって、解決される。

　本発明によれっば、ローター軸と、タービンハウジングと、コンプレッサーハウジングとを備えたターボチャージャーであって、ローター軸が回転軸線を画定し、タービンハウジングが排気ガス用の少なくとも１つの供給流路を備え、前記タービンハウジングの中にはローター軸の一方の端部が突き出ており、前記タービンハウジングの中では少なくとも１つのタービンローターが前記ローター軸に固定され、それも、第一ロータースペースの範囲内で回転軸線に対し垂直である予め定められた第一平面において回転可能に軸受支持されており、前記タービンローターの周囲には排気ガスが供給可能であり、コンプレッサーハウジングが空気用の少なくとも１つの供給流路を備え、 前記コンプレッサーハウジングの中にはローター軸の他方の端部が突き出ており、前記ローター軸には少なくとも１つのコンプレッサーローターが、第二ロータースペースの範囲内で回転軸線に対し垂直である予め定められた第二平面において固定されており、前記コンプレッサーローターの周囲には空気が供給可能であるターボチャージャーにおいて、
　供給流路のうちの少なくとも１つが、それに属するローターのそれぞれの平面に対して軸方向にずらされて配置されていて、ロータースペースへ通じる少なくとも１つの流路分枝部を備えており、前記流路分枝部の半径方向外側の流路壁部が、ロータースペースから供給流路へ斜めに移行することを特徴とするターボチャージャーが提供される。

　また、本発明によれば、ローターを受け入れるためにその縦軸線と同軸状にスペースが設けられ、前記スペースが縦軸線に対し垂直の平面上にあり、前記平面の範囲にはローターを受け入れるためのスペースの周囲にも気体用の供給流路が設けられている、ターボチャージャー用のローターハウジングにおいて、
　供給流路が、それに属するローターのそれぞれの平面に対して軸方向にずらされていて、ロータースペースへ通じる少なくとも１つの流路分枝部を備えており、前記流路分枝の半径方向外側の流路壁部部が、ロータースペースから供給流路へ斜めに移行することを特徴とする、ターボチャージャー用のローターハウジングが提供される。

　傾斜した流路壁部によって、ローターの破裂の場合に、ローター部片の飛跡すなわち飛散経路は逸らされ、その際にそのようなローター片に内在するエネルギーの一部が減衰させられる。したがって、残った残留エネルギーはそれぞれのハウジングの外側ジャケットにおいて容易に緩衝或いは吸収され得るし、ハウジングを貫通するには至らない。したがって本発明によってそのようなハウジングはより薄く設計され得るし、追加的な破裂防護措置を必要としない。

　すでに上で述べたことだが、とくにタービンローターが過重に支配されているのは、タービンローターがまさに付加的に腐食性負荷にさらされているからである。それゆえに、傾斜した流路壁部を備えているのが、少なくとも排気ガス用の供給流路であるというのは、優先的なことである。

　ハウジング壁部にあまり荷重をかけすぎないで、破片における効果的なエネルギー消滅を達成するためには、傾斜した流路壁部が回転軸と少なくとも45°の角度、主として、少なくとも60°の角度を成すというのが、有利である。実際にはその角度は、ハウジングのサイズに応じて、もっと急勾配であっても可能であり、例えば75°に達することもある。

以下、図面に概略的に図示された優先的実施例を詳しく説明し、本発明の更なる細目を明らかにする。
　図１により、ターボチャージャー１には通例どおり、タービンハウジング部分２とそれと結合されたコンプレッサーハウジング部分３があり、これらの部分は回転軸線Rに沿って配置されている。タービンハウジング部分２が部分的に断面図で示されているので、軸線Rに位置するタービンローター４が見えるが、前記ローターは、ハウジング中間部分６で軸受支持されているローター軸5の一方の端部に固定されている。タービンハウジング部分２には排気ガス用の供給管継手７があり、前記供給管継手は、排気ガス用のほぼ環状の供給流路９につながるかないしはその流路の中に延びていて、タービンローター４に内燃機関からの排気ガスを供給する。図示された実施例の場合には供給は、可変幾何学形状（variabl. Geometrie）のそれ自体公知の（それゆえここでは詳細には説明されない）案内格子のブレード８を介して行われるが、前記ブレードは、ブレード支持リング１０に軸受支持された調整軸を介して、その位置が（ローター４に対し、より半径方向に、又は、より接線方向に）調節できる。このブレード８の位置がタービンローター４への排気ガス供給量を制御するわけであるが、しかし文献から知られているとおり、その供給量は、例えば相応のバルブにより排気ガスがタービンハウジングに沿って通じているバイパスを経て誘導されるという別のガス流量制御装置(Gassteuereinrichtungen)によっても、制御できるのである。複数のタービンローターが軸５に固定されることになっている場合にはとりわけ、１つ以上の供給流路９を設けることもできるのは、自明のことである。

　この方法でタービンローター４を介して、同じローター軸５、つまり、前記軸の他方の端部、に配置されたコンプレッサーローター２１は、駆動される。そのコンプレッサーローターは、それを取り囲む供給流路１１と、その供給流路に接続された供給管継手１２とを通じて、空気を吸入し、圧縮し、軸方向管継手１３′を通じて吐き出す。同様にタービンハウジング２にも軸方向管継手１３″が設けられている。

　それぞれのハウジング２及び３には、それぞれのローター４及び２１がそれぞれその中で回転できるようなスペースが空いていることも、図１から見て取れる。そのスペースの配置は、それぞれのローター４及び２１がそれぞれの気体（排気ガスないしは空気）をその周辺装置（Peripherie）、つまり、その範囲内にそれぞれの供給流路９ないしは１１が配置されている周辺装置、を介して受け取るというような配置である。ところで、すでに述べたことだが、その二つのローター４、２１の回転数は、内燃機関の荷重とともに変化し、例えば約 ２００００／ｍｉｎという非常に高い値に達することができる。それゆえ、遠心力によってローター４、２１に作用する破裂荷重は非常に大きい。したがってターボチャージャー用の従来型のハウジングには、破裂時にローター片がハウジング壁部を貫通するのを防ぐために、特大寸法の強化壁が施されなければならない。

　さて図２に基づいてローターハウジング２０が示されているが、図１に示されたターボチャージャーを本発明によるターボチャージャーに変えるには、このローターハウジングが例えば（しかも優先的に）図１のハウジング２の代わりに、場合によっては同じようにハウジング３の代わりにも、使用されなければならない。このハウジング２０は、これまたほぼ図１の回転軸線Rに相当する縦軸線R′に沿って延びている。その軸に対して垂直に広がる中央平面Pは、前記ハウジング２０の中に組み込まれるべきローター（４及び２１）の中央平面に相当する。したがって中央平面Pは、それぞれのローターがその中で回転するスペース２３を横断している。

　図２が示すとおり、前記ロータースペース２３の半径方向外側の境となっているのが、傾斜した流路壁部２４である。この傾斜した流路壁部２４は、供給流路９／１１ が平面Pから明白に軸方向にずらされていることによって、生み出される。したがってそれぞれの気体の供給は、供給流路９／１１を通って直接に行われるのではなく、気体を供給流路９／１１からロータースペース２３へ導く傾斜した流路分枝25を経て行われる。ところで、それぞれのローターがそのロータースペース２３の中で回転し、その最中に遠心荷重(Fliehkraftbelastung)によって破裂してしまった場合には、その破片は、軸線R′に対して半径方向外側に向かって飛び、そのさい真っ先に流路壁部２４、つまり、ローターの中央平面Pと角度αを成し、且つ、回転軸Rに相当する縦軸R′と余角βを成す流路壁部２４に当たる。その後者の角度は、優先的には少なくとも４５°、実用的には少なくとも６０°でなくてはならない。それによって傾斜壁部２４は、破裂したローター片の衝突エネルギーの一部を消滅させるが、それでいてそれ自体、強大な荷重にはさらされていない。というのは、衝突が供給流路９／１１の方向へ逸らされるからである。しかもそれと同時に飛跡の距離も長くなり、それによってさらに別の衝突エネルギーが消滅する。そのあと最終的に破片が供給流路の内壁に当たるとしても、残留エネルギーはすでに小さくて、ハウジング壁部の損傷がもはや起こり得ないほどである。それゆえ、ハウジング２０は、従来型のハウジングと比べて、比較的薄壁の、それと同時にコスト上も有利な、実施形態であり得る。

　いま図２に対して述べたことが、図１から見て取れる配置に適用されるなら、そこでは当然、二つのロータースペース（ローター４のためのスペースと、ローター２１のためのスペース）は軸方向に互いにずらされており、そのさいローター４、２１には、それぞれ、図２のロータースペース２３に相当する固有のロータースペースが割り当てられる。

　本発明の範囲において多数の発展形態が可能である。例えば、図２からは、供給流路９／１１がハウジング中間部分６の方へずらされている（これは好ましいことである）が見て取れる。しかし、供給流路９／１１が軸方向管継手１３の方へずらされることも可能であると言えよう。理論上は、連接形の流路分枝２５をジグザグ状に配置し、外側に向かって飛ぶローター片が何回も傾斜面に衝突するようにして、そのエネルギーをさらにいっそう吸収するということさえ、考えられ得るであろう。

従来の構造のターボチャージャーの透視図であって一部を断面で示す図である。 図１のターボチャージャーのために本発明により設計されたハウジングの軸断面図。

符号の説明

１　ターボチャージャー　　　　　　　　　２　タービンハウジング部分
３　コンプレッサハウジング部分　　　　　４、タービンロータ
５　ローター軸　　　　　　　　　　　　　６　ハウジング中間部分
９、１１　供給流路
２３　ロータースペース　　　　　　　　　２４　流路壁部

Claims (9)

1. 　ローター軸（５）と、タービンハウジング（２、２０）と、コンプレッサーハウジング（３）とを備えたターボチャージャー（１）であって、
   　ローター軸（５）が回転軸線（Ｒ、Ｒ′）を画定し、
   　タービンハウジング（２、２０）が排気ガス用の少なくとも１つの供給流路（９）を備え、前記タービンハウジングの中にはローター軸（５）の一方の端部が突き出ており、前記タービンハウジングの中では少なくとも１つのタービンローター（４）が前記ローター軸（５）に固定され、それも、第一ロータースペース（２３）の範囲内で回転軸線（Ｒ、Ｒ′）に対し垂直である予め定められた第一平面（Ｐ）において回転可能に軸受支持されており、前記タービンローターの周囲には排気ガスが供給可能であり、
   　コンプレッサーハウジング（３）が空気用の少なくとも１つの供給流路（１１）を備え、 前記コンプレッサーハウジングの中にはローター軸（５）の他方の端部が突き出ており、前記ローター軸には少なくとも１つのコンプレッサーローター（２１）が、第二ロータースペース（２３）の範囲内で回転軸線（Ｒ、Ｒ′）に対し垂直である予め定められた第二平面（Ｐ）において固定されており、前記コンプレッサーローターの周囲には空気が供給可能であるターボチャージャー（１）において、
   　供給流路（９、１１）のうちの少なくとも１つが、それに属するローター（４、２１）のそれぞれの平面（Ｐ）に対して軸方向にずらされて配置されていて、ロータースペース（２３）へ通じる少なくとも１つの流路分枝部（２５）を備えており、前記流路分枝部の半径方向外側の流路壁部（２４）が、ロータースペース（２３）から供給流路（９、１１）へ斜めに移行することを特徴とするターボチャージャー。
2. 　傾斜した流路壁部（２４）を備えているのが、少なくとも排気ガス用の供給流路（９）であることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャー（１）。
3. 　傾斜した流路壁部（２４）が回転軸線（Ｒ′）と少なくとも４５°の角度（β）を成すことを特徴とする請求項１又は２に記載のターボチャージャー（１）。
4. 　傾斜した流路壁部（２４）が回転軸線（Ｒ′）と少なくとも６０°の角度（α）を成すことを特徴とする請求項３に記載のターボチャージャー（１）。
5. 　それぞれの供給流路（９、１１）が全ハウジング（２、３、６）のうちの中間部分（６）の方へずらされていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のターボチャージャー（１）。
6. 　ローター（４、２１）を受け入れるためにその縦軸線（Ｒ′）と同軸状にスペース（２３）が設けられ、前記スペース（２３）が縦軸線（Ｒ′）に対し垂直の平面（Ｐ）上にあり、前記平面（Ｐ）の範囲にはローター（４、２１）を受け入れるためのスペース（２３）の周囲にも気体用の供給流路（９、１１）が設けられている、ターボチャージャー（１）用のローターハウジング（２０）において、
   　供給流路（９／１１）が、それに属するローター（４、２１）のそれぞれの平面（P）に対して軸方向にずらされていて、ロータースペース（２３）へ通じる少なくとも１つの流路分枝部（２５）を備えており、前記流路分枝の半径方向外側の流路壁部部（２４）が、ロータースペース（２３）から供給流路（９）へ斜めに移行することを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか一項に記載のターボチャージャー（１）用のローターハウジング。
7. 　傾斜した流路壁部（２４）が縦軸線（Ｒ′）と少なくとも４５°の角度（β）を成すことを特徴とする請求項６によるローターハウジング（２０）。
8. 　傾斜した流路壁部（２４）が縦軸線（Ｒ′）と少なくとも６０°の角度（α）を成すことを特徴とする、請求項７によるローターハウジング(20)。
9. 　それぞれの供給流路（９／１１）が全ハウジング（２、３、６）のうちの中間部分（６）の方へずらされていることを特徴とする、請求項５ないし８のいずれか一項に記載のローターハウジング（２０）。
   
   
   

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