JP2004183653A - 排気ガスタービンハウジング - Google Patents

Abstract

【課題】 軸受けハウジング内に支承された軸に対してタービンハウジングを調心することによってタービン効率の改善を可能にする排気ガスタービンを提供する。
【解決手段】 排気ガスタービンが、タービンハウジング（１）、軸受けハウジング（４）内に回転可能に支承された軸（３）、この軸上に配設されたタービンホイール（５）、及び断熱壁（２）を有し、その際、断熱壁（２）が、タービンハウジングと共にタービンホイールへの流通路（６）を限定するように構成されている。断熱壁が、２つの支持部を備え、その際、第１の支持部が軸受けハウジング（４）に、また第２の支持部がタービンハウジング（１）に当接するように構成されている。
断熱壁（２）が加熱されると、両方の支持部が、軸受けハウジング及びタービンハウジングに対して押し付けられる。タービンハウジングは、半径方向外方へと押圧される。断熱壁（２）の半径方向内側の支持部によって、断熱壁（２）の調心が、従ってタービンハウジングの調心も、保証されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、排気ガスで運転されるターボチャージャの分野に関する。本発明は、断熱壁が、排気ガスタービン内でタービンハウジングと共にタービンホイールへの流通路を限定し、その際、タービンホイールが、軸受けハウジング内に回転可能に支承された軸上に配設されているように構成されている、排気ガスタービン、特に軸受けハウジング、タービンハウジング、並びに排気ガスタービンの断熱壁に関する。

排気ガスターボチャージャは、内燃機関の出力向上のために使用される。２，３メガワットに至るまでの比較的低い出力範囲では、主に、半径方向に流通されるタービンホイールと、このタービンホイールが取り付けられている軸の内部支承部を有するターボチャージャが使用される。

ガス案内路が冷却されない非冷却の排気ガスターボチャージャの場合、タービンインレットにおける排気ガス温度は高く位置し、これにより、機械の熱効率及びエアコンプレッサに排気ガス量毎に引き渡される出力が上昇する。

運転中に例えば６５０°Ｃの温度を備える非冷却のガスインレットハウジング又はタービンハウジングは、少なくとも直接、例えば１５０°Ｃの本質的により低温の軸受けハウジングに固定されている。ある程度の応用範囲内で、軸受けハウジングは、ガス案内路とは逆に、言及した温度に冷却される。付加的に、特許文献１に図示されているように、タービンホイールに通じる流通路の領域内には、断熱体として役立つ中間壁を配設することができ、この中間壁は、軸受けハウジングを、流通路内を案内される高温の排気ガスに対して遮蔽する。その際、中間壁は、相応の空気又は冷却液ゾーンによって軸受けハウジングから分離されて配設することができ、軸受けハウジングによる相応の熱橋絡をできるだけ回避するために、限定された僅かな接点だけを備えることができる。

軸受けハウジングにタービンハウジングを固定するため、従来の排気ガスタービンの場合は、連接板又はいわゆる成形体ストラップもしくはＶベルト結合が使用される。できるだけ高い効率を得るため、タービンの羽根とタービンハウジングとの間の空隙は、できるだけ小さく保つべきである。しかしながら、これは、このハウジング壁及びタービンホイールが、常に、特に全負荷下での運転中及び全ての部分が相応の熱負荷を受ける場合に、互いに調心されていることを前提とする。軸受けハウジングとタービンハウジングとの間の高い温度差により、軸受けハウジングに対するタービンハウジングの調心座が、時々半径方向に広がるので、タービンハウジングは、軸受けハウジング、特にこの軸受けハウジング内に支承されたタービン軸に対して偏心する。即ち、タービンハウジングは、軸及びこの軸上に配設されたタービンホイールに対して半径方向にもはや調心されていない。外からの力の作用によって付加的に支援されてしまうこのような偏心は、タービン羽根尖端をタービンハウジングのハウジング壁と接触させ、相応に磨耗又は故障を生じさせ、そしてこれと結びついて、排気ガスタービンの効率に著しい影響を与える。

特許文献２は、星形に形成され、半径方向に可動の溝／歯結合部によって高温の部品の偏心をどのように回避できるかを示す。

製造プロセスが純粋な回転作業と共にフライス作業も含む従来の、しかしながら比較的コストのかかる解決策の発端は、不連続の数の溝／歯結合部に基づいて、限定された数の異なったハウジング位置しか可能にしない。しかしながら、軸受けハウジングに対するタービンハウジングの位置を本質的に無段階に調整できる解決策の発端は好ましい。
欧州特許第０ ８５６ ６３９号明細書 欧州特許第０ １１８ ０５１号明細書

従って、本発明の基本にある課題は、軸受けハウジング内に支承された軸に対してタービンハウジングを調心することによってタービン効率の改善を可能にする冒頭で述べた様式の排気ガスタービンを提供することである。

本発明によれば、この課題は、特許請求項１，７及び１２を特徴付ける特徴並びに特許請求項１６によって解決される。

本発明によって得られる利点は、軸受けハウジング内に支承された軸に対するタービンハウジングの調心が、部品を付加することなく保証され得る点に見ることができる。軸受けハウジング、タービンハウジング、及び断熱壁は、極僅かにしか付加的に加工する必要がない。これにより、排気ガスタービンにとって本質的な付加的なコストは何ら生じることがない。

軸受けハウジングに対するタービンハウジングの位置は、無段階に調節することができる。何故なら、本発明によれば、軸受けハウジングとタービンハウジングとの間に、形状閉塞的な結合部が何ら存在しないからである。

この調心の様式は、軸受けハウジングとタービンハウジングとの間の全て慣用的な結合様式に適している。何故なら、本発明によれば、タービンハウジングの内部の部品によって調心が行なわれるからである。

更なる利点は、従属請求項から得られる。

本発明により、軸受けハウジング内に支承された軸に対してタービンハウジングを調心することによってタービン効率の改善を可能にする排気ガスタービンが得られる。

以下では、本発明による排気ガスタービンの実施例を概略的に図示した図を基にして本発明を詳細に説明する。全ての図において、同じ作用をする要素は、同じ符号を備えている。

排気ガスターボチャージャは、主に、図示されてないコンプレッサ及び図１にラジアルタービンとして概略的に図示された排気ガスタービンから成る。排気ガスタービンは、主に、半径方向外側に位置する螺旋形のガスインレットハウジング及びガスアウトレット側のハウジング壁１２を有するタービンハウジング１、軸受け３１によって回転可能に支承された軸３を有する軸受けハウジング４、並びにこの軸上に配設された動翼５１を有するタービンホイール５を有する。コンプレッサ側には、軸上に、同様に図示されてないコンプレッサホイールが配設されている。

ガスインレットハウジングは、矢印方向に下流へと排気ガスターボチャージャと結合された同様に図示されてない内燃機関の排気ガスのための流通路６へと移行する。流通路は、一方の側では、ガスアウトレット側のハウジング壁１２によって制限されているのに対し、他方の側では、断熱体として役立つディスク状の中間壁２が配設されている。流通路を軸受けハウジングの側で少なくとも部分的に制限するか、及び／又は少なくとも部分的に軸方向にタービンホイールと軸受けハウジングとの間に配設されている断熱壁は、この後に位置する軸受けハウジングを高温の排気ガスから遮蔽する。

流通路内では、更に、断熱壁とガスアウトレット側のハウジング壁１２との間に、ノズルリング７が配設されている。

タービンハウジング１は、図示されたこの実施形では、連接板４３によって軸受けハウジング４に固定されており、その際、ネジ４２によってタービンハウジングに固定された連接板は、軸受けハウジング４に関連したタービンハウジングのある程度の運動を半径方向に許す。この図から分かるように、連接板４３の固定ネジによって、断熱壁２並びにノズルリング７は、タービンハウジング１と軸受けハウジング４との間に挟み込まれ、かつ相応に軸方向に固定されている。排気ガスタービンの静止している状態では、即ちタービンハウジング及び軸受けハウジングが冷えている場合は、タービンハウジングが、軸受けハウジング上に支持され、これにより相応に軸及びこの軸上に配設されたタービンホイールに対して調心されている。

図２に拡大して図示された本発明による排気ガスタービンの第１の実施形では、半径方向内側の領域内の断熱壁２に、周縁部として形成された支持部２１が配設されており、この支持部は、同様に周縁部として形成された軸受けハウジングの支持部４１上に支持される。排気ガスタービンの静止している状態では、即ち軸受けハウジング以外に断熱壁も冷えている場合は、両方の支持部の間に、それぞれ２，３マイクロメートルから２００，３００マイクロメートルの僅かな空隙が存在でき、これは、特に簡単な組立て、即ち、軸受けハウジングへの軸方向の断熱壁の差込みを可能にする。半径方向外側に位置する領域では、断熱壁が、半径方向外側に位置する支持部２２によって半径方向内側に整向されたタービンハウジングの支持部１１に接しており、その際、排気ガスタービンの静止している状態では、同様に、相応の僅かな空隙が、両方の支持部の間に存在する。

排気ガスタービンの運転状態では、即ち断熱壁が軸受けハウジングと比べて著しく高い温度を備える場合は、断熱壁が、熱に条件付けられて特に半径方向に伸びる。両方の空隙は減少させられ、その際、特に断熱壁の内側の支持部２１は、大きい力で冷たい軸受けハウジングの対応する支持部４１に対して押し付けられる。断熱壁の外側の支持部２２とタービンハウジングの支持部１１との間の空隙は、通常、減少させることだけはできるが、しかしながら完全に埋めることはできない。何故なら、タービンハウジングが、大きい熱のために同様に伸びるからである。軸受けハウジングの支持部４１に当接する断熱壁の半径方向内側の支持部２１によって、断熱壁２の正確な調心が、また減少させられた外側の空隙のおかげでタービンハウジング１の正確な調心も、保証されている。

断熱壁のために、タービンハウジングの材料よりも大きい熱膨張率を有する材料が選択される場合、断熱壁は、タービンハウジングよりも激しく伸び、このタービンハウジングを半径方向外方へと押圧する。これにより、断熱壁に関連したタービンハウジングの調心が付加的に改善される。

図３及び図４は、本発明による排気ガスタービンの第２の実施形を示す。半径方向内側の領域には、更にまた、周縁部として形成された支持部２１が配設されており、この支持部は、更にまた同様に周縁部として形成された軸受けハウジングの支持部４１上に支持される。断熱壁２の半径方向外側の領域内の簡単な支持部２２に対して付加的又は選択的に、調心カム２３が設けられており、この調心カムは、断熱壁の周囲に沿って分配されて配設されている。これらの調心カムは、対応するタービンハウジング内の溝１５内へと係合し、これにより、断熱壁２に関連したタービンハウジング１の半径方向の案内が得られる。排気ガスタービンの静止している状態では、特に内側の支持部の領域に、相応の空隙が存在し、これは、更にまた断熱壁の簡単な組立てを可能にする。その際、調心カム２３に基づいて相応に整向された断熱壁２は、軸方向にタービンハウジング１内に押し込まれる。運転状態では、更にまた断熱壁が半径方向に伸びる。空隙は埋められ、断熱壁の支持部２１は、対応する軸受けハウジングの支持部４１に対して押し付けられ、相応に調心される。半径方向外側の領域では、タービンハウジング１の調心が、溝１５内へと案内された調心カム２３によって保証される。

選択的に、調心カムは、タービンハウジングの側に配設しても良く、対応する溝は、断熱壁に入れることができる。又は、タービンハウジングにも断熱壁にも、溝を入れることができ、これらの溝に、軸方向に結合楔又は結合プラグが差し込まれる。

この第２の実施形は、特にタービンハウジングが非常に高い温度の場合に適している。何故なら、半径方向に整向された溝及びこれらの溝内に案内される調心カムのおかげで、断熱壁に関連したタービンハウジングの調心が、熱を条件としたタービンハウジングの膨張に依存せずに保証されているからである。

タービンハウジングと断熱壁との間でこのような形状閉塞的な結合が行なわれているのにもかかわらず、軸受けハウジングに対するタービンハウジングの位置は、無段階に調節することができる。何故なら、断熱壁と軸受けハウジングとの間には、従ってタービンハウジングと軸受けハウジングとの間にも、形状閉塞的な結合部が何ら存在しないからである。

図５及び６は、第２の実施形に対して簡単に変更した本発明による排気ガスタービンの第３の実施形を示す。調心カム２３は、断熱壁の半径方向内側の領域内に設けられている。その際、カム２３は、断熱壁上に配設することができ、対応する軸受けハウジング内の溝４５内へと係合しても良く、又はカムが、対応する断熱壁内の溝内へと係合する軸受けハウジング上に配設されていても良い。後者の場合は、溝が一貫した穴としてか、単に表面上の凹部として断熱壁内に形成することができる。軸受けハウジング４に関連した断熱壁２の半径方向の案内が得られる。半径方向外側に位置する領域では、断熱壁が、第１の実施形に対応するように、半径方向外側に位置する支持部２２によってタービンハウジングの半径方向内方へと整向された支持部１１に接し、その際、排気ガスタービンの静止している状態では、更にまた相応の空隙が存在し、これは、断熱壁の組立てを可能にする。その際、調心カムに基づいて相応に整向された断熱壁２は、軸方向に軸受けハウジング４上に押し込まれる。運転状態では、更にまた断熱壁が半径方向に伸びる。上で説明したように、外側に位置する領域内の空隙は減少し、従って、断熱壁に関連してタービンハウジングが相応に調心される。更にまた、断熱壁に関連したタービンハウジングの調心を付加的に改善するために、相応に大きな熱膨張率を有する材料を選択することによって、断熱壁の膨張を強化することができる。内側の領域内に配設された調心カムによる軸受けハウジングに関連した断熱壁の温度に依存しない調心のおかげで、この実施形は、特に遷移的な運転のため又はガスインレット温度が低い場合に適している。

断熱壁と軸受けハウジングとの間で形状閉塞的な結合が行なわれているのにもかかわらず、軸受けハウジングに関するタービンハウジングの位置は、最初の２つの実施形において既に述べたように、それぞれ任意の角度で調節することができる。何故なら、断熱壁とタービンハウジングとの間には、従って軸受けハウジングとタービンハウジングとの間にも、形状閉塞的な結合部が何ら存在しないからである。

３つ全ての実施形の断熱壁のための適当な材料は、例えば、鋳鉄に対して約３０パーセント大きい熱膨張率を有するＮｉレジストである。

断熱壁の半径方向外側に位置する領域では、タービンハウジングに対する支持が、断熱壁とタービンハウジングとの間に配設された中間部材を介しても、特に流通路内に配設されたノズルリングを介しても、行なうことができる。その際、ノズルリング及び断熱壁は、又はノズルリングの部分及び断熱壁は、一つの部品として製造することができる。

本発明による排気ガスターボチャージャの第１の実施例の概略図を示す。 図１による排気ガスターボチャージャの拡大図を示す。 本発明による排気ガスターボチャージャの第２の実施例の概略図を示す。 図３からのＩＶ−ＩＶ断面の概略図を示す。 本発明による排気ガスターボチャージャの第３の実施例の概略図を示す。 図５からのＶＩ−ＶＩ断面の概略図を示す。

符号の説明

１ タービンハウジング
１１ 支持部
１２ ガスアウトレット側のハウジング壁
１５ 調心溝
２ 断熱壁
２１ 支持部、縁部
２２ 支持部
２３ 調心カム
３ 軸
３１ 内部軸受け
４ 軸受けハウジング
４１ 支持部、縁部
４２ 固定装置、ネジ
４３ 連接板
４５ 調心溝
５ タービンホイール
５１ 羽根
６ 流通路
７ ノズルリング

Claims (20)

1. 排気ガスタービンが、タービンハウジング（１）、軸受けハウジング（４）内に回転可能に支承された軸（３）、並びにこの軸上に配設されたタービンホイール（５）を備え、断熱壁（２）が、タービンハウジング（１）と共にタービンホイールへの流通路（６）を限定するように構成されている、排気ガスタービンのための断熱壁（２）において、
   断熱壁が、軸受けハウジング（４）内に支承された軸（３）に関連させてタービンハウジング（１）を調心するための手段（２１，２２，２３）を備えることを特徴とする断熱壁。
2. 断熱壁が、軸に関連させてタービンハウジングを調心するための手段として、少なくとも２つの支持部（２１，２２）を有し、その際、この少なくとも２つの支持部の第１の支持部（２１）が、軸受けハウジング（４）に支持されるために設けられており、またこの少なくとも２つの支持部の第２の支持部（２２）が、タービンハウジング（１）に支持されるために設けられていることを特徴とする請求項１に記載の断熱壁。
3. 第１又は第２の支持部の少なくとも一方が、周縁部（２１）として形成されており、この周縁部が、軸受けハウジング（４）及び／又はタービンハウジング（１）上に支持されるために設けられていることを特徴とする請求項２に記載の断熱壁。
4. 第１及び第２の支持部（２１，２２）が、半径方向に同方向になるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の断熱壁。
5. 断熱壁（２）が、第１の支持部（２１）の領域内か、第２の支持部（２２）の領域内かのいずれかに調心カム（２３）を備え、これらの調心カムが、軸受けハウジング（４）か、タービンハウジング（１）かのいずれかに入れられている溝（４５，１５）内への係合のために設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の断熱壁。
6. 第１の支持部の領域内か、第２の支持部の領域内かのいずれかの断熱壁に、溝が入れられており、これらの溝が、軸受けハウジングか、タービンハウジングかのいずれかに取り付けられた調心カムを収容するために設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の断熱壁。
7. 排気ガスタービンが、タービンハウジング（１）、軸受けハウジング内に回転可能に支承された軸（３）、この軸上に配設されたタービンホイール（５）、並びに排気ガスタービン内でタービンハウジングと共にタービンホイールへの流通路（６）を限定する断熱壁（２）を備え、その際、断熱壁が、軸受けハウジング内に支承された軸（３）に関連させてタービンハウジング（１）を調心するための手段（２１，２２，２３）を備えるように構成されている、排気ガスタービンのための軸受けハウジング（４）において、
   軸受けハウジングが、断熱壁（２）を介しかつ軸受けハウジング内に支承された軸（３）に関連させてタービンハウジング（１）を調心するための手段（４１，４５）を備えることを特徴とする軸受けハウジング。
8. 軸受けハウジングが、断熱壁を介しかつ軸受けハウジング内に支承された軸に関連させてタービンハウジングを調心するための手段として、少なくとも１つの支持部（４１）を、断熱壁上に支持されるために有することを特徴とする請求項７に記載の軸受けハウジング。
9. 軸受けハウジングの支持部が、周縁部（４１）として形成されていることを特徴とする請求項８に記載の軸受けハウジング。
10. 軸受けハウジングが、断熱壁を介しかつ軸受けハウジング内に支承された軸に関連させてタービンハウジングを調心するための手段として、調心カムを備え、これらの調心カムが、断熱壁（２）に入れられている溝内への係合のために設けられていることを特徴とする請求項７に記載の軸受けハウジング。
11. 軸受けハウジングに、断熱壁を介しかつ軸受けハウジング内に支承された軸に関連させてタービンハウジングを調心するための手段として、溝（４５）が入れられており、これらの溝が、断熱壁に取り付けられた調心カム（２３）を収容するために設けられていることを特徴とする請求項７に記載の軸受けハウジング。
12. 排気ガスタービンが、軸受けハウジング（４）、この軸受けハウジング内に回転可能に支承された軸（３）、この軸上に配設されたタービンホイール（５）、並びに排気ガスタービン内でタービンハウジングと共にタービンホイールへの流通路（６）を限定する断熱壁（２）を備え、その際、断熱壁が、軸受けハウジング内に支承された軸（３）に関連させてタービンハウジング（１）を調心するための手段（２１，２２，２３）を備えるように構成されている、排気ガスタービンのためのタービンハウジング（１）において、
    タービンハウジングが、断熱壁（２）を介しかつ軸受けハウジング内に支承された軸（３）に関連させてタービンハウジング（１）を調心するための手段（１１，１５）を備えることを特徴とするタービンハウジング。
13. タービンハウジングが、断熱壁を介しかつ軸受けハウジング内に支承された軸に関連させてタービンハウジングを調心するための手段として、少なくとも１つの支持部（１１）を、断熱壁（２）上に支持されるために有することを特徴とする請求項１２に記載のタービンハウジング。
14. タービンハウジングが、断熱壁を介しかつ軸受けハウジング内に支承された軸に関連させてタービンハウジングを調心するための手段として、調心カムを備え、これらの調心カムが、断熱壁（２）に入れられている溝内への係合のために設けられていることを特徴とする請求項１２又は１３に記載のタービンハウジング。
15. タービンハウジングに、断熱壁を介しかつ軸受けハウジング内に支承された軸に関連させてタービンハウジングを調心するための手段として、溝（１５）が入れられており、これらの溝が、断熱壁に取り付けられた調心カム（２３）を収容するために設けられていることを特徴とする請求項１２に記載のタービンハウジング。
16. タービンハウジング（１）、軸受けハウジング（４）内に回転可能に支承された軸（３）、この軸上に配設されたタービンホイール（５）、及び請求項１〜６のいずれか１つによる断熱壁（２）を有する排気ガスタービンであって、この断熱壁が、タービンハウジングと共にタービンホイールへの流通路（６）を限定するように構成されている排気ガスタービン。
17. 断熱壁（２）が、タービンハウジング（１）の材料よりも大きい熱膨張率を備える材料を含有することを特徴とする請求項１６に記載の排気ガスタービン。
18. タービンハウジング（１）、軸受けハウジング（４）内に回転可能に支承された軸（３）、この軸上に配設されたタービンホイール（５）、並びに請求項４による断熱壁（２）を有する排気ガスタービンであって、断熱壁が、タービンハウジングと共にタービンホイールへの流通路（６）を限定するように構成されている排気ガスタービンにおいて、
    軸受けハウジング及び／又はタービンハウジングに、周縁部（４１）が、断熱壁の周縁部（２１）上に支持されるために設けられていることを特徴とする排気ガスタービン。
19. タービンハウジング（１）、軸受けハウジング（４）内に回転可能に支承された軸（３）、この軸上に配設されたタービンホイール（５）、並びに請求項５による断熱壁（２）を有する排気ガスタービンであって、断熱壁が、タービンハウジングと共にタービンホイールへの流通路（６）を限定するように構成されている排気ガスタービンにおいて、
    軸受けハウジング（４）か、タービンハウジング（１）かのいずれかに、溝が入れられており、これらの溝が、断熱壁に取り付けられた調心カム（２３）を収容するために設けられていることを特徴とする排気ガスタービン。
20. タービンハウジング（１）、軸受けハウジング（４）内に回転可能に支承された軸（３）、この軸上に配設されたタービンホイール（５）、並びに請求項６による断熱壁（２）を有する排気ガスタービンであって、断熱壁が、タービンハウジングと共にタービンホイールへの流通路（６）を限定するように構成されている排気ガスタービンにおいて、
    軸受けハウジング（４）か、タービンハウジング（１）かのいずれかに、調心カムが配設されており、これらの調心カムが、断熱壁に入れられている溝内への係合のために設けられていることを特徴とする排気ガスタービン。
    
    

Images