JP2004353660A - 排気タービンケーシング - Google Patents

Abstract

【課題】軸受ケーシングに支承された軸に対するタービンケーシングのセンタリングを改善することにより、排気タービンが高い効率を有すると同時に、軸受ケーシングに対する外側のタービンケーシング部分の位置決めに関してできるだけ大きなフレキシビリティを有するように、排気タービンのケーシングを改良する。
【解決手段】本発明は、軸に設けられたタービンホイール６と、回転可能な軸３を軸受するための軸受ケーシング４と、この軸受ケーシングに支持されかつ支持範囲において軸受ケーシングを同心的に取り囲むガス入口ケーシング１と、軸受ケーシングに軸受された軸に対してガス入口ケーシングをセンタリングするためのセンタリングリング２とを備えた排気タービンに関する。このセンタリングリングと軸受ケーシングまたはガス入口ケーシングは溝と、この溝に係合する半径方向または軸方向のセンタリング突起を備えている。【選択図】 図１

Description

本発明は、排気で運転されるターボ過給器の分野に係る。本発明は請求項１の前提部分に記載のタービンケーシングと、このようなタービンケーシングを備えた排気タービンと、このような排気タービンを備えたターボ過給器に関する。

排気ターボ過給器は内燃機関の出力を高めるために使用される。排気ターボ過給器は内燃機関の排気によって駆動される排気タービンと、内燃機関に供給される新鮮空気を圧縮するための圧縮機を備えている。その際、タービンホイールと圧縮機ホイールは一般的に、共通の１本の軸上に配置されている。下側の出力範囲から数メガワットの範囲では、主として、排気が半径方向からタービンホイールに流入し、軸が内側で支承されるターボ過給器が使用される。

ガスを案内する通路が冷却されない非冷却式排気ターボ過給器の場合、タービン入口の排気温度は一層高い。それによって、機械の熱効率と、排気の量当たりの空気圧縮機に放出される出力が上昇する。

非冷却式の外側のタービンケーシング、すなわち運転中例えば６５０°Ｃの温度のガス入口ケーシングはほとんどが、はるかに低温の、例えば１５０°Ｃの軸受ケーシングに直接固定されている。或る用途では、軸受ケーシングは、ガスを案内する通路と異なり、上記の温度に冷却される。

従来の排気タービンの場合、タービンケーシングを軸受ケーシングに固定するために、接合板またはいわゆるプロファイルクランプまたはＶ字形バンド連結部が使用される。できるだけ高い効率を達成するために、タービン翼とタービンケーシングの間の空隙をできるだけ小さくすべきである。しかしそのためには、このケーシング壁とタービンホイールがいつでも、特に全負荷で運転中におよびすべての部品が熱負荷されている状態で互いにセンタリングされている必要がある。軸受ケーシングとタービンケーシングの間の温度差が大きいため、軸受ケーシングに対するタービンケーシングのセンタリングシートが時として半径方向に広がるので、タービンケーシングは軸受ケーシングと特にそれに軸受されたタービン軸に対してオフセットされる。すなわち、タービンケーシングは軸とそれに設けられたタービンホイールに対して半径方向においてもはやセンタリングされない。外部の力の作用によって大きくなるこのオフセットは、タービン翼尖端部をタービンケーシングの壁に接触させ、摩耗を生じるかまたは故障し、それによって排気タービンの効率を大幅に低下させることになる。

特許文献１には、星形に配置され、半径方向に移動可能である溝／舌片連結部によって、高温の部品のオフセットが回避可能であることが開示されている。

製作プロセスとして旋盤加工のほかにフライス加工を含んでいる、比較的にコストのかかる上記の従来の解決策の場合、不連続の数の溝／舌片連結部に基づいて、異なるケーシング位置の数が制限される。均一に分配された３，６または１２個の突起または溝によって、外側のタービンケーシングは軸受ケーシングに対して１２０°，６０°または３０°の位置変更を行うことができる。しかし、軸受ケーシングに対する外側のタービンケーシングの位置をほぼ無段階に調節することができる解決策が望まれる。
ヨーロッパ特許第０１１８０５１号公報

本発明の根底をなす課題は、軸受ケーシングに支承された軸に対するタービンケーシングのセンタリングを改善することにより、排気タービンが高い効率を有すると同時に、軸受ケーシングに対する外側のタービンケーシング部分の位置決めに関してできるだけ大きなフレキシビリティを有するように、排気タービンのケーシングを改良することである。

この課題は本発明に従い、請求項１記載の特徴によって解決される。

本発明の効果は、半径方向または軸方向に向いたセンタリング突起と対応する溝によって、軸受ケーシングとセンタリングリングの間またはセンタリングリングとガス入口ケーシングの間の連結の少なくとも１つが、形状拘束的な連結（かみ合い連結）ではなく、それによって軸受ケーシングに対してガス入口ケーシングを任意に位置決めすることができることにある。

このようなセンタリングは軸受ケーシングとガス入口ケーシングの間の一般的なすべての連結方法に適している。なぜなら、本発明に従い、センタリングがタービンケーシングの内部の部品によって、軸受ケーシング上でのガス入口ケーシングの支持範囲内で行われるからである。

他の効果は従属請求項から明らかである。

次に、概略的な図に基づいて、本発明によるタービンケーシングの実施の形態を詳しく説明する。すべての図において、同じように作用する要素には、同じ参照符号が付けてある。

排気ターボ過給器は主として、図１にラジアルタービンとして概略的に示した排気タービンと、図示していない圧縮機とからなっている。排気タービンは主として、ケーシングと、このケーシング内に回転可能に配置されたタービンホイール６を備えている。ケーシングは半径方向外側に位置する渦巻き状のガス入口ケーシング１と、ガス出口側のケーシング壁８と、軸受ケーシング４とを備えている。タービンホイール６の回転翼６１は軸受３１によって回転可能に支承された軸３上に配置されている。圧縮機側においてこの軸には、図示していない圧縮機ホイールが配置されている。

ガス入口ケーシングは下流側が、排気ターボ過給器に接続された図示していない内燃機関の排気のための流入通路７に接続している。流入通路はガス出口側のケーシング壁８とガス入口ケーシング１と軸受ケーシング４によって画成されている。

流入通路７内において、ガス入口ケーシングと軸受ケーシングとガス出口側のケーシング壁の間に、流れの向きを変えるためのノズルリングを配置することができる。

ガス入口ケーシング１は図示した実施の形態では、接合板５１によって軸受ケーシング４に固定されている。この場合、ボルト５２によってガス入口ケーシングに固定された接合板は、軸受ケーシング４と相対的な半径方向のガス入口ケーシングのある程度の動きを許容する。排気タービンが停止している状態で、ガス入口ケーシングと軸受ケーシングが低温であるときに、ガス入口ケーシングの支持部１１は軸受ケーシングの支持部４１に載り、それによって軸３とその上に配置されたタービンホイール６に対してセンタリングされている。支持部の範囲には、半径方向において両ケーシング部分の間にセンタリングリング２が配置されている。このセンタリングリングは、図２に示すように、多数の、例えば５〜７個のセンタリング突起２１を備えている。このセンタリング突起は一方のケーシング部分の対応するセンタリング溝内に係合している。センタリング突起はセンタリングリングの全周にわたって分配配置され、半径方向内側、半径方向外側あるいは軸方向に向くように配置可能である。

第１の実施の形態では、センタリング突起は半径方向外側に向き、対応する溝がガス入口ケーシング１に形成されている。図３はセンタリング突起２１を備えたセンタリングリング２の部分拡大図である。このセンタリング突起はガス入口ケーシングの溝１２に係合している。センタリングリング２は排気タービンの運転状態で、突起や溝とは反対の側を半径方向内側の軸受ケーシング４に押し付けることにより、軸受ケーシング４に摩擦的に連結されている。

排気タービンの運転状態で、ガス入口ケーシングはセンタリングリングよりも強く加熱され、軸受ケーシングよりもはるかに強く加熱される。上記の押し付けにより、センタリングリングは軸受ケーシングから分離されない。従って、センタリングリングは運転状態でも軸受ケーシングに対してセンタリングされたままである。軸受ケーシングよりもはるかに強く加熱され、従って加熱による半径方向膨張によって軸受ケーシング上にセンタリング支持されなくなるガス入口ケーシングは、溝内でのセンタリング突起の半径方向の案内によって、軸受ケーシングに対してセンタリングされたままである。

その際、押し付けは例えば円錐部（テーパ部）によって実現可能である。センタリング突起とは反対のセンタリングリングの側２３と、軸受ケーシングの対向する表面が円錐状に傾斜している。円錐角度、すなわち軸３の軸線に対する表面２３の角度は好ましくは、ケーシング連結部を分離する際にセンタリングリングが単独で軸受ケーシングから外れ、それに伴って円錐状の押し付け接合部がセルロックしないように選定されている。これは、１５〜３０°の円錐角で達成される。

押し付けは、互いに向き合う両側の一方だけが、すなわちセンタリング突起とは反対のセンタリングリングの側または軸受ケーシングの向き合う表面が、円錐状に傾斜し、他方の側が円筒状に形成されていることによっても達成可能である。

図４は第２の実施の形態の部分拡大図である。この実施の形態の場合、センタリング突起２１は半径方向内側に向き、対応する溝４２が軸受ケーシング４に形成されている。センタリングリング２は半径方向外側に位置する突起および溝とは反対の側がガス入口ケーシング内に圧入されている。

他の図は、ガス入口ケーシングと軸受ケーシングの間へのセンタリングリングの嵌込み構造を示す拡大図である。

図５〜７は、ガス入口ケーシング１に形成された溝１２と、半径方向外側に向いたセンタリング突起２１とを備えた第１の実施の形態を示している。ガス入口ケーシング１を軸受ケーシング４上に取り付ける際に、図５に従って、センタリングリング２が軸方向からケーシング部分の間に挿入される。その際、半径方向外側に位置するセンタリング突起２１はガス入口ケーシングの溝１２に整列すべきである。軸受ケーシングに対するセンタリングリングの整列は任意である。それによって、軸受ケーシングに対してガス入口ケーシングを自由に位置決めすることができる。続いて、両ケーシング部分は接合板５１とボルト５２によって、対応する軸方向ストッパー４３，１３が互いに接触するまで、相互の方に軸方向に移動させられる。その際、センタリングリング２は軸受ケーシング４上に嵌められて押し付けられる。円錐状のプロファイルのため、半径方向へのプレス嵌めが簡単に達成可能である。

図７は、第１の実施の形態を少しだけ変更した変形を示している。この場合、テーパが軸方向において反対方向に向いている。センタリングリング２は組み立て時に軸方向から両ケーシング部分の間に挿入されないで、圧縮機側から押込まれる。センタリングリング２は両ケーシング部分をボルトで締付ける際に、接合板５１によって軸受ケーシングのテーパ部に嵌められて押し付け固定される。

図８は軸受ケーシング４に形成された溝４２と、半径方向内側に向いたセンタリング突起２１とを備えた第２の実施の形態を示している。ガス入口ケーシング１を軸受ケーシング４上に取り付ける際に、センタリングリング２は軸方向からケーシング部分の間に挿入される。その際、半径方向内側に位置するセンタリング突起２１は軸受ケーシングの溝４２に整列すべきである。ガス入口ケーシングに対するセンタリングリングの整列は任意である。それによって、軸受ケーシングに対してガス入口ケーシングを自由に位置決めすることができる。続いて、両ケーシング部分は接合板５１とボルト５２によって、対応する軸方向ストッパー４３，１３が互いに接触するまで、相互の方に軸方向に移動させられる。その際、センタリングリング２はガス入口ケーシング１に挿入されて押し付けられる。円錐状のプロファイルのため、半径方向へのプレス嵌めが簡単に達成可能である。本発明によるタービンケーシングの図示した第２の実施の形態の場合、強く加熱されるセンタリングリングが有利に使用される。加熱されるセンタリングリングは同様に高温のガス入口ケーシングと共に膨張し、押し付けによってガス入口ケーシングに対してセンタリングされたままである。軸受ケーシングの溝内でセンタリング突起を半径方向に案内することにより、センタリングリングとガス入口ケーシングは軸受ケーシングに対してセンタリングされたままである。

センタリングリングと、溝を有するケーシング部分とが形状拘束的に（かみ合い）連結されているにもかかわらず、軸受ケーシングと相対的なガス入口ケーシングの位置を無段階に調節することができる。なぜなら、センタリングリングと他のケーシング部分の間には、摩擦的な押し付け連結だけしか存在せず、形状拘束的な連結が存在しないからである。

センタリングリングはセンタリング突起の代わりに、適当な溝を備えていてもよい。その際、突起は軸受ケーシングまたはガス入口ケーシングに配置されている。

一体のセンタリングリングの代わりに、複数のセタリングリングセグメント、例えば３個のセタリングリングセグメントを組み合わせて１つのセンタリングリングを形成してもよい。このセタリングリングセグメントは端部で、半径方向または軸方向に互いにフック止めされている。特に大型のタービンに適した、複数のセグメントに分割されたセンタリングリングは低コストで製作可能であり、簡単に組み立て可能である。

第１の実施の形態によるセンタリングリングを備えた本発明によるタービンケーシングの概略図である。 図１のセンタリングリングをＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した図である。 図２のセタリングリングの拡大図である。 本発明によるタービンケーシングの第２の実施の形態によるセンリングリングの拡大図である。 本発明によるタービンケーシングの第１の実施の形態の予備組み立て状態を示す拡大図である。 本発明によるタービンケーシングの第１の実施の形態の組み立て状態を示す拡大図である。 本発明によるタービンケーシングの第１の実施の形態の組み立て状態を示す拡大図である。 本発明によるタービンケーシングの第２の実施の形態の拡大図である。

符号の説明

１ ガス入口ケーシング
１１ 支持部
１２ センタリング溝
１３ 軸方向ストッパー
２ センタリングリング
２１ センタリング突起
２３ 押し付け表面
３ 軸
３１ 内側軸受
４ 軸受ケーシング
４１ 支持部
４２ センタリング溝
４３ 軸方向ストッパー
５１ 接合板
５２ 固定手段
６ タービンホイール
６１ 翼
７ 流入通路
８ ガス出口側のケーシング壁

Claims (10)

1. 回転可能な軸（３）を軸受するための軸受ケーシング（４）と、この軸受ケーシングに支持されかつ支持範囲において軸受ケーシングを同心的に取り囲むガス入口ケーシング（１）と、軸受ケーシングに軸受された軸に対してガス入口ケーシングをセンタリングするためのセンタリングリング（２）とを備え、このセンタリングリングと軸受ケーシングまたはガス入口ケーシングが互いに係合するセンタリング手段（１２，２１，４２）を備えている、タービンケーシングにおいて、センタリング手段が溝（１２，４２）と、この溝に係合させるための半径方向または軸方向に向いたセンタリング突起（２１）とを備えていることと、センタリング手段を備えていないケーシング、すなわちガス入口ケーシング（１）または軸受ケーシング（４）とセンタリングリング（２）とが摩擦的に連結されていることを特徴とするタービンケーシング。
2. センタリング突起（２１）がセンタリングリングに設けられ、溝（４２，１２）が軸受ケーシング（４）またはガス入口ケーシング（１）に形成されていることを特徴とする、請求項１記載のタービンケーシング。
3. 溝がセンタリングリングに形成され、センタリング突起が軸受ケーシングまたはガス入口ケーシングに設けられていることを特徴とする、請求項１記載のタービンケーシング。
4. センタリングリング（２）がセンタリング手段とは反対の側（２３）で、軸受ケーシング（４）またはガス入口ケーシング（１）に押し付けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載のタービンケーシング。
5. センタリング手段とは反対のセンタリングリングの側（２３）および／またはセンタリングリングを押し付けるケーシング表面（１１，４１）が、円錐状のプロファイルを有することを特徴とする、請求項４記載のタービンケーシング。
6. センタリングリング（２）とケーシング表面（１１，４１）とのプレス嵌めがセルフロッキングされないように、円錐角が１５〜３０°に選定されていることを特徴とする、請求項４記載のタービンケーシング。
7. 軸受ケーシング（４）が支持範囲に、軸方向ストッパー（４３）を備え、この軸方向ストッパーがガス入口ケーシング（１）を軸受ケーシング（４）に軸方向に固定するための手段（５１，５２）によって、ガス入口ケーシングの軸方向ストッパー（１３）に押し付けられていることと、軸受ケーシングの軸方向ストッパー（４３）とガス入口ケーシング（１）の間に配置された半径方向のセンタリングリング（２）が、ガス入口ケーシングを軸受ケーシングに軸方向に固定することによって、軸受ケーシングまたはガス入口ケーシングに押し付けられていることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一つに記載のタービンケーシング。
8. センタリングリングが互いに引掛けられた複数のセンタリングリングセグメントを備えていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載のタービンケーシング。
9. ガス入口ケーシング（１）と、軸受ケーシング（４）と、この軸受ケーシングに回転可能に軸受された軸（３）とを備え、ガス入口ケーシングが軸受ケーシングによって軸に対してセンタリングされ、かつ任意の角度で軸受ケーシングに連結可能である、請求項１〜８のいずれか一つに記載のタービンケーシングを具備する排気タービン。
10. 請求項９記載の排気タービンを具備するターボ過給器。

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