JP2005163783A - 流体流れエンジン及びそのための支持リング - Google Patents

Abstract

【課題】タービンを収納しかつ中央放出流路を含むハウジング構造内に案内格子を備えた流体流れエンジンを提供する。
【解決手段】流体流れエンジンは、タービンホイールを収容するハウジング構造２にある案内格子を備えている。ハウジング構造は、タービンホイールを駆動する流体用の中央排出流路１０を有する。中心軸の周りに配置された案内羽根７のリングは、中心軸線の周りで支持リング６に装着される。支持リング６は、ハウジング構造内に挿入され、軸方向及び半径方向に可動な仕様でそのような可動性を可能にする適切な締付け器具によってハウジング構造に締め付けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンを収納しかつ中央放出流路を含むハウジング構造内に案内格子を備えた流体流れエンジンに関する。特に、本発明は、案内羽根のリングが中央軸線の周りに装着される支持リングばかりではなく、中央軸線の周りに配置された案内羽根のリングを備えた流体流れエンジンに関する。その支持リングはハウジング構造内に挿入される。

この種の流体流れエンジンは、例えば、二次空気ポンプ又はタービンとして、しかし特にタービン及びその軸受を収容する別個のハウジング部品をしばしば備えたターボ過給機として、様々な構成において常習的に設計される。したがって、「ハウジング構造」の用語は、タービンハウジングのみもしくは軸受ハウジングのみのいずれか、又は両者の組合せを包含するように本明細書の前後関係から理解されるべきである。

流体流れエンジンの案内格子は、流体自体の力によって、温度の影響によって、又は外部（例えば、内燃機関の）から加えられた振動によって、種々の形式の応力、脈動応力をも受ける。これらの影響を緩和又は排除するために、案内格子はハウジング自体の壁に対して締め付けられる又は支持リングによって締め付けられるが、すべての場合において、ハウジング、一般にタービンハウジングにしっかりと固定される。このような設計の例は、支持リング又はノズルリングがねじ付きボルトによってしっかりと把持されている。例えば、ＥＰ−Ｂ１−０２２６４４４号又は米国特許第５，１４６，７５２号において見出される。

このような案内格子内の歪みの現象は、当業者にとっては公知である。様々な形状の案内格子の場合においては、これは上述したＥＰ−Ｂ１−０２２６４４４号が説明しているように、可動案内羽根を妨害することもある。通常、周期的間隔で起こるこのような歪みは、材料に疲労を生じさせる。これは、特にターボ過給機においては、高温の変化する影響を受けるタービンの場合においては、特に好ましくない。

第１段階において、本発明は、従来の剛性取付け構造が個々の部品を空間的な関係に望ましく固定することになることを考慮しても、従来の剛性取付け構造が歪みの問題に関して欠点があるという認識にもとづいている。材料が固く装着されているならば、その材料があらゆる温度による膨張に対して、上述の歪みを生じさせることになる。しかし、このような歪みは避けるべきである。

したがって、第２の知的な段階では、本発明は、最初に述べたように、流体流れエンジンの構造に至り、その構造において、ノズルリングは軸方向及び／又は半径方向に可動な仕様で取付け装置によってハウジング構造に取り付けられる。

この解決は、基本的には驚異すべきことであり、人はこれを実施できないとほとんど考えるであろう。しかし、これはその場合ではなく、本発明に基づく取付け装置は、案内羽根に作用するすべての力を吸収し、それが小さくかつ限られた程度までであっても、補償を可能にする。このようにして、現在まで懸念された（ＥＰ−Ｂ１−０２２６４４４号参照）不調が回避される。

ノズルリングが可動の案内羽根の軸又は心棒を支持するように形成された案内格子が、可変の形状を有している場合には、これは好ましい。案内羽根の動作不良現象は、現在まで制御するのは非常に困難であるが、不調の理由となりうるノズルリングの歪みと同様に本発明にもとづいて安全に回避される。

原理において、一般的な温度条件に適用する場合の軸方向可動性は、レーザー・リゾネータのレーザーミラーを装着することから公知であるような仕様で、すなわち、熱の影響下で膨張する棒の上で実行され得る。このようにして、案内羽根の動作不良を回避するために正しい距離でミラーを保持する（この場合、それはノズルリングのような支持リングの１つである）。しかし、締付け装置が、半径方向に延び、特に支持リングの半径方向外面に配置され、好ましくは支持リング内で溝、特に環状溝によって形成された凹部、及び深部、好ましくは溝、特にハウジング構造の半径方向反対の壁に環状溝を備えているならば、インサート（例えば、スナップ・リング、ピストン・リング又はシガー・サークリップ・リング）が、それにもかかわらず軸方向及び／又は半径方向可動性を可能にするように、凹部と深部との間に設けられるのが、好ましい。この構成が好適である理由は、可変温度が案内格子に作用する影響だけではなく、既にのべたように、流れ力の影響もあることによる。しかし、好適構成は、これらすべての影響下で特定ではあるが制限されない可動性を可能にする。

本発明は、流体流れエンジンにおいて、中心軸線の周りに配置された案内羽根のリング、及び前記案内羽根のリングが装着された支持リングを含む案内格子と、タービン羽根車すなわちタービンホイールと、前記タービンホイール及び前記タービンホイールの周りの前記支持リングを含む前記案内格子を収容するハウジング構造であって、流体用の中央放出流路を含むハウジング構造と、前記支持リングを半径方向及び／又は軸方向に可動であるように前記支持リングを前記ハウジング構造に締め付ける締付け手段と、を備えている点に特徴を有する。前記タービンホイールとは発明の実施の形態の項で説明されているタービンロータと同じである。

発明の実施の形態

図１によれば、タービンハウジング２は、フランジ１６によって軸受ハウジングに接続される。軸受ハウジングの円筒形部分４０がタービンハウジング２内に突出し、タービンロータ（又は、タービンホイールすなわちタービン羽根車とも言う）４の軸３５を支持する。タービンハウジング２は、タービンロータ４を駆動する流体（ターボ過給機の場合、流体は燃焼エンジンの廃ガスである。）を供給するためにタービンロータ４を螺旋状に包囲する供給流路９と、ロータ空間２３と、流体又は廃ガスが放出される軸方向流路１０とを備える。

制御された量の流体をタービンロータ４に供給するために、供給流路９の出口側でかつロータ空間２３の前に「可変形状の案内格子」の用語で当業者に知られている装置が設けられる。この案内格子は、タービンロータ４を同軸に包囲する可動案内羽根７のリングを実質的に備えている。案内羽根７に固く接続された調節軸（又は代案としてアクスルすなわち心棒）は、支持リング６によって支持される。支持リング６はタービンロータ４を同軸に包囲し、ターボ過給機の場合には、「ノズルリング」の用語の下で当業者に公知である。

調節軸の旋回又は調節は、米国特許第４，６５９，２９５号から公知の仕様で実行される。その米国特許では、作動装置１１が制御ハウジング１２に装着されたタペット要素（図１において、一点鎖線で単に示されている。）の制御移動を制御する制御ハウジング１２を含む。その制御移動は、作動レバー１３及びそれに接続された作動軸１４を介して、ならびに、例えば、ノズルリング６の背後にある同調リング５の開口に係合する偏心輪１５を介して中心軸線Ｒの周りで同調リング５のわずかな回転運動に変換される。

同調リング５のこのわずかな回転運動によって、案内羽根７の旋回位置は、案内羽根７がおよそ接線方向に延びる極端位置からおよそ半径方向に延びる他の極端位置まで移動されるように、タービンロータ４に関して調節される。このようにして、供給流路９を介して供給される燃焼原動機の多量又は少量の廃ガスが、回転軸線Ｒに沿って延びる軸方向流路１０を介して排気される以前に、タービンロータ（又はタービンホイールすなわちタービン羽根車とも言う）４に送られる。

上述したように、この構成は原理的には公知である。本特許出願人と同じ譲受人に譲渡された古い特許出願においては、同調リング５の軸受面２０とノズルリング６の肩部２１との間でケージリング２２によって保持されたローラ３によって同調リング５を転がして運動を促進することが示唆されている。モジュラユニットとして案内格子をタービンハウジング２に装着できるようにするために、すなわち、それを事前装着しかつタービンハウジング２あるいは例えば、軸受ハウジングの円筒形部分４０に案内格子を締め付けるために、着脱自在な取付けリング２９を設けることが好ましい。その取付けリングは、ノズルリング６と共に、案内羽根７が支持されている羽根空間８の境界を定め、対応する軸方向距離は、当前記技術において公知のスペーサによって与えられる。

図１においてさらにわかるように、取付けリング２９は、本発明によれば支持リングと呼ばれてもよいが、タービンハウジング２の壁２′の環状肩部１７上でずらされ、そして、選択的にそれにねじ込まれ、あるいは代案としてそれが軸方向にずれることができるようにわずかな遊びをそこに残して置かれるだけでよい。ベレビルばねすなわち皿ばねワッシャ又は熱遮蔽３２がノズルリング６の内側フランジ６′に係合して、軸方向に案内格子を保持しかつそれを壁２′に押し付ける。皿ばねワッシャ３２の半径方向他端は、軸受ハウジングの円筒形部分４０に係合する。上述したように、取付けリング２９は、壁２′に関して軸方向に小さな遊びを有していてもよい。

皿ばねワッシャ３２は、半径方向内側突起６′においてノズルリング６を偏倚するように選択的に設けられるが、本発明にもとづくノズルリング６は半径方向及び／又は軸方向にわずかに可動になるように、締め付けられる。これは、図１の詳細部Ｘを拡大して表す図２を参照して記載される。図示する実施例においては、締付けは、タービンハウジング２のフォーク状部分２７に対してノズルリング６の半径方向外側においてなされるが（それは好ましい）、軸受ハウジングの半径方向内側においても、例えば、その円筒形部分４０においても、なされる。

図２はその状況を詳細に示す。ノズルリング６は、羽根空間８（図２の右）に対面する小径部分を有し、その部分は環状突起３３の下で小さい遊びｇを伴って一部分が通過できる。半径方向遊びｇは、ノズルリング６の半径方向膨張を可能にするように働く。ノズルリング６の別の部分は、羽根空間８（図２の左）からそれていて、大きい直径を有し、同じ遊びｇ′又は同じ目的を果たす遊びｇと異なる遊びを呈する。このようにして、熱膨張による半径方向可動性が妨げられずに達成される。

皿ばねワッシャ３２（図１）に対しての補充具として又はそれ無しで、一種の取付け具がノズルリング６に対して設けられる。それは、一方ではその半径方向移動を妨げないが、他方ではノズルリング６を突起３３によって形成された肩部表面２４に偏倚させる。理論的には、その構造は、肩部表面２４及び突起３３が羽根空間８からそれた側（ケージリング２２側）に配置されかつ偏倚が羽根空間８から離れるようになされるように逆さにされてもよい（これは前者よりは好ましくない）。

限られた可動性を可能にする取付けの目的のために、半径方向に伸長する凹部２５がノズルリング６の大径部分に設けられる。この凹部２５は、個々のくぼみとして（この場合、複数のこのようなくぼみがノズルリングの周囲に配分される。）形成されるが、製造上の理由及び装着を容易にするために、凹部２５は溝、特に環状溝として形成される。本好適実施例においては、それは環状溝２５であり、弾性リング２６が挿入される。弾性リング２６は、その弾性が例えば、しわにより生じてもよいが、スナップリング、ピストンリング、シガー・サークリップ・リングとして形成されることが好ましく、開いた分離点２８（図３）を有していて、この不連続点すなわち分離点２８において弾性リング２６の拡張両端がその直径を縮小するように共に弾性的に押し付けられ得る。この目的のために、溝２５の半径方向深さは、それが弾性リング２６の圧縮状態で、少なくともほぼその全半径方向幅（選択的には遊びｇ′を減じた）を受けるように、適切に寸法決めされる。

一定の遊びを伴って溝２５に挿入された弾性リング２６は、溝２５の反対側の溝３１に突出して、溝３１は半径方向内側に突出する壁２７にフォーク状断面形状をつくっている。各インサート（弾性リング２６の断面を有する）を受けるノズルリング６の周囲に配分された単なるくぼみがある場合に、この溝３１が個々のくぼみ又は凹部によって形成されるが、溝又は環状溝が好ましいことを理解されたい。ノズルリング６を肩部表面２４に向けて偏倚するために、図２からわかるように、溝３１及び／又は弾性リング２６が傾斜面３２′（溝３１の）及び／又はテーパ面３４（弾性リング２６の）を備えていれば有利である。

テーパ面３４及び傾斜面３２′の相互係合によって、外面を半径方向に押し付ける弾性リング２６のばね力が軸方向成分を生じさせ、図示するように、ノズルリング６を肩部表面２４に対して偏倚する。弾性リング２６が半径方向遊びｇ”及び軸方向遊びｇ’”を有するということにより、製造公差を補償する働きをする両方向の特定の可動性が与えられる。しかし、弾性リング２６及び溝３１の一方のみが傾斜面３２′又はテーパ面３４を有していても、前記軸方向成分がつくられることを理解されたい。しかし、この各場合、ノズルリング６が、熱膨張又は歪みの任意の傾向によって、半径方向膨張及び軸方向移動の両方の可能性を有することもありうる。前者の場合は、熱膨張は遊びｇ′によって、また後者の場合、軸方向遊びｇ’”によって吸収される。そのとき、弾性リング２６のテーパ面３４は傾斜面３２′にそってずれる。

図２の構成を見たとき、２つの対向溝２５、３１に係合する弾性リング２６によってどのようにして装着がなされるかという疑問が起こるかも知れない。もちろん、軸方向遊びｇ′の存在のために、リング２６を溝２５に押し込み、次いでノズルリング６を壁２７の下にずらすことが可能であろう。しかし、分離点２８を工具によって小さくすることができるようにするために、リング２６に少なくとも１つの取付けドッグ（ｄｏｇ）を設けることがより好ましい。このような装着ドッグは、突出部又は耳部もしくはその他の開口によって形成されうるが、少なくとも１つの取付けドッグ、好ましくは両方が突出部３７（特に、一体に形成される（図３））として設けられているならば、それは好ましい。これら突出部３７は、図３の内容によれば、分離点２８の両端において弾性リング２６の上側に形成されるが、選択的に軸方向横に突出していてもよい。理論上は、突出部３７を弾性リング２６に溶接又は半田付けすることも可能であるが（いくつかの場合には、弾性リング２６の弾性に影響を及ぼす）、耳部すなわち突出部３７は一般に打抜き加工によって一体に形成されるのが好ましい。

取り付ける際に、２つの突出部３７を、例えば、ペンチによって互いに押し付けて、切断部すなわち分離点２８の両端間の距離が少なくとも小さく又は接近されるようにする。このようにして、弾性リング２６の直径は減少され、弾性リング２６は溝２５（図２）の内部に進入する。突出部３７により一層接近させるために、溝３１の左側の境界壁（図２に関して）がペンチ等の装着工具を突出部３７に接近させる軸方向溝開口３６を備えている。

図４の場合には、溝３１の傾斜面３２′は存在しているが、リング２６′はテーパ面を持たず、その半径方向周囲において丸くされている。２つの支持リング、すなわちノズルリング６及び取付けリング２９は、図１の実施例においてはねじ付きボルトによって相互に接続されているが、これは図４の実施例においては異なる。この実施例においては、特定の最少距離を維持するためのスペーサ３８がノズルリング６に一体に形成される。スペーサ３８は、弾性リング２６によって加えられる軸方向力成分の下で取付けリング３０′又はタービンハウジング２の壁２′に直接に係合する。案内羽根７の自由移動に影響を及ぼす軸方向の膨張又は変形の場合においては、スペーサ３８が反対側の面（リング３０′又は壁２′の）から離され、弾性リング２６′が傾斜面３２′に沿って滑ることによってこのような撓み（膨張又は変形）を許す。

本発明に基づく締付けねじがスペーサ３８を貫通しなくてもよいので、このスペーサ３８は流体流に対して好ましい状態にかつ非常に薄く、例えば、供給流路９から回転軸線Ｒまでの方向に航空機の流線形輪郭に類似した流線形輪郭を有するように形成されて、タービン４に供給される流れエネルギの損失を小さくできることを理解されたい。

軸方向移動が案内されるように、スペーサ３８の反対側の取付けリング３０′の表面を深くすることは可能である。他方、取付けリング３０′は、案内羽根７の軸すなわち心棒４１を支持するように穴３９（一点鎖線で示す）が設けられる。このようにして、取付けリング３０′に関するノズルリング６の（制限された）軸方向移動が歪み又は膨張により生じた場合でさえも、羽根７の支持が悪くなることはない。それにもかかわらず、案内羽根７のリング及びそれらの上に置かれた取付けリング３０′と共にノズルリング６が事前装着状態でタービンハウジング２に挿入されてもよい。環状肩１７に関する格別の遊は、この場合、あらゆる環境の下でもはや必要ない。

対向溝２５、３１及び架橋リング２６を含む本発明に基づく実施例の一特徴、すなわち、リング２６が優れたシールを与えるということは、まだ説明されなかった。リング２６（図２）のテーパ面３４（好ましいが、図４に示すように、選択的に丸い縁が設けられる。）が、力の作用の下で傾斜面３２′に係合するので、リングはガスを排出する通路を実質的に密封状に閉じる。他方、リング２６の係合部分と共に比較的深い溝２５がラビリンス・シールを形成する。

多数の変形が本発明の範囲内で考えられる。例えば、本発明は、一定の形状の案内羽根にも適用されうる。ちょうど図４の場合において、溝３１の傾斜面無しに又はテーパ面無しにすることも可能であり、また、前述したベレビルばねワッシャすなわち皿ばねワッシャによってのみバイアス力を与えることも可能である。他方、少なくとも１つの傾斜面３２′又はテーパ面３４のみが与えられている場合には、皿ばねワッシャ無しでもすることができる。

ターボ過給機の軸受ハウジング及びタービンハウジングの部分軸方向断面図である。 図１のＸ部の拡大図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線にそった断面図である。 図１と同様な図面であって、変更実施例を示す。

符号の説明

２ タービンハウジング ３
４ タービンロータ ５ 同調リング
６ 支持リング ７ 案内羽根
８ 羽根空間 ９ 供給流路
１０ 軸方向流路 １１ 作動装置
１２ 制御ハウジング １３ 作動レバー
１４ 作動軸 １５ 偏心輪
２２ ケージリング ２４ 肩部表面
２５ 凹部 ２６ 弾性リング
２７ フォーク状部分 ２８ 分離点
２９ 取付けリング ３１ 溝
３２ 傾斜面

Claims (9)

1. 流体流れエンジンであって、
   中心軸線の周りに配置された案内羽根のリング、及び前記案内羽根のリングが装着された支持リングを含む案内格子と、
   タービンホイールと、
   前記タービンホイール及び前記タービンホイールの周りの前記支持リングを含む前記案内格子を収容するハウジング構造であって、流体用の中央放出流路を含むハウジング構造と、
   前記支持リングを半径方向及び／又は軸方向に可動であるように前記支持リングを前記ハウジング構造に締め付ける締付け手段と、
   を備えた流体流れエンジン。
2. 次の特徴、
   （ａ）流体流れエンジンがターボ過給機であること、
   （ｂ）前記案内格子が可変形状であり、前記支持リングが前記案内羽根の軸又は心棒を支持するノズルリングであり、好ましくは前記案内羽根が前記ノズルリングと前記ノズルリングの反対側にある取付けリングとの間で支持されること、
   のうち少なくとも１つが設けられている請求項１に記載の流体流れエンジン。
3. 前記ハウジング構造が接合手段を備え、前記締付け手段が前記支持リングを前記接合手段を偏倚する偏倚手段を備え、前記偏倚手段が前記支持リングを前記案内格子に向けて好ましくは偏倚する、請求項１に記載の流体流れエンジン。
4. 前記締付け手段が、前記支持リングの少なくとも１つの半径方向に伸長する凹部、特に半径方向外側凹部、好ましくは溝、特に環状溝と、前記ハウジング構造の半径方向反対側の壁にあるくぼみ、好ましくは溝、特に環状溝とを備え、ならびに軸方向及び／又は半径方向可動性が保証されるように、インサートが前記凹部と前記くぼみとの間に設けられていることを特徴とした、請求項１ないし３のいずれかに記載の流体流れエンジン。
5. 前記インサートは環状溝に挿入された弾性リングによって形成され、前記リングは前記溝の表面に係合する半径方向外側テーパ表面を好ましくは有し、及び／又は前記環状溝が前記弾性溝に係合する傾斜面を有している、請求項４に記載の流体流れエンジン。
6. 前記弾性リングは少なくとも１つの取付けドッグ、特に少なくとも１つの突出部を備え、前記環状溝が前記取付けドッグへの取付け工具の接近のための軸方向溝開口を備えた、請求項５に記載の流体流れエンジン。
7. 遊び間隙が、前記支持リングと前記ハウジング構造の反対側の壁との間及び／又は前記インサートと前記凹部又は前記くぼみの内側壁との間に設けられていて、自由な可動性を可能にする、請求項４に記載の流体流れエンジン。
8. 前記弾性リングは分離点を含むリング材料からなり、前記弾性リングは前記分離点の両端において前記弾性リングを圧縮する少なくとも１つの取付けドッグを備えた、請求項５に記載の流体流れエンジン。
9. 前記取付けドッグの少なくとも１つ、好ましくは両方が突出部として設けられ、特に一体に形成されている、請求項８に記載の流体流れエンジン。