JP2007309324A - 重油燃料の往復動内燃機関における排気駆動式過給機の案内羽根装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、タービン車室（１）に調整可能に支持された複数の案内羽根（２）と、案内羽根（２）を調整するための調整リング（６）と、調整リング（６）をタービン車室（１）に対して相対回転するための調整装置とを有し、調整リング（６）をタービン車室（１）に対して相対移動するために、調整装置が、第１支持部で調整リング（１）に直接支持され、第２支持部でタービン車室（１）に直接支持されている、特に排気駆動式過給機の軸流タービンの案内羽根装置に関し、これを、熱膨張上生ずる意図しない案内羽根装置の調整が減少され、同時に広い温度範囲における案内羽根装置の機能が保証されるように形成する。
【解決手段】調整装置が冷却装置（１３、１１０）を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、特許請求の範囲の請求項１の前文に記載の、案内羽根装置並びにこの案内羽根装置の案内羽根の調整方法に関する。

特許文献１において、複数の案内羽根が調整可能にタービン車室に支持されている排気駆動式過給機の軸流タービンの案内羽根装置が知られている。各案内羽根は調整レバーを介して調整リングに結合され、その調整リングはタービン軸線を中心として回転可能に支持されている。その調整リングの回転によって、案内羽根がタービン車室において回動され、これにより、排気ガス流が調整される。

力を導入するために調整リングにレバーが取り付けられ、このレバーの調整リングとは反対側端に、詳述していない外部操作装置が作用する。かかる外部操作装置は、調整リングを回転するために、第１支持部でそのレバーに、および第２支持部に慣性的に(inertial)固定支持されねばならない。

外部操作装置例えば電動アクチュエータなどは、排気駆動式過給機の運転中に生ずる７００℃までの範囲の温度に耐えられないので、かかる外部操作装置は、一般に、熱くなるタービン車室から間隔を隔てられ、熱絶縁され、このために、特許文献１におけるレバーはタービン車室から導き出され、比較的大きなてこを有する。慣性的に固定された第２支持部における外部操作装置の力作用点と、調整リングがレバーに結合されている箇所における調整リングへの力導入点との距離は、従って、比較的大きい。

いま排気ガスタービンが運転中における高温燃焼ガスのために熱くなると、排気ガスタービン特にその車室および調整リングは、そこから間隔を隔てられ熱絶縁された外部操作装置より大きく熱膨張する。大きなてこは、その際に生ずる調整リングにおける力作用点と慣性的に固定された第２支持部との間における相対変位を増強し、このために、調整リングおよびそれに伴って案内羽根装置の熱膨張上生ずる意図しない調整が生じさせられる。外部操作装置の第１支持部が調整リングに直接支持されておらず、その力作用点に比較的長いレバーを介して結合されているので、個々の部品の異なった熱膨張のために、案内羽根ホルダ（静翼ホルダ）に対して調整リングの意図しない大きな相対変位が生ずる。

特許文献２に、２個のアクチュエータが詳細に示されてない様式でそれぞれスピンドル伝動装置を作動する請求項１の前文における案内羽根装置が開示されている。そのスピンドル伝動装置はナットの形をした第１支持部で調整リングに支持されている。そのナットはスピンドル上を案内され、このスピンドルは第２支持部としてタービン車室に支持されたハウジングに支持されている。調整装置がここではその第１支持部で調整リングに直接支持され、その第２支持部でタービン車室自体に支持されているので、部品の部分的に異なった大きさの熱膨張のために生ずる両支持部の相対変位が全くあるいはほんの僅かしか増強されず、これにより、熱膨張上生ずる意図しない案内羽根装置の調整が、有利に減少される。

しかし特許文献２は、案内羽根装置に直接配置されたスピンドル伝動装置が、排気ガス流に生ずる１５０〜７００℃の温度にもかかわらず、どのようにしてその機能性を維持するかについて教示されていない。実験の結果、ここではいわゆる耐熱性潤滑材も機能しないことが確認されている。
独国特許出願公開第１００１３３３５号明細書 独国特許出願未公開第１０２００６０２３６６１．６号（発明の名称“排気駆動式過給機の軸流タービンの案内羽根装置”）

本発明の課題は、熱膨張上生ずる意図しない案内羽根装置の調整が有利に減少され、同時に広い温度範囲における案内羽根装置の機能が保証される、重油燃料の往復動内燃機関における排気駆動式過給機の案内羽根装置を提供することにある。

この課題は、請求項１に記載の案内羽根装置によって解決される。請求項１０に本発明に基づく方法が記載されている。

本発明の実施例における案内羽根装置は、排気ガス流を調整するために、タービン車室に回動可能に支持された複数の案内羽根を有している。これらの案内羽根は調整リングに、案内羽根が調整リングの運動特に回転によって調整できるように結合されている。

調整リングとタービン車室との相対運動を生じさせるために、少なくとも１個の調整装置が設けられている。この調整装置は第１支持部で調整リングに直接支持されている。調整装置は第２支持部でタービン車室に直接支持され、これにより、調整装置は両支持部間で、両支持部を相対移動させるために力を与えることができる。これにより、調整リングはタービン車室に対して相対的に移動することができる。

支持部は、同じように力を伝達できる自在継手あるいは固定継手を有する。ここで直接支持あるいは直接的支持とは、特に、調整リングないしタービン車室に空間的にできるだけ近くに配置することを意味し、即ち、タービン軸に対して最も短いてこを有する支持部を意味する。力作用点とは、力が部品に導入される箇所、例えばかみ合い結合部、溶接継手、ねじ結合部などを意味する。

この調整装置は、本発明に基づいて冷却装置を有している。これによって、調整装置は案内羽根装置のより近くに配置でき、これにより、第２支持部と調整リングへの力導入部との間隔が短くなる。特に、タービン車室と調整装置との間の熱絶縁は減少でき、あるいは省くことができる。この短い間隔のために、案内羽根装置特に調整リングおよびタービン車室の熱膨張上生ずる形状変化が、調整装置の力作用点間における大きな相対運動を生じさせない。これにより、案内羽根装置の熱膨張上生ずる意図しない調整が減少される。

調整装置の冷却は、他方では、調整装置に結合された調整リングとタービン車室の温度が高い場合でもそれらの機能を保証する。特に、耐熱潤滑材よりも著しく有利な通常の潤滑材が採用でき、その流動特性を維持する。

即ち、冷却によって、調整装置を案内羽根装置ないしタービン車室に直接配置することが可能となる。これによって、タービン車室の外側における調整装置とアクチュエータとを有する外部操作装置に対して用意されねばならない構造空間も減少できる。従って、冷却によって可能とされる調整装置の調整リングへの直接支持は、排気駆動式過給機のコンパクトな構造形状を可能にする。

本発明に基づく冷却によって調整装置を高温の調整リングないしタービン車室に直接支持することが可能となるが、この直接支持は、調整装置のセルフロックあるいは固着（かじり）の危険も減少できる。それにより、第２支持部と調整リングにおける力作用点との近接によって、アラインメントミスなどが僅かしか生じない。

特に重油燃料の往復動内燃機関における排気駆動式過給機の軸流タービンにおいて、その高い排気ガス圧力と高い排気ガス温度のもとでの排気ガスの大きな方向転換が、案内羽根装置を機械的および熱的に強く負荷するので、本発明に基づく案内羽根装置はそのような軸流タービンに適している。

前記冷却装置は、調整装置から熱を搬出するために、流体が能動的に循環される能動的冷却回路を有していることが有利である。その流体は例えば空気、特に新鮮空気、水あるいは冷却液である。このために、冷却装置は、往復動内燃機関から熱を搬出するために、流体が能動的に循環される往復動内燃機関の冷却系に接続される。これにより、もともと存在する冷却系が有利に利用できる。

往復動内燃機関の十分な冷却が常に保証されるようにするために、調整装置の能動的冷却回路の範囲でも冷却流体の漏れを防止ないし適時に検出することが有利である。これは往復動内燃機関と調整装置との冷却機能を含む冷却系全体における流体損失および／又は圧力損失を検出する往復動内燃機関の冷却系の冷却監視によって実行できる。そのような冷却監視は、調整装置の往復動内燃機関の冷却と無関係な自主的冷却においても考えられ、そのようにして冷却装置の停止や損傷による調整装置の過熱を防止する。

第２支持部と第１支持部との相対運動が、調整装置の少なくとも１個のストッパによって制限されるのが有利である。これにより特に、案内羽根がタービン翼の領域に達するまでに案内羽根が変位されることが防止できる。逆に、案内羽根装置が全閉されることが防止できる。従って、第１支持部と第２支持部の両方向における相対運動を制限する２個のストッパが設けられることが有利である。

１個あるいは複数個のストッパが調整可能に形成できる。これは、案内羽根装置の調整範囲を簡単に機械的に設定ないし制限することを可能にし、そのようにして、製造上および組立上の公差および運転中における摩耗なども補償することを可能とする。かかるストッパは、同じようにして、案内羽根装置の操作装置における故障時に許容できない調整を防止する安全装置として役に立つ。例えばストッパによって調整範囲が設定でき、その調整範囲は案内羽根装置における最小貫流面積Ａ₋Ｄと最小タービン貫流面積Ａ₋Ｔとの比Ａ₋Ｄ／Ａ₋Ｔに相当し、この比Ａ₋Ｄ／Ａ₋Ｔは、０．５〜１．０の範囲、好適には、０．６〜０．９の範囲、特に０．６５〜０．８５の範囲である。

第２支持部と調整リングにおける作用点ないし第１支持部との間隔は、有利に小さくされている。調整装置が調整リング自体に作用し、第１支持部と調整リングとの間ないし第２支持部とタービン車室との間のてこが小さいので、調整リングおよびタービン車室の熱膨張上生ずる形状変化は、案内羽根装置のほんの僅かな意図しない調整しか生じさせない。また、短い行程およびそれに伴う両支持部間の小さな支持間隔によって、調整装置のセルフロックないし固着（かじり）の危険が防止できる。

本発明に基づく案内羽根装置は、調整リングの円周に特に対称に分布され同期して制御される２個あるいはそれ以上の調整装置を有する。これは、調整リングの自律的調心を生じさせ、また調整リングに点状にないし小さな面に導入される力を減少する。

本発明の実施態様において、調整装置は、ハウジングとその中に回転可能に且つ軸方向に固定して支持されたスピンドルとナットとを備えた特に線形のスピンドル伝動装置を有し、そのハウジングは第１支持部および第２支持部のうちの一方に固く結合され、ナットは第１支持部および第２支持部のうちの他方に固く結合されている。かかるスピンドル伝動装置は特にコンパクトに構成でき、それに応じて、案内羽根装置に直接配置できる。そのハウジングを冷却流体が貫流することによって、ハウジングは特に良好に能動的に冷却される。またそのハウジングは、振動発生の際あるいは熱膨張により支持部の相対位置が変化した際、固着（かじり）あるいはセルフロックの危険を減少する。

かかる案内羽根装置において、スピンドルは特にカルダン軸によって、好適には電動アクチュエータに固く結合される。かかる電動アクチュエータによって、案内羽根装置は迅速且つ精確に操作できる。また案内羽根装置の制御が簡単に実行できる。カルダン軸によって、例えばタービン車室の熱膨張に起因するアクチュエータと線形伝動装置のスピンドルとの変換変位が生じうるが、これは案内羽根装置の調整を全くあるいはほんの僅かしか生じさせない。

本発明の他の課題、利点および特徴は、従属請求項および以下に述べる実施例から明らかとなる。

図１は、本発明の実施例における案内羽根装置を示している。この案内羽根装置は調整リング６を有し、この調整リング６はタービン軸線Ａを中心として回転可能にタービン車室１に支持されている。調整リング６のタービン軸線Ａを中心とした回転によって、案内羽根ホルダ（静翼ホルダ）３に支持された複数の案内羽根２が回動され、そのようにして、排気ガスタービン（図示せず）への排気ガス流を調整する。そのために案内羽根２は、詳細に図示されていない様式で、調整レバーを介して調整リング６に連結されている。

調整リング６をタービン軸線Ａを中心として回転するために、２個の調整装置が設けられ、これらの調整装置は調整リング６の円周上に対称に分布されている。その各調整装置はスピンドル７を有し、その各スピンドル７は、たわみ軸１００（図３参照）を介して、電動アクチュエータ（図示せず）に固く連結され、これによって作動される。

スピンドル７は調整装置のハウジング８内に回転可能に且つ軸方向に固定して支持されている。そのために、ハウジング８内にスラスト軸受１５が設けられ（図２参照）、このスラスト軸受１５はスピンドルのフランジを支持する。ナット９がスピンドル７の雄ねじにかみ合い、スピンドル７の回転によって軸方向に移動される。

調整装置は第１支持部において調整リング６に支持されている。そのために、ナット９が詳細に図示されていない様式で調整リング６に固く結合され、例えばねじ結合されている。調整装置は第２支持部においてタービン車室１に支持されている。そのために、ハウジング８がボルト１１によってタービン車室１にねじ結合されている。

そのハウジング８は調整装置を冷却するために接続口１３を有し、この接続口１３を通して、往復動内燃機関（図示せず）の冷却用冷却流体が、ハウジング８に流入され、ないし、そこから流出される。両調整装置は冷却流体管１１０を介して互いに接続されている（図３参照）。運転中において、往復動内燃機関の冷却回路を冷却材ポンプ（図示せず）によって能動的に循環される低温冷却材は、一方のハウジング８における接続口を通してこのハウジング８を貫流し、その際、そこから熱を吸収する。これにより、このハウジング８は冷却される。続いて、その幾分暖まった冷却流体は、そのハウジング８から他の接続口１３を通して冷却流体管１１０に流入し、そこから他方のハウジング８に接続口１３を通して流入する。冷却流体はそのハウジング８も貫流し、その際、そのハウジング８から熱を吸収する。続いて、冷却流体は他の接続口１３を通してこのハウジング８から流出され（図示せず）、再び往復動内燃機関の冷却装置に導かれ、そこで冷却流体は熱交換器（図示せず）によって冷却され、続いて再び冷却流体回路に供給される。

冷却することによって、往復動内燃機関の排気ガスで加熱されるタービン車室にハウジング８を直接配置することができる。ナット９は往復動内燃機関の排気ガスで同様に加熱される調整リング６と直接協働する。それにもかかわらず、調整装置の温度は能動的冷却によって、通常の潤滑材がその流動特性を維持して調整装置を潤滑し、これにより、調整装置の機能性を保つ範囲に維持される。

調整装置を調整リング６ないしタービン車室１に直接支持することによって、第１支持部と第２支持部は僅かな相対間隔しか有していない。この両支持部間で調整装置が力を与える。従って、タービン車室１と調整リング６が往復動内燃機関の高温排気ガスを受けるために場合により異なった大きさで膨張しても、タービン車室１および調整リング６に力を導入する調整装置の互いに接近した力作用点に意図しない大きな相対変位は生じない。これにより、熱膨張上生ずる意図しない案内羽根装置の調整が、即ち、調整リング６およびこれに連結された案内羽根２の熱膨張上生ずる意図しない調整が防止される。

ナット９はその両側端面（図２における左右）にそれぞれ調整可能なストッパ５６を有し、このストッパ５６はボルト５１によってゆるめることが可能なようにナット９に取り付けられ、ナットの軸方向における動きを制限する。これによって、ナット９とハウジング８との相対変位距離および従ってタービン車室１に結合された第２支持部と調整リング６に結合された第１支持部との相対変位距離も、両方向において制限される。これによって、一方では、調整リング６が案内羽根装置を全閉しないことが保証される。他方では、調整リング６が案内羽根２を、案内羽根２がタービン翼に接触して損傷するほどに回動させることが防止される。

ストッパ５６は、種々の最大変位行程を設定するために、ボルト５１をゆるめることによって調整できる。

２個の調整装置を備えた本発明に基づく案内羽根装置の正面図。 図１の案内羽根装置の１個の調整装置の断面図。 図１の２個の調整装置の詳細図。

符号の説明

１ タービン車室
２ 案内羽根
６ 調整リング
７ スピンドル
１３ 接続口
１００ たわみ軸

Claims (10)

1. タービン車室（１）に調整可能に支持された複数の案内羽根（２）と、案内羽根（２）を調整するための調整リング（６）と、調整リング（６）をタービン車室（１）に対して相対回転するための調整装置とを有し、調整リング（６）をタービン車室（１）に対して相対移動するために、調整装置が、第１支持部で調整リング（１）に直接支持され、第２支持部でタービン車室（１）に直接支持されている、特に排気駆動式過給機の軸流タービンの案内羽根装置において、
   調整装置が冷却装置（１３、１１０）を有していることを特徴とする排気駆動式過給機の特に軸流タービンの案内羽根装置。
2. 前記冷却装置が、調整装置から熱を搬出するために、流体が能動的に循環される能動的冷却回路を有していることを特徴とする請求項１に記載の案内羽根装置。
3. 前記冷却装置が、往復動内燃機関から熱を搬出するために流体が能動的に循環される往復動内燃機関の冷却系に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の案内羽根装置。
4. 第２支持部と第１支持部との相対運動が、調整装置の少なくとも１個のストッパによって制限されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の案内羽根装置。
5. 少なくとも１個のストッパ（５６）が調整可能であることを特徴とする請求項４に記載の案内羽根装置。
6. 調整リング（６）およびタービン車室（１）における調整装置による力作用点間の最大間隔が小さく、調整装置の最大調整距離のたかだか２倍、好適には、たかだか１．５倍、特にたかだか１．２５倍であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の案内羽根装置。
7. 調整リング（６）の円周に特に対称に分布された２個以上の調整装置を有していることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の案内羽根装置。
8. 調整装置が、ハウジング（８）とその中に回転可能に且つ軸方向に固定して支持されたスピンドル（７）とナット（９）とを備えたスピンドル伝動装置を有し、前記ハウジング（８）が、第１支持部および第２支持部のうちの一方に固く結合され、ナット（９）が、第１支持部および第２支持部のうちの他方に固く結合されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の案内羽根装置。
9. スピンドル（７）が、特にカルダンたわみ軸（１００）によって、好適には電動アクチュエータに固く結合されていることを特徴とする請求項８に記載の案内羽根装置。
10. 調整装置が排気駆動式過給機の運転中に冷却されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の案内羽根装置の案内羽根の調整方法。

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