JP2008502853A

JP2008502853A - 回転数保護機構と複式ターボシステムとを備えた流体継手

Info

Publication number: JP2008502853A
Application number: JP2007515863A
Authority: JP
Inventors: クルトアドレフ，
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2008-01-31
Also published as: US20090255252A1; RU2377453C2; KR20070024615A; WO2005124176A1; EP1756443B1; CN1985101A; CN100439737C; BRPI0512199A; DE102004029656A1; DE502005001998D1; RU2007101722A; EP1756443A1

Abstract

本発明は、ポンプインペラー（１）と、ポンプインペラー（１）と共に作動媒体（３）で充填できる作動室（４）を構成するタービンインペラー（２）とを含む特に複式ターボシステムのための流体継手に関するものである。本発明による流体継手は、ポンプインペラーとタービンインペラーとの回転式固定連結のための機械式ロック装置（５）が設けられ、機械式ロック装置は設定充填率以下では閉鎖するように、継手（１３）の作動媒体ガイド範囲と関係する。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に複式ターボシステムのための流体継手、特に流体継手を備えた複式ターボシステに関するものである。

このような複式ターボシステム内の流体継手は、内燃機関の排気ガス流内に配置される排気ガス利用タービンから、内燃機関により駆動されるクランク軸へのトルクの伝達のために役立ち、それにより、駆動ラインの効率を高める。クランク軸は流体継手を介して排気ガス利用タービンにより駆動されることにより、排気ガス利用タービンの制御されない高回転数を回避する排気ガス利用タービンのトルク支援が、当然に行われる。何等かの理由から継手回路内の充填漏れにより、このトルク支援が制限され、または、遮断されると、排気ガス利用タービンは過回転領域に至り、損傷を受ける危険がある。

例えば、作動媒体の漏れに、材料の欠陥または修理の欠陥のための継手シェルでの損傷（亀裂等）により、流体継手の作動媒体回路内で変動される継手回路内の充填漏れに至り、すなわち、作動媒体の漏れに至る。そのような損傷の場合に全損傷の前に継手を守るために、たとえ、処置が行われても、複式ターボシステム内のそのような損傷は、排気ガス利用タービンの上記の過回転数をもたらし、排気ガス利用タービンを損傷する。このことを排除するために、従来、利用タービンの回転数監視装置が設けられていた。エンジンの遮断によってのみにできる、例えば、排気ガス利用タービンを駆動する排気ガス流を遮断するような他の処置が実行できないように思えるので、回転数監視装置は過回転数の確認の場合に、例えば排気ガス利用タービンの周囲のバイパスの切換えのような適切な処置を引き起こす。

別の欠点は能動回転数監視装置が外部エネルギーを必要とすることが分かる。

本発明は、技術水準に対して改良され、外部エネルギーななしでやっていける過回転数保護を提供し、本発明による流体継手、特に腹式ターボシステムを提供することを課題とする。

この課題は、請求項１の特徴部分を持つ流体継手および請求項１０の特徴部分を持つ複式ターボシステムにより解決される。特に、従属請求項は本発明の有利な構成を説明する。

それで、請求項１による流体継手は、先ず第１に相互に作動室を構成するポンプインペラーとタービンインペラーのような通常の構造を有する。この作動室は作動媒体で充填されるか、充填可能である。作動媒体の作動室への供給および作動室からの排出のために、継手循環路とも称される作動媒体循環路が設けられる。

本発明によると、流体継手はポンプインペラーとタービンインペラーを相互に回転式に固定してロックするロック装置を有する。このロック装置は、例えば、ポンプインペラーとタービンインペラーとの間、特に、ポンプインペラーの後側でタービンインペラーを包囲するポンプインペラーの外シェルとの間で、継手の作動媒体案内範囲と関係し、つまり、ロック装置は作動室の設定充填率下にあるように関係し、その際、作動媒体案内範囲の（部分的）充填および排出で充填率が生じるように閉鎖する。その際、本発明の意味での閉鎖は、ポンプインペラーとタービンインペラーの相互の回転式固定ロックを意味する。その際、閉鎖は、独自に都合良く行われ、すなわち、継手の外部から作用する手動操作では行われず、特に、流体継手の運転中に必然的に生じる遠心力の影響を受けて独自に行われる。この機械式ロック装置は架橋継手の形式で有利に構成され、この架橋継手は、独自で、特に運転中に必然的に生じる遠心力の影響を受けて係合し、離脱する。

機械式ロック装置は、作動室の充填率のための監視機能と並んで同時に流体継手のための過回転数保護を表すように特別に有利に構成できる。この場合、機械式ロック装置は、例えば、遠心力要素、すなわち、遠心力により設定回転数以上で、半径方向外方へ移動する設定質量を持つ要素を設けることにより、ポンプインペラーまたはタービンインペラーの設定回転数以上で閉鎖するように構成される。また、ここでは、架橋継手として都合良く構成されるロック装置の閉鎖が、特に独自に行われ、すなわち、架橋継手は、例えば、運転中に必然的に生じる遠心力の影響を受けて独自に係合し、離脱する。

特に、本発明による流体継手を複式ターボシステムに使用する場合、ロック装置の閉鎖、すなわち、クランク軸回転数での排気ガス利用タービン回転数の機械的継手は、排気ガス利用タービンの構成部品が過回転数による破壊の前に確実に保護されるようにする。それで、排気ガス利用タービン回転数とクランク軸回転数との間で流体継手が故障する場合、その代わりに機械的連結が生じる。例えば、これは、継手外部分の連結、すなわち、ポンプインペラーの外シェルと、内インペラー、すなわち、タービンインペラーとの連結とすることができる。

ポンプインペラーとの連結によりポンプインペラー回転数で回転する継手シェルは伝動装置、たいてい、歯車駆動装置を介して利用タービンと連結され、他方、内インペラー、すなわち、タービンインペラーは伝動装置、たいてい、歯車駆動装置を介してクランク軸と連結される。特に、継手シェルと内インペラーとの間で継手の半径方向へ移動できるボルトを配置でき、さらに、ボルトと整列する開口を配置できる。ボルトは、機械式ロック装置が閉鎖する時に第１ロック位置で開口内に嵌るか、開口を通過する。第１位置、すなわち、ロック装置の開放位置で、ボルトは完全に開口の外にある。ボルトが開口に嵌るかまたは嵌らないかどうかは、ロック装置が開放されている場合に作動媒体がボルト上に押出力を及ぼし、ボルトが開口から押出されることにより、作動室内の充填率により決定される。ロック装置が閉鎖される場合に、押出された作動媒体は対応する作動媒体案内範囲に存在せず、ボルトは適切な圧力手段、例えば、圧縮ばねにより開口内に押込められ、または、開口を通って貫通される。

特に、運転中にボルト上には次の力が作用する。すなわち、
＊遠心力Ｆｚ＝ｍω^２ｒ
ここで、
ｍ：質量（kg）
ω：角速度(1/S)
ｒ：循環路半径(m)
＊スプリング力（復元力）Ｆ_Ｒ＝-kx
ここで、
k：ばね定数(N/m)
ｘ：撓み(m)
＊ボルトの半径方向外方にある端面での回転圧力による力
Ｆ_Ｐ＝Ａ_Bolzenρ/2ω^２(ｒ_wirk ²-r_FR ²)(N)
ここで、
Ａ_Bolzen：ボルトの半径方向外方にある端面(m²)
ρ:作動媒体の密度(kg/m³)
ω：角速度(1/S)
ｒ_wirk：ボルトの外端面がある半径(m)
r_FR:作動室内の流体リングの内径(m)
＊浮力（回転室内）Ｆ_{Ａ，ｒｏｔ}＝ρａ_rotＶ
ここで、
ρ:作動媒体の密度(kg/m³)
ａ_rot＝ω^２ｒ求心加速度(m/S²)
Ｖ：ボルトにより押出される作動媒体の体積(m³)
通常運転、すなわち、排気ガス利用タービンまたは流体継手の臨界運転以外では、
Ｆ_Ｚ＜Ｆ_Ｒ＋Ｆ_Ｐ＋Ｆ_{Ａ，ｒｏｔ}
である。
それで、ボルトは通常運転の各回転数では、開口との係合外にある位置に確実に留まる。

継手内の充填レベルが低下すると、それにより回転圧力Ｆ_ＰＵおよび／または浮力は減少する。それで、ボルトでの力均衡は変化し、
Ｆ_Ｚ＞Ｆ_Ｒ＋Ｆ_Ｐ＋Ｆ_{Ａ，ｒｏｔ}
となる。
それで、遠心力は遠心力の対抗力を越え、このことは、ボルトが開口内に入り込み、ポンプインペラーとタービンインペラーとが回転式に固定して共にロックすることに至る。浮力がなるほどまだ存在する時も、同じく、ボルトのこの運動は生じるが、しかしながら、比較的に大きい浮力にも係わらず、遠心力が遠心力に対抗する力を越える限り、遠心力Ｆ_Ｚは過回転数に基づいて上昇する。

それによって、複式ターボシステム内の流体継手の使用の場合、クランク軸と排気ガス利用タービンとの間の機械的継手が確立される。

上記の方程式において、簡単化のために、作用する圧縮ばね力で計算がされた。当然、遠心力に対抗してボルトに力を及ぼすことができる任意の圧力手段を使用することができる。そのような圧力手段の使用では、タービンの低回転数（例えば、始動の場合）の場合にボルトが半径方向内方位置に保持され、それに対して、過回転数の場合に、この過回転数での長期の運転の前にタービンを保護するため充填回路においてもボルトが半径方向外方へ滑るように、スプリングを設計することは都合がよい。

実施例によると、クランク軸と排気ガス利用タービンとの間の緊急同期を確立するためにボルトは開口内に入った後でロックし、ボルトは再び手動で外されるまで保持される。他の実施例によると、エンジンの停止後にボルトは自動的に再び、当初の位置、すなわち、半径方向内方位置に戻される。

発明の別の実施例によると、継手シェルと内インペラーとの間に「浮かぶ」ボルトではなくて、「浮かぶ」揺動レバーが設けられる。この揺動レバーはボルトの前記の機能原理に応じて作動し、すなわち、第１位置を占め、その位置では、タービンインペラーはポンプインペラーに関して回転でき、または、内インペラーは継手シェルに関して回転でき、第２位置では、揺動レバーはポンプインペラーとタービンインペラーとを相互に回転式に固定してロックし、または、内インペラーと継手シェルとを相互にロックする。

揺動レバーと、その対応物、例えば、揺動レバーが係合する開口形状の対応物は、前記のボルトと同様に継手シェルと、タービンインペラーの後側との間の範囲に設けることができる。当然、そのような揺動レバーは前面で対向する２つの継手インペラーの間、一般的に一次インペラー（ポンプインペラー）と、二次インペラー（タービンインペラー）との間に配置でき、両方のインペラーの設定状態でロックのために構成することができる。その際、揺動レバーの位置は、ボルトの実施例に対応して継手の充填レベル、揺動レバーの遠心力、揺動レバー上でのスプリング力および揺動レバー上の回転圧力により有利に調整される。

図1において、内燃機関１１により駆動されるクランク軸と、内燃機関１１の排気ガスの作用を受ける排気ガス利用タービン１０との間の駆動連結部内に配置される流体継手１３が認識される。流体継手１３はポンプインペラー１とタービンインペラー２とを備える。ポンプインペラー１は伝動装置７を介して排気ガス利用タービン１０と駆動連結をする。タービンインペラー２は伝動装置８を介してクランク軸１２と駆動連結をする。
９は排気ガス流のガイドを示す。

ポンプインペラー１とタービンインペラー２は、相互に内部で作動媒体３が循環する作動室４を構成する。作動室４内で矢印により示される循環方向を参照のこと。作動媒体３はポンプインペラー１内で半径方向外方へ加速され、タービンインペラー２内では半径方向内方へ減速される。作動媒体３の循環流を介して、ポンプインペラー１からタービンインペラー２にトルクが伝達される。

作動媒体３は、例えば、作動媒体循環の中心または、ほぼ中心に送られ（図示せず）、タービンインペラー２の裏側、すなわち、作動室４と対向する側と、ポンプインペラー１と回転式に固定されてタービンインペラー２を包囲する外シェル１．１との間の範囲で、半径方向外方へ向けて作動室４から送出される。この送出は作動室４内の部分的または完全な排出の場合に常に生じる。しかしながら、作動室４内に作動媒体３の一定量が存在する場合にも、タービンインペラー２と外シェル１．１との間の範囲で対応する作動媒体レベルが生じる。

図２において、本発明によるロック装置５が配置される範囲の概要詳細図が図１から再度、認識される。図１でも、図２でも点線により流体継手の回転軸線６が示される。

図２において、さらに、機械式ロック装置５の範囲での作動媒体３のレベルが明白に認識され、つまり、図２ａでは「通常運転」が示され、他方、図２ｂでは運転状態が示され、何等かの理由により作動媒体は意図せずに流体継手から流出される。

図２ａにおいて、ボルトは、スプリング５．３の力と、ボルト５．１の半径方向外方にある端面に当たる回転圧力（力Ｆ_Ｂ）と、ボルトが、ほぼ完全にボルトの軸５．１．２が浸けられる作動媒体３の浮力とを受けており、その際、これらの力には、半径方向内方位置で開口５．２の外方にある回転力Ｆ_Ｚだけが対抗する。それで、ポンプインペラー１とタービンインペラー２との間の相対回転数（継手スリップ）が可能となる。

これに対して図２ｂによると、図２ａで示される運転状態に対して半径方向外方へ移動した作動媒体レベルに基づき、浮力も、回転圧力もボルト５．１の半径方向外方にある端面で消失する。遠心力Ｆｚはスプリング５．３のスプリング力に打ち勝ち、ボルト５．１の半径方向外端を開口５．２内に押し込む。外シェル１．１とタービンインペラー２との間の機械式ロックおよびポンプインペラー１とタービンインペラー２との間の機械式ロックが確立される。それによって、排気ガス利用タービン１０、すなわち、そのランナーは、その回転数に関してクランク軸１２に機械的に連結され、その際、排気ガス利用タービン１０の絶対回転数は挿入される伝動装置７、８のギヤ比に応じて調整される。

図２で分かるように、図示の実施例によると、開口５．２はタービンインペラー２の後側に構成される突出部５．５に配置される。ボルト５．１は円筒軸５．１．２を備え、円筒軸５．１．２を周方向で包囲するガイド５．４内を滑る。半径方向内方で、厚く、すなわち、大きい直径を有する頭部範囲５．１．１が軸５．１．２に接続される。軸５．１．２に対する頭部範囲５．１．１の突出部により、頭部範囲５．１．１での半径方向外方で肩部５．１．３が構成され、肩部にはスプリング５．３の半径方向内方軸方向端部が当たる。スプリングの対向する半径方向外方軸方向端部で、スプリング５．３はガイド５．４と当たる。スプリング５．３は圧縮ばねとして構成されているので、スプリングはボルト５．１に半径方向内方への力を及ぼす。

図３は、解放状態（図３ａ）とロック状態（図３ｂ）での図１、図２に対する変更されたロック機構を示す。その際、図３による実施例では当然にボルトは設けられていないけれども、図３は図１、図２でのボルトの縦軸線の位置による半径方向断面での２枚の断面図を示す。

この断面において、ポンプインペラー１の部品として、外シェル１．１で内方に接続される揺動レバー５．１１と、付属的に半径方向外方範囲での外シェル１．１による半径方向断面だけが認識される。

タービンインペラー２の内で、内部に揺動レバーの対応物としての開口５．１２が構成される軸方向突出部５．５による断面と、タービンインペラー２の外輪郭だけが図示される。

分かるように、ボルトの代わりにポンプインペラー１に枢着される揺動レバー５．１１が設けられ、揺動レバーは継手の回転軸と平行な軸の周囲で半径方向外方へ揺動できる。その際、揺動レバー５．１１は、圧縮ばね５．１３の力と遠心力に対して作動媒体（描かれた流体レベルを参照）の浮力により図３ａで示すロック解除位置で保持される。

充填率の低下、それにより、図示の流体レベルが半径方向外方へ移動し、揺動レバー５．１１での浮力が減少する場合、揺動レバー５．１１は圧縮ばね５．１３の力により図３で示される第２位置へ運動する。

例えば、タービンインペラー２からブレーキトルクが伝達されないことにより、ポンプインペラー１の高回転数による対応した大きい遠心力の場合に、特に、継手から作動媒体は十分に、または、完全に排出されるので、遠心力は揺動レバー５．１１をタービンインペラー２内の溝または開口、つまり、タービンインペラーに設けられる突出部の方向で半径方向外方の方向へ揺動する。揺動レバー５．１１は、この開口５．１２内で留まり、矢印で示される回転方向で回転するポンプインペラー１はタービンインペラー２を連行する。

当然に、流体レベル、それで継手の充填率を除いて、遠心力の影響を無視できるように揺動レバーが軽量に構成されるならば、揺動レバー５．１１の位置を決めることを考えることもできる。

次に、本発明の可能な実施例を、図２で図示される形状に対応して有利に計算により分析する。

例えば、アルミニウムエイト（特に記載されたボルト５．１の形状）は、直径１０ｍｍ、長さ２００ｍｍを有する。その際、この記載の全体の寸法は、幾分、有利に守られる選択された値とみなされなければならない。アルミニウムエイトは、流体継手が定格状態により、すなわち、設定充填率を越えなければ、作動媒体内で例えば、７５％まで浸けられる。適切なスプリングにより、例えば、１分当たり８５８６の回転数ではピストンが駆動し、すなわち、機械式ロック装置が閉じるように、システムは調整できる。これにより、１分当たり８５８６以上の過回転数は防止される。これに対して、継手内の作動室の充填率が減少すれば、減少した浮力が作用し、それで、特に、ボルトに当たるスプリング力だけがなお、ボルトに作用する遠心力に対向して作用をする。したがって、機械式ロック装置の閉鎖は、例えば、流体継手の通常の運転範囲内、すなわち、充填された継手または継手の作動室の設定充填率で許容される回転数範囲内で早期に行われる。

ロック装置またはボルトのために使用されるアルミニウムの密度が１ｍｍ^３当たり０．００２６５ｇであり、作動媒体の密度が１ｍｍ^３当たり０．００８４ｇの場合、１秒あたり９００の角速度では、ボルトには５６．１ニュートンの浮力が生じる。ボルトでの作動媒体内の回転圧力による復元力は７４．８ニュートンとなる。この実施例では、遠心力は２３６ニュートンであり、スプリング力は、特に、１０５．１ニュートンである。このことから、ロック装置の閉鎖は１分当たり８５８６の過回転以上で生じ、このことは、１秒あたり９００の前記の角速度に対応する。

これに対して油漏れでは、浮力も回転圧力による復元力も等しく０である。このことから、１分当たり４７３０の切換回転数が生じる。それで、タービンの暴走は確実に防止される。

複式ターボシステムの流体継手を示す。開放状態（図２ａ）と閉鎖状態（図２ｂ）での図１による本発明により構成される流体継手の細部を示す。開放状態（図３ａ）と閉鎖状態（図３ｂ）での別の本発明により構成される流体継手の細部を示す。

符号の説明

１ポンプインペラー１．１外シェル２タービンインペラー３作動媒体４作動室５機械式ロック装置
５．１ボルト５．１．１頭部範囲５．１．２軸
５．１．３肩部５．２開口５．３圧縮ばね
５．４ガイド５．５突出部５．１１揺動レバー
５．１２開口５．１３圧縮ばね６継手回転軸線
７伝動装置８伝動装置９排気ガスガイド
１０排気ガス利用タービン１１内燃機関１２クランク軸
１３流体継手

Claims

ポンプインペラー（１）と、ポンプインペラー（１）と共に作動媒体（３）で充填できる作動室（４）を構成するタービンインペラー（２）とを含む特に複式ターボシステムのための流体継手（１３）において、ポンプインペラー（１）とタービンインペラー（２）との回転式固定連結のための機械式ロック装置（５）が設けられ、機械式ロック装置は作動室（４）の設定充填率以下では閉鎖するように、継手（１３）の作動媒体案内範囲と関係することを特徴とする前記流体継手。
機械式ロック装置（５）は、さらに、ポンプインペラー（１）またはタービンインペラー（２）の設定回転数以上では閉鎖することを特徴とする請求項１に記載の流体継手（１３）。
機械式ロック装置（５）は、継手の半径方向で移動可能なボルト（５．１）とボルト（５．１）が嵌入できる開口（５．２）とを有し、ボルト（５．１）は両方のインペラー（１、２）の内の一方、特にポンプインペラー（１）に回転式に固定して接続され、開口（５．２）は他方のインペラー（１、２）、特にタービンインペラー（２）内に配置され、ボルト（５．１）は、設定充填率の場合、および設定充填率以上の場合、少なくとも作動媒体（３）の浮力（Ｆ_Ａ）の協力により開口（５．２）から押し出されるように作動媒体（３）内に浸けられ、圧力手段、特に圧縮ばね（５．３）が設けられ、圧縮ばねは、ボルト（５．１）上の作動媒体（３）の浮力（Ｆ_Ａ）に対抗し、設定充填率以下ではボルト（５．１）は開口（５．２）内に嵌入する特徴部分により特徴付けられる請求項１または請求項２に記載の流体継手（１３）。
ボルト（５．１）は円筒形状であり、ボルトの縦軸線は継手（１３）の回転軸線（６）に対して垂直であることを特徴とする請求項３に記載の流体継手（１３）。
ポンプインペラー（１）は外シェル（１．１）を備え、外シェルは作動室（４）から離れた側でタービンインペラー（２）を包囲し、機械式ロック装置（５）は外シェル（１．１）とタービンインペラー（２）との間の空間に配置されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の流体継手（１３）。
ボルト（５．１）は、外シェル（１．１）に固定されるか、外シェルと一体に構成されるガイド（５．４）内を滑り、開口（５．２）は、タービンインペラー（２）における特にガイド（５．４）と整列する突出部（５．５）内に構成されることを特徴とする請求項５に記載の流体継手（１３）。
ボルト（５．１）は、その半径方向内端部に頭部範囲（５．１．１）を備え、頭部範囲はボルト（５．１）の半径方向外方に接続する軸（５．１．２）に対して拡大外径を有し、肩部（５．１．３）が構成され、圧力手段として設けられる圧縮ばね（５．３）は、この肩部（５．１．３）で支えられ、半径方向において反対にガイド（５．４）で支えられることを特徴とする請求項６に記載の流体継手（１３）。
設定回転数以上では、機械式ロック装置（５）は作動室（４）の充填率に無関係に閉鎖するように、圧縮ばね（５．３）はスプリング力（Ｆ_Ｒ）を有し、ボルト（５．１）は質量（ｍ）を有することを特徴とする請求項２および請求項７の内のいずれか１項に記載の流体継手（１３）。
機械式ロック装置（５）は、継手の半径方向に揺動できる揺動レバー（５．１１）と、揺動レバー（５．１１）が嵌入できる開口（５．１２）とを備え、揺動レバー（５．１１）は両方のインペラー（１、２）の内の一方、特にポンプインペラー（１）に位置固定して接続され、開口（５．１２）は他のインペラー（１、２）内、特にタービンインペラー（２）内に配置され、揺動レバー（５．１１）は、設定充填率の場合、および設定充填率以上の場合、少なくとも作動媒体（３）の浮力（Ｆ_Ａ）の協力により開口（５．１２）から押し出されるように作動媒体（３）内に浸けられ、圧力手段、特に圧縮ばね（５．１３）が設けられ、圧縮ばね（５．１３）は揺動レバー（５．１１）上の作動媒体（３）の浮力（Ｆ_Ａ）に対抗し、設定充填率以下では揺動レバー（５．１１）は開口（５．１２）内に嵌入する特徴部分により特徴付けられる請求項１または請求項２に記載の流体継手（１３）。
機械式ロック装置（５）は、機械式ロック装置（５）が閉鎖後に手動操作まで閉鎖を続ける手段を備えていることを特徴とする請求項１から請求項９の内の１項に記載の流体継手（１３）。
内燃機関（１１）の排気ガス（９）内に配置され、内燃機関（１１）はクランク軸（１２）を駆動し、駆動連結部内の排気ガス利用タービン（１０）はクランク軸（１２）と接続できるか、接続される排気ガス利用タービン（１０）を備えた複式ターボシステムにおいて、駆動連結部内に請求項１から請求項９の内の１項に記載の流体継手（１３）が配置され、流体継手のポンプインペラー（１）は駆動連結部内で排気ガス利用タービン（１０）と連結し、流体継手のタービンインペラー（２）は駆動連結部内でクランク軸（１２）と連結することを特徴とする複式ターボシステム。