JP2009541652A - ターボ・チャージャのタービン用の二次換気システム - Google Patents

Abstract

排ガス・ターボ・チャージャのタービンは、複数の回転ブレード（１２）を有するタービン・ディスク（１１）と；複数のガイド・ブレードを有するノズル・リング（３１）と；タービンによって一次流（６１）に晒されているタービン・コンポーネント（３１，３２，３３）を冷却するための二次換気システムと；を備えている。冷却されるタービン・コンポーネント（３１，３２，３３）は、複数の冷却チャネル（４１）を有し、これらの冷却チャネルを通って、冷却空気は、二次流（６２）として送られることが可能である。このタービンは、二次空気システムが、収集チャンバ（２３）を有し、複数の冷却チャネル（４１）が、収集チャンバ（２３）から出ており、これらの冷却チャネル（４１）が、ノズル・リング（３１）の複数のガイド・ブレードに設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給された内燃機関のための排ガス・ターボ・チャージャの分野に関する。本発明は、タービンの複数のコンポーネントを冷却するための二次換気システムを有する、排ガス・ターボ・チャージャのタービンに関する。

ターボ機械の二次換気システムは、個々のコンポーネントを冷却するために用いられ、あるいは、適切な圧力勾配に基づいて、機械的な、熱的な、または化学的な理由から、熱ガスの手前で分離されねばならない領域への、熱ガスの進入を阻止する。

二次換気システムは、一次の流れ媒体が非常に高温を有しているガスタービンの分野で広く普及されている。熱ガスが当たる部分は、例えばコンプレッサの領域で主流から分岐される二次空気によって、冷却される。冷却は、衝突冷却、対流冷却または膜冷却によって、あるいはこれらの冷却方法の組合せによってなされる。

衝突冷却では、冷却空気は、孔から、通常、垂直に、及び、高い速度で、冷却される面に吹き当てられる。このような放射の衝突の際に、冷却空気は、衝突点から、四方へ、衝突面に平行に転向される。この場合、高い冷却作用が得られる。しかし、この冷却作用は、衝突点からの距離が益々大きくなるにつれて、連続的に減少する。この方法でより大きな領域を効果的に冷却するためには、これらの孔の多くを、個々の孔の列にまたは複数の孔の列に設けねばならない。

対流冷却では、冷却空気が、冷却される表面の上を流れ、温度の平均化がなされる。

膜冷却では、冷却空気が、複数の孔を通って、各々のコンポーネントから流出し、コンポーネントの表面に沿って、冷却膜を形成する。冷却膜は、熱い流体の、コンポーネントとの直接的な接触を阻止する。このことによって、コンポーネントの温度を劇的に下げることが可能である。

更に、二次空気は、既に上述したように、遮断空気として用いられる。その目的は、熱ガスの進入を阻止するためであり、あるいは、無接触シールの機能を支援するためである。

軸方向タービンを有する排ガス・ターボ・チャージャでは、内燃機関の熱ガス（以下、一次流ともいう）は、ガス入口ハウジングを貫流し、続いて、タービン段を通過する。タービン段は、ノズル・リングと、タービン・ディスクに設けられた回転ブレードとからなる。排ガスは、ディフューザ及びガス出口ハウジングを通って、タービンを離れる。５５０℃より高い範囲における高いガス流入温度では、以下の観察を行なうことが可能である。

熱い排ガスと直接的に接触しているコンポーネントでは、コンポーネントの高い温度は、特に、ガス入口ハウジングに、ノズル・リングに、回転ブレードに、回転ブレードの径方向外側に設けられたカバー・リングに、及び、僅かな量で、ディフューザに生じる。

ノズル・リングとタービン・ディスクとの間の熱ガスの進入によって、ガス入口ハウジングの、径方向内側の領域に形成された被覆チャンバで、同様に高い温度が生じる。このことは、同様に、タービン・ディスクの望ましくない温度上昇をもたらすことがある。

ターボ・チャージャと協働する内燃機関が、燃料である重油で駆動されるとき、約５００℃のガス流入温度のより上では、既に、数十時間の稼働時間の後に、ノズル・リングの表面に、回転ブレードに及びカバー・リングの内側に沈積物が形成される。このことによって、タービンの効率が悪化する。このことによって、内燃機関の排ガス温度が一層上昇する。

沈積された物質は、高い硬さを有する。このことは、同様に、カバー・リングでの沈積によって、回転ブレードの先端が丸くなることをもたらす。このことも、タービンの効率の劇的な悪化をもたらす。

稼動中の、即ち、内燃機関の実行中の、タービン段の規則的な洗浄は、沈積物を少なくとも部分的に再度洗い落とすために役立つことが可能であるが、以下の欠点、即ち、高価な洗浄装置が必要とされること、洗浄中に、排ガス・ターボ・チャージャ、従ってまた内燃機関も、通常、全負荷では稼動されてはならないこと、及び、洗浄液で作用される部品が、高い機械的・熱的な負荷にされ、このことが、部品の寿命に悪影響を及ぼすことがあることを有する。カバー・リングにおける沈積物を、洗浄液によっては、不十分にしか、または全然除去することができないので、回転ブレードの鈍磨する先端の問題が、規則的な洗浄によっては、防止することができないことが、加わる。

これに対し、内燃機関が、重油による作動において、比較的低い排ガス温度で作動されるときは、排ガス・ターボ・チャージャのタービン領域に、僅かな沈積物が沈殿され、あるいは、沈積物が全然沈殿しない。このことの原因は、一般的には、一次流に晒されているコンポーネントの低い表面温度に帰される。このことに関しては、２つの刊行物「『Bunker Fuels』, Liquid Minerals Group Inc.」及び「『Investigation Results for Combustion Residue of Marine Diesel Engines』,Toshikazu Takase, Makoto Yamawaki, et al., Journal of MENSJ, Volume 33,No.1,1998」。前者は、インターネット http://www.liquidminerals.com/framebf.htm で見出される。

WO 2006/005199 A1 からは、タービン・ディスクを冷却するための二次換気システムを有する、排ガス・ターボ・チャージャのタービンが、公知である。二次換気システムは、タービン・ディスクの外縁に向けられた供給チャンネルを有する。最高に負荷された領域の冷却によって、タービン・ディスクの機械的な剛性が高められる。

国際公開第 WO 2006/005199 A1 号パンフレット

Bunker Fuels, Liquid Minerals Group Inc. http://www.liquidminerals.com/framebf.htm Investigation Results for Combustion Residue of Marine Diesel Engines, Toshikazu Takase, Makoto Yamawaki, et al., Journal of MENSJ, Volume 33, No.1, 1998

本発明の課題は、効率のロスなしにより長い時間に亘って重油によって作動されることが可能な、排ガス・ターボ・チャージャのタービンを提供することである。

本発明では、二次換気システムによって、所定のコンポーネントの表面温度が下げられ、かくして、重油による作動中に、所定の温度より上で、これらのコンポーネントに形成される沈積物が、回避されあるいは最小限化される。

本発明では、二次換気システムを、以下のために、即ち、二次空気を、ディフューザにおける孔またはスリットを通して、一次流の、壁部に近い境界層に吹き込むことによって、ディフューザにおける一次流の流れ状態を改善するために、更に用いることが可能である。このことは、排ガス・ターボ・チャージャの所定の作動状態で、ディフューザにおける境界層の分離傾向を阻止しまたは最小限化する。このことは、高まった圧力回収従ってまた従来の技術より高いタービン効率において、表われる。

二次空気によりコンポーネントを冷却する際に、表面温度を低下させることが可能であるのみならず、コンポーネント全体で、非冷却の場合よりも低い温度が生じる。このことは、このようなコンポーネントのための材料の選択の際に、より大きな柔軟性を可能にする。このことによって、コスト、加工性及び材料の使用可能度に関して、重要な利点が生じることが可能である。この代わりに、材料の選択を変えないで、これらのコンポーネントの寿命を延ばすことが可能である。他の利点は、複数の従属請求項から明らかである。

本発明に係わる二次換気システムの第１の実施の形態を表わす、排ガス・ターボ・チャージャの、タービン側の部分の断面図を示す。 本発明に係わる二次換気システムの第２の実施の形態を表わす、排ガス・ターボ・チャージャの、タービン側の部分の断面図を示す。

以下、図面を参照して、本発明に係わる二次換気システムを有する排ガス・ターボ・チャージャのタービンの実施の形態を説明する。各々の図には、排ガス・ターボ・チャージャの、タービン側の部分が示されている。図示したタービンは、軸方向に流体が流れるタービン、いわゆる軸流タービンである。内燃機関から来る熱い排ガスを伴う、大きな白い矢印で示された一次流６１は、ここでは、ガス入口ハウジング２１から、ノズル・リング３１のガイド・ブレードと、タービン・ホイールの回転ブレード１２とを有するタービン段を通って、ガス出口ハウジングのディフューザ３３へ導かれる。回転ブレード１２は、タービン・ディスク１１に設けられており、タービン・ディスクは、タービンの軸線１３を中心として回転自在に取り付けられている。排ガス・ターボ・チャージャの場合には、コンプレッサ・ホイールが、タービン・ディスクに結合されており、あるいは、パワー・タービンの場合には、発生器、または機械式のパワー・マシン用の固定フランジがタービン・ディスクに結合されている。径方向内側の領域に、ガス入口ハウジングは、被覆チャンバ（Kalottenraum）２３を取り囲んでいる被覆ハウジング２２を有する。一次流のための流路は、ガス入口ハウジング２１のハウジング部分及び被覆ハウジングによって、及び、更に流れ方向に、ノズル・リング３１の、ガイド・ブレードを径方向外側及び内側に支持する壁部部分によって、回転ブレードの径方向外側に設けられたカバー・リング３２及びディフューザ３３によって形成される。

本発明では、タービンは、タービンの複数の所定のコンポーネントを冷却するために設けられている二次換気システムを有する。冷却空気流の、即ち、二次流６２のコースが、小さな白い矢印によって示されている。冷却空気を、コンプレッサの出口で、あるいは電動機のチャージ・クーラーの後に、コンプレッサの空気から取り出し、または外部の源によって供給することが可能である。

図１に示した第１の実施の形態では、二次換気システムは、二次空気供給手段４３を有する。供給手段は、径方向内側の領域に設けられていてもよいか、図２に示すように、ハウジング・リブ２４によって案内されていることが可能である。ハウジング・リブは、ガス入口ハウジング２１と被覆ハウジング２２との間の流路を横切っている。冷却空気は、二次空気供給手段４３から、収集チャンバ即ち被覆チャンバ２３に流れ込む。ノズル・リング３１とタービン・ディスク１１との間の非接触のシール５１は、圧力勾配に応じて、一次流６１の、被覆チャンバ２３への熱ガスの進入、あるいは、冷却空気の、一次流への損失（漏れ）を阻止または最小化する。

シール５１と、冷却空気で洗われる被覆チャンバ２３との組合せが、タービン・ディスク１１の、この組合せを有しないタービンの場合より低い材料温度をもたらす。タービン・ディスクとの熱交換が望ましくないときは、被覆チャンバを、挿入壁によって、タービン・ディスクから分離することが可能である。

本発明では、ノズル・リング３１は、被覆チャンバ２３に向けて開いている冷却チャネル４１を有する。被覆チャンバから出ている冷却チャネルは、複数のガイド・ブレードの内部を通って、ノズル・リングの、径方向外側の壁部に延びている。二次流は、ノズル・リングの個々のブレードを貫流する。ノズル・リングのブレードの表面温度の最大限の低下は、冷却空気のための流路の最適化された形状によって、詳しくは、例えば、内側表面をリブまたはフィンによって拡大することによって、達成される。

ノズル・リングに隣接するカバー・リング３２と、このカバー・リングに隣接するディフューザとには、冷却チャネル４１が延びている。

ノズル・リング３１を貫流した後に、二次空気は、カバー・リング３２に達する。カバー・リングはノズル・リングに隣接しており、カバー・リングの中には、冷却チャネル４１が延びている。冷却空気は、カバー・リングの、軸方向に向いた複数の孔または中空空間を通って流れる。これらの孔または中空空間は、カバー・リング３２の全周面に設けられている。同様に、カバー・リングの表面温度の最大限の低下は、冷却空気のための流路の最適化された形状によって、詳しくは、例えば、内側表面をリブまたはフィンによって拡大することによって、達成される。ノズル・リング３１とカバー・リング３２との間の密封が、二次流の漏れを防止する。

ノズル・リング３１を貫流した後に、二次空気は、ディフューザ３３に達する。ディフューザはノズル・リングに隣接しており、ディフューザの中には、冷却チャネル４１が延びている。冷却空気は、ディフューザ３３の、軸方向の複数の孔または中空空間を通って流れる。これらの孔または中空空間は、ディフューザ３３の全周面に設けられている。同様に、ディフューザ３３の表面温度の最大限の低下は、二次空気のための流路の最適化された形状によって、詳しくは、例えば、内側表面をリブまたはフィンによって拡大することによって、達成される。カバー・リング３２との間の密封が、二次流の漏れを阻止する。

コンポーネント、即ち、ノズル・リング３１及びカバー・リング３２、あるいはカバー・リング３２及びディフューザ３３、あるいはノズル・リング３１、カバー・リング３２及びディフューザ３３は、只１つのコンポーネントとして、一体的に設計されていてもよい。このことは、提案した二次換気システムの原理を何ら変更しない。

冷却空気が、ノズル・リングとカバー・リングとディフューザとを貫流した後に、ディフューザの中で適切に一次流６２と一緒にされることは、好都合である。このことは、出口開口部４２のスリット状の形状によって、冷却空気が一次流に運ばれて、一次流６２の流れ境界層が好影響を受けることによって、ディフューザ効率またはディフューザの圧力回復が高められるように、なされる。この場合、流れ境界層への好影響とは、この場合、ディフューザの如何なる流れでも発生する、流路の壁部に沿っての流れの境界層の分離傾向を、妨げることが可能であることを意味する。

その代わりに、冷却空気を、閉じた循環の中でも、冷却器を介して、被覆チャンバ２３に供給することが可能である。

第１の実施の形態では、コンポーネント、即ち、ノズル・リング３１、カバー・リング３２及びディフューザ３３に、冷却空気が貫流し、これらのコンポーネントが、冷却システムの形状の構造的な実施の形態に応じて、対流冷却または衝突冷却によって、または２つの冷却方法の組合せによって、冷却された後に、図２に示した第２の実施の形態では、膜冷却が、追加の冷却方法として付け加えられる。

この場合、冷却空気は、小さい孔の形態をとる追加の出口開口部４２’を通って、各々のコンポーネントから流出し、コンポーネントの表面に、冷却膜を形成する。冷却膜は、コンポーネントとの一次流の直接的な接触を阻止する。このことによって、コンポーネントの温度を、劇的に低下させることが可能である。図面では、追加の出口開口部４２’は、ノズル・リングのガイド・ブレード及びカバー・リングにのみ設けられている。

これらの出口開口部４２’は、冷却されるコンポーネントの表面の領域に、斜めに、ノズル状に形成されていてもよい。その目的は、表面に沿って冷却空気を流出することが可能であるようにするためである。

しかしながら、膜冷却のための追加の出口開口部は、他のコンポーネントにも、例えば、ノズル・リングの壁部にあるいはディフューザに設けられていることが可能である。

軸流タービンの２つの実施の形態が記載されたが、本発明では、混流タービンまたは半径流タービンも、冷却空気が貫流しているコンポーネントを有することもできる。この場合、ノズル・リングの領域に設けられた、周囲に形成された中空空間が、被覆チャンバの代わりをする。

１１…タービン・ディスク、１２…回転ブレード、１３…タービンの軸線、２１…ガス入口ハウジング、２２…被覆ハウジング、２３…被覆チャンバ、収集チャンバ、２４…ハウジングのリブ、３１…ノズル・リング、３２…カバー・リング、３３…ディフューザ、４１…冷却チャネル、４２…出口開口部、４２’…膜冷却のための出口開口部、４３…二次空気供給手段、５１…シール、６１…一次流、６２…二次流。

Claims (8)

1. 排ガス・ターボ・チャージャのタービンであって、
   複数の回転ブレード（１２）を有するタービン・ディスク（１１）と；
   複数のガイド・ブレードを有するノズル・リング（３１）と；
   前記タービンによって一次流（６１）に晒されているタービン・コンポーネント（３１，３２，３３）を冷却するための二次換気システムと；を備え、
   前記冷却されるタービン・コンポーネント（３１，３２，３３）は、複数の冷却チャネル（４１）を有し、これらの冷却チャネル（４１）を通って、冷却空気が、二次流（６２）として送られることが可能であり、
   前記二次空気システムは、収集チャンバ（２３）を有すること、及び、前記複数の冷却チャネル（４１）は、前記収集チャンバ（２３）から出ており、これらの冷却チャネル（４１）は、前記ノズル・リング（３１）の前記複数のガイド・ブレードに設けられていることを特徴とするタービン。
2. 前記タービンは、前記複数の回転ブレードの径方向外側に設けられたカバー・リング（３２）を、冷却されるコンポーネントとして有すること、及び、
   前記カバー・リングには、複数の冷却チャネル（４１）が設けられていること、
   を特徴とする請求項１に記載のタービン。
3. 前記タービンは、前記複数の回転ブレードの径方向外側の領域に隣接して設けられたディフューザ（３３）を、冷却されるコンポーネントとして有すること、及び、
   前記ディフューザには、複数の冷却チャネル（４１）が設けられていること、
   を特徴とする請求項１または２に記載のタービン。
4. 各々の冷却チャネル（４１）に通じる複数の開口部（４２，４２’）が、冷却されるコンポーネント（３１，３２，３３）に形成されており、これらの開口部は、この冷却チャネル（４１）を、前記冷却されるコンポーネントを通して、前記冷却されるコンポーネント（３１，３２，３３）の、前記タービンによって前記一次流（６２）に晒されている表面に、接続することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のタービン。
5. 前記冷却されるコンポーネント（３１，３２，３３）の表面に延びている複数の開口部（４２，４２’）は、この表面に対し斜めに及びノズル状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載のタービン。
6. 前記冷却空気を前記二次換気システムに供給することが可能であるために用いる二次空気供給手段（４３）が設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のタービン。
7. 前記二次空気供給手段（４３）は、前記二次流を横切るハウジング・リブ（３２）を通って延びていることを特徴とする請求項６に記載のタービン。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のタービンの複数のコンポーネント（３１，３２，３３）を冷却する二次換気システムを有するタービンを備えていることを特徴とする排ガス・ターボ・チャージャ。

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