JP2010538210A - ターボエンジン及び当該ターボエンジンの製造方法 - Google Patents

Abstract

ハウジング（１）と、軸線方向のディフューザ（２）と、流体の方向を軸線方向と径方向との間で転換させるためのインペラ（３）と、スクロール（４）と、少なくとも部分的に前記ハウジングに受容されている軸線方向のディフューザインサート（５）と、を有するターボエンジンにおいて、前記ディフューザインサート（５）内にはスクロール輪郭（６）が形成されており、前記スクロール輪郭は、前記ハウジング（１）と共に、前記スクロール（４）を画定している。

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載の浮動式インペラを備えたターボエンジン、特にラジアルコンプレッサもしくはスクロールコンプレッサ、ラジアルエキスパンダもしくはスクロールエキスパンダ、フランシス水車、又は、ラジアルハウジングポンプ、遠心ハウジングポンプ、もしくはスクロールハウジングポンプと、当該ターボエンジンの製造方法と、に関する。

同種のターボエンジンにおいては、インペラが、軸線方向のディフューザとスクロール又は収集室との間に配置されており、流体が流れる方向を軸線方向と径方向との間で転換させる。例えば、インペラは駆動しているインペラシャフトによって回転可能となり、流体を軸線方向においてディフューザを通じて吸い込み、スクロールもしくは収集室内へ導くことができる。方向転換と、後続のスクロールもしくは後続の収集室とによって、流体の流速は圧力に変換されるので、当該ターボエンジンは、例えばコンプレッサとして気体を圧縮し、又は、ポンプとして液体を輸送することができる。

逆に、スクロール又は収集室に流入し、且つ、軸線方向のディフューザから流出する流体の流れる方向が転換されることによって、流体の一部には、インペラを通過する際に角運動量が付与されるので、インペラは、流れエネルギー又は圧力エネルギーを分解して、インペラに連結したインペラシャフトを駆動させる。例えば、ラジアルエキスパンダは気体の圧力エネルギーの分解によってエネルギーを得るために利用され、フランシス水車は液体の流れエネルギーの分解によってエネルギーを得るために利用される。両方の可能性は組み合わせることもできる。例えば、エキスパンダの形態をした第一の同種のターボエンジンは、内燃機関の排気ガスによって駆動することができる。第一のターボエンジンのインペラに連結された、第二のターボエンジンのインペラは、外気を圧縮し、内燃機関に供給することができる。したがって、同種のターボエンジンは特に、好適には自己着火式の内燃機関のターボチャージャのエキスパンダ及び／又はコンプレッサを構成することが可能である。

以下、スクロール及びその他の収集室をまとめてスクロールと表記するが、その他のジオメトリを有しても良い。したがって、例えばスクロールの形ではないその他の収集室の輪郭も、総じてスクロール輪郭に含まれると理解される。その限りでは、「スクロールの」もしくは「スクロール」という概念は、つねに「収集室」で代用可能でもある。

従来、インペラ及びディフューザインサートを受容するスクロールは、鋳物のハウジングとして鋳造されてきた。それによって、スクロールのジオメトリを自由造形面として、材料を節約して製造することが可能となっている。しかしながら、この製造方法は、失われる鋳型又は再利用可能な鋳型を必要とするという点で不利である。それゆえ、必要な鋳型の数を制限するために、当該ターボエンジンは、寸法にわずかな差異のみをもたせて製造される。しかしながら、そのように限られた製品ラインから選択可能なターボエンジンは、その時々の流体の流れや、様々なインペラの直径に最適に適合することはできない。他方では、このアプローチは、特に同じ直径のスクロールのため、しかしまた、流れが逆方向のスクロールのために、同じ直径につき２つずつの鋳型を用意しなければならないので、依然として比較的多数の異なる鋳型の製造及び保管を必要とする。

それゆえ企業内部では、同種のターボエンジンで、スクロール輪郭をフランジにフライス加工し、フランジの先を丸めて後壁と溶接したターボエンジンがすでに試験された。スクロールのフランジにはさらに管継ぎ手が溶接されている。当該管継ぎ手はスクロールに接続しており、流体の流入もしくは流出のために設けられている。

このようなターボエンジンの場合、異なる鋳型を用意しない方が有利である。さらに、フライス加工されたスクロールは、その時々のインペラもしくは流体の流れのために最適化することができる。半製品のスクロールフランジ、後壁及び管継ぎ手は、製造及び貯蔵しやすい棒状の鍛造材料から製造しても良い。

しかしながら、スクロールフランジ、後壁、及び管継ぎ手の間に溶接継ぎ目が必要になるという点が不利である。一方では、その製造に多くの時間と費用とが必要になる。他方では、流体及び圧力を密閉するために必要な溶接継ぎ目には、比較的高い質の溶接が必要となるので、製造費用はさらに高くなる。加えて、使用できるのは溶接可能な半製品のみなので、特に半製品を原型の部分、例えば鋳物の部分として容易かつ有利に製造し、場合によっては引き続いて切削加工を行うことは困難になる。それゆえ、溶接されたスクロールフランジを有するターボエンジンは、これまで寸法が小さく、それに応じて流体の流れもしくは圧力も低いものだけが試されてきた。スクロール輪郭がフライス加工されて、当該フランジになっている。

したがって、本発明の課題は、同種のターボエンジンの製造を単純化することにある。

本課題を解決するために、請求項１のプリアンブルに記載のターボエンジンは、その特徴によってさらに構成される。請求項１７は、適切な製造方法を保護するものである。

本発明に係るターボエンジンは、ハウジングと、当該ハウジング内に受容されたインペラと、スクロール又は収集室と、軸線方向のディフューザインサートと、を有している。当該ディフューザインサートは、少なくとも部分的にハウジング内に受容されている。本発明によると、ディフューザインサート内にはスクロール輪郭が形成されており、当該スクロール輪郭は、ハウジングと共にスクロールを画定している。

先行技術とは異なり、スクロール輪郭がハウジング内に形成されていないので、ハウジングを容易に製造することができる。スクロール輪郭がディフューザインサートの端面及び／又は周囲面に形成されており、それによってスクロール輪郭が設けられたディフューザインサートの製造も容易になることが好ましい。

軸線方向のディフューザインサートが少なくとも部分的にハウジング内に受容されることによって、当該ディフューザインサートを固定し、ディフューザインサートとハウジングとの間を密閉することが容易になる。したがって、ディフューザインサートは取り外し可能であり、特に１つ又は複数のネジによってハウジングと連結されていることが好ましい。それによって、溶接継ぎ手の製造に多くの時間と費用を要するという上述の溶接されたターボエンジンの欠点が克服される。さらなる利点は、当該ターボエンジンは繰り返し組み立て及び分解が可能なので、例えばハウジングとディフューザインサートとの間、又はハウジングとインペラとの間のシールがより容易にアクセス可能になるという点にある。さらに、ターボエンジンの残りの部品を再利用して、破損した部品を容易に取り替えることができるので、維持費用が削減される。

スクロール輪郭は、ディフューザインサート内に切削加工によって形成され、例えばディフューザインサートの端面及び／又は周囲面にフライス加工されることが好ましい。

同様に、ディフューザインサートは原型の部分、特に鋳物の部分としても形成可能であり、スクロール輪郭は適切な鋳型によって形成される。特に、ディフューザインサートとハウジングとが解除可能な状態で連結されているとき、例えばネジでとめられているときには、ディフューザインサート及び／又はハウジングは、高い溶接可能性を有する必要がないので、鋳物の部分として形成可能である。

同様に、ディフューザインサート及び／又はハウジングは、変型の部分、特に鍛造物の部分、例えば落鎚の部分としても形成可能である。それによって製造が容易になるとともに、溶接時に生じる材料の圧縮によって、本発明に係るターボエンジンの安定性がより高くなる。

最後に、ディフューザインサート及び／又はハウジングを溶接部分として形成することも可能である。上述した、企業内部における従来のターボエンジンで、スクロールフランジの先を丸めて後壁と溶接したターボエンジンとは異なり、溶接部分として形成されたディフューザインサートもしくはハウジングは、比較的短い溶接継ぎ目を必要とするのみなので、時間及び費用を省いて実施することができる。

スクロール輪郭がディフューザインサート内に切削加工によって形成される場合、又は、ディフューザインサートが溶接部分として形成される場合には、そのために多数の鋳型を用意せずとも、スクロールのジオメトリをつねにインペラもしくは流体の流れに最適に適合させることができる。

上述の実施形態は互いに組み合わせても良い。したがって、変型部分、原型部分、又は溶接部分として形成されたディフューザインサートを、変型部分、原型部分、又は溶接部分として形成されたハウジングと連結することが可能である。

本発明の好適な実施においては、ハウジングは略鉢状に形成されており、ディフューザインサートと流体漏れのないように連結される。このために、ディフューザインサートは適切なフランジを有しても良い。当該フランジは例えばネジによってハウジングと連結されており、フランジとハウジングとの間には固体又は液体のシールが設けられていることが好ましい。

ディフューザインサートが端面でターボエンジンへの接続を形成し、インペラにまで達している場合、ディフューザはディフューザインサートを通じて単独で形成され得る。別の選択肢として、ディフューザインサートは、ディフューザインサートと連結されたハウジングと共にディフューザを構成することも可能である。同様に、ディフューザインサートは吸入口インサートを受容することが可能であり、当該吸入口インサートは単独又はハウジング及び／又はディフューザインサートと共にディフューザを画定する。第一のケース及び第三のケースでは、同じハウジングに異なるディフューザのジオメトリを配置することが好ましく、第二のケースでは、ディフューザインサートは比較的短く形成しても良い。

流体を流入もしくは流出させるための、スクロールに接続された開口部、特に管継ぎ手の形態をした開口部は、ハウジング内の孔によって特に容易に実現可能である。このために、ハウジング表面に通じる適切な孔は、ディフューザインサートのための受容空間に至ることが可能である。当該ディフューザインサートは、ディフューザインサート内に形成されたスクロール輪郭と共に、ターボエンジンのスクロールを画定する。

同種のターボエンジンにおいては、静翼、例えば流れをインペラに誘導するための前置静翼、又は流れの速度を圧力エネルギーに変換するための後置静翼が設けられていると好ましい。本発明に係るターボエンジンでは、このために、ハウジング、ディフューザインサート、及び／又は吸入口インサート内に当該静翼のための軸受を形成することができる。これによって、極めてコンパクトな形に設計することが可能になる。さらに、適切な静翼を、特に不動かつ低振動の状態でターボエンジンに固定することができる。

インペラはインペラシャフトに固定又は解除可能に連結されている。ハウジング内には、当該インペラシャフトのために密閉された軸受を形成しても良い。好適な構成においては、ハウジング内に当該軸封のための供給流路も形成されており、当該供給流路を通じて、例えば空気、油、又はその他の流体が当該軸封に対して、もしくは当該軸封から排出される。

さらなる課題、利点、及び特徴は、下位請求項と以下の実施例とから明らかになる。このために部分的に概略化した図が用いられる。

本発明の実施に係るターボエンジンの断面図である。 図１に係るターボエンジンのハウジングと連結されたディフューザインサートの、部分的な断面を示した透視図である。 図２に係るディフューザインサートの透視図である。

図１は、コンプレッサの形態をした本発明における実施例に係るターボエンジンの断面図である。鋳造された鉢状のハウジング１内には、インペラ３が回転可能に受容されている。軸線方向のディフューザインサート５は、自身のフランジ７において、ネジ１０によってハウジング１に取り外し可能に連結されている。吸入口インサート８も、ディフューザインサート５と共に、ネジ１０によってハウジング１に連結されている。

吸入口インサート８は、軸線方向において外気をコンプレッサのインペラ３に供給するために、ノズルリングの形態をした軸線方向のディフューザ２を形成している。そのインペラシャフトは、ターボチャージャのタービン（図示せず）によって駆動され、インペラ３を回転させる。これによって、インペラ３は軸線方向のディフューザ２を通じて外気を吸い込み、該外気が径方向に且つスクロール４の中に方向を転換される。これによって、外気は圧縮され、開口部９を通ってスクロール４を離れる（図２参照）。

スクロール４は、軸線方向のディフューザインサート５の端面にフライス加工されているスクロール輪郭６によって（図３参照）、かつ、その周囲面における開口部を通じて、ハウジング内の開口部９に接続されている。さらに、スクロール４が凹部の底面１２を画定している。底面１２は、ハウジング１内に形成されており、軸線方向のディフューザインサート５を部分的に受容している（図１参照）。

フライス加工されたスクロール輪郭６によって画定されたスクロール４は、インペラ３やコンプレッサの設計点における所定の体積流量等にとって最適となるように設計されている。好適には、スクロール輪郭６は、例えばコンピュータ制御されたＣＮＣフライス盤によって、棒状材料から成る半製品として鍛造されたディフューザインサート５内に形成されており、このために適切な鋳型を作製する必要がない。

適切な軸線方向のディフューザ２を、すなわち、所定の長さと所定の開口角とを有する吸入口インサート８を選択することによって、コンプレッサ内の流れはさらに最適化され得る。

吸入口インサート８とディフューザインサート５とハウジング１とが互いにネジ止めされているので、高コストの溶接継ぎ手が不要となる。さらに、ねずみ鋳鉄などの溶接が困難な材料からハウジング１を作製することもできる。インペラ３、吸入口インサート８、又はディフューザインサート５が破損した場合には、ネジ１０を緩めた後に、適切な部品と容易に交換することができる。

ハウジング１において軸線方向のディフューザインサート５を部分的に受容することによって、非常にコンパクトで、流体の密閉性が高く、振動の少ない構造のコンプレッサを実現することができる。

１ ハウジング
２ ディフューザ
３ インペラ
４ スクロール
５ ディフューザインサート
６ スクロール輪郭
７ フランジ
８ 吸入口インサート
９ 開口部
１０ ネジ
１２ 底面

Claims (18)

1. ターボエンジン、特にラジアルコンプレッサ、ラジアルエキスパンダ、フランシス水車、又はラジアルポンプもしくは遠心ポンプであって、
   ハウジング（１）と、
   軸線方向のディフューザ（２）と、
   流体が流れる方向を軸線方向と径方向との間で転換させるためのインペラ（３）と、
   スクロール又は収集室（４）と、
   少なくとも部分的に前記ハウジングに受容されている軸線方向のディフューザインサート（５）と、
   を有するターボエンジンにおいて、
   前記ディフューザインサート（５）内には、スクロール輪郭又は収集室輪郭（６）が形成されており、前記スクロール輪郭又は前記収集室輪郭が、前記ハウジング（１）と共に、前記スクロール又は前記収集室（４）を画定していることを特徴とするターボエンジン。
2. 前記ディフューザインサートが、前記ハウジングに取り外し可能に連結されていること、特にネジ止めされていることを特徴とする請求項１に記載のターボエンジン。
3. 前記スクロール輪郭が、前記ディフューザインサート内に切削加工によって形成されていること、特に前記ディフューザインサート内にフライス加工によって形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のターボエンジン。
4. 前記ディフューザインサート及び／又は前記ハウジングが、変型の部分、特に鍛造物の部分として形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のターボエンジン。
5. 前記ディフューザインサート及び／又は前記ハウジングが、原型の部分、特に鋳物の部分として形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のターボエンジン。
6. 前記ディフューザインサート及び／又は前記ハウジングが、溶接部分として形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のターボエンジン。
7. 前記ハウジングが、鉢状に形成されており、
   前記ディフューザインサートが、前記ハウジングに流体漏れのないように連結されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のターボエンジン。
8. 前記ディフューザインサートが、フランジ（７）を有しており、
   前記ディフューザインサートが、前記フランジによって前記ハウジングに流体漏れのないように連結されていることを特徴とする請求項７に記載のターボエンジン。
9. 前記フランジが、前記ハウジングに取り外し可能に固定されていること、特にネジ止めされていることを特徴とする請求項８に記載のターボエンジン。
10. 前記ディフューザインサート（５）が、前記ハウジングと共に前記ディフューザを形成することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のターボエンジン。
11. 前記ディフューザインサート（５）内には、前記軸線方向のディフューザ（２）を形成する吸入口インサート（８）が配置されていること、特に取り外し可能に固定されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のターボエンジン。
12. 前記ハウジング（１）内には、流体の流入もしくは流出のための開口部（９）が設けられており、
    前記開口部が、前記スクロールに接続していることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のターボエンジン。
13. 前記ハウジング及び／又は前記ディフューザインサート内に、静翼、特に前置静翼又は後置静翼のための軸受が形成されていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のターボエンジン。
14. 前記ハウジング内には、前記インペラのシャフト（１１）のためのシール又は密閉された軸受が形成されていることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のターボエンジン。
15. 前記流体が気体であり、且つ、前記ターボエンジンがラジアルコンプレッサ又はラジアルエキスパンダであることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載のターボエンジン。
16. 前記流体が液体であり、且つ、前記ターボエンジンがフランシス水車又はスクロールハウジングポンプであることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載のターボエンジン。
17. 前記ハウジング及び前記ディフューザインサートが、解除可能に互いに連結されていること、特にネジ止めされていることを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載のターボエンジンを製造するための方法。
18. 前記スクロール輪郭（６）が、前記ディフューザインサート（５）内にフライス加工によって設けられていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。

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