JP2011510207A - ガイド・デバイス - Google Patents

Abstract

ガイド・デバイス（４０）をガス出口ハウジング（２０）に取り付けるための締結が、ガイド・ブレード（４１，４２）の径方向外側の領域に配置される。このようにして、ガイド・ブレードの周方向の位置が、予め定められた角度の中で自由に選択されることが可能になる。ガイド・ブレード（４１，４２）と締結手段（５０）との間で、衝突が生ずることがない。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボマシンの分野に係り、特に、過給器付きの内燃機関のための排ガス・ターボチャージャに係る。

本発明は、前記タイプのターボマシンのハウジングへのガイド・デバイスの締結に係る。

排ガス・ターボチャージャが、内燃機関（往復ピストン・エンジン）の性能を増大させるために使用されている。排ガス・ターボチャージャは、内燃機関の排ガスの流れの中に排ガス・タービンを、そして、内燃機関の吸入部（吸入断面）の中にコンプレッサを有している。排ガス・タービンのタービン・ホイールは、内燃機関の排ガスの流れにより回転され、そして、シャフトを介してコンプレッサのロータを駆動する。コンプレッサは、内燃機関の吸入部（吸入断面）の中の圧力を増大させ、それにより、吸入の間、大量の空気が燃焼室の中に送られることになる。

排ガス・タービンはまた、パワータービンとしても使用される。この場合、これらのタービンは、シャフトを介して排ガス・ターボチャージャのコンプレッサを駆動することなく、発電機を、あるいは、クラッチを介して何か他の機械的な動力部品を駆動する。

現代の往復ピストン・エンジンの分野における近年の開発は、排出物、コスト及び燃料消費の減少により推進されてきた。ここで、エンジンの過給システムは、これらの開発の狙いを実現するためにかなり寄与している。過去には、大型エンジンにおいて、固定の幾何学的形状を有するタービン及びコンプレッサのコンポーネントを備えた排ガス・ターボチャージャが、主として使用されてきた。前記幾何学的形状は、個々のエンジンのためにデザインされ、適合されていた。しかしながら、それらの形状は、エンジンの運転中に変更されることが可能でなかった。

将来において、運転中に、排ガス・ターボチャージャをエンジンに対して更により良く適合させることを可能にするために、運転中に調整される（または、変更される）ことが可能なタービンの幾何学的形状（可変タービン形状：ＶＴＧ）の使用に対して、関心が高まっている。ここでは、排ガス・タービンのガイド・デバイスのガイド・ブレードの開口部が、ガイド・ブレードの回転により変えられる。

調整可能なタービンの形状の使用については、従来から知られており、特に、小型のエンジンの分野において、広く使用され、例えば、乗用車において使用されている。大型のエンジンにおいて、可変のタービン形状は、今日、既に、燃料／空気比の正確な調整を要求するガス・エンジンにおいて使用されている。将来において、大型エンジンにおける可変タービン形状の使用の更なる拡大が予想される。

ターボチャージャの流れのコンポーネントは、効率上の理由で、高い比出力（幾何学的なサイズに対する高いマス・フロー）のために開発されて来た。そのようなターボマシンのタービンの可動ブレードは、極端な振動励起にさらされる可能性がある。信頼性の高い運転挙動を確保するために、ガイド・デバイス（ノズル・リング）及びガイド・ブレード形状の非常に正確な調整が、タービンの開発において必要になる。

特に、ガイド・デバイスのガイド・ブレードが、タービン・ホイールの可動ブレードに対して、ガイド・ブレードの数に回転速度を乗じた値に等しい周波数で、周期的な擾乱を構成すると言う問題が生ずることがある。もし、前記周波数が、可動ブレードの固有振動数と一致する場合には、共鳴が発生する。この共鳴での交互に発生する応力は、場合によれば材料の損傷をもたらすことがある。共鳴の強度がガイド・ブレードの開口の減少に伴い増大することが知られている。これは、ガイド・ブレードの許容可能な開口に対して制約をもたらすことがある。可変のタービン形状において、ガイド・ブレードの開口について、利用可能な広い調整範囲を有していることは、重要である。もし、許容可能なガイド・ブレード開口の範囲が、許容できない共鳴の結果として制限されなければならない場合には、可変のタービン形状の利点が減じられることになる。

“Theoretical and Experimental Analysis of the Reduction of Roter Blade Vibration in Turbomachinery Through the use of Modified Stator Vane Spacing”, R. H. Kemp, M. H. Hirschberg, W. C. Morgan. NACA Technical Note 4374, 1958, から、ガイド・ブレードの周方向の位置の不均一な分布が、共鳴の強度のかなりの減少をもたらすことが可能であると言うことが知られている。ガイド・ブレードの不均一な配置は、共鳴の強度を減少させるために、今日多くのターボマシンにおいて使用されている。

大型エンジンのための排ガス・ターボチャージャにおいて、可変のガイド・デバイス（ＶＴＧ）は、一般的に、別個のモジュールとして組み立てられ、そして、図１に示されているように、排ガス・タービンのガス入口及びガス出口ハウジングに固定される。ガス入口・ハウジング及びガス出口ハウジングは、異なるエンジンに適合させるために、一般的に、定められた角度間隔（例えば１５°）で自由に回転されることが可能である。これは、典型的に、周上に均一に分布されたネジの使用をもたらす（１５°のセグメントの場合には、これは、２４本のネジをもたらす）。もし、不均一に配置されたガイド・ブレードが使用された場合には、ガイド・ブレードとネジとの間での衝突が不可避である。

"Theoretical and Experimental Analysis of the Reduction of Roter Blade Vibration in Turbomachinery Through the use of Modified Stator Vane Spacing", R. H. Kemp, M. H. Hirschberg, W. C. Morgan. NACA Technical Note 4374, 1958

本発明の目的は、排ガス・タービンなどのような、ターボマシンのための調整可能なガイド・デバイスを、隣接するハウジングに対して固定するために使用される締結手段が、ハウジングに対するガイド・デバイスのアライメントに対して独立に取り付けられることが可能であるように、最適化することにある。

本発明の概念は、ガイド・デバイスの取り付けのための締結を、ガイド・ブレードの径方向外側の領域に、特に、ガイド・ブレードのシャンクの径方向外側に、再配置することである。このようにして、ガイド・ブレードの周方向の位置は、予め定められた角度の中で自由に選択されることが可能になる。ガイド・ブレードと締結手段との間で、衝突が生じることがない。

ガイド・ブレードは、周上に均一にまたは不均一に、分布されることが可能である。

不均一な配置のために、ガイド・ブレードは、リリーフ・リング、支持リング及びブルーブ・リングの中での、ガイド・ブレードの取り付けの不均一な分布により実現される。

図１は、従来技術に基づく調整可能なガイド・デバイスを有する排ガス・タービンの断面を示す。 図２は、本発明に基づいてデザインされた調整可能なガイド・デバイスを有する排ガス・タービンの断面を示す。

本発明の実施形態が、図面に基づき、以下において詳細に説明される。

図１は、排ガス・ターボチャージャの、従来の軸流タービンの詳細を示す。タービン・ホイール１０は、シャフト３０の上に配置され、このシャフトは、軸Ａの回りで回転可能であるように、軸受ハウジングの中に取り付けられている。タービン・ホイール１０は、複数の可動ブレード１１を有していて、これらの可動ブレードは、タービン・ホイールの径方向外側の縁の上で、周に沿って分布されて配置されている。フロー・ダクトの中での排ガスの流れは、矢印により示されている。流れは、タービン・ホイールの可動ブレードに軸方向に接近する。

排ガス・タービンの可動ブレード１１の上流には、調整可能なガイド・デバイス（調整可能なタービン形状）が配置されている。前記調整可能なガイド・デバイスは、複数のガイド・ブレード４１を有していて、各ガイド・ブレードは、それぞれ一つのシャンク４２を有している。各ガイド・ブレード４１には、軸Ｂの回りで回転可能であるように、そのシャンク４２がそれぞれハウジングの中に取り付けられている。

ガイド・デバイスのハウジングは、フロー・ダクトの周りを環状に取り囲む支持リング４０を実質的に有している。フロー・ダクトの方に向かって、支持リング４０はまた、リリーフ・リング４５の周りを取り囲んでいても良い。ガイド・ブレード４１のシャンク４２は、この目的のために設けられたボアの中で支持リング４０の中に配置されている。これらのボアは、ガイド・ブレード４１のシャンク４２と同様に、実質的に径方向に伸びている。支持リングは、締結手段５０により、ガス出口ハウジング２０に固定されている。ボルトまたはネジが、締結手段として使用される。

調整可能なガイド・デバイスはまた、調整リング４３、及びガイド・ブレード毎に各一つの調整レバー４４を有している。ガイド・デバイスを調整するために、調整リング４３が周方向に移動される。これらの調整レバー４４は、ガイド・ブレードのシャンク４２に、この回転運動を伝達する。

図２に示された本発明に基づいてデザインされたガイド・デバイスにおいて、締結手段は、ガイド・ブレードのシャンク４２の支持ポイント４６の径方向外側に、または、ガイド・ブレードのシャンクの自由端の径方向外側に、配置されている。締結手段５０がその外側に配置される半径ｒ２は、それ故に、ガイド・ブレードのシャンクがその内側に配置される半径ｒ１と比べて大きい。

それ故に、ガイド・ブレード４１は、支持リングの周に沿って、均一にあるいは不均一に、分布されることが可能であり、それにより、締結手段５０とガイド・ブレードのシャンク４２が互いに交差することが無い。ガイド・ブレード４１の不均一な配置は、リリーフ・リング４５、支持リング４０及び調整リングの中への、ガイド・ブレードの取り付けの不均一な分布により実現される。

不均一に分布されたガイド・ブレードの場合であっても、支持リング４０が、ガス出口ハウジング２０に対して、締結手段のためのボアにより許容される如何なる角度にも、配置されることもまた可能であって、これらのボアは、周に沿って分布されて配置されている。ガイド・ブレードの周方向の位置は、それ故に、予め定められた角度の中で自由に選択されることが可能である。

図２に示されているように、ガス入口・ハウジング２１は、調整レバー４４の径方向内側で、別個の締結手段により、支持リング４０に接続されることが可能である。

１０・・・タービン・ホイール、１１・・・タービン・ホイールの可動ブレード、２０・・・排ガス・タービンのガス出口ハウジング、３０・・・排ガス・ターボチャージャのシャフト、４０・・・支持リング、ガイド・デバイスのハウジング、４１・・・調整可能なガイド・ブレード、４２・・・ガイド・ブレードのシャンク、４３・・・調整リング、４４・・・調整レバー、４５・・・リリーフ・リング、４６・・・ガイド・ブレードのシャンクを取り付けるための支持ポイント、５０・・・支持リングをタービン・ハウジングに固定するための締結手段、ｒ１・・・ガイド・ブレードのシャンクの外側半径、ｒ２・・・支持リングをタービン・ハウジングに固定するための締結手段の内側半径、Ａ・・・排ガス・ターボチャージャのシャフトの軸、Ｂ・・・ガイド・ブレードのシャンクの軸。

Claims (3)

1. ハウジング（２０）及びガイド・デバイスを有するターボマシンであって、
   このガイド・デバイスは、環状のデザインであり、且つ回転可能なガイド・ブレード（４０）を有し、
   これらのガイド・ブレードは、ガイド・デバイスの周に沿って分布された状態で配置され、且つガイド・デバイスの支持リング（４０）の中で径方向に伸びるシャンク（４２）が、それぞれ取り付けられ、
   この支持リング（４０）は、ガイド・ブレードのシャンク（４２）を保持するための支持ポイント（４６）、及び支持リング（４０）をハウジング（２０）に固定するための締結手段（５０）を有する、
   ターボマシンにおいて、
   前記ガイド・ブレードのシャンク（４２）を保持するための前記支持ポイント（４６）が、第一の半径（ｒ１）の径方向内側に配置され、前記締結手段（５０）は、第二の半径（ｒ２）の径方向外側に配置されていること、及び、
   前記第一の半径（ｒ１）は、前記第二の半径（ｒ２）と比べて小さいこと、
   を特徴とするターボマシン。
2. 下記特徴を有する請求項１に記載のターボマシン：
   前記ガイド・ブレード（４０）は、ガイド・デバイスの周に沿って不均一に、即ち互いに対して異なる間隔を隔てて、配置されている。
3. 請求項１または２に記載のターボマシンとしてデザインされた排ガス・タービンを有する排ガス・ターボチャージャ。

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