JP2012503719A - ターボチャージャおよびその調節可能なブレード - Google Patents
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Abstract
特にディーゼル機関におけるターボチャージャ用途のための調節可能なブレードを説明する。この調節可能なブレードは、樹枝状の炭化物析出物のあるオーステナイトの基本構造を有する鉄ベース合金からなる。
Description
本発明は、請求項１の前段による、特にディーゼル機関におけるターボチャージャ用途のための調節可能なブレードに関し、およびまた、請求項５の前段による、調節可能なブレードを有する排気ターボチャージャに関する。
排気ターボチャージャは、ピストンエンジンの動力を増大させるためのシステムである。排気ターボチャージャでは、排気エネルギーを使用して動力を増大させる。動力の増大は、１作動行程当たりの混合物量を高めることにより得られる。
ターボチャージャは実質的に、シャフトを備える排気タービンと、コンプレッサとからなり、エンジンの吸気管に配置されているコンプレッサはシャフトに接続されており、および排気タービンのケーシングおよびコンプレッサに配置されている羽根車が回転する。可変タービン形状のターボチャージャでは、調節可能なブレードがブレード軸受リングに回転可能に追加的に取り付けられ、かつターボチャージャのタービンケーシングに配置された調整リングによって動かされる。
公知のように、調節可能なブレードは極めて厳しい材料要件を満たす必要がある。調節可能なブレードを形成する材料は耐熱性である必要があり、換言すると、約９００℃までの非常に高い温度でも十分に強度を示す必要がある。さらに、材料の腐食または摩耗を低減させるために、材料は高い耐摩耗性を有し、また対応する耐酸化性を有する必要があり、その結果、過酷な動作条件下でも材料の耐性が依然として保証される。加えて、材料は浸食性の攻撃にも耐性を示す必要がある。材料のこれらの物理的特性はまた、構成部品、すなわち調節可能なブレードにも反映している。
排気ターボチャージャまたはそれらの個々の構成部品用の耐熱性材料は、欧州特許出願公開第１ ３９６ ６２０Ａ１号明細書から公知である。ここでは、特定の組成物を有する材料、構成部品の表面が炭化クロム層によって被覆されることが可能なもの、および小さな非金属含有物の割合が低い材料が好適であると考えられている。それにより、ターボチャージャまたはその個々の構成部品の耐熱性が７００℃までまたはそれ以上まで達成される。
一方、本発明の目的は、耐温度性および耐酸化性、および極端な温度下での耐浸食性、および対応する耐湿食性が改善され、最適なトライボロジー的特性によって特徴づけられ、その上、摩耗に対する感受性の低下を示す、請求項１の前段による調節可能なブレードおよび請求項５の前段によるターボチャージャを提供することにある。
この目的は、請求項１および請求項５の特徴によって達成される。
調節可能なブレードまたはそのような調節可能なブレードを含む排気ターボチャージャの、本発明による設計のおかげで、構成部品に良好な耐温度性が得られる。これはさらに、鉄ベース合金に含まれる樹枝状の炭化物析出物（すなわち、鉄ベース合金に含まれ、高分岐で、さらに、窒化物構造の形態で窒素が分散している炭化物微細構造）によって数倍高まる。そのように、調節可能なブレード、または本発明による調節可能なブレードを含む排気ターボチャージャが設けられる。この調整ブレードは、９００℃までの範囲の最適な耐温度性を有し、加えて耐熱性が高く、高い耐摩耗性、耐浸食性および耐食性を有し、その上、非常に良好な滑り特性、ならびに酸化力の低下によっても特徴づけられる。
さらに、本発明による調節可能なブレードは寸法安定性があり、それゆえ高度に平面的である、換言すると、それを形成する材料の強度が高いことによって特徴づけられる。
理論には関与しないが、樹枝状形態の炭化物析出物によって、鉄ベース合金の安定性が高められると仮定する。これら炭化物析出物は、材料の微細構造に、支持的な作用を行う微細な分岐を形成するので、材料の強度それゆえ本発明による調節可能なブレードの強度が、それら材料の構造が特有であるために著しく改善されるということである。この場合、窒化物構造の形態の元素窒素が分散していることによって、さらに摩耗性能および耐食性が高まる。
さらに、本発明による調節可能なブレードを形成する材料または調節可能なブレードは、結晶間に生じる腐食に対して最適な耐性を示す。
この場合、本発明による調節可能なブレードの最大摩耗率は、試験媒体がディーゼル排気ガスで、軸受荷重１０〜約１８Ｎ／ｍｍ２、滑り速度０．００２５ｍ／秒、部品温度約５００〜９００℃、表面粗さＲｚ６．３、試験持続期間５００時間、クロック周波数０．２Ｈｚ、調整角度４５°、摩耗係数０．２８、ジャーナル直径４．７ｍｍ、圧力変動２００ｍｂａｒ超、および排気ガス圧力１．５ｂａｒ超の場合に０．０８ｍｍ未満となる。
試験時間３００時間の熱衝撃サイクル試験中、本発明による調節可能なブレードの材料の平らさ（ｐｌａｎｅｎｅｓｓ）は、直径８０ｍｍの円周の場合に０．１ｍｍ未満となる。
本発明による調節可能なブレードの材料は、ＷＩＧ法、プラズマ法およびＥＢ法などの従来の溶接方法によって溶接できる。
従属請求項は、本発明の有利な発展形態を含む。
一実施形態では、調節可能なブレードは、Ｃ：０．１〜２重量％、Ｃｒ：１８〜４３重量％、Ｎｉ：５〜１５重量％、Ｍｎ：８〜１６重量％、Ｓｉ：≦１．３重量％、Ｎｂ：０．５〜４重量％、Ｎ：０．１〜３重量％、Ｖ：０．２〜２．０重量％、およびＦｅの成分を含む特定の組成物によって特徴づけられる。
鉄ベース合金に対する個々の元素の影響は知られているが、意外にも、まさしく上述の組成物が、調節可能なブレードに加工される場合にとりわけバランスのとれた特性プロファイルを有する材料を生み出すことが分かった。本発明によるこの組成物の結果、９００℃までもの特に高い耐熱性および耐温度性を有する調節可能なブレードが得られ、これは、非常に良好な滑り特性、それゆえ滑り摩耗または消耗による摩耗が低くなることによって特徴づけられる。さらに、公知の材料と比較して耐浸食性が向上し、これはまた、さらに湿食に当てはまる。加えて、材料、従って本発明による調節可能なブレードは、極端な寸法安定性を有し、それゆえ材料は、高い強度および変形抵抗を有する。
これらの特性はさらに改善できる。このようにするために、一実施形態によれば、本発明による調節可能なブレードは、Ｃ：０．２〜１．０重量％、Ｃｒ：２０〜３２重量％、Ｎｉ：７〜１４重量％、Ｍｎ：９〜１４．５重量％、Ｓｉ：≦１重量％、Ｎｂ：０．７５〜３．５重量％、Ｎ：０．１〜１．０重量％、Ｖ：０．３〜１．６重量％、およびＦｅの元素を含む材料からなる。
このようにして製造された調節可能なブレードは、９００℃までと高い耐熱性を示すだけでなく、顕著に改善された滑り特性も示す。ここでは滑り摩耗が最小にされる。さらに、耐食性および耐浸食性が最大にされる。これらの特性には、高温における本発明による調節可能なブレードの非常に良好な変形抵抗および寸法安定性が伴う。
それゆえ、このようにして作製された材料、それゆえ本発明による調節可能なブレードは、以下の特性を有する。
本発明の別の実施形態によれば、本発明による調節可能なブレードまたはそれを形成する材料、鉄ベース合金には、シグマ相がない。シグマ相は脆性であり、高硬度の金属間相（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ ｐｈａｓｅ）である。シグマ相は、原子半径がわずかに逸脱して同一である体心立方金属および面心立方金属が互いに適合する場合に、発生する。そのようなシグマ相は、それらが脆化作用を有するため、およびクロムを抽出するマトリックスの特性のため、望ましくない。それゆえ、このさらに有利な実施形態によれば、本発明による材料は、シグマ相がないことによって特徴づけられる。これは、材料の脆化の影響を弱め、その耐久性を高める。シグマ相を低減または回避することは、合金材料中のケイ素含有量を１．３重量％未満、好ましくは１重量％未満に低下させることによって達成される。さらに、ここでは、例えばマンガン、窒素およびニッケルなどのオーステナイトを形成するものを、適切な場合には組み合わせて用いることが好都合である。
請求項５は、独立して扱うことが可能な物品として、排気ターボチャージャを定義しており、この排気ターボチャージャは上述のように、基本構造がオーステナイトからなりかつ樹枝状の炭化物析出物を有するかまたはそれを含む調節可能なブレードを含む。
図１に、本発明による排気ターボチャージャの斜視図を部分的に断面にして示す。図１は、タービンケーシング２と、それに軸受ケーシング２８を介して接続されているコンプレッサケーシング３とを有する本発明によるターボチャージャ１を示す。ケーシング２、３および２８は回転軸Ｒに沿って配置されている。タービンケーシングを部分的に断面にして示し、ブレード軸受リング６および半径方向外側のガイドブレードカスケード１８の構成を明瞭に示す。ガイドブレードカスケード１８は、ブレード軸受リング６によって形成されており、複数の調節可能なブレード７が円周に分布しており、および回転軸８を有する。それによりノズルの断面が形成され、この断面は調節可能なブレード７の位置に依存して大きくも小さくもなり、および、供給ダクト９を介して供給されかつ中心の連結要素１０を介して排出されたエンジンの排気ガスによって程度の差はあるが、回転軸Ｒの中心に配置されたタービンロータ４に作用して、タービンロータ４を介して、同じシャフトに載置されたコンプレッサロータ１７を駆動する。
調節可能なブレード７の動きまたは位置を制御するために作動装置１１を設ける。これは、それ自体任意の所望の設計とし得るが、好ましい実施形態では、制御ケーシング１２を有して、それに締結されたタペット部材１４の制御動作を制御し、ブレード軸受リング６の後ろ側に配置された調整リング５上の前記タペット部材の運動を、前記調整リングのわずかな回転運動に変換する。ブレード軸受リング６とタービンケーシング２の環状部分１５との間に、調節可能なブレード７のための自由空間１３が形成される。そのため、この自由空間１３を守ることができ、ブレード軸受リング６はスペーサ１６を有する。
本発明による調節可能なブレードを作製した合金は、通常の方法によって以下の元素から製造した。化学分析によって以下の元素の値が得られた：Ｃ：０．２〜０．５重量％；Ｃｒ：２３〜２６．５重量％；Ｎｉ：９〜１３．５重量％；Ｍｎ：９〜１２．５重量％；Ｓｉ：最大１．３重量％；Ｎｂ：０．７５〜１．７５重量％；Ｖ：０．７〜１．６重量％；Ｎ：０．１〜０．４重量％、残り：鉄。
この実施例によって製造された調節可能なブレードは、引張強度Ｒｍ６８７ＭＰａ（ＡＳＴＭ Ｅ ８Ｍ／ＥＮ １０００２−１；温度上昇時：ＥＮ１０００２−５）によって特徴づけられた。降伏点Ｒｐ０．２（標準方法に従って測定）は３３７ＭＰａに達した。材料の破断点伸び（標準方法に従って測定）は１４．２％に達した。材料の硬度（ＡＳＴＭ Ｅ９２／ＩＳＯ６５０７−１に従って測定）は２５８ＨＢに達した。線膨張率（標準方法に従って測定）は１７．８Ｋ−１（２０〜９００℃）に達した。材料に、以下の試験で構成される一連の確認試験を行った：
−屋外暴露試験
−気候変動試験
−熱衝撃試験／サイクル試験−３００時間
−核分裂炉における高温ガス腐食試験。
−屋外暴露試験
−気候変動試験
−熱衝撃試験／サイクル試験−３００時間
−核分裂炉における高温ガス腐食試験。
全ての試験において、構成部品は、作用力に対して優れた耐性によって特徴づけられた。それゆえ材料は、極めて高い耐摩耗性および傑出した耐酸化性を有し、そのため、特定の条件下における材料の腐食および摩耗が著しく低減され、その結果、材料の耐性は、長期間にわたっても依然として保証された。
熱サイクル試験：
本発明による構成部品に熱サイクル試験を行い、熱衝撃の動作条件は以下の通りであった：
１． 静止ロータを使用；
２． ２ターボチャージャ動作；
３． 試験持続時間：３５０時間（約２０００サイクル）；
４． 全試験中、ターボチャージャ内の排気ガスフラップは１５℃開放したままである；
５． 高温：名目上の出力点Ｔ３＝７５０℃、タービン側のターボチャージャ質量流：０．５ｋｇ／秒；
６． 低温：Ｔ３＝１００℃、タービン側のターボチャージャ質量流：０．５ｋｇ／秒；
７． サイクル持続時間：２×５分（１０分）；
８． ３つの中間ひび割れ試験の実施。
本発明による構成部品に熱サイクル試験を行い、熱衝撃の動作条件は以下の通りであった：
１． 静止ロータを使用；
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４． 全試験中、ターボチャージャ内の排気ガスフラップは１５℃開放したままである；
５． 高温：名目上の出力点Ｔ３＝７５０℃、タービン側のターボチャージャ質量流：０．５ｋｇ／秒；
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７． サイクル持続時間：２×５分（１０分）；
８． ３つの中間ひび割れ試験の実施。
１ ターボチャージャ
２ タービンケーシング
３ コンプレッサケーシング
４ タービンロータ
５ 調整リング
６ ブレード軸受リング
７ 調節可能なブレード
８ 回転軸
９ 供給ダクト
１０ 軸方向の連結要素
１１ 作動装置
１２ 制御ケーシング
１３ 調節可能なブレード７のための自由空間
１４ タペット部材
１５ タービンケーシング２の環状部分
１６ スペーサ／間隙用隆起
１７ コンプレッサロータ
１８ ガイドブレードカスケード
２８ 軸受ケーシング
Ｒ 回転軸
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３ コンプレッサケーシング
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２８ 軸受ケーシング
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Claims (8)
- オーステナイトの基本構造および樹枝状の炭化物析出物を有する鉄ベース合金からなる、特にディーゼル機関におけるターボチャージャ用途のための調節可能なブレード。
- Ｃ：０．１〜２重量％、Ｃｒ：１８〜４３重量％、Ｎｉ：５〜１５重量％、Ｍｎ：８〜１６重量％、Ｓｉ：≦１．３重量％、Ｎｂ：０．５〜４重量％、Ｎ：０．１〜３重量％、Ｖ：０．２〜２．０重量％、およびＦｅの成分を含む、請求項１に記載の調節可能なブレード。
- Ｃ：０．２〜１．０重量％、Ｃｒ：２０〜３２重量％；Ｎｉ：７〜１４重量％、Ｍｎ：９〜１４．５重量％、Ｓｉ：≦１重量％、Ｎｂ：０．７５〜３．５重量％、Ｎ：０．１〜１．０重量％、Ｖ：０．３〜１．６重量％、およびＦｅの成分を含む、請求項１に記載の調節可能なブレード。
- 前記鉄ベース合金にはシグマ相がない、請求項１に記載の調節可能なブレード。
- オーステナイトの基本構造および樹枝状の炭化物析出物を有する鉄ベース合金からなる調節可能なブレードを含む、特にディーゼル機関用の排気ターボチャージャ。
- 前記調節可能なブレードが、
Ｃ：０．１〜２重量％、Ｃｒ：１８〜４３重量％、Ｎｉ：５〜１５重量％、Ｍｎ：８〜１６重量％、Ｓｉ≦１．３重量％、Ｎｂ：０．５〜４重量％、Ｎ：０．１〜３重量％、Ｖ：０．２〜２．０重量％、およびＦｅの成分を含む、請求項５に記載の排気ターボチャージャ。 - 前記調節可能なブレードが実質的に、
Ｃ：０．２〜１．０重量％、Ｃｒ：２０〜３２重量％、Ｎｉ：７〜１４重量％、Ｍｎ：９〜１４．５重量％、Ｓｉ：≦１重量％、Ｎｂ：０．７５〜３．５重量％、Ｎ：０．１〜１．０重量％、Ｖ：０．３〜１．６重量％、およびＦｅの成分を含む、請求項５に記載の排気ターボチャージャ。 - 前記調節可能なブレードの材料にはシグマ相がない、請求項５に記載の排気ターボチャージャ。
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