JP2014080978A - ガス入口ケーシング - Google Patents

Abstract

【課題】径方向に径方向に流体が流入するアキシャルタービンの流入領域を流体力学的に最適化すること、および、作動中にケーシング部分に作用する機械的応力を減じる。
【解決手段】径方向に流体が流入するアキシャルタービンの流入領域を流体力学的に最適化するのは、ガス入口ケーシングの、フード状の、内側のケーシング壁部１２を、シャフトの軸線の延長線に沿って延びている１つ以上の軸方向に設けられたウェブ１１によって、ガス入口ケーシングの外側のケーシング壁部１０に結合させることによって、作動中に、内側のケーシング壁部の、熱による変形が生じるとき、この変形は、ウェブの軸方向の延在の故に、シャフトの軸線に沿ってなされる。このことによって、周囲の構成部材、例えばガイド装置３に対する非対称の負荷は生じない。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、過給された内燃機関のための排気ガスターボチャージャまたはパワーチャージャに、使用される排気ガスタービンの分野に関する。

本発明は、排気ガスタービンのガス入口ケーシング、およびこのようなガス入口ケーシングを有するガスタービンに関する。

内燃機関の性能の向上のために排気ガスターボチャージャを使用することは、今日では、広く普及されている。この場合、排気ガスターボチャージャの排気ガスタービンには、内燃機関からの排気ガスが当てられ、排気ガスの運動エネルギは、内燃機関のための空気の吸引および圧縮のために使用される。

特許文献１は、径方向に流体が流入するアキシャルタービンを記載する。このアキシャルタービンでは、タービンへ導かれた排気ガスが、ガス入口ケーシングにおいて、径方向から軸方向へ転向される。転向の領域では、フード状の、内側のケーシング壁部（半球状部材）が設けられており、該ケーシング壁部は、タービンホイールのハブを覆い、かつ、管状の供給管からの排気ガス流を環状の流れへ分配する。内側のケーシング壁部は、ガイド装置(ノズルリング)に結合されている。この場合、排気ガス流によってノズルリングへ作用する力は、内側のケーシング壁部を介して排出される。このような力を吸収することができるために、これまでは、径方向に延びているウェブを介して半球状部材を適切に結合することが必須であった。半球状部材をガス入口ケーシングの壁部に取り付けるための径方向のウェブがあるので、ガス入口ケーシングの、熱的に不活性の管外壁および該管外壁よりも熱的に活発に反応する半球状部材の故に、ウェブの領域で、高い機械的負荷が生じてしまう。このことは、極端な場合には、ウェブとケーシング壁部との間の移行部に亀裂をもたらすことがある。更に、排気ガス流は、流路においてガイド装置の直前に設けられかつ径方向に延びているリブによって、悪影響を受ける。

DE 19651318

本発明の課題は、径方向に流体が流入するアキシャルタービンの流入領域を流体力学的に最適化すること、および、作動中にケーシング部分に作用する機械的応力を減じることにある。

本発明によれば、このことは、内側の、フード状のガス入口ケーシング（半球状部材）を、シャフトの軸線の延長線に沿って軸方向に延びている１つ以上の軸方向に設けられたウェブによって外側のケーシング部分に結合させることによって、達成される。

作動中に半球状部材が熱により変形するときは、この変形は、ウェブの軸方向の延在の故に、シャフトの軸線に沿ってなされる。このことによって、周囲の構成部材、例えばガイド装置（ノズルリング）に対する非対称の負荷が生じない。

ガイド装置と半球状部材との間の結合が、例えば、相対回転運動を可能にする軸方向のガイドによって、しかしまた、半球状部材が結合なしに単にガイド装置に接触していることによる、形状による結合の全くの欠如によって、トルクの伝達がなされないように、形成されていることは任意である。

半球状部材と外側のケーシング壁部との間の少なくとも１つのウェブが、垂直面および／または水平面に対し最大限３０°の角度で、上方から流体が流入するガス入口ケーシングに設けられていてもよいことは任意である。それ故に、半球状部材とウェブの結合の剛性が高まる。

少なくとも１つのウェブの領域に、洗浄装置用の１つ以上の開口部が設けられていてもよいことは任意である。この場合、少なくとも１つのウェブが、最適に濡らすために、空気力学的に有利なプロファイルを備えていてもよい。この場合、少なくとも１つのウェブが洗浄液によって均等に濡らされるように、排気ガス流が、噴射された洗浄液を共に運ぶことが意図される。

外側のケーシング壁部が、シャフトの軸線の延長線上に、およびガス入口ケーシングの円形の入口開口部を通る、円の軸線の、その延長線上に、取付フランジを有するのは任意であり、取付フランジには、支持手段を取り付けることができる。このことは、特には、比較的高い圧力レベルを有する、径方向に流体が流入されるアキシャルタービン（例えば、多段の過給機能の高圧ターボチャージャ）では、有利である。何故ならば、コンプレッサ側の取付と、タービン側の取付との間の間隔の増大によって、固有周波数を高めることができるからである。

ガス入口ケーシングに設けられた支持手段が、大きな温度範囲に亘る質量定数を特徴とする膨張材料から製造されていることは任意である。何故ならば、膨張材料は、最大限２５０℃を越えるまでの低温の低い膨張係数を有するからである。

更なる利点は、従属の請求項から明らかである。

続いて、図面を参照して、本発明より形成されたガス入口ケーシングの実施の形態を説明する。

径方向のガス入口を有するアキシャルタービンおよびラジアルコンプレッサを有する、従来の技術に係わる、部分的に切り取られた排気ガスターボチャージャの図を示す。 例えば図１に示した排気ガスターボチャージャに使用することができる排気ガスタービンの、本発明により形成されたガス入口ケーシングの略図を示す。

図１は、従来の技術に係わる、部分的に切り取られた排気ガスターボチャージャを示す。右側の前方領域には、タービンホイール４があって、該タービンホイールは、シャフト５によってコンプレッサホイール６に結合されている。コンプレッサホイールは、コンプレッサケーシング６１に設けられている。シャフト５は軸受ケーシング５１に取り付けられている。

タービンホイールは、シャフトに結合されたハブ４２と、ハブに結合されている多数の回転ブレード４１とを有する。回転ブレードは、形状または力によって結合されていてもよい。その代わりに、タービンホイールはハブおよび回転ブレードと一体形成されていてもよい。

タービンケーシングは、ガス入口ケーシング１を有する。該ガス入口ケーシングは、高温ガスを、内燃機関の燃焼室からガイド装置３を通ってタービンホイールの回転ブレードに導く。タービンホイールの下流では、排気ガスは、ディフューザ２１を貫流し、続いて、ガス出口ケーシング２２に集められ、かつ、排出システムへ送られる。

アキシャルタービンのガス入口ケーシング１は、流路を径方向外側に有する、外側のケーシング壁部１０を具備する。更に、ガス入口ケーシング１は、内側領域で、フード状の、内側のケーシング壁部１２を有する。該内側のケーシング壁部は、タービンホイールのハブを覆い、かつ、管状の供給管からの排気ガス流を環状の流れに分配する。外側のケーシング壁部は、タービンの入口への移行領域で、円形の出口開口部を形成する。内側のハウジング壁部の、共軸に設けられた、円形の底面外郭領域と共に、かくして、環状の流路が区画される。

図２は、本発明により形成されたガス入口ケーシングを有する排気ガスタービンの、シャフトの軸線に沿って延びている断面図を示す。外側のケーシング壁部１０は、管状に形成されている。図示した、径方向に流体が流入されるアキシャルタービンでは、ガス入口ケーシングは、排気ガス流を、軸方向とは異なる方向から、この場合では径方向Ｂから、軸方向に転向し、更に、管状の流れＳ_１を環状の流れＳ_２へ分配する機能を有する。

外側のケーシング壁部１０は、単独で考察すると、タービンの入口への移行領域で、円形の出口開口部を有する。円形の出口開口部の円形面に垂直に位置しており、かつ、出口開口部の中心点を通る直線を、以下、軸線Ａという。従って、「軸方向に」および「径方向に」という用語は、この軸線Ａに関する。軸線Ａは、タービンホイールに結合したシャフトの軸線に対応する。外側のケーシング壁部１０の内部には、軸線Ａに共軸に、フード状の、内側のケーシング壁部１２が設けられている。外側のケーシング壁部１０の出口開口部の領域では、内側のケーシング壁部１２は、同様に円形の底面外郭領域（Grundflaechenaussenkontur）を有する。これに対し、上流では、内側のケーシング壁部は、丸くされた先端すなわち円頂へとテーパをなしている。この領域では、管状の流路は、環状の流路へ移行する。

排気ガスタービンの作動中に、内燃機関の手前に来る高温の排気ガス流を、まず、横断面で少なくともほぼ円形の排気ガス流Ｓ_１の形で、アキシャルタービンのガス入口ケーシングに導入する。内側のケーシング壁部１２（半球状部材）の効果によって、環状の排気ガス流Ｓ_２への転向が行なわれる。今や環状の排気ガス流は、流路を通って、タービンホイール４へと送られる。この場合、タービンホイールの回転ブレード４１の上流に設けられたガイド装置（ノズルリング）３は、排気ガスをタービンホイール４の回転ブレード４１に最適に向けるという課題を有する。排気ガスで駆動されるタービンホイール自体は、シャフト５によって、タービンホイールに結合されているコンプレッサ（図示せず）、あるいはパワータービンの使用の場合には、図示しない実用機械（Nutzmaschine）、例えば電気発生器を駆動する。

内側のケーシング壁部１２は、本発明によれば、１つのまたは２つ以上の、軸方向に設けられたウェブ１１を介して、外側のケーシング壁部１０に結合されている。１つのまたは複数のウェブは、ここでは、シャフトの軸線Ａの延長線上にまたはこの軸線に対し平行に延びている。少なくとも１つのウェブは、内側のケーシング壁部１２を外側のケーシング壁部１０に結合している。ウェブが各々のケーシング壁部に取り付けられている２つの位置は、軸方向に向かい合っており、それ故に、これらの位置の軸方向の投影領域は、大部分重なり合っている。厳密に軸方向の整列の場合には、軸方向の投影領域は完全に重なり合う。相違がわずかな場合には、５０％を超える重なりが依然として生じる。図示した実施の形態では、少なくとも１つのウェブが、ウェブとケーシング壁部との間の移行領域における、製造技術的または流体工学的に条件づけられた丸みを考慮することなく、内側のケーシング壁部１２の円形の底面外郭領域の、その軸方向の平行投影領域Ｋ内で、あるいは、内側のケーシング壁部１２の円形の底面外郭領域の、軸方向の円錐形投影領域内に延びており、軸線に対する円錐形開口部の角度が、最大限１０°である。このことから、少なくとも１つのウェブの、主に軸方向の延在が生じる。このことは、結果として、過渡動作中に、ウェブの、軸方向における、熱による膨張と、内側のケーシング壁部の、軸方向における、対応の移動とをもたらす。

半球状部材の、ウェブとの結合の剛性を高めるために、ウェブは、軸方向の垂直面および／または軸方向の水平面に対し最大限３０°の角度に向けられていてもよい。軸方向の垂直面は、一方では、軸方向Ａに、他方では、軸方向Ｂに延びており、後者の軸方向から、排気ガスがガス入口ケーシングに導入される。上方の径方向から流体が流入するガス入口ケーシングを示す図示した実施の形態では、軸方向の垂直面は、図示した断面に延びている。軸方向の水平面は、一方では、軸方向Ａに、他方では、軸方向Ｂに対し垂直に延びており、後者の方向からは、排気ガスが、ガス入口ケーシングに導入される。上方の径方向から流体が流入するガス入口ケーシングを示す図示した実施の形態では、軸方向の水平面が、軸線Ａに沿っておよび図示した断面に対し垂直に延びている。

ウェブは、流れをできる限り損なわないように、基本的には、空気力学的に有利なプロファイルを有する。

少なくとも１つのウェブの領域には、洗浄装置のための１つ以上の開口部１６が設けられていてもよい。この場合、少なくとも１つのウェブには、最適に濡らすために、空気力学的に有利なプロファイルが備えられていてもよい。この場合、少なくとも１つのウェブが洗浄液によって均一に濡らされるように、排気ガス流が、噴射された洗浄液を運ぶことが意図される。

ガイド装置３と、内側のケーシング壁部１２との間の結合は、例えば、相対回転運動を可能にする軸方向のガイドによって、しかしまた、半球状部材が結合なしに単にガイド装置に接触していることによる、形状による結合の全くの欠如によって、トルクの伝達がなされないように、形成されていることは任意である。

図示した実施の形態では、外側のケーシング壁部１０は、軸線Ａの延長線上に、従って、少なくとも１つのウェブ１１が、外側のケーシング壁部１０に移行してなる領域に、取付フランジ１５を有する。この取付フランジには、支持手段１８を取り付けることができる。取付フランジ１５は、少なくとも１つのウェブ１１の延長線上に設けられている。シャフトの軸線の延長線上における支持は、ガス入口開口部を、接続管に対応して向けることができるように、ガス入口ケーシングの自由な回転を可能にする。更に、取付フランジは、本発明によれば、円形の入口開口部１４の、円の軸線Ｂの断面領域で、外側のケーシング壁部に設けられている。この種の支持は、高いガス力の効果的な吸収を可能にする。このようなガス力は、排気ガス流の転向によって引き起こされ、かつ、円の軸線Ｂの方向で、ガス入口ケーシングに作用する。

しかしながら、ガス入口ケーシングにおける支持によって、支持手段１８は、例えば排気ガスターボチャージャのコンプレッサ側端部における支持手段よりも、高い温度に晒される。温度による後者の支持手段より高い膨張を防止するために、支持手段を、膨張材料から製造することが理想的である。上記のように、膨張材料は、２５０℃を越える温度までの低温の低い膨張係数を有する。それ故に、大きな温度範囲に亘る質量定数が結果として生じる。このような膨張材料の例として、ここでは、合金３６を挙げよう。このような材料の選択によって、構造的な対策、例えば、遊びの増大、あるいは、複数のケーシング結合部の間の相対摺動の許容が省かれる。

１ ガス入口ケーシング
１０ 外側のケーシング壁部
１１ ウェブ
１２ 内側のケーシング壁部（半球状部材）
１４ 外側のケーシング壁部の入口開口部
１５ 取付フランジ
１６ 洗浄ノズル用の開口部
１８ 支持手段
２１ ディフューザ
２２ ガス出口ケーシング
２３ ガイド装置
４ タービンホイール
４１ 回転ブレード
４２ ハブ
５ シャフト
５１ 軸受ケーシング
６ コンプレッサホイール
６１ コンプレッサケーシング
Ａ 外側のケーシング壁部の円形の出口開口部の、円の軸線
Ｂ 外側のケーシング壁部の円形の入口開口部の、円の軸線
Ｋ 内側のケーシング壁部の円形の底面外郭領域
Ｓ_１ 排気ガス流
Ｓ_２ 排気ガス流。

Claims (14)

1. 排気ガスタービンのガス入口ケーシングであって、円形の出口開口部を有する管状の外側のケーシング壁部（１０）と、円形の底面外郭領域を有し、かつ、前記外側のケーシング壁部内に設けられた、フード状の、内側のケーシング壁部（１２）とを具備し、前記円形の底面外郭領域（Ｋ）を有する前記内側のケーシング壁部（１２）は、前記外側のケーシング壁部（１０）の前記円形の出口開口部の領域で、前記外側のケーシング壁部（１０）の該円形の出口開口部と共軸に設けられており、かつ、少なくとも１つのウェブ（１１）によって、前記外側のケーシング壁部に取り付けられており、
   前記外側のケーシング壁部によって区画された流路は、前記内側のケーシング壁部（１２）に沿って、管形状から環状形状に移行し、
   前記外側のケーシング壁部は、該外側のケーシング壁部によって区画された前記流路が、前記円形の出口開口部の、円の軸線（Ａ）の前記軸方向とは異なる第１の方向から、軸方向への転向を被るように、湾曲して形成されていてなるガス入口ケーシングにおいて、
   前記少なくとも１つのウェブ（１１）は、軸方向に延びており、かつ、軸方向に向かい合っている位置で、前記内側のケーシング壁部（１２）および前記外側のケーシング壁部（１０）に取り付けられていることを特徴とするガス入口ケーシング。
2. 前記内側のケーシング壁部（１２）および前記外側のケーシング壁部（１０）における取付の２つの位置は、該位置の軸方向の投影領域が５０％と１００％の間で重なり合うように、軸方向で向かい合っている、請求項１に記載の、排気ガスタービンのガス入口ケーシング。
3. 前記少なくとも１つのウェブ（１１）は、軸方向の垂直面からの、最大限３０°のずれを有し、前記軸方向の垂直面は、前記軸方向におよび前記第１の方向に延びている、請求項１に記載の、排気ガスタービンのガス入口ケーシング。
4. 前記少なくとも１つのウェブ（１１）は、軸方向の水平面からの、３０°の最大限のずれを有し、前記軸方向の水平面は、前記軸方向におよび前記第１の方向に垂直に延びている、請求項１に記載の、排気ガスタービンのガス入口ケーシング。
5. 前記内側のケーシング壁部（１２）は、前記外側のケーシング壁部（１０）の前記円形の出口開口部の領域で、円形の外郭領域を有し、および、前記少なくとも１つのウェブは、前記内側のケーシング壁部（１２）の前記円形の底面外郭領域（Ｋ）の、軸方向の、円錐状の投影領域内に延びており、前記軸線に対する円錐開口角度は、最大限１０°である、請求項１に記載の、排気ガスタービンのガス入口ケーシング。
6. 前記内側のケーシング壁部（１２）は、前記外側のケーシング壁部（１０）の前記円形の出口開口部の領域に、円形の外郭領域を有し、および、前記少なくとも１つのウェブは、前記内側のケーシング壁部（１２）の前記円形の底面外郭領域（Ｋ）の、軸方向の平行投影領域内で延びている、請求項５に記載の、排気ガスタービンのガス入口ケーシング。
7. 前記少なくとも１つのウェブ（１１）の領域には、洗浄液を前記外側のケーシング壁部（１０）に噴射するための少なくとも１つの開口部（１６）が形成されている、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の、排気ガスタービンのガス入口ケーシング。
8. 前記外側のケーシング壁部は、前記円形の出口開口部を通る前記軸線（Ａ）の延長線上で、前記ガス入口ケーシングを支持手段に取り付けるための取付手段を有する取付フランジ（１５）を具備する、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の、排気ガスタービンのガス入口ケーシング。
9. 前記取付フランジ（１５）は、前記少なくとも１つのウェブ（１１）が前記外側のケーシング壁部（１０）に結合されていてなる位置で、前記外側のケーシング壁部に結合されている、請求項８に記載の、排気ガスタービンのガス入口ケーシング。
10. 前記外側のケーシング壁部（１０）は、円形の入口開口部（１４）を有し、かつ、前記取付フランジ（１５）は、前記円形の入口開口部の、前記円の軸線（Ｂ）が、前記外側のケーシング壁部（１０）と交差してなる位置で、前記外側のケーシング壁部に結合されている、請求項９に記載の、排気ガスタービンのガス入口ケーシング。
11. 前記取付手段は、前記外側のケーシング壁部から、軸方向に離隔されている、請求項８ないし１０のいずれか１項に記載の、排気ガスタービンのガス入口ケーシング。
12. 前記取付手段によって前記外側のケーシング壁部の前記取付フランジ（１５）に取り付けられている支持手段（１８）を具備する、請求項８ないし１１のいずれか１項に記載の、排気ガスタービンのガス入口ケーシング。
13. 前記支持手段（１８）は、大きな温度範囲に亘る低い膨張係数を有する膨張材料を含む、請求項１２に記載の、排気ガスタービンのガス入口ケーシング。
14. 請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のガス入口ケーシングを有する排気ガスタービン。

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