JP2014529700A - 軸流排気タービン内で排気を導く構造体 - Google Patents

Abstract

本発明の対象は、排気タービンのノズルリング（５）が排気タービンの内側のガス入口ケーシング（１０）に支持結合されていることにある。ノズルリング（５）との支持結合部により、内側のガス入口ケーシング（１０）は、排気タービンの外側のガス入口ケーシング（９）に、排気タービンの流路内で排気流れに影響を及ぼす追加的な支持部を有しない。

Description

本発明は、軸流排気タービンの分野に関する。本発明は、軸流排気タービン内で排気を導く構造体に関し、この構造体は、案内羽根を有するノズルリングと内側のガス入口ケーシングとを備える。

背景技術
排気タービンは、特にパワータービン及び排気ターボチャージャに使用される。内燃機関の排気は、排気タービンに供給される。この排気は、不完全に膨張されているので、依然として存在する排気のエネルギは一部で排気タービンの回転エネルギに変換可能である。軸流排気タービンでは、排気は、外側のガス入口ケーシングにより、ガス入口ケーシング内に位置決めされかつ回転可能に支持されたタービンホイールに軸方向に導かれる。タービンホイールは、ハブボディと、ハブボディに固定された回転羽根とを備える。回転羽根に排気流れが作用し、そうして排気のエネルギが一部でタービンホイールの回転エネルギに変わる。流れ方向でみてハブボディの上流側に排気流れの滞留領域が形成されないように、内側のガス入口ケーシングは、流れ方向でみてハブボディの上流側で軸方向に同心的に配置されている。これにより円管状の排気流れが円環状の排気流れに効果的に変形される。変形の瞬間では、排気流れは、特に排気タービンの流路内で乱れやすい。

独国特許第１９６５１３１８号明細書には、内側のガス入口ケーシングが記載されており、この内側のガス入口ケーシングは、流路内に形成された少なくとも１つのリブを介して外側のガス入口ケーシングに結合されている。流路内に形成されたリブにより、排気流れに不都合な影響が及ぼされる。別の問題は、リブと内側のガス入口ケーシングとの間並びにリブと外側のガス入口ケーシングとの間における内燃機関の始動時の高い熱負荷である。流路内に形成されたリブを備える同様の構成は、同じく独国特許第４０１４９７６号明細書、スイス国特許２６９３００号明細書、米国特許第７９２１６４６号明細書、欧州特許第０１９１３８０号明細書及び米国特許第３７７８１９４号明細書にも記載されている。

発明の詳細
本発明の課題は、排気流れの不都合な影響が低減されている内側のガス入口ケーシングを提供することである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載の構成を有する、案内羽根を有するノズルリングと、外側のガス入口ケーシングと、内側のガス入口ケーシングとを備える、軸流排気タービン内で排気を導く構造体により解決される。好適な態様は、従属請求項の対象である。

本発明の対象は、タービンホイールのハブの円蓋部又はカバーとも云うことができる内側のガス入口ケーシングがノズルリングとの支持結合部により排気流れ内に位置決めされていることにある。ノズルリングとの支持結合部により、内側のガス入口ケーシングは、排気タービンの流路内の排気流れに影響を及ぼす追加的な支持部を有しない。

第１の好適な態様は、内側のガス入口ケーシングとノズルリングとの間の形状接続式の結合部に関する。即ち、内側のガス入口ケーシングとノズルリングとの間に任意の形のアンダカットが生じるので、両構成要素の部分輪郭が相互に係合し、結合部の負荷時に部分輪郭に面圧が生じる。このような結合部により、内側のガス入口ケーシングの迅速な取付け及び取外しが可能になる。

別の好適な態様は、内側のガス入口ケーシングとノズルリングとの間の摩擦接続式の結合部に関し、摩擦接続式の結合部は、例えば締付け結合部又はプレス結合部のような力接続式の結合部とも云うことができる。このような結合部により、ガス入口ケーシングとノズルリングとの間の簡単な結合が可能になる。

別の好適な態様は、ノズルリングと内側のガス入口ケーシングとから成る一体的な構造体に関する。ノズルリングと内側のガス入口ケーシングとの一体化により、簡単な配置及び経済的な製造が可能になる。

以下に、図面につき、本発明の実施の形態を詳説する。

ノズルリングと内側のガス入口ケーシングとの間のねじ結合部を有する軸流排気タービンの軸方向断面図である。 ノズルリングと内側のガス入口ケーシングとの間の溶接結合部を備える構造体の軸方向断面図である。 ノズルリングと内側のガス入口ケーシングとから成る一体的な構造体の軸方向断面図である。

図面において用いた符号は、符号の説明にまとめてある。原則的に、同一の構成要素には、同一の符号を付してある。

発明を実施するための形態
図１には、軸流排気タービンを軸方向断面図で概略的に示してある。排気タービンは、外向きに、管状に形成されている外側のガス入口ケーシング９により画定されている。タービンホイール２は、外側のガス入口ケーシング９の内側に同心的に配置されていて、タービンホイールシャフト１により回転可能に支持されている。タービンホイール２は、ハブボディ３と回転羽根４とを備える。タービンホイールシャフト１の周りに軸方向に円筒形のハブボディ３が配置されている。ハブボディ３の外側の被覆面に回転羽根４が取り付けられていて、周方向に分配されている。タービンホイール２の衝突のない回転を保証するために、回転羽根４の長さは、回転羽根４の半径方向外側に位置する端部と外側のガス入口ケーシングとの間に隙間が設けられるように、寸法付けられている。流れ方向でみてタービンホイール２の上流側（手前）に、ノズルリング５が設けられている。ノズルリング５は、内側リング６と外側リング７と案内羽根８とを備える。ノズルリング５は外側リング７でもって、外側のガス入口ケーシング９に結合されている。案内羽根８は、内側リング６と外側リング７との間に配置されている。内側のガス入口ケーシング１０は、外側のガス入口ケーシング９の内側で、流れ方向でみてタービンホイール２の上流側に位置する。内側のガス入口ケーシング１０は、外側のガス入口ケーシングと相俟って流路を形成しており、この流路内で、流れは、管内流れ（円管状の流れ）から中空円筒形の流れ（円環状の流れ）に移行される。内側のガス入口ケーシング１０は、本発明による第１の態様では、ノズルリング５の内側リング６にねじ結合部１１を介して結合されている。

図２には、ノズルリング５と内側のガス入口ケーシングとを備える構造体を軸方向断面図で概略的に示してある。内側のガス入口ケーシング１０は、本発明による第２の態様では、溶接結合部１２を介して内側リング６に結合されている。

図３には、ノズルリング５と内側のガス入口ケーシングとを備える一体的な構造体を軸方向断面図で示してある。ノズルリング５及び内側のガス入口ケーシング１０は、第３の態様では、例えば鋳造又はフライス加工により１つの部品から製造されている。

内側のガス入口ケーシング１０の形状は、図１〜図３に示した半球状の形とは異なっていてよい。内側のガス入口ケーシングのための形状として流体力学的に有意義なあらゆる自由形状が考えられる。案内羽根８が排気タービンの流路内に位置決めされていて、例えば外側のガス入口ケーシング９及び内側のガス入口ケーシング１０に個々の案内羽根８が直接に溶接される場合のように、内側のガス入口ケーシング１０が流路の半径方向内側で支持結合（支持結合とは、部材相互の間に互いに支持関係が生じるような結合を意味する）されている限り、ノズルリング５は、内側リング６又は外側リング７を備えなくてよい。内側のガス入口ケーシング１０は、内側のリング６でノズルリング５に支持結合されなくてよい。内側のガス入口ケーシング１０は、案内羽根８の、半径方向内側に位置する端部に、又は、ノズルリング５の、流路の半径方向内側に位置する別の部分に直接に結合してもよい。内側のガス入口ケーシング１０とノズルリング５との間の結合方式は、材料接続式の結合（材料接続式の結合とは、例えば接着や溶接等の材料自体（原子、分子の力）に基づく結合を意味する）及び形状接続式の結合（形状接続式の結合とは、嵌め合いまたは噛み合いなどの部材相互の形状的関係に基づく結合を意味する）だけではなく、例えば収縮嵌めによる力接続式の結合（摩擦力などの力が伝達されるような結合）も考えられる。

１ タービンホイールシャフト
２ タービンホイール
３ ハブボディ
４ 回転羽根
５ ノズルリング
６ ノズルリングの内側リング
７ ノズルリングの外側リング
８ 案内羽根
９ 外側のガス入口ケーシング
１０ 内側のガス入口ケーシング
１１ ねじ結合部
１２ 溶接結合部

Claims (15)

1. 軸流排気タービン内で排気を導く構造体であって、
   前記排気タービンは、案内羽根（８）を有するノズルリング（５）と外側のガス入口ケーシング（９）と内側のガス入口ケーシング（１０）とを備え、当該構造体は、ノズルリング（５）と内側のガス入口ケーシング（１０）とを備え、前記ノズルリングは、前記外側のガス入口ケーシング（９）に対して相対的に位置固定されている、構造体において、
   前記ノズルリング（５）は、前記内側のガス入口ケーシング（１０）に支持結合されており、前記内側のガス入口ケーシングは、前記外側のガス入口ケーシング（９）及び前記ノズルリング（５）に対して相対的に位置固定されていることを特徴とする、構造体。
2. 前記ノズルリング（５）は、前記内側のガス入口ケーシング（１０）に、形状接続式の結合部を介して支持結合されている、請求項１記載の構造体。
3. 前記ノズルリング（５）は、前記内側のガス入口ケーシング（１０）に、ねじ結合部（１１）を介して支持結合されている、請求項２記載の構造体。
4. 前記ノズルリング（５）は、前記内側のガス入口ケーシング（１０）に、材料接続式の結合部を介して支持結合されている、請求項１記載の構造体。
5. 前記ノズルリング（５）は、前記内側のガス入口ケーシング（１０）に、溶接結合部（１２）を介して支持結合されている、請求項４記載の構造体。
6. 前記ノズルリング（５）は、前記内側のガス入口ケーシング（１０）に、摩擦接続式の結合部を介して支持結合されている、請求項１記載の構造体。
7. 当該構造体は、一体的に形成されている、請求項１記載の構造体。
8. 当該構造体は、一体的に鋳造されている、請求項７記載の構造体。
9. 内側のガス入口ケーシングであって、
   当該内側のガス入口ケーシングは、外側のガス入口ケーシング（９）と相俟って、軸流排気タービンのガス入口ハウジングを形成しており、該排気タービンは、案内羽根（８）を有するノズルリング（５）を備える、内側のガス入口ケーシングにおいて、
   当該内側のガス入口ケーシング（１０）は、前記ノズルリング（５）に支持結合可能であり、かつ前記ガス入口ケーシングの内側で排気流れに影響を与える追加的な結合部を有しないように、構成されていることを特徴とする、内側のガス入口ケーシング。
10. 当該内側のガス入口ケーシング（１０）は、前記ノズルリング（５）との形状接続式の結合部が生じるように、構成されている、請求項９記載の内側のガス入口ケーシング。
11. 当該内側のガス入口ケーシング（１０）は、前記ノズルリング（５）とのねじ結合部（１１）が生じるように、構成されている、請求項１０記載の内側のガス入口ケーシング。
12. 軸流排気タービン用の案内羽根（８）を備えるノズルリングであって、前記排気タービンは、外側のガス入口ケーシング（９）と内側のガス入口ケーシング（１０）とを備える、ノズルリングにおいて、
    当該ノズルリング（５）は、当該ノズルリング（５）が前記内側のガス入口ケーシング（１０）に支持結合可能であるように、構成されていることを特徴とする、ノズルリング。
13. 当該ノズルリング（５）は、前記内側のガス入口ケーシングとの形状接続式の結合部が生じるように、構成されている、請求項１２記載のノズルリング。
14. 排気タービンを備えるターボチャージャであって、
    前記排気タービンは、シャフトにより支持された、回転羽根（４）を有するタービンホイール（２）と、該タービンホイール（２）の上流側に位置する、案内羽根（８）を有するノズルリング（５）と、外側のガス入口ケーシング（９）と、内側のガス入口ケーシング（１０）とを備え、前記ノズルリングと前記内側のガス入口ハウジングとは、請求項１から８までのいずれか１項記載の構造体を形成していることを特徴とする、ターボチャージャ。
15. 排気タービンを有するパワータービンであって、
    前記排気タービンは、シャフトにより支持された、回転羽根（４）を有するタービンホイール（２）と、該タービンホイール（２）の上流側に位置する、案内羽根（８）を有するノズルリング（５）と、外側のガス入口ケーシング（９）と、内側のガス入口ケーシング（１０）とを備え、前記ノズルリングと前記内側のガス入口ハウジングとは、請求項１から８までのいずれか１項記載の構造体を形成していることを特徴とする、パワータービン。

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