JP2015522129A - 閉鎖されたノズルリングを備えた排ガスタービン - Google Patents

Abstract

本発明では、軸（１）とタービンホイール（２）とを備えた排ガスタービンが、内側において閉鎖されたノズルリング（３）を有している。ノズルリング（３）は、静翼（３３）と、該静翼（３３）に対して半径方向内側に位置するインナリング（３１）とを有している。ノズルリング（３）の、インナリング（３１）によって画定された内側面が、カバー（３４）によって塞がれていて、排ガスに対してシールされているので、内側面は排ガスによる貫流に対して閉鎖されている。これによって、ノズルリング（３）と内側のガス流入ハウジング（４２）との間におけるシール箇所が省かれ、ノズルリング（３）とカバー（３４）との間におけるシールが、技術的に簡単になる。

Description

本発明は、軸流式の排ガスタービンの分野に関する。本発明は、軸によって保持されたタービンホイールと、ノズルリングと、タービン流入ハウジングと、を備えた排ガスタービンに関する。

従来の技術
排ガスタービンは、特に、パワータービン及び排ガスターボチャージャにおいて使用される。内燃機関の排ガスは、排ガスタービンに供給される。排ガスは不完全にしか膨張しないので、なお存在する排ガスのエネルギは、部分的に排ガスタービンの回転エネルギに変換可能である。軸流式の排ガスタービンでは、排ガスは、外側のガス流入ハウジングを通って軸方向で、外側のガス流入ハウジングの内部に位置決めされた回転可能に支持されたタービンホイールに導かれる。タービンホイールは、ボス体と、このボス体に固定された動翼とを有していて、これらの動翼において排ガス流は作業を行い、排ガスのエネルギを部分的にタービンホイールの回転エネルギに変換する。タービンホイールの上流側には、静翼を有するノズルリングが位置している。これらの静翼は、排ガス流を最適な角度で動翼へと導く。ボス体及びノズルリングの上流側において排ガス流の堰き止め領域が形成されないようにするために、内側のガス流入ハウジングが、軸方向で流れ方向においてボス体及びノズルリングの前、つまり上流側に同心的に配置されている。

効率のために、排ガスの可能な限り多くの部分が、静翼及び動翼の領域を通って流れることが重要である。従って、排ガス流の漏れ、つまり排ガスのための静翼及び動翼の領域の迂回を可能にする、排ガス流の漏れは、回避されねばならない。静翼及び動翼の半径方向内側を通過する可能な漏れのための領域は、ノズルリングと内側のガス流入ハウジングとの間における領域である。

公知のガスタービンでは、ノズルリングと内側のガス流入ハウジングとの間におけるシールは、ノズルリングと内側のガス流入ハウジングとの間における接触面又は静的なシールエレメントによって行われる。

独国特許出願公開第１９６５１３１８号明細書に記載の排ガスタービンでは、ノズルリングは、ノズルリングのアウタリングに外側のガス流入ハウジングによってクランプ結合されて位置決めされていて、ノズルリングと外側のガス流入ハウジングとの間において相対運動が生じないようになっている。内側のガス流入ハウジングは、リブを介して、外側のガス流入ハウジングに堅く結合されていて、内側のガス流入ハウジングとノズルリングのインナリングとの間における面圧によって、ノズルリングと内側のガス流入ハウジングとの間における領域をシールする接触面が生じるようになっている。しかしながらガスタービンの運転時には、種々様々な熱膨張は、生じる塑性変形によりシール作用が減じられる又は間隙が発生するという現象を生ぜしめることがある。

本発明の開示
本発明の課題は、ノズルリングと内側のガス流入ハウジングとの間における排ガスタービン用のシールであって、運転中に改善されたシール作用を発揮するシールを提供することである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載のように構成された排ガスタービンによって解決される。好適な態様は、従属請求項に記載されている。

本発明の対象では、請求項１の前段部に記載のように構成された排ガスタービンが、内側の閉鎖されたノズルリングを有している。ノズルリングは、静翼と、静翼に対して半径方向内側に位置しているインナリングとを有している。本発明の構成では、ノズルリングの、インナリングによって画定された内側面が、カバーによって塞がれていて、ガス流に対してシールされているので、内側面は、排ガス又は、例えばタービンホイールを冷却するための新鮮空気のような他のガスによる貫流に対して閉鎖されている。このようにしてカバーは、ノズルリングの内側面の領域においてガスが静翼を迂回することを阻止している。これによってノズルリングと内側のガス流入ハウジングとの間におけるシール箇所が省かれ、ノズルリングとカバーとの間におけるシールは、技術的により簡単なものになる。

第１の好適な態様としては、カバーとノズルリングとの間における解離可能な結合部、例えばボルト結合部が挙げられる。この構成は、ノズルリングにカバーを後付けすること、及び保守の際にカバーを簡単に交換することを可能にする。

別の好適な態様としては、カバーとノズルリングとの間における解離不能な結合部、例えば溶接結合部が挙げられる。この構成は、保守不要の結合部によるノズルリングの後付けを可能にする。

別の好適な態様としては、ノズルリングとカバーとが互いに一体に組み込まれていて１つの部材から成っているノズルリングが挙げられる。この構成は、製造を簡単化し、かつ存在する個別部材を減じることができる。

別の好適な態様としては、カバーの、タービンホイールとは反対の側に、湾曲部を備えたカバーが挙げられる。この構成は、よりコンパクトな構造形態を可能にし、カバーの剛性を低減し、カバーの熱機械的な特性を改善する。

別の好適な態様としては、壁厚さが半径方向内側において半径方向外側の領域に比べて薄いカバーが挙げられる。この構成は、特に外側からの供給時における、カバーの鋳造可能性を改善する。

別の好適な態様としては、軸方向において、ノズルリングのインナリングの中心に取り付けられているカバーが挙げられる。この構成は、熱機械的な疲労及びカバーの鋳造可能性を改善する。

別の好適な態様では、排ガスタービンは、カバーと内側のガス流入ハウジングとの間にセンタリングピンを有していて、該センタリングピンは、カバーと内側のガス流入ハウジングとを半径方向において互いに位置決めしている。この構成は、静翼の振動を減じる。

別の好適な態様では、排ガスタービンは、カバーと内側のガス流入ハウジングとの間にシール部材を有していて、該シール部材は、半径方向外側を流れる排ガスと半径方向内側においてカバーに接触している排ガスとの間において圧力降下を生ぜしめる。この構成は、カバーの機械的な圧力負荷を減じる。

次に図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳説ずる。

ノズルリングと、組み込まれた直線的なカバーと、を備えた軸流式の排ガスタービンを概略的に示す軸方向断面図である。 ノズルリングと、組み込まれた湾曲したカバーと、ノズルリングと内側のガス流入ハウジングとの間におけるシール部材と、ノズルリングと外側のガス流入ハウジングとの間におけるシール部材と、を備えた軸流式の排ガスタービンを概略的に示す軸方向断面図である。 溶接された直線的なカバーを備えたノズルリングを概略的に示す軸方向断面図である。 熱結合された直線的なカバーを備えたノズルリングを概略的に示す軸方向断面図である。 溶接された直線的なカバーを備えたノズルリングと、センタリングピンを備えた内側のガス流入ハウジングとを概略的に示す軸方向断面図である。

図面において使用した参照符号は、符号の説明にまとめて記載してある。基本的に同じ部材には同じ符号が付されている。

発明の実施の形態
図１には、軸流式の排ガスタービンが、軸方向断面図で概略的に示されている。この排ガスタービンは、外側に向かって、２部分から成る管状の外側のガス流入ハウジング４０，４１によって画定されている。タービンホイール２は、外側のガス流入ハウジング４０，４１の内部に同心的に配置されていて、軸１によって回転可能に支持されている。タービンホイール２は、ボス体２１と動翼２２とを有している。円筒形のボス体２１は、軸方向において軸１を取り囲むように配置されている。ボス体２１の外周面には、動翼２２が固定されていて、周方向において分配配置されている。タービンホイール２の衝突なしの回転を保証するために、動翼２２の長さは、動翼２２の半径方向外側に位置する端部と外側のガス流入ハウジング４０，４１との間に間隙が存在するように寸法設定されている。タービンホイール２の上流側には、タービンホイール２に対して同心的に配置されたノズルリング３が設けられている。このノズルリング３は、インナリング３１、アウタリング３２、静翼３３及びカバー３４を有している。ノズルリング３は、アウタリング３２のところで外側のガス流入ハウジングの２つの部分４０，４１の間にクランプされていて、空間において位置固定に位置決めされている。静翼３３は、インナリング３１とアウタリング３２と間に配置されていて、インナリング３１及びアウタリング３２に不動に結合されている。インナリング３１の、該インナリング３１によって取り囲まれた内側の面は、本発明の第１実施形態では、カバー３４によって閉鎖されているので、インナリング３１の内側の面を通って排ガスが貫流することはない。カバー３４は、インナリング３１に組み込まれていてよく、カバー３４とインナリング３１とは、例えば鋳造又は鍛造によって、一体に製造されていてよい。タービンホイール２及びノズルリング３の上流側に位置している内側のガス流入ハウジング４２は、インナリング３１に対して同心的に配置されていて、外側のガス流入ハウジング４１と例えばリブ４３を介して結合されている。

図２には、別の実施形態による軸流式の排ガスタービンが、軸方向断面図で概略的に示されている。本実施形態では軸１は、ボス体２１と面一に終端しているのではなく、ノズルリング３に向かってタービンホイール２を超えて突出している。ノズルリング３は、アウタリング３２で、外側のガス流入ハウジングの下流側に位置する部分４０に結合されている。ノズルリング３はさらに、取付け作業中に、外側のガス流入ハウジングの下流側に位置する部分４０と一緒に、外側のガス流入ハウジングの上流側に位置する部分４１から、軸方向で流れ方向において、引き離すことができる。アウタリング３２と、外側のガス流入ハウジングの上流側に位置する部分４１との間に、排ガスタービンはさらに第１のシール部材５１を有しており、この第１のシール部材５１は、ノズルリング３の周りにおいて半径方向外側に排ガスが漏れることを阻止する。ノズルリング３のカバー３４は、本実施形態では、内側のガス流入ハウジング４２に向かって膨出するように湾曲していて、半径方向内側に向かって薄くなる壁厚さを有していてよい。インナリング３１と内側のガス流入ハウジング４２との間に、排ガスタービンは第２のシール部材５０を有している。第１及び第２のシール部材５０，５１は、例えばラビリンスパッキンであっても、又は静的なシールエレメントを有していてもよい。

図３には、ノズルリング３と内側のガス流入ハウジングとが、軸方向断面図で概略的に示されている。カバー３４は、溶接結合部６０によってインナリング３１に結合されている。

図４には、ノズルリング３と内側のガス流入ハウジングとが、軸方向断面図で概略的に示されている。カバー３４は、ボルト結合部６１によってインナリング３１に結合されている。

図５には、ノズルリング３と内側のガス流入ハウジング４２とが、軸方向断面図で概略的に示されている。内側のガス流入ハウジング４２は、ノズルリング３に向いた側にセンタリングピン７０を有しており、このセンタリングピン７０は、該センタリングピン７０が係合するようにインナリング３１に設けられた凹部に位置決めされている。

カバー３４とノズルリング３との結合形式は、図示のボルト結合部６１、溶接結合部６０又は一体的な構成とは異なっていてよい。カバー３４の取付け位置は、インナリング３１の中心でなくてもよい。カバー３４をインナリング３１の内周面の端部に取り付けることも又はインナリング３１の端面に取り付けることも可能である。

１ 軸
２ タービンホイール
２１ タービンホイールのボス体
２２ タービンホイールの動翼
３ ノズルリング
３１ ノズルリングのインナリング
３２ ノズルリングのアウタリング
３３ ノズルリングの静翼
３４ ノズルリングのカバー
４０，４１ 外側のガス流入ハウジング
４２ 内側のガス流入ハウジング
４３ リブ
５０，５１ シール部材
６０ 溶接結合部
６１ ボルト結合部
７０ センタリングピン

Claims (11)

1. 軸（１）によって保持されていて、排ガスのエネルギをタービンホイール（２）の回転運動に変換する動翼（２２）を有するタービンホイール（２）と、
   該タービンホイール（２）の上流側に位置決めされていて、インナリング（３１）と該インナリング（３１）から半径方向外側に位置する、排ガスを案内する静翼（３３）とを有するノズルリング（３）と、
   ガス流入ハウジングと、を備え、
   該ガス流入ハウジングは、前記タービンホイール（２）、前記ノズルリング（３）及び前記軸（１）を取り囲むように外側に配置された外側のガス流入ハウジング（４０，４１）と、該外側のガス流入ハウジング（４０，４１）の内部にかつ前記ノズルリング（３）の上流側に位置決めされた内側のガス流入ハウジング（４２）とを有している、排ガスタービンであって、
   前記ノズルリング（３）の、前記インナリング（３１）によって画定された内側面が、カバー（３４）によって、排ガスによる貫流に対して閉鎖されており、これにより、前記ノズルリング（３）の内側面の領域における、排ガスによる前記静翼（３３）の迂回が、阻止されていることを特徴とする、閉鎖されたノズルリングを備えた排ガスタービン。
2. 前記カバー（３４）は、解離可能な結合部を介して前記ノズルリング（３）に結合されている、請求項１記載の排ガスタービン。
3. 前記カバー（３４）は、解離不能な結合部を介して前記ノズルリング（３）に結合されている、請求項１記載の排ガスタービン。
4. 前記カバー（３４）と前記ノズルリング（３）の前記インナリング（３１）とは、一体に形成されている、請求項１記載の排ガスタービン。
5. 前記カバー（３４）は、該カバー（３４）の、前記タービンホイール（２）とは反対の側に湾曲部を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の排ガスタービン。
6. 前記カバー（３４）は、半径方向外側の領域に比べて薄い壁厚さを有する半径方向内側の領域を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の排ガスタービン。
7. 前記カバー（３４）は、軸方向において、前記ノズルリング（３）の前記インナリング（３１）の中心に取り付けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の排ガスタービン。
8. 当該排ガスタービンは、前記カバー（３４）と前記内側のガス流入ハウジング（４２）との間にセンタリングピン（７０）を有していて、該センタリングピン（７０）は、前記カバー（３４）と前記内側のガス流入ハウジング（４２）とを半径方向において互いに位置決めしている、請求項１から７までのいずれか１項記載の排ガスタービン。
9. 当該排ガスタービンは、前記カバー（３４）と前記内側のガス流入ハウジング（４２）との間にシール部材（５０）を有していて、該シール部材（５０）は、前記内側のガス流入ハウジング（４２）の領域において前記カバー（３４）に作用する排ガスの圧力を減じる、請求項１から８までのいずれか１項記載の排ガスタービン。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の排ガスタービンを有するターボチャージャ。
11. 請求項１から９までのいずれか１項記載の排ガスタービンを有するパワータービン。

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