JP2017110631A

JP2017110631A - ラジアルタービン、ターボチャージャー及びラジアルタービンのタービンハウジングのためのインサート部品

Info

Publication number: JP2017110631A
Application number: JP2016208464A
Authority: JP
Inventors: ビョルン・ホスバッハ; Bjoern Hossbach; ハラルト・ペーター; Peter Harald; トビアス・ヴァイスブロート; Weisbrod Tobias; トマーシュ・カハネク; Kahanek Tomas
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2036-10-25
Also published as: DE102015016486A1; KR20170072791A; CN106968723B; CH711975A2; CN106968723A; JP6877952B2; CH711975B1

Abstract

【課題】新たなタイプのラジアルタービン、当該ラジアルタービンを有するターボチャージャー及びラジアルタービンのタービンハウジングのためのインサート部品を作り出すこと。【解決手段】タービンハウジングが、タービン流入ハウジング２３と、タービン流出ハウジング２４と、タービン流入ハウジング２３に取り付けられたインサート部品２６と、を備え、インサート部品２６が、ラジアル方向外側からタービンロータ１９の動翼２０と隣接し、且ついくらかのセクションでは動翼２０の領域におけるラジアルタービンの流動ダクトを画成する、ラジアルタービン１１。流動ダクトを画成するインサート部品２６の壁部３５が、動翼２０とインサート部品２６との間の、静止しているタービンロータの公称ラジアル方向間隙をいくらかのセクションにおいて拡大した状態で、規定された周方向セクションでラジアル方向外側に引かれる。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１のおいて書き部に従う、ターボチャージャーのためのラジアルタービンに関する。本発明は、ラジアルタービンを有するターボチャージャー、及びラジアルタービンのタービンハウジングのためのインサート部品にさらに関する。

ターボチャージャーは、タービン及び圧縮機を備え、タービン内では、第１プロセスガスが膨張させられ、このプロセスで抽出されたエネルギーが、圧縮機の領域で第２プロセスガスを圧縮するために利用される。ターボチャージャーのタービン及び圧縮機双方は、ハウジング及びロータを備え、圧縮機のロータ及びタービンのロータは、軸受ハウジング内に取り付けられたシャフトを介して接続されている。

ターボチャージャーのタービンは、タービン流入ハウジング及びタービン流出ハウジングを備えている。特に、タービンがラジアルタービンとして実現される場合、いわゆるインサート部品が流入ハウジングに取り付けられ、このインサート部品は、ラジアル方向外側からタービンのロータの動翼に隣接し、いくらかのセクションにおいてタービンロータの動翼の領域でラジアルタービンの流動ダクトを画成する。このケースにおいてタービンロータの動翼のラジアル方向外側端部とインサート部品との間のラジアル方向間隙は、タービンロータの動翼がインサート部品に衝突することを防止するために十分に大きいべきである一方で、他方では、上記ラジアル方向間隙は、ラジアルタービンの効率を可能な限り高く保証するために十分に小さいべきである。

ここから始まって、本発明は、新たなタイプのラジアルタービン、当該ラジアルタービンを有するターボチャージャー及びラジアルタービンのタービンハウジングのためのインサート部品を作り出すという目的に基づいている。

この目的は、請求項１に記載のラジアルタービンを通じて達成される。

本発明によれば、流動ダクトを画成するインサート部品の壁部が、動翼とインサート部品との間の、静止しているタービンロータを公称とするラジアル方向間隙をいくらかのセクションにおいて拡大した状態で、規定された周方向セクションでラジアル方向外側に引かれる。

本発明によれば、流動ダクトを画成するインサート部品の壁部が、規定された周方向セクションにおいてラジアル方向外側に引かれ、且つこれに起因して偏心して形成され、これにより、この周方向セクションにおいて動翼の外側端部とインサート部品との間の、静止しているタービンロータの公称ラジアル方向間隙を拡大する。これに起因して、一方では、インサート部品へのタービンロータの動翼の衝突は、タービンロータが回転する動作中に、特にタービン流入ハウジングの加熱段階及び冷却段階の間に、規定された周方向セクション、特に重要な周方向セクションで防止され、他方では、ラジアルタービンの継続的な良好な効率が保証される。

ここで、本発明は、ラジアルタービンの動作中に、特に加熱段階及び冷却段階の間に、ラジアルタービンのタービン流入ハウジングが、ラジアルタービンの周方向で見ると、不均一な変形を受け、これにより、動作中に、タービン流入ハウジングの周方向範囲にわたって動翼のラジアル方向外側端部とインサート部品との間のラジアル方向間隙が、従ってインサート部品の周方向範囲が異なって変化するという理解に基づいている。それ自身でのこの不均一な変形は、ラジアル方向間隙の不均一な変化をもたらす。本発明により、この不均一なラジアル方向間隙の変化は、動作中に、周方向で一様なラジアル方向間隙がタービンロータの動翼とタービン流入ハウジングのインサート部品との間に存在するように補償される。

有利なさらなる発展によれば、インサート部品の壁部が動翼とインサート部品との間の公称ラジアル方向間隙を拡大した状態でラジアル方向外側に引き出される周方向セクションが、１２０°±４０°、特に１２０°±３０°、好ましくは１２０°±２０°、最も好ましくは１２０°±１０°の周方向範囲を有している。これにより、タービンハウジングのインサート部品へのラジアルタービンの動翼の衝突は、高効率を有した状態で安全に且つ高い信頼性で回避される。

代替的な有利なさらなる発展によれば、タービン流入ハウジングが、流入フランジと、周方向においてらせん状に広がる流入ダクトと、を備え、流入ダクトが、流入ダクトの流動方向で見ると、流入フランジと隣接する上流側の端部と、流入ダクトの流動方向で見ると下流側の端部と、を備え、インサート部品の壁部が動翼とインサート部品との間の公称ラジアル方向間隙を拡大した状態でラジアル方向外側に引かれる周方向セクションが、流入ダクトの上流側の端部又は下流側の端部によって第１端部で画成され、且つ流入ダクトの流動方向に基づいてこの第１端部から始まって、その第２端部に向かって、流入ダクトの流動方向に逆らって延在している。流動ダクトの流動方向に基づく周方向セクションのこの構成は、この周方向セクションでは、周囲にわたる流入ハウジングの異なる変形に起因して動翼がインサート部品に衝突する可能性がタービン流入ハウジング、従ってインサート部品の他の周方向セクションよりも高いことが示されるので、特に好ましい。

本発明によるターボチャージャーは、請求項７で規定されている。本発明によるインサート部品は、請求項９で規定されている。

本発明の好ましいさらなる発展は、従属請求項及び以下の説明から得られる。本発明の例示的な実施形態は、これに限定されることなく図面を用いてより詳細に説明される。

圧縮機及びラジアルタービンを有するターボチャージャーを示す。ラジアルタービンの領域でのターボチャージャーの細部を示す。保護装置とともに、ラジアルタービンの領域でのターボチャージャーのさらなる細部を示す。アキシアル方向に見たときのラジアルタービンのタービン流入ハウジングの図を示す。斜視図のみでラジアルタービンのインサート部品を示す。

図１は、ターボチャージャー１０の細部を示し、このターボチャージャー１０は、ラジアルタービンとして構成されたタービン１１と、遠心圧縮機として構成された圧縮機１２と、を備えている。

遠心圧縮機として構成された圧縮機１２の圧縮機ロータ１３が示され、この圧縮機ロータ１３は、シャフト１４及び動翼１５を有する。さらに、遠心圧縮機として構成された圧縮機１２の、流出ハウジングとして機能する圧縮機スパイラルハウジング１６と、流入ハウジングとして機能するインテークハウジング１７と、が示されている。圧縮機１２のインサート部品１８が、流出ハウジングとして働く圧縮機スパイラルハウジング１６に取り付けられ、インサート部品１８は、ラジアル方向外側から圧縮機ロータ１３の動翼１５に隣接し、いくらかのセクションにおいて圧縮機１２の流動ダクトを画成する。

ラジアルタービンとして構成されたタービン１１のタービンロータ１９が示され、タービンロータ１９は、動翼２０及びシャフト２１を備えている。圧縮機ロータ１３のシャフト１４及びタービンロータ１９のシャフト２１は、互いに連結され、シャフト１４，２１は、いわゆる軸受ハウジング２２内で取り付けられている。

ラジアルタービンとして構成されたタービン１１のタービンハウジングが示されており、さらに、タービンハウジングは、タービン流入ハウジング２３及びタービン流出ハウジング２４を備えている。タービン流入ハウジング２３は、スパイラル状又はらせん状に形成され、且つラジアルタービン１１の流入ダクト２５を提供する。

インサート部品２６が、ラジアルタービン１１のタービンハウジングのタービン流入ハウジング２３に取り付けられており、ラジアル方向外側からタービンロータ１９の動翼２０の外側端部に隣接しているインサート部品２６は、いくらかのセクションにおいて動翼２０の領域にラジアルタービン１１の流動ダクトを画成している。

図３は、タービン１１の領域での排ガスターボチャージャー１０からの抜粋を示しており、図３では、タービン流入ハウジング２３及びタービン流出ハウジング２４双方が、保護装置２７，２８によってそれぞれ囲まれている。さらに、図３は、圧縮機スパイラルハウジング１６の領域での保護装置２９を示している。

ラジアルタービン１１のタービンハウジングの保護装置２７，２８は、タービン流入ハウジング２３の領域では流入フランジ３０が露出されたままであり、タービン流出ハウジング２４の領域では流出フランジ３１が露出されたままである。

すでに説明したように、ラジアルタービン１１のタービン流入ハウジングは、スパイラル状又はらせん状に形成され、流入ハウジング２３の流入ダクト２５は、タービン流入ハウジング２３の流入フランジ３０から始まって延在し、すなわち、タービンロータ１９周り、従ってタービンロータ１９の動翼２０周りで周方向にスパイラル状またはらせん状に広がっている。

タービン流入ハウジング２３のこの流入ダクト２５は、流入ダクト２５の流動方向で見ると、流入フランジ３０に隣接し且つ流動側で流入フランジ３０に連結された上流側の端部３３と、流入ダクト２５の流動方向で見ると下流側の端部３４と、を備えている。流入ダクト２５の流動断面積は、流入ダクト２５の上流側の端部３３から始まって、流入ダクト２５の下流側の端部３４に向かって小さくなる。

動作中に、タービン流入ハウジング２３は、その周方向範囲にわたって見ると、異なる変形を受ける。従って、タービンロータ１９の動翼２０のラジアル方向外側端部とタービン流入ハウジング２３に取り付けられたインサート部品２６との間のラジアル方向間隙は、従来技術から公知のラジアルタービンの場合に周方向で見ると異なって小さくなる。

動作中にインサート部品２６と動翼２０との間のラジアル方向間隙が本質的により顕著に小さくなる、タービン流入ハウジング２３のインサート部品２６の周方向範囲のこのようなセクションにおいて、インサート部品２６への動翼２０の衝突を防止するために、本発明によれば、流動ダクトを画成するインサート部品２６の壁部３５であって、規定された周方向セクション３６で流動ダクトを画成するインサート部品２６の壁部３５が、いくらかのセクションにおける静止しているタービンロータ１９の公称ラジアル方向間隙を拡大した状態で、動翼２０とインサート部品２６との間でラジアル方向外側に引かれ、これにより、この周方向セクションにおいてタービンハウジングのより大きな変形、すなわち、動作中に生じるタービン流入ハウジング２３のより大きな変形を補償し、従って、この周方向セクションにおいてタービンロータ１９の動翼２０がインサート部品２６に衝突することを防止する、壁部３５が提供される。タービン翼２０がインサート部品２６に衝突するリスクがより小さい、この周方向セクション３６以外には、流動チャネルと隣接するその壁部３５上でのインサート部品２６は、ラジアルタービンの高効率を保証するために、ラジアル方向外側に引かれない。

インサート部品２６の壁部３５が動翼２０とインサート部品２６との間の公称ラジアル方向間隙を拡大した状態でインサート部品２６の他の周方向セクションに対してラジアル方向外側に引かれる、インサート部品２６の周方向セクション３６は、１２０°±４０°の周方向範囲、特に１２０°±３０°、好ましくは１２０°±２０°、最も好ましくは１２０°±１０°の周方向範囲を含む。

ラジアルタービン１の動翼２０とインサート部品２６との間の公称ラジアル方向間隙は、静止しているタービンロータ１９及び冷却されたラジアルタービン１１のラジアル方向間隙である。タービンロータ１９が回転する動作中に、特に、ラジアルタービン１１の加熱段階及び冷却段階の間に、この間隙は、インサート部品２６の周方向で見ると不均一に変化する。周方向セクション３６でのインサート部品２６の壁部３５の規定された形成を通じて、タービンロータ１９が回転する動作中に、特にラジアルタービン１１の加熱段階及び冷却段階の間に、ラジアルタービン１１の動翼２０とインサート部品２６との間のラジアル方向間隙は、インサート部品２６の周方向で見ると一様になることが保証される。これに起因して、インサート部品２６への動翼の衝突は、ラジアルタービン１１が高効率な状態で防止される。

本発明は、約１２０°の周方向範囲では、タービン流入ハウジング２３とタービン流入ハウジング２３に取り付けられたインサート部品２６とは、他の周方向セクション以外の変形を受け、すなわち、この周方向セクション３６では、インサート部品２６へのタービンロータ１９の動翼２０の衝突がより起こり得るという理解に基づいており、このため、本発明によれば、この周方向セクション３６におけるインサート部品２６のラジアル方向内側壁部３５が、ラジアル方向外側に引かれる。

図４は、インサート部品のラジアル方向内側壁部３５がラジアル方向外側に引かれる、インサート部品２６のこの周方向セクション３６の正確な位置決め又は配置を描いている。従って、図４は、周方向セクション３６が２つの端部３７，３８によって画成されることを示している。第１端部３７は、選択的に、タービン流入ハウジング２３の流入ダクト２５の上流側の端部３３又は下流側の端部３４と一致しており、流入ダクト２５の上流側の端部３３は、流入ダクト２５の流動方向３２で見ると、タービン流入ハウジング２３の流入フランジ３０に隣接している。インサート部品２６の壁部３５がラジアル方向外側に引かれる周方向セクション３６は、その第１端部３７から始まってその第２端部３８に向かって延在し、すなわち、流入ダクト２５の流動方向３２で見ると、流入ダクト２５の流動方向に逆らって延在している。

従って、ラジアル方向内側壁部３５がラジアル方向外側に引かれるインサート部品２６の周方向セクション３６は、流入ダクト２５の周方向セクションを介して延び、これは、流入ダクト２５の流動方向３２で見ると、流入ダクト２５の下流側の端部３４と面するように、後方に位置づけられる。

図４によれば、流入ハウジング３０の長手方向中心軸４０が、インサート部品２６の長手方向中心軸４１に対して垂直に突出するように延びている。

図４は、タービン流出ハウジング２４が係合するタービン流入ハウジングの接続フランジ３９をさらに描いている。

本発明によるラジアルタービン１１は、選択的には、遠心圧縮機１２を備える、図１に示されるターボチャージャー１０内で使用される。

本発明は、ラジアルタービン１１及びラジアルタービン１１を備えるターボチャージャー１０に関するだけでなく、現場ですでに据え付けられたラジアルタービン１１又はターボチャージャー１０を改良することができる上記のようなインサート部品２６にさらに関する。従って、既存のインサート部品を本発明によるインサート部品２６と置換することによって、現場に据え付けられた従来のラジアルタービン１１が、改良されるか、又は本発明によるラジアルタービン１１に変更されることができる。

すでに説明したように、インサート部品２６の壁部３５は、周方向セクション３６においてラジアル方向外側に引かれる。これに起因して、ラジアル方向内側壁部３５における流動に関連する半径は、周方向セクション３６において拡大される。この拡大は、周方向範囲３６全体にわたって一定であるが、これと対照的に、流動に関連するこの半径の拡大が、周方向領域３６にわたって変化することも可能である。

周方向セクション３６の端部３７，３８から始まってラジアル方向外側への半径の拡大、従って壁部３５の引張りは、まず、その中心に向かって連続的に増大し、その後、周方向セクション３６の中間領域において一定のままとなることが提供される。

１０ターボチャージャー、１１タービン、１２圧縮機、１３圧縮機ロータ、１４シャフト、１５動翼、１６圧縮機流出ハウジング、１７圧縮機流入ハウジング、１８インサート部品、１９タービンロータ、２０動翼、２１シャフト、２２軸受ハウジング、２３タービン流入ハウジング、２４タービン流出ハウジング、２５流入ダクト、２６インサート部品、２７保護装置、２８保護装置、２９保護装置、３０フランジ、３１フランジ、３２流動方向、３３端部、３４端部、３５壁部、３６周方向セクション、３７端部、３８端部、３９接続フランジ、４０長手方向中心軸、４１長手方向中心軸

Claims

タービンハウジング及びタービンロータ（１９）を有する、ターボチャージャーのためのラジアルタービン（１１）であって、
前記タービンハウジングが、タービン流入ハウジング（２３）と、タービン流出ハウジング（２４）と、前記タービン流入ハウジング（２３）に取り付けられたインサート部品（２６）と、を備え、
前記インサート部品（２６）が、ラジアル方向外側から前記タービンロータ（１９）の動翼（２０）と隣接し、且ついくらかのセクションでは前記動翼（２０）の領域における前記ラジアルタービンの流動ダクトを画成する、ラジアルタービン（１１）において、
前記流動ダクトを画成する前記インサート部品（２６）の壁部（３５）が、前記動翼（２０）と前記インサート部品（２６）との間の、静止しているタービンロータの公称ラジアル方向間隙をいくらかのセクションにおいて拡大した状態で、規定された周方向セクション（３６）でラジアル方向外側に引かれることを特徴とするラジアルタービン。
前記インサート部品（２６）の前記壁部（３５）がいくらかのセクションにおいて前記動翼（２０）と前記インサート部品（２６）との間の前記公称ラジアル方向間隙を拡大した状態でラジアル方向外側に引かれる前記周方向セクション（３６）が、１２０°±４０°の周方向範囲を有していることを特徴とする請求項１に記載のラジアルタービン。
前記インサート部品（２６）の前記壁部（３５）が前記動翼（２０）と前記インサート部品（２６）との間の前記公称ラジアル方向間隙のいくらかのセクションを拡大した状態でラジアル方向外側に引かれる前記周方向セクション（３６）が、１２０°±３０°、好ましくは１２０°±２０°、最も好ましくは１２０°±１０°の周方向範囲を有していることを特徴とする請求項２に記載のラジアルタービン。
前記タービン流入ハウジング（２３）が、流入フランジ（３０）と、周方向においてらせん状又はスパイラル状に広がる流入ダクト（２５）と、を備え、前記流入ダクト（２５）が、前記流入ダクト（２５）の流動方向で見ると、前記流入フランジ（３０）と隣接する上流側の端部（３３）と、前記流入ダクト（２５）の流動方向で見ると下流側の端部（３４）と、を備え、前記インサート部品（２６）の前記壁部（３５）が前記動翼（２０）と前記インサート部品（２６）との間の前記公称ラジアル方向間隙を拡大した状態でラジアル方向外側に引かれる前記周方向セクション（３６）が、前記流入ダクト（２５）の前記上流側の端部（３３）によって第１端部（３７）で画成され、且つ前記第１端部（３７）から始まって、第２端部（３８）に向かって、前記流入ダクト（２５）の前記流動方向に逆らって前記流入ダクトの前記流動方向に基づいて延在していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のラジアルタービン。
前記タービン流入ハウジング（２３）が、流入フランジ（３０）と、周方向においてらせん状に広がる流入ダクト（２５）と、を備え、前記流入ダクト（２５）が、前記流入ダクト（２５）の流動方向で見ると、前記流入フランジ（３０）と隣接する上流側の端部（３３）と、前記流入ダクト（２５）の流動方向で見ると下流側の端部（３４）と、を備え、前記インサート部品（２６）の前記壁部（３５）が前記動翼（２０）と前記インサート部品（２６）との間の前記公称ラジアル方向間隙を拡大した状態でラジアル方向外側に引かれる前記周方向セクション（３６）が、前記流入ダクト（２５）の前記下流側の端部（３４）によって第１端部（３７）で画成され、且つ前記流入ダクト（２５）の前記流動方向に基づいて前記第１端部（３７）から始まって、第２端部（３８）に向かって、前記流入ダクト（２５）の前記流動方向に対して延在していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のラジアルタービン。
前記流入フランジ（３０）の長手方向中心軸（４０）が、前記インサート部品（２６）の長手方向中心軸（４１）に対して垂直に突出するように延びていることを特徴とする請求項４又は５に記載のラジアルタービン。
圧縮機（１２）及びラジアルタービン（１１）を有するターボチャージャー（１０）であって、
前記圧縮機（１２）が、圧縮機ハウジング（１６，１７）及び圧縮機ロータ（１３）を備え、前記ラジアルタービン（１１）が、タービンハウジング（２３，２４）及びタービンロータ（１９）を備え、前記圧縮機ロータ（１３）及び前記タービンロータ（１９）が、軸受ハウジング（２２）内に取り付けられたシャフト（１４，２１）を介して連結される、ターボチャージャー（１０）において、
前記ラジアルタービン（１１）が、請求項１から６のいずれか一項に記載のラジアルタービンとして構成されていることを特徴とするターボチャージャー（１０）。
前記圧縮機（１２）が、遠心圧縮機として構成されていることを特徴とする請求項７に記載のターボチャージャー（１０）。
ラジアルタービンのタービン流入ハウジング（２３）のインサート部品（２６）であって、
前記インサート部品（２６）が、いくらかのセクションにおいてラジアル方向外側から流動ダクトを画成する、インサート部品（２６）において、
前記流動ダクトを画成する前記インサート部品（２６）の壁部（３５）が、規定された周方向セクション（３６）でラジアル方向外側に引かれることを特徴とするインサート部品（２６）。
前記インサート部品（２６）の前記壁部（３５）がラジアル方向外側に引かれる前記周方向セクション（３６）が、１２０°±４０°、特に１２０°±３０°、好ましくは１２０°±２０°、最も好ましくは１２０°±１０°の周方向範囲を有していることを特徴とする請求項９に記載のインサート部品（２６）。