JP2019094899A - タービンおよびターボチャージャ - Google Patents

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Abstract

【課題】タービン内部の手段を通じてバーストプロテクションを改善すること。【解決手段】媒体を膨張させるための、ターボチャージャ用のタービンであって、タービンロータと、タービンロータの隣接する翼の半径方向外側に延びるインサート部品(13)を有するタービンハウジングと、を備え、インサート部品(13)は、上流端部において第1のフランジ(16)を、下流端部において第2のフランジ(17)を含み、インサート部品(13)は、第1のフランジ(16)と第2のフランジ(17)との間に延びる中央セクション(21)において、ほぼ一定の厚さ(D)を有する。【選択図】図3

Description

本発明はタービン、およびタービンを有するターボチャージャに関する。
図1は、従来知られているターボチャージャ1の根本的な構成を示す。
ターボチャージャ1は、第1の媒体を膨張させるための、特に内燃機関の排気ガスを膨張させるためのタービン2を含む。ターボチャージャ1はさらに、第2の媒体、特にチャージエアを圧縮する、すなわち第1の媒体の膨張中にタービン2に引き出されるエネルギーを用いるための、圧縮機3を含む。
タービン2は、タービンハウジング4と、タービンロータ5と、を含む。圧縮機3は、圧縮機ハウジング6と、圧縮機ロータ7と、を含む。圧縮機ロータ7は、ベアリングハウジング9に取り付けられたシャフト8を介してタービンロータ5に連結され、ベアリングハウジング9は、タービンハウジング4と圧縮機ハウジング6との間に位置付けられ、タービンハウジング4および圧縮機ハウジング6の両方に接続される。さらに、図1は圧縮機側のサイレンサ10を示している。
タービン2のタービンハウジング4は、流入ハウジング11と、流出ハウジング12と、を含む。流入ハウジング11によって、タービン2の領域内で膨張される第1の媒体は、タービンロータ5に供給され得る。流出ハウジング12によって、または不図示の排気管によって、タービンロータ5の領域内で膨張された第1の媒体は、タービンから流出する。
流入ハウジング11および流出ハウジング12に加え、タービンハウジング4はインサート部品13を含み、インサート部品13は、特に流入ハウジング11の領域内を、すなわちタービンロータ5に隣接して延び、タービンロータ5の動翼14に半径方向外側において隣接する。タービンハウジング4はさらに、ノズルリング15を含む。ノズルリング15は、タービンガイド装置とも呼ばれる。
動作中に、タービン2の故障が起こり得る。この時、特に断片がタービンロータ5から引き離されて、タービンハウジング4を突き抜ける場合がある。これは避けなければならない。このような理由で、慣例から、ターボチャージャ1のタービン2にバーストプロテクション(burst protection)、例えばハウジングを備えることが、既知である。
例えば、より薄い壁厚を備えるハウジングを具体化することができ、そうすることによって費用および重量の利点を実現するために、タービン内部の手段を通じてバーストプロテクションを改善することが必要とされている。
これを起点として、本発明は、新たな種類のタービンおよび新たな種類のターボチャージャを作り出す目的に基づいている。この目的は、請求項1に記載のタービンおよび請求項10に記載のターボチャージャにより解決される。本発明によると、第1のフランジと第2のフランジとの間に延びる中央セクションにあるか、またはタービンの領域にあるインサート部品は、ほぼ一定の厚さを有する。
タービンが故障した場合、本発明によるタービンのインサート部品は、例えばハウジングなどの封じ込め安全装置(containment safety)のための他の措置をより容易に実行すると共に、費用および重量の利点を実現し、かつ隣接する構造体を解放することができるように定められた形で、タービンロータの断片の運動エネルギーを妨害および除去することを可能にする。
インサート部品の中央セクションの厚さは、インサート部品の半径方向内側の流れ伝導壁(radially inner flow-conducting wall)とインサート部品の半径方向外側の壁との間の半径方向距離によって定められ、このほぼ一定の厚さは、中央セクションの平均厚さに基づいて最大で±10%変化する。中央セクションの平均厚さは、優先的にインサート部品の適合直径(fit diameter)の3%〜9%になり、この適合直径は、インサート部品の第1のフランジ上に形成されたタービンハウジングのセクションのための半径方向接触表面によって定められる。これにより、タービンの領域における封じ込め安全装置は、特に有利に提供され、すなわち費用および重量の削減が得られる。
本発明の好適なさらなる発展が、従属請求項およ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、図面によって、これに制限せずに、さらに詳細に説明する。
先行技術によるターボチャージャを通る断面図である。 本発明によるタービンまたは本発明によるターボチャージャの詳細図である。 本発明によるタービンまたは本発明によるターボチャージャのさらなる詳細図である。
本明細書に存在する発明は、タービンおよびターボチャージャに関する。先行技術によるタービンおよびターボチャージャの根本的な構成については、図1を参照して既に説明した。以下では、本発明によるタービン、およびタービンを先行技術と異ならせる、本発明によるターボチャージャ、の詳細のみを論じる。
図2および図3は、本発明によるターボチャージャのタービンの詳細を示し、図1は、インサート部品13、隣接するノズルリング15、およびタービンハウジング4の隣接する流入ハウジング11、の領域における抜粋を示す。
インサート部品13は、タービンロータ5の動翼14に半径方向に隣接して延びており、少なくとも部分的にタービン2の流路の範囲を定める。
インサート部品13は、上流端部に第1のフランジ16を、および下流端部に第2のフランジ17を含む。
第1のフランジ16において、インサート部品13は、タービンハウジング4の流入ハウジング11のセクション18に接して位置し、このフランジ16上には、流入ハウジング11のセクション18のために、一方では、軸方向接触表面16aが、他方では半径方向接触表面16bが、形成されている。この上流のフランジ16の領域における半径方向接触表面16bは、インサート部品13の、いわゆる適合直径dPを定める。
反対側に位置する下流端部には、インサート部品13の第2のフランジ17が形成され、これを介して、インサート部品の下流端部におけるインサート部品17が、タービン2の流入ハウジング11のさらなるセクション19と相互作用する。図2によると、複数のねじ20が、フランジを形成する流入ハウジング11のこのセクション19と、インサート部品13の第2のフランジ17と、を通って延び、これらのねじ20は、締め付ける際に、インサート部品13の上流端部にあるフランジ16を、流入ハウジング11のセクション18に対して、すなわち軸方向接触表面16aで軸方向に、押し付ける。
インサート部品13の上流端部における第1のフランジ16と、下流端部における第2のフランジ17と、の間には、インサート部品13の中央セクション21が形成され、インサート部品13のこの中央セクション21は、ほぼ一定の厚さDを特徴とする。この厚さDは、インサート部品13の半径方向内側の流れ伝導壁13aと、インサート部品13の半径方向外側の壁13bと、の間の半径方向距離によって定められる。
インサート部品13のこのセクション21のほぼ一定の厚さDは、セクション21の領域において、厚さDが、中央セクション21の平均厚さに基づいて、最大で±10%、優先的には最大で±7%、特に好ましくは最大で±5%、変化することを意味する。
ほぼ一定の厚さは、中央セクション21の平均厚さに基づいて、特に好ましくは最大で±2mm、変化する。
平均厚さは、中央セクション21の軸方向の伸張部分に沿った中央セクション21のすべての厚さの平均値によって定められる。
中央セクション21の平均厚さは、特に適合直径dPの3%〜9%、好ましくは4%〜8%、特に好ましくは5%〜7%となる。
インサート部品13は、優先的には、最終的な外形へと既にプレキャストされたキャスト部品である。インサート部品13の機械加工は、単に、半径方向内側の流れ伝導壁13aの領域内で施され、これは、優先的には旋盤細工によって行われる。
本発明では、タービンロータ5の断片の運動エネルギーは、故障の場合、インサート部品13によって、定められた方法で除去され得る。封じ込め安全装置のための他の手段は、これにより、さらに単純に、さらに容易に、かつさらに費用効果的に、具体化され得る。さらに、最適な隙間が、インサート部品13とタービンロータ5との間で調節され得る。動作中、インサート部品13が、熱膨張の結果タービンロータ5の方向に動き、この隙間を縮小するリスクはない。
よって、ターボチャージャの改善された熱特性が、定められた壁厚を通じて得られる。薄い、よって柔軟な壁厚により、熱膨張を通じて部品にかかる負荷が、弾性的に可撓性の変形によって妨害される。フランジベアリングハウジング/タービン流入ハウジング間のより好都合なフランジ負荷、ならびにノズルリングおよびインサート部品を通る最適により小さい隙間を通じた効率増大が得られる。
本発明のさらに好ましい効果は、壁厚が半径方向だけでなく半径方向領域より上の移行領域においても定められるので、フランジ領域(フランジベアリングハウジング-タービン流入ハウジング)の切り離しが防止されることである。これにより、このフランジに作用する力が、定められた範囲で保持される。
1 ターボチャージャ
2 タービン
3 圧縮機
4 タービンハウジング
5 タービンロータ
6 圧縮機ハウジング
7 圧縮機ロータ
8 シャフト
9 ベアリングハウジング
10 サイレンサ
11 流入ハウジング
12 流出ハウジング
13 インサート部品
13a 壁
13b 壁
14 動翼
15 ノズルリング
16 フランジ
16a 接触表面
16b 接触表面
17 フランジ
18 セクション
19 セクション
20 ねじ
21 セクション

Claims (10)

  1. 媒体を膨張させるための、ターボチャージャ用のタービンであって、
    タービンロータ(5)と、
    タービンハウジング(4)と、
    前記タービンロータ(5)の隣接する動翼(14)の半径方向外側に延びるインサート部品(13)であって、該インサート部品(13)は、上流端部において第1のフランジ(16)を、下流端部において第2のフランジ(17)を含むインサート部品(13) と、を備え、
    前記インサート部品(13)は、前記第1のフランジ(16)と前記第2のフランジ(17)との間に延びる中央セクション(21)において、ほぼ一定の厚さ(D)を有することを特徴とする、タービン。
  2. 前記厚さ(D)は、半径方向内側の流れ伝導壁(13a)と半径方向外側の壁(13b)との間の半径方向距離によって定められることを特徴とする、請求項1に記載のタービン。
  3. 前記第1のフランジ(16)と前記第2のフランジ(17)との間の前記ほぼ一定の厚さ(D)は、前記中央セクション(21)の平均厚さに基づいて最大で±10%変化することを特徴とする、請求項1または2に記載のタービン。
  4. 前記第1のフランジ(16)と前記第2のフランジ(17)との間の前記ほぼ一定の厚さ(D)は、前記中央セクション(21)の平均厚さに基づいて最大で±10mm変化す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タービン。
  5. 前記中央セクション(21)の前記平均厚さは、前記インサート部品(13)の適合直径(dP)の3%〜9%になることを特徴とする、請求項3または4に記載のタービン。
  6. 前記平均厚さは、前記適合直径(dP)の4%〜8%になることを特徴とする、請求項5に記載のタービン。
  7. 前記平均厚さは、前記適合直径(dP)の5%〜7%になることを特徴とする、請求項6に記載のタービン。
  8. 前記適合直径(dP)は、前記インサート部品(13)の前記第1のフランジ(16)上に形成された前記タービンハウジングのセクション(18)のための、半径方向接触表面(16b)によって定められることを特徴とする、請求項5から7のいずれか一項に記載のタービン。
  9. 前記インサート部品(13)は、前記タービンハウジング(4)の流入ハウジング(11)のフランジ(19)および前記インサート部品(13)の前記第2のフランジ(17)を通って延びるねじ(20)を介して、前記インサート部品(13)の前記下流端部で前記流入ハウジング(11)にねじ留めされることを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載のタービン。
  10. ターボチャージャであって、
    第1の媒体を膨張させるためのタービン(2)と、
    第2の媒体を圧縮するための圧縮機(3)と、を備え、
    前記タービン(2)は、請求項1から9のいずれか一項に従って形成されていることを特徴とする、ターボチャージャ。
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