JP2019210932A - ターボ機械用のバースト保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ターボ機械のための、好都合でかつ軽量であるバースト保護装置を提供すると同時に、バーストの際に飛散する部品に対する高度な保護を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、ロータハウジングを有し該ロータハウジング内に軸と該軸回りに回転自在に取り付けられたロータとを備えるターボ機械のためのバースト保護装置において、前記ロータハウジングの前記バースト保護装置が、少なくとも前記ロータの部位において前記ロータを周方向に囲み、かつ少なくとも一つのバースト保護要素から一つの部分に形成されており、前記少なくとも一つのバースト保護要素が少なくとも３０％の破断伸びを有する材料から構成されていることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明はターボ機械、特にはタービンあるいはコンプレッサであるターボ機械のためのバースト保護装置に関する。

ターボ機械用のバースト保護装置は従来から知られている。バースト保護装置は、ターボ機械の部品のバースト（破裂、破損）の際、例えばターボ機械のインペラ又はロータのバーストの間、それらの部品が人に如何なる危険も与えずかつ隣接する装置がダメージを受けないように、これら部品の飛散を遮断するものとして機能する。しかしながら、従来より既知のバースト保護装置は、その構造及び材料が故に大体高価であり、かつ非常に重いものであった。

従って本発明は、ターボ機械のための、好都合でかつ軽量であるバースト保護装置を提供すると同時に、バーストの際に飛散する部品に対する高度な保護を提供するという目的に基づいてなされたものである。

この目的は、特許請求の範囲請求項１に記載した特徴の組合せにより解決される。

本発明により、ロータハウジングを備えたターボ機械のためのバースト保護装置が提供される。前記ロータハウジングは、軸と、ロータハウジング内で前記軸回りに回転自在に取り付けられたロータと、を備える。このバースト保護装置は、前記ロータハウジングを、少なくとも前記ロータの部位でロータの周方向に囲んでいる。さらに、該バースト保護装置は一つの部分として、かつ好ましくは少なくとも一つのバースト保護要素からなる一体物として形成される。前記少なくとも一つのバースト保護要素は、少なくとも３０％の破断伸びを有する材料からなる。

例えばロータの破損時などの回転部品のバースト時には、破裂によって生じた部品がしばしばロータハウジングを突き抜ける。時には、ロータハウジングは、該ロータハウジングの部品がロータの元の部品に追加されるが如く事実上バラバラになっている。少なくとも３０％の破断伸びを有する材料からなるバースト保護要素を有するバースト保護装置によって、飛散する部品の運動エネルギーは、該飛散部品が該バースト保護要素を打つ際に該バースト保護要素の変形エネルギーに完全に変換される。ここにおいて、前記バースト保護要素は、前記飛散する部品によって変形はするも割れないよう、かつ好ましくは飛散する部品に完全に抵抗するよう、その材料によって十分高いノッチ衝撃強度を有している。このため、飛散部品は該バースト保護要素によって減速され、遮断される。さらに、高いノッチ衝撃強度は有利である。何故なら、３０％の破断伸びを有するそのような材料によって、当分野で知られた「標準材料」を備える保護装置の場合よりも、飛散部品の運動エネルギーが、よりバースト保護要素の変形エネルギーに変換されるからである。「標準材料」では、飛散する部品は減速はするものの止まらずに、バースト保護要素を打ち破ってしまい、その結果、部品の運動エネルギーはバースト保護要素によって変換されないであろう。高い破断伸び及び高いノッチ衝撃強度により、該バースト保護装置は比較的薄くかつ複数層が重畳された材料から形成可能であり、これにより重量が抑えられ、かつ該バースト保護装置の製造方法はより費用対効果の高いものとなる。材料は好ましくはステンレス鋼である。

該バースト保護装置は、軽量及び複数層といったことにより、振動に対する感受性が低く、そのためターボ機械の全体の振動に対する感受性も低減される。構造により得られる軽量及び体積の抑制により、バースト保護装置及びターボ機械の小型化が可能であり、かつ周辺のアッセンブリ又はコンポーネントへの接続が簡素化される。加えて、前記バースト保護装置又はターボ機械のアッセンブリは単純化される。

バースト保護装置のさらに有利な構成では、バースト保護要素は、ロータハウジングをロータの部位で少なくとも部分的にロータの周方向に囲み、バースト保護要素はさらに、前記軸方向にロータに沿って延長される。この場合、バースト保護要素は、好ましくロータハウジングを完全に囲繞する。

本発明のさらに有利な構成は、バースト保護要素が少なくとも一つのプレートから形成されことを提供する。従って、該バースト保護要素は、複数のプレートの一部として形成することが可能である。

本発明における、バースト保護要素が全く一つのプレートから一体物に形成されれてなる態様、あるいは、バースト保護装置が全く一つのプレートからなる全く一つのバースト保護要素から一体物に形成されてなる態様は、特に有利である。

あるいは、バースト保護装置は、好ましくはその一部において、複数のバースト保護要素から構成されてもよい。

ここで、一体物に(in one piece)とは、前記バースト保護装置又はバースト保護要素が一つのピース、すなわち例えば単一プレート、から作製されていることを意味する。一つの部分に形成されたバースト保護装置又は一部バースト保護要素は、一体物とすることが可能であるが、複数の個々の要素から、それらを例えばネジ留め、リベット留め、又は溶接により合体して一つの部分とすることも可能である。

さらに有利な実施形態におけるバースト保護要素が複数のプレートから形成される場合、該バースト保護要素は、互いに重畳された少なくとも二つのプレートによって規定された複数層構造を有したものとなる。

バースト保護装置の安定性を高めるために、さらなる構成では、前記プレートが確実な接着又は積極的な接合方法で互いに接続されることを提供する。例えば、前記プレートは互いに溶接されている。積極的な接合において、前記プレートの各々は、ロータハウジング回りにフレーム又はフレームの一部を形成することができ、それぞれの場合において、内部に位置したフレームは外部に位置したフレーム内に対し嵌合しかつ寄り掛かり、よって、これら両フレームは互いに動かないものとされる。外部配置のフレームは内部配置のフレームの周りに曲げることが可能で、このためこれらフレームは、曲げ操作又は外側フレームの作成方法による積極的手法のみにより結合される。

さらに有利な実施形態においては、前記プレートは、１ｍｍないし１０ｍｍ、好ましくは５ｍｍないし１０ｍｍ、より好ましくは約５ｍｍの厚さとされる。プレート厚さを１ｍｍないし１０ｍｍ又は約５ｍｍとすることによって、バースト保護要素は、曲げ方法によって変形でき、完全な一つのプレートとして形成することができ、しかも変形の際にダメージを受けることがない。特に厚さを５ｍｍ以上とすることにより、バースト保護装置は振動による影響を受けにくいものとなる。

従って、バースト保護装置の一設計においては、前記バースト保護要素は、前記プレートを曲げることにより形成される。

有利な更なる変更においては、前記バースト保護装置又は前記プレートの材料は、好ましくは少なくとも３０％の破断伸びを備えた溶体化焼鈍オーステナイト系耐食鋼である。

さらに、有利な実施形態において前記材料は、００．０２ないし００．１２％の炭素、００．５０ないし０１．５０％のケイ素、０１．５０ないし０２．５０％のリン、００．００ないし００．１０％の硫黄、１５．００ないし２５．００％のクロム、００．００ないし０１．００％の窒素、および０５．００ないし１５．００％のニッケルを有する。

好ましくは、前記材料は、００．０７％の炭素、０１．００％のケイ素、０２．００％のマンガン、００．００ないし００．０４５％のリン、００．００ないし００．０１５％の硫黄、１７．５０ないし１９．５０％のクロム、００．００ないし００．１０％の窒素および０８．００ないし１０．５０％のニッケルを含む。

本発明により、さらに、ターボ機械ハウジング及びロータハウジングを備えたターボ機械が提供される。ターボ機械ハウジングは、ロータハウジングを囲み、かつ第１ハウジング部及び第２ハウジング部の一部として形成される。前記第１ハウジング部は、特許請求の範囲に記載した前記バースト保護装置によって形成される。第１ハウジング部と第２ハウジング部の材料は異なり、例えば第１ハウジング部は第２ハウジング部よりも高い破断伸びを示す重い材料から形成することができる。これにより、前記ターボ機械ハウジングは、バースト保護に適するように形成することができ、バーストの生ずる可能性のある部位に対してはそこに適したバースト保護装置を用いた設計とし、一方、第２ハウジング部を囲繞するさらなる部位は、より軽く安定性の低い材料から形成することが可能である。

本発明のその他の有利なさらなる改良は従属請求項に記載され、あるいは、図面を参照した本発明の好ましい実施形態の説明とともに以下により詳しく示される。

本発明によるバースト保護装置を備えた、本発明によるターボ機械の一例をしめす概略構成図である。

図１に示すターボ機械１０はターボチャージャである。ロータハウジング１１の内部にて、高温排気ガスによって駆動されるロータ１３が軸１２回りに回転する。ロータ１３のバーストの際に周囲の機器及び人に対するリスクを最小とするため、本発明によるバースト保護装置がロータハウジング１１の周りに配置されている。該バースト保護装置はバースト保護要素１により形成されており、該バースト保護要素１は、前記ロータ１３を、自身の内部において 前記軸１２の回りの周方向に前記ロータハウジング１１を包むように囲む。該バースト保護装置１は、図示面と直交する前記軸１２の長手方向に、前記ロータ１３の全幅に渡って延在する。

例えば、ロータ１３のブレードがバーストしたときには、ブレードの少なくとも一部分がロータハウジング１１に対して勢いよく飛ばされ、それはほとんど鋳込んだ状態となる。衝撃により、前記ロータハウジング１１、ブレードの部分、及びある条件下ではロータ１３のさらなるブレードが破砕又は破壊され、その結果、以下で発射体 (projectile) と称す複数の部分が、軸１２から放射方向外方に高速で飛ばされる。前記発射体（飛行部位）はまた残るロータハウジング１１を打ち貫き、あるいは完全にバーストさせ得る。前記発射体がバースト保護要素１から形成された前記バースト保護装置に衝突した場合、バースト保護装置は変形し、その高いノッチ衝撃強度及び３０％を超える破断伸びのおかげで破壊又は破断することはない。変形によって発射体の運動エネルギーは変形エネルギーに変換され、発射体の運動エネルギーが無くなるまでバースト保護要素１に作用する。また、発射体は、バースト保護要素１から跳ね返り、該バースト保護要素に対する衝撃を介して、自身の運動エネルギー及びバースト保護要素の内部で膨張した運動エネルギーを消失する。

図１に示したターボ機械１０はさらに、例えばロータ１３の回転数といった種々の特性値を検出するためのセンサシステムＳを備える。該ターボ機械全体は共通のターボ機械ハウジングに囲まれており、前記ロータハウジング１１、前記ロータ１３は第１ハウジング部２１内に設けられ、かつ前記センサシステムＳは第２２内に設けられている。第１ハウジング部２１は、バースト保護要素を有したバースト保護装置によって形成されており、第２ハウジング部２２は第１ハウジング部に例えばネジによって取り付けられている。費用対効果の高いターボ機械ハウジングを実現するために、第１ハウジング部２１は、バースト保護装置の仕様に従って、高いノッチ衝撃強度及び少なくとも３０％の破断伸びを備える材料から作製され、一方、第２ハウジング部２２は例えばプラスチックから製造することができる。第２ハウジング部２２内には、センサシステムＳの代わりに、あるいはそれに加えて、ターボ機械１０のさらなる部品を配置することも可能である。

この実施形態において、本発明は上述の好ましい実施形態に限定されるものではない。対して、根本的に異なるタイプの実施形態のものであっても、ここに示した解決手段を使用するいくつかの変更が可能である。

１ バースト保護装置／バースト保護要素
１０ ターボチャージャ（ターボ機械）
１１ ロータハウジング
１２ 軸
１３ ロータ
２１ 第１ハウジング部
２２ 第２ハウジング部
Ｓ センサシステム

Claims (11)

1. ロータハウジング（１１）を有し該ロータハウジング（１１）内に軸（１２）と該軸（１２）回りに回転自在に取り付けられたロータ（１３）とを備えるターボ機械（１０）のためのバースト保護装置において、
   前記ロータハウジング（１１）の該バースト保護装置は、少なくとも前記ロータ（１１）の部位において前記ロータ（１３）を周方向に囲むとともに、少なくとも一つのバースト保護要素（１）から一つの部分に形成されており、前記少なくとも一つのバースト保護要素（１）が少なくとも３０％の破断伸びを有する材料からなることを特徴とするバースト保護装置。
2. 請求項１記載のバースト保護装置において、前記ロータ（１３）の部位において、前記バースト保護要素（１）が、前記ロータハウジング（１１）を前記ロータ（１３）の周方向に少なくとも部分的に囲み、かつ前記ロータ（１３）に沿って前記軸（１２）方向に延在する、バースト保護装置。
3. 請求項１又は２記載のバースト保護装置において、前記バースト保護要素が少なくとも一つのプレートから形成されてなる、バースト保護装置。
4. 請求項３記載のバースト保護装置において、前記バースト保護要素（１）が一つのプレートから一体物に形成されているか、該バースト保護装置が一つのプレートから一体物に形成されている、バースト保護装置。
5. 請求項３記載のバースト保護装置において、前記バースト保護要素（１）が、互いに上下に重ねられた少なくとも二つのプレートによって規定された重畳構造を有している、バースト保護装置。
6. 請求項５記載のバースト保護装置において、前記プレートは互いに、堅固な接着又は積極的接合法により結合されてなる、バースト保護装置。
7. 請求項３ないし６の何れか一項記載のバースト保護装置において、前記プレートが１ｍｍないし１０ｍｍ、好ましくは５ｍｍの厚さを有している、バースト保護装置。
8. 請求項３ないし７の何れか一項記載のバースト保護装置において、前記バースト保護要素（１）が前記プレートを曲げることにより形成されている、バースト保護装置。
9. 請求項１ないし８の何れか一項記載のバースト保護装置において、前記材料が溶体化焼鈍オーステナイト系耐食鋼である、バースト保護装置。
10. 請求項１ないし９の何れか一項記載のバースト保護装置において、前記材料が、
    ００．０２ないし００．１２％の炭素、
    ００．５０ないし０１．５０％のケイ素、
    ０１．５０ないし０２．５０％のマンガン、
    ００．００ないし００．１０％のリン、
    ００．００ないし００．１０％の硫黄、
    １５．００ないし２５．００％のクロム、
    ００．００ないし０１．００％の窒素、及び
    ０５．００ないし１５．００％のニッケル
    を有する、バースト保護装置。
11. ターボ機械ハウジング及びロータハウジング（１１）を備えたターボ機械（１０）であって、前記ターボ機械ハウジングが前記ロータハウジング（１１）を囲みかつ第１ハウジング部（２１）及び第２ハウジング部（２２）から一つの部分に作製され、バースト保護装置の前記第１ハウジング部（２１）が請求項１ないし１０の何れか一項により形成され、かつ前記第１ハウジング部（２１）及び第２ハウジング部（２２）の材料が異なる、ターボ機械。

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