JP2019215003A - ガスターボ機械のためのバースト保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来装置の欠点を回避し、ターボチャージャの半径流タービンのための改善された確実なバースト保護装置、すなわち簡単に製造でき、ターボチャージャの安全をさらに高め、かつ運転中に生ずる固有振動による不利な効果が低減されるバースト保護装置を創出する。【解決手段】ガスターボ機械、特に半径流ガスターボ機械のタービンホイールハウジング１０及び／又はコンプレッサハウジングの周囲に取り付けるため、パイプの少なくとも一つのパイプセクション２から、該パイプセクション２の曲がりセグメントの形状に形成されたバースト保護装置１であって、前記パイプセクション２の前記曲がりセグメントは、前記パイプの周方向において、前記タービンホイールハウジング１０又はコンプレッサハウジングのガス出口又は空気出口のための中断部Ｕを有していることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、特許請求の範囲請求項１によるガスターボ機械のためのバースト保護装置に関する。本発明はまた、そのようなガスターボ機械を備えた内燃機関、及び、そのようなバースト保護装置を備えたガスターボ機械に関する。

ターボチャージャは、排気ガスターボチャージャとも称され、内燃機関の付属アッセンブリの一つであり、性能又は効率を向上させるものである。

排気ガスターボチャージャは、共通のシャフトによって互いに接続されたコンプレッサ及びタービンから構成される。タービンは、内燃機関の排気ガスによって駆動され、コンプレッサのための駆動エネルギーを供給する。ターボチャージャでは通常、遠心コンプレッサ及び半径流タービンが採用される。

基本的な原理は、吸入系における圧力を高めるためにエンジン排気ガスのエネルギーの一部を利用することによって、自然給気エンジンよりもより多くの外気をシリンダ内に送り込みことにあり、これにより効率が向上する。従って、ターボチャージャは排気ガス（動圧過給）の圧力（ラム誘導）及び運動エネルギーを利用することができる。付加的なチャージエア冷却器を使用すれば、シリンダ内で、同一温度でより高い仕事圧力が得られる。

概念的に、前記コンプレッサ及び前記タービンは、タービンにおいては排気ガスを誘導するための、かつコンプレッサにおいては導入空気をエンジンに運ぶための、空気導通螺旋を備える。

過給内燃機関の排気ガスターボチャージャといった現在知られている高性能ターボ機械は、その回転部品に技術的欠陥が生じた際、ターボチャージャの周囲に対し高いリスクをもたらす。特にターボ機械の直ぐ近くに人が存在するという状況での作動中において欠陥が生じた際、すなわちバースト（破裂、破損）した時にも、全ての部品が安全かつ完全に遮断され、如何なる人も怪我を負わないということが保証されなければならない。

破片がターボチャージャの外壁を打ち抜くこと、すなわち人を危険に晒しかつ隣接する機械部品にダメージを与えることを防止するために、従来のターボチャージャでは、タービンハウジングにおけるタービンインペラの径方向外方の領域にかなり厚い壁がいくつか設けられていた。しかし、このようは解決策にはいくつか欠点がある。例えばハウジングの実質的な重量増加、及び、そのようなタービンハウジングの低品質な鋳造性に起因する収縮孔の形成のリスクなどである。また、そのように厚さの増加したハウジングは昇温にムラが生じ、熱亀裂の原因ともなり得る。

特許文献１から、高速回転する装置のための、バースト部品の運動エネルギーを低減させる装置が知られている。軸流タービンの内部に構成されたこの装置は、互いに接続された複数の保護リングから成り、何れのものもそれらの間には延性材料から製造された脆い領域が形成されている。しかしながら、このような解決法は半径流タービンには適切ではない。と言うのは、半径流タービンの径方向ガス入口の存在故に、該タービンの半径領域には保護装置を設けられないからである。

特許文献２から複層バースト保護装置が知られている。このものは、断熱材が鉄板の内部に設けられ、かつタービンハウジングから所定距離のところで該タービンハウジングの螺旋部分に取り付けてある。しかしながら当該文献に開示の該バースト保護は周囲状況に欠点を有している。つまり、このバースト保護はハウジングの螺旋部分の１２０°範囲のみ囲むものであり、従って一部は開放されている。

引用文献３から別のバースト保護装置も知られている。このものはターボチャージャのための半径流タービンのガス入口ハウジングの外側に設けられており、螺旋シート金属カバーとして形成され、かつ前記ガス入口ハウジングに複数のネジによって取り外し可能に接続されている。

さらに、バースト保護として、製造コスト削減のため簡単な構成ではあるが、曲げた複数の金属シートを前記螺旋の周りに配置するいくつかの解決策が知られている。しかしそれらは限定された強度及び剛性のみを有し、かつ運転中に生ずる固有振動に対する反応としての挙動に関して望ましくない特性を有する。

独国特許公開第４２２３４９６号公報 (DE 42 23 496 A1) 米国特許第４，８７５，８３７号明細書 (US 4,875,837 A) 独国特許公開第１９６４０６５４号公報 (DE 196 40 654 A1)

従って、本発明の目的は、上記の欠点を回避し、ターボチャージャの半径流タービンのための改善された確実なバースト保護装置、すなわち簡単に製造でき、ターボチャージャの安全をさらに高め、かつ運転中に生ずる固有振動による不利な効果が低減されるバースト保護装置を提供することである。

上記課題は特許請求の範囲請求項１による特徴の組合せによって解決される。

本発明の基本的理念は、いくつかの層に構成された一つ又は複数のパイプセクション（パイプ部分）から成るバースト保護装置の形成にあり、各層は何れのものもタービン及び／又はコンプレッサの螺旋の周りを囲んで形成される。本発明によれば、この目的のために通常のパイプが使用され、そこから所望の幅のパイプセグメントが切り出され、かつガス出口又は空気出口のための位置で切り開かれ、そうして曲がりセグメント (bend segment) が得られる。

前記パイプの前記パイプセクションが曲がりセグメントの形状であるとさらに有利である。本発明の好ましい構成では、前記パイプセクションからの前記曲がりセグメントは前記パイプの周囲の約３／４から成り、又は、前記パイプセクションの前記曲がりセグメントは約２６０°ないし２８０°の曲がりを形成する。

タービンインペラハウジング、及び／又は、ガスターボ機械、特に半径流ガスターボ機械のコンプレッサハウジングに関するアッセンブリのため、前記パイプセクションは、パイプの周方向で見た場合に、該パイプセクションの前記曲がりセグメントが前記タービンホイールハウジング又はコンプレッサハウジングの前記ガス出口又は空気出口のための中断部 (interruption) を有するように構成されている。

前記パイプセクションの前記曲がりセグメントの少なくとも一端は、曲げられずに平らに延在したセクションを形成していると特に有利である。これにより、該バースト保護装置は、前記タービンホイールハウジング又はコンプレッサハウジングの前記ガス出口又は空気出口に対しても対処できる。

さらなる優位性を有する一実施形態では、１つ又は複数のケーブル、好ましくは金属ワイヤケーブルが、前記パイプセクションの前記曲がりセグメントの外側シェルに沿って巡らされ、前記パイプセクションに取り付けられている。ここで、並行に走る複数の金属ケーブルを前記外側シェルの周りで緊張させることができ、それにより、例えばこれらケーブルによる付加的なブレーシング補強により前記パイプ構成部材の壁厚を低減することが可能である。何故なら、それらケーブルが、パイプセクションの、すなわちパイプセクションから成るバースト保護装置の、バーストのリスクを減ずるからである。従って、大きな構成部材はさらに径方向への逃げが防止される。

本発明のさらに好ましい構成においては、複数のケーブルが、これらケーブルのテンションを調節可能とすべく、ケーブル緊張要素によって前記パイプセクションに取り付けられる。前記ケーブルがバネ要素によって前記パイプセクションに取り付けられるとさらに好ましい。そのようなバネ要素によって前記パイプセクションはより薄い壁厚で、かつ適用可能であるならばより小さいケーブル径で実現できる。と言うのは、バネ要素によって、バーストの際に生じる運動エネルギーがより好ましく逸散されるからであり、そこにおいては前記ケーブルの弾性的配置による一種の「制動動作」が上記の逃げる部品に対抗するからである。

有利には、保持手段、好ましくは外側に突出した複数のウェブも同様に前記パイプセクションの前記曲げセグメントに取り付けることができ、ケーブルが直接的又は間接的に取り付けられる。

本発明の更なる実施形態においては、前記バースト保護装置が複数の部分に形成され、好ましくは互いに重畳されて層となった複数のパイプセクションから成る。このような構成によって、本出願に適合した組立てによる解決法を創造することが可能となる一方、個々のパイプはより薄い壁厚のものとすることができる。

本発明のさらなる態様は、該ガスターボ機械のタービンホイールハウジング又はコンプレッサハウジングの周囲に配置された上記の如きバースト保護装置を備えるガスターボ機械、特に半径流ガスターボ機械に関する。明らかに、前記バースト保護装置は、前記タービンホイールハウジング及び前記コンプレッサハウジングのそれぞれの周りに配置することも可能である。

該ガスターボ機械の好ましい構成においては、前記タービンホイールハウジング及び／又は前記コンプレッサハウジングが螺旋ガスダクトを形成しており、該螺旋ガスダクトは一方の側に排気ガス送り又は空気送り（コンプレッサの場合）を有し、かつ前記バースト保護装置が前記ガスダクトの周囲に設けられ、そうして該バースト保護装置の中断によって、前記排気ガス送り又は前記空気送りのための通路が提供される。

本発明の更なる態様は、このように構成されたガスターボ機械を備える内燃機関に関する。

本発明のその他の有利な更なる展開は従属請求項に記載され、かつ、添付の図面とともに本発明の好ましい実施形態が下記により詳細に記載される。

本発明によるバースト保護装置の一実施形態を示す斜視図である。

以下、本発明を添付の図１を参照してより詳細に説明する。図１は、バースト保護装置１の例示的な実施形態の斜視図であり、ターボチャージャハウジング回りに組み付けられた状態で示すものである。

ガスターボ機械のタービンハウジング１０が示されており、作動状態においては、螺旋ガスダクト１１を介した排気ガス流によって駆動されるタービンホイール（図示せず）が回転する。

該バースト保護装置１は、前記パイプセクション２の曲がりセグメントの形状とされたパイプのパイプセクション２から、前記タービンホイールハウジング１０の周りに配置された組み込み位置に形成されており、前記パイプセクション２の前記曲がりセグメントは、パイプの周方向において中断部Ｕを有している。高い破壊時伸び率及び切欠き衝撃強さを有したパイプ材料を用いることにより、エネルギーは、比較的小さい組立部品サイズで、最適化された方法で逸散され、これによって重量及びコスト面で優位性がもたらされる。

前記螺旋ガスダクト１１を形成する前記タービンホイールハウジング１０は一方の側に排気ガス送り１２を備える。ここで、前記バースト保護装置１は、前記ガスダクト１１の周りに、前記中断Ｕが前記排気ガス送り１２のための通路を提供するように設けられる。

さらに、前記パイプセクション２の前記曲がりセグメントが略２７０°の曲がりを形成し、かつ図１において、前記パイプセクション２の前記曲がりセグメントの延長された上端は曲がらずに平らに延長されたセクション２ａを形成していることが明らかである。

複数本のケーブル４、すなわち金属ワイヤケーブルが、パイプセクション２の曲がりセグメントの外側シェル３に沿って走っており、それらはそれぞれパイプセクション２の端部側すなわち保持手段６に取り付けられている。これら保持手段は、パイプセクション２の曲がりセグメントの端部側において外方に突出している。一方の保持手段６は前記平坦セクション２ａに形成されている。これら保持手段６の各々は、パイプセクション２の外側シェル３の外方に突出するウェブとして取り付けられており、かつ前記ケーブルは、ケーブル緊張要素５及びバネ要素７を介して該保持手段に直接取り付けられている。

前記ケーブル締付け要素５は前記バネ要素７と各ケーブル４との間に配されており、ケーブルのテンションを調節できる。

本発明は上述の好ましい実施形態のものに限定されるものではない。それどころか、上記示した解決法を使用する、根本的に異なるタイプの実施形態とともにいくつかの変更が考えられる。例えば前記ケーブル緊張要素５及びバネ要素７の組付け順を逆とすることも可能であるし、あるいは、個々のケーブルを、バネ要素を使用せずターンバックルのみによって前記保持手段に取り付けることもできる。

１ バースト保護装置
２ パイプセクション
３ 外側シェル
４ ケーブル
５ ケーブル緊張要素
６ 保持手段
７ バネ要素
１０ タービンホイールハウジング
１１ 螺旋ガスダクト
Ｕ 中断部

Claims (11)

1. ガスターボ機械、特に半径流ガスターボ機械のタービンホイールハウジング（１０）及び／又はコンプレッサハウジングの周囲に取り付けるために、パイプの少なくとも一つのパイプセクション（２）から、該パイプセクション（２）の曲がりセグメントの形状に形成されたバースト保護装置（１）であって、前記パイプセクション（２）の前記曲がりセグメントは、前記パイプの周方向において、前記タービンホイールハウジング（１０）又はコンプレッサハウジングのガス出口又は空気出口のための中断部（Ｕ）を有してい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（１）において、前記パイプセクション（２）の前記曲がりセグメントが略２６０°ないし２８０°の曲がりを形成してなる、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（１）において、前記パイプセクション（２）の前記曲がりセグメントの少なくとも一端が、曲げられずに平らに延びたセクションを備える、バースト保護装置。
4. 請求項１ないし３の何れか一項記載のバースト保護装置において、一又は複数のケーブル（４）、好ましくは金属ワイヤケーブルが、前記パイプセクション（２）の前記曲がりセグメントの外側シェル（３）に沿って張設され、前記パイプセクション（２）に取り付けられてなる、バースト保護装置。
5. 請求項４記載のバースト保護装置において、前記ケーブル（４）は、該ケーブルのテンションを調節し得るよう、ケーブル緊張要素（５）によって前記パイプセクション（２）に取り付けられている、バースト保護装置。
6. 請求項４又は５記載のバースト保護装置（１）において、前記ケーブル（４）がバネ要素（５）によって前記パイプセクション（２）に取り付けられてなる、バースト保護装置。
7. 請求項４ないし６の何れか一項記載のバースト保護装置（１）において、端部側において、保持手段（６）、好ましくは外側に突出したウェブが、前記パイプセクション（２）の前記曲がりセグメントに取り付けられており、該保持手段に前記ケーブル（４）が直接的又は間接的に取り付けられてなる、バースト保護装置。
8. 請求項１ないし７の何れか一項記載のバースト保護装置（１）において、該バースト保護装置が複数の部分、好ましくは、重畳されて層状とされた複数のパイプセクション（２）から構成されてなる、バースト保護装置。
9. 請求項１ないし８の何れか一項によるバースト保護装置を備えたガスターボ機械、特に半径流ガスターボ機械であって、前記バースト保護装置が該ガスターボ機械のタービンホイールハウジング（１０）又はコンプレッサハウジングの周囲に設けられてなるガスターボ機械。
10. 請求項９記載のガスターボ機械において、前記タービンホイールハウジング（１０）又はコンプレッサハウジングが螺旋ガスダクト（１１）を形成しており、一方の側において排気ガス送り又は空気送りを備えており、かつ前記バースト保護装置（１）は、前記中断部（Ｕ）が前記排気ガス送り又は前記空気送りのための通路を形成するように、前記螺旋ガスダクト（１１）の周囲に設けられている、ガスターボ機械。
    
11. 請求項９又は１０記載のガスターボ機械を有する内燃機関。

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