JP2020180616A - ターボチャージャー - Google Patents

Abstract

【課題】新しいタイプのターボチャージャーを作成する。【解決手段】コンプレッサーローターブレードの径方向外縁部と、コンプレッサーハウジングのうちコンプレッサーローターブレードに面する一部分またはステータ側構成要素のうちコンプレッサーハウジングに接続された一部分とは、コンプレッサー側ギャップを定める。タービンハウジング（４）およびコンプレッサーハウジングはそれぞれ、シャフト（８）に取り付けられた軸受ハウジングに接続されている。タービンハウジング（４）のうちタービンローターブレード（１４）に面する一部分もしくはステータ側構成要素（１３）のタービンハウジング（４）に接続された一部分、および／またはコンプレッサーハウジングのうちコンプレッサーローターブレードに面する一部分もしくはステータ側構成要素のうちコンプレッサーハウジングに接続された一部分が、中空空間（１８）を含む流込構造（１７）を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、ターボチャージャーに関する。

図１は、実際に知られているターボチャージャー１の基本的な構成を示す。ターボチャージャー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を備え、第１の媒体の膨張中にエネルギーが取り出される。さらに、ターボチャージャー１は、第２の媒体、特に内燃機関に供給される給気を、圧縮するための、すなわち第１の媒体の膨張中にタービン２で取り出されたエネルギーを利用するための、コンプレッサー３を備える。

タービン２は、タービンハウジング４と、タービンローター５と、を備える。コンプレッサー３は、コンプレッサーハウジング６と、コンプレッサーローター７と、を備える。タービンローター５とコンプレッサーローター７とは、軸受ハウジング９に取り付けられたシャフト８を介して結合されている。軸受ハウジング９は、一方ではタービンハウジング４に、他方ではコンプレッサーハウジング６に接続されている。

さらに、図１は、コンプレッサーハウジング６に接続された随意の消音器１０を示し、給気は消音器１０を介して導かれる。

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、を備える。流入ハウジング１１を介して、膨張される第１の媒体は、ここでは径方向にタービンローター５に供給される。流出ハウジング１２を介して、膨張された第１の媒体は、ここでは軸方向にタービンローター５から排出されることが可能である。図１のタービンはラジアルタービンである。

さらに、図１は、タービンハウジング４の構成部品としての挿入部品１３と、ノズルリング１５と、を示す。タービンハウジングに接続されたタービン２のステータ側アセンブリである挿入部品１３は、タービンローター５のタービンローターブレード１４に径方向外側で続き、流入ハウジング１１の流路を少なくとも部分的に区切る。タービンローターブレード１４の径方向外縁部１４ａとタービンハウジング４のうちタービンローターブレード１４に面する一部分または挿入部品１３のうちタービンハウジング４に接続された一部分とは、タービンローターブレード１４とタービン２のステータとの間のタービン側ギャップを定める。

図１では、ラジアルコンプレッサーとして具体化されたコンプレッサーローター７は、コンプレッサーローターブレード１６を搭載している。コンプレッサーローターブレード１６の径方向外縁部１６ａとコンプレッサーハウジング６のうちコンプレッサーローターブレード１６に面する一部分またはステータ側構成要素のうちコンプレッサーハウジングに接続された一部分とは、コンプレッサーローターブレード１６とコンプレッサー３のステータとの間のコンプレッサー側ギャップを定める。

独国特許出願公開第２０１６−１２５１８９号明細書 独国特許出願公開第２０１５−０１６４８６号明細書

図１によるターボチャージャーは、特許文献１から知られている。

ターボチャージャーに可能な限り高い効率を提供するために、コンプレッサーローターブレードとコンプレッサーのステータとの間のコンプレッサー側ギャップおよびタービンローターブレードとタービンのステータとの間のタービン側ギャップを、可能な限り小さく形成することが望ましい。しかしながら、ターボチャージャーの作動中、特にタービンの領域において、タービンローターに作用する遠心力の結果として、また、タービンローターの熱的に引き起こされるひずみの結果として、タービンローターブレードがステータに衝突するリスクがある。これにより、それぞれのローターブレードが損傷する可能性がある。これは不利益である。

特許文献２から、タービンの領域において、挿入部品が、タービンローターのタービンローターブレードが挿入部品に衝突することを防止するために定められた輪郭を有する、ターボチャージャーが知られている。

タービンおよび／またはコンプレッサーの領域において、タービンローターブレードおよび／またはコンプレッサーローターブレードとタービンおよび／またはコンプレッサーのステータとの間のギャップを、小さなギャップ寸法に調整することが可能な、すなわち、ローターブレードがステータに衝突した際にそれぞれのローターブレードが損傷するリスクのない、新しいタイプのターボチャージャーが必要である。

これから出発して、本発明は、新しいタイプのターボチャージャーを作成するという目的に基づく。この目的は、請求項１によるターボチャージャーによって解決される。本発明によれば、タービンハウジングのうちタービンローターブレードに面する一部分もしくはステータ側構成要素のうちタービンハウジングに接続された一部分、および／またはコンプレッサーハウジングのうちコンプレッサーローターブレードに面する一部分もしくはステータ側構成要素のうちコンプレッサーハウジングに接続された一部分は、中空空間を備えた流込構造（running-in structure）を搭載している。本明細書中の発明により、タービンハウジングのうちタービンローターブレードに面する一部分もしくはステータ側構成要素のうちタービンハウジングに接続された一部分、および／またはコンプレッサーハウジングのうちコンプレッサーローターブレードに面する一部分もしくはステータ側構成要素のうちコンプレッサーハウジングに接続された一部分が、中空空間を備えた流込構造を搭載していることが初めて提案される。たとえばローターブレードが、作動中に作用する遠心力の結果として、かつ／または熱ひずみの結果として、流込構造に衝突すると、それぞれのローターブレードが損傷のリスクにさらされないように流込構造が変形する。したがって、ターボチャージャーの作動中にそれぞれのタービンブレードに損傷を与えるリスクなしに、それぞれのタービンブレードの縁部とタービンのそれぞれのステータとの間を、最小のギャップに調整することが可能である。

本発明の更なる展開によれば、流込構造は、流込構造の中空空間が、それぞれのローターブレードの方向にまたはそれぞれのローターブレードに面して開口して形成されるように、開放孔形状または開放連続気泡形状に形成される。このような開放孔形状または開放連続気泡形状の流込構造は、ローターブレードが流込構造に衝突したときのローターブレードおよび流込構造の損傷のリスクなしに、ローターブレードとステータ側流込構造との間を、最小のギャップに調整するために特に好ましい。

本発明のさらなる発展によれば、流込構造は、ハニカム状の中空空間を備える。ステータ側流込構造のハニカム状の中空空間は、作動中のローターブレードおよび流込構造の損傷のリスクなしに、ローターブレードとそれぞれのステータとの間を、最小のギャップに調整するために特に好ましい。ここで、発明者らは、ハニカム状の中空（hollow）空間が、ゴルフボール上に存在するような表面構造も含むと理解している。これにより、可能な限り薄い乱流境界層を形成することが可能であるので、効率の最適化を達成することが可能である。

本発明のさらなる発展によれば、流込構造の壁は、０．２ｍｍの最大壁厚を有する。流込構造のそのような薄い壁は特に可撓性を有し、作動中のローターブレードおよび流込構造の損傷のリスクなしに、ローターブレードとそれぞれのステータとの間の最小ギャップを調整することを可能にする。

本発明の好ましいさらなる展開は、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、これに限定されることなく、図面によってより詳細に説明される。

実際に知られているターボチャージャーの断面図を示す。 ラジアルタービンとして設計されたターボチャージャーのタービンの領域における本発明によるターボチャージャーの断面図を示す。 軸流タービンとして形成されたターボチャージャーのタービンの領域における、本発明によるさらなるターボチャージャーの断面図を示す。 図２および図３の線Ａ−Ａに沿った詳細図を示す。

ターボチャージャー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を備える。さらに、ターボチャージャー１は、第２の媒体、特に給気を圧縮するための、すなわち第１の媒体の膨張中にタービン２で取り出されたエネルギーを利用するためのコンプレッサー３を備える。

タービン２は、タービンハウジング４と、タービンローター５と、を備える。コンプレッサー３は、コンプレッサーハウジング６と、コンプレッサーローター７と、を備える。コンプレッサーローター７は、軸受ハウジング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ー５と結合されており、軸受ハウジング９は、タービンハウジング４とコンプレッサーハウジング６との間に配置され、タービンハウジング４とコンプレッサーハウジング６との双方に接続されている。

通常、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、を備える。軸受ハウジング９に接続された流入ハウジング１１を介して、膨張される第１の媒体をタービンローター５上に導くことが可能である。流入ハウジング１１に接続された流出ハウジング１２を介して、膨張された第１の媒体はタービンローター５から排出されることが可能である。通常、タービンハウジング４はさらに、挿入部品１３と、ノズルリング１５と、を備える。挿入部品１３は、第１の媒体の流路を部分的に区切り、挿入部品１３は、タービンローター５のローターブレード１４に径方向外側で続く。タービンローター５の上流には、ノズルリング１５が配置され、これは、タービンローター５の上流で膨張される第１の媒体の流れを導く働きをする。

したがって、タービンローター５はタービンローターブレード１４を搭載しており、タービンローターブレード１４の径方向外縁部１４ａと、径方向外側で続くステータ側アセンブリ、通常はタービンハウジング４に接続されたステータ側挿入部品１３と、の間には、ギャップが形成される。

このようなギャップは、コンプレッサー３の領域において、コンプレッサーローター７のコンプレッサーローターブレード１６と、コンプレッサーローター７に径方向外側で続くコンプレッサーハウジング６と、の間、特に、コンプレッサーローターブレード１６の径方向外縁部１６ａと、コンプレッサーハウジング６のうちコンプレッサーローターブレード１６に面する一部分またはステータ側構成要素のうちコンプレッサーハウジング６に接続された一部分と、の間にも、同様に形成される。

本明細書中の発明により、タービンローターブレード１４とタービン２のステータとの間にタービン側の最小のギャップを形成するために、かつ／または、コンプレッサーローターブレード１６とコンプレッサー３の隣接したステータとの間にコンプレッサー側の最小のギャップを形成するために、タービンハウジング４のうちタービンローターブレード１４に面する一部分もしくはステータ側構成要素のうちタービンハウジングに接続された一部分、および／またはコンプレッサーハウジング６のうちコンプレッサーローターブレード１６に面する一部分もしくはステータ側構成要素のうちコンプレッサーハウジング６に接続された一部分が、中空空間を備えた流込構造を搭載していることが提案される。

作動中、ローターブレード１４および１６の、それぞれの径方向外縁部１４ａおよび１６ａはそれぞれ前記流込構造１７に衝突してもよく、すなわち、ローターブレード１４および１６への損傷のリスクがないため、したがって作動中、ローターブレード１４および１６のそれぞれと、それぞれの隣接するステータおよびステータ側流込構造１７のそれぞれと、の間に、最小のギャップが形成される。これによって、ターボチャージャーに高い効率が実現可能である。

流込構造１７は好ましくは、開放孔形状または開放連続気泡形状に、すなわち、それぞれのローターブレード１４および１６の方向に流込構造１７の中空空間１８がそれぞれ開口して形成されるように、形成されている。

好ましくは、流込構造は、ハニカム状の中空空間１８を含むハニカム状に形成される。

流込構造１７の中空空間１８は、好ましくは最大壁厚０．２ｍｍ、最小壁厚０．０５ｍｍである壁１９によって、区切られ、または画成される。このような流込構造１７は特に可撓性を有する。ローターブレードが流込構造１７と衝突している、または摩擦が生じているときのローターブレードおよび流込構造１７の損傷は、このように安全に回避されることが可能である。

タービン２の領域において、流込構造１７は、好ましくは高耐熱鋼から、特に、ニッケル合金またはニッケルクロム合金から作製される。ここでは、特にＸ１２鋼またはＸ２２鋼が採用されてもよい。

コンプレッサー３の領域において、それぞれの流込構造１７は、ねずみ鋳鉄材またはアルミニウム材からなってもよい。

好ましくは、それぞれの流込構造１７は、ステータ側構成要素の上に載せられており、ステータ側構成要素は、例えば３Ｄプリンティングのような付加製造方法によって、流込構造１７を搭載している。

既に説明されたように、流込構造１７は、ターボチャージャー１のタービン２の領域およびターボチャージャー１のコンプレッサー３の領域の双方において利用可能である。

図１および図２に示すように、タービン２はラジアルタービンであってよい。またタービン２は軸流タービンであってもよい。図３は、タービンのローターブレード１４の領域についての軸流タービンからの抜粋であり、タービンハウジング４またはタービンハウジング４に接続されたステータ側アセンブリ２０は、同様に、ローターブレード１４に面する一部分に、中空空間１８を含む流込構造１７を備える。

本発明は、ターボチャージャーのコンプレッサーにおいて、例えば、ラジアルコンプレッサーにおいて、または軸流コンプレッサーにおいても、実現可能である。

本発明により、ターボチャージャー１の効率を上げることが可能である。ターボチャージャー１の、タービン２の領域およびコンプレッサー３の領域の双方において、タービン２およびコンプレッサー３のそれぞれのローターブレード１４および１６のそれぞれと、径方向外側で続くステータ側構成要素と、の間を、最小のギャップに調整することが可能である。ローターブレード１４および１６のそれぞれは、流込構造１７との摩擦や衝突による損傷のリスクがない。流込構造１７は、相対的に柔らかく、または可撓性を有するように具体化される。ローターブレード１４および１６のそれぞれについて、衝突している、または摩擦が生じているとき、ローターブレード１４および１６のそれぞれに損傷のリスクがなく、また流込構造１７は円周方向にも流れ方向にも損傷しない。

１ ターボチャージャー
２ タービン
３ コンプレッサー
４ タービンハウジング
５ タービンローター
６ コンプレッサーハウジング
７ コンプレッサーローター
８ シャフト
９ 軸受ハウジング
１０ 消音器
１１ 流入ハウジング
１２ 流出ハウジング
１３ 挿入部品
１４ タービンローターブレード
１４ａ 外縁部
１５ ノズルリング
１６ コンプレッサーローターブレード
１６ａ 外縁部
１７ 流込構造
１８ 中空空間
１９ 壁

Claims (9)

1. 第１の媒体を膨張させるためのタービン（２）と、
   第１の媒体の膨張中に前記タービン（２）で取り出されたエネルギーを利用して第２の媒体を圧縮するためのコンプレッサー（３）と、
   を備えるターボチャージャー（１）であって、
   前記タービン（２）は、タービンハウジング（４）と、タービンローターブレード（１４）で羽根付けされたタービンローター（５）と、を備え、
   前記タービンローターブレード（１４）の径方向外縁部（１４ａ）と、前記タービンハウジング（４）のうち前記タービンローターブレード（１４）に面する一部分またはステータ側構成要素（１３）のうち前記タービンハウジング（４）に接続された一部分とは、タービン側ギャップを定め、
   前記コンプレッサー（３）は、コンプレッサーハウジング（６）と、ローターブレード（１６）で羽根付けされ、かつシャフト（８）を介して前記タービンローター（５）に結合された、コンプレッサーローター（７）と、を備え、前記コンプレッサーローターブレード（１６）の径方向外縁部（１６ａ）と、前記コンプレッサーハウジング（６）のうち前記コンプレッサーローターブレード（１６）に面する一部分またはステータ側構成要素のうち前記コンプレッサーハウジング（６）に接続された一部分とは、コンプレッサー側ギャップを定めるターボチャージャー（１）であって、
   前記タービンハウジング（４）および前記コンプレッサーハウジング（６）はそれぞれ、前記タービンハウジングと前記コンプレッサーハウジングとの間に配置された軸受ハウジング（９）に接続されており、前記軸受ハウジング（９）の中には前記シャフト（８）が取り付けられており、
   前記タービンハウジング（４）のうち前記タービンローターブレード（１４）に面する一部分もしくは前記ステータ側構成要素（１３）のうち前記タービンハウジング（４）に接続された一部分、および／または前記コンプレッサーハウジング（６）のうち前記コンプレッサーローターブレード（１６）に面する一部分もしくは前記ステータ側構成要素のうち前記コンプレッサーハウジング（６）に接続された一部分が、中空空間（１８）を含む流込構造（１７）を備えることを特徴とするターボチャージャー。
2. 前記流込構造（１７）の前記中空空間（１８）が、それぞれの前記ローターブレード（１４、１６）の方向に面して、またはそれぞれの前記ローターブレード（１４、１６）に面して、開口して形成されるように、前記流込構造（１７）が、開放孔形状または開放連続気泡形状に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のターボチャージャー。
3. 前記流込構造（１７）が、ハニカム状の前記中空空間（１８）を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のターボチャージャー。
4. 前記流込構造（１７）の壁（１９）が、０．２ｍｍの最大壁厚を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のターボチャージャー。
5. 前記タービン（２）の領域における前記流込構造（１７）が、高耐熱鋼からなることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のターボチャージャー。
6. 前記コンプレッサー（３）の領域における前記流込構造（１７）が、ねずみ鋳鉄材またはアルミニウム材からなることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のターボチャージャー。
7. 前記タービンが軸流タービンであり、前記軸流タービンの前記タービンハウジングのうち前記タービンローターブレードに面する一部分または前記構成要素のうち前記タービンハウジングに接続された一部分が、前記流込構造を搭載していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のターボチャージャー。
8. 前記タービン（２）がラジアルタービンであり、前記ラジアルタービンの前記タービンハウジング（４）のうち前記タービンローターブレード（１４）に面する一部分または前記構成要素（１３）のうち前記タービンハウジングに接続された一部分が、前記流込構造（１７）を搭載していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のターボチャージャー。
9. 前記コンプレッサーがラジアルコンプレッサーであり、前記ラジアルコンプレッサーの前記コンプレッサーハウジング（６）のうち前記コンプレッサーローターブレード（１６）に面する一部分または前記構成要素のうち前記コンプレッサーハウジングに接続された一部分が、前記流込構造（１７）を搭載していることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のターボチャージャー。