JP2023531220A - 連続流機械のタービン段のためのモジュール式ノズルリング - Google Patents

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Abstract

本発明は、連続流機械のタービン段のためのモジュール式ノズルリングに関する。モジュール式ノズルリングは、調整リングを有する支持システムと、ブレードリーフを有するブレードモジュールとを備える。ブレードモジュールは、支持システムに着脱可能に連結される。さらに、支持システム、詳細には流路から離れた調整リングによるブレードリーフの調整角度が規定されており、この調整角度は、動作中に変更できない。ブレードモジュールは、詳細には調整リングによって、流れ側タービンハウジング部分に着脱可能に押し付けられるように設計されている。本発明はさらに、タービン段のモジュール式ノズルリングのためのブレードモジュールと、モジュール式ノズルリングのための支持システムの使用に関する。【選択図】図5

Description

本発明は、ターボ機械のタービン段のためのモジュール式ノズルリング、タービン段のモジュール式ノズルリングのためのベーンモジュール、及びモジュール式ノズルリングのためのキャリアシステムの使用に関する。
内燃エンジンの出力を増大させるために、今日では標準的に、内燃エンジンの排気ガスラインに、内燃エンジンの上流に配置される圧縮機と、共通軸と、共通軸に連結されるタービンとを備える排気ガス過給機が使用されている。内燃エンジンの過給により、シリンダ内の空気及び燃料の充填量が増加し、結果的に燃料の混合が向上し、エンジン出力の知覚可能な増大が達成される。その目的で使用される排気ガス過給機は、標準的に、圧縮機ホイール、タービンホイール及び連結軸及び軸受を備えるロータと、流れ案内ハウジング部分(例えば、圧縮機ハウジング及びタービンハウジング)と、その間に位置する軸受ハウジングとを備える。
エンジンの排気ガスから取り出され、過給機を駆動するのに重要な力は、最初はタービンホイールを介して回転軸に伝達され、次に連結された圧縮機ホイールに伝達される。従って、空気は、圧縮機の環境から吸い込まれ、圧縮され、高い吐出圧力及び高い充填レベルでエンジンのシリンダに押し込まれることができる。エンジンの高温排気ガスからの力は、タービンホイールの選択的な旋回抽出で流体的に得られ、軸に伝達される。タービン段の構成的な実施形態では、この旋回を生じさせるために、ノズルリングがヘリカルタービンハウジングとタービンホイールの間に挿入されることが多い。
通常、ノズルリングは、複数の流れプロフィール、いわゆるノズルリングベーンを備え、プロフィール角度の固定されたセッティングによって、下流に位置する回転タービンホイール上に運転に依存した旋回流を発生させる。ノズルリングの重要な特性は、エンジンにとって理想的な運転が可能になるように、ベーン角度を選択することによって、タービンホイールへ流入する旋回流を調整することである。
ベーンプロフィールの各調整角度に関して、結果として、流れに晒される流路の表面積、ノズルリングの仕様、及びノズルリングの出口における流速も変化する。その結果、回転するタービンホイールの旋回抽出量も、エンジンの所定の入口質量流量及び動作点で変化する。ノズルリングの仕様を選択することによって、結果的に、過給機の動作挙動をエンジンの要求に適合させ、調整することが可能となる。
ノズルリングは、700℃までの高い排気ガス温度、侵食性の媒体、及び高い流速で使用される。この場合、動作中のノズルリングの堅牢性を保証するために、高品質で通常高価な基材を使用する必要がある。
一般に、ノズルリングは通常、鋳鋼から製造され、その後、最終的な寸法に加工される。場合によっては、形状が許すならば、ノズルリングは、ブロック体から所望の仕様の寸法にフライス加工することができる。
先行技術では、エンジンの要件に適合する過給機が提供される。仕様の種類が多いので、生産コスト及び保管コストが高くなり、それに関連する倉庫コストも高くなる。
上記の観点から、特に過給機及び/又はエンジン用途のそれぞれの要件に容易に適合させることができる、タービン段のための改良されたノズルリングに対するニーズがある。
この目的は、請求項1によるターボ機械のタービン段のためのモジュール式ノズルリングによって少なくとも部分的に達成される。さらに、この目的は、請求項15によるタービン段のモジュール式ノズルリングのためのベーンモジュールによって、及び請求項16によるモジュール式ノズルリングのための支持システムの使用によって達成される。他の実施形態、修正案及び改良案は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲から理解される。
一実施形態によれば、ターボ機械のタービン段のためのモジュール式ノズルリングが提供される。モジュール式ノズルリングは、調整リングを有する支持システムと、ベーンリーフを有するベーンモジュールとを備える。ベーンモジュールは、支持システムに解放可能に連結される。詳細には動作中に不変であるベーンリーフの調整角度は、支持システムによって、詳細には流路から離れた調整リングによって固定される。さらに、ベーンモジュールは、詳細には調整リングによって、流れ側のタービンハウジング部分に対して解放可能に押し付けられるように構成されている。
全体的な態様によれば、モジュール式ノズルリングの組み立て前又はタービン段の組み立て前に、それぞれの用途に望まれるベーンリーフの調整角度が提供されるように規定される。その結果として、動作中にベーンリーフの調整角度を変更することはできない。モジュール式ノズルリングは、モジュール式固定形状ノズルリングと呼ぶこともできる。
モジュール式ノズルリングは、タービン段の要求仕様に関係なく、多数の同一の構成要素を使用することを可能にする。詳細には、本明細書に開示されるベーンモジュール又はノズルリングベーンモジュールは、同一の構成要素として提供される。支持システムの構成要素、典型的には調整リングのみが、それぞれの用途に望まれる調整角度のために個別に製造される。
本明細書に開示されるモジュール式ノズルリングは、ノズルリングの仕様を組み立ての直前に、すなわち、例えば組み立ての当日にのみ決めることができる。それによって、長い調達時間の問題を回避することができる。頻繁に要求される様々な調整角度に関する多様な仕様は、保管されている所望の調整角度に特有の一連の調整リングによって達成することができる。本開示によれば、同一の構成要素と、特別に製造された調整リングのセットのみが保管されるため、高い保管コストを大幅に低減することができる。一般に、タービン段の特定のサイズに対して、およそ最大20の異なるベーン調整角度が必要となる。従来型の鋳造ノズルリングの場合、すなわち、切り離すことができない固定ノズルリング形状を有する場合、注文があった場合に迅速な配達に応じることができるように、典型的には、広範なノズルリングが保管される。広範なリングノズルが保管されていない場合、長い納期につながる。このため、従来では、非常に多くのノズルリングの仕様が予め大量かつバリエーション豊かに保管されている。ノズルリングの高い保管コストに加えて、潜在的に長いスループット時間及び信頼性のないサプライチェーンに依存することにもなる。
有利には、本明細書に開示された実施形態によるノズルリングのモデルコストは、調整リングのみが所望の調整角度のために明確に変わるので、低減させることができる。従来では、膨大な量の異なるバリエーションのノズルリングのためにモデルコストに非常に高い投資がもたらされている。
モジュール式ノズルリングは、タービン段に解放可能に固定されるように構成されている。支持システムは、例えば、タービン段のハウジング部分に挿入又はクランプすることができる。ベーンモジュールは、支持システムに解放可能に連結される。さらに、ベーンモジュールは、流れ側タービンハウジング部分に対して解放可能に押し付けられるように構成されている。その結果として、本明細書に開示されるモジュール式ノズルリングは、分解することができる。例えば、ベーンモジュールの摩耗の可能性がある場合、モジュール式ノズルリングは、タービン段から取り外し、摩耗したベーンモジュールを交換し、その後タービン段を再組み立てすることができる。損傷したベーンモジュールは、保守整備の際に新しいベーンモジュールと容易に交換することができ、既存のノズルリング及びタービン段の他の全ての構成要素を引き続き使用することができる。従来の鋳造ノズルリングでは、摩耗した場合にノズルリングの完全な交換が必要である。
ベーンモジュールは、ベーンリーフの一端から始まりベーンモジュールのベースプレートに向かう長手方向軸を定める。用語「流れ側」は、長手方向軸に沿った方向を示し、流路に面する方向と理解され、複数の場合は一次流路に面する方向と理解されることが意図されている。用語「軸受側」は、長手方向軸線に沿って流れ側空間と実質的に対向する方向を示す。
ベーンモジュールは、流れ側端部にベーンリーフを有する。ベーンリーフの向きは、ベーンモジュール、従って、タービン段内のモジュール式ノズルリングの調整角度を規定する。ベーンリーフの軸受側において、ベーンモジュールは、ベースプレートを有する。ベースプレートは、通常、円筒形かつ平坦に構成されている(すなわち、長手方向軸線に沿って小さな広がりを有する)。ベースプレートは、(一次)流路の閉鎖部、換言するとハウジング壁部を形成するように構成することができる。ベーンモジュールは、ベースプレートに連結される、又はベースプレートに一体化されるシール、例えば、薄板状シールリングを有することができる。シールリングは、ベースプレートの軸受側の端部から(一次)流路をシールするために、ベースプレートを半径方向にシールすることができる。
一実施形態では、ベーンモジュールは、ベースプレートの軸受側で軸方向に(長手方向軸に沿って)延びるベーン軸を有する。ベーン軸は、実質的に軸方向中央に配置され、典型的にはベースプレートの断面の一部に広がる。
支持システムの調整リングは、ベーン軸開口を有することができる。ベーン軸開口は、少なくともベーン軸の断面に対応する広がりを有する。調整リングのベーン軸開口は、ベーンモジュールのベーン軸を案内するように構成されている。ベーン軸の軸受側端部は、調整リングのベーン軸開口内に少なくとも部分的に配置することができる。典型的には、ベーン軸の軸受側端部は、軸受側で調整リングの外側に突出する。
ベーン軸は、ベーンモジュールを調整リングに固定することができ、調整リングのベーン軸開口から軸受側に突出するベーン軸の軸受側端部が、軸受側で調整リングに保持され、調整リングのベーン軸開口を通過するのを妨げるようになっている。
モジュール式ノズルリング及び詳細には支持システムは、固定要素を有することができる。固定要素は、軸受側でベーン軸の端部に解放可能に連結することができる。この場合、固定要素の断面は、調整リングのベーン軸開口の断面よりも大きくすることができ、又は代替的に、固定要素が流れ側でベーン軸開口を通過することを防止する形状を有することができる。その結果として、ベーン軸、従ってベーンモジュール全体が流れ側の方向に「抜け出す」ことが防止される。同時に、ベーンモジュールは、軸方向で軸受側方向へ移動することができる。
典型的には、固定要素は、固定リング、例えば、スナップリング又は保持リングである。ベーン軸の軸受側端部は円筒様式に構成することができ、及び/又はベーン軸開口は円形様式に構成することができる。この場合、固定リングの直径は、ベーン軸開口の直径よりも大きくすることができる。代替的に、例えば、固定要素は、固定ピン又は固定ニードルとすることもできる。別の実施形態では、固定要素はナットであり、ベーン軸の軸受側端部は、軸方向に制限されたねじ山を有する。
ベーン軸の軸受側端部は、固定溝を有することができる。固定要素、詳細には固定リングは、固定溝内に配置することができる。固定要素、詳細には固定リングは、ポジティブロック方式で固定溝に解放可能に連結することができる。
一実施形態では、固定要素は、ネジである。ベーン軸の軸受側端部は、雌ネジを有することができる。この実施形態では、ベーン軸は、典型的には、軸受側で調整リングの外に広がらない。ネジは、ベーンモジュール及び調整リングが後述するクランプ要素によってクランプ/押圧され得るように、軸方向の遊びをもってベーン軸にネジ留めすることができる。
ベーン軸は、固定要素によるベーンモジュールの固定に加えて、モジュール式ノズルリングの異なる構成要素(例えば、以下に説明するクランプ要素など)を案内して安定させ、従って一緒に保持するために、さらに使用される。
1つの実施形態では、ベーンモジュールは、ベースプレートの軸受側で軸方向に(長手方向軸に沿って)延びる支持構造体を有する。支持構造体は、ベーンモジュールの半径方向端部に配置され、ベーンモジュールの半径方向端部まで延びることができる。支持構造体は、ベーンモジュールの部分的な円周にわたって延びること又はベーンモジュールの全円周にわたって延びることもできる。支持構造体は、複数の支持ストラットを有することができる。1つの実施形態では、支持構造体は、2つの支持ストラットを有する。2つの支持ストラットの場合、支持ストラットは、互いに対して約180°で、すなわち、ベーンモジュールのほぼ反対側の半径方向端部に配置することができる。しかしながら、他の角度も可能である。
支持構造体の外面(複数可)、すなわち、ベーンモジュールの半径方向端部における外面は、円筒様式で構成することができる。支持構造体の外面(複数可)は、ベースプレートと実質的に同じ形状を有することができるが、多くの実施形態では、ベースプレートに対してテーパー付けされる。その結果として、支持構造体の外面の断面は、ベースプレートの断面よりも小さくすることができる。支持構造体の内面(複数可)は、好ましくは、ベーン軸から間隔をあけて配置される。支持構造体とベーン軸との間には、好ましくはベーン軸の全周にわたって延びる間隙又は隙間が配置される。
1つの実施形態によれば、ベーンモジュールは、軸受側端部に、少なくとも1つ、典型的には少なくとも2つの連結要素を有する。少なくとも1つの連結要素は、支持構造体の軸受側端部に配置される。複数の連結要素の場合、支持構造体は、対応する数の支持ストラットを有することができ、連結要素の1つは、支持ストラットの1つの軸受側端部に配置することができる。
調整リングは、少なくとも1つの溝、好ましくは少なくとも2つの溝をさらに有する。この場合、少なくとも1つの溝は、切欠きの形態とすることができる。しかしながら、好ましくは、溝は、軸方向に連続した開口である。ベーンリーフの調整角度は、少なくとも1つの連結要素と少なくとも1つの溝との間の解放可能な連結によって、調整リングに対して決定される。調整角度、すなわち回転の自由度に関連して、連結はポジティブロック式と見なすことができる。
溝は、連結要素に対応して寸法決めすることができる。詳細には、溝は、連結要素の断面に対応する形状を有すること及び/又は連結要素よりわずかに大きい断面を有することができる。それによって、調整角度に対する「遊び」が最小化される。例示的な実施形態では、連結要素は、カムの形態である。
1つの実施形態では、ベーンモジュールは、第1及び第2の連結要素を有する。調整リングは、ベーンモジュールごとに第1の溝及び第2の溝を有する。この場合、連結要素及び/又は溝は、予め定められた連結又は設置位置、従って予め定められた調整角度のみが可能であるように配置又は構成される。
1つの例示的な実施形態では、それぞれの支持構造体の連結要素及び溝は、互いに反対側に配置されていない(すなわち、180°とは異なる角度、例えば130°で配置されている)。
別の例示的な実施形態では、第1及び第2の溝、及び/又は第1及び第2の連結要素は、異なる断面(断面サイズ)及び/又は異なる断面形状(円形、矩形など)を有する。この場合、第1の連結要素は、第1の溝に対応して寸法決めすることができ。第2の連結要素は、第2の溝に対応して寸法決めすることができる。この場合、用語「対応して寸法決めされる」は、溝及び連結要素が同等の断面及び/又は同等の断面形状(円形、矩形など)を有することを意味すると理解されることが意図される。同時に、第1及び第2の連結要素は、異なる断面を有することができ、及び/又は、第1及び第2の溝は、異なる断面を有することができる。
例示的な実施形態では、ベーンモジュールは、第1及び第2の連結要素を有する。第1及び第2の連結要素は、互いにほぼ反対側に配置され、各々がカムの形態である。この場合、第1のカムは、第2のカムよりも一辺に沿って大きな広がりを有している。第1及び第2の溝は、第1及び第2のカムに対応して構成される。
連結要素及び溝が3又は4以上の場合も同様である。連結要素及び溝は、予め定められた連結又は設置位置、従って予め定められた調整角度のみが可能であるように配置又は構成される。2又は3以上の連結要素を設けることにより、モジュール式ノズルリングの機械的安定性が向上する。
調整リングは、ベーンリーフの所望の調整角度のために特別に製造することができる。1つの実施形態では、調整リングは、平坦な円筒形状を有する。さらに、調整リングは、ベーン軸開口と、ベーンモジュールごとにベーン軸開口から離れた少なくとも1つ、好ましくは少なくとも2つの溝とを有することができる。
ベーンリーフの所望の調整角度は、少なくとも1つの溝の位置決めによって予め決定することができる。本開示によるモジュール式ノズルリングは、ノズルリングの仕様を組み立ての当日にのみ決定することができ、通常に使用されるベーン調整角度に対して、1つの保管された範囲の調整リングのみが必要である。通常、溝と連結要素との間の連結は、永久的に固定されない(例えば、物質的に係合する連結によって)。従って、保守管理の際には、損傷したベーンモジュールを直ぐに取り外して、新しいベーンモジュールと交換することができる。
1つの実施形態によれば、ベーンモジュールは、支持システム、詳細には調整リングによって流れ側タービンハウジング部分に対して解放可能に押し付けられるように構成される。好ましくは、ベーンモジュールは、流れ側タービンハウジング部分に対して弾性的に押し付けられるように構成される。
1つの実施形態によれば、モジュール式ノズルリングは、クランプ要素を有する。クランプ要素は、例えば、クランプバネ又は円板バネとすることができる。クランプ要素は、支持システム、詳細には調整リングに対して作用するように構成されている。
ベーンモジュールの流れ側タービンハウジング部分に対する弾性的な押し付けは、クランプ要素が支持システムに対して作用し、支持システムがベーンモジュールを流れ側タービンハウジング部分に対して押し付ける(クランプ要素のベーンモジュールに対する間接作用によって)ことによって行うことができる。
好ましくは、クランプ要素は、詳細には調整リングである支持システム及びベーンモジュールに対して作用するように構成される。それによって、支持システム、詳細には調整リングからクランプ要素へ、及びクランプ要素からベーンモジュールへの力の伝達を行うことができる。
クランプ要素は、調整リングとベースプレートとの間に配置すること、及び/又は支持構造体とベーン軸との間に形成される間隙又は隙間に配置することができる。この場合、クランプ要素は、ベーン軸の周囲に同心円状に、及び/又は、支持構造体の内部に同心円状に配置することができる。ベーン軸及び/又は支持構造体は、クランプ要素の可能性のあるスライドを防止する。クランプ要素は、ベーンモジュールのベースプレートの軸受側端部に対して支持することができる。代替的に、クランプ要素とベースプレートとの間に中間部分を配置することも可能である。
1つの実施形態では、クランプ要素は、詳細にはクランプ要素がベーンモジュールのベースプレートに対して支持されることによって、ベーンモジュールを流れ側タービンハウジング部分に対して軸方向に押し付けるように構成されている。押し付けは、流れ側タービンハウジング部分の支持面又は流路輪郭に対して行うことができる。ベーンリーフの流路側端部は、接触時、タービンハウジング部分の流路輪郭に軸方向にクランプすることができる。クランプ要素は、結果的に圧縮バネとして機能する。クランプ要素は、ベーンモジュールを流れ側タービンハウジング部分に対して隙間なく押し付けるように構成されている。その結果として、ベーンリーフの流れ側端部とタービンハウジング部分の流路輪郭との間の隙間が防止され、タービン段の効率を改善することができる。
さらに、クランプ要素は、調整リングをターボ機械の軸受側ハウジング部分に対して軸方向に押し付けるように構成することができる。クランプ要素は、調整リングの流れ側の支持面に対して支持することができる。この場合、支持面は、ベーン軸開口と少なくとも1つの溝との間に配置することができる。あるいは、クランプ要素と調整リングの支持面との間に中間部分を配置することもできる。調整リングの軸受側端部は、接触時、軸受側ハウジング部分の支持面又は対向輪郭に軸方向にクランプすることができる。
ベーンリーフが流れ側タービンハウジング部分に対して弾性的に押し付けられる結果、詳細には、クランプ要素と調整リングとの間、及びクランプ要素とベースプレートとの間の予圧により、モジュール式ノズルリングの構成要素は、軸方向にクランプされ、従って動作中に振動力に関して固定される。各構成要素の予圧は、ノズルリングの構成要素とハウジングとの間の接続面における周期的摩擦による摩耗のリスクを低減するので、長い耐用年数が可能になり、ノズルリング構造の可能性のある故障を防止することが意図されている。
支持システムは、支持リングをさらに有することができる。支持リングは、調整リングを受け入れるように構成されている。支持リングは、軸受側の端部に、調整リングが挿入される円形凹部又は切欠きを有することができる。その結果、調整リングは、支持リングの軸受側に配置される。支持リングは、調整リングの流れ側方向への移動を防止するように構成することができる。支持リングは、一般に、調整リングの軸受側の移動を防止するように構成されていない。支持リングは、さらに、熱シールド又は熱層(heat layer)を有することができる。
支持リングは、軸方向に延びる開口を有することができ、この開口にベーンモジュールが部分的に挿入される。詳細には、支持リングの開口は、支持構造体及び/又はベーン軸のための受け部材として機能する。さらに、支持リングの開口は、支持構造体を案内する役割を果たすことができる。有利には、この目的のために、開口は、支持構造体の外面よりもわずかに大きな断面を有することができる。支持リングは、少なくとも部分的にベースプレートのための受け部材として機能することもできる。例えば、開口は、円筒形とすることができる。支持リングの開口は、ベースプレートに対応する断面形状を有することができる。
支持リングの一方の側面は、(一次)流路に面することができる。流路に面する側面の一部は、詳細にはベースプレートと共に、(一次)流路の閉鎖部、換言するとハウジング壁部を形成することができる。ベースプレートに連結される又はベースプレートに一体化されるシールは、支持リングに対して軸受側端部又は半径方向端部でベースプレートをシールするように構成される。調整リングは、流路から間隔をあけて配置されるか、又は一次流れにさらされないか、又は実質的にさらされない。クランプ要素、支持構造体、及びベーン軸は、一次流れにさらされないか又は実質的にさらされない。支持リングは、軸受側ハウジング部分と流れ側タービンハウジング部分との間に軸方向にクランプされるように構成することができる。支持リングは、所望の調整角度に関係なく、同じの構成要素として製造することができる。
1つの実施形態によれば、支持リングの開口は、開口の流れ側端部において、ベースプレートの断面と少なくとも同じか又はわずかに大きい第1の断面を有する。開口の流れ側端部の軸受側で、すなわち、開口の流れ側端部から開口の軸受側端部の範囲まで、開口は第2の断面を有する。典型的には、開口は、第1の断面から第2の断面に向かって階段状にテーパー付けされている、換言すると、開口は肩部を有することができる。開口の第2の断面は、ベースプレートの断面より小さくすることができる。同時に、第2の断面は、支持構造体の外面の断面よりわずかに大きくすることができる。1つの実施形態では、支持リングの開口及びベースプレートは、それぞれ円筒形状を有する。開口は、流れ側端部の第1の直径から、軸受側のより小さな第2の直径まで、流れ側から階段状にテーパー付けされている。第2の直径は、ベースプレートの直径よりも小さい。
その結果として、開口は、受け部材として機能し、支持構造体を案内する役割を果たすことができる。さらに、第2の断面は、ベースプレートの軸受側方向への移動の自由度を制限する。要するに、支持リングは、軸受側ハウジング部分と流れ側タービンハウジング部分との間で軸方向にクランプされ、流れ側方向への調整リングの移動を制限し、随意的に、軸受側方向へのベースプレートの、従ってベーンモジュールの移動を制限するように構成することができる。結果として、調整リング及びベーンモジュールからなる組立体は、各ハウジング部分の間で組み立てられた状態で所定の「軸方向の遊び」を有するが、支持リングによって制限することができる。有利には、それによって安全性が向上し、結果的にモジュール式支持リングの組み立てが単純化される。調整リング及びベーンモジュールからなる組立体は、クランプ要素を用いて軸方向にクランプすることができる。さらに、ベーン軸に連結される固定要素を使用することによって、ベーンモジュールが流れ側で調整リングから「抜け出す」のを防止することができる。
代替の実施形態において、支持リングの開口は、軸方向に一定の断面又は直径を有する、詳細には肩部のない貫通開口とすることができる。この場合、例えば、ベーンリーフは、開口及び/又はベースプレートよりも大きな断面又は大きな幅を有することができる。それによって、ベーンモジュールの軸受側方向への移動を制限することができる。
上述の利点に加えて、本開示のモジュール式ノズルリングは、先行技術に対して、詳細には鋳造ノズルリングと比較して、より簡単でコスト効率のよい製造を可能にすることができる。
上述のように、ベーンモジュールは、同一の形態で全ての調整角度に使用することができ、その結果、同一の構成要素として製造することができる。ベーンリーフ、ベーン軸、ベースプレート、及び支持構造体は、一体的に又は一体部品で構成することができる。詳細には、ベーンモジュール全体は、一体的に構成することができる。ベーンモジュールは、金属粉末射出成形法によって得ることができる。有利には、金属粉末射出成形法では、ベーンモジュールに後続の加工を施す必要がない。その結果として、用途に適したベーンモジュールを金属粉末射出成形法で直接得ることができる。それによって、モジュール式ノズルリングの製造コスト及び部品コストを非常に低く抑えることができる。
調整リングは、例えば、リング状の高い耐熱性及び熱安定性の金属シートから作られるブランク材として提供することができ、所定の厚さで構成することができ、未加工状態で保管することができ、低コストで提供することができる。少なくとも1つの溝は、調整角度が決まった後でブランク材に組み込むことができる。あるいは、多数の調整角度のための様々な調整リングは、その後の組み立てのために用意して保管することができる。調整リングの溝は、例えば、レーザー切断又はウォータージェット切断によって得ることができる。特に、ウォータージェット法は、簡単かつ費用対効果の高い方法で実施することができる。
クランプ要素、詳細にはクランプバネは、熱的に安定した材料から製造される。固定要素、詳細には固定リングもまた、熱的に安定した材料から製造される。
1つの実施形態によれば、モジュール式ノズルリングは、多数のベーンモジュール組立体を有する。ベーンモジュールの各々は、支持システム、詳細には調整リングに解放可能に連結される。調整リングは、ベーン軸開口及びベーンモジュールごとに少なくとも1つの溝を有することができる。さらに、モジュール式ノズルリングは、各ベーンモジュールのためのクランプ要素を有する。各ベーンモジュールにおいて、クランプ要素は、支持システム、詳細には調整リングに対して作用する。さらに、支持リングは、ベーンモジュールの各々のための開口を有することができる。
1つの実施形態によれば、ターボ機械、詳細には過給機又はパワータービンのタービン段が提供される。タービン段は、本明細書に開示される実施形態の1つによるモジュール式ノズルリングを有する。タービン段は、タービンホイールと、タービンハウジング又は渦巻状構造体とをさらに有する。随意的に、タービン段は、出口領域に出口ディフューザを有する。モジュール式ノズルリングは、タービンハウジング(渦巻状構造体)とタービンホイールとの間に配置することができる。ベーン軸及び/又はベーンリーフは、タービンホイールのロータ軸の方向に配向される。タービン段の構成要素は、所望の調整角度に関係なく、同一の構成要素として製造することができ(上述の調整リングを除いて)、詳細には、タービンハウジング及びタービンホイールは、同一の構成要素の形態とすることができる。
タービン段は、軸受側ハウジング部分及び/又は流れ側タービンハウジング部分を有することができる。軸受側ハウジング部分は、ベースプレート及び/又は支持リングと共に、(一次)流路のための第1の流路壁又はハブ側流路壁を形成することができる。ベーンモジュールを解放可能に押し付けるために配置される流れ側タービンハウジング部分は、(一次)流路のための第2の流路壁を形成する。第2の流路壁は、第1の流路壁の反対側に配置される。
さらに、タービン段は、軸受側流入ガス流のために構成することができる。軸受側流入ガス流は、ベースプレートの軸受側でのガスの流れを可能にする。それによって、ベースプレートの軸受側の(一次)流路と同様の又はそれ以上のガス圧を得ることもできる。軸受側流入ガス流は、機械的応力を低減し、それによってモジュール式ノズルリングの構成要素、詳細にはクランプ要素の耐用年数を延ばすことができる。軸受側ハウジング部は、ガス接続部に接続される開口を有することができる。軸受側流入ガス流は、圧縮機段から圧縮機側にあるエアパージシステムによって、又は外部に接続されることが意図されているエアパージシステムによって供給することができる。別の実施形態では、ベーンモジュールは、さらに、エアパージシステムによって流れ側のタービンハウジング部分に対して解放可能に押し付けられるように構成されている。
タービン段は、モジュール式ノズルリング及びタービンホイールを軸受側ハウジング部分に挿入し、続いて流れ側タービンハウジング部分を配置し、各ハウジング部分を軸方向にクランプすることによって取り付けることができる。タービン段は、軸受側ハウジング部分及び流れ側タービンハウジング部分を軸方向にクランプすることによって、モジュール式ノズルリングを軸方向に押し付けるように構成される。クランプ要素と連動する軸方向の押し付けは、流れ側タービンハウジング部分に対するベーンモジュールの隙間なしの押し付けを可能にする。
一実施形態によれば、タービン段のモジュール式ノズルリングのためにベーンモジュールが提供される。ベーンモジュールは、モジュール式ノズルリングと関連して、上記に開示されたベーンモジュールの各特徴を有することができる。以下に複数の態様が要約される。
ベーンモジュールは、ベーンリーフと、軸受側端部に配置される少なくとも1つの連結要素、詳細にはカムを有する。連結要素は、連結要素と、モジュール式ノズルリングの支持システム、詳細には支持システムの調整リングの溝との間の連結によって、ベーンリーフの調整角度を固定するように構成されている。
ベーンモジュール、詳細にはベーンリーフは、流れ側タービンハウジング部分に対して解放可能に押し付けられるように構成されている。好ましくは、ベーンリーフは、流れ側タービンハウジング部分に対して弾性的に押し付けられるように構成されている。
1つの実施形態では、ベーンモジュールは、ベーンモジュールのベースプレートの軸受側で軸方向に延びるベーン軸を有する。ベーン軸は、実質的に軸方向で中心に配置され、典型的にはベースプレートの断面の一部にわたって延びる。ベーン軸の軸受側端部は、少なくとも部分的に調整リングのベーン軸開口を通ってその中に案内されるように構成することができ、及び/又は、ベーン軸の軸受側端部は、軸受側で調整リングから突出するように構成することができる。
ベーン軸は、詳細には固定要素によって、調整リングに固定されるように構成することができる。ベーン軸の軸受側端部は、固定要素を受け入れる及び/又は固定するための固定溝を有することができる。
1つの実施形態では、ベーンモジュールは、ベースプレートの軸受側で軸方向に延びる(長手方向軸に沿って)支持構造体を有する。支持構造体は、ベーンモジュールの半径方向端部に配置され、軸モジュールの半径方向端部まで延びることができる。支持構造体は、ベーンモジュールの部分的な円周にわたって延びること又は全円周にわたって延びることもできる。支持構造体は、複数の支持ストラットを有することができる。典型的には、支持構造は、2つの支持ストラットを有する。2つの支持ストラットの場合、支持ストラットは、好ましくは、互いに対して約180°で、すなわち、ベーンモジュールのほぼ反対側の半径方向端部に配置される。しかしながら、他の角度も可能である。
支持構造体の内面(複数可)は、好ましくは、ベーン軸から間隔をあけて配置される。支持構造とベーン軸との間には、好ましくはベーン軸の全周にわたって延びる間隙又は隙間が配置される。間隙又は隙間は、クランプ要素を受け入れるように構成することができる。
少なくとも1つの連結要素は、支持構造体の軸受側端部に配置される。複数の連結要素の場合、支持構造体は、対応する数の支持ストラットを有することができ、連結要素の1つは、支持ストラットの1つの軸受側端部に配置することができる。
1つの実施形態によれば、モジュール式ノズルリングのための支持システムの使用が提供される。支持システムは、モジュール式ノズルリングに関連して上記に開示されている支持システムの特徴のうちのいずれかを有することができる。支持システムは、調整リングと、詳細には支持リングとを有する。
本発明は、実施形態を参照して以下にさらに詳細に説明されるが、実施形態は、特許請求の範囲によって定義される保護範囲を制限することを意図するものではない。
添付の図面は、実施形態を示し、本発明の原理を説明するために説明と一緒に使用される。図面の要素は、互いに対して相対的で必ずしも縮尺通りではない。同一の参照符号は、対応する類似の構成要素を示す。
1つの実施形態によるモジュール式ノズルリングの一部を示す。 1つの実施形態によるモジュール式ノズルリングの一部を示す。 1つの実施形態によるモジュール式ノズルリングのベーンモジュールを示す。 1つの実施形態による支持システムの一部を示す。 1つの実施形態によるモジュール式ノズルリングの一部を示す。 1つの実施形態によるモジュール式ノズルリングの一部を示す。 1つの実施形態によるモジュール式ノズルリングの一部を示す。 1つの実施形態による支持システムの一部を示す。 1つの実施形態によるモジュール式ノズルリングの一部を示す。 1つの実施形態によるモジュール式ノズルリングの一部を示す。 1つの実施形態によるモジュール式ノズルリングの一部を示す。 1つの実施形態によるモジュール式ノズルリングの一部を示す。
図1は、ターボ機械のタービン段のためのモジュール式ノズルリング100の一部を示す。モジュール式ノズルリングは、嵌合状態でタービン段に示されている。モジュール式ノズルリング100は、ベーンモジュール300及び支持システム200を有する。
図3には、ベーンモジュール300の1つの実施形態が別個に示されている(モジュール式ノズルリング100に嵌合されていない)。ベーンモジュール300は、流れ側端部にベーンリーフ326を有する。ベーンリーフ326の軸受側において、ベーンモジュール300は、ベースプレート309を有する。ベースプレート309は、典型的には、(一次)流路120の閉鎖部、換言するとハウジング壁部を形成するように構成されている。ベースプレート309の軸受側において、ベーンモジュール300は、横方向で軸方向に延びる支持構造体313を有する。支持構造体313は、複数の支持ストラット317、318を有することができる。図3に示すベーンモジュール300は、例えば、2つの支持ストラット317、318を有し、これらは、互いに対して約180°で、すなわち、ベーンモジュール300のほぼ反対側の径方向端部に配置される。
支持構造体313の又は2つの支持ストラット317、318の軸受側端部には、2つの連結要素330、331が配置されている。図3に示されている連結要素は、カムの形態である。2つのカム330、331は、同様の断面形状を有するが、異なる断面(又は断面サイズ)314、315を有する。異なる断面314、315は、ベーンリーフ326の調整角度αを明確に決定し、例えば、ベーンモジュールが180°回転した状態で支持システム200に固定され、それによってベーンプロファイル角度が不正確に調整される又はベーンリーフが流れ方向に対して不正確に方向付けされることを防ぐことができる。
調整面316(図3では1つだけに符号が付与されている)は、カムの軸受側端部314、315の側に配置されている。調整面316は、調整角度を決定するために、調整リングの溝と接触して移動するように構成されている(以下に説明する)。
ベーンモジュール300は、ベーン軸310をさらに有する。ベーン軸310は、ベースプレート309からベーンモジュール300の軸受側端部まで延びている。ベーン軸310は、実質的に軸方向であり、さらに中心部に配置することができる。ベーン軸310の軸受側端部には、固定溝325が配置されている。固定溝325は、図3には符号が付与されておらず、図1において最もよく見ることができる。
支持システムは、調整リング203を備える。調整リング203の一部は、図8に別個に示されている(モジュール式ノズルリング100に嵌合されていない)。
調整リング203は、各ベーンモジュール300のベーン軸310を受け入れるためのベーン軸開口221を有する。ベーンモジュール300は、ベーン軸310に固定することができる。モジュール式ノズルリング100は、固定要素208を有する。固定要素208は、例えば、図7及び9に明確に示されているように、固定リング208とすることができる。固定要素208は、ベーン軸310の軸受側端部に解放可能に固定され、詳細には固定リング208は、固定溝325にポジティブロック方式で解放可能に固定される。固定要素208は、ベーンモジュール300が流れ側で調整リング203から「滑り出る」ことを防止する。
調整リング203は、各ベーンモジュール300に関して、ベーンリーフ326の調整角度αを決定するための少なくとも1つの溝220、222を有する。調整角度αは、ベーンモジュールの精密なカム330、331と、調整リング203の、対応する精密な寸法を有する溝220、222との間の連結によって決まる。カム330、331の調整面316は、両側で溝220、222と接触する。異なる断面で構成されるカム330、331及び溝220、222は、ベーンモジュール300の正しい設置位置を保証し、1つの設置位置のみが可能である。
加えて、支持システムは、図1では部分的にしか見ることができない支持リング202を有することができる。図2は、図1のモジュール式ノズルリング100の拡大図を示す。支持リング202は、調整リング203を受け入れるように構成されている。軸受側端部において、支持リング202は、調整リング203が挿入される円形凹部を有する。支持リング202の軸受側端部及び円形凹部は、例えば、図4で見ることができる。この場合、調整リング203は、支持リング202に固定されることなく、支持リング202に挿入されることが可能である。支持リング202は、ベーンモジュール300を受け入れるために使用される多数の開口210を有する(図4では開口210のうちの1つだけに符号が付与されている)。この場合、ベーンは、支持構造体313の円筒状に構成された外面によって、支持リング202の開口210内及び半径方向残留隙間内を通って正確に案内することができる。
支持リング202は、タービンホイール又は軸を受け入れるための中央開口をさらに有する。支持リング202は、例えば図1及び2から分かるように、軸受側でハウジング部分104によって固定される。加えて、支持リング202は、軸受側ハウジング部分104と流れ側タービンハウジング部分112との間で軸方向にクランプすることができる。
モジュール式ノズルリングは、クランプ要素106をさらに備えることができる。例えば、図1及び2は、クランプ要素の実施形態として、クランプバネ106を示す。クランプ要素106は、調整リング203及びベーンモジュール300に対して作用するように構成される。その結果、支持システム200、詳細には調整リング203からクランプ要素106への、及びクランプ要素106からベーンモジュール300への力の伝達を引き起こすことができる。
クランプ要素106は、調整リング203とベースプレート309との間に配置される、及び/又は、支持構造体313とベーン軸310との間に形成される間隙又は隙間に配置される。クランプ要素106は、ベーンモジュール300のベースプレート309の軸受側端部に対して支持される。さらに、クランプ要素106は、調整リング203の流れ側支持面に対して支持される。
図5は、調整リング203と多数のベーンモジュール300とを備える組立体を示す。この場合、ベーンモジュール300は、溝への連結によって調整角度αに固定され、固定要素208によって固定される。クランプ要素106は、調整リング203及びベーンモジュール300を備える組立体のクランプをもたらす。
図6は、図4及び図5の組合わせ、すなわち、支持リング202、調整リング203、及び多数のベーンモジュール300の組合わせを示す。この組立体の切り取り部は、図9及び10にベーンモジュール300について示されている。
図7は、図6から切り取った部分を分解図として示す。細い鎖線は長手方向軸を示し、2つの太矢印は長手方向軸に沿った軸受側の方向を示す。
図8は、調整リング203と、それに含まれる溝220、222と、ベーン軸開口221とを示す。図8は、さらに、調整角度αの2つの異なる角度位置を2つの鎖線によって示す。ベーン軸開口221は、すべての調整角度αに対して同一に構成することができる。溝220、222の位置は、所望の調整角度αに適合する必要がある。また、図11は、図示に中央ベーンモジュールにおける異なる調整角度での変化、詳細には異なる配置のベーンリーフ326を示す。図12は、図11からの背面図の切り取り図である。例示的に、溝220、222の位置は、2つの異なる調整角度αに関して示されている。
例えば図1及び図2に示されるように、モジュール式ノズルリング100は、ターボ機械の流れ側タービンハウジング部分112と軸受側ハウジング部分104との間に嵌合される。軸受側ハウジング部分104は、軸受側で調整リング203から突出するベーン軸310を受け入れるための凹部を有することができる。
この場合、流れ側タービンハウジング部分112と軸受側ハウジング部分104との間の軸方向間隔は、調整リング203の軸受側端部とベーンリーフ326の流れ側端部327との間の軸方向間隔より短くなるように構成されている。モジュール式ノズルリング100は、組み立てによって軸方向に圧縮され、それによって、固定要素208上の負荷が軸方向に減少し、調整リング203及びベーンリーフ326の各々は、ハウジング部分に対して押し付けられる。
調整リング203の軸受側端部は、軸受側ハウジング部分104の対向輪郭117、118に押し付けられるように構成されている。ベーンリーフ326の流れ側端部327は、流れ側タービンハウジング部分112の流路輪郭111に対して押し付けられるように構成されている。
結果的に、モジュール式ノズルリング100は、設定された弾性力との関連において軸方向にクランプされる。弾性的押し付け、詳細には予圧(pretensioning)の結果として、モジュール式ノズルリング100の構成要素は、軸方向にクランプされ、結果として動作中に摩耗に関する振動力に関して固定される。構成要素の予圧は、ノズルリングの構成要素とハウジングとの間の接続面における周期的摩擦による摩耗のリスクを低減するので、長い耐用年数か可能になり、ノズルリング構造の可能性のある故障が防止される。
本明細書では特定の実施形態が示されて説明されるが、本発明の保護範囲から逸脱することなく、示された実施形態を好適に組み合わせること又は修正することは、本発明の範囲内である。
100 モジュール式ノズルリング
104 軸受側ハウジング部分
106 クランプ要素
111 流路輪郭(流れ側タービンハウジング部分の)
112 流体側タービンハウジング部分
117、118 軸受側ハウジング部分の対向輪郭
120 流路
200 支持システム
202 支持リング
203 調整リング
208 固定要素
210 支持リングの軸方向に延びる開口
220 第1の溝
221 ベーン軸開口
222 第2の溝
300 ベーンモジュール
309 ベースプレート
310 ベーン軸
313 支持構造体
314、315 連結要素又はカムの軸受側端部
316 調整面
317、318 支持ストラット
325 固定溝
326ベーンリーフ
327 ベーンリーフの流れ側端部
330 第1の連結要素又は第1のカム
331 第2の連結要素又は第2のカム

Claims (16)

  1. ターボ機械のタービン段のためのモジュール式ノズルリング(100)であって、
    調整リング(203)を有する支持システム(200)と、
    ベーンリーフ(326)を有するベーンモジュール(300)と、
    を備え、
    前記ベーンモジュール(300)は、前記支持システム(200)に解放可能に連結され、
    前記ベーンリーフ(326)の、詳細には動作中に不変である調整角度(α)は、前記支持システム(200)、詳細には流路から離れた前記調整リング(203)によって固定され、
    前記ベーンモジュール(300)は、詳細には前記調整リング(203)によって、流れ側タービンハウジング部分(112)に対して解除可能に弾性的に押し付けられるように構成されている、モジュール式ノズルリング(100)。
  2. 前記ベーンモジュール(300)は、軸方向に延びるベーン軸(310)を有し、
    前記調整リング(203)は、ベーン軸開口(221)を有し、
    前記ベーン軸(310)の軸受側の端部は、少なくとも部分的に前記調整リング(203)の前記ベーン軸開口(221)内に配置されており、詳細には前記ベーン軸(310)の前記軸受側の端部は、前記軸受側で前記調整リング(203)の外側に突出している、請求項1に記載のモジュール式ノズルリング(100)。
  3. 前記ベーンモジュール(300)と、前記支持システム(200)、詳細には前記調整リング(203)とに対して作用するように構成されたクランプ要素(106)をさらに有する、請求項1又は2に記載のモジュール式ノズルリング(100)。
  4. 前記クランプ要素(106)は、詳細には前記クランプ要素(106)が前記ベーンモジュール(300)のベースプレート(309)に対して支持されることによって、前記ベーンモジュール(300)を前記流れ側タービンハウジング部分(112)に対して軸方向に押すように構成されている、請求項3に記載のモジュール式ノズルリング(100)。
  5. 前記クランプ要素(106)は、前記調整リング(203)と前記ベースプレート(309)との間に配置されている、請求項3又は4に記載のモジュール式ノズルリング(100)。
  6. 前記クランプ要素(106)は、詳細には前記クランプ要素(106)が前記調整リング(203)の流れ側支持面に対して支持されることによって、前記調整リング(203)を前記ターボ機械の軸受側ハウジング部分(104)に対して軸方向に押すようにさらに構成されている、請求項3から5のいずれかに記載のモジュール式ノズルリング(100)。
  7. 前記ベーン軸(310)の前記軸受側端部に解放可能に連結される固定要素(208)をさらに有し、詳細には、前記固定要素(208)の断面は、前記調整リング(203)の前記ベーン軸開口(221)の断面より大きく、随意的に、前記固定要素(208)は、前記ベーン軸(310)の前記軸受側の端部に配置される固定溝(325)にポジティブロック方式で解放可能に連結されている、
    請求項1から6のいずれか1項に記載のモジュール式ノズルリング(100)。
  8. 前記ベーンモジュール(300)は、前記軸受側の端部に少なくとも1つの連結要素、詳細にはカム(330、331)を有し、前記調整リング(203)は、少なくとも1つの溝(220、222)を有し、前記ベーンリーフ(326)の調整角度(α)は、前記少なくとも1つの連結要素(330、331)と前記少なくとも1つの溝(220、222)との間の連結によって解放可能に固定される、請求項1から7のいずれかに記載のモジュール式ノズルリング(100)。
  9. 前記ベーンモジュール(300)は、第1及び第2の連結要素(330、331)を有し、前記調整リング(203)は、第1及び第2の溝(220、222)を有し、
    前記第1の連結要素(330)は、前記第1の溝(220)に対応して寸法決めされ、
    前記第2の連結要素(331)は、前記第2の溝(222)に対応して寸法決めされ、
    詳細には、前記第1及び第2の連結要素(330、331)は、異なる断面(315)を有する、及び/又は、前記第1及び第2の溝(220、222)は、異なる断面を有する、請求項1から8のいずれかに記載のモジュール式ノズルリング(100)。
  10. 前記ベーンモジュール(300)は、前記ベースプレート(309)の前記軸受側及び前記ベーンモジュール(300)の半径方向端部に配置される支持構造体(313)を備え、前記少なくとも1つの連結要素(330、331)は、前記支持構造体(313)の前記軸受側の端部に配置される、請求項1から9のいずれかに記載のモジュール式ノズルリング(100)。
  11. 前記支持システム(200)は、支持リング(202)をさらに有し、前記支持リング(202)は、前記支持構造体(313)及び/又は前記ベーン軸(310)を受け入れるように構成されている軸方向に延びる開口(210)を有し、及び/又は、多数のベーンモジュール(300)をさらに有し、前記ベーンモジュール(300)の各々は、前記支持システム(200)に解放可能に連結され、詳細には前記ベーンモジュール(300)の各々は、クランプ要素(106)を有し、前記ベーンモジュール(300)の各々に関し、前記クランプ要素(106)は、前記支持システム(200)、詳細には前記調整リング(203)に対して作用する、請求項1から10のいずれかに記載のモジュール式ノズルリング(100)。
  12. 前記ベーンリーフ(326)、前記ベーン軸(310)、前記ベースプレート(309)、及び前記支持構造体(313)、詳細には前記ベーンモジュール(300)は、一体的に構成されており、随意的に、金属粉末射出成形法によって得ることができる、請求項1から11のいずれかに記載のモジュール式ノズルリング(100)。
  13. 前記ベーンモジュール(300)は、エアパージシステムによって、詳細には前記ターボ機械の圧縮機段からのエアパージシステムによって、流れ側タービンハウジング部分(112)に対して解放可能に押し付けられるようにさらに構成されている、請求項1から12のいずれかに記載のモジュール式ノズルリング(100)。
  14. 請求項1から13のいずれかにに記載のモジュール式ノズルリング(100)を有する、ターボ機械、詳細には過給機又はパワータービンのタービン段。
  15. 詳細には過給機又はパワータービンのタービン段のモジュール式ノズルリング(100)のためのベーンモジュール(300)であって、前記ベーンモジュール(300)は、
    ベーンリーフ(326)と、
    少なくとも1つの連結要素と、
    を備え、
    前記少なくとも1つの連結要素は、軸受側の端部に配置される、詳細にはカム(330、331)であり、前記少なくとも1つの連結要素は、前記連結要素と、前記モジュール式ノズルリング(100)の支持システム(200)、詳細には前記支持システム(200)の調整リング(203)の溝(220、222)との間の連結によって、前記ベーンリーフ(326)の調整角度(α)を固定するように構成され、
    前記ベーンモジュール(300)、詳細には前記ベーンリーフ(326)は、流れ側タービンハウジング部分(112)に対して弾性的に解放可能に押し付けられるように構成されている、ベーンモジュール(300)。
  16. 調整リング(203)を有する、請求項1から13のいずれかに記載のモジュール式ノズルリング(100)のための支持システム(200)の使用であって、
    前記調整リング(203)は、ベーン軸開口(221)を有し、
    前記調整リング(203)は、第1及び第2の溝(220、222)を有し、
    前記第1及び第2の溝(220、222)は、異なる断面を有する、使用。
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