JP3795327B2 - ノズル調整機構 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は半径方向内向流（ラジアルインフロー）タービンに関し、より明確には、そのようなタービンのための可変１次ノズルシステムに関する。
【０００２】
（背景技術）
ラジアルインフロータービンはタービンホイールを取り囲む１個の環状入口を採用し、それを通して加圧状態の流入流れが方向付けられる。流入流れを均一に分散させるため、１次ベーンはノズルを形成するために環状入口周りに配置される。これらのノズルは１次ベーンの制御された枢動によりしばしば可変とされる。
【０００３】
１次ベーンは典型的には装着リング間に装着され、これらの装着リングはハウジング内の環状入口の両側に配置されている。装着リングの一方は他方に対して回動可能に装着され得る。回動可能に装着されたリングは典型的には複数の偏倚スロットを備え、これらのスロットはベーンの枢支点から横に離れた位置でベーンに固定されたピンを支承している。装着リングの回動はノズル開度を調整するためのベーンの枢動を来す。空気圧式、電気式または水圧式のシリンダーが回動可能の装着リングに協働されて装着リングの位置を力強く制御し、順番にベーンを制御する。そのようなシステムの一つが米国特許第５５６４８９５号「アクテイブオートマチッククランピング制御装置」に開示されており、その開示内容は参考資料としてここに組み込まれている。別のものが米国特許第３４９５９２１号「可変ノズルタービン」に開示されており、その開示内容は参考資料としてここに組み込まれている。
【０００４】
そのようなラジアルタービンにおける圧力、特に１次ノズルを通る流れの静圧および動圧が固有であるために、装着リング近傍のベーンの両側に対して装着リングによりクランプ力が加えられる。装着リングの一方はまた典型的には軸方向移動に対応可能に装着されている。普通、一つのリングは固定され、他方は軸方向に可動とされる。リングのベーンへの密着は、吹抜け、即ち入口内の圧力源からタービンホイールへ直接漏洩してノズルをバイパスしタービン効率を低減することを、阻止する。このようにして、クランプ力はそのような吹抜けを減す。しかしながら、結果として生ずるクランプ力は過剰になり得る。そうなるとノズル調整のためのベーンの操作が抑制される。
【０００５】
クランプ力の制御方法が米国特許第４５０２８３６号「ノズルクランプ力制御方法」および米国特許第５５６４８９５号「アクテイブオートマチッククランピング制御方法」に開示されており、その開示内容は参考資料としてここに組み込まれている。これらの参照特許内では、クランプ力を積極的に制御するために流体圧が浮遊状態の装着リングの背後に掛けられ、従って１次ベーンの所定位置への調整が可能となっている。
米国特許第４５０２８３６号は、１個のハウジングと、ハウジング内の１個の環状入口と、入口内の可調整１次ベーンと、１個のローターおよび１個のノズル調整機構とを有するラジアルインフロータービンを開示している。このノズル調整機構は、１次ベーンの一側上の調整リングを包含し、このノズル調整機構は双方が回動可能かつ軸方向摺動可能に装着されて１次ベーンの調整と制御されたベーンクランプ力を提供する。シール用ピストンリングは調整リングをハウジングに装着する。
従って、改良された可変ノズルシステムを有する改良されたラジアルインフロータービンを提供することが本発明の一つの目的である。他の更なる目的と利点は以下に示されるであろう。
本発明によると、これは請求項１ないし６の特徴により達成される。有利なかつ特徴的な実施例は従属項に記載されている。
【０００６】
（発明の開示）
本発明はラジアルインフロー（半径方向内向流）タービンの１次（プライマリー）ノズルシステムのためのノズル構造を指向している。その構造はノズル調整のための分離したリングと１次（プライマリー）ベーンのクランプによるノズルのシールを意図している。
【０００７】
本発明の第１の分離した特徴においては、ラジアルインフロータービンのためのノズル調整機構は１個の調整リングと１個のクランピングリングとを包含している。この調整リングはハウジング内に回動可能に装着されており、一方クランピングリングはハウジング内に軸摺動可能に装着されている。１個の分離調整リングと１個の分離クランピングリングの使用は吹抜けの実質的な低減をもたらし、同時に１次ベーンの固縛を避ける調整機構を許容する。
【０００８】
本発明の第２の分離した特徴においては、上記第１の特徴がシール用ピストンリングと軸受ピストンリングとの協働により強化されている。シール用ピストンリングはクランピングリングとタービンのハウジングとの間にあり、一方、軸受ピストンリングは調整リングを支持している。クランピングリングと協働するシール用ピストンリングにより、機構周りの吹抜けの回避が達成され得る。軸受ピストンリングは調整リングをシールすると共に支持し得る。調整リングは好ましくはクランピングリングから環状ノズル内へ半径方向外側に配置される。このようにして、シール用ピストンリングはノズル領域において最大の圧力差を経験し、一方、軸受ピストンリングは低減された圧力差を経験する。軸受ピストンリングが主として軸受支持として作用しリング回りには低減された圧力差のみが作用するので、より低い摩擦に遭遇する。
【０００９】
本発明の第３の分離した特徴においては、上記第１の特徴と、分離した第２の特徴が、調整リング上の逃げによりノズルアセンブリー近傍の多くの面積を１次ベーンから離すことにより強化されている。これは摩擦面積と抵抗モーメント脚とを減し、前記の摩擦面積や抵抗モーメント脚はシールを要しない場所での１次ベーンの枢動調整に干渉し得るものである。
【００１０】
本発明の第４の分離した特徴においては、ノズル調整機構を持つラジアルインフロータービン内への１次ベーンの装着は、１次ベーンと調整リングに対して装着されたカムおよびカムフォロアー機構を完成させる。このカムはカムフォロアーを支持する構成要素の一方または他方へスロットを偏倚させて、調整リングの回動が１次ベーンの調整を来すようにされる。カムフォロアーは調整機構内で摩擦がより低くなるように回動可能に装着される。従来例と同様に、両リング間での調整機能とクランプ機能との分離により、１次ベーンを１個のピンによりノズル領域の両側間に枢動可能に支持することが許容され、上記のピンは一側においてハウジング内に、他側においてクランピングリング内に延びている。片持ち梁的な力がそのような装着により低減される。
【００１１】
本発明の第５の分離した特徴においては、ラジアルインフロータービンの一部として前述の特徴の何れかを組み合わせることが配慮されている。
【００１２】
本発明の第６の分離した特徴においては、インフロータービンの効率向上のために前述の特徴の何れかを組み合わせて有効なアセンブリーを形成することが配慮されている。１次ベーンは調整機構に加えられる最低クランプ力で枢支される。作動流内の早くかつ僅かな変化によるハンチングは回避され、より低い操作力によるより精密なプロセスコントロールが達成可能である。より小さいアクチュエーターが可能であり、かつより少ない１次ベーンの採用が可能になる。
【００１３】
（発明を実施するための最良の形態）
図面において、図１にはラジアルインフロータービンの可変ノズル構造が示されている。このラジアルインフロータービンは環状入口１２を有するハウジング１０を備えたものとして示されている。この環状入口は好ましくはハウジング１０内中央に配置されている回転可能に装着されたタービンホイール１４の略全周に延びている。１個の固定円板１６が環状入口１２の一側に配置されている。有効な装着構造およびノズル調整システムが環状入口１２の他側に備えられている。１個のハウジングリング１８が入口１２の低い位置でハウジング１０にボルト止めされているように示されている。このハウジングリング１８はタービンホイール１４を取り囲みかつ入口装着システムの活動側の基部を提供している。ファスナー２０がハウジングリング１８を所定位置に保持している。
【００１４】
１個のクランピングリング２２がハウジングリング１８周りに配置されている。このクランピングリング２２はノズル面２４を包含している。１個の装着リング２６がクランピングリング２２の反対側から一体に延びている。１個のシール用ピストンリング２８がハウジングリング１８の外周面と装着リング２６の環状内面との間で延びている。シール用ピストンリング２８は好ましくはＰＴＦＥのような低摩擦材料で出来ている。ハウジングリング１８、シール用ピストンリング２８およびクランピングリング２２の装着リング２６は同芯に配置され、入れこ式または軸方向の動きがクランピングリング２２とハウジングリング１８との間で起こり得る。回転運動は入口１２を横切るノズルピボットピン３０により阻止されている。クランピングリング２２は作動中には非常に僅かしか動かないようにされているため、摺動抵抗はさほど大きくならずかつ構成部材の係合部に実質的なシールが確保され、問題を生ずることがない。
【００１５】
１個の調整リング３２がクランピングリング２２の半径方向外側に配置されている。この調整リング３２はクランピングリング２２の周りに僅かな隙間を隔てて密接に嵌合している。その隙間内に、１個のキャビテイーが形成されており、このキャビテイーはクランピングリング２２の外周と調整リング３２の内面の夫々の段部により区画されている。これらの面内の両段部は環状キャビテイーを形成するように配置されている。この環状キャビテイーは１個の軸受ピストンリング３６を支持している。軸受ピストンリング３６は主として調整リング３２が比較的小角度だけ回動する際の軸受支持を提供し得るように設計されている。この軸受ピストンリング３６はまたクランピングリング２２と調整リング３２との間のシール機能を提供している。しかしながら、ノズルのこの部分を横切る圧力差はシール用ピストンリング２８により経験される値より低いので、シール機能はそれほど大きくない。その結果として、これらの構成要素の結合はルーズであり、実質的な摺動抵抗が除かれている。これらの構成要素は同芯に配置されているので、調整リング３２はクランピングリング２２の周りで回動可能であり、クランピングリングは固定円板１６内に植え込まれているノズルピボットピン３０により回動が阻止されている。
【００１６】
１次ベーン４０は環状入口１２周りに配置されている。これらのベーンは一側の固定円板１６と他側のクランピングリング２２および調整リング３２の間に配置されている。１次ベーン４０はそれらの間に流線形通路を提供するように形成されている。この通路はベーン４０の回動位置により断面積が増加または減少する。１次ベーン４０はノズルピボットピン３０周りに上述のように支承されている。これらのピン３０はベーン４０の全体を通してかつ円板１６とクランピングリング２２の双方内へと延びている。１次ベーン４０のクランピングリング２２の外縁に対する相対的な位置は図２内に重ねた仮想線により示されている。
【００１７】
図１で最もよく分かるように、１次ベーン４０の両側に対して固定板１６と調整リング３２の双方上に部分的な逃げが備えられている。環状凹部４１、４２が固定板１６と調整リング３２の両内面上に夫々備えられており、１次ベーン４０の枢動に対して適当な逃げを提供している。これらの構造は摩擦面積を減し、またシールを必要としない領域内でのこれら構成要素の抵抗モーメント脚を減す。調整リング３２と固定板１６の両内面上の逃げは調整リング３２の内径一杯までは延びておらず、従って調整リング３２は１次ベーンにより軸方向に抑制されない。接触領域４３はピボットピン３０に近接しており、１次ベーン４０が枢動する回転軸に近接しており、従って伸長動作中を通して何らの抵抗摩擦は作用しない。ノズル調整機構はカムとカムフォロアー機構とを包含している。カムフォロアー４４はピン３０の軸心から横にずれて配置されておりかつ１次ベーン４０に夫々軸手段により固定されている。カムフォロアー４４は軸周りに自由に回転する。このカムフォロアー４４と協働するために、偏倚スロット４８の形のカムが図３に見られるようにかつ図２内の１次ベーンの形の上に重ねられているように、調整リング３２内に配置されている。これらのスロット４８は調整リング３２全体を貫通して延びてはいない。これらのサイズは調整リング３２が回動する時カムフォロアー４４を自由に回転運動可能に支持し得るサイズに定められている。この回転運動を可能にするため、１個のノズルアクチュエーターが採用されている。このアクチュエーターは駆動機５０を包含し、この駆動機は空気圧アクチュエーター、電気モーターまたは他の同様な装置であってよい。駆動機５０はハウジングに対して固定されている。１個のロッド５２が駆動機と調整リング３２との間に延びており、調整リングの部分でピン接続されている。このような手段により、並進運動は調整リング３２の調整のために回転運動に変更され得る。
【００１８】
動作中、加圧流体がハウジング１０内の環状入口１２に供給される。この加圧流体は環状入口１２の両側と１次ベーン４０により区画された環状ノズルを通して加速される。流れが半径方向内側へ動くと、速度が増しかつ圧力は低下する。図１内で見得るように、入口圧力は調整リング３２の後側へ作用する。その結果として、調整リング３２を横切る圧力差が生ずる。入口の圧力はまたクランピングリング２２の部分にも供給され、クランピングリングはシール用ピストンリング２８と共に装着リング２６の外面も包含している。クランピングリング２２の残りの部分が晒される圧力はノズルの出口の圧力であり、実質的に減圧されている。クランピングリング２２は軸方向に可動であるため、１次ベーン４０側へ動き、この動きは装着リング２６とシール用ピストンリング２８により限定された領域を横切り計測された圧力差の影響によるものである。この力はもしクランピングリング２２と調整リング３２が共に結合されたとすると大幅に減少する。例えそうであったとしても、軸方向のクランプ力が１次ベーン４０にクランピングリング２２により加えられる。このクランプ力は１次ベーン４０周りからの吹抜けを減す。
【００１９】
調整リング３２はベーン４０に対して軸方向に動くことを抑制されていない。しかしながら、調整リング３２を横切る低圧は１次ベーン４０を固縛するには不充分であることが見出されている。
【００２０】
ロッド５２の動きに抗して１次ベーン４０を調整する力はこの配列構造により実質的に低減される。低減されたクランプ力が１次ベーン４０上に存在し、これは前述のように調整リング３２の部分を横切り作用する圧力差によるものである。この力は１次ベーン４０の部分のピン３０の軸心周りのみにおいて低減されかつ位置決めされ、その結果として枢動調整に抵抗する小さい効果的なモーメント脚が生ずる。その結果として、１次ベーン４０の枢動抵抗は従来のシステムに対しても大幅に低減され、これは入口ノズル内で同じ圧力差がある場合でも言えることである。調整力が低減されるので、調整は顕著な困難を伴うことなくより容易に達成され得る。駆動機の容量もより軽い所要操作力に鑑み低減され得る。
【００２１】
このようにして、半径方向内向流タービンの環状入口のための改良された調整機構が開示される。本発明の実施例と適用例が示されかつ記載されているが、その中の発明概念から離れることなくより多くの変形が可能なことは当業者であれば明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 可変ノズルシステムの断面図である。
【図２】 １次ベーンの側面図で、ベーンの第２位置が仮想線で示されている。
【図３】 図１の可変ノズルシステムにおける調整リングとクランピングリングの側面図である。
【符号の説明】
１０ ハウジング
１２ 環状入口
１６ 固定円板（固定板）
２２ クランピングリング
２８ シール用ピストンリング
３０ ピン
３２ 調整リング
３６ 軸受ピストンリング
４０ １次ベーン
４１ 環状凹部
４２ 環状凹部
４４ カムフォロアー
４８ 偏倚スロット（カム）
５０ 駆動機
５２ ロッド

Claims (6)

1. １個のハウジング（１０）と、ハウジング（１０）内の１個の環状入口（１２）および入口（１２）内でハウジング（１０）に対して枢動可能に装着された１次ベーン（４０）とを有するラジアルインフロータービンのためのノズル調整機構であって、このノズル調整機構が１次ベーン（４０）の第１側上にありハウジング（１０）内に回動可能に装着された１個の調整リング（３２）および１個のシール用ピストンリング（２８）とを包含するものにおいて、１次ベーン（４０）の第１側上にありハウジング（１０）内で調整リング（３２）に対して軸方向摺動可能に装着された１個のクランピングリング（２２）および、クランピングリング（２２）とハウジング（１０）との間のシール用ピストンリング（２８）とを包含していることを特徴とする、ノズル調整機構。
2. 更に調整リング（３２）を支持しかつ調整リング（３２）とクランピングリング（２２）との間に延びている１個の軸受ピストンリング（３６）を包含している、請求項１に記載のノズル調整機構。
3. 調整リング（３２）がクランピングリング（２２）の半径方向外側に位置している、請求項１、２の何れかに記載のノズル調整機構。
4. クランピングリング（２２）がハウジング（１０）内に回転しないように固定されている、請求項１、２、３の何れかに記載のノズル調整機構。
5. 更に環状入口（１２）を横切りハウジング（１０）とクランピングリング（２２）に対して装着されたピン（３０）を包含し、１次ベーン（４０）がハウジング（１０）内で枢動可能にピン（３０）に装着されている、請求項１ないし４の何れかに記載のノズル調整機構。
6. １個のハウジング（１０）と、ハウジング（１０）内の１個の環状入口（１２）と、入口（１２）内でハウジング（１０）に対して枢動可能に装着されている１次ベーン（４０）と、請求項１ないし５の何れかに記載のノズル調整機構とを包含している、ラジアルインフロータービン。

Images