JP4082756B2 - 排ガスターボ過給機の排ガスタービン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は排ガスターボ過給機の排ガスタービンであって、
（イ） ガス入口及びガス出口ケーシングを有し、該ガス入口及びガス出口ケーシングが結合部材により結合されてタービンケーシングを成しており、
（ロ） タービンケーシング内に配置されかつ軸により保持されたタービン回転羽根車を有し、
（ハ） ガス出口ケーシングにタービン回転羽根車のカバーリングが固定されており、
（ニ） タービン回転羽根車の上流側に、軸方向で見てカバーリングとガス入口ケーシングとの間にかつ半径方向で見てガス出口ケーシングの内側に配置されたノズルリングを有し、該ノズルリングが外リングと内リングとその間に構成された多数の案内羽根とから成り、内リングが位置決め部材により、回動しないようにガス入口ケーシングに支えられている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
排ガスターボ過給機を運転する場合には、排ガスターボ過給機の排ガスタービンは該排ガスタービンと結合された内燃機関側から、比較的に高い温度に晒される。したがってタービン側の構成部分、例えばガス入口ケーシング、ノズルリング、カバーリング及びガス出口ケーシングには大きな熱的な応力が発生する。これらの構成部分の各々は内燃機関に対し別の間隔を有し、加えて異なる材料が使用されているので、これらの構成部分温度も相応に異なる。この結果、個々のコンポーネントの間には相対運動を伴う異なる熱膨張が発生し、ねじの破損、ガス漏れ及び構成部分の亀裂をもたらす惧れがある。したがってガス入口ケーシング、ガス出口ケーシング、ノズルリング及びカバーリングの分離個所の構成と配置は、排ガスターボ過給機の機能性に重要な意味を持つ。
【０００３】
ＤＥ−Ａ１−４２２３４９６号明細書によれば、ノズルリングをガス入口ケーシングにねじで結合することが公知である。このためにはノズルリングの内リングは厚肉に構成されており、付加的なフランジを備え、このフランジがガス入口ケーシングとの結合に役立つねじを受容している。
【０００４】
このような解決では、片側からのねじ締結に基づき、ノズルリングが戻ることのできない反りに晒される。さらにノズルリングの外リングにおいてバイパス流が形成される惧れがあり、これによって排ガスタービンの効率、ひいてはターボ過給機の効率が低下させられる。しかもタービン側における熱の発生が大きいために、ノズルリングを固定するために役立つねじはきわめてきつく締まり、取外しがきわめて困難になる。この結果、ノズルリングを交換するために必要な組立時間は著しく延長される。これは排ガスターボ過給機と結合され、出力が該排ガスターボ過給機に関連する内燃機関にとって顕著な欠点である。
【０００５】
ＥＰ−Ｂ１−１９１３８０号明細書には排ガスターボ過給機の排ガスタービンであって、そのノズルリングがカバーリングによりガス入口ケーシングに対してクランプされている形式のものが開示されている。このためにはノズルリングの外リングは軸方向の張出し部を有し、カバーリングは対応する固定フランジを有している。この固定フランジは複数のねじでガス入口ケーシングと結合されている。周方向ではノズルリングは形状接続的なセンタリングピンを介してガス入口ケーシングに固定されている。
【０００６】
両方の解決は、ノズルリングが固定部材の配置もしくは受容のために付加的な構成部分を有するという共通の欠点を有している。これによってノズルリングは製造費がかかり、ひいては高価になる。さらに外リングの軸方向の張出し部も内リングのフランジも既に述べた熱的な応力に基づき亀裂を受けやすい。これによってノズルリングの確実な固定、ひいてはターボ過給機の機能性は長期的には保証されなくなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は前記欠点をすべて回避することであり、本発明の課題はノズルリングの簡単でかつ確実な固定が保証されるように排ガスターボ過給機の排ガスタービンを構成することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、請求項１の上位概念部に記述した装置において、ノズルリングがその外リングでカバーリングに接しかつ内リングがガス入口ケーシングに接していることにより解決された。外リングとガス入口ケーシングとの間には軸方向の膨張ギャップが、外リングとガス出口ケーシングとの間には半径方向の膨張ギャップが形成されている。
【０００９】
【発明の利点】
本発明の利点は、ノズルリングが単に対角線方向でガス出口ケーシングとガス入口ケーシングとの間に緊締されていることにある。この固定に基づきノズルリングにおける力は、カバーリングから外リング、案内羽根及び内リングを介してガス入口ケーシングに向かって流れる。両方の膨張ギャップによってノズルリングは半径方向にも軸方向にも自由に膨張することができる。ノズルリングをこのように対角線方向で緊締することはタービン側の構成部分の間の自由な熱膨張のための前提条件を成すので、熱的な応力が発生しないか又はこの応力が補償される。
【００１０】
この場合には、ノズルリングを硬くする、亀裂の発生する惧れを有する構成部分は存在していない。したがってノズルリングは比較的にやわらかく、つまり弾性的に構成されており、ノズルリングを取囲む構成部分の間でダイヤフラムとして作用する。ノズルリングは固定フランジを有していないのでノズルリングは簡単に価格的に有利に製作できる。その結果、ノズルリングの固定にはねじが必要でなくなるので、取付け、取外しに際して作業時間が節減される。付加的な利点として、ノズルリングはいまや両側から、つまり圧縮機側からも内燃機関の側からも取付けることができる。
【００１１】
特に有利であるのは、ガス出口ケーシングにガス入口ケーシングに対するシール面が配置されていることである。半径方向で見てシール面の外側にはガス出口ケーシングとガス入口ケーシングとの間に組立ギャップが構成されている。この構成に基づきガス入口ケーシングとガス出口ケーシングとの間には良好なシールが達成される。
【００１２】
さらに有利であることは、軸方向もしくは半径方向の膨張ギャップのギャップ幅が、外リングとガス入口ケーシングとの最大の熱膨張もしくは外リングとガス出口ケーシングとの最大の熱膨張よりも大きいか又はそれと同じであるように構成されていることである。
【００１３】
このような形式で、排ガスタービンのすべての運転状態でノズルリングが、その弾性的な形態を維持すること、すなわち応力が発生しないことが保証される。極端な場合には外リングは、発生する圧着力で材料の摩滅がもたらされることなしに、軸方向ではガス入口ケーシングにかつ半径方向ではガス出口ケーシングに軽く接触することができる。これはガス漏れを回避できるという利点を有する。
【００１４】
さらに、外リングも内リングも、カバーリングもしくはガス入口ケーシングに比べてはっきりとわずかな材料厚さを有している。この結果として与えられるノズルリングの案内羽根と外もしくは内リングとの間の最小の壁厚差は、わずかな熱応力しかもたらさない。
【００１５】
特に有利であるのは、外リングと内リングとが金層薄板から製作されていることである。これによってノズルリングはきわめて簡単にかつ価格的に有利に製作することができる。
【００１６】
本発明の第２の実施形態においては、ガス入口ケーシングには、該ガス入口ケーシングにもガス出口ケーシングにも軸方向で形により結合されたクランプセグメントが配置されかつ結合部材のための切欠きを備えている。ガス入口ケーシングとクランプセグメントとの間には少なくとも１つの半径方向のギャップが構成されている。第１の実施形態とは異って、このような形式で、ガス入口ケーシングの熱膨張も補償される。この結果、ガス入口ケーシングとガス出口ケーシングとの結合個所にかかる負荷が除かれるので、運転応力ははっきりと低下させられる。この理由からこの解決は熱的に高負荷されたターボ過給機にも適している。
【００１７】
【実施例】
次に本発明を排ガスターボ過給機の軸流タービンの２つの実施例に基づき詳細に説明する。図面には本発明を理解する上で重要な部分しか示されていない。例えば内燃機関と排ガスターボ過給機の圧縮機は図示されていない。作業媒体の流動方向は矢印で記入されている。
【００１８】
ターボ過給機の排ガスタービンはガス入口ケーシング１とガス出口ケーシング２とから形成されたタービンケーシング３を有している。このタービンケーシング３はねじとして構成された結合部材４によって組み立てられている。タービンケーシング３内には軸５により保持されたタービン回転羽根車６が配置され、該タービン回転羽根車６は回転羽根７を有している。タービン回転羽根車６は外に向かっては、ディフューザとして構成されたカバーリング８により制限されている。このカバーリング８自体はねじ９でガス出口ケーシング２に固定されている。タービン回転羽根車６とタービンケーシング３との間には流動通路１０が構成され、該流動通路１０はターボ過給機と結合された、図示されていないディーゼルモータの排ガスを受取り、タービン回転羽根車６に向かって搬送する。もちろん他の内燃機関がターボ過給機と結合されていることもできる。
【００１９】
タービン回転羽根車６の上流側では、流動通路１０内に、外リング１１と内リング１２とその間に構成された案内羽根１３とから成りかつ鋳造部分として構成されたノズルリング１４が配置されている。ノズルリング１４は軸方向でカバーリング８とガス出口ケーシング１との間に緊締されかつ半径方向でガス出口ケーシング２の内側に配置されている。このためにはノズルリング１４はその外リング１１でカバーリング８に接し、その内リング１２でガス入口ケーシング１に接する。ノズルリング１４の外リング１１も内リング１２も、カバーリング８もしくはガス入口ケーシング１よりもはっきりとわずかな材料厚さを有している（図１）。もちろんノズルリング１４は他の材料、例えば金属薄板又は成形鋼から製作されるか又はセラミックから成っていることもできる。
【００２０】
外リング１１とガス入口ケーシング１との間には軸方向の膨張ギャップ１５が構成され、外リング１１とガス出口ケーシング２との間には半径方向の膨張ギャップ１６が構成されている。膨張ギャップ１５，１６のギャップ幅は外リング１１とガス入口ケーシング１との最大熱膨張もしくは外リング１１とガス出口ケーシング２との最大熱膨張よりも大きい。この場合、軸方向の膨張ギャップ１５のギャップ幅に対する半径方向の膨張ギャップ１６のギャップ幅に対する比は約４：１である。この比はノズルリング１４の半径方向の寸法と軸方向の寸法とから与えられる。もちろんギャップ幅は、関与する構成部分の最大の熱膨張に相応することもできる。
【００２１】
図２においては図１の１部が拡大されて示されており、この図はギャップ幅の大きさの比を示している。ガス出口ケーシング２の半径方向内側の範囲にはガス入口ケーシング１に対するシール面１７が構成されている。このシール面１７の半径方向外側においては、ガス出口ケーシング２とガス入口ケーシング１との間に組立ギャップ１８が配置されている。内リング１２はピンとして構成された複数の位置決め部材１９を介して回動不能にガス入口ケーシング１に支えられている。ピン１９を受容するためには内リング１２は上流側に第１の切欠き２１を有する相当数の肉厚部２０を有しているのに対し、ガス入口ケーシング１はこれに対応する第２の切欠きを有している。肉厚部２０に配置された第１の切欠き２１の各々はピン１９の範囲に付加的に内側のギャップ２３を有している（図１）。
【００２２】
ディーゼルモータの運転に際しては、ディーゼルモータの熱い排ガスはガス入口ケーシング１もしくはその中に配置された流動通路１０を介して排ガスタービンのタービン回転羽根車６に達する。この場合、ノズルリング１４は排ガスを良好にタービン回転羽根車６の回転羽根７に導くという任務を有している。これにより駆動されたタービン回転羽根車６自体は該タービン回転羽根車６と結合された、図示されていない圧縮機の駆動に役立つ。圧縮機において圧縮された空気は過給に、つまりディーゼルモータの出力上昇に使用される。
【００２３】
流動通路１０内に直接的に配置されたノズルリング１４は、この過程において、高い排ガス温度に晒される。ノズルリング１４の案内羽根１３が比較的に薄く、しかもノズルリング１４全体がガス入口ケーシング１、ガス出口ケーシング２もしくはカバーリング８よりも著しくわずかな質量を有しているので、ノズルリング１４はノズルリングを取囲む前述の構成部分よりも著しく大きい温度上昇を経験する。
【００２４】
半径方向及び軸方向の膨張ギャップ１６，１５の本発明による構成によって、ノズルリング１４の外リング１１は具体的な運転条件に相応して半径方向にも軸方向にも自由に膨張することができる。この場合には外リング１１とガス入口ケーシング１とにおいて可能な軸方向の膨張に比べて著しく大きな、外リング１１とガス出口ケーシング２との間の範囲における材料の半径方向の膨張は、前述の約４：１のギャップ幅の比によって考慮されている。このような形式でカバーリング８とガス入口ケーシング１とガス出口ケーシング２とノズルリング１４との間に形成される熱的な応力は補償される。ノズルリング１４は一方では対角線方向でカバーリング８とガス入口ケーシング１との間で緊締され、他方ではノズルリング１４を取巻く構成部分の間でダイヤフラムとして作用する。組立ギャップの構成によりシール面は常にガス入口ケーシング１に接触する。シール面１７は排ガスが周囲へ漏れることを阻止する。ノズルリング１４のための材料として金属薄板が使用されていると、ノズルリングのフレキシブルな構成は付加的に助成される。
【００２５】
軸方向の膨張ギャップ１５のギャップ幅及び半径方向の膨張ギャップ１６のギャップ幅が外リング１１とガス入口ケーシング１との最大熱膨張もしくは外リング１１とガス出口ケーシング２との最大熱膨張に相応していると、外リング１１は、ディーゼルモータの全負荷に際して軸方向でガス入口ケーシング１に接触し、半径方向でガス出口ケーシング２に接触する。これによって膨張ギャップ１５，１６は排ガスタービンの運転の間は閉鎖される。この結果、外リング１１とガス出口ケーシング２とディフューザ８との間に形成された中空室へ排ガスが流入することはなくなる。このような形式で排ガス流の妨害も分割損失も回避され、この結果効率が高められる。
【００２６】
第２実施態様においてはガス入口ケーシング１には、該ガス入口ケーシング１ともガス出口ケーシング２とも軸方向で形により結合されたクランプセグメント２４が配置され、ねじ４のために孔として構成された切欠き２５を備えている。クランプセグメント２４とガス入口ケーシング１との間には半径方向のギャップが形成されている（図３）。これによりガス入口ケーシング１もその運転応力を高めることなく半径方向に膨張することができる。構成部分の他の配置及び機能は第１の実施態様と同じである。
【図面の簡単な説明】
【図１】排ガスターボ過給機を排ガスタービンの範囲で断面した部分縦断面図。
【図２】図１の外リングの範囲を拡大した部分図。
【図３】本発明の排ガスタービンの第２実施例を示した、図１に相当する部分縦断面図。
【符号の説明】
１ ガス入口ケーシング
２ ガス出口ケーシング
３ タービンケーシング
４ 結合部材
５ 軸
６ タービン回転羽根車
７ 回転羽根
８ カバーリング
９ ねじ
１０ 通路
１１ 外リング
１２ 内リング
１３ 案内羽根
１４ ノズルリング
１５ 膨張ギャップ
１６ 膨張ギャップ
１７ シール面
１８ 組立ギャップ
１９ 位置決め部材
２０ 肉厚部
２１ 切欠き
２２ 切欠き
２３ ギャップ
２４ クランプセグメント
２５ 切欠き
２６ ギャップ

Claims (7)

1. 排ガスターボ過給機の排ガスタービンであって、
   （イ） ガス入口及びガス出口ケーシング（１，２）を有し、該ガス入口及びガス出口ケーシング（１，２）が結合部材（４）により結合されてタービンケーシング（３）を成しており、
   （ロ） タービンケーシング（３）内に配置されかつ軸（５）により保持されたタービン回転羽根車（６）を有し、
   （ハ） ガス出口ケーシング（２）にタービン回転羽根車（６）のカバーリング（８）が固定されており、
   （ニ） タービン回転羽根車（６）の上流側に、軸方向で見てカバーリング（８）とガス入口ケーシング（１）との間にかつ半径方向で見てガス出口ケーシング（２）の内側に配置されたノズルリング（１４）を有し、該ノズルリング（１４）が外リング（１１）と内リング（１２）とその間に構成された多数の案内羽根（１３）とから成り、内リング（１２）が位置決め部材（１９）により、回動しないようにガス入口ケーシング（１）に支えられている形式のものにおいて、
   （ホ） ノズルリング（１４）が排気ガスタービンの運転コンディションとは無関係に対角線方向でカバーリング（８）とガス入口ケーシング（１）との間で緊締されるように、ノズルリング（１４）がその外リング（１１）でカバーリング（８）に接しかつ内リング（１２）でガス入口ケーシング（１）に接しており、
   （ヘ） 外リング（１１）とガス入口ケーシング（１）との間に軸方向の膨張ギャップ（１５）が構成されかつ外リング（１１）とガス出口ケーシング（２）との間に半径方向の膨張ギャップ（１６）が構成されていることを特徴とする、排ガスターボ過給機の排ガスタービン。
2. ガス出口ケーシング（２）にガス入口ケーシング（１）に対するシール面（１７）が配置され、半径方向でシール面（１７）の外側で、ガス入口ケーシング（１）とガス出口ケーシング（２）との間に組立ギャップ（１８）が構成されている、請求項１記載の排ガスタービン。
3. 軸方向もしくは半径方向の膨張ギャップ（１５，１６）のギャップ幅が外リング（１１）とガス入口ケーシングの最大熱膨張もしくは外リング（１１）とガス出口ケーシング（２）の最大熱膨張よりも大きく又は該最大熱膨張と等しく構成されている、請求項１又は２記載の排ガスタービン。
4. 外リング（１１）と内リング（１２）との両方がカバーリング（８）もしくはガス入口ケーシング（１）よりもあきらかに小さい材料厚さを有している、請求項３記載の排ガスタービン。
5. 外リング（１１）と内リング（１２）との両方が金属薄板から成る、請求項４記載の排ガスタービン。
6. ガス入口ケーシング（１）に、該ガス入口ケーシング（１）にもガス出口ケーシング（２）にも軸方向で形状により結合されたクランプセグメント（２４）が配置されかつ結合部材（４）のための切欠き（２５）を備えている、請求項１から５までのいずれか１項記載の排ガスタービン。
7. ガス入口ケーシング（１）とクランプセグメント（２４）との間に少なくとも１つの半径方向ギャップが構成されている、請求項６記載の排ガスタービン。

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