JP4762737B2 - ターボ機械、特にターボ過給機 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械、特に排気ガスターボ過給機に関する。

そのようなターボ過給器の形態のターボ機械は、米国特許出願公開第２００４／０１２０８３５号明細書から公知である。
米国特許第４４５３７２２号明細書では、ベローズによって密封プレートに押圧されるカーボンシールが開示され、さらにベローズが壊れた場合でもその付勢力を維持しようとするピストンからなるバックアップシールが設けられている。
ターボ過給器の形態のターボ機械は更に、独国特許第１００２８１６１号明細書及び同１０２９７２０３号明細書から公知である。
ロータ軸と軸受ケーシングの間のタービン側にシールが見えるが、これはラビリンスシールからなる。

従って、タービンホイールの方向及び軸受ケーシングの方向の両方に漏れる可能性がある。
この先行技術との比較において、本発明の目的は、請求項１の前書き部分に記載されている形式のターボ機械を提供することであり、それは異なる圧力の液体及び／又は気体のような媒体が作用するチャンバのより良い密封を可能にする。
この目的は請求項１の特徴によって達成される。

即ち、本発明はターボ機械、特に例えば自動車用の排気ガスターボ過給器であって、タービン側に設けられたロータ軸密封システムを備え、それは望ましくは気体潤滑滑りリングシールの形態で形成される。そのロータ軸密封システムは、ロータ軸がハウジング壁を介して支持されるターボ過給器の場合に、異なる圧力がかかる媒体（液体及び／又は気体）が作用するチャンバとロータ軸との密封を可能にする。本発明のターボ機械或いは本発明のロータ軸密封システムは、高温（最高９００℃）、著しい高速（最高300,000ｒｐｍ）及び最高550ｍ／ｓの円周方向速度に適応している。

更に、回転するカウンタリング（側面を有する）がロータ軸に固定され、それは例えば焼きばめ、ねじ止めあるいは圧入によって成し遂げられる。更に、弾性手段と共に固定滑りリングが金属ダイヤフラムベローズの形態であることが望ましく、これはハウジングにねじ込みスリーブを介してねじ込まれる。ターボ過給器の動作中において、カウンタリングは滑りリングと共に動的シールの役割を果たし、金属ダイヤフラムベローズはグラファイトリングと共に静的シールを構成する。

金属ダイヤフラムベローズは、弾性接触を実現する付勢手段として役割を果たす。望ましくは、それはベローズの個々の弾性要素が共に溶接されることができ、この目的のために調整プレートとねじ込みスリーブに設けられた溶接縁部に溶接される。こうして、全体の密封手段の各部材を予めカートリッジとして事前に組み立てることが可能になるという利点がある。カートリッジの組み立てにおいて、付勢手段は金属ダイヤフラムベローズ内に見出すことができ、これにより軸方向遊び及び滑り面の起こり得る磨耗を有利に最小化できる。

ターボ過給器が停止している場合、カウンタリング及び滑りリングはロータ軸と軸受ケーシングの間で静的シールを形成する。
ターボ過給器の動作中には、カウンタリングの回転によって滑りリングとの接触面においてその軸方向側面により圧力が生じ、結果として小さな軸方向隙間が形成される。
このことは、動作中に如何なる機械的な摩擦損失をも生じさせない非接触状態、気体潤滑動的密封リングシールを作り出す。

カウンタリングの側面は、タービンホイールから軸受ケーシングへの漏れ（隙間流れ）が維持される(supported)ように選択される。
従属請求項は本発明の有利な改良を引用している。
請求項１０は、独立して取引可能な部材として本発明に係るロータ軸密封手段を定義している。

請求項１１は、ロータ軸密封手段を有するターボ機械を製造するための方法を定義しており、その方法は、
グラファイトリングを前記軸受ケーシング内に挿入し、
カウンタリングを取付主軸に取りつけ、前記軸受ケーシング内に挿入し、
ねじ込みスリーブ内に設けられた内孔内に係合するための道具の助けでカートリッジを滑りリングと付勢手段と共に前記軸受ケーシング内にねじ込み、前記グラファイトリングをねじ込みの際に押圧し、
熱遮蔽を前記ロータ軸の周りに滑らせ、
前記軸受ケーシング内に前記ロータ軸を導入し、前記ロータ軸へ前記取付主軸の助けで前記カウンタリングを押圧する、
各工程によって従来技術と区別される。

本発明の更なる詳細、利点及び特徴は、添付図面を参照しつつ実施形態の記載に従って明らかとなるであろう。
図１は、排気ガスターボ過給機として構成されたこの例の発明のターボ機械１を示している。

本発明に係るロータ軸密封手段８の以下の詳細説明はさておき、この排気ガスターボ過給機は当然のこととして、標準的な構成要素を含んでいるが、それらは本発明の説明には不要であるので図１では図示を簡略化するために一部を省略している。
しかし、図１は圧縮機ハウジング（図示略）の後方壁２とその圧縮機ハウジング内に配置された圧縮機ホイール３を示している。

更に、タービンハウジング（図示略）内に配置されたタービンホイール４も示されている。
圧縮機ホイール３とタービンホイール４とは、図１から詳細に分かるように、ロータ軸６上のその両端に取り付けられている。
ロータ軸は、軸受ケーシング５内の適切な軸受構造を介して支持されている。
軸受ケーシング５はタービン側に設けられた端部７を備え、それはタービンホイール４の近傍に配置されると共に過熱から熱遮蔽２６によって保護されれている。

タービン側の端部７は、図１において印し、具体的には「Ｘ」がつけられているロータ軸密封手段８のための受け入れチャンバ３０を備え、それについては図２の拡大図を参照して以下に以詳細に説明する。

ロータ軸密封手段８は、気体潤滑滑りリング密封手段(gas-lubricated slide-ring sealing means)を備え、それは静的密封構造と動的密封構造を備えている。
詳しくは、カウンタリング１１が設けられ、それは第１ロータ軸領域９上に固定される（シャンク、ネジ止め或いは圧入）固定部１２を備えている。

更に、カウンタリング１１は環状カラー１３を備え、それは固定部１２と直角に配置され、ロータ軸９の移行領域３１に軸方向で部分的に当接し、第１ロータ軸領域９よりも大きな直径を有する第２ロータ軸領域１０に向かうことが望ましい。
ロータ軸密封手段８は更に、付勢手段、望ましくは図示された金属ダイヤフラムベローズ１９の形態の付勢手段にネジ止めされた滑りリング１５を備え、その滑りリングは軸受ケーシング５又は軸受ケーシング５の端部７の外部ネジ２７を持つねじ込みスリーブ２０を介して付勢手段とネジ止めされている。

図示するように、滑りリング１４は主本体１６と、この主本体１６から半径方向外側に延びる先端部１５を備えている。この構造は、カウンタリング１１のカラー１３に向い、取り付け状態で図２に示すようにカラーと接触するようになる接触面を提供する。
更に、図２はグラファイトリング１８を示しており、これはねじ込みスリーブ２０がねじ込まれた状態でケーシング５内に押し付けられる。

滑りリング１４に緩やかに連結される調整プレート１７は、滑りリング１４とねじ込みスリーブ２０及び金属ダイヤフラムベローズ１９からなる構造の間に配置されている。
反対側の端部において、調整プレート１７は、金属ダイヤフラムベローズ１９の弾性部材２１，２２，２３からなる弾性構造の弾性部材２３が溶接される溶接縁部２４を備えている。

一方、弾性部材２１はねじ込みスリーブ２０の溶接縁部２５に溶接される。
上で既述したように、共に溶接されるベローズ１９の個別の弾性部材２１から２３、調整プレート１７、及びねじ込みスリーブ２０は滑りリング１４と共に、事前組立可能カートリッジを構成する。そのカートリッジの据付の際に、滑りリング１４の付勢力は金属ダイヤフラムベローズ１９によって生み出され、軸方向の遊び及び滑り面の起こり得る磨耗は最小化される。最後に、図２から分かるように、調整プレート１７は、ロータ軸６のロータ軸部１０の周りに配置された環状本体２９と、その半径方向外側に向かう端部の溶接縁部２４と連結部２８を備える。

図２に示されるように、接続部２８は滑りリング１４の凸部１５及び主本体１６の両方に当接し、リング本体２９は滑りリング１４の主本体１６に当接する。上記した各部材の構造の更なる詳細のためには、ここで図２の図解が明示的に参照される。

ターボ過給機の形態の本発明のターボ機械の長手方向断面図を示す。 本発明のロータ軸密封手段の構造的な詳細を説明するための拡大された図１にいけるＸの詳細を示す。

符号の説明

１ ターボ機械／ターボ過給機
２ 後方壁
３ 圧縮機ホイール
４ タービンホイール
５ 軸受ケーシング
６ ロータ軸
７ 端部
８ ロータ軸密封手段
９ 小直径の第１ロータ軸部
１０ 大直径の大２ロータ軸部
１１ カウンタリング
１２ 固定部
１３ カラー
１４ 滑りリング
１５ 凸部
１６ 主本体
１７ 調整プレート
１８ グラファイトリング
１９ ベローズ、特に金属ダイヤフラムベローズ／付勢手段
２９ ねじ込みスリーブ
２１−２３ 弾性部材
２４，２５ 溶接縁部
２６ 熱遮蔽
２７ 外部ネジ
２８ 接続部
２９ 環状本体
３０ 空洞
３１ 移行領域

Claims (11)

1. ターボ機械（１）であって、
   圧縮機ハウジング（２）内に配置された圧縮機ホイール（３）と、
   タービンハウジング内に配置されたタービンホイール（４）と、
   軸受ケーシング（５）内で支持され一方に前記圧縮機ホイール（３）が固定され他方に前記タービンホイール（４）が固定されるロータ軸（６）と、
   前記軸受ケーシング（５）のタービン側端部（７）とロータ軸（６）との間に配置され、前記ロータ軸（６）と付勢手段（１９）に固定されるカウンタリング（１１）とを有するロータ軸密封手段（８）とを備え、
   前記カウンタリング（１１）及び付勢手段（１９）の間に固定滑りリング（１４）が配置され、それは取り付け状態で前記カウンタリング（１１）と接触し、ねじ込みスリーブ（２０）によって前記軸受ケーシング（５）内の付勢手段（１９）の介在で固定されることを特徴とするターボ機械。
2. 前記ロータ軸密封手段（８）は、気体潤滑滑りリング密封手段として構成されていることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械。
3. 前記滑りリング密封手段は、静的密封構造及び動的密封構造を備えていることを特徴とする請求項２に記載のターボ機械。
4. 前記動的密封構造は、前記ロータ軸６に固定されているカウンタリング（１１）と共に前記滑りリング（１４）を介して動的密封作用を作り出すことを特徴とする請求項３に記載のターボ機械。
5. 前記付勢手段は金属ダイヤフラムベローズ（１９）として構成されることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械。
6. 金属ダイヤフラムベローズ（１９）、ねじ込みスリーブ（２０）及び調整プレート（１７）は、事前組立カートリッジとして構成されていることを特徴とする請求項５に記載のターボ機械。
7. 金属ダイヤフラムベローズ（１９）は、お互いに溶接された弾性手段（２１〜２３）であって、
   前記カートリッジを形成するために、それぞれ調整プレート（１７）とねじ込みスリーブ（２０）の溶接縁部（２５，２５）に溶接される弾性手段（２１〜２３）を有することを特徴とする請求項６に記載のターボ機械。
8. 所定のグラファイトリング（１８）が前記軸受ケーシング（５）内に挿入され、前記ねじ込みスリーブ（２０）によって押し付けられていることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載のターボ機械。
9. 所定の熱遮蔽（２６）が前記タービン側端部（７）と前記タービンホイール（４）との間に配置されていることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載のターボ機械。
10. 軸受ケーシング（５）のタービン側端部（７）と、圧縮機ハウジング内に配置される圧縮機ホイール（３）とタービンハウジング内に配置されるタービンホイール（４）とを有する排気ガスターボ過給機を備えたターボ機械（１）のロータ軸（６）との間のロータ軸密封手段（８）であって、
    前記ロータ（６）に固定されるカウンタリング（１１）と、
    金属ダイヤフラムベローズ（１９）として構成される付勢手段（１９）と、
    前記カウンタリング（１１）と接触する滑りリング（１４）と、を備え、
    前記滑りリング（１４）と付勢手段（１９）はねじ込みスリーブ（２０）によって軸受ケーシング（５）に固定されていることを特徴とするロータ軸密封手段。
11. ターボ機械の圧縮機ハウジング内に配置される圧縮機ホイール（３）と、タービンハウジング内に配置されるタービンホイール（４）と、軸受ケーシング（５）内で支持され一方に前記圧縮機ホイール（３）が固定され他方に前記タービンホイール（４）が固定されるロータ軸（６）と、
    前記軸受ケーシング（５）のタービン側端部（７）と前記ロータ軸（６）との間のロータ軸密封手段とを有するターボ機械を組み立てる方法において、
    グラファイトリング（８）を前記軸受ケーシング（５）内に挿入し、
    カウンタリング（１１）を取付主軸に取りつけ、前記軸受ケーシング（５）内に挿入し、
    ねじ込みスリーブ（２０）内に設けられた内孔内に係合するための道具の助けでカートリッジを滑りリング（１４）と付勢手段（１９）と共に前記軸受ケーシング（５）内にねじ込み、前記グラファイトリング（１８）をねじ込みの際に押圧し、
    熱遮蔽（２６）を前記ロータ軸（６）の周りに配置し、
    前記軸受ケーシング（５）内に前記ロータ軸（６）を導入し、前記ロータ軸（６）へ前記取付主軸の助けで前記カウンタリング（１１）を押圧する、
    工程を含むことを特徴とするターボ機械組立方法。

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