JP5123400B2 - ガイド・デバイス - Google Patents
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Description
【0001】
本発明は、ターボマシンの分野に係り、特に、過給器付きの内燃機関のための排ガス・ターボチャージャに係る。
【0002】
本発明は、前記タイプのターボマシンのハウジングへのガイド・デバイスの締結に係る。
【背景技術】
【0003】
排ガス・ターボチャージャが、内燃機関(往復ピストン・エンジン)の性能を増大させるために使用されている。排ガス・ターボチャージャは、内燃機関の排ガスの流れの中に排ガス・タービンを、そして、内燃機関の吸入部(吸入断面)の中にコンプレッサを有している。排ガス・タービンのタービン・ホイールは、内燃機関の排ガスの流れにより回転され、そして、シャフトを介してコンプレッサのロータを駆動する。コンプレッサは、内燃機関の吸入部(吸入断面)の中の圧力を増大させ、それにより、吸入の間、大量の空気が燃焼室の中に送られることになる。
【0004】
排ガス・タービンはまた、パワータービンとしても使用される。この場合、これらのタービンは、シャフトを介して排ガス・ターボチャージャのコンプレッサを駆動することなく、発電機を、あるいは、クラッチを介して何か他の機械的な動力部品を駆動する。
【0005】
現代の往復ピストン・エンジンの分野における近年の開発は、排出物、コスト及び燃料消費の減少により推進されてきた。ここで、エンジンの過給システムは、これらの開発の狙いを実現するためにかなり寄与している。過去には、大型エンジンにおいて、固定の幾何学的形状を有するタービン及びコンプレッサのコンポーネントを備えた排ガス・ターボチャージャが、主として使用されてきた。前記幾何学的形状は、個々のエンジンのためにデザインされ、適合されていた。しかしながら、それらの形状は、エンジンの運転中に変更されることが可能でなかった。
【0006】
将来において、運転中に、排ガス・ターボチャージャをエンジンに対して更により良く適合させることを可能にするために、運転中に調整される(または、変更される)ことが可能なタービンの幾何学的形状(可変タービン形状:VTG)の使用に対して、関心が高まっている。ここでは、排ガス・タービンのガイド・デバイスのガイド・ブレードの開口部が、ガイド・ブレードの回転により変えられる。
【0007】
調整可能なタービンの形状の使用については、従来から知られており、特に、小型のエンジンの分野において、広く使用され、例えば、乗用車において使用されている。大型のエンジンにおいて、可変のタービン形状は、今日、既に、燃料/空気比の正確な調整を要求するガス・エンジンにおいて使用されている。将来において、大型エンジンにおける可変タービン形状の使用の更なる拡大が予想される。
【0008】
ターボチャージャの流れのコンポーネントは、効率上の理由で、高い比出力(幾何学的なサイズに対する高いマス・フロー)のために開発されて来た。そのようなターボマシンのタービンの可動ブレードは、極端な振動励起にさらされる可能性がある。信頼性の高い運転挙動を確保するために、ガイド・デバイス(ノズル・リング)及びガイド・ブレード形状の非常に正確な調整が、タービンの開発において必要になる。
【0009】
特に、ガイド・デバイスのガイド・ブレードが、タービン・ホイールの可動ブレードに対して、ガイド・ブレードの数に回転速度を乗じた値に等しい周波数で、周期的な擾乱を構成すると言う問題が生ずることがある。もし、前記周波数が、可動ブレードの固有振動数と一致する場合には、共鳴が発生する。この共鳴での交互に発生する応力は、場合によれば材料の損傷をもたらすことがある。共鳴の強度がガイド・ブレードの開口の減少に伴い増大することが知られている。これは、ガイド・ブレードの許容可能な開口に対して制約をもたらすことがある。可変のタービン形状において、ガイド・ブレードの開口について、利用可能な広い調整範囲を有していることは、重要である。もし、許容可能なガイド・ブレード開口の範囲が、許容できない共鳴の結果として制限されなければならない場合には、可変のタービン形状の利点が減じられることになる。
【0010】
“Theoretical and Experimental Analysis of the Reduction of Roter Blade Vibration in Turbomachinery Through the use of Modified Stator Vane Spacing”, R. H. Kemp, M. H. Hirschberg, W. C. Morgan. NACA Technical Note 4373, 1958, から、ガイド・ブレードの周方向の位置の不均一な分布が、共鳴の強度のかなりの減少をもたらすことが可能であるということが知られている。ガイド・ブレードの不均一な配置は、共鳴の強度を減少させるために、今日多くのターボマシンにおいて使用されている。
【0011】
大型エンジンのための排ガス・ターボチャージャにおいて、可変のガイド・デバイス(VTG)は、一般的に、別個のモジュールとして組み立てられ、そして、図1に示されているように、排ガス・タービンのガス入口及びガス出口ハウジングに固定される。このように固定される可変のガイド・デバイスを有する排ガス・タービンが、DE 100 13 335 から知られている。ガス入口・ハウジング及びガス出口ハウジングは、異なるエンジンに適合させるために、一般的に、定められた角度間隔(例えば15°)で自由に回転されることが可能である。これは、典型的に、周上に均一に分布されたネジの使用をもたらす(15°のセグメントの場合には、これは、24本のネジをもたらす)。もし、不均一に配置されたガイド・ブレードが使用された場合には、ガイド・ブレードとネジとの間での衝突が不可避である。
可変のガイド・デバイスを有する排ガス・タービンは、同様に、US 3 542 484 からも知られている。
【0012】
【特許文献】
【特許文献1】
独国特許出願公開第 DE 100 13 335 号明細書
【特許文献2】
米国特許出願公開第 US 3 542 484 号明細書
【非特許文献】
【非特許文献1】
“Theoretical and Experimental Analysis of the Reduction of Roter Blade Vibration in Turbomachinery Through the use of Modified Stator Vane Spacing”, R. H. Kemp, M. H. Hirschberg, W. C. Morgan. NACA Technical Note 4373, 1958
【0013】
本発明の目的は、排ガス・タービンなどのような、ターボマシンのための調整可能なガイド・デバイスを、隣接するハウジングに対して固定するために使用される締結手段が、ハウジングに対するガイド・デバイスのアライメントに対して独立に取り付けられることが可能であるように、最適化することにある。
【0014】
本発明の概念は、ガイド・デバイスの取り付けのための締結を、ガイド・ブレードの径方向外側の領域に、特に、ガイド・ブレードのシャンクの径方向外側に、再配置することである。このようにして、ガイド・ブレードの周方向の位置は、予め定められた角度の中で自由に選択されることが可能になる。ガイド・ブレードと締結手段との間で、衝突が生じることがない。
【0015】
ガイド・ブレードは、周上に均一にまたは不均一に、分布されることが可能である。
【0016】
不均一な配置のために、ガイド・ブレードは、リリーフ・リング、支持リング及びブルーブ・リングの中での、ガイド・ブレードの取り付けの不均一な分布により実現される。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】図1は、従来技術に基づく調整可能なガイド・デバイスを有する排ガス・タービンの断面を示す。
【図2】図2は、本発明に基づいてデザインされた調整可能なガイド・デバイスを有する排ガス・タービンの断面を示す。
【発明を実施するための形態】
【0018】
本発明の実施形態が、図面に基づき、以下において詳細に説明される。
【0019】
図1は、排ガス・ターボチャージャの、従来の軸流タービンの詳細を示す。タービン・ホイール10は、シャフト30の上に配置され、このシャフトは、軸Aの回りで回転可能であるように、軸受ハウジングの中に取り付けられている。タービン・ホイール10は、複数の可動ブレード11を有していて、これらの可動ブレードは、タービン・ホイールの径方向外側の縁の上で、周に沿って分布されて配置されている。フロー・ダクトの中での排ガスの流れは、矢印により示されている。流れは、タービン・ホイールの可動ブレードに軸方向に接近する。
【0020】
排ガス・タービンの可動ブレード11の上流には、調整可能なガイド・デバイス1(調整可能なタービン形状)が配置されている。前記調整可能なガイド・デバイス1は、複数のガイド・ブレード41を有していて、各ガイド・ブレードは、それぞれ一つのシャンク42を有している。各ガイド・ブレード41には、軸Bの回りで回転可能であるように、そのシャンク42がそれぞれハウジングの中に取り付けられている。
【0021】
ガイド・デバイス1のハウジングは、フロー・ダクトの周りを環状に取り囲む支持リング40を実質的に有している。フロー・ダクトの方に向かって、支持リング40はまた、リリーフ・リング45の周りを取り囲んでいても良い。ガイド・ブレード41のシャンク42は、この目的のために設けられたボアの中で支持リング40の中に配置されている。これらのボアは、ガイド・ブレード41のシャンク42と同様に、実質的に径方向に伸びている。支持リングは、締結手段50により、ガス出口ハウジング20に固定されている。ボルトまたはネジが、締結手段として使用される。
【0022】
調整可能なガイド・デバイス1はまた、調整リング43、及びガイド・ブレード毎に各一つの調整レバー44を有している。ガイド・デバイス1を調整するために、調整リング43が周方向に移動される。これらの調整レバー44は、ガイド・ブレードのシャンク42に、この回転運動を伝達する。
【0023】
図2に示された本発明に基づいてデザインされたガイド・デバイス1において、締結手段50は、ガイド・ブレードのシャンク42の支持ポイント46の径方向外側に、または、ガイド・ブレードのシャンクの自由端の径方向外側に、配置されている。締結手段50がその外側に配置される半径r2は、それ故に、ガイド・ブレードのシャンクがその内側に配置される半径r1と比べて大きい。
【0024】
それ故に、ガイド・ブレード41は、支持リングの周に沿って、均一にあるいは不均一に、分布されることが可能であり、それにより、締結手段50とガイド・ブレードのシャンク42が互いに交差することが無い。ガイド・ブレード41の不均一な配置は、リリーフ・リング45、支持リング40及び調整リングの中への、ガイド・ブレードの取り付けの不均一な分布により実現される。
【0025】
不均一に分布されたガイド・ブレードの場合であっても、支持リング40が、ガス出口ハウジング20に対して、締結手段のためのボアにより許容される如何なる角度にも、配置されることもまた可能であって、これらのボアは、周に沿って分布されて配置されている。ガイド・ブレードの周方向の位置は、それ故に、予め定められた角度の中で自由に選択されることが可能である。
【0026】
図2に示されているように、ガス入口・ハウジング21は、調整レバー44の径方向内側で、別個の締結手段により、支持リング40に接続されることが可能である。
【符号の説明】
【0027】
10・・・タービン・ホイール、11・・・タービン・ホイールの可動ブレード、20・・・排ガス・タービンのガス出口ハウジング、30・・・排ガス・ターボチャージャのシャフト、40・・・支持リング、ガイド・デバイスのハウジング、41・・・調整可能なガイド・ブレード、42・・・ガイド・ブレードのシャンク、43・・・調整リング、44・・・調整レバー、45・・・リリーフ・リング、46・・・ガイド・ブレードのシャンクを取り付けるための支持ポイント、50・・・支持リングをタービン・ハウジングに固定するための締結手段、r1・・・ガイド・ブレードのシャンクの外側半径、r2・・・支持リングをタービン・ハウジングに固定するための締結手段の内側半径、A・・・排ガス・ターボチャージャのシャフトの軸、B・・・ガイド・ブレードのシャンクの軸。
Claims (6)
- ハウジング(20)と、環状のガイド・デバイス(1)と、を有するターボマシンであって、
この環状のガイド・デバイス(1)は、
第一の貫通孔及び第二の貫通孔を有する支持リング(40)を有し、第一の貫通孔は、第二の貫通孔の径方向外側に配置され;
前記ガイド・デバイス(1)の外周に沿って配置された、回転可能なガイド・ブレード(41)を有し、これらのガイド・ブレード(41)のそれぞれは、前記支持リング(40)の中に取り付けるための径方向に伸びるシャンク(42)を有し、前記支持リング(40)は、ガイド・ブレードのシャンク(42)を保持するための支持ポイント(46)を有し;
第一の貫通孔の中を通って支持リング(40)をハウジング(20)に固定するための締結手段(50)を有し、前記ガイド・ブレードのシャンク(42)の自由端が、第一の半径(r1)の径方向内側に配置され、前記締結手段(50)は、第二の半径(r2)の径方向外側に配置され、ここで、前記第一の半径(r1)は、前記第二の半径(r2)と比べて小さく、それにより、前記支持リング(40)を前記ハウジング(20)に固定するための前記締結手段(50)は、前記ガイド・ブレードのシャンク(42)の自由端の径方向外側に配置されるようになっていて、このようにして、前記ガイド・ブレードの周方向の位置が、前記ガイド・ブレードのシャンク(42)と前記締結手段(50)との間で衝突が生ずることなく、予め定められた角度の中で自由に選択されるように構成され;
調整レバー(44)を有する調整リング(43)を有し、この調整レバー(44)は、前記支持リング(40)の第二の貫通孔の中を通って配置されていること、
を特徴とするターボマシン。 - 下記特徴を有する請求項1に記載のターボマシン:
前記ガイド・ブレード(40)は、ガイド・デバイスの外周に沿って不均一に、互いに対して異なる間隔を隔てて、配置されている。 - 排ガス・ターボチャージャの排ガス・タービンとして構成された、請求項1に記載のターボマシン。
- 下記特徴を有する請求項1に記載のターボマシン:
前記ガイド・ブレード(40)は、ガイド・デバイスの外周に沿って均一に、互いに対して同一の間隔を隔てて、配置されている。 - 排ガスの流れの入口と、ハウジング(20)と、環状のガイド・デバイス(1)と、を有する排ガス・ターボチャージャであって、
この環状のガイド・デバイス(1)は、
第一の貫通孔及び第二の貫通孔を有する支持リング(40)を有し、第一の貫通孔は、第二の貫通孔の径方向外側に配置され;
前記ガイド・デバイス(1)の外周に沿って配置された、回転可能なガイド・ブレード(41)を有し、これらのガイド・ブレード(41)のそれぞれは、前記支持リング(40)の中に取り付けるための径方向に伸びるシャンク(42)を有し、前記支持リング(40)は、ガイド・ブレード(41)のシャンク(42)を保持するための支持ポイント(46)を有し;
第一の貫通孔の中を通って支持リング(40)をハウジング(20)に固定するための締結手段(50)を有し、前記ガイド・ブレードのシャンク(42)の自由端が、第一の半径(r1)の径方向内側に配置され、前記締結手段(50)は、第二の半径(r2)の径方向外側に配置され、ここで、前記第一の半径(r1)は、前記第二の半径(r2)と比べて小さく、それにより、前記支持リング(40)を前記ハウジング(20)に固定するための前記締結手段(50)は、前記ガイド・ブレードのシャンク(42)の自由端の径方向外側に配置されるようになっていて、このようにして、前記ガイド・ブレードの周方向の位置が、前記ガイド・ブレードのシャンク(42)と前記締結手段(50)との間で衝突が生ずることなく、予め定められた角度の中で自由に選択されるように構成され;
調整レバー(44)を有する調整リング(43)を有し、この調整レバー(44)は、前記支持リング(40)の第二の貫通孔の中を通って配置されていること、
を特徴とするターボチャージャ。 - 下記特徴を有する請求項1に記載のターボマシン:
前記第一の貫通孔及び前記第二の貫通孔は、互いに平行な軸を有するように配置されている。
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