JP5670692B2 - 破裂保護装置、ガスターボ機械および内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、破壊強度の大きな材料からなる多層構造体によって形成されている、タービンホイールを完全に包囲するためにタービンケーシングを備えているガスターボ機械に取付けるための破裂保護装置に関する。本発明はさらに、タービンケーシング内に回転可能に配置されたタービンホイールを完全に包囲しているタービンケーシングと、破裂保護装置とを備えたガスターボ機械に関する。本発明はさらに、ガスターボ機械を備えた内燃機関に関する。

例えば、過給される内燃機関の排気ターボ過給機のような最新の高出力ターボ機械は、回転部品の故障の場合に、その周辺が高い危険にさらされる。特に、人が機械のすぐ近くにいる使用状況の場合には、故障の際にすべての破片および場合によって生じる二次破砕部品を確実かつ完全に受け止めなければならない。

例えば、特許文献１は多層の破裂保護装置を開示している。この破裂保護装置の場合には、鉄板内に断熱材料が挿入され、この破裂保護装置はタービンケーシングに対して間隔をおいて、タービンケーシングの渦巻き部分に固定されている。この特許文献１に開示された破裂保護装置は、ケーシングの渦巻き部分の１２０°の範囲しか包囲しない、すなわち開放しているという欠点がある。

特許文献２では、破裂保護装置がターボ過給機用半径流式タービンのガス入口ケーシングの外に設けられている。この破裂保護装置は渦巻き状の薄板カバーとして形成され、かつ多数のねじを介してガス入口ケーシングに取り外し可能に連結されている。このような破裂保護装置も、ケーシングの損傷時に、発揮する作用が制限される。なぜなら、この破裂保護装置がケーシング自体に固定されているからである。

特許文献３により、断熱材、第１薄板および第２薄板からなる破裂保護装置が知られている。この破裂保護装置はタービンのケーシングに接着されている。この薄板構造体は角度範囲が破裂するタービンの主エネルギー方向に一致し、角度範囲が制限される。

冒頭に述べた破裂保護装置は本出願人の特許文献４によって知られている。この破裂保護装置は破壊強度の大きな織物繊維材料からなり、タービンケーシングの外周を取り囲むリングを形成している。破裂保護装置の側壁は破壊強度の大きな金属薄板によって作ることができる。このような破裂保護装置は、破裂するタービンを包囲保護するために、比較的に適していることがすでに実証されたが、まだ改良可能である。破裂するタービンを安定して包囲保護することが好ましい。

米国特許第４，８７５，８３７号明細書 独国特許出願公開第１９６４０６５４Ａ１号明細書 独国特許発明第１０２２０５７３Ｃ１号明細書 独国特許出願公開第１０２００４０１８９８７Ａ１号明細書

そこで、本発明の課題は、タービンが破裂する場合に安定した包囲保護が保証され、特に破裂保護装置が改善された破壊強度を有する材料から形成されるかまたはそれに適した構造を有する破裂保護装置とガスターボ機械及び内燃機関を提供することである。

破裂保護装置に関しては、課題は本発明により、冒頭に述べた種類の破裂保護装置において、多層構造体が破壊強度の大きな金属薄板の少なくとも２つのある数の層によって形成され、多層構造体が広範囲に（実質的に）閉じた鍋構造体を形成するために、底部と胴部を有し、この胴部が底部の周りに全角度範囲に沿って延在していることによって解決される。

ガスターボ機械に関しては、課題は本発明により、破裂保護装置が本発明に従って底部と胴部からなる実質的に閉じた鍋構造体によって、タービンケーシングを、全角度範囲に沿って、間隔をおいておよび固定しないで包囲している、冒頭に述べたガスターボ機械によって解決される。

本発明は、破壊強度を高めるために、破裂保護装置の材料だけでなく、その構造も適切にすべきであるという考察から出発している。破裂保護装置のためのそれ自体公知の多層構造体を、破壊強度の大きな金属薄板の少なくとも２つのある数の層によって形成することにより、これが達成可能であることが本発明においてわかった。それによって、金属薄板の材料の長所が複合配置の構造的な長所と共に、破壊強度を高めるために有利に利用可能である。本発明はさらに、破裂するタービンの包囲保護のために、角度範囲が制限されたカバーでは不十分であるという考察から出発している。多層構造体が底部の周りに全角度範囲に沿って延在する胴部を備えていることが有利であることが本発明においてわかった。さらに、底部と胴部によって閉じた鍋構造体を形成しつつ、破裂するタービンの外周だけでなく、タービンの側部も保護可能であることが本発明においてわかった。この側部の保護は、胴部に結合された同様に多層に形成された構造体によって行われる。それとは逆に、鍋構造体の底部に多層連結された胴部は、閉じた一体的な鍋構造体への統合に基づいて、付加的な安定性を得る。鍋構造体としてのこの形成は、胴部だけを有するか、または底部から分離されて供された胴部を有する従来の解決策と比べて、多大な利点を有する。特に、従来技術の破裂保護装置の分離された部分の間の不十分な連結の場合の弱体個所が回避される。本発明は、従来技術の欠点を除去する閉じた鍋構造体によって、タービン破裂を有利に保護する。

ガスターボ機械に関しては、破裂保護装置をタービンケーシングに対して間隔をおいて固定しないで配置することが、タービン破裂の場合にタービンケーシングが無くなっても破裂保護装置の耐性を保証するために最も適していることが本発明においてわかった。破裂保護装置の固定を必ずしもタービンケーシングで行う必要がないことが本発明においてわかった。

本発明の有利な発展形態は従属請求項から明らかであり、課題設定の範囲内で並びに他の利点に関して上述した思想を実現する有利な態様を詳細に示している。

破裂保護装置に関して、胴部が底部に一体的に連結されているときわめて有利であることがわかった。一体的とは原則的に、胴部と底部が材料一体的に連結されている鍋構造体であると理解することができる。しかしながら、胴部と底部が一体部品から製作されている鍋構造体がさらに有利である。鍋構造体は金属出発部品を変形することによって有利に製作可能である。本発明の思想の発展形態のために、底部と胴部が多層構造体の一体の層を多層に配置したものとして形成されていると特に有利であることがわかった。この発展形態は、鍋構造体の底部についても胴部についても、多層金属薄板配置によってもたらされる大きな破壊強度を保証する。

この発展形態の有利な変形では、多層構造体の１つの層が個々の一体の薄板部品を変形して鍋状の薄板部品の形に成形可能であり、多層構造体が鍋構造体を形成するために複数個のこのような鍋状薄板部品を組み立てて形成可能である。換言すると、単層の鍋構造体が変形プロセスによって個別的に複数回続けて製作可能であり、続いて個々の鍋状薄板部分が鍋構造体を形成するために組み立て可能である。この発展形態の代替的な第２変形では驚くべきことに、多層構造体が鍋構造体を直接形成するために、一体の薄板部品を多層に配置したものを変形して形成可能であることがわかった。換言すると、第２の変形では、一体の薄板部品を多層に配置してきわめて有利に変形可能であるので、一体の複数の薄板部品が、多層の鍋構造体を形成するために、共に同時に変形される。これは上記の第１の変形と比べて、製作プロセスが比較的に簡単であるという利点がある。これに対して、第１変形は、比較的に厚い破裂保護装置構造体の製作を可能にする。

特に有利な発展形態の範囲内では、多層構造体が蓋を備え、この蓋が底部の向かい側に配置されている。蓋は、例えば、単一または複数の層によって形成可能であり、例えば、個々の金属薄板または金属薄板を多層に配置したものによって形成可能である。蓋は上記の発展形態の閉じた鍋構造体に材料一致的にまたは一体的に接合する必要はない。むしろ、蓋は他の適当な方法で、例えば、かみ合い連結的な取付けまたは摩擦連結的な取付けによってあるいは、例えば、ねじ連結のような連結によって、鍋構造体に取付け可能である。

蓋が背板、特に単層の金属製背板の形に形成されているときわめて有利であることがわかった。

蓋を鍋構造体に取付けるために、蓋が全周の角度範囲に沿って延在する縁部を備え、この縁部に鍋構造体が固定されていると有利であることがわかった。鍋構造体の胴部が縁部、特に縁部の内側に固定されていると特に有利である。固定は、例えば、１個または複数のねじ連結部によって行うことができる。この発展形態は、蓋に対する鍋構造体の角度可変調節を有利に行うために適している。半径方向ねじ止めはきわめて簡単である。

ガスターボ機械に関しては、破裂保護装置が蓋、特に比較的安定した背板の形をしたその蓋によって、タービンケーシングの外側でガスターボ機械に固定されていると特に有利であることがわかった。軸受ケーシングにおける固定がきわめて有利であることがわかった。ガスターボ機械の場合、タービンホイールは軸受内に保持された軸上に配置され、軸受は上記軸受ケーシング内に配置されている。軸受ケーシングは、破裂の際に攻撃されない安定した破裂防止装置用取付け個所を提供する。有利なガスターボ機械の場合、タービンホイールは圧縮機ホイールと同じ軸上に配置されている。この圧縮機ホイールは圧縮機ケーシング内に配置されている。場合によっては、破裂保護装置を付加的にまたは代替的に圧縮機ケーシングに取付けることができる。

破裂保護装置は、渦巻きケーシングの形をしたタービンケーシングを備えているガス半径流式ターボ機械に取付けるためにきわめて有利であることがわかった。

課題を解決するために、本発明の思想は本発明とその発展形態に係るガスターボ機械を備えた内燃機関にも適用される。

次に、図に基づいて本発明の実施形態を説明する。図は必ずしも実施形態を縮尺通りに示していない。むしろ、図は、説明の役目をするので、概略的な形および／またはやや実際から離れた形に作成されている。図から直接明らかな教示を補足する観点から、関連する従来技術が参照される。その際、本発明の普遍的な思想から逸脱せずに、実施形態の形や詳細に関して多彩な変形および変更を行うことができることを考慮すべきである。明細書、図面および特許請求の範囲に開示した本発明の特徴は、個別的にも任意の組み合わせでも、本発明の発展形態にとって重要である。さらに、明細書、図面および／または特許請求の範囲に開示した特徴の少なくとも２つからなるすべての組み合わせは、本発明の範囲に含まれる。本発明の普遍的な思想は、次に示し説明する有利な実施形態の正確な形および詳細に限定されないかまたは特許請求の範囲で請求された対象と比べて限定された対象に限定されない。採寸範囲が記載されている場合、上記の限界内にある値が限界値として開示され、任意に使用可能および請求可能である。簡単化するために、以下において、同一の部品または類似の部品あるいは同一の機能または類似の機能を有する部品には、同じ参照符号が用いられている。

本発明の他の効果、特徴および詳細は、好ましい実施形態の次の説明からおよび図面に基づいて明らかになる。

きわめて有利な破裂保護装置を備えた有利な実施形態に係るガス半径流式ターボ機械を部分的に切断して示す斜視図である。

排気ターボ過給機として形成された図１のガスターボ機械１００は、破裂防止装置１を有するタービン１０と、軸受２０と、圧縮機３０を備えている。タービン１０のタービンホイール１１は、圧縮機の圧縮機ホイール３１と共に、軸受２０内に保持された軸２１上に配置されている。圧縮機ホイール３１は圧縮機ケーシング３２内に配置されている。この圧縮機ケーシング３２は、半径流式圧縮機としての圧縮機３０の形成に相応して、空気が軸方向から流れて来る半径流式ケーシングとして形成されている。

タービン１０のタービンホイール１１は本実施形態では半径流式ケーシングとして形成されたタービンケーシング１２内に配置されている。図示していない内燃機関の排気はケーシング１２内に半径方向から入り、そして軸線Ａに沿ってこのケーシングから出る。

例えば、異物が入ることによってあるいは予測されなかったその他の出来事によって、タービンホイールが破壊され、その部品がタービンケーシング１２を貫通するかあるいは一部または全部を破壊する、起こりそうもないケースのために、ガスターボ機械１００の本実施形態は破裂保護装置１を備えている。この破裂保護装置は実質的に閉じた鍋構造体によってタービンケーシング１２を包囲している。その際、鍋構造体は破裂保護装置１の底部２と胴部３によって形成される。本発明の思想に従って、胴部３は底部２の周りに全角度範囲Ｗに沿って延在している。同様に、鍋構造体は実質的に閉鎖されて全角度範囲Ｗに沿ってタービンケーシング１２を取り囲んでいる。形状「実質的に閉鎖されて」は、作動流体の漏出を除いて閉鎖されている鍋構造体を定義している。例えば、破裂保護装置１はケーシング１２の入口管１３のための貫通部を備えている。この貫通部は同様に鍋構造体の胴部３に配置されている。鍋構造体の底部２は軸線Ａに沿って流出する作動流体のガイドのための貫通部を備えている。この流れ技術的な貫通部は、全角度範囲Ｗに沿って破裂部品を拘束保持するそれ自体閉鎖された鍋構造体を変更しない。

さらに、ガスターボ機械１００の有利な実施形態の場合、破裂保護装置１は間隔ｄ、Ｄをおいてタービンケーシング１２を包囲している。その際、間隔ｄ、Ｄは例示的にのみ記入され、もちろん、場所に応じて変更可能である。図示していない実施形態では、間隔ｄ、Ｄは、例えば、絶縁材または他の防音材、断熱材、緩衝材のような充填材を入れるために利用可能である。

本発明の思想に係る本実施形態にとって有利な方法で、破裂保護装置１はガスターボ機械に固定しないで、タービンケーシング１２の外側に固定されている。そのために、本実施形態では、破裂保護装置１は背板の形をした蓋４を備えている。この背板はさらに、軸受２０の軸受ケーシング２２に固定されている。これは、タービンケーシング１２に関係なく破裂保護装置１を固定することになるので、タービンケーシング１２全体が無くなっても、破裂保護装置はそのまま残り、タービン１０に確実につながれている。

破裂保護装置１自体は本発明の思想に従って、破壊強度を高めるために、それぞれ破壊強度の大きな金属薄板の本例では３つの層ａ、ｂ、ｃによって形成されている。このように形成された多層構造体は、各層ａ、ｂ、ｃが底部２を形成するための底部状部分と胴部３を形成するための胴部状部分を有する一体の鍋状薄板部品を備えていることにより、閉じた鍋構造体を形成する。そのために、閉じた鍋構造体は本実施形態では、ａ、ｂ、ｃを形成するために一体の薄板部品を多層に配置したものを変形して形成される。破裂保護装置を比較的に厚く形成する場合でも、特に、底部２と胴部３との間の接続部半径５が、例えば、深絞りプロセスのような変形プロセスによって実現可能であることが分かった。

背板の形をした蓋４は、胴部３に連結するために、全角度範囲Ｗに沿って延在する縁部６を備えている。この縁部は周囲の適当な個所に、ねじ連結部７を有し、このねじ連結部によって胴部が縁部６の内側に固定されている。

従って、閉じた鍋構造体は半径方向ねじ止め部によって、角度を可変調節しながらフレキシブルにかつ確実におよびそれにもかかわらず比較的に簡単に背板に連結可能である。

要約すると、本発明は、タービンホイール１１を完全に包囲するためにタービンケーシング１２を備えているガスターボ機械１００、特にガス半径流式ターボ機械に取付けるための破裂保護装置１に関し、この破裂保護装置１は大きな破壊強度を有する材料からなる多層構造体によって形成されている。その際、本発明に従い、多層構造体は破壊強度の大きな金属薄板の少なくとも２つのある数の層ａ、ｂ、ｃによって形成され、多層構造体は実質的に閉じた鍋構造体を形成するために、底部２と胴部３を有し、この胴部は底部２の周りに全角度範囲Ｗに沿って延在している。

１ 破裂保護装置
２ 底部
３ 胴部
４ 蓋
５ 接続部半径
６ 縁部
７ ねじ連結部
１０ タービン
１１ タービンホイール
１２ タービンケーシング
１３ 入口管
２０ 軸受
２１ 軸
２２ 軸受ケーシング
３０ 圧縮機
３１ 圧縮機ホイール
３２ 圧縮機ケーシング
１００ ガスターボ機械
Ａ 軸線
Ｗ 角度範囲
ａ 層
ｂ 層
ｃ 層
ｄ、Ｄ 間隔

Claims (17)

1. タービンホイール（１１）を完全に包囲するためにタービンケーシング（１２）を備えているガスターボ機械（１００）に取付けるための破裂保護装置（１）であって、多層構造体によって形成されている破裂保護装置（１）において、
   前記多層構造体が金属薄板の少なくとも２つの層（ａ、ｂ、ｃ）によって形成され、前記多層構造体が閉じた鍋構造体を形成するために、底部（２）と胴部（３）を有し、この胴部が前記底部（２）の周りに全角度範囲（Ｗ）に沿って延在していることと、
   前記破裂保護装置（１）が底部（２）と胴部（３）からなる閉じた鍋構造体によって、タービンケーシング（１２）を、全角度範囲（Ｗ）に沿って、タービンケーシング（１２）から間隔をおいて、それと固定しないで包囲していることと、
   を特徴とする破裂保護装置（１）。
2. 前記胴部（３）が前記底部（２）に一体的に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の破裂保護装置（１）。
3. 前記底部（２）と前記胴部（３）が前記多層構造体の一体の層（ａ、ｂ、ｃ）を多層に配置したものとして形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の破裂保護装置（１）。
4. 前記多層構造体の一つの層（ａ、ｂ、ｃ）が個々の一体の薄板部品を変形して鍋状の薄板部品の形に成形され、前記多層構造体が鍋構造体を形成するために複数個のこのような鍋状薄板部品を組み立てて形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の破裂保護装置（１）。
5. 前記多層構造体が前記鍋構造体を形成するために、一体の薄板部品を多層に配置したものを変形して形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の破裂保護装置（１）。
6. 前記多層構造体が単層または多層の蓋（４）を備え、この蓋が前記底部（２）の向かい側に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の破裂保護装置（１）。
7. 前記蓋（４）が背板の形に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の破裂保護装置（１）。
8. 前記背板が単層の金属製背板であることを特徴とする請求項７に記載の破裂保護装置（１）。
9. 前記蓋（４）が全角度範囲（Ｗ）に沿って延在する縁部（６）を備え、この縁部に前記胴部（３）が固定されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の破裂保護装置（１）。
10. 前記胴部（３）が全角度範囲（Ｗ）に沿って延在する前記蓋（４）の前記縁部（６）の内側に固定されていることを特徴とする請求項９に記載の破裂保護装置（１）。
11. 前記ガスターボ機械（１００）がガス半径流式ターボ機械であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の破裂保護装置（１）。
12. タービンケーシング（１２）内に回転可能に配置されたタービンホイール（１１）を完全に包囲しているタービンケーシング（１）と、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の破裂保護装置（１）とを備えたガスターボ機械（１００）。
13. 前記破裂保護装置（１）がその蓋（４）によってガスターボ機械（１００）に固定されていることを特徴とする請求項１２に記載のガスターボ機械（１００）。
14. 前記蓋（４）が背板の形に形成されていることを特徴とする請求項１３に記載のガスターボ機械（１００）。
15. 前記タービンホイール（１１）が軸受（２０）内に保持された軸（２１）上に配置され、前記軸受（２０）が軸受ケーシング（２２）内に配置され、破裂保護装置（１）が前記軸受ケーシング（２２）に固定されていることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一項に記載のガスターボ機械（１００）。
16. このガスターボ機械（１００）がガス半径流式ターボ機械であることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか一項に記載のガスターボ機械（１００）。
17. 請求項１２〜１６のいずれか一項に記載のガスターボ機械（１００）を備えた内燃機関。