JP5859739B2

JP5859739B2 - ターボ機械

Info

Publication number: JP5859739B2
Application number: JP2011082605A
Authority: JP
Inventors: クラウス・バルトロメー; アルフォンス・ボルンホルン; パウル・ショーラー
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2011-04-04
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2031-04-04
Also published as: JP2011241817A; CH703204A2; CH703204B1; CN102322304B; KR20110127062A; KR101262478B1; CN102322304A; DE102010029048A1

Description

本発明は、請求項１のおいて書きに記載のターボ機械に関する。

図２は、図１と関連して、冒頭に述べたようなターボ機械１を示している。ターボ機械１は、ターボ圧縮機１０と排ガスタービン２０とを有するターボチャージャーの形状で形成されている。ターボ機械１は、圧縮機ハウジング１１と、タービンハウジング２１と、圧縮機ハウジング１１とタービンハウジング２１とを接続する軸受ハウジング３０と、を備えており、当該軸受ハウジング３０は、球状黒鉛鋳鉄から製造されている。

ターボ機械１はさらに、鋼から製造されているシャフト４０を備えており、当該シャフト４０は、複数の回転軸受４２，４３（ここでは２つのラジアル滑り軸受４２と１つのアキシアル滑り軸受４３）を介して回転可能に、軸受ハウジング３０の内部室３１（オイル室とも呼ばれる）に軸受けされている。

図２が示しているように、シャフト４０の長手端部４１に、排ガスタービン２０のインペラ２５が備えられており、当該インペラ２５は、溶接箇所Ｓを介してシャフト４０の長手端部４１と物質的に接続されており、かつインペラ２５は、軸受ハウジング３０の内部室３１の外側で、タービンハウジング２１のインペラ室２２に設けられている。インペラ２５は、ニッケルベースの合金から製造されている。

図２が同様に示しているように、シャフト４０の円周方向に、ピストンリングの形状をした１つの（あるいは複数の）リング状のパッキング５０が設けられており、その結果軸受ハウジング３０の内部室３１は、タービンハウジング２１のインペラ室２２に対して密閉されている。パッキング５０は、半径方向ＲＲに予応力がかけられて軸受ハウジング３０の内壁３２内に挟み込まれ、その結果パッキング５０は回転不能に軸受ハウジング３０に保持されている。パッキング５０は、鋼あるいは鉄・黒鉛合金から製造されている。

密閉のためにパッキング５０は、互いに向かい合う２つの回転密封面５１，５２と協働する。図２から明らかなように、回転密封面５１，５２の第１密封面５１は、排ガスタービン２０のインペラ２５の接続端部２６に形成されており、回転密封面５１，５２の第２密封面５２はシャフト４０の長手端部４１に形成されている。両密封面５１，５２はそれぞれ、環状カラー（単独に表示されず）の側面として形成されており、各環状カラーから、直径のより小さな突起が突出している。

両突起は、溶接箇所Ｓを介して互いに接続されており、その結果溶接箇所Ｓは、密封面５１，５２と両突起とによって形成される環状ノッチ５３の領域にある。

このようにインペラ２５とシャフト４０との間の溶接接続が行われた場合、過去においては、ターボ機械１の駆動時に、インペラ２５とシャフト４０との間の溶接接続が意図せず分離しまうという形で破損事故が繰り返し起こってきた。

それに従って本発明の課題は、請求項１のおいて書きに記載のターボ機械であって、インペラとシャフトとの間の溶接接続の意図しない分離が確実に防止されるターボ機械を提供することにある。

これは、請求項１に記載のターボ機械によって達成される。本発明のさらなる形態は、従属請求項において定義される。

本発明に従えば、提供されるのは、軸受ハウジングと、回転可能に当該軸受ハウジングの内部室に軸受けされているシャフトと、溶接箇所を介してシャフトの長手端部と物質的に接続されており、かつ内部室の外側でインペラ室に設けられているインペラと、シャフトの円周方向に設けられており、その結果内部室がインペラ室に対して密閉されているパッキングとを有するターボ機械であって、パッキングは密閉のために、互いに向かい合う２つの回転密封面と協働するターボ機械である。シャフトは好ましくは、摩擦溶接によってインペラと接続されている。本発明に係るターボ機械は、両密封面の少なくとも一つの密封面の密封面材質が、パッキングとインペラとの間に設けられた分離層を形成することによって優れている。

本発明に従えば、用いられる溶接パラメータ、特に摩擦溶接パラメータに応じて、溶接箇所は、軸方向に数ミリ単位で部材ごとに変えてよいことが知られていた。それにより、目下の位置状況に応じて、従来技術においては、好ましくは金属製のパッキングがインペラの材質に対して金属接触するということが起こりかねない。

構成に条件付けられて、ターボ機械の駆動時にパッキングが一緒に回転せず、シャフトに対して金属接触し、それによってシャフトとパッキングとの間で摩擦が生じる。特にならし運転プロセスで、それによって部分的に著しい熱の生成が生じる。上述のヴァリエーションによってあり得ないことではないが、パッキングがインペラの材質に接触すると、インペラの材質が溶解しかねない。なぜなら、インペラの材質は、パッキングの材質よりも融点が低いからである。結果としてインペラの材質はパッキングに溶け落ち、シャフトから分離する。このプロセスは、インペラがシャフトから折れるほど溶接箇所が弱化するまで繰り返される。

解決法に従って、パッキングとインペラの材質との間の回転摩擦を低減する試みがなされ、摩擦を軽減するコーティングによる試みが行われた。しかしながらこれらのコーティングは、目的を達しないことが判明した。なぜなら、当該コーティングは場合によっては破損原因の影響を低減するが、しかし取り除くことがないからである。

本発明に従って備えられた、パッキングとインペラとの間で熱を遮断する、パッキングとインペラとの間の分離層によって、パッキングとインペラの材質との金属的な摩擦接触、ひいてはインペラとシャフトとの間の、溶解による溶接接続の意図しない分離が確実に防止される。言い換えれば、本発明に従えば、インペラの材質が、パッキングのような固定された部材と金属的に摩擦接触するのを確実に回避する。破損メカニズムの原因がそれによって回避され、駆動の安全性がもたらされる。

熱を遮断する分離層は好ましくは、ターボ機械の駆動時に回転摩擦に条件付けられて溶接箇所に生じる最高温度が、インペラの材質の溶融温度を下回るよう、形成されている（たとえば当該分離層の軸方向の厚さ寸法および／あるいは分離層の材質に関して）。

本発明の実施形態に従えば、両密封面は同じ密封面材質から製造されている。

この方法で密封面を、最適にかつ特に容易にひいては安価に、パッキングとの回転摩擦に合わせることができる。

本発明のさらなる実施形態に従えば、両密封面は一緒に、ターボ機械の唯一の密封面コンポーネントに形成されている。

それによって、従来技術では存在した、溶接パラメータに条件付けられた、密封面の軸方向の配置における公差が信頼性をもって回避されもしくは減少され得、その結果パッキングと密封面との間の金属的な摩擦接触が信頼性をもって構成され得る。

さらに本発明のさらなる実施形態に従えば、密封面コンポーネントはシャフトによって形成されている。

それに従えば、インペラの材質とパッキングとの間の金属的な摩擦接触が確実に回避されるまで、溶接箇所はインペラの方向にずらされ、あるいは密封箇所は回転軸受の方向にずらされる。言い換えれば、溶接箇所はインペラ室内にあるいはインペラ室に直接隣接して設けられている。これが有利なのはとりわけ、密封箇所の半径方向の直径が小さく抑えられ得るということであるが、ただし軸方向の構造空間はいくらか大きくなる。

シャフトは通常、鋼材質から製造されているため、その融点に関しては、パッキングとの回転摩擦の際に生じる熱負荷に信頼性をもって耐え、インペラに対してより近傍に設けられた、両密封面の一つの密封面の鋼材質は、熱を遮断する分離層を形成する。

さらに本発明の実施形態に従えば、密封面コンポーネントは、シャフトの長手端部に固定されているスリーブによって形成されている。これが有利なのはとりわけ、軸方向の構造空間がいくらか短くなるということであるが、ただしスリーブによって、半径方向の構造空間はいくらか大きくなる。この場合溶接箇所は好ましくは、インペラ室と軸受ハウジングの内部室との間に設けられている。

好ましくはスリーブは、ターボ機械の駆動時に回転摩擦に条件付けられて溶接箇所に生じる最高温度が、インペラの材質の溶融温度を下回るよう、形成されている（たとえば当該スリーブの半径方向の厚さ寸法および／あるいはスリーブの材質に関して）。

本発明の実施形態に従えば、スリーブはシャフトの長手端部を越えてインペラ室に至るまで延伸し、溶接箇所を介してシャフトの長手端部と接続されている、インペラの接続端部が、スリーブにはめ込まれている。好ましくはその際、インペラの接続端部は遊びなしにスリーブに作りつけられている。

それによってスリーブは、付加的に湾曲負荷に対してインペラの接続端部を支え、それによって溶接接続の破損安全性を向上させる。

本発明のさらなる実施形態に従えば、スリーブは鋼あるいは鉄ベースの合金から製造されており、当該スリーブは、その融点に関しては、パッキングとの回転摩擦の際に生じる熱負荷に信頼性をもって耐える。

以下に本発明が、好ましい実施形態に基づいて、かつ添付の図に関連してより詳細に記述される。

ターボチャージャーの形状で形成されたターボ機械の、部分的な断片斜視図である。従来技術に従って構成された、図１のターボ機械のヴァリエーションの概略的縦断面図である。本発明の実施形態に従って構成された、図１のターボ機械のヴァリエーションの概略的縦断面図である。本発明のさらなる実施形態に従って構成された、図１のターボ機械のヴァリエーションの概略的縦断面図である。

以下に図１と図３とに関連して、本発明の第１実施形態が記述される。

本発明に係るターボ機械１は、ターボ圧縮機１０と排ガスタービン２０とを有するターボチャージャーの形状で形成されている。ターボ機械１は、圧縮機ハウジング１１と、タービンハウジング２１と、圧縮機ハウジング１１とタービンハウジング２１とを接続する軸受ハウジング３０とを備えており、当該軸受ハウジング３０は、球状黒鉛鋳鉄から製造されている。

ターボ機械１はさらに、鋼から製造されたシャフト４０’を備えており、当該シャフト４０は、複数の回転軸受４２，４３（ここでは２つのラジアル滑り軸受４２と１つのアキシアル滑り軸受４３）を介して回転可能に、軸受ハウジング３０の内部室３１（オイル室とも呼ばれる）に軸受けされている。

図３が示しているように、シャフト４０’の長手端部４１’に、排ガスタービン２０のインペラ２５’が備えられており、当該インペラ２５’は、溶接箇所Ｓ’を介してシャフト４０’の長手端部４１’と物質的に接続されており、かつインペラ２５’は、軸受ハウジング３０の内部室３１の外側で、タービンハウジング２１のインペラ室２２に設けられている。インペラ２５’は、ニッケルベースの合金から製造されている。

図３が同様に示しているように、シャフト４０’の円周方向に、ピストンリングの形状をした１つのリング状のパッキング５０が設けられており、その結果軸受ハウジング３０の内部室３１は、タービンハウジング２１のインペラ室２２に対して密閉されている。パッキング５０は、半径方向ＲＲに予備応力がかけられて軸受ハウジング３０の内壁３２内に挟み込まれ、その結果パッキング５０は回転不能に軸受ハウジング３０に保持されている。

パッキング５０は、鋼あるいは鉄・黒鉛合金から製造されている。密閉のためにパッキング５０は、互いに向かい合う２つの回転密封面５１’，５２’と協働し、当該回転密封面５１’，５２’は、シャフト４０’に突き刺された環状ノッチ５３’の側面の境界面として形成されている。

図３から明らかなように、両密封面５１’，５２’の、排ガスタービン２０のインペラ２５’のより近傍に設けられた第１密封面５１’の密封面材質（ここではシャフト４０’の鋼材質）が、パッキング５０とインペラ２５’との間に設けられた熱を遮断する分離層Ｔ’を形成し、当該分離層Ｔ’は、ターボ機械１の駆動時に回転摩擦に条件付けられて溶接箇所Ｓ’に生じる最高温度が、インペラの材質（ここではニッケルベースの合金）の溶融温度を下回るような厚さ寸法Ｄ’を有して、軸方向ＡＲに実施されている。

インペラの材質とパッキング５０との間の金属的な摩擦接触が確実に回避されるまで、本発明に従って設けられた溶接箇所Ｓ’は、図２に示された溶接箇所Ｓに対して軸方向にインペラ２５’の方向にずらされ、もしくはパッキング５０と密封面５１’，５２’とによって形成された密封箇所は、軸方向に回転軸受４２，４３の方向にずらされている。

図３から明らかなように、本発明に従って設けられた溶接箇所Ｓ’は、インペラ室２２内にまたはインペラ室２２に直接隣接して設けられている。これが有利なのはとりわけ、密封箇所の半径方向の直径が小さく抑えられ得るということであるが、ただし軸方向の構造空間はいくらか大きくなる。

図３に示された本発明の実施形態に従えば、ここでは同じ密封面材質から製造されている両密封面５１’，５２’は一緒に、ターボ機械１の唯一の密封面コンポーネントに、すなわちここではシャフト４０’に形成されている。

以下に図１と図４とに関連して、本発明の第２実施形態が記述される。本発明の第２実施形態は本発明の第１実施形態と似ており、それゆえ以下においては実質的に、相違点についてのみ言及され、同じ要素は図３と同じ符号が付けられており、異なる要素はダブルアポストロフィーが付いた符号が付けられている。

ターボ機械１は、鋼から製造されているシャフト４０”を備えており、当該シャフト４０”は再び、複数の回転軸受４２，４３（２つのラジアル滑り軸受４２と１つのアキシアル滑り軸受４３）を介して回転可能に、軸受ハウジング３０の内部室３１に軸受けされている。

図４が示しているように、シャフト４０”の長手端部４１”に、排ガスタービン２０のインペラ２５”が備えられており、当該インペラ２５”は、溶接箇所Ｓ”を介してシャフト４０”の長手端部４１”と物質的に接続されており、かつインペラ２５”は、軸受ハウジング３０の内部室３１の外側で、タービンハウジング２１のインペラ室２２に設けられている。インペラ２５”は再び、ニッケルベースの合金から製造されている。

図４から明らかなように、ここでは溶接箇所Ｓ”は、インペラ室２２と軸受ハウジング３０の内部室３１との間に設けられている。

図４が同様に示しているように、シャフト４０”の円周方向に、ピストンリングの形状をしたリング状のパッキング５０が設けられており、その結果軸受ハウジング３０の内部室３１は、タービンハウジング２１のインペラ室２２に対して密閉されている。パッキング５０は、半径方向ＲＲに予備応力がかけられて軸受ハウジング３０の内壁３２内に挟み込まれ、その結果パッキング５０は回転不能に軸受ハウジング３０に保持されている。

鋼あるいは鉄・黒鉛合金から製造されているパッキング５０は再び、互いに向かい合う２つの回転密封面５１”，５２”と協働する。

図４に示されている、本発明の実施形態に従えば、ここでは同じ密封面材質から製造されている両密封面５１”，５２”は一緒に、ターボ機械１の唯一の密封面コンポーネントに、すなわちここではシャフト４０”の長手端部４１”に固定されているスリーブ６０”に形成されている。互いに向かい合う２つの回転密封面５１”，５２”は、スリーブ６０”に突き刺された環状ノッチ５３”の側面の境界面として形成されている。

これが有利なのはとりわけ、図３の実施形態に対して、軸方向の構造空間がいくらか短くなるということであるが、ただしスリーブ６０”によって、半径方向の構造空間はいくらか大きくなる。

鋼あるいは鉄ベースの合金から製造されているスリーブ６０”は、シャフト４０”の長手端部４１”を越えてインペラ室２２に至るまで延伸し、溶接箇所Ｓ”を介してシャフト４０”の長手端部４１”と接続されている、インペラ２５”の接続端部２６”が、スリーブ６０”にはめ込まれており、特に遊びなしにスリーブ６０”に作りつけられている。

図４から明らかなように、両密封面５１”，５２”の密封面材質（ここではスリーブ６０”の鋼材質あるいは鉄ベースの合金材質）が、パッキング５０とインペラ２５”との間に設けられた熱を遮断する分離層Ｔ”を形成し、当該分離層Ｔ”は、ターボ機械１の駆動時に回転摩擦に条件付けられて溶接箇所Ｓ”に生じる最高温度が、インペラの材質（ニッケルベースの合金）の溶融温度を下回るような厚さ寸法Ｄ”を有して、半径方向ＲＲに実施されている。

記述された材質の組み合わせを用いる場合、分離層Ｔ”の厚さＤ”は、パッキング５０の厚さＢにおよそ相当するか、あるいはそれよりも大きな寸法であるべきであることを、試みは示した。

１ターボ機械
１０ターボ圧縮機
１１圧縮機ハウジング
２０排ガスタービン
２１タービンハウジング
２２インペラ室
２５インペラ
２５’ インペラ
２５” インペラ
２６接続端部
２６’ 接続端部
２６” 接続端部
３０軸受ハウジング
３１内部室
３２内壁
４０シャフト
４０’ シャフト
４０” シャフト
４１長手端部
４１’ 長手端部
４１” 長手端部
４２ラジアル滑り軸受（回転軸受）
４３アキシアル滑り軸受（回転軸受）
５０パッキング
５１密封面
５１’ 密封面
５１” 密封面
５２密封面
５２’ 密封面
５２” 密封面
５３環状ノッチ
５３’ 環状ノッチ
５３” 環状ノッチ
６０” スリーブ
ＲＲ半径方向
ＡＲ軸方向
Ｓ溶接箇所
Ｓ’ 溶接箇所
Ｓ” 溶接箇所
Ｄ’ 厚さ寸法
Ｄ” 厚さ寸法
Ｔ’ 分離層
Ｔ” 分離層
Ｂパッキングの厚さ

Claims

軸受ハウジング（３０）と、
回転可能に該軸受ハウジング（３０）の内部室（３１）に軸受けされているシャフト（４０’）と、
摩擦圧接によって形成される溶接箇所（Ｓ’）を介して前記シャフト（４０’）の長手端部（４１’）と物質的に接続されており、かつ前記内部室（３１）の外側でインペラ室（２２）に設けられているインペラ（２５’）と、
前記シャフト（４０’）の円周方向に設けられており、その結果前記内部室（３１）が前記インペラ室（２２）に対して密閉されているパッキング（５０）と、を有するターボ機械（１）であって、
前記パッキング（５０）は密閉のために、互いに向かい合う２つの回転密封面（５１’，５２’）と協働するターボ機械において、
前記両密封面（５１’，５２’）の密封面（５１’）の密封面材質が、前記パッキング（５０）と前記インペラ（２５’）との間に設けられた分離層（Ｔ’）を形成しており、
前記分離層（Ｔ’）は、前記ターボ機械（１）の駆動時に前記溶接箇所（Ｓ’）に生じる最高温度が前記インペラ（２５’）の材質の溶融温度を下回るように、かつ前記パッキング（５０）と前記インペラ（２５’）とが接触しないように設定された厚さ寸法（Ｄ’）を有し、
前記分離層（Ｔ’）は前記シャフト（４０’）の軸端部の一部であり、かつ前記分離層（Ｔ’）の前記厚さ寸法は前記シャフト（４０’）の軸方向のものであることを特徴とするターボ機械（１）。
前記両密封面（５１’，５２’）は同じ密封面材質から製造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（１）。
前記両密封面（５１’，５２’）は一緒に、前記ターボ機械（１）の唯一の密封面コンポーネントに形成されていることを特徴とする請求項１あるいは２に記載のターボ機械（１）。
前記密封面コンポーネントは前記シャフト（４０’）によって形成されていることを特徴とする請求項３に記載のターボ機械（１）。
前記溶接箇所（Ｓ’）は前記インペラ室（２２）内にあるいは該インペラ室（２２）に直接隣接して設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のターボ機械（１）。
前記厚さ寸法（Ｄ’）は前記パッキング（５０）の厚さ以上であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のターボ機械（１）。