JP6092077B2 - ノズルリング - Google Patents

Description

本発明は、内燃式エンジンの排気ガスの過給器などの過給装置に関する。本発明は、これらの過給装置、例えば排気ガスの過給器などのタービンのノズルリングに関する。

過給装置は、レシプロピストンエンジンの出力強化に用いられる。タービンが可能な限り効率的に作動するように、ノズルリングとも呼ばれるガイドベーン装置のガイドベーンに沿って、排気ガスがタービンの直前で偏向される。遠心タービンを有する排気ガスの過給器においては、ノズルリングは、両側で通過流量を制限する２つの固定リングと、アプリケーションにより決まる、流れに関して規定の角度で、長さも様々である複数のガイドベーンを備えている。

ノズルリングが、砂型、又は、インベストメント鋳造により一片として製造されれば、概して、流れの案内は確かにとても良好であり、そのためには、それぞれの角度位置のブレードごとに、分割された鋳型の原型を製造する必要がある。さらに、変形の度に新しい鋳型の原型を製造する必要があるため、付加的な角度位置やガイドベーンの間隔に対する順応性には限度があり、両方とも高価で、非常に長いリードタイムを要する。

これに加えて、個々のリング（の中）にガイドベーンを溶接、または、はんだ付けをする方法がある。この方法では、流れの案内は確かに最適になるが、個々の角度位置毎に新しいリングが必要になり、このため、インベストメント鋳造の場合よりわずかにコストが低い。

広く利用されている製造の変形例の、もっとも費用効果の高い変形例では、角柱形状の代わりに、固定されたリングの間にプレートが溶接される。形成されたガイドベーンは、固定されたリングの凹部に並べられ、溶接又ははんだ付けがされる。このようなノズルリングの場合、プレートの輪郭に合わせて予め選択された２つの変異形の場合よりも、流れの案内は著しく劣る。更に、これらのノズルリングの内壁は極端に薄く、したがって、排気ガス中の粒子による浸食の影響を受けやすい。

このため、ノズルリングが製造される際には、コストと効率の妥協点を適合させなければならない。現在までは、インベストメント鋳造法よりも著しく費用効果が良く、なおかつ同等の、非常に優れた流れの案内を獲得できる製造方法は無い。

２つの固定されたリングと、複数の、同様の構造のベーンから組み立て、その結果、製造の柔軟性を著しく高めることが、将来性の１つである。組み立てられたノズルリングがベーンの位置とベーンの長さ（２つの固定されたリングの間隔）の主機能を補い、しかしながら、過給器でのノズルリング全体の固定や、流れの漏出に対するシールなどの付加的な効果を含むように、種々の、もしくは、少なくとも異なる仕上げの、基礎となる構成要素がしばしば用いられる。

本発明は、インベストメント鋳造法により製造されたノズルリングの流れの案内を作り出し、また、わずかな、異なるベーンの位置とベーンの長さ個別の要素から、規格化された方法で組み立てられる、組み立てられたノズルリングを創造することを目的としている。

本発明によれば、第１のリングに設けられ、第１のリングに設けられた穴に適応させた、一方の端面上にピンを有するガイドベーンを備えたノズルリングを得られる。他方の端部では、固定リングに設けられ、端部の全面、または、端面の突起にのみ一致して切り抜かれた凹部により、ベーンの角度位置が第２固定リングに配置され、ベーンの取り付けにより、不変的に固定されている。

第１の端面上のピンは、第１固定リングがベーンに適応するために単純な穴のみを要する、という利点を有している。この結果、この固定リングは、輪郭に沿った切り抜きのために製造が困難になることなく、より複雑な形状を有することも可能である。あらゆるベーンの角度位置のために、ベーンの旋回軸点に常に同一の穴を有する１つのリングを利用することが可能である。

通路の幅と、これにより流路に影響する有効ブレード長が、切り抜かれた輪郭を有する第２の固定リングにより設定される。調整は、ガイドベーンの付け根を介して、または複数の付け根を介して、もしくは、接触点の間に設けられた間隙部材を用いて行われる。

形態に係る個別のガイドベーンの旋回軸点は変異が可能であり、このため、形態に係るピンは、ガイドベーンの端面に沿う様々な位置に配置することが可能である。

輪郭（形状、断面及び角度位置）が可変式のノズルリングのガイドベーンを、インベストメント鋳造法、粉末冶金法、または、精密鍛造法により製造可能である。

固定リング上にガイドベーンを固定するためには、例えば溶接やはんだ付けにより、材料結合することで相互に連結が可能である。各々の事例では、ガイドベーンと固定リングとが、組み立てた後に相互に動かないように連結されている。このガイドベーンは、例えばスナップイン装置、または、接合部の押圧により、嵌め合わせ（Ｆｏｒｍ−ｆｉｔｔｉｎｇ）、または摩擦結合（摩擦ロック）の方法で、固定リング上に、随意に固定されることが可能である。

インベストメント鋳造法により個別のガイドベーンを製造する場合、あらゆる所望の形状を有することができ、これにより、組み立てられて仕上げられたノズルリングでは、インベストメント鋳造法により１片に形成されたノズルリングの流れの案内に一致する最適な流れの案内が形成される。

ガイドベーンは中空形状として都合良く鋳造され、その結果、ノズルリング全体の重量が軽減される。これにより、より軽く、このため、取り付けや取り外しがより簡略になる。また、ガイドベーンの中空形状により、高温の空気の流れで運転している際の一時的な圧迫が明確に影響する。

個別の部品から組み立てられた本発明のノズルリングは、インベストメント鋳造法により製造された１片の、同様のノズルリングよりも、著しくコスト優位性が良好である。鋳造や、幾度も単純化がされた鍛造のコスト優位性を超える。固定リングを前もって製造し、用意するための追加のコストは、様々な角度位置の複数のノズルリングの形状に用いられることを可能とする、ピンに適合する穴を有する第１固定リングにより、更に低減することができる。

本発明のノズルリングは異なる個々の部品から組み立てられているため、異なる材料を用いることも可能である。これにより、インベストメント鋳造法により１片に形成されたノズルリングに対する、更なる製造コストの低減に寄与する。このため、固定リングが安価な材料（例えばＣｒＮｉ鋼）で製造される一方、例えばガイドベーンのみがより高価な材料（例えばニッケルを基礎とする合金）から形成される。もちろん、例えば、様々な熱的あるいは機械的な負荷に耐えるために、各場面で、２つの固定リングを別の材料で製造することも可能である。

個々のガイドベーンと分割された固定リングから、本願発明により製造されるノズルリングの更なる利点は、１つのベーン形状で、様々なベーン位置のノズルリングを実現できた点に見られる。固定リングの製造のためには、原型や、固定リングの穴を切り取るためのプログラムのみを変えなければならないため、最低限の、より評価可能な追加コストのみを要する。

これに対し、インベストメント鋳造法により１片に形成されたノズルリングでは、それぞれのベーン位置のために、特別に製造しなければならない分割された鋳型の原型が必要である。特別な全体の寸法の排気ガスの過給器では、例えば、１０以上の異なる互い違い配列（輪郭の角度位置）が必要になる。

個々のガイドベーンと分割された固定リングから、本願発明により製造されるノズルリングの更なる利点は、著しい追加コストを要すること無く、完成されたノズルリングの代わりに、個々の部品も製造可能である点に見られる。円周方向に、２つ以上の部品に分割可能なノズルリングは、加熱中または冷却中のよりよい一時的な動作をする。さらに、分割されたノズルリングの個々の部品は、中空形状ではないとしても、完成された、１片のノズルリングより明らかに軽量であり、取り付け、取り外しに便利である。

本発明のノズルリングが過給器に取り付けられる際に、円周方向に関し、正確かつ不変的に配置されるために、固定リング上に位置決め部材を形成することができる。これらは、固定リングに通される突出部、又は溝として形成可能である。

従属する請求項により更なる利点が得られる。

図１は、本発明に従って設計されたノズルリングを有する排気ガス過給器の遠心タービンを示す断面図である。 図２は、本発明の第１の態様に従って設計され、複数のガイドベーンを有するノズルリングを示す斜視図である。 図３は、本発明の第２の態様に従って設計され、複数のガイドベーンを有するノズルリングを示す斜視図である。 図４は、図２のノズルリングのガイドベーンを示す詳細な図である。 図５は、図２のノズルリングの概要を示す断面図である。 図６は、図３のノズルリングのガイドベーンを示す詳細な図である。 図７は、図３のノズルリングの概要を示す断面図である。 図８は、本発明の第３の態様に従って設計されたノズルリングのガイドベーンを示す詳細な図である。 図９は、本発明の第３の態様に従って設計されたノズルリングのガイドベーンの概要を示す断面図である。 図１０は、本発明の第４の態様に従って設計されたノズルリングのガイドベーンを示す詳細な図である。 図１１は、本発明の第４の態様に従って設計されたノズルリングのガイドベーンの概要を示す断面図である。 図１２ａは、本発明の第４の態様に従って設計されたガイドベーンの端部を詳細に示す図である。 図１２ｂは、本発明の第４の態様に従って設計されたガイドベーンの端部を詳細に示す図である。 図１３は、従来の遠心タービンを有し、タービン側にノズルリングが設けられた排気ガスの過給器の概要を示す断面図である。

本発明に係るノズルの態様は、以下に、図を参照しつつ説明される。

本発明を明示し、本発明の好適な態様のノズルリングは、排気ガスの過給器の遠心タービンでの利用に関するものである。しかしながら、本発明のノズルリングは、請求項により保護されているように、ポンプやコンプレッサ、ガスタービン等の他の過給装置にも適用できる。

図１３は、径方向流入型の排気ガスタービンと遠心コンプレッサ２を有する、従来の排気ガスの過給器を示している。この排気ガスタービンは、可能な限り効率よく駆動するように、タービンホイール３に達する前の排気ガスは、ノズルリング１であるガイドベーンデバイスで、タービンホイール３のタービンブレード３１上に案内される。

図１は、断面図において、排気ガス過給器の径方向流入式軸状タービンの詳細を示している。レシプロピストンエンジンの燃焼チャンバからの排気ガスの流れの方向は、矢印で示されている。本発明に従って設計されたノズルリング１は、円周方向に、規則的または不規則的に分布する方法で、流路に配置された複数のガイドベーン１２を備えて組み立てられている。このガイドベーンは、環状の板状の固定リング１０，１１により、それぞれ流路の両側から、一定の角度位置に保持されている。ベアリングハウジング４０に対向している側では、ガイドベーン１２は、本発明に従い、ピン１３により固定リング１０の穴に位置決めされる。ベアリングハウジング４０とは反対側では、ガイドベーン１２は本発明に従い、位置決め補助具を有している。それぞれの位置決め補助具の形状に対応する、第２の固定リング１１に設けられたそれぞれの開口内の位置決め補助具の配置は、ガイドベーン１２を、その角度位置に応じて保持している。本願発明に従い、規格化された方法で、個々のパーツから組み立てられたノズルリングを形成する方法について、更なる図に基づき説明する。

図２及び図３は、それぞれの場合の、組み立てられ、仕上げられた、本発明に従って設計され、まだ過給装置には取り付けられていないノズルリングを示す投影図である。この場合では、複数の、個々のガイドベーンは、第１の固定リング１０と第２の固定リング１１の間に、円周方向に分布する方法で配置され、それぞれの角度位置に固定されており、この中で、２つの固定リングは相互に平行であるとともに、共通の中心軸について同軸的に配置されていることが明確である。

第１の固定リング１０である環状のプレートは、ノズルリング１の土台として機能している。排気ガスタービンの装置の形状により、第１の固定リング１０は、例えばベアリングハウジング４０とタービンハウジング３０の間の連結部の中に固定する事を可能にするための付加的な固定フランジのように、プレート状の必要最低限の形状を超える形状をとることが可能である。しかしながら、本発明に係る機能のためには、第１の固定リングに関しては、環状プレートの形状のみが重要である。ノズルリングのガイドベーンのピンが後に収容され、そして必要であれば、固定される穴は、第１の固定リング１０の環状プレートにはめ込まれ、稼働時には、流路の制限もする。

第１に、図２、４及び５に係る、最もシンプルな態様であるガイドベーン１２は、２つの平面状の端面Ａ，Ｂを有し、流線型に形成されたブレード体と、第１固定リングに対向する、ガイドベーンの端面Ａに配置されたピン１３を有している。この場合、端面Ｂは、予め規定された角度位置にガイドベーン１２を固定するための位置決め補助具として機能する。ピン１３は、長さ、直径、及び形状が、第１固定リング１０の穴１６と同等であり、このため、ガイドベーン１２が挿入された状態で、あり得る、又は最終的な固定の前に、特にピンの軸周りにガイドベーンを回転させることで、第２の固定リングの穴により予め規定された角度位置に調整することが可能である。選択的に、ピンの軸周りの回転は、穴とピンの形状により、１つの角度範囲、又は複数の角度範囲、又は、個々の離間した角度の値に制限することができ、穴の中のピンの、完全な連続した回転を許容する必要はない。

本発明に従い、規格された方法で形成されるノズルリングの第３の要素は第２固定リング１１であり、最も単純な形状では、ガイドベーン１２の位置決め補助具を収容する穴１４を有する、薄い板に過ぎない。この場合、穴１４は、寸法と形状が位置決め補助部と同等であり、穴１４に収容される位置決め補助部の外形に一致する。この場合、穴１４がガイドベーン１２の端面Ｂの輪郭に、部分的に、もしくは、全体が一致するために、位置決め補助具は、少なくとも部分的に、端面Ｂの外形に一致する。穴１４を設けることにより、個別のガイドベーンの位置が固定される。第２の固定リング１１の穴に向けて、ガイドベーンの解放されている端部を押すことで、所定の位置に固定されるまでは、個々のガイドベーン１６は、第１固定リング１０の穴部１６内で、ピンの軸周りに回転できる。違った方向に向けられたガイドベーンを有するノズルリングの提供を可能とするためには、本発明によれば、ガイドベーン１２の全ての取り得る角度において、第１固定リング１０とガイドベーン１２は変わらず残るのに対し、第２の固定リングのみ変える必要がある。

第２の固定リングの凹部は、製造の際に、有利には、切り取られるか、押型される。切り取りの場合は、レーザー切断が特に適している。または、両方の固定リングが個々の部品として鋳造される。

本発明の第１の態様に係るノズルリングでは、第２の固定リングは端面Ｂが全て位置決め補助具として機能するため、第２の固定リングはガイドベーンの断面形状の全体に一致する穴１４を有している。これにより、図２の右半分に、説明のために分割されて示されている第２の固定リングように、第２の固定リング１１はガイドベーンの高さに沿って移動させることが可能である。このため、一定の形状に形成された固定リングを用いて、異なる流路幅のノズルリングを製造することが可能である。

図３及び図６〜８に係る第２、第３の態様では、第２の固定リング１１の穴１４は、ガイドベーンの断面形状に一致していないが、端面Ｂの範囲に形成され、ガイドベーンの先端の一部のみ収容可能である。

同様に、端面Ｂの形状に部分的にのみ一致するように、位置決め補助具は形成される。図６及び図７に係る態様のガイドベーンの先端には、突起部１５が形成され、その外形は、第２固定リング１１の穴１４の寸法と形状に一致する。このため、図７から明らかなように、第２の固定リングはもはや、ガイドベーンの高さに沿って、所望するようには変位しない。というよりも、ガイドベーン上の止め具が、ノズルリング１の、規定された流路の高さｈ´を担保する。

図８、図９の態様に係るガイドベーンの端部は、階段状に形成された２つの突起１５´、１５´´を備え、１種類のガイドベーンと２つの異なる形状の第２の固定リング１１´、１１´´により、２つの異なる、規定された流路の高さｈ´、ｈ´´を実現することを可能としている。このため、それぞれの第２の固定リングに設けられた穴１４´、１４´´は、それぞれの突起１５´、１５´´の外形に一致する。

図１０〜図１２に係る第４の態様では、ガイドベーンの端部は２つの位置決め補助具を備えるように設計されている。この先端にむかって、ガイドベーンの端部は２つの離間して形成された突起１６、１６´を備えている。２つの位置決め補助具により、組み立ての際の高精度の位置決めが可能であるため、個別のガイドベーン１２を製造する際の許容誤差をより自由にとることができる。個々の第２の固定リング１１は、ガイドベーンの端部の突起１６，１６´が、別々に離間した穴１４´，１４´´に収容されるように設計されている。この場合、穴１４´，１４´´は、突起１６，１６´の外形と形状及び寸法が一致する。図１２は、２つの端面Ａ，Ｂを示す平面図である。本発明によれば、突起１６，１６´は、低い部分ではガイドベーン１２の端面Ｂと共通の外形を有している。上方の破線によって示されているように、突起１６，１６´は上方において、ガイドベーン１２の端面Ｂの形状と必ずしも一致している必要はない。

本発明に係る、規定された方法で組み立てられるノズルリングの組み立ての際に、ガイドベーンは、上述したように、ガイドベーンのピンに沿って、第１の固定リングに設けられた穴に挿入される。反対側では、ガイドベーンの解放されている端部は、第２の固定リングの、対応している穴に導入され、これにより、位置決め補助具が第２の固定リングの穴に収容されるように、ピンの軸周りに、穴に適応される。別の方法として、最初にガイドベーンが第２の固定リングに挿入され、その後、ピンが第１の固定リングの穴に案内されることもできる。図６〜１２に係る態様のように、流路高さが止め具により規定されない場合は、２つの固定リングの間に配置されるスペーサにより、所望の流路高さを設定することができる。最後に、各部品が、例えば溶接やはんだ付けなどの、材料接続法により、連結され、これにより、各部品は不変的に相互に接続され、１つの部品を形成する。選択的に、各部品は、例えばスナップイン方式や圧接ジョイントのような、嵌合や摩擦で固定する方法により、連結することも可能である。

上述した態様では、それぞれの場合で、２つの固定リングは相互に平行に配置されているが、固定リングが角度を持って配置される場合についても、後述する請求項から想定され、保護される。この場合、第１の固定リング及び、又は第２の固定リングは各場合に円錐状に形成されるため、同軸的に配置された固定リングの間では、軸に沿う部分で平行から逸脱した角度位置が形成される。この場合、角度の開きは、−１０°（円周方向外側に向かって狭まる）から＋２０°（円周方向外側に向かって広がる）の範囲内である。

１…ノズルリング
１０，１１…固定リング
１２…ガイドベーン
１３…ピン
１４…固定リングの穴
１５…突起
１６…穴
２…圧縮機のインペラ
２０…圧縮機のケーシング
３…タービンホイール
３１…タービンホイールのローターブレード
３２…タービンホイールのハブ
３０…タービンのハウジング
４…シャフト
４０…ベアリングハウジング
Ａ，Ｂ…ガイドベーンの端面

Claims (14)

1. 第１の、環状の板状の固定リング（１０）と、第２の、環状の板状の固定リング（１１）と、相互に同軸的に配置された前記固定リング（１０，１１）の間に配置され、各々の角度位置に取り付けられた複数のガイドベーン（１２）を備えたノズルリング（１）であって、前記ノズルリング（１）は、
   前記複数のガイドベーン（１２）は、各々が、第１の端面（Ａ）上にピン（１３）を有し、
   前記第１の固定リング（１０）に設けられた各々の穴（１６）に前記各々のピン（１３）が配置され、前記ガイドベーン（１２）が、それらの角度位置に関係することを除いて前記第１の固定リング（１０）に固定されており、
   ここにおいて、前記各々のピン（１３）と前記各々の穴（１６）は、前記ガイドベーン（１２）が各々の角度位置に向けられるように形成されており、
   前記複数のガイドベーン（１２）は、その第２の端面（Ｂ）上に、各々が、少なくとも部分的に前記第２の端面（Ｂ）の外形に一致する、少なくとも１つの位置決め補助具を有しており、
   前記複数のガイドベーン（１２）は、前記位置決め補助具の形状に一致している前記第２固定リング（１１）の各々の穴（１４）内に、前記少なくとも１つの位置決め補助具によって、それぞれの角度位置に関して固定されていることを特徴とするノズルリング（１）。
2. 前記第１固定リング（１０）の前記穴（１６）と前記ガイドベーン（１２）のピン（１３）は、前記ピンの回転が１つの角度範囲、または、個別の、別々の角度の値に制限されるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のノズルリング。
3. 前記複数のガイドベーン（１２）は、第１、及び／または、第２の固定リング（１０，１１）に、嵌め合わせ（Ｆｏｒｍ−ｆｉｔｔｉｎｇ）、摩擦ロック、または、材料接着の方法で接続されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のノズルリング。
4. 前記複数のガイドベーン（１２）の前記位置決め補助具は、前記第２の端面（Ｂ）がそれぞれ、前記端面（Ｂ）に関して突出する少なくとも１つの突起（１５，１５´，１５´´）を備え、前記複数のガイドベーン（１２）は、少なくとも１つの前記突起（１５，１５´，１５´´，１６´，１６´´）に沿って、前記第２の固定リング（１１，１１´，１１´´）の、前記少なくとも１つの突起の外側の外形に一致する穴（１４，１４´，１４´´）に配置されるように設計されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のノズルリング。
5. 前記複数のガイドベーン（１２）が第１の材料で形成され、前記第１の固定リング（１０）又は前記第２の固定リング（１１）、もしくは、前記第１の固定リング（１０）と前記第２の固定リング（１１）が、前記第１の材料とは異なる第２の材料から形成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のノズルリング。
6. 前記複数のガイドベーン（１２）がニッケル合金で形成され、前記第１の固定リング（１０）又は前記第２の固定リング（１１）、もしくは、前記第１の固定リング（１０）と前記第２の固定リング（１１）が、ＣｒＮｉ鋼で形成されることを特徴とする請求項５に記載のノズルリング。
7. 前記第１の固定リング（１０）及び、又は、前記第２の固定リング（１１）は、２つの固定リングの間の角度が−１０°から＋２０°になるように形成されている円錐設計であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のノズルリング。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のノズルリング（１）を有する遠心タービンにより特徴付けられた排気ガス過給器。
9. 相互に同軸的に配置されたノズルリングの２つの固定リングの間の、それぞれの角度位置に配置され、取り付けられるガイドベーンであって、前記ガイドベーン（１２）は、第１の端面（Ａ）にピン（１３）を有しており、
   前記ガイドベーン（１２）の第２の端面（Ｂ）上に、それぞれが、少なくとも部分的に前記第２の端面（Ｂ）の外形に一致する、少なくとも１つの位置決め補助具を有することを特徴とするガイドベーン（１２）。
10. 第１の固定リング（１０）と第２の固定リング（１１）の間に配置された複数のガイドベーン（１２）を有するノズルリングの製造方法であって、前記方法は、
    １つの端面（Ａ）に設けられたピン（１３）により、第１の固定リング（１０）の複数の穴（１６）に複数のガイドベーン（１２）が配置され、
    第２固定リング（１１）に開けられており、位置決め補助具の形状に一致する複数の穴（１４）内に、前記ガイドベーンの前記位置決め補助具が挿入され
    前記複数のガイドベーン（１２）が２つの固定リング（１０，１１）に、材料接着、摩擦ロック、又は嵌め合わせ（Ｆｏｒｍ−ｆｉｔｔｉｎｇ）の方法で接続されるノズルリングの製造方法。
11. 前記穴（１６）内で前記ピン（１３）を中心として回転する、複数の前記ガイドベーン（１２）が前記第２固定リング（１１）の複数の穴（１４）に整列して配置される、請求項１０に記載の製造方法。
12. 第１に、前記ガイドベーン（１２）の位置決め補助具が前記穴（１４）に導入され、その後に、前記ピン（１３）が前記第１固定リング（１０）の前記穴（１６）に導入される、請求項１０に記載の製造方法。
13. 前記第２の固定リング（１１）の前記開口（１４）に導入される、前記端面（Ｂ）上の、前記ガイドベーン（１２）の前記位置決め補助具は、少なくとも１つの突起（１５，１５´，１５´´）を含み、この突起は、前記第２の固定リング（１１）の前記開口（１４）に導入され、その中で、前記端面（Ｂ）は前記第２の固定リングにストッパを提供し、前記ガイドベーンは前記第２の固定リングに、前記ストッパまで導入される、請求項１０から１２のいずれか１項に記載の製造方法。
14. 材料接着法の結合のためのスペ−サにより、２つの前記固定リングが相対的に配置される、請求項１０から１２のいずれか１項に記載の製造方法。