JP6669572B2

JP6669572B2 - 流体機関

Info

Publication number: JP6669572B2
Application number: JP2016084224A
Authority: JP
Inventors: ハラルト・デンケル
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2015-04-21
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2020-03-18
Anticipated expiration: 2036-04-20
Also published as: DE102015005054A1; CN106065878A; JP2016205393A; CN106065878B; CH711012A2; FI20165341A; KR20160125302A; CH711012B1

Description

本発明は請求項１のおいて書き部に記載の流体機関に関する。

特許文献１から、コンプレッサとタービンを有するターボチャージャが知られている。当該文献に開示されたターボチャージャのコンプレッサは遠心コンプレッサとして実施されており、当該遠心コンプレッサには圧縮すべき過給気が軸方向に供給され、圧縮された過給気は当該遠心コンプレッサから径方向に流出する。遠心コンプレッサはステータ側のハウジングとロータ側のインペラを有しており、遠心コンプレッサのステータ側のハウジングは、互いに結合された複数のハウジング部分から構成されている。このとき第一のハウジング部分は螺旋形ハウジング部分によって形成され、第二のハウジング部分はいわゆるインサートによって形成され、螺旋形ハウジングとインサートは、互いに隣接するフランジ部分に設けられたネジによって互いに結合されている。ハウジングのインサートと、インペラの径方向外側部分との間に、軸方向隙間が形成されており、当該軸方向隙間は、遠心コンプレッサのできる限り良好な効率を保証するために、できるだけ小さい隙間で正確に調整されなければならない。実践によれば、流体機関におけるこのような軸方向隙間は典型的に、別箇の構成要素を用いて調整される。このような別個の構成要素は調整リングであってよく、当該調整リングは軸方向隙間を調整するために、ステータ側のハウジングに取り付けられる。このような調整リングは非常に正確に製造されなければならない。流体機関が取り付けられている状態で初めて、軸方向隙間を計測することにより、調整リングが十分な正確さを有して製造されたものであるか、また軸方向隙間が十分正確に調整され得たか、を確かめることができる。場合によっては、軸方向隙間を正確に調整するために、調整リングの機械的な処理が必要となる。これにより、全体として流体機関のための取り付けコストが増大する。

比較的小さいコストで、ハウジングとインペラの径方向外側部分との間の軸方向隙間が簡単かつ確実に調整され得る流体機関が求められている。

独国特許出願公開第１０２００９０２１９６８号明細書

上記の点に鑑み、本発明は新式の流体機関を創出することを課題とする。

上記の課題は請求項１に記載の流体機関によって解決される。本発明に係る流体機関は軸方向において互いに対向する面を備える、第一のステータ側のリング構造体と、第二のステータ側のリング構造体と、を有しており、当該互いに対向する面には、周方向において互いに離間するとともに軸方向において延在する突起が形成されており、前記リング構造体は少なくとも二つの画定された相対位置であって、当該相対位置においてリング構造体は当該リング構造体の結合された状態において、それぞれ全体として異なる軸方向の寸法を有している、二つの画定された相対位置の一つにおいて互いに結合されており、リング構造体が互いに結合されている前記相対位置は、互いに結合されたリング構造体の軸方向寸法を介して、ハウジングとインペラの径方向外側部分との間の軸方向隙間の寸法を調整する。

ステータ側のリング構造体を介して軸方向隙間は、簡単かつ確実に、正確に調整され得る。周方向におけるリング構造体同士の相対位置は、ステータ側のリング構造体から構成されたステータ側構造体の軸方向の寸法を決定し、相対的周方向位置を適合させることにより、すなわち互いに結合されたリング構造体の軸方向の寸法を適合させることにより、ハウジングとインペラの径方向外側部分との間の軸方向隙間は正確に調整され得る。

好適に流体機関のハウジングは、互いに結合された複数のハウジング部分を有しており、当該ハウジング部分の一つとインペラの径方向外側部分との間に軸方向隙間が形成され、第一のリング構造体は、流体機関の第一のハウジング部分、特に螺旋形ハウジング部分の不可分の構成要素であり、第二のリング構造体は、第一のハウジング部分と結合された流体機関の第二のハウジング部分、特に螺旋形ハウジング部分と結合されたインサートの不可分の構成要素である。リング構造体が流体機関のハウジング部分の不可分の構成要素であるとき、別箇の構成要素は省略し得る。この点は流体機関の簡単な取り付けと、ハウジングとインペラの径方向外側部分との間の軸方向隙間の調整を行うために特に有利である。

有利な発展形態によれば、第一のリング構造体は、第二のリング構造体に対向する面に、周方向において互いに離間する段状の突起を有しており、第二のリング構造体は、第一のリング構造体に対向する面に、周方向において互いに離間する段状の突起を有しており、第一の画定された相対位置において、第一のリング構造体の突起が第二のリング構造体の突起に当接するとき、軸方向隙間を低減させるためのリング構造体は、第二の画定された相対位置において、第一のリング構造体の突起が第二のリング構造体の突起同士の間に形成されるセットバックに係合し、かつ、第二のリング構造体の突起が第一のリング構造体の突起同士の間に形成されるセットバックに係合する場合よりも、大きな軸方向の寸法を有している。当該有利な発展形態によれば、リング構造体から構成された、ステータ側の構造体の軸方向の寸法を段階的に変化させること、およびそれとともにハウジングとインペラの径方向外側部分との間の軸方向隙間を段階的に調整することが可能となる。

代替的な有利な発展形態によれば、第一のリング構造体は、第二のリング構造体に対向する面に、周方向において互いに離間する斜面状の突起を有しており、第二のリング構造体は、第一のリング構造体に対向する面に、周方向において互いに離間する斜面状の突起を有しており、第一のリング構造体の突起が第二のリング構造体の突起に当接するとき、当該リング構造体同士の画定された相対位置を介して、軸方向の寸法、およびそれとともに軸方向隙間は最小寸法と最大寸法の間で無段式に調整可能である。本発明の当該発展形態は、リング構造体から構成された、ステータ側の構造体の軸方向の寸法を、連続的かつ無段式に変化させること、およびそれとともに軸方向隙間を無段式に調整することを可能にする。

好適に第一のリング構造体と第二のリング構造体は、リング構造体の穴を貫通して延在するネジによって互いに結合されている。これは簡単な組み立てを保証するために有利である。

本発明の好適な発展形態は従属請求項と以下の詳細な説明に記載されている。本発明の実施の形態を図面に基づいてより詳しく説明するが、本発明は当該実施の形態に限定されるものではない。図面に示すのは以下の通りである。

遠心コンプレッサとして形成された流体機関の断面を示す図である。本発明に係る流体機関の細部の分解斜視図である。図２の細部を当該細部の可能な組立状態において、部分的な断面で示す図である。

本発明は流体機関、特にターボチャージャのための遠心コンプレッサに関する。しかしながら本発明は当該応用例に限定されていない。本発明は他の遠心コンプレッサおよびラジアルタービンにおいても用いられ得る。

図１は、ターボチャージャの部分断面を、遠心コンプレッサ１０として形成された流体機関の領域において示している。図１に示された、遠心コンプレッサとして形成された流体機関１０は、ステータ側のハウジング１１とロータ側のインペラ１２を有している。ステータ側のハウジング１１は、互いに結合された複数のハウジング部分、すなわち図に示す実施の形態では螺旋形ハウジング部分１３と、当該螺旋形ハウジング部分１３と結合されたインサート１４を有している。螺旋形ハウジング部分１３とインサート１４とは、互いに隣接したフランジ部分１５，１６において、互いに結合されており、すなわち、周方向において互いに離間された複数の結合ネジ１７であって、好ましくは拡張ネジとして実施されている結合ネジを介して結合されている。

図に示す実施の形態、すなわち流体機関がターボチャージャの遠心コンプレッサ１０として実施されている実施の形態では、遠心コンプレッサのハウジング１１にいわゆる軸受ハウジング１８が接続する。

図１から分かるように、ハウジング１１、すなわちハウジング１１のインサート１４と、インペラ１２の径方向外側部分と、の間に、軸方向隙間１９が形成されている。当該軸方向隙間１９は、流体機関、特に図１に示す遠心コンプレッサ１０の高い効率を保証するために、正確に調整されなければならない。本発明は、好適にターボチャージャの遠心コンプレッサとして形成されている流体機関の細部であって、当該流体機関の高い効率を保証するために、軸方向隙間１９の簡単かつ確実な調整を可能にする細部に関する。

本発明によれば軸方向隙間１９は、ステータ側のリング構造体を介して、簡単かつ確実に調整可能である。すなわち図２は、第一のステータ側のリング構造体２０と、第二のステータ側のリング構造体２１を示しており、当該リング構造体にはそれぞれ、周方向において互いに離間されているとともに、軸方向において延在する突起２２もしくは２３が形成されている。当該突起２２，２３は、リング構造体２０，２１の軸方向において互いに対向する面２４もしくは２５に形成されている。リング構造体２０，２１は、周方向における少なくとも二つの画定された相対位置であって、当該相対位置においてリング構造体２０，２１は、当該リング構造体が結合された状態においてそれぞれ、異なる軸方向の寸法を有している相対位置の一つにおいて結合されており、リング構造体２０，２１が互いに結合されている、前記周方向における相対位置は、互いに結合されているリング構造体２０，２１の軸方向の寸法を決定し、互いに結合されているリング構造体２０，２１の当該軸方向の寸法を介して、ハウジング１１とインペラ１２の径方向外側部分との間の軸方向隙間１９の寸法が調整される。

好適にステータ側のリング構造体の一つ、例えばリング構造体２１は、第一のハウジング部分の構成要素、特に螺旋形ハウジング部分のフランジ部分１５の領域における、当該螺旋形ハウジング部分１３の構成要素であり、それに対して他方のリング構造体、例えばリング構造体２０は、螺旋形ハウジング部分１３と結合されたインサート１４の不可分の構成要素、すなわち当該インサートのフランジ部分１６の領域における不可分の構成要素である。周方向における画定された相対位置であって、当該相対位置においてインサート１４がハウジング１１の螺旋形ハウジング部分１３に取り付けられる相対位置により、インペラ１２に対するインサート１４の軸方向の相対位置、およびそれとともに軸方向隙間１９の寸法が調整される。

すでに述べたように、フランジ部分１５，１６の領域において、螺旋形ハウジング部分１３とインサート１４とはネジ１７を介して互いに結合されており、当該ネジ１７はリング構造体２０，２１の穴２６，２７を貫通して延在している。

図２および図３は本発明の一の実施を示しており、当該実施において、第一のステータ側のリング構造体２０は、第二のステータ側のリング構造体２１に対向する軸方向面２４において、周方向において互いに離間する段状の突起２２であって、それぞれ軸方向における同一の高さもしくは段高さを有する突起を有しており、第二のステータ側のリング構造体２１は、第一のステータ側のリング構造体２０に対向する軸方向面２５に、周方向において互いに離間した段状の突起２３であって、同様にそれぞれ軸方向における同一の高さもしくは段高さを有する突起を有している。第一の周方向相対位置において、二つのステータ側のリング構造体２０，２１の突起２２，２３が互いに当接するとき、リング構造体２０，２１から成る構成体は、図３に示されたように、第二の周方向相対位置において、ステータ側のリング構造体２１の突起２３が、ステータ側のリング構造体２０の突起２２同士の間に形成されたセットバック２８に係合し、それとともにステータ側のリング構造体２０の突起２２が、ステータ側のリング構造体２１の突起２３同士の間に形成されたセットバック２９に係合するときよりも大きな軸方向の寸法を有している。

リング構造体２０の段状突起２２とリング構造体２１の段状突起２３とがそれぞれ、軸方向において同一の高さを有している、図２および図３に示される実施の形態では、ステータ側のリング構造体２０，２１は、周方向における二つの画定された相対位置において、互いに二つの異なる軸方向の寸法を提供しながら、互いに結合され得る。

図２から分かるように、このときリング構造体２０の領域内では、リング構造体２１に穴２７が形成されている数に対して２倍の数の穴２６が設けられており、それによりリング構造体２０，２１が取り得る二つの画定された相対位置において、ネジ１７を介して当該リング構造体を機械的な要求を満たすように結合することが可能である。このとき、穴２７は例えばネジ穴として実施され、穴２６はネジ山のない穴として実施されている。

図２および図３に示された実施の形態とは異なり、少なくとも一つのリング構造体２０もしくは２１に、周方向において隣接する段状の突起が、軸方向において異なる一つより大きい数の段高さもしくは高さを有して形成されており、それによりリング構造体２０，２１が、周方向における二つより大きな数の画定された相対位置において、互いに二つより大きな数の、可能な異なる軸方向の寸法を提供しながら、互いに結合され得ることが可能である。そのためには、一つのリング構造体に、軸方向において複数の異なる段高さを有する突起が形成されていれば十分であり、他方のリング構造体において、段状の突起は全て、同一の高さを有していてよい。そのとき軸方向において複数の異なる段高さを有するリング構造体において必要とされる穴の数は、他方のリング構造体における穴の数に、リング構造体同士の異なる軸方向の寸法を提供する可能な周方向相対位置の数を乗じたものに相当する。従って例えば一のリング構造体にＮ個の穴が形成されている場合、他方のリング構造体は、ｘ^＊Ｎの穴を有していなければならず、前記の式においてｘは、異なる軸方向の寸法を提供する、リング構造体同士２０，２１の可能な相対位置の数である。

図２および図３の実施の形態のさらなる変更形態は、以下の通りである。すなわち第一のリング構造体が、第二のリング構造体に対向する軸方向面に、周方向において互いに離間した斜面状もしくは楔状の突起を有しており、第二のリング構造体が、第一のリング構造体に対向する軸方向面に、周方向において互いに離間した、同様に斜面状または楔状の突起を有している。第一のリング構造体のこのような斜面状または楔状の突起が、第二のリング構造体の斜面状または楔状の突起に当接するとき、当該リング構造体同士の画定された周方向相対位置を介して、軸方向の寸法、およびそれとともにハウジング１１とインペラ１２の間の軸方向隙間１９は最小寸法と最大寸法の間で無段式に調整され得る。

この場合、両方のリング構造体に同一の数の穴を設けることが可能であろう。すなわち、一のリング構造体に、周方向において互いに離間する、ネジ１７を受容するためのネジ穴を設け、他方のリング構造体に、周方向において湾曲して設けられた、長穴として形成されたネジ山のない穴を設ける。

図１に示す遠心コンプレッサ１０の好適な実施の形態において、リング構造体２１は好適に、インサート１４のフランジ部分１６の不可分の構成要素である。このときリング構造体２０は好適に、螺旋形ハウジング１３のフランジ部分１５の不可分の構成要素である。インサート１４を捻り、それとともに当該インサートのリング構造体を、螺旋形ハウジング１３およびそれとともに当該螺旋形ハウジングのリング構造体に対して周方向に捻ることにより、インペラ１２に対するインサート１４の軸方向の位置が調整され、それによりハウジング１１とインペラ１２の間の軸方向隙間１９が調整され得る。当該相対位置は、二つのハウジング部分１３，１４を結合するのに役立つ結合ネジ１７によって確保され、一のリング構造体において穴はネジ山を有さずに実施され、他方のリング構造体において穴はネジ穴として実施されている。

流体機関を取り付ける際、軸方向隙間１９を調整するために、リング構造体２０，２１に対して周方向における正しい相対位置が見出されていれば、好適にリング構造体の一つにおいて、軸方向隙間の所望の調整を行うための前記の正しい周方向相対位置においてリング構造体を結合する際に必要とされない穴の少なくとも一つは密閉され、それにより例えばメンテナンスによってリング構造体の取り外しが生じる際、当該リング構造体を再び正しい周方向相対位置において取り付けることができる。

１０流体機関
１１ハウジング
１２インペラ
１３螺旋形ハウジング部分
１４インサート
１５フランジ部分
１６フランジ部分
１７結合ネジ
１８軸受ハウジング
１９軸方向隙間
２０リング構造体
２１リング構造体
２２突起
２３突起
２４面
２５面
２６穴
２７穴
２８セットバック
２９セットバック

Claims

ステータ側ハウジング（１１）とロータ側インペラ（１２）を有する流体機関であって、前記ロータ側インペラ（１２）の径方向外側部分と前記ステータ側ハウジング（１１）の隣接する部分との間に軸方向隙間（１９）が形成されている流体機関において、
互いに対向する面（２４，２５）を有する、第一のステータ側のリング構造体（２０）および第二のステータ側のリング構造体（２１）であって、
前記第一のステータ側のリング構造体（２０）および前記第二のステータ側のリング構造体（２１）が、それぞれ一体のリング状であり、
前記互いに対向する面には、周方向において互いに離間するとともに軸方向において延在する突起（２２，２３）が形成されており、
前記第一のステータ側のリング構造体（２０）および前記第二のステータ側のリング構造体（２１）は少なくとも二つの画定された相対位置であって、当該相対位置において前記第一のステータ側のリング構造体（２０）および前記第二のステータ側のリング構造体（２１）は当該第一のステータ側のリング構造体および前記第二のステータ側のリング構造体の結合された状態において、それぞれ全体として異なる軸方向の寸法を有している、相対位置の一つにおいて互いに結合されており、
前記第一のステータ側のリング構造体（２０）および前記第二のステータ側のリング構造体（２１）が互いに結合されている前記相対位置は、互いに結合された前記第一のステータ側のリング構造体（２０）および前記第二のステータ側のリング構造体（２１）の前記軸方向の寸法を介して、前記ステータ側ハウジング（１１）と前記ロータ側インペラ（１２）の前記径方向外側部分との間の前記軸方向隙間の寸法を調整する、第一のステータ側のリング構造体および第二のステータ側のリング構造体を特徴とする流体機関。
前記ステータ側ハウジング（１１）は、互いに結合された複数のハウジング部分（１３，１４）を有しており、当該ハウジング部分の一つ（１４）と前記ロータ側インペラ（１２）の前記径方向外側部分との間に前記軸方向隙間（１９）が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の流体機関。
前記第一のステータ側のリング構造体（２０）および前記第二のステータ側のリング構造体（２１）の一つは、第一のハウジング部分、特に螺旋形ハウジング部分（１３）の不可分の構成要素であり、前記第一のステータ側のリング構造体（２０）および前記第二のステータ側のリング構造体（２１）の他方は、前記第一のハウジング部分と結合された第二のハウジング部分、特に前記螺旋形ハウジング部分（１３）と結合されたインサート（１４）の不可分の構成要素であることを特徴とする、請求項２に記載の流体機関。
前記第一のステータ側のリング構造体（２０）と前記第二のステータ側のリング構造体（２１）は、前記第一のステータ側のリング構造体（２０）および前記第二のステータ側のリング構造体（２１）の穴（２６，２７）を貫通して延在するネジ（１７）によって互いに結合されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の流体機関。
前記第一のステータ側のリング構造体（２０）は、前記第二のステータ側のリング構造体（２１）に対向する面（２４）に、周方向において互いに離間した段状の突起（２２）を有しており、前記第二のステータ側のリング構造体（２１）は、前記第一のステータ側のリング構造体（２０）に対向する面（２５）に、周方向において互いに離間する段状の突起（２３）を有しており、
第一の相対位置において、前記第一のステータ側のリング構造体（２０）の前記突起（２２）が第二のステータ側のリング構造体（２１）の前記突起（２３）に当接する場合、前記第一のステータ側のリング構造体および前記第二のステータ側のリング構造体は、第二の相対位置において、前記第一のステータ側のリング構造体（２０）の前記突起（２２）が、前記第二のステータ側のリング構造体（２１）の前記突起（２３）同士の間に形成されたセットバック（２９）に係合し、かつ、前記第二のステータ側のリング構造体（２１）の前記突起（２３）が前記第一のステータ側のリング構造体（２８）の前記突起（２２）同士の間に形成されたセットバック（２８）に係合する場合よりも、大きな軸方向の寸法を有し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流体機関。
前記第一のステータ側のリング構造体（２０）の全ての段状突起（２２）はそれぞれ、軸方向において同一の高さを有しており、前記第二のステータ側のリング構造体（２１）の全ての段状突起（２３）もそれぞれ、軸方向において同一の高さを有しており、それにより、前記第一のステータ側のリング構造体（２０）および前記第二のステータ側のリング構造体（２１）は、二つの画定された相対位置において、互いに二つの異なる軸方向の寸法を提供しながら、互いに結合可能であることを特徴とする、請求項５に記載の流体機関。
少なくとも一つのリング構造体（２０，２１）の前記段状の突起（２２，２３）は、軸方向において少なくとも二つの異なる高さを有しており、それにより、前記第一のステータ側のリング構造体（２０）および前記第二のステータ側のリング構造体（２１）は、二つより大きな数の画定された相対位置において、互いに二つより大きな数の、異なる軸方向の寸法を提供しながら、互いに結合可能であることを特徴とする、請求項５に記載の流体機関。
前記第一のステータ側のリング構造体（２０）と前記第二のステータ側のリング構造体（２１）は、前記第一のステータ側のリング構造体（２０）および前記第二のステータ側のリング構造体（２１）の穴（２６，２７）を貫通して延在するネジ（１７）によって互いに結合され、
前記第一のステータ側のリング構造体（２０）の前記穴（２６）の数は、前記第二のステータ側のリング構造体（２１）の前記穴（２７）の数に、前記第一のステータ側のリング構造体（２０）および前記第二のステータ側のリング構造体（２１）の、異なる軸方向の寸法を提供する相対位置の数を乗じたものに相当することを特徴とする、請求項５から７のいずれか一項に記載の流体機関。
前記第一のステータ側のリング構造体は、前記第二のステータ側のリング構造体に対向する面に、周方向において互いに離間する斜面状の突起を有しており、前記第二のステータ側のリング構造体は、前記第一のステータ側のリング構造体に対向する面に、周方向において互いに離間する斜面状の突起を有しており、前記第一のステータ側のリング構造体の前記突起が、前記第二のステータ側のリング構造体の前記突起に当接するとき、当該第一のステータ側のリング構造体および前記第二のステータ側のリング構造体の画定された相対位置を介して、前記軸方向の寸法、およびそれとともに前記軸方向隙間は最小寸法と最大寸法の間で無段式に調整可能であ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流体機関。
前記第一のステータ側のリング構造体（２０）と前記第二のステータ側のリング構造体（２１）は、前記第一のステータ側のリング構造体（２０）および前記第二のステータ側のリング構造体（２１）の穴（２６，２７）を貫通して延在するネジ（１７）によって互いに結合され、
前記第一のステータ側のリング構造体および前記第二のステータ側のリング構造体のうちの一つの前記穴は、ネジ穴として形成されており、他方のリング構造体の前記穴は、周方向に設けられた、湾曲した長穴として形成されていることを特徴とする請求項９に記載の流体機関。