JP6782840B2 - ノズルリングとタービンハウジングとの間にシーリング面を備えるターボチャージャ - Google Patents

Description

本発明はターボチャージャに関するものである。特許文献１から、ターボチャージャの基本構造が公知となっている。ターボチャージャは、第１の媒体が膨張されるタービンを備える。ターボチャージャはさらに、第２の媒体が圧縮される、すなわち第１の媒体の膨張中にタービンで抽出されたエネルギーを利用する圧縮機を備える。ターボチャージャのタービンは、タービンハウジングとタービンロータとを備える。ターボチャージャの圧縮機は、圧縮機ハウジングと圧縮機ロータとを備える。タービンのタービンハウジングと圧縮機の圧縮機ハウジングとの間にはベアリングハウジングが配置されており、ベアリングハウジングは、一方の側においてタービンハウジングに接続されており、かつ他方の側において圧縮機ハウジングに接続されている。ベアリングハウジング内にはシャフトが取り付けられており、当該シャフトを介してタービンロータが圧縮機ロータに連結される。

実際には、タービンのタービンハウジングすなわちいわゆるタービン流入ハウジングと、ベアリングハウジングとが、クランプ爪として優先的に設計された締結デバイスを介して互いに接続されることが公知となっている。クランプ爪として優先的に設計されたそうした締結デバイスは、当該締結デバイスの第１のセクションを用いて、締結手段を介してタービンハウジングのフランジに取り付けられており、かつ第２のセクションを用いて少なくともベアリングハウジングのフランジをカバーする。そうした締結デバイスによって、特にノズルリングのフランジと、必要に応じてタービンハウジングのフランジとベアリングハウジングのフランジとの間の熱シールドのフランジとをクランプする間、ベアリングハウジングとタービンハウジングとの結合体が固定される。

タービンハウジングは、膨張される第１の媒体、特に膨張される排気ガスで満たされている。タービンハウジングのタービン流入ハウジングは、タービンロータの方向に排気ガスを誘導する。タービン流入ハウジング内は周囲に対して陽圧がある状態となっており、タービン内の陽圧は、第１の媒体の膨張中のエネルギーの抽出を受けて除去される。タービンハウジング、すなわちタービン流入ハウジングとベアリングハウジングとの接続領域において、漏出が発生する可能性があり、それによって、タービンハウジングとベアリングハウジングとの間の接続領域を介してタービン内で膨張される第１の媒体が周囲に広がる可能性がある。これは不都合である。

タービン内で膨張される第１の媒体のそうした漏出を防止するために、実際には特に締結手段のためにより高い締め付けトルクによってタービンハウジングまたはタービン流入ハウジングとベアリングハウジングとの間の固定力が高められ、それによって、クランプ爪として優先的に設計された締結デバイスは、タービンハウジングに取り付けられる。これはまた、締結デバイスとベアリングハウジングとの間のクランプ力も増大させる。ベアリングハウジングと締結デバイスとの間の接触ポイントは、ベアリングハウジングとタービンハウジングまたはタービン流入ハウジングとの熱膨張が異なる結果として、高い相対運動にさらされる。

米国特許出願公開第10 2013 002 605号明細書

これから出発して、本発明の目的は、改良されたフランジ接続を伴う新しいタイプのターボチャージャを創出することに基づいている。

この目的は請求項１に基づくターボチャージャによって達成される。

本発明によれば、互いに当接するよう配置されるタービンハウジングのフランジの軸方向シーリング面とノズルリングのフランジの軸方向シーリング面との間の軸方向シーリング領域が、タービンハウジングのフランジとノズルリングのフランジとの間に形成されており、タービンハウジングのフランジとベアリングハウジングのフランジとの間においてノズルリングのフランジがクランプされており、これら軸方向シーリング面の少なくとも一方が、平坦な外形から逸脱した外形を有する。

これによって、タービンハウジングまたはタービン流入ハウジングとベアリングハウジングとの接続ポイントの特に有利なシーリングが実現可能となる。タービン内で膨張される媒体が、タービンハウジングとベアリングハウジングとの間の接続領域を通って周囲に広がるリスクが低減される。

本発明の有利な第１のさらなる展開例によれば、両方の軸方向シーリング面は、平坦な外形から逸脱する外形を有する。優先的には、ノズルリングのフランジの軸方向シーリング面に突出部が形成されており、突出部は、タービンハウジングのフランジの軸方向シーリング面の凹部に係合する。代替的には、タービンハウジングのフランジの軸方向シーリング面に突出部を形成することもでき、突出部は、ノズルリングのフランジの軸方向シーリング面における凹部に係合する。突出部および凹部は、ラビリンスシールを形成する。ベアリングハウジングと、タービンハウジングまたはタービン流入ハウジングと、ノズルリングとの異なる熱膨張の間、突出部は、凹部に押し込まれて、形成されたラビリンスシールのシーリング効果を強化する。タービン内の膨張された媒体が、タービンハウジングとベアリングハウジングとの間の接続領域を通って周囲に広がるリスクが低減される。

本発明の第２の代替的なさらなる展開例によれば、２つの軸方向シーリング面のうちの一方のみが平坦な外形から逸脱する外形を有しており、これに対して２つの軸方向シーリング面の他方が平坦な外形を有する。優先的には、タービンハウジングのフランジの軸方向シーリング面は、平坦な外形のノズルリングのフランジの軸方向シーリング面の方向において外側に凸状に湾曲している。代替的には、ノズルリングのフランジの軸方向シーリング面は、平坦な外形のタービンハウジングのフランジのシーリング面の方向において外側に凸状に湾曲することもできる。ベアリングハウジングと、タービンハウジングまたはタービン流入ハウジングと、ノズルリングとの異なる熱膨張の間、特にノズルリングの熱変形中、タービンハウジングとベアリングハウジングとの間の接続領域において良好なシーリング効果を確実なものとすることができる。タービン内で膨張される媒体が、タービンハウジングとベアリングハウジングとの間の接続領域を通って周囲に広がるリスクが低減される。

本発明の好ましいさらなる展開例は、従属請求項および以下の説明から得られる。本発明の例示的な実施形態は、図面を用いてより詳細に説明されるが、これに限定されない。

ベアリングハウジングへのタービンハウジングの接続領域における、本発明に基づく第１のターボチャージャを通る断面の抜粋を示す図である。 ベアリングハウジングへのタービンハウジングの接続領域における、本発明に基づく第２のターボチャージャを通る断面の抜粋を示す図である。

本発明はターボチャージャに関するものである。

ターボチャージャは、第１の媒体を膨張させるための、特に内燃機関の排気ガスを膨張させるためのタービンを備える。さらにターボチャージャは、第２の媒体、特に給気を圧縮するために、すなわち第１の媒体の膨張中にタービンで抽出されたエネルギーを利用するために、圧縮機を備える。本発明では、タービンは、タービンハウジングとタービンロータとを備える。圧縮機は、圧縮機ハウジングと圧縮機ロータとを備える。圧縮機ロータは、ベアリングハウジング内に取り付けられたシャフトを介してタービンロータに連結されており、ベアリングハウジングは、タービンハウジングと圧縮機ハウジングとの間に配置されており、かつタービンハウジングおよび圧縮機ハウジングの両方に接続されている。本明細書に取り組む当業者であれば、ターボチャージャのこの基本構造には精通している。本発明は、ここではターボチャージャのラジアルタービンとして優先的に設計されたタービンのタービンハウジングとベアリングハウジングとの接続に関連する、ターボチャージャのそうした詳細に関するものである。以下では、図１および図２を参照しながら、ターボチャージャのさまざまな例示的な実施形態について説明するが、図１および図２はそれぞれ、タービンハウジングをベアリングハウジングに接続する領域におけるターボチャージャの関連する抜粋を示す。

ターボチャージャの第１の例示的な実施形態が図１に示されており、図１では、タービンハウジングつまりタービンハウジングのタービン流入ハウジング１と、排気ガスターボチャージャのベアリングハウジング２との間の接続ポイントが示されている。さらに図１は、ノズルリング３および熱シールド４を示す。タービン流入ハウジング１は、締結デバイス５が第１のセクション７ですなわち複数の締結手段８を介してタービン流入ハウジング１のフランジ６に取り付けられ、かつ締結デバイス５が第２のセクション９でこれらセクションにおいてベアリングハウジング２のフランジ１０をカバーする様式で、締結デバイス５を介してベアリングハウジング２に接続されている。締結デバイス５はクランプ爪とも称され、かつタービン流入ハウジング１およびベアリングハウジング２を互いに固定する。締結デバイス５は、周方向に見て細分化され得る。

図１および図２に示す例示的な実施形態では、各締結手段８は、タービン流入ハウジング１のフランジ６にねじ込まれるねじ８ａと、ねじ８ａの他端に作用するナット８ｂとを備えており、ナット８ｂを締めることによって、締結デバイス５を介してタービン流入ハウジング１およびベアリングハウジング１０に所定の予荷重力を付与できる。その過程で、ノズルリング３のフランジ１１と熱シールド４のフランジ１２とを、タービン流入ハウジング１のフランジ６とベアリングハウジング２のフランジ１０との間にクランプできる。

図１のターボチャージャにおいて、タービン流入ハウジング１とベアリングハウジング２との間の接続領域をシールするために、タービン流入ハウジング１のフランジ６とノズルリング３のフランジ１１との間において、軸方向シーリング領域１３が、互いに当接するよう位置されるタービンハウジング１のフランジ６の軸方向シーリング面１４とノズルリングのフランジ１１の軸方向シーリング面１５との間に形成されるように設けられている。これらの軸方向シーリング面１４，１５の少なくとも一方、すなわちノズルリング３のフランジ１１の軸方向シーリング面１４および／またはタービン流入ハウジング１のフランジ６の軸方向シーリング面１５は、平坦な外形から逸脱する外形を有する。これにより、タービン流入ハウジング１とベアリングハウジング２とノズルリング３との異なる熱膨張中に、タービン流入ハウジング１とベアリングハウジング２との間の接続領域に、すなわちタービン流入ハウジング１とノズルリング３との間の軸方向シーリング領域１３に、特に有利なシーリングを提供できる。

図１の例示的な実施形態では、２つの軸方向シーリング面１４，１５の一方が平坦な外形から逸脱する外形を有しており、これに対して、２つの軸方向シーリング面１５，１４の他方が平坦な外形を有する。優先的には、平坦な外形から逸脱する外形を有するそのシーリング面１４，１５は、平坦な外形の他方の軸方向シーリング面の方向において外側に凸状に湾曲している。

図１の例示的な実施形態では、タービン流入ハウジング１のフランジ６におけるシーリング面１５は、平坦な外形のノズルリング３のフランジ１１の軸方向シーリング面１４の方向において外側に凸状に、すなわち曲率半径Ｒを有して湾曲している。好ましくはないが、代替的にそうした曲率半径をノズルリング３のフランジ１１のシーリング面１４に設けることも可能であり、このときシーリング面１４は、平坦な外形のタービン流入ハウジング１のフランジ６の軸方向シーリング面の方向において外側に凸状に湾曲する。

図１の例示的な実施形態は、運転中にノズルリング３が熱変形し、このためノズルリング３とタービン流入ハウジング１との間のシーリングに必要な表面圧力をもはや維持することができないという認識に基づいている。ノズルリングの熱変形は、具体的には、特にベアリングハウジング１のフランジ６のシーリング面１５の凸状の湾曲によって、すなわちタービン流入ハウジング１のフランジ６のこの凸状に湾曲したシーリング面１５上でノズルリング３のフランジ１１のシーリング面１４自体を回転可能にする様式で利用されており、これによって互いに面するタービン流入ハウジング１のフランジ６の軸方向シーリング面１４とノズルリング３のフランジ１１の軸方向シーリング面１５との間の連続的な線形接触を確実なものとすることができ、その結果、この接続領域を介して排気ガスがその周囲に広がるリスクが回避される。

図２は本発明の第２の例示的な実施形態を示しており、図２のターボチャージャは、特に図２のターボチャージャにおいてノズルリング３のフランジ１１のみが、ベアリングハウジング２のフランジ１０とタービン流入ハウジング１のフランジ６との間にクランプされている点で、図１のターボチャージャとは異なっており、なお図１のように熱シールド４およびそのフランジ１２を備えていない。

図２の例示的な実施形態と図１の例示的な実施形態とは、図２の例示的な実施形態においてタービン流入ハウジング１のフランジ６の軸方向シーリング面１４およびノズルリング３のフランジ１１の軸方向シーリング面１５の両方が、平坦な外形から逸脱する外形を有する点でさらに異なっている。

したがって、図２の例示的な実施形態では、ノズルリング３のフランジ１１の軸方向シーリング面１４に突出部１６が形成されており、当該突出部１６は、タービン流入ハウジング１のフランジ６の軸方向シーリング面１５における対応する凹部１７内に係合するよう設けられている。突出部１６は、横断面において突起状の外形を有しており、かつ周方向に延在している。周方向凹部１７に突出部１６が相互係合することよって、ラビリンスタイプのシールが形成される。タービン流入ハウジング１、ノズルリング３およびベアリングハウジング２の異なる熱膨張中、突出部１６は溝１７に押しつけられて、軸方向シーリング領域１３におけるシーリング効果を強化する。

好ましくはないが、図２ではノズルリング３のフランジ１１のシーリング面１４上にある突出部１６を、タービン流入ハウジング１のフランジ６のシーリング面１５の領域に設けることも可能であり、この場合、対応するよう外形を形成された凹部が、ノズルリング３のフランジ１１のシーリング面１４に形成される。

図２の例示的な実施形態では、タービン流入ハウジング１とベアリングハウジング２との間の接続領域をさらにシールするために、さらなるシーリング要素１８が、ベアリングハウジング２のフランジ１０とタービン流入ハウジング１のフランジ６との間に配置されている。これは優先的には金属製のシーリング要素１８、例えば金属製のＯリングまたは金属製のＣリングである。さらに、シーリング要素１８はグラファイトから構成することもできる。

タービン流入ハウジング１のフランジ６とベアリングハウジング２のフランジ１０との間に位置決めされかつ軸方向および半径方向の両方においてシールする図２のシーリング要素１８もまた、図１のターボチャージャとともに使用できる。

図１および図２の両方の例示的な実施形態は、共通して、タービン流入ハウジング１のフランジ６とノズルリング３のフランジ１１との間に形成された軸方向シーリング領域１３を有しており、軸方向シーリング領域１３において、タービン流入ハウジング１のフランジ６の軸方向シーリング面１４とノズルリングのフランジ１１の軸方向シーリング面１５とは互いに当接するよう配置されている。特に、これらの軸方向シーリング面１４，１５の間に金属面接触が存在する。タービン流入ハウジング１のフランジ６の軸方向シーリング面１４とノズルリング３のフランジ１１の軸方向シーリング面１５との少なくとも一方は、平坦な外形から逸脱する外形を有する。軸方向シーリング面１４，１５の両方が平坦な外形から逸脱した外形を有する、すなわちノズルリング３のフランジ１１の軸方向シーリング面１４に形成された周方向の突出部が、タービン流入ハウジング１のフランジ６のシーリング面１５に導入された対応する外形の凹部１７に係合する図２のバージョンが特に好ましい。

１ タービン流入ハウジング
２ ベアリングハウジング
３ ノズルリング
４ 熱シールド
５ 締結デバイス
６ フランジ
７ セクション
８ 締結手段
８ａ ねじ
８ｂ ナット
９ セクション
１０ フランジ
１１ フランジ
１２ フランジ
１３ シーリング領域
１４ シーリング面
１５ シーリング面
１６ 突出部
１７ 凹部
１８ シーリング要素

Claims (9)

1. 第１の媒体を膨張させるためのタービンと、
   前記第１の媒体の膨張中に前記タービンで抽出されたエネルギーを利用して第２の媒体を圧縮するための圧縮機と、
   を有しており、
   前記タービンは、タービンハウジング（１）と、タービンロータと、を備えており、
   前記圧縮機は、圧縮機ハウジングと、シャフトを介して前記タービンロータに連結された圧縮機ロータと、を備えており、
   前記タービンハウジング（１）と前記圧縮機ハウジングとは、前記タービンハウジング（１）と前記圧縮機ハウジングとの間に配置されるベアリングハウジング（２）にそれぞれ接続されており、前記ベアリングハウジング（２）の中に前記シャフトが取り付けられており、
   前記タービンハウジング（１）と前記ベアリングハウジング（２）とは、締結デバイス（５）を介して、前記締結デバイスが第１のセクション（７）で前記タービンハウジング（１）のフランジ（６）に取り付けられかつ第２のセクション（９）で前記ベアリングハウジング（２）のフランジ（１０）をカバーする様式で、少なくともこれらセクションにおいて連結されており、
   前記タービンハウジング（１）の前記フランジ（６）と前記ベアリングハウジング（２）の前記フランジ（１０）との間には、ノズルリング（３）の少なくとも１つのフランジ（１１）がクランプされており、
   前記タービンハウジング（１）の前記フランジ（６）と前記ノズルリング（３）の前記フランジ（１１）との間において、互いに当接するよう配置されるこれらのフランジ（６，１１）の軸方向シーリング面（１４，１５）間に軸方向シーリング領域（１３）が形成されており、
   これら軸方向シーリング面（１４，１５）の少なくとも１つが、平坦な外形から逸脱した外形を有し、
   前記タービンハウジング（１）の前記フランジ（６）の前記軸方向シーリング面に突出部が形成されており、前記突出部は、前記ノズルリング（３）の前記フランジ（１１）の前記軸方向シーリング面の凹部に係合することを特徴とするターボチャージャ。
2. 前記軸方向シーリング面（１４，１５）の両方が、平坦な外形から逸脱する外形を有することを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。
3. 前記ノズルリング（３）の前記フランジ（１１）の前記軸方向シーリング面（１４）に突出部（１６）が形成されており、前記突出部（１６）は、前記タービンハウジング（１）の前記フランジ（６）の前記軸方向シーリング面（１５）における凹部（１７）に係合することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のターボチャージャ。
4. 前記突出部（１６）および前記凹部（１７）は、ラビリンスシールを形成することを特徴とする請求項３に記載のターボチャージャ。
5. ２つの前記軸方向シーリング面（１４，１５）の一方のみが平坦な外形から逸脱する外形を有する一方で、これに対して２つの前記軸方向シーリング面（１５，１４）の他方が平坦な外形を有することを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。
6. 前記タービンハウジング（１）の前記フランジ（６）の前記軸方向シーリング面（１５）は、平坦な外形の前記ノズルリング（３）の前記フランジ（１１）の前記軸方向シーリング面（１４）の方向において外側に凸状に湾曲していることを特徴とする請求項５に記載のターボチャージャ。
7. 前記ノズルリング（３）の前記フランジ（１１）の前記軸方向シーリング面（１４）は、平坦な外形の前記タービンハウジング（１）の前記フランジ（６）の前記軸方向シーリング面（１５）の方向において外側に凸状に湾曲していることを特徴とする請求項５に記載のターボチャージャ。
8. 互いに接するように配置される前記タービンハウジング（１）の前記フランジ（６）の前記軸方向シーリング面（１４）と前記ノズルリング（３）の前記フランジ（１１）の前記軸方向シーリング面（１５）とは、金属面接触していることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のターボチャージャ。
9. 前記タービンはラジアルタービンであることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のターボチャージャ。

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