JP7058752B2 - 傾動可能なケーシング部材を有するターボ機械 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部の特徴を有するターボ機械に関する。ターボ機械は、例えば内燃機関の排熱を利用する排熱回収システムにおいて使用することができる。

特許文献１から、例えばケーシングと駆動軸に配置された羽根車とを備える内燃機関の排熱回収システムのためのターボ機械が読み取れる。ターボ機械は、流入領域と流出領域とを有し、動作中、作動媒体が流れる。作動媒体は流入領域に流れ込み、羽根車に形成されたフロント側沿いに、続いて流出領域から流れ、その際、フロント側では流入領域と流出領域との間に圧力勾配が生じる。それと同時にアキシアル軸受に高い荷重をかける軸方向力が羽根車に作用する。それゆえ軸方向力を低減するために、羽根車のフロント側の向かい側に位置するリヤ側に分圧器（Ｄｒｕｃｋｔｅｉｌｅｒ）を配置することが提案される。分圧器は、リヤ側に作用する圧力の圧力プロファイルの急上昇をもたらすか、もしくはリヤ側の少なくとも一部に作用する圧力を流入領域の圧力レベルよりも低くする。このようにして、羽根車に作用する液圧力を調整することができる。その際、分圧器がスロットル、ミスト潤滑シール、ラビリンスシールとして、または媒体密シールとして形成されていてもよい。

スロットルとして形成された分圧器では、羽根車が隙間を形成するように、特にアキシアル隙間を形成するようにターボ機械のケーシングと協働する。製造公差および／または組立公差にもとづいて、アキシアル隙間の広がり、およびそれに伴うターボ機械の効率を低下させる漏れが生じ得る。その一方で製造公差および／または組立公差はアキシアル隙間の縮小、またはそれどころか羽根車とケーシング部材との接触をもたらし得るので、アキシアル軸受は高い摩耗にさらされる。

独国特許出願公開第１０２０１４２２６９５１号明細書

本発明の課題は、上述した欠点が現れないか、または少なくともはるかに低減されるターボ機械を提供することである。特に、高効率を有するとともに摩耗しにくいターボ機械が提供されるべきである。

上記課題を解決するために、請求項１の特徴を有するターボ機械が提供される。

本発明の有利な展開形態は従属請求項から読み取ることができる。

回転軸線を中心として回転可能に支承され、フロント側で流入領域と流出領域とを規定し、リヤ側でアキシアル隙間を形成するようにケーシング部材と協働する羽根車を有するターボ機械が提案される。本発明によれば、ケーシング部材が羽根車のためのアキシアル軸受を形成する。羽根車の傾き姿勢を補償するために、ケーシング部材が別のケーシング部材に対して傾動運動可能に支承されている。

アキシアル軸受を形成するケーシング部材の傾動運動可能な支承は、場合によってはあり得る製造公差および／または組立公差の補償を可能にする。したがってアキシアル軸受の領域に一定のアキシアル隙間が形成され、このアキシアル隙間がアキシアル軸受への荷重を均等にする。それによりアキシアル軸受の負荷能力または負荷容量が向上する。それと同時に、一定のアキシアル隙間が羽根車とケーシング部材との接触を阻止するので、摩耗が低下する。

それと同時に、羽根車と傾動運動可能に支承されたケーシング部材との間のアキシアル隙間が冒頭で引用した先行技術による分圧器を形成してもよい。このようにすることで、羽根車に作用する軸方向力を減じることができる。アキシアル隙間の幅が円周にわたって一定であるので、漏れを低減するためにアキシアル隙間が最小化されてもよい。それによってターボ機械の効率が上昇する。

本発明の好ましい一実施形態では、傾動運動可能に支承されたケーシング部材と別のケーシング部材とが継手を形成するように協働する。したがってアキシアル軸受を形成する第１ケーシング部材の傾動運動可能な支承が別のケーシング部材によりもたらされる。このようにすることでターボ機械の構造を簡素にすることができる。特に付加的な軸受部品を省略することができる。

継手は、殊に羽根車の回転軸線に対して中心に配置されている球形状および／または円錐形状に成形された少なくとも１つの継手面を備えている。すなわち回転軸線は、それぞれの継手面の中心を通って延びる。したがって継手を介して羽根車の任意の傾き姿勢を補償することができる。

突出するピンには球形状に成形された第１継手面が形成されていることが好ましい。その際、ピンは、傾動運動可能に支承された第１ケーシング部材に配置されていてもよいし、または別のケーシング部材に配置されていてもよい。この場合、それぞれ他方のケーシング部材が、端面側の切欠きに形成された球形状または円錐形状に成形された第２継手面を有し、それによりピンを切欠きに収容可能である。円錐形状に成形された第２継手面は、球形状に成形された第１継手面にリング状の接触領域でしか触れないという利点を有する。それにより同時に、傾動運動可能に支承された第１ケーシング部材に作用する軸方向力を通して密封力を得ることができる。このことは例えば、外に向けて密封される必要のある流体流路が継手の中心を通っている場合に有利であることが明らかであり得る。

傾動運動可能に支承されたケーシング部材は、実質的に円板形状に、および／または回転対称体として形成されていることが好ましい。円板形は、傾動運動可能に支承されたケーシング部材の質量を低減し、それによりケーシング部材の傾動運動を容易にする。さらに、傾動運動する場合にケーシング部材が径方向に打ち当たって動かなくなる危険が低減される。回転対称体として形成することにより均等な荷重分布が確保される。さらに、ターボ機械の組立て時に、別のケーシング部材に対する傾動運動可能に支承されるケーシング部材の角度位置を無視することができる。

さらに、傾動運動可能に支承されたケーシング部材が別のケーシング部材に対して回動しないよう固定されていることが提案される。すなわち傾動運動可能に支承されたケーシング部材と別のケーシング部材とが直接、または回動防止を作り出すための少なくとも１つの要素を介して間接的に相対回動不能に接続されている。なぜなら２つのケーシング部材の相対する回動は接触領域に高い摩耗を引き起こすであろうし、それにより本発明の利点を台無しにしかねないからである。

殊に、傾動運動可能に支承されたケーシング部材と別のケーシング部材とは共同でラジアル隙間を画定する。その際、少なくとも１つのケーシング部材は、ラジアル隙間を密封するための環状の密封ジオメトリおよび／または環状の弾性変形可能な密封要素を有する。密封ジオメトリもしくは密封要素は、別のケーシング部材に対する第１ケーシング部材の傾動運動性が損なわれないように形成されていなければならない。ラジアル隙間を密封するために弾性変形可能な密封要素を用いる場合、さらに、傾動運動可能に支承されたケーシング部材に作用する復帰力（Ｒｕｅｃｋｓｔｅｌｌｋｒａｆｔ）が同時に実現されてもよい。

密封ジオメトリもしくは密封要素は、傾動運動可能に支承されたケーシング部材の外径よりはるかに小さい直径上に配置されていることが有利である。この直径は、傾動運動可能に支承されたケーシング部材の外径であってもよいし、または別のケーシング部材の内径であってもよい。すなわち密封ジオメトリもしくは密封要素は、傾動運動可能に支承されたケーシング部材と別のケーシング部材とに配置されていてもよい。密封ジオメトリもしくは密封要素の直径により、傾動運動可能に支承されたケーシング部材に作用する圧力比を調整することができる。特に、傾動運動可能に支承されたケーシング部材に作用する軸方向力に抗する、この軸方向力より小さい反力を付与してもよい。それにより、軸方向力が傾動運動可能に支承されたケーシング部材を別のケーシング部材と当接させた状態にしておくことが確保されている。それと同時に、荷重を低減するために、軸方向力が反力により低減されてもよい。

傾動運動可能に支承されたケーシング部材には、殊に中央に配置された流体流路が貫通する。この流体流路を介して、傾動運動可能に支承されたケーシング部材と羽根車との間に形成されるアキシアル隙間に流体、例えば気体を供給することができる。この場合、アキシアル軸受は、外部から圧力が加えられる気体軸受として形成されてもよい。流体流路の流体供給を保証するために、流体流路は、殊に別のケーシング部材内にまで延在する。すなわち流体流路は、殊に第１ケーシング部材を傾動運動可能に支承するための継手を越えて延在する。この実施形態では、２つのケーシング部材が、例えば上述したようにリング状の密封接触により密封するように協働するならば有利である。

さらに、傾動運動可能に支承されたケーシング部材が少なくとも１つの漏洩戻り流路（Ｌｅｃｋａｇｅ－Ｒｕｅｃｋｆｕｅｈｒｋａｎａｌ）を有し、この漏洩戻り流路がアキシアル隙間を直接、またはアキシアル隙間を広げる環状の溝を介して間接的に後方の貯留室（Ｄｒｕｃｋｒａｕｍ）と接続することが提案される。アキシアル隙間と後方の貯留室との間の接続を作成するために、漏洩戻り流路がケーシング部材を軸方向に、および／または斜めに通って延びる流路として形成されてもよい。さらに漏洩戻り流路は、継手の領域において、ピンを収容するための切欠きに通じていてもよい。中央に配置された流体流路からの漏洩戻り流路の分離が２つのケーシング部材のリング状の密封接触によりもたらされてもよい。

本発明の展開形態では、アキシアル軸受が気体軸受として、特に外部から圧力が加えられる気体軸受として形成されていることが提案される。この実施形態では、本発明の利点が特に良好に効果を発揮する。

本発明によるターボ機械の好ましい実施形態の模式的縦断面を示す図である。

以下、添付の図面をもとにして本発明を詳しく説明する。図面は本発明によるターボ機械の好ましい実施形態の模式的縦断面を示す。

回転軸線Ａを中心として回転可能に支承された羽根車１を有するターボ機械が示されている。図は、簡単にするために回転軸線の上側の縦断面に限定されている。図面を完全なものにするために、回転軸線を中心として図面を鏡映させてもよい。

羽根車１はフロント側とリヤ側とを有し、フロント側は、プロセスガスの流入領域２と流出領域３とを規定する。リヤ側は平坦に形成され、ケーシング部材４のアキシアル軸受面１６と共同でアキシアル隙間５を画定する。ケーシング部材４の中心を貫通する流体流路１２を介してアキシアル隙間５に流体を供給可能であり、流体は特にプロセスガスであり得る。アキシアル隙間５への流体供給により気体軸受が形成される。

ケーシング部材４には、さらに、アキシアル軸受面１６に形成されたリング状溝１４からケーシング部材４の中央の切欠き９まで延在する漏洩戻り流路１３が形成されている。漏洩戻り流路１３と漏洩収集室として用いられる後方の貯留室１５との接続が切欠き９を介して作成されている。

場合によっては起こり得る羽根車１の傾き姿勢を補償できるようにするために、ケーシング部材４は傾動運動可能に支承されている。傾動運動可能な支承は、継手７を形成するように第１ケーシング部材４と協働する別のケーシング部材６により達成される。このために、別のケーシング部材６がピン８を有しており、このピンは、傾動運動可能に支承されたケーシング部材４の切欠き９に係合するとともに、ピンの自由端に球形状に成形された継手面７．１を有している。第１ケーシング部材４の切欠き９には円錐形状に成形された継手面７．２が形成されており、この継手面を介して第１ケーシング部材４がピン８で支持されている。２つの継手面７．１、７．２は共同で、流体流路１２を漏洩戻り流路１３から分離するリング状の密封接触を形成する。それにより流体流路内の供給圧ｐ_１が貯留室１５内に存在する戻り圧（Ｒｕｅｃｋｌａｕｆｄｒｕｃｋ）ｐ_２より大きくなり、可能な限り損失なしにガスをアキシアル隙間５に供給することが確保されている。

傾動運動可能に支承されたケーシング部材４に作用する圧力比を調整するために、さらに、別のケーシング部材６に形成された密封ジオメトリ１１の形態の二次シールが設けられている。密封ジオメトリ１１は、２つのケーシング部材４、５間に形成されたラジアル隙間１０の領域に密封をもたらす。密封ジオメトリ１１は、ケーシング部材４の傾動運動を可能にするように形成されている。

１ 羽根車
２ 流入領域
３ 流出領域
４ ケーシング部材
５ アキシアル隙間
６ ケーシング部材
７ 継手
７．１ 継手面
７．２ 継手面
８ ピン
９ 切欠き
１０ ラジアル隙間
１１ 密封ジオメトリ
１２ 流体流路
１３ 漏洩戻り流路
１４ 溝
１５ 貯留室
１６ アキシアル軸受面
ｐ_１ 供給圧
ｐ_２ 戻り圧

Claims (9)

1. 回転軸線（Ａ）を中心として回転可能に支承され、フロント側で流入領域（２）と流出領域（３）とを規定し、リヤ側でアキシアル隙間（５）を形成するようにケーシング部材（４）と協働する羽根車（１）を備えるターボ機械において、
   前記ケーシング部材（４）が前記羽根車（１）のためのアキシアル軸受を形成し、かつ別のケーシング部材（６）に対する前記羽根車（１）の傾き姿勢を補償するために傾動運動可能に支承されていて、
   前記傾動運動可能に支承されたケーシング部材（４）と前記別のケーシング部材（６）とが継手（７）を形成するように協働し、
   前記継手（７）は、前記回転軸線（Ａ）に対して中心に配置されている球形状および／または円錐形状に成形された少なくとも１つの継手面（７．１、７．２）を備えることを特徴とする、ターボ機械。
2. 球形状に成形された第１継手面（７．１）は突出するピン（８）に形成されており、球形状または円錐形状に形成された第２継手面（７．２）は、前記２つのケーシング部材（４、６）のうちのそれぞれ１つのケーシング部材の端面側の切欠き（９）に形成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。
3. 回転軸線（Ａ）を中心として回転可能に支承され、フロント側で流入領域（２）と流出領域（３）とを規定し、リヤ側でアキシアル隙間（５）を形成するようにケーシング部材（４）と協働する羽根車（１）を備えるターボ機械において、
   前記ケーシング部材（４）が前記羽根車（１）のためのアキシアル軸受を形成し、かつ別のケーシング部材（６）に対する前記羽根車（１）の傾き姿勢を補償するために傾動運動可能に支承されていて、
   前記傾動運動可能に支承されたケーシング部材（４）と前記別のケーシング部材（６）とが継手（７）を形成するように協働し、
   球形状に成形された第１継手面（７．１）は突出するピン（８）に形成されており、球形状または円錐形状に形成された第２継手面（７．２）は、前記２つのケーシング部材（４、６）のうちのそれぞれ１つのケーシング部材の端面側の切欠き（９）に形成されていることを特徴とする、ターボ機械。
4. 前記傾動運動可能に支承されたケーシング部材（４）は、実質的に円板状に、および／または回転対称体として形成されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載のターボ機械。
5. 前記傾動運動可能に支承されたケーシング部材（４）は、前記別のケーシング部材（６）に対して回動しないよう固定されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載のターボ機械。
6. 前記傾動運動可能に支承されたケーシング部材（４）と前記別のケーシング部材（６）とは共同でラジアル隙間（１０）を画定し、少なくとも１つのケーシング部材（４、６）は、前記ラジアル隙間（１０）を密封するための環状の密封ジオメトリ（１１）および／または環状の弾性変形可能な密封要素を有することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載のターボ機械。
7. 前記傾動運動可能に支承されたケーシング部材（４）を、中央に配置された流体流路（１２）が貫通することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載のターボ機械。
8. 前記傾動運動可能に支承されたケーシング部材（４）は、前記アキシアル隙間（５）を後方の貯留室（１５）と直接、または前記アキシアル隙間（５）を広げる環状の溝（１４）を介して間接的に接続する少なくとも１つの漏洩戻り流路（１３）を有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載のターボ機械。
9. 前記アキシアル軸受は、気体軸受として形成されていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載のターボ機械。

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