JP2017219039A

JP2017219039A - ターボチャージャーのアキシャルタービンおよびターボチャージャー

Info

Publication number: JP2017219039A
Application number: JP2017082546A
Authority: JP
Inventors: ガブリエル・バルテンシュラーガー; Bartenschlager Gabriel; ミヒャエル・ドンデラー; Donderer Michael
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2017-04-19
Publication date: 2017-12-14
Also published as: CH712547A2; CN107461226A; DE102016110269A1; KR20170137638A; CH712547B1

Abstract

【課題】新しいタイプのアキシャルタービンを創出する。【解決手段】媒体を膨張させるためのターボチャージャーのアキシャルタービン(1)であって、動翼(3)を備えたタービンローター(2)と、動翼(3)に半径方向外側において隣接するカバーリング(12)と、膨張させられる媒体の流れ方向に見て動翼(3)の上流に配置された調整可能なガイドブレード(7)を備えたガイド装置(6)であってガイドブレード(7)はガイドリングカバーリング(12)の上流に配置されたガイドリング(8)内に取り付けられるガイド装置(6)と、膨張させられる媒体の流れ方向に見て動翼(3)の下流に配置されたディフューザー(5)とを備え、カバーリング(12)およびガイドリング(8)に半径方向外側において続く中空スペース(13)はそれがディフューザー(5)によって画定されたフローダクト(16)内へと通気可能であるようにディフューザー(5)によって画定されたフローダクト(16)に対して結合される。【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャーのアキシャルタービンおよびターボチャージャーに関する。

特許文献１から、ターボ機械、すなわちタービンとコンプレッサーとを備えた排気ガスターボチャージャーが知られている。排気ガスを膨張させる働きをするタービンは、それを介して排気ガスがタービンのタービンローターに供給されるタービンハウジングを備え、タービンローターは複数の動翼を含む。ディフューザーはタービンの動翼の下流から続く。タービンの領域において排気ガスの膨張中に抽出されたエネルギーは、充填空気を圧縮するためにコンプレッサーの領域で利用される。

特許文献２はターボチャージャーのアキシャルタービンを開示しており、この場合、排気ガスの流れ方向に見て、調整可能なガイドブレードを有するガイド装置がタービンローターの動翼の上流に配置される。ガイド装置のガイドブレードは、調整デバイスを介して調節可能であり、かつ、ガイドブレードキャリアとしても説明されるガイドリング内に調整可能に取り付けられている。排気ガス漏れはガイドリングまたはガイドブレードキャリア内のガイドブレードのマウント上を流れる可能性があるが、これは、ガイド装置の調整デバイスの望ましくない熱負荷およびダート蓄積につながる可能性があり、したがってガイド装置の調整デバイスの故障を引き起こす可能性がある。

独国特許出願公開第４４２６５２２号明細書独国特許発明第１００１６７４５号明細書

これに鑑みて、本発明はターボチャージャーの新しいタイプのアキシャルタービンを創出することを目的とし、これによって、排気ガスの漏れを、特にガイド装置の調整可能なガイドブレードのための調節デバイスから遠ざけておくことができる。

この目的は、請求項１に記載のターボチャージャーのアキシャルタービンによって解決される。

本発明によれば、カバーリングおよびガイドリングに半径方向外側において続く中空スペースは、この中空スペースがディフューザーによって画定されたフローダクト内に通気できるように、ディフューザーによって画定されたフローダクトに対して結合される。

本発明によるアキシャルタービンでは、例えばガイドブレードとガイドリングとの間の漏れによって半径方向外側においてガイドリングに続く中空スペース内に流れる排気ガスは、規定された様式、すなわちディフューザーによって画定されたフローダクトの領域内で吸い上げることができ、その結果、排気ガスの漏れがガイド装置の調整可能なガイドブレードのための調節デバイスの領域に達するのを回避することができる。このために、ガイド装置のための調整デバイスの故障確率が低減される。

さらに、ディフューザーの方向に本発明によってもたらされる半径方向外側においてカバーリングおよびガイドリングに続く中空スペースの通気によって、外気を、アキシャルタービンのハウジング内に形成される調整デバイスのための通路開口を介して吸入することができ、これによって、例えばガイド装置および調整デバイスの関連するアセンブリの冷却を実現することができる。

本発明の有利なさらなる展開によれば、中空スペースは少なくとも一つのボアを介してディフューザーによって画定されたフローダクトに結合され、中空スペースはディフューザーによって画定されたフローダクト内へ上記あるいは各ボアを介して通気できる。これは、設計に関して、特に簡素である。

本発明の有利なさらなる展開によれば、それぞれのボアは、半径方向外側においてディフューザーのフローダクトを画定する湾曲輪郭のディフューザー壁内へ開口する。これによってディフューザー内への中空スペースの特に有利な通気が可能となる。

本発明の有利なさらなる展開によれば、それぞれのボアは、ディフューザーのフローダクト内の流れが乱流を伴わないか、ほとんど乱流を伴わず、かつ／または大気圧よりも低いディフューザー壁における圧力を提供する、半径方向外側においてディフューザーのフローダクトを画定する湾曲輪郭のディフューザー壁のセクションにおいて開口する。これはまた、中空スペースのディフューザーのフローダクト内への特に有利な通気を可能にする。

本発明のさらに有利な発展形態によれば、ディフューザーは軸方向範囲を有し、カバーリングに続くディフューザーの流れ入口端部は０％の軸方向範囲に存在し、ディフューザーの流れ出口端部は１００％の軸方向範囲に存在し、それを介して中空スペースがディフューザーのフローダクト内に通気可能である上記または各ボアは、ディフューザーの５％ないし２０％の軸方向範囲において、好ましくはディフューザーの５％ないし１５％の軸方向範囲において、特に好ましくはディフューザーの５％ないし１０％の軸方向範囲において、ディフューザーのフローダクト内に、すなわち湾曲輪郭のディフューザー壁内に開口する。本発明のこのさらなる展開は、ディフューザーのフローダクト内への中空スペースの特に効果的な通気に役立つ。

本発明の有利なさらなる展開によれば、シーリング要素がカバーリングとガイドリングとの間に配置される。カバーリングとガイドリングとの間のシール要素は中空スペース内へのさらなる排気ガス漏れを防止する。

本発明の好ましいさらなる展開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、これに限定されることなく図面を用いてより詳細に説明される。

本発明によるアキシャルターボチャージャーのアキシャルタービンを通る非常に概略的な断面図である。

図１は、ターボチャージャーのアキシャルタービン１を通る概略断面を示す。タービン１においては、排気ガスが膨張させられ、図示されていないターボチャージャーのコンプレッサーの領域において充填空気を圧縮するために、このプロセスにおいて抽出されたエネルギーが利用される。

アキシャルタービン１は、複数の動翼３を備えたタービンローター２を備える。タービンローター２はまたインペラとしても説明される。タービン１のタービンローター２の領域において膨張させられる排気ガスは、流入ハウジング４を介してタービンローター２に供給され、膨張させられた排気ガスは、ディフューザー５を介して、タービンローター２の下流側においてタービンローター２から放出される。

図１は、さらに、ガイド装置６を示しており、これは、排気ガスの流れ方向に見たとき、タービンローター２の上流側に配置される。ガイド装置６は、調整可能なガイドブレード７を備える。この目的のために、ガイドブレード７は、ガイドブレード７を回転させることによって、その調整を行うために、ガイドブレードキャリアとしても説明されるガイドリング８に回転可能に取り付けられている。ガイド装置６用の調節デバイス９は、調整機構１０と調節ドライブ１１とを備え、これを介して、ガイドブレード７はガイドブレードキャリアまたはガイドリング８内で最終的に回転することができる。

排気ガスの流れ方向に見て、ガイドリング８の下流にはカバーリング１２が設けられているが、これは、半径方向外側においてタービンローター２の動翼３に隣接しており、かつ、それは、ガイドリング８と共に、半径方向外側のセクションにおいてアキシャルタービン１の排気ガスのためのフローダクトを画定する。

図１は、さらに中空スペース１３を示しているが、これは、半径方向外側においてアキシャルタービン１のハウジング４によって、そして少なくとも部分的に半径方向外側においてカバーリング１２およびガイドリング８によって画定される。調節デバイス９の調整機構１０はハウジング４の外側から、この中空スペース１３内に延びており、調節駆動装置１１はハウジング４の外側に優先的に配置される。ハウジング４の適当な開口１４によって、調整機構１０をハウジング４の外部から中空スペース１３内に導入することができる。

本発明に関して、半径方向外側にカバーリング１２およびガイドリング８に続く中空スペース１３は、中空スペース１３が上記または各ボア１５を介してディフューザー５によって画定されたフローダクト１６内へと優先的に通気されることができるように、優先的にはディフューザー５の少なくとも一つのボア１５を介して、ディフューザー５によって画定された排気ガス用のフローダクト１６と結合される。通気は、中空スペース１３内の圧力と、上記または各ボア１５がディフューザー５のフローダクト１６内に開口するディフューザー５の位置に存在する圧力との間の圧力降下によって生じる。

中空スペース１３をボア１５を介してディフューザー５のフローダクト１６に結合することが好ましいが、フローダクト１６への中空スペース１３の結合はまた異なる様式で、例えば筒状要素といった、中空スペース１３とフローダクト１６との間に対応するダクトを画定する、例えばその他の設計要素によって実施することができる。

ガイドリング８内に調整可能なガイドブレード７を取り付けることにより、排気ガス漏れは中空スペース１３に流入することができるが、この排気ガス漏れは、上記または各ボア１５を介して中空スペース１３からディフューザー５のフローダクト１６内へと既定の様式で排出することができる。調整デバイス９の調整機構１０が、そうした排気ガス漏れによる許容されない加熱およびダート蓄積に曝されるリスクはない。対照的に、特に調整機構１０およびガイド装置６のガイドリング８を冷却するための周囲空気はハウジング４の上記または各開口１４を介して吸入することができるが、これを介して調整機構１０がハウジング４の外部から中空スペース１３内に導入される。

ディフューザー５は、このディフューザー５のフローダクト１６を最終的に画定する壁１７を備える。ディフューザー５のこの壁１７は湾曲した輪郭を有し、膨張させられた排気ガスの流れ方向に見た、その直径は拡大する。

ディフューザー５は軸方向範囲を有し、ディフューザー５の流れ入口端部またはディフューザー５のフローダクト１６の流れ入口端部は、カバーリング１２に続く０％の軸方向範囲に存在し、ディフューザー５の流れ出口端部またはディフューザー５のフローダクト１６の流れ出口端部は１００％の軸方向範囲に存在する。ディフューザー５の流れ出口端部の方向に流れ入口端部から始まって、すなわち１００％の軸方向範囲の方向に０％の軸方向範囲から始まって、外側においてフローダクト１６を画定するディフューザー壁１７の直径は拡大する。

それを介して中空スペース１３がディフューザー５のフローダクト１６内へと通気することができる上記または各ボア１５は、ディフューザー５のフローダクト１６内の流れがほとんど乱流を伴わず、そしてディフューザー壁１７の領域において大気圧よりも低い圧力を有する、湾曲したディフューザー壁１７のセクションにおいて、フローダクト１６内に開口する。

ディフューザー５のまたはディフューザー５のフローダクト１６の軸方向範囲に基づいて、上記または各ボア１５は、ディフューザー５のフローダクト１６内へと、５％ないし２０％の軸方向範囲で、好ましくは５％ないし１５％の軸方向範囲で、特に好ましくは５％ないし１０％の軸方向範囲で開口する。これにより、中空スペース１３はディフューザー５のフローダクト１６内へと特に有利に通気することができる。

図１から、カバーリング１２とガイドリング８との間にはシーリング要素１８が配置され、これが、ガイドリング８とカバーリング１２との間の間隙を介した中空スペース１３内への漏れを防止することは明らかである。だが、このシーリング要素１８を介して規定された排気ガス漏れが起きる場合、これは、同様に、上記あるいは各ボア１５を介してディフューザー５のフローダクト１６内へと通気させることができる。

アキシャルタービン１は、ディフューザー５のフローダクト１６内への、外側においてカバーリング１２およびガイドリング８に続く中空スペース１３の規定の通気を可能にする。この中空スペース１３内に流入する排気ガス漏れは規定された様式で排出できる。このために、調整可能なガイド装置６の調整装置９の特に許容できない加熱または熱負荷を回避することができる。これによってアキシャルタービン１の呼称安全性が高められる。

１アキシャルタービン
２タービンローター
３動翼
４タービンハウジング
５ディフューザー
６ガイド装置
７ガイドブレード
８ガイドリング
９調整デバイス
１０調整機構
１１調整駆動装置
１２カバーリング
１３中空スペース
１４リセス
１５ボア
１６フローダクト
１７ディフューザー壁
１８シーリングエレメント

Claims

媒体を膨張させるためのターボチャージャーのアキシャルタービン（１）であって、
動翼（３）を備えたタービンローター（２）と、
前記動翼（３）に半径方向外側において隣接するカバーリング（１２）と、
膨張させられる媒体の流れ方向に見て、前記動翼（３）の上流に配置されたガイドブレード（７）を備えたガイド装置（６）であって、前記ガイドブレード（７）は前記カバーリング（１２）の上流に配置されたガイドリング（８）内に取り付けられているガイド装置（６）と、
膨張させられる前記媒体の流れ方向に見て前記動翼（３）の下流に配置されたディフューザー（５）と
を備え、
前記カバーリング（１２）および前記ガイドリング（８）に半径方向外側において続く中空スペース（１３）は、前記中空スペース（１３）が前記ディフューザー（５）によって画定されたフローダクト（１６）内へと通気可能であるように、前記ディフューザー（５）によって画定された前記フローダクト（１６）に対して結合されることを特徴とするアキシャルタービン。
前記中空スペース（１３）は、少なくとも一つのボア（１５）を介して、前記ディフューザー（５）によって画定される前記フローダクト（１６）に対して結合されており、前記中空スペース（１３）は、前記ディフューザー（５）によって画定される前記フローダクト（１６）内へと、前記あるいは各ボア（１５）を介して通気できることを特徴とする請求項１に記載のアキシャルタービン。
それぞれのボア（１５）は、前記ディフューザー（５）の前記フローダクト（１６）を半径方向外側において画定する湾曲輪郭のディフューザー壁（１７）内に開口することを特徴とする請求項２に記載のアキシャルタービン。
それぞれのボア（１５）は、前記ディフューザーの前記フローダクト（１６）内の流れが大気圧よりも低い圧力を前記ディフューザー壁（１７）に提供する、半径方向外側において前記ディフューザーの前記フローダクト（１６）を画定する湾曲輪郭の前記ディフューザー壁（１７）のセクション内に開口することを特徴とする請求項３に記載のアキシャルタービン。
前記ディフューザー（５）は軸方向の範囲を有し、前記カバーリング（１２）に続く前記ディフューザー（５）の流れ入口端部は０％の軸方向範囲に存在し、前記ディフューザー（５）の流れ出口端部は１００％の軸方向範囲に存在し、前記または各ボア（１５）は５％ないし２０％の軸方向範囲において前記ディフューザー（５）の前記フローダクト（１６）内に開口している、請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載のアキシャルタービン。
前記あるいは各ボア（５）は、５％ないし１５％の軸方向範囲で、前記ディフューザー（５）の前記フローダクト（１６）内に開口することを特徴とする請求項５に記載のアキシャルタービン。
前記あるいは各ボア（１５）は、５％ないし１０％の軸方向範囲で、前記ディフューザー（５）の前記フローダクト（１６）内に開口することを特徴とする請求項５または請求項６に記載のアキシャルタービン。
前記カバーリング（１２）と前記ガイドリング（８）との間にシーリング要素（１８）が配置されることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のアキシャルタービン。
排気ガスを膨張させるための、かつ、排気ガスの膨張中にエネルギーを抽出するためのタービンと、前記タービンにおいて抽出されたエネルギーを利用して充填空気を圧縮するためのコンプレッサーと、を備えたターボチャージャーであって、前記タービン（１）は請求項１ないし請求項８のいずれか１項に従って設計されることを特徴とするターボチャージャー。