JP2005127321A - 流体流れエンジン及び案内格子を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流体エネルギをタービンホイールの回転に高い効率で変換する流体流れエンジンに関する。
【解決手段】流体流れエンジンは、タービンハウジングと、タービンロータと、半径方向外側を包囲する案内格子とを備えている。案内格子は、羽根空間の一端限界を形成するノズルリングと、複数の案内羽根とを備えている。各案内羽根は、旋回軸の周りで旋回されかつノズルリングによって支持されて、供給流路からタービンロータに調節可能量の流体を供給する。少なくとも１つのスペーサが、羽根を自由に動かす軸方向距離を固定するノズルリング手段に接続される。スペーサは、ノズルリング内に貫通する少なくとも１つのボルト又はピンを含む。このボルト又はピンは、ノズルリングとタービンハウジングの一部との間にその一端を挿入することにより、スペーサを形成する。他方、ボルト又はピンは溶融状態で加えられ、温度耐性を有する接続材料により他端で固定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、タービン又は二次空気ポンプのような流体流れエンジンに関し、特にターボ過給機に関する。詳しくは、本発明は、燃焼原動機の廃ガスのような駆動流体を供給する少なくとも１つの供給流路を有するタービンハウジングを備えた流体流れエンジンに関する問題に関し、その燃焼原動機においては、少なくとも１つのタービンロータが回転軸線の周りで回転自在に支持され、流体は、タービンロータの外部を包囲する可変外形の案内格子を介してこのロータに供給される。この案内格子は、複数の案内羽根を支持するノズルリングを備えている。各案内羽根の位置は、旋回軸線の周りで調節可能であり、タービンロータの周りで軸方向に制限された羽根空間に配置される。このようにして、廃ガスの調節可能な量が案内羽根を介して供給される。ノズルリングは、羽根空間の一軸方向の限界を形成する。案内羽根の自由運動を可能にするように、軸方向距離を保証するスペーサ装置がある。スペーサ装置は、ノズルリングを貫通する少なくとも１つのボルト又はピン等を含む。

このようなターボ過給機及びこのようなノズルリングは、例えば、欧州特許ＥＰ−Ａ−０２２６４４４号又は米国特許第５，１４６，７５２号から公知である。これらの構成においては、羽根空間の軸方向寸法は、ねじボルトを超えて過剰に引き出された間隔ソケットを隔てることによって保証される。もちろん、ソケットは、ボルトの外径を独特に超える外径を有する。本特許出願の譲受人に譲渡された古い特許出願においては、例えば、リングと一体となった、例えば、節状のスペーサを形成することを示唆している。各スペーサにはボルトが貫通している。

本発明は、第１段階で、流体流れエンジンの効率が、流体に含まれたエネルギをタービンホイールの回転にできるだけ高い効率で変換することに依存していることを認識することから始まる。したがって、流路内のどの乱れ又はどの抵抗も望ましくない仕方でかならず効率を低下する筈である。この認識に基づいて、本発明者はこのようなエンジンにおける流れがどのように改善され得るかを次の段階で研究した。これを行う際に、間隔ソケット又は節は、両者がボルトを超えて過剰に引き出され、タービンロータの周りで、特に供給流路とタービンロータとの間の接続路に置かれていて、効率低下を引き起こす比較的多量の乱流を発生させることが判明した。

本発明によれば、このように決定された問題点は、各ボルト又はピン等それ自体がノズルリングとタービンハウジングに設けられた部分との間に一端を挿入することによってスペーサ装置として形成され、他方、それが溶融状態で加えられるが温度抵抗性すなわち温度耐性がある接続材料によって他端において羽根空間の軸方向の遠隔位置に固定される点で解決される。このようにして、タービンロータに向かう流体の接続路にあるのはボルト又はピンの直径部分だけである、すなわち、従来技術と比較して流れ抵抗が相当に減少される。要するに、本発明は周囲の厚いケース無しに、スペーサ装置としてボルト又はピン自体を使用することである。「温度耐性」に関しては、材料が流体流れエンジン、特にターボ過給機の運転中に起こる温度における必要な強度を喪失しないことを、この発明の前後関係内で理解されるべきである。

溶融状態ではあるが温度抵抗がある状態で加えられるべき材料は、原理的には半田付け材料であってもよい。なぜならば、ターボ過給機の温度に抵抗性すなわち耐性を有する半田付け材料があるからである（もちろん、低運転温度において運転される流体流れエンジンでは問題がない。）。しかし、距離の固定が溶接によってなされるならば、それは一般に好ましい。

確かに、各ボルトをその２つの端で半田付け又は溶接することは可能であろう。しかし、ボルト又はピン等の一端がねじ込みのためにねじを備えている場合で、それが接続材料によって固定されている他端のみであるときにはそれは好ましい。溶融接続材料による片側接続は、各ボルトの回転を阻止する安全性を与えることに特に注目されたい。

原理的には、タービンハウジングに設けられた部分とは、タービンハウジングそれ自体の壁である。しかし、それがノズルリングの反対側に配置されかつ羽根空間の幅によってそこから軸方向に離間されている装着リングによって形成されている場合には好ましい。なぜならば、このような仕様においては、事前に装着された案内格子がタービンハウジングの内側で締め付けられる必要があるだけであるように、タービンハウジングの外側で案内格子の事前装着がなされ得るからである。

例えば、タービンハウジングの一部の側、すなわち、ハウジング壁又は装着リングの側からボルト又はピンを挿入し、次いでそれを接続材料によってノズルリングに固定すること（この場合、それは一般に半田付け材料である。）は、本発明の範囲内で可能である。しかし、ボルト又はピン等がノズルリングにねじ込まれ、かつ、溶融状態ではあるが温度耐性がある接続材料により反対端において固定される場合には、好ましい。

流れ抵抗をさらに低下させるために、ボルト又はピン等が羽根空間を少なくとも通過する長さにわたって、回転軸線にほぼ向かって形成する流れの断面、すなわち、例えば、航空機又は船舶の本体の流線形輪郭に類似した流線形輪郭を有することは、本発明の範囲内において可能である。

上述したように、本発明は、本発明に基づく流体流れエンジン用の案内格子を製造する方法にも関する。この方法は、選択的に取り除ける少なくとも１つのスペーサがノズルリングとタービンハウジングに設けられた一部との間に挿入され、スペーサの長さが所望の公称距離に対応すること、及びボルト又はピン等のみが所定の距離で固定され、それにより、スペーサは必用に応じて取り除かれること、に特徴を有する。

図１によれば、ターボ過給機１は、通常のタービンハウジング部２と、それに接続されたコンプレッサハウジング部３とを備えている。両ハウジング部は回転軸線Ｒに沿って配置される。タービンハウジング部２は、円周上に配分された案内羽根７によって半径方向外側の案内格子を形成するノズルリング６が示されるように、一部断面で示されている。これらの案内羽根７は、案内羽根がノズル断面を形成するように、ノズルリング６によって支持された旋回軸８の周りに旋回される。そのノズル断面は、案内羽根７の旋回位置に基づいて、すなわち、より半径方向に（図示）又は接線方向に、燃焼原動機の多量又は少量の廃ガスを回転軸線Ｒにおいて中央に配置されたタービンロータ４に供給するように、大きく又は小さくなる。廃ガスは、供給流路９を介して供給され、中央流路１０を介して排気されて同じ軸上に共に装着されたタービンロータ４によってコンプレッサロータ２１を駆動する。異なる流体流れエンジンの場合には、その他の流体が使用されてもよいことを理解されたい。

案内羽根７の旋回運動及び位置を制御するために、作動装置１１が設けられている。この装置は、任意の特性のものでよいが、それが従来のように、ノズルリング６の背後（図１の左背後）に位置するそれ自体公知の同調リング５のわずかな回転運動に変換されるタペット要素１４の制御運動を制御する制御ハウジング１２を備えているのが好ましい。この回転運動によって、案内羽根７の軸８の旋回位置は、案内羽根７がおよそ接線方向に延びる極端位置からおよそ半径方向に延びる他の極端位置まで移動されるように、タービンロータ４に関して調節される。このようにして、供給流路９を介して供給される燃焼原動機の多量又は少量廃ガスが、回転軸線Ｒにそって延びる軸方向流路１０を介して排気される以前に、タービンロータ４に送られる。スロット又は溝によって案内羽根７の旋回位置の調節をするために、トルクを伝達する軸８に代えて、単なるアクスルすなわち軸を設けることは公知である（米国特許第４，３００，８６９号）。

羽根７の自由旋回運動を許すために、ノズルリング６とタービンハウジング部２の環状部分１５との間に比較的狭い空間１３がある。もちろん、この羽根空間１３は羽根７の軸方向幅よりも実質的に大きくなってはならない（ほぼ等しくなければならない）。さもなければ、廃ガスエネルギが漏れ損失を受けるからである。他方、羽根空間１３は、あまりにも狭く採寸されてはならない。さもなければ、羽根７は動かなくなるからである。このことは、まさにターボ過給機の場合に、材料の特定の熱膨張が起こることを考慮しなければならないので、特に重要である。

この羽根空間１３とタービンハウジング部２の反対側軸受リング１５からのノズルリング６の軸方向距離とが供給流路９からタービンロータ４まで流れる廃ガスの強力な乱れを強制的に受けずに維持されることを保証するために、比較的細い締付けボルト１６がスペーサとして本発明にもとづいて用いられる。スペーサの装着仕様は、図２を参照して述べられる。

図２によれば、タービンハウジング部２は軸受ハウジングのフランジ１７に接続されている。軸受ハウジングの円筒形部分４０は、タービンハウジング部２内に突出しかつタービンロータ４の軸３５を支持する。タービンハウジング部２は、上述したようにタービンロータ４を駆動する流体を供給するための供給流路９を備え、その供給流路はタービンロータ４、ロータ空間２３及び軸方向流路１０を包囲し、その軸方向通路を介して流体は最終的に放出される。

制御された量の流体をタービンロータ４に供給するために、供給流路９の出口側でロータ空間２３の前側に、「可変構造の案内格子」の用語の下で当業者に公知の構造が設けられる。この案内格子は、タービンロータ４を同軸的に包囲するリング状に配置された可動案内羽７から実質的になる。羽根７は羽根空間１３内に収容される。羽根７の旋回軸８は羽根７に固定され（図１参照）、タービンロータ４を同軸的に包囲するノズルリング６によって支持される。

旋回軸８を回転しかつ調節することは、タペット要素１４（図２において一点鎖線で単に示されている）の制御運動を制御する制御ハウジング１２を含む作動装置１１（図１）によって、それ自体公知の方法で行われてもよい。タペット要素１４の運動は、作動レバー１８及びそれに締め付けられた作動軸１９によって、また例えば、同調リング５の開口に係合する偏心輪２０によって、回転軸線Ｒの周りでノズルリング６の背後に定置された同調リング５の小さな回転運動に変換される。旋回軸８に締め付けられたレバーの頭部又は自由端（図１において旋回軸８の左側）が同調リング５の半径方向溝に係合してもよい。

同調リング５のこの回転運動によって、タービンロータ４に関する羽根７の旋回位置は旋回軸８を介して調節されるので、羽根７はほぼ接線方向に延びる極端旋回位置から羽根がほぼ半径方向に延びる他の極端位置まで変位される。このようにして、供給流路９を介して供給される大量又は少量の廃ガスが、回転軸線Ｒに沿って延びる軸方向流路１０を介して流出する以前に、タービンロータ４に送られる。これらすべての構成は、一般に公知である。同調リング５は、本特許出願人の同一譲受人に譲渡された古い特許出願に対応するように、ケージリング２３に装着されたローラ２２によってノズルリング６の肩３２に支えられてもよい。

羽根空間１３の軸方向寸法（軸線Ｒを基準にして）を固定するために、一方ではノズルリング６によって、そしてタービンハウジング部２の環状壁によって形成された軸受リング１５によって羽根空間を制限する代わりに、装着リング２９を間挿しかつ使用することが有利である。この装着リング２９は、例えば、タービンハウジング部又は軸受壁１５の環状肩部２４に置かれてもよい。この仕様において、同調リング５が一方の側でノズルリング６に載置されかつそれに加えて他方の側で羽根７及び装着リング２９がノズルリング６に載置された状態で、ノズルリング６を事前装着することが可能であり、また、（軸受リング及びその一部分４０を装着する以前に）ノズルリング６をタービンハウジング部２及び環状肩２４に挿入することも可能である。

羽根空間１３の軸方向寸法（回転軸線Ｒに関して）を固定するために、事前装着期間中は適切に装着リング２９の側からノズルリング６のねじ穴２５にスペーサねじ１６をねじ込むことが有利である。スペーサねじ１６は、ウオームねじとしても公知でありかつ無頭部ねじ又はねじ切りピンを構成する両ねじボルト（ｄｏｕｂｌｅ−ｅｎｄ ｓｔｕｄ）が好ましい。スペーサねじ１６の挿入深さは厳密ではない。両ねじボルト１６は、できるだけ小さい流れ抵抗を与えるために、（羽根空間１３内にいかなるねじもないように）ねじ切り部分２６を結合する滑らかな外面を好ましくは有する。両ねじボルト１６のこの外面に最大２５、好ましくは１６以上の粗さ数Ｒｚの粗さを設けることが手頃である。

続いて、所望の寸法の着脱自在スペーサ、例えば、対応する厚みの木片又は任意の他の物体が羽根空間１３に挿入されて、羽根空間１３の公称幅がこのようにして決定される。次いで、この距離は、半田付け又は（好ましくは）溶接シーム３０によるねじ１６の溶接によって固定されるので、ねじ１６は回転が防止され、同時に揺れ及び振動によるねじ穴２５から望ましくないねじ外れを有効に回避する。木片又はその他の材料のスペーサが、案内格子及び案内羽根７が事前装着された後に、取り除かれてもよい。ちょうど案内格子が事前装着されかつそれをタービンハウジング部２に挿入する以前に、半田付け又は溶接自動機械が軟化された接続材料を加えるように容易に使用されて、本発明にもとづく方法が費用節減仕様で実行される。

本構成はねじ１６を装着リング２９にねじ込みかつそれを溶接するが、ねじ１６をノズルリング６に半田付けすることによって逆さにされても良いことを理解されたい。さらに、ボルト１６を完全無ねじにし、かつ、両端を半田付け又は溶接することが可能である。さらに、スペーサねじ１６にソケットを使用することもできるが、この場合、ソケットは軸力を吸収する必要はない。なぜならば、ソケットはスペーサとしては使用されず、したがって本発明にもとづいて従来技術よりも薄くつくられ、すなわち、小さい流れ抵抗につくられるからである。この後者の場合、生産中に着脱自在スペーサを必要としない。しかし、外面の粗さに関して説明されたこと及び各粗さ数は好ましくはこのような場合において薄いソケットに適用される。

供給流路９からロータ空間２３に向かう流れ条件を改善する追加の方策は、ボルト又はピン等が羽根空間１３を少なくとも通過する長さにわたって流線形輪郭を有する。その流線形輪郭は、図３に示すように、回転軸線Ｒに少なくともほぼ向かってつくられる。ねじ１６の円形ねじ切り部分２６を結合した、回転軸線Ｒへの方向に下方指向するほぼ滴状流線形輪郭３１がある（図２、３を参照）。この設計は、ボルト１６の端部と装着リング２９の穴（ボルトを受ける）の内面との間に溶接シーム３０（図２）の部分的誘導を容易にする。流線形輪郭は、例えば、ボルト１６の上側を多少鋭くすることによって、船舶構造又は航空機構造から公知のように、最適化される。

それぞれの場合、距離を固定するケースに代えて、ボルトのみ（ねじ又はピン等）を用いることによって、流れ抵抗が減少されることが理解されるであろう。原理的には、本発明にもとづく仕様で供給流路９のオリフィスの領域においてのみ距離を固定することが十分であり、他方、すべての他のスペーサは慣用のものであるが、前述した仕様でタービンハウジング部２（図１）の壁によって形成された装着リング２９又は軸受リング１５に反対側の全周を超えた距離を固定することが好ましいことが理解されるであろう。

図２において、両ねじボルト１６は、ねじ込み溝３３がねじ切り部分２６の反対側のねじ端に設けられたスペーサボルトとして示されている。もちろん、これは必ずしもそのようでなく、ねじ溝３３を同じ端に設けることも可能である。二重端スタッド１６に代えて、キャップねじが用いられてもよいが、その場合には溶接シーム３０がより困難又は非能率になる。

供給流路及び／又はタービンロータがそれ自体公知のものとして用いられることは明らかである。

本発明が適用されるターボ過給機の一部断面斜視図である。 本発明にもとづくスペーサ装置を示す拡大断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線にもとづく拡大断面図であって、本発明にもとづくスペーサ・ボルトの特別の実施例を示す。

符号の説明

１ ターボ過給機 ２ タービンハウジング部
３ コンプレッサハウジング ４ タービンロータ
５ 同調リング ６ ノズルリング
７ 案内羽根 ８ 旋回軸
９ 供給通路 １０ 中央通路
１１ 作動装置 １３ 空間
１４ タペット要素 １５ 環状部分
１６ ボルト ２３ ケージリング
２５ ねじ穴 ２６ ねじ
２９ 装着リング

Claims (10)

1. 流体流れエンジンであって、
   駆動流体を供給する少なくとも１つの供給流路を含むタービンハウジングを形成する手段と、
   回転軸線の周りで前記タービンハウジングに回転自在に支持された少なくとも１つのタービンロータと、
   前記タービンロータの半径方向外側で該タービンロータを包囲する可変タービン外形の案内格子とを備え、該案内格子は、
   羽根空間の一端限界を形成するノズルリング手段と、
   前記羽根空間内にある複数の案内羽根であって、各々が、前記供給流路から前記タービンロータまで調節可能量の流体を供給するように旋回軸線の周りで旋回されかつ前記ノズルリングによって支持されている案内羽根と、
   前記ノズルリング手段に接続されていて前記羽根を自由に動かす軸方向距離を固定するスペーサ手段であって、前記ノズルリングを貫通する少なくとも１つのボルト手段を含むスペーサ手段と、を含み、
   前記ボルト手段は、前記ノズルリングとタービンハウジングの一部との間にその一端を挿入することによって、それ自体がスペーサを形成し、一方、ボルト手段は溶融状態で加えられる温度耐性がある接続材料によって他端において前記羽根空間の軸方向距離で固定されることを特徴とした、流体流れエンジン。
2. コンプレッサロータと、前記タービンロータと共通の軸とをさらに備えたターボ過給機として形成された、請求項１に記載の流体流れエンジン。
3. 前記ボルト手段は溶接シームによって固定されている、請求項１に記載の流体流れエンジン。
4. 前記ボルト手段は一端にねじ切り部分を備え、他端が前記接続材料によって固定されている、請求項１に記載の流体流れエンジン。
5. 前記ボルト手段は両ねじボルトを備えている、請求項１に記載の流体流れエンジン。
6. 前記タービンハウジングの一部は前記羽根空間の他端限界を形成するように前記ノズルリングの反対側に配置された装着リングを備えている、請求項１に記載の流体流れエンジン。
7. 前記ボルト手段は前記ノズルリングにねじ込まれ、反対側端が前記接続材料によって固定される、請求項４に記載の流体流れエンジン。
8. 前記ボルト手段は、前記羽根空間を少なくとも通過する長さにわたって滑らかな外面を有し、例えば、最大２５の粗さ数Ｒｚ、より好ましくは最大１６の粗さ及び／又は回転軸線に少なくともほぼ向かって形成する流線形輪郭を持つ、請求項１に記載の流体流れエンジン。
9. 請求項１−８の任意の一項に記載の案内格子を製造する方法であって、少なくとも１つの選択的な着脱自在スペーサが前記ノズルリングと前記タービンハウジングに設けられた一部との間にまず挿入され、該スペーサの長さは所望の公称距離に対応し、次いでボルト又はピン等が所定の距離で固定されるだけであり、その結果、前記スペーサが選択的に取り除かれる、方法。
10. 前記案内格子はそれを前記タービンハウジングに挿入する以前に最初に事前装着される、請求項９に記載の方法。

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