JP2013541671A - 羽根車のためのハウジング - Google Patents

Abstract

本発明は、ハウジング壁により包囲された流路と、前記ハウジング壁に設けられた流体開口部を選択的に閉鎖可能または開放可能であるフラップ弁と、前記ハウジング壁に設けられた開口部を通って前記流路の外側へ導かれるシャフトであって、前記フラップ弁と接続されたシャフトとを備えた、ターボ機械の羽根車のためのハウジングに関する。本発明は、前記開口部が、前記弁フラップと、組立てられた状態において前記流路内に突き出す前記シャフトの部分との最小投影面の最大直径よりも大きい開口幅を有することと、前記開口部は、組立てられた状態において、前記シャフトが貫通する蓋により閉鎖されていることとを特徴とする。

Description

本発明は、請求項１の前提部に詳しく定義された種類のターボ機械の羽根車のためのハウジングに関する。

ターボ機械は、一般的な従来技術から公知である。その際、そのようなターボ機械の羽根車は、通常、排気ガス利用タービンまたはコンプレッサ羽根車である。両者は互いに組合せて、例えば、いわゆる排気タービン過給機に設置される。さらに、排気ガス利用タービンは単独で、いわゆるターボコンパウンドシステムの一部になり得る。

排気ガス利用タービンは、通常、自動車に、そしてそこで、大抵の場合、内燃機関と接続して設置される。排気ガス利用タービンは、そこからエネルギーを回収するために、排気ガスの、特に内燃機関の排気ガスの熱エネルギーと圧力エネルギーを利用する。その場合、回収されたエネルギーによって、例えば排気タービン過給機では、内燃機関に供給された外気を圧縮するためにコンプレッサ羽根車を駆動することができる。ターボコンパウンドシステムでは、排気ガス利用タービンによって排気ガスから回収されたエネルギーは、通常、自動車を駆動する機械的出力を補足的に提供するために利用される。従来技術から公知の排気ガス利用タービンの他の同等の用途では、回収したエネルギーを別のことにも、例えば補機などを駆動するために利用することができる。

したがって、タービン過給機の領域、それもターボコンパウンドシステムの領域には、いわゆるウェイストゲートバルブ、ブローオフバルブ（Ａｂｂｌａｓｖｅｎｔｉｌｅ）、またはエアリサーキュレーションバルブ（Ｕｍｌｕｆｔｖｅｎｔｉｌｅ）が設けられていることが非常に多い。その場合、これらのバルブは、通常、羽根車（単数または複数）から、または羽根車へ（単数または複数）ガスが流れる流路に設けられた開口部を開くことができ、それによりガスを、例えば羽根車の下流の領域へ吹き出すことができるフラップの形態の構造になっている。

バルブ装置が排気ガスタービンの領域に設置される場合、このバルブ装置は、通常、ウェイストゲートバルブと呼ばれる。その場合、ウェイストゲートバルブは、排気ガス利用タービンの制御性を改善するために用いられ得る。そのような状況において排気ガス利用タービンの排気圧力がそのようなウェイストゲートバルブによって低減された場合、損失が最低限に抑えられる。同等の構造のバルブ装置を、ターボ機械の羽根車としてコンプレッサタービンの領域に設置することもできる。その場合、バルブ装置は、全くの安全バルブとしてか、または、すでに圧縮された空気をコンプレッサタービンに向かって吹き出して給気を調整するために、例えばコンプレッサタービンの周囲のバイパスを開くことができる。最後に挙げた変形は、従来技術において全く慣例的であるが、これと結びついたエネルギー損失ゆえに、一般に好まれない。

その場合、このようなバルブ装置の典型的な構造は、羽根車のためのハウジングのハウジング壁に設けられた流体開口部によるバルブの実現であり、この流体開口部は、該流体開口部に対して可動のフラップによって閉鎖可能または開放可能である。通常、そのようなフラップは、ハウジングを通って外側へ突き出し、例えばレバーおよび調整要素を備えたシャフトによって操作される。その場合、ハウジング内にあるシャフトの側には、フラップが該シャフトと相対回転不能に製作されており、例えば中心を外して（ａｕｓｓｅｒｍｉｔｔｉｇ）溶接されている。したがって、シャフトの回転運動により、フラップをハウジング壁に設けられた流体開口部上に載せて流体開口部を閉鎖するか、または流体開口部から旋回させて遠ざけることにより流体開口部を開放することができる。フラップは、流路の領域内へ旋回されるので、フラップを有する構造は、さらに、流路の貫流可能な断面がフラップによって狭められるという点で有利である。つまり、シャフトが、そしてこれによりフラップの旋回軸が、ハウジング壁に設けられた流体開口部への媒体の流れ方向に配置された場合、そのことによって動圧を発生させることができ、この動圧は、フラップにより開放されている流体開口部を通る媒体の流出を促進させる。

ところで、このような構造の問題は、通常、開口部が、フラップ弁を操作するためのシャフトが挿通されるために、ハウジング壁の領域に設けられている点にある。シャフトのためのこの開口部は、シャフトの直径に合わせてハウジング壁に設けられた孔か、またはハウジング壁に押し込まれた、シャフトのための軸受スリーブである。シャフトは、場合によっては軸受スリーブと一緒にハウジング壁に押し込まれてもよいが、ハウジング壁もしくは押し込まれた軸受スリーブの開口部にシャフトを挿入してから、今度はフラップ弁をシャフトと接続しなければならない。これは溶接によって行われることが多いが、この溶接は、通常、非常に狭い流路の領域において行われなければならない。その場合、流体開口部を閉鎖もしくは開放すべきフラップを流体開口部上に正確に固定することが必要である。このことは、通常、狭いスペース事情の下、非常に労力がかかり、それに応じて長い組立て時間を要する。さらに、狭いスペース事情の下では、組付け不良がしばしば発生し、その結果、フラップ弁と流体開口部との間に漏れが生じる。その場合、羽根車のためのハウジングは、さらに手を加えなければならないか、場合によっては廃棄されざるを得ない。

ハウジングに設けられた開口部に軸受スリーブを押し込む場合は、さらに、押込み工程の間、ハウジングが適切に保持されるように注意しなければならない。羽根車のためのハウジングは、通常、羽根車の最大直径の周囲にらせん管を有しているので、個々のハウジングの丸み、直径、および半径は、型式および性能によって、多くの場合かなりまちまちである。それでも軸受スリーブの押込みを確実かつ高信頼性で行うことができるようにするためには、ハウジングが損傷することなく押込み時にかけられる圧力に耐えるように、押込み方向に対して垂直にハウジングを確実かつ安定的に収容することを保証するような、適切な収容装置をハウジングの型式ごとに設けなければならない。このことは、種々異なるハウジングの数が比較的多いために組付け時に保持装置と、押し込み時に頻繁に必要な工具の交換とに関して高い費用がかかり不利である。

したがって、本発明の課題は、上記の欠点を回避し、フラップ弁を簡単、確実、かつ高信頼性でハウジングに組み付けることを可能にする、ターボ機械の、例えば排気ガス利用タービンの羽根車のためのハウジングを提供することである。

本発明によれば、上記課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴によって解決される。さらに、本発明による構成の更なる有利な実施形態および展開形態は、請求項１に従属する下位請求項から明らかになる。

本発明による羽根車のためのハウジングでは、シャフトがハウジング壁を通って流路の外側へ導かれる開口部が、フラップ弁と、組立てられた状態において流路内に突き出すシャフトの部分との最小投影面の最大直径よりも大きい開口幅を有することと、該開口部が、組立てられた状態において、シャフトが貫通する蓋により閉鎖されていることとが予定される。それ故に、本発明によるハウジングは、流路の周囲のハウジング壁の領域に開口部を備えており、この開口部は、接続済みの状態のフラップ弁およびシャフトを、この開口部を通して流路へ導入することができる大きさである。該構造は、流路の内部でフラップ弁とシャフトとの接続が行われないので、非常に簡単、高信頼性、かつ高精度で組み立てることができる。むしろ、フラップ弁とシャフトとをハウジングの外側で予め組み立ててから、開口部を通して流路内に挿入することができる。その場合、開口部は、組立てられた状態において、蓋で閉鎖され、シャフトは、該蓋を貫通する。蓋は、基本的に任意の方法でハウジングと接続することができる。例えばハウジングに蓋を螺着することによって行われる解除可能な接続は、場合によっては行われる保守作業などの観点からしてもまちがいなく有利である。しかし、基本的に、蓋をハウジングとプレス加工（ｖｅｒｐｒｅｓｓｅｎ）するか、または溶接することも可能である。

その場合、蓋自体は、シャフトおよびフラップ弁と共に構造ユニットとして予め組み立ててもよく、そうすれば、組立て時にこれらの部材を流路もしくはハウジングに挿入して、ハウジングと接続することができる。その場合、フラップ弁、流体開口部、開口部、および蓋の結合部は、ハウジングの型の違いを越えていつも同じに製作することができるので、予め組み立てられた構造ユニットを種々異なる幾何学的外形をもつ種々異なるタイプのハウジングに簡単かつ効率的に組み込むことができる。今では構造ユニットが種々異なるタイプのハウジングに対してそれぞれ同一に組み立てられ、かつ予め組み付けることができるので、部品数が比較的多いことによる生産および製造コストをこの点で節減することができる。

その場合、本発明による構造の特に有利な更なる展開形態では、蓋が円形に形成され、その端面には少なくとも部分的にねじ山が設けられており、このねじ山は、対応させて形成された開口部の領域に設けられたねじ山と協働する。この特に簡単かつ効率的な構造は、例えば蓋、シャフト、およびフラップ弁からなる予め組立てられたユニットを開口部から簡単にハウジングに導入し、ハウジングと螺合することができるように、蓋とその固定する手段（Ｍｏｅｇｌｉｃｈｋｅｉｔ）とを単一ピースに製作することを可能にする。

その場合、蓋は単一の部材として製作されるとよく、この部材は、例えば中心に、または中心を外して配置された開口部を有し、この開口部を通してシャフトが、理想的には蓋と封止係合して挿通される。その場合、中心を外して開口部を配置することによって、蓋をその中心点を中心に回転させることによってシャフトの位置を移動させることが可能になる。これにより、フラップ弁と流体開口部との間に場合によっては存在する公差の偏差を補正することができる。

これに加えて、またはこれに代えて、蓋がシャフトのための軸受スリーブを有することがさらに予定され得る。このような軸受スリーブは、例えば、適切な軸受材料から製造するとよく、その一方で、蓋自体は、耐久的に安定したねじ山の接続および挿入のためにより適した別の材料から製造されるとよい。

その場合、軸受スリーブの特に有利な更なる展開形態では、軸受スリーブは蓋とプレス加工して製作されている。軸受スリーブと蓋とのそのようなプレス加工は、これまで従来技術から普通に行われている組付けに実質的に相当する。しかし、ハウジングのために種々異なる保持装置を設ける必要はない。なぜならスリーブは、蓋とだけプレス加工されるにすぎず、この蓋は、あらゆる型のハウジングに対して、理想的にも標準化されており、したがって、プレス加工時に収容装置は１つしか必要とされないからである。その場合、軸受スリーブは、従来の構造でのように実績のある材料および寸法を変更しなくても蓋とプレス加工することができる。その場合、蓋と押し込まれた軸受スリーブ、シャフト、およびシャフトに取り付けられた、例えば溶接されたフラップ弁からなる全体構造は、羽根車のハウジングに左右されることなく予め組み立てることができ、比較的多い個数で備蓄することができる。その場合、組立て時には、上記の特に好ましい実施形態に従ってフラップ弁を導入し、蓋をねじ込むことによって、予め組立てられたこの構造ユニットをハウジングに組み込むだけでよい。

さらに、別の一実施形態では、シャフトがフラップ弁から離反した側にレバーを有することが予定され得る。このレバーも、構造ユニットを予め組み立てるときに直接取付け、例えば溶接することもでき、それによりフラップ弁を操作して流路の流体開口部を開閉するために、構造ユニットを、例えばサーボモータ、液圧式または空気圧式アクチュエータなどの操作装置と直接接続することができる。

その場合、このようなハウジングの好ましい使用は、タービン過給機またはターボコンパウンドシステムの排気ガス利用タービンのための、いわゆるウェイストゲートバルブとしての使用である。しかし、タービン過給機のコンプレッサ羽根車のためのブローオフバルブを実現するために使用することも考えられ得る。本発明によるハウジングの非常に有利な実施形態によると、それによれば、羽根車が排気タービン過給機の、排気ガス利用タービンおよび／またはコンプレッサ羽根車であることが予定されている。

さらに、本発明による構造の更なる有利な実施形態は、図を参照しながら詳細に説明される、以下に記載の実施例から明らかになる。
図１は、排気タービン過給機の模式図を示す。 図２は、排気ガス利用タービンの領域における本発明によるバルブ装置の可能な一実施形態を示す。

以下の実施例は、図１の描出において模式図に見て取れるタービン過給機３の例を用いて排気ガス利用タービン２のバルブ装置１の機能性と構造とを説明するものである。この場合、排気ガス利用タービン、もしくは排気タービン過給機３のタービン２は、それ自体公知の仕方でシャフト４を介してコンプレッサと、もしくはコンプレッサ羽根車５と接続されている。タービン２には、Ａで示された矢印を通じて、例えば図示されない内燃機関の領域からの高温排気ガスが流れ込む。この高温排気ガスは、タービン２で圧力緩和され（ｅｎｔｓｐａｎｎｔ）、次いで、ａで示された矢印を通じて周囲の環境の領域に到達する。そのときに生じる機械的出力は、シャフト４を介して直接コンプレッサ５へ伝達され、このコンプレッサは、矢印ｂに従って周囲の環境から外気を吸い込み、これを圧縮し、該空気を燃焼用空気として矢印Ｂに従って上述の内燃機関に供給する。その場合、この構造はそれ自体従来技術から公知である。この構造は、排気タービン過給機３の例を用いて次に説明するバルブ装置１の機能を詳細に説明する。同様に、シャフト４を介してコンプレッサ５を駆動するのではなく、通常、歯車もしくはピニオンを駆動する排気ガス利用タービンもしくはタービン２を有しもするターボコンパウンドシステムにも同等の構造を適用することができよう。その場合、タービン２の領域で得られた出力は、このピニオンを介して別の使い方がされ、例えば流体力学的クラッチと、対応するクランクシャフトの伝動装置とを介して補足的出力として提供される。さらに、コンプレッサ羽根車５の領域に使用することができる。ここでも空気はバルブ装置１を介してコンプレッサ羽根車５の周囲のバイパス内を導かれ得るか、またはコンプレッサ羽根車５の領域から吹き出され得る。このために使用されるバルブ装置は、本発明によるバルブ装置１と同様の構造であり得、このバルブ装置について、以下に排気側の例を用いて詳細に記載および説明する。

排気タービン過給機３およびターボコンパウンドシステムでは、特定の作動状況で、排気ガスＡを、タービン２を通過させるのではなく、全部を、または、通常、部分的にタービン２の周囲に導くべき事態が生じる。このために、ブローダウンバルブ（Ｕｍｂｌａｓｅｖｅｎｔｉｌ）、エアリサーキュレーションバルブ、ブローオフバルブ、またはウェイストゲートバルブとも呼ばれるバルブ装置１が利用される。このバルブ装置は、タービン２に流入する排気ガスＡの領域を、タービン２から流出する排気ガスａの領域と接続する。そこで、このバルブ装置１について以下に詳しく言及することにする。

図２の描出において、図１に原理に関して示されたバルブ装置１の具体的な構造が見て取れる。バルブ装置１は、ハウジング壁８に設けられた、ここでは破線で示された流体開口部７を閉鎖および開放することができるフラップ弁６からなる。その場合、ハウジング壁８は、流路９を、例えば排気ガス利用タービン２への排気ガスＡの取入口の空間を取り囲む。その場合、ハウジング壁８はハウジングの一部であり、すなわち、この事例では、例示的にタービンハウジングの一部でもある。バルブ装置１は、フラップ弁６の他にシャフト１０からなり、このシャフトは、ここに図示された実施例ではフラップ弁６の中心を外して配置され、接続エレメント１１を介してこのフラップ弁と接続されている。該接続は、特に、フラップ弁６を接続エレメント１１および／またはシャフト１０と溶接することによって行うとよい。さらに、バルブ装置１は、流路９から離反したシャフト１０の端部にレバー１２を有しており、このレバーもシャフト１０と、例えば溶接されるなどして接続されている。レバー１２は、例えばサーボモータ、液圧式または空気圧式ピストンなどの操作装置１３と接続されている。レバー１２の回転運動によって、フラップ弁６を、図２に示された流体開口部７の閉鎖位置からシャフト１０の軸を中心に旋回させることができ、そのようにして、旋回角度に応じて、連続的に拡大する流体開口部７の断面を開放する。

その場合、ここに図示された実施例では、レバー１２と操作装置１３とを介してシャフトを回転させることができるように、そして同時に、シャフト１０と軸受スリーブ１４との間の領域の流路９の可能な限り良好なシールが保証されるように、シャフト１０が軸スリーブ１４内に支承されている。その場合、軸受スリーブ１４は、蓋１５に挿入され、例えば押し込まれている。蓋１５は、組立てられた状態において、ハウジング壁８に設けられた開口部１６内に着座している。ねじ山１７を介してハウジング壁８と蓋１５とが互いに螺合されている。蓋１５は、ねじ山１７の他に、その端面の流路９に向いた領域の、流路９から離反した領域につば１８を有しており、このつばは、その流路に向いた面にシール面１９を有している。このシール面１９は、開口部１６を包囲する対応したシール面２０と共に、組立てられた状態の蓋１５とハウジング壁８との間に非常に良好なシールを形成する。

ここで、開口部１６は、図２に図示された実施例では円の直径に相当する開口幅Ｄを有する。開口部１６の他の実施形態では、例えば、ハウジング壁８に外側から蓋１５をフランジ付けする場合には、開口部が別の形状、例えば矩形状や楕円形状などを有し得る。この場合、開口幅Ｄは、それぞれ最大開口幅と解されよう。その場合、開口幅Ｄは、いかなる場合も、フラップ弁６と、組立てられた状態において流路９内に突き出すシャフト１０の部分との最小投影面の最大直径よりも大きくなるように選択されなければならない。最小投影面の最大直径は、例示的に、図２にｄで示された直径によって示されている。組立てられた状態において流路９内に突き出すバルブ装置１の部分のこの最小投影面の最大直径ａは、図示された例では、わずかな傾倒によって、組立てられた状態で最大開口部１６を通して流路７内に挿入され得る。かくして、複雑な組立て、例えば流路７の内部でのフラップ弁６と接続エレメント１１および／またはシャフト１０との複雑な溶接を回避することができる。したがって、フラップ弁６、接続エレメント１１、シャフト１０、軸受スリーブ１４、蓋１５、および場合によってはレバー１２を有するバルブ装置１の構造は、流路９の外側で予め組立てることができ、次いで、開口部１６を通して流路内に挿入し、蓋１５をしっかりと螺着することによって組み立てることができる。こうすることにより、組付けに関する手間が最小限になる。

Claims (10)

1. ハウジング壁（８）により包囲された流路（９）と、
   前記ハウジング壁（８）に設けられた流体開口部（７）を選択的に閉鎖可能または開放可能であるフラップ弁（６）と、
   前記ハウジング壁（８）に設けられた開口部（１６）を通って前記流路（９）の外側へ導かれるシャフト（１０）であって、前記フラップ弁（６）と接続されたシャフト（１０）とを備えた、
   ターボ機械（３）の羽根車（２、５）のためのハウジングであって、
   前記開口部（１６）は、前記フラップ弁（６）と、組立てられた状態において前記流路（９）内に突き出す前記シャフト（１０）の部分との最小投影面の最大直径（ｄ）よりも大きい開口幅（Ｄ）を有することと、前記開口部（１６）は、組立てられた状態において、前記シャフト（１０）が貫通する蓋（１５）により閉鎖されていることとを特徴とする、ハウジング。
2. 前記蓋（１５）は前記ハウジング壁（８）と螺合されていることを特徴とする、請求項１に記載のハウジング。
3. 前記蓋（１５）は円形に形成されており、前記蓋の端面には少なくとも部分的にねじ山（１７）が設けられており、該ねじ山は、前記対応させて形成された開口部（１６）の領域に設けられたねじ山（１７）と協働することを特徴とする、請求項１または２に記載のハウジング。
4. 前記蓋（１５）は、前記端面の前記流路（９）に向いた側に前記ねじ山（１７）を有し、かつ該流路から離反した側に、少なくとも１つのシール面（１９）を備えたつば（１８）を有することを特徴とする、請求項３に記載のハウジング。
5. 前記蓋（１５）の回転軸と前記シャフト（１０）の回転軸とは、前記蓋（１５）の領域において互いに離間させて配置されていることを特徴とする、請求項１〜４の１項に記載のハウジング。
6. 前記蓋（１５）は、前記シャフト（１０）のための軸受スリーブ（１４）を有することを特徴とする、請求項１〜５の１項に記載のハウジング。
7. 前記軸受スリーブ（１４）は、前記蓋（１５）とプレス加工して製作されていることを特徴とする、請求項６に記載のハウジング。
8. 前記フラップ弁（６）と前記シャフト（１０）とは、少なくとも間接的に互いに溶接されていることを特徴とする、請求項１〜７の１項に記載のハウジング。
9. 前記シャフト（１０）は、前記フラップ弁（６）から離反した側にレバー（１２）を有することを特徴とする、請求項１〜８の１項に記載のハウジング。
10. 前記羽根車は、排気タービン過給機（３）の、排気ガス利用タービン（２）としておよび／またはコンプレッサ羽根車（５）として形成されていることを特徴とする、請求項１〜９の１項に記載のハウジング。

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