JP4153722B2 - 排気駆動過給機の軸流タービン - Google Patents
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- F01D21/045—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position special arrangements in stators or in rotors dealing with breaking-off of part of rotor
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- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス出口側壁付きタービン入口室とガス入口側壁付きタービン排気室とから成るタービン車室を備え、該車室内に軸で支持された動翼付きタービン円板が配置され、該円板の外側が排気ディフューザによって流路を形成した状態で境界づけられ、タービン車室内においてタービン円板の軸方向範囲に破裂防護体が設けられた排気駆動過給機における軸流タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高い過給圧力を得るべく、今日、排気駆動過給機は非常に大きな周速で運転される。そのため、特に大形の排気駆動過給機では、万一破損したタービン円板や動翼の破片は、タービン車室に高額な構造的処置を施して初めて捕捉できる。
【０００３】
既に従来から、タービン車室内のタービン円板の範囲に、軸方向に延びる保護リングや破裂防護リングが設けられている。
【０００４】
排気駆動過給機におけるこのような軸流タービンの基本的構造と作用は周知であり、従ってそれについてここでは詳述しない。即ち、例えばヨーロッパ特許出願公開第０８０６５４７号明細書に、タービン排気室のガス入口側壁がタービン円板に対する破裂防護機能を果たす軸流タービンが記載されている。そのためにそこでは、破裂防護体を、タービン排気室のガス入口側壁の半径方向に延びる一体構造部品の形をしたリングとして形成し、タービン入口室に直接或いは上流側に配置した軸方向延長部材を介して結合している。
【０００５】
しかし排気駆動過給機の軸流タービンの開発経過で、細長い動翼から短く幅広い動翼に変更する傾向、所謂少ない翼数の「ワイド コード」翼にする傾向にある。これに伴い、個々の動翼は重くなり、これらの動翼を大きな周速下でも確実に保持せねばならないタービン円板は、幅広くなる。勿論、この処置により回転質量が大きくなる。そのため、今日では普通の大きな周速に関連してかなり大きな遠心力が生じ、良好な防護処置で、この遠心力を問題なくせねばならない。
【０００６】
従来、タービン排気室の一体構造部品であり破裂防護リングの形をした上述の破裂防護体やディフューザに、例えば締付けリングでねじ結合されたタービン円板に対する覆いリングは、破損した動翼がタービン車室から飛び出るのを防止するのに十分な手段であった。
【０００７】
しかし上述の処置は、条件が厳しくなるにつれて、タービン車室の外側壁の突破を確実に防止し、人のけがや隣接する機械部品の損傷を防止する安全な破裂防護を保障する上で、もはや十分でない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の軸流タービンを、破損したタービン円板や動翼の破片が極めて大きな周速においてもタービン車室から飛び出すのを、タービン車室の外側に補助的な破裂防護体を設ける必要なしに防止すべく、簡単且つ安価に形成することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題は、請求項１に記載の手段によって解決される。
【００１０】
本発明に基づき、排気ディフューザの外側壁を、タービン円板の軸方向範囲において半径方向に外側輪郭部と内側輪郭部を備えて形成し、両輪郭部間に環状支持壁部を設け、排気ディフューザ外側壁の外側輪郭部を、タービン円板の軸方向範囲を越えて延びる環状延長部材の形に形成し、タービン円板と動翼に対する覆いリングを、排気ディフューザの支持壁部と外側壁内側輪郭部の間に配置し、タービン入口室とタービン排気室を、該排気室のガス入口側壁が半径方向においてタービン円板の中央平面上に被さって位置するよう互いに結合することで、軸流タービンの３つの要件を満たす３段階の破裂防護作用を達成できる。
【００１１】
タービン円板やタービン翼が破損した場合、まず（第１段階として）、破片は排気ディフューザの支持壁部に支持された覆いリングに衝突する。覆いリングと支持壁部がその衝撃に耐えられない程破片が大きい場合、覆いリングと支持壁部の破損によって、破片の運動エネルギの一部が消散される。
【００１２】
少なくとも覆いリングは、鋼や合金鋼等の非脆性材料で作り、軸流タービンの他の部分は、公知のように鋳造品から形成するとよい。これによって、エネルギの消散作用は最良になる。同じ目的のために、覆いリングを支持壁部で接触支持し、たわみ継手要素により排気ディフューザに固定してもよい。
【００１３】
第２段階において、破片は半径方向外側に、排気ディフューザの外側壁外側輪郭部の環状延長部材に衝突する。この環状ないし円筒状の延長部材を、これがタービン円板の軸方向範囲を越えて延びるよう形成することで、破片の運動エネルギの大部分を吸収する。そのため、排気ディフューザの外側壁外側輪郭部の環状延長部材を、半径方向に配置したリブにより補強するとよい。
【００１４】
第３段階において、破片の残留エネルギは、半径方向においてタービン円板の中央平面の真上に被さって位置するタービン排気室のガス入口側壁によって吸収される。タービン入口室と、ディフューザ外側壁と、タービン排気室との間の中実のフランジ継手は、強固に形成するとよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下図示の実施例を参照し、本発明を詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明による排気駆動過給機の軸流タービンの一部を断面図で示す。図には、本発明の理解にとって重要な構成要素しか示していない。例えば排気駆動過給機の圧縮機側は図示していない。排気の流れ方向は矢印で示してある。
【００１７】
図１が基礎とする形式の排気駆動過給機は、軸流タービン１を備える。このタービン１は、ガス出口側壁３を備えたタービン入口室２と、ガス入口側壁５を備えたタービン排気室４とから構成されたタービン車室を有している。このタービン車室内に、軸６で支持された動翼８付きタービン円板７を配置してある。
【００１８】
タービン円板７の動翼８は、外側が排気ディフューザ９で境界づけられ、流路１４内に排気ディフューザ９により収容されている。排気ディフューザ９の外側壁１０は、タービン円板７の軸方向範囲において、半径方向に外側輪郭部１１と内側輪郭部１２とで形成されている。外側輪郭部１１と内側輪郭部１２の間に、円筒状又は環状の支持壁部１３が一体に形成されている。外側輪郭部１１は環状又は円筒状の延長部材の形に形成され、この部材は、タービン円板７の軸方向範囲を越えて延びている。
【００１９】
タービン円板７とタービン車室との間に、流路１４が存在する。この流路１４はエンジン（図示せず）の排気ガスを受け、公知のようにタービン円板７の動翼８に導く。流路１４の上流側に、外輪１５と内輪１６から成るノズルリングがはめ込まれている。このノズルリングは、外輪１５および内輪１６にあるフランジ１８で、継手要素１７によりタービン入口室２に結合されている。
【００２０】
軸方向においてノズルリング１５、１６と排気ディフューザ９の間で、タービン円板７の動翼８に対する覆いリング１９が、ノズルリングの外輪１５と覆いリング１９の間に隙間２８を形成し、内輪１６とタービン円板７の間に隙間２０を形成し、且つ排気ディフューザ９の外側壁内側輪郭部１２に気密に接して、流路１４に結合されている。タービン円板７と排気ディフューザ９の内側壁２２の間にも、公知のように隙間２１が開けられている。
【００２１】
覆いリング１９は排気ディフューザ９の支持壁部１３に接触支持され、たわみ継手要素、即ち伸びボルト２７で、排気ディフューザ９に固定されている。
【００２２】
タービン入口室２とタービン排気室４は、タービン排気室４のガス入口側壁５が半径方向においてタービン円板７の中央平面２３の真上に被さって位置するよう、互いに結合されている。
【００２３】
排気ディフューザ９の外側輪郭部１１の環状延長部材は、端面側に環状取付けフランジ２４又は複数の個々の取付けフランジ部分を有し、該フランジ２４が、タービン入口室２とタービン排気室４の継手の中に挟み込まれ、剛性継手要素２５により、タービン入口２およびタービン排気室４にねじ結合されている。
【００２４】
更に、外側輪郭部１１の環状延長部材は、半径方向に配置されたリブ２６によって補強されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく排気駆動過給機の軸流タービンの部分断面図。
【符号の説明】
１ 軸流タービン
２ タービン入口室
３ ガス出口側壁
４ タービン排気室
５ ガス入口側壁
６ 軸
７ タービン円板
８ 動翼
９ 排気ディフューザ
１０ 外側壁
１１ 外側壁外側輪郭部
１２ 外側壁内側輪郭部
１３ 支持壁部
１４ 流路
１５ ノズルリングの外輪
１６ ノズルリングの内輪
１７ 継手要素
１８、２４ フランジ
１９ 覆いリング
２０、２１、２８ 隙間
２２ 排気ディフューザの内側壁
２３ タービン円板の中央平面
２５ 剛性継手要素
２６ リブ
２７ たわみ継手要素
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス出口側壁付きタービン入口室とガス入口側壁付きタービン排気室とから成るタービン車室を備え、該車室内に軸で支持された動翼付きタービン円板が配置され、該円板の外側が排気ディフューザによって流路を形成した状態で境界づけられ、タービン車室内においてタービン円板の軸方向範囲に破裂防護体が設けられた排気駆動過給機における軸流タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高い過給圧力を得るべく、今日、排気駆動過給機は非常に大きな周速で運転される。そのため、特に大形の排気駆動過給機では、万一破損したタービン円板や動翼の破片は、タービン車室に高額な構造的処置を施して初めて捕捉できる。
【０００３】
既に従来から、タービン車室内のタービン円板の範囲に、軸方向に延びる保護リングや破裂防護リングが設けられている。
【０００４】
排気駆動過給機におけるこのような軸流タービンの基本的構造と作用は周知であり、従ってそれについてここでは詳述しない。即ち、例えばヨーロッパ特許出願公開第０８０６５４７号明細書に、タービン排気室のガス入口側壁がタービン円板に対する破裂防護機能を果たす軸流タービンが記載されている。そのためにそこでは、破裂防護体を、タービン排気室のガス入口側壁の半径方向に延びる一体構造部品の形をしたリングとして形成し、タービン入口室に直接或いは上流側に配置した軸方向延長部材を介して結合している。
【０００５】
しかし排気駆動過給機の軸流タービンの開発経過で、細長い動翼から短く幅広い動翼に変更する傾向、所謂少ない翼数の「ワイド コード」翼にする傾向にある。これに伴い、個々の動翼は重くなり、これらの動翼を大きな周速下でも確実に保持せねばならないタービン円板は、幅広くなる。勿論、この処置により回転質量が大きくなる。そのため、今日では普通の大きな周速に関連してかなり大きな遠心力が生じ、良好な防護処置で、この遠心力を問題なくせねばならない。
【０００６】
従来、タービン排気室の一体構造部品であり破裂防護リングの形をした上述の破裂防護体やディフューザに、例えば締付けリングでねじ結合されたタービン円板に対する覆いリングは、破損した動翼がタービン車室から飛び出るのを防止するのに十分な手段であった。
【０００７】
しかし上述の処置は、条件が厳しくなるにつれて、タービン車室の外側壁の突破を確実に防止し、人のけがや隣接する機械部品の損傷を防止する安全な破裂防護を保障する上で、もはや十分でない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の軸流タービンを、破損したタービン円板や動翼の破片が極めて大きな周速においてもタービン車室から飛び出すのを、タービン車室の外側に補助的な破裂防護体を設ける必要なしに防止すべく、簡単且つ安価に形成することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題は、請求項１に記載の手段によって解決される。
【００１０】
本発明に基づき、排気ディフューザの外側壁を、タービン円板の軸方向範囲において半径方向に外側輪郭部と内側輪郭部を備えて形成し、両輪郭部間に環状支持壁部を設け、排気ディフューザ外側壁の外側輪郭部を、タービン円板の軸方向範囲を越えて延びる環状延長部材の形に形成し、タービン円板と動翼に対する覆いリングを、排気ディフューザの支持壁部と外側壁内側輪郭部の間に配置し、タービン入口室とタービン排気室を、該排気室のガス入口側壁が半径方向においてタービン円板の中央平面上に被さって位置するよう互いに結合することで、軸流タービンの３つの要件を満たす３段階の破裂防護作用を達成できる。
【００１１】
タービン円板やタービン翼が破損した場合、まず（第１段階として）、破片は排気ディフューザの支持壁部に支持された覆いリングに衝突する。覆いリングと支持壁部がその衝撃に耐えられない程破片が大きい場合、覆いリングと支持壁部の破損によって、破片の運動エネルギの一部が消散される。
【００１２】
少なくとも覆いリングは、鋼や合金鋼等の非脆性材料で作り、軸流タービンの他の部分は、公知のように鋳造品から形成するとよい。これによって、エネルギの消散作用は最良になる。同じ目的のために、覆いリングを支持壁部で接触支持し、たわみ継手要素により排気ディフューザに固定してもよい。
【００１３】
第２段階において、破片は半径方向外側に、排気ディフューザの外側壁外側輪郭部の環状延長部材に衝突する。この環状ないし円筒状の延長部材を、これがタービン円板の軸方向範囲を越えて延びるよう形成することで、破片の運動エネルギの大部分を吸収する。そのため、排気ディフューザの外側壁外側輪郭部の環状延長部材を、半径方向に配置したリブにより補強するとよい。
【００１４】
第３段階において、破片の残留エネルギは、半径方向においてタービン円板の中央平面の真上に被さって位置するタービン排気室のガス入口側壁によって吸収される。タービン入口室と、ディフューザ外側壁と、タービン排気室との間の中実のフランジ継手は、強固に形成するとよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下図示の実施例を参照し、本発明を詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明による排気駆動過給機の軸流タービンの一部を断面図で示す。図には、本発明の理解にとって重要な構成要素しか示していない。例えば排気駆動過給機の圧縮機側は図示していない。排気の流れ方向は矢印で示してある。
【００１７】
図１が基礎とする形式の排気駆動過給機は、軸流タービン１を備える。このタービン１は、ガス出口側壁３を備えたタービン入口室２と、ガス入口側壁５を備えたタービン排気室４とから構成されたタービン車室を有している。このタービン車室内に、軸６で支持された動翼８付きタービン円板７を配置してある。
【００１８】
タービン円板７の動翼８は、外側が排気ディフューザ９で境界づけられ、流路１４内に排気ディフューザ９により収容されている。排気ディフューザ９の外側壁１０は、タービン円板７の軸方向範囲において、半径方向に外側輪郭部１１と内側輪郭部１２とで形成されている。外側輪郭部１１と内側輪郭部１２の間に、円筒状又は環状の支持壁部１３が一体に形成されている。外側輪郭部１１は環状又は円筒状の延長部材の形に形成され、この部材は、タービン円板７の軸方向範囲を越えて延びている。
【００１９】
タービン円板７とタービン車室との間に、流路１４が存在する。この流路１４はエンジン（図示せず）の排気ガスを受け、公知のようにタービン円板７の動翼８に導く。流路１４の上流側に、外輪１５と内輪１６から成るノズルリングがはめ込まれている。このノズルリングは、外輪１５および内輪１６にあるフランジ１８で、継手要素１７によりタービン入口室２に結合されている。
【００２０】
軸方向においてノズルリング１５、１６と排気ディフューザ９の間で、タービン円板７の動翼８に対する覆いリング１９が、ノズルリングの外輪１５と覆いリング１９の間に隙間２８を形成し、内輪１６とタービン円板７の間に隙間２０を形成し、且つ排気ディフューザ９の外側壁内側輪郭部１２に気密に接して、流路１４に結合されている。タービン円板７と排気ディフューザ９の内側壁２２の間にも、公知のように隙間２１が開けられている。
【００２１】
覆いリング１９は排気ディフューザ９の支持壁部１３に接触支持され、たわみ継手要素、即ち伸びボルト２７で、排気ディフューザ９に固定されている。
【００２２】
タービン入口室２とタービン排気室４は、タービン排気室４のガス入口側壁５が半径方向においてタービン円板７の中央平面２３の真上に被さって位置するよう、互いに結合されている。
【００２３】
排気ディフューザ９の外側輪郭部１１の環状延長部材は、端面側に環状取付けフランジ２４又は複数の個々の取付けフランジ部分を有し、該フランジ２４が、タービン入口室２とタービン排気室４の継手の中に挟み込まれ、剛性継手要素２５により、タービン入口２およびタービン排気室４にねじ結合されている。
【００２４】
更に、外側輪郭部１１の環状延長部材は、半径方向に配置されたリブ２６によって補強されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく排気駆動過給機の軸流タービンの部分断面図。
【符号の説明】
１ 軸流タービン
２ タービン入口室
３ ガス出口側壁
４ タービン排気室
５ ガス入口側壁
６ 軸
７ タービン円板
８ 動翼
９ 排気ディフューザ
１０ 外側壁
１１ 外側壁外側輪郭部
１２ 外側壁内側輪郭部
１３ 支持壁部
１４ 流路
１５ ノズルリングの外輪
１６ ノズルリングの内輪
１７ 継手要素
１８、２４ フランジ
１９ 覆いリング
２０、２１、２８ 隙間
２２ 排気ディフューザの内側壁
２３ タービン円板の中央平面
２５ 剛性継手要素
２６ リブ
２７ たわみ継手要素
Claims (6)
- ガス出口側壁付きタービン入口室とガス入口側壁付きタービン排気室とから成るタービン車室を備え、該車室内に軸で支持された動翼付きタービン円板が配置され、該円板の外側が排気ディフューザによって流路を形成した状態で境界づけられ、タービン車室内においてタービン円板の軸方向範囲に破裂防護体が設けられた排気駆動過給機の軸流タービンにおいて、
排気ディフューザ（９）の外側壁（１０）が、タービン円板（７）の軸方向範囲に、半径方向に外側輪郭部（１１）と内側輪郭部（１２）を備えて形成され、該外側輪郭部（１１）と内側輪郭部（１２）の間に環状支持壁部（１３）が設けられ、排気ディフューザ外側壁（１０）の外側輪郭部（１１）が、タービン円板（７）の軸方向範囲を越えて延びる環状延長部材の形に形成され、タービン円板（７）と動翼（８）に対する覆いリング（１９）が、排気ディフューザ（９）の支持壁部（１３）と外側壁内側輪郭部（１２）の間に配置され、タービン入口室（２）とタービン排気室（４）が、タービン排気室（４）のガス入口側壁（５）が半径方向においてタービン円板（７）の中央平面（２３）の上に被さって位置するよう互いに結合されたことを特徴とする軸流タービン。 - 覆いリング（１９）が、支持壁部（１３）に接触支持され、たわみ継手要素（２７）によって排気ディフューザ（１９）に固定されたことを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
- 排気ディフューザ（９）の外側壁外側輪郭部（１１）の環状延長部材が、半径方向に配置されたリブ（２６）により補強されたことを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
- 環状延長部材（１１）の終端側に、タービン入口室（２）と排気室（４）との継手内に挟み込まれる取付けフランジ（２４）を備えることを特徴とする請求項１又は３記載の軸流タービン。
- タービン入口室（２）と排気室（４）との継手が、剛性継手要素（２５）であることを特徴とする請求項１又は４記載の軸流タービン。
- 少なくとも排気ディフューザ（９）の覆いリング（１９）が鋼や合金鋼等の非脆性材料からなることを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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