JP6755766B2

JP6755766B2 - 排ガスターボチャージャー及び排ガスターボチャージャー用支持構造

Info

Publication number: JP6755766B2
Application number: JP2016193079A
Authority: JP
Inventors: クラウス・バルトロメー; フランク・グリースハーバー; シュテフェン・ブラウン; ヤン−エリック・メルスコッテ; ボリス・タザー; デニス・ザウアー; ヴラディミール・ホルト
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2015-10-31
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2020-09-16
Anticipated expiration: 2036-09-30
Also published as: CN106907196A; JP2017089616A; CH711752B1; KR20170051288A; CH711752A2; DE102015014030A1

Description

本発明は、排ガスターボチャージャー及び排ガスターボチャージャー用支持構造に関する。

排ガスターボチャージャーは、タービン及びコンプレッサーを有している。排ガスターボチャージャーのタービンは、エンジンから排出された排ガスを膨張させ、排ガス膨張時におけるエネルギーを得る。排ガスターボチャージャーのコンプレッサーは、エンジンに供給すべき給気を、タービン内で得られたエネルギーを用いて圧縮する。タービンは、複数部分からなるタービンハウジング、及び、タービンハウジング内に位置するタービンローターを有している。コンプレッサーは、複数部分からなるコンプレッサーハウジング、及び、コンプレッサーハウジング内に位置するコンプレッサーローターを有している。コンプレッサーローター及びタービンローターは、シャフトを介して連結されている。排ガスターボチャージャーの運転においては、例えばコンプレッサーローターが破損し、コンプレッサーローターの破片がコンプレッサーハウジングを突き破って排ガスターボチャージャーの周囲に飛びだすという危険が存在する。同様の破損事例は、排ガスターボチャージャーのタービンの領域においても発生する可能性がある。この問題を顧慮するため、実用において知られる排ガスターボチャージャーでは、コンプレッサーハウジング及び、場合によってはタービンハウジングは、それぞれのハウジングの破損事例が発生しないよう、及び、それぞれのローターが破損した場合でもその破片がそれぞれのハウジングを突き破れないように構成されている。しかしながら、一方ではこれにより排ガスターボチャージャーの重量が高まり、また、他方では、この手段が適用できるのは新たに設計される排ガスターボチャージャーのみである。これに対して、すでにある、古い排ガスターボチャージャーを製造しなおすことはできないため、これらにはそのような保護が行われておらず、そのため、破損時において破片が周囲に飛び出す可能性がある。

特許文献１より、すでにある古い排ガスターボチャージャーでも、破損時においてその破片が周囲に飛び出さないようにすることで保護できる解決法が知られている。そこではそのために、コンプレッサーハウジング及び／又はタービンハウジングを、少なくとも部分的に、それぞれ少なくとも一つの金属リングメッシュにより覆うことが提案されている。

独国特許第１０２０１３０１３５７１号明細書

上記に鑑みて、本発明の課題は、排ガスターボチャージャー及び排ガスターボチャージャー用の新規の支持構造を提供することである。

この課題は、請求項１に記載の排ガスターボチャージャーにより解決される。

本発明によると排ガスターボチャージャーは、圧縮力を介してタービンハウジング及びコンプレッサーハウジングを固定する支持構造を有しており、この支持構造は、コンプレッサーハウジングの外側にセットする第１リングフランジ、及び、タービンハウジングの外側にセットする第２リングフランジを有しており、これらリングフランジは、タービンハウジング及びコンプレッサーハウジングを固定しつつテンション・コンプレッション・ロッドにより互いに接続されている。本発明の排ガスターボチャージャーは排ガスターボチャージャーの破損時に対して特に好適に保護されており、そのため、排ガスターボチャージャーの破片が周囲に飛び出すことはない。本発明の排ガスターボチャージャーの支持構造はとりわけ、すでにある古い排ガスターボチャージャーを改造するのに適している。

望ましくは第１リングフランジは、コンプレッサーハウジングの渦巻き型ハウジングの外側に、第２リングフランジは、タービンハウジングの流出ハウジングの外側にセットされている。テンション・コンプレッション・ロッドはコンプレッサーハウジングの外側において、及び、タービンハウジングの外側において延在している。これにより、破損時において排ガスターボチャージャーを特に効果的に保護することができ、この保護はとりわけ、すでにある古い排ガスターボチャージャーを増備するのに適している。

好適な発展形によると、タービンハウジング及びコンプレッサーハウジング、もしくは、これらの対応するハウジング部分は、支持構造により圧縮力を介して固定され、その際、圧縮力によりひき起こされたハウジングもしくはハウジング部分内における圧縮応力は、破損時においてハウジングもしくはハウジング部分に作用する引張応力より量的に大きい。これにより簡単かつ高信頼的に、互いに固定されたハウジングもしくはハウジング部分が排ガスターボチャージャーの破損時において破裂し、それによりコンプレッサーローター又はタービンローターの破片がそれぞれのハウジングを突き破ることが回避できる。特に好適には、これにより、すでにある古い排ガスターボチャージャーを破損時において保護することができる。

さらなる好適な発展形によるとコンプレッサーハウジングは、コンプレッサーハウジングの渦巻き型ハウジングに取り付けられた、延性材料からできたインサート部品を有している。これにより、コンプレッサーローターの破損時において、コンプレッサーローターの破片がインサート部品に衝突した場合、インサート部品が面負荷を受け、点負荷は受けないようにすることができ、それにより、破損時において、インサート部品を介してコンプレッサーハウジングにはたらく力を支持構造内に好適に伝えることができる。それにより、破損時において排ガスターボチャージャーを特に効果的に保護することができる。

本発明の排ガスターボチャージャー用支持構造は請求項１０に記載されている。

本発明の望ましい発展形は、従属請求項及び以下の説明から理解できる。本発明の実施例について図を用いて詳しく説明するが、これに限定されるわけではない。

従来の排ガスターボチャージャーの部分の断面図である。本発明の排ガスターボチャージャーの外観図である。

本発明は排ガスターボチャージャーに関する。排ガスターボチャージャーは、タービン及びコンプレッサーを有している。排ガスターボチャージャーのタービンは、複数部分からなるタービンハウジング、及び、タービンハウジング内に収容されたタービンローターを有している。排ガスターボチャージャーのコンプレッサーは、コンプレッサーハウジングならびにコンプレッサーハウジング内に収容されたコンプレッサーローターを有する。タービンローター及びコンプレッサーローターは互いに連結されている。タービンの領域において膨張時に排ガスから得られたエネルギーは、給気を圧縮するためにコンプレッサー内で利用される。

図１は、排ガスターボチャージャーのコンプレッサー１、つまりコンプレッサーハウジング２の領域の部分の断面図であり、図１に図示されたコンプレッサーハウジング２は、ベアリングハウジング３と渦巻き型ハウジング４とから構成されている。

図１にはまた、コンプレッサーハウジング２の渦巻き型ハウジング４にセットされたインサート部品５ならびにやはりコンプレッサーハウジング２の渦巻き型ハウジング４にセットされた、サイレンサー６の要素が図示されている。図１にはまた、コンプレッサーローター７が図示されており、コンプレッサーローター７及びインサート部品５により、圧縮すべき給気のための流路８が画定される。コンプレッサーハウジング２のベアリングハウジング３には、排ガスターボチャージャーのタービン１１のタービンハウジング１０の流出ハウジング９がセットされており、タービンハウジング１０は流出ハウジング９に加えて、図示されていない流入ハウジングも有している。タービン１１はさらに、図示されていないタービンローターを有しており、これは、コンプレッサーローター７に連結されている。

図１に図示された排ガスターボチャージャーの基本的な構造は、当業者によく知られているものである。

排ガスターボチャージャーに破裂保護もしくは封じ込め保護を提供するために、本発明において排ガスターボチャージャーは支持構造１２を有しており、この支持構造１２により、タービンハウジング１０とコンプレッサーハウジング２とは、圧縮力を介して互いに固定されている。支持構造１２はそのためにコンプレッサーハウジング２の外側にセットされた第１リングフランジ１３、及び、タービンハウジング１０の外側にセットされた第２リングフランジ１４を有している。第１リングフランジ１３はコンプレッサーハウジング２に、つまり、コンプレッサーハウジング２の渦巻き型ハウジング４に接合されており、これに対して、第２リングフランジ１４はタービンハウジング１０に、つまり、タービンハウジング１０の流出ハウジング９に接合されている。第１リングフランジ１３はこのときコンプレッサーハウジング２、つまり渦巻き型ハウジング４の外側に、第１ねじ接合を介してセットされており、第２リングフランジ１４はタービンハウジング１０、つまり流出ハウジング９の外側に、第２ねじ接合を介してセットされている。

支持構造１２の２つのリングフランジ１３、１４は、複数のテンション・コンプレッション・ロッド１５を介して互いに接続されており、つまりタービンハウジング１０及びコンプレッサーハウジング２は、圧縮力によりひき起こされた圧縮応力がこれらハウジング２、１０内にもたらされて固定される。したがって、図示された望ましい実施例においては、コンプレッサーハウジング２及びタービンハウジング１０の外側にセットされた支持構造１２は、コンプレッサーハウジング２の渦巻き型ハウジング４及び、タービンハウジング１０の流出ハウジング９を互いに、圧縮力を介して固定しており、また、これら圧縮力は、テンション・コンプレッション・ロッド１５及び支持構造１２のリングフランジ１３、１４を介してハウジング部分に、つまり渦巻き型ハウジング４及び流出ハウジング９にもたらされてこれらハウジング部分内に圧縮応力をひき起こし、その圧縮応力は、破損時においてハウジング２、１０もしくはハウジング部分４、９に作用する引張応力より量的に大きい。そのため、破損時において作用する引張力及び、それによりひき起こされ、排ガスターボチャージャーのハウジングもしくはハウジングの前述のハウジング部分に作用する引張応力は、支持構造１２からハウジング２、１０もしくはハウジング部分４、９内へもたらされた圧縮応力により補償することができ、それにより、ハウジング２、１０もしくはハウジング部分４、９が破損時において破裂する危険がなくなる。

コンプレッサーハウジング２、とりわけコンプレッサーハウジング２の渦巻き型ハウジング４の外側にセットされた第１リングフランジ１３は、破損時においてまず、コンプレッサーハウジング２に作用する軸方向力を受容し、これに対して、タービンハウジング１０、もしくはタービンハウジング１０の流出ハウジング９の外側にセットされた第２リングフランジ１４は、破損時においてまず、タービンハウジング１０に作用する軸方向力を受容する。

そのため、排ガスターボチャージャーの破損時において、コンプレッサーローター７、又は、図示されていないタービンローターが破断した場合、これらローターの破片がハウジングに衝突することにより生じる軸方向力は、支持構造１２により安全に受容されることができる。破損時において例えばコンプレッサーローター７の破片がまずインサート部品５に到達し、インサート部品５を介して、コンプレッサーハウジング２の渦巻き型ハウジング４に引張力が、及びそれにより引張応力がかかる可能性がある。そのような破片はさらに、タービンハウジング１０の流出ハウジング９に接続されている、コンプレッサーハウジング２のベアリングハウジング３に到達する。それにより、引張力及びそれにより引張応力が最終的にハウジングもしくはハウジング部分内にもたらされ、これらの破壊につながる可能性がある。本発明の支持構造１２はそれに対する保護であり、コンプレッサーハウジング２の渦巻き型ハウジング４及びタービンハウジング１０の流出ハウジング９は、支持構造１２を介して、ハウジングもしくはハウジング部分内に圧縮応力がもたらされつつ、定義どおりに互いに固定されている。すでに述べたように、このときリングフランジ１４は、タービンハウジング１０の流出ハウジング９に伝えられる力を受容し、これに対してリングフランジ１３はまず、コンプレッサーハウジング２の渦巻き型ハウジング４に作用する力を受容する。ハウジングもしくはハウジング部分を固定しつつ２つのリングフランジ１３、１４を互いに接合しているテンション・ロッド１５の数を適切にすることにより、ハウジング２、１０もしくはハウジング部分４、９内に適切な前負荷を設定することができる。

望ましい実施例においては、渦巻き型ハウジング４に取り付けられた、コンプレッサーハウジング２のインサート部品５は、延性材料からなっているもしくは延性材料で形成されている。それにより、コンプレッサーローター７の破損時において、インサート部品５に衝突した破片が、インサート部品５の点負荷を引き起こすのではなく、むしろ面負荷を引き起こすようにすることができ、それにより、対応する力が均等に支持構造１２内にもたらされ、支持構造１２により受容されることができる。それにより、排ガスターボチャージャーにとって特に好適な封じ込め保護もしくは破裂保護が可能となる。

また、タービンハウジング１０の領域における負荷を面負荷として均等にやはり支持構造１２内に伝えられるよう、タービンハウジング１０の流出ハウジング９が延性材料からできていることが好適である。

本発明はとりわけ、すでにある古い排ガスターボチャージャーに効果的な破裂保護もしくは封じ込め保護を増備することに適している。本発明の支持構造１２は、排ガスターボチャージャーに封じ込め保護もしくは破裂保護を提供するために、すでにある排ガスターボチャージャーのコンプレッサーハウジング２及びタービンハウジング１０の外側に簡単に取り付けることができる。

１コンプレッサー
２コンプレッサーハウジング
３ベアリングハウジング
４渦巻き型ハウジング
５インサート部品
６サイレンサー
７コンプレッサーローター
８流路
９流出ハウジング
１０タービンハウジング
１１タービン
１２支持構造
１３リングフランジ
１４リングフランジ
１５テンション・コンプレッション・ロッド

Claims

排ガスターボチャージャーであって、排ガスを膨張させ、エネルギーを得るためのタービン（１１）、及び、前記タービン内で得られたエネルギーを使って給気を圧縮するためのコンプレッサー（１）を有しており、前記タービン（１１）は流入ハウジング及び流出ハウジング（９）を備える複数部分からなるタービンハウジング（１０）、及び、前記タービンハウジング内に位置するタービンローターを有しており、また、前記コンプレッサー（１）は、ベアリングハウジング（３）及び渦巻き型ハウジング（４）を備える複数部分からなるコンプレッサーハウジング（２）、及び、前記コンプレッサーハウジング内に位置し、前記タービンローターに連結されたコンプレッサーローター（７）を有している、排ガスターボチャージャーにおいて、
前記タービンハウジング（１０）及び前記コンプレッサーハウジング（２）が、圧縮力を介して支持構造（１２）により固定されており、前記支持構造（１２）は、前記コンプレッサーハウジング（２）の外側にセットされた第１リングフランジ（１３）、タービンハウジング（１０）の外側にセットされた第２リングフランジ（１４）を有しており、これらが、テンション・コンプレッション・ロッド（１５）により、前記タービンハウジング（１０）及び前記コンプレッサーハウジング（２）を固定しつつ互いに接続されており、
前記テンション・コンプレッション・ロッド（１５）は、前記第１リングフランジ（１３）と前記第２リングフランジ（１４）とが互いに近づくように、前記第１リングフランジ（１３）と前記第２リングフランジとに張力を付与しており、
前記第１リングフランジ（１３）は、前記テンション・コンプレッション・ロッド（１５）により付与される張力によって、前記コンプレッサーハウジング（２）に、その外側から圧縮力を作用させており、前記第２リングフランジ（１４）は、前記テンション・コンプレッション・ロッド（１５）により付与される張力によって、前記タービンハウジング（１０）に、その外側から圧縮力を作用させており、これにより前記コンプレッサーハウジング（２）と前記タービンハウジング（１０）とが前記圧縮力によって互いに固定されていることを特徴とする排ガスターボチャージャー。
前記第１リングフランジ（１３）が、前記コンプレッサーハウジング（２）の渦巻き型ハウジング（４）の外側にセットされることを特徴とする、請求項１に記載の排ガスターボチャージャー。
前記第２リングフランジ（１４）が、前記タービンハウジング（１０）の流出ハウジング（９）の外側にセットされることを特徴とする、請求項１又は２に記載の排ガスターボチャージャー。
前記テンション・コンプレッション・ロッド（１５）が、前記コンプレッサーハウジング（２）及び前記タービンハウジング（１０）の外側において延在していることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の排ガスターボチャージャー。
前記第１リングフランジ（１３）が、破損時において前記コンプレッサーハウジング（２）に作用する軸方向力を受容することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の排ガスターボチャージャー。
前記第２リングフランジ（１４）が、破損時において前記タービンハウジング（１０）に作用する軸方向力を受容することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の排ガスターボチャージャー。
前記支持構造（１２）が、前記タービンハウジング（１０）及び前記コンプレッサーハウジング（２）もしくはこれらのそれぞれ対応するハウジング部分（４、９）を、圧縮力を介して固定しており、その際、その圧縮力により前記ハウジング（２、１０）もしくはハウジング部分（４、９）内にひき起こされた圧縮応力が、破損時において前記ハウジング（２、１０）もしくはハウジング部分（４、９）に作用する引張応力より量的に大きいことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の排ガスターボチャージャー。
前記コンプレッサーハウジング（２）が、前記コンプレッサーハウジング（２）の渦巻き型ハウジング（４）に取り付けられた、延性材料でできたインサート部品（５）を有していることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の排ガスターボチャージ
ャー。
前記タービンハウジング（１０）の前記流出ハウジング（９）が、延性材料からできていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の排ガスターボチャージャー。
排ガスターボチャージャー用の支持構造（１２）であって、排ガスターボチャージャーは、排ガスを膨張させてエネルギーを得るためのタービン（１１）、及び、前記タービン内で得られたエネルギーを用いて給気を圧縮するためのコンプレッサー（１）を有しており、前記タービンは、複数部分からなるタービンハウジング（１０）及び該タービンハウジング内に配置されたタービンローターを有しており、前記コンプレッサーは、複数部分からなるコンプレッサーハウジング（２）及び該コンプレッサーハウジング内に配置され、前記タービンローターに連結されたコンプレッサーローターを有しており、前記支持構造（１２）は、圧縮力を介して前記タービンハウジング（１０）及びコンプレッサーハウジング（２）を固定しており、前記支持構造（１２）は、前記コンプレッサーハウジング（２）の外側に取り付け可能な第１リングフランジ（１３）、及び、前記タービンハウジング（１０）の外側に取り付け可能な第２リングフランジ（１４）を有しており、これらは、テンション・コンプレッション・ロッド（１５）により、前記タービンハウジング（１０）及び前記コンプレッサーハウジング（２）を固定しつつ互いに接続されており、
前記テンション・コンプレッション・ロッド（１５）は、前記第１リングフランジ（１３）と前記第２リングフランジ（１４）とが互いに近づくように、前記第１リングフランジ（１３）と前記第２リングフランジとに張力を付与するように構成されており、
前記第１リングフランジ（１３）は、前記テンション・コンプレッション・ロッド（１５）により付与される張力によって、前記コンプレッサーハウジング（２）に、その外側から圧縮力を作用させるように構成されており、前記第２リングフランジ（１４）は、前記テンション・コンプレッション・ロッド（１５）により付与される張力によって、前記タービンハウジング（１０）に、その外側から圧縮力を作用させるように構成されており、これにより前記コンプレッサーハウジング（２）と前記タービンハウジング（１０）とが前記圧縮力によって互いに固定されることを特徴とする支持構造（１２）。
前記支持構造（１２）が、請求項２から７のいずれか一項に記載のように構成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の支持構造（１２）。