JP2012503743A - ターボ過給機およびターボ過給機用の保持ディスク - Google Patents
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Abstract
本発明は、特にディーゼルエンジン用のターボ過給機で使用するための保持ディスクであって、樹枝状炭化物析出物を含むオーステナイトベースの構造を有する鉄ベースの合金からなる保持ディスクに関する。
Description
本発明は、請求項１の前段に記載の、特にディーゼルエンジン用のターボ過給機で使用するための保持ディスク、および請求項４の前段に記載の保持ディスクを備える排気ガスターボ過給機に関する。
排気ガスターボ過給機は、ピストンエンジンの動力を増加させるためのシステムである。排気ガスターボ過給機では、動力を増加させるために排気ガスのエネルギーが使用される。作業ストロークあたりの混合物のスループットが増加することにより動力が増加する。
ターボ過給機は、シャフトおよびコンプレッサを有する排気ガスタービンを実質的に備え、エンジンの吸入口に配置されたコンプレッサがシャフトに接続され、排気ガスタービンおよびコンプレッサのケーシング内に配置されたブレードホイールが回転する。可変のタービン幾何形状を有するターボ過給機の場合、さらに、ブレード軸受リング内に調節ブレードが回転可能に取り付けられ、ターボ過給機のタービンケーシング内に配置された調節リングによって移動される。タービンケーシング内に配置されたリング（前記リングは、保持ディスクとも呼ばれる）は、ブレード軸受リングと共に、調節ブレードによって形成される流れ空間を軸方向で画定する。このリングをブレード軸受リングに所定の距離で締結するために通常はねじが使用され、この距離は、所望の寸法を有する流路を形成するようにスペーサによって所定の高さに設定される。
保持ディスクの材料には、非常に高い要件が課される。保持ディスクを形成する材料は耐熱性がなければならず、すなわち、最大約９００℃の非常に高い温度でさえ依然として十分な強度を示さなければならない。さらに、材料に対する腐食および摩耗が低減され、したがって極端な動作条件下でも材料の耐性が保証されるように、材料は高い耐摩耗性および対応する耐酸化性を有さなければならない。
排気ガスターボ過給機およびそれらの個々の構成要素のための耐熱性材料は、欧州特許出願公開第１３９６６２０号から知られている。この文献では、適切な材料は、ある特定の組成を有する材料と考えられ、構成要素の表面が炭化クロム層で被覆されることがあり、材料が少量の小さな非金属含有物を含む。この材料は、７００℃までまたはそれ以上までのターボ過給機の耐熱性を実現することを意図されている。
これに鑑みて、本発明の目的は、請求項１の前段に記載の保持ディスク、または請求項４の前段に記載のターボ過給機であって、極端な温度で、改良された耐温度性、耐酸化性、および耐食性を有し、また対応する耐湿食性も有し、最適なトライボロジー特性によって特徴付けられ、しかも摩耗しにくいターボ過給機を提供することである。
この目的は、請求項１および請求項４に記載の特徴によって実現される。
本発明による、オーステナイト鉄ベースの合金からなる保持ディスク、またはそのような保持ディスクを備える排気ガスターボ過給機の設計により、材料のより良い耐温度性が実現される。耐温度性は、鉄ベースの合金中に存在する樹枝状炭化物析出物、および窒素の含有によって何倍にも増加される。これにより、９００℃までの範囲内で最適な耐温度性を有し、耐高温性も非常に高く、高い耐摩耗性および耐食性を有し、さらに、酸化されにくい上に摺動特性が非常に良いことによって特徴付けられる本発明による保持ディスク、または保持ディスクを含む排気ガスターボ過給機が提供される。
また、本発明による保持ディスクは、寸法安定性が高く、したがって非常に平坦である。
理論に拘束されずに、樹枝状での炭化物析出物は、支持効果を提供する微細な分枝を材料の微細構造内で形成することによって合金材料の安定性を高め、したがってその特別な構造により、材料の強度、したがって本発明による保持ディスクの強度をかなり高めると考えられる。
軸受荷重約１０Ｎ／ｍｍ２、摺動速度０．０２５ｍ／ｓ、構成要素温度５００〜９００℃、表面粗さＲｚ６．３、試験時間５００時間、クロック周波数０．２Ｈｚ、調節角度４５°、摩擦値０．２８、接触面積１０ｍｍ２、圧力脈動＜２００ｍｂａｒ、排気ガス圧＜１．５ｂａｒで、試験媒体としてディーゼル排気ガスを用いたとき、本発明による保持ディスクの最大摩耗率は０．０５ｍｍ未満である。
熱衝撃サイクル試験中、本発明による保持ディスクの材料の平坦性は、７０ｍｍの試験直径で０．１ｍｍ未満である。
従属請求項は、本発明の有利な発展形態を含む。
一実施形態では、本発明による保持ディスクは、以下の成分を含む特定の組成によって特徴付けられる。
Ｃ：０．１〜０．６重量％
Ｃｒ：２２〜２７重量％
Ｎｉ：６．５〜１５重量％
Ｍｎ：７．５〜１４．５重量％
Ｓｉ：≦１重量％
Ｖ：０．７５〜２．５重量％
Ｎ：０．１〜０．７重量％
および鉄。
Ｃ：０．１〜０．６重量％
Ｃｒ：２２〜２７重量％
Ｎｉ：６．５〜１５重量％
Ｍｎ：７．５〜１４．５重量％
Ｓｉ：≦１重量％
Ｖ：０．７５〜２．５重量％
Ｎ：０．１〜０．７重量％
および鉄。
鉄ベースの合金に対する個々の元素の影響は知られているが、ここで驚くべきことに、正確に上記の組合せにすると、保持ディスクを形成するために加工されるときに、特にバランスの取れた特性プロファイルを前記保持ディスクに与える材料が得られることが判明した。本発明によるこの組成物は、特に高い耐高温性および耐温度性（最大９００℃）を有し、優れた摺動特性、したがって特に低い摺動摩耗またはアブレシブ摩耗によって特徴付けられる保持ディスクを提供する。さらに、耐食性が最大になり、これは特に湿食にも当てはまる。さらに、本発明による材料、したがって保持ディスクは、非常に寸法安定性が高い。
したがって、このようにして製造される本発明による材料は、以下の特性を有する。
本発明のさらなる実施形態によれば、本発明による保持ディスクは、シグマ相を含まない。これは、材料が脆性になるのを防止し、材料の耐久性を高める。シグマ相は、高硬度であり脆性の焼結金属の相である。この相は、原子半径の差がごくわずかである体心立方金属と面心立方金属の間で生じる。このタイプのシグマ相は、脆化効果をもち、またマトリックスがクロムを引き出す特性をもつため、望ましくない。したがって、本発明による材料は、シグマ相を含まないことによって特徴付けられる。これは、材料が脆性になるのを防止し、材料の耐久性を高める。シグマ相形成の減少または防止は、合金材料中のシリコン含有率を１．３重量％未満、好ましくは１重量％未満に減少することによって実現される。さらに、例えばマンガン、窒素、およびニッケル、適切であればそれらの組合せなど、オーステナイト形成元素を使用することが有利である。
別途に取り扱うことができる一目的として、請求項４は、樹枝状炭化物析出物を含むオーステナイトベースの構造からなる既述の保持ディスクを備える排気ガスターボ過給機を定義する。
図１は、本発明によるターボ過給機１を示し、このターボ過給機１は、タービンケーシング２と、軸受ケーシング２８を介してタービンケーシング２に接続されたコンプレッサケーシング３とを有する。ケーシング２、３、および２８は、回転軸Ｒに沿って配置されている。ブレード軸受リング６と半径方向外側のガイド火格子１８の構成を例示するために、タービンケーシングを部分的に断面で示してある。ガイド火格子１８は、前記リングによって形成され、複数の調節ブレード７を有し、これらのブレード７は、円周に沿って分布し、回転軸８を有する。このようにすると、形成されるノズル断面は、調節ブレード７の位置に依存して大きさが変わり、回転軸Ｒに心合わせされたタービンロータ４に対するエンジンからの排気ガスの作用の度合いも変わる。前記排気ガスは、供給管路９を通して供給され、中央接続部片１０を通して排出されて、タービンロータ４を使用して同じシャフト上に載置されたコンプレッサホイール１７を駆動する。
調節ブレード７の移動または位置を制御するために、作動デバイス１１が提供される。この作動デバイス１１は望みに応じて如何様にも設計することができるが、好ましい実施形態は制御ケーシング１２を有し、制御ケーシング１２は、そこに固定されたタペット部材１４の制御運動を制御して、ブレード軸受リング６の後方に位置された調節リング５に対する前記タペット部材の運動を前記調節リングのわずかな回転運動に変換する。調節ブレード７用の自由空間１３が、ブレード軸受リング６とタービンケーシング２の環状部分１５の間に形成される。この自由空間１３を保証することができるように、ブレード軸受リング６がスペーサ１６を有する。本発明によれば、タービンブレード７のための自由空間は、スペーサ６を用いて、保持ディスク１９によって上に向けて画定される。
本発明による保持ディスクを形成するための合金を、従来のプロセスによって以下の元素から製造した。化学的分析により、各元素に関して以下の値が得られた。Ｃ：０．１〜０．５重量％、Ｃｒ：２３〜２６重量％、Ｎｉ：６．５〜１２．５重量％、Ｍｎ：７．５〜１２重量％、Ｓｉ：最大１重量％、Ｎｂ：０．７５〜１．７重量％、Ｎ：０．１〜０．５重量％、Ｖ：０．８〜１．７重量％、残部：鉄。
この実施例に従って製造した調節リングは、６６８ＭＰａの引張り強度Ｒｍによって特徴付けられた（ＡＳＴＭ Ｅ ８Ｍ／ＥＮ １０００２−１、高温ではＥＮ １０００２−５）。降伏強度Ｒｐ０．２（標準のプロセスを使用して測定）は、３８４Ｍｐａであった。材料の破断伸び（標準のプロセスを使用して測定）は、１３．１％であった。材料の硬度（ＡＳＴＭ Ｅ ９２／ＩＳＯ ６５０７−１に従って測定）は、２０７ＨＢであった。線膨張率（標準のプロセスを使用して測定）は、１６．９Ｋ−１であった（２０〜９００℃）。材料を、以下の試験を含む妥当性検査シリーズにかけた。
−屋外風化試験
−気候変動試験
−熱衝撃試験／サイクル試験−３００時間
−分解炉内での高温ガス腐食試験
−屋外風化試験
−気候変動試験
−熱衝撃試験／サイクル試験−３００時間
−分解炉内での高温ガス腐食試験
すべての試験において、構成要素は、作用する力に対する優れた耐性によって特徴付けられた。したがって、この材料は、非常に高い耐摩耗性および優れた耐酸化性を有し、それにより、上記の条件下での材料に対する腐食または摩耗がかなり低減され、したがって材料の耐性も長期保証された。
熱サイクル試験：
本発明による構成要素を熱サイクル試験にかけた。この試験では、以下のように熱衝撃試験を行った。
１．固定ロータの使用
２．２−ＥＧＴ操作
３．試験時間：３５０時間（約２０００サイクル）
４．試験中、ＥＧＴの排気ガスフラップは１５°で開けたままにする
５．高温：公称馬力点Ｔ３＝７５０℃、タービン側での質量流量ＥＧＴ：０．５ｋｇ／ｓ
６．低温：Ｔ３＝１００℃、タービン側での質量流量ＥＧＴ：０．５ｋｇ／ｓ
７．サイクル時間：２×５分（１０分）
８．３回の中間亀裂試験を行う
本発明による構成要素を熱サイクル試験にかけた。この試験では、以下のように熱衝撃試験を行った。
１．固定ロータの使用
２．２−ＥＧＴ操作
３．試験時間：３５０時間（約２０００サイクル）
４．試験中、ＥＧＴの排気ガスフラップは１５°で開けたままにする
５．高温：公称馬力点Ｔ３＝７５０℃、タービン側での質量流量ＥＧＴ：０．５ｋｇ／ｓ
６．低温：Ｔ３＝１００℃、タービン側での質量流量ＥＧＴ：０．５ｋｇ／ｓ
７．サイクル時間：２×５分（１０分）
８．３回の中間亀裂試験を行う
１ ターボ過給機
２ タービンケーシング
３ コンプレッサケーシング
４ タービンロータ
５ 調節リング
６ ブレード軸受リング
７ 調節ブレード
８ 回転軸
９ 供給管路
１０ 軸方向接続部片
１１ 作動デバイス
１２ 制御ケーシング
１３ 調節ブレード７用の自由空間
１４ タペット部材
１５ タービンケーシング２の環状部分
１６ スペーサ／スペーサボス
１７ コンプレッサホイール
１８ ガイド火格子
１９ 保持ディスク
２８ 軸受ケーシング
Ｒ 回転軸
２ タービンケーシング
３ コンプレッサケーシング
４ タービンロータ
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７ 調節ブレード
８ 回転軸
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１１ 作動デバイス
１２ 制御ケーシング
１３ 調節ブレード７用の自由空間
１４ タペット部材
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１７ コンプレッサホイール
１８ ガイド火格子
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２８ 軸受ケーシング
Ｒ 回転軸
Claims (6)
- 特にディーゼルエンジン用のターボ過給機で使用するための保持ディスクであって、樹枝状炭化物析出物を含むオーステナイトベースの構造を有する鉄ベースの合金からなる保持ディスク。
- 成分として、
Ｃ：０．１〜０．６重量％、Ｃｒ：２２〜２７重量％、Ｎｉ：６．５〜１５重量％、Ｍｎ：７．５〜１４．５重量％、Ｓｉ：≦１重量％、Ｖ：０．７５〜２．５重量％、Ｎ：０．１〜０．７重量％、およびＦｅ
を含む請求項１に記載の保持ディスク。 - シグマ相を含まない請求項１に記載の保持ディスク。
- ディーゼルエンジン用の排気ガスターボ過給機であって、樹枝状炭化物析出物を含むオーステナイトベースの構造からなる保持ディスクを備える排気ガスターボ過給機。
- 前記保持ディスクが、成分として、
Ｃ：０．１〜０．６重量％、Ｃｒ：２２〜２７重量％、Ｎｉ：６．５〜１５重量％、Ｍｎ：７．５〜１４．５重量％、Ｓｉ：≦１重量％、Ｖ：０．７５〜２．５重量％、Ｎ：０．１〜０．７重量％、およびＦｅ
を含む請求項４に記載の排気ガスターボ過給機。 - 前記保持ディスクの材料がシグマ相を含まない請求項４に記載の排気ガスターボ過給機。
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