JPH0457849B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、タービン軸の軸受ケーシングが剛体
の担持ケーシングに固定され、この担持ケーシン
グが排気ケーシングに固定配設され、高温ガスケ
ーシングが半径方向に膨張し得るように担持ケー
シングに支持されている。冷却されないガス通路
を備えた外部軸承型排気ターボ過給機に関する。

望ましくない熱応力と高すぎる表面温度を避け
るために、大型の排気ターボ過給機のガス通路は
そのほとんどが水で冷却される。これに対し、冷
却されないガス通路を備えた排気ターボ過給機は
熱力学的な長所を有する。この場合の条件は、安
全上の理由からケーシング外側温度を200℃以下
にすることである。冷却水によつて熱が運び去ら
れないので、タービン出口に至るまで非冷却ター
ボ過給機の排気からは熱が少量しか奪われない。
それによつて、タービンに入る排気の温度が高く
なるので、タービンの熱効率が良くなり、その結
果排気の量が同じ場合空気圧縮機に供与される出
力が増大する。それによつて、廃熱ボイラを備え
たデイーゼル装置の場合には余熱が約10〜15℃だ
け高い温度レベルで使用される。

高温ガスケーシングの温度が500℃以上の範囲
にあるので、熱膨張が異なることによつて定常お
よび非定常の熱応力が発生し、それによつて非冷
却排気ターボ過給機の担持ケーシングにおける高
温ガスケーシングの支持に関して構造的な問題が
生じる。

冒頭に述べた種の排気ターボ過給機は既に知ら
れている。代表的な例は定期刊行物“Brown
Boveri Mitteilungen”の1981年第５号第174〜
175頁に図示および説明されている。

この場合、高温ガスケーシングが半径方向に滑
動するフランジによつて担持ケーシングに支持さ
れている。この支持構造の場合には、高温ガスケ
ーシングから担持ケーシングへの熱伝達の抑制が
非常に困難であり、その結果担持ケーシングは表
面温度が比較的に高い。摩耗は表面圧力が小さい
場合および特殊な材料の場合にしか回避されな
い。充分な気密性とがたつきの回避は、製作誤差
を小さくすることおよび特殊なシールを用いるこ
とによつてしか達成されない。これはかなりのコ
スト高になる。

本発明の課題は、冒頭に述べた種の排気ターボ
過給機において、心合せが良好で担持ケーシング
への熱導出が少ない、高温ガスケーシングと担持
ケーシング間の連結部を提供することである。

この課題は冒頭に述べた種類の排気ターボ過給
機において、高温ガスケーシングと担持ケーシン
グの間の連結部が半径方向に撓曲可能なリング状
支持要素であり、この支持要素がほぼ軸方向に延
びる少なくとも２つのダイアフラム側部を備え、
このダイアフラム側部が折曲げ部を介して互いに
連結され、かつそれぞれ１個のフランジを介して
高温ガスケーシングと担持ケーシングに固定さ
れ、このフランジがほぼ同じ半径方向平面内に位
置していることによつて解決される。

本発明によつて得られる利点は実質的に、高温
ガスケーシングと担持ケーシングの、簡単で気密
性があり運転上安全な連結部が形成され、担持ケ
ーシングと排気ケーシングの外側温度が比較的に
低いことにある。更に、この連結部は遊びがない
ので、がたつくことがない。始動時および標準運
転時に発生する熱応力は許容範囲内にある。従つ
て、材料のクリープと摩耗は非常に生じにくくな
る。

折曲げ部がダイアフラム側部よりも強度が大き
い場合には、局所的な応力集中が著しく減少す
る。これは材料の疲労に対して好影響を及ぼし、
その結果支持要素の寿命が長くなる。

ダイアフラム側部の材料の熱膨張係数が高温ガ
スケーシングの材料よりも５〜40％だけ大きい場
合には、始動過程において内側フランジの近くで
ダイアフラムの内側側部に発生する熱応力が減少
する。

図には本発明対象物の２つの実施例が簡略化さ
れて示されている。

図において同じ部品には同じ参照符号が付けら
れている。作業媒体の流れ方向は矢印で示されて
いる。例えば空気フイルター、空気圧縮機、ター
ビン排気通路、ブラケツトおよび固定要素のよう
な本発明にとつて重要でない排気ターボ過給機部
分は省略されている。

第１図に示した、冷却されないガス通路を有す
る排気ターボ過給機の軸流タービンは、高温ガス
ケーシング１を介して、図示していない過給式デ
イーゼル機関の排気管１０に接続されている。高
温ガスケーシング１内には高温ガス通路１ａが設
けられている。タービン軸５は軸受ケーシング４
の中で周知の如く支承され、かつタービン回転羽
根６を備えた円板５ａを担持している。高温ガス
ケーシング１は担持ケーシング３にボルト止めさ
れ、この担持ケーシングは更に排気ケーシング２
のボルト止めされている。軸受ケーシング４はボ
ルトによつて担持ケーシング３に固定され、かつ
その中に図示していないタービン軸５の軸受を担
持している。

排気ケーシング２と担持ケーシング３と軸受ケ
ーシング４の運転温度を所望の範囲内に保つこと
ができるようにするために、高温ガスケーシング
１と担持ケーシング３を軸受ケーシング４の間の
中空室と、排気ケーシング２の内面は例えば鉱質
綿からなる断熱材９を備えている。案内羽根リム
７は高温ガスケーシング１のタービン側の端面に
固定されている。タービンカバーリング６ａは担
持ケーシング３に連結されている。

高温ガスケーシング１の運転温度は約500℃以
上になる。安全上の理由から、担持ケーシング３
の外側温度と排気ケーシング２の外側温度は200
℃を越えてはならない。始動時に高温ガスケーシ
ングは比較的に早く加熱され、かつ担持ケーシン
グに対して一時的に400℃以下の温度差を生じる。
なお、この温度差は標準運転では約300℃に下が
る。

冷却されないガス通路を備えた排気ガスターボ
過給機は知られているが、本発明では、高温ガス
ケーシング１が第２図に詳しく示した半径方向に
撓むリング状支持要素８によつて担持ケーシング
３に連結されている。この支持要素８はほぼ軸方
向に延びる少なく共２つのダイアフラム側部８
ｄ，８ｅを備えている。このダイアフラム側部は
一方では折り曲げ部８ｃを介して互に接続され、
他方ではそれぞれ１つのフランジ８ａ，８ｂを介
して高温ガスケーシング１と担持ケーシング３に
固定されている。この場合、フランジ８ａ，８ｂ
はほぼ同じ半径方向平面内に位置している。一方
のフランジから他方のフランジへの直接的な熱伝
達を避けるために、両側部８ｄ，８ｅ間の狭い空
間は熱的に絶縁されている。タービンカバーリン
グ６ａと案内羽根リム７の間には、常温状態で軸
方向のすきまが存在する。これによつて、案内羽
根リム７は温度および／または力の作用を受けて
軸方向に移動することができる。

内側が高温ガスケーシング１に固定されかつ加
熱状態で外側がタービンカバーリング６ａに載る
案内羽根リム７が過負荷されないようにするに
は、タービン側の高温ガスケーシング端面が温度
と力の作用を受けて担持ケーシング３に対して軸
方向へ少しだけ働けばよい。このためには特に、
タービン側の高温ガスケーシング端面の近くで高
温ガスケーシング１と担持ケーシング３を固定連
結する必要がある。

案内羽根リム７の外側の環状室が機関排気の全
圧力の下にあり、そして断熱材を充てんした、高
温ケーシング１と担持ケーシング３間の室が大気
圧下にあるので、高温ガスケーシングと担持ケー
シングを気密に接続しなければならない。

可撓性の支持要素８は担持ケーシング３内にお
ける高温ガスケーシング１の心合せを保証し、か
つ高温ガスケーシング１に作用するすべての静的
および動的力を吸収し、更に担持ケーシング３に
対する高温ガスケーシング１の相対的な半径方向
膨張を可能にし、更に高温ガス通路を外部に対し
て完全に密封する。

第２図に示した支持要素８の場合には、外側側
部８ｄが外側フランジ８ｂから外方へ向つてほぼ
円錐スリーブ状に延び、折曲げ部８ｃの後で内側
側部８ｅが内方へ向つてほぼ円錐スリーブ状に延
び、そして内側フランジ８ａに達する。ダイアフ
ラム側部８ｄ，８ｅ，８ｆはそれぞれ、傾斜が異
なる截頭円錐体外周部を形成している。この場
合、タービン側のタイアフラム側部の端部が小さ
な直径を有する。折曲げ部８ｃは曲げ応力を制限
するために丸められ、かつ肉厚がダイアフラム側
部よりも厚くなつている。運転温度のときの支持
要素８の内方部分の輪郭は点線で示され、軸方向
の熱膨張△Ｓと半径方向の熱膨張△Ｒを生じる。
軸方向の熱膨張△Ｓは常温状態でのタービンカバ
ーリング６ａと案内羽根リム７の間の軸方向隙間
とほぼ同じである。ねじれに対して強くするため
に、両フランジ８ａ，８ｂは頑丈に形成されてい
る。

しかし、内側フラランジ８ａと折曲げ部８ｃを
極端に頑丈に形成することは熱的な慣性のために
不利である。これに反して、過度的過程で内側フ
ランジ８ａから外側フランジ８ｂへの温度の連続
的な降下をできるだけ迅速に生ずる必要がある。
この場合、支持要素８に発生する応力―これは概
して、高温ガスケーシング１の熱膨張による負
荷、支持要素の不均一な熱膨張、および高温ガス
ケーシング１に作用するガスの力によつて生じる
―を、使用材料の弾性限界以下に保つことができ
る。

排気ターボ過給機の作動態様は次の通りであ
る。排気は高温ガス通路１ａと案内羽根リム７を
通つてタービン回転羽根６へ流れ、その中で出力
を生じながら膨張し、続いて図示していない排気
管を通つてその後に接続された予熱ボイラに排出
される。

高温ガスケーシング１と内側フランジ８ａの間
に良好な熱的接触が生じるので、機関の始動時に
内側フランジ８ａは高温ガスケーシング１と共に
加熱され、その外径Ｒが△Ｒだけ大きくなるよう
比較的に早く半径方向に膨張する。

機関の定常的な運転状態では、内側フランジ８
ａからダイアフラム側部８ｅ，８ｃ，８ｄを径て
外側フランジ８ｂまでほぼ連続的に温度が降下す
る。内側側部８ｅが外側側部８ｄよりも高温であ
るので、内側フランジ８ａは熱膨張によつてター
ビンの方へ△Ｓだけ移動する。従つて、案内羽根
リムはタービンカバーリング６ａの端面に接触す
る。

この場合、内側フランジ８ａは外側フランジ８
ｂからＳだけ突出ている。これに応じて両側部８
ｄ，８ｅの長さが異なつている。軸方向の熱膨張
△Ｓに関しては側部８ｄ，８ｅの長さが重要であ
る。原則的には内側側部８ｅは外側側部８ｄより
も長くても短くてもよい。内側側部に対する外側
側部の長さの比に応じて、軸方向の熱膨張△Ｓは
タービンの方へ最終的な正の値をとるかもしくは
内側側部８ｅが外側側部８ｄよりも短いときには
零になる。

両フランジ８ａ，８ｂは支持要素８を高温ケー
シング１または担持ケーシング３に固定するため
のボルト穴を備えている。

支持要素８の形は例えば鋳造、または二つの部
分に分割して旋盤加工し、これを折曲げ部８ｃの
区域で電子ビーム溶接することによつて形成可能
である。少なく共定常運転でダイアフラム８ｃ，
８ｄ，８ｅの全長にわたつて一定の温度降下を達
成するために、ダイアフラムはあらゆる方面に断
熱材９を備えている。

運転温度と応力を考慮して、支持要素は合金鋼
で作るべきである。内側フランジ８ａと内側側部
８ｅの区域における特に始動過程での熱応力の減
少は、ダイアフラム側部８ｄ，８ｅの材料の熱膨
張係数が高温ガスケーシング１の材料の熱膨張係
数よりも５〜40％だけ大きいときに、達成可能で
ある。

第３図には、３個の折曲げ部８ｃと４個の側部
８ｄ，８ｅ，８ｆを備えた支持要素８の他の実施
形が示されている。この場合、両フランジ８ａ，
８ｂは同じ半径方向平面内に位置している。

支持要素８のダイアフラム８ｃ，８ｄ，８ｅ，
８ｆが１個以上の折曲げ部８ｃを備えているとき
には、熱応力が小さいというほかに、高温ガスケ
ーシングのタービン側の端面の、タービンロータ
の方への軸方向熱膨張△Ｓが小さくなるという利
点がある。というのは、軸方向の熱膨張を決定す
る側部８ｅの長さが１個の折り曲げ部と２個の側
部を有する支持要素の側面よりも短いからであ
る。担持ケーシング３と高温ガスケーシング１の
構造に応じて、支持要素８に２個の折り曲げ８ｃ
と３個の側部８ｄ，８ｅ，８ｆを設けることがで
きる。この場合、両フランジ８ａ，８ｂは側部の
長さだけ離れた異なる２つの半径方向平面内に位
置している。

本発明の長所は特に、可撓性の支持要素８を用
いて高温ガスケーシング１と担持ケーシング３を
直接的に連結することによつて、心合せと気密性
が良好になるというほかに、熱を伝達する側部が
薄く、かつ熱伝達距離が長いので、担持ケーシン
グからの熱の放出が少なく、従つて外側温度が比
較的に低いという点にある。定常および非定常的
な熱応力並びに摩耗現象は著しく抑制され、その
結果ターボ過給機の寿命に好影響を与える。

本発明が図に示したものおよび前記のものに限
定されないことは明らかである。本発明は例え
ば、常温ケーシングにおける高温ケーシングの支
持のために、半径方向膨張差に関する構造的な問
題を生じる他の型のターボ機械も含む。

【図面の簡単な説明】

第１図は排気ターボ過給機のタービンの縦断面
図、第２図は高温ガスケーシングと担持ケーシン
グ間の連結部の第１の実施形を示す図、第３図は
第２図による連結部の変形を示す図である。 １……高温ガスケーシング、２……排気ケーシ
ング、３……担持ケーシング、４……軸受ケーシ
ング、５……タービン軸、８……支持要素、８
ａ，８ｂ……フランジ、８ｃ……折曲げ部、８
ｄ，８ｅ，８ｆ……ダイアフラム側部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ タービン軸５の軸受ケーシング４が剛体の担
   持ケーシング３に固定され、この担持ケーシング
   ３が排気ケーシング２に固定配設され、高温ガス
   ケーシング１が半径方向に膨張し得るように担持
   ケーシング３に支持されている、冷却されないガ
   ス通路を備えた外部軸支承型排気ターボ過給機に
   おいて、高温ガスケーシング１と担持ケーシング
   ３間の連結部が半径方向に撓曲可能なリング状支
   持要素８であり、この支持要素がほぼ軸方向に延
   びる少なく共２つのダイアフラム側部８ｄ，８
   ｅ，８ｆを備え、このダイアフラム側部が折曲げ
   部８ｃを介して互に連結され、かつそれぞれ１個
   のフランジ８ａ，８ｂを介して高温ガスケーシン
   グ１と担持ケーシング３に固定され、このフラン
   ジ８ａ，８ｂがほぼ同じ半径方向平面内に位置し
   ていることを特徴とする排気ターボ過給機。 ２ ダイアフラム側部８ｄ，８ｅ，８ｆが支持要
   素８のタービンとは反対の側に設けられ、フラン
   ジ８ａ，８ｂがタービンの側に設けられているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の排気
   ターボ過給機。 ３ ダイアフラム側部８ｄ，８ｅ，８ｆがそれぞ
   れ、傾斜角度が異なる截頭円錐体外周部を形成
   し、そのタービン側の端部が小さな直径を有する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の排
   気ターボ過給機。 ４ 曲げ応力を制限するために折り曲げ部８ｃが
   丸められており、かつダイアフラム側部８ｄ，８
   ｅ，８ｆよりも肉厚が厚くなつていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の排気ターボ過
   給機。 ５ ダイアフラム側部８ｄ，８ｅ，８ｆの材料の
   熱膨張係数が高温ガスケーシング１の材料の熱膨
   張係数よりも５〜40％大きいことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の排気ターボ過給機。