JP2019049260A

JP2019049260A - ターボチャージャー

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Publication number: JP2019049260A
Application number: JP2018165130A
Authority: JP
Inventors: トビアス・ヴァイスブロート; Weisbrod Tobias; ビョルン・ホスバッハ; Bjoern Hossbach
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: Everllence SE
Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2018-09-04
Publication date: 2019-03-28
Also published as: CH714155A2; CH714155B1; CN109505671A; KR20190026570A; DE102017215569A1; US20190072001A1

Abstract

【課題】流入ハウジングと軸受ハウジングとの改善された接続を有する新たなタイプのターボチャージャーを提供する。【解決手段】タービン及び圧縮機を有するターボチャージャーであって、タービンハウジング及び圧縮機ハウジングが、軸受ハウジング９にそれぞれ接続され、締結デバイス１７が、第１のセクション１９では流入ハウジング１１のフランジ１８に取り付けられかつ第２のセクション２１では少なくとも部分的に軸受ハウジング９のフランジ２６に重なるように、タービンハウジングの流入ハウジング１１と、軸受ハウジング９と、が、締結デバイス１７を介して接続される。締結デバイス１７の第１のセクション１９と締結手段２０のナット２３との間には、弾性変形可能要素２７が位置決めされ、弾性変形可能要素２７が、予負荷力を提供し、予負荷のロスを補償する。【選択図】図２

Description

本発明は、ターボチャージャーに関する。

特許文献1から、ターボチャージャーの基本構造が公知である。ターボチャージャーは、第１の媒体が膨張させられるタービンを備えている。ターボチャージャーは、第２の媒体が圧縮される圧縮機、すなわち第１の媒体の膨張中にタービンにおいて得られたエネルギーを利用して第２の媒体が圧縮される圧縮機をさらに備えている。ターボチャージャーのタービンは、タービンハウジング及びタービンロータを備えている。ターボチャージャーの圧縮機は、圧縮機ハウジング及び圧縮機ロータを備えている。タービンのタービンハウジングと圧縮機の圧縮機ハウジングとの間には、軸受ハウジングが位置決めされ、軸受ハウジングは、一方ではタービンハウジングに接続され、他方では圧縮機ハウジングに接続されている。軸受ハウジング内には、シャフトが取り付けられ、タービンロータは、シャフトを介して圧縮機ロータに連結されている。

実施から、タービンのタービンハウジング、すなわちいわゆる流入ハウジングと、軸受ハウジングと、は、優先的にはクランプ爪として構成された締結デバイスを介して互いに接続されることが公知である。クランプ爪として構成されたこのような締結デバイスは、締結デバイスの第１のセクションでは締結手段を介してタービンハウジングのフランジに取り付けられ、第２のセクションでは少なくとも部分的に軸受ハウジングのフランジと重なっている。このような締結デバイスにより、軸受ハウジングとタービンハウジングとを組み合わせたものがクランプされ、すなわちタービンハウジングと軸受ハウジングとの間のシールカバー及びノズルリングをクランプする。

タービンハウジングは、膨張させられる第１の媒体で、特に膨張させられる排ガスで充填される。タービンハウジングの流入ハウジングは、タービンロータに向かって排ガスを導く。流入ハウジング内では、周囲環境に対する過圧が存在し、この過圧は、第１の媒体の膨張中にエネルギーを取り出すことを受けてタービンにおいて除去される。タービンハウジング又は流入ハウジングと軸受ハウジングとの接続領域では、漏れが生じる可能性があり、このため、タービンにおいて膨張させられる第１の媒体が、タービンハウジングと軸受ハウジングとの間の接続領域を介して周囲環境に入る可能性がある。

タービンにおいて膨張させられる第１の媒体のこのような漏れに対抗するために、実施によれば、特に締結手段に対するより高い締付トルクを介してタービンハウジング又は流入ハウジングと軸受ハウジングとの間のクランプが大きくされ、この締付手段を介して、優先的にクランプ爪として構成された締結デバイスは、タービンハウジングに取り付けられる。締付トルクが増大するにも関わらず、漏れは、所定の条件の下では防止することができない。

独国特許出願公開第１０２０１３００２６０５号明細書

ここからスタートして、本発明は、流入ハウジングと軸受ハウジングとの改善された接続を有する新たなタイプのターボチャージャーを作り出すという課題に基づいている。

本発明のさらなる側面によれば、この課題は、請求項１に記載のターボチャージャーを通じて解決される。従って、弾性変形可能要素が、締結デバイスの第１のセクションと締結手段のナットとの間に位置決めされ、予負荷力を提供する。

本発明の第２の側面によれば、課題は、請求項４に記載のターボチャージャーを通じて解決される。従って、締結デバイス自体が、弾性変形可能であり、予負荷力を提供する。

本発明の第２の側面によれば、課題は、請求項９に記載のターボチャージャーを通じて解決される。従って、弾性変形可能要素は、締結デバイスの第２のセクションと軸上ハウジングのフランジとの間に位置決めされ、予負荷力を提供する。

本発明による、本明細書で表される発明の３つのすべての側面により、流入ハウジングと軸受ハウジングとの間の接続を改善することが可能である。膨張させられる第１の媒体の、周囲環境への意図しない漏れのリスクが、最小化され得る。

本発明の好ましいさらなる発展は、従属請求項及び以下の説明から得られる。本発明の例示的な実施形態は、図面に限定されることなく図面を用いてより詳細に説明される。

ターボチャージャーの断面図である。ターボチャージャーの流入ハウジング及び軸受ハウジングの領域での、本発明の第１の態様によるターボチャージャーの断面図である。図２の細部である。ターボチャージャーの流入ハウジング及び軸受ハウジングの領域での、本発明の第２の態様によるターボチャージャーの断面図である。ターボチャージャーの流入ハウジング及び軸受ハウジングの領域での、本発明の第２の態様によるさらなるターボチャージャーの断面図である。図４及び図５の代替案である。ターボチャージャーの流入ハウジング及び軸受ハウジングの領域での、本発明の第２の態様によるさらなるターボチャージャーの断面図である。ターボチャージャーの流入ハウジング及び軸受ハウジングの領域での、本発明の第３の態様によるターボチャージャーの断面図である。図８の細部である。

本発明は、ターボチャージャーに関する。

図１は、ターボチャージャー１の基本構造を示す。ターボチャージャー１は、第１の媒体を膨張させるための、特に内燃機関の排ガスを膨張させるためのタービン２を備えている。さらに、ターボチャージャー１は、第２の媒体、特に過給空気を圧縮するための圧縮機３、すなわち第１の媒体の膨張中にタービン２において得られたエネルギーを使用して第２の媒体、特に過給空気を圧縮するための圧縮機３を備えている。

本実施形態では、タービン２は、タービンハウジング４及びタービンロータ５を備えている。圧縮機３は、圧縮機ハウジング６及び圧縮機ロータ７を備えている。圧縮機ロータ７は、軸受ハウジング９内に取り付けられたシャフト８を介してタービンロータ５に連結され、軸受ハウジング９は、タービンハウジング４と圧縮機ハウジング６との間に位置決めされ、タービンハウジング４及び圧縮機ハウジング６双方に接続されている。

タービン２のタービンハウジング４は、流入ハウジング１１及び流出ハウジング１２を備えている。流入ハウジング１１により、タービン２の領域において膨張させられる第１の媒体は、タービンロータ５に供給される。流出ハウジング１２により、タービンロータ５の領域において膨張させられた第１の媒体は、タービン２から離れるように流れる。

流入ハウジング１１及び流出ハウジング１２に加えて、タービンハウジング４は、インサート部品１３を備え、インサート部品１３は、特に流入ハウジング１１の領域で延びており、すなわちタービンロータ５の運動ブレード１４に径方向外側において隣接してタービンロータ５と隣り合って延びている。

タービンハウジング４は、ノズルリング１５をさらに備えている。ノズルリング１５は、タービンガイド装置とも称される。

図１は、流入ハウジング１１及び軸受ハウジング９の接続領域でのシールカバー１６をさらに示す。シールカバー１６は、軸受ハウジングカバー又は熱遮蔽部とも称される。

締結デバイス１７が、第１のセクション１９で流入ハウジング１１のフランジ１８に取り付けられる、すなわち複数の締結手段２０を介して流入ハウジング１１のフランジ１８に取り付けられるように、かつ締結デバイス１７が、第２のセクション２１で少なくとも部分的に軸受ハウジング９のフランジ２６と重なるように、タービン２の流入ハウジング１１は、締結デバイス１７を介して軸受ハウジング９に接続されている。

締結デバイス１７は、クランプ爪とも称される。周方向で見ると、締結デバイス１７は、セグメント化され得る。

各締結手段２０は、流入ハウジング１１のフランジ１８内に螺合されるネジ山の付いたネジ２２と、ネジ山の付いたネジ２２の他端に作用するナット２３と、を備え、ナット２３を締め付けることによって、所定の予負荷力が、締結デバイス１７を介して流入ハウジング１１及び軸受ハウジング９にかけられる。これにより、ノズルリング１５及びシールカバー１６の対応するフランジ２４，２５は、流入ハウジング１１と軸受ハウジング９との間でクランプされる。

本発明の第１の態様による図２及び図３のターボチャージャーでは、弾性変形可能要素２７が、クランプ爪として構成された締結デバイス１７の第１のセクション１９と締結手段２０のナット２３との間に位置決めされ、弾性変形可能要素２７は、ナットの締付力によってクランプされ、予負荷力を提供する。

本実施形態において、図２及び図３のターボチャージャーでは、各締結手段２０のナット２３と締結デバイス１７の第１のセクション１９との間に形成された複数の弾性変形可能要素２７が、それぞれ互いに重なって積み重なるように又は互いに隣り合って積み重なるように位置決めされ、これらディスクバネ２７が、締結デバイス１７のポケットのような凹部２８内に係合する。

積み重なるように組み合わせられた弾性変形可能要素２７、すなわちディスクバネの数及び向きは、軸受ハウジング９とタービンの流入ハウジング１１との接続領域での、一方では予負荷力を、他方ではたわみ(spring travel)を決定し、ディスクバネは、同じ方向に又は部分的に交互方向に全て配置することができる。特に、全てのディスクバネが同じ方向に配置されて対応する積み重なりを形成する場合、小さいたわみで高い予負荷力が提供される。ディスクバネを交互方向に配置することによって、より大きいたわみでより小さい予負荷力が提供される。

従って、図２及び図３の例示的な実施形態では、ディスクバネ又は弾性変形可能ワッシャが、本発明の第１の態様によれば、各締結手段２０の各ナット２３と締結デバイス１７との間に位置決めされ、ディスクバネ又は弾性変形可能ワッシャは、各ナット２３の領域において、予負荷力を発生させ、すなわち特に熱サイクルの結果として、互いに接続される組立体が異なる膨張を受ける場合にさえ予負荷力を発生させる。すでに説明したように、バネ力及びたわみは、ディスクバネの配置により調整することができる。本実施形態では、ディスクバネが、交互方向及び同じ方向に配置され得る。ナット２３を締め付けることによって、ディスクバネ組立体には予負荷がかけられる。熱負荷によって引き起こされる、互いに接続される組立体の異なる熱膨張は、補償され得る。

本発明の第２の態様によれば、締結デバイス１７、すなわちクランプ爪自体が、弾性変形可能であり、対応する予負荷力を提供し、この予負荷力の支援により、熱負荷を通じて引き起こされる、互いに接続される組立体の異なる熱膨張は、補償され得る。

ここで、図４は、本発明の第２の態様によるターボチャージャーの一実施形態を示し、この実施形態によれば、締結デバイス１７は、断面がＵのような外形とされている。断面がＵのような外形とされた締結デバイス１７の第１の脚部２９は、締結デバイス１７が流入ハウジング１１のフランジ１８に接触する第１のセクション１９と、締結デバイス１７が部分的に軸受ハウジング９のフランジ２６と重なる第２のセクション２１と、を提供する。断面がＵのような外形とされた締結デバイス１７の第２の脚部３０は、この第１の脚部２９と平行に延在し、接続セクション３１を介してこの第１の脚部２９に接続され、それぞれの締結手段２０のナット２３は、第２の脚部３０上で自立している。

それぞれのナット２３を締め付けることによって、第２の脚部３０は、弾性変形され、第１の脚部２９に向かって変形される。これにより、互いに接続される組立体の熱誘導された変形を相殺するか又は補償することができる予負荷力が、提供され得る。

図５又は図６の例示的な実施形態では、締結デバイス１７は、Ｃのような又はＶのような外形とされている。図５の例示的な実施形態の、Ｃのような又はＶのような外形とされた締結デバイス１７は、接続セクション３４を介して互いに接続された２つの脚部を同様に備えている。第１の脚部の自由端部３２は、流入ハウジング１１のフランジ１８に接触し、第２の脚部の自由端部３３は、軸受ハウジング９のフランジ２６に接触している。図５に示された締結手段２０のナット２３は、断面がＣのような又はＶのような外形とされた締結デバイス１７の接続セクション３４上で自立している。特に、ナット２３が締め付けられると、接続セクション３４が弾性変形され、締結デバイス１７全体がフランジ１８，２６に押し付けられる。締結デバイス１７の弾性変形により、軸受ハウジング９と流入ハウジング１１とを接続するための予負荷力が、提供され、互いに接続されるこれら組立体の異なる膨張、例えば熱誘導された膨張と、接続部における他の予負荷のロスと、を補償することができる。

図７は、本発明の第２の態様に従った、本発明によるターボチャージャーのさらなる例示的な実施形態を示し、この実施形態によれば、それ自体が弾性変形可能な締結デバイス１７は、らせん状の外形とされている。本実施形態では、らせん状の外形とされた締結デバイス１７は、締結デバイス１７が締結手段２０を介して流入ハウジング１１のフランジ１８に取り付けられている第１の端部３５を備えている。反対側に配置された、断面がらせん状の外形とされた締結デバイス１７の端部３６は、少なくとも部分的に軸受ハウジング９のフランジ２６と重なり、フランジ２６と接触している。

締結手段２０のナット２３は、らせん状の外形とされた締結デバイス１７の第１の端部３５上で自立している。図７における矢印３７は、力の流れを可視化し、この力の流れは、ナット２３の締め付け中に、ナットから締結デバイス１７内に、締結デバイス１７を介して流入ハウジング１１のフランジ１８及び軸受ハウジング９のフランジ２６内に延びる。ナット２３は、断面がらせん状の外形とされた締結デバイス１７の凹部３８を介して、ツールを用いてアクセス可能である。

従って、本明細書で表される本発明の第２の態様による図４から図７の例示的な実施形態では、締結デバイス１７自体が、弾性変形可能に構成されている。この実施形態では、締結デバイス１７は、Ｕのような、Ｖのような、Ｃのような又はらせん状の外形とされている。ナット２３を締め付けることによって、それぞれの締結デバイス１７には予負荷がかけられる。

本発明の第３の態様によるターボチャージャーが、図８及び図９に図示されている。第３の態様によれば、弾性変形可能要素３９が、締結デバイス１７の第２のセクション２１と軸受ハウジング９のフランジ２６との間に位置決めされ、一方ではクランプ爪として構成された締結デバイス１７の第２のセクション２１上で、他方では軸受ハウジング９のフランジ２６上で自立している。

この弾性変形可能要素３９は、優先的には、断面がＣのようなリング要素４０を備え、リング要素４０内には、コイルバネ４１が収容されるか又は位置決めされている。図８に示された締結手段２０のナット２３を締め付けることによって、要素３９は弾性変形され、従って予負荷力が要素３９によって提供される。本発明のこの構成により、軸受ハウジング９及び流入ハウジング１１の異なる変形と、接続部の予負荷のロスと、も、動作中に補償され、これにより、高温サイクルの間でさえ、漏れのリスクを低減させ、流入ハウジング１１と軸受ハウジング９との間の確実な接続を保証する。

本明細書において表された本発明のすべての形式において、クランプ爪又は締結デバイス１７は、周方向においてセグメント化することが可能であり、すなわち周方向で見ると複数のセグメントからなることが可能である。

１ターボチャージャー、２タービン、３圧縮機、４タービンハウジング、５タービンロータ、６圧縮機ハウジング、７圧縮機ロータ、８シャフト、９軸受ハウジング、１０サイレンサー、１１流入ハウジング、１２流出ハウジング、１３インサート部品、１４運動ブレード、１５ノズルリング、１６シールカバー、１７締結デバイス、１８フランジ、１９セクション、２０締結手段、２１ネジ、２２ナット、２３セクション、２４フランジ、２５フランジ、２６フランジ、２７弾性変形可能要素、２８凹部、２９脚部、３０脚部、３１接続セクション、３２端部、３３端部、３４接続セクション、３５端部、３６端部、３７力の流れ、３８凹部、３９弾性変形可能要素、４０リング要素、４１コイルバネ

Claims

第１の媒体を膨張させるためのタービン（２）であって、タービンハウジング（４）及びタービンロータ（５）を備える、タービン（２）と、
前記第１の媒体の膨張中に前記タービン（２）において得られたエネルギーを利用して第２の媒体を圧縮するための圧縮機（３）であって、圧縮機ハウジング（６）と、シャフト（８）を介して前記タービンロータ（５）に連結された圧縮機ロータ（７）と、を備える、圧縮機（３）と、
を有するターボチャージャー（１）であって、
前記タービンハウジング（４）及び前記圧縮機ハウジング（６）が、前記タービンハウジング（４）と前記圧縮機ハウジング（６）との間に配置された軸受ハウジング（９）にそれぞれ接続され、前記シャフト（８）が、前記軸受ハウジング（９）内に取り付けられ、
締結デバイス（１７）が、第１のセクション（１９）では締結手段（２０）を介して流入ハウジング（１１）のフランジ（１８）に接続されかつ第２のセクション（２１）では少なくとも部分的に前記軸受ハウジング（９）のフランジ（２６）に重なるように、前記タービンハウジング（４）の前記流入ハウジング（１１）と、前記軸受ハウジング（９）と、が、前記締結デバイス（１７）を介して接続される、ターボチャージャー（１）において、
前記締結デバイス（１７）の前記第１のセクション（１９）と前記締結手段（２０）のナット（２３）との間には、弾性変形可能要素（２７）が位置決めされ、前記弾性変形可能要素（２７）が、予負荷力を提供し、予負荷のロスを補償することを特徴とするターボチャージャー。
前記締結デバイス（１７）の前記第１のセクション（１９）と前記締結手段（２０）の前記ナット（２３）との間には、ディスクバネとして形成された複数の弾性変形可能要素（２７）が、互いに重なって積み重なるように又は互いに隣り合って積み重なるようにそれぞれ位置決めされていることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャー。
前記弾性変形可能要素（２７）の前記予負荷力及びたわみが、前記ディスクバネの数及び向きによってそれぞれ決定されることを特徴とする請求項２に記載のターボチャージャー。
第１の媒体を膨張させるためのタービン（２）であって、タービンハウジング（４）及びタービンロータ（５）を備える、タービン（２）と、
前記第１の媒体の膨張中に前記タービン（２）において得られたエネルギーを利用して第２の媒体を圧縮するための圧縮機（３）であって、圧縮機ハウジング（６）と、シャフト（８）を介して前記タービンロータ（５）に連結された圧縮機ロータ（７）と、を備える、圧縮機（３）と、
を有するターボチャージャー（１）であって、
前記タービンハウジング（４）及び前記圧縮機ハウジング（６）が、前記タービンハウジング（４）と前記圧縮機ハウジング（６）との間に配置された軸受ハウジング（９）にそれぞれ接続され、前記シャフト（８）が、前記軸受ハウジング（９）内に取り付けられ、
締結デバイス（１７）が、第１のセクション（１９）では締結手段（２０）を介して流入ハウジング（１１）のフランジ（１８）に接続されかつ第２のセクション（２１）では少なくとも部分的に前記軸受ハウジング（９）のフランジ（２６）に重なるように、前記タービンハウジング（４）の前記流入ハウジング（１１）と、前記軸受ハウジング（９）と、が、前記締結デバイス（１７）を介して接続される、ターボチャージャー（１）において、
前記締結デバイス（１７）自体が、弾性変形可能であり、予負荷力を提供することを特徴とするターボチャージャー。
前記締結デバイス（１７）が、断面がＵ字状又はＶ字状又はＣ字状又はらせん状の外形とされていることを特徴とする請求項４に記載のターボチャージャー。
断面がＵ字状の外形とされた締結デバイス（１７）では、第１の脚部（２９）が、前記締結デバイス（１７）が前記流入ハウジング（１１）の前記フランジ（１８）に取り付けられる前記第１のセクション（１９）と、前記締結デバイス（１７）が少なくとも部分的に前記軸受ハウジング（９）の前記フランジ（２６）と重なる前記第２のセクション（２１）と、を提供し、
第２の脚部（３０）が、前記第１の脚部（２９）と平行に延在し、
それぞれの前記締結手段（２０）の前記ナット（２３）が、前記第２の脚部（３０）上で自立していることを特徴とする請求項４又は５に記載のターボチャージャー。
断面がＣ字状又はＶ字状の外形とされた締結デバイス（１７）では、第１の脚部の自由端部（３２）が、前記締結デバイス（１７）が前記流入ハウジング（１１）の前記フランジ（１８）に取り付けられる前記第１のセクション（１９）を提供し、第２の脚部の自由端部（３３）が、前記締結デバイス（１７）が少なくとも部分的に前記軸受ハウジング（９）の前記フランジ（２６）と重なる前記第２のセクション（２１）を提供し、それぞれの前記締結手段（２０）の前記ナット（２３）が、前記第１の脚部と前記第２の脚部とを接続する、前記締結デバイス（１７）のセクション（３４）上で自立していることを特徴とする請求項４又は５に記載のターボチャージャー。
断面がらせん状の外形とされた締結デバイス（１７）では、前記締結デバイス（１７）の第１の端部（３５）が、前記締結デバイス（１７）が前記流入ハウジング（１１）の前記フランジ（１８）に取り付けられる前記第１のセクション（１９）を提供し、前記締結デバイス（１７）の第２の端部（３６）が、前記締結デバイス（１７）が少なくとも部分的に前記軸受ハウジング（９）の前記フランジ（２６）と重なる前記第２のセクション（２１）を提供し、それぞれの前記締結手段の前記ナット（２３）が、前記第１の端部（３５）上で自立していることを特徴とする請求項４又は５に記載のターボチャージャー。
第１の媒体を膨張させるためのタービン（２）であって、タービンハウジング（４）及びタービンロータ（５）を備える、タービン（２）と、
前記第１の媒体の膨張中に前記タービン（２）において得られたエネルギーを利用して第２の媒体を圧縮するための圧縮機（３）であって、圧縮機ハウジング（６）と、シャフト（８）を介して前記タービンロータ（５）に連結された圧縮機ロータ（７）と、を備える、圧縮機（３）と、
を有するターボチャージャー（１）であって、
前記タービンハウジング（４）及び前記圧縮機ハウジング（６）が、前記タービンハウジング（４）と前記圧縮機ハウジング（６）との間に配置された軸受ハウジング（９）にそれぞれ接続され、前記シャフト（８）が、前記軸受ハウジング（９）内に取り付けられ、
締結デバイス（１７）が、第１のセクション（１９）では締結手段（２０）を介して流入ハウジング（１１）のフランジ（１８）に接続されかつ第２のセクション（２１）では少なくとも部分的に前記軸受ハウジング（９）のフランジ（２６）に重なるように、前記タービンハウジング（４）の前記流入ハウジング（１１）と、前記軸受ハウジング（９）と、が、前記締結デバイス（１７）を介して接続される、ターボチャージャー（１）において、
前記締結デバイス（１７）の前記第２のセクション（２１）と前記軸受ハウジング（９）の前記フランジ（２６）との間には、弾性変形可能要素（３９）が位置決めされ、前記弾性変形可能要素（３９）が予負荷力を提供することを特徴とするターボチャージャー。
前記弾性変形可能要素（２９）が、断面がＣ字状であるリング要素（４０）として構成され、前記リング要素（４０）内に、コイルバネ（４１）が収容されていることを特徴する請求項９に記載のターボチャージャー。
前記締結デバイス（１７）が、周方向で見るとセグメント化されているクランプ爪として構成されていることを特徴する請求項１から１０のいずれか一項に記載のターボチャージャー。