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技術 排気駆動過給機の軸流タービン

出願人 エムアーエヌディーゼルウントターボエスエー
発明者 クラウスバルトロメヴォルフガングシュミット
出願日 2002年5月17日 (18年6ヶ月経過) 出願番号 2002-142424
公開日 2003年1月8日 (17年10ヶ月経過) 公開番号 2003-003804
状態 特許登録済
技術分野 過給機 タービンの細部・装置
主要キーワード 剛性継手 防護リング 環状支持壁 継手要素 残留エネルギ たわみ継手 締付けリング 防護体
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2003年1月8日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (2)

課題

排気駆動過給機軸流タービン(1)を、破損したタービン円板破片が、極めて大きな周速の下でもタービン車室から飛び出ないよう形成する。

解決手段

排気ディフューザ外側壁(10)を、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)を設けて形成し、両輪郭部間に環状支持壁部(13)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とし、タービン円板と動翼(8)に対する覆いリング(19)を、排気ディフューザの支持壁部と外側壁内側輪郭部との間に配置し、タービン入口室排気室を、タービン排気室ガス入口側壁半径方向でタービン円板の中央平面(23)上に被さって位置するよう互いに結合する。

概要

背景

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動翼破片は、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。

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破裂防護リングが設けられている。

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。

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」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。

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。

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。

概要

排気駆動過給機の軸流タービン(1)を、破損したタービン円板の破片が、極めて大きな周速の下でもタービン車室から飛び出ないよう形成する。

排気ディフューザの外側壁(10)を、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)を設けて形成し、両輪郭部間に環状支持壁部(13)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とし、タービン円板と動翼(8)に対する覆いリング(19)を、排気ディフューザの支持壁部と外側壁内側輪郭部との間に配置し、タービン入口室排気室を、タービン排気室のガス入口側壁半径方向でタービン円板の中央平面(23)上に被さって位置するよう互いに結合する。

目的

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。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

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破裂防護体が設けられた排気駆動過給機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。

請求項2

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。

請求項3

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。

請求項4

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。

請求項5

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。

請求項6

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。

技術分野

0001

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。

背景技術

0002

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」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。

発明が解決しようとする課題

0008

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。

課題を解決するための手段

0009

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フランジ継手は、強固に形成するとよい。

発明を実施するための最良の形態

0015

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

0025

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。

--

0026

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

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