(57)【要約】      （修正有）【課題】製造するのに容易であり、安全であり、ターボ過給機の安全性を向上させるラジアルタービンのバースト保護装置を提供する。【解決手段】本発明はタービンハウジング２０を有するラジアルタービンインサート部品１であって、タービンハウジング２０が回転可能に配置されたタービンホイール２１を完全に取り囲み、バースト保護装置１がタービンホイール２１周りで少なくとも部分的に係合するためにタービンハウジング内壁２２上で周方向において中心軸Ａ周りに環状に配置され、バースト保護装置１が少なくとも１つの第１凹部／中空空間２を備え、凹部／中空空間２が凹部／中空空間２の塑性変形に起因して、タービンホイール２１のバースト時にタービンホイール２１の破片の運動エネルギーがバースト保護装置によって吸収されるように形成され、第１凹部／中空空間２がタービンハウジング２０に向かって一方のみに開いているインサート部品１を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンハウジング（２０）を有するターボ過給機（１０）のためのインサート部品（１）であって、
前記タービンハウジング（２０）が、前記タービンハウジング（２０）内に回転可能に配置されたタービンホイール（２１）を完全に取り囲み、前記バースト保護装置（１）が、前記タービンホイール（２１）周りで少なくとも部分的に係合するために、タービンハウジング内壁（２２）上で周方向において中心軸（Ａ）周りに環状に配置され、前記バースト保護装置（１）が、少なくとも１つの凹部／中空空間（２）を備え、前記バースト保護装置（１）における当該凹部／中空空間（２）が、前記凹部／中空空間（２）の塑性変形に起因して、前記タービンホイール（２１）のバースト時に前記タービンホイール（２１）の破片の運動エネルギーが前記バースト保護装置（１）によって吸収されるように形成され、このために、前記第１凹部／中空空間（２）が、前記タービンハウジング（２０）に向かって一方のみに開いていることを特徴とするインサート部品（１）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの第１凹部／中空空間（２）が、部分的に又は完全にチャネルのように前記バースト保護装置（１）を径方向に通過していることを特徴とする請求項１に記載のインサート部品（１）。
【請求項３】
前記バースト保護装置（１）が、一体に形成されるか、又は複数部分で形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のインサート部品（１）。
【請求項４】
前記タービンハウジング内壁（２２）が、タービンハウジング凹部（２３）を備え、前記タービンハウジング凹部（２３）が、径方向において前記タービンハウジング（２０）を部分的に又は完全に通過し、前記バースト保護装置（１）に向かって一方のみに開い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インサート部品（１）。
【請求項５】
前記バースト保護装置（１）が、さらなる凹部／中空空間（３）を備え、前記さらなる凹部／中空空間（３）が、前記第１凹部／中空空間（２）から独立し、前記第１凹部／中空空間（２）から離間し、径方向チャネルのように前記バースト保護装置（１）を部分的に又は完全に通過し、前記タービンハウジング（２０）に向かって一方のみに開いてい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インサート部品（１）。
【請求項６】
前記第２凹部／中空空間（３）が、径方向において前記タービンハウジング凹部（２３）と向かい合って配置されていることを特徴とする請求項５に記載のインサート部品（１）。
【請求項７】
前記バースト保護装置（１）が、前記第１凹部／中空空間（２）と前記第２凹部／中空空間（３）との間に、径方向に延在する突起（４）を備えていることを特徴とする請求項５又は６に記載のインサート部品（１）。
【請求項８】
少なくとも１つの凹部／中空空間（２，３）が、前記タービンホイール（２１）のバースト時に前記タービンホイール（２１）の破片の運動エネルギーの少なくとも一部を吸収するための充填物（５）を備え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インサート部品（１）。
【請求項９】
前記バースト保護装置（１）における径方向内側に向けられた内壁（７）が、一側で排ガス供給部（６）を形成し、前記バースト保護装置（１）が、断面方向において漏斗のように形成され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インサート部品（１）。
【請求項１０】
前記バースト保護装置（１）の前記内壁（７）が、前記タービンホイール（２１）とともに流路（８）を形成していることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のインサート部品（１）。
【請求項１１】
前記バースト保護装置（１）の端部部分が、前記突起（４）と前記端部部分との間に形成された前記第１凹部／中空空間（２）の開口部が完全に前記タービンハウジング内壁（２２）上に配置されるように、前記流路（８）の出口において前記タービンハウジング内壁（２２）に接触していることを特徴とする請求項７から１０のいずれか一項に記載のインサート部品（１）。
【請求項１２】
前記バースト保護装置（１）が、締結手段（９）により前記タービンハウジング（２０）に取り外し可能に固定されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のインサート部品（１）。
【請求項１３】
タービンハウジング（２０）であって、前記タービンハウジング（２０）内に回転可能に配置されたタービンホイール（２１）を備える、タービンハウジング（２０）と、請求項１から１２のいずれか一項に記載のバースト保護装置（１）と、を有するガスターボ機械（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンハウジングを有するターボ過給機、特にラジアルターボ過給機のためのバースト保護装置としてのインサート部品であって、タービンハウジングが、タービンハウジング内に回転可能に配置されたタービンホイールを完全に取り囲む、インサート部品に関する。現在公知の、例えば過給機付き内燃機関の排ガスターボ過給機といった高性能ターボ機械は、ターボ過給機の回転部分が技術的に破損した場合に、それらターボ機械の周囲への高いリスクをもたらす。特にターボ過給機のすぐ近くに人が存在する可能性がある状況で動作するときには、破損した場合に、すなわちバースト中に、すべての部分は、確実にかつ完全に遮断され、いかなる人にもけがを負わせることがないことが保証されなければならない。
【背景技術】
【０００２】
破片がターボ過給機の外壁を貫通し、従って人を危険にさらすか又は隣接する機械部分を損傷させることを防止するために、ターボ過給機には、これまで、タービンインペラの径方向外側の領域のタービンハウジングにおいて比較的厚い壁が設けられてきた。しかしながら、これらの解決法は、例えばハウジングの相当な追加重量と、このようなタービンハウジングのより劣った鋳造性に起因するブローホール形成のリスクと、といった複数の欠点を有する。加えて、このように厚くされたハウジングは、異なって熱くなり、これが、熱クラックをもたらす可能性がある。
【０００３】
特許文献１から、高速で回転する機械のためのバースト部分の運動エネルギーを減少させるための装置が、公知である。軸流タービンの内部に配置されたこの装置は、複数の相互接続型保護リングからなり、これら相互接続型保護リングの各々の間には、延性材料から製造された破砕ゾーンが形成されている。しかしながら、このような解決法は、ラジアルタービンに適しておらず、これは、それらラジアルタービンの径方向ガス入口に起因して、バースト保護装置をタービンの径方向領域に用いることができないためである。
【０００４】
特許文献２から、複数層のバースト保護部が公知であり、この複数層のバースト保護部により、遮熱材料が、鉄プレート内に導入され、この複数層のバースト保護部は、タービンハウジングから離間してタービンハウジングの螺旋部分に取り付けられている。しかしながら、この説明されたバースト保護部はハウジングの螺旋部分の１２０°の角度範囲のみを取り囲み、従って部分的に開いているという状況が欠点である。
【０００５】
特許文献３から、さらなるバースト保護部が公知であり、このバースト保護部は、ターボ過給機のためのラジアルタービンのガス入口ハウジングの外側に設けられ、螺旋シート金属シュラウドとして形成され、複数のネジによってガス入口ハウジングに取り外し可能に接続される。
【０００６】
さらに、曲げられた金属シートが螺旋部周りにバースト保護部として配置された解決法が公知であるが、これら曲げられた金属シートは、製造コストを下げるために構造的にシンプルに形成され、制限された強度及び剛性のみを有し、動作中に生じる固有振動数に対する抵抗としての作用に関して、好ましくなく作用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】独国特許出願公開第４２  ２３  ４９６号明細書
【特許文献２】米国特許第４８７５８３７号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１９６  ４０  ６５４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明の課題は、前記欠点を回避することと、製造するのに容易であり、安全であり、それによりターボ過給機の安全性をさらに向上させる、ターボ過給機のラジアルタービンのための改良されたバースト保護装置を作り出すことと、である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、請求項１に記載の特徴の組み合わせによって解決される。
【００１０】
従って、本発明によれば、タービンハウジングを有するターボ過給機、特にラジアルターボ過給機のためのバースト保護装置としてのインサート部品であって、タービンハウジングが、タービンハウジング内に回転可能に配置されたタービンホイールを完全に取り囲む、インサート部品が提案される。バースト保護装置が、タービンホイール周りで少なくとも部分的に係合するために、タービンハウジング内壁上で周方向において中心軸周りに環状に配置されている。ここで、バースト保護装置が、少なくとも１つの第１凹部／中空空間を備えている。この凹部／中空空間が、凹部又は中空空間内へのバースト保護装置の塑性変形に起因して、タービンホイールのバースト時にタービンホイールの破片の運動エネルギーがバースト保護装置によって吸収されるようにバースト保護装置に形成されている。このために、第１凹部が、タービンハウジングに向かって一方のみに開いている。
【００１１】
ロータの近くでのバースト保護装置の負荷に適切な設計に起因して、ロータの構成要素の運動エネルギーは、少なくとも１つの凹部／中空空間の領域での直接的な目標とされた変形と、故障時に、近くにいる人への危害のリスクを作り出さない、構造内に向けられて生じる力と、を通じて、初期破損が発生する間、特にロータの構成要素のバースト中にすでに除去され得る。ここで、中空空間は、取り囲まれた中空空間であり、この中空空間は、空にされるか、又はバースト保護装置の内部において媒体で充填される。バースト保護装置の所望の局所的故障までの目標とされた変形は、他の構造領域にわたる意図的でない負荷の分配が回避されるように、負荷に適切であると考えられる。少なくとも１つの凹部／中空空間によりバースト保護装置の剛性の目標とされた適合に起因して、最大回転エネルギーは、破損した場合にガスターボ機械の内部ですでに除去され得る。凹部の幾何学的形態は、運動エネルギーを吸収するためかつバースト保護装置の変形のために決定する。エネルギー吸収の効果は、少なくとも第１凹部が、タービンハウジングに向かって開いていることで好ましくなり、これは、このようにタービンハウジングに向かって作用する力が、まず、バースト保護装置の変形を引き起こし、これら力の一部が、力がタービンハウジングに伝達される前に他の構造に向けられるからである。
【００１２】
有利な実施形態のバージョンでは、少なくとも１つの第１凹部／中空空間が、チャネルのようにバースト保護装置を径方向に完全に通過していることが規定される。ここで、それにより、タービンホイールのバースト時にタービンホイールの破片の運動エネルギーを吸収するための凹部が、バースト保護装置の径方向の周囲全体にわたって利用可能となることが好ましい。
【００１３】
バースト保護装置は、優先的には一体に形成される。これは、複数部分のバースト保護装置に起因するさらなる周囲条件が考慮される必要がないので、剛性及び変形の配向の目標とされた適合をよりシンプルにする。従って、エネルギー吸収及び力の通過は、好ましいものとなる。
【００１４】
本発明の例示的な実施形態では、タービンハウジング内壁が、タービンハウジング凹部を備え、タービンハウジング凹部が、部分的に又は完全にタービンハウジングを径方向に通過し、バースト保護装置に向かって一方のみに開いていることが規定される。ここで、タービンハウジング凹部により、バースト保護装置の変形した領域を収容するための利用可能な空間を作る領域が形成されることが有利である。これに起因して、バースト保護装置は、まず、タービンハウジング凹部に向かって変形し、そのプロセスで、運動エネルギーがタービンハウジング内にさらに直接通過する前に、バーストしたタービンホイールの構成要素の運動エネルギーの大部分を吸収する。
【００１５】
バースト保護装置が、第２凹部を有し、第２凹部が、第１凹部から独立し、第１凹部から離間し、チャネルのように部分的に又は完全にバースト保護装置を径方向に通過し、タービンハウジングに向かって一方のみに開いている、実施形態がさらに好ましい。さらなる凹部／中空空間は、バースト保護装置の変形及び運動エネルギーの吸収に関してバースト保護装置を最適化する。
【００１６】
優先的には、バースト保護装置は、凹部／中空空間が、径方向においてタービンハウジング凹部と向かい合って配置されるように構成される。凹部／中空空間のこの配置に起因して、タービンハウジング凹部に向かう方向でのバースト保護装置の変形は、好ましいものとなる。
【００１７】
さらに有利なバージョンでは、本発明によれば、バースト保護装置が、第１凹部／中空空間と第２凹部／中空空間との間に、径方向に延在する突起を有し、突起が、優先的に、その端面がタービンハウジング内壁と接触していることが規定される。ここで、欠陥のない動作中に、突起が、タービンハウジング内壁に接触していることによって、径方向における位置変化に対抗してバースト保護装置を固定することが好ましい。突起は、タービンハウジング凹部に隣接する領域において、タービンハウジングに接触している。これは、バーストしたタービンホイールに起因するバースト保護装置の変形中に、タービンハウジング凹部内に突起を変形させ、この結果、まず、バーストしたタービンホイールの構成要素の運動エネルギーの大部分が、全てのエネルギーを突起を介してタービンハウジングに直接向ける代わりに、バースト保護装置の変形エネルギーに変換される。
【００１８】
本発明によるバースト保護装置は、一実施形態のバージョンにおいて、少なくとも１つの凹部／中空空間が、タービンホイールのバースト時にタービンホイールの破片の運動エネルギーの少なくとも一部を吸収するための充填物を有するように形成されている。ここで、充填物が、バースト保護装置によるエネルギー吸収をさらに最適化する塑性変形可能材料からなることが好ましい。
【００１９】
さらに、バースト保護装置における径方向内側に向けられた内壁が、一側で排ガス入口を形成し、バースト保護装置が断面方向において漏斗のように形成されていると、有利である。
【００２０】
本発明のバースト保護装置のさらなる発展では、さらに、バースト保護装置の内壁が、タービンホイールとともに流路を形成していることが規定される。有利な実施形態では、バースト保護装置の端部部分が、突起と端部部分との間に形成された第１凹部／中空空間の開口部が完全にタービンハウジング内壁上に配置されるように、流路の出口においてタービンハウジング内壁に接触している。
【００２１】
好ましい例示的な実施形態は、バースト保護装置が、締結手段によりタービンハウジング上に取り外し可能に固定されることを規定する。
【００２２】
本発明のさらなる側面は、タービンハウジングであって、タービンハウジング内に回転可能に配置されたタービンホイールを備える、タービンハウジングと、ガスターボ機械内に組み込まれた、すでに説明したバースト保護装置と、を有するガスターボ機械、特にガスラジアルターボ機械に関する。
【００２３】
本発明の他の有利なさらなる発展は、従属請求項で特徴づけられており、又は本発明の好ましい実施形態の説明とともに図面を用いてより詳細に示される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】ガスターボ機械のためのバースト保護装置の例示的な実施形態の部分断面透視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下では、例示的な実施形態を用いて図１を参照して本発明が説明され、同じ参照符号は、同じ構造的及び／又は機能的特徴を指す。
【００２６】
図１では、ガスターボ機械１０のためのバースト保護装置１の例示的な実施形態の部分断面透視図が示されている。
【００２７】
示されるガスターボ機械１０は、バースト保護装置１と、回転可能に配置されたタービンホイール２１を備えかつタービンホイール２１を完全に取り囲むタービンハウジング２０と、を備える。さらに、一体に形成されたバースト保護装置１は、中心軸Ａ周りに配置され、タービンハウジング内壁２２に接触しており、この例示的な実施形態ではタービンホイール２１周りでほぼ完全に係合する。タービンハウジング内壁２２は、バースト保護装置１に向かって一方のみに開いたタービンハウジング凹部２３を備える。
【００２８】
バースト保護装置１は、第１凹部２と、第１凹部２から独立しかつ第１凹部２から離間した第２凹部３と、を備える。バースト保護装置１における２つの凹部２，３は、バースト保護装置１の材料の塑性変形に起因して、タービンホイール２１のバースト時にタービンホイール２１の破片の運動エネルギーがバースト保護装置１を通じて凹部２，３内で吸収されるように構成されている。このために、第１凹部２及び第２凹部３は、タービンハウジング２０に向かって一方のみに開いている。これに加え、第２凹部３は、径方向において、タービンハウジング凹部２３と向かい合って配置されている。
【００２９】
さらに、バースト保護装置１は、第１凹部２と第２凹部３との間で径方向に延在する突起４を備える。この突起４は、その端面がタービンハウジング内壁２２と直接接触している。
【００３０】
バースト保護装置１の両凹部２，３は、タービンホイール２１のバースト時にタービンホイール２１の破片の運動エネルギーの少なくとも一部を吸収するための充填物５を有する。流路８の出口、バースト保護装置１の端部部分は、タービンハウジング内壁２２と直接接触している。従って、突起４と端部部分との間に形成された第１凹部２の開口部は、完全にタービンハウジング内壁２２上に配置される。
【００３１】
バースト保護装置１における径方向内側に向けられた内壁７は、排ガス供給部６を片側のみ形成する。これに加え、バースト保護装置１は、断面方向において漏斗のようであり、バースト保護装置１の内壁７は、タービンホイール２１とともに流路８を形成する。
【００３２】
バースト保護装置１は、締結手段９によりタービンハウジング２０に取り外し可能に固定されている。
【００３３】
本発明の具体化において、本発明は、上述した好ましい例示的な実施形態に限定されない。むしろ、機能的に異なるタイプの実施形態でさえ示された解決法を使用する複数のバージョンが考えられる。
【符号の説明】
【００３４】
１  インサート部品，バースト保護装置、２  凹部／中空空間、３  さらなる凹部／中空空間、４  突起、５  充填物、６  排ガス供給部、７  内壁、８  流路、９  締結手段、１０  ターボ過給機，ガスターボ機械、２０  タービンハウジング、２１  タービンホイール、２２  タービンハウジング内壁、２３  タービンハウジング凹部、Ａ  中心軸
【図１】
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【外国語明細書】
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