(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸流排気タービン、特にターボ過給器の軸流排気タービンのための案内翼装置であって、
ａ）案内翼（６）がタービン軸線（１）に関して軸対称に流路（１４）内に配置  され、この案内翼がそれぞれ、流路（１４）からケーシング壁を通って外側に  案内された翼シャンク（１８）を備え、
ｂ）揺動装置（７）を備え、この揺動装置によって案内翼（６）が翼シャンク（  １８）の揺動軸線（８）の回りに回転可能であり、
ｃ）揺動装置（７）が流路（１４）の外側で転動体に支承されかつタービン軸線  （１）の回りに回転可能である調節リング（１９）と、
ｄ）この調節リング（１９）のトルクを各々の案内翼（６）の翼シャンク（１８  ）に伝達する調節レバー（２０）とを備えている、
前記案内翼装置において、
ｅ）転動体がそれぞれ片腕状のレバー（２７）として形成され、このレバーが支  持リング（１６）として形成されたケーシング壁の部材に揺動可能に支承され  ていることを特徴とする案内翼装置。
【請求項２】
支持リング（１６）と反対側の各々のレバー（２７）の端部にそれぞれ、調節リング（１９）に固定された案内突起（２８）が係合し、かつ調節リング（１９）の区間を収容する案内溝（２９）が形成され、この案内溝が転動面としての働きをする溝底を備え、この溝底が調節リングの外面に接触し、かつこの外面と反対向きに湾曲していることを特徴とする請求項１記載の案内翼装置。
【請求項３】
外側に案内された翼シャンク（１８）の部分が、半径方向において互いにずらして配置された２つの個所（２３，２４）で支持リング（１６）に支承されていることを特徴とする請求項１または２記載の案内翼装置。
【請求項４】
支持リング（１６）が流路（１４）の外側を画成する熱負荷除去リング（１７）によって熱負荷除去されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の案内翼装置。
【請求項５】
調節レバー（２０）が両支承個所（２３，２４）の間で翼シャンク（１８）に連結されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の案内翼装置。
【請求項６】
調節レバー（２０）が翼シャンク（１８）に取外し可能に連結され、かつ翼シャンクと調節レバーの間で遊び防止装置によって遊びを生じないように保持されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の案内翼装置。
【請求項７】
調節レバー（２０）が翼シャンク（１８）に嵌め込まれ、遊び防止装置が調節リング（１９）に支持されたスペーサ（２６）であることを特徴とする請求項６記載の案内翼装置。
【請求項８】
調節レバー（２０）が翼シャンク（１８）に嵌め込まれ、遊び防止装置が翼シャンク（１８）に背後から係合する保持要素（３３）であることを特徴とする請求項６記載の案内翼装置。
【請求項９】
冷却源に接続可能な冷却通路（３１）が支持リング（１６）に形成され、この冷却通路が翼シャンク（１８）のケーシング貫通穴を通って流路（１４）に案内されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の案内翼装置。
【請求項１０】
揺動軸線（１８）が案内翼（６）の前縁（２１）と翼押圧点を結ぶ線（２２）との間に位置するように、翼シャンク（１８）が案内翼（６）に連結されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の案内翼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、請求項１の前提部分に記載した案内翼装置から出発する。この案内翼装置は軸流排気タービンの手前に接続配置され、排気を案内する流路内にタービン軸線に関して軸対称に配置された案内翼を備えている。この案内翼はそれぞれ半径方向の軸線回りに揺動可能である。案内翼装置は更に、案内翼を揺動軸線回りに揺動させる揺動装置を備えている。このような案内翼装置により、案内翼を揺動させることによって、排気が流通する流路の横断面積の大きさを変更することができ、例えば排気を供給する内燃機関の部分負荷運転時のように変化する排気流に対して排気タービンをきわめて有利に適合させることができる。
【０００２】
技術水準
このような案内翼装置は例えば欧州特許第０１３１７１９号明細書、特にその図３〜５に示された実施の形態に記載されている。この案内翼装置の場合には、タービンロータに対して同心的に調節リングが設けられている。この調節リングは不変の方向に調節力によって付勢されている。調節リングは流路内で半径方向外側に配置されている。各々の案内翼は半径方向に向いていて翼前縁の範囲内にある軸線回りに揺動可能である。各々の案内翼の後縁は調節リングの端面に接触している。タービン軸線に対して平行に調節リングを調節することにより、案内翼は２つの端位置の間で揺動可能であり、それによって排気がタービンロータに均一に流れることができる。排気流の強さに依存して、案内翼はその都度望ましい角度位置に自動的に調節される。
【０００３】
独国特許第３６２３００１号明細書と同第４１００２２４号明細書にそれぞれ、案内翼装置が開示されている。この案内翼装置の場合には、流路からケーシング壁を通って半径方向外側に案内された翼シャンクが各々の案内翼に取付けられている。案内シャンクは半径方向外側に案内されたその部分によって揺動軸線回りに回転可能に支承されている。独国特許第４１００２２４号明細書に開示された案内翼装置の場合には、案内翼の調節が各々のシャンク端部に固定された歯付きセグメントによって生じる。この歯付きセグメントはそれぞれ、流路の外側に配置されタービン軸線回りに回転可能な歯付きリムと協働する。
【０００４】
独国特許第３６２３００１号明細書の案内翼装置の場合、案内翼の調節は流路の外側に配置されタービン軸線回りに回転可能な調節リングと、調節リングから各々の案内翼の翼シャンクにトルクを伝達する調節レバーとによって行われる。調節リングは転動体によって固定リングの連結板に回転可能に支承されている。この固定リングはタービンケーシングに固定されている。この構造は、調節リングの調節時に伝達される大きな力に基づいて、部品が締付けられてセルフロッキングを生じる危険がある。
【０００５】
発明の開示
本発明は特許請求の範囲に定められているように、構造が簡単であるにもかかわらず、困難な運転条件の場合にも信頼性が高い、冒頭に述べた種類の案内翼装置を提供するという課題を解決する。
【０００６】
冒頭に述べた種類の案内翼装置の一部である調節リングは本発明に従って、その外面が転動体に支承されている。この転動体はそれぞれ、片腕状レバーとして形成され、支持リングに形成されたケーシング壁の部材に揺動可能に支承されている。この支承は、案内翼装置のセルフロッキングを生じないように作用する。従って、案内翼装置は運転信頼性が高く、寿命が長いという利点があり、更にきわめて簡単に調節力で付勢することが可能である。
【０００７】
それぞれ調節リングに固定された案内突起がレバーアームに係合可能であるように、支持リングと反対側のレバーの端部が形成されていると特に有利である。同様に、この端部に、それぞれ調節リングの区間を案内する案内溝を設けると有利である。この案内溝はそれぞれ、調節リングの外面に接触し、かつこの外面と反対向きに湾曲した溝底を備えている。この溝底上でリングの外面の区間が転動する。
【０００８】
外側に案内された翼シャンクの部分が、半径方向において互いにずらして配置された２つの支承個所で支承されていると、翼シャンクの不所望なほど大きな支承力が回避される。支承個所が支持リングとして形成されたケーシング壁部の部材に配置されていると有利である。支持リングと、支承個所で揺動可能に案内された案内翼は、排気タービンにきわめて簡単に組み込み可能であるかあるいは所望される場合には簡単かつ容易に分解可能である。支承個所が互いに大きく離れていると、両支承個所の小さな支承力が確実に保証される。従って、支持リングは半径方向において大きな構造高さを有する。
【０００９】
案内翼装置の信頼性や寿命に悪影響を与える大きな温度差、ひいては大きな熱応力に対して支持リングを保護するために、支持リングはその内面が、流路の外側を画成する熱負荷除去リングによって、高温ガスを案内する流路から遮蔽されている。これにより、支持リングの外面が周囲空気に接触しているにもかかわらず、大きな熱負荷が大幅に低減される。
【００１０】
案内翼の簡単かつ確実な調節を保証するために、本発明に従って案内翼装置に設けられた調節レバーの一端がそれぞれ、翼シャンクに連結され、他端が調節リングの溝内で案内されている。これは、調節レバーが翼シャンクに嵌め込まれ、調節リングに支持されたスペーサが調節レバーに固定されていることにより、簡単な手段によって有利に達成可能である。このスペーサにより、調節レバーの位置に依存しないで常に、調節リングから翼シャンクへの確実で良好な力の伝達が保証され、そして案内翼装置のセルフロッキングが本発明に従って確実に回避される。スペーサが設けられていない場合、調節レバーは案内翼装置の運転中、例えばエンジン振動のような外部の力に基づいて摺動することができず、翼シャンクから離れるように調節リングの方に摺動可能である。案内翼装置の調節の際、調節リングは差込み継手の大きな摩擦力に抗して調節レバーを後退させなければならない。これは案内翼装置の挟持およびセルフロッキングを生じることになる。確実で良好な力の伝達は、調節レバーが翼シャンクに嵌め込まれ、翼シャンクの背後に係合する保持要素が調節レバーに固定されているときにも保証される。この力の伝達はきわめて信頼性が高いという利点がある。なぜなら、スペーサと異なり、保持要素が案内要素の運転中に比較的に小さな変形力によってのみ負荷されるからである。しかし、あらゆる場合、調節リングの溝内を案内される調節レバーの端部を、球ヘッドのように形成することが推奨される。というのは、調節リングから翼シャンクに実質的に遊びなしに力またはトルクが伝達されるからである。省スペース的な理由から、調節レバーを両支承個所の間で翼シャンクに連結することが推奨される。
【００１１】
冷却媒体源に接続可能な冷却通路が支持リングに形成され、翼シャンクのケーシング貫通穴を経て流路に案内されていると、本発明による案内翼装置の寿命と信頼性が更に高まる。これによって同時に、流路からの高温の攻撃性排気の流出が確実に回避される。
【００１２】
揺動軸線が案内翼の前縁と翼押圧点を結ぶ線との間に位置するように、翼シャンクを案内翼に取り付けることが推奨される。翼は常に、排気流によって生じる所定のトルクによって付勢されている。所定の運転条件の場合には、そうでないときに生じる案内翼の振動を確実に回避することができるかあるいは少なくとも実質的に抑制することができる。案内翼装置の故障時に、案内翼は排気流によって開放され、それによって排気タービンの回転数が低下し、過回転が回避される。
【００１３】
次に、実施の形態に基づいて本発明を詳しく説明する。
【００１４】
すべての図において、同じ参照号は同じように作用する部品を示している。図１には、排気ターボ過給器のうちの、排気タービンを備えたタービン部分だけが示してある。この排気タービンは軸線１の回りに回転可能なロータ２とタービンケーシング４と案内翼装置５を備えている。このロータはタービン翼車とこのタービン翼車に固定された動翼３を備えている。案内翼装置はタービン軸線１に関して軸対称に配置された、調節可能な案内翼６のリングと、揺動装置７を備えている。案内翼６はそれぞれ、半径方向に案内された軸線８を中心に、２つの端位置の間の任意の角度位置に回転させることによって揺動可能である。
【００１５】
ロータ２はタービンケーシング４から図示していない支承個所に気密状態で案内され、図１の左側のその端部に、図１に示していない圧縮機翼車を支持している。
【００１６】
タービンケーシング４は軸対称に配置された入口１０を有するガス流入ケーシング９と、半径方向に向いた出口１３を有するガス流出ケーシング１２を含んでいる。入口１０と出口１３の間を、タービンケーシング４によって画成された流路１４が延びている。矢印で示した高温排気１５が、図示していない排気源、特に内燃機関から、入口１０を経て供給される。この高温排気１５は先ず最初に、タービン軸線１の方向に向いた流路１４の区間内を案内される。この区間において、排気１５は案内翼６と動翼３を経て案内される。動翼３の下流で、排気１５はガス流出ケーシング１２によって画成された流路１４の区間に入る。このこの区間内で、排気は軸線１から外側に案内され、最後に出口１３を経てタービンケーシング４から出る。
【００１７】
図２から、案内翼装置５の詳細が明らかである。案内翼装置５はガス流入ケーシング９とガス流出ケーシング１２の間にボルトによって挟持固定された支持リング１６に保持されている。両ケーシング９，１２の間には更に、支持リング１６から熱的に分離された熱負荷除去リング１７が挟持固定されている。この熱負荷除去リングは案内翼６の範囲において流路１４の半径方向外側を画成し、それによって支持リング１６は高温排気の直接的な作用に対して遮蔽されて熱負荷除去されている。案内翼６の各々に取付けられた翼シャンク１８は、流路１４から、ケーシング壁として作用するリング１７，１６を通って半径方向外側に案内されている。翼シャンク１８は半径方向外側に案内されたその部分が揺動軸線８回りに回転可能に支承されている。この回転運動は流路１４の外側に配置されタービン軸線１を中心に回転可能な調節リング１９と、調節リング１９から各々の案内翼の翼シャンク１８にトルクを伝達する調節レバー２０とによって行われる。
【００１８】
翼シャンク１８は、揺動軸線８が案内翼の前縁２１と翼押圧点を結ぶ案内翼の線２２との間に位置するように、案内翼６に取付けられている。これによって、排気流れが常に所定のトルクで案内翼６を付勢する。それにより、排気タービンの運転中、案内翼の不所望なガタツキと振動が抑制される。
【００１９】
外側に案内された翼シャンク１８の部分は、半径方向に互いにずらして配置された２つの個所２３，２４で支承されている。両支承個所２３，２４は、ケーシング４の一部区間として使用される支持リング１６内に配置されている。支持リング１６と流路１４との間に熱負荷除去リング１７が配置されているので、支持リング１６は、不所望なほど大きな熱応力にさらされることを恐れずに、半径方向に大きく採寸することが可能である。従って、両支承個所２３，２４は半径方向において互いに比較的に離して配置可能であり、それに伴い支承個所２３，２４には大きな支承力が作用しない。
【００２０】
調節レバー２０はその一端が嵌め込みによって翼シャンク１８に連結されている。図２に示した差込み継手の場合、翼シャンク１８の端部が二叉状部材のように配置された２個の爪を備えている。この爪は翼シャンク１８の平面平行な２つの保持面に嵌め込まれている。この保持面は両支承個所２３，２４の間に配置されている。これにより、半径方向においてスペースを節約することができる。調節レバー２０は他端に、調節リング１９の溝２５内に案内されている。この溝２５はほぼ半径方向に案内された２つの溝壁によって画成されている。この溝壁は調節リング１９の周方向に見て互いに間隔を有し、この間隔は調節レバー２０の直径よりも幾分大きい。溝２５の深さも調節リング２０の直径よりも幾分大きい。溝２５をこのように採寸することにより、調節リング１９の回転によって生じる、揺動軸線８の回りの揺動運動の際、調節レバー２０は締付けられずに案内される。調節レバー２０に固定され調節リング１９に支持されたスペーサ２６により、調節レバー２０と翼シャンク１８の差込み連結が揺動運動時に悪影響を受けることがない。
【００２１】
図３には、本発明による案内翼装置５の他の実施の形態の調節レバー２０が示してある。この調節レバーも翼シャンク１８に嵌め込まれている。前述の調節レバー２０と異なり、この調節レバー２０には、鋼薄板によって形成された板片状の保持要素３３が固定されている。この保持要素３３は二叉状に形成された弾性的に変形可能な端部３４を備えている。円筒状に形成された翼シャンク１８に調節レバー２０を嵌め込む際に、二叉状部材３４は先ず最初に拡張され、差込み過程終了後翼シャンク１８に背後から係合して拡張継手を形成する。調節レバー２０を半径方向においてできるだけ遊びのないように保持するために、図３に示した平らに形成された２つの側面が、調節レバー２０との差込み連結の範囲においてのみ、円筒状に形成された翼シャンク１８に形成されている。調節リング１９から翼シャンクへのトルク伝達はきわめて高い信頼性がある。というのは、スペーサ２６と異なり、保持要素３３が案内翼装置の運転中に比較的に小さな変形力によってしか負荷されないからである。
【００２２】
図３から更に明らかなように、調節レバー２０は調節リング１９の溝２５内に案内されたその端部が球ヘッド３５のように形成されている。この場合、少なくとも一部に設けられた球面３６は、調節リング１９の回転によって生じる、揺動軸線８回りの調節レバー２０の揺動時に、一時的に溝２５の側面上を転動する。それによって、調節リング１９から翼シャンク１９に力またはトルクを実質的に遊びなしに伝達することができる。調節レバーのこの有利な実施形と溝２５内での案内は、図２に関連して前述した調節レバー２０の場合にも行うことができる。
【００２３】
調節リング１９はその外面が転動体に支承されている。特に図４から判るように、この転動体は支持リング１６に揺動可能に支承された片腕状レバー２７として形成されている。支持リング１６から離れた各々のレバー２７の端部には、長穴ガイドが設けられている。この長穴ガイドには、調節リング１９に固定された案内突起２８が係合している。レバーのこの端部には更に、調節リング１９の区間を収容する働きをする案内溝２９が形成されている。この案内溝の溝底は、調節リング１９の外面に接触し、この外面と逆向きに湾曲し、転動面としての働きをする。外部制御装置とレバー３０を介して行われる調節リング１９の回転運動の際、溝底２９内を案内される調節リング１９の外面の区間は、溝底上を転動し、同時にレバー２７が揺動する。従って、回転運動中の調節リングのセルフロッキングが確実に防止される。
【００２４】
図２から明らかなように、支持リング１６に通路３１が形成されている。この通路は閉鎖キャップ３２（図４）を取り外した後で冷却媒体源、例えばインタークーラの出口に接続可能である。通路３１は翼シャンク１８用ケーシング貫通穴を経て流路１４内に案内されている。通路内を案内される圧縮空気は案内翼装置を効果的に冷却し、流路１４内に溢流することにより、高温ガスが案内翼装置に流入することを防止する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の案内翼装置の第１の実施の形態を備えた排気ターボ過給器のタービン部分の、タービン軸線に沿った断面図である。
【図２】  図１の部分拡大図である。
【図３】  本発明による案内翼装置の第２の実施の形態の調節レバーの平面図である。
【図４】  図１のタービン部分のガス流入ケーシングと案内翼装置を、矢印ＩＶ方向に見た斜視図である。
【参照符号】
１                      タービン軸線
２                      ロータ
３                      動翼
４                      タービンケーシング
５                      案内翼装置
６                      案内翼
７                      揺動装置
８                      揺動軸線
９                      ガス流入ケーシング
１０                    入口
１２                    ガス流出ケーシング
１３                    出口
１４                    流路
１５                    排気流
１６                    支持リング
１７                    熱負荷除去リング
１８                    翼シャンク
１９                    調節リング
２０                    調節レバー
２１                    前縁
２２                    押圧点の線
２３，２４              支承個所
２５                    溝
２６                    スペーサ
２７                    レバー
２８                    案内突起
２９                    案内溝
３０                    レバー
３１                    冷却通路
３２                    閉鎖キャップ
３３                    保持要素
３４                    二叉状端部
３５                    球ヘッド
３６                    球面
【図１】
0004526055.tif 000002
【図２】
0004526055.tif 000003
【図３】
0004526055.tif 000004
【図４】
0004526055.tif 000005