CN104632298A - 涡轮 - Google Patents

Abstract

本发明防止动叶片与其他部件接触。本发明的涡轮具有动叶片(3)、在涡轮半径方向上配置在与动叶片相比靠外侧处的废气引导筒(61)，并使用废气来产生旋转动力，其中，废气引导筒(61)具备气体出口扩散器(62)和箍环(63)，箍环(63)形成有与气体出口扩散器(62)的卡合面(67)卡合的卡合部分(70)。这种涡轮在停止时，通过卡合部分(70)与气体出口扩散器(62)的卡合面(67)卡合，能够防止箍环(63)比动叶片(3)更快地收缩，从而防止动叶片(3)与箍环(63)发生干涉。

Description

涡轮

技术领域

本发明涉及一种涡轮。

背景技术

为了提高内燃机的输出，而使用了各种增压器。该增压器采用将涡轮和压缩机以同轴的方式安装的结构，并具有通过将向涡轮侧导入的内燃机的废气作为能量源来驱动压缩机，从而将向内燃机供给的空气压缩成高密度的功能。

该涡轮所具备的动叶片有时会因与构成增压器的其他部件发生干涉而损坏。在日本特开2003-3804号公报中，公开了一种排气驱动增压器的轴流涡轮，其被形成为，在涡轮圆板损坏时，损坏了的涡轮圆板的碎片即使在非常大的圆周速度下也不会从涡轮机匣飞出。

在日本特开平10-47012号公报中公开了一种涡轮导向器简单且保证可靠的固定的废气涡轮增压器的废气涡轮。该废气涡轮的涡轮导向器通过外环与罩环接触且通过内环与气体入口壳体接触，在外环与气体入口壳体之间形成有轴向的膨胀缝隙，在外环与气体出口壳体之间形成有径向的膨胀缝隙。

专利文献1：日本特开2003-3804号公报

专利文献2：日本特开平10-47012号公报

期望这种增压器将被压缩的燃烧用空气稳定地向内燃机供给。因此，期望防止涡轮的动叶片与其他部件发生干涉。

发明内容

【发明要解决的课题】

本发明的课题在于提供一种防止在起动时动叶片与其他部件发生干涉的涡轮。

本发明的其他课题在于提供一种防止在停止时动叶片与其他部件发生干涉的涡轮。

【用于解决课题的方案】

本发明的第一方式所涉及的涡轮具有动叶片、在涡轮半径方向上配置在与所述动叶片相比靠外侧处的废气引导筒，并使用废气来产生旋转动力。所述废气引导筒具备气体出口扩散器和箍环。在所述气体出口扩散器与所述箍环之间形成有间隙。所述箍环具备：圆筒部分，其形成有与所述动叶片对置的圆筒面；凸缘部分，其从所述圆筒部分向远离所述动叶片一侧伸出；卡合部分，其从所述凸缘部分突出。所述气体出口扩散器形成有与所述卡合部分对置的卡合面。

在这种涡轮中，在动叶片、气体出口扩散器以及箍环被加热时，箍环比气体出口扩散器更快地升温，箍环膨胀而使间隙变窄。这种涡轮通过箍环比气体出口扩散器更快地膨胀，能够防止动叶片与箍环接触。这种涡轮还通过在动叶片和箍环被冷却时卡合部分与气体出口扩散器卡合，来防止箍环比动叶片更快地收缩，从而防止箍环与动叶片接触。

所述卡合部分可以由沿着以所述动叶片的旋转轴为中心的圆周排列的多个突起形成。

这种多个突起与沿着以动叶片的旋转轴为中心的圆周而形成为环状的其他卡合部分相比，能够更容易地制作。

所述第一方式所涉及的涡轮还可以具备将所述凸缘部分支承于所述气体出口扩散器的支承部件。

这种涡轮能够防止箍环从气体出口扩散器脱出，从而更可靠地将箍环配置在规定的位置。

本发明的第二方式所涉及的增压器具备：所述第一方式所涉及的涡轮；压缩机，其通过使用由所述涡轮产生的旋转动力来压缩空气，从而产生燃烧用空气。这种增压器通过防止所述涡轮的动叶片与箍环接触，能够稳定地产生燃烧用空气。

本发明的第三方式所涉及的船舶具备：所述第二方式所涉及的增压器；内燃机，其使用所述燃烧用空气来产生动力；船身，其搭载所述增压器和所述内燃机；推进装置，其使用所述动力来推进所述船身。

这种船舶通过增压器稳定地向内燃机供给燃烧用空气，能够使内燃机稳定地产生动力，从而能够稳定地航行。

【发明效果】

本发明的涡轮能够防止动叶片与其他部件发生干涉。

附图说明

图1是表示利用了轴流涡轮的增压器的局部剖面结构图。

图2是表示废气引导筒的剖视图。

图3是表示废气的温度变化和涡轮叶片的前端的位置变化，并表示箍环的内径的位置变化的曲线图。

图4是表示比较例的废气引导筒的剖视图。

图5是表示比较例的箍环的内径的位置变化的曲线图。

符号说明

3   动叶片

10  轴流涡轮

20  压缩机

44  叶片端

61  废气引导筒

62  气体出口扩散器

63  箍环

64  螺栓

65  安装面

67  卡合面

68  圆筒形部分

69  凸缘部分

70  卡合部分

71  内侧面

72  间隙

具体实施方式

以下，参照图1对具有本发明的第一实施方式所涉及的涡轮的增压器(也称为“排气涡轮增压器”)进行说明。图1是表示具有涡轮的增压器的局部剖面结构图。增压器具备轴流式的轴流涡轮10和压缩机20，并构成为，通过导入至轴流涡轮10的内燃机的废气膨胀而得到的轴输出而使同轴的压缩机20旋转，从而将压缩成高密度的压缩空气向内燃机供给。

轴流涡轮10具备转子轴1、转子盘2以及动叶片3。转子轴1形成为棒状，并被支承为能够以旋转轴5为中心而旋转。转子盘2形成为大致圆盘状。转子盘2通过圆盘的中央与转子轴1的一端接合而固定于转子轴1上，被支承为能够以旋转轴5为中心而旋转。动叶片3形成为叶片形，并形成有多个。动叶片3分别通过叶片根与转子盘2的外周接合，而固定在转子轴1上，能够以旋转轴5为中心旋转地被支承。

轴流涡轮10还具备气体入口壳体6和气体出口壳体7。气体入口壳体6配置于转子盘2的与转子轴1侧相反的一侧，即，以在气体入口壳体6与转子轴1之间配置有转子盘2的方式配置。气体入口壳体6具备外侧壳体11、内侧壳体12以及涡轮导向器14。

外侧壳体11形成为中空的大致管状。外侧壳体11在管的附近形成有废气入口流路15。内侧壳体12形成为大致管状，并配置于外侧壳体11的内侧。

气体入口壳体6还形成有环状气体通路18。环状气体通路18形成在内侧壳体12与外侧壳体11之间，以包围旋转轴5的方式形成为环状。环状气体通路18与废气入口流路15连接。

涡轮导向器14形成为环状。涡轮导向器14配置在动叶片3的与转子轴1侧相反的一侧，即，以在涡轮导向器14与转子轴1之间配置有动叶片3的方式配置。涡轮导向器14具备外周侧部件21和内周侧部件22。外周侧部件21形成为管状。内周侧部件22形成为与外周侧部件21相比直径较小的管状，并配置于外周侧部件21的内侧。涡轮导向器14通过使内周侧部件22与内侧壳体12接合，从而固定于气体入口壳体6上。涡轮导向器14形成为包围旋转轴5的环状的喷嘴。

气体出口壳体7形成为中空。气体出口壳体7以内部空间经由动叶片3与由气体入口壳体6形成的环状气体通路18和环状气体通路18连结的方式，接合于外侧壳体11中的靠近动叶片3一侧的端处。气体出口壳体7具备废气引导筒61。废气引导筒61形成为大致管状，并配置于气体出口壳体7的内部。废气引导筒61形成为，管的某一部分的直径比与管的该部分相比靠近动叶片3的部分的直径大。

绝热材料4出于绝热以及防音的目的而设置。

如图2所示，废气引导筒61具备气体出口扩散器62、箍环63以及螺栓64。气体出口扩散器62形成废气引导筒61的大部分。气体出口扩散器62形成有安装面65、内螺纹66以及卡合面67。安装面65形成于气体出口扩散器62中的气体入口壳体6一侧的端处，沿着与旋转轴5垂直的平面而形成。内螺纹66形成于安装面65上。卡合面67形成于安装面65的附近。卡合面67形成于以旋转轴5为中心的圆周面上。

箍环63由碳素钢形成，通过机械加工而形成为大致管状。箍环63的质量比气体出口扩散器62的质量小。因此，箍环63的热容量比气体出口扩散器62的热容量小。箍环63具备圆筒形部分68、凸缘部分69以卡合部分70。圆筒形部分68形成为大致管状，且在管的内侧形成有内侧面71。圆筒形部分68配置为，管的内侧面71与动叶片3对置、并且内侧面71距动叶片3的叶片端44离开规定的距离。圆筒形部分68还在配置为，在圆筒形部分68与气体出口扩散器62之间形成有间隙72。

凸缘部分69以沿着与旋转轴5垂直的平面而从圆筒形部分68的一端向外侧伸出的方式而形成。凸缘部分69形成有贯穿孔73。螺栓64贯穿凸缘部分69的贯穿孔73，与气体出口扩散器62的内螺纹66结合。通过使螺栓64与气体出口扩散器62的内螺纹66结合，从而将凸缘部分69支承于气体出口扩散器62。箍环63通过利用螺栓64而被支承于气体出口扩散器62，能够防止从气体出口扩散器62脱出，从而更可靠地配置于规定的位置。此时，螺栓64将箍环63松弛支承于气体出口扩散器62，以能够使间隙72的大小变动。

卡合部分70形成为大致管状，且形成为从凸缘部分69的涡轮半径方向外侧的边缘向气体出口扩散器62侧伸出。此时，箍环63配置为，气体出口扩散器62的卡合面67与卡合部分70对置、即以在卡合部分70与旋转轴5之间配置有气体出口扩散器62的卡合面67。

压缩机20具备可动部和固定部。可动部以能够以旋转轴5为中心旋转的方式支承于固定部，且固定于转子轴1上。在压缩机20中，在可动部以旋转轴5为中心而进行旋转时，通过使用由轴流涡轮10产生的旋转动力来压缩空气从而产生燃烧用空气。

增压器利用于未图示的内燃机中。即，内燃机通过使用由增压器产生的燃烧用空气而使燃料燃烧，从而产生动力。内燃机还通过使燃料燃烧而产生废气，并将废气向轴流涡轮10的废气入口流路15供给。

内燃机利用于船舶中。船舶具备内燃机、增压器、船身以及推进装置。船身搭载内燃机和增压器。推进装置使用由内燃机产生的动力来推进船身。

涡轮的运转主要具备起动时运转、正常运转以及停止时运转这三个运转模式。

在内燃机所排出的废气导入至涡轮部时开始起动时运转。此时，动叶片3和废气引导筒61处于非常低的温度，具体而言为与外部空气温度同等程度的温度。

内燃机在动叶片3和废气引导筒61处于低温时，通过使燃料燃烧而产生废气，并将废气向废气入口流路15供给。废气入口流路15在从内燃机供给废气之后，将废气向环状气体通路18供给。环状气体通路18在从废气入口流路15供给废气之后，将废气向涡轮导向器14供给。涡轮导向器14在从环状气体通路18供给废气之后，将废气向动叶片3喷射。

动叶片3由涡轮导向器14喷射有废气，从而以旋转轴5为中心而旋转，经由转子盘2以旋转轴5为中心而使转子轴1旋转。即，轴流涡轮10通过从内燃机供给有废气，从而产生旋转动力。增压器的压缩机20在转子轴1以旋转轴5为中心进行旋转时，使用由轴流涡轮10产生的旋转动力来压缩空气，并将压缩后的燃烧用空气向内燃机供给。内燃机使用燃烧用空气使燃料燃烧。

此时，动叶片3由于与从涡轮导向器14喷射的废气接触而被加热，以叶片端44远离旋转轴5的方式膨胀。气体出口扩散器62由于从涡轮导向器14喷射有废气，而被加热膨胀。此时，由于气体出口扩散器62热容量比动叶片3的热容量大，从而与动叶片3相比被缓慢地加热，与动叶片3相比缓慢地膨胀。

箍环63由于从涡轮导向器14喷射有废气而被加热。此时，由于箍环63的热容量比气体出口扩散器62的热容量小，从而与加热气体出口扩散器62相比被更快地加热。箍环63由于被加热而膨胀。由于箍环63被松弛支承于气体出口扩散器62、并且由于在气体出口扩散器62与箍环63之间形成间隙72，由此膨胀不会被气体出口扩散器62阻碍，而是以使间隙72变小的方式膨胀。

在起动时运转中，箍环63与气体出口扩散器62的温度差逐渐变小。将不存在该温度差的变化的稳定状态下的运转作为正常运转。即，在执行了起动时运转后，动叶片3和废气引导筒61充分升温至规定的温度后开始正常运转。内燃机通过使燃料燃烧而产生动力，并将旋转动力向外部设备供给。内燃机还排出废气，将废气向增压器供给。

轴流涡轮10的废气入口流路15将从内燃机供给至增压器的废气向环状气体通路18供给。环状气体通路18在从废气入口流路15供给废气之后，将废气向涡轮导向器14供给。涡轮导向器14在从环状气体通路18供给废气之后，将废气向动叶片3喷射。

动叶片3通过由涡轮导向器14喷射废气，从而以旋转轴5为中心而旋转，并经由转子盘2使转子轴1以旋转轴5为中心而旋转。即，轴流涡轮10使用从内燃机排出的废气而产生旋转动力。压缩机20使用由轴流涡轮10产生的旋转动力来压缩空气，并将压缩后的燃烧用空气向内燃机供给。内燃机通过使用被压缩机20压缩后的燃烧用空气而使燃料燃烧，从而产生废气，并产生规定的动力。

在正常运转结束之后开始停止时运转。例如，通过使内燃机停止而开始停止时运转。在停止时运转中，轴流涡轮10的废气入口流路15将从内燃机供给至增压器的废气向环状气体通路18供给。环状气体通路18在从废气入口流路15供给废气之后，将废气向涡轮导向器14供给。涡轮导向器14在从环状气体通路18供给废气之后，将废气向动叶片3喷射。

在执行停止时运转期间内，流入涡轮部的废气的量减少，涡轮部内的环境温度下降。此时，动叶片3由于涡轮部内的环境温度下降而被冷却，以叶片端44接近旋转轴5的方式收缩。气体出口扩散器62随着涡轮部内的环境温度下降，而被冷却收缩。此时，由于气体出口扩散器62的热容量较大，因此比较缓慢地被冷却，比较缓慢地收缩。

箍环63随着涡轮部内的环境温度下降而被冷却。此时，由于箍环63的热容量比气体出口扩散器62的热容量小，从而与冷却气体出口扩散器62相比更快地被冷却。箍环63因被冷却而收缩。此时，由于箍环63松弛支承于气体出口扩散器62，从而以内侧面41接近旋转轴5的方式收缩。就气体出口扩散器62而言，由于气体出口扩散器62的热容量比箍环63的热容量大，从而与箍环63相比更缓慢地被冷却，与箍环63相比更缓慢地收缩。此时，箍环63通过使卡合部分70与气体出口扩散器62的卡合面67卡合，从而阻碍内侧面71在涡轮半径方向上以接近旋转轴5的方式收缩。

图3示出了涡轮部内的环境温度的变化。涡轮部内温度变化51示出了在执行起动时运转时涡轮部内的环境温度随着时间的经过而上升。涡轮部内温度变化51还示出了在执行正常运转时涡轮部内的环境温度不大幅发生变化而大致恒定。涡轮部内温度变化51还示出了在执行停止时运转时涡轮部内的环境温度下降。

图3还示出了动叶片3的叶片端44的位置的变化。叶片端位置变化52示出了在执行起动时运转时叶片端44随着时间的经过而向远离旋转轴5侧移动。即，叶片端位置变化52示出了在涡轮部内的环境温度上升时，由于动叶片3的温度随着时间的经过而上升，因而动叶片3随着时间的经过而膨胀。

叶片端位置变化52还图示了在执行正常运转时叶片端44不随着时间的经过而大幅移动。即，叶片端位置变化52示出了在涡轮部内的环境温度恒定时，动叶片3的温度不大幅变动，动叶片3不大幅膨胀或收缩。

叶片端位置变化52还示出了在执行停止时运转时叶片端44随着时间的经过而向接近旋转轴5侧移动。即，叶片端位置变化52示出了在涡轮部内的环境温度下降时，由于动叶片3的温度下降，因而动叶片3收缩。

图3还示出了箍环63的内侧面71的位置的变化。内侧面位置变化81示出了在执行起动时运转时内侧面71随着时间的经过而向远离旋转轴5侧移动。即，内侧面位置变化81示出了在涡轮部内的环境温度上升时，由于箍环63的温度上升，因而箍环63膨胀。

内侧面位置变化81还示出了在执行正常运转时内侧面71的位置不大幅发生变化而恒定。即，内侧面位置变化81示出了在涡轮部内的环境温度大致恒定时，箍环63的温度不大幅变动，箍环63不大幅膨胀或收缩的情况。

内侧面位置变化81还示出了在执行停止时运转时内侧面71随着时间的经过而向接近旋转轴5侧移动。即，内侧面位置变化81示出了在涡轮部内的环境温度下降时，由于箍环63的温度下降，因而箍环63收缩。

叶片端位置变化52和内侧面位置变化81示出了在执行停止时运转时箍环63的内侧面71与动叶片3的叶片端44相比缓慢地移动。叶片端位置变化52和内侧面位置变化81还示出了在执行停止时运转时动叶片3的叶片端44不与箍环63的内侧面71接触。

就轴流涡轮10而言，如叶片端位置变化52和内侧面位置变化81所示的那样，由于在气体出口扩散器62与箍环63之间形成有间隙72，因而在执行起动时运转或正常运转时，能够防止动叶片3与箍环63的内侧面41接触。即，间隙72形成为足够大，以在执行起动时运转或正常运转时，气体出口扩散器62不阻碍箍环63的膨胀、且动叶片3不与箍环63的内侧面41接触。

图4示出了比较例的废气引导筒。比较例的废气引导筒131省略了上叙的废气引导筒61的箍环63的卡合部分70。即，比较例的废气引导筒131具备气体出口扩散器133、箍环134以及螺栓135。气体出口扩散器133形成废气引导筒131的大部分。气体出口扩散器133形成有安装面136和内螺纹137。安装面136形成于气体出口扩散器133的气体入口壳体6侧的端处，并沿着与旋转轴5垂直的平面而形成。内螺纹137形成于安装面136上。

箍环134由碳素钢形成，通过机械加工形成为大致管状。箍环134的质量比气体出口扩散器133的质量小。因此，箍环134的热容量比气体出口扩散器133的热容量小。箍环134具备圆筒形部分138和凸缘部分139。圆筒形部分138形成为大致管状。圆筒形部分138配置为，管的内侧面141与动叶片3对置、且内侧面141距动叶片3的叶片端44离开规定的距离。圆筒形部分138还配置为，在圆筒形部分138与气体出口扩散器133之间形成有间隙142。

凸缘部分139以沿着与旋转轴5垂直的平面从圆筒形部分138的一端向外侧伸出的方式而形成。凸缘部分139形成有贯穿孔143。螺栓135贯穿凸缘部分139的贯穿孔143，并与气体出口扩散器133的内螺纹137结合。螺栓135通过与气体出口扩散器133的内螺纹137结合，从而将凸缘部分139支承于气体出口扩散器133。箍环134通过利用螺栓135支承于气体出口扩散器133，能够防止从气体出口扩散器133脱出，且更可靠地配置于规定的位置。此时，螺栓135将箍环134松弛支承于气体出口扩散器133，以能够使间隙142的大小变动。

图5示出了比较例的箍环134的内侧面141的位置的变化。内侧面位置变化153示出了在执行起动时运转时内侧面141随着时间的经过而向远离旋转轴5侧移动。即，内侧面位置变化153示出了在涡轮部内的环境温度上升时，由于箍环134的温度上升，因恻然箍环134膨胀。

内侧面位置变化153还示出了在执行正常运转时内侧面141的位置不大幅发生变化而恒定。即，内侧面位置变化153示出了在涡轮部内的环境温度大致恒定时，箍环134的温度不大幅变动，箍环134不大幅膨胀或收缩。

内侧面位置变化153还示出了在执行停止时运转时内侧面141随着时间的经过而向接近旋转轴5侧移动。即，内侧面位置变化153示出了在涡轮部内的环境温度下降时，由于箍环134的温度下降，因而箍环134收缩。

叶片端位置变化52和内侧面位置变化153示出了在执行起动时运转和正常运转时动叶片3的叶片端44不与箍环134的内侧面141接触。叶片端位置变化52和内侧面位置变化153还示出了在执行停止时运转时箍环134的内侧面141与动叶片3的叶片端44相比更快地朝向旋转轴5移动。叶片端位置变化52和内侧面位置变化153还示出了在执行停止时运转时存在动叶片3的叶片端44与箍环134的内侧面141接触的可能性。

内侧面位置变化153和图3的内侧面位置变化81示出了在执行停止时运转时箍环63的内侧面71与比较例的箍环134的内侧面141相比更缓慢地朝向旋转轴5移动。即，内侧面位置变化153和图3的内侧面位置变化81示出了在执行停止时运转时箍环63的卡合部分70与气体出口扩散器62的卡合面67卡合，并且示出了通过卡合部分70来阻碍箍环63收缩。

如内侧面位置变化81所示，具备废气引导筒61的轴流涡轮能够更可靠地防止在执行停止时运转时动叶片3与箍环63的内侧面71接触。即，气体出口扩散器62形成为热容量足够大，以使得在卡合部分70与卡合面67卡合时，以箍环63的内侧面71不与动叶片3接触的方式使气体出口扩散器62充分而缓慢地收缩。

需要说明的是，卡合部分70能够置换成形成为与圆环状不同形状的其他卡合部分。作为卡合部分，例示了沿着以旋转轴5为中心的圆周等间隔地排列的多个突起。多个突起形成为，从凸缘部分69的凸缘部分69的外侧的边缘向气体出口扩散器62侧突出，并在多个突起各自与旋转轴5之间配置有气体出口扩散器62的卡合面67。利用这种卡合部分的轴流涡轮也与上述的第二实施方式的轴流涡轮相同，能够更可靠地防止在执行停止时运转时动叶片3与箍环63的内侧面71接触。

需要说明的是，箍环63也能够置换成通过铸造制成的由铸铁形成的其他箍环。应用了这种箍环的轴流涡轮也与上述的实施方式中的轴流涡轮相同，能够防止动叶片3与其他部件发生干涉。

需要说明的是，轴流涡轮VTI也能够利用于增压器(可变流路增压器)中。轴流涡轮还能够利用于增压器以外的其他装置中。这种轴流涡轮也与上述的实施方式中的轴流涡轮相同，能够防止动叶片3与其他部件接触。

需要说明的是，具备增压器的内燃机也能够利用于船舶以外的其他装置中。作为其他装置，例示了发电机。发电机使用由内燃机产生的动力来进行发电。应用于其他装置中的增压器也与上述的实施方式中的增压器相同，能够防止动叶片3与其他部件发生干涉，能够将压缩空气稳定地向内燃机供给。

Claims (5)

1.一种涡轮，具备：

箍环，其在涡轮半径方向上配置在与动叶片相比靠外侧处；

气体出口扩散器，其在涡轮半径方向上与所述箍环相比靠外侧处以与所述箍环之间设置有间隙的方式而配置，

所述气体出口扩散器还具备与设置于所述箍环上的卡合部分对置的卡合面。

2.根据权利要求1所述的涡轮，其中，

所述卡合部分为沿着以所述动叶片的旋转轴为中心的圆周而形成的多个突起。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的涡轮，其中，

还具备将所述箍环支承于所述气体出口扩散器的支承部件。

4.一种增压器，具备：

权利要求1至权利要求3中任一项所述的涡轮；

压缩机，其使用所述涡轮的旋转动力来压缩空气。

5.一种船舶，具备：

权利要求4所述的增压器；

内燃机，其使用燃烧用空气来产生动力；

船身，其搭载所述增压器和所述内燃机；

推进装置，其使用所述动力来推进所述船身。