JP2005163692A - 作動流体逃がし通路を有する排気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】排気タービンの高負荷運転時にロータの下流域より作動流体を逃がす作動流体逃がし通路を、閉じた状態ではタービンシュラウドには何らの開口が存在しない状態とした上で、開くべきときのみ任意の所望の開口面積まで開くことができるようにする。
【解決手段】排気タービンのロータが作動流体出口端を含む下流域にて軸流タービンとして構成されている場合に、軸流タービン部を包囲するシュラウドの少なくとも一部をタービンロータの中心軸線に平行に移動することにより開閉される作動流体逃がし通路を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のターボ過給機のタービンの如き排気タービンに係り、特に車輌用内燃機関のターボ過給機の排気タービンに適したタービン下流域からの作動流体逃がし構造に係る。

排気タービン等のガスタービンは、蒸気タービンと異なり、作動流体がタービンロータ内にて熱エネルギを運動エネルギに変換しても作動流体の一部凝縮を生じないので、タービンが低〜中負荷運転時にも良好な作動効率を得るように設計されていると、高負荷運転時にタービンロータの下流域に作動流体の詰まりを生じ、作動効率が大きく低下する。このことは、タービンが車輌用内燃機関のターボ過給機の排気タービンであり、内燃機関が低負荷から高負荷まで広い負荷範囲に亙って運転され、それに対応して排気ガスの流量が大幅に変化する場合に特に重大である。そこで、車輌用内燃機関のターボ過給機等に於いては、排気ガス流量が増大する高負荷運転時に、排気ガスの一部をタービンロータから逸らせ、バイパスさせて逃がすことが知られており、またそのための作動流体逃がし装置の構造が従来から種々提案されている。

かかる排気タービンに於ける作動流体逃がし装置は、従来一般にタービンロータの入口部に開口するパイパス通路として形成されていたが、その場合にはバイパスされる排気ガスのエネルギが丸々廃棄されることに鑑み、下記の特許文献１には、作動流体逃がし通路をタービンロータに沿ったシュラウド壁面の途中の下流域に開口させ、そこまでタービンロータ内を流れることによりその分エネルギを回収された後の排気ガスの一部をタービンロータ外へ逸らせて、ロータ下流端部に於ける排気ガスの詰まりを回避することが提案されている。
特開平８-６１０７６

しかし、上記特許文献１に於ける如くタービンロータに沿ったシュラウド壁面の途中に作動流体逃がし通路の入口ポートを開口させると、かかるポートの開口によりシュラウド壁面に窪みができることから、作動流体を全く逃がさない低〜中負荷運転時にタービンを通る作動流体の流れが乱され、タービンの作動効率が低下するという問題があり、またそのためポート開口の大きさを制限すると、作動流体逃がしのために十分な大きさのポートを開口させることができないという問題がある。

本発明は、上記の問題に鑑み、そのような問題を生ずることなく、作動流体逃がし通路をタービンロータに沿ったシュラウド壁面の途中に開口させることのできる排気タービンを提供することを課題としている。

上記の課題の解決するものとして、本発明は、タービンロータが作動流体出口端を含む下流域にて軸流タービンとして構成されている排気タービンにして、前記軸流タービンとして構成されている部分を包囲するシュラウドの少なくとも一部が該タービンロータの中心軸線に平行に移動することにより開閉される作動流体逃がし通路を有することを特徴とする排気タービンを提案するものである。

かかる構造に於いて、前記シュラウドの移動可能な部分は、タービンロータの作動流体出口端より下流側に隔たる位置まで移動可能であってよい。

前記シュラウドの移動可能な部分はタービンロータの中心軸線に平行に延在する板部材であり、前記作動流体逃がし通路はタービンロータの側から見て前記板部材の外側を通って延在していてよい。

前記板部材の外側を通って延在する前記作動流体逃がし通路には、それに沿って流れる作動流体逃がし流を案内するガイドベーンが設けられていてよい。かかるガイドベーンは、前記板部材により支持されていてよく、或は前記板部材に対向して該板部材と共に前記作動流体逃がし通路を構成するシュラウドにより支持されていてよい。また、かかるガイドベーンは回転するタービンロータの途中から逃がされる作動流体の旋回流に沿う方向に偏向されていてよい。

前記シュラウドの移動可能な部分はタービンロータの全周を囲む環状体として形成されていてよい。

車輌用内燃機関の排気タービンは、多くの場合、タービンロータが作動流体出口端を含む下流域にて軸流タービンとして構成されている。そこで、排気タービンがそのような構造である場合に、軸流タービンとして構成されている部分を包囲するシュラウドの少なくとも一部がタービンロータの中心軸線に平行に移動することにより開閉される作動流体逃がし通路が設けられれば、内燃機関の低〜中負荷運転時等であって、排気タービンが作動流体逃がし通路を閉じた状態にて運転されるときには、軸流タービン部分を包囲するシュラウドには何らの開口が存在しない状態とした上で、作動流体逃がし通路を開くべきときのみ、タービンロータの下流域の軸流タービンとして構成されている部分に任意の所望の開口面積の作動流体逃がし通路入口を開くことができる。

上記の如くタービンロータの下流域の軸流タービン状の部分に対するシュラウドの一部をタービンロータの中心軸線に平行に移動させるのであれば、該シュラウドの移動可能な部分の移動に対し特に制限はないので、その移動はタービンロータの作動流体出口端より下流側に隔たる位置まで移動可能とされてよく、こうすることにより作動流体逃がし通路の開口面積を十分に大きく取ることができる。

前記シュラウドの移動可能な部分がタービンロータの中心軸線に平行に延在する板部材とされ、作動流体逃がし通路がタービンロータの側から見て前記板部材の外側を通って延在するようにされれば、作動流体逃がし通路の開閉のための弁構造が、板部材のその延在方向に沿った移動という、弁部材の可動構造としては最も単純な構造となり、また作動流体逃がし通路はその延在方向に沿って断面積が一定の滑らかな通路となり、低い流れ抵抗にて作動流体を逃がすに好適な作動流体逃がし通路が得られる。

前記板部材の外側を通って延在する作動流体逃がし通路に、それに沿って流れる作動流体逃がし流を案内するガイドベーンが設けられていれば、作動流体逃がし通路を通って流れる作動流体逃がし流に整流作用を与え、作動流体逃がし流に対する流れ抵抗をより一層低減することができる。この場合、特にガイドベーンが回転するタービンロータの途中から逃がされる作動流体の旋回流に沿う方向に偏向されていれば、その作動流体逃がし流に対する整流作用は一層優れたものとなり、作動流体逃がし通路の流れ抵抗をより一層低減することができる。

かかるガイドベーンが前記板部材により支持される構造とされれば、ガイドベーンは前記板部材との一体鋳形等により形成でき、またかかるガイドベーンが前記板部材に対向して該板部材と共に作動流体逃がし通路を構成するシュラウドにより支持される構造とされれば、ガイドベーンはシュラウドとの一体鋳形等により形成できる。

シュラウドの移動可能な部分がタービンロータの全周を囲む環状体として形成されていれば、作動流体逃がし通路開閉のための弁要素として作動するシュラウドの移動可能部分を、タービンロータの中心軸線の周りに対称で、構造的に安定し、取り扱いやすい環状部材として構成することができるという、構造上のメリットが得られるとともに、タービンロータの途中からの作動流体の逃がしがタービンロータの全周から一様に行われるという、熱力学上のメリットが得られる。

図１は本発明による排気タービンの本発明に係る要部の構造を一つの実施の形態に於いて解図的に示す概略断面図であり、図２および３は図１に示されている構造の更に要部のみを図１とは異なる他の２つの作動状態にて示す概略図である。

これらの図に於いて、１０は回転中心軸線Ｃの周りに回転するよう図には示されていない軸受装置により回転式に支持されたタービンロータである。タービンロータにはその周縁部に作動流体（排気ガス）を通す複数の作動流体通路１２が形成されている。これら複数の作動流体通路１２を仕切る壁がタービンロータのブレード１４をなしている。作動流体通路１２は、タービンシュラウド１６の一部に形成された蝸牛状の作動流体供給室１８より、一連の環状に配列された可変ノズルベーン２０により構成された環状ノズル列を経て作動流体をその入口端２２にほぼ半径方向内向きに受け入れ、これをそれに沿って案内しつつ軸線方向の流れに偏向させ、出口端２４より軸線方向に排出するようになっている。このようにタービンロータ１０は作動流体出口端２４を含む下流域にて軸流タービンとして構成されている。

軸流タービンとして構成されたタービンロータの作動流体出口端２４を含む下流域を包囲するシュラウドの一部は、タービンロータの中心軸線Ｃに平行に移動することができる可動部材２６により構成されており、図示の実施の形態に於いては、この可動部材２６はタービンロータの中心軸線Ｃに平行に延在する板部材よりなる環状体として形成されている。可動部材２６はタービンロータの中心軸線Ｃに平行に配列された複数本（図示の解図的表示では周方向に均等に隔置された８本）の支持ロッド２８により環状部材３０から支持されており、環状部材３０が複数本のラジアルロッド３２を経てアクチュエータロッド３４より支持され、アクチュエータロッド３４が図には示されていない制御アクチュエータによりタービンロータの中心軸線Ｃに沿って移動されることにより、図２に示されている如くタービンロータ下流域の軸流タービン部を包囲する無孔のシュラウド壁面を呈する位置と、図１に示されている如くタービンロータ下流域の軸流タービン部を包囲するシュラウド壁面に作動流体逃がし通路３６を開口させる位置と、図３に示されている如くタービンロータの作動流体出口端２４より下流側に隔たって作動流体逃がし通路３６を作動流体通路１２に全面的に合体させ、作動流体通路１２の下流域の横断面を拡大する効果をもたらす位置の間で移動されるようになっている。

このようにタービンロータの下流域の軸流タービン部を包囲するシュラウドの一部を可動部材２６とし、それがタービンロータの中心軸線に平行に移動されることによって排気タービンの作動流体逃がし通路３６が開閉される構造とすることにより、作動流体逃がし通路が閉じられたときには、タービンロータ下流域を包囲するシュラウド壁面は全く無孔の完全に滑らかな壁面を呈するものとなり、非作動状態にある作動流体逃がし通路により排気タービンの作動効率が無用に損なわれることが回避される。そして、作動流体逃がし通路が開かれるべきときには、作動流体逃がし通路への入口をシュラウド壁面に沿った開口として十分な開口面積まで大きく開くことができる。

図１に示す実施の形態の於いては、作動流体逃し通路３６に沿って延在し、該通路を通って流れる作動流体逃がし流に対し整流作用を与え、作動流体逃し通路の流れ抵抗を可及的に低減するガイドベーン３８が、可動部材２６により支持された構造にて設けられている。また図示の実施の形態では、ガイドベーン３８はそれらの一部が破線にて解図的に示されている如く、回転するタービンロータの途中から逃がされる作動流体の旋回流に沿う方向に偏向されている。

同じ目的のガイドベーンは、図２および３と同様に本発明による排気タービンの発明に係る要部の他の一つの実施の形態を示す図４に於いて、４０として同様に解図的に示されている如く、板部材２６に対向して該板部材と共に作動流体逃がし通路３６を構成するシュラウド１６の一部により支持された構造にて設けられていてもよい。この場合にもガイドベーン４０は回転するタービンロータの途中から逃がされる作動流体の旋回流に沿う方向に偏向されているのが好ましい。尚、図４に於いて、図１〜３に示す部分に対応する部分は、図１〜３に於けると同じ符号により示されている。

以上に於いては本発明を２つの実施の形態について詳細に説明したが、これらの実施の形態について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

本発明による排気タービンの本発明に係る要部の構造を一つの実施の形態に於いて解図的に示す概略断面図。 図１に示されている構造の更に要部のみを他の一つの異なる作動状態にて示す概略図。 図１に示されている構造の更に要部のみを更に他の一つの異なる作動状態にて示す概略図。 本発明による排気タービンの発明に係る要部の他の一つの実施の形態を図２および３と同様の要領にて示す概略図。

符号の説明

１０…タービンロータ、１２…作動流体通路、１４…タービンロータブレード、１６…タービンシュラウド、１８…作動流体供給室、２０…可変ノズルベーン、２２…作動流体通路の入口端、２４…作動流体通路の出口端、２６…可動部材、２８…支持ロッド、３０…環状部材、３２…ラジアルロッド、３４…アクチュエータロッド、３６…作動流体逃がし通路、３８，４０…ガイドベーン

Claims (8)

1. タービンロータが作動流体出口端を含む下流域にて軸流タービンとして構成されている排気タービンにして、前記軸流タービンとして構成されている部分を包囲するシュラウドの少なくとも一部が該タービンロータの中心軸線に平行に移動することにより開閉される作動流体逃がし通路を有することを特徴とする排気タービン。
2. 前記シュラウドの移動可能な部分はタービンロータの作動流体出口端より下流側に隔たる位置まで移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の排気タービン。
3. 前記シュラウドの移動可能な部分はタービンロータの中心軸線に平行に延在する板部材であり、前記作動流体逃がし通路はタービンロータの側から見て前記板部材の外側を通って延在していることを特徴とする請求項１または２に記載の排気タービン。
4. 前記板部材の外側を通って延在する前記作動流体逃がし通路には、それに沿って流れる作動流体逃がし流を案内するガイドベーンが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の排気タービン。
5. 前記ガイドベーンは前記板部材により支持されていることを特徴とする請求項４に記載の排気タービン。
6. 前記ガイドベーンは前記板部材に対向して該板部材と共に前記作動流体逃がし通路を構成するシュラウドにより支持されていることを特徴とする請求項４に記載の排気タービン。
7. 前記ガイドベーンは回転するタービンロータの途中から逃がされる作動流体の旋回流に沿う方向に偏向されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の排気タービン。
8. 前記シュラウドの移動可能な部分はタービンロータの全周を囲む環状体として形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の排気タービン。
   

Images