JP2006153002A - 排気タービン過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】内側ケーシングを容易に着脱してメンテナンス性を確保するとともに、設計を困難にする熱膨張の問題や重量増加の問題を解決した排気タービン過給機を提供すること。
【解決手段】軸流タービン２０に導入した排気ガスが膨張して得られる軸出力で同軸の圧縮機を回転させるように構成された軸流式の排気タービン過給機ＴＣにおいて、別体の内側ケーシング２１及び外側ケーシング２２をボルト結合により一体化して両ケーシング２１，２２間に形成される空間が排気ガスをタービンノズル２３に導く排気ガス流路２４となる二重構造のガス入口ケーシング２５を備え、排気ガス流路２４をタービン回転方向の全周にわたって設けるとともに、内側ケーシング２１を軸方向へ着脱可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば舶用内燃機関や発電用内燃機関等の大型内燃機関と組み合わせて使用される排気タービン過給機に係り、特に、軸流タービンを用いて内燃機関の過給を行う排気タービン過給機に関する。

従来より、内燃機関の出力を向上させるため、各種の過給機が使用されている。この過給機は、タービンと圧縮機とを同軸に取り付けた構成とされ、タービン側に導入した内燃機関の排気ガスをエネルギー源として圧縮機を駆動することにより、内燃機関に供給する空気を高密度に圧縮する機能を有している。
このうち、たとえば船舶や発電装置等のように高出力が要求される大型のディーゼルエンジン等においては、ラジアルタービンを用いてコンパクト化した自動車用の過給機とは異なり、軸流タービンを用いた排気タービン過給機が採用されている。これは、エンジン自体が大型で吸気量も非常に多くなることから、排気タービン過給機も大型で大容量のものが必要となるので、翼形状等の製造が困難な大型ラジアルタービンと比較した場合、軸流タービンを容易かつ安価に製造できるためである。

軸流タービンを採用した従来の排気タービン過給機には、たとえば図６に示すように構成されたものがある。
この排気タービン過給機（以下、「過給機」と省略する）ＴＣは、排気ガスを導入するガス入口ケーシング１が内側ケーシング２と外側ケーシング３とに分割されている。内側ケーシング２及び外側ケーシング３は、互いを一体化することにより外周側から軸中心方向へ徐々に断面積が減少する渦巻状の空間を形成し、この空間が排気ガスをタービンノズル４に導く排気ガス流路５となる。なお、図中の符号６はタービン動翼、７はロータディスク、８はロータ軸、９はガス出口ケーシング、１０はガス出口案内筒である。

上述した過給機ＴＣにおいて、ガス入口ケーシング１のガス吸入口１ａから導入された排気ガスは、渦巻状の排気ガス流路５を約半周してガス出口１ｂに至り、さらに、タービンノズル４からタービン動翼６に向けて噴出される。この結果、高温の排気ガスが膨張することでタービン動翼６と一体のロータディスク７及びロータ軸８が回転し、この軸出力により同軸の圧縮機（図示省略）を駆動して空気を圧縮することができる。
なお、軸流タービン内の膨張により仕事をした排気ガスは、タービンノズル４に密着させて取り付けられているガス案内筒１０からガス出口ケーシング９内に流出した後、ガス出口９ａから外部へ排出される。

また、上述した過給機ＴＣにおいては、二分割されたガス入口ケーシング１の内側ケーシング２をタービンノズル４とともに軸方向（図中に矢印１１で示す方向）へ取り外すことができる。このため、ロータ軸８等を取り外すという面倒な作業を行うことなく、内部点検や異物除去等の作業を容易に実施できるようになり、さらに、タービン動翼６とガス出口案内筒１０との隙間調整も容易に実施できるようになるなど、優れたメンテナンス性を有する構成とされる。（たとえば、特許文献１参照）
特公昭５９−６９１号公報

しかしながら、上述した二分割構造のガス入口ケーシング１では、高温の排気ガスが内側ケーシング２のみで形成された排気ガス流路を流れ、外側ケーシング３に排気ガスの熱影響を直接受けない領域（図中に矢印Ｃで示す）が存在する。さらに、内側ケーシング２は、ガス入口ケーシング１から容易に着脱できるようにするため、ロータディスク７とは反対方向の紙面右側を向くよう外側ケーシング３に設けられたフランジ面３ａにボルト結合して支持されている。
従って、一体（一重）構造のガス入口ケーシングと比較した場合、内側ケーシング２を容易に着脱することにより内部の開放が容易になるという利点を有する反面、下記のような設計上困難な課題が生じている。

第１の課題は、二分割構造としたガス入口ケーシング１の部材間に生じる熱膨張差にある。すなわち、高温の排気ガスが流れて直接熱の影響を受ける内側ケーシング２と、間接的な熱影響しか受けない外側ケーシング３との間には、両部材の温度差により大きな熱膨張差が生じる。このような熱膨張差は、内燃機関を始動してからある程度の運転時間が経過するまで特に顕著であり、この結果、内側ケーシング２がロータ側へ熱膨張により伸びることとなる。従って、熱膨張による変位を考慮して適当な隙間を設けたり、熱応力を十分に考慮するという困難な設計が必要となる。
また、ガス案内筒１０とタービンノズル４とを密着させる接合部においても、熱膨張を考慮した設計がなされているものの、周方向の熱膨張が不均一になるため、まれではあるがガス漏れを生じることもあった。

第２の課題は、排気ガス流路を形成するには渦巻状に長い内側ケーシングが必要となるため、内外のケーシングが二重になって入口ケーシング及び排気タービン過給機全体の重量を増加させることである。このような重量増加により、排気タービン過給機の取り扱いを困難にしたり、コスト面で不利になるという問題が生じてくる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内側ケーシングを容易に着脱してメンテナンス性を確保するとともに、設計を困難にする熱膨張の問題や重量増加の問題を解決した排気タービン過給機を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る排気タービン過給機は、タービンに導入した排気ガスが膨張して得られる軸出力で同軸の圧縮機を回転させるように構成された軸流式の排気タービン過給機において、別体の内側ケーシング及び外側ケーシングを結合により一体化して両ケーシング間に形成される空間が前記排気ガスをタービンノズルに導く排気ガス流路となる二重構造のガス入口ケーシングを備え、前記排気ガス流路をタービン回転方向の全周にわたって設けるとともに、前記内側ケーシングを軸方向へ着脱可能としたことを特徴とするものである。

このような排気タービン過給機によれば、別体の内側ケーシング及び外側ケーシングを結合により一体化して両ケーシング間に形成される空間が排気ガスをタービンノズルに導く排気ガス流路となる二重構造のガス入口ケーシングを備え、排気ガス流路をタービン回転方向の全周にわたって設けるとともに、内側ケーシングを軸方向へ着脱可能としたので、排気ガス流路を形成する内側ケーシング及び外側ケーシングが排気ガスから略同様の熱影響を受けるようになり、両ケーシング間に大きな温度差が生じるようなことはない。
また、排気ガス流路がタービン回転方向の全周にわたって設けられているので、無駄なケーシング部材がなくなってガス入口ケーシングを軽量化できる。

上記の排気タービン過給機において、タービンノズルを形成するノズルリングは、ガス入口側の外周側端部内周面がラッパ形状に拡径され、前記外側ケーシングの内周面と前記ノズルリングのガス入口側端部外周面とを嵌合させた構成とするのが好ましく、これにより、排気ガスのシール性を向上させ、かつ、タービンノズルに向けた排気ガスの流入をスムーズにすることができる。
上記の排気タービン過給機において、前記排気ガス流路の円周方向が、タービン軸方向に設けられた仕切板で二分割されていることが好ましく、これにより、ノズルリング入口前で排気ガスの流れに旋回が生じることを防止できる。この場合、仕切板は、円周方向を半周ずつに２分割する位置に設けることが好ましい。
上記の排気タービン過給機において、前記タービンノズルに連結されるガス案内筒が、互いの端部どうしを嵌合させたインロー構造であることが好ましく、これにより、嵌合部のシール性が向上してガス漏れが生じにくくなり、かつ、インロー部がガイドとなって組立及び開放の作業性が向上する。なお、このようなインロー構造は、内外のケーシング間に大きな温度差がない二重ケーシング構造により、半径方向の熱延びが均一化したため可能となる。

上述した本発明の排気タービン過給機によれば、メンテナンス性に優れている二重構造のガス入口ケーシングにおいて、排気ガスの熱影響で内側ケーシングと外側ケーシングとの間に生じる相対的な温度差が低減するので、両ケーシング間の熱膨張差も従来より大幅に減少して小さなものとなる。このため、排気タービン過給機の構成部品に作用する熱応力が小さくなり、適正なタービン隙間の維持が容易になる。従って、本発明の排気タービン過給機においては、熱膨張差を考慮した困難な設計が緩和され、しかも、性能や信頼性が向上するという顕著な効果が得られる。

また、排気ガス流路が全周にわたって設けられているので、無駄なケーシング部材をなくすことでガス入口ケーシングの軽量化が可能となり、この結果、排気タービン過給機全体の重量が低減して取り扱いを容易にし、かつ、コスト面でも有利になる。
さらに、ガス入口側の端部内周面がラッパ形状に拡径され、外側ケーシングの内周面とノズルリングのガス入口側端部外周面とを嵌合させた構成を採用することにより、排気ガスのシール性を向上させ、かつ、タービンノズルに向けた排気ガスの流入をスムーズにすることができるので、排気タービン過給機の性能や信頼性がより一層向上するという顕著な効果が得られる。
さらに、タービンノズルとガス案内筒との連結部をインロー構造としたので、嵌合によりシール性が向上してガス漏れを生じにくくし、かつ、インロー部がガイドとなって組立及び開放の作業性も向上するという顕著な効果が得られる。

以下、本発明に係る排気タービン過給機の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、タービン及び圧縮機を同軸に設けた大型内燃機関用の排気タービン過給機ＴＣについて、タービン側の内部構成例を断面で示す一部断面構成図である。
この排気タービン過給機（以下、「過給機」と省略する）ＴＣは、軸流タービン２０に導入した内燃機関の排気ガスが膨張して得られる軸出力で同軸の圧縮機５０を回転させ、高密度に圧縮した圧縮空気を内燃機関に供給するように構成された軸流式である。なお、図中に格子状ハッチングで示す部分は、断熱及び防音の目的で設置された断熱材６０である。

軸流タービン２０は、別体の内側ケーシング２１及び外側ケーシング２２をボルト結合により一体化し、両ケーシング２１，２２間に形成される空間が排気ガスをタービンノズル２３に導くための排気ガス流路２４となるよう構成されたガス入口ケーシング２５を備えている。
このような二重構造のガス入口ケーシング２５では、排気ガス流路２４が軸流タービン２０の回転方向の全周にわたって形成されており、ガス入口ケーシング２５のガス入口２５ａから図中に矢印Ｇｉで示すように導入した排気ガスは、排気ガス流路２４を通ってガス出口２５ｂに導かれた後、図中に矢印Ｇｏで示すようにしてガス出口ケーシング２６の出口から外部へ排出される。また、上述したガス出口２５ｂは、回転方向の全周にわたってタービンノズル２３へ排気ガスを供給するよう開口して設けられている。なお、図中の符号２７は、タービン動翼３２の下流側に設けられたガス案内筒である。

また、軸流タービン２０は、ロータ軸３０の一端に設けたロータディスク３１にタービン動翼３２を周方向に多数取り付けた構成とされる。タービン動翼３２は、タービンノズル２３の出口となる下流側に近接して設けられ、タービンノズル２３から噴出する高温の排気ガスが図中に矢印Ｇで示すように流れるので、この排気ガスがタービン動翼３２を通過して膨張することによりロータディスク３１及びロータ軸３０を回転させる。

上述した二重構造のガス入口ケーシング２５において、内側ケーシング２１の一端は、外側ケーシング２２の一端部にボルト結合により固定支持されている。すなわち、内側ケーシング２１は、ロータディスク３１の反対側となる紙面右側のケーシング端部にフランジ面２２ａが形成され、このフランジ面２２ａに対向するよう設けた内側ケーシング２１のフランジ面２１ａを重ね合わせた状態にして、ボルト２８を用いて結合することで固定支持されている。これらのフランジ面２１ａ，２２ａは、いずれもロータディスク３１と一体に回転するロータ軸３１の軸方向と直交する面とされる。

また、内側ケーシング２１の他端（ロータディスク側端部）には、タービンノズル２３を形成するリング状部材（ノズルリング）の内周側２３ａがボルト２９により結合されている。一般にノズルリングと呼ばれてタービンノズル２３を形成するリング状部材は、所定の間隔を有する内周側２３ａ及び外周側２３ｂのリング部材間を仕切部材で連結した二重リング構造とされる。
一方、タービンノズル２３を形成するノズルリングの外周側２３ｂは、図２の要部拡大図に示すように、ガス入口側（ガス出口２５ｂ側）の端部内周面２３ｃがラッパ形状に拡径されている。また、外側ケーシング２２のロータディスク側端部は、その内周面２２ａをロータ軸方向へ折曲するようにして段差部２２ｂを設け、この段差部２２ｂと、ノズルリングのガス入口側端部外周面に設けた段差部２３ｄとが軸方向で係合するように嵌合させた構成とされる。

さらに、タービンノズル２３の外周側２３ｂには、ガス出口側（タービン動翼３２側）となる端部にガス案内筒２７が連結されている。この連結部は、タービンノズル２３及びガス案内筒２７が、互いの端部どうしを嵌合させたインロー構造とされる。
この連結部を具体的に説明すると、たとえば図２に示すように、ノズルリングの嵌合段差部２３ｅとガス案内筒２７の嵌合段差部２７ａとを嵌合させたインロー構造とされる。この場合、リング側の先端部外周を削ることにより形成された嵌合段差部２３ｅが、ガス案内筒２７側の先端部内周を削ることにより形成された嵌合段差部２７ａの内部に挿入されるインロー構造が採用されている。

上述した構成の過給機ＴＣは、排気ガスを導入して過給運転を行う場合、ガス入口ケーシング２５のガス入口２５ａから導入された排気ガスが排気ガス流路２４を通ってガス出口２５ｂに導かれる。この排気ガスは、回転方向の全周にわたって開口するガス出口２５ａからタービンノズル２３に吸い込まれ、タービン動翼３２を通過する際に膨張してロータディスク３１及びロータ軸３０を回転させるので、同軸の圧縮機５０を駆動して内燃機関に供給する空気を圧縮する。圧縮機５０で圧縮する空気は、フィルター５１を通して吸入される。なお、タービン動翼３２で膨張した排気ガスは、ガス出口案内筒２７及びガス出口ケーシング２６に導かれて外部へ流出する。

このような排気ガスの流路を形成する二重構造のガス入口ケーシング２５は、内側ケーシング２１及び外側ケーシング２２の両方と直接排気ガスが接触して流れるので、両ケーシングが排気ガスから受ける熱影響に差が生じるようなことはない。このため、両ケーシング間に大きな熱膨張差が生じるようなことはなく、軸流タービン２０の構成部品に作用する熱応力が小さくなって適正なタービン隙間の維持が容易になる。従って、軸流タービン２０及び過給機ＴＣにおいては、熱膨張差を考慮した困難な設計が緩和され、しかも、性能や信頼性が向上する。

また、内外のケーシング２１，２２間に大きな温度差がない二重ケーシング構造では、半径方向の熱延びが均一化するので、上述したタービンノズル２３とガス案内筒２７とのインロー構造が可能となる。このようなインロー構造は、嵌合部のシール性が向上してガス漏れを防止できるだけでなく、メンテナンス等で軸流タービン２０の組立や開放を行う際には、インロー部がガイドとなって作業を容易にする。
そして、二重構造の排気ガス流路２４がタービン回転方向の全周にわたって設けられ、内側ケーシング２１及び外側ケーシング２２の両方に無駄な部材がないので、ガス入口ケーシング２５を軽量化することもできる。

また、上述した外部入口ケーシング２５は、図３に示すように、ボルト２８の締め付け及び取り外しにより、内側ケーシング２１を単独で、すなわち外部ケーシング２２から独立して軸方向へ着脱可能な構成となるので、たとえば内部点検の作業やガス出口ケーシング２６及びガス出口案内筒２７内の異物除去作業等を実施する場合など、ロータ軸３０を取り外すような面倒な作業を行う必要がなくなるので、良好なメンテナンス性を有している。
そして、タービンノズル２３は、ラッパ形状に拡径された端部内周面２３ｃを有しているので、流路断面積の急激な変化や大きな段差のない比較的滑らかな流路が形成され、ガス出口２５ｂからタービンノズル２３への排気ガス流入がスムーズになる。さらに、外側ケーシング２２とタービンノズル２３との間は、互いの段差部２２ｂ，２３ｄどうしを係合させた嵌合構造を採用しているので、同嵌合部においては、ガス出口２５ｂからタービンノズル２３へ流れる排気ガスのシール性が向上する。

以上説明したように、ガス入口ケーシングからタービンノズルに排気ガスを導入する際には、従来の半周毎に排気ガスを吸い込む構成を全周から吸い込む構成に変更したので、排気ガスの熱影響で内側ケーシング２１と外側ケーシング２２との間に生じる相対的な温度差が低減し、両ケーシング２１，２２間の熱膨張差も従来より大幅に減少して小さなものとなる。このため、熱応力や隙間の管理が容易になって熱膨張差を考慮した困難な設計が緩和され、しかも、ガス案内筒２７の連結部におけるシール性が向上するなど性能や信頼性も向上する。
また、排気ガス流路２４を全周にわたって設けため無駄なケーシング部材がなくなり、結果的にガス入口ケーシング２５の軽量化が可能となる。従って、過給機ＴＣの重量低減により取り扱いが容易になり、かつ、コスト面でも有利になる。

すなわち、上述した過給機ＴＣのガス入口ケーシング２５は、従来と同様に、内外のケーシングからなる二重構造にして、内側ケーシング２１のみを着脱できる設計を維持しながら排気ガス流路２４を内外ケーシング２１，２２間に形成することで、両ケーシング間の温度差をなくし、かつ軽量化を達成している。

また、排気ガス流路２４の円周方向については、図４に示す第１変形例のように、タービン軸方向に設けられた分離壁４０で二分割した構成としてもよい。
図４に示す第１変形例の分離壁４０は、それぞれが内側ケーシング２１及び外側ケーシング２２から突出するよう一体的に設けられた一対の仕切板４１，４２を組み合わせて形成される。ガス入口ケーシング２５の組立状態では、両仕切板４１，４２の先端部が略当接するようにして形成される分離壁４０が排気ガス流路２４の円周方向を二分割する。この場合、分離壁４０は、ガス入口２５ａの中心から半周した１８０度の位置に設けることが好ましい。
この結果、ガス入口２５ａから導入された排気ガスは、分離壁４０で二分割された排気ガス流路２４を逆向きに、それぞれが分離壁４０へ向かう二方向に分流された流れとなってガス出口２５ｂに導かれ、排気ガス流路２４の全周からタービンノズル２３に吸い込まれる。このため、ノズルリングの上流側となる入口前において、排気ガスの流れに性能低下の原因となる旋回が生じることを防止でき、従って、より高性能な排気タービン過給機ＴＣを得ることができる。

また、排気ガス流路２４の円周方向については、図５に示す第２変形例のように、タービン軸方向に設けられた分離壁４０Ａで二分割した構成としてもよい。この場合の分離壁４０Ａは、内側ケーシング２１からのみ外側ケーシング２２に向けて突出し、その先端は内側ケーシング２１の嵌合部最大外径を超えないように形成され、上述した第１変形例と同様に、排気ガスの流れに旋回が生じることを防止してより高性能な排気タービン過給機ＴＣを得ることができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明の排気タービン過給機に係る一実施形態として、タービン側の内部構成例を断面にして示す一部断面構成図である。 図１の要部を拡大した図である。 図１の排気タービン過給機から内側ケーシングを単独で取り外した状態を示すタービン側の断面図である。 図１に示した排気タービン過給機の第１変形例であり、（ａ）は要部の構成例を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。 図１に示した排気タービン過給機の第２変形例であり、（ａ）は要部の構成例を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。 排気タービン過給機の従来例を示すタービン側の断面図である。

符号の説明

２０ 軸流タービン
２１ 内側ケーシング
２２ 外側ケーシング
２２ｂ 段差部
２３ タービンノズル
２３ｃ 端部内周面
２３ｄ 段差部
２３ｅ 嵌合段差部
２４ 排気ガス流路
２５ ガス入口ケーシング
２６ ガス出口ケーシング
２７ ガス案内筒
２７ａ 嵌合段差部
３０ ロータ軸
３１ ロータディスク
３２ タービン動翼
４０，４０Ａ 分割壁
４１，４２ 仕切板
５０ 圧縮機
ＴＣ 排気タービン過給機

Claims (4)

1. タービンに導入した排気ガスが膨張して得られる軸出力で同軸の圧縮機を回転させるように構成された軸流式の排気タービン過給機において、
   別体の内側ケーシング及び外側ケーシングを結合により一体化して両ケーシング間に形成される空間が前記排気ガスをタービンノズルに導く排気ガス流路となる二重構造のガス入口ケーシングを備え、前記排気ガス流路をタービン回転方向の全周にわたって設けるとともに、前記内側ケーシングを軸方向へ着脱可能としたことを特徴とする排気タービン過給機。
2. タービンノズルを形成するノズルリングは、ガス入口側の外周側端部内周面がラッパ形状に拡径され、前記外側ケーシングの内周面と前記ノズルリングのガス入口側端部外周面とを嵌合させたことを特徴とする請求項１に記載の排気タービン過給機。
3. 前記排気ガス流路の円周方向が、タービン軸方向に設けられた仕切板で二分割され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過給機。
4. 前記タービンノズルに連結されるガス案内筒が、互いの端部どうしを嵌合させたインロー構造であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の排気タービン過給機。

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