JP2012112351A - タービンのガス出口案内筒 - Google Patents

Abstract

【課題】既設または既存のガス出口ケーシングと組み合わせることにより、ガス出口ケーシングの大型化を招くことなく、ディフューザ性能を向上させることができるタービンのガス出口案内筒を提供すること。
【解決手段】正面２１ｂに、正面視円形状を呈する入口側開口３１が設けられ、正面２１ｂを含む平面と直交する平面内に位置する一側面２１ｃに、平面視矩形状を呈する出口側開口３２が設けられており、かつ、下端から上端に向かって、厚み方向に一定で、幅方向に所定の割合で拡径するようにして形成されたタービンのガス出口ケーシング２１の出口通路２１ａ内に収容されるタービンのガス出口案内筒２０であって、入口側開口３１の中心線に沿うとともに、基端から先端に向かって拡径するラッパ状の筒状部２０ｂの中心線に沿った長さが、出口通路２１ａの幅方向の寸法にあわせて、下端から上端に向かって前記所定の割合で長くなるようにして形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンのガス出口案内筒に関するものである。

タービンのガス出口案内筒としては、例えば、特許文献１の図１に開示されたガス出口案内筒６が知られている。

特開平１０−１０３０７１号公報

さて、近年、舶用内燃機関に搭載される排気タービン過給機のさらなる性能向上（高性能化）が要求されつつある。排気タービン過給機の性能を向上させるには、ガス出口案内筒によるディフューザ性能を向上させればよく、ディフューザ性能を向上させるには、図６に示すように、ガス出口案内筒６１を軸方向に沿って延ばし、かつ、ガス出口案内筒６１の出口径を大きくしてやればよい。

しかしながら、ガス出口案内筒６１の筒状部６２が収容される排気ガスの出口通路２１ａは、図４に示すように、ガス出口ケーシング２１の下端３８から上端３９に向かって、ガス出口ケーシング２１の厚み方向（図１、図３、図４において左右方向）に一定で、ガス出口ケーシング２１の幅方向（図２において左右方向）に所定の割合で大きくなる（拡径する）ようにして、すなわち、ガス出口ケーシング２１の下端３８から上端３９に向かって流路断面積が所定の割合で大きくなるようにして形成されている。そのため、図６に示すように、ガス出口案内筒６１を軸方向に沿って同じように延ばし、ガス出口案内筒６１の出口径を大きくしてやると、図７に示すように、ガス出口ケーシング２１の下端３８に近い出口通路２１ａ内では、渦流が発生し、ディフューザ性能がかえって低下してしまうおそれがある。
なお、図６および図７中の符号２はタービン翼、符号９はタービンロータ軸、符号１０はディスク、符号３３は凸状部、符号３４は開口、符号３５は中空部、符号５１は中空部である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、既設または既存のガス出口ケーシングと組み合わせることにより、ガス出口ケーシングの大型化を招くことなく、ディフューザ性能を向上させることができるタービンのガス出口案内筒を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係るタービンのガス出口案内筒は、正面に、正面視円形状を呈する入口側開口が設けられ、前記正面を含む平面と直交する平面内に位置する一側面に、平面視矩形状を呈する出口側開口が設けられており、かつ、下端から上端に向かって、厚み方向に一定で、幅方向に所定の割合で拡径するようにして形成されたタービンのガス出口ケーシングの出口通路内に収容されるタービンのガス出口案内筒であって、前記入口側開口の中心線に沿うとともに、基端から先端に向かって拡径するラッパ状の筒状部の前記中心線に沿った長さが、前記出口通路の幅方向の寸法にあわせて、前記下端から前記上端に向かって前記所定の割合で長くなるようにして形成されている。

本発明に係るタービンのガス出口案内筒によれば、例えば、図５に示すように、タービンのガス出口ケーシング２１の下端３８に近い出口通路２１ａ内における渦流の発生が防止（抑制）されることになる。
これにより、タービンのガス出口案内筒によるディフューザ性能を向上させることができる。
また、タービンのガス出口ケーシングとしては、既設または既存のものが使用されることになる。
これにより、タービンのガス出口ケーシングの大型化を回避することができる。

本発明に係る排気タービン過給機は、前記タービンのガス出口案内筒と、前記タービンのガス出口ケーシングとを具備している。

本発明に係る排気タービン過給機によれば、ディフューザ性能の向上が図られたタービンのガス出口案内筒を具備しているので、当該排気タービン過給機の性能を向上させることができる。
また、大型化が回避されたタービンのガス出口ケーシングを具備しているので、当該排気タービン過給機の大型化も回避することができる。

本発明に係る舶用内燃機関は、前記排気タービン過給機を具備している。

本発明に係る舶用内燃機関によれば、ディフューザ性能の向上が図られた排気タービン過給機を具備しているので、当該舶用内燃機関の性能を向上させることができる。
また、大型化が回避された排気タービン過給機を具備しているので、当該舶用内燃機関の大型化も回避することができる。

本発明に係るガスタービンは、前記タービンのガス出口案内筒と、前記タービンのガス出口ケーシングとを具備している。

本発明に係るガスタービンによれば、ディフューザ性能の向上が図られたタービンのガス出口案内筒を具備しているので、当該ガスタービンの性能を向上させることができる。
また、大型化が回避されたタービンのガス出口ケーシングを具備しているので、当該ガスタービンの大型化も回避することができる。

本発明に係るタービンのガス出口案内筒によれば、既存のガス出口ケーシングと組み合わせることにより、ガス出口ケーシングの大型化を招くことなく、ディフューザ性能を向上させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るタービンのガス出口案内筒を具備した排気タービン過給機の断面図である。 本発明の一実施形態に係るタービンのガス出口案内筒が収容されるタービンのガス出口ケーシングを図１の右側から見た正面図である。 図２のIII−III矢視断面図である。 図２のＯ−Ａ断面、Ｏ−Ｂ断面、Ｏ−Ｃ断面、Ｏ−Ｄ断面を重ね合わせて描いた図である。 本発明の一実施形態に係るタービンのガス出口案内筒の作用効果を説明するための図であって、図１の要部を拡大した図である。 従来のタービンのガス出口案内筒を具備した排気タービン過給機の要部を拡大して示す断面図である。 図６に示すタービンのガス出口案内筒の問題点を説明するための図であって、図５と同様の図である。

以下、本発明の一実施形態に係るタービンのガス出口案内筒について、図１から図５を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係るタービンのガス出口案内筒を具備した排気タービン過給機の断面図、図２は本実施形態に係るタービンのガス出口案内筒が収容されるタービンのガス出口ケーシングを図１の右側から見た正面図、図３は図２のIII−III矢視断面図、図４は図２のＯ−Ａ断面、Ｏ−Ｂ断面、Ｏ−Ｃ断面、Ｏ−Ｄ断面を重ね合わせて描いた図、図５は本実施形態に係るタービンのガス出口案内筒の作用効果を説明するための図であって、図１の要部を拡大した図である。

本実施形態に係るタービンのガス出口案内筒（以下、「ガス出口案内筒」という。）２０は、例えば、図１に示すような排気タービン過給機１に適用され得るものである。
また、本実施形態に係るガス出口案内筒２０を具備した排気タービン過給機１は、例えば、図示しない舶用ディーゼル機関（例えば、低速２サイクルディーゼル機関）に装着されて、舶用ディーゼル機関（舶用内燃機関）を構成するシリンダライナ（図示せず）の内部と連通する給気マニホールド（図示せず）に、圧縮された空気を供給する舶用排気タービン過給機である。

図１において、符号２１はタービンのガス出口ケーシング（以下、「ガス出口ケーシング」という。）、符号２１ａはガス出口ケーシング２１に設けられた排気ガスの出口通路、符号２２ａはタービンのガス入口ケーシング（以下、「ガス入口ケーシング」という。）２２に設けられた排気ガスの入口通路、符号２は軸流型のタービン翼、符号３はタービン翼２の入口に設置されたタービンノズルであり、このタービンノズル３で静圧膨張された軸方向の排気ガス流によりタービン翼２が回転駆動されるようになっている。

圧縮機４は、例えば、アルミニウム合金からなるコンプレッサ羽根車５と、ディフューザ６と、これらコンプレッサ羽根車５およびディフューザ６を収容するコンプレッサケーシング７とを備えている。コンプレッサケーシング７内には空気入口（作動流体入口）８が形成されており、この空気入口８からコンプレッサ羽根車５に空気（作動流体）が供給されるようになっている。そして、コンプレッサ羽根車５で加圧（圧縮）された空気は、ディフューザ６および出口スクロール７ａを通って、図示しない舶用ディーゼル機関（エンジン）に供給される。
なお、図１中の符号９は、ディスク１０を備え、２個のラジアル軸受１１で支持されたタービンロータ軸、符号１２は軸方向のスラストを受圧するスラスト軸受、符号１３は排気タービン過給機１の回転軸である。

このような構成からなる排気タービン過給機１の作動時において、舶用ディーゼル機関からの排気ガスは、排気ガスの入口通路２２ａを通り、タービンノズル３で静圧膨張された軸方向の排気ガス流によりタービン翼２が回転駆動される。そして、タービン翼２を駆動した排気ガスは、排気ガスの出口通路２１ａから外部に排出される。
タービン翼２の回転は、タービンロータ軸９を介してコンプレッサ羽根車５を回転させ、コンプレッサケーシング７の空気入口８を通って吸入された空気は、コンプレッサ羽根車５で加圧され、ディフューザ６および出口スクロール７ａを通って、舶用ディーゼル機関に供給される。

図２に示すように、ガス出口ケーシング２１は、後述する入口側開口３１の中心（線）Ｏを通る鉛直線に関して左右対称な形状になっている。また、図１から図３に示すように、ガス出口ケーシング２１の正面２１ｂには、正面視円形状を呈する入口側開口３１が設けられており、正面２１ｂを含む平面と直交する平面内に位置するガス出口ケーシング２１の一側面（本実施形態では上面）２１ｃには、平面視（上面視）矩形状を呈する出口側開口３２が設けられている。さらに、ガス出口ケーシング２１は、入口側開口３１の中心Ｏが、排気タービン過給機１の回転軸１３の軸線上に位置するようにして配置されている。

一方、ガス出口ケーシング２１の内部には、ガス出口ケーシング２１の背面２１ｄから正面２１ｂに向かって先細りとなり（縮径し）、ガス出口ケーシング２１の厚み方向（図１、図３、図４において左右方向：軸方向）に沿って隆起する（突出する）凸状部３３が設けられている。凸状部３３は、その先端（一端）に開口３４を有し、その（半径方向）内側に中空部３５を有する円筒部３６と、その（半径方向）内側に中空部３５を有し、円筒部３６の基端（他端）と背面２１ｄとをなだらかに接続する湾曲部３７とを備えている。また、円筒部３６および湾曲部３７は、開口３４の中心Ｏ、円筒部３６および湾曲部３７の中心線Ｏが、排気タービン過給機１の回転軸１３の軸線上に位置するようにして形成されている。そして、凸状部３３の周囲には、周方向に沿って排気ガスの出口通路２１ａが形成されている。
なお、開口３４、円筒部３６および湾曲部３７の（半径方向）内側、すなわち、中空部３５内には、タービンロータ軸９（図１参照）が挿通され、円筒部３６の（半径方向）外側、すなわち、排気ガスの出口通路２１ａ内には、入口側開口３１を介してガス出口案内筒２０が挿通されることになる。

図４に示すように、排気ガスの出口通路２１ａは、ガス出口ケーシング２１の下端３８から上端３９に向かって、ガス出口ケーシング２１の厚み方向（図１、図３、図４において左右方向）に一定で、ガス出口ケーシング２１の幅方向（図２において左右方向）に所定の割合で大きくなる（拡径する）ようにして、すなわち、ガス出口ケーシング２１の下端３８から上端３９に向かって流路断面積が所定の割合で大きくなるようにして形成されている。
なお、図４中の符号４１，４２，４３，４４はそれぞれ、図２のＯ−Ａ断面、Ｏ−Ｂ断面、Ｏ−Ｃ断面、Ｏ−Ｄ断面を示している。

図１に示すように、ガス出口案内筒２０は、ガス出口ケーシング２１の正面２１ｂとガス入口ケーシング２２の背面２２ｂとの間に挟み込まれるフランジ部２０ａと、このフランジ部２０ａから軸方向に沿って（ガス出口ケーシング２１の背面２１ｄ（図３参照）に向かって）末広がりとなる（拡径する）筒状部２０ｂとを備えている。

フランジ部２０ａは、周方向に沿って（半径方向）外側に拡がる環状（鍔状）の部材であり、その（半径方向）内側には中空部５１が形成されている。
筒状部２０ｂは、その基端（一端）がフランジ部２０ａの内周部（半径方向内側の端部）に接続され、その基端から先端（他端）に向かって拡径するラッパ状の部材であり、その（半径方向）内側には中空部５１が形成されている。

ここで、筒状部２０ｂは、その軸方向に沿った長さが、筒状部２０ｂが収容される排気ガスの出口通路２１ａの幅方向の寸法、すなわち、筒状部２０ｂが収容される排気ガスの出口通路２１ａの流路断面積にあわせて（応じて）、ガス出口ケーシング２１の下端３８から上端３９に向かって所定の割合で長くなるようにして形成されている。

なお、ガス出口案内筒２０は、フランジ部２０ａおよび筒状部２０ｂの中心線（すなわち、中空部５１の中心線）が、排気タービン過給機１の回転軸１３の軸線上に位置するようにして配置されている。
また、フランジ部２０ａの（半径方向）内側に位置する中空部５１内、および筒状部２０ｂの基端部の（半径方向）内側に位置する中空部５１内には、タービン翼２およびタービンノズル３が配置され、タービン翼２を回転駆動した排気ガス流は、図５に示すように、凸状部３３と筒状部２０ｂとの間、筒状部２０ｂの（半径方向）外側を通って出口側開口３２に導かれることになる。

本実施形態に係るガス出口案内筒２０によれば、例えば、図５に示すように、ガス出口ケーシング２１の下端３８に近い出口通路２１ａ内における渦流の発生が防止（抑制）されることになる。
これにより、ガス出口案内筒２０によるディフューザ性能を向上させることができる。
また、ガス出口ケーシング２１としては、既設または既存のものが使用されることになる。
これにより、ガス出口ケーシング２１の大型化を回避することができる。

本実施形態に係るガス出口案内筒２０と、ガス出口ケーシング２１とを具備した排気タービン過給機１によれば、ディフューザ性能の向上が図られたガス出口案内筒２０を具備しているので、当該排気タービン過給機１の性能を向上させることができる。
また、大型化が回避されたガス出口ケーシング２１を具備しているので、当該排気タービン過給機１の大型化も回避することができる。

本実施形態に係る排気タービン過給機を具備した舶用ディーゼル機関によれば、ディフューザ性能の向上が図られた排気タービン過給機１を具備しているので、当該舶用ディーゼル機関の性能を向上させることができる。
また、大型化が回避された排気タービン過給機１を具備しているので、当該舶用ディーゼル機関の大型化も回避することができる。

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、適宜必要に応じて変形・変更実施可能である。
例えば、上述した実施形態では、排気タービン過給機１を構成するガス出口案内筒２０およびガス出口ケーシング２１を一具体例として挙げて説明したが、本発明に係るガス出口案内筒は、図示しないガスタービンを構成するガス出口ケーシングに適用することもできる。
そして、本発明に係るガス出口案内筒を具備したガスタービンによれば、ディフューザ性能の向上が図られたガス出口案内筒を具備しているので、当該ガスタービンの性能を向上させることができる。
また、大型化が回避されたガス出口ケーシングを具備しているので、当該ガスタービンの大型化も回避することができる。

１ 排気タービン過給機
２０ ガス出口案内筒
２０ｂ 筒状部
２１ ガス出口ケーシング
２１ａ 出口通路
２１ｂ 正面
２１ｃ 一側面
３１ 入口側開口
３２ 出口側開口
３８ 下端
３９ 上端
Ｏ 中心（線）

Claims (4)

1. 正面に、正面視円形状を呈する入口側開口が設けられ、前記正面を含む平面と直交する平面内に位置する一側面に、平面視矩形状を呈する出口側開口が設けられており、かつ、下端から上端に向かって、厚み方向に一定で、幅方向に所定の割合で拡径するようにして形成されたタービンのガス出口ケーシングの出口通路内に収容されるタービンのガス出口案内筒であって、
   前記入口側開口の中心線に沿うとともに、基端から先端に向かって拡径するラッパ状の筒状部の前記中心線に沿った長さが、前記出口通路の幅方向の寸法にあわせて、前記下端から前記上端に向かって前記所定の割合で長くなるようにして形成されていることを特徴とするタービンのガス出口案内筒。
2. 請求項１に記載のタービンのガス出口案内筒と、前記タービンのガス出口ケーシングとを具備していることを特徴とする排気タービン過給機。
3. 請求項２に記載の排気タービン過給機を具備していることを特徴とする舶用内燃機関。
4. 請求項１に記載のタービンのガス出口案内筒と、前記タービンのガス出口ケーシングとを具備していることを特徴とするガスタービン。

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