JP2014125963A

JP2014125963A - 軸流タービン

Info

Publication number: JP2014125963A
Application number: JP2012283182A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Hirano; 雄一郎平野
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2014-07-07

Abstract

【課題】排気室内で発生する渦流の勢いを弱めあるいは渦流を消すことにより、排気室の圧力損失を低減し、タービン性能を向上することを目的とする。
【解決手段】タービンシャフト５３に取り付けられたタービン動翼５４と、前記タービン動翼５４を回転可能に収容する共に前記タービン動翼５４の出口側に排気室５７及び排気室出口部５８を有するタービンハウジン５４グと、を備える軸流タービン５１であって、前記タービンハウジング５４は、前記排気室５８内に設けられ、前記タービン動翼５４を通過した排気ガス流Ｇを前記排気室５７の内壁に沿って案内するフローガイド部６１と、前記フローガイド部６１の外周側に周方向に形成された伴流防止板７１と、を含み、前記伴流防止板７１に前記タービンシャフト５３の回転中心Ｏを通過し前記出口部５８に平行となる水平線Ｘを挟んで出口部５８に対して反対側となる下半部７４に形成された下側切欠き部７３を形成したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービン動翼の下流側に形成される排気室を経由して排気する軸流タービンに係り、特に排気室に形成される渦流によって生じる排気室の圧力損失を低減できる軸流タービンに関する。

一般に、舶用ディーゼルエンジンンに搭載されている過給機（ターボチャージャ）はエンジンから排気され排気ガスでタービンを駆動し、そのタービンと同軸上のコンプレッサを回転させ、そのコンプレッサで圧縮された圧縮空気をエンジンに送り込むことになる。
タービンにはハウジング内に同軸上に１組のタービン静翼部とタービン動翼部とを有する軸流式が採用されており、この種の軸流タービンにおいては吸気室から入った排気ガス流がタービン静翼部を通過してタービン動翼部を回転させて排気される構成が採用されている。

ところで、タービン性能を高めるためにタービン動翼を出た後の排気ガス流をスムーズに減速させるディフューザ流路がデバイスとして採用されている。
このディフューザ流路を有する軸流タービンは図７及び図８に示すように構成されている。図示する如く、軸流タービン１０はロータシャフト１１とこのロータシャフトに取り付けられたタービン動翼１２と、タービン翼１２を回転自在に収容するタービンハウジング１３とから主に構成されている。タービンハウジング１３の内周部にはタービン動翼１２を通過した排気ガス流Ｇの排気室１４が形成されている。

排気室１４内にはハウジング１３の内周部との間に間隔を隔てて環状のフローガイド部１６が形成され、このフローガイド部１６は内側にタービン動翼１２を通過した排気ガス流Ｇを排気室１４の内壁に沿って案内するディフーザ流路１７を形成する。
このようにディフューザ流路１７が形成されることにより、タービン動翼１２を通過した排気ガス流Ｇ減速されて排気室１４を経て排出されることになる。
一方、このようなディフーザ流路１７を形成したことにより、ディフューザ流路１７の出口部１８においてディフューザ流路１７に狭小な流路が形成されているため、この狭小な流路においてはディフューザ流路１７を通過した流れがフローガイド部１６の外周側を回り込んで戻る流れとなって強い渦流Ａ，Ｂが形成される。この渦流Ａ，Ｂは中心部で粘性散逸による圧力損失を発生させる。具体的には発生した渦流Ａ，Ｂが互いに干渉し合って圧力損失を起こしたり、剥離現象により減速した流れを加速することになり、ディフューザ流路１７においてスムーズな減速効果が得られない問題がある。
また、図９に示すように二つの渦流Ａ，Ｂが発生し、二つの渦流Ａ，Ｂは排気室１４の排気室出口部２１から見たときに排気室出口部２１において互いに反対方向に回転する縦渦を形成しており、排気室出口部２１側における一様な流れの形成が妨げられ、排気室１４の圧力回復の低下を引き起こすことになっていた。

また、これまでの改善策として図１０に示すように、フローガイド部１６の外側に形成される渦流Ａ，Ｂがフローガイド部１６から出ようとする流れＣと干渉を防ぐことを目的として伴流防止板３１がフローガイド部１６の外側且つ先端側に周方向に取り付けられている。この伴流防止板３１により、ディフューザ流路１７の出口部１８の流速が渦流Ａ，Ｂに圧迫されて早くなることを防ぐ作用があり、流れの減速および静圧の回復には有効である。一方で、伴流防止板３１がディフューザ流路１７の出口部１８の流路断面を狭小にするため、フローガイド１６の外周側に形成される渦流Ａ，Ｂは更に強まり、排気室１４の性能改善を妨げている。

また、渦流Ａ，Ｂはディフューザ流路１７から遠距離に位置する排気室出口部２１に向かって縦渦となって流れることから、排気室出口部２１では伴流防止板３１ではあまり有効に機能せず、フローガイド部１６の外側の渦流Ａ，Ｂと、伴流防止板３１を乗り越えて排気室出口部２１向かう流れＤとがスムーズに合流することを妨げる結果となっていた。
そこで、本発明は、従来の軸流タービンが有する上記課題に鑑みてなされたものであり、排気室内で発生する渦流の勢いを弱めあるいは渦流を消失することにより、渦流によって生じる排気室の圧力損失を低減し、タービン性能を向上できる軸流タービンを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、タービンシャフトと、
前記タービンシャフトに取り付けられたタービン動翼と、
前記タービン動翼を回転可能に収容する共に、前記タービン動翼の下流側に排気室を有するタービンハウジングと、を備える軸流タービンであって、
前記タービンハウジングは、
前記排気室内に設けられ、前記タービン動翼を通過した排気ガス流を前記排気室の内壁に沿って案内するフローガイド部と、
前記フローガイド部の外周側に周方向に形成された伴流防止板と、を含み、
前記伴流防止板に、前記タービンシャフトの回転中心を通過し、前記排気室の出口部に平行となる水平線を挟んで前記排気室の出口部に対して反対側の下半部において、その周方向の一部を切り欠いた下側切欠き部を形成したことを特徴とする。
この構成によれば、下側切欠き部を形成したことにより、フローガイド部の外周側のスペースが広がり、フローガイド部の外周に形成される渦流の勢い弱められ、排気室の圧力損失を低減できる。

本発明において好ましくは前記下側切欠き部が、前記水平線に対して直交し且つ前記タービンシャフトの回転中心を通過する直交線に対して周方向両側にそれぞれ片側が前記タービンシャフトの回転中心を中心に、下側から上側に向かって３０度以上７０度以下の角度範囲（θ１）で形成されたことを特徴する。
この構成によれば、下側切欠き部が前記角度範囲θ１で形成されることにより、フローガイド部の外側に形成される渦流がフローガイド部から出ようとする流れと干渉を防ぐことが問題とならず、フローガイド部の外周に形成される渦流の勢いを最も効果的に弱めることができる。従って、排気室の圧力損失が回復され、タービン性能を向上できる。

本発明において好ましくは前記伴流防止板に、前記排気室の出口部側となる上半部において、その周方向の一部を切り欠いた上側切欠き部を形成したことを特徴とする。
この構成によれば、流れの抵抗となった伴流防止板の上半部の抵抗がなくなり、上半部から排気室出口部に向かう流れがスムーズになり、この流れと下側切欠き部により勢いが弱められた渦流とのスムーズな合流を達成でき、排気室の圧力損失を回復できる。

本発明において好ましくは前記上側切欠き部が、前記水平線に対して直交し且つ前記タービンシャフトの回転中心を通過する直交線に対して周方向両側にそれぞれ片側が前記タービンシャフトの回転中心を中心に、下側から上側に向かって１１０度以上１８０度以下の角度範囲（θ２）で形成されたことを特徴する。
この構成によれば、前記角度範囲に上側切欠き部が形成されることにより、上半部を通過して排気室出口部に向かう流れが最もスムーズになり、排気室の圧力損失を最も効果的に回復できる。

本発明において好ましくは、前記フローガイド部には、前記伴流防止板の下流側に旋回防止板が形成され、前記旋回防止板は、その周方向において、前記伴流防止板の前記下側切欠き部および前記上側切欠き部が形成されていない範囲に形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、フローガイド部の外側に形成される縦渦の旋回成分が除去されて、縦渦が消失し、排気室出口部の流れが一相になり、排気室回復の改善が期待できる。

以上説明したように本発明によれば、タービンハウジング内の排気室に発生する渦流の勢いを弱め、あるいは渦流を消失させることにより、渦流の発生によって生じる排気室の圧力損失を低減でき、タービン効率を向上させることができる。

本発明の第１及び第２実施形態を示す軸流タービンを示す断面図である。本発明の第１及び第２実施形態を示す軸流タービンを示す断面図である。本発明の第３実施形態を示す断面図である。本発明の第４及び第５実施形態を示す断面図である。本発明の第４及び第５実施形態を示す断面図である。軸流タービンを示す断面図である。従来の軸流タービンを示す断面図である。従来の軸流タービンを示す断面図ある。従来の軸流タービンを示す平面図である。従来の軸流タービンを示す断面図である。

以下、本発明による軸流タービンの実施形態について詳細に説明する。
ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定の記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明にすぎない。

（第１実施形態）
舶用エンジンに採用される軸流タービンは例えば図６に示すように構成されている。
図示するように、軸流タービン５１はタービンシャフト５２と、このタービンシャフト５２の一端部に取り付けられたタービン動翼５３と、タービン動翼５３を回転自在に収容するタービンハウジング５４と、タービンハウジング５４にタービン動翼５３と同軸上に設けられたタービン静翼５５とから主に構成されている。
タービンハウジング５４にはタービン動翼５３を挟んで上流側にエンジンの燃焼室から排気ガス流Ｇを導入する吸気部５６及び吸気室５７が形成され、下流側には排気室５７および出口部５８が形成されている。排気室５７には内周側から外周側に排気ガス流Ｇを案内するために緩やかに湾曲した湾曲部５９が形成されている。

また、図１及び図２に示すように、タービンハウジング５４内には排気室５７の湾曲部５９に沿って内周側から外周側に排気ガス流Ｇを案内するフローガイド部６１が形成されている。このフローガイド部６１の内周側にはタービンハウジング５４の内壁との間に排気ガス流Ｇを減速するディフューザ流路６２が形成される。従って、タービン動翼５４の下流側においては排気ガス流Ｇは、ディフューザ流路６２で減速されて排気室５７を通って出口部５８から排気されることになる。
また、フローガイド部６１の外周には渦流Ａ，Ｂがフローガイド１６から出ようとする流れＣと干渉を防ぐことを目的として伴流防止板７１が設けられている。この伴流防止板伴７１はフローガイド部６１の外側の先端側に周方向に取り付けられている。

特に、図１に示すように本発明にあってはこの伴流防止板７１には下側切欠き部７３が形成される。なお、下側切欠き部７３が形成されている範囲では図２に示す伴流防止板７１には設けられず図７に示す断面形状となっている。下側切欠き部７３はタービンシャフト５３の回転中心Ｏを通過し前記出口部５８に平行となる水平線Ｘを挟んで出口部５８に対して反対側を下半部７４、出口部５８側を上半部７５としたときに、その下半部７４においてその周方向の一部を切り欠いて所定角度で開口される。
従って、伴流防止板７１の下半部７４おいては狭小部となっていたスペースが下側切欠き部７３により広く開放され、これにより、フローガイド部６１の外側から上向きに流れＥができ、フローガイド部６１の外側に形成される渦流Ａ，Ｂの勢いを弱めることができる。

（第２実施形態）
具体的には図１に示すように、下側切欠き部７３はタービンシャフト５２の回転中心Ｏを通過する水平線Ｘに対して回転中心Ｏを通過して直交する直交線Ｙから周方向両側にタービンシャフト５２の回転中心Ｏを中心に下側から上側に向かって３０度以上７０度以下の角度範囲θ１に設定されることが望ましい。この角度範囲θ１においてはフローガイド部６１の外側に形成される渦流Ａ，Ｂがフローガイド部６１から出ようとする流れＣと干渉を防ぐことが問題とならず、渦流Ａ，Ｂの勢いを最も低減できる。
また、下側切欠き部７３に形成したときにその両端部の端面形状は図示するように弦方向に鋭角な弦方向端面７６に形成してもいし、排気ガス流Ｇの抵抗の小さい角度θ１の径方向端面７７で形成してもよい。既存の伴流防止板７１に切欠き部７３を形成する場合には加工性を考慮するとき弦方向端面７６にすることが望ましい。

（第３実施形態）
図３は伴流防止板７１の下半部７４に下側切欠き部７３が形成されると共に、出口部５８側の上半部７５にもその周方向の一部を切り欠いた上側切欠き部８１を形成した形態を示したものである。
このように上側切欠き部８１が形成されことにより、上半部７５から出口部５８に向かう流れＦの抵抗となっていた上半部７５がなくなり、この流れＦと下側切欠き部７３により勢いが弱められてフローガイド部６１の外側を回って出てきた渦流Ａ，Ｂとがスムーズに合流する流れとなり、排気室５７の圧力回復性能を改善することができる。

（第４実施形態）
好ましくは上側切欠き部８１は、前記水平線Ｈに対して直交し且つ前記タービンシャフト５２の回転中心Ｏを通過する直交線Ｖに対して周方向両側にそれぞれ片側が前記タービンシャフト５２の回転中心Ｏを中心に、下側から上側に向かって１１０度以上１８０度以下の角度範囲θ２が最適角度として設定される。
この場合で第１実施形態と同様に端面形状も径方向断面８４あるいは弦方向断面８５となる。従って、伴流防止板７１は下側切欠き部７３及び上側切欠き部８１により左右一対の円弧状の伴流防止板８２，８３が形成されることになる。

（第５実施形態）
図４及び図５に示すように、フローガイド部６１には伴流防止板８２，８３が形成される共に、その伴流防止板８２，８３から間隔を隔てて下流側にタービン動翼５４側寄りに位置させて一対の旋回防止板９１，９２が設けられる。
また、旋回防止板９１，９２はその周方向において、伴流防止板７１の下側切欠き部７３および上側切欠き部８１が形成されていない範囲において形成されている。具体的には下側切欠き部７３の角度範囲θ１より大きく上側切欠き部８１の角度範囲θ２より小さい角度範囲で伴流防止板８２，８３と同形形状の円弧状の旋回防止板９１，９２が形成される。
この旋回防止板９１，９２が設けられることにより、図４に示すように、出口部５８に向かって形成される縦渦Ａ，Ｂの旋回成分Ｐを打ち消すことができる。旋回成分Ｐが打ち消されることにより、渦流Ａ，Ｂの生成が解消され、排気ガス流Ｇは出口部５８に向かう成分Ｑ（出口部５８に垂直な成分）だけとなる。従って、出口部５８では一様な流れの形成することができ、圧力損失の改善効果を期待することができる。

本発明はタービン動翼の下流側に形成される排気室の圧力回復を改善しタービン効率を向上できる軸流タービンに関する。

５２…タービンシャフト
５３…タービン動翼
５４…タービンハウジング
５７…排気室
５８…出口部
６１…フローガイド部
７１、８２，８２…伴流防止板
７３…下側切欠き部
７４…下半部
７５…上半部
８１…上側切欠き部
９１，９２…旋回防止板
Ｘ…水平線
Ｇ…排気ガス流

Claims

タービンシャフトと、
前記タービンシャフトに取り付けられたタービン動翼と、
前記タービン動翼を回転可能に収容する共に、前記タービン動翼の下流側に排気室を有するタービンハウジングと、を備える軸流タービンであって、
前記タービンハウジングは、
前記排気室内に設けられ、前記タービン動翼を通過した排気ガス流を前記排気室の内壁に沿って案内するフローガイド部と、
前記フローガイド部の外周側に周方向に形成された伴流防止板と、を含み、
前記伴流防止板に、前記タービンシャフトの回転中心を通過し、前記排気室の出口部に平行となる水平線を挟んで前記排気室の出口部に対して反対側の下半部において、その周方向の一部を切り欠いた下側切欠き部を形成したことを特徴とする軸流タービン。
前記下側切欠き部が、前記水平線に対して直交し且つ前記タービンシャフトの回転中心を通過する直交線に対して周方向両側にそれぞれ片側が前記タービンシャフトの回転中心を中心に、下側から上側に向かって３０度以上７０度以下の角度範囲（θ１）で形成されたことを特徴する請求項１記載の軸流タービン。
前記伴流防止板に、前記排気室の出口部側となる上半部において、その周方向の一部を切り欠いた上側切欠き部を形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の軸流タービン。
前記上側切欠き部が、前記水平線に対して直交し且つ前記タービンシャフトの回転中心を通過する直交線に対して周方向両側にそれぞれ片側が前記タービンシャフトの回転中心を中心に、下側から上側に向かって１１０度以上１８０度以下の角度範囲（θ２）で形成されたことを特徴する請求項３記載の軸流タービン。
前記フローガイド部には、前記伴流防止板の下流側に旋回防止板が形成され、前記旋回防止板は、その周方向において、前記伴流防止板の前記下側切欠き部および前記上側切欠き部が形成されていない範囲に形成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の軸流タービン。