JP2014137049A

JP2014137049A - 軸流タービン

Info

Publication number: JP2014137049A
Application number: JP2013007596A
Authority: JP
Inventors: Fumito Hiratani; 文人平谷
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2014-07-28

Abstract

【課題】排気室内で発生する渦流を打ち消すことにより、排気室の圧力損失の回復を図り、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５２と、前記タービンシャフト５２に取り付けられたタービン動翼５３と、前記タービン動翼５３を回転可能に収容する共に前記タービン動翼５３の下流側に排気室５７を有するタービンハウジング５４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５４は、前記排気室内５７に設けられ、前記タービン動翼５３を通過した排気ガス流Ｇを前記排気室５７の内壁５９に沿って前記排気室の外周側に案内するフローガイド部６１と、前記排気室５７の外周側の内壁５９ｂに設けられた凸７１部と、を備え前記凸部７１は、周方向において、前記タービンシャフト５２の回転中心０を通過して前記排気室５７の出口部５８に平行な水平線Ｘを挟んで前記出口部５８の反対側となる下半部８１の少なくとも一部に形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービン動翼を通過した排気ガス流を排気室を経由して排気する軸流タービンに係り、特に排気室の圧力回復性能を向上させてタービン性能改善を図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はタービンシャフト１１とこのタービン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が減速されて排気室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８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の出口部２１から見たときに出口部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、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。

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を打ち消すことにより、排気室の圧力回復性能が向上し、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前記排気室の外周側に案内するフローガイド部と、
前記排気室の外周側の内壁に設けられた凸部と、を備え、
前記凸部は、前記タービンシャフトの回転中心を通過して前記排気室の出口部に平行な水平線を挟んで前記出口部の反対側となる下半部の少なくとも一部に形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、凸部により新たに渦流が形成され、この渦流がフローガイドの外側に発生する渦流に対して反対方向に回転して互いに干渉し減衰して打ち消し合い、出口部には一様な流れが形成され、排気室の圧力性能向上によるタービン性能改善が図られる。

本発明において好ましくは凸部には上流側から下流側に傾斜した傾斜面が形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、渦流を形成する際の流れの抵抗を低減することができる。
また本発明において好ましくは凸部の先端部は湾曲状に形成されており、さらに好ましくは、凸部の基端部の上流側は、前記先端部とは相反する方向に湾曲して形成されている。
この構成によれば、排気ガス流が排気室の外周側の内壁からスムーズに剥離され、円滑な渦流が形成できる。

前記出口部から最も離れた前記下半部の最遠部を除いて形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、凸部が排気ガス流の抵抗となるとなることが回避され、排気ガス流の流れの損失を軽減できる。

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を打ち消すことにより、排気室の圧力回復性能が向上し、タービン効率を向上させることができる。

本発明の軸流タービンを示す断面図である。本発明の軸流タービンを示す断面図である。本発明の第２実施形態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平面図ある。

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には内周側の内壁５９ａから外周側の内壁５９ｂに排気ガス流Ｇを案内するために大きく湾曲した湾曲部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に沿って内周側の内壁５９ａから外周側の内壁５９ｂ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、このフローガイド部６１の内周側には排気室５７の内周側の内壁５９aの間に排気ガス流Ｇを減速するディフューザ流路６２を形成する。従って、タービン動翼５４を通過した排気ガス流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。

特に、本発明にあっては排気室５７の外周側の内壁５９ｂには凸部７１が設けられる。
この凸部７１はフローガイド部６１の先端部６３よりタービン動翼５３側寄り位置されている。
また、図２に示すように、凸部７１はタービンシャフト５２の回転中心０を通過して排気室５７の出口部５８に平行な水平線Ｘを挟んで前記出口部５８の反対側となる下半部８１の少なくとも一部に形成されている。

このように凸部７１が形成されることにより、図１に示すように、フローガイド部６１の内側を通過した排気ガス流Ｇの流れは排気室５７の外周側の内壁５９ｂを通過するときに凸部７１により強制的に剥離されてフローガイド部６１の外側に巻き込まれて波線で示す如く渦流Ｃを形成する。この渦流Ｃはフローガイド６１部の外側に形成される渦流Ａ、Ｂと反対向きに形成され、その渦流Ａ、Ｂと互いに干渉し減衰して打ち消し合うことになる。従って、出口部５８には一様な流れが形成され、排気室５７の圧力性能向上によるタービン性能改善が図られる。
また、大きなロスを出さない限り、凸部７１は排気ガス流Ｇの流れに対して順方向にまたは逆方向に向けて形成してしてもよい。

また、凸部７１を排気室５７の下半部８１全周に亘って形成したり、水平線Xを超えて排気室５７の出口部５８側の上半部８２に形成することは出口部５８に向かう排気ガス流Ｇの大きな流れの抵抗となり、強すぎる渦流Ｃを形成することになる。そこで、凸部７１の両端部７２、７３はタービンシャフト５２の回転中心０を通過して排気室５７の出口部５８に平行な水平線Ｘと、タービンシャフト５２の回転中心０を通過して端部７２、７３を通る直線Ｙとのなす角度が水平線Ｘから下側に３０度以下の角度範囲θにすることが望ましい。また、凸部の７１の両端部７２、７３は流れの抵抗の少ない径方向断面形状（図示の７２）あるいは加工性を考慮して出口部５８に平行な平行断面（図示の７３）とする。

（第２実施形態）
また、図３に示す凸部９１にあっては凸部９１には下流側の背面に対して上流側の表面側には傾斜面９２が形成されている。この傾斜面９２が上流側から下流側に傾くことにより排気ガス流Ｇの流れの抵抗が少なくなり、スムーズに排気ガス流Ｇの剥離を達成し得る。

（第３，４実施形態）
図４は凸部１０１の先端部１０２が湾曲状に形成されてことを示す。また、凸部１０１の上流の基端部１０３は先端部１０２とは相反する方向に連続して湾曲して傾斜面を形成する形状となっている。このように先端部１０２及び基端部１０３が相反する方向に湾曲することにより、排気ガス流Ｇの流れがスムーズに剥離し流れの抵抗も低減できる。
また、凸部１０１が排気ガス流Ｇの流れの大きな抵抗なることを避けるため、凸部１０１の先端部１０２の高さＬ１は排気室５７の外周側の内壁５９ｂとフローガイド部６１の先端部６３との距離をＬ２としたときに、凸部１０１の先端部１０２の高さＬ１がＬ２の５０％以下３０％以上に設定する。

（第５実施形態）
図５は凸部１１１が出口部５８から最も離れた下半部８１の最遠部８３を除いて形成されていることを示す。この図においては図１、図３及び図４に示した凸部７１、９１、１０１は示されていない。この最遠部８３においては、過給機の作動条件によって渦流Ａ，Ｂの形成の様相が変化し易く、最遠部８３に凸部１１１が形成されていると流動損失が大きくなる場合がある。このため、最遠部８３を除いた位置に凸部１１１を形成することで、凸部１１１が排気ガス流Ｇの流れの抵抗となることが回避され、排気ガス流Ｇの流れの損失を軽減できる。

本発明は排気室の圧力回復性能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
５９ｂ…外周側の内壁
６１…フローガイド部
７１、９１、１０１，１１１…凸部
９２…傾斜面
８１…下半部
８３…最深部
Ｘ…水平線
Ｙ…直交線
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５７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前記排気室の外周側に案内するフローガイド部と、
前記排気室の外周側の内壁に設けられた凸部と、を備え、
前記凸部は、周方向において、前記タービンシャフトの回転中心を通過して前記排気室の出口部に平行な水平線を挟んで前記出口部の反対側となる下半部の少なくとも一部に形成されていることを特徴とする軸流タービン。
前記凸部には上流側から下流側に傾斜した傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
前記凸部の先端部は湾曲状に形成されていることを特徴する請求項２記載の軸流タービン。
前記凸部の基端部の上流側は、前記先端部とは相反する方向に湾曲して形成されていることを特徴とする請求項３記載の軸流タービン。
前記凸部は、前記排気室の出口部から最も離れた前記下半部の最遠部を除いて形成されていることを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。