JP2015059525A - Exhaust turbine supercharger - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to an exhaust turbine supercharger used in combination with a large internal combustion engine such as a marine internal combustion engine or a power generation internal combustion engine, and more particularly to an exhaust turbine turbocharger that supercharges an internal combustion engine using an axial flow turbine. Regarding the feeder.
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。例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、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、ラジアルタービンと比較して容易に且つ安価に製造可能な軸流タービンが考えられるからである。
排気タービン過給機は、一般に、一段の排気ガスタービンと、その同一回転軸上に、取り付けられた圧縮機とを具備し、排気により排気ガスタービンを回転させ、その回転力で圧縮機を駆動する構成のものである。
Conventionally, various types of superchargers have been used to improve the output of an internal combustion engine. For example, an exhaust turbine supercharger using an axial turbine is employed in a large diesel engine or the like that requires high output, such as a ship or a power generation device. This is because the engine itself is large and the amount of intake air is very large, so the exhaust turbine supercharger must be large and have a large capacity, and can be manufactured easily and inexpensively compared to a radial turbine. This is because an axial turbine can be considered.
An exhaust turbine supercharger generally includes a single stage exhaust gas turbine and a compressor mounted on the same rotating shaft, and rotates the exhaust gas turbine by exhaust gas, and drives the compressor with the rotational force. It is a thing of composition to do.
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、本出願人が特許文献1に示すように開示したものがある。
この場合、特許文献1では、ケーシングの組立構造により熱膨張の問題や重量増加の問題を解決する技術を提案している。すなわち、特許文献1では、別体の内側ケーシング及び外側ケーシングをボルト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ている。
かかる特許文献1において、過給気の排気ガスはガス入口ケーシング、タービンノズル、タービン動翼からガス出口ケーシングに導かれ、ガス出口から外部へ排出される。
As a conventional exhaust turbine supercharger employing an axial flow turbine, there is one disclosed by the present applicant as shown in Patent Document 1.
In this case, Patent Document 1 proposes a technique for solving the problem of thermal expansion and the problem of weight increase by the assembly structure of the casing. That is, in Patent Document 1, a gas inlet having a double structure in which a separate inner casing and outer casing are integrated by bolting and a space formed between the two casings serves as an exhaust gas flow path that guides exhaust gas to the turbine nozzle. A casing is provided, exhaust gas passages are provided over the entire circumference in the turbine rotation direction, and the inner casing is detachable in the axial direction.
In Patent Document 1, supercharged exhaust gas is led from a gas inlet casing, a turbine nozzle, and a turbine rotor blade to a gas outlet casing, and discharged from the gas outlet to the outside.
ところで、上記軸流タービンを用いた排気タービン過給機では、内外のケーシング間に大きな温度差はなく、半径方向の熱延びが均一化するので、タービンノズルとガス案内筒とのインロー構造が可能となり、嵌合部のシール性が向上して、ガス漏れを防止できるとしている。 By the way, in the exhaust turbine supercharger using the axial turbine described above, there is no large temperature difference between the inner and outer casings, and the heat spread in the radial direction is uniform, so an inlay structure between the turbine nozzle and the gas guide cylinder is possible. Thus, the sealing performance of the fitting portion is improved and gas leakage can be prevented.
また、特許文献2では、高温域で使用されるガスタービンのタービン動翼の先端とシュラウドリングとの隙間を効果的にシールして、タービン効率を向上できるとしている。
Moreover, in
しかしながら、特許文献1では、タービン動翼先端とガス案内筒との間には、タービン翼先端隙間(クリアランス)が存在しており、過給機運転時において、タービン動翼が遠心および熱膨張により径方向に伸びて、対峙するガス出口案内筒とのタービン翼先端隙間が小さくなり、接触する虞がある。
また、特許文献2では、タービン動翼先端とシュラウドリングとの隙間を極力抑えるために、シュラウドリング側のタービン動翼先端と対面する部位に、タービン動翼の先端を一部臨ませる掘り込み溝を形成し、その溝内にセラミック繊維を設けるようにしている。このように、シュラウドリングに特別な加工が必要で煩雑であり、消耗が進みやすく、他の部品に比較してシュラウドリングの交換頻度は高くなる。
本発明は、以上のような背景から提案されたものであって、熱膨張を考慮に入れた、シュラウドリングの取り付け構造、素材、形状を採用し、タービン翼とシュラウドリングの適正な隙間を確保し、タービン翼先端とシュラウドリングとの接触等の問題がないようにした、排気タービン過給機を提供することを目的とする。
However, in Patent Document 1, there is a turbine blade tip clearance (clearance) between the turbine rotor blade tip and the gas guide cylinder, and the turbine rotor blade is subjected to centrifugal and thermal expansion during supercharger operation. The turbine blade tip clearance between the gas outlet guide cylinder and the gas outlet guide cylinder that extends in the radial direction may be reduced and contact may occur.
Further, in
The present invention has been proposed from the background as described above, and adopts a shroud ring mounting structure, material, and shape taking thermal expansion into account, and ensures an appropriate clearance between the turbine blade and the shroud ring. It is an object of the present invention to provide an exhaust turbine supercharger in which there is no problem such as contact between a turbine blade tip and a shroud ring.
上記課題を解決するために、請求項1記載の本発明では、導入される排気ガスを通流する排気ガス流路を画成するガス入口ケーシングと、ガス入口ケーシングと排ガス出口案内筒を介して連通するガス出口ケーシングと、排ガス出口案内筒上流側にタービン動翼とタービン動翼に隣接配置したタービンノズルとを具備し、タービンノズルを通じてタービン動翼に導入した排気ガスの膨張により、タービン動翼を回転させて得られる軸回転力で圧縮機を回転させるようにした軸流式の排気タービン過給機において、排ガス出口案内筒上流側に、タービン動翼を囲繞して、タービン動翼先端との隙間を規定するシュラウドリングを設け、シュラウドリングは、一周縁部側を排ガス出口案内筒上流側に固定する一方、他周縁部側を径方向に拡径可能にタービンノズル側に係合してなる、ことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention according to claim 1, the gas inlet casing defining the exhaust gas flow path through which the introduced exhaust gas flows, the gas inlet casing, and the exhaust gas outlet guide tube are provided. The turbine rotor blade is provided with a gas outlet casing that communicates with the turbine rotor blade and a turbine nozzle disposed adjacent to the turbine rotor blade on the upstream side of the exhaust gas outlet guide cylinder, and is expanded by exhaust gas introduced into the turbine rotor blade through the turbine nozzle. In the axial flow type exhaust turbine supercharger in which the compressor is rotated by the shaft rotational force obtained by rotating the turbine blade, the turbine rotor blade is surrounded on the upstream side of the exhaust gas outlet guide cylinder, A shroud ring is provided to regulate the gap between the two, and the shroud ring can be fixed to the upstream side of the exhaust gas outlet guide cylinder while the other peripheral side can be radially expanded in the radial direction. It engaged comprising a turbine nozzle side, and wherein the.
これにより、運転時においてシュラウドリングは、薄肉で、温度応答性が良いため、熱膨張により、径方向、軸方向に一定量伸びる。
運転時には、タービン動翼が伸びても、タービン動翼外周を囲繞するシュラウドリングの径方向、軸方向に伸びるため、タービン動翼とシュラウドリングとの隙間は、適正に確保され、接触することはない。
As a result, the shroud ring is thin during operation and has a good temperature responsiveness, so that it expands by a certain amount in the radial and axial directions due to thermal expansion.
During operation, even if the turbine blades extend, they extend in the radial and axial directions of the shroud ring that surrounds the outer periphery of the turbine blades, so that the clearance between the turbine blades and the shroud ring is adequately secured and cannot be contacted. Absent.
また、請求項2記載の本発明では、シュラウドリングは、排ガス出口案内筒上流側に一周縁部側をフランジ部を介して締結部材で固定されている、ことを特徴とする。
In the present invention described in
これにより、シュラウドリングは、一周縁部側のみをフランジ部を介して固定したので、運転により、シュラウドリングは、排ガス出口案内筒の膨張と共に径方向に膨張し、タービン動翼との隙間を確保することができる。 As a result, the shroud ring is fixed only at one peripheral edge side via the flange portion, so that the shroud ring expands in the radial direction along with the expansion of the exhaust gas outlet guide cylinder by operation, and a clearance with the turbine blade is secured. can do.
さらに、請求項3にかかる本発明では、シュラウドリングは、タービン動翼と同等の熱膨張率の薄肉状の鋼材で形成されている、ことを特徴とする。
Furthermore, the present invention according to
これにより、シュラウドリングの熱応答性が良く、運転によって、タービン動翼が径方向、軸方向に膨張しても、タービン動翼の外側にあるシュラウドリングが径方向に同等に伸びるため、タービン動翼とシュラウドリングが干渉することはない。 As a result, the thermal response of the shroud ring is good, and even if the turbine blades expand in the radial and axial directions during operation, the shroud ring outside the turbine blades extends in the radial direction equally. Wings and shroud rings do not interfere.
本発明によれば、運転時においてシュラウドリングは、薄肉で、温度応答性が良いため、熱膨張により、径方向、軸方向に一定量伸びる。
運転時には、タービン動翼が伸びても、タービン動翼外周を囲繞するシュラウドリングの径方向、軸方向の伸びによって、タービン動翼とシュラウドリングとの隙間は、適正に確保され、接触することはない。
According to the present invention, the shroud ring is thin during operation and has a good temperature responsiveness, so that it expands by a certain amount in the radial and axial directions due to thermal expansion.
During operation, even if the turbine blade extends, the radial and axial expansion of the shroud ring that surrounds the outer periphery of the turbine blade ensures that the clearance between the turbine blade and the shroud ring is properly secured and that Absent.
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。 Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified, but are merely illustrative examples. Not too much.
図1に、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1の一実施形態を示す。
この排気タービン過給機1は、軸流タービン2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3を回転させ、圧縮機3により高圧に圧縮され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。
FIG. 1 shows an embodiment of an exhaust turbine supercharger 1 for a large internal combustion engine in which a turbine and a compressor are provided coaxially.
This exhaust turbine supercharger 1 rotates a
すなわち、排気タービン過給機1は、導入される排気ガスを通流する排気ガス流路(後述)を画成するガス入口ケーシング4と、このガス入口ケーシング4と排ガス出口案内筒5を介して連通するガス出口ケーシング6と、排ガス出口案内筒5上流側にタービン動翼7とこのタービン動翼7に隣接配置したタービンノズル8とを具備し、このタービンノズル8を通じてタービン動翼7に導入した排気ガスの膨張により、タービン動翼7を回転させて得られる軸回転力で圧縮機3を回転させるようにした軸流式のものである。
That is, the exhaust turbine supercharger 1 includes a
ガス入口ケーシング4は、締結部材により内側ケーシング4aと外側ケーシング4bとを一体化して構成され、これら内側ケーシング4aおよび外側ケーシング4b間に、排気ガスをタービンノズル8に導くための排気ガス流路9が画成される。この場合、排気ガス流路9は軸流タービン2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4のガス入口4iから導入した排気ガスは、排気ガス流路9を通ってガス出口4o、排ガス出口案内筒5を介し、ガス出口ケーシング6の出口から外部へ排出される。
ガス出口4oは、回転方向の全周にわたってタービンノズル8へ排気ガスを供給するよう開口して設けられている。
The
The gas outlet 4o is provided to be open so as to supply exhaust gas to the
また、軸流タービン2は、ロータ軸10の一端に設けたロータディスク11にタービン動翼7を周方向に多数取り付けた構成とされる。なお、タービン動翼7およびロータディスク11には、例えばSUH(Steel Use Heat Resisting)やナイモニック(Ni−Cr合金)等の耐熱鋼を用いることができる。
タービン動翼7は、タービンノズル8の出口となる下流側、すなわちガス出口ケーシング6における排ガス出口案内筒5の上流側に隣接して設けられ、タービンノズル8から噴出する高温の排気ガスがタービン動翼7を通過して膨張することによりロータディスク11及びロータ軸10を回転させる。
Further, the
The
また、ガス入口ケーシング4におけるガス出口4o、すなわち、ガス出口ケーシング6における排ガス出口案内筒5の上流側に対面する側には、タービンノズル8を形成するリング状部材(ノズルリング)の内周部8aが軸止めされている。すなわち、ここでのタービンノズル8は、リング状部材で、所定の間隔を有する内周部8a及び外周部8b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なっている。
一方、タービンノズル8を形成するノズルリングの外周部8bは、図2に示すように、ガス入口側(ガス出口4o側)の端部内周面8cが拡開されている。また、外側ケーシング4bのロータディスク側端部は、その内周面をロータ軸方向へ折曲するようにして段差部4bbを設け、この段差部4bb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8dとが軸方向で係合するようになっている。
Further, on the gas outlet 4 o in the
On the other hand, as shown in FIG. 2, the outer
そして、タービンノズル8の外周部8bには、詳細は後述するが、ガス出口側(タービン動翼7側)となる端部に、排ガス出口案内筒5の上流側に取り付けられてタービン動翼7を囲繞するシュラウドリング20が、互いの端部同士を係合状態で連結されている(インロー構造)。
The outer
そこで、タービン動翼7を囲繞するシュラウドリング20について、詳細に説明する。
シュラウドリング20は、上述のように排ガス出口案内筒5の上流側に、タービン動翼7を囲繞して、タービン動翼7の先端との隙間gを規定するようにしている(図2、図3参照)。
すなわちシュラウドリング20は、薄肉状の鋼材で形成された円環状のもので、一周縁部側を排ガス出口案内筒5上流側にフランジ部20fを介してボルト部材21で固定されている。また、シュラウドリング20の他周縁部側は、タービンノズル8の外周部8bとの係合部位において、径方向外側から、タービンノズル8の外周部8bに係合させることで、シュラウドリング20を径方向に拡径可能としている。すなわち、運転時のタービン動翼7の熱膨張によってシュラウドリング20に接触するようなことがあっても、シュラウドリング20の他周縁部側は、径方向外側に変形することで、タービン動翼7とシュラウドリング20との接触圧を低下させ、タービン動翼7の損傷を抑制する。
Therefore, the
As described above, the
That is, the
また、以上のようなシュラウドリング20において、排ガス出口案内筒5に対する取付構造を具体的に説明する。
すなわち、排ガス出口案内筒5の上流側に、シュラウドリング20の一周縁部側を、フランジ部20fを介してボルト部材21で固定する際、排ガス出口案内筒5の上流側の端面に対しガスケットGを介して、フランジ部20fを押し当てた状態で、ボルト部材21を排ガス出口案内筒5の上流側の端面にねじこまれるになっている。この際、ボルト部材21のボルト頭部21hは、バネワッシャwが挟持され、締結力を高めると共に気密性を高め、排気ガスの漏れを極力なくすようにしている。
Moreover, the mounting structure with respect to the exhaust gas
That is, when the one peripheral edge side of the
そして、かかるシュラウドリング20が排ガス出口案内筒5の上流側の端面に固定された際、タービン動翼7の先端との隙間gが、例えば0.3〜0.6mmとなるように設定されている。
And when this
次に、以上説明した排気タービン過給機1について、動作、作用を説明する。
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4のガス入口4iから導入された排気ガスが排気ガス流路9を通ってガス出口4o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4oからタービンノズル8に吸い込まれ、タービン動翼7を通過する際に膨張してロータディスク11及びロータ軸10を回転させるので、同軸の圧縮機3を駆動して内燃機関に供給する空気を圧縮する。圧縮機3で圧縮する空気は、フィルター(図示省略)を通して吸入される。なお、タービン動翼7で膨張した排気ガスは、排ガス出口案内筒5及びガス出口ケーシング6に導かれて外部へ流出する。
Next, operation | movement and an effect | action are demonstrated about the exhaust turbine supercharger 1 demonstrated above.
When the supercharging operation is performed by introducing the exhaust gas, the exhaust gas introduced from the
かかる過給運転が続行されると、排気ガス流路9を通る排気ガスが、タービンノズル8に吸い込まれ、タービン動翼7を通過する。このため、タービンノズル8、タービン動翼7、タービン動翼7を囲繞するシュラウドリング20が排気ガスによって高温化する。このため、タービン動翼7、シュラウドリング20は、径方向、および軸方向に熱膨張する(図3参照)。
例えば、排気ガスの温度が400℃の場合、ロータディスク11の径が900mmとすると、タービン動翼7の径方向の伸びが2mmとなる。
When the supercharging operation is continued, the exhaust gas passing through the
For example, when the temperature of the exhaust gas is 400 ° C., if the diameter of the
しかしながら、タービン動翼7の径方向外側に位置するシュラウドリング20においても、線膨張率特性によって径方向、軸方向に一様に熱膨張する。
シュラウドリング20は、薄肉状の円環体で構成されるため、温度応答性が良く、タービン動翼7側の伸びよりも先に熱膨張するため、タービン動翼7とシュラウドリング20との適正な隙間gが確保され、タービン動翼7とシュラウドリング20との接触を回避することができる。
例え、排気ガスの温度が想定温度を越えるものであって、タービン動翼7側の伸びが大きくシュラウドリング20に接触するようなことがあっても、シュラウドリング20の他周縁部側が、タービンノズル8の外周部8bとの係合部位において、径方向外側から、タービンノズル8の外周部8bに係合させる構造であるので、シュラウドリング20は、径方向外側に逃げるように押し込まれるため、タービン動翼7とシュラウドリング20との接触により破損する不具合を極力抑制することができる(図4参照)。
However, the
Since the
For example, even if the temperature of the exhaust gas exceeds the assumed temperature and the
以上、本発明にかかる排気タービン過給機について、一実施形態を挙げ、説明した。
上記実施形態におけるシュラウドリング20は、設けられる排気タービン過給機の仕様、規格等に鑑みて、素材、寸法、形状が採用されることは勿論である。
The exhaust turbine supercharger according to the present invention has been described with reference to the embodiment.
Of course, the material, dimensions, and shape of the
本発明におけるタービン動翼のシュラウドリングは、かかる排気タービンに限らず、蒸気タービン、ガスタービン等への適用も可能である等、汎用性は高い。 The shroud ring of the turbine rotor blade according to the present invention is not limited to such an exhaust turbine, but can be applied to a steam turbine, a gas turbine, and the like, and is highly versatile.
1 排気タービン過給機
2 軸流タービン
3 圧縮機
4 ガス入口ケーシング
4a 内側ケーシング
4b 外側ケーシング
4ba 内周面
4bb 段差部
4i ガス入口
4o ガス出口
4c 端部内周部
5 排ガス出口案内筒
6 ガス出口ケーシング
7 タービン動翼
8 タービンノズル
8a 内周部
8b 外周部
8d 段差部
9 排気ガス流路
10 ロータ軸
11 ロータディスク
20 シュラウドリング
20f フランジ部
21 ボルト部材
21h ボルト頭部
w バネワッシャ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (3)
前記排ガス出口案内筒上流側に、前記タービン動翼を囲繞して、前記タービン動翼先端との隙間を規定するシュラウドリングを設け、
該シュラウドリングは、一周縁部側を前記排ガス出口案内筒上流側に固定する一方、他周縁部側を径方向に拡径可能に前記タービンノズル側に係合してなる、ことを特徴とする排気タービン過給機。 A gas inlet casing defining an exhaust gas passage through which exhaust gas to be introduced flows, a gas outlet casing communicating with the gas inlet casing via an exhaust gas outlet guide cylinder, and a turbine upstream of the exhaust gas outlet guide cylinder A turbine nozzle disposed adjacent to the turbine blade, and compressed by an axial rotational force obtained by rotating the turbine blade by expansion of exhaust gas introduced into the turbine blade through the turbine nozzle In the axial flow type exhaust turbine supercharger that rotates the machine,
Provided on the upstream side of the exhaust gas outlet guide cylinder is a shroud ring that surrounds the turbine rotor blade and defines a gap with the turbine rotor blade tip,
The shroud ring is configured such that one peripheral edge side is fixed to the upstream side of the exhaust gas outlet guide cylinder, and the other peripheral edge side is engaged with the turbine nozzle side so as to be radially expandable. Exhaust turbine supercharger.
The exhaust turbine supercharger according to claim 1 or 2, wherein the shroud ring is formed of a thin steel material having a thermal expansion coefficient equivalent to that of the turbine rotor blade.
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
WO2016063604A1 (en) * | 2014-10-24 | 2016-04-28 | 三菱重工業株式会社 | Axial flow turbine and supercharger |
JP2018178725A (en) * | 2017-04-03 | 2018-11-15 | いすゞ自動車株式会社 | Turbine housing and turbocharger |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2016063604A1 (en) * | 2014-10-24 | 2016-04-28 | 三菱重工業株式会社 | Axial flow turbine and supercharger |
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