JP2016138494A - 排気タービンおよび船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】リンク室内への排ガスの流入を防止することができる排気タービンを提供する。
【解決手段】エンジンからの排ガスで駆動される排気タービンは、タービンインペラの周囲に形成された導入路に沿うプレートと、導入路に配置されたノズルベーン、およびプレートを貫通する軸部、を含む複数のノズル部材と、複数のノズル部材のそれぞれを軸部回りに回転させるためのリンク機構と、タービンインペラが取り付けられた回転軸を回転自在に支持し、かつ、プレートとの間に、リンク機構が収容されるリンク室を形成するハウジングと、リンク室内に加圧空気を供給する加圧路と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンからの排ガスで駆動される排気タービンおよびこの排気タービンが搭載された船舶に関する。

従来から、自動車や船舶には、可変ノズル型の排気タービンが搭載されている。例えば、特許文献１には、図９に示すような可変ノズル型の排気タービン１００が開示されている。

具体的に、排気タービン１００は、ノズルベーン１４１および軸部１４２を有する複数のノズル部材１４０と、各ノズル部材１４０を軸部１４２回りに回転させるためのリンク機構１５０を含む。各ノズル部材１４０のノズルベーン１４１は、タービンインペラ１１０の周囲に形成された導入路１０５に配置されており、軸部１４２は、導入路１０５に沿うプレート１３０を貫通している。プレート１３０とハウジング１２０との間にはリンク室１２５が形成されており、このリンク室１２５内にリンク機構１５０が収容されている。

リンク機構１５０は、ノズル部材１４０と同数のアーム１５１と、これらのアーム１５１と係合するリング１５２を含む。各アーム１５１は、ノズル部材１４０の軸部１４２に回転不能に連結され、タービンインペラ１１０の軸心１１１を中心とする径方向（以下、単に「径方向ｒ」という。）において軸部１４２から外向きに延びている。通常は、各アーム１５１の内側端部がリンク室１２５の外向き壁面１２６から離間しており、リング１５２が回転すると、各アーム１５１の内側端部が外向き壁面１２６に当接する。これにより、アーム１５１の揺動およびノズル部材１４０の回転が規制される。

さらに、排気タービン１００には、排ガスに含まれる煤がリンク室１２５内に堆積したとしても、その影響を受け難くするための構成が採用されている。例えば、リンク室１２５の外向き壁面１２６と当接する各アーム１５１の内側端部に、堆積した煤を排出するための凹部（図示せず）が設けられる。

特開２０１３−７２４０４号公報

しかしながら、排ガスに含まれる煤がリンク室内に堆積したときの影響を受け難くするよりも、リンク室内への排ガスの流入そのものを防止することが望まれる。

そこで、本発明は、リンク室内への排ガスの流入を防止することができる排気タービンおよびこの排気タービンが搭載された船舶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、本発明の排気タービンは、エンジンからの排ガスで駆動される排気タービンであって、タービンインペラの周囲に形成された導入路に沿うプレートと、前記導入路に配置されたノズルベーン、および前記プレートを貫通する軸部、を含む複数のノズル部材と、前記複数のノズル部材のそれぞれを前記軸部回りに回転させるためのリンク機構と、前記タービンインペラが取り付けられた回転軸を回転自在に支持し、かつ、前記プレートとの間に、前記リンク機構が収容されるリンク室を形成するハウジングと、前記リンク室内に加圧空気を供給する加圧路と、を備える、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、リンク室内に加圧空気が供給されるため、リンク室内への排ガスの流入を防止することができる。

上記の排気タービンは、前記複数のノズル部材のうちの少なくとも１つのノズル部材の軸部に沿って形成された、前記リンク室内に供給された加圧空気を前記導入路へ排出する排出路をさらに備えてもよい。この構成によれば、リンク室内に供給された加圧空気はノズル部材の軸部に沿って排出路を通じて排出されるため、排ガスとの接触によって高温となるノズル部材を、加圧空気を利用して冷却することができる。一般的に、加圧空気は排ガスに比べて遥かに温度が低いからである。このようにノズル部材を冷却することでノズル部材の熱膨張が抑制され、ノズル部材の回動抵抗を小さく抑えることができる。

前記リンク機構は、前記複数のノズル部材の軸部にそれぞれ連結された、前記軸部から側方に延びる複数のアームと、前記複数のアームにおける前記ノズル部材と反対側の端部にそれぞれ取り付けられた複数のローラと、前記複数のローラの間に介在し、かつ、前記タービンインペラの軸心を中心とする径方向における前記ローラの移動をガイドする複数の操作片を有するリンクリングと、を含んでもよい。この構成によれば、アームに取り付けられたローラがリンクリングの操作片上を転動するので、アームおよびリンクリングの摩耗が抑制され、高い耐久性を得ることができる。

また、本発明の船舶は、上記の排気タービンと、前記エンジンと給気路により接続された圧縮機と、を備え、前記加圧路は、前記給気路から分岐している、ことを特徴とする。この構成によれば、圧縮機からエンジンへ供給される加圧空気の一部が排気タービン用の加圧空気として用いられる。このため、排気タービン専用の圧縮機を設置する必要がなく、既存のシステム（例えば、過給機の圧縮機）を利用して加圧空気を排気タービンに供給することができる。

例えば、前記エンジンは、プロペラ軸と連結されたクランク軸を含む推進用エンジンであり、前記排気タービンは、前記圧縮機を含む過給機とは別に設けられており、前記クランク軸と連結されていてもよい。

本発明によれば、リンク室内への排ガスの流入を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る排気タービンが搭載された船舶のエンジン回りの概略構成図である。 図１に示す排気タービンの断面図である。 ノズル部材およびリンク機構の一部の正面図であり、インプットレバーが基準位置にある状態を示す。 ノズル部材およびリンク機構の一部の正面図であり、インプットレバーが基準位置からノズルの開度を大きくする方向に倒された状態を示す。 図３のV−V線に沿った断面図である。 図３のVI−VI線に沿った断面図である。 ブッシュの斜視図である。 変形例を示す船舶のエンジン回りの概略構成図である。 従来の排気タービンの一部の断面図である。

図１に、本発明の一実施形態に係る可変ノズル型の排気タービン１が搭載された船舶１０を示す。図１では、排気タービン１が、船舶１０に搭載された推進用エンジン２の燃費を向上させる役割を果たす。

船舶１０には、排気タービン１および推進用エンジン２に加えて、過給機１１も搭載されている。過給機１１は、エンジン２へ加圧空気を供給する圧縮機１２と、エンジン２からの排ガスで駆動されて圧縮機１２を回転させるタービン１３を含む。すなわち、排気タービン１は、過給機１１とは別に設けられている。

エンジン２は、例えば２ストロークディーゼルエンジンであり、クランク軸２１を含む。クランク軸２１は、先端にプロペラ１５が取り付けられたプロペラ軸１４と連結されている。また、エンジン２は、内部で空気と燃料（燃料油および／または燃料ガス）の混合気を燃焼させる複数のシリンダ２２（図１では、図面の簡略化のために２つのみを図示）と、シリンダ２２へ加圧空気を分配する給気マニホールド２３と、シリンダ２２から排出される排ガスを集合させる排気マニホールド２４を含む。過給機１１の圧縮機１２は給気路９１により給気マニホールド２３と接続されており、過給機１１のタービン１３は排気路９２により排気マニホールド２４と接続されている。

排気タービン１は、減速機１６を介してクランク軸２１と連結されている。また、排気タービン１は、抽出路９３により排気路９２と接続されている。このため、排気タービン１には、排気マニホールド２４から排出される排ガスの一部が導かれ、排気タービン１は、エンジン２からの排ガスで駆動される。すなわち、排気タービン１は、排ガスからエネルギーを回収し、この回収したエネルギーでクランク軸２１の回転をアシストする。なお、抽出路９３は、排気マニホールド２４に直接的につながっていてもよい。

ただし、排気タービン１は、クランク軸２１の回転をアシストする用途に限らず、種々の用途に用いられ得る。例えば、排気タービン１は、発電機を回転させる用途に用いられてもよい。あるいは、可変ノズル型の排気タービン１は、過給機１１のタービン１３として用いられてもよい。

以下、図２〜図６を参照して、排気タービン１の構成を詳細に説明する。

図２に示すように、排気タービン１は、タービンインペラ３２と、タービンインペラ３２が取り付けられた回転軸３１と、回転軸３１に貫通された第１ハウジング３４を含む。また、排気タービン１は、タービンインペラ３２の周囲に導入路４４を形成するプレート３５およびシュラウド４１と、導入路４４と連通する渦巻き室４５を形成する第２ハウジング４６を含む。以下、説明の便宜上、タービンインペラ３２の軸心３３を中心とする径方向を、単に「径方向Ｒ」といい、軸心３３が延びる方向を、単に「軸方向Ｘ」という。

導入路４４は、径方向Ｒと平行な、環状の流路である。渦巻き室４５には、エンジン２からの排ガスが供給される。渦巻き室２５に供給された排ガスは、導入路４４を通じてタービンインペラ３２に吹き付けられる。

プレート３５は、導入路４４に沿うとともに、タービンインペラ３２の裏側に広がっている。プレート３５は、単一のプレートであってもよいし、複数のプレートに分割されていてもよい。プレート３５は、第１ハウジング３４に固定されている。

シュラウド４１は、導入路４４を挟んでプレート３５と対向するフランジ部４３と、フランジ部４３の内側端部からプレート３５と反対側に延びる管状部４２を有する。すなわち、管状部４２は、排気タービン１における排ガスの排出口を構成する。

プレート３５を挟んでシュラウド４１と反対側に位置する第１ハウジング３４は、回転軸３１をブッシュ３９を介して回転自在に支持する本体部３４ａと、プレート３５の裏側の空間を覆ってプレート３５との間にリンク室３６を形成するカバー部３４ｂを有する。

さらに、排気タービン１は、タービンインペラ３２の周囲に等角度間隔で配置された複数のノズル部材５と、リンク室３６内に収容されたリンク機構６を含む。リンク機構６は、カバー部３４ｂを貫通する軸部材８２を介してインプットレバー８１により操作される。

図３〜図６に示すように、各ノズル部材５は、導入路４４に配置されたノズルベーン５１と、ノズルベーン５１からプレート３５を貫通してリンク室３６内まで軸方向Ｘに延びる軸部５２を含む。軸部５２は、ブッシュ５３を介してプレート３５に回転自在に支持されている。

隣り合うノズルベーン５１の間には、タービンインペラ３２へ排ガスを噴射するノズル５０が形成されている。図３は、上述したインプットレバー８１が基準位置にある状態を示し、図４は、インプットレバー８１が基準位置からノズル５０の開度を大きくする方向に倒された状態を示す（当然、インプットレバー８１が基準位置からノズル５０の開度を小さくする方向に倒されることもある）。インプットレバー８１を操作することによって、ノズル５０の開度および向きが変更される。

リンク機構６は、各ノズル部材５を軸部５２回りに回転させるためのものである。具体的に、リンク機構６は、複数のアーム６１と、アーム６１に対してプレート３５と反対側に配置されたリンクリング６５と、リンクリング６５に対してプレート３５と反対側に配置されたインプットリンク７を含む。

各アーム６１は、ノズル部材５の軸部５２から側方に（本実施形態では、径方向Ｒにおいて内向きに）延びている。各アーム６１の外側端部は、ノズル部材５の軸部５２に回転不能に連結されている。各アーム６１の内側端部（すなわち、ノズル部材５と反対側の端部）には、ローラ６２が取り付けられている。

本実施形態では、各ローラ６２が、円盤状のホイール部６３と、ホイール部６３の中心から軸方向Ｘに延びる軸部６４を有する。そして、軸部６４が、アーム６１の内側端部に回転自在に支持されている。ただし、ローラ６２が中心に貫通穴を有するリング状であり、ローラ６２が当該ローラ６２を回転自在に支持する軸部材（図示せず）を介してアーム６１に取り付けられていてもよい。

リンクリング６５は、周方向に連続する本体部６６と、本体部６６から突出する複数の操作片６７を有する。本実施形態では、本体部６６が軸方向Ｘに薄い板状をなしており、操作片６７が、本体部６６のプレート３５側の主面から軸方向Ｘに突出している。ただし、リンクリング６５は、アーム６１の内側に配置されていて、操作片６７が本体部６６から径方向Ｒにおいて外向きに突出するように構成されていてもよい。

操作片６７は、複数のローラ６２の間に介在し、かつ、径方向Ｒにおけるローラ６２の移動をガイドするように構成されている。具体的には、各操作片６７は、径方向Ｒにおいて内向きに先細りとなる台形状をなしており、隣り合う操作片６７の互いに対向する側面同士が平行となっている。

リンクリング６５の内側には、リンクリング６５と摺動可能に嵌合するガイドリング３７が配置されている。ガイドリング３７は、第１ハウジング３４に固定されている。ガイドリング３７には、リンクリング６５の本体部６６の内側端部と係合する窪み３７ａが形成されている。また、ガイドリング３７には、リンクリング６５の本体部６６の内側端部を窪み３７ａ内に保持するための押えリング３８が取り付けられている。

インプットリンク７は、上述した軸部材８２に回転不能に連結されている。軸部材８２は、カバー部３４ｂを貫通して軸方向Ｘに延びており、インプットレバー８１に固定されている。また、軸部材８２は、カバー部３４ｂに取り付けられた軸受部材８３によって回転自在に支持されている。すなわち、インプットリンク７は、軸部材８２回りに揺動する。

インプットリンク７は、径方向Ｒにおいて軸部材８２からリンクリング６５と重なり合う位置まで延びており、インプットリンク７の内側端部には、径方向Ｒにおいて内向きに開口する開口７１が形成されている。換言すれば、インプットリンク７は、開口７１を規定する一対の係合片７２を有する。

一方、リンクリング６５には、インプットリンク７の開口７１と係合するインプットローラ６９が軸部材６８を介して取り付けられている。本実施形態では、リンクリング６５における１つの操作片６７がある肉厚部分にネジ穴が形成されており、このネジ穴に、軸部材６８の一端部に形成されたネジ山が螺合している。インプットローラ６９は、軸部材６８に、回転自在に支持されている。

このような構成により、インプットレバー８１を操作すれば、図４に示すように、インプットリンク７が揺動し、インプットローラ６９が一方の係合片７２上を転動しながらリンクリング６５が回転する。これに伴い、各アーム６１に取り付けられたローラ６２がリンクリング６５の操作片６７の一方の側面上を転動しながら径方向Ｒに移動する。ローラ６２が径方向に移動すると、各アーム６１がノズル部材５の軸部５２回りに揺動し、ノズル部材５のノズルベーン５１の角度が変更される。これにより、ノズル５０の開度および向きが変更される。このように、本実施形態の排気タービン１ではアーム６１に取り付けられたローラ６２がリンクリング６５の操作片６７上を転動するので、アーム６１およびリンクリング６５の摩耗が抑制され、高い耐久性を得ることができる。

さらに、本実施形態では、リンク室３６内への排ガスの流入を防止するための構成が採用されている。具体的に、排気タービン１は、リンク室３６内に加圧空気を供給する加圧路９４を含む。

本実施形態では、図１に示すように、加圧路９４が給気路９１から分岐している。加圧路９４は、図５に示すように、カバー部３４ｂに設けられた流入口９６と、流入口９６と給気路９１とを接続する配管９５とで構成されている。

さらに、排気タービン１は、図６に示すように、ノズル部材５のうちの少なくとも１つのノズル部材５の軸部５２に沿って形成された排出路９７を含む。排出路９７は、リンク室３６内に供給された加圧空気を導入路４４へ排出するための流路である。

本実施形態では、全てのノズル部材５の軸部５２に沿って排出路９７が形成されている。具体的には、図６および図７に示すように、各ブッシュ５３の外周面にブッシュ５３の軸方向に延びる溝５４が形成されており、この溝５４によって排出路９７が構成されている。なお、溝５４は、必ずしもブッシュ５３の軸方向に延びる必要はなく、ブッシュ５３の軸方向に対して傾斜していてもよい。

以上説明したように、本実施形態の排気タービン１では、リンク室３６内に加圧空気が供給されるため、リンク室３６内への排ガスの流入を防止することができる。しかも、リンク室３６内に供給された加圧空気はノズル部材５の軸部５２に沿って排出路９７を通じて排出されるため、排ガスとの接触によって高温となるノズル部材５を、加圧空気を利用して冷却することができる。一般的に、加圧空気は排ガスに比べて遥かに温度が低いからである。このようにノズル部材５を冷却することでノズル部材５の熱膨張が抑制され、ノズル部材５の回動抵抗を小さく抑えることができる。

（変形例）
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で種々の変形が可能である。

例えば、図８に示すように、過給機１１とは別に圧縮機１７が設けられ、この圧縮機１７に加圧路９４がつながっていてもよい。ただし、前記実施形態のように加圧路９４が給気路９１から分岐してれば、過給機１１の圧縮機１２からエンジン２へ供給される加圧空気の一部が排気タービン１用の加圧空気として用いられる。このため、図８に示すような排気タービン１専用の圧縮機１７を設置する必要がなく、既存のシステムを利用して加圧空気を排気タービン１に供給することができる。

また、排気タービン１が過給機１１のタービン１３として用いられる場合、加圧路９４は、圧縮機１２のハウジングおよびタービン１３のハウジングに跨って設けられた内部流路であってもよい。

また、各ノズル部材５の軸部５２に沿う排出路９７は、必ずしもブッシュ５３に設けられた溝で構成されている必要はない。例えば、排出路９７は、軸部５２の外周面に設けられた溝で構成されていてもよいし、プレート３５の保持穴の内周面に設けられた溝で構成されていてもよい。この場合、ブッシュ５３は省略可能である。

あるいは、排出路９７は、必ずしも溝で構成されている必要はない。例えば、各ノズル部材５の軸部５２に沿う排出路９７は、軸部５２の近傍でプレート３５に設けられた貫通穴で構成されていてもよい。この場合でも、ノズル部材５を、排出路９７を流れる加圧空気で冷却することができる。

さらには、ノズル部材５のうちの少なくとも１つのノズル部材５の軸部５２に沿って形成された排出路９７は必ずしも設けられている必要はなく、例えば部材間の隙間を通じて加圧空気がリンク室３６内から外部に排出されてもよい。

また、アーム６１は、必ずしもノズル部材５の軸部５２から径方向Ｒにおいて内向きに延びている必要はなく、ノズル部材５の軸部５２から径方向Ｒにおいて外向きに延びていてもよい。あるいは、アーム６１は、軸部５２から、径方向Ｒに対して斜め内向きまたは斜め外向きに延びていてもよい。

また、ガイドリング３７は、必ずしもリンクリング６５の内側に配置されている必要はなく、リンクリング６５の外側に配置されていてもよい。この場合、リンクリング６５は、操作片６７が本体部６６から径方向Ｒにおいて内向きに突出するように構成されていてもよい。あるいは、ガイドリング３７が省略されて、リンクリング６５が第１ハウジング３４と直接的に嵌合していてもよい。

さらに、リンク機構６の構成としては、上述した以外にも様々な構成が採用可能である。例えば、リンク機構６には、ローラ６２，６９に代えて、自転不能なピンが設けられていてもよい。

また、排気タービン１の駆動用の排ガスを排出するエンジンは、必ずしも船舶１０の推進用エンジン２である必要はなく、例えば陸上に設置される発電用エンジンであってもよい。

１ 排気タービン
１０ 船舶
１１ 過給機
２ エンジン
３１ 回転軸
３２ タービンインペラ
３３ 軸心
３４ 第１ハウジング
３５ プレート
３６ リンク室
４４ 導入路
５ ノズル部材
５１ ノズルベーン
５２ 軸部
６ リンク機構
６１ アーム
６２ ローラ
６５ リンクリング
６７ 操作片
９４ 加圧路
９７ 排出路

Claims (5)

1. エンジンからの排ガスで駆動される排気タービンであって、
   タービンインペラの周囲に形成された導入路に沿うプレートと、
   前記導入路に配置されたノズルベーン、および前記プレートを貫通する軸部、を含む複数のノズル部材と、
   前記複数のノズル部材のそれぞれを前記軸部回りに回転させるためのリンク機構と、
   前記タービンインペラが取り付けられた回転軸を回転自在に支持し、かつ、前記プレートとの間に、前記リンク機構が収容されるリンク室を形成するハウジングと、
   前記リンク室内に加圧空気を供給する加圧路と、
   を備える、排気タービン。
2. 前記複数のノズル部材のうちの少なくとも１つのノズル部材の軸部に沿って形成された、前記リンク室内に供給された加圧空気を前記導入路へ排出する排出路をさらに備える、請求項１に記載の排気タービン。
3. 前記リンク機構は、
   前記複数のノズル部材の軸部にそれぞれ連結された、前記軸部から側方に延びる複数のアームと、
   前記複数のアームにおける前記ノズル部材と反対側の端部にそれぞれ取り付けられた複数のローラと、
   前記複数のローラの間に介在し、かつ、前記タービンインペラの軸心を中心とする径方向における前記ローラの移動をガイドする複数の操作片を有するリンクリングと、
   を含む、請求項１または２に記載の排気タービン。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気タービンと、
   前記エンジンと給気路により接続された圧縮機と、を備え、
   前記加圧路は、前記給気路から分岐している、船舶。
5. 前記エンジンは、プロペラ軸と連結されたクランク軸を含む推進用エンジンであり、
   前記排気タービンは、前記圧縮機を含む過給機とは別に設けられており、前記クランク軸と連結されている、請求項４に記載の船舶。

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