JP3886584B2 - 可変容量タービンの制振方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は排気ガスタービン過給機、ガスタービン、ガスエキスパンダ等に適用され、ノズルを回転してノズル翼角を変化することにより、タービン動翼へのガス流量を変化させる可変容量タービンにおける可変ノズルの構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
図3及び図4は、従来技術に係るディーゼル機関用排気ガスタービン過給機の排気タービン側の基本構造を示し、図3は回転軸(ロータ)の軸心に沿う断面図、図4は図3のB−B矢視図である。
【0003】
図3〜図4において20はガス入口ケーシング、1は該ガス入口ケーシング20に形成された渦巻状のスクロール、21はガス出口ケーシング、12は該ガス出口ケーシング21に形成された排気ディフューザ、10は回転軸(ロータ)、7は該回転軸10の軸端部に固着された複数枚の動翼である。
なお、前記回転軸10の他端にはコンプレッサ(図示省略)が固着されている。
【0004】
2は前記スクロール1の終端の動翼7の入口のベーンレス部6に設けられた可変ノズルであり、該可変ノズル2はノズル回転軸14の端部に固着され、該ノズル回転軸14と一体となって回転してガス9の入口角及び通路面積を変化せしめる。
13は前記ノズル回転軸14を回転させるためのノズル駆動部である。
【0005】
上記可変ノズル2は、その回転中心つまりノズル回転軸14の軸心14aが、図4に示すように、ノズルコード長さをL、ノズル出口後縁4から前記軸心14aまでの長さをL1とするとL1/L=0.5近傍になるようにノズル回転軸14に取付けられている。
【0006】
かかる従来の可変容量型排気タービン過給機の運転時において、エンジン(図示省略)のシリンダから排出された排気ガスはガス入口ケーシング20のスクロール1を通ってその円周方向に旋回することにより半径方向の流速を与えられ、可変ノズル2の入口前縁3を経て該ノズル2内に流入する。
【0007】
前記可変ノズル2内において、排気ガスはノズルスロート部5で流路を絞られて流速を増し、ノズル出口後縁4から流出し、ベーンレス部6及び動翼7の入口前縁8を経て動翼7に流入し、該動翼7内を通過する際に膨張仕事をなし動翼7の回転軸心廻りに回転せしめることにより動力を発生させ、動翼7の後縁11を経て排気ディフューザ12に流出する。
【0008】
前記過給機において、ガス流量を変化させて排気タービンの駆動排気エネルギー(排気タービン駆動馬力)を変化させる際には、ノズル駆動部13を操作してノズル回転軸14を介して可変ノズル2を該ノズル回転軸14の軸心、つまり回転中心14a廻りに設定されたノズル翼角まで回転せしめ、ガスの最小通路であるノズルスロート部5の面積を変化させることにより、ガス流量を調整する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の可変容量排気ガスタービン過給機にあっては、図4に示すように、円周方向におけるノズル翼角αは、これが最適となる20°近傍を設計点とし、ノズル出口後縁4と動翼の入口前縁8との間のベーンレス部6の距離つまりノズル後縁距離ΔRをこれとノズル翼幅WNとの比ΔR/WN=0.5近傍となるように設定する。
【0010】
可変ノズル2のコード長さをLとすると、かかる設定におけるノズル翼幅WNO、ノズル後縁距離ΔROは次式のようになる。
WNO=L・Sin20°=0.34202L (1)
ΔRO=0.5・WNO=0.171010L (2)
【0011】
次に最大流量設定時に相当するノズル翼角α=40°近傍、即ち可変ノズル2の出口後縁が図4の4aにあるときは、かかる従来技術では、前記のように可変ノズル2はノズル回転軸14に対し、L1/L=0.5近傍に取付けられているので、ノズル後縁距離ΔRとノズル幅WNの関係は、次のようになる。
【0012】
WN=L・Sin40°=0.642788L (3)
ΔR=ΔRO−(0.5L・Sin40°−0.5L・Sin20°)
ここでΔRO=0.5L・Sin20°であるから
ΔR=0.5L・Sin20°−(0.5L・Sin40°−0.5L・Sin20°)
=0.020626L (4)
故に
ΔR/WN=0.032089 (5)
となり、初期設定値であるΔR/WN=0.5よりも低下する。
【0013】
ここで前記ノズル後縁距離/ノズル幅=ΔR/WNとノズルウェークによる動翼7の励振力Pには図5に示すような関係がある。
【0014】
即ち、図5に示すように、前記ΔR/WNが低下するに従い、つまりノズル出口後縁4が動翼入口前縁に近づくに従い、ノズル後流のノズルウェークが増大して動翼励振力Pが増大する。
前記従来技術の場合においては、初期設定時ΔRO/WNO=0.5であったものが最大流量設定時(α=40°近傍)にはΔR/WN=0.032089となり、図5に示すように、動翼励振力Pは初期設定時の6倍以上に増加し、このためノズルウェーク共振により動翼の破損発生の恐れがある。
【0015】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みて、最大流量時等のノズル翼角が設計点よりも大きくなる運転域においてノズルウェークによる励振力の増大を抑制することにより、動翼の振動による破損の発生を防止した可変容量タービンの制振方法を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決する為に、スクロール形状のガス入口ケーシングから回転駆動される動翼へガスを導くガス入口流路に、ノズル回転軸に取付けられた翼型可変ノズルを設け、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回転軸の軸心廻りに回転させてその翼角を変化させることにより、タービン容量を変化させるように構成された可変容量タービンにおいて、
ノズル後流のノズルウェークが増大する断面非対称の翼型可変ノズルの回転軸の回転中心を、該ノズルの出口後縁からノズルコード長さ(L)の1/3近傍に位置させるとともに、円周方向におけるノズル翼角αが最適となる20°近傍よりノズル後縁距離ΔRとノズル翼幅W N との比ΔR/W N が、ノズルウェークによる励振力Pが急激に立ち上がる点より大きくなる40°近傍の最大流量設定時まで回転させたときに、前記そのノズル出口後縁が最大ノズル翼角の位置から最小ノズル翼角の位置まで移動するように構成し、これによりノズル翼角αが増加しても前記ΔR/WNの変化量が小さく抑えられ、ノズルウェークによる動翼の励振力Pの増加を抑制することを特徴とする可変容量タービンの制振方法を提案する。
【0017】
かかる発明によれば、スクロール形状のガス入口ケーシングから回転駆動される動翼へガスを導くガス入口流路に、ノズル回転軸に取付けられた翼型可変ノズルを設け、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回転軸の軸心廻りに回転させてその翼角を変化させることにより、タービン容量を変化させるように構成された可変容量タービンにおいて、
ノズル後流のノズルウェークが増大する断面非対称の翼型可変ノズルの回転軸の回転中心を、該ノズルの出口後縁からノズルコード長さ(L)の1/3近傍に位置させているので、該可変ノズルの設計点において設定されたノズル翼角(α)に対応するノズル後縁距離(ノズル出口後縁と動翼別縁との間の半径方向距離)(ΔRO)に対して、可変ノズルを前記回転中心廻りに回転させたときのノズル後縁距離ΔRの変化量が少なくなる。
【0018】
これにより、前記ΔRとノズル翼幅WNとの比ΔR/WNの変化量が小さく抑えられ、ノズルウェークによる動翼の励振力の増加を抑えることができ、ノズルウェーク共振の発生、及びこれによる動翼の破損の発生を防止することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
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かぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【0020】
図1は本発明の実施形態に係る可変容量型排気タービン過給機の回転軸心に沿う断面図、図2は図1のA−A矢視図である。
【0021】
図1〜図2において20はガス入口ケーシング、1は該ガス入口ケーシング20に形成された渦巻状のスクロール、21はガス出口ケーシング、12は該ガス出口ケーシング21に形成された排気ディフューザ、10は回転軸(ロータ)、7は該回転軸10の軸端部に固着された複数枚の動翼である。
尚前記回転軸10の他端にはコンプレッサ(図示省略)が固着されている。
【0022】
2は前記スクロール1の終端の動翼7入口のベーンレス部6に設けられた可変ノズルであり、該可変ノズル2はノズル回転軸14の端部に固着され、該ノズル回転軸14と一体となって回転して上記ガス9の入口角及び通路面積を変化せしめる。
13は前記ノズル回転軸14を回転させるためのノズル駆動部である。
以上の構成は従来技術と同様である。
【0023】
本発明の実施形態においては、可変ノズル2のノズル翼角を変化させるノズル回転軸14を、その軸心つまり可変ノズルの回転中心14aが、可変ノズル2のノズル出口後縁4からの距離L1≦1/3L(Lはノズルコード長さ)になるように該可変ノズル2に取付けて、ノズル回転軸14及び可変ノズル2を回転させたとき、前記ノズル後縁距離ΔRの距離の変化量が最小となるように構成している。
【0024】
前記可変ノズル2に対する可変ノズルの回転中心14aの位置の設定、即ち
L1≦1/3Lの設定根拠は次の通りである。
【0025】
図5において、ノズルウェークによる励振力Pが急激に立ち上がる(大きくなる)点は前記ノズル後縁距離ΔRとノズル翼幅WNとの比、即ち無次元ノズル後縁距離ΔR/WN=0.11近傍の点である。そこで前記ノズルコード長さLの1/χの点にノズル回転軸14の軸心14aを取付けるものとすると、
ΔR/WN={ΔRO−(X・Sin40°−X・Sin20°)}/WN (6)
ここでX=L/χとする。
【0026】
また前記(2)式及び(3)式のように、
ΔRO=0.5WNO=0.171010L
WN=0.642788L
であるから、これらと前記ΔR/WN=0.11を(6)式に代入して整理すると、
0.11={0.171010L−(0.300768)L/χ}/0.642788L
χ=0.300768/0.100302=(約)3 (7)
【0027】
従って、(7)式より、前記回転中心14aをノズルコード長さLの1/χ、即ち1/3の点よりも小さい位置、つまり出口後縁4寄りに取付ければ前記励振力Pが小さくなる。
【0028】
ただし前記のように可変ノズル2の回転中心14aは、ノズルコード長さLの1/3よりもノズル出口後縁4寄りで、かつ該後縁4に近づける程前記励振力Pは小さくなるが、その分ノズル2に加わる曲げモーメントが大きくなるので、前記取付け位置L1は1/3L近傍とするのが好ましい。
【0029】
かかる構成からなる可変容量型排気ガスタービン過給機の運転時において、エンジン(図示省略)のシリンダから排出された排気ガスはガス入口ケーシング20のスクロール1を通ってその円周方向に旋回することにより半径方向の流速を与えられ可変ノズル2の入口前縁3を経て該ノズル2内に流入する。
【0030】
前記可変ノズル2内において、排気ガスはノズルスロート部5で流路を絞られて流速を増し、ノズル出口後縁4から流出し、ベーンレス部6及び動翼7の入口前縁8を経て動翼7に流入し、該動翼7内を通過する際に膨張仕事をなし動翼7を回転軸10廻りに回転せしめることにより動力を発生させ、動翼7の後縁11を経て排気ディフューザ12に流出する。
【0031】
前記過給機において、ガス流量を変化させて排気ガスタービンの駆動排気エネルギ(排気タービン駆動馬力)を変化させる際には、ノズル駆動部13を操作してノズル回転軸14を介して可変ノズル2を該ノズル回転軸14の回転中心14a廻りに設定されたノズル翼角αまで回転せしめ、ガスの最小通路であるノズルスロート部5の面積を変化させることにより、ガス流量を調整する。
【0032】
前記可変ノズル2はノズルの回転中心14a廻りに回転せしめられ、図2に示すように、そのノズル出口後縁4が最大ノズル翼角の位置4aから最小ノズル翼角の位置4bまで移動するが、前記のように上記軸心14aの位置をL1≦1/3Lに設定しているので、設計点において設定されたノズル翼角αに対応するノズル後縁距離ΔRO(ノズル出口後縁4の位置)に対して、該ノズル後縁距離ΔRの変化量が少なくなる。
【0033】
従って、ノズル翼角αが増加しても前記ΔRとノズル翼幅ΔR/WNの変化量が小さく抑えられ、ノズルウェークによる動翼7の励振力Pの増加を抑制することができる。
【0034】
【発明の効果】
以上の記載のごとく本発明によれば、可変ノズルの回転中心をノズル出口後縁からノズルコード長さの1/3近傍に設定したので、可変ノズルを設計点から回転させたときのノズル後縁距離の変化量が少なくなる。
【0035】
これにより、前記ノズル後縁距離(ΔR)とノズル翼幅(WN)との比ΔR/WNの変化量が小さく抑えられ、ノズルウェークによる動翼の励振力の増加を抑えることができ、ノズルウェーク共振の発生及びこれによる動翼の破損の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態に係る可変容量型排気タービン過給機の回転軸心に沿う断面図である。
【図2】 図1のA−A矢視図である。
【図3】 従来技術に係る可変容量型排気ガスタービン過給機の図1相当図である。
【図4】 図3のB−B矢視図である。
【図5】 可変ノズルにおけるノズルウェークによる励振力の変化を示す線図である。
【符号の説明】
1 スクロール
2 可変ノズル
4、4a、4b ノズル出口後縁
5 ノズルスロート部
6 ベーンレス部
7 動翼
10 回転軸
12 排気ディフューザ
13 ノズル駆動部
14 ノズル回転軸
14a ノズル回転軸中心
20 ガス入口ケーシング
21 ガス出口ケーシング
Claims (1)
- スクロール形状のガス入口ケーシングから回転駆動される動翼へガスを導くガス入口流路に、ノズル回転軸に取付けられた翼型可変ノズルを設け、該可変ノズルをノズル駆動手段により前記ノズル回転軸の軸心廻りに回転させてその翼角を変化させることにより、タービン容量を変化させるように構成された可変容量タービンにおいて、
ノズル後流のノズルウェークが増大する断面非対称の翼型可変ノズルの回転軸の回転中心を、該ノズルの出口後縁からノズルコード長さ(L)の1/3近傍に位置させるとともに、円周方向におけるノズル翼角αが最適となる20°近傍よりノズル後縁距離ΔRとノズル翼幅W N との比ΔR/W N が、ノズルウェークによる励振力Pが急激に立ち上がる点より大きくなる40°近傍の最大流量設定時まで回転させたときに、前記そのノズル出口後縁が最大ノズル翼角の位置から最小ノズル翼角の位置まで移動するように構成し、これによりノズル翼角αが増加しても前記ΔR/WNの変化量が小さく抑えられ、ノズルウェークによる動翼の励振力Pの増加を抑制することを特徴とする可変容量タービンの制振方法。
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JP02576397A JP3886584B2 (ja) | 1997-01-27 | 1997-01-27 | 可変容量タービンの制振方法 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP02576397A JP3886584B2 (ja) | 1997-01-27 | 1997-01-27 | 可変容量タービンの制振方法 |
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JP02576397A Expired - Fee Related JP3886584B2 (ja) | 1997-01-27 | 1997-01-27 | 可変容量タービンの制振方法 |
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