JP4875654B2

JP4875654B2 - 過給装置

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Publication number: JP4875654B2
Application number: JP2008103889A
Authority: JP
Inventors: 啓一白石
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2028-04-11
Also published as: CN101896706A; US20100281863A1; WO2009125836A1; JP2009257098A; EP2261483A1; CN101896706B; US8359859B2; EP2261483B1; KR101116455B1; KR20100089099A; EP2261483A4

Description

本発明は、排気を利用して給気を昇圧させる過給機を複数備えた過給装置に関し、特に、舶用ディーゼル機関や陸上発電機用ディーゼル機関等に搭載されて好適な過給装置に関するものである。

排気を利用して給気を昇圧させる過給機を複数備えた過給装置としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。
特開昭６０−１６６７１６号公報（第１図）

ところで近年、省エネルギー化の観点から複数台の過給機のうちの少なくとも１台に、排気ガスのエネルギーを電力として回収する発電機を備えた、いわゆるハイブリッド排気タービン過給機を採用したいとのニーズが高まってきている。
しかしながら、発電機を備えたハイブリッド排気タービン過給機と、発電機を備えていない排気タービン過給機とが混在する過給装置では、排気タービン過給機はディーゼル機関の負荷に応じて最適な回転数で運転され、ハイブリッド排気タービン過給機は発電機で動力が食われる（消費される）分、最適な回転数よりも低い回転数で運転されることとなる。そのため、排気タービン過給機を単にハイブリッド排気タービン過給機に置き換えただけでは、ハイブリッド排気タービン過給機のコンプレッサ部を通過する流量が減って、ハイブリッド排気タービン過給機にサージングが発生してしまうおそれがある。
また、このようなサージングが発生しないように、ハイブリッド排気タービン過給機の回転数を制御するには、複雑な演算を瞬時に処理することのできる高価な制御装置が必要となり、製造コストの高騰化を招いてしまうといった問題点もある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、複雑な演算を瞬時に処理する高価な制御装置を用いることなく、簡単な構成でハイブリッド排気タービン過給機の回転数を制御することができて、製造コストを抑制することができ、ハイブリッド排気タービン過給機のサージングを防止することができる過給装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係る過給装置は、エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部と、このタービン部により駆動されて前記エンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部とを有し、前記エンジン本体の運転中、常に運転状態とされる少なくとも１台の排気タービン過給機と、前記エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部と、このタービン部により駆動されて前記エンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部と、前記タービン部および前記コンプレッサ部の回転軸と連結される回転軸を有する発電機とを有し、前記エンジン本体の運転中、前記排気タービン過給機と並列運転状態とされる少なくとも１台のハイブリッド排気タービン過給機と、前記排気タービン過給機に取り付けられて前記排気タービン過給機の回転数を検出する回転センサからの信号を受けて、その信号に応じて前記ハイブリッド排気タービン過給機の前記発電機に指令信号を発し、前記ハイブリッド排気タービン過給機の回転数と前記排気タービン過給機の回転数とが一致するように、前記発電機の発電量を制御する制御器とを備えている。

本発明に係る過給装置によれば、複雑な演算を瞬時に行う高価な制御装置を用いることなく、簡単な構成でハイブリッド排気タービン過給機の回転数を排気タービン過給機の回転数に一致させることができるので、製造コストを抑制することができて、ハイブリッド排気タービン過給機のサージングを防止することができる。

また、本発明に係る過給装置を具備したディーゼル機関によれば、過給装置を構成するハイブリッド排気タービン過給機のサージングが防止されることとなるので、ディーゼル機関を構成する給気マニホールドおよびシリンダ内に、常に最適な圧力の過給空気（外気）が供給（蓄積）されることとなるので、エンジン出力を安定的に向上させることができて、機関全体の信頼性を向上させることができる。

本発明に係る過給装置の運転方法は、エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部と、このタービン部により駆動されて前記エンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部とを有し、前記エンジン本体の運転中、常に運転状態とされる少なくとも１台の排気タービン過給機と、前記エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部と、このタービン部により駆動されて前記エンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部と、前記タービン部および前記コンプレッサ部の回転軸と連結される回転軸を有する発電機とを有し、前記エンジン本体の運転中、前記排気タービン過給機と並列運転状態とされる少なくとも１台のハイブリッド排気タービン過給機と、前記排気タービン過給機に取り付けられて前記排気タービン過給機の回転数を検出する回転センサからの信号を受けて、その信号に応じて前記ハイブリッド排気タービン過給機の前記発電機に指令信号を発する制御器とを備えた過給装置の運転方法であって、前記エンジン本体の運転中、前記ハイブリッド排気タービン過給機の回転数と前記排気タービン過給機の回転数とが一致するように、前記発電機の発電量を前記制御器により制御するようにした。

本発明に係る過給装置の運転方法によれば、複雑な演算を瞬時に行う高価な制御装置を用いることなく、簡単な構成でハイブリッド排気タービン過給機の回転数を排気タービン過給機の回転数に一致させることができるので、製造コストを抑制することができて、ハイブリッド排気タービン過給機のサージングを防止することができる。

本発明に係る過給装置によれば、複雑な演算を瞬時に処理する高価な制御装置を用いることなく、簡単な構成でハイブリッド排気タービン過給機の回転数を制御することができて、製造コストを抑制することができ、ハイブリッド排気タービン過給機のサージングを防止することができるという効果を奏する。

以下、本発明に係る過給装置の一実施形態について、図１から図３を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係る過給装置を具備した舶用ディーゼル機関の概略構成図、図２は図１に示すハイブリッド排気タービン過給機の縦断面図、図３は図２に示すハイブリッド排気タービン過給機を消音器の側から見た一部切開斜視図である。

図１に示すように、舶用ディーゼル機関１は、ディーゼルエンジン本体（例えば、低速２サイクルディーゼル機関）２と、過給装置３とを備えている。
ディーゼルエンジン本体（以下「エンジン本体」という。）２を構成するクランク軸（図示せず）には、プロペラ軸（図示せず）を介してスクリュープロペラ（図示せず）が直接的または間接的に取り付けられている。また、エンジン本体２には、シリンダライナ（図示せず）、シリンダカバー（図示せず）等からなるシリンダ部４が設けられており、各シリンダ部４内には、クランク軸と連結されたピストン（図示せず）が配置されている。さらに、各シリンダ部４の排気ポート（図示せず）は、排気マニホールド５と接続されており、排気マニホールド５は、第１の排気管Ｌ１を介して、過給装置３を構成する排気タービン過給機６のタービン部６ａの入口側と接続され、第２の排気管Ｌ２を介して、過給装置３を構成するハイブリッド排気タービン過給機７のタービン部７ａの入口側と接続されている。一方、各シリンダ部４の給気ポート（図示せず）は、給気マニホールド８と接続されており、給気マニホールド８は、第１の給気管Ｌ３を介して排気タービン過給機６のコンプレッサ部６ｂと接続され、第２の給気管Ｌ４を介してハイブリッド排気タービン過給機７のコンプレッサ部７ｂと接続されている。

そして、タービン部６ａ，７ａを通過した排気ガスはそれぞれ、タービン部６ａ，７ａの出口側に接続された排気管Ｌ５，Ｌ６を介してファンネル（図示せず）に導かれた後、船外に排出されるようになっている。
また、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの入口側に接続された給気管Ｌ７，Ｌ８にはそれぞれ、消音器（図示せず）が配置されており、この消音器を通過した外気が、コンプレッサ部６ｂ，７ｂにそれぞれ導かれるようになっている。一方、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの出口側に接続された給気管Ｌ３，Ｌ４の途中には、空気冷却器（インタークーラ）９，１０や図示しないサージタンク等が接続されており、コンプレッサ部６ｂ，７ｂを通過した外気は、これら空気冷却器９，１０やサージタンク等を通過した後、エンジン本体２の給気マニホールド８に供給されるようになっている。

さて、本実施形態に係る過給装置３は、少なくとも１台（本実施形態では１台）の排気タービン過給機６と、少なくとも１台（本実施形態では１台）のハイブリッド排気タービン過給機７と、制御器Ｃとを備えている。
排気タービン過給機６は、第１の排気管Ｌ１を介してエンジン本体２から導かれた排気ガス（燃焼ガス）によって駆動されるタービン部６ａと、このタービン部６ａにより駆動されてエンジン本体２に外気を圧送するコンプレッサ部６ｂと、これらタービン部６ａとコンプレッサ部６ｂとの間に設けられてこれらを支持するケーシング（図示せず）とを主たる要素として構成されたものである。
また、ケーシングには、一端部をタービン部６ａ側に突出させ、他端部をコンプレッサ部６ｂに突出させた回転軸６ｃが挿通されている。回転軸６ｃの一端部は、タービン部６ａを構成するタービン・ロータ（図示せず）のタービン・ディスク（図示せず）に取り付けられており、回転軸６ｃの他端部は、コンプレッサ部６ｂを構成するコンプレッサ羽根車（図示せず）のハブ（図示せず）に取り付けられている。

図２または図３に示すように、ハイブリッド排気タービン過給機７は、第２の排気管Ｌ２（図１参照）を介してエンジン本体２から導かれた排気ガス（燃焼ガス）１１によって駆動されるタービン部７ａと、このタービン部７ａにより駆動されて前記エンジン本体２に外気１３を圧送するコンプレッサ部７ｂと、これらタービン部７ａとコンプレッサ部７ｂとの間に設けられてこれらを支持するケーシング１５とを主たる要素として構成されたものである。

ケーシング１５には、一端をタービン部７ａ側に突出させ、他端をコンプレッサ部７ｂに突出させた回転軸１６が挿通されている。この回転軸１６は、ケーシング１５に設けられた軸受１７によって、軸線回りに回転可能に支持されている。また、ケーシング１５には、潤滑油溜め（図示せず）から軸受１７まで潤滑油を供給する潤滑油供給路１８が設けられている。
一方、ケーシング１５の下端部は、回転軸１６の軸線方向においてケーシング１５を一点で支持する（回転軸１６の軸線方向と直交する方向においては、二点以上で支持する場合もある）脚部１５ａとなっており、この脚部１５ａは、床面に設置された基台（図示せず）に固定されるようになっている。すなわち、ハイブリッド排気タービン過給機７の重量は、この脚部１５ａを介して基台に伝達されるようになっている。
なお、図中の符号Ｐはパンチング・プレートである。このパンチング・プレートＰは、その一端部がタービン部７ａの下端部に固定されているとともに、その他端部がケーシング１５の脚部１５ａと同様、基台に固定されている。そして、このパンチング・プレートＰは、脚部１５ａのようにハイブリッド排気タービン過給機７の重量を支持することを主たる目的とするものではなく、ハイブリッド排気タービン過給機７が基台に対して動揺（振動）しないようにすることを主たる目的とするものである。

タービン部７ａは、第２の排気管Ｌ２の出口端に接続されて排気ガス１１が供給される排気ガス通路２０と、この排気ガス通路２０内に供給された排気ガス１１の流れを受けて回転駆動されるタービン２１とを有している。
タービン２１は、タービン・ロータ２２と、タービン・ノズル２３とを備えている。タービン・ロータ２２は、回転軸１６の一端部に設けられた、円盤状のタービン・ディスク２２ａと、このタービン・ディスク２２ａの外周上に取り付けられた、翼型断面を有する複数枚のタービン・ブレード２２ｂとを備えている。
また、タービン・ノズル２３は、複数枚のノズル・ガイド・ベーン２３ａを環状に配置して構成されたものであり、タービン・ブレード２２ｂの上流側に配置されている。

排気ガス通路２０は、第２の排気管Ｌ２の出口端に接続されてノズル・ガイド・ベーン２３ａおよびタービン・ブレード２２ｂに排気ガス１１を導く供給路２０ａと、タービン２１の半径方向外側に向かって設けられて、タービン２１を通過した排気ガス１１を排気管Ｌ６（図１参照）を介してファンネル（図示せず）に導く送出路２０ｂとを有している。

コンプレッサ部７ｂは、回転駆動されることで外気１３を径方向外側に送出するコンプレッサ羽根車２４と、このコンプレッサ羽根車２４の周囲を囲んでコンプレッサ羽根車２４が送出した外気１３を圧縮する渦巻き室２５とを有している。
コンプレッサ羽根車２４は、回転軸１６の他端部に取り付けられた、略円盤状のハブ２４ａと、このハブ２４ａの外表面から半径方向外側に向かって延びるとともに、周方向に沿って環状に設けられた複数枚の羽根２４ｂとを備えている。
コンプレッサ部７ｂの上流側には、エンジン本体２の給気系統に接続された消音器（サイレンサ）２６が隣接配置されており、この消音器２６を通過した外気１３は、流入路２７を介してコンプレッサ羽根車２４の羽根２４ｂに導かれるようになっている。また、コンプレッサ部７ｂの下流側に配置された第２の給気管Ｌ４には、空気冷却器（インタークーラ）１０や図示しないサージタンク等が接続されており、渦巻き室２５を通過した外気１３は、これら空気冷却器１０やサージタンク等を通過した後、給気マニホールド８に供給されるようになっている。

消音器２６の中央部には、その内部に、ハブ２４ａの端面に向かって先細となるように形成された凹所２８ａを有するシェルハウジング２８が設けられているとともに、凹所２８ａ内には、（高速誘導）発電機２９が収容されている。シェルハウジング２８は、流入路２７内に設けられた複数枚（例えば、４枚）のサポート３０を介してコンプレッサ部７ｂ（流入路２７を形成する半径方向外側の壁面）に固定されている。そして、シェルハウジング２８の外側表面は、流入路２７を形成する半径方向内側の壁面を構成している。

発電機２９の回転軸２９ａは、回転軸１６と同一回転軸線上に位置するように配置されているとともに、ハブ２４ａを貫通して消音器２６の側に突出する回転軸１６の一端部先端と、カップリング３１を介して連結されている。すなわち、発電機２９の回転軸２９ａは、回転軸１６とともに回転するようになっている。
また、発電機２９は、船内（本実施形態では機関室内）に別途設置された配電盤等と電気的に接続されており、発電機２９が発電機として発生した電力を船内電源として使用（利用）することができるようになっている。

制御器Ｃは、排気タービン過給機６に取り付けられて排気タービン過給機６の回転数を検出する回転センサ（図示せず）からの信号を受けて、その信号に応じてハイブリッド排気タービン過給機７の発電機２９に指令信号を送り（発し）、ハイブリッド排気タービン過給機７の回転数と排気タービン過給機６の回転数とが同じになる（一致する）ように、発電機２９の発電量を制御するものである。

本実施形態では、例えば、エンジン本体２の負荷状態があまり（ほとんど）変化しない通常航海（例えば、大洋航海）時に、発電機２９で発生させたい発電量分だけハイブリッド排気タービン過給機７の出力が大きくなるように設定されている。ハイブリッド排気タービン過給機７の出力を大きくする方法としては、例えば、タービン部７ａに流入する（を通過する）排気ガス１１の流量をタービン部６ａに流入する排気ガス１１の流量よりも多く（例えば、タービン部６ａに流入する排気ガス１１の１．２５倍に）したり、コンプレッサ部７ｂに流入する（を通過する）外気１３の流量をコンプレッサ部６ｂに流入する外気１３の流量よりも少なくしたり（例えば、コンプレッサ部６ｂに流入する外気１３の０．８倍にしたり）することを具体例として挙げることができる。

本実施形態に係る過給装置３によれば、複雑な演算を瞬時に行う高価な制御装置を用いることなく、簡単な構成でハイブリッド排気タービン過給機７の回転数を排気タービン過給機６の回転数に一致させることができるので、製造コストを抑制することができて、ハイブリッド排気タービン過給機７のサージングを防止することができる。

なお、上述した実施形態では、排気タービン過給機６およびハイブリッド排気タービン過給機７をそれぞれ一台ずつ具備した舶用ディーゼル機関について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、排気タービン過給機６を２台以上および／またはハイブリッド排気タービン過給機７を２台以上具備した舶用ディーゼル機関にも適用することができる。

本発明の一実施形態に係る過給装置を具備した舶用ディーゼル機関の概略構成図である。図１に示すハイブリッド排気タービン過給機の縦断面図である。図２に示すハイブリッド排気タービン過給機を消音器の側から見た一部切開斜視図である。

符号の説明

１舶用ディーゼル機関
２エンジン本体
３過給装置
６排気タービン過給機
６ａタービン部
６ｂコンプレッサ部
７ハイブリッド排気タービン過給機
７ａタービン部
７ｂコンプレッサ部
１１排気ガス
１３外気
１６回転軸
２９発電機
２９ａ回転軸
Ｃ制御器

Claims

エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部と、このタービン部により駆動されて前記エンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部とを有し、前記エンジン本体の運転中、常に運転状態とされる少なくとも１台の排気タービン過給機と、
前記エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部と、このタービン部により駆動されて前記エンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部と、前記タービン部および前記コンプレッサ部の回転軸と連結される回転軸を有する発電機とを有し、前記エンジン本体の運転中、前記排気タービン過給機と並列運転状態とされる少なくとも１台のハイブリッド排気タービン過給機と、
前記排気タービン過給機に取り付けられて前記排気タービン過給機の回転数を検出する回転センサからの信号を受けて、その信号に応じて前記ハイブリッド排気タービン過給機の前記発電機に指令信号を発し、前記ハイブリッド排気タービン過給機の回転数と前記排気タービン過給機の回転数とが一致するように、前記発電機の発電量を制御する制御器とを備えていることを特徴とする過給装置。
請求項１に記載の過給装置を備えてなることを特徴とするディーゼル機関。
エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部と、このタービン部により駆動されて前記エンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部とを有し、前記エンジン本体の運転中、常に運転状態とされる少なくとも１台の排気タービン過給機と、
前記エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部と、このタービン部により駆動されて前記エンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部と、前記タービン部および前記コンプレッサ部の回転軸と連結される回転軸を有する発電機とを有し、前記エンジン本体の運転中、前記排気タービン過給機と並列運転状態とされる少なくとも１台のハイブリッド排気タービン過給機と、
前記排気タービン過給機に取り付けられて前記排気タービン過給機の回転数を検出する回転センサからの信号を受けて、その信号に応じて前記ハイブリッド排気タービン過給機の前記発電機に指令信号を発する制御器とを備えた過給装置の運転方法であって、
前記エンジン本体の運転中、前記ハイブリッド排気タービン過給機の回転数と前記排気タービン過給機の回転数とが一致するように、前記発電機の発電量を前記制御器により制御するようにしたことを特徴とする過給装置の運転方法。