JP5134505B2 - 排気タービン過給機のノズル取付構造 - Google Patents

Description

本発明は、例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、特にガス入口ケーシングから供給される排気ガスを増速させるとともにロータ軸を駆動させるタービン動翼へ前記排気ガスを導くノズルを有する排気タービン過給機のノズル取付構造に関する。

従来、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。この過給機は、タービンと圧縮機とを同軸に取り付けた構成とされ、タービン側に導入した内燃機関の排気ガスをエネルギー源として圧縮機を駆動することにより、内燃機関に供給する空気を高密度に圧縮する機能を有している。
このうち、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、ラジアルタービンを用いてコンパクト化した自動車用の過給機とは異なり、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、翼形状等の製造が困難な大型ラジアルタービンと比較した場合、軸流タービンを容易かつ安価に製造できるためである。

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、図４に示すように構成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。
この排気タービン過給機（以下、「過給機」と省略する）１は、排気ガスを導入するガス入口ケーシング２３が内側ケーシングと外側ケーシングとに分割されている。内側ケーシング及び外側ケーシングは、互いを一体化することにより外周側から軸中心方向へ徐々に断面積が減少する渦巻状の空間を形成し、この空間が排気ガスをタービンノズル１０に導く排気ガス流路２５となる。なお、図中の符号２１はタービン動翼、２７はロータディスク、２９はロータ軸、３１はガス出口ケーシング、２０はガス出口案内筒である。

上述した過給機１において、ガス入口ケーシング２３のガス吸入口２３ａから導入された排気ガスは、渦巻状の排気ガス流路２５を約半周してガス出口２３ｂに至り、さらに、タービンノズル１０からタービン動翼２１に向けて噴出される。この結果、高温の排気ガスが膨張することでタービン動翼２１と一体のロータディスク２７及びロータ軸２９が回転し、この軸出力により同軸の圧縮機（図示省略）を駆動して空気を圧縮することができる。
なお、軸流タービン内の膨張により仕事をした排気ガスは、タービンノズル１０に密着させて取り付けられているガス案内筒２０からガス出口ケーシング３１内に流出した後、ガス出口３１ａから外部へ排出される。

このような従来の過給機におけるタービンノズルを図５、図６を用いて説明する。図５は図４の要部拡大断面図であり、タービンノズル１０のノズルベーン６は外環２と内環４に挟み込まれ溶接接合されている。また、内環４の内周側にはフランジ８が溶接にて接合されており、このフランジ８はガス入口ケーシング２３にボルト２８で締結されている。

また、図６はタービンノズル１０の全体正面図であり、図５と同一符号についてはその説明を省略する。図６に示すように、外環２と内環４に挟持されるノズルベーン６は間隔を設けて複数形成されている。この複数のノズルベーン６の角度を種々変化させることにより、ノズルの向きとスロートが変化する。

このような排気タービン過給機のノズル取付構造では、ノズル内環とフランジが一体化して設けられているので、負荷運転時においてノズルの高温部と外環及び内環の低温部との温度差が生じ、ノズルの外環及び内環の接合部では周方向及び半径方向の熱伸びの差による熱歪が集中し、降伏点を超える熱応力が発生する。そのため、エンジンの起動発停または負荷変化が多い運用をされる発電用あるいは船舶（フェリー、漁船等）に搭載される過給機ノズルにおいては、頻繁な熱応力の繰り返しによって熱疲労亀裂に繋がる可能性がある。

そこで、頻繁な熱応力の繰り返しに耐えうるタービンノズルとして、特許文献１（特開平３−３３４０３号公報）が開示されている。特許文献１のタービンノズルは、曲面板状の翼部と、この翼部の上下端から翼部に対して垂直に突出した内周壁部と外周壁部とによって構成されている。ノズル翼はセラミック等の耐熱材料によって一体に形成され、翼部は作動ガスの推力を受け、内周壁部と外周壁部は作動ガスの流路の内側と外側の壁面を構成する。また、ノズル翼は複数配置されており、各ノズル翼の内周壁部と外周壁部は、ばねを介して内筒と外筒に取り付けられた押さえ棒によって押圧支持されている。
上記したノズル翼は押さえ棒によって弾力的に支持されているので、高温化してタービンノズルの半径方向に熱膨脹した場合でも、押さえ棒のばねの作用によって、熱変形を吸収することができ、熱応力によって破損することがない。

特公昭５９−６９１号公報 特開平３−３３４０３号公報

しかしながら、前記特許文献１においては、作動ガスからの周方向の力をノズル翼の凹部の一点で支える構造であるために、凹部における応力の集中は避けにくいという問題点がある。また、押さえ棒や凸部など機器点数や加工工数が増えるので、複雑でありコストと手間がかかる。
従って、本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、構造的に簡単で且つ熱応力を低減させる排気タービン過給機のノズル取付構造を提供することを課題とする。

本発明は、かかる目的を達成するため、ガス入口ケーシングから供給される排気ガスを増速させるとともにロータ軸を駆動させるタービン動翼へ前記排気ガスを導くノズルであって、該ノズルがノズル外環と、ノズル内環と、その間に挟装されるノズルベーンと、該ノズル内環に形成され半径方向内側へ延在するフランジとで構成されて前記ガス入口ケーシングと締結して取付けられる排気タービン過給機のノズル取付構造において、
前記ノズルをロータディスク側から支持するノズル支持体を備え、該ノズル支持体はその縁部に段付き形状を有し、前記フランジとノズル支持体縁部を段付きにして構成されるとともに、前記フランジとノズル支持体のその段付き部の間に半径方向側に間隙を設けて構成するとともに、
前記ノズル支持体は、前記ノズル内環よりも小径の円環形状であり、前記ガス入口ケーシングに締結されており、
前記フランジは、前記ノズル支持体の前記円環形状における異なる周方向位置に互いに離して複数設けられ、前記ノズル支持体に固定されていることを特徴とする。

本発明によれば、ノズルをロータディスク側から支持するノズル支持体を備え、該ノズル支持体はその縁部に段付き形状を有し、前記フランジとノズル支持体縁部を段付きにして構成されるとともに、前記フランジとノズル支持体のその段付き部の間に半径方向側に断熱空間を設けることにより、前記フランジからの熱が該断熱空間に逃げ、ノズル内環とフランジの温度差が小さくなる、よって、ノズル支持体とフランジとを段付きにするという簡単な構成で内環側溶接部の熱応力を低減させることができ、疲労強度が向上して疲労亀裂の未然防止に繋がる。

また、前記フランジは、前記ノズル内環に形成され半径方向内側へ延在する複数の突部であることを特徴とする。
このように、ノズル内環に形成されるフランジは、ノズル支持体と段付きにして締結することができれば、フランジの長さを短くしたり、肉厚を薄くしたりしても良く、これにより一層ノズル内環部の熱応力を減少させることができる。

また、前記ノズル支持体は、前記フランジと段付きにして構成可能であり、前記ノズル内環よりも小径の仮想円周上に存在する円環形状であることを特徴とする。
このように、前記フランジと段付きにして構成可能でノズル支持体は、前記ノズル内環よりも小径の仮想円周上に存在する円環形状とすることにより、効果的な断熱空間をフランジとともに形成することができ、熱応力を低減させることができる。

以上記載のごとく本発明によれば、ノズルをロータディスク側から支持するノズル支持体を備え、該ノズル支持体はその縁部に段付き形状を有し、前記フランジとノズル支持体縁部を段付きにして構成されるとともに、前記フランジとノズル支持体のその段付き部の間に半径方向側に断熱空間を設けることにより、前記フランジからの熱が該断熱空間に逃げ、ノズル内環とフランジの温度差が小さくなる、よって、ノズル支持体とフランジとを段付きにするという簡単な構成で内環側溶接部の熱応力を低減させることができ、疲労強度が向上して疲労亀裂の未然防止に繋がる。
また、ノズル内環に形成されるフランジは、ノズル支持体と段付きにして締結することができれば、フランジの長さを短くしたり、肉厚を薄くしたりしても良く、これにより一層ノズル内環部の熱応力を減少させることができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施の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。
図１は本発明の実施形態に係るノズル取付構造の断面図、図２は実施形態に係るタービンノズルの全体正面図（取付前）、図３は実施形態に係るタービンノズルの全体正面図（取付後）である。

（実施形態）
図１に示すタービンノズル１０は、図４のような排気タービン過給機に備えられるものであって、タービンノズル１０のノズルベーン６は外環２と内環４に挟み込まれ溶接接合されている。
また、内環４の内周側にはフランジ８ａが溶接にて接合されている。このフランジ８ａは図２に示すように、内環４に形成され、半径方向内側へ延在して形成されている。本実施形態では、図２に示すように、フランジ８ａは従来の円環形状（図６参照）から長さを短くして且つ肉厚を薄くして形成した。これにより、内環４とフランジ８ａの温度差が小さくなる。なお、フランジ８ａは後述するノズルサポート（ノズル支持体）と段付きに締結することができれば形状や数は限定されない。

さらに、タービンノズル１０は、ロータディスク（図４参照）側から支持するノズルサポート１４を備えている。ノズルサポート１４は、図３に示すように、タービンノズル１０の内環４よりも小径の仮想円周上に存在する円環形状である。
また、図１に示すように、ノズルサポート１４は縁部に段付き形状を有しており、フランジ８ａと間隙を設けて段付きに構成され、ボルト１２によって締結される。図２のフランジ８ａに形成されるボルト穴１２ａは、ボルト１２のために形成されるものである。

なお、前記ボルト１２は、上述したようにノズルサポート１４とフランジ８ａとを締結して位置決めするものであって、ガス入口ケーシング２３と締結されるものではない。ノズルサポート１４は、ガス入口ケーシング２３とはボルト１６によって締結され固定される。

このように、フランジ８ａを有するタービンノズル１０と、ノズルサポート１４と、ガス入口ケーシング２３とで構成されるノズル構造は、断熱空間１８を有している。この断熱空間により、前記フランジ８ａからの熱が該断熱空間に逃げ、内環４とフランジ８ａの温度差が小さくなる、よって、ノズルサポート１４とフランジ８ａと段付きにして締結させるという簡単な構成で内環４側の溶接部の熱応力を低減させることができ、疲労強度が向上して疲労亀裂の未然防止に繋がる。

本発明によれば、構造的に簡単で且つ熱応力を低減させることができるので、エンジンの起動発停または負荷変化が多い運用をされる発電用あるいは船舶に搭載される排気タービン過給機のノズル取付構造への適用に際して有益である。

本発明の実施形態に係るノズル取付構造の断面図である。 実施形態に係るタービンノズルの全体正面図（取付前）である。 実施形態に係るタービンノズルの全体正面図（取付後）である。 従来の排気タービン過給機のタービン側を示す断面図である。 図４の要部拡大断面図である。 従来のタービンノズルの全体正面図である。

符号の説明

１ 排気タービン過給機
２ 外環
４ 内環
６ ノズルベーン
８、８ａ フランジ
１０ タービンノズル（ノズル）
１２ ボルト
１２ ボルト穴
１４ ノズルサポート（ノズル支持体）
１６ ボルト
１８ 断熱空間
２３ ガス入口ケーシング

Claims (3)

1. ガス入口ケーシングから供給される排気ガスを増速させるとともにロータ軸を駆動させるタービン動翼へ前記排気ガスを導くノズルであって、該ノズルがノズル外環と、ノズル内環と、その間に挟装されるノズルベーンと、該ノズル内環に形成され半径方向内側へ延在するフランジとで構成されて前記ガス入口ケーシングと締結して取付けられる排気タービン過給機のノズル取付構造において、
   前記ノズルをロータディスク側から支持するノズル支持体を備え、該ノズル支持体はその縁部に段付き形状を有し、前記フランジとノズル支持体縁部を段付きにして構成されるとともに、前記フランジとノズル支持体のその段付き部の間に半径方向側に間隙を設けて構成するとともに、
   前記ノズル支持体は、前記ノズル内環よりも小径の円環形状であり、前記ガス入口ケーシングに締結されており、
   前記フランジは、前記ノズル支持体の前記円環形状における異なる周方向位置に互いに離して複数設けられ、前記ノズル支持体に固定されていることを特徴とする排気タービン過給機のノズル取付構造。
2. 前記フランジは、前記ノズル内環に形成され半径方向内側へ延在する複数の突部であることを特徴とする請求項１記載の排気タービン過給機のノズル取付構造。
3. 前記フランジは、前記ガス入口ケーシングに対する締結力を有しないボルトによって、前記ノズル支持体に対して位置決めされることを特徴とする請求項１又は２記載の排気タービン過給機のノズル取付構造。

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