JP6463640B2 - 舶用排気タービン - Google Patents

Description

本発明は、船舶に搭載されて、エンジンからの排ガスで駆動される舶用排気タービンに関する。

従来から、自動車や船舶には、エンジンからの排ガスで駆動される排気タービンが搭載されている（例えば、特許文献１，２参照）。排気タービンとしては、タービンインペラへ排ガスを噴射するノズルの開度および向きを変更するための可変ノズル機構が装備されたものがある。

例えば、特許文献１には、自動車に搭載される車用排気タービンに関し、図８および図９に示すように、可変ノズル機構の具体的な構造が開示されている。この可変ノズル機構は、図略のレバーによって回転されるユニゾンリング１６０と、複数のノズル部材１３０と、ユニゾンリング１６０とノズル部材１３０とを接続する複数のアーム１４０を含む。

より詳しくは、タービンインペラ１７０の周囲には導入路１１０が形成されている。各ノズル部材１３０は、導入路１１０に配置されたノズルベーン１３１と、導入路１１０に沿うプレート１２０を貫通する軸部１３２を有する。一方、ユニゾンリング１６０には、タービンインペラ１７０の軸心１７１を中心とする径方向（以下、単に「径方向ｒ」という。）において各ノズル部材１３０の外側の位置にピン１５０が設けられている。各アーム１４０は、ノズル部材１３０の軸部１３２から径方向ｒにおいて外向きに延びており、アーム１４０の内側端部はノズル部材１３０の軸部１３２に回転不能に連結され、アーム１４０の二又状の外側端部はピン１５０と係合している。

このような構成のために、ユニゾンリング１６０が回転すると、各アーム１４０がノズル部材１３０の軸部１３２回りに揺動し、ノズル部材１３０のノズルベーン１３１の角度が変更される。これにより、隣り合うノズルベーン１３１の間に形成されたノズルの開度および向きが変更される。

特開２００２−３８９６７号公報 特開２０１４−１６３３５５号公報

ところで、船舶では、航海中は基本的にエンジンを停止することがないため、エンジンの稼働時間が自動車に比べて遥かに長い。従って、船舶に搭載される舶用排気タービンには、車用排気タービンよりも格段に高い耐久性が要求される。例えば、図８および図９に示すような可変ノズル機構では、アーム１４０がユニゾンリング１６０に設けられたピン１５０と摺動する。そのため、そのような構成の可変ノズル機構を舶用排気タービンで採用すると、アーム１４０およびピン１５０の摩耗という問題が生じる。なお、車用排気タービンでは、舶用排気タービンほど高い耐久性が求められないため、アーム１４０およびピン１５０の摩耗は特に問題とならない。

そこで、本発明は、耐久性に優れた舶用排気タービン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、本発明の舶用排気タービンは、船舶に搭載されて、エンジンからの排ガスで駆動される舶用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、前記リンクリングを回転させるためのインプットレバーと、を備える、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、ノズル部材の軸部に連結されたアームに自転するローラが取り付けられているので、リンクリングが回転されたときには、ローラがリンクリングの操作片上を転動しながらタービンインペラの軸心を中心とする径方向に移動する。ローラが径方向に移動すると、各アームがノズル部材の軸部回りに揺動し、ノズル部材のノズルベーンの角度が変更される。これにより、隣り合うノズルベーンの間に形成されたノズルの開度および向きが変更される。このように、本発明では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。

前記複数のローラのそれぞれは、超硬材からなってもよい。ノズル部材は、高温の排ガスと接触するために、ノズル部材自体およびノズル部材に連結されたアームが高温となって熱膨張する。一方、ローラは超鋼材で構成されているので、アームから熱が伝達されるローラの熱膨張が抑制される。その結果、リンクリングの操作片とローラとの間の隙間を小さく設定しても、径方向におけるローラの移動が阻害されることがない。それ故に、リンクリングの操作片とローラとの間の隙間を小さく設定することができ、これによりノズルの開度および向きを高精度に制御することができる。

上記の舶用排気タービンは、前記リンクリングと摺動可能に嵌合するガイドリングをさらに備え、前記ガイドリングは、炭素繊維強化炭素複合材からなってもよい。この構成によれば、炭素繊維強化炭素複合材は一般的に摩擦係数が小さいため、リンクリングの摺動抵抗を極めて小さくすることができる。

前記炭素繊維強化炭素複合材中の繊維は、前記タービンインペラの軸心と直交する平面と平行な方向に延びていてもよい。この構成によれば、径方向におけるガイドリングの熱膨張を小さく抑えることができ、リンクリングをスムーズに摺動させることができる。

例えば、上記の舶用排気タービンは、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、前記複数のアームおよび前記リンクリングが収容される環状のリンク室を形成するハウジングをさらに備え、前記ガイドリングは、前記リンクリングの内側に配置され、前記ハウジングに固定されていてもよい。

上記の舶用排気タービンは、前記導入路を挟んで前記プレートと対向するフランジ部を有するシュラウドをさらに備え、前記シュラウドのフランジ部には、前記複数のノズル部材が存する領域と対応するリング状の、超硬材からなる保護プレートが取り付けられていてもよい。シュラウドに保護プレートが取り付けられていない場合は、ノズルベーンが熱膨張すると、熱膨張したノズルベーンがシュラウドのフランジ部に押し付けられて、フランジ部に傷が付くことがある。この場合、ノズルベーンがその傷に引っかかり、ノズルベーンの作動不良が生じるおそれがある。これに対し、シュラウドのフランジ部に保護プレートが取り付けられていれば、熱膨張したノズルベーンはその保護プレートに押し付けられる。そして、保護プレートは超硬材で構成されているので、ノズルベーンが押し付けられてもほとんど傷が付かない。そのため、ノズルベーンの作動不良を防止することができる。しかも、シュラウド全体を超硬材で構成しないので、低コストで上記の効果を得ることができる。

本発明によれば、耐久性に優れた舶用排気タービンを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る舶用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に示す舶用排気タービンの断面図である。 可変ノズル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。 可変ノズル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。 本発明の第２実施形態に係る舶用排気タービンの断面図である。 従来の車用排気タービンの一部の断面図である。 図８に示す車用排気タービンの可変ノズル機構の背面図である。

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係る舶用排気タービン１Ａが搭載された船舶１０を示す。図１では、排気タービン１Ａ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、舶用排気タービン１Ａ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へ圧縮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。

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へ圧縮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は排気マニホールド２４と接続されている。

排気タービン１Ａは、減速機１６を介してクランク軸２１と連結されている。排気タービン１Ａ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１Ａ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１Ａ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。

ただし、本発明の舶用排気タービンは、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１Ａ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、排気タービン１Ａにおける後述する可変ノズル機構が過給機１１のタービン１３に装備されていて、過給機１１のタービン１３が本発明の舶用排気タービンとなっていてもよい。

排気タービン１Ａには、タービンインペラへ排ガスを噴射するノズルの開度および向きを変更するための可変ノズル機構が装備されている。以下、図２〜図６を参照して、排気タービン１Ａの構成を詳細に説明する。

＜全体構成＞
図２に示すように、排気タービン１Ａ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をブッシュ３９を介して回転自在に支持する第１ハウジング３４を含む。また、排気タービン１Ａ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４５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に沿っており、タービンインペラ３２の裏側にも広がっている。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１Ａにおける排ガスの排出口を構成する。

＜可変ノズル機構の構成＞
可変ノズル機構は、図３、図５および図６に示すように、複数のノズル部材５、複数のアーム６、リンクリング８、インプットリンク９１およびインプットレバー９３を含む。ノズル部材５は、タービンインペラ３２の周囲に、等角度間隔で配置されている。アームの数は、ノズル部材５の数と同じである。

上述した第１ハウジング３４は、プレート３５との間に環状のリンク室３６を形成している。このリンク室３６には、アーム６とリンクリング８が収容されている。

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。ただし、ブッシュ５３は省略可能である。

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９３が基準位置にある状態を示し、図４は、インプットレバー９３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９３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９３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。

図３、図５および図６に戻って、各アーム６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６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６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７が取り付けられている。

本実施形態では、各ローラ７が、円盤状のホイール部７１と、ホイール部７１の中心から軸方向Ｘに延びる軸部７２を有する。そして、軸部７２が、アーム６の内側端部に回転自在に支持されている。ただし、ローラ７が中心に貫通穴を有するリング状であり、ローラ７が当該ローラ７を回転自在に支持する軸部材（図示せず）を介してアーム６に取り付けられていてもよい。

また、本実施形態では、各ローラ７が超硬材からなる。ローラ７に適した超硬材の組成は、例えば、質量パーセントで表示して、ＷＣ（タングステンカーバイド）：７２〜７５％、Ｃｏ（コバルト）＋Ｎｉ（ニッケル）：２４〜２６％、その他の成分：０〜２％である。

リンクリング８は、周方向に連続する本体部８１と、本体部８１から突出する複数の操作片８２を有する。本実施形態では、本体部８１が軸方向Ｘに薄い板状をなしており、操作片８２が、本体部８１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８は、操作片８２が本体部８１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８２は、複数のローラ７の間に介在し、かつ、径方向Ｒにおけるローラ７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８２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８２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８の内側には、リンクリング８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８の本体部８１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８の本体部８１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。

本実施形態では、ガイドリング３７が、炭素繊維強化炭素複合材（Carbon Fiber Reinforced Carbon Composite、いわゆるＣ／Ｃコンポジット）からなる。炭素繊維強化炭素複合材中の繊維は、タービンインペラ３２の軸心３３と直交する平面と平行な方向に延びていることが望ましい。径方向におけるガイドリング３７の熱膨張を小さく抑えることができ、リンクリング８をスムーズに摺動させることができるからである。例えば、径方向Ｒにおけるガイドリング３７の熱膨張係数は、０．５×１０^-6［１／℃］以下である。

上述したインプットリンク９１は、リンクリング８に対してプレート３５と反対側に配置されている。インプットリンク９１は、軸方向Ｘに延びる軸部材９２を介してインプットレバー９３と回転不能に連結されている。インプットレバー９３は、リンクリング８を回転させるためのものである。なお、軸部材９２は、第１ハウジング３４に取り付けられた軸受部材９４によって回転自在に支持されている。

インプットリンク９１は、径方向Ｒにおいて軸部材９２からリンクリング８と重なり合う位置まで延びており、インプットリンク９１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９５が形成されている。換言すれば、インプットリンク９１は、開口９５を規定する一対の係合片９６を有する。

一方、リンクリング８には、インプットリンク９１の開口９５と係合するインプットローラ８４が軸部材８３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８における１つの操作片８２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８３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８４は、軸部材８３に、回転自在に支持されている。ただし、インプットローラ８４の代わりに、インプットリンク９１の開口９５と係合するピンがリンクリング８に取り付けられていてもよい。

このような構成により、インプットレバー９３を操作すれば、図４に示すように、インプットリンク９１が揺動し、インプットローラ８４が一方の係合片９６上を転動しながらリンクリング８が回転する。これに伴い、各アーム６に取り付けられたローラ７がリンクリング８の操作片８２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７が径方向に移動すると、各アーム６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１Ａではアーム６に取り付けられたローラ７がリンクリング８の操作片８２上を転動するので、アーム６およびリンクリング８の摩耗が抑制され、高い耐久性を得ることができる。

ところで、ノズル部材５は、高温の排ガスと接触するために、ノズル部材５自体およびノズル部材５に連結されたアーム６が高温となって熱膨張する。一方、本実施形態では、ローラ７が超鋼材で構成されているので、アーム６から熱が伝達されるローラ７の熱膨張が抑制される。その結果、リンクリング８の操作片８２とローラ７との間の隙間を小さく設定しても、径方向Ｒにおけるローラ７の移動が阻害されることがない。それ故に、リンクリング８の操作片８２とローラ７との間の隙間を小さく設定することができ、これによりノズル５０の開度および向きを高精度に制御することができる。

なお、ノズル５０の開度および向きを高精度に制御する必要がない場合には、ローラ７が超鋼材で構成されていなくてもよいことは言うまでもない。

（第２実施形態）
次に、図７を参照して、本発明の第２実施形態に係る舶用排気タービン１Ｂを説明する。なお、本実施形態において、第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付し、重複した説明は省略する。

本実施形態の舶用排気タービン１Ｂが第１実施形態の舶用排気タービン１Ａと異なる点は、シュラウド４１のフランジ部４３に保護プレート４７が取り付けられている点のみである。保護プレート４７は、ノズル部材５が存する領域と対応するリング状である。また、保護プレート４７は、超硬材からなる。保護プレート４７に適した超硬材の組成は、例えば、質量パーセントで表示して、ＷＣ：８９〜９２％、Ｃｏ＋Ｎｉ：８〜１０％、その他の成分：０〜１％である。

シュラウド４１に保護プレート４７が取り付けられていない場合は、ノズルベーン５１が熱膨張すると、熱膨張したノズルベーン５１がシュラウド４１のフランジ部４３に押し付けられて、フランジ部４３に傷が付くことがある。この場合、ノズルベーン５１がその傷に引っかかり、ノズルベーン５１の作動不良が生じるおそれがある。これに対し、シュラウド４１のフランジ部４３に保護プレート４７が取り付けられていれば、熱膨張したノズルベーン５１はその保護プレート４７に押し付けられる。そして、保護プレート４７は超硬材で構成されているので、ノズルベーン５１が押し付けられてもほとんど傷が付かない。そのため、ノズルベーン５１の作動不良を防止することができる。しかも、シュラウド４１全体を超硬材で構成しないので、低コストで上記の効果を得ることができる。

（その他の実施形態）
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、アーム６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、図８および図９に示す構成のように、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６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８の内側に配置されている必要はなく、リンクリング８の外側に配置されていてもよい。この場合、リンクリング８は、操作片８２が本体部８１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。

また、炭素繊維強化炭素複合材からなるガイドリング３７は、必ずしも設けられている必要はない。ただし、炭素繊維強化炭素複合材からなるガイドリング３７が設けられていれば、炭素繊維強化炭素複合材は一般的に摩擦係数が小さいため、リンクリング８の摺動抵抗を極めて小さくすることができる。

１ 舶用排気タービン
１０ 船舶
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
３７ ガイドリング
４１ シュラウド
４３ フランジ部
４４ 導入路
４７ 保護プレート
５ ノズル部材
５１ ノズルベーン
５２ 軸部
６ アーム
７ ローラ
８ リンクリング
８２ 操作片
９３ インプットレバー

Claims (6)

1. 船舶に搭載されて、エンジンからの排ガスで駆動される舶用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、
   前記リンクリングを回転させるためのインプットレバーと、
   を備える、舶用排気タービン。
2. 前記複数のローラのそれぞれは、超硬材からなる、請求項１に記載の舶用排気タービン。
3. 前記リンクリングと摺動可能に嵌合するガイドリングをさらに備え、
   前記ガイドリングは、炭素繊維強化炭素複合材からなる、請求項１または２に記載の舶用排気タービン。
4. 前記炭素繊維強化炭素複合材中の繊維は、前記タービンインペラの軸心と直交する平面と平行な方向に延びている、請求項３に記載の舶用排気タービン。
5. 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、前記複数のアームおよび前記リンクリングが収容される環状のリンク室を形成するハウジングをさらに備え、
   前記ガイドリングは、前記リンクリングの内側に配置され、前記ハウジングに固定されている、請求項３または４に記載の舶用排気タービン。
6. 前記導入路を挟んで前記プレートと対向するフランジ部を有するシュラウドをさらに備え、
   前記シュラウドのフランジ部には、前記複数のノズル部材が存する領域と対応するリング状の、超硬材からなる保護プレートが取り付けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の舶用排気タービン。
   

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