JPWO2016030997A1 - 開閉弁装置、及び回転機械 - Google Patents
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Abstract
Description
回転機械としては、ターボチャージャ、エキスパンダ、及びガスタービン等が知られており、これらにはラジアルタービンや斜流タービン等が設けられている。
特にターボチャージャや小型のガスタービンでは、開閉弁は1000℃レベルの高温ガスに晒された状態となるため、開閉弁の駆動機構における熱応力、熱変形、摩耗等の発生を回避する必要がある。このため、駆動機構を保護するような機構を設けたり、開閉弁とハウジングとのクリアランスを確保したりする必要がある。そしてこのような保護機構や、クリアランスからの漏れ流れによっても運転効率が低下してしまう可能性がある。
そして、上流側絞り流路では、弁本体の第一面の形状に応じて、徐々に流路幅が小さくなり、その後、徐々に流路幅が大きくなる。このため、上流側絞り流路を通過する流体は、第一面から剥離することを抑制されながら、ディフューザ効果によって圧力回復される。
さらに、下流側絞り流路を流体が通過すると流体は加速されるため、下流側絞り流路周辺の静圧が低下する。このため、第一壁面と弁本体との間の流路を流通する流体は、下流側絞り流路によって形成された静圧低下領域に向かって加速される。従って、第一面からの流体の剥離を抑制することができる。即ち、弁本体の下流側で流体の速度分布が均一化の方向に向かい、圧力損失を抑えることが可能となり全圧低下を抑制することができる。
さらに、第二壁面側に第二面としての凸面が設けられていることで、上流側で第二壁面との間の流路幅の減少率が急激に大きくなった後に、次第に流路幅の減少率が小さくなる。即ち、下流側絞り流路に向かって第二面に沿って流通する流体は加速され、下流側絞り流路周辺の静圧が低下する。このため、第一壁面と弁本体との間の流路を流通する流体は、下流側絞り流路によって形成された静圧低下領域に向かって加速され、第一面からの流体の剥離を抑制することができる。
よって、圧力損失を抑えることが可能となり全圧低下を抑制することができる。
また、回動部と弁本体との取り付け部分の加工精度を向上することが容易となり、取り付け部分の剛性を向上でき、取り付け部分の耐久性を向上でき、開閉弁装置の信頼性の向上につながる。
また、各々の弁本体の回動角を選択することで、列をなす複数の弁本体全体として、第二壁面へ向かって凸状をなす形状としたり、第一壁面に向かって凸状をなす形状としたり、任意の形状の弁本体を選択することができる。よって、流体の流れ場の状況に応じて、各々の弁本体を回動させることで、剥離等の抑制を効果的に行うことができる。
以下、本発明の第一実施形態に係るターボチャージャ1について、図面を参照して説明する。
図1に示すように、ターボチャージャ1(回転機械)は、軸線O1を中心として回転する回転軸5と、回転軸5とともに回転するタービン2及び圧縮機3と、回転軸5を覆うハウジング4と、ハウジング4に設けられて回転軸5を支持する軸受装置7とを備えている。
スクロール流路Cは、タービンハウジング4aに設けられて軸線O1の径方向外側に向かって延びて開口する入口部14(流入口)と、入口部14に連続してタービンハウジング4aに設けられ、周方向に渦巻き状にタービン動翼6に向かって延びるスクロール部15との内部に形成されている。
以下、分割壁面18を挟んでスクロール流路Cにおけるタービン動翼6側の部分を第一流路C1とし、圧縮機3側の部分を第二流路C2とする。
具体的には、図3Aに示すように、全開時は、弁本体10の前縁部10aが壁面17から離間し、第一面21が壁面17に沿うように配置される。また後縁部10bが分割壁面18から離間し、第二面22が分割壁面18に沿うように配置される。
本実施形態では、第一面21が壁面17に略平行になった状態が全開時となり、第一流路C1を通じてタービン動翼6に流入する排気ガスGの流量が最大となる。
ここで、実際には全閉時は、弁本体10が完全に壁面17及び分割壁面18に接触する状態のみを示すのではなく、弁本体10と壁面17及び分割壁面18との間に微小な隙間が形成されている場合も含んでいる。
次に、図4を参照して、本発明の第二実施形態に係るターボチャージャ31について説明する。
なお、第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、開閉弁装置30の弁本体32が第一実施形態とは異なっている。
即ち、弁本体32の前縁部32aと後縁部32bとを結ぶ直線に対して、上流側開口36は下流側開口37に比べて前縁部32aに近接して第二面34に開口し、下流側開口37は後縁部32bに近接して第一面33に開口している。
次に、図5を参照して、本発明の第三実施形態に係るターボチャージャ41について説明する。
なお、第一実施形態及び第二実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、開閉弁装置40の弁本体42が第一実施形態及び第二実施形態とは異なっている。
次に、図6を参照して、本発明の第四実施形態に係るターボチャージャ51について説明する。
なお、第一実施形態から第三実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、開閉弁装置50の弁本体52が第一実施形態から第三実施形態とは異なっている。
本実施形態では、下流側開口37は、第一面53における第一凹面53bと第二凹面53cとの境界位置近傍に形成されている。
即ち、下流側開口37よりも上流側(前縁部52a側)での第一面53の接線の傾きと、下流側開口37よりも下流側(後縁部52b側)での第一面53の接線の傾きとの角度差αが存在する。このため、下流側開口37から流出した排気ガスGを第二凹面53cに押し付けるようにして流通させ、第一面53での境界層流れの剥離を抑制することができる。
次に、図7A及び図7Bを参照して、本発明の第五実施形態に係るターボチャージャ61について説明する。
なお、第一実施形態から第四実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、ターボチャージャ61は第一実施形態と同様の構成を備えているが、弁本体62を回動させる開閉弁装置60の回動部63が第一実施形態から第四実施形態とは異なっている。弁本体62は第一実施形態の弁本体10と同様の形状をなしている。
また、第一実施形態から第四実施形態と同様に、弁本体62の回動中心が、弁本体62の外部に位置するように取付板63dに弁本体62が取り付けられている。
次に、図8を参照して、本発明の第六実施形態に係るターボチャージャ71について説明する。
なお、第一実施形態から第五実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、開閉弁装置70の弁本体72が第一実施形態から第四実施形態とは異なっている。
ここで、上流側の弁本体72を第一弁本体72A、下流側の弁本体72を第二弁本体72Bとする。
例えば、図9に示すように、開閉弁装置8(30、40、50、60、70)を、スクロール流路C3が軸線O1に交差する方向に二つに分割された構造のターボチャージャ81に適用してもよい。
開閉弁装置8(30、40、50、60、70)における弁本体10(32、42、52、62、72)は、第一流路C4内に配されて、第一流路C4を形成するハウジング82の壁面83(軸線O1の径方向内側を向く面(第一壁面))と、分割壁84における分割壁面85(軸線O1の径方向外側を向く面(第二壁面))との間に配されている。
この弁本体10(32、42、52、62、72)は、弁本体10の回動軸となる軸線O2が軸線O1に沿うようにハウジング82に設けられている。
具体的には、図10に示すように、ターボチャージャ91では、ハウジング92に単一の流路としてのスクロール流路C7が形成されている。
また、スクロール流路C7はハウジング92の壁面である第一壁面95と、第一壁面95に軸線O1に交差する方向で対向する第二壁面96との間に形成されている。
さらに、上述の各実施形態では、回転機械としてターボチャージャに開閉弁装置8(30、40、50、60、70)を適用した例について説明を行ったが、ガスタービンやエキスパンダ等の他の回転機械に適用することも可能である。
2 タービン
3 圧縮機
4 ハウジング
4a タービンハウジング
4b 圧縮機ハウジング
5 回転軸
5a タービン回転軸
5b 圧縮機回転軸
6 タービン動翼
7 軸受装置
7a ラジアル軸受
7b スラスト軸受
8 開閉弁装置
10 弁本体
10a 前縁部
10b 後縁部
11 回動部
14 入口部(流入口)
15 スクロール部
17 壁面(第一壁面)
18 分割壁面(第二壁面)
18a 先端部
21 第一面
22 第二面
F1 上流側絞り流路
F2 下流側絞り流路
C スクロール流路(吸込流路)
C1 第一流路
C2 第二流路
O1 軸線
O2 軸線
G 排気ガス(流体)
AR 空気
S1 静圧低下領域
30 開閉弁装置
31 ターボチャージャ(回転機械)
32 弁本体
32a 前縁部
32b 後縁部
33 第一面
34 第二面
36 上流側開口
37 下流側開口
38 貫通孔部
38a 内面
40 開閉弁装置
41 ターボチャージャ(回転機械)
42 弁本体
42a 前縁部
42b 後縁部
43 第一面
43a 凸面
43b 第一凹面
43c 第二凹面
44 第二面
44a 凸面
50 開閉弁装置
51 ターボチャージャ(回転機械)
52 弁本体
52a 前縁部
52b 後縁部
53 第一面
53a 凸面
53b 第一凹面
53c 第二凹面
54 第二面
54a 凸面
60 開閉弁装置
61 ターボチャージャ(回転機械)
62 弁本体
63 回動部
65 開口孔
63a フランジ部
63b 回動部本体
63c 軸部材
63d 取付板
70 開閉弁装置
71 ターボチャージャ(回転機械)
72 弁本体
72A 第一弁本体
72B 第二弁本体
72Aa 前縁部
72Ab 後縁部
72Ba 前縁部
72Bb 後縁部
73 第一面
81 ターボチャージャ(回転機械)
82 ハウジング
83 壁面(第一壁面)
84 分割壁
85 分割壁面(第二壁面)
86 貫通孔
C3 スクロール流路(吸込流路)
C4 第一流路
C5 第二流路
91 ターボチャージャ
92 ハウジング
92a 舌部
93 入口部
94 スクロール部
95 第一壁面
96 第二壁面
C7 スクロール流路(吸込流路)
100 タービン
101 開閉弁
102 分割壁
103 タービン動翼
F0 作動流体
C0 スクロール流路
Claims (7)
- タービン動翼を覆うハウジングの流入口からスクロール部に至り、単一で構成され、又は複数に分割されて構成されるとともに、第一壁面及び、該第一壁面に対向する第二壁面をその一部として内面が形成されて前記タービン動翼に流体を供給する吸込流路内に配置され、流体の流れの上流から下流に向かって延び、前記第一壁面及び前記第二壁面に対して近接離間する方向に回動可能に前記ハウジングに設けられ、前記上流側の端部で前記第一壁面との間に上流側絞り流路を形成し、かつ、前記下流側の端部で前記第二壁面との間に下流側絞り流路を形成する弁本体を備え、
前記弁本体では、
前記上流側の端部は、前記第一壁面に対向した端部であり、該上流側の端部は、前記上流側から下流側向かって該第一壁面に漸次近接した後に漸次離間する第一面で形成されており、
前記下流側の端部には、前記第二壁面に対向する第二面を有する開閉弁装置。 - 前記弁本体には、前記第二面に開口する上流側開口と、該上流側開口よりも前記下流側で前記第一面に開口する下流側開口と、これら上流側開口と下流側開口とを接続するとともに前記第一面と前記第二面との間を貫通する貫通孔部とが形成されている請求項1に記載の開閉弁装置。
- 前記弁本体は、前記第一面として前記下流側に向かって該第一壁面に漸次近接する凸面、該凸面の下流側に連続して前記第二面に向かって凹状に湾曲する第一凹面、及び、該第一凹面の下流側に連続し、該第一凹面よりも大きな曲率半径で前記第二面に向かって凹状に湾曲する第二凹面と、
前記第二面として前記第一面から離間する側に向かって凸状に湾曲する凸面と、
を有する請求項1又は2に記載の開閉弁装置。 - 前記弁本体を回動させる回動部を、前記ハウジングと別体として備える請求項1から3のいずれか一項に記載の開閉弁装置。
- 前記弁本体を、上流側から下流側に向かって列をなすように複数備え、
各々の前記弁本体を個別に回動させる回動部を備える請求項1から4のいずれか一項に記載の開閉弁装置。 - 軸線を中心として回転する回転軸と、
前記回転軸とともに回転するタービン動翼と、
前記回転軸及び前記タービン動翼を覆うとともに、該タービン動翼に流体を供給する吸込流路が形成されたハウジングと、
前記弁本体が前記吸込流路内で前記ハウジングに設けられた請求項1から5のいずれか一項に記載の開閉弁装置と、
を備える回転機械。 - 前記ハウジングでは、前記第二壁面が、前記スクロール部を前記流体の流通方向に交差する方向に二分割する分割壁面として形成されている請求項6に記載の回転機械。
Applications Claiming Priority (1)
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