KR101834672B1

KR101834672B1 - 터빈, 터보과급기, 내연기관, 및 선박

Info

Publication number: KR101834672B1
Application number: KR1020167000287A
Authority: KR
Inventors: 게이이치 시라이시; 유시 오노
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2018-03-05
Also published as: CN105492738B; CN105492738A; EP3006694A4; JP6165564B2; WO2015033844A1; JP2015052276A; KR20160013248A; EP3006694A1; EP3006694B1

Abstract

개폐 밸브를 폐쇄했을 때의 성능 저하를 억제하고, 내측 케이싱의 설계 공수 및 제조 비용을 억제한 터빈을 제공한다. 터빈 동익(4)과, 배기가스의 유로를 형성하는 내측 케이싱(21) 및 외측 케이싱(22)과, 내측 케이싱(21) 및 외측 케이싱(22)의 외주에 마련되어, 배기가스를, 터빈 동익(4)을 통과시키지 않고, 배기가스 출구(28a)로 유도하기 위한 바이패스 유로(52)를 형성하는 바이패스부(50)와, 바이패스 유로(52)를 개폐하는 개폐 밸브(51)를 구비하는 터빈을 제공한다.

Description

터빈, 터보과급기, 내연기관, 및 선박{TURBINE, TURBOCHARGER, INTERNAL COMBUSTION ENGINE, AND SHIP}

본 발명은, 터빈, 터보과급기, 내연기관, 및 선박에 관한 것이다.

선박용 내연기관이나 발전용 내연기관 등(예를 들면, 디젤 기관)에는, 저부하로 동작할 때의 성능을 개선할 것이 요구되고 있다. 저부하로 동작할 때의 성능을 개선하기 위해서는, 내연기관에 탑재된 과급기의 과급압을 높게 설정하는 것이 바람직하지만, 내연기관이 고부하로 동작할 때에는 과급압이 너무 높아진다. 따라서, 내연기관이 고부하로 동작하여 배기가스의 양이 많은 경우에, 배기가스가 과급기를 바이패스하도록 하여 과급압의 과도한 상승을 억제하는, 이른바 배기가스 바이패스 시스템이 실용화되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 및 특허문헌 2 참조).

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2011-149327호 특허문헌 2: 일본 공개특허공보 2013-124626호

특허문헌 1의 배기가스 바이패스 시스템은, 특허문헌 1의 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 일단이 배기관(L1)의 도중에 접속되고, 타단이 배기관(L3)의 도중에 접속된 바이패스관(L2)과, 바이패스관(L2)의 도중에 마련되어 과급기(3)로 유도되는 배기가스의 유량을 제어하는 배기가스 바이패스 제어 밸브(V1)에 의하여 구성되어 있다. 이와 같이, 특허문헌 1의 시스템에서는, 과급기(3)에 유입되기 전의 배기가스를 분기시키기 위하여, 바이패스관(L2)을 과급기(3)와는 별도로 마련할 필요가 있다.

따라서, 스페이스가 한정된 기관실 내에 바이패스관(L2)을 인회(引回)해야 하여, 바이패스관(L2)을 인회하는 데 필요한 스페이스를 확보할 수 없는 선박에는, 배기가스 바이패스 시스템을 적용할 수 없다는 문제점이 있었다.

또, 바이패스관(L2)을 인회하는 데 필요한 스페이스를 확보했다고 해도, 기관실 내에서 바이패스관(L2)을 인회하는 대대적인 배관 공사를 행하지 않으면 안되어, 재정적으로 적합하지 않다는 문제점이 있었다.

한편, 특허문헌 2의 배기가스 바이패스 시스템은, 특허문헌 2의 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 터보과급기(1)의 내부에 배기가스 바이패스 유로(22b)가 마련되어 있다. 따라서, 특허문헌 1의 배기가스 바이패스 시스템과 같이, 과급기와는 별도로 바이패스관을 마련할 필요는 없다. 특허문헌 2의 배기가스 바이패스 시스템은, 내측 케이싱과 외측 케이싱의 사이에 바이패스실(32)을 마련하고, 바이패스실(32)에 연통된 배기가스 바이패스 유로(22b)로 배기가스를 유도한다.

그러나, 내측 케이싱과 외측 케이싱의 사이에는 축류 터빈으로 배기가스를 유도하는 내주측 유로가 마련되어 있고, 바이패스실(32)과 내주측 유로가 일부 연통한 상태로 되어 있다. 또, 터보과급기(1)에 배기가스가 유입되는 입구부터 바이패스실(32)에 이르는 유로에 개폐 밸브가 마련되어 있다.

이로 인하여, 개폐 밸브를 폐쇄하여 배기가스의 바이패스를 행하지 않도록 해도, 바이패스실(32)로부터 배기가스가 유출하여, 터보과급기(1)의 성능에 대한 악영향이 발생할 가능성이 있다는 문제가 있었다. 구체적으로는, 내측 케이싱 내의 배기가스의 일부가, 내측 케이싱과 외측 케이싱의 사이의 간극으로부터 바이패스실(32)에 유입되어 터빈 동익(動翼)을 통과하지 않고 외부로 유출되어, 터빈 동익의 구동에 이용되는 배기가스의 유량이 감소한다는 문제가 있었다. 또한 특허문헌 2의 내측 케이싱은, 바이패스실(32)을 형성하기 위한 특수한 구조로 할 필요가 있어, 내측 케이싱의 설계 공수가 들어, 제조 비용이 크게 늘어난다는 문제도 있었다.

본 발명은, 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 개폐 밸브를 폐쇄했을 때의 성능 저하를 억제함과 함께, 케이싱의 설계 공수 및 제조 비용을 억제하는 것이 가능한 터빈, 터보과급기, 이를 구비한 내연기관, 및 선박을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위하여, 이하의 수단을 채용했다.

본 발명에 관한 터빈은, 내연기관으로부터 배출된 배기가스에 의하여 구동하는 터빈으로서, 터빈 동익과, 상기 배기가스의 유로를 형성하는 케이싱과, 상기 케이싱의 외주에 마련되어, 상기 배기가스를, 상기 터빈 동익을 통과시키지 않고, 배기가스 출구로 유도하기 위한 바이패스 유로를 형성하는 바이패스부와, 상기 바이패스 유로를 개폐하는 개폐 밸브를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 터빈에는, 내연기관으로부터 배출된 배기가스의 유로를 형성하는 케이싱의 외주에 마련된 바이패스부에 의하여 바이패스 유로가 형성되어 있다. 이 바이패스 유로는, 배기가스를, 터빈 동익을 통과시키지 않고 배기가스 출구로 유도하는 유로이고, 이 유로에는 개폐 밸브가 마련되어 있다. 바이패스 유로를 개폐 밸브에 의하여 폐쇄한 경우, 배기가스가 터빈 동익을 통과하지 않고 배기가스 출구로 유도되는 경우는 없기 때문에, 터빈의 성능에 악영향을 줄 일은 없다.

이와 같이, 본 발명에 관한 터빈에 의하면, 개폐 밸브를 폐쇄했을 때의 성능 저하를 억제함과 함께, 케이싱의 설계 공수 및 제조 비용을 억제하는 것이 가능해진다.

본 발명의 제1 양태에 관한 터빈은, 상기 케이싱이, 상기 터빈 동익의 회전축과 동축에 배치되는 내측 케이싱과, 상기 내측 케이싱의 외측에 배치되어, 배기가스 입구로부터 상기 터빈의 회전축 방향과 교차하는 방향으로 유입되는 상기 배기가스를 상기 터빈 동익으로 유도하는 내주측 유로를, 상기 내측 케이싱과 함께 형성하는 외측 케이싱을 구비하고, 상기 외측 케이싱은, 상기 회전축 방향과 교차하는 방향으로 개구하며, 상기 바이패스 유로의 입구부에 연통하는 제1 개구부와, 상기 회전축 방향과 교차하는 방향으로 개구하고, 상기 바이패스 유로의 출구부에 연통하는 제2 개구부와, 상기 내주측 유로보다 외주측에 배치되어, 상기 제2 개구부로부터 유입되는 상기 배기가스를 상기 배기가스 출구로 유도하는 외주측 유로를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제1 양태에 관한 터빈은, 배기가스 입구로부터 유입되는 배기가스를, 내측 케이싱 및 외측 케이싱에 의하여 형성되는 내주측 유로에 의하여 터빈 동익으로 유도한다. 터빈 동익을 통과한 배기가스는, 배기가스 출구로 유도된다. 또, 터빈 동익의 회전축 방향과 교차하는 방향을 따라 내주측 유로에 유입된 배기가스는, 외측 케이싱의 제1 개구부를 통하여 바이패스 유로의 입구부에 유입된다. 제1 개구부는, 터빈 동익의 회전축 방향과 교차하는 방향으로 개구하고 있으므로, 터빈 동익의 회전축 방향과 교차하는 방향의 속도 성분을 갖는 배기가스가 제1 개구부로부터 바이패스 유로의 입구부에 유입된다. 제1 개구부로부터 유입된 배기가스는 제2 개구부로부터 외주측 유로에 유입되고, 터빈 동익을 통과한 배기가스와 합류하여, 배기가스 출구로 유도된다.

바이패스 유로는 개폐 밸브를 사이에 두고 외측 케이싱이 구비하는 제1 개구부와 제2 개구부를 접속하는 것으로, 개폐 밸브가 폐쇄 상태에서는, 배기가스 입구로부터 유입되는 가스는 터빈날개(4)를 통과하지 않고 터빈 출구 케이싱으로 누출되는 경우는 없다. 따라서, 터보과급기의 성능에 악영향을 미치는 일은 없다. 또, 내측 케이싱은, 바이패스 유로에 배기가스를 유도하기 위한 특수한 구조로는 되어 있지 않고, 외측 케이싱과 함께 터빈으로 배기가스를 유도하는 내주측 유로를 형성하는 구조로 되어 있다.

이와 같이, 본 발명에 관한 터보과급기에 의하면, 개폐 밸브를 폐쇄했을 때의 성능 저하를 억제함과 함께, 내측 케이싱의 설계 공수 및 제조 비용을 억제할 수 있다.

본 발명의 제1 양태의 터보과급기에 있어서는, 상기 내측 케이싱 및 상기 외측 케이싱은, 상기 배기가스 출구를 형성하는 배기 출구 케이싱에 각각 복수의 볼트에 의하여 접합되어 있고, 상기 내측 케이싱 및 상기 외측 케이싱은, 상기 복수의 볼트를 착탈함으로써, 상기 터빈 동익의 상기 회전축 둘레의 상기 배기가스 안내부에 대한 회전 위치를 임의로 설치 가능한 구성이어도 된다.

이와 같이 함으로써, 내측 케이싱 및 외측 케이싱에 마련된 배기가스 입구와 배기 출구 케이싱에 마련된 배기가스 출구를, 터보과급기가 설치되는 환경에 따른 임의의 회전 위치에 설치할 수 있다.

본 발명에 관한 터보과급기는, 상기 어느 하나의 터빈을 구비하고 있다.

또, 본 발명에 관한 내연기관은, 상기의 터보과급기를 구비하고 있다.

또, 본 발명에 관한 선박은, 상기의 내연기관을 구비하고 있다.

본 발명에 의하면, 개폐 밸브를 폐쇄했을 때의 성능 저하를 억제함과 함께, 케이싱의 설계 공수 및 제조 비용을 억제하는 것이 가능한 터빈, 터보과급기, 이를 구비한 내연기관, 및 선박을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태의 터보과급기의 종단면도이다.
도 2는 도 1의 터보과급기의 우측면도이고, 바이패스부 및 개폐 밸브가 생략된 도이다.
도 3은 도 1의 터보과급기의 우측면도이다.

이하, 본 발명의 일 실시형태의 터보과급기에 대하여, 도 1을 참조하면서 설명한다.

도 1은 본 실시형태의 터보과급기를 나타내는 종단면도이다.

터보과급기(1)는, 예를 들면, 선박용내나 발전용의 내연기관(도시하지 않음)의 연소용 공기를 압축하여, 밀도가 높은 공기를 내연기관의 연소실 내로 강제적으로 보내는 장치이다. 또한, 본 실시형태의 터보과급기(1)는 내연기관에 마련되어 있고, 터보과급기(1)를 구비하는 내연기관은 선박에 마련되어 있다.

터보과급기(1)는, 내연기관으로부터 배출된 배기가스에 의하여 구동한다. 터보과급기(1)는, 내연기관이 배출하는 배기가스에 의하여 구동되는 축류 터빈(2)과, 축류 터빈(2)에 의하여 회전 구동되는 로터 축(회전축)(3)과, 로터 축(3)이 회전 구동함으로써 공기를 압축하는 압축기(도시하지 않음)와, 축류 터빈(2)과 압축기의 사이에 마련되어 로터 축(3)을 베어링 지지하는 베어링대(도시하지 않음)를 구비하고 있다.

또한, 도 1 중에 격자 형상의 해칭으로 나타내는 부분은, 단열 및 방음의 목적으로 설치된 단열재(11)이다.

축류 터빈(2)은, 내연기관으로부터 배출되는 배기가스에 의하여 회전 구동되는 터빈 동익(4)과, 터빈 동익(4)으로 배기가스를 유도하는 터빈 노즐(5)과, 배기 입구 케이싱(10)을 구비하고 있다.

터빈 동익(4)은, 터빈 노즐(5)의 출구가 되는 하류측에 근접하는 위치에 배치되어 있다. 로터 축(3)의 축 방향의 일단부에는, 원반 형상을 이루는 터빈 디스크(6)가 배치되어 있다. 터빈 동익(4)은, 터빈 디스크(6)의 외주연부에, 둘레 방향을 따라 등간격으로 복수 매 장착되어 있다. 그리고, 터빈 노즐(5)로부터 분출하는 고온의 배기가스가 터빈 동익(4)을 통과하여 팽창함으로써, 터빈 디스크(6) 및 로터 축(3)이 회전한다.

터빈 노즐(5)은, 로터 축(3)을 중심축으로 한 둘레 방향을 따라 환 형상으로 배치된 복수 매의 노즐 가이드 베인(5a)과, 노즐 가이드 베인(5a)의 근원측(내주측)에 배치되고, 노즐 가이드 베인(5a)의 근원과 접합되는 링 형상의 내주측 부재(5b)를 구비한다. 또, 터빈 노즐(5)은, 노즐 가이드 베인(5a)의 날개단측(외주측)에 배치되고, 노즐 가이드 베인(5a)의 날개단과 접합되는 링 형상의 외주측 부재(5c)를 구비한다. 터빈 노즐(5)은, 일반적으로 노즐링이라고도 불리는 것으로, 터빈 동익(4)의 상류측의 근접한 위치에 배치되어 있다.

외주측 부재(5c)는, 배기가스의 출구측(배기가스 흐름의 하류측)으로부터 입구측(배기가스 흐름의 상류측)에 걸쳐 나팔 형상으로 확경(擴徑)하는 형상으로 되어 있다. 또, 배기 입구 케이싱(10)의 일부인 외측 케이싱(22)의 터빈 디스크(6)측의 단부에는, 배기 입구 케이싱(10)의 내주면을 터빈 디스크(6)의 방향으로 접어 구부리도록 하여 형성된 단차부(12)가 마련되어 있다. 그리고, 이 단차부(12)와, 외주측 부재(5c)의 배기가스 입구측의 단부에 마련된 단차부(5d)가 축 방향에서 걸어 맞춰지도록(끼워 맞춤) 구성되어 있다.

외주측 부재(5c)의 출구측(배기가스 흐름의 하류측)의 단부에는, 배기가스 안내통(7)(배기가스 안내부)이 연결되어 있다. 외주측 부재(5c)와 배기가스 안내통(7)의 연결부는, 서로의 단부끼리를 감합시킨 인롱(印籠) 구조로 되어 있다. 배기가스 안내통(7)은, 축류 터빈(2)을 통과한 배기가스를 배기가스 출구(28a)로 유도하는 것이다.

배기 입구 케이싱(10)(케이싱)은, 별체의 내측 케이싱(21)과 외측 케이싱(22)이, 볼트(23)를 포함하는 체결부에 의하여 접합된 부재이다. 내측 케이싱(21)과 외측 케이싱(22)은, 축류 터빈(2)과 동축에 배치된다. 외측 케이싱(22)은, 내측 케이싱(21)의 외측에 배치되어 있다. 내측 케이싱(21)과 외측 케이싱(22)의 사이에 형성되는 공간이, 배기가스를 터빈 노즐(5)로 유도하기 위한 배기가스 유로(내주측 유로)(26)로 되어 있다. 배기가스 입구(10a)로부터 축류 터빈(2)의 축 방향과 교차하는 방향(도 1에 나타내는 예에서는 직교하는 방향)으로 유입되는 배기가스는, 배기가스 유로(26)로 유도된다.

배기가스 유로(26)에는, 정류판(61)이 배치되어 있다. 정류판(61)은, 배기가스 입구(10a)로부터 배기가스 유로(26)로 유입한 배기가스의 터빈 축(2)의 축선 둘레의 회전 성분을 억제하기 위한 것이다. 배기가스가 정류판(61)에 닿음으로써, 배기가스의 터빈 축(2)의 축선 둘레의 회전 성분이 억제되어, 축선을 따른 흐름으로 변환된다.

정류판(61)은, 배기가스 입구(10a)의 반대측의 위치(터빈 축(2)의 축선 둘레로 180°위상이 어긋난 위치)에 배치되어 있다. 이 위치에 정류판(61)을 마련함으로써, 정류판(61)으로 구획된 배기가스 유로(26)의 내부의 공간이, 터빈 축(2)의 축선 방향으로부터 보아 좌우 대칭의 공간이 된다. 이와 같이 함으로써, 배기가스 입구(10a)로부터 유입된 배기가스가, 터빈 축(2)의 축선 방향으로부터 보아 좌우 균등하게 흐른다.

내측 케이싱(21)과 외측 케이싱(22)에 의하여 구성되는 이중 구조의 배기 입구 케이싱(10)은, 배기가스 유로(26)가 터빈 동익(4)의 회전 방향의 전체 둘레에 걸쳐서 형성되어 있다. 배기 입구 케이싱(10)의 배기가스 입구(10a)로부터 도 1 중에 화살표 IN으로 나타내는 것과 같이 도입된 배기가스는, 배기가스 유로(26)를 통하여 배기가스 출구(10b)로 유도된다. 그 후, 배기가스는, 도 1 중에 화살표 OUT으로 나타내는 것과 같이 배기 출구 케이싱(28)의 배기가스 출구(28a)로부터 외부로 배출된다. 또, 배기가스 출구(10b)는, 터빈 동익(4)의 회전 방향의 전체 둘레에 걸쳐서 터빈 노즐(5)에 배기가스를 공급하도록 개구하여 마련되어 있다.

배기 입구 케이싱(10)은, 볼트(60)를 포함하는 복수의 볼트에 의하여 배기 출구 케이싱(28)에 접합되어 있다. 배기 입구 케이싱(10)은, 볼트(60)를 포함하는 복수의 볼트를 착탈함으로써, 축류 터빈(2)의 축 둘레의 배기 출구 케이싱(28)에 대한 회전 위치를 임의로 설정 가능하다.

도 2는, 도 1의 터보과급기의 우측면도이고, 바이패스부(50) 및 개폐 밸브(51)가 생략된 도이다.

도 2에 있어서, 실선으로 나타나는 배기 출구 케이싱(28)은 도 1에 나타내는 배기 출구 케이싱에 대응하고 있다. 도 1 및 도 2에 있어서 실선으로 나타내는 배기 출구 케이싱(28)의 배치에 의하면, 배기가스 입구(10a)와 배기가스 출구(10b)가 동일 방향이 되도록, 배기 입구 케이싱(10)에 대한 배기 출구 케이싱(28)의 회전 위치를 설정할 수 있다. 또, 도 2에 있어서 실선으로 나타내는 배기 출구 케이싱(28)의 배치에 의하면, 배기가스 입구(10a)와 배기가스 출구(10b)가 직교하는 방향이 되도록, 배기 입구 케이싱(10)에 대한 배기 출구 케이싱(28)의 회전 위치를 설정할 수 있다. 또, 도 2에는 나타나 있지 않지만, 회전 위치는 임의로 설정 가능하다.

상기 서술한 이중 구조의 배기 입구 케이싱(10)에 있어서, 내측 케이싱(21)의 일단부(도 1에 있어서 우측의 단부)는, 외측 케이싱(22)의 일단부(도 1에 있어서 우측의 단부)에 볼트(23)를 포함하는 체결부에 의하여 고정 지지되어 있다. 즉, 내측 케이싱(21)에는, 터빈 디스크(6)의 반대측이 되는 도 1 중의 우측의 단부에 형성된 플랜지면(21a)이 마련되어 있다. 이 플랜지면(21a)에, 외측 케이싱(22)의 플랜지면(22a)을 중합시킨 상태로 하고, 볼트(23)를 포함하는 체결부에 의하여 조여 감으로서, 내측 케이싱(21)과 외측 케이싱(22)이 고정된다. 이들 플랜지면(21a, 22a)은, 모두 터빈 디스크(6)와 일체로 회전하는 로터 축(3)의 축 방향과 직교하는 면 상에 배치된다.

한편 내측 케이싱(21)의 타단부(도 1에 있어서 좌측의 단부)에 있어서의 내주부에는, 터빈 노즐(5)과 일체 성형된 내주측 부재(5b)가 볼트(30)를 통하여 장착되어 있다.

외측 케이싱(22)의 내주부에는, 축류 터빈(2)의 축 방향과 직교하는 방향(도 1에 나타내는 예에서는 직교하는 방향)으로 개구하는 제1 개구부(22b)가 마련되어 있다. 제1 개구부(22b)는 외측 케이싱(22)의 외주면으로 개구하고 있고, 바이패스 유로(52)를 형성하는 바이패스부(50)의 입구부에 연통하고 있다. 바이패스 유로(52)는, 내주측에 배치되는 배기가스 유로(26)에 유입되는 배기가스를, 축류 터빈(2)을 통과시키지 않고 배기가스 출구(28a)로 유도하는 유로이다.

또, 외측 케이싱(22)의 내주부에는, 축류 터빈(2)의 축 방향과 직교하는 방향(도 1에 나타내는 예에서는 직교하는 방향)으로 개구하는 제2 개구부(22c)가 마련되어 있다. 제2 개구부(22c)는 외측 케이싱(22)의 외주면으로 개구하고 있고, 바이패스 유로(52)를 형성하는 바이패스부(50)의 출구부에 연통하고 있다.

바이패스부(50)는, 제1 바이패스부(50a)와 제2 바이패스부(50b)의 2개의 부재에 의하여 구성되어 있다. 제1 바이패스부(50a)는, 외측 케이싱(22)의 제1 개구부(22b)에 볼트 등에 의하여 고정되어 있는 관 형상 부재이다. 또, 제2 바이패스부(50b)는, 외측 케이싱(22)의 제2 개구부(22c)에 볼트 등에 의하여 고정되어 있는 관 형상 부재이다.

제1 바이패스부(50a)와 제2 바이패스부(50b)의 사이에는, 바이패스 유로(52)를 개폐하는 개폐 밸브(51)가 마련되어 있다. 개폐 밸브(51)가 개방 상태가 되는 경우에 제1 개구부(22b)에 유입된 배기가스가 제2 개구부(22c)를 향하여 유통한다. 한편 개폐 밸브(51)가 폐쇄 상태가 되는 경우에 제1 개구부(22b)에 유입된 배기가스가 제2 개구부(22c)를 향하여 유통하지 않도록 차단된다.

또한, 개폐 밸브(51)는 개방 상태 또는 폐쇄 상태 중 어느 한 쪽의 상태가 되도록 제어부(도시하지 않음)에 의하여 제어하는 것으로 하지만, 다른 양태여도 된다. 예를 들면, 개방도가 다른 복수 단계의 개방 상태와 폐쇄 상태 중 어느 한 상태가 되도록 제어부가 제어하도록 해도 된다. 예를 들면, 터보과급기(1)의 주위의 대기의 온도가 비교적 높고, 바이패스 유로(52)를 통과시키는 배기가스의 유량을 소량으로 하는 것이 좋을 경우에는, 개방도를 작게 한 개방 상태가 되도록 제어부(도시하지 않음)가 제어하도록 해도 된다.

도 1은, 바이패스부(50) 및 개폐 밸브(51)를, 배기가스 입구(10a)에 대향하는 위치(축류 터빈(2)의 축 둘레로 180° 회전한 위치)에 마련하는 것이지만, 다른 회전 위치여도 된다.

도 3은, 도 1의 터보과급기의 우측면도이다. 도 3에 있어서 실선으로 나타내는 바이패스부(50) 및 개폐 밸브(51)는, 도 1에 나타내는 것과 같은 위치에 배치되어 있다. 한편 도 3에 있어서 파선으로 나타내는 바이패스부(50) 및 개폐 밸브(51)는, 도 1에 나타내는 것과는 다른 위치에 배치되어 있다. 그 외, 바이패스부(50) 및 개폐 밸브(51)는 축류 터빈(2)의 축 둘레의 임의의 회전 위치에 마련해도 된다.

바이패스부(50) 및 개폐 밸브(51)의 배기가스 입구(10a)에 대한 축류 터빈(2)의 축 둘레의 회전 위치는, 외측 케이싱(22)을 제조할 때에 결정되는 것이지만, 터보과급기(1)가 설치되는 선박 내의 설치 장소의 환경 등에 따라 결정하는 것이 바람직하다. 또, 도 2를 이용하여 설명한 바와 같이, 배기 입구 케이싱(10)에 대한 배기 출구 케이싱(28)의 회전 위치는, 볼트의 착탈에 의하여 임의로 조정할 수 있다. 따라서, 터보과급기(1)가 설치되는 선박 내의 설치 장소의 환경 등에 따라, 배기가스 입구(10a)의 위치, 바이패스부(50) 및 개폐 밸브(51)의 위치, 및, 배기가스 출구(28a)의 위치를 임의로 설정하는 것이 가능하다. 이로써, 선박 내의 설치 장소의 환경 등에 따른 적절한 터보과급기(1)를 제공할 수 있다.

외측 케이싱(22)의 제2 개구부(22c)는, 제2 개구부(22c)로부터 유입되는 배기가스를 배기가스 안내통(7)(배기가스 안내부)으로 유도하는 배기가스 유로(32)(외주측 유로)에 연통하고 있다. 배기가스 유로(32)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 배기가스 유로(26)(내주측 유로)보다 외주측에 배치되어 있다.

배기가스 유로(32)는, 외측 케이싱(22)의 타단부(도 1에 있어서 좌측의 단부)를 형성하는 타단면(22d)과, 외주측 부재(5c)의 반경 방향 외측(외주측)에 위치하는 외주면과, 타단면(22d)과 대향하여 배기가스 안내통(7)의 일단부(도 1에 있어서 우측의 단부)에 있어서 오목부(패임부)를 형성하는 일면(7a)에 의하여 형성된 공간으로 되어 있다.

배기가스 유로(32)와, 배기 출구 케이싱(28) 내에 있어서 배기가스 안내통(7)의 반경 방향 외측(외주측)에 형성되는 공간(S1)은, 일면(7a)과, 그 반대측에 위치하는 타면(7b)을 판 두께 방향으로 관통하는 관통 구멍(48)을 통하여 연통하고 있다. 따라서, 바이패스 유로(52)와, 공간(S1)은, 배기가스 유로(32) 및 관통 구멍(48)을 통하여 연통하고 있는 것이 된다.

다음으로, 이상과 같이 구성된 터보과급기(1)에 있어서의 배기가스의 흐름에 대하여 설명한다.

내연기관의 부하가 낮고, 내연기관으로부터 배출되는 배기가스의 양이 적은 경우, 제어부(도시하지 않음)로부터의 지시에 따라 개폐 밸브(51)는 완전 폐쇄 상태가 된다. 이 경우, 내연기관으로부터 배출되는 배기가스의 전체량이 내주측의 배기가스 유로(26)를 통하여 축류 터빈(2)으로 흘러든다.

배기 입구 케이싱(10)의 배기가스 출구(10b)로 유도된 배기가스는, 배기 입구 케이싱(10)의 배기가스 출구(10b)로부터 터빈 노즐(5)로 유도된다. 배기가스는, 터빈 노즐(5)을 통과한 후에 터빈 노즐(5)의 하류측으로부터 배출되어, 터빈 동익(4)의 전체로 유도된다. 이와 같이 터빈 동익(4)의 전체로 유도된 배기가스는, 터빈 동익(4)을 통과할 때에 팽창하여 터빈 디스크(6) 및 로터 축(3)을 회전시킨다.

한편, 내연기관의 부하가 높고, 내연기관으로부터 배출되는 배기가스의 양이 많은 경우, 제어부(도시하지 않음)로부터의 지시에 따라 개폐 밸브(51)가 완전 개방 상태가 된다. 이 경우, 내연기관으로부터 배출되는 배기가스의 일부(예를 들면, 배기가스 전체량의 4%~20%)가 바이패스 유로(52)에 흘러들고, 나머지 배기가스(예를 들면, 전체량의 96%~80%)가, 배기가스 유로(26)를 통과하여 배기 입구 케이싱(10)의 배기가스 출구(10b)로 유입된다.

또한, 상기 서술한 바와 같이, 개폐 밸브(51)가, 개방도가 다른 복수 단계의 개방 상태와 폐쇄 상태 중 어느 한 상태가 되도록 제어부(도시하지 않음)에 의하여 제어되는 경우, 개폐 밸브(51)의 개방도를 각종 조건에 따라 적절히 제어하여 내연기관의 연비의 악화를 억제하도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 제어부가, 터보과급기(1)가 구비하는 압축기(도시하지 않음)의 흡입 공기 온도나 내연기관의 부하에 따라, 개폐 밸브(51)의 개방도를 필요 최소한으로 변동시키도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 내연기관의 연비의 악화를 발생시키는 것 같은 연소용 공기의 유량의 급격한 변동이 생기지 않도록 할 수 있다.

바이패스 유로(52)로 유도된 배기가스는, 배기가스 유로(32), 및 관통 구멍(48)을 통과하여 공간(S1)으로 유도되어, 터빈 동익(4)을 통과한 배기가스와 함께, 배기 출구 케이싱(28)의 배기가스 출구(28a)로부터 외부로 배출된다. 그리고, 배기가스가 터빈 동익(4)을 통과할 때에 팽창하여 터빈 디스크(6) 및 로터 축(3)을 회전시킴으로써, 로터 축(3)의 타단부에 마련된 압축기가 구동되어, 내연기관에 공급하는 공기가 압축된다.

또, 개폐 밸브(51)는, 예를 들면, 압축기로부터 송출되는 공기의 압력, 또는 내연기관의 연소실에 공급되는 공기의 압력이 절대 압력으로 0.2MPa(2bar)보다 낮은 경우(저부하 상태의 경우)에, 완전 폐쇄 상태가 된다. 한편, 압축기로부터 송출되는 공기의 압력, 또는 내연기관의 연소실에 공급되는 공기의 압력이 절대 압력으로 0.2MPa(2bar) 이상인 경우(고부하 운전인 경우)에, 완전 개방 상태가 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 실시형태의 터보과급기(1)는, 배기가스 입구(10a)로부터 유입되는 배기가스를, 내측 케이싱(21) 및 외측 케이싱(22)에 의하여 형성되는 배기가스 유로(26)(내주측 유로)에 의하여 축류 터빈(2)으로 유도한다. 축류 터빈(2)을 통과한 배기가스는, 배기가스 안내통(7)에 의하여 배기가스 출구(28a)로 유도된다. 또, 축류 터빈(2)의 축 방향과 교차하는 방향을 따라 배기가스 유로(26)(내주측 유로)에 유입된 배기가스는, 외측 케이싱(22)의 제1 개구부(22b)를 통하여 바이패스 유로(52)의 입구부에 유입된다. 제1 개구부(22b)는, 축류 터빈(2)의 축 방향과 교차하는 방향으로 개구되어 있으므로, 축류 터빈(2)의 축 방향과 교차하는 방향의 속도 성분을 가진 배기가스가 제1 개구부(22b)로부터 바이패스 유로(52)의 입구부로 유입된다. 제1 개구부(22b)로부터 유입된 배기가스는 제2 개구부(22c)로부터 배기가스 유로(32)(외주측 유로)로 유입되고, 축류 터빈(2)을 통과한 배기가스와 합류하여, 배기가스 출구(28a)로 유도된다.

바이패스 유로(52)는 외측 케이싱(22)이 구비하는 제1 개구부(22b)와 제2 개구부(22c)를 접속하는 통로이므로, 바이패스 유로(52)를 개폐 밸브(51)에 의하여 폐쇄한 경우에, 개폐 밸브(51)의 하류측의 배기가스는 축류 터빈(2)으로 유도되지 않는다. 따라서, 개폐 밸브(51)의 하류측의 배기가스가 터보과급기(1)의 성능에 악영향을 미치는 일은 없다. 또, 개폐 밸브(51)의 상류측의 배기가스는, 제1 개구부(22b)로부터 바이패스 유로(52)의 입구부에 유입하려고 하는 배기가스에 의하여 제1 개구부(22b) 부분에 밀어 넣어진 상태가 된다. 따라서, 개폐 밸브(51)의 상류측의 배기가스가 터보과급기(1)의 성능에 악영향을 미치는 일은 없다. 또, 내측 케이싱(21)은, 바이패스 유로(52)로 배기가스를 유도하기 위한 특수한 구조로는 되어 있지 않고, 외측 케이싱(22)과 함께 축류 터빈(2)으로 배기가스를 유도하는 배기가스 유로(26)(내주측 유로)를 형성하는 구조로 되어 있다.

이와 같이, 본 실시형태의 터보과급기(1)에 의하면, 개폐 밸브(51)를 폐쇄했을 때의 성능 저하를 억제함과 함께, 내측 케이싱(21)의 설계 공수 및 제조 비용을 억제할 수 있다.

본 실시형태의 터보과급기(1)는, 내측 케이싱(21) 및 외측 케이싱(22)이, 배기 출구 케이싱(28)에 각각 복수의 볼트에 의하여 접합되어 있고, 내측 케이싱(21) 및 외측 케이싱(22)은, 복수의 볼트를 착탈함으로써, 축류 터빈(2)의 축 둘레의 배기가스 안내통(7)에 대한 회전 위치를 임의로 설치 가능하다.

이와 같이 함으로써, 내측 케이싱(21) 및 외측 케이싱(22)에 마련된 배기가스 입구(10a)와 배기 출구 케이싱(28)에 마련된 배기가스 출구(28a)를, 터보과급기(1)가 설치되는 환경에 따른 임의의 회전 위치에 설치할 수 있다.

본 실시형태의 터보과급기(1)의 운전 방법은, 개폐 밸브(51)를 개방 상태로 하여, 배기가스 유로(26)로부터 바이패스 유로(52)로 배기가스의 일부를 우회시키는 공정과, 개폐 밸브(51)를 개방 상태로 하여, 배기가스 유로(26)로부터 바이패스 유로(52)로 배기가스를 우회시키지 않고, 배기가스 유로(26)로부터 축류 터빈(2)으로 배기가스의 전체량을 유입시키는 공정을 구비한다. 이와 같이 함으로써, 바이패스 유로(52)로 배기가스의 일부를 우회시킬지 여부를 적절히 바꾸어 터보과급기(1)를 운전할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 서술한 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서, 적절히 필요에 따라서 변형 실시, 변경 실시할 수 있다.

또, 상기 서술한 실시형태에서는, 축류 터빈을 이용하여 설명했지만, 원심식/사류식의 터빈이나, 파워 터빈 등의 회전 기계에도 적용 가능하다.

1 터보과급기
2 축류 터빈
3 로터 축
4 터빈 동익
5 터빈 노즐
7 배기가스 안내통(배기가스 안내부)
10 배기 입구 케이싱(케이싱)
10a 배기가스 입구
10b 배기가스 출구
21 내측 케이싱
22 외측 케이싱
22b 제1 개구부
22c 제2 개구부
26 배기가스 유로(내주측 유로)
28 배기 출구 케이싱
30, 60 볼트
32 배기가스 유로(외주측 유로)
48 관통 구멍
50 바이패스부
51 개폐 밸브
52 바이패스 유로

Claims

내연기관으로부터 배출된 배기가스에 의하여 구동하는 축류 터빈으로서,
터빈 동익과,
상기 배기가스의 유로를 형성하는 케이싱과,
상기 케이싱의 외주에 마련되어, 상기 배기가스를, 상기 터빈 동익을 통과시키지 않고, 배기가스 출구로 유도하기 위한 바이패스 유로를 형성하는 바이패스부와,
상기 바이패스 유로를 개폐하는 개폐 밸브를 구비하고,
상기 케이싱은, 상기 바이패스 유로의 입구부에 연통하는 제1 개구부와, 상기 바이패스 유로의 출구부에 연통하는 제2 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
청구항 1에 있어서,
상기 케이싱은,
상기 터빈 동익의 회전축과 동축에 배치되는 내측 케이싱과,
상기 내측 케이싱의 외측에 배치되어, 배기가스 입구로부터 상기 터빈 동익의 회전축 방향과 교차하는 방향으로 유입되는 상기 배기가스를 상기 터빈 동익으로 유도하는 내주측 유로를, 상기 내측 케이싱과 함께 형성하는 외측 케이싱을 구비하고,
상기 외측 케이싱은,
상기 터빈 동익의 회전축 방향과 교차하는 방향으로 개구하는 상기 제1 개구부와,
상기 터빈 동익의 회전축 방향과 교차하는 방향으로 개구하는 상기 제2 개구부와,
상기 내주측 유로보다 외주측에 배치되어, 상기 제2 개구부로부터 유입되는 상기 배기가스를 상기 배기가스 출구로 유도하는 외주측 유로를 갖는 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
청구항 2에 있어서,
상기 내측 케이싱 및 상기 외측 케이싱은, 상기 배기가스 출구를 형성하는 배기 출구 케이싱에 각각 복수의 볼트에 의하여 접합되어 있고,
상기 내측 케이싱 및 상기 외측 케이싱은, 상기 복수의 볼트를 착탈함으로써, 상기 터빈 동익의 회전축 둘레의 상기 배기 출구 케이싱에 대한 회전 위치를 임의로 설치 가능한 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 따른 축류 터빈을 구비하는 것을 특징으로 하는 터보과급기.
청구항 4에 따른 터보과급기를 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
청구항 5에 따른 내연기관을 구비하는 것을 특징으로 하는 선박.