KR101900214B1 - 터빈 및 터보 과급기 - Google Patents

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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

터빈에 있어서, 터빈 노즐은, 노즐 내륜과의 사이에 내측 노즐 통로를 형성함과 함께 노즐 외륜과의 사이에 외측 노즐 통로를 형성하는 환상의 칸막이판을 포함하고, 입구측 케이싱은, 통 형상의 제 1 케이싱과, 내측 노즐 통로로 배기 가스를 유도하기 위한 제 1 유로를 제 1 케이싱과의 사이에 형성함과 함께, 외측 노즐 통로로 배기 가스를 유도하기 위한 제 2 유로를 제 1 유로의 외주측에 형성하는 제 2 케이싱과, 제 2 케이싱의 외주면에 형성된 제 1 개구부를 통하여 일단측에서 제 1 유로에 접속함과 함께, 제 2 케이싱의 외주면에 형성된 제 2 개구부를 통하여 타단측에서 제 2 유로에 접속하는 바이패스관을 포함하고, 바이패스관에는 밸브가 형성되어 있다.

Description

터빈 및 터보 과급기{TURBINE AND TURBOCHARGER}
본 개시는 터빈 및 터보 과급기에 관한 것이다.
내연 기관의 열 효율을 높이기 위한 한 수단으로서 터보 과급기가 알려져 있다. 특허문헌 1 에는, 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스에 의해 구동되는 터빈을 구비한 터보 과급기가 개시되어 있다.
특허문헌 1 의 도 1 ∼ 도 4 에 나타내어지는 터보 과급기의 터빈에서는, 터빈 노즐 (25) 의 내주측 부재 (25a) 와 외주측 부재 (25b) 사이에 격벽 (42, 81) 이 형성되어 있다.
예를 들어 특허문헌 1 의 도 1 및 도 2 에 나타내어지는 터보 과급기의 터빈에서는, 터빈 노즐 중 격벽 (42) 의 외주측으로 배기 가스 유로 (26) 로부터 배기 가스가 유도되고, 격벽의 내주측으로 배기 가스 유로 (36) 로부터 배기 가스가 유도된다. 이러한 구성에 있어서는, 배기 가스 유로 (26) 와 배기 가스 유로 (36) 를 접속시키는 배관 (38) 에 형성된 개폐 밸브 (41) 를 닫은 상태로 하면, 배기 가스 유로 (26) 로부터 터빈 노즐 중 격벽의 외주측으로만 배기 가스가 유도되고, 개폐 밸브를 연 상태로 하면, 배기 가스 유로 (26) 및 배기 가스 유로 (36) 로부터 터빈 노즐 전역으로 배기 가스가 유도된다.
또, 특허문헌 1 의 도 3 및 도 4 에 나타내어지는 터보 과급기의 터빈에서는, 터빈 노즐 중 격벽 (81) 의 외주측으로 배기 가스 유로 (76) 로부터 배기 가스가 유도되고, 격벽의 내주측으로 배기 가스 유로 (80) 로부터 배기 가스가 유도된다. 이러한 구성에 있어서는, 배기 가스 유로 (76) 와 배기 가스 유로 (80) 를 접속시키는 배관 (38) 에 형성된 개폐 밸브 (41) 를 닫은 상태로 하면, 배기 가스 유로 (80) 로부터 터빈 노즐 중 격벽의 내주측으로만 배기 가스가 유도되고, 개폐 밸브 (41) 를 연 상태로 하면, 배기 가스 유로 (76) 및 배기 가스 유로 (80) 로부터 터빈 노즐 전역으로 배기 가스가 유도된다.
특허문헌 1 의 도 1 ∼ 도 4 에 나타내어지는 터보 과급기의 터빈에 의하면, 터빈 노즐에 있어서의 노즐 베인 각각에 회동 기구를 형성하지 않아도, 개폐 밸브의 개폐 동작에 의해서만, 터빈 동익에 공급되는 배기 가스의 유속을 조절하는 것이 가능해진다.
일본 특허공보 제5222274호
특허문헌 1 의 도 1 및 도 2 에 기재된 터보 과급기의 터빈에서는, 배기 가스 유로 (26) 와 배기 가스 유로 (36) 를 접속시키는 배관 (38) 이 터빈 로터의 직경 방향에 있어서의 가스 입구 케이싱 (27, 51) 의 내측 공간에 걸치도록 형성되어 있어, 터빈의 메인터넌스시에 그 공간을 지나 터빈 로터에 액세스하는 것이 곤란하였다. 예를 들어 터빈 로터를 회전하지 않도록 로크하는 로터 로크용의 요구 (要具) 를 상기 공간을 지나 터빈 로터에 장착하는 것이 곤란 또는 불가능하였다.
한편, 특허문헌 1 의 도 3 및 도 4 에 기재된 터보 과급기의 터빈에 있어서도, 가스 입구 케이싱 (77, 107) 의 구조상, 터빈의 메인터넌스시에 터빈 로터에 액세스하는 것이 곤란하였다. 또, 가스 입구 케이싱의 구조가 복잡하여 분해하기 어렵고, 메인터넌스성의 면에서 개량의 여지가 있었다.
본 발명은, 상기 서술한 바와 같은 종래의 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적으로 하는 바는, 메인터넌스성이 우수한 간이한 구성의 터빈 및 이것을 구비한 터보 과급기를 제공하는 것이다.
(1) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 관련된 터빈은, 회전 가능하게 형성된 터빈 로터와, 상기 터빈 로터의 터빈 동익의 상류측에 형성된 터빈 노즐과, 상기 터빈 노즐로 배기 가스를 유도하도록 구성된 입구측 케이싱을 포함하고, 상기 터빈 노즐은, 노즐 내륜과, 노즐 외륜과, 상기 노즐 내륜 및 상기 노즐 외륜 사이에 상기 터빈 로터의 둘레 방향을 따라 배치된 복수의 노즐 베인과, 상기 노즐 베인의 날개 높이 방향에 있어서의 도중 위치에 형성되고, 상기 노즐 내륜과의 사이에 내측 노즐 통로를 형성함과 함께 상기 노즐 외륜과의 사이에 외측 노즐 통로를 형성하는 환상의 칸막이판을 포함하고, 상기 입구측 케이싱은, 통 형상의 제 1 케이싱과, 상기 제 1 케이싱의 외주측에 위치하는 제 2 케이싱으로서, 상기 내측 노즐 통로로 상기 배기 가스를 유도하기 위한 제 1 유로를 상기 제 1 케이싱과의 사이에 형성함과 함께, 상기 외측 노즐 통로로 상기 배기 가스를 유도하기 위한 제 2 유로를 상기 제 1 유로의 외주측에 형성하는 제 2 케이싱과, 상기 제 2 케이싱의 외주면에 형성된 제 1 개구부를 통하여 일단측에서 상기 제 1 유로에 접속함과 함께, 상기 제 2 케이싱의 상기 외주면에 형성된 제 2 개구부를 통하여 타단측에서 상기 제 2 유로에 접속하도록 구성된 바이패스관을 포함하고, 상기 바이패스관에는 밸브가 형성되어 있다.
상기 (1) 에 기재된 터빈에 의하면, 제 1 유로와 제 2 유로를 접속시키는 바이패스관에 형성된 밸브를 닫은 상태로 하면, 터빈 노즐 중 칸막이판의 내주측의 내측 노즐 통로로만 제 1 유로로부터 배기 가스가 유도된다. 또, 밸브를 연 상태로 하면, 제 1 유로로부터 내측 노즐 통로로 배기 가스가 흐름과 함께 제 2 유로로부터 외측 노즐 통로로 배기 가스가 유도된다. 이 때문에, 터빈 노즐에 있어서의 노즐 베인 각각에 회동 기구를 형성하지 않아도, 밸브의 개폐 동작에 의해서만, 터빈 동익에 공급되는 배기 가스의 유속을 조절하는 것이 가능해진다.
또, 상기 (1) 에 기재된 터빈에서는, 통 형상의 제 1 케이싱의 외주측에 위치하는 제 2 케이싱의 더욱 외주측에 바이패스관을 형성할 수 있기 때문에, 통 형상의 제 1 케이싱의 내측 공간에 바이패스관이 걸치지 않고, 간이한 구성으로 제 1 유로와 제 2 유로를 연통시킬 수 있다. 이로써, 터빈의 메인터넌스시에 통 형상의 제 1 케이싱의 내측 공간을 지나 터빈 로터에 액세스하는 것이 용이해진다. 예를 들어 터빈 로터를 회전하지 않도록 로크하는 로터 로크용의 요구를 그 공간을 지나 터빈 로터에 장착하는 것이 용이해진다. 이와 같이, 메인터넌스성이 우수한 간이한 구성의 터빈을 실현할 수 있다.
(2) 몇 가지 실시형태에서는, 상기 (1) 에 기재된 터빈에 있어서, 상기 터빈 로터의 축 방향에 있어서의 각 위치에 있어서, 상기 터빈 로터의 직경 방향에 있어서의 상기 칸막이판과 상기 노즐 내륜의 간격은, 상기 터빈 로터의 직경 방향에 있어서의 상기 칸막이판과 상기 노즐 외륜의 간격보다 크다.
특허문헌 1 의 도 1 및 도 2 에 기재되는 전술한 터보 과급기는, 개폐 밸브 (41) 가 열려 있는 상태 및 닫혀 있는 상태의 양방에 있어서, 터빈 노즐 (25) 중 격벽 (42) 의 외주측으로 배기 가스가 흐르도록 구성되어 있었기 때문에, 터빈 동익의 선단과 그 선단에 대향하는 슈라우드벽의 간극을 지나는 배기 가스가 터빈 효율 저하에 미치는 영향이 비교적 컸다.
이에 반해, 상기 (2) 에 기재된 터빈에 의하면, 터빈 노즐 중 칸막이판의 외주측의 외측 노즐 통로에는, 밸브가 열려 있을 때에만 배기 가스가 유도되고, 밸브가 닫혀 있을 때에 배기 가스가 유도되지 않는다. 이 때문에, 터빈 동익의 선단과 그 선단에 대향하는 슈라우드벽의 간극을 지나는 배기 가스가 터빈 효율 저하에 미치는 영향을 작게 할 수 있다. 또, 인접하는 노즐 베인끼리의 간격은 터빈 로터의 직경 방향에 있어서 외측을 향함에 따라 커지기 때문에, 노즐 외륜과 칸막이판의 간격이 비교적 작아도 밸브의 개폐에 수반하여 터빈 노즐의 유로 면적을 크게 변화시킬 수 있다.
(3) 몇 가지 실시형태에서는, 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 터빈에 있어서, 상기 노즐 외륜은 상기 노즐 베인에 접합되어 있지 않다.
상기 (3) 에 기재된 터빈에 의하면, 터빈 노즐의 제조시에 있어서, 노즐 베인 각각과 칸막이판을 용접에 의해 용접할 때에, 노즐 베인이 노출된 상태, 즉 노즐 외륜에 의해 노즐 베인의 외주측 선단이 둘러싸여 있지 않은 상태에서 용접하는 것이 가능해지기 때문에 용접 작업이 용이해지고, 터빈 노즐의 제조 비용을 저감시킬 수 있다. 또, 메인터넌스시에 있어서도, 노즐 베인의 외주측 선단이 노즐 외륜에 의해 둘러싸여 있는 상태로부터 노즐 외륜과 노즐 베인을 이간시켜 노즐 베인을 노출시킴으로써, 노즐 외륜에 의해 노즐 베인이 둘러싸여 있지 않은 상태에서 외측 노즐 통로에 대응하는 부분을 용이하게 청소할 수 있다.
(4) 몇 가지 실시형태에서는, 상기 (3) 에 기재된 터빈에 있어서, 상기 터빈은, 상기 터빈 동익을 통과한 상기 배기 가스를 안내하기 위한 출구 안내통을 구비하고, 상기 노즐 외륜은, 상기 출구 안내통과는 별도 부품으로서 구성됨과 함께 상기 출구 안내통에 고정되어 있다.
상기 (4) 에 기재된 터빈에 의하면, 노즐 외륜은, 출구 안내통과는 별도 부품 (별체) 으로 구성되기 때문에, 예를 들어 노즐 외륜의 재질을 출구 안내통의 재질과는 독립적으로 선택할 수 있어, 설계 자유도를 높일 수 있다.
(5) 몇 가지 실시형태에서는, 상기 (4) 에 기재된 터빈에 있어서, 상기 터빈은, 상기 터빈 동익을 통과한 상기 배기 가스를 배출시키기 위한 출구측 케이싱을 추가로 구비하고, 상기 출구 안내통은, 상기 터빈 동익에 면하는 동익측 유로벽과, 상기 동익측 유로벽으로부터 상기 동익측 유로벽의 외주측으로 분기되어 연장됨과 함께 상기 출구측 케이싱에 고정되는 외주측 연장부를 갖고, 상기 노즐 외륜은, 상기 동익측 유로벽과 상기 외주측 연장부 사이에 형성되는 공간을 덮도록 형성되어 있다.
상기 (5) 에 기재된 터빈에 의하면, 노즐 외륜은, 동익측 유로벽과 외주측 연장부 사이에 형성되는 공간을 덮도록 형성되어 있기 때문에, 그 공간으로 배기 가스가 들어가는 것에서 기인되는 터빈 효율의 저하를 억제할 수 있다.
(6) 몇 가지 실시형태에서는, 상기 (3) 에 기재된 터빈에 있어서, 상기 터빈은, 상기 터빈 동익을 통과한 상기 배기 가스를 안내하기 위한 출구 안내통을 구비하고, 상기 노즐 외륜은, 상기 출구 안내통의 일부에 의해 구성된다.
상기 (6) 에 기재된 터빈에 의하면, 노즐 외륜이 상기 출구 안내통의 일부에 의해 구성되기 (즉, 노즐 외륜과 출구 안내통과는 별도 부품은 아니기) 때문에, 노즐 외륜이 출구 안내통과 별도 부품으로 구성되는 경우와 비교하여 터빈의 부품 점수를 삭감할 수 있다.
(7) 몇 가지 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 터빈에 있어서, 상기 칸막이판은, 상기 터빈 동익에 가까워짐에 따라 상기 노즐 내륜과의 간격이 작아지도록 비스듬하게 설치되어 있다.
상기 (7) 에 기재된 터빈에 의하면, 칸막이판을 따라 흐르는 배기 가스가 하류측을 향함에 따라 터빈 로터의 직경 방향에 있어서의 내측을 향하기 때문에, 밸브를 연 상태에 있어서, 터빈 동익의 외주측 선단과 그 선단에 대향하는 슈라우드벽 사이의 간극을 지나는 배기 가스의 양을 줄일 수 있다. 이로써, 터빈 효율을 향상시킬 수 있다.
(8) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 관련된 터보 과급기는, 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스에 의해 구동되는 터빈을 구비한 터보 과급기로서, 상기 터빈은 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 한 항에 기재된 터빈이다.
상기 (8) 에 기재된 터보 과급기에 의하면, 터빈이 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 한 항에 기재된 터빈으로 구성되어 있기 때문에, 터빈 노즐에 있어서의 노즐 베인 각각에 회동 기구를 형성하지 않아도, 밸브의 개폐 동작에 의해서만, 터빈 동익에 공급되는 배기 가스의 유속을 조절하는 것이 가능해진다. 또, 메인터넌스성이 우수한 간이한 구성의 터보 과급기를 실현할 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시형태에 의하면, 메인터넌스성이 우수한 간이한 구성의 터빈 및 이것을 구비한 터보 과급기가 제공된다.
도 1 은, 일 실시형태에 관련된 터보 과급기의 단면 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2 는, 도 1 에 나타내는 터빈 노즐의 부분 사시도이다.
도 3 은, 도 2 에 나타내는 터빈 노즐 중, 노즐 외륜 이외의 구성을 나타내는 부분 사시도이다.
도 4 는, 도 1 에 나타내는 터보 과급기에 있어서의 터빈 노즐 부근의 단면 구성을 확대한 모식도이다.
도 5 는, 일 실시형태에 관련된 터보 과급기의 단면 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 몇 가지 실시형태에 대해 설명한다. 단, 실시형태로서 기재되어 있는 또는 도면에 나타내어져 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은, 본 발명의 범위를 이것에 한정하는 취지가 아니고, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
예를 들어, 「어느 방향으로」, 「어느 방향을 따라」, 「평행」, 「직교」, 「중심」, 「동심」 혹은 「동축」 등의 상대적 혹은 절대적인 배치를 나타내는 표현은, 엄밀하게 그러한 배치를 나타낼 뿐만 아니라, 공차 (公差), 혹은, 동일한 기능이 얻어지는 정도의 각도나 거리를 가지고서 상대적으로 변위되어 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들어, 「동일」, 「동등하다」 및 「균질」 등의 사물이 동등한 상태인 것을 나타내는 표현은, 엄밀하게 동등한 상태를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 혹은, 동일한 기능이 얻어지는 정도의 차이가 존재하고 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들어, 사각형상이나 원통형상 등의 형상을 나타내는 표현은, 기하학적으로 엄밀한 의미에서의 사각형상이나 원통형상 등의 형상을 나타낼 뿐만 아니라, 동일한 효과가 얻어지는 범위에서, 요철부나 모따기부 등을 포함하는 형상도 나타내는 것으로 한다.
한편, 하나의 구성 요소를 「갖추다」, 「지니다」, 「구비한다」, 「포함한다」, 또는, 「갖는다」라는 표현은, 다른 구성 요소의 존재를 제외하는 배타적인 표현은 아니다.
도 1 은, 일 실시형태에 관련된 터보 과급기 (100) 의 단면 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 2 는, 도 1 에 나타내는 터빈 노즐의 부분 사시도이다.
일 실시형태에서는, 예를 들어 도 1 에 나타내는 바와 같이, 터보 과급기 (100) 는, 도시 생략된 내연 기관 (예를 들어, 선박용 내연 기관이나 발전용 내연 기관) 으로부터 배출된 배기 가스에 의해 구동되는 터빈 (2) 을 구비하고 있다. 터보 과급기 (100) 에서는, 터빈 (2) 의 터빈 로터 (4) 가 배기 가스에 의해 회전됨으로써, 터빈 로터 (4) 에 연결된 도시 생략된 압축기가 구동되어, 내연 기관에 공급되는 공기 등의 연료용 기체가 압축된다. 터빈 (2) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이 축류 (軸流) 터빈이다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 터빈 (2) 은, 베어링 (78) 에 회전 가능하게 지지된 터빈 로터 (4) 와, 터빈 로터 (4) 의 터빈 동익 (6) 의 상류측에 형성된 터빈 노즐 (8) 과, 터빈 노즐 (8) 로 배기 가스를 유도하도록 구성된 입구측 케이싱 (10) 과, 터빈 동익 (6) 을 통과한 배기 가스를 배출시키기 위한 출구측 케이싱 (12) 과, 밸브 (40) 와, 제어부 (42) 를 포함한다. 본 실시형태에 기재된 터빈 (2) 은 가변 용량형의 터빈이다.
도 1 및 도 2 의 적어도 일방에 나타내는 바와 같이, 터빈 노즐 (8) 은, 노즐 내륜 (14) 과, 노즐 내륜 (14) 의 외주측에 노즐 내륜 (14) 과 동심으로 형성된 노즐 외륜 (16) 과, 노즐 내륜 (14) 및 노즐 외륜 (16) 사이에 터빈 로터 (4) 의 둘레 방향을 따라 배치된 복수의 노즐 베인 (18) 과, 원환상의 칸막이판 (20) 을 포함한다. 원환상의 칸막이판 (20) 은, 노즐 베인 (18) 의 날개 높이 방향 (터빈 로터 (4) 의 직경 방향) 에 있어서의 도중 위치 P1 에서 노즐 베인 (18) 각각과 교차하도록 형성되고, 노즐 베인 (18) 각각과의 교차 부분 (접속 부분) 을 공유하고 있다. 또, 원환상의 칸막이판 (20) 은, 노즐 내륜 (14) 및 노즐 외륜 (16) 과 동심으로 형성되어 있고, 노즐 내륜 (14) 과의 사이에 내측 노즐 통로 (22) 를 형성함과 함께 노즐 외륜 (16) 과의 사이에 외측 노즐 통로 (24) 를 형성하도록 구성되어 있다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 입구측 케이싱 (10) 은, 통 형상의 제 1 케이싱 (26) (내측 케이싱) 과, 제 1 케이싱 (26) 의 외주측에 위치하는 통 형상의 제 2 케이싱 (28) (외측 케이싱) 과, 바이패스관 (30) 을 포함한다. 입구측 케이싱 (10) 은, 제 2 케이싱 (28) 에 형성된 배기 가스 입구 (69) 로부터 배기 가스가 유입되도록 구성되어 있다. 제 2 케이싱 (28) 은, 내측 노즐 통로 (22) 로 배기 가스를 유도하기 위한 환상의 제 1 유로 (32) 를 제 1 케이싱 (26) 과의 사이에 형성함과 함께, 외측 노즐 통로 (24) 로 배기 가스를 유도하기 위한 환상의 제 2 유로 (34) 를 제 1 유로 (32) 의 외주측에 형성하도록 구성되어 있다.
바이패스관 (30) 은, 제 2 케이싱 (28) 의 외주면 (28a) 에 형성된 제 1 개구부 (36) 를 통하여 일단측에서 제 1 유로 (32) 에 접속됨과 함께, 제 2 케이싱 (28) 의 외주면 (28a) 에 형성된 제 2 개구부 (38) 를 통하여 타단측에서 제 2 유로 (34) 에 접속되도록 구성되어 있다. 바이패스관 (30) 에는, 제어부 (42) 에 의해 개폐가 제어되는 밸브 (40) 가 형성되어 있다.
터보 과급기 (100) 에 있어서, 밸브 (40) 가 제어부 (42) 에 의해 닫힌 상태로 제어되고 있을 때는, 배기 가스 입구 (69) 로부터 제 1 유로 (32) 로 유입된 배기 가스 전부는, 제 1 유로 (32) 로부터 내측 노즐 통로 (22) 를 지나 터빈 동익 (6) 으로 흐르고, 터빈 동익 (6) 을 통과한 후에 출구측 케이싱 (12) 의 배기 가스 출구 (70) 로부터 배출된다.
또, 터보 과급기 (100) 에 있어서, 밸브 (40) 가 제어부 (42) 에 의해 열린 상태로 제어되고 있을 때는, 배기 가스 입구 (69) 로부터 제 1 유로 (32) 로 유입된 배기 가스의 대부분은, 그대로 제 1 유로 (32) 를 지나 내측 노즐 통로 (22) 로 유도되지만, 배기 가스 입구 (69) 로부터 제 1 유로 (32) 로 유입된 배기 가스의 일부는, 바이패스관 (30) 을 지나 제 2 유로 (34) 로 유입되고, 외측 노즐 통로 (24) 로 유도된다. 그리고, 내측 노즐 통로 (22) 를 지난 배기 가스 및 외측 노즐 통로 (24) 를 지난 배기 가스가 터빈 동익 (6) 으로 흐르고, 터빈 동익 (6) 을 통과한 후에 출구측 케이싱 (12) 의 배기 가스 출구 (70) 로부터 배출된다.
이러한 터보 과급기 (100) 에 의하면, 터빈 노즐 (8) 에 있어서의 노즐 베인 (18) 각각에 회동 기구를 형성하지 않아도, 밸브 (40) 의 개폐 동작에 의해서만, 터빈 동익 (6) 에 공급되는 배기 가스의 유속을 조절하는 것이 가능해진다.
또, 터보 과급기 (100) 에서는, 통 형상의 제 1 케이싱 (26) 의 외주측에 위치하는 제 2 케이싱 (28) 의 더욱 외주측에 바이패스관 (30) 을 형성할 수 있기 때문에, 통 형상의 제 1 케이싱 (26) 의 내측의 공간 (72) 에 바이패스관 (30) 이 걸치지 않고, 간이한 구성으로 제 1 유로 (32) 와 제 2 유로 (34) 를 연통시킬 수 있다. 이로써, 터보 과급기 (100) 의 메인터넌스시에 통 형상의 제 1 케이싱 (26) 의 내측 공간으로부터 터빈 로터 (4) 에 액세스하는 것이 용이해진다. 예를 들어 터빈 로터 (4) 를 회전하지 않도록 로크하는 로터 로크용의 요구 (74) 를 그 공간 (72) 을 지나 터빈 로터 (4) 에 장착하는 것이 용이해진다. 따라서, 메인터넌스성이 우수한 간이한 구성의 터빈 (2) 을 구비한 터보 과급기 (100) 를 실현할 수 있다.
일 실시형태에서는, 예를 들어 도 1 에 나타내는 바와 같이, 통 형상의 제 1 케이싱 (26) 은, 터빈 로터 (4) 의 축 방향에 있어서의 일단측에서 노즐 내륜 (14) 에 볼트 (76a) 로 고정되는 일단측 고정부 (52) 와, 터빈 로터 (4) 의 축 방향에 있어서의 타단측에서 제 2 케이싱 (28) 에 볼트 (76b) 로 고정되는 타단측 고정부 (54) 와, 확경부 (56) 를 포함한다. 확경부 (56) 는, 터빈 로터 (4) 의 축 방향에 있어서의 일단측 고정부 (52) 와 타단측 고정부 (54) 사이에 위치하고, 노즐 내륜 (14) 으로부터 터빈 로터 (4) 의 축 방향으로 멀어짐에 따라 내경 및 외경이 커지도록 구성되어 있다.
이러한 구성에 의하면, 제 2 케이싱 (28) 에 대한 타단측 고정부 (54) 의 고정 상태를 해제하고 (볼트 (76b) 를 분리하고), 제 2 케이싱 (28) 을 축 방향으로 빼낸 후에, 노즐 내륜 (14) 에 대한 일단측 고정부 (52) 의 고정 상태를 해제함 (볼트 (76a) 를 분리함) 으로써, 노즐 내륜 (14) 및 제 2 케이싱 (28) 에 대해 제 1 케이싱 (26) 을 터빈 로터의 축 방향으로 용이하게 분리할 수 있어, 과급기 (100) 의 메인터넌스성이 향상된다.
일 실시형태에서는, 예를 들어 도 1 에 나타내는 바와 같이, 제 2 케이싱 (28) 은, 제 1 개구부 (36) 를 갖는 통 형상의 제 1 유로 형성부 (58) 와, 제 1 유로 형성부 (58) 로부터 제 1 유로 형성부 (58) 의 외주측으로 분기되어 연장됨과 함께 제 2 개구부 (38) 를 갖는 통 형상의 제 2 유로 형성부 (60) 를 포함한다.
통 형상의 제 1 유로 형성부 (58) 는, 터빈 로터 (4) 의 축 방향에 있어서의 일단측에서 칸막이판 (20) 에 끼워 맞춰짐으로써 연결되는 일단측 연결부 (62) 와, 터빈 로터 (4) 의 축 방향에 있어서의 타단측에서 제 1 케이싱 (26) 에 볼트 (76b) 로 고정되는 타단측 고정부 (64) 를 갖는다. 제 1 유로 형성부 (58) 는, 제 1 케이싱 (26) 과의 사이에 제 1 유로 (32) 를 형성하도록 구성되어 있다.
통 형상의 제 2 유로 형성부 (60) 는, 터빈 로터 (4) 의 축 방향에 있어서 제 1 유로 형성부 (58) 로부터 분기되는 분기 위치 P2 와는 반대측의 단부 (66) 에서 출구측 케이싱 (12) 에 볼트 (76c) 로 고정됨과 함께, 제 1 유로 형성부 (58) 의 배기 가스 출구측의 일부 (68) 의 사이에 제 2 유로 (34) 를 형성하도록 구성되어 있다.
일 실시형태에서는, 예를 들어 도 1 및 도 2 에 나타내는 터빈 노즐 (8) 에 있어서, 노즐 외륜 (16) 은 노즐 베인 (18) 각각에 접합되어 있지 않다. 또, 도 1 및 도 2 에 나타내는 터빈 노즐 (8) 에서는, 복수의 노즐 베인 (18) 이 노즐 내륜 (14) 및 칸막이판 (20) 에 대해 예를 들어 용접에 의해 접합되어 있어, 복수의 노즐 베인 (18), 노즐 내륜 (14) 및 칸막이판 (20) 이 일체가 되어 노즐 링 (21) 을 구성하고 있다. 이와 같이, 노즐 링 (21) 은 노즐 외륜 (16) 과는 별도 부품으로서 (별체로) 구성되어 있다.
이 때문에, 터빈 노즐 (8) 의 제조시에 있어서, 노즐 베인 (18) 각각과 칸막이판 (20) 을 용접에 의해 용접할 때에, 노즐 베인 (18) 의 외주측 선단 (18a) 이 노출된 상태 (도 3 참조), 즉 노즐 외륜 (16) 에 의해 노즐 베인 (18) 의 외주측 선단 (18a) 이 둘러싸여 있지 않은 상태에서 용접하는 것이 가능해지기 때문에 용접 작업이 용이해지고, 터빈 노즐 (8) 의 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
또, 메인터넌스시에 있어서도, 노즐 외륜 (16) 에 의해 노즐 베인 (18) 의 외주측 선단 (18a) 이 둘러싸여 있는 상태로부터 노즐 외륜 (16) 과 노즐 베인 (18) 을 축 방향으로 이간시켜 노즐 베인 (18) 을 노출시킴으로써, 노즐 외륜 (16) 에 의해 노즐 베인 (18) 의 외주측 선단 (18a) 이 둘러싸여 있지 않은 상태 (도 3 참조) 에서, 외측 노즐 통로 (24) 에 대응하는 부분 (24a) 을 용이하게 청소할 수 있다.
일 실시형태에서는, 예를 들어 도 1 에 나타내는 바와 같이, 터빈 (2) 은, 터빈 동익 (6) 을 통과한 배기 가스를 안내하기 위한 출구 안내통 (44) 을 구비하고, 노즐 외륜 (16) 은, 출구 안내통 (44) 과는 별도 부품으로서 구성됨과 함께 출구 안내통 (44) 에 고정되어 있다. 이 때문에, 예를 들어 노즐 외륜 (16) 의 재질을 출구 안내통 (44) 의 재질과는 독립적으로 선택할 수 있어, 설계 자유도를 높일 수 있다.
일 실시형태에서는, 예를 들어 도 1 에 나타내는 바와 같이, 출구 안내통 (44) 은, 터빈 동익 (6) 에 면하는 동익측 유로벽 (46) 과, 동익측 유로벽 (46) 으로부터 동익측 유로벽 (46) 의 외주측으로 분기되어 연장됨과 함께 출구측 케이싱 (12) 에 고정되는 외주측 연장부 (48) 를 갖고, 노즐 외륜 (16) 은, 동익측 유로벽 (46) 과 외주측 연장부 (48) 사이에 형성되는 공간 (50) 을 덮도록 형성되어 있다. 이로써, 그 공간 (50) 으로 배기 가스가 들어가는 것에서 기인되는 터빈 효율의 저하를 억제할 수 있다.
일 실시형태에서는, 예를 들어 도 4 에 나타내는 바와 같이, 터빈 로터 (4) 의 축 방향에 있어서의 각 위치에 있어서, 터빈 로터 (4) 의 직경 방향에 있어서의 칸막이판 (20) 과 노즐 내륜 (14) 의 간격 (D1) 은, 터빈 로터 (4) 의 직경 방향에 있어서의 칸막이판 (20) 과 노즐 외륜 (16) 의 간격 (D2) 보다 크다.
특허문헌 1 의 도 1 및 도 2 에 기재되는 터보 과급기는, 개폐 밸브 (41) 가 열려 있는 상태 및 닫혀 있는 상태의 양방에 있어서, 터빈 노즐 (25) 중 격벽 (42) 의 외주측으로 배기 가스가 흐르도록 구성되어 있었기 때문에, 터빈 동익의 선단과 그 선단에 대향하는 슈라우드벽의 간극을 지나는 배기 가스가 터빈 효율 저하에 미치는 영향이 비교적 컸다.
이에 반해, 도 1 ∼ 도 4 를 이용하여 설명한 터보 과급기 (100) 에 의하면, 터빈 노즐 (8) 중 칸막이판 (20) 의 외주측의 외측 노즐 통로 (24) 에는, 밸브 (40) 가 열려 있을 때에만 배기 가스가 유도되고 밸브 (40) 가 닫혀 있을 때에 배기 가스가 유도되지 않는다. 이 때문에, 터빈 동익 (6) 의 선단과 그 선단에 대향하는 슈라우드벽 (출구 안내통 (44) 에 있어서의 상기 서술한 동익측 유로벽) (46) 의 간극을 지나는 배기 가스가 터빈 효율 저하에 미치는 영향을 작게 할 수 있다. 또, 인접하는 노즐 베인 (18) 끼리의 간격은, 터빈 로터 (4) 의 직경 방향에 있어서 외측을 향함에 따라 커지기 때문에, 노즐 외륜 (16) 과 칸막이판 (20) 의 간격이 비교적 작아도 밸브 (40) 의 개폐에 수반하여 터빈 노즐 (8) 의 유로 면적을 크게 변화시킬 수 있다.
일 실시형태에서는, 예를 들어 도 4 에 나타내는 바와 같이, 칸막이판 (20) 은, 터빈 동익 (6) 에 가까워짐에 따라 터빈 로터 (4) 의 직경 방향에 있어서의 노즐 내륜 (14) 과의 간격 (D1) 이 작아지도록 비스듬하게 설치되어 있다.
이로써, 칸막이판 (20) 을 따라 흐르는 배기 가스가, 하류측을 향함에 따라 터빈 로터 (4) 의 직경 방향에 있어서의 내측을 향하기 때문에, 밸브 (40) 를 연 상태에 있어서, 터빈 동익 (6) 의 외주측 선단과 그 선단에 대향하는 슈라우드벽 (출구 안내통 (44) 에 있어서의 상기 서술한 동익측 유로벽) (46) 사이의 간극을 지나는 배기 가스의 양을 줄일 수 있다. 이로써, 터빈 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기 서술한 실시형태에 한정되는 경우는 없고, 상기 서술한 실시형태에 변형을 가한 형태나, 이것들의 형태를 적절히 조합한 형태도 포함한다.
예를 들어, 도 1 에 나타낸 실시형태에서는, 노즐 외륜 (16) 은, 출구 안내통 (44) 과는 별도 부품으로서 구성되어 있고, 출구 안내통 (44) 에 고정되어 있었지만, 노즐 외륜 (16) 의 형태는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어 도 5 에 나타내는 바와 같이, 노즐 외륜 (16) 은 출구 안내통 (44) 의 일부에 의해 구성되어 있어도 된다. 이로써, 노즐 외륜 (16) 을 출구 안내통 (44) 과 별도 부품으로서 구성하는 경우와 비교하여, 부품 점수를 삭감하여 터보 과급기 (100) 의 구성을 간소화할 수 있다.
또, 도 1 에 나타낸 실시형태에서는, 밸브 (40) 의 개폐를 제어부 (42) 에 의해 실시하는 형태를 설명하였지만, 밸브 (40) 의 개폐는 수동으로 실시해도 된다. 또, 몇 가지 실시형태에서는, 도 1 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 입구측 케이싱 (10) 및 출구측 케이싱 (12) 각각에 단열재 (80) 가 장착되어 있어도 된다.
2 : 터빈
4 : 터빈 로터
6 : 터빈 동익
8 : 터빈 노즐
10 : 입구측 케이싱
12 : 출구측 케이싱
14 : 노즐 내륜
16 : 노즐 외륜
18 : 노즐 베인
20 : 칸막이판
21 : 노즐 링
22 : 내측 노즐 통로
24 : 외측 노즐 통로
26 : 제 1 케이싱
28 : 제 2 케이싱
28a : 외주면
30 : 바이패스관
32 : 제 1 유로
34 : 제 2 유로
36 : 제 1 개구부
38 : 제 2 개구부
40 : 밸브
42 : 제어부
44 : 출구 안내통
46 : 동익측 유로벽
48 : 외주측 연장부
50 : 공간
52 : 일단측 고정부
54 : 타단측 고정부
56 : 확경부
58 : 제 1 유로 형성부
60 : 제 2 유로 형성부
62 : 일단측 연결부
64 : 타단측 고정부
66 : 단부
68 : 일부
69 : 배기 가스 입구
70 : 배기 가스 출구
72 : 공간
74 : 로터 로크용의 요구
76a, 76b, 76c : 볼트
78 : 베어링
80 : 단열재
100 : 터보 과급기

Claims (11)

  1. 회전 가능하게 형성된 터빈 로터와,
    상기 터빈 로터의 터빈 동익의 상류측에 형성된 터빈 노즐과,
    상기 터빈 노즐로 배기 가스를 유도하도록 구성된 입구측 케이싱을 포함하고,
    상기 터빈 노즐은,
    노즐 내륜과,
    노즐 외륜과,
    상기 노즐 내륜 및 상기 노즐 외륜 사이에 상기 터빈 로터의 둘레 방향을 따라 배치된 복수의 노즐 베인과,
    상기 노즐 베인의 날개 높이 방향에 있어서의 도중 위치에서 상기 노즐 베인 각각과 교차하도록 형성되고, 상기 노즐 내륜과의 사이에 내측 노즐 통로를 형성함과 함께 상기 노즐 외륜과의 사이에 외측 노즐 통로를 형성하는 환상의 칸막이판을 포함하고,
    상기 입구측 케이싱은,
    일단측 및 타단측에 각각 개구를 갖고, 상기 일단측의 개구로부터 상기 타단측의 개구까지 연속되는 내측 공간을 갖는 통 형상의 제 1 케이싱과,
    상기 제 1 케이싱의 외주측에 위치하는 제 2 케이싱으로서, 상기 내측 노즐 통로로 상기 배기 가스를 유도하기 위한 제 1 유로를 상기 제 1 케이싱과의 사이에 형성함과 함께, 상기 외측 노즐 통로로 상기 배기 가스를 유도하기 위한 제 2 유로를 상기 제 1 유로의 외주측에 형성하는 제 2 케이싱과,
    상기 제 2 케이싱의 외주면에 형성된 제 1 개구부를 통하여 일단측에서 상기 제 1 유로에 접속함과 함께, 상기 제 2 케이싱의 상기 외주면에 형성된 제 2 개구부를 통하여 타단측에서 상기 제 2 유로에 접속하도록 구성된 바이패스관을 포함하고,
    상기 바이패스관에 밸브가 형성된 터빈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈 로터의 축 방향에 있어서의 각 위치에 있어서, 상기 터빈 로터의 직경 방향에 있어서의 상기 칸막이판과 상기 노즐 내륜의 간격은, 상기 터빈 로터의 직경 방향에 있어서의 상기 칸막이판과 상기 노즐 외륜의 간격보다 큰 터빈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐 외륜은 상기 노즐 베인에 접합되어 있지 않은 터빈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 터빈은, 상기 터빈 동익을 통과한 상기 배기 가스를 안내하기 위한 출구 안내통을 구비하고,
    상기 노즐 외륜은, 상기 출구 안내통과는 별도 부품으로서 구성됨과 함께 상기 출구 안내통에 고정되어 있는 터빈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 터빈은, 상기 터빈 동익을 통과한 상기 배기 가스를 배출시키기 위한 출구측 케이싱을 추가로 구비하고,
    상기 출구 안내통은, 상기 터빈 동익에 면하는 동익측 유로벽과, 상기 동익측 유로벽으로부터 상기 동익측 유로벽의 외주측으로 분기되어 연장됨과 함께 상기 출구측 케이싱에 고정되는 외주측 연장부를 갖고,
    상기 노즐 외륜은, 상기 동익측 유로벽과 상기 외주측 연장부 사이에 형성되는 공간을 덮도록 형성되어 있는 터빈.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 터빈은, 상기 터빈 동익을 통과한 상기 배기 가스를 안내하기 위한 출구 안내통을 구비하고,
    상기 노즐 외륜은, 상기 출구 안내통의 일부에 의해 구성되는 터빈.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 칸막이판은, 상기 터빈 동익에 가까워짐에 따라 상기 노즐 내륜과의 간격이 작아지도록 비스듬하게 설치되어 있는 터빈.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 케이싱은, 상기 노즐 내륜으로부터 상기 터빈 로터의 축 방향으로 멀어짐에 따라 내경 및 외경이 커지도록 구성된 확경부를 포함하는, 터빈.
  9. 회전 가능하게 형성된 터빈 로터와,
    상기 터빈 로터의 터빈 동익의 상류측에 형성된 터빈 노즐과,
    상기 터빈 노즐로 배기 가스를 유도하도록 구성된 입구측 케이싱을 포함하고,
    상기 터빈 노즐은,
    노즐 내륜과,
    노즐 외륜과,
    상기 노즐 내륜 및 상기 노즐 외륜 사이에 상기 터빈 로터의 둘레 방향을 따라 배치된 복수의 노즐 베인과,
    상기 노즐 베인의 날개 높이 방향에 있어서의 도중 위치에서 상기 노즐 베인 각각과 교차하도록 형성되고, 상기 노즐 내륜과의 사이에 내측 노즐 통로를 형성함과 함께 상기 노즐 외륜과의 사이에 외측 노즐 통로를 형성하는 환상의 칸막이판을 포함하고,
    상기 입구측 케이싱은,
    통 형상의 제 1 케이싱과,
    상기 제 1 케이싱의 외주측에 위치하는 제 2 케이싱으로서, 상기 내측 노즐 통로로 상기 배기 가스를 유도하기 위한 제 1 유로를 상기 제 1 케이싱과의 사이에 형성함과 함께, 상기 외측 노즐 통로로 상기 배기 가스를 유도하기 위한 제 2 유로를 상기 제 1 유로의 외주측에 형성하는 제 2 케이싱과,
    상기 제 2 케이싱의 외주면에 형성된 제 1 개구부를 통하여 일단측에서 상기 제 1 유로에 접속함과 함께, 상기 제 2 케이싱의 상기 외주면에 형성된 제 2 개구부를 통하여 타단측에서 상기 제 2 유로에 접속하도록 구성된 바이패스관을 포함하고,
    상기 바이패스관에 밸브가 형성되고,
    상기 노즐 외륜은 상기 노즐 베인에 접합되어 있지 않은, 터빈.
  10. 회전 가능하게 형성된 터빈 로터와,
    상기 터빈 로터의 터빈 동익의 상류측에 형성된 터빈 노즐과,
    상기 터빈 노즐로 배기 가스를 유도하도록 구성된 입구측 케이싱을 포함하고,
    상기 터빈 노즐은,
    노즐 내륜과,
    노즐 외륜과,
    상기 노즐 내륜 및 상기 노즐 외륜 사이에 상기 터빈 로터의 둘레 방향을 따라 배치된 복수의 노즐 베인과,
    상기 노즐 베인의 날개 높이 방향에 있어서의 도중 위치에서 상기 노즐 베인 각각과 교차하도록 형성되고, 상기 노즐 내륜과의 사이에 내측 노즐 통로를 형성함과 함께 상기 노즐 외륜과의 사이에 외측 노즐 통로를 형성하는 환상의 칸막이판을 포함하고,
    상기 입구측 케이싱은,
    통 형상의 제 1 케이싱과,
    상기 제 1 케이싱의 외주측에 위치하는 제 2 케이싱으로서, 상기 내측 노즐 통로로 상기 배기 가스를 유도하기 위한 제 1 유로를 상기 제 1 케이싱과의 사이에 형성함과 함께, 상기 외측 노즐 통로로 상기 배기 가스를 유도하기 위한 제 2 유로를 상기 제 1 유로의 외주측에 형성하는 제 2 케이싱과,
    상기 제 2 케이싱의 외주면에 형성된 제 1 개구부를 통하여 일단측에서 상기 제 1 유로에 접속함과 함께, 상기 제 2 케이싱의 상기 외주면에 형성된 제 2 개구부를 통하여 타단측에서 상기 제 2 유로에 접속하도록 구성된 바이패스관을 포함하고,
    상기 바이패스관에 밸브가 형성되고,
    상기 칸막이판은, 상기 터빈 동익에 가까워짐에 따라 상기 노즐 내륜과의 간격이 작아지도록 비스듬하게 설치되어 있는, 터빈.
  11. 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스에 의해 구동되는 터빈을 구비한 터보 과급기로서, 상기 터빈은 제 1 항 내지 제 6 항, 제 9 항 또는 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 터빈인, 터보 과급기.
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