WO2012127909A1

WO2012127909A1 - １軸２段過給機

Info

Publication number: WO2012127909A1
Application number: PCT/JP2012/052392
Authority: WO
Inventors: 白石　啓一; 伊藤　仁一
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2012-09-27
Also published as: JP2012197684A

Abstract

標準設計の過給機を有効利用して構成可能な１軸２段過給機を提供する。内燃機関から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部（３）と、該タービン部（３）により駆動されて内燃機関に外気を圧送する低圧段コンプレッサ部（５）及び高圧段コンプレッサ部（６）とを有する１軸２段過給機（１）が、タービン部（３）と低圧段コンプレッサ部（５）とが主回転軸（７）で連結されている過給機本体部（Ｔｍ）と、主回転軸（７）とフレキシブル継手（８）を介して回転軸（９）が連結され、かつ、前記過給機本体部（Ｔｍ）に固定支持されている高圧段コンプレッサ部（６）と、を備えている。

Description

１軸２段過給機

　本発明は、２段圧縮式排気タービン過給機に係り、特に、舶用内燃機関や陸上発電機用内燃機関等に装着される１軸２段過給機に関する。

　従来の２段圧縮式排気タービン過給機（２段過給機）は、２台の独立した過給機を組み合わせたものであり、一部の機関ですでに実用化されている。しかしながら、このような２段過給機を機関に搭載するには、大きな設置スペースの確保が必要となる。
　この欠点を補うべく、１台の過給機に２段コンプレッサを搭載した１軸２段過給機も提案されており、たとえば下記の特許文献１に開示されている。この１軸２段過給機では、２個の羽根車が延長された軸に取り付けられている。また、下記の特許文献２には、高圧段のコンプレッサケーシングに脚部を設けたものが開示されている。

特開平９－１５８７４１号公報特開２００８－２０８７３４号公報

　ところで、上述した特許文献１に開示されている１軸２段過給機は、延長した１本の軸に２個の羽根車を取り付けているので、オーバーハングの荷重が大きくなり、安定した回転を得ることは困難であった。さらに、このような１軸２段の構造では、１本の軸にタービン及び高低２段の羽根車を取り付けた構造のため、過給機の分解及び組立が困難になるという問題も指摘されている。
　本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、標準設計の過給機を有効利用して構成可能な１軸２段過給機を提供することにある。

　本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
　本発明の一態様に係る１軸２段過給機は、内燃機関から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部と、該タービン部により駆動されて前記内燃機関に外気を圧送する低圧段コンプレッサ部及び高圧段コンプレッサ部とを有する１軸２段過給機であって、前記タービン部と前記低圧段コンプレッサ部とが主回転軸で連結されている過給機本体部と、前記主回転軸とフレキシブル継手を介して回転軸が連結され、かつ、前記過給機本体部に固定支持されている前記高圧段コンプレッサ部と、を備えているものである。

　このような本発明の一態様の１軸２段過給機によれば、タービン部と低圧段コンプレッサ部とが主回転軸で連結されている過給機本体部と、主回転軸とフレキシブル継手を介して回転軸が連結され、かつ、過給機本体部に固定支持されている高圧段コンプレッサ部と、を備えているので、低圧段の過給機本体部については、標準構造の過給機をほとんど改造することなく略そのまま流用し、わずかな構造変更を行うだけで、高圧段のコンプレッサ部がフレキシブル継手を介して同軸に連結された１軸２段過給機となる。この場合、主回転軸と回転軸との間にフレキシブル継手が介在しているので、過給機の回転安定性に影響はなく、良好な状態に維持できる。

　上記の１軸２段過給機において、前記高圧段コンプレッサ部の前記回転軸及び軸受は、前記過給機本体部のサイレンサ内に内蔵されていることが好ましく、これにより、過給機全体の長さを抑えてコンパクトにすることができる。
　このような１軸２段過給機において、前記高圧段コンプレッサ部は、前記過給機本体部に互いのケーシング同士をボルト結合して、たとえば過給機本体部のサイレンサに固定支持されていることが好ましい。

　上述した本発明によれば、ほとんど改造不要な標準設計の過給機を有効利用して、低圧段コンプレッサ部または高圧段コンプレッサ部を備えた１軸２段過給機を構成することが可能になる。従って、わずかな構造変更を行うだけで、高圧段または低圧段のコンプレッサ部がフレキシブル継手を介して同軸に連結された１軸２段過給機となり、主回転軸と回転軸との間にフレキシブル継手が介在しているので、過給機の回転安定性を良好な状態に維持できるとともに、過給機の分解及び組立も容易になる。
　また、本発明の構造により、高圧段コンプレッサと低圧段コンプレッサの軸を近づけることが可能となるので、ローター全体の安定性が確保しやすく、バランスウェイト等の設置も不要とすることができる。

本発明に係る１軸２段過給機の一実施形態を示す縦断面図である。

　以下、本発明に係る１軸２段過給機の一実施形態を図面に基づいて説明する。
　図１の１軸２段過給機１は、図示しない内燃機関（たとえば、ディーゼルエンジンやガスタービンエンジン等）から導かれた排気ガス（燃焼ガス）２によって駆動されるタービン部３と、このタービン部３により駆動されて内燃機関に外気４を圧送する低圧段コンプレッサ部５及び高圧段コンプレッサ部６とを有している。すなわち、この１軸２段過給機１は、タービン部３と同軸の主回転軸７に設けられた低圧段コンプレッサ部５が外気４の第１段圧縮を行い、主回転軸７とフレキシブル継手８を介して連結されている回転軸９に設けられた高圧段コンプレッサ部６が外気４の第２段圧縮を行うように構成されている。

　換言すれば、１軸２段過給機１は、タービン部３と低圧段コンプレッサ部５とが主回転軸７で連結されている過給機本体部Ｔｍと、主回転軸７とフレキシブル継手８を介して回転軸９が連結され、かつ、過給機本体部Ｔｍに固定支持されている高圧段コンプレッサ部６とを備え、タービン部３を駆動源として、最初に低圧段コンプレッサ部５が外気４を圧縮する第１段圧縮を行い、さらに、高圧段コンプレッサ部６が第１段圧縮後の外気４を昇圧する第２段圧縮を行うことにより、２段圧縮により昇圧させた外気４を内燃機関に供給するように構成されている。

　過給機本体部Ｔｍは、ケーシング１０の内部にタービン部３及び低圧段コンプレッサ部５が収納され、左右一対の軸受１１に支持された主回転軸７にタービン・ロータ１２及び低圧段のコンプレッサ羽根車（以下、「低圧段羽根車」と呼ぶ）１３が設けられている。すなわち、主回転軸７の一端部側（紙面右側）にタービン・ロータ１２が設けられ、他端側（紙面左側）に低圧段羽根車１３が設けられるとともに、端部にフレキシブル継手８が連結されている。
　ケーシング１０は、内燃機関の排気系統に接続されて排気ガス２の少なくとも一部が供給される排気ガス通路１４を形成し、図中の符号１４ａが排気ガス路口となり、１４ｂが排気ガス出口となる。排気ガス通路１４には、タービン・ロータ１２のタービン・ブレード１２ａが配設されている。従って、タービン・ロータ１２は、排気ガス通路１４内に供給された排気ガス２の流れを受けて回転駆動される。

　また、ケーシング１０の下端部には、主回転軸７の軸線方向においてケーシング１０を一点で支持する（主回転軸７の軸線方向と直交する方向においては、二点以上で支持する場合もある）脚部１０ａが設けられており、この脚部１０ａは、床面に設置された基台（図示せず）に固定されるようになっている。
　なお、図中の符号Ｐ１はパンチング・プレートである。このパンチング・プレートＰ１は、その一端部がタービン部３の下端部に固定されているとともに、その他端部がケーシング１０の脚部１０ａと同様、基台に固定されている。

　低圧段コンプレッサ部５の上流側には、サイレンサ（消音器）１５が隣接配置されており、このサイレンサ１５を通過した外気４は、流入路１６を介して低圧段羽根車１３の羽根１３ａに導かれるようになっている。このサイレンサ１５は、上述したケーシング１０の高圧段コンプレッサ部６側となる側面に対して、複数のボルト１７を用いて固定されている。
　また、低圧段コンプレッサ部５の下流側には、第１段圧縮後の外気４を冷却するため、図示しない中間冷却器（インタークーラ）が設けられている。従って、渦巻き室１８を通過した外気４は、圧縮空気出口１８ａから流出して中間冷却器を通過した後、高圧段コンプレッサ部６に供給されるようになっている。なお、図中のクロスハッチング部は、１軸２段過給機１の外周面を必要に応じて覆う断熱材１９である。

　高圧段コンプレッサ部６は、過給機本体部Ｔｍに互いのケーシング同士をボルト結合して固定支持されている。図示の構成例では、たとえば過給機本体部Ｔｍのケーシング１０に固定されているサイレンサ１５に対し、高圧段コンプレッサ部６の高圧段ケーシング２０がボルト２０ａにより固定支持されている。この結果、高圧段コンプレッサ部６を含む１軸２段過給機１は、ケーシング１０の脚部１０ａにより、床面に設置された基台に固定されるようになっている。

　高圧段ケーシング２０の内部には、高圧段のコンプレッサ羽根車（以下、「高圧段羽根車」と呼ぶ）２１を設けた回転軸９が左右一対の軸受２２に支持された状態で収納設置されている。この回転軸９及び軸受２２は、過給機本体部Ｔｍのサイレンサ１５内に、すなわち外気４の導入路内に形成される回転軸中心部の空間１５ａ内に配設され、フレキシブル継手８を介して主回転軸７と連結された構成となっている。この結果、高圧段コンプレッサ部６の高圧段羽根車２１が過給機本体部Ｔｍとは独立した回転軸９に設けられ、この回転軸９は、左右一対の軸受２２で自重及び推力が支持された構成となる。

　換言すれば、回転軸９の一端部側（紙面左側）に高圧段羽根車２１を設け、回転軸９の他端側（紙面右側）にフレキシブル継手８が連結されているので、回転軸９は、フレキシブル継手８及び主回転軸７を介してタービン部３に駆動される。
　このように、回転軸９及び軸受２２がサイレンサ１５の空間１５ａ内に内蔵された構成は、すなわちシェルハウジング１０ｂの内部に内蔵された構成は、サイレンサ１５の空間１５ａを有効使用するものであり、従って、１軸２段過給機１の全体長さを抑えてコンパクトにすることができる。

　高圧段ケーシング２０には渦巻き室２３が形成され、中間冷却器で冷却された外気４を外気入口２３ａから導入して流入路２４を通過させることにより、高圧段羽根車２１の回転により羽根２１ａが外気４を昇圧する。こうして高圧段コンプレッサ部６で昇圧された外気４は、図示しない圧縮空気出口から内燃機関へ供給される。
　すなわち、上述した１軸２段過給機１では、導入した外気４が以下の順に圧縮される。最初に、サイレンサ１５から大気圧の外気４ａを導入した低圧段コンプレッサ部５が第１段圧縮を行い、大気圧から昇圧した外気４ｂとなって圧縮空気出口１８ａから流出する。この外気４ｂは、図示しない中間冷却器を通過することで冷却された外気４ｃとなり、この外気４ｃを外気入口２３ａから導入した高圧段コンプレッサ部６が第２段圧縮を行うことで、さらに昇圧された外気が圧縮空気出口から内燃機関へ供給される。

　上述した本実施形態の１軸２段過給機１によれば、タービン部３及び低圧段コンプレッサ部５の主回転軸７と、高圧段コンプレッサ部６の回転軸９とが、フレキシブル継手８を介して連結され、これら主回転軸７、回転軸９及びフレキシブル継手８が、１本の回転軸として回転することとなる。すなわち、１つのタービン部３によって２つのコンプレッサ部（低圧段コンプレッサ部５及び高圧段コンプレッサ部６）が駆動されることとなる。
　これにより、過給機全体の軸線方向（長手方向）の寸法を低減させることができて、過給機の小型化を図ることができる。また、低圧段コンプレッサ部５で圧縮された外気は、高圧段コンプレッサ部６でさらに圧縮されることとなるので、内燃機関に供給される外気の圧力比を上昇させることができる。

　また、本実施形態による１軸２段過給機１によれば、低圧段コンプレッサ部５から吐出された外気は、中間冷却器を通って冷却された後、高圧段コンプレッサ部６に導かれることとなるので、高圧段コンプレッサ６の材料として、比較的安価なアルミニウム合金を採用することができ、製造コストの低減化を図ることができるとともに、大量の外気を内燃機関に供給することができる。

　そして、過給機本体部Ｔｍと高圧段コンプレッサ部６とは、互いのケーシング１０，２０同士をボルト結合して一体化する構造とし、好ましくは、過給機本体部Ｔｍのケーシング１０と連結されたサイレンサ１５に高圧段ケーシング２０を複数のボルト２０ａで固定する構造とし、サイレンサ１５の軸中心部に形成される空間部１５ａ内に回転軸９及び軸受２２を設置してコンパクト化すれば、過給機本体部Ｔｍに標準構造の過給機をほとんど改造することなく略そのまま流用することができる。

　すなわち、標準構造の過給機にわずかな構造変更を施すことで過給機本体部Ｔｍが得られ、この過給機本体部Ｔｍにフレキシブル継手８を介して同軸に高圧段コンプレッサ部６を連結することで１軸２段過給機１となる。この場合、主回転軸７と回転軸９との間にフレキシブル継手８が介在し、しかも、高圧羽根車２１が独立した回転軸９及び軸受２２を備えているので、過給機の回転安定性に影響はなく、良好な状態に維持できる。

　また、上述した構成の１軸２段過給機１は、過給機本体部Ｔｍ側のケーシング１０に設けた脚部１０ａで床面に設置された基台に固定されるため、これによってもほとんど改造不要な標準設計の過給機を有効利用でき、しかも、主回転軸７と回転軸９との間にフレキシブル継手８が介在しているので、過給機の分解及び組立も容易になる。
　なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

　　１　　１軸２段過給機
　　２　　排気ガス
　　３　　タービン部
　　４　　外気
　　５　　低圧段コンプレッサ部
　　６　　高圧段コンプレッサ部
　　７　　主回転軸
　　８　　フレキシブル継手
　　９　　回転軸
　１０　　ケーシング
　１０ａ　　脚部
　１１，２２　　軸受
　１２　　タービン・ロータ
　１３　　コンプレッサ羽根車（低圧段羽根車）
　１４　　排気ガス通路
　１５　　サイレンサ
　１５ａ　　空間
　１６，２４　　流入路
　１７，２０ａ　　ボルト
　１８，２３　　渦巻き室
　２０　　高圧段ケーシング
　２１　　コンプレッサ羽根車（高圧段羽根車）

Claims

　内燃機関から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部と、該タービン部により駆動されて前記内燃機関に外気を圧送する低圧段コンプレッサ部及び高圧段コンプレッサ部とを有する１軸２段過給機であって、
　前記タービン部と前記低圧段コンプレッサ部とが主回転軸で連結されている過給機本体部と、
　前記主回転軸とフレキシブル継手を介して回転軸が連結され、かつ、前記前記過給機本体部に固定支持されている前記高圧段コンプレッサ部と、
を備えている１軸２段過給機。
　前記高圧段コンプレッサ部の前記回転軸及び軸受は、前記過給機本体部のサイレンサ内に内蔵されている請求項１に記載の１軸２段過給機。
　前記高圧段コンプレッサ部は、前記過給機本体部に互いのケーシング同士をボルト結合して固定支持されている請求項１または２に記載の１軸２段過給機。