WO2012132523A1

WO2012132523A1 - ターボ過給機

Info

Publication number: WO2012132523A1
Application number: PCT/JP2012/051590
Authority: WO
Inventors: 白石　啓一; 伊藤　仁一
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2012-01-26
Publication date: 2012-10-04
Also published as: EP2693018A4; KR20130135926A; EP2693018A1; CN103477050B; KR101529411B1; JP2012215129A; JP5342594B2; CN103477050A

Abstract

内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、密度の高い空気を内燃機関の燃焼室内へ強制的に送り込むターボ過給機であって、内燃機関から排出される排気ガスによって回転駆動されるタービン動翼と、タービン動翼に排気ガスを導くタービンノズル（２５）と、を備え、タービンノズル（２５）は、その半径方向の途中位置にタービンノズル（２５）を分割する仕切部材を有し、仕切部材の外周側（４２ｂ）は、タービンノズル（２５）に導かれる排気ガスの上流側から下流側に向かってタービンノズル（２５）の内周側へと傾斜することを特徴とする。

Description

ターボ過給機

　本発明は、例えば、舶用内燃機関や発電用内燃機関等の大型内燃機関と組み合わせて使用されるターボ過給機に関するものである。

　一般に、ターボ過給機は、内燃機関へ密度の高い燃焼空気を強制的に送り込むために用いられる。このようなターボ過給機としては、簡単な構成で、かつ、製造費およびメンテナンス費を低減させることができて、タービンの性能を向上させることができるものとして、タービンノズルに導かれる排気ガスをタービンノズルの全体方向において分割して導く方法が、例えば、特許文献１に開示されている。

　図２には、特許文献１に開示されたターボ過給機１０のタービン２０側の内部構成例を断面で示す一部断面構成図が示されている。図２において、タービンノズル２５には、その全体の途中位置にロータ軸３１と略平行にタービンノズル２５を分割している隔壁４２が設けられている。この隔壁４２よりもタービンノズル２５の外周側には、排気ガス流路２６から排気ガスが導かれ、隔壁４２よりもタービンノズル２５の内周側には、排気ガス流路３６から排気ガスが導かれるようになっている。

　排気ガス流路３６には、ガス入口ケーシング２７の排気ガス流路２６との間を接続している排気ガス管３８が接続されており、排気ガス管３８上に設けられている開閉弁４１の開度を内燃機関（図示せず）の負荷に応じて制御することによって排気ガスが導かれている。

　すなわち、内燃機関が低負荷運転により内燃機関から排出される排気ガス量が少ない場合には、開閉弁４１を全閉状態として、排気ガス流路２６にのみ排気ガスを導き、内燃機関が高負荷運転により内燃機関から排出される排気ガス量が多い場合には、開閉弁４１を全開状態として排気ガス流路２６および排気ガス流路３６の両方に排気ガスを導く構造となっている。

特開２０１０－２１６４６８号公報

　しかし、図２の場合には、開閉弁４１を全閉状態として排気ガス流路２６のみから排気ガスをタービンノズル２５へと導いた場合には、排気ガスがタービンノズル２５に設けられている隔壁４２に沿ってタービンノズル２５の下流側に流れる。そのため、タービンノズル２５から導出された排気ガスがタービン動翼３０の全体に導かれなくなり、タービンノズル２５に隔壁４２を設けていないターボ過給機に比べてタービン効率が低下するという問題があった。

　本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、かつ、タービン効率を向上させることが可能なターボ過給機を提供することを目的とする。

　本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
　本発明に係るターボ過給機は、内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、密度の高い空気を前記内燃機関の燃焼室内へ強制的に送り込むターボ過給機であって、前記内燃機関から排出される排気ガスによって回転駆動されるタービン動翼と、該タービン動翼に前記排気ガスを導くタービンノズルと、を備え、該タービンノズルは、その半径方向の途中位置に該タービンノズルを分割する仕切部材を有し、該仕切部材の外周側は、前記タービンノズルに導かれる前記排気ガスの上流側から下流側に向かって前記タービンノズルの内周側へと傾斜する。

　内燃機関から排出された排気ガスが導かれるターボ圧縮機のタービンノズルには、その半径方向の途中位置に仕切部材を設けて、その仕切部材の外周側がタービンノズルに導かれる排気ガスの上流側から下流側に向かってタービンノズルの内周側へと傾斜することとした。そのため、仕切部材よりも半径方向外側のタービンノズルを流れる排気ガスは、仕切部材の外周側に沿ってタービンノズルの内周側に導かれることとなる。これにより、タービンノズルから導出する排気ガスをタービン動翼の全体に導くことができる。したがって、仕切部材の外周側を傾斜させなかった場合に比べて、タービン効率を向上させることができる。
　さらに、タービン動翼の全体に排気ガスを導くことができるので、仕切部材の外周側を傾斜させなかった場合に比べて、振動応力を低減することができる。したがって、ターボ過給機の健全性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るターボ過給機のタービンノズルと仕切板との縦断面を示す部分拡大図である。従来のターボ過給機のタービン側の内部構成例を断面で示す一部断面構成図である。

　以下、本発明の一実施形態に係るターボ過給機の構成について、図１に示す本発明の一実施形態に係るターボ過給機のタービンノズルと仕切板との縦断面を示す部分拡大図と、図２に示す従来のターボ過給機のタービン側の内部構成を示す一部断面構成図とを用いて説明する。
　ここで、図２は、タービンおよび圧縮機を同軸に設けた大型内燃機関用のターボ過給機のタービン側の内部構成例を断面で示す一部断面構成図である。

　ターボ過給機（「排気タービン過給機」ともいう。）１０は、内燃機関（図示せず）の燃焼用空気を圧縮し、密度の高い空気を内燃機関の燃焼室（図示せず）内へ強制的に送り込むものである。ターボ過給機１０は、内燃機関から排出される排気ガスによって回転駆動されるタービン動翼３０と、タービン動翼３０に排気ガスを導くタービンノズル２５と、を備えている。

　ターボ過給機１０は、タービン２０に導入した内燃機関の排気ガスが膨張して得られる軸出力により同軸３１の圧縮機（図示せず）を回転させ、高密度に圧縮した圧縮空気を内燃機関に供給するように構成された、例えば、軸流式のタービンである。
　なお、図２中に格子状のハッチングで示す部分は、断熱および防音の目的で設置された断熱材１１である。

　タービン２０は、別体の内側ケーシング２１および外側ケーシング２２を締結手段（例えば、スタッドボルト２３およびナット２４）により一体化し、内側ケーシング２１と外側ケーシング２２との間に形成される空間が排気ガスをタービンノズル２５に導くための排気ガス流路（主排気ガス流路）２６となるよう構成されたガス入口ケーシング２７を備えている。

　このような二重構造のガス入口ケーシング２７では、排気ガス流路２６がタービン２０の回転方向の全周にわたって形成されており、ガス入口ケーシング２７のガス入口２７ａから図２中に矢印Ｇｉで示すように導入された排気ガスは、排気ガス流路２６を通ってガス出口２７ｂに導かれた後、図２中に矢印Ｇｏで示すようにしてガス出口ケーシング２８の出口から外部へ排出される。また、ガス出口２７ｂは、回転方向の全周にわたってタービンノズル２５へ排気ガスを供給するように開口して設けられている。

　なお、図２中の符号２９は、タービン動翼３０の下流側に設けられたガス案内筒である。
　また、タービン２０は、ロータ軸３１の一端部に設けられたロータディスク３２と、このロータディスク３２の周縁部に、周方向に沿って取り付けられた多数のタービン動翼３０とを備えている。タービン動翼３０は、タービンノズル２５の出口となる下流側に近接して設けられている。そして、タービンノズル２５から噴出する高温の排気ガスがタービン動翼３０を通過して膨張することにより、ロータディスク３２およびロータ軸３１が回転するようになっている。

　上述した二重構造のガス入口ケーシング２７において、内側ケーシング２１の一端部は、外側ケーシング２２の一端部に締結手段（例えば、スタッドボルト２３およびナット２４）により固定支持されている。すなわち、内側ケーシング２１は、ロータディスク３２の反対側となる紙面右側のケーシング端部に形成されたフランジ面２１ａと、このフランジ面２１ａに対向するように形成された外側ケーシング２２のフランジ面２２ａとを重ね合わせた状態にして、この状態で締結手段（例えば、ナット２４）を締め付けていくことにより固定支持されている。これらのフランジ面２１ａ、２２ａは、いずれもロータディスク３２と一体に回転するロータ軸３１の軸方向と直交する面とされている。

　また、内側ケーシング２１の他端（ロータディスク３２側の端部）内周部（他端部内周側）は、中空円筒状の部材３３がボルト３４を介して結合される（取り付けられる）構造とされており、部材３３の端面（ロータディスク３２側の端面）には、タービンノズル２５を形成するリング状部材であるノズルリングの内周側部材２５ａがボルト３５を介して結合されて（取り付けられて）いる。一般にノズルリングと呼ばれてタービンノズル２５を形成するリング状部材は、所定の間隔を有する内周側部材２５ａおよび外周側部材２５ｂのリング部材間を隔壁（仕切部材）４２で連結した二重リング構造とされている。

　一方、タービンノズル２５を形成するノズルリングの外周側部材２５ｂは、ガス入口側（ガス出口２７ｂの側）の端部内周面２５ｃがラッパ形状に拡径されている。また、外側ケーシング２２のロータディスク３２側の端部には、外側ケーシング２２の内周面をロータディスク３２の方向へ折曲するようにして形成された段差部２２ｂが設けられている。そして、この段差部２２ｂと、ノズルリングのガス入口側の端部に設けられた段差部２５ｄとが軸方向で係合（嵌合）するように構成されている。

　さらに、ノズルリングの外周側部材２５ｂには、ガス出口側（タービン動翼３０の側）となる端部にガス案内筒２９が連結されている。ノズルリングの外周側部材２５ｂとガス案内筒２９との連結部は、互いの端部どうしを嵌合させたインロー構造とされている。

　内側ケーシング２１の内周側（半径方向内側）には、排気ガス流路２６の途中で分岐された排気ガスをタービンノズル２５の内周側（半径方向内側）に導く排気ガス流路（副排気ガス流路）３６が、タービン２０の回転方向の全周にわたって形成されている。この排気ガス流路３６は、排気ガス流路２６の内周側（半径方向内側）に設けられており、排気ガス流路２６と排気ガス流路３６とは、内側ケーシング２１を形成する隔壁３７によって仕切られている。

　また、内側ケーシング２１の一端内周部（一端部内周側）には、配管３８を接続するためのフランジ３９が設けられており、配管３８の途中には、制御装置４０によって自動的に開閉される開閉弁（例えば、バタフライ弁）４１が接続されている。そして、排気ガス流路２６の途中で分岐された排気ガスは、フランジ３９および配管３８を通って排気ガス流路３６に導かれるようになっている。

　タービンノズル２５は、その半径方向の途中位置にタービンノズル２５を分割する隔壁４２を有している。すなわち、タービンノズル２５の根元側（ノズルリングの内周側部材２５ａの側）には、その内周面（半径方向内側の表面）４２ａが、隔壁３７の内周面（半径方向内側の表面）３７ａと同一平面を形成するとともに、タービンノズル２５の内周側と外周側とを仕切る隔壁４２が設けられている。

　図１には、本実施形態のノズルリングと隔壁４２との縦断面を示す部分拡大図が示されている。
　図１に示すように、隔壁４２の内周面４２ａは、隔壁３７の内周面（半径方向内側の表面）３７ａと同一平面を形成するとともに、ロータ軸３１（図２参照）およびノズルリングの内周側部材２５ａと略平行となっている。

　また、隔壁４２の外周面（外周側）４２ｂは、ノズルリングを形成するタービンノズル２５の入口側において隔壁３７の外周面（半径方向外側の表面）３７ｂと同一平面を形成している。隔壁４２の外周面４２ｂは、排気ガス流路２６から外周側のタービンノズル２５に導かれる排気ガスの上流側から下流側（図１において右側から左側）に向かってタービンノズル２５の内周側へと傾斜するテーパー形状とされている。

　外周側のタービンノズル２５に導かれる排気ガスの上流側から下流側に向かってテーパー形状とされている隔壁４２の外周面４２ｂは、そのテーパー角度が例えば２０°程度とされている。
　なお、隔壁４２の排気ガスの上流側の位置は、タービンノズル２５の根元における位置（内周側部材２５ａと接合されている位置）を全体０％、タービンノズル２５の先端における位置（外周側部材２５ｂと接合されている位置）を全体１００％とした場合、全体約１０％の位置に設けられている。

　このように構成されたターボ過給機１０（図２参照）における排気ガスの流れについて説明する。
　例えば、内燃機関の負荷が低く、排気ガスの量が少ない場合には、開閉弁４１が全閉状態とされ、内燃機関の負荷が高く、排気ガスの量が多い場合に開閉弁４１が全開状態とされる。

　すなわち、内燃機関の負荷が低く、排気ガスの量が少ない場合には、ガス入口ケーシング２７のガス入口２７ａから導入された排気ガスの全量が、排気ガス流路２６を通ってガス出口２７ｂに導かれる。ガス出口２７ｂに導かれた排気ガスは、ガス出口２７ｂからタービンノズル２５の外周側（外周側部材２５ｂと隔壁４２とで仕切られた空間内）に導かれる。

　タービンノズル２５の外周側に導かれた排気ガスは、タービンノズル２５に設けられている隔壁４２の外周面４２ｂ（図１参照）がタービンノズル２５に導かれる排気ガスの上流側から下流側に向かって下降傾斜のテーパー形状となっているので、テーパー形状の隔壁４２の外周面４２ｂに沿ってタービンノズル２５の内周側に流れる。そのため、タービンノズル２５の下流側から導出される排気ガスは、タービン動翼３０（図２参照）の全体に渡って導かれることとなる。このようにタービン動翼３０の全体に導かれた排気ガスは、タービン動翼３０を通過する際に膨張してロータディスク３２およびロータ軸３１を回転させる。

　一方、内燃機関の負荷が高く、排気ガスの量が多い場合には、ガス入口ケーシング２７のガス入口２７ａから導入された排気ガスの大半（約７０～９５％）が、排気ガス流路２６を通ってガス出口２７ｂに導かれ、ガス入口ケーシング２７のガス入口２７ａから導入された排気ガスの一部（約５～３０％）が、フランジ３９、配管３８、開閉弁４１、排気ガス流路３６を通ってガス出口３６ａに導かれる。ガス出口２７ｂに導かれた排気ガスは、回転方向の全周にわたって開口するガス出口２７ｂからタービンノズル２５の外周側（外周側部材２５ｂと隔壁４２とで仕切られた空間内）に導かれる。

　タービンノズル２５の外周側に導かれた排気ガスは、タービンノズル２５に設けられている隔壁４２の外周面４２ｂ（図１参照）がタービンノズル２５の下流側に向かって下降傾斜のテーパー形状となっているので、テーパー形状の隔壁４２の外周面４２ｂに沿って流れる。そのため、タービンノズル２５の下流側から導出される排気ガスは、タービン動翼３０（図２参照）の全体に渡って導かれることとなる。このようにタービン動翼３０の全体に導かれた排気ガスは、タービン動翼３０を通過する際に膨張してロータディスク３２およびロータ軸３１を回転させる。

　さらに、ガス出口３６ａに導かれた排気ガスは、回転方向の全周にわたって開口するガス出口３６ａからタービンノズル２５の内周側（内周側部材２５ａと隔壁４２とで仕切られた空間内）に導かれる。

　タービンノズル２５の内周側に導かれた排気ガスは、タービンノズル２５に設けられている隔壁４２の内周面４２ａに沿って流れる。そのため、タービンノズル２５の下流側から導出される排気ガスは、タービン動翼３０の内周側に導かれることとなる。このようにタービン動翼３０の内周側に導かれた排気ガスは、タービン動翼３０を通過する際に膨張してロータディスク３２およびロータ軸３１を回転させる。

　これらのように、排気ガスがタービン動翼３０を通過する際に膨張してロータディスク３２およびロータ軸３１を回転させることにより、ロータ軸３１の他端部に設けられた圧縮機が駆動され、内燃機関に供給する空気が圧縮される。

　なお、圧縮機で圧縮される空気は、フィルター（図示せず）を通して吸入され、タービン動翼３０で膨張した排気ガスは、ガス出口案内筒２９およびガス出口ケーシング２８に導かれて外部へ流出する。
　また、開閉弁４１は、例えば、圧縮機から送出（吐出）される空気の圧力、または内燃機関の燃焼室に供給される空気の圧力が絶対圧力で０．２ＭＰａ（２ｂａｒ）よりも低い場合、すなわち、内燃機関が低負荷運転されている場合に全閉状態とされ、圧縮機から送出（吐出）される空気の圧力、または内燃機関の燃焼室に供給される空気の圧力が絶対圧力で０．２ＭＰａ（２ｂａｒ）以上の場合、すなわち、内燃機関が高負荷運転されている場合に全開状態とされる。

　以上の通り、本実施形態に係るターボ過給機１０によれば、以下の作用効果を奏する。
　内燃機関（図示せず）から排出された排気ガスが導かれるターボ圧縮機１０のタービンノズル２５には、その半径方向の途中位置に隔壁（仕切部材）４２を設けて、その隔壁４２の外周面（外周側）４２ｂがタービンノズル２５に導かれる排気ガスの上流側から下流側に向かってタービンノズル２５の内周側へと傾斜することとした。そのため、隔壁４２よりも半径方向外側のタービンノズル２５を流れる排気ガスは、隔壁４２の外周面４２ｂに沿ってタービンノズル２５の内周側に導かれることとなる。これにより、タービンノズル２５から導出する排気ガスをタービン動翼３０の全体に導くことができる。したがって、隔壁４２の外周面４２ｂを傾斜させなかった場合に比べて、タービン効率を向上させることができる。

　さらに、タービン動翼３０の全体に排気ガスを導くことができるので、隔壁４２の外周面４２ｂを傾斜させなかった場合に比べて、振動応力を低減することができる。したがって、ターボ過給機１０の健全性を向上させることができる。

　本実施形態では、隔壁４２の外周面４２ｂのテーパー角度を２０°程度として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、タービンノズル２５の下流側からタービン動翼３０に導かれる排気ガスがタービン動翼３０の全体に導かれる角度であれば良い。

　また、本実施形態では、ノズルリングの隔壁４２の外周面４２ｂがタービンノズル２５の上流側から下流側に向かって漸次下降傾斜するテーパー形状として説明したが、開閉弁４１を閉じたとき下流側に向かって排気ガス流れをタービンノズル２５の内周側に導く形状、例えば、円錐面状であったり、曲面状であっても、タービンノズル２５を通過した排気ガスがタービン動翼３０の根元側に導かれる形状であれば良い。

　さらに、本実施形態では、軸流タービンを用いて説明したが、遠心式／斜流式のタービンや、パワータービン等の回転機械にも適用可能である。

　１０　ターボ過給機
　２５　タービンノズル
　３０　タービン動翼
　４０　仕切部材（隔壁）
　４２ｂ　外周側（外周面）

Claims

　内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、密度の高い空気を前記内燃機関の燃焼室内へ強制的に送り込むターボ過給機であって、
　前記内燃機関から排出される排気ガスによって回転駆動されるタービン動翼と、
　該タービン動翼に前記排気ガスを導くタービンノズルと、
を備え、
　該タービンノズルは、その半径方向の途中位置に該タービンノズルを分割する仕切部材を有し、
　該仕切部材の外周側は、前記タービンノズルに導かれる前記排気ガスの上流側から下流側に向かって前記タービンノズルの内周側へと傾斜するターボ過給機。