WO2015033844A1 - タービン、ターボ過給機、内燃機関、及び船舶 - Google Patents

タービン、ターボ過給機、内燃機関、及び船舶 Download PDF

Info

Publication number
WO2015033844A1
WO2015033844A1 PCT/JP2014/072502 JP2014072502W WO2015033844A1 WO 2015033844 A1 WO2015033844 A1 WO 2015033844A1 JP 2014072502 W JP2014072502 W JP 2014072502W WO 2015033844 A1 WO2015033844 A1 WO 2015033844A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
exhaust gas
turbine
casing
bypass
opening
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/072502
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
白石　啓一
友嗣 小野
Original Assignee
三菱重工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三菱重工業株式会社 filed Critical 三菱重工業株式会社
Priority to EP14842587.9A priority Critical patent/EP3006694B1/en
Priority to CN201480038588.8A priority patent/CN105492738B/zh
Priority to KR1020167000287A priority patent/KR101834672B1/ko
Publication of WO2015033844A1 publication Critical patent/WO2015033844A1/ja

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/18—Control of the pumps by bypassing exhaust from the inlet to the outlet of turbine or to the atmosphere
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/105—Final actuators by passing part of the fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/18—Control of the pumps by bypassing exhaust from the inlet to the outlet of turbine or to the atmosphere
    • F02B37/183—Arrangements of bypass valves or actuators therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a turbine, a turbocharger, an internal combustion engine, and a ship.
  • Marine internal combustion engines, power generation internal combustion engines, and the like are required to have improved performance when operating at low loads.
  • a bypass pipe L2 has one end connected to the middle of the exhaust pipe L1 and the other end connected to the middle of the exhaust pipe L3. And an exhaust gas bypass control valve V1 provided in the middle of the bypass pipe L2 to control the flow rate of the exhaust gas led to the turbocharger 3.
  • V1 exhaust gas bypass control valve
  • the exhaust gas bypass system can not be applied to a ship that can not secure a space necessary to draw the bypass pipe L2 because the bypass pipe L2 has to be routed around the engine room with limited space. There was a problem. In addition, even if the space required to draw the bypass pipe L2 can be secured, a large-scale piping work must be performed to draw the bypass pipe L2 in the engine room, and there is a problem that the cost is not sufficient. .
  • an exhaust gas bypass passage 22b is provided inside the turbocharger 1. Therefore, unlike the exhaust gas bypass system of Patent Document 1, there is no need to provide a bypass pipe separately from the turbocharger.
  • a bypass chamber 32 is provided between an inner casing and an outer casing, and the exhaust gas is led to an exhaust gas bypass flow passage 22b communicated with the bypass chamber 32.
  • an inner peripheral side flow passage for guiding the exhaust gas to the axial flow turbine is provided between the inner casing and the outer casing, and the bypass chamber 32 and the inner peripheral side flow passage are partially communicated with each other.
  • an on-off valve is provided in a flow passage from the inlet where the exhaust gas flows into the turbocharger 1 to the bypass chamber 32. Therefore, even if the on-off valve is closed and the exhaust gas is not bypassed, the exhaust gas may flow out of the bypass chamber 32, which may adversely affect the performance of the turbocharger 1. .
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and it is possible to suppress the performance decrease when the on-off valve is closed, and to reduce the design man-hour and the manufacturing cost of the casing, a turbocharger, It is an object of the present invention to provide an internal combustion engine provided with
  • a turbine according to the present invention is a turbine driven by exhaust gas discharged from an internal combustion engine, and is provided on a turbine blade, a casing forming a flow path of the exhaust gas, and an outer periphery of the casing. It is characterized by comprising a bypass portion forming a bypass flow passage for introducing gas to the exhaust gas outlet without passing the turbine rotor blade, and an open / close valve opening / closing the bypass flow passage.
  • a bypass flow passage is formed by a bypass portion provided on an outer periphery of a casing forming a flow passage of exhaust gas discharged from an internal combustion engine.
  • the bypass flow channel is a flow channel that guides the exhaust gas to the exhaust gas outlet without passing the turbine blades, and an open / close valve is provided in the flow channel.
  • the casing is disposed on an inner casing coaxial with the rotation shaft of the turbine blade, and the casing is disposed outside the inner casing, and the rotation shaft of the turbine from the exhaust gas inlet
  • An outer casing that forms, together with the inner casing, an inner peripheral side flow passage for guiding the exhaust gas flowing in a direction intersecting the direction to the turbine moving blade, the outer casing intersecting the rotation axis direction
  • an outer peripheral side flow passage which is disposed on the outer peripheral side than the inner peripheral side flow passage and which guides the exhaust gas flowing in from the second opening to the exhaust gas outlet.
  • a turbine according to a first aspect of the present invention guides exhaust gas flowing in from an exhaust gas inlet to a turbine blade through an inner circumferential side flow passage formed by an inner casing and an outer casing. Exhaust gas having passed through the turbine blades is led to an exhaust gas outlet. Further, the exhaust gas flowing into the inner peripheral side flow passage along the direction intersecting the rotational axis direction of the turbine blade flows into the inlet portion of the bypass flow passage through the first opening of the outer casing. Since the first opening is open in a direction intersecting the rotational axis direction of the turbine blade, exhaust gas having a velocity component in a direction intersecting the rotational axis direction of the turbine blade is bypassed from the first opening It flows into the inlet of the flow channel. The exhaust gas flowing in from the first opening flows into the outer peripheral flow passage from the second opening, joins with the exhaust gas passing through the turbine blades, and is led to the exhaust gas outlet.
  • the bypass flow path connects the first opening and the second opening provided in the outer casing with the on-off valve interposed therebetween, and the gas flowing in from the exhaust gas inlet passes through the turbine blade 4 when the on-off valve is closed. It does not leak to the turbine outlet casing without it. Therefore, the performance of the turbocharger is not adversely affected.
  • the inner casing is not a special structure for introducing the exhaust gas into the bypass flow passage, but is formed with the outer casing to form an inner circumferential side flow passage for introducing the exhaust gas to the turbine. As described above, according to the turbocharger according to the present invention, it is possible to suppress the performance decrease when the on-off valve is closed, and to reduce the number of design steps and the manufacturing cost of the inner casing.
  • the inner casing and the outer casing are respectively joined to an exhaust outlet casing forming the exhaust gas outlet by a plurality of bolts, and the inner casing and the outer
  • the casing may be configured such that a rotational position of the turbine blade about the rotation axis with respect to the exhaust gas guide portion can be arbitrarily installed by attaching and detaching the plurality of bolts.
  • a turbocharger according to the present invention includes any one of the above turbines.
  • an internal combustion engine according to the present invention includes the above-described turbocharger.
  • a ship according to the present invention includes the internal combustion engine described above.
  • the turbine which can suppress the design man-hour and manufacturing cost of a casing, a turbocharger, an internal combustion engine provided with this, and a ship are provided. can do.
  • turbocharger of one embodiment of the present invention It is a longitudinal cross-sectional view of the turbocharger of one embodiment of the present invention. It is a right view of the turbocharger of FIG. 1, and is a figure by which the bypass part and the on-off valve were abbreviate
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a turbocharger according to the present embodiment.
  • the turbocharger 1 is, for example, a device that compresses combustion air of an internal combustion engine (not shown) for marine use or for power generation, and forcibly feeds high-density air into a combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the turbocharger 1 of this embodiment is provided in the internal combustion engine, and the internal combustion engine provided with the turbocharger 1 is provided in the ship.
  • the turbocharger 1 is driven by the exhaust gas discharged from the internal combustion engine.
  • an axial flow turbine 2 driven by exhaust gas discharged from an internal combustion engine
  • a rotor shaft (rotational shaft) 3 rotationally driven by the axial flow turbine 2
  • a rotor shaft 3 rotationally driven by the axial flow turbine 2
  • a bearing stand (not shown) provided between the axial flow turbine 2 and the compressor and bearing-supporting the rotor shaft 3.
  • the part shown by grid-like hatching in FIG. 1 is the heat insulating material 11 installed for the purpose of heat insulation and soundproofing.
  • the axial flow turbine 2 includes a turbine rotor 4 driven to rotate by exhaust gas discharged from an internal combustion engine, a turbine nozzle 5 for guiding the exhaust gas to the turbine rotor 4, and an exhaust inlet casing 10.
  • the turbine moving blade 4 is disposed at a downstream position close to the outlet of the turbine nozzle 5.
  • a disk-shaped turbine disk 6 is disposed at one axial end of the rotor shaft 3.
  • a plurality of turbine blades 4 are attached at equal intervals along the circumferential direction to the outer peripheral edge of the turbine disk 6. Then, the high temperature exhaust gas ejected from the turbine nozzle 5 passes through the turbine moving blade 4 and is expanded, whereby the turbine disk 6 and the rotor shaft 3 rotate.
  • the turbine nozzle 5 is disposed on the root side (inner peripheral side) of a plurality of nozzle guide vanes 5 a annularly disposed along the circumferential direction centering on the rotor shaft 3 and the nozzle guide vanes 5 a And a ring-shaped inner peripheral member 5b joined to the root of the vane 5a. Further, the turbine nozzle 5 includes a ring-shaped outer peripheral side member 5c which is disposed on the blade end side (outer periphery side) of the nozzle guide vane 5a and joined to the blade end of the nozzle guide vane 5a.
  • the turbine nozzle 5 is generally referred to as a nozzle ring, and is disposed at a close upstream position of the turbine blade 4.
  • the outer peripheral side member 5c is shaped to expand in a trumpet shape from the outlet side of the exhaust gas (the downstream side of the exhaust gas flow) to the inlet side (the upstream side of the exhaust gas flow).
  • a stepped portion 12 formed by bending the inner circumferential surface of the exhaust inlet casing 10 in the direction of the turbine disk 6 at an end of the outer casing 22 which is a part of the exhaust inlet casing 10 on the turbine disk 6 side. Is provided. And this level
  • An exhaust gas guide cylinder 7 (exhaust gas guide portion) is connected to an end of the outlet side (downstream side of the exhaust gas flow) of the outer peripheral side member 5c.
  • the connection part of the outer peripheral side member 5c and the exhaust gas guide cylinder 7 has an inlay structure in which the respective end parts are fitted.
  • the exhaust gas guide cylinder 7 guides the exhaust gas having passed through the axial flow turbine 2 to the exhaust gas outlet 28 a.
  • the exhaust inlet casing 10 (casing) is a member in which separate inner casing 21 and outer casing 22 are joined by a fastening portion including a bolt 23.
  • the inner casing 21 and the outer casing 22 are arranged coaxially with the axial flow turbine 2.
  • the outer casing 22 is disposed outside the inner casing 21.
  • a space formed between the inner casing 21 and the outer casing 22 is an exhaust gas flow passage (inner circumferential side flow passage) 26 for guiding the exhaust gas to the turbine nozzle 5.
  • Exhaust gas flowing from the exhaust gas inlet 10 a in a direction intersecting the axial direction of the axial flow turbine 2 (direction orthogonal to the axial direction in the example shown in FIG. 1) is led to the exhaust gas flow path 26.
  • a straightening vane 61 is disposed in the exhaust gas flow path 26.
  • the straightening vane 61 is for suppressing the rotational component around the axis of the turbine shaft 2 of the exhaust gas flowing into the exhaust gas flow path 26 from the exhaust gas inlet 10 a.
  • the exhaust gas impinges on the straightening vane 61, whereby the rotational component of the exhaust gas around the axis of the turbine shaft 2 is suppressed, and the exhaust gas is converted into a flow along the axis.
  • the straightening vane 61 is disposed at a position opposite to the exhaust gas inlet 10 a (a position 180 ° out of phase with respect to the axis of the turbine shaft 2). By providing the straightening vanes 61 at this position, the space inside the exhaust gas flow path 26 partitioned by the straightening vanes 61 becomes a laterally symmetrical space as viewed from the axial direction of the turbine shaft 2. By doing this, the exhaust gas flowing in from the exhaust gas inlet 10 a flows evenly left and right as viewed from the axial direction of the turbine shaft 2.
  • the exhaust gas flow path 26 is formed over the entire circumference of the turbine rotor 4 in the rotational direction of the turbine moving blade 4 in the double structure exhaust inlet casing 10 constituted by the inner casing 21 and the outer casing 22.
  • Exhaust gas introduced from the exhaust gas inlet 10 a of the exhaust inlet casing 10 as indicated by an arrow IN in FIG. 1 is led to the exhaust gas outlet 10 b through the exhaust gas flow path 26. Thereafter, the exhaust gas is discharged from the exhaust gas outlet 28a of the exhaust outlet casing 28 to the outside as shown by the arrow OUT in FIG. Further, the exhaust gas outlet 10 b is provided so as to open the exhaust gas to the turbine nozzle 5 over the entire circumference in the rotational direction of the turbine bucket 4.
  • Exhaust inlet casing 10 is joined to exhaust outlet casing 28 by a plurality of bolts including bolts 60.
  • the exhaust inlet casing 10 can arbitrarily set the rotational position of the axial flow turbine 2 about the axis of the axial flow turbine 2 with respect to the exhaust outlet casing 28 by attaching and detaching a plurality of bolts including the bolt 60.
  • FIG. 2 is a right side view of the turbocharger of FIG. 1, in which the bypass unit 50 and the on-off valve 51 are omitted.
  • the exhaust outlet casing 28 shown by a solid line corresponds to the exhaust outlet casing shown in FIG.
  • the rotational position of the exhaust outlet casing 28 with respect to the exhaust inlet casing 10 is set so that the exhaust gas inlet 10a and the exhaust gas outlet 10b are in the same direction. It can be set. Further, according to the arrangement of the exhaust outlet casing 28 shown by a solid line in FIG.
  • the rotational position of the exhaust outlet casing 28 with respect to the exhaust inlet casing 10 is set so that the exhaust gas inlet 10 a and the exhaust gas outlet 10 b are orthogonal to each other. It can be set. Further, although not shown in FIG. 2, the rotational position can be set arbitrarily.
  • one end (the end on the right in FIG. 1) of the inner casing 21 is fastened to the one end (the end on the right in FIG. 1) of the outer casing 22 It is fixed and supported by the unit. That is, the inner casing 21 is provided with the flange surface 21 a formed at the end on the right side in FIG. 1 opposite to the turbine disk 6. With the flange surface 22 a of the outer casing 22 superimposed on the flange surface 21 a, the inner casing 21 and the outer casing 22 are fixed by fastening with a fastening portion including the bolt 23.
  • flange surfaces 21 a and 22 a are both disposed on a surface orthogonal to the axial direction of the rotor shaft 3 that rotates integrally with the turbine disk 6.
  • an inner peripheral side member 5 b integrally formed with the turbine nozzle 5 is attached to an inner peripheral portion at the other end (the end on the left side in FIG. 1) of the inner casing 21 via a bolt 30.
  • a first opening 22 b is provided in the inner circumferential portion of the outer casing 22 in a direction orthogonal to the axial direction of the axial flow turbine 2 (a direction orthogonal to the axial direction in the example shown in FIG. 1).
  • the first opening 22 b is open to the outer peripheral surface of the outer casing 22 and is in communication with the inlet of the bypass 50 forming the bypass flow channel 52.
  • the bypass flow channel 52 is a flow channel that guides the exhaust gas flowing into the exhaust gas flow channel 26 disposed on the inner circumferential side to the exhaust gas outlet 28 a without passing through the axial flow turbine 2.
  • a second opening 22 c is provided in the inner peripheral portion of the outer casing 22 in a direction orthogonal to the axial direction of the axial flow turbine 2 (a direction orthogonal to the axial direction in the example shown in FIG. 1).
  • the second opening 22 c is open to the outer peripheral surface of the outer casing 22 and is in communication with the outlet of the bypass 50 forming the bypass flow channel 52.
  • the bypass part 50 is comprised by two members, the 1st bypass part 50a and the 2nd bypass part 50b.
  • the first bypass portion 50 a is a tubular member fixed to the first opening 22 b of the outer casing 22 by a bolt or the like.
  • the second bypass portion 50 b is a tubular member fixed to the second opening 22 c of the outer casing 22 by a bolt or the like.
  • An on-off valve 51 for opening and closing the bypass flow passage 52 is provided between the first bypass portion 50a and the second bypass portion 50b.
  • the on-off valve 51 When the on-off valve 51 is in the open state, the exhaust gas flowing into the first opening 22b circulates toward the second opening 22c.
  • the open / close valve 51 When the open / close valve 51 is closed, the exhaust gas flowing into the first opening 22b is shut off so as not to flow toward the second opening 22c.
  • the on-off valve 51 shall be controlled by a control part (not shown) so that it will be in an open state or any one state of a closed state
  • the control unit may control so as to be in either an open state or a closed state in a plurality of stages having different degrees of opening.
  • the open state is set to a small open state
  • the control unit (not shown) may perform control.
  • FIG. 1 shows that the bypass portion 50 and the on-off valve 51 are provided at a position facing the exhaust gas inlet 10a (180-degree rotational position around the axis of the axial flow turbine 2), but at other rotational positions It is also good.
  • FIG. 3 is a right side view of the turbocharger of FIG.
  • the bypass unit 50 and the on-off valve 51 shown by solid lines in FIG. 3 are disposed at the same positions as those shown in FIG. 1.
  • the bypass part 50 and the on-off valve 51 which are shown by broken lines in FIG. 3 are arranged at positions different from those shown in FIG.
  • the bypass portion 50 and the on-off valve 51 may be provided at any rotational position around the axis of the axial flow turbine 2.
  • the rotational position of the axial flow turbine 2 about the axis of the axial flow turbine 2 with respect to the exhaust gas inlet 10 a of the bypass unit 50 and the on-off valve 51 is determined when manufacturing the outer casing 22, but the turbocharger 1 is installed It is desirable to decide according to the environment etc. of the installation place in the ship. Further, as described with reference to FIG. 2, the rotational position of the exhaust outlet casing 28 relative to the exhaust inlet casing 10 can be arbitrarily adjusted by attaching and detaching bolts. Therefore, the position of the exhaust gas inlet 10a, the positions of the bypass portion 50 and the on-off valve 51, and the position of the exhaust gas outlet 28a can be selected according to the environment of the installation place in the ship where the turbocharger 1 is installed. It is possible to set to Thereby, the appropriate turbocharger 1 can be provided according to the environment etc. of the installation place in the ship.
  • the second opening 22 c of the outer casing 22 communicates with the exhaust gas flow passage 32 (the outer circumferential side flow passage) for guiding the exhaust gas flowing in from the second opening 22 c to the exhaust gas guiding cylinder 7 (exhaust gas guiding portion).
  • the exhaust gas passage 32 is disposed on the outer peripheral side with respect to the exhaust gas passage 26 (inner side passage).
  • the exhaust gas flow passage 32 has an other end surface 22d forming the other end (the end on the left side in FIG. 1) of the outer casing 22 and an outer peripheral surface located radially outward (outer peripheral side) of the outer peripheral side member 5c; It is a space formed by the one surface 7a which forms a recess (dent) at one end (the end on the right side in FIG. 1) of the exhaust gas guide cylinder 7 facing the other end face 22d.
  • the exhaust gas flow path 32 and the space S1 formed on the radially outer side (outer peripheral side) of the exhaust gas guide cylinder 7 in the exhaust outlet casing 28 have one surface 7a and the other surface 7b opposite to the one surface 7a. It communicates via the through hole 48 penetrating in the thickness direction. Therefore, the bypass flow passage 52 and the space S1 are in communication via the exhaust gas flow passage 32 and the through hole 48.
  • the on-off valve 51 is fully closed in accordance with an instruction from the control unit (not shown). In this case, the entire amount of exhaust gas discharged from the internal combustion engine flows into the axial flow turbine 2 via the exhaust gas flow passage 26 on the inner peripheral side.
  • the exhaust gas led to the exhaust gas outlet 10 b of the exhaust inlet casing 10 is led to the turbine nozzle 5 from the exhaust gas outlet 10 b of the exhaust inlet casing 10.
  • Exhaust gas is discharged from the downstream side of the turbine nozzle 5 after passing through the turbine nozzle 5 and is led to the entire turbine blade 4.
  • the exhaust gas thus introduced to the entire turbine moving blade 4 expands as it passes through the turbine moving blade 4 and rotates the turbine disk 6 and the rotor shaft 3.
  • the on-off valve 51 is fully opened in accordance with an instruction from the control unit (not shown).
  • a part (for example, 4% to 20% of the total amount of exhaust gas) of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine flows into the bypass passage 52, and the remaining exhaust gas (for example, 96% to 80% of the total amount ) Is led to the exhaust gas outlet 10 b of the exhaust inlet casing 10 through the exhaust gas flow path 26.
  • the control unit when the on-off valve 51 is controlled by the control unit (not shown) so that the on-off valve 51 is in one of the open state and the closed state in multiple stages with different degrees of opening. It is preferable to control the degree appropriately in accordance with various conditions so as to suppress the deterioration of the fuel efficiency of the internal combustion engine. For example, according to the intake air temperature of the compressor (not shown) of the turbocharger 1 or the load of the internal combustion engine, the control unit varies the opening degree of the on-off valve 51 with the necessary minimum. preferable. By doing this, it is possible to prevent rapid fluctuations in the flow rate of the combustion air that cause deterioration of the fuel efficiency of the internal combustion engine.
  • the exhaust gas led to the bypass flow passage 52 is led to the space S1 through the exhaust gas flow passage 32 and the through hole 48, and together with the exhaust gas passing through the turbine rotor blade 4, the exhaust gas outlet of the exhaust outlet casing 28 It is discharged from 28a to the outside. Then, when the exhaust gas passes through the turbine moving blades 4, the compressor provided at the other end of the rotor shaft 3 is driven by rotating the turbine disk 6 and the rotor shaft 3 to drive the internal combustion engine. The air supplied is compressed.
  • the turbocharger 1 of the present embodiment is configured such that the exhaust gas flowing in from the exhaust gas inlet 10 a is formed by the exhaust gas flow path 26 (inner peripheral side flow path) formed by the inner casing 21 and the outer casing 22. Leads to the axial flow turbine 2.
  • the exhaust gas having passed through the axial flow turbine 2 is guided by the exhaust gas guide cylinder 7 to the exhaust gas outlet 28 a. Further, the exhaust gas flowing into the exhaust gas flow path 26 (inner peripheral side flow path) along the direction intersecting the axial direction of the axial flow turbine 2 is bypassed through the first opening 22 b of the outer casing 22. It flows into the 52 entrance.
  • first opening 22 b Since the first opening 22 b is open in the direction intersecting the axial direction of the axial flow turbine 2, exhaust gas having a velocity component in the direction intersecting the axial direction of the axial flow turbine 2 is the first opening 22 b Flows into the inlet portion of the bypass flow channel 52 from the The exhaust gas flowing in from the first opening 22b flows into the exhaust gas flow path 32 (outer peripheral side flow path) from the second opening 22c, merges with the exhaust gas passing through the axial flow turbine 2, and is discharged to the exhaust gas outlet 28a Led.
  • bypass flow passage 52 is a passage connecting the first opening 22 b and the second opening 22 c provided in the outer casing 22, when the bypass flow passage 52 is closed by the on-off valve 51, the downstream side of the on-off valve 51 Exhaust gas is not led to the axial flow turbine 2. Therefore, the exhaust gas downstream of the on-off valve 51 does not adversely affect the performance of the turbocharger 1. Further, the exhaust gas on the upstream side of the on-off valve 51 is pushed into the first opening 22 b by the exhaust gas which is going to flow from the first opening 22 b into the inlet of the bypass flow passage 52. Therefore, the exhaust gas on the upstream side of the on-off valve 51 does not adversely affect the performance of the turbocharger 1.
  • the inner casing 21 is not a special structure for guiding the exhaust gas to the bypass flow passage 52, and together with the outer casing 22, the exhaust gas flow passage 26 for guiding the exhaust gas to the axial flow turbine 2 (A flow path) is formed.
  • the turbocharger 1 of the present embodiment it is possible to suppress the performance decrease when the on-off valve 51 is closed, and to suppress the design man-hour and the manufacturing cost of the inner casing 21.
  • the inner casing 21 and the outer casing 22 are respectively joined to the exhaust outlet casing 28 by a plurality of bolts, and the inner casing 21 and the outer casing 22 attach and detach a plurality of bolts.
  • the rotational position of the axial flow turbine 2 about the axis of the axial flow turbine 2 relative to the exhaust gas guide cylinder 7 can be arbitrarily set.
  • the exhaust gas inlet 10a provided in the inner casing 21 and the outer casing 22 and the exhaust gas outlet 28a provided in the exhaust outlet casing 28 can be used according to the environment in which the turbocharger 1 is installed. It can be installed at any rotational position.
  • the on-off valve 51 is opened, and a part of the exhaust gas is diverted from the exhaust gas passage 26 to the bypass passage 52, and the on-off valve 51 is opened. And a step of flowing the entire amount of exhaust gas from the exhaust gas passage 26 into the axial flow turbine 2 without diverting the exhaust gas from the exhaust gas passage 26 to the bypass passage 52 in a state. By doing this, it is possible to appropriately switch whether or not to bypass a part of the exhaust gas to the bypass flow passage 52 and operate the turbocharger 1.
  • the axial flow turbine has been described.
  • the present invention is also applicable to a centrifugal / slant flow turbine and a rotating machine such as a power turbine.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Abstract

開閉弁を閉じた際の性能低下を抑え、内側ケーシングの設計工数及び製造コストを抑えたタービンを提供する。タービン動翼（４）と、排気ガスの流路を形成する内側ケーシング（２１）及び外側ケーシング（２２）と、内側ケーシング（２１）及び外側ケーシング（２２）の外周に設けられ、排気ガスを、タービン動翼（４）を通過させずに、排気ガス出口（２８ａ）に導くためのバイパス流路（５２）を形成するバイパス部（５０）と、バイパス流路（５２）を開閉する開閉弁（５１）とを備えるタービンを提供する。

Description

タービン、ターボ過給機、内燃機関、及び船舶
　本発明は、タービン、ターボ過給機、内燃機関、及び船舶に関する。
　舶用内燃機関や発電用内燃機関等（例えば、ディーゼル機関）には、低負荷で動作する際の性能を改善することが求められている。低負荷で動作する際の性能を改善するためには、内燃機関に搭載された過給機の過給圧を高めに設定するのが望ましいが、内燃機関が高負荷で動作する際には過給圧が高くなりすぎてしまう。そこで、内燃機関が高負荷で動作して排気ガスの量が多い場合に、排気ガスが過給機をバイパスするようにして過給圧の上がりすぎを抑える、いわゆる排気ガスバイパスシステムが実用化されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
特開２０１１－１４９３２７号公報 特開２０１３－１２４６２６号公報
　特許文献１の排気ガスバイパスシステムは、特許文献１の図１に示されているように、一端が排気管Ｌ１の途中に接続され、他端が排気管Ｌ３の途中に接続されたバイパス管Ｌ２と、バイパス管Ｌ２の途中に設けられて過給機３へ導かれる排気ガスの流量を制御する排気ガスバイパス制御弁Ｖ１と、により構成されている。このように、特許文献１のシステムでは、過給機３に流入する前の排気ガスを分岐させるために、バイパス管Ｌ２を過給機３とは別に設ける必要がある。
　したがって、スペースの限られた機関室内にバイパス管Ｌ２を引き回さなければならず、バイパス管Ｌ２を引き回すのに必要なスペースを確保できない船舶には、排気ガスバイパスシステムを適用することができないといった問題点があった。
　また、バイパス管Ｌ２を引き回すのに必要なスペースを確保できたとしても、機関室内においてバイパス管Ｌ２を引き回す大掛かりな配管工事を行わなければならず、コスト的に見合わないといった問題点があった。
　一方、特許文献２の排気ガスバイパスシステムは、特許文献２の図１に示されているように、ターボ過給機１の内部に排気ガスバイパス流路２２ｂが設けられている。したがって、特許文献１の排気ガスバイパスシステムのように、過給機とは別にバイパス管を設ける必要はない。特許文献２の排気ガスバイパスシステムは、内側ケーシングと外側ケーシングとの間にバイパス室３２を設け、バイパス室３２に連通した排気ガスバイパス流路２２ｂに排気ガスを導いている。
　しかしながら、内側ケーシングと外側ケーシングとの間には軸流タービンに排気ガスを導く内周側流路が設けられており、バイパス室３２と内周側流路とが一部連通した状態となっている。また、ターボ過給機１に排気ガスが流入する入口からバイパス室３２に至る流路に開閉弁が設けられている。
　そのため、開閉弁を閉じて排気ガスのバイパスを行わないようにしても、バイパス室３２から排気ガスが流出し、ターボ過給機１の性能への悪影響が生じる可能性があるという問題があった。具体的には、内側ケーシング内の排気ガスの一部が、内側ケーシングと外側ケーシングとの間の隙間からバイパス室３２へ流入してタービン動翼を通過せずに外部に流出し、タービン動翼の駆動に用いられる排気ガスの流量が減少するという問題があった。さらに、特許文献２の内側ケーシングは、バイパス室３２を形成するための特殊な構造とする必要があり、内側ケーシングの設計工数がかかり、製造コストが増大するという問題もあった。
　本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、開閉弁を閉じた際の性能低下を抑えるとともに、ケーシングの設計工数及び製造コストを抑えることが可能なタービン、ターボ過給機、これを備えた内燃機関、及び船舶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。
　本発明に係るタービンは、内燃機関から排出された排気ガスにより駆動するタービンであって、タービン動翼と、前記排気ガスの流路を形成するケーシングと、前記ケーシングの外周に設けられ、前記排気ガスを、前記タービン動翼を通過させずに、排気ガス出口に導くためのバイパス流路を形成するバイパス部と、前記バイパス流路を開閉する開閉弁と、を備えることを特徴とする。
　本発明に係るタービンには、内燃機関から排出された排気ガスの流路を形成するケーシングの外周に設けられたバイパス部によりバイパス流路が形成されている。このバイパス流路は、排気ガスを、タービン動翼を通過させずに排気ガス出口に導く流路であり、この流路には開閉弁が設けられている。バイパス流路を開閉弁により閉じた場合、排気ガスがタービン動翼を通過せずに排気ガス出口に導かれることはないので、タービンの性能に悪影響を与えることはない。
　このように、本発明に係るタービンによれば、開閉弁を閉じた際の性能低下を抑えるとともに、ケーシングの設計工数及び製造コストを抑えることが可能となる。
　本発明の第１態様に係るタービンは、前記ケーシングが、前記タービン動翼の回転軸と同軸に配置される内側ケーシングと、前記内側ケーシングの外側に配置され、排気ガス入口から前記タービンの回転軸方向に交差する方向に流入する前記排気ガスを前記タービン動翼に導く内周側流路を、前記内側ケーシングとともに形成する外側ケーシングと、を備え、前記外側ケーシングは、前記回転軸方向に交差する方向に開口し、前記バイパス流路の入口部に連通する第１開口部と、前記回転軸方向に交差する方向に開口し、前記バイパス流路の出口部に連通する第２開口部と、前記内周側流路よりも外周側に配置され、前記第２開口部から流入する前記排気ガスを前記排気ガス出口へ導く外周側流路と、を有することを特徴とする。
　本発明の第１態様に係るタービンは、排気ガス入口から流入する排気ガスを、内側ケーシング及び外側ケーシングにより形成される内周側流路によりタービン動翼に導く。タービン動翼を通過した排気ガスは、排気ガス出口に導かれる。また、タービン動翼の回転軸方向に交差する方向に沿って内周側流路に流入した排気ガスは、外側ケーシングの第１開口部を介してバイパス流路の入口部に流入する。第１開口部は、タービン動翼の回転軸方向に交差する方向に開口しているので、タービン動翼の回転軸方向に交差する方向の速度成分を持った排気ガスが第１開口部からバイパス流路の入口部に流入する。第１開口部から流入した排気ガスは第２開口部から外周側流路に流入し、タービン動翼を通過した排気ガスと合流し、排気ガス出口に導かれる。
　バイパス流路は開閉弁を挟んで外側ケーシングが備える第１開口部と第２開口部を接続するものであり、開閉弁が閉じた状態では、排気ガス入口から流入するガスはタービン翼４を通らずにタービン出口ケーシングへ漏出することはない。従って、ターボ過給機の性能に悪影響を及ぼすことはない。また、内側ケーシングは、バイパス流路に排気ガスを導くための特殊な構造とはなっておらず、外側ケーシングとともにタービンに排気ガスを導く内周側流路を形成する構造となっている。
　このように、本発明に係るターボ過給機によれば、開閉弁を閉じた際の性能低下を抑えるとともに、内側ケーシングの設計工数及び製造コストを抑えることができる。
　本発明の第１態様のターボ過給機においては、前記内側ケーシング及び前記外側ケーシングは、前記排気ガス出口を形成する排気出口ケーシングにそれぞれ複数のボルトにより接合されており、前記内側ケーシング及び前記外側ケーシングは、前記複数のボルトを着脱することにより、前記タービン動翼の前記回転軸周りの前記排気ガス案内部に対する回転位置を任意に設置可能な構成であってもよい。
　このようにすることで、内側ケーシング及び外側ケーシングに設けられた排気ガス入口と排気出口ケーシングに設けられた排気ガス出口とを、ターボ過給機が設置される環境に応じた任意の回転位置に設置することができる。
　本発明に係るターボ過給機は、上記いずれかのタービンを備えている。
　また、本発明に係る内燃機関は、上記のターボ過給機を備えている。
　また、本発明に係る船舶は、上記の内燃機関を備えている。
　本発明によれば、開閉弁を閉じた際の性能低下を抑えるとともに、ケーシングの設計工数及び製造コストを抑えることが可能なタービン、ターボ過給機、これを備えた内燃機関、及び船舶を提供することができる。
本発明の一実施形態のターボ過給機の縦断面図である。 図１のターボ過給機の右側面図であり、バイパス部及び開閉弁が省略された図である。 図１のターボ過給機の右側面図である。
　以下、本発明の一実施形態のターボ過給機について、図１を参照しながら説明する。
　図１は本実施形態のターボ過給機を示す縦断面図である。
　ターボ過給機１は、例えば、舶用内や発電用の内燃機関（不図示）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装置である。なお、本実施形態のターボ過給機１は内燃機関に設けられており、ターボ過給機１を備える内燃機関は船舶に設けられている。
　ターボ過給機１は、内燃機関から排出された排気ガスにより駆動する。ターボ過給機１は、内燃機関が排出する排気ガスによって駆動される軸流タービン２と、軸流タービン２によって回転駆動されるロータ軸（回転軸）３と、ロータ軸３が回転駆動することによって空気を圧縮する圧縮機（不図示）と、軸流タービン２と圧縮機との間に設けられてロータ軸３を軸受け支持する軸受台（図示せず）と、を備えている。
　なお、図１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。
　軸流タービン２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４と、タービン動翼４に排気ガスを導くタービンノズル５と、排気入口ケーシング１０と、を備えている。
　タービン動翼４は、タービンノズル５の出口となる下流側に近接する位置に配置されている。ロータ軸３の軸方向の一端部には、円盤形状をなすタービンディスク６が配置されている。タービン動翼４は、タービンディスク６の外周縁部に、周方向に沿って等間隔で複数枚取り付けられている。そして、タービンノズル５から噴出する高温の排気ガスがタービン動翼４を通過して膨張することにより、タービンディスク６およびロータ軸３が回転する。
　タービンノズル５は、ロータ軸３を中心軸とした周方向に沿って環状に配置された複数枚のノズルガイドベーン５ａと、ノズルガイドベーン５ａの根元側（内周側）に配置され、ノズルガイドベーン５ａの根元と接合されるリング形状の内周側部材５ｂとを備える。また、タービンノズル５は、ノズルガイドベーン５ａの翼端側（外周側）に配置され、ノズルガイドベーン５ａの翼端と接合されるリング形状の外周側部材５ｃとを備える。タービンノズル５は、一般にノズルリングとも呼ばれるものであり、タービン動翼４の上流側の近接した位置に配置されている。
　外周側部材５ｃは、排気ガスの出口側（排気ガス流れの下流側）から入口側（排気ガス流れの上流側）にかけてラッパ形状に拡径する形状となっている。また、排気入口ケーシング１０の一部である外側ケーシング２２のタービンディスク６側の端部には、排気入口ケーシング１０の内周面をタービンディスク６の方向へ折り曲げるようにして形成された段差部１２が設けられている。　そして、この段差部１２と、外周側部材５ｃの排気ガス入口側の端部に設けられた段差部５ｄとが軸方向で係合（嵌合）するように構成されている。
　外周側部材５ｃの出口側（排気ガス流れの下流側）の端部には、排気ガス案内筒７（排気ガス案内部）が連結されている。外周側部材５ｃと排気ガス案内筒７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なっている。排気ガス案内筒７は、軸流タービン２を通過した排気ガスを排気ガス出口２８ａに導くものである。
　排気入口ケーシング１０（ケーシング）は、別体の内側ケーシング２１と外側ケーシング２２とが、ボルト２３を含む締結部により接合された部材である。内側ケーシング２１と外側ケーシング２２は、軸流タービン２と同軸に配置される。外側ケーシング２２は、内側ケーシング２１の外側に配置されている。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５に導くための排気ガス流路（内周側流路）２６となっている。排気ガス入口１０ａから軸流タービン２の軸方向に交差する方向（図１に示す例では直交する方向）に流入する排気ガスは、排気ガス流路２６に導かれる。
　排気ガス流路２６には、整流板６１が配置されている。整流板６１は、排気ガス入口１０ａから排気ガス流路２６に流入した排気ガスのタービン軸２の軸線周りの回転成分を抑制するためのものである。排気ガスが整流板６１に突き当たることにより、排気ガスのタービン軸２の軸線周りの回転成分が抑制され、軸線に沿った流れに変換される。
　整流板６１は、排気ガス入口１０ａの反対側の位置（タービン軸２の軸線周りに１８０°位相がずれた位置）に配置されている。この位置に整流板６１を設けることにより、整流板６１で仕切られた排気ガス流路２６の内部の空間が、タービン軸２の軸線方向からみて左右対称の空間となる。このようにすることで、排気ガス入口１０ａから流入した排気ガスが、タービン軸２の軸線方向からみて左右均等に流れる。
　内側ケーシング２１と外側ケーシング２２とにより構成される二重構造の排気入口ケーシング１０は、排気ガス流路２６がタービン動翼４の回転方向の全周にわたって形成されている。排気入口ケーシング１０の排気ガス入口１０ａから図１中に矢印ＩＮで示すように導入された排気ガスは、排気ガス流路２６を通って排気ガス出口１０ｂに導かれる。その後、排気ガスは、図１中に矢印ＯＵＴで示すようにして排気出口ケーシング２８の排気ガス出口２８ａから外部へ排出される。また、排気ガス出口１０ｂは、タービン動翼４の回転方向の全周にわたってタービンノズル５へ排気ガスを供給するように開口して設けられている。
　排気入口ケーシング１０は、ボルト６０を含む複数のボルトにより排気出口ケーシング２８に接合されている。排気入口ケーシング１０は、ボルト６０を含む複数のボルトを着脱することにより、軸流タービン２の軸周りの排気出口ケーシング２８に対する回転位置を任意に設定可能である。
　図２は、図１のターボ過給機の右側面図であり、バイパス部５０及び開閉弁５１が省略された図である。
　図２において、実線で示される排気出口ケーシング２８は図１に示す排気出口ケーシングに対応している。図１及び図２において実線で示す排気出口ケーシング２８の配置によれば、排気ガス入口１０ａと排気ガス出口１０ｂとが同一方向となるように、排気入口ケーシング１０に対する排気出口ケーシング２８の回転位置を設定することができる。また、図２において実線で示す排気出口ケーシング２８の配置によれば、排気ガス入口１０ａと排気ガス出口１０ｂとが直交する方向となるように、排気入口ケーシング１０に対する排気出口ケーシング２８の回転位置を設定することができる。また、図２には示されていないが、回転位置は任意に設定可能である。
　上述した二重構造の排気入口ケーシング１０において、内側ケーシング２１の一端部（図１において右側の端部）は、外側ケーシング２２の一端部（図１において右側の端部）にボルト２３を含む締結部により固定支持されている。すなわち、内側ケーシング２１には、タービンディスク６の反対側となる図１中の右側の端部に形成されたフランジ面２１ａが設けられている。このフランジ面２１ａに、外側ケーシング２２のフランジ面２２ａを重ね合わせた状態にして、ボルト２３を含む締結部により締め付けていくことにより、内側ケーシング２１と外側ケーシング２２とが固定される。これらフランジ面２１ａ，２２ａは、いずれもタービンディスク６と一体に回転するロータ軸３の軸方向に直交する面上に配置される。
　一方、内側ケーシング２１の他端部（図１において左側の端部）における内周部には、タービンノズル５と一体成形された内周側部材５ｂがボルト３０を介して取り付けられている。
　外側ケーシング２２の内周部には、軸流タービン２の軸方向に直交する方向（図１に示す例では直交する方向）に開口する第１開口部２２ｂが設けられている。第１開口部２２ｂは外側ケーシング２２の外周面に開口しており、バイパス流路５２を形成するバイパス部５０の入口部に連通している。バイパス流路５２は、内周側に配置される排気ガス流路２６に流入する排気ガスを、軸流タービン２を通過させずに排気ガス出口２８ａに導く流路である。
　また、外側ケーシング２２の内周部には、軸流タービン２の軸方向に直交する方向（図１に示す例では直交する方向）に開口する第２開口部２２ｃが設けられている。第２開口部２２ｃは外側ケーシング２２の外周面に開口しており、バイパス流路５２を形成するバイパス部５０の出口部に連通している。
　バイパス部５０は、第１バイパス部５０ａと第２バイパス部５０ｂの２つの部材により構成されている。第１バイパス部５０ａは、外側ケーシング２２の第１開口部２２ｂにボルト等により固定されている管状部材である。また、第２バイパス部５０ｂは、外側ケーシング２２の第２開口部２２ｃにボルト等により固定されている管状部材である。
　第１バイパス部５０ａと第２バイパス部５０ｂとの間には、バイパス流路５２を開閉する開閉弁５１が設けられている。開閉弁５１が開状態となる場合に第１開口部２２ｂに流入した排気ガスが第２開口部２２ｃに向けて流通する。一方、開閉弁５１が閉状態となる場合に第１開口部２２ｂに流入した排気ガスが第２開口部２２ｃに向けて流通しないように遮断される。
　なお、開閉弁５１は開状態又は閉状態のいずれか一方の状態となるように制御部（不図示）により制御するものとするが、他の態様であってもよい。例えば、開度が異なる複数段階の開状態と閉状態のいずれかの状態となるように制御部が制御するようにしてもよい。例えば、ターボ過給機１の周囲の大気の温度が比較的高く、バイパス流路５２を通過させる排気ガスの流量を少量とした方が良い場合には、開度を小さくした開状態となるように制御部（不図示）が制御するようにしてもよい。
　図１は、バイパス部５０及び開閉弁５１を、排気ガス入口１０ａに対向する位置（軸流タービン２の軸周りに１８０度の回転位置）に設けるものであるが、他の回転位置であってもよい。
　図３は、図１のターボ過給機の右側面図である。図３において実線で示すバイパス部５０及び開閉弁５１は、図１に示すものと同位置に配置されている。一方、図３において破線で示すバイパス部５０及び開閉弁５１は、図１に示すものとは異なる位置に配置されている。その他、バイパス部５０及び開閉弁５１は軸流タービン２の軸周りの任意の回転位置に設けてもよい。
　バイパス部５０及び開閉弁５１の排気ガス入口１０ａに対する軸流タービン２の軸周りの回転位置は、外側ケーシング２２を製造する際に決定されるものであるが、ターボ過給機１が設置される船舶内の設置場所の環境等に応じて決定するのが望ましい。また、図２を用いて説明したように、排気入口ケーシング１０に対する排気出口ケーシング２８の回転位置は、ボルトの着脱により任意に調整することができる。したがって、ターボ過給機１が設置される船舶内の設置場所の環境等に応じて、排気ガス入口１０ａの位置、バイパス部５０及び開閉弁５１の位置、並びに、排気ガス出口２８ａの位置を任意に設定することが可能である。これにより、船舶内の設置場所の環境等に応じた適切なターボ過給機１を提供することができる。
　外側ケーシング２２の第２開口部２２ｃは、第２開口部２２ｃから流入する排気ガスを排気ガス案内筒７（排気ガス案内部）へ導く排気ガス流路３２（外周側流路）に連通している。排気ガス流路３２は、図１に示すように、排気ガス流路２６（内周側流路）よりも外周側に配置されている。
　排気ガス流路３２は、外側ケーシング２２の他端部（図１において左側の端部）を形成する他端面２２ｄと、外周側部材５ｃの半径方向外側（外周側）に位置する外周面と、他端面２２ｄと対向して排気ガス案内筒７の一端部（図１において右側の端部）において凹所（窪み）を形成する一面７ａとにより形成された空間となっている。
　排気ガス流路３２と、排気出口ケーシング２８内において排気ガス案内筒７の半径方向外側（外周側）に形成される空間Ｓ１とは、一面７ａと、その反対側に位置する他面７ｂとを板厚方向に貫通する貫通穴４８を介して連通している。したがって、バイパス流路５２と、空間Ｓ１とは、排気ガス流路３２および貫通穴４８を介して連通していることになる。
　次に、以上のように構成されたターボ過給機１における排気ガスの流れについて説明する。
　内燃機関の負荷が低く、内燃機関から排出される排気ガスの量が少ない場合、制御部（不図示）からの指示により開閉弁５１は全閉状態となる。この場合、内燃機関から排出される排気ガスの全量が内周側の排気ガス流路２６を介して軸流タービン２に流れ込む。
　排気入口ケーシング１０の排気ガス出口１０ｂに導かれた排気ガスは、排気入口ケーシング１０の排気ガス出口１０ｂからタービンノズル５に導かれる。排気ガスは、タービンノズル５を通った後にタービンノズル５の下流側から排出され、タービン動翼４の全体に導かれる。このようにタービン動翼４の全体に導かれた排気ガスは、タービン動翼４を通過する際に膨張してタービンディスク６およびロータ軸３を回転させる。
　一方、内燃機関の負荷が高く、内燃機関から排出される排気ガスの量が多い場合、制御部（不図示）からの指示により開閉弁５１が全開状態となる。この場合、内燃機関から排出される排気ガスの一部（例えば、排気ガスの全量の４％～２０％）がバイパス流路５２に流れ込み、残りの排気ガス（例えば、全量の９６％～８０％）が、排気ガス流路２６を通って排気入口ケーシング１０の排気ガス出口１０ｂに導かれる。
　なお、前述したように、開閉弁５１が、開度が異なる複数段階の開状態と閉状態のいずれかの状態となるように制御部（不図示）により制御される場合、開閉弁５１の開度を各種の条件に応じて適切に制御して内燃機関の燃費の悪化を抑えるようにするのが好ましい。例えば、制御部が、ターボ過給機１が備える圧縮機（不図示）の吸込み空気温度や内燃機関の負荷に応じて、開閉弁５１の開度を必要最小限で変動させるようにするのが好ましい。このようにすることで、内燃機関の燃費の悪化を生じさせるような燃焼用空気の流量の急激な変動が生じないようにすることができる。
　バイパス流路５２に導かれた排気ガスは、排気ガス流路３２、および貫通穴４８を通って空間Ｓ１に導かれ、タービン動翼４を通過した排気ガスとともに、排気出口ケーシング２８の排気ガス出口２８ａから外部へ排出される。そして、排気ガスがタービン動翼４を通過する際に膨張してタービンディスク６およびロータ軸３を回転させることにより、ロータ軸３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。
　また、開閉弁５１は、例えば、圧縮機から送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（低負荷状態の場合）に、全閉状態となる。一方、圧縮機から送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（高負荷運転の場合）に、全開状態となる。
　以上説明したように本実施形態のターボ過給機１は、排気ガス入口１０ａから流入する排気ガスを、内側ケーシング２１及び外側ケーシング２２により形成される排気ガス流路２６（内周側流路）により軸流タービン２に導く。軸流タービン２を通過した排気ガスは、排気ガス案内筒７により排気ガス出口２８ａに導かれる。また、軸流タービン２の軸方向に交差する方向に沿って排気ガス流路２６（内周側流路）に流入した排気ガスは、外側ケーシング２２の第１開口部２２ｂを介してバイパス流路５２の入口部に流入する。第１開口部２２ｂは、軸流タービン２の軸方向に交差する方向に開口しているので、軸流タービン２の軸方向に交差する方向の速度成分を持った排気ガスが第１開口部２２ｂからバイパス流路５２の入口部に流入する。第１開口部２２ｂから流入した排気ガスは第２開口部２２ｃから排気ガス流路３２（外周側流路）に流入し、軸流タービン２を通過した排気ガスと合流し、排気ガス出口２８ａに導かれる。
　バイパス流路５２は外側ケーシング２２が備える第１開口部２２ｂと第２開口部２２ｃとを接続する通路であるため、バイパス流路５２を開閉弁５１により閉じた場合に、開閉弁５１の下流側の排気ガスは軸流タービン２に導かれない。したがって、開閉弁５１の下流側の排気ガスがターボ過給機１の性能に悪影響を及ぼすことはない。また、開閉弁５１の上流側の排気ガスは、第１開口部２２ｂからバイパス流路５２の入口部に流入しようとする排気ガスによって第１開口部２２ｂ部分に押し込められた状態となる。したがって、開閉弁５１の上流側の排気ガスがターボ過給機１の性能に悪影響を及ぼすことはない。また、内側ケーシング２１は、バイパス流路５２に排気ガスを導くための特殊な構造とはなっておらず、外側ケーシング２２とともに軸流タービン２に排気ガスを導く排気ガス流路２６（内周側流路）を形成する構造となっている。
　このように、本実施形態のターボ過給機１によれば、開閉弁５１を閉じた際の性能低下を抑えるとともに、内側ケーシング２１の設計工数及び製造コストを抑えることができる。
　本実施形態のターボ過給機１は、内側ケーシング２１及び外側ケーシング２２が、排気出口ケーシング２８にそれぞれ複数のボルトにより接合されており、内側ケーシング２１及び外側ケーシング２２は、複数のボルトを着脱することにより、軸流タービン２の軸周りの排気ガス案内筒７に対する回転位置を任意に設置可能である。
　このようにすることで、内側ケーシング２１及び外側ケーシング２２に設けられた排気ガス入口１０ａと排気出口ケーシング２８に設けられた排気ガス出口２８ａとを、ターボ過給機１が設置される環境に応じた任意の回転位置に設置することができる。
　本実施形態のターボ過給機１の運転方法は、開閉弁５１を開状態にして、排気ガス流路２６からバイパス流路５２へ排気ガスの一部を迂回させる工程と、開閉弁５１を開状態にして、排気ガス流路２６からバイパス流路５２に排気ガスを迂回させずに、排気ガス流路２６から軸流タービン２へ排気ガスの全量を流入せる工程と、を備える。このようにすることで、バイパス流路５２へ排気ガスの一部を迂回させるかどうかを適切に切り替えてターボ過給機１を運転することができる。
　なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、適宜必要に応じて変形実施、変更実施することができる。
　また、上述した実施形態では、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。
　１　　ターボ過給機
　２　　軸流タービン
　３　　ロータ軸
　４　　タービン動翼
　５　　タービンノズル
　７　　排気ガス案内筒（排気ガス案内部）
１０　　排気入口ケーシング（ケーシング）
１０ａ　排気ガス入口
１０ｂ　排気ガス出口
２１　　内側ケーシング
２２　　外側ケーシング
２２ｂ　第１開口部
２２ｃ　第２開口部
２６　　排気ガス流路（内周側流路）
２８　　排気出口ケーシング
３０，６０　　ボルト
３２　　排気ガス流路（外周側流路）
４８　　貫通穴
５０　　バイパス部
５１　　開閉弁
５２　　バイパス流路

Claims (6)

  1. 　内燃機関から排出された排気ガスにより駆動するタービンであって、
    　タービン動翼と、
    　前記排気ガスの流路を形成するケーシングと、
    　前記ケーシングの外周に設けられ、前記排気ガスを、前記タービン動翼を通過させずに、排気ガス出口に導くためのバイパス流路を形成するバイパス部と、
    　前記バイパス流路を開閉する開閉弁と、
    を備えることを特徴とするタービン。
  2. 　前記ケーシングは、
    　前記タービン動翼の回転軸と同軸に配置される内側ケーシングと、
    　前記内側ケーシングの外側に配置され、排気ガス入口から前記タービン動翼の回転軸方向に交差する方向に流入する前記排気ガスを前記タービン動翼に導く内周側流路を、前記内側ケーシングとともに形成する外側ケーシングと、を備え、
    　前記外側ケーシングは、
    　前記回転軸方向に交差する方向に開口し、前記バイパス流路の入口部に連通する第１開口部と、
    　前記回転軸方向に交差する方向に開口し、前記バイパス流路の出口部に連通する第２開口部と、
    　前記内周側流路よりも外周側に配置され、前記第２開口部から流入する前記排気ガスを前記排気ガス出口へ導く外周側流路と、を有することを特徴とする請求項１に記載のタービン。
  3. 　前記内側ケーシング及び前記外側ケーシングは、前記排気ガス出口を形成する排気出口ケーシングにそれぞれ複数のボルトにより接合されており、
    　前記内側ケーシング及び前記外側ケーシングは、前記複数のボルトを着脱することにより、前記タービン動翼の前記回転軸周りの前記排気出口ケーシングに対する回転位置を任意に設置可能であることを特徴とする請求項２に記載のタービン。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれかに記載のタービンを備えることを特徴とするターボ過給機。
  5. 　請求項４に記載のターボ過給機を備えることを特徴とする内燃機関。
  6. 　請求項５に記載の内燃機関を備えることを特徴とする船舶。
PCT/JP2014/072502 2013-09-05 2014-08-27 タービン、ターボ過給機、内燃機関、及び船舶 WO2015033844A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP14842587.9A EP3006694B1 (en) 2013-09-05 2014-08-27 Turbine, turbocharger, internal combustion engine, and ship
CN201480038588.8A CN105492738B (zh) 2013-09-05 2014-08-27 涡轮、涡轮增压器、内燃机及船舶
KR1020167000287A KR101834672B1 (ko) 2013-09-05 2014-08-27 터빈, 터보과급기, 내연기관, 및 선박

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013184411A JP6165564B2 (ja) 2013-09-05 2013-09-05 軸流タービン、ターボ過給機、内燃機関、及び船舶
JP2013-184411 2013-09-05

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015033844A1 true WO2015033844A1 (ja) 2015-03-12

Family

ID=52628319

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2014/072502 WO2015033844A1 (ja) 2013-09-05 2014-08-27 タービン、ターボ過給機、内燃機関、及び船舶

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP3006694B1 (ja)
JP (1) JP6165564B2 (ja)
KR (1) KR101834672B1 (ja)
CN (1) CN105492738B (ja)
WO (1) WO2015033844A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111005800A (zh) * 2019-11-27 2020-04-14 上海中船三井造船柴油机有限公司 一种内置废气旁通系统的增压器装置
CN114183240A (zh) * 2021-12-20 2022-03-15 湖南天雁机械有限责任公司 一种内置机械式废气旁通涡轮增压器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11324691A (ja) * 1998-05-12 1999-11-26 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 排気ガスタービン過給機の漏洩ガス排出装置
JP2010216468A (ja) * 2009-02-18 2010-09-30 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ターボ過給機
JP2011149327A (ja) 2010-01-21 2011-08-04 Mitsubishi Heavy Ind Ltd エンジン排気エネルギー回収装置、これを備える船舶およびこれを備える発電プラント
JP2013124626A (ja) 2011-12-15 2013-06-24 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ターボ過給機の排気入口ケーシング

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5520617U (ja) * 1978-07-25 1980-02-08
JPS56163625U (ja) * 1980-05-06 1981-12-04
GB8406860D0 (en) * 1984-03-16 1984-04-18 Holset Engineering Co Wastegate valve
JPH07119476A (ja) * 1993-10-26 1995-05-09 Aisin Seiki Co Ltd ターボチャージャのウエストゲート構造
JPH08232671A (ja) * 1994-12-28 1996-09-10 Aisin Seiki Co Ltd ターボチャージャのウェイストゲート構造
JP4231510B2 (ja) * 2006-05-11 2009-03-04 トヨタ自動車株式会社 内燃機関
JP2009287434A (ja) * 2008-05-28 2009-12-10 Toyota Motor Corp 内燃機関の排気還流装置
WO2010058788A1 (ja) * 2008-11-19 2010-05-27 株式会社小松製作所 スライドノズル形可変ターボ過給機
JP5223898B2 (ja) * 2010-09-09 2013-06-26 株式会社デンソー 内燃機関の排気制御装置
JP5246284B2 (ja) * 2011-03-02 2013-07-24 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の制御装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11324691A (ja) * 1998-05-12 1999-11-26 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 排気ガスタービン過給機の漏洩ガス排出装置
JP2010216468A (ja) * 2009-02-18 2010-09-30 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ターボ過給機
JP2011149327A (ja) 2010-01-21 2011-08-04 Mitsubishi Heavy Ind Ltd エンジン排気エネルギー回収装置、これを備える船舶およびこれを備える発電プラント
JP2013124626A (ja) 2011-12-15 2013-06-24 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ターボ過給機の排気入口ケーシング

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111005800A (zh) * 2019-11-27 2020-04-14 上海中船三井造船柴油机有限公司 一种内置废气旁通系统的增压器装置
CN114183240A (zh) * 2021-12-20 2022-03-15 湖南天雁机械有限责任公司 一种内置机械式废气旁通涡轮增压器

Also Published As

Publication number Publication date
CN105492738A (zh) 2016-04-13
JP2015052276A (ja) 2015-03-19
EP3006694A1 (en) 2016-04-13
EP3006694A4 (en) 2016-07-27
JP6165564B2 (ja) 2017-07-19
KR20160013248A (ko) 2016-02-03
EP3006694B1 (en) 2018-11-28
KR101834672B1 (ko) 2018-03-05
CN105492738B (zh) 2019-04-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101370117B1 (ko) 터보 과급기
US9932843B2 (en) Double flow turbine housing turbocharger
US20230148411A1 (en) Power assisted engine start bleed system
US20080298953A1 (en) Wastegate assembly
US10760437B2 (en) Turbocharger with ported turbine shroud
US8567190B2 (en) Air supplier, particularly for an air supply system for fuel cells
RU2494287C2 (ru) Воздушный коллектор в газотурбинном двигателе
CA2653904A1 (en) Axial flow fluid device
WO2013089158A1 (ja) ターボ過給機の排気入口ケーシング
KR101529411B1 (ko) 터보 과급기
WO2015033844A1 (ja) タービン、ターボ過給機、内燃機関、及び船舶
JP5804756B2 (ja) 過給機システム、内燃機関及び過給機システムの制御方法
CN111794860A (zh) 用于飞行器的涡轮发动机
KR102632033B1 (ko) 과급기의 케이싱 및 그것을 구비한 과급기
EP2873830A1 (en) Turbocharger, turbine nozzle, and ship
JP5402078B2 (ja) 過給装置
JP2016156358A (ja) タービン及びターボ過給機

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201480038588.8

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14842587

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2014842587

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20167000287

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE