WO2016136588A1 - タービン及びターボ過給機 - Google Patents

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WO2016136588A1
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白石 啓一
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三菱重工業株式会社
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    • F01D17/10Final actuators
    • F01D17/12Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F01D25/24Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
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    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02C9/00Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/16Control of working fluid flow
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    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • This disclosure relates to a turbine and a turbocharger.
  • a turbocharger is known as a means for increasing the thermal efficiency of an internal combustion engine.
  • Patent Document 1 discloses a turbocharger including a turbine driven by exhaust gas discharged from an internal combustion engine.
  • partition walls (42, 81) are provided between the inner peripheral member (25a) and the outer peripheral member (25b) of the turbine nozzle (25). Is provided.
  • the exhaust gas is led from the exhaust gas passage (26) to the outer peripheral side of the partition wall (42) of the turbine nozzle, and the inside of the partition wall Exhaust gas is led to the peripheral side from the exhaust gas flow path (36).
  • the on-off valve (41) provided in the pipe (38) connecting the exhaust gas passage (26) and the exhaust gas passage (36) is closed, the exhaust gas passage (26
  • the exhaust gas is exhausted from the exhaust gas passage (26) and the exhaust gas passage (36) to the entire area of the turbine nozzle. Is guided.
  • the exhaust gas is led from the exhaust gas passage (76) to the outer peripheral side of the partition wall (81) of the turbine nozzle, and the partition wall The exhaust gas is guided from the exhaust gas flow path (80) to the inner peripheral side.
  • the on-off valve (41) provided in the pipe (38) connecting the exhaust gas passage (76) and the exhaust gas passage (80) is closed, the exhaust gas passage (80 ), The exhaust gas is guided only to the inner peripheral side of the partition wall of the turbine nozzle, and the release valve (41) is opened. From the exhaust gas passage (76) and the exhaust gas passage (80), Exhaust gas is guided to the entire area.
  • turbocharger turbine shown in FIGS. 1 to 4 of Patent Document 1 it is supplied to the turbine rotor blades only by the opening / closing operation of the on-off valve without providing a rotation mechanism for each nozzle vane in the turbine nozzle. It becomes possible to adjust the flow rate of the exhaust gas to be produced.
  • a pipe (38) connecting the exhaust gas passage (26) and the exhaust gas passage (36) is provided in the radial direction of the turbine rotor. It is provided so as to straddle the space inside the gas inlet casing (27, 51), and it is difficult to access the turbine rotor through the space during maintenance of the turbine. For example, it has been difficult or impossible to mount a rotor locking tool for locking the turbine rotor so as not to rotate through the space to the turbine rotor.
  • the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a turbine having a simple configuration excellent in maintainability and a turbocharger including the turbine. It is.
  • a turbine includes a turbine rotor provided rotatably, a turbine nozzle provided upstream of a turbine rotor blade of the turbine rotor, and the exhaust gas at the turbine nozzle.
  • a plurality of turbine nozzles arranged along a circumferential direction of the turbine rotor between the nozzle inner ring, the nozzle outer ring, and the nozzle inner ring and the nozzle outer ring.
  • An annular partition plate that is provided at an intermediate position in the blade height direction of the nozzle vane and that forms an inner nozzle passage between the nozzle inner ring and an outer nozzle passage between the nozzle outer ring and the nozzle vane.
  • the inlet-side casing includes a cylindrical first casing and a second casing located on the outer peripheral side of the first casing.
  • a second flow path for guiding the exhaust gas to the outer nozzle passage and forming a first flow path for guiding the exhaust gas to the inner nozzle passage with the first casing. Is connected to the first flow path on one end side through a second casing formed on the outer peripheral side of the first flow path, and a first opening provided on the outer peripheral surface of the second casing.
  • a bypass pipe configured to connect to the second flow path on the other end side through a second opening provided on the outer peripheral surface of the casing, and the bypass pipe is provided with a valve. Yes.
  • the valve provided in the bypass pipe that connects the first flow path and the second flow path when the valve provided in the bypass pipe that connects the first flow path and the second flow path is closed, the inner side of the partition plate of the turbine nozzles is closed. The exhaust gas is guided from the first flow path only to the inner nozzle passage. Further, when the valve is opened, the exhaust gas flows from the first flow path to the inner nozzle passage and the exhaust gas is guided from the second flow path to the outer nozzle passage. Therefore, it is possible to adjust the flow rate of the exhaust gas supplied to the turbine rotor blades only by opening and closing the valves without providing a rotation mechanism for each nozzle vane in the turbine nozzle.
  • a bypass pipe can be provided on the outer peripheral side of the second casing located on the outer peripheral side of the cylindrical first casing.
  • the first flow path and the second flow path can be communicated with each other with a simple configuration without the bypass pipe straddling the space.
  • the distance between the partition plate and the nozzle inner ring in the radial direction of the turbine rotor is: It is larger than the interval between the partition plate and the nozzle outer ring in the radial direction of the turbine rotor.
  • the turbocharger described in FIG. 1 and FIG. 2 of Patent Document 1 includes the partition wall (42) of the turbine nozzle (25) in both the open state and the closed state (41).
  • the exhaust gas flowing through the gap between the tip of the turbine rotor blade and the shroud wall facing the tip has a relatively large effect on the turbine efficiency.
  • the exhaust gas is guided to the outer nozzle passage on the outer peripheral side of the partition plate among the turbine nozzles only when the valve is open, and the valve is closed. Exhaust gas is not guided. For this reason, the influence which the exhaust gas which passes along the clearance gap between the front-end
  • the nozzle outer ring is not joined to the nozzle vane.
  • the nozzle vanes and the partition plate are welded to each other at the time of manufacture of the turbine nozzle, the nozzle vanes are exposed, that is, the outer peripheral side tip of the nozzle vane is caused by the nozzle outer ring. Since welding can be performed without being surrounded, welding work is facilitated, and the manufacturing cost of the turbine nozzle can be reduced. Further, even during maintenance, the nozzle vane is not surrounded by the nozzle outer ring by exposing the nozzle vane by separating the nozzle outer ring and the nozzle vane from the state where the outer peripheral side tip of the nozzle vane is surrounded by the nozzle outer ring. The portion corresponding to the outer nozzle passage can be easily cleaned.
  • the turbine in the turbine according to the above (3), includes an outlet guide tube for guiding the exhaust gas that has passed through the turbine rotor blade, and the nozzle outer ring includes:
  • the outlet guide tube is configured as a separate part and is fixed to the outlet guide tube.
  • the nozzle outer ring is constituted by a separate part (separate body) from the outlet guide cylinder, for example, the material of the nozzle outer ring is selected independently of the material of the outlet guide cylinder. It is possible to increase design freedom.
  • the turbine further includes an outlet side casing for discharging the exhaust gas that has passed through the turbine rotor blade, and the outlet guide tube.
  • the nozzle outer ring is provided so as to cover a space formed between the moving blade side flow path wall and the outer peripheral side extending portion.
  • the nozzle outer ring is provided so as to cover the space formed between the moving blade side flow path wall and the outer peripheral side extending portion, exhaust to the space is performed. It is possible to suppress a decrease in turbine efficiency due to gas entering.
  • the turbine in the turbine according to the above (3), includes an outlet guide tube for guiding the exhaust gas that has passed through the turbine rotor blade, and the nozzle outer ring includes: It comprises a part of the outlet guide tube.
  • the nozzle outer ring is configured by a part of the outlet guide cylinder (that is, the nozzle outer ring and the outlet guide cylinder are not separate parts), the nozzle outer ring is configured as the outlet guide cylinder. Compared with the case where it comprises with another parts, the number of parts of a turbine can be reduced.
  • the interval between the partition plate and the nozzle inner ring decreases as the partition plate approaches the turbine rotor blade. So that it is installed diagonally.
  • a turbocharger is a turbocharger including a turbine that is driven by exhaust gas discharged from an internal combustion engine.
  • the turbine according to any one of (7).
  • each nozzle vane in the turbine nozzle rotates. Even without providing a mechanism, it is possible to adjust the flow rate of the exhaust gas supplied to the turbine rotor blade only by opening and closing the valve. Further, it is possible to realize a turbocharger with a simple configuration excellent in maintainability.
  • a turbine having a simple configuration excellent in maintainability and a turbocharger including the turbine are provided.
  • FIG. 1 It is a figure which shows typically the cross-sectional structure of the turbocharger which concerns on one Embodiment. It is a fragmentary perspective view of the turbine nozzle shown in FIG. It is a fragmentary perspective view which shows structures other than a nozzle outer ring
  • an expression indicating that things such as “identical”, “equal”, and “homogeneous” are in an equal state not only represents an exactly equal state, but also has a tolerance or a difference that can provide the same function. It also represents the existing state.
  • expressions representing shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes represent not only geometrically strict shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes, but also irregularities and chamfers as long as the same effects can be obtained. A shape including a part or the like is also expressed.
  • the expressions “comprising”, “comprising”, “comprising”, “including”, or “having” one constituent element are not exclusive expressions for excluding the existence of the other constituent elements.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional configuration of a turbocharger 100 according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a partial perspective view of the turbine nozzle shown in FIG.
  • the turbocharger 100 includes a turbine 2 that is driven by exhaust gas discharged from an internal combustion engine (not shown) (for example, a marine internal combustion engine or a power generation internal combustion engine). ing.
  • an internal combustion engine for example, a marine internal combustion engine or a power generation internal combustion engine.
  • a compressor (not shown) connected to the turbine rotor 4 is driven, and fuel gas such as air supplied to the internal combustion engine is supplied. Compressed.
  • the turbine 2 is an axial turbine as shown in FIG.
  • the turbine 2 includes a turbine rotor 4 rotatably supported by a bearing 78, a turbine nozzle 8 provided on the upstream side of the turbine rotor blade 6 of the turbine rotor 4, and an exhaust to the turbine nozzle 8.
  • An inlet side casing 10 configured to guide gas
  • the turbine 2 described in the present embodiment is a variable capacity turbine.
  • the turbine nozzle 8 includes a nozzle inner ring 14, a nozzle outer ring 16 provided concentrically with the nozzle inner ring 14 on the outer peripheral side of the nozzle inner ring 14, a nozzle inner ring 14, and a nozzle outer ring.
  • 16 includes a plurality of nozzle vanes 18 disposed along the circumferential direction of the turbine rotor 4 and an annular partition plate 20.
  • the annular partition plate 20 is provided so as to intersect with each of the nozzle vanes 18 at an intermediate position P1 in the blade height direction of the nozzle vane 18 (the radial direction of the turbine rotor 4). Shared part).
  • the annular partition plate 20 is provided concentrically with the nozzle inner ring 14 and the nozzle outer ring 16, and forms an inner nozzle passage 22 between the nozzle inner ring 14 and an outer nozzle passage with the nozzle outer ring 16. 24 is formed.
  • the inlet side casing 10 includes a cylindrical first casing 26 (inner casing), a cylindrical second casing 28 (outer casing) located on the outer peripheral side of the first casing 26, and a bypass. Tube 30.
  • the inlet side casing 10 is configured such that exhaust gas flows from an exhaust gas inlet 69 provided in the second casing 28.
  • the second casing 28 forms an annular first flow path 32 for guiding the exhaust gas to the inner nozzle passage 22 between the first casing 26 and an annular shape for guiding the exhaust gas to the outer nozzle passage 24.
  • the second flow path 34 is configured to be formed on the outer peripheral side of the first flow path 32.
  • the bypass pipe 30 is connected to the first flow path 32 on one end side through a first opening 36 provided on the outer peripheral surface 28 a of the second casing 28 and provided on the outer peripheral surface 28 a of the second casing 28. It is configured to be connected to the second flow path 34 on the other end side through the second opening 38.
  • the bypass pipe 30 is provided with a valve 40 whose opening and closing is controlled by the control unit 42.
  • the valve 40 when the valve 40 is controlled to be opened by the control unit 42, most of the exhaust gas flowing into the first flow path 32 from the exhaust gas inlet 69 remains as it is in the first flow path. A part of the exhaust gas flowing into the first flow path 32 from the exhaust gas inlet 69 flows into the second flow path 34 through the bypass pipe 30, and is guided to the inner nozzle passage 22 through 32. Guided to the passage 24. Then, the exhaust gas that has passed through the inner nozzle passage 22 and the exhaust gas that has passed through the outer nozzle passage 24 flow to the turbine rotor blade 6 and are discharged from the exhaust gas outlet 70 of the outlet side casing 12 after passing through the turbine rotor blade 6. .
  • the flow rate of the exhaust gas supplied to the turbine rotor blade 6 is adjusted only by the opening / closing operation of the valve 40 without providing a rotation mechanism for each nozzle vane 18 in the turbine nozzle 8. It becomes possible.
  • the bypass pipe 30 can be provided on the further outer peripheral side of the second casing 28 located on the outer peripheral side of the cylindrical first casing 26, the inner side of the cylindrical first casing 26 can be provided.
  • the first flow path 32 and the second flow path 34 can be communicated with each other with a simple configuration without the bypass pipe 30 straddling the space 72.
  • the cylindrical first casing 26 includes one end side fixing portion 52 that is fixed to the nozzle inner ring 14 with a bolt 76 a on one end side in the axial direction of the turbine rotor 4,
  • bolt 76b in the other end side in the axial direction of the turbine rotor 4 and the enlarged diameter part 56 are included.
  • the enlarged diameter portion 56 is located between the one end side fixing portion 52 and the other end side fixing portion 54 in the axial direction of the turbine rotor 4, and the inner diameter and outer diameter increase as the distance from the nozzle inner ring 14 in the axial direction of the turbine rotor 4 increases. It is comprised so that it may become.
  • the fixed state of the other end side fixing portion 54 with respect to the second casing 28 is released (the bolt 76b is removed), and after the second casing 28 is pulled out in the axial direction, the one end side fixing portion with respect to the nozzle inner ring 14 is obtained.
  • the first casing 26 can be easily removed in the axial direction of the turbine rotor with respect to the nozzle inner ring 14 and the second casing 28 by releasing the fixed state of 52 (removing the bolt 76a). The maintainability is improved.
  • the second casing 28 includes a cylindrical first flow path forming portion 58 having a first opening 36, and the first flow path forming portion 58 to the first flow path. And a cylindrical second flow path forming portion 60 that branches and extends to the outer peripheral side of the forming portion 58 and has a second opening 38.
  • the cylindrical first flow path forming portion 58 is connected to the one end side connecting portion 62 that is connected to the partition plate 20 at one end side in the axial direction of the turbine rotor 4, and the other in the axial direction of the turbine rotor 4.
  • fixed part 64 fixed to the 1st casing 26 with the volt
  • the first flow path forming portion 58 is configured to form the first flow path 32 between the first casing 26 and the first flow path forming portion 58.
  • the cylindrical second flow path forming portion 60 is connected to the outlet side casing 12 by a bolt 76c at an end 66 opposite to the branch position P2 branched from the first flow path forming portion 58 in the axial direction of the turbine rotor 4.
  • the second flow path 34 is formed between the first flow path forming portion 58 and the part 68 on the exhaust gas outlet side.
  • the nozzle outer ring 16 is not joined to each of the nozzle vanes 18.
  • the plurality of nozzle vanes 18 are joined to the nozzle inner ring 14 and the partition plate 20 by, for example, welding, and the plurality of nozzle vanes 18, the nozzle inner ring 14 and the partition plate 20 are joined. Integrally form the nozzle ring 21.
  • the nozzle ring 21 is configured as a separate component (separately) from the nozzle outer ring 16.
  • the nozzle outer ring 16 is exposed by separating the nozzle outer ring 16 and the nozzle vane 18 in the axial direction from the state in which the outer peripheral side tip 18a of the nozzle vane 18 is surrounded by the nozzle outer ring 16.
  • the portion 24a corresponding to the outer nozzle passage 24 can be easily cleaned in a state where the outer peripheral side tip 18a of the nozzle vane 18 is not surrounded (see FIG. 3).
  • the turbine 2 includes an outlet guide tube 44 for guiding the exhaust gas that has passed through the turbine rotor blade 6, and the nozzle outer ring 16 is separate from the outlet guide tube 44. It is configured as a part and is fixed to the outlet guide tube 44. For this reason, for example, the material of the nozzle outer ring 16 can be selected independently of the material of the outlet guide tube 44, and the degree of design freedom can be increased.
  • the outlet guide tube 44 includes a moving blade side flow path wall 46 facing the turbine rotor blade 6 and an outer peripheral side of the moving blade side flow path wall 46 from the moving blade side flow path wall 46.
  • the nozzle outer ring 16 extends between the rotor blade-side flow path wall 46 and the outer peripheral side extending portion 48. It is provided so as to cover the space 50 to be formed. Thereby, the fall of the turbine efficiency resulting from the entrance of the exhaust gas into the space 50 can be suppressed.
  • the distance D ⁇ b> 1 between the partition plate 20 and the nozzle inner ring 14 in the radial direction of the turbine rotor 4 is the radial direction of the turbine rotor 4. It is larger than the distance D2 between the partition plate 20 and the nozzle outer ring 16.
  • the turbocharger described in FIG. 1 and FIG. 2 of Patent Document 1 includes the partition wall (42) of the turbine nozzle (25) in both the open state and the closed state of the on-off valve (41). Since the exhaust gas is configured to flow on the outer peripheral side, the exhaust gas passing through the gap between the tip of the turbine rotor blade and the shroud wall facing the tip has a relatively large effect on the turbine efficiency reduction.
  • the turbine nozzle is opened and closed with the opening and closing of the valve 40 even if the interval between the nozzle outer ring 16 and the partition plate 20 is relatively small. 8 channel area can be greatly changed.
  • the partition plate 20 is installed obliquely so that the distance D ⁇ b> 1 with the nozzle inner ring 14 in the radial direction of the turbine rotor 4 decreases as the turbine rotor blade 6 is approached. .
  • the exhaust gas flowing along the partition plate 20 is directed toward the inner side in the radial direction of the turbine rotor 4 toward the downstream side. Therefore, in the state where the valve 40 is opened, the outer peripheral side tip and the tip of the turbine rotor blade 6 are opened. It is possible to reduce the amount of exhaust gas passing through the gap between the shroud wall (the above-described moving blade side flow path wall in the outlet guide tube 44) 46 and the shroud wall. Thereby, turbine efficiency can be improved.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes forms obtained by modifying the above-described embodiments and forms obtained by appropriately combining these forms.
  • the nozzle outer ring 16 is configured as a separate part from the outlet guide tube 44 and is fixed to the outlet guide tube 44, but the form of the nozzle outer ring 16 is not limited thereto. Absent.
  • the nozzle outer ring 16 may be constituted by a part of the outlet guide tube 44.
  • valve 40 may be opened and closed manually.
  • a heat insulating material 80 may be attached to each of the inlet side casing 10 and the outlet side casing 12.

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Abstract

 タービンにおいて、タービンノズルは、ノズル内輪との間に内側ノズル通路を形成するとともにノズル外輪との間に外側ノズル通路を形成する環状の仕切り板を含み、入口側ケーシングは、筒状の第1ケーシングと、内側ノズル通路に排気ガスを導くための第1流路を第1ケーシングとの間に形成するとともに、外側ノズル通路に排気ガスを導くための第2流路を第1流路の外周側に形成する第2ケーシングと、第2ケーシングの外周面に設けられた第1開口部を介して一端側で第1流路に接続するとともに、第2ケーシングの外周面に設けられた第2開口部を介して他端側で第2流路に接続するバイパス管と、を含み、バイパス管にはバルブが設けられている。

Description

タービン及びターボ過給機
 本開示は、タービン及びターボ過給機に関する。
 内燃機関の熱効率を高めるための一手段として、ターボ過給機が知られている。特許文献1には、内燃機関から排出された排気ガスによって駆動するタービンを備えたターボ過給機が開示されている。
 特許文献1の図1~図4に示されるターボ過給機のタービンでは、タービンノズル(25)の内周側部材(25a)と外周側部材(25b)との間に隔壁(42,81)が設けられている。
 例えば特許文献1の図1及び図2に示されるターボ過給機のタービンでは、タービンノズルのうち隔壁(42)の外周側に排気ガス流路(26)から排気ガスが導かれ、隔壁の内周側に排気ガス流路(36)から排気ガスが導かれる。かかる構成においては、排気ガス流路(26)と排気ガス流路(36)とを接続する配管(38)に設けられた開閉弁(41)を閉じた状態にすると、排気ガス流路(26)からタービンノズルのうち隔壁の外周側のみに排気ガスが導かれ、開放弁を開いた状態にすると、排気ガス流路(26)及び排気ガス流路(36)からタービンノズルの全域に排気ガスが導かれる。
 また、特許文献1の図3及び図4に示されるターボ過給機のタービンでは、タービンノズルのうち隔壁(81)の外周側に排気ガス流路(76)から排気ガスが導かれ、隔壁の内周側に排気ガス流路(80)から排気ガスが導かれる。かかる構成においては、排気ガス流路(76)と排気ガス流路(80)とを接続する配管(38)に設けられた開閉弁(41)を閉じた状態にすると、排気ガス流路(80)からタービンノズルのうち隔壁の内周側のみに排気ガスが導かれ、開放弁(41)を開いた状態にすると、排気ガス流路(76)及び排気ガス流路(80)からタービンノズルの全域に排気ガスが導かれる。
 特許文献1の図1~図4に示されるターボ過給機のタービンによれば、タービンノズルにおけるノズルベーンの各々に回動機構を設けなくとも、開閉弁の開閉動作のみによって、タービン動翼に供給される排気ガスの流速を調節することが可能となる。
特許第5222274号公報
 特許文献1の図1及び図2に記載のターボ過給機のタービンでは、排気ガス流路(26)と排気ガス流路(36)とを接続する配管(38)がタービンロータの径方向におけるガス入口ケーシング(27,51)の内側の空間を跨ぐように設けられており、タービンのメンテナンス時に該空間を通ってタービンロータへアクセスすることが困難であった。例えばタービンロータを回転しないようにロックするロータロック用の要具を上記空間を通ってタービンロータに装着することが困難又は不可能であった。
 一方、特許文献1の図3及び図4に記載のターボ過給機のタービンにおいても、ガス入口ケーシング(77,107)の構造上、タービンのメンテナンス時にタービンロータへアクセスすることが困難であった。また、ガス入口ケーシングの構造が複雑で分解しにくく、メンテナンス性の点で改良の余地があった。
 本発明は、上述したような従来の課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、メンテナンス性に優れた簡易な構成のタービン及びこれを備えたターボ過給機を提供することである。
 (1)本発明の少なくとも一実施形態に係るタービンは、回転可能に設けられたタービンロータと、前記タービンロータのタービン動翼の上流側に設けられたタービンノズルと、前記タービンノズルに前記排気ガスを導くよう構成された入口側ケーシングと、を含み、前記タービンノズルは、ノズル内輪と、ノズル外輪と、前記ノズル内輪及び前記ノズル外輪の間に前記タービンロータの周方向に沿って配置された複数のノズルベーンと、前記ノズルベーンの翼高さ方向における途中位置に設けられ、前記ノズル内輪との間に内側ノズル通路を形成するとともに前記ノズル外輪との間に外側ノズル通路を形成する環状の仕切り板と、を含み、前記入口側ケーシングは、筒状の第1ケーシングと、前記第1ケーシングの外周側に位置する第2ケーシングであって、前記内側ノズル通路に前記排気ガスを導くための第1流路を前記第1ケーシングとの間に形成するとともに、前記外側ノズル通路に前記排気ガスを導くための第2流路を前記第1流路の外周側に形成する第2ケーシングと、前記第2ケーシングの外周面に設けられた第1開口部を介して一端側で前記第1流路に接続するとともに、前記第2ケーシングの前記外周面に設けられた第2開口部を介して他端側で前記第2流路に接続するよう構成されたバイパス管と、を含み、前記バイパス管にはバルブが設けられている。
 上記(1)に記載のタービンによれば、第1流路と第2流路とを接続するバイパス管に設けられたバルブを閉じた状態にすると、タービンノズルのうち仕切り板の内周側の内側ノズル通路のみに第1流路から排気ガスが導かれる。また、バルブを開いた状態にすると、第1流路から内側ノズル通路へ排気ガスが流れるとともに第2流路から外側ノズル通路に排気ガスが導かれる。このため、タービンノズルにおけるノズルベーンの各々に回動機構を設けなくとも、バルブの開閉動作のみによって、タービン動翼に供給される排気ガスの流速を調節することが可能となる。
 また、上記(1)に記載のタービンでは、筒状の第1ケーシングの外周側に位置する第2ケーシングの更に外周側にバイパス管を設けることができるので、筒状の第1ケーシングの内側の空間をバイパス管が跨ぐことなく、簡易な構成で第1流路と第2流路とを連通させることができる。これにより、タービンのメンテナンス時に筒状の第1ケーシングの内側の空間を通ってタービンロータへアクセスすることが容易となる。例えばタービンロータを回転しないようにロックするロータロック用の要具を該空間を通ってタービンロータに装着することが容易となる。このように、メンテナンス性に優れた簡易な構成のタービンを実現することができる。
 (2)幾つかの実施形態では、上記(1)に記載のタービンにおいて、前記タービンロータの軸方向における各位置において、前記タービンロータの径方向における前記仕切り板と前記ノズル内輪との間隔は、前記タービンロータの径方向における前記仕切り板と前記ノズル外輪との間隔より大きい。
 特許文献1の図1及び図2に記載される前述のターボ過給機は、開閉弁(41)が開いている状態及び閉じている状態の両方において、タービンノズル(25)のうち隔壁(42)の外周側に排気ガスが流れるよう構成されていたため、タービン動翼の先端と該先端に対向するシュラウド壁との隙間を通る排気ガスがタービン効率低下に与える影響が比較的大きかった。
 これに対し、上記(2)に記載のタービンによれば、タービンノズルのうち仕切り板の外周側の外側ノズル通路には、バルブが開いている時のみ排気ガスが導かれバルブが閉じている時に排気ガスが導かれない。このため、タービン動翼の先端と該先端に対向するシュラウド壁との隙間を通る排気ガスがタービン効率低下に与える影響を小さくすることができる。また、隣接するノズルベーン同士の間隔は、タービンロータの径方向において外側に向かうにつれて大きくなるため、ノズル外輪と仕切り板との間隔が比較的小さくともバルブの開閉に伴ってタービンノズルの流路面積を大きく変化させることができる。
 (3)幾つかの実施形態では、上記(1)又は(2)に記載のタービンにおいて、前記ノズル外輪は、前記ノズルベーンに接合されていない。
 上記(3)に記載のタービンによれば、タービンノズルの製造時において、ノズルベーンの各々と仕切り板とを溶接によって溶接する際に、ノズルベーンが露出した状態、すなわちノズル外輪によってノズルベーンの外周側先端が囲まれていない状態で溶接することが可能となるため、溶接作業が容易となり、タービンノズルの製造コストを低減することができる。また、メンテナンス時においても、ノズルベーンの外周側先端がノズル外輪によって囲まれている状態からノズル外輪とノズルベーンとを離間させてノズルベーンを露出させることにより、ノズル外輪によってノズルベーンが囲まれていない状態で、外側ノズル通路に対応する部分を容易に清掃することができる。
 (4)幾つかの実施形態では、上記(3)に記載のタービンにおいて、前記タービンは、前記タービン動翼を通過した前記排気ガスを案内するための出口案内筒を備え、前記ノズル外輪は、前記出口案内筒とは別部品として構成されるとともに前記出口案内筒に固定されている。
 上記(4)に記載のタービンによれば、ノズル外輪は、出口案内筒とは別部品(別体)で構成されるため、例えばノズル外輪の材質を出口案内筒の材質とは独立して選択することができ、設計自由度を高めることができる。
 (5)幾つかの実施形態では、上記(4)に記載のタービンにおいて、前記タービンは、前記タービン動翼を通過した前記排気ガスを排出するための出口側ケーシングを更に備え、前記出口案内筒は、前記タービン動翼に面する動翼側流路壁と、前記動翼側流路壁から前記動翼側流路壁の外周側に分岐して延在するとともに前記出口側ケーシングに固定される外周側延在部と、を有し、前記ノズル外輪は、前記動翼側流路壁と前記外周側延在部との間に形成される空間を覆うように設けられている。
 上記(5)に記載のタービンによれば、ノズル外輪は、動翼側流路壁と外周側延在部との間に形成される空間を覆うように設けられているため、該空間への排気ガスの入り込みに起因するタービン効率の低下を抑制することができる。
 (6)幾つかの実施形態では、上記(3)に記載のタービンにおいて、前記タービンは、前記タービン動翼を通過した前記排気ガスを案内するための出口案内筒を備え、前記ノズル外輪は、前記出口案内筒の一部によって構成される。
 上記(6)に記載のタービンによれば、ノズル外輪が前記出口案内筒の一部によって構成される(すなわち、ノズル外輪と出口案内筒とは別部品ではない)ため、ノズル外輪が出口案内筒と別部品で構成される場合と比較して、タービンの部品点数を削減することができる。
 (7)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(6)の何れか1項に記載のタービンにおいて、前記仕切り板は、前記タービン動翼に近づくにつれて前記ノズル内輪との間隔が小さくなるように斜めに設置されている。
 上記(7)に記載のタービンによれば、仕切り板に沿って流れる排気ガスが、下流側に向かうにつれてタービンロータの径方向における内側へ向かうため、バルブを開いた状態において、タービン動翼の外周側先端と該先端に対向するシュラウド壁との間の隙間を通る排気ガスの量を少なくすることができる。これにより、タービン効率を向上することができる。
 (8)本発明の少なくとも一実施形態に係るターボ過給機は、内燃機関から排出された排気ガスによって駆動するタービンを備えたターボ過給機であって、前記タービンは、上記(1)乃至(7)の何れか1項に記載のタービンである。
 上記(8)に記載のターボ過給機によれば、タービンが上記(1)乃至(7)の何れか1項に記載のタービンで構成されているため、タービンノズルにおけるノズルベーンの各々に回動機構を設けなくとも、バルブの開閉動作のみによって、タービン動翼に供給される排気ガスの流速を調節することが可能となる。また、メンテナンス性に優れた簡易な構成のターボ過給機を実現することができる。
 本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、メンテナンス性に優れた簡易な構成のタービン及びこれを備えたターボ過給機が提供される。
一実施形態に係るターボ過給機の断面構成を模式的に示す図である。 図1に示すタービンノズルの部分斜視図である。 図2に示すタービンノズルのうち、ノズル外輪以外の構成を示す部分斜視図である。 図1に示すターボ過給機におけるタービンノズル付近の断面構成を拡大した模式図である。 一実施形態に係るターボ過給機の断面構成を模式的に示す図である。
 以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
 例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
 例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
 例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
 一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
 図1は、一実施形態に係るターボ過給機100の断面構成を模式的に示す図である。図2は、図1に示すタービンノズルの部分斜視図である。
 一実施形態では、例えば図1に示すように、ターボ過給機100は、不図示の内燃機関(例えば、舶用内燃機関や発電用内燃機関)から排出された排気ガスによって駆動するタービン2を備えている。ターボ過給機100では、タービン2のタービンロータ4が排気ガスによって回転することにより、タービンロータ4に連結された不図示の圧縮機が駆動され、内燃機関に供給する空気等の燃料用気体が圧縮される。タービン2は、図1に示すように軸流タービンである。
 図1に示すように、タービン2は、軸受78に回転可能に支持されたタービンロータ4と、タービンロータ4のタービン動翼6の上流側に設けられたタービンノズル8と、タービンノズル8に排気ガスを導くよう構成された入口側ケーシング10と、タービン動翼6を通過した排気ガスを排出するための出口側ケーシング12と、バルブ40と、制御部42とを含む。本実施形態に記載のタービン2は、可変容量型のタービンである。
 図1及び図2の少なくとも一方に示すように、タービンノズル8は、ノズル内輪14と、ノズル内輪14の外周側にノズル内輪14と同心に設けられたノズル外輪16と、ノズル内輪14及びノズル外輪16の間にタービンロータ4の周方向に沿って配置された複数のノズルベーン18と、円環状の仕切り板20と、を含む。円環状の仕切り板20は、ノズルベーン18の翼高さ方向(タービンロータ4の径方向)における途中位置P1にてノズルベーン18の各々と交差するように設けられ、ノズルベーン18の各々との交差部分(接続部分)を共有している。また、円環状の仕切り板20は、ノズル内輪14及びノズル外輪16と同心に設けられており、ノズル内輪14との間に内側ノズル通路22を形成するとともにノズル外輪16との間に外側ノズル通路24を形成するよう構成されている。
 図1に示すように、入口側ケーシング10は、筒状の第1ケーシング26(内側ケーシング)と、第1ケーシング26の外周側に位置する筒状の第2ケーシング28(外側ケーシング)と、バイパス管30とを含む。入口側ケーシング10は、第2ケーシング28に設けられた排気ガス入口69から排気ガスが流入するよう構成されている。第2ケーシング28は、内側ノズル通路22に排気ガスを導くための環状の第1流路32を第1ケーシング26との間に形成するとともに、外側ノズル通路24に排気ガスを導くための環状の第2流路34を第1流路32の外周側に形成するよう構成されている。
 バイパス管30は、第2ケーシング28の外周面28aに設けられた第1開口部36を介して一端側で第1流路32に接続するとともに、第2ケーシング28の外周面28aに設けられた第2開口部38を介して他端側で第2流路34に接続するよう構成されている。バイパス管30には、制御部42によって開閉を制御されるバルブ40が設けられている。
 ターボ過給機100において、バルブ40が制御部42によって閉じた状態に制御されているときには、排気ガス入口69から第1流路32に流入した排気ガスの全ては、第1流路32から内側ノズル通路22を通ってタービン動翼6へ流れ、タービン動翼6を通過した後に出口側ケーシング12の排気ガス出口70から排出される。
 また、ターボ過給機100において、バルブ40が制御部42によって開いた状態に制御されているときには、排気ガス入口69から第1流路32に流入した排気ガスの大半は、そのまま第1流路32を通って内側ノズル通路22へ導かれるが、排気ガス入口69から第1流路32に流入した排気ガスの一部は、バイパス管30を通って第2流路34へ流入し、外側ノズル通路24へ導かれる。そして、内側ノズル通路22を通った排気ガス及び外側ノズル通路24を通った排気ガスがタービン動翼6へ流れ、タービン動翼6を通過した後に出口側ケーシング12の排気ガス出口70から排出される。
 かかるターボ過給機100によれば、タービンノズル8におけるノズルベーン18の各々に回動機構を設けなくとも、バルブ40の開閉動作のみによって、タービン動翼6に供給される排気ガスの流速を調節することが可能となる。
 また、ターボ過給機100では、筒状の第1ケーシング26の外周側に位置する第2ケーシング28の更に外周側にバイパス管30を設けることができるので、筒状の第1ケーシング26の内側の空間72をバイパス管30が跨ぐことなく、簡易な構成で第1流路32と第2流路34とを連通させることができる。これにより、ターボ過給機100のメンテナンス時に筒状の第1ケーシング26の内側の空間からタービンロータ4へアクセスすることが容易となる。例えばタービンロータ4を回転しないようにロックするロータロック用の要具74を該空間72を通ってタービンロータ4に装着することが容易となる。したがって、メンテナンス性に優れた簡易な構成のタービン2を備えたターボ過給機100を実現することができる。
 一実施形態では、例えば図1に示すように、筒状の第1ケーシング26は、タービンロータ4の軸方向における一端側にてノズル内輪14にボルト76aで固定される一端側固定部52と、タービンロータ4の軸方向における他端側にて第2ケーシング28にボルト76bで固定される他端側固定部54と、拡径部56とを含む。拡径部56は、タービンロータ4の軸方向における一端側固定部52と他端側固定部54の間に位置し、ノズル内輪14からタービンロータ4の軸方向に離れるにつれて内径及び外径が大きくなるよう構成されている。
 かかる構成によれば、第2ケーシング28に対する他端側固定部54の固定状態を解除し(ボルト76bを取り外し)、第2ケーシング28を軸方向に引き出した後に、ノズル内輪14に対する一端側固定部52の固定状態を解除する(ボルト76aを取り外す)ことにより、ノズル内輪14及び第2ケーシング28に対して第1ケーシング26をタービンロータの軸方向に容易に取り外すことができ、ターボ過給機100のメンテナンス性が向上する。
 一実施形態では、例えば図1に示すように、第2ケーシング28は、第1開口部36を有する筒状の第1流路形成部58と、第1流路形成部58から第1流路形成部58の外周側に分岐して延在するとともに第2開口部38を有する筒状の第2流路形成部60と、を含む。
 筒状の第1流路形成部58は、タービンロータ4の軸方向における一端側にて仕切り板20に嵌合することにより連結される一端側連結部62と、タービンロータ4の軸方向における他端側にて第1ケーシング26にボルト76bで固定される他端側固定部64と、を有する。第1流路形成部58は、第1ケーシング26との間に第1流路32を形成するよう構成されている。
 筒状の第2流路形成部60は、タービンロータ4の軸方向において第1流路形成部58から分岐する分岐位置P2とは反対側の端部66にて出口側ケーシング12にボルト76cで固定されるとともに、第1流路形成部58の排気ガス出口側の一部68との間に第2流路34を形成するよう構成されている。
 一実施形態では、例えば図1及び図2に示すタービンノズル8において、ノズル外輪16は、ノズルベーン18の各々に接合されていない。また、図1及び図2に示すタービンノズル8では、複数のノズルベーン18が、ノズル内輪14及び仕切り板20に対して例えば溶接により接合されており、複数のノズルベーン18、ノズル内輪14及び仕切り板20が一体となってノズルリング21を構成している。このように、ノズルリング21はノズル外輪16とは別部品として(別体で)構成されている。
 このため、タービンノズル8の製造時において、ノズルベーン18の各々と仕切り板20とを溶接によって溶接する際に、ノズルベーン18の外周側先端18aが露出した状態(図3参照)、すなわちノズル外輪16によってノズルベーン18の外周側先端18aが囲まれていない状態で溶接することが可能となるため、溶接作業が容易となり、タービンノズル8の製造コストを低減することができる。
 また、メンテナンス時においても、ノズル外輪16によってノズルベーン18の外周側先端18aが囲まれている状態からノズル外輪16とノズルベーン18とを軸方向に離間させてノズルベーン18を露出させることにより、ノズル外輪16によってノズルベーン18の外周側先端18aが囲まれていない状態(図3参照)で、外側ノズル通路24に対応する部分24aを容易に清掃することができる。
 一実施形態では、例えば図1に示すように、タービン2は、タービン動翼6を通過した排気ガスを案内するための出口案内筒44を備え、ノズル外輪16は、出口案内筒44とは別部品として構成されるとともに出口案内筒44に固定されている。このため、例えばノズル外輪16の材質を出口案内筒44の材質とは独立して選択することができ、設計自由度を高めることができる。
 一実施形態では、例えば図1に示すように、出口案内筒44は、タービン動翼6に面する動翼側流路壁46と、動翼側流路壁46から動翼側流路壁46の外周側に分岐して延在するとともに出口側ケーシング12に固定される外周側延在部48と、を有し、ノズル外輪16は、動翼側流路壁46と外周側延在部48との間に形成される空間50を覆うように設けられている。これにより、該空間50への排気ガスの入り込みに起因するタービン効率の低下を抑制することができる。
 一実施形態では、例えば図4に示すように、タービンロータ4の軸方向における各位置において、タービンロータ4の径方向における仕切り板20とノズル内輪14との間隔D1は、タービンロータ4の径方向における仕切り板20とノズル外輪16との間隔D2より大きい。
 特許文献1の図1及び図2に記載されるターボ過給機は、開閉弁(41)が開いている状態及び閉じている状態の両方において、タービンノズル(25)のうち隔壁(42)の外周側に排気ガスが流れるよう構成されていたため、タービン動翼の先端と該先端に対向するシュラウド壁との隙間を通る排気ガスがタービン効率低下に与える影響が比較的大きかった。
 これに対し、図1~図4を用いて説明したターボ過給機100によれば、タービンノズル8のうち仕切り板20の外周側の外側ノズル通路24には、バルブ40が開いている時のみ排気ガスが導かれバルブ40が閉じている時に排気ガスが導かれない。このため、タービン動翼6の先端と該先端に対向するシュラウド壁(出口案内筒44における上述の動翼側流路壁)46との隙間を通る排気ガスがタービン効率低下に与える影響を小さくすることができる。また、隣接するノズルベーン18同士の間隔は、タービンロータ4の径方向において外側に向かうにつれて大きくなるため、ノズル外輪16と仕切り板20との間隔が比較的小さくともバルブ40の開閉に伴ってタービンノズル8の流路面積を大きく変化させることができる。
 一実施形態では、例えば図4に示すように、仕切り板20は、タービン動翼6に近づくにつれてタービンロータ4の径方向におけるノズル内輪14との間隔D1が小さくなるように斜めに設置されている。
 これにより、仕切り板20に沿って流れる排気ガスが、下流側に向かうにつれてタービンロータ4の径方向における内側へ向かうため、バルブ40を開いた状態において、タービン動翼6の外周側先端と該先端に対向するシュラウド壁(出口案内筒44における上述の動翼側流路壁)46との間の隙間を通る排気ガスの量を少なくすることができる。これにより、タービン効率を向上することができる。
 本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
 例えば、図1に示した実施形態では、ノズル外輪16は、出口案内筒44とは別部品として構成されており、出口案内筒44に固定されていたが、ノズル外輪16の形態はこれに限らない。例えば図5に示すように、ノズル外輪16は出口案内筒44の一部によって構成されていてもよい。これにより、ノズル外輪16を出口案内筒44と別部品として構成する場合と比較して、部品点数を削減しターボ過給機100の構成を簡素化することができる。
 また、図1に示した実施形態では、バルブ40の開閉を制御部42によって行う形態を説明したが、バルブ40の開閉は手動で行ってもよい。また、幾つかの実施形態では、図1及び図5に示すように、入口側ケーシング10及び出口側ケーシング12の各々に断熱材80が取り付けられていてもよい。
2 タービン
4 タービンロータ
6 タービン動翼
8 タービンノズル
10 入口側ケーシング
12 出口側ケーシング
14 ノズル内輪
16 ノズル外輪
18 ノズルベーン
20 仕切り板
21 ノズルリング
22 内側ノズル通路
24 外側ノズル通路
26 第1ケーシング
28 第2ケーシング
28a 外周面
30 バイパス管
32 第1流路
34 第2流路
36 第1開口部
38 第2開口部
40 バルブ
42 制御部
44 出口案内筒
46 動翼側流路壁
48 外周側延在部
50 空間
52 一端側固定部
54 他端側固定部
56 拡径部
58 第1流路形成部
60 第2流路形成部
62 一端側連結部
64 他端側固定部
66 端部
68 一部
69 排気ガス入口
70 排気ガス出口
72 空間
74 ロータロック用の要具
76a,76b,76c ボルト
78 軸受
80 断熱材
100 ターボ過給機

Claims (8)

  1.   回転可能に設けられたタービンロータと、
      前記タービンロータのタービン動翼の上流側に設けられたタービンノズルと、
      前記タービンノズルに排気ガスを導くよう構成された入口側ケーシングと、
     を含み、
     前記タービンノズルは、
      ノズル内輪と、
      ノズル外輪と、
      前記ノズル内輪及び前記ノズル外輪の間に前記タービンロータの周方向に沿って配置された複数のノズルベーンと、
      前記ノズルベーンの翼高さ方向における途中位置にて前記ノズルベーンの各々と交差するよう設けられ、前記ノズル内輪との間に内側ノズル通路を形成するとともに前記ノズル外輪との間に外側ノズル通路を形成する環状の仕切り板と、
     を含み、
     前記入口側ケーシングは、
      筒状の第1ケーシングと、
      前記第1ケーシングの外周側に位置する第2ケーシングであって、前記内側ノズル通路に前記排気ガスを導くための第1流路を前記第1ケーシングとの間に形成するとともに、前記外側ノズル通路に前記排気ガスを導くための第2流路を前記第1流路の外周側に形成する第2ケーシングと、
      前記第2ケーシングの外周面に設けられた第1開口部を介して一端側で前記第1流路に接続するとともに、前記第2ケーシングの前記外周面に設けられた第2開口部を介して他端側で前記第2流路に接続するよう構成されたバイパス管と、
     を含み、
     前記バイパス管にバルブが設けられたタービン。
  2.  前記タービンロータの軸方向における各位置において、前記タービンロータの径方向における前記仕切り板と前記ノズル内輪との間隔は、前記タービンロータの径方向における前記仕切り板と前記ノズル外輪との間隔より大きい請求項1に記載のタービン。
  3.  前記ノズル外輪は、前記ノズルベーンに接合されていない請求項1又は2に記載のタービン。
  4.  前記タービンは、前記タービン動翼を通過した前記排気ガスを案内するための出口案内筒を備え、
     前記ノズル外輪は、前記出口案内筒とは別部品として構成されるとともに前記出口案内筒に固定されている請求項3に記載のタービン。
  5.  前記タービンは、前記タービン動翼を通過した前記排気ガスを排出するための出口側ケーシングを更に備え、
     前記出口案内筒は、前記タービン動翼に面する動翼側流路壁と、前記動翼側流路壁から前記動翼側流路壁の外周側に分岐して延在するとともに前記出口側ケーシングに固定される外周側延在部と、を有し、
     前記ノズル外輪は、前記動翼側流路壁と前記外周側延在部との間に形成される空間を覆うように設けられている請求項4に記載のタービン。
  6.  前記タービンは、前記タービン動翼を通過した前記排気ガスを案内するための出口案内筒を備え、
     前記ノズル外輪は、前記出口案内筒の一部によって構成される請求項3に記載のタービン。
  7.  前記仕切り板は、前記タービン動翼に近づくにつれて前記ノズル内輪との間隔が小さくなるように斜めに設置されている請求項1乃至6の何れか1項に記載のタービン。
  8.  内燃機関から排出された排気ガスによって駆動するタービンを備えたターボ過給機であって、前記タービンは、請求項1乃至7の何れか1項に記載のタービンである、ターボ過給機。
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