JP2013119801A - 過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】機関ヘの供給空気圧力が高くなり過ぎる問題を回避できる過給機を提供する。
【解決手段】排気ガスによりロータを回転駆動させるタービン１１と、ロータの回転により吸気した流体を圧縮する圧縮機と、を備え、タービン１１は、静翼２０及び動翼２１を有するタービン本体１６と、タービン本体１６から排出される排気ガスの圧力を回復させて排気させるディフューザ１７と、を有し、ディフューザ１７は、ロータの回転方向と逆方向の旋回成分を有する排気ガスの流れに剥離を生じさせる剥離手段３１を具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関から導いた排気ガスによって駆動して圧縮した空気を内燃機関に供給する過給機に関する。

低速２サイクルディーゼル機関等の舶用ディーゼル機関に装着してシリンダライナの内部に連通する給気マニホールドに、圧縮した空気を供給する過給機がある（例えば、特許文献１参照）。

ところで、ディーゼル機関である船舶の機関に用いられる過給機は、機関の負荷が低くタービン圧力比も低い状態において、機関に十分な空気を送るために高効率であることが望ましい。このような過給機は、機関の負荷が高い状態では、タービンの圧力比も高くなるため、機関ヘの供給空気圧力が高くなり過ぎる状況が発生し易い。そこで、タービンを通さずに排気ガスの一部をバイパスする方法や、タービンノズルを可変機構としてタービン圧力比を下げるような手法が取られることがある。

しかし上記の方法は、機関の状態量をモニタしながらバルブやノズル開度を制御する必要がある。また、可動部分を有することから、コストアップや信頼性低下の要因となる。

以上により、コストアップや信頼性低下を招くことなく、タービン低圧力比側での高効率と、タービン高圧力比側で過度の機関供給空気圧を回避する方法が求められている。このような要求を満たす、タービン高圧力比側で大幅に効率を低下させられる過給機として、図１０及び図１１に示すような静翼１０１及び動翼１０２の形状を有するものがある。

図１０に示すように、従来の過給機１００は、絶対速度Ｖ１と相対速度Ｖ２とからなる速度三角形において、タービン低圧力比側において性能を確保するために、タービン動翼の出口の絶対流れがほぼ軸流方向となるように静翼１０１及び動翼１０２の選定を行なわれている。ここで、タービンは、同じ圧力比及び同じ流量条件の下では、動翼出口流れが軸流方向となる条件において高性能となることが一般に知られている。

図１１に示すように、従来の過給機１００は、このような静翼１０１及び動翼１０２の選定を行うことにより、タービン高圧力比側では、タービン動翼出口の流れは動翼１０２の回転方向と逆方向の旋回流れを持つ。
そして、従来の過給機１００は、旋回流れの発生によって、タービン高圧力比側でのタービン効率は、軸方向流出とする場合に比べて若干の低下がもたらされる。

特開２０１１−０２１４９７号公報

しかしながら、従来の過給機１００においては、旋回流れの発生によってタービン高圧比側で効率が低くなるものの、機関ヘの供給空気圧力が高くなり過ぎる状況を防ぐほどの効果はない。

本発明は、前述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、タービン動翼出口がほぼ軸方向流出の状態、すなわち機関低負荷に相当する状態ではタービンの効率を極力高く維持し、一方で、タービン動翼出口がタービン回転方向と逆向きの旋回流となる状態、すなわち機関高負荷に相当する状態では、機関ヘの供給空気圧力が高くなり過ぎる問題を回避することが可能な過給機を提供することにある。

本発明に係る過給機は、排気ガスによりロータを回転駆動させるタービンと、前記ロータの回転により吸気した流体を圧縮する圧縮機と、を備えた過給機であって、前記タービンは、静翼及び動翼を有するタービン本体と、前記タービン本体から排出される排気ガスの圧力を回復させて排気させるディフューザと、を有し、前記ディフューザは、前記ロータの回転方向と逆方向の旋回成分を有する排気ガスの流れに剥離を生じさせる剥離手段を具備する。

上記構成によれば、タービン動翼出口がほぼ軸方向流出の状態、すなわち機関低負荷に相当する状態ではタービンの効率を極力高く維持し、一方で、タービン動翼出口がタービン回転方向と逆向きの旋回流となる状態、すなわち機関高負荷に相当する状態では、タービン動翼出口のディフューザにおいて剥離を発生させてタービンの効率を大幅に落とすことにより、機関ヘの供給空気圧力が高くなり過ぎる問題を回避できるという効果を奏する。

また、本発明に係る過給機において、前記剥離手段は、前記ディフューザの内周側に設けられて、軸線方向に沿って配されたフィンを有することが好ましい。

上記構成によれば、タービン動翼出口ディフューザの内部のフィンの設置位置において剥離が発生して、大幅なタービン性能低下を引き起こすことができる。

また、本発明に係る過給機において、前記剥離手段は、前記ディフューザの外周側の流れを回転方向逆方向に案内させる案内手段としてもよい。

上記構成によれば、剥離手段の案内手段が、タービン動翼出口ディフューザの外周側の流れを回転方向逆方向に案内するために、排気ガスを確実に剥離して大幅なタービン性能低下を引き起こすことができる。

前記案内手段は、内周側から外周側に向かって回転方向逆方向に傾斜して流れを外周側に排出する孔であることが好ましい。

上記構成によれば、案内手段が回転方向逆方向に傾斜して流れを外周側に排出する孔であるために、別部材を追加加工する場合と比べて、遥かに容易に形成できる。

前記案内手段は、内周側から外周側に向かって回転方向逆方向に螺旋状に形成された溝としてもよい。

上記構成によれば、タービン動翼からの排気ガスの流出流れがタービン回転方向と逆向きの旋回流を有する状態になると、排気ガスは自身の遠心力によって積極的に溝内に進入する。そして、排気ガスは、溝によりタービン動翼出口ディフューザの出口に向かって流出し、大幅なタービン性能低下を引き起こして、機関ヘの供給空気圧力が高くなり過ぎる問題を回避できる。

本発明に係る過給機によれば、タービン動翼出口がほぼ軸方向流出の状態、すなわち機関低負荷に相当する状態ではタービンの効率を極力高く維持し、一方で、タービン動翼出口がタービン回転方向と逆向きの旋回流となる状態、すなわち機関高負荷に相当する状態では、タービン動翼出口のディフューザにおいて剥離を発生させてタービンの効率を大幅に落とすことにより、機関ヘの供給空気圧力が高くなり過ぎる問題を回避できるという効果を奏する。

本発明に係る第１実施形態の過給機の縦断面図である。 本発明に係る第１実施形態の過給機のディフューザ周りの縦断面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 本発明に係る第２実施形態の過給機のディフューザ周りの縦断面図である。 図４のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明に係る第３実施形態の過給機のディフューザ周りの縦断面図である。 図６のディフューザの出口側からフローガイドの内面を視た外観斜視図である。 本発明に係る第４実施形態の過給機のディフューザ周りの縦断面図である。 図８のＣ−Ｃ線断面図である。 従来の過給機のタービン低圧力比側の動翼および静翼の模式的断面図である。 従来の過給機のタービン高圧力比側の動翼および静翼の模式的断面図である。

以下、本発明に係る複数の実施形態の過給機について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１に示すように、本発明に係る第１実施形態の過給機１０は、タービン１１と、圧縮機１２と、から主として構成して、例えば低速２サイクルディーゼル機関等の舶用ディーゼル機関に搭載されている。
タービン１１は、排気ガスの入口通路１４と、排気ガスの出口通路１５とを有するタービンハウジング１３と、タービン本体１６を有している。そして、タービンハウジング１３は、タービン動翼出口ディフューザ（ディフューザ）１７を有し、このタービン動翼出口ディフューザ１７は、ハブ側ケーシング壁１８に対向してフローガイド１９を有している。

入口通路１４は、不図示の排気マニホールドの下流側に連通接続されている。出口通路１５は、不図示の煙突など大気につながる配管に連通接続されている。
タービン１１は、タービン本体１６に、静翼２０及び動翼であるタービン動翼２１を有している。静翼２０は、タービンハウジング１３の入口通路１４と出口通路１５とに連通する部分に取り付けられている。
タービン動翼２１は、軸流型であって、静翼２０に近接する入口通路１４と出口通路１５とに連通する部分に取り付けられている。
タービン動翼２１は、そのディスク２２が、タービンロータ軸２３を介してアルミニウム合金からなる圧縮機羽根車２４に一体的に結合されている。

圧縮機１２は、圧縮機ハウジング２５に、圧縮機羽根車２４を収容しており、羽根車ディフューザ２６を有している。
圧縮機ハウジング２５は、作動流体入口２７と、出口スクロール２８とを有し、２個のラジアル軸受２９と、軸方向のスラスト荷重を受圧するスラスト軸受３０とにより、タービンロータ軸２３を回転自在に支持している。

図２に示すように、過給機１０は、タービン１１におけるタービン動翼出口ディフューザ１７の外周側のフローガイド１９に剥離手段３１を設けている。
剥離手段３１は、案内手段である複数のガス剥離貫通孔３２を有し、これらガス剥離貫通孔３２は、タービン動翼出口ディフューザ１７内と、外周側のフローガイド１９の外側とに連通している。ガス剥離貫通孔３２はドリル等により形成することができる。
図３に示すように、ガス剥離貫通孔３２は、タービン回転方向Ｄと逆向きの旋回流がタービン動翼２１から流出した際の流れをスムーズに受け入れるようにするために、内周側から外周側に向かって半径方向に対して角度θ１だけ傾斜している。

次に、過給機１０の作用について説明する。
舶用ディーゼル機関が駆動することにより排気マニホールド内に正圧の排気ガスが流通し、この排気ガスは、入口通路１４を通り、静翼２０で静圧膨張して軸方向の排気ガス流を発生する。
そして、排気ガス流によりタービン動翼２１が回転駆動し、タービン動翼２１を駆動した排気ガスは、出口通路１５から外部に排出される。
タービン動翼２１の回転は、タービンロータ軸２３を通じて圧縮機羽根車２４を回転し、圧縮機ハウジング２５の作動流体入口２７を通って吸入された空気は、圧縮機羽根車２４で加圧される。
そして、圧縮機羽根車２４で加圧された空気は、羽根車ディフューザ２６および出口スクロール２８を通って、舶用ディーゼル機関の吸気マニホールド内に供給される。

このとき、機関が低負荷の状態においては、タービン動翼２１からの流出流れが概略軸方向になるため、ガス剥離貫通孔３２は、ほとんど機能しないか、もしくは、フローガイド１９の外側から微量の排気ガスがタービン動翼出口ディフューザ１７内に漏れ込むのみで、性能に大きな影響を与えない。
一方、機関が高負荷の状態においては、タービン動翼２１からの排気ガスの流出流れがタービン回転方向Ｄと逆向きの旋回流を有するため、ガス剥離貫通孔３２のフローガイド１９の内側の入口部分において、流れの旋回成分によってガス剥離貫通孔３２の入口の動圧が上昇する。
そのため、ガス剥離貫通孔３２の入口の動圧の上昇に伴い、フローガイド１９の内側からフローガイド１９の外側に向かう排気ガス流れが生ずる。
これにより、タービン動翼出口ディフューザ１７の内部の排気ガスの流れがフローガイド１９側に引き寄せられ、ガス剥離貫通孔３２を通じて排気ガスを外周側に排出する。
従って、タービン動翼出口ディフューザ１７がハブ側ケーシング壁１８側において排気ガスを剥離させて大幅にタービン性能を抑制させる。
つまり、過給機１０は、機関が低負荷の状態においてタービン１１の効率を極力高く維持し、一方で、機関が高負荷の状態においてタービン動翼出口ディフューザ１７において剥離を積極的に発生させてタービン１１の効率を抑制することができる。

以上、説明したように、第１実施形態の過給機１０によれば、タービン動翼出口がほぼ軸方向流出の状態、すなわち機関低負荷に相当する状態では、タービン１１の効率を極力高く維持する。
また、過給機１０によれば、タービン動翼出口がタービン回転方向Ｄと逆向きの旋回流となる状態、すなわち機関高負荷に相当する状態では、タービン動翼出口のタービン動翼出口ディフューザ１７において剥離手段３１が剥離を発生する。
そして、過給機１０によれば、タービン動翼出口のタービン動翼出口ディフューザ１７において剥離手段３１が剥離を発生することにより、タービン１１の効率を抑制する。
従って、過給機１０によれば、機関ヘの供給空気圧力が高くなり過ぎる問題を回避できる。

また、過給機１０によれば、剥離手段３１のガス剥離貫通孔３２が、タービン動翼出口ディフューザ１７の外周側の流れを回転方向逆方向に案内するために、排気ガスを確実に剥離してタービン性能を抑制することができる。

そして、過給機１０によれば、ガス剥離貫通孔３２が、回転方向逆方向に傾斜して流れを外周側に排出する孔であるために、別部材を追加加工する場合と比べて、遥かに容易に形成できる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態の過給機について説明する。
なお、以下の各実施形態において、前述した第１実施形態と重複する構成要素や機能的に同様な構成要素については、図中に同一符号あるいは相当符号を付することによって説明を簡略化あるいは省略する。

図４に示すように、本発明に係る第２実施形態の過給機４０は、タービン動翼出口ディフューザ１７の外周側のフローガイド１９に剥離手段４１を設けている。
剥離手段４１は、案内手段である複数の貫通スリット４２を有し、これら貫通スリット４２は、タービン動翼出口ディフューザ１７内と、外周側のフローガイド１９の外側とに連通している。
図５に示すように、貫通スリット４２は、タービン回転方向Ｄと逆向きの旋回流がタービン動翼２１から流出した際の流れをスムーズに受け入れるようにするために、内周側から外周側に向かって半径方向に対して角度θ２だけ傾斜している。

次に、過給機４０の作用について説明する。
機関が低負荷の状態においては、タービン動翼２１からの流出流れが概略軸方向となるため、貫通スリット４２は、ほとんど機能しないか、もしくは、フローガイド１９の外側から微量の排気ガスがタービン動翼出口ディフューザ１７内に漏れ込むのみで、性能に大きな影響を与えない。
一方、機関が高負荷の状態においては、タービン動翼２１からの排気ガスの流出流れがタービン回転方向Ｄと逆向きの旋回流を有する状態となるため、貫通スリット４２の通過流量が増大する。
そのため、貫通スリット４２の入口の動圧の上昇に伴い、フローガイド１９の内側からフローガイド１９の外側に向かう排気ガス流れが生ずる。
これにより、タービン動翼出口ディフューザ１７の内部の排気ガスの流れがフローガイド１９側に引き寄せられ、貫通スリット４２を通じて排気ガスを外周側に排出する。
従って、タービン動翼出口ディフューザ１７がハブ側ケーシング壁１８側において排気ガスを剥離してタービン性能を抑制する。
つまり、過給機１０は、機関が低負荷の状態においてタービン１１の効率を極力高く維持し、一方で、機関が高負荷の状態においてタービン動翼出口ディフューザ１７において剥離を積極的に発生させてタービン１１の効率を抑制することができる。

第２実施形態の過給機４０によれば、案内手段機関が低負荷の状態においてタービン１１の効率を極力高く維持し、一方で、機関が高負荷の状態においてタービン動翼出口ディフューザ１７において剥離を積極的に発生させてタービン１１の効率を大幅に落とす。
従って、過給機４０によれば、機関ヘの供給空気圧力が高くなり過ぎる問題を回避できる。

（第３実施形態）
次に、本発明に係る第３実施形態の過給機について説明する。
図６に示すように、本発明に係る第３実施形態の過給機５０は、タービン動翼出口ディフューザ１７の外周側のフローガイド１９に剥離手段５１を設けている。
剥離手段５１は、フローガイド１９の内周面の流れ方向に、タービン動翼２１の周りに、回転方向と逆向きの螺旋状に形成された案内手段である複数の溝５２を有する。
図７は、図６におけるフローガイド１９を周方向に展開した図である。溝５２は、軸方向Ｅに対して、１０度〜３０度の範囲の傾斜角度θ３を有し、あらかじめ定められた長さ寸法及び深さ寸法を有する。

次に、過給機５０の作用について説明する。
タービン動翼２１からの流出流れが概略軸方向の際は、溝５２は、ほとんど機能しないか、もしくは、フローガイド１９の出口側から微量の排気ガスが溝に沿ってタービン動翼に向かって逆流するのみで、性能に大きな影響を与えない。
一方、タービン動翼２１からの排気ガスの流出流れがタービン回転方向Ｄと逆向きの旋回流を有する状態になると、排気ガスは自身の遠心力によって積極的に溝５２内に進入し、タービン動翼出口ディフューザ１７の出口に向かって流出する。
これにより、タービン動翼出口ディフューザ１７の内部の排気ガスの流れをフローガイド１９側へ引き寄せる。
従って、タービン動翼出口ディフューザ１７がハブ側ケーシング壁１８側において排気ガスを剥離して大幅なタービン性能低下を引き起こす。

第３実施形態の過給機５０によれば、タービン動翼２１からの排気ガスの流出流れがタービン回転方向Ｄと逆向きの旋回流を有する状態になると、排気ガスは自身の遠心力によって積極的に溝５２内に進入する。
そして、過給機５０によれば、排気ガスは、溝５２によりタービン動翼出口ディフューザ１７の出口に向かって流出し、タービン動翼出口ディフューザ１７の内部の排気ガスの流れをフローガイド１９側へ引き寄せる。
従って、過給機５０によれば、タービン動翼出口ディフューザ１７がハブ側ケーシング壁１８側において排気ガスを剥離して大幅なタービン性能低下を引き起こして、機関ヘの供給空気圧力が高くなり過ぎる問題を回避できる。

（第４実施形態）
次に、本発明に係る第４実施形態の過給機について説明する。
図８に示すように、本発明に係る第４実施形態の過給機６０は、タービン動翼出口ディフューザ１７のハブ側ケーシング壁１８に剥離手段６１を設けている。
剥離手段６１は、軸方向に沿った案内手段である複数のフィン６２を有する。
図９に示すように、フィン６２は、タービン動翼２１の高さ寸法の１／１０〜１／２の範囲の高さ寸法Ｌ１を有し、あらかじめ定められた長さ寸法及び厚み寸法を有する。

次に、過給機６０の作用について説明する。
機関が低負荷の状態においては、タービン動翼２１からの流出流れが概略軸方向となるため、フィン６２は、ほとんど機能しないので、性能に大きな影響を与えない。
一方、機関が高負荷の状態においては、タービン動翼２１からの排気ガスの流出流れがタービン回転方向Ｄと逆向きの旋回流を有する状態となるため、フィン６２に対して迎角を持った流れが衝突する。
そのため、タービン動翼出口ディフューザ１７の内部のフィン６２の設置位置において剥離が発生して、タービン性能を抑制する。

第４実施形態の過給機６０によれば、タービン動翼２１からの排気ガスの流出流れがタービン回転方向Ｄと逆向きの旋回流を有する状態になると、フィン６２に対して迎角を持った流れが衝突する。
そして、過給機６０によれば、タービン動翼出口ディフューザ１７の内部のフィン６２の設置位置において剥離が発生して、大幅なタービン性能低下を引き起こすことになる。
従って、過給機６０によれば、タービン動翼出口ディフューザ１７がハブ側ケーシング壁１８側において排気ガスを剥離してタービン性能を抑制し、機関ヘの供給空気圧力が高くなり過ぎる問題を回避できる。

なお、本発明の過給機は、前述した各実施形態に限定するものでなく、適宜な変形や改良等が可能である。

以上述べたように、本発明の過給機によれば、機関ヘの供給空気圧力が高くなり過ぎる問題を回避できる。
以上の結果として、ディーゼル機関等の舶用ディーゼル機関の効率向上を図ることができる。本発明の産業上の利用可能性は大といえる。

１０ 過給機
１１ タービン
１２ 圧縮機
１６ タービン本体
１７ タービン動翼出口ディフューザ（ディフューザ）
２０ 静翼
２１ タービン動翼（動翼）
２３ タービンロータ軸（ロータ）
３１ 剥離手段
３２ ガス剥離貫通孔（孔）（案内手段）
４０ 過給機
４１ 剥離手段
４２ 貫通スリット（案内手段）
５０ 過給機
５１ 剥離手段
５２ 溝（案内手段）
６０ 過給機
６１ 剥離手段
６２ フィン（案内手段）

Claims (5)

1. 排気ガスによりロータを回転駆動させるタービンと、
   前記ロータの回転により吸気した流体を圧縮する圧縮機と、を備えた過給機であって、
   前記タービンは、静翼及び動翼を有するタービン本体と、
   前記タービン本体から排出される排気ガスの圧力を回復させて排気させるディフューザと、を有し、
   前記ディフューザは、前記ロータの回転方向と逆方向の旋回成分を有する排気ガスの流れに剥離を生じさせる剥離手段を具備することを特徴とする過給機。
2. 前記剥離手段は、前記ディフューザの内周側に設けられて、軸線方向に沿って配されたフィンを有することを特徴とする請求項１に記載の過給機。
3. 前記剥離手段は、前記ディフューザの外周側の流れを回転方向逆方向に案内させる案内手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の過給機。
4. 前記案内手段は、内周側から外周側に向かって回転方向逆方向に傾斜して流れを外周側に排出する孔であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項１項に記載の過給機。
5. 前記案内手段は、内周側から外周側に向かって回転方向逆方向に螺旋状に形成された溝であることを特徴とする請求項３に記載の過給機。

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