JP3801367B2 - 排気ガスタービン過給機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸流タービンを用いて過給を行う排気ガスタービン装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
発電用に用いられる大型ディーゼルエンジンは高い出力が望まれている。
【0003】
そこで、特に大型ディーゼルエンジンでは排気ガスタービン過給機を装備することが行なわれている。
【0004】
こうした排気ガスタービン過給機には、筒形のケーシング内に、同ケーシングの一端部に形成してある排気ガス導入口に臨ませて動翼として軸流タービンを配設し、さらに排気ガス導入口にノズル部を連ねてなるタービン側と、軸流タービンと同軸にコンプレッサホイールを組み付けてなるコンプレッサ側とを有した構造が用いられている。
【0005】
この排気ガスタービン過給機は、ノズル部からディーゼルエンジンの排気ガスが軸流タービンのブレードへ噴出されると、軸流タービンが回転し、この回転がシャフトを通じてコンプレッサホイールに伝わり、空気を圧縮し、これを燃焼空気としてディーゼルエンジンへ圧送する。
【0006】
ところで、大型ディーゼルエンジンは、低ランニングコストを得るために、特に燃料として低質燃料油、例えば重油が用いられるので、同エンジンから排気される排気ガス中には、大量の燃え残り、すなわちカーボン粒子が多く含まれている。
【0007】
このため、大型ディーゼルエンジンと組み合う排気ガスタービン過給機は、排気ガス中のカーボンが、運転中、軸流タービンのブレード先端(外周端)と近接しているケーシング内面に堆積しやすい。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、排気ガスタービン過給機のケーシングは、エンジンが停止すると冷えて収縮を起こす。この収縮は、ブレード先端とケ-シング内面との間の隙間を狭める方向に作用する。
【0009】
このため、ケーシング内面に大量にカーボンが堆積するようになると、エンジン停止時、エンジンが停止している間に、ケーシングの熱収縮によりブレード先端が堆積している堆積物に埋まり、また堆積物が冷えて塊りとなる際、同ブレード先端を固着させてしまうことがある
ところが、一旦、ブレード先端が固着すると、軸流タービンは回転不能となり、つぎのディーゼルエンジンの起動時、軸流タービンが回転しない、すなわち過給機が作動しないことがある。
【0010】
このような問題のために、従来、定期的にブレード、ケーシング内面を清掃することが行なわれているが、それでも、エンジン起動時、軸流タービンが、堆積したカーボン粒子により、作動しなくなるおそれがあった。
【0011】
本発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、ケーシング内面に堆積する堆積物によって、軸流タービンが回転不能となるのを防げる排気ガスタービン過給機を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項1に記載した排気ガスタービン過給機は、ケーシングの外周部が、軸流タービンの位置より下流側の地点でブラケットにより支持されて、排気ガス導入口を形成するケーシング端の径方向の変位がブレードの先端と対向する壁部分まで波及されるようにし、ノズル部の端部が、排気ガス導入部を形成するケーシング端と内側から雄雌の環状の段差で形成される嵌合部によって嵌まり合うように嵌合され、ケーシング端へ伝わるノズル部の径方向の熱膨張変位で、ケーシングのブレード先端と対向する壁部分が押し広げられる構造を採用して、エンジン起動時、ノズル部がケーシングよりも先に熱膨張する挙動を利用し、エンジン起動時の初期においてノズル部の熱膨脹変位でケーシング端を内側から押し広げ、ブレード先端をケーシング内面から離すようにした。
【0013】
これにより、たとえブレード先端がケーシング内面で堆積している堆積物と固着しても、ブレード先端は堆積物から離脱する。
【0014】
つまり、軸流タービンが回転不能な状態から抜け出せ、本来の過給機の運転が行えるようになる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図1および図2に示す第1の実施形態にもとづいて説明する。
【0020】
図1は、請求項1の発明を適用した例えば大型ディーゼルエンジン用排気ガスタービン過給機の主要部を示していて、図中1はタービン側、10はコンプレッサ側である。
【0021】
タービン側1は、右側端に排気ガス導入口2が形成されたガス出口案内筒3(筒形のケーシングに相当)を有している。このガス出口案内筒3内には、排気ガス導入口2の近くに軸流タービン4が回転自在に配設してある。軸流タービン4は、外周側に多数毎のブレード4aを有して構成してあり、これらブレード4aが排気ガス導入口2に臨んでいる。この排気ガス導入口2には、内部に静翼5aが組み込まれたノズル外環5(ノズル部に相当)、排気ガス導入部材6が直列に連ねてあり、排気ガスが流入する入口部を構成している。これにより、大型ディーゼルエンジンから排気される排気ガスは、ノズル外環5で噴流にしてからブレード4aへ噴出されるようにしてある。
【0022】
この入口部の各部のうち、ノズル外環5と排気ガス導入部材6の各端部とは連結してある。また排気ガス導入口2を形成する筒端面とノズル外環5の端面とは、各端面に形成した雄雌の環状の段差7a,7bで形成された嵌合部7により、ノズル外環5が筒端面の内側から嵌まり合うように嵌合されている。この嵌合構造により、エンジン起動初期時、ガス出口案内筒3より先にノズル外環5が排気ガスの熱で熱膨張を生ずることを利用して、ノズル外環5の径方向の熱膨張変位で、ガス出口案内筒3の筒端全周を押し広げられるようにしている。
【0023】
またガス出口案内筒3は、軸流タービン4の位置より下流側の外周部の地点に形成してあるブラケット8で支持されている。この支持により、上記ガス出口案内筒3の筒端における径方向の変位がブレード先端と対向するガス出口案内筒3の筒壁部分にまで波及(伝達)されるようにしている。つまり、ガス出口案内筒3へ伝わるノズル外環5の熱膨張変位で、同ブレード先端と対向する筒壁部分が押し広げられる構造にしてある。
【0024】
一方、コンプレッサ側10は、コンプレッサホイール11を回転自在に収めたコンプレッサハウジング12を有している。そして、コンプレッサホイール11は、シャフト13を介して、上記タービン側1の軸流タービン4と同軸に連結されていて、軸流タービン4で得られる回転力により、空気を圧縮して、ディーゼルエンジンの吸気側へ燃焼用空気を圧送できる構造にしてある。
【0025】
そして、先のガス出口案内筒3を押し広げる構造により、軸流タービン4がガス出口案内筒3の内面に堆積するカーボンで回転不能になるのを防いでいる。
【0026】
すなわち、大型ディーゼルエンジンが起動したとする。すると、同エンジンから排気される排気ガスが、排気ガス導入部材6を経てノズル外環5へ導かれる。この排気ガスが、ノズル外環5から噴流となって軸流タービン4のブレード4aへ噴出され、軸流タービン4を駆動する。なお、軸流タービン4を通過した排気ガスは軸流タービン4の下流側に形成してある排ガス導出路9から排気される。
【0027】
排気エネルギーで得られた軸流タービン4の回転力は、同軸のシャフト13を経て、コンプレッサ側10に伝達され、コンプレッサホイール11を回転させる。
【0028】
これにより、ディーゼルエンジンのシリンダへ大量の燃焼用空気を送り込み、吸気の圧力を高める(過給)。
【0029】
このとき、低質燃料油を燃料として運転している大型ディーゼルエンジンからは、大量の燃えの残り、すなわち大量のカーボン粒子を含んでいる排気ガスが排出されている。
【0030】
このため、ディーゼルエンジンの運転中は、ブレード先端とガス出口案内筒3の内面との隙間δを流れる排ガスによって、図1中の符号Xで示されるようにブレート先端と対向するガス出口案内筒3の内周面部分に次第にカーボンが堆積していく。
【0031】
ここで、このカーボンが大量に堆積し、この堆積状態のまま、ディーゼルエンジンが停止したとする。
【0032】
すると、ガス出口案内筒3が熱収縮し、同収縮に伴い、ブレード先端が堆積している堆積物Xに埋まる。そして、図2(a)に示されるように堆積物Xが冷えて塊りとなる際、ブレード先端を固着させる。
【0033】
この状態からディーゼルエンジンの起動が行なわれたとする。
【0034】
このとき、ノズル外環5はガス案内筒3より上流側(エンジンに近い側)にあるので、ディーゼルエンジンから排気される排気ガスで、ノズル外環5がガス出口案内筒3よりも先に温度上昇する。
【0035】
ここで、ノズル外環5は、排気ガス導入口2を形成しているガス出口案内筒3の端部と内側から嵌まり合うように嵌合している。
【0036】
この嵌合により、排気ガス導入口は、ノズル外環5に生じる径方向の熱膨張変位によって、内側から押し広げられる。
【0037】
またガス出口案内筒3は、ブラケット8によって排気ガス導入口2から軸流タービン4の下流側まで径方向変位が拘束されないように支持してあるから、先の排気ガス導入口2の押し広げ変位は、図2(b)に示されるように堆積物Xの在る地点まで伝わる。この押し広げが、ガス出口案内筒3の内面をブレード先端から離す作用、すなわちブレード先端との隙間δを広げる挙動となって表れる。
【0038】
そして、この挙動が強制的にブレード先端を堆積物Xから離脱させる働きをなす。すると、ブレード先端は回転不能な固着状態から抜け出せ、軸流タービン4は、元の回転できる状態に復帰する。
【0039】
これにより、軸流タービン4は排気ガスの熱エネルギーで回転駆動されるようになる。
【0040】
したがって、たとえエンジン停止によりブレード先端が堆積物Xと固着しても、エンジン起動初期時にノズル外環5の熱膨張変位で固着が解除されるので、軸流タービン4が回転不能な状態が続くことはなく、本来の過給機の運転を約束でき、過給機の信頼性を高めることができる。
【0041】
しかも、軸流タービン4、ガス出口案内筒3の清掃メンテナンスの負担も軽くなる。
【0042】
図3に示す第2の実施形態は、例えば大型ディーゼルエンジン用排気ガスタービン過給機を示している。
【0043】
本実施形態は、排気ガス導入口2の外周部、具体的にはガス出口案内筒3の端部とノズル外環5との間に、内面全周に渡り排気ガス流を内方へ向けるガイド突起部20(ガイド部に相当)が形成されたリング部材21を設ける構造を採用して、過給機の運転中、図3中の矢印で示されるようにノズル外環5からの排気ガスをブレード先端とガス出口案内筒2の内面との間の隙間δを避けてブレード4aへ導き、過給機の運転中、カーボン粒子を含む排気ガスが隙間δへ流入しないようにしたものである。
【0044】
このように隙間δへの排気ガス流が抑制されると、ブレード先端の固着を招くカーボンの堆積物Xの生成が抑制され、ガス出口案内筒3の内面に堆積する堆積物Xによって軸流タービン4が回転不能になるのが防げる。
【0045】
したがって、常に本来の過給機の運転が行え、過給機の信頼性が高められる。
【0046】
なお、図3ではガイド突起部20をもつリング部材21を用いたが、これに限らず、ガイド突起部20を直接、ガス出口案内筒3の内面、あるいはノズル外環5の内面に形成してもよい。
【0047】
但し、図3において第1の実施形態と同じ部分には同一符号を付してその説明を省略した。
【0048】
図4および図5に示す第3の実施形態は、例えば大型ディーゼルエンジン用排気ガスタービン過給機を示している。
【0049】
本実施形態は、ブレード4aの外周端、例えば図5に示されるように軸流タービン4の回転バランスを損なわない同タービン4の周方向180°位相した対称な2点の地点に、隙間δ、すなわちガス出口案内筒3の内周面に向かって突き出る突起部30を設ける構造を採用して、過給機の運転中、隙間δの臨むガス出口案内筒3の内面部分に堆積するカーボンを突起部30で削り取り、堆積物Xの生長を抑制するようにしたものである。
【0050】
これにより、ガス出口案内筒3の内面にカーボン粒子が堆積しても、ブレード4aの固着を招かない状態に抑えられ、ガス出口案内筒3の内面に堆積する堆積物Xによって軸流タービン4が回転不能になるのが防げる。
【0051】
したがって、常に本来の過給機の運転が行え、過給機の信頼性が高められる。
【0052】
なお、図4および図5では180°位相した地点に突起部30を設けた例を挙げたが、3個以上、突起部30を設けてもよい。
【0053】
但し、図4および図5において第1の実施形態と同じ部分には同一符号を付してその説明を省略した。
【0054】
【発明の効果】
以上説明したように請求項1に記載の発明によれば、ケーシング内面に堆積する堆積物によって、軸流タービンが回転不能になるのを防ぐことができ、本来の過給機の運転が約束できる。
【0055】
したがって、過給機の信頼性を高めることができる。しかも、軸流タービン、ケーシング内面の清掃メンテナンスの負担も軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る排気ガスタービン過給機の構造を説明するための断面図。
【図2】冷態時、堆積物に固着したブレード先端が、エンジン起動初期、ノズル部の熱膨張で堆積物から離脱されるまでを説明するための断面図。
【図3】本発明の第2の実施形態に係る排気ガスタービン過給機の構造を説明するための断面図。
【図4】本発明の第3の実施形態に係る排気ガスタービン過給機の構造を説明するための断面図。
【図5】図4中のA〜A線に沿う断面図。
【符号の説明】
1…タービン側
2…排気ガス導入口
3…ガス出口案内筒(ケーシング)
4…ブレード
5…ノズル外環(ノズル部)
7…嵌合部
8…ブラケット
20…ガイド突起部(ガイド部)
30…突起部。
Claims (1)
- 一端部に排気ガス導入口が形成された筒形のケーシングを有し、このケーシング内に前記排気ガス導入口に臨ませて軸流タービンが配設され、かつ前記排気ガス導入口には排気ガスを前記軸流タービンのブレードへ噴出させるノズル部が連ねられたタービン側を具備し、
前記ケーシングの外周部が、前記軸流タービンの位置より下流側の地点でブラケットにより支持されて、前記排気ガス導入口を形成するケーシング端の径方向の変位が前記ブレードの先端と対向する壁部分まで波及されるようにし、
前記ノズル部の端部が、前記排気ガス導入部を形成するケーシング端と内側から雄雌の環状の段差で形成される嵌合部によって嵌まり合うように嵌合され、
前記ケーシング端へ伝わる前記ノズル部の径方向の熱膨張変位で、前記ケーシングの前記ブレード先端と対向する壁部分が押し広げられるようにした
ことを特徴とする排気ガスタービン過給機。
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