(57)【要約】【課題】簡単な構成で、かつ、製造費およびメンテナンス費を低減させ、タービンの性能を向上させること。【解決手段】内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、密度の高い空気を前記内燃機関の燃焼室内へ強制的に送り込むターボ過給機１０のガス入口ケーシング２７であって、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、前記内燃機関から排出された排気ガスをタービンノズル２５の外周側に導くための第１の排気ガス流路２６となるよう構成され、前記内側ケーシング２１の内周側には、前記第１の排気ガス流路２６の途中で分岐された排気ガスを前記タービンノズル２５の内周側に導くための第２の排気ガス流路３６が形成されており、前記第１の排気ガス流路２６の途中と、前記第２の排気ガス流路３６のガス入口とが排気ガス管３８を介して連通され、この排気ガス管３８の途中に開閉弁４１が接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、密度の高い空気を前記内燃機関の燃焼室内へ強制的に送り込むターボ過給機であって、
内側ケーシングと外側ケーシングとの間に形成される空間が、前記内燃機関から排出された排気ガスをタービンノズルの外周側に導くための第１の排気ガス流路となるよう構成され、
前記内側ケーシングの内周側には、前記第１の排気ガス流路の途中で分岐された排気ガスを前記タービンノズルの内周側に導くための第２の排気ガス流路が形成されており、
前記第１の排気ガス流路の途中と、前記第２の排気ガス流路のガス入口とが排気ガス管を介して連通され、この排気ガス管の途中に開閉弁が接続されていることを特徴とするターボ過給機。
【請求項２】
内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、密度の高い空気を前記内燃機関の燃焼室内へ強制的に送り込むターボ過給機であって、
内側ケーシングと外側ケーシングとの間に形成される空間が、前記内燃機関から排出された排気ガスをタービンノズルの内周側に導くための第１の排気ガス流路となるよう構成され、
前記内側ケーシングの外周側には、前記第１の排気ガス流路の途中で分岐された排気ガスを前記タービンノズルの外周側に導くための第２の排気ガス流路が形成されており、
前記第１の排気ガス流路の途中と、前記第２の排気ガス流路のガス入口とが排気ガス管を介して連通され、この排気ガス管の途中に開閉弁が接続されていることを特徴とするターボ過給機。
【請求項３】
前記内側ケーシングと前記外側ケーシングとが、一体物として構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のターボ過給機。
【請求項４】
前記タービンノズルの側に位置する前記内側ケーシングの一端内周部が、中空円筒状の別部材とされていることを特徴とする請求項１または３に記載のターボ過給機。
【請求項５】
前記タービンノズルの側に位置する前記内側ケーシングの一端内周部が、中空円錐状の別部材とされていることを特徴とする請求項２または３に記載のターボ過給機。
【請求項６】
内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、密度の高い空気を前記内燃機関の燃焼室内へ強制的に送り込むとともに、
内側ケーシングと外側ケーシングとの間に形成される空間が、前記内燃機関から排出された排気ガスをタービンノズルの外周側に導くための第１の排気ガス流路となるよう構成され、
前記内側ケーシングの内周側には、前記第１の排気ガス流路の途中で分岐された排気ガスを前記タービンノズルの内周側に導くための第２の排気ガス流路が形成されており、
前記第１の排気ガス流路の途中と、前記第２の排気ガス流路のガス入口とが排気ガス管を介して連通され、この排気ガス管の途中に開閉弁が接続されているガス入口ケーシングを備えたターボ過給機の運転方法であって、
前記内燃機関の負荷が低く、排気ガスの量が少ない場合に前記開閉弁を全閉状態とし、前記内燃機関の負荷が高く、排気ガスの量が多い場合に前記開閉弁を全開状態とすることを特徴とするターボ過給機の運転方法。
【請求項７】
内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、密度の高い空気を前記内燃機関の燃焼室内へ強制的に送り込むとともに、
内側ケーシングと外側ケーシングとの間に形成される空間が、前記内燃機関から排出された排気ガスをタービンノズルの内周側に導くための第１の排気ガス流路となるよう構成され、
前記内側ケーシングの外周側には、前記第１の排気ガス流路の途中で分岐された排気ガスを前記タービンノズルの外周側に導くための第２の排気ガス流路が形成されており、
前記第１の排気ガス流路の途中と、前記第２の排気ガス流路のガス入口とが排気ガス管を介して連通され、この排気ガス管の途中に開閉弁が接続されているガス入口ケーシングを備えたターボ過給機の運転方法であって、
前記内燃機関の負荷が低く、排気ガスの量が少ない場合に前記開閉弁を全閉状態とし、前記内燃機関の負荷が高く、排気ガスの量が多い場合に前記開閉弁を全開状態とすることを特徴とするターボ過給機の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、舶用内燃機関や発電用内燃機関等の大型内燃機関と組み合わせて使用されるターボ過給機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、密度の高い空気を燃焼室内へ強制的に送り込むターボ過給機としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−６４１２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に開示されたターボ過給機は、ノズルベーン（タービンノズル）を回動させることによりノズル開度（ノズル部の開口面積）を変更し、排気タービンホイールに流入する排気の流速を調整できるようにしたものである。
しかしながら、このようなターボ過給機では、ノズルベーンを回動させるための複雑な機構が必要となり、製造費およびメンテナンス費が高くなってしまうといった問題点がある。また、このようなターボ過給機では、ノズルベーンを回動させるための隙間が必要となり、この隙間から排気ガスが漏れ出して、タービンの性能が低下してしまうといった問題点もあった。さらに、このようなターボ過給機では、ノズルベーンを回動させるための隙間に排気ガス中の粉塵等が入り込み、ノズルベーンをスムーズに回動させることができなくなるおそれがある。
【０００５】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、かつ、製造費およびメンテナンス費を低減させることができて、タービンの性能を向上させることができるターボ過給機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係るターボ過給機は、内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、密度の高い空気を前記内燃機関の燃焼室内へ強制的に送り込むターボ過給機であって、内側ケーシングと外側ケーシングとの間に形成される空間が、前記内燃機関から排出された排気ガスをタービンノズルの外周側に導くための第１の排気ガス流路となるよう構成され、前記内側ケーシングの内周側には、前記第１の排気ガス流路の途中で分岐された排気ガスを前記タービンノズルの内周側に導くための第２の排気ガス流路が形成されており、前記第１の排気ガス流路の途中と、前記第２の排気ガス流路のガス入口とが排気ガス管を介して連通され、この排気ガス管の途中に開閉弁が接続されている。
【０００７】
本発明に係るターボ過給機は、内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、密度の高い空気を前記内燃機関の燃焼室内へ強制的に送り込むターボ過給機であって、内側ケーシングと外側ケーシングとの間に形成される空間が、前記内燃機関から排出された排気ガスをタービンノズルの内周側に導くための第１の排気ガス流路となるよう構成され、前記内側ケーシングの外周側には、前記第１の排気ガス流路の途中で分岐された排気ガスを前記タービンノズルの外周側に導くための第２の排気ガス流路が形成されており、前記第１の排気ガス流路の途中と、前記第２の排気ガス流路のガス入口とが排気ガス管を介して連通され、この排気ガス管の途中に開閉弁が接続されている。
【０００８】
本発明に係るターボ過給機によれば、タービンノズルを回動させるための複雑な機構が不要となるので、製造費およびメンテナンス費を低減させることができる。
また、このようなターボ過給機では、タービンノズルを回動させるための隙間も不要となり、従来のもののようにこの隙間から排気ガスが漏れ出すこともないので、タービンの性能を向上させることができる。
さらに、このようなターボ過給機では、タービンノズルを回動させるための隙間も不要となり、従来のもののようにこの隙間に排気ガス中の粉塵等が入り込むことがないので、タービン動翼に流入する排気の流速が調整できなくなるといった現象を回避することができる。
【０００９】
上記ターボ過給機において、前記内側ケーシングと前記外側ケーシングとが、一体物として構成されているとさらに好適である。
【００１０】
このようなターボ過給機によれば、内側ケーシングと外側ケーシングとを組み合わせて一体化させるための構成や組立作業が不要となるので、製造費およびメンテナンス費をさらに低減させることができ、作業工程の簡素化を図ることができる。
【００１１】
上記ターボ過給機において、前記タービンノズルの側に位置する前記内側ケーシングの一端内周部が、中空円筒状の別部材とされているとさらに好適である。
【００１２】
上記ターボ過給機において、前記タービンノズルの側に位置する前記内側ケーシングの一端内周部が、中空円錐状の別部材とされているとさらに好適である。
【００１３】
このようなターボ過給機によれば、鋳型（砂型）の形状に細く長い部分（狭い隙間を形成する部分）がなくなり、鋳型（砂型）の形状を簡素な形状とすることができるので、鋳造工程の脱型を容易なものとすることができる。
【００１４】
本発明に係るターボ過給機の運転方法は、内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、密度の高い空気を前記内燃機関の燃焼室内へ強制的に送り込むとともに、内側ケーシングと外側ケーシングとの間に形成される空間が、前記内燃機関から排出された排気ガスをタービンノズルの外周側に導くための第１の排気ガス流路となるよう構成され、前記内側ケーシングの内周側には、前記第１の排気ガス流路の途中で分岐された排気ガスを前記タービンノズルの内周側に導くための第２の排気ガス流路が形成されており、前記第１の排気ガス流路の途中と、前記第２の排気ガス流路のガス入口とが排気ガス管を介して連通され、この排気ガス管の途中に開閉弁が接続されているガス入口ケーシングを備えたターボ過給機の運転方法であって、前記内燃機関の負荷が低く、排気ガスの量が少ない場合に前記開閉弁を全閉状態とし、前記内燃機関の負荷が高く、排気ガスの量が多い場合に前記開閉弁を全開状態とする。
【００１５】
本発明に係るターボ過給機の運転方法は、内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、密度の高い空気を前記内燃機関の燃焼室内へ強制的に送り込むとともに、内側ケーシングと外側ケーシングとの間に形成される空間が、前記内燃機関から排出された排気ガスをタービンノズルの内周側に導くための第１の排気ガス流路となるよう構成され、前記内側ケーシングの外周側には、前記第１の排気ガス流路の途中で分岐された排気ガスを前記タービンノズルの外周側に導くための第２の排気ガス流路が形成されており、前記第１の排気ガス流路の途中と、前記第２の排気ガス流路のガス入口とが排気ガス管を介して連通され、この排気ガス管の途中に開閉弁が接続されているガス入口ケーシングを備えたターボ過給機の運転方法であって、前記内燃機関の負荷が低く、排気ガスの量が少ない場合に前記開閉弁を全閉状態とし、前記内燃機関の負荷が高く、排気ガスの量が多い場合に前記開閉弁を全開状態とする。
【００１６】
本発明に係るターボ過給機によれば、例えば、内燃機関の負荷が低く、排気ガスの量が少ない場合に開閉弁が全閉状態とされ、内燃機関の負荷が高く、排気ガスの量が多い場合に開閉弁が全開状態とされる。
すなわち、内燃機関の負荷が低く、排気ガスの量が少ない場合には、ガス入口ケーシングのガス入口から導入された排気ガスの全量が、排気ガス流路を通ってガス出口に導かれる。ガス出口に導かれた排気ガスは、回転方向の全周にわたって開口するガス出口からタービンノズルの外周側に吸い込まれ、タービン動翼を通過する際に膨張してロータディスクおよびロータ軸を回転させる。
一方、内燃機関の負荷が高く、排気ガスの量が多い場合には、ガス入口ケーシングのガス入口から導入された排気ガスの大半（約７０〜９５％）が、第１の排気ガス流路を通ってガス出口に導かれ、ガス入口ケーシングのガス入口から導入された排気ガスの一部（約５〜３０％）が、排気ガス管、開閉弁、第２の排気ガス流路を通ってガス出口に導かれる。ガス出口に導かれた排気ガスは、回転方向の全周にわたって開口するガス出口からタービンノズルの外周側に吸い込まれ、ガス出口に導かれた排気ガスは、回転方向の全周にわたって開口するガス出口からタービンノズルの内周側に吸い込まれて、タービン動翼を通過する際に膨張してロータディスクおよびロータ軸を回転させる。
これにより、タービンノズルを回動させるための複雑な機構を不要とすることができ、製造費およびメンテナンス費を低減させることができる。
また、タービンノズルを回動させるための隙間を不要とすることができ、従来のもののようにこの隙間から排気ガスが漏れ出すことをなくすことができて、タービンの性能を向上させることができる。
さらに、タービンノズルを回動させるための隙間を不要とすることができ、従来のもののようにこの隙間に排気ガス中の粉塵等が入り込むことをなくすことができて、タービン動翼に流入する排気の流速が調整できなくなるといった現象を回避することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るターボ過給機によれば、簡単な構成で、かつ、製造費およびメンテナンス費を低減させることができて、タービンの性能を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るターボ過給機の、タービン側の内部構成例を断面で示す一部断面構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係るターボ過給機の、タービン側の内部構成例を断面で示す一部断面構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係るターボ過給機の、タービン側の内部構成例を断面で示す一部断面構成図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係るターボ過給機の、タービン側の内部構成例を断面で示す一部断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の第１実施形態に係るターボ過給機（「排気タービン過給機」ともいう。）について、図１を参照しながら説明する。
図１は、タービンおよび圧縮機を同軸に設けた大型内燃機関用のターボ過給機１０の、タービン側の内部構成例を断面で示す一部断面構成図である。
【００２０】
ターボ過給機１０は、軸流タービン２０に導入した内燃機関の排気ガスが膨張して得られる軸出力で同軸の圧縮機（図示せず）を回転させ、高密度に圧縮した圧縮空気を内燃機関に供給するように構成された、例えば、軸流式のタービンである。
なお、図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。
【００２１】
軸流タービン２０は、別体の内側ケーシング２１および外側ケーシング２２を締結手段（例えば、スタッドボルト２３およびナット２４）により一体化し、内側ケーシング２１と外側ケーシング２２との間に形成される空間が排気ガスをタービンノズル２５に導くための排気ガス流路（第１の排気ガス流路：主排気ガス流路）２６となるよう構成されたガス入口ケーシング２７を備えている。
【００２２】
このような二重構造のガス入口ケーシング２７では、排気ガス流路２６が軸流タービン２０の回転方向の全周にわたって形成されており、ガス入口ケーシング２７のガス入口２７ａから図１中に矢印Ｇｉで示すように導入された排気ガスは、排気ガス流路２６を通ってガス出口２７ｂに導かれた後、図１中に矢印Ｇｏで示すようにしてガス出口ケーシング２８の出口から外部へ排出される。また、ガス出口２７ｂは、回転方向の全周にわたってタービンノズル２５へ排気ガスを供給するように開口して設けられている。
【００２３】
なお、図１中の符号２９は、タービン動翼３０の下流側に設けられたガス案内筒である。
また、軸流タービン２０は、ロータ軸３１の一端部に設けられたロータディスク３２と、このロータディスク３２の周縁部に、周方向に沿って取り付けられた多数のタービン動翼３０とを備えている。タービン動翼３０は、タービンノズル２５の出口となる下流側に近接して設けられている。そして、タービンノズル２５から噴出する高温の排気ガスがタービン動翼３０を通過して膨張することにより、ロータディスク３２およびロータ軸３１が回転するようになっている。
【００２４】
上述した二重構造のガス入口ケーシング２７において、内側ケーシング２１の一端部は、外側ケーシング２２の一端部に締結手段（例えば、スタッドボルト２３およびナット２４）により固定支持されている。すなわち、内側ケーシング２１は、ロータディスク３２の反対側となる紙面右側のケーシング端部に形成されたフランジ面２１ａと、このフランジ面２１ａに対向するように形成された外側ケーシング２２のフランジ面２２ａとを重ね合わせた状態にして、この状態で締結手段（例えば、ナット２４）を締め付けていくことにより固定支持されている。これらのフランジ面２１ａ，２２ａは、いずれもロータディスク３２と一体に回転するロータ軸３１の軸方向と直交する面とされている。
【００２５】
また、内側ケーシング２１の他端（ロータディスク３２側の端部）内周部（他端部内周側）は、中空円筒状の部材３３がボルト３４を介して結合される（取り付けられる）構造とされており、部材３３の端面（ロータディスク３２側の端面）には、タービンノズル２５を形成するリング状部材（ノズルリング）の内周側部材２５ａがボルト３５を介して結合されて（取り付けられて）いる。一般にノズルリングと呼ばれてタービンノズル２５を形成するリング状部材は、所定の間隔を有する内周側部材２５ａおよび外周側部材２５ｂのリング部材間を仕切部材で連結した二重リング構造とされている。
【００２６】
一方、タービンノズル２５を形成するノズルリングの外周側部材２５ｂは、ガス入口側（ガス出口２７ｂの側）の端部内周面２５ｃがラッパ形状に拡径されている。また、外側ケーシング２２のロータディスク３２側の端部には、外側ケーシング２２の内周面をロータディスク３２の方向へ折曲するようにして形成された段差部２２ｂが設けられている。そして、この段差部２２ｂと、ノズルリング２５のガス入口側の端部に設けられた段差部２５ｄとが軸方向で係合（嵌合）するように構成されている。
【００２７】
さらに、タービンノズル２５の外周側部材２５ｂには、ガス出口側（タービン動翼３０の側）となる端部にガス案内筒２９が連結されている。タービンノズル２５の外周側部材２５ｂとガス案内筒２９との連結部は、互いの端部どうしを嵌合させたインロー構造とされている。
【００２８】
さて、本実施形態に係る内側ケーシング２１の内周側（半径方向内側）には、排気ガス流路２６の途中で分岐された排気ガスを、タービンノズル２５の内周側（半径方向内側）に導く排気ガス流路（第２の排気ガス流路：副排気ガス流路）３６が、軸流タービン２０の回転方向の全周にわたって形成されている。この排気ガス流路３６は、排気ガス流路２６の内周側（半径方向内側）に設けられており、排気ガス流路２６と排気ガス流路３６とは、内側ケーシング２１を形成する隔壁（仕切壁）３７によって仕切られている。
【００２９】
また、内側ケーシング２１の一端内周部（一端部内周側）には、配管（排気ガス管）３８を接続するためのフランジ３９が設けられており、配管３８の途中には、制御装置４０によって自動的に開閉される開閉弁（例えば、バタフライ弁）４１が接続されている。そして、排気ガス流路２６の途中で分岐された排気ガスは、フランジ３９および配管３８の内部に形成された流路（図示せず）を通って排気ガス流路３６に導かれるようになっている。
【００３０】
さらに、タービンノズル２５の根元側（内周側部材２５ａの側）には、その内周面（半径方向内側の表面）４２ａが、隔壁３７の内周面（半径方向内側の表面）３７ａと同一平面を形成するとともに、タービンノズル２５の内周側と外周側とを仕切る隔壁（仕切壁）４２が設けられている。
なお、隔壁４２は、タービンノズル２５の根元における位置（内周側部材２５ａと接合されている位置）を翼長さ０％、タービンノズル２５の先端における位置（外周側部材２５ｂと接合されている位置）を翼長さ１００％とした場合、翼長さ約１０％の位置に設けられている。
【００３１】
このように構成されたターボ過給機１０では、例えば、内燃機関の負荷が低く、排気ガスの量が少ない場合に開閉弁４１が全閉状態とされ、内燃機関の負荷が高く、排気ガスの量が多い場合に開閉弁４１が全開状態とされる。
すなわち、内燃機関の負荷が低く、排気ガスの量が少ない場合には、ガス入口ケーシング２７のガス入口２７ａから導入された排気ガスの全量が、排気ガス流路２６を通ってガス出口２７ｂに導かれる。ガス出口２７ｂに導かれた排気ガスは、回転方向の全周にわたって開口するガス出口２７ｂからタービンノズル２５の外周側（外周側部材２５ｂと隔壁４２とで仕切られた空間内）に吸い込まれ、タービン動翼３０を通過する際に膨張してロータディスク３２およびロータ軸３１を回転させる。
【００３２】
一方、内燃機関の負荷が高く、排気ガスの量が多い場合には、ガス入口ケーシング２７のガス入口２７ａから導入された排気ガスの大半（約７０〜９５％）が、排気ガス流路２６を通ってガス出口２７ｂに導かれ、ガス入口ケーシング２７のガス入口２７ａから導入された排気ガスの一部（約５〜３０％）が、フランジ３９、配管３８、開閉弁４１、排気ガス流路３６を通ってガス出口３６ａに導かれる。ガス出口２７ｂに導かれた排気ガスは、回転方向の全周にわたって開口するガス出口２７ｂからタービンノズル２５の外周側（外周側部材２５ｂと隔壁４２とで仕切られた空間内）に吸い込まれ、ガス出口３６ａに導かれた排気ガスは、回転方向の全周にわたって開口するガス出口３６ａからタービンノズル２５の内周側（内周側部材２５ａと隔壁４２とで仕切られた空間内）に吸い込まれて、タービン動翼３０を通過する際に膨張してロータディスク３２およびロータ軸３１を回転させる。
そして、ロータディスク３２およびロータ軸３１が回転することにより、ロータ軸３１の他端部に設けられた圧縮機（図示せず）が駆動され、内燃機関に供給する空気が圧縮される。
【００３３】
なお、圧縮機で圧縮される空気は、フィルター（図示せず）を通して吸入され、タービン動翼３０で膨張した排気ガスは、ガス出口案内筒２９およびガス出口ケーシング２８に導かれて外部へ流出する。
また、開閉弁４１は、例えば、圧縮機から送出（吐出）される空気の圧力、または内燃機関の燃焼室に供給される空気の圧力が絶対圧力で０．２ＭＰａ（２ｂａｒ）よりも低い場合、すなわち、内燃機関が低負荷運転されている場合に全閉状態とされ、圧縮機から送出（吐出）される空気の圧力、または内燃機関の燃焼室に供給される空気の圧力が絶対圧力で０．２ＭＰａ（２ｂａｒ）以上の場合、すなわち、内燃機関が高負荷運転されている場合に全開状態とされる。
【００３４】
本実施形態に係るターボ過給機１０によれば、タービンノズル２５を回動させるための複雑な機構が不要となるので、製造費およびメンテナンス費を低減させることができる。
また、このようなターボ過給機１０では、タービンノズル２５を回動させるための隙間も不要となり、従来のもののようにこの隙間から排気ガスが漏れ出すこともないので、タービンの性能を向上させることができる。
さらに、このようなターボ過給機１０では、タービンノズル２５を回動させるための隙間も不要となり、従来のもののようにこの隙間に排気ガス中の粉塵等が入り込むことがないので、タービン動翼３０に流入する排気の流速が調整できなくなるといった現象を回避することができる。
【００３５】
また、内側ケーシング２１は、鋳造工程の脱型を容易なものとするため二分割構造、すなわち、内側ケーシング２１の他端内周部を別部材（部材３３）とし、この部材３３がボルト３４を介して結合される構造とされている。
【００３６】
そして、このような排気ガスの流路を形成する二重構造のガス入口ケーシング２７は、内側ケーシング２１および外側ケーシング２２の両方と直接排気ガスが接触して流れるので、内側ケーシング２１および外側ケーシング２２が排気ガスから受ける熱影響に差が生じるようなことはない。このため、内側ケーシング２１と外側ケーシング２２との間に大きな熱膨張差が生じるようなことはなく、軸流タービン２０の構成部品に作用する熱応力が小さくなって適正なタービン隙間の維持が容易になる。
これにより、軸流タービン２０およびターボ過給機１０においては、熱膨張差を考慮した困難な設計が緩和され、しかも、性能や信頼性が向上する。
【００３７】
また、内側ケーシング２１と外側ケーシング２２との間に大きな温度差がない二重ケーシング構造では、半径方向の熱延びが均一化するので、上述したタービンノズル２５とガス案内筒２９とのインロー構造が可能となる。このようなインロー構造は、嵌合部のシール性が向上してガス漏れを防止できるだけでなく、メンテナンス等で軸流タービン２０の組立や開放を行う際には、インロー部がガイドとなって作業を容易にする。
そして、二重構造の排気ガス流路２６，３６がタービン回転方向の全周にわたって設けられ、内側ケーシング２１および外側ケーシング２２の両方に無駄な部材がないので、ガス入口ケーシング２７を軽量化することもできる。
【００３８】
本発明の第２実施形態に係るターボ過給機（「排気タービン過給機」ともいう。）について、図２を参照しながら説明する。
図２は、タービンおよび圧縮機を同軸に設けた大型内燃機関用のターボ過給機５０の、タービン側の内部構成例を断面で示す一部断面構成図である。
図２に示すように、本実施形態に係るターボ過給機５０は、ガス入口ケーシング２７の代わりに、ガス入口ケーシング５１を備えているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、上述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
【００３９】
ガス入口ケーシング５１は、第１実施形態のところで説明した内側ケーシング２１および外側ケーシング２２が一体物として鋳造成形されたものである。したがって、本実施形態では、第１実施形態のところで説明したフランジ面２１ａ，２２ａ、スタッドボルト２３、およびナット２４が不要となり、内側ケーシング２１と外側ケーシング２２とを組み合わせて一体化させるといった組立作業が不要となる。
【００４０】
本実施形態に係るターボ過給機５０によれば、製造費およびメンテナンス費をさらに低減させることができ、メンテナンス等で軸流タービン２０の組立や開放を行う際の作業工程の簡素化を図ることができる。
その他の作用効果は、上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。
【００４１】
なお、上述したターボ過給機１０，５０は、舶用内燃機関や発電用内燃機関等の大型内燃機関のみと組み合わせて使用されるものではなく、その他各種の内燃機関と組み合わせて使用可能である。
【００４２】
本発明の第３実施形態に係るターボ過給機（「排気タービン過給機」ともいう。）について、図３を参照しながら説明する。
図３は、タービンおよび圧縮機を同軸に設けた小型内燃機関用のターボ過給機６０の、タービン側の内部構成例を断面で示す一部断面構成図である。
図３に示すように、本実施形態に係るターボ過給機６０は、軸流タービン２０の代わりに、軸流タービン７０を備えているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、上述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
【００４３】
軸流タービン７０は、別体の内側ケーシング７１および外側ケーシング７２を締結手段（例えば、スタッドボルト２３およびナット２４（図１参照））により一体化し、内側ケーシング７１と外側ケーシング７２との間に形成される空間が排気ガスをタービンノズル２５に導くための排気ガス流路（第２の排気ガス流路：副排気ガス流路）７６となるよう構成されたガス入口ケーシング７７を備えている。
【００４４】
このような二重構造のガス入口ケーシング７７では、排気ガス流路７６が軸流タービン６０の回転方向の全周にわたって形成されており、ガス入口ケーシング７７のガス入口７７ａから図３中に矢印Ｇｉで示すように導入された排気ガスは、排気ガス流路７６を通ってガス出口７７ｂに導かれた後、図３中に矢印Ｇｏで示すようにしてガス出口ケーシング２８の出口から外部へ排出される。また、ガス出口７７ｂは、回転方向の全周にわたってタービンノズル２５へ排気ガスを供給するように開口して設けられている。
【００４５】
また、内側ケーシング７１の一端（ロータディスク３２側の端部）内周部（一端部内周側）には、中空円錐状の部材７８が設けられており、部材７８の端面（ロータディスク３２側の端面）には、タービンノズル２５を形成するリング状部材（ノズルリング）の内周側部材２５ａがボルト３５および留め具７９を介して結合されて（取り付けられて）いる。
【００４６】
さて、本実施形態に係る内側ケーシング７１の内周側（半径方向内側）には、ガス入口７７ａから導入された排気ガスを、タービンノズル２５の内周側（半径方向内側）に導く排気ガス流路（第１の排気ガス流路：主排気ガス流路）８０が、軸流タービン６０の回転方向の全周にわたって形成されている。この排気ガス流路８０は、排気ガス流路７６の内周側（半径方向内側）に設けられており、排気ガス流路７６と排気ガス流路８０とは、内側ケーシング７１を形成する隔壁（仕切壁）３７によって仕切られている。
【００４７】
また、内側ケーシング７１の長さ方向における中央部外周側には、配管（排気ガス管）３８の一端を接続するためのフランジ３９が設けられ、外側ケーシング７２の一側方部には配管３８の他端を接続するためのフランジ３９が設けられており、配管３８の途中には、制御装置４０によって自動的に開閉される開閉弁（例えば、バタフライ弁）４１が接続されている。そして、排気ガス流路８０の途中で分岐された排気ガスは、フランジ３９および配管３８の内部に形成された流路（図示せず）を通って排気ガス流路７６に導かれるようになっている。
【００４８】
さらに、タービンノズル２５の先端側（外周側部材２５ｂの側）には、その外周面（半径方向外側の表面）８１ａが、隔壁３７の外周面（半径方向外側の表面）３７ｂと同一平面を形成するとともに、タービンノズル２５の内周側と外周側とを仕切る隔壁（仕切壁）８１が設けられている。
なお、隔壁８１は、タービンノズル２５の根元における位置（内周側部材２５ａと接合されている位置）を翼長さ０％、タービンノズル２５の先端における位置（外周側部材２５ｂと接合されている位置）を翼長さ１００％とした場合、翼長さ約９０％の位置に設けられている。
【００４９】
このように構成されたターボ過給機６０では、例えば、内燃機関の負荷が低く、排気ガスの量が少ない場合に開閉弁４１が全閉状態とされ、内燃機関の負荷が高く、排気ガスの量が多い場合に開閉弁４１が全開状態とされる。
すなわち、内燃機関の負荷が低く、排気ガスの量が少ない場合には、ガス入口ケーシング７７のガス入口７７ａから導入された排気ガスの全量が、排気ガス流路８０を通ってガス出口７７ｂに導かれる。ガス出口７７ｂに導かれた排気ガスは、回転方向の全周にわたって開口するガス出口７７ｂからタービンノズル２５の内周側（内周側部材２５ａと隔壁８１とで仕切られた空間内）に吸い込まれ、タービン動翼３０を通過する際に膨張してロータディスク３２およびロータ軸３１を回転させる。
【００５０】
一方、内燃機関の負荷が高く、排気ガスの量が多い場合には、ガス入口ケーシング７７のガス入口７７ａから導入された排気ガスの大半（約７０〜９５％）が、排気ガス流路８０を通ってガス出口７７ｂに導かれ、ガス入口ケーシング７７のガス入口７７ａから導入された排気ガスの一部（約５〜３０％）が、フランジ３９、配管３８、開閉弁４１、排気ガス流路７６を通ってガス出口７６ａに導かれる。ガス出口７７ｂに導かれた排気ガスは、回転方向の全周にわたって開口するガス出口７７ｂからタービンノズル２５の内周側（内周側部材２５ａと隔壁８１とで仕切られた空間内）に吸い込まれ、ガス出口７６ａに導かれた排気ガスは、回転方向の全周にわたって開口するガス出口７６ａからタービンノズル２５の外周側（外周側部材２５ｂと隔壁８１とで仕切られた空間内）に吸い込まれて、タービン動翼３０を通過する際に膨張してロータディスク３２およびロータ軸３１を回転させる。
そして、ロータディスク３２およびロータ軸３１が回転することにより、ロータ軸３１の他端部に設けられた圧縮機（図示せず）が駆動され、内燃機関に供給する空気が圧縮される。
【００５１】
なお、圧縮機で圧縮される空気は、フィルター（図示せず）を通して吸入され、タービン動翼３０で膨張した排気ガスは、ガス出口案内筒２９およびガス出口ケーシング２８に導かれて外部へ流出する。
また、開閉弁４１は、例えば、圧縮機から送出（吐出）される空気の圧力、または内燃機関の燃焼室に供給される空気の圧力が絶対圧力で０．２ＭＰａ（２ｂａｒ）よりも低い場合、すなわち、内燃機関が低負荷運転されている場合に全閉状態とされ、圧縮機から送出（吐出）される空気の圧力、または内燃機関の燃焼室に供給される空気の圧力が絶対圧力で０．２ＭＰａ（２ｂａｒ）以上の場合、すなわち、内燃機関が高負荷運転されている場合に全開状態とされる。
【００５２】
本実施形態に係るターボ過給機６０の作用効果は、上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。
【００５３】
本発明の第４実施形態に係るターボ過給機（「排気タービン過給機」ともいう。）について、図４を参照しながら説明する。
図４は、タービンおよび圧縮機を同軸に設けた小型内燃機関用のターボ過給機９０の、タービン側の内部構成例を断面で示す一部断面構成図である。
図４に示すように、本実施形態に係るターボ過給機９０は、軸流タービン７０の代わりに、軸流タービン１００を備えているという点で上述した第３実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第３実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、上述した第３実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
【００５４】
軸流タービン１００は、別体の内側ケーシング１０１および外側ケーシング１０２を締結手段（例えば、スタッドボルト２３およびナット２４（図１参照））により一体化し、内側ケーシング１０１と外側ケーシング１０２との間に形成される空間が排気ガスをタービンノズル２５に導くための排気ガス流路（第２の排気ガス流路：副排気ガス流路）７６となるよう構成されたガス入口ケーシング１０７を備えている。
【００５５】
このような二重構造のガス入口ケーシング１０７では、排気ガス流路７６が軸流タービン１００の回転方向の全周にわたって形成されており、ガス入口ケーシング１０７のガス入口１０７ａから図４中に矢印Ｇｉで示すように導入された排気ガスは、排気ガス流路７６を通ってガス出口１０７ｂに導かれた後、図４中に矢印Ｇｏで示すようにしてガス出口ケーシング２８の出口から外部へ排出される。また、ガス出口１０７ｂは、回転方向の全周にわたってタービンノズル２５へ排気ガスを供給するように開口して設けられている。
【００５６】
また、内側ケーシング１０１の一端（ロータディスク３２側の端部）内周部（一端部内周側）には、中空円錐状の部材１０８が設けられており、部材１０８の端面（ロータディスク３２側の端面）には、タービンノズル２５を形成するリング状部材（ノズルリング）の内周側部材２５ａがボルト３５および留め具７９を介して結合されて（取り付けられて）いる。
【００５７】
さて、本実施形態に係る内側ケーシング１０１の内周側（半径方向内側）には、ガス入口１０７ａから導入された排気ガスを、タービンノズル２５の内周側（半径方向内側）に導く排気ガス流路（第１の排気ガス流路：主排気ガス流路）８０が、軸流タービン１００の回転方向の全周にわたって形成されている。この排気ガス流路８０は、排気ガス流路７６の内周側（半径方向内側）に設けられており、排気ガス流路７６と排気ガス流路８０とは、内側ケーシング１０１を形成する隔壁（仕切壁）３７によって仕切られている。
【００５８】
また、内側ケーシング１０１の一端側の一側方部には、制御装置４０によって自動的に開閉される開閉弁（例えば、バタフライ弁）４１を接続するためのフランジ３９が設けられ、外側ケーシング１０２の一側方部には配管３８の他端を接続するためのフランジ３９が設けられており、配管（排気ガス管）３８の一端は、開閉弁４１に接続されている。そして、排気ガス流路８０の途中で分岐された排気ガスは、フランジ３９および配管３８の内部に形成された流路（図示せず）を通って排気ガス流路７６に導かれるようになっている。
【００５９】
このように構成されたターボ過給機９０では、例えば、内燃機関の負荷が低く、排気ガスの量が少ない場合に開閉弁４１が全閉状態とされ、内燃機関の負荷が高く、排気ガスの量が多い場合に開閉弁４１が全開状態とされる。
すなわち、内燃機関の負荷が低く、排気ガスの量が少ない場合には、ガス入口ケーシング１０７のガス入口１０７ａから導入された排気ガスの全量が、排気ガス流路８０を通ってガス出口１０７ｂに導かれる。ガス出口１０７ｂに導かれた排気ガスは、回転方向の全周にわたって開口するガス出口１０７ｂからタービンノズル２５の内周側（内周側部材２５ａと隔壁８１とで仕切られた空間内）に吸い込まれ、タービン動翼３０を通過する際に膨張してロータディスク３２およびロータ軸３１を回転させる。
【００６０】
一方、内燃機関の負荷が高く、排気ガスの量が多い場合には、ガス入口ケーシング１０７のガス入口１０７ａから導入された排気ガスの大半（約７０〜９５％）が、排気ガス流路８０を通ってガス出口１０７ｂに導かれ、ガス入口ケーシング１０７のガス入口１０７ａから導入された排気ガスの一部（約５〜３０％）が、フランジ３９、配管３８、開閉弁４１、排気ガス流路７６を通ってガス出口７６ａに導かれる。ガス出口１０７ｂに導かれた排気ガスは、回転方向の全周にわたって開口するガス出口１０７ｂからタービンノズル２５の内周側（内周側部材２５ａと隔壁８１とで仕切られた空間内）に吸い込まれ、ガス出口７６ａに導かれた排気ガスは、回転方向の全周にわたって開口するガス出口７６ａからタービンノズル２５の外周側（外周側部材２５ｂと隔壁８１とで仕切られた空間内）に吸い込まれて、タービン動翼３０を通過する際に膨張してロータディスク３２およびロータ軸３１を回転させる。
そして、ロータディスク３２およびロータ軸３１が回転することにより、ロータ軸３１の他端部に設けられた圧縮機（図示せず）が駆動され、内燃機関に供給する空気が圧縮される。
【００６１】
本実施形態に係るターボ過給機９０の作用効果は、上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。
【００６２】
なお、上述したターボ過給機６０，９０は、舶用内燃機関や発電用内燃機関等の小型内燃機関のみと組み合わせて使用されるものではなく、その他各種の内燃機関と組み合わせて使用可能である。
【００６３】
また、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【００６４】
さらに、上述した実施形態では、内燃機関の負荷が低く、排気ガスの量が少ない場合に開閉弁４１が全閉状態とされ、内燃機関の負荷が高く、排気ガスの量が多い場合に開閉弁４１が全開状態とされるもの、すなわち、開閉弁４１が全開位置か全閉位置のいずれかの位置で使用されるものを一具体例として説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、内燃機関の負荷に合わせて、制御装置４０が開閉弁４１の開度を調整するものであってもよい。すなわち、内燃機関の負荷が第１所定値以下の低負荷領域にある場合に開閉弁４１が全閉状態とされ、内燃機関の負荷が第１所定値よりも大きい第２所定値を超えて高負荷領域にある場合に開閉弁４１が全開状態とされて、内燃機関の負荷が第１所定値を超え、かつ、第２所定値以下の中負荷領域にある場合に、制御装置４０が開閉弁４１の開度を内燃機関の負荷に合わせて、例えば、線形的に変化させることもできる。
これにより、ターボ過給機１０，５０，６０，９０の回転数を内燃機関の負荷に合わせて無段階で、かつ、きめ細かく変化させることができ、ターボ過給機１０，５０，６０，９０のサージングや振動をより効果的に防止することができる。
【００６５】
さらにまた、配管３８、および開閉弁４１を含むガス入口ケーシング２７，５１，７７，１０７は、図１から図４のいずれかに示す軸流タービン２０，７０，１００や、ターボ過給機１０，５０，６０，９０のみに適用され得るものではなく、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。
【符号の説明】
【００６６】
１０  ターボ過給機
２１  内側ケーシング
２２  外側ケーシング
２５  タービンノズル
２６  排気ガス流路（第１の排気ガス流路）
３３  部材
３６  排気ガス流路（第２の排気ガス流路）
３８  配管（排気ガス管）
４１  開閉弁
５０  ターボ過給機
６０  ターボ過給機
７１  内側ケーシング
７２  外側ケーシング
７６  排気ガス流路（第２の排気ガス流路）
７８  部材
８０  排気ガス流路（第１の排気ガス流路）
９０  ターボ過給機
１０１  内側ケーシング
１０２  外側ケーシング
１０８  部材
【図１】
2010216468.tif 000003
【図２】
2010216468.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010216468.tif 000006