(57)【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、前記内燃機関の燃焼室内へ送り込むターボ過給機であって、
前記ターボ過給機に設けられたタービンは、
前記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と、
該タービン動翼に前記排気ガスを導く複数のタービンノズルと、
前記内燃機関の出力に拘わらず前記タービンノズルに排気ガスを導く第一の排ガス通路と、
前記内燃機関の出力が特定の出力以上であるときにのみ前記タービンノズルに排気ガスを導く第二の排ガス通路と、
を備え、
前記タービンノズルは、
前記第一の排ガス通路から導かれた排気ガスと前記第二の排ガス通路から導かれた排気ガスとを遮る仕切部材と、
前記第一の排ガス通路から導かれた排気ガスが通過する第一の排ガス通路側翼部と、
前記第二の排ガス通路から導かれた排気ガスが通過する第二の排ガス通路側翼部と、
を備え、
周方向において互いに隣接する前記第二の排ガス通路側翼部どうしの間のスロート幅が、周方向において互いに隣接する前記第一の排ガス通路側翼部どうしの間のスロート幅よりも大きく設定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、前記内燃機関の燃焼室内へ送り込むターボ過給機であって、
前記ターボ過給機に設けられたタービンは、
前記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と、
該タービン動翼に前記排気ガスを導くタービンノズルと、
を備え、
前記タービンノズルは、
円筒状の内周側部材と、
前記内周側部材よりも大きな内径を有し、前記内周側部材の外周側に同心状に配置された外周側部材と、
前記内周側部材と前記外周側部材との間に設けられた仕切部材と、
前記外周側部材と前記仕切部材との間に、周方向に間隔を隔てて設けられた複数枚の外周翼部と、
前記内周側部材と前記仕切部材との間に、周方向に間隔を隔てて設けられた複数枚の内周翼部と、を備え、
周方向において互いに隣接する前記内周翼部どうしの間のスロート幅が、周方向において互いに隣接する前記外周翼部どうしの間のスロート幅よりも大きく設定されていることを特徴とするターボ過給機。
【請求項３】
前記仕切部材を挟んだ内周側と外周側とで、前記外周翼部の翼表面形状と前記内周翼部の翼表面形状とが連続するよう形成され、
前記内周翼部の後縁部が、前記外周翼部の後縁部よりも前記排気ガスの流れ方向上流側に位置するよう形成されていることを特徴とする請求項２に記載のターボ過給機。
【請求項４】
内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、前記内燃機関の燃焼室内へ送り込むターボ過給機であって、
前記ターボ過給機に設けられたタービンは、
前記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と、
該タービン動翼に前記排気ガスを導くタービンノズルと、
を備え、
前記タービンノズルは、
円筒状の内周側部材と、
前記内周側部材よりも大きな内径を有し、前記内周側部材の外周側に同心状に配置された外周側部材と、
前記内周側部材と前記外周側部材との間に設けられた仕切部材と、
前記外周側部材と前記仕切部材との間に、周方向に間隔を隔てて設けられた複数枚の外周翼部と、
前記内周側部材と前記仕切部材との間に、周方向に間隔を隔てて設けられた複数枚の内周翼部と、を備え、
前記仕切部材を挟んだ内周側と外周側とで、前記外周翼部の翼表面形状と前記内周翼部の翼表面形状とが連続するよう形成され、
前記内周翼部の後縁部が、前記外周翼部の後縁部よりも前記排気ガスの流れ方向上流側に位置するよう形成されていることを特徴とするターボ過給機。
【請求項５】
前記周方向に沿った前記外周翼部の枚数よりも、前記内周翼部の枚数の方が少なく形成されていることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項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、前記内燃機関の燃焼室内へ送り込むターボ過給機のタービン動翼の上流側に配置され、前記タービン動翼に排気ガスを導くタービンノズルであって、
円筒状の内周側部材と、
前記内周側部材よりも大きな内径を有し、前記内周側部材の外周側に同心状に配置された外周側部材と、
前記内周側部材と前記外周側部材との間に設けられた仕切部材と、
前記外周側部材と前記仕切部材との間に、周方向に間隔を隔てて設けられた複数枚の外周翼部と、
前記内周側部材と前記仕切部材との間に、周方向に間隔を隔てて設けられた複数枚の内周翼部と、を備え、
周方向において互いに隣接する前記内周翼部どうしの間のスロート幅が、周方向において互いに隣接する前記外周翼部どうしの間のスロート幅よりも大きく設定されていることを特徴とするタービンノズル。
【請求項７】
船体に、内燃機関と、請求項１から５のいずれか一項に記載のターボ過給機と、
を備えることを特徴とする船舶。
【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、タービンノズル及び船舶に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、船舶の低負荷運転が盛んに行われており、舶用内燃機関においては、低負荷時に、より高い性能が求められている。
このため、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としては、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、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、内側ケーシングの内周側に、第１の排気ガス流路の途中で分岐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２の排気ガス流路が形成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
これによって、機関負荷に応じてタービンノズルへ流入する排ガス流入面積を２段階（第１の排気ガス流路のみ、または、第１の排気ガス流路と第２の排気ガス流路の両方)に変化させることができる。
【０００３】
しかし、上記したようなターボ過給機においては、第１の排気ガス流路のみから排気ガスをタービンノズルへと導いた場合に、排気ガスが、第１の排気ガス流路と第２の排気ガス流路を隔てるためにタービンノズルに設けられている仕切部材（内側ケーシング）に沿ってタービンノズルの下流側に流れる。そのため、タービンノズルから導出された排気ガスがタービン動翼の全体に導かれなくなり、タービンノズルに仕切部材を設けていないターボ過給機に比べてタービン効率が低下するという問題があった。
【０００４】
そこで、特許文献２には、内燃機関から排出された排気ガスが導かれるターボ圧縮機のタービンノズルに、その半径方向の途中位置に仕切部材を設けて、その仕切部材の外周側がタービンノズルに導かれる排気ガスの上流側から下流側に向かってタービンノズルの内周側へと傾斜する構成のターボ過給機が開示されている。
このようなターボ過給機によれば、仕切部材よりも半径方向外側のタービンノズルを流れる排気ガスは、仕切部材の外周側の傾斜に沿ってタービンノズルの内周側に導かれることとなる。これにより、タービンノズルから導出する排気ガスをタービン動翼の全体に導くことができる。したがって、仕切部材の外周側を傾斜させなかった場合に比べて、タービン効率を向上させることが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５２２２２７４号公報
【特許文献２】特開２０１２−２１５１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記したように、タービンノズルから導出する排気ガスをタービン動翼の全体に導くという観点からすると、仕切部材の外周側を傾斜させるだけでなく、仕切部材自体を、なるべく半径方向内側に設けるのが好ましい。
また、低負荷時に、より高い性能を得るという観点でも、仕切部材を、なるべく半径方向内側に設けるのが好ましい。
しかし、仕切部材自体を、半径方向内側に移動させると、仕切部材よりも半径方向内側の第２の排気ガス流路の幅が狭くなる。すると、仕切部材より内側のノズル翼部分が、仕切部材より外側のノズル翼部分を単に延長した構成になっている場合、第２の排気ガス流路の面積が小さくなる。その結果、内燃機関から排出された排気ガスを、第１の排気ガス流路のみに流した場合と、第１の排気ガス流路と第２の排気ガス流路の両方に流した場合とで、タービンノズルへ流入する排ガス流入面積の変化量が小さくなる。すると、機関負荷に応じてタービンノズルへ流入する排ガス流入面積を２段階に変化させることによる効果が小さくなってしまう。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、排気ガス流入面積を小さくした場合のタービン効率を向上させることで、機関低負荷時において最適な排気ガス流入面積に切り替えた状態での機関性能を改善することのできるターボ過給機、タービンノズル及び船舶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】
【０００８】
上記課題を解決するためになされた本発明は、内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、前記内燃機関の燃焼室内へ送り込むターボ過給機であって、前記ターボ過給機に設けられたタービンは、前記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と、該タービン動翼に前記排気ガスを導く複数のタービンノズルと、前記内燃機関の出力に拘わらず前記タービンノズルに排気ガスを導く第一の排ガス通路と、前記内燃機関の出力が特定の出力以上であるときにのみ前記タービンノズルに排気ガスを導く第二の排ガス通路と、を備え、前記タービンノズルは、前記第一の排ガス通路から導かれた排気ガスと前記第二の排ガス通路から導かれた排気ガスとを遮る仕切部材と、前記第一の排ガス通路から導かれた排気ガスが通過する第一の排ガス通路側翼部と、前記第二の排ガス通路から導かれた排気ガスが通過する第二の排ガス通路側翼部と、を備え、周方向において互いに隣接する第二の排ガス通路側翼部どうしの間のスロート幅が、周方向において互いに隣接する前記第一の排ガス通路側翼部どうしの間のスロート幅よりも大きく設定されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、前記内燃機関の燃焼室内へ送り込むターボ過給機であって、前記ターボ過給機に設けられたタービンは、前記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と、該タービン動翼に前記排気ガスを導くタービンノズルと、を備え、前記タービンノズルは、円筒状の内周側部材と、前記内周側部材よりも大きな内径を有し、前記内周側部材の外周側に同心状に配置された外周側部材と、前記内周側部材と前記外周側部材との間に設けられた仕切部材と、前記外周側部材と前記仕切部材との間に、周方向に間隔を隔てて設けられた複数枚の外周翼部と、前記内周側部材と前記仕切部材との間に、周方向に間隔を隔てて設けられた複数枚の内周翼部と、を備え、周方向において互いに隣接する前記内周翼部どうしの間のスロート幅が、周方向において互いに隣接する前記外周翼部どうしの間のスロート幅よりも大きく設定されていることを特徴とする。
【００１０】
ここで、スロート幅とは、互いに隣接する外周翼部どうし、内周翼部どうしの間に形成される排ガス流路において、外周翼部どうし、内周翼部どうしの間隔が最も小さくなる部分の間隔寸法を言う。
外周翼部と内周翼部は、同一の断面形状で、仕切部材を挟んだ内周側と外周側とで、径方向に連続して形成した場合、タービンノズルの周方向において互いに隣接する外周翼部どうし、内周翼部どうしの間隔は、タービンノズルの径方向内側に行くほど小さくなる。すると、互いに隣接する外周翼どうしの間、内周翼どうしの間に形成される排ガス流路のスロート幅も、径方向内側に行くほど小さくなる。
これに対し、本発明のターボ過給機によれば、互いに隣接する内周翼部どうしの間のスロート幅を、外周翼部どうしの間のスロート幅よりも大きくすることで、内周側部材と仕切部材との間を流れる排気ガスの流路面積を増大させるこことが可能となる。すると、仕切部材を半径方向内側に移動させて設置しても、内周側部材と仕切部材との間を流れる排気ガスの流量が少なくなってしまうのを抑えることができる。
【００１１】
前記仕切部材を挟んだ内周側と外周側とで、前記外周翼部の翼表面形状と前記内周翼部の翼表面形状とが連続するよう形成され、前記内周翼部の後縁部が、前記外周翼部の後縁部よりも前記排気ガスの流れ方向上流側に位置するよう形成されている。
外周翼部と内周翼部を、当初は同一の断面形状として、仕切部材を挟んだ内周側と外周側とで径方向に連続して形成しておき、その後、内周翼部の後縁を切削する。すると、内周翼部の後縁部が、外周翼部の後縁部よりも排気ガスの流れ方向上流側に位置する。これによって、内周翼部どうしの間のスロート幅が、外周翼部どうしの間のスロート幅よりも大きくなる。
【００１２】
本発明は、内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、前記内燃機関の燃焼室内へ送り込むターボ過給機であって、前記ターボ過給機に設けられたタービンは、前記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と、該タービン動翼に前記排気ガスを導くタービンノズルと、を備え、前記タービンノズルは、円筒状の内周側部材と、前記内周側部材よりも大きな内径を有し、前記内周側部材の外周側に同心状に配置された外周側部材と、前記内周側部材と前記外周側部材との間に設けられた仕切部材と、前記外周側部材と前記仕切部材との間に、周方向に間隔を隔てて設けられた複数枚の外周翼部と、前記内周側部材と前記仕切部材との間に、周方向に間隔を隔てて設けられた複数枚の内周翼部と、を備え、前記仕切部材を挟んだ内周側と外周側とで、前記外周翼部の翼表面形状と前記内周翼部の翼表面形状とが連続するよう形成され、前記内周翼部の後縁部が、前記外周翼部の後縁部よりも前記排気ガスの流れ方向上流側に位置するよう形成されていることを特徴とする。
【００１３】
このようなターボ過給機は、内周翼部の後縁部が、外周翼部の後縁部よりも排気ガスの流れ方向上流側に位置するよう形成されているのであればよく、内周翼部どうしの間のスロート幅が、外周翼部どうしの間のスロート幅よりも大きく設定されていなくてもよい。内周翼部どうしの間のスロート幅が、外周翼部どうしの間のスロート幅よりも小さくても、外周翼部と内周翼部が同一の断面形状で、仕切部材を挟んだ内周側と外周側とで径方向に連続して形成されている場合に比較すれば、上記構成により十分な作用効果が得られる。
【００１４】
また、前記周方向に沿った前記外周翼部の枚数よりも、前記内周翼部の枚数の方が少なく形成されているようにしてもよい。
これによっても、内周翼部どうしの間のスロート幅が、外周翼部どうしの間のスロート幅よりも大きくなる。
【００１５】
本発明は、内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、前記内燃機関の燃焼室内へ送り込むターボ過給機のタービン動翼の上流側に配置され、前記タービン動翼に前記排気ガスを導くタービンノズルとすることもできる。このタービンノズルは、円筒状の内周側部材と、前記内周側部材よりも大きな内径を有し、前記内周側部材の外周側に同心状に配置された外周側部材と、前記内周側部材と前記外周側部材との間に設けられた仕切部材と、前記外周側部材と前記仕切部材との間に、周方向に間隔を隔てて設けられた複数枚の外周翼部と、前記内周側部材と前記仕切部材との間に、周方向に間隔を隔てて設けられた複数枚の内周翼部と、を備え、周方向において互いに隣接する前記内周翼部どうしの間のスロート幅が、周方向において互いに隣接する前記外周翼部どうしの間のスロート幅よりも大きく設定されていることを特徴とする。
このようなタービンノズルは、既設のターボ過給機に組み込むことも可能である。
【００１６】
本発明は、船体に、内燃機関と、上記したようなターボ過給機と、を備えることを特徴とする船舶とすることもできる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るターボ過給機によれば、排気ガス流入面積を小さくした場合のタービン効率を向上させることで、機関低負荷時において最適な排気ガス流入面積に切り替えた状態での機関性能を改善す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】本発明の一実施形態に係るターボ過給機のタービン側を示す断面図である。
【図２】図１のターボ過給機に備えたタービンノズルを中心軸に直交する方向からみた図である。
【図３】（ａ）は図２のＤ−Ｄ矢視断面図、（ｂ）は図２のＥ−Ｅ矢視断面図である。
【図４】図２のＦ−Ｆ矢視断面図である。
【図５】タービンノズルにおける半径方向位置とスロート幅との関係を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る排気タービン過給機の一実施形態について、図１から図５を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係るターボ過給機のタービン側を示す断面図、図２は、図１のターボ過給機に備えたタービンノズルを中心軸に直交する方向からみた図である。図３（ａ）は図２のＤ−Ｄ矢視断面図、（ｂ）は図２のＥ−Ｅ矢視断面図である。図４は、図２のＦ−Ｆ矢視断面図である。図５は、タービンノズルにおける半径方向位置とスロート幅との関係を説明するための図である。
【００２０】
図１に示すように、ターボ過給機（「排気タービン過給機」ともいう。）１０は、内燃機関（図示せず）の燃焼用空気を圧縮し、密度を高めた空気を内燃機関の燃焼室（図示せず）内へ強制的に送り込むものである。ターボ過給機１０は、タービン２０と、圧縮機（図示せず）と、を備えている。
タービン２０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３０と、タービン動翼３０に排気ガスを導くタービンノズル２５と、を備えている。
このようなターボ過給機は、内燃機関とともに船体（図示せず）に搭載され、船舶を構成する。
【００２１】
ターボ過給機１０は、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によりロータ軸３１の他端部に配置された圧縮機（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。
【００２２】
タービン２０は、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、内燃機関の出力に拘わらず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（第一の排ガス流路）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。
【００２３】
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。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を通ってガス入口ケーシング２７のガス出口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。
【００２４】
また、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。
【００２５】
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。
【００２６】
内側ケーシング２１の内周側（半径方向内側）には、内燃機関の出力が特定の出力以上であるときにのみ、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（第二の排ガス流路）３６が、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に設けられた隔壁３７によって仕切られている。
【００２７】
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３８を接続するためのフランジ３９が設けられている。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を通って内周側の排気ガス流路３６に導かれるようになっている。
【００２８】
図２に示すように、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、円筒状の内周側部材２５ａと、内周側部材２５ａよりも大きな内径を有した円筒状で、内周側部材２５ａの外周側に同心状に配置された外周側部材２５ｂと、内周側部材２５ａと外周側部材２５ｂとの間に同心状に設けられた円筒状の仕切部材４２と、を備えた二重リング構造とされている。仕切部材４２は、排ガス通路２６から導かれた排気ガスと排ガス通路３６から導かれた排気ガスとを遮る。
【００２９】
図１に示すように、タービンノズル２５の内周側部材２５ａは、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）にボルト３５を介して結合されて（取り付けられて）いる。
【００３０】
一方、タービンノズル２５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。
【００３１】
さらに、ノズルリングの外周側部材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。ノズルリングの外周側部材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。
【００３２】
仕切部材４２の内周面４２ａは、タービンノズル２５の根元側（ノズルリングの内周側部材２５ａの側）において、隔壁３７の内周面（半径方向内側の表面）３７ａに連続する面を形成するとともに、ロータ軸３１およびノズルリングの内周側部材２５ａと略平行になっている。
また、仕切部材４２の外周面（外周側）４２ｂは、排気ガス流路２６から外周側のタービンノズル２５に導かれる排気ガスの上流側から下流側（図１において右側から左側）に向かってタービンノズル２５の内周側へと傾斜するテーパー形状とするのが好ましい。
外周側のタービンノズル２５に導かれる排気ガスの上流側から下流側に向かってテーパー形状とされている仕切部材４２の外周面４２ｂは、そのテーパー角度が、例えば、２０°程度とされている。
【００３３】
また、仕切部材４２は、外周側部材２５ｂと仕切部材４２との間に形成されるスロート面積と、内周側部材２５ａと仕切部材４２との間に形成されるスロート面積との比が、例えば９：１（９０％：１０％）となる位置に設けられている。
【００３４】
図２に示すように、タービンノズル２５において、外周側部材２５ｂと仕切部材４２との間に、周方向に間隔を隔てて設けられた複数枚の外周翼部（第一の排ガス流路側翼部）４４が設けられ、内周側部材２５ａと仕切部材４２との間に、周方向に間隔を隔てて設けられた複数枚の内周翼部（第二の排ガス流路側翼部）４５が設けられている。外周翼部４４には、排ガス通路２６から導かれた排気ガスが通過し、内周翼部４５は、排ガス通路３６から導かれた排気ガスが通過する。
【００３５】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、外周翼部４４および内周翼部４５は、排気ガスの流れ方向上流側を向いた翼表面４４ｓ，４５ｓが、流れ方向下流側に凹となる湾曲面をなしている。また、外周翼部４４および内周翼部４５において、排気ガスの流れ方向下流側を向いた翼表面４４ｔ，４５ｔが、流れ方向下流側に凸となる湾曲面をなしている。そして、仕切部材４２を挟んだ内周側と外周側とで、外周翼部４４と内周翼部４５は、翼表面４４ｓ，４４ｔの形状と内周翼部４５の翼表面４５ｓ，４５ｔの形状とが仕切部材４２を挟んで連続するよう形成されている。
これにより、図３、図４に示すように、外周翼部４４の排気ガスの流れ方向上流側の前縁部４４ｆと、内周翼部４５の前縁部４５ｆは、排気ガスの流れ方向において同一位置に形成されている。
【００３６】
一方、内周翼部４５の排ガスの流れ方向下流側の後縁部４５ｂは、外周翼部４４の後縁部４４ｂよりも排気ガスの流れ方向上流側に位置するよう形成されている。
すると、図３に示すように、タービンノズル２５の周方向において互いに隣接する内周翼部４５，４５どうしの間の流路の最狭幅の値、すなわちスロート幅Ｓ１が、周方向において互いに隣接する外周翼部４４，４４どうしの間のスロート幅Ｓ２よりも大きく設定されている。
【００３７】
このような内周翼部４５を形成するには、例えば、外周翼部４４と内周翼部４５を、当初は同一の断面形状として、仕切部材４２を挟んだ内周側と外周側とで、径方向に連続して形成しておき、その後、内周翼部４５の後縁を切削する。すると、内周翼部４５の後縁部４５ｂが、外周翼部４４の後縁部４４ｂよりも排気ガスの流れ方向上流側に位置する。これによって、内周翼部４５，４５どうしの間のスロート幅Ｓ１が、外周翼部４４，４４どうしの間のスロート幅Ｓ２よりも大きくなる。
もちろん、このように、内周翼部４５の後縁部４５ｂを後から切削するのではなく、予め、所定寸法に形成してもよい。このタービンノズル２５の製造方法については、何ら限定するものではない。
【００３８】
次に、このように構成されたターボ過給機１０における排気ガスの流れについて説明する。
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は、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。
【００３９】
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を通って外周側のガス出口２７ｂに導かれる。外周側のガス出口２７ｂに導かれた排気ガスは、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と仕切部材４２とで仕切られた空間内）に導かれる。
【００４０】
タービンノズル２５の外周側に導かれた排気ガスは、タービンノズル２５に設けられている仕切部材４２の外周面４２ｂがテーパー形状となっているので、仕切部材４２の外周面４２ｂのテーパー形状に沿ってタービンノズル２５の内周側に向けて流れる。そのため、タービンノズル２５の下流側から導出される排気ガスは、タービン動翼３０の全体にわたって導かれることとなる。このようにタービン動翼３０の全体に導かれた排気ガスは、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。
【００４１】
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（例えば約７０〜９５％）が、排気ガス流路２６を通って外周側のガス出口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を通って内周側のガス出口３６ａに導かれる。
【００４２】
外周側のガス出口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と仕切部材４２とで仕切られた空間内）に導かれる。
タービンノズル２５の外周側に導かれた排気ガスはテーパー形状の仕切部材４２の外周面４２ｂに沿って流れる。そのため、タービンノズル２５の下流側から導出される排気ガスは、タービン動翼３０の全体にわたって導かれることとなる。このようにタービン動翼３０の全体に導かれた排気ガスは、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。
【００４３】
一方、内周側のガス出口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と仕切部材４２とで仕切られた空間内）に導かれる。このとき、互いに隣接する内周翼部４５，４５どうしの間のスロート幅Ｓ１が、外周翼部４４，４４どうしの間のスロート幅Ｓ２よりも大きく設定されているので、内周側部材２５ａと仕切部材４２との間を流れる排気ガスの流量は、スロート幅Ｓ１をスロート幅Ｓ２以下とした場合に比較して増大する。
タービンノズル２５の内周側に導かれた排気ガスは、タービンノズル２５に設けられている仕切部材４２の内周面４２ａに沿って流れる。そのため、タービンノズル２５の下流側から導出される排気ガスは、タービン動翼３０の内周側に導かれることとなる。このようにタービン動翼３０の内周側に導かれた排気ガスは、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。
【００４４】
これらのように、排気ガスがタービン動翼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を回転させることにより、ロータ軸３１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。
【００４５】
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例えば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例えば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。
【００４６】
上述したように、本実施形態においては、互いに隣接する内周翼部４５，４５どうしの間のスロート幅Ｓ１を、外周翼部４４，４４どうしの間のスロート幅Ｓ２よりも大きくした。
外周翼部４４と内周翼部４５を、同一の断面形状で、仕切部材４２を挟んだ内周側と外周側とで、径方向に連続して形成した場合、タービンノズル２５の周方向において互いに隣接する外周翼部４４，４４どうし、内周翼部４５，４５どうしの間隔は、タービンノズル２５の径方向内側に行くほど小さくなる。すると、図５中の二点鎖線に示すように、互いに隣接する外周翼部４４，４４どうしの間、内周翼部４５，４５どうしの間に形成される排ガス流路のスロート幅も、径方向内側に行くほど小さくなる。
【００４７】
これに対し、上記したように互いに隣接する内周翼部４５，４５どうしの間のスロート幅Ｓ１を、外周翼部４４，４４どうしの間のスロート幅Ｓ２よりも大きくすることにより、内周側部材２５ａと仕切部材４２との間を流れる排気ガスの流量が増大する。すると、外周翼部４４と内周翼部４５を同一の断面形状として仕切部材４２を挟んだ内周側と外周側とで連続して形成した場合に比較し、仕切部材４２を半径方向内側に移動させて設置しても、内周側部材２５ａと仕切部材４２との間を流れる排気ガスの流量が少なくなってしまうのを抑えることができる。したがって、タービン効率を向上させつつ、機関負荷に応じてタービンノズル２５へ流入する排ガス流入面積を明確に２段階に変化させることが可能となる。
【００４８】
また、仕切部材４２の外周面（外周側）４２ｂがタービンノズル２５に導かれる排気ガスの上流側から下流側に向かってタービンノズル２５の内周側へと傾斜することとした。そのため、仕切部材４２よりも半径方向外側のタービンノズル２５を流れる排気ガスは、仕切部材４２の外周面４２ｂに沿ってタービンノズル２５の内周側に導かれることとなる。これにより、タービンノズル２５から導出する排気ガスをタービン動翼３０の全体に導くことができる。したがって、仕切部材４２の外周面４２ｂを傾斜させなかった場合に比べて、タービン効率を向上させることができる。そして、排気ガス流入面積を小さくした場合のタービン効率を向上させることで、機関低負荷時に最適な排気ガス流入面積に切り替えた状態での機関性能を改善することができる。
【００４９】
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。
例えば、上述した実施形態では、仕切部材４２の外周面４２ｂのテーパー角度を２０°程度として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、タービンノズル２５の下流側からタービン動翼３０に導かれる排気ガスがタービン動翼３０の全体に導かれる角度であれば何度でもよい。
【００５０】
さらに、上述した実施形態では、仕切部材４２の外周面４２ｂがタービンノズル２５の上流側から下流側に向かって漸次下降傾斜するテーパー形状として説明したが、開閉弁４１を閉じたとき下流側に向かって排気ガスの流れをタービンノズル２５の内周側に導く形状、例えば、円錐面状であったり、曲面状であっても、タービンノズル２５を通過した排気ガスがタービン動翼３０の根元側に導かれる形状であれば良い。
【００５１】
さらにまた、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。
【００５２】
また、上記したようなターボ過給機１０は、内周翼部４５の後縁部４５ｂが、外周翼部４４の後縁部４４ｂよりも排気ガスの流れ方向上流側に位置するよう形成されているのであれば、内周翼部４５，４５どうしの間のスロート幅Ｓ１が、外周翼部４４，４４どうしの間のスロート幅Ｓ２よりも大きく設定されていなくてもよい。内周翼部４５，４５どうしの間のスロート幅Ｓ１が、外周翼部４４，４４どうしの間のスロート幅Ｓ２よりも小さくても、内周翼部４５の後縁部４５ｂが、外周翼部４４の後縁部４４ｂよりも排気ガスの流れ方向上流側に位置していれば、外周翼部４４と内周翼部４５が同一の断面形状で仕切部材４２を挟んだ内周側と外周側とで径方向に連続して形成されている場合に比較すれば、十分な作用効果が得られるからである。
【００５３】
また、周方向に沿った外周翼部４４の枚数よりも、内周翼部４５の枚数の方が少なく形成されているようにしてもよい。
これによっても、内周翼部４５，４５どうしの間のスロート幅Ｓ１が、外周翼部４４，４４どうしの間のスロート幅Ｓ２よりも大きくなり、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００５４】
さらにまた、ターボ過給機１０全体の構成については、上記に示した構成に限るものではない。例えば、上記したようなタービンノズル２５は、既設のターボ過給機に組み込むことも可能である。それにより、タービンノズル２５を組み込むのみで、既設のターボ過給機においても、上記実施形態と同様の作用効果が得られる。
【符号の説明】
【００５５】
１０  ターボ過給機
２０  タービン
２１  内側ケーシング
２２  外側ケーシング
２５  タービンノズル
２５ａ  内周側部材
２５ｂ  外周側部材
２６  排気ガス流路（第一の排ガス流路）
２７  ガス入口ケーシング
２７ａ  ガス入口  
２７ｂ  ガス出口
２８  ガス出口ケーシング
３０  タービン動翼
３６  排気ガス流路（第二の排ガス流路）
３６ａ  ガス出口
３７  隔壁
４２  仕切部材
４４  外周翼部（第一の排ガス流路側翼部）
４４ｂ  後縁部
４４ｆ  前縁部
４４ｓ，４４ｔ  翼表面
４５  内周翼部（第二の排ガス流路側翼部）
４５ｂ  後縁部
４５ｆ  前縁部
４５ｓ，４５ｔ  翼表面
【図１】
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【図２】
0005960105.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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