(57)【要約】      （修正有）【課題】排気タービン過給機において、シュラウドリングの取り付け構造、形状を考慮し、タービン翼とシュラウドリングの適正な隙間を維持できるようにする。【解決手段】排気ガス流路を画成するガス入口ケーシングと、ガス入口ケーシングと排ガス出口案内筒５を介して連通するガス出口ケーシング６と、排ガス出口案内筒上流側にタービン動翼７とタービン動翼に隣接配置したタービンノズル８とを具備し、タービンノズルを通じてタービン動翼に導入した排気ガスの膨張により、タービン動翼を回転させて得られる軸回転力で圧縮機を回転させるようにした軸流式の排気タービン過給機において、排ガス出口案内筒上流側に、タービン動翼を囲繞して、タービン動翼先端との隙間ｇを規定するシュラウドリング２０を設け、一周縁部側を排ガス出口案内筒上流側に固定する一方、他周縁部側を径方向に拡径可能にタービンノズル側に係合してなる。【選択図】図３
2015059525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導入される排気ガスを通流する排気ガス流路を画成するガス入口ケーシングと、該ガス入口ケーシングと排ガス出口案内筒を介して連通するガス出口ケーシングと、前記排ガス出口案内筒上流側にタービン動翼と該タービン動翼に隣接配置したタービンノズルとを具備し、該タービンノズルを通じて前記タービン動翼に導入した排気ガスの膨張により、前記タービン動翼を回転させて得られる軸回転力で圧縮機を回転させるようにした軸流式の排気タービン過給機において、
前記排ガス出口案内筒上流側に、前記タービン動翼を囲繞して、前記タービン動翼先端との隙間を規定するシュラウドリングを設け、
該シュラウドリングは、一周縁部側を前記排ガス出口案内筒上流側に固定する一方、他周縁部側を径方向に拡径可能に前記タービンノズル側に係合してなる、ことを特徴とする排気タービン過給機。
【請求項２】
前記シュラウドリングは、前記排ガス出口案内筒上流側に前記一周縁部側をフランジ部を介して締結部材で固定されている、ことを特徴とする請求項１に記載の排気タービン過給機。
【請求項３】
前記シュラウドリングは、前記タービン動翼と同等の熱膨張率の薄肉状の鋼材で形成されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の排気タービン過給機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たと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排気タービン過給機に係り、特に、軸流タービンを用いて内燃機関の過給を行う排気タービン過給機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関の出力を向上させるため、各種の過給機が使用されている。例えば船舶や発電装置等のように高出力が要求される大型のディーゼルエンジン等においては、軸流タービンを用いた排気タービン過給機が採用されている。これは、エンジン自体が大型で吸気量も非常に多くなることから、排気タービン過給機も大型で大容量のものが必要となるので、ラジアルタービンと比較して容易に且つ安価に製造可能な軸流タービンが考えられるからである。
排気タービン過給機は、一般に、一段の排気ガスタービンと、その同一回転軸上に、取り付けられた圧縮機とを具備し、排気により排気ガスタービンを回転させ、その回転力で圧縮機を駆動する構成のものである。
【０００３】
軸流タービンを採用した従来の排気タービン過給機には、本出願人が特許文献１に示すように開示したものがある。
この場合、特許文献１では、ケーシングの組立構造により熱膨張の問題や重量増加の問題を解決する技術を提案している。すなわち、特許文献１では、別体の内側ケーシング及び外側ケーシングをボルト結合により一体化して両ケーシング間に形成される空間が排気ガスをタービンノズルに導く排気ガス流路となる二重構造のガス入口ケーシングを備え、排気ガス流路をタービン回転方向の全周にわたって設けるとともに、内側ケーシングを軸方向へ着脱可能としている。
かかる特許文献１において、過給気の排気ガスはガス入口ケーシング、タービンノズル、タービン動翼からガス出口ケーシングに導かれ、ガス出口から外部へ排出される。
【０００４】
ところで、上記軸流タービンを用いた排気タービン過給機では、内外のケーシング間に大きな温度差はなく、半径方向の熱延びが均一化するので、タービンノズルとガス案内筒とのインロー構造が可能となり、嵌合部のシール性が向上して、ガス漏れを防止できるとしている。
【０００５】
また、特許文献２では、高温域で使用されるガスタービンのタービン動翼の先端とシュラウドリングとの隙間を効果的にシールして、タービン効率を向上できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭２００６−１５３００２号公報
【特許文献２】特開平１０−２２０２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１では、タービン動翼先端とガス案内筒との間には、タービン翼先端隙間（クリアランス）が存在しており、過給機運転時において、タービン動翼が遠心および熱膨張により径方向に伸びて、対峙するガス出口案内筒とのタービン翼先端隙間が小さくなり、接触する虞がある。
また、特許文献２では、タービン動翼先端とシュラウドリングとの隙間を極力抑えるために、シュラウドリング側のタービン動翼先端と対面する部位に、タービン動翼の先端を一部臨ませる掘り込み溝を形成し、その溝内にセラミック繊維を設けるようにしている。このように、シュラウドリングに特別な加工が必要で煩雑であり、消耗が進みやすく、他の部品に比較してシュラウドリングの交換頻度は高くなる。
本発明は、以上のような背景から提案されたものであって、熱膨張を考慮に入れた、シュラウドリングの取り付け構造、素材、形状を採用し、タービン翼とシュラウドリングの適正な隙間を確保し、タービン翼先端とシュラウドリングとの接触等の問題がないようにした、排気タービン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】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１記載の本発明では、導入される排気ガスを通流する排気ガス流路を画成するガス入口ケーシングと、ガス入口ケーシングと排ガス出口案内筒を介して連通するガス出口ケーシングと、排ガス出口案内筒上流側にタービン動翼とタービン動翼に隣接配置したタービンノズルとを具備し、タービンノズルを通じてタービン動翼に導入した排気ガスの膨張により、タービン動翼を回転させて得られる軸回転力で圧縮機を回転させるようにした軸流式の排気タービン過給機において、排ガス出口案内筒上流側に、タービン動翼を囲繞して、タービン動翼先端との隙間を規定するシュラウドリングを設け、シュラウドリングは、一周縁部側を排ガス出口案内筒上流側に固定する一方、他周縁部側を径方向に拡径可能にタービンノズル側に係合してなる、ことを特徴とする。
【０００９】
これにより、運転時においてシュラウドリングは、薄肉で、温度応答性が良いため、熱膨張により、径方向、軸方向に一定量伸びる。
運転時には、タービン動翼が伸びても、タービン動翼外周を囲繞するシュラウドリングの径方向、軸方向に伸びるため、タービン動翼とシュラウドリングとの隙間は、適正に確保され、接触することはない。
【００１０】
また、請求項２記載の本発明では、シュラウドリングは、排ガス出口案内筒上流側に一周縁部側をフランジ部を介して締結部材で固定されている、ことを特徴とする。
【００１１】
これにより、シュラウドリングは、一周縁部側のみをフランジ部を介して固定したので、運転により、シュラウドリングは、排ガス出口案内筒の膨張と共に径方向に膨張し、タービン動翼との隙間を確保することができる。
【００１２】
さらに、請求項３にかかる本発明では、シュラウドリングは、タービン動翼と同等の熱膨張率の薄肉状の鋼材で形成されている、ことを特徴とする。
【００１３】
これにより、シュラウドリングの熱応答性が良く、運転によって、タービン動翼が径方向、軸方向に膨張しても、タービン動翼の外側にあるシュラウドリングが径方向に同等に伸びるため、タービン動翼とシュラウドリングが干渉することはない。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、運転時においてシュラウドリングは、薄肉で、温度応答性が良いため、熱膨張により、径方向、軸方向に一定量伸びる。
運転時には、タービン動翼が伸びても、タービン動翼外周を囲繞するシュラウドリングの径方向、軸方向の伸びによって、タービン動翼とシュラウドリングとの隙間は、適正に確保され、接触することはない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明にかかる排気タービン過給機のタービン側の断面図である。
【図２】図１に示す排気タービン過給機の要部Ａであるタービンノズルとタービン動翼とを拡大して示した図である。
【図３】図２のタービンノズルとタービン動翼とにおいて、運転時におけるタービン動翼とシュラウドリングとに及ぼされる、熱膨張による径方向の変化を説明するための模式図である。
【図４】図２のタービンノズルとタービン動翼とにおいて、運転時におけるタービン動翼の熱膨張によってシュラウドリングに接触した場合のシュラウドリングの径方向の変化を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載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特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００１７】
図１に、タービン及び圧縮機を同軸に設けた大型内燃機関用の排気タービン過給機１の一実施形態を示す。
この排気タービン過給機１は、軸流タービン２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３を回転させ、圧縮機３により高圧に圧縮された圧縮空気を内燃機関に供給するように構成された軸流式である。
【００１８】
すなわち、排気タービン過給機１は、導入される排気ガスを通流する排気ガス流路（後述）を画成するガス入口ケーシング４と、このガス入口ケーシング４と排ガス出口案内筒５を介して連通するガス出口ケーシング６と、排ガス出口案内筒５上流側にタービン動翼７とこのタービン動翼７に隣接配置したタービンノズル８とを具備し、このタービンノズル８を通じてタービン動翼７に導入した排気ガスの膨張により、タービン動翼７を回転させて得られる軸回転力で圧縮機３を回転させるようにした軸流式のものである。
【００１９】
ガス入口ケーシング４は、締結部材により内側ケーシング４ａと外側ケーシング４ｂとを一体化して構成され、これら内側ケーシング４ａおよび外側ケーシング４ｂ間に、排気ガスをタービンノズル８に導くための排気ガス流路９が画成される。この場合、排気ガス流路９は軸流タービン２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４のガス入口４ｉから導入した排気ガスは、排気ガス流路９を通ってガス出口４ｏ、排ガス出口案内筒５を介し、ガス出口ケーシング６の出口から外部へ排出される。
ガス出口４ｏは、回転方向の全周にわたってタービンノズル８へ排気ガスを供給するよう開口して設けられている。
【００２０】
また、軸流タービン２は、ロータ軸１０の一端に設けたロータディスク１１にタービン動翼７を周方向に多数取り付けた構成とされる。なお、タービン動翼７およびロータディスク１１には、例えばＳＵＨ（Ｓｔｅｅｌ  Ｕｓｅ  Ｈｅａｔ  Ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ）やナイモニック（Ｎｉ−Ｃｒ合金）等の耐熱鋼を用いることができる。
タービン動翼７は、タービンノズル８の出口となる下流側、すなわちガス出口ケーシング６における排ガス出口案内筒５の上流側に隣接して設けられ、タービンノズル８から噴出する高温の排気ガスがタービン動翼７を通過して膨張することによりロータディスク１１及びロータ軸１０を回転させる。
【００２１】
また、ガス入口ケーシング４におけるガス出口４ｏ、すなわち、ガス出口ケーシング６における排ガス出口案内筒５の上流側に対面する側には、タービンノズル８を形成するリング状部材（ノズルリング）の内周部８ａが軸止めされている。すなわち、ここでのタービンノズル８は、リング状部材で、所定の間隔を有する内周部８ａ及び外周部８ｂ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なっている。
一方、タービンノズル８を形成するノズルリングの外周部８ｂは、図２に示すように、ガス入口側（ガス出口４ｏ側）の端部内周面８ｃが拡開されている。また、外側ケーシング４ｂのロータディスク側端部は、その内周面をロータ軸方向へ折曲するようにして段差部４ｂｂを設け、この段差部４ｂｂと、ノズルリングのガス入口側端部外周面に設けた段差部８ｄとが軸方向で係合するようになっている。
【００２２】
そして、タービンノズル８の外周部８ｂには、詳細は後述するが、ガス出口側（タービン動翼７側）となる端部に、排ガス出口案内筒５の上流側に取り付けられてタービン動翼７を囲繞するシュラウドリング２０が、互いの端部同士を係合状態で連結されている（インロー構造）。
【００２３】
そこで、タービン動翼７を囲繞するシュラウドリング２０について、詳細に説明する。
シュラウドリング２０は、上述のように排ガス出口案内筒５の上流側に、タービン動翼７を囲繞して、タービン動翼７の先端との隙間ｇを規定するようにしている（図２、図３参照）。
すなわちシュラウドリング２０は、薄肉状の鋼材で形成された円環状のもので、一周縁部側を排ガス出口案内筒５上流側にフランジ部２０ｆを介してボルト部材２１で固定されている。また、シュラウドリング２０の他周縁部側は、タービンノズル８の外周部８ｂとの係合部位において、径方向外側から、タービンノズル８の外周部８ｂに係合させることで、シュラウドリング２０を径方向に拡径可能としている。すなわち、運転時のタービン動翼７の熱膨張によってシュラウドリング２０に接触するようなことがあっても、シュラウドリング２０の他周縁部側は、径方向外側に変形することで、タービン動翼７とシュラウドリング２０との接触圧を低下させ、タービン動翼７の損傷を抑制する。
【００２４】
また、以上のようなシュラウドリング２０において、排ガス出口案内筒５に対する取付構造を具体的に説明する。
すなわち、排ガス出口案内筒５の上流側に、シュラウドリング２０の一周縁部側を、フランジ部２０ｆを介してボルト部材２１で固定する際、排ガス出口案内筒５の上流側の端面に対しガスケットＧを介して、フランジ部２０ｆを押し当てた状態で、ボルト部材２１を排ガス出口案内筒５の上流側の端面にねじこまれるになっている。この際、ボルト部材２１のボルト頭部２１ｈは、バネワッシャｗが挟持され、締結力を高めると共に気密性を高め、排気ガスの漏れを極力なくすようにしている。
【００２５】
そして、かかるシュラウドリング２０が排ガス出口案内筒５の上流側の端面に固定された際、タービン動翼７の先端との隙間ｇが、例えば０．３〜０．６ｍｍとなるように設定されている。
【００２６】
次に、以上説明した排気タービン過給機１について、動作、作用を説明する。
排気ガスを導入して過給運転を行う場合、ガス入口ケーシング４のガス入口４ｉから導入された排気ガスが排気ガス流路９を通ってガス出口４ｏに導かれる。この排気ガスは、回転方向の全周にわたって開口するガス出口４ｏからタービンノズル８に吸い込まれ、タービン動翼７を通過する際に膨張してロータディスク１１及びロータ軸１０を回転させるので、同軸の圧縮機３を駆動して内燃機関に供給する空気を圧縮する。圧縮機３で圧縮する空気は、フィルター（図示省略）を通して吸入される。なお、タービン動翼７で膨張した排気ガスは、排ガス出口案内筒５及びガス出口ケーシング６に導かれて外部へ流出する。
【００２７】
かかる過給運転が続行されると、排気ガス流路９を通る排気ガスが、タービンノズル８に吸い込まれ、タービン動翼７を通過する。このため、タービンノズル８、タービン動翼７、タービン動翼７を囲繞するシュラウドリング２０が排気ガスによって高温化する。このため、タービン動翼７、シュラウドリング２０は、径方向、および軸方向に熱膨張する（図３参照）。
例えば、排気ガスの温度が４００℃の場合、ロータディスク１１の径が９００ｍｍとすると、タービン動翼７の径方向の伸びが２ｍｍとなる。
【００２８】
しかしながら、タービン動翼７の径方向外側に位置するシュラウドリング２０においても、線膨張率特性によって径方向、軸方向に一様に熱膨張する。
シュラウドリング２０は、薄肉状の円環体で構成されるため、温度応答性が良く、タービン動翼７側の伸びよりも先に熱膨張するため、タービン動翼７とシュラウドリング２０との適正な隙間ｇが確保され、タービン動翼７とシュラウドリング２０との接触を回避することができる。
例え、排気ガスの温度が想定温度を越えるものであって、タービン動翼７側の伸びが大きくシュラウドリング２０に接触するようなことがあっても、シュラウドリング２０の他周縁部側が、タービンノズル８の外周部８ｂとの係合部位において、径方向外側から、タービンノズル８の外周部８ｂに係合させる構造であるので、シュラウドリング２０は、径方向外側に逃げるように押し込まれるため、タービン動翼７とシュラウドリング２０との接触により破損する不具合を極力抑制することができる（図４参照）。
【００２９】
以上、本発明にかかる排気タービン過給機について、一実施形態を挙げ、説明した。
上記実施形態におけるシュラウドリング２０は、設けられる排気タービン過給機の仕様、規格等に鑑みて、素材、寸法、形状が採用されることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明におけるタービン動翼のシュラウドリングは、かかる排気タービンに限らず、蒸気タービン、ガスタービン等への適用も可能である等、汎用性は高い。
【符号の説明】
【００３１】
１  排気タービン過給機
２  軸流タービン
３  圧縮機
４  ガス入口ケーシング
４ａ  内側ケーシング
４ｂ  外側ケーシング
４ｂａ  内周面
４ｂｂ  段差部
４ｉ  ガス入口
４ｏ  ガス出口
４ｃ  端部内周部
５  排ガス出口案内筒
６  ガス出口ケーシング
７  タービン動翼
８  タービンノズル
８ａ  内周部
８ｂ  外周部
８ｄ  段差部
９  排気ガス流路
１０  ロータ軸
１１  ロータディスク
２０  シュラウドリング
２０ｆ  フランジ部
２１  ボルト部材
２１ｈ  ボルト頭部
ｗ  バネワッシャ

【図１】
2015059525.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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