(57)【要約】【課題】バイパス管の引き回しを行うことなく排気ガスバイパスシステムの適用を可能にすることができるターボ過給機の排気入口ケーシングを提供すること。【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１の排気入口ケーシング１０であって、別体の内側ケーシング２１および外側ケーシング２２を結合により一体化して両ケーシング２１，２２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５に導く排気ガス流路２６となるよう構成され、前記排気ガス流路２６の途中で分岐された排気ガスを、前記タービンノズル５のガス出口側となる端部に取り付けられたガス案内筒７の、排気ガス流れにおける下流側に導く排気ガスバイパス流路４４，３２，２２ｂが設けられている。【選択図】図１
2013124626.tif 000002
【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の排気入口ケーシングであって、
別体の内側ケーシングおよび外側ケーシングを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、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に導く排気ガス流路となるよう構成され、
前記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ガス出口側となる端部に取り付けられたガス案内筒の、排気ガス流れにおける下流側に導く排気ガスバイパス流路が設けられていることを特徴とするターボ過給機の排気入口ケーシング。
【請求項２】
前記排気ガスバイパス流路は、前記内側ケーシングを形成する隔壁によって前記排気ガス流路と仕切られた排気ガスバイパス室と、
前記排気ガス流路の途中と、前記排気ガスバイパス室とを連通する排気ガス管と、前記外側ケーシングに設けられて、前記排気ガスバイパス室と、前記ガス案内筒の、排気ガス流れにおける下流側とを連通する排気ガスバイパス通路と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機の排気入口ケーシング。
【請求項３】
前記排気ガス管に開閉弁が接続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の排気入口ケーシング。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のターボ過給機の排気入口ケーシングと、
前記タービンノズルのガス出口側となる端部に取り付けられるガス案内筒と、を備え、
前記ガス案内筒には、板厚方向に貫通して、排気ガスバイパス通路から流出した排気ガスを、当該ガス案内筒の、排気ガス流れにおける下流側に導く貫通穴が設けられていることを特徴とするターボ過給機のタービン側アッセンブリ。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載のターボ過給機の排気入口ケーシングを備えていることを特徴とするターボ過給機。
【請求項６】
請求項４に記載のターボ過給機のタービン側アッセンブリを備えていることを特徴とするターボ過給機。
【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（「排気タービン過給機」ともいう。）の排気入口ケーシングに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
舶用内燃機関や発電用内燃機関等の内燃機関（ディーゼル機関）の低負荷性能を改善するため、内燃機関に搭載された過給機の過給圧を高めに設定し、内燃機関の負荷が高く、排気ガスの量が多い場合には、排気ガスが過給機をバイパスするようにして過給圧の上がりすぎを抑える、いわゆる排気ガスバイパスシステムが実用化されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１４９３２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在実用化されている排気ガスバイパスシステムは、上記特許文献１の図１に示されているように、一端が排気管Ｌ１の途中に接続もしくは排気マニホールド７に直接接続され、他端が排気管Ｌ３の途中に接続されたバイパス管（バイパス流路）Ｌ２と、バイパス管Ｌ２の途中に設けられて過給機３へ導かれる排気ガスの流量を制御する排気ガスバイパス制御弁Ｖ１と、により構成されている。
【０００５】
そのため、特に、就航後の船舶に搭載された推進用の舶用内燃機関に排気ガスバイパスシステムを適用しようとした場合には、スペースの限られた機関室内にバイパス管Ｌ２を引き回さなければならず、バイパス管Ｌ２を引き回すのに必要なスペースを確保できない船舶には、排気ガスバイパスシステムを適用することができないといった問題点があった。
また、バイパス管Ｌ２を引き回すのに必要なスペースを確保できたとしても、機関室内においてバイパス管Ｌ２を引き回す大掛かりな配管工事を行わなければならず、コスト的に見合わないといった問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、バイパス管の引き回しを行うことなく排気ガスバイパスシステムの適用を可能にすることができるターボ過給機の排気入口ケーシング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】
【０００７】
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の排気入口ケーシングは、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の排気入口ケーシングであって、別体の内側ケーシングおよび外側ケーシングを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、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に導く排気ガス流路となるよう構成され、前記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ガス出口側となる端部に取り付けられたガス案内筒の、排気ガス流れにおける下流側に導く排気ガスバイパス流路が設けられている。
【０００８】
本発明に係るターボ過給機の排気入口ケーシングによれば、当該排気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４〜２０％）が、タービンノズルおよびタービン翼を通らずに、排気ガスバイパス流路を通って、タービンノズルのガス出口側となる端部に取り付けられたガス案内筒の、排気ガス流れにおける下流側に導かれることになる。
これにより、従来必要とされたバイパス管の引き回しを行うことなく排気ガスバイパスシステムの適用を可能にすることができる。
【０００９】
上記ターボ過給機の排気入口ケーシングにおいて、前記排気ガスバイパス流路が、前記内側ケーシングを形成する隔壁によって前記排気ガス流路と仕切られた排気ガスバイパス室と、前記排気ガス流路の途中と、前記排気ガスバイパス室とを連通する排気ガス管と、前記外側ケーシングに設けられて、前記排気ガスバイパス室と、前記ガス案内筒の、排気ガス流れにおける下流側とを連通する排気ガスバイパス通路と、を備えているとさらに好適である。
【００１０】
このようなターボ過給機の排気入口ケーシングによれば、当該排気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４〜２０％）が、タービンノズルおよびタービン翼を通らずに、排気ガスバイパス室、排気ガスバイパス通路を通って、タービンノズルのガス出口側となる端部に取り付けられたガス案内筒の、排気ガス流れにおける下流側に導かれることになる。
これにより、従来必要とされたバイパス管の引き回しを行うことなく排気ガスバイパスシステムの適用を可能にすることができる。
【００１１】
上記ターボ過給機の排気入口ケーシングにおいて、前記排気ガス管に開閉弁が接続されているとさらに好適である。
【００１２】
このようなターボ過給機の排気入口ケーシングによれば、内燃機関の負荷が低く、排気ガスの量が少ない場合には、開閉弁が閉じられ、当該排気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当該排気入口ケーシングのガス出口に導かれることになる。
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、開閉弁が開けられ、当該排気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９６〜８０％）が、排気ガス流路を通ってガス出口に導かれ、当該排気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４〜２０％）が、タービンノズルおよびタービン翼を通らずに、排気ガスバイパス室、排気ガスバイパス通路を通って、タービンノズルのガス出口側となる端部に取り付けられたガス案内筒の、排気ガス流れにおける下流側に導かれることになる。
これにより、従来必要とされたバイパス管の引き回しを行うことなく排気ガスバイパスシステムの適用を可能にすることができる。
【００１３】
本発明に係るターボ過給機のタービン側アッセンブリは、上記いずれかのターボ過給機の排気入口ケーシングと、前記タービンノズルのガス出口側となる端部に取り付けられるガス案内筒と、を備え、前記ガス案内筒には、板厚方向に貫通して、排気ガスバイパス通路から流出した排気ガスを、当該ガス案内筒の、排気ガス流れにおける下流側に導く貫通穴が設けられている。
【００１４】
本発明に係るターボ過給機のタービン側アッセンブリによれば、排気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４〜２０％）が、タービンノズルおよびタービン翼を通らずに、排気ガスバイパス室、排気ガスバイパス通路、貫通穴を通って、タービンノズルのガス出口側となる端部に取り付けられたガス案内筒の、排気ガス流れにおける下流側に導かれることになる。
これにより、従来必要とされたバイパス管の引き回しを行うことなく排気ガスバイパスシステムの適用を可能にすることができる。
【００１５】
本発明に係るターボ過給機は、上記いずれかのターボ過給機の排気入口ケーシングを備えている。
【００１６】
本発明に係るターボ過給機によれば、排気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４〜２０％）が、タービンノズルおよびタービン翼を通らずに、排気ガスバイパス流路を通って、タービンノズルのガス出口側となる端部に取り付けられたガス案内筒の、排気ガス流れにおける下流側に導かれることになる。
これにより、従来必要とされたバイパス管の引き回しを行うことなく排気ガスバイパスシステムの適用を可能にすることができる。
【００１７】
本発明に係るターボ過給機は、上記ターボ過給機のタービン側アッセンブリを備えている。
【００１８】
本発明に係るターボ過給機によれば、排気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４〜２０％）が、タービンノズルおよびタービン翼を通らずに、排気ガスバイパス流路を通って、タービンノズルのガス出口側となる端部に取り付けられたガス案内筒の、排気ガス流れにおける下流側に導かれることになる。
これにより、従来必要とされたバイパス管の引き回しを行うことなく排気ガスバイパスシステムの適用を可能にすることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るターボ過給機の排気入口ケーシングよれば、当該排気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４〜２０％）が、タービンノズルおよびタービン翼を通らずに、排気ガスバイパス流路を通って、タービンノズルのガス出口側となる端部に取り付けられたガス案内筒の、排気ガス流れにおける下流側に導かれることになる。
これにより、従来必要とされたバイパス管の引き回しを行うことなく排気ガスバイパスシステムの適用を可能に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】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係るターボ過給機の排気入口ケーシングをターボ過給機に装着した状態を示すタービン側の縦断面図である。
【図２】図１に示すターボ過給機のタービン側における一部を切り欠いて鳥瞰した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態に係るターボ過給機の排気入口ケーシングについて、図１および図２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排気入口ケーシングをターボ過給機に装着した状態を示すタービン側の縦断面図、図２は図１に示すターボ過給機のタービン側における一部を切り欠いて鳥瞰した図である。
【００２２】
本実施形態に係るターボ過給機の排気入口ケーシング１０は、例えば、図１に示すようなターボ過給機１に適用され得るものである。
図１に示すように、ターボ過給機１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（図示せず）の燃焼用空気を圧縮し、密度の高い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ように構成されたものである。ターボ過給機１は、内燃機関が排出する排気ガスによって駆動されるタービン２と、タービン２によって回転駆動されるロータ軸（回転軸）３と、ロータ軸３が回転駆動されることによって空気を圧縮する圧縮機（図示せず）と、タービン２と圧縮機との間に設けられてロータ軸３を軸受け支持する軸受台（図示せず）と、を備えている。
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。
【００２３】
タービン２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４と、タービン動翼４に排気ガスを導くタービンノズル５と、排気入口ケーシング１０と、を備えている。
タービン動翼４は、タービンノズル５の出口となる下流側に近接するようにして、ロータ軸３の一端部に設けられた、円盤形状をなすタービンディスク６の周縁部に、周方向に沿って複数枚取り付けられている。そして、タービンノズル５から噴出する高温の排気ガスがタービン動翼４を通過して膨張することにより、タービンディスク６およびロータ軸３が回転するようになっている。
【００２４】
タービンノズル５は、周方向に沿って環状に配置された複数枚のノズルガイドベーン５ａと、ノズルガイドベーン５ａの根元側（半径方向内側：内周側）に配置されて、ノズルガイドベーン５ａの根元と接合される、リング状形状をなす内周側部材５ｂと、ノズルガイドベーン５ａの翼端側（半径方向外側：外周側）に配置されて、ノズルガイドベーン５ａの翼端と接合される、リング状形状をなす外周側部材５ｃと、を備えた、一般にノズルリングと呼ばれるものであり、タービン動翼４の上流側に近接するようにして配置されている。
【００２５】
外周側部材５ｃは、ガス出口側（排気ガス流れの下流側）からガス入口側（排気ガス流れの上流側）にかけてラッパ形状に拡径するように形成されている。また、排気入口ケーシング１０（より詳しくは、外側ケーシング２２）のタービンディスク６側の端部には、排気入口ケーシング１０の内周面をタービンディスク６の方向へ折曲するようにして形成された段差部１２が設けられている。そして、この段差部１２と、外周側部材５ｃのガス入口側の端部に設けられた段差部５ｄとが軸方向で係合（嵌合）するように構成されている。
外周側部材５ｃの、ガス出口側（排気ガス流れの下流側）となる端部には、ガス案内筒７が連結されている。これら外周側部材５ｃとガス案内筒７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。
【００２６】
排気入口ケーシング１０は、別体の内側ケーシング２１と外側ケーシング２２とが、締結手段（例えば、ボルト２３）により一体化され、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５に導くための排気ガス流路（主排気ガス流路）２６となるよう構成されたものである。
【００２７】
このような二重構造の排気入口ケーシング１０では、排気ガス流路２６がタービン動翼４の回転方向の全周にわたって形成されており、排気入口ケーシング１０のガス入口１０ａ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１０ｂに導かれた後、図１中に矢印Ｇｏで示すようにして排気出口ケーシング２８の出口から外部へ排出される。また、ガス出口１０ｂは、タービン動翼４の回転方向の全周にわたってタービンノズル５へ排気ガスを供給するように開口して設けられている。
【００２８】
上述した二重構造の排気入口ケーシング１０において、内側ケーシング２１の一端部（図１において右側の端部）は、外側ケーシング２２の一端部（図１において右側の端部）に締結手段（例えば、ボルト２３）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、タービンディスク６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、ボルト２３）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、いずれもタービンディスク６と一体に回転するロータ軸３の軸方向と直交する面とされている。
一方、内側ケーシング２１の他端部（図１において左側の端部）における内周部には、タービンノズル５を形成する内周側部材５ｂがボルト３０を介して結合されて（取り付けられて）いる。
【００２９】
また、内側ケーシング２１と外側ケーシング２２とが、締結手段（例えば、ボルト２３）を介して一体化されることにより、排気入口ケーシング１０の一端部（図１において右側の端部）には、排気ガス流路２６の途中で分岐された排気ガスを、外側ケーシング２２の内部に形成された排気ガスバイパス通路２２ｂに導く排気ガスバイパス室３２が、タービン動翼４の回転方向における一部に形成されている。排気ガスバイパス室３２は、排気ガス流路２６の一端部（図１において右側の端部）の側に設けられており、排気ガス流路２６と排気ガスバイパス室３２とは、内側ケーシング２１を形成する隔壁３４によって仕切られている。
【００３０】
内側ケーシング２１の一端部における内周部には、制御装置３６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）４０を接続するためのフランジ４２、および配管（排気ガス管）４４の一端を接続するためのフランジ４６が設けられており、開閉弁４０には、配管４４の他端が接続されている。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４２、開閉弁４０、配管４４、フランジ４６を通って排気ガスバイパス室３２に導かれるようになっている。
【００３１】
排気ガスバイパス通路２２ｂは、タービンディスク６と一体に回転するロータ軸３の軸方向と平行になるようにして設けられており、その一端（排気ガスの流れ方向における上流端）は、排気ガスバイパス室３２の半径方向外側（外周側）において排気ガスバイパス室３２に開口している。
また、排気ガスバイパス通路２２ｂの他端（排気ガスの流れ方向における下流端）は、外側ケーシング２２の他端部（図１において左側の端部）を形成する他端面２２ｃと、外周側部材５ｃの半径方向外側（外周側）に位置する外周面と、他端面２２ｃと対向してガス案内筒７の一端部（図１において右側の端部）において凹所（窪み）を形成する一面（表面）７ａとにより形成された（閉）空間Ｓ１に開口している。
【００３２】
空間Ｓ１と、排気出口ケーシング２８内においてガス案内筒７の半径方向外側（外周側）に形成される空間Ｓ２とは、一面７ａと、その反対側に位置する他面７ｂとを板厚方向に貫通する貫通穴４８を介して連通している。
すなわち、排気ガスバイパス室３２と、空間Ｓ２とは、排気ガスバイパス通路２２ｂ、空間Ｓ１、および貫通穴４８を介して連通していることになる。
【００３３】
つぎに、このように構成されたターボ過給機１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４０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４０が全開状態とされる。
【００３４】
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、排気入口ケーシング１０のガス入口１０ａ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１０ｂに導かれる。ガス出口１０ｂに導かれた排気ガスは、ガス出口１０ｂからタービンノズル５に導かれ、タービンノズル５を通った後、タービンノズル５の下流側から導出されて、タービン動翼４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４の全体に導かれた排気ガスは、タービン動翼４を通過する際に膨張してタービンディスク６およびロータ軸３を回転させる。
【００３５】
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、排気入口ケーシング１０のガス入口１０ａから導入された排気ガスの大半（約９６〜８０％）が、排気ガス流路２６を通ってガス出口１０ｂに導かれ、排気入口ケーシング１０のガス入口１０ａから導入された排気ガスの一部（約４〜２０％）が、フランジ４２、開閉弁４０、配管４４、フランジ４６を通って排気ガスバイパス室３２に導かれる。
【００３６】
排気ガスバイパス室３２に導かれた排気ガスは、排気ガスバイパス通路２２ｂ、空間Ｓ１、および貫通穴４８を通って空間Ｓ２に導かれ、タービン動翼４を通過する際に膨張してタービンディスク６およびロータ軸３を回転させるのに用いられた排気ガスとともに、排気出口ケーシング２８の出口から外部へ排出される。
【００３７】
そして、排気ガスがタービン動翼４を通過する際に膨張してタービンディスク６およびロータ軸３を回転させることにより、ロータ軸３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。
【００３８】
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４で膨張した排気ガスは、ガス出口案内筒７およびガス出口ケーシング２８に導かれて、タービンノズル５およびタービン翼４を通らずに（タービンノズル５およびタービン翼をバイパスするようにして）空間Ｓ２に導かれた排気ガスとともに外部へ流出する。
また、開閉弁４０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。
【００３９】
本実施形態に係るターボ過給機１の排気入口ケーシング１０、および本実施形態に係るターボ過給機１の排気入口ケーシング１０を備えたターボ過給機１によれば、当該排気入口ケーシング１０のガス入口１０ａから導入された排気ガスの一部（約４〜２０％）が、タービンノズル５およびタービン翼４を通らずに、排気ガス流路２６、フランジ４２、開閉弁４０、配管４４、フランジ４６、排気ガスバイパス室３２、排気ガスバイパス通路２２ｂ、空間Ｓ１、および貫通穴４８を通って、タービンノズル５のガス出口側となる端部に取り付けられたガス案内筒７の、排気ガス流れにおける下流側に形成された空間Ｓ２に導かれることになる。
これにより、従来必要とされたバイパス管の引き回しを行うことなく排気ガスバイパスシステムの適用を可能にすることができる。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【符号の説明】
【００４２】
１    ターボ過給機
５    タービンノズル
７    ガス案内筒
１０    排気入口ケーシング
２１    内側ケーシング
２２    外側ケーシング
２２ｂ  排気ガスバイパス通路
２６    排気ガス流路
３２    ガスバイパス室
３４    隔壁
４０    開閉弁
４４    配管（排気ガス管）
４８    貫通穴
【図１】
2013124626.tif 000003
【図２】
2013124626.tif 000004