(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のターボチャージャを相互のタービンが中央の排気集合管を挟んで対向するよう直列に連装したツインターボにおいて、前記排気集合管と両側のタービンとの間を、その外径寸法が軸心方向の長さ寸法より大きく設定された蛇腹管により連結し、該各蛇腹管の初回熱時の剪断変位が塑性変形及び弾性変形により分担吸収され且つその塑性変形が生じた後の再冷時に弾性変形により当初冷時の姿勢に復帰して次回熱時以降の剪断変位が前記再冷時の弾性変形を減じることにより吸収されるように構成したことを特徴とするツインターボ。
【請求項２】
蛇腹管が多重管構造を成していることを特徴とする請求項１に記載のツインターボ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ツインターボに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は釣船や漁船等に用いられる小型船舶用エンジンの上部構造の一例を示すもので、ここに図示しているエンジンは、コンプレッサ２ａとタービン２ｂとから成るターボチャージャ２を相互のタービン２ｂが中央の排気集合管３を挟んで対向するよう直列に連装したツインターボ１を搭載しており、該ツインターボ１の両端部に装備されている各エアクリーナ４から取り込んだ吸気５を各ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ送り、該各コンプレッサ２ａで加圧された吸気５を吸気管６を通しインタークーラ７へと送って海水との熱交換により冷却し、該インタークーラ７から図示しない吸気マニホールドへと吸気５を導いてエンジンの各気筒に分配するようにしてある。
【０００３】
また、このエンジンの各気筒から排出された排気ガス８を図示しない排気マニホールドを介して前記ツインターボ１の各ターボチャージャ２のタービン２ｂへと送り、該各タービン２ｂを駆動した排気ガス８を排気集合管３に集めて排気口９から図示しない排気管へと排出するようにしてある。
【０００４】
通常、この種のツインターボ１においては、タービン２ｂのハウジングに水冷ジャケットが設けられ、該水冷ジャケットに冷却水を給排して前記タービン２ｂのハウジングを水冷し得るようになっているので、排気集合管３と両側の各タービン２ｂとの間を熱膨張を考慮しないで固定連結するようにしているが、前記各タービン２ｂを空冷方式に替えて冷却水系を省略することにより大幅なコストの削減を図ることが検討されている。
【０００５】
ただし、各タービン２ｂを空冷方式に変更した場合には、排気集合管３と両側の各タービン２ｂとの間の連結部分に排気熱による熱変位が生じるので、この熱変位を吸収し得るよう蛇腹管等を介装して連結部分を構成する必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の蛇腹管の一般的な使用形態においては、その軸心方向の熱変位に対し蛇腹管が良好に弾性変形して高い吸収能力が得られる一方、軸心方向と直角な向きの剪断変位に対しては僅かな吸収能力しか発揮できない（実質的に円管の剪断ストレスの場合と同様で弾性変位量が少ない）という性質があり、軸心方向の長さ寸法を大きくとることでしか前記剪断変位を吸収させることができなかった。
【０００７】
より具体的には、蛇腹管の長さ寸法が該蛇腹管の外径の約１．５〜２．０倍の大きさになるようにして、蛇腹管における弾性変形能力が、その軸心方向及び剪断方向の両方の熱変位を許容できるような寸法設定を採用していた。
【０００８】
この為、小型船舶等のようにエンジン搭載スペースが小さく制限されているものでは、ツインターボ１の各タービン２ｂを空冷方式として該各タービン２ｂを排気集合管３に対し蛇腹管で接続した場合に、該蛇腹管の長さ寸法が大きくなってツインターボ１が大型化する結果、該ツインターボ１のレイアウトが難しくなって搭載性の大幅な悪化を招いてしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、ツインターボの大型化を招くことなく各タービンに空冷方式を採用し得るようにすることを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一対のターボチャージャを相互のタービンが中央の排気集合管を挟んで対向するよう直列に連装したツインターボにおいて、前記排気集合管と両側のタービンとの間を、その外径寸法が軸心方向の長さ寸法より大きく設定された蛇腹管により連結し、該各蛇腹管の初回熱時の剪断変位が塑性変形及び弾性変形により分担吸収され且つその塑性変形が生じた後の再冷時に弾性変形により当初冷時の姿勢に復帰して次回熱時以降の剪断変位が前記再冷時の弾性変形を減じることにより吸収されるように構成したことを特徴とするものである。
【００１１】
而して、このようにすれば、新品のツインターボをエンジンに組付けた後における最初の駆動時にツインターボの各タービンが排気熱により初めて熱膨張し、この時の各蛇腹管の軸心方向の熱変位が、該各蛇腹管の軸心方向へ向けた余裕のある弾性変形により全て吸収される一方、各蛇腹管の剪断変位が塑性変形及び弾性変形により分担吸収されるので、各蛇腹管には前記弾性変形により分担吸収された分の応力だけが負荷として作用することになる。
【００１２】
即ち、各蛇腹管は初回熱時の剪断変位に対し弾性域を超えて変形することになり、然る後にエンジンを停止してツインターボの各タービンが再冷された際には、先の初回熱時に生じてしまった塑性変形を残して弾性変形により当初冷時の姿勢に復帰することになるので、再冷時の各蛇腹管には復帰時の弾性変形による応力が残留した状態となる。
【００１３】
そして、これ以降にツインターボを駆動して各タービンが排気熱により熱膨張しても、その軸心方向の熱変位が初回熱時と同様に各蛇腹管の軸心方向への弾性変形により吸収される一方、その剪断変位についても、前述した再冷時の各蛇腹管に潜在している弾性変形を減じることにより吸収されるので、各蛇腹管に残留している応力を減少させるようなマイナスの応力が作用することになる。
【００１４】
つまり、新品のツインターボをエンジンに組付けた後の二回目以降の駆動時における各タービンの熱変位は、その軸心方向の熱変位及び剪断変位の何れについても各蛇腹管の弾性変形で対応させることが可能となるので、外径寸法を軸心方向の長さ寸法より大きく設定するような従来の設計思想にない短尺の蛇腹管を採用しても、前述した弾性変形及び塑性変形の発生条件を満たすように考慮しさえすれば、各蛇腹管に繰り返し熱サイクルをかけた場合の応力負担を軽微に抑えて従来と変わらない部品耐久性を実現し、各タービンを空冷方式としたツインターボのコンパクト化を図ることが可能となる。
【００１５】
また、本発明においては、蛇腹管が多重管構造を成していることが好ましく、このようにした場合に、蛇腹管の毎山全動きによる応力（Ｎ／ｍｍ2）がケロッグ式に基づき蛇腹の膜厚に比例して増加することになるので、同じ膜厚を多重管構造により形成すれば、一層当たりの厚さが薄くなることにより各層に作用する応力が著しく軽減され、同じ量の熱変位に対し蛇腹管に作用する応力が緩和されることになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
図１〜図６は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図７と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。
【００１８】
図１及び図２に示す如く、本形態例においては、前述した図７と略同様に一対のターボチャージャ２を相互のタービン２ｂが中央の排気集合管３を挟んで対向するよう直列に連装したツインターボ１に関し、前記排気集合管３と両側のタービン２ｂとの間を、その外径寸法Ｄ（図２参照）が軸心方向の長さ寸法Ｌ（図２参照）より大きく設定された蛇腹管１０により連結し、該各蛇腹管１０の初回熱時の剪断変位が塑性変形及び弾性変形により分担吸収され且つその塑性変形が生じた後の再冷時に弾性変形により当初冷時の姿勢に復帰して次回熱時以降の剪断変位が前記再冷時の弾性変形を減じることにより吸収されるように構成してある。
【００１９】
また、図３に示す如く、本形態例における各蛇腹管１０は、ニッケル系合金等の膜体１０ａ，１０ｂ，１０ｃによる多重管構造を成すようにしてあり、同じ熱変位に対し蛇腹管１０に作用する応力が緩和されるようにしてある（その詳細な説明については後述する）。
【００２０】
而して、新品のツインターボ１をエンジンに組付けた後における最初の駆動時にツインターボ１の各タービン２ｂが排気熱により初めて熱膨張し、図４に示す冷時の状態から図５に示す熱時の状態へと変位することになり、この時の各蛇腹管１０の軸心方向の熱変位が、該各蛇腹管１０の軸心方向へ向けた余裕のある弾性変形により全て吸収される一方、各蛇腹管１０の剪断変位が塑性変形及び弾性変形により分担吸収される。
【００２１】
即ち、説明の便宜上から剪断変位に関する応力についてだけ論じると、冷時の状態でδだけ剪断変位した時の蛇腹管１０への応力がＡであるとした場合、図４の新品組付け直後の冷時における応力が「０」であるのに対し、図５の初回熱時に蛇腹管１０に生じたδ分の剪断変位のうちの約半分が塑性変形により吸収された場合の蛇腹管１０への応力は、前記弾性変形により分担吸収された分の応力「Ａ／２」だけとなる。
【００２２】
即ち、各蛇腹管１０は初回熱時の剪断変位に対し弾性域を超えて変形することになり、然る後にエンジンを停止してツインターボ１の各タービン２ｂが再冷された際には、図６に示す如く、先の初回熱時に生じてしまった塑性変形を残して弾性変形により当初冷時の姿勢（図４参照）に復帰することになるので、再冷時の各蛇腹管１０には復帰時の弾性変形による応力「Ａ／２」が残留した状態となる。
【００２３】
そして、これ以降にツインターボ１を駆動して各タービン２ｂが排気熱により熱膨張しても、その軸心方向の熱変位が初回熱時と同様に各蛇腹管１０の軸心方向への弾性変形により吸収される一方、その剪断変位についても、前述した再冷時の各蛇腹管１０に潜在している弾性変形を減じることにより吸収されるので、各蛇腹管１０に残留している応力「Ａ／２」を減少させるような応力「−Ａ／２」が作用することになる。
【００２４】
つまり、新品のツインターボ１をエンジンに組付けた後の二回目以降の駆動時における各タービン２ｂの熱変位は、その軸心方向の熱変位及び剪断変位の何れについても各蛇腹管１０の弾性変形で対応させることが可能となるので、外径寸法Ｄを軸心方向の長さ寸法Ｌより大きく設定するような従来の設計思想にない短尺の蛇腹管１０を採用しても、前述した弾性変形及び塑性変形の発生条件を満たすように考慮しさえすれば、各蛇腹管１０に繰り返し熱サイクルをかけた場合の応力負担を軽微に抑えて従来と変わらない部品耐久性を実現し、各タービン２ｂを空冷方式としたツインターボ１のコンパクト化を図ることが可能となる。
【００２５】
従って、上記形態例によれば、ツインターボ１の大型化を招くことなく各タービン２ｂに空冷方式を採用することができ、小型船舶等のようにエンジン搭載スペースが小さく制限されているものについても、各タービン２ｂに対する冷却水系を省略し得て大幅なコストの削減を図ることができる。
【００２６】
また、特に本形態例においては、蛇腹管１０をニッケル系合金等の膜体１０ａ，１０ｂ，１０ｃによる多重管構造を成すようにしてあるので、同じ熱変位に対し蛇腹管１０に作用する応力を大幅に緩和することができ、各蛇腹管１０の耐久性を更に向上することができる。
【００２７】
即ち、蛇腹管１０を膜体１０ａ，１０ｂ，１０ｃによる多重管構造を成すようにした場合、蛇腹管１０の毎山全動きによる応力Ｓd（Ｎ／ｍｍ2）は、下記のケロッグ式
【数１】
Ｓd＝（０．７５・Ｅb・ｔ・ｅ）／〔（０．５・ｑ）0.5・Ｗ1.5〕
Ｅb：蛇腹管の設計温度における縦弾性係数［Ｎ／ｍｍ2］
ｔ：蛇腹管の一層（膜体の一枚）当たりの）厚さ（膜厚）［ｍｍ］
ｅ：蛇腹管の毎山全動き量（変位量）［ｍｍ］
ｑ：蛇腹管の山のピッチ［ｍｍ］
Ｗ：蛇腹管の山の高さ［ｍｍ］
に基づき蛇腹管１０の膜厚に比例して増加することになるので、同じ膜厚を多重管構造により形成すれば、一層当たりの厚さが薄くなることにより各層に作用する応力が著しく軽減され、同じ量の熱変位に対し蛇腹管１０に作用する応力が緩和されることになる。
【００２８】
尚、本発明のツインターボは、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、小型船舶用エンジン以外のエンジンに搭載したツインターボにも同様に適用し得ること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００２９】
【発明の効果】
上記した本発明のツインターボによれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
【００３０】
（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、ツインターボの大型化を招くことなく各タービンに空冷方式を採用することができ、小型船舶等のようにエンジン搭載スペースが小さく制限されているものについても、各タービンに対する冷却水系を省略し得て大幅なコストの削減を図ることができる。
【００３１】
（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、蛇腹管を多重管構造としたことにより、同じ熱変位に対し蛇腹管に作用する応力を大幅に緩和することができ、各蛇腹管の耐久性を更に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す正面図である。
【図２】図１の蛇腹管の詳細を示す拡大図である。
【図３】図２の蛇腹管の多重管構造について概略的に示す断面図である。
【図４】新品の蛇腹管をエンジンに組付けた直後の冷時の状態を示す模式図である。
【図５】組付け後の最初の駆動時における熱変位状態を示す模式図である。
【図６】当初冷時の姿勢に復帰した再冷時の状態を示す模式図である。
【図７】小型船舶用エンジンの上部構造の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１  ツインターボ
２  ターボチャージャ
２ａ  コンプレッサ
２ｂ  タービン
３  排気集合管
８  排気ガス
１０  蛇腹管
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ  膜体
Ｄ  外径寸法
Ｌ  長さ寸法
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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