JP6000077B2 - 排気タービンの支持構造 - Google Patents

Description

本発明は、主内燃機関から排出される排ガスによって駆動される排気タービンの支持構造に関する。

舶用ディーゼル機関や陸上発電機用ディーゼル機関には、主ディーゼル機関から排出される高温排ガスで駆動される排気タービン過給機が設けられている。また、舶用ディーゼル機関の排熱回収装置として、排ガスの熱を利用し、排ガスエコノマイザで蒸気を発生させ、蒸気タービン駆動発電機で船内電力を賄うことは既に実用化されている。加えて、主ディーゼル機関の高温排ガスの一部を過給機上流より抽気してパワータービンと称するガスタービンを駆動し、蒸気タービンの駆動力を補助することも実施されている。また、コンプレッサ部を有さずタービン部のみからなる排気タービン膨張機に、排ガスを導入し、排ガスを断熱膨張させて冷却する排気タービン膨張機も使用されている。

排気タービン過給機及びパワータービン等は、軸受台の下部に脚部を設け、該脚部を主内燃機関の上部に設けられた据付台に固定していた。また、タービンケーシングの下部にパンチング・プレートを含む支持体を取り付け、該支持体を脚として該据付台にボルト締めで固定していた。前記脚部で排気タービン過給機の自重及び運転時の排ガス圧力に抗する反力を受け持ち、前記支持体で排ガスの出口側ケーシングの軸方向の熱膨張を吸収できるようにしていた。特許文献１には、排気タービン過給機に適用されたかかる支持構造が開示されている。

特開２００９−２５７２５８号公報

前記支持構造において、パンチング・プレートを含む支持体は、タービンケーシングに接続されるパンチング・プレートと、該パンチング・プレートに対して直角方向に溶接された厚板のフランジとからなり、該フランジが据付台にボルト結合されている。かかる構成では、運転時のタービンケーシングやガス出口ケーシングの軸方向の熱伸びにより、パンチング・プレートとフランジとの溶接部に過大な曲げ応力が発生する。タービンケーシングの径方向の熱伸びによっても、パンチング・プレート及び該溶接部に曲げ変形が発生する。そして、運転の起動発停回数が多い場合には、パンチング・プレートとフランジとの溶接部にクラックが発生する場合があった。

特に、主内燃機関の起動発停又は負荷変動が多い発電用又は船舶用の内燃機関では、熱応力が繰り返し発生することで、該溶接部を含み、パンチング・プレートに疲労亀裂が発生する可能性もある。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、排気タービンの支持構造において、パンチング・プレート、及びパンチング・プレートとフランジとの溶接部に、クラックや疲労亀裂が発生するのを防止することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明の排気タービンの支持構造は、タービンケーシングの内部にタービンホィールが収納されたタービン部と、タービンケーシングが接続され、タービンホィールに接続された回転軸を回転自在に支持する軸受台とからなる排気タービンを架台上に支持する排気タービンに適用される。この排気タービンの範疇には、前述の排気タービン過給機、パワータービン及び排気タービン膨張機等が含まれるものである。

本発明の支持構造は、軸受台の下部に取り付けられ、架台上に固定される脚部と、タービンケーシングの下部に取り付けられ、架台に固定される支持体とを備え、支持体は、一端がタービンケーシングに接続されたパンチング・プレートと、一端がパンチング・プレートの他端に固着され、一方の面が架台に当接されるフランジとからなる。このパンチング・プレートの曲げ変形で、タービンケーシングの軸方向及び径方向（フランジに接近又は離隔する方向）の熱膨張を吸収する。

そして、フランジは、該フランジに形成されたばか孔に遊嵌され、架台に螺合してフランジを架台上に拘束するボルトと、ばか孔に挿入されてボルトの周囲に配置され、ボルトの頭部を支持する中空筒形のスペーサとを有し、スペーサとばか孔との間に、タービンケーシングの軸方向の熱伸びを許容する隙間が形成されている。排気タービンの運転時には、タービンケーシングに接続されたパンチング・プレートは高温になる。そのため、パンチング・プレート自体も径方向に熱伸びする。

本発明では、フランジとボルトとの間にタービンケーシングの軸方向の熱伸びを許容する隙間が形成され、タービンケーシング及びパンチング・プレートの熱伸びに伴って、フランジが該隙間を移動できる。そのため、パンチング・プレート及びパンチング・プレートとフランジとの結合部の曲げ変形は抑えられ、これらの部位で発生する熱応力は小さくなる。なお、フランジを拘束するボルトはスペーサの上端面に締め付け固定されるので、緩んだり、ぐらつくことはない。

また、パンチング・プレートとタービンケーシングとの接続部は、タービンケーシングの熱伸びによる両者間の径方向の相対移動を許容する隙間が形成されているので、パンチング・プレート、及び前記結合部に発生する曲げ変形を低減できる。かかる構成により、低コストで、パンチング・プレートや該結合部に発生する熱応力を低減し、これら部位のクラックの発生や疲労亀裂を防止できる。

本発明において、フランジに形成されたばか孔は、タービンケーシングの軸方向に長辺を有する長円形を有しているとよい。これによって、ばか孔とボルトとの軸方向の隙間を広く確保できるので、熱伸び量が大きい軸方向の熱伸びを許容できるばか孔を形成できる。

本発明において、フランジと架台との間に低摩擦係数を有する材質からなる平板状のライナーが介在し、該フランジは、ボルトの取付け領域の一部が欠如されているとよい。また、前記ライナーを設けることで、フランジの滑りが良くなり、かつフランジはボルトの取付け領域の一部が欠如されているので、ボルトによる拘束力を弱めることができ、フランジの滑りをさらに向上できる。これによって、パンチング・プレート及びパンチング・プレートとフランジとの結合部に付加される熱応力を確実に低減できる。

本発明において、フランジとパンチング・プレートとの結合部の両端に切欠きが形成されているとよい。前記結合部の両端に歪が集中する傾向にあるが、該結合部の両端に切欠きを形成することで、結合部の両端に集中する歪を軽減できる。これによって、結合部に発生する熱応力を低減できる。

本発明によれば、低コストで、支持体を構成するパンチング・プレートやパンチング・プレートとフランジとの結合部に発生する熱応力を低減できるので、当該部位に起こるクラックや疲労破壊を防止できる。

本発明の第１実施形態に係る排気タービン膨張機の正面図である。 図１中のＡ矢視方向から視た右側面図である。 図２中のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 図２中のＣ―Ｃ線に沿う断面図である。 図４中のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。 本発明の第２実施形態に係る排気タービン膨張機の右側面図である。 第２実施形態に係る排気タービン膨張機の一部の平面図である。 図７中のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。 図７中のＦ−Ｆ線に沿う断面図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（実施形態１）
本発明の第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。本実施形態は、船舶用の主ディーゼル機関から排出される高温の排ガスを断熱膨張させて温度を下げ、エコノマイザ等に供給する排気タービン膨張機に適用した例である。図１において、排気タービン膨張機１０はタービン部１２と、軸受台１４と、タービン部１２の出口側に接続された排ガスダクト部１５とから構成されている。タービン部１２は、渦巻き形状をしたタービンケーシング１６の内部にタービンホィール１８が設けられている。タービンホィール１８は、ハブ１８ａと、ハブ１８ａの周囲に放射状に取り付けられた複数の羽根１８ｂとからなる。

タービンケーシング１６は軸受台１４と結合している。軸受台１４の内部に、ハブ１８ａと結合した回転軸２０が設けられ、回転軸２０は軸受２１によって回転自在に支持されている。タービンケーシング１６の入口開口には、入口ケーシング２２が設けられ、タービンケーシング１６の出口開口には、タービンケーシング１６と一体の出口フランジ２４に出口案内筒２６が接続されている。出口案内筒２６は、出口側に向かって徐々に拡径した傾斜角の緩い円錐形を有している。

出口案内筒２６の出口端に蛇腹状の隔壁２８ａを有する円筒形のケーシングからなるガス出口エキスパンション２８が接続されている。ガス出口エキスパンション２８の出口端には、曲がり流路を形成するガス出口ケーシング３０が接続されている。出口案内筒２６、ガス出口エキスパンション２８及びガス出口ケーシング３０で排ガスダクト部１５を構成している。図示しない主ディーゼル機関から排出された高温の排ガスｅは、入口ケーシング２２からタービンケーシング１６の内部に入り、タービンホィール１８を回転させながら断熱膨張する。排ガスｅは、タービンケーシング１６及び出口案内筒２６の内部で断熱膨張しながら冷却される。

その後、排ガスｅは、ガス出口エキスパンション２８を通り、ガス出口ケーシング３０から排出される。そして、図示しないエコノマイザに供給され、該エコノマイザで熱回収される。例えば、入口ケーシング２２に５００℃で入った排ガスｅは、ガス出口ケーシング３０から３００℃になって排出される。

排気タービン膨張機１０は、図示しない主ディーゼル機関の上部に設けられた据付台３２の上面に固定される。軸受台１４の下部に高剛性の金属からなる脚部３４が取り付けられ、脚部３４は据付台３２にボルト等で固定されている。また、タービンケーシング１６の下部と据付台３２との間に支持体３６Ａが設けられ、タービンケーシング１６は支持体３６Ａによって支持される。また、ガス出口ケーシング３０の下部に、脚部３８が一体に設けられ、脚部３８が据付台３２にボルト等で結合されている。

タービンケーシング１６は、支持体３６Ａによって排気タービン膨張機１０の軸方向（矢印ａ方向）の熱伸びを許容されながら支持される。また、タービンケーシング１６及び出口ケーシング２６の軸方向の熱伸びは、蛇腹状の隔壁２８ａで吸収される。次に、支持体３６Ａの構成を説明する。

図２及び図３において、支持体３６Ａは、パンチング・プレート４０と、パンチング・プレート４０の下端に溶接されたフランジ４６とからなる。パンチング・プレート４０の上端に接続部４２が形成されている。接続部４２は長方形断面の凹部４２ａが形成され、該凹部に出口フランジ２４が挿入される。接続部４２にはばか孔４２ｂが穿設され、ばか孔４２ｂにボルト４４が挿入され、ボルト４４が出口フランジ２４に設けられたネジ孔に螺合している。出口フランジ２４と接続部４２との間、及びばか孔４２ａとボルト４４との間には、タービンケーシング１６の径方向（矢印ｂ方向）の熱伸びを許容する隙間ｓ１及びｓ２が形成されている。

図４及び図５に示すように、フランジ４６は、パンチング・プレート４０の下端に溶接部ｗで、パンチング・プレート４０に対しほぼ直角に接続されている。フランジ４６の下面が据付台３２の上面に接するように配置されている。フランジ４６には、軸方向（矢印ａ方向）に長辺を有する楕円形のばか孔４６ａが穿設されている。円板状の座金４８に挿入されたボルト５０は、ばか孔４６ａに挿入され、据付台３２に形成されたネジ孔３２ａに螺合される。

ボルト５０と楕円孔４６ａとの間に、中空円筒形のスペーサ５２が介装されている。ばか孔４６ａの内周面、スペーサ５２及びボルト５０の間には隙間ｓ３が形成され、座金４８とフランジ４６の上面との間に隙間ｓ４が形成されている。そのため、フランジ４６とボルト５０とは接触していない。ボルト５０はスペーサ５２の上端面に締め付け固定される。

かかる構成において、排気タービン膨張機１０の運転中、タービンケーシング１６に接続されたパンチング・プレート４０は高温になり、低温側のフランジ４６との間で温度差が生じる。これにより、タービンケーシング１６の軸方向及び径方向の熱伸びと、パンチング・プレート４０の径方向の熱伸びが発生する。しかし、フランジ４６とボルト５０との間に隙間ｓ３及びｓ４があるので、フランジ４６は、タービンケーシング１６及びパンチング・プレート４０の熱伸びと共に、ばか孔４６ａ内を軸方向に移動できる。そのため、パンチング・プレート４０及び溶接部ｗに発生する曲げ変形を抑制できる。なお、ボルト５０はスペーサ５２の上端面に締め付け固定されるため、ボルト５０が緩んだり、ぐらついたりすることはない。

また、タービンケーシング１６及びパンチング・プレート４０の径方向の熱伸びは、出口フランジ２４と接続部４２との間に形成された隙間ｓ１及びｓ２によっても吸収される。以上の構成によって、パンチング・プレート４０の曲げ変形が抑制されるため、パンチング・プレート４０及び溶接部ｗに過大な熱応力が発生しない。従って、低コストな構成で、パンチング・プレート４０及び溶接部ｗのクラックや疲労亀裂の発生を効果的に防止できる。また、ばか孔４６ａは、軸方向（矢印ａ方向）に長辺を有する楕円形であるので、フランジ４６とボルト５０との間の軸方向の隙間ｓ３を広く取ることができる。従って、熱伸び量が大きいタービンケーシング１６の軸方向の熱伸びを容易に許容できる。

（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態を図６〜図９に基づいて説明する。図６及び図７に示すように、本実施形態に係る支持体３６Ｂは、第１実施形態と同一構成のパンチング・プレート４０と、パンチング・プレート４０の下端と溶接部ｗを介して、パンチング・プレート４０に対してほぼ直角方向に接続されたフランジ６０と、フランジ６０と据付台３２の上面との間に介装された平板状のライナー６２とからなる。図６に示すように、フランジ６０は、中央域に四角形状の切欠き６０ａが形成されている。ライナー６２は、例えば、表面に硬質Ｃｒメッキを施したＳＳ４００のように、低摩擦係数を有する高強度鋼で構成されている。

図８において、ボルト５０は、ライナー６２に形成されたネジ孔６２ａと螺合している。フランジ６０の構成は第１実施形態のフランジ４６の構成と同一である。即ち、フランジ６０に、矢印ａ方向に長辺が向いた楕円形のばか孔６０ｂが形成されている。円板状の座金４８に挿入されたボルト５０は、ばか孔６０ｂに挿入されると共に、ボルト５０とばか孔６０ｂとの間に、中空円筒形のスペーサ５２が介装されている。ばか孔６０ｂの内周面、スペーサ５２及びボルト５０の間には隙間ｓ３が形成され、座金４８とフランジ６０の上面との間に隙間ｓ４が形成されている。また、スペーサ５２の上端面にボルト５０の頭部が締め付け固定されている。

切欠き６０ａの領域に設けられたボルト６４は、ライナー６２に穿設された円形のばか孔６２ａに挿入され、据付台３２に形成されたネジ孔３２ａに螺合している。その他の構成は第１実施形態と同一である。

本実施形態によれば、第１実施形態で得られる作用効果に加えて、ライナー６２を設けることで、フランジ６０の滑りが良くなり、かつフランジ６０はボルト６４の取付け領域の一部が欠如されているので、ボルト６４による拘束力はない。そのため、フランジ６０の滑りが良く、タービンケーシング１６及びパンチング・プレート４０の熱伸びと共に、フランジ４６がばか孔６０ｂ内を移動する。かかる構成によって、パンチング・プレート４０及び溶接部ｗに発生する熱応力をさらに低減でき、これら部位のクラックの発生や疲労破壊を防止できる。

（実施形態３）
次に、本発明の第３実施形態を図６を参照して説明する。図６に示すように、本実施形態では、第２実施形態の構成に加えて、溶接部ｗの両端において、パンチング・プレート４０に円弧形状の切欠き７０を形成したものである。その他の構成は第２実施形態と同一である。溶接部ｗでは、タービンケーシング１６及びパンチング・プレート４０の熱伸びに起因した歪は、両端部に集中する。そこで、本実施形態では、切欠き７０を形成することで、溶接部ｗの両端に集中する歪を軽減することができる。これによって、溶接部ｗに発生する熱応力を低減し、溶接部ｗのクラックや疲労破壊を防止できる。

本発明によれば、排気タービンの支持構造において、低コストで、パンチング・プレート、及びパンチング・プレートとフランジとの結合部で、クラックや疲労亀裂が発生するのを効果的に防止できる。

１０ 排気タービン膨張機
１２ タービン部
１４ 軸受台
１５ 排ガスダクト
１６ タービンケーシング
１８ タービンホィール
１８ａ ハブ
１８ｂ 羽根
２０ 回転軸
２１ 軸受
２２ 入口ケーシング
２４ 出口フランジ
２６ 出口案内筒
２８ ガス出口エキスパンション
３０ ガス出口ケーシング
３２ 据付台
３２ａ ネジ孔
３４、３８ 脚部
３６Ａ、３６Ｂ 支持体
４０ パンチング・プレート
４２ 接続部
４２ａ 凹部
４２ｂ ばか孔
４４ ボルト
４６ フランジ
４６ａ ばか孔
４８ 座金
５０ ボルト
５２ スペーサ
６０ フランジ
６０ａ 切欠き
６０ｂ ばか孔
６２ ライナー
６２ａ ネジ孔
６４ ボルト
７０ 切欠き
ｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４ 隙間
ｗ 溶接部

Claims (3)

1. タービンケーシングの内部にタービンホィールが収納されたタービン部と、該タービンケーシングが接続され、該タービンホィールに接続された回転軸を回転自在に支持する軸受台とからなる排気タービンを架台上に支持する排気タービンの支持構造において、
   前記軸受台の下部に取り付けられ、前記架台上に固定される脚部と、前記タービンケーシングの下部に取り付けられ、前記架台に固定される支持体とを備え、
   前記支持体は、一端が前記タービンケーシングに接続されたパンチング・プレートと、一端が該パンチング・プレートの他端に固着され、一方の面が前記架台に当接されるフランジとからなり、
   前記フランジは、該フランジに形成されたばか孔に遊嵌され、前記架台に螺合して該フランジを該架台上に拘束するボルトと、該ばか孔に挿入されて該ボルトの周囲に配置され、該ボルトの頭部を支持する中空筒形のスペーサとを有し、該スペーサと前記ばか孔との間に、前記タービンケーシングの軸方向の熱伸びを許容する隙間が形成され、
   前記パンチング・プレートと前記タービンケーシングとの接続部は、該タービンケーシングの熱伸びによる両者間のタービンケーシング径方向の相対移動を許容する隙間が形成され、
   前記支持体は、さらに、前記フランジと前記架台との間に低摩擦係数を有する材質からなる平板状のライナーが介在され、前記フランジは、前記ボルトの取付け領域の一部が欠如されていることを特徴とする排気タービンの支持構造。
2. 前記ばか孔は、前記タービンケーシングの軸方向に長辺を有する長円形を有し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の支持構造。
3. 前記フランジと前記パンチング・プレートとの接合部の両端に切欠きが形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気タービンの支持構造。

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