JP6195308B2 - Axial-flow turbine labyrinth seal device and exhaust gas turbocharger equipped with the same - Google Patents
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Description
本発明は、軸流タービンのラビリンスシール装置およびこれを備えた排ガスタービン過給機に関するものである。 The present invention relates to a labyrinth seal device for an axial flow turbine and an exhaust gas turbine supercharger including the same.
下記の特許文献1,2および図6に示されるように、例えば内燃機関の排ガスにより駆動される従来の軸流型の排ガスタービン過給機101は、軸受台2に軸支されたタービン軸4にタービンディスク6と排ガスタービン翼7とが回転一体に設けられたタービンローター8を備えている。
また、軸受台2の周囲に設けられた排ガス出口ケーシング12の内部に、タービン軸4の軸方向に沿うように排ガス通路13が形成され、この排ガス通路13を流れる内燃機関の排ガスによって排ガスタービン翼7が駆動されることにより、タービンローター8およびタービン軸4が回転して動力を発生させるようになっている。
そして、タービン軸4の他端側に設けられた図示しない圧縮機(吸気タービン翼)が回転駆動されることにより、内燃機関が吸入する空気が圧縮されて過給される。
As shown in
Further, an
Then, a compressor (intake turbine blade) (not shown) provided on the other end side of the turbine shaft 4 is rotationally driven, whereby the air taken in by the internal combustion engine is compressed and supercharged.
タービンディスク6と、軸受台2側に固定されてタービンディスク6の排ガス下流側に隣接する環状のラビリンス部材22との間に公知のエアラビリンスシールAL(多段状のラビリンスフィン)が構成され、このエアラビリンスシールALの間の狭い迷路状の隙間(通常1〜2ミリ程度)に、上述の圧縮機で圧縮された空気が抽気通路24により一部抽気されてシール空気として供給される。
A known air labyrinth seal AL (multistage labyrinth fin) is formed between the
このシール空気の供給により、排ガスの圧力に抗してタービンローター8およびタービン軸4を排ガス上流側に押圧するスラスト力が発生し、図示しないスラストベアリングへの負担が軽減されると同時に、タービン軸4を回転させるのに必要な駆動力が低減される。また、排ガス通路13を流れる排ガスが、タービンディスク6とラビリンス部材22との間(ラビリンス隙間)から軸受台2側に侵入することが防止される。このようにエアラビリンスシールALに供給されたシール空気は、矢印で示すようにラビリンス隙間から排ガス通路13内に、排ガス流れ方向に対して略垂直に放出される。
The supply of the sealing air generates a thrust force that presses the
図6において、排ガス通路13を流れる排ガスの圧力は、排ガスタービン翼7の下流側では通常0.05bar以下まで低下する。一方、ラビリンス隙間から排ガス通路13内に放出されるシール空気の圧力は最高で4bar程度と、この位置を通過する排ガスの圧力よりも高い。このため、ラビリンス隙間からシール空気が高い流速で排ガスタービン翼7の直ぐ下流側に垂直に噴出し、これが排ガスタービン翼7の直ぐ下流側における排ガスの流れに乱れを発生させる。即ち、高圧なシール空気の噴出により、排ガスの流れが排ガス通路13の内面から剥離してしまい、タービン効率を低下させる原因となることが判明している。
In FIG. 6, the pressure of the exhaust gas flowing through the
また、排ガス通路13を構成する排ガス出口ケーシング12は、排ガスの熱を受けて熱膨張し、その端部12aがタービンディスク6側に近接する傾向がある。このため、排ガス出口ケーシング12の端部12aとタービンディスク6との間の隙間Gは、上記の熱伸びを考慮してラビリンス隙間よりも大きくしておく必要があり、一般には5〜6ミリ程度に設定される。この隙間Gの存在により、排ガスタービン翼7を通過した直後の排ガスの流れに乱れが生じ、この点でもタービン効率が低下してしまう懸念があった。
Further, the exhaust
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、排ガスタービン翼を通過した直後の排ガス流が、排ガス通路の形状や、ガス(エア)ラビリンスシールから排ガス通路内に放出されるシールガス(またはシール空気)によって乱されることを防止し、タービン効率を高めることのできる軸流タービンのラビリンスシール装置およびこれを備えた排ガスタービン過給機を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and the exhaust gas flow immediately after passing through the exhaust gas turbine blades is discharged into the exhaust gas passage from the shape of the exhaust gas passage or the gas (air) labyrinth seal. An object of the present invention is to provide a labyrinth seal device for an axial-flow turbine that can be prevented from being disturbed by (or seal air) and increase turbine efficiency, and an exhaust gas turbine supercharger including the same.
上記課題を解決するために、本発明の第一態様に係る軸流タービンのラビリンスシール装置は、軸受台に軸支されたタービン軸と、前記タービン軸に設けられたタービンディスクと、前記タービンディスクの外周部に設けられた排ガスタービン翼と、前記排ガスタービン翼に排ガスを供給し、且つ前記排ガスタービン翼を通過した前記排ガスを系外に排出する排ガス通路を形成するケーシングと、前記軸受台側に固定されて前記タービンディスクの排ガス下流側に隣接してガスラビリンスシールを構成する環状のラビリンス部材と、前記ガスラビリンスシールを流れるシールガスを前記排ガスタービン翼よりも排ガス下流側の前記排ガス通路内に放出するシールガス放出通路と、を備える軸流タービンのラビリンスシール装置であって、前記シールガス放出通路は、前記ケーシングの前記排ガス通路形成部分と前記ラビリンス部材との間に形成されることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, a labyrinth seal device for an axial-flow turbine according to a first aspect of the present invention includes a turbine shaft that is pivotally supported by a bearing stand, a turbine disk provided on the turbine shaft, and the turbine disk. An exhaust gas turbine blade provided on the outer periphery of the gas turbine, a casing for supplying exhaust gas to the exhaust gas turbine blade, and forming an exhaust gas passage for discharging the exhaust gas that has passed through the exhaust gas turbine blade to the outside of the system, and the bearing stand side And an annular labyrinth member that forms a gas labyrinth seal adjacent to the exhaust gas downstream side of the turbine disk and seal gas flowing through the gas labyrinth seal in the exhaust gas passage on the exhaust gas downstream side of the exhaust gas turbine blade. A labyrinth seal device for an axial-flow turbine comprising: Rugasu discharge passage, characterized in that formed between the exhaust gas passage forming portion of said casing and said labyrinth members.
上記構成の軸流タービンのラビリンスシール装置によれば、シールガスが、従来のようにタービンディスクとラビリンス部材との間からではなく、ラビリンス部材よりも下流側の位置に設けられたシールガス放出通路から排ガス通路内に放出される。 According to the labyrinth seal device for an axial flow turbine having the above-described configuration, the seal gas is not provided between the turbine disk and the labyrinth member as in the prior art, but the seal gas discharge passage is provided at a position downstream of the labyrinth member. To the exhaust gas passage.
このように、シールガスの放出位置(シールガス放出通路)がタービンディスクとラビリンス部材との隣接部よりも下流側となるため、排ガスタービン翼を通過した直後の排ガス流の少なくとも一部の領域には、高圧なシールガスが放出されることによって流れに乱れが発生することを抑制でき、これによってタービン効率を向上させることができる。 As described above, the seal gas discharge position (seal gas discharge passage) is located downstream of the adjacent portion of the turbine disk and the labyrinth member, and therefore, at least in a region of the exhaust gas flow immediately after passing through the exhaust gas turbine blade. Can suppress the occurrence of turbulence in the flow due to the release of the high-pressure seal gas, thereby improving the turbine efficiency.
しかも、排ガスの熱を受けて熱膨張するケーシング(排ガス通路)と、タービンディスクとの間にラビリンス部材が配置され、このラビリンス部材とケーシングとの間に間隙状のシールガス放出通路が形成されているため、このシールガス放出通路によってケーシングの熱膨張が吸収される。 Moreover, a labyrinth member is disposed between the casing (exhaust gas passage) that receives heat from the exhaust gas and thermally expands and the turbine disk, and a gap-like seal gas discharge passage is formed between the labyrinth member and the casing. Therefore, the thermal expansion of the casing is absorbed by the seal gas discharge passage.
このため、ケーシングとタービンディスクとが隣接していた従来の構成のように、ケーシングの熱伸びを考慮して排ガス出口ケーシングの端部とタービンディスクとの間の隙間を大きく設定する必要がない。しかも、ラビリンス部材は熱応力を受けにくい軸受台に接続されているため、ラビリンス部材が熱膨張してタービンディスクに接近することがない。したがって、ラビリンス部材とタービンディスクとの間の隙間を最小限に設定することができる。 For this reason, unlike the conventional configuration in which the casing and the turbine disk are adjacent to each other, it is not necessary to set a large gap between the end of the exhaust gas outlet casing and the turbine disk in consideration of the thermal expansion of the casing. Moreover, since the labyrinth member is connected to a bearing stand that is not easily subjected to thermal stress, the labyrinth member does not thermally expand and approach the turbine disk. Therefore, the gap between the labyrinth member and the turbine disk can be set to a minimum.
これにより、排ガスタービン翼を通過した直後の排ガスの流れが大きな隙間の上を通過することが無くなり、排ガス流に乱れが生じなくなって、この点でもタービン効率を向上させることができる。 As a result, the flow of the exhaust gas immediately after passing through the exhaust gas turbine blades does not pass over a large gap, and the turbulence in the exhaust gas flow does not occur, and the turbine efficiency can be improved in this respect as well.
前記の構成においては、前記ラビリンス部材の外周面は、前記ケーシングとともに前記排ガス通路を形成することが好ましい。 In the said structure, it is preferable that the outer peripheral surface of the said labyrinth member forms the said waste gas passage with the said casing.
このように、ラビリンス部材の外周面がケーシングとともに排ガス通路を形成するため、排ガスタービン翼を通過した直後の排ガスの流れが大きな隙間の上を通過することが無くなり、排ガス流の乱れを抑制してタービン効率を向上させることができる。 Thus, since the outer peripheral surface of the labyrinth member forms an exhaust gas passage together with the casing, the flow of the exhaust gas immediately after passing through the exhaust gas turbine blades does not pass over a large gap, thereby suppressing the disturbance of the exhaust gas flow. Turbine efficiency can be improved.
前記の構成においては、前記シールガス放出通路の、前記排ガス通路との合流部は、前記シールガスの流れ方向が、前記排ガス通路の下流側に向く軸方向成分を有するように形成されていることが好ましい。 In the above configuration, the joining portion of the seal gas discharge passage and the exhaust gas passage is formed so that the flow direction of the seal gas has an axial component facing the downstream side of the exhaust gas passage. Is preferred.
このように、シールガス放出通路を形成することにより、このシールガス放出通路から排ガス通路内に放出されるシールガスを、排ガスの流れに対して浅い角度で合流させ、これによって排ガスタービン翼を通過した直後の排ガス流の乱れを少なくし、タービン効率を一層向上させることができる。 In this way, by forming the seal gas discharge passage, the seal gas discharged from the seal gas discharge passage into the exhaust gas passage is merged at a shallow angle with respect to the flow of the exhaust gas, thereby passing through the exhaust gas turbine blade. Turbulence of the exhaust gas flow immediately after the operation can be reduced, and the turbine efficiency can be further improved.
前記の構成において、前記シールガス放出通路は、前記シールガスの流れ方向が変わる屈曲部を備えていることがより好ましい。 The said structure WHEREIN: It is more preferable that the said sealing gas discharge passage is equipped with the bending part from which the flow direction of the said sealing gas changes.
このように、シールガス放出通路に屈曲部を設けることにより、シールガス放出通路の内部を流れるシールガスの流動抵抗(圧力損失)が増加し、その流速が低下する。このため、シールガスが排ガス通路内に放出される際の排ガス流の乱れを抑制し、タービン効率を一層向上させることができる。 As described above, by providing the bent portion in the seal gas discharge passage, the flow resistance (pressure loss) of the seal gas flowing inside the seal gas discharge passage increases, and the flow velocity thereof decreases. For this reason, the disturbance of the exhaust gas flow when the seal gas is released into the exhaust gas passage can be suppressed, and the turbine efficiency can be further improved.
前記の構成においては、前記シールガス放出通路の位置において、前記ラビリンス部材の排ガス下流側端部を、前記ケーシングの前記排ガス通路形成部における排ガス上流側端部の外周側に重ね、この重なった部分に突起部材を周方向に点在的に介装してもよい。 In the above configuration, at the position of the seal gas discharge passage, the exhaust gas downstream end portion of the labyrinth member is overlapped with the outer peripheral side of the exhaust gas upstream end portion of the exhaust gas passage forming portion of the casing, and this overlapped portion Protruding members may be interspersed in the circumferential direction.
上記構成によれば、排ガス通路を形成するケーシングの排ガス上流側端部が熱膨張して、例えば排ガス通路の内面に段差を発生させるような変形を起こそうとしても、この変形が突起部材を介してラビリンス部材によって抑制される。 According to the above configuration, even if the exhaust gas upstream side end portion of the casing forming the exhaust gas passage thermally expands and causes a deformation that generates a step on the inner surface of the exhaust gas passage, for example, this deformation is caused by the protruding member. It is suppressed by the labyrinth member.
このため、ケーシングが熱膨張して変形することを抑制し、排ガスの流れが乱されることを防止して、タービン効率の低下を阻止するとともに、シールガス放出通路の開口面積が小さくなってしまうことを防止することができる。 For this reason, the casing is prevented from being thermally expanded and deformed, the flow of exhaust gas is prevented from being disturbed, the turbine efficiency is prevented from being lowered, and the opening area of the seal gas discharge passage is reduced. This can be prevented.
また、本発明の第二態様に係る排ガスタービン過給機は、前記のいずれかの軸流タービンのラビリンスシール装置を備えるとともに、前記タービン軸に圧縮機が同軸的に設けられ、前記排ガスのエネルギーにより該圧縮機を回転駆動して内燃機関の吸入ガスを過給することを特徴とする。 An exhaust gas turbine supercharger according to the second aspect of the present invention includes any one of the labyrinth seal devices for an axial flow turbine described above, and a compressor is coaxially provided on the turbine shaft, and the energy of the exhaust gas. Thus, the compressor is rotated to supercharge the intake gas of the internal combustion engine.
この排ガスタービン過給機によれば、シールガスが、従来のようにタービンディスクとラビリンス部材との間からではなく、ラビリンス部材よりも下流側の位置で排ガス通路内に放出される。このため、排ガスタービン翼を通過した直後の排ガス流に高圧なシールガスが放出されることによって乱れが発生することを抑制でき、これによってタービン効率を向上させることができる。 According to this exhaust gas turbine supercharger, the seal gas is not released from between the turbine disk and the labyrinth member as in the prior art, but is discharged into the exhaust gas passage at a position downstream of the labyrinth member. For this reason, it is possible to suppress the occurrence of turbulence due to the discharge of the high-pressure seal gas in the exhaust gas flow immediately after passing through the exhaust gas turbine blades, thereby improving the turbine efficiency.
しかも、ケーシングとタービンディスクとの間に配置されたラビリンス部材と、ケーシングとの間に設けられたシールガス放出通路によってケーシングの熱膨張が吸収される。このため、ラビリンス部材とタービンディスクとの間の隙間を最小限に設定し、排ガスタービン翼を通過した直後の排ガス流の乱れを抑制してタービン効率を向上させることができる。 In addition, the thermal expansion of the casing is absorbed by the labyrinth member disposed between the casing and the turbine disk and the seal gas discharge passage provided between the casing. For this reason, the gap between the labyrinth member and the turbine disk can be set to a minimum, and the disturbance of the exhaust gas flow immediately after passing through the exhaust gas turbine blades can be suppressed to improve the turbine efficiency.
以上のように、本発明に係る軸流タービンのラビリンスシール装置およびこれを備えた排ガスタービン過給機によれば、排ガスタービン翼を通過した直後の排ガス流が、排ガス通路の形状、およびガスラビリンスシールから排ガス通路内に放出されるシールガスによって乱されることを防止し、タービン効率を高めることができる。 As described above, according to the labyrinth seal device for an axial turbine according to the present invention and the exhaust gas turbine supercharger provided with the same, the exhaust gas flow immediately after passing through the exhaust gas turbine blades has the shape of the exhaust gas passage and the gas labyrinth. It can be prevented from being disturbed by the seal gas discharged from the seal into the exhaust gas passage, and the turbine efficiency can be improved.
以下に、本発明の複数の実施形態について、図1から図5を参照しながら説明する。
[第1実施形態]
図1は、本発明に係るラビリンスシール装置が適用された軸流型の排ガスタービン過給機における排ガスタービン付近を示す縦断面図であり、図2は本発明の第1実施形態を示すラビリンスシール装置付近の拡大図である。
A plurality of embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the vicinity of an exhaust gas turbine in an axial flow type exhaust gas turbine supercharger to which the labyrinth seal device according to the present invention is applied, and FIG. 2 is a labyrinth seal showing a first embodiment of the present invention. It is an enlarged view near the device.
排ガスタービン過給機1は、例えば図示しない舶用大型ディーゼル機関に装備されて吸入ガスを過給するためのものであり、軸受台2と、この軸受台2に一対のラジアル軸受3を介して軸支されたタービン軸4と、このタービン軸4の一端に設けられて舶用大型ディーゼル機関が排出する排ガスによって高速回転駆動される排ガスタービン5(軸流タービン)と、タービン軸4の他端に同軸的に設けられて排ガスのエネルギーによりタービン軸4が回転駆動されることにより吸入ガスを圧縮して舶用大型ディーゼル機関に過給する図示しない圧縮機と、を備えて構成されている。
The exhaust
なお、吸入ガスとしては舶用大型ディーゼル機関の外部から吸入される空気が適用されるが、この他に例えば舶用大型ディーゼル機関が排出する排ガスを利用したEGRガスが適用されてもよい。 In addition, although air sucked from the outside of the large marine diesel engine is applied as the intake gas, other than this, for example, EGR gas using exhaust gas discharged from the large marine diesel engine may be applied.
排ガスタービン5は、タービン軸4の一端に回転一体に設けられた円盤状のタービンディスク6と、このタービンディスク6の外周部に等間隔で多数設けられた排ガスタービン翼7とからなるタービンローター8を備えている。また、排ガスタービン5は、排ガス入口ケーシング11と、排ガス出口ケーシング12(ケーシング)と、排ガス通路13と、後述するラビリンスシール装置15とを備えている。
The
排ガス入口ケーシング11と排ガス出口ケーシング12とが合わせられることにより、タービン軸4の軸方向に沿い、且つタービン軸4を囲む形状の排ガス通路13が形成されている。そして、排ガス出口ケーシング12の入口付近となる排ガス通路13の内部に排ガスタービン翼7が突出している。なお、符号17は排ガスタービン翼7の入口側に設置されたタービンノズルである。
By combining the exhaust gas inlet casing 11 and the exhaust
排ガス通路13の内部に突出している排ガスタービン翼7は、排ガス通路13を流れてタービンノズル17において膨張された排ガス流によって駆動される。これにより、タービンローター8およびタービン軸4が回転して動力が発生し、この動力によって前述の圧縮機(吸気タービン)が駆動され、外部から吸入されたガスが圧縮されて舶用大型ディーゼル機関の吸入ガスとして供給(過給)される。排ガスタービン翼7を通過後の排ガスの圧力は0.05bar以下まで低下する。
The exhaust
ラビリンスシール装置15は、2つの環状のラビリンス部材21,22を備えている。一方のラビリンス部材21は、タービン軸4の軸方向でラジアル軸受3とタービンディスク6との間に位置するように軸受台2側に固定されてオイルラビリンスシールOLを構成している。もう一方のラビリンス部材22は、タービンディスク6に対して排ガス下流側(軸受台2側)に隣接するように軸受台2側に固定されてガスラビリンスシールGLを構成している。これらのラビリンスシールOL,GLは、いずれも多段状のラビリンスフィンを噛み合わせた公知の構成である。
The
軸受台2の内部には抽気通路24が形成されている。この抽気通路24は、前述の圧縮機で圧縮された吸入ガスの一部を抽気してオイルラビリンスシールOLとガスラビリンスシールGLとに供給するガス通路である。なお、吸入ガスとして舶用大型ディーゼル機関が排出する排ガスを利用したEGRガスが適用される場合には、EGRガスをシールガスとしてオイルラビリンスシールOL、ガスラビリンスシールGLに供給するようにしてもよい。
An
図2にも示すように、ガスラビリンスシールGLを構成するラビリンス部材22は、その外周面22aが排ガス通路13(排ガス出口ケーシング12)の内周面13aに対して段差を発生させないように排ガス通路13内に露呈しており、排ガス出口ケーシング12とともに排ガス通路13を形成している。また、ラビリンス部材22は、排ガス出口ケーシング12との間に間隙状のシールガス放出通路26を介して隣接するように軸受台2に固定されている。
As shown in FIG. 2, the
ラビリンス部材22の反タービンディスク6側には、外周面22aよりも外径が小さくなる段部22b(図2参照)が形成され、この段部22bに環状のガスシールリング28が嵌め込まれている。そして、このガスシールリング28の外周面に、排ガス出口ケーシング12の排ガス上流側端部12aの内周面が軸方向にスライド自在に被せられ、この排ガス上流側端部12aとラビリンス部材22との間にシールガス放出通路26が形成されている。
A
シールガス放出通路26の末端部、即ち排ガス通路13に連通する合流部は、図1中に矢印で示すように、このシールガス放出通路26から排ガス通路13内に放出されるシールガスの流れ方向が、排ガス通路13内を流れる排ガスの流れ方向に沿い、且つ排ガス通路13の下流側に向く軸方向成分を有するように形成されている。つまり、シールガス放出通路26の末端部は排ガス通路13に対して斜めに合流する断面形状となっている。
The end portion of the seal
図2に示すように、ラビリンス部材22におけるガスラビリンスシールGLよりも外周側の部分には、タービンディスク6との間のクリアランスが大きくされた集気室30が形成されており、この集気室30よりもさらに外周側の部分とタービンディスク6との間の隙間G1は最小限の寸法、例えば1ミリ程度に設定されている。また、集気室30からシールガス放出通路26に連通する脱気通路31が形成されている。この脱気通路31は、ラビリンス部材22の周方向に複数設けられている。
As shown in FIG. 2, an
以上のように構成されたラビリンスシール装置15において、オイルラビリンスシールOLとガスラビリンスシールGLの各々には、圧縮機で圧縮された吸入ガスの一部が抽気通路24を経てシールガスとして供給される。具体的には、抽気通路24から先ずオイルラビリンスシールOLにシールガスが供給され、オイルラビリンスシールOLから放出されたシールガスが次にガスラビリンスシールGLに供給される。その後、排ガスタービン翼7よりも排ガス下流側に位置する間隙状のシールガス放出通路26から、図1中に矢印で示すように排ガス通路13内に放出される。
In the
これにより、オイルラビリンスシールOLにおいては、シールガスの圧力により、ラジアル軸受3に供給された潤滑油がタービンディスク6側に漏洩することが防止される。また、ガスラビリンスシールGLにおいては、シールガスの圧力により、タービンディスク6がラビリンス部材22に対して排ガス上流側(図1に向かって右方向)に押圧されるため、排ガスの圧力に抗してタービンローター8およびタービン軸4を排ガス上流側に押圧するスラスト力が発生し、図示しないスラストベアリングへの負担が軽減されると同時に、タービン軸4を回転させるのに必要な駆動力が低減される。
Thereby, in the oil labyrinth seal OL, the lubricating oil supplied to the radial bearing 3 is prevented from leaking to the
ガスラビリンスシールGLを通過した後のシールガスは集気室30(図2参照)に流れ、さらに脱気通路31を経てシールガス放出通路26に流れ、排ガス通路13内に放出される。このようにシールガスが排ガス通路13内に放出される位置は、タービン軸4の軸方向で、タービンディスク6とラビリンス部材22との隣接部(隙間G1)よりも下流側の位置となる。
The seal gas after passing through the gas labyrinth seal GL flows into the air collecting chamber 30 (see FIG. 2), further flows through the
このように、排ガスよりも高圧なシールガスが排ガス通路13内に放出される位置(シールガス放出通路26)が、図6に示す従来の隙間Gの位置(タービンディスク6とラビリンス部材22との隣接部(隙間G))よりも下流側となるため、排ガスタービン翼7を通過した直後の位置(従来のシールガス噴出口であった隙間G1の位置)の付近における排ガス流に高圧なシールガスが放出されることによって乱れが発生することを抑制でき、これによってタービン効率を向上させることができる。
Thus, the position (seal gas discharge passage 26) where the seal gas having a pressure higher than the exhaust gas is discharged into the
しかも、排ガスの熱を受けて熱膨張する排ガス出口ケーシング12と、タービンディスク6との間にラビリンス部材22が配置され、このラビリンス部材22と排ガス出口ケーシング12との間に間隙状のシールガス放出通路26が形成されているため、このシールガス放出通路26によって排ガス出口ケーシング12の熱膨張が吸収される。
In addition, a
即ち、排ガス出口ケーシング12が軸方向に熱膨張すると、その端部12aの内周面がガスシールリング28の外周面に対して軸方向に滑り、端部12aがラビリンス部材22側に伸びるが、このように排ガス出口ケーシング12が熱膨張によって軸方向に延びる量に比べ、シールガス放出通路26の軸方向長さは十分な間隔がある為、熱膨張した排ガス出口ケーシング12がラビリンス部材22に干渉することはない。
That is, when the exhaust gas outlet casing 12 is thermally expanded in the axial direction, the inner peripheral surface of the
このように、シールガス放出通路26の位置で排ガス出口ケーシング12の熱膨張が吸収されるため、排ガス出口ケーシング12とタービンディスク6とが隣接していた従来の構成(図6参照)のように、排ガス出口ケーシング12の熱伸びを考慮して排ガス出口ケーシング12の端部12aとタービンディスク6との間の隙間G1を大きく設定する必要がない。
As described above, since the thermal expansion of the exhaust gas outlet casing 12 is absorbed at the position of the seal
しかも、ラビリンス部材22は熱応力を受けにくい軸受台2に接続されているため、ラビリンス部材22が熱膨張してタービンディスク6に接近することがない。これらにより、隙間G1を最小限に設定することができる。したがって、排ガスタービン翼7の直ぐ下流側の排ガス通路13内における段差幅が小さくなり、排ガスタービン翼7を通過した直後の排ガス流の境界層が剥離することによる排ガス流の乱れが少なくなるため、この点でもタービン効率を向上させることができる。
Moreover, since the
さらに、シールガス放出通路26の末端部は、排ガスの流れ方向に対して斜めに合流する断面形状であるため、シールガス放出通路26から排ガス通路13内に放出されるシールガスを、排ガスの流れに対して浅い角度で合流させ、これによって排ガスタービン翼7を通過した直後の排ガス流の乱れ(境界層の剥離等)を少なくし、タービン効率を一層向上させることができる。
Furthermore, since the end portion of the seal
[第2実施形態]
図3は、本発明の第2実施形態を示すラビリンスシール装置付近の拡大図である。このラビリンスシール装置35は、シールガス放出通路26の中間部に屈曲部が設けられている点において第1実施形態のラビリンスシール装置15と相違し、その他の構成は同一であるため、上記の相違点のみについて説明する。
[Second Embodiment]
FIG. 3 is an enlarged view of the vicinity of the labyrinth seal device showing the second embodiment of the present invention. The
シールガス放出通路26には、その上流端部(脱気通路31が連通する部分)から、排ガス通路13に斜めに連通する末端部までの間に、シールガスの流れる方向が直角に変わる2つの屈曲部26a,26bが設けられている。これら2つの屈曲部26a,26bが設けられたことにより、シールガス放出通路26の断面形状はクランク状に屈曲している。
The seal
このため、シールガス放出通路26の内部を流れるシールガスの流動抵抗(圧力損失)が増加し、その流速が低下する。これにより、シールガスが排ガス通路13内に放出される際の排ガス流の乱れが少なくなり、タービン効率を一段と向上させることができる。なお、屈曲部26a,26bの角度や数量等の諸条件は適宜変更することができる。
For this reason, the flow resistance (pressure loss) of the seal gas flowing inside the seal
[第3実施形態]
図4は、本発明の第3実施形態を示すラビリンスシール装置付近の拡大図である。このラビリンスシール装置40は、第2実施形態のラビリンスシール装置35と同様な断面形状を備えている。即ち、シールガス放出通路26の中間部に2つの屈曲部26a,26bが設けられており、ラビリンス部材22の排ガス下流側端部が排ガス出口ケーシング12の端部12a(排ガス上流側端部)の外周側に重なっている。
[Third Embodiment]
FIG. 4 is an enlarged view of the vicinity of the labyrinth seal device showing the third embodiment of the present invention. The
そして、図5にも示すように、この重なった部分において、排ガス出口ケーシング12の外周面に、突起状の変形抑制部材43が周方向に点在的に設けられている。この変形抑制部材43は、例えば軸方向に長い四角柱状に形成されており、排ガス出口ケーシング12の外周面に一体的、もしくは別部品として設けられている。この変形抑制部材43をラビリンス部材22側に形成してもよいが、製造性を考慮すると排ガス出口ケーシング12の外周面に設けた方が好ましい。なお、変形抑制部材43の形状は、円柱状や翼型断面状等にすることも考えられる。
As shown in FIG. 5, protrusion-like
このような変形抑制部材43を設けたことにより、排ガス出口ケーシング12の排ガス上流側の端部12aが熱膨張して、例えば排ガス通路13の内面に段差を発生させるような変形を起こそうとしても、この変形が突起状の変形抑制部材43を介して環状のラビリンス部材22によって抑制される。
By providing such a
このため、排ガス通路13の内面に段差が発生することによって排ガスタービン翼7を通過した直後の排ガス流に乱れが生じることを防止し、タービン効率の低下を阻止することができる。しかも、排ガス出口ケーシング12の熱膨張によってシールガス放出通路26の開口面積が小さくなってしまうことを防止できる。
For this reason, it is possible to prevent the exhaust gas flow immediately after passing through the exhaust
以上説明したように、本実施形態に係るラビリンスシール装置15,35,40によれば、排ガスタービン翼7を通過した直後の排ガス流が、排ガス通路13の形状や、ガスラビリンスシールGLから排ガス通路13内に放出される高圧なシールガスによって乱されることを防止し、タービン効率を高めることができる。
As described above, according to the
また、このようなラビリンスシール装置15,35,40を備えた排ガスタービン過給機1によれば、シールガスが、従来のようにタービンディスク6とラビリンス部材22との間(隙間G1)からではなく、ラビリンス部材22よりも下流側の位置で排ガス通路13内に放出されるため、排ガスタービン翼7を通過した直後の排ガス流が、シールガスの放出によって乱されることを抑制し、これによってタービン効率を向上させることができる。
Further, according to the exhaust
しかも、排ガス出口ケーシング12とタービンディスク6との間に配置されたラビリンス部材22と、排ガス出口ケーシング12との間に設けられたシールガス放出通路26によって排ガス出口ケーシング12の熱膨張が吸収される。このため、ラビリンス部材22とタービンディスク6との間の隙間G1を最小限に設定し、排ガスタービン翼7を通過した直後の排ガス流の乱れを無くしてタービン効率を向上させることができる。
Moreover, thermal expansion of the exhaust gas outlet casing 12 is absorbed by a
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更を加えることができる。例えば、上記実施形態では、本発明に係るラビリンスシール装置を、舶用大型ディーゼル機関に装備される排ガスタービン過給機に適用した例について説明したが、舶用エンジンの過給機に限らず、ガスタービンやジェットエンジン等、他の形式や用途の軸流タービンにも幅広く適用することができる。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, In the range which does not deviate from the summary, it can add a change suitably. For example, in the above-described embodiment, the example in which the labyrinth seal device according to the present invention is applied to an exhaust gas turbocharger installed in a large marine diesel engine has been described. It can be widely applied to other types and applications of axial flow turbines such as jet engines.
1 排ガスタービン過給機
2 軸受台
4 タービン軸
5 排ガスタービン(軸流タービン)
6 タービンディスク
7 排ガスタービン翼
8 タービンローター
12 排ガス出口ケーシング(ケーシング)
13 排ガス通路
13a 排ガス通路の内周面
15,35,40 ラビリンスシール装置
22 ラビリンス部材
22a ラビリンス部材の外周面
26 シールガス放出通路
26a,26b 屈曲部
43 変形抑制部材
GL ガスラビリンスシール
DESCRIPTION OF
6
13
Claims (6)
前記タービン軸に設けられたタービンディスクと、
前記タービンディスクの外周部に設けられた排ガスタービン翼と、
前記排ガスタービン翼に排ガスを供給し、且つ前記排ガスタービン翼を通過した前記排ガスを系外に排出する排ガス通路を形成するケーシングと、
前記軸受台側に固定されて前記タービンディスクの排ガス下流側に隣接してガスラビリンスシールを構成する環状のラビリンス部材と、
前記ガスラビリンスシールを流れるシールガスを前記排ガスタービン翼よりも排ガス下流側の前記排ガス通路内に放出するシールガス放出通路と、を備える軸流タービンのラビリンスシール装置であって、
前記シールガス放出通路は、前記ケーシングの前記排ガス通路形成部分と前記ラビリンス部材との間に形成されることを特徴とする軸流タービンのラビリンスシール装置。 A turbine shaft supported by a bearing stand;
A turbine disk provided on the turbine shaft;
An exhaust gas turbine blade provided on the outer periphery of the turbine disk;
A casing that forms exhaust gas passages for supplying exhaust gas to the exhaust gas turbine blades and exhausting the exhaust gas that has passed through the exhaust gas turbine blades out of the system;
An annular labyrinth member fixed on the bearing stand side and constituting a gas labyrinth seal adjacent to the exhaust gas downstream side of the turbine disk;
A labyrinth seal device for an axial flow turbine, comprising: a seal gas discharge passage for discharging a seal gas flowing through the gas labyrinth seal into the exhaust gas passage on the exhaust gas downstream side of the exhaust gas turbine blade;
The labyrinth seal device for an axial-flow turbine, wherein the seal gas discharge passage is formed between the exhaust gas passage formation portion of the casing and the labyrinth member.
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