本申請(qǐng)要求2014年4月7日申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)2014-078651的優(yōu)先權(quán)，將其全部?jī)?nèi)容以參考的方式引入作為本申請(qǐng)的一部分。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具備主要具有金屬板材雙層構(gòu)造的排氣擴(kuò)散器的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪的換氣構(gòu)造。

背景技術(shù)：

作為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的將來(lái)自渦輪的排氣排出的排氣擴(kuò)散器的構(gòu)造，一般采用由金屬板材制的外筒及內(nèi)筒構(gòu)成的雙層構(gòu)造(例如專利文獻(xiàn)1)。在具備這種構(gòu)造的排氣擴(kuò)散器的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，為了對(duì)擴(kuò)散器內(nèi)部的支承構(gòu)造件、軸承箱等通過(guò)鑄造形成的部件進(jìn)行熱保護(hù)而需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿Q氣(冷卻)。在能夠于全部的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下充分地確保排氣擴(kuò)散器入口的負(fù)壓的情況下，可通過(guò)利用該負(fù)壓向排氣擴(kuò)散器內(nèi)吸入換氣用空氣來(lái)進(jìn)行換氣。

另外，已提出了一種方案：在利用排氣擴(kuò)散器入口的負(fù)壓向排氣擴(kuò)散器內(nèi)吸入換氣用空氣的情況下，通過(guò)將對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子的軸承進(jìn)行支承的支柱與覆蓋其的支柱罩之間的間隙作為換氣用空氣的通道來(lái)利用，從而高效地冷卻擴(kuò)散器內(nèi)部的構(gòu)造物(例如專利文獻(xiàn)2、3)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本專利公開(kāi)2004-197696號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)2：日本專利公開(kāi)2009-167800號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)3：日本專利公開(kāi)2011-127447號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

但是，有時(shí)難以在所有運(yùn)轉(zhuǎn)條件下對(duì)換氣確保足夠的負(fù)壓。例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)的部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)(空載；idling)狀態(tài)下，排氣擴(kuò)散器內(nèi)的排氣會(huì)成為旋轉(zhuǎn)流而在傾斜方向上與支柱碰撞。由此，會(huì)在支柱附近在排氣流中產(chǎn)生紊亂，其結(jié)果，在排氣擴(kuò)散器內(nèi)無(wú)法得到足夠的負(fù)壓。

進(jìn)一步地，在從排氣擴(kuò)散器入口向排氣擴(kuò)散器內(nèi)取入換氣用空氣的情況下，由于換氣用空氣沿著排氣擴(kuò)散器的內(nèi)壁流動(dòng)，使來(lái)自渦輪的排氣從排氣擴(kuò)散器的內(nèi)壁剝離，排氣擴(kuò)散器性能降低。

本發(fā)明的目的在于，為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種渦輪的換氣構(gòu)造，其能夠在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的所有運(yùn)轉(zhuǎn)條件(負(fù)荷條件)下不使排氣擴(kuò)散器的性能降低而在排氣擴(kuò)散器內(nèi)產(chǎn)生用于換氣的足夠的負(fù)壓。

(二)技術(shù)方案

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪的換氣構(gòu)造，具備：排氣擴(kuò)散器，其在內(nèi)筒與外筒之間形成使來(lái)自渦輪的排氣通過(guò)的環(huán)狀排氣通道；支柱，其從所述外筒的徑向外側(cè)的殼體橫穿所述排氣擴(kuò)散器而支承所述內(nèi)筒內(nèi)側(cè)的軸承；支柱罩，其配置于所述排氣通道并覆蓋所述支柱外周；連接部件，其配置于所述排氣通道中的支柱罩的下游側(cè)，在內(nèi)部具有使配件通過(guò)的中空部，并將所述殼體與所述內(nèi)筒連接，所述殼體具有導(dǎo)入來(lái)自外部的空氣的第一導(dǎo)入口，所述支柱罩在其后緣部具有排出孔，進(jìn)一步地，還設(shè)有第一換氣通道，該第一換氣通道從所述第一導(dǎo)入口通過(guò)所述連接部件的所述中空部，并從所述支柱的內(nèi)端部通過(guò)所述支柱與所述支柱罩之間的空間，進(jìn)而從所述支柱罩的所述排出孔通到所述排氣通道內(nèi)。

根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在作為排氣擴(kuò)散器內(nèi)構(gòu)造物的支柱罩的后緣部，即排氣流的下游側(cè)設(shè)置排出換氣用空氣的排出孔，從而能夠利用支柱罩后方區(qū)域的負(fù)壓，不僅在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的滿載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，而且在空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也穩(wěn)定地產(chǎn)生換氣用空氣流。而且，能夠使換氣用空氣在遠(yuǎn)離排氣擴(kuò)散器的內(nèi)壁的區(qū)域流動(dòng)，因此能夠防止排氣擴(kuò)散器的性能降低。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的渦輪的換氣構(gòu)造中，優(yōu)選地，所述排出孔沿著所述支柱罩上的橫穿所述排氣通道的方向分開(kāi)間隔地設(shè)有多個(gè)。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)置多個(gè)排出孔，使排氣擴(kuò)散器內(nèi)的換氣用空氣流的分布均勻化，其結(jié)果，可抑制對(duì)排氣流的影響，因此更加有效地防止排氣擴(kuò)散器的性能降低。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的渦輪的換氣構(gòu)造中，優(yōu)選地，所述支柱罩的后緣部具有朝向排氣的下游側(cè)的平坦面，除了后緣部之外的其它部分的橫截面為翼形。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，能夠抑制支柱罩的阻力，并且更加切實(shí)地在支柱罩的后方產(chǎn)生負(fù)壓。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的渦輪的換氣構(gòu)造中，優(yōu)選地，在所述殼體上設(shè)有導(dǎo)入來(lái)自外部的空氣的第二導(dǎo)入口，還具備第二換氣通道，該第二換氣通道從該第二導(dǎo)入口通過(guò)所述殼體與所述外筒之間，并通過(guò)所述支柱與所述支柱罩之間的空間，進(jìn)而從所述支柱罩的排出孔通到所述排氣通道內(nèi)。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，通過(guò)除第一導(dǎo)入口之外另設(shè)置第二導(dǎo)入口，并除第一換氣通道之外另設(shè)定第二換氣通道，能夠更加有效地對(duì)排氣擴(kuò)散器周邊的構(gòu)造物進(jìn)行冷卻。尤其是在將第二導(dǎo)入口設(shè)置在殼體上的渦輪出口與所述支柱罩之間的軸向位置上的情況下，可對(duì)殼體上的靠近渦輪出口的成為高溫的部分有效地進(jìn)行冷卻。

權(quán)利要求書(shū)和/或說(shuō)明書(shū)和/或說(shuō)明書(shū)附圖所公開(kāi)的至少兩個(gè)的結(jié)構(gòu)的任意組合也包含在本發(fā)明中。尤其是權(quán)利要求書(shū)的兩項(xiàng)以上的任意組合也包含在本發(fā)明中。

附圖說(shuō)明

通過(guò)參照附圖對(duì)以下優(yōu)先的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明，可更加清楚地理解本發(fā)明。但是，實(shí)施方式及附圖僅用于圖示及說(shuō)明，不應(yīng)用于確定本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書(shū)確定。在附圖中，多張附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同或相當(dāng)?shù)牟糠帧?/p>

圖1是表示適用本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的換氣構(gòu)造的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的局部剖切側(cè)面圖。

圖2是沿著圖1的II-II線的示意性截面圖。

圖3是圖1的換氣構(gòu)造的將排氣擴(kuò)散器的周邊部分放大表示的截面圖。

圖4是表示在圖1的換氣構(gòu)造中使用的支柱及支柱罩的立體圖。

圖5A是對(duì)圖1的換氣構(gòu)造在滿載狀態(tài)下的作用進(jìn)行說(shuō)明的示意圖。

圖5B是對(duì)圖1的換氣構(gòu)造在空載狀態(tài)下的作用進(jìn)行說(shuō)明的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面，基于附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明，但是本發(fā)明并不限定于該實(shí)施方式。

圖1是將適用本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的渦輪的換氣構(gòu)造的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱為燃?xì)廨啓C(jī))1的一部分剖切的側(cè)面圖。在同一圖中，燃?xì)廨啓C(jī)1將導(dǎo)入空氣IA用壓縮機(jī)3壓縮后導(dǎo)向燃燒器5，并向燃燒器5內(nèi)噴射燃料F進(jìn)行燃燒，利用得到的高溫高壓的燃燒氣體G驅(qū)動(dòng)渦輪7。燃燒器5沿著燃?xì)廨啓C(jī)1的周向等間隔地配置有多個(gè)。此外，在以下的說(shuō)明中，有時(shí)將燃?xì)廨啓C(jī)1的軸心方向上的壓縮機(jī)3側(cè)稱為“前側(cè)”，將渦輪7側(cè)稱為“后側(cè)”。

在本實(shí)施方式中，作為壓縮機(jī)3使用了軸流式壓縮機(jī)。該軸流式壓縮機(jī)3利用許多動(dòng)葉11與許多靜葉13的組合，對(duì)從吸氣筒15吸入的空氣IA進(jìn)行壓縮。動(dòng)葉11配置在構(gòu)成燃?xì)廨啓C(jī)1的旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)子17前部的外周面上，靜葉13配置在殼體19的內(nèi)周面上。

經(jīng)壓縮機(jī)3壓縮的壓縮空氣A供給至燃燒器5。燃燒器5將從壓縮機(jī)3供給的壓縮空氣A與噴射到燃燒器5內(nèi)的燃料F混合并進(jìn)行燃燒，將高溫高壓的燃燒氣體G向渦輪7輸送。

渦輪7具備設(shè)置于殼體19的內(nèi)側(cè)并覆蓋轉(zhuǎn)子17的后部的渦輪罩21。在渦輪罩21的內(nèi)周部，沿軸心方向隔開(kāi)規(guī)定間隔地安裝有多級(jí)的渦輪靜葉23。另一方面，在轉(zhuǎn)子17的后部設(shè)有多級(jí)的渦輪動(dòng)葉25。這些渦輪靜葉23和渦輪動(dòng)葉25沿著軸心方向交替地配置。轉(zhuǎn)子17的整體介由前部及后部的軸承27、29旋轉(zhuǎn)自由地支承于殼體19。

多級(jí)的渦輪動(dòng)葉25中的位于最后級(jí)的渦輪動(dòng)葉25的后端成為渦輪出口31。該渦輪出口31連接有將來(lái)自渦輪7的排氣EG向外部排出的環(huán)狀的排氣擴(kuò)散器33。排氣擴(kuò)散器33由相互呈同心狀配置的外筒35和內(nèi)筒37、以及將這些外筒35和內(nèi)筒37連接的第一連接部件41和第二連接部件43構(gòu)成。外筒35及內(nèi)筒37分別由金屬板材形成，該金屬板材由耐熱性優(yōu)異的金屬材料制成。外筒35與內(nèi)筒37之間的空間形成了使排氣EG通過(guò)的環(huán)狀的排氣通道45。外筒35由殼體19支承。在排氣擴(kuò)散器33的下游側(cè)連接有利用排氣EG的熱進(jìn)行工作的廢熱鍋爐(未圖示)。

將沿著圖1的II－II線的截面圖表示于圖2。此外，在圖2中示出配置有第一連接部件41及支柱47的部分的橫截面，但第二連接部件43除了沒(méi)有在內(nèi)部配置支柱這一點(diǎn)之外也具有與第一連接部件41同樣的構(gòu)造。第一連接部件41(及第二連接部件43)在徑向上橫穿排氣通道45。第一連接部件41(及第二連接部件43)分別在周向上等間隔地設(shè)有多個(gè)，例如為六個(gè)。如圖3所示，第一連接部件41及第二連接部件43分別由金屬板材形成，具有中空部41a、43a。在第一連接部件41的中空部41a中插通有從殼體19橫穿排氣擴(kuò)散器33延伸的支柱47。換言之，第一連接部件41形成了覆蓋支柱47外周的支柱罩49。在支柱47與支柱罩49之間形成有間隙(空間)S。另一方面，在殼體19的與第二連接部件43的徑向外側(cè)相當(dāng)?shù)妮S向位置上設(shè)有換氣管道51。換氣管道51形成將外部的空氣作為換氣用空氣VA向燃?xì)廨啓C(jī)1內(nèi)部導(dǎo)入的第一導(dǎo)入口。在第二連接部件43的中空部43a中插通有配件，例如為軸承用潤(rùn)滑油的供給管(未圖示)。

支柱47配置在與后部軸承29大致對(duì)應(yīng)的軸向位置上，從排氣擴(kuò)散器33的外筒35的徑向外側(cè)貫通外筒35，并在徑向上橫穿排氣通道45，進(jìn)而從內(nèi)筒37的徑向外側(cè)貫通內(nèi)筒37，與在后部軸承29的徑向外側(cè)設(shè)置的軸承支架53連接。即，支柱47介由軸承支架53將后部軸承29支承于殼體19。此外，第一連接部件41、第二連接部件43及支柱47不是必須沿徑向橫穿排氣通道45，也可以相對(duì)于徑向傾斜地橫穿。

如圖4所示，支柱47及包圍其外周的支柱罩49沿著燃?xì)廨啓C(jī)1的軸心方向細(xì)長(zhǎng)地延伸。由圖5A可知，被與燃?xì)廨啓C(jī)1的軸心同心的圓筒面切斷的支柱47的切斷面形成為細(xì)長(zhǎng)的大致矩形，支柱罩49的切斷面形成為大致翼形。在圖4所示的支柱罩49的后緣部49a上設(shè)有用于將支柱罩49內(nèi)部的空氣向外部排出的排出孔55。這里，支柱罩49的“后緣部”是指排氣EG的流動(dòng)方向(燃?xì)廨啓C(jī)1的軸心方向)上的下游端及其附近的部分。

更詳細(xì)地，支柱罩49的后緣部49a具有朝向后側(cè)(排氣EG的下游側(cè))的平坦面，除后緣部49a之外的其它部分的橫截面形成為翼形。即，支柱罩49具有：形成前部及側(cè)部的具有翼形的彎曲面的彎曲部49b、以及形成后部的具有平坦面的平坦面部49c。在本實(shí)施方式中，排出孔55僅設(shè)在與彎曲部49b和平坦面部49c的邊界相當(dāng)?shù)膬蓚€(gè)角部49d中的一方。

進(jìn)而，排出孔55沿著支柱罩49上的橫穿排氣通道45的方向即支柱罩49的高度方向H(在本例中為燃?xì)廨啓C(jī)1的徑向)分開(kāi)間隔地設(shè)有多個(gè)(在本例中為三個(gè))。通過(guò)設(shè)置多個(gè)排出孔55，可使通過(guò)后述的第一換氣通道VP1及第二換氣通道VP2導(dǎo)入排氣通道45內(nèi)的換氣用空氣VA流的分布均勻化。其結(jié)果是，可抑制換氣用空氣VA流對(duì)排氣EG流造成的影響，因此可有效地防止排氣擴(kuò)散器33的性能降低。

支柱罩49上的設(shè)置排出孔55的位置，只要是支柱罩49的后緣部49a，則并無(wú)特別限定。例如，可以設(shè)置在支柱罩49的平坦面部49c上，也可以設(shè)置在彎曲部49b上的角部49d附近。

但是，排氣EG在圖5A所示的滿載狀態(tài)下是與燃?xì)廨啓C(jī)1的軸心平行的流態(tài)，即與支柱罩49的長(zhǎng)尺寸方向平行的流態(tài)，而在包括空載在內(nèi)的部分負(fù)荷狀態(tài)下則具有繞燃?xì)廨啓C(jī)1的軸心的旋轉(zhuǎn)成分。因此，在本實(shí)施方式中，僅在支柱罩49的后緣部49a的兩個(gè)角部49d中的、在燃?xì)廨啓C(jī)1的空載狀態(tài)下位于排氣EG的旋轉(zhuǎn)方向R的下游側(cè)的角部49d設(shè)有排出孔55。由此，在如下區(qū)域設(shè)置排出孔55，該區(qū)域?yàn)椴粌H在圖5A所示的滿載運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，而且在用于吸入換氣用空氣VA的負(fù)壓的不足尤其成問(wèn)題的圖5B的空載狀態(tài)下，支柱罩49周邊負(fù)壓都成為最大的區(qū)域D附近。因此，在燃?xì)廨啓C(jī)1的任意運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下都能夠切實(shí)地將換氣用空氣VA引入排氣擴(kuò)散器33內(nèi)。

如圖4所示，作為橫穿方向H上的設(shè)置排出孔55的范圍，以支柱罩49的高度L即外筒35的內(nèi)周面與內(nèi)筒37的外周面之間在徑向上的距離為基準(zhǔn)，從支柱罩49在橫穿方向H上的兩端起的距離d優(yōu)選為0.1L以上，更加優(yōu)選為0.15L以上。通過(guò)將排出孔55設(shè)置在這樣的范圍內(nèi)，可避免排氣EG因換氣用空氣VA而從排氣擴(kuò)散器33(圖1)的內(nèi)壁面剝離的問(wèn)題，可防止排氣擴(kuò)散器33的性能降低。

也可以是，不在支柱罩49上設(shè)置平坦面部49c，而將后部形成為例如從彎曲部49b連續(xù)的曲面狀，使支柱罩49整體的橫截面為完整的翼形。但是，通過(guò)將支柱罩49的后部形成為平坦面部49c，能夠在支柱罩49的后方(下游側(cè))更加切實(shí)地產(chǎn)生負(fù)壓。

如圖3所示，在殼體19上除了設(shè)置作為第一導(dǎo)入口的換氣管道51之外，還另設(shè)有貫通殼體19的第二導(dǎo)入口61。從該第二導(dǎo)入口61也可將外部的空氣作為換氣用空氣VA導(dǎo)入燃?xì)廨啓C(jī)1內(nèi)部。更具體地，第二導(dǎo)入口61設(shè)置在殼體19上的、與渦輪出口31的徑向外側(cè)相當(dāng)?shù)妮S向位置上。設(shè)置第二導(dǎo)入口61的軸向位置并不限于圖示的例子，優(yōu)選設(shè)置在比換氣管道51更靠近前方的軸向位置上，更加優(yōu)選設(shè)置在渦輪出口31與支柱罩49之間的軸向位置上。

在具有這種結(jié)構(gòu)的燃?xì)廨啓C(jī)1的換氣構(gòu)造中，利用在支柱罩49的排出孔55的下游部產(chǎn)生的負(fù)壓，將外部的空氣作為換氣用空氣VA經(jīng)由換氣管道(第一導(dǎo)入口)51及第二導(dǎo)入口61導(dǎo)入，形成兩條路徑的換氣通道VP1、VP2。即，形成從殼體19外側(cè)通過(guò)第二連接部件43的中空部43a，并從支柱47的內(nèi)徑側(cè)端部通過(guò)支柱47與支柱罩49之間的空間S，進(jìn)而從支柱罩49的排出孔55通到排氣通道45內(nèi)的第一換氣通道VP1。進(jìn)一步地，形成從第二導(dǎo)入口61通過(guò)殼體19與外筒35之間，并通過(guò)支柱47與支柱罩49之間的空間S，進(jìn)而從支柱罩49的排出孔55通到排氣通道45內(nèi)的第二換氣通道VP2。

利用第一換氣通道VP1，可介由軸承支架53冷卻軸承29，同時(shí)對(duì)排氣擴(kuò)散器33內(nèi)側(cè)的空間S1進(jìn)行換氣。另外，利用第二換氣通道VP2，可對(duì)殼體19上靠近渦輪出口31的成為高溫的部分有效地進(jìn)行冷卻。

此外，雖然第二導(dǎo)入口61及第二換氣通道VP2也可以省略，但是通過(guò)在除換氣管道(第一導(dǎo)入口)51之外另設(shè)置第二導(dǎo)入口61，并在除第一換氣通道VP1之外另設(shè)定第二換氣通道VP2，能夠在更大范圍內(nèi)并且有效地冷卻排氣擴(kuò)散器33周邊的構(gòu)造物。

根據(jù)本實(shí)施方式的渦輪的換氣構(gòu)造，在作為排氣擴(kuò)散器33內(nèi)構(gòu)造物的支柱罩49的后緣部49a、即排氣EG流的下游側(cè)設(shè)置排出換氣用空氣VA的排出孔55，從而能夠利用支柱罩49后方區(qū)域的負(fù)壓，不僅在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)1的滿載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，而且在空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也穩(wěn)定地產(chǎn)生換氣用空氣VA流。而且，能夠使換氣用空氣VA在遠(yuǎn)離排氣擴(kuò)散器33的內(nèi)壁的區(qū)域流動(dòng)，因此能夠防止排氣擴(kuò)散器33的性能降低。

如上所述，參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了說(shuō)明，但在不脫離本發(fā)明主旨的范圍內(nèi)，能夠進(jìn)行各種補(bǔ)充、改變或刪除。因此，這樣的補(bǔ)充、改變及刪除也包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

附圖標(biāo)記說(shuō)明

1 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)

3 壓縮機(jī)

5 燃燒器

7 渦輪

17 轉(zhuǎn)子(旋轉(zhuǎn)軸)

19 殼體

27、29 軸承

33 排氣擴(kuò)散器

35 外筒

37 內(nèi)筒

43 第二連接部件(連接部件)

45 排氣通道

47 支柱

49 支柱罩

49a 支柱罩的后緣部

51 換氣管道(第一導(dǎo)入口)

55 排出孔

61 第二導(dǎo)入口

EG 排氣

VA 換氣用空氣

VP1 第一換氣通道

VP2 第二換氣通道