JP2005344713A - 半径流圧縮機インペラ付き流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、半径流圧縮機インペラ（３）が、軸受ハウジング（１）内に支持された軸（２）上に設けられ、かつウォーム状流路（９）を備えた圧縮機ハウジング（８）内に配置され、圧縮機ハウジングが外側渦巻きハウジング部分（１０）と内側挿入ハウジング部分（１２）から形成され、外側渦巻きハウジング部分が流路の半径方向外側に転向された流路部分（１１）を有し、内側挿入ハウジング部分の内側輪郭（１３）が圧縮機インペラのハブの外側輪郭と共に流路の軸方向に延びる流路部分を形成する流体機械に関し、この流体機械のインペラが破損した際の破片の封じ込め保護性を向上する。
【解決手段】少なくとも外側渦巻きハウジング部分（１０）および／又は内側挿入ハウジング部分（１２）を、少なくとも５％の破断伸び率をした材料で形成し、破断に至らないハウジング部分の変形により破片の持つエネルギを吸収する。
【選択図】図１

Description

本発明は請求項１の前文に記載の半径流圧縮機インペラ付き流体機械に関する。

例えば過給機の半径流圧縮機等の、流体機械の基本的構造と作用は公知であり、従ってそれについてここでは詳細に説明しない。例えば特許文献１に請求項１の前文に記載の全特徴を有する半径流圧縮機インペラ付き流体機械が開示されている。

かかる流体機械の圧縮機インペラは、不利な運転条件下での長期間の運転後、腐食、浸食および劣化により、圧縮機インペラの破損が避けられない程にひどく弱体化される。圧縮機インペラが２，３個の大きな破片の形に割れる圧縮機インペラの破損時、それら破片はかなりの遠心力によって外向きに投げ出される。この場合、破片は圧縮機ハウジングから飛び出る。その際、圧縮機インペラの羽根が完全に壊され、残存するハブが軸受ハウジングと圧縮機ハウジングとの間に食い込む。ハブの形状に応じ、ハウジングにかなりの軸方向衝撃力を与える食い込み作用が生ずる。

小形流体機械は、比較的大きな壁厚と強固なハウジング部品により上述の負荷ないし力を確実に受けることができる。これに対し大形流体機械の場合、ハウジング壁厚が鋳造技術上の理由から通常薄くされ、その結果上述のような負荷時に、材料ないし物質の破壊限度に早く達し、ハウジングが壊れてしまう。その際、圧縮機インペラの破片や部品が流体機械から飛び出し、大きな連鎖破壊が生じる。圧縮機インペラの破片や部品の飛び出しにより、流体機械全体の所謂封じ込め保護が害されるが、これは防止せねばならない。

流体機械の封じ込め保護を、渦巻きハウジング部分の外部の補助的な破壊防護体を省いた状態で保証すべく、特許文献１は、圧縮機ハウジングを外側渦巻きハウジング部分と内側挿入ハウジング部分との２分割構造で形成することを提案する。内側挿入ハウジング部分は外側渦巻きハウジング部分に可撓性固定装置によって取り付けている。挿入ハウジング部分の渦巻きハウジング部分への固定に用いる可撓性固定装置は、流体機械の軸受ハウジングへの圧縮機ハウジング、即ち外側渦巻きハウジング部分の剛性固定装置よりも小さな破壊抵抗を持つ。このため、特許文献１の技術による渦巻きハウジング部分は、破損したインペラの破片や部品の飛び出しを確実に防止する所謂「衝突緩衝域（クラッシュセクション）」を備える。破損した圧縮機インペラの破片の運動エネルギは、流体機械の内部で完全に変形エネルギおよび熱に変換される。

特許文献１の流体機械の場合、内側挿入ハウジング部分を渦巻きハウジング部分に固定するための可撓性固定装置がエネルギ吸収中に破損し、そのため内側挿入ハウジング部分が軸方向に放出される恐れがある。軸方向において挿入ハウジング部分の前に配置された構成要素、例えば消音器が場合により破損される。またその際、圧縮機インペラの破片ないし部品の飛び出しが考えられ、流体機械の封じ込め保護が保証されない。
欧州特許出願公開第１２３３１９０号明細書

上述の点を考慮して、本発明の課題は、大きな封じ込め保護性を有する新たな半径流圧縮機インペラ付き流体機械を提供することにある。

この課題は請求項１に記載の半径流圧縮機インペラ付き流体機械によって解決される。本発明に基づき、少なくとも外側渦巻きハウジング部分および／又は内側挿入ハウジング部分が、少なくとも５％の破断伸び率を持つ材料で形成される。

本発明は、流体機械のステータ側、固定側ないし非回転側の構成要素、即ち少なくとも外側渦巻きハウジング部分および／又は内側挿入ハウジング部分を少なくとも５％の破断伸び率を持つ材料で形成することを提案する。ここで破断伸び率とは、引張り試験で得られる材料の強度量である。破断伸び率はパーセントで表され、試験片の始めの標点距離に関する破断後における長さ（標点距離）変化である。

本発明の有利な実施態様で、内側挿入ハウジング部分を渦巻きハウジング部分に固定するために用いる第２固定装置は、該装置が圧縮機インペラの最大運動エネルギの少なくとも０．２％および挿入ハウジング部分で受けられる変形エネルギの少なくとも１．０％を吸収可能なように形成される。このために、第２固定装置は少なくとも１０％の破断伸び率を持つ少なくとも１本の伸びボルトで形成される。その代わりに或いはそれに加えて、各伸びボルトにエネルギ吸収を高めるための伸びブッシュを付設できる。

本発明の有利な実施態様を、従属請求項および以下の実施例の説明から明らかにする。

（発明を実施するための最良の形態）
以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明はこれに限定ない。

図１は、半径流圧縮機の形をした本発明に基づく流体機械を、長手中央範囲の部分縦断面図で示す。この流体機械は軸受ハウジング１内に支持された軸２を有し、この軸２は軸受から突出した端部にタービンランナ（図示せず）および図１に概略的に示す半径流圧縮機インペラ３を備える。

図示の圧縮機インペラ３は、タービンランナで駆動される軸２上に回り止め結合されたハブ４を備える。このハブ４は外周面に半径方向に突出する羽根５を持つ。ハブ４の外側輪郭６は圧縮機ハウジング８の内側輪郭７と共に、軸方向Ａから半径方向Ｂに転向され外に向けて狭まった流路９を形成する。該流路９の断面形状は羽根５の形状に相当する。圧縮機ハウジング８は剛性の第１固定装置１８で軸受ハウジング１に固定されている。ハブ４と羽根５の直径は流れの入口から出口に向けて増大し、このため圧縮機インペラ３の中央横断面に対し非対称的な縦断面と、それに応じて圧縮機インペラ３の長さにわたり増大する質量分布とを生ずる。

圧縮機ハウジング８は、軸受ハウジング１に剛性固定装置１８で固定された外側渦巻きハウジング部分１０と内側挿入ハウジング部分１２とからなる。渦巻きハウジング部分１０は、流路９の、半径方向Ｂの外側に転向した流路部分１１を有する。内側挿入ハウジング部分１２は、半径方向Ｂにおいて外側渦巻きハウジング部分１０と圧縮機インペラ３との間に置かれている。挿入ハウジング部分１２の内側輪郭１３は圧縮機インペラ３のハブ４の外側輪郭６と共に、ほぼ流路９の軸方向Ａに延びる流路部分１４を形成している。

圧縮機ハウジング８は、外側渦巻きハウジング部分１０を経て軸受ハウジング１に接合面２２を形成した状態で、転向流路部分１１を含む外側渦巻きハウジング部分１０が圧縮機ハウジング８の軸受ハウジング１への剛性固定装置１８を通過して半径方向Ｂ内側に導入されるように取り付けられ、この結果剛性固定装置１８は渦巻きハウジング部分１０と軸受ハウジング１との間の接合面２２よりも半径方向Ｂの外側に位置して配置される。この接合面２２の形成や配置は、圧縮機ハウジング８の軸受ハウジング１への剛性固定装置１８が場合により流路９内に挟み込まれた破片で損傷しないことを保証し、圧縮機ハウジング８の破壊を防止する。接合面２２と軸２の距離は、渦巻きハウジング部分１０の転向流路部分１１を通る最大横断面２４の面中心２３と軸２との距離より小さくするとよい。

渦巻きハウジング部分１０は、内側挿入ハウジング部分１２を少なくとも部分的に包囲する内側シリンダ１５を備えている。挿入ハウジング部分１２は、空洞１６を形成すべく第２固定装置１７により内側シリンダ１５に取り付けられている。この固定装置１７は軸方向Ａに可撓性を有し、渦巻きハウジング部分１０の軸受ハウジング１への剛性固定装置１８よりかなり小さな破壊抵抗で形成されている。圧縮機ハウジング８ないし渦巻きハウジング部分１０の軸受ハウジング１への剛性固定装置１８は、渦巻きハウジング部分１０の軸受ハウジング１への固いフランジ継手により形成されている。内側挿入ハウジング部分１２の軸受ハウジング１への可撓性固定装置１７は、渦巻きハウジング部分１０の内側シリンダ１５を軸方向Ａに貫通する伸びボルト継手により形成されている。

剛性固定装置１８と共働する軸受ハウジング１の壁１９は、圧縮機インペラ３におけるハブ４の外側輪郭６の外側尖端２０を越え、隙間２１を形成した状態で、半径方向Ｂ内側に引き込まれて配置されている。渦巻きハウジング部分１０の流路９の直径は、圧縮機インペラ３の方向に内側に向けて次第に小さくなっている。

上述の流体機械の封じ込め保護を改善すべく、本発明では、少なくとも外側渦巻きハウジング部分１０および／又は内側挿入ハウジング部分１２、即ち流体機械の非回転ないし固定構成要素を少なくとも５％の破断伸び率を持つ材料で形成する。外側渦巻きハウジング部分１０と内側挿入ハウジング部分１２を少なくとも５％の破断伸び率を持つ材料で形成するとよい。本発明の認識は、流体機械の非回転構成要素に対し少なくとも５％の破断伸び率を持つ材料を用いた場合、流体機械の封じ込め保護性を改善できる点にある。

本発明の有利な実施態様では、内側挿入ハウジング部分１２を渦巻きハウジング部分１０に固定するための第２固定装置１７を、該固定装置１７が圧縮機インペラ３の最大運動エネルギの少なくとも０．２％および挿入ハウジング部分１２で受けられる変形エネルギの少なくとも１．０％を吸収するように形成する。これによって、エネルギ吸収の全過程中における固定装置１７の破損を防止できる。

上記のように、固定装置１７は伸びボルト継手として形成している。従って、固定装置１７は少なくとも１本の伸びボルトを有し、該ボルト或いは各伸びボルトは、少なくとも１０％、好適に少なくとも１３％の破断伸び率を持つ材料で形成する。

また本発明に従い、固定装置１７の伸びボルト或いは各伸びボルトに伸びブッシュ（図１に図示せず）を付設することができ、該伸びブッシュによって、固定装置１７が大きなエネルギを吸収できるようになる。この伸びブッシュは、少なくとも１０％、特に少なくとも１３％の破断伸び率を持つ材料で形成する。

伸びブッシュの材料を適当に選択する他に、伸びブッシュを構造的に十分な量の運動エネルギを吸収可能に形成することもできる。更に、伸びボルトの伸び軸部の変形体積の増大によって、固定装置１７で吸収できるエネルギ量を増大できる。

本発明によれば、特許文献１で公知の流体機械の封じ込め保護性を大幅に改善できる。この結果、渦巻きハウジング部分の外部の破壊保護体が不要となる。ハウジング構成要素の壁厚を一層減少し、もって流体機械の重量とコストを減少できる。

半径流圧縮機インペラ付き流体機械の一部断面図。

符号の説明

１ 軸受ハウジング、２ 軸、３ 圧縮機インペラ、４ ハブ、５ 羽根、６ 外側輪郭、７ 内側輪郭、８ 圧縮機ハウジング、９ 流路、１０ 渦巻きハウジング部分、１１ 流路部分、１２ 挿入ハウジング部分、１３ 内側輪郭、１４ 流路部分、１５ 内側シリンダ、１６ 空洞、１７、１８ 固定装置、１９ 壁、２０ 尖端、２１ 隙間、２２ 接合面、２３ 面中心、２４ 横断面

Claims (10)

1. 半径流圧縮機インペラ（３）が、軸受ハウジング（１）内に支持された軸（２）上に設けられ、かつウォーム状流路（９）を備えた圧縮機ハウジング（８）内に配置され、圧縮機インペラ（３）のハブ（４）の外側輪郭（６）と圧縮機ハウジング（８）の内側輪郭（７）が軸方向から半径方向に転向された流路（９）を形成し、圧縮機ハウジング（８）が外側渦巻きハウジング部分（１０）と内側挿入ハウジング部分（１２）から形成され、外側渦巻きハウジング部分（１０）が、流路（９）の半径方向外側に転向するた流路部分（１１）を有し、かつ第１固定装置（１８）によって軸受ハウジング（１）に固定され、内側挿入ハウジング部分（１２）の内側輪郭（１３）が圧縮機インペラ（３）のハブ（４）の外側輪郭（６）と共に流路（９）の軸方向に延びる流路部分（１４）を形成し、内側挿入ハウジング部分（１２）が、渦巻きハウジング部分（１０）と圧縮機インペラ（３）との間に配置され、かつ第２固定装置（１７）により渦巻きハウジング部分（１０）に固定された半径流圧縮機インペラ付き流体機械において、
   少なくとも前記外側渦巻きハウジング部分（１０）および／又は内側挿入ハウジング部分（１２）が、少なくとも５％の破断伸び率を持つ材料で形成されたことを特徴とする流体機械。
2. 少なくとも外側渦巻きハウジング部分（１０）および内側挿入ハウジング部分（１２）が、少なくとも５％の破断伸び率を持つ材料で形成されたことを特徴とする請求項１記載の流体機械。
3. 内側挿入ハウジング部分（１２）を渦巻きハウジング部分（１０）に固定するための第２固定装置（１７）が、圧縮機インペラ（３）の最大運動エネルギの少なくとも０．２％および挿入ハウジング部分（１２）で受けられる変形エネルギの少なくとも１．０％を吸収可能なように形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の流体機械。
4. 内側挿入ハウジング部分（１２）を渦巻きハウジング部分（１０）に固定するための第２固定装置（１７）が、少なくとも１０％の破断伸び率を持つ少なくとも１本の伸びボルトで形成されたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の流体機械。
5. 伸びボルトの破断伸び率が少なくとも１３％であることを特徴とする請求項４記載の流体機械。
6. 内側挿入ハウジング部分（１２）を渦巻きハウジング部分（１０）に固定するために用いる第２固定装置（１７）が少なくとも１本の伸びボルトで形成され、該各伸びボルトにエネルギ吸収を高めるための伸びブッシュが付設されたことを特徴とする請求項１から５の１つに記載の流体機械。
7. 伸びブッシュが少なくとも１０％の破断伸び率を持つ材料で形成されたことを特徴とする請求項６記載の流体機械。
8. 伸びブッシュが少なくとも１３％の破断伸び率を持つことを特徴とする請求項７記載の流体機械。
9. 渦巻きハウジング部分（１０）が挿入ハウジング部分（１２）を少なくとも部分的に包囲する内側シリンダ（１５）を備え、該シリンダ（１５）に、挿入ハウジング部分（１２）が第２固定装置（１７）により取り付けられて空洞（１６）を形成することを特徴とする請求項１から８の１つに記載の流体機械。
10. 第２固定装置（１７）が軸方向に可撓性を有し、第１固定装置（１８）よりも僅かな破壊抵抗を示すことを特徴とする請求項１から９の１つに記載の流体機械。
    
    

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