JP2008045425A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】羽根車の出口における空気温度の高温化に耐え得る遠心圧縮機を提供すること。
【解決手段】羽根車３の背面に、環状多重に配置された複数本のフィン３ａ，３ｂと、これらフィン３ａ，３ｂと対向する位置に配置されたラビリンスパッキンとを有し、前記羽根車３の出口と前記羽根車３の背部に形成される空間との間をシールするシール機構を備え、前記ラビリンスパッキンに、前記羽根車３の背部圧力よりも高圧の冷気体を供給する供給口を形成し、前記冷気体を前記供給口から前記羽根車３の背面に向けて流すように構成した遠心圧縮機１であって、前記フィン３ａに、複数個の切欠部３ｃを設けた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば、排気タービン過給機の圧縮機等に適用される遠心圧縮機に関するものである。

排気タービン過給機の圧縮機等に適用される遠心圧縮機としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。
特許第２９３４５３０号公報

上記特許文献１に開示された遠心圧縮機では、羽根車の背面周端部に向かって低温の高圧空気が供給され、羽根車の背面が冷却されるようになっており、これにより遠心圧縮機の圧力比が、従来の遠心圧縮機よりも高められるようになっている。
しかしながら近年、遠心圧縮機のさらなる高圧力比化に伴って、羽根車の出口における空気温度がさらに高温化してきた。そのため、近年では、羽根車の出口における空気温度のさらなる高温化に耐え得る遠心圧縮機の開発が要求されている。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、羽根車の出口における空気温度の高温化に耐え得る遠心圧縮機を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明による遠心圧縮機は、羽根車の背面に、環状多重に配置された複数本のフィンと、これらフィンと対向する位置に配置されたラビリンスパッキンとを有し、前記羽根車の出口と前記羽根車の背部に形成される空間との間をシールするシール機構を備え、前記ラビリンスパッキンに、前記羽根車の背部圧力よりも高圧の冷気体を供給する供給口を形成し、前記冷気体を前記供給口から前記羽根車の背面に向けて流すように構成した遠心圧縮機であって、前記フィンに、複数個の切欠部が設けられている。
このような遠心圧縮機によれば、切欠部（より詳しくは、切欠部を形成するフィンの端面）により、羽根車の背面に形成された温度境界層が破壊され、羽根車の熱伝達率が向上することとなるので、羽根車の温度上昇を抑えることができて、温度上昇による羽根車の強度低下を防止することができる。
また、このような遠心圧縮機によれば、切欠部（より詳しくは、切欠部を形成するフィンの端面）により、羽根車の背面に形成された温度境界層が破壊され、羽根車の熱伝達率が向上することとなるので、供給口から供給される冷気体の消費量を低減させることができる。

上記遠心圧縮機において、前記切欠部が、前記羽根車の出口から前記ラビリンスパッキンの方へ流れようとする空気の流れを阻止するように形成されているとさらに好適である。
このような遠心圧縮機によれば、切欠部が、羽根車の出口からラビリンスパッキンの方へ流れようとする空気の流れを阻止（阻害）するように形成されているので、羽根車の出口の空気がラビリンスパッキンに流入することを防止することができて、羽根車の温度上昇をさらに抑えることができ、この温度上昇による羽根車の強度低下をさらに防止することができる。

本発明による遠心圧縮機は、羽根車の背面に、環状多重に配置された複数本のフィンと、これらフィンの半径方向外側に配置された複数個の傾斜体と、これらフィンおよび傾斜体と対向する位置に配置されたラビリンスパッキンとを有し、前記羽根車の出口と前記羽根車の背部に形成される空間との間をシールするシール機構を備え、前記ラビリンスパッキンに、前記羽根車の背部圧力よりも高圧の冷気体を供給する供給口を形成し、前記冷気体を前記供給口から前記羽根車の背面に向けて流すように構成した遠心圧縮機であって、前記傾斜体が、前記羽根車の出口から前記ラビリンスパッキンの方へ流れようとする空気の流れを阻止するように形成されている。
このような遠心圧縮機によれば、傾斜体が、羽根車の出口からラビリンスパッキンの方へ流れようとする空気の流れを阻止（阻害）するように形成されているので、羽根車の出口の空気がラビリンスパッキンに流入することを防止することができて、羽根車の温度上昇を抑えることができ、この温度上昇による羽根車の強度低下を防止することができる。

上記遠心圧縮機において、前記傾斜体が、平面視翼形状を呈するように形成されているとさらに好適である。
このような遠心圧縮機によれば、傾斜体による翼作用で、空気の流れを外側に押しやる方向に力がかかることとなるので、羽根車の出口の空気がラビリンスパッキンに流入することをさらに防止することができて、羽根車の温度上昇をさらに抑えることができ、この温度上昇による羽根車の強度低下をさらに防止することができる。

本発明による排気タービン過給機は、上記いずれかの遠心圧縮機を具備している。
このような排気タービン過給機によれば、羽根車の温度上昇を抑えることができ、この温度上昇による羽根車の強度低下を防止することができる遠心圧縮機を具備しているので、遠心圧縮機の高圧力比化を図ることができる。

本発明による内燃機関は、上記排気タービン過給機を具備しているので、内燃機関に高圧力の圧縮空気を供給することができて、内燃機関の高出力化を図ることができる。
また、このような内燃機関によれば、供給口から供給される冷気体の消費量を低減させることができるので、内燃機関に供給される空気量を増加させることができて、内燃機関の高出力化を図ることができる。

本発明によれば、羽根車の温度上昇を抑えることができて、温度上昇による羽根車の強度低下を防止することができるという効果を奏する。

以下、本発明に係る遠心圧縮機の第１実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は本実施形態による遠心圧縮機１を具備した排気タービン過給機１００の要部概略構成図であり、図２は図１に示す遠心圧縮機１の要部概略平面図である。
図１に示すように、本実施形態による遠心圧縮機１の、ロータ軸２に固定された羽根車３の周端部に位置する背面とケーシング４との間には、ラビリンスパッキン（シール機構）５が配設されている。

ラビリンスパッキン５は、羽根車３の出口と、羽根車３の背部に形成されたシール空間（空間）６との間をシールするものである。また、シール空間６は放風穴７によって外部と導通しており、ラビリンスパッキン５を通過してシール空間６へ入る若干量の空気を外部へ放出して、シール空間６内の圧力を低下させるようにしている。これにより、羽根車３の出口における高圧の空気が羽根車３の背面に入って、ロータ軸２を羽根車３の入口の方向に押す推力を発生するのを阻止し、これによって主スラスト軸受８の面圧を低下させ、主スラスト軸受８の負担を低減している。なお、図１中の符号９はスラストカラー、符号１０は反スラスト軸受、符号１１は渦巻き室、符号１２はディフューザである。

ラビリンスパッキン５は、半径方向外側に位置する外側領域と半径方向内側に位置する内側領域とに分けられており、これら外側領域と内側領域との間、すなわち、ラビリンスパッキン５の周端部、言い換えれば、羽根車３の背面に形成されたフィン（凸部）３ａ，３ｂのうち、半径方向において最も外側に位置するフィン３ａと対向する領域には、環状空間（供給口）１３が形成されている。この環状空間１３には、空気通路１４を介して、低温で、かつ、羽根車３の背部における圧力Ｐ１よりも高い圧力Ｐ２の空気（冷気体）が外部から供給されるようになっている。この低温高圧空気、すなわち、低温で、かつ、羽根車３の背部における圧力Ｐ１よりも高い圧力Ｐ２の空気としては、例えば、排気タービン過給機１００から空気冷却器（図示せず）を経て内燃機関（図示せず）へ供給される低温高圧力の圧縮空気等が用いられる。

さて、本実施形態における羽根車３の周端部に位置する背面には、図２に示すように、周方向に沿って環状に形成された複数本（本実施形態では６本）のフィン（シール機構）３ａ，３ｂが設けられている。
フィン３ａは、半径方向において最も外側に位置する一本のフィンであり、このフィン３ａには、所定間隔毎（所定角度毎）に切欠部３ｃが設けられている。切欠部３ｃを形成するフィン３ａの端面（側面）はそれぞれ、羽根車３（またはロータ軸２）の回転中心軸線Ｃ（図１参照）から放射状に延びる線に沿うように（と平行になるように）形成されている。また、切欠部３ｃの底面は、羽根車３の背面と面一になるように形成されている。
一方、フィン３ｂは、半径方向においてフィン３ａよりも内側に位置する複数本（本実施形態では５本）のフィンであり、周方向に沿って連続するように形成されている。

そして、このように構成された遠心圧縮機１において、空気通路１４を介して環状空間１３に供給された低温高圧空気は、羽根車３の背面に配置されたフィン３ａ，３ｂとラビリンスパッキン５との間を流れてシール空間６内に流入した後、放風穴７を通って外部に排出されるようになっている。

本実施形態による遠心圧縮機１によれば、切欠部３ｃ（より詳しくは、切欠部３ｃを形成するフィン３ａの端面）により、羽根車３の背面に形成された温度境界層が破壊され、羽根車３の熱伝達率が向上することとなるので、羽根車３の温度上昇を抑えることができて、温度上昇による羽根車３の強度低下を防止することができる。
一方、本実施形態による遠心圧縮機１によれば、切欠部３ｃ（より詳しくは、切欠部３ｃを形成するフィン３ａの端面）により、羽根車３の背面に形成された温度境界層が破壊され、羽根車３の熱伝達率が向上することとなるので、空気通路１４から環状空間１３に入って羽根車３の背面を冷却する低温高圧空気の消費量を低減させることができる。
なお、羽根車３の出口における空気の温度は、遠心圧縮機１の圧力比に応じて高くなる。例えば、常温の空気を吸込んだ場合でも圧力比が約４．０程度であると、羽根車３の出口における空気の温度は約２５０℃に達する。

また、本実施形態による遠心圧縮機１を具備した排気タービン過給機１００によれば、羽根車３の温度上昇を抑えることができ、この温度上昇による羽根車３の強度低下を防止することができる遠心圧縮機１を具備しているので、遠心圧縮機１の高圧力比化を図ることができる。

さらに、このような排気タービン過給機１００を備えた内燃機関によれば、内燃機関に高圧力の圧縮空気を供給することができて、内燃機関の高出力化を図ることができる。
また、羽根車３の背面を冷却する低温高圧空気の消費量を低減させることができるので、空気冷却器を経て内燃機関へ供給される低温高圧力の圧縮空気を増加させることができるとともに、内燃機関の高出力化を図ることができる。

本発明に係る遠心圧縮機の第２実施形態を、図３を用いて説明する。
本実施形態における遠心圧縮機２０は、フィン３ａの代わりにフィン（シール機構）３ｄが設けられているという点で前述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

フィン３ｄは、半径方向において最も外側に位置する一本のフィンであり、このフィン３ｄには、所定間隔毎（所定角度毎）に切欠部３ｅが設けられている。切欠部３ｅを形成するフィン３ｄの端面（側面）はそれぞれ、羽根車３（またはロータ軸２）の回転中心軸線Ｃ（図１参照）から放射状に延びる線Ｒに対して傾斜し（と鋭角α（例えば、７０°）をなし）、回転方向前方側に位置する端面が半径方向外側を向き、かつ、回転方向後方側に位置する端面が半径方向内側を向くように形成されている。また、切欠部３ｅの底面は、羽根車３の背面と面一になるように形成されている。

本実施形態による遠心圧縮機２０によれば、切欠部３ｅが、羽根車３の出口からラビリンスパッキン５の方へ流れようとする空気の流れに対して斜めに、すなわち、羽根車３の出口からラビリンスパッキン５の方へ流れようとする空気の流れを阻止（阻害）するように形成されているので、羽根車３の出口の空気がラビリンスパッキン５に流入することを防止することができて、羽根車３の温度上昇を抑えることができ、この温度上昇による羽根車３の強度低下を防止することができる。
また、本実施形態による遠心圧縮機２０によれば、切欠部３ｅ（より詳しくは、切欠部３ｅを形成するフィンｄの端面）により、羽根車３の背面に形成された温度境界層が破壊されて、羽根車３の熱伝達率が向上することとなるので、羽根車３の温度上昇をさらに抑えることができ、この温度上昇による羽根車３の強度低下をさらに防止することができる。
その他の作用効果は、前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

本発明に係る遠心圧縮機の第３実施形態を、図４を用いて説明する。
本実施形態における遠心圧縮機３０は、フィン３ａの代わりに複数個の傾斜体（シール機構）３１が周方向に沿って環状に配置されているという点で前述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

傾斜体３１はそれぞれ、半径方向においてフィン３ｂよりも外側に位置する、平面視矩形状を呈する板状の部材であり、削り出しにより羽根車３の背面に形成される場合もあれば、溶接により羽根車３の背面に取り付けられる場合もある。これら傾斜体３１はそれぞれ、その中心線（長手方向軸線）が、羽根車３（またはロータ軸２）の回転中心軸線Ｃ（図１参照）から放射状に延びる線に対して傾斜し（と鋭角（例えば、７０°）をなし）、回転方向前方側に位置する端面が、回転方向後方側に位置する端面よりも半径方向において内側に位置するように形成されている。また、隣り合う傾斜体３１と傾斜体３１との間には、隙間部３２が設けられており、この隙間部３２の底面は、羽根車３の背面と面一になるように形成されている。

本実施形態による遠心圧縮機３０によれば、複数個の傾斜体３１が、羽根車３の出口からラビリンスパッキン５の方へ流れようとする空気の流れに対して斜めに、すなわち、羽根車３の出口からラビリンスパッキン５の方へ流れようとする空気の流れを阻止（阻害）するように形成されているので、羽根車３の出口の空気がラビリンスパッキン５に流入することを防止することができて、羽根車３の温度上昇を抑えることができ、この温度上昇による羽根車３の強度低下を防止することができる。
また、傾斜体３１の中心線（長手方向軸線）が、羽根車３（またはロータ軸２）の回転中心軸線Ｃ（図１参照）から放射状に延びる線に対して傾斜し（と鋭角（例えば、７０°）をなし）、回転方向前方側に位置する端面が、回転方向後方側に位置する端面よりも半径方向において内側に位置するように形成されている、すなわち、傾斜体３１が、羽根車３の出口からラビリンスパッキン５の方へ流れようとする空気の流れを阻止（阻害）するように形成されているので、羽根車の出口の空気がラビリンスパッキンに流入することをさらに防止することができて、羽根車の温度上昇をさらに抑えることができ、この温度上昇による羽根車の強度低下をさらに防止することができる。
さらに、本実施形態による遠心圧縮機３０によれば、複数個の傾斜体３１（より詳しくは、傾斜体３１の回転方向前方側に位置する端面および半径方向外側に位置する端面）により、羽根車３の背面に形成された温度境界層が破壊されて、羽根車３の熱伝達率が向上することとなるので、羽根車３の温度上昇をさらに抑えることができ、この温度上昇による羽根車３の強度低下をさらに防止することができる。
その他の作用効果は、前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

本発明に係る遠心圧縮機の第４実施形態を、図５を用いて説明する。
本実施形態における遠心圧縮機４０は、フィン３ａの代わりに複数個の傾斜体（シール機構）４１が周方向に沿って環状に配置されているという点で前述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

傾斜体４１はそれぞれ、半径方向においてフィン３ｂよりも外側に位置する、平面視翼形状を呈する板状の部材であり、削り出しにより羽根車３の背面に形成される場合もあれば、溶接により羽根車３の背面に取り付けられる場合もある。これら傾斜体４１はそれぞれ、その翼弦線（前縁と後縁とを結ぶ直線）が、羽根車３（またはロータ軸２）の回転中心軸線Ｃ（図１参照）から放射状に延びる線に対して傾斜し（と鋭角（例えば、７０°）をなし）、傾斜体４１の前縁が傾斜体４１の後縁よりも半径方向において内側に位置するように形成されている。また、隣り合う傾斜体４１と傾斜体４１との間には、隙間部４２が設けられており、この隙間部４２の底面は、羽根車３の背面と面一になるように形成されている。

本実施形態による遠心圧縮機４０によれば、複数個の傾斜体４１が、羽根車３の出口からラビリンスパッキン５の方へ流れようとする空気の流れに対して斜めに、すなわち、羽根車３の出口からラビリンスパッキン５の方へ流れようとする空気の流れを阻止（阻害）するように形成されているので、羽根車３の出口の空気がラビリンスパッキン５に流入することを防止することができて、羽根車３の温度上昇を抑えることができ、この温度上昇による羽根車３の強度低下を防止することができる。
また、傾斜体４１が、平面視翼形状を呈するように形成されている、すなわち、傾斜体４１による翼作用により、空気の流れを外側に押しやる方向の力が、第３実施形態のものよりも大きくなるので、羽根車３の出口の空気がラビリンスパッキン５に流入することをさらに防止することができて、羽根車３の温度上昇をさらに抑えることができ、この温度上昇による羽根車３の強度低下をさらに防止することができる。
さらに、本実施形態による遠心圧縮機４０によれば、複数個の傾斜体４１（より詳しくは、傾斜体４１の回転方向前方側に位置する前縁部および半径方向外側に位置する端面）により、羽根車３の背面に形成された温度境界層が破壊されて、羽根車３の熱伝達率が向上することとなるので、羽根車３の温度上昇をさらに抑えることができ、この温度上昇による羽根車３の強度低下をさらに防止することができる。
その他の作用効果は、前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

本発明に係る遠心圧縮機の第５実施形態を、図６を用いて説明する。
本実施形態における遠心圧縮機５０は、フィン３ａの代わりにフィン（シール機構）３ｆが設けられているという点で前述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

フィン３ｆは、半径方向において最も外側に位置する一本のフィンであり、周方向に沿って連続するように形成されている。また、このフィン３ｆには、所定間隔毎（所定角度毎）に切欠部３ｇが設けられている。切欠部３ｇは、フィン３ｆの半径方向内側に位置する端面から半径方向外側に位置する端面に向かって切り欠かれた、平面視矩形状を呈する窪み（凹み）である。そして、切欠部３ｇの底面は、羽根車３の背面と面一になるように形成されている。

本実施形態による遠心圧縮機５０によれば、フィン３ｆが周方向に沿って連続するように形成されており、これにより、羽根車３の出口からラビリンスパッキン５の方へ流れようとする空気の流れが阻止（阻害）されることとなるので、羽根車３の出口の空気がラビリンスパッキン５に流入することを防止することができて、羽根車３の温度上昇を抑えることができ、この温度上昇による羽根車３の強度低下を防止することができる。
また、本実施形態による遠心圧縮機５０によれば、切欠部３ｇ（より詳しくは、切欠部３ｇを形成する端面）により、羽根車３の背面に形成された温度境界層が破壊されて、羽根車３の熱伝達率が向上することとなるので、羽根車３の温度上昇をさらに抑えることができ、この温度上昇による羽根車３の強度低下をさらに防止することができる。
その他の作用効果は、前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

なお、上述した実施形態では、半径方向において最も外側に位置するフィンに切欠部を設けたもの、および半径方向において最も外側に位置するフィンの代わりに複数個の傾斜体を設けたものを具体例として説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、例えば、半径方向において最も外側から２番目あるいは３番目に位置するフィンに切欠部を設けるようにすることもできるし、半径方向において最も外側から２番目あるいは３番目に位置するフィンの代わりに複数個の傾斜体を設けるようにすることもできる。

本発明による遠心圧縮機を具備した排気タービン過給機の要部概略構成図である。 本発明による遠心圧縮機の第１実施形態を示す要部概略平面図である。 本発明による遠心圧縮機の第２実施形態を示す要部概略平面図である。 本発明による遠心圧縮機の第３実施形態を示す要部概略平面図である。 本発明による遠心圧縮機の第４実施形態を示す要部概略平面図である。 本発明による遠心圧縮機の第５実施形態を示す要部概略平面図である。

符号の説明

１ 遠心圧縮機
３ 羽根車
３ａ フィン（シール機構）
３ｂ フィン（シール機構）
３ｃ 切欠部
３ｄ フィン（シール機構）
３ｅ 切欠部
３ｆ フィン（シール機構）
３ｇ 切欠部
５ ラビリンスパッキン（シール機構）
６ シール空間（空間）
１３ 環状空間（供給口）
２０ 遠心圧縮機
３０ 遠心圧縮機
３１ 傾斜体（シール機構）
４０ 遠心圧縮機
４１ 傾斜体（シール機構）
５０ 遠心圧縮機
１００ 排気タービン過給機

Claims (6)

1. 羽根車の背面に、環状多重に配置された複数本のフィンと、これらフィンと対向する位置に配置されたラビリンスパッキンとを有し、前記羽根車の出口と前記羽根車の背部に形成される空間との間をシールするシール機構を備え、
   前記ラビリンスパッキンに、前記羽根車の背部圧力よりも高圧の冷気体を供給する供給口を形成し、前記冷気体を前記供給口から前記羽根車の背面に向けて流すように構成した遠心圧縮機であって、
   前記フィンに、複数個の切欠部が設けられていることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記切欠部が、前記羽根車の出口から前記ラビリンスパッキンの方へ流れようとする空気の流れを阻止するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 羽根車の背面に、環状多重に配置された複数本のフィンと、これらフィンの半径方向外側に配置された複数個の傾斜体と、これらフィンおよび傾斜体と対向する位置に配置されたラビリンスパッキンとを有し、前記羽根車の出口と前記羽根車の背部に形成される空間との間をシールするシール機構を備え、
   前記ラビリンスパッキンに、前記羽根車の背部圧力よりも高圧の冷気体を供給する供給口を形成し、前記冷気体を前記供給口から前記羽根車の背面に向けて流すように構成した遠心圧縮機であって、
   前記傾斜体が、前記羽根車の出口から前記ラビリンスパッキンの方へ流れようとする空気の流れを阻止するように形成されていることを特徴とする遠心圧縮機。
4. 前記傾斜体が、平面視翼形状を呈するように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の遠心圧縮機。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の遠心圧縮機を具備してなることを特徴とする排気タービン過給機。
6. 請求項５に記載の排気タービン過給機を具備してなることを特徴とする内燃機関。

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