JP2010270748A

JP2010270748A - ターボ過給機用圧縮機及び前記圧縮機を具備するターボ過給機

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Publication number: JP2010270748A
Application number: JP2010026464A
Authority: JP
Inventors: Klaus Bartholomae; クラウス・バルトロメー; Hartwig Proell; ハルトヴィク・プレール
Original assignee: MAN Diesel SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2010-12-02
Also published as: CN101892994B; DE102009021968A1; KR101270910B1; CH701132B1; KR20100124652A; CH701132A2; CN101892994A

Abstract

【課題】圧縮機の効率を低下させないで、圧縮機に付加空気流入を行う。
【解決手段】ターボ過給機のための圧縮機と、圧縮機が装備されたターボ過給機であって、圧縮機は、吸気口及び排気口１２を有する圧縮機ケーシング１０と、回転できるように圧縮機ケーシング内に支承され、自身に連動する駆動装置によって回転駆動可能なプロペラ軸と、圧縮機ケーシング１０内で、吸気口及び排気口１２の間における空気流経路に関連して、プロペラ軸の上に配置されている圧縮機インペラと、圧縮機によって排気口１２に供給される空気量を、駆動装置とは無関係に増加させるために、付加空気を圧縮機ケーシング内に選択的に供給するための付加空気流入孔５０と、を有する。付加空気流入孔５０は圧縮機インペラ及び排気口の間における空気流経路５１に配置されているので、圧縮機インペラから流出する空気流が排気口１２に向かう間に、付加空気が供給可能である。
【選択図】図４

Description

本発明は、請求項１のおいて書きに記載の圧縮機と、当該圧縮機を具備するターボ過給機、特に排気ガスターボ過給機と、に関する。

非特許文献１には、冒頭に述べた種類の圧縮機が記載されている。図１に示された圧縮機は、圧縮機ケーシング１０’と、プロペラ軸３０’と、圧縮機インペラ４０’と、多数の付加空気流入孔５０’と、を備えている。このとき、圧縮機ケーシング１０’は吸気口１１’及び排気口１２’を有している。プロペラ軸３０’は回転可能なように圧縮機ケーシング１０’内に支承されているので、プロペラ軸３０’は例えば電動機又はタービンロータ（どちらも図示せず）などの、当該プロペラ軸に連動する駆動装置（図１には示さず）によって回転駆動が可能である。圧縮機インペラ４０’は、圧縮機ケーシング１０’内で、吸気口１１’及び排気口１２’の間における空気流経路に関連して、プロペラ軸３０’の上に配置されている。付加空気流入孔５０’はノズルとして構成されており、付加空気を圧縮機ケーシング１０’内の圧縮機インペラ４０’に選択的に供給するために設けられている。それによって、圧縮機１’によって空気を供給される燃焼機関において負荷が突然に増大した場合に、駆動装置に関係なく圧縮機インペラ１０’が加速し得るので、圧縮機１’によって排気口１２’に供給される空気量もしくは排気口１２’で測定されるブースト圧は増大する。

このＪｅｔＡｓｓｉｓｔＳｙｓｔｅｍとも称される、圧縮機インペラ４０’の回転数を上げる形式では、付加空気はノズル状の付加空気流入孔５０’を通じて、圧縮機インペラ４０’のブレードに吹き付けられる。付加空気流入孔５０’は、スペーサ１３’内に構成されており、スペーサ１３’は圧縮機ケーシング１０’内に組み込まれているので、スペーサ１３’は圧縮機インペラ４０’を吸気口側において径方向に取り囲んでいる。それによって、圧縮機インペラは加速し、より多くの空気を燃焼機関に搬送するので、その負荷遮断挙動は改善される。

ＪｅｔＡｓｓｉｓｔＳｙｓｔｅｍは、好適には回転数の低い領域で適用されることが一般的である。それにもかかわらず、付加空気の空気ジェットは、圧縮機インペラ４０’のブレードの揺動を引き起こし得る。しかしながら、当該揺動によって破損を生じる可能性がある。揺動に抵抗するために、ブレードに吹き付けられる付加空気の圧力を制限することも可能だが、それによって同時に、圧縮空気の加速によって燃焼機関に付加的に供給できる空気量も制限される。

さらに、付加空気流入孔５０’は、付加空気が供給されない高負荷な領域においても、自身の存在だけで、圧縮機インペラ４０’のブレードの揺動を引き起こし得る。揺動の負荷を軽減するためのブレードの補強は、効率の低下及び圧縮機インペラ４０’の吸収能力の低下ゆえに望ましくない。圧縮機インペラ４０’のブレードが「こする」ことによって縁が損傷し得るために、スペーサ１３’内の付加空気流入孔５０’は、圧縮機１’の効率をさらに低下させる可能性がある。

ＭＡＮＤｉｅｓｅｌＳＥ社（ドイツ、アウクスブルク）の設計手引書７７ページ（０４１０．０２節）

本発明の課題は、ターボ過給機のための圧縮機を提供することにある。当該圧縮機は、圧縮機の排気口における迅速な空気量もしくはブースト圧の増加に関して、改善された動作特性を有している。さらに、本発明の課題は、前記圧縮機を具備するターボ過給機を提供することにある。

本課題は、請求項１に記載の圧縮機もしくは請求項１０に記載のターボ過給機によって解決される。本発明のさらなる構成は、各従属請求項に記載されている。

本発明の第一の態様によると、ターボ過給機のための圧縮機が具備するのは、圧縮機内で圧縮されるべき空気を取り入れるための吸気口及び圧縮機内で圧縮された空気を排出するための排気口を有する圧縮機ケーシングと、回転できるように圧縮機ケーシング内に支承され、自身に連動する駆動装置によって回転駆動可能なプロペラ軸と、圧縮機ケーシング内で、吸気口及び排気口の間における空気流経路に関連して、プロペラ軸の上に配置されている圧縮機インペラと、圧縮機によって排気口に供給される空気量を駆動装置とは無関係に増加させるために、付加空気を圧縮機ケーシング内に選択的に供給するための付加空気流入孔を少なくとも１つと、である。

本発明に係る圧縮機は、少なくとも１つの付加空気流入孔が、圧縮機ケーシング内で、圧縮機インペラ及び排気口の間における空気流経路に配置されているので、圧縮機インペラから流出する空気流が排気口に向かう間に、付加空気が供給可能であるという点で優れている。

本発明においては、吸気口を通じて圧縮機内に吸い込まれた空気流が圧縮機インペラを通過した後で初めて、必要に応じてもしくは負荷の遮断に応じて、当該空気流に付加空気が供給されるので、当該付加空気は圧縮機インペラに、圧縮機インペラのブレードの揺動のような、ネガティブな影響を与えることはない。それゆえに、付加空気の空気量もしくは圧力が、圧縮機が原因で制限されることはなく、したがって、突発的な負荷遮断の場合に、消費側の圧縮機に接続された燃焼機関に迅速に追加供給することができる空気量（もしくはブースト圧）が、圧縮機が原因で制限されることもない。

それにもかかわらず、付加空気がケーシング内、すなわち圧縮機インペラ及び排気口の間に供給されるので、圧縮機及び負荷遮断反応要素のシステム（ここでは付加空気流入孔）はユニット内で極めてコンパクトに実現できる。ここでは、圧縮機インペラの障害（揺動による破損など）は確実に回避される。

本発明に係る圧縮機の一実施形態によると、少なくとも１つの付加空気流入孔は、付加空気を、排気口に向かう空気流の流れる方向に対応して供給できるように構成されている。本発明において方向に対応するとは、付加空気の流れる方向が、圧縮機インペラからの空気流の流れる方向に類似しているという意味である。付加空気は好適には９０度よりも小さい角度で、さらに好適には４５度よりも小さい角度で、圧縮機インペラから流れてくる空気流に衝突する。それによって、過流とそれに伴う出力の低下とが大幅に抑えられる。

さらに好適には、少なくとも１つの付加空気流入孔は、付加空気を、排気口に向かう空気流の流れる方向と同じ方向で、すなわち略平行に供給できるように構成されている。それによって、過流とそれに伴う出力の低下とが最小限に抑えられる。

本発明に係る圧縮機のさらなる実施形態によると、圧縮機ケーシング内にはスクリュー圧縮機が構成されている。このときスクリュー圧縮機は、空気流経路における空気通路として、径方向に広がる中間通路もしくは拡散通路を介して、圧縮機インペラに接続されるとともに、排気口に合流している。また、少なくとも１つの付加空気流入孔は、中間通路又はスクリュー圧縮機内に構成されている。

中間通路又はスクリュー圧縮機の領域において付加空気を供給することによって、付加空気と圧縮機インペラからの空気流とから成る全体の空気流は、十分な時間と通路を利用することができるので、過流が終息し、全体の空気流は均質な形をとることができる。それによって、外部で生成された、圧力下の付加空気の、圧縮機に接続された燃焼機関（例えばディーゼルエンジン）などの消費者に対する供給は、流体という観点からはほとんど「認識できない」ので、消費者の最適な負荷遮断挙動が得られる。

本発明に係る圧縮機の一実施形態によると、当該圧縮機はさらに、中間通路に配置された後置静翼を有している。好適には、少なくとも１つの付加空気流入孔は、後置静翼の排気領域において中間通路の内壁に構成されている。

後置静翼下流の構成は、一方では、付加空気の圧縮機インペラへの逆流に対して付加的なバリアを提供し、他方では、圧縮機インペラからの空気流を準備し、必要に応じてさらに加速して付加空気流に衝突させた後には、概ね付加空気が誘発した過流のみを調整すればよいということを保証する。

本発明に係る圧縮機の一実施形態によると、少なくとも１つの付加空気流入孔が、中間通路とスクリュー圧縮機との移行部内壁に構成されている。好適には当該内壁は、圧縮機インペラからの空気流の流れる方向に対して略垂直に伸びているので、付加空気は略平行に、当該空気流に流入することが可能であり、それによって過流が最小限に抑えられる。

本発明に係る圧縮機の一実施形態によると、少なくとも１つの付加空気流入孔が、スクリュー圧縮機の内壁に構成されている。

スクリュー圧縮機内における流れの具体的な状況を把握すると、付加空気が少ない過流のみで排気口に向かう空気流に流れ込むように、付加空気流入孔（例えば傾斜したスリット又は孔などとして）を設けることができる。

本発明に係る圧縮機のさらなる実施形態によると、少なくとも１つの付加空気流入孔が、圧縮機の軸方向において直接中間通路に隣接する、もしくは中間通路に対向し、方向に対応して中間通路に続いているスクリュー圧縮機の内壁の一部分に構成されている。

本発明に係る圧縮機のさらなる実施形態によると、付加空気流入孔が、スクリュー圧縮機の内壁の、圧縮機インペラに隣接する、圧縮機の径方向において内側の一部分に構成されている。

本発明に係る圧縮機の一実施形態によると、当該圧縮機はさらにスペーサを有している。当該スペーサは、圧縮機ケーシングにはめ込まれているので、スペーサは圧縮機インペラを径方向に包囲する。このとき、スペーサの外周と圧縮機ケーシングとの間には、付加空気流入孔で終わる付加空気通路が構成されている。また、付加空気通路は、付加空気の流入口を有しており、当該流入口は圧縮機ケーシングの外面に配置されている。

これによって、付加空気を容易に供給することができる。このとき、好適には、通常のＪｅｔＡｓｓｉｓｔＳｙｓｔｅｍの際に設けられる接続と、場合によってはその通気道の一部も利用できるので、設計を変更する際の負担が最小限に抑えられる一方で、場合によっては現存の圧縮機の装備変更及び／又は拡張も可能である。

本発明に係る圧縮機の特に好適な実施形態によると、当該圧縮機は一段式遠心圧縮機もしくは渦巻圧縮機として構成される。

本発明に係る第二の態様によれば、ターボ過給機は、上述した実施形態の内１つ、複数、又は全ての実施形態の考えられ得るあらゆる組み合わせに係る圧縮機を有する。

本発明に係るターボ過給機の一実施形態によると、当該ターボ過給機はさらにタービンを有している。当該タービンは、タービンケーシングと、プロペラ軸のための駆動装置を形成しているタービンロータと、を有している。当該タービンロータは、タービンケーシング内において、プロペラ軸の上に配置されている。

以下に、本発明を好適な実施形態に基づき、図を用いて詳細に説明する。

先行技術に係る圧縮機の部分断面の透視図である。本発明の一実施形態に係るターボ過給機の断面図である。本発明の実施形態に係る１つ又は複数の付加空気流入孔を配置する可能性を示す概略的断面図である。本発明の実施形態に係る１つ又は複数の付加空気流入孔を配置する可能性を示す概略的断面図である。本発明の実施形態に係る１つ又は複数の付加空気流入孔を配置する可能性を示す概略的断面図である。本発明の実施形態に係る１つ又は複数の付加空気流入孔を配置する可能性を示す概略的断面図である。本発明の実施形態に係る１つ又は複数の付加空気流入孔を配置する可能性を示す概略的断面図である。本発明の一実施形態に係る圧縮機の部分断面の透視図である。本発明の一実施形態に係る圧縮機を軸方向に見た図である。図５の圧縮機の部分拡大図である。図５の圧縮機の部分拡大図である。本発明の一実施形態に係る圧縮機の部分断面の拡大図である。

以下に、図２〜図７を用いて、本発明に係るターボ過給機の実施形態を説明する。

図２に示すように、ターボ過給機は、本図では排気ガスによって駆動されるタービン２と、タービン２によって駆動される圧縮機１と、を有している。言い換えれば、図２に示されたターボ過給機は排気ガスターボ過給機である。

圧縮機１は、圧縮機１内で圧縮されるべき空気を取り入れるための吸気口１１及び圧縮機１内で圧縮された空気を排出するための排気口１２を有する圧縮機ケーシング１０と、回転できるように圧縮機ケーシング１０内に支承され、自身に連動するタービン２の駆動装置によって回転駆動可能なプロペラ軸３０と、ブレード４１を備えた圧縮機インペラ４０と、を有している。圧縮機インペラ４０は、圧縮機ケーシング１０内で、吸気口１１及び排気口１２の間における空気流経路に関連して、プロペラ軸３０に配設されている。

タービン２は、一般的な方法で構成されており、タービンケーシング２０と、プロペラ軸３０のための駆動装置を形成しているタービンロータ２１と、を有している。当該タービンロータは、タービンケーシング２０内において、プロペラ軸３０に配設されている。

圧縮機１の圧縮機ケーシング１０内には、拡散通路もしくは中間通路１４と、螺旋ケーシングの形態とされるスクリュー圧縮機１５と、が構成されている。スクリュー圧縮機１５は、空気流経路内の空気通路として、径方向に延在する中間通路１４を介して、圧縮機インペラ４０に接続されているとともに、排気口１２に合流している。

圧縮機１は、中間通路１４内に配置された後置静翼６０と、１つ又は複数の付加空気流入孔５０（以下では便宜上、少なくとも１つの付加空気流入孔５０のみに関連して説明する）と、をさらに有している。図３Ａ〜図３Ｅの矢印は、当該付加空気流入孔の圧縮機１内における実施可能な位置を示している。少なくとも１つの付加空気流入孔５０は、圧縮機１によって排気口１２に供給される空気量を、駆動装置とは無関係に増加させる目的で（もしくはブースト圧を上昇させる目的で）、圧縮機ケーシング１０に付加空気を（圧縮空気もしくは噴射空気の状態で）選択的に供給するために用いられる。

少なくとも１つの付加空気流入孔５０は、圧縮機インペラ４０と排気口１２との間の圧縮機ケーシング１０内の空気流経路に配置されているので、付加空気は、圧縮機インペラ４０から排出されて排気口１２に向かう空気流に供給可能である。本発明の実施形態によると、少なくとも１つの付加空気流入孔５０は、中間通路１４及びスクリュー圧縮機１５のうちいずれか一方の内部に構成されている。

図２及び図４から明らかなように、圧縮機１はさらにスペーサ１３を有している。スペーサ１３は、吸気口側で圧縮機ケーシング１０にはめ込まれており、圧縮機インペラ４０を径方向に取り囲んでいる。このとき、スペーサ１３の外周と圧縮機ケーシング１０との間には、少なくとも１つの付加空気流入孔５０で終わる、もしくは当該付加空気流入孔に合流する付加空気通路５１が構成されている（図４右の拡大図における太線矢印を参照）。付加空気通路５１は、圧縮機ケーシング１０の外面に配置された付加空気の流入口（図示せず）を有している。

付加空気は、例えばターボ過給機が装備されたエンジン（ディーゼルエンジンなど）のスタートシリンダ（図示せず）又はその他の圧縮空気源（図示せず）から取り出され、付加空気通路５１に、その付加空気の流入口を通じて供給される。このとき好適には、例えば従来のＪｅｔＡｓｓｉｓｔＳｙｓｔｅｍの圧縮機ケーシング１０への接続が用いられる。付加空気は、付加空気通路５１に沿って、現存の通気道を通過し、圧縮機ケーシング１０とスペーサ１３との間の空間に至り、当該空間から少なくとも１つの付加空気流入孔５０に誘導され、当該付加空気流入孔から排出される。

図３から明らかなように、本発明の実施形態によると、少なくとも１つの付加空気流入孔５０は、付加空気を、排気口１２に向かう空気流の流れる方向に対応して供給できるように構成されている（図３Ａ、図３Ｃ、図３Ｅ、図３Ｄを参照）。本発明の別の実施形態によると、少なくとも１つの付加空気流入孔５０は、付加空気を、排気口１２に向かう空気流の流れる方向と同じ方向で供給できるように構成されている。

図３Ａ、図７及び図３Ｅに示すように、本発明の実施形態によると、少なくとも１つの付加空気流入孔５０は、スクリュー圧縮機１５の内壁に構成されている。

図３Ａ及び図７によると、少なくとも１つの付加空気流入孔５０は、圧縮機１の軸方向において中間通路１４に直接隣接する、スクリュー圧縮機１５の内壁の一部分１５ａ内に構成されている。

図３Ｅによると、少なくとも１つの付加空気流入孔５０は、スクリュー圧縮機１５の内壁の、圧縮機インペラ４０に隣接する、圧縮機１の径方向において内側の一部分１５ｂ内に構成されている。

図３Ｂ、図５、図６Ａ、及び図６Ｂに示したように、本発明の一実施形態によると、少なくとも１つの付加空気流入孔５０が、中間通路１４とスクリュー圧縮機１５との、肩を形成する移行部の内壁に構成されている。好適には、当該内壁もしくは肩は、圧縮機インペラ４０からの空気流の流れる方向に略平行に延在しているので、付加空気は略接線方向において当該空気流に流入可能であり、結果として過流は最小限に抑えられる。

図３Ｃ及び図３Ｄに示すように、本発明の実施形態によると、少なくとも１つの付加空気流入孔５０は、後置静翼６０の排気領域において中間通路１４の内壁に構成されている（図３Ｃ及び図３Ｄには図示せず。図２を参照）。このとき付加空気の排出は、好適には略後置静翼６０の流出方向において、すなわちその方向に対応して行われる。

１つ又は複数の付加空気流入孔５０は、斜め又は垂直のスリット又は孔として構成される。

このとき、スリット又は孔の貫流する面には、ＪｅｔＡｓｓｉｓｔＳｙｓｔｅｍの場合よりもはるかに大きい面が選択される。圧縮機インペラ４０のブレード４１への影響を考慮する必要がないからである。ＪｅｔＡｓｓｉｓｔＳｙｓｔｅｍの場合に設けられる付加空気流入孔５１’（図１を参照）が原因となる効率の低下も、本発明に係る１つ又は複数の付加空気流入孔（５０）の場合には発現しない。

１圧縮機
１’ 圧縮機
２タービン
１０圧縮機ケーシング
１０’ 圧縮機ケーシング
１１吸気口
１１’ 吸気口
１２排気口
１２’ 排気口
１３スペーサ
１３’ スペーサ
１４中間通路
１５スクリュー圧縮機
１５ａ壁の一部分
１５ｂ壁の一部分
２０タービンケーシング
２１タービンロータ
３０プロペラ軸
３０’ プロペラ軸
４０圧縮機インペラ
４０’ 圧縮機インペラ
４１ブレード
５０付加空気流入孔
５０’ 付加空気流入孔
５１空気通路
６０後置静翼

Claims

ターボ過給機のための圧縮機（１）であって、
前記圧縮機（１）内で圧縮されるべき空気を取り入れるための吸気口（１１）及び前記圧縮機（１）内で圧縮された空気を排出するための排気口（１２）を有する圧縮機ケーシング（１０）と、
回転できるように前記圧縮機ケーシング（１０）内に支承され、自身に連動する駆動装置によって回転駆動可能なプロペラ軸（３０）と、
前記圧縮機ケーシング（１０）内で、吸気口（１１）及び排気口（１２）の間における空気流経路に関連して、前記プロペラ軸（３０）の上に配置されている圧縮機インペラ（４０）と、
前記圧縮機（１）によって前記排気口（１２）に供給される空気量を、前記駆動装置とは無関係に増加させるために、付加空気を前記圧縮機ケーシング（１０）内に選択的に供給するための付加空気流入孔（５０）と、
を有する圧縮機（１）において、
前記付加空気流入孔（５０）が、前記圧縮機ケーシング（１０）内で、圧縮機インペラ（４０）及び排気口（１２）の間における空気流経路に配置されているので、前記圧縮機インペラ（４０）から流出する空気流が前記排気口（１２）に向かう間に、前記付加空気が供給可能であることを特徴とする圧縮機（１）。
前記付加空気流入孔（５０）が、前記排気口（１２）に向かう空気流の流れる方向に対応して、前記付加空気を供給できるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機（１）。
前記付加空気流入孔（５０）が、前記排気口（１２）に向かう空気流の流れる方向と同じ方向において、前記付加空気を供給できるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮機（１）。
前記圧縮機ケーシング（１０）内にスクリュー圧縮機（１５）が構成されており、前記スクリュー圧縮機（１５）が前記空気流経路における空気通路として、径方向に広がる中間通路（１４）を介して、前記圧縮機インペラ（４０）に接続されるとともに、前記排気口（１２）に合流しており、前記付加空気流入孔（５０）が前記中間通路（１４）又は前記スクリュー圧縮機（１５）内に構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の圧縮機（１）。
さらに前記中間通路（１４）に配置された後置静翼（６０）を有しており、前記付加空気流入孔（５０）が、前記後置静翼（６０）の排気領域において前記中間通路（１４）の内壁に構成されていることを特徴とする請求項４に記載の圧縮機（１）。
前記付加空気流入孔（５０）が、中間通路（１４）及びスクリュー圧縮機（１５）の移行部の内壁に構成されていることを特徴とする請求項４に記載の圧縮機（１）。
前記付加空気流入孔（５０）が、前記スクリュー圧縮機（１５）の内壁に構成されていることを特徴とする請求項４に記載の圧縮機（１）。
前記付加空気流入孔（５０）が、前記圧縮機（１）の軸方向において前記中間通路（１４）に直接隣接する、前記スクリュー圧縮機（１５）の内壁の一部分（１５ａ）内に構成されていることを特徴とする請求項７に記載の圧縮機（１）。
前記付加空気流入孔（５０）が、前記スクリュー圧縮機（１５）の内壁の、前記圧縮機インペラ（４０）に隣接する、前記圧縮機（１）の径方向において内側の一部分（１５ｂ）内に構成されていることを特徴とする請求項７に記載の圧縮機（１）。
さらにスペーサ（１３）を有する圧縮機であって、前記スペーサ（１３）が前記圧縮機ケーシング（１０）にはめ込まれているゆえに前記スペーサ（１３）が前記圧縮機インペラ（４０）を径方向に取り囲んでおり、前記スペーサ（１３）の外周と前記圧縮機ケーシング（１０）との間には、前記付加空気流入孔（５０）で終わる付加空気通路（５１）が構成されており、前記付加空気通路（５１）は、前記圧縮機ケーシング（１０）の外面に配置された付加空気の流入口を有していることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の圧縮機（１）。
請求項１から１０のいずれか一項に記載の圧縮機（１）を備えていることを特徴とするターボ過給機。
タービンケーシング（２０）と、前記タービンケーシング（２０）内において前記プロペラ軸（３０）の上に配置された、前記プロペラ軸（３０）のための駆動装置を形成するタービンロータ（２１）と、を有するタービン（２）をさらに備えていることを特徴とする請求項１１に記載のターボ過給機。