JP2011512479A - 羽根車およびターボチャージャー - Google Patents

Abstract

回転軸（２１）と、径方向と、バックプレート（２）と、接続線（２２）においてバックプレート（２）に接続された複数の羽根（９）とを備えた羽根車（１１２，２１２）が提供される。各羽根（９）は上流側（１４）、下流側（１５）および外側（２３）を含む。各羽根（９）の下流側（１５）は、外側（２３）の近傍に配置される端縁部（２７）を含む。羽根（９）はバックプレート（２）の上に径方向に突出し、下流側（１５）は、端縁部（２７）をバックプレート（２）に接続し、かつ径方向に対して角度を含む接続部（２４）をさらに含む。接続部（２４）は接続線（２２）の近傍に配置された丸い凸状部分を含む。さらに、発明の羽根車（１１２，２１２）を備えたターボチャージャーが開示される。

Description

本発明は羽根車およびターボチャージャーに関する。

工業用ターボチャージャー圧縮機羽根車は典型的にアルミニウムで作られる。この材料は比較的安価で、容易に機械加工でき、十分軽量であるので、ターボラグは主要な課題ではない。現在の中速ディーゼルエンジン用のターボチャージャー羽根車は、貫通孔を有さない傾向にある。これは、羽根車の材料の応力が最小になり、典型的な５０，０００時間の寿命の間の疲労による羽根車の欠陥が生じにくくなるからである。

このような羽根車の寿命は、羽根車材料のクリープにより支配される傾向にあり、このため、最大動作圧力比は典型的な工業使用ではおよそ５：１に限定される。羽根車のクリープ破壊は高応力および高温度の領域と関連している。最も高温の領域、またその結果としてクリープ寿命を決定する領域は、外径近くの羽根車の背部にある。これは、典型的にラビリンスシールが、ベアリングに向かう圧縮空気の漏れを減少させるために配置される領域である。高温は、その領域におけるウィンディジ加熱に関連する。

羽根車の寿命は典型的に５０，０００時間にならなければならない。これは、従来的に、クリープ寿命の算出に従ってターボチャージャーの動作速度を制限することにより達成される。より低い動作速度では、羽根車の応力はより低くなり、羽根車の下流側の圧縮空気はより冷たくなり、より高い動作速度ではウィンディジ加熱は少なくなる。

高圧で、より最近に冷却された空気は、羽根車の背部の領域に供給されて、羽根車材料を冷たく保つ。

米国特許第５，２９７，９２８号および米国特許第６，１９０，１２３Ｂ１号には、圧縮機羽根車の後部壁を直接冷却する方法が開示されており、ガス冷却媒体が後部壁に向けられている。

米国特許第６，２５７，８３４Ｂ１号には、ターボ機関のロータとステータとの間に形成された径方向の間隙における流れを間接冷却する方法が提供されている。この方法は、径方向の間隙に隣接したステータ部分に冷却流体として水を用いるステップを含む。

ＷＯ０１／２９４２５Ａ１には、タービン型機械のロータとステータとの間に形成された径方向の間隙における流れの直接冷却と間接冷却との組み合わせが開示されており、第１の冷却流体、好ましくは水が間接冷却に使用され、第２のガス冷却流体、好ましくは空気が直接冷却に使用されている。

圧縮空気が給気冷却器により冷却された後、冷却された空気が、典型的にディーゼルエンジン空気マニホールドから取り出される。ターボチャージャーは冷却剤空気を圧縮しなければならないが、空気はディーゼルエンジンには用いられないので、この冷却された空気の導入は、ターボチャージャーの効率の寄生損失である。また、この冷却された空気は、羽根車とディフューザとの間の圧縮機流の主流に漏れ出し、圧縮効率を低減する外乱を流れに引き起こすであろう。これにもかかわらず、羽根車を冷却することにより、圧縮機は、要求された５０，０００時間の寿命を依然として達成しつつ、より高速で動作することができる。典型的に、羽根車を２０℃だけ冷却することにより、このシステムではさらに０．２バールの増圧を達成することができ、これにより、典型的に、エンジン出力率がおよそ５％増加することが可能になる。

この高圧冷却剤空気の追加時の寄生損失に加えて、羽根車の背部の圧力が増加し、スラスト荷重、またその結果、寄生スラストベアリング損失が増加する。

本発明の第１の目的は、有利な羽根車を提供することであり、第２の目的は、有利な圧縮機を提供することであり、第３の目的は、有利なターボチャージャーを提供することである。

第１の目的は、請求項１にクレームされたような羽根車により解決され得る。第２の目的は、請求項１１にクレームされたような圧縮機により解決され得る。第３の目的は、請求項１２にクレームされたようなターボチャージャーにより解決され得る。従属請求項は、本発明のさらなる発展を定義している。

発明の羽根車は、回転軸と、径方向と、バックプレートと、接続線でバックプレートに接続される複数の羽根（vane）とを含む。各羽根は上流側、下流側および外側を含む。各羽根の下流側は外側の近傍に配置される端縁部を含む。羽根はバックプレートの上に径方向に突出しており、下流側は、端縁部を各羽根とバックプレートとの接続線に接続し、径方向に対して角度を含む接続部をさらに含む。これは、発明の羽根車の下流側の一部が、従来の羽根車の下流側と比較して取り除かれていることを意味する。取り除かれた領域は高直径であるので、その領域では応力が低減される。さらに、これは羽根車の最も熱い領域であるので、羽根車の温度もまた低くなる。しかしながら、羽根の径方向の突出は、羽根の径方向の外側部分が保存されることを意味し、これは、流れに加圧する羽根車の能力を維持するのを助ける。

端縁部は径方向と垂直に配向されてもよい。接続部は、接続線の近傍に位置する丸い凸状部分を有してもよい。例えば、いくつかの実施の形態では、このような丸い凸状部分は、端縁部から各羽根とバックプレートとの接続線へ延びることができる。他の実施の形態では、このような丸い凸状部分は、端縁部から各羽根とバックプレートとの接続線へ延びてもよいＳ字形状の部分の一部になり得る。

好ましくは、各羽根はその上流側から下流側へ気流方向に動く際に後方に掃引（backswept）される。羽根を後方に掃引する（backsweeping）ことにより、余分な接線成分が、羽根車から出る流れに導入可能になり、その結果、流動の安定性および効率が向上する。後方掃引は、羽根の曲げ応力も増大させることができるが、有利にも、これらの応力は、接続線の近傍に配置される丸い凸状部分を有する接続部を用いることにより低減できる。

接続線の近傍に位置する丸い凸状部分を有する接続部を用いるさらなる利点は、羽根とバックプレートとが交わる領域において発生し得る高遠心応力を低減できることである。これに関して特に有利なのは、Ｓ字形の部分を有する接続部である。

さらに、バックプレートは径方向外周面を含むことができ、接続部はバックプレートの径方向外周面に隣接することができる。バックプレートの径方向外周面は、径方向に局所的に平行な垂線を有する平面に配置されてもよい。これは、径方向外周面は回転軸と平行であってもよいことを意味する。あるいは、バックプレートの径方向外周面は、径方向に対して０°と４５°の間の角度を含む垂線を有する平面に配置され得る。好ましくは、その角度は１５°と２５°の間の値を有してもよい。これにより、バックプレートの表面上の応力および温度が低減される。

発明の羽根車の径方向外面は、特に、従来の羽根車の径方向外面よりも回転軸に近い径方向位置に配置されてもよい。すなわち、本発明の羽根車の径方向外面と回転軸との間の距離は、従来の羽根車の径方向外面と回転軸との間の距離よりも短い。羽根車のバックプレートの一部を取り除くことにより、羽根車の空気力学的性能が低減されることがある。この低減は羽根の基部の周辺の漏れと関連しており、これは、そうでなければバックプレートの存在、および羽根車の羽根の直径の短縮によって防止されるであろう。さらに、バックプレートの一部が除去されることによって、羽根車の羽根はもはやその全長に沿って全体的に支持されなくなるので、羽根車の羽根の局部応力もまた増大し得る。

潜在的な空力的損失および羽根の局部応力を低減するために、羽根車の先端にある羽根の形状は注意深く選択されるのが好ましい。接続線に隣接する接続部に位置する接線と径方向との間の角度は、１０°と４５°の間、好ましくは１５°と２５°の間の値を有してもよい。これにより、羽根の漏れ損失が低減される。さらに、下流側の端縁部の、回転軸の方向における長さは、回転軸の方向における下流側の長さの５０％より大きくすることができる。これは、バックプレートに最も近い羽根の部分のみが取り除かれるので、作動流体に最も効率的に作用している羽根の部分が残ることになることを意味する。

羽根の形状は、その設計が所謂「ラジアル素子」設計にぴったり一致するように、下流側の領域において変形できる。これにより、羽根の応力は許容可能な低レベルに確実に保たれる。

典型的に、羽根車は、羽根との接続線からバックプレートの他方側において、バックプレートから突出している、径方向に間隔を空けられかつ軸方向に延びるリブを有する。このため、ラビリンスシールはリブと噛み合うようにバックプレートに対向して、羽根車のケーシングに設けられてもよい。

付加的に、または、代わりに、羽根車はバックプレートの径方向外周面との封止を形成する封止部を有するケーシングを有してもよい。

発明の圧縮機は、前述のような発明の羽根車を含み、発明のターボチャージャーは発明の圧縮機を含む。発明の圧縮機および発明のターボチャージャーは発明の羽根車と同じ利点を有する。

発明の羽根車は、従来の羽根車と比較して長いクリープ寿命を有することができる。さらに、冷却剤流の必要性は最小に保たれることができる。

さらに、本発明のさらなる特徴、特性および利点は、添付の図面に関連して実施の形態の以下の説明から明らかになるであろう。各特徴または特徴の組み合わせが有利になり得る。

ターボチャージャーを模式的に示す断面図 従来のターボチャージャー圧縮機羽根車の一部を模式的に示す断面図 発明のターボチャージャー圧縮機羽根車の一実施の形態の一部を模式的に示す断面図 発明のターボチャージャー圧縮機羽根車の代替の実施の形態の一部を模式的に示す断面図

発明の羽根車および発明のターボチャージャーの第１の実施の形態を図１〜図４を参照して以下に説明する。図１は、ターボチャージャーを断面図で模式的に示している。このターボチャージャーはタービン１１および圧縮機１０を備える。タービン１１および圧縮機１０は、シャフト２０により接続されている。

タービン１１は、タービンケーシング３の内側に配置されるロータ４を含む。タービンケーシング３は、ロータ４に至る排気入口５を有し、排気入口５に入る排気がロータ４を作動させる。さらに、タービンケーシング３は、排気出口６を有し、その排気出口６を通してロータ４から来る排気がタービンケーシング３を出る。矢印１８は、排気入口５を通してタービンケーシング３に入り、ロータ４を作動させ、排気出口６を通してタービンケーシング３を出る排気流を示す。

圧縮機１０は、圧縮機ケーシング１の内側に配置された羽根車１２を含む。さらに、圧縮機１０は、空気を羽根車１２に導く空気入口７と、羽根車１２から来る空気が圧縮機ケーシング１を出る空気出口８とを有する。矢印１９は、空気入口７を通して圧縮機ケーシング１に入り、羽根車１２により圧縮され、空気出口８を通して圧縮機ケーシング１を出る空気流を示す。

羽根車１２はバックプレート２と羽根（ベーン）９を含む。バックプレート２はシャフト２０に連結されている。さらに、バックプレート２は一般的に円錐形状であり、円周方向に間隔があけられた複数の弓形の羽根９がその周囲に形成される。典型的に羽根は後方に掃引される。羽根車１２の背面１６は、径方向に間隔を空けられかつ軸方向に延びるリブ１７を有する。ラビリンスシール１３は、リブ１７と噛み合うように羽根車１２の背面１６と反対側の圧縮機ケーシング１に設けられる。ラビリンスシール１３は環状のリブ１７に係合して、羽根車１２の背面１６に沿ったベアリングに向かう圧縮空気の漏れを減少させる。

さらに、バックプレート２は径方向外周面２５を含む。ケーシングの封止部５０はバックプレートの径方向外周面２５との封止を形成して、圧縮空気の漏れをさらに減少させる。

タービン１１のロータ４は、シャフト２０に接続され、作動するロータ４がシャフト２０を作動させる。シャフト２０は、さらに圧縮機１０の中の羽根車１２に接続される。したがって、ロータ４は、シャフト２０によって羽根車１２を作動させる。回転軸は、参照番号２１により示される。

タービン１１において、排気入口５に入る排気流１８がロータ４を作動させ、排気出口６を通してタービンを出る。矢印１８は、排気流の方向を示す。その間、ロータ４により駆動された圧縮機１０内の羽根車１２は、大気中の新鮮な空気を空気入口７に吸引し、それを予め圧縮された新鮮な空気に圧縮し、それは空気出口８に入る。それから、圧縮空気は、例えばディーゼルエンジン等の往復エンジン（レシプロエンジン）に使用される。矢印１９は、空気流方向を示す。

図２は従来のターボチャージャー圧縮機羽根車１２の一部を断面で模式的に示す。この羽根車１２は、例えばアルミニウムから作られている。羽根車１２はバックプレート２および羽根９を備える。羽根９は接続線２２でバックプレート２に接続される。各羽根９は上流側１４および下流側１５を含む。空気入口７内に吸引された空気は、羽根９の上流側１４に到達し、方向１９に沿って羽根９を通り、空気出口８に向って下流側１５で羽根９から出て行く。

接続線２２の反対側に、外側２３が配置される。外側２３は凹形を有する。上流側１４は回転軸２１に垂直に延びている。しかしながら、上流側１４と回転軸２１との間には角度が存在してもよく、０°と±１００の間の値を有してもよい。下流側１５は、回転軸２１により規定された径方向に垂直に配向される。径方向外周面２５は、垂線が局所的に径方向と平行した状態の平面に配置される。径方向外周面２５と回転軸２１との間の距離は、参照番号３０により示される。

図３は発明のターボチャージャー圧縮機羽根車１１２の一部を断面で模式的に示す。図１または図２の要素に対応する要素は同じ参照番号で示され、再度詳細には説明されない。図２に示されたような従来の羽根車１２、および図３に示されたような発明の羽根車１１２は、羽根９の下流側１５の形状およびバックプレート２の径方向外周面２５の径方向位置が異なる。

発明の羽根車１１２の下流側１５は、外側２３の近傍に配置される端縁部２７と、接続線２２の近傍に配置され、接続線２２を端縁部２７に接続する接続部２４とを含む。図３の接続部２４は丸い凸形状を有する。しかしながら、他の形状、例えば直線形状またはＳ字形状（Ｓ字形状の一部は丸い凸形状であり得るが）にもできる。

外側２３の近傍に配置された端縁部２７はさらに、回転軸２１により規定された径方向と垂直に配向される。さらに、外側２３の近傍に配置された端縁部２７は、回転軸２１に平行に延びてもよい。これは、図３に示される羽根９の場合である。下流側１５の端縁部２７の、回転軸２１の方向における長さは、回転軸２１の方向における下流側１５の長さの５０％より大きい。

外側２３の近傍に配置される端縁部２７は、接続線２２の近傍に位置する接続部２４に隣接している。接続線２２で接続部２４は径方向外周面２５に隣接しており、この径方向外周面２５は、図２における対応する径方向外周面２５と同じ特性を有する。図３における径方向外周面２５と回転軸２１との間の距離は、参照番号３１により示され、図２に示された従来の羽根車１２の対応する距離３０よりも小さい。さらに、発明の羽根車１１２の羽根９は、バックプレート２の上に径方向に突出している。

図３は、接続部２４が径方向外周面２５に隣接している点における、接続部２４の接線２６をさらに示している。接線２６と回転軸２１に対して径方向の線２８との間の角２９は、１０°と４５°の間、好ましくは１５°と２５°の間の値を有する。

図４は、発明のターボチャージャー圧縮機羽根車２１２の代替の実施の形態の一部を断面図で模式的に示している。図３の要素に対応する要素は、同じ参照番号で示されており、再度詳細には説明されない。図３とは異なり、図４に示された羽根車２１２は、Ｓ字形状を有する接続部２４を含む。さらに、図４の径方向外周面２５は回転軸２１に対して角度３２を含む。角度３２は０°と４５°の間、好ましくは１５°と２５°の間の値を有する。これにより背面１６上の応力および温度がさらに低減される。本実施の形態では接続部はＳ字形状を有するが、例えば第１の実施の形態の接続部の丸い凸形状、または直線状のような他の形状にもなり得る。

発明の羽根車１１２，２１２の設計を改善することにより、羽根の漏れ損失が低減され、羽根の応力が許容可能な低レベルに保たれる。これにより、羽根車のクリープ寿命が伸び、冷却剤流の必要性が最小になる。

Claims (12)

1. 回転軸（２１）と、径方向と、バックプレート（２）と、接続線（２２）においてバックプレート（２）に接続される複数の羽根（９）とを備え、各羽根（９）は上流側（１４）、下流側（１５）および外側（２３）を含み、各羽根（９）の下流側（１５）は外側（２３）の近傍に配置された端縁部（２７）を含み、
   羽根（９）はバックプレート（２）の上に径方向に突出し、下流側（１５）は、端縁部（２７）を接続線（２２）に接続し、かつ径方向に対して角度を含む接続部（２４）をさらに備える羽根車（１１２，２１２）であって、
   接続部（２４）は接続線（２２）の近傍に配置される丸い凸状部分を含むことを特徴とする、羽根車（１１２，２１２）。
2. 端縁部（２７）は径方向と垂直に配向されることを特徴とする請求項１に記載の羽根車（１１２，２１２）。
3. 各羽根は、その上流側からその下流側へ気流方向に移動するときに後方に掃引されることを特徴とする請求項１または２に記載の羽根車（１１２，２１２）。
4. バックプレート（２）は径方向外周面（２５）を含み、接続部（２４）はバックプレート（２）の径方向外周面（２５）に隣接していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の羽根車（１１２，２１２）。
5. バックプレート（２）の径方向外周面（２５）は、径方向に局所的に平行である垂線を有する平面に配置されることを特徴とする請求項４に記載の羽根車（１１２，２１２）。
6. バックプレート（２）の径方向外周面（２５）は、径方向に対して０°と４５°の間の角度（３２）を含む垂線を有する平面に配置されることを特徴とする請求項４に記載の羽根車（１１２，２１２）。
7. 角度（３２）は１５°と２５°の間の値を有することを特徴とする請求項６に記載の羽根車（１１２，２１２）。
8. 径方向と、接続線（２２）に隣接する接続部（２４）の接線（２６）との間の角度（２９）は、１０°と４５°の間の値を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の羽根車（１１２，２１２）。
9. 角度（２９）は１５°と２５°の間の値を有することを特徴とする請求項８に記載の羽根車（１１２，２１２）。
10. 下流側（１５）の端縁部（２７）の、回転軸（２１）の方向における長さは、回転軸（２１）の方向における下流側（１５）の長さの５０％よりも大きいことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の羽根車（１１２，２１２）。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の羽根車（１１２，２１２）を備えた圧縮機。
12. 請求項１１に記載の圧縮機を備えたターボチャージャー。

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