JP2014111905A - 遠心圧縮機およびこれを備えた過給機ならびに遠心圧縮機の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ラビリンスシール部のシール性を確保しつつ、羽根車を冷却してメタル温度を低下させた遠心圧縮機およびこれを備えた過給機を提供することを目的とする。
【解決手段】軸線Ｌ回りに回転する羽根車２０と、羽根車２０の背面側に位置する壁部と羽根車２０の背面との間をシールするラビリンスシール部１とを備えた遠心圧縮機において、ラビリンスシール部１は、軸線Ｌを中心とする複数の円周溝とされたラビリンス溝を有し、複数のラビリンス溝の少なくとも１つには、冷却媒体を流通させる冷却穴が接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心圧縮機およびこれを備えた過給機ならびに遠心圧縮機の運転方法に関し、より具体的には、遠心圧縮機の冷却に関するものである。

従来の遠心圧縮機において、羽根車出口における空気の温度は遠心圧縮機の圧力比に応じて高くなっており、例えば常温の空気を吸込んだ場合でも圧力比が約４．５程度であると羽根車出口における空気の温度は２００℃以上に達する。この高温の空気が羽根車の出口と羽根車の背部に形成される空間との間をシールするラビリンスシール部を通過すると、ラビリンスシール部及び羽根車のフィンの相対回転によって生じた摩擦熱によって上記空気がさらに昇温し、かかる高熱によって羽根車背面が加熱される。通常、このような大気を吸込む単段型の遠心圧縮機においては、羽根車の材料としてアルミ合金が用いられているが、アルミ合金は２２０℃から２５０℃以上へと温度上昇するに伴い材料の強度が急速に低下するため、高圧力比となる設計や運転を行うことが困難であった。
そこで、特許文献１には、ラビリンスシール部の中間部に空気通路を設け、冷却空気を供給することにより羽根車の温度上昇を防止する技術が開示されている。
また、特許文献２には、冷却媒体を羽根車外周側より冷却媒体を流入する技術が開示されている。

特許第２９３４５３０号公報 特許第４５０３７２６号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている技術によってもなお、羽根車温度が最も高くなる羽根車外周側に対して、冷却空気が供給される中間部の空気通路からの距離が離れているため、羽根車外周側の冷却効果が低いという問題がある。さらに、ラビリンスシール部の中間部に、ラビリンス溝とは別の空気通路を設けており、またこの空気通路は円周方向に流れを均一化するために幅広となっている。したがって、幅広の空気通路が存在するために、ラビリンス溝の数が減ってしまい、シール性能の低下を来すという問題がある。
一方、特許文献２に開示されている技術では、羽根車温度が最も高くなる羽根車外周側に直接冷却媒体を導いていないため冷却効果が低いという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ラビリンスシール部のシール性を確保しつつ、羽根車を冷却してメタル温度を低下させた遠心圧縮機およびこれを備えた過給機ならびに遠心圧縮機の運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の遠心圧縮機およびこれを備えた過給機ならびに遠心圧縮機の運転方法は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる遠心圧縮機は、軸線回りに回転する羽根車と、該羽根車の背面側に位置する壁部と該羽根車の背面との間をシールするラビリンスシール部と、を備えた遠心圧縮機において、前記ラビリンスシール部は、前記軸線を中心とする複数の円周溝とされたラビリンス溝を有し、複数の前記ラビリンス溝の少なくとも１つには、冷却媒体を流通させる冷却穴が接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、羽根車に冷却媒体を供給するための冷却穴を円周溝とされたラビリンス溝に接続することとした。このようにラビリンス溝を冷却媒体供給用の空間としても利用することにより、ラビリンス溝の数を減らすことなく羽根車の冷却を行うことができる。これにより、羽根車の冷却とラビリンスシール部によるシール性の両立を図ることができる。
また、ラビリンス溝に冷却穴を設け、冷却穴から羽根車へ冷却媒体を供給することにより、羽根車のメタル温度を低下させることができる。これにより、羽根車の温度が上昇して材料強度が低下することを回避することができる。

さらに、本発明の遠心圧縮機は、前記ラビリンスシール部の背面側には、前記冷却媒体が流通する環状空間が設けられ、前記冷却穴は、前記環状空間と前記ラビリンス溝とを接続するように、それぞれが離間した状態で複数形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、冷却媒体が流通する環状空間を設けたため、冷却媒体を周方向に均一化させることができる。
また、冷却媒体を周方向に均一化する環状空間をラビリンスシール部の背面に配置し、かつ冷却穴を環状空間とラビリンス溝とを接続するように設けたので、特許文献１のようにラビリンス溝として使用できない空気通路を設ける必要がなく、冷却用としてラビリンス溝を直接利用することができる。これにより、ラビリンス溝の段数を減らす必要がないので、ラビリンスシール部によるシール性能を確保することができる。
さらに、冷却穴を離間した状態で複数形成したことにより、周方向の各所において効果的に羽根車を冷却できる。

さらに、本発明の遠心圧縮機では、前記冷却穴は、前記軸線を中心とする複数の前記ラビリンス溝のうち、最外周側のラビリンス溝に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、冷却穴を最外周側のラビリンス溝に接続したことにより、メタル温度が最も高くなる部分に直接冷却媒体を送り込むことができる。

また、本発明の遠心圧縮機の運転方法は、排気タービンの回転により軸線回りに羽根車が回転する羽根車回転工程と、前記羽根車の背面に位置するラビリンスシール部に設けられた前記軸線を中心とする複数の円周溝とされたラビリンス溝の少なくとも１つに冷却媒体を流通させる冷却媒体流通工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ラビリンスシール部が有する複数のラビリンス溝の少なくとも１つに冷却媒体を流通させるので、ラビリンスシール部のシール性を確保しつつ、羽根車を冷却してメタル温度を低下した状態で遠心圧縮機を運転することができる。これにより、羽根車の長寿命化を実現することができる。

さらに、本発明の遠心圧縮機の運転方法では、前記冷却媒体流通工程は、複数の前記ラビリンス溝のうち、最外周側のラビリンス溝に前記冷却媒体を供給することを特徴とする。

本発明によれば、冷却穴を最外周側のラビリンス溝に接続したことにより、メタル温度が最も高くなる部分に直接冷却媒体を送り込むことができる。

また、本発明の過給機は、上記いずれかに記載の遠心圧縮機と、該遠心圧縮機を駆動する排気タービンと、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、上記いずれかに記載の遠心圧縮機を備えていることにより、ラビリンスシール部のシール性を確保しつつ、羽根車を冷却してメタル温度を低下させることができる過給機とすることができる。

本発明によれば、ラビリンスシール部が有する複数のラビリンス溝の少なくとも１つに冷却媒体を流通させる冷却穴を接続したので、ラビリンスシール部のシール性を確保しつつ、羽根車を冷却してメタル温度を低下させることができる。これにより、羽根車の長寿命化を実現することができる。

本発明の一実施形態に係るラビリンスシール部を具備した排気タービン過給機の縦断面図である。 図１のラビリンスシール部を示し、（ａ）はラビリンスシール部の縦断面図、（ｂ）はラビリンスシール部の平面図である。 図２に示すラビリンスシール部において、軸線を中心とする半径方向最外側に位置するラビリンス溝に冷却穴が接続されている状態を示した側断面図である。 図１に示すラビリンスシール部周りを示した要部縦断面図である。 横軸を冷却空気挿入位置、縦軸を羽根車メタル温度として、冷却穴挿入位置と羽根車メタル温度の関係を表したグラフである。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
以下、本発明の一実施形態について、図１ないし図５を用いて説明する。
図１には、本実施形態に係る排気タービン過給機（過給機）１０の縦断面図が示されている。排気タービン過給機１０は、ガス入口ケーシング１１、ガス出口ケーシング１２、軸受台１３、およびコンプレッサ側の空気案内ケーシング１４がボルト（図示せず）によって一体に締結されることにより構成されている。ロータ軸１５は、軸受台１３内にスラスト軸受１６およびラジアル軸受１７，１８により回転自在に支持されており、一端部にタービン部を構成するタービン（排気タービン）１９が固結され、他端部にコンプレッサ部を構成する羽根車２０が固結されている。

タービン１９は外周部に多数のブレード１９ａを有している。このブレード１９ａは、ガス入口ケーシング１１に設けられた排気ガス導入路２２と、ガス出口ケーシング１２に設けられた排気ガス排出路２３との間に配置されている。
一方、羽根車２０は、空気案内ケーシング１４に設けられた吸入空気導入路２４の後方に配置されている。吸入空気導入路２４は、羽根車２０を介して渦巻き室２５に接続され、さらに渦巻き室２５は図示しない吸入空気導入路を介してエンジンの燃焼室に接続されている。
なお、符号２６は吸入空気が吸入空気導入路２４に吸入される前段で吸入空気を通過させることで吸入空気を整流するフィルタである。

また、軸受台１３には潤滑油供給通路２７が形成されており、この潤滑油供給通路２７の基端部はエンジンのオイルポンプ（図示せず）に接続されている。一方、潤滑油供給通路２７の他端部は、スラスト軸受１６およびラジアル軸受１７，１８にそれぞれ接続される分岐通路２８，２９，３０に分岐している。

さらに、軸受台１３における羽根車２０側の端部には、羽根車２０の背面側に位置する壁部と羽根車２０の背面との間をシールするラビリンスシール部１が設けられている。ラビリンスシール部１は、羽根車２０に摺接することで圧縮後の空気の漏洩を防止している。

このような構成からなる排気タービン過給機１０の作動時において、例えば舶用ディーゼル機関からの排気ガスは、排気ガス導入路２２を通り、タービンノズルで静圧膨張された軸方向の排気ガス流によりタービン１９が回転駆動される。そして、タービン１９を駆動した排気ガスは、排気ガス排出路２３から外部に排出される。
タービン１９の回転は、タービンロータ軸１５を介して羽根車２０を回転させ、入空気導入路２４を通って吸入された空気は、羽根車２０で加圧され、ディフューザ３３および出口スクロール３５を通って、舶用ディーゼル機関に供給される。

次に、ラビリンスシール部１の構成について詳細に説明する。
図２に示されているように、ラビリンスシール部１は、軸線Ｌを中心軸線とするリング形状とされており、例えばＳＳ４００鋼材が好適に用いられる。
ラビリンスシール部１は、軸線Ｌに略平行に設けられた複数の外周ボルト穴８ａ及び複数の内周ボルト穴８ｂのそれぞれにボルトを挿通させることにより、ケーシング本体３７（図１参照）へ固定されている（なお、ボルトによりラビリンスシール部１が固定された状態は図４に示されている）。外周ボルト穴８ａ及び内周ボルト穴８ｂは、ラビリンスシール部１の全周に渡り略等間隔で設けられている。
図３に拡大して示されているように、ラビリンスシール部１の一方の端面すなわち羽根車２０に対向する端面には、複数段のラビリンス溝３が形成されている。ラビリンス溝３は、軸線Ｌを中心とする複数の円周溝とされている。ここで、各々のラビリンス溝３の溝寸法（溝深さ及び溝幅）は略等しく設けられている。

図４に示されているように、ラビリンスシール部１の背面（図４において右側）には、冷却媒体が流通する環状空間７が形成されている。この環状空間７には，主機関より供給された冷却媒体が過給機側面部の軸受台１３から取り込まれるようになっている。この環状空間７は、軸線Ｌを中心軸線とする環状形となっており、ラビリンスシール部１の背面に向けて開口するように形成されている。ここで、図４において、環状空間７は縦断面が略長方形形状とされている。さらに、環状空間７の縦寸法すなわち軸線Ｌに対して直交する方向（同図縦方向）の長さは、複数（図４に示した実施形態では４つ）のラビリンス溝３を覆う程度の長さとなっている。なお、この環状空間７の縦寸法は、必要空気量に応じて適宜設定される。

ラビリンスシール部１には、ラビリンス溝３が形成された端面（以下「前面」という。）とは反対側の端面（図４において右側の端面）から前面に向かって形成された冷却穴５が設けられている。この冷却穴５は、軸線Ｌと略平行に延在しており、最外周溝３ａと、背面に面した環状空間７とを接続している。ここで、冷却穴５の径は最外周溝３ａの径より小さい径となっている。なお、図３に示すように、冷却穴５の背面側には、環状空間７に向かって拡径するテーパ加工が施されており、環状空間７からの空気流れが円滑になるような形状とされている。
冷却穴５は、図２（ｂ）に示されているように、ラビリンスシール部１の全周に渡り略等間隔で例えば２４箇所設けられている。

図５には、横軸を冷却空気挿入位置、縦軸を羽根車メタル温度（相対比較）として、冷却穴挿入位置と羽根車メタル温度の関係を表したグラフが示されている。同図に示されているように、羽根車最外周部におけるメタル温度が最も高く、次いで中間位置（羽根車２０において、最外周部と最内周部との中間）のメタル温度、最後に中心付近（羽根車２０におけるロータ軸１５付近）におけるメタル温度の順となっている。
また、１段目（最外周溝３ａと環状空間７を接続する冷却穴５）に冷却空気を挿入するのが最も冷却効果が高く、ついで２段目（軸線Ｌに対して最外周溝３ａの一つ内周側に位置する冷却穴５）、最後に３段目（軸線Ｌに対して最外周溝３ａの二つ内周側に位置する冷却穴５）の順になっている。
さらに、１段目の冷却穴５に冷却空気を挿入した場合は、２段目及び３段目の冷却穴５に冷却空気を挿入した場合に比べ、冷却効果が顕著に高いことがわかる。これは、２段目及び３段目から冷却空気を挿入すると、羽根車外周部から羽根車背面に入り込む空気が摩擦により高温となり、１段目から冷却空気を挿入する場合に比べて入熱量が多くなるためである。

以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
冷却媒体が流通する環状空間７をラビリンスシール部１の背面側に設けかつ冷却穴５を環状空間７と最外周溝３ａとを接続するように設けたため、シール空気を環状空間７において周方向に流すことで均一化し、その後ラビリンスシール部１が有する２４箇所の冷却穴５から最外周溝３ａへ冷却空気を供給することができる。これにより、ラビリンス溝３の数を減らす必要がなくなり、ラビリンスシール部１のシール性を確保しつつ、冷却を行わない場合と比較して、約２３０℃まで上昇した羽根車２０のメタル温度を約７℃低下させることができる。

なお、上述した本実施形態では、複数のラビリンス溝３において、最外周溝３ａに、冷却穴５が接続されているとして説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば最外周溝３ａの一つ内周側に位置するラビリンス溝３に接続してもよい。
また、上述した各実施形態では、ラビリンスシール部１の穴の数が２４箇所として説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、冷却効果を考慮して決定され、例えば１２箇所若しくは３６箇所のような偶数箇所又は２１箇所のような奇数箇所であっても良い。
また、上述した各実施形態では、ラビリンスシール部１の素材をＳＳ４００として説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばＳＳ４９０又はＳＳ５４０等の鋼材であっても良い。
また、冷却穴５は軸線Ｌと略平行に設けてあると説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、冷却穴５はラビリンス溝３と環状空間７を接続してさえいればよく、例えば軸線Ｌに対して斜めであってもよい。
また、上述した各実施形態では、冷却媒体として空気を用いることとした。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば水蒸気を用いてもよい。

１ ラビリンスシール部
３ ラビリンス溝
３ａ 最外周溝（軸線を中心とする半径方向最外側に位置するラビリンス溝）
５ 冷却穴
７ 環状空間
８ａ 外周ボルト穴
８ｂ 内周ボルト穴
１０ 排気タービン過給機
１１ ガス入口ケーシング
１２ ガス出口ケーシング
１３ 軸受台
１４ コンプレッサ側空気案内ケーシング
１５ ロータ軸
１６ スラスト軸受
１７、１８ ラジアル軸受
１９ タービン
１９ａ ブレード
２０ 羽根車
２２ 排気ガス導入路
２３ 排気ガス排出路
２４ 吸入空気導入路
２５ 渦巻き室
２６ フィルタ
２７ 潤滑油供給通路
２８、２９、３０ 分岐通路
３１ コンプレッサハウジング
３３ ディフューザ
３５ 出口スクロール
３７ ケーシング本体
Ｌ 軸線

Claims (6)

1. 軸線回りに回転する羽根車と、
   該羽根車の背面側に位置する壁部と該羽根車の背面との間をシールするラビリンスシール部と、
   を備えた遠心圧縮機において、
   前記ラビリンスシール部は、前記軸線を中心とする複数の円周溝とされたラビリンス溝を有し、
   複数の前記ラビリンス溝の少なくとも１つには、冷却媒体を流通させる冷却穴が接続されていることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記ラビリンスシール部の背面側には、前記冷却媒体が流通する環状空間が設けられ、
   前記冷却穴は、前記環状空間と前記ラビリンス溝とを接続するように、それぞれが離間した状態で複数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. 前記冷却穴は、前記軸線を中心とする複数の前記ラビリンス溝のうち、最外周側のラビリンス溝に接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の遠心圧縮機。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の遠心圧縮機と、
   該遠心圧縮機を駆動する排気タービンと、
   を備えていることを特徴とする過給機。
5. 排気タービンの回転により軸線回りに羽根車が回転する羽根車回転工程と、
   前記羽根車の背面に位置するラビリンスシール部に設けられた前記軸線を中心とする複数の円周溝とされたラビリンス溝の少なくとも１つに冷却媒体を流通させる冷却媒体流通工程と、
   を備えたことを特徴とする遠心圧縮機の運転方法。
6. 前記冷却媒体流通工程は、複数の前記ラビリンス溝のうち、最外周側のラビリンス溝に前記冷却媒体を供給することを特徴とする請求項５に記載の遠心圧縮機の運転方法。

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