JP2014240612A - 遠心圧縮機及び過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機インペラ３１の耐久性を高めつつ、遠心圧縮機２７の圧縮機効率の向上を図ること。
【解決手段】複数の圧縮機ブレードの先端縁３５ｔにおける後縁側部分の間に環状のシュラウドバンド４７が囲むように一体的に連結され、圧縮機ハウジング２９の凹部４９内におけるシュラウドバンド４７の径方向内側に環状のシュラウドリング５５が配設され、シュラウドリング５５は、圧縮機インペラ３１の回転状態が低回転状態から高回転状態に変化すると、凹部４９内の圧力によって複数の圧縮機ブレード３５の先端縁３５ｔ及びシュラウドバンド４７に圧接するように構成されている。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、過給機、ガスタービン、産業用空気設備等に用いられかつ遠心力を利用して空気等のガスを圧縮する遠心圧縮機に関する。

一般に、遠心圧縮機は、内側に収容壁を有した圧縮機ハウジングと、この圧縮機ハウジング内に回転可能に設けられた圧縮機インペラとを具備している。また、圧縮機インペラは、ハブ面（外周面）が軸方向一方側から径方向外側に向かって延びた圧縮機ディスク、及びこの圧縮機ディスクのハブ面に周方向に間隔を置いて一体的に設けられかつ先端縁が圧縮機ハウジングの収容壁に沿うように延びた複数の圧縮機ブレードを備えている（特許文献１及び特許文献２等参照）。更に、圧縮機インペラは、複数の圧縮機ブレードの先端縁の間に囲むように一体的に連結された環状のシュラウドを備えることがあり、このシュラウドは、圧縮機ブレードの前縁側から後縁側にかけて延びている（特許文献３等参照）。

特開２０１２−８２６８９号公報 特開２００９−２０９６９４号公報 特開２００４−３５３６０８号公報

ところで、近年、遠心圧縮機の高圧力比化及び高周速化の要請に伴い、圧縮機インペラが大径化の傾向にあり、圧縮機インペラの回転状態が低回転状態から高回転状態に変化すると、圧縮機ディスクの背面に働く軸方向一方側のスラスト力が大きくなって、メカニカルロスが増大して、圧縮機効率が低下する。

また、圧縮機インペラがシュラウドを備えてない場合には、圧縮機インペラの回転状態が低回転状態から高回転状態に変化すると、圧縮機インペラの出口の手前側において、圧縮機ブレードの正圧面側から負圧面側へ流れるクリアランスフローが増大して、圧縮機効率が低下する。一方、圧縮機インペラがシュラウドを備えている場合には、クリアランスフローが生じないものの、圧縮機インペラに働く遠心応力が増加して、圧縮機インペラの耐久性が低下する。

つまり、圧縮機インペラの耐久性を高めつつ、高回転状態におけるメカニカルロスの増大及びクリアランスフローの増大を抑えて、遠心圧縮機の圧縮機効率の向上を図ることは容易でないという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の遠心圧縮機等を提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機において、内側に収容壁を有した圧縮機ハウジングと、前記圧縮機ハウジング内に回転可能に設けられ、ハブ面（外周面）が軸方向一方側から径方向外側に向かって延びた圧縮機ディスク、及び前記圧縮機ディスクのハブ面に周方向に間隔を置いて一体的に設けられかつ先端縁が前記圧縮機ハウジングの前記収容壁に沿うように延びた複数の圧縮機ブレードを備えた圧縮機インペラと、を具備し、複数の前記圧縮機ブレードの先端縁の間に環状のシュラウドバンドが囲むように一体的に連結され、前記圧縮機ハウジングの前記収容壁における前記圧縮機インペラの出口の手前側に前記シュラウドバンドを収容する環状の凹部が軸方向一方側へ窪んで形成され、前記圧縮機ハウジングの前記凹部内が前記圧縮機インペラの出口側に連通し、前記圧縮機ハウジングの前記凹部内における前記シュラウドバンドの径方向内側に環状のシュラウドリングが配設され、前記シュラウドリングは、前記圧縮機インペラの回転状態が低回転状態から高回転状態に変化すると、前記圧縮機ハウジングの前記凹部内の圧力によって複数の前記圧縮機ブレードの先端縁及び前記シュラウドバンドに圧接するように構成されたことを要旨とする。

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたことを含む意であって、「一体的に設けられ」とは、一体形成されたことを含む意である。また、「配設され」とは、直接的に配設されたことの他に、別部材を介して間接的に配設されたことを含む意である。更に、「軸方向」とは、圧縮機インペラの軸方向のことをいい、「径方向」とは、圧縮機インペラの径方向のことをいう。

第１の特徴によると、前記遠心圧縮機の運転を開始して、前記圧縮機インペラを回転させることにより、前記圧縮機ハウジング内に取入れたガスを圧縮することができる。そして、圧縮したガスは、前記圧縮機ハウジングの外側へ排気される。

前記遠心圧縮機の運転中に、前記圧縮機インペラの出口側の圧力によって前記圧縮機ディスクの背面には軸方向一方側のスラスト力が働く。そして、前記圧縮機インペラの回転状態が低回転状態から高回転状態に変化すると、前記圧縮機ハウジングの前記凹部内の圧力によって前記シュラウドリングが複数の前記圧縮機ブレードの先端縁及び前記シュラウドバンドに圧接する。これにより、前記シュラウドリングを介して前記圧縮機インペラに対して軸方向他方側のスラスト力を発生させて、前記圧縮機ディスクの背面に働く軸方向一方側のスラスト力の一部を相殺し、メカニカルロスを低減することができる。また、前記シュラウドリングが前記圧縮機インペラの回転に伴って連れ回ることになり、前記圧縮機ブレードの正圧面側から負圧面側へ流れるクリアランスフローの増大を抑えることができる。

一方、前記圧縮機インペラの回転状態が低回転状態にある場合には、前記シュラウドリングが複数の前記圧縮機ブレードの先端縁及び前記シュラウドバンドに圧接することがなく、低回転状態における前記圧縮機インペラに働く遠心応力の増加を抑えることができる。

第２の特徴によると、エンジンからの排気ガスの圧力エネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する過給機において、第１の特徴からなる遠心圧縮機を具備したことを特徴とする。

第２の特徴によると、第１の特徴による作用と同様の作用を奏する。

本発明によれば、低回転状態における前記圧縮機インペラに働く遠心応力の増加を抑えつつ、高回転状態におけるメカニカルロスの増大及びクリアランスフローの増大を抑えることができるため、前記圧縮機インペラの耐久性を高めつつ、前記遠心圧縮機の圧縮機効率の向上を図ることができる。

図１Ａは、図２における矢視部Iの拡大図であって、圧縮機インペラの回転状態が低回転状態にある場合を示している。 図１Ｂは、図２における矢視部Iの拡大図であって、圧縮機インペラの回転状態が高回転状態にある場合を示している。 図２は、図３における矢視部IIの拡大図である。 図３は、本発明の実施形態に係る車両用過給機の正断面図である。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、図面に示すとおり、「Ｌ」は、左方向、「Ｒ」は、右方向である。

図３に示すように、本発明の実施形態に係る車両用過給機（過給機の一例）１は、エンジン（図示省略）からの排気ガス（ガスの一例）の圧力エネルギーを利用して、エンジンに供給される空気を過給（圧縮）するものである。そして、車両用過給機１の具体的な構成等は、以下のようになる。

車両用過給機１は、軸受ハウジング３を具備しており、軸受ハウジング３内には、一対のラジアル軸受５及び一対のスラスト軸受７が設けられている。また、複数の軸受５，７には、左右方向へ延びたロータ軸（タービン軸）９が回転可能に設けられており、換言すれば、軸受ハウジング３には、ロータ軸９が複数の軸受５，７を介して回転可能に設けられている。

軸受ハウジング３の右側には、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させるラジアルタービン１１が配設されており、このラジアルタービン１１の構成は、次のようになる。

軸受ハウジング３の右側には、タービンハウジング１３が設けられており、このタービンハウジング１３は、内側に、収容壁１３ｗを有している。また、タービンハウジング１３内には、タービンインペラ１５がその軸心（タービンインペラ１５の軸心）周りに回転可能に設けられており、このタービンインペラ１５は、ロータ軸９の右端部に一体的に連結されている。そして、タービンインペラ１５は、タービンディスク１７を備えており、このタービンディスク１７の背面１７ｂは、左側（ロータ軸９の軸方向一方側）を向き、かつタービンディスク１７のハブ面１７ｈは、右側（ロータ軸９の軸方向他方側）から径方向外側へ延びている。更に、タービンディスク１７のハブ面１７ｈには、複数のタービンブレード１９が周方向に等間隔に一体形成されており、各タービンブレード１９の先端縁（外縁）１９ｔは、タービンハウジング１３の収容壁１３ｗに沿うように延びている。

タービンハウジング１３の適宜位置には、排気ガスをタービンハウジング１３内に取入れるためのガス取入口２１が形成されており、このガス取入口２１は、エンジンの排気マニホールド（図示省略）に接続可能である。また、タービンハウジング１３の内部におけるタービンインペラ１５の入口側（排気ガスの流れ方向から見て上流側）には、渦巻き状のタービンスクロール流路２３が形成されており、このタービンスクロール流路２３は、ガス取入口２１に連通してある。更に、タービンハウジング１３におけるタービンインペラ１５の出口側（排気ガスの流れ方向から見て下流側）には、排気ガスを排出するガス排出口２５が形成されており、このガス排出口２５は、接続管（図示省略）を介して排気ガス浄化装置（図示省略）に接続可能である。

図２及び図３に示すように、軸受ハウジング３の左側には、遠心力を利用して空気を圧縮する遠心圧縮機２７が配設されており、この遠心圧縮機２７の構成は、次のようになる。

軸受ハウジング３の左側には、圧縮機ハウジング２９が設けられており、この圧縮機ハウジング２９は、内側に、収容壁２９ｗを有している。また、圧縮機ハウジング２９内には、圧縮機インペラ３１がその軸心（圧縮機インペラ３１の軸心）周り回転可能に設けられており、この圧縮機インペラ３１は、ロータ軸９の左端部に一体的に連結されている。そして、圧縮機インペラ３１は、ロータ軸９の左端部に一体的に連結した圧縮機ディスク３３を備えており、この圧縮機ディスク３３のハブ面（外周面）３３ｈは、左側（ロータ軸９、換言すれば、圧縮機インペラ３１の軸方向一方側）から径方向外側へ延び、かつ圧縮機ディスク３３の背面３３ｂは、右側（圧縮機インペラ３１の軸方向他方側）を向いている。更に、圧縮機ディスク３３のハブ面３３ｈには、複数の圧縮機ブレード３５が周方向に間隔を置いて一体形成されており、各圧縮機ブレード３５の先端縁（外縁）３５ｔは、圧縮機ハウジング２９の収容壁２９ｗに沿うように延びている。

圧縮機ハウジング２９における圧縮機インペラ３１の入口側（空気の流れ方向から見て上流側）には、空気を圧縮機ハウジング２９内に取入れるための空気取入口３７が形成されており、この空気取入口３７は、空気を浄化するエアクリーナ（図示省略）に接続可能である。また、軸受ハウジング３と圧縮機ハウジング２９との間における圧縮機インペラ３１の出口側（空気の流れ方向から見て下流側）には、圧縮された空気を昇圧する環状のディフューザ流路３９が形成されている。更に、圧縮機ハウジング２９の内部には、渦巻き状の圧縮機スクロール流路４１が形成されており、この圧縮機スクロール流路４１は、ディフューザ流路３９に連通してある。そして、圧縮機ハウジング２９の適宜位置には、圧縮された空気を圧縮機ハウジング２９の外側へ排出するための空気排出口４３が形成されており、この空気排出口４３は、エンジンの吸気マニホールド（図示省略）に接続可能である。

軸受ハウジング３の左側部には、スラスト軸受７側への圧縮空気の漏れを防止する環状のシールプレート４５が設けられており、このシールプレート４５は、圧縮機ディスク３３の背面３３ｂに対向してある。

続いて、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機２７の特徴部分（主要な構成）について説明する。

図１Ａ及び図２に示すように、複数の圧縮機ブレードの先端縁３５ｔにおける後縁側部分の間には、環状のシュラウドバンド４７が囲むように一体的に連結されている。ここで、シュラウドバンド４７は、圧縮機ディスク３３及び複数の圧縮機ブレード３５と同様に、圧縮機インペラ３１の一部を構成するものである。

圧縮機ハウジング２９の収容壁２９ｗにおける圧縮機インペラ３１の出口の手前側には、シュラウドバンド４７を収容する環状の凹部４９が左方向（圧縮機インペラ３１の軸方向一方側）へ窪んで形成されており、圧縮機ハウジング２９の凹部４９の底面４９ｂの内周側部分（内周縁）には、環状の嵌合溝５１が形成されている。また、圧縮機ハウジング２９の凹部４９内は、圧縮機ハウジング２９の凹部４９の周壁面とシュラウドバンド４７との間の隙間５３を介して圧縮機インペラ３１の出口側に連通してある。

なお、圧縮機ハウジング２９の凹部４９の周壁面にシュラウドバンド４７との接触を許容するアブレイダブルコート（図示省略）が形成されるもようにしても構わない。この場合には、圧縮機ハウジング２９の内部の適宜位置に、圧縮機インペラ３１の出口側と圧縮機ハウジング２９の凹部４９を連通させるための連通孔（図示省略）が形成されることになる。

圧縮機ハウジング２９の凹部４９内におけるシュラウドバンド４７の径方向内側には、環状のシュラウドリング５５が配設されている。更に、シュラウドリング５５の内周縁には、左方向へ突出した環状の嵌合突起（嵌合フランジ）５７が形成されており、この嵌合突起５７は、圧縮機ハウジング２９の嵌合溝５１に左右方向（圧縮機インペラ３１の軸方向）へ移動可能に嵌合してある。また、圧縮機ハウジング２９の嵌合溝５１の内周壁には、嵌合突起５７との接触を許容するアブレイダブルコート５９が形成されている。

なお、シュラウドバンド４７の内周面に、シュラウドリング５５との接触を許容するアブレイダブルコート（図示省略）が形成されるようにしても構わない。

そして、シュラウドリング５５は、圧縮機インペラ３１の回転状態が低回転状態から高回転状態に変化すると、図１Ｂに示すように、圧縮機ハウジング２９の凹部４９内の圧力によって右方向（圧縮機インペラ３１の軸方向他方側）へ移動して、複数の圧縮機ブレード３５の先端縁３５ｔ及びシュラウドバンド４７に圧接するように構成されている。また、シュラウドリング５５は、圧縮機インペラ３１の回転状態が低回転状態にある場合には、図１Ａに示すように、複数の圧縮機ブレード３５の先端縁３５ｔ及びシュラウドバンド４７に対して非接触になっている。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

ガス取入口２１からタービンハウジング１３内に取入れた排気ガスがタービンスクロール流路２３を経由してタービンインペラ１５の入口側から出口側へ流通する。すると、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させて、タービンインペラ１５、ロータ軸９、及び圧縮機インペラ３１を一体的に回転させることができる。これにより、空気取入口３７から取入れた空気を圧縮して、ディフューザ流路３９及び圧縮機スクロール流路４１を経由して空気排出口４３から排出して、エンジンに供給される空気を過給することができる。なお、タービンインペラ１５の出口側へ流通した排気ガスは、ガス排出口２５からタービンハウジング１３の外側へ排出される。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、車両用過給機１の運転中、換言すれば、遠心圧縮機２７の運転中に、圧縮機インペラ３１の出口側の圧力によって圧縮機ディスク３３の背面３３ｂには左方向のスラスト力Ｆ１が働く。そして、圧縮機インペラ３１の回転状態が低回転状態から高回転状態に変化すると、図１Ｂに示すように、圧縮機ハウジング２９の凹部４９内の圧力によってシュラウドリング５５が右方向へ移動して複数の圧縮機ブレード３５の先端縁３５ｔ及びシュラウドバンド４７に圧接する。ここで、シュラウドリング５５の嵌合突起５７が圧縮機ハウジング２９の嵌合溝５１に左右方向へ移動可能に嵌合してあるため、シュラウドリング５５の圧接動作を安定させることができる。これにより、シュラウドリング５５を介して圧縮機インペラ３１に対して右方向のスラスト力Ｆ２を発生させて、圧縮機ディスク３３の背面３３ｂに働く左方向のスラスト力Ｆ１の一部を相殺し、メカニカルロスを低減することができる。また、圧縮機インペラ３１の回転状態が高回転状態にある場合に、シュラウドリング５５が圧縮機インペラ３１の回転に伴って連れ回ることになり、圧縮機ブレード３５の正圧面側から負圧面側へ流れるクリアランスフローの増大を抑えることができる。

一方、図１Ａに示すように、圧縮機インペラ３１の回転状態が低回転状態にある場合には、シュラウドリング５５が複数の圧縮機ブレード３５の先端縁３５ｔ及びシュラウドバンド４７に圧接することがなく、低回転状態における圧縮機インペラ３１に働く遠心応力の増加を抑えることができる。

従って、本発明の実施形態によれば、低回転状態における圧縮機インペラ３１に働く遠心応力の増加を抑えつつ、高回転状態におけるメカニカルロスの増大及びクリアランスフローの増大を抑えることができるため、圧縮機インペラ３１の耐久性を高めつつ、遠心圧縮機２７の圧縮機効率の向上、換言すれば、車両用過給機１の効率の向上を図ることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、例えば車両用過給機１に適用した遠心圧縮機２７の技術的事項を船舶用過給機、ガスタービン、産業用空気設備等に適用する等、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

Ｆ１：左方向（圧縮機インペラの軸方向一方側）のスラスト力、Ｆ２：右方向（圧縮機インペラの軸方向他方側）のスラスト力、１：車両用過給機、３：軸受ハウジング、９：ロータ軸、１１：ラジアルタービン、１３：タービンハウジング、１３ｗ：収容壁、１５：タービンインペラ、１７：タービンディスク、１９：タービンブレード、２７：遠心圧縮機、２９：圧縮機ハウジング、２９ｗ：収容壁、３１：圧縮機インペラ、３３：圧縮機ディスク、３３ｂ：背面、３３ｈ：ハブ面、３５：圧縮機ブレード、３５ｔ：先端縁、４５：シールプレート、４７：シュラウドバンド、４９：凹部、４９ｂ：底面、５１：嵌合溝、５３：隙間、５５：シュラウドリング、５７：嵌合突起、５９：アブレイダブルコート

Claims (3)

1. 遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機において、
   内側に収容壁を有した圧縮機ハウジングと、
   前記圧縮機ハウジング内に回転可能に設けられ、ハブ面が軸方向一方側から径方向外側に向かって延びた圧縮機ディスク、及び前記圧縮機ディスクのハブ面に周方向に間隔を置いて一体的に設けられかつ先端縁が前記圧縮機ハウジングの前記収容壁に沿うように延びた複数の圧縮機ブレードを備えた圧縮機インペラと、を具備し、
   複数の前記圧縮機ブレードの先端縁の間に環状のシュラウドバンドが囲むように一体的に連結され、
   前記圧縮機ハウジングの前記収容壁における前記圧縮機インペラの出口の手前側に前記シュラウドバンドを収容する環状の凹部が軸方向一方側へ窪んで形成され、前記圧縮機ハウジングの前記凹部内が前記圧縮機インペラの出口側に連通し、
   前記圧縮機ハウジングの前記凹部内における前記シュラウドバンドの径方向内側に環状のシュラウドリングが配設され、前記シュラウドリングは、前記圧縮機インペラの回転状態が低回転状態から高回転状態に変化すると、前記圧縮機ハウジングの前記凹部内の圧力によって複数の前記圧縮機ブレードの先端縁及び前記シュラウドバンドに圧接するように構成されたことを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記圧縮機ハウジングの前記凹部の底面に環状の嵌合溝が形成され、前記シュラウドリングの内周縁に軸方向一方側へ突出した環状の嵌合突起が形成され、前記嵌合突起が前記圧縮機ハウジングの前記嵌合溝に軸方向へ移動可能に嵌合し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. エンジンからの排気ガスの圧力エネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する過給機において、
   請求項１又は請求項２に記載の遠心圧縮機を備えたことを特徴とする過給機。

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