JP2016084707A - Turbocharger and turbo rotating machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、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車両用過給機等の過給機等に関する。 The present invention relates to a supercharger such as a vehicle supercharger that supercharges air supplied to the engine side using pressure energy of exhaust gas from an engine.
近年、車両用過給機等の過給機について種々の開発がなされており、一般的な過給機の構成等について簡単に説明すると、次のようになる(特許文献1等参照)。 2. Description of the Related Art In recent years, various developments have been made on superchargers such as a vehicle supercharger, and a general configuration of a supercharger will be briefly described as follows (see Patent Document 1).
過給機は、過給機ハウジングを具備しており、この過給機ハウジングには、ロータ軸が回転可能に設けられている。そして、ロータ軸の軸方向一端部には、遠心力を利用して空気を圧縮する圧縮機インペラが一体的に設けられている。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半径方向外側へ延びかつ背面が軸方向他方側を向いた圧縮機ディスクと、圧縮機ディスクのハブ面にその周方向(ハブ面の周方向)に間隔を置いて一体的に設けられた複数の圧縮機ブレードとを備えている。更に、ロータ軸の軸方向他端部には、排気ガスの圧力エネルギーを利用して正回転方向の回転力(回転トルク)を発生させるタービンインペラが設けられている。また、タービンインペラは、ハブ面が軸方向他方側から半径方向外側へ延びかつ背面が軸方向一方側を向いたタービンディスクと、タービンディスクのハブ面にその周方向(ハブ面の周方向)に間隔を置いて一体的に設けられた複数のタービンブレードとを備えている。 The supercharger includes a supercharger housing, and a rotor shaft is rotatably provided in the supercharger housing. A compressor impeller that compresses air using centrifugal force is integrally provided at one axial end of the rotor shaft. The compressor impeller includes a compressor disk having a hub surface (outer peripheral surface) extending radially outward from one axial direction and a rear surface facing the other axial direction, and a circumferential direction ( A plurality of compressor blades integrally provided at intervals in the circumferential direction of the hub surface. Further, a turbine impeller that generates a rotational force (rotational torque) in the forward rotation direction by using the pressure energy of the exhaust gas is provided at the other axial end portion of the rotor shaft. The turbine impeller includes a turbine disk having a hub surface extending radially outward from the other side in the axial direction and a back surface facing the one side in the axial direction, and a hub surface of the turbine disk in a circumferential direction (a circumferential direction of the hub surface). And a plurality of turbine blades integrally provided at intervals.
過給機の運転中、圧縮機インペラの出口側(空気の主流方向の直下流側)の圧力によって、圧縮機ディスクの背面に軸方向一方側のスラスト力(正方向のスラスト力)が働く。また、圧縮機インペラの出口側の圧力よりも小さい、圧縮機インペラ内における主流(圧縮機インペラの入口側から出口側へ流通する主流)の圧力によって、圧縮機ディスクのハブ面に軸方向他方側のスラスト力(逆方向のスラスト力)が働くことになる。一方、タービンインペラの入口側(排気ガスの主流方向の直上流側)の圧力によって、タービンディスクの背面に逆方向のスラスト力が働く。また、タービンインペラの入口側の圧力よりも小さい、タービンインペラ内における主流(タービンインペラの入口側から出口側へ流通する主流)の圧力によって、タービンディスクのハブ面に正方向のスラスト力が働くことになる。ここで、過給機の特性上、圧縮機ディスクの背面及びタービンディスクのハブ面に働く正方向のスラスト力は、圧縮機ディスクのハブ面及びタービンディスクの背面に働く逆方向のスラスト力よりも大きくなっている。つまり、過給機の運転中、圧縮機インペラ及びタービンインペラを含むロータ全体には、圧縮機ディスクの背面及びタービンディスクのハブ面に働くスラスト力から圧縮機ディスクのハブ面及びタービンディスクの背面に働くスラスト力を引いた差分の正方向のスラスト力が働くことになる。 During the operation of the turbocharger, the axial thrust force (positive thrust force) acts on the back surface of the compressor disk due to the pressure on the outlet side of the compressor impeller (directly downstream in the main flow direction of air). Also, the pressure on the other side in the axial direction on the hub surface of the compressor disk is smaller than the pressure on the outlet side of the compressor impeller, and the pressure in the compressor impeller (mainstream flowing from the inlet side to the outlet side of the compressor impeller) Thrust force (thrust force in the reverse direction) will work. On the other hand, a thrust force in the reverse direction acts on the rear surface of the turbine disk by the pressure on the inlet side of the turbine impeller (directly upstream in the main flow direction of the exhaust gas). Also, the thrust force in the positive direction acts on the hub surface of the turbine disk due to the pressure of the main flow in the turbine impeller (the main flow flowing from the inlet side to the outlet side of the turbine impeller), which is smaller than the pressure on the inlet side of the turbine impeller. become. Here, due to the characteristics of the turbocharger, the forward thrust force acting on the back surface of the compressor disk and the hub surface of the turbine disk is greater than the reverse thrust force acting on the hub surface of the compressor disk and the back surface of the turbine disk. It is getting bigger. That is, during operation of the turbocharger, the entire rotor including the compressor impeller and the turbine impeller is applied to the compressor disk hub surface and the turbine disk rear surface from the thrust force acting on the back surface of the compressor disk and the hub surface of the turbine disk. The thrust force in the positive direction of the difference obtained by subtracting the working thrust force will work.
ところで、車両用過給機の高圧力比化の要請に伴い、圧縮機インペラが大径化する傾向にある。一方、圧縮機インペラが大径化すると、圧縮機ディスクの背面に働く正方向のスラスト力が大きくなって、圧縮機インペラ及びタービンインペラを含むロータ全体に働く正方向のスラスト力が大きくなる。そのため、ロータ全体のメカニカルロスが増大して、過給機の効率の低下を招くことになる。つまり、過給機の高圧力比化を促進しつつ、ロータ全体のメカニカルロスを低減して、過給機の効率の向上を図ることは困難であるという問題がある。 By the way, with a request for a higher pressure ratio of a vehicle supercharger, the compressor impeller tends to increase in diameter. On the other hand, when the diameter of the compressor impeller is increased, the positive thrust force acting on the back surface of the compressor disk is increased, and the positive thrust force acting on the entire rotor including the compressor impeller and the turbine impeller is increased. As a result, the mechanical loss of the entire rotor is increased, and the efficiency of the supercharger is reduced. In other words, there is a problem that it is difficult to improve the efficiency of the supercharger by reducing the mechanical loss of the entire rotor while promoting the higher pressure ratio of the supercharger.
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過給機、及びその新規な過給機と共通の技術的特徴を有するターボ回転機械を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a new supercharger that can solve the above-described problems, and a turbo rotating machine that has technical characteristics common to the new supercharger.
本発明の過給機は、圧縮機ディスクを備えた圧縮機インペラと、タービンディスクを備えたタービンインペラと、を具備し、少なくとも、前記タービンディスクの背面側に前記タービンインペラの回転方向と逆回転方向(前記タービンインペラの回転方向と逆方向)の旋回流を生成する逆旋回流生成部が形成されている、又は、前記圧縮機ディスクの背面側に前記圧縮機インペラの回転方向(前記圧縮機インペラの回転方向と同じ方向)の旋回流を生成する旋回流生成部が形成されている。 The supercharger of the present invention comprises a compressor impeller provided with a compressor disk and a turbine impeller provided with a turbine disk, and at least reversely rotates in the direction of rotation of the turbine impeller on the back side of the turbine disk. A reverse swirl flow generating unit that generates a swirl flow in a direction (a direction opposite to the rotation direction of the turbine impeller) is formed, or the rotation direction of the compressor impeller (the compressor) on the back side of the compressor disk A swirling flow generating section that generates a swirling flow in the same direction as the impeller rotation direction is formed.
ここで、前記過給機についての本願の明細書の説明において、「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、及び形成されたことを含む意である。また、「軸方向一端部」とは、軸方向の一端部のことをいい、「軸方向他端部」とは、軸方向の他端部のことをいう。「軸方向一方側」とは、軸方向の一方側のことをいい、「軸方向他方側」とは、軸方向の他方側のことをいい、「軸方向」とは、特に断らない限り、圧縮機インペラ又はタービンインペラの軸方向のことをいう。更に、「半径方向外側」とは、半径方向の外側のことをいい、「半径方向内側」とは、半径方向の内側のことをいい、「半径方向」とは、特に断らない限り、圧縮機インペラ又はタービンインペラの半径方向のことをいう。 Here, in the description of the specification of the present application regarding the supercharger, “provided” means that it is indirectly provided via another member in addition to being directly provided, and formation. It is meant to include what has been done. In addition, “one axial end portion” refers to one axial end portion, and “axial other end portion” refers to the other axial end portion. “Axial direction one side” means one side in the axial direction, “Axial direction other side” means the other side in the axial direction, and “Axial direction” unless otherwise specified, The axial direction of the compressor impeller or turbine impeller. Further, “radially outer” means the radially outer side, “radially inner” means the radially inner side, and “radial direction” means the compressor unless otherwise specified. It refers to the radial direction of the impeller or turbine impeller.
本発明の過給機によると、排気ガスが前記タービンインペラの入口側(排気ガスの主流方向の直上流側)から出口側(排気ガスの主流方向の直下流側)へ流通することにより、前記タービンインペラによって排気ガスの圧力エネルギーを利用して正回転方向の回転力を発生させて、前記圧縮機インペラを前記タービンインペラと一体的に正回転方向へ回転させる。これにより、前記圧縮機インペラによって遠心力を利用して空気を圧縮して、前記エンジンに供給される空気を過給することができる。 According to the turbocharger of the present invention, the exhaust gas flows from the inlet side of the turbine impeller (immediately upstream in the mainstream direction of the exhaust gas) to the outlet side (immediately downstream in the mainstream direction of the exhaust gas). The turbine impeller uses the pressure energy of the exhaust gas to generate a rotational force in the forward rotation direction, and rotates the compressor impeller in the forward rotation direction integrally with the turbine impeller. Thereby, the air supplied to the engine can be supercharged by compressing air using the centrifugal force by the compressor impeller.
前記過給機の運転中に、前記圧縮機インペラの出口側(空気の主流方向の直下流側)の圧力によって、前記圧縮機ディスクの背面に軸方向一方側のスラスト力(正方向のスラスト力)が働くことになる。また、前記圧縮機インペラの出口側の圧力よりも小さい、前記圧縮機インペラ内における主流(前記圧縮機インペラの入口側から出口側へ流通する主流)の圧力によって、前記圧縮機ディスクのハブ面に軸方向他方側のスラスト力(逆方向のスラスト力)が働くことになる。一方、前記タービンインペラの入口側の圧力によって、前記タービンディスクの背面に逆方向のスラスト力が働くことになる。また、前記タービンインペラの入口側の圧力に比べて小さい、前記タービンインペラ内における主流(前記タービンインペラの入口側から出口側へ流通する主流)の圧力によって、前記タービンディスクのハブ面に正方向のスラスト力が働くことになる。ここで、前記圧縮機ディスクの背面及び前記タービンディスクのハブ面に働く正方向のスラスト力は、前記過給機の特性上、前記圧縮機ディスクのハブ面及び前記タービンディスクの背面に働く逆方向のスラスト力よりも大きくなっている。つまり、前記過給機の運転中、前記圧縮機インペラ及び前記タービンインペラを含むロータ全体には、前記圧縮機ディスクの背面及び前記タービンディスクのハブ面に働くスラスト力から前記圧縮機ディスクのハブ面及び前記タービンディスクの背面に働くスラスト力を引いた差分の正方向のスラスト力が働くことになる。 During the operation of the turbocharger, the thrust force on the one side in the axial direction (the thrust force in the positive direction) is exerted on the back surface of the compressor disk due to the pressure on the outlet side of the compressor impeller (directly downstream in the main air flow direction). ) Will work. Also, the pressure on the hub surface of the compressor disk is smaller than the pressure on the outlet side of the compressor impeller, due to the pressure of the main flow in the compressor impeller (the main flow flowing from the inlet side to the outlet side of the compressor impeller). A thrust force on the other side in the axial direction (thrust force in the reverse direction) is applied. On the other hand, a thrust force in the reverse direction acts on the rear surface of the turbine disk due to the pressure on the inlet side of the turbine impeller. Further, the pressure of the main flow in the turbine impeller (the main flow flowing from the inlet side to the outlet side of the turbine impeller), which is smaller than the pressure on the inlet side of the turbine impeller, is positively applied to the hub surface of the turbine disk. Thrust force will work. Here, the forward thrust force acting on the rear surface of the compressor disk and the hub surface of the turbine disk is in the reverse direction acting on the hub surface of the compressor disk and the rear surface of the turbine disk due to the characteristics of the turbocharger. It is larger than the thrust force of. That is, during the operation of the supercharger, the entire rotor including the compressor impeller and the turbine impeller has a hub surface of the compressor disk from a thrust force acting on the back surface of the compressor disk and the hub surface of the turbine disk. In addition, a positive thrust force that is a difference obtained by subtracting the thrust force acting on the back surface of the turbine disk acts.
前記逆旋回流生成部が形成されている場合には、前記過給機の運転中、前記タービンディスクの背面側に逆回転方向の旋回流を生成して、前記タービンディスクの背面側における流れの絶対速度ベクトルの周方向成分を小さくすることができる。これにより、前記タービンディスクの背面側の流れによる遠心力を低減して、その遠心力と釣り合う前記タービンディスクの背面側における半径方向の圧力差、換言すれば、前記タービンディスクの背面側における半径方向の圧力勾配を小さくし、前記タービンディスクの背面に働く逆方向のスラスト力を大きくすることができる。 When the reverse swirl flow generation unit is formed, during the operation of the supercharger, a swirl flow in the reverse rotation direction is generated on the back side of the turbine disk, and the flow on the back side of the turbine disk is generated. The circumferential component of the absolute velocity vector can be reduced. Thereby, the centrifugal force due to the flow on the back side of the turbine disk is reduced, and the radial pressure difference on the back side of the turbine disk that balances with the centrifugal force, in other words, the radial direction on the back side of the turbine disk. And the thrust force in the reverse direction acting on the rear surface of the turbine disk can be increased.
前記旋回流生成部が形成されている場合には、前記過給機の運転中、前記圧縮機ディスクの背面側に前記圧縮機インペラの回転方向の旋回流を生成して、前記圧縮機ディスクの背面側における流れの絶対速度ベクトルの周方向成分を大きくすることができる。これにより、前記圧縮機ディスクの背面側の流れによる遠心力を増大して、その遠心力と釣り合う前記圧縮機ディスクの背面側における半径方向の圧力差、換言すれば、前記圧縮機ディスクの背面側における半径方向の圧力勾配を大きくし、前記圧縮機ディスクの背面に働く正方向のスラスト力を小さくすることができる。 When the swirl flow generating portion is formed, during the operation of the supercharger, a swirl flow in the rotation direction of the compressor impeller is generated on the back side of the compressor disk, and the compressor disk The circumferential component of the absolute velocity vector of the flow on the back side can be increased. This increases the centrifugal force due to the flow on the back side of the compressor disk and balances the centrifugal force with the radial pressure difference on the back side of the compressor disk, in other words, the back side of the compressor disk. The pressure gradient in the radial direction can be increased, and the thrust force in the positive direction acting on the back surface of the compressor disk can be reduced.
本発明のターボ回転機械は、ディスクを備えたインペラを具備するターボ回転機械であって、前記ディスクの背面側に前記インペラの回転方向と逆方向の旋回流を生成する逆旋回流生成部、又は前記ディスクの背面側に前記インペラの回転方向と同じ方向の旋回流を生成する旋回流生成部が形成されている。 The turbo rotating machine of the present invention is a turbo rotating machine including an impeller provided with a disk, and a reverse swirl flow generating unit that generates a swirl flow in a direction opposite to the rotation direction of the impeller on the back side of the disk, or A swirling flow generating portion that generates a swirling flow in the same direction as the rotation direction of the impeller is formed on the back side of the disk.
ここで、前記ターボ回転機械についての本願の明細書の説明において、「ターボ回転機械」とは、遠心力を利用して流体を圧縮する遠心圧縮機、及び流体の圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるラジアルタービンを含む意である。「遠心圧縮機」とは、過給機、産業機械、又はガスタービンに用いられる遠心圧縮機等を含む意であって、「ラジアルタービン」とは、過給機又はガスタービンに用いられるラジアルタービン等を含む意である。また、「流体」とは、空気又は排気ガス等のガスを含む意である。そして、「インペラ」とは、遠心圧縮機に用いられる圧縮機インペラ及びラジアルタービンに用いられるタービンインペラを含む意である。更に、「ディスク」とは、圧縮機インペラにおける圧縮機ディスク及びタービンインペラにおけるタービンディスクを含む意であって、「ブレード」とは、圧縮機インペラにおける圧縮機ブレード及びタービンインペラにおけるタービンブレードを含む意である。 Here, in the description of the specification of the present application concerning the turbo rotating machine, the “turbo rotating machine” means a centrifugal compressor that compresses a fluid using centrifugal force, and a rotating force that uses pressure energy of the fluid. It is meant to include a radial turbine that generates The term “centrifugal compressor” includes a centrifugal compressor used for a supercharger, an industrial machine, or a gas turbine. The “radial turbine” means a radial turbine used for a supercharger or a gas turbine. Etc. In addition, “fluid” is meant to include gas such as air or exhaust gas. The “impeller” is intended to include a compressor impeller used for a centrifugal compressor and a turbine impeller used for a radial turbine. Further, “disk” means a compressor disk in a compressor impeller and a turbine disk in a turbine impeller, and “blade” means a compressor blade in a compressor impeller and a turbine blade in a turbine impeller. It is.
本発明のターボ回転機械によると、前記ターボ回転機械がラジアルタービンである場合には、前記ハウジング内に取入れた流体が前記インペラの入口側から出口側へ流通することにより、流体の圧力エネルギーを利用して回転力を発生させて、前記インペラをその軸心(前記インペラの軸心)周りに回転させることができる。なお、前記インペラの出口側へ流通した流体は、前記ハウジングの外側へ排出される。 According to the turbo rotating machine of the present invention, when the turbo rotating machine is a radial turbine, the fluid taken in the housing flows from the inlet side to the outlet side of the impeller, thereby utilizing the pressure energy of the fluid. Thus, a rotational force can be generated to rotate the impeller around its axis (axis of the impeller). The fluid that has flowed to the outlet side of the impeller is discharged to the outside of the housing.
また、前記ターボ回転機械が遠心圧縮機である場合には、前記インペラをその軸心(前記インペラの軸心)周りに回転させることにより、前記ハウジング内に取入れた流体を圧縮することができる。なお、圧縮した流体(圧縮流体)は、前記ハウジングの外側へ排出される。 When the turbo rotating machine is a centrifugal compressor, the fluid taken into the housing can be compressed by rotating the impeller around its axis (axis of the impeller). The compressed fluid (compressed fluid) is discharged to the outside of the housing.
ここで、前記逆旋回流生成部が形成されている場合には、前記ターボ回転機械の運転中、前記ディスクの背面側に前記インペラの回転方向と逆方向の旋回流を生成して、前記ディスクの背面側における流れの絶対速度ベクトルの周方向成分を小さくすることができる。これにより、前記ディスクの背面側の流れによる遠心力を低減して、その遠心力と釣り合う前記ディスクの背面側における半径方向の圧力差、換言すれば、前記ディスクの背面側における半径方向の圧力勾配を小さくし、前記ディスクの背面に働くスラスト力を大きくすることができる。 Here, when the reverse swirl flow generation unit is formed, during the operation of the turbo rotating machine, a swirl flow in a direction opposite to the rotation direction of the impeller is generated on the back side of the disk, and the disk The circumferential component of the absolute velocity vector of the flow on the back side of the can be reduced. Thereby, the centrifugal force due to the flow on the back side of the disc is reduced, and the radial pressure difference on the back side of the disc that balances the centrifugal force, in other words, the radial pressure gradient on the back side of the disc. And the thrust force acting on the back surface of the disk can be increased.
また、前記旋回流生成部が形成されている場合には、前記ターボ回転機械の運転中、前記ディスクの背面側に前記インペラの回転方向の旋回流を生成して、前記ディスクの背面側における流れの絶対速度ベクトルの周方向成分を大きくすることができる。これにより、前記ディスクの背面側の流れによる遠心力を増大して、その遠心力と釣り合う前記ディスクの背面側における半径方向の圧力差、換言すれば、前記ディスクの背面側における半径方向の圧力勾配を大きくし、前記ディスクの背面に働くスラスト力を小さくすることができる。 In addition, when the swirl flow generation unit is formed, during the operation of the turbo rotating machine, a swirl flow in the rotation direction of the impeller is generated on the back side of the disk, and the flow on the back side of the disk is generated. The circumferential component of the absolute velocity vector can be increased. Thereby, the centrifugal force due to the flow on the back side of the disk is increased, and the radial pressure difference on the back side of the disk that balances the centrifugal force, in other words, the radial pressure gradient on the back side of the disk. And the thrust force acting on the back surface of the disk can be reduced.
つまり、前記逆旋回流生成部又は前記旋回流生成部によって前記ディスクの背面に働くスラスト力を調整することができる。 That is, the thrust force acting on the back surface of the disk can be adjusted by the reverse swirl flow generation unit or the swirl flow generation unit.
本発明の過給機によれば、前記過給機の運転中、前記タービンディスクの背面に働く逆方向のスラスト力を大きくし、又は前記圧縮機ディスクの背面に働く正方向のスラスト力を小さくできるため、前記圧縮機インペラが大径化しても、前記圧縮機インペラ及び前記タービンインペラを含むロータ全体に働く正方向のスラスト力を小さくすることができる。よって、前記過給機の高圧力比化を促進しつつ、前記ロータ全体のメカニカルロスを低減して、前記過給機の効率の向上を図ることができる。 According to the turbocharger of the present invention, during the operation of the turbocharger, the reverse thrust force acting on the rear surface of the turbine disk is increased, or the forward thrust force acting on the rear surface of the compressor disk is decreased. Therefore, even if the diameter of the compressor impeller is increased, the positive thrust force acting on the entire rotor including the compressor impeller and the turbine impeller can be reduced. Accordingly, it is possible to improve the efficiency of the supercharger by reducing the mechanical loss of the entire rotor while promoting the increase in the pressure ratio of the supercharger.
本発明のターボ回転機械によれば、前記逆旋回流生成部又は前記旋回流生成部によって前記ディスクの背面に働くスラスト力を調整できるため、前記ターボ回転機械の設計の自由度を高めることができる。 According to the turbo rotating machine of the present invention, since the thrust force acting on the back surface of the disk can be adjusted by the reverse swirling flow generating unit or the swirling flow generating unit, the degree of freedom in designing the turbo rotating machine can be increased. .
以下、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、「AD」は、軸方向、「BD」は、半径方向、「BDi」は、半径方向内側、「BDo」は、半径方向外側、「RD」は、正回転方向である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in the drawings, “L” is the left direction, “R” is the right direction, “AD” is the axial direction, “BD” is the radial direction, “BDi” is the radially inner side, “BDo” "Is radially outward, and" RD "is the forward rotation direction.
(本発明の第1実施形態)
図6に示すように、本発明の実施形態(第1実施形態)に係る車両用過給機1は、エンジン(図示省略)からの排気ガス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。
(First embodiment of the present invention)
As shown in FIG. 6, the
車両用過給機1は、過給機ハウジング3を具備しており、この過給機ハウジング3は、軸受ハウジング5(センターハウジング)と、この軸受ハウジング5の右側に設けられた圧縮機ハウジング(第1サイドハウジング)7と、軸受ハウジング5の左側に設けられたタービンハウジング(第2サイドハウジング)9とを備えている。また、圧縮機ハウジング7は、内側にシュラウド11sを有した圧縮機ハウジング本体11と、この圧縮機ハウジング本体11の右側に設けられかつ軸受ハウジング5の左側部に一体的に連結された環状のシールプレート13とからなっている。更に、タービンハウジング9は、内側に、シュラウド9sを有している。
The
軸受ハウジング5内には、複数のラジアル軸受15及び複数のスラスト軸受17が設けられている。また、複数の軸受15,17には、左右方向へ延びたロータ軸(タービン軸)19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5には、ロータ軸19が複数の軸受15,17を介して回転可能に設けられている。
A plurality of
図5及び図6に示すように、ロータ軸19の軸方向一端部(右端部)には、遠心力を利用して空気を圧縮する圧縮機インペラ21がロータ軸19と同心状に一体的に設けられており、この圧縮機インペラ21は、圧縮機ハウジング7内に回転可能に収容されている。また、圧縮機インペラ21は、ロータ軸19の軸方向一端部に一体的に連結された圧縮機ディスク23を備えており、この圧縮機ディスク23のハブ面(外周面)23hは、軸方向一方側(右側)から半径方向外側(圧縮機インペラ21の半径方向の外側)へ延びており、圧縮機ディスク23の背面23bは、軸方向他方側(左側)を向いている。更に、圧縮機ディスク23のハブ面23hには、複数の圧縮機ブレード25が周方向(ハブ面23hの周方向)に等間隔に形成(一体形成)されており、圧縮機ディスク23のハブ面23hにおける各隣接する圧縮機ブレード25間には、圧縮機ブレード25よりも短いコード長の別の圧縮機ブレード27が形成(一体形成)されている。換言すれば、圧縮機ディスク23のハブ面23hには、コード長の異なる2種類の圧縮機ブレード25,27が周方向に間隔を置いて交互に形成されている。更に、各圧縮機ブレード25のチップ端(先端縁)25t及び各圧縮機ブレード27のチップ端27tは、圧縮機ハウジング本体11のシュラウド11sに沿うように延びている。なお、コード長の異なる2種類の圧縮機ブレード25,27に代えて、コード長の同じ1種類の圧縮機ブレード(図示省略)を用いても構わない。
As shown in FIGS. 5 and 6, a
圧縮機ハウジング7における圧縮機インペラ21の上流側(空気の主流方向の上流側)には、空気を圧縮機ハウジング7内に取入れるための空気取入口29が形成されており、この空気取入口29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、圧縮機ハウジング7内における圧縮機インペラ21の下流側(空気の主流方向の下流側)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31が形成されている。更に、圧縮機ハウジング7の内部には、渦巻き状の圧縮機スクロール流路33が形成されており、この圧縮機スクロール流路33は、ディフューザ流路31に連通してある。そして、圧縮機ハウジング7の適宜位置には、圧縮された空気を圧縮機ハウジング7の外側へ排出するための空気排出口35が形成されており、この空気排出口35は、圧縮機スクロール流路33に連通しかつ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。
An
なお、圧縮機ハウジング7及び圧縮機インペラ23は、車両用過給機1に用いられる遠心圧縮機を構成するものである。
The
図1及び図6に示すように、ロータ軸19の軸方向他端部(左端部)には、排気ガスの圧力エネルギーを利用して正回転方向の回転力(回転トルク)を発生させるタービンインペラ37がロータ軸19と同心状に形成(一体形成)されており、このタービンインペラ37は、タービンハウジング9内に回転可能に収容されている。また、タービンインペラ37は、ロータ軸19の軸方向他端部に形成されたタービンディスク39を備えており、このタービンディスク39のハブ面39hは、軸方向他方側(左側)から半径方向外側(タービンインペラ37の半径方向の外側)へ延びており、タービンディスク39の背面39bは、軸方向一方側(右側)を向いている。更に、タービンディスク39のハブ面39hには、複数のタービンブレード41が周方向(ハブ面39hの周方向)に等間隔に形成(一体形成)されており、各タービンブレード41のチップ端(先端縁)41tは、タービンハウジング9のシュラウド9sに沿うように延びている。
As shown in FIGS. 1 and 6, at the other axial end (left end) of the
タービンハウジング9の適宜位置には、排気ガスをタービンハウジング9内に取入れるための排気取入口43が形成されており、この排気取入口43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9の内部におけるタービンインペラ37の上流側(排気ガスの主流方向の上流側)には、渦巻き状のタービンスクロール流路45が形成されており、このタービンスクロール流路45は、排気取入口43に連通してある。更に、タービンハウジング9におけるタービンインペラ37の下流側(排気ガスの主流方向の下流側)には、排気ガスを排出するための排気排出口47が形成されており、この排気排出口47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。
An
軸受ハウジング5の左側面には、タービンインペラ37側からの熱を遮蔽する環状の遮熱板49が設けられており、この遮熱板49の外縁部49oは、軸受ハウジング5とタービンハウジング9によって挟持されている。
An annular
なお、タービンハウジング9及びタービンインペラ37は、車両用過給機1に用いられるラジアルタービンを構成するものである。
The
続いて、本発明の第1実施形態の特徴部分について説明する。 Then, the characteristic part of 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
図1及び図2(a)(b)に示すように、タービンディスク39の背面39bには、排気ガスを半径方向外側から半径方向内側へ案内する複数のガイド通路としての複数のガイド溝51が周方向(背面39bの周方向)に沿って等間隔に形成されている。また、各ガイド溝51は、半径方向内端(出口端)51iが半径方向外端(入口端)51oよりも逆回転方向(タービンインペラ37の回転方向と逆方向)側に位置するように構成されている。更に、各ガイド溝51の凹み量は、半径方向内端51iの手前側から半径方向内端51iにかけて徐々に小さくなっている。前述の構成により、複数のガイド溝51は、タービンディスク39の背面39b側にタービンインペラ37(回転するタービンインペラ37)に対して相対的な逆回転方向の旋回流を生成する逆旋回流生成部としての機能を有することになる。換言すれば、タービンディスク39の背面39bには、逆旋回流生成部としての複数のガイド溝51が形成されていることになる。なお、ガイド溝51の個数、及びガイド溝51の半径方向内端51iの半径方向位置は、適宜に変更可能である。
As shown in FIGS. 1 and 2 (a) and 2 (b), a plurality of
ここで、タービンディスク39の背面39bに複数のガイド溝51が形成される代わりに、タービンディスク39の背面39bに軸方向一方側へ突出した複数の突起列(図示省略)が周方向に沿って等間隔に形成され、各隣接する突起列の間に排気ガスを半径方向外側から半径方向内側へ案内する複数のガイド通路(図示省略)が形成されるようにしても構わない。この場合、各ガイド通路は、径方向内端が半径方向外端よりもタービンインペラ37の回転方向と逆回転方向側に位置するように構成されている。
Here, instead of forming the plurality of
タービンディスク39の背面39bに複数のガイド溝51等が形成される代わりに、図3(a)(b)に示すように、タービンディスク39に排気ガスを半径方向外側から半径方向内側へ案内する複数のガイド通路としてのガイド穴53が貫通形成(貫通して形成)されても構わない。この場合には、各ガイド穴53の半径方向外端(入口端)53oは、タービンディスク39の最大径部39g側に開口されており、各ガイド穴53の半径方向内端(出口端)53iは、タービンディスク39の背面39b側に開口されている。各ガイド穴53は、半径方向内端53iが半径方向外端53oよりもタービンインペラ37の回転方向と逆回転方向側に位置するように構成されている。
Instead of forming a plurality of
続いて、本発明の第1実施形態の作用及び効果について説明する。 Then, the effect | action and effect of 1st Embodiment of this invention are demonstrated.
図6に示すように、排気取入口43からタービンハウジング9内に取入れた排気ガスがタービンスクロール流路45を経由してタービンインペラ37の入口側(排気ガスの主流方向の直上流側)から出口側(排気ガスの主流方向の直下流側)へ流通する。すると、タービンインペラ37によって排気ガスの圧力エネルギーを利用して正回転方向の回転力(回転トルク)を発生させて、ロータ軸19及び圧縮機インペラ21をタービンインペラ37と一体的に正回転方向へ回転させることができる。これにより、空気取入口29から圧縮機ハウジング7内に取入れた空気を圧縮機インペラ21によって圧縮して、ディフューザ流路31及び圧縮機スクロール流路33を経由して空気排出口35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37の出口側へ流通した排気ガスは、排気排出口47からタービンハウジング9の外側へ排出される(車両用過給機1の通常の作用)。
As shown in FIG. 6, the exhaust gas taken into the
図5に示すように、車両用過給機1の運転中、圧縮機インペラ21の出口側(空気の主流方向の直下流側)の圧力によって、圧縮機ディスク23の背面23bに軸方向一方側のスラスト力(正方向のスラスト力)CF1が働くことになる。また、圧縮機インペラ21の出口側の圧力よりも低い、圧縮機インペラ21内における主流(圧縮機インペラ21の入口側から出口側へ流通する主流)の圧力によって、圧縮機ディスク23のハブ面23hに軸方向他方側のスラスト力(逆方向のスラスト力)CF2が働くことになる。一方、図1に示すように、タービンインペラ37の入口側(排気ガスの主流方向の直上流側)の圧力によって、タービンディスク39の背面39bに逆方向のスラスト力TF1が働くことになる。また、タービンインペラ37の入口側の圧力よりも低い、タービンインペラ37内における主流(タービンインペラ37の入口側から出口側へ流通する主流)の圧力によって、タービンディスク39のハブ面39hに正方向のスラスト力TF2が働くことになる。ここで、車両用過給機1の特性上、圧縮機ディスク23の背面23b及びタービンディスク39のハブ面39hに働く正方向のスラスト力(CF1+TF2)は、圧縮機ディスク23のハブ面23h及び前記タービンディスクの背面に働く逆方向のスラスト力(CF2+TF1)よりも大きくなっている。つまり、車両用過給機1の運転中、圧縮機インペラ21及びタービンインペラ37を含むロータ全体には、圧縮機ディスク23の背面23b及びタービンディスク39のハブ面39hに働くスラスト力から圧縮機ディスク23のハブ面23h及びタービンディスク39の背面39bに働くスラスト力を引いた差分の正方向のスラスト力(CF1+TF2−CF2−TF1)が働くことになる。
As shown in FIG. 5, during the operation of the
図2(a)(b)から図4(a)(b)に示すように、タービンディスク39の背面39bに逆旋回流生成部としての複数のガイド溝51等が形成されているため、車両用過給機1の運転中、タービンディスク39の背面39b側にタービンインペラ37に対して相対的な逆回転方向の旋回流を生成される。そうすると、複数のガイド溝51等が形成されていない場合(比較例の場合)に比較して、タービンディスク39の背面39b側における流れの絶対速度ベクトルVの周方向成分Vuを小さくすることができる。
As shown in FIGS. 2A and 2B to FIGS. 4A and 4B, a plurality of
ここで、タービンディスク39の背面39b側の排気ガス(流体の一例)は回転しているため、当該排気ガスには、タービンディスク39の背面39bの半径方向の位置及び流速に基づいた遠心力が半径方向外側に向かって働いている。一方、排気ガスはタービンディスク39の背面39bの領域に留まって回転を維持しているため、排気ガスにはこの半径方向外側に向かう遠心力と釣り合う成分を持つ圧力が生じていると考えられる。この圧力は、当該半径方向上の微小領域に着目すると、当該微小領域にある排気ガスの半径方向両端の圧力差によって生じている。したがって、タービンディスク39の背面39bの領域全体を考えてみると、タービンディスク39の背面39bにある排気ガスには、半径方向の位置に対する圧力勾配が発生していることになる。ガイド溝51等によってタービンディスク37の背面39b側における流れの絶対速度ベクトルVの周方向成分Vuを小さくしたため、タービンディスク37の背面39bにおける半径方向の位置ごとの各遠心力も低減されている。そのため、それぞれの遠心力に対応した上述の圧力差も小さくなる。その結果、タービンディスク39の背面39bの半径方向の位置に対する排気ガスの圧力勾配が緩和されることとなる。
Here, since the exhaust gas (an example of fluid) on the
即ち、車両用過給機1の運転中、タービンディスク39の背面39b側の流れによる遠心力を低減して、その遠心力と釣り合う圧力を生じさせるためのタービンディスク39の背面39b側における半径方向の圧力差、換言すれば、タービンディスク39の背面39b側における半径方向の圧力勾配を小さくすることができる。ここで、タービンディスク39の背面39bの半径方向の位置に対する圧力勾配が緩和されたということは、タービンディスク39の背面39bでは圧力が低下しにくくなっていることを意味する。そのため、図4(a)に示すように、タービンディスク39の背面39b側の圧力は、ガイド溝51等を設けない場合よりも半径方向の位置に対して上昇する。ここで、圧力はスカラー量であり、多方向に作用する。ゆえに、ガイド溝51等を設けることによってタービンディスク39の背面39bにおける圧力が上昇した結果、タービンディスク39の背面39bにある排気ガスがタービンディスク39を押す力、換言すれば、タービンディスク39の背面39bに働く逆方向のスラスト力TF1を大きくすることができる。
That is, during operation of the
なお、図2(b)、図3(b)、及び図4(b)において、タービンディスク39の背面39b側における流れの速度三角形において、Uは、周方向速度ベクトル、Wは、相対速度ベクトルである。
2B, FIG. 3B, and FIG. 4B, in the velocity triangle of the flow on the
従って、本発明の第1実施形態によれば、車両用過給機1の運転中、タービンディスク39の背面39bに働く逆方向のスラスト力TF1を大きくできるため、圧縮機インペラ21が大径化しても、圧縮機インペラ21及びタービンインペラ37を含むロータ全体に働く正方向のスラスト力(CF1+TF2−CF2−TF1)を小さくすることができる。よって、車両用過給機1の高圧力比化を促進しつつ、ロータ全体のメカニカルロスを低減して、車両用過給機1の効率の向上を図ることができる。
Therefore, according to the first embodiment of the present invention, the thrust force TF1 in the reverse direction acting on the
(本発明の第2実施形態)
車両用過給機1は、本発明の第1実施形態に係る圧縮機インペラ21(図2参照)に代えて、図7に示す本発明の第2実施形態に係る圧縮機インペラ55を用いても構わなく、この場合には、逆旋回流生成部としての複数のガイド溝51等(図2(a)及び図3(a)参照)を省略しても構わない。また、圧縮機インペラ55は、圧縮機インペラ21と同様の構成を有しており、圧縮機インペラ55の構成のうち、圧縮機インペラ21と異なる部分の構成についてのみ説明する。なお、圧縮機インペラ55における複数の構成要素のうち、圧縮機インペラ21における構成要素と対応するものについては、図面中に同一符号を付してある。
(Second embodiment of the present invention)
The
図7及び図8(a)(b)に示すように、圧縮機ディスク23の背面23bには、空気を半径方向外側から半径方向内側へ案内する複数のガイド通路としての複数のガイド溝57が周方向(背面23bの周方向)に沿って等間隔に形成されている。また、各ガイド溝57は、半径方向内端(出口端)57iが半径方向外端(入口端)57oよりも正回転方向側(圧縮機インペラ21の回転方向側)に位置するように構成されている。更に、各ガイド溝57の凹み量は、半径方向内端57iの手前側から半径方向内端57iにかけて徐々に小さくなっている。前述の構成により、複数のガイド溝57は、圧縮機ディスク23の背面23b側に圧縮機インペラ21(回転する圧縮機インペラ21)に対して相対的な正回転方向(圧縮機インペラ21の回転方向と同じ方向)の旋回流を生成する旋回流生成部としての機能を有することになる。換言すれば、圧縮機ディスク23の背面23bには、旋回流生成部としての複数のガイド溝57が形成されていることになる。なお、ガイド溝57の個数、及びガイド溝57の半径方向内端57iの半径方向位置は、適宜に変更可能である。
As shown in FIGS. 7 and 8A and 8B, the
ここで、圧縮機ディスク23の背面23bに複数のガイド溝57が形成される代わりに、圧縮機ディスク23の背面23bに軸方向他方側へ突出した複数の突起列(図示省略)が周方向に沿って等間隔に形成され、各隣接する突起列の間に空気を半径方向外側から半径方向内側へ案内する複数のガイド通路(図示省略)が形成されるようにしても構わない。この場合、各ガイド通路は、径方向内端が半径方向外端よりも正回転方向側に位置するように構成されている。
Here, instead of forming a plurality of
圧縮機ディスク23の背面23bに複数のガイド溝57等が形成される代わりに、図9(a)(b)に示すように、圧縮機ディスク23に空気を半径方向外側から半径方向内側へ案内する複数のガイド通路としてのガイド穴59が貫通形成されても構わない。この場合には、各ガイド穴59の半径方向外端(入口端)59oは、圧縮機ディスク23の最大径部23g側に開口されており、各ガイド穴59の半径方向内端(出口端)59iは、圧縮機ディスク23の背面23b側に開口されている。各ガイド穴59は、半径方向内端59iが半径方向外端59oよりも正回転方向側に位置するように構成されている。
Instead of forming a plurality of
続いて、本発明の第2実施形態の作用及び効果について説明する。 Then, the effect | action and effect of 2nd Embodiment of this invention are demonstrated.
図8(a)(b)から図10(a)(b)に示すように、車両用過給機1の運転中、圧縮機ディスク23の背面23bに旋回流生成部としての複数のガイド溝57等が形成されているため、圧縮機ディスク23の背面23b側に圧縮機インペラ21に対して相対的な正回転方向の旋回流を生成して、複数のガイド溝51等が形成されていない場合(比較例の場合)に比較して、圧縮機ディスク23の背面23b側における流れの絶対速度ベクトルVの周方向成分Vuを大きくすることができる。これにより、本発明の第1実施形態と同様の原理に基づいて、車両用過給機1の運転中、圧縮機ディスク23の背面23b側の流れによる遠心力を増大して、その遠心力と釣り合う圧縮機ディスク23の背面23b側における半径方向の圧力差、換言すれば、圧縮機ディスク23の背面23b側における半径方向の圧力勾配を大きくすることができる。その結果、圧縮機ディスク23の背面23bに働く正方向のスラスト力CF1を小さくすることができる。なお、図8(a)、図9(a)、及び図10(b)において、圧縮機ディスク23の背面39b側における流れの速度三角形において、Uは、周方向速度ベクトル、Wは、相対速度ベクトルである。
As shown in FIGS. 8 (a), 10 (b) to 10 (a), 10 (b), during operation of the
従って、本発明の第2実施形態によれば、本発明の第1実施形態と同様の効果を奏するものである。 Therefore, according to 2nd Embodiment of this invention, there exists an effect similar to 1st Embodiment of this invention.
なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものでなく、次のように種々の態様で実施可能である。即ち、本発明の第1実施形態に係るタービンインペラ37に適用した技術的思想をガスタービン(図示省略)に用いられるラジアルタービン(図示省略)に適用して、そのラジアルタービンにおけるタービンディスク(図示省略)の背面に働くスラスト力を調整しても構わない。また、本発明の第2実施形態に係る圧縮機インペララ55に適用した技術的思想を産業機械(図示省略)又はガスタービン(図示省略)に用いられる遠心圧縮機(図示省略)に適用して、その遠心圧縮機における圧縮機ディスク(図示省略)の背面に働くスラスト力を調整しても構わない。
In addition, this invention is not restricted to description of the above-mentioned embodiment, It can implement in a various aspect as follows. That is, the technical idea applied to the
そして、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。 The scope of rights encompassed by the present invention is not limited to these embodiments.
1:車両用過給機(過給機)、3:過給機ハウジング、5:軸受ハウジング、7:圧縮機ハウジング、9:タービンハウジング、11:圧縮機ハウジング本体、13:シールプレート、19:ロータ軸、21:圧縮機インペラ、23:圧縮機ディスク、23b:背面、23g:最大径部、23h:ハブ面、25:圧縮機ブレード、27:圧縮機ブレード、37:タービンインペラ、39:タービンディスク、39b:背面、39g:最大径部、39h:ハブ面、41:タービンブレード、51:ガイド溝、51i:半径方向内端、51o:半径方向外端、53:ガイド穴、53i:半径方向内端、53o:半径方向外端、55:圧縮機インペラ、57:ガイド溝、57i、半径方向内端、57o:半径方向外端、59:ガイド穴、59i:半径方向内端、59o:半径方向外端 1: Supercharger for vehicle (supercharger), 3: Supercharger housing, 5: Bearing housing, 7: Compressor housing, 9: Turbine housing, 11: Compressor housing body, 13: Seal plate, 19: Rotor shaft, 21: Compressor impeller, 23: Compressor disk, 23b: Back surface, 23g: Maximum diameter portion, 23h: Hub surface, 25: Compressor blade, 27: Compressor blade, 37: Turbine impeller, 39: Turbine Disc, 39b: Back surface, 39g: Maximum diameter portion, 39h: Hub surface, 41: Turbine blade, 51: Guide groove, 51i: Radial inner end, 51o: Radial outer end, 53: Guide hole, 53i: Radial direction Inner end, 53o: radially outer end, 55: compressor impeller, 57: guide groove, 57i, radially inner end, 57o: radially outer end, 59: guide hole, 59i: half Inward end, 59o: radially outer end
Claims (10)
タービンディスクを備えたタービンインペラと、を具備し、
少なくとも、前記タービンディスクの背面側に前記タービンインペラの回転方向と逆回転方向の旋回流を生成する逆旋回流生成部が形成されている、又は、前記圧縮機ディスクの背面側に前記圧縮機インペラの回転方向の旋回流を生成する旋回流生成部が形成されている、過給機。 A compressor impeller with a compressor disk;
A turbine impeller provided with a turbine disk,
At least a reverse swirl flow generating portion that generates a swirl flow in the direction opposite to the rotation direction of the turbine impeller is formed on the back side of the turbine disk, or the compressor impeller is formed on the back side of the compressor disk. The supercharger in which the swirl flow production | generation part which produces | generates the swirl flow of the rotation direction of is formed.
前記ディスクの背面側に前記インペラの回転方向と逆回転方向の旋回流を生成する逆旋回流生成部、又は前記ディスクの背面側に前記インペラの回転方向と同じ方向の旋回流を生成する旋回流生成部が形成されている、ターボ回転機械。 A turbo rotating machine having an impeller with a disk,
A reverse swirl flow generating unit that generates a swirl flow in the direction opposite to the rotation direction of the impeller on the back side of the disk, or a swirl flow that generates a swirl flow in the same direction as the rotation direction of the impeller on the back side of the disk. A turbo rotating machine in which a generator is formed.
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