JP2017089392A - 過給機および過給機の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過給機の大型化を回避しつつ、圧力比を向上させる。
【解決手段】回転軸２に取り付けられたインペラ３がインペラハウジング９に収容される過給機１であって、インペラハウジング９の内壁面からインペラ３に向かって延びる静翼１２が設けられるとともに、インペラ３の回転時にインペラ３が静翼１２に接触することを回避するための切欠部３ｄがインペラ３に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸に取り付けられたインペラがインペラハウジングに収容される過給機およびその製造方法に関する。

従来より、内燃機関からの排気によってタービンインペラを回転させることで、タービンインペラと同じ回転軸に取り付けられたコンプレッサインペラを回転させ、これにより吸気の圧力を高める過給機が知られている。このような過給機においては、圧力比（入口圧力に対する出口圧力）を大きくすることによって、内燃機関の性能を向上させることができるため、圧力比を高めるために種々の工夫がなされている。例えば特許文献１には、直列的に設けられた複数の過給機によって複数段階の圧縮を行う、いわゆるツーステージ式の過給装置が開示されている。

特開２０１２−１４０８９０号公報

ツーステージ式の過給装置では確かに圧力比を高めることはできるものの、複数の過給機を設けることで過給装置全体が大きなものとなり、車両等への搭載性が悪化するという問題がある。そこで、例えば、１つの回転軸に複数のコンプレッサインペラを取り付け、複数のコンプレッサインペラによって複数段階の圧縮を行う過給機が知られている。このような過給機によれば、過給機を複数設けるツーステージ式と比較すると大型化を抑制することができるものの、複数のコンプレッサインペラを配設するスペースが必要となることで、やはりある程度の大型化は免れ得ず、依然として搭載性の点において改善の余地があった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、過給機の大型化を回避しつつ、圧力比を向上させることを目的とする。

本発明は、回転軸に取り付けられたインペラがインペラハウジングに収容される過給機であって、前記インペラハウジングの内壁面から前記インペラに向かって延びる静翼が設けられるとともに、前記インペラの回転時に前記インペラが前記静翼に接触することを回避するための切欠部が前記インペラに形成されていることを特徴とする。

本発明におけるインペラがコンプレッサインペラの場合、通常の遠心式圧縮機と同様に、コンプレッサインペラの回転によって軸方向から吸い込まれた吸気を遠心方向に吐き出すことによって圧力を高める効果に加えて、コンプレッサインペラ（動翼）によって吸気を圧縮し、静翼によって後方の翼列への流入角を調整することで、多段階で効果的に圧縮できる効果も生じる。しかも、過給機やコンプレッサインペラを複数設ける必要がないので、過給機の大型化を抑制することができる。つまり、本発明によれば、過給機の大型化を回避しつつ、圧力比を向上させることが可能となる。なお、本発明におけるインペラがタービンインペラの場合には、膨張比を高めることが可能である。

本実施形態にかかる過給機の構成を示す断面図である。 シュラウド部を図１の右側から見たときの図である。 過給機の組立手順を示す模式図である。 過給機の変形例を示す断面図である。

以下、本実施形態にかかる過給機について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態にかかる過給機の構成を示す断面図であり、コンプレッサ側の構成を図示したものである。なお、タービン側の構成も基本的にコンプレッサ側の構成と同様であるので、以下では、タービン側についての説明は省略する。

図１に示す過給機１は、回転軸２の一方の軸端部に取り付けられるコンプレッサインペラ３および他方の軸端部に取り付けられる不図示のタービンインペラが、ハウジング４内に収容された基本構成を有する。不図示の内燃機関からの排気によってタービンインペラが回転させられると、この回転動作が回転軸２を介してコンプレッサインペラ３に伝達され、コンプレッサインペラ３が回転する。その結果、回転軸２の軸方向（図１の左側）からコンプレッサインペラ３に吸気が取り込まれ、コンプレッサインペラ３の回転によって吸気が圧縮される。コンプレッサインペラ３で圧縮された吸気は、コンプレッサインペラ３の径方向外側（遠心方向）に設けられたスクロール通路５に吐き出される。

ハウジング４は、回転軸２をスラスト方向に支持するスラストベアリング６および回転軸２をラジアル方向に支持するラジアルベアリング７を収容するベアリングハウジング８と、ベアリングハウジング８のコンプレッサ側（図１の左側）に設けられ、コンプレッサインペラ３を収容するコンプレッサハウジング９と、ベアリングハウジング８のタービン側（図１の右側）に設けられ、タービンインペラを収容する不図示のタービンハウジングとから構成される。

さらに、コンプレッサハウジング９は、軸方向に沿って延びる円筒部１０ａを有するスクロール部１０と、スクロール部１０の円筒部１０ａに挿入される円筒状のシュラウド部１１とによって構成される。

コンプレッサインペラ３は、軸心部をなすボス部３ａから径方向外側に向かって複数の翼部３ｂが形成された構成となっている。ボス部３ａには、軸方向に沿って貫通孔３ｃが形成されており、この貫通孔３ｃに回転軸２が挿入される。また、各翼部３ｂには、外周縁部の一部を切り欠いた切欠部３ｄが形成されており、この切欠部３ｄの内側に後述の静翼１２が配置可能となっている。

コンプレッサハウジング９のシュラウド部１１の内壁面には、径方向内側に向かって、換言するとコンプレッサインペラ３に向かって延びる静翼１２が周方向に複数（本実施形態では８個、図２（ａ）参照）設けられている。上述の切欠部３ｄは、静翼１２が延びる方向（ここでは径方向）に沿って形成されており、コンプレッサインペラ３の回転時に静翼１２が相対的に切欠部３ｄを通過できるようになっており、これによって翼部３ｂが静翼１２に接触しないようにされている。なお、タービンインペラもコンプレッサインペラ３と同様に静翼が設けられた構成となっており、コンプレッサインペラ３およびタービンインペラは、いずれも本発明の「インペラ」に相当する。

過給機１の製造方法について説明する。まずは、コンプレッサハウジング９のシュラウド部１１とシュラウド部１１の内壁面から径方向内側に突出する複数の静翼１２とを、例えば鋳造やダイカストにより一体的に作製する（図２（ａ）参照）。このようにして作製されたシュラウド部１１を、静翼１２と重複しない周方向位置で切断して複数のシュラウド部１１’に分割する（図２（ｂ）参照）。本実施形態では、周方向において１８０度離間した位置で切断することで半割形状のシュラウド部１１’に２分割しているが、シュラウド部１１の分割数や分割位置はこれに限定されず、適宜変更が可能である。

次に、図３（ａ）に示すように、切欠部３ｄが形成されたコンプレッサインペラ３を用意し、切欠部３ｄが形成されている軸方向領域内に静翼１２が配置されるように、２つに分割されたシュラウド部１１’をコンプレッサインペラ３の径方向外側から組み合わせる。こうすることで、コンプレッサインペラ３の回転時に静翼１２が切欠部３ｄを相対的に通過することができ、コンプレッサインペラ３と静翼１２との干渉を防止することができる。

続いて、図３（ｂ）に示すように、上述のように組み合わせられたコンプレッサインペラ３とシュラウド部１１とをスクロール部１０内に挿入する。具体的には、円筒状のシュラウド部１１をスクロール部１０の円筒部１０ａに例えば圧入することによって、シュラウド部１１がスクロール部１０に取り付けられる。

最後に、コンプレッサインペラ３の貫通孔３ｃに回転軸２を挿入し、例えばナットによりコンプレッサインペラ３を回転軸２に対して固定するとともに、スクロール部１０にシュラウド部１１が取り付けられて構成されたコンプレッサハウジング９をベアリングハウジング８に対してボルト等を用いて固定する。その結果、図１に示すような過給機１が最終的に構成される。

（効果）
本実施形態の過給機１においては、通常の遠心式圧縮機と同様に、コンプレッサインペラ３の回転によって軸方向から吸い込まれた吸気を遠心方向に吐き出すことによって圧力を高める効果に加えて、次のような効果も生じる。以下では、便宜上、コンプレッサインペラ３の翼部３ｂのうち切欠部３ｄよりも吸気流れの上流側（図１の左側）の部分を「第１の動翼部」と称し、切欠部３ｄよりも下流側（図１の右側）の部分を「第２の動翼部」と称する。

まず、コンプレッサインペラ３が回転することによって、第１の動翼部により吸気が１段階目の圧縮を受ける。第１の動翼部で圧縮を受けた吸気は、静翼１２によって流れの向きを調整（整流）された後、第２の動翼部により２段階目の圧縮を受ける。このとき、第２の動翼部に流入する吸気の流入角を、第２の動翼部による圧縮が効果的に行われる角度となるように、静翼１２の形状や配置を規定することによって、吸気を多段階で効果的に圧縮することができる。つまり、通常の遠心式圧縮機の効果に加えて、軸流式圧縮機のごとく動翼と静翼とによる多段階圧縮の効果も同時に得ることができ、圧力比を向上させることができる。

このように、本実施形態の過給機１によれば、圧力比を効果的に向上させることができるが、そのために過給機１やコンプレッサインペラ３を複数設ける必要はない。したがって、過給機１の大型化を抑制することができる。つまり、過給機１によれば、過給機１の大型化を回避しつつ、圧力比を向上させることが可能となる。なお、タービンインペラに対して本実施形態のコンプレッサインペラ３と同様の構成を採用した場合には、過給機１の大型化を回避しつつ、膨張比を効果的に向上させることが可能である。

また、本実施形態の過給機１は、コンプレッサハウジング９がスクロール部１０とスクロール部１０に取り付けられる円筒状のシュラウド部１１とを有して構成されており、静翼１２をシュラウド部１１と一体的に形成する工程と、静翼１２が一体的に形成されたシュラウド部１１を周方向において複数に分割する工程と、複数に分割されたシュラウド部１１’を、コンプレッサインペラ３の回転時に静翼１２が切欠部３ｄを相対的に通過できるように組み合わせた状態でスクロール部１０に取り付ける工程とによって製作されるため、次のような効果がある。

隣接する動翼の間に静翼を配置する場合、例えば、特開２０１３−１００７８４号公報に記載されているように、静翼を軸方向から動翼間に挿入しつつ動翼を回転させることによって、静翼を所定の位置に配置させる方法が知られている。しかしながら、この方法だと、静翼が動翼間を通過できるようにするために、静翼の形状や大きさが動翼の形状や配置によって大きく制約されてしまい、圧力比を向上させるという観点において静翼の設計自由度が非常に低いものとなっていた。

これに対し、本実施形態のように、静翼１２を円筒状のシュラウド部１１の内壁面に一体形成した後、これを周方向に複数に分割してから、分割された複数のシュラウド部１１’を、静翼１２を切欠部３ｄに対応する位置に配置するように組み合わせることによって、静翼１２を隣接する翼部３ｂの間を通過させる必要がなくなるので、圧力比を向上させるための静翼１２の設計自由度が大きく向上する。しかも、この方法だと、比較的小さく簡易な形状のシュラウド部１１を分割するだけで済み、より複雑で大きなスクロール部１０を分割する必要はないので、加工や組立に要する工数を低減することができる。

なお、一般的に、タービンハウジングは、円筒状のシュラウド部がスクロール部に取り付けられる構成とはなっておらず、シュラウド部に相当する部分がスクロール部と一体構造となっている。しかしながら、タービン側に静翼を設ける場合には、タービンハウジングについても、本実施形態のコンプレッサハウジング９と同様にスクロール部とシュラウド部とを別体とし、上述の製造方法を適用することで、加工や組立に要する工数を低減することが可能である。

また、コンプレッサインペラ３の切欠部３ｄは、翼部３ｂの外周縁部に形成されているため、従来通り切欠部３ｄのないコンプレッサインペラ３を製作した後、翼部３ｂを径方向外側から切削加工することにより容易に切欠部３ｄを設けることができる。この点においても、本実施形態の過給機１は、加工に要する工数を低減可能となっている。

［他の実施形態］
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、軸方向において１箇所にのみ静翼１２を設けるものとした。しかしながら、例えば図４に示すように、軸方向において複数箇所（図４では２箇所）に静翼１２を設けるとともに、これに対応して切欠部３ｄも複数設けるようにしてもよい。静翼１２を軸方向に複数設けることによって、吸気の圧縮段階数を増加させることができ、より効果的に圧力比を向上させることができる。なお、図４に示す下流側の静翼１２のように、静翼１２を径方向（図４における上下方向）に対して傾斜させて設けることも可能である。

１：過給機
２：回転軸
３：コンプレッサインペラ（インペラ）
３ｄ：切欠部
９：コンプレッサハウジング（インペラハウジング）
１０：スクロール部
１１：シュラウド部
１１’：分割されたシュラウド部
１２：静翼

Claims (3)

1. 回転軸に取り付けられたインペラがインペラハウジングに収容される過給機であって、
   前記インペラハウジングの内壁面から前記インペラに向かって延びる静翼が設けられるとともに、前記インペラの回転時に前記インペラが前記静翼に接触することを回避するための切欠部が前記インペラに形成されていることを特徴とする過給機。
2. 前記静翼が、前記回転軸の軸方向において複数箇所に設けられている請求項１に記載の過給機。
3. 前記インペラハウジングがスクロール部と当該スクロール部に取り付けられるシュラウド部とを有して構成されている請求項１または２に記載の過給機の製造方法であって、
   前記静翼を前記シュラウド部と一体的に形成する工程と、
   前記静翼が一体的に形成された前記シュラウド部を周方向において複数に分割する工程と、
   前記複数に分割されたシュラウド部を、前記インペラの回転時に前記静翼が前記切欠部を相対的に通過できるように組み合わせた状態で前記スクロール部に取り付ける工程と、
   を備えることを特徴とする過給機の製造方法。

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