JP2018132045A - 回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 バースト時の安全性を確保することが可能な回転機械を提供する。【解決手段】回転機械１は、軸線Ｏ回りに回転するインペラと、かつ軸線Ｏの径方向外側を向く第一面２１Ａと、及び軸線Ｏ方向一方側を向く第二面２１Ｂとが形成され、インペラを外周側から覆う第一ハウジング２１と、軸線の径方向内側を向き、第一面２１Ａと当接する第三面５１Ａと、軸線方向他方側を向き、第二面２１Ｂと当接し、第三面５１Ａと同じ部材の面である第四面５１Ｂとが形成された係合部を含み、第一ハウジング２１の軸線方向一方側に接続された第二ハウジング５と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、回転機械、例えば、内燃機関に用いられる過給機に関する。

近年、舶用エンジン、自動車用エンジン等の内燃機関に対して、排ガス・燃費に関する規制の強化が進められている。このような燃費の改善や、排ガス中のＣＯ２濃度の低減を目的とする技術の一つとして、過給機が採用されている。過給機は、エンジンの排気ガスによってタービンが回転駆動されることで、遠心圧縮機のインペラを回転させる回転機械である。インペラの回転により圧縮された空気は、ディフューザ、スクロール流路を経てエンジンに供給される。

ところで、過給機の運転中には、稀にバーストと呼ばれる現象が発生する。バーストとは、例えば、過回転により遠心力が過大となることで、インペラの一部が破断する現象である。安全性を高めるためには、バーストしたインペラ片をハウジングの内部に封じ込める必要がある。このような技術の一例として、下記特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された装置は、スクロール室フレームと、スクロール室に隣接する軸受フレームとを、ボルトによって締結する構成を採っている。

特開２０１５−６３９５６号公報

しかしながら、過給機の高周速化が図られている近年では、特許文献１に記載された装置のようにボルトによって各フレームを結合した場合、ボルトに過大なせん断荷重が加わってしまう。このため、ボルトのみによっては、せん断荷重を受け止めきれず、過給機のバースト時の安全性確保に支障を来す場合がある。

また、特許文献１に記載の装置は、スクロール室フレームと、スクロール室に隣接する軸受フレームとを、ボルト（締結ボルト）によって締結するとともに、クランプと軸受フレームに押し圧を加える押しボルトを設けることで、締結ボルトに加わる回転軸方向の荷重を低減させていた。しかし、クランプおよび押しボルトは、締結ボルトに加わる半径方向の荷重を低減させることはできないため、過給機のバースト時の安全性確保に支障を来す場合がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、バースト時の安全性を確保することが可能な回転機械を提供することを目的とする。

本発明の回転機械は、軸線回りに回転するインペラと、軸線の径方向外側を向く第一面と、軸線方向一方側を向く第二面と、が形成され、前記インペラを外周側から覆う第一ハウジングと、軸線の径方向内側を向き、前記第一面と当接する第三面と、軸線方向他方側を向き、前記第二面と当接し、前記第三面と同じ部材の面である第四面とが形成された係合部を含み、前記第一ハウジングの軸線方向一方側に接続された第二ハウジングと、を備える。

この構成によれば、回転機械にバーストが生じて第一ハウジングに径方向外側に向かう力が加わった場合であっても、当該第一ハウジングの第一面に対して、係合部の第三面が径方向外側から当接することで、径方向外側に向かう力を受け止めることができる。例えば、第一ハウジングと第二ハウジングとの径方向の端部をクランプで覆い、クランプを押しボルトで固定した場合であっても、バースト時に加わる径方向の荷重が第一ハウジングと第二ハウジングとを締結するボルトに加わるため、バースト時の安全性確保するためには、第一ハウジングと第二ハウジングとを締結するボルトの耐久性を高くする必要がある。これに対して、ハウジングの第四面と同じ部材で形成された第三面が第一面からの径方向の荷重を受け止めることで、第一ハウジングと第二ハウジングとを締結するボルトに大きな負荷がかかることを抑制できる。これにより、第一ハウジングと第二ハウジングとを締結するボルトの耐久性を向上させずに、ハウジングの連結部分が故障することを抑制できる。また、ハウジングで荷重を受ける構造とすることで、クランプを設けるよりも構造を簡単にすることができる。

本発明の回転機械では、前記係合部は、前記第二ハウジングにおける軸線の周方向の全域にわたって延びていてもよい。

この構成によれば、第一ハウジングの第一面に対して、係合部の第三面が径方向外側かつ周方向の全域で当接することで、径方向外側に向かう力をより安定的に受け止めることができる。

本発明の回転機械では、前記係合部は、前記第二ハウジングにおける軸線の周方向に間隔をあけて複数設けられていてもよい。

この構成によれば、第一ハウジングの第一面に対して、係合部の第三面が径方向外側から当接することで、径方向外側に向かう力を受け止めることができる。

本発明の回転機械は、前記第一ハウジングと前記第二ハウジングとを軸線方向に接続するボルトを有し、前記係合部は、軸線の周方向において少なくとも前記ボルトと重複する位置に設けられていてもよい。

この構成によれば、ボルトによって第一ハウジングと第二ハウジングの結合強度をさらに高めることができる。加えて、第一ハウジングの第一面に対して、係合部の第三面が径方向外側から当接することで、径方向外側に向かう力を受け止めることができる。つまり、ボルトに係るせん断力を低減することができる。これにより、ボルトのみによって第一ハウジングと第二ハウジングとを結合した場合に比べて、回転機械の構造強度を向上させることができる。

本発明の回転機械では、前記第一面、及び前記第三面は、軸線に対して平行であってもよい。

この構成によれば、第一面から第三面に向かって径方向に作用するせん断力を、径方向に直交する軸線方向から受け止めることができる。すなわち、せん断力をより安定的に受け止めることができる。

本発明によれば、バースト時の安全性を確保することが可能な回転機械を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る回転機械の構成を示す断面図である。 図２は、本発明の第一実施形態に係る回転機械の構成を示す要部拡大断面図である。 図３は、本発明の第一実施形態に係るハウジング連結部を軸線方向から見た図である。 図４は、本発明の第二実施形態に係るハウジング連結部を軸線方向から見た図である。

［第一実施形態］
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が、本発明は以下実施形態の構成に限定されない。以下で説明する一部の構成要素を用いない構成を採ることも可能である。また、本実施形態は、回転機械を、エンジンに圧縮空気を供給する過給機（ターボチャージャ）としたが、本発明はこれに限定されない。図１に示すようにターボチャージャ１（回転機械１）は、回転軸２と、回転軸２とともに回転するタービン３及び圧縮機４と、タービン３と圧縮機４を連結するとともに回転軸２を支持するハウジング連結部５（第二ハウジング５）と、を備えている。このターボチャージャ１では、図示しないエンジンからの排気ガスＧによりタービン３が回転し、当該回転に伴って圧縮機４が圧縮した空気ＡＲをエンジンに供給する。なお、エンジンは、舶用ディーゼルエンジンとすることが好ましいが、他の用途のエンジンとしてもよい。

回転軸２は、軸線Ｏ方向に延び、軸線Ｏを中心として回転する。タービン３は、軸線Ｏ方向の一方側（図１の紙面に向かって右側）に配置されている。タービン３は、回転軸２が取付けられるとともにタービンブレード１５を有するタービンインペラ１４と、タービンインペラ１４を外周側から覆うタービンハウジング１１とを備えている。

タービンインペラ１４には、回転軸２が嵌り込んでおり、回転軸２とともに軸線Ｏ回りに回転可能となっている。

タービンハウジング１１は、タービンインペラ１４を覆っている。そして、タービンハウジング１１には、タービンブレード１５の前縁部（径方向外側の端部）から径方向外側に向かって延びるとともに径方向外側の位置で軸線Ｏを中心とした環状に形成されてタービンハウジング１１の内外を連通するスクロール通路１２が形成されている。このスクロール通路１２から排気ガスＧがタービンインペラ１４に導入されることで、タービンインペラ１４及び回転軸２が回転する。

また、タービンハウジング１１には、軸線Ｏ方向一方側で開口する排出口１３が形成されており、タービンブレード１５を通過した排気ガスＧは、軸線Ｏ方向一方側に向かって流通し、排出口１３からタービンハウジング１１の外部に排出される。

圧縮機４は、軸線Ｏ方向の他方側（図１の紙面に向かって左側）に配置されている。圧縮機４には、回転軸２が取付けられるとともに圧縮機ブレード２５を有する圧縮機インペラ２４（インペラ２４）と、圧縮機インペラ２４を外周側から覆う圧縮機ハウジング２１（第一ハウジング２１）と、を備えている。より詳細には、この圧縮機インペラ２４は、回転軸２の外周面から軸線Ｏの径方向外側に張り出す円盤状のディスクを有している。圧縮機インペラ２４は、このディスクにおける軸線Ｏ方向一方側の面上で、軸線Ｏを中心として放射状をなすとともに、周方向に間隔をあけて配列されている。さらに、圧縮機インペラ２４には、回転軸２が嵌り込んでおり、回転軸２とともに軸線Ｏ回りに回転可能となっている。

圧縮機ハウジング２１は、圧縮機インペラ２４を覆っている。圧縮機ハウジング２１は、軸線Ｏの他方側で開口する吸込口２３が形成されている。圧縮機ハウジング２１は、吸込口２３を通じて圧縮機ハウジング２１の外部から圧縮機インペラ２４に空気ＡＲを導入する。圧縮機インペラ２４にタービンインペラ１４からの回転力が回転軸２を介して伝達されることで、圧縮機インペラ２４が軸線Ｏ回りに回転し、空気ＡＲが圧縮される。

圧縮機ハウジング２１は、圧縮機通路２２を形成する。圧縮機通路２２は、圧縮機ブレード２５の後縁部（空気ＡＲの流れの下流端部）から径方向外側に向かって延びるとともに、径方向外側の位置で軸線Ｏを中心とした環状をなして圧縮機ハウジング２１の内外を連通している。この圧縮機通路２２に圧縮機インペラ２４で圧縮された空気ＡＲが導入され、圧縮機ハウジング２１の外部に吐出される。なお、圧縮機ハウジング２１は、鋳物等で一体に形成された構造としてもよいが、複数の分割した部材を組み立てた構造としてもよい。圧縮機ハウジング２１は、複数の部材を組み立てる場合、締結機構で連結しても、溶接等により溶接してもよい。

ハウジング連結部５（第二ハウジング５）は、圧縮機ハウジング２１とタービンハウジング１１との間に配置されている。ハウジング連結部５は、回転軸２を外周側から覆う。ハウジング連結部５は、軸受６が設けられている。軸受６は、回転軸２をハウジング連結部５に対して相対回転可能となるように支持している。

次に、圧縮機ハウジング２１と、ハウジング連結部５との結合部分について図２を参照して説明する。圧縮機ハウジング２１とハウジング連結部５とは、ボルトＢによって軸線Ｏ方向両側から結合されている。すなわち、圧縮機ハウジング２１、及びハウジング連結部５には、ボルトＢが挿通する第一ボルト孔Ｈ１、及び第二ボルト孔Ｈ２がそれぞれ形成されている。

さらに、図２に示すように、圧縮機ハウジング２１の軸線Ｏ方向一方側の端縁には、軸線Ｏの径方向外側を向く第一面２１Ａと、軸線Ｏ方向一方側を向く第二面２１Ｂとが形成されている。第一面２１Ａ、及び第二面２１Ｂは、ハウジング連結部５に設けられた係合部５１（後述）に対して係合する。

係合部５１は、ハウジング連結部５の軸線Ｏ方向他方側の端縁に設けられている。具体的には、係合部５１は、ハウジング連結部５から軸線Ｏ方向他方側に向かって突出している。係合部５１を形成する各面のうち、軸線Ｏの径方向内側を向く面は第三面５１Ａであり、軸線Ｏ方向他方側を向く面は第四面５２Ｂである。なお、図３に示すように、係合部５１（第三面５１Ａ、第四面５１Ｂ）は、軸線Ｏの周方向における全域にわたって連続して形成されている。すなわち、第三面５１Ａは、軸線Ｏ方向から見て円形の断面を有している。また、ハウジング連結部５のうち、係合部５１は、１つの部材で形成されている。つまり、係合部５１は、第三面５１Ａと第四面５１Ｂとが一体の同じ部材で形成されている。

圧縮機ハウジング２１の第一面２１Ａは、係合部５１の第三面５１Ａに対して平行である。さらに、第一面２１Ａ、及び第三面５１Ａは、ともに軸線Ｏに平行である。さらに、圧縮機ハウジング２１の第二面２１Ｂは、係合部５１の第四面５１Ｂに対して平行である。さらに、第二面２１Ｂ、及び第四面５１Ｂは、ともに軸線Ｏの径方向に平行である。なお、ここで言う平行とは実質的な平行を指すものであり、わずかな製造誤差や公差等は許容される。

圧縮機ハウジング２１とハウジング連結部５とが組み合わされた状態において、第一面２１Ａと第三面５１Ａとは、隙間なく当接している。なお、運転中における熱伸びを考慮して、第一面２１Ａと第三面５１Ａとの間にわずかな隙間が形成されていてもよい。さらに、第二面２１Ｂと第四面５１Ｂとは、隙間なく当接している。このように、圧縮機ハウジング２１の軸線Ｏ方向一方側の端部は、ハウジング連結部５の軸線Ｏ方向他方側に設けられた係合部５１に対して嵌り込むように構成されている。

以上のように構成されたターボチャージャ１では、図示しないエンジンからの排気ガスＧによりタービン３が回転し、当該回転に伴って圧縮機４が圧縮した空気ＡＲをエンジンに供給する。

ここで、ターボチャージャ１の運転中には、稀にバーストと呼ばれる現象が発生する。バーストとは、例えば、過回転により遠心力が過大となることで、インペラの一部が破断する現象である。安全性を高めるためには、バーストしたインペラ片をハウジングの内部に封じ込める必要がある。しかしながら、ターボチャージャの高周速化が図られている近年では、ボルトＢのみによって圧縮機ハウジング２１とハウジング連結部５とを結合した場合、ボルトＢに過大なせん断荷重が加わってしまう。このため、ボルトＢのみによっては、せん断荷重を受け止めきれず、過給機のバースト時の安全性確保に支障を来す場合がある。

そこで、本実施形態では、上述のように、圧縮機ハウジング２１の軸線Ｏ方向一方側の端部は、ハウジング連結部５の軸線Ｏ方向他方側に設けられた係合部５１に対してはまり込むように構成されている。この構成によれば、バーストが生じて圧縮機ハウジング２１に径方向外側に向かう力が加わった場合であっても、当該圧縮機ハウジング２１の第一面２１Ａに対して、係合部５１の第三面５１Ａが径方向外側から当接することで、径方向外側に向かう力を受け止めることができる。これにより、バーストが発生した場合であっても、インペラ片を圧縮機ハウジング２１の内部に封じ込めることができる。さらに、上記の構成によれば、ボルトＢのみによって圧縮機ハウジング２１とハウジング連結部５とを結合した場合に比べて、ボルトＢが負担する応力を低減することができる。これにより、ボルトＢの寸法を小さくすることができ、ターボチャージャ１の周囲に配置される補機類等のレイアウト設計に自由度を持たせることができる。また、例えば、本願の係合部５１の構造の代わりに、圧縮機ハウジング２１とハウジング連結部５との径方向の端部をクランプで覆い、クランプを押しボルトで固定した場合であっても、バースト時に加わる径方向の荷重が圧縮機ハウジング２１とハウジング連結部５を締結するボルトに加わるため、バースト時の安全性を確保するためには、圧縮機ハウジング２１とハウジング連結部５とを締結するボルトの耐久性を高くする必要がある。これに対して、ハウジング連結部５の第四面５１Ｂと同じ部材で形成された第三面５１Ａが第一面２１Ａからの径方向の荷重を受け止めることで、圧縮機ハウジング２１とハウジング連結部５とを連結するボルトに大きな負荷がかかることを抑制できる。これにより、圧縮機ハウジング２１とハウジング連結部５とを締結するボルトＢの耐久性を向上させずに、ハウジングの連結部分が故障することを抑制できる。また、ハウジングで荷重を受ける構造とすることで、クランプを設けるよりも構造を簡単にすることができる。

また、上記の構成では、係合部５１は、ハウジング連結部５における軸線Ｏの周方向の全域にわたって延びている。この構成によれば、第一面２１Ａに対して、係合部５１の第三面５１Ａが径方向外側かつ周方向の全域で当接することで、径方向外側に向かう力をより安定的に受け止めることができる。これにより、バーストが発生した場合であっても、インペラ片を圧縮機ハウジング２１の内部に封じ込めることができる。

さらに、上記の構成では、第一面２１Ａ、及び第三面５１Ａは、軸線Ｏに対して平行である。この構成によれば、第一面２１Ａから第三面５１Ａに向かって径方向に作用するせん断力を、径方向に直交する軸線Ｏ方向から受け止めることができる。すなわち、せん断力をより安定的に受け止めることができる。これにより、バーストが発生した場合であっても、インペラ片を圧縮機ハウジング２１の内部に封じ込めることができる。

以上、本発明の第一実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更を施すことが可能である。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図４を主に参照して説明する。なお、第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図４に示すように、本実施形態では、係合部５１が、ハウジング連結部５における軸線Ｏの周方向に間隔をあけて設けられた複数の係合部片を有している。具体的には、軸線Ｏの周方向に等間隔をあけて８個の係合部片５１Ｐが設けられている。それぞれの係合部片５１Ｐは、ハウジング連結部５の軸線Ｏ方向他方側の端部から軸線Ｏ方向他方側に向かって板状に突出している。係合部片５１Ｐの径方向内側を向く面は、第三面５１Ａとされている。

また、各係合部片５１Ｐは、少なくとも１つのボルトＢが設けられる周方向位置と重複している。本実施形態では、それぞれのボルトＢの径方向外側に、係合部片５１Ｐが設けられている。これら係合部片５１Ｐのそれぞれに対して、圧縮機ハウジング２１の第一面２１Ａが対向・当接する。

この構成によれば、ボルトＢによって圧縮機ハウジング２１とハウジング連結部５の結合強度をさらに高めることができる。加えて、圧縮機ハウジング２１の第一面２１Ａに対して、係合部片５１Ｐの第三面５１Ａが径方向外側から当接することで、径方向外側に向かう力を受け止めることができる。つまり、ボルトＢに係るせん断力を低減することができる。これにより、ボルトＢのみによって圧縮機ハウジング２１とハウジング連結部５とを結合した場合に比べて、ターボチャージャ１の構造強度を向上させることができる。さらに、上記の構成によれば、ボルトＢのみによって圧縮機ハウジング２１とハウジング連結部５とを結合した場合に比べて、ボルトＢが負担する応力を低減することができる。これにより、ボルトＢの寸法を小さくすることができ、ターボチャージャ１の周囲に配置される補機類等のレイアウト設計に自由度を持たせることができる。

１ ターボチャージャ
２ 回転軸
３ タービン
４ 圧縮機
５ ハウジング連結部
６ 軸受
１１ タービンハウジング
１２ スクロール通路
１３ 排出口
１４ タービンインペラ
１５ タービンブレード
２１ 圧縮機ハウジング
２１Ａ 第一面
２１Ｂ 第二面
２２ 圧縮機通路
２３ 吸込口
２４ 圧縮機インペラ
２４ インペラ
２５ 圧縮機ブレード
５１ 係合部
５１Ａ 第三面
５１Ｂ 第四面
５１Ｐ 係合部片

Claims (4)

1. 軸線回りに回転するインペラと、
   軸線の径方向外側を向く第一面と、軸線方向一方側を向く第二面と、が形成され、前記インペラを外周側から覆う第一ハウジングと、
   軸線の径方向内側を向き、前記第一面と当接する第三面と、軸線方向他方側を向き、前記第二面と当接し、前記第三面と同じ部材の面である第四面とが形成された係合部を含み、前記第一ハウジングの軸線方向一方側に接続された第二ハウジングと、
   を備える回転機械。
2. 前記係合部は、前記第二ハウジングにおける軸線の周方向の全域にわたって延びている請求項１に記載の回転機械。
3. 前記係合部は、前記第二ハウジングにおける軸線の周方向に間隔をあけて設けられた複数の係合部片を有する請求項１に記載の回転機械。
4. 前記第一ハウジングと前記第二ハウジングとを軸線方向に接続するボルトを有し、
   前記係合部は、軸線の周方向において少なくとも１つの前記ボルトと重複する位置に設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の回転機械。

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