JP2018162789A - ターボチャージャのためのコンプレッサ - Google Patents

Abstract

【課題】無翼型排気ガイド装置を備えるコンプレッサの構成を発展させ、コンプレッサの機能安全性を高め、このようなコンプレッサを備えるターボチャージャを提供する。【解決手段】本発明は少、圧縮すべき空気を受容するための吸気部と、圧縮された空気を排出するための排気部と、を備えるコンプレッサハウジングと、軸方向に延在する駆動軸であって、駆動軸に係合する駆動部を介して回転駆動可能である、駆動軸と、吸気部と排気部との間の駆動軸上に設けられているコンプレッサインペラと、第一の径方向壁部と第二の径方向壁部とを有するディフューザ通路と、ディフューザ通路を介してコンプレッサインペラに接続するとともに、排気部に出口を有するコンプレッサ渦形部と、径方向のディフューザ通路内に設けられるとともにディフューザ通路の第一の径方向壁部に固定されている、別個の無翼型排気ガイド装置と、を含んでいる。【選択図】図２

Description

本発明は請求項１に記載の、ターボチャージャのためのコンプレッサに基づく。

例えば特許文献１に記載されているような遠心コンプレッサは通常、吸気管であって、流体が当該吸気管を通過して流入する吸気管と、流体を駆動もしくは圧縮する役目を持つインペラと、排気管であって、圧縮された流体が当該排気管を通過して遠心コンプレッサから再び出る排気管と、を有している。遠心コンプレッサでは排気管内に、すなわち流れ方向においてコンプレッサインペラの後ろに、いわゆる排気ガイド装置があり、それはディフューザ通路によって、多くの場合は平行壁式の単純な流路を用いて形成される。当該排気ガイド装置は、インペラの後ろの流れを遅くし、それにより圧力を生じさせる役割を果たすが、それは流れが環状管（コンプレッサ渦形部）内でさらに減速され、整流される前に、運動エネルギーがポテンシャルエネルギーに変換されることにより行われる。当該ディフューザ通路内に、固定式であるとともに通常は断面加工を施された排気ガイド翼が取り付けられる場合があり、当該排気ガイド翼は、コンプレッサの特性曲線を変化させる働きをする。この場合、翼付きディフューザまたは排気ガイド装置と呼ばれることが多い。これらの排気ガイド翼は通常、ディフューザ壁を伴う一の部材であり、当該部材の鈍い端部が対向するハウジング壁に押し付けられている。流体技術的に不利な間隙であって、排気ガイド翼とハウジングとの間にいわゆる間隙損失を生じさせる間隙は、このように低減され得る。従来技術においては、これらの排気ガイド翼が、コンプレッサを開ループ制御もしくは閉ループ制御する目的で、回転式に調整可能または回転可能である遠心コンプレッサも知られている。

これと並んで従来技術から、いわゆる無翼型排気ガイド装置、すなわち排気ガイド翼を有さない排気ガイド装置を備えるコンプレッサも知られており、当該コンプレッサではディフューザ通路内のコンプレッサインペラの後ろに、別個の物体として挿入されている。無翼型排気ガイド装置の不利点は、排気ガイド装置がハウジング内で排気ガイド翼を介して締め付けられることができないので、このような無翼型排気ガイド装置をハウジングに固定するために、ネジのような接続要素が用いられることである。しかしながら、接続要素が故障した場合、無翼型排気ガイド装置がコンプレッサインペラに接触し、それによりコンプレッサにおける重大な損害を生じさせることがあり得る。

国際公開第２０１４／０１２７２５号

したがって本発明は、無翼型排気ガイド装置を備えるコンプレッサの構成を発展させ、それにより当該コンプレッサの機能安全性を高めることを課題とする。さらにこのようなコンプレッサを備えるターボチャージャも提供されるべきである。

上記の課題は本発明により、請求項１および請求項９に記載の特徴により解決される。本発明の有利な発展的構成は添付の従属請求項の対象である。

本発明は、少なくとも以下のものを含むターボチャージャのためのコンプレッサに関する。すなわち、コンプレッサ内で圧縮すべき空気を受容するための吸気部と、コンプレッサ内で圧縮された空気を排出するための排気部とを備えるコンプレッサハウジングと、軸方向に延在する駆動軸であって、コンプレッサハウジング内に回転可能に支承されるとともに、当該駆動軸に係合する駆動部を介して回転駆動可能である駆動軸と、コンプレッサハウジング内で空気流路に関して吸気部と排気部との間の駆動軸上に設けられているコンプレッサインペラと、コンプレッサハウジング内で径方向に延在するとともに第一の径方向壁部と第二の径方向壁部とを有するディフューザ通路と、空気流路内の空気通路として、ディフューザ通路を介してコンプレッサインペラに接続するとともに、排気部に出口を有するコンプレッサ渦形部と、径方向のディフューザ通路内に設けられるとともに当該ディフューザ通路の第一の径方向壁部に固定されている、別個の無翼型排気ガイド装置と、を含むターボチャージャのためのコンプレッサであって、別個の無翼型排気ガイド装置と、軸方向において当該無翼型排気ガイド装置に向き合うディフューザ通路の第二の径方向壁部と、の間に軸方向内部間隙がある、ターボチャージャのためのコンプレッサに関する。

本発明によれば、別個の無翼型排気ガイド装置は環状ディスクとして形成されており、当該環状ディスクは当該環状ディスクの径方向内側直径領域内に、駆動軸と同軸であるとともにディフューザ通路の第二の径方向壁部に背を向けている第一の管部を含み、当該第一の管部は所定の軸方向延在を有し、当該第一の管部の径方向内側周面は、径方向においてコンプレッサハウジングの一の部分と向き合い、軸方向内部間隙は第一の管部の軸方向延在よりも小さいことが行われている。第一の管部は特に駆動軸およびコンプレッサインペラを囲繞する。

第一の管部の径方向内側周面が、径方向においてコンプレッサハウジングの一の部分と向き合い、加えて、別個の無翼型排気ガイド装置と、軸方向において当該無翼型排気ガイド装置に向き合うディフューザ通路の第二の径方向壁部と、の間の軸方向内部間隙が、第一の管部の軸方向延在よりも小さいために、別個の無翼型排気ガイド装置がディフューザ通路の第一の径方向壁部から意図せずに外れた場合に、別個の無翼型排気ガイド装置がコンプレッサホイールと接触し得ないことが確保される。そのような場合、別個の無翼型排気ガイド装置の第一の管部は、径方向において向き合うコンプレッサハウジングの部分に、もしくはディフューザ通路の第二の径方向壁部に当たるが、ディフューザ通路内に残っている軸方向内部間隙は狭すぎて、別個の無翼型排気ガイド装置をコンプレッサホイールと接触させる可能性がある、当該別個の無翼型排気ガイド装置の軸方向および／または径方向の移動を生じさせられないからである。

したがって本発明によれば、第一の管部の軸方向延在によって別個の無翼型排気ガイド装置の幾何形状が作り出され、当該幾何形状は軸方向において見た場合、ディフューザ通路の内部間隙に対して大き過ぎ、それにより、コンプレッサハウジングに対する別個の無翼型排気ガイド装置の結合が意図せずに解除された場合、コンプレッサホイールに接触するのに十分な、別個の無翼型排気ガイド装置の軸方向および／または径方向の移動を生じさせられない。これにより本発明は冒頭で述べた問題、すなわち別個の無翼型排気ガイド装置とコンプレッサハウジングとの結合部が故障した場合、コンプレッサの損傷が生じ得るという問題を解決する。それにより全体としてコンプレッサの機能安全性が向上する。

従属請求項に記載された手段によって、当該従属請求項に記載された発明の有利な発展的構成および改良が可能である。

特に好ましくは、ディフューザ通路の第一の径方向壁部はコンプレッサ渦形部の一部を形成する。

一の発展的構成によれば、環状ディスクは第一の管部とは異なる第二の管部を有し、当該第二の管部は駆動軸と同軸であるとともに、ディフューザ通路の第二の径方向壁部に背を向けており、環状ディスクをコンプレッサ渦形部の一の段においてセンタリングする。このとき第二の管部は特に、ディフューザ通路の第二の径方向壁部の径方向内側の段においてセンタリングされていてよい。第二の管部は特に、第一の管部よりも大きな内径を有し得る。

少なくとも第一の管部は環状ディスクと一体的に形成されていてよく、第二の管部も例えば環状ディスクと一体的に形成されていてよい。

一の特に好適な実施の形態によれば、第一の管部の径方向内側の直径は、径方向においてインサート部と向き合い、当該インサート部は吸気側でコンプレッサハウジングに挿入されており、径方向においてコンプレッサインペラを囲繞する。当該インサート部はこの場合、例えばコンプレッサハウジングの一部を形成する。

特に例えばネジのような接続要素が設けられていてよく、当該接続要素により無翼型排気ガイド装置もしくは環状ディスクは、ディフューザ通路の第一の径方向壁部に着脱可能に固定されている。

一の好適な発展的構成によれば、別個の無翼型排気ガイド装置もしくは環状ディスクと、軸方向において当該別個の無翼型排気ガイド装置もしくは環状ディスクと向き合うディフューザ通路の第二の径方向壁部と、の間の軸方向内部間隙は、径方向延在に関して少なくとも大部分は一定であってよい。

本発明はまた、ターボチャージャ、特に上記のようなコンプレッサを備える排ガスターボチャージャに関する。

前記ターボチャージャは好ましくは、タービンハウジングと、駆動軸のための駆動部を形成するとともに、タービンハウジング内で駆動軸上に設けられているタービンインペラとを有するタービンを特徴とする。このときタービンハウジングは好ましくは、コンプレッサハウジングと結合されている。

以下に実施の形態に基づき、添付の図面に関連させて本発明をより詳しく説明する。図面に示すのは以下の通りである。

本発明の一の好適な実施の形態によるコンプレッサを備えるターボチャージャを側面から見た図である。 図１のコンプレッサの拡大された部分を示す図である。

図１に示すように、ターボチャージャは、当該図では例えば内燃機関の排ガスによって駆動されるタービン２と、当該タービン２によって駆動されるコンプレッサ１と、を有する。言い換えれば、図１に表示されるターボチャージャは、排ガスターボチャージャである。

コンプレッサ１は、コンプレッサ１内で圧縮すべき空気を受容するための吸気部１１と、コンプレッサ１内で圧縮された空気を排出するための排気部１２と、を備えるコンプレッサハウジング１０と、駆動軸３０であって、コンプレッサハウジング１０内に回転可能に支承され、それにより当該駆動軸に係合するタービン２の駆動部を介して回転駆動可能である駆動軸３０と、翼列４１を備えるコンプレッサインペラ４０と、を有し、当該コンプレッサインペラ４０は、コンプレッサハウジング１０内で空気流路に関して吸気部１１と排気部１２との間の駆動軸３０上に設けられている。

タービン２は従来どおりに形成されており、タービンハウジング２０と、駆動軸３０のための駆動部を形成するタービンインペラ２１と、を有し、当該タービンインペラは、タービンハウジング２０内で駆動軸３０上に設けられている。

コンプレッサ１のコンプレッサハウジング１０内に、ディフューザ通路もしくは中間通路１４と、渦形ハウジングの形のコンプレッサ渦形部１５と、が形成されている。コンプレッサ渦形部１５は、空気流路内の空気通路として、径方向に延在する中間通路１４を介してコンプレッサインペラ４０に接続するとともに、排気部１２に出口を有する。

図１および図２から分かるように、コンプレッサハウジング１０はさらにインサート部１３を有し、当該インサート部は吸気側でコンプレッサハウジング１０に挿入されており、それによりインサート部１３は径方向においてコンプレッサインペラ４０を囲繞する。コンプレッサ１はさらに、排気ガイド装置６０を有し、当該排気ガイド装置はコンプレッサハウジング１０のディフューザ通路１４内に設けられている。

コンプレッサ１の当該好適な実施の形態において、径方向に延在するディフューザ通路１４は、コンプレッサハウジング１内で第一の径方向壁部２２と第二の径方向壁部２４とを有する。ディフューザ通路１４の第一の径方向壁部２２は、好ましくはコンプレッサ渦形部１５の一部を形成する。

排気ガイド装置６０は、別個の無翼型排気ガイド装置であり、当該別個の無翼型排気ガイド装置は、径方向のディフューザ通路１４内に設けられるとともに当該ディフューザ通路１４の第一の径方向壁部１５に固定されている。特に図に示されていない、例えばネジのような接続要素が設けられており、当該接続要素により別個の無翼型排気ガイド装置６０は、ディフューザ通路１４の第一の径方向壁部２２に着脱可能に固定されている。

特に図２が示すように、別個の無翼型排気ガイド装置６０と、軸方向において当該無翼型排気ガイド装置に向き合うディフューザ通路１４の第二の径方向壁部２４と、の間に、軸方向内部間隙ａが存在する。このとき好ましくは別個の無翼型排気ガイド装置６０と、軸方向において当該無翼型排気ガイド装置に向き合うディフューザ通路１４の第二の径方向壁部２４と、の間の軸方向内部間隙ａは、ディフューザ通路１４の径方向延在に関して大部分は一定である。別個の無翼型排気ガイド装置６０の径方向内側直径領域内でのみ、当該別個の無翼型排気ガイド装置は、軸方向において向き合うディフューザ通路１４の第二の径方向壁部２４から、概ね円錐状にやや離れてゆく。

別個の無翼型排気ガイド装置６０は環状ディスクとして形成されており、当該環状ディスクは当該環状ディスクの径方向内側直径領域内に、駆動軸３０と同軸であるとともにディフューザ通路１４の第二の径方向壁部２４に背を向けている第一の管部３２を含み、当該第一の管部は所定の軸方向延在ｂを有する。

さらに、第一の管部３２の径方向内側周面は、径方向においてコンプレッサハウジング１０の一の部分と向き合い、当該部分は特にインサート部１３の一の部分によって形成され、特に第一の管部３２の径方向内側周面と、インサート部１３の当該部分と、の間に、図２では見えない径方向の狭い間隙が存在するが、当該間隙は非常に狭いので、ディフューザ通路１４を通過する空気流に影響を及ぼさない。

環状ディスク６０は、好ましくは第一の管部３２とは異なる第二の管部３４を有し、当該第二の管部は駆動軸３０と同軸であるとともに、ディフューザ通路１４の第二の径方向壁部２４に背を向けており、環状ディスク６０をコンプレッサ渦形部１５の径方向内側の段３６においてセンタリングする。このとき第二の管部３４は特に、第一の管部３２よりも大きな内径を有する。第一の管部３２および第二の管部３４は、例えば環状ディスク６０と一体的に形成されている。さらに第一の管部３２および第二の管部３４は、特に駆動軸３０およびコンプレッサインペラ４０を囲繞する。

さらに環状ディスク６０の形の別個の無翼型排気ガイド装置と、軸方向において当該無翼型排気ガイド装置に向き合うディフューザ通路１４の第二の径方向壁部２４と、の間の軸方向内部間隙ａは、第一の管部３４の軸方向延在ｂよりも小さい。これにより、環状ディスク６０の形の別個の無翼型排気ガイド装置が、例えばネジ（ｎ）の破壊により、意図せずに第一の径方向壁部３２から外れた場合、無翼型排気ガイド装置がコンプレッサインペラ４０に接触し得、それによりコンプレッサ１が重大な損害を被ることは防止される。

本発明はいかなる種類のコンプレッサ１において実現されていてもよく、その際、必ずしもコンプレッサ１とタービン２とを組み合わせなくてよい。

１ コンプレッサ
２ タービン
１０ コンプレッサハウジング
１１ 吸気部
１２ 排気部
１３ インサート部
１４ ディフューザ通路
１５ コンプレッサ渦形部
２０ タービンハウジング
２１ タービンインペラ
２２ 第一の径方向壁部
２４ 第二の径方向壁部
３０ 駆動軸
３２ 第一の管部
３４ 第二の管部
３６ 径方向内側の段
４０ コンプレッサインペラ
４１ 翼列
６０ 排気ガイド装置
ａ 軸方向内部間隙
ｂ 軸方向延在

Claims (11)

1. 少なくとも以下のもの、すなわち、
   ａ）コンプレッサ（１）内で圧縮すべき空気を受容するための吸気部（１１）と、前記コンプレッサ（１）内で圧縮された空気を排出するための排気部（１２）とを備えるコンプレッサハウジング（１０）と、
   ｂ）軸方向に延在する駆動軸（３０）であって、前記コンプレッサハウジング（１０）内に回転可能に支承されるとともに、当該駆動軸に係合する駆動部を介して回転駆動可能である駆動軸（３０）と、
   ｃ）前記コンプレッサハウジング（１０）内で空気流路に関して前記吸気部（１１）と前記排気部（１２）との間の前記駆動軸（３０）上に設けられているコンプレッサインペラ（４０）と、
   ｄ）前記コンプレッサハウジング（１０）内で径方向に延在するとともに、第一の径方向壁部（２２）と第二の径方向壁部（２４）とを有するディフューザ通路（１４）と、
   ｅ）前記空気流路内の空気通路として、前記ディフューザ通路（１４）を介して前記コンプレッサインペラ（４０）に続くとともに、前記排気部（１２）に出口を有するコンプレッサ渦形部（１５）と、
   ｆ）前記径方向のディフューザ通路（１４）内に設けられるとともに当該ディフューザ通路（１４）の前記第一の径方向壁部（２２）に固定されている、別個の無翼型排気ガイド装置とを含むターボチャージャのためのコンプレッサ（１）であって、
   ｇ）前記別個の無翼型排気ガイド装置と、軸方向において当該無翼型排気ガイド装置に向き合う前記ディフューザ通路（１４）の第二の径方向壁部（２４）との間に、軸方向内部間隙（ａ）があり、
   ｈ）前記別個の無翼型排気ガイド装置は環状ディスク（６０）として形成されており、当該環状ディスクは当該環状ディスクの径方向内側直径領域内に、前記駆動軸（３０）と同軸であるとともに前記ディフューザ通路（１４）の前記第二の径方向壁部（２４）に背を向けている第一の管部（３２）を含み、当該第一の管部は所定の軸方向延在（ｂ）を有し、
   ｉ）前記第一の管部（３２）の径方向内側周面は、径方向において前記コンプレッサハウジング（１０）の一の部分（１３）と向き合い、
   ｊ）前記軸方向内部間隙（ａ）は、前記第一の管部（３２）の前記軸方向延在（ｂ）よりも小さい、ターボチャージャのためのコンプレッサ。
2. 前記ディフューザ通路（１４）の前記第一の径方向壁部（２２）は、前記コンプレッサ渦形部（１５）の一部を形成することを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサ。
3. 前記環状ディスク（６０）は前記第一の管部（３２）とは異なる第二の管部（３４）を有し、当該第二の管部は前記駆動軸（３０）と同軸であるとともに、前記ディフューザ通路（１４）の前記第二の径方向壁部（２４）に背を向けており、前記環状ディスク（６０）を前記コンプレッサ渦形部（１５）の一の段（３６）においてセンタリングすることを特徴とする請求項２に記載のコンプレッサ。
4. 前記第二の管部（３４）は、前記第一の管部（３２）よりも大きな内径を有することを特徴とする請求項３に記載のコンプレッサ。
5. 少なくとも前記第一の管部（３２）は前記環状ディスク（６０）と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のコンプレッサ。
6. 前記第一の管部（３２）の径方向内側の直径は、径方向においてインサート部（１３）と向き合い、当該インサート部は吸気側で前記コンプレッサハウジング（１０）に挿入されており、径方向において少なくとも部分的に前記コンプレッサインペラ（４０）を囲繞することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のコンプレッサ。
7. 接続要素が設けられており、当該接続要素により前記環状ディスク（６０）は、前記ディフューザ通路（１４）の前記第一の径方向壁部（２２）に着脱可能に固定されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のコンプレッサ。
8. 前記環状ディスク（６０）と、軸方向において当該環状ディスクに向き合う前記ディフューザ通路（１４）の前記第二の径方向壁部（２４）と、の間の前記軸方向内部間隙（ａ）は、径方向延在に関して少なくとも大部分は一定であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のコンプレッサ。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のコンプレッサ（１）を備えるターボチャージャ。
10. タービンハウジング（２０）と、前記駆動軸（３０）のための前記駆動部を形成するとともに、前記タービンハウジング（２０）内で前記駆動軸（３０）上に設けられているタービンインペラ（２１）と、を有するタービン（２）を特徴とする、請求項９に記載のターボチャージャ。
11. 前記タービンハウジング（２０）は、前記コンプレッサハウジング（１０）と結合されていることを特徴とする請求項１０に記載のターボチャージャ。