JP2018168707A - 遠心圧縮機用インペラ及び電動式遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】スラストバランスの適正化が可能な遠心圧縮機用インペラを提供する。【解決手段】回転軸と、前記回転軸に装着されたハブと、前記ハブの外周面に設けられた複数の翼と、前記ハブの背面に当接するように前記回転軸に装着されたスリーブと、を備える遠心圧縮機において、前記ハブの前側端面の外周端と前記ハブの回転軸線との距離をＲｆ、前記スリーブにおける前記ハブの背面との当接面の外周端と前記回転軸線との距離をＲｂとすると、前記Ｒｆ＜Ｒｂを満たす。【選択図】 図１

Description

本開示は、遠心圧縮機用インペラ及び電動式遠心圧縮機に関する。

従来、ケーシング内に回転可能なインペラを備えた遠心圧縮機が知られている。インペラは、回転軸と、回転軸に装着されたハブと、ハブの外周面に設けられた複数の翼とを含む。

特許文献１には、インペラとケーシングとの接触を防止するために、ハブの背面からハブの前側端面に貫通する貫通孔を設けた遠心圧縮機が記載されている。

特開２０１０−１８６８号公報

ところで、遠心圧縮機では、回転するインペラによって空気の圧力が増加し、ハブの外周面と背面に圧力が付与される結果、インペラに軸方向のスラスト荷重が作用する。一般に、ハブの背面に圧力を付与する空気は昇圧後の空気であるため、ハブの背面に付与される圧力の平均値は、ハブの前面に付与される圧力の平均値よりも高い。このため、インペラに作用する軸方向における前方（吸込側）へのスラスト荷重は、軸方向における後方（背面側）へのスラスト荷重よりも大きくなりやすい。

この点、排気タービン式過給機の遠心圧縮機のように、遠心圧縮機と反対側に上記軸方向のスラスト荷重を打ち消す回転機器が設けられている場合には、インペラにおける軸方向前方へのスラスト荷重と軸方向後方へのスラスト荷重とのバランス（以下、「スラストバランス」という。）は問題になりにくい。

一方、電動式遠心圧縮機のように、上記軸方向のスラスト荷重を打ち消す回転機器が設けられていない場合には、遠心圧縮機の運転時に軸方向のスラスト荷重が常に一方向に作用することとなる。このため、スラスト軸受にて負荷を吸収する必要があり、スラスト軸受におけるメカニカルロスが発生する。

本発明の少なくとも一実施形態は、上述したような従来の課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、スラストバランスの適正化が可能な遠心圧縮機用インペラ及びこれを備える電動式遠心圧縮機を提供することである。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る遠心圧縮機用インペラは、回転軸と、前記回転軸に装着されたハブと、前記ハブの外周面に設けられた複数の翼と、前記ハブの背面に当接するように前記回転軸に装着されたスリーブと、を備え、前記ハブの前側端面の外周端と前記ハブの回転軸線との距離をＲｆ、前記スリーブにおける前記ハブの背面との当接面の外周端と前記回転軸線との距離をＲｂとすると、前記Ｒｆ＜Ｒｂを満たす。

上記（１）に記載の遠心圧縮機用インペラによれば、Ｒｆ≧Ｒｂを満たす場合と比較して、ハブの背面のうち軸方向における前方（吸込側）へ圧力を受ける部分をハブの回転軸線に直交する平面に投影した面積を小さくすることができる。したがって、インペラに作用する軸方向における前方へのスラスト荷重を低減して、スラストバランスを適正化することができる。これにより、スラスト軸受におけるメカニカルロスを低減することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の遠心圧縮機用インペラにおいて、前記ハブの外周面を前記回転軸線に直交する平面に投影した面積をＡｆ、前記ハブの背面のうち前記ハブの径方向における前記当接面より外側の部分を前記回転軸線に直交する平面に投影した面積をＡｂとすると、０．８Ａｆ＜Ａｂ＜１．０Ａｆを満たす。

インペラの背面とスリーブの当接面とが当接する面積を大きくするほどインペラに作用する軸方向における前方へのスラスト荷重を低減することができるが、スリーブの外周端と回転軸線との距離を大きくするほど、インペラの重量が増大してしまう。この点、上記（２）に記載の遠心圧縮機用インペラのように、０．８Ａｆ＜Ａｂ＜１．０Ａｆを満たすようインペラを構成することにより、インペラの重量増大の抑制とスラストバランスの適正化とを両立することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載の遠心圧縮機用インペラにおいて、前記スリーブの外周面に保持されたシール部材を更に備え、前記シール部材と前記回転軸線との距離をＲｓとすると、Ｒｆ＜Ｒｓを満たす。

上記（３）に記載の遠心圧縮機用インペラによれば、シール部材によってスリーブの外周面とケーシングとの隙間をシールし、インペラに作用する軸方向における前方へのスラスト荷重を効果的に低減することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかに記載の遠心圧縮機用インペラにおいて、前記ハブは、前記ハブの背面から前記ハブの外周面に貫通する少なくとも一つの貫通孔を含む。

上記（４）に記載の遠心圧縮機用インペラによれば、ハブの背面とケーシングとの隙間の空気が貫通孔を通ってハブの外周面とケーシングとの間の流路に供給されるため、ハブの背面に作用する圧力を減少させつつハブの外周面に作用する圧力を増加させて、インペラのスラストバランスを適正化することができる。これにより、スラスト軸受におけるメカニカルロスを低減することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（４）に記載の遠心圧縮機用インペラにおいて、前記貫通孔は、当該貫通孔のうち前記ハブの外周面側の開口端が当該貫通孔のうち前記ハブの背面側の開口端よりも前記ハブの径方向において外側に位置するように、前記回転軸線に対して前記径方向に傾斜した方向に延設される。

上記（５）に記載の遠心圧縮機用インペラによれば、貫通孔を通った空気の流れが、ハブの外周面とケーシングとの間の流路を流れる主流の流れ方向に沿って該流路に流入するため、貫通孔を通った空気の流れと主流との合流に伴う損失の増大を抑制することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（４）又は（５）に記載の遠心圧縮機用インペラにおいて、前記貫通孔は、当該貫通孔のうち前記ハブの外周面側の開口端が当該貫通孔のうち前記ハブの背面側の開口端よりも前記回転軸の回転方向において上流側に位置するように、前記回転軸線に対して前記ハブの周方向に傾斜した方向に延設される。

上記（６）に記載の遠心圧縮機用インペラによれば、貫通孔を通ってハブの外周面とケーシングとの間の流路に供給された空気が、翼の圧力面に沿ってハブの径方向外側にスムーズに流れるため、貫通孔を通った空気の流れと主流との合流に伴う損失の増大を抑制することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（４）乃至（６）の何れかに記載の遠心圧縮機用インペラにおいて、前記回転軸の回転方向において前記貫通孔に対して上流側に隣接する翼と当該貫通孔との距離をｄ１、前記回転方向において当該貫通孔に対して下流側に隣接する翼と当該貫通孔との距離をｄ２とすると、ｄ１＜ｄ２を満たす。

上記（７）に記載の遠心圧縮機用インペラによれば、貫通孔を通ってハブの外周面とケーシングとの間の流路に供給された空気が、翼の圧力面に沿ってハブの径方向外側にスムーズに流れるため、貫通孔を通った空気の流れと主流との合流に伴う損失の増大を抑制することができる。

（８）本発明の少なくとも一実施形態に係る電動式遠心圧縮機は、上記（１）乃至（７）の何れかに記載の遠心圧縮機用インペラと、前記遠心圧縮機用インペラを駆動するためのモータと、を備える。

一般に、電動式遠心圧縮機では、排気タービン式過給機と異なりインペラに作用する軸方向における前方へのスラスト荷重を打ち消す回転機器が設けられていないため、軸方向における前方へのスラスト荷重が、軸方向における後方へのスラスト荷重よりも特に大きくなりやすい。

この点、上記（１）乃至（７）の何れかに記載の遠心圧縮機用インペラを電動式遠心圧縮機に適用することにより、インペラに作用する軸方向における前方へのスラスト荷重を低減してスラストバランスを適正化することができる。したがって、スラスト軸受におけるメカニカルロスを低減することができる。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、スラストバランスの適正化が可能な遠心圧縮機用インペラ及びこれを備える電動式遠心圧縮機が提供される。

一実施形態に係る遠心圧縮機２（２Ａ）の一部を模式的に示す断面図である。 比較例に係る遠心圧縮機の一部を模式的に示す断面図である。 一実施形態に係る遠心圧縮機２（２Ｂ）の一部を模式的に示す断面図である。 遠心圧縮機２（２Ｂ）における空気流れを模式的に示す断面図である。 一実施形態に係る遠心圧縮機２（２Ｃ）の一部を模式的に示す断面図である。 遠心圧縮機２（２Ｃ）における空気流れを模式的に示す断面図である。 遠心圧縮機２（２Ｂ，２Ｃ）における貫通孔３６の構成例を示す軸方向視図である。 遠心圧縮機２（２Ｂ，２Ｃ）における貫通孔３６の構成例を示す軸方向視図である。 遠心圧縮機２（２Ｂ，２Ｃ）における貫通孔３６の構成例を示す軸方向視図である。 遠心圧縮機２（２Ａ〜２Ｃ）を適用した電動過給機を示す模式図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、一実施形態に係る遠心圧縮機２（２Ａ）の一部を模式的に示す断面図である。
図１に示すように、遠心圧縮機２は、インペラ４（遠心圧縮機用インペラ）と、インペラ４を収容するケーシング６と、インペラ４のスリーブ１８を収容するよう構成されたケーシング２０と、を含む。

インペラ４は、回転軸８と、回転軸８に装着されたハブ１０と、ハブ１０の外周面１２に設けられた複数の翼１４と、ハブ１０の背面１６に当接するように回転軸８に装着されたスリーブ１８と、を備える。ケーシング２０は、ハブ１０の背面１６に対向するとともにスリーブ１８を囲繞するよう構成されている。

ハブ１０の前側端面２２（ハブ１０のうち軸方向における吸込側の端面）は、ハブ１０の回転軸線Ｏに直交する方向に沿って形成されている。ハブ１０の外周面１２は、空気流れの下流側に向かうにつれて回転軸線Ｏとの距離が大きくなるように滑らかに湾曲した凹面形状を有している。ハブ１０の背面１６は、回転軸線Ｏに直交する方向に沿って形成されるとともにスリーブ１８の当接面２６と当接する平面部１７と、ハブ１０の径方向において平面部１７の外側に隣接して形成された凹部１９と、ハブ１０の径方向において凹部１９の外側に隣接するとともに回転軸線Ｏに直交する方向に沿って形成された平面部２１とを含む。

ここで、ハブ１０の前側端面２２の外周端２４（外周面１２の前側端）とハブ１０の回転軸線Ｏとの距離をＲｆ、スリーブ１８のうちハブ１０の背面１６と当接する当接面２６の外周端２８と回転軸線Ｏとの距離（スリーブ１８の外径）をＲｂとすると、インペラ４は、Ｒｆ＜Ｒｂを満たすよう構成されている。

また、ハブ１０の外周面１２を回転軸線Ｏに直交する平面に投影した面積をＡｆ、ハブ１０の背面１６のうちハブ１０の径方向における当接面２６より外側の部分３０（図示する形態では凹部１９及び平面部２１からなる部分）を回転軸線Ｏに直交する平面に投影した面積をＡｂとすると、上記のようにＲｆ＜Ｒｂを満たすことにより、Ａｂ＜Ａｆが満たされる。

上記構成によれば、Ｒｆ≧Ｒｂを満たす場合（図２参照）と比較して、ハブ１０の背面１６のうち軸方向における前方（吸込側）へ圧力を受ける部分３０を回転軸線Ｏに直交するに投影した面積Ａｂを小さくすることができる。したがって、インペラ４に作用する軸方向における前方へのスラスト荷重を低減して、スラストバランスを適正化することができ、スラスト軸受（不図示）におけるメカニカルロスを低減することができる。

図１に示す例示的形態では、環状の弾性体で構成されたピストンリング３４（シール部材）がスリーブ１８の外周面に形成された環状溝３２に保持されており、ピストンリング３４がケーシング２０に当接することによってスリーブ１８とケーシング２０との間がシールされている。ここで、ピストンリング３４と回転軸線Ｏとの距離をＲｓとすると、インペラ４に作用する軸方向における前方へのスラスト荷重を低減するために、Ｒｆ＜Ｒｓを満たすようピストンリング３４が配置されている。なお、他の実施形態では、シール部材は、ケーシング２０に設けられた溝等に保持されていてもよい。

幾つかの実施形態では、図１に示す遠心圧縮機２において、０．８Ａｆ＜Ａｂ＜１．０Ａｆを満たすようインペラ４が構成されている。

インペラ４の背面１６とスリーブ１８の当接面２６とが当接する面積を大きくするほどインペラ４に作用する軸方向における前方へのスラスト荷重を低減することができるが、スリーブ１８の外周端２８と回転軸線Ｏとの距離Ｒｂを大きくするほど、インペラ４の重量が増大してしまう。この点、上記のように０．８Ａｆ＜Ａｂ＜１．０Ａｆを満たすようインペラ４を構成することにより、インペラ４の重量増大の抑制とスラストバランスの適正化とを両立することができる。

次に、図３〜図９を用いて遠心圧縮機２の変形例について説明する。以下で説明する遠心圧縮機２（２Ｂ，２Ｃ）は、上述した遠心圧縮機２（２Ａ）と基本的構成は同様であるが、インペラ４の具体的構成が異なる。以下の変形例では、遠心圧縮機２（２Ａ）の各構成と同様の機能を含む構成については同一の符号を付して説明を省略し、変形例の特徴的な構成を中心に説明する。

図３は、一実施形態に係る遠心圧縮機２（２Ｂ）の一部を模式的に示す断面図である。図４は、遠心圧縮機２（２Ｂ）における空気流れを模式的に示す断面図である。図５は、一実施形態に係る遠心圧縮機２（２Ｃ）の一部を模式的に示す断面図である。図６は、遠心圧縮機２（２Ｃ）における空気流れを模式的に示す断面図である。

幾つかの実施形態では、例えば図３及び図５に示すように、ハブ１０は、ハブ１０の背面１６からハブ１０の外周面１２に貫通する少なくとも一つの貫通孔３６を含む。

かかる構成によれば、例えば図４及び図６に示すように、ハブ１０の背面１６とケーシング２０との隙間３５の空気が貫通孔３６を通ってハブ１０の外周面１２とケーシング６との間の流路４２に供給されるため、ハブ１０の背面１６に作用する圧力を減少させつつハブ１０の外周面１２に作用する圧力を増加させて、インペラ４のスラストバランスを適正化することができる。これにより、スラスト軸受（不図示）におけるメカニカルロスを低減することができる。

幾つかの実施形態では、例えば図４に示すように、貫通孔３６は、回転軸線Ｏに平行な方向に延設されている。かかる構成によれば、簡素な構成で、ハブ１０の背面１６に作用する圧力を減少させつつハブ１０の外周面１２に作用する圧力を増加させることができる。これにより、簡素な構成でインペラ４のスラストバランスを適正化することができる。

幾つかの実施形態では、例えば図５に示すように、貫通孔３６は、当該貫通孔３６のうちハブ１０の外周面１２側の開口端３８が当該貫通孔３６のうちハブ１０の背面１６側の開口端４０よりもハブ１０の径方向において外側に位置するように、回転軸線Ｏに対して径方向に傾斜した方向に延設されている。

かかる構成によれば、例えば図６に示すように、貫通孔３６を通った空気の流れＦｈが、ハブ１０の外周面１２とケーシング６との間の流路４２を流れる主流Ｆｍの流れ方向に沿って該流路４２に流入するため、貫通孔３６を通った空気の流れＦｈと主流Ｆｍとの合流に伴う損失の増大を抑制することができる。

幾つかの実施形態では、例えば図７に示すように、遠心圧縮機２（２Ｂ）又は遠心圧縮機２（２Ｃ）において、貫通孔３６は、当該貫通孔３６のうちハブ１０の外周面１２側の開口端３８が当該貫通孔３６のうちハブ１０の背面１６側の開口端４０よりも回転軸８の回転方向において上流側に位置するように、回転軸線Ｏに対してハブ１０の周方向に傾斜して形成されている。

かかる構成によれば、貫通孔３６を通って流路４２に供給された空気が、図８に示すように、翼１４の圧力面４６に沿ってハブ１０の径方向外側にスムーズに流れるため、貫通孔３６を通った空気の流れＦｈと主流Ｆｍとの合流に伴う損失の増大を抑制することができる。

幾つかの実施形態では、例えば図９に示すように、回転軸８の回転方向において貫通孔３６に対して上流側に隣接する翼１４と当該貫通孔３６との距離をｄ１、回転軸８の回転方向において当該貫通孔３６に対して下流側に隣接する翼１４と当該貫通孔３６との距離をｄ２とすると、各貫通孔３６は、ｄ１＜ｄ２を満たすように配置されている。

かかる構成によれば、貫通孔３６を通って流路４２に供給された空気が、図８に示すように、翼１４の圧力面４６に沿って径方向外側にスムーズに流れるため、貫通孔３６を通った空気の流れＦｈと主流ｆとの合流に伴う損失の増大を抑制することができる。

一実施形態では、図１０に示すように、遠心圧縮機２（２Ａ〜２Ｃ）は、インペラ４を駆動するためのモータ４４を更に備える電動式遠心圧縮機であってもよい。

一般に、電動式遠心圧縮機では、排気タービン式過給機と異なりインペラ４に作用する軸方向における前方へのスラスト荷重を打ち消す回転機器が設けられていないため、軸方向における前方へのスラスト荷重が、軸方向における後方へのスラスト荷重よりも特に大きくなりやすい。

この点、上記遠心圧縮機２（２Ａ〜２Ｃ）のインペラ４を電動式遠心圧縮機に適用することにより、インペラ４に作用する軸方向における前方へのスラスト荷重を低減してスラストバランスを適正化することができるため、スラスト軸受（不図示）におけるメカニカルロスを低減することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

例えば、上述した幾つかの実施形態では、貫通孔３６の断面形状は円形であったが、貫通孔３６の断面形状は、楕円や矩形等であってもよく、特に限定されない。

また例えば、上述した図３〜図９に示した実施形態における貫通孔３６は、図２に示したようなＲｆ＜Ｒｂの関係を満たさないインペラ４に形成されていてもよい。

２ 遠心圧縮機
４ インペラ
６，２０ ケーシング
８ 回転軸
１０ ハブ
１２ 外周面
１４ 翼
１６ 背面
１７，２１ 平面部
１８ スリーブ
１９ 凹部
２２ 前側端面
２４，２８ 外周端
２６ 当接面
３０ 部分
３２ 環状溝
３４ ピストンリング
３５ 隙間
３６ 貫通孔
３８，４０ 開口端
４２ 流路
４２ 路
４４ モータ
４６ 圧力面
４７ 負圧面

Claims (8)

1. 回転軸と、
   前記回転軸に装着されたハブと、
   前記ハブの外周面に設けられた複数の翼と、
   前記ハブの背面に当接するように前記回転軸に装着されたスリーブと、
   を備え、
   前記ハブの前側端面の外周端と前記ハブの回転軸線との距離をＲｆ、前記スリーブにおける前記ハブの背面との当接面の外周端と前記回転軸線との距離をＲｂとすると、前記Ｒｆ＜Ｒｂを満たす、遠心圧縮機用インペラ。
2. 前記ハブの外周面を前記回転軸線に直交する平面に投影した面積をＡｆ、前記ハブの背面のうち前記ハブの径方向における前記当接面より外側の部分を前記回転軸線に直交する平面に投影した面積をＡｂとすると、０．８Ａｆ＜Ａｂ＜１．０Ａｆを満たす、請求項１に記載の遠心圧縮機用インペラ。
3. 前記スリーブの外周面に保持されたシール部材を更に備え、
   前記シール部材と前記回転軸線との距離をＲｓとすると、Ｒｆ＜Ｒｓを満たす、請求項１又は２に記載の遠心圧縮機用インペラ。
4. 前記ハブは、前記ハブの背面から前記ハブの外周面に貫通する少なくとも一つの貫通孔を含む、請求項１乃至３の何れか１項に記載の遠心圧縮機用インペラ。
5. 前記貫通孔は、当該貫通孔のうち前記ハブの外周面側の開口端が当該貫通孔のうち前記ハブの背面側の開口端よりも前記ハブの径方向において外側に位置するように、前記回転軸線に対して前記径方向に傾斜した方向に延設された、請求項４に記載の遠心圧縮機用インペラ。
6. 前記貫通孔は、当該貫通孔のうち前記ハブの外周面側の開口端が当該貫通孔のうち前記ハブの背面側の開口端よりも前記回転軸の回転方向において上流側に位置するように、前記回転軸線に対して前記ハブの周方向に傾斜した方向に延設された、請求項４又は５に記載の遠心圧縮機用インペラ。
7. 前記回転軸の回転方向において前記貫通孔に対して上流側に隣接する翼と当該貫通孔との距離をｄ１、前記回転方向において当該貫通孔に対して下流側に隣接する翼と当該貫通孔との距離をｄ２とすると、ｄ１＜ｄ２を満たす、請求項４乃至６の何れか１項に記載の遠心圧縮機用インペラ。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の遠心圧縮機用インペラと、前記遠心圧縮機用インペラを駆動するためのモータと、を備える電動式遠心圧縮機。

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