JP2022018260A

JP2022018260A - 遠心圧縮機

Info

Publication number: JP2022018260A
Application number: JP2020121242A
Authority: JP
Inventors: 亮楳山; Akira Umeyama; 芳之中根; Yoshiyuki Nakane
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2020-07-15
Filing date: 2020-07-15
Publication date: 2022-01-27
Anticipated expiration: 2040-07-15
Also published as: US11542953B2; US20220018356A1; CN113944653B; CN113944653A; DE102021117496A1; KR20220009337A; JP7375694B2

Abstract

【課題】インペラの慣性モーメント及びインペラに作用するスラスト荷重の低減と、圧力比の低下の抑制と、の双方を達成可能な遠心圧縮機を提供すること。【解決手段】遠心圧縮機であって、インペラは、ハブ１１０と、複数のブレード１２０と、を備える。ハブ１１０には、貫通孔ｈが形成されている。ハブ１１０の外周面は、内側外周面１１４と、外側外周面１１６と、を有する。外側外周面１１６は、径方向における内側外周面１１４の外側の縁部である外側縁部１１４ａにおける曲率半径を半径とする仮想的な湾曲面Ｓより背面１１８側に形成されている。【選択図】図４

Description

この発明は、遠心圧縮機に関する。

例えば、特開２０１８－１６８７０７号公報には、インペラを備える遠心圧縮機が開示されている。この遠心圧縮機におけるインペラは、外周面及び背面を有するハブと、複数の翼と、を有している。ハブには、外周面と背面とを連通させる貫通孔が形成されている。この貫通孔の形成により、インペラの慣性モーメントと、インペラに作用するスラスト荷重と、が低減されている。

特開２０１８－１６８７０７号公報

特開２０１８－１６８７０７号公報に記載される遠心圧縮機のインペラでは、ハブの外周面に沿って吐出側に向かう気流の一部が、貫通孔を取り囲む内周面のうち前記気流の下流側に位置する部位に衝突することによって貫通孔を通じてインペラの背面側に向かう場合がある。この場合、性能（圧力比）が低下する。

本発明の目的は、インペラの慣性モーメント及びインペラに作用するスラスト荷重の低減と、圧力比の低下の抑制と、の双方を達成可能な遠心圧縮機を提供することである。

この発明の一局面に従った遠心圧縮機は、回転軸と、前記回転軸に固定されており前記回転軸と一体回転するインペラと、を備える遠心圧縮機であって、前記インペラは、前記回転軸の一方側から他方側に向かうにしたがって次第に拡径する形状を有する外周面と、前記他方側に形成された背面と、を有するハブと、前記ハブの前記外周面に設けられた複数のブレードと、を備え、前記ハブには、前記外周面から前記背面に通じる貫通孔が形成されており、前記ハブの前記外周面は、前記ハブの径方向における前記貫通孔の内側に位置する内側外周面と、前記ハブの前記径方向における前記貫通孔の外側に位置する外側外周面と、を有し、前記外側外周面は、前記径方向における前記内側外周面の外側の縁部である外側縁部における曲率半径を半径とする仮想的な湾曲面より前記背面側に形成されている。

この発明によれば、インペラの慣性モーメント及びインペラに作用するスラスト荷重の低減と、圧力比の低下の抑制と、の双方を達成可能な遠心圧縮機を提供することができる。

本発明の一実施形態の遠心圧縮機の構成を概略的に示す図である。インペラの斜視図である。図２とは異なる角度におけるインペラの斜視図である。インペラの断面を概略的に示す図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、本発明の一実施形態の遠心圧縮機の構成を概略的に示す図である。図１に示されるように、遠心圧縮機１は、インペラ１００と、タービンホイール２００と、回転軸３１０と、モータ３２０と、軸受け３３０と、ケーシング４００と、を備えている。

回転軸３１０は、インペラ１００とタービンホイール２００とを接続している。この回転軸３１０は、モータ３２０により回転駆動される。回転軸３１０は、軸受け３３０で受けられている。なお、モータ３２０は、ロータと、ステータ（図示略）と、を有している。

ケーシング４００は、インペラ１００、タービンホイール２００、回転軸３１０、モータ３２０及び軸受け３３０を収容している。ケーシング４００は、コンプレッサハウジング４１０と、タービンハウジング４２０と、センターハウジング４３０と、を有している。

コンプレッサハウジング４１０は、インペラ１００を収容している。コンプレッサハウジング４１０は、吸込み口４１１と、吐出部４１２と、を有している。コンプレッサハウジング４１０内におけるインペラ１００の吐出側には、ディフューザ（図示略）が設けられている。

タービンハウジング４２０は、タービンホイール２００を収容している。タービンハウジング４２０は、吸込み部４２１と、排出口４２２と、を有している。

センターハウジング４３０は、コンプレッサハウジング４１０とタービンハウジング４２０との間に配置されている。センターハウジング４３０は、モータ３２０と軸受け３３０とを収容している。

センターハウジング４３０は、リアハウジング４４０を有している。リアハウジング４４０は、インペラ１００と軸受け３３０との間に設けられている。リアハウジング４４０は、インペラ１００と対向する対向面４４２（図４を参照）を有している。対向面４４２は、平坦に形成されている。

インペラ１００は、吸込み口４１１から吸い込まれたガス（例えば空気）を吐出部４１２から吐出させる。インペラ１００は、回転軸３１０に固定されており、軸芯Ａまわりに回転軸３１０と一体回転する。図２及び図３に示されるように、インペラ１００は、ハブ１１０と、複数のブレード１２０と、を備えている。

ハブ１１０は、回転軸３１０に固定されており、軸芯Ａまわりに回転可能である。本実施形態では、軸芯Ａは、回転軸３１０の回転中心軸に相当する。ハブ１１０は、外周面１１２と、背面１１８と、を有している。

外周面１１２は、回転軸３１０（回転中心軸）の一方側（図１における上側）から他方側（図１における下側）に向かうにしたがって次第に拡径する形状を有している。換言すれば、外周面１１２は、吸込み側の端部から吐出側の端部に向かうにしたがって次第に当該外周面１１２の外径が大きくなる形状を有している。外周面１１２は、前記一方側から前記他方側に向かうにしたがって回転軸３１０に近づく向きに凸となるように湾曲する形状を有している。

背面１１８は、軸芯Ａと直交している。背面１１８は、前記他方側（吐出側）に形成されている。背面１１８は、平坦に形成されている。

ハブ１１０には、外周面１１２から背面１１８に通じる貫通孔ｈが形成されている。本実施形態では、貫通孔ｈは、軸芯Ａまわりに連続的につながる円環状に形成されている。貫通孔ｈは、軸芯Ａと平行な方向にハブ１１０を貫通している。貫通孔ｈは、ハブ１１０の外縁部の近傍に形成されることが好ましい。

ハブ１１０の外周面１１２は、内側外周面１１４と、外側外周面１１６と、を有している。

内側外周面１１４は、ハブ１１０の径方向における貫通孔ｈの内側に位置する外周面である。

外側外周面１１６は、ハブ１１０の径方向における貫通孔ｈの外側に位置する外周面である。本実施形態では、外側外周面１１６は、円環状（リング状）に形成されている。図４に示されるように、外側外周面１１６は、径方向における内側外周面１１４の外側の縁部である外側縁部１１４ａにおける曲率半径を半径とする仮想的な湾曲面Ｓより背面１１８側に形成されている。すなわち、径方向における外側外周面１１６の内側の縁部である内側縁部１１６ａは、仮想的な湾曲面Ｓより背面１１８側に位置している。外側外周面１１６の背面１１８は、内側外周面１１４の背面１１８と面一である。

ハブ１１０の外周面１１２の半径Ｒ（図３を参照）に対する貫通孔ｈの内径Ｒ１（図３を参照）の割合Ｒ１／Ｒは、０．７４以上０．８以下であることが好ましい。本実施形態では、割合Ｒ１／Ｒは、０．７４５である。また、ハブ１１０の外周面１１２の半径Ｒに対する貫通孔ｈの外径Ｒ２（図３を参照）の割合Ｒ２／Ｒは、０．８５以上０．９以下であることが好ましい。本実施形態では、割合Ｒ２／Ｒは、０．８５５である。

なお、内径Ｒ１は、軸芯Ａから外側縁部１１４ａまでの距離を意味する。外径Ｒ２は、軸芯Ａから内側縁部１１６ａまでの距離を意味する。

また、軸芯Ａと平行な方向における外側縁部１１４ａ及び内側縁部１１６ａ間の距離Ｈ１（図４を参照）に対する、軸芯Ａと平行な方向における仮想的な湾曲面Ｓ及び内側縁部１１６ａ間の距離Ｈ２（図４を参照）の割合Ｈ２／Ｈ１は、０より大きく１より小さいことが好ましい。０．１＜割合Ｈ２／Ｈ１＜１であることがより好ましい。本実施形態では、割合Ｈ２／Ｈ１は、０．４である。

各ブレード１２０は、ハブ１１０の外周面１１２に設けられている。各ブレード１２０は、内側外周面１１４から外側外周面１１６に至るように延びる形状を有している。各ブレード１２０は、内側外周面１１４と外側外周面１１６とをつないでいる。複数のブレード１２０は、複数の第１ブレード１２０Ａと、複数の第２ブレード１２０Ｂと、を有している。

第１ブレード１２０Ａは、内側外周面１１４のうち前記一方側の端部の近傍から外側外周面１１６に至るように延びる形状を有している。

第２ブレード１２０Ｂは、内側外周面１１４のうち径方向における中央部から外側外周面１１６に至るように延びる形状を有している。

図２～図４に示されるように、各ブレード１２０は、ブレード本体１２２と、内側接続部１２４と、外側接続部１２６と、を有している。

ブレード本体１２２は、内側外周面１１４から外側外周面１１６に至るように延びる形状を有している。ブレード本体１２２は、ハブ１１０の回転方向に向けて傾倒している。

内側接続部１２４は、ハブ１１０における貫通孔ｈを規定する側面のうち回転軸３１０に近い側の部位１１０ａとブレード本体１２２との境界部に設けられている。内側接続部１２４は、背面１１８から離間するにしたがって回転軸３１０に近づく向きに凸となるように湾曲する形状を有している。

外側接続部１２６は、ハブ１１０における貫通孔ｈを規定する側面のうち回転軸３１０から遠い側の部位１１０ｂとブレード本体１２２との境界部に設けられている。外側接続部１２６は、背面１１８から離間するにしたがって回転軸３１０から離間する向きに凸となるように湾曲する形状を有している。

以上に説明したように、本実施形態の遠心圧縮機１では、インペラ１００の外側外周面１１６が仮想的な湾曲面Ｓに沿う形状である場合に比べ、外側外周面１１６の厚みが低減されるため、インペラ１００の慣性モーメントが低減される。さらに、内側外周面１１４沿って吐出側に向かう気流は、図４において矢印で示されるように、外側外周面１１６に沿って吐出側へ向かう。このため、貫通孔ｈを規定する側面のうち気流の下流側に位置する部位１１０ｂへの前記気流の衝突が抑制される。よって、この遠心圧縮機１では、インペラ１００の慣性モーメント及びインペラ１００に作用するスラスト荷重の低減と、圧力比の低下の抑制と、の双方が達成される。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、貫通孔ｈは、環状につながる形状ではなく、ハブ１１０の周方向に沿って間隔を置いて形成されてもよい。

また、全てのブレード１２０は、互いに同じ形状に形成されてもよい。

［態様］
上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

この開示の一局面に従った遠心圧縮機１は、回転軸と、前記回転軸に固定されており前記回転軸と一体回転するインペラと、を備える遠心圧縮機であって、前記インペラは、前記回転軸の一方側から他方側に向かうにしたがって次第に拡径する形状を有する外周面と、前記他方側に形成された背面と、を有する前記ハブと、前記ハブの前記外周面に設けられた複数のブレードと、を備え、前記ハブには、前記外周面から前記背面に通じる貫通孔が形成されており、前記ハブの前記外周面は、前記ハブの径方向における前記貫通孔の内側に位置する内側外周面と、前記ハブの前記径方向における前記貫通孔の外側に位置する外側外周面と、を有し、前記外側外周面は、前記径方向における前記内側外周面の外側の縁部である外側縁部における曲率半径を半径とする仮想的な湾曲面より前記背面側に形成されている。

この遠心圧縮機では、インペラの外側外周面が仮想的な湾曲面に沿う形状である場合に比べ、インペラの慣性モーメントが低減され、かつ、貫通孔を規定する側面のうち気流の下流側に位置する部位への前記気流の衝突が抑制される。よって、この遠心圧縮機では、インペラの慣性モーメント及びインペラに作用するスラスト荷重の低減と、圧力比の低下の抑制と、の双方が達成される。

前記回転軸と平行な方向における前記外側縁部及び前記径方向における前記外側外周面の内側の縁部である内側縁部間の距離に対する、前記回転軸と平行な方向における前記仮想的な湾曲面及び前記内側縁部間の距離の割合は、０より大きく１より小さいことが好ましい。

また、各前記ブレードは、前記内側外周面から前記外側外周面に至るように延びる形状を有するブレード本体と、前記ハブにおける前記貫通孔を規定する側面のうち前記回転軸に近い側の部位と前記ブレード本体との境界部に設けられた内側接続部と、前記ハブにおける前記貫通孔を規定する側面のうち前記回転軸から遠い側の部位と前記ブレード本体との境界部に設けられた外側接続部と、を有することが好ましい。

このようにすれば、ブレード本体とハブとの境界部に発生する応力が低減される。

また、前記内側接続部は、前記背面から離間するにしたがって前記回転軸に近づく向きに凸となるように湾曲する形状を有することが好ましい。

このようにすれば、内側接続部に発生する応力が低減される。

また、前記外側接続部は、前記背面から離間するにしたがって前記回転軸から離間する向きに凸となるように湾曲する形状を有することが好ましい。

このようにすれば、外側接続部に発生する応力が低減される。

また、前記貫通孔は、円環状に形成されており、前記ハブの前記外周面の半径に対する前記貫通孔の内径の割合は、０．７４以上０．８以下であり、前記ハブの前記外周面の半径に対する前記貫通孔の外径の割合は、０．８５以上０．９以下であり、各前記ブレードは、前記内側外周面と前記外側外周面とをつないでいることが好ましい。

このようにすれば、慣性モーメント及びスラスト荷重がより低減される。

１遠心圧縮機、１００インペラ、１１０ハブ、１１２外周面、１１４内側外周面、１１４ａ外側縁部、１１６外側外周面、１１６ａ内側縁部、１１８背面、１２０ブレード、１２２ブレード本体、１２４内側接続部、１２６外側接続部、２００タービンホイール、３１０回転軸、３２０モータ、３３０軸受け、４００ケーシング、４１０コンプレッサハウジング、４２０タービンハウジング、４３０センターハウジング、４４０リアハウジング、４４２対向面、Ａ軸芯、ｈ貫通孔、Ｓ仮想的な湾曲面。

Claims

回転軸と、前記回転軸に固定されており前記回転軸と一体回転するインペラと、を備える遠心圧縮機であって、
前記インペラは、
、前記回転軸の一方側から他方側に向かうにしたがって次第に拡径する形状を有する外周面と、前記他方側に形成された背面と、を有するハブと、
前記ハブの前記外周面に設けられた複数のブレードと、を備え、
前記ハブには、前記外周面から前記背面に通じる貫通孔が形成されており、
前記ハブの前記外周面は、
前記ハブの径方向における前記貫通孔の内側に位置する内側外周面と、
前記ハブの前記径方向における前記貫通孔の外側に位置する外側外周面と、を有し、
前記外側外周面は、前記径方向における前記内側外周面の外側の縁部である外側縁部における曲率半径を半径とする仮想的な湾曲面より前記背面側に形成されている、遠心圧縮機。
前記回転軸と平行な方向における前記外側縁部及び前記径方向における前記外側外周面の内側の縁部である内側縁部間の距離に対する、前記回転軸と平行な方向における前記仮想的な湾曲面及び前記内側縁部間の距離の割合は、０より大きく１より小さい、請求項１に記載の遠心圧縮機。
各前記ブレードは、
前記内側外周面から前記外側外周面に至るように延びる形状を有するブレード本体と、
前記ハブにおける前記貫通孔を規定する側面のうち前記回転軸に近い側の部位と前記ブレード本体との境界部に設けられた内側接続部と、
前記ハブにおける前記貫通孔を規定する側面のうち前記回転軸から遠い側の部位と前記ブレード本体との境界部に設けられた外側接続部と、を有する、請求項１又は２に記載の遠心圧縮機。
前記内側接続部は、前記背面から離間するにしたがって前記回転軸に近づく向きに凸となるように湾曲する形状を有する、請求項３に記載の遠心圧縮機。
前記外側接続部は、前記背面から離間するにしたがって前記回転軸から離間する向きに凸となるように湾曲する形状を有する、請求項３又は４に記載の遠心圧縮機。
前記貫通孔は、円環状に形成されており、
前記ハブの前記外周面の半径に対する前記貫通孔の内径の割合は、０．７４以上０．８以下であり、
前記ハブの前記外周面の半径に対する前記貫通孔の外径の割合は、０．８５以上０．９以下であり、
各前記ブレードは、前記内側外周面と前記外側外周面とをつないでいる、請求項３から５のいずれかに記載の遠心圧縮機。