JP5179029B2 - 半径流圧縮機インペラ付き流体機械並びに流体機械に組み込むための挿入ハウジング部分 - Google Patents

Description

本発明は、半径流圧縮機インペラ付き流体機械、並びに、流体機械に組み込むための挿入ハウジング部分に関する。

例えば過給機の半径流圧縮機等の、流体機械の基本的構造および作用は公知であり、従ってそれについてここでは詳細に説明しない。例えば特許文献１に半径流圧縮機インペラ付き流体機械が開示されている。

かかる流体機械の圧縮機インペラは、不利な運転条件下での長期間の運転経過後、腐食、浸食および劣化により、圧縮機インペラの破損が避けられない程にひどく弱体化される。圧縮機インペラが少なくとも２個あるいは３個の大きな破片の形に割れる圧縮機インペラの破損時、それら破片はかなりの遠心力によって外向きに投げ出される。この場合、破片は圧縮機ハウジングから飛び出る。その際、圧縮機インペラの羽根が完全に壊され、残存するハブが軸受ハウジングと圧縮機ハウジングとの間に食い込む。ハブの形状に応じ、ハウジングにかなりの軸方向衝撃力を与える食い込み作用が生ずる。圧縮機インペラの破片や他の機械部品が流体機械から飛び出し、大きな連鎖破壊を生じさせることもある。その結果、事故時に、流体機械全体の封じ込め保護が害されるが、これは防止せねばならない。

流体機械の封じ込め保護を、渦巻きハウジング部分の外部に付加的な破壊防護体を設けずに保証すべく、特許文献１は、圧縮機ハウジングを外側渦巻きハウジング部分と内側挿入ハウジング部分との２分割構造で形成することを提案する。内側挿入ハウジング部分は外側渦巻きハウジング部分に可撓性固定装置によって取り付けている。挿入ハウジング部分の渦巻きハウジング部分への固定に用いる可撓性固定装置は、流体機械の軸受ハウジングへの圧縮機ハウジング即ち外側渦巻きハウジング部分の剛性固定装置よりも小さな破壊抵抗を持つ。こうして、特許文献１の技術により、破損したインペラの破片や部品の飛び出しを確実に防止する渦巻きハウジング部分が提供される。破損した圧縮機インペラの破片の運動エネルギは、流体機械の内部で完全に変形エネルギおよび熱に変換される。

もっとも、特許文献１における流体機械の場合、挿入ハウジング部分と渦巻きハウジング部分との間に、高価で手間のかかる取付け装置が使用されねばならない。
欧州特許出願公開第１２３３１９０号明細書

本発明の課題は、高い封じ込め保護を保証し、安価な製造費で製造できる半径流圧縮機インペラ付き流体機械を提供することにある。また、交換部品として利用される挿入ハウジング部分が容易に組立できるようにすることにある。

この課題は、本発明の独立請求項に記載の半径流圧縮機インペラ付き流体機械および挿入ハウジング部分によって解決される。従属請求項は本発明の有利な実施態様である。

本発明によれば、圧縮機ハウジングが外側渦巻きハウジング部分と内側挿入ハウジング部分で形成される半径流圧縮機インペラ付き流体機械が設計される。挿入ハウジング部分は空気流入路を形成し、挿入ハウジング部分の前記空気流入路の空気入口に位置された第１端に、挿入ハウジング部分を外側渦巻きハウジング部分に固定するための取付け手段が設けられている。取付け手段は例えば穿孔された小孔の形に形成される。挿入ハウジング部分の前記第１端と反対側に位置する第２端に、保持装置が設けられている。圧縮機インペラの破損時、圧縮機インペラの破片が内側挿入ハウジング部分に向けて放り出される。その際に生じた個々の破片の特に遠心力は、本発明に基づく保持装置によって、軸方向および半径方向に外側渦巻きハウジング部分に作用する押圧力に変換される。挿入ハウジング部分はその押圧力によって外側渦巻きハウジング部分に固着する。

有利な実施態様において、保持装置が、外側渦巻きハウジング部分への固着のために、破損した圧縮機インペラによって主にあるいは部分的だけでも半径方向外側に押される。その結果、ここでは、圧縮機インペラの破損時に生じた力によって、内側挿入ハウジング部分の変形可能部分における変形が生ずる。この変形は、流体機械の外側渦巻きハウジング部分への内側挿入ハウジング部分の固着を生じさせる。固着作用を構造的に実現するために、一方では、圧縮機インペラの破損で生ずるエネルギを変形エネルギに転換することを可能にし、他方では、渦巻きハウジング部分と挿入ハウジング部分の保持要素による固着を選択的に引き起こすべく、特別な変形可能部分を設けることもできる。上述の変形可能部分は外側渦巻きハウジング部分にも設けるか、外側渦巻きハウジング部分にしか設けないようにもできる。

本発明の実施態様において、渦巻きハウジング部分に、挿入ハウジング部分の保持装置が固着する例えば溝の形をした係留装置が設けられている。この係留装置は、衝撃的に発生する力による係留装置の破損が防止されるように形成されねばならない。

固着と変形との組合せは、発生したエネルギを効果的に変形・熱エネルギに変換して吸収することを可能にする。これにより、流体機械の封じ込め保護に対して従来に比べて大きな利点が生ずる。圧縮機インペラの破損時に内側挿入ハウジング部分の位置変化を生じる限りにおいて、挿入ハウジング部分は渦巻きハウジング部分内の同じ位置にとどまる。そのため、圧縮機インペラの破片は、流体機械の内部から出ることはなく、流体機械の他の部品が衝撃力により流体機械から放り出されることもない。

本発明の有利な実施態様において、保持装置は挿入ハウジング部分の外周部にスリーブ（環状フランジ）の形で形成されている。外側渦巻きハウジング部分の溝は係留装置を形成する。その溝は渦巻きハウジング部分の挿入ハウジング部分の対向した側に設けられている。圧縮機インペラが破損した時、スリーブは挿入ハウジング部分の外周部から外に押され、渦巻きハウジング部分の溝に固着する。スリーブと溝はかみ合い結合で固着し、圧縮機インペラの破損で生じたすべての力は、その力が予め変形・熱エネルギに変換されないときには、渦巻きハウジング部分を介して導かれる。

本発明の他の有利な実施態様において、スリーブは挿入ハウジング部分の中心軸線に対して平行に延び、そのスリーブの自由端は、空気入口開口の方向に向き、圧縮機インペラの破損によりはじめて、係留のために外向きに渦巻きハウジング部分の溝の中に押し込まれる。

この実施態様では、内側挿入ハウジング部分を外側渦巻きハウジング部分の中に難なく組み込むことが可能である。これは、スリーブが、渦巻きハウジング部分にかみ合い結合で組み立てるために利用される挿入ハウジング部分の平らな外周面延長部を形成するからである。従って、挿入ハウジング部分は、渦巻きハウジング部分を分解する必要なしに分解することもできる。これは特に、挿入ハウジング部分が例えば浸食により摩耗して時折交換されねばならないスペア部品であるときに有利である。従って、本発明に基づく流体機械は、保守点検性が良く、安価に保守できる。

挿入ハウジング部分の内側面、即ち、圧縮機インペラに対向した側の面における形状づけによって、スリーブは圧縮機インペラの破損時にはじめて係留のために溝の中に押し込まれる。この構造は考え得るバヨネット的結合に比べて有利である。即ち、挿入ハウジング部分の中心軸線に対して平行でないスリーブを備えた挿入ハウジング部分を渦巻きハウジング部分に組み立てることができるようにするために、渦巻きハウジング部分の長手方向に切削加工溝を設ける必要がない。

本発明の他の有利な実施態様において、スリーブは少なくとも１つの弾性付与溝を有している。その弾性付与溝によって、スリーブの半径方向への制御した変形がはじめて可能である。圧縮機インペラの破損時における渦巻きハウジング部分の溝へのスリーブの湾曲によって、スリーブの横断面積が変化する。スリーブの円周に規則的な間隔で弾性付与溝を設けることによって、いまや弾性付与溝で分割されたスリーブの他のセグメントを害することなしに、スリーブは曲がることができる。弾性付与溝は、好適には、スリーブの自由端から材料の中に延びる通し溝である。

本発明の他の有利な実施態様において、内側挿入ハウジング部分が外周部に、挿入ハウジング部分の内側輪郭からスリーブに力を伝達するための例えばリブの形をした少なくとも１つの伝達要素を有している。圧縮機インペラの破損が挿入ハウジング部分を変形するだけでなく、スリーブを規定して外側渦巻きハウジング部分の溝の中に押し込むためにも、挿入ハウジング部分の軸方向においてスリーブと挿入ハウジング部分の外周面との間に上述の伝達要素が設けられている。この伝達要素は、有利に、スリーブに対して垂直に延び、そのようにして、挿入ハウジング部分の圧縮機インペラに対向した側の部分とスリーブとの間でブリッジを形成する。伝達要素は、好適には、スリーブに一様に分布され、これによって、上述の弾性付与溝により形成された各スリーブ部分に、少なくとも１つの伝達要素が利用される。

本発明の他の有利な実施態様において、溝は外側渦巻きハウジング部分の変形可能部分に設けられている。その変形可能部分として、渦巻きハウジング部分のリブが利用され、このため、渦巻きハウジング部分のリブへの作用時、渦巻きハウジング部分の一部も、即ち、リブ自体も変形し、そのようにして、破損した圧縮機インペラのエネルギが変形エネルギに変換される。また、この処置により多量のリブが利用でき、外側渦巻きハウジング部分の軽量化が実現される。

本発明において述べられた非回転構成要素に対して、５％以上の破損伸び率をした材料の利用が提案される。

以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、従来における半径流圧縮機を部分縦断面図で示す。この図が基礎とする排気駆動過給機は軸２を有し、この軸２はその長手中央部位が軸受ハウジング１内に支持され、その軸受から突出した端部に、タービンランナ（図示せず）および図１に概略的に示した半径流圧縮機インペラ３を備える。

図示の圧縮機インペラ３は、タービンランナで駆動される軸２上に回り止め結合されたハブ４を備える。このハブ４は外周面に半径方向に突出する羽根５を持つ。ハブ４の外側輪郭６は圧縮機ハウジング８の内側輪郭７と共に、軸方向Ａから半径方向Ｂに転向され外に向けて狭められた流路９を形成する。該流路９の断面形状は羽根５の形状に相応する。圧縮機ハウジング８は剛性の第１固定装置１８で軸受ハウジング１に固定されている。ハブ４と羽根５の直径は流れの入口から出口に向けて増大し、このため圧縮機インペラ３の中央横断面に対して非対称的な縦断面と、それに応じて圧縮機インペラ３の長さにわたり増大する質量分布とを生ずる。

圧縮機ハウジング８は外側渦巻きハウジング部分１０と内側挿入ハウジング部分１２とからなる。渦巻きハウジング部分１０は、軸受ハウジング１に剛性固定装置１８で固定され、半径方向Ｂの外側に転向した流路９の流路部分１１を有する。内側挿入ハウジング部分１２は、半径方向Ｂにおいて外側渦巻きハウジング部分１０と圧縮機インペラ３との間に置かれている。挿入ハウジング部分１２の内側輪郭１３は圧縮機インペラ３のハブ４の外側輪郭６と共に、ほぼ流路９の軸方向Ａに延びる流路部分１４を形成している。

図２は、図１に示した従来の渦巻きハウジング部分および挿入ハウジング部分における本発明に基づいて変更された部分を示す。手間がかかり高価なねじ止め構造で形成された図１の固定装置１７は省かれ、ＤＩＮ規格の取付けボルト２２で置き換えられている。挿入ハウジング部分のハウジング３０に、その長手軸線に対して平行に延びるスリーブ（環状フランジ）２７が設けられている。スリーブ２７は円周方向に分布して複数のリブ２５で支えられ、これらのリブ２５は、圧縮機インペラ３に対向した側の内側輪郭からスリーブに力を伝達するために使われる。

渦巻きハウジング部分１０にもリブ２６が設けられ、これらのリブ２６はスリーブの作用時に変形される。渦巻きハウジング部分におけるリブは溝２８を有し、この溝２８は、圧縮機インペラ３の破損時、スリーブ２７が溝２８内で変形され、これによって、挿入ハウジングが全体として適当に制動され、渦巻きハウジング部分内に保持されるように形成されている。その溝の形状は、好ましくは、溝の破損が生ぜず、渦巻きハウジング部分の特に変形可能なリブにおける力の作用ができるだけ、圧縮機インペラの破損により生ずる力が渦巻きハウジング部分で受けられるように選択されているように決められている。

図３は、図２の部分Ｘを示し、即ち、挿入ハウジング部分１２のスリーブ２７を示す。図４は図３の平面図を示す。図４から、スリーブの自由端から材料の中に延びる弾性付与溝２３が理解できる。この弾性付与溝はスリーブを完全に分離し、これによって、弾性付与溝で分割されたスリーブの個々のセグメントが半径方向外側に曲がることを可能にしている。

従来利用されている半径流圧縮機インペラ付き流体機械の一部断面図。 本発明に基づく半径流圧縮機の挿入ハウジング部分と渦巻きハウジング部分との結合箇所の断面図。 挿入ハウジング部分の圧縮機インペラの側の部分の拡大図。 挿入ハウジング部分のスリーブの部分平面図。

符号の説明

１ 軸受ハウジング
２ 軸
３ 圧縮機インペラ
４ ハブ
５ 羽根
６ 外側輪郭
７ 内側輪郭
８ 圧縮機ハウジング
９ 流路
１０ 渦巻きハウジング部分
１１ 流路部分
１２ 挿入ハウジング部分
１３ 内側輪郭
１４ 流路部分
１５ 内側シリンダ
１６ 空洞
１７ 固定装置
１８ 固定装置
１９ 壁
２０ 尖端
２１ 隙間
２２ 取付けボルト
２３ 弾性付与溝
２４ 横断面
２５ リブ
２６ リブ
２７ スリーブ
２８ 溝
２９ 空気流入路
３０ ハウジング

Claims (14)

1. 半径流圧縮機インペラ（３）が、軸受ハウジング（１）内に支持された軸（２）上に設けられ、流路（９）を備えた圧縮機ハウジング（８）内に配置され、圧縮機インペラ（３）のハブ（４）の外側輪郭（６）と圧縮機ハウジング（８）の内側輪郭（７）が、軸方向から半径方向に転向された流路（９）を形成し、圧縮機ハウジング（８）が外側渦巻きハウジング部分（１０）と内側挿入ハウジング部分（１２）を有し、該挿入ハウジング部分（１２）が空気流入路（２９）を形成し、挿入ハウジング部分（１２）の前記空気流入路（２９）の空気入口に位置された第１端に、挿入ハウジング部分（１２）を渦巻きハウジング部分（１０）に固定するための取付け手段が設けられている半径流圧縮機インペラ付き流体機械において、挿入ハウジング部分（１２）の前記第１端と反対側に位置する第２端に、圧縮機インペラ（３）の破損時にその破片を前記渦巻きハウジング部分（１０）内に係留すべく半径方向外側に押圧される保持装置（２７）が設けられ、これによって、前記挿入ハウジング部分（１２）が、前記保持装置（２７）を介して前記外側渦巻きハウジング部分（１０）に作用する押圧力によって、前記外側渦巻きハウジング部分（１０）内に固着されることを特徴とする半径流圧縮機インペラ付き流体機械。
2. 圧縮機インペラ（３）の破損で引き起こされる外側渦巻きハウジング部分（１０）と内側挿入ハウジング部分（１２）との固着を支援するために、外側渦巻きハウジング部分（１０）に、係留装置（２８）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
3. 圧縮機インペラ（３）の破損時に生ずるエネルギを少なくとも部分的に変形エネルギに変換するために、外側渦巻きハウジング部分（１０）が変形可能部分（２６）を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体機械。
4. 保持装置（２７）が挿入ハウジング部分（１２）の外周部におけるスリーブであり、係留装置（２８）が外側渦巻きハウジング部分（１０）における溝（２８）であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の流体機械。
5. スリーブ（２７）が、内側挿入ハウジング部分（１２）の中心軸線に対して実質的に平行に延び、圧縮機インペラ（３）の破損時にスリーブ（２７）の変形又は内側挿入ハウジング部分（１２）の他の部分の変形により溝（２８）の中に係留のために押し込まれることを特徴とする請求項４に記載の流体機械。
6. スリーブ（２７）の半径方向における変形を可能にするために、スリーブ（２７）が少なくとも１つの弾性付与溝（２３）を有していることを特徴とする請求項４又は５に記載の流体機械。
7. 内側挿入ハウジング部分（１２）が外周部に、内側輪郭（１３）からスリーブ（２７）に力を伝達するための少なくとも１つの伝達要素（２５）を有していることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１つに記載の流体機械。
8. 溝（２８）が外側渦巻きハウジング部分（１０）の変形可能部分（２６）に設けられていることを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１つに記載の流体機械。
9. 変形可能部分が外側渦巻きハウジング部分（１０）のリブ（２６）の形に形成されていることを特徴とする請求項３ないし８のいずれか１つに記載の流体機械。
10. 半径流圧縮機インペラ（３）付き流体機械の２つの部分で構成された圧縮機ハウジング（８）の内側構成部品として外側渦巻きハウジング部分（１０）に組み込むための挿入ハウジング部分（１２）であって、該挿入ハウジング部分（１２）が両端が開いた管状ハウジング（３０）であり、該ハウジング（３０）の内室が空気流入路（２９）を形成し、前記ハウジング（３０）の外周面が渦巻きハウジング部分（１０）にかみ合い結合で組み込むために形成され、前記空気流入路（２９）の空気入口に位置された管状ハウジング（３０）の第１端に、挿入ハウジング部分（１２）を渦巻きハウジング部分（１０）に固定するための取付け手段が設けられている挿入ハウジング部分（１２）において、ハウジング（３０）の前記第１端と反対側に位置する第２端に、圧縮機インペラ（３）の破損時にその破片を前記渦巻きハウジング部分（１０）内に係留すべく半径方向外側に押圧される保持装置（２７）が設けられ、これによって、前記挿入ハウジング部分（１２）が、前記保持装置（２７）を介して前記外側渦巻きハウジング部分（１０）に作用する押圧力によって、前記外側渦巻きハウジング部分（１０）内に固着されることを特徴とする挿入ハウジング部分。
11. 保持装置がハウジング（３０）の外周部におけるスリーブ（２７）であることを特徴とする請求項１０に記載の挿入ハウジング部分。
12. スリーブ（２７）が管状ハウジング（３０）の中心軸線に対して実質的に平行に延びていることを特徴とする請求項１１に記載の内側挿入ハウジング部分。
13. スリーブ（２７）の半径方向への変形を可能にするために、スリーブ（２７）が少なくとも１つの軸方向に延びる弾性付与溝（２３）を有していることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の挿入ハウジング部分。
14. 挿入ハウジング部分（１２）が、内側輪郭（１３）から挿入ハウジング部分（１２）の外周部におけるスリーブ（２７）に力を伝達するための少なくとも１つの伝達要素（２５）を有し、該伝達要素（２５）がスリーブ（２７）に対して実質的に垂直に延びていることを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれか１つに記載の挿入ハウジング部分。

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