JP6234480B2 - コンプレッサ - Google Patents

Description

本開示は、内燃機関に用いられる過給機のコンプレッサに関する。

近年、過給機に求められる高圧力比化・高効率化・大容量化といったニーズにより、コンプレッサの羽根車の高周速化が進んでいる。これに伴い、羽根車が損傷しバーストしたときに、羽根車を囲むハウジングの外側に破片が飛び出ないように保護すること（以降において、“コンテインメント性”と称する。）が重要となっている。

コンプレッサの羽根車が高速回転しながら破断すると、羽根車の破片には、遠心力による周方向（半径方向）の力と、軸方向における圧力差等に起因する軸方向の力とが加わるため、破片は半径方向と軸方向の間の領域に飛散する。
特に、コンプレッサハウジングを、スクロール室フレームと吸込流体導入部の案内ケーシングとに分割した構造とする場合等、ハウジングにおいて軸方向に運動エネルギーが伝播しやすい構造である場合は、軸方向における羽根車破断時の運動エネルギーの吸収等の対策も重要である。
特許文献１に記載の過給機においては、コンプレッサ・ホイール（羽根車）が破裂した場合に、コンプレッサのインナーハウジングの内側部が変形及び軸方向に移動することによって高速のコンプレッサ・ホイールの運動エネルギーの大部分を吸収可能となるように、インナーハウジングの一部（流体吸入部との接続部と、内側部との間）に間隙が設けられている（例えば００２２段落参照）。

特開２００５−２９９６６４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の過給機のように、インナーハウジングがスクロール室を形成する構成では、羽根車の破断時に、羽根車の破片などによってインナーハウジングが衝撃強度を超える衝撃を受けると、スクロール室を形成する部分にも大きな力が加わり、スクロール部が破壊され、コンテインメント性が維持できない可能性がある。
コンプレッサの羽根車の高周速化が進んでいる現状においては、損傷した羽根車が持つ運動エネルギーは従来よりも増加するため、コンプレッサのコンテイントメント性を改善し、過給機の信頼性をより向上させることが求められている。また、コンテインメント性の改善にあたっては、構造の複雑化による製造コスト増大を抑制し得ることが求められる。

本発明の少なくとも一実施形態の目的は、簡易な構造でコンプレッサのコンテインメント性を改善し得るコンプレッサを提供することである。

本発明の少なくとも一実施形態に係るコンプレッサは、
吸込流体を圧縮するための羽根車を収容し前記吸込流体を案内する案内ケーシングと、
前記案内ケーシングよりも前記羽根車の回転軸の径方向外側に設けられ、前記案内ケーシングを通過した前記吸込流体を外部へ案内するスクロール室の内周側壁面を形成するスクロール室内側形成部と、
スクロール室の外周側壁面を形成するスクロール室外側形成部と、
前記案内ケーシングよりも前記径方向外側かつ前記スクロール室内側形成部よりも前記径方向内側に設けられ、羽根車の回転軸と同中心線を有する円筒形状の円筒支持部と、を備え、
前記スクロール室内側形成部と前記案内ケーシングとは、前記円筒支持部を介して接続され、
前記円筒支持部の前記径方向外側に延在し、前記スクロール室内側形成部と接続される第１リブを備え、
前記スクロール室内側形成部と前記スクロール室外側形成部とはボルトで締結され、該締結部分に騒音を低減するサイレンサが接続され、
さらに、前記円筒支持部は、羽根車の回転軸方向の一端部が前記案内ケーシングの流体流入口とボルトで締結され、他端部が前記スクロール室内側形成部と接続されて前記回転軸方向に延在される。

遠心圧縮型のコンプレッサにおいて羽根車の回転時に羽根車が破断すると、羽根車の破片には、遠心力による周方向（半径方向）の力と、軸方向における圧力差等に起因する軸方向の力とが加わるため、破片が半径方向と軸方向の間の領域に飛散して、案内ケーシングに衝突する可能性がある。
上記コンプレッサによれば、羽根車の回転軸と同中心線を有する円筒形状の円筒支持部により、案内ケーシングとスクロール室内側形成部とが接続されるので、羽根車が破断して、破片が半径方向と軸方向の間の領域に飛散した場合、第１に案内ケーシングに衝突して運動エネルギーの一部が吸収され、第２に円筒支持部に衝突してさらに運動エネルギーが吸収される。このため、スクロール部に破片が到達する時には十分エネルギーが小さくなっており、コンプレッサのコンテインメント性が向上する。
また、上記円筒支持部は円筒形状を有しており構造が簡易である。
したがって、上記コンプレッサによれば、スクロール室内側形成部と案内ケーシングとが円筒形状の円筒支持部により接続されるという簡易な構造でコンプレッサのコンテインメント性を改善できる。

また、前記コンプレッサは、前記円筒支持部の前記径方向外側に延在し、前記スクロール室内側形成部と接続される第１リブを備える。
この場合、第１リブによって円筒支持部によるスクロール室内側形成部と案内ケーシングの接続が補強されるとともに、羽根車の破断時には、第１に案内ケーシング、第２に円筒支持部が壊れ、次に、円筒支持部の破断により吸収しきれない破片の運動エネルギーの一部を第１リブが壊れることで吸収することができる。このように、第１リブを設けることで、羽根車の破断時に２段階で破片の運動エネルギーを吸収することができるため、コンプレッサのコンテインメント性をより向上することができる。

幾つかの実施形態では、前記コンプレッサは、前記案内ケーシングの前記径方向外側に沿って延在し、前記円筒支持部と囲まれた領域に第２リブを備える。
案内ケーシングは、コンプレッサの半径方向において、羽根車から最も近い場所に存在する部分であり、羽根車が破断した場合、羽根車の破片の飛散の衝突による力を主に受ける部分である。
上記実施形態に係るコンプレッサでは、羽根車から近い場所に存在する案内ケーシングと円筒支持部とで囲まれた領域に第２リブを設けたので、案内ケーシングの剛性が向上し、羽根車が破断した際、スクロール室内側形成部と案内ケーシングとを接続する円筒支持部に到達するときの破片の運動エネルギーを低減できる。したがって、羽根車破断時のコンプレッサのコンテインメント性がより向上する。

幾つかの実施形態では、前記コンプレッサは、コンプレッサが備える羽根車が回転し吸込流体の流れが切られることで発生する騒音を低減するサイレンサ本体部と、前記案内ケーシングに接続され、前記サイレンサ本体部を通過した前記吸込流体を前記羽根車に導くベルマウス部と、前記ベルマウス部の前記径方向外側に延在する第３リブと、を含むサイレンサを備える。
上記のようなサイレンサを備えるコンプレッサの場合、サイレンサを通過した吸込流体がコンプレッサに導入され加圧されるので、コンプレッサの運転中は、コンプレッサ側よりもサイレンサ側の圧力のほうが低い。したがって、コンプレッサの羽根車が破断すると、コンプレッサ側からサイレンサ側にも羽根車の破片が飛散する。そして、大きな運動エネルギーを有する破片が案内ケーシングに衝突し、案内ケーシングを伝播してサイレンサに軸方向の大きな力が加わる。この際、軸方向の力を吸収するものが存在しなければ、サイレンサと案内ケーシングとの接続部（例えばボルトで接続されている）が破断し、サイレンサがコンプレッサから脱落する可能性がある。
上記の実施形態に係るコンプレッサでは、ベルマウス部の外周に、径方向外側に延在する第３リブが設けられているので、羽根車の破断時に、飛散する破片の軸方向成分の運動エネルギーに起因してサイレンサと案内ケーシングとの接続部が破断されるよりも先に、第３リブが壊れることによって該運動エネルギーが吸収される。このように、第３リブを設けることで、羽根車の破断時に、サイレンサ本体部の案内ケーシングからの脱落が防止され、コンプレッサの軸方向のコンテインメント性が向上する。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、簡易な構造でコンテインメント性を改善し得る。

一実施形態に係る内燃機関システムの全体構成を示す概略図である。 一実施形態に係るコンプレッサの一部の概略断面図である。 他の実施形態に係るコンプレッサの一部の概略断面図である。 図３中のＢ−Ｂ線に沿う概略的な断面図の一例である。 図３中のＢ−Ｂ線に沿う概略的な断面図の他の例である。 図３中のＡ−Ａ線に沿う概略的な断面図の一例である。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載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。

図１は、一実施形態に係る内燃機関システム１００の全体構成を示す概略図である。
図１に示す内燃機関システム１００は、内燃機関２と、内燃機関２への吸気を加圧する過給機４とを備える。

図１に示す過給機４は、外気を圧縮して内燃機関２へ燃焼用流体を送り込む遠心圧縮型のコンプレッサ１０と、コンプレッサ１０と回転軸１２を介して連結され内燃機関２から排出される排気ガスにより駆動されるタービン６と、コンプレッサ１０が備える羽根車が回転する際に発生する騒音を低減するためのサイレンサ１３とを備える。

図１に示す過給機４では、このように、内燃機関２から排出される排気により駆動されるタービン６によってコンプレッサ１０を駆動する排気タービン式の過給機（ターボチャージャ）を用いている。

次に、コンプレッサ１０の具体的構成例について図２及び図３を用いて以下に説明する。

図２及び図３は、それぞれ、一実施形態に係るコンプレッサの一部の概略断面図である。
図２及び図３に示す過給機４が備える遠心圧縮型のコンプレッサ１０は、吸込流体を圧縮するための羽根車１４と、羽根車１４を収容し吸込流体を案内するための案内ケーシング１６と、案内ケーシング１６を通過した吸込流体を外部へ案内するためのスクロール室１８を形成するスクロール室フレーム２０とを備える。
羽根車１４は、回転軸１９の端部に取り付けられたハブ１５と、ハブ１５の該表面から半径方向外側に向かって延びるとともに、周方向に沿って設けられた複数の翼１７とを含む。
スクロール室１８は、案内ケーシング１６よりも、羽根車１４の回転軸Ｓに関して外周側（即ち径方向外側）に設けられる。図２に示すように、スクロール室１８の内周側壁面は、後述するスクロール室内側形成部２２及びスクロール室外側形成部２４によって形成されてもよい。
スクロール室フレーム２０は、スクロール室１８の内周側壁面を形成するスクロール室内側形成部２２と、スクロール室１８の外側壁面を形成するスクロール室外側形成部２４とを含む。図２に示すように、スクロール室内側形成部２２と、スクロール室外側形成部２４とは、フランジ部６８においてボルト６４で締結されていてもよい。
案内ケーシング１６よりも径方向外側かつスクロール室内側形成部２２よりも径方向内側には、回転軸Ｓと同中心線を有する円筒形状の円筒支持部３２が設けられる。そして、スクロール室内側形成部２２と案内ケーシング１６とは、円筒支持部３２を介して接続される。
なお、羽根車１４の出口には、ディフューザ２６が形成されていてもよい。

遠心圧縮型のコンプレッサ１０において羽根車１４の回転時に羽根車１４が破断すると、羽根車１４の破片には、遠心力による周方向（半径方向）の力と、軸方向における圧力差等に起因する軸方向の力とが加わるため、破片が半径方向と軸方向の間の領域に飛散して、案内ケーシング１６に衝突する可能性がある。
このように、羽根車１４が破断して羽根車１４の破片が飛散して、案内ケーシング１６に衝突した場合、スクロール内側形成部２２よりも内周側に位置する、羽根車１４の回転軸Ｓと同中心線を有する円筒形状の円筒支持部３２が、スクロール内側形成部２２よりも先に羽根車１４の破片と衝突、破壊されることにより、エネルギーが吸収される。このため、スクロール内側形成部２２に達した羽根車１４の破片の運動エネルギーが小さくなり、コンテインメント性が向上する。
また、円筒支持部３２は円筒形状を有しており構造が簡易である。
したがって、上記コンプレッサによれば、スクロール室内側形成部２２と案内ケーシング１６とが円筒形状の円筒支持部３２により接続されるという簡易な構造でコンプレッサ１０のコンテインメント性を改善できる。

図２及び図３に示す実施形態では、円筒支持部３２は、スクロール室フレーム２０のスクロール室内側形成部２２と一体的に形成される。この場合、一体的な円筒支持部３２とスクロール室内側形成部２２の強度を向上させることができる。
他の実施形態では、円筒支持部３２は、スクロール室フレーム２０のスクロール室内側形成部２２とは別々に形成されていてもよい。この場合、円筒支持部３２及びスクロール室内側形成部２２の形状は、一体的に形成するよりも単純な形状となるので、製造しやすく、製造コストを抑制できる。

図２及び図３に示す実施形態では、コンプレッサ１０は、円筒支持部３２の径方向外側に延在し、スクロール室内側形成部２２と接続される第１リブ３４をさらに有する。
ここで、図４及び図５は、それぞれ、図３中のＢ−Ｂ線に沿う概略的な断面図である。
第１リブ３４の形状や配置は特に限定されず、任意の形状及び配置を採用することができる。
第１リブ３４は、例えば、図４に示すように、回転軸Ｓを中心にして放射状に（径方向に）延びるように、複数のリブが等間隔で配置されていてもよい。また、図５に示すように、複数のリブは、単一でない間隔で配置されていてもよい。

図２及び図３に示す実施形態では、コンプレッサ１０は、コンプレッサ１０が備える羽根車が回転する際に発生する騒音を低減するためのサイレンサ１３を備える。
サイレンサ１３は、騒音を低減する機能を有するサイレンサ本体部４２と、サイレンサ本体部４２を通過した吸込流体を羽根車１４に導くためのベルマウス部４４とを有する。このベルマウス部４４と案内ケーシング１６とは、一般的に、滑らかな流路形状を形成する。
そして、サイレンサ１３は、ベルマウス部４４の径方向外側に延在する第３リブ３６を有する。第３リブ３６は、ベルマウス部４４の外周面とサイレンサ本体部４２の少なくとも一部とを接続するように設けられる。

コンプレッサ１０の羽根車１４が破断すると、コンプレッサ１０側からサイレンサ１３側にも羽根車１４の破片が飛散する。そして、大きな運動エネルギーを有する破片が案内ケーシング１６に衝突する。
このとき、例えば、図２及び図３に示すように、案内ケーシング１６がボルト６２でスクロール室フレーム２０（図２及び図３においては円筒支持部３２と一体）に締結されていると、ボルト６２が大きな力を受けて破断する可能性がある。この場合には、案内ケーシング１６が軸方向に飛び出そうとする。この案内ケーシング１６の飛び出しによりサイレンサ１３が軸方向に押される。
また、例えば、図２及び図３に示すように、サイレンサ１３とスクロール室フレーム２０が、サイレンサ１３のフランジ部６６とスクロール室フレームのフランジ部６８においてボルト６４で締結されていると、同様にボルト６４が大きな力を受けて破断する可能性がある。
このため、上述のようにしてボルト６２やボルト６４等の接続部が破断する前に、サイレンサ１３に加わる軸方向の力を吸収するものが存在しなければ、サイレンサ１３がコンプレッサ１０から脱落する可能性がある。

図２及び図３に示す過給機４では、ベルマウス部４４の径方向外側に延在する第３リブ３６が設けられているので、羽根車１４の破断時に、飛散する破片の軸方向成分の運動エネルギーに起因してサイレンサ１３と案内ケーシング１６との接続部が破断されるよりも先に、第３リブ３６が壊れることによって該運動エネルギーが吸収される。

ここで、図６は、図３中のＡ−Ａ線に沿う概略的な断面図の一例である。
第３リブ３６の形状や配置は特に限定されず、任意の形状及び配置を採用することができる。
第３リブ３６は、例えば、図６に示すように、回転軸Ｓを中心にして放射状に（径方向に）延びるように、複数のリブが等間隔で配置されていてもよい。また、図示されないが、複数のリブは、単一でない間隔で配置されていてもよい。

ベルマウス部４４の形状は特に限定されない。
幾つかの実施形態では、図３に示すように、ベルマウス部４４の内周面は、コンプレッサ１０の軸方向の断面が流線形の曲面を有する形状であってもよい。この場合、断面が直線状となるような内周面を有する場合に比べて、吸込流体がベルマウス部４４から羽根車１４に向かってスムーズに流れる。

案内ケーシング１６は、コンプレッサの流体吸入口５２から吸入された吸込流体が羽根車１４の翼１７の間を通ってスクロール室１８に向かうように導くことができるものであれば、形状は特に限定されない。
案内ケーシング１６には、図２及び図３に示すように、羽根車１４の作動範囲（吸込流体流量の範囲）を拡大するための再循環流路５４が形成されていてもよい。
幾つかの実施形態では、案内ケーシング１６は、図３に示すように、入口スリット５６及び出口スリット５８により、再循環流路５４が形成される。このような案内ケーシング１６を作製する場合、スリット未形成の案内ケーシングを作製した後にスリット状の孔を開ければよいので、形成が容易であり、製造コストを抑制することができる。

幾つかの実施形態では、案内ケーシング１６は、図３に示すように、案内ケーシング１６と円筒支持部３２とで囲まれた領域に、案内ケーシング１６の径方向外側に沿って延在する第２リブ３８を有していてもよい。
このように、羽根車１４から近い場所に存在する案内ケーシング１６と円筒支持部３２とで囲まれた領域に第２リブ３８を設けたので案内ケーシング１６の剛性が向上し、羽根車１４が破断した際、スクロール室フレーム２０と案内ケーシング１６とを接続する円筒支持部３２に到達するときの羽根車の破片の運動エネルギーを低減でき、羽根車１４破断時のコンプレッサ１０のコンテインメント性がより向上する。
また、図３に示す実施形態のようにスクロール室内側形成部２２と接続される第１リブ３４やベルマウス部４４の径方向外側に第３リブ３６が設けられる場合には、第２リブ３８を有する案内ケーシング１６は、第１リブ３４を有する円筒支持部３２及び第３リブ３６を有するベルマウス部４４よりも先に壊れて破片の運動エネルギーを吸収する。したがって、第２リブ３８を設けることで、羽根車１４破断時のコンプレッサ１０のコンテインメント性がさらに向上する。
第２リブ３８の形状や配置は特に限定されず、任意の形状及び配置を採用することができる。
第２リブ３８は、例えば、図４及び図５に示すように、回転軸Ｓを中心にして放射状に（径方向に）延びるように、複数のリブが等間隔で配置されていてもよい。また、複数のリブは、単一でない間隔で配置されていてもよい。

なお、本発明のコンプレッサ及び過給機は、舶用エンジン、発電用エンジン等を含む種々の内燃機関に適用可能である。

４ 過給機
１０ コンプレッサ
１３ サイレンサ
１４ 羽根車
１５ ハブ
１６ 案内ケーシング
１７ 翼
１８ スクロール室
２０ スクロール室フレーム
２２ スクロール室内側形成部
２４ スクロール室外側形成部
３２ 円筒支持部
３４ 第１リブ
３６ 第３リブ
３８ 第２リブ
４２ サイレンサ本体部
４４ ベルマウス部
５２ 流体吸入口
５４ 再循環流路
５６ 入口スリット
５８ 出口スリット
６２ ボルト
６４ ボルト
６６ フランジ部
６８ フランジ部

Claims (3)

1. 吸込流体を圧縮するための羽根車を収容し前記吸込流体を案内する案内ケーシングと、
   前記案内ケーシングよりも前記羽根車の回転軸の径方向外側に設けられ、前記案内ケーシングを通過した前記吸込流体を外部へ案内するスクロール室の内周側壁面を形成するスクロール室内側形成部と、
   スクロール室の外周側壁面を形成するスクロール室外側形成部と、
   前記案内ケーシングよりも前記径方向外側かつ前記スクロール室内側形成部よりも前記径方向内側に設けられ、羽根車の回転軸と同中心線を有する円筒形状の円筒支持部と、を備え、
   前記スクロール室内側形成部と前記案内ケーシングとは、前記円筒支持部を介して接続され、
   前記円筒支持部の前記径方向外側に延在し、前記スクロール室内側形成部と接続される第１リブを備え、
   前記スクロール室内側形成部と前記スクロール室外側形成部とはボルトで締結され、該締結部分に騒音を低減するサイレンサが接続され、
   さらに、前記円筒支持部は、羽根車の回転軸方向の一端部が前記案内ケーシングの流体流入口とボルトで締結され、他端部が前記スクロール室内側形成部と接続されて前記回転軸方向に延在されるコンプレッサ。
2. 前記案内ケーシングの前記径方向外側に沿って延在し、前記円筒支持部と囲まれた領域に第２リブを備える請求項１に記載のコンプレッサ。
3. 騒音を低減するサイレンサ本体部と、前記案内ケーシングに接続され、前記サイレンサ本体部を通過した前記吸込流体を前記羽根車に導くベルマウス部と、前記ベルマウス部の前記径方向外側に延在する第３リブと、を含むサイレンサ
   を備える請求項１又は２に記載のコンプレッサ。
   

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