JP6270280B2 - インペラ、及び回転機械 - Google Patents
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Description
本発明は、回転機械に設けられるインペラ、及びインペラを備える回転機械に関する。
地球環境保全の世界的な取り組みが進む中、例えば自動車のエンジン等の内燃機関における排気ガス・燃費に関する規制は強化の一途にある。ターボチャージャは、圧縮空気をエンジンに送り込んで燃料を燃焼させることで自然吸気のエンジンに比べて燃費改善、及びＣＯ２削減の効果を高めることが可能な回転機械である。
ターボチャージャでは、エンジンの排気ガスによってタービンが回転駆動することで、遠心圧縮機のインペラを回転させるようになっている。インペラの回転により圧縮された空気は、ディフューザで減速されることで昇圧され、スクロール流路を経てエンジンに供給される。なお、ターボチャージャの駆動方式としては、排気ガスによって駆動される方式のみならず、例えば電動機によるものや原動機によるもの等が知られている。
ところで、ターボチャージャのインペラとしては、例えば特許文献１に記載されているように、炭素繊維強化プラスチック等の合成樹脂の複合材（以下、樹脂とする）を用いたものが知られている。ここで、このような樹脂のインペラは金属のインペラに比べて剛性が低く、回転すると遠心力の影響によって変形量が大きくなる。このため、回転軸が嵌合するボス孔が拡径し、回転バランスを損なうおそれがある。
このような問題を鑑みて、特許文献１に記載のインペラには、背面部に金属製のリングを設けることで、遠心力によるインペラの変形を抑制するようにしている。
しかしながら、特許文献１に開示されたように、金属製のリングをインペラ本体に嵌合させる構造を用いた場合、インペラは樹脂によって形成されていることからインペラの材質とリングの材質とが異なってしまう。よって、金属製のリングの方が樹脂製のインペラよりも線膨張率が大きくなってしまい、運転条件によっては、インペラよりもリングの膨張量が大きくなってしまうことがある。よって、インペラに生じる応力をリングに分配できず、インペラの変形を抑制できない可能性がある。また、金属製のリングをインペラ本体に嵌合させる構造を用いた場合、金属は樹脂に比べて密度が高いため、遠心力の影響によってリング自体が拡径してしまい、インペラの変形を抑制できず、インペラの信頼性を確保することが難しい。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、樹脂の材料が用いられても、信頼性を確保できるインペラ、及び回転機械を提供する。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第一の態様に係るインペラは、樹脂により形成されて軸線を中心とした円盤状をなし、該軸線を中心に回転する回転軸が嵌合するボス孔部が形成されたインペラ本体と、前記インペラ本体の前面側に複数設けられたブレードと、前記インペラ本体の内部に該インペラ本体の周方向に沿って配置されて環状をなす補強リングと、を備え、前記補強リングは、前記インペラ本体における前記ボス孔部の内周面に露出するとともに前記回転軸の周方向に沿う環状をなす基部と、前記基部よりも前記インペラ本体の内部側で、前記基部から前記軸線の方向に延びる係合部と、を有している。
本発明の第一の態様に係るインペラは、樹脂により形成されて軸線を中心とした円盤状をなし、該軸線を中心に回転する回転軸が嵌合するボス孔部が形成されたインペラ本体と、前記インペラ本体の前面側に複数設けられたブレードと、前記インペラ本体の内部に該インペラ本体の周方向に沿って配置されて環状をなす補強リングと、を備え、前記補強リングは、前記インペラ本体における前記ボス孔部の内周面に露出するとともに前記回転軸の周方向に沿う環状をなす基部と、前記基部よりも前記インペラ本体の内部側で、前記基部から前記軸線の方向に延びる係合部と、を有している。
このようなインペラによれば、補強リングを樹脂製のインペラ本体の内部に配置することで、インペラ本体の剛性を向上することができる。またこの補強リングは、インペラ本体の内部に配置されているため、インペラ本体と線膨張率の異なる材料を用いていたとしても、インペラ本体からの脱落を抑制できる。よって、インペラ本体に作用する遠心力を補強リングに分配でき、遠心力によって生じるインペラ本体の応力を低減することができ、インペラ全体の変形を抑制することが可能となる。
このように補強リングが基部及び基部に連続する係合部を有していることで、インペラ本体が回転することによって作用する遠心力によって径方向外側への引張力がインペラ本体に作用した際に、係合部がインペラ本体の内部で引っ掛かり、インペラ本体に作用する遠心力を補強リングにしっかりと分配できる。よって、インペラ本体に生じる応力をさらに低減することが可能となり、インペラ本体の変形を抑制可能である。
また、本発明の第二の態様に係るインペラでは、上記第一の態様における前記補強リングにおける前記係合部は、前記インペラ本体側に向かって突出するように湾曲する湾曲係合面を有していてもよい。
このように係合部が湾曲係合面を有していることで、遠心力による径方向外側への引張力がインペラ本体に作用した際に、係合部がインペラ本体に引っ掛かって接触する位置で、インペラ本体に生じる応力集中を抑制することができ、インペラ本体の変形の抑制が可能である。
また、本発明の第三の態様に係るインペラでは、上記第一又は第二の態様における前記補強リングは、前記インペラ本体に生じる応力が最大となる前記軸線の方向の位置に配置されていてもよい。
このような位置に補強リングが設けられていることで、効果的にインペラ本体に作用する遠心力を補強リングに分配でき、インペラ本体に作用する遠心力による応力を低減することができる。
また、本発明の第四の態様に係るインペラでは、上記第一から第三のいずれかの態様における前記補強リングの外周端は、前記インペラ本体の軸線から、該軸線と前記インペラ本体の外周端との間の径寸法の０．１倍より大きく離間した位置に配置されていてもよい。
このような位置に補強リングが配置されていることで、効果的にインペラ本体に作用する遠心力を補強リングに分配でき、遠心力によってインペラ本体に生じる応力を低減することができる。
また、本発明の第五の態様に係るインペラでは、上記第一から第四のいずれかの態様における前記補強リングは、熱硬化性樹脂及び強化繊維を含む複合材により形成されていてもよい。
このような複合材を補強リングに用いることで、複合材の線膨張率は金属に比べて小さいため、熱膨張によってインペラ本体に対する補強リングの緩みが生じにくい。また、複合材は金属に比べて密度が低いため、遠心力による変形量が小さくなる。従って、インペラ本体に対する補強リングの緩みを抑制でき、効果的にインペラ本体に作用する遠心力を補強リングに分配でき、遠心力によってインペラ本体に生じる応力を低減することができる。
また、本発明の第六の態様に係るインペラにおいては、上記第五の態様における前記補強リングでは、前記強化繊維が前記インペラ本体の周方向に沿って延びるように配置されていてもよい。
補強リングに遠心力が作用すると周方向に引張力が作用する。このため、この引張力が作用する方向である周方向に強化繊維が延びていることで、このような引張力による補強リング自身の変形を抑制することができる。従って、インペラ本体の拘束力が低下してしまうことを抑制でき、インペラ本体に作用する遠心力を補強リングに分配できる。よって、インペラ本体の応力を低減することができ、インペラ全体の変形を抑制することができる。
また、本発明の第七の態様に係るインペラでは、上記第一から第四のいずれかの態様における前記補強リングは、金属材料により形成されていてもよい。
このような金属材料を用いることで、補強リングの剛性が高くなるため、遠心力が作用した際に変形しにくくなり、インペラ本体に対する補強リングの緩みが生じにくい。従って、効果的にインペラ本体に作用する遠心力を補強リングに分配でき、遠心力によってインペラ本体に生じる応力を低減することができる。
また、本発明の第八の態様に係るインペラは、上記第一から第七のいずれかの態様における前記インペラ本体の背面に形成されるとともに外周側を向く面を有する段部に前記外周側から嵌合し、樹脂及び強化繊維により形成されて環状をなす第二補強リングをさらに備えていてもよい。
このように樹脂及び強化繊維により形成された第二補強リングが設けられていることで、インペラ本体の材質と第二補強リングの材質とが略等しいものとなる。このため、インペラ本体と第二補強リングとの線膨張率の差が小さくなり、熱膨張による第二補強リングの拡径によってインペラ本体の拘束力が低下してしまうことを抑制できる。さらに、樹脂は密度が低いため、遠心力によって第二補強リングが拡径してインペラ本体の拘束力が低下してしまうことを抑制できる。また、第二補強リングが強化繊維を含んでいることで、インペラ本体の剛性を向上することができ、第二補強リング自体の遠心力による拡径によってインペラ本体の拘束力が低下してしまうことを抑制できる。よって、インペラ本体に作用する遠心力を第二補強リングに分配でき、遠心力によって生じるインペラ本体の応力を低減することができ、インペラ全体の変形をさらに抑制することが可能となる。
また、本発明の第九の態様に係る回転機械では、上記第一から第八のいずれかの態様におけるインペラと、前記インペラに取り付けられて、該インペラとともに回転する回転軸と、を備えている。
このような回転機械によれば、補強リングを樹脂製のインペラ本体の内部に配置することで、インペラ本体の剛性を向上することができる。またこの補強リングは、インペラ本体の内部に配置されているため、インペラ本体と線膨張率の異なる材料を用いていたとしても、インペラ本体からの脱落を抑制できる。よって、インペラ本体に作用する遠心力を補強リングに分配でき、インペラ全体の変形を抑制することが可能となる。
上記のインペラ、及び回転機械によれば、インペラ本体の内部に補強リングを配置することで、樹脂の材料が用いられても、信頼性を確保することが可能である。
〔第一実施形態〕
以下、本発明の実施形態に係るターボチャージャ１（回転機械）について説明する。
図１に示すようにターボチャージャ１は、回転軸２と、回転軸２とともに回転するタービン３及び圧縮機４と、タービン３と圧縮機４を連結するとともに回転軸２を支持するハウジング連結部５とを備えている。
このターボチャージャ１では、図示しないエンジンからの排気ガスＧによりタービン３が回転し、当該回転に伴って圧縮機４が圧縮した空気ＡＲをエンジンに供給する。
以下、本発明の実施形態に係るターボチャージャ１（回転機械）について説明する。
図１に示すようにターボチャージャ１は、回転軸２と、回転軸２とともに回転するタービン３及び圧縮機４と、タービン３と圧縮機４を連結するとともに回転軸２を支持するハウジング連結部５とを備えている。
このターボチャージャ１では、図示しないエンジンからの排気ガスＧによりタービン３が回転し、当該回転に伴って圧縮機４が圧縮した空気ＡＲをエンジンに供給する。
回転軸２は、軸線Ｏの方向に延び、軸線Ｏを中心として回転する。
タービン３は、軸線Ｏの方向の一方側（図１の紙面に向かって右側）に配置されている。
このタービン３は、回転軸２が取付けられるとともにタービンブレード１５を有するタービンインペラ１４と、タービンインペラ１４を外周側から覆うタービンハウジング１１とを備えている。
このタービン３は、回転軸２が取付けられるとともにタービンブレード１５を有するタービンインペラ１４と、タービンインペラ１４を外周側から覆うタービンハウジング１１とを備えている。
タービンインペラ１４には、回転軸２が嵌り込んでおり、回転軸２とともに軸線Ｏ回りに回転可能となっている。
タービンハウジング１１は、タービンインペラ１４を覆っている。そして、タービンハウジング１１には、タービンブレード１５の前縁部（径方向外側の端部）から径方向外側に向かって延びるとともに径方向外側の位置で軸線Ｏを中心とした環状に形成されてタービンハウジング１１の内外を連通するスクロール通路１２が形成されている。このスクロール通路１２から排気ガスＧがタービンインペラ１４に導入されることで、タービンインペラ１４及び回転軸２が回転する。
また、タービンハウジング１１には、軸線Ｏの一方側で開口する排出口１３が形成されており、タービンブレード１５を通過した排気ガスＧは、軸線Ｏの一方側に向かって流通し、排出口１３からタービンハウジング１１の外部に排出される。
圧縮機４は、軸線Ｏの方向の他方側（図１の紙面に向かって左側）に配置されている。
この圧縮機４には、回転軸２が取付けられるとともに圧縮機ブレード２５を有する圧縮機インペラ２４と、圧縮機インペラ２４を外周側から覆う圧縮機ハウジング２１とを備えている。
この圧縮機４には、回転軸２が取付けられるとともに圧縮機ブレード２５を有する圧縮機インペラ２４と、圧縮機インペラ２４を外周側から覆う圧縮機ハウジング２１とを備えている。
圧縮機インペラ２４には、回転軸２が嵌り込んでおり、回転軸２とともに軸線Ｏ回りに回転可能となっている。
圧縮機ハウジング２１は圧縮機インペラ２４を覆っている。そして、圧縮機ハウジング２１には軸線Ｏの他方側で開口する吸込口２３が形成されており、この吸込口２３を通じて圧縮機ハウジング２１の外部から空気ＡＲを圧縮機インペラ２４に導入する。そして、圧縮機インペラ２４に、タービンインペラ１４からの回転力が回転軸２を介して伝達されることで、圧縮機インペラ２４が軸線Ｏ回りに回転し、空気ＡＲが圧縮される。
また、圧縮機ハウジング２１には、圧縮機ブレード２５の後縁部（空気ＡＲの流れの下流端部）から径方向外側に向かって延びるとともに、径方向外側の位置で軸線Ｏを中心とした環状をなして圧縮機ハウジング２１の内外を連通する圧縮機通路２２が形成されている。この圧縮機通路２２へ圧縮機インペラ２４で圧縮された空気ＡＲが導入され、圧縮機ハウジング２１の外部に吐出される。
ハウジング連結部５は、圧縮機ハウジング２１とタービンハウジング１１との間に配置されて、これらを連結している。さらに、ハウジング連結部５は回転軸２を外周側から覆うとともに、ハウジング連結部５には軸受６が設けられ、この軸受６によって回転軸２をハウジング連結部５に対して相対回転可能となるように支持している。
次に、図２を参照して、圧縮機インペラ２４について詳しく説明する。
圧縮機インペラ２４は、複数の圧縮機ブレード２５と、前面側に圧縮機ブレード２５を支持するインペラ本体３１と、インペラ本体３１の内部に配置された補強リング４１とを備えている。
圧縮機インペラ２４は、複数の圧縮機ブレード２５と、前面側に圧縮機ブレード２５を支持するインペラ本体３１と、インペラ本体３１の内部に配置された補強リング４１とを備えている。
圧縮機ブレード２５は、径方向に互いに離間して複数が設けられ、互いに隣接する圧縮機ブレード２５同士の間には空気ＡＲが流通する流路ＦＣが形成されている。この圧縮機ブレード２５は、本実施形態では樹脂により形成されている。
ここで圧縮機ブレード２５に用いられる樹脂としては、例えばポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリケトンサルファイド（ＰＫＳ）、ポリアリルエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、芳香族ポリアミド（ＰＡ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリイミド（ＰＩ）等が例示される。
なお、圧縮機ブレード２５は樹脂である場合には限定されない。
なお、圧縮機ブレード２５は樹脂である場合には限定されない。
インペラ本体３１は、円盤状をなして圧縮機ブレード２５を前面側、即ち、軸線Ｏの方向の他方側で圧縮機ブレード２５を支持するいわゆるハブであって、上述した圧縮機ブレード２５と同様の樹脂を材料としている。また、インペラ本体３１には、径方向内側の領域に回転軸２が挿通されて嵌合するボス孔部３１ａが形成されている。
ボス孔部３１ａの内周面には、径方向外側に向かって凹むとともに、回転軸２の周方向に沿う円環状の環状溝部３１ｂが形成されている。
環状溝部３１ｂとしては、ボス孔部３１ａの内周面に開口するとともに、径方向外側に延びて軸線Ｏを含む断面の形状が矩形状をなす内側溝部３１ｂ１と、内側溝部３１ｂ１に連通するとともに径方向外側に延び、かつ、軸線Ｏを含む断面の形状が内側溝部３１ｂ１から軸線Ｏの両側に突出する矩形状をなす外側溝部３１ｂ２とが形成されている。
即ち、環状溝部３１ｂは、断面Ｔ字状をなしている。
即ち、環状溝部３１ｂは、断面Ｔ字状をなしている。
補強リング４１は、インペラ本体３１の環状溝部３１ｂの内部に配置されている。即ち、補強リング４１は、内側溝部３１ｂ１に対応するような断面矩形状をなしてインペラ本体３１の周方向に沿う環状をなす基部４３と、基部４３に連続して基部４３よりもインペラ本体５３の内部側となる径方向外側で、基部４３から軸線Ｏの方向の両側に延びる係合部４４とを有している。
補強リング４１は、環状溝部３１ｂの内部に隙間なく配置されており、基部４３はボス孔部３１ａの内周面に露出して、内周面と面一になっている。このように補強リング４１は、インペラ本体３１の内部に配置された状態で、軸線Ｏを中心として環状をなすとともに、断面Ｔ字状をなしている。
また、補強リング４１は、熱硬化性樹脂及び強化繊維を含む複合材により形成されている。ここで、強化繊維としては炭素繊維、ガラス繊維、ウィスカ―（Ｗｈｉｓｋｅｒ）等を用いることができる。また熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、シリコン樹脂等を用いることができる。
ここで、補強リング４１は、複合材に代えてアルミニウム等の金属材料により形成されていてもよい。
そして補強リング４１はインペラ本体３１に、例えばインサート成形によって嵌め込まれて設けられる。
以上説明した本実施形態のターボチャージャ１によると、圧縮機インペラ２４で、補強リング４１を樹脂製のインペラ本体３１の内部に配置することで、インペラ本体３１の剛性を向上することができる。またこの補強リング４１は、インペラ本体３１の内部に配置されているため、インペラ本体３１と線膨張率の異なる材料を用いていたとしても、インペラ本体３１からの脱落を抑制できる。よって、インペラ本体３１に作用する遠心力を補強リング４１に分配でき、遠心力によってインペラ本体３１に生じる応力を低減することができ、圧縮機インペラ２４全体の変形を抑制することが可能となる。
さらに、補強リング４１が基部４３及び基部４３に連続する係合部４４を有していることで、インペラ本体３１が回転した際の遠心力によって、インペラ本体３１に径方向外側への引張力が作用した際に、係合部４４がインペラ本体３１の内部で引っ掛かり、インペラ本体３１に作用する遠心力を補強リング４１にしっかりと分配できる。従って、インペラ本体３１に生じる応力をさらに低減することが可能となり、インペラ本体３１の変形を抑制可能である。
また、補強リング４１が熱硬化性樹脂及び強化繊維を含む複合材により形成されていていることで、複合材の線膨張率は金属に比べて小さいため、熱膨張によってインペラ本体３１に対する補強リング４１の緩みが生じにくい。従って、効果的にインペラ本体３１に作用する遠心力を補強リング４１に分配でき、インペラ本体３１に生じる応力をさらに低減することが可能となる。
また、補強リング４１が、金属材料によって形成されている場合には、補強リング４１自体の剛性が高くなるため、遠心力が作用した際に変形しにくく、インペラ本体３１に対する補強リング４１の緩みが生じにくい。従って、効果的にインペラ本体３１に作用する遠心力を補強リング４１に分配でき、インペラ本体３１に生じる応力を低減することができる。
ここで、図３には、アルミニウムによって形成した補強リング４１を、インペラ本体３１の径寸法の０．４倍の位置に設けた場合のインペラ本体３１に生じる応力比σ/σｍａｘを、インペラ本体３１における軸線Ｏの方向の位置座標毎に表した解析結果を示す。この解析では、軸線Ｏの方向の位置座標として、空気ＡＲが流入する側となる軸線Ｏの他方側の端部位置を０とし、空気ＡＲが流出する側となる軸線Ｏの一方側の端部位置を１．０としている。また、解析条件として、補強リング４１の軸線Ｏ方向の厚さ寸法はインペラ本体３１の軸線Ｏの方向の長さに対して０．３倍、補強リング４１の径方向の幅寸法はインペラ本体３１の外形寸法に対し０．０５倍となっている。
図３の解析結果によると、インペラ本体３１の径方向の寸法の０．４倍の位置に外周端が位置するように補強リング４１を設けることで、軸線Ｏの方向の位置座標がインペラ本体３１の軸線Ｏの方向の長さに対して０．６倍よりも大きく、０．８倍よりも小さくなる位置で、補強リング４１を仮に設けない場合（破線）に比べて大幅に応力を低減できていることが確認できる。
一方で、補強リング４１が設けられていない場合、位置座標が大きくなるにつれて徐々に応力が大きくなっていき、インペラ本体３１の軸線Ｏの方向の長さに対して約０．７倍の位置では最大値を示している。即ち、補強リング４１を設けることで、インペラ本体３１に生じる応力の最大値を低く抑えることができることが確認できる。
〔第二実施形態〕
次に、図４を参照して、本発明の第二実施形態について説明する。
第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態のターボチャージャ５０は、圧縮機インペラ５１が第一実施形態と異なっている。
次に、図４を参照して、本発明の第二実施形態について説明する。
第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態のターボチャージャ５０は、圧縮機インペラ５１が第一実施形態と異なっている。
圧縮機インペラ５１は、複数の圧縮機ブレード２５と、前面側に圧縮機ブレード２５を支持するインペラ本体５３と、インペラ本体５３の内部に配置された補強リング５４とを備えている。
インペラ本体５３には回転軸２が挿通されて嵌合するボス孔部５３ａが形成されており、ボス孔部５３ａの内周面には、径方向外側に向かって凹むとともに、回転軸２の周方向に沿う円環状の環状溝部５３ｂが形成されている。
環状溝部５３ｂとしては、ボス孔部５３ａの内周面に開口するとともに、径方向外側に延びて軸線Ｏを含む断面の形状が矩形状をなす一段目溝部５３ｂ１と、一段目溝部５３ｂ１に径方向外側で連通するとともに、互いに径方向に連通する二段目溝部５３ｂ２、三段目溝部５３ｂ３、及び四段目溝部５３ｂ４とが形成されている。
二段目溝部５３ｂ２は、一段目溝部５３ｂ１から径方向外側及び軸線Ｏの方向の両側に延びて、軸線Ｏを含む断面の形状が略楕円状をなしている。
三段目溝部５３ｂ３は、二段目溝部５３ｂ２から径方向外側に延びて、軸線Ｏを含む断面の形状が、二段目溝部５３ｂ２よりも小さな略楕円状をなしている。
四段目溝部５３ｂ４は、三段目溝部５３ｂ３から径方向外側に延びて、軸線Ｏを含む断面の形状が、二段目溝部５３ｂ２よりも小さな略楕円状をなしている。
このように、環状溝部５３ｂは、断面がクリスマスツリー形状をなしている。
三段目溝部５３ｂ３は、二段目溝部５３ｂ２から径方向外側に延びて、軸線Ｏを含む断面の形状が、二段目溝部５３ｂ２よりも小さな略楕円状をなしている。
四段目溝部５３ｂ４は、三段目溝部５３ｂ３から径方向外側に延びて、軸線Ｏを含む断面の形状が、二段目溝部５３ｂ２よりも小さな略楕円状をなしている。
このように、環状溝部５３ｂは、断面がクリスマスツリー形状をなしている。
補強リング５４は、インペラ本体５３の環状溝部５３ｂの内部に配置されている。即ち、補強リング５４は、一段目溝部５３ｂ１に対応するような断面矩形状をなして周方向に沿う環状をなす基部５６と、基部５６に連続して基部５６よりもインペラ本体３１の内部側となる径方向外側で、基部５６から軸線Ｏの方向の両側に延びる係合部５７とを有している。
補強リング５４は、環状溝部５３ｂの内部に隙間なく配置されており、基部５６はボス孔部５３ａの内周面に露出して、内周面と面一になっている。このように補強リング５４は、インペラ本体５３の内部に配置された状態で、軸線Ｏを中心として環状をなすとともに、断面クリスマスツリー形状をなしている。
より詳しくは、補強リング５４の係合部５７としては、断面楕円状をなす第一係合部５７ａ、第一係合部５７ａよりも小さな断面楕円形状をなす第二係合部５７ｂ、及び第二係合部５７ｂよりも小さな断面楕円形状をなす第三係合部５７ｃとが形成されている。そして、第一係合部５７ａ、第二係合部５７ｂ、及び第三係合部５７ｃは、それぞれ、断面楕円形状をなしていることで、インペラ本体５３に向かって突出するように湾曲する外面である湾曲係合面５８を有していることになる。
以上説明した本実施形態のターボチャージャ５０によると、圧縮機インペラ５１で、補強リング５４を樹脂製のインペラ本体５３の内部に配置することで、第一実施形態と同様にインペラ本体５３に作用する遠心力を補強リング５４に分配でき、遠心力によってインペラ本体５３に生じる応力を低減することができる。
ここで、図５には、アルミニウムによって形成した補強リング５４の外周端（径方向外側の端部）を、インペラ本体５３の径寸法Ｒの０．４倍の位置に設けた場合のインペラ本体５３に生じる応力比σ/σｍａｘを、インペラ本体５３における軸線Ｏの方向の位置座標毎に表した解析結果を示す。解析条件として、補強リング５４の軸線Ｏ方向の厚さ寸法はインペラ本体３１の軸線Ｏの方向の長さに対して０．３倍、補強リング５４の径方向の幅寸法はインペラ本体３１の外形寸法に対し０．０５倍となっている。その他の解析条件は第一実施形態で図３に示したものと同様である。
図５の解析結果によると、インペラ本体５３の径方向の寸法の０．４倍の位置に外周端が位置するように補強リング５４を設けることで、軸線Ｏの方向の位置座標がインペラ本体３１の軸線Ｏの方向の長さに対して０．６倍よりも大きく、０．８倍よりも小さくなる位置で、補強リング５４を仮に設けない場合（破線）に比べて大幅に応力を低減できていることが確認できる。
一方で、補強リング５４が設けられていない場合、位置座標が大きくなるにつれて徐々に応力が大きくなっていき、インペラ本体３１の軸線Ｏの方向の長さに対して約０．７倍の位置では最大値を示している。即ち、補強リング５４を設けることで、インペラ本体５３に生じる応力の最大値を低く抑えることができることが確認できる。また、第一実施形態の補強リング４１に比べて、位置座標がインペラ本体３１の軸線Ｏの方向の長さに対して０．６倍よりも大きく、０．８倍よりも小さくなる位置で、大幅に応力を低く抑えることができることが確認できる。
これは、本実施形態の補強リング５４の係合部５７が湾曲係合面５８を有しているためである。即ち、湾曲係合面５８を設けることによって、遠心力による径方向外側への引張力がインペラ本体５３に作用した際に、係合部５７がインペラ本体５３の環状溝部５３ｂの内面と接触する位置で、インペラ本体５３に生じる応力集中を抑制することができるため、湾曲係合面５８によってさらなるインペラ本体５３の変形、損傷の抑制が可能である。
なお本実施形態では、補強リング５４の係合部５７は、第一係合部５７ａ、第二係合部５７ｂ、及び第三係合部５７ｃの三つの断面楕円状をなす部位を有して構成されているが、このような場合に限定されない。即ち、三つより多いか、または三つより少ない断面楕円状をなす部位によって係合部としてもよい。また、このような断面楕円状の部位を有する場合に限られず、例えば、単に断面真円状の部位を有していてもよい。
〔第三実施形態〕
次に、図６を参照して、本発明の第三実施形態について説明する。
第一実施形態及び第二実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態のターボチャージャ６０は、第一実施形態の圧縮機インペラ２４（又は第二実施形態の圧縮機インペラ５１）がさらに第二補強リング６１を備えている。
次に、図６を参照して、本発明の第三実施形態について説明する。
第一実施形態及び第二実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態のターボチャージャ６０は、第一実施形態の圧縮機インペラ２４（又は第二実施形態の圧縮機インペラ５１）がさらに第二補強リング６１を備えている。
第二補強リング６１は、インペラ本体３１の背面に形成されるとともに外周側を向く面としての嵌合面６６を有する段部６５に外周側から嵌合し、上記の樹脂及び強化繊維により形成されて環状をなしている。
ここで、段部６５は、インペラ本体３１の背面６７から軸線Ｏの方向の他方側に向かって軸線Ｏを中心として環状に凹むように形成され、背面６７を径方向外側に位置する第一背面６７Ａと、径方向内側に位置する第二背面６７Ｂとに分割している。
これら第一背面６７Ａ及び第二背面６７Ｂは径方向に沿って形成されており、第一背面６７Ａと第二背面６７Ｂとの間に嵌合面６６が配され、これら第一背面６７Ａと第二背面６７Ｂとを接続することで、背面６７に段部６５が形成されている。
これら第一背面６７Ａ及び第二背面６７Ｂは径方向に沿って形成されており、第一背面６７Ａと第二背面６７Ｂとの間に嵌合面６６が配され、これら第一背面６７Ａと第二背面６７Ｂとを接続することで、背面６７に段部６５が形成されている。
なお、第二背面６７Ｂは、径方向内側に向かうに従って、軸線Ｏの方向の他方側に凹状に湾曲しつつ軸線Ｏの方向の一方側に向かうように傾斜し、かつ、中途位置から径方向に沿うように屈曲してボス孔部３１ａに連続している。
本実施形態では、この段部６５における嵌合面６６は、インペラ本体３１の回転中心軸となる軸線Ｏから、軸線Ｏとインペラ本体３１の外周端（径方向の最外側の端部）との間の径寸法Ｒの２／３の位置に形成されている。
なお、嵌合面６６の形成位置は、上記の場合には限定されず、例えば、インペラ本体３１の回転中心軸（軸線Ｏ）から、インペラ本体３１の回転中心軸とインペラ本体３１の外周端との間の径寸法Ｒの０．１倍より大きく、かつ、径寸法Ｒより小さい位置に、第二補強リング６１における径方向の中央が位置するように、段部６５が形成されていてもよい。
即ち、第二補強リング６１における径方向の中央と軸線Ｏとの距離をｈとした場合、０．１Ｒ＜ｈ＜１．０Ｒとなるように第二補強リング６１が設けられていてもよい。
第二補強リング６１は、環状をなし、インペラ本体３１の段部６５に外周側から嵌合しており、即ち、内周面が段部６５における嵌合面６６に接触することで段部６５に嵌合している。また、第二補強リング６１が嵌合した状態では、第二補強リング６１の中心が軸線Ｏに一致するとともに、インペラ本体３１の第二背面６７Ｂと滑らかに連続するような形状、大きさに形成されている。
本実施形態では、軸線Ｏを含む断面の形状が矩形状をなし、軸線Ｏの方向の厚さ寸法が嵌合面６６の長さ寸法に一致するとともに、径方向の幅寸法の方が軸線Ｏの方向の厚さ寸法よりも大きくなっている。
また、第二補強リング６１は、圧縮機ブレード２５及びインペラ本体３１と同様の樹脂と、さらに上記の強化繊維とから形成されている。即ち、第二補強リング６１は、本実施形態では樹脂と炭素繊維とからなる複合材（炭素繊維強化プラスチック）によって形成されている。ここで、第二補強リング６１における強化繊維は炭素繊維に限定されず、ガラス繊維、ウィスカ―（Ｗｈｉｓｋｅｒ）等であってもよい。
第二補強リング６１は、例えばインペラ本体３１にインサート成形によって嵌め込むようにして設けてもよいし、段部６５における嵌合面６６に繊維強化樹脂を塗り重ねることで設けてもよい。
以上説明した本実施形態のターボチャージャ６０によると、第二補強リング６１がさらに設けられている。ここで、第二補強リング６１は樹脂を含む複合材により形成されていることで、第二補強リング６１の材質と、インペラ本体３１の材質とが略等しいものとなる。このため、インペラ本体３１と第二補強リング６１との線膨張率の差が小さくなり、熱膨張による影響がなく、第二補強リング６１によってインペラ本体３１を拘束することができる。
さらに、樹脂は金属等に比べて密度が低いため、遠心力による第二補強リング６１の拡径を抑制でき、第二補強リング６１によってインペラ本体３１を拘束することができる。
また、第二補強リング６１が強化樹脂として炭素繊維を含んでいることで、剛性を向上することができ、第二補強リング６１自体の遠心力による拡径を抑制でき、第二補強リング６１によってインペラ本体３１を拘束することができる。
この結果、インペラ本体３１に作用する遠心力を第二補強リング６１にも分配でき、遠心力によってインペラ本体３１に生じる応力をさらに低減することができる。
なお、本実施形態では、第二補強リング６１は、単に強化繊維のみから形成されていてもよい。
また、図７に示すように、第二補強リング６１Ａは、インペラ本体３１の背面６７から、軸線Ｏの方向の一方側に突出するように設けられたボス部７１に設けられていてもよい。
即ち、ボス部７１は、インペラ本体３１における径方向内側の位置でインペラ本体３１と一体に形成され、軸線Ｏを中心とした環状をなしている。このボス部７１には、ボス孔部３１ａに連続するボス孔部７１ａが形成されており、このボス孔部７１ａに回転軸２が嵌合している。
このボス部７１は、径方向外側を向く嵌合面７６を有しており、この嵌合面７６がインペラ本体３１の湾曲する背面６７に滑らかに連続している。これにより嵌合面７６は、径方向内側に向かうに従って軸線Ｏの方向に沿うように、軸線Ｏの方向の一方側に向かって滑らかに湾曲するＲ形状に形成されている。
このボス部７１の嵌合面７６に第二補強リング６１Ａの内周面６１Ａａが接触することで第二補強リング６１Ａがボス部７１に嵌合する。即ち本実施形態では、ボス部７１には嵌合面７６を有する段部７５が形成されており、この段部７５に第二補強リング６１Ａが嵌合している。
ここで、第二補強リング６１Ａでは、軸線Ｏを含む断面の形状が矩形状をなしておらず、この断面の形状は、径方向内側を向く内周面６１Ａａが、軸線Ｏに向かって凸状をなす湾曲面となっている。この湾曲面の形状は、嵌合面７６の湾曲形状に対応している。
また、第二補強リング６１Ａには、上記の湾曲面となっている内周面６１Ａａに連続して軸線Ｏに略平行に延びるとともに径方向外側を向く外周面６１Ａｂと、これら内周面６１Ａａと外周面６１Ａｂとを接続して、軸線Ｏに直交するとともに軸線Ｏの方向の一方側を向く軸方向面６１Ａｃとが形成されている。
そしてこのように、インペラ本体３１のボス部７１に第二補強リング６１Ａを設けることで、ボス部７１での遠心力による応力を低減できるとともに、インペラ本体３１に生じる応力をさらに低減することができる。
以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、補強リング４１（５４）の断面形状は、上述の実施形態の場合に限定されない。即ち、補強リング４１（５４）は、基部４３（５６）と係合部４４（５７）とを有するものでなくともよく、単に基部４３（５６）のみからなるものであってもよい。
例えば、補強リング４１（５４）の断面形状は、上述の実施形態の場合に限定されない。即ち、補強リング４１（５４）は、基部４３（５６）と係合部４４（５７）とを有するものでなくともよく、単に基部４３（５６）のみからなるものであってもよい。
また、補強リング４１（５４）の強化繊維は、回転軸２の周方向に沿って延びるように配置されているとよい。この場合、インペラ本体３１（５３）に遠心力が作用すると補強リング４１、５４には拡径するように周方向に引張力が作用する。このため、この引張力が作用する方向である周方向に強化繊維が延びていることで、このような引張力による補強リング４１（５４）自身の変形を抑制することができる。
従って、遠心力が作用しても、インペラ本体３１（５３）に対する補強リング４１（５４）の緩みが生じにくく、圧縮機インペラ２４（５１）全体の変形を抑制することができる。
従って、遠心力が作用しても、インペラ本体３１（５３）に対する補強リング４１（５４）の緩みが生じにくく、圧縮機インペラ２４（５１）全体の変形を抑制することができる。
さらに、補強リング４１（５４）は、ボス孔部３１ａ（５３ａ）の内周面に露出せず、完全にインペラ本体３１の内部に埋め込まれていてもよい。
また、補強リング４１（５４）の外周端は、インペラ本体３１（５３）の軸線Ｏから、軸線Ｏとインペラ本体３１（５３）の外周端との間の径寸法Ｒの０．１倍より大きい位置に形成されていてもよい。即ち、インペラ本体３１（５３）の径寸法Ｒが、０．１＜Ｒ＜１．０となるように補強リング４１（５４）が設けられているとよい。
このような位置に補強リング４１（５４）が配置されていることで、さらに効果的にインペラ本体３１（５３）に作用する遠心力を補強リング４１（５４）に分配でき、遠心力によってインペラ本体３１（５３）に生じる応力を低減することができる。
このような位置に補強リング４１（５４）が配置されていることで、さらに効果的にインペラ本体３１（５３）に作用する遠心力を補強リング４１（５４）に分配でき、遠心力によってインペラ本体３１（５３）に生じる応力を低減することができる。
また、補強リング４１（５４）は、インペラ本体３１（５３）に生じる応力が最大となる軸線Ｏの方向の位置に配置されているとよい。このような位置に補強リング４１（５４）が設けられていることで、より効果的にインペラ本体３１（５３）に作用する遠心力を補強リング４１（５４）に分配でき、遠心力によってインペラ本体３１（５３）に生じる応力を低減することができる。
また、第二補強リング６１、６１Ａの形状、径方向の設置位置は上述の場合に限定されない。
また、上述の実施形態では回転機械としてターボチャージャを例に挙げて説明したが、他の遠心圧縮機等に用いてもよい。
１…ターボチャージャ（回転機械）
２…回転軸
３…タービン
４…圧縮機
５…ハウジング連結部
６…軸受
１１…タービンハウジング
１２…スクロール通路
１３…排出口
１４…タービンインペラ
１５…タービンブレード
２１…圧縮機ハウジング
２２…圧縮機通路
２３…吸込口
２４…圧縮機インペラ
２５…圧縮機ブレード
３１…インペラ本体
３１ａ…ボス孔部
３１ｂ…環状溝部
３１ｂ１…内側溝部
３１ｂ２…外側溝部
４１…補強リング
４３…基部
４４…係合部
５０…ターボチャージャ（回転機械）
５１…圧縮機インペラ
５３…インペラ本体
５３ａ…ボス孔部
５３ｂ…環状溝部
５３ｂ１…一段目溝部
５３ｂ２…二段目溝部
５３ｂ３…三段目溝部
５３ｂ４…四段目溝部
５４…補強リング
５６…基部
５７…係合部
５７ａ…第一係合部
５７ｂ…第二係合部
５７ｃ…第三係合部
５８…湾曲係合面
６０…ターボチャージャ（回転機械）
６１…第二補強リング
６５…段部
６６…嵌合面
６７…背面
６７Ａ…第一背面
６７Ｂ…第二背面
６１Ａ…第二補強リング
６１Ａａ…内周面
６１Ａｂ…外周面
６１Ａｃ…軸方向面
７１…ボス部
７１ａ…ボス孔部
７５…段部
７６…嵌合面
７７…背面
Ｇ…排気ガス
ＡＲ…空気
Ｏ…軸線
ＦＣ…流路
２…回転軸
３…タービン
４…圧縮機
５…ハウジング連結部
６…軸受
１１…タービンハウジング
１２…スクロール通路
１３…排出口
１４…タービンインペラ
１５…タービンブレード
２１…圧縮機ハウジング
２２…圧縮機通路
２３…吸込口
２４…圧縮機インペラ
２５…圧縮機ブレード
３１…インペラ本体
３１ａ…ボス孔部
３１ｂ…環状溝部
３１ｂ１…内側溝部
３１ｂ２…外側溝部
４１…補強リング
４３…基部
４４…係合部
５０…ターボチャージャ（回転機械）
５１…圧縮機インペラ
５３…インペラ本体
５３ａ…ボス孔部
５３ｂ…環状溝部
５３ｂ１…一段目溝部
５３ｂ２…二段目溝部
５３ｂ３…三段目溝部
５３ｂ４…四段目溝部
５４…補強リング
５６…基部
５７…係合部
５７ａ…第一係合部
５７ｂ…第二係合部
５７ｃ…第三係合部
５８…湾曲係合面
６０…ターボチャージャ（回転機械）
６１…第二補強リング
６５…段部
６６…嵌合面
６７…背面
６７Ａ…第一背面
６７Ｂ…第二背面
６１Ａ…第二補強リング
６１Ａａ…内周面
６１Ａｂ…外周面
６１Ａｃ…軸方向面
７１…ボス部
７１ａ…ボス孔部
７５…段部
７６…嵌合面
７７…背面
Ｇ…排気ガス
ＡＲ…空気
Ｏ…軸線
ＦＣ…流路
Claims (9)
- 樹脂により形成されて軸線を中心とした円盤状をなし、該軸線を中心に回転する回転軸が嵌合するボス孔部が形成されたインペラ本体と、
前記インペラ本体の前面側に複数設けられたブレードと、
前記インペラ本体の内部に該インペラ本体の周方向に沿って配置されて環状をなす補強リングと、
を備え、
前記補強リングは、前記インペラ本体における前記ボス孔部の内周面に露出するとともに前記回転軸の周方向に沿う環状をなす基部と、
前記基部よりも前記インペラ本体の内部側で、前記基部から前記軸線の方向に延びる係合部と、
を有するインペラ。 - 前記補強リングにおける前記係合部は、前記インペラ本体側に向かって突出するように湾曲する湾曲係合面を有する請求項１に記載のインペラ。
- 前記補強リングは、前記インペラ本体に生じる応力が最大となる前記軸線の方向の位置に配置されている請求項１又は２に記載のインペラ。
- 前記補強リングの外周端は、前記インペラ本体の軸線から、該軸線と前記インペラ本体の外周端との間の径寸法の０．１倍より大きく離間した位置に配置されている請求項１から３のいずれか一項に記載のインペラ。
- 前記補強リングは、熱硬化性樹脂及び強化繊維を含む複合材により形成されている請求項１から４のいずれか一項に記載のインペラ。
- 前記補強リングでは、前記強化繊維が前記インペラ本体の周方向に沿って延びるように配置されている請求項５に記載のインペラ。
- 前記補強リングは、金属材料により形成されている請求項１から４のいずれか一項に記載のインペラ。
- 前記インペラ本体の背面に形成されるとともに外周側を向く面を有する段部に前記外周側から嵌合し、樹脂及び強化繊維により形成されて環状をなす第二補強リングをさらに備える請求項１から７のいずれか一項に記載のインペラ。
- 請求項１から８のいずれか一項に記載のインペラと、
前記インペラに取り付けられて、該インペラとともに回転する回転軸と、
を備える回転機械。
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