JP6288516B2 - インペラ、及び回転機械 - Google Patents

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ＣＯ_２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。

実開平３−１００４０号公報

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とリングとの材質は異なってしまう。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円盤状をなし、回転中心軸を中心に回転軸とともに回転するインペラ本体と、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外周側から嵌合し、樹脂及び強化繊維により形成されて前記インペラ本体の周方向に沿って環状をなす補強リングと、を備え、前記段部は、前記背面を、径方向外側に位置する第一背面と、径方向内側に位置する第二背面とに分割し、該第二背面は、径方向内側に向かうに従って、吸込口とは反対側の前記回転中心軸の一方側に向かうように傾斜している。

このようなインペラによれば、補強リングが樹脂及び強化繊維により形成されていることで、インペラ本体の材質と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、補強リングが強化繊維を含んでいることで、剛性を向上することができ、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。

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段部は、前記回転中心軸から、該回転中心軸と前記インペラ本体の外周端との間の径寸法の２／３までの位置に形成されていてもよい。

このような位置に段部が形成されていることで、インペラ本体の中心軸から、インペラ本体の径方向の寸法の２／３の位置に補強リングが設けられることになる。このような位置に補強リングを設けることで、さらに効果的に、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できる。

また、本発明の第三の態様に係るインペラでは、上記第一の態様における前記段部は、前記回転中心軸から、該回転中心軸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、かつ、前記径寸法より小さい位置に前記補強リングにおける径方向の中央が位置するように形成されていてもよい。

このような位置に段部が形成されていることで、さらに効果的に、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態様における前記補強リングにおける径方向の幅寸法と、前記ブレードにおける周方向の翼厚寸法とが同じであり、前記補強リングにおける径方向の幅寸法よりも前記補強リングにおける前記回転中心軸の方向の厚さ寸法の方が大きくともよい。

このような寸法で補強リングが形成されていることで、さらに効果的に、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態様における前記補強リングは、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、本発明の第六の態様に係るインペラは、樹脂により形成された円盤状をなし、回転中心軸を中心に回転軸とともにインペラ本体と、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外周側から設けられ、強化繊維のみにより形成されて前記インペラ本体の周方向に沿って環状をなす補強リングと、を備え、前記段部は、前記背面を、径方向外側に位置する第一背面と、径方向内側に位置する第二背面とに分割し、該第二背面は、径方向内側に向かうに従って、吸込口とは反対側の前記回転中心軸の一方側に向かうように傾斜している。

このようなインペラによれば、補強リングが強化繊維のみにより形成されていることで、インペラ本体と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。また、炭素繊維は密度が低いため、遠心力によって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。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できる。

また、本発明の第七の態様に係るインペラは、上記第一から第六の態様における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た環状をなす第二補強リングをさらに備えていてもよい。

このように樹脂製のインペラ本体の内部に第二補強リングを配置することで、インペラ本体の剛性をさらに向上することができる。またこの第二補強リングは、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第二補強リングに分配でき、遠心力によるインペラ本体に生じる応力をさらに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、本発明の第八の態様に係る回転機械は、上記第一から第七の態様における前記インペラと、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、上記の補強リングが設けられていることで、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補強リングに分配でき、遠心力によるインペラ本体に生じる応力を低減することができる。

上記のインペラ、及び回転機械によれば、補強リングを設けることで、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となる。

本発明の第一実施形態に係るターボチャージャを示す縦断面図である。 本発明の第一実施形態に係るターボチャージャのインペラを示す縦断面図である。 本発明の第一実施形態のターボチャージャのインペラにおける補強リングの効果を示す解析結果のグラフであって、横軸は軸線の方向の座標を示し、縦軸はインペラ本体に生じる応力比を示す。また、破線が補強リングを設けていない場合を示し、実線が第一実施形態のインペラを示す。 本発明の第二実施形態に係るターボチャージャのインペラを示す縦断面図である。 本発明の第二実施形態のターボチャージャのインペラにおける補強リングの効果を示す解析結果のグラフであって、横軸は軸線の方向の座標を示し、縦軸はインペラ本体に生じる応力比を示す。また、破線が補強リングを設けていない場合を示し、実線が第一実施形態のインペラを示し、二点鎖線が第二実施形態のインペラを示す。 本発明の第三実施形態に係るターボチャージャのインペラを示す縦断面図である。 本発明の第三実施形態の変形例に係るターボチャージャのインペラを示す縦断面図である。

〔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。

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。

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。

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、前面側に形成されたハブ面３１ａ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の背面３２に嵌合する補強リング４１とを備えている。

圧縮機ブレード２５は、回転軸２及びインペラ本体３１の周方向に互いに離間して複数が設けられ、周方向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ず、金属製等であってもよい。

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をハブ面３１aから突出させるように支持している。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。インペラ本体３１の背面３２、即ち軸線Ｏの方向の一方側の面には、外周側（径方向外側）を向く嵌合面３７を有する段部３６が形成されている。

さらに、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３１ｂが形成されている。

より具体的には、この段部３６は、インペラ本体３１の背面３２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３２を径方向外側に位置する第一背面３２Ａと、径方向内側に位置する第二背面３２Ｂとに分割している。
これら第一背面３２Ａ及び第二背面３２Ｂは径方向に沿って形成されており、第一背面３２Ａと第二背面３２Ｂとの間に嵌合面３７が配され、これら第一背面３２Ａと第二背面３２Ｂとを接続することで、背面３２に段部３６が形成されている。

なお、第二背面３２Ｂ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３１ｂに連続している。

本実施形態では、この段部３６における嵌合面３７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。

補強リング４１は、環状をなし、インペラ本体３１の段部３６に外周側から嵌合しており、即ち、内周面が段部３６における嵌合面３７に接触することで段部３６に嵌合している。また、補強リング４１が嵌合した状態では、補強リング４１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３２Ｂ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３７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、補強リング４１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、さらに強化繊維とから形成されている。即ち、補強リング４１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、補強リング４１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。

補強リング４１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３６における嵌合面３７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１によると、圧縮機インペラ２４の補強リング４１が樹脂を含む複合材により形成されていることで、補強リング４１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と補強リング４１との線膨張率の差が小さくなり、熱膨張による補強リング４１の拡径によってインペラ本体３１の拘束力が低下してしまうことを抑制できる。

さらに、樹脂は金属等に比べて密度が低いため、遠心力によって補強リング４１が拡径して、インペラ本体３１の拘束力が低下してしまうことを抑制できる。

また、補強リング４１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、補強リング４１自体の遠心力による拡径によってインペラ本体３１の拘束力が低下してしまうことを抑制できる。

この結果、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、樹脂及び強化繊維を含む複合材によって形成された補強リング４１によって、インペラ本体３１に樹脂を用いていても、十分に変形を抑制することが可能となる。

さらに、インペラ本体３１の段部３６がインペラ本体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の外周端との間の径寸法Ｒの２／３の位置に形成されている。このため、インペラ本体３１の回転中心軸から、インペラ本体３１の径寸法Ｒの２／３の位置に補強リング４１が設けられることになる。

ここで、図３には、補強リング４１の径方向の中央がインペラ本体３１の径寸法の０．６（約２／３）倍の位置に位置するように設けた場合のインペラ本体３１に生じる応力の比を、インペラ本体３１における軸線Ｏの方向の相対位置座標毎に表した解析結果を示す。応力の比は、本実施形態でのインペラ本体３１に生じる応力の最大値を約０．７とした場合の比率である。

この解析では、圧縮機インペラ２４における軸線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、圧縮機ブレード２５の形成範囲は、約０．３〜０．８の範囲である。
さらに、解析条件として、補強リング４１の軸線Ｏ方向の厚さ寸法ｂは、インペラ本体３１の軸線Ｏ方向の厚みの０．０３倍、補強リング４１の径方向の幅寸法ａはインペラ本体３１の外径寸法の０．０３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の径寸法Ｒの約２／３の位置に補強リング４１を設けることで、軸線Ｏの方向の相対位置座標が約０．６よりも大きくなる位置で、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。

そして、位置座標が約０．６から０．９５にかけて徐々に応力は減少し、０．９５の位置では、応力比を約０．５５に抑えることができている。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、約０．８５の位置では応力比０．８を超える。

従って、インペラ本体３１の径方向の寸法の約２／３の位置に補強リング４１を設けることで、さらに効果的に、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できる。

なお、本実施形態では、段部３６における嵌合面３７は、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の径寸法Ｒの２／３の位置に形成されている場合に限定されず、径方向の寸法の２／３の位置よりも軸線Ｏに近い位置に形成されていればよい。嵌合面３７を径方向の寸法の２／３の位置よりも軸線Ｏに近い位置に形成することで、応力の低減効果を高めることが可能である。

さらに、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、補強リング４１における径方向の中央が位置するように、段部３６が形成されていてもよい。即ち、補強リング４１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となるように補強リング４１が設けられていてもよい。

〔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の形状が第一実施形態と異なっている。

圧縮機インペラ５１では、インペラ本体５２の背面から、軸線Ｏの方向の一方側に突出するボス部５３が設けられている。

インペラ本体５２は、第一実施形態のインペラ本体３１と略同一形状をなすとともに、上述した樹脂を材料としている。インペラ本体５２の背面５４は本実施形態では、径方向に沿って延びており、径方向内側に向かうに従って、軸線Ｏの方向の一方側に向かって滑らかに湾曲している。

ボス部５３は、インペラ本体５２における径方向内側の位置でインペラ本体５２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５３には、ボス孔部３１ｂに連続するボス孔部５３ａが形成されており、このボス孔部５３ａに回転軸２が嵌合している。

このボス部５３は、径方向外側を向く嵌合面５７を有しており、この嵌合面５７がインペラ本体５２の湾曲する背面５４に滑らかに連続している。これにより嵌合面５７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５３の嵌合面５７に補強リング４１の内周面６５が接触することで補強リング６１がボス部５３に嵌合する。即ち本実施形態では、ボス部５３には嵌合面５７を有する段部５６が形成されており、この段部５６に補強リング６１が嵌合している。

ここで、本実施形態の補強リング６１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６５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５７の湾曲形状に対応している。

また、補強リング６１には、上記の湾曲面となっている内周面６５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６６と、これら内周面６５と外周面６６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６７とが形成されている。

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、補強リング６１の材質とインペラ本体５２の材質とが略等しいものとなる。このため、インペラ本体５２と補強リング６１との線膨張率の差が小さくなり、熱膨張による補強リング６１の拡径によってインペラ本体５２の拘束力が低下してしまうことを抑制できる。また、樹脂は金属等に比べて密度が低いため、遠心力によって補強リング６１が拡径して、インペラ本体５２の拘束力が低下してしまうことを抑制できる。

さらに、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、補強リング６１自体の遠心力による拡径によってインペラ本体５２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５２に樹脂を用いていても、十分に変形を抑制することが可能となる。

ここで、図５には、補強リング６１をインペラ本体５２のボス部５３に設けた場合のインペラ本体５２に生じる応力の比を、インペラ本体５２における軸線Ｏの方向の相対位置座標毎に表した解析結果を示す。ボス部５３の形成範囲は、０〜１．０の範囲である。
この解析では、補強リング６１の軸線Ｏ方向の厚さ寸法はインペラ本体３１の軸線Ｏ方向の厚さの０．１５倍、補強リング６１の径方向の幅寸法はインペラ本体３１の外径の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５２のボス部５３の位置（相対位置座標が約０．９より大きい位置）に補強リング６１を設けることで、軸線Ｏの方向の相対位置座標が約０．６よりも大きくなる位置で、補強リング６１を仮に設けない場合（破線）に比べて大幅に応力を大幅に低減できていることが確認できる。そして、位置座標が約０．６から０．９にかけて徐々に応力は減少し、約０．９の位置、即ち、インペラ本体５２とボス部５３の接続部分では、応力比を約０．２５に抑えることができている。

従って、インペラ本体５２のボス部５３に補強リング６１を設けることで、ボス部５３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５２に生じる応力を低減することができ、圧縮機インペラ５１全体の変形をさらに抑制することができる。

〔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７０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７１を備えている。

ボス孔部３１ｂ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７５が形成されている。

環状溝部７５としては、ボス孔部３１ｂ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７５ａと、内側溝部７５ａ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７５ａから軸線Ｏの両側に突出する矩形状をなす外側溝部７５ｂとが形成されている。
即ち、環状溝部７５は、断面Ｔ字状をなしている。

第二補強リング７１は、インペラ本体３１の環状溝部７５の内部に配置されている。即ち、第二補強リング７１は、内側溝部７５ａ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７２と、基部７２に連続して基部７２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７２から軸線Ｏの方向の両側に延びる係合部６３とを有している。

第二補強リング７１は、環状溝部７５の内部に隙間なく配置されており、基部７２はボス孔部３１ｂの内周面に露出して、内周面と面一になっている。このように第二補強リング７１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、第二補強リング７１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、補強リング４１と同様に、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、第二補強リング７１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。

そして第二補強リング７１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７０によると、圧縮機インペラ２４で、第二補強リング７１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。またこの第二補強リング７１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第二補強リング７１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、第二補強リング７１が基部７２、及び基部７２に連続する係合部７３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７３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第二補強リング７１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、第二補強リング７１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に対する第二補強リング７１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第二補強リング７１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、第二補強リング７１が、金属材料によって形成されている場合には、第二補強リング７１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に対する第二補強リング７１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第二補強リング７１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できる。

ここで、図７に示すように、第二補強リング７１Ａは、断面クリスマスツリー形状をなしていてもよい。このような断面形状を有することで、第二補強リング７１Ａは、インペラ本体３１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８０を有していることになる。このように湾曲係合面８０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３１に作用した際に、第二補強リング７１Ａとインペラ本体３１とが接触する位置で、インペラ本体３１に生じる応力集中を抑制することができる。このため、湾曲係合面８０によってさらなるインペラ本体３１の変形、損傷の抑制が可能である。

なお、第二補強リング７１、７１Ａの形状は上述の場合に限定されない。
また、第二補強リング７１、７１Ａは、インペラ本体３１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。
また、第二補強リング７１、７１Ａは、ボス孔部３１ｂ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。

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、６１の断面形状は、上述の実施形態の場合に限定されない。即ち断面円形状等であってもよい。

また、補強リング４１（６１）の径方向の幅寸法ａ（図２参照）と、圧縮機ブレード２５の厚さ寸法（周方向の厚さ寸法）とが同じであるとよい。
さらに、補強リング４１（６１）は、径方向の幅寸法ａよりも軸線Ｏの方向の厚さ寸法ｂ（図２参照）の方が大きいとよい。
このようにすることで、さらに効果的に、遠心力によって生じるインペラ本体３１（５２）の応力を低減することができ、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。

また、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。
ここで、補強リング４１（６１）に遠心力が作用すると、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沿って強化繊維が延びていれば、このような引張力による補強リング４１（６１）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３１（５２）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３１（５２）に作用する遠心力を補強リング４１（６１）に分配できる。よって、インペラ本体３１（５２）の応力を低減することができ、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。

また、補強リング４１（６１）は、樹脂を含まず、炭素繊維のみから形成されていてもよい。

また、圧縮機ブレード２５及びインペラ本体３１（５２）も、樹脂に加えて補強リング４１（６１）と同様の強化繊維を含んでいてもよい。

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
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…ハブ面
３１ｂ…ボス孔部
３２…背面
３２Ａ…第一背面
３２Ｂ…第二背面
３６…段部
３７…嵌合面
４１…補強リング
５０…ターボチャージャ（回転機械）
５１…圧縮機インペラ
５２…インペラ本体
５３…ボス部
５３ａ…ボス孔部
５４…背面
５６…段部
５７…嵌合面
６１…補強リング
６５…内周面
６６…外周面
６７…軸方向面
７０…ターボチャージャ
７１、７１Ａ…第二補強リング
７２…基部
７３…係合部
７５…環状溝部
７５ａ…内側溝部
７５ｂ…外側溝部
８０…湾曲係合面
Ｇ…排気ガス
ＡＲ…空気
Ｏ…軸線
ＦＣ…流路

Claims (8)

1. 樹脂により形成されて円盤状をなし、回転中心軸を中心に回転軸とともに回転するインペラ本体と、
   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外周側から嵌合し、樹脂及び強化繊維により形成されて前記インペラ本体の周方向に沿って環状をなす補強リングと、
   を備え、
   前記段部は、前記背面を、径方向外側に位置する第一背面と、径方向内側に位置する第二背面とに分割し、該第二背面は、径方向内側に向かうに従って、吸込口とは反対側の前記回転中心軸の一方側に向かうように傾斜しているインペラ。
2. 前記段部は、前記回転中心軸から、該回転中心軸と前記インペラ本体の外周端との間の径寸法の２／３までの位置に形成されている請求項１に記載のインペラ。
3. 前記段部は、前記回転中心軸から、該回転中心軸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、かつ、前記径寸法より小さい位置に前記補強リングにおける径方向の中央が位置するように形成されている請求項１に記載のインペラ。
4. 前記補強リングにおける径方向の幅寸法と、前記ブレードにおける周方向の翼厚寸法とが同じであり、前記補強リングにおける径方向の幅寸法よりも前記補強リングにおける前記回転中心軸の方向の厚さ寸法の方が大きい請求項１から３のいずれか一項に記載のインペラ。
5. 前記補強リングは、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１から４のいずれか一項に記載のインペラ。
6. 樹脂により形成された円盤状をなし、回転中心軸を中心に回転軸とともにインペラ本体と、
   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外周側から設けられ、強化繊維のみにより形成されて前記インペラ本体の周方向に沿って環状をなす補強リングと、
   を備え、
   前記段部は、前記背面を、径方向外側に位置する第一背面と、径方向内側に位置する第二背面とに分割し、該第二背面は、径方向内側に向かうに従って、吸込口とは反対側の前記回転中心軸の一方側に向かうように傾斜しているインペラ。
7. 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た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６のいずれか一項に記載のインペラ。
8. 請求項１から７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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