JP7461458B2

JP7461458B2 - 遠心圧縮機の羽根車を製造する方法

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Publication number: JP7461458B2
Application number: JP2022509819A
Authority: JP
Inventors: 直志神坂; 豊藤田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Engine and Turbocharger Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Engine and Turbocharger Ltd
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2024-04-03
Anticipated expiration: 2040-03-24
Also published as: CN115280019A; DE112020006345T5; US20240200569A1; WO2021192019A1; JPWO2021192019A1

Description

本開示は、遠心圧縮機の羽根車を製造する方法に関する。

遠心圧縮機の高圧力比化の手段として、羽根車の外径を大きくして周速を増加させる方法が有効であるが、羽根車の外径を大きくすると、遠心圧縮機の搭載性に悪影響を与えるとともに、周速の増加により疲労破壊の原因となり得る。そのため、特許文献１及び２に開示されるように、ハブ側の外径よりもシュラウド側の外径を大きくする構成が有効な手段として採用されている。

特開２００９－２２１９８４号公報特表２０１１－５１２４７９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された構成のように、羽根車の後縁がシュラウド側端とハブ側端とを結ぶ直線形状の場合には、羽根車の下流側の流れにおいて、大流量側でシュラウド側に剥離が発生して効率が低下するおそれがある。一方、特許文献２に記載された構成のように、後縁に湾曲した凸形状の部分を含む場合には、大流量側でシュラウド側に剥離が発生するおそれを低減できるものの、このような羽根車を製造するためには一般的に、切削工具の先端で切削する点切削での作業が要求されるため、切削時間の増加につながるおそれがある。

上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、圧力比を増加し、大流量側での効率低下を抑制し、切削作業の短時間化を可能とする遠心圧縮機の羽根車を製造する方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示の遠心圧縮機の羽根車を製造する方法において、前記羽根車は、前縁と、後縁と、該前縁及び該後縁間を延びる圧力面及び負圧面と、前記前縁及び前記後縁とともに前記圧力面及び前記負圧面を画定するシュラウド側端及びハブ側端とを含む複数の翼を備え、前記方法は、前記複数の翼を形成するステップを含み、前記複数の翼を形成するステップは、前記シュラウド側端と前記ハブ側端とを結ぶ翼素が直線状となるように、前記圧力面及び前記負圧面を線切削するステップと、前記後縁における前記シュラウド側端と前記ハブ側端とを結ぶ仮想直線に対して前記後縁が凸形状となるように、前記翼の一部を除去することにより前記後縁を形成するステップとを含む。

本開示の遠心圧縮機の羽根車を製造する方法によれば、シュラウド側端における後縁の外径がハブ側端における後縁の外径よりも大きいことにより、圧力比を増加することができる。また、後縁におけるシュラウド側端とハブ側端とを結ぶ仮想直線に対して後縁が凸形状であることにより、大流量側で後縁を通過した流れがハブ側に偏ることを抑制し、シュラウド側に剥離が発生するおそれを低減できるので、大流量側での効率低下を抑制することができる。さらに、圧力面及び負圧面はいずれも、シュラウド側端とハブ側端とを結ぶ翼素が直線状となるように構成されていることにより、圧力面及び負圧面を線切削できるので、切削作業の短時間化が可能となる。

本開示の一実施形態に係る羽根車を備えた遠心圧縮機の断面図である。本開示の一実施形態に係る羽根車に設けられた翼の一部分を示す図である。本開示の一実施形態に係る羽根車に設けられた翼の変形例の一部分を示す図である。本開示の一実施形態に係る羽根車に設けられた翼の別の変形例の一部分を示す図である。本開示の一実施形態に係る羽根車を製造する方法を説明するための図である。開示の一実施形態に係る羽根車を備えた遠心圧縮機における空気の流れを説明するための図である。

以下、本開示の実施の形態による遠心圧縮機の羽根車及びこの羽根車を製造する方法について、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本開示の一態様を示すものであり、この開示を限定するものではなく、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

以下に示す本開示のいくつかの実施形態に係る羽根車を、ターボチャージャの遠心圧縮機に設けられた羽根車を例に説明する。ただし、本開示における遠心圧縮機は、ターボチャージャの遠心圧縮機に限定するものではなく、単独で動作する任意の遠心圧縮機であってもよい。尚、以下の説明において、遠心圧縮機によって圧縮される流体は空気であるが、任意の流体に置き換えることが可能である。

＜本開示の一実施形態に係る遠心圧縮機の構成＞
図１に示されるように、遠心圧縮機１は、ハウジング２と、ハウジング２内において回転軸線Ｌを中心に回転可能に設けられた羽根車３とを備えている。羽根車３は、周方向に所定の間隔をあけてハブ５に設けられた複数の翼４（図１には１つの翼４のみが描かれている）を有している。各翼４は、前縁４ａと、後縁４ｂと、ハウジング２に面するシュラウド側端４ｃと、ハブ５に接続するハブ側端４ｄとを含んでいる。翼４の翼面としての圧力面８及び負圧面９がそれぞれ、前縁４ａ及び後縁４ｂ間を延びるように、前縁４ａと後縁４ｂとシュラウド側端４ｃとハブ側端４ｄとによって画定されている。

＜本開示の一実施形態に係る遠心圧縮機の羽根車の構成＞
図２には、翼４の圧力面８の一部が示されており、圧力面８に、シュラウド側端４ｃとハブ側端４ｄとを結ぶ翼素ＢＥが一点鎖線で描かれている。圧力面８は、翼素ＢＥが直線状となるように構成されている。図２に示されていないが、負圧面９（図１参照）も圧力面８と同様に、シュラウド側端４ｃとハブ側端４ｄとを結ぶ翼素が直線状となるように構成されている。尚、線分の両端を３次元空間内の２本の曲線上で連続的に移動させたときのその線分の軌跡として表される曲面を線織面と呼ぶが、圧力面８及び負圧面９はこの線織面に相当し、翼素はこの線分に相当する。

後縁４ｂは、シュラウド側端４ｃにおける外径Ｒ_４ｃがハブ側端４ｄにおける外径Ｒ_４ｄよりも大きくなるように構成されている。また、後縁４ｂは、後縁４ｂにおけるシュラウド側端４ｃとハブ側端４ｄとを結ぶ仮想直線ＩＬに対して凸形状である。仮想直線ＩＬに対する後縁４ｂの凸形状は、図２に示されるように湾曲した凸形状であってもよいし、図３に示されるように、２つの直線部分、すなわち、シュラウド側端４ｃからハブ側端４ｄに向かって延びるシュラウド側直線部分ＬＰ１と、ハブ側端４ｄからシュラウド側端４ｃに向かって延びるハブ側直線部分ＬＰ２とから構成された凸形状であってもよい。凸形状が２つの直線部分から構成される場合、図４に示されるように、シュラウド側直線部分ＬＰ１の外径を一定とすることもできる。尚、図示しないが、３つ以上の直線部分から凸形状を構成することもできる。

＜本開示の一実施形態に係る遠心圧縮機の羽根車を製造する方法＞
次に、本開示の一実施形態に係る羽根車３を製造する方法について説明する。翼４を形成する動作以外は、通常の羽根車を製造する方法と同じであるので、翼４を形成する動作について以下で詳述する。

図５に示されるように、切削工具１０によって、翼４の圧力面８を切削する。このとき、切削工具１０がシュラウド側端４ｃ及びハブ側端４ｄに交差するようにして切削工具１０の側面での切削、すなわち線切削によって圧力面８を切削する。図示しないが、負圧面９（図１参照）も同様に、切削工具１０によって線切削される。これにより、圧力面８（及び負圧面９）の翼素ＢＥが直線状になる。

圧力面８及び負圧面９は線切削により形成されるので、線切削した後の翼４の後縁側の端縁４ｂ’は、シュラウド側端４ｃとハブ側端４ｄとを結ぶような直線状になっている。そこで、圧力面８及び負圧面９を線切削した後、シュラウド側端４ｃとハブ側端４ｄとを結ぶ仮想直線ＩＬに対して後縁４ｂが凸形状となるように、翼４の一部を除去することにより後縁４ｂを形成する。翼４の一部の除去は、任意の手法で行うことができ、例えば旋盤によって除去してもよい。

このように、圧力面８及び負圧面９を線切削した後に、翼４の後縁側の端縁４ｂ’の一部を除去することにより翼４が形成されるので、切削作業の短時間化が可能となる。尚、後縁４ｂの凸形状を図３及び４に示されるように２つ又はそれ以上の直線部分から構成する場合、後縁４ｂの形状を図２に示されるように湾曲した構成の場合に比べて、翼４の一部の除去する作業が単純になり、その作業時間を短縮することができるので、切削作業のさらなる短時間化が可能になる。

＜本開示の一実施形態に係る遠心圧縮機の動作＞
次に、本開示の一実施形態に係る遠心圧縮機１の動作について説明する。図１に示されるように、図示しないタービンの回転によって羽根車３が回転する。遠心圧縮機１に流入した空気は、翼４の前縁４ａを通過した後、隣り合う翼４の圧力面８及び負圧面９間を流通し、翼４の後縁４ｂを通過する間に、羽根車３の回転によって圧縮される。

図６に示されるように、遠心圧縮機１の比較例としての遠心圧縮機１００では、翼１０４の後縁１０４ｂは、シュラウド側端１０４ｃとハブ側端１０４ｄとを結ぶような直線状になっている。この構成では、後縁１０４を通過する空気の流れＦ’がハブ側に傾いているので、空気の流れＦ’がハブ側に偏る結果、シュラウド側で剥離Ｐが発生する。このような剥離Ｐは、特に大流量側で発生する傾向がある。

これに対し、遠心圧縮機１では、後縁４ｂが湾曲した凸形状を有していることから、後縁４を通過する空気の流れＦのうち、シュラウド側の流れｆは、ハブ側への傾きが、遠心圧縮機１００の空気の流れＦ’に比べて小さくなるので、空気の流れＦのハブ側への偏りも、遠心圧縮機１００の空気の流れＦ’に比べて小さくなる結果、シュラウド側で剥離Ｐが発生しにくくなる。これにより、特に大流量側で後縁４ｂを通過した空気の流れＦがハブ側に偏ることを抑制し、シュラウド側に剥離Ｐが発生するおそれを低減できるので、大流量側での遠心圧縮機１の効率低下を抑制することができる。

図６における遠心圧縮機１では、後縁４ｂは湾曲した凸形状（図２）を有しているが、２つ又は３つ以上の直線部分から構成された凸形状（図３又は４）を有する後縁４ｂであっても同様の効果を得ることができる。尚、図４に示されるように、後縁４ｂが一定の外径を有するシュラウド側直線部分ＬＰ１を含む構成では、シュラウド側端４ｃからハブ側端４ｄに向かって後縁４ｂの外径が減少する構成（図２又は３）に比べて、羽根車３の外径が大きくなる部分（シュラウド側直線部分ＬＰ１）が増加するので、圧力比を増加することができ、シュラウド側への流れをさらに増加することができる。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

［１］一の態様に係る遠心圧縮機の羽根車は、
前縁（４ａ）と、後縁（４ｂ）と、該前縁（４ａ）及び該後縁（４ｂ）間を延びる圧力面（８）及び負圧面（９）と、前記前縁（４ａ）及び前記後縁（４ｂ）とともに前記圧力面（８）及び前記負圧面（９）を画定するシュラウド側端（４ｃ）及びハブ側端（４ｄ）とを含む複数の翼（４）を備え、
前記圧力面（８）及び前記負圧面（９）はいずれも、前記シュラウド側端（４ｃ）と前記ハブ側端（４ｄ）とを結ぶ翼素（ＢＥ）が直線状となるように構成され、
前記後縁（４ｂ）は、前記シュラウド側端（４ｃ）における外径（Ｒ_４ｃ）が前記ハブ側端（４ｄ）における外径（Ｒ_４ｄ）よりも大きく、前記後縁（４ｂ）における前記シュラウド側端（４ｃ）と前記ハブ側端（４ｄ）とを結ぶ仮想直線（ＩＬ）に対して凸形状である。

本開示の遠心圧縮機の羽根車によれば、シュラウド側端における後縁の外径がハブ側端における後縁の外径よりも大きいことにより、圧力比を増加することができる。また、後縁におけるシュラウド側端とハブ側端とを結ぶ仮想直線に対して後縁が凸形状であることにより、大流量側で後縁を通過した流れがハブ側に偏ることを抑制し、シュラウド側に剥離が発生するおそれを低減できるので、大流量側での効率低下を抑制することができる。さらに、圧力面及び負圧面はいずれも、シュラウド側端とハブ側端とを結ぶ翼素が直線状となるように構成されていることにより、圧力面及び負圧面を線切削できるので、切削作業の短時間化が可能となる。

［２］別の態様に係る遠心圧縮機の羽根車は、［１］の遠心圧縮機の羽根車であって、
前記後縁（４ｂ）は前記仮想直線（ＩＬ）に対して湾曲した凸形状である。

このような構成によれば、［１］の遠心圧縮機の羽根車と同様の作用効果を得ることができる。

［３］さらに別の態様に係る遠心圧縮機の羽根車は、［１］の遠心圧縮機の羽根車であって、
前記後縁（４ｂ）は少なくとも２つの直線部分（ＬＰ１，ＬＰ２）を含む。

このような構成によれば、後縁が湾曲した凸形状の場合に比べて、翼の切削時間を短縮することができる。

［４］さらに別の態様に係る遠心圧縮機の羽根車は、［３］の遠心圧縮機の羽根車であって、
前記少なくとも２つの直線部分は、
前記シュラウド側端（４ｃ）から前記ハブ側端（４ｄ）に向かって延びるシュラウド側直線部分（ＬＰ１）と、
前記ハブ側端（４ｄ）から前記シュラウド側端（４ｃ）に向かって延びるハブ側直線部分（ＬＰ２）と
を備え、
前記シュラウド側直線部分（ＬＰ１）の外径は一定である。

このような構成によれば、シュラウド側直線部分の外径が一定であることにより、シュラウド側端からハブ側端に向かって後縁の外径が減少する構成に比べて、羽根車の外径が大きくなる部分（シュラウド側直線部分）が増加するので、圧力比を増加することができ、シュラウド側への流れをさらに増加することができる。

［５］一の態様に係る遠心圧縮機は、
［１］～［４］のいずれかの羽根車（３）を備える。

本開示の遠心圧縮機によれば、圧力比を増加でき、大流量側での効率低下を抑制でき、羽根車を製作する際の切削作業の短時間化が可能となる。

［６］一の態様に係る遠心圧縮機の羽根車を製造する方法は、
前記羽根車（３）は、前縁（４ａ）と、後縁（４ｂ）と、該前縁（４ａ）及び該後縁（４ｂ）間を延びる圧力面（８）及び負圧面（９）と、前記前縁（４ａ）及び前記後縁（４ｂ）とともに前記圧力面（８）及び前記負圧面（９）を画定するシュラウド側端（４ｃ）及びハブ側端（４ｄ）とを含む複数の翼（４）を備え、
前記方法は、前記複数の翼（４）を形成するステップを含み、
前記複数の翼（４）を形成するステップは、
前記シュラウド側端（４ｃ）と前記ハブ側端（４ｄ）とを結ぶ翼素（ＢＥ）が直線状となるように、前記圧力面（８）及び前記負圧面（９）を線切削するステップと、
前記後縁（４ｂ）における前記シュラウド側端（４ｃ）と前記ハブ側端（４ｄ）とを結ぶ仮想直線（ＩＬ）に対して前記後縁（４ｂ）が凸形状となるように、前記翼（４）の一部を除去することにより前記後縁（４ｂ）を形成するステップと
を含む。

本開示の遠心圧縮機の羽根車を製造する方法によれば、シュラウド側端における後縁の外径がハブ側端における後縁の外径よりも大きいことにより、圧力比を増加することができる。また、後縁におけるシュラウド側端とハブ側端とを結ぶ仮想直線に対して後縁が凸形状であることにより、大流量側で後縁を通過した流れがハブ側に偏ることを抑制し、シュラウド側に剥離が発生するおそれを低減できるので、大流量側での効率低下を抑制することができる。さらに、圧力面及び負圧面を線切削できるので、切削作業の短時間化が可能となる。

１遠心圧縮機
３羽根車
４翼
４ａ前縁
４ｂ後縁
４ｃシュラウド側端
４ｄハブ側端
８圧力面
９負圧面
ＢＥ翼素
ＩＬ仮想直線
Ｒ_４ｃシュラウド側端における後縁の外径
Ｒ_４ｄハブ側端における後縁の外径

Claims

遠心圧縮機の羽根車を製造する方法であって、
前記羽根車は、前縁と、後縁と、該前縁及び該後縁間を延びる圧力面及び負圧面と、前記前縁及び前記後縁とともに前記圧力面及び前記負圧面を画定するシュラウド側端及びハブ側端とを含む複数の翼を備え、
前記方法は、前記複数の翼を形成するステップを含み、
前記複数の翼を形成するステップは、
前記シュラウド側端と前記ハブ側端とを結ぶ翼素が直線状となるように、前記圧力面及び前記負圧面を線切削するステップと、
前記後縁における前記シュラウド側端と前記ハブ側端とを結ぶ仮想直線に対して前記後縁が凸形状となるように、前記翼の一部を除去することにより前記後縁を形成するステップと
を含む、遠心圧縮機の羽根車を製造する方法。