KR101884101B1 - 원심 압축기, 과급기, 및 원심 압축기의 제조 방법 - Google Patents

원심 압축기, 과급기, 및 원심 압축기의 제조 방법 Download PDF

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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

로터축(30)에 장착됨과 함께 취입구(11a)로부터 유입되는 공기를 압축하여 토출구(11b)로부터 토출하는 임펠러(11)와, 임펠러(11)를 수용하는 공기 안내통(12)과, 공기 안내통(12)보다 외주측에 배치됨과 함께 토출구(11b)로부터 토출된 압축 공기가 유입되는 스크롤부(13)와, 로터축(30)의 축선(X) 둘레로 임펠러(11)를 둘러싸도록 공기 안내통(12)과 스크롤부(13)의 연결 위치에 장착되는 제1 컨테인먼트 링(14)을 구비하는 원심 압축기를 제공한다.

Description

원심 압축기, 과급기, 및 원심 압축기의 제조 방법{CENTRIFUGAL COMPRESSOR, SUPERCHARGER, AND METHOD FOR MANUFACTURING CENTRIFUGAL COMPRESSOR}
본 발명은, 원심 압축기, 과급기, 및 원심 압축기의 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 선박 등에 이용되는 내연 기관에 공급하는 공기를 대기압 이상으로 높이는 과급기의 압축기로서, 원심 압축기가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 원심 압축기는, 로터축에 장착되는 임펠러와, 임펠러를 수용하는 안내통과, 안내통으로부터 토출되는 압축 공기가 유입되는 스크롤부를 구비하고 있다. 원심 압축기는, 취입구로부터 축선 방향으로 유입하는 공기를 압축하면서 축선 방향으로부터 경사진 방향으로 안내하여 토출구로부터 압축 공기를 토출한다.
원심 압축기에 있어서는, 고속 회전에 의한 원심력의 영향에 의하여, 임펠러의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락하는 문제가 발생할 가능성이 있다. 특허문헌 2에는, 임펠러(컴프레서 임펠러)의 전부 또는 일부가 원심력으로 외방으로 비산한 경우여도 비산한 임펠러에 의하여 윤활유가 누출되지 않도록, 윤활유를 수용하는 탱크를 보호하는 충격 흡수 격벽을 마련한 원심 압축기가 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 2011-117417호 일본 공개특허공보 2001-132465호
특허문헌 2에 개시된 원심 압축기에서는, 고속 회전에 의한 원심력의 영향에 의하여 임펠러의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락하는 문제가 발생하는 경우에, 윤활유를 수용하는 탱크가 보호된다.
그러나, 임펠러의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락하여 로터축의 축선 방향에 직교하는 직경 방향으로 비산하는 경우, 임펠러의 전부 또는 일부가 외측에 위치하는 안내통을 파손시켜 외부로 비산할 가능성이 있다. 또한, 임펠러의 전부 또는 일부가 안내통과 충돌함으로써 원심 압축기의 일부에 간극(입구 개방)이 발생하여, 그 간극으로부터 파손된 임펠러의 전부 또는 일부가 외부로 비산할 가능성이 있다.
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 임펠러의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락하여 로터축의 축선 방향에 직교하는 직경 방향으로 비산하는 경우에, 임펠러의 전부 또는 일부가 외부로 비산하는 문제를 억제하는 것이 가능한 원심 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 상술한 원심 압축기를 구비한 과급기, 및 상술한 원심 압축기의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 이하의 수단을 채용한다.
본 발명의 일 양태에 관한 원심 압축기는, 로터축에 장착됨과 함께 취입구로부터 유입되는 유체를 압축하여 토출구로부터 토출하는 임펠러와, 상기 임펠러를 수용하는 안내통과, 상기 안내통보다 외주측에 배치됨과 함께 상기 토출구로부터 토출된 압축 유체가 유입되는 스크롤부와, 상기 로터축의 축선 둘레로 상기 임펠러를 둘러싸도록 상기 안내통의 상기 토출구측과 상기 스크롤부의 연결 위치에 장착되는 환상(環狀) 부재를 구비한다.
원심 압축기의 임펠러는, 취입구측보다 토출구측이 날개의 외경이 크게 되어 있다. 따라서, 임펠러의 중심은 토출구측에 위치하게 된다. 그리고, 안내통의 토출구측과 스크롤부의 연결 위치는, 축선에 있어서 임펠러의 중심에 대응하는 위치(이하, 무게중심 위치라고 함) 혹은 무게중심 위치 근방이 된다.
무게중심 위치 혹은 무게중심 위치 근방에 있어서, 임펠러의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락했을 때는, 그 파단 혹은 탈락한 부분은 중량이 커, 축선 방향에 직교하는 직경 방향으로 비산할 때의 충격력은 큰 것이 된다.
따라서, 본 발명의 일 양태에서는, 이 연결 위치에 환상 부재를 마련하여, 임펠러의 무게중심 위치로부터 축선 방향에 직교하는 직경 방향으로 비산하는 경우에도, 파단 혹은 탈락한 임펠러의 전부 또는 일부가 충돌하도록 배치했다. 파단 혹은 탈락한 임펠러의 전부 또는 일부의 충돌에 의하여 안내통이 취성(脆性) 파괴되어 버리는 경우이더라도, 환상 부재로의 충돌로는 취성 파괴에 이르지 않고 소성 변형하는 것에 그친다. 따라서, 파단 혹은 탈락한 임펠러의 전부 또는 일부가 외부로 비산하는 문제를 억제할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 관한 원심 압축기에 있어서, 상기 환상 부재는, 상기 안내통보다 연성이 높은 재료로 구성되어 있어도 된다.
이와 같이 함으로써, 연성이 높은 환상 부재에 파단 혹은 탈락한 임펠러의 전부 또는 일부가 충돌한 경우에, 환상 부재가 취성 파괴에 이르지 않고 소성 변형에 그치는 것을 보다 확실히 할 수 있다.
여기에서 연성이 높다란, 파괴까지 큰 소성 변형을 수반하는 특성을 갖는 것을 나타내는 것으로, 소성 변형이 적은 상황에서 파괴에 이르는 취성 특성이 적은 것을 나타낸다. 구체적으로는, 파손에 이르는 인장 파괴 강도와 신도(율)를 비교함으로써 연성이 높은 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 관한 원심 압축기에 있어서, 상기 안내통보다 상기 축선에 직교하는 직경 방향의 외주측 또한 상기 스크롤부보다 상기 직경 방향의 내주측에 상기 로터축과 동축에 배치되는 원통 형상 부재를 구비하는 구성이어도 된다.
본 구성의 원심 압축기에 의하면, 임펠러의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락하는 경우, 임펠러의 전부 또는 일부가 로터축의 축선 방향에 직교하는 직경 방향으로 비산하여 안내통에 충돌한다. 안내통에 충돌한 임펠러의 일부는, 안내통을 취성 파괴시켜 직경 방향의 외측으로 더 비산하여, 원통 형상 부재에 도달한다. 원통 형상 부재는, 안내통이 취성 파괴되어 버리는 경우이더라도, 소성 변형에 의하여 임펠러의 일부가 외부로 비산하는 문제를 억제할 수 있다.
상기 구성의 원심 압축기에 있어서는, 상기 원통 형상 부재의 상기 토출구측의 단부(端部)와 상기 환상 부재의 상기 취입구측의 단부가, 상기 직경 방향에서 중첩됨과 함께 상기 직경 방향으로 근접한 위치에 배치되어 있는 것이어도 된다.
이와 같이 함으로써, 파단 부재가 외부로 비산하여, 직경 방향의 내주측에 배치되는 원통 형상 부재 또는 환상 부재 중 어느 일방에 충돌하는 경우, 충격을 받은 일방의 부재가 직경 방향의 외주측을 향하여 이동하여 어느 타방의 부재에 충돌한다. 이로써, 원통 형상 부재와 환상 부재의 사이에 간극이 발생하는 것이 규제된다.
상기 구성의 원심 압축기에 있어서, 상기 원통 형상 부재는, 상기 안내통보다 연성이 높은 재료로 구성되어 있고, 상기 축선에 대하여, 상기 환상 부재의 직경과 상기 원통 형상 부재의 직경이 일치하고 있으며, 상기 환상 부재의 상기 축선 방향의 단면(端面)과 상기 원통 형상 부재의 상기 축선 방향의 단면이, 상기 축선 방향으로 소정 거리를 두고 이간하고 있어도 된다.
본 구성의 원심 압축기에 의하면, 환상 부재의 직경과 원통 형상 부재의 직경이 일치하고 있기 때문에, 환상 부재와 원통 부재는, 로터축 둘레로 안내통을 둘러싸는 동일 원통면을 형성한다. 안내통을 취성 파괴하여 직경 방향의 외측으로 비산하는 임펠러의 전부 또는 일부는, 동일 원통면을 형성하는 환상 부재와 원통 부재 중 어느 하나에 충돌한다. 동일 원통면이 형성되어 있기 때문에, 환상 부재의 외주면의 직경과 원통 형상 부재의 외주면의 직경이 상이한 경우에 발생하는 간극이 형성되지 않는다. 이로 인하여, 임펠러의 전부 또는 일부가, 환상 부재와 원통 부재의 외주면의 직경의 차이에 의하여 형성되는 간극으로부터 외부로 비산하는 문제가 억제된다.
또한, 본 구성의 원심 압축기에 의하면, 환상 부재의 상기 축선 방향의 단면과 상기 원통 형상 부재가, 상기 축선 방향으로 소정 거리를 두고 이간하고 있다. 환상 부재와 원통 형상 부재를 연결하거나, 혹은 하나의 부재로 하여 형성하는 경우, 이 부재의 축선 방향의 양단부에 있어서 온도차에 기인하는 열신장량의 차가 발생하면, 부재가 변형 혹은 파손되어 버릴 우려가 있다. 따라서, 본 양태에서는, 환상 부재와 원통 형상 부재를 별도 부재로서 구성하고, 축선 방향으로 소정 거리를 두고 이간시킴으로써, 온도차에 기인하는 열신장량의 차가 각 부재에 발생했다고 해도, 환상 부재와 원통 형상 부재 중 어느 것에도 변형 혹은 파손을 발생시키지 않도록 하고 있다.
본 발명의 일 양태에 관한 원심 압축기에 있어서는, 상기 환상 부재가 배치되는 상기 축선 방향의 위치 범위에, 상기 임펠러의 상기 축선 방향의 무게중심 위치가 존재하고 있는 구성이어도 된다.
임펠러의 무게중심 위치 혹은 무게중심 위치 근방의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락했을 때는, 그 파단 혹은 탈락한 부분은 중량이 커, 축선 방향에 직교하는 직경 방향으로 비산할 때의 충격력은 큰 것이 된다.
따라서, 본 구성에서는, 환상 부재가 배치되는 축선 방향의 위치 범위에, 임펠러의 축선 방향의 무게중심 위치가 존재하도록 하고 있다. 이로써, 임펠러의 무게중심 위치 혹은 무게중심 위치 근방의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락했을 때에, 그 파단 혹은 탈락한 부분을 환상 부재에 충돌시켜, 임펠러의 전부 또는 일부가 외부로 비산하는 문제를 억제할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 관한 원심 압축기에 있어서, 상기 환상 부재는, 상기 안내통과 함께 상기 토출구로부터 토출되는 상기 압축 유체가 유통하는 유로의 유로벽을 형성하고 있으며, 상기 환상 부재는, 상기 축선에 직교하는 직경 방향의 외주측 또한 상기 축선 방향의 상기 유로측에, 상기 직경 방향의 내측으로 돌출하는 환상 돌기부를 갖고, 상기 연결 위치에 있어서의 상기 안내통은, 상기 직경 방향의 외주측 또한 상기 축선 방향의 상기 유로측에 환상 단부(段部)를 가지며, 상기 안내통과 상기 환상 부재는, 상기 환상 단부에 상기 환상 돌기부를 배치한 상태로 접속되어 있는 구성이어도 된다.
본 구성의 원심 압축기에 의하면, 로터축의 회전수가 높아져 토출구로부터 토출되는 압축 유체의 압력이 높아짐에 따라, 환상 부재가 압축 유체로부터 받는 압력이 높아진다. 환상 부재가 유로측에 갖는 환상 돌기부는, 안내통이 유로측에 갖는 환상 단부에 배치되어 있다. 이로 인하여, 환상 부재가 압축 유체로부터 받는 압력이 높아짐에 따라, 환상 돌기부와 환상 단부의 접촉력이 높아진다. 이로써, 환상 부재와 안내통의 접속 위치에 있어서 압축 유체가 누출되는 문제가 억제된다.
본 발명의 일 양태에 관한 과급기는, 상기 중 어느 하나에 기재된 원심 압축기와, 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스에 의하여 상기 축선 둘레로 회전함과 함께 상기 로터축에 연결되는 터빈을 구비한다.
본 발명의 일 양태에 관한 과급기에 의하면, 임펠러의 무게중심 위치 근방의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락하여 로터축의 축선 방향에 직교하는 직경 방향으로 비산하는 경우에, 임펠러의 전부 또는 일부가 외부로 비산하는 문제를 억제할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 관한 원심 압축기의 제조 방법은, 취입구로부터 유입되는 유체를 압축하여 토출구로부터 토출하는 임펠러를 로터축에 장착하는 공정과, 상기 임펠러를 수용하도록 안내통을 장착하여 상기 취입구로부터 유입되는 유체를 상기 토출구로 유도하는 유로를 형성하는 공정과, 상기 토출구로부터 토출된 압축 유체가 유입되는 스크롤부를, 상기 안내통보다 상기 로터축의 축선 방향에 직교하는 직경 방향의 외주측에 배치하는 공정과, 상기 축선 둘레로 상기 임펠러를 둘러싸도록 상기 안내통과 상기 스크롤부의 연결 위치에 환상 부재를 장착하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양태에 관한 제조 방법에 의하여 제조되는 원심 압축기에 의하면, 임펠러의 무게중심 위치 근방의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락하는 경우, 임펠러의 전부 또는 일부가 로터축의 축선 방향에 직교하는 직경 방향으로 비산하여, 안내통과 스크롤부의 연결 위치에 도달한다. 연결 위치에는, 환상 부재가 임펠러를 둘러싸도록 장착되어 있기 때문에, 비산한 임펠러의 전부 또는 일부가 환상 부재에 충돌한다. 환상 부재는, 안내통이 취성 파괴되어 버리는 경우이더라도, 소성 변형에 의하여 임펠러의 전부 또는 일부가 외부로 비산하는 문제를 억제할 수 있다.
본 발명에 의하면, 임펠러의 무게중심 위치 근방의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락하여 로터축의 축선 방향에 직교하는 직경 방향으로 비산하는 경우에, 임펠러의 전부 또는 일부가 외부로 비산하는 문제를 억제하는 것이 가능한 원심 압축기를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상술한 원심 압축기를 구비한 과급기, 및 상술한 원심 압축기의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시형태의 과급기를 나타내는 종단면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 원심 압축기의 주요부 확대도이다.
도 3은 도 2에 나타내는 제1 컨테인먼트 링 근방의 주요부 확대도이다.
도 4는 제2 실시형태의 과급기를 나타내는 종단면도이다.
도 5는 도 4에 나타내는 원심 압축기의 주요부 확대도이다.
도 6은 도 5에 나타내는 토출구 근방의 주요부 확대도이다.
도 7은 제2 실시형태의 변형예의 원심 압축기의 토출구 근방의 주요부 확대도이다.
도 8은 제2 실시형태의 변형예의 원심 압축기의 토출구 근방의 주요부 확대도이다.
도 9는 제2 실시형태의 변형예의 원심 압축기의 토출구 근방의 주요부 확대도이다.
〔제1 실시형태〕
이하, 제1 실시형태의 과급기에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
본 실시형태의 과급기(100)는, 선박에 이용되는 선박용 디젤 기관(내연 기관)에 공급하는 공기(기체)를 대기압 이상으로 높여, 선박용 디젤 기관의 연소 효율을 높이는 장치이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 과급기(100)는, 원심 압축기(10)와, 터빈(20)을 구비하고 있다. 원심 압축기(10)와 터빈(20)은, 각각 로터축(30)에 연결되어 있다.
원심 압축기(10)는, 과급기(100)의 외부로부터 유입되는 공기를 압축하여, 선박용 디젤 기관을 구성하는 실린더 라이너(도시 생략)의 내부와 연통하는 흡기 매니폴드(도시 생략)에 압축한 공기(이하, 압축 공기(압축 유체)라고 함)를 공급하는 장치이다.
원심 압축기(10)는, 임펠러(11)와, 공기 안내통(12)과, 스크롤부(13)와, 제1 컨테인먼트 링(14)(환상 부재)과, 제2 컨테인먼트 링(15)(원통 형상 부재)과, 사일렌서(16)를 구비하고 있다.
공기 안내통(12)과 스크롤부(13)는, 복잡한 형상을 형성하기 때문에 주조에 의하여 제조된 금속 부재로 이루어진다. 이 금속 부재로서, 예를 들면, 철을 주성분으로 하고 탄소를 2% 이상 함유하는 Fe-C계 합금인 주철이 이용된다. 주철이면 회주철 등 다양한 재료를 이용하는 것이 가능하지만, 기지 조직 중의 흑연이 구상화(球狀化)되어 있는 덕타일 주철(FCD: Ferrum Casting Ductile)을 이용하는 것이 바람직하다.
주조에 의한 금속재는, 주입(casting) 형성에 의하여 복잡한 형상을 형성하기 쉬운 반면, 취성 특성을 갖는다.
제1 컨테인먼트 링(14)과 제2 컨테인먼트 링(15)은, 압연에 의하여 제조된 금속 부재로 이루어진다. 이 금속 부재로서, 예를 들면, 철을 주성분으로 하고 탄소를 미량(약 0.2%) 함유하는 Fe-C계 합금인 철강 재료가 이용된다. 철강 재료이면 다양한 재료를 이용하는 것이 가능하지만, SS400으로 불리는 일반 구조용 압연 강재(JIS G 3101; ASTM A283)를 이용하는 것이 바람직하다.
압연에 의한 금속재는, 압연 공정에 적합한 조성으로 이루어지며, 큰 소성 변형 후에 파괴에 이르는 연성을 보유한다. 한편, 주조에 의한 금속재는, 주조 공정에 적합한 조성으로 이루어지며, 파괴에 이르는 신도가 압연에 의한 금속재보다 작다. 이와 같이, 압연에 의한 금속재는, 파괴에 이르는 신도가 주조에 의한 금속재보다 큰, 즉, 연성이 높다. 따라서, 압연에 의한 금속재는, 주조에 의한 금속재보다 충격에 대한 파괴 강도가 높은 특성을 보유한다.
예를 들어, 상온에서의 인장 강도는, 덕타일 주철재와 SS400재 모두 400~500N/mm2 정도를 보유한다. 한편, 파괴 시의 신도는 덕타일 주철재가 10% 정도인 것에 비하여, SS400재가 20% 이상을 보유한다. 따라서, SS400재가, 덕타일 주철재보다 연성이 높다.
터빈(20)은, 터빈 하우징(21)과, 터빈 날개(22)와, 터빈 디스크(23)와, 터빈 노즐(24)을 구비하고 있다. 터빈 하우징(21)은, 축선(X) 둘레에 배치되는 중공의 통 형상 부재이며, 그 내부에 터빈 날개(22)와, 터빈 디스크(23)와, 터빈 노즐(24)을 수용하고 있다. 터빈 하우징(21)에는, 도 1의 우측에 나타내는 화살표를 따라 선박용 디젤 기관으로부터 배출되는 배기 가스가 유입된다.
터빈 하우징(21)에 유도된 배기 가스는, 터빈 노즐(24)을 통과할 때에 정압 팽창하여, 터빈 날개(22)에 유도된다. 터빈 날개(22)는, 로터축(30)에 고정된 대략 원판 형상의 터빈 디스크(23)의 외주면에 축선 둘레로 일정 간격으로 장착되어 있다. 터빈 디스크(23)에는, 정압 팽창한 배기 가스가 터빈 날개(22)를 통과함으로써 축선(X) 둘레의 회전력이 부여된다. 이 회전력은, 로터축(30)을 회전시키는 동력이 되어, 로터축(30)에 연결된 임펠러(11)를 축선(X) 둘레로 회전시킨다.
이와 같이 본 실시형태의 과급기(100)는, 선박용 디젤 기관으로부터 배출되는 배기 가스를 터빈(20)에 유도하여 터빈 날개(22)가 장착된 터빈 디스크(23)를 축선(X) 둘레로 회전시킨다. 터빈 디스크(23)의 회전에 따라 로터축(30)을 통하여 연결된 임펠러(11)가 회전하고, 취입구(11a)로부터 유입되는 공기가 압축되며, 압축 공기가 토출구(11b)로부터 토출된다. 토출구(11b)로부터 토출된 압축 공기는 스크롤부(13)에 유입되어, 선박용 디젤 기관의 흡기 매니폴드에 유도된다.
사일렌서(16)는, 원심 압축기(10) 내에서 발생하는 소음의 레벨을 저하시키는 장치이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 사일렌서(16)는, 축선(X)에 직교하는 방향으로부터 유입되는 공기를, 공기 안내통(12)의 취입구(11a)에 유도하는 유로를 획정한다. 유로의 주위에는 소음재(消音材)(16a)가 배치되어 있다. 이 소음재(16a)에 의하여, 원심 압축기(10) 내에서 발생하는 소음의 일부가 흡수되어, 소음의 레벨이 저하한다.
다음으로, 원심 압축기(10)가 구비하는 각 구성에 대하여 설명한다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 임펠러(11)는, 축선(X)을 따라 뻗는 로터축(30)에 장착되어 있으며, 로터축(30)이 축선(X) 둘레로 회전함에 따라, 축선(X) 둘레로 회전한다. 임펠러(11)는, 축선(X) 둘레로 회전함으로써, 취입구(11a)로부터 유입되는 공기를 압축하여 토출구(11b)로부터 토출한다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 임펠러(11)는, 로터축(30)에 장착되는 허브(11c)와, 허브(11c)의 외주면 상에 장착되는 블레이드(11d)와, 유로(11e)를 구비한다. 임펠러(11)에는, 허브(11c)의 외주면과 공기 안내통(12)의 내주면에 의하여 형성되는 공간이 마련되어 있으며, 이 공간이 복수 매의 블레이드(11d)에 의하여 복수의 공간으로 구획되어 있다. 그리고, 임펠러(11)는, 축선(X) 방향을 따라 취입구(11a)로부터 유입되는 공기에 직경 방향의 원심력을 부여하여 축선(X) 방향에 직교한 방향(경사진 방향; 임펠러(11)의 반경 방향)으로 토출시켜, 토출구(11b)로부터 토출된 압축 공기를 디퓨저(13a)에 유입시킨다.
공기 안내통(12)은, 임펠러(11)를 수용함과 함께 로터축(30)의 축선(X) 방향을 따라 취입구(11a)로부터 유입되는 공기를 토출구(11b)로부터 토출하는 부재이다. 공기 안내통(12)은, 임펠러(11)와 함께, 축선(X)을 따라 취입구(11a)로부터 유입되는 공기를, 축선(X)에 직교하는 직경 방향으로 안내하여 토출구(11b)로 유도하는 유로(11e)를 형성한다.
스크롤부(13)는, 토출구(11b)로부터 토출된 압축 공기가 유입됨과 함께, 압축 공기에 부여된 운동 에너지(동압)를 압력 에너지(정압)로 변환하는 장치이다. 스크롤부(13)는, 공기 안내통(12)보다 축선(X) 방향에 직교하는 직경 방향의 외주측에 배치되어 있다.
스크롤부(13)는, 디퓨저(13a)와, 디퓨저 디스크(13b)와, 외측 스크롤 케이싱(13c)(도 1 참조)과, 내측 스크롤 케이싱(13d)과, 와형실(渦形室)(13e)을 구비한다. 와형실(13e)은, 외측 스크롤 케이싱(13c)과, 내측 스크롤 케이싱(13d)에 의하여 획정되는 공간이다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 내측 스크롤 케이싱(13d)은, 체결 볼트(43)에 의하여 공기 안내통(12)에 연결되어 있다.
디퓨저(13a)는, 임펠러(11)의 토출구(11b)의 하류측에 배치되는 날개형의 부재이며, 토출구(11b)로부터 와형실(13e)에 압축 공기를 유도하는 유로를 형성한다. 디퓨저(13a)는, 로터축(30)과 동축에 배치되는 원환 형상의 디퓨저 디스크(13b) 원주 방향의 복수 개소에 마련되어 있다. 디퓨저(13a)는, 임펠러(11)의 전체 둘레로 마련되는 압축 공기의 토출구(11b)를 둘러싸도록 마련되어 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 디퓨저 디스크(13b)는, 체결 볼트(44)에 의하여 내측 스크롤 케이싱(13d)에 연결되어 있다.
디퓨저(13a)는, 임펠러(11)의 토출구(11b)로부터 토출된 압축 공기의 유속을 감속시킴으로써, 압축 공기에 부여된 운동 에너지(동압)를 압력 에너지(정압)로 변환한다. 디퓨저(13a)를 통과할 때에 유속이 감속된 압축 공기는, 디퓨저(13a)와 연통한 와형실(13e)에 유입된다. 와형실(13e)에 유입된 작동 유체는, 토출 배관(도시 생략)으로 토출된다.
제1 컨테인먼트 링(14)은, 축선(X) 둘레로 임펠러(11)를 둘러싸도록, 공기 안내통(12)의 토출구(11b)측과 내측 스크롤 케이싱(13d)의 연결 위치에 장착되는 환상 부재이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 제1 컨테인먼트 링(14)은, 로터축(30)과 동축에 배치되어 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 제1 컨테인먼트 링(14)은, 체결 볼트(41)에 의하여 공기 안내통(12)에 연결되어 있다.
제2 컨테인먼트 링(15)은, 공기 안내통(12)보다 직경 방향의 외주측 또한 스크롤부(13)보다 직경 방향의 내주측에 배치되는 원통 형상 부재이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 제2 컨테인먼트 링(15)은, 로터축(30)과 동축에 배치되어 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 제2 컨테인먼트 링(15)은, 체결 볼트(42)에 의하여 공기 안내통(12)에 연결되어 있다.
제1 컨테인먼트 링(14) 및 제2 컨테인먼트 링(15)은, 압연에 의하여 제조된 금속 부재로 이루어지며, 주조에 의하여 제조된 금속 부재로 이루어지는 공기 안내통(12)보다 연성이 높다.
여기에서 연성이 높다란, 파괴까지 큰 소성 변형을 수반하는 것으로, 소성 변형이 적은 상황에서 파괴에 이르는 취성 특성이 적은 것을 나타낸다. 이로 인하여, 충격 하중이 발생했을 때에, 연성이 높은 재료는, 충격의 운동 에너지를 소성 변형함으로써 흡수하여 제지시키는 것이 가능하게 된다. 이로 인하여, 충격 하중에 대해서도 파괴에 이르지 않고 소성 변형에 그치게 하는 것이 가능해진다.
본 실시형태에 있어서는, 주조에 의하여 제조된 금속 재료로서 사용하는 덕타일 주철재는, 상온에서의 인장 강도는 400~500N/mm2 정도, 신도 10% 정도를 보유한다. 한편, 압연에 의하여 제조된 금속 부재로서 사용하는 SS400재는, 상온에서의 인장 강도는 마찬가지로 400~500N/mm2 정도, 신도 20% 이상을 보유하고 있다. 따라서, 신도의 차이로부터, 덕타일 주철재보다 SS400재가 연성이 높은 재료라고 확인할 수 있다.
이와 같이, 제1 컨테인먼트 링(14) 및 제2 컨테인먼트 링(15)은, 공기 안내통(12)보다 연성이 높다. 이로 인하여, 제1 컨테인먼트 링(14) 및 제2 컨테인먼트 링(15)은, 임펠러(11)가 파손이나 탈락했을 때여도, 임펠러(11)의 전부 또는 일부가 직경 방향으로 비산하여 공기 안내통(12)에 충돌하는 경우에, 임펠러(11)의 전부 또는 일부가 외부로 비산하는 것을 억제한다.
즉, 공기 안내통(12)이 임펠러(11)의 전부 또는 일부의 충돌에 의하여 취성 파괴되어 버리는 경우이더라도, 제1 컨테인먼트 링(14) 및 제2 컨테인먼트 링(15)이 소성 변형함으로써 임펠러의 전부 또는 일부가 외부로 비산하는 문제가 억제된다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 제1 컨테인먼트 링(14)의 외주면의 반경(D1)과, 제2 컨테인먼트 링(15)의 외주면의 반경(D2)은, 일치하고 있다. 반경(D1)과 반경(D2)을 일치시키고 있는 것은, 제1 컨테인먼트 링(14)의 외주면의 직경과 제2 컨테인먼트 링(15)의 외주면의 직경이 상이한 경우에 발생하는 간극이 형성되지 않게 하기 위해서이다. 이 간극이 형성되면, 임펠러(11)의 전부 또는 일부가 외부로 비산하여 버릴 가능성이 있다.
또한, 제1 컨테인먼트 링(14)의 외주면의 반경(D1)과, 제2 컨테인먼트 링(15)의 외주면의 반경(D2)이 일치하지 않는 경우이더라도, 축선(X) 방향에 있어서의 제1 컨테인먼트 링(14)의 단부와, 축선(X) 방향에 있어서의 제2 컨테인먼트 링(15)의 단부의 간극이 미소하면, 직경 방향으로 비산하는 임펠러(11)의 전부 또는 일부가 외부로 비산할 가능성을 낮게 억제할 수 있다.
따라서, 제1 컨테인먼트 링(14)의 외주면의 반경(D1)과, 제2 컨테인먼트 링(15)의 외주면의 반경(D2)은, 반드시 동일 직경으로 일치시키지 않아도 된다.
또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 제1 컨테인먼트 링(14)의 축선(X) 방향의 단면(14a)과, 제2 컨테인먼트 링(15)의 축선(X) 방향의 단면(15a)은, 축선(X) 방향으로 소정 거리(W)를 두고 이간하고 있다. 제1 컨테인먼트 링(14)과 제2 컨테인먼트 링(15)을 연결하거나, 혹은 하나의 부재로 하여 형성하는 경우, 이 부재의 축선(X) 방향의 양단부에 있어서 온도차에 기인하는 열신장량의 차가 발생하면, 부재가 변형 혹은 파손되어 버릴 우려가 있다.
따라서, 본 실시형태에서는, 제1 컨테인먼트 링(14)과 제2 컨테인먼트 링(15)을 축선(X) 방향으로 소정 거리(W)를 두고 이간시킴으로써, 온도차에 기인하는 열신장량의 차가 각 부재에 발생했다고 해도, 제1 컨테인먼트 링(14)과 제2 컨테인먼트 링(15) 중 어느 것에도 변형 혹은 파손을 발생시키지 않도록 하고 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 제1 컨테인먼트 링(14)이 배치되는 축선(X) 방향의 위치는, 위치 P1로 되어 있다. 이 위치 P1은, 임펠러(11)의 축선 방향의 무게중심 위치와 일치하고 있다.
도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 원심 압축기(10)의 임펠러(11)는, 취입구(11a)측보다 토출구(11b)측이 날개의 외경이 크게 되어 있다. 따라서, 임펠러(11)의 무게중심 위치는, 취입구(11a)측보다 토출구(11b)측에 근접한 위치 P1이 된다.
임펠러(11)가 축선(X) 둘레로 고속 회전하는 경우(예를 들면, 매분 1만 회전 이상으로 회전하는 경우), 임펠러(11)의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락하는 경우가 있다. 임펠러(11)의 탈락 시의 축선(X) 방향에 직교하는 직경 방향으로의 충격력은, 무게중심 위치에서 특히 커진다. 본 실시형태에 있어서는, 제1 컨테인먼트 링(14)이 배치되는 축선(X) 방향의 위치 P1이 임펠러(11)의 축선 방향의 무게중심 위치와 일치하고 있다.
이로 인하여, 무게중심 위치에서 파단 혹은 탈락한 임펠러(11)가 직경 방향으로 비산해도, 제1 컨테인먼트 링(14)에 충돌한다. 그리고, 연성이 높은 제1 컨테인먼트 링(14)이 소성 변형함으로써 임펠러(11)의 전부 또는 일부가 외부로 비산하는 문제를 억제할 수 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 제1 컨테인먼트 링(14)은, 공기 안내통(12)과 함께 토출구(11b)로부터 토출되는 압축 공기가 유통하는 유로(11e)의 외주측의 유로벽을 형성하고 있다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 제1 컨테인먼트 링(14)은, 직경 방향의 외주측 또한 축선(X) 방향의 유로(11e)측에, 직경 방향의 내측으로 돌출하는 환상 돌기부(14b)를 갖고 있다.
또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 공기 안내통(12)은, 직경 방향의 외주측 또한 축선(X) 방향의 유로(11e)측에 환상 단부(12a)를 갖는다. 공기 안내통(12)과 제1 컨테인먼트 링(14)은, 환상 단부(12a)에 환상 돌기부(14b)를 배치한 상태로 접속되어 있다. 이 환상 단부(12a)와 환상 돌기부(14b)의 사이에는, 간극이 마련되어 있다. 이 간극에 의하여, 공기 안내통(12)의 열팽창이 있어도 열팽창에 의하여 변형이 제1 컨테인먼트 링(14)에 전반(傳搬)하지 않게 할 수 있다.
내측 스크롤 케이싱(13d)과 공기 안내통(12)이 연결되는 연결 위치에 있어서, 내측 스크롤 케이싱(13d)의 내주측 단면(13f)과, 제1 컨테인먼트 링(14)의 직경 방향의 외주측 단면(14c)은, 서로 대향하도록 배치되어 있다.
내주측 단면(13f)에는 축선(X) 둘레의 둘레 방향으로 뻗는 무단(無端) 형상의 환상 홈부(13g)가 형성되어 있다. 환상 홈부(13g)에는, O링(13h)(환상 시일 부재)이 끼워 넣어져 있다. 또한, 외주측 단면(14c)에는 축선(X) 둘레의 둘레 방향으로 뻗는 무단 형상의 환상 홈부(14d)가 형성되어 있다. 환상 홈부(14d)에는, O링(14e)(환상 시일 부재)이 끼워 넣어져 있다.
O링(13h)이 외주측 단면(14c)에 접촉하고, O링(14e)이 내주측 단면(13f)에 접촉함으로써, 내주측 단면(13f)과 외주측 단면(14c)이 대향하는 위치에 있어서, 유로(11e)로부터의 압축 공기의 유출이 차단된다.
다음으로, 본 실시형태의 원심 압축기의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 실시형태의 원심 압축기(10)의 제조 방법은, 이하의 공정에 의하여 원심 압축기(10)를 제조한다.
제1 공정에 있어서, 취입구(11a)로부터 유입되는 공기를 압축하여 토출구(11b)로부터 토출하는 임펠러(11)를 로터축(30)에 장착한다.
제2 공정에 있어서, 임펠러(11)를 수용하도록 공기 안내통(12)을 장착하고 로터축(30)의 축선(X) 방향을 따라 취입구(11a)로부터 유입되는 공기를 축선(X) 방향으로부터 경사진 방향으로 안내하여 토출구(11b)로 유도하는 유로를 형성한다.
제3 공정에 있어서, 토출구(11b)로부터 토출된 압축 공기가 유입되는 스크롤부(13)를, 공기 안내통(12)보다 축선(X) 방향에 직교하는 직경 방향의 외주측에 배치한다.
제4 공정에 있어서, 축선(X) 둘레로 임펠러(11)를 둘러싸도록 공기 안내통(12)과 스크롤부(13)의 연결 위치에 공기 안내통(12) 혹은 스크롤부(13)를 구성하는 주철보다 연성이 높은 철강 재료로 주로 구성되는 제1 컨테인먼트 링(14)을 장착한다.
제5 공정에 있어서, 공기 안내통(12)보다 직경 방향의 외주측 또한 스크롤부(13)보다 직경 방향의 내주측에, 공기 안내통(12) 혹은 스크롤부(13)를 구성하는 주철보다 연성이 높은 철강 재료로 주로 구성되는 제2 컨테인먼트 링(15)을 장착한다.
이상의 공정에 의하여, 본 실시형태의 원심 압축기(10)가 제조된다.
이상 설명한 본 실시형태의 과급기(100)가 나타내는 작용 및 효과에 대하여 설명한다.
본 실시형태의 과급기(100)가 구비하는 압축기는, 원심 압축기이다. 이로 인하여, 임펠러(11)는, 취입구(11a)측보다 토출구(11b)측이 날개의 외경이 크게 되어 있다. 따라서, 임펠러(11)의 무게중심 위치는 토출구(11b)측의 위치 P1이 된다. 그리고, 공기 안내통(12)의 토출구(11b)측과 스크롤부(13)의 연결 위치는, 축선(X)에 있어서 임펠러(11)의 무게중심 위치가 된다.
무게중심 위치에 있어서, 임펠러의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락했을 때는, 그 파단 혹은 탈락한 부분은 중량이 커, 축선 방향에 직교하는 직경 방향으로 비산할 때의 충격력은 큰 것이 된다.
따라서, 본 실시형태에서는, 이 연결 위치에 공기 안내통(12) 및 스크롤부(13)를 주체로서 구성하는 주철보다 연성이 높은 철강 재료로 주로 구성되는 제1 컨테인먼트 링(14)(환상 부재)을 마련하여, 임펠러(11)의 무게중심 위치로부터 축선(X) 방향에 직교하는 직경 방향으로 비산하는 경우에도, 파단 혹은 탈락한 임펠러(11)의 전부 또는 일부가 충돌하도록 배치했다. 파단 혹은 탈락한 임펠러(11)의 전부 또는 일부의 충돌에 의하여 공기 안내통(12)이 취성 파괴되어 버리는 경우이더라도, 연성이 높은 제1 컨테인먼트 링(14)으로의 충돌로는 취성 파괴에 이르지 않고 소성 변형하는 것에 그친다. 따라서, 파단 혹은 탈락한 임펠러(11)의 전부 또는 일부가 과급기(100)의 외부로 비산하는 문제를 억제할 수 있다.
본 실시형태의 원심 압축기(10)에 의하면, 제1 컨테인먼트 링(14)의 외주면의 직경과 제2 컨테인먼트 링(15)의 외주면의 직경이 일치하고 있다. 이로 인하여, 제1 컨테인먼트 링(14)과 제2 컨테인먼트 링(15)은, 로터축(30) 둘레로 공기 안내통(12)을 둘러싸는 동일 원통면을 형성한다.
공기 안내통(12)을 취성 파괴하여 직경 방향의 외측으로 비산하는 임펠러(11)의 전부 또는 일부는, 동일 원통면을 형성하는 제1 컨테인먼트 링(14)과 제2 컨테인먼트 링(15) 중 어느 하나에 충돌한다. 동일 원통면이 형성되어 있기 때문에, 제1 컨테인먼트 링(14)의 외주면의 직경과 제2 컨테인먼트 링(15)의 외주면의 직경이 상이한 경우에 발생하는 간극이 형성되지 않는다. 이로 인하여, 임펠러(11)의 전부 또는 일부가, 제1 컨테인먼트 링(14)과 제2 컨테인먼트 링(15)의 외주면의 직경의 차이로부터 형성되는 간극으로부터 과급기(100)의 외부로 비산하는 문제가 억제된다.
또한, 본 실시형태의 과급기(100)가 구비하는 원심 압축기(10)에 의하면, 제1 컨테인먼트 링(14)의 축선(X) 방향의 단면(14a)과 제2 컨테인먼트 링(15)의 축선(X) 방향의 단면(15a)이, 축선(X) 방향으로 소정 거리(W)를 두고 이간하고 있다. 제1 컨테인먼트 링(14)과 제2 컨테인먼트 링(15)을 연결하거나, 혹은 하나의 부재로 하여 형성하는 경우, 이 부재의 축선(X) 방향의 양단부에 있어서 온도차에 기인하는 열신장량의 차가 발생하면, 부재가 변형 혹은 파손되어 버릴 우려가 있다.
따라서, 본 실시형태에서는, 제1 컨테인먼트 링(14)과 제2 컨테인먼트 링(15)을 별도 부재로서 구성하고, 축선(X) 방향으로 소정 거리(W)를 두고 이간시켰다. 이로써, 온도차에 기인하는 열신장량의 차가 각 부재에 발생했다고 해도, 제1 컨테인먼트 링(14)과 제2 컨테인먼트 링(15) 중 어느 것에도 변형 혹은 파손을 발생시키지 않도록 하고 있다.
본 실시형태의 과급기(100)가 구비하는 원심 압축기(10)에 의하면, 로터축(30)의 회전수가 높아져 토출구(11b)로부터 토출되는 압축 공기의 압력이 높아짐에 따라, 제1 컨테인먼트 링(14)이 압축 공기로부터 받는 압력이 높아진다. 제1 컨테인먼트 링(14)이 유로(11e)측에 갖는 환상 돌기부(14b)는, 공기 안내통(12)이 유로(11e)측에 갖는 환상 단부(12a)에 배치되어 있다. 이로 인하여, 제1 컨테인먼트 링(14)이 압축 공기로부터 받는 압력이 높아짐에 따라, 환상 돌기부(14b)와 환상 단부(12a)의 접촉력이 높아진다. 이로써, 제1 컨테인먼트 링(14)과 공기 안내통(12)의 접속 위치에 있어서 압축 공기가 누출되는 문제가 억제된다.
본 실시형태의 과급기(100)가 구비하는 원심 압축기(10)에 의하면, 연결 위치에 있어서의 스크롤부(13)의 직경 방향의 내주측 단면(13f)과, 제1 컨테인먼트 링(14)의 직경 방향의 외주측 단면(14c)의 사이에 O링(13h) 및 O링(14e)(환상 시일 부재)이 배치된다. 이와 같이 함으로써, 스크롤부(13)와 제1 컨테인먼트 링(14)이 대향하는 위치에 있어서 압축 공기가 누출되는 문제가 억제된다.
본 실시형태의 공기 안내통(12) 및 스크롤부(13)는, 주조에 의하여 제조된 금속 부재로 형성되어 있다. 이 금속 부재로서, 복잡한 형상을 제조하기 쉬운 회주철이나 덕타일 주철을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 제1 컨테인먼트 링(14) 및 제2 컨테인먼트 링(15)은, 압연에 의하여 제조된 금속 부재로 형성되어 있다. 이 금속 부재로서, 주철재보다 연성이 높고, 충격 하중에 대해서도 소성 변형함으로써 파손에 이르기 어려운 SS400으로 불리는 일반 구조용 압연 강재를 이용하는 것이 바람직하다.
이와 같이 함으로써, 압연에 의하여 제조된 금속 부재인 제1 컨테인먼트 링(14) 및 제2 컨테인먼트 링(15)의 연성을, 주조에 의하여 제조된 금속 부재인 공기 안내통(12) 및 스크롤부(13)의 연성보다 높게 할 수 있다.
〔제2 실시형태〕
이하, 제2 실시형태의 과급기에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
제2 실시형태의 과급기(200)는, 제1 실시형태의 과급기(100)를 변형한 것이다. 이하에서 특별히 설명하는 경우를 제외하고 제1 실시형태의 과급기(100)와 동일한 것으로 하며, 동일한 부호를 붙인 것에 대한 설명을 생략한다.
제1 실시형태의 과급기(100)는, 제1 컨테인먼트 링(14) 및 제2 컨테인먼트 링(15)을 축선(X) 방향으로 소정 거리(W)를 두고 이간시키는 것이었다. 그에 비하여 제2 실시형태의 과급기(200)는, 제1 컨테인먼트 링(14’) 및 제2 컨테인먼트 링(15’)이 직경 방향에서 중첩됨과 함께 직경 방향으로 근접한 위치에 배치되도록 한 것이다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 원심 압축기(10)는, 제1 컨테인먼트 링(14’)(환상 부재)과, 제2 컨테인먼트 링(15’)(원통 형상 부재)을 구비하고 있다. 제1 컨테인먼트 링(14’) 및 제2 컨테인먼트 링(15’)은, 제1 실시형태의 제1 컨테인먼트 링(14) 및 제2 컨테인먼트 링(15)과 동일한 금속 부재로 이루어진다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 제1 컨테인먼트 링(14’)은, 축선(X) 둘레로 임펠러(11)를 둘러싸도록, 공기 안내통(12)의 토출구(11b)측과 내측 스크롤 케이싱(13d)의 연결 위치에 장착되는 환상 부재이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 제1 컨테인먼트 링(14’)은, 로터축(30)과 동축에 배치되어 있다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 제1 컨테인먼트 링(14’)은, 체결 볼트(41)에 의하여 공기 안내통(12)에 연결되어 있다.
제2 컨테인먼트 링(15’)은, 공기 안내통(12)보다 직경 방향의 외주측 또한 스크롤부(13)보다 직경 방향의 내주측에 배치되는 원통 형상 부재이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 제2 컨테인먼트 링(15’)은, 로터축(30)과 동축에 배치되어 있다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 제2 컨테인먼트 링(15’)은, 체결 볼트(42)에 의하여 공기 안내통(12)에 연결되어 있다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 제1 컨테인먼트 링(14’)의 외주면의 반경(D1)과, 제2 컨테인먼트 링(15’)의 외주면의 반경(D2)은, 일치하고 있다. 반경(D1)과 반경(D2)을 일치시키고 있는 것은, 제1 컨테인먼트 링(14’)의 외주면의 직경과 제2 컨테인먼트 링(15’)의 외주면의 직경이 상이한 경우에 발생하는 간극이 형성되지 않게 하기 위해서이다. 이 간극이 형성되면, 임펠러(11)의 전부 또는 일부가 외부로 비산하여 버릴 가능성이 있다.
또한, 도 6에 나타내는 바와 같이, 제2 컨테인먼트 링(15’)의 토출구(11b)측의 단부(15a’)와 제1 컨테인먼트 링(14’)의 취입구(11a)측의 단부(14a’)가, 직경 방향에서 중첩됨과 함께 직경 방향으로 근접한 위치에 배치되어 있다.
내주측에 배치되는 단부(14a’)와, 외주측에 배치되는 단부(15a’)의 사이의 직경 방향의 간극은, 이들 부재가 열팽창에 의하여 접촉하지 않을 정도의 거리를 유지하도록 설정되어 있다. 이와 같이 함으로써, 제1 컨테인먼트 링(14’)의 단부(14a’)와, 외주측에 배치되는 제2 컨테인먼트 링(15’)의 단부(15a’)가 열팽창에 의하여 접촉하여, 각각이 변형 혹은 파손되는 문제가 방지된다.
또한, 내주측에 배치되는 단부(14a’)와, 외주측에 배치되는 단부(15a’)의 사이의 직경 방향의 간극은, 단부(14a’)가 파단 부재에 의한 충격에 의하여 소성 변형할 때에 단부(14a’)가 단부(15a’)에 접촉할 정도의 거리가 되도록 설정된다. 이와 같이 함으로써, 단부(14a’)가 파단 부재에 의한 충격에 의하여 소성 변형할 때에 단부(14a’)에 접촉하며, 제1 컨테인먼트 링(14’)과 제2 컨테인먼트 링(15’)의 쌍방에 의하여 파단 부재의 충격을 흡수할 수 있다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 제1 컨테인먼트 링(14’)이 배치되는 축선(X) 방향의 위치는 위치 P1로 되어 있다. 이 위치 P1은, 임펠러(11)의 축선 방향의 무게중심 위치와 일치하고 있다. 위치 P1은, 도 6에 나타내는 제1 컨테인먼트 링(14’)의 환상 돌기부(14b)의 취입구(11a)측의 단면과 일치한 위치로 되어 있다.
도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 원심 압축기(10)의 임펠러(11)는, 취입구(11a)측보다 토출구(11b)측이 날개의 외경이 크게 되어 있다. 따라서, 임펠러(11)의 무게중심 위치는, 취입구(11a)측보다 토출구(11b)측에 근접한 위치 P1이 된다.
임펠러(11)가 축선(X) 둘레로 고속 회전하는 경우(예를 들면, 매분 1만 회전 이상으로 회전하는 경우), 임펠러(11)의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락하는 경우가 있다. 임펠러(11)의 탈락 시의 축선(X) 방향에 직교하는 직경 방향으로의 충격력은, 무게중심 위치에서 특히 커진다. 본 실시형태에 있어서는, 제1 컨테인먼트 링(14’)이 배치되는 축선(X) 방향의 위치 P1이 임펠러(11)의 축선 방향의 무게중심 위치와 일치하고 있다.
이로 인하여, 무게중심 위치에서 파단 혹은 탈락한 임펠러(11)가 직경 방향으로 비산하여 공기 안내통(12)을 파손시키고, 직경 방향으로 더 비산하는 경우, 임펠러(11)가 제1 컨테인먼트 링(14’)에 충돌한다. 그리고, 연성이 높은 제1 컨테인먼트 링(14’)이 소성 변형함으로써 임펠러(11)의 전부 또는 일부가 외부로 비산하는 문제를 억제할 수 있다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 제1 컨테인먼트 링(14’)은, 공기 안내통(12)과 함께 토출구(11b)로부터 토출되는 압축 공기가 유통하는 유로(11e)의 외주측의 유로벽을 형성하고 있다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 제1 컨테인먼트 링(14’)은, 직경 방향의 내주측 또한 축선(X) 방향의 유로(11e)측에, 직경 방향의 내측으로 돌출하는 환상 돌기부(14b)를 갖고 있다.
또한, 도 6에 나타내는 바와 같이, 공기 안내통(12)은, 직경 방향의 외주측 또한 축선(X) 방향의 유로(11e)측에 환상 단부(12a)를 갖는다. 공기 안내통(12)과 제1 컨테인먼트 링(14’)은, 환상 단부(12a)에 환상 돌기부(14b)를 배치한 상태로 접속되어 있다. 이 환상 단부(12a)와 환상 돌기부(14b)의 사이에는, 간극이 마련되어 있다. 이 간극에 의하여, 공기 안내통(12)의 열팽창이 있어도 열팽창에 의하여 변형이 제1 컨테인먼트 링(14’)에 전반하지 않게 할 수 있다.
내측 스크롤 케이싱(13d)과 공기 안내통(12)이 연결되는 연결 위치에 있어서, 내측 스크롤 케이싱(13d)의 내주측 단면(13f)과 제1 컨테인먼트 링(14’)의 직경 방향의 외주측 단면(14c)은, 서로 대향하도록 배치되어 있다.
이상 설명한 본 실시형태의 과급기(200)가 나타내는 작용 및 효과에 대하여 설명한다.
본 실시형태의 과급기(200)가 구비하는 압축기는, 원심 압축기이다. 이로 인하여, 임펠러(11)는, 취입구(11a)측보다 토출구(11b)측이 날개의 외경이 크게 되어 있다. 따라서, 임펠러(11)의 무게중심 위치는 토출구(11b)측의 위치 P1이 된다. 그리고, 공기 안내통(12)의 토출구(11b)측과 스크롤부(13)의 연결 위치는, 축선(X)에 있어서 임펠러(11)의 무게중심 위치가 된다.
무게중심 위치에 있어서, 임펠러의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락했을 때는, 그 파단 혹은 탈락한 부분은 중량이 커, 축선 방향에 직교하는 직경 방향으로 비산할 때의 충격력은 큰 것이 된다.
따라서, 본 실시형태에서는, 이 연결 위치에 공기 안내통(12) 및 스크롤부(13)를 주체로서 구성하는 주철보다 연성이 높은 철강 재료로 주로 구성되는 제1 컨테인먼트 링(14’)(환상 부재)을 마련하여, 임펠러(11)의 무게중심 위치로부터 축선(X) 방향에 직교하는 직경 방향으로 비산하는 경우에도, 파단 혹은 탈락한 임펠러(11)의 전부 또는 일부(파단 부재)가 충돌하도록 배치했다. 파단 부재의 충돌에 의하여 공기 안내통(12)이 취성 파괴되어 버리는 경우이더라도, 연성이 높은 제1 컨테인먼트 링(14’)으로의 충돌로는 취성 파괴에 이르지 않고 소성 변형하는 것에 그친다. 따라서, 파단 부재가 과급기(200)의 외부로 비산하는 문제를 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 공기 안내통(12)보다 직경 방향의 외주측 또한 스크롤부(13)보다 직경 방향의 내주측에, 공기 안내통(12)보다 연성이 높은 재료로 구성되는 제2 컨테인먼트 링(15’)을 배치했다. 이 제2 컨테인먼트 링(15’)의 토출구(11b)측의 단부(15a’)와 제1 컨테인먼트 링(14’)의 취입구(11a)측의 단부(14a’)가, 축선(X) 방향에서 중첩됨과 함께 직경 방향으로 근접한 위치에 배치되어 있다.
이로 인하여, 파단 부재가 외부로 비산하여, 직경 방향의 내주측에 배치되는 제1 컨테인먼트 링(14’)에 충돌하는 경우, 충격을 받은 단부(14a’)가 직경 방향의 외주측을 향하여 이동하여 제2 컨테인먼트 링(15)의 단부(15a’)에 충돌한다. 이로써, 제2 컨테인먼트 링(15’)과 제1 컨테인먼트 링(14’)의 사이에 간극이 발생하는 것이 규제된다. 제2 컨테인먼트 링(15’) 및 제1 컨테인먼트 링(14’) 모두, 공기 안내통(12)보다 연성이 높기 때문에, 충돌에 의한 충격이 제2 컨테인먼트 링(15’) 및 제1 컨테인먼트 링(14’)의 쌍방이 소성 변형함으로써 흡수된다.
본 실시형태에서는, 제1 컨테인먼트 링(14’)이 배치되는 축선(X) 방향의 위치 범위에, 임펠러(11)의 축선(X) 방향의 무게중심 위치 P1이 존재하고 있다.
임펠러(11)의 무게중심 위치 P1 혹은 무게중심 위치 P1 근방의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락했을 때는, 그 파단 혹은 탈락한 부분은 중량이 커, 축선(X) 방향에 직교하는 직경 방향으로 비산할 때의 충격력은 큰 것이 된다.
따라서, 본 실시형태에서는, 제1 컨테인먼트 링(14’)이 배치되는 축선(X) 방향의 위치 범위에, 임펠러(11)의 축선(X) 방향의 무게중심 위치 P1이 존재하도록 하고 있다. 이로써, 임펠러(11)의 무게중심 위치 P1 혹은 무게중심 위치 P1 근방의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락했을 때에, 그 파단 혹은 탈락한 부분을 제1 컨테인먼트 링(14’)에 충돌시켜, 임펠러(11)의 전부 또는 일부가 외부로 비산하는 문제를 억제할 수 있다.
본 실시형태의 과급기(200)가 구비하는 원심 압축기(10)에 의하면, 로터축(30)의 회전수가 높아져 토출구(11b)로부터 토출되는 압축 공기의 압력이 높아짐에 따라, 제1 컨테인먼트 링(14’)이 압축 공기로부터 받는 압력이 높아진다. 제1 컨테인먼트 링(14’)이 유로(11e)측에 갖는 환상 돌기부(14b)는, 공기 안내통(12)이 유로(11e)측에 갖는 환상 단부(12a)에 배치되어 있다. 이로 인하여, 제1 컨테인먼트 링(14’)이 압축 공기로부터 받는 압력이 높아짐에 따라, 환상 돌기부(14b)와 환상 단부(12a)의 접촉력이 높아진다. 이로써, 제1 컨테인먼트 링(14’)과 공기 안내통(12)의 접속 위치에 있어서 압축 공기가 누출되는 문제가 억제된다.
본 실시형태의 과급기(200)가 구비하는 원심 압축기(10)에 의하면, 연결 위치에 있어서의 스크롤부(13)의 직경 방향의 내주측 단면(13f)과 제1 컨테인먼트 링(14’)의 직경 방향의 외주측 단면(14c)의 사이에 O링(13h) 및 O링(14e)(환상 시일 부재)이 배치된다. 이와 같이 함으로써, 스크롤부(13)와 제1 컨테인먼트 링(14’)이 대향하는 위치에 있어서 압축 공기가 누출되는 문제가 억제된다.
본 실시형태의 공기 안내통(12) 및 스크롤부(13)는, 주조에 의하여 제조된 금속 부재로 형성되어 있다. 이 금속 부재로서, 복잡한 형상을 제조하기 쉬운 회주철이나 덕타일 주철을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 제1 컨테인먼트 링(14’) 및 제2 컨테인먼트 링(15’)은, 압연에 의하여 제조된 금속 부재로 형성되어 있다. 이 금속 부재로서, 주철재보다 연성이 높고, 충격 하중에 대해서도 소성 변형함으로써 파손에 이르기 어려운 SS400으로 불리는 일반 구조용 압연 강재를 이용하는 것이 바람직하다.
이와 같이 함으로써, 압연에 의하여 제조된 금속 부재인 제1 컨테인먼트 링(14’) 및 제2 컨테인먼트 링(15’)의 연성을, 주조에 의하여 제조된 금속 부재인 공기 안내통(12) 및 스크롤부(13)의 연성보다 높게 할 수 있다.
〔다른 실시형태〕
이상의 설명에 있어서, 원심 압축기(10)가 구비하는 임펠러(11)가 연결되는 로터축(30)은, 선박용 디젤 기관으로부터 배출되는 배기 가스에 의하여 회전하는 터빈(20)에 의하여 축선(X) 둘레로 회전하는 것이었지만, 다른 양태여도 된다. 예를 들면, 로터축(30)은, 로터축(30)에 연결된 모터 등의 다른 동력원에 의하여 회전하는 것이어도 된다.
이상의 설명에 있어서, 제1 컨테인먼트 링(14, 14’)이 배치되는 축선(X) 방향의 위치 P1은, 임펠러(11)의 무게중심 위치와 일치하는 위치인 것으로 했다. 이상의 설명에 있어서의, “일치한다”란, 위치 P1과 무게중심 위치가 엄밀하게 일치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 위치 P1이, 무게중심 위치 근방에 배치되는 경우이더라도, 위치 P1이 임펠러(11)의 무게중심 위치와 일치하고 있는 것으로 한다. 즉, 위치 P1이, 무게중심 위치에서 특히 커지는 임펠러(11)에 의한 직경 방향으로의 충격력을 받아 들이는 것이 가능한 위치이면, 위치 P1이 임펠러(11)의 무게중심 위치와 일치하고 있는 것으로 한다.
또한, 이상의 설명에 있어서, 제1 컨테인먼트 링(14, 14’)의 외주면의 반경(D1)과, 제2 컨테인먼트 링(15, 15’)의 외주면의 반경(D2)은, 일치하는 것으로 했다. 이상의 설명에 있어서의 “일치한다”란, 반경(D1)과 반경(D2)이 엄밀하게 일치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 반경(D1)과 반경(D2)이 상이한 경우이더라도, 제1 컨테인먼트 링(14, 14’)과 제2 컨테인먼트 링(15, 15’)의 사이에, 파단 부재가 통과하지 않을 정도의 간극이 마련되는 경우는, 반경(D1)과 반경(D2)이 일치하고 있는 것으로 한다.
제2 실시형태에 있어서, 제1 컨테인먼트 링(14’)의 형상 및 제2 컨테인먼트 링(15’)의 형상은, 도 6에 나타내는 것이었지만, 다른 양태여도 된다.
예를 들면, 도 7에 나타내는 바와 같이, 제1 컨테인먼트 링(14’)의 단부(14a’)를 취입구(11a)측을 향하여 점차 외경이 작아지는 테이퍼 형상으로 하고, 제2 컨테인먼트 링(15’)의 단부(15a’)를 토출구(11b)측을 향하여 점차 내경이 커지는 테이퍼 형상으로 해도 된다. 이와 같이 함으로써, 조립을 용이하게 행할 수 있다.
또 예를 들면, 도 8에 나타내는 바와 같이, 제2 컨테인먼트 링(15’)의 단부(15a’)의 형상을 단부(15a’) 이외의 다른 부분의 형상과 동일하게 해도 된다. 이 경우, 제2 컨테인먼트 링(15’)은, 취입구(11a)측의 단부로부터 토출구(11b)측의 단부에 이르기까지 축선(X)에 직교하는 직경 방향의 판두께가 대략 일정해진다.
이와 같이 함으로써, 축선(X) 방향의 어느 위치에 파단 부재가 충돌해도, 충돌에 의한 충격력에 따른 소성 변형량이 동일한 정도가 된다. 따라서, 제2 컨테인먼트 링(15’)은, 축선(X) 방향의 어느 위치에 있어서도 일정한 충격 흡수 성능을 발휘할 수 있다.
또 예를 들면, 도 9에 나타내는 바와 같이, 제1 컨테인먼트 링(14’)의 단부(14a’)를 외주측에 배치하고, 제2 컨테인먼트 링(15’)의 단부(15a’)를 내주측에 배치해도 된다.
10 원심 압축기
11 임펠러
11a 취입구
11b 토출구
11e 유로
12 공기 안내통(안내통)
12a 환상 단부
13 스크롤부
13a 디퓨저
13c 외측 스크롤 케이싱
13d 내측 스크롤 케이싱
14, 14’ 제1 컨테인먼트 링(환상 부재)
14b 환상 돌기부
15, 15’ 제2 컨테인먼트 링(원통 형상 부재)
30 로터축
100, 200 과급기

Claims (9)

  1. 로터축에 장착됨과 함께 취입구로부터 유입되는 유체를 압축하여 토출구로부터 토출하는 임펠러와,
    상기 임펠러를 수용하는 안내통과,
    상기 안내통보다 외주측에 배치됨과 함께 상기 토출구로부터 토출된 압축 유체가 유입되는 스크롤부와,
    상기 로터축의 축선 둘레로 상기 임펠러를 둘러싸도록 상기 안내통의 상기 토출구측과 상기 스크롤부의 연결 위치에 장착되는 환상 부재를 구비하고,
    상기 환상 부재는, 상기 안내통과 함께 상기 토출구로부터 토출되는 상기 압축 유체가 유통하는 유로의 유로벽을 형성하고,
    상기 안내통보다 상기 축선에 직교하는 직경 방향의 외주측 또한 상기 스크롤부보다 상기 직경 방향의 내주측에 상기 로터축과 동축에 배치되는 원통 형상 부재를 구비하고,
    상기 원통 형상 부재의 단부와 상기 환상 부재의 단부가, 상기 직경 방향에서 중첩됨과 함께 상기 직경 방향으로 근접한 위치에 배치되어 있는 원심 압축기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 환상 부재는, 상기 안내통보다 연성이 높은 재료로 구성되어 있는 원심 압축기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 환상 부재가 배치되는 상기 축선 방향의 위치 범위에, 상기 임펠러의 상기 축선 방향의 무게중심 위치가 존재하는 원심 압축기.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 환상 부재는, 상기 축선에 직교하는 직경 방향의 내주측 또한 상기 축선 방향의 상기 유로측에, 상기 직경 방향의 내측으로 돌출하는 환상 돌기부를 갖고,
    상기 연결 위치에 있어서의 상기 안내통은, 상기 직경 방향의 외주측 또한 상기 축선 방향의 상기 유로측에 환상 단부를 가지며,
    상기 안내통과 상기 환상 부재는, 상기 환상 단부에 상기 환상 돌기부를 배치한 상태로 접속되어 있는 원심 압축기.
  8. 청구항 1, 청구항 2, 청구항 6 및 청구항 7 중 어느 한 항에 따른 원심 압축기와,
    내연 기관으로부터 배출된 배기 가스에 의하여 상기 축선 둘레로 회전함과 함께 상기 로터축에 연결되는 터빈을 구비하는 과급기.
  9. 취입구로부터 유입되는 유체를 압축하여 토출구로부터 토출하는 임펠러를 로터축에 장착하는 공정과,
    상기 임펠러를 수용하도록 안내통을 장착하여 상기 취입구로부터 유입되는 유체를 상기 토출구로 유도하는 유로를 형성하는 공정과,
    상기 토출구로부터 토출된 압축 유체가 유입되는 스크롤부를, 상기 안내통보다 상기 로터축의 축선 방향에 직교하는 직경 방향의 외주측에 배치하는 공정과,
    상기 축선 둘레로 상기 임펠러를 둘러싸도록 상기 안내통과 상기 스크롤부의 연결 위치에 환상 부재를 장착하는 공정과,
    상기 안내통보다 상기 축선에 직교하는 직경 방향의 외주측 또한 상기 스크롤부보다 상기 직경 방향의 내주측에 상기 로터축과 동축에 원통 형상 부재를 배치하는 공정과,
    상기 원통 형상 부재의 단부와 상기 환상 부재의 단부가, 상기 직경 방향에서 중첩됨과 함께 상기 직경 방향으로 근접한 위치에 배치되도록 하는 공정을 포함하고,
    상기 장착하는 공정은, 상기 안내통과 함께 상기 토출구로부터 토출되는 상기 압축 유체가 유통하는 유로의 유로벽을 형성하도록 상기 연결 위치에 상기 환상 부재를 장착하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 제조 방법.
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