JP2008163760A - ラジアルインペラ、過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】ラジアルインペラの重量の増大を最小限に抑えながらラジアルインペラの剛性を向上させる。
【解決手段】ディスクｄの一面に複数の羽根ｗが立設されたラジアルインペラであって、ディスクｄの厚さは、羽根ｗ根元近傍で厚く他の領域で薄く成形されている。ディスクｄの羽根ｗが立設された面を盛り上げることにより、ディスクｄの厚さが羽根根元近傍で厚く成形されている。ディスクｄの羽根ｗが立設された面の背面を盛り上げることにより、ディスクｄの厚さが羽根根元近傍で厚く成形されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ラジアルインペラ、過給機に関する。

ラジアルインペラは、過給機のタービンインペラやコンプレッサインペラとして用いられている。過給機は、内燃機関の排気ガスによりタービンインペラを回転駆動させると共にタービンインペラに連結された回転軸を回転させ、この回転軸の回転駆動によってコンプレッサインペラを回転させて気体を圧縮し、高圧になった気体を内燃機関に供給することで、内燃機関の出力や効率を向上させるものである。

ラジアルインペラは、図４に示すように、高速回転中の遠心力により、羽根が外周方向に引張られるため、ディスクに（特に羽根とディスクとの接合部近傍である羽根根元）に高い応力が発生する。この高応力に耐えられるように、ディスクが所定の強度を有するよう形状を設計する必要がある。
この場合、従来は、図３（ａ）の模式断面図に示すように、ディスクｄが一面に均一に厚くされたり、或いは、下記特許文献１に開示されているように、ディスク背面にインペラの軸心と同心の円形のリブが形成されたり、更には特許文献２に開示されているように、ディスク外周部が内周部よりも厚く形成されたりしている。
特開２００５−１５５４４６号公報 特開２００１−３０４１８１号公報

上記の従来のような手法によると、ラジアルインペラの強度が向上する効果は得られるが、その一方、重量が増すために慣性モーメントが増大し、回転に対する応答性が悪化するという不都合がある。
また、このようなラジアルインペラの素材が鋳物である場合、重量バランスが軸心に対して僅かに非対称である場合があり、重量アンバランスが大きくなり、回転が不安定になる。更に、上記特許文献２のようにラジアルインペラの軸心から遠い位置の重量を増した場合には、より回転が不安定になる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、ラジアルインペラの重量の増大を最小限に抑えながらラジアルインペラの強度を向上させることを目的とする。また、このようなラジアルインペラを備えた過給機を提案することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、第１の手段として、ディスクの一面に複数の羽根が立設されたラジアルインペラであって、前記ディスクの厚さは、前記羽根根元近傍で厚く他の領域で薄く成形されていることを特徴とするラジアルインペラを採用した。
ここで、ディスクの厚さとは、羽根がディスクに取り付けられたディスク面の所定の位置からラジアルインペラの回転軸に平行な方向に延びたディスク背面までの距離である。

また、第２の手段として、上記第１の手段に係るラジアルインペラにおいて、前記ディスクの前記羽根が立設された面を盛り上げることにより、前記ディスクの厚さが前記羽根根元近傍で厚く成形されているものを採用した。

第３の手段として、上記第１の手段に係るラジアルインペラにおいて、前記ディスクの前記羽根が立設された面の背面を盛り上げることにより、前記ディスクの厚さが前記羽根根元近傍で厚く成形されているものを採用した。

第４の手段として、上記第１又は２の手段に係るラジアルインペラにおいて、隣り合う前記羽根の根元が複数の円弧の組み合わせからなる曲線によって繋がれる形状にすることにより、前記ディスクの厚さが前記羽根根元近傍で厚く他の領域で薄く成形されているものを採用した。

第５の手段として、上記第１又は２の手段に係るラジアルインペラにおいて、隣り合う前記羽根の根元が複数の変曲点を有する曲線によって繋がれる形状にすることにより、前記ディスクの厚さが前記羽根根元近傍で厚く他の領域で薄く成形されているものを採用した。

第６の手段として、上記第１又は３の何れかの手段に係るラジアルインペラにおいて、前記ディスクの前記羽根が立設された面の背面に、放射状の稜線を有する凹凸が形成されることにより、前記ディスクの厚さが前記羽根根元近傍で厚く他の領域で薄く成形されているものを採用した。

第７の手段として、上記第６の手段に係るラジアルインペラにおいて、前記凹凸の輪郭は、複数の円弧の組み合わせからなるものを採用した。

更に、本発明では、第８の手段として、内燃機関からの排気ガスによりタービンインペラを回転駆動し該タービンインペラに連結され前記タービンインペラの回転駆動に伴って回転するコンプレッサインペラによって吸気した外気を圧縮して排出する過給機であって、前記タービンインペラ又は／及び前記コンプレッサインペラが、前記請求項１から７の何れかに記載のラジアルインペラであることを特徴とする過給機を採用した。

本発明によれば、ラジアルインペラが備えるディスクの羽根の根元近傍、即ち高応力発生領域でディスク厚が厚くされるので、ディスクの高応力発生領域の強度を高めることができると共に、発生応力を緩和することができる。更に、発生応力が低い羽根間のディスク厚は、所定の強度が得られる程度まで薄くできるため、ラジアルインペラの重量の増大を抑えることができる。この場合、ラジアルインペラがタービンインペラである場合には、ディスク外周部を薄くすることによってディスク縁部での排気ガスとの衝突による損失が低減されるので、効率を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態における過給機１０の構成を示す模式図である。過給機１０は、タービンインペラ１１、コンプレッサインペラ１２、シャフト１３、ハウジング１４、軸受１５、ノズル部１６等を備えている。

図２は、タービンインペラ１１の外観を示す斜視図である。
タービンインペラ１１及びコンプレッサインペラ１２は、ディスクｄの一面に複数の羽根ｗが立設されたラジアルインペラである。タービンインペラ１１は、その外周部から流入して隣り合う羽根ｗ間を流れて軸線方向へ抜ける排気ガスＧによってトルクを受けて回転する。コンプレッサインペラ１２は、回転駆動されることによりディスクｄの羽根ｗが立設された側に軸線方向から流入する外気を圧縮する。

図３は、タービンインペラ１１のディスクｄ及び羽根ｗをタービンインペラ１１の外周側から見た状態を展開した一部を示す展開図である。本実施形態のタービンインペラ１１のディスクｄの厚さは、羽根ｗの根元近傍で厚くされており、他の領域で所定の剛性を満足するに足る程度まで薄くされている。ディスクｄの羽根ｗとの位置関係による厚さの変化させ方としては、例えば図３（ｂ）〜（ｅ）に示すものがある。

図３（ａ）は、比較のために示す従来のディスクｄ’である。図４は、従来のタービンインペラ１１’のディスクｄ’にかかる応力を示す図である。この図に示すように、従来のディスクｄ’では、羽根ｗの根元近傍において高い応力が発生する傾向にある。従来のディスクｄ’は、羽根ｗ’の根元近傍における高応力に耐えるものとするために、一面に均一に厚くされている。ここで、羽根ｗ’の根元の円弧Ｒ１１及びＲ１２は、フィレットアールと呼ばれるもので、タービンインペラ１１’の羽根根元の局所的な応力集中を緩和するにあたって必要なものである。

図３（ｂ）は、ディスクｄの排気ガスＧの流路となる側、即ち羽根ｗが立設されている面を盛り上げたものであって、羽根ｗの根元が３つの円弧Ｒ２１〜Ｒ２３からなる曲線によって繋がれる形状にされている。ここで、円弧Ｒ２１及びＲ２２は、通常フィレットアールとして設けられる円弧よりも大径の円弧であって、円弧Ｒ２３によって滑らかに連結されている。

図３（ｃ）は、ディスクｄの排気ガスＧの流路とならない側、即ち羽根ｗが立設されている面の背面を盛り上げたものであって、各羽根ｗの根元にあたる位置を円弧Ｒ３１で盛り上げ、隣り合う羽根ｗの間を円弧Ｒ３２でへこませている。なお、羽根ｗの根元の円弧Ｒ３３及びＲ３４は、フィレットアールと呼ばれるもので、タービンインペラ１１の羽根根元の局所的な応力集中を緩和するあたって必要なものである。

図３（ｄ）は、ディスクｄの両面において羽根ｗの根元近傍を厚くしたものであって、ディスクｄの羽根ｗが立設されている面では羽根ｗの根元が３つの円弧Ｒ４１〜Ｒ４３からなる曲線によって繋がれる形状にされており、その背面では各羽根ｗの根元にあたる位置を円弧Ｒ４４で盛り上げ、隣り合う羽根ｗの間を円弧Ｒ４５でへこませている。ここで、円弧Ｒ４１及びＲ４２は、通常フィレットアールとして設けられる円弧よりも大径の円弧であって、円弧Ｒ２３によって滑らかに連結されている。

図３（ｅ）は、ディスクｄの排気ガスＧの流路となる側、即ち羽根ｗが立設されている面を盛り上げたものであって、隣り合う羽根ｗの根元が２つの変曲点ｐ１，ｐ２を有する曲線によって繋がれる形状にされている。言い換えると、ディスクｄの羽根ｗが立設されている面が羽根ｗの根元から羽根間中央に向かうに従い、排気ガスＧの流れ方向に対して凸形状の曲線から凹形状の曲線に変化するような変曲点を有する曲線によって繋がれる形状にされている。ここで、円弧Ｒ５１及びＲ５２は、フィレットアールと呼ばれるもので、タービンインペラ１１の羽根根元の局所的な応力集中を緩和するにあたって必要なものである。

図１に戻り、シャフト１３は、タービンインペラ１１とコンプレッサインペラ１２とを連結する。シャフト１３の軸心と、タービンインペラ１１及びコンプレッサインペラ１２の回転軸とは、同心である。
タービンインペラ１１とシャフト１３とは溶接等により一体化され、コンプレッサインペラ１２とシャフト１３とはナット等を介して結合されている。

ハウジング１４は、上記タービンインペラ１１、コンプレッサインペラ１２及びシャフト１３を囲むものである。該ハウジング１４は、タービンハウジング２１、ベアリングハウジング２２、シールプレート２３、及びコンプレッサハウジング２４等が順次連結されることにより構成されている。
軸受１５は、ハウジング１４内でシャフト１３を回転自在に支持するものである。

タービンハウジング２１は、外周部から突出した排気ガス導入路３１を有している。この排気ガス導入路３１は、内燃機関Ｅの排気口Ｅ２に接続されて、内燃機関Ｅが排出する排気ガスＧをタービンハウジング２１内に導き入れる。また、タービンハウジング２１には、シャフト１３の同軸上に位置させて排気ガス排出口３２が形成されている。この排気ガス排出口３２は、排気筒（図示せず）等に接続される。

ベアリングハウジング２２は、軸受１５を位置固定するものである。シールプレート２３は、ベアリングハウジング２２とコンプレッサハウジング２４との間に設けられ、コンプレッサハウジング２４からベアリングハウジング２２への空気の流入を防ぐ。

コンプレッサハウジング２４には、シャフト１３と同軸上に位置させて吸気口３３が形成されている。この吸気口３３から外気が吸引される。
また、コンプレッサハウジング２４は、外周側から突出した吐出流路３４を有している。この吐出流路３４は、内燃機関Ｅの給気口Ｅ１に接続されて、加圧空気を内燃機関Ｅへと導く。

このような構成により、内燃機関Ｅが排出する高温・高圧の排気ガスＧが、排気ガス導入路３１よりタービンハウジング２１内に導入されて、タービンインペラ１１を回転させた後に、排気ガス排出口３２より外部へ排気される。そして、タービンインペラ１１の回転は、シャフト１３を介してコンプレッサインペラ１２に伝達され、コンプレッサインペラ１２を回転させる。これにより、吸気口３３から外気が、コンプレッサハウジング２４内に吸入され、圧縮された後に、吐出流路３４を通過して、内燃機関Ｅに供給される。

タービンインペラ１１の回転駆動中には羽根ｗの根元近傍に高応力が発生するが、本実施形態のディスクｄは、羽根ｗの根元近傍において厚く形成されているので、ディスクの高応力発生領域の剛性を高めることができると共に、応力集中を緩和することができる。
また、本実施形態のタービンインペラ１１は、ディスクｄの羽根間の厚さを所定の剛性を満足するに足る程度まで薄くされているため、羽根ｗの根元近傍を厚くすることによるタービンインペラ１１の重量の増大を抑えることができる。更に、タービンインペラ１１のディスクｄの羽根間を薄くしたことによってディスクｄの縁部での排気ガスＧとの衝突による損失が低減されるので、効率を向上させることができる。

なお、本実施形態では、タービンインペラ１１を例として本発明のラジアルインペラの説明をしているが、コンプレッサインペラ１２に同様の構成を適用してもよい。
また、斜流タービンや斜流コンプレッサのインペラに、本実施形態のタービンインペラ１１のような構成を適用してもよい。即ち、斜流タービンや斜流コンプレッサのディスクの厚さを、上記実施形態のような構成により、羽根の根元近傍で厚く他の領域で薄く成形してもよい。

本発明の一実施形態における過給機の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態におけるタービンインペラの外観を示す斜視図である。 本発明の一実施形態におけるタービンインペラのディスク及び羽根をタービンインペラの外周側から見た状態を展開した一部を示す展開図である。 従来のタービンインペラのディスクにかかる応力を示す模式図である。

符号の説明

１０…過給機、 １１…タービンインペラ（ラジアルインペラ）、 ｄ…ディスク、 ｗ…羽根、 １２…コンプレッサインペラ、 Ｅ…内燃機関、 Ｇ…排気ガス

Claims (8)

1. ディスクの一面に複数の羽根が立設されたラジアルインペラであって、
   前記ディスクの厚さは、前記羽根根元近傍で厚く他の領域で薄く成形されている
   ことを特徴とするラジアルインペラ。
2. 前記ディスクの前記羽根が立設された面を盛り上げることにより、
   前記ディスクの厚さが前記羽根根元近傍で厚く成形されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のラジアルインペラ。
3. 前記ディスクの前記羽根が立設された面の背面を盛り上げることにより、
   前記ディスクの厚さが前記羽根根元近傍で厚く成形されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のラジアルインペラ。
4. 隣り合う前記羽根の根元が複数の円弧の組み合わせからなる曲線によって繋がれる形状にすることにより、
   前記ディスクの厚さが前記羽根根元近傍で厚く他の領域で薄く成形されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のラジアルインペラ。
5. 隣り合う前記羽根の根元が複数の変曲点を有する曲線によって繋がれる形状にすることにより、
   前記ディスクの厚さが前記羽根根元近傍で厚く他の領域で薄く成形されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のラジアルインペラ。
6. 前記ディスクの前記羽根が立設された面の背面に、放射状の稜線を有する凹凸が形成されることにより、
   前記ディスクの厚さが前記羽根根元近傍で厚く他の領域で薄く成形されている
   ことを特徴とする請求項１又は３の何れかに記載のラジアルインペラ。
7. 前記凹凸の輪郭は、複数の円弧の組み合わせからなる
   ことを特徴とする請求項６に記載のラジアルインペラ。
8. 内燃機関からの排気ガスによりタービンインペラを回転駆動し該タービンインペラに連結され前記タービンインペラの回転駆動に伴って回転するコンプレッサインペラによって吸気した外気を圧縮して排出する過給機であって、
   前記タービンインペラ又は／及び前記コンプレッサインペラが、前記請求項１から７の何れかに記載のラジアルインペラであることを特徴とする過給機。

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