JP6019701B2

JP6019701B2 - 過給機

Info

Publication number: JP6019701B2
Application number: JP2012096949A
Authority: JP
Inventors: 藤原　隆; 隆藤原; 太治木村
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2032-04-20
Also published as: JP2013224614A

Description

本発明は、全羽根と半羽根が交互に配されたコンプレッサインペラを備える過給機に関する。

従来、一端にタービンインペラが設けられ他端にコンプレッサインペラが設けられたタービン軸が、ベアリングハウジングに回転自在に保持された過給機が知られている。こうした過給機をエンジンに接続し、エンジンから排出される排気ガスによってタービンインペラを回転させるとともに、このタービンインペラの回転によって、タービン軸を介してコンプレッサインペラを回転させる。こうして、過給機は、コンプレッサインペラの回転に伴い空気を圧縮してエンジンに過給する。

コンプレッサインペラは、ハブと、ハブの周囲に配された複数の羽根が一体成型されたものである。このハブと、複数の羽根と、シュラウド（ハウジング）とを壁面として、空気が圧縮される流路が形成されている。特許文献１に示されるように、コンプレッサインペラの断面におけるハブの輪郭線であるハブラインは曲線となっていることから、上記流路に面するハブ側の壁面は流線形状を成しており、空気の圧力損失が抑制されている。

特許第４２０９３６２号

ところで、過給機のコンプレッサインペラにおいては、空気の吸引効率を向上するため、全羽根と、全羽根より軸方向の長さが短い半羽根が、ハブの周囲に交互に配される場合がある。ハブと半羽根が連続する半羽根の付け根部分は、応力集中を抑制するため曲面となっている。

しかし、半羽根の軸方向の一端であるリーディングエッジ部は、付け根部分において、両隣に設けられた全羽根との翼間が狭い。そのため、付け根部分に十分な曲率半径となる曲面を形成することが困難であり、半羽根は、応力集中によって耐久性が低下するおそれがある。

本発明の目的は、コンプレッサインペラの半羽根への応力集中を抑制し、半羽根の耐久性を向上することができる過給機を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の過給機は、過給機本体と、前記過給機本体に回転自在に支持されたタービン軸と、前記タービン軸の一端に固定され、全羽根、および、該全羽根よりも軸方向の長さが短い半羽根が、ハブの外周に交互に配されたコンプレッサインペラと、を備え、前記コンプレッサインペラの前記タービン軸の軸心を含む断面において、前記ハブの輪郭線であるハブラインは、該タービン軸の軸方向から該タービン軸の径方向外方に曲がる曲線である連続曲線を含み、前記連続曲線は、前記タービン軸の径方向に延伸する仮想線に接する第１円弧と、該第１円弧より径方向内方に位置して該第１円弧と連続する第２円弧とを含み、前記第２円弧は、前記第１円弧よりも曲率半径が大きく、前記第１円弧と前記第２円弧が接続する位置は、前記半羽根の軸方向の一端側と前記連続曲線が交わる位置より径方向外方であり、前記半羽根の軸方向の一端は、前記タービン軸の軸方向の位置が前記第２円弧の範囲に含まれることを特徴とする。

前記ハブラインは、前記第２円弧より前記径方向内方に位置して該第２円弧と連続し、曲率半径が前記第１円弧よりも小さい第３円弧をさらに含んでもよい。

本発明によれば、コンプレッサインペラの半羽根への応力集中を抑制し、半羽根の耐久性を向上することができる。

過給機の概略断面図である。コンプレッサインペラのタービン軸の軸心を含む面による断面図である。ハブラインの形状を説明するための説明図である。ハブラインの形状を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、過給機Ｃの概略断面図である。以下では、図１に示す矢印Ｆ方向を過給機Ｃの前側とし、矢印Ｒ方向を過給機Ｃの後側として説明する。図１に示すように、過給機Ｃは、過給機本体１を備えて構成される。この過給機本体１は、ベアリングハウジング２と、ベアリングハウジング２の前側に締結ボルト３によって連結されるタービンハウジング４と、ベアリングハウジング２の後側に締結ボルト５によって連結されるコンプレッサハウジング６と、が一体化されて形成されている。

ベアリングハウジング２には、過給機Ｃの前後方向に貫通する軸受孔２ａが形成されており、この軸受孔２ａにタービン軸７が軸受を介して回転自在に支持されている。タービン軸７の前端部（一端）にはタービンインペラ８が一体的に固定されており、このタービンインペラ８がタービンハウジング４内に回転自在に収容されている。また、タービン軸７の後端部（他端）にはコンプレッサインペラ９が一体的に固定されており、このコンプレッサインペラ９がコンプレッサハウジング６内に回転自在に収容されている。

コンプレッサハウジング６には、過給機Ｃの後側に開口するとともに不図示のエアクリーナに接続される吸気口１０が形成されている。また、締結ボルト５によってベアリングハウジング２とコンプレッサハウジング６とが連結された状態では、これら両ハウジング２、６の対向面によって、空気を圧縮して昇圧するディフューザ流路１１が形成される。このディフューザ流路１１は、タービン軸７（コンプレッサインペラ９）の径方向内側から外側に向けて環状に形成されており、上記の径方向内側において、コンプレッサインペラ９を介して吸気口１０に連通している。

また、コンプレッサハウジング６には、ディフューザ流路１１よりもタービン軸７（コンプレッサインペラ９）の径方向外側に位置する環状のコンプレッサスクロール流路１２が設けられている。コンプレッサスクロール流路１２は、不図示のエンジンの吸気口と連通するとともに、ディフューザ流路１１にも連通している。したがって、コンプレッサインペラ９が回転すると、吸気口１０からコンプレッサハウジング６内に流体が吸気されるとともに、当該吸気された流体は、ディフューザ流路１１およびコンプレッサスクロール流路１２で昇圧されてエンジンの吸気口に導かれることとなる。

タービンハウジング４には、過給機Ｃの前側に開口するとともに不図示の排気ガス浄化装置に接続される吐出口１３が形成されている。また、タービンハウジング４には、流路１４と、この流路１４よりもタービン軸７（タービンインペラ８）の径方向外側に位置する環状のタービンスクロール流路１５とが設けられている。タービンスクロール流路１５は、エンジンの排気口から排出される排気ガスが導かれる不図示のガス流入口と連通するとともに、上記の流路１４にも連通している。したがって、ガス流入口からタービンスクロール流路１５に導かれた排気ガスは、流路１４およびタービンインペラ８を介して吐出口１３に導かれるとともに、その流通過程においてタービンインペラ８を回転させることとなる。そして、上記のタービンインペラ８の回転力は、タービン軸７を介してコンプレッサインペラ９に伝達されることとなり、コンプレッサインペラ９の回転力によって、上記のとおりに、流体が昇圧されてエンジンの吸気口に導かれることとなる。

図２は、コンプレッサインペラのタービン軸７の軸心７ａを含む面による断面図である。ただし、図２では、理解を容易とするため、タービン軸７の軸心７ａより鉛直上方のみを示す。

図２に示すように、コンプレッサインペラ９は、ハブ（ホイール）２０と、複数の羽根（ブレード）２１と、を有する。

ハブ２０は、上面２０ａの面積が底面２０ｂの面積より小さく、上面２０ａから底面２０ｂに向かって径方向外方に広がる外周面２０ｃを有する。そして、ハブ２０は、底面２０ｂおよび上面２０ａの中央を中心として回転する回転体である。ハブライン２２は、図２に示すコンプレッサインペラ９の断面における、ハブ２０の外周面２０ｃの輪郭線である。

また、ハブ２０には、上面２０ａから底面２０ｂまで貫通する貫通孔２０ｄが設けられており、この貫通孔２０ｄにタービン軸７が挿通される。そして、タービン軸７の端部を上面２０ａから突出させ、この突出した部分に設けられたネジ溝にナット締めすることで、タービン軸７にハブ２０が固定される。

羽根２１は、ハブ２０と鋳造などによって一体成型された薄板形状の部材であって、ハブ２０の外周面２０ｃに、互いに周方向に離隔して複数配される。この羽根２１は、ハブ２０の外周面２０ｃから径方向外方に延在し、ハブ２０の周方向に傾斜するように屈曲している。

また、羽根２１は、全羽根（長羽根、フルブレード）２３と、全羽根２３より軸方向の長さが短い半羽根（短羽根、ハーフブレード）２４とで構成され、全羽根２３と半羽根２４とが周方向に交互に配されている。ここでは、全羽根２３のうち、半羽根２４の後側に隠れた部分を一点鎖線で示す。

このように、半羽根２４を全羽根２３の間に配する構成により、同数の羽根２１をすべて全羽根２３で構成する場合に比べ、過給機Ｃは、空気の吸引効率が向上する。以下、単に羽根２１という場合、全羽根２３および半羽根２４の両方を示す。

羽根２１は、コンプレッサインペラ９が起こす空気の流れ方向（以下、単に流れ方向と称す）の上流側の端部となるリーディングエッジ部２３ａ、２４ａを有する。半羽根２４の軸方向の一端であるリーディングエッジ部２４ａは、全羽根２３の軸方向の一端であるリーディングエッジ部２３ａより流れ方向の上流側に位置する。

大径部２３ｂは、全羽根２３において最大径となる部位であって、流れ方向の下流側の端部となる。傾斜部２３ｃは、リーディングエッジ部２３ａおよび大径部２３ｂを繋ぐ部位であって、リーディングエッジ部２３ａの一端から大径部２３ｂの一端まで、径方向外方に向かって曲線的に延在する。

同様に、大径部２４ｂは、半羽根２４において最大径となる部位であって、流れ方向の下流側の端部となる。傾斜部２４ｃは、リーディングエッジ部２４ａおよび大径部２４ｂを繋ぐ部位であって、リーディングエッジ部２４ａの一端から大径部２４ｂの一端まで、径方向外方に向かって曲線的に延在する。図２においては、全羽根２３および半羽根２４の大径部２３ｂ、２４ｂと傾斜部２３ｃ、２４ｃとはそれぞれ重なって図示される。

上述したように、コンプレッサインペラ９はコンプレッサハウジング６に収容されており、コンプレッサハウジング６のうち、コンプレッサインペラ９の羽根２１の傾斜部２３ｃと対向するのがシュラウド（不図示）である。

このように、ハブ２０、複数の羽根２１、およびシュラウドを壁面として、空気が流れる流路２５が形成されている。この流路２５は、上流側（リーディングエッジ部２３ａ、２４ａ側）から下流側（大径部２３ｂ、２４ｂ側）に向かって狭くなっている。そして、コンプレッサインペラ９（タービン軸７）が回転すると、流路２５内の空気は、遠心力によって径方向外方に引っ張られることから、この流路２５を上流から下流に流れ、その過程で圧縮される。

この流路２５に面するハブ２０側の壁面を流線形状として空気の流れの圧力損失を低減するように、図２に示すハブライン２２は、タービン軸７の軸方向からタービン軸７の径方向外方に曲がる曲線である連続曲線を含んでいる。

本実施形態の過給機Ｃは、このハブライン２２の形状、すなわちハブ２０の形状を工夫している。以下、図３を参照して、ハブライン２２（ハブ２０）の形状について詳述する。

図３は、ハブライン２２の形状を説明するための説明図であり、図２に対応する断面に、比較例のコンプレッサインペラＩのハブラインＬを破線で追記して示す。ここで、比較例として示すコンプレッサインペラＩは、従来、一般的に製造されている過給機に用いられている。また、図４は、羽根２１の形状を説明するための説明図であり、図４（ａ）は、本実施形態のコンプレッサインペラ９の図３のＩＶ‐ＩＶ線断面を示し、図４（ｂ）は、比較例のコンプレッサインペラＩの図３のＩＶ‐ＩＶ線断面を示す。

理解を容易とするため、図３、４では、切断面のハッチングを省略し、図４（ａ）では、２つの全羽根２３とその間に配された半羽根２４の付け根部分２４ｄ近傍を抽出して示し、図４（ｂ）では、比較例の２つの全羽根Ａとその間に配された比較例の半羽根Ｂの付け根部分Ｂａ近傍を抽出して示す。

図３に示すように、ハブライン２２の一部である連続曲線３０は、第１円弧３１と、第２円弧３２と、第３円弧３３とが連続して構成される。また、比較例のハブラインＬの一部である連続曲線Ｍは、第１円弧Ｄと、第２円弧Ｅと、第３円弧Ｆとが連続して構成される。図３では、第１円弧３１、第２円弧３２、第３円弧３３の境界を白抜きの四角で示し、第１円弧Ｄ、第２円弧Ｅ、第３円弧Ｆの境界を白抜きの丸で示すが、実際のハブライン２２、Ｌ上においては、この境界が視覚化されることはなく、ハブライン２２は滑らかに連続している。

第１円弧３１は、タービン軸７の径方向に平行に（タービン軸に垂直な方向に）延伸する仮想線３４に接している。第１円弧３１の一端３１ａは、ハブ２０のもっとも径方向外方に位置している。つまり、第１円弧３１の一端３１ａは、タービン軸７からの距離が大径部２３ｂと等しく、また、ハブ２０の底面２０ｂの外周縁に相当する。

第２円弧３２は、第１円弧３１より径方向内方に位置して、一端３２ａが第１円弧の他端３１ｂと連続しており、第１円弧３１よりも仮想線３４に対する傾斜が大きい。

第３円弧３３は、第２円弧３２より径方向内方に位置して、一端３３ａが第２円弧３２の他端３２ｂと連続しており、第１円弧３１よりも仮想線３４に対する傾斜が大きい。また、第３円弧３３の他端３３ｂは、軸方向に延在する直線部３５の一端３５ａと連続している。

図３に破線で示す比較例のハブラインＬにおいて、第１円弧Ｄ、第２円弧Ｅ、および、第３円弧Ｆの曲率半径は、第２円弧Ｅ<第３円弧Ｆ<第１円弧Ｄという大小関係である。このように、従来、過給機に用いられているコンプレッサインペラＩは、ハブラインＬにおいて、第２円弧Ｅの曲率半径が、他の円弧（第１円弧Ｄおよび第３円弧Ｆ）よりも小さい形状が一般的である。

このような比較例では、ＩＶ‐ＩＶ線断面において、ハブＨの径が小さい（タービン軸７から付け根部分Ａａ、Ｂａまでの距離が短い）。また、図４（ｂ）に示すように、全羽根Ａの付け根部分Ａａおよび半羽根Ｂの付け根部分Ｂａは、応力集中を抑制するため曲面となっている。しかし、ハブＨの径が小さいことから、半羽根Ｂのリーディングエッジ部ＬＥ近傍では、付け根部分Ｂａにおいて、両隣に設けられた全羽根Ａとの翼間が狭い。そのため、付け根部分Ｂａの曲面の曲率半径が小さくなってしまう。換言すれば、半羽根ＢとハブＨとの連続部分である付け根部分Ｂａの曲率が大きくなってしまい、応力集中によって耐久性が低下してしまう。

そこで、本実施形態のハブライン２２において、第２円弧３２は、第１円弧３１よりも曲率半径を大きくしている。そして、図３に示すように、半羽根２４のリーディングエッジ部２４ａは、タービン軸７の軸方向の位置が第２円弧３２の範囲に含まれる。

第２円弧３２の曲率半径を第１円弧３１よりも大きくすると、第２円弧３２の中央近傍のハブ２０の径が大きくなり、半羽根２４のリーディングエッジ部２４ａ近傍では、図４（ａ）に示すように、ハブ２０の径が大きくなる（タービン軸７から付け根部分２３ｄ、２４ｄまでの距離が長くなる）。そのため、リーディングエッジ部２４ａ近傍の付け根部分２４ｄにおいて、両隣に設けられた全羽根２３との翼間を十分に確保できる。こうして、過給機Ｃは、付け根部分２４ｄに十分な曲率半径となる曲面を形成でき、半羽根２４への応力集中を抑制することが可能となる。

また、第３円弧３３の曲率半径を、第１円弧３１および第２円弧３２の曲率半径よりも小さく形成する構成により、比較例のように、第３円弧Ｆの曲率半径が第２円弧Ｅの曲率半径以上の場合と比較して、ハブ２０は、第２円弧３２の中央より一端３２ａ側から第３円弧３３全体にかけて径が小さくなる。そのため、過給機Ｃは、径方向外方のハブ２０の体積を削減して軽量化でき、ハブ２０に作用する遠心力を小さくして、ハブ２０内部に生じる応力を低減することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、全羽根と半羽根が交互に配されたコンプレッサインペラを備える過給機に利用することができる。

Ｃ …過給機
１ …過給機本体
７ …タービン軸
７ａ …軸心
９ …コンプレッサインペラ
２０ …ハブ
２１ …羽根
２２ …ハブライン
２３ …全羽根
２４ …半羽根
２４ａ …リーディングエッジ部（半羽根の軸方向の一端）
３０ …連続曲線
３１ …第１円弧
３２ …第２円弧
３３ …第３円弧
３４ …仮想線

Claims

過給機本体と、
前記過給機本体に回転自在に支持されたタービン軸と、
前記タービン軸の一端に固定され、全羽根、および、該全羽根よりも軸方向の長さが短い半羽根が、ハブの外周に交互に配されたコンプレッサインペラと、
を備え、
前記コンプレッサインペラの前記タービン軸の軸心を含む断面において、前記ハブの輪郭線であるハブラインは、該タービン軸の軸方向から該タービン軸の径方向外方に曲がる曲線である連続曲線を含み、
前記連続曲線は、前記タービン軸の径方向に延伸する仮想線に接する第１円弧と、該第１円弧より径方向内方に位置して該第１円弧と連続する第２円弧とを含み、
前記第２円弧は、前記第１円弧よりも曲率半径が大きく、
前記第１円弧と前記第２円弧が接続する位置は、前記半羽根の軸方向の一端側と前記連続曲線が交わる位置より径方向外方であり、
前記半羽根の軸方向の一端は、前記タービン軸の軸方向の位置が前記第２円弧の範囲に含まれることを特徴とする過給機。
前記ハブラインは、
前記第２円弧より前記径方向内方に位置して該第２円弧と連続し、曲率半径が前記第１円弧よりも小さい第３円弧をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の過給機。