特開 2024-164896 回転装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024164896

(43)【公開日】2024-11-28

(54)【発明の名称】回転装置

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/44 20060101AFI20241121BHJP

   F04D 29/62 20060101ALI20241121BHJP

【ＦＩ】

F04D29/44 S

F04D29/62 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023080610

(22)【出願日】2023-05-16

(71)【出願人】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】110000936

【氏名又は名称】弁理士法人青海国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】米村 淳

(72)【発明者】

【氏名】金子 雄大

(72)【発明者】

【氏名】沼倉 龍介

【テーマコード（参考）】

3H130

【Ｆターム（参考）】

3H130AA13

3H130AB27

3H130AB47

3H130AC17

3H130BA22A

3H130BA22B

3H130BA22Z

3H130BA66A

3H130BA66B

3H130BA66Z

3H130CA08

3H130CA09

3H130CA10

3H130CA21

3H130CA27

3H130DA02Z

3H130DD09Z

3H130DJ01X

3H130EA01A

3H130EA01B

3H130EA01Z

3H130EA07A

3H130EA07B

3H130EA07Z

(57)【要約】

【課題】インペラの最外径部とシュラウドとの間の隙間の膨張を抑制すること。
【解決手段】回転装置Ｃ１は、インペラ９と、インペラ９を囲うハウジング本体４３と、ハウジング本体４３とは別個のシュラウドピース４２であって、インペラ９の翼面に対向するシュラウド４１の少なくとも一部を含むシュラウドピース４２と、シュラウドピース４２と対向する表面１１ｂと、シュラウドピース４２と表面１１ｂとを連結し、ベーン５０を表面１１ｂに向かって押圧する少なくとも１つの継手６０と、インペラ９の径方向外側に位置し、円周方向沿って配置され、シュラウドピース４２と表面１１ｂの間に挟持される複数のベーン５０と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

インペラと、
前記インペラを囲うハウジング本体と、
前記ハウジング本体とは別個のシュラウドピースであって、前記インペラの翼面に対向するシュラウドの少なくとも一部を含むシュラウドピースと、
前記シュラウドピースと対向する表面と、
前記シュラウドピースと前記表面とを連結する継手と、
前記インペラの径方向外側に位置し、円周方向沿って配置され、前記シュラウドピースと前記表面の間に挟持される複数のベーンと、
を備える、回転装置。

【請求項2】

前記継手は、前記複数のベーンの最外端を通る、前記インペラと同心の仮想円と接するまたは重複する、請求項１に記載の回転装置。

【請求項3】

前記複数のベーンの径方向外側に位置するスクロール流路と、
前記複数のベーンと前記スクロール流路との間に位置する舌部と、
を備え、
前記継手は、前記複数のベーンのうち、流体の流れのなかで前記舌部に最も近いベーンと、前記舌部との間に設けられる、請求項１または２に記載の回転装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、回転装置に関する。

【背景技術】

【0002】

遠心圧縮機およびタービン等の回転装置は、インペラの周りの流路に複数のベーンを備える場合がある。例えば、特許文献１は、複数のディフューザ翼を備える遠心コンプレッサを開示する。この遠心コンプレッサは、スクロールと、ディフューザ環と、複数のディフューザ翼と、軸受台と、を備える。ディフューザ翼は、ディフューザ環と一体に形成される。ディフューザ環は、ディフューザ翼を挟んで軸受台と対向する。また、ディフューザ環は、スクロールに固定される。ディフューザ環とスクロールとの間には、Ｏリングが挿入される。Ｏリングの応力によって、ディフューザ翼が軸受台に押し付けられる。このような構成に依れば、スクロールの変形に伴って軸受台とディフューザ翼との間に隙間が生じることが抑制される。

【0003】

また、特許文献２は、複数のノズル翼を備えるラジアルタービンを開示する。このラジアルタービンは、互いに対向する一対のサイドウォールと、複数のノズル翼と、フランジと、を備える。ノズル翼は、フランジに固定される。ノズル翼およびフランジは、一対のサイドウォールの間に配置される。フランジと一方のサイドウォールとの間には、シールプレートが配置される。シールプレートは、ノズル翼を他方のサイドウォールに押し付ける。このような構成によれば、ノズル翼とサイドウォールとの間の隙間を低減することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】実開平１－９１１００号公報

【特許文献2】特開昭６１－８５５０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記のような回転装置においては、効率の低下を抑制するために、インペラの最外径部とシュラウドとの間の隙間の膨張を抑制することが望まれる。

【0006】

本開示は、インペラの最外径部とシュラウドとの間の隙間の膨張を抑制することができる、回転装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る回転装置は、インペラと、インペラを囲うハウジング本体と、ハウジング本体とは別個のシュラウドピースであって、インペラの翼面に対向するシュラウドの少なくとも一部を含むシュラウドピースと、シュラウドピースと対向する表面と、シュラウドピースと表面とを連結する継手と、インペラの径方向外側に位置し、円周方向沿って配置され、シュラウドピースと表面の間に挟持される複数のベーンと、を備える。

【0008】

継手は、複数のベーンの最外端を通る、インペラと同心の仮想円と接してもよい、または、重複してもよい。

【0009】

回転装置は、複数のベーンの径方向外側に位置するスクロール流路と、複数のベーンとスクロール流路との間に位置する舌部と、を備えてもよく、継手は、複数のベーンのうち、流体の流れのなかで舌部に最も近いベーンと、舌部との間に設けられてもよい。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、インペラの最外径部とシュラウドとの間の隙間の膨張を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、第１実施形態に係る遠心圧縮機を備える過給機の概略的な断面図である。

【図2】図２は、図１中のＡ部の概略的な拡大断面図である。

【図3】図３は、図１中のIII－III線に沿って得られる概略的な断面図である。

【図4】図４は、第２実施形態に係る遠心圧縮機の概略的な断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に添付図面を参照しながら、本開示の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具体的な寸法、材料および数値等は、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、本開示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、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

【0013】

図１は、第１実施形態に係る遠心圧縮機（回転装置）Ｃ１を備える過給機ＴＣの概略的な断面図である。本実施形態では、本開示に係る回転装置の構成が、遠心圧縮機Ｃ１に適用される。例えば、過給機ＴＣは、エンジンに適用される。過給機ＴＣは、ハウジング１と、シャフト７と、タービンインペラ８と、コンプレッサインペラ９と、を備える。

【0014】

後述するように、タービンインペラ８およびコンプレッサインペラ９は、シャフト７と同心に配置され、シャフト７と一体的に回転する。したがって、本開示では、シャフト７、タービンインペラ８およびコンプレッサインペラ９の軸線方向、径方向および円周方向は、他に指示が無い限り、それぞれ単に「軸線方向」、「径方向」および「円周方向」と称され得る。また、本開示では、シャフト７、タービンインペラ８およびコンプレッサインペラ９の中心軸線は、他に指示が無い限り、単に「中心軸線」と称され得る。

【0015】

ハウジング１は、ベアリングハウジング２と、タービンハウジング３と、コンプレッサハウジング４と、を含む。軸線方向において、ベアリングハウジング２の一方の端部は、ボルト等の締結具２１ａによってタービンハウジング３に連結される。軸線方向において、ベアリングハウジング２の他方の端部は、ボルト等の締結具２１ｂによってコンプレッサハウジング４に連結される。

【0016】

ベアリングハウジング２は、軸受孔２２を含む。軸受孔２２は、ベアリングハウジング２内を軸線方向に延在する。軸受孔２２は、軸受２３，２４を収容する。軸受２３，２４は、シャフト７を回転可能に支持する。

【0017】

軸線方向において、シャフト７の第１の端部には、タービンインペラ８が設けられる。タービンインペラ８は、タービンハウジング３に回転可能に収容される。軸線方向において、第１の端部とは反対側のシャフト７の第２の端部には、コンプレッサインペラ９が設けられる。コンプレッサインペラ９は、コンプレッサハウジング４に回転可能に収容される。シャフト７、タービンインペラ８およびコンプレッサインペラ９は、互いに一体的に回転する。

【0018】

コンプレッサハウジング４は、軸線方向においてベアリングハウジング２と反対側の端部に、吸気口１０を含む。吸気口１０は、不図示のエアクリーナに接続される。ベアリングハウジング２およびコンプレッサハウジング４は、それらの間にディフューザ流路１１を規定する。ディフューザ流路１１は、環状形状を有する。ディフューザ流路１１は、コンプレッサインペラ９の径方向外側に位置する。ディフューザ流路１１は、コンプレッサインペラ９を介して吸気口１０に連通する。ディフューザ流路１１は、複数のベーン５０を収容する。ベーン５０は、コンプレッサインペラ９の径方向外側に配置される。複数のベーン５０は、円周方向に沿って配列される。

【0019】

コンプレッサハウジング４は、コンプレッサスクロール流路１２を含む。コンプレッサスクロール流路１２は、ディフューザ流路１１の径方向外側に位置する。コンプレッサスクロール流路１２は、ディフューザ流路１１と連通する。また、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。

【0020】

コンプレッサハウジング４は、シュラウド４１を含む。シュラウド４１は、コンプレッサインペラ９の径方向外側に位置し、径方向および軸線方向においてコンプレッサインペラ９の翼面に対向する。シュラウド４１とコンプレッサインペラ９のブレードとの間には、隙間が形成される。シュラウド４１は、吸気口１０から軸線方向に離れるにつれて、径方向外側に拡がる曲面形状を有する。

【0021】

コンプレッサハウジング４の一部は、シュラウドピース４２として形成される。本実施形態では、コンプレッサハウジング４の残りは、ハウジング本体４３として形成される。他の実施形態では、コンプレッサハウジング４は、他の部分をさらに含んでもよい。シュラウドピース４２は、ハウジング本体４３とは別個である。シュラウドピース４２は、ハウジング本体４３に取り付けられる（シュラウドピース４２およびハウジング本体４３については、詳しくは後述）

【0022】

コンプレッサハウジング４では、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４内に流体（例えば、空気）が吸気される。流体は、コンプレッサインペラ９を通過する際に増速される。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で加圧される。加圧された流体は、不図示の吐出口から流出し、エンジンの吸気口に導かれる。このように、コンプレッサハウジング４およびコンプレッサインペラ９を含む部分は、遠心圧縮機Ｃ１として機能する。

【0023】

タービンハウジング３は、軸線方向においてベアリングハウジング２と反対側の端部に、吐出口１３を含む。吐出口１３は、不図示の排気ガス浄化装置に接続される。タービンハウジング３は、流路１４を含む。流路１４は、環状形状を有する。流路１４は、タービンインペラ８の径方向外側に位置する。流路１４は、タービンインペラ８を介して吐出口１３に連通する。

【0024】

タービンハウジング３は、タービンスクロール流路１５を含む。タービンスクロール流路１５は、流路１４の径方向外側に位置する。タービンスクロール流路１５は、流路１４と連通する。また、タービンスクロール流路１５は、不図示のガス流入口と連通する。ガス流入口は、不図示のエンジンの排気マニホールドから排出される排気ガスを受け入れる。

【0025】

タービンハウジング３では、排気ガスがガス流入口からタービンスクロール流路１５に導かれ、さらに、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。排気ガスは、タービンインペラ８を通過する際に、タービンインペラ８を回転させる。

【0026】

タービンインペラ８の回転力は、シャフト７を介してコンプレッサインペラ９に伝達される。コンプレッサインペラ９が回転すると、上記のとおりに流体が加圧される。こうして、加圧された流体がエンジンの吸気口に導かれる。このように、タービンハウジング３およびタービンインペラ８を含む部分は、タービンＴとして機能する。

【0027】

続いて、シュラウドピース４２およびハウジング本体４３について詳細に説明する。

【0028】

図２は、図１中のＡ部の概略的な拡大断面図である。上記のように、ベーン５０は、ディフューザ流路１１に収容される。ディフューザ流路１１は、表面（第１表面）１１ａおよび表面（第２表面）１１ｂによって画定される。なお、本開示において、「画定」とは、流路またはクリアランス等の空間の区切りまたは境界を決めることを意味し得る。表面１１ａは、コンプレッサハウジング４によって規定され、表面１１ｂは、ベアリングハウジング２によって規定される。表面１１ａは、シュラウド４１に連続する。表面１１ｂは、軸線方向において表面１１ａと対向する。

【0029】

例えば、ベーン５０は、表面１１ａおよび表面１１ｂの一方に固定される。例えば、ベーン５０は、表面１１ａに固定されてもよい。この場合、ベーン５０は、表面１１ｂに接触する。他の実施形態では、ベーン５０は、表面１１ｂに固定されてもよい。この場合、ベーン５０は、表面１１ａに接触する。

【0030】

シュラウドピース４２は、インペラ９の径方向外側に位置する。シュラウドピース４２は、シュラウド４１の少なくとも一部を含む。また、シュラウドピース４２は、表面１１ａの少なくとも一部を含む。つまり、シュラウドピース４２は、径方向において、シュラウド４１およびディフューザ流路１１にまたがる。本実施形態では、シュラウドピース４２は、径方向において、少なくともベーン５０のリーディングエッジ（最内端）ＬＥからトレーリングエッジ（最外端）ＴＥまで延在する。図１を参照して、より具体的には、本実施形態では、シュラウドピース４２は、シュラウド４１の全体を含む。また、図２を参照して、シュラウドピース４２は、トレーリングエッジＴＥを越えて径方向外側に延在する。本実施形態では、シュラウドピース４２は、表面１１ａの全体を含む。例えば、シュラウドピース４２は、ハウジング本体４３に嵌合される。他の実施形態では、シュラウドピース４２は、ボルト等の他の方法によってハウジング本体４３に固定されてもよい。

【0031】

シュラウドピース４２および表面１１ｂは、複数の継手６０によって互いに連結される。継手６０は、ディフューザ流路１１内を軸線方向に延在する。例えば、継手６０は、ボルトまたはリベットであってもよい。継手６０は、ベーン５０を表面１１ｂに向かって押圧するように構成される。例えば、継手６０がボルトである場合、表面１１ａおよび表面１１ｂの一方にねじ孔が形成され、他方に貫通孔が形成されてもよい。継手６０は、貫通孔を通してねじ孔に挿入され、ベーン５０が表面１１ａおよび表面１１ｂの双方に接触するように締め付けられる。このような構成によれば、シュラウドピース４２、ベーン５０および表面１１ｂは、継手６０によって互いに締め付けられる。したがって、高温の流体によってコンプレッサハウジング４が熱変形する場合に、ベーン５０と表面１１ａとの間の隙間、または、ベーン５０と表面１１ｂとの間の隙間の膨張が抑制される。また、シュラウドピース４２は、シュラウド４１の少なくとも一部、具体的には、シュラウド４１のうち、コンプレッサインペラ９の最外径部と軸線方向に対向する部分を含む。このため、高温の流体によってコンプレッサハウジング４が熱変形する場合に、シュラウド４１とコンプレッサインペラ９の最外径部との間の隙間の膨張が抑制される。したがって、遠心圧縮機Ｃ１の効率の低下が抑制される。

【0032】

図３は、図１中のIII－III線に沿って得られる概略的な断面図である。図３は、中心軸線に垂直でかつベーン５０を通る断面図を示す。なお、図３では、コンプレッサインペラ９は単純な円として描かれている。本実施形態では、遠心圧縮機Ｃ１は、３つの継手６０を備える。継手６０の数はこれに限定されず、遠心圧縮機Ｃ１は、１つ、２つ、または、４つ以上の継手６０を備えてもよい。

【0033】

継手６０の数に関して、流体の流れのスムースさに着目する場合には、継手６０の数は少ない方が良い。対照的に、熱変形の防止に着目する場合には、継手６０の数は多い方が良い。

【0034】

継手６０の太さ（径）に関して、流体の流れのスムースさに着目する場合には、継手６０は細い方が良い。対照的に、熱変形の防止に着目する場合には、継手６０は太い方が良い。

【0035】

複数の継手６０は、円周方向に沿って配置される。例えば、複数の継手６０は、円周方向に均一に配置されてもよい。本実施形態では、継手６０は、１２０度の間隔で配置される。他の実施形態では、複数の継手６０は、円周方向に不均一に配置されてもよい。本実施形態では、継手６０は、複数のベーン５０のトレーリングエッジＴＥを通る、コンプレッサインペラ９と同心の仮想円ＩＣと接するように配置される。他の実施形態では、継手６０は、仮想円ＩＣと重複するように配置されてもよい。さらに他の実施形態では、継手６０は、仮想円ＩＣの径方向外側に配置されてもよい。

【0036】

以上のような遠心圧縮機Ｃ１は、コンプレッサインペラ９と、コンプレッサインペラ９を囲うハウジング本体４３と、ハウジング本体４３とは別個のシュラウドピース４２であって、コンプレッサインペラ９の翼面に対向するシュラウド４１の少なくとも一部を含むシュラウドピース４２と、シュラウドピース４２と対向する表面１１ｂと、シュラウドピース４２と表面１１ｂとを連結する継手６０と、インペラ９の径方向外側に位置し、円周方向沿って配置され、シュラウドピース４２と表面１１ｂの間に挟持される複数のベーン５０と、を備える。このような構成によれば、シュラウドピース４２、ベーン５０および表面１１ｂは、継手６０によって互いに締め付けられる。したがって、高温の流体によってコンプレッサハウジング４が熱変形する場合に、ベーン５０と表面１１ａとの間の隙間、または、ベーン５０と表面１１ｂとの間の隙間の膨張が抑制される。また、シュラウドピース４２は、シュラウド４１の少なくとも一部、具体的には、シュラウド４１のうち、コンプレッサインペラ９の最外径部と軸線方向に対向する部分を含むため、高温の流体によってコンプレッサハウジング４が熱変形する場合に、シュラウド４１とコンプレッサインペラ９の最外径部との間の隙間の膨張が抑制される。よって、遠心圧縮機Ｃ１の効率の低下が抑制される。

【0037】

また、遠心圧縮機Ｃ１では、継手６０は、複数のベーン５０のトレーリングエッジＴＥを通る、コンプレッサインペラ９と同心の仮想円ＩＣと接する。このような構成によれば、シュラウドピース４２、ベーン５０および表面１１ｂは、ベーン５０に近い位置において、継手６０によって互いに締め付けられる。したがって、ベーン５０と表面１１ａとの間の隙間、または、ベーン５０と表面１１ｂとの間の隙間の膨張がより抑制される。

【0038】

続いて、他の実施形態について説明する。

【0039】

図４は、第２実施形態に係る遠心圧縮機Ｃ２の概略的な断面図である。図４は、図３と同様に、中心軸線に垂直でかつベーン５０を通る断面図を示す。遠心圧縮機Ｃ２は、継手６０の配置において、第１実施形態に係る遠心圧縮機Ｃ１と異なる。その他の構成については、遠心圧縮機Ｃ２は、遠心圧縮機Ｃ１と同じでもよい。

【0040】

コンプレッサハウジング４は、複数のベーン５０とスクロール流路１２との間、すなわち、ディフューザ流路１１とスクロール流路１２との間に、舌部１６を含む。本実施形態では、複数の継手６０のうちの１つは、複数のベーン５０のうち、流体の流れのなかで舌部１６に最も近いベーン５０ａと、舌部１６との間に位置する。本実施形態では、流体は、ベーン５０に対して、径方向内側から径方向外側に向かって流れる。したがって、本実施形態において、「舌部に最も近いベーン」とは、中心軸線に同心円状に並んだベーンのうち以下のベーンを表す。つまり、中心軸線と交差する断面において、中心軸線を中心とした周方向において、舌部１６の主要部から舌部１６の先端に向かう方向を周方向の１方側とした場合において、「舌部に最も近いベーン」は、ベーンの外周側の端縁が舌部１６と同じ周方向位置、または、舌部１６より周方向一方側に位置し、かつ舌部１６の先端から周方向の１方側に見た場合にベーンの外周側の端縁との周方向位置(角度)が最も小さいベーンを表す。本実施形態においても、３つの継手６０は、１２０度の間隔で配置される。

【0041】

以上のような遠心圧縮機Ｃ２は、第１実施形態に係る遠心圧縮機Ｃ１と同様な効果を奏する。また、遠心圧縮機Ｃ２は、複数のベーン５０の径方向外側に位置するコンプレッサスクロール流路１２と、複数のベーン５０とコンプレッサスクロール流路１２との間に位置する舌部１６と、を備え、継手６０のうちの１つは、複数のベーン５０のうち、流体の流れのなかで舌部１６に最も近いベーン５０ａと、舌部１６との間に設けられる。遠心圧縮機Ｃ２が低流量で運転する場合、コンプレッサスクロール流路１２の非対称性に起因して、舌部１６に最も近いベーン５０ａと、表面１１ａまたは表面１１ｂとの間の隙間が膨張し易い。本実施形態では、このベーン５０ａの近くに継手６０が配置されるので、ベーン５０ａと、表面１１ａまたは表面１１ｂとの間の隙間の膨張がより抑制される。

【0042】

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されない。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開示の技術的範囲に属するものと了解される。

【0043】

例えば、上記の実施形態では、本開示の回転装置は、遠心圧縮機Ｃ１，Ｃ２に適用される。他の実施形態では、例えば、タービンＴが流路１４に不図示のノズルベーンを備えてもよく、本開示の回転装置は、タービンインペラ８、ノズルベーンおよびタービンハウジング３を備えるタービンＴに適用されてもよい。

【符号の説明】

【0044】

８ タービンインペラ
９ コンプレッサインペラ
１１ｂ シュラウドピースと対向する表面
１２ コンプレッサスクロール流路
１５ タービンスクロール流路
１６ 舌部
４１ シュラウド
４２ シュラウドピース
４３ ハウジング本体
５０ ベーン
５０ａ 舌部に最も近いベーン
６０ 継手
Ｃ１ 遠心圧縮機（回転装置）
Ｃ２ 遠心圧縮機（回転装置）
ＩＣ 仮想円
Ｔ タービン（回転装置）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】