JP2013130086A - 遠心式流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ラビリンス流路で発生した摩擦熱による羽根車の高温化を抑制し、羽根車の高温化に起因したクリープ寿命の低下を防止して、遠心式流体機械のさらなる高圧力比化を可能にする。
【解決手段】複数枚のブレード及びこれら複数枚のブレードの根元部に配置されるハブを有する羽根車を回転させて昇圧した流体が羽根車１１の出口流路１５を通過して流出するように構成された遠心式流体機械であって、羽根車１１の背面１１ａと出口流路１５との間に形成される空間１６が、羽根車１１の背面１１ａと、羽根車１１の背面１１ａと対向するように軸受台１７に支持されたラビリンスシール板３０との間に形成されたラビリンス流路３１によりシールされ、ラビリンスシール板３０の背面３１ａと軸受台１７との接触面に形成されて冷却媒体を流す円周方向の冷却媒体流路４０を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば舶用過給機やディーゼルエンジン用過給機の遠心圧縮機等に適用される遠心式流体機械に関する。

過給機等の遠心圧縮機に用いられる遠心式流体機械は、ケーシング内で羽根車（インペラ）を回転させることにより、昇圧する流体（気体）がインペラ内の大半の流路を半径方向に通過して流れ、主に遠心力の作用で昇圧されるように構成されている。
このような遠心式流体機械において、遠心圧縮機を通過する空気は、圧力比が高くなるほど高温になる。

近年、排ガス規制が厳しくなる傾向にあることから、今後の排ガス規制をクリアするためには、過給機の遠心圧縮機をさらに高圧力比化することが必須であり、従って、遠心圧縮機を通過する空気は、より一層高温化するものと考えられる。
一方、遠心圧縮機においては、回転する羽根車の背面と静止側の軸受台との間にラビリンスシールが配設されている。このラビリンスシールには、圧縮されて高温となった空気の一部が流入する。しかし、ラビリンスシールの内部は、複雑なラビリンス流路を形成する狭隘空間であり、従って、ラビリンスシールに流入した高温・高圧の圧縮空気は、狭隘空間の中で複雑な流動を呈することとなる。この結果、ラビリンスシールに流入した高温の空気は、摩擦損失に起因した発熱の発生によりさらに高温となる。

こうして昇温された高温空気は、ラビリンス流路を形成する羽根車及び軸受台に接して入熱し、両者を加熱することとなる。このような加熱を受ける羽根車は、通常アルミニウム合金製であるから、加熱を受けて高温になればクリープ寿命の低下を引き起こす。
このため、遠心圧縮機のさらなる高圧力比化を実現するためには、羽根車の高温化によるクリープ寿命の低下を防止することが必要になるので、羽根車の背面を冷却する技術が重要となる。

遠心圧縮機の羽根車背面を冷却する従来技術としては、たとえば下記の特許文献１に開示されているように、羽根車を直接冷却するものがある。
また、羽根車への熱流入量を低減する他の従来技術としては、羽根車を直接冷却するのではなく、間接的に冷却する手法がある。この場合、羽根車と相対する軸受台を冷却することになるため、効率的な冷却を行うことは困難である。

特許第２９３４５３０号公報

ところで、上述した羽根車の直接冷却は、羽根車背面のラビリンスシールに高圧の冷気体（空気）を吹き付けるものであるから、軸方向の押圧力が直接冷却なしの場合よりも増大する。この結果、羽根車の回転を支持する軸受の負担が増し、最悪の場合は軸受の破損につながることも懸念される。なお、特許文献１の構成では。羽根車背面に吹き出される冷気体がラビリンス流路の途中に供給されており、ラビリンス流路の上流や下流に向けて流れることで羽根車を直接冷却している。

また、この場合の冷気体は、供給先となるラビリンス流路の圧力が高く、従って、ラビリンス流路以上の高圧を有する冷気体が必要となる。この結果、ラビリンス流路を通過する冷気体の流量が多くなり、冷気体と羽根車との摩擦損失が増大することによって、過給機の性能が低下するという問題も指摘されている。
このような背景から、本発明の目的は、遠心圧縮機等の遠心式流体機械において、ラビリンス流路で発生した摩擦熱による羽根車の高温化を抑制することにあり、羽根車の高温化に起因したクリープ寿命の低下を防止することにより、遠心式流体機械のさらなる高圧力比化が可能となる羽根車背面の冷却技術を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る遠心式流体機械は、複数枚のブレード及びこれら複数枚のブレードの根元部に配置されるハブを有する羽根車を回転させて昇圧した流体が羽根車外周部の出口流路を通過して流出するように構成された遠心式流体機械であって、前記羽根車の背面と前記出口流路との間に形成される空間が、前記羽根車の背面と、該羽根車の背面と対向するように固定側部材に支持されたラビリンスシール板との間に形成されたラビリンス流路によりシールされ、前記ラビリンスシール板の背面と前記固定側部材との接触面に形成されて冷却媒体を流す円周方向の冷却媒体流路を備えていることを特徴とするものである。

このような遠心式流体機械によれば、羽根車の背面と出口流路との間に形成される空間が、羽根車の背面と、該羽根車の背面と対向するように固定側部材に支持されたラビリンスシール板との間に形成されたラビリンス流路によりシールされ、ラビリンスシール板の背面と固定側部材との接触面に形成されて冷却媒体を流す円周方向の冷却媒体流路を備えているので、ラビリンスシール板側の温度が羽根車側より低くなる。このため、羽根車で圧縮されて高温となった流体の一部が流入するラビリンス流路においては、ラビリンス流路で発生する摩擦熱の多くが低温のラビリンスシール板側に移動するので、羽根車側への入熱量を低減できる。

すなわち、ラビリンス流路のラビリンスシール板側となる接触面に、略全周にわたる円周方向の冷却媒体流路を形成して冷却することにより、高温流体の一部が流入するラビリンス流路においては、羽根車の背面と、この背面に対向するラビリンスシール板の表面との間に大きな温度勾配が形成され、この結果、摩擦で発生する熱量の多くが低温のラビリンスシール板側へ移動するので、羽根車の温度上昇を抑制できる。

上記の発明において、前記冷却媒体流路は、前記ラビリンスシール板の背面に形成された１または複数の凹溝であることが好ましい。この場合、複数の凹溝は、羽根車の回転軸中心の周囲に同心円形状に配設されている。
このようなラビリンスシール板の凹溝は、一般に機械加工部品であるラビリンスシール板に対して、溝加工の工程を追加するだけで容易に形成することができる。

また、上記の発明において、前記冷却媒体流路は、前記ラビリンスシール板の背面に接する前記固定側部材の面に形成された１または複数の凹溝であることが望ましい。この場合、複数の凹溝は、羽根車の回転軸中心の周囲に同心円形状に配設されている。
このような固定側部材の凹溝は、特に固定側部材が鋳造部品である場合、鋳型を若干変更するだけで容易に形成することができる。

上記の発明において、前記冷却媒体流路を複数設け、隣接する流路の冷却媒体流れ方向が異なるようにすれば、周方向に温度分布が形成されることを防止できるため、ラビリンスシール板の全体を略均一に冷却できる。

上述した本発明によれば、羽根車に圧縮されて高温となった流体の一部が流入するラビリンスシール流路において、ラビリンス流路で発生する摩擦熱は、多くの熱量が低温のラビリンスシール板側に移動して羽根車の温度上昇を抑制するので、羽根車が高温化することを防止できる。この結果、羽根車の高温化に起因したクリープ寿命の低下を防止でき、遠心圧縮機等の遠心式流体機械はより一層の高圧力比化が可能になる。

本発明に係る遠心式流体機械の一実施形態を示す図であり、（ａ）は羽根車の高温化を防止する冷却構造例としてラビリンスシール板の背面を示す正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 図１に示した冷却構造例について他の実施形態（第１変形例）を示す図であり、（ａ）はラビリンスシール板の背面を示す正面図において冷却媒体出入口の周辺部を示す要部拡大図、（ｂ）は（ａ）の冷却媒体流路について出入口周辺の構成例を示す斜視図である。 （ａ）は図２（ｂ）のＣ−Ｃ断面図、（ｂ）はＤ−Ｄ断面図、（ｃ）はＥ−Ｅ断面図、（ｄ）はＦ−Ｆ断面図である。 図１に示した冷却構造例について他の実施形態（第２変形例）を示す要部（図５のＧ部）の断面図である。 本発明に係る遠心式流体機械の一例として遠心圧縮機の概略構成例を示す断面図である。

以下、本発明に係る遠心式流体機械（以下、「遠心圧縮機」を例示して説明する）について、一実施形態を図面に基づいて説明する。
図５に示すように、遠心圧縮機１０は、羽根車（インペラ）１１と、ディフューザ２１とを主たる要素として構成されたものであり、導入した流体を羽根車１１の回転により昇圧して吐出する。羽根車１１は、複数枚のブレード１２と、これらブレード１２の根元部Ｒに配置されたハブ１３とを有している。各ブレード１２は、それぞれハブ１３の小径側端部１３ａにその前縁ＬＥが位置するとともに、ハブ１３の大径側端部１３ｂにその後縁ＴＥが位置するようにして、ハブ１３の表面上に設けられている。
なお、図において符号１４は、ブレード１２の先端側を覆うように配置されたシュラウド、１５は羽根車１１で圧縮した高温高圧の流体が流出する出口流路、１６は羽根車１１の背面に形成される空間、１７は羽根車１１の回転を支持する軸受台（固定側部材）を示している。

ディフューザ２１は、前述した羽根車１１の下流側に設けられるとともに、対向するシュラウド側壁面２２及びハブ側壁面２３との間に複数枚のベーン（ディフューザ翼）２４を有するものであり、羽根車１１を通過して昇圧された流体（気体）が有する運動エネルギーを圧力エネルギーに変換する機能を有している。すなわち、ディフューザ２１では、流体の流速が減速されることにより、流れの動圧が静圧の上昇に変換される。
こうして静圧が上昇した流れは、渦巻状のボリュート２５により遠心圧縮機１０の出口に導かれる。すなわち、遠心圧縮機１０は、複数枚のブレード１２及びこれら複数枚のブレード１２の根元部Ｒに配置されるハブ１３を有する羽根車１１を回転させて昇圧した流体が、羽根車１１の外周部に形成されている出口流路１５を通過してディフューザ２１に流出するように構成されている。

このよう構成された遠心圧縮機１０は、圧縮されて高温となった流体の一部が出口流路１５から羽根車１１の軸部側へ流入するのを防止するため、羽根車１１の背面位置（図５に示すＧ部）に形成される空間１６にラビリンスシールを設けてシールしている。
図１は、羽根車１１の高温化を防止する冷却構造例を示すものであり、羽根車１１の背面１１ａと出口流路１５との間に形成される空間１６に、上述したラビリンスシールが設けられている。このラビリンスシールは、羽根車１１の背面１１ａと、羽根車１１の背面１１ａと対向するように軸受台１７に支持されたラビリンスシール板３０との間に、狭隘空間の中で流体に複雑な流動をさせるようにラビリンス流路３１を形成してシールするものである。

本実施形態の冷却構造は、ラビリンス流路３１を通過する高温流体の摩擦熱により、羽根車１１が加熱されてさらに温度上昇することを防止するものである。
すなわち、本実施形態の冷却構造は、ラビリンスシール板３０の背面３１ａと軸受台１７との接触面に形成され、相対的に高温流体より温度の低い空気等の冷却媒体を流す円周方向の冷却媒体流路４０を備えている。この冷却媒体流路４０は、ラビリンスシール板３０の背面３１ａに形成された１または複数の凹溝である。

図示の冷却媒体流路４０は、冷却媒体入口４１から導入した冷却媒体（矢印Ｆｃ）を周方向へ流すように、羽根車１１の回転軸を中心とする同心円状に４本形成されているが、この流路数が特に限定されることはない。
このように、ラビリンスシール板３０の背面３１ａに凹溝を形成する冷却媒体流路４０は、一般に機械加工部品であるラビリンスシール板３０に対して、溝加工の工程を追加するだけで容易に形成することができる。

また、図１に示す実施形態では、冷却媒体入口４１が略半径方向と一致するように形成され、この冷却媒体入口４１から順次分岐するようにして、半径の異なる冷却媒体流路４０が４本設けられている。そして、各冷却媒体流路４０は、羽根車１１の回転領域を略一周するように形成された後、冷却媒体入口４１に隣接して形成された冷却媒体出口４２に接続されて合流する。

従って、遠心圧縮機１０の適所から抽気するなどして導入された冷却媒体Ｆｃは、冷却媒体入口４１から各冷却媒体流路４０に流入し、ラビリンスシール板３０との熱交換により吸熱しながら流れるので、温度上昇した冷却媒体Ｆｈが冷却媒体出口４２から流出することとなる。すなわち、４本の冷却媒体流路４０を流れる冷却媒体は、図１（ａ）では半と径方向となるように、周方向において全て同方向となる。

このような冷却構造を備えた遠心圧縮機１０によれば、羽根車１１で圧縮された高温高圧流体の一部が流入する空間１６にラビリンスシールを備え、ラビリンス流路３１を形成するラビリンスシール板３０に冷媒媒体流路４０が形成されているので、高温高圧流体の流れに摩擦熱を生じさせるラビリンス流路３１は、固定側のラビリンスシール板３０が冷却されて羽根車１１よりも低温となる。
このため、高温高圧流体の一部が流入するラビリンス流路３１においては、高温側の羽根車１１から低温側のラビリンスシール板３０に温度勾配が形成されるため、ラビリンス流路３１で発生する摩擦熱の多くは低温側のラビリンスシール板３０に吸熱されて移動するので、羽根車１１側への入熱量は低減される。

換言すれば、ラビリンス流路３１のラビリンスシール板３０側となる接触面に、羽根車１１が回転する略全周にわたる円周方向の冷却媒体流路４０が形成されているので、冷却媒体流路４０を通過して流れる冷却媒体が吸熱（冷却）することにより、ラビリンス流路４０を形成する羽根車１１の背面１１ａとラビリンスシール板３０の対向面との間には大きな温度差が生じることとなる。この結果、高温高圧流体が流れる際の摩擦で発生する熱量の多くが低温側のラビリンスシール板３０方向へ移動するので、羽根車１１の温度上昇を抑制することができる。

従って、羽根車１１に圧縮された高温高圧流体の一部が流入するラビリンスシール流路３１においては、羽根車１１の温度上昇が抑制され、羽根車１１の高温化に伴うクリープ寿命の低下を防止できるので、遠心圧縮機１０の圧力比をより一層高く設定することが可能になる。また、羽根車１１の軸方向に作用する押圧力は、上述した冷却構造により増大することはなく、従って、軸受破損等のリスクについては、本実施形態の冷却構造により増加することはない。なお、ここで使用する冷却媒体は、ラビリンス流路３１に供給する場合と比較して、高圧とする必要がない。

ところで、ラビリンスシール板３０の冷却を効率よく行うためには、ラビリンスシール板３０の背面壁に接触する冷却媒体、すなわち、冷却媒体流路４０を流れる冷却媒体の熱伝達率を上げればよい。熱伝達率はレイノルズ数の関数であるため、冷却媒体の流速を上げれば熱伝達率が大きくなって冷却効率は向上する。
冷却媒体の流速を上げるためには、単純なバッファとするよりも、上述したような冷却媒体流路４０のような溝を設けることが望ましく、同じ冷却媒体流量で効率よく冷却することができる。

また、上述した実施形態では、冷却媒体の流れ方向を規定して流れを整流化するので、冷却媒体流路４０を流れる冷却媒体は、低温の冷却媒体を効率的よく入れ替えて冷却することができる。
また、冷却媒体流路４０の断面形状は、矩形や半円形など特に限定されるものではないが、冷却媒体との接触面積が多くなる矩形を採用すれば、フィン効果によってより一層の熱移動が期待できる。

次に、上述した実施形態の第１変形例について、図２及び図３を参照して説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この変形例では、ラビリンスシール板３０Ａに４本の冷却媒体流路４０ａ〜４０ｄが形成され、隣接する流路毎に冷却媒体の流れ方向が異なるように構成されている。このように、冷却媒体の流れ方向が異なるようにすれば、周方向に温度分布が形成されることを防止できるため、ラビリンスシール板３０Ａの全体を略均一に冷却できる。

この場合、冷却媒体流路４０ａ，４０ｃでは、冷却媒体入口４１Ａから流入した冷却媒体が反時計回りに流れて冷却媒体出口４２Ａから流出し、冷却媒体流路４０ｂ，４０ｄでは、冷却媒体入口４１Ａから流入した冷却媒体が時計回りに流れて冷却媒体出口４２Ａから流出する。なお、図中の符号４３は冷却媒体供給管を示し、４４は冷却媒体排出管を示している。
なお、冷却媒体流路の数、冷却媒体供給管４３や冷却媒体排出管４４の流路系統等については、図示した構成に限定されることはない。

このような冷媒媒体流路４０ａ〜４０ｄを設けた冷却構造としても、羽根車１１に圧縮された高温高圧流体の一部が流入するラビリンスシール流路３１においては、羽根車１１の温度上昇が抑制され、羽根車１１の高温化に伴うクリープ寿命の低下を防止できる。従って、遠心圧縮機１０の圧力比をより一層高く設定することが可能になり、羽根車１１の軸方向に作用する押圧力が増大することもない。

次に、上述した実施形態の第２変形例について、図４を参照して説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この変形例では、上述した冷却媒体流路４０Ａが、ラビリンスシール板３０Ｂの背面に接する軸受台１７Ａの面に形成された１または複数（図示の例では４本）の凹溝である。この場合、冷却媒体流路４０Ａとなる凹溝は、羽根車１１の回転軸中心の周囲に同心円形状に配設されている。

このような軸受台１７Ａの凹溝は、軸受台１７Ａが鋳造部品であることから、鋳型を若干変更するだけで容易に形成することができる。
このような冷媒媒体流路４０Ａを設けた冷却構造としても、羽根車１１に圧縮された高温高圧流体の一部が流入するラビリンスシール流路３１においては、羽根車１１の温度上昇が抑制され、羽根車１１の高温化に伴うクリープ寿命の低下を防止できる。従って、遠心圧縮機１０の圧力比をより一層高く設定することが可能になり、羽根車１１の軸方向に作用する押圧力が増大することもない。

このような本実施形態及び変形例の羽根車背面冷却技術によれば、遠心圧縮機１０のような遠心式流体機械において、ラビリンス流路３１で発生した摩擦熱により羽根車１１が高温化することを防止または抑制できる。この結果、羽根車１１の高温化に起因してクリープ寿命が低下することはなく、従って、遠心式流体機械のさらなる高圧力比化が可能となる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１０ 遠心圧縮機
１１ 羽根車（インペラ）
１１ａ 背面
１２ ブレード
１３ ハブ
１５ 出口流路
１６ 空間
１７ 軸受台（固定側部材）
２１ ディフューザ
３０，３０Ａ，３０Ｂ ラビリンスシール板
３１ ラビリンス流路
３１ａ 背面
４０，４０ａ〜４０ｄ，４０Ａ 冷却媒体流路
４１，４１Ａ 冷却媒体入口
４２，４２Ａ 冷却媒体出口
４３ 却媒体供給管
４４ 冷却媒体排出管

Claims (4)

1. 複数枚のブレード及びこれら複数枚のブレードの根元部に配置されるハブを有する羽根車を回転させて昇圧した流体が羽根車外周部の出口流路を通過して流出するように構成された遠心式流体機械であって、
   前記羽根車の背面と前記出口流路との間に形成される空間が、前記羽根車の背面と、該羽根車の背面と対向するように固定側部材に支持されたラビリンスシール板との間に形成されたラビリンス流路によりシールされ、
   前記ラビリンスシール板の背面と前記固定側部材との接触面に形成されて冷却媒体を流す円周方向の冷却媒体流路を備えていることを特徴とする遠心式流体機械。
2. 前記冷却媒体流路が、前記ラビリンスシール板の背面に形成された１または複数の凹溝であることを特徴とする請求項１に記載の遠心式流体機械。
3. 前記冷却媒体流路が、前記ラビリンスシール板の背面に接する前記固定側部材の面に形成された１または複数の凹溝であることを特徴とする請求項１に記載の遠心式流体機械。
4. 前記冷却媒体流路を複数設け、隣接する流路の冷却媒体流れ方向が異なることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の遠心式流体機械。
   

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