JP7438240B2 - 遠心圧縮機の羽根車、遠心圧縮機及びターボチャージャ - Google Patents
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Description
羽根車の高周速化を図るためには、羽根車の回転速度を大きくする他に、翼部の後縁の形状を変更することが考えられる。
例えば上述した特許文献1に記載の遠心圧縮機では、翼の後縁の一部を羽根車のハブの最大径部よりも径方向外側に突出させることで、後縁における周速が大きくなるようにしている。
しかし、単に翼の後縁の一部を羽根車のハブの最大径部よりも径方向外側に突出させただけでは、翼部に作用する遠心力による応力の増加や、翼部の固有振動数の低下を招くおそれがある。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
まず、図1を参照して、幾つかの実施形態に係るインペラを含む遠心圧縮機を備えたターボチャージャについて説明する。図1は、幾つかの実施形態に係るターボチャージャの概略断面図である。同図に示すように、ターボチャージャ1は、コンプレッサインペラ5を備えた遠心圧縮機2を備えている。ターボチャージャ1は、回転シャフト4と、回転シャフト4の一端部に設けられるコンプレッサインペラ5(羽根車5)と、回転シャフト4の他端部に設けられるタービンインペラ8と、回転シャフト4を回転可能に支持する軸受24と、を備えている。軸受24は、回転シャフト4の軸方向において、コンプレッサインペラ5と、タービンインペラ8との間に位置している。幾つかの実施形態に係るターボチャージャ1は、特に限定されないが、例えば自動車用エンジン等に搭載されるターボチャージャである。
また、タービンハウジング12は、軸方向におけるターボチャージャ1の他端部において軸方向外側に向かって開口する排ガス出口20を有するとともに、タービンインペラ8の径方向外側に位置する環状流路22を形成している。
空気入口16を介してコンプレッサインペラ5に空気が流入し、回転シャフト4とともに回転するコンプレッサインペラ5によってこの空気が圧縮される。このようにして生成した圧縮空気は、コンプレッサインペラ5の径方向外側に形成された環状流路18を介してターボチャージャ1から一旦排出され、例えば燃焼機関(不図示)に供給される。
次に、幾つかの実施形態に係るコンプレッサインペラ5(羽根車5)についてより具体的に説明する。
図3は、一実施形態に係る羽根車の模式的な子午面断面を示す概略図である。
なお、後述する他の実施形態に係る羽根車5の基本的な構成は一実施形態に係る羽根車5と同じであるので、以下の説明では、図2及び図3を用いて、一実施形態に係る羽根車5及び他の実施形態に係る羽根車5について説明する。
幾つかの実施形態に係る羽根車5では、背板部67の背面側の面がハブ6の背面63である。背板部67は、背板部67の径方向外側の面である外周面65を有する。
なお、以下の説明では、羽根車5の回転方向を図示する場合、矢印Rで表すこととする。
図4Bは、他の実施形態に係る羽根車を背面から見たときのときの羽根車の外周側の一部を模式的に示した図である。
なお、上述したように複数の翼部7のそれぞれは、圧力面72側に向かって倒れるように傾斜しているが、図4A及び図4Bでは、便宜上、上述したような翼部7の傾斜を反映させずに翼部7を表している。
図5Bは、他の実施形態に係る羽根車の模式的な子午断面図であり、図4Bにおける背板部についての角度位置である第1角度位置C5bから翼部の負圧面を見た場合について示している。
図6Aは、一実施形態に係る羽根車の模式的な子午断面図であり、図4Aにおける背板部についての角度位置である第2角度位置C6aから翼部の負圧面を見た場合について示している。
図6Bは、他の実施形態に係る羽根車の模式的な子午断面図であり、図4Bにおける背板部についての角度位置である第2角度位置C6bから翼部の負圧面を見た場合について示している。
図7は、一実施形態に係る羽根車の模式的な子午断面図であり、図4Aにおける背板部についての角度位置である第3角度位置C7aにおける子午断面図である。なお、図4Bにおける背板部67についての角度位置である第3角度位置C7bにおける子午断面図は、図4Aに示した第3角度位置C7aにおける子午断面図と同じであるので、以下の説明では、他の実施形態についても図7の子午断面図を用いて説明する。
なお、図4A、図5A及び図6Aに示す一実施形態に係る羽根車5と、図4B、図5B及び図6Bに示す他の実施形態に係る羽根車5との違いは、主に、後述する翼間フィレット105の有無である。
なお、以下の説明では、羽根車5における軸線AXに沿った方向に関し、前縁26から背面63に向かう方向を軸方向背面側、又は単に背面側と呼び、背面63から前縁26に向かう方向を軸方向正面側、又は単に正面側と呼ぶこととする。
すなわち、幾つかの実施形態に係る羽根車5は、図4A、図4B、図5A、図5B、図6A、図6B及び図7に示すように、後縁28と背板部67の外周面65とを接続する第1フィレット110を備える。幾つかの実施形態に係る第1フィレット110は、図4A、図4B、図5A、図5B、図6A、図6B及び図7に示すように、ハブ6の背面部を形成する背板部67の外周面65よりも径方向外側に形成されている。幾つかの実施形態に係る第1フィレット110は、図5A、図5B、図6A、図6B及び図7に示すように、後縁28と背板部67の外周面65とをなだらかに接続している。これにより、子午面視において、後縁28と背板部67の外周面65と接続部51(図3参照)において角度の急変部が生じないようにしている。
なお、幾つかの実施形態に係る羽根車5では、第1フィレット110は、羽根車5を径方向外側から見たときに、少なくとも後述する第2フィレット82及び第3フィレット83と重複する範囲を除いた範囲内において、後縁28と背板部67の外周面65とを接続するように形成されていればよい。
この仮想後縁28Aのハブ6側(背面側)の端部は、一実施形態に係る羽根車5では、図5A及び図6Aに示すように、背板部67の外周面65の正面側の縁部、すなわちハブ面61の径方向外側の縁部と接する。なお、図6Aでは、第1フィレット110が形成されていないと仮定したときの外周面65の位置を二点鎖線65Bで表している。
また、仮想後縁28Aのハブ6側(背面側)の端部は、他の実施形態に係る羽根車5では、図5B及び図6Bに示すように、背板部67の外周面65において、後述する翼間フィレット105が設けられていないと仮定した仮想外周面65Aにおける正面側の縁部と接する。
さらに、図4A、図4B、図5A、図5B、図6A、図6B及び図7に示す幾つかの実施形態に係る羽根車5によれば、羽根車5を削り出しで製作する場合には、後縁28から背板部67の外周面65にかけて切削する際に、後縁28から背板部67の外周面65にかけての角度の急変を緩和できるので加工し易くなる。
また、幾つかの実施形態では、図4A及び図4Bに示すように、第1フィレット110が負圧面側フィレット部102及び圧力面側フィレット部103を含むので、後縁28近傍において翼部7の剛性を一層向上できる。これにより、翼部7の固有振動数の低下を一層抑制できる。
幾つかの実施形態に係る羽根車5では、例えば図4A及び図4Bに示すように、翼部7は、第1翼部7A、及び、第1翼部7Aの負圧面71側において周方向に間隔を空けて第1翼部7Aと隣り合う第2翼部7Bを含む。そして、他の実施形態に係る羽根車5は、図4B及び図5Bに示すように、背板部67の外周側において、第1翼部7Aの負圧面71側に形成された負圧面側フィレット部102と、第2翼部7Bの圧力面72側に形成された圧力面側フィレット部103とを接続する翼間フィレット105をさらに備える。
したがって、他の実施形態に係る羽根車5によれば、翼間フィレット105が存在しない場合と比べて、羽根車5の加工が容易となる。
なお、羽根車5を切削加工によって上述したように形成するのであれば、翼間フィレット105は、ハブ面61側には突出しないこととなる。
第1フィレット110の形状について、主に図5A、図5B及び図8を参照して説明する。なお、図8は、第1フィレットの形状についての他の実施形態について説明するための模式的な子午断面図であり、図4Aにおける背板部についての角度位置である第1角度位置C5aから翼部の負圧面を見た場合について示している。なお、図5A、図5B及び図8では、補助線を併記して第1フィレット110の範囲を示している。
また、後述する図8に示す実施形態のように、羽根車5の子午面断面において、第1端面110aから第2端面110bまでの間で第1フィレット110が第1曲線部111と、第2曲線部113と、直線部115とを有している場合、第1曲線部111と第2曲線部113とで曲率が同じであってもよく、曲率が異なっていてもよい。
例えば、図8に示す実施形態では、第1フィレット110は、第1曲線部111と、第2曲線部113と、直線部115とを有している。第1曲線部111及び第2曲線部113は、羽根車5の子午面断面において、外周面65よりも径方向外側に曲率中心が存在する曲線形状をそれぞれ有する。直線部115は、羽根車5の子午面断面において、直線形状を有する。
また、幾つかの実施形態に係るターボチャージャ1では、上記遠心圧縮機2を備えるので、ターボチャージャ1における遠心圧縮機2の耐久性を確保しつつ遠心圧縮機2の高圧縮比化を実現できる。
例えば、上述した幾つかの実施形態では、全ての翼部7に対して第1フィレット110を形成するようにしているが、少なくとも一つの翼部7に対して第1フィレット110を形成するようにしてもよい。
(1)本開示の少なくとも一実施形態に係る遠心圧縮機2の羽根車5は、遠心圧縮機2の羽根車5、すなわちコンプレッサインペラ5であって、ハブ6と、ハブ6のハブ61面に立設された少なくとも一つの翼部7と、第1フィレット110とを備える。少なくとも一つの翼部7は、ハブ6の背面63から離れるにつれて遠心圧縮機2の軸線AXとの距離が大きくなるように構成された後縁28を有する。第1フィレット110は、ハブ6の背面部を形成する背板部67の外周面65よりも径方向外側に形成されている。第1フィレット110は、少なくとも一つの翼部7における後縁28と背板部67の外周面65とを接続する。
すなわち、翼部7の後縁28近傍を背板部67の外周面65から径方向外側に突出させると、翼部7の後縁28近傍がハブ61面と離れてしまうこととなるため翼部7の固有振動数が低下するおそれがある。しかし、上記(1)の構成によれば、第1フィレット110が翼部7の後縁28と背板部67の外周面65とを接続するので、後縁28近傍において翼部7の剛性を向上できる。これにより、羽根車5の高周速化を図りつつ、翼部7の固有振動数の低下を抑制できる。
また、翼部7の後縁28近傍を背板部67の外周面65から径方向外側に突出させると、背板部67の外周面65から径方向外側に突出する部分に作用する遠心力により、該部分が存在しない場合と比べて翼部7に発生する応力が増加することとなる。しかし、上記(1)の構成によれば、この応力の一部を第1フィレット110で負担できるので、後縁28近傍の翼部7の応力を抑制できる。
したがって、上記(1)の構成によれば、羽根車5の高周速化を図りつつ、羽根車5の耐久性を確保できる。
さらに、上記(1)の構成によれば、羽根車5を削り出しで製作する場合には、後縁28から背板部67の外周面65にかけて切削する際に、後縁28から背板部67の外周面65にかけての角度の急変を緩和できるので加工し易くなる。
また、上記(2)の構成によれば、第1フィレット110が負圧面側フィレット部102及び圧力面側フィレット部103を含むので、後縁28近傍において翼部7の剛性を一層向上できる。これにより、翼部7の固有振動数の低下を一層抑制できる。
したがって、上記(4)の構成によれば、翼間フィレット105が存在しない場合と比べて、羽根車5の加工が容易となる。
2 遠心圧縮機
5 コンプレッサインペラ(羽根車)
6 ハブ
7 翼部(翼)
7A 第1翼部
7B 第2翼部
10 コンプレッサハウジング
26 前縁
28 後縁
61 ハブ面
63 背面
65 外周面
67 背板部
71 負圧面
72 圧力面
82 第2フィレット
83 第3フィレット
102 負圧面側フィレット部
103 圧力面側フィレット部
105 翼間フィレット
110 第1フィレット
Claims (7)
- 遠心圧縮機の羽根車であって、
ハブと、
前記ハブのハブ面に立設された少なくとも一つの翼部であって、前記ハブの背面から離れるにつれて前記遠心圧縮機の軸線との距離が大きくなるように構成された後縁を有する少なくとも一つの翼部と、
前記少なくとも一つの翼部における後縁と前記ハブの背面部を形成する背板部の外周面とを接続する、前記外周面よりも径方向外側に形成された第1フィレットと、
を備え、
前記第1フィレットは、前記羽根車の子午面断面において、前記外周面よりも径方向外側に曲率中心が存在する曲線部分を含み、
前記曲線部分は、前記軸線の延在方向における前記ハブの背面側の端部が前記背面部に位置する
遠心圧縮機の羽根車。 - 前記翼部の負圧面と前記ハブ面とを接続する第2フィレットと、
前記翼部の圧力面と前記ハブ面とを接続する第3フィレットと、
をさらに備え、
前記第1フィレットは、
前記第2フィレットと前記背板部の外周面とを接続する負圧面側フィレット部と、
前記第3フィレットと前記背板部の外周面とを接続する圧力面側フィレット部と、
を含む
請求項1に記載の遠心圧縮機の羽根車。 - 前記圧力面側フィレット部の周方向の長さは、前記負圧面側フィレット部の周方向の長さよりも大きい
請求項2に記載の遠心圧縮機の羽根車。 - 前記翼部は、第1翼部、及び、前記第1翼部の負圧面側において周方向に間隔を空けて前記第1翼部と隣り合う第2翼部を含み、
前記背板部の外周側において、前記第1翼部の負圧面側に形成された前記負圧面側フィレット部と、前記第2翼部の圧力面側に形成された前記圧力面側フィレット部とを接続する翼間フィレット
をさらに備える
請求項2又は3に記載の遠心圧縮機の羽根車。 - 前記第1フィレットの少なくとも一部は、前記羽根車の子午面断面において、直線形状を有する
請求項1乃至4の何れか一項に記載の遠心圧縮機の羽根車。 - 請求項1乃至5の何れか一項に記載の遠心圧縮機の羽根車と、
前記羽根車を収容するコンプレッサハウジングと、
を備える遠心圧縮機。 - 請求項6に記載の遠心圧縮機
を備えるターボチャージャ。
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