WO2015129633A1 - 遠心圧縮機およびディフューザ製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明による遠心圧縮機は、インペラと、渦室を形成するケーシングと、ディフューザ（８）とを備えている。ディフューザ（８）は、ケーシングに形成されるハブ側面に対向するシュラウド側面（２４）が形成されるディフューザディスク（２１）と、ディフューザディスク（２１）とハブ側面との間に配置されるディフューザ翼（２２）とを有している。ディフューザディスク（２１）は、シュラウド側面（２４）の外周縁に滑らかに屈曲する曲面形成部（２６）が形成されている。このような遠心圧縮機は、ハブ側面とシュラウド側面（２４）とに挟まれる流路（２５）の流路幅が渦室に向かって大きくなるように形成されていることにより、ディフューザ翼（２２）をディフューザディスク（２１）の外周縁に向かって延長させることができ、インペラにより昇圧された流体を適切に渦室に導入することができる。

Description

遠心圧縮機およびディフューザ製造方法

　本発明は、遠心圧縮機およびディフューザ製造方法に関し、特に、流体を昇圧する遠心圧縮機および遠心圧縮機に備えられるディフューザ、およびディフューザを作製するときに利用されるディフューザ製造方法に関する。

　過給機等に利用される遠心圧縮機が知られている。その遠心圧縮機は、インペラにより昇圧された流体を渦室に導入する流路にディフューザを備えている。ディフューザは、ディフューザディスクにディフューザ翼が設けられている（特許文献１～２参照。）。

特開２０１１－５８４９０号公報 特許第５１６７４０３号公報

　上記のディフューザは、コンプレッサ性能を向上させる為にインペラにより昇圧された流体を渦室に適切に導入することが望まれ、ディフューザ翼を極力延長することが望まれている。しかしながら、ディフューザは、ディフューザ翼を延長すると、構造的にハブ側面に干渉したり、出口流路に必要とされる空気の流路幅を確保できなくなったりすることがある。

　本発明の課題は、上記問題を解決するためになされたもので、インペラにより昇圧された流体が渦室に適切に導入される遠心圧縮機を提供することにある。
　本発明の他の課題は、ディフューザディスクにディフューザ翼を強固に溶接するディフューザ製造方法を提供することにある。

　本発明の第１の態様に係る遠心圧縮機は、回転軸を中心に回転することにより流体を昇圧するインペラと、前記インペラを囲むように形成された渦室を形成するケーシングと、前記インペラと前記渦室との間に配置されるディフューザとを備えている。前記ディフューザは、前記ケーシングに形成されるハブ側面に対向するシュラウド側面が形成されるディフューザディスクと、前記ディフューザディスクと前記ハブ側面との間に配置されるディフューザ翼とを有している。このとき、前記ディフューザディスクは、前記ハブ側面と前記シュラウド側面とに挟まれる流路の前記回転軸方向の幅（流路幅）が前記渦室に向かって大きくなるように、前記シュラウド側面の外周縁に滑らかに屈曲する曲面形成部が形成されている。

　このような遠心圧縮機は、曲面形成部が形成されていることにより、ハブ側面が屈曲している場合でも、流体の流路の回転軸の方向の幅が渦室に向かって大きくなり、流路幅を確保することができる。このような遠心圧縮機は、流路幅を確保することができるようになったため、ディフューザ翼の翼弦を延長することができ、インペラにより昇圧された流体を渦室に適切に導入することができる。

　前記第１の態様に係る遠心圧縮機の前記ディフューザは、前記ディフューザ翼の根元部分が前記ディフューザディスクのシュラウド側面の平面領域に沿うように、形成されている。

　このようなディフューザは、ディフューザディスクのシュラウド側面の外周縁に曲面形成部が形成されていることにより、流路幅を確保することができるようになったため、ディフューザ翼の翼弦を延長することができる。このような遠心圧縮機は、ディフューザ翼の翼弦を延長することにより、インペラにより昇圧された流体を適切に渦室に導入することができる。

　前記第１の態様に係る遠心圧縮機の前記ディフューザは、前記曲面形成部と前記ディフューザ翼との間に溶接部をさらに有している。

　このようなディフューザは、ディフューザディスクとディフューザ翼とが溶接により接合されることにより作製される。曲面形成部とディフューザ翼との間に形成される隙間を開先として用いることができ、従来のディフューザディスクとディフューザ翼の間に切削加工を行って開先を形成していた工程を省略することができ、作業効率が向上する。

　前記第１の態様に係る遠心圧縮機の前記ディフューザ翼は、前記ハブ側面に対向する面の後縁に前記ハブ側面の径方向外側の曲面に沿うような形状に翼後縁Ｒ部が形成されている。

　このようなディフューザ翼は、ハブ側面のうちの渦室の壁面に滑らかに繋がる領域、すなわち前記ハブ側面の半径方向外側の曲面まで、適切に延長させることができる。これにより遠心圧縮機の性能を向上させることができ、渦室をコンパクト化することができる。

　本発明の第２の態様に係る過給機は、前記第１の態様に係る遠心圧縮機と、前記インペラを回転させる軸流タービンとを備えている。このような過給機は、遠心圧縮機がインペラにより昇圧された流体を適切に渦室に導入することができることにより、過給機性能を向上させることができる。

　本発明第３の態様に係るディフューザ製造方法は、円板および複数の翼によってディフューザを製造するディフューザ製造方法であって、円板のシュラウド側面の外周縁に滑らかに屈曲する曲面形成部を形成する工程と、前記シュラウド側面に翼を溶接により接合する工程とを備えている。

　このようなディフューザ製造方法により作製されたディフューザは、ディフューザディスクの外周縁に曲面形成部が形成されていることにより、インペラにより昇圧された流体を適切に渦室に導入することができる。このようなディフューザは、さらに、曲面形成部が形成されていることにより、ハブ側面が屈曲している場合でも、流路の回転軸方向の幅が渦室に向かって大きくなるように、インペラにより昇圧された流体を渦室に導入する流路を適切に形成することができる。

　前記第３の態様に係るディフューザ製造方法は、前記曲面形成部と前記翼との間に形成される隙間を開先として溶接する工程をさらに備えている。

　このようなディフューザ製造方法は、円板と翼とを溶接強度を確保して適切に溶接することができ、ディフューザを適切で容易に作製することができる。

　本発明による遠心圧縮機は、ディフューザディスクの外周縁に曲面形成部を設けることにより、流体の流路の流路幅を確保することができる。本発明による遠心圧縮機は、流体の流路の流路幅を確保できることにより、また、ディフューザ翼の後縁に翼後縁Ｒ部を設けることにより、ディフューザ翼の翼弦を延長することができ、インペラにより昇圧された流体を適切に渦室に導入して、過給機効率を向上させることができる。
　本発明によるディフューザ製造方法は、曲面形成部とディフューザ翼との隙間を開先として利用することにより、ディフューザディスクにディフューザ翼を容易に溶接することができる。

本発明の一実施形態にかかる過給機を示す断面図である。 本発明の一実施形態にかかるケーシングおよびディフューザを示す拡大断面図である。 本発明の一実施形態にかかるディフューザを示す平面図である。 本発明の一実施形態にかかるディフューザを示す斜視断面図である。 本発明の一実施形態にかかるディフューザを示す拡大断面図である。

　以下に、本発明の一実施形態にかかる過給機１０について図面を参照して説明する。過給機１０は、遠心圧縮機１とロータ軸２と軸流タービン３とを備えている。

　遠心圧縮機１は、図示しない内燃機関に対して、装置外部の空気を圧縮して燃焼用空気を生成し、生成した燃焼用空気を内燃機関に送りこむ装置であり、主としてケーシング６とインペラ７とディフューザ８とを備えている。

　ケーシング６は、軸方向から装置外部の空気を吸い込み、圧縮した空気（燃焼用空気）を図示しない内燃機関に送りこむよう主に内側ケーシングと、外側ケーシングと、軸受台１２との間に流路が形成されている。流路には、遠心圧縮機１の径方向に排出された燃焼用空気が導かれるドーナツ状の流路である渦室１１が形成されている。渦室１１は、図示しない燃焼用空気供給流路（過給機１０と図示しない内燃機関との間に設けられる供給流路）に接続されている。

　軸受台１２は、図２に示されるように、過給機１０の径方向に沿ってハブ側面１４が形成されており、ハブ側面１４は、渦室１１を形成する外側ケーシング内面と滑らかに繋がるようにハブ側面１４のうち半径方向外側の部分が曲面状に形成されている。

　インペラ７は、図１に示されるように、ケーシング６の内部に配置され、回転軸５を中心に回転可能となるようにロータ軸２の一端に固定されている。インペラ７は、ロータ軸２とともに回転軸５を中心に回転することにより、外部から遠心圧縮機１に供給される流体を昇圧する。本実施形態の過給機１０は、ロータ軸２の他端に固定された軸流タービン３が外部から供給される排気ガスの運動エネルギーによってロータ軸２を回転することで、回転軸５を中心にロータ軸２とともにインペラ７が回転するよう構成されている。

　ケーシング６は、渦室１１を内部に形成している。渦室１１は、概ねドーナツ状に形成され、インペラ７を囲むように形成されている。渦室１１は、さらに、図示されていない燃焼用空気供給流路に接続されている。ディフューザ８は、ケーシング６の内部のうちのインペラ７と渦室１１との間に配置され、ケーシング６に固定されている。

　ディフューザディスク２１は、図３に示されるように、円板状に形成され、中央に孔２３が形成されている。ディフューザディスク２１は、図２に示されるように、シュラウド側面２４に沿って配置され、孔２３の内側にインペラ７が配置されるようにケーシング６に固定されている。ディフューザ翼２２は、翼形に形成されている。ディフューザ翼２２は、ディフューザディスク２１とハブ側面１４との間に配置されるように、ディフューザディスク２１に固定されている。ディフューザ翼はインペラ７で圧縮された燃焼用空気を整流する。

　ディフューザ８は、図４に示されるように、インペラ７により圧縮された燃焼用空気を渦室１１に導入する流路２５を形成している。流路２５は、軸受台１２のハブ側面１４とディフューザディスク２１のシュラウド側面２４とディフューザ翼２２の表面とで形成される。

　ディフューザディスク２１は、シュラウド側面２４のうち、過給機１０の径方向外側の外周縁に所定の幅で曲面形成部２６が形成されている。ディフューザディスク２１の外周縁の曲面形成部２６は、シュラウド側面２４の平坦面領域とディフューザディスク２１の端部とを滑らかに接続するように形成されている。すなわち、ハブ側面１４とシュラウド側面２４とに挟まれる流路の回転軸方向の幅（流路幅）が渦室１１に向かうにつれ大きくなるように、形成されている。

　ディフューザ翼２２は、図５に示されるように、根元部分がディフューザディスク２１のシュラウド側面２４の平面領域に沿うように、形成されている。ディフューザ翼２２の根元部分とディフューザディスク２１の曲面形成部２６は、溶接にて接合されており、さらに、溶接部２８は、ディフューザディスク２１の曲面形成部２６とディフューザ翼２２の後縁（過給機１０の径方向外側部分）の根元との間の隙間を埋めるように、形成されている。ディフューザ翼２２は、ハブ側面１４に対向する表面のうち、回転軸５から遠い側の後縁に翼後縁Ｒ部２９が形成されている。翼後縁Ｒ部２９は、ハブ側面１４の過給機１０の径方向外側の部分であって、曲面状に形成されている領域に沿うように形成されている。

　以下に、本実施形態の過給機１０のディフューザ８の製造方法を説明する。まず、ディフューザの製造にあたり円板と複数の翼とが準備される。円板には、中央に孔が形成されており、一方の面の径方向外側が所定の幅で切削加工されることにより、曲面部が形成される。翼は、翼形に形成されており、円板の外周縁に曲面部が形成された後に、翼の根元部分が円板の曲面部が形成された面のうちの平面領域に沿うように、配置される。翼は、円板の所定の位置に配置された後に、溶接により円板に接合される。このとき、翼の溶接強度を確保するにあたり、円板の外周縁に形成された曲面部と翼の後縁部分との間の隙間が開先として利用されて、円板に溶接される。翼は、円板に溶接された後に、後縁が曲面状に切削加工されることにより曲面部が形成される。

　円板と翼とは、このように接合されることにより、ディフューザ８が形成される。すなわち、円板は、ディフューザディスク２１を形成し、翼は、ディフューザ翼２２を形成し、円板と翼との溶接に利用された溶融金属は、溶接部２８を形成する。さらに、円板の径方向外側に形成された曲面部は、曲面形成部２６を形成する。さらに、翼の後縁に形成された曲面部は、翼後縁Ｒ部２９を形成する。

　このようなディフューザ製造方法は、円板に形成された曲面部と翼との間の隙間が開先として利用されて溶接されることにより、円板と翼とを十分に強固に溶接することができ、ディフューザ８を適切に作製することができる。従来、円板の外周縁に曲面部が形成されない場合に、円板の外周縁と翼との接合部分に開先を切削加工により形成する必要があった。このようなディフューザ製造方法は、曲面形成部２６に形成される曲面部と翼との隙間を開先に流用することにより、開先を形成する切削加工が不要となり、これに伴い、ディフューザ８を作製する作業効率を向上させることができる。

　遠心圧縮機１を備える過給機１０は、図示されていない内燃機関とともに利用される。遠心圧縮機１は、ロータ軸２が回転軸５を中心に回転することにより、インペラ７が回転し、遠心圧縮機１に供給される空気を昇圧する。ディフューザ８は、流路２５を介して、インペラ７により昇圧された燃焼用空気を渦室１１に導入する。このとき、流路２５は、ディフューザディスク２１の外周縁に曲面形成部２６が形成されていることにより、流路幅が渦室１１に向かうにつれ大きくなるように、形成されている。インペラ７により昇圧された圧縮空気は、流路２５の流路幅が渦室１１に向かうにつれ大きくなっていることにより、また、ディフューザ翼２２がディフューザディスク２１の外周縁まで延長されていることにより、流路２５を介して適切に渦室１１に導入される。

　渦室１１に接続されている燃焼用空気供給流路は、インペラ７により昇圧された燃焼用空気を渦室１１から図示されていない内燃機関に供給する。内燃機関は、遠心圧縮機１により生成された燃焼用空気を用いて燃料を燃焼することにより、回転動力を生成し、その回転動力を外部機器に供給する。内燃機関は、燃料を燃焼することにより、さらに、排気ガスを生成し、その排気ガスを軸流タービン３に供給する。軸流タービン３は、内燃機関により排気された排気ガスを用いて回転動力を生成し、回転軸５を中心にロータ軸２を回転させる。

　本発明による遠心圧縮機１は、ディフューザ翼２２を延長しても適切な流路幅が確保でき、インペラ７により昇圧された燃焼用空気を渦室１１に適切に導入することが可能となり、性能を向上させることができる。遠心圧縮機１は、性能が向上することにより、渦室１１をコンパクト化することができる。さらに、遠心圧縮機１を備える過給機１０は、遠心圧縮機１がインペラ７により昇圧された圧縮空気を渦室１１に適切に導入することにより、過給機性能を向上させることができる。

　なお、ディフューザ８は、インペラ７により昇圧された燃焼用空気を渦室１１に十分に適切に導入することができるときに、ディフューザ翼２２がディフューザディスク２１の曲面形成部２６と溶接されないように、形成されることもできる。

　なお、ディフューザ８は、円板と複数の翼とを溶接しないで作製されることもできる。その製造方法としては、鋼塊を切削加工することによりディフューザ８を形成することが例示される。このように作製されたディフューザも、既述のディフューザ８と同様にして、ディフューザディスクの外周縁に曲面形成部が形成されることにより、インペラ７により昇圧された流体を渦室１１に適切に導入することができる。

　１　：遠心圧縮機
　２　：ロータ軸
　３　：軸流タービン
　５　：回転軸
　６　：ケーシング
　７　：インペラ
　８　：ディフューザ
　１０：過給機
　１１：渦室
　１２：軸受台
　１４：ハブ側面
　２１：ディフューザディスク
　２２：ディフューザ翼
　２３：孔
　２４：シュラウド側面
　２５：流路
　２６：曲面形成部
　２８：溶接部
　２９：翼後縁Ｒ部

Claims (7)

1. 　インペラを囲むように形成されたケーシングと、
   　前記ケーシングに形成された渦室と、
   　前記インペラと前記渦室との間に配置されるディフューザとを備え、
   　前記ディフューザは、
   　前記ケーシングに形成されるとともに、ハブ側面に対向するシュラウド側面が形成されるディフューザディスクと、
   　前記シュラウド側面と前記ハブ側面との間に配置されるディフューザ翼とを備え、
   　前記ディフューザディスクは、前記ハブ側面と前記シュラウド側面とに挟まれる流路が前記渦室に向かって大きくなるように、前記シュラウド側面の径方向外側に曲面形成部が形成されている遠心圧縮機。
2. 　前記ディフューザは、前記ディフューザ翼の根元部分が前記シュラウド側面の平面に沿うように形成されている請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 　前記ディフューザは、前記曲面形成部と前記ディフューザ翼との間に溶接部をさらに有する請求項２に記載の遠心圧縮機。
4. 　前記ディフューザ翼は、前記ハブ側面に対向する面のうちの径方向外側の後縁に翼後縁Ｒ部が形成されている請求項１から３のうちのいずれか一項に記載の遠心圧縮機。
5. 　請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の遠心圧縮機と、
   　前記インペラを回転させる軸流タービンと、
   を備える過給機。
6. 　円板及び複数の翼によってディフューザを製造する方法であって、
   　円板のシュラウド側面の外周縁に曲面形成部を形成する工程と、
   　前記シュラウド側面に翼を溶接により接合する工程と、
   を備えるディフューザ製造方法。
7. 　前記曲面形成部と前記翼との間に形成される隙間を開先として溶接する工程をさらに備える請求項６に記載のディフューザ製造方法。

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