遠心圧縮機羽根車の寿命予測方法
【課題】過給機等に用いられる遠心圧縮機の羽根車のクリープ歪みを簡便な方法で正確に把握し、これによって羽根車の寿命を正確に予測する。
【解決手段】遠心圧縮機１０の羽根車１２の背面２８とベアリングハウジング２０との間にラビリンスパッキン３０が設けられ、被圧縮空気の一部が径方向隙間Ｃ１を通ってシール空間ｓに流入するのを防止している。ラビリンスパッキン３０の上端部３１に羽根車１２の外周面３４に正対する対向面３６を設け、径方向隙間Ｃ１をノギス、隙間ゲージ等で計測することで、羽根車１２のクリープ歪みを計測する。羽根車１２のクリープ歪みからクリープ破壊に至るクリープ特性を予め把握しておき、羽根車１２のクリープ歪みと該クリープ特性とから羽根車１２の稼動限界時期を求める。径方向隙間Ｃ１の下限値Ｃｍを設定し、径方向隙間Ｃ１が該下限値Ｃｍになった時を羽根車使用限界時期とする。
【解決手段】遠心圧縮機１０の羽根車１２の背面２８とベアリングハウジング２０との間にラビリンスパッキン３０が設けられ、被圧縮空気の一部が径方向隙間Ｃ１を通ってシール空間ｓに流入するのを防止している。ラビリンスパッキン３０の上端部３１に羽根車１２の外周面３４に正対する対向面３６を設け、径方向隙間Ｃ１をノギス、隙間ゲージ等で計測することで、羽根車１２のクリープ歪みを計測する。羽根車１２のクリープ歪みからクリープ破壊に至るクリープ特性を予め把握しておき、羽根車１２のクリープ歪みと該クリープ特性とから羽根車１２の稼動限界時期を求める。径方向隙間Ｃ１の下限値Ｃｍを設定し、径方向隙間Ｃ１が該下限値Ｃｍになった時を羽根車使用限界時期とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、舶用ディーゼル機関等の内燃機関の過給機等に用いられる遠心圧縮機の羽根車の寿命を簡単な手段で正確に予測可能な寿命予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
舶用ディーゼル機関の過給機等に用いられる遠心圧縮機は、近年益々高い圧力比（例えば４〜５倍）が要求されると共に、高効率が要求されてきている。この相反する要求を両立させるために、一般に羽根車の回転周速を高く取ることが行なわれている。
一方、高い回転周速となった羽根車は、回転により自身に作用する遠心力によって内部に高い応力が発生する。さらに、圧縮された空気は高温となり、高温となった空気の一部は、漏れ流れとなってハウジングとの隙間から羽根車の背面に回り込み、羽根車を背面から過熱する。圧縮空気は、高圧力比となるほど高温となるので、高応力及び高温に曝される羽根車は、クリープ破壊のおそれが出てくる。
【０００３】
特許文献１には、エンジンの過給機などに適用される遠心圧縮機が開示されている。以下、この遠心圧縮機を例に取って、過給機用遠心圧縮機の構成を説明する。図５において、この遠心圧縮機１００は、ロータ軸１０２の外周面に羽根車１０４が固着され、羽根車１０４のハブ面１４ｂには複数のブレード１０５が放射状に突設されている。羽根車１０４の外周側は、圧縮部のハウジング１０６と、ベアリングハウジング１０８とで、被圧縮空気の流路を除き密閉されている。羽根車１０４の背面１０４ａと、該背面に対面したベアリングハウジング１０８の壁面にはラビリンスパッキン１１０が設けられ、羽根車背面とベアリングハウジング１０８との間のシール空間ｓをシールしている。
【０００４】
シール空間ｓは放風孔１１２を通して外部と連通しており、ラビリンスパッキン１１０を通してシール空間ｓに入る若干量の漏れ空気を外部へ放出している。ロータ軸１０２にはスラストカラー１１４が固着され、ベアリングハウジング１０８には、スラストカラー１１４を挟んで主スラスト軸受１１６及び反スラスト軸受１１８が設けられている。これら主スラスト軸受１１６及び反スラスト軸受１１８によってロータ軸１０２を軸方向に支持している。
【０００５】
羽根車１０４が回転すると、被圧縮空気は、矢印ａ方向からブレード１０５間に形成された流路に流入し、ブレード１０５で加速される。ブレード１０５で加速された被圧縮空気は、ディフューザ領域ｄで減速され、静圧が上昇して加圧される。
羽根車１０４の出口で被圧縮空気は、２００〜２５０℃もの高温になり、その一部は、ラビリンスパッキン１１０を通り、漏れ流れｌとなって、シール空間ｓに流入する。この漏れ流れｌが羽根車１０４を背面側から過熱する。
【０００６】
通常、羽根車１０４の材料としてアルミ合金等が用いられている。羽根車１０４は背面側から過熱されると、強度が低下し、高応力及び高温の雰囲気下でクリープ歪みが発生する。このクリープ歪みを放置すると、クリープ破壊に至るおそれがある。
【０００７】
特許文献１では、漏れ流れｌによる羽根車１０４の過熱を防止するために、ラビリンスパッキン１１０に環状空間１２０を設けると共に、ベアリングハウジング１０８にこの環状空間１２０に連通する空気通路１２２を設けている。そして、外部から空気通路１２２及び環状空間１２０を通して低温空気をシール空間ｓに導入し、羽根車１０４の過熱を防止するようにしている。
【０００８】
特許文献２にも、漏れ流れｌによる羽根車１０４の過熱を防止して、羽根車１０４のクリープ破壊を防止する手段が開示されている。この手段は、羽根車１０４の背面１０４ａに環状デフレクタを突設し、シール空間ｓに侵入した漏れ流れｌをこの環状デフレクタに当てて、漏れ流れｌの流路を偏向させ、背面１０４ａから離すようにして、羽根車１０４の過熱を防止するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平４−３６５９９７号公報
【特許文献２】特開２００８−２５５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１又は特許文献２に開示された手段をもってしても、羽根車のクリープ歪みをなくすことは困難である。クリープ歪みは局所的に負荷応力及び温度が厳しい場所から進展するが、局所的なクリープ歪みの発生を発見することは困難である。羽根車におけるクリープ歪みは、羽根車に加わる遠心力によって羽根車の外径が徐々に大きくなる。最終的に大規模な破断に至る直前には歪みが急激に変化するが、それ以前は歪みの成長が僅かずつであるため、歪みの変化を把握するためには、微小な歪みの変化を検知する必要がある。
【００１１】
このように、遠心圧縮機を安全に稼動させるためには、羽根車のクリープの伸展状況を検知し、羽根車の寿命を予測して、大規模な破断が発生する前に、羽根車交換などの対策を講じる必要がある。このために、羽根車の稼動限界時間を設定し、これを超える前に交換を行なう方法もある。しかし、実際の羽根車のクリープ伸展状況は、エンジンや過給機の運転負荷等によって左右されるため、設定された稼動限界時間は、実際のクリープ伸展状況と一致しない。従って、継続使用が十分可能な段階で羽根車を交換することになるため、無駄が多い。また、羽根車の頻繁なチェックは、運転管理者の負担を余分に重くすることになる。
【００１２】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、遠心圧縮機の羽根車のクリープ歪みを簡便な方法でかつ正確に把握し、これによって、羽根車の寿命を正確に予測し、クリープ破壊する前に交換を可能にすると共に、羽根車の無駄な交換をなくすことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
かかる目的を達成するため、本発明の遠心圧縮機の羽根車寿命評価方法は、
遠心圧縮機の回転軸に装着された羽根車のクリープ歪みを検出し、該クリープ歪みの検出値から羽根車の寿命予測を行なう遠心圧縮機羽根車の寿命予測方法において、
遠心圧縮機稼動時の高温下における前記羽根車のクリープ歪みからクリープ破壊に至るクリープ特性を把握する前工程と、
遠心圧縮機の稼動前に羽根車外周面と羽根車外周面に正対する静止部壁面との径方向隙間を予め把握しておく隙間把握工程と、
遠心圧縮機の稼動後に該径方向隙間を計測し、この径方向隙間と該隙間把握工程で計測した径方向隙間との差から羽根車のクリープ歪みを求めるクリープ歪み計測工程と、
該クリープ歪みと前記クリープ特性とを比較して、羽根車の稼動限界時期を求める寿命予測工程と、からなるものである。
【００１４】
過給機等に用いられる遠心圧縮機では、通常３０〜４０℃の空気が羽根車に供給され、この被圧縮空気が羽根車で圧縮されて高温化する。そのため、外周端側ほど高温になり、また漏れ流れにより、背面に近い領域が高温になる。従って、外周端側のクリープ歪みが大きくなる。クリープ歪みが伸展すると、羽根車の外径は大きくなるため、羽根車外周面と該外周面に正対する静止部壁面との径方向隙間は小さくなる。
【００１５】
本発明方法では、羽根車外周面とこの外周面に対面する静止部壁面との径方向隙間を計測するようにしたので、クリープ歪みが微小であっても感度良く計測できる。該径方向隙間を定期的に計測することにより、羽根車のクリープ歪みの伸展状況を把握できるため、羽根車の取り外しや羽根車からの試料採取等を必要とせず、羽根車の交換時期を的確に判断できる。従って、羽根車がクリープ破壊する前に確実に羽根車を交換できると共に、羽根車を稼動限界まで使用できるようになる。
【００１６】
計測点は、例えば、羽根車の周囲４箇所を計測し、これらの計測値の平均を取るようにしてもよい。なお、羽根車外径の計測は、羽根車に加わる遠心力や羽根車の熱膨脹等の影響を受けないように、遠心圧縮機が稼動を停止して、冷却した時に行なうとよい。
【００１７】
本発明方法において、径方向隙間の下限値を設定し、該下限値を羽根車使用限界値とするとよい。これによって、径方向隙間を定期的に計測し、この計測値が下限値より小さくなっているか、あるいは次回の計測時までに下限値より小さくなることが予想されれば、その時点で羽根車を交換するようにする。これによって、羽根車の要交換時期を正確に把握できる。
【００１８】
本発明方法において、前記径方向隙間が、羽根車外周面と静止部壁面に羽根車外周面側に向けて突出形成された突起部との間の径方向隙間であるとよい。
このように、羽根車外周面に正対する静止部壁面に突起部を設けることにより、羽根車外周面と静止部壁面との間の隙間を最小にできるため、該隙間から羽根車背面側のシール空間に流入する漏れ流れを最小限にできる。
【００１９】
この場合、遠心圧縮機の稼動前に羽根車外周面と突起部間に鉛線材を介在させておき、クリープ歪み計測工程で、遠心圧縮機稼動後に羽根車のクリープ歪みで形成された該鉛線材の凹み量から前記径方向隙間を求めるようにするとよい。これによって、鉛線材の凹み量から羽根車のクリープ歪み量を簡便かつ正確に計測できる。
【００２０】
本発明方法において、羽根車の背面と該背面に対面する静止部壁面間にラビリンスパッキンを設け、径方向隙間が、羽根車の背面及び静止部壁面に固定された該ラビリンスパッキンの凸片間の径方向隙間であるとよい。
【００２１】
羽根車の背面と該背面に対面する静止部壁面間にラビリンスパッキンを設けた遠心圧縮機においては、予めクリープ解析等の手法により、羽根車の寿命と、羽根車の外径寸法、及び互いに正対したラビリンスパッキンの凸片間の径方向隙間との関係を把握しておく。
遠心圧縮機の稼動後、該径方向隙間を計測することにより、羽根車の寿命を判断できる。
ラビリンスパッキンの凸片間の隙間はもともと非常に小さい寸法であるため、その経時変化を捉えることで、クリープ初期に発生する羽根車の小さな歪みも把握できるようになる。
【００２２】
この場合、径方向隙間は、ラビリンスパッキンの各凸片間の径方向隙間の平均値を用いてもよいが、可能であれば、羽根車の径方向歪みが大きく現われる外周側の径方向隙間を計測するとよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明方法によれば、遠心圧縮機の回転軸に装着された羽根車のクリープ歪みを検出し、該クリープ歪みの検出値から羽根車の寿命予測を行なう遠心圧縮機羽根車の寿命予測方法において、遠心圧縮機稼動時の高温下における前記羽根車のクリープ歪みからクリープ破壊に至るクリープ特性を把握する前工程と、遠心圧縮機の稼動前に羽根車外周面と羽根車外周面に正対する静止部壁面との径方向隙間を予め把握しておく隙間把握工程と、遠心圧縮機の稼動後に該径方向隙間を計測し、この径方向隙間と該隙間把握工程で計測した径方向隙間との差から羽根車のクリープ歪みを求めるクリープ歪み計測工程と、該クリープ歪みと前記クリープ特性とを比較して、羽根車の稼動限界時期を求める寿命予測工程と、からなるので、クリープ歪みが微小であっても感度良く計測でき、該径方向隙間を定期的に計測することにより、羽根車のクリープ歪みの伸展状況を把握できるため、羽根車の取り外しや羽根車からの試料採取等を必要とせず、羽根車の交換時期を的確に判断できる。
従って、羽根車がクリープ破壊する前に羽根車を確実に交換できると共に、羽根車を稼動限界まで使用できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明方法を舶用ディーゼル機関用過給機に用いられる遠心圧縮機に適用した第１実施形態に係る正面視断面図である。
【図２】本発明方法を舶用ディーゼル機関用過給機に用いられる遠心圧縮機に適用した第２実施形態に係る正面視断面図である。
【図３】図２の一部拡大図である。
【図４】本発明方法を舶用ディーゼル機関用過給機に用いられる遠心圧縮機に適用した第３実施形態に係る正面視断面図である。
【図５】舶用ディーゼル機関用過給機に用いられる従来の遠心圧縮機の正面視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００２６】
（実施形態１）
本発明方法を舶用ディーゼル機関用過給機に用いられる遠心圧縮機に適用した第１実施形態を図１により説明する。図１は該遠心圧縮機１０の羽根車１２とその周辺領域を示す。図１において、羽根車１２のハブ面１４には、複数のブレード１６が放射状に固着されている。羽根車１２の外周側は、圧縮部のハウジング１８と、ベアリングハウジング２０とで密閉されている。
【００２７】
ハウジング１８の上方には、ディフューザ領域ｄを形成する隔壁２２と、この隔壁２２がボルト２５で装着されたハウジング２４とが設けられている。ハウジング１８とハウジング２４との間には、シール用Ｏリング２６が介設されている。羽根車１２の背面２８に対面して、ラビリンスパッキン３０が設けられている。ラビリンスパッキン３０は、ベアリングハウジング２０の壁面にボルト３２によって固定されている。ラビリンスパッキン３０及び羽根車背面２８には、複数の凸片４２及び４４が設けられている。これらの凸片４２，４４が互い違いに配置されて迷路を形成し、シール空間ｓをシールしている。
【００２８】
羽根車１２が回転すると、被圧縮空気は、矢印ａ方向からブレード１６間に形成された流路に流入し、ブレード１６で加速される。ブレード１６で加速された被圧縮空気は、ディフューザ領域ｄで減速され、静圧が上昇して加圧される。
羽根車１２の出口で被圧縮空気は、２００〜２５０℃もの高温になり、その一部は漏れ流れｌとなり、ラビリンスパッキン３０を通ってシール空間ｓに流入する。この漏れ流れｌが羽根車１０４を背面側から過熱する。
【００２９】
本実施形態では、羽根車１２の外周面３４と、ラビリンスパッキン３０の上端部３１に設けられた対向面３６とを正対させると共に、羽根車外周面３４と該対向面３６との間の径方向隙間Ｃ１が１ｍｍ以下の寸法になるように構成されている。羽根車１２のクリープが伸展すると、羽根車１２の外径は大きくなるため、径方向隙間Ｃ１は小さくなる。そのため、予めクリープ解析等の手法により、羽根車１２のクリープ特性と羽根車外径寸法との関係を把握しておき、羽根車１２の限界寿命に対応した羽根車外径寸法の限界値を設定しておく。この限界値から、径方向隙間Ｃ１の下限値Ｃｍを設定する。
【００３０】
遠心圧縮機１０の稼動中、定期的に径方向隙間Ｃ１を計測する。その計測方法は、例えば、径方向隙間Ｃ２をノギスや隙間ゲージで計測する。径方向隙間Ｃ１が下限値Ｃｍより小さくなっているか、又は次回点検時までに径方向隙間Ｃ１が下限値Ｃｍより小さくなるということが予想された場合に、羽根車１２を交換するようにする。
なお、羽根車外径寸法の計測は、羽根車１２の回転による遠心力及び熱膨脹等の影響を受けないように、遠心圧縮機１０の稼動が停止し、冷却している常温時（２０〜３０℃）に行なう。クリープ歪みは永久歪みとして残るので、常温時に計測することで、正確な計測結果が得られる。また、計測方法は、例えば、羽根車１２の周囲４箇所を計測し、これらの計測値の平均値を取る等の方法を採用する。
【００３１】
本実施形態によれば、径方向隙間Ｃ１を定期的に計測することによって、羽根車２８のクリープ歪みの伸展状況を把握できる。従って、羽根車１２の取り外しや羽根車１２からの試料採取等を必要とせず、羽根車１２のクリープ破壊時期を判定できる。従って、羽根車１２の交換時期を的確に判断できる。従って、羽根車１２がクリープ破壊する前に羽根車１２を確実に交換できると共に、羽根車１２をクリープ破壊限界近くまで使用できるようになる。
【００３２】
（実施形態２）
次に、本発明方法の第２実施形態を図２により説明する。本実施形態は、前記第１実施形態と同様に、舶用ディーゼル機関用過給機に用いられる遠心圧縮機に適用した例である。本実施形態では、羽根車外周面３４に正対したラビリンスパッキン３０の上端部３１において、対向面３６のうちディフューザ領域ｄに面した入口部に、羽根車外周面３４に向かって突出した環状の突起部４０を設けている。その他の遠心圧縮機１０の構成は、第１実施形態と同一である。
【００３３】
本実施形態では、羽根車外周面３４と突起部４０との径方向隙間Ｃ２を計測することで、羽根車１２のクリープ伸展状態を把握できる。その計測方法は、径方向隙間Ｃ２をノギスや隙間ゲージで計測することも可能であるが、別な計測方法として、図３に示すように、突起部４０に鉛線材４６を固定しておくようにする。羽根車１２のクリープ歪み（３４→３４’）によって鉛線材４６に凹みができるので、その凹み量δを計測することによって、羽根車１２のクリープ歪みを正確に計測できる。
そして、第１実施形態と同様に、羽根車１２の限界寿命に対応した径方向隙間Ｃ２の下限値Ｃｍを設定し、この下限値Ｃｍを基準に羽根車１２の交換時期を判定する。
【００３４】
本実施形態によれば、ラビリンスシール３０の上端部３１の対向面３６に突起部４０を設けたことにより、径方向隙間Ｃ２を第１実施形態の径方向隙間Ｃ１より小さく取ることができる。そのため、径方向隙間Ｃ２からラビリンスパッキン３０を通ってシール空間ｓに漏れる漏れ流れｌを低減できるので、羽根車１２の過熱度を低減できる。
また、突起部４０に鉛線材を固定し、鉛線材４６の凹み量δを計測することにより、羽根車１２のクリープ歪みを容易かつ精度良く計測できる。
【００３５】
（実施形態３）
次に、本発明方法の第３実施形態を図４により説明する。本実施形態の構成は、前記第１実施形態と同一である。本実施形態では、ラビリンスパッキン３０の凸片４２と、羽根車１２の背面２８に設けられた凸片４４との間の径方向隙間Ｃ３を計測して、羽根車１２のクリープ伸展状況を把握する。
本実施形態では、羽根車１２をロータ軸に装着したまま径方向隙間Ｃ３を計測することが困難である。そのため、計測方法は、一旦羽根車１２をロータ軸から取り外し、図３に示すように、ラビリンスパッキン３０の凸片４２に鉛線材４６を固定する。次に、羽根車１２をロータ軸に装着し、遠心圧縮機１０を稼動させる。遠心圧縮機１０の稼動後、鉛線材４６の凹み量δを計測することで、羽根車１２のクリープ歪みを計測できる。
【００３６】
なお、径方向隙間Ｃ３の計測は、ラビリンスパッキン３０の各段の凸片間の径方向隙間Ｃ３を計測し、それらの計測値の平均値を算出してもよい。しかし、可能であれば、羽根車１２の外周側でクリープ歪みが大きく現われるので、なるべく外周側に位置する凸片間の径方向隙間Ｃ３を計測するとよい。
【００３７】
ラビリンスパッキン３０の凸片間の隙間はもともと非常に小さい寸法であるため、本実施形態によれば、その径方向隙間Ｃ３を計測することにより、羽根車１２のクリープ初期に発生する小さな歪みも正確に計測できる。
なお、前記実施形態は、いずれも舶用ディーゼル機関用過給機に適用された遠心圧縮機の例であるが、本発明はこれらに用途に限定されず、他の内燃機関等に適用される遠心圧縮機にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明によれば、遠心圧縮機の羽根車の寿命を簡単な手段で正確に把握して、そのクリープ破壊を回避できると共に、羽根車を最大限に使用できる。
【符号の説明】
【００３９】
１０ 遠心圧縮機
１２ 羽根車
１４ ハブ面
１６ ブレード
１８，２４ ハウジング
２０ ベアリングハウジング
２２ 隔壁
２５，３２ ボルト
２６ シール用Ｏリング
２８ 羽根車背面
３０ ラビリンスパッキン
３４ 羽根車外周面
３６ 対向面
４０ 突起部
４２，４４ 凸片
４６ 鉛線材
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 径方向隙間
Ｃｍ 下限値
ｄ ディフューザ領域
ｌ 漏れ流れ
ｓ シール空間
δ 凹み量
【技術分野】
【０００１】
本発明は、舶用ディーゼル機関等の内燃機関の過給機等に用いられる遠心圧縮機の羽根車の寿命を簡単な手段で正確に予測可能な寿命予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
舶用ディーゼル機関の過給機等に用いられる遠心圧縮機は、近年益々高い圧力比（例えば４〜５倍）が要求されると共に、高効率が要求されてきている。この相反する要求を両立させるために、一般に羽根車の回転周速を高く取ることが行なわれている。
一方、高い回転周速となった羽根車は、回転により自身に作用する遠心力によって内部に高い応力が発生する。さらに、圧縮された空気は高温となり、高温となった空気の一部は、漏れ流れとなってハウジングとの隙間から羽根車の背面に回り込み、羽根車を背面から過熱する。圧縮空気は、高圧力比となるほど高温となるので、高応力及び高温に曝される羽根車は、クリープ破壊のおそれが出てくる。
【０００３】
特許文献１には、エンジンの過給機などに適用される遠心圧縮機が開示されている。以下、この遠心圧縮機を例に取って、過給機用遠心圧縮機の構成を説明する。図５において、この遠心圧縮機１００は、ロータ軸１０２の外周面に羽根車１０４が固着され、羽根車１０４のハブ面１４ｂには複数のブレード１０５が放射状に突設されている。羽根車１０４の外周側は、圧縮部のハウジング１０６と、ベアリングハウジング１０８とで、被圧縮空気の流路を除き密閉されている。羽根車１０４の背面１０４ａと、該背面に対面したベアリングハウジング１０８の壁面にはラビリンスパッキン１１０が設けられ、羽根車背面とベアリングハウジング１０８との間のシール空間ｓをシールしている。
【０００４】
シール空間ｓは放風孔１１２を通して外部と連通しており、ラビリンスパッキン１１０を通してシール空間ｓに入る若干量の漏れ空気を外部へ放出している。ロータ軸１０２にはスラストカラー１１４が固着され、ベアリングハウジング１０８には、スラストカラー１１４を挟んで主スラスト軸受１１６及び反スラスト軸受１１８が設けられている。これら主スラスト軸受１１６及び反スラスト軸受１１８によってロータ軸１０２を軸方向に支持している。
【０００５】
羽根車１０４が回転すると、被圧縮空気は、矢印ａ方向からブレード１０５間に形成された流路に流入し、ブレード１０５で加速される。ブレード１０５で加速された被圧縮空気は、ディフューザ領域ｄで減速され、静圧が上昇して加圧される。
羽根車１０４の出口で被圧縮空気は、２００〜２５０℃もの高温になり、その一部は、ラビリンスパッキン１１０を通り、漏れ流れｌとなって、シール空間ｓに流入する。この漏れ流れｌが羽根車１０４を背面側から過熱する。
【０００６】
通常、羽根車１０４の材料としてアルミ合金等が用いられている。羽根車１０４は背面側から過熱されると、強度が低下し、高応力及び高温の雰囲気下でクリープ歪みが発生する。このクリープ歪みを放置すると、クリープ破壊に至るおそれがある。
【０００７】
特許文献１では、漏れ流れｌによる羽根車１０４の過熱を防止するために、ラビリンスパッキン１１０に環状空間１２０を設けると共に、ベアリングハウジング１０８にこの環状空間１２０に連通する空気通路１２２を設けている。そして、外部から空気通路１２２及び環状空間１２０を通して低温空気をシール空間ｓに導入し、羽根車１０４の過熱を防止するようにしている。
【０００８】
特許文献２にも、漏れ流れｌによる羽根車１０４の過熱を防止して、羽根車１０４のクリープ破壊を防止する手段が開示されている。この手段は、羽根車１０４の背面１０４ａに環状デフレクタを突設し、シール空間ｓに侵入した漏れ流れｌをこの環状デフレクタに当てて、漏れ流れｌの流路を偏向させ、背面１０４ａから離すようにして、羽根車１０４の過熱を防止するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平４−３６５９９７号公報
【特許文献２】特開２００８−２５５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１又は特許文献２に開示された手段をもってしても、羽根車のクリープ歪みをなくすことは困難である。クリープ歪みは局所的に負荷応力及び温度が厳しい場所から進展するが、局所的なクリープ歪みの発生を発見することは困難である。羽根車におけるクリープ歪みは、羽根車に加わる遠心力によって羽根車の外径が徐々に大きくなる。最終的に大規模な破断に至る直前には歪みが急激に変化するが、それ以前は歪みの成長が僅かずつであるため、歪みの変化を把握するためには、微小な歪みの変化を検知する必要がある。
【００１１】
このように、遠心圧縮機を安全に稼動させるためには、羽根車のクリープの伸展状況を検知し、羽根車の寿命を予測して、大規模な破断が発生する前に、羽根車交換などの対策を講じる必要がある。このために、羽根車の稼動限界時間を設定し、これを超える前に交換を行なう方法もある。しかし、実際の羽根車のクリープ伸展状況は、エンジンや過給機の運転負荷等によって左右されるため、設定された稼動限界時間は、実際のクリープ伸展状況と一致しない。従って、継続使用が十分可能な段階で羽根車を交換することになるため、無駄が多い。また、羽根車の頻繁なチェックは、運転管理者の負担を余分に重くすることになる。
【００１２】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、遠心圧縮機の羽根車のクリープ歪みを簡便な方法でかつ正確に把握し、これによって、羽根車の寿命を正確に予測し、クリープ破壊する前に交換を可能にすると共に、羽根車の無駄な交換をなくすことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
かかる目的を達成するため、本発明の遠心圧縮機の羽根車寿命評価方法は、
遠心圧縮機の回転軸に装着された羽根車のクリープ歪みを検出し、該クリープ歪みの検出値から羽根車の寿命予測を行なう遠心圧縮機羽根車の寿命予測方法において、
遠心圧縮機稼動時の高温下における前記羽根車のクリープ歪みからクリープ破壊に至るクリープ特性を把握する前工程と、
遠心圧縮機の稼動前に羽根車外周面と羽根車外周面に正対する静止部壁面との径方向隙間を予め把握しておく隙間把握工程と、
遠心圧縮機の稼動後に該径方向隙間を計測し、この径方向隙間と該隙間把握工程で計測した径方向隙間との差から羽根車のクリープ歪みを求めるクリープ歪み計測工程と、
該クリープ歪みと前記クリープ特性とを比較して、羽根車の稼動限界時期を求める寿命予測工程と、からなるものである。
【００１４】
過給機等に用いられる遠心圧縮機では、通常３０〜４０℃の空気が羽根車に供給され、この被圧縮空気が羽根車で圧縮されて高温化する。そのため、外周端側ほど高温になり、また漏れ流れにより、背面に近い領域が高温になる。従って、外周端側のクリープ歪みが大きくなる。クリープ歪みが伸展すると、羽根車の外径は大きくなるため、羽根車外周面と該外周面に正対する静止部壁面との径方向隙間は小さくなる。
【００１５】
本発明方法では、羽根車外周面とこの外周面に対面する静止部壁面との径方向隙間を計測するようにしたので、クリープ歪みが微小であっても感度良く計測できる。該径方向隙間を定期的に計測することにより、羽根車のクリープ歪みの伸展状況を把握できるため、羽根車の取り外しや羽根車からの試料採取等を必要とせず、羽根車の交換時期を的確に判断できる。従って、羽根車がクリープ破壊する前に確実に羽根車を交換できると共に、羽根車を稼動限界まで使用できるようになる。
【００１６】
計測点は、例えば、羽根車の周囲４箇所を計測し、これらの計測値の平均を取るようにしてもよい。なお、羽根車外径の計測は、羽根車に加わる遠心力や羽根車の熱膨脹等の影響を受けないように、遠心圧縮機が稼動を停止して、冷却した時に行なうとよい。
【００１７】
本発明方法において、径方向隙間の下限値を設定し、該下限値を羽根車使用限界値とするとよい。これによって、径方向隙間を定期的に計測し、この計測値が下限値より小さくなっているか、あるいは次回の計測時までに下限値より小さくなることが予想されれば、その時点で羽根車を交換するようにする。これによって、羽根車の要交換時期を正確に把握できる。
【００１８】
本発明方法において、前記径方向隙間が、羽根車外周面と静止部壁面に羽根車外周面側に向けて突出形成された突起部との間の径方向隙間であるとよい。
このように、羽根車外周面に正対する静止部壁面に突起部を設けることにより、羽根車外周面と静止部壁面との間の隙間を最小にできるため、該隙間から羽根車背面側のシール空間に流入する漏れ流れを最小限にできる。
【００１９】
この場合、遠心圧縮機の稼動前に羽根車外周面と突起部間に鉛線材を介在させておき、クリープ歪み計測工程で、遠心圧縮機稼動後に羽根車のクリープ歪みで形成された該鉛線材の凹み量から前記径方向隙間を求めるようにするとよい。これによって、鉛線材の凹み量から羽根車のクリープ歪み量を簡便かつ正確に計測できる。
【００２０】
本発明方法において、羽根車の背面と該背面に対面する静止部壁面間にラビリンスパッキンを設け、径方向隙間が、羽根車の背面及び静止部壁面に固定された該ラビリンスパッキンの凸片間の径方向隙間であるとよい。
【００２１】
羽根車の背面と該背面に対面する静止部壁面間にラビリンスパッキンを設けた遠心圧縮機においては、予めクリープ解析等の手法により、羽根車の寿命と、羽根車の外径寸法、及び互いに正対したラビリンスパッキンの凸片間の径方向隙間との関係を把握しておく。
遠心圧縮機の稼動後、該径方向隙間を計測することにより、羽根車の寿命を判断できる。
ラビリンスパッキンの凸片間の隙間はもともと非常に小さい寸法であるため、その経時変化を捉えることで、クリープ初期に発生する羽根車の小さな歪みも把握できるようになる。
【００２２】
この場合、径方向隙間は、ラビリンスパッキンの各凸片間の径方向隙間の平均値を用いてもよいが、可能であれば、羽根車の径方向歪みが大きく現われる外周側の径方向隙間を計測するとよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明方法によれば、遠心圧縮機の回転軸に装着された羽根車のクリープ歪みを検出し、該クリープ歪みの検出値から羽根車の寿命予測を行なう遠心圧縮機羽根車の寿命予測方法において、遠心圧縮機稼動時の高温下における前記羽根車のクリープ歪みからクリープ破壊に至るクリープ特性を把握する前工程と、遠心圧縮機の稼動前に羽根車外周面と羽根車外周面に正対する静止部壁面との径方向隙間を予め把握しておく隙間把握工程と、遠心圧縮機の稼動後に該径方向隙間を計測し、この径方向隙間と該隙間把握工程で計測した径方向隙間との差から羽根車のクリープ歪みを求めるクリープ歪み計測工程と、該クリープ歪みと前記クリープ特性とを比較して、羽根車の稼動限界時期を求める寿命予測工程と、からなるので、クリープ歪みが微小であっても感度良く計測でき、該径方向隙間を定期的に計測することにより、羽根車のクリープ歪みの伸展状況を把握できるため、羽根車の取り外しや羽根車からの試料採取等を必要とせず、羽根車の交換時期を的確に判断できる。
従って、羽根車がクリープ破壊する前に羽根車を確実に交換できると共に、羽根車を稼動限界まで使用できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明方法を舶用ディーゼル機関用過給機に用いられる遠心圧縮機に適用した第１実施形態に係る正面視断面図である。
【図２】本発明方法を舶用ディーゼル機関用過給機に用いられる遠心圧縮機に適用した第２実施形態に係る正面視断面図である。
【図３】図２の一部拡大図である。
【図４】本発明方法を舶用ディーゼル機関用過給機に用いられる遠心圧縮機に適用した第３実施形態に係る正面視断面図である。
【図５】舶用ディーゼル機関用過給機に用いられる従来の遠心圧縮機の正面視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００２６】
（実施形態１）
本発明方法を舶用ディーゼル機関用過給機に用いられる遠心圧縮機に適用した第１実施形態を図１により説明する。図１は該遠心圧縮機１０の羽根車１２とその周辺領域を示す。図１において、羽根車１２のハブ面１４には、複数のブレード１６が放射状に固着されている。羽根車１２の外周側は、圧縮部のハウジング１８と、ベアリングハウジング２０とで密閉されている。
【００２７】
ハウジング１８の上方には、ディフューザ領域ｄを形成する隔壁２２と、この隔壁２２がボルト２５で装着されたハウジング２４とが設けられている。ハウジング１８とハウジング２４との間には、シール用Ｏリング２６が介設されている。羽根車１２の背面２８に対面して、ラビリンスパッキン３０が設けられている。ラビリンスパッキン３０は、ベアリングハウジング２０の壁面にボルト３２によって固定されている。ラビリンスパッキン３０及び羽根車背面２８には、複数の凸片４２及び４４が設けられている。これらの凸片４２，４４が互い違いに配置されて迷路を形成し、シール空間ｓをシールしている。
【００２８】
羽根車１２が回転すると、被圧縮空気は、矢印ａ方向からブレード１６間に形成された流路に流入し、ブレード１６で加速される。ブレード１６で加速された被圧縮空気は、ディフューザ領域ｄで減速され、静圧が上昇して加圧される。
羽根車１２の出口で被圧縮空気は、２００〜２５０℃もの高温になり、その一部は漏れ流れｌとなり、ラビリンスパッキン３０を通ってシール空間ｓに流入する。この漏れ流れｌが羽根車１０４を背面側から過熱する。
【００２９】
本実施形態では、羽根車１２の外周面３４と、ラビリンスパッキン３０の上端部３１に設けられた対向面３６とを正対させると共に、羽根車外周面３４と該対向面３６との間の径方向隙間Ｃ１が１ｍｍ以下の寸法になるように構成されている。羽根車１２のクリープが伸展すると、羽根車１２の外径は大きくなるため、径方向隙間Ｃ１は小さくなる。そのため、予めクリープ解析等の手法により、羽根車１２のクリープ特性と羽根車外径寸法との関係を把握しておき、羽根車１２の限界寿命に対応した羽根車外径寸法の限界値を設定しておく。この限界値から、径方向隙間Ｃ１の下限値Ｃｍを設定する。
【００３０】
遠心圧縮機１０の稼動中、定期的に径方向隙間Ｃ１を計測する。その計測方法は、例えば、径方向隙間Ｃ２をノギスや隙間ゲージで計測する。径方向隙間Ｃ１が下限値Ｃｍより小さくなっているか、又は次回点検時までに径方向隙間Ｃ１が下限値Ｃｍより小さくなるということが予想された場合に、羽根車１２を交換するようにする。
なお、羽根車外径寸法の計測は、羽根車１２の回転による遠心力及び熱膨脹等の影響を受けないように、遠心圧縮機１０の稼動が停止し、冷却している常温時（２０〜３０℃）に行なう。クリープ歪みは永久歪みとして残るので、常温時に計測することで、正確な計測結果が得られる。また、計測方法は、例えば、羽根車１２の周囲４箇所を計測し、これらの計測値の平均値を取る等の方法を採用する。
【００３１】
本実施形態によれば、径方向隙間Ｃ１を定期的に計測することによって、羽根車２８のクリープ歪みの伸展状況を把握できる。従って、羽根車１２の取り外しや羽根車１２からの試料採取等を必要とせず、羽根車１２のクリープ破壊時期を判定できる。従って、羽根車１２の交換時期を的確に判断できる。従って、羽根車１２がクリープ破壊する前に羽根車１２を確実に交換できると共に、羽根車１２をクリープ破壊限界近くまで使用できるようになる。
【００３２】
（実施形態２）
次に、本発明方法の第２実施形態を図２により説明する。本実施形態は、前記第１実施形態と同様に、舶用ディーゼル機関用過給機に用いられる遠心圧縮機に適用した例である。本実施形態では、羽根車外周面３４に正対したラビリンスパッキン３０の上端部３１において、対向面３６のうちディフューザ領域ｄに面した入口部に、羽根車外周面３４に向かって突出した環状の突起部４０を設けている。その他の遠心圧縮機１０の構成は、第１実施形態と同一である。
【００３３】
本実施形態では、羽根車外周面３４と突起部４０との径方向隙間Ｃ２を計測することで、羽根車１２のクリープ伸展状態を把握できる。その計測方法は、径方向隙間Ｃ２をノギスや隙間ゲージで計測することも可能であるが、別な計測方法として、図３に示すように、突起部４０に鉛線材４６を固定しておくようにする。羽根車１２のクリープ歪み（３４→３４’）によって鉛線材４６に凹みができるので、その凹み量δを計測することによって、羽根車１２のクリープ歪みを正確に計測できる。
そして、第１実施形態と同様に、羽根車１２の限界寿命に対応した径方向隙間Ｃ２の下限値Ｃｍを設定し、この下限値Ｃｍを基準に羽根車１２の交換時期を判定する。
【００３４】
本実施形態によれば、ラビリンスシール３０の上端部３１の対向面３６に突起部４０を設けたことにより、径方向隙間Ｃ２を第１実施形態の径方向隙間Ｃ１より小さく取ることができる。そのため、径方向隙間Ｃ２からラビリンスパッキン３０を通ってシール空間ｓに漏れる漏れ流れｌを低減できるので、羽根車１２の過熱度を低減できる。
また、突起部４０に鉛線材を固定し、鉛線材４６の凹み量δを計測することにより、羽根車１２のクリープ歪みを容易かつ精度良く計測できる。
【００３５】
（実施形態３）
次に、本発明方法の第３実施形態を図４により説明する。本実施形態の構成は、前記第１実施形態と同一である。本実施形態では、ラビリンスパッキン３０の凸片４２と、羽根車１２の背面２８に設けられた凸片４４との間の径方向隙間Ｃ３を計測して、羽根車１２のクリープ伸展状況を把握する。
本実施形態では、羽根車１２をロータ軸に装着したまま径方向隙間Ｃ３を計測することが困難である。そのため、計測方法は、一旦羽根車１２をロータ軸から取り外し、図３に示すように、ラビリンスパッキン３０の凸片４２に鉛線材４６を固定する。次に、羽根車１２をロータ軸に装着し、遠心圧縮機１０を稼動させる。遠心圧縮機１０の稼動後、鉛線材４６の凹み量δを計測することで、羽根車１２のクリープ歪みを計測できる。
【００３６】
なお、径方向隙間Ｃ３の計測は、ラビリンスパッキン３０の各段の凸片間の径方向隙間Ｃ３を計測し、それらの計測値の平均値を算出してもよい。しかし、可能であれば、羽根車１２の外周側でクリープ歪みが大きく現われるので、なるべく外周側に位置する凸片間の径方向隙間Ｃ３を計測するとよい。
【００３７】
ラビリンスパッキン３０の凸片間の隙間はもともと非常に小さい寸法であるため、本実施形態によれば、その径方向隙間Ｃ３を計測することにより、羽根車１２のクリープ初期に発生する小さな歪みも正確に計測できる。
なお、前記実施形態は、いずれも舶用ディーゼル機関用過給機に適用された遠心圧縮機の例であるが、本発明はこれらに用途に限定されず、他の内燃機関等に適用される遠心圧縮機にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明によれば、遠心圧縮機の羽根車の寿命を簡単な手段で正確に把握して、そのクリープ破壊を回避できると共に、羽根車を最大限に使用できる。
【符号の説明】
【００３９】
１０ 遠心圧縮機
１２ 羽根車
１４ ハブ面
１６ ブレード
１８，２４ ハウジング
２０ ベアリングハウジング
２２ 隔壁
２５，３２ ボルト
２６ シール用Ｏリング
２８ 羽根車背面
３０ ラビリンスパッキン
３４ 羽根車外周面
３６ 対向面
４０ 突起部
４２，４４ 凸片
４６ 鉛線材
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 径方向隙間
Ｃｍ 下限値
ｄ ディフューザ領域
ｌ 漏れ流れ
ｓ シール空間
δ 凹み量
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠心圧縮機の回転軸に装着された羽根車のクリープ歪みを検出し、該クリープ歪みの検出値から羽根車の寿命予測を行なう遠心圧縮機羽根車の寿命予測方法において、
遠心圧縮機稼動時の高温下における前記羽根車のクリープ歪みからクリープ破壊に至るクリープ特性を把握する前工程と、
遠心圧縮機の稼動前に羽根車外周面と羽根車外周面に正対する静止部壁面との径方向隙間を予め把握しておく隙間把握工程と、
遠心圧縮機の稼動後に該径方向隙間を計測し、この径方向隙間と該隙間把握工程で計測した径方向隙間との差から羽根車のクリープ歪みを求めるクリープ歪み計測工程と、
該クリープ歪みと前記クリープ特性とを比較して、羽根車の稼動限界時期を求める寿命予測工程と、からなることを特徴とする遠心圧縮機羽根車の寿命予測方法。
【請求項２】
前記径方向隙間の下限値を設定し、該下限値を羽根車使用限界値とすることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機羽根車の寿命予測方法。
【請求項３】
前記径方向隙間が、羽根車外周面と前記静止部壁面に羽根車外周面側に向けて突出形成された突起部との間の径方向隙間であることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心圧縮機羽根車の寿命予測方法。
【請求項４】
遠心圧縮機の稼動前に羽根車外周面と前記突起部間に鉛線材を介在させておき、前記クリープ歪み計測工程で、遠心圧縮機稼動後に羽根車のクリープ歪みで形成された該鉛線材の凹み量から前記径方向隙間を求めるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の遠心圧縮機羽根車の寿命予測方法。
【請求項５】
羽根車の背面と該背面に対面する静止部壁面間にラビリンスパッキンを設け、前記径方向隙間が、羽根車の背面及び静止部壁面に固定された該ラビリンスパッキンの凸片間の径方向隙間であることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心圧縮機羽根車の寿命予測方法。
【請求項６】
前記凸片間に鉛線材を介在させておき、前記クリープ歪み計測工程で、遠心圧縮機稼動後に羽根車のクリープ歪みで形成された鉛線材の凹み量から前記径方向隙間を求めるようにしたことを特徴とする請求項５に記載の遠心圧縮機羽根車の寿命予測方法。
【請求項１】
遠心圧縮機の回転軸に装着された羽根車のクリープ歪みを検出し、該クリープ歪みの検出値から羽根車の寿命予測を行なう遠心圧縮機羽根車の寿命予測方法において、
遠心圧縮機稼動時の高温下における前記羽根車のクリープ歪みからクリープ破壊に至るクリープ特性を把握する前工程と、
遠心圧縮機の稼動前に羽根車外周面と羽根車外周面に正対する静止部壁面との径方向隙間を予め把握しておく隙間把握工程と、
遠心圧縮機の稼動後に該径方向隙間を計測し、この径方向隙間と該隙間把握工程で計測した径方向隙間との差から羽根車のクリープ歪みを求めるクリープ歪み計測工程と、
該クリープ歪みと前記クリープ特性とを比較して、羽根車の稼動限界時期を求める寿命予測工程と、からなることを特徴とする遠心圧縮機羽根車の寿命予測方法。
【請求項２】
前記径方向隙間の下限値を設定し、該下限値を羽根車使用限界値とすることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機羽根車の寿命予測方法。
【請求項３】
前記径方向隙間が、羽根車外周面と前記静止部壁面に羽根車外周面側に向けて突出形成された突起部との間の径方向隙間であることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心圧縮機羽根車の寿命予測方法。
【請求項４】
遠心圧縮機の稼動前に羽根車外周面と前記突起部間に鉛線材を介在させておき、前記クリープ歪み計測工程で、遠心圧縮機稼動後に羽根車のクリープ歪みで形成された該鉛線材の凹み量から前記径方向隙間を求めるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の遠心圧縮機羽根車の寿命予測方法。
【請求項５】
羽根車の背面と該背面に対面する静止部壁面間にラビリンスパッキンを設け、前記径方向隙間が、羽根車の背面及び静止部壁面に固定された該ラビリンスパッキンの凸片間の径方向隙間であることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心圧縮機羽根車の寿命予測方法。
【請求項６】
前記凸片間に鉛線材を介在させておき、前記クリープ歪み計測工程で、遠心圧縮機稼動後に羽根車のクリープ歪みで形成された鉛線材の凹み量から前記径方向隙間を求めるようにしたことを特徴とする請求項５に記載の遠心圧縮機羽根車の寿命予測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１１１９２３（Ｐ２０１１−１１１９２３Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６６８７１（Ｐ２００９−２６６８７１）
【出願日】平成２１年１１月２４日（２００９．１１．２４）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２４日（２００９．１１．２４）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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