JP2009270467A - Centrifugal compressor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インペラにより外周部へと送出される流体を、スクロールを介して出力する遠心式圧縮機に関する。 The present invention relates to a centrifugal compressor that outputs a fluid delivered to an outer peripheral portion by an impeller through a scroll.
遠心式圧縮機では、インペラを回転させて軸方向から供給される流体を外周部に向けて送出する。インペラから送出された流体は、ディフューザにおいて一部の運動エネルギーが圧力エネルギーに変換され、その後外周部に設けられたスクロールへと供給される。ディフューザとしては、インペラの周囲に多数の可変ベーンを設けたベーンドディフューザが知られているが、ディフューザ内の流れは強い3次元性を有し、インペラの回転域によりその流れは大きく異なる。このため、自動車用エンジンに用いられる過給機のように運転域が広い場合には、設計点からずれた回転域においてベーンによるチョーク現象が発生し、過給効率が低下する。 In the centrifugal compressor, the impeller is rotated to send the fluid supplied from the axial direction toward the outer peripheral portion. In the fluid sent from the impeller, a part of kinetic energy is converted into pressure energy in the diffuser, and then supplied to a scroll provided on the outer periphery. As a diffuser, a vaned diffuser in which a large number of variable vanes are provided around an impeller is known, but the flow in the diffuser has a strong three-dimensionality, and the flow varies greatly depending on the rotation range of the impeller. For this reason, when the operating range is wide like a supercharger used for an automobile engine, a choke phenomenon due to vanes occurs in a rotational range deviated from the design point, and the supercharging efficiency is lowered.
このような問題に対して、ディフューザ部に格納自在な可変ガイドベーンを設け、低速域ではガイドベーンをディフューザ内に配置してベーンドディフューザとするとともに、高速域ではガイドベーンを格納して、ベーンレスディフューザとする構成が提案されている(特許文献1)。
一方、スクロールにおける損失は、スクロールへの流入角度で決定される。したがって、ディフューザからスクロールへは、常に一定の角度で加圧流体が流入するように整流することが望まれる。しかし、上述のようにディフューザ内の流れは回転域により異なるため、従来のベーンドディフューザではスクロールへの最適な流入角度を常時維持しながらディフューザ内の流れの変化に対応することは困難である。 On the other hand, the loss in scrolling is determined by the inflow angle into the scroll. Therefore, it is desired to rectify so that the pressurized fluid always flows from the diffuser to the scroll at a constant angle. However, since the flow in the diffuser varies depending on the rotation region as described above, it is difficult for the conventional vane diffuser to cope with the change in the flow in the diffuser while always maintaining the optimum inflow angle to the scroll.
本発明は、スクロールにおける損失を抑制しながらも広い運転域に渡ってアウトレットガイドベーンによる損失を抑制する遠心式圧縮機を得ることを目的としている。 An object of the present invention is to obtain a centrifugal compressor that suppresses losses due to outlet guide vanes over a wide operating range while suppressing loss in scrolls.
本発明の遠心式圧縮機は、インペラから送出される流体をスクロールへと供給する遠心式圧縮機であって、スクロールに対して所定の角度に固定された後縁部と、その角度が可変とされた前縁部とを備えるアウトレットガイドベーンと、前縁部の角度を調整する制御部とを備えたことを特徴としている。 A centrifugal compressor according to the present invention is a centrifugal compressor that supplies a fluid delivered from an impeller to a scroll, a rear edge portion fixed at a predetermined angle with respect to the scroll, and the angle is variable. And an outlet guide vane having a front edge portion and a control section for adjusting the angle of the front edge portion.
前縁部の角度は、前縁部周辺の流れの状態を検知して制御されることが好ましいので、遠心式圧縮機は、例えば前縁部の両壁面間の差圧を検出する差圧検出手段を備え、制御部は前記差圧に対応して前縁部の角度を調整する。このとき両壁面の各々には圧力導入路が設けられ、差圧検出手段は、この圧力導入路の圧力から差圧を検出する。また制御部は、差圧が所定値または所定値以下となるように前縁部の角度を調整する。 Since the angle of the leading edge is preferably controlled by detecting the state of the flow around the leading edge, the centrifugal compressor detects, for example, the differential pressure between both wall surfaces of the leading edge. Means for adjusting the angle of the leading edge corresponding to the differential pressure. At this time, each of the wall surfaces is provided with a pressure introducing path, and the differential pressure detecting means detects the differential pressure from the pressure in the pressure introducing path. In addition, the control unit adjusts the angle of the leading edge so that the differential pressure becomes a predetermined value or less than a predetermined value.
また、前縁部周辺の流れの状態を前縁部のモーメントからも推定できるので、例えば前縁部に働くモーメントに基づいて前縁部の角度を調整してもよい。このとき前縁部は、前縁部の後縁に設けられたシャフトを軸として回動され、モーメントはシャフトのトルクに基づいて検出される。制御部は、モーメントが所定値または所定値以下となるように前縁部の角度を調整する。また、制御部は、例えば前縁部の迎角が0となるように前縁部の角度を調整してもよい。 Further, since the flow state around the front edge can be estimated from the moment of the front edge, the angle of the front edge may be adjusted based on the moment acting on the front edge, for example. At this time, the front edge is rotated about the shaft provided at the rear edge of the front edge, and the moment is detected based on the torque of the shaft. The control unit adjusts the angle of the leading edge so that the moment becomes a predetermined value or less than a predetermined value. Further, the control unit may adjust the angle of the front edge so that the angle of attack of the front edge becomes 0, for example.
また、アウトレットガイドベーンとインペラとの間には、ベーンレスディフューザが設けられることが好ましい。 A vaneless diffuser is preferably provided between the outlet guide vane and the impeller.
以上のように、本発明によれば、スクロールにおける損失を抑制しながらも広い運転域に渡ってアウトレットガイドベーンによる損失を抑制する遠心式圧縮機を得ることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a centrifugal compressor that suppresses loss due to outlet guide vanes over a wide operation range while suppressing loss in scrolling.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態である遠心式圧縮機を用いた自動車エンジン用過給機の部分断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a supercharger for an automobile engine using a centrifugal compressor according to an embodiment of the present invention.
過給機10は、例えばターボ過給機であり、図1にはコンプレッサ(遠心式圧縮機)11の一部のみが示される。コンプレッサハウジング12のインペラ収容部12aには、インペラ13が装置され、インペラ13はシャフト14により回転駆動される。本実施形態ではシャフト14は、図示しないタービンに連結され、タービンはエンジンからの排気により回転される。なお、インペラ13は他の動力源により駆動される構成であってもよい。 The supercharger 10 is, for example, a turbocharger, and only a part of the compressor (centrifugal compressor) 11 is shown in FIG. An impeller 13 is installed in the impeller accommodating portion 12 a of the compressor housing 12, and the impeller 13 is rotationally driven by a shaft 14. In this embodiment, the shaft 14 is connected to a turbine (not shown), and the turbine is rotated by exhaust from the engine. The impeller 13 may be configured to be driven by another power source.
コンプレッサハウジング12では、吸入口12bを通して軸方向からインペラ13に向けて吸気され、吸入された流体はインペラ13の回転により外周部に向けて送出される。コンプレッサハウジング12の外周部にはスクロール15が設けられ、インペラ13により外周部に向けて送出された流体は、スクロール15を介して吸気マニホルド等に出力される。 In the compressor housing 12, air is sucked from the axial direction toward the impeller 13 through the suction port 12 b, and the sucked fluid is delivered toward the outer peripheral portion by the rotation of the impeller 13. A scroll 15 is provided on the outer peripheral portion of the compressor housing 12, and the fluid sent to the outer peripheral portion by the impeller 13 is output to the intake manifold or the like via the scroll 15.
インペラ13とスクロール15の間は、ディフューザ16を含む通路によって連通される。ディフューザ16はベーンレスディフューザであり、インペラ13の周囲に隣接して配置される。またディフューザ16の外周部には周方向に沿って複数のアウトレットガイドベーン17が設けられる。 The impeller 13 and the scroll 15 communicate with each other through a passage including the diffuser 16. The diffuser 16 is a vaneless diffuser and is disposed adjacent to the periphery of the impeller 13. A plurality of outlet guide vanes 17 are provided on the outer peripheral portion of the diffuser 16 along the circumferential direction.
アウトレットガイドベーン17は、前縁部17Aと後縁部17Bに分割されて構成される。後縁部17Bは、インペラ収容部12aとスクロール15とを連通する通路の出口部(スクロール入り口部)に配置され、その角度はスクロール15に対して固定される。なお、後縁部17Bの角度はスクロール15でのエネルギー損失を最小限に抑えることを考慮して決定される。一方、前縁部17Aの角度は可変とされ、ディフューザ16内の流れに応じて、アウトレットガイドベーン17によるエネルギー損失が最小限に抑えられるように調整される。 The outlet guide vane 17 is divided into a front edge portion 17A and a rear edge portion 17B. The rear edge portion 17 </ b> B is disposed at an exit portion (scroll entrance portion) of a passage communicating the impeller accommodating portion 12 a and the scroll 15, and the angle thereof is fixed with respect to the scroll 15. The angle of the trailing edge 17B is determined in consideration of minimizing energy loss in the scroll 15. On the other hand, the angle of the front edge portion 17A is variable and is adjusted according to the flow in the diffuser 16 so that the energy loss due to the outlet guide vane 17 is minimized.
コンプレッサ部11には、前縁部17Aの周りの流れの状態を把握するためセンサ18が設けられる。センサ18からの信号はECU19へと送られ、ECU19はセンサ信号に基づいてアクチュエータ20を駆動し、前縁部17Aを回動させてその角度を調整する。なお、前縁部17Aの駆動には、例えばタービンの可変ノズルに用いられる駆動リンク機構などの構成を適用することが可能である。 The compressor unit 11 is provided with a sensor 18 for grasping the flow state around the front edge portion 17A. A signal from the sensor 18 is sent to the ECU 19, and the ECU 19 drives the actuator 20 based on the sensor signal, and rotates the front edge portion 17A to adjust its angle. Note that, for example, a drive link mechanism used for a variable nozzle of a turbine can be applied to drive the leading edge portion 17A.
図2は、アウトレットガイドベーン17の配置を模式的に示す平面図であり、図2では3枚のベーンの配置が示される。アウトレットガイドベーン17は、それぞれ、スクロール15の入り口に沿って配列される。上述したように、アウトレットガイドベーン17は、前縁部17Aと後縁部17Bとに分割して構成され、前縁部17Aと後縁部17Bは隣接して配置されて1枚のベーンを構成する。後縁部17Bはスクロール15におけるエネルギー損失が最小となるように各々スクロール15に対して所定の(最適な)角度をもってコンプレッサハウジング12に固定される。なお、曲線Lは、スクロール15の入り口部を形成する縁部の形状を表わす。 FIG. 2 is a plan view schematically showing the arrangement of the outlet guide vanes 17, and FIG. 2 shows the arrangement of three vanes. The outlet guide vanes 17 are each arranged along the entrance of the scroll 15. As described above, the outlet guide vane 17 is divided into the front edge portion 17A and the rear edge portion 17B, and the front edge portion 17A and the rear edge portion 17B are arranged adjacent to each other to constitute one vane. To do. The trailing edge 17B is fixed to the compressor housing 12 at a predetermined (optimum) angle with respect to each scroll 15 so that energy loss in the scroll 15 is minimized. The curve L represents the shape of the edge that forms the entrance of the scroll 15.
一方、前縁部17Aの後縁側にはインペラ12の回転軸に平行なベーンシャフト21が設けられ、前縁部17Aはベーンシャフト21を介してコンプレッサハウジング12に枢着される。また、ベーンシャフト21は例えばリンク機構に連結され、アクチュエータ20によりリンク機構を介してベーンシャフト21が回転されると、ベーンシャフト21を中心に前縁部17Aが回動される。 On the other hand, a vane shaft 21 parallel to the rotation axis of the impeller 12 is provided on the rear edge side of the front edge portion 17A, and the front edge portion 17A is pivotally attached to the compressor housing 12 via the vane shaft 21. The vane shaft 21 is connected to, for example, a link mechanism, and when the vane shaft 21 is rotated by the actuator 20 via the link mechanism, the front edge portion 17A is rotated around the vane shaft 21.
アウトレットガイドベーン17におけるエネルギー損失の多くは、アウトレットガイドベーン17の前縁の迎角が適正値からずれ、前縁から剥離が発生することに起因する。したがって、本実施形態では前縁部17Aにおける剥離の発生を防止するために、流れに対応させて前縁部17Aを回動して、前縁部17Aの迎角を適正値に維持する。 Most of the energy loss in the outlet guide vane 17 is caused by the angle of attack of the front edge of the outlet guide vane 17 being deviated from an appropriate value and causing separation from the front edge. Therefore, in the present embodiment, in order to prevent the peeling at the front edge portion 17A, the front edge portion 17A is rotated in accordance with the flow, and the angle of attack of the front edge portion 17A is maintained at an appropriate value.
アウトレットガイドベーン17におけるエネルギー損失が最小となるのは、例えば迎角が略0度のときであり、これは例えば前縁部17Aの両壁面間の差圧が適正値なるように前縁部17Aの角度を調整することや、前縁部17Aに作用するモーメントが適正値となるように前縁部17Aの角度を調整することにより達成される。 The energy loss in the outlet guide vane 17 is minimized when, for example, the angle of attack is approximately 0 degrees, for example, the front edge portion 17A so that the differential pressure between both wall surfaces of the front edge portion 17A becomes an appropriate value. This is achieved by adjusting the angle of the front edge portion 17A or adjusting the angle of the front edge portion 17A so that the moment acting on the front edge portion 17A becomes an appropriate value.
図3には、前縁部17Aの両壁面間の差圧を検出し、これに基づいて前縁部17Aの角度を調整する場合における差圧の検出方法の一例が示される。なお図3は、前縁部17Aの模式的な拡大図である。 FIG. 3 shows an example of a differential pressure detection method in the case where the differential pressure between both wall surfaces of the leading edge 17A is detected and the angle of the leading edge 17A is adjusted based on the detected differential pressure. FIG. 3 is a schematic enlarged view of the front edge portion 17A.
図3では、前縁部17Aの両壁面にそれぞれ静圧を検出するための圧力導入路22、23が設けられる。圧力導入路22、23は、例えばベーンシャフト21を介してコンプレッサハウジング12へと導かれる(図示せず)。この場合、センサ18(図1参照)は圧力センサであり、前縁部17Aは差圧が例えば常時所定値あるいは所定値以下となるように回動される。 In FIG. 3, pressure introduction paths 22 and 23 for detecting static pressure are provided on both wall surfaces of the front edge portion 17A. The pressure introduction paths 22 and 23 are guided to the compressor housing 12 via, for example, the vane shaft 21 (not shown). In this case, the sensor 18 (see FIG. 1) is a pressure sensor, and the front edge portion 17A is rotated so that the differential pressure is always a predetermined value or a predetermined value or less, for example.
なお、前縁部17Aに作用するモーメントを適正値とするように前縁部17Aを回動させる場合には、例えばセンサ18としてロードセルを採用し、これをベーンシャフト21に取り付けることによりベーンシャフト21のトルクを検出する。前縁部17Aの角度は、例えば前縁部17Aに作用するモーメントが常時所定値あるいは所定値以下となるように調整される。なお、センサ18は、全てのアウトレットガイドベーン17に設けられる必要はなく、少なくとも1つのアウトレットガイドベーン17に設けられていればよい。 In addition, when rotating the front edge part 17A so that the moment acting on the front edge part 17A becomes an appropriate value, for example, a load cell is adopted as the sensor 18 and the vane shaft 21 is attached to the load cell. Torque is detected. The angle of the front edge portion 17A is adjusted so that, for example, the moment acting on the front edge portion 17A is always a predetermined value or less than a predetermined value. Note that the sensors 18 do not have to be provided in all the outlet guide vanes 17 and may be provided in at least one outlet guide vane 17.
以上のように、本実施形態によれば、角度が固定された後縁部によりスクロールにおけるエネルギー損失を抑制しながら、流れに応じて前縁部の角度を調整してアウトレットガイドベーンにおけるエネルギー損失を抑制できる。特に、運転域の広い遠心式圧縮機において、設計点から大きくずれた運転点においても、前縁部における剥離を抑制し、アウトレットガイドベーンにおけるエネルギー損失を十分に抑制することができる。これらのことから、圧縮機の性能が向上される。 As described above, according to the present embodiment, the energy loss in the outlet guide vane is adjusted by adjusting the angle of the front edge portion according to the flow while suppressing the energy loss in the scroll by the rear edge portion having the fixed angle. Can be suppressed. In particular, in a centrifugal compressor having a wide operating range, even at an operating point that is greatly deviated from the design point, separation at the front edge portion can be suppressed, and energy loss in the outlet guide vane can be sufficiently suppressed. From these, the performance of the compressor is improved.
なお、本実施形態では、前縁部周辺の流れの状態を直接検出し、これに基づいて前縁部の角度を調整したが、各運転状態における前縁部の適正な角度を予め求めたマップデータを利用して、運転状態に合わせて前縁部の角度を調整する構成とすることも可能である。 In this embodiment, the state of the flow around the front edge is directly detected, and the angle of the front edge is adjusted based on this, but a map in which an appropriate angle of the front edge in each operating state is obtained in advance. It is also possible to employ a configuration in which the angle of the leading edge is adjusted according to the driving state using data.
10 過給機
11 コンプレッサ部
12 コンプレッサハウジング
13 シャフト
14 インペラ
15 スクロール
16 ディフューザ
17 アウトレットガイドベーン
17A 前縁部
17B 後縁部
18 センサ
21 ベーンシャフト
22、23 圧力導入路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Supercharger 11 Compressor part 12 Compressor housing 13 Shaft 14 Impeller 15 Scroll 16 Diffuser 17 Outlet guide vane 17A Front edge part 17B Rear edge part 18 Sensor 21 Vane shaft 22, 23 Pressure introduction path
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2008
- 2008-05-06 JP JP2008120814A patent/JP2009270467A/en active Pending
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