JP2002332992A - 遠心圧縮機のインペラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インペラの全翼と半翼との間における流量を
等しくし、流体の流れの損失を小さくさせる。 【解決手段】 インペラ１１のハブ面１４上には、全翼
１５と半翼１６とが放射状に交互に設けられる。隣り合
う２つの全翼１５のサクション面１５ａとプレッシャー
面１５ｂとの間に形成される流路ＴＡの途中位置Ｍから
下流にかけて取付けられる上流側半翼部１８は、全翼１
５のサクション面１５ａ側に偏倚して位置し、先端部位
１８ａと凸湾曲部位１８ｂと凹湾曲部位１８ｃとによっ
て構成される。先端部位１８ａは、流路ＴＡを流れる流
体の流れの方向に沿った形状に形成される。サクション
面１５ａと上流側半翼部１８との間に形成される回転方
向前方側のサクション面側上流流路ＴＳ２は、凸湾曲部
位１８ｂにより緩やかな拡がり流路となり、流路ＴＳ２
を流れる流体は緩やかに減速する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、遠心圧縮機のイン
ペラに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車用エンジンに使用されるターボチ
ャージャは、広い運転範囲において高い効率を保つこと
が望まれており、その改善方法の１つとして、ターボチ
ャージャのコンプレッサの効率向上が求められている。
ターボチャージャのコンプレッサとしては遠心圧縮機が
一般的であり、高い効率を達成するために、小型化や流
量増加が望まれ、そのためのインペラの形状の改良を行
う工夫がなされている。

【０００３】そして、従来の遠心圧縮機のインペラとし
て、例えば特開平１０−２１３０９４号公報に開示され
ているものが知られている。図３はこの従来の遠心圧縮
機のインペラの回転軸を中心軸とする円筒断面上におけ
る全翼と半翼との形状及び位置関係を示す図である。図
３に示すように、インペラ２１において隣接する全翼２
２の回転方向後方のサクション面２２ａと回転方向前方
のプレッシャー面２２ｂとによって流路ＴＡ２が形成さ
れている。そして、流路ＴＡ２の下流に位置する半翼２
３によって、流路ＴＡ２を流れる流体は、サクション面
側流路ＴＳ３とプレッシャー面側流路ＴＰ３とに分かれ
るようになっている。一般に、遠心圧縮機の高効率を実
現するために、インペラ２１の各出口（図示しない）よ
り吐出される流体の流量は均一であることが望まれる。
従って、この従来のインペラ２１では、流路ＴＳ３，Ｔ
Ｐ３の入口断面積を、流体の流れに垂直な断面において
幾何学的に等しくし、流量を等しくさせようとしてい
る。すなわち、流路ＴＳ３，ＴＰ３の流路幅ＤＳ３，Ｄ
Ｐ３が等しくなるように半翼２３を配置させている。

【０００４】また、インペラの別の従来例として、図４
に示すものが知られている。このインペラを説明する上
で、図３に示す上記従来のインペラ２１と同様の部位に
は同一の符号を付して重複した説明を省略する。一般
に、インペラ２１のサクション面側流路ＴＳ３は負圧と
なっており、インペラ２１の流路ＴＡ２を入ってきた流
体は、主にサクション面２２ａに速い流れが集まる分布
となる。このため、このインペラ２１においては、流路
ＴＳ３，ＴＰ３の流路面積を幾何学的に等しくすると、
サクション面側流路ＴＳ３はプレッシャー面側流路ＴＰ
３に比較して流速が大きい分、流量が増え、インペラ２
１の各出口より吐出される流体の流量が不均一となって
しまう。従って、この従来のインペラ２１では、流路Ｔ
Ｓ３，ＴＰ３の流路面積を幾何学的に等しくするのでは
なく、半翼２３の先端部位２３ａをサクション面２２ａ
側に湾曲させ、流路幅ＤＰ３を流路幅ＤＳ３より大きく
するようにしている。すなわち、流速の小さい流路ＴＰ
３の流路面積を流速の大きい流路ＴＳ３の流路面積より
大きくすることにより、流路ＴＳ３と流路ＴＰ３を流れ
る流体の流量を等しくするようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図３に示す
従来の遠心圧縮機のインペラ２１では、流路ＴＳ３，Ｔ
Ｐ３の流路面積を幾何学的に等しくしているが、各流路
ＴＳ３，ＴＰ３の流体の圧力差によって生じる流速の違
いを無視しているため、実際には流路ＴＳ３，ＴＰ３の
流量が等しくならない。

【０００６】また、図４に示す従来の遠心圧縮機のイン
ペラ２１では、半翼２３の先端部位２３ａをサクション
面２２ａ側に湾曲させただけなので、流路ＴＡ２に流れ
る流体の流れ方向Ｆと、半翼２３の先端部位２３ａとの
なす角度である流入角度αが大きくなる。その結果、先
端部位２３ａにおける流体の衝突損失を生じるととも
に、図５に示すように、半翼２３の回転方向前方側に、
流れの剥離領域Ｓが生じ、摩擦損失を生じる原因とな
る。さらに、剥離領域Ｓが生じると、下流における流速
分布が不均一になる原因となり、下流においては、流体
を均一化するための流れの混合損失が生じる。

【０００７】従って、従来の遠心圧縮機のインペラで
は、全翼と半翼との間における流体の流量をインペラ全
体において等しくすることと、流体の流れの損失を小さ
くすることの両立が難しくなっている。

【０００８】本発明の目的は、上記問題点を解消するた
めに全翼と半翼との間における流量を等しくでき、流体
の流れの損失を小さくさせることができる遠心圧縮機の
インペラを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、請求項１に記載の発明は、流体の入口部から出口
部にかけて放射状に取付けられた全翼と、隣り合う前記
全翼の間に形成された流路の途中位置から前記出口部に
かけて同じく放射状に取り付けられた半翼とが配設さ
れ、その回転に伴い、前記入口部から吸入された流体を
圧縮して前記出口部に吐出する遠心圧縮機のインペラに
おいて、前記半翼は、前記出口部から上流方向に向かっ
て一定長さで形成される下流側半翼部と、前記下流側半
翼部の上流側端部から前記途中位置にかけて形成される
上流側半翼部とによって構成され、前記上流側半翼部は
隣接する前記全翼の中間位置より前記インペラの回転方
向前方側に偏倚して位置され、その上流側半翼部の上流
側の先端部位は前記流体の流れ方向に沿った形状に形成
されることを要旨とする。

【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の遠心圧縮機のインペラにおいて、前記上流側半翼部
は、前記先端部から下流側にのび、前記インペラの回転
方向に対して凸形状に湾曲させてなる凸湾曲部位と、そ
の凸湾曲部から下流側にのび、前記インペラの回転方向
に対して凹形状に湾曲されてなる凹湾曲部位とによって
構成されるようにしたことを要旨とする。

【００１１】（作用）請求項１に記載の発明によれば、
遠心圧縮機のインペラの隣接する２つの全翼の間に流入
する流体は、２つの全翼の間に設けられた上流側半翼部
によって、回転方向前方側の負圧側上流流路と回転方向
後方側の圧力側上流流路とに分配される。このとき、負
圧側上流流路は負圧のため、圧力側上流流路に比較して
流速が大きくなるが、上流側半翼部が回転方向前方側に
位置して、負圧側上流流路の流路断面積を圧力側上流流
路より小さくしていることから、負圧側上流流路と圧力
側上流流路に流れる流体の流量は等しくなるよう分配さ
れる。そして、上流側半翼部の形状は、流体の流れに沿
った形状と一致しており、分配される流体は先端部位の
形状に沿って流れる。

【００１２】従って、流体の流れの速度の大きい負圧側
上流流路と、流れの速度の小さい圧力側上流流路とに
は、等しい流量分配で流体が流入する。そして流入する
流体は、上流側半翼部の先端部位の形状に沿って流れる
ので、先端部位における流体の衝突損失や剥離による摩
擦損失等を小さくすることができる。

【００１３】請求項２に記載の発明によれば、上流側半
翼部によって形成される回転方向前方側の負圧側上流流
路は、上流側半翼部の凸湾曲部位と凹湾曲部位とによっ
て緩やかに拡大する拡がり流路となり、負圧側上流流路
に流入した流体は、緩やかに減速する。

【００１４】従って、上流側半翼部によって形成される
回転方向前方側の負圧側上流流路を流れる流体は、緩や
かに減速されるので、流路における剥離が生じにくく、
流れの損失を小さくすることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した一実施
形態を図１及び図２に従って説明する。図１は、本実施
形態の遠心圧縮機のインペラのその下半分を省略して示
した断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面に
おける全翼と半翼との形状及び位置関係を示した図であ
る。

【００１６】図１に示すとおり、本実施形態の遠心圧縮
機のインペラ１１はオープン羽根車であり、流体の入口
部１２から出口部１３にかけて、ハブ面１４上に全翼１
５がインペラ１１の径方向に沿って取付けられている。

【００１７】図２に示すとおり、インペラ１１は矢印方
向に回転し、全翼１５は、ハブ面１４上において放射状
に等間隔に複数設けられている。全翼１５は、インペラ
１１の回転方向後方側のサクション面１５ａと、回転方
向前方のプレッシャー面１５ｂとによって構成される。
そして、隣合う２つの全翼１５のサクション面１５ａと
プレッシャー面１５ｂとによって、流路ＴＡが形成さ
れ、その流路ＴＡには入口部１２から流体が流入し、出
口部１３から流体が吐出されるようになっている。

【００１８】さらに、流路ＴＡの途中位置Ｍから出口部
１３にかけて、ハブ面１４上に半翼１６がインペラの１
１の径方向に沿って取付けられている。すなわち、半翼
１６は全翼１５よりも流体の流れ方向の長さが短くなっ
ており、全翼１５と半翼１６とは、インペラ１１のハブ
面１４上の径方向に沿って交互に並ぶようにして設けら
れている。そして、半翼１６は、出口部１３より一定の
長さで設けられる下流側半翼部１７と、その下流側半翼
部１７の上流側端部１７ａから途中位置Ｍにかけて設け
られる上流側半翼部１８とによって構成される。

【００１９】半翼１６の下流側半翼部１７は、全翼１５
のサクション面１５ａとによってサクション面側下流流
路ＴＳ１を、プレッシャー面１５ｂとによってプレッシ
ャー面側下流流路ＴＰ１とを形成する。そして、流路Ｔ
Ｓ１の流路幅ＤＳ１と、流路ＴＰ１の流路幅ＤＰ１とを
同じにするように下流側半翼部１７は配置され、流路Ｔ
Ｓ１，ＴＰ１は、それぞれ同じ流量で流体が流入する
と、同じ速度で流れるようになっている。

【００２０】上流側半翼部１８は、途中位置Ｍより下流
方向に向かって一定長さで設けられる先端部位１８ａ
と、先端部位１８ａからより出口部１３の方向に連続し
て設けられる凸湾曲部位１８ｂと、凸湾曲部位１８ｂよ
り出口部１３の方向に連続して設けられる凹湾曲部位１
８ｃとによって構成される。また、上流側半翼部１８
は、全翼１５のサクション面１５ａとによってサクショ
ン面側上流流路ＴＳ２を、プレッシャー面１５ｂとによ
ってプレッシャー面側上流流路ＴＰ２とを形成する。

【００２１】先端部位１８ａは、サクション面１５ａ側
に偏倚して位置し、流路ＴＡを流れる流体の流れ方向Ｆ
に沿った形状で設けられている。途中位置Ｍ周辺におけ
るインペラ１１の回転方向の流速分布は、サクション面
１５ａにおける流体の圧力が負圧であるために、サクシ
ョン面１５ａからプレッシャー面１５ｂにかけて減少す
る傾向にある。従って、流路ＴＳ２を流れる流体の速度
は、流路ＴＰ２を流れる流体の速度より大きくなってい
る。このとき、先端部位１８ａがサクション面１５ａ側
に偏倚して位置し、流路幅ＤＳ２が流路幅ＤＰ２より小
さくなっているので、流路ＴＳ２，ＴＰ２における流体
の流量が等しくなる。さらに、先端部位１８ａにおける
流体は先端部位１８ａの形状に沿って流れるので、剥離
領域が発生せず、流れの損失が小さくなる。従って、流
路ＴＳ２，ＴＰ２における流体の流量は等しく流れ、先
端部位１８ａによって流れの損失が小さく押さえられて
いるので、出口部１３における流体の流量が均一にな
り、不均一な流れを均一化するための混合損失が生じに
くくなる。

【００２２】上流側半翼部１８の凸湾曲部位１８ｂは、
インペラ１１の回転方向に対して凸側に湾曲し、サクシ
ョン面側上流流路ＴＳ２を上流から下流に向かって緩や
かに拡がる拡がり流路とし、一方、プレッシャー面側上
流流路ＴＰ２を、上流から下流に向かって絞られる絞り
流路としている。通常、絞り流路では流路内の流れの増
速によって生じる摩擦損失のみが問題になるが、拡がり
流路では流路内の流れの減速によって生じる剥離による
損失が深刻な問題となる。しかし、ここでは、凸湾曲部
位１８ｂによってサクション面側上流流路ＴＳ２は緩や
かに拡がっているので、流れの減速が緩やかであり、剥
離による損失が生じにくくなっている。

【００２３】さらに、凹湾曲部位１８ｃは、インペラ１
１の回転方向に対して凹側に湾曲し、流路ＴＳ２，ＴＰ
２の流路断面積を等しくするように導く。そして、この
とき、流路ＴＳ２，ＴＰ２から等しい流量分配で流入す
る流体は、流路ＴＳ１，ＴＰ１においても同じ流量で流
れ、出口部１３において均一な流れで吐出される。

【００２４】次に、以上のように構成された本実施形態
における遠心圧縮機のインペラの作用について説明す
る。まず、インペラ１１の入口部１２から流入した流体
は流路ＴＡを通り、流路ＴＳ２，ＴＰ２に等しい流量分
配で流入される。そしてこのとき、半翼１６の先端部位
１８ａは、流路ＴＡにおける流体の流れ方向Ｆに沿った
形状であることから、流体は、先端部位１８ａにおける
流体の衝突損失や、流路の変化による剥離等を生じるこ
となく流入される。

【００２５】次に、流路ＴＳ２，ＴＰ２に等しい流量で
流入された流体は、流路ＴＳ２においては、流路ＴＳ２
の拡がりに伴って流れが減速し、流路ＴＰ２において
は、流路ＴＰ２の絞りに伴って流れが増速する。このと
き、拡がり流路であるために剥離が生じやすくなってい
る流路ＴＳ２は、絞り流路であるＴＰ２に比較して、流
れの損失が生じやすいが、流路ＴＳ２は凸湾曲部位１８
ｂにより緩やかに拡大されており、流体の剥離が生じに
くくなっている。そして、流路ＴＳ２，ＴＰ２において
等しい流量で流れる流体は流路ＴＳ１，ＴＰ１に流入す
る。このとき、流路ＴＳ１と流路ＴＰ１の流路幅ＤＳ
１，ＤＰ１が等しいので、流路ＴＳ２，ＴＰ２より等し
い流量で流入する流体は、流路ＴＳ１，ＴＰ１において
等しい流速となり、インペラ１１の出口部１３から流出
する流体の流れが均一化する。

【００２６】上記実施形態によれば、以下のような特徴
を得ることができる。 （１）上記実施形態では、インペラ１１の隣接する２つ
の全翼１５の間に流入する流体は、２つの全翼１５の間
に設けられた上流側半翼部１８によって、回転方向前方
側のサクション面側上流流路ＴＳ２と、回転方向後方側
のプレッシャー面側上流流路ＴＰ２とに分配される。こ
のとき、サクション面側上流流路ＴＳ２は負圧のため、
プレッシャー面側上流流路ＴＰ２に比較して流速が大き
くなっており、上流側半翼部１８は回転方向前方側に偏
倚して位置して、サクション面側上流流路ＴＳ２の流路
断面積をプレッシャー面側上流流路ＴＰ２より小さく
し、流路ＴＳ２，ＴＰ２を流れる流体の流量は等しくな
るよう分配する。そして、分配される流体は流体の流れ
に沿った形状を有する先端部位１８ａの形状に沿って流
れる。下流側半翼部１７は２つの全翼１５の中間位置に
設けられ、流路面積の等しい、回転方向前方側のサクシ
ョン面側下流流路ＴＳ１とプレッシャー面側下流流路Ｔ
Ｐ１とを形成し、流路ＴＳ２，ＴＰ２よりそれぞれ同じ
流量の流体が流入し、流路ＴＳ１，ＴＰ１における流体
の流速が等しくなる。

【００２７】従って、流体の流れの速度の大きいサクシ
ョン面側上流流路ＴＳ２と、流れの速度の小さいプレッ
シャー面側上流流路ＴＰ２とには、等しい流量分配で流
体が流入する。そして流入する流体は、上流側半翼部１
８の先端部位１８ａの形状に沿って流れるので、先端部
位１８ａにおける流体の衝突損失や剥離による摩擦損失
等を小さくすることができる。また、流路ＴＳ１，ＴＰ
１には等しい流速で流体が流れるので、インペラ１１の
出口部１３における流体の流速が均一化し、不均一な流
れが均一化する時の混合損失を小さくすることができ
る。

【００２８】（２）上記実施形態では、上流側半翼部１
８によって形成される回転方向前方側のサクション面側
上流流路ＴＳ２は、上流側半翼部１８の凸湾曲部位１８
ｂと凹湾曲部位１８ｃとによって緩やかに拡大する拡が
り流路となり、サクション面側上流流路ＴＳ２に流入し
た流体は、緩やかに減速する。

【００２９】従って、サクション面側上流流路ＴＳ２を
流れる流体は、緩やかに減速されるので、流路における
剥離が生じにくく、流れの損失を小さくすることができ
る。なお、上記実施形態は以下のように変更してもよ
い。

【００３０】・上記実施形態では、上流側半翼部１８を
凸湾曲部位１８ｂと凹湾曲部位１８ｃとによって構成
し、サクション面側上流流路ＴＳ２を緩やかに拡がる拡
がり流路としたが、それ以外の形状の拡がり流路、例え
ば、直線的に拡がる拡がり流路等にしてもよい。さら
に、プレッシャー面側上流流路ＴＰ２を緩やかに狭まる
狭まり流路として、摩擦損失を小さくするように構成し
てもよい。

【００３１】・上記実施形態では、インペラ１１をオー
プン羽根車として説明したが、クローズド羽根車として
も勿論よい。

【００３２】

【発明の効果】以上、詳述したように、請求項１及び２
の発明によれば、全翼と半翼との間における流体の流量
をインペラ全体において等しくするとともに、流体の流
れの損失を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本実施形態におけるインペラの部分断面図。

【図２】 図１におけるＡ−Ａ線断面図。

【図３】 従来技術におけるインペラの部分断面図。

【図４】 同じく、インペラの部分断面図。

【図５】 同じく、インペラの剥離領域を説明するため
の説明図。

【符号の説明】

Ｍ…途中位置、ＴＡ…流路、１１…インペラ、１２…入
口部、１３…出口部、１５…全翼、１６…半翼、１７…
下流側半翼部、１８…上流側半翼部、１８ａ…先端部
位、１８ｂ…凸湾曲部位、１８ｃ…凹湾曲部位

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 白木 睦生 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 Ｆターム(参考） 3H033 AA02 AA17 BB03 BB06 CC02 DD03 EE19

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の入口部から出口部にかけて放射状
   に取付けられた全翼と、隣り合う前記全翼の間に形成さ
   れた流路の途中位置から前記出口部にかけて同じく放射
   状に取り付けられた半翼とが配設され、その回転に伴
   い、前記入口部から吸入された流体を圧縮して前記出口
   部に吐出する遠心圧縮機のインペラにおいて、 前記半翼は、 前記出口部から上流方向に向かって一定長さで形成され
   る下流側半翼部と、 前記下流側半翼部の上流側端部から前記途中位置にかけ
   て形成される上流側半翼部とによって構成され、 前記上流側半翼部は隣接する前記全翼の中間位置より前
   記インペラの回転方向前方側に偏倚して位置され、 その上流側半翼部の上流側の先端部位は前記流体の流れ
   方向に沿った形状に形成されることを特徴とする遠心圧
   縮機のインペラ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の遠心圧縮機のインペラ
   において、前記上流側半翼部は、前記先端部から下流側
   にのび、前記インペラの回転方向に対して凸形状に湾曲
   させてなる凸湾曲部位と、その凸湾曲部から下流側にの
   び、前記インペラの回転方向に対して凹形状に湾曲され
   てなる凹湾曲部位とによって構成されるようにしたこと
   を特徴とする遠心圧縮機のインペラ。