JP2002332993A - 遠心圧縮機のインぺラ - Google Patents

遠心圧縮機のインぺラ

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JP2002332993A
JP2002332993A JP2001138752A JP2001138752A JP2002332993A JP 2002332993 A JP2002332993 A JP 2002332993A JP 2001138752 A JP2001138752 A JP 2001138752A JP 2001138752 A JP2001138752 A JP 2001138752A JP 2002332993 A JP2002332993 A JP 2002332993A
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compressor
face
long
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Yuji Iwakiri
Hiroshi Uchida
博 内田
雄二 岩切
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Toyota Central Res & Dev Lab Inc
株式会社豊田中央研究所
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Abstract

(57)【要約】 【課題】インペラの損失を減少させ、コンプレッサ効率
を向上できる遠心圧縮機のインぺラを得る。 【解決手段】長羽根16及び短羽根18のハブ24、3
0とシュラウド26、32とを結ぶ翼面線素は、回転方
向(図1中矢印A方向)に対して凸面をなす曲線線素2
0、28で構成されているため、ある長羽根16(又は
短羽根18)の圧力面側の流路と負圧面側の流路とのス
ロート径比(スロート面積)を曲線線素20(28)の
曲げ方又は曲げ量を任意に調節することにより容易に調
整することができ、両流路の空気流量及び各長羽根16
又は短羽根18の負荷を均等化することができる。この
結果、インペラ10内の損失を減少させることができ、
コンプレッサの効率を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車用ターボチ
ャージャ等に適用される遠心圧縮機のインペラに関す
る。

【0002】

【従来の技術】従来の遠心圧縮機のインペラについて、
例えば、特開平10−213094号公報に開示されて
いる(従来技術1)。

【0003】図5に示すように、この遠心圧縮機のイン
ペラ100は、長羽根102と短羽根104とが交互に
配置されたブレードを備えたタイプである。このインペ
ラ100は、図5中矢印X方向に回転する。

【0004】長羽根102及び短羽根104の翼面は、
ハブ108とシュラウド110とを直線で結んだ直線線
素106で構成されている。

【0005】ここで、図6(A)に示すように、単純に
長羽根102の入口付近を切除した短羽根104では、
圧力面側のスロート面積A1と負圧面側のスロート面積
A2とが大きく異なるため、図6(B)に示すように、
短羽根104の入口付近の端縁112を長羽根102の
負圧面側(図6(B)中矢印Y方向)にずらして、図6
(C)に示すように、両流路のスロート面積A1、A2
を略同じにすることが行われている。

【0006】しかし、短羽根104の入口付近を長羽根
102の負圧面側(図6(B)中矢印Y方向)にずらし
て、両流路のスロート面積A1、A2を略同一にし、短
羽根104の圧力面側と負圧面側の空気流量を均等化す
るには、さらに短羽根104の入口付近の端縁112を
インペラ100の軸方向に対して5〜6°分だけ長羽根
102の負圧面側へずらす補正が必要となる。

【0007】ところが、上記のように短羽根104の入
口付近の端縁112を補正すると、短羽根104の入口
付近の端縁112の翼角が長羽根102の翼角と大きく
異なってしまうが、短羽根104および長羽根102の
出口付近の翼角を等しくする必要があるため、特に翼長
の短い短羽根104では、その入口付近の端縁112の
翼角変化が急激となってしまう。翼角の急激な変化は、
渦の発生や流れの剥離が生じ易く、インペラ100の効
率を低下させる原因となる。

【0008】一方、図7に示すように、ブレード122
の入口端縁が回転方向(図7中矢印Z方向)に対して凹
面をなす曲線線素124で形成されている遠心圧縮機の
インペラ120が特開平9−296799号公報に開示
されている(従来技術2)。

【0009】本遠心圧縮機のインペラ120では、流路
中央部におけるブレード122の流れに与える仕事が大
きくなり、またインペラ120全体として流量当りの流
れの損失は、従来のインペラに比べて相対的に小さくな
るとともに、ハブ側のブレード表面に発生する境界層部
分の低エネルギの流体が流路中央部の流れに混入して生
ずる流れの損失も低減されるので、従来のインペラと比
べて効率が向上するが、翼長が短く、翼枚数の少ないタ
ーボチャージャのインペラでは、むしろ逆効果となる。

【0010】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、上
記事実を考慮し、ブレードのハブとシュラウドとを結ぶ
翼面線素を回転方向に対して凸面をなす曲線線素で構成
することにより、インペラの損失を減少させ、コンプレ
ッサ効率を向上できる遠心圧縮機のインペラを提供する
ことを課題とする。

【0011】

【課題を解決するための手段】請求項1に記載の遠心圧
縮機のインペラでは、複数のブレードを有する遠心圧縮
機のインぺラであって、前記ブレードのハブとシュラウ
ドとを結ぶ翼面線素は、回転方向に対して凸面をなす曲
線線素で構成されたことを特徴とする。

【0012】次に、請求項1に記載の遠心圧縮機のイン
ペラの作用効果について説明する。

【0013】ブレードのハブとシュラウドとを結ぶ翼面
線素は、回転方向に対して凸面をなす曲線線素で構成さ
れているため、あるブレードの圧力面側の流路と負圧面
側の流路とのスロート径比(スロート面積)を曲線線素
の曲げ方又は曲げ量を任意に調節することにより容易に
調整することができ、両流路の空気流量及び各ブレード
の負荷を均等化することができる。

【0014】この結果、インペラ内の損失を減少させる
ことができ、コンプレッサの効率を向上させることがで
きる。

【0015】請求項2に記載の遠心圧縮機のインペラで
は、前記ブレードのハブとシュラウドとを結んだ直線線
素からの前記曲線線素の曲げ量は、前記直線線素の長さ
の5%以上30%以下であることを特徴とする。

【0016】次に、請求項2に記載の遠心圧縮機のイン
ペラの作用効果について説明する。

【0017】ブレードのハブとシュラウドとを結んだ直
線線素からの曲線線素の曲げ量は、直線線素の長さの5
%以上30%以下に設定することがより好ましい。

【0018】曲線線素の曲げ量を直線線素の長さの30
%よりも大きくすると、インペラの製造上の問題が生じ
てしまい不適切である。すなわち、インペラは型により
一体形成されるが、曲線線素の曲げ量を直線線素の長さ
の30%よりも大きくすると、新しい型を製造する必要
があり、コスト高につながる不具合がある。

【0019】一方、5%未満とすると、インペラ内の損
失を効果的に減少させることができず不適切である。

【0020】請求項3に記載の遠心圧縮機のインペラで
は、曲線線素の最大曲げ量は、前記ブレードのハブとシ
ュラウドのブレード径方向の中間部に位置することを特
徴とする。

【0021】次に、請求項3に記載の遠心圧縮機のイン
ペラの作用効果について説明する。

【0022】曲線線素の最大曲げ量は、ブレードのハブ
とシュラウドのブレード径方向の中間部に位置させるこ
とにより、シュラウド側に流れる空気流の空気流量とハ
ブ側に流れる空気流の空気流量とを略均等にすることが
できる。この結果、ブレードに作用する翼負荷が1箇所
に集中することを防止でき、インペラの損失を低減する
ことができる。

【0023】請求項4に記載の遠心圧縮機のインペラで
は、前記ブレードは、長羽根と、該長羽根の入口側を切
除してなる短羽根と、が交互に配置されて構成されたこ
とを特徴とする。

【0024】次に、請求項4に記載の遠心圧縮機のイン
ペラの作用効果について説明する。

【0025】ブレードは、長羽根と、長羽根の入口側を
切除してなる短羽根と、が交互に配置されて構成されて
おり、各長羽根及び各短羽根のハブとシュラウドとを結
ぶ翼面線素は、回転方向に対して凸面をなす曲線線素で
構成されている。

【0026】このため、従来のように短羽根をこれと隣
接する長羽根の負圧面側にずらすことなく、長羽根と短
羽根の曲線線素の曲げ方又は曲げ量を調節することによ
り、長羽根の負圧面側の流路と、短羽根と逆方向に隣接
する長羽根の圧力面側の流路とのスロート径比(スロー
ト面積)を容易に調整することができる。

【0027】この結果、従来技術1のように短羽根の入
口付近の翼角の急激な変化を与える必要がなく、渦の発
生や空気流の剥離の発生を防止することができるため、
インペラの損失を低減できる。

【0028】一方、従来技術2のように、シュラウドと
ハブ間の中央付近に負荷を集中させるために、ブレード
の入口端縁が回転方向に対して凹面をなす曲線線素で形
成されている場合も考えられるが、自動車用のターボチ
ャージャに用いられるインペラのように、ブレードが長
羽根と短羽根とで構成されており、特に長羽根と短羽根
の翼長が短く、かつ枚数が少ない場合には、シュラウド
とハブ間の中央付近に負荷を集中させると、却ってイン
ペラの損失を増大させ、コンプレッサの効率を低下させ
るため、好ましくない。

【0029】そこで、本発明のように、各長羽根及び各
短羽根のハブとシュラウドとを結ぶ翼面線素は、回転方
向に対して凸面をなす曲線線素で構成することにより、
負荷の集中を防止してインペラの損失を軽減でき、コン
プレッサの効率を向上させることができる。

【0030】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明の一実施形態に係る遠心圧縮機のインぺラについて説
明する。図1は、遠心圧縮機のインペラを部分的に示し
ている。

【0031】なお、かかる遠心圧縮機は、例えば自動車
用ターボチャージャのコンプレッサ部に適用される。

【0032】図1に示すように、遠心圧縮機のインぺラ
10は、回転軸(図示省略)に取り付けられる中心体1
2と、この中心体12に一体形成されたブレード14
と、で構成されている。

【0033】上記ブレード14は、中心体12のハブ面
12A上に複数の長羽根16と短羽根18とが周方向に
等ピッチで交互に配置されて構成されている。

【0034】すなわち、1枚の短羽根18Aの回転方向
(図1中矢印A方向)には1枚の長羽根16Aが隣接し
ており、また回転方向と反対方向(図1中矢印A方向と
反対方向)にも1枚の長羽根16Bが隣接している。

【0035】なお、短羽根18は、長羽根16より空気
流れ方向の長さが短く設定されている。

【0036】ここで、各長羽根16のハブ24とシュラ
ウド26とを結ぶ翼面線素は、回転方向に対して凸面を
なす曲線線素20で構成されている。

【0037】また、図2に示すように、各長羽根16の
ハブ24とシュラウド26とを結んだ直線線素22から
の曲線線素20の曲げ量Ldは、直線線素22のスパン
長Lsの5%以上30%以下に設定されている。

【0038】この長羽根16の入口側端部から出口側端
部までの曲線線素20の曲げ量Ldは、一定でもよく、
また、直線線素22のスパン長Lsの5%以上30%以
下の範囲で変化させてもよいが、最大曲げ量の位置は、
ハブ24とシュラウド26とのインペラ径方向(図2中
矢印B方向)の中央付近に設定することが好ましい。

【0039】なお、「ハブ」とは、中心体12のハブ面
12Aと面接している長羽根16又は短羽根18の端面
をいい、「シュラウド」とは、インペラ径方向(図2中
矢印B方向)側の端面をいう。

【0040】一方、図1に示すように、各短羽根18
も、長羽根16と同様に構成されており、短羽根16の
ハブ30とシュラウド32とを結ぶ翼面線素は、回転方
向に対して凸面をなす曲線線素28で構成されている。

【0041】また、短羽根18のハブ30とシュラウド
32とを結んだ直線線素からの曲線線素28の曲げ量
は、長羽根16と同様に、直線線素の長さの5%以上3
0%以下に設定されている。

【0042】この短羽根18の入口側端部から出口側端
部までの曲線線素28の曲げ量は、一定でもよく、ま
た、直線線素の長さの5%以上30%以下の範囲で変化
させてもよいが、最大曲げ量の位置はハブ30とシュラ
ウド32とのインペラ径方向の中央付近に設定すること
が好ましい。

【0043】次に、遠心圧縮機のインぺラ10の作用及
び効果について説明する。

【0044】長羽根16及び短羽根18のハブ24、3
0とシュラウド26、32とを結ぶ翼面線素が、回転方
向に対して凸面をなす曲線線素20、28で構成されて
いるため、その曲面線素20、28の曲げ方あるいは曲
げ量を変化させることにより、短羽根18の圧力面側と
長羽根16の負圧面側とで形成される流路のスロート面
積と、短羽根18の負圧面側と長羽根16の圧力面側と
で形成される流路のスロート面積と、を任意に調整して
最適化することができ、両流路を流れる空気の空気流量
を均等化することができる。また、短羽根18と長羽根
16とに作用する翼負荷も均等化することができる。

【0045】すなわち、従来の遠心圧縮機のインペラで
は、長羽根と短羽根のハブとシュラウドとを結ぶ翼面線
素が、回転方向に対して平面となる直線線素で構成され
ていたため、幾何学的に定まり、最適な形状とすること
ができなかった。このため、図5に示す従来技術1のよ
うに、短羽根104の入口付近を隣接する長羽根102
の負圧面側にずらすことにより、上記スロート面積を略
同じに設定していたが、短羽根104の翼角度の急激な
変化は、渦の発生や流れの剥離を生じ易く、コンプレッ
サ効率が低下する問題があった。

【0046】そこで、本発明のように、長羽根16及び
短羽根18のハブ24、30とシュラウド26、32と
を結ぶ翼面線素を、回転方向に対して凸面をなす曲線線
素20、28とすることにより、渦の発生や流れの剥離
を防止し、インペラ10及びディフューザ(図示省略)
の損失を低減し、コンプレッサ効率を向上させることが
できる。

【0047】ここで、本発明の遠心圧縮機のインペラ1
0と従来技術1の遠心圧縮機のインペラと100のコン
プレッサ効率を図3に示すグラフを用いて比較する。

【0048】図3は、縦軸にコンプレッサ効率(%)を
とり、横軸に空気流量をとり、曲線線素20、28であ
る本発明の遠心圧縮機のインペラ10と、直線線106
である従来技術1の遠心圧縮機のインペラ100と、の
性能を比較した。

【0049】なお、両者のインペラ10、100のブレ
ードは、ハブとシュラウドとを結ぶ翼面線素のみが異な
り、他は同一である。

【0050】図3に示すように、本発明の遠心圧縮機の
インペラ10では、従来技術1の遠心圧縮機のインペラ
100と比較して、コンプレッサ効率が向上しているこ
とが判明した。

【0051】特に、図2に示すように、長羽根16及び
短羽根18のハブ24、30とシュラウド26、32と
を結んだ直線線素22からの曲線線素20、28の曲げ
量Ldが、直線線素22の長さの5%以上30%以下に
設定されているため、インペラ10の製造上の不具合を
排除した形でコンプレッサ効率だけを向上させることが
できる。

【0052】一方、図7に示す従来技術2の遠心圧縮機
のインペラ120では、ブレード122の入口端縁が回
転方向に対して凹面をなす曲線線素124で形成されて
いる。

【0053】しかし、これを本発明のように、長羽根1
6と短羽根18とを有する遠心圧縮機のインペラ10に
適用すると、特に長羽根16と短羽根18の翼長が短
く、かつ枚数が少ない場合には、図4(C)の矢印E方
向に示すように、長羽根16又は短羽根18の最大変位
量付近に翼負荷が集中するため、コンプレッサ効率が低
下する不具合がある。

【0054】また、図4(A)に示すように、長羽根又
は短羽根のハブとシュラウドとを結ぶ翼面線素を直線線
素50で形成する場合には、通常、短羽根出口において
応力低減のためブレードを回転方向に傾けるため、図4
(A)中矢印F方向に示すように空気流がハブ側に偏る
不具合がある。

【0055】そこで、本発明では、図4(B)に示すよ
うに、長羽根16及び短羽根18のハブとシュラウドと
を結ぶ翼面線素を回転方向に対して凸面をなす曲線線素
20、28とし、その曲線線素20(28)の最大曲げ
量をハブとシュラウドのブレード径方向の中間部に位置
させることにより、シュラウド側に流れる空気流(図中
矢印G方向)の空気流量と、ハブ側に流れる空気流(図
中矢印H方向)の空気流量とを略均等にできる。

【0056】この結果、長羽根16及び短羽根18に作
用する翼負荷が1箇所に集中することを防止できるた
め、インペラ10及びディフューザでの損失を低減で
き、コンプレッサ効率を向上することができる。

【0057】以上のように、本発明の遠心圧縮機のイン
ぺラ10によれば、インペラ10の損失を減少させ、コ
ンプレッサ効率を向上することができる。

【0058】なお、本実施形態では、自動車用ターボチ
ャージャのコンプレッサ部に適用され遠心圧縮機のイン
ペラ10を例示したが、これに限られるものではない。

【0059】例えば、図示しないが、一般産業用に使用
されているような全て同じ長さに設定された複数のブレ
ードからなる遠心圧縮機のインペラにも適用することが
でき、この場合もブレードのハブとシュラウドとを結ぶ
翼面線素が、回転方向に対して凸面をなす曲線線素で構
成さされていることにより、コンプレッサー効率を向上
できる。

【0060】

【発明の効果】本発明の遠心圧縮機のインぺラによれ
ば、インペラの損失を減少させ、コンプレッサ効率を向
上できる。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機のインぺ
ラの部分的な正面図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機のインぺ
ラを構成するブレードの断面図である。

【図3】従来の遠心圧縮機のインぺラと本発明の遠心圧
縮機のインぺラとのコンプレッサ効率を比較したグラフ
である。

【図4】ブレード上を流れる空気流の作用図である。

【図5】従来の遠心圧縮機のインペラの部分的な正面図
である。

【図6】図5に示す遠心圧縮機のインペラの短羽根の圧
力面側と負圧面側のスロート面積の比較図である。

【図7】従来の遠心圧縮機のインペラの部分的な正面図
である。

【符号の説明】

10 遠心圧縮機のインぺラ 14 ブレード 16 長羽根 18 短羽根 20、28 曲線線素 24、30 ハブ 26、32 シュラウド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 3H033 AA02 AA17 BB03 BB06 CC01 DD03 DD27 EE19

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数のブレードを有する遠心圧縮機のイ
    ンぺラであって、 前記ブレードのハブとシュラウドとを結ぶ翼面線素は、
    回転方向に対して凸面をなす曲線線素で構成されたこと
    を特徴とする遠心圧縮機のインペラ。
  2. 【請求項2】 前記ブレードのハブとシュラウドとを結
    んだ直線線素からの前記曲線線素の曲げ量は、前記直線
    線素の長さの5%以上30%以下であることを特徴とす
    る請求項1に記載の遠心圧縮機のインペラ。
  3. 【請求項3】 前記曲線線素の最大曲げ量は、前記ブレ
    ードのハブとシュラウドのブレード径方向の中間部に位
    置することを特徴とする請求項2に記載の遠心圧縮機の
    インペラ。
  4. 【請求項4】 前記ブレードは、長羽根と、該長羽根の
    入口側を切除してなる短羽根と、が交互に配置されて構
    成されたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1
    項に記載の遠心圧縮機のインペラ。
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