JP2003314496A - 遠心圧縮機 - Google Patents

遠心圧縮機

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 遠心圧縮機の作動領域を低流量側に拡大す
る。 【解決手段】 羽根車1の外周部から前方に延びて吸込
口4を形成するシュラウド壁5を有するハウジング6を
備え、上記シュラウド壁5の吸込口4側の部分に、上記
羽根車1の入口方向に向けて縮径する絞り部7を設け、
かつ、上記シュラウド壁5に、羽根車1の外周に対峙す
る部分に開口するスリット状の第1流路9と、上記絞り
部7の終端となる最小径付近に開口するスリット状の第
2流路10と、上記第1流路9と上記第2流路10とを
連絡する円筒状のトリートメントキャビティ8とからな
る循環流路20を設けた遠心圧縮機において、上記円筒
状のトリートメントキャビティ8の内径は羽根車1の入
口径Dの1.5〜2.0倍であり、トリートメントキ
ャビティ8の高さhは上記第1流路のスリット幅h
の1.0〜2.0倍となっている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はエンジンへの過給圧
を発生させる過給機の給気装置や一般製造工場の空気源
設備等として用いる遠心圧縮機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】エンジンへの過給を行なう過給機は、た
とえば、翼車を有するタービンと羽根車を有する遠心圧
縮機(コンプレッサ)とを軸受車室を介して一体構造と
し、上記翼車と羽根車とを、軸受車室内に回転自在に支
持させた軸にて連結し、エンジンの排気によって翼車を
回転させ、該翼車の回転で軸を介して羽根車を回転させ
ることにより吸気を遠心圧縮機で圧縮してエンジンに給
気するようにしている。
【0003】上記過給機に用いる遠心圧縮機において、
サージングと呼ばれる現象が起き、過給機の性能に重大
な影響を及ぼす場合がある。サージングは周期的な負荷
変動がないのに一種の自励振動が発生し、周期的に圧力
や吐出量が変動する現象である。サージングは全揚程
(または圧力比)―吐出量の特性が図4(A)で示すよ
うな右上がりとなる吐出量が少ないところで発生する。
サージング発生の原因を定性的に説明する。吐出量が減
少し、羽根車内を流れる流量が減ると、羽根車の外周と
対峙するシュラウド壁の壁面(ケーシング)に層流境界
層が発達する。境界層内にはエネルギーの流入が少ない
ので、その部分は低圧領域になる。そうすると羽根車の
吐出側の高圧の領域からの逆流が起こり吐出圧が低下す
る。吐出圧が低下すると逆流は止まり、再び正流にな
る。かくして吐出圧と吐出量の周期的変動が起こるが、
それがサージングであり、サージングが起こると軸受、
羽根車、軸継手などに重大な損傷を与える。
【0004】図4(B)は羽根車の回転数をパラメータ
とした複数の特性曲線の図で、図4(A)の特性曲線の
頂点を結んだ線をサージ線Sといい、サージ線Sより左
側はサージング領域Aという。そして上記サージ線Sを
S’の位置へと低流量側へ移動させることができれば、
エンジンの運転をより広い範囲に亘り適応させることが
できる。
【0005】かかる問題を解決するため、本願出願人
は、先に特許出願を行なった(特開平5−6009
7)。図5は上記出願に開示された遠心圧縮機の断面図
である。図に示すように、羽根車1の外周部にディフュ
ーザ部2を介してスクロール状の圧縮流路3を有し、か
つ、上記ディフューザ部2から前方へ延びて吸込口4を
形成するようにしたシュラウド壁5を有するハウジング
6を備え、さらに、上記羽根車1を図示しないタービン
の翼車に軸を介して連結し、エンジンの排気によってタ
ービンの翼車が回転させられることにより軸を介して羽
根車1が回転させられ、該羽根車1の回転により、吸気
を圧縮してエンジンに給気させられるようにしてある遠
心圧縮機において、上記シュラウド壁5の吸気口4側の
部分に、上記羽根車1の入口方向へ向けて縮径する絞り
部7を設け、該絞り部7によって縮流効果の与えられた
空気が羽根車1により吸引されるようにし、かつ、上記
シュラウド壁5中に環状のトリートメントキャビティ8
を設け、さらに、上記シュラウド壁5に、トリートメン
トキャビティ8内と羽根車1の設置位置とを連通させる
ためのスリット状の第1流路9と、トリートメントキャ
ビティ8内と上記絞り部7の終端よりもやや下流位置と
を径方向へ連通させるためのスリット状の第2流路10
とを、それぞれ周方向に穿設し、上記第1流路9、トリ
ートメントキャビティ8、第2流路10により、低流量
運転時に羽根車1によって吸引される空気の一部を循環
させてサージ線の低流量化を図るための循環流路を構成
する。
【0006】運転を行なうと、羽根車1の回転により吸
込口4から吸い込まれた空気は、羽根車1における吸引
領域に吸引され、ディフューザ部2、圧縮流路3を通っ
て目的とする場所へ給気される。低流量運転時には、羽
根車1のすべての領域における圧力がトリートメントキ
ャビティ8内の圧力よりも高くなる。したがって、羽根
車1の羽根部分を通過する空気の一部が第1流路9からト
リートメントキャビティ8内へ向かうような空気流が発
生する。一方、このとき、吸込口4から入ってくる空気
は、絞り部7により縮流されるので、第2流路10を通
過する際の速度分布はその縮流効果によって外側(壁に
近いところ)で大きく(速く)なっている。したがっ
て、この縮流効果を受けた空気流が第2流路10の開口
を通過することで、第2流路10からトリートメントキ
ャビティ8内の空気を吸引することになり、その結果、
トリートメントキャビティ8内の負圧を大きくし、上記
羽根車1の羽根部分を通過する空気の一部を、第1流路
9からトリートメントキャビティ8内を通して第2流路
10から排出し、それを再び羽根車1に向けて流すこと
ができ、図5の破線矢印で示す如く、静圧を利用した循
環流aを発生させることができる。
【0007】このように循環流aを生じさせるので、吐
出流量の少ない運転領域でも、羽根車1内を流れる流量
を増加させることができ、かつ、羽根車1の吐出側から
の逆流を抽気するので、図4(B)に示すサージ線Sを
低流量側のS’の位置に移動させることができる。
【0008】ところが、上記循環流aは羽根車1の回転
と同方向、すなわち、順旋回方向の成分を有する流れで
あるため、循環流aのない場合に比べて広作動域化を図
ることはできるが、羽根車1の前後の流れ角の転向が小
さいため、羽根車1の入、出口の圧力比であるオイラー
ヘッドを低下させてしまうことになる。
【0009】そこで、本願出願人は、オイラーヘッドを
低下させることなく、広作動域化を図るため、先に特許
出願を行なった(特開2001−289197)。
【0010】図6(A)(B)は上記出願に開示された
図面である。図において、図5と共通する部分は同一の
符号を付しており、重複した説明は省略する。図6
(A)において、11は第2流路10に設けた逆スワー
ルフィンであり、図6(B)において、12はトリート
メントキャビティ8に設けた逆スワールフィンである。
逆スワールフィン11、12は放射方向とのなす角度α
が0または正であり、点線の矢印で示すように、旋回成
分のないものから逆旋回方向の範囲の流れとして流出さ
せられるため、羽根車1の前後の流れ角の転向が大きく
なり、羽根車1の入、出口の圧力比であるオイラーヘッ
ドが大きくなる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記特開平5
−60097に開示される発明では、第1流路9とトリ
ートメントキャビティ8と第2流路10とで形成される
循環流路の形状について何ら特定されていない。本願発
明者等は、鋭意研究と実験を行なった結果、循環流路の
形状が、遠心圧縮機のサージング領域に大きな影響を及
ぼすことを見出し、循環流路の形状を特定することによ
り、遠心圧縮機の作動域を、さらに低流量側に拡大する
ことができる旨の知見を得た。
【0012】本発明は、上記知見に基づいて完成された
もので、循環流路の形状を数値的に特定することによ
り、作動領域を拡大することができる遠心圧縮機を提供
することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の遠心圧縮機は、羽根車の外周部から前方に
延びて吸込口を形成するシュラウド壁を有するハウジン
グを備え、上記シュラウド壁の吸込口側の部分に、上記
羽根車の入口方向に向けて縮径する絞り部を設け、か
つ、上記シュラウド壁の羽根車の外周に対峙する部分に
開口するスリット状の第1流路と、上記絞り部の終端と
なる最小径付近に開口するスリット状の第2流路と、上
記第1流路と上記第2流路とを連絡する円環状のトリー
トメントキャビティとからなる循環流路を設けた遠心圧
縮機において、上記円環状のトリートメントキャビティ
の内径は羽根車の入口径の1.5〜2.0倍であり、ト
リートメントキャビティの高さは上記第1流路のスリッ
ト幅の1.0〜2.0倍である。
【0014】また、上記第2流路または第2流路と上記
円筒状のキャビティの第2流路側とに、上記循環流路を
出た循環流が半径方向の流れまたは羽根車の回転方向と
逆方向に旋回する流れになるように傾斜した複数の逆ス
ワールフィンを設けるのが好ましい。
【0015】次に本発明の作用を説明する。第1流路に
流入した循環流は、先に述べたように、羽根車と同方
向、すなわち、順旋回方向の成分を有する旋回流であ
る。第1流路はスリット状の流路であり、入口から遠ざ
かるほど流路面積が拡大し、羽根車出口とスクロール状
の圧縮流路とを連通するディフュ−ザ部と同様に、循環
流の有する速度のエネルギーを圧力のエネルギーに変換
する。したがって、トリートメントキャビティの内径
を、羽根車入口径の1.5〜2.0倍になるように大き
くすると、第1流路の長さが大きくなり、ディフュ−ザ
としての機能を十分発揮し、トリートメントキャビティ
入口における圧力が増大して、低流量領域で十分な量の
循環流が得られて、サージ線を低流量側に移動させるこ
とができる。さらに、トリートメントキャビティの高さ
(幅)を第1流路のスリット幅の1.0〜2.0倍とし
たので、第1流路からトリートメントキャビティに流入
する循環流の流路の急拡大による圧力損失を低く押さえ
ることができる。
【0016】さらに、循環流路の出口側に逆スワールフ
ィンを設けることにより、羽根車に流入する空気流を半
径方向の流れまたは羽根車の回転方向と逆方向に旋回す
る流れになるようにしたので、羽根車前後における流れ
角の転向が大きく、羽根車が十分な仕事をするので、羽
根車の入、出口の圧力比としてのオイラーヘッドが大き
くなる。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て図面を参照しつつ説明する。図1は本願請求項1に記
載された発明の1実施形態である。本図において、図5
と共通する部分については同一の符号を付しており、重
複した説明は省略する。図において、20は循環流路で
あり、第1流路9、トリートメントキャビティ8および
第2流路10からなる。21は円環状のブロックであ
り、シュラウド壁5の内面5aとの間に循環流路20を
形成している。ブロック21は図示しない3枚程度の半
径方向のリブによりシュラウド壁5の内面5aから支持
されている。9はスリット状の第1流路であり、図では
回転軸に対して垂直な面ととして示されているが、回転
軸に対して傾斜した截頭円錐面であってもよい。第1流
路は拡径しているので、ディフェーザ2と同様に内部で
速度のエネルギーが圧力のエネルギーに変換し、圧力が
高まるが、その機能を発揮させるためには十分な長さが
必要である。トリートメントキャビティ8は、第1流路
9に接続する円環状のキャビティである。第1流路9に
十分な長さが取れるように、トリートメントキャビティ
8の内径(円環状のブロック21の外径)Dを羽根車
1の入口径Dに対し、D=1.5〜2.0Dにな
るようにする。また、トリートメントキャビティ8の高
さhは、流路の急拡大による圧力損失を防ぐため、第
1流路の幅hに対し、h=1.0〜2.0hにな
るようにしている。10は、トリートメントキャビティ
8に接続する第2流路である。第2流路10の出口は吸
込口4の絞り部7のわずかに下流側に開口している。第
2流路10は、羽根車1の入口に向かって縮径する截頭
円錐面として図示されているが、回転軸に直角な面であ
ってもよいし、図と逆方向に傾斜した截頭円錐面であっ
てもよい。
【0018】図2は請求項2記載発明の図面であり、
(A)は回転軸芯を含む平面で切断した断面図、(B)
は(A)のB矢視断面図である。本発明は図1に示す請
求項1記載発明に逆スワールフィンを追加したものであ
り、図1と共通する部分には同一の符号を付しており、
重複した説明は省略する。図において、13は逆スワー
ルフィンである。逆スワールフィン13と回転軸芯を含
む放射状の面14とのなす角度αは0から正の範囲であ
ればよい。逆スワールフィン13は、図ではトリートメ
ントキャビティ8の第2流路10寄りの部分から第2流
路10内にかけて設けられているが、第2流路10内だ
けに設けてもよい。
【0019】次に本実施形態の作用を説明する。第1流
路9に流入した循環流aは、先に述べたように、羽根車
1と同方向、すなわち、順旋回方向の成分を有する旋回
流である。第1流路9はスリット状の流路であり、入口
から遠ざかるほど流路面積が拡大し、羽根車1出口とス
クロール状の圧縮流路3とを連通するディフュ−ザ部2
と同様に、循環流の有する速度のエネルギーを圧力のエ
ネルギーに変換する。したがって、トリートメントキャ
ビティ8の内径Dを、羽根車1入口径Dの1.5〜
2.0倍になるように大きくすると、第1流路9の長さ
が大きくなり、ディフュ−ザとしての機能を十分発揮
し、トリートメントキャビティ8入口における圧力が増
大して、低流量領域で十分な量の循環流aが得られて、
サージ線Sを低流量側に移動させることができる。さら
に、トリートメントキャビティ8の高さ(幅)hを第
1流路9のスリット幅hの1.0〜2.0倍としたの
で、第1流路9からトリートメントキャビティ8に流入
する循環流aの流路の急拡大による圧力損失を低く押さ
えることができる。
【0020】さらに、循環流路20の出口側に逆スワー
ルフィン13を設けることにより、羽根車1に流入する
空気流aを半径方向の流れまたは羽根車1の回転方向と
逆方向に旋回する流れになるようにしたので、羽根車1
前後における流れ角の転向が大きく、羽根車1が十分な
仕事をするので、羽根車1の入、出口の圧力比としての
オイラーヘッドが大きくなる。
【0021】図3は本発明の遠心圧縮機の特性曲線のグ
ラフである。図において、Qdは設計流量、Q/Qdは
流量比、Sはサージ線をそれぞれ表している。図上で
「従来のトリートメント装着時」とは、図5に示す構造
の遠心圧縮機であり、「本発明形状装着時」とは、図1
に示す構造の遠心圧縮機であり、「本発明形状+逆スワ
ールフィン装着時」とは、図2に示す構造の遠心圧縮機
である。「pressure ratio」とは、遠心圧縮機の出口圧
力/入口圧力の比である。図3から本発明の効果が大き
いことがわかる。
【0022】本発明は以上述べた実施形態に限定される
ものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変
更が可能である。
【0023】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の遠心圧縮機
は、第1流路の長さを十分大きく取ったので、第1流路
内で循環流が十分減速された状態でトリートメントキャ
ビティ内に流入するため、トリートメントキャビティ内
の圧力が増大して、循環流量が増加する。さらに、逆ス
ワールフィンと組み合わせることにより、オイラーヘッ
ドが上昇する。これらの結果、本発明の遠心圧縮機は、
作動域を低流量側に拡大することができるなどの優れた
効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願の請求項1記載発明の遠心圧縮機の断面図
である。
【図2】本願の請求項2記載発明の遠心圧縮機の断面図
である。
【図3】本発明と従来の遠心圧縮機の性能を比較したグ
ラフである。
【図4】遠心圧縮機の特性曲線のグラフである。
【図5】従来の遠心圧縮機の断面図である。
【図6】従来の遠心圧縮機の断面図である。
【符号の説明】
1 羽根車 4 吸込口 5 シュラウド壁 6 ハウジング 7 絞り部 8 トリートメントキャビティ 9 第1流路 10 第2流路 13 逆スワールフィン 20 循環流路
フロントページの続き (72)発明者 山口 諭 東京都江東区豊洲三丁目1番15号 石川島 播磨重工業株式会社東京エンジニアリング センター機械・プラント開発センター内 Fターム(参考) 3H034 AA02 AA17 BB03 BB06 CC03 DD02 DD05 DD25 EE08 EE16

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 羽根車の外周部から前方に延びて吸込口
    を形成するシュラウド壁を有するハウジングを備え、上
    記シュラウド壁の吸込口側の部分に、上記羽根車の入口
    方向に向けて縮径する絞り部を設け、かつ、上記シュラ
    ウド壁の羽根車の外周に対峙する部分に開口するスリッ
    ト状の第1流路と、上記絞り部の終端となる最小径付近
    に開口するスリット状の第2流路と、上記第1流路と上
    記第2流路とを連絡する円環状のトリートメントキャビ
    ティとからなる循環流路を設けた遠心圧縮機において、
    上記円環状のトリートメントキャビティの内径は羽根車
    の入口径の1.5〜2.0倍であり、トリートメントキ
    ャビティの高さは上記第1流路のスリット幅の1.0〜
    2.0倍であることを特徴とする遠心圧縮機。
  2. 【請求項2】 上記第2流路または第2流路と上記円筒
    状のキャビティの第2流路側とに、上記循環流路を出た
    循環流が半径方向の流れまたは羽根車の回転方向と逆方
    向に旋回する流れになるように傾斜した複数の逆スワー
    ルフィンを設けた請求項1記載の遠心圧縮機。
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