JP2006002650A

JP2006002650A - 入口ベーンとバイパス制御弁とを連動させた遠心圧縮機

Info

Publication number: JP2006002650A
Application number: JP2004179304A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Wakana; 好宏若菜
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2006-01-05

Abstract

【課題】バイパス還流路を開くことによりサージを抑制する手段とベーンを偏向することによりサージを抑制する手段の両方に対する制御駆動装置を簡略化する。
【解決手段】遠心圧縮機のインペラの翼列のリーディングエッジをバイパスしてリーディングエッジより下流側の流体通路よりインペラへの流体入口通路へ流体を還流させるバイパス通路を開閉するバイパス制御弁と、流体入口通路に設けられて流体流に対し旋回を付与するベーンの、サージ抑制のための制御駆動を共通の駆動手段によりそれぞれの作動域をずらせて行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心圧縮機、特に内燃機関の過給機等として用いられる遠心圧縮機に係る。

内燃機関の過給機等として用いられる遠心圧縮機は、一般に、インペラと、該インペラを包絡し該インペラへの流体入口通路と該インペラからの流体出口通路を形成するケーシングとを有し、回転するインペラの翼列間にそのリーディングエッジから吸い込まれた流体（内燃機関の過給機の場合には空気）がインペラの翼列間にて遠心力により加速され、流体出口通路に設けられたディフューザにて加速により付与された運動エネルギが圧力エネルギに変換されることにより流体を加圧するものであるが、この種の遠心圧縮機の作動特性をインペラ回転速度と流体の流量および圧力比との間の関係により表すと、概略添付に図８のグラフに点線にて示されている如きものであることが知られている。この場合、種々のインペラ回転速度に対して正常な昇圧が得られる流量には下限値があり、それ以下の流量ではインペラ翼列の入口に流体の振動が生じ、昇圧が得られなくなる。そのような現象はサージと称されており、線Ｓｎ１により示されたその限界はサージ限界と称されている。

かかるサージ限界は、インペラへ向かう流体入口通路に、流体流に対し旋回を付与するベーンが設けられ、その偏向角が、インペラ翼列のリーディングエッジに対する流体流の相対的流入迎角を最適化するよう、インペラの回転速度と流体の流量とに応じて適正に制御されれば、線Ｓｎ１により示された限界より線Ｓｖ１により示された限界まで低流量側に偏倚され得る。このようなベーンは、例えば下記の特許文献１に記載されている如く知られている。尚、この特許文献１に記載されたベーンは、その偏向が、インペラにて加圧された流体の一部をインペラ出口にて逃す流路の開閉を制御する弁の開閉と連動して制御されるようになっている
特開平５−１５７０９５号公報

一方、上記のサージ現象に対しては、リーディングエッジより後流側の流路から流体の一部を取り出し、インペラ翼列のリーディングエッジをバイパスさせてこれをインペラへの流体入口通路へ還流させ、リーディングエッジに於ける見掛けの流量を増大させることにより、サージ限界Ｓｎ１をＳｎ２程度までずらせることができることが従来から知られている。このことは、例えば下記の特許文献２または３に記載されている。尚、特許文献２および３は、更に、かかるバイパス還流路を設けると、図８に示す如き各インペラ回転速度に対する流量対圧力比の特性曲線が中程にて幾分下がってくる（即ち、中間流量域にて流量に対する圧力比が低下する）ことに対処し、バイパス還流路の絞りを可変とし、中間流量域にてはバイパス還流路を閉じることを発明としているものである。
特開２００３-１０６２９３号公報特開２００３-１０６２９９号公報

上記の如く,インペラへ向かう流体入口通路に、流体流に対し旋回を付与するベーンが設けられ、その偏向角が、インペラ翼列のリーディングエッジに対する流体流の相対的流入迎角を最適化するよう、インペラの回転速度と流体の流量とに応じて適正に制御され、サージ限界が線Ｓｎ１より線Ｓｖ１まで低流量側に偏倚された場合、更に上記のバイパス還流路を設けることによりサージ限界を線Ｓｖ１より線Ｓｖ２まで低流量側へ偏倚させることが考えられる。その場合、ベーンの偏向制御とバイパス還流路の開閉制御とは、元来、別々のサージ抑制技術であり、インペラ回転速度や流体流量に対する制御作動も互いに異なることから、これら両技術を併用する場合には、一般論として、ベーンの偏向制御とバイパス還流路の開閉制御に対し、個別に制御駆動装置が必要であることが理解される。

しかし、バイパス還流路を開くことによりサージを抑制するのは、ベーンを偏向することによりサージを抑制するが終わりに近づいたときでよいことに着目すれば、これら両サージ抑制手段を同じ制御駆動手段により駆動することが考えられる。本発明は、この点に着目し、両サージ抑制手段に要する制御駆動装置の簡略化を図ることを課題としている。

上記の課題を解決するものとして、本発明は、インペラと、前記インペラを包絡し該インペラへの流体入口通路と該インペラからの流体出口通路を形成し且つ該インペラの翼列のリーディングエッジをバイパスして前記流体入口通路と前記リーディングエッジ以降の流体通路とを連通するバイパス通路を備えたケーシングとを有し、前記流体入口通路には偏向されることにより流体流に対し旋回を付与するベーンが設けられ、前記バイパス通路にはその開度を制御するバイパス制御弁が設けられている遠心圧縮機にして、前記ベーンと前記バイパス制御弁とに対し共通の制御駆動手段を有することを特徴とする遠心圧縮機を提案するものである。

前記制御駆動手段は前記ベーンを所定の角度範囲内にて任意の角度に偏向することができ、且つ前記ベーンを前記所定角度範囲内にて所定の角度以上に偏向させるとき前記バイパス制御弁を開くものであってよい。

前記ベーンはそれを担持する回動軸の回動角に応じて偏向され、前記バイパス制御弁は一対の円弧壁により限られ該一対の円弧壁の両端部に対向して入口と出口とが設けられた弁室内にて前記円弧壁の湾曲中心の周りに弁板が回動することにより前記入口と出口の間の連通が制御される弁であり、前記ベーンの回動軸により前記弁板が担持されて前記円弧壁の湾曲中心の周りに回動されるようになっていてよい。

或いはまた、前記ベーンはそれを担持する回動軸の回動角に応じて偏向され、前記バイパス制御弁は有孔弁板が弁ポートを備えた弁室内にてスライドすることにより前記弁ポートの開閉が制御される弁であり、前記有孔弁板は前記ベーンの回動軸よりピニオンとラックの噛合いを経てスライドされるようになっていてよい。

或いはまた、前記ベーンはそれを担持する回動軸の回動角に応じて偏向され、前記バイパス制御弁は弁板が流体通路を横切ってスライドすることにより開閉が制御される弁であり、前記弁板は前記ベーンの回動軸により回動されるカムと戻しばねによりスライドされるようになっていてよい。

上記の如く、遠心圧縮機が、インペラと、前記インペラを包絡し該インペラへの流体入口通路と該インペラからの流体出口通路を形成し且つ該インペラの翼列のリーディングエッジをバイパスして前記流体入口通路と前記リーディングエッジ以降の流体通路とを連通するバイパス通路を備えたケーシングとを有し、前記流体入口通路には偏向されることにより流体流に対し旋回を付与するベーンが設けられ、前記バイパス通路にはその開度を制御するバイパス制御弁が設けられているものであるとき、前記ベーンと前記バイパス制御弁とに対し共通の制御駆動手段が設けられれば、遠心圧縮機に於けるサージの抑制にベーンの偏向とバイパス制御の２つの技術を用いる場合にも、バイパス通路を開く時期がベーンを偏向する時期の一部に重なることを利用して、それら両技術の実施のための制御駆動手段をただ１つのものとすることができ、遠心圧縮機の製作コストを削減し、またその制御作動を簡単化することができる。

前記制御駆動手段が前記ベーンを所定の角度範囲内にて任意の角度に偏向することができ、且つ前記ベーンを前記所定角度範囲内にて所定の角度以上に偏向させるとき前記バイパス制御弁を開くものであれば、上記の図８のグラフで見て、先ずベーンを偏向させることによりサージ限界を線Ｓｎ１より線Ｓｖ１までシフトさせ、その間ベーンの偏向のみによりサージ限界の拡大を図り、ベーン偏向によるサージ抑制が限界に近づいたところで、同じ制御駆動装置の同じ作動の延長によりバイパス制御弁を開かせる要領にて、単一の制御駆動装置により、２つの異なる制御装置のそれぞれを作動させ、線Ｓｖ１の位置から更に線Ｓｖ２の位置までサージ限界を更に拡大することができる。

前記ベーンがそれを担持する回動軸の回動角に応じて偏向され、前記バイパス制御弁が一対の円弧壁により限られ該一対の円弧壁の両端部に対向して入口と出口とが設けられた弁室内にて前記円弧壁の湾曲中心の周りに弁板が回動することにより前記入口と出口の間の連通が制御される弁であり、前記ベーンの回動軸により前記弁板が担持されて前記円弧壁の湾曲中心の周りに回動されるようになっていれば、遠心圧縮機の作動点が図８のグラフで見て線Ｓｎ１と線Ｓｖ１により挟まれた領域内にて遷移するとき、作動点の遷移に合わせた回動軸の回動によりベーンの偏向角を制御することによりサージを抑制することができ、その間、回動軸の回動に伴って前記弁板が前記弁室内にて回動しても、該弁板は前記円弧壁に囲まれた範囲内にて回動することにより前記入口と出口の間は連通せず、前記バイパス通路は閉じられたままとし、遠心圧縮機の作動点が線Ｓｖ１を越えてさらに低流量側へ遷移するとき、それに対応して回動軸が更に回動されることにより前記弁板が前記円弧壁に囲まれた範囲より外れ、前記入口と出口の間の連通が生ずるようにすることができ、これによってサージ限界を線Ｓｎ１より線Ｓｖ１までシフトさせる回動軸の回動に続く該回動軸の更なる回動によりサージ限界を線Ｓｖ１より線Ｓｖ２までシフトさせる制御作動を達成することができる。

同様に、前記ベーンがそれを担持する回動軸の回動角に応じて偏向され、前記バイパス制御弁は有孔弁板が弁ポートを備えた弁室内にてスライドすることにより前記弁ポートの開閉が制御される弁であり、前記有孔弁板は前記ベーンの回動軸よりピニオンとラックの噛合いを経てスライドされるようになっていれば、遠心圧縮機の作動点が図８のグラフで見て線Ｓｎ１と線Ｓｖ１により挟まれた領域内にて遷移するとき、作動点の遷移に合わせた回動軸の回動によりベーンの偏向角を制御することによりサージを抑制することができ、その間、回動軸の回動に伴って前記有孔弁板が前記弁ポートを備えた弁室内にてスライドしても、該有孔弁板の孔はまだ弁室の前記弁ポートには重ならず、前記バイパス通路は閉じられたままとし、遠心圧縮機の作動点が線Ｓｖ１を越えてさらに低流量側へ遷移するとき、それに対応して回動軸が更に回動されることにより前記有孔弁板が前記弁ポートに重なって前記バイパス通路が開かれるようにすることができ、これによってサージ限界を線Ｓｎ１より線Ｓｖ１までシフトさせる回動軸の回動に続く該回動軸の更なる回動によりサージ限界を線Ｓｖ１より線Ｓｖ２までシフトさせる制御作動を達成することができる。

同様に、前記ベーンがそれを担持する回動軸の回動角に応じて偏向され、前記バイパス制御弁は弁板が流体通路を横切ってスライドすることにより開閉が制御される弁であり、前記弁板は前記ベーンの回動軸により回動されるカムと戻しばねによりスライドされるようになっていれば、遠心圧縮機の作動点が図８のグラフで見て線Ｓｎ１と線Ｓｖ１により挟まれた領域内にて遷移するとき、作動点の遷移に合わせた回動軸の回動によりベーンの偏向角を制御することによりサージを抑制することができ、その間、回動軸の回動に伴って前記カムが回動されても、前記弁板はまだカムにより流体通路を横切る位置にスライドされた状態にあって、前記バイパス通路は閉じられたままとし、遠心圧縮機の作動点が線Ｓｖ１を越えてさらに低流量側へ遷移するとき、それに対応して回動軸が更に回動されてカムが該弁板の押出しを解除することにより前記弁板が戻しばねの作用により流体通路を横切る位置から引っ込められ、前記バイパス通路が開かれるようにすることができ、これによってサージ限界を線Ｓｎ１より線Ｓｖ１までシフトさせる回動軸の回動に続く該回動軸の更なる回動によりサージ限界を線Ｓｖ１より線Ｓｖ２までシフトさせる制御作動を達成することができる。

図１は本発明による遠心圧縮機の第一の実施の形態をその要部について示す縦断面図である。図２は図１に示された構造を図１の切断面II−IIにて矢印方向に見た横断面図であり、更に図３の（Ａ）は図１に示された構造を図２の切断面III−IIIにて矢印方向に見た縦断面図である。これらの図に於いて、１０はインペラであり、線Ｃ−Ｃはインペラ１０の回転中心軸線である。図１はインペラ回転中心軸線Ｃ−Ｃを通る切断面による縦断面を該中心軸線Ｃ−Ｃより上半分に於いてのみ示している。図２より理解される通り、図１には示されていない中心軸線Ｃ−Ｃより下半分の断面構造は、本発明に係る要部に関する限り、中心軸線Ｃ−Ｃに対し上半分の断面構造と対称である。

インペラ１０は軸線方向から半径方向へ向けて湾曲した翼列１２を備えており、１４が該翼列をなす翼のリーディングエッジである。１６はインペラを包絡するケーシングであり、図に半ば解図的に示されている構造の範囲内にて、製作の都合上２つのケーシング部材１６−１と１６−２の組合せよりなっている。インペラ１０はナット１８により回転軸２０に取り付けられており、ケーシング１６は、回転軸２０を介してインペラ１０をその中心軸線Ｃ−Ｃの周りに回転するよう、図には示されていない軸受を介して回転軸２０を支持すると共に、インペラ１０を包絡することにより、該インペラへの流体入口通路２２と該インペラからの流体出口通路２４とを形成している。流体出口通路２４はインペラにより流体に付与された運動エネルギを圧力エネルギに変換するディフューザを構成しており、その周りに蝸牛状の圧力室２６が形成されている。

ケーシング１６には、更にインペラの翼列のリーディングエッジ１４をバイパスして流体入口通路２２とリーディングエッジ以降の流体通路、図示の例では翼列内の流路の中程、とを連通するバイパス通路２８が設けられている。図示の例では、バイパス通路２８は中心軸線Ｃ−Ｃの周りに対称に４カ所形成されている。ケーシング１６には更にバイパス通路２８の途中を開閉するバイパス制御弁３０が設けられている。

バイパス制御弁３０は回動軸３２とそれによって担持された弁板３４とを有しており、弁板３４は回動軸３２がその中心軸線の周りに回動されることにより、図１〜３に示されている如くバイパス通路２８を直角に横切ってそれを閉じる位置と、これより９０度回動されてバイパス通路２８を開く位置との間で回動されるようになっている。回動軸３２の外端部にはピニオン３６が取り付けられており、４カ所のバイパス制御弁の４つのピニオン３６を同時に回動させることができるよう、これらのピニオンとの係合部に該ピニオンと噛み合う歯を備えた円環部材３８が設けられている。円環部材３８は、図には示されていないアクチュエータにより中心軸線Ｃ−Ｃの周りに回動され、４個のバイパス制御３６の開閉と以下に説明される４個のベーンの偏向とを同時に制御するようになっている。

各回動軸３２の内端部には、ベーン４０が流体入口通路２２内に位置するよう取り付けられている。図１及び２に於いては、図の表示を明瞭にする目的で、弁板３４とベーン４０とは互いに直角をなして回動軸３２に取り付けられているが、実際には、図８を参照して上に説明した通り、ベーン４０は、遠心圧縮機の作動点が線Ｓｎ１と線Ｓｖ１により挟まれた領域内にて遷移するとき、作動点の遷移に合わせて回動するものであり、バイパス通路２８は遠心圧縮機の作動点が線Ｓｖ１より低流量域に入ったとき開くものであることから、一例として、遠心圧縮機の作動点が線Ｓｎ１上にあるときには、ベーン４０とバイパス制御弁の弁板３４はそれぞれ図３の（Ｂ）に示されている如き回動位置にあり、遠心圧縮機の作動点が線Ｓｖ１上にきたときには、ベーン４０とバイパス制御弁の弁板３４はそれぞれ図３の（Ｃ）に示されている如き回動位置にあるものであって、両者は必ずしも互いに直角をなすのではない。

図４は本発明による遠心圧縮機の第二の実施の形態をその要部について示す縦断面図であり、図５は図４に示された構造を図４の切断面V−Vにて矢印方向に見た断面図である。第二の実施の形態は第一の実施の形態に比してバイパス通路の開閉機構に関してのみ異なっている。図４および図５に於いて、図１に示した部分に対応する部分は図１に於けると同じ符号により示されている。

この実施の形態の於いては、バイパス通路２８の開閉は、孔４２，４４を有する有孔弁板４６がバイパス通路２８より流体入口通路２２へ抜ける弁ポート４８，５０を備えた弁室５２内にてスライドすることにより制御されるようになっている。有孔弁板４６は回動軸３２に取り付けられたピニオン５４と有孔弁板４６に設けられたとラック５６の噛合いにより、回動軸３２の回動に応じてスライドされるようになっている。

この場合にも、遠心圧縮機の作動点が線Ｓｎ１と線Ｓｖ１により挟まれた領域内にて遷移するとき、作動点の遷移に合わせてベーン４０が回動軸３２により回動される間、有孔弁板４６はスライドするが、有孔弁板４６の孔４２，４４は弁ポート４８，５０には重ならず、遠心圧縮機の作動点が線Ｓｖ１より低流量域に入り、回動軸３２がさらに回動されたとき、有孔弁板４６の孔４２，４４が弁ポート４８，５０に重なってバイパス通路２８が開かれるようになっている。

図６は本発明による遠心圧縮機の第三の実施の形態をその要部について示す縦断面図であり、図７は図６に示された構造を図６の切断面VII−VIIにて矢印方向に見た断面図である。第三の実施の形態も第一の実施の形態に比してバイパス通路の開閉機構に関してのみ異なっている。図６および図７に於いても、図１に示した部分に対応する部分は図１に於けると同じ符号により示されている。

この実施の形態の於いては、バイパス通路２８の開閉は、弁板５８がバイパス通路２８を横切ってスライドすることにより制御されるようになっている。弁板５８は、回動軸３２により回動されるカム６０が弁板５８へ向けて張り出す回動位置にあるとき、該カムによりバイパス通路２８を横切る位置へ押し出されてバイパス通路２８を閉じ、該カムが弁板５８より後退する回動位置にくるとき、戻しばね６２によりバイパス通路２８を横切る位置から引き戻されてバイパス通路２８を開くようになっている。

この場合にも、遠心圧縮機の作動点が線Ｓｎ１と線Ｓｖ１により挟まれた領域内にて遷移するとき、作動点の遷移に合わせてベーン４０が回動軸３２により回動される間、カム６０は回動するが、その張出し部が弁板５８に当った状態にあり、弁板５８はバイパス通路２８を横切る位置へ押し出されたままであり、遠心圧縮機の作動点が線Ｓｖ１より低流量域に入り、回動軸３２がさらに回動されたとき、カム６０がその後退部にて弁板５８に当るようになり、弁板５８が後退してバイパス通路２８が開かれるようになっている。

以上に於いては本発明をいくつかの実施の形態について詳細に説明したが、これらの実施の形態について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

本発明による遠心圧縮機の第一の実施の形態をその要部について示す縦断面図。図１に示された構造を図１の切断面II−IIにて矢印方向に見た断面図。（Ａ）は図１に示された構造を図２の切断面III−IIIにて矢印方向に見た断面図。（Ｂ）および（Ｃ）は（Ａ）に示す構造部の実際の２つの作動状態を例示する図。本発明による遠心圧縮機の第二の実施の形態をその要部について示す縦断面図。図４に示された構造を図４の切断面IV−IVにて矢印方向に見た断面図。本発明による遠心圧縮機の第三の実施の形態をその要部について示す縦断面図。図６に示された構造を図６の切断面VII−VIIにて矢印方向に見た断面図遠心圧縮機の作動特性をインペラ回転速度と流体の流量および圧力比との間の関係により表すグラフ。

符号の説明

１０…インペラ、１２…翼列、１４…リーディングエッジ、１６…ケーシング、１６−１，１６−２…ケーシング部材、１８…ナット、２０…回転軸、２２…流体入口通路、２４…流体出口通路、２６…圧力室、２８…バイパス通路、３０…バイパス制御弁、３２…回動軸、３４…弁板、３６…ピニオン、３８…円環部材、４０…ベーン、４２，４４…孔、４６…有孔弁板、４８，５０…弁ポート、５２…弁室、５４…ピニオン、５６…ラック、５８…弁板、６０…カム、６２…戻しばね

Claims

インペラと、前記インペラを包絡し該インペラへの流体入口通路と該インペラからの流体出口通路を形成し且つ該インペラの翼列のリーディングエッジをバイパスして前記流体入口通路と前記リーディングエッジ以降の流体通路とを連通するバイパス通路を備えたケーシングとを有し、前記流体入口通路には偏向されることにより流体流に対し旋回を付与するベーンが設けられ、前記バイパス通路にはその開度を制御するバイパス制御弁が設けられている遠心圧縮機にして、前記ベーンと前記バイパス制御弁とに対し共通の制御駆動手段を有することを特徴とする遠心圧縮機。
前記制御駆動手段は前記ベーンを所定の角度範囲内にて任意の角度に偏向することができ、且つ前記ベーンを前記所定角度範囲内にて所定の角度以上に偏向させるとき前記バイパス制御弁を開くものであることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
前記ベーンはそれを担持する回動軸の回動角に応じて偏向され、前記バイパス制御弁は一対の円弧壁により限られ該一対の円弧壁の両端部に対向して入口と出口とが設けられた弁室内にて前記円弧壁の湾曲中心の周りに弁板が回動することにより前記入口と出口の間の連通が制御される弁であり、前記ベーンの回動軸により前記弁板が担持されて前記円弧壁の湾曲中心の周りに回動されるようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の遠心圧縮機。
前記ベーンはそれを担持する回動軸の回動角に応じて偏向され、前記バイパス制御弁は有孔弁板が弁ポートを備えた弁室内にてスライドすることにより前記弁ポートの開閉が制御される弁であり、前記有孔弁板は前記ベーンの回動軸よりピニオンとラックの噛合いを経てスライドされるようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の遠心圧縮機。
前記ベーンはそれを担持する回動軸の回動角に応じて偏向され、前記バイパス制御弁は弁板が流体通路を横切ってスライドすることにより開閉が制御される弁であり、前記弁板は前記ベーンの回動軸により回動されるカムと戻しばねによりスライドされるようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の遠心圧縮機。