JP2008534858A - スパイラル空気の導入 - Google Patents

Abstract

ノズルは、フロー・チャネル（４２）の境界をなすハウジング・ウオール（３１）の中の吹込み開口（５１）の形態である。この吹込み開口には、ディフーザ（２１）の下流側のフロー・チャネルから抜き出された空気が、直接的に送り込まれる。この空気は、ディフーザの上流側のフロー・チャネルの中の流れと比べて、高圧である。このことは、高圧力比領域にあるコンプレッサ・ステージのための、受動的な動的安定化システムをもたらし、このシステムは、更なるコントロールまたは駆動要素を必要としない（図１）。

Description

本発明は、排ガス・ターボチャージャのためのラジアル・コンプレッサの分野に係る。本発明は特に、特許請求項１の前提部分に規定されているような、ラジアル・コンプレッサのフロー・チャネルの中に空気を吹き込むための装置に係る。

ラジアル・コンプレッサ・ステージのための特性のファミリーを広げるため、ラジアル・コンプレッサ・ステージの最新の複数のジェネレーションにおいて、スタビライザが、コンプレッサ・ホイールの導入領域で使用されている。

排ガス・ターボチャージャのコンプレッサにおいて、更に高い圧力比に対するマーケットの要求は止まるところを知らない。しかしながら、コンプレッサ・ステージのデザインを変更することなく、回転速度を増大することにより圧力比を増大させるプロセスには、限界がある。その理由は、サージ限界とチョーク限界（特性の有効範囲を制限する）が、回転速度の増大に伴い互いに接近するからである。特性の有効範囲は、それ故に、高い圧力比の方向へ連続的に減少する。

この問題に対処するために、且つ高い圧力比であっても特性の有効範囲を可能な限り広く維持するため、コンプレッサ・ホイールのデザインを同じまま残しつつ、コンプレッサ・ホイールのサイズを変更せずに、やや小さな流れ断面を備えたディフーザを使用することが可能である。サージ限界は、かくして、流量が小さい方向へシフトされ、ホイールのチョーク限界を変えることなく、特性のより広い有効範囲をもたらす。

この場合、一つの不利な点は、特に軽負荷のときに効率が減少することである。この不利な点は、適切な手段を講ずることにより回避されることが可能であり、最大負荷での所与のコンプレッサ・ステージの安定性が増大する。これは、ハウジング側で、フロー・チャネルの中に、コンプレッサ・ホイールのロータ・ブレードとディフーザのガイド・ベーンの間の中間領域（そこには、ブレードが無い）で、空気を吹き込むことにより実現されることが可能である。空気を吹き込むことにより、高い圧力比の領域内での動的安定性が増大されることが可能である。

圧力比を増大させ且つサージ限界及びチョーク限界の収斂を回避するための、もう一つの可能性のあるやり方は、コンプレッサ・ホイール・デザインの改善である。安定性、そしてそれ故に特性の有効範囲は、コンプレッサ・ホイールの“バックスウィープ”（backsweep）を増大することにより、実現されることが可能である。“バックスウィープ”は、径方向の後縁を備えたブレードと、ホイールの回転方向の反対方向に接線方向によりフラットな角度で配置された出口角度を備えたブレードとの間の、コンプレッサ・ホイール出口での角度を意味している。

“バックスウィープ”の増大は、同じ圧力比を実現するために、ホイールの周速を増大させる必要性をもたらす。それ故に、高い圧力比を実現するためには、比例関係以上に回転速度を増大させることが必要になる。しかしながら、これは、コンプレッサ・ホイールの材料の限界により制約され、あるいは、より優れた機械的特性を備えた材料への変更が必要になる。このような材料は、かなり高価なものになる。

このソリューションと比較して、空気を吹き込むプロセスは、コスト的な優位性を有している。その理由は、既存のコンプレッサ・ステージが、高い圧力比を実現するために適しているからであり、そして、コンプレッサ・ホイールの材料についてのコストが掛る変更の必要がないからである。

“Centrifugal Compressor Flow Range Extension using Diffusor Flow Control”, (Gary J. Skoch; Army Research Laboratory, Vehicle Technology Directorate, Cleveland, Ohio; December 5, 2000) には、ラジアル・コンプレッサが記載されている。このラジアル・コンプレッサは、ダウンストリーム・ディフーザを備え、その中で、圧縮空気が、流れ方向にコンプレッサ・ホイールとディフーザの間のフロー・チャネルの中に、コアンダ効果（Coanda effect）ノズルを使用して、吹き込まれる。

コアンダ効果（US 2,052,869 に記載されている）の中に、流れについての効果があり、それによって、固体の表面に沿って流れている高速で流れる流体（気体または液体）が、この固体の表面に付着し、その表面から離れない。

圧縮空気のノズルは、フロー・チャネルの境界をなすハウジング・ウオールの中に配置され、且つ、コンプレッサのハウジングに強固にネジ止めされる。それらのノズルは、開口の中で動くことが可能であり、それによって、導入方向が変えられることが可能である。それらのノズルは、パイプラインを介して外部の圧縮空気の供給源に接続される。

CH 204 331 には、コンプレッサの中でジェットの分離を防止するためのデバイスが開示されている。この場合、流れの一部が、ガイド・ホイールの領域の中の抜き出し開口を通って吸い出され、それから、更に上流で流れの中に再び戻される。この場合には、流れは、流れ方向に整列された周囲のスロット（ノズルの形態である）により、再び導入される。
米国特許第 US 2,052,869 号明細書 スイス特許出願公開第 CH 204 331 号明細書 "Centrifugal Compressor Flow Range Extension using Diffusor Flow Control", (Gary J. Skoch; Army Research Laboratory, Vehicle Technology Directorate, Cleveland, Ohio; December 5, 2000)

本発明の目的は、ラジアル・コンプレッサのフロー・チャネルの中に空気を吹き込むための、シンプルでコスト効率に優れた装置を提供することにあり、この装置は、特に、僅かな手間で取り付けられることが可能であり、且つ運転の際の信頼性が高い。

この目的は、ラジアル・コンプレッサのフロー・チャネルの中に空気を吹き込むための、特許請求項１の特徴を有する装置によって実現される。

本発明に基づく装置において、ノズルは、フロー・チャネルの境界をなすハウジング・ウオールの中の吹込み開口の形態である。この吹込み開口には、ディフーザの下流側のマニフォールド・キャビティから抜き出された空気が直接的に供給される。この空気は、ディフーザの上流側のフロー・チャネル内の流れと比べて高圧である。

これは、高圧力比領域内の商業ステージのための、受動的な動的安定化システムをもたらし、このシステムは、更なるコントロールまたは駆動要素を必要としない。

フロー・チャネルの中に空気を吹き込むための、本発明に基づく装置の一つの好ましい実施形態は、適切な開口を鋳造されるコンプレッサのハウジング部品に直接的に設けることによって、シンプルに製造されることが可能である。更なるノズル要素または圧縮空気の接続は、必要とされない。

圧縮空気は、少なくとも部分的に環状の空気チャネルを介して、複数の吹込み開口の全ての間で分配され、その空気チャネルは、コンプレッサのハウジング内のキャビティとして一体化される。

ラジアル・コンプレッサのフロー・チャネルの中に空気を吹き込むための、本発明に基づく装置が、より詳細に、以下のテキストにおいて、図面を参照しながら、説明される。

図１は、ラジアル・コンプレッサの断面を示し、このコンプレッサは、回転可能であるように取り付けられたシャフトの上に配置されたコンプレッサ・ホイールを備えている。このコンプレッサ・ホイールは、セントラル・ハブ１０、及びその上に配置されたロータ・ブレード１１を有している。このコンプレッサ・ホイールは、コンプレッサのハウジングの中に配置されている。コンプレッサのハウジングは、圧縮される媒体のためのフロー・チャネルの境界をなす複数の部品を有している。

ロータ・ブレードまたはコンプレッサ・ホイールの領域内で、インナー・コンプレッサのハウジング・ウオール（いわゆるインナー・ウオール３１）が、外側で、径方向にフロー・チャネル４１の境界をなしている。フロー・チャネルは、この領域の内側で、コンプレッサ・ホイールのハブにより境界が定められる。コンプレッサ・ホイールのロータ・ブレードの領域の更に下流側で、フロー・チャネル４２は、インナー・ウオール３３の反対のサイドで、ディフーザ・ウオール２０により境界が定められる。

ディフーザは、フロー・チャネルの中に配置されたディフーザ・ガイド・ベーン２１を有している。ディフーザ・ガイド・ベーンの更に下流側で、フロー・チャネル４２は、スパイラル・ハウジング３２のマニフォールド・キャビティ４３の中に開口し、そこから、ライン（図示せず）が、排ガス・ターボチャージャに接続された内燃機関の燃焼室につながっている。空気の流れは、各ケースにおいて、図の中で太い白抜きの矢印により示されている。

フロー・チャネルの中に空気を吹き込むための、本発明に基づく装置は、戻り空気チャネル４４を有しており、この戻り空気チャネルは、ディフーザ・ガイド・ベーン２１の下流側のマニフォールド・キャビティ４３から、コンプレッサ・ホイールのロータ・ブレード１１とディフーザのガイド・ベーン２１の間のフロー・チャネル４２の中に、つながっている。

図１に示されているように、空気チャネル４４は、キャビティの形態であっても良く、このキャビティは、インナー・ウオール３１、スパイラル・ハウジング３２、及びコンプレッサのハウジングのセパレーティング・ウオール３３により境界が定められる。空気チャネル４４は、マニフォールド・キャビティ４３の領域の中で、コンプレッサのハウジング・ウオールの中の抜き出し開口５２から、コンプレッサ・ホイールのロータ・ブレード１１とディフーザのガイド・ベーン２１の間の領域の中のコンプレッサのハウジング・ウオール内の吹込み開口５１に、延びている。

前記吹込み開口５１は、コンプレッサ・ホイールのロータ・ブレード１１とディフーザのガイド・ベーン２１の間の領域の中のフロー・チャネル４２の中に開口している。この吹込み開口は、円筒形ではなく、インナー・コアンダ表面構造（inner Coanda surface structure）を有している。図３の中の拡大図に示されているように、これは、コンプレッサのハウジング・ウオールが、吹込み開口の中に突出しており、それに沿って空気がコアンダ効果に基づいて流れることが可能な丸みが付けられた領域を有していることを意味している。

コンプレッサ・ホイールのロータ・ブレードの領域から出たとき、フロー・チャネル内の流れは、大きな接線方向の成分を有している。コアンダ効果は、空気がフロー・チャネルの中に吹き込まれるときに、大きな渦または横方向の流れが発生しないことを確保する。これの代わりに、フロー・チャネルの中に吹き込まれた空気は、同様に接線方向に、吹込み開口５１の前記丸みが付けられた領域に付着し、且つ、図２及び図３の中の細い矢印で示されているように、フロー・チャネルの縁の領域で、流れの中に流れ方向に導入される。

空気は、受動的に、即ちコントロールまたは駆動要素無しで、フロー・チャネルの中に吹き込まれる。マニフォールド・キャビティ４３内の圧力が、コンプレッサ・ホイールのロータ・ブレード１１とディフーザのガイド・ベーン２１の間の領域内の、フロー・チャネル４２の中の圧力と比べて高いので、このことは流れの均等化をもたらす。

複数の吹込み開口５１が、フロー・チャネルの周囲に沿って、即ちターボチャージャのシャフトに対して同じ径方向の高さで、設けられることが可能である。これらの全ては、単一の環状の（または少なくとも部分的に環状の）空気チャネル４４に接続されることが可能である。複数の抜き出し開口５２が、同様に、マニフォールド・キャビティ４３に沿って周方向に配置されることが可能である。

一つの環状の空気チャネル４４の代わりに、径方向に伸びるセパレーティング・ウオールにより細分された複数の空気チャネル要素を設けることが可能であり、そして、それらのそれぞれが、一つまたはそれ以上の吹込み開口５１に、それらの中に吹き込むための空気を供給する。

本発明に基づく装置の開口は、コンプレッサのハウジング部品が製造される際に、それらの中に組み込まれることが可能である。このことは、コンプレッサのハウジング部品の鋳造の間に、予め製作されたノズル要素６２をハウジング・ウオールの中に封入することにより、あるいは、組み込まれた材料の接続部を用いてそれらをハウジング・ウオールに接続することにより、あるいは、吹込み開口特別な輪郭を鋳型自体の中に組み込むことにより、直接的に行われることが可能である。

予め製作されたノズル要素６２は、鋳造プロセスの間にハウジング・ウオールの鋼との間の接続部を形成する材料から、それ自身が溶融されること無く作られる。それに代わって、入口開口及び吹込み開口はまた、後に、コンプレッサのハウジング・ウオールの中に導入されることも可能である。

インターロッキングまたはフォースフィッティングのやり方で、コンプレッサのハウジング・ウオール３１に接続されたノズル要素６１を、設けることも可能である。これは、例えば、既存のターボチャージャに、本発明に基づくフロー・チャネルの中に空気を吹き込むための装置を後付することを可能にする。

コンプレッサ・ホイールの領域内でのスラスト・ロードを減少させるため、あるいは、過剰圧力によるベアリングのオイル・シーリングのためのバリア空気として、コンプレッサ・ホイールのロータ・ブレードの下流側の領域で、コンプレッサから空気が取り出されることが可能である。このいわゆるリーク流れ５３は、次に、コンプレッサ流れを不安定にする効果を有する場合があり、このようにして、サージ限界をより大きな流量の方向へシフトさせ、このようにして、特性の有効範囲の好ましくない減少をもたらす。

本発明に基づく吹き込みプロセスは、サージ限界のプロファイルを、リーク流れ５３の無いプロファイルに戻すことを可能にする。

図１は、フロー・チャネルの中に空気を吹き込むための、本発明に基づく装置におけるラジアル・コンプレッサの断面を示す。 図２は、図１に示された本発明に基づく装置の、ノズル要素が取り付けられた形態の詳細を、拡大図で示す。 図３は、図１に示された本発明に基づく装置の、インテグラル・ジョイントを用いて一体化されたノズル要素を備えた形態の詳細を、拡大図で示す。

符号の説明

１０…コンプレッサ・ホイール・ハブ、１１…コンプレッサ・ホイール・ブレード、２０…ディフーザ・ウオール、２１…ディフーザ・ガイド・ベーン、３１…インナー・ウオール、インナー・コンプレッサのハウジング・ウオール、３２…スパイラル・ハウジング、アウター・コンプレッサのハウジング・ウオール、３３…セパレーティング・ウオール、４１…フロー・チャネル、導入領域、４２…フロー・チャネル、ディフーザ領域、４３…マニフォールド・キャビティ、４４…空気チャネル、キャビティ、５１…吹込み開口、
５２…抜き出し開口、５３…リーク流れ開口、６１…ノズル要素（取り付けられた形態）、６２…ノズル要素（ハウジング・ウオールの中に組み込まれた形態）。

Claims (7)

1. コンプレッサ・ホイール（１０，１１）とラジアル・コンプレッサのマニフォールド・キャビティ（４３）の間の主たる流れを運ぶフロー・チャネル（４２）の中に空気を吹き込むための装置であって、
   ディスクリートな数の吹込み開口（５１）を有し、
   それらの開口は、周囲に沿って分散して配置され且つ接線方向に整列され、
   それらの開口は、コアンダ構造を備え且つノズルの形態であり、
   それらの開口を通って、前記コンプレッサ・ホイールのロータ・ブレード（１１）とディフーザのガイド・ベーン（２１）の間の前記フロー・チャネル（４２）の中に、接線方向に空気が吹き込まれることが可能である、
   装置において、
   前記コンプレッサのハウジング・ウオール（３２）の中で、前記マニフォールド・キャビティ（４３）の領域の中に、少なくとも一つの抜き出し開口（５２）が組み込まれていること、及び、
   前記吹込み開口（５１）が、チャネル（４４）を介して前記少なくとも一つの抜き出し開口（５２）に接続されていること、
   を特徴とする装置。
2. 下記特徴を有する請求項１に記載の装置：
   前記少なくとも一つの吹込み開口（５１）と前記少なくとも一つの抜き出し開口（５２）の間の前記チャネルは、周方向に伸びる少なくとも部分的に環状のキャビティ（４４）の形態である。
3. 下記特徴を有する請求項２に記載の装置：
   前記キャビティ（４４）は、コンプレッサのハウジング・ウオール（３１，３２，３３）により境界が定められる。
4. 下記特徴を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の装置：
   前記少なくとも一つの吹込み開口（５１）は、前記フロー・チャネルの境界をなす前記コンプレッサのハウジング・ウオール（３１）の中に組み込まれ、且つ、前記フロー・チャネルの境界をなすコンプレッサのハウジング・ウオール（３１）により形成されている。
5. 下記特徴を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の装置：
   前記少なくとも一つの吹込み開口（５１）は、一体型または複数の要素からなるノズル要素（６１）により形成され、
   そのノズル要素は、コンプレッサのハウジング・ウオール（３１）の中の開口の中に配置され、コンプレッサのハウジング・ウオールに接続されている。
6. 下記特徴を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の装置：
   前記少なくとも一つの吹込み開口（５１）は、一体型または複数の要素からなるノズル要素（６２）により形成され、
   そのノズル要素は、インテグラル・コネクションを用いて、前記コンプレッサのハウジング・ウオール（３１）の中に一体化されている。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載された、ラジアル・コンプレッサのフロー・チャネル（４２）の中に空気を吹き込むための装置を備えたラジアル・コンプレッサを有する排ガス・ターボチャージャ。

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