JP2009074385A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心圧縮機１の高周速化及び大容量化の要請に応えつつ、遠心圧縮機１の圧縮機効率を向上させる。
【解決手段】ケーシング３のシュラウド壁３ｆ内にハブ５が配設され、ハブ５の外周面に複数のインペラブレード７が周方向に沿って設けられ、各インペラブレード７の前縁のシュラウド壁側部分ＬＥ１は、先端が上流側を指向するようにハブ５の軸心に直交する方向に対してそれぞれ傾斜してあって、各インペラブレード７の前縁のハブ側部分ＬＥ２は、先端が下流側を指向するように前記直交する方向に対してそれぞれ傾斜するか或いは前記直交する方向に対してそれぞれ平行になっていること。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャー、ガスタービン、産業用空気設備等に用いられ、空気等のガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機に関する。

以下、一般的な遠心圧縮機について図４を参照して説明する。

ここで、図４は、一般的な遠心圧縮機の断面図である。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。

一般的な遠心圧縮機１０１は、ケーシング１０３を備えており、このケーシング１０３は、内側に、シュラウド壁１０３ｆを有している。また、ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆ内には、ハブ１０５が配設されており、このハブ１０５は、軸心（ハブ１０５の軸心）を中心として回転可能である。そして、ハブ１０５の外周面には、複数（１つのみ図示）のインペラブレード１０７が周方向に沿って設けられており、各インペラブレード１０７の外縁は、ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆにそれぞれ近接してある。更に、ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆの前側周縁部には、空気をインペラブレード１０７側へ給気する給気口１０９が形成されており、ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆの後側周縁部には、圧縮した空気を排気する環状の排気流路１１１が形成されている。

従って、遠心圧縮機１０１を運転する場合には、例えばタービンホイール（図示省略）の回転等によりハブ１０５を回転させて、複数のインペラブレード１０７を一体的に回転させる。これにより、給気口１０９からインペラブレード１０７側に給気した空気を遠心力を利用して圧縮することができ、圧縮した空気を排気流路１１１から排気することができる。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１及び特許文献２に示すものがある。
特開平１０−１６９５９３号公報 特開平５−１０６５９８号公報

ところで、近年、遠心圧縮機１０１の高周速化及び大容量化の要請が強くなっており、それに伴って、インペラブレード１０７の入口側（ガスの流れから見て上流側近傍）における空気流の相対マッハ数が高くなる傾向にある。また、相対マッハ数の高い空気流がインペラブレード１０７の前縁のシュラウド壁側部分に衝突すると、インペラブレード１０７の前縁のシュラウド壁側部分を起点とした衝撃波が生成される。そのため、遠心圧縮機１０１の高周速化及び大容量化の要請に応えようとすると、インペラブレード１０７の表面に形成された境界層の剥離が生じ、遠心圧縮機１０１の圧縮機効率が低下してしまう。

一方、遠心圧縮機１０１等の回転機械の分野において、ブレードを前進翼化することによって、ブレードの前縁のシュラウド壁側部分を起点とした衝撃波を十分に低減することができるという公知の知見が存在する。しかしながら、図４において仮想線で示すように、インペラブレード１０７を前進翼化すると、インペラブレード１０７の前縁の先端が基端（ハブ端）よりも上流側（前側）へ大きく突出して、インペラブレード１０７のコード長が長くなる。そのため、仮に、前進翼化したインペラブレード１０７を高周速及び大容量の条件の下で回転させると、図３（ｂ）に示すように、インペラブレード１０７の前縁の基端付近に過大な応力が発生してしまい、前進翼化したインペラブレード１０７を遠心圧縮機１０１の構成部材として実用化することは極めて困難である。なお、図３（ｂ）は、一般的な遠心圧縮機１０１の運転中における前進翼化したインペラブレード１０７の応力分布を無次元化した形で示す図であり、インペラブレード１０７の応力状態は、有限要素法によって適宜に解析されたものであって、数値が大きいほど応力が大きいことを示している。

要するに、遠心圧縮機１０１の高周速化及び大容量化の要請に応えつつ、遠心圧縮機１０１の圧縮機効率を向上させることは極めて困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の遠心圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、ガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機において、内側にシュラウド壁を有したケーシングと、前記ケーシングの前記シュラウド壁内に配設され、軸心（ハブの軸心）を中心として回転可能なハブと、前記ハブの外周面に周方向に沿って設けられ、外縁が前記シュラウド壁にそれぞれ近接した複数のインペラブレードと、を備え、前記ケーシングの前記シュラウド壁の前側周縁部にガスを前記インペラブレード側へ給気する給気口が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁の後側周縁部に圧縮したガスを排気する環状の排気流路が形成され、各インペラブレードの前縁のシュラウド壁側部分は、先端（前縁のシュラウド壁側部分の先端）がガスの流れから見て上流側を指向するように前記ハブの軸心に直交する方向に対してそれぞれ傾斜してあって、各インペラブレードの前縁のハブ側部分は、先端（前縁のハブ側部分の先端）がガスの流れから見て下流側を指向するように前記直交する方向に対してそれぞれ傾斜していることを要旨とする。

ここで、本願の特許請求の範囲及び明細書中において、前縁のシュラウド壁側分とは、前縁における前記シュラウド壁の近傍部分のことをいい、前縁の先端（チップ端）も含まれる。また、前縁のハブ側部分とは、前縁における前記ハブの近傍部分のことをいい、前縁の基端（ハブ端）も含まれる。

本発明の第１の特徴によると、前記遠心圧縮機を運転する場合には、前記ハブを回転させて、複数の前記インペラブレードを一体的に回転させる。これにより、前記給気口から前記インペラブレード側に給気したガスを遠心力を利用して圧縮することができ、圧縮したガスを前記排気流路から排気することができる（一般的な作用）。

また、各インペラブレードの前縁の前記シュラウド壁側部分は、先端が上流側を指向するように前記直交する方向に対してそれぞれ傾斜しているため、各インペラブレードをそれぞれ部分的に前進翼化することができる。これにより、相対マッハ数の高いガス流が前記インペラブレードの前縁の前記シュラウド壁側部分に衝突して、前記インペラブレードの前縁の前記シュラウド壁側部分を起点とした衝撃波が生成されても、前述の公知の知見に基づいて、衝撃波を十分に低減することができる（特有の作用（１））。

更に、各インペラブレードの前縁の前記ハブ側部分は、先端が下流側を指向するように前記直交する方向に対してそれぞれ傾斜しているため、各インペラブレードの前縁の先端が基端（ハブ端）よりも上流側（前側）に大きく突出することがなくなり、各インペラブレードのコード長が長くなることを十分に抑えることができる。これにより、前記インペラブレードを高周速及び大容量の条件の下で回転させても、前記インペラブレードの前縁の基端付近に過大な応力が発生することを阻止できる（特有の作用（２））。

本発明の第２の特徴は、ガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機において、内側にシュラウド壁を有したケーシングと、前記ケーシングの前記シュラウド壁内に配設され、軸心（ハブの軸心）を中心として回転可能なハブと、前記ハブの外周面に周方向に沿って設けられ、外縁が前記シュラウド壁にそれぞれ近接した複数のインペラブレードと、を備え、前記ケーシングの前記シュラウド壁の前側周縁部にガスを前記インペラブレード側へ給気する給気口が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁の後側周縁部に圧縮したガスを排気する環状の排気流路が形成され、各インペラブレードの前縁のシュラウド壁側部分は、先端（前縁のシュラウド壁側部分の先端）がガスの流れから見て上流側を指向するように前記ハブの軸心に直交する方向に対してそれぞれ傾斜してあって、各インペラブレードの前縁のハブ側部分は、先端（前縁のハブ側部分の先端）が前記直交する方向に対してそれぞれ平行になっていることを要旨とする。

本発明の第２の特徴によると、前述の一般的な作用を奏する他に、各インペラブレードの前縁の前記シュラウド壁側部分は、先端が上流側を指向するように前記直交する方向に対してそれぞれ傾斜していると共に、各インペラブレードの前縁のハブ側部分は、先端（前縁のハブ側部分の先端）が前記直交する方向に対してそれぞれ平行になっているため、前述の特有の作用（１）（２）と同じ作用を奏する。

本発明によれば、前記インペラブレードを高周速及び大容量の条件の下で回転させても、前記インペラブレードの前縁の基端付近に過大な応力が発生することを阻止することができると共に、前記インペラブレードの前縁の前記シュラウド壁側部分を起点とした衝撃波が生成されても、衝撃波を十分に低減することができるため、前記遠心圧縮機の高周速化及び大容量化の要請に応えつつ、前記遠心圧縮機の圧縮機効率を向上させることできる。

本発明の実施形態について図１から図３（ａ）を参照して説明する。

ここで、図１は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の断面図、図２は、本発明の実施形態の変形例に係る遠心圧縮機の断面図、図３（ａ）は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の運転中におけるインペラブレードの応力分布を無次元化した形で示す図である。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、ターボチャージャーに用いられ、空気（ガスの一例）を遠心力を利用して圧縮するものである。そして、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１の具体的な構成は、以下のようになる。

遠心圧縮機１は、ケーシング３を備えており、このケーシング３は、内側に、シュラウド壁３ｆを有している。また、ケーシング３は、ターボチャージャーの別のケーシング（図示省略）に一体的に取付られている。

ケーシング３のシュラウド壁３ｆ内には、ハブ５が配設されており、このハブ５は、別のケーシングに回転可能に設けられたタービン軸ＴＳの一端部に一体的に連結されてあって、軸心（ハブ５の軸心、換言すれば、タービン軸ＴＳの軸心）を中心として回転可能である。なお、タービン軸ＴＳの他端部には、タービンホイール（図示省略）が一体的に連結されている。

ハブ５の外周面には、複数（１つのみ図示）のインペラブレード７が周方向に沿って設けられており、各インペラブレード７の外縁は、ケーシング３のシュラウド壁３ｆにそれぞれ近接してある。

ケーシング３のシュラウド壁３ｆの前側周縁部には、空気をインペラブレード７側へ給気する給気口９が形成されており、ケーシング３のシュラウド壁３ｆの後側周縁部には、空気の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換しつつ、圧縮した空気を排気する環状のディフューザ流路（排気流路）１１が形成されている。なお、ディフューザ流路１１の周縁部には、スクロール流路（図示省略）が形成されており、このスクロール流路は、内燃機関の吸気マニホールド（図示省略）に接続されている。

各インペラブレード７の前縁のシュラウド壁側部分ＬＥ１は、先端（シュラウド壁側部分ＬＥ１の先端）がガスの流れから見て上流側（前側）を指向するようにハブ５の軸心に直交する方向に対してそれぞれ傾斜している。換言すれば、複数のインペラブレード７の前縁のチップ端（先端）を通りかつハブ５の軸心に直交する第１仮想平面Ｓ１に対する、各インペラブレード７の前縁のシュラウド壁側部分ＬＥ１の正方向の傾斜角θ１は、０°より大きくなっている。なお、正方向とは、ハブ５の軸心に対して直交する断面から見て反時計回り方向のことをいう。

各インペラブレード７の前縁のハブ側部分ＬＥ２は、先端（前縁のハブ側部分ＬＥ２の先端）がガスの流れから見て下流側を指向するように前記直交する方向に対してそれぞれ傾斜している。或いは、前記直交する方向に対してそれぞれ傾斜する代わりに、各インペラブレード７の前縁のハブ側部分ＬＥ２は、前記直交する方向に対してそれぞれ平行になるようにしても構わない。換言すれば、複数のインペラブレード７の前縁のハブ端（チップ端）を通りかつハブ５の軸心に直交する第２仮想平面Ｓ２に対する、各インペラブレード７の前縁のシュラウド壁側部分ＬＥ２の負方向の傾斜角θ２は、０°以上である。なお、負方向とは、ハブ５の軸心に対して直交する断面から見て時計回り方向のことをいう。

各インペラブレード７の前縁の中間部分ＬＥ３（シュラウド壁側部分ＬＥ１とハブ側部分ＬＥ２の中間部分）は、前記直交する方向に対してそれぞれ平行である。また、各インペラブレード７の前縁の中間部分ＬＥ３を前記直交する方向に対してそれぞれ平行とする代わりに、図２に示すように、各インペラブレード７の前縁の中間部分ＬＥ３を上流側に向かって湾曲するようにしても構わない。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

遠心圧縮機１を運転する場合には、タービンホイールの回転によってハブ５を回転させて、複数のインペラブレード７を一体的に回転させる。これにより、給気口９からインペラブレード７側に給気した空気を遠心力を利用して圧縮することができ、圧縮した空気をディフューザ流路１１から排気することができる。なお、ディフューザ流路１１から排気された空気は、スクロール流路を経由して内燃機関の吸気マニホールドに送られる。

また、各インペラブレード７の前縁のシュラウド壁側部分ＬＥ１は、先端が上流側を指向するように前記直交する方向に対してそれぞれ傾斜しているため、各インペラブレード７をそれぞれ部分的に前進翼化することができる。これにより、相対マッハ数の高い空気流（ガス流の一例）がインペラブレード７の前縁のシュラウド壁側部分ＬＥ１に衝突して、インペラブレード７の前縁のシュラウド壁側部分ＬＥ１を起点とした衝撃波が生成されても、前述の公知の知見に基づいて、衝撃波を十分に低減することができる。

更に、各インペラブレード７の前縁のハブ側部分ＬＥ２は、先端が下流側を指向するように前記直交する方向に対してそれぞれ傾斜するか或いは前記直交する方向に対してそれぞれ平行になっているため、各インペラブレード７の前縁の先端が基端（ハブ端）よりも上流側（前側）に大きく突出することがなくなり、各インペラブレード７のコード長が長くなることを十分に抑えることができる。これにより、インペラブレード７を高周速及び大容量の条件の下で回転させても、図３（ａ）に示すように、インペラブレード７の前縁の基端付近に過大な応力が発生することを阻止できる。特に、第２仮想平面Ｓ２に対する各インペラブレード７の前縁のシュラウド壁側部分ＬＥ２の負方向の傾斜角θ２が大きいほど、インペラブレード７の前縁の基端付近における応力を低減することができる。なお、図３（ａ）におけるインペラブレード７の応力状態は、有限要素法によって適宜に解析されたものであって、数値が大きいほど応力が大きいことを示している。

以上の如き、本発明の実施形態によれば、インペラブレード７を高周速及び大容量の条件の下で回転させても、インペラブレード７の前縁の基端付近に過大な応力が発生することを阻止することができると共に、インペラブレード７の前縁のシュラウド壁側部分ＬＥ１を起点とした衝撃波が生成されても、衝撃波を十分に低減することができるため、遠心圧縮機１の高周速化及び大容量化の要請に応えつつ、遠心圧縮機１の圧縮機効率を向上させることできる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の断面図である。 本発明の実施形態の変形例に係る遠心圧縮機の断面図である。 図３（ａ）は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の運転中におけるインペラブレードの応力分布を無次元化した形で示す図、図３（ｂ）は、一般的な遠心圧縮機の運転中における前進翼化したインペラブレードの応力分布を無次元化した形で示す図である。 一般的な遠心圧縮機の断面図である。

符号の説明

１ 遠心圧縮機
３ ケーシング
３ｆ シュラウド壁
５ ハブ
７ インペラブレード
９ 給気口
１１ ディフューザ流路
ＬＥ１ シュラウド側部分
ＬＥ２ ハブ側部分
ＬＥ３ 中間部分
Ｓ１ 第１仮想平面
Ｓ２ 第２仮想平面

Claims (2)

1. ガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機において、
   内側にシュラウド壁を有したケーシングと、
   前記ケーシングの前記シュラウド壁内に配設され、軸心を中心として回転可能なハブと、
   前記ハブの外周面に周方向に沿って設けられ、外縁が前記シュラウド壁にそれぞれ近接した複数のインペラブレードと、を備え、
   前記ケーシングの前記シュラウド壁の前側周縁部にガスを前記インペラブレード側へ給気する給気口が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁の後側周縁部に圧縮したガスを排気する環状の排気流路が形成され、
   各インペラブレードの前縁のシュラウド壁側部分は、先端がガスの流れから見て上流側を指向するように前記ハブの軸心に直交する方向に対してそれぞれ傾斜してあって、各インペラブレードの前縁のハブ側部分は、先端がガスの流れから見て下流側を指向するように前記直交する方向に対してそれぞれ傾斜していることを特徴とする遠心圧縮機。
2. ガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機において、
   内側にシュラウド壁を有したケーシングと、
   前記ケーシングの前記シュラウド壁内に配設され、軸心を中心として回転可能なハブと、
   前記ハブの外周面に周方向に沿って設けられ、外縁が前記シュラウド壁にそれぞれ近接した複数のインペラブレードと、を備え、
   前記ケーシングの前記シュラウド壁の前側周縁部にガスを前記インペラブレード側へ給気する給気口が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁の後側周縁部に圧縮したガスを排気する環状の排気流路が形成され、
   各インペラブレードの前縁のシュラウド壁側部分は、先端がガスの流れから見て上流側を指向するように前記ハブの軸心に直交する方向に対してそれぞれ傾斜してあって、各インペラブレードの前縁のハブ側部分は、前記直交する方向に対してそれぞれ平行になっていることを特徴とする遠心圧縮機。

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