JP2009209858A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心圧縮機１の作動域を拡大させつつ、設計点近傍域における遠心圧縮機１の効率の低下を抑制して、遠心圧縮機１の性能を十分に向上させること。
【解決手段】ケーシング３のシュラウド壁３ｆにおけるインペラブレード９の前縁位置よりも下流側に下流補助穴１５が形成され、ケーシング３のシュラウド壁３ｆにおけるインペラブレード９の前縁位置よりも上流側に環状の上流補助通路１７が形成され、ケーシング３の内部に下流補助穴１５側から上流補助通路１７側へ空気の流れを許容する環状のトリートメントキャビティ１９が形成され、ケーシング３におけるトリートメントキャビティ１９の上流側に環状のシャッター２３がハブ５と同軸上かつ軸方向へ移動可能に設けられ、シャッター２３は、軸方向の移動により上流補助通路１７の開口部を開閉するように構成されたこと。
【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。

近年、遠心圧縮機の作動域を拡大させるために種々の研究がなされており、作動域を拡大させた遠心圧縮機として特許文献１及び特許文献２に示すものがある。

以下、先行技術に係る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、先行技術に係る遠心圧縮機の模式的な縦断面図である。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。

先行技術に係る遠心圧縮機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。更に、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。

ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆの上流側周縁部（前側周縁部）には、空気（ガスの一例）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の下流側周縁部（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。また、ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆにおけるインペラブレード１０７の前縁位置よりも下流側（後側）には、スリット状の下流補助穴１１３が形成されており、ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆにおけるインペラブレード１０７の前縁位置よりも上流側（前側）には、スリット状の上流補助穴１１５が形成されている。そして、ケーシング１０３の内部には、下流補助穴１１３側から上流補助穴１１５側へ空気の流れを許容する環状のトリートメントキャビティ１１７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。

また、遠心圧縮機１０１の運転中において、遠心圧縮機１０１の圧力比が高くなると、インペラブレード１０７側へ給気した空気の一部が下流補助穴１１３から抽気されてトリートメントキャビティ１１７内に流入し、そして、トリートメントキャビティ１１７内に流入した空気は、上流補助穴１１５から流出して、再びインペラブレード１０７側に給気される。換言すれば、インペラブレード１０７側へ給気した空気の一部を下流補助穴１１３と上流補助穴１１５の間で循環させる。これにより、サージングを抑制して、遠心圧縮機１０１の作動域を拡大させることができる。
特開２００６−３４２６８２号公報 特開２００３−３１４４９６号公報

ところで、遠心圧縮機１０１にあっては、前述のように、サージングを抑制して、遠心圧縮機１０１の作動域を低流量側に拡大させることができるものの、作動点が設計点近傍域にあるときに、インペラブレード１０７側へ給気した空気の一部が下流補助穴１１３から抽気されると、エネルギー損失が増大して、設計点近傍域における遠心圧縮機１０１の効率（圧縮機効率）が低下するという問題がある。つまり、遠心圧縮機１０１にあっては、遠心圧縮機１０１の作動域を拡大させつつ、設計点近傍域における遠心圧縮機１０１の効率の低下を抑制して、遠心圧縮機１０１の性能を向上させることは容易でないという問題がある。

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上流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下流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、前記ケーシングの前記シュラウド壁における前記インペラブレードの前縁位置よりも下流側に下流補助穴（下流補助通路）が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁における前記インペラブレードの前縁位置よりも上流側に環状の上流補助通路（上流補助溝）が形成され、前記ケーシングの内部に前記下流補助穴側から前記上流補助通路側へガスの流れを許容する環状のトリートメントキャビティが形成され、更に、前記ケーシングにおける前記トリートメントキャビティの上流側に前記ハブと同軸上かつ軸方向へ移動可能に設けられ、軸方向の移動により前記上流補助通路の開口部を開閉するように構成された環状のシャッターと、前記シャッターを軸方向へ移動させるシャッター移動装置と、を備えたことを要旨とする。

なお、特許請求の範囲及び明細書において、「上流側」とは、主流のガスの流れ方向から見て上流側のことであって、「下流側」とは、主流のガスの流れ方向から見て下流側のことである。

本発明の特徴によると、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。

ここで、前記遠心圧縮機の運転中において、前記遠心圧縮機の作動点（作動状態）に応じて、前記シャッター移動装置によって前記シャッターを軸方向の移動させる。

具体的には、前記遠心圧縮機の作動点がサージ近傍域にあるときには前記上流補助通路の開口部を開くように、前記シャッターを軸方向の一方側へ移動させる。これにより、前記インペラブレード側へ給気したガスの一部が前記下流補助穴から抽気されて前記トリートメントキャビティ内に流入し、そして、前記トリートメントキャビティ内に流入したガスは、前記上流補助通路から流出して、再び前記インペラブレード側に給気される。換言すれば、前記インペラブレード側へ給気したガスの一部を前記下流補助穴と前記上流補助通路の間で循環させることができる。

一方、前記遠心圧縮機の作動点が設計点近傍域にあるときは前記上流補助通路の開口部を閉じるように、前記シャッターを軸方向の他方側へ移動させる。これにより、前記インペラブレード側へ給気したガスの一部が前記下流補助穴から抽気されなくなり、設計点近傍域におけるエネルギー損失を低減することができる。

本発明によれば、前記遠心圧縮機の作動点がサージ近傍域のときに、前記インペラブレード側へ給気したガスの一部を前記下流補助穴と前記上流補助通路の間で循環させると共に、前記遠心圧縮機の作動点が設計点近傍域のときに、前記インペラブレード側へ給気したガスの一部が前記下流補助穴から抽気されなくなり、設計点近傍域におけるエネルギー損失を低減できるため、前記遠心圧縮機の作動域を拡大させつつ、設計点近傍域における前記遠心圧縮機の効率の低下を抑制して、前記遠心圧縮機の性能を十分に向上させることができる。

本発明の実施形態について図１から図３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模式的な縦断面図、図２は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機におけるシャッターの動作を説明する模式的な図、図３は、圧縮機特性マップを示す図である。

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、外周面が下流方向に向かって拡径するように円錐台状に構成されている。また、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７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７の軸心）を中心として回転可能である。なお、タービン軸７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９が周方向に沿って設けられており、各インペラブレード９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の上流側周縁部（前側周縁部）には、空気をインペラブレード９側へ給気する給気口１１が形成されており、ケーシング３のシュラウド壁３ｆの下流側周縁部（後側周縁部）には、圧縮した空気を昇圧して排気する環状のディフューザ流路（排気流路）１３が形成されている。なお、ディフューザ流路１３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。

ケーシング３のシュラウド壁３ｆにおけるインペラブレード９の前縁位置よりも下流側（後側）には、スリット状の下流補助穴１５が形成されており、この下流補助穴１５は、周方向に連続してあっても或いは周方向に不連続であっても構わない。また、ケーシング３のシュラウド壁３ｆにおけるインペラブレード９の前縁位置よりも上流側（前側）には、環状の上流補助通路（上流補助溝）１７が形成されている。そして、ケーシング３の内部には、下流補助穴１５側から上流補助通路１７側へ空気の流れを許容する環状のトリートメントキャビティ１９が形成されている。

ケーシング３の内部におけるトリートメントキャビティ１９の上流側には、環状のガイドキャビティ２１が形成されている。また、このガイドキャビティ２１には、環状のシャッター２３がハブ５と同軸上かつ軸方向へ移動可能に設けられており、このシャッター２３は、軸方向（シャッター２３の軸方向、換言すれば、ハブ５の軸方向）の移動により上流補助通路１７の開口部を開閉するように構成されている。そして、ケーシング３の適宜位置には、シャッター２３を軸方向へ移動させるシャッター移動装置２５が設けられている。

ここで、シャッター移動装置２５は、空気等の流体の圧力によって駆動する流体圧シリンダ（図示省略）、電力によって駆動する電動モータ（図示省略）、又は抽気した空気の圧力を利用する弁機構（図示省略）を備える他に、流体圧シリンダ等を制御するコントローラ（図示省略）を備えている。具体的には、コントローラは、流量センサ（図示省略）と回転数センサ（図示省略）からの検出値、又は回転数センサと吐出圧力センサ（図示省略）からの検出値に基づいて遠心圧縮機１の作動点（作動状態）が図３に示す圧縮機特性マップのどの位置にあるかを判断し、遠心圧縮機１の作動点がサージ近傍域にあるときに上流補助通路１７の開口部を開きかつ遠心圧縮機１の作動点が設計点近傍域（ピーク圧力比近傍域）にあるときに上流補助通路１７の開口部を閉じるように流体圧シリンダ等を制御するものである。なお、図３中において、Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃ，Ｎｄは、遠心圧縮機１の回転数であって、Ｎａ＜Ｎｂ＜Ｎｃ＜Ｎｄの関係になっている。

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。

従って、遠心圧縮機１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５を回転させて、複数のインペラブレード９を一体的に回転させる。これにより、給気口１１からインペラブレード９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、圧縮した空気を昇圧して排気流路１３から排気することができる。

ここで、遠心圧縮機１の運転中において、遠心圧縮機１の作動点に応じて、シャッター移動装置２５によってシャッター２３を軸方向の移動させる。

具体的には、遠心圧縮機１の作動点がサージ近傍域にあるときには、図２（ａ）に示すように、上流補助通路１７の開口部を開くように、コントローラによって流体圧シリンダ等を制御してシャッター２３を軸方向の一方側（後方向）へ移動させる。これにより、インペラブレード９側へ給気した空気の一部が下流補助穴１５から抽気されてトリートメントキャビティ１９内に流入し、そして、トリートメントキャビティ１９内に流入した空気は、上流補助通路１７から流出して、再びインペラブレード９側に給気される。換言すれば、インペラブレード９側へ給気した空気の一部を下流補助穴１５と上流補助通路１７の間で循環させることができる。

一方、遠心圧縮機１の作動点が設計点近傍域にあるときは、図２（ｂ）に示すように、上流補助通路１７の開口部を閉じるように、コントローラによって流体圧シリンダ等を制御してシャッター２３を軸方向の他方側（前方向）へ移動させる。これにより、インペラブレード９側へ給気した空気の一部が下流補助穴１５から抽気されなくなり、設計点近傍域におけるエネルギー損失を低減することができる。

従って、本発明の実施形態によれば、遠心圧縮機１の作動点がサージ近傍域のときに、インペラブレード９側へ給気した空気の一部を下流補助穴１５と上流補助通路１７の間で循環させると共に、遠心圧縮機１の作動点が設計点近傍域のときに、インペラブレード９側へ給気した空気の一部が下流補助穴１５から抽気されなくなり、設計点近傍域におけるエネルギー損失を低減できるため、遠心圧縮機１の作動域を拡大させつつ、設計点近傍域における遠心圧縮機１の効率の低下を抑制して、遠心圧縮機１の性能を十分に向上させることができる。

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模式的な縦断面図である。 本発明の実施形態に係る遠心圧縮機におけるシャッターの動作を説明する模式的な図である。 圧縮機特性マップを示す図である。 先行技術に係る遠心圧縮機の模式的な縦断面図である。

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
９ インペラブレード
１１ 給気口
１３ ディフューザ流路
１５ 下流補助穴
１７ 上流補助通路
１９ トリートメントキャビティ
２１ ガイドキャビティ
２３ シャッター
２５ シャッター移動装置

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上流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下流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、
   前記ケーシングの前記シュラウド壁における前記インペラブレードの前縁位置よりも下流側に下流補助穴が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁における前記インペラブレードの前縁位置よりも上流側に環状の上流補助通路が形成され、前記ケーシングの内部に前記下流補助穴側から前記上流補助通路側へガスの流れを許容する環状のトリートメントキャビティが形成され、
   更に、前記ケーシングにおける前記トリートメントキャビティの上流側に前記ハブと同軸上かつ軸方向へ移動可能に設けられ、軸方向の移動により前記上流補助通路の開口部を開閉するように構成された環状のシャッターと、
   前記シャッターを軸方向へ移動させるシャッター移動装置と、を備えたことを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記シャッター移動装置は、作動点がサージ近傍域にあるときに前記上流補助通路の開口部を開きかつ作動点が設計点近傍域にあるときに前記上流補助通路の開口部を閉じるように、前記シャッターを軸方向へ移動させることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。

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