JP2009221984A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心圧縮機１の圧力比を十分に高めつつ、遠心圧縮機１の長寿命化及び遠心圧縮機１の消費電力の低減化を図ること。
【解決手段】ハブ７の外周面に複数のインペラブレード１１が周方向に沿って設けられ、インペラブレード１１のトレーディングエッジ１１Ｔにおける内端１１Ｔｉの回転半径Ｒｉが外端１１Ｔｏの回転半径Ｒｏよりも短くなるように、各インペラブレード１１のトレーディングエッジ１１Ｔがハブ７の軸心７Ｓに平行な方向に対して傾斜していること。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用過給機、船舶用過給機、ガスタービン等に用いられかつ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側断面図である。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は、下流側周縁部（後側周縁部）に、シールプレート１０５を有している。

ケーシング１０３のシュラウド壁１０３Ｆ内には、ハブ１０７が配設されており、このハブ１０７は、軸心（ハブ１０７の軸心）を中心として回転可能である。また、ハブ１０７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あって、ハブ１０７の背面は、ケーシング１０３のシールプレート１０５に対向してある。そして、ハブ１０７の外周面には、複数（１つのみ図示）のインペラブレード１０９が周方向に沿って設けられている。ここで、インペラブレード１０９のトレーディングエッジ１０９Ｔにおける内端１０９Ｔｉの回転半径と外端１０９ＴＥｏの回転半径が同じになるように、各インペラブレード１０９のトレーディングエッジ１０９Ｔがハブ１０７の軸心１０７Ｓに平行になっている。

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、空気をインペラブレード１０９側へ給気する給気口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１１３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１０７を回転させて、複数のインペラブレード１０９を一体的に回転させる。これにより、給気口１１１からインペラブレード１０９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１１３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の高圧力比化のニーズが強まっており、それに伴って、遠心圧縮機１０１の回転体としてのハブ１０７及びインペラブレード１０９が高周速化の傾向にある。そのため、遠心圧縮機１０１の圧力比を高く設定すると、ハブ１０７の中心部（ボス部）の下流側部分（図４において点線で囲む部分）に働く遠心力による圧力が大きくなって、遠心圧縮機１の寿命が短くなると共に、ハブ１０７とシールプレート１０５との間における径方向外側部分（図４において仮想線で囲む部分）のウィンデージ損失（風損）が大きくなって、遠心圧縮機１０１の消費電力が増大することになる。つまり、遠心圧縮機１０１の圧力比を高めつつ、遠心圧縮機１０１の長寿命化及び遠心圧縮機１０１の消費電力の低減化を図ることは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、下流側にシールプレート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であって、外周面が下流方向に向かって拡径し、背面が前記ケーシングの前記シールプレートに近接したハブと、前記ハブの外周面に周方向に沿って設けられた（外縁が前記シュラウド壁に近接した）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、前記インペラブレードのトレーディングエッジにおける内端の回転半径が外端の回転半径よりも短くなるように、各インペラブレードのトレーディングエッジが前記ハブの軸心に平行な方向に対して傾斜していることを要旨とする。

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（前記遠心圧縮機の一般的な作用）。

前記インペラブレードのトレーディングエッジにおける内端の回転半径が外端の回転半径よりも短くなるように、各インペラブレードのトレーディングエッジが前記ハブの軸心に平行な方向に対して傾斜しているため、前記インペラブレードの最大回転半径を一定に保つという条件の下で、各インペラブレードのトレーディングエッジを前記ハブの軸心に平行にした場合に比べて、前記遠心圧縮機の回転体としての前記ハブ及び前記インペラブレードの重量を低減できる共に、前記ハブの下流側周縁部の外径を短くすることができる（前記遠心圧縮機の特有の作用）。

本発明によれば、各インペラブレードのトレーディングエッジを前記ハブの軸心に平行にした場合に比べて、前記遠心圧縮機の回転体の重量を低減できる共に、前記ハブの下流側周縁部の外径を短くすることができるため、前記遠心圧縮機の圧力比を高く設定しても、前記ハブの中心部（ボス部）の下流側部分に働く遠心力による圧力、及び前記ハブと前記シールプレートとの間における径方向外側部分のウィンデージ損失をそれぞれ低減することができる。これにより、前記遠心圧縮機の圧力比を高めつつ、前記遠心圧縮機の長寿命化及び前記遠心圧縮機の消費電力の低減化を十分に図ることができる。

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側断面図、図２は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の作用を説明する側断面図、図３は、空気の流量と効率との関係を示す図である。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、車両用過給機又は船舶用過給機に用いられ、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、下流側周縁部（後側周縁部）に、シールプレート５を有している。なお、ケーシング３は、車両用過給機又は船舶用過給機の別のケーシング（図示省略）に一体的に連結してある。

ケーシング３のシュラウド壁３Ｆ内には、ハブ７が配設されており、このハブ７は、別のケーシングに回転可能に設けられたタービン軸９の一端部に一体的に連結されてあって、軸心（ハブ７の軸心７Ｓ、換言すれば、タービン軸９の軸心９Ｓ）を中心として回転可能である。また、ハブ７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あって、ハブ７の背面は、ケーシング３のシールプレート５に対向かつ近接してある。なお、タービン軸９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７の外周面には、複数（１つのみ図示）のインペラブレード１１が周方向に沿って設けられている。また、各インペラブレード１１のリーディングエッジ１１Ｌは、ハブ７の先端面に近接し、インペラブレード１１のトレーディングエッジ１１Ｔは、ハブ７の背面に近接してあって、各インペラブレード１１の外縁１１Ｅは、ケーシング３のシュラウド壁３Ｆに近接してある。

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１１側へ給気する給気口１３が形成されている。また、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）１５が形成されている。なお、ディフューザ流路１５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。

次に、本発明の実施形態の要部について説明する。

インペラブレード１１のトレーディングエッジ１１Ｔにおける内端１１Ｔｉの回転半径が外端１１Ｔｏの回転半径よりも短くなるように、各インペラブレード１１のトレーディングエッジ１１Ｔは、ハブ７の軸心７Ｓに平行な方向に対して傾斜してある。なお、インペラブレード１１のトレーディングエッジ１１Ｔにおける内端１１Ｔｉの回転半径とは、ハブ７の軸心７Ｓからインペラブレード１１のトレーディングエッジ１１Ｔの内端１１Ｔｉまでのハブ７の径方向の長さのことであって、インペラブレード１１のトレーディングエッジ１１Ｔにおける外端１１Ｔｏの回転半径とは、ハブ７の軸心７Ｓからインペラブレード１１のトレーディングエッジ１１Ｔの外端１１Ｔｏまでのハブ７の径方向の長さのことである。

そして、具体的には、インペラブレード１１のトレーディングエッジ１１Ｔにおける外端１１Ｔｏの回転半径をＲｏ、インペラブレード１１のトレーディングエッジ１１Ｔにおける内端１１Ｔｉの回転半径をＲｉとした場合に、０．９５≦（Ｒｉ／Ｒｏ）＜１の関係が成立するようになっている。０．９５≦（Ｒｉ／Ｒｏ）＜１としたのは、（Ｒｉ／Ｒｏ）がこの範囲内であれば、図３に示すすように、（Ｒｉ／Ｒｏ）を０．９３に設定した比較例１に係る遠心圧縮機（図示省略）と異なり、（Ｒｉ／Ｒｏ）を１に設定した比較例２に係る遠心圧縮機（図示省略）と同じ高いレベルまで効率（圧縮機効率）を上げることができるからである。

ここで、図３中における実施例は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１の効率、図３中における比較例１は、比較例１に係る遠心圧縮機の効率、図３中における比較例２は、比較例２に係る遠心圧縮機の効率を示してあって、それぞれの効率はＣＦＤ解析によって求められている。また、比較例１に係る遠心圧縮機及び比較例２に係る遠心圧縮機は、（Ｒｉ／Ｒｏ）の設定値を除き、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１と同じ構成を有している。

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。

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７を回転させて、複数のインペラブレード１１を一体的に回転させる。これにより、給気口１３からインペラブレード１１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ディフューザ流路１５から排気することができる。なお、ディフューザ流路１５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（遠心圧縮機１の一般的な作用）。

そして、インペラブレード１１のトレーディングエッジ１１Ｔにおける内端１１Ｔｉの回転半径Ｒｉが外端１１Ｔｏの回転半径Ｒｏよりも短くなるように、各インペラブレード１１のトレーディングエッジ１１Ｔがハブ７の軸心７Ｓに平行な方向に対して傾斜しているため、インペラブレード１１の最大回転半径（インペラブレード１１のトレーディングエッジ１１Ｔにおける外端１１Ｔｏの回転半径Ｒｏ）を一定に保つという条件の下で、図２において仮想線で示すように、各インペラブレード１１のトレーディングエッジ１１Ｔをハブの軸心に平行にした場合（比較例２に係る遠心圧縮機に相当する場合）に比べて、遠心圧縮機１の回転体としてのハブ７及びインペラブレード１１の重量を低減できると共に、ハブ７の下流側周縁部の外径を短くすることができる（遠心圧縮機１の特有の作用）。

以上の如き、本発明の実施形態によれば、各インペラブレード１１のトレーディングエッジ１１Ｔをハブの軸心に平行にした場合に比べて、遠心圧縮機１の回転体（ハブ７及びインペラブレード１１）の重量を低減できると共に、ハブ７の下流側周縁部の外径を短くできるため、遠心圧縮機１の圧力比を十分に高く設定しても、ハブ７の中心部（ボス部）の下流側部分に働く遠心力による圧力、及びハブ７とシールプレート５との間における径方向外側部分のウィンデージ損失をそれぞれ低減することができる。これにより、遠心圧縮機１の圧力比を十分に高めつつ、遠心圧縮機１の長寿命化及び遠心圧縮機１の消費電力の低減化を図ることができる。

また、遠心圧縮機１にあっては、０．９５≦（Ｒｉ／Ｒｏ）＜１の関係が成立するようになっているため、（Ｒｉ／Ｒｏ）を１に設定した比較例２に係る遠心圧縮機と同じ高いレベルまで効率を上げることができ、遠心圧縮機１の性能をより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側断面図である。 本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の作用を説明する側断面図である。 空気の流量と効率との関係を示す図である。 一般的な遠心圧縮機の側断面図である。

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 シールプレート
７ ハブ
１１ インペラブレード
１１Ｔ トレーディングエッジ
１１Ｔｉ 内端
１１Ｔｏ 外端
１３ 給気口
１５ ディフューザ流路

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、下流側にシールプレート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であって、外周面が下流方向に向かって拡径し、背面が前記ケーシングの前記シールプレートに対向したハブと、
   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、
   前記インペラブレードのトレーディングエッジにおける内端の回転半径が外端の回転半径よりも短くなるように、各インペラブレードのトレーディングエッジが前記ハブの軸心に平行な方向に対して傾斜していることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記インペラブレードのトレーディングエッジにおける外端の回転半径をＲｏ、前記インペラブレードのトレーディングエッジにおける内端の回転半径をＲｉとした場合に、
   ０．９５≦（Ｒｉ／Ｒｏ）＜１の関係が成立するようになっているを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。

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