JP2009236035A

JP2009236035A - 遠心圧縮機及び過給機

Info

Publication number: JP2009236035A
Application number: JP2008084071A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Daito; 祐一大東
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】吸気量が減少した際にサージング限界流量を低減して、効率を維持させることができる遠心圧縮機及び過給機を提供する。
【解決手段】コンプレッサインペラ１３と、吸込口２７からコンプレッサインペラ１３の外周部まで延びる流路壁２９が設けられたコンプレッサハウジング１９と、コンプレッサインペラ１３近傍の吸込口２７側の流路壁２９に配されて、吸込口２７からコンプレッサインペラ１３に流れる流体の流路面積を変動させる絞り機構３１を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心圧縮機及び過給機に関する。

エンジンへの過給を行う過給機は、タービンインペラを有するタービンと、コンプレッサインペラを有する遠心圧縮機（コンプレッサ）と、が軸受車室を介して一体となっている。タービンインペラ及びコンプレッサインペラは、ハウジング内に回転自在に支持された回転軸にて連結されている。

このような過給機は、エンジンの排気が吸気されることによってコンプレッサインペラが回転し、回転軸を介してさらにタービンインペラが回転して、吸気を遠心圧縮機で圧縮してエンジンに給気している。

遠心圧縮機においては、図５に一例を示すように、空気量が減少してくると、圧縮機の特性曲線Ｉがサージ線Ｓ１を越えてサージング領域Ａに入るという特性がある。従って、サージ線Ｓ１をＳ２の位置へとより低流量側へ移動させることができれば、エンジンの運転範囲に対してより広い範囲に亘り適合することができる。

そこで、このような遠心圧縮機として、例えば、コンプレッサインペラの外周部から前方に延びて吸込口を形成するようにしたハウジングのシュラウド壁の吸込口側の部分に、コンプレッサインペラの方向へ向けて縮径する絞り部を設け、且つシュラウド壁に、コンプレッサインペラ設置位置に設けた第１開口部と、絞り部の終端となる最小径付近に設けた第２開口部と、第１開口部と第２開口部とを連絡する流路とからなる循環流路を設けた遠心圧縮機が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平５−０６００９７号公報

しかしながら、上記従来の遠心圧縮機では、循環流路内で流れを戻すための流路長が大きくなり、摩擦・混合損失が増大する。このため、空気力学的な圧力損失が大きくなって、開口部における空気の旋回速度エネルギーの損失が生じ、遠心圧縮機の効率が低下する可能性がある。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、吸気量が減少したときにもサージング限界流量を低減して、効率を維持させることができる遠心圧縮機及び過給機を提供することを目的とする。

本発明に係る遠心圧縮機及び過給機では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
第１の発明は、コンプレッサインペラと、一端に吸込口が設けられると共に該吸込口から前記コンプレッサインペラの外周部まで延びる流路壁が設けられたコンプレッサハウジングと、を備えた遠心圧縮機であって、前記コンプレッサインペラ近傍の前記吸込口側の前記流路壁に配されて、前記吸込口から前記コンプレッサインペラに流れる流体の流路面積を変動させる絞り機構を備えていることを特徴とする。

この発明は、コンプレッサインペラの回転数に対して吸込口からの吸気量が相対的に少ないときにコンプレッサインペラの近傍で逆流が生じても、絞り機構で流路を絞ることによって、流路壁に沿って逆流した流れをコンプレッサインペラ側に再度戻すことができ、エネルギー損失を低減することができる。この際、流量を絞ってコンプレッサインペラ近傍の流速を維持させることができる。

また、本発明に係る遠心圧縮機は、前記絞り機構が、開口部を有する絞り板と、該絞り板に回動可能に軸支された複数の絞り片と、を備え、前記開口部の径方向の大きさが変化する方向に、前記各絞り片を連動して移動させる駆動機構と接続されていることを特徴とする。

この発明は、絞り片の移動に応じて開口部の開口径を調節することができ、吸込量に応じた絞りを実現することができる。

また、第２の発明は、タービンとコンプレッサを備える過給機において、前記コンプレッサとして、第１の発明に係る遠心圧縮機を用いたことを特徴とする。

本発明によれば、吸気量が減少した際に、サージング限界流量を低減して、効率を維持させることができる。

以下、本発明に係る遠心圧縮機及び過給機の実施形態について、図１から図４を参照して説明する。
本実施形態に係る過給機１は、図１に示すように、中心軸線ＣＬ１を有するハウジング３と、ハウジング３の一端部側に配されたコンプレッサ（遠心圧縮機）５と、他端部側に配された遠心式のタービン７と、を備えている。

コンプレッサ５とタービン７との間には、ハウジング３に対して回転自在に、回転軸部材９がたとえば流体軸受１１を介して設けられている。回転軸部材９の一端部には、コンプレッサ５を構成しているコンプレッサインペラ１３が一体的に固定されており、回転軸部材９の他端部には、タービン７を構成しているタービンインペラ１５が一体的に固定されている。

ハウジング３は、回転軸部材９を支持するベアリングハウジング１７と、コンプレッサインペラ１３を囲んでコンプレッサインペラ１３側でベアリングハウジング１７に一体的に設けられたコンプレッサハウジング１９と、タービンインペラ１５を囲んでタービンインペラ１５側のベアリングハウジング１７に一体に設けられたタービンハウジング２１と、を備えている。

コンプレッサハウジング１９には、コンプレッサインペラ１３の外周部にデュフューザ部２３を介してスクロール状に形成された圧縮流路２５と、一端に設けられた吸込口２７と、吸込口２７からコンプレッサインペラ１３の外周部まで延びる流路壁２９と、が設けられている。コンプレッサインペラ１３近傍の吸込口２７側の流路壁２９には、流路面積を変動させる絞り機構３１が配されている。

絞り機構３１は、所定の径を有する開口部３３ａを有する絞り板３３と、絞り板３３に枢支軸３５によって回動可能に軸支されたシート状の複数の絞り片３７と、を備えている。そして、開口部３３ａの大きさが変化する方向に各絞り片３７を連動して移動する駆動機構３９と接続されている。

絞り板３３は、中心軸線ＣＬ１方向に互いに回転可能に重ね合わされた複数の板３３Ａ，３３Ｂを備えている。各絞り片３７は円弧状に形成され、両端部側にはそれぞれ枢支軸３５が挿通されて、周方向に端部が互いに重なるようにして絞り板３３に配されている。駆動機構３９は、動力源となる駆動部４１と、絞り板３３と接続されて、駆動部４１の動力を絞り片３７が移動する力に変換するための駆動力伝達部４３と、を備えている。

なお、絞り板３３Ａ，３３Ｂは、両方ともコンプレッサハウジング１９に対して回転可能に配置されていても良いし、いずれか一方のみコンプレッサハウジング１９に対して固定されていても良い。
いずれか一方のみ固定する場合は、絞り板３３Ｂ（ベアリングハウジング１７に近接する絞り板）を固定させ、絞り板３３Ａ（吸込口２７側の絞り板）を回転可能にすると良い。絞り板３３Ｂを回転させる構成は、圧縮流路２５があるために配置スペースを確保しにくいが、絞り板３３Ａを回転させる構成は、圧縮流路２５から離れた位置に設けることができるので、配置スペースを確保しやすいからである。
絞り板３３Ａは、絞り板３３Ｂの凸状部３３Ｃよりも外周側、かつ、絞り板３３Ｂの本体部３３Ｄよりも吸込口２７側に配置されている。

駆動力伝達部４３Ｃは、絞り板３３Ａの外周面と、絞り板３３Ｂの本体部３３Ｄにそれぞれ接続されている。枢支軸３５を周方向に動かすという目的の観点からは、本体部３３Ｄは無くても良いが、駆動力伝達部４３を取り付けるためにはあるほうが好ましい。
枢支軸３５は、絞り板３３Ａの吸込口２７側の面と、絞り板３３Ｂの凸状部３３Ｃにそれぞれ複数本ずつ（図２の例では４本ずつ）、周方向において等間隔を空けた位置に取り付けられている。

各絞り片３７の両端部には、長穴状の軸保持穴が設けられている。枢支軸３５は、軸保持穴に沿ってスライド可能になっている。各枢支軸３５は、開口部３３ａが開かれた状態では、各軸保持穴の内端部側に位置する。つまり、絞り片３７の両端部に位置する枢支軸３５が互いに近接した状態になる。
一方、開口部３３ａが絞られた状態では、各軸保持穴の外端部側に移動する。つまり、絞り片３７の両端部に位置する枢支軸３５が互いに離隔した状態になる。
なお、絞り板の枚数は４枚に限定されず、任意の数であって良い。枚数が多いほど、絞ったときの開口部３３ａの形状が円形に近くなるため、好ましい。

タービンハウジング２１には、一端にガス入口（図示せず）を供えたスクロール通路４５が設けられており、このスクロール通路４５の内周部のタービンインペラ１５との間には、環状のガス流路４７が形成されている。

次に、本実施形態に係るコンプレッサ５及び過給機１の作用について説明する。
コンプレッサインペラ１３の回転により吸込口２７からコンプレッサハウジング１９内に吸い込まれた空気は、コンプレッサインペラ１３における吸引領域に吸引され、圧縮流路２５を通って目的とする場所へ給気される。

急加速時等のコンプレッサインペラ１３の回転数に対して低流量となる際には、空気の失速にともなうコンプレッサハウジング１９内の圧力変動によって、空気がコンプレッサインペラ１３近傍の流路壁２９から剥離して吸込口２７側に逆流しようとする。この際、所定のタイミングにて絞り機構３１の駆動部４１を駆動する。そして、駆動力伝達部４３を介して板３３Ａ，３３Ｂを相対回転させる。これにより各絞り片３７が移動して、絞り板３３の開口部３３ａ径が所定の大きさに変更される。

このとき、コンプレッサインペラ１３側から絞り板３３側へ向かう逆流が生じても、絞り板３３及び絞り片３７にてせき止められ、再度コンプレッサインペラ１３側に押し戻される。同時に、絞り板３３の開口部３３ａを通過する際の流速が高まり、流路壁２９からの剥離が抑えられる。

このコンプレッサ５及び過給機１によれば、コンプレッサインペラ１３の回転数に対して吸込口２７からの吸気量が相対的に少ないときに、コンプレッサインペラ１３の近傍で逆流が生じても、絞り機構３１にて流路を絞ることによって、逆流した流れをコンプレッサインペラ１３の直近で再度戻すことができ、エネルギー損失を低減することができる。また、絞り機構３１にて流量が絞られるので、コンプレッサインペラ１３に到達する際の流速を維持させることができる。したがって、吸気量が減少したときにもサージング限界流量を低減して、効率を維持させることができる。

特に、絞り機構３１が、絞り片３７の絞り板３３に対する移動量に応じて開口部３３ａの開口径を調節することができ、吸気量に応じた流路面積を実現することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、絞り機構の構成は、上記実施形態のものに限らず、絞り板の開口部径を調節できるものであればよい。また、絞り板の移動のタイミングは、逆流が生じる前でもよく、生じた直後であってもよく、実験等によって決めてよい。

本発明の一実施形態に係る過給機を示す概略構成図である。本発明の一実施形態に係る過給機の要部拡大図である。絞り機構を示す正面図である。絞り機構を示す側面図である。遠心圧縮機の流量と圧力との関係を示す一例図である。

符号の説明

１…過給機、５…コンプレッサ（遠心圧縮機）、７…タービン、１３…コンプレッサインペラ、１９…コンプレッサハウジング、２７…吸込口、２９…流路壁、３１…絞り機構、３３…絞り板、３３ａ…開口部、３７…絞り片、３９…駆動機構

Claims

コンプレッサインペラと、一端に吸込口が設けられると共に該吸込口から前記コンプレッサインペラの外周部まで延びる流路壁が設けられたコンプレッサハウジングと、を備えた遠心圧縮機であって、
前記コンプレッサインペラ近傍の前記吸込口側の前記流路壁に配されて前記吸込口から前記コンプレッサインペラに流れる流体の流路面積を変動させる絞り機構を備えていることを特徴とする遠心圧縮機。
前記絞り機構が、開口部を有する絞り板と、該絞り板に回動可能に軸支された複数の絞り片と、を備え、
前記開口部の径方向の大きさが変化する方向に、前記各絞り片を連動して移動させる駆動機構と接続されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
タービンとコンプレッサを備える過給機において、
前記コンプレッサとして、請求項１又は請求項２に記載の遠心圧縮機を用いたことを特徴とする過給機。