JP2009243298A - 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すること。
【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１９が形成され、下流補助通路１７内に複数の可動フィン２１が周方向に等間隔に配設され、各可動フィン２１がハブ５の軸心に平行な軸心周りに揺動可能であって、複数の可動フィン２１を同期して揺動させるフィン揺動装置３７が設けられたこと。
【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７を参照して説明する。

ここで、図７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内に流入する。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、インペラブレード１０７の回転方向と同方向の旋回流として上流補助穴１１５から流出し、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上流補助通路内に周方向に等間隔に配設され、前記ハブの軸心に平行な軸心周りに揺動可能であって、前記上流補助通路を開閉する複数の可動フィンと、複数の前記可動フィンを同期して揺動させるフィン揺動装置と、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、前記フィン揺動装置によって複数の前記可動フィンを同期して揺動させる。

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、前記フィン揺動装置によって前記上流補助通路を開くように複数の前記可動フィンを同期して揺動させる。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する。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、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、前記フィン揺動装置によって前記上流補助通路を閉じるように複数の前記可動フィンを同期して揺動させる。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って、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６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、図１におけるII-II線に沿った図、図３は、図１におけるIII-III線に沿った図であって、インペラブレードの回転方向と反対方向を指向しつつ上流補助流路を開いた状態の複数の可動フィンを示す図、図４は、上流補助流路を閉じた状態の複数の可動フィンを示す図、図５は、インペラブレードの回転方向を指向しつつ上流補助流路を開いた状態の複数の可動フィンを示す図、図６は、圧縮機特性マップを示す図である。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、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。

図１から図３に示すように、上流補助通路１７内には、複数の可動フィン２１が周方向に等間隔に配設されており、複数の可動フィン２１は、上流補助通路１７を開閉するものである。また、各可動フィン２１は、ハブ５の軸心に平行な軸心（可動フィン２１の揺動軸２３の軸心）周りに揺動可能である。

ケーシング３における上流補助通路１７の上流側には、環状の収容キャビティ２５が形成されてあって、この収容キャビティ２５内には、複数の可動フィン２１の揺動動作を同期させる同期機構２７が配設されている。そして、同期機構２７の具体的な構成は、次のようになる。

即ち、収容キャビティ２５内には、可動リング２９がガイド部材３１を介してハブ５と同心上に設けられており、この可動リング２９は、軸心（換言すれば、ハブ５の軸心）周りに回動可能である。また、可動リング２９の内側には、可動フィン２１と同数の係合凹部３３が等間隔に形成されている。そして、各可動フィン２１には、伝達リンク３５の基端部が一体的に設けられており、各伝達リンク３５の先端部は、可動リング２９における対応する係合凹部３３に係合してある。

ケーシング３の適宜位置には、フィン揺動装置３７が設けられており、このフィン揺動装置３７は、可動リング２９を回動させて、複数の可動フィン２１を同期して揺動させるものである。また、フィン揺動装置３７は、可動リング２９を連結リンク（図示省略）等を介して回動させる流体圧シリンダ（図示省略）、又は可動リング２９を複数のギア（図示省略）を介して回動させる電動モータ（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。そして、コントローラの具体的な構成は、次のようになる。

即ち、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６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、図３に示すように、流体圧シリンダ等を制御してインペラブレード９の回転方向と反対方向を指向しつつ上流補助通路１７を開くように複数の可動フィン２１を同期して揺動させるものである。また、コントローラは、遠心圧縮機１の作動点が設計点近傍域（ピーク効率近傍域）にあるときに、流体圧シリンダ等を制御して上流補助通路１７を閉じるように複数の可動フィン２１を同期して揺動させるものである。ここで、図６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。

なお、コントローラは、遠心圧縮機１の回転数がＮａ以下の場合であって、遠心圧縮機１の作動点がサージ近傍域にあるときに、図５に示すように、流体圧シリンダ等を制御してインペラブレード９の回転方向と同方向を指向しつつ上流補助通路１７を開くように複数の可動フィン２１を同期して揺動させても構わない。

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、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ディフューザ通路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、フィン揺動装置３７によって複数の可動フィン２１を同期して揺動させる。

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、コントローラによって流体圧シリンダ等を制御してインペラブレード９の回転方向と反対方向を指向しつつ上流補助通路１７を開くように複数の可動フィン２１を同期して揺動させる。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内に流入する。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、インペラブレード９の回転方向と反対方向の旋回流として上流補助通路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、コントローラによって流体圧シリンダ等を制御して上流補助通路１７を閉じるように複数の可動フィン２１を同期して揺動させる。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って、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。

なお、遠心圧縮機１の回転数がＮａ以下の場合であって、遠心圧縮機１の作動点がサージ近傍域にあるときに、コントローラによって流体圧シリンダ等を制御してインペラブレード９の回転方向と同方向を指向しつつ上流補助通路１７を開くように複数の可動フィン２１を同期して揺動させても構わない。

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って、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。

また、遠心圧縮機１の作動点がサージ近傍域にあるときに、トリートメントキャビティ１９内に流入した空気がインペラブレード９の回転方向と反対方向の旋回流として上流補助通路１７から流出するようになっているため、インペラブレード９の仕事量の低下を抑制して、遠心圧縮機１の圧力比を十分に確保することができ、遠心圧縮機１の性能をより一層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。 図１におけるII-II線に沿った図である。 図１におけるIII-III線に沿った図であって、インペラブレードの回転方向と反対方向を指向しつつ上流補助流路を開いた状態の複数の可動フィンを示す図である。 上流補助流路を閉じた状態の複数の可動フィンを示す図である。 インペラブレードの回転方向を指向しつつ上流補助流路を開いた状態の複数の可動フィンを示す図である。 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（排気通路）
１５ 下流補助穴
１７ 上流補助通路（上流補助溝）
１９ トリートメントキャビティ
２１ 可動フィン
２５ 収容キャビティ
２７ 同期機構
３７ フィン揺動装置

Claims (3)

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、前記上流補助通路内に周方向に等間隔に配設され、前記ハブの軸心に平行な軸心周りに揺動可能であって、前記上流補助通路を開閉する複数の可動フィンと、
   複数の前記可動フィンを同期して揺動させるフィン揺動装置と、を備えたことを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記フィン揺動装置は、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を閉じるように、複数の前記可動フィンを同期して揺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。
3. 前記フィン揺動装置は、作動点がサージ近傍域にあるときに前記インペラブレードの回転方向と反対方向を指向しつつ前記上流補助通路を開くように、複数の前記可動フィンを同期して揺動させることを特徴とする請求項２に記載の遠心圧縮機。

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