JP2009538403A - ディフューザ - Google Patents

Abstract

ラジアル・コンプレッサのコンプレッサ・ホイールの出口に設けられたディフューザのためのガイド・デバイスが、段の付いた流入側エッジ（１１，２１）を備えたガイド・ブレード（１０，２０）を有している。段は、ハブ側の流入側エッジ（２１）の後退によって実現される。この子午線方向の段は、複数のガイド・ブレードを２つの部分ブレード（１０，２０）に分割し、これらの部分ブレードのうち、第一の部分ブレード（１０）は、第二の部分ブレード（２０）よりも長く形成されている。ハブ側の部分ブレードの流入側エッジの後退、及び、ディフューザの前方及び後方の流入側エッジに発生されるノイズ場の、上記後退に伴って生じる重なり合いは、コンプレッサの音響的特性の改善をもたらす。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給された内燃機関のための排気ターボチャージャのコンプレッサの分野に関する。本発明は、ラジアル・コンプレッサのコンプレッサ・ホイールの出口に設けられたディフューザのためのガイド・デバイス、並びにこのようなガイド・デバイスを有するコンプレッサに関する。

最新の排気ターボチャージャでは、内燃機関の吸気圧を高めるために、コンプレッサ・ホイールの出口にブレード付きのディフューザを有する通常は単段のラジアル・コンプレッサが用いられる。ディフューザは、角柱状の、通常は空気力学的に形成された複数のプロファイルを有する複数のガイド・ブレードを有するガイド・デバイスを備えている。コンプレッサ・ホイールからの流出は、実質的に、いわゆるジェット・ウェイク流（Jet-Wake-Stroemung）によって特徴付けられている。このジェット・ウェイク流では、径方向に低速の流れが、入口側ハウジングの側（側板の側）に集まり、他方、ハブ側では、多量な流れが流れる。かくして、流れの、径方向の速度成分が、ディフューザ通路の高さを越えて減少する。

コンプレッサの段のデザインでは、コンプレッサの空気力学的な性能と、コンプレッサの機械的負荷と、コンプレッサによる音響的なノイズ形成との間の妥協が、常に見出されねばならない。高い特殊な吸収能力（Schluckvermoegen）を有する、コンプレッサの段は、長い回転ブレードを有する。回転ブレードの固有振動モードが、比較的低い周波数で生じ、容易に励起され、振動される。これらの励起の発信源が、ディフューザのガイド・デバイスのガイド・ブレードによって発生された不均一の圧力ポテンシャル場（Druckpotenzialfeld）である。経験では、高い特殊な吸収能力を有する、コンプレッサの段は、コンプレッサ・ホイールの出口に、高いノイズ・レベルを発生させる。このノイズ・レベルは、経時的な流れ変化の、ディフューザのガイド・デバイスのガイド・ブレードへの衝突によって、引き起こされる。

段を改善するための常なる調査の一点は、ラジアル・コンプレッサを、ポンプ制限（Pumpgrenze）が出来る限り小さい流量に変えられて、効率の損失を甘受する必要がないように、設計することにある。特定要因図が狭いときは、種々の適用への適合のために、ブレードの種々の高さおよび／またはディフューザを有する多数の形態が、用意されねばならない。このことは、高い在庫コストをもたらす。

ブレードの振動を減じるために、コンプレッサ・ホイールの回転ブレードを厚くすることが可能であるか、しかし、励起を減じるためには、ディフューザのガイド・デバイスと、コンプレッサ・ホイールの出口との間の距離を増大することが可能である。ディフューザのガイド・デバイスの距離の増大は、同時に、ノイズの減少をもたらす。しかしながら、２つの措置は、効率の減少をもたらす。それ故に、所望の熱力学的性能が損なわれるだろう。

上記の流れの層に対応するために、子午線方向に傾斜したガイド・ブレードを、ディフューザのガイド・デバイスに使用することが可能である。このことによって、ガイド・ブレードの流入側エッジにおける誤った流入が最小化され、かくて、より良い効率が得られることが達成される。更に、子午線方向に傾斜したガイド・ブレードは、回転ブレードの振動励起の減少、及び、回転ホイールとガイド・ホイールとの相互作用による、減じられた出口ノイズ形成を引き起こす。子午線方向に傾斜したガイド・ブレードをディフューザのガイド・デバイスに使用する際、高い吸収能力の場合に、厳しい音響的な要求が、事情によっては満足されない。更に、子午線方向に傾斜したガイド・ブレードを有するディフューザの製造は、角柱状のブレードの製造よりも著しくコストがかかる。一つのフライス切削プロセスでブレードをフライス切削することの代わりに、プロファイルを、ブレードの高さに沿って複数の作業プロセスでフライス加工しなければならない。

US 5,178,516 からは、ラジアル・コンプレッサのコンプレッサ・ホイールの出口に設けられたガイド・デバイスが公知である。このガイド・デバイスでは、流体特性を改善するために、ガイド・ブレードの流入側エッジが、入口側では、ハブ側よりもコンプレッサ・ホイールの出口に近くに位置している。ガイド・ブレードの、入口側の延長によって、達成されることが意図されるのは、コンプレッサ・ホイールの出口の直接に径方向外側には、局所的に、再循環流が生じないことである。ここでは、ブレードの流入側エッジの最大限の距離が、入口側では、コンプレッサの回転ブレードの外半径の１０％よりも少なくてもよいことが明確に規定される。これに対応して、ハブ側における後退した流入側エッジが、コンプレッサ・ホイールの出口から、コンプレッサの回転ブレードの外半径の１０％よりも多く、間隔をあけられている。延長されたブレード先端の高さは、ディフューザ通路の高さの１０から６０％の範囲で規定される。

US 5,529,457 からは、類似の装置から、より容易な製造のためには、ガイド・ブレードの種々の流入側エッジが、段によって実施されることが可能であることが公知である。

これらの２つの公報に提案された、ガイド・ブレードの先端の延長によって、コンプレッサの動作範囲の拡大が努められる。ノイズの減少のための措置は、細部において関与していない。しかしながら、ガイド・ブレードの流入側エッジと、コンプレッサ・ホイールの出口との間の距離の減少に基づいて、ガイド・ブレードの流入側エッジの、提案された段付けによって、コンプレッサの出口のノイズ並びにブレード振動の励起が、むしろ増大するであろう。

米国特許第 US 5,178,516 号明細書 米国特許第 US 5,529,457 号明細書

本発明の課題は、高い吸収能力を有するコンプレッサのための、ノイズを減少させる措置を提供することである。

本発明では、このことは、ラジアル・コンプレッサのコンプレッサ・ホイールの出口に設けられたディフューザのためのガイド・デバイスによって達成される。このガイド・デバイスでは、ガイド・ブレードは、子午線方向に段付きの流入側エッジを有する。段は、ハブ側の流入側エッジの後退によって実現される。このような、子午線方向の段は、ガイド・ブレードを、２つの部分ブレードに分割する。これらの部分ブレードのうち、第一の部分ブレードは、第二の部分ブレードよりも長く形成されている。

ハブ側の部分ブレードの流入側エッジの後退、及び、ディフューザのガイド・ブレードの前方及び後方の流入側エッジで発生されるノイズ場の、上記後退に伴って生じる重ね合わせは、子午線方向に傾斜したガイド・ブレードを有するディフューザの、既に好都合な音響特性を追加的に改善する。

段の付いたディフューザによって、子午線方向に傾斜したディフューザの場合よりも大きな、使用可能な、動力特性の幅が、同一の効率で、及び子午線方向に傾斜したディフューザの場合よりも低い出口ノイズで、達成されることが可能である。

熱力学的性能は、子午線方向に段付きのガイド・ブレードを有するディフューザによって、同様に改善される。径方向に低速の流れが、入口側で、プロファイルの長い部分によって運ばれて、流れが所望の方向を取るとき、ハブ側で、健全な流れ（ラジアル・パルスが多い）のために、極めて狭い横断面を有する非常に短いディフューザが用いられる。子午線方向の傾斜または段を有しない短いガイド・ブレードを有するディフューザについて知られているのは、ディフューザがコンプレッサの段の安定性を改善し、良好な効率を達成することである。何故ならば、流れによって濡れる面が小さいからであり、従って、少ない摩擦損失が生じるからである。流れの改善された安定性は、より幅の広い特性要因図をもたらす。かくして、一つの形態を用いて、吸引特性が異なる複数のモータ動作線（Motorbetriebslinien）の、従来のディフューザを有するコンプレッサの段と比べて広い範囲をカバーすることが可能である。このことによって、必要な形態の数が最小化され、かくして、貯蔵コストが減少される。

更に、子午線方向に傾斜したガイド・ブレードに比較して、長さの異なった部分ブレードを有する段状に形成されたガイド・ブレードでは、製造の点で利点が生じる。この場合、まず、ガイド・ブレードのプロファイルは、角柱状のプロファイルのように製造され、続いて、ハブ側の部分から、一定の高さに、より小さな、同様に角柱状のプロファイルが再加工されることは好ましい。このことによって、製造コストが、子午線方向に傾斜したディフューザに比較して、著しく減少される。

他の利点は、従属請求項から明らかである。

短くした部分ブレードを有する本発明に係わるガイド・デバイスの第一の実施の形態での、ラジアル・コンプレッサの回転ホイールの出口に設けられたディフューザの断面を示す。 本発明に係わるガイド・デバイスの第二の実施の形態での、ラジアル・コンプレッサの出口に設けられたディフューザの断面を示す。 部分ブレードの流入側エッジと、コンプレッサ・ホイールの回転ブレードの流出側エッジとの間の距離の間の比率に従って、部分ガイド・ブレードの種々の高さに関係して、ノイズの発生を表す曲線図を示す。 図３に示すダイアグラムの種々の曲線態様の３次元の表現を示す。

図１に部分的にのみ示したコンプレッサ・ハウジングには、コンプレッサ・ホイールが、軸Ａを中心として回転自在に設けられている。コンプレッサ・ハウジングは、ほぼ、入口側のハウジング部分４１及びハブ側のハウジング部分４２からなる。コンプレッサ・ホイールは、シャフトに位置している。シャフトは、排気ターボチャージャでは、図示しないタービンによって駆動される。コンプレッサ・ホイールは、ハブ３２と、このハブに設けられている複数の回転ブレード３１とを有する。両者は、コンプレッサ・ホイールの、流入側の端部から、コンプレッサ・ホイールの、径方向の外縁にある、流出側の端部へ延びている。流れの方向は、太い矢印で示されている。

コンプレッサ・ホイールの流出側端部の更に下流の流れ方向に、ディフューザが設けられている。ディフューザは、ディフューザの複数の壁部と、周囲に沿って配設された複数のガイド・ブレードを有するガイド・デバイスとから構成されている。ディフューザの複数の壁部は、コンプレッサ・ホイールの下流で、流路を区画する。

本発明では、ガイド・デバイスのガイド・ブレードは、複数の部分ブレードから構成されている。第一の実施の形態では、部分ブレードは、２つの部分ブレード１０及び２０である。第一の部分ブレード１０は、入口側のハウジング壁部に接触しており、ディフューザ通路の内部に延びている。第一の部分ブレードの流入側エッジ１１は、半径ｒ１上にある。この半径が、コンプレッサ・ホイールの回転ブレード３１の流出側エッジ３３の外半径ｒの約１１０％から１２５％の範囲であることは好ましい。余りに小さい距離は振動問題をもたらすが、余りに大きい距離は、効率を損なう。

第二の部分ブレードの流入側エッジ２１は、第一の部分ブレードの流入側エッジに対して、子午線方向に後退されている。発明をもたらす熟考と、このような熟考に基づく、ノイズの計算とが明らかにしたのは、第一の部分ブレード１０のプロファイル長さＬ１に関しての、第二の部分ブレード２０のプロファイル長さＬ２、または、部分ブレードの流入側エッジと、回転ブレードの流出側エッジの外半径との間の距離の比率（ｒ２−ｒ）／（ｒ１−ｒ）が、部分ブレードの高さの比率に従って最適化されることである。図３のダイアグラムは、段付きのガイド・ブレードの種々の形状に関するノイズのプロットを示す。ここでは、各々の曲線は、第一の部分ブレードの高さと、全ての部分ブレードの高さの合計との上記の比率ｈ１／ｈに関して、部分ブレードの流入側エッジと、回転ブレードの流出側エッジの外半径との比率（ｒ１−ｒ）／（ｒ２−ｒ）に応じたノイズのプロットを示す。

計算が示したのは、全ての部分ブレードの高さｈの合計値の約３０％から７０％の範囲の第一の部分ブレードの高さｈ１では、第一の部分ブレードの流入側エッジと、回転ブレードの流出側エッジの外半径との間の距離が、第二の部分ブレードの流入側エッジと、回転ブレードの流出側エッジの外半径との間の距離（ｒ２−ｒ）の約５０から８５％の範囲である領域において、ノイズを減じることが可能であることである。

ノイズ発生の、計算された絶対最小値は、全ての部分ブレードの高さの合計値の約３８％から４２％の範囲（計算のために用いられた値は４０％であった）の複数の第一の部分ブレードの高さｈ１にあって、第一の部分ブレードの流入側エッジと、回転ブレードの流出側エッジの外半径との間の距離（ｒ１−ｒ）が、第二の部分ブレードの流入側エッジと、回転ブレードの流出側エッジの外半径との間の距離（ｒ２−ｒ）の約５５から６０％の範囲の領域にある。この場合には、コンプレッサの形状の変化の際、例えばブレードの数が異なる際に、または特殊な吸収能力が異なる際に、これらの値が一定の偏差を被るだろうことに注意しなければならない。かくして、最適な範囲は、コンプレッサの正確な形状に従って、おおよそ上記の値であるだろう。

計算された値を、実験的に確認することができた。

図３のダイアグラムの曲線族は、図４で、３次元で再度示されている。一定のノイズ値を有する曲線は、底面に投影されている。ここでは、最適条件が上記の範囲にあることが、再度明らかになる。

図２は、本発明に係わるガイド・デバイスの第二の実施の形態を示す。第一の部分ブレード１０と、短くした、第二の部分ブレード２０との間には、第三の部分ブレード２５が設けられている。この第三の部分ブレードは、第一の部分ブレード及び第二の部分ブレードのプロファイル長さの間に位置しているプロファイル長さを有する。本発明では、他の段を、他の部分ブレードによって実施することが可能である。このようなガイド・ブレードは、追加の部分ブレードによって、子午線方向の、より細かい段を得る。このことによって、ガイド・デバイスは、全体として、ディフューザ通路の高さに沿った流動構造に、追加の部分ブレードがない場合と比べてより良く適合される。

第一及び第二の部分ブレード、並びに場合により設けられことがある他の部分ブレードは、本発明の実施の形態では、共通の流出側エッジを有する。この流出側エッジは、ディフューザ通路の全高を横切って延びている。

ガイド・デバイスの回転ブレードは、空気力学的な、直線状のまたは曲線状のプロファイルを有する。

本発明の実施の形態では、短い部分ブレードのプロファイルの各々は、次に大きい部分ブレードのプロファイルの内側で、周囲に全体に亘って延びている。

本発明の実施の形態では、短いほうの部分ブレードのプロファイルは、長いほうの部分ブレードの、１よりも小さい縮小率で縮小されたプロファイルに対応している。

分割されたガイド・ブレードの製造の際には、第一の作業段階では、ガイド・ブレードは、ディフューザ通路の高さをもって製造される。このガイド・ブレードは、既に、流入側の第一の部分ブレードのプロファイルを有する。続いて、短いほうの部分ブレードが、元来のガイド・ブレードのプロファイルからフライス切削される。繰り返される圧延作業で、短いプロファイルが次に大きい部分から製造されるようにして、複数の部分ブレードを製造する。この場合、ブレードの流入側エッジが、本発明で、段状に形成されていることは、製造を容易にするために役立つ。

ガイド・デバイスの２つの部分ブレードの、子午線方向に段付きで設けられた流入側エッジは、コンプレッサ・ホイールの出口における流れによって発生される、圧力の脈動の、その減少をもたらす。圧力の脈動の減少は、更に、コンプレッサ・ホイールの回転ブレードの振動の励起へ好影響を有する。このことは、特に、回転ブレードの厚さの減少の際に、好影響をもたらす。何故ならば、このことによって、回転ブレードへの荷重が著しく減じられることが可能であるからである。他方では、圧力の脈動の減少並びに減少と結びついた強くない励起が、コンプレッサ及びディフューザの寸法が同一であるとき、従来よりも多い流量を可能にする。このより高い流量は、ディフューザのガイド・ブレードの、子午線方向に段が付けられた流入側エッジの故に、コンプレッサ・ホイールの回転ブレードの励起の許容できないほどの増大をもたらさない。

１０…第一の部分ブレード（入口側）、１１…第一の部分ブレードの流入側エッジ、２０…第二の部分ブレード（ハブ側）、２１…第二の部分ブレードの流入側エッジ、２５…第三の部分ブレード、３１…コンプレッサ・ホイールの回転ブレード、３２…コンプレッサ・ホイールのハブ、３３…コンプレッサ・ホイールのガイド・ブレードの流出側エッジ、４１…入口側のハウジング、４２…ハブ側のハウジング、Ｌ１…第一の部分ブレードのプロファイル長さ、Ｌ２…第二の部分ブレードのプロファイル長さ、ｈ１…第一の部分ブレードの高さ、ｈ…第一及び第二の部分ブレードの全高、ｒ…ガイド・ブレードの流出側エッジでのコンプレッサ・ホイールの外半径、ｒ１…第一の部分ブレードの流入側エッジの内半径、ｒ２…第二の部分ブレードの流入側エッジの内半径。

Claims (7)

1. ラジアル・コンプレッサのコンプレッサ・ホイールの出口に設けられたディフューザのためのガイド・デバイスであって、
   多数のガイド・ブレードを有し、これらのガイド・ブレードは、入口側のハウジング部分（４１）と、ハブ側のハウジング部分（４２）との間に配置されており、
   各々のガイド・ブレードは、入口側の、第一の部分ブレード（１０）と、少なくとも一つの、他の、ハブ側の、第二の部分ブレード（２０）とに分割されており、前記第一の部分ブレード（１０）のプロファイル長さ（Ｌ１）は、前記第二の部分ブレード（２０）のプロファイル長さ（Ｌ２）よりも大きい、
   ガイド・デバイスにおいて、
   前記第一の部分ブレード（１０）の高さ（ｈ１）は、ブレードの流入側エッジ（１１，２１）に沿って全ての部分ブレードの高さ（ｈ）の合計値の３０％から７０％の範囲であり、
   前記第一の部分ブレード（１０）の流入側エッジ（１１）と、回転ブレードの流出側エッジ（３３）の外半径（ｒ）との間の距離（ｒ１−ｒ）は、前記第二の部分ブレード（２０）の流出側エッジ（２１）と、前記回転ブレードの前記流出側エッジ（３３）の外半径（ｒ）との間の距離（ｒ２−ｒ）の５０％から８３％の範囲であり、
   それによって、ラジアル・コンプレッサの中でこのガイド・デバイスが動作状態にあるとき、前記コンプレッサ・ホイールからの流れの第一の部分が、前記第一の部分ブレード（１０）を通って運ばれ、且つ、より強く際立った径方向成分を有して流れる流れの第二の部分が、前記ブレードの後退した流入側エッジ（２１）によって形成された短いほうの第二の部分ブレード（２０）を通って、運ばれることが可能になること、
   を特徴とするガイド・デバイス。
2. 前記第一の部分ブレード（１０）は、前記ブレードの流入側エッジ（１１）に、前記コンプレッサ・ホイールの出口の外径（ｒ）の１１０％から１２５％の範囲の内径（ｒ１）を有すること、を特徴とする請求項１に記載のガイド・デバイス。
3. 前記第一の部分ブレード（１０）と前記第二の部分ブレード（２０）との間に、少なくとも一つの第三の部分ブレード（２５）が設けられており、この第三の部分ブレードは、前記第一の部分ブレードのプロファイル長さと、前記第二の部分ブレードのプロファイル長さとの間にある長さに亘って、延びていること、を特徴とする請求項１に記載のガイド・デバイス。
4. 前記複数の部分ブレードの複数の流出側エッジは、共同して、前記ガイド・ブレードの連続する流出側エッジを形成すること、を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のラジアル・コンプレッサのディフューザのためのガイド・デバイス。
5. 短いほうの部分ブレードのプロファイルが、長いほうの部分ブレードのプロファイルの内側に完全に位置していること、を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のラジアル・コンプレッサのディフューザのためのガイド・デバイス。
6. 短いほうの部分ブレードのプロファイルは、長いほうの部分ブレードの、或る縮小率で縮小されたプロファイルに対応すること、を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のラジアル・コンプレッサのディフューザのためのガイド・デバイス。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のガイド・デバイスを有するラジアル・コンプレッサを備えていること、を特徴とする排気ターボチャージャ。

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