JP2010065669A - 遠心圧縮機 - Google Patents

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Abstract

【課題】作動範囲を広くするとともに、経済性が高く、安定運転への信頼性が高い遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】羽根車５と、羽根車５を収容するケーシング７と、羽根車５の下流に接続されたディフューザ部１３と、ディフューザ部１３の下流に接続されたボリュート部１５とを具備し、羽根車５を回転駆動することにより、流体に遠心力を与えて流体を圧縮する遠心圧縮機１であって、少なくともディフューザ部１３およびボリュート部１５の内部に設けられ、ディフューザ部１３およびボリュート部１５の流路を流体の流通方向に分割し、ハブ側流路２１およびシュラウド側流路２３を形成する隔壁１９と、ハブ側流路２１およびシュラウド側流路２３のいずれか一方に設けられ、当該流路の流量を調整する流量調整弁２７と、隔壁１９における先端３１の近傍位置に設けられ、ハブ側流路２１およびシュラウド側流路２３を連通させる貫通孔３３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャ等に用いられる遠心圧縮機に関する。
従来、たとえば自動車用の内燃機関のターボチャージャ等に用いられる遠心圧縮機が知られている。
図１５は、従来の遠心圧縮機の要部の正面図である。図１６は、従来の遠心圧縮機の要部の縦断面図である。
図示の遠心圧縮機１００は、回転する羽根車１０１と、それを収納するとともに流体の流路を形成するケーシング１０２とで主として構成されている。
羽根車１０１は、回転するハブ１０３およびその外周面に取り付けられた多数の羽根１０４で構成されている。
ケーシング１０２は、羽根車１０１の外周側に略ドーナツ状をし、羽根車１０１から吐出される気流を減速させることで、静圧を回復させるための通路であるディフューザ部１０５を形成している。
また、ケーシング１０２は、ディフューザ部１０５の外周側に、断面積が周方向に向かい渦巻状に拡大するボリュート部１０６を形成している。ボリュート部１０６の最大断面積部分に出口管１０７が接続されている。
ディフューザ部１０５には、必要に応じてディフューザ翼１０８が設けられている。
羽根車５が回転軸線１０９の回りに回転すると、羽根１０４が開口部１１０から導入したガスや空気等の流体を圧縮する。こうして形成された流体の流れ（気流）は、羽根車１０１の外周端からディフューザ部１０５およびボリュート部１０６を通って出口管１０７から外部へ送出される。
このような遠心圧縮機では、特有の周期で圧縮空気を吐出することによって圧力および流量が変動し、一種の自励振動を起こすサージングという現象が発生する。このサージングが発生する圧力および流量が小流量側の作動限界を決定するものである。図１７に示されるサージ線は、サージングが発生する圧力および流量を結んだものである。
ディフューザ部１０５にディフューザ翼１０８を設けることにより、図１７に示すように、遠心圧縮機の作動範囲を変えることが可能となる。すなわち、ディフューザ翼１０８によって、サージ線を高圧力比かつ小流量側に移動させることができる。
一方で、流量が増加すると羽根車１０１またはディフューザ部１０５でチョーキングと呼ばれる流体の閉塞が発生し、大流量側の流量範囲が制限される。
ところで、自動車用ターボチャージャ等に用いられる遠心圧縮機は、様々な回転数で運転されるので、広い作動範囲が要求される。このため、たとえば、特許文献１〜特許文献５に示されるように、作動範囲を拡大する工夫が提案されている。
たとえば、特許文献１ものは、図１８に示すように、ケーシング１０２の羽根１０４入口部にケーシングトリートメント１１１を設け、循環流１１２を発生させ羽根車１０１に導入される流体の流量を多くするものである。
また、遠心圧縮機に入口可変案内翼や可変ディフューザ等の可変機構を適用して、作動範囲を拡大する技術が知られている（たとえば、特許文献２、３、４、および５参照）。
具体的には、可変ディフューザは、図１９、図２０に示すように、可変ディフューザ翼１１３を回動またはスライドさせることによって通路面積を可変とし、遠心圧縮機１００の作動範囲を拡大することが可能となっている。特に、図２０の可変ディフューザでは、羽根車１０１から吐出されるガスの流速に応じて可変ディフューザ翼１１３の角度を変化させることにより、作動範囲を拡大することが可能となっている。
また、たとえば、特許文献６に示されるように、ディフューザ部の流路が２分割され、ディフューザ部に流入する流れを、主流部と歪んだ流れ部とに分割しているものが提案されている。これは、２分割することによって歪んだ流れ部を減速させることなく流すようにして、流れの剥離や逆流を抑制し、ディフューザ性能を向上させるものである。
さらに、たとえば、特許文献７に示されるように、ボリュート部（スクロール部）を相互に連通する２つの流路に分割し、一方の流路を開閉調節可能としたものが提案されている。これは吸入空気量に応じてスクロール容量を可変にするようにして圧縮機効率を向上させるものである。
特開平１０−１７６６９９号公報 特開平１１−１７３３００号公報 特開２００１−３２９９９５号公報 特開２００１−３２９９９６号公報 特許第３０３８３９８号公報 特開昭６０−１８４９９８号公報 特開昭６１−７６７９８号公報
しかしながら、特許文献１に示されているものでは、図２１に示すように、ケーシングトリートメントにより遠心圧縮機の作動範囲は多少拡大するものの、大幅な改善は望めないという課題があった。
また、特許文献２、３、４、および５に示されているものでは、可変ディフューザ翼１１３は複雑な駆動機構を必要とするため、経済性が低いという課題があった。
さらに、可変ディフューザ翼１１３とディフューザ部１０５壁部との間に摺動部を有するため、安定運転に対する信頼性が低く、また、摺動部の隙間からガス漏れが発生して性能低下を引き起こす等の課題があった。
また、特許文献６に示されているものは、大流量時のディフューザ部における効率向上を目指したものであり、少流量におけるサージング限界を拡げ、遠心圧縮機の作動範囲を広げる点については何ら考慮されていない。
さらに、特許文献７に示されるものでは、ディフューザ部における対応がなされていないので、流量に応じた効率適な処理が行えない。また、ボリュート部でも並列的な流路とされていないので、中間の接続流路での抵抗等が大きくなる。これらにより、遠心圧縮機の作動範囲を効率的に拡大することは望めない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、作動範囲を広くするとともに、経済性が高く、安定運転に対する信頼性が高い遠心圧縮機を提供することを目的とする。
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明にかかる遠心圧縮機は、ハブおよびその外周面に取り付けられた複数の羽根を有する羽根車と、該羽根車を収容するケーシングと、該羽根車の下流に接続されたディフューザ部と、該ディフューザ部の下流に接続されたボリュート部とを具備し、前記羽根車を回転駆動することにより、流体に遠心力を与えて該流体を圧縮する遠心圧縮機であって、少なくとも前記ディフューザ部および前記ボリュート部の内部に設けられ、前記ディフューザ部および前記ボリュート部の流路を前記流体の流通方向に分割し、ハブ側流路およびシュラウド側流路を形成する隔壁と、前記ハブ側流路および前記シュラウド側流路のいずれか一方に設けられ、当該流路の流量を調整する流量調整部と、前記隔壁における前記羽根車側端部の近傍位置に設けられ、前記ハブ側流路および前記シュラウド側流路を連通させる流体通路と、を備えている。
本発明によると、少なくともディフューザ部およびボリュート部の内部に設けられた隔壁によって、ディフューザ部およびボリュート部の流路が流体の流通方向に並設されたハブ側流路およびシュラウド側流路に分割されている。ハブ側流路あるいはシュラウド側流路のいずれか一方には、流量調整部が設けられているので、羽根車により圧縮された流体の流量が小さいときには、たとえば、流量調整部を作動し、流量調整部が設けられたハブ側流路あるいはシュラウド側流路を閉じ、他方に全流量を流す。
これにより、小流量時であっても流量調整部が設けられていないハブ側流路あるいはシュラウド側流路には多くの流量が流れるので、小流量側の作動限界となるサージングの発生を可及的に抑制することができる。言い換えると、サージ線を流量が小さい方に移動させることができる。
なお、流量調整部は、流路を完全に閉じないようにしても略同様な効果を奏する。これは、たとえば、少流量時と大流量時の中間流量のときに有効である。
このとき、隔壁にはハブ側流路およびシュラウド側流路を連通させる流体流路が設けられているので、ハブ側流路およびシュラウド側流路の連通部分における流体圧によってそれが高い方から低い方へ流体が流体通路を通って流れることになる。
この連通部分の流体圧が、流量調整部が設けられていないハブ側流路あるいはシュラウド側流路の方が大きい場合、流体は、流体通路を通って流量調整部が設けられたハブ側流路あるいはシュラウド側流路に流れ、流体圧の低い上流側に流れ、隔壁の先端部から流量調整部が設けられていないハブ側流路あるいはシュラウド側流路に還流する。これにより、流量調整部が設けられていないハブ側流路あるいはシュラウド側流路を流れる流体の流量が見かけ上多くなるので、小流量側の作動限界となるサージングの発生を可及的により一層抑制することができる。
また、この連通部分の流体圧が、流量調整部が設けられているハブ側流路あるいはシュラウド側流路の方が大きい場合、流体は、流体通路を通って流量調整部が設けられていないハブ側流路あるいはシュラウド側流路に流れる。これにより、流量調整部が設けられていないハブ側流路あるいはシュラウド側流路を流れる流体の流量が増加するので、小流量側の作動限界となるサージングの発生を可及的により一層抑制することができる。
一方、羽根車により圧縮された流体の流量が大きいときには、流量調整部を開放し、シュラウド側流路およびハブ側流路の両方に流体を流すようにする。これにより、見かけ上大きな出口流路が形成されるので、大流量側の作動限界となるチョーキングの発生を可及的に抑制することができる。
なお、この場合、ハブ側流路およびシュラウド側流路の流体の流れに外乱を与えないために、流体通路の連通部分におけるハブ側流路の流体圧およびシュラウド側流路の流体圧は略同等となるようにすることが望ましい。
このように、サージングおよびチョーキングの発生を可及的に抑制することができるので、遠心圧縮機は広い作動範囲を確保することができる。
また、複雑な駆動機構を必要とする可変ディフューザと比較して安価に広い作動範囲を達成することができる。
さらに、駆動部を構成する部品点数を減少させることができるので、信頼性の高い運転が可能となる。また、従来の可変ディフューザのように、摺動部の隙間からのガス漏れによる性能低下が生じない。
なお、遠心圧縮機では、羽根車によって圧縮された流体は、羽根車出口においてハブ側に大きな流速分布を有するようになる。この流速分布は、小流量のときに顕著である。
したがって、本発明の作用・効果をより発揮させるには、流量調整部はシュラウド側流路に設けるのが望ましい。
本発明にかかる遠心圧縮機では、前記流体通路は、前記流量調整部を備えた前記ハブ側流路あるいは前記シュラウド側流路から前記流量調整部を備えていない前記シュラウド側流路あるいは前記ハブ側流路に向かい半径方向外側へ傾斜している。
このようにすると、流量調整部が閉じられている場合、流体の圧力差によって流体が流量調整部を設けていないハブ側流路あるいはシュラウド側流路から流体通路を通って流量調整部を設けているハブ側流路あるいはシュラウド側流路に流れ、流体圧の低い上流側に流れ、隔壁の先端部から流量調整部を設けていないハブ側流路あるいはシュラウド側流路に還流する際の流体流れが滑らかに行われる。
また、反対に、流量調整部が設けられたハブ側流路あるいはシュラウド側流路から流体通路を通って流量調整部が設けられていないハブ側流路あるいはシュラウド側流路に流れる場合の流体の合流が滑らかに行われる。
本発明にかかる遠心圧縮機では、前記流体通路は、前記羽根車の径の１．５倍の位置よりも先端側に設けられている。
流体通路が、羽根車の径の１．５倍の位置よりも先端側、すなわち、羽根車側から離れるところに設けられると、たとえば、小流量時に流量調整部が設けられていないハブ側流路あるいはシュラウド側流路から流量調整部が設けられたハブ側流路あるいはシュラウド側流路に戻された流体が、上流側に流れる距離が大きくなるので、流量調整部が設けられていないハブ側流路あるいはシュラウド側流路に還流され難くなる。また、これにより、隔壁先端部での流体流れを乱す恐れがある。
したがって、流体通路は、羽根車の径の１．５倍の位置よりも先端側に設けられるのが好適である。
本発明にかかる遠心圧縮機では、回転軸に取り付けられたハブの外周面に取り付けられた羽根車と、該羽根車を収容するケーシングと、該羽根車の下流に接続されたディフューザ部と、該ディフューザ部の下流に接続されたボリュート部とを具備し、前記羽根車を回転駆動することにより、流体に遠心力を与えて該流体を圧縮する遠心圧縮機であって、前記ディフューザ部および前記ボリュート部の内部に設けられ、前記ディフューザ部および前記ボリュート部の流路を前記流体の流通方向に分割し、ハブ側流路およびシュラウド側流路を形成する隔壁と、前記ハブ側流路および前記シュラウド側流路のいずれか一方に設けられ、当該流路の流量を調整する流量調整部と、前記ディフューザ部における前記隔壁には、該流量調整部が設けられていない前記ハブ側流路あるいは前記シュラウド側流路に面する面に開口するように設けられた隔壁ケーシングトリートメントと、を備えている。
本発明によると、少なくともディフューザ部およびボリュート部の内部に設けられた隔壁によって、ディフューザ部およびボリュート部の流路が流体の流通方向に並設されたハブ側流路およびシュラウド側流路に分割されている。ハブ側流路あるいはシュラウド側流路のいずれか一方には、流量調整部が設けられているので、羽根車により圧縮された流体の流量が小さいときには、たとえば、流量調整部を作動し、流量調整部が設けられたハブ側流路あるいはシュラウド側流路を閉じ、他方に全流量を流す。
これにより、小流量時であっても流量調整部が設けられていないハブ側流路あるいはシュラウド側流路には多くの流量が流れるので、小流量側の作動限界となるサージングの発生を可及的に抑制することができる。言い換えると、サージ線を流量が小さい方に移動させることができる。
なお、流量調整部は、流路を完全に閉じないようにしても略同様な効果を奏する。これは、たとえば、少流量時と大流量時の中間流量のときに有効である。
このとき、隔壁における流量調整部が設けられていないハブ側流路あるいはシュラウド側流路に面する面に開口するように設けられた隔壁ケーシングトリートメントが設けられているので、流量調整部が設けられていないハブ側流路あるいはシュラウド側流路を流れる流体の流量が見かけ上多くなるので、小流量側の作動限界となるサージングの発生を可及的により一層抑制することができる。
一方、羽根車により圧縮された流体の流量が大きいときには、流量調整部を開放し、シュラウド側流路およびハブ側流路の両方に流体を流すようにする。これにより、見かけ上大きな出口流路が形成されるので、大流量側の作動限界となるチョーキングの発生を可及的に抑制することができる。
このように、サージングおよびチョーキングの発生を可及的に抑制することができるので、遠心圧縮機は広い作動範囲を確保することができる。
また、複雑な駆動機構を必要とする可変ディフューザと比較して安価に広い作動範囲を達成することができる。
さらに、駆動部を構成する部品点数を減少させることができるので、信頼性の高い運転が可能となる。また、従来の可変ディフューザのように、摺動部の隙間からのガス漏れによる性能低下が生じない。
本発明にかかる遠心圧縮機は、前記ディフューザ部における前記隔壁には、前記流量調整部が設けられていない前記ハブ側流路あるいは前記シュラウド側流路に面する面に開口するように隔壁ケーシングトリートメントが設けられている。
上述の発明に、隔壁ケーシングトリートメントによる見かけの流量増加を加えることにより、小流量側の作動限界となるサージングの発生を可及的により一層抑制することができる。
本発明にかかる遠心圧縮機は、回転軸に取り付けられたハブの外周面に取り付けられた羽根車と、該羽根車を収容するケーシングと、該羽根車の下流に接続されたディフューザ部と、該ディフューザ部の下流に接続されたボリュート部とを具備し、前記羽根車を回転駆動することにより、流体に遠心力を与えて該流体を圧縮する遠心圧縮機であって、前記ディフューザ部および前記ボリュート部の内部に設けられ、前記ディフューザ部および前記ボリュート部の流路を前記流体の流通方向に分割し、ハブ側流路およびシュラウド側流路を形成する隔壁と、前記ハブ側流路および前記シュラウド側流路のいずれか一方に設けられ、当該流路の流量を調整する流量調整部と、前記ディフューザ部における前記ケーシングには、該流量調整部が設けられていない前記ハブ側流路あるいは前記シュラウド側流路に面する面に開口するように設けられた第一ケーシングトリートメントと、を備えている。
本発明によると、少なくともディフューザ部およびボリュート部の内部に設けられた隔壁によって、ディフューザ部およびボリュート部の流路が流体の流通方向に並設されたハブ側流路およびシュラウド側流路に分割されている。ハブ側流路あるいはシュラウド側流路のいずれか一方には、流量調整部が設けられているので、羽根車により圧縮された流体の流量が小さいときには、たとえば、流量調整部を作動し、流量調整部が設けられたハブ側流路あるいはシュラウド側流路を閉じ、他方に全流量を流す。
これにより、小流量時であっても流量調整部が設けられていないハブ側流路あるいはシュラウド側流路には多くの流量が流れるので、小流量側の作動限界となるサージングの発生を可及的に抑制することができる。言い換えると、サージ線を流量が小さい方に移動させることができる。
なお、流量調整部は、流路を完全に閉じないようにしても略同様な効果を奏する。これは、たとえば、少流量時と大流量時の中間流量のときに有効である。
このとき、ケーシングにおける流量調整部が設けられていないハブ側流路あるいはシュラウド側流路に面する面に開口するように設けられた第一ケーシングトリートメントが設けられているので、流量調整部が設けられていないハブ側流路あるいはシュラウド側流路を流れる流体の流量が見かけ上多くなるので、小流量側の作動限界となるサージングの発生を可及的により一層抑制することができる。
一方、羽根車により圧縮された流体の流量が大きいときには、流量調整部を開放し、シュラウド側流路およびハブ側流路の両方に流体を流すようにする。これにより、見かけ上大きな出口流路が形成されるので、大流量側の作動限界となるチョーキングの発生を可及的に抑制することができる。
このように、サージングおよびチョーキングの発生を可及的に抑制することができるので、遠心圧縮機は広い作動範囲を確保することができる。
また、複雑な駆動機構を必要とする可変ディフューザと比較して安価に広い作動範囲を達成することができる。
さらに、駆動部を構成する部品点数を減少させることができるので、信頼性の高い運転が可能となる。また、従来の可変ディフューザのように、摺動部の隙間からのガス漏れによる性能低下が生じない。
本発明にかかる遠心圧縮機は、前記ディフューザ部における前記ケーシングには、前記流量調整部が設けられていない前記ハブ側流路あるいは前記シュラウド側流路に面する面に開口するように第一ケーシングトリートメントが設けられている。
上述の発明に、第一ケーシングトリートメントによる見かけの流量増加を加えることにより、小流量側の作動限界となるサージングの発生を可及的により一層抑制することができる。
本発明にかかる遠心圧縮機は、前記ディフューザ部における前記ケーシングには、前記流量調整部が設けられている前記ハブ側流路あるいは前記シュラウド側流路に面する面に開口するように第二ケーシングトリートメントが設けられている。
このようにすると、大流量時に流量調整部が設けられているハブ側流路あるいはシュラウド側流路を流れる流体が見かけ上増加させることができる。
これにより、遠心圧縮機の効率を向上させることができる。
本発明にかかる遠心圧縮機は、少なくとも前記流量調整部が設けられていない前記ハブ側流路および前記シュラウド側流路の前記ディフューザ部には、ガイドベーンが設けられている。
このようにすると、ガイドベーンによって、小流量時のサージ線を一層高圧力比かつ小流量側に移動させることができる。
本発明にかかる遠心圧縮機によれば、ディフューザ部およびボリュート部の流路をハブ側流路およびシュラウド側流路に分け、羽根車から吐出される流体の流量に応じて各流路を使い分けることができるとともに低流量時に流体が流れるハブ側流路あるいはシュラウド側流路に、流量を増加させる機構、たとえば、隔壁に設けられた流体流路、隔壁ケーシングトリートメントあるいは第一ケーシングトリートメント、を設けたので、安価で広い作動範囲を達成することができる。
また、従来の可変ディフューザに比べて可動部分を少なくできるので、信頼性の高い遠心圧縮機を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
［第一実施形態］
本発明の第一実施形態にかかる遠心圧縮機１について、図１〜図８に基づいて説明する。
図１は、遠心圧縮機１の縦断面図を示す。図２は、図１のＸ部を拡大して示す縦断面図である。
図１において、遠心圧縮機１は、図示しないモータまたはタービンなどの駆動装置に接続されて回転軸線３回りに回転する羽根車５と、羽根車５を収容するとともに流体の流路を形成するケーシング７とを具備している。
羽根車５には、回転するハブ９と、ハブ９の外周面に取り付けられた複数のブレード（羽根）１１が備えられている。
ケーシング７は、羽根車５の外周（下流）側に略ドーナツ状をし、羽根車５から吐出される気流を減速させることで、静圧を回復させるための通路であるディフューザ部１３と、ディフューザ部１３の外周（下流）側に、断面積が周方向に向かい渦巻状に拡大するボリュート部１５と、ボリュート部１５の最大断面積部分に接続されている出口管１７とを形成している。
ディフューザ部１３、ボリュート部１５、および出口管１７の内部には、各流路を流体の流通方向に二分割する隔壁１９が設けられ、ハブ側流路２１およびシュラウド側流路２３を形成している。
ハブ側流路２１には、羽根車５から吐出される流体のうちのハブ９側（図において右側）の流体が導かれるようになっている。シュラウド側流路２３には、羽根車５から吐出される流体のうちのシュラウド側（図において左側）の流体が導かれるようになっている。
隔壁１９は、薄板で形成されており、ディフューザ部１３の流路断面積は隔壁１９の厚みの分だけ拡張されている。このような隔壁１９を採用することにより、安価かつ容易にディフューザ部１３およびボリュート部１５の流路を分割することが可能である。
ディフューザ部１３におけるハブ側流路２１にはディフューザベーン（ガイドベーン）２５が設けられている。ディフューザベーン２５は、円周方向に所定間隔を有した状態で複数設けられており、ケーシング７に対して固定されている。すなわち、流体に対するディフューザベーン２５の角度は固定となっている。
ディフューザ部１３におけるシュラウド側流路２３の流路断面積は、ハブ側流路２１の流路断面積(スロート面積)よりも大きく設定されている。これは、大流量時の作動範囲を大きくするためである。
出口管１７におけるシュラウド側流路２３には、各流路の流量を調整する流量調整弁（流量調整部）２７が設けられている。本実施形態では、流量調整弁２７としてバタフライ弁が採用されている。
流量調整手段として流量調整弁２７を採用することによって、安定的に、かつ精度良く各流路の流量を調整することが可能となる。
なお、流量調整弁２７は、死容積を減らすために可能な限りボリュート部１５に近い位置に設置することが望ましい。
隔壁１９の上流（先端）側の端面２９は、図２に示されるように、ハブ側からシュラウド側に向かって傾斜した形状、すなわち、先端３１がハブ９側にあるようにされている。
これは、大流量時にハブ側流路２１およびシュラウド側流路２３に均等に導くためである。
隔壁１９の先端３１の位置（隔壁１９の内径）は、羽根車５の外径Ｄ１の１．０２から１．２倍とされている。
隔壁１９の内径が羽根車５の外径Ｄ１の１．０２倍を下回ると、隔壁１９と羽根車５出口の流れが干渉し性能が低下する。また、隔壁１９の内径が羽根車の外径Ｄ１の１．２倍を上回ると、ディフューザ部１３による圧力回復が小さくなる。
図３および図４は、隔壁１９をハブ側流路２１側から見た正面図である。
隔壁１９には、図２および図３に示されるように、ハブ側流路２１およびシュラウド側流路２３を連通させるように多数の貫通孔（流体流路）３３が周方向に間隔を空けて設けられている。
貫通孔３３は、シュラウド側流路２３からハブ側流路２１に向かい半径方向外側へ傾斜している。
貫通孔３３の設置位置Ｄ２は、羽根車の外径Ｄ１の１．５倍の位置よりも先端３１側とされている。
貫通孔３３の代わりに、図４に示されるようなスリット（流体通路）３５を設けてもよい。
スリット３５は、円形に設けられ、シュラウド側流路２３からハブ側流路２１に向かい半径方向外側へ傾斜している。
スリット３５の設置位置は、羽根車の外径Ｄ１の１．５倍の位置よりも先端３１側とされている。
この場合、スリット３５には、ベーン３７が周方向に間隔を空けて複数取り付けられている。ベーン３７は、流体の案内を行うとともに隔壁１９の内側部分を保持している。
隔壁１９の内側部分を保持するためにステーを設けてもよいし、スリット３５を部分的に設けるようにしてもよい。
上記のように構成された遠心圧縮機１の動作について以下に説明する。
遠心圧縮機１は、図示しないモータあるいはタービン等の駆動装置によって、羽根車５を回転軸線３回りに回転駆動させる。
羽根車５が回転することによって、図示しない給気口から取り込まれた流体がケーシング７内に導入される。
ケーシング７内に導入された流体は、ブレード１１の回転によって遠心力が与られて圧縮される。こうして形成された流体の流れは、羽根車５の外周端からディフューザ部１３、ボリュート部１５、出口管１７の順番にて流通し、図示しない吐出口より圧縮流体として吐出される。
上記動作時において、流量調整弁２７を動作させることによって、各流路の流量を調整する。
図５〜図７は、本実施形態にかかる遠心圧縮機１のシュラウド側流路２３およびハブ側流路２１における流体の静圧を測定し、その静圧分布を示す説明図である。図５および図６は、流量調整弁２７が全閉された場合を示し、図５は小流量時を、図６は大流量時を示している。図７は、流量調整弁２７が全開された場合を示している。
図８は、本実施形態にかかる遠心圧縮機１の流量と圧力比との関係を、回転数をパラメータとして示すグラフである。
羽根車５により圧縮された流体の流量が小さいときには、流量調整弁２７を全閉し、流体がハブ側流路２１に流れるようにする。
このようにすると、シュラウド側流路２３およびハブ側流路２１に同時に流れる場合のハブ側流路２１を流れる流量に比べてハブ側流路２１を流れる流体の流量が増加する。言い換えると、小さな出口通路が形成されるので、流体が集中し、ハブ側流路２１を流れる流体の流量が増加する。
これにより、小流量側の作動限界となるサージングの発生を可及的に抑制することができる。言い換えると、サージ線Ｓ２を流量調整弁２７が全開されている場合のサージ線Ｓ１よりも流量が小さい方に移動させることができる。同時に、圧力比も大きくなる。
このとき、ハブ側流路２１を流れる流体は、ディフューザベーン２５によって案内されるので、小流量時のサージ線を一層高圧力比かつ小流量側に移動させることができる。
なお、ディフューザベーン２５は必要に応じて用いればよいので、場合によってこれを用いないようにしてもよい。
このとき、貫通孔３３では、ハブ側流路２１およびシュラウド側流路２３の連通部分における流体圧によってそれが高い方から低い方へ流体が流れることになる。
図５に示されるように、小流量の場合には、シュラウド側流路２３の流体の静圧は大きくないので、貫通孔３３の連通部分におけるシュラウド側流路２３の流体圧はハブ側流路２１の流体圧よりも小さくなる。
このため、流体は、図５で矢印にて示されるとおり貫通孔３３を通ってハブ側流路２１からシュラウド側流路２３に流れる。この流体は、流体圧のより低い上流側に流れ、さらに、隔壁１９の端面２９に沿って流れ、先端３１からハブ側流路２１に還流する。
これにより、ハブ側流路２１を流れる流体の流量が見かけ上多くなる。
貫通孔３３は、ハブ側流路２１側が半径方向外側に位置するように傾斜しているので、この還流する際の流体流れが滑らかに行われる。
ところで、貫通孔３３が、隔壁１９の先端３１から大きく離れる位置に設けられると、シュラウド側流路２３に戻された流体が上流側に流れる距離が大きくなるので、流れが乱れる等によって上流側に滑らかに流れ難くなる。これにより、ハブ側流路２１への還流が滑らかに行われなくなる。また、この乱れが先端３１に影響し、ハブ側流路２１に流入する流体の流れを乱すことになる。
貫通孔３３が羽根車５の径の１．５倍の位置よりも半径方向外側に位置すると、この減少が著しくなるので、貫通孔３３は、羽根車５の径の１．５倍の位置よりも半径方向内側、すなわち、先端側に位置するのが望ましい。
図６に示されるように、比較的大流量の場合には、シュラウド側流路２３の流体の静圧も大きくなるので、貫通孔３３の連通部分におけるハブ側流路２１の流体圧はシュラウド側流路２３の流体圧よりも小さくなる。
このため、流体は、図６で矢印にて示されるとおり貫通孔３３を通ってシュラウド側流路２３からハブ側流路２１に流れ込み合流するので、ハブ側流路２１を流れる流体の流量が増加する。
貫通孔３３は、ハブ側流路２１側が半径方向外側に位置するように傾斜しているので、貫通孔３３を流れる流体の流れ方向は、ハブ側流路２１を流れる流体の流れ方向と略一致する。これにより、貫通孔３３を流れる流体は、ハブ側流路２１を流れる流体に滑らかに合流することができる。
このように、貫通孔３３によってハブ側流路２１を流れる流体の流量が、一層増加するので、小流量側の作動限界となるサージングの発生を可及的により一層抑制することができる。言い換えると、このときのサージ線Ｓ３は、図８に示されるように、ハブ側流路２１に集中させたときのサージ線Ｓ２よりも流量が小さい方に移動させることができる。
一方、羽根車５により圧縮された流体の流量が大きいときには、流量調整弁２７を全開とし、シュラウド側流路２３およびハブ側流路２１に流体を流す。
これにより、見かけ上大きな出口流路が形成されるので、図８の流量調整弁２７全開として示されるように、大流量側の作動限界となるチョーキングの発生を可及的に抑制することができる。
図７に示されるように、本実施形態にかかる遠心圧縮機１では、流量調整弁２７を全開した場合、貫通孔３３の連通部分におけるハブ側流路２１の流体圧とシュラウド側流路２３の流体圧とは略同等となるので、貫通孔３３を通した流体の移動が抑制される。このように、シュラウド側流路２３あるいはハブ側流路２１に他方の流路から流体が流れ込むことを抑制できるので、シュラウド側流路２３およびハブ側流路２１の流体の流れが乱されることがない。
したがって、貫通孔３３は、流量調整弁２７が全開されている時のシュラウド側流路２３およびハブ側流路２１における流体の静圧分布を想定あるいは試験して、両流路間に圧力差が出ないような位置に設けることが望ましい。
なお、この際、流量調整弁２７の開度は全開または全閉だけでなく、中間開度とすることもできる。流量調整弁２７が中間開度とされると、その開度に応じてシュラウド側流路２３およびハブ側流路２１を流れる流体の割合が変化することになる。
このように、小流量時にはハブ側流路２１のみを用い、大流量時にはハブ側流路２１およびシュラウド側流路２３を用いることにより、サージングおよびチョーキングの発生を可及的に抑制することで、広い作動範囲を確保することができる。
貫通孔３３を設けていることによって、小流量時におけるハブ側流路２１の流量をより増加させることができるので、サージングの発生をより抑制でき、より広い作動範囲を確保することができる。
以上のように、本実施形態にかかる遠心圧縮機１によれば、複雑な駆動機構を必要とする可変ディフューザと比較して安価で、サージングおよびチョーキングの発生を可及的に防止しつつ広い作動範囲を達成することが可能である。
さらに、駆動部の部品点数を減少させることができるので、信頼性の高い運転が可能となる。また、可変ディフューザのように、摺動部の隙間からのガス漏れによる性能低下が生じることもない。
なお、遠心圧縮機１では、羽根車５によって圧縮された流体は、遠心力によって羽根車５出口にてハブ９側に大きな流速分布を有するようになる。そこで、本実施形態では、ハブ９側の大きな流速分布をより活用するため、シュラウド側流路２３に流量調整弁２７を設け、小流量時には、流量調整弁２７を閉じ、流体をハブ側流路２１に流すようにしている。
これは、図１に二点鎖線で示されているように、ハブ側流路２１に流量調整弁２７を設け、小流量時には、流量調整弁２７を閉じ、流体をシュラウド側流路２３に流すようにしてもよい。このようにしても本実施形態にかかる遠心圧縮機１と同様の効果が得られる。
また、隔壁１９は、回転軸線３に対して傾斜した方向に設けられていても、直角方向に設けられていても本実施形態にかかる遠心圧縮機１と同様の効果が得られる。
また、流量調整弁２７の代わりに、たとえばディフューザ部１３のシュラウド側通路２３に抜き差し可能な壁体（図示せず）を設けることによっても、シュラウド側流路２３およびハブ側流路２１の流量を調整できるので、本実施形態にかかる遠心圧縮機１と同様の効果が得られる。
また、本実施形態において、ハブ側流路２１のディフューザ部１３にのみにガイドベーンとしてのディフューザベーン２５が設けられている構成を例示として説明したが、シュラウド側流路２３のディフューザ部にのみにガイドベーンを設けることによっても遠心圧縮機１の作動範囲を広げることが可能である。
〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態について、図９および図１０を用いて説明する。
本実施形態は、ハブ側流路２１で流体の流量をより増加させる構成が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
本実施形態では、ディフーザ部１３における隔壁１９のハブ側流路２１（流量調整弁２７が設けられていない流路）に面する隔壁ハブ面３９には、隔壁ケーシングトリートメント４１が設けられている。その替わりに第一実施形態の貫通孔３３は設けられていない。
隔壁ケーシングトリートメント４１は、ハブ側流路２１に開口した下流側開口部４３および上流側開口部４５を内部で接続し、流路を形成する構成とされている。
下流側開口部４３および上流側開口部４５は、貫通孔３３のような穴であってもよいし、スリット３５のように周上に延在するスリットであってもよい。
下流側開口部４３は、ディフューザベーン２５の入口部（ディフューザスロート）４７よりも下流側に位置している。上流側開口部４５は、ディフーザスロート４７よりも上流側に位置している。
なお、隔壁ケーシングトリートメント３７は、下流側開口部４３および上流側開口部４５が合体したような大きな溝とされてもよい。
ディフューザ部におけるハブ側流路２１の流路断面積は、シュラウド側流路２３の流路断面積よりも大きく設定されている。
このように構成された本実施形態の遠心圧縮機１では、小流量時に、流量調整弁２７を閉じ、ハブ側流路２１にのみ流体を流すようにして小流量側の作動限界となるサージングの発生を可及的に抑制することができる点は第一実施形態と同様に動作するので、ここでは重複した説明を省略する。
このとき、ハブ側流路２１を流れる流体は下流側ほど流体圧が高いので、この圧力勾配によって流体の一部は、ディフューザスロート４７の下流側で下流側開口部４３に流入し、上流側に戻り、上流側開口部４５から再度ハブ側流路２１に流入する。これにより、ハブ側流路２１を流れる流体の流量が見かけ上多くなるので、小流量側の作動限界となるサージングの発生を可及的により一層抑制することができる。
この流量増加効果は、大流量時、シュラウド側流路２３およびハブ側流路２１を流体が流れる場合でも発揮されるので、図８のサージ線Ｓ１を高圧力比かつ低流量側に移動させることができる。
また、図１０に示されるように、ディフューザ部１３におけるハブ側流路２１を構成するケーシング７にハブケーシングトリートメント（第一ケーシングトリートメント）５１を設けるようにしても、同様な作用効果を奏する。
すなわち、ハブケーシングトリートメント５１は、ディフーザ部１３におけるケーシング７のハブ側流路２１（流量調整弁２７が設けられていない流路）に面するハブケーシング面４９に設けられている。
ハブケーシングトリートメント５１は、ハブ側流路２１に開口した下流側開口部５３および上流側開口部５５を内部で接続し、流路を形成する構成とされている。
下流側開口部５３および上流側開口部５５は、貫通孔３３のような穴であってもよいし、スリット３５のように周上に延在するスリットであってもよい。
下流側開口部５３は、ディフューザスロート４７よりも下流側に位置している。上流側開口部５５は、ディフーザスロート４７よりも上流側に位置している。
なお、ハブケーシングトリートメント５１は、下流側開口部４３および上流側開口部４５が合体したような大きな溝とされてもよい。
小流量時に、流体がハブ側流路２１のみを流れる場合、圧力勾配によってハブ側流路２１を流れる流体の一部は、ディフューザスロート４７の下流側で下流側開口部５３に流入し、上流側に戻り、上流側開口部５５から再度ハブ側流路２１に流入する。これにより、ハブ側流路２１を流れる流体の流量が見かけ上多くなるので、小流量側の作動限界となるサージングの発生を可及的により一層抑制することができる。
この流量増加効果は、大流量時、シュラウド側流路２３およびハブ側流路２１を流体が流れる場合でも発揮されるので、図８のサージ線Ｓ１を高圧力比かつ低流量側に移動させることができる。
このように、本実施形態にかかる遠心圧縮機１によれば、複雑な駆動機構を必要とする可変ディフューザと比較して安価で、サージングおよびチョーキングの発生を可及的に防止しつつ広い作動範囲を達成することが可能である。
さらに、駆動部の部品点数を減少させることができるので、信頼性の高い運転が可能となる。また、可変ディフューザのように、摺動部の隙間からのガス漏れによる性能低下が生じることもない。
本実施形態では、サージ線を一層高圧力比かつ小流量側に移動させるために、ハブ側流路２１を流れる流体はディフューザベーン２５によって案内されるようにしていているが、ディフューザベーン２５は必要に応じて用いればよいので、場合によってこれを用いないようにしてもよい。
ディフューザベーン２５を用いない場合、隔壁ケーシングトリートメント４１およびハブケーシングトリートメント５１の下流側開口部４３，５３は、羽根車５の外径の１．５倍の位置よりも半径方向内側、すなわち、先端側に位置するのが望ましい。
なお、本発明は、上記各実施形態の構成に限定されるものではなく、適宜組合せた構成とされてもよい。
たとえば、図１１に示されるように、隔壁ケーシングトリートメント４１およびハブケーシングトリートメント５１を併せて設けるようにしてもよい。
このようにすると、隔壁ケーシングトリートメント４１の効果およびハブケーシングトリートメント５１の効果が重畳され、サージングおよびチョーキングの発生を一層可及的に防止しつつ広い作動範囲を達成することが可能である。
また、図１２に示されるように、第一実施形態の貫通孔３３（スリット３５）およびハブケーシングトリートメント５１を併せて設けるようにしてもよい。
このようにすると、貫通孔３３の効果およびハブケーシングトリートメント５１の効果が重畳され、サージングおよびチョーキングの発生を一層可及的に防止しつつ広い作動範囲を達成することが可能である。
また、図１３に示されるように、第一実施形態の貫通孔３３（スリット３５）および隔壁ケーシングトリートメント４１を併せて設けるようにしてもよい。
このようにすると、貫通孔３３の効果および隔壁ケーシングトリートメント４１の効果が重畳され、サージングおよびチョーキングの発生を一層可及的に防止しつつ広い作動範囲を達成することが可能である。
また、図１４に示されるように、第一実施形態の貫通孔３３に併せて、ディフューザ部１３におけるシュラウド側流路２３を構成するケーシング７にシュラウドケーシングトリートメント（第二ケーシングトリートメント）６１を設けるようにしてもよい。
すなわち、シュラウドケーシングトリートメント６１は、ディフーザ部１３におけるケーシング７のシュラウド側流路２３（流量調整弁２７が設けられている流路）に面するシュラウドケーシング面５９に設けられている。
このようにすると、サージングおよびチョーキングの発生を一層可及的に防止しつつ広い作動範囲を達成することが可能である。
また、図１４に示されるように、貫通孔３３、ハブケーシングトリートメント５１およびシュラウドケーシングトリートメント６１を併せ持ち、ディフューザベーン２５を用いないようにしてもよい。
なお、図１１〜図１３において、ディフューザベーン２５を用いているが、これらはディフューザベーン２５を用いないようにしてもよい。
また、図示していないが、貫通孔３３（スリット３５）、隔壁ケーシングトリートメント４１、ハブケーシングトリートメント５１、シュラウドケーシングトリートメント６１およびディフューザベーン２５を適宜組み合わせて遠心圧縮機１を構成してもよい。
本発明の第一実施形態にかかる遠心圧縮機の概略構成を示す縦断面図である。 図１のＸ部を拡大して示す縦断面図である。 本発明の第一実施形態にかかる隔壁をハブ側流路側から見た正面図である。 本発明の第一実施形態にかかる隔壁の別の実施態様をハブ側流路側から見た正面図である。 本発明の第一実施形態にかかる遠心圧縮機のシュラウド側流路およびハブ側流路における流量調整弁が全閉され、小流量である流体の静圧分布を示す説明図である。 本発明の第一実施形態にかかる遠心圧縮機のシュラウド側流路およびハブ側流路における流量調整弁が全閉され、大流量である流体の静圧分布を示す説明図である。 本発明の第一実施形態にかかる遠心圧縮機のシュラウド側流路およびハブ側流路における流量調整弁が全開された状態での流体の静圧分布を示す説明図である。 本発明の第一実施形態にかかる遠心圧縮機の圧力比と流量の関係を示したグラフである。 本発明の第二実施形態にかかる遠心圧縮機の図２と同様部分を示す縦断面図である。 本発明の第二実施形態にかかる遠心圧縮機の別の実施態様の図２と同様部分を示す縦断面図である。 本発明の別の実施態様にかかる遠心圧縮機の図２と同様部分を示す縦断面図である。 本発明の別の実施態様にかかる遠心圧縮機の図２と同様部分を示す縦断面図である。 本発明の別の実施態様にかかる遠心圧縮機の図２と同様部分を示す縦断面図である。 本発明の別の実施態様にかかる遠心圧縮機の図２と同様部分を示す縦断面図である。 従来の遠心圧縮機の要部を示した正面図である。 従来の遠心圧縮機の縦断面図である。 ディフューザ部に翼を備えた場合と備えてない場合の遠心圧縮機の圧力比と流量の関係を示したグラフである。 ケーシングトリートメントを施した従来の遠心圧縮機を示した縦断面図である。 スライド式の可変ディフューザを備えた従来の遠心圧縮機を示す縦断面図である。 回動式の可変ディフューザを備えた従来の遠心圧縮機を示す縦断面図である。 ケーシングトリートメントを施した従来の遠心圧縮機における圧力比と流量の関係を示したグラフである。
符号の説明
１ 遠心圧縮機
５ 羽根車
７ ケーシング
９ ハブ
１１ ブレード
１３ ディフューザ部
１５ ボリュート部
１９ 隔壁
２１ ハブ側流路
２３ シュラウド側流路
２５ ディフューザベーン
２７ 流量調整弁
３１ 先端
３３ 貫通孔
３５ スリット
３９ 隔壁ハブ面
４１ 隔壁ケーシングトリートメント
４９ ハブケーシング面
５１ ハブケーシングトリートメント
５９ シュラウドケーシング面
６１ シュラウドケーシングトリートメント

Claims (9)

  1. ハブおよびその外周面に取り付けられた複数の羽根を有する羽根車と、該羽根車を収容するケーシングと、該羽根車の下流に接続されたディフューザ部と、該ディフューザ部の下流に接続されたボリュート部とを具備し、
    前記羽根車を回転駆動することにより、流体に遠心力を与えて該流体を圧縮する遠心圧縮機であって、
    少なくとも前記ディフューザ部および前記ボリュート部の内部に設けられ、前記ディフューザ部および前記ボリュート部の流路を前記流体の流通方向に分割し、ハブ側流路およびシュラウド側流路を形成する隔壁と、
    前記ハブ側流路および前記シュラウド側流路のいずれか一方に設けられ、当該流路の流量を調整する流量調整部と、
    前記隔壁における前記羽根車側端部の近傍位置に設けられ、前記ハブ側流路および前記シュラウド側流路を連通させる流体通路と、
    を備えている遠心圧縮機。
  2. 前記流体通路は、前記流量調整部を備えた前記ハブ側流路あるいは前記シュラウド側流路から前記流量調整部を備えていない前記シュラウド側流路あるいは前記ハブ側流路に向かい半径方向外側へ傾斜している請求項１に記載の遠心圧縮機。
  3. 前記流体通路は、前記羽根車の径の１．５倍の位置よりも先端側に設けられている請求項１または請求項２に記載の遠心圧縮機。
  4. 回転軸に取り付けられたハブの外周面に取り付けられた羽根車と、該羽根車を収容するケーシングと、該羽根車の下流に接続されたディフューザ部と、該ディフューザ部の下流に接続されたボリュート部とを具備し、
    前記羽根車を回転駆動することにより、流体に遠心力を与えて該流体を圧縮する遠心圧縮機であって、
    少なくとも前記ディフューザ部および前記ボリュート部の内部に設けられ、前記ディフューザ部および前記ボリュート部の流路を前記流体の流通方向に分割し、ハブ側流路およびシュラウド側流路を形成する隔壁と、
    前記ハブ側流路および前記シュラウド側流路のいずれか一方に設けられ、当該流路の流量を調整する流量調整部と、
    前記ディフューザ部における前記隔壁には、該流量調整部が設けられていない前記ハブ側流路あるいは前記シュラウド側流路に面する面に開口するように設けられた隔壁ケーシングトリートメントと、
    を備えている遠心圧縮機。
  5. 前記ディフューザ部における前記隔壁には、前記流量調整部が設けられていない前記ハブ側流路あるいは前記シュラウド側流路に面する面に開口するように隔壁ケーシングトリートメントが設けられている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
  6. 回転軸に取り付けられたハブの外周面に取り付けられた羽根車と、該羽根車を収容するケーシングと、該羽根車の下流に接続されたディフューザ部と、該ディフューザ部の下流に接続されたボリュート部とを具備し、
    前記羽根車を回転駆動することにより、流体に遠心力を与えて該流体を圧縮する遠心圧縮機であって、
    少なくとも前記ディフューザ部および前記ボリュート部の内部に設けられ、前記ディフューザ部および前記ボリュート部の流路を前記流体の流通方向に分割し、ハブ側流路およびシュラウド側流路を形成する隔壁と、
    前記ハブ側流路および前記シュラウド側流路のいずれか一方に設けられ、当該流路の流量を調整する流量調整部と、
    前記ディフューザ部における前記ケーシングには、該流量調整部が設けられていない前記ハブ側流路あるいは前記シュラウド側流路に面する面に開口するように設けられた第一ケーシングトリートメントと、
    を備えている遠心圧縮機。
  7. 前記ディフューザ部における前記ケーシングには、前記流量調整部が設けられていない前記ハブ側流路あるいは前記シュラウド側流路に面する面に開口するように第一ケーシングトリートメントが設けられている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
  8. 前記ディフューザ部における前記ケーシングには、前記流量調整部が設けられている前記ハブ側流路あるいは前記シュラウド側流路に面する面に開口するように第二ケーシングトリートメントが設けられている請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
  9. 少なくとも前記流量調整部が設けられていない前記ハブ側流路および前記シュラウド側流路の前記ディフューザ部には、ガイドベーンが設けられている請求項１から請求項８のいずれかに記載の遠心圧縮機。
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