JP2010229842A - コンプレッサ - Google Patents

Abstract

【課題】低流量域におけるサージングの発生を抑制してコンプレッサの作動領域を従来よりも拡大することが可能なコンプレッサを提供する。
【解決手段】複数の翼９、１０が周方向に設けられたインペラ３と、インペラ３を内部に収容するとともにインペラ３を回転自在に支持するハウジング４と、を備え、インペラ３の各翼９、１０間に導かれた気体に遠心力を付与してその気体の圧力を高めるコンプレッサ２において、インペラ３の各翼９、１０の表面には、複数の窪み１１がそれぞれ設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数の翼が周方向に設けられたインペラで気体を旋回させてその気体を圧縮するコンプレッサに関する。

内部を流体が流れる管の内面など流体と接する面に複数の窪み、いわゆるディンプルを設け、流体に良好な乱流を発生させて剥離を抑制し、これにより流体の抵抗を低減可能なことが知られている。例えば、内面にディンプルが設けられた内燃機関のインテークマニホールドやターボ過給機のタービンハウジング及びコンプレッサハウジング等が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開２００４−１７６７０７号公報 実開平３−１１０１４０号公報

ターボ過給機等に設けられ、複数の翼が設けられたインペラを回転させ、これら翼間に導かれた気体に遠心力を付与してその気体の圧力を高めるコンプレッサが知られている。このようなコンプレッサでは、気体の流量が少ない場合、翼の表面付近での気体の流速が低下して気体の剥離が発生し易くなる。翼からの気体の剥離が発生するとインペラから気体に十分にエネルギを伝達することができず、サージングが発生し易くなる。特許文献１には、このようなインペラにおける気体の剥離を抑制することについては開示も示唆もない。

そこで、本発明は、低流量域におけるサージングの発生を抑制してコンプレッサの作動領域を従来よりも拡大することが可能なコンプレッサを提供することを目的とする。

本発明のコンプレッサは、複数の翼が周方向に設けられたインペラと、前記インペラを内部に収容するとともに前記インペラを回転自在に支持するハウジングと、を備え、前記インペラの各翼間に導かれた気体に遠心力を付与してその気体の圧力を高めるコンプレッサにおいて、前記インペラの各翼の表面には、複数の窪みがそれぞれ設けられている（請求項１）。

本発明のコンプレッサによれば、インペラの各翼の表面に複数の窪み、すなわちディンプルをそれぞれ設けたので、翼の表面における気体の流れを乱流にして翼からの気体の剥離を抑制することができる。これによりインペラから気体に十分にエネルギを伝達することができるので、気体の流量が少ない低流量域でのサージングの発生を抑制してコンプレッサの作動領域を従来よりも拡大することができる。

本発明のコンプレッサの一形態において、前記インペラの外周に配置されるように前記ハウジング内に設けられた渦巻き状のスクロールと、前記インペラの吐出側と前記スクロールとを接続するディフューザ通路と、をさらに備え、前記ディフューザ通路を形成する壁面のうち、前記ディフューザ通路から前記スクロールに気体が流入する前記ディフューザ通路の出口部を形成する部分に複数の窪みが設けられていてもよい（請求項２）。このようにディフューザ通路の出口部に複数の窪みを設けることにより、この出口部での吸気の剥離を抑制することができる。そのため、ディフューザ通路からスクロールに気体をほぼ同じ方向に方向付けて流入させることができる。これによりスクロール内における気体の流れの乱れを抑制することができるので、スクロール内における気体の流速を高めてコンプレッサ効率を向上させることができる。

以上に説明したように、本発明のコンプレッサによれば、インペラの翼からの気体の剥離を抑制できるので、気体の流量が少ない低流量域でのサージングの発生を抑制することができる。そのため、コンプレッサの作動領域を従来よりも拡大することができる。

本発明の一形態に係るコンプレッサが組み込まれたターボ過給機を示す図。 図１の矢印II方向から見たインペラを示す図。 図２の矢印III方向から見たインペラを示す図。 スクロール及びディフューザ通路を拡大して示す図。 図３のV−V線におけるインペラの断面、及びその断面における吸気の速度分布の一例を示す図。 翼の表面にディンプルが無いインペラの翼間における吸気の速度分布の一例を示す図。 コンプレッサの特性曲線を示す図。

図１は、本発明の一形態に係るコンプレッサが組み込まれたターボ過給機の一部を示している。ターボ過給機１は内燃機関（以下、エンジンと称することがある。）の排気通路に設けられる不図示のタービンを有し、そのタービンによってエンジンの吸気通路に設けられるコンプレッサ２を駆動するように構成されている。なお、図１ではコンプレッサ２を拡大して示している。タービンは、この図においてコンプレッサ２の右側に設けられている。コンプレッサ２は、インペラ３と、インペラ３を内部に収容するとともにインペラ３を軸線Ａｘ回りに回転自在に支持するハウジング４とを備えている。インペラ３は、タービンのタービンホイール（不図示）と一体に回転するようにこのタービンホイールと回転軸５で連結されている。ハウジング４には、インペラ３の吸い込み側３ａに吸気を導く入口部６と、インペラ３の外周に配置される渦巻き状のスクロール７と、インペラ３の吐出側３ｂとスクロール７とを連通するディフューザ通路８とが設けられている。このコンプレッサ２では、矢印Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３で示したように入口部６、インペラ３、ディフューザ通路８、スクロール７の順に吸気が送られる。そして、コンプレッサ２は、インペラ３の各翼９、１０（図３参照）間に導かれた吸気に遠心力を付与してその吸気の圧力を高める。

図２及び図３は、インペラ３を拡大して示している。なお、図２は図１の矢印II方向から見たインペラ３を示し、図３は図２の矢印III方向から見たインペラ３を示している。インペラ３は、タービンホイールが排気で回転駆動された場合に図２の矢印Ｒ方向に回転駆動される。図３に示したようにインペラ３には、軸線Ａｘ方向の長さの異なる２種類の翼９、１０が設けられている。これらの翼９、１０は、複数周方向に交互に並ぶように設けられている。インペラ３の各翼９、１０の表面には、それぞれ複数の窪み（以下、ディンプルと称することがある。）１１が設けられている。図３に示したように複数のディンプル１１は、各翼９、１０の表面のうち矢印Ｒ方向側の面の翼縁９ａ、１０ａの部分に設けられている。各ディンプル１１の直径及び深さは、翼９、１０の表面積等に応じて適宜に設定される。ディンプル１１は、翼９、１０に対して例えばショットブラスト等の加工処理を行うことにより設けられる。

図４は、スクロール７及びディフューザ通路８を拡大して示している。この図に示したようにディフューザ通路８は、スクロール７のうち最もタービン側の部分、すなわち図４において最も右側の部分に接続されている。ディフューザ通路８は、図４の右側すなわちタービン側に位置する第１壁面１２と、その第１壁面１２と対向する第２壁面１３とによって形成されている。この図に示したように第２壁面１３には、複数の窪み（ディンプル）１４が設けられている。複数のディンプル１４は、第２壁面１３のうちディフューザ通路８からスクロール７に吸気が流入する部分であるディフューザ通路８の出口部８ａ、すなわちディフューザ通路８の最も外周の部分に設けられている。各ディンプル１４の直径及び深さは、ディフューザ通路８の幅等に応じて適宜に設定される。これらのディンプル１４も、例えばショットブラスト等の加工処理にて設けられる。このように第２壁面１３に複数のディンプル１４を設けることにより、この部分での吸気の剥離を抑制することができるので、図４に矢印Ｆｒで示したようにディフューザ通路８からスクロール７の内面よりも軸線Ａｘ寄りに流入する吸気を減少させることができる。そのため、ディフューザ通路８からスクロール７に送られた吸気の殆どを矢印Ｆ３、Ｆ４で示したようにスクロール７の内面に沿って流すことができる。

次に図５及び図６を参照してインペラ３における吸気の流れについて説明する。図５は、図３のV−V線におけるインペラ３の断面、及びその断面における吸気の速度分布の一例を示している。なお、この図では、低圧となるインペラ３の吸い込み側（以下、低圧側と称することもある。）３ａが上側に位置し、高圧となる吐出側（以下、高圧側と称することもある。）３ｂが下側に位置する。また、この図の矢印Ｒは、図２と同様にタービンホイールが排気で回転駆動された場合のインペラ３の回転方向を示している。図６は、各翼９、１０の表面にディンプル１１が無いインペラ３の翼間における吸気の速度分布の一例を示している。なお、図６において図５と共通の部分には同一の符号を付して説明を省略する。

図５に示したように、各翼９、１０に複数のディンプル１１が設けられているインペラ３では、これらのディンプル１１により翼９、１０の表面における吸気の流れを乱流にし、領域Ａで示した翼９、１０の表面付近の吸気の流速を高めることができる。そのため、この翼９、１０の表面付近の吸気に翼９、１０から十分にエネルギを伝達し、矢印Ｆｏｕｔで示したようにインペラ３から速やかに吸気を送り出すことができる。この場合、インペラ３からは図２に矢印Ｆｏｕｔで示したようにインペラ３のほぼ接線の方向に向かって吸気が吐出される。

一方、図６に示したように各翼９、１０にディンプル１１が無いインペラ３では、翼９、１０の表面において吸気の流れが乱流にならないため、翼９、１０と吸気との摩擦により翼９、１０の表面における吸気の流速が遅くなる。この場合、図６に矢印Ｆｂａｃｋで示したように翼９、１０の翼縁９ａ、１０ａから吐出された吸気の一部が翼９、１０の裏側に回り込む。そして、回り込んだ吸気により翼９、１０の裏側における吸気の流れ方向が高圧側から低圧側になり、吸気の剥離が発生する。この場合、インペラ３からは図２に矢印Ｆｅｘｆで示したようにインペラ３の回転方向とは反対の方向に吸気が吐出される。

本形態のコンプレッサ２によれば、インペラ３の各翼９、１０に複数のディンプル１１をそれぞれ設けたので、翼９、１０の表面付近の吸気の流れを乱流にすることができる。そのため、図５に示したように翼９、１０からの吸気の剥離を抑制することができる。これにより、インペラ３から吸気に十分にエネルギを伝達することができるので、吸気の流量が少ない低流量域でも高圧側から低圧側への吸気の逆流を防止し、翼９、１０からの吸気の剥離を抑制することができる。そのため、低流量域でのサージングの発生を抑制することができる。

図７は、コンプレッサ２の特性曲線を示している。なお、実線Ｌ１がコンプレッサ２のサージラインを示し、領域Ｓがコンプレッサ２でサージングが発生するサージ領域を示し、領域Ｃがサージングを発生させることなくコンプレッサ２を作動させることが可能な作動領域を示している。図７には、比較例として図６に示した翼９、１０にディンプル１１が設けられていないインペラ３のサージラインを想像線Ｌ２で示した。この図に示したようにインペラ３の翼９、１０にディンプル１１を設けることにより、コンプレッサ２のサージラインを矢印α方向、すなわち低流量側に移動させることができる。そのため、コンプレッサ２の作動領域を低流量側に拡大することができる。

コンプレッサ２においては、ディフューザ通路８の出口部８ａにも複数のディンプル１４が設けられているので、図４に矢印Ｆｒで示した方向への吸気の流入を抑制できる。そのため、スクロール７内において図４に矢印Ｆ４で示した吸気の流れとは逆方向に旋回する流れ、いわゆる二次流れが発生することを抑制できる。従って、コンプレッサ効率を高めることができる。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、上述した形態ではインペラの翼の翼縁の部分にのみディンプルを設けたが、ディンプルを設ける箇所はこの部分に限定されない。例えば、翼の表面のうちインペラの回転方向側の面の全面にディンプルを設けてもよい。また、翼の全面にディンプルを設けてもよい。このようにディンプルを設けても翼からの気体の剥離を抑制することができる。ディフューザ通路にディンプルを設ける位置も上述した形態で示した位置に限定されない。上述した形態では第２壁面のみにディンプルを設けたが、第１壁面のうちディフューザ通路の出口部を形成する部分にもディンプルを設けてもよい。

上述した形態では、本発明のコンプレッサをターボ過給機に組み込んだ形態を示したが、本発明のコンプレッサはターボ過給機に組み込まずに単独で使用してもよい。

２ コンプレッサ
３ インペラ
３ｂ 吐出側
４ ハウジング
７ スクロール
８ ディフューザ通路
８ａ 出口部
９ 翼
１０ 翼
１１ 複数の窪み
１２ 第１壁面
１３ 第２壁面
１４ 複数の窪み

Claims (2)

1. 複数の翼が周方向に設けられたインペラと、前記インペラを内部に収容するとともに前記インペラを回転自在に支持するハウジングと、を備え、前記インペラの各翼間に導かれた気体に遠心力を付与してその気体の圧力を高めるコンプレッサにおいて、
   前記インペラの各翼の表面には、複数の窪みがそれぞれ設けられているコンプレッサ。
2. 前記インペラの外周に配置されるように前記ハウジング内に設けられた渦巻き状のスクロールと、前記インペラの吐出側と前記スクロールとを接続するディフューザ通路と、をさらに備え、
   前記ディフューザ通路を形成する壁面のうち、前記ディフューザ通路から前記スクロールに気体が流入する前記ディフューザ通路の出口部を形成する部分に複数の窪みが設けられている請求項１に記載のコンプレッサ。

Images