JP2011080401A - 遠心圧縮機のスワール生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インペラの部分から取り出した空気をインペラよりも上流側に旋回させて戻す遠心圧縮機のスワール生成装置の構成の簡素化を図る。
【解決手段】圧縮機ハウジング２内に、インペラ用吸込筒体６を設けると共に、その上流側に出口開閉用筒体９を軸方向移動可能且つ周方向回動可能に配置する。インペラ用吸込筒体６の上流端面と出口開閉用筒体９の下流端面とに、夫々周方向に沿ってジグザグ状に複数の段部９ｘ、６ｘを形成する。出口開閉用筒体９を回動させることで、出口開閉用筒体９の各段部９ｘがインペラ用吸込筒体６の各段部６ｘに乗り上がって、出口開閉用筒体９が上流側に移動され、上流端面と前記下流端面との間に、周方向に間隔を隔てて複数の出口１２が形成される。各段部６ｘ、９ｘには、循環通路７から出口１２を通って吸込通路５に流れる空気に旋回流を与える傾斜面６ｙ、９ｙが形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧縮機ハウジング内に収容されたインペラの部分から取り出した空気をインペラよりも上流側に旋回させて戻す遠心圧縮機のスワール生成装置に関する。

遠心圧縮機は、圧縮機内へと流入する空気量が減少してくると、圧縮機特性曲線がサージ線を越えてサージング領域に入る特性がある。従って、このサージ線をより低流量側へ移動させることができれば、遠心圧縮機の作動領域を低流量側に拡大することができる。

遠心圧縮機の圧縮機ハウジング内に、インペラの部分から取り出した空気をインペラよりも上流側に戻す循環通路を設け、圧縮機に吸引される空気の一部を循環させることで、サージ線を低流量側へ移動させる作動域拡大手法が提案されている（特許文献１）。この手法では、圧縮機に吸い込まれた空気の流れは、回転するインペラの位置にて圧力が上昇してインペラの上流側や循環通路内よりも圧力が高くなるため、その静圧差に基づいて循環流が発生する。この循環流により、圧縮機に吸い込まれる見かけ上の流量が増すため、本来サージング領域に入るような低流量の運転状況であっても、サージング領域に入らない。すなわち、サージ線を低流量側へ移動させることができる。

ところで、かかる手法の場合、前記循環通路からインペラの吸込通路に戻される空気は、インペラの回転方向に沿う流れ、すなわち順旋回方向の流れとなる。このため、空気を循環させない場合と比べると作動領域を低流量側に拡大することができるものの、圧縮機入口から出口への流れ角の転向が小さくなるため、オイラーヘッド（単位質量流量あたりのエネルギ上昇）を低下させてしまうことになる。

オイラーヘッドを低下させることなく広作動領域化を実現するため、循環通路から流出する流れをルーバによりインペラ回転方向に対して逆旋回方向とする遠心圧縮機の作動域拡大装置が提案されている（特許文献２）。この装置では、循環通路に、そこからインペラの吸込通路へ流出する空気にインペラ回転方向に対して逆向きの流れを与える複数の固定ルーバを放射状に配置している。これら固定ルーバの導流作用によって吸込通路に戻される空気がインペラ回転方向に対して逆旋回方向の流れとなり、オイラーヘッドの低下が防止される。しかし、この装置では、循環流の流量調節ができない。

また、循環通路の出口に、そこからインペラの吸込通路へ流出する空気にインペラ回転方向に対して逆向きの流れを与えるための複数の可動ベーンを放射状に配置した遠心圧縮機が提案されている（特許文献３）。この遠心圧縮機では、可動ベーンの角度を変更することで、循環流の流量と旋回角度とを制御することができる。

特開平５−６００９７号公報 特許第３４９４１１８号公報 特開２００７−２５５３８１号公報

ところで、文献３の遠心圧縮機では、複数の可動ベーンの角度を連動させて変更する必要があるので、その機構が複雑となってコストアップを招いてしまう。

そこで、本発明の目的は、簡単な構成で、循環流に旋回を与えつつ循環流の流量を調節できる遠心圧縮機のスワール生成装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、圧縮機ハウジング内に収容されたインペラの部分から取り出した空気を前記インペラよりも上流側に旋回させて戻す遠心圧縮機のスワール生成装置において、前記圧縮機ハウジング内に設けられ、内部が前記インペラへ空気を導く吸込通路となるインペラ用吸込筒体と、該インペラ用吸込筒体の径方向外側にて前記インペラに対向する位置からそれよりも上流側にかけて形成された循環通路と、前記インペラに対向する位置で前記循環通路と前記吸込通路とを連通する入口と、前記インペラ用吸込筒体の上流側に、上下流方向に移動可能且つ上下流に沿った軸回りに回動可能に配設された出口開閉用筒体と、該出口開閉用筒体を前記インペラ用吸込筒体に対して前記軸回りに回動させるアクチュエータと、該アクチュエータで前記出口開閉用筒体を回動させた際、前記出口開閉用筒体の下流端面と前記インペラ用吸込筒体の上流端面との間に前記循環通路と前記吸込通路とを連通して形成され、前記循環通路から前記吸込通路に流れる空気に旋回流を与える出口と、を備えたものである。

前記出口開閉用筒体の下流端面と、前記インペラ用吸込筒体の上流端面とに、夫々、周方向に沿ってジグザグ状に複数の段部を形成し、前記出口が、前記アクチュエータで前記出口開閉用筒体を回動させた際、前記出口開閉用筒体の下流端面のジグザグ状の各段部が前記インペラ用吸込筒体の上流端面のジグザグ状の各段部に沿って移動して上記出口開閉用筒体が上流側に移動されることで、前記上流端面と前記下流端面との間に、周方向に間隔を隔てて複数形成されても良い。

前記インペラ用吸込筒体の上流端面のジグザグ状の各段部、前記出口開閉用筒体の下流端面のジグザグ状の各段部に、夫々、前記循環通路から前記出口を通って前記吸込通路に流れる空気に旋回流を与える傾斜面を形成してもよい。

前記傾斜面は、前記インペラの回転方向と反対方向に旋回流を与える向きに傾斜されてもよく、前記インペラの回転方向と同方向に旋回流を与える向きに傾斜されてもよい。

本発明に係る遠心圧縮機のスワール生成装置によれば、簡単な構成で、循環流に旋回を与えつつ循環流の流量を調節できる。

本発明の一実施形態を示す遠心圧縮機のスワール生成装置を示す概略側断面図である。 図１の要部拡大図であり、（ａ）は出口を閉じたとき、（ｂ）は出口を開いたときを示す。 （ａ）は、図２（ａ）のIIIａ線矢視図、（ｂ）は、図２（ｂ）のIIIｂ線矢視図である。 （ａ）は、図３（ａ）のIVａ−IVａ線矢視図、（ｂ）は、図３（ｂ）のIVｂ−IVｂ線矢視図である。 本発明の変形実施形態を示す遠心圧縮機のスワール生成装置の出口部分の断面図であり、（ａ）は、出口を閉じたとき、（ｂ）は、出口を開いたときを示す。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図４を参照して説明する。

図１に示すように、この遠心圧縮機１は、圧縮機ハウジング２内に収容されたインペラ３の部分から圧気の一部を取り出し、取り出した圧気（空気）をインペラ３よりも上流側に旋回させて戻すスワール生成装置４を備えている。

図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、スワール生成装置４は、圧縮機ハウジング２内に設けられ、内部がインペラ３へ空気を導く吸込通路５となるインペラ用吸込筒体６と、インペラ用吸込筒体６の径方向外側にてインペラ３に対向する位置からそれよりも上流側にかけて形成された循環通路７とを有する。

インペラ用吸込筒体６は、圧縮機ハウジング２の内部に、圧縮機ハウジング２と一体的に設けられている。循環通路７は、インペラ用吸込筒体６の径方向外側にてリング状に形成された空間からなり、その外周側の通路壁が圧縮機ハウジング２に形成された壁面２ａで区画され、内周側の通路壁がインペラ用吸込筒体６の外周面６ａで区画される。

また、スワール生成装置４は、循環通路７と吸込通路５とをインペラ３に対向する位置で連通する入口８と、インペラ用吸込筒体６の上流側に、上下流方向に移動可能且つ上下流に沿った軸回りに回動可能に配設された出口開閉用筒体９と、出口開閉用筒体９をインペラ用吸込筒体６に対して軸回りに回動させるアクチュエータ１０とを有する。

入口８は、インペラ用吸込筒体６の周方向に沿ってリング状に、或いは周方向に間隔を隔てて複数、形成されている。なお、入口８をリング状とした場合には、インペラ用吸込筒体６の外周面６ａと圧縮機ハウジング２の壁面２ａとの間に支持リブ（図示せず）を設け、インペラ用吸込筒体６が圧縮機ハウジング２から脱落しないようにする。

出口開閉用筒体９は、圧縮機ハウジング２内にインペラ用吸込筒体６と同芯的に形成された装着穴１１に、上下流方向に移動可能且つ軸回りに回動可能に係合されている。出口開閉用筒体９の内周面は、インペラ用吸込筒体６の内周面と面一となっており、出口開閉用筒体９の外周面は、装着穴１１に移動可能に嵌り、循環通路７の一部を区画する。

アクチュエータ１０は、出口開閉用筒体９をインペラ用吸込筒体６に対して軸回りに所定角度範囲で回動させるリンク機構１０ａ、リンク機構１０ａを作動させる電動シリンダ（図示せず）等を有する。リンク機構１０ａは、出口開閉用筒体９を回動させた際、出口開閉用筒体９が軸方向に移動することを許容する。なお、リンク機構１０ａには、出口開閉用筒体９の下流端面をインペラ用吸込筒体６の上流端面に押し付ける方向に付勢するバネ等の付勢部材が接続されている。

図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、スワール生成装置４は、出口開閉用筒体９の下流端面と、インペラ用吸込筒体６の上流端面とに、夫々周方向に沿ってジグザグ状に形成された複数の段部９ｘ、６ｘを有する。出口開閉用筒体９の各段部９ｘとインペラ用吸込筒体６の各段部６ｘとは、互いに密着するように、雄型形状と雌型形状とに形成されている。

また、スワール生成装置４は、出口開閉用筒体９を回動させた際、出口開閉用筒体９の下流端面のジグザグ状の各段部９ｘがインペラ用吸込筒体６の上流端面のジグザグ状の各段部６ｘに沿って動き、出口開閉用筒体９が上流側に移動されることで、上流端面と下流端面との間に周方向に間隔を隔てて複数形成される出口１２を有する。各出口１２は、図２（ｂ）に示すように、循環通路７と吸込通路５とを連通する。

図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、スワール生成装置４は、循環通路７から出口１２を通って吸込通路５に流れる空気に旋回流を与える傾斜面６ｙ、９ｙを有する。これら傾斜面６ｙ、９ｙは、インペラ用吸込筒体６の上流端面のジグザグ状の各段部６ｘ、出口開閉用筒体９の下流端面のジグザグ状の各段部９ｘに、夫々形成されている。傾斜面６ｙは、インペラ用吸込筒体６の内周面の接線に沿って傾斜され、傾斜面９ｙは、出口開閉用筒体９の内周面の接線に沿って傾斜されている。

傾斜面６ｙ、９ｙは、本実施形態では、インペラ３の回転方向と反対方向に旋回流を与える向きに傾斜されているが、インペラ３の回転方向と同方向に旋回流を与える向きに傾斜されていても構わない。要は、インペラ３の回転方向と反対方向又は同方向に旋回流を与える傾斜面が存在していればよい。

例えば、ターボチャージャ等に用いられる比較的高い圧力比の遠心圧縮機の場合、本実施形態のようにインペラ３の回転方向と反対方向に旋回流を生成し、産業用圧気発生装置等に用いられる比較的低い圧力比の遠心圧縮機の場合、本実施形態とは逆にインペラ３の回転方向と同方向に旋回流を生成することが好ましい。

本実施形態に係る遠心圧縮機１のスワール生成装置４の作用を述べる。

図２（ａ）に示すアクチュエータ１０により出口開閉用筒体９を回動させ、図３（ａ）に示すように、出口開閉用筒体９の下流端面の各段部９ｘをインペラ用吸込筒体６の上流端面の各段部６ｘに密着させると、図４（ａ）に示すように、出口開閉用筒体９の傾斜面９ｙがインペラ用吸込筒体６の傾斜面６ｙに密着し、循環通路７の出口１２が閉じられた状態となるので、循環流は発生しない。

図２（ｂ）に示すアクチュエータ１０により出口開閉用筒体９を逆回りに回動させると、図３（ｂ）に示すように、出口開閉用筒体９の各段部９ｘとインペラ用吸込筒体６の各段部６ｘとが筒体の軸方向に対して傾斜されているので、出口開閉用筒体９の各段部９ｘがインペラ用吸込筒体６の各段部６ｘに沿って動き、出口開閉用筒体９が軸回りに回動しつつ上流側に移動する。

すると、図４（ｂ）に示すように、出口開閉用筒体９の傾斜面９ｙがインペラ用吸込筒体６の傾斜面６ｙから離間し、それら傾斜面９ｙ、６ｙの間に出口１２が形成される。出口１２は、図３（ｂ）に示すように、段部９ｘ、６ｘの数に応じて、周方向に間隔を隔てて複数形成される。

この結果、図２（ｂ）に示すように、インペラ３の部分から入口８を通って循環通路７に導かれた空気は、出口１２から流出する際に傾斜面９ｙ、６ｙによって旋回されつつ吸込通路５に戻される。

また、アクチュエータ１０により出口開閉用筒体９の回動角度を調節することで、図３（ｂ）に示す段部６ｘ、９ｘの乗上り量が変わり、図４（ｂ）に示す出口１２の通路面積を変更できるので、循環流量の制御が可能となる。

このような、循環通路７から吸込通路５に戻される循環空気に旋回流を与える機能と、循環空気の循環流量を変更する機能とは、従来例のように複数の可動ベーンを出口１２に設けてそれらの角度を連動させて変更するといった複雑な構成を用いることなく、極めて簡単な構成で達成している。

すなわち、本実施形態に係る遠心圧縮機１のスワール生成装置４は、圧縮機ハウジング２内に、インペラ用吸込筒体６を設けると共に、その上流側に出口開閉用筒体９を軸方向移動可能且つ周方向回動可能に配置し、インペラ用吸込筒体６の上流端面に段部６ｘ及び傾斜面６ｙを設け、出口開閉用筒体９の下流端面に段部９ｘ及び傾斜面９ｙを設け、出口開閉用筒体９を回動させるという極めて簡単な構成で、吸込通路５に戻される空気に旋回流を与え、且つ循環流量を変更できる。よって、コストダウン及び信頼性・耐久性を向上できる。

次に、遠心圧縮機１の運転状態に応じたスワール生成装置４の作動を述べる。

遠心圧縮機１の低流量運転時には、アクチュエータ１０によって出口開閉用筒体９を回動させて出口１２を広く開く。これにより、循環流量が大きくなり、サージングし難くなる。

遠心圧縮機１が低流量運転から中流量運転に移行するにつれて、アクチュエータ１０によって出口開閉用筒体９を徐々に逆回りに回動させて出口１２の通路面積を絞っていく。これにより、循環流量が徐々に小さくなっていく。遠心圧縮機１が低流量運転から中流量運転に移行するにつれて、サージングし難くなり、また、循環させることなくインペラ３を通過する流量を増やした方が、吹出風量を稼ぐことができ、効率がよいからである。

遠心圧縮機１が中流量運転から高流量運転に移行すると、アクチュエータ１０によって出口開閉用筒体９を更に逆回りに回動させて出口１２を完全に閉じる。これにより、循環流量が零となり、圧縮機１が吸い込んだ空気を全てインペラ３で加速して吹き出すことができる。また、高流量運転時に生じ易い、圧縮機１が吸い込んだ空気の一部が出口１２から循環通路７を通って入口８からインペラ３に通り抜ける吹抜現象を、防止できる。

図５に本発明の変形実施形態を示す。

この変形実施形態は、インペラ用吸込筒体６の傾斜面６ｙと、出口開閉用筒体９の傾斜面９ｙとが、前実施形態のように平面ではなく、湾曲面となっている。傾斜面６ｙ、９ｙを湾曲面とすることで、平面の場合よりも出口１２を通過する際に圧力損失を小さくすることが可能となる。また、この変形実施形態は、傾斜面６ｙ、９ｙが湾曲面であることを除き、前実施形態と同様の構成となっているので、前実施形態と同様の作用と効果を奏する。

１ 遠心圧縮機
２ 圧縮機ハウジング
３ インペラ
４ スワール生成装置
５ 吸気通路
６ インペラ用吸込筒体
６ｘ 段部
６ｙ 傾斜面
７ 循環通路
８ 入口
９ 出口開閉用筒体
９ｘ 段部
９ｙ 傾斜面
１０ アクチュエータ
１２ 出口

Claims (5)

1. 圧縮機ハウジング内に収容されたインペラの部分から取り出した空気を前記インペラよりも上流側に旋回させて戻す遠心圧縮機のスワール生成装置において、
   前記圧縮機ハウジング内に設けられ、内部が前記インペラへ空気を導く吸込通路となるインペラ用吸込筒体と、
   該インペラ用吸込筒体の径方向外側にて前記インペラに対向する位置からそれよりも上流側にかけて形成された循環通路と、
   前記インペラに対向する位置で前記循環通路と前記吸込通路とを連通する入口と、
   前記インペラ用吸込筒体の上流側に、上下流方向に移動可能且つ上下流に沿った軸回りに回動可能に配設された出口開閉用筒体と、
   該出口開閉用筒体を前記インペラ用吸込筒体に対して前記軸回りに回動させるアクチュエータと、
   該アクチュエータで前記出口開閉用筒体を回動させた際、前記出口開閉用筒体の下流端面と前記インペラ用吸込筒体の上流端面との間に前記循環通路と前記吸込通路とを連通して形成され、前記循環通路から前記吸込通路に流れる空気に旋回流を与える出口と、
   を備えたことを特徴とする遠心圧縮機のスワール生成装置。
2. 前記出口開閉用筒体の下流端面と、前記インペラ用吸込筒体の上流端面とに、夫々、周方向に沿ってジグザグ状に複数の段部を形成し、
   前記出口が、前記アクチュエータで前記出口開閉用筒体を回動させた際、前記出口開閉用筒体の下流端面のジグザグ状の各段部が前記インペラ用吸込筒体の上流端面のジグザグ状の各段部に沿って移動して上記出口開閉用筒体が上流側に移動されることで、前記上流端面と前記下流端面との間に、周方向に間隔を隔てて複数形成された
   請求項１に記載の遠心圧縮機のスワール生成装置。
3. 前記インペラ用吸込筒体の上流端面のジグザグ状の各段部、前記出口開閉用筒体の下流端面のジグザグ状の各段部に、夫々、前記循環通路から前記出口を通って前記吸込通路に流れる空気に旋回流を与える傾斜面を形成した請求項１または２に記載の遠心圧縮機のスワール生成装置。
4. 前記傾斜面が、前記インペラの回転方向と反対方向に旋回流を与える向きに傾斜された請求項３に記載の遠心圧縮機のスワール生成装置。
5. 前記傾斜面が、前記インペラの回転方向と同方向に旋回流を与える向きに傾斜された請求項３に記載の遠心圧縮機のスワール生成装置。

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