JP2012036782A

JP2012036782A - 圧縮機

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Publication number: JP2012036782A
Application number: JP2010176114A
Authority: JP
Inventors: Ryusuke Numakura; 龍介沼倉
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2010-08-05
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2030-08-05
Also published as: JP5533412B2

Abstract

【課題】圧縮できる最大流量を維持したまま、効率を悪化させることなく小流量側へ作動域を拡大でき、これにより広い流量範囲で作動可能な圧縮機を提供する。
【解決手段】軸心を中心に回転して気体を圧縮するインペラ（遠心インペラ）１２ａまたは動翼列１４ａと、インペラを囲みその内側に気体の主流路１５を構成するケーシング１６と、主流路１５の上流側と下流側におけるケーシング内面にそれぞれ開口する循環流路１８と、その気体流量を連続的に制御可能な循環量制御装置２０、を備える。循環流路１８は、主流路１５の上流側と下流側におけるケーシング内面にそれぞれ開口する上流端１８ａ及び下流端１８ｂと、上流端と下流端を結ぶ中間部分１８ｃとを有する。循環量制御装置２０は、前記球面形状の外面及び内面に沿って円弧状に延びる複数のベーン２０ａと、軸心上の点を通る揺動軸２１を中心に複数のベーンを揺動させるアクチュエータ２０ｂとからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ケーシングトリートメントを備えた圧縮機に関する。

圧縮機の小流量側の作動域を拡大する手段として、循環型のケーシングトリートメントが提案され、既に用いられている（例えば、特許文献１〜４）。

また、バイパス還流路における循環量を制御する手段として、特許文献５，６が開示されている。
さらに、ターボチャージャの流量制御手段として、特許文献７が開示されている。

特許文献１，２は、遠心圧縮機に関するものであり、インペラが位置するケーシングに設置されたスリットから気体を抽気してインペラの上流側に気体を循環させるものである。
特許文献３は、軸流圧縮機に関するものであり、インペラが位置するケーシングに周方向に延びるスリットを設け、このスリット内で気体を循環させるものである。
特許文献４は、軸流圧縮機に関するものであり、インペラが位置するケーシングに設置されたスリットから気体を抽気してインペラの上流側に気体を循環させるものである。

特許文献５は、遠心圧縮機のバイパス還流路にバイパス制御弁を設けて循環量を制御するものである。
特許文献６は、遠心圧縮機のバイパス還流路に周方向速度成分を制御する案内部材を設けて循環量を制御するものである。
特許文献７は、ターボチャージャに流入するガス量を制御する可変ノズルを備えたものである。

特開２００９−２０９８５８号公報、「遠心圧縮機」米国特許第４，７４３，１６１号公報、「ＣＯＭＰＲＥＳＳＯＲＳ」米国特許第５，７０７，２０６号公報、「ＴＵＲＢＯＭＡＣＨＩＮＥ」米国特許第５，６０７，２８４号公報、「ＢＡＦＦＬＥＤＰＡＳＳＡＧＥＣＡＳＩＮＧＴＲＥＡＴＭＥＮＴＦＯＲＣＯＭＰＲＥＳＳＯＲＢＬＡＤＥＳ」特開２００６−２６５０号公報、「入口ベーンとバイパス制御弁とを連動させて遠心圧縮機」特開２００６−３４２６８２号公報、「遠心圧縮機の作動域拡大方法及び装置」特開２０００−１２０４４２号公報、「可変容量形ターボチャージャ」

圧縮機において、上述した従来のケーシングトリートメントを適用した場合、以下の問題点があった。

従来のケーシングトリートメントでは、抽気流量が少ない場合があり、その結果、小流量側作動域への拡大が困難であり、かつ小流量時における効率が悪化する。
また、上述した従来のケーシングトリートメントでは、抽気が常時行われるため、最大流量側では効率が悪化するおそれがある。

また、特許文献５，６の流量制御手段を適用した場合、従来のケーシングトリートメント（又はバイパス還流路）では、流路面積が小さく、圧損が大きいため、効率が大幅に低下する問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、圧縮できる最大流量を維持したまま、効率を悪化させることなく小流量側へ作動域を拡大でき、これにより広い流量範囲で作動可能な圧縮機を提供することにある。

本発明によれば、軸心を中心に回転して気体を圧縮するインペラと、
前記インペラを囲みその内側に気体の主流路を構成するケーシングと、
前記主流路の上流側と下流側におけるケーシング内面にそれぞれ開口する循環流路と、
該循環流路を流れる気体の流量を連続的に制御可能な循環量制御装置と、を備え、
前記循環流路は、前記主流路の上流側と下流側におけるケーシング内面にそれぞれ開口する上流端及び下流端と、上流端と下流端を結ぶ中間部分とを有し、前記循環流路の前記上流端は、前記主流路において前記インペラの上流端よりも下流側に位置し、
前記中間部分の少なくとも一部は、その外面及び内面が前記軸心上の点を中心とする球面形状であり、
前記循環量制御装置は、前記球面形状の外面及び内面に沿って円弧状に延びる複数のベーンと、前記軸心上の点を通る揺動軸を中心に前記複数のベーンを揺動させるアクチュエータとからなる、ことを特徴とする圧縮機が提供される。

本発明の第１実施形態によれば、前記主流路には、前記軸心の方向に前記気体を加圧する動翼列と静翼列が配置されており、前記インペラは前記動翼列であり、
前記主流路に配置され、前記動翼列と静翼列の下流側に位置する遠心インペラを備える。

本発明の第２実施形態によれば、前記インペラは、前記軸心に対する半径方向外側に気体を送出することで該気体を加圧する遠心インペラである。

上記本発明の構成によれば、前記循環流路の中間部分の少なくとも一部は、その外面及び内面が前記軸心上の点を中心とする球面形状であるので、前記循環流路の面積を大きく取れる。
また、前記循環量制御装置は、前記球面形状の外面及び内面に沿って円弧状に延びる複数のベーンを備えるので、複数のベーンの揺動により前記循環流路の開度の調整範囲を大きくすることができる。
その結果、循環流路の流量を増加させれば、上述したように小流量側へ作動域を拡大することができ、循環流路の流量を減少させてゼロにすれば、抽気のない場合に圧縮できる最大流量を維持することができる。よって、循環量制御装置により循環流路の流量を制御することにより、圧縮できる最大流量を維持したまま、効率を悪化させることなく小流量側へ作動域を拡大できる。

本発明の第１実施形態による圧縮機（複合ターボ圧縮機）の全体構成図である。図１のＡ−Ａ断面図である。本発明の第１実施形態による圧縮機の静圧分布図である。従来の複合ターボ圧縮機における流量と圧力比及び効率との関係図である。本発明の第１実施形態による圧縮機における流量と圧力比及び効率との関係図である。本発明の第２実施形態による圧縮機（遠心圧縮機）の全体構成図である。本発明の第３実施形態による圧縮機（軸流圧縮機）の全体構成図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による圧縮機の全体構成図である。
この図において、本発明の第１実施形態による圧縮機１０は、軸流圧縮部１２、遠心圧縮部１４、ケーシング１６、循環流路１８、及び循環量制御装置２０を備える複合ターボ圧縮機である。
本発明の第１実施形態による圧縮機１０は、例えば空気を圧縮する過給機用の圧縮機であるが、本発明はこれに限定されず、その他の圧縮機であってもよい。

軸流圧縮部１２は、軸心Ｚ−Ｚを中心に回転する動翼列１２ａと、動翼列１２ａの下流側（図で右側）で回転しない静翼列１２ｂとを有する。この例において、軸流圧縮部１２は、１列の動翼列１２ａと１列の静翼列１２ｂからなる単段の軸流圧縮部であるが、本発明はこれに限定されず、複数の動翼列１２ａと静翼列１２ｂからなる多段の軸流圧縮部であってもよい。動翼列１２ａと静翼列１２ｂは、軸心Ｚ−Ｚの方向に気体を加圧する。

遠心圧縮部１４は、軸流圧縮部１２の下流側（図で右側）に軸流圧縮部１２と同軸に配置されており、同一の軸心Ｚ−Ｚを中心に回転する遠心インペラ１４ａを有する。遠心インペラ１４は、軸心Ｚ−Ｚに対する半径方向外側に気体を送出することで該気体を加圧する。
軸流圧縮部１２と遠心圧縮部１４の回転軸（図示せず）は、同一でも別軸でもよい。別軸の場合、それぞれの回転速度は、同一でも相違してもよい。

ケーシング１６は、軸流圧縮部１２の動翼列１２ａ及び静翼列１２ｂと遠心圧縮部１４の遠心インペラ１４ａを囲み、その内側に気体１の主流路１５を構成する。
気体１は、例えば空気であるが、その他の気体（排気ガス、窒素ガス、等）であってもよい。
主流路１５は、ケーシング１６の内面１６ａと動翼列１２ａが取り付けられたロータ１３との間、及びケーシング１６の内面１６ａと遠心インペラ１４ａの翼部が取り付けられたコーン部１７との間の空間である。主流路１５の断面形状は、ドーナツ形状（中空円形）である。

上述した構成により、本発明の第１実施形態による圧縮機１０は、前方から吸入した低圧の気体１を軸流圧縮部１２で圧縮して中圧の気体２とし、これを再度遠心圧縮部１４で圧縮して更に圧力の高い高圧の気体３として、外部に送出するようになっている。従って、軸流圧縮部１２と遠心圧縮部１４により高い圧縮比を達成することができる。

図１において、循環流路１８は、動翼列１２ａの上流側（図で左側）と下流側（図で右側）のケーシング内面１６ａを直接連通する流路である。
循環流路１８の上流端１８ａは、動翼列１２ａの下流側に位置するケーシング内面１６ａに開口しており、循環流路１８の下流端１８ｂは、動翼列１２ａの上流側に位置するケーシング内面に開口している。上流端１８ａと下流端１８ｂを結ぶ循環流路１８の中間部分１８ｃはケーシング１６の内面１６ａより外側に設けられている。

循環流路１８の上流端１８ａ及び下流端１８ｂのケーシング１６の内面１６ａへの開口形状は、周方向に連続的又は断続的に延びる１又は複数のスリット形状であるのが好ましい。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。
図１、図２に示すように、循環流路１８の中間部分１８ｃの少なくとも一部は、その外面１９ａ及び内面１９ｂが軸心Ｚ−Ｚ上の点Ｏを中心とする球面形状になっている。この例において、外面１９ａは点Ｏを中心とする半径Ｒ１の球面の一部であり、内面１９ｂは点Ｏを中心とする半径Ｒ２の球面の一部である。

従って、この部分において、循環流路１８の点Ｏを通る平面での断面形状は、点Ｏを中心とする中空円形となる。しかし、本発明は、中空円形の断面形状に限定されず、その一部が分割された円弧形状であってもよい。

循環量制御装置２０は、循環流路１８を流れる気体の流量を連続的に制御できるように構成されている。
この例において、循環量制御装置２０は、前記球面形状の外面１９ａ及び内面１９ｂに沿って円弧状に延びる複数のベーン２０ａと、Ｚ−Ｚ上の点Ｏを通る揺動軸２１を中心に複数のベーン２０ａを揺動させるアクチュエータ２０ｂとからなる。
複数のベーン２０ａの揺動は、同期するのが好ましい。また、この同期を達成するために、複数の揺動軸２１を同期させる同期機構を用いるのが好ましい。また各揺動軸２１をそれぞれ別のアクチュエータ２０ｂで同期させてもよい。

ベーン２０ａの気体の流れに沿った断面形状は、この例では平板であるが、翼形であるのが好ましく、その他の形状であってもよい。

また、図２において、複数のベーン２０ａは、周方向に３０度ピッチで１２枚設けられ、それぞれ揺動軸２１を中心に揺動して、循環流路１８の中空円形流路を全閉できるようになっている。さらに全閉から揺動軸２１を９０度揺動させることにより、循環流路１８を全開することができる。
従って、この構成により、循環流路１８の流量を全閉から全開まで制御することができる。

また、上述した複数のベーン２０ａは、揺動軸２１を中心に揺動して流量を連続的に制御するため、ベーン２０ａを通過した気体は、ベーンの向きにより、軸心Ｚ−Ｚを中心とする旋回（スワール）が付加される。
このスワールの方向は、圧縮機の回転方向と同じ順スワールでも、圧縮機の回転方向と逆向きの逆スワールでもよい。また、このスワールにより、動翼列１２ａに流入する気体全体のスワールを制御し、効率を高めてもよい。

上述した循環量制御装置２０により、複数のベーン２０ａを同期して揺動することにより、循環流路１８を流れる気体の流量を連続的に制御することができる。

図３は、本発明の第１実施形態による圧縮機の静圧分布図である。
この図において、横軸は遠心インペラ１４ａの下流端を基準とする軸方向位置（ｍｍ）、縦軸は回転中心（Ｚ−Ｚ軸）からの半径方向距離（ｍｍ）と入口側圧力を基準とする静圧比である。
図中の圧縮機１０は、回転中心（Ｚ−Ｚ軸）の上半分を示している。
また、複合ターボ圧縮機１０の上部に示す曲線は、循環流路１８がない場合の圧縮機１０の各部に対応する静圧比である。
さらに、図中のＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４は、それぞれ動翼列１２ａの上流側、動翼列１２ａの位置、静翼列１２ｂの位置、及び遠心インペラ１４ａの上流側における静圧を示している。なおこの静圧分布図は、所定の条件におけるシミュレーション結果である。

本発明の第１実施形態によれば、循環流路１８の上流端１８ａは、遠心圧縮部１４の遠心インペラ１４ａより上流側であって、静圧が動翼列１２ａ及び遠心インペラ１４ａの位置より高い位置に設定されている。
すなわち図３の例において、循環流路１８の上流端１８ａは、Ａ３に相当する静翼列１２ｂの位置に設定されている。

この構成により、気体の抽気位置を、遠心インペラ１４ａの中間位置（Ａ４）又は動翼列１２ａの中間位置（Ａ２）とする従来のケーシングトリートメントと比較して、本発明の第１実施形態における気体の抽気位置（Ａ３）の静圧が高く、動翼列１２ａの上流側（Ａ１）との差圧が大きいため、大量の気体を抽気することができる。

図４は、従来の複合ターボ圧縮機における流量と圧力比及び効率との関係図である。
この図において、横軸は流量、縦軸は圧力比と効率である。また、図中の実線は、循環流路（すなわちケーシングトリートメント）がない場合、破線は循環流路がある場合である。
さらに、図中のＢ１は最大回転速度における特性、Ｂ２は最小回転速度における特性、Ｂ３はその中間速度における特性、Ｂ４はサージラインを示している。すなわち、循環流路がない場合、従来の複合ターボ圧縮機はＢ１，Ｂ２，Ｂ４で囲まれる領域が作動領域であることを模式的に示している。

図４において、循環流路がある場合、実際に流入する気体流量が減少した場合でも、抽気流量に相当する分、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量が増加もしくは維持されるため、図中に破線で示すように、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ４の線が小流量側へ移動する。
しかし、上述したように従来の抽気位置は、軸流圧縮部の上流側との差圧が低いため、抽気流量が少なく、小流量側作動域への移動が少ない。
また、従来のケーシングトリートメントでは、抽気が常時行われるため、抽気流量に相当する分、圧縮できる最大流量が減少する場合がある。

図５は、本発明の第１実施形態による圧縮機における流量と圧力比及び効率との関係図である。
この図において、図中の太い実線は循環流路１８が全閉の場合、破線は循環流路１８が全開の場合である。全閉の場合、図４の従来例の循環流路（すなわちケーシングトリートメント）がない場合と一致する。また、細い実線は、全閉と全開の中間位置、すなわち循環流路１８を流れる流量が最大と最小の中間流量の場合である。

なお、図４と同様に、図中のＢ１は最大回転速度における特性、Ｂ２は最小回転速度における特性、Ｂ３はその中間速度における特性、Ｂ４はサージラインを示している。すなわち、循環流路がない場合、本発明の第１実施形態による圧縮機１０はＢ１，Ｂ２，Ｂ４で囲まれる領域が作動領域であることを模式的に示している。

図５において、循環流路が全開の場合、実際に流入する気体流量が減少した場合でも、抽気流量に相当する分、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量が増加もしくは維持されるため、図中に破線で示すように、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ４の線が小流量側へ移動する。
この場合、本発明の第１実施形態では、図３に示したように、循環流路１８の上流端１８ａ（抽気位置）が、静圧が動翼列１２ａ及び遠心インペラ１４ａの位置より高い位置（Ａ３）に設定されているので、軸流圧縮部１２の上流側（Ａ１）との差圧が大きいため、大量の気体を抽気することができる。
その結果、本発明の第１実施形態では、小流量側へ作動域を拡大することができる。

また、本発明の第１実施形態では、循環流路１８を流れる気体の流量を連続的に制御可能な循環量制御装置２０を備えているので、循環流路１８の流量を増加させれば、上述したように小流量側へ作動域を拡大することができ、循環流路１８の流量を減少させてゼロにすれば、抽気のない場合に圧縮できる最大流量を維持することができる。さらに、図５で細い実線で示したように、循環流路１８の流量を中間流量で運転することもできる。
従って、循環量制御装置２０により循環流路１８の流量を制御することにより、圧縮できる最大流量を維持したまま、効率を悪化させることなく小流量側へ作動域を拡大できる。

図４、図５において図中の折線Ｃ（太い実線）は、エンジン作動条件における流量と圧力比の関係を模式的に示している。
折線Ｃの折曲がり位置Ｃ１における効率は、図４と図５の比較から、図５の方が高いことがわかる。

この理由は、従来のケーシングトリートメントでは、循環流路を流れる気体の流量が少なく、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量増加は限定的となるため、結果として効率を維持できないまま小流量側へ作動域が拡大されていると考えられる。
これに対し、本発明では、循環流路を流れる気体の流量が多く、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量を増加させることが可能となり、効率がほとんど低下しないものと考えられる。

上述したように、本発明の第１実施形態では、軸流圧縮部１２を遠心圧縮部１４と組み合わせ、かつ、より静圧の高くなる軸流段静翼部から抽気を行うことで循環流路１８内の循環流量を増加させることができる。
その結果、見かけ上の流量が増加し、圧縮機の作動域全体が小流量側へシフトする。さらに循環流路１８の流量を循環量制御装置２０によって連続的に制御することにより、広範囲で作動可能な圧縮機１０が実現可能となる。

（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態による圧縮機の全体構成図である。
第２実施形態による圧縮機は、第１実施形態において軸流圧縮部１２を省略したものである。すなわち、第２実施形態による圧縮機１０は、遠心圧縮部１４を備える遠心圧縮機である。
この場合、図６のように、循環流路１８の上流端１８ａは、主流路１５において、遠心インペラ１４ａの上流端よりも下流側に位置し、循環流路１８の下流端１８ｂは、主流路１５において、遠心インペラ１４ａの上流端よりも上流側に位置する。第２実施形態における他の構成は、上述の第１実施形態と同じであってもよいし、適宜変更してもよい。

（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態による圧縮機の全体構成図である。
第３実施形態による圧縮機は、第１実施形態において遠心圧縮部１４を省略したものである。すなわち、第３実施形態による圧縮機１０は、軸流圧縮部１２を備える軸流圧縮機である。
この場合、図７のように、循環流路１８の上流端１８ａは、主流路１５において、動翼列１２ａの上流端よりも下流側に位置し、循環流路１８の下流端１８ｂは、主流路１５において、動翼列１２ａの上流端よりも上流側に位置する。第３実施形態における他の構成は、上述の第１実施形態と同じであってもよいし、適宜変更してもよい。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１低圧の気体、２中圧の気体、３高圧の気体、
１０圧縮機、１２軸流圧縮部、
１２ａインペラ（動翼列）、１２ｂ静翼列、１３ロータ、
１４遠心圧縮部、１４ａインペラ（遠心インペラ）、
１５主流路、１６ケーシング、１６ａ内面、
１７コーン部、１８循環流路、
１８ａ上流端、１８ｂ下流端、１８ｃ中間部分、
１９ａ外面、１９ｂ内面、
２０循環量制御装置、２０ａベーン、
２０ｂアクチュエータ、２１揺動軸

Claims

軸心を中心に回転して気体を圧縮するインペラと、
前記インペラを囲みその内側に気体の主流路を構成するケーシングと、
前記主流路の上流側と下流側におけるケーシング内面にそれぞれ開口する循環流路と、
該循環流路を流れる気体の流量を連続的に制御可能な循環量制御装置と、を備え、
前記循環流路は、前記主流路の上流側と下流側におけるケーシング内面にそれぞれ開口する上流端及び下流端と、上流端と下流端を結ぶ中間部分とを有し、前記循環流路の前記上流端は、前記主流路において前記インペラの上流端よりも下流側に位置し、
前記中間部分の少なくとも一部は、その外面及び内面が前記軸心上の点を中心とする球面形状であり、
前記循環量制御装置は、前記球面形状の外面及び内面に沿って円弧状に延びる複数のベーンと、前記軸心上の点を通る揺動軸を中心に前記複数のベーンを揺動させるアクチュエータとからなる、ことを特徴とする圧縮機。
前記主流路には、前記軸心の方向に前記気体を加圧する動翼列と静翼列が配置されており、前記インペラは前記動翼列であり、
前記主流路に配置され、前記動翼列と静翼列の下流側に位置する遠心インペラを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
前記インペラは、前記軸心に対する半径方向外側に気体を送出することで該気体を加圧する遠心インペラである、ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
前記主流路には、前記軸心の方向に前記気体を加圧する動翼列と静翼列が配置されており、前記インペラは前記動翼列である、ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。