JP2012057489A - 遠心圧縮機のディフューザおよびこれを備えた遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】ディフューザ翼周りに発生する静圧場に起因するインペラ翼への励振力を抑制することが可能なディフューザおよびこれを備えた遠心圧縮機を提供することを目的とする。
【解決手段】遠心羽根車の下流側に設けられる円環状の対向する一対の壁面２と、対向する一対の壁面２の間の周方向に複数設けられるディフューザ翼３と、を有し、ディフューザ翼３の前縁より上流側の壁面２には、ディフューザ翼３の圧力面側７に流路６に対して凸となる凸形状１０を設け、ディフューザ翼３の負圧面側８に流路６に対して凹となる凹形状１１を設けることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディフューザおよびこれを備えた遠心圧縮機に関し、特に、励振を抑制することができるディフューザに関するものである。

従来、たとえば舶用の内燃機関に使用されるターボチャージャ等の遠心圧縮機が知られている。
図４は、従来の遠心圧縮機の要部を示し、（Ａ）は、その縦断面図であり、（Ｂ）は、側面図である。

図示の遠心圧縮機２０は、ハウジング２１内で多数のブレード２２を備えたインペラ２３が回転することにより、ハウジング２１の外部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、インペラ２３の外周端となるインペラ出口（以下では、「ディフューザ入口」とも呼ぶ）２４、ディフューザ２５及びスクロール２６を通って外部へ送出される。

上述したディフューザ２５は、インペラ出口２４とスクロール２６との間に設けられた気流の通路であり、インペラ出口２４から吐出される気流を減速させることで動圧を静圧に回復させる機能を有している。このディフューザ２５は、通常一対の対向した壁面で形成されており、以下の説明では、対向する一対の壁面の一方をシュラウド側壁面２７と呼び、他方をハブ側壁面２８と呼ぶ。

ディフューザ２５は、シュラウド側壁面２７とハブ側壁面２８との間に複数のディフューザ翼２９が設けられている。インペラ２３が回転することにより、インペラ２３の各翼はディフューザ翼２９周りに発生する周期的な静圧場を通過して励振されることとなる。

励振の抑制としては、特許文献１に可変容量タービンの後流に起因する共振の抑制が開示されており、特許文献２には、シュラウドに凹凸形状を設けて旋回流の生成を抑制することが開示されており、特許文献３には、複数のディフューザ翼の周方向の間隔を変化させることが開示されている。

特開２００４−１１６３１３号公報 特開２００６−５７４８７号公報 特開２００７−３１５３３３号公報

しかし、特許文献２に記載の発明は、旋回流生成の抑制についてであり、インペラの各翼が回転しディフューザ翼周りに発生する静圧場を通過することで生じる励振の抑制については、開示されていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ディフューザ翼周りに発生する静圧場に起因する励振を抑制することが可能なディフューザおよびこれを備えた遠心圧縮機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明に係る遠心圧縮機のディフューザは、遠心羽根車の下流側に設けられる円環状の対向する一対の壁面と、該対向する一対の壁面の間の周方向に複数設けられるディフューザ翼と、を有し、該ディフューザ翼の前縁より上流側の前記壁面には、前記ディフューザ翼の圧力面側に流路に対して凸となる凸形状を設け、前記ディフューザ翼の負圧面側に流路に対して凹となる凹形状を設けることを特徴とする。

ディフューザ翼の前縁の上流側であって、ディフューザ翼の圧力面側となって静圧が上がる側には流路に対して凸となる凸形状を設けて、部分的に流れを加速させて静圧を下げることとし、かつ、ディフューザ翼の負圧面側となって静圧が下がる側には流路に対して凹となる凹形状を設けて、部分的に流れを減速させて静圧を上げることとした。このように、凹形状および凸形状を有して対向する一対の壁面によって、ディフューザ翼の前縁の上流における周方向の圧力変動を小さくすることができる。したがって、ディフューザの性能を低下させることなく、遠心羽根車の翼に作用する励振力を低減することができる。

本発明に係る遠心圧縮機のディフューザによれば、前記凹形状および前記凸形状は、前記ディフューザ翼の前縁の延長線を挟んで対称に設けられることを特徴とする。

遠心圧縮機のディフューザは、ディフューザ翼の前縁の延長線を挟んで遠心羽根車の進行方向（回転方向）が負圧面側となっており、延長線の対称になっている反対側が圧力面側となっている。

そこで、ディフューザ翼の前縁から延長した延長線を挟んで圧力面側には、流路に対して凸となる凸形状を設けて、負圧面側には、流路に対して凹となる凹形状を設けることとした。そのため、ディフューザ翼の前縁の上流における周方向の圧力変動を小さくすることができる。したがって、ディフューザの性能を低下させることなく、遠心羽根車の翼に作用する励振力を低減することができる。

本発明に係る遠心圧縮機のディフューザによれば、前記延長線は、前記ディフューザ翼の前縁が周方向と成す角度と、前記延長線が前記対向する一対の壁面の内周縁と成す角度とが同じになるように前記内周縁まで延在しており、前記凹形状および前記凸形状は、前記延長線の略中間位置に該延長線を挟んで対称に設けられることを特徴とする。

ディフューザ翼の前縁から円環状の対向する一対の壁面の内周縁に向かって延在する延長線は、ディフューザ翼の前縁が周方向と成す角度と、延長線が対向する一対の壁面の内周縁と成す角度とが同じになるように延在している。さらに、その延長線の略中間位置において、延長線を挟んで対称に圧力面側には流路に対して凸となる凸形状を設け、負圧面側には流路に対して凹となる凹形状を設けることとした。そのため、ディフューザ翼の前縁の上流における周方向の圧力変動を小さくすることができる。したがって、ディフューザの性能を低下させることなく、遠心羽根車の翼に作用する励振力を低減することができる。

本発明に係る遠心圧縮機のディフューザによれば、前記対向する一対の壁面は、シュラウド側壁面とハブ側壁面とを有し、前記凹形状および前記凸形状は、前記シュラウド側壁面に設けられることを特徴とする。

遠心羽根車がオープンインペラ（遠心羽根車のシュラウド側が閉じていない）の場合には、遠心羽根車の翼が振動する際にシュラウド側が大きく変位して励振する。

そこで、シュラウド側壁面とハブ側壁面とからなる対向する一対の壁面のうち、シュラウド側壁面に凹形状および凸形状を設けることとした。これにより、ディフューザ翼の前縁の上流における周方向の圧力変動を小さくすることができる。したがって、遠心羽根車の翼のシュラウド側に作用する励振力を低減することができる。

本発明に係る遠心圧縮機のディフューザによれば、前記対向する一対の壁面は、前記ディフューザ翼の前縁の半径と略同等の半径を有して、該ディフューザ翼が設けられる円環状のディフューザ翼用壁面と、該ディフューザ翼用壁面の内周に設けられて、前記凹形状および前記凸形状を有する円環状の凹凸形状用壁面と、に分離していることを特徴する。

対向する一対の壁面は、ディフューザ翼の前縁の半径と略同等の半径を有する円環状とされて、かつ、ディフューザ翼を備えるディフューザ翼用壁面と、ディフューザ翼用壁面の内周に設けられて凹形状および凸形状を有する円環状の凹凸形状用壁面と、に分離することができるものとした。そのため、ディフューザ翼用壁面に対して、凹凸形状用壁面を設ける位置を周方向に変えることができる。したがって、ディフューザ翼の種々の入口角に対応させることができる。

本発明に係る遠心圧縮機のディフューザによれば、前記凹凸形状用壁面は、半径方向に複数接続されていることを特徴する。

凹凸形状用壁面を複数設け、各凹凸形状用壁面を半径方向に接続することとした。そのため、ディフューザ翼用壁面と凹凸形状用壁面とが一体化した壁面や、１つの凹凸形状用壁面に各ディフューザ翼に対応する凹形状および凸形状を設ける場合に比べて、凹形状および凸形状の作成が容易となる。また、各凹凸形状用壁面の周方向の位置を変えることによってディフューザ翼の種々の入口角に対応させることができる。

本発明に係る遠心圧縮機は、上記のいずれかに記載の遠心圧縮機のディフューザを備えることを特徴とする。

遠心羽根車の翼に作用する励振力を抑制することが可能なディフューザを用いることとした。したがって、遠心圧縮機の性能を低下させることなく高効率、高圧力比化を図ることができる。

本発明に係る複数の遠心圧縮機のディフューザによれば、ディフューザ翼の前縁の上流側であって、ディフューザ翼の圧力面側となって静圧が上がる側には流路に対して凸となる凸形状を設けて、部分的に流れを加速させて静圧を下げることとし、かつ、ディフューザ翼の負圧面側となって静圧が下がる側には流路に対して凹となる凹形状を設けて、部分的に流れを減速させて静圧を上げることとした。このように、凹形状および凸形状を有して対向する一対の壁面によって、ディフューザ翼の前縁の上流における周方向の圧力変動を小さくすることができる。したがって、ディフューザの性能を低下させることなく、遠心羽根車の翼に作用する励振力を低減することができる。

本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機のディフューザであり、（Ａ）は、その部分拡大図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＡ−Ａ部の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る遠心圧縮機のディフューザの部分拡大図である。 本発明の第３実施形態の変形例に係る遠心圧縮機のディフューザの部分拡大図である。 従来の遠心圧縮機の要部を示し、（Ａ）は、その縦断面図であり、（Ｂ）は、側面図である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機のディフューザに設けられているディフューザ翼について、図１を参照しながら説明する。
図１に示すディフューザ１は、例えば舶用の内燃機関（図示せず）に設けられる遠心圧縮機（図示せず）のハウジング（図示せず）内で回転するインペラ（図示せず）の外周端から吐出される気流(流れ)を減速することにより、気流の動圧を静圧に回復させるものである。このディフューザ１は、インペラ（遠心羽根車）の下流側に設けられる円環状の対向している一対の壁面２と、対向している一対の壁面２の間の周方向に複数設けられているディフューザ翼３と、を有している。

円環状の対向している一対の壁面２は、シュラウド側壁面４とハブ側壁面５とを有している。シュラウド側壁面４とハブ側壁面５との内径は、ディフューザ翼３の翼前縁半径よりも小さいものとされている。すなわち、複数のディフューザ翼３の前縁は、シュラウド側壁面４およびハブ側壁面５の内周縁よりも半径方向の下流側に位置していることとなる。

隣り合う２枚のディフューザ翼３の間には、気流が通過する流路６が形成されている。ディフューザ翼３の前縁よりも上流側の圧力面側（背側）７の流路６を形成しているシュラウド側壁面４およびハブ側壁面５には、図１（Ｂ）に示すように流路６に対して凸となる凸形状１０が設けられている。また、ディフューザ翼３の前縁よりも上流側の負圧面側（腹側）８の流路６を形成しているシュラウド側壁面４およびハブ側壁面５には、流路６に対して凹となる凹形状１１が設けられている。
この凹形状１１および凸形状１０は、図１（Ｂ）に示すように、丸みを帯びた形状とされており、片側の振幅が流路高さの２％以上１０％以下とされている。

ディフューザ翼３の前縁よりも上流側のシュラウド側壁面４およびハブ側壁面５に設けられている凹形状１１および凸形状１０は、ディフューザ翼３の前縁からシュラウド側壁面４およびハブ側壁面５の内周縁にまで延在している延長線１２を挟んで対称に設けられている。また、凹形状１１および凸形状１０は、ディフューザ翼３の前縁からシュラウド側壁面４およびハブ側壁面５の内周縁まで延在している延長線１２の略中央位置に、中立位置１３を有し、中立位置１３において延長線１２を挟んで対称になるように設けられている。

延長線１２は、その延在端がシュラウド側壁面４およびハブ側壁面５の内周縁と成す角度がディフューザ翼３の前縁が周方向に対して成す角度αと同じ角度になるように設けられている。また、延長線１２は、中立位置１３において延長線１２が周方向と成す角度も同様に角度αとなるように延在している。

次に、ディフューザ翼３の流路６を流れる気流について説明する。
インペラが回転することによって、インペラから流出した気流がディフューザ翼３に導かれる。インペラからディフューザ翼３に導かれた気流は、ディフューザ翼３の前縁よりも下流側においてその流れが転向される。このように、ディフューザ翼３において流れが転向することによって、ディフューザ翼３の圧力面側７と負圧面側８との間に静圧差（圧力差）が生じる。この生じた静圧差の影響は、ディフューザ翼３の上流側にまで及ぶ。

この静圧差は、周方向に複数設けられているディフューザ翼３の各上流側に生じるため、回転しているインペラの翼が静圧差の影響が及んでいるディフューザ翼３の上流側を通過することによって、インペラの翼には周方向の静圧差が影響する。そのため、インペラの翼が励振されることとなる。

そこで、本実施形態では、ディフューザ翼３の前縁よりも上流側の圧力面側７のシュラウド側壁面４およびハブ側壁面５には、流路６に対して凸となる凸形状１０を設けることによって、静圧が上昇するディフューザ翼３の圧力面側７の流れを加速させる。さらに、ディフューザ翼３の前縁よりも上流側の負圧面側８のシュラウド側壁面４およびハブ側壁面５には、流路６に対して凹となる凹形状１１を設けることによって、静圧が低下するディフューザ翼３の負圧面側８の流れを減速させる。

以上述べたように、本実施形態に係るディフューザ１およびこれを備えた遠心圧縮機によれば、以下の効果を奏する。
ディフューザ翼３の前縁の上流側であって、ディフューザ翼３の圧力面側７となって静圧が上がる側には流路６に対して凸となる凸形状１０を設けて、部分的に流れを加速させて静圧を下げることとし、かつ、ディフューザ翼３の負圧面側８となって静圧が下がる側には流路６に対して凹となる凹形状１１を設けて、部分的に流れを減速させて静圧を上げることとした。このように、凸形状１０および凹形状１１を有して対向している一対の壁面２によって、ディフューザ翼３の前縁の上流における周方向の静圧（圧力）変動を小さくすることができる。したがって、ディフューザ１の性能を低下させることなく、インペラ（遠心羽根車）の翼に作用する励振力を低減することができる。

ディフューザ翼６の前縁から延長した延長線１２を挟んで圧力面側７には流路６に対して凸となる凸形状１０を設けて、負圧面側８には流路６に対して凹となる凹形状１１を設けることとした。そのため、ディフューザ翼６の前縁の上流における周方向の静圧変動を小さくすることができる。したがって、ディフューザ１の性能を低下させることなく、インペラの翼に作用する励振力を低減することができる。

ディフューザ翼３の前縁から対向している一対の円環状の壁面２の内周縁に向かって延在している延長線１２は、ディフューザ翼３の前縁が周方向となす角度αと、延長線１２が対向している一対の壁面２の内周縁と成す角度αとが同じになるように延在している。さらに、その延長線１２の略中間位置１３においては、延長線１２を挟んで軸対称に圧力面側７には、流路６に対して凸となる凸形状１０を設け、負圧面側８には、流路６に対して凹となる凹形状１１を設けることとした。そのため、ディフューザ翼３の前縁の上流における周方向の静圧変動を小さくすることができる。したがって、ディフューザ１の性能を低下させることなく、インペラの翼に作用する励振力を低減することができる。

インペラの翼に作用する励振力を抑制することが可能なディフューザ１を用いることとした。したがって、遠心圧縮機の性能を低下させることなく高効率、高圧力比化を図ることができる。

なお、本実施形態は、凹形状１１および凸形状１０を丸みを帯びた形状として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、のこぎり形状であっても良い。

［第２実施形態］
本実施形態のディフューザは、シュラウド側壁面にのみ凹形状および凸形状を有する点で、第１実施形態と相違し、その他は同様である。したがって、本実施形態についても図１を用いて説明し、同一の構成および流れについては、同一の符号を付してその説明を省略する。
インペラ（遠心羽根車）は、シュラウド側が閉じていないオープンインペラである。
ディフューザ翼の前縁よりも上流側に設けられている凹形状および凸形状は、シュラウド側壁面にのみ設けられている。

以上述べたように、本実施形態に係るディフューザおよびこれを備えた遠心圧縮機によれば、以下の効果を奏する。
シュラウド側壁面とハブ側壁面とからなる対向している一対の壁面のうち、シュラウド側壁面に凹形状および凸形状を設けることとした。これにより、ディフューザ翼の前縁の上流におけるシュラウド側壁面の周方向の静圧（圧力）変動を小さくすることができる。したがって、オープンインペラ（遠心羽根車）の翼のシュラウド側に作用する励振力を低減することができる。

［第３実施形態］
本実施形態のディフューザは、凹形状および凸形状を有する凹凸形状用壁面とディフューザ翼を有するディスクとに分離している点で、第１実施形態と相違し、その他は同様である。したがって、同一の構成および流れについては、同一の符号を付してその説明を省略する。
図２には、本実施形態のディフューザ１の部分拡大図が示されている。
ディフューザ１は、複数のディフューザ翼３を有しているディスク（ディフューザ翼用壁面）１５と、ディスク１５の内周に設けられている凹凸形状用壁面１６とを備えている。ディスク１５および凹凸形状用壁面１６は、各々対向している一対の壁面２を有している。

ディスク１５は、ディフューザ翼３の前縁の半径と略同等の内半径を有しており、複数のディフューザ翼３が設けられて円環状とされている。
凹凸形状用壁面１６は、凹形状（図示せず）および凸形状（図示せず）を有する円環状とされており、ディスク１５の内周に１つ設けられている。

以上述べたように、本実施形態に係るディフューザ１およびこれを備えた遠心圧縮機によれば、以下の効果を奏する。
対向している一対の壁面２は、半径方向にディフューザ翼３が固定されているディスク（ディフューザ翼用壁面）１５と、凹形状（図示せず）および凸形状（図示せず）を有している円環状の凹凸形状用壁面１６と、に分離することとした。そのため、ディスク１５に対して凹凸形状用壁面１６の周方向の位置を変えることができる。したがって、ディフューザ翼３の種々の入口角に対応させることができる。

また、本実施形態では、凹凸形状用壁面１６を１つとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図３に示すように、凹凸形状用壁面１６が複数設けられるものとしても良い。

図３には、本実施形態のディフューザ１の変形例が示されている。
複数（例えば、３つ）の円環状の凹凸形状用壁面１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、同心円状に入子状に各々の内周に設けられている。内径が一番小さな凹凸形状用壁面１６ｃは、その内径がインペラ（遠心羽根車）の外径と略同等となっている。内径が一番大きな凹凸形状用壁面１６ａは、その外径がディスク（ディフューザ翼用壁面）１５の内径と略同等となっている。

各凹凸形状用壁面１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、ディフューザ翼３の前縁から凹凸形状用壁面１５の各内周縁まで延在している各延長線１２ａ、１２ｂ、１２ｃ上の中立位置１３ａ、１３ｂ、１３ｃが周方向と同角度（例えばα）を成し、中立位置１３ａ、１３ｂ、１３ｃにおいて延長線１２ａ、１２ｂ、１２ｃを挟んで対称に圧力面側（図示せず）の流路（図示せず）に凸形状（図示せず）が設けられ、負圧面側（図示せず）の流路に凹形状（図示せず）が設けられている。

ディスク１５の内周に設けられている凹凸形状用壁面１６ａ、１６ｂ、１６ｃを各々半径方向に複数（例えば、３つ）設けた場合には、第１実施形態のようにディスク１５と凹凸形状用壁１６とを一体化した場合や、第３実施形態のように１つの凹凸形状用壁面１６に各ディフューザ翼３に対応している凹形状および凸形状を設ける場合に比べて、凹形状および凸形状の作成が容易となる。また、各凹凸形状用壁面１６ａ、１６ｂ、１６ｃの周方向の位置を変えることによってディフューザ翼３の種々の入口角に対応させることができる。

１ ディフューザ
２ 対向している一対の壁面（対向する一対の壁面）
３ ディフューザ翼
６ 流路
７ 圧力面側
８ 負圧面側
１０ 凸形状
１１ 凹形状

Claims (7)

1. 遠心羽根車の下流側に設けられる円環状の対向する一対の壁面と、
   該対向する一対の壁面の間の周方向に複数設けられるディフューザ翼と、を有し、
   該ディフューザ翼の前縁より上流側の前記壁面には、前記ディフューザ翼の圧力面側に流路に対して凸となる凸形状を設け、前記ディフューザ翼の負圧面側に流路に対して凹となる凹形状を設けることを特徴とする遠心圧縮機のディフューザ。
2. 前記凹形状および前記凸形状は、前記ディフューザ翼の前縁の延長線を挟んで対称に設けられることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機のディフューザ。
3. 前記延長線は、前記ディフューザ翼の前縁が周方向と成す角度と、前記延長線が前記対向する一対の壁面の内周縁と成す角度が同じになるように前記内周縁まで延在しており、
   前記凹形状および前記凸形状は、前記延長線の略中間位置に該延長線を挟んで対称に設けられることを特徴とする請求項２に記載の遠心圧縮機のディフューザ。
4. 前記対向する一対の壁面は、シュラウド側壁面とハブ側壁面とを有し、
   前記凹形状および前記凸形状は、前記シュラウド側壁面に設けられることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の遠心圧縮機のディフューザ。
5. 前記対向する一対の壁面は、前記ディフューザ翼の前縁の半径と略同等の半径を有して、該ディフューザ翼が設けられる円環状のディフューザ翼用壁面と、該ディフューザ翼用壁面の内周に設けられて、前記凹形状および前記凸形状を有する円環状の凹凸形状用壁面と、に分離していることを特徴する請求項１から請求項４のいずれかに記載の遠心圧縮機のディフューザ。
6. 前記凹凸形状用壁面は、半径方向に複数接続されていることを特徴する請求項５に記載の遠心圧縮機のディフューザ。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の遠心圧縮機のディフューザを備えることを特徴とする遠心圧縮機。
   

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