JP2013002280A - Centrifugal compressor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、過給機、ガスタービン、産業用空気設備等に用いられ、遠心力を利用して空気等のガスを圧縮する遠心圧縮機に関する。 The present invention relates to a centrifugal compressor that is used in a supercharger, a gas turbine, an industrial air facility, and the like and compresses a gas such as air using centrifugal force.
近年、遠心圧縮機の作動域を拡大させるために種々の研究がなされており、作動域を拡大させた遠心圧縮機として特許文献1及び特許文献2に示すものがある。
In recent years, various studies have been made to expand the operating range of a centrifugal compressor, and there are those shown in
以下、先行技術に係る遠心圧縮機について図5を参照して説明する。 Hereinafter, a centrifugal compressor according to the prior art will be described with reference to FIG.
ここで、図5は、先行技術に係る遠心圧縮機の要部の模式的な側断面図である。なお、図面中において、「F」は、前方向、「R」は、後方向をそれぞれ指してある。 Here, FIG. 5 is a schematic cross-sectional side view of the main part of the centrifugal compressor according to the prior art. In the drawings, “F” indicates the forward direction, and “R” indicates the backward direction.
図5に示すように、先行技術に係る遠心圧縮機101は、ハウジング103を具備しており、このハウジング103は、内側に、シュラウド103sを有している。また、ハウジング103のシュラウド103s内には、インペラ105が回転可能に設けられており、このインペラ105は、軸心107c(換言すれば、インペラ105の軸心)周りに回転可能なホイール107、及びこのホイール107の外周面107hに間隔を置いて設けられた複数枚(1枚のみ図示)のブレード109を備えている。ここで、ホイール107の外周面107hは、ホイール107の軸方向(換言すれば、インペラ105の軸方向)から径方向外側へ延びており、各ブレード109の先端縁(外縁)109tは、ハウジング103のシュラウド103sに沿うように延びている。
As shown in FIG. 5, the
ハウジング103におけるインペラ105の入口側(上流側)には、空気A(ガスの一例)を吸入する吸入口111が形成されており、ハウジング103の内部におけるインペラ105の出口側(下流側)には、圧縮した空気Aを減速させて排気する環状のディフューザ流路113(排気流路の1つ)が形成されている。また、ハウジング103のシュラウド103sにおけるブレード109の前縁109f(前縁位置)よりも下流側には、逆流した空気Aを抽気可能な抽気穴115が形成されており、ハウジング103のシュラウド103sにおけるブレード109の前縁109fよりも上流側には、空気Aをインペラ105の入口側へ流出可能な流出穴117が形成されている。そして、ハウジング103の内部には、抽気穴115側から流出穴117側へ空気Aの流れを許容する環状のトリートメントキャビティ119が形成されている。
An
従って、遠心圧縮機101を運転する場合には、インペラ105を回転させることにより、遠心力を利用して、吸入口111からインペラ105側に吸入した空気Aを圧縮することができる。そして、圧縮した空気Aは、ディフューザ流路113から排気される。
Therefore, when operating the
遠心圧縮機101の運転中に、吸入口111から吸入される空気Aの流量(実際の流量)が少なくなると、インペラ105側へ吸入した空気Aの一部が逆流して、抽気穴115に抽気され、トリートメントキャビティ119内に流入する。そして、トリートメントキャビティ119内に流入した空気Aは、抽気穴115側から流出穴117側へ流れて、流出穴117からインペラ105の入口側へ流出する。これにより、インペラ105側へ吸入した空気Aの一部を流出穴117と抽気穴115との間で循環させて、インペラ105側へ吸入される空気Aの見かけの流量を実際の流量よりも多くすることができる。よって、遠心圧縮機101のサージングを抑制し、遠心圧縮機101の作動域を低流量側に拡大させることができる。
If the flow rate (actual flow rate) of the air A sucked from the
ところで、前述の先行技術に係る遠心圧縮機101においては、遠心圧縮機101のサージングを抑制し、遠心圧縮機101の作動域を低流量側に拡大することができるものの、ハウジング103の内部に環状のトリートメントキャビティ119を形成する必要があり、ハウジング103の大型化及びハウジング103の構成の複雑化、換言すれば、遠心圧縮機101の大型化及び遠心圧縮機101の構成の複雑化を招くという問題がある。
By the way, in the
つまり、遠心圧縮機101のコンパクト化及び遠心圧縮機101の構成の簡略化を図りつつ、遠心圧縮機101の作動域を低流量側に拡大することは困難であるという問題がある。
That is, there is a problem that it is difficult to expand the operating range of the
そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の遠心圧縮機を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the centrifugal compressor of a novel structure which can solve the above-mentioned problem.
本発明の特徴は、遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機において、内側にシュラウド(内壁)を有したハウジングと、前記ハウジング内に回転可能に設けられ、軸心(ホイールの軸心)周りに回転可能かつ外周面が軸方向(ホイールの軸方向)から径方向外側に向かって延びたホイール、及び前記ホイールの外周面に周方向に間隔を置いて設けられかつ先端縁(外縁)が前記ハウジングの前記シュラウドに沿うように延びた複数枚のブレードを備えたインペラと、を具備し、前記ハウジングにおける前記インペラの入口側(上流側)にガスを吸入(給気)する吸入口(給気口)が形成され、前記ハウジングの内部における前記インペラの出口側(下流側)に圧縮したガスを排気する排気流路が形成され、前記ホイールの背面から外周面の中央部又は先端面にかけて貫通穴が形成されていることを要旨とする。 The present invention is characterized in that, in a centrifugal compressor that compresses gas using centrifugal force, a housing having a shroud (inner wall) on the inside, a shaft that is rotatably provided in the housing, and a shaft center (axial center of a wheel) ) A wheel that is rotatable around and has an outer peripheral surface extending radially outward from the axial direction (the axial direction of the wheel), and a front end edge (outer edge) that is provided on the outer peripheral surface of the wheel with a spacing in the circumferential direction And an impeller provided with a plurality of blades extending along the shroud of the housing, and an inlet (intake) of gas to the inlet side (upstream side) of the impeller in the housing An exhaust passage for exhausting compressed gas is formed on the outlet side (downstream side) of the impeller in the interior of the housing. It is summarized as the through hole to the center portion or the front end surface is formed.
なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「上流」とは、主流のガスの流れ方向から見て上流のことであって、「下流」とは、主流のガスの流れ方向から見て下流のことである。 In the specification and claims of the present application, “upstream” means upstream from the flow direction of the mainstream gas, and “downstream” means from the flow direction of the mainstream gas. It is downstream.
本発明の特徴によると、前記遠心圧縮機を運転する場合には、前記インペラを回転させることにより、遠心力を利用して、前記吸入口から前記インペラ側に吸入したガスを圧縮することができる。そして、圧縮したガスは、前記排気流路から排気される。 According to the feature of the present invention, when the centrifugal compressor is operated, the gas sucked from the suction port to the impeller side can be compressed by using the centrifugal force by rotating the impeller. . The compressed gas is exhausted from the exhaust passage.
前記遠心圧縮機の運転中に、前記吸入口から吸入されるガスの流量(実際の流量)が少なくなると、圧縮されたガスの一部が前記インペラの出口側から前記ホイールの背面側(背面付近)を経由して前記貫通穴内に流入する。そして、前記貫通穴内に流入したガスが前記貫通穴の先端方向へ流れて、前記貫通穴の先端側開口部から流出する。つまり、前記ハウジングの内部にトリートメントキャビティを形成することなく、前記ホイールの背面から外周面の中央部又は先端面にかけて前記貫通穴を形成するだけで、圧縮したガスの一部を前記インペラの出口側と前記貫通穴の先端側開口部との間で循環させて、前記インペラの出口側へ向かって流れるガスの流量を実際の流量よりも多くすることができる。 When the flow rate (actual flow rate) of gas sucked from the suction port is reduced during operation of the centrifugal compressor, a part of the compressed gas is transferred from the outlet side of the impeller to the back side of the wheel (near the back side). ) Through the through hole. Then, the gas that has flowed into the through hole flows toward the tip of the through hole, and flows out from the opening on the tip side of the through hole. That is, without forming a treatment cavity inside the housing, only the through hole is formed from the rear surface of the wheel to the central portion or the tip surface of the outer peripheral surface, and a part of the compressed gas is discharged to the outlet side of the impeller. And the flow rate of the gas flowing toward the outlet side of the impeller can be made larger than the actual flow rate.
本発明によれば、前記ハウジングの内部にトリートメントキャビティを形成することなく、前記ホイールの背面から外周面の中央部又は先端面にかけて前記貫通穴を形成するだけで、前記インペラの出口側へ向かって流れるガスの流量を実際の流量よりも多くすることができるため、前記遠心圧縮機のコンパクト化及び前記遠心圧縮機の構成の簡略化を図りつつ、前記遠心圧縮機のサージングを抑制して、前記遠心圧縮機の作動域を低流量側に拡大することができる。 According to the present invention, without forming a treatment cavity inside the housing, only the through hole is formed from the rear surface of the wheel to the center portion or the front end surface of the outer peripheral surface, toward the outlet side of the impeller. Since the flow rate of the flowing gas can be larger than the actual flow rate, the surging of the centrifugal compressor is suppressed while reducing the size of the centrifugal compressor and simplifying the configuration of the centrifugal compressor. The operating range of the centrifugal compressor can be expanded to the low flow rate side.
(第1実施形態)
第1実施形態について図1から図3を参照して説明する。なお、図面中において、「F」は、前方向、「R」は、後方向をそれぞれ指してある。
(First embodiment)
A first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3. In the drawings, “F” indicates the forward direction, and “R” indicates the backward direction.
図1及び図2に示すように、第1実施形態に係る遠心圧縮機1は、過給機に用いられ、遠心力を利用して空気A(ガスの一例)を圧縮するものである。そして、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機1の具体的な構成は、以下のようになる。
As shown in FIG.1 and FIG.2, the
本発明の実施形態に係る遠心圧縮機1は、ハウジング3を具備しており、このハウジング3は、内側にシュラウド(内壁)5sを有したハウジング本体5と、このハウジング本体5の後側に設けられたシールプレート(カバープレート)7等からなるものである。なお、シールプレート7は、過給機における別のハウジング(ベアリングハウジング)9に一体的に連結又は一体形成されてある。
A
ハウジング本体5のシュラウド5s内には、インペラ11が回転可能に設けられている。具体的には、ハウジング本体5のシュラウド5s内には、ホイール13が設けられており、このホイール13の外周面13hは、ホイール13の軸方向から径方向外側(換言すれば、インペラ11の軸方向から径方向外側)に向かって延びてあって、ホイール13の背面13dは、シールプレート7に対向してある。また、ホイール13は、別のハウジング9に回転可能に設けられたロータ軸(タービン軸)15の一端部(前端部)に固定ナット17を介して一体的に連結されてあって、ホイール13の軸心13c(換言すれば、インペラ11の軸心又はロータ軸15の軸心)周りに回転可能である。更に、ホイール13の外周面13hには、軸長の異なる2種類のフルブレード19及びスプリッタブレード21が周方向に間隔を置いて交互に設けられており、2種類のブレード19,21は、複数枚のフルブレード19と、各隣接するフルブレード19間に配置されたスプリッタブレード21である。ここで、フルブレード19の前縁19fは、スプリッタブレード21の前縁21fよりも上流側(前側)に位置してあって、各フルブレード19の先端縁(外縁)19t及び各スプリッタブレード21の先端縁21tは、ハウジング本体5のシュラウド5sに沿うように延びている。なお、軸長の異なる2種類のブレード19,21を用いる代わりに、軸長の同じブレードを用いても構わない。
An
ハウジング本体5の前側部には、空気Aをインペラ11側へ吸入(給気)する吸入口(給気口)23が形成されており、この吸入口23は、空気Aを浄化するエアクリーナ(図示省略)に接続可能である。また、ハウジング本体5におけるインペラ11の出口側(下流側)には、圧縮した空気Aを減速させて排気する環状のディフューザ流路25(排気流路の一例)が形成されており、ハウジング本体5の内部におけるディフューザ流路25の外周側には、渦巻き状のスクロール流路27(排気流路の一例)が形成されている。更に、ハウジング本体5の適宜位置には、空気Aを吐出する吐出口29が形成されており、この吐出口29は、スクロール流路27を介してディフューザ流路25に連通してあって、内燃機関の吸気マニホールド(図示省略)に接続可能である。
A suction port (supply port) 23 for sucking (supplying) air A to the
続いて、第1実施形態の特徴部分について説明する。 Then, the characteristic part of 1st Embodiment is demonstrated.
図1及び図3に示すように、ホイール13の背面13dから外周面13hの中央部にかけて、複数の貫通穴31が形成されており、複数の貫通穴31は、ホイール13の軸心13cを中心とした円周上に等間隔に配置されている。また、各貫通穴31は、ホイール13の軸方向へ平行に延びてあって、各貫通穴31の先端側開口部31aは、スプリッタブレード21の根本部に位置している。更に、各貫通穴31の基端側開口部31bは、圧縮した空気Aの一部をホイール13の背面13d側(ホイール13の背面13dとシールプレート7との間)から流入可能であって、各貫通穴31の先端側開口部31aは、圧縮した空気Aの一部を上流側(インペラ11の入口側)へ流出可能である。なお、ホイール13の先端面13tの一部が固定ナット17からはみ出ている場合には、複数の貫通穴31がホイール13の背面13dから先端面13tにかけて形成されるようにしても構わなく、貫通穴31の一部又は全部をホイール13の軸方向に対して傾斜させても構わない。
As shown in FIGS. 1 and 3, a plurality of through
続いて、第1実施形態の作用及び効果について説明する。 Then, the effect | action and effect of 1st Embodiment are demonstrated.
タービンホイール(図示省略)の回転によってロータ軸15を回転させて、インペラ11を一体的に回転させることにより、遠心力を利用して、吸入口23からインペラ11側に吸入した空気Aを圧縮することができる。そして、圧縮した空気Aは、ディフューザ流路25から排気され、スクロール流路27を経由して吐出口29から吐出される。
By rotating the
遠心圧縮機1の運転中に、吸入口23から吸入される空気Aの流量(実際の流量)が少なくなると、圧縮された空気Aの一部がインペラ11の出口側のハブ面(ホイール13の外周面13hに沿った面)付近からホイール13の背面13d側(背面13d付近)を経由して複数の貫通穴31内に流入する。そして、複数の貫通穴31内に流入した空気Aの一部が貫通穴31の先端方向へ流れて、複数の貫通穴31の先端側開口部31aから流出する。つまり、ハウジング3(ハウジング本体5)の内部にトリートメントキャビティ([背景技術]の説明を参照)を形成することなく、ホイール13の背面13dから外周面13hの中央部にかけて複数の貫通穴31を形成するだけで、圧縮した空気Aの一部をインペラ11の出口側と貫通穴31の先端部との間で循環させて、インペラ11の出口側へ向かって流れる空気Aの見かけの流量を実際の流量よりも多くすることができる。
If the flow rate (actual flow rate) of the air A sucked from the
また、前述のように、圧縮された空気Aの一部がインペラ11の出口側のハブ面付近からホイール13の背面13d側を経由して複数の貫通穴31内に流入するため、インペラ11の出口側のハブ面付近における逆流領域(剥離域)を低減することができる。
Further, as described above, a part of the compressed air A flows from the vicinity of the hub surface on the outlet side of the
従って、第1実施形態によれば、ハウジング3の内部にトリートメントキャビティを形成することなく、ホイール13の背面13dから外周面13hの中央部にかけて複数の貫通穴31を形成するだけで、インペラ11の出口側へ向かって流れる空気Aの見かけの流量を実際の流量よりも多くできるため、遠心圧縮機1のコンパクト化及び遠心圧縮機1の構成の簡略化を図りつつ、遠心圧縮機1のサージングを抑制して、遠心圧縮機1の作動域を低流量側に拡大することができる。特に、インペラ11の出口側のハブ面付近における逆流領域を低減できるため、遠心圧縮機1のサージングを十分に抑制して、遠心圧縮機1の作動域を低流量側に更に拡大することができる。
Therefore, according to the first embodiment, without forming the treatment cavity inside the housing 3, it is only necessary to form the plurality of through
(第2実施形態)
第2実施形態について図4を参照して説明する。なお、図面中において、「F」は、前方向、「R」は、後方向をそれぞれ指してある。
(Second Embodiment)
A second embodiment will be described with reference to FIG. In the drawings, “F” indicates the forward direction, and “R” indicates the backward direction.
図4に示すように、第2実施形態に係る遠心圧縮機33は、第1実施形態に係る遠心圧縮機1(図1参照)と同様の構成を有しており、遠心圧縮機33の構成のうち、遠心圧縮機1の構成と異なる部分についてのみ説明する。なお、遠心圧縮機33における複数の構成要素のうち、遠心圧縮機1における構成要素と対応するものについては、図面中に同一番号を付する。
As shown in FIG. 4, the
即ち、第2実施形態に係る遠心圧縮機33にあっては、各貫通穴31の先端側開口部31aの開口中心31acは、ハウジング本体5のシュラウド5s側でかつインペラ11の入口側を指向するようになっている。これにより、インペラ11の出口側へ向かって流れる空気Aのうち、ハウジング本体5のシュラウド5s側を流れる空気Aの見かけの流量を実際の流量よりも多くできる。
That is, in the
従って、第2実施形態によれば、第1実施形態の効果を奏する他に、遠心圧縮機33のサージングをより十分に抑制して、遠心圧縮機1の作動域を低流量側により一層拡大することができる。
Therefore, according to the second embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, surging of the
なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものでなく、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。 In addition, this invention is not restricted to description of the above-mentioned embodiment, It can implement in a various aspect. Further, the scope of rights encompassed by the present invention is not limited to these embodiments.
1 遠心圧縮機
3 ハウジング
5 ハウジング本体
5s シュラウド
7 シールプレート
11 インペラ
13 ホイール
13c ホイールの軸心
13d ホイールの背面
13h ホイールの外周面
13t ホイールの先端面
15 ロータ軸
19 フルブレード
19f フルブレードの前縁
19t フルブレードの先端縁
21 スプリッタブレード
21f スプリッタブレードの前縁
21t スプリッタブレードの先端縁
23 吸入口
25 ディフューザ流路(排気流路の一例)
27 スクロール流路(排気流路の一例)
29 吐出口
31 貫通穴
31a 貫通穴の先端側開口部
31ac 貫通穴の先端側開口部の開口中心
31b 貫通穴の基端側開口部
33 遠心圧縮機
DESCRIPTION OF
27 Scroll channel (example of exhaust channel)
29
Claims (4)
内側にシュラウドを有したハウジングと、
前記ハウジング内に回転可能に設けられ、軸心周りに回転可能かつ外周面が軸方向から径方向外側に向かって延びたホイール、及び前記ホイールの外周面に周方向に間隔を置いて設けられかつ先端縁が前記ハウジングの前記シュラウドに沿うように延びた複数枚のブレードを備えたインペラと、を具備し、
前記ハウジングにおける前記インペラの入口側にガスを吸入する吸入口が形成され、前記ハウジングの内部における前記インペラの出口側に圧縮したガスを排気する排気流路が形成され、
前記ホイールの背面から外周面の中央部又は先端面にかけて貫通穴が形成されていることを特徴とする遠心圧縮機。 In a centrifugal compressor that compresses gas using centrifugal force,
A housing having a shroud inside;
A wheel rotatably provided in the housing, rotatable around an axial center and having an outer peripheral surface extending radially outward from an axial direction; and an outer peripheral surface of the wheel provided at a circumferential interval; and An impeller having a plurality of blades extending so that a leading edge extends along the shroud of the housing;
An inlet for sucking gas is formed on the inlet side of the impeller in the housing, and an exhaust passage for exhausting compressed gas is formed on the outlet side of the impeller in the housing,
A centrifugal compressor characterized in that a through hole is formed from the rear surface of the wheel to the central portion or the front end surface of the outer peripheral surface.
前記貫通穴の先端側開口部が前記スプリッタブレードの前縁の根本部に位置していることを特徴とする請求項1に記載の遠心圧縮機。 The plurality of blades are composed of a plurality of full blades and a splitter blade disposed between adjacent full blades and having a leading edge located downstream of the front edge of the full blade,
2. The centrifugal compressor according to claim 1, wherein a front end side opening of the through hole is located at a root portion of a front edge of the splitter blade.
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