JP2013015101A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】インペラ１１の構造強度を十分に確保した上で、遠心圧縮機１の作動域をより低流量側へ拡大すること。
【解決手段】各ブレード１９，２１の後縁１９ｂ，２１ｂにおけるインペラ１１の径方向Ｄ３に沿った断面が、先端側に円弧状又は楕円弧状の後縁エッジ部３９，４３を有し、正圧面１９ｐ，２１ｐ側に、後縁エッジ部３９，４３の中心３９ｃ，４３ｃを負圧面１９ｎ，２１ｎ側へ寄せるように緩やかに曲がった後縁曲がり部４１，４５を有していること。
【選択図】図１

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。

車両用過給機等の過給器に用いられる一般的な遠心圧縮機の構成について簡単に説明すると、次のようになる。

一般的な遠心圧縮機は、ハウジングを具備しており、このハウジングは、内側に、シュラウド（内壁）を有している。また、ハウジングのシュラウド内には、インペラが回転可能に設けられており、このインペラは、その軸心周りに回転可能かつ外周面（ハブ面）がインペラの軸方向から径方向外側へ延びたホイール、及びこのホイールの外周面に間隔を置いて設けられた複数枚のブレードを備えている。なお、図５に示すように、通常、各ブレードの後縁は、旋盤等によって仕上げ加工が施されており、各ブレードの後縁におけるインペラの径方向に沿った断面は、角のある形状（角形状）を呈している。

ハウジングにおけるインペラの入口側には、空気（ガスの一例）を吸入する吸入口が形成されている。また、ハウジングの内部におけるインペラの出口側には、圧縮した空気を排気する排気流路が形成されている。

従って、遠心圧縮機を運転する場合には、インペラを回転させることにより、遠心力を利用して、吸入口からインペラ側に吸入した空気を圧縮することができ、圧縮した空気を排気流路から排気することができる。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１から特許文献３に示すものがある。

特開２００９−２０９６９４号公報 特開２００４−２７９３１号公報 特開平９−３１０６９９号公報

ところで、近年、遠心圧縮機のサージングを抑制して、遠心圧縮機の作動域をより低流量側へ拡大するという要請が強くなってきている。また、遠心圧縮機のサージングを改善（抑制）する手法の１つとして、インペラの径方向に対する各ブレードの出口羽根角（インペラの径方向と各ブレードの後縁側の羽根厚中心とのなす角、図５参照）を４５度以上に拡大するという手法がある。一方、ブレードの出口羽根角を４５度以上に拡大すると、それに伴い、遠心圧縮機の運転中にブレードの付け根付近に過大な遠心応力が発生して、インペラの構造強度上、遠心圧縮機を成立させることが困難になる。

つまり、インペラの構造強度を十分に確保した上で、遠心圧縮機の作動域をより低流量側へ拡大することは困難であるという問題がある。

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。

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（ハブ面）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、各ブレードの後縁における前記インペラの前記径方向に沿った断面（断面形状）は、先端側に円弧状又は楕円弧状の後縁エッジ部を有し、正圧面側（圧力面側）に前記後縁エッジ部に連続しかつ前記後縁エッジ部の中心を負圧面側へ寄せるように曲がった後縁曲がり部を有していることを要旨とする。

なお、「ガス」とは、空気、窒素ガス、水素ガス等を含む意である。また、「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。

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、圧縮したガスを前記排気流路から排気することができる（前記遠心圧縮機の運転に関する作用）。

前述の作用の他に、各ブレードの後縁における前記インペラの前記径方向に沿った断面が正圧面側に前記後縁エッジ部の中心を負圧面側へ寄せるように曲がった前記後縁曲がり部を有しているため、前記インペラの前記径方向に対する各ブレードの出口羽根角（前記インペラの前記径方向と各ブレードの後縁側の羽根厚中心とのなす角）よりも、見かけ上の各ブレードの出口羽根角（前記インペラの前記径方向と各ブレードの後縁の前記後縁エッジ部とのなす角）を大きくすることができる。これにより、実際の各ブレードの出口羽根角を４５度以上に拡大しなくても、見かけ上の各ブレードの出口羽根角を４５度以上に拡大することができる。

本発明によれば、実際の各ブレードの出口羽根角を４５度以上に拡大しなくても、見かけ上の各ブレードの出口羽根角を４５度以上に拡大することができるため、前記遠心圧縮機の運転中に前記ブレードの付け根付近に過大な遠心応力が発生することを回避して、前記インペラの構造強度（前記遠心圧縮機の構造強度）を十分に確保した上で、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より低流量側へ拡大することができる。

図１（ａ）は、フルブレードの後縁におけるインペラの径方向に沿った断面図、図１（ｂ）は、スプリッタブレードの後縁におけるインペラの径方向に沿った断面図であって、図１（ａ）（ｂ）は、図４におけるI-I線に沿った断面図に相当する。 図２（ａ）は、フルブレードの前縁におけるインペラの軸方向に沿った断面図、図２（ｂ）は、スプリッタブレードの前縁におけるインペラの軸方向に沿った断面図であって、図２（ａ）（ｂ）は、図４におけるII-II線に沿った断面図に相当する。 図３は、本発明の実施形態に係るインペラの正面図である。 図４は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の側断面図である。 図５は、一般的な遠心圧縮機におけるブレードの後縁におけるインペラの径方向に沿った断面図である。

本発明の実施形態について図１から図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。

図４に示すように、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、車両用過給機に用いられ、遠心力を利用して空気（ガスの一例）Ａ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。

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７等からなる。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。

ハウジング本体５のシュラウド５ｓ内には、インペラ（コンプレッサインペラ）１１が回転可能に設けられている。

具体的には、図３及び図４に示すように、ハウジング本体５のシュラウド５ｓ内には、ホイール（ハブ）１３が設けられており、このホイール１３は、インペラ１１の軸心１１ｃ周りに回転方向Ｄ１へ回転可能であって、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いる。また、ホイール１３の外周面（ハブ面）１３ｈは、インペラ１１の軸方向（前後方向）Ｄ２から径方向Ｄ３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。なお、ロータ軸１５は、ロータ軸１５の他端部（後端部）一体的に連結された図示省略の別のインペラ（タービンインペラ）からの回転力によって回転するようになっている。

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（全羽根）１９及びスプリッタブレード（短羽根）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１９ａは、スプリッタブレード２１の前縁２１ａよりも上流側（前側）に位置してあって、フルブレード１９の後縁１９ｂ及びスプリッタブレード２１の後縁２１ｂは、インペラ１１の軸方向Ｄ２及び径方向Ｄ３の同じ位置に位置してある。また、フルブレード１９の外縁１９ｔ及びスプリッタブレード２１の外縁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（図示省略）を用いても構わない。

図４に示すように、ハウジング本体５の前側部には、空気をインペラ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。

続いて、本発明の実施形態の特徴部分について説明する。

図２（ａ）に示すように、各フルブレード１９の前縁１９ａにおけるインペラ１１の軸方向Ｄ２に沿った断面（断面形状）は、先端側に、円弧状又は楕円弧状の前縁エッジ部３１を有している。また、各フルブレード１９の前縁１９ａにおけるインペラ１１の軸方向Ｄ２に沿った断面は、負圧面１９ｎ側に、前縁エッジ部３１に連続しかつ前縁エッジ部３１の中心３１ｃを正圧面（圧力面）１９ｐ側へ寄せるように緩やかに曲がった前縁曲がり部３３を有している。

同様に、図２（ｂ）に示すように、各スプリッタブレード２１の前縁２１ａにおけるインペラ１１の軸方向Ｄ２に沿った断面（断面形状）は、先端側に、円弧状又は楕円弧状の前縁エッジ部３５を有している。また、各スプリッタブレード２１の前縁２１ａにおけるインペラ１１の軸方向Ｄ２に沿った断面は、負圧面２１ｎ側に、前縁エッジ部３５に連続しかつ前縁エッジ部３５の中心３５ｃを正圧面２１ｐ側へ寄せるように緩やかに曲がった前縁曲がり部３７を有している。

図１（ａ）に示すように、各フルブレード１９の後縁１９ｂにおけるインペラ１１の径方向Ｄ３に沿った断面（断面形状）は、先端側に、円弧状又は楕円弧状の後縁エッジ部３９を有している。また、各フルブレード１９の後縁１９ｂにおけるインペラ１１の径方向Ｄ３に沿った断面は、後縁エッジ部３９に連続しかつ後縁エッジ部３９の中心３９ｃを負圧面１９ｎ側へ寄せるように緩やかに曲がった後縁曲がり部４１を有している。

同様に、図１（ｂ）に示すように、各スプリッタブレード２１の後縁２１ｂにおけるインペラ１１の径方向Ｄ３に沿った断面（断面形状）は、先端側に、円弧状又は楕円弧状の後縁エッジ部４３を有している。また、各スプリッタブレード２１の後縁２１ｂにおけるインペラ１１の径方向Ｄ３に沿った断面は、正圧面２１ｐ側に後縁エッジ部４３に連続しかつ後縁エッジ部４３の中心４３ｃを負圧面２１ｎ側へ寄せるように緩やかに曲がった後縁曲がり部４５を有している。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

別のインペラからの回転力によってロータ軸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側に吸入した空気を圧縮することができる。そして、圧縮した空気は、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から吐出することができる（遠心圧縮機１の運転に関する作用）。

遠心圧縮機１の運転に関する作用の他に、図１（ａ）（ｂ）に示すように、各ブレード１９，２１の後縁１９ｂ，２１ｂにおけるインペラ１１の径方向Ｄ３に沿った断面が正圧面１９ｐ，２１ｐ側に後縁エッジ部３９，４３の中心３９ｃ，４３ｃを負圧面１９ｎ，２１ｎ側へ寄せるように緩やかに曲がった後縁曲がり部４１，４５を有しているため、インペラ１１の径方向Ｄ３に対する各ブレード２９，２１の出口羽根角（インペラ１１の径方向Ｄ３と各ブレード１９，２１の後縁１９ｂ，２１ｂ側の羽根厚中心１９ｃ，２１ｃとのなす角）βｂよりも、見かけ上の各ブレード１９，２１の出口羽根角（インペラ１１の径方向Ｄ３と各ブレード１９，２１の後縁１９ｂ，２１ｂの後縁エッジ部３９，４３とのなす角）βｂｃを大きくすることができる。これにより、実際の各ブレード１９，２１の出口羽根角βｂを４５度以上に拡大しなくても、見かけ上の各ブレード１９，２１の出口羽根角βｂｃを４５度以上に拡大することができる。

また、図２（ａ）（ｂ）に示すように、各ブレード１９，２１の前縁１９ａ，２１ａにおけるインペラ１１の軸方向Ｄ２に沿った断面が負圧面１９ｎ，２１ｎ側に前縁エッジ部３１，３５の中心３１ｃ，３５ｃを正圧面１９ｐ，２１ｐ側へ寄せるように緩やかに曲がった前縁曲がり部３３，３９を有しているため、インペラ１１の軸方向Ｄ２に対する各ブレード１９，２１の入口羽根角（インペラ１１の径方向と各ブレード１９，２１の前縁１９ａ，２１ａ側の羽根厚中心１９ｃ，２１ｃとのなす角）βａよりも、見かけ上の各ブレードの入口羽根角（インペラ１１の径方向と各ブレード１９，２１の前縁１９ａ，２１ａの前縁曲がり部３３，３９とのなす角）βａｃを大きくすることができる。これにより、空気の流量の減少に伴い、ブレード１９，２１に対する空気の相対流入角αが大きくなっても、空気の相対流入角αと見かけ上のブレード１９，２１の入口羽根角βａｃの差である見かけ上のインシデンスを低減することができる。

以上の如き、本発明の実施形態によれば、実際の各ブレード１９，２１の出口羽根角βｂを４５度以上に拡大しなくても、見かけ上の各ブレード１９，２１の出口羽根角βｂｃを４５度以上に拡大することができるため、遠心圧縮機１の運転中にブレード１９，２１の付け根付近に過大な遠心応力が発生することを回避して、インペラ１１の構造強度（遠心圧縮機１の構造強度）を十分に確保した上で、遠心圧縮機１のサージングを抑制して、遠心圧縮機１の作動域をより低流量側へ拡大することができる。

特に、ブレード１９，２１に対する空気の相対流入角αが大きくなっても、空気の相対流入角αと見かけ上のブレード１９，２１の入口羽根角βａｃの差である見かけ上のインシデンスを低減することができるため、ブレード１９，２１における負圧面１９ｎ，２１ｎ側における空気の剥離を抑制でき、前述の効果をより一層高めることができる。

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。

１ 遠心圧縮機
３ ハウジング
５ｓ シュラウド
１１ インペラ
１１ｃ インペラの軸心
Ｄ１ インペラの回転方向
Ｄ２ インペラの軸方向
Ｄ３ インペラの径方向
１３ ホイール
１３ｈ ホイールの外周面
１５ ロータ軸
１９ フルブレード
１９ａ フルブレードの前縁
１９ｂ フルブレードの後縁
１９ｔ フルブレードの外縁
１９ｃ フルブレードの羽根厚中心
１９ｐ フルブレードの正圧面
１９ｎ フルブレードの負圧面
２１ スプリッタブレード
２１ａ スプリッタブレードの前縁
２１ｂ スプリッタブレードの後縁
２１ｔ スプリッタブレードの外縁
２１ｃ スプリッタブレードの羽根厚中心
２１ｐ スプリッタブレードの正圧面
２１ｎ スプリッタブレードの負圧面
２３ 吸入口
２５ ディフューザ流路
２７ スクロール流路
２９ 吐出口
３１ 前縁エッジ部
３１ｃ 前縁エッジ部の中心
３３ 前縁曲がり部
３５ 前縁エッジ部
３５ｃ 前縁エッジ部の中心
３７ 前縁曲がり部
３９ 後縁エッジ部
３９ｃ 後縁エッジ部の中心
４１ 後縁曲がり部
４３ 後縁エッジ部
４３ｃ 後縁エッジ部の中心
４５ 後縁曲がり部
α 相対流入角
βａ 入口羽根角
βａｃ 見かけの入口羽根角
βｂ 出口羽根角
βｂｃ 見かけの出口羽根角

Claims (2)

1. 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、
   各ブレードの後縁における前記インペラの前記径方向に沿った断面は、先端側に円弧状又は楕円弧状の後縁エッジ部を有し、正圧面側に前記後縁エッジ部に連続しかつ前記後縁エッジ部の中心を負圧面側へ寄せるように曲がった後縁曲がり部を有していることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 各ブレードの前縁における前記インペラの前記軸方向に沿った断面は、先端側に円弧状又は楕円弧状の前縁エッジ部を有し、負圧面側に前記前縁エッジ部に連続しかつ前記前縁エッジ部の中心を正圧面側へ寄せるように曲がった前縁曲がり部を有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。

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