JP2015040505A - 遠心圧縮機及び過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心圧縮機２７の圧縮機効率の向上を図りつつ、遠心圧縮機２７の作動域を小流量側へ拡大すること。【解決手段】圧縮機ハウジング２９の内部に圧縮機インペラ３１側から逆流した空気を一時的に収容するための環状のトリートメントキャビティ４７が形成され、トリートメントキャビティ４７は圧縮機インペラ３１の入口を囲むようになっており、圧縮機ハウジング２９の収容壁２９ｗにおける圧縮機ブレード３５の前縁３５ａよりも上流側に環状のスリット４９が形成されていること。【選択図】 図１

Description

本発明は、遠心力を利用して流体（空気等のガスを含む）を圧縮する遠心圧縮機等に関する。

近年、過給機、ガスタービン、産業用空気設備等に用いられる遠心圧縮機の一般的な構成について簡単に説明すると、次のようになる。

遠心圧縮機は、圧縮機ハウジングを具備しており、この圧縮機ハウジングは、内側に、収容壁（シュラウド）を有している。そして、圧縮機ハウジング内には、圧縮機インペラがその軸心周りに回転可能に設けられている。また、圧縮機インペラは、圧縮機ディスクを備えており、この圧縮機ディスクのハブ面は、圧縮機インペラの軸方向一方側から径方向外側に向かって延びている。更に、圧縮機ディスクのハブ面には、複数の圧縮機ブレードが周方向に間隔を置いて一体的に設けられており、各圧縮機ブレードの先端縁は、圧縮機ハウジングの収容壁に沿うように延びている。

遠心圧縮機の一般的な構成の他に、遠心圧縮機の作動域を拡大するために、次のような構成が付加されることがある（特許文献１及び特許文献２等参照）。

圧縮機ハウジングの内部には、圧縮機インペラ内で逆流した流体を一時的に収容するための環状のトリートメントキャビティが形成されている。また、圧縮機ハウジングの収容壁における圧縮機ブレードの前縁よりも下流側には、前記トリートメントキャビティ内に前記逆流した流体を抽出（抽気）するための抽出穴又は抽出スリット等の抽出開口部が形成されている。更に、圧縮機ハウジングの収容壁における圧縮機ブレードの前縁よりも上流側には、トリートメントキャビティ内から圧縮機インペラの入口側へ前記逆流した流体を排出するための排出穴又は排出スリット等の排出開口部が形成されている。

従って、遠心圧縮機の運転中に、圧縮機インペラ側に取入れる流体の流量（実際の流量）が少なくなると、圧縮機インペラ内と圧縮機インペラの入口との圧力差によって、前記逆流した流体が抽出開口部からトリートメントキャビティ内に抽出され、トリートメントキャビティ内を経由して、排出開口部から圧縮機インペラの入口側へ排出される。これにより、圧縮機インペラ側に取入れる見かけの流量を実際の流量よりも多くして、遠心圧縮機のサージングを抑制し、遠心圧縮機の作動域を小流量側に拡大することができる。

特開２００３−１０６２９９号公報 特開２００７−２２４７８９号公報

ところで、圧縮機インペラ側に取入れる流体の流量が多くなると、流体の一部が排出開口部からトリートメントキャビティ内に流入し、トリートメントキャビティ内を経由して、抽出開口部、換言すれば、圧縮機インペラの径方向外側から圧縮機インペラ内に排出されることがある。このような場合に、圧縮機インペラ内の主流の流れと抽出開口部から排出された流体の一部との混合による圧力損失（エネルギー損失）が発生して、遠心圧縮機の圧縮機効率の低下を招くことになる。つまり、遠心圧縮機の圧縮機効率の向上を図りつつ、遠心圧縮機の作動域を小流量側に拡大することは容易でないという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な遠心圧縮機等を提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、遠心力を利用して流体（空気等のガスを含む）を圧縮する遠心圧縮機において、内側に収容壁（シュラウド）を有した圧縮機ハウジングと、前記圧縮機ハウジング内に回転可能に設けられ、ハブ面が軸方向一方側から径方向外側に向かって延びた圧縮機ディスク、及び前記圧縮機ディスクのハブ面に周方向に間隔を置いて一体的に設けられかつ先端縁が前記圧縮機ハウジングの前記収容壁に沿うように延びた複数の圧縮機ブレードを備えた圧縮機インペラと、を具備し、前記圧縮機ハウジングの内部に前記圧縮機インペラ側から逆流した流体を一時的に収容するための環状のトリートメントキャビティが形成され、前記圧縮機ハウジングの前記収容壁における前記圧縮機ブレードの前縁よりも上流側（前記圧縮機インペラの入口側）に、前記トリートメントキャビティ内に前記逆流した流体を導入するための環状の導入スリットが形成されると共に、前記トリートメントキャビティ内から前記圧縮機インペラの入口側へ前記逆流した流体を排出するための排出開口部（排出穴及び排出スリットを含む）が形成されていることを要旨とする。

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたことを含む意であって、「一体的に設けられ」とは、一体形成されたことを含む意である。また、「軸方向」とは、圧縮機インペラの軸方向のことをいい、「径方向」とは、圧縮機インペラの径方向のことをいい、「上流」とは、主流の流れ方向から見て上流のことをいう。更に、「環状の導入スリット」は、排出開口部の機能を有しても構わなく、換言すれば、「環状の導入スリット」と「排出開口部」は、共通の環状のスリットであっても構わない。

第１の特徴によると、前記圧縮機インペラをその軸心周りに回転させることにより、前記圧縮機インペラ側へ取入れた流体を圧縮することができる。そして、圧縮した流体（圧縮流体）は、前記圧縮機ハウジングの外側へ排出される。

前記遠心圧縮機の運転中に、前記圧縮機インペラ側に取入れる流体の流量（実際の流量）が少なくなると、前記圧縮機インペラ内で逆流が発生し、その逆流した流体が前記導入スリットから前記トリートメントキャビティ内に導入され、前記トリートメントキャビティ内を経由して、前記排出開口部から前記圧縮機インペラの入口側へ排出される。これにより、前記圧縮機インペラ側に取入れる流体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。

前記導入スリット及び前記排出開口部が前記圧縮機ハウジングの前記収容壁における前記圧縮機ブレードの前縁よりも上流側に形成されているため、前記圧縮機インペラ側に取入れる流体の流量が多くなっても、流体の一部が前記圧縮機インペラの径方向外側から前記圧縮機インペラ内に排出されることはなく、前記圧縮機インペラ内における圧力損失（エネルギー損失）の増大を抑えることができる。

本発明の第２の特徴は、エンジンからの排気ガスの圧力エネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する過給機において、第１の特徴からなる遠心圧縮機を備えたことを要旨とする。

第２の特徴によると、第１の特徴による作用と同様の作用を奏する。

本発明によれば、前記圧縮機インペラ側に取入れる流体の実際の流量が少なくなっても、見かけの流量を実際の流量よりも多くできるため、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小流量側に拡大することができる。また、前記圧縮機インペラ側に取入れる流体の流量が多くなっても、前記圧縮機インペラ内における圧力損失の増大を抑えることができるため、前記遠心圧縮機の圧縮機効率の向上を図ることができる。よって、本発明によれば、前記遠心圧縮機の圧縮機効率の向上を図りつつ、前記遠心圧縮機の作動域を小流量側へ拡大することができる。

図１は、図２における矢視部Iの拡大図である。 図２は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の正断面図である。 図３は、本発明の実施形態に係る車両用過給機の正断面図である。 図４は、本発明の実施形態の変形例に係る遠心圧縮機の要部を示す断面図である。

本発明の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、図面に示すとおり、「Ｌ」は、左方向、「Ｒ」は、右方向である。

図３に示すように、本発明の実施形態に係る車両用過給機（過給機の一例）１は、エンジン（図示省略）からの排気ガス（ガスの一例）の圧力エネルギーを利用して、エンジンに供給される空気を過給（圧縮）するものである。そして、車両用過給機１の具体的な構成等は、以下のようになる。

車両用過給機１は、軸受ハウジング３を具備しており、軸受ハウジング３内には、一対のラジアル軸受５及び一対のスラスト軸受７が設けられている。また、複数の軸受５，７には、左右方向へ延びたロータ軸（タービン軸）９が回転可能に設けられており、換言すれば、軸受ハウジング３には、ロータ軸９が複数の軸受５，７を介して回転可能に設けられている。

軸受ハウジング３の右側には、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させるラジアルタービン１１が配設されており、このラジアルタービン１１の構成は、次のようになる。

軸受ハウジング３の右側には、タービンハウジング１３が設けられており、このタービンハウジング１３は、内側に、収容壁１３ｗを有している。また、タービンハウジング１３内には、タービンインペラ１５がその軸心（タービンインペラ１５の軸心）周りに回転可能に設けられており、このタービンインペラ１５は、ロータ軸９の右端部に一体的に連結されている。そして、タービンインペラ１５は、タービンディスク１７を備えており、このタービンディスク１７のハブ面１７ｈは、右側から径方向外側（タービンインペラ１５の径方向外側）へ延びている。更に、タービンディスク１７のハブ面１７ｈには、複数のタービンブレード１９が周方向に等間隔に一体形成されており、各タービンブレード１９の先端縁（外縁）１９ｔは、タービンハウジング１３の収容壁１３ｗに沿うように延びている。

タービンハウジング１３の適宜位置には、排気ガスをタービンハウジング１３内に取入れるための排気取入口２１が形成されており、この排気取入口２１は、エンジンの排気マニホールド（図示省略）に接続可能である。また、タービンハウジング１３の内部におけるタービンインペラ１５の入口側（排気ガスの流れ方向から見て上流側）には、渦巻き状のタービンスクロール流路２３が形成されており、このタービンスクロール流路２３は、排気取入口２１に連通してある。更に、タービンハウジング１３におけるタービンインペラ１５の出口側（排気ガスの流れ方向から見て下流側）には、排気ガスを排出する排気排出口２５が形成されており、この排気排出口２５は、接続管（図示省略）を介して排気ガス浄化装置（図示省略）に接続可能である。

図２及び図３に示すように、軸受ハウジング３の左側には、遠心力を利用して空気を圧縮する遠心圧縮機２７が配設されており、この遠心圧縮機２７の構成は、次のようになる。

軸受ハウジング３の左側には、圧縮機ハウジング２９が設けられており、この圧縮機ハウジング２９は、内側に、収容壁２９ｗを有している。また、圧縮機ハウジング２９内には、圧縮機インペラ３１がその軸心（圧縮機インペラ３１の軸心）周り回転可能に設けられており、この圧縮機インペラ３１は、ロータ軸９の左端部に一体的に連結されている。そして、圧縮機インペラ３１は、ロータ軸９の左端部に一体的に連結した圧縮機ディスク３３を備えており、この圧縮機ディスク３３のハブ面３３ｈは、左側（ロータ軸９、換言すれば、圧縮機インペラ３１の軸方向一方側）から径方向外側（圧縮機インペラ３１の径方向外側）へ延びている。更に、圧縮機ディスク３３のハブ面３３ｈには、複数の圧縮機ブレード３５が周方向に間隔を置いて一体形成されており、各圧縮機ブレード３５の先端縁（外縁）３５ｔは、圧縮機ハウジング２９の収容壁２９ｗに沿うように延びている。

圧縮機ハウジング２９における圧縮機インペラ３１の入口側（空気の流れ方向から見て上流側）には、空気を圧縮機ハウジング２９内に取入れるための空気取入口３７が形成されており、この空気取入口３７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、軸受ハウジング３と圧縮機ハウジング２９との間における圧縮機インペラ３１の出口側（空気の流れ方向から見て下流側）には、圧縮された空気を昇圧する環状のディフューザ流路３９が形成されている。更に、圧縮機ハウジング２９の内部には、渦巻き状の圧縮機スクロール流路４１が形成されており、この圧縮機スクロール流路４１は、ディフューザ流路３９に連通してある。そして、圧縮機ハウジング２９の適宜位置には、圧縮された空気を圧縮機ハウジング２９の外側へ排出するための空気排出口４３が形成されており、この空気排出口４３は、エンジンの吸気マニホールド（図示省略）に接続可能である。

軸受ハウジング３の左側部には、スラスト軸受７側への圧縮空気の漏れを防止する環状のシールプレート４５が設けられており、このシールプレート４５は、圧縮機ディスク３３の背面３３ｄに対向してある。

続いて、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機２７の特徴部分（主要な構成）について説明する。

図１及び図２に示すように、圧縮機ハウジング２９の内部には、圧縮機インペラ３１側から逆流した空気を一時的に収容するための環状のトリートメントキャビティ４７が形成されており、このトリートメントキャビティ４７は、圧縮機インペラ３１の入口を囲むようになっている。また、圧縮機ハウジング２９の収容壁２９ｗにおける圧縮機ブレード３５の前縁３５ａよりも上流側（圧縮機インペラ３１の入口側）には、環状のスリット４９が形成されており、このスリット４９は、トリートメントキャビティ４７に連通してある。ここで、環状のスリット４９は、トリートメントキャビティ４７内に前記逆流した空気を導入する導入スリットとしての機能、及びトリートメントキャビティ４７内から圧縮機インペラ３１の入口側へ前記逆流した空気を排出するための排出スリット（排出開口部の一例）としての機能を有している。

圧縮機ブレード３５の前縁３５ａのチップ端（先端）３５ａｔからスリット４９の下流側の端縁４９ｄまでの軸方向の長さαは、圧縮機インペラ３１の直径（圧縮機ディスク３３の最大径部の直径）βの１０〜２５０％に設定されている。スリット４９の下流側の端縁４９ｄまでの軸方向の長さαが圧縮機インペラ３１の直径βの１０％以上に設定されるようにしたのは、１０％未満に設定されると、圧縮機インペラ３１側に取入れる空気の流量が多い場合に、スリット４９が主流の流れを乱すおそれがあるからである。一方、スリット４９の下流側の端縁４９ｄまでの軸方向の長さαが圧縮機インペラ３１の直径βの２５０％以下に設定されるようにしたのは、２５０％を超えて設定されると、前記逆流した空気をトリートメントキャビティ４７内に導入することが困難になるからである。

スリット４９の開口幅δは、圧縮機インペラ３１の直径βの１０〜５０％に設定されている。スリット４９の開口幅δが圧縮機インペラ３１の直径βの１０％以上に設定されるようにしたのは、１０％未満に設定されると、前記逆流した空気をトリートメントキャビティ４７内に導入することが困難になるからである。一方、スリット４９の開口幅δを圧縮機インペラ３１の直径βの５０％以下に設定されるようにしたのは、５０％を超えて設定されると、圧縮機インペラ３１側に取入れる空気の流量が多い場合に、スリット４９が主流の流れを乱すおそれがあるからである。

なお、環状のスリット４９が導入スリットとしての機能及び排出スリットとしての機能を有する代わりに、環状のスリット４９が導入スリットとしての機能のみを有するようにして、排出スリットを別個に形成しても構わない。

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。

排気取入口２１からタービンハウジング１３内に取入れた排気ガスがタービンスクロール流路２３を経由してタービンインペラ１５の入口側から出口側へ流通する。すると、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させて、タービンインペラ１５、ロータ軸９、及び圧縮機インペラ３１を一体的に回転させることができる。これにより、空気取入口３７から圧縮機インペラ３１側に取入れた空気を圧縮して、ディフューザ流路３９及び圧縮機スクロール流路４１を経由して空気排出口４３から排出して、エンジンに供給される空気を過給することができる。なお、タービンインペラ１５の出口側へ流通した排気ガスは、排気排出口２５からタービンハウジング１３の外側へ排出される。

車両用過給機１の運転中、換言すれば、遠心圧縮機２７の運転中に、圧縮機インペラ３１側に取入れる空気の流量（実際の流量）が少なくなると、圧縮機インペラ３１内で逆流が発生し、その逆流した空気がスリット４９からトリートメントキャビティ４７内に導入され、トリートメントキャビティ４７内を経由して、スリット４９から圧縮機インペラ３１の入口側へ排出される。これにより、圧縮機インペラ３１側に取入れる空気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。

スリット４９が圧縮機ハウジング２９の収容壁２９ｗにおける圧縮機ブレード３５の前縁３５ａよりも上流側に形成されているため、圧縮機インペラ３１側に取入れる空気の流量が多くなっても、空気の一部が圧縮機インペラ３１の径方向外側から圧縮機インペラ３１内に排出されることはなく、圧縮機インペラ３１内における圧力損失（エネルギー損失）の増大を抑えることができる。

従って、本発明の実施形態によれば、圧縮機インペラ３１側に取入れる空気の実際の流量が少なくなっても、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２７のサージングを抑制して、遠心圧縮機２７の作動域（車両用過給機１の作動域）を小流量側に拡大することができる。また、圧縮機インペラ３１側に取入れる空気の流量が多くなっても、圧縮機インペラ３１内における圧力損失の増大を抑えることができるため、遠心圧縮機２７の圧縮機効率（車両用過給機１の効率）の向上を図ることができる。よって、本発明の実施形態によれば、遠心圧縮機２７の圧縮機効率の向上を図りつつ、遠心圧縮機２７の作動域を小流量側へ拡大することができる。

環状のスリット４９が導入スリットとしての機能の他に、排出スリットとしての機能を有しているため、遠心圧縮機２７の構成要素を減らして、遠心圧縮機２７の構成の簡略化を図ることができる。

（本発明の実施形態の変形例）
本発明の実施形態の変形例について図４を参照して説明する。なお、図面に示すとおり、「Ｌ」は、左方向、「Ｒ」は、右方向である。

図４に示すように、トリートメントキャビティ４７内の壁面には、前記逆流した空気の流れを整流する複数（１つのみ図示）のガイドフィン５１が周方向に間隔を置いて設けられている。また、各ガイドフィン５１は、圧縮機インペラ３１の軸方向に対して平行であるが、各ガイドフィン５１の一部又は全部が圧縮機インペラ３１の軸方向に対して傾斜してあっても構わない。

従って、本発明の実施形態の変形例によると、複数のガイドフィン５１の整流作用によって、スリット４９から排出される空気の流れの旋回成分を低減でき、圧縮機インペラ３１の仕事を十分に確保して、遠心圧縮機２７の圧力比の低下を抑えることができる。よって、本発明の実施形態の変形例によれば、遠心圧縮機２７の作動域を小流量側へより拡大することができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、例えば車両用過給機１に適用した遠心圧縮機２７の技術的事項を船舶用過給機、ガスタービン、産業用空気設備等に適用する等、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：車両用過給機、３：軸受ハウジング、９：ロータ軸、１１：ラジアルタービン、１３：タービンハウジング、１５：タービンインペラ、２７：遠心圧縮機、２９：圧縮機ハウジング、２９ｗ：収容壁、３１：圧縮機インペラ、３３：圧縮機ディスク、３３ｈ：ハブ面、３５：圧縮機ブレード、３５ａ：前縁、４７：トリートメントキャビティ、４９：スリット、４９ｄ：下流側の端縁、５１：ガイドフィン

Claims (6)

1. 遠心力を利用して流体を圧縮する遠心圧縮機において、
   内側に収容壁を有した圧縮機ハウジングと、
   前記圧縮機ハウジング内に回転可能に設けられ、ハブ面が軸方向一方側から径方向外側に向かって延びた圧縮機ディスク、及び前記圧縮機ディスクのハブ面に周方向に間隔を置いて一体的に設けられかつ先端縁が前記圧縮機ハウジングの前記収容壁に沿うように延びた複数の圧縮機ブレードを備えた圧縮機インペラと、を具備し、
   前記圧縮機ハウジングの内部に前記圧縮機インペラ側から逆流した流体を一時的に収容するための環状のトリートメントキャビティが形成され、
   前記圧縮機ハウジングの前記収容壁における前記圧縮機ブレードの前縁よりも上流側に、前記トリートメントキャビティ内に前記逆流した流体を導入するための環状の導入スリットが形成されると共に、前記トリートメントキャビティ内から前記圧縮機インペラの入口側へ前記逆流した流体を排出するための排出開口部が形成されていることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記トリートメントキャビティ内に前記逆流した流体の流れを整流する複数のガイドフィンが周方向に間隔を置いて設けられていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記導入スリットと前記排出開口部は、共通の環状のスリットであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記圧縮機ブレードの前縁のチップ端から前記スリットの下流側の端縁までの軸方向の長さは、前記圧縮機インペラの直径の１０〜２５０％に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の遠心圧縮機。
5. 前記スリットの開口幅は、前記圧縮機インペラの直径の１０〜５０％に設定されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の遠心圧縮機。
6. エンジンからの排気ガスの圧力エネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する過給機において、
   請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の遠心圧縮機を備えたことを特徴とする過給機。

Images