JP2015132183A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で小流量範囲が高効率化された遠心圧縮機を提供することを目的とする。【解決手段】インペラ(11)と、インペラ(11)に対する径方向外側に設けられた環状のディフューザ(15)と、を備える。ディフューザ(15)は、シュラウド側壁部(3b)と、シュラウド側壁部(3b)に対して間隙をもって対向するハブ側壁部(5a)と、間隙において、周方向に離隔し、ハブ側壁(5a)から高さ(Lv)を間隙の幅(Ld)の１／２以下として立設された複数のディフューザベーン(19)と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、遠心圧縮機に係り、特にベーン付きディフューザを備えた遠心圧縮機に関する。

遠心圧縮機のディフューザ流路内に複数のベーンを周方向に離隔して設けることで、遠心圧縮機の効率を向上させる技術が知られている。

例えば、特許文献１には、複数のベーンを対向する一対のディフューザ壁の一方側に設け、各ベーンと他方のディフューザ壁とを離隔させて両者間に隙間を形成する構成の遠心圧縮機が記載されている。その特許文献１の図１には、各ベーンを一対のディフューザ壁の内のハブ側壁に設けた例が記載されている。
また、特許文献２には、インペラから送出される気体の流れ角が、インペラから送出される気体流量の大小によって変化することに対応するため、ディフューザ流路内の複数のベーンの角度を、変化する流れ角に合わせるよう可変とした構成の遠心圧縮機が記載されている。

特開２０１０−１０６７４６号公報 特開２００１−２１４８９６号公報

ところで、遠心圧縮機は、汎用的用途では、動作範囲の全域で高効率化が求められる一方、専用的用途では、動作範囲の内のその用途で使われる特定の範囲についての高効率化が求められるのが一般的である。
特に、近年の傾向では、車載用を主に、小流量範囲に特化し、全範囲ではなくその特化範囲で高効率化されていることが強く要望されてきている。

これに対し、特許文献１に記載された遠心圧縮機は、気体流量の大小に応じて、ベーンを設けた側のディフューザ壁を他方のディフューザ壁に対して離接させる駆動手段を備えている。
また、特許文献２に記載された遠心圧縮機は、気体流量の大小に応じてベーンを回動させる回動手段を備えている。
従って、いずれの遠心圧縮機も、ディフューザに動的なる複雑な構造を設けて、小流量から大流量に至る動作範囲全域での高効率化を実現しようとするものであり、近年の強い要望に的確に応えるものとは言い難い。

また、図７に示されるように、インペラから送出された気体は、小流量時におけるその流れ角α１が大流量時の流れ角α２よりも顕著に大きくなる。
これにより、小流量でインペラから送出された気体は、ディフューザに向けて送出され難く概ね周方向に流れる。
そのため、再びインペラ側に戻ってくる流れが生じる場合があり、サージが発生する虞があった。
従って、小流量範囲を特化範囲として高効率化するには、小流量範囲特有の気体流れに対し、より適切に対応した構造が求められる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、簡単な構造で小流量範囲が高効率化された遠心圧縮機を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は次の構成を有する。
１） インペラ(11)と、前記インペラ(11)に対する径方向外側に設けられた環状のディフューザ(15)と、を備えた遠心圧縮機であって、
前記ディフューザ(15)は、
シュラウド側壁部(3b)と、
前記シュラウド側壁部(3b)に対して間隙をもって対向するハブ側壁部(5a)と、
前記間隙において、周方向に離隔し、前記ハブ側壁部(5a)から高さ(Lv)を前記間隙の幅(Ld)の１／２以下として立設された複数のディフューザベーン(19)と、
を有することを特徴とする遠心圧縮機(1)である。
２） 前記ディフューザベーン(19)は、入口角βが７０°≦β≦９０°とされていることを特徴とする１）に記載の遠心圧縮機(1)である。
３） 前記ディフューザベーン(19)の前記高さ(Lv)は、入口側が最も高く、出口側が前記入口側よりも低くなっていることを特徴とする１）又は２）に記載の遠心圧縮機(1)である。

本発明によれば、簡単な構造で小流量範囲の高効率化が図れる、という効果が得られる。

本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の実施例である遠心圧縮機１を説明するための半断面図である。 遠心圧縮機１が備えるディフューザ１５を説明するための部分断面図である。 ディフューザ１５に設けられたベーン１９を説明するための部分前面図とその部分拡大図である。 遠心圧縮機１が備えるインペラ１１から送出された流れの半径方向の速度Ｖｒを説明するためのグラフである。 インペラ１１から送出された流れを説明するための模式図である。 ベーン１９の変形例を説明する図である。 インペラから送出される流れの大流量と小流量とでの違いを説明するための模式図である。

本発明の実施形態に係る遠心圧縮機について、実施例の遠心圧縮機１により図１〜図６を参照して説明する。説明における前後の方向は、便宜的に図１に矢印で示された方向で規定する。
まず、図１を参照して遠心圧縮機１について説明する。図１は、遠心圧縮機１の半断面図である。

遠心圧縮機１は、略環状の吸気流路部３ａを有する本体ハウジング３と、本体ハウジング３の後方側に連結された蓋ハウジング５と、を含むハウジング体７を有している。
本体ハウジング３における吸気流路部３ａの内部は、前方側を上流側として後方側へ吸気される気体（例えば空気）の吸気流路９となっている。
吸気流路９の後方側には、インペラ１１が配設されている。
インペラ１１は、ハブ部１１ａと、ハブ部１１ａから径方向外側に延出するよう設けられた羽根部１１ｂと、を有している。
ハブ部１１ａには、シャフト１３が挿通固定されている。このシャフト１３は、蓋ハウジング５に回転自在に支持されつつ、図示しない駆動源に連結されている。
この駆動源の動作により、インペラ１１はシャフト１３と共に回転軸線ＣＬ１まわりに回転するようになっている。
遠心圧縮機１は、インペラ１１の回転により、吸気流路９内の気体を、吸引圧縮すると共に、インペラ１１の径方向外側に設けられたディフューザ１５を通してスクロール通路１７に向け送給する。

ディフューザ１５は、インペラ１１の後方側（下流側）の径方向外側において、本体ハウジング３の後方側の壁部３ｂと、この壁部３ｂに所定の間隔をもって対向する蓋ハウジング５の前方側の壁部５ａと、により、回転軸線ＣＬ１を中心とする環状に形成されている。
以下、壁部３ｂをシュラウド側壁部３ｂとも称し、壁部５ａをハブ側壁部５ａとも称する。
壁部３ｂと壁部５ａとの間に形成される環状の間隙は、ディフューザ１５を流れる流体の流路１５ａとなっている。

流路１５ａには、複数のディフューザベーン１９が設けられている。詳しくは、複数のディフューザべーン１９は、ハブ側壁部５ａから立設されている。
具体的には、各ディフューザベーン１９は、ハブ側壁部５ａに埋め込むように固定された環状のベーンプレート２１に一体的に取り付けられている。以下、ディフューザベーン１９をベーン１９とも称し、ベーンプレート２１をＶプレート２１とも称する。

このベーン１９について、図２、並びに、図３（ａ）及び図３（ｂ）も参照して詳述する。
図２は、図１におけるディフューザ１５の近傍を拡大した部分断面図であり、図３（ａ）は、環状のＶプレート２１の部分前面図であり、環状の約９０°の範囲が示されている。図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＡ部の拡大図である。

ベーン１９は、図２のように回転軸線ＣＬ１に直交する方向から見たときに、ディフューザ１５の流路に沿う長手を有した短冊状を呈する。
また、ベーン１９は、図３（ａ）のように前方側から見たときに、回転軸線ＣＬ１を中心とする時計回りで内径側から外径側に向かい、かつ内径側に凸となる弓型に湾曲する翼として形成されている。この時計回り方向で内径側から外径側に向かう翼形状は、インペラ１１が矢印ＤＲ１の方向に回転する場合に適用される。

ディフューザ１５のスパン方向（シュラウド側壁部３ｂとハブ側壁部５ａとを最短で結ぶ直線方向：図２に示される前後方向に相当）において、ベーン１９とシュラウド側壁部３ｂとの間は離隔して隙間Ｃｓが形成されている。
隙間Ｃｓのスパン方向の距離を距離Ｌｓとする。距離Ｌｓは、例えばベーン１９の入口側から出口側に至る延在方向のいずれの位置においても概ね同じとされている。

ベーン１９のスパン方向の距離を翼高さＬｖとすると、距離Ｌｓ＋翼高さＬｖが、ディフューザ１５のスパン方向の幅Ｌｄとなる。
ベーン１９の翼高さＬｖは、幅Ｌｄに対して１／２以下に設定されている。
また、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示される、ベーン１９の入口角βは、７０°≦βとされている。
ここで、入口角βは、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されるように、回転軸線ＣＬ１とベーン１９の入口縁部の付け根とを繋ぐ直線ＬＮ１と、ベーン１９のキャンバーラインＣＬＮを入口縁部位置Ｐでの傾きでそのまま延長した線と、のなす角度である。キャンバーラインＣＬＮは、ベーン１９の両側面から等しい距離にある点を入口縁部から出口縁部まで結んだ線である。
更に、翼高さＬｖについては、幅Ｌｄに対して１／４以下であるとより好ましい。また、入口角βは、８０°≦βであるとより好ましい。
入口角βの上限は、隣接するベーン１９との干渉等がない限り、９０°を越えるものであってもよいが、実際の構造上、９０°を上限とするのがよい。

次にベーン１９の翼高さＬｖ及び入口角βの設定範囲について、詳述する。
図４は、発明者が、遠心圧縮機１の小流量において、インペラ１１から送出された気体の半径方向の速度Ｖｒと、ディフューザ１５のスパン方向と、の関係を詳細に調べた結果である。この調査における気体は空気である。
図４において、縦軸はスパン方向であり、ハブ側壁部５ａの位置を「０（ゼロ）」、シュラウド側壁部３ｂの位置を「１」として示してある。また、横軸は半径方向の速度Ｖｒであり、半径方向の外方に向かう速度を（＋）としてある。

図４に示されるように、速度Ｖｒは、スパン方向のシュラウド側範囲とハブ側近傍範囲とで（＋）（−）が逆転しており、シュラウド側範囲が（＋）、ハブ側近傍範囲が（−）となっている。０（ゼロ）となる点は、ハブ側から０．２２の位置であり、ハブ側に大きく偏っている。
また、ハブ側の（−）となる領域で速度が最大となるのは、壁部５ａから０．１０の位置であり、シュラウド側の（＋）となる領域で速度が最大となるのは、壁部５ａから０．６０の位置である。
以下、速度Ｖｒが（＋）となる領域を、正領域ＡＲ１と称し、（−）となる領域を、負領域ＡＲ２とも称する。

すなわち、小流量範囲においてインペラ１１から送出された気体は、正領域ＡＲ１では径方向外方へ向かう流れとなって積極的にディフューザ１５へ流入する。
一方、負領域ＡＲ２では、インペラ１１の出口から、周方向に沿い、その出口の接線方向よりもインペラ１１側の領域に向かう流れとなる。
模式図である図５で説明すると、小流量範囲において、正領域ＡＲ１に対応する流れは、インペラ１１の出口部位の接線ＳＬに対し、インペラ１１から遠い側の領域に向かう流れＦ１となる。
一方、負領域ＡＲ２に対応する流れは、接線ＳＬに対し、インペラ１１に近い側の領域に向かう流れＦ２となる。

インペラ１１から送出された気体の速度Ｖｒに負領域ＡＲ２が生じるのは、小流量範囲におけるハブ側のみである。すなわち、中流量〜大流量範囲では、速度Ｖｒが小流量の場合よりも高速化して、負領域ＡＲ２は生じない。
また、負領域ＡＲ２が生じた場合のスパン方向に取り得る最大範囲は、図４に示されるように、ハブ側壁部５ａから０．２２程度迄であることが発明者の検討で判明している。

さらに発明者は、遠心圧縮機１の動作範囲を、小流量範囲，中流量範囲，及び大流量範囲の三つの範囲で分類したときのスパン方向の幅Ｌｄを、ハブ側とシュラウド側との二つの範囲で分類してマトリックス化し、インペラ１１から送出される気体の流れ角α（図５参照）を評価した。その評価結果を表１に示す。
流れ角αは、例えば流れＦ１の場合、図５に示されるように、インペラ１１の出口部位の任意の位置Ｐ１と中心軸線ＣＬ１とを繋ぐ直線ＬＮ２と、流れＦ１の位置Ｐ１における接線と、のなす角度である。
この評価では、負領域ＡＲ２の発生有無と、各スパン方向範囲における流れ角α（図５参照）の平均値αｖと、を評価項目としている。
詳しくは、負領域ＡＲ２の発生有無については、発生有り、発生無しとし、平均値αｖは７０°未満を「小」とし、７０°以上について数値を記載してある。

表１に示されるように、シュラウド側の全流量範囲、及びハブ側の大流量範囲で、負領域ＡＲ２は発生せず、流れ角αの平均値αｖは７０°未満となっている。詳しくは、平均値αｖ＝４０°程度となる。
ハブ側の小流量範囲は、負領域ＡＲ２が発生し、流れ角αの平均値αｖは８０°なる大きい値となる。
ハブ側の中流量範囲は、負領域ＡＲ２が発生しないものの、流れ角αの平均値αｖは７０°であり、小流量範囲に近い角度値を呈する。

この結果から、小流量範囲を特化範囲として高効率化するために有効な構造は次のものであることが判明した。
すなわち、遠心圧縮機１のディフューザ１５内に周方向に離隔して設ける複数のベーン１９を、負領域ＡＲ２が確実に含まれるように、ハブ側壁部５ａから翼高さをスパン方向で図４の０．５以下の範囲（翼高さＬｖが幅Ｌｄの１／２以下）に形成するとよい。
さらに、流れ角αの平均値αｖに対応させて、入口角βを７０°以上で形成するとよい。
また、ベーン１９は、内径側に凸となる弓形に湾曲した形状で形成するとよい。すなわち、図３に示されるように、ベーン１９を、その出口角βｔが入口角βよりも小さくなるように形成する。

これにより、小流量範囲における、ハブ側の負領域ＡＲ２を含む範囲の流れを矯正して良好にディフューザ１５からその下流へと誘導することができる。従って、遠心圧縮機１は、動的で複雑な構成を有することなく、単純な構成で小流量範囲が高効率化する。
また、ベーン１９の入口角βを７０°以上で形成した場合、その入口角βは中流量範囲の流れ角αに比較的近いものとなる。従って、小流量範囲のみならず、中流量範囲についてもディフューザ１５へと送出されにくい大きい流れ角αの流れを、ディフューザ１５からその下流へと良好に誘導することができる。

さらに好ましくは、複数のベーン１９を、負領域ＡＲ２にほぼ対応する範囲として、ハブ側壁部５ａから翼高さをスパン方向で図４の０．２５以下の範囲（翼高さＬｖが幅Ｌｄの１／４以下）に形成するとよい。
また、負領域ＡＲ２における流れ角αの平均値αｖに対応させて、入口角βを８０°以上で形成するとよい。
これにより、ベーン１９を設けながらも、その高さを有効な限り低くすることでディフューザ１５の流路１５ａをより広くしてチョーク流量を確保しつつ、小流量範囲のハブ側で生じる負領域ＡＲ２の流れを確実に矯正してディフューザ１５からその下流へとより良好に誘導することができる。
遠心圧縮機１は、動的で複雑な構成を有することなく、単純な構成で小流量範囲が更に高効率化する。

ベーン１９の入口角βの上限値は、隣接するベーン１９との干渉等がない限り、９０°を越えるものであってもよいが、実用上、９０°を上限とするのが好ましい。

本発明の実施例は、上述した構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形例としてもよい。

ベーン１９の翼高さＬｖは、入口側から出口側まで一定のものに限定されない。
翼高さＬｖが、入口側で幅Ｌｄの１／２以下又は１／４以下に設定されて最も高く、出口側に向かうに従って入口側よりも高くなることなく変化していてもよい。すなわち、翼高さＬｖが、入口側で最も高く、出口側が入口側よりも低くなっていてもよい。

例えば、図６（ａ）に示されるように、入口側（紙面下方）から出口側（紙面上方）に向かうに従って、稜線１９ｔが直線状に徐々に低くなるベーン１９Ａであってもよい。
また、図６（ｂ）に示されるように、稜線１９ｔが入口側から出口側に向かって階段状に低くなるベーン１９Ｂであってもよい。
また、図６（ｃ）に示されるように、稜線が曲線状に徐々に低くなるベーン１９Ｃであってもよい。更には、ベーン１９Ａ〜１９Ｃを互いに組み合わせた形状であってもよい。

インペラ１１から送出された流れは、概ねベーン１９の入口側の部位で矯正されるので、これらの変形例によれば、小流量範囲での高効率化が十分に図れると共に、ディフューザ１５の流路１５ａの流路面積がより広くなってチョーク流量をより良好に確保できる。

壁部５ａにベーン１９を設ける構造及びその手法は、Ｖプレート２１を用いる構造に限定されず、周知の種々の構造及び手法で設けることができる。

１ 遠心圧縮機
３ 本体ハウジング
３ａ 吸気流路部、 ３ｂ （シュラウド側の）壁部
５ 蓋ハウジング、 ５ａ （ハブ側の）壁部
７ ハウジング体
９ 吸気流路
１１ インペラ、 １１ａ ハブ部、 １１ｂ 羽根部
１３ シャフト
１５ ディフューザ、 １５ａ 流路
１７ スクロール通路
１９ ディフューザベーン(ベーン）
１９Ａ〜１９Ｃ ディフューザベーン(ベーン）、 １９ｔ 稜線
２１ ベーンプレート（Ｖプレート）
ＡＲ１ 正領域、 ＡＲ２ 負領域
ＣＬＮ キャンバーライン、 ＣＬ１ 回転軸線
Ｃｓ 隙間
Ｆ１ 流れ、 Ｆ２ 流れ
Ｌｄ 幅、 Ｌｓ 距離、 Ｌｖ 翼高さ
ＬＮ１，ＬＮ２ 直線
Ｐ 入口縁部位置、 Ｐ１ 位置
ＳＬ 接線
Ｖｒ （半径方向の）速度
α 流れ角、 αｖ （流れ角の）平均値
β 入口角、 βｔ 出口角

Claims (3)

1. インペラと、前記インペラに対する径方向外側に設けられた環状のディフューザと、を備えた遠心圧縮機であって、
   前記ディフューザは、
   シュラウド側壁部と、
   前記シュラウド側壁部に対して間隙をもって対向するハブ側壁部と、
   前記間隙において、周方向に離隔し、前記ハブ側壁部から高さを前記間隙の幅の１／２以下として立設された複数のディフューザベーンと、
   を有することを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記ディフューザベーンは、入口角βが７０°≦β≦９０°とされていることを特徴とする請求項１記載の遠心圧縮機。
3. 前記ディフューザベーンの前記高さは、入口側が最も高く、出口側が前記入口側よりも低くなっていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の遠心圧縮機。

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