JP2015183670A

JP2015183670A - スクロール及びターボ圧縮機

Info

Publication number: JP2015183670A
Application number: JP2014063514A
Authority: JP
Inventors: 龍介沼倉; Ryusuke Numakura
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2034-03-26
Also published as: JP6379568B2

Abstract

【課題】外径を一定に維持しつつ圧力損失を従来よりも低減する。
【解決手段】外径一定形状、かつ、流路面積がスクロール中心軸周りの巻始めから巻終わりに向かって徐々に増加するスクロールであって、流路断面中心のスクロール中心軸からの距離の巻始めから巻終わりに亘る軌跡が流路断面形状が円形な場合における上記距離の軌跡よりも外径側に位置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スクロール及びターボ圧縮機に関する。

周知のように、ターボ圧縮機は、インペラによって運動エネルギーが付与された流体をディフューザで圧縮（昇圧）し、当該ディフューザの周りに設けられたスクロールによって回収する装置である。上記スクロールは、ディフューザの周りに渦巻状に設けられるものであり、また流路面積（断面積）が巻始めから巻終わりに向かって徐々に拡大する渦巻状の流路である。

下記特許文献１には、このようなターボ圧縮機におけるスクロールの各種構造が開示されている。例えば、特許文献１の図７には、スクロールの巻始めから巻終わりに亘る図芯（流路中心）のスクロール中心軸（インペラの回転中心軸）からの距離（中心間距離）が一定なスクロールが記載されている。また、特許文献１の図２や図４には、上記中心間距離が山型に変化するスクロールが記載されている。

また、下記特許文献２には、ターボ圧縮機ではなく、過給機（ターボチャージャ）のタービン（ラジアルタービン）に備えられるスクロール部（スクロール）の各種構造が開示されている。例えば、特許文献２の図１には、スクロール部の巻始めから巻終わりに亘る外縁と内縁との中心点のスクロール中心軸からの距離（中心間距離）が一定なスクロールが記載されている。また、特許文献２の図３には、スクロール部の巻始めから所定の領域を除く領域について外縁のスクロール中心軸からの距離（中心間距離）が一定（一部外径一定）なスクロールが記載されている。また、特許文献２の図４には、スクロール部の巻始めから巻終わりに亘る内縁のスクロール中心軸からの距離（中心間距離）が一定（内径一定）なスクロールが記載されている。

特開２０１２−１３７０６９号公報特開２０１０−２０９８２４号公報

ところで、ターボ圧縮機のスクロールについては、上記特許文献１開示されているように巻始めから巻終わりに亘る各位置の流路断面中心のスクロール中心軸からの距離（中心間距離）が一定な形状よりも、当該中心間距離が徐々に大きくなる形状の方が損失係数（圧力損失係数）が小さくなる。また、これとは逆に、上記中心間距離が徐々に小さくなる形状は、中心間距離が一定な形状よりも損失係数が大きくなる。ここで、巻始めから巻終わりに亘るスクロールの外径を一定にしようとした場合には、上記中心間距離は徐々に小さくならざるを得ず、この結果として損失係数が大きくなる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、外径を一定に維持しつつ圧力損失を従来よりも低減することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、スクロールに係る第１の解決手段として、外径一定形状、かつ、流路面積がスクロール中心軸周りの巻始めから巻終わりに向かって徐々に増加するスクロールであって、流路断面中心のスクロール中心軸からの距離の前記巻始めから前記巻終わりに亘る軌跡が流路断面形状が円形な場合における前記距離の軌跡よりも外径側に位置する、という手段を採用する。

本発明では、スクロールに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記流路断面中心の前記スクロール中心軸からの前記距離の前記軌跡は、外径側に膨らむように湾曲した形状である、という手段を採用する。

本発明では、スクロールに係る第３の解決手段として、外径一定形状、かつ、流路面積がスクロール中心軸周りの巻始めから巻終わりに向かって徐々に増加するスクロールであって、前記巻始め近傍の所定領域におけるスクロール中心軸方向における流路幅の増加率がスクロール半径方向における流路幅の増加率よりも大きい、という手段を採用する。

また、本発明では、ターボ圧縮機に係る解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段に係るスクロールを備える、という手段を採用する。

本発明によれば、流路断面中心のスクロール中心軸からの距離の巻始めから巻終わりに亘る軌跡が流路断面形状が円形な場合における上記距離の軌跡よりも外径側に位置する、あるいは巻始め近傍の所定領域におけるスクロール中心軸方向における流路幅の増加率がスクロール半径方向における流路幅の増加率よりも大きいので、圧力損失を従来の外径一定形状よりも低減させることができる。

本発明の一実施形態に係るターボ圧縮機１の要部構成を示す断面図である。本発明の一実施形態に係るスクロール１ｈの形状を示す第１の模式図である。本発明の一実施形態に係るスクロール１ｈの形状を示す第２の模式図である。本発明の一実施形態に係るスクロール１ｈの形状を示すグラフである。本発明の一実施形態に係るターボ圧縮機１の性能を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。本実施形態に係るターボ圧縮機１は、図１に示すように、インペラケーシング１ａ、インペラ１ｂ、駆動軸１ｃ及び駆動機構１ｄを備えている。

インペラケーシング１ａは、内部にインペラ１ｂを収容する空間（インペラ収容空間）が形成されたインペラ収容体であり、上記インペラ収容空間に加えて、軸挿入孔１ｅ、吸入口１ｆ、ディフューザ１ｇ、スクロール１ｈが形成されている。

軸挿入孔１ｅは、インペラケーシング１ａの右側（駆動機構１ｄ側）から上記インペラ収容空間にかけて形成された貫通孔（丸孔）であり、丸棒状の駆動軸１ｃが挿通される。吸入口１ｆは、インペラケーシング１ａの左側（駆動機構１ｄと反対側）から上記インペラ収容空間にかけて形成されており、圧縮対象である流体を外部から取り込むための貫通孔（丸孔）である。なお、上記軸挿入孔１ｅの軸心及び吸入口１ｆの軸心並びに駆動軸１ｃの軸心（回転中心軸）は同軸である。

インペラ１ｂは、複数の翼が軸心周りに一定間隔で形成された翼車である。このインペラ１ｂは、図示するように、翼先端が吸入口１ｆに対峙する一方、翼背面に駆動軸１ｃが突出した状態で上記インペラ収容空間内に収容されており、自らの軸心が駆動軸１ｃの軸心（回転中心軸）と同軸となるように駆動軸１ｃの先端に固定されている。

駆動軸１ｃは、このようなインペラ１ｂを駆動機構１ｄと連結させる丸棒状の部材である。駆動機構１ｄは、電動機（動力源）及び連結機等からなり、駆動軸１ｃを介してインペラ１ｂを回転駆動する。

ディフューザ１ｇは、インペラケーシング１ａにおいてインペラ１ｂの翼後端の外方に円環状に設けられた絞り流路である。すなわち、このディフューザ１ｇは、上記インペラ収容空間の外周のインペラ１ｂの翼後端に符合する位置において、インペラ１ｂの半径方向に所定幅かつインペラ１ｂの軸心方向に所定高さで延在する略円環状の流路である。このようなディフューザ１ｇは、インペラ１ｂによって加速された流体の運動エネルギーを圧力（静圧）に変換する機能を呈する。

スクロール１ｈは、インペラケーシング１ａの内部において、上記ディフューザ１ｇの外周つまりインペラ１ｂの半径方向においてディフューザ１ｇの外側に位置する流路である。このスクロール１ｈは、図２に示すように、スクロール中心軸Ｌ周りの角度θとして見た場合に、巻始め（θ＝６０°）から巻終わり（θ＝３６０°）にかけて渦巻状に形成されると共に流路面積（流体の流れ方向に直交する断面積）が巻始めから巻終わりに向かって徐々に増加する流路である。

なお、上記スクロール中心軸Ｌは、インペラ１ｂの回転中心軸及び駆動軸１ｃの軸心と同軸である。したがって、スクロール中心軸Ｌの方向（スクロール軸方向）は、インペラ１ｂの軸心方向と同一であり、またスクロール１ｈの半径方向（スクロール半径方向）は、インペラ１ｂの半径方向と同一である。

また、本実施形態に係るスクロール１ｈは、図２に示すように、スクロール中心軸Ｌ回りの角度θとして見た場合に、０°から舌部に相当する角度に亘る流体排出領域を除く領域（主領域）においてスクロール中心軸Ｌから外縁１ｉまでの距離、つまり主領域における外径が一定な形状（外径一定形状）であり、スクロール中心軸Ｌから内縁１ｊまでの距離つまり内径が角度θに応じて変化する。すなわち、このスクロール１ｈは、巻始め（θ＝６０°）から巻終わり（θ＝３６０°）における流路断面中心（流路重心）の上記スクロール中心軸Ｌからの距離（中心間距離）が図３（ａ）に一点鎖線で示すような軌跡Ｋを描く。

ここで、一般的な外径一定形状のスクロールは、断面形状が円形であり、図３（ｂ）に参考例３として示すように、上記中心間距離の軌跡が流路断面積（円形断面積）の増加に従ってスクロール中心軸に直線的に近づく。このような参考例３では、断面形状が円形であるが故に、スクロール軸方向における流路幅の増加率とスクロール半径方向における流路幅の増加率とが同一である。したがって、上記中心間距離の軌跡Ｍは、図３（ｂ）に一点鎖線で示すように、スクロール半径方向に対してα＝４５°の角度で直線的に傾斜する形状（直線漸近形状）となる。

このような一般的なスクロール（参考例３）に対して、本実施形態に係るスクロール１ｈは、図３（ａ）に示すように断面形状を円形とはせず、スクロール軸方向における流路幅の増加率とスクロール半径方向における流路幅の増加率とが同一ではない。すなわち、本実施形態に係るスクロール１ｈでは、巻始め（θ＝６０°）から巻終わり（θ＝３６０°）に至る流路長のうち、巻始め（θ＝６０°）近傍の所定領域におけるスクロール軸方向における流路幅の増加率をスクロール半径方向における流路幅の増加率よりも大きく設定されている。

この結果として、流路断面中心（流路重心）の軌跡Ｋは、図３（ａ）に示すように、巻始め（θ＝６０°）近傍の所定領域における傾斜角βが参考例３の軌跡Ｍの傾斜角αよりも大きくなる。また、この軌跡Ｋは、巻始め（θ＝６０°）から巻終わり（θ＝３６０°）に亘って外径（外縁１ｉ）側に膨らむように湾曲した形状（湾曲漸近形状）となる。すなわち、本実施形態に係るスクロール１ｈは、中心間距離の軌跡Ｋが参考例３における中心間距離の軌跡Ｍよりも外径側（外縁１ｉ側）に位置する。

なお、外径一定形状の条件の下では、上記中心間距離の軌跡が巻始め（θ＝６０°）を通ると共にスクロール軸方向に平行な直線（図３における破線）よりも外径側（外縁１ｉ側）に位置することはない。

一般的に流体の流量との関係で角度θ毎に必要な流路断面積が一義的に決まるが、本実施形態に係るスクロール１ｈは、スクロール中心軸Ｌから外縁１ｉまでの距離が一定（つまり外径一定形状）及び角度θ毎に要求される流路断面積という２つの制約条件の下で、スクロール中心軸Ｌから内縁１ｊまでの距離（内径）及びスクロール軸方向における流路幅を角度θに応じて適宜変化させることによって、中心間距離の軌跡Ｋが図３（ａ）に示すように形状設定されている。

図４は、このような本実施形態に係るスクロール１ｈの巻始め（θ＝６０°）から巻終わり（θ＝３６０°）に亘る形状変化を示したグラフである。図４（ａ）は、スクロール１ｈの断面積Ａの変化を示し、図４（ｂ）は、スクロール中心軸Ｌを基準とした流路断面中心（流路重心）の位置（半径位置Ｒ）の変化を示し、図４（ｃ）は、上記断面積Ａと半径位置Ｒとの比Ａ/Ｒの変化を示し、図４（ｄ）は、スクロール１ｈの比Ａ/Ｒの変化率ｄ（Ａ/Ｒ）ｄθの変化を示している。

なお、図４に示された参考例１〜３のうち、参考例１は断面形状が円形かつ中心間距離が一定なスクロールの形状（中心間距離一定形状）を示している。参考例２は、断面形状が円形かつ内径が一定なスクロールの形状（内径一定形状）を示している。参考例３は、本実施形態に係るスクロール１ｈと同様に外径が一定かつ断面形状が円形なスクロールの形状（外径一定形状）を示している。

このような参考例１〜３及び本実施形態に係るスクロール１ｈを対比すると、断面積Ａの増加は図４（ａ）に示すようにすべて同一であるが、半径位置Ｒの変化は図４（ｂ）に示すように全て異なる。すなわち、参考例１では半径位置Ｒの変化が一定であるが、参考例２では半径位置Ｒの変化が徐々に大きくなり、参考例３では半径位置Ｒの変化が徐々に小さくなり、スクロール１ｈでは、参考例３よりも半径位置Ｒの低下の度合いが大きい。

また、断面積Ａと半径位置Ｒとの比Ａ/Ｒについて見ると、全てが徐々に増加するが、参考例３の増加率が最も大きく、次に増加率が大きいのはスクロール１ｈである。参考例１はスクロール１ｈの次に増加率が大きく、参考例２が最も増加率が小さい。

このような比Ａ/Ｒの変化率ｄ（Ａ/Ｒ）ｄθについて見ると、スクロール１ｈと参考例３とは徐々に増加する傾向を示すが、参考例１は一定であり、また参考例２は全体として減少する傾向を示す。また、スクロール１ｈの増加率は、参考例３の増加率よりも全体として小さい。

本実施形態に係るスクロール１ｈは、外径一定形状という点で参考例３と同一であるが、図４（ｂ）に矢印で示すように半径位置Ｒが参考例３よりも緩やかに減少し、また図４（ｃ）に矢印で示すように比Ａ/Ｒが参考例３よりも緩やかに増加し、さらに図４（ｄ）に矢印で示すように比Ａ/Ｒの変化率ｄ（Ａ/Ｒ）/ｄθが緩やかに増加する形状である。

次に、このように構成された本実施形態に係るターボ圧縮機１、特にスクロール１ｈの作用効果について詳しく説明する。

本ターボ圧縮機１では、駆動機構１ｄが作動することによってインペラ１ｂが回転し、この結果として流体が吸入口１ｆからインペラ収容空間に吸入する。そして、当該インペラ収容空間に吸入した流体は、インペラ１ｂによって運動エネルギー（速度エネルギー）が与えられると共にディフューザ１ｇに向けて送出される。そして、流体は、ディフューザ１ｇを通過してスクロール１ｈに流れ込むことにより運動エネルギー（速度エネルギー）が圧力（静圧）に変換されて高圧流体となる。

ここで、インペラ１ｂは、θ＝０°〜３６０°の全半径方向に向けて流体を送り出し、ディフューザ１ｇは、このような全半径方向から流れ込む流体の運動エネルギー（速度エネルギー）を圧力に変換し、高圧流体としてスクロール１ｈに送り出す。スクロール１ｈは、このように全半径方向から流入する高圧流体を受け入れて流体排出領域の先端から外部に送出する。

このようなスクロール１ｈの性能として重要（主要）なものは、ディフューザ１ｇから受け入れた高圧流体の圧力を極力維持したまま外部に送出すること、つまり圧力損失が小さいということである。スクロール１ｈの圧力損失を低減させることは、本ターボ圧縮機１の効率（圧縮効率）の向上を達成する上で極めて重要な設計事項である。

図５は、スクロール１ｈを備える本ターボ圧縮機１と参考例３を備えるターボ圧縮機との効率（圧縮効率）を示すシミュレーション結果（ＣＦＤ解析結果）である。この図５に示すように、本ターボ圧縮機１は、外径一定形状という点で参考例３と類似するスクロール１ｈを備えているが、上述したように中心間距離の軌跡Ｋが参考例３における中心間距離の軌跡Ｍよりも外径側（外縁１ｉ側）に位置するので、スクロール１ｈにおける圧力損失を参考例３よりも低減することが可能である。したがって、本ターボ圧縮機１によれば、作動流量範囲における効率（圧縮効率）を参考例３を備える従来のターボ圧縮機よりも高くすることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態ではスクロール１ｈを備えるターボ圧縮機１について説明したが、本発明はこれに限定されない。スクロール１ｈを例えばラジアルタービンに適用してもよい。また、電動機を動力源とするターボ圧縮機のみに限定されず、タービンで駆動される過給機に適用してもよい。

（２）上記実施形態では、図３（ａ）に示す軌跡Ｋを一例として示したが、本発明はこれに限定されない。参考例３よりも圧力損失を低減するためには、軌跡Ｋが少なくとも軌跡Ｍよりも外径側（外縁１ｉ側）に位置すればよい。

１ターボ圧縮機、１ａインペラケーシング、１ｂインペラ、１ｃ駆動軸、１ｄ駆動機構、１ｅ軸挿入孔、１ｆ吸入口、１ｇディフューザ、１ｈスクロール、１ｉ外縁、１ｊ内縁、Ｋ軌跡、Ｌスクロール中心軸、Ｍ軌跡

Claims

外径一定形状、かつ、流路面積がスクロール中心軸周りの巻始めから巻終わりに向かって徐々に増加するスクロールであって、
流路断面中心のスクロール中心軸からの距離の前記巻始めから前記巻終わりに亘る軌跡が流路断面形状が円形な場合における前記距離の軌跡よりも外径側に位置することを特徴とするスクロール。
前記流路断面中心の前記スクロール中心軸からの前記距離の前記軌跡は、外径側に膨らむように湾曲した形状であることを特徴とする請求項１記載のスクロール。
外径一定形状、かつ、流路面積がスクロール中心軸周りの巻始めから巻終わりに向かって徐々に増加するスクロールであって、
前記巻始め近傍の所定領域におけるスクロール中心軸方向における流路幅の増加率がスクロール半径方向における流路幅の増加率よりも大きいことを特徴とするスクロール。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のスクロールを備えることを特徴とするターボ圧縮機。