JP2015190382A - compressor impeller, centrifugal compressor, and supercharger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、遠心力を利用して空気等の流体を圧縮する遠心圧縮機、及びこの遠心圧縮機に用いられる圧縮機インペラ等に関する。 The present invention relates to a centrifugal compressor that compresses a fluid such as air using centrifugal force, a compressor impeller used in the centrifugal compressor, and the like.
近年、過給機、産業機械、ガスタービン等に用いられる遠心圧縮機について種々の研究開発がなされており、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(特許文献1及び特許文献2等参照)。 In recent years, various research and development have been conducted on centrifugal compressors used in superchargers, industrial machines, gas turbines, etc. The configuration of a general centrifugal compressor will be briefly described as follows (Patent Literature). 1 and Patent Document 2).
一般的な遠心圧縮機は、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、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(圧縮機インペラの軸心)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、軸方向一方側(圧縮機インペラの軸方向の一方側)から半径方向外側(圧縮機インペラの半径方向の外側)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(ハブ面の周方向)に間隔を置いて一体的に設けられている。ここで、各圧縮機ブレードのチップ(先端縁)は、圧縮機ハウジングのシュラウドに沿うように延びている。圧縮機ブレードの入口羽根角は、圧縮機ブレードに対する流体の相対流入角(圧縮機インペラの軸方向と流体の流入方向とのなす角度)のスパン方向の変化に対応して、前縁のハブ端からチップ端にかけて漸次大きくなるように設定されている(図3の破線部分を参照)。 A typical centrifugal compressor includes a compressor housing, and the compressor housing has a shroud inside. A compressor impeller is provided in the compressor housing so as to be rotatable around its axis (axis of the compressor impeller). The compressor impeller includes a compressor disk, and the hub surface of the compressor disk is radially outward from one axial side (one axial side of the compressor impeller) (radial direction of the compressor impeller). The outside). Furthermore, a plurality of compressor blades are integrally provided on the hub surface of the compressor disk at intervals in the circumferential direction (circumferential direction of the hub surface). Here, the tip (tip edge) of each compressor blade extends along the shroud of the compressor housing. The inlet blade angle of the compressor blade corresponds to the change in the span direction of the relative inflow angle of the fluid with respect to the compressor blade (the angle between the axial direction of the compressor impeller and the inflow direction of the fluid). It is set so as to gradually increase from the tip end to the tip end (see the broken line portion in FIG. 3).
ところで、近年、流体の相対流入角が大きくなる小流量側の作動域において、遠心圧縮機の圧縮機効率の向上の要請が強くなっている。その要請に応えるためには、圧縮機ブレードの入口羽根角を大きくすることによって、流体の相対流入角と圧縮機ブレードの入口羽根角との差であるインシデンスを小さくして、流体の剥離を抑制するという手法が考えられる。一方、圧縮機ブレードの入口羽根角を大きくすると、各隣接する2つの圧縮機ブレード間が狭くなって、遠心圧縮機のチョーク流量(チョークマージン)が減少して、遠心圧縮機の作動域を大流量側へ拡大することが困難になる。つまり、遠心圧縮機の作動域を大流量側へ十分に拡大させつつ、小流量側の作動域における遠心圧縮機の圧縮機効率の向上を促進することは容易でないという問題がある。 By the way, in recent years, there is an increasing demand for improvement of the compressor efficiency of the centrifugal compressor in the operation region on the small flow rate side where the relative inflow angle of the fluid becomes large. In order to meet this demand, by increasing the inlet blade angle of the compressor blade, the incidence, which is the difference between the relative inlet angle of the fluid and the inlet blade angle of the compressor blade, is reduced, and fluid separation is suppressed. The method of doing is conceivable. On the other hand, when the inlet blade angle of the compressor blade is increased, the distance between two adjacent compressor blades is narrowed, the choke flow rate (choke margin) of the centrifugal compressor is reduced, and the operating range of the centrifugal compressor is increased. It becomes difficult to expand to the flow rate side. That is, there is a problem that it is not easy to promote the improvement of the compressor efficiency of the centrifugal compressor in the operation region on the small flow rate side while sufficiently expanding the operation region of the centrifugal compressor to the large flow rate side.
そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成からなる圧縮機インペラ及び遠心圧縮機等を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a compressor impeller, a centrifugal compressor, and the like having a novel configuration that can solve the above-described problems.
本発明の発明者は、前述の問題を解決するために、試行錯誤を繰り返した結果、圧縮機ブレードが羽根形状を維持した上で、各圧縮機ブレードの入口羽根角に前縁のハブ端からチップ端に亘って所定の分布(変化)を与えることにより、遠心圧縮機のチョーク流量の減少を抑えつつ、各圧縮機ブレードの入口羽根角を前縁のハブ端からチップ端にかけて漸次大きくなるようにした場合に比べて、小流量側における遠心圧縮機の圧縮機効率を高めることができるという、新規な知見を得ることができ、本発明を完成するに至った(後述の実施例参照)。ここで、「所定の変化を与える」とは、各圧縮機ブレードのミッドスパンの入口羽根角を平均の入口羽根角よりも十分に大きくし、かつ各圧縮機ブレードのチップ端の入口羽根角を平均の入口羽根角に近づけるか又は平均の入口羽根角よりも小さくすることをいう。また、「平均の入口羽根角」とは、最小の入口羽根角と最大の入口羽根角の真中の入口羽根角のことをいう。 The inventor of the present invention has repeated trial and error in order to solve the above-mentioned problems. As a result, the compressor blades maintain the blade shape, and the inlet blade angle of each compressor blade is changed from the hub end of the leading edge. By giving a predetermined distribution (change) over the tip end, the inlet blade angle of each compressor blade is gradually increased from the hub end of the leading edge to the tip end while suppressing a decrease in the choke flow rate of the centrifugal compressor. Compared with the case where it made it, the novel knowledge that the compressor efficiency of the centrifugal compressor in the small flow rate side can be improved was acquired, and it came to complete this invention (refer the below-mentioned Example). Here, “giving a predetermined change” means that the inlet blade angle of the midspan of each compressor blade is sufficiently larger than the average inlet blade angle, and the inlet blade angle at the tip end of each compressor blade is This means approaching the average inlet blade angle or making it smaller than the average inlet blade angle. The “average inlet blade angle” refers to the middle inlet blade angle between the minimum inlet blade angle and the maximum inlet blade angle.
本発明の第1の特徴は、遠心力を利用して流体を圧縮する遠心圧縮機に用いられる圧縮機インペラにおいて、ハブ面が軸方向一方側から半径方向外側に向かって延びた圧縮機ディスクと、前記圧縮機ディスクのハブ面にその周方向(ハブ面の周方向)に間隔を置いて一体的に設けられた複数の圧縮機ブレードと、を具備し、各圧縮機ブレードにおけるミッドスパン(ミーン)の入口羽根角がチップ端の入口羽根角以上に設定されていることを要旨とする。 A first feature of the present invention is a compressor impeller for use in a centrifugal compressor that compresses a fluid using centrifugal force, a compressor disk having a hub surface extending radially outward from one side in the axial direction; A plurality of compressor blades integrally provided on the hub surface of the compressor disk at intervals in the circumferential direction thereof (circumferential direction of the hub surface). ) Is set to be larger than the inlet blade angle at the tip end.
ここで、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「流体」とは、空気等のガスを含む意であって、「遠心圧縮機」とは、車両用過給機等の過給機に用いられる遠心圧縮機だけでなく、産業用遠心圧縮機、ガスタービン用遠心圧縮機等を含む意である。また、「軸方向一方側」とは、軸方向の一方側のことをいい、「軸方向」とは、特に断らない限り、圧縮機インペラの軸方向のことをいい、「半径方向外側」とは、半径方向の外側のことをいい、「半径方向」とは、特に断らない限り、圧縮機インペラの半径方向のことをいい、「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。更に、「ミッドスパン」とは、ハブ端を基準として50%スパン位置の部位ことをいい、「ハブ端」とは、圧縮機ディスクのハブ面側の端、換言すれば、スパン位置の基準になる0%スパン位置の部位のことをいい、「チップ端」とは、ハブ端の反対側の端、換言すれば、ハブ端を基準として100%スパン位置の部位のことをいう。 Here, in the specification and claims of the present application, “fluid” means that gas such as air is included, and “centrifugal compressor” is a supercharger such as a supercharger for vehicles. It is intended to include not only the centrifugal compressors used but also industrial centrifugal compressors, gas turbine centrifugal compressors, and the like. Further, “one axial direction” means one axial direction, and “axial direction” means the axial direction of the compressor impeller unless otherwise specified, and “radially outward”. Means the outside in the radial direction, “radial direction” means the radial direction of the compressor impeller unless otherwise specified, and “provided integrally” means being integrally formed. It is meant to include. Furthermore, “midspan” means the part at 50% span position with respect to the hub end, and “hub end” means the end of the compressor disk on the hub surface side, in other words, the span position reference. The “tip end” means the end opposite to the hub end, in other words, the portion at the 100% span position with respect to the hub end.
第1の特徴によると、各圧縮機ブレードにおけるミッドスパンの入口羽根角がチップ端の入口羽根角以上に設定されているため、各圧縮機ブレードのミッドスパンの入口羽根角を平均の入口羽根角よりも十分に大きくし、かつ各圧縮機ブレードのチップ端の入口羽根角を平均の入口羽根角に近づけるか又は平均の入口羽根角よりも小さくすることができる。これにより、前記遠心圧縮機に前述の新規な知見を適用することができる。 According to the first feature, since the inlet blade angle of the midspan in each compressor blade is set to be equal to or larger than the inlet blade angle at the tip end, the inlet blade angle of the midspan of each compressor blade is set to the average inlet blade angle. And the inlet blade angle at the tip end of each compressor blade can be close to the average inlet blade angle or smaller than the average inlet blade angle. Thereby, the above-mentioned novel knowledge can be applied to the centrifugal compressor.
本発明の第2の特徴は、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、第1の特徴からなる圧縮機インペラと、を具備したことを要旨とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a centrifugal compressor that compresses a fluid using a centrifugal force, a compressor housing having a shroud on the inside thereof, a rotary housing provided in the compressor housing so as to be rotatable, The gist of the invention is that it includes a compressor impeller having features.
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他に、前記インペラをその軸心(前記インペラの軸心)周りに回転させることにより、前記圧縮機ハウジング内に取入れた流体を圧縮することができる。一方、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。 According to the second feature, in addition to having the same effect as that of the first feature, the impeller is taken into the compressor housing by rotating the impeller around its axis (axis of the impeller). The fluid can be compressed. On the other hand, the compressed fluid (compressed fluid) is discharged to the outside of the compressor housing.
本発明の第3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2の特徴からなる遠心圧縮機を具備したことを要旨とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a supercharger that supercharges air supplied to the engine side using pressure energy of exhaust gas from the engine, and includes the centrifugal compressor according to the second aspect. The summary is as follows.
本発明の第3の特徴によると、第2の特徴による作用と同様の作用を奏する。 According to the 3rd characteristic of this invention, there exists an effect | action similar to the effect | action by a 2nd characteristic.
本発明によれば、前記遠心圧縮機に前述の新規な知見を適用できるため、前記遠心圧縮機のチョーク流量(チョークマージン)の減少を抑えつつ、各圧縮機ブレードの入口羽根角を前縁のハブ端からチップ端にかけて漸次大きくなるようにした場合に比べて、小流量側の作動域における前記遠心圧縮機の圧縮機効率を高めることができる。つまり、本発明によれば、前記遠心圧縮機の作動域を大流量側へ十分に拡大させつつ、小流量側の作動域における前記遠心圧縮機の圧縮機効率の向上を促進することができる。 According to the present invention, since the above-mentioned novel knowledge can be applied to the centrifugal compressor, the inlet blade angle of each compressor blade is set to the leading edge while suppressing a decrease in the choke flow rate (choke margin) of the centrifugal compressor. The compressor efficiency of the centrifugal compressor in the operating region on the small flow rate side can be increased as compared with the case where it gradually increases from the hub end to the tip end. That is, according to the present invention, it is possible to promote the improvement of the compressor efficiency of the centrifugal compressor in the operating region on the small flow rate side while sufficiently expanding the operating region of the centrifugal compressor to the large flow rate side.
本発明の実施形態及び実施例について図1から図8(a)(b)を参照して説明する。なお、図面に示すとおり、「F」は、前方向、「R」は、後方向、「AD」は、軸方向、「BD」は、半径方向、「BDi」は、半径方向内側、「BDo」は、半径方向外側、「CD」は、圧縮機インペラの回転方向である。 Embodiments and examples of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 8A and 8B. As shown in the drawings, “F” is the forward direction, “R” is the backward direction, “AD” is the axial direction, “BD” is the radial direction, “BDi” is the radially inner side, “BDo” "Is radially outward, and" CD "is the direction of rotation of the compressor impeller.
(本発明の実施形態)
図5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。
(Embodiment of the present invention)
As shown in FIG. 5, a vehicle supercharger (an example of a supercharger) 1 according to an embodiment of the present invention utilizes pressure energy of exhaust gas (an example of gas) from an engine (not shown). The air supplied to the engine is supercharged (compressed). And the specific structure of the supercharger 1 for vehicles is as follows.
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、前後方向へ延びたロータ軸(回転軸)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。
The vehicle supercharger 1 includes a bearing
軸受ハウジング3の後側には、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。
A
軸受ハウジング3の後側には、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、シュラウド13s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、換言すれば、ロータ軸9の軸心)C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の後端部に同心上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、後側から半径方向外側(タービンインペラ15の半径方向の外側)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(ハブ面17hの周方向)に等間隔に一体形成されており、各タービンブレード19のチップ(先端縁)19tは、タービンハウジング13のシュラウド13sに沿うように延びている。
A
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(排気ガスの主流方向の上流側)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(排気ガスの主流方向の下流側)には、排気ガスを排出するための排気排出口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。
An
なお、軸受ハウジング3の後側面には、タービンインペラ15側からの熱を遮蔽する環状の遮熱板27が設けられており、この遮熱板27の外縁部27oは、軸受ハウジング3とタービンハウジング13によって挟持されている。
An annular
軸受ハウジング3の前側には、遠心力を利用して空気を圧縮する遠心圧縮機29が配設されており、この遠心圧縮機29の構成は、次のようになる。
A
図4に示すように、軸受ハウジング3の前側には、圧縮機ハウジング31が設けられている。また、圧縮機ハウジング31は、内側にシュラウド33sを有したハウジング本体33と、このハウジング本体33の後側に設けられかつ軸受ハウジング3の前側部に一体的に連結された環状のシールプレート35とを備えている。
As shown in FIG. 4, a
図1(a)(b)及び図4に示すように、圧縮機ハウジング31内には、圧縮機インペラ37がその軸心(圧縮機インペラ37の軸心、換言すれば、ロータ軸9の軸心)C周りに回転可能に設けられており、この圧縮機インペラ37は、ロータ軸9の前端部に同心上に一体的に連結されている。また、圧縮機インペラ37は、ロータ軸9の前端部に一体的に連結した圧縮機ディスク39を備えており、この圧縮機ディスク39のハブ面39hは、前側(圧縮機インペラ37の軸方向の一方側)から半径方向外側(圧縮機インペラ37の半径方向の外側)へ延びている。
As shown in FIGS. 1A and 1B and FIG. 4, a
圧縮機ディスク39のハブ面39hには、複数の圧縮機ブレード41が周方向(ハブ面39hの周方向)に等間隔に一体形成されている。また、圧縮機ディスク39のハブ面39hにおける各隣接する2つの圧縮機ブレード41間には、圧縮機ブレード41よりも短いコード長の短ブレード(スプリッタブレード)43が一体形成されている。換言すれば、圧縮機ディスク39のハブ面39hには、圧縮機ブレード41と短ブレード43が周方向に間隔を置いて交互に一体形成されている。ここで、各圧縮機ブレード41のチップ(先端縁)41t及び各短ブレード43のチップ43tは、ハウジング本体33のシュラウド33sに沿うように延びており、各短ブレード43の前縁43aは、圧縮機ブレード41の前縁41aよりも空気の主流方向の下流側に位置している。なお、圧縮機インペラ37の構成要素から複数の短ブレード43を省略しても構わない。
A plurality of
図4に示すように、圧縮機ハウジング31における圧縮機インペラ37の入口側(空気の主流方向の上流側)には、空気を圧縮機ハウジング31内に取入れるための流体取入口としての空気取入口45が形成されており、この空気取入口45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、圧縮機ハウジング31内における圧縮機インペラ37の出口側(空気の主流方向の下流側)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47が形成されている。更に、圧縮機ハウジング31の内部には、渦巻き状の圧縮機スクロール流路49が形成されており、この圧縮機スクロール流路49は、ディフューザ流路47に連通してある。そして、圧縮機ハウジング31の適宜位置には、圧縮された空気を圧縮機ハウジング31の外側へ排出するための空気排出口51が形成されており、この空気排出口51は、圧縮機スクロール流路49に連通しかつ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。
As shown in FIG. 4, on the inlet side of the
続いて、本発明の実施形態に係る圧縮機インペラ37の特徴部分について説明する。
Then, the characteristic part of the
図1(a)(b)及び図2に示すように、各圧縮機ブレード41におけるミッドスパンの入口羽根角(軸方向と前縁41aのミッドスパン41amの翼厚中心線41cとのなす角)θmは、チップ端の入口羽根角(軸方向と前縁41aのチップ端41atの翼厚中心線41cとのなす角)θt以上に設定されている。また、各圧縮機ブレード41におけるチップ端の入口羽根角θt及びミッドスパンの入口羽根角θmは、ハブ端の入口羽根角(軸方向と前縁41aのハブ端41ahの翼厚中心線41cとのなす角)θhよりも大きく設定されている。
As shown in FIGS. 1A, 1B, and 2, the midspan inlet blade angle (the angle formed between the axial direction and the blade
ここで、各圧縮機ブレード41のミッドスパンの入口羽根角θmは、55〜65度に設定されている。55度以上に設定されるようにしたのは、55度未満であると、圧縮機ブレード41のミッドスパンの入口羽根角θmを平均の入口羽根角Aθ(図3参照)よりも十分に大きくすることが困難になるからである。65度以下に設定されるようにしたのは、65度を超えると、圧縮機ブレード41が羽根形状を維持した上で、圧縮機ブレード41のチップ端の入口羽根角θtを平均の入口羽根角Aθに近づけることが困難になるからである。
Here, the midspan inlet blade angle θm of each
各圧縮機ブレード41のチップ端の入口羽根角θtは、50〜60度に設定されている。50度以上に設定されるようにしたのは、50度未満であると、圧縮機ブレード41が羽根形状を維持した上で、圧縮機ブレード41のミッドスパンの入口羽根角θmを平均の入口羽根角Aθよりも十分に大きくすることが困難になるからである。60度以下に設定されるようにしたのは、60度を超えると、圧縮機ブレード41のチップ端の入口羽根角θtを平均の入口羽根角Aθに近づけることが困難になるからである。
The inlet blade angle θt at the tip end of each
各圧縮機ブレード41のハブ端の入口羽根角θhは、30〜40度に設定されている。30度以上に設定されるようにしたのは、30度未満であると、圧縮機ブレード41が羽根形状を維持した上で、圧縮機ブレード41のミッドスパンの入口羽根角θmを平均の入口羽根角Aθよりも十分に大きくすることが困難になるからである。40度以下に設定されるようにしたのは、40度を超えると、各隣接する2つの圧縮機ブレード41間が狭くなって、圧縮機ブレード41が羽根形状を維持することが困難になるからである。
The inlet blade angle θh at the hub end of each
そして、本発明の実施形態に係る圧縮機インペラ(発明例に係る圧縮機インペラ)37において、圧縮機ブレード41の入口羽根角と圧縮機ブレード41の前縁41aのスパン位置との関係は、図3に示すようになる。即ち、本発明の実施形態に係る圧縮機インペラ37は、従来例に係る圧縮機インペラ100(図6(a)(b)参照)に比べて、圧縮機ブレード41のミッドスパンの入口羽根角θmが十分に大きく、かつ圧縮機ブレード41のチップ端の入口羽根角θtが十分に小さくなっている。ここで、従来例に係る圧縮機インペラ100においては、各圧縮機ブレード41の入口羽根角が前縁41aのハブ端41ahからチップ端41atにかけて漸次大きくなるように設定されている。
In the
なお、図1(b)に示すように、各短ブレード43の入口羽根角(図示省略)は、前縁43aのハブ端43ahからチップ端43atにかけて漸次大きくなるように設定されている。
As shown in FIG. 1B, the inlet blade angle (not shown) of each
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。 Then, the effect | action and effect of embodiment of this invention are demonstrated.
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、圧縮機インペラ37をその軸心(圧縮機インペラ37の軸心)C周りにタービンインペラ15と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45から圧縮機ハウジング31内に取入れた空気を圧縮して、ディフューザ流路47及び圧縮機スクロール流路49を経由して空気排出口51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の通常の作用)。
Exhaust gas taken into the
各圧縮機ブレード41におけるミッドスパンの入口羽根角θmがチップ端の入口羽根角θt以上に設定されているため、各圧縮機ブレード41のミッドスパンの入口羽根角θmを平均の入口羽根角Aθよりも十分に大きくし、かつ各圧縮機ブレード41のチップ端の入口羽根角θtを平均の入口羽根角Aθに近づけるか又は平均の入口羽根角Aθよりも小さくすることができる。これにより、遠心圧縮機29に前述の新規な知見を適用することができる(車両用過給機1の特有の作用)。
Since the midspan inlet blade angle θm of each
従って、本発明の実施形態によれば、遠心圧縮機29のチョーク流量(チョークマージン)の減少を抑えつつ、各圧縮機ブレード41の入口羽根角を前縁41aのハブ端41ahからチップ端41atにかけて漸次大きくなるようにした場合に比べて、小流量側の作動域における遠心圧縮機29の圧縮機効率を高めることができる。つまり、本発明の実施形態によれば、遠心圧縮機29の作動域、換言すれば、車両用過給機1の作動域を大流量側へ十分に拡大させつつ、小流量側の作動域における遠心圧縮機29の圧縮機効率の向上、換言すれば、車両用過給機1の効率の向上を促進することができる。
Therefore, according to the embodiment of the present invention, the inlet blade angle of each
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の遠心圧縮機29に適用した技術的思想を産業用遠心圧縮機(図示省略)又はガスタービン用遠心圧縮機(図示省略)に適用しても構わない。そして、本発明に包含される権利範囲は、前述の実施形態に限定されないものである。
The present invention is not limited to the description of the above-described embodiment. For example, the technical idea applied to the
(本発明の実施例)
図1(a)(b)及び図6(a)(b)に示すように、本発明の実施形態に係る圧縮機インペラ37を発明例に係る圧縮機インペラとし、各圧縮機ブレード41の入口羽根角が前縁41aのハブ端41ahからチップ端41atにかけて漸次大きくなるように設定された圧縮機インペラ100を従来例に係る圧縮機インペラとする。なお、従来例に係る圧縮機インペラ100における複数の構成要素のうち、発明例に係る圧縮機インペラ37における構成要素と対応するものについては、図面中に同一符号を付してある。
(Example of the present invention)
As shown in FIGS. 1A and 1B and FIGS. 6A and 6B, the
そして、発明例に係る圧縮機インペラ37を用いた遠心圧縮機(図示省略)、及び従来例に係る圧縮機インペラ100を用いた遠心圧縮機(図示省略)について性能試験を行い、その試験結果として、流量と圧縮機効率との関係、及び流量と圧力比との関係についてまとめると、図7(a)(b)に示すようになる。即ち、発明例の場合には、遠心圧縮機のチョーク流量の減少を抑えつつ、従来例の場合に比べて、小流量側における遠心圧縮機の圧縮機効率を高める(具体的には、従来例の場合よりも2%高める)ことが判明した。なお、図7(a)(b)中におけるN1、N2、及びN3は、遠心圧縮機の回転数を示しており、N1からN3の間には、N1<N2<N3の関係がある。
Then, a performance test is performed on a centrifugal compressor (not shown) using the
つまり、本発明の発明者は、性能試験の試験結果から、圧縮機ブレード41が羽根形状を維持した上で、各圧縮機ブレード41の入口羽根角に前縁41aのハブ端41ahからチップ端41atに亘って所定の分布を与える(段落[0007]参照)ことにより、遠心圧縮機のチョーク流量の減少を抑えつつ、各圧縮機ブレード41の入口羽根角を前縁41aのハブ端41ahからチップ端41atにかけて漸次大きくなるようにした場合に比べて、小流量側における遠心圧縮機の圧縮機効率を高めることができるという、新規な知見を得ることができた。この新規な知見は、次の理由によるものと考えられる。
That is, the inventor of the present invention, based on the results of the performance test, the
即ち、図8(a)に示すように、一般に、小流量側の作動域においては、圧縮機ブレード41の前縁41a側のチップ41t付近に逆流領域が発生し、圧縮機ブレード41の前縁41a側におけるチップ41t側の部位が仕事に寄与しない部位になる。一方、図8(b)に示すように、大流量側の作動域においては、圧縮機インペラの入口側から出口側にかけて順流になっており、圧縮機ブレード41の前縁41a側におけるチップ41t側の部位がハブ側(ハブ面39h側)の流れに比べて高速な流れの流体を取入れる(吸い込む)部位になる。その特性を考慮して、圧縮機ブレード41の前縁41a側におけるハブ側からミッドスパン側の部位を小流量側の作動域における仕事に十分に寄与する部位とし、圧縮機ブレード41の前縁41a側におけるチップ41t側の部位を大流量の作動域における高速な流体の取入れ(吸い込み)に寄与する部位としたことによるものと考えられる。換言すれば、小流量側及び大流量側の作動域における圧縮機インペラ37の入口側から出口側にかけて流れ場の状態に応じて、圧縮機ブレード41の前縁41a側において圧縮機ブレード41の役割をスパン方向に沿って適切に分担させたことによるものと考えられる。なお、図8(a)(b)の流跡線図については、数値流体解析(CFD:Computational Fluid Dynamics解析)によって求めたものである。
That is, as shown in FIG. 8A, in general, in the operating region on the small flow rate side, a back flow region is generated near the
1:車両用過給機(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、29:遠心圧縮機、31:圧縮機ハウジング、33:ハウジング本体、33s:シュラウド、35:シールプレート、37:圧縮機インペラ、39:圧縮機ディスク、39h:ハブ面、41:圧縮機ブレード、41a:前縁、41ah:前縁のハブ端、41at:前縁のチップ端、41am:前縁のミッドスパン(ミーン)、41t:チップ、43:短ブレード、43a:前縁、43ah:前縁のハブ端、43at:前縁のチップ端、43t:チップ、45:空気取入口、47:ディフューザ流路、49:圧縮機スクロール流路、51:空気排出口、Aθ:平均の入口羽根角、θh:圧縮機ブレードのハブ端の入口羽根角、θt:圧縮機ブレードのチップ端の入口羽根角、θm:圧縮機ブレードのミッドスパンの入口羽根角 1: vehicle supercharger (supercharger), 3: bearing housing, 9: rotor shaft, 11: radial turbine, 13: turbine housing, 15: turbine impeller, 29: centrifugal compressor, 31: compressor housing, 33: housing body, 33s: shroud, 35: seal plate, 37: compressor impeller, 39: compressor disk, 39h: hub surface, 41: compressor blade, 41a: leading edge, 41ah: hub end of leading edge, 41at: leading edge tip end, 41am: leading edge midspan (mean), 41t: tip, 43: short blade, 43a: leading edge, 43ah: leading edge hub end, 43at: leading edge tip end, 43t : Chip, 45: Air intake, 47: Diffuser flow path, 49: Compressor scroll flow path, 51: Air discharge port, Aθ: Average inlet blade angle, θh: Compressor block Raid hub blade inlet blade angle, θt: compressor blade tip blade inlet blade angle, θm: compressor blade midspan blade angle
Claims (5)
ハブ面が軸方向一方側から半径方向外側に向かって延びた圧縮機ディスクと、
前記圧縮機ディスクのハブ面にその周方向に間隔を置いて一体的に設けられた複数の圧縮機ブレードと、を具備し、
各圧縮機ブレードにおけるミッドスパンの入口羽根角がチップ端の入口羽根角以上に設定されていることを特徴とする圧縮機インペラ。 In a compressor impeller used in a centrifugal compressor that compresses a fluid using centrifugal force,
A compressor disk with a hub surface extending radially outward from one axial side;
A plurality of compressor blades that are integrally provided on the hub surface of the compressor disk at intervals in the circumferential direction thereof,
A compressor impeller characterized in that the midspan inlet blade angle of each compressor blade is set to be equal to or larger than the inlet blade angle at the tip end.
内側に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、請求項1から請求項3のうちのいずれか1項に記載の圧縮機インペラと、を具備したことを特徴とする遠心圧縮機。 In a centrifugal compressor that compresses fluid using centrifugal force,
A compressor housing having a shroud on the inside;
A centrifugal compressor provided with the compressor impeller according to any one of claims 1 to 3, which is rotatably provided in the compressor housing.
請求項4に記載の遠心圧縮機を具備したことを特徴とする過給機。 In the supercharger that supercharges the air supplied to the engine side using the pressure energy of the exhaust gas from the engine,
A turbocharger comprising the centrifugal compressor according to claim 4.
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