JP2017193983A - コンプレッサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ディフューザを備えたコンプレッサにおいて、幅広い流量レンジを確保しつつコンプレッサの静圧上昇効率を向上できるものを提供することを目的とする。
【解決手段】コンプレッサは、内燃機関の吸気通路に設けられ、この吸気通路を流れる吸気を圧縮するものであって、吸気通路内で回転可能に設けられたコンプレッサインペラ８と、コンプレッサインペラ８の周囲に設けられ、コンプレッサインペラ８から遠心方向へ吐出される吸気を減速する環状のディフューザ９と、を備える。ディフューザ９は、周方向に沿って設けられた第１翼列９３と、この第１翼列９３より遠心方向外側において周方向に沿って設けられた第２翼列９５と、を備え、第２翼列９５を構成する第２羽根９６の枚数は、第１翼列９３を構成する第１羽根９４の枚数の２倍以上であり、各第１羽根９４とこれに隣接する他の第１羽根９４との間にはスロートが形成されていない。
【選択図】図４

Description

本発明は、流体流路を流れる流体を圧縮するコンプレッサに関する。より詳しくは、コンプレッサインペラの周囲に設けられ、このコンプレッサインペラから遠心方向へ吐出される吸気を減速するディフューザを備えたコンプレッサに関する。

過給機は、内燃機関の吸気通路の一部を構成するコンプレッサハウジングと、このコンプレッサハウジング内に回転可能に設けられたコンプレッサインペラと、を備える。コンプレッサインペラは、内燃機関の排気通路の一部を構成するタービンハウジング内に回転可能に設けられたタービンインペラと回転軸によって連結されている。排気の流れによってタービンインペラが回転するとコンプレッサインペラも回転し、コンプレッサインペラの周囲に形成された円環状のスクロール通路へ向けて吸気が吐出され、これにより吸気が昇圧される。

また静圧をさらに上昇させるため、コンプレッサインペラを収容するインペラ室とスクロール通路との間には、コンプレッサインペラを取り囲むように円盤状のディフューザが設けられる（例えば、特許文献１参照）。ディフューザには周方向に沿って翼列が形成されている。コンプレッサインペラから遠心方向に吐出された吸気は、このディフューザに形成された翼列によって減速され、これにより吸気を昇圧する。特許文献１には、このディフューザによる静圧上昇効率をさらに向上するため、ディフューザに遠心方向内側と外側とに２段の翼列を設ける技術が示されている。

特開２００１−２１４８９６号公報

しかしながら特許文献１の発明のように、ディフューザに形成する翼列を単に多段化しただけでは、吸気の速度エネルギーを静圧に変換する効率が向上するものの、翼列に形成される吸気の通り路であるスロートにおいて流速が音速に達し、吸気の流れが詰まってしまうチョークが発生しやすくなる。このため特許文献１のディフューザでは、コンプレッサインペラの吸い込み流量を制限せざるを得ない。換言すると、コンプレッサで過給できる吸気流量の範囲（以下、「流量レンジ」ともいう）の幅を広くすることができない。

本発明は、ディフューザを備えたコンプレッサにおいて、幅広い流量レンジを確保しつつコンプレッサの静圧上昇効率を向上できるものを提供することを目的とする。

（１）コンプレッサ（例えば、後述のコンプレッサ６）は、流体流路（例えば、後述のコンプレッサインペラ室７２）を流れる流体（例えば、後述の吸気）を圧縮するものであって、前記流体流路内で回転可能に設けられたインペラ（例えば、後述のコンプレッサインペラ８）と、前記インペラの周囲に設けられ、当該インペラから遠心方向へ吐出される吸気を減速する環状のディフューザ（例えば、後述のディフューザ９）と、を備え、前記ディフューザは、周方向に沿って設けられた第１翼列（例えば、後述の第１翼列９３）と、当該第１翼列より遠心方向外側において周方向に沿って設けられた第２翼列（例えば、後述の第２翼列９５）と、を備え、前記第２翼列を構成する第２羽根（例えば、後述の第２羽根９６）の枚数は、前記第１翼列を構成する第１羽根（例えば、後述の第１羽根９４）の枚数の２倍以上であり、前記各第１羽根とこれに隣接する他の第１羽根との間にはスロートが形成されていない。

（２）この場合、前記各第１羽根のチョーク長を“ｃ”とし、前記各第１羽根と前記遠心方向との成す角度を“θ”とし、前記各第１羽根の遠心方向内側の端部とこれに隣接する他の第１羽根との間の距離を“Ｓ”とした場合、これらチョーク長ｃと角度θと距離Ｓとの間には、下記式、
ｃ≧Ｓ・ｓｉｎθ−Ｍ …（１）、
が成立することが好ましい。ただし前記式（１）において“Ｍ”は正のマージン定数である。

（３）この場合、前記マージン定数Ｍと前記チョーク長ｃとの間には、下記式、
Ｍ＝ｃ／１０ …（２）、
が成立することが好ましい。

（１）本発明では、ディフューザに遠心方向内側及び外側にそれぞれ第１翼列及び第２翼列を形成することにより、コンプレッサによる静圧上昇効率を向上できる。また本発明では、外側の第２翼列を構成する第２羽根の枚数は、内側の第１翼列を構成する第１羽根の枚数の２倍以上とし、さらに内側の第１羽根とこれに隣接する他の第１羽根との間にはスロートを形成しないようにする。これにより、羽根にかかる負担が外側の第２翼列と内側の第１翼列とで適切に分担されるので、幅広い流量レンジを確保しながら静圧上昇効率を向上できる。

（２）本発明では、第１羽根のチョーク長ｃと各第１羽根と遠心方向との成す角度θと各第１羽根間の距離Ｓと所定の０以上のマージン定数Ｍとの間で、上記不等式（１）が成立するようにする。換言すれば、第１翼列には、幾何学的な定義の下でのスロートが形成されないようにする。これにより、第１翼列においてチョークを発生しにくくできるので、流量レンジの幅をさらに広げることができる。

（３）上記のように第１翼列に幾何学的な定義の下でのスロートを形成しないだけでは、チョーク抑制効果が十分でない場合がある。そこで本発明では、上記式（１）においてマージン定数Ｍとチョーク長ｃとの間に、上記式（２）が成立するようにする。換言すれば、各第１羽根の間の距離Ｓに、チョーク長ｃの１０％程度のマージンＭを設定することにより、第１翼列においてさらにチョークを発生しにくくできるので、流量レンジの幅をさらに広げることができる。

本発明の一実施形態に係るコンプレッサが適用された過給機１の構成を示す断面図である。 コンプレッサインペラの斜視図である。 コンプレッサインペラ及びディフューザの斜視図である。 コンプレッサインペラ及びディフューザの平面図である。 各羽根の間にスロートが形成されている翼列の一例を示す図である。 スロートの幾何学的な定義を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係るコンプレッサが適用された過給機１の構成を示す断面図である。

過給機１は、ベアリングハウジング２と、ベアリングハウジング２の一端部側に組み付けられたタービン３と、ベアリングハウジング２の他端部側に組み付けられたコンプレッサ６と、を備える。ベアリングハウジング２は、タービン３とコンプレッサ６のとの間に延在する棒状の回転軸２１と、この回転軸２１を回転可能に支持するベアリング２２と、を備える。

タービン３は、図示しない内燃機関の排気通路の一部を構成するタービンハウジング４と、このタービンハウジング４内に設けられたタービンインペラ５と、を備える。

タービンハウジング４には、内燃機関の排気管と接続される管状の排気取入部４１と、この排気取入部４１から取り入れた排気が流れる円環状のスクロール通路４２と、このスクロール通路４２に取り囲まれるように形成された管状のタービンインペラ室４３と、スクロール通路４２とタービンインペラ室４３の基端部側とを連通する円環状の排気流路４５と、が設けられている。

タービンインペラ５は、回転軸２１の一端部側に連結された状態で、タービンインペラ室４３内で回転可能に設けられている。排気流路４５には、複数個の翼形状のノズルベーン４６がタービンインペラ室４３の基端部側を取り囲むように、回転軸２１の円周方向に沿って等間隔かつ円周方向に対し所定の角度で設けられている。

コンプレッサ６は、内燃機関の吸気通路の一部を構成するコンプレッサハウジング７と、このコンプレッサハウジング７内に設けられたコンプレッサインペラ８及びディフューザ９と、を備える。

コンプレッサハウジング７には、その先端側に内燃機関の吸気管（図示せず）と接続される吸気取入部７１が形成され基端側にシュラウド７５が形成された管状のコンプレッサインペラ室７２と、このコンプレッサインペラ室７２を取り囲むように形成された円環状のスクロール通路７３と、コンプレッサインペラ室７２の基端部側とスクロール通路７３とを連通する円環状の吸気流路７４と、が形成されている。

コンプレッサインペラ８は、回転軸２１の他端部側に連結された状態で、シュラウド７５内で回転可能に設けられている。ディフューザ９は、円盤状であり、吸気流路７４に設けられる。ディフューザ９は、シュラウド７５の基端部側から回転軸２１の遠心方向に沿ってスクロール通路７３へ向けて吐出される吸気を減速することによって吸気を圧縮する。なお、これらコンプレッサインペラ８及びディフューザ９の詳細な構成については、後に図２〜図５を参照して説明する。

以上のように構成された過給機１は、以下の手順によって内燃機関の排気のエネルギーを利用して吸気を過給する。
先ず、内燃機関の排気は、排気取入部（図示せず）を介してスクロール通路４２に導入される。スクロール通路４２を通過することによって旋回が与えられた排気は、ノズルベーン４６によって定められた角度でタービンインペラ室４３の基端部側に流れ込み、タービンインペラ５を回転させて、タービンインペラ室４３の先端部側に設けられた排出部４７から排出する。タービンインペラ５の回転は、回転軸２１によってコンプレッサインペラ８に伝達され、コンプレッサインペラ８がコンプレッサインペラ室７２内で回転する。コンプレッサインペラ８の回転によって、吸気取入部７１を介してコンプレッサインペラ室７２内に導入された吸気は、コンプレッサインペラ８の基端部側から遠心方向に沿ってスクロール通路７３へ向けて吐出される。コンプレッサインペラ８から吐出される吸気は、ディフューザ９によって拡がりながら減速され、これにより吸気が圧縮される。圧縮された吸気は、スクロール通路７３を流れて図示しない内燃機関の吸気ポートに導入される。

図２は、コンプレッサインペラ８の斜視図である。
コンプレッサインペラ８は、円錐状のホイール８１と、このホイール８１の外周面に設けられた板状の複数のメインブレード８４及びスプリッタ８６と、を備える。

ホイール８１は、軸方向の先端側８１ａから基端側８１ｂへかけて遠心方向外側へ滑らかに延びるハブ面８２と、その中心において基端側８１ｂから先端側８１ａへ貫通する軸取付孔８３と、を備える。タービンインペラと連結された回転軸は、軸取付孔８３に挿通した状態で図示しないキャップを螺合することによって、ホイール８１に接続される。これにより、コンプレッサインペラ８とタービンインペラとが回転軸を介して一体に連結される。

メインブレード８４は、ホイール８１のハブ面８２において周方向に沿って等間隔で複数設けられている。各メインブレード８４は、ハブ面８２において、吸気の入口である先端側８１ａの前縁部８４１から、吸気の出口である基端側８１ｂの後縁部８４２に向かって所定の角度分布で延びる板状である。メインブレード８４のチップ端縁８４３は、コンプレッサインペラ８をコンプレッサインペラ室に収めたときに対向するシュラウド７５（図１参照）の表面形状に沿って形成される。

スプリッタ８６は、ハブ面８２において互いに隣接する２枚のメインブレード８４，８４の間に設けられている。各スプリッタ８６は、ハブ面に８２において先端側８１ａの前縁部８６１から、基端側８１ｂの後縁部８６２に向かって所定の角度分布で延びる板状である。スプリッタ８６のチップ端縁８６３は、メインブレード８４のチップ端縁８４３と同様に、シュラウド７５（図１参照）の表面形状に沿って形成される。スプリッタ８６の前縁部８６１から後縁部８６２までの長さは、メインブレード８４の前縁部８４１から後縁部８４２までの長さよりも短い。スプリッタ８６の前縁部８６１は、メインブレード８４の前縁部８４１よりも基端側８１ｂに位置するように設けられる。またスプリッタ８６の後縁部８６２は、メインブレード８４の後縁部８４２と面一になるように設けられる。

以上のように構成されたコンプレッサインペラ８は、これと回転軸によって連結されたタービンインペラが、排気が吹き付けられることによって回転すると、図２中時計周りで回転する。コンプレッサインペラ室内に設けられた状態でコンプレッサインペラ８が回転すると、先端側８１ａから流入する吸気は、メインブレード８４の前縁部８４１及びスプリッタ８６の前縁部８６１から軸方向に沿って流入し、メインブレード８４とスプリッタ８６との間を流れ、各々の後縁部８４２，８６２から遠心方向外側へ向かって吐出される。

図３は、コンプレッサインペラ８及びディフューザ９の斜視図であり、図４は、コンプレッサインペラ８及びディフューザ９の平面図である。なお、コンプレッサインペラ８とディフューザ９は別々の部材であるが、図３及び図４では、説明のためこれらがコンプレッサハウジングに収められた状態で両者を併せて図示する。

ディフューザ９は、コンプレッサインペラ８の外径よりも大きな外径を有する円盤状である。ディフューザ９は、コンプレッサインペラ８の基端側を囲うようにして、コンプレッサハウジングの円環状の吸気流路７４（図１参照）に固定される。ディフューザ９は、円盤状のディスク９１と、このディスク９１の表面に設けられた第１翼列９３及び第２翼列９５と、を備える。

第１翼列９３は、ディスク９１の表面において、回転軸の中心線Ｃを中心とした周方向に沿って等間隔で立設された複数枚（図４の例では、７枚）の線条の第１羽根９４によって構成される。各第１羽根９４は、略直線状であり、遠心方向に対し所定の角度で内側から外側へ延びる。各第１羽根９４の高さは、コンプレッサインペラ８の後縁部８４２，８６２の高さとほぼ等しい。また、互いに隣接する第１羽根９４，９４の間には、コンプレッサインペラ８の後縁部８４２，８６２から吐出される吸気の流量を制限するスロートが形成されていない。なお本発明におけるスロートの定義については、後に図５を参照して詳細に説明する。

第２翼列９５は、ディスク９１の表面のうち第１翼列９３よりも遠心方向外側において、周方向に沿って等間隔で立設された複数枚の線条の第２羽根９６によって構成される。また第２翼列９５を構成する第２羽根９６の枚数は、第１翼列９３を構成する第１羽根９４の枚数の２倍以上であることが好ましい。図３及び図４には、第２羽根９６の枚数を第１羽根９４の枚数の２倍である１４枚とした場合を例示する。

各第２羽根９６は、略直線状であり、遠心方向に対し所定の角度で内側から外側へ延びる。また各第２羽根９６のチョーク長９６ｃは、各第１羽根９４のチョーク長９４ｃよりも長い。なお、図４において破線ＤＬで示すように、各第２羽根９６の遠心方向内側の前端部９６ｆと中心線Ｃとの距離は、各第１羽根９４の遠心方向外側の後端部９４ｒと中心線Ｃとの距離とほぼ等しい。各第２羽根９６の高さは、各第１羽根９４の高さとほぼ等しい。また、互いに隣接する第２羽根０６，９６の間には、第１翼列９３から排出される吸気の流量を制限するスロート９７が形成されている。

以上のように構成されたディフューザ９の機能について説明する。コンプレッサインペラ８が中心線Ｃを軸として図４中時計周りに回転すると、吸気は、軸方向に沿ってコンプレッサインペラ８側へ向かって取り込まれた後、その後縁部８４２，８６２からディフューザ９の表面に沿って遠心方向外側へ向けて吐出される。コンプレッサインペラ８から吐出された吸気は、スロートが形成されていない第１翼列９３によって減速されながら遠心方向外側へ拡がった後、スロートが形成されている第２翼列９５によってさらに減速され、これにより吸気が昇圧される。

次に、図５を参照して本発明におけるスロートの定義について説明する。
図５Ａは、各羽根９９の間にスロートが形成されている翼列９８の一例を示す図である。図５Ａに示すように、本発明におけるスロートの有無は、互いに隣接する羽根９９，９９において、一方の羽根９９の前端部９９ｆと他方の羽根９９の後端部９９ｒとの間で対向する領域Ｒの有無によって定義される。例えば、本実施形態のディフューザ９において遠心方向内側に設けられる第１翼列９３（図４参照）に、図５Ａに示すような領域Ｒが存在すると、この領域Ｒにおいて衝撃波が生じ、流れが詰まってしまうチョークが発生する場合がある。そこで本実施形態における第１翼列９３には、図５Ａに示すような定義の下でのスロートを形成しないようにすることにより、幅広い流量レンジを確保する。

図５Ｂは、スロートの幾何学的な定義を説明するための図である。各羽根９９のチョーク長を“ｃ”とし、各羽根９９と遠心方向との成す角度を“θ”とし、各羽根９９の遠心方向内側の前端部９９ｆとこれに隣接する他の羽根９９の前端部９９ｆとの間の距離を“Ｓ”とした場合、スロートの有無、すなわち図５Ａの領域Ｒの有無は、下記不等式（３）を満たすか否かによって言い換えることができる。ここで距離Ｓには、両前端部９９ｆ，９９ｆの間の円弧Ｌｒに沿った長さを用いてもよいし、両前端部９９ｆ、９９ｆの間の直線Ｌｓに沿った長さを用いてもよい。
ｃ≧Ｓ・ｓｉｎθ …（３）

なお、上記不等式（３）において等式を満たす場合、すなわちｃ＝Ｓ・ｓｉｎθを満たす場合、翼列９８には幾何学的な定義の下でのスロートは形成されていないと言えるが、これではチョーク抑制効果が十分でなく、高流量側でチョークが発生する場合がある。そこで本実施形態の第１翼列９３は、上記式（３）に、０より大きなマージン定数Ｍを設定して得られる下記不等式（４）を満たすように第１羽根のチョーク長、第１羽根と遠心方向の成す角度、及び各第１羽根の間の距離を設定することが好ましい。また、十分なチョーク抑制効果を確保するため、マージン定数Ｍは、第１羽根のチョーク長の１０％程度であること（すなわち、Ｍ＝ｃ／１０）が好ましい。
ｃ≧Ｓ・ｓｉｎθ−Ｍ …（４）

本実施形態のコンプレッサ６によれば、以下の効果を奏する。
（１）本実施形態では、ディフューザ９に遠心方向内側及び外側にそれぞれ第１翼列９３及び第２翼列９５を形成することにより、コンプレッサ６による静圧上昇効率を向上できる。また本実施形態では、外側の第２翼列９５を構成する第２羽根９６の枚数は、内側の第１翼列９３を構成する第１羽根９４の枚数の２倍とし、さらに内側の第１羽根９４とこれに隣接する他の第１羽根９４との間にはスロートを形成しないようにする。これにより、羽根にかかる負担が外側の第２翼列９５と内側の第１翼列９３とで適切に分担されるので、幅広い流量レンジを確保しながら静圧上昇効率を向上できる。

（２）本実施形態では、第１羽根９４のチョーク長を“ｃ”とし、各第１羽根９４と遠心方向との成す角度を“θ”とし、各第１羽根９４，９４間の距離を“Ｓ”とし、０以上のマージン定数を“Ｍ”とした場合、これらの間で上記不等式（４）が成立するようにする。換言すれば、第１翼列９３には、幾何学的な定義の下でのスロートが形成されないようにする。これにより、第１翼列９３においてチョークを発生しにくくできるので、流量レンジの幅をさらに広げることができる。

（３）また本実施形態では、上記不等式（４）において、マージン定数Ｍを第１羽根９４のチョーク長ｃの１０％程度に設定する。これにより、第１翼列９３においてさらにチョークを発生しにくくできるので、流量レンジの幅をさらに広げることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。
例えば、上記実施形態では、翼列を２段とした場合について説明したが、翼列の段数はこれに限らない。翼列の数は３段以上であってもよい。

また上記実施形態では、本発明のコンプレッサを、内燃機関が吸入する吸気を圧縮する過給機に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明のコンプレッサは、内燃機関の過給機の他、ジェットエンジンやポンプ等、インペラを用いて流体のエネルギーと機械的エネルギーとの変換を行う所謂ターボ機械に適用できる。

１…過給機
３…タービン
６…コンプレッサ
７…コンプレッサハウジング
７２…コンプレッサインペラ室（流体流路）
８…コンプレッサインペラ（インペラ）
９…ディフューザ
９３…第１翼列
９４…第１羽根
９５…第２翼列
９６…第２羽根

Claims (3)

1. 流体流路を流れる流体を圧縮するコンプレッサであって、
   前記流体流路内で回転可能に設けられたインペラと、
   前記インペラの周囲に設けられ、当該インペラから遠心方向へ吐出される流体を減速する環状のディフューザと、を備え、
   前記ディフューザは、周方向に沿って設けられた第１翼列と、当該第１翼列より遠心方向外側において周方向に沿って設けられた第２翼列と、を備え、
   前記第２翼列を構成する第２羽根の枚数は、前記第１翼列を構成する第１羽根の枚数の２倍以上であり、
   前記各第１羽根とこれに隣接する他の第１羽根との間にはスロートが形成されていないことを特徴とするコンプレッサ。
2. 前記各第１羽根のチョーク長を“ｃ”とし、前記各第１羽根と前記遠心方向との成す角度を“θ”とし、前記各第１羽根の遠心方向内側の端部とこれに隣接する他の第１羽根との間の距離を“Ｓ”とした場合、これらチョーク長ｃと角度θと距離Ｓとの間には、下記式、
   ｃ≧Ｓ・ｓｉｎθ−Ｍ …（１）、
   が成立することを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサ。ただし前記式（１）において“Ｍ”は０以上のマージン定数である。
3. 前記マージン定数Ｍと前記チョーク長ｃとの間には、下記式、
   Ｍ＝ｃ／１０ …（２）、
   が成立することを特徴とする請求項２に記載のコンプレッサ。

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