JP2017519154A - 遠心圧縮機用のディフューザ - Google Patents

Abstract

ディフューザの、互いに隣接して配置された２つの案内翼（２１）の間における角度間隔が、周囲に沿って変化することによって、圧縮機の共鳴振動を低減させることができる。追加的に、各２つの案内翼の間における最も狭い横断面が一定に保たれることによって、効率を高め、かつサージマージンに対してポジティブな作用を及ぼす。

Description

本発明は、過給式内燃機関用の排ガスターボチャージャの分野に関する。本発明は、このような排ガスターボチャージャの遠心圧縮機の羽根付きディフューザ、およびこのような羽根付きディフューザをその流出領域に有する遠心圧縮機を備えた排ガスターボチャージャに関する。

今日の排ガスターボチャージャでは、エンジンの吸気圧を高めるために、通常、圧縮機インペラの下流側に羽根付きディフューザを備えた単段の遠心圧縮機が使用される。ディフューザにおいて、圧縮される媒体の運動エネルギは静圧に変換される。圧縮機インペラは、確定された数の回転翼を有し、ディフューザは、通常、空気力学的なプリズム形状（くさび形状または主翼形状）の案内翼を有している。圧縮機軸線の方向で見て、案内翼は、入口縁における確定された接線角度（入口角度）、出口縁における確定された接線角度（出口角度）、およびそれぞれ互いに隣接して配置された２つの案内翼の間における、周方向の確定された角度間隔を有している。

圧縮機段の設計時には、常に、空力的なパフォーマンスと機械的な負荷と圧縮機による騒音発生との間における妥協策を見出さねばならない。高い固有の吸込み性能を有する今日の圧縮機段は、長くて薄い回転翼を有しており、このような回転翼の固有振動（Eigenform）は、低周波数時に発生し、容易に励起し、かつ振動の原因となる。この励起の主要な原因は、ディフューザの案内翼によって生ぜしめられる圧力場（Druckpotentialfeld）である。所望のように不規則に配置されたディフューザ案内翼によって、共鳴振動を回避することができ、このような共鳴振動はさもないと、圧縮機回転翼において高サイクル疲労（high cycle fatigue HCF）および機械的損傷の原因となり得る。

従来技術
欧州特許出願公開第２０１４９２５号明細書（米国特許出願公開第２０１０／０１５０７０９号明細書）には、どのようにして遠心圧縮機の下流領域を、不規則に分配された案内翼を備えたディフューザによって最適化できるかが開示されている。例えばこの公知の構成では、１７の案内翼が、それぞれ９もしくは８の案内翼に分けられた２つのグループで、それぞれ半分のリングセグメントに分配して配置されている。

案内翼のこの不規則な配置形態では、周囲に沿って異なる流路横断面が、それぞれ隣接した２つの案内翼対の間に生ぜしめられる。通称「スロートエリア（Throat Area）」と呼ばれる、２つの案内翼の間における最も狭い横断面は、１７の翼を備えた上に述べた例では周囲にわたって見て一定ではない。このとき最も狭い横断面は、個々の翼の間における僅かな間隔に基づいて、９の案内翼を備えた一方のグループにおいて、８の案内翼を備えたグループにおけるよりも約３〜５％小さい。

これによって周囲にわたって分配されて、圧縮機インペラ出口とディフューザ入口とにおける流路の異なった比が生じる。そしてこれにより、圧縮機段の効率および安定性が不都合に損なわれることがある。

不規則に分配された案内翼を備えたディフューザを有する遠心圧縮機の下流領域は、特開２０１０−１５１０３２号公報および特開平５−２６１９８号公報にも開示されている。

本発明の簡単な説明
本発明の課題は、遠心圧縮機の流出領域を改良して、羽根付きディフューザにおける部分流路が、案内翼の不等に分配された配置形態にもかかわらず、周囲にわたって分配されて、一定の最も狭い横断面（スロートエリア）を有するようにすることである。

この課題は、本発明によれば、ディフューザの、周囲にわたって分配された案内翼が、部分的に互いに異なる相対角度位置を有することによって解決される。異なる相対角度位置というのは、ここでは、軸線を中心にした回転によって互いに上下に位置する２つの回転翼が、異なった角度アライメントを有することを意味している。

遠心圧縮機のディフューザの本発明に係る構成は、圧縮機段の効率を高め、サージマージンに対するポジティブな作用を有している。

別の利点は、従属請求項に記載の構成によって得られる。

次に図面を参照しながら、本発明のように構成された、遠心圧縮機のディフューザの実施形態を説明する。

羽根付きディフューザを備えた遠心圧縮機のディフューザを、圧縮機軸線に沿って断面した図である。 不規則に配置された案内翼を備えた本発明のように構成されたディフューザの第１実施形態を、圧縮機軸線に対して垂直に断面して示す図である。 ディフューザの半分にわたってそれぞれ分配して配置された、案内翼の大きさの異なる２つのグループを備えた、本発明のように構成されたディフューザの第２の実施形態を、圧縮機軸線に対して垂直に断面して示す図である。

発明の実施の形態
図１には、排ガスターボチャージャの遠心圧縮機が軸の軸線を通る断面図で示されている。圧縮機は、軸１２に配置された圧縮機インペラを有していて、この圧縮機インペラは、ハブ１０と該ハブ１０に配置された回転翼１１とを備えている。これらの回転翼１１は、主翼と中間翼とに分割されていてもよく、このとき主翼は、ハブとこのハブに隣接するハウジング部分とによって画定された流路の全長にわたって延在しており、これに対して中間翼は、通常短縮されて形成されていて、後退させられた入口縁を有している。このとき１つまたは複数の中間翼が主翼毎に配置されていてもよい。圧縮機インペラは、圧縮機ハウジング内に配置されていて、この圧縮機ハウジングは、通常、例えば螺旋ハウジング３１および入口ハウジング３２のような複数の部分を有している。圧縮機と図示されていないタービンとの間には、軸の支持部を有する軸受ハウジング３０が位置している。圧縮機の領域における既に述べた流路は、圧縮機ハウジングによって画定されている。圧縮機インペラの領域において圧縮機インペラのハブは、半径方向内側の画定部を引き受けており、このとき圧縮機インペラの回転翼は流路内に配置されている。圧縮される媒体の流れ方向において圧縮機インペラの下流側に、ディフューザが配置されている。ディフューザは、冒頭において述べたように、圧縮機インペラによって加速された流れの速度を低下させるのに用いられる。これは一方では、ディフューザの案内翼２１によって、かつ他方では螺旋ハウジングによって行われ、そこから圧縮された媒体は、内燃機関の燃焼室に供給される。ディフューザの案内翼は、流路の片側または両側において、ハウジング部分であるディフューザ壁２２に結合されている。ディフューザの、互いに隣接して配置された各２つの案内翼は、ディフューザ壁と一緒に、１つのディフューザ通路を画定する。

冒頭に述べたように、圧縮機インペラの回転翼における高サイクル疲労を阻止するために、ここに記載した発明のための基礎として働くディフューザは、少なくとも部分的に異なった角度間隔をもつ複数の案内翼を有している。ここでは互いに隣接して配置された２つの案内翼の入口縁の間における角度が、角度間隔と呼ばれる。追加的に、例えば入口縁が互いに異なった半径線上に位置しているような場合には、互いに隣接して配置された２つの案内翼の、互いに相応する他の２つの点の間における角度をも、角度間隔と呼ぶことができる。この場合例えば、出口縁の間における角度またはプロフィル中心点の間における角度を、角度間隔と呼ぶことができる。つまり互いに隣接して配置された案内翼の間における角度間隔は、全周にわたって同一ではない。このとき案内翼の間において変化する角度間隔を備えたディフューザを実現する、複数の可能性が存在している。

図２に示した第１実施形態では、角度間隔α_ｘは、ディフューザの、互いに隣接して配置された案内翼２１のすべての対において異なっており、つまり互いに隣接して配置された各２つの案内翼の間における、図示の角度間隔の２つは、同じではない。

異なった角度間隔α_０，α_１，α_２，α_３は、図示の実施形態ではさらに不規則に分配されている。択一的に角度間隔は規則的に周方向において増大もしくは減少していてもよく、または最初は増大しかつ後で再び減少するようになっていてもよい。特に好適な結果は、角度間隔が、例えば正弦関数のような調和関数に追従して増減する場合に、得ることができる。図３に示した第２実施形態では、２つの角度間隔α_０，α_１が案内翼の２つのグループに分配されている。ディフューザの左側半分には、８つの案内翼２１０を備えたグループが配置され、右側半部には、９つの案内翼２１１を備えたグループが配置されている。

両方の実施形態において案内翼は、隣接して配置された２つの案内翼の間におけるディフューザ通路においてそれぞれ翼高さにわたって延びる最も狭い横断面Ｔが、一定であるように方向付けられている。このことは、案内翼が異なった方向付けを有していること、つまり入口縁における接線に対して異なった角度位置β_０，β_１，β_２，β_３を有していることによって達成される。互いに隣接して配置された２つの翼の相対的な傾きに応じて、最も狭い横断面Ｔの位置は翼表面に沿って変化する。このとき圧力側において、最も狭い横断面Ｔは相応の案内翼をそれぞれ翼入口縁の領域において横切っているのに対して、吸込み側では、最も狭い横断面Ｔと各案内翼との交線は、時々、案内翼の端部直近まで移動することがある。図３に示した実施形態では、１つのグループの２つの案内翼の間におけるそれぞれの相対的な傾きは、一定の角度間隔に基づいて比較的一定であり、つまり、それぞれの相対角度位置はほぼ等しいままである。しかしながら両方のグループの移行領域においては、異なった角度位置が生じる。

図示されていない別の実施形態もまた同様に可能である。このとき例えば案内翼のすべての角度間隔は、１つのまたは幾つかの僅かな数の角度間隔を除いて同一であってもよい。２つよりも多くのグループを、それぞれ同一の角度間隔をもって形成することも可能である。同一の角度間隔を有するこれらの案内翼対は、互いに並べられてまたは互いに離されて配置されていてもよい。追加的な不均一性をディフューザにもたらすために、追加的にディフューザの個々の案内翼は、その形状、長さ、入口角度および出口角度ならびに入口半径および出口半径が互いに異なっていてもよい。このとき種々様々な構成は、軸方向（圧縮機軸線に関して）、つまり翼高さの方向においても、周方向においても行うことができる。このときすべての案内翼またはただ幾つかの僅かな数の案内翼が、異なって形成または配置されていてもよい。このような不規則に形成されたディフューザは、単段または多段の形態で形成されていてもよく、多段の場合には、これらの段は半径方向において相前後して、つまり圧縮機軸線に関して同心的に配置されている。

本発明によれば、これらすべての実施形態において、最も狭い横断面は、２つの案内翼の間におけるディフューザ通路においてかつディフューザ通路高さにわたって一定である。ディフューザが全周にわたって分配されて、可変の、つまり一定でないディフューザ通路高さを有している場合、案内翼は本発明によれば、互いに隣接して配置された案内翼の間隔とディフューザ通路高さとからそれぞれ計算された最も狭い横断面が一定であるように、配置することができる。

追加的に、周方向において不規則に形成されたディフューザは、周方向において非対称に形成された螺旋ハウジングに関連して、固定の角度位置において位置決めすることができる。これによって異なった角度間隔の大きさと、このような角度間隔の、周囲に沿った分配して配置とは、回転翼の下流側における非対称に形成された螺旋ハウジングに合わせることができる。角度間隔は、螺旋ハウジングの半径と同様に、例えば周囲に沿って増大してもよい。または、螺旋舌片始端部（Spiralzungenanfang）の領域に配置されている案内翼対は、残りの案内翼対とは異なった角度間隔を有することができる。

螺旋ハウジング３１は通常周囲に沿って、軸受ハウジングに対して種々様々な角度位置で位置決めすることができるので、本発明によれば、位置決め手段によって、ディフューザが螺旋ハウジングに対してその都度予定された角度位置にあることが保証される。予定された角度位置は、このとき好ましくは、運転時において最小の共鳴振動が生ぜしめられるような角度位置である。最小の共鳴振動しか発生させない、螺旋ハウジングに対するディフューザのこのような角度位置は、追加的に計算することもしくは経験的に求めることができる。可能な位置決め手段は図２に示されており、この位置決め手段は、ディフューザ壁２２の半径方向外縁部に設けられた位置決め突子２３と、該位置決め突子２３が係合する、螺旋ハウジング３１に設けられた位置決め溝３３とを備えている。例えば、両側に設けられた孔内に配置された位置決めピンのような、他の形状結合式の位置決め手段も可能である。また、例えば入口ハウジング３２または軸受ハウジング３０のような第３の部材を介した、間接的な位置決めも可能である。

１０ 圧縮機インペラ（ハブ）
１１ 圧縮機インペラの回転翼
１２ 軸
２１，２１０，２１１ ディフューザの案内翼
２２ ディフューザの壁
２３ 位置決め突子
３０ 軸受ハウジング
３１ 螺旋ハウジング
３２ 入口ハウジング
３３ 位置決め溝
α_ｘ ２つのディフューザ案内翼の間の角度間隔
β_Ａ ディフューザ案内翼の相対角度位置
Ｔ ２つの案内翼の間における最も狭い横断面

Claims (10)

1. 周方向に分配して配置された複数の案内翼（２１）を備えており、互いに隣接して配置された２つの案内翼（２１）の角度間隔（α_０）が、互いに隣接して配置された他の２つの案内翼（２１）の角度間隔（α_１，α_２，α_３）とは異なっている、遠心圧縮機の羽根付きディフューザであって、
   周囲にわたって分配された前記案内翼（２１）は、部分的に互いに異なる相対角度位置（β_０，β_１，β_２，β_３）を有しており、互いに隣接して配置された２つの案内翼によって画定されたディフューザ通路の最も狭い横断面（Ｔ）が、互いに隣接して配置された２つの案内エレメント対によって画定されたすべてのディフューザ通路において、等しい大きさであることを特徴とする、遠心圧縮機の羽根付きディフューザ。
2. それぞれ互いに隣接して配置された案内翼（２１）の複数の対が、それぞれ互いに隣接して配置された残りの案内翼とは別の角度間隔を有している、請求項１記載の遠心圧縮機の羽根付きディフューザ。
3. それぞれ互いに隣接して配置された案内翼の少なくとも２対が、第１の角度間隔（α_０）を有していて、それぞれ互いに隣接して配置された案内翼の他の少なくとも２対が、前記第１の角度間隔（α_０）とは異なる第２の角度間隔（α_１）を有している、請求項２記載の遠心圧縮機の羽根付きディフューザ。
4. それぞれ互いに隣接して配置された案内翼の複数の対が、それぞれ等しい角度間隔（α_０，α_１）を有している、請求項３記載の遠心圧縮機の羽根付きディフューザ。
5. 前記案内翼は、複数のグループに分けられていて、１つのグループの、互いに隣接して配置された前記案内翼の間に、それぞれ等しい角度間隔（α_０，α_１）を有している、請求項４記載の遠心圧縮機の羽根付きディフューザ。
6. 前記案内翼は、２つのグループに分けられていて、該グループのうちの一方のグループは、他方のグループよりも１つ多くの案内翼を有しており、案内翼の両方のグループはそれぞれ、周囲の半分にわたって分配して配置されている、請求項５記載の遠心圧縮機の羽根付きディフューザ。
7. それぞれ互いに隣接して配置された案内翼の各対が、それぞれ互いに隣接して配置された残りの案内翼とは別の角度間隔を有している、請求項２記載の遠心圧縮機の羽根付きディフューザ。
8. 遠心圧縮機の流出領域であって、周方向において非対称に形成されかつ周方向において異なった角度位置で位置決め可能な螺旋ハウジング（３１）と、請求項１から７までのいずれか１項記載の羽根付きディフューザとを有する、遠心圧縮機の流出領域。
9. 前記螺旋ハウジング（３１）および前記ディフューザに、前記螺旋ハウジングに対する前記ディフューザの角度位置を確定させる位置決め手段（３３，２３）が設けられている、請求項８記載の遠心圧縮機の流出領域。
10. 請求項８または９記載の流出領域を備えた遠心圧縮機を特徴とする、排ガスターボチャージャ。

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