JP2019019695A - 遠心圧縮機インペラ及び遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の逆流を低減させ遠心圧縮機の性能の向上を図る遠心圧縮機インペラ、及びこれを用いた遠心圧縮機を提供する。【解決手段】コンプレッサ３のインペラ７は、ハブ２１と、ハブ２１に設けられた長羽根２３と、を備える遠心圧縮機インペラであって、子午面上に投影された投影像における長羽根２３のチップライン２７上に、前縁側端部２７ａよりもチップ外径が小さい湾曲凹部３１が前縁側端部２７ａよりも下流側に存在する。【選択図】図２

Description

本発明は、遠心圧縮機インペラ及び遠心圧縮機に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の遠心圧縮機が知られている。この遠心圧縮機のインペラにおいて、インペラの羽根の子午面形状を見ると、チップラインの上流側の部分が回転軸線に平行な直線をなしている。

国際公開第2015/076102号

この種のインペラにおいては、特に小流量域において、チップラインの上流側の近傍に流体の逆流域が発生する場合があり、この逆流域が遠心圧縮機の性能向上の妨げになる場合がある。このような課題に鑑み、本発明は、流体の逆流を低減させ遠心圧縮機の性能の向上を図る遠心圧縮機インペラ、及びこれを用いた遠心圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の遠心圧縮機インペラは、ハブと、ハブに設けられた羽根と、を備える遠心圧縮機インペラであって、子午面上に投影された投影像における羽根のチップライン上に、チップラインの前縁側の端部よりもチップ外径が小さい小外径部が存在する。

また、チップラインのうち最もチップ外径が小さい部分は、無次元子午面位置０．１〜０．４に存在することとしてもよい。

本発明の遠心圧縮機は、上記の何れかの遠心圧縮機インペラと、遠心圧縮機インペラを囲むシュラウド面を有するハウジングと、を備え、シュラウド面上には、羽根の小外径部に沿った断面形状でチップライン側に突出する凸部が存在する。

また、ハウジングは、遠心圧縮機インペラを挟んで位置し周方向に分離可能な複数の部品を有することとしてもよい。

本発明によれば、流体の逆流を低減させ遠心圧縮機の性能の向上を図る遠心圧縮機インペラ、及びこれを用いた遠心圧縮機を提供することができる。

図１は、第１実施形態の過給機の回転軸線を含む断面図である。 図２は、インペラの長羽根及びシュラウド面近傍を拡大して示す断面図である。 図３は、インペラ及びコンプレッサハウジング近傍を拡大して示す断面図である。 図４（ａ），（ｂ）は、本発明者らによるシミュレーション結果を示すグラフである。 図５（ａ），（ｂ）は、本発明者らによるシミュレーション結果を示すコンター図である。 図６は、第２実施形態の過給機におけるインペラの長羽根及びシュラウド面近傍を拡大して示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る遠心圧縮機インペラ及び遠心圧縮機の実施形態について詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、過給機１の回転軸線Ａを含む断面を取った断面図である。過給機１は、本実施形態に係る遠心圧縮機として、コンプレッサ３を備えている。また、コンプレッサ３は、本実施形態に係る遠心圧縮機インペラとして、コンプレッサ翼車７を備えている。

過給機１は、例えば、船舶や車両の内燃機関に適用されるものである。図１に示されるように、過給機１は、タービン２とコンプレッサ３とを備えている。タービン２は、タービンハウジング４と、タービンハウジング４に収納されたタービン翼車６と、を備えている。タービンハウジング４は、タービン翼車６の周囲において周方向に延びるスクロール流路１６を有している。コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング５と、コンプレッサハウジング５に収納されたコンプレッサ翼車７と、を備えている。コンプレッサハウジング５は、コンプレッサ翼車７の周囲において周方向に延びるスクロール流路１７を有している。

タービン翼車６は回転軸１４の一端に設けられており、コンプレッサ翼車７は回転軸１４の他端に設けられている。タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５との間には、軸受ハウジング１３が設けられている。回転軸１４は、軸受１５を介して軸受ハウジング１３に回転可能に支持されており、回転軸１４、タービン翼車６及びコンプレッサ翼車７が一体の回転体１２として回転軸線Ａ周りに回転する。

タービンハウジング４には、排気ガス流入口（図示せず）及び排気ガス流出口１０が設けられている。内燃機関（図示せず）から排出された排気ガスが、排気ガス流入口を通じてタービンハウジング４内に流入し、スクロール流路１６を通じてタービン翼車６に流入し、タービン翼車６を回転させる。その後、排気ガスは、排気ガス流出口１０を通じてタービンハウジング４外に流出する。

コンプレッサハウジング５には、吸入口９及び吐出口（図示せず）が設けられている。上記のようにタービン翼車６が回転すると、回転軸１４を介してコンプレッサ翼車７が回転する。回転するコンプレッサ翼車７は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入する。この空気が、コンプレッサ翼車７及びスクロール流路１７を通過して圧縮され吐出口から吐出される。吐出口から吐出された圧縮空気は、前述の内燃機関に供給される。

続いて、コンプレッサ翼車７（以下「インペラ７」という）の近傍の構造について更に説明する。以下、「上流」、「下流」の語は、インペラ７におけるガスの上流及び下流に対応する。また、単に「径方向」、「周方向」、「軸方向」と言うときには、それぞれ、インペラ７の回転径方向、回転周方向、回転軸方向を意味するものとする。

図２に示されるように、インペラ７は、ハブ２１と、ハブ２１に設けられた複数の長羽根（羽根）２３とを備えている。複数の長羽根２３はハブ２１の表面で周方向に等間隔で配置されている。インペラ７は、長羽根２３同士の各間に設けられた短羽根を更に備えてもよい。図２には、長羽根２３の子午面形状が示される。長羽根２３の子午面形状とは、長羽根２３をインペラ７の子午面上に回転方向に投影した投影像の形状を言う。また、インペラ７の子午面とは、回転軸線Ａを含む平面を言う。図２で示される長羽根２３の詳細な形状の描写は、図１では省略されている。

長羽根２３の子午面形状について説明する。子午面上に投影された長羽根２３のチップライン２７は、前縁２５側の端部（以下「前縁側端部２７ａ」という）から、後縁２９側の端部（以下「後縁側端部２７ｂ」という）まで、湾曲して延びている。チップライン２７上には、前縁側端部２７ａよりもチップ外径が小さい小外径部が存在している。すなわち、チップライン２７上で最もチップ外径が小さい部分は、前縁側端部２７ａではなく、前縁側端部２７ａよりも下流側に存在している。チップライン２７上の所定の点のチップ外径とは、図中に符号「Ｒ」で示されるように、回転軸線Ａから上記所定の点までの距離を言う。

具体的には、チップライン２７は、上記の小外径部として湾曲凹部３１を備えている。湾曲凹部３１は、前縁側端部２７ａを始点として下流側に延び、径方向内側に凹状に湾曲している。湾曲凹部３１上のすべての点は、前縁側端部２７ａよりも径方向内側に位置しており、前縁側端部２７ａよりもチップ外径が小さい。湾曲凹部３１の頂点は、チップライン２７の中でチップ外径が最も小さい最小外径部３３である。最小外径部３３の上下流方向の位置に関して、最小外径部３３は、無次元子午面位置０．１〜０．４の何れかの位置に配置される。すなわち、チップライン２７のうち前縁側端部２７ａから最小外径部３３までの部分の長さは、チップライン２７全体の長さの１０〜４０％である。また、最小外径部３３は、インペラ７の翼間スロートよりも下流側に位置するようにすることが好ましい。

インペラ７を収納するコンプレッサハウジング５は、インペラ７を囲むシュラウド面３５を備えている。シュラウド面３５は長羽根２３のチップライン２７に沿って一定のクリアランスをもって延在している。シュラウド面３５上において、チップライン２７の湾曲凹部３１に対面する部分には、凸部３７が存在する。凸部３７は、湾曲凹部３１に沿った断面形状でチップライン２７側に突出する。凸部３７の存在により、湾曲凹部３１を含めたチップライン２７全体に亘って、チップライン２７とシュラウド面３５との間に一定のクリアランスが形成されている。

通常のコンプレッサの組立工程では、一体的に形成されたコンプレッサハウジングに対し、インペラが軸方向に挿入されて設置される。しかしながら、本実施形態のコンプレッサ３では、インペラ７の前縁側端部２７ａがシュラウド面３５の凸部３７に干渉するので、上記の組立工程は適用できない。そこで、本実施形態のコンプレッサハウジング５は、インペラ７を挟んで位置し周方向に分離可能な複数の部品を有している。

具体的には、図３に示されるように、コンプレッサハウジング５は、インペラ７を挟んで位置する２つのハウジング部品５ａ，５ｂで構成されている。ハウジング部品５ａ，５ｂは、分割面５ｄを境界として分割可能であり、分割面５ｄは回転軸線Ａを含む平面に沿って存在している。ハウジング部品５ａ，５ｂは、それぞれ、周方向に分割されたシュラウド面３５の一部を含んでいる。この構造により、インペラ７を間に挿入した状態でハウジング部品５ａ，５ｂを組み合わせて、コンプレッサハウジング５を組立てることができる。

以上説明したインペラ７及びコンプレッサ３による作用効果について説明する。従来のインペラ（以下「従来インペラ」という）では、チップラインのうち前縁側端部のチップ外径が最も大きい。この羽根形状によれば、小流量域において、流体が逆流する逆流域（再循環領域ともいう）が発生し、性能低下の一因となる。これに対し、本実施形態のインペラ７では、長羽根２３のチップライン２７に湾曲凹部３１が存在することにより、従来インペラに比較して翼負荷が低下する。翼負荷の低下により、流体の流れ方向（上下流方向）の逆圧力勾配が緩和され、その結果、小流量域において逆流域が縮小しコンプレッサ３の性能が向上する。

遠心圧縮機インペラでは、小流量域での流体の逆流は、無次元子午面位置０．１〜０．４の位置で特に生じやすい。これに対し、インペラ７では、無次元子午面位置０．１〜０．４に最小外径部３３が存在することにより、無次元子午面位置０．１〜０．４において翼負荷が低下し、逆流域が効率的に縮小され、上記の作用効果が顕著に奏される。また、前述のように、最小外径部３３をインペラ７の翼間スロートよりも下流側に位置するようにすれば、インペラ７のチョーク流量（最大流量）も維持することができる。

次に、本発明者らによるシミュレーションについて説明する。シミュレーション結果は、図４及び図５に示される。図４（ａ），（ｂ）は、インペラの長羽根の子午面位置に対する圧力分布を示すグラフである。図４（ａ）が従来インペラ１０７、図４（ｂ）が本実施形態のインペラ７に対応する。各グラフ中の上の曲線が長羽根の正圧面の圧力分布を示し、下の曲線が長羽根の負圧面の圧力分布を示す。長羽根の正圧面の圧力と負圧面の圧力との差を、以下では、単に「圧力差」という。

図５（ａ）は、従来インペラ１０７の長羽根における流体の流速分布を示すコンター図であり、図５（ｂ）は、本実施形態のインペラ７の長羽根２３における流体の流速分布を示すコンター図である。図５（ａ）において、閉じた等高線で囲まれた領域Ｅ１が逆流域に該当する。同様に、図５（ｂ）では、領域Ｅ２が逆流域に該当する。

図４（ａ），（ｂ）を比較すると、長羽根の子午面位置に対する圧力差の勾配（圧力差の増加率）は、従来インペラ１０７に比べてインペラ７のほうが小さくなっている。また、図５（ａ），（ｂ）を比較すると、インペラ７の逆流域Ｅ２は、従来インペラ１０７の逆流域Ｅ１に比較して小さくなっている。以上により、インペラ７によれば、子午面位置に対する圧力差の勾配が小さくなり、逆流域が縮小されることが判った。

（第２実施形態）
続いて、本実施形態の遠心圧縮機の第２実施形態について説明する。本実施形態の遠心圧縮機において、第１実施形態と同一又は同等の構成要件には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図６に示されるように、コンプレッサ５３はインペラ７とコンプレッサハウジング５５とを備えている。コンプレッサハウジング５５はインペラ７を囲むシュラウド面５６を備えている。シュラウド面５６のうち、チップライン２７の湾曲凹部３１に対面する部分５７は回転軸線Ａに平行な直線状の断面をなしている。すなわち、シュラウド面５６は、図２に示されるような凸部３７を備えていない。従って、湾曲凹部３１においては、シュラウド面５６との間に、他の部分よりも広いクリアランスが生じている。このコンプレッサ５３をコンプレッサ３に代えて過給機１に採用してもよい。

上記の構造のコンプレッサ５３によっても、第１実施形態と同様の作用効果が奏される。すなわち、コンプレッサ５３のインペラ７では、長羽根２３のチップライン２７に湾曲凹部３１が存在することにより、従来インペラに比較して翼負荷が低下する。翼負荷の低下により、流体の流れ方向（上下流方向）の逆圧力勾配が緩和され、その結果、小流量域において逆流域が縮小しコンプレッサ５３の性能が向上する。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

１ 過給機
３，５３ コンプレッサ（遠心圧縮機）
５，５５ コンプレッサハウジング
５ａ，５ｂ ハウジング部品
３５，５６ シュラウド面
７ インペラ（遠心圧縮機インペラ）
２１ ハブ
２３ 長羽根
２７ チップライン
２７ａ 前縁側端部
３１ 湾曲凹部（小外径部）
３３ 最小外径部
３７ 凸部

Claims (4)

1. ハブと、前記ハブに設けられた羽根と、を備える遠心圧縮機インペラであって、
   子午面上に投影された投影像における前記羽根のチップライン上に、
   前記チップラインの前縁側の端部よりもチップ外径が小さい小外径部が存在する、遠心圧縮機インペラ。
2. 前記チップラインのうち最もチップ外径が小さい部分は、
   無次元子午面位置０．１〜０．４に存在する、請求項１に記載の遠心圧縮機インペラ。
3. 請求項１又は２に記載の遠心圧縮機インペラと、
   前記遠心圧縮機インペラを囲むシュラウド面を有するハウジングと、を備え、
   前記シュラウド面上には、
   前記羽根の前記小外径部に沿った断面形状で前記チップライン側に突出する凸部が存在する、遠心圧縮機。
4. 前記ハウジングは、前記遠心圧縮機インペラを挟んで位置し周方向に分離可能な複数の部品を有する、請求項３に記載の遠心圧縮機。

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