JP2019157669A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】フレームサイズを小さく抑える構造を採用しながらも、小流量側の作動域を確保することができる遠心圧縮機を提供する。【解決手段】コンプレッサ３は、インペラ７の周囲に設けられインペラ７から排出されるガスを通過させるディフューザ２１と、ディフューザ２１の周囲に設けられディフューザ２１からのガスを周方向に流動させるスクロール１７と、を備えている。そして、スクロール１７の入口２９の中心２９ａがディフューザ２１の出口２７の中心２７ａよりも径方向内側に位置するように配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、遠心圧縮機に関するものである。

従来、下記特許文献１に記載の遠心圧縮機が知られている。この遠心圧縮機では、インペラから径方向外側にディフューザが延び、ディフューザに接続されたスクロールは、接続部から径方向内側に張り出すように配置されている。この構造のスクロールは、「内巻きスクロール」などと呼ばれる。内巻きスクロールを採用することにより、スクロール全体をインペラの回転軸線に近い範囲内に収めることができ、コンプレッサのフレームサイズを小さく抑えることができる。

特開平10-176699号公報

内巻きスクロールでは、スクロールの外周部にディフューザが接続されることになる。スクロールの外周部は内周側に比較してガスの周方向の静圧分布の不均一性が高い。従って、ガスの周方向の静圧分布の不均一性がディフューザまで伝播してサージ発生の一因になる場合があり、その結果、小流量側の作動域が狭くなる場合がある。

本発明は、フレームサイズを小さく抑える構造を採用しながらも、小流量側の作動域を確保することができる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は、インペラの周囲に設けられインペラから排出されるガスを通過させるディフューザと、ディフューザの周囲に設けられディフューザからのガスを周方向に流動させるスクロールと、を備え、スクロールの入口の中心がディフューザの出口の中心よりも径方向内側に位置する。

スクロールの入口の径方向内側の端部が、スクロールのうち最も径方向内側の位置に設けられていてもよい。

本発明の遠心圧縮機によれば、フレームサイズを小さく抑える構造を採用しながらも、小流量側の作動域を確保することができる。

本実施形態のコンプレッサを備える過給機の断面図である。 軸方向から見たコンプレッサを模式的に示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、コンプレッサのスクロール近傍の断面図である。 コンプレッサのディフューザ出口における静圧分布を示すグラフである。 変形例に係るコンプレッサのスクロール近傍の断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る遠心圧縮機の実施形態について詳細に説明する。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。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８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８を通じてタービンハウジング４内に流入し、スクロール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１１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１７を通過して圧縮され吐出口１１から吐出される。吐出口１１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、図１〜図３を参照しながら、コンプレッサ３について更に詳細に説明する。以下、「上流」、「下流」の語は、コンプレッサ３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、コンプレッサ翼車７（以下、単に「インペラ７」と呼ぶ）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は、軸方向から見たコンプレッサ３の内部を模式的に示す断面図である。図２に示されるように、回転軸線Ａを中心とした周方向座標（０〜３６０°）を設定し、コンプレッサ３の各部位の位置関係の説明に用いる場合がある。例えば、スクロール１７の舌部１９は、周方向座標４５°の位置に配置されている。

図３（ａ）,（ｂ）は、それぞれ、回転軸線Ａを含む断面を取ったスクロール１７等の断面図であり、１８０°位置及び３６０°位置における断面図である。また、図３（ｃ）は、１８０°位置の断面と３６０°位置の断面とを比較するために、両者を重ねて表した図である。図３（ａ）〜（ｃ）においては、上下方向が軸方向であり、右方が径方向内側であり、左方が径方向外側である。

コンプレッサ３は、インペラ７と、インペラ７の径方向外側に設けられたディフューザ２１とを備えている。更に、コンプレッサ３は、ディフューザ２１の径方向外側に設けられたスクロール１７と、ディフューザ２１とスクロール１７とを繋ぐ接続流路２３とを備えている。インペラ７から径方向に排出されるガスは、ディフューザ２１で減速され静圧回復されて、ディフューザ出口２７を通じて接続流路２３に流入する。その後ガスは、接続流路２３を流動しスクロール入口２９を通じてスクロール１７に導入される。スクロール１７では、ガスが周方向に流動し吐出口１１から排出される。

なお、ディフューザ２１は、ガスの流路面積が下流側に行くに従って徐々に拡大する部位であり、ガスの静圧を回復させる部分である。ディフューザ２１の下流端面、すなわちディフューザ２１と接続流路２３との境界面がディフューザ出口２７である。ディフューザ出口２７は、回転軸線Ａを軸とする円柱面をなしている。スクロール１７の上流端面、すなわち、接続流路２３とスクロール１７との境界面がスクロール入口２９である。スクロール入口２９は、回転軸線Ａを軸とする円錐面をなしている。

ディフューザ２１及び接続流路２３は、回転軸線Ａに対して軸対称な形状をなしている。これに対して、スクロール１７は、回転軸線Ａに対して非軸対称な形状をなしている。従って、ガス流路が回転軸線Ａに対して軸対称である部分と非軸対称である部分との境界面がスクロール入口２９である。

図３（ａ）,（ｂ）に示されるように、スクロール１７は、ディフューザ出口２７から見て、径方向内側に大きく張り出すように位置している。すなわち、ディフューザ出口２７の位置を基準として、スクロール１７の径方向内側への張出し量が、径方向外側への張出し量よりも大きい。例えば、スクロール１７の断面の図心がディフューザ出口２７の径方向内側に位置してもよい。

また、回転軸線Ａを含む断面において、インペラ７からスクロール１７までのガスの流路がＪ字状をなしている。すなわち、ディフューザ２１は径方向外側に向けて直線状をなしており、接続流路２３は径方向内側に向けて反転するように湾曲している。そして、径方向内側に向けられた接続流路２３の下流端が、スクロール入口２９に接続されている。

ディフューザ出口２７とスクロール入口２９との間には、次のような位置関係がある。図３（ａ），（ｂ）に示されるように、ディフューザ出口２７の軸方向における中心をディフューザ出口中心２７ａとし、スクロール入口２９の軸方向における中心をスクロール入口中心２９ａとする。スクロール入口中心２９ａは、ディフューザ出口中心２７ａよりも、径方向内側に位置している。換言すれば、回転軸線Ａからスクロール入口中心２９ａまでの距離は、回転軸線Ａからディフューザ出口中心２７ａまでの距離よりも短い。

ガスの流れについて回転軸線Ａを含む断面内の成分に注目すれば、インペラ７から排出されたガスは、ディフューザ２１で径方向外側向きに流れ、接続流路２３で反転され径方向内側向きの流れになる。その後、ガスは、径方向内側向きでスクロール入口２９からスクロール１７内に流入する。スクロール１７内では、ガスは、径方向内側に位置する壁面に沿って矢印Ｂ（図３（ａ）参照）の向きに案内されると共に、周方向に流動して吐出口１１に向かう。

続いて、以上のようなコンプレッサ３による作用効果について説明する。コンプレッサ３では、スクロール１７が、ディフューザ出口２７を基準として、径方向内側への張出しを大きくし、径方向外側への張出しを小さくするように配置されている。この配置により、スクロール１７の径方向外側への張出しを抑え、スクロール１７全体を回転軸線Ａに近い範囲内に収めることができ、その結果、コンプレッサ３のフレームサイズを小さく抑えることができる。その一方で、ディフューザ出口２７が可能な限り径方向外側に配置され、ディフューザ２１はインペラ７から径方向に大きく広がるように配置されるので、ディフューザ２１におけるガスの静圧回復が十分に行われる。

図４は、遠心圧縮機のディフューザ出口におけるガスの周方向の静圧分布を示すグラフである。当該グラフの横軸は、インペラの回転軸線を中心とした周方向座標（図２参照）であり、縦軸はディフューザ出口におけるガスの静圧である。

上記のように、スクロールがディフューザ出口から見て径方向内側に張出した構造としては、前述の特許文献１に示される内巻きスクロールの構造が考えられる。しかしながら、当該構造を採用した場合、図４のグラフＧ１で示されるように、ディフューザ出口におけるガスの周方向の静圧分布が、不均一になる傾向が強い。

これは、スクロールの中で外周側は内周側に比較してガスの周方向の静圧分布の不均一性が高く、スクロール外周側に接続されたディフューザに静圧分布の不均一性が伝播することによるものである。上記のような静圧分布の不均一性は、サージ発生の一因でもあり、小流量側の作動域を小さくする。また、静圧分布の不均一性は、インペラまで伝播してインペラの振動の原因にもなり得る。また、静圧分布の不均一性は、ディフューザの流出角とスクロールの流入角とのマッチングがずれることによる効率低下の原因にもなり得る。

これに対し、コンプレッサ３の構成によれば、ディフューザ２１は、接続流路２３を介して、比較的内周側に位置するスクロール入口２９でスクロール１７に接続される。これにより、ディフューザ２１は、スクロール１７の中でもガスの周方向の静圧分布の不均一性が比較的緩やかな部分に接続されることになる。従って、図４のグラフＧ２で示されるように、ディフューザ出口２７におけるガスの周方向の静圧分布の不均一性が緩和される。その結果、サージの発生が抑えられコンプレッサ３の小流量側の作動域が確保される。また、インペラの振動も低減される。また、ディフューザの流出角とスクロールの流入角とのマッチングのずれが発生しにくくなる。

また、コンプレッサ３では、スクロール１７内でもガスの静圧回復が行われるような設計が採用されてもよい。この場合には、スクロール１７内の静圧分布の影響により、ディフューザ出口２７におけるガスの周方向の静圧分布が不均一になる傾向が強い。これに対して、前述のような、スクロール入口２９が比較的内周側に位置する構成によって、静圧分布の不均一性が緩和される。

以上のように、コンプレッサ３によれば、コンプレッサ３のフレームサイズを小さく抑える構造を採用しながらも、サージ発生が抑えられ小流量側の作動域を確保することができる。

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。

例えば変形例として、図５に示されるように、スクロール入口２９の最も径方向内側の端部２９ｂが、スクロール１７の最も内周側の位置に配置されるようにしてもよい。すなわち、ディフューザ２１が、接続流路２３を介して、スクロール１７の最も内周側の位置に接続されてもよい。なお、図５の構成においても、スクロール入口中心２９ａがディフューザ出口中心２７ａよりも径方向内側に位置するとの位置関係は満足される。この構成では、ディフューザ２１が、スクロール１７の中でもガスの周方向の静圧分布の不均一性が最も緩和された部分に接続されることになる。従って、ディフューザ出口２７におけるガスの周方向の静圧分布の不均一性が更に緩和される。

本発明の遠心圧縮機は、過給機のコンプレッサに限定されず、通常のコンプレッサにも適用可能である。

３ コンプレッサ（遠心圧縮機）、
７ コンプレッサ翼車（インペラ）
１７ スクロール
２１ ディフューザ
２７ ディフューザ出口
２７ａ ディフューザ出口中心
２９ スクロール入口
２９ａ スクロール入口中心
２９ｂ 端部

Claims (2)

1. インペラの周囲に設けられ前記インペラから排出されるガスを通過させるディフューザと、前記ディフューザの周囲に設けられ前記ディフューザからのガスを周方向に流動させるスクロールと、を備え、
   前記スクロールの入口の中心が前記ディフューザの出口の中心よりも径方向内側に位置する、遠心圧縮機。
2. 前記スクロールの入口の径方向内側の端部が、前記スクロールのうち最も径方向内側の位置に設けられている、請求項１に記載の遠心圧縮機。

Images