JP2019167871A - ベーンドディフューザ及び遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心圧縮機のインペラの共振を低減しながらも、空力特性の低下を抑えるベーンドディフューザ及び遠心圧縮機を提供することを目的とする。【解決手段】ベーンドディフューザ１３は、周方向に配列された複数のベーンＶを備えるベーンドディフューザであって、ベーンＶの周方向の配列ピッチは一定ではなく、ベーンＶのリーディングエッジ径Ｒ、ベーンの翼厚Ｆ、及びベーンの取付角Ｇのうち、少なくとも１つのパラメータは、パラメータ値が一定ではない不均一パラメータである。【選択図】図２

Description

本発明は、ベーンドディフューザ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に記載のベーンドディフューザが知られている。このディフューザは、周方向に配列された複数のベーンの配列ピッチを不均一にすることで、インペラとベーンとの相互作用による共振を低減することが提案されている。

特許第5666296号公報

しかしながら、特許文献１のディフューザにおいては、ベーンの配列ピッチの不均一性に起因して空力性能が低下する。この課題に鑑み、本発明は、遠心圧縮機のインペラの共振を低減しながらも、空力特性の低下を抑えるベーンドディフューザ及び遠心圧縮機を提供することを目的とする。

本発明のベーンドディフューザは、
周方向に配列された複数のベーンを備えるベーンドディフューザであって、
前記ベーンの周方向の配列ピッチは一定ではなく、
前記ベーンのリーディングエッジ径、前記ベーンの翼厚、及び前記ベーンの取付角のうち、少なくとも１つのパラメータは、パラメータ値が一定ではない不均一パラメータである、ベーンドディフューザである。

複数の前記ベーンを、インペラ回転方向に向かって順にベーンＶ１，Ｖ２，…，Ｖｎとし、
ベーンＶｋ（但し、ｋ＝１〜ｎ）と、当該ベーンＶｋに対してインペラ回転方向の後方側に隣接する他のベーンと、の周方向の配列ピッチをベーン配列ピッチＤｋとしたとき、
前記ベーン配列ピッチＤｋと、前記ベーンＶｋの前記不均一パラメータの値と、が一対一に対応しているようにしてもよい。

前記リーディングエッジ径が前記不均一パラメータであり、
前記ベーン配列ピッチＤｋと、前記ベーンＶｋのリーディングエッジ径と、の間に負の相関関係があるようにしてもよい。

前記ベーンの翼厚が前記不均一パラメータであり、
前記ベーン配列ピッチＤｋと、前記ベーンＶｋの翼厚と、の間に正の相関関係があるようにしてもよい。

前記ベーンの取付角が前記不均一パラメータであり、
前記ベーン配列ピッチＤｋと、前記ベーンＶｋの取付角と、の間に負の相関関係があるようにしてもよい。

各々が複数ずつの前記ベーンを含むように周方向に分割された複数のベーン配列領域を備え、
各々の前記ベーン配列領域毎に、前記ベーンの周方向の配列ピッチが互いに異なっているようにしてもよい。

本発明の遠心圧縮機は、上記の何れかのベーンドディフューザを備える。

本発明のベーンドディフューザ及び遠心圧縮機によれば、遠心圧縮機のインペラの共振を低減しながらも、空力特性の低下を抑えることができる。

実施形態のベーンドディフューザを備える遠心圧縮機の断面図である。 第１実施形態のベーンドディフューザを軸方向から見た図である。 第１実施形態のベーンドディフューザの変形例を軸方向から見た図である。 第２実施形態のベーンドディフューザを軸方向から見た図である。 第３実施形態のベーンドディフューザを軸方向から見た図である。 本発明者らの実験結果を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るベーンドディフューザ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、本実施形態のベーンドディフューザ１３を備える遠心圧縮機１の断面図である。図２は、ベーンドディフューザ１３を軸方向から見た図である。遠心圧縮機１は、ハウジング３と、ハウジング３に収納された遠心圧縮機インペラ５（以下「インペラ５」という）と、を備えている。ハウジング３は、インペラ５の周囲において周方向に延びるスクロール７を有している。また、ハウジング３は、インペラ５とスクロール７との間に設けられたベーンドディフューザ１３を有している。ベーンドディフューザ１３は複数のベーンＶを有しており、複数のベーンＶはインペラ５の回転周方向に配列されている。

ハウジング３には、吸入口９及び吐出口１１が設けられている。インペラ５は、例えばモータ等の動力源１５から駆動力を受けて、回転軸線Ｈ周りに回転する。インペラ５が回転すると、インペラ５は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入する。この空気が、インペラ５によって回転径方向に吐き出される。インペラ５から吐き出された空気は、ベーンドディフューザ１３及びスクロール７を通過して圧縮され吐出口１１から吐出される。なお、遠心圧縮機１は過給機のコンプレッサであってもよい。この場合、当該過給機のタービンが動力源１５である。

以下では、図２に示されるように、ベーンドディフューザ１３が１５個のベーンＶを有する場合を一例として説明する。また、１５個のベーンＶをそれぞれ区別する場合には、インペラ５の回転方向Ｚに向かって順にベーンＶ１，Ｖ２，…，Ｖ１５とする。また、ベーンＶｋ（但し、ｋ＝１〜１５）と、当該ベーンＶｋに対して回転方向Ｚの後方側に隣接する他のベーンＶと、の間の周方向の配列ピッチをベーン配列ピッチＤｋとする。

ベーンドディフューザ１３においては、ベーン配列ピッチＤ１〜Ｄ１５の値は一定ではない。具体的には、ベーンドディフューザ１３では、互いに異なる３種類のベーン配列ピッチの値（それぞれ、ｄ１，ｄ７，及びｄ１２とする）が存在しており、以下の関係がある。
Ｄ１〜Ｄ６＝ｄ１
Ｄ７〜Ｄ１１＝ｄ７
Ｄ１２〜Ｄ１５＝ｄ１２
ｄ１＜ｄ７＜ｄ１２
なお、ベーン配列ピッチＤｋの不均一性が極端に大きいと、遠心圧縮機１の空力性能の低下が顕著になるので好ましくない。また、ベーン配列ピッチＤｋの不均一性が極端に小さいと、後述するようなインペラ５への励振力低減が十分に図られず好ましくない。よって、例えば、ｄ１２がｄ１の3倍以下であることが好ましい。

また、ベーンＶのリーディングエッジ径Ｒは、パラメータ値が一定ではないパラメータである。以下、ベーンドディフューザ１３全体の中でパラメータ値が一定ではないパラメータを「不均一パラメータ」と呼ぶ。ベーンドディフューザ１３では、互いに異なる３種類のリーディングエッジ径Ｒの値（それぞれ、ｒ１，ｒ７，及びｒ１２とする）が存在しており、ベーンＶｋ（但し、ｋ＝１〜１５）のリーディングエッジ径をＲｋとすると、以下の関係がある。
Ｒ１〜Ｒ６＝ｒ１
Ｒ７〜Ｒ１１＝ｒ７
Ｒ１２〜Ｒ１５＝ｒ１２
ｒ１＞ｒ７＞ｒ１２
なお、図２のベーンドディフューザ１３においては、ベーンＶ１〜Ｖ１５はすべて同一寸法で同一形状をなしている。従って、リーディングエッジ径Ｒｋが大きいほど、ベーンＶが径方向外側に配置されていることになる。

以上のように、ベーンドディフューザ１３においては、ベーン配列ピッチＤｋとリーディングエッジ径Ｒｋとが一対一に対応している。更に、ベーン配列ピッチＤｋとリーディングエッジ径Ｒｋとの間には、負の相関関係がある。すなわち、ベーン配列ピッチＤｋが小さいほどリーディングエッジ径Ｒｋが大きく、ベーン配列ピッチＤｋが大きいほどリーディングエッジ径Ｒｋが小さくなるといった関係にある。

ベーンドディフューザ１３の構成は次のように説明することもできる。ベーンドディフューザ１３を周方向に３つのベーン配列領域（領域Ａ１〜Ａ３とする）に分割して考える。領域Ａ１は、ベーンＶ１〜Ｖ６を含む扇形の領域である。同様にして、領域Ａ２は、ベーンＶ７〜Ｖ１１を含む扇形の領域であり、領域Ａ３は、ベーンＶ１２〜Ｖ１５を含む扇形の領域である。領域Ａ１では、ベーン配列ピッチＤｋ＝ｄ１であり、リーディングエッジ径Ｒｋ＝ｒ１である。領域Ａ２では、ベーン配列ピッチＤｋ＝ｄ７であり、リーディングエッジ径Ｒｋ＝ｒ７である。領域Ａ３では、ベーン配列ピッチＤｋ＝ｄ１２であり、リーディングエッジ径Ｒｋ＝ｒ１２である。

以上のように、ベーンドディフューザ１３は、周方向に分割される３つのベーン配列領域Ａ１〜Ａ３を備えている。そして、領域Ａ１〜Ａ３毎に、互いに異なるベーン配列ピッチＤｋとリーディングエッジ径Ｒｋとが設定されている。また、それぞれの領域Ａ１〜Ａ３内においては、ベーン配列ピッチＤｋとリーディングエッジ径Ｒｋが一定である。そして、各領域Ａ１〜Ａ３におけるベーン配列ピッチＤｋとリーディングエッジ径Ｒｋとの間には、前述のとおり負の相関関係がある。

なお、図３に示されるように、ベーンＶｋのリーディングエッジ径Ｒｋだけでなく、更にベーンＶｋの形状も、ベーン配列ピッチＤｋと一対一に対応させるようにしてもよい。具体例として、図３では、リーディングエッジ径ＲのみならずベーンＶの長さＥも不均一パラメータである。すなわち、図３のベーンドディフューザ１３では、互いに異なる３種類のベーン長さＥの値（それぞれ、ｅ１，ｅ７，及びｅ１２とする）が存在しており、ベーンＶｋ（但し、ｋ＝１〜１５）のベーン長さをＥｋとすると、以下の関係がある。
Ｅ１〜Ｅ６＝ｅ１
Ｅ７〜Ｅ１１＝ｅ７
Ｅ１２〜Ｅ１５＝ｅ１２
ｅ１＜ｅ７＜ｅ１２

以上のように、図３のベーンドディフューザ１３では、ベーン配列ピッチＤｋとベーン長さＥｋとの間にも、正の相関関係がある。すなわち、ベーン配列ピッチＤｋが小さいほどベーン長さＥｋが小さく、ベーン配列ピッチＤｋが大きいほどベーン長さＥｋが大きくなるといった関係にある。

（第２実施形態）
続いて、第２実施形態のベーンドディフューザ２１３について説明する。本実施形態では、遠心圧縮機１（図１）のベーンドディフューザ１３（図２）に代えてベーンドディフューザ２１３が採用される。図４は、ベーンドディフューザ２１３を軸方向から見た図である。以下では、ベーンドディフューザ１３（図２）と同一又は同等の構成については説明を省略し、ベーンドディフューザ１３（図２）とは異なる構成について主に説明する。

ベーンドディフューザ２１３においては、ベーン配列ピッチＤ１〜Ｄ１５は、ベーンドディフューザ１３と同様の不均一性を有している。すなわち、以下の関係がある。
Ｄ１〜Ｄ６＝ｄ１
Ｄ７〜Ｄ１１＝ｄ７
Ｄ１２〜Ｄ１５＝ｄ１２
ｄ１＜ｄ７＜ｄ１２

ベーンドディフューザ２１３においては、ベーンＶ１〜Ｖ１５のリーディングエッジ径は一定である。その代わりに、ベーンＶの翼厚Ｆが不均一パラメータである。すなわち、ベーンドディフューザ２１３では、互いに異なる３種類の翼厚Ｆの値（それぞれ、ｆ１，ｆ７，及びｆ１２とする）が存在しており、ベーンＶｋ（但し、ｋ＝１〜１５）の翼厚をＦｋとすると、以下の関係がある。
Ｆ１〜Ｆ６＝ｆ１
Ｆ７〜Ｆ１１＝ｆ７
Ｆ１２〜Ｆ１５＝ｆ１２
ｆ１＜ｆ７＜ｆ１２

以上のように、ベーンドディフューザ２１３においては、ベーン配列ピッチＤｋと翼厚Ｆｋとが一対一に対応している。更に、ベーン配列ピッチＤｋと翼厚Ｆｋとの間には、正の相関関係がある。すなわち、ベーン配列ピッチＤｋが小さいほど翼厚Ｆｋが小さく、ベーン配列ピッチＤｋが大きいほど翼厚Ｆｋが大きくなるといった関係にある。

（第３実施形態）
続いて、第３実施形態のベーンドディフューザ３１３について説明する。本実施形態では、遠心圧縮機１（図１）のベーンドディフューザ１３（図２）に代えてベーンドディフューザ３１３が採用される。図５は、ベーンドディフューザ３１３を軸方向から見た図である。以下では、ベーンドディフューザ１３（図２）と同一又は同等の構成については説明を省略し、ベーンドディフューザ１３（図２）とは異なる構成について主に説明する。

ベーンドディフューザ３１３においては、ベーン配列ピッチＤ１〜Ｄ１５は、ベーンドディフューザ１３と同様の不均一性を有している。すなわち、以下の関係がある。
Ｄ１〜Ｄ６＝ｄ１
Ｄ７〜Ｄ１１＝ｄ７
Ｄ１２〜Ｄ１５＝ｄ１２
ｄ１＜ｄ７＜ｄ１２

ベーンドディフューザ３１３においては、ベーンＶ１〜Ｖ１５のリーディングエッジ径は一定である。その代わりに、ベーンＶの取付角Ｇが不均一パラメータである。すなわち、ベーンドディフューザ３１３では、互いに異なる３種類の取付角Ｇの値（それぞれ、ｇ１，ｇ７，及びｇ１２とする）が存在しており、ベーンＶｋ（但し、ｋ＝１〜１５）の取付角をＧｋとすると、以下の関係がある。
Ｇ１〜Ｇ６＝ｇ１
Ｇ７〜Ｇ１１＝ｇ７
Ｇ１２〜Ｇ１５＝ｇ１２
ｇ１＞ｇ７＞ｇ１２
ベーンＶの取付角Ｇとは、インペラ５の回転軸線ＨとベーンＶのリーディングエッジを通る直線と、ベーンＶの延在方向と、がなす角度である。なお、図中に二点鎖線で示すベーンＶ’は、ベーンの取付角がｇ７である場合の仮想のベーンＶの位置を、比較のために示したものである。

以上のように、ベーンドディフューザ３１３においては、ベーン配列ピッチＤｋと取付角Ｇｋとが一対一に対応している。更に、ベーン配列ピッチＤｋと取付角Ｇｋとの間には、負の相関関係がある。すなわち、ベーン配列ピッチＤｋが小さいほど取付角Ｇｋが大きく、ベーン配列ピッチＤｋが大きいほど取付角Ｇｋが小さくなるといった関係にある。

（第１〜第３実施形態による作用効果）
上述の第１〜第３実施形態による作用効果について説明する。上記のように、ベーンドディフューザ１３，２１３，３１３では、ベーン配列ピッチＤが不均一化されている。この構成により、回転中のインペラ５にベーンＶから作用する励振力次数が分散され、基本次数の励振力が低下する。よって、インペラ５の共振時応答レベルが低下しインペラの共振が低減される。

その一方で、ベーン配列ピッチＤの不均一化は、遠心圧縮機１の空力性能の低下の原因になり得る。特に、ベーン配列ピッチＤが不均一化されることにより、ベーンスロートの圧力場の周方向の不均一性が大きくなり、その結果、サージマージンが悪化し安定作動域が狭くなる可能性がある。この知見に関する本発明者らの実験について説明する。図６に示されるように、本発明者らは、２種類のベーンドディフューザ（１）とベーンドディフューザ（２）とを準備した。ベーンドディフューザ（１）は、ベーンの配列ピッチを一定とする従来のベーンドディフューザである。ベーンドディフューザ（２）は、ベーンの配列ピッチが一定ではないベーンドディフューザである。各ディフューザについて、ベーンの上流側で周方向に並ぶ各計測点において圧力を測定した。そして、各測定値を、ディフューザの周方向の圧力分布のグラフとして図６に示した。

図６に示されるように、ベーンドディフューザ（１）では、ディフューザにおける圧力場が周方向で比較的均一であることが判る。これに比較して、ベーンドディフューザ（２）では、ディフューザにおける圧力場が周方向で不均一になったことが判る。すなわち、ベーン配列ピッチが不均一化されると、ディフューザにおける圧力場が不均一になり、この不均一性がサージマージンの悪化の原因になると考えられる。

これに対し、ベーンドディフューザ１３，２１３，３１３では、ベーンＶのリーディングエッジ径Ｒ、ベーンの翼厚Ｆ、及び取付角Ｇのうち、少なくとも１つのパラメータが不均一パラメータである。具体的にはベーンドディフューザ１３におけるリーディングエッジ径Ｒ、ベーンドディフューザ２１３における翼厚Ｆ、及びベーンドディフューザ３１３における取付角Ｇが不均一パラメータである。

そして、上記のような不均一パラメータの値をベーンＶ毎に調整することにより、ベーンスロートの面積を、ベーンＶ間の流路ごとに個別に調整することができる。その結果、ベーンスロートの圧力場の周方向の不均一性を改善することができ、前述のようなサージマージンの悪化を抑え安定作動域を確保することができる。また、ベーンスロートの総面積を調整することにより、インペラ５との作動領域のマッチングを図ることができる。

以上の通り、ベーンドディフューザ１３，２１３，３１３によれば、遠心圧縮機１のインペラ５の共振を低減しながらも、空力特性の低下を抑えることができる。

また、ベーンドディフューザ１３，２１３，３１３では、ベーン配列ピッチＤｋと上記の不均一パラメータの値とが一対一に対応している。この構成により、各々のベーンスロートの面積を均一に近づけることができ、ベーンスロートの圧力場の周方向の不均一性をより改善することができる。

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、スクロール７の舌部（図示せず）とベーンＶとの位置関係を更に調整することで、スクロール７の舌部（図示せず）近傍の低運動量域におけるガスの流れを改善するようにしてもよい。具体的には、１つのベーンＶのトレーリングエッジと舌部との周方向位置が近いことが好ましい。また、ベーンスロートの圧力場の周方向の不均一性を更に改善するために、ポーラスディフューザが更に採用されてもよい。

また、上述の各実施形態では、リーディングエッジ径Ｒ、ベーンの翼厚Ｆ、及び取付角Ｇのうちの１つずつを不均一パラメータとしているが、これには限られず、１つのベーンドディフューザにおいて、上記３つのパラメータのうちの２つ以上を不均一パラメータとしてもよい。また、図３で説明したように、リーディングエッジ径Ｒ、ベーンの翼厚Ｆ、及び取付角Ｇ以外の他のパラメータ（図３の例の場合にはベーン長さＥ）を追加して不均一パラメータとしてもよい。この場合、ベーンスロートの圧力場の周方向の不均一性を改善するための調整が容易になる。

また、上述の実施形態ではベーンドディフューザ１３，２１３，３１３が備えるベーンＶの数を１５枚として説明したがこれには限定されない。ベーンＶの枚数が変わっても上述の実施形態に倣って変形が可能である。また、上述の実施形態では、ベーン配列ピッチＤが異なる３つのベーン配列領域（領域Ａ１〜Ａ３）を有するベーンドディフューザを例として説明したが、ベーン配列領域の数は２でもよく４以上であってもよい。また、ベーン配列ピッチＤが等しいベーン配列領域を含む構成も必須ではなく、各ベーンＶがランダムなベーン配列ピッチＤで配列されてもよい。

１ 遠心圧縮機
１３，２１３，３１３ ベーンドディフューザ
Ａ１〜Ａ３ ベーン配列領域
Ｄ，Ｄｋ ベーン配列ピッチ
Ｄ１〜Ｄ１５ ベーン配列ピッチ
Ｆ，Ｆｋ 翼厚
Ｇ，Ｇｋ 取付角
Ｒ，Ｒｋ リーディングエッジ径
Ｖ，Ｖｋ ベーン
Ｖ１〜Ｖ１５ ベーン

Claims (7)

1. 周方向に配列された複数のベーンを備えるベーンドディフューザであって、
   前記ベーンの周方向の配列ピッチは一定ではなく、
   前記ベーンのリーディングエッジ径、前記ベーンの翼厚、及び前記ベーンの取付角のうち、少なくとも１つのパラメータは、パラメータ値が一定ではない不均一パラメータである、ベーンドディフューザ。
2. 複数の前記ベーンを、インペラ回転方向に向かって順にベーンＶ１，Ｖ２，…，Ｖｎとし、
   ベーンＶｋ（但し、ｋ＝１〜ｎ）と、当該ベーンＶｋに対してインペラ回転方向の後方側に隣接する他のベーンと、の周方向の配列ピッチをベーン配列ピッチＤｋとしたとき、
   前記ベーン配列ピッチＤｋと、前記ベーンＶｋの前記不均一パラメータの値と、が一対一に対応している、請求項１に記載のベーンドディフューザ。
3. 前記リーディングエッジ径が前記不均一パラメータであり、
   前記ベーン配列ピッチＤｋと、前記ベーンＶｋのリーディングエッジ径と、の間に負の相関関係がある、請求項２に記載のベーンドディフューザ。
4. 前記ベーンの翼厚が前記不均一パラメータであり、
   前記ベーン配列ピッチＤｋと、前記ベーンＶｋの翼厚と、の間に正の相関関係がある、請求項２に記載のベーンドディフューザ。
5. 前記ベーンの取付角が前記不均一パラメータであり、
   前記ベーン配列ピッチＤｋと、前記ベーンＶｋの取付角と、の間に負の相関関係がある、請求項２に記載のベーンドディフューザ。
6. 各々が複数ずつの前記ベーンを含むように周方向に分割された複数のベーン配列領域を備え、
   各々の前記ベーン配列領域毎に、前記ベーンの周方向の配列ピッチが互いに異なっている、請求項１〜５の何れか１項に記載のベーンドディフューザ。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載のベーンドディフューザを備えた遠心圧縮機。

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