JP4670175B2

JP4670175B2 - 遠心圧縮機のインペラ

Info

Publication number: JP4670175B2
Application number: JP2001141574A
Authority: JP
Inventors: 潤司加藤; 正義大塚; 睦生白木
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2021-05-11
Also published as: JP2002332992A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠心圧縮機のインペラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジンに使用されるターボチャージャは、広い運転範囲において高い効率を保つことが望まれており、その改善方法の１つとして、ターボチャージャのコンプレッサの効率向上が求められている。ターボチャージャのコンプレッサとしては遠心圧縮機が一般的であり、高い効率を達成するために、小型化や流量増加が望まれ、そのためのインペラの形状の改良を行う工夫がなされている。
【０００３】
そして、従来の遠心圧縮機のインペラとして、例えば特開平１０−２１３０９４号公報に開示されているものが知られている。図３はこの従来の遠心圧縮機のインペラの回転軸を中心軸とする円筒断面上における全翼と半翼との形状及び位置関係を示す図である。図３に示すように、インペラ２１において隣接する全翼２２の回転方向後方のサクション面２２ａと回転方向前方のプレッシャー面２２ｂとによって流路ＴＡ２が形成されている。そして、流路ＴＡ２の下流に位置する半翼２３によって、流路ＴＡ２を流れる流体は、サクション面側流路ＴＳ３とプレッシャー面側流路ＴＰ３とに分かれるようになっている。一般に、遠心圧縮機の高効率を実現するために、インペラ２１の各出口（図示しない）より吐出される流体の流量は均一であることが望まれる。従って、この従来のインペラ２１では、流路ＴＳ３，ＴＰ３の入口断面積を、流体の流れに垂直な断面において幾何学的に等しくし、流量を等しくさせようとしている。すなわち、流路ＴＳ３，ＴＰ３の流路幅ＤＳ３，ＤＰ３が等しくなるように半翼２３を配置させている。
【０００４】
また、インペラの別の従来例として、図４に示すものが知られている。このインペラを説明する上で、図３に示す上記従来のインペラ２１と同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。一般に、インペラ２１のサクション面側流路ＴＳ３は負圧となっており、インペラ２１の流路ＴＡ２を入ってきた流体は、主にサクション面２２ａに速い流れが集まる分布となる。このため、このインペラ２１においては、流路ＴＳ３，ＴＰ３の流路面積を幾何学的に等しくすると、サクション面側流路ＴＳ３はプレッシャー面側流路ＴＰ３に比較して流速が大きい分、流量が増え、インペラ２１の各出口より吐出される流体の流量が不均一となってしまう。従って、この従来のインペラ２１では、流路ＴＳ３，ＴＰ３の流路面積を幾何学的に等しくするのではなく、半翼２３の先端部位２３ａをサクション面２２ａ側に湾曲させ、流路幅ＤＰ３を流路幅ＤＳ３より大きくするようにしている。すなわち、流速の小さい流路ＴＰ３の流路面積を流速の大きい流路ＴＳ３の流路面積より大きくすることにより、流路ＴＳ３と流路ＴＰ３を流れる流体の流量を等しくするようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図３に示す従来の遠心圧縮機のインペラ２１では、流路ＴＳ３，ＴＰ３の流路面積を幾何学的に等しくしているが、各流路ＴＳ３，ＴＰ３の流体の圧力差によって生じる流速の違いを無視しているため、実際には流路ＴＳ３，ＴＰ３の流量が等しくならない。
【０００６】
また、図４に示す従来の遠心圧縮機のインペラ２１では、半翼２３の先端部位２３ａをサクション面２２ａ側に湾曲させただけなので、流路ＴＡ２に流れる流体の流れ方向Ｆと、半翼２３の先端部位２３ａとのなす角度である流入角度αが大きくなる。その結果、先端部位２３ａにおける流体の衝突損失を生じるとともに、図５に示すように、半翼２３の回転方向前方側に、流れの剥離領域Ｓが生じ、摩擦損失を生じる原因となる。さらに、剥離領域Ｓが生じると、下流における流速分布が不均一になる原因となり、下流においては、流体を均一化するための流れの混合損失が生じる。
【０００７】
従って、従来の遠心圧縮機のインペラでは、全翼と半翼との間における流体の流量をインペラ全体において等しくすることと、流体の流れの損失を小さくすることの両立が難しくなっている。
【０００８】
本発明の目的は、上記問題点を解消するために全翼と半翼との間における流量を等しくでき、流体の流れの損失を小さくさせることができる遠心圧縮機のインペラを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、流体の入口部から出口部にかけて放射状に取付けられた全翼と、隣り合う前記全翼の間に形成された流路の途中位置から前記出口部にかけて同じく放射状に取り付けられた半翼とが配設され、その回転に伴い、前記入口部から吸入された流体を圧縮して前記出口部に吐出する遠心圧縮機のインペラにおいて、前記半翼は、前記出口部から上流方向に向かって一定長さで形成される下流側半翼部と、前記下流側半翼部の上流側端部から前記途中位置にかけて形成される上流側半翼部とによって構成され、前記上流側半翼部は隣接する前記全翼の中間位置より前記インペラの回転方向前方側に偏倚して位置され、その上流側半翼部の上流側の先端部位は前記流体の流れ方向に沿った形状に形成されることを要旨とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の遠心圧縮機のインペラにおいて、前記上流側半翼部は、前記先端部から下流側にのび、前記インペラの回転方向に対して凸形状に湾曲させてなる凸湾曲部位と、その凸湾曲部から下流側にのび、前記インペラの回転方向に対して凹形状に湾曲されてなる凹湾曲部位とによって構成されるようにしたことを要旨とする。
【００１１】
（作用）
請求項１に記載の発明によれば、遠心圧縮機のインペラの隣接する２つの全翼の間に流入する流体は、２つの全翼の間に設けられた上流側半翼部によって、回転方向前方側の負圧側上流流路と回転方向後方側の圧力側上流流路とに分配される。このとき、負圧側上流流路は負圧のため、圧力側上流流路に比較して流速が大きくなるが、上流側半翼部が回転方向前方側に位置して、負圧側上流流路の流路断面積を圧力側上流流路より小さくしていることから、負圧側上流流路と圧力側上流流路に流れる流体の流量は等しくなるよう分配される。そして、上流側半翼部の形状は、流体の流れに沿った形状と一致しており、分配される流体は先端部位の形状に沿って流れる。
【００１２】
従って、流体の流れの速度の大きい負圧側上流流路と、流れの速度の小さい圧力側上流流路とには、等しい流量分配で流体が流入する。そして流入する流体は、上流側半翼部の先端部位の形状に沿って流れるので、先端部位における流体の衝突損失や剥離による摩擦損失等を小さくすることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、上流側半翼部によって形成される回転方向前方側の負圧側上流流路は、上流側半翼部の凸湾曲部位と凹湾曲部位とによって緩やかに拡大する拡がり流路となり、負圧側上流流路に流入した流体は、緩やかに減速する。
【００１４】
従って、上流側半翼部によって形成される回転方向前方側の負圧側上流流路を流れる流体は、緩やかに減速されるので、流路における剥離が生じにくく、流れの損失を小さくすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２に従って説明する。図１は、本実施形態の遠心圧縮機のインペラのその下半分を省略して示した断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面における全翼と半翼との形状及び位置関係を示した図である。
【００１６】
図１に示すとおり、本実施形態の遠心圧縮機のインペラ１１はオープン羽根車であり、流体の入口部１２から出口部１３にかけて、ハブ面１４上に全翼１５がインペラ１１の径方向に沿って取付けられている。
【００１７】
図２に示すとおり、インペラ１１は矢印方向に回転し、全翼１５は、ハブ面１４上において放射状に等間隔に複数設けられている。全翼１５は、インペラ１１の回転方向後方側のサクション面１５ａと、回転方向前方のプレッシャー面１５ｂとによって構成される。そして、隣合う２つの全翼１５のサクション面１５ａとプレッシャー面１５ｂとによって、流路ＴＡが形成され、その流路ＴＡには入口部１２から流体が流入し、出口部１３から流体が吐出されるようになっている。
【００１８】
さらに、流路ＴＡの途中位置Ｍから出口部１３にかけて、ハブ面１４上に半翼１６がインペラの１１の径方向に沿って取付けられている。すなわち、半翼１６は全翼１５よりも流体の流れ方向の長さが短くなっており、全翼１５と半翼１６とは、インペラ１１のハブ面１４上の径方向に沿って交互に並ぶようにして設けられている。そして、半翼１６は、出口部１３より一定の長さで設けられる下流側半翼部１７と、その下流側半翼部１７の上流側端部１７ａから途中位置Ｍにかけて設けられる上流側半翼部１８とによって構成される。
【００１９】
半翼１６の下流側半翼部１７は、全翼１５のサクション面１５ａとによってサクション面側下流流路ＴＳ１を、プレッシャー面１５ｂとによってプレッシャー面側下流流路ＴＰ１とを形成する。そして、流路ＴＳ１の流路幅ＤＳ１と、流路ＴＰ１の流路幅ＤＰ１とを同じにするように下流側半翼部１７は配置され、流路ＴＳ１，ＴＰ１は、それぞれ同じ流量で流体が流入すると、同じ速度で流れるようになっている。
【００２０】
上流側半翼部１８は、途中位置Ｍより下流方向に向かって一定長さで設けられる先端部位１８ａと、先端部位１８ａからより出口部１３の方向に連続して設けられる凸湾曲部位１８ｂと、凸湾曲部位１８ｂより出口部１３の方向に連続して設けられる凹湾曲部位１８ｃとによって構成される。また、上流側半翼部１８は、全翼１５のサクション面１５ａとによってサクション面側上流流路ＴＳ２を、プレッシャー面１５ｂとによってプレッシャー面側上流流路ＴＰ２とを形成する。
【００２１】
先端部位１８ａは、サクション面１５ａ側に偏倚して位置し、流路ＴＡを流れる流体の流れ方向Ｆに沿った形状で設けられている。途中位置Ｍ周辺におけるインペラ１１の回転方向の流速分布は、サクション面１５ａにおける流体の圧力が負圧であるために、サクション面１５ａからプレッシャー面１５ｂにかけて減少する傾向にある。従って、流路ＴＳ２を流れる流体の速度は、流路ＴＰ２を流れる流体の速度より大きくなっている。このとき、先端部位１８ａがサクション面１５ａ側に偏倚して位置し、流路幅ＤＳ２が流路幅ＤＰ２より小さくなっているので、流路ＴＳ２，ＴＰ２における流体の流量が等しくなる。さらに、先端部位１８ａにおける流体は先端部位１８ａの形状に沿って流れるので、剥離領域が発生せず、流れの損失が小さくなる。従って、流路ＴＳ２，ＴＰ２における流体の流量は等しく流れ、先端部位１８ａによって流れの損失が小さく押さえられているので、出口部１３における流体の流量が均一になり、不均一な流れを均一化するための混合損失が生じにくくなる。
【００２２】
上流側半翼部１８の凸湾曲部位１８ｂは、インペラ１１の回転方向に対して凸側に湾曲し、サクション面側上流流路ＴＳ２を上流から下流に向かって緩やかに拡がる拡がり流路とし、一方、プレッシャー面側上流流路ＴＰ２を、上流から下流に向かって絞られる絞り流路としている。通常、絞り流路では流路内の流れの増速によって生じる摩擦損失のみが問題になるが、拡がり流路では流路内の流れの減速によって生じる剥離による損失が深刻な問題となる。しかし、ここでは、凸湾曲部位１８ｂによってサクション面側上流流路ＴＳ２は緩やかに拡がっているので、流れの減速が緩やかであり、剥離による損失が生じにくくなっている。
【００２３】
さらに、凹湾曲部位１８ｃは、インペラ１１の回転方向に対して凹側に湾曲し、流路ＴＳ２，ＴＰ２の流路断面積を等しくするように導く。そして、このとき、流路ＴＳ２，ＴＰ２から等しい流量分配で流入する流体は、流路ＴＳ１，ＴＰ１においても同じ流量で流れ、出口部１３において均一な流れで吐出される。
【００２４】
次に、以上のように構成された本実施形態における遠心圧縮機のインペラの作用について説明する。
まず、インペラ１１の入口部１２から流入した流体は流路ＴＡを通り、流路ＴＳ２，ＴＰ２に等しい流量分配で流入される。そしてこのとき、半翼１６の先端部位１８ａは、流路ＴＡにおける流体の流れ方向Ｆに沿った形状であることから、流体は、先端部位１８ａにおける流体の衝突損失や、流路の変化による剥離等を生じることなく流入される。
【００２５】
次に、流路ＴＳ２，ＴＰ２に等しい流量で流入された流体は、流路ＴＳ２においては、流路ＴＳ２の拡がりに伴って流れが減速し、流路ＴＰ２においては、流路ＴＰ２の絞りに伴って流れが増速する。このとき、拡がり流路であるために剥離が生じやすくなっている流路ＴＳ２は、絞り流路であるＴＰ２に比較して、流れの損失が生じやすいが、流路ＴＳ２は凸湾曲部位１８ｂにより緩やかに拡大されており、流体の剥離が生じにくくなっている。そして、流路ＴＳ２，ＴＰ２において等しい流量で流れる流体は流路ＴＳ１，ＴＰ１に流入する。このとき、流路ＴＳ１と流路ＴＰ１の流路幅ＤＳ１，ＤＰ１が等しいので、流路ＴＳ２，ＴＰ２より等しい流量で流入する流体は、流路ＴＳ１，ＴＰ１において等しい流速となり、インペラ１１の出口部１３から流出する流体の流れが均一化する。
【００２６】
上記実施形態によれば、以下のような特徴を得ることができる。
（１）上記実施形態では、インペラ１１の隣接する２つの全翼１５の間に流入する流体は、２つの全翼１５の間に設けられた上流側半翼部１８によって、回転方向前方側のサクション面側上流流路ＴＳ２と、回転方向後方側のプレッシャー面側上流流路ＴＰ２とに分配される。このとき、サクション面側上流流路ＴＳ２は負圧のため、プレッシャー面側上流流路ＴＰ２に比較して流速が大きくなっており、上流側半翼部１８は回転方向前方側に偏倚して位置して、サクション面側上流流路ＴＳ２の流路断面積をプレッシャー面側上流流路ＴＰ２より小さくし、流路ＴＳ２，ＴＰ２を流れる流体の流量は等しくなるよう分配する。そして、分配される流体は流体の流れに沿った形状を有する先端部位１８ａの形状に沿って流れる。下流側半翼部１７は２つの全翼１５の中間位置に設けられ、流路面積の等しい、回転方向前方側のサクション面側下流流路ＴＳ１とプレッシャー面側下流流路ＴＰ１とを形成し、流路ＴＳ２，ＴＰ２よりそれぞれ同じ流量の流体が流入し、流路ＴＳ１，ＴＰ１における流体の流速が等しくなる。
【００２７】
従って、流体の流れの速度の大きいサクション面側上流流路ＴＳ２と、流れの速度の小さいプレッシャー面側上流流路ＴＰ２とには、等しい流量分配で流体が流入する。そして流入する流体は、上流側半翼部１８の先端部位１８ａの形状に沿って流れるので、先端部位１８ａにおける流体の衝突損失や剥離による摩擦損失等を小さくすることができる。また、流路ＴＳ１，ＴＰ１には等しい流速で流体が流れるので、インペラ１１の出口部１３における流体の流速が均一化し、不均一な流れが均一化する時の混合損失を小さくすることができる。
【００２８】
（２）上記実施形態では、上流側半翼部１８によって形成される回転方向前方側のサクション面側上流流路ＴＳ２は、上流側半翼部１８の凸湾曲部位１８ｂと凹湾曲部位１８ｃとによって緩やかに拡大する拡がり流路となり、サクション面側上流流路ＴＳ２に流入した流体は、緩やかに減速する。
【００２９】
従って、サクション面側上流流路ＴＳ２を流れる流体は、緩やかに減速されるので、流路における剥離が生じにくく、流れの損失を小さくすることができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
【００３０】
・上記実施形態では、上流側半翼部１８を凸湾曲部位１８ｂと凹湾曲部位１８ｃとによって構成し、サクション面側上流流路ＴＳ２を緩やかに拡がる拡がり流路としたが、それ以外の形状の拡がり流路、例えば、直線的に拡がる拡がり流路等にしてもよい。さらに、プレッシャー面側上流流路ＴＰ２を緩やかに狭まる狭まり流路として、摩擦損失を小さくするように構成してもよい。
【００３１】
・上記実施形態では、インペラ１１をオープン羽根車として説明したが、クローズド羽根車としても勿論よい。
【００３２】
【発明の効果】
以上、詳述したように、請求項１及び２の発明によれば、全翼と半翼との間における流体の流量をインペラ全体において等しくするとともに、流体の流れの損失を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態におけるインペラの部分断面図。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図。
【図３】従来技術におけるインペラの部分断面図。
【図４】同じく、インペラの部分断面図。
【図５】同じく、インペラの剥離領域を説明するための説明図。
【符号の説明】
Ｍ…途中位置、ＴＡ…流路、１１…インペラ、１２…入口部、１３…出口部、１５…全翼、１６…半翼、１７…下流側半翼部、１８…上流側半翼部、１８ａ…先端部位、１８ｂ…凸湾曲部位、１８ｃ…凹湾曲部位

Claims

流体の入口部から出口部にかけて放射状に取付けられた全翼と、隣り合う前記全翼の間に形成された流路の途中位置から前記出口部にかけて同じく放射状に取り付けられた半翼とが配設され、その回転に伴い、前記入口部から吸入された流体を圧縮して前記出口部に吐出する遠心圧縮機のインペラにおいて、
前記半翼は、
前記出口部から上流方向に向かって一定長さで形成される下流側半翼部と、
前記下流側半翼部の上流側端部から前記途中位置にかけて形成される上流側半翼部と
によって構成され、
前記上流側半翼部は隣接する前記全翼の中間位置より前記インペラの回転方向前方側に偏倚して位置され、
その上流側半翼部の上流側の先端部位は前記流体の流れ方向に沿った形状に形成され
ることを特徴とする遠心圧縮機のインペラ。
請求項１に記載の遠心圧縮機のインペラにおいて、前記上流側半翼部は、前記先端部から下流側にのび、前記インペラの回転方向に対して凸形状に湾曲させてなる凸湾曲部位と、その凸湾曲部から下流側にのび、前記インペラの回転方向に対して凹形状に湾曲されてなる凹湾曲部位とによって構成されるようにしたことを特徴とする遠心圧縮機のインペラ。