JP5029024B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

この発明は、遠心圧縮機に関し、特に、自動車用過給機等に用いられる遠心圧縮機のディフューザに関するものである。

遠心圧縮機は、ハウジングの内部にインペラが回転可能に設けられ、インペラの軸線方向のインペラ入口側に吸入通路が、インペラの径方向外周側に吐出側スクロール通路が各々形成されており、インペラの回転によって吸入通路より流体を吸入し、昇圧された流体を吐出側スクロール通路へ吐出する。

遠心圧縮機では、インペラから吐出側スクロール通路へ向けて流出する流体の流速を減速するために、インペラの回転によって昇圧された流体を吐出側スクロール通路に導く円環状のディフューザ通路が、インペラの径方向外周のインペラ出口部と吐出側スクロール通路との間に、円環状の流路として形成されている（例えば、特許文献１）。

図１０は、ディフューザの従来例を示している。ディフューザ通路１６１は、インペラ１１３の径方向外周のインペラ出口部１１３Ｂと吐出側スクロール通路１５８との間に存在し、吸入通路側のコンプレッサハウジング１１９によるシュラウド側壁面１６３と、吸入通路とは反対側のハブ側（軸受側）Ａに位置するベアリングハウジング１１７によるハブ側壁面１６５とにより画定されている。なお、ハブ側Ａ（図にて左側）の反対（図にて右側）側がシュラウド側Ｂである。

ディフューザ通路１６１は、吸入通路側のコンプレッサハウジング１１９によるシュラウド側壁面１６３と、吸入通路とは反対側のハブ側（軸受側）に位置するベアリングハウジング１１７によるハブ側壁面１６５とにより画定されている。ハブ側壁面１６５がインペラ１１３の背面に対応する部位１７２とディフューザ通路１６１を画定する部位とは段差１７１に接続され、ハブ側壁面１６５は、インペラ出口部における翼付け根部のインペラ軸線方向位置ａと軸線方向（図にて左右方向）に見て同じ位置にある。

遠心圧縮機の小流量側作動域においては、インペラ出口での流体の流れの乱れ、特に、吸入通路側に存在するシュラウド側において生じる剥離による乱れがディフューザ通路に入って拡大し、サージの一因になる。このサージは、圧縮機性能を低下させる原因になる。

このことに対して、ディフューザ通路の軸線方向（インペラ軸線方向）の通路幅（ディフューザ流路幅）を小さくした絞り形状にすることにより、剥離による乱流を抑え込み、サージを抑制することができる。

しかし、ディフューザ流路幅を小さくしてディフューザ通路の絞り具合を大きくすると、サーシを抑制できる反面、ディフューザ流路幅の減少により、大流量側作動域の圧縮機効率が低下し、やはり圧縮機性能が低下する。

この発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、大流量側作動域の圧縮機効率の低下を招くことなく、サージを抑制して小流量側の圧縮機作動限界の拡大を図った遠心圧縮機を提供することを目的としている。

この発明による遠心圧縮機は、ハウジングの内部にインペラが回転可能に設けられ、前記インペラの軸線方向のインペラ入口部側に吸入通路が形成され、前記インペラの径方向外周側に吐出側スクロール通路が形成され、前記インペラの径方向外周側のインペラ出口部と前記吐出側スクロール通路との間に、前記インペラの回転によって昇圧された流体を前記吐出側スクロール通路に導く円環状のディフューザ通路が形成され、前記ディフューザ通路にベーンを有さない遠心圧縮機であって、
前記ディフューザ通路は、前記吸入通路側のシュラウド側壁面と前記吸入通路とは反対側のハブ側に位置するハブ側壁面とにより画定されて、前記軸線方向にディフューザ流路幅を備え、前記インペラ出口部側がディフューザ入口に、前記吐出側スクロール通路側がディフューザ出口になっており、前記ディフューザ出口側に前記ディフューザ流路幅が一定もしくは前記ディフューザ出口に向って前記ディフューザ流路幅が減少する通路部を有しており、
前記ディフューザ入口から前記ディフューザ出口における前記ハブ側壁面が前記インペラ出口部における翼付け根部の前記軸線方向の位置より前記ハブ側にあり、前記シュラウド側壁面の前記ディフューザ入口側がテーパ面になっており、前記テーパ面によって前記ディフューザ流路幅が前記ディフューザ入口より前記通路部へ向かうに従って徐々に小さくなるテーパ流路が形成され、前記テーパ流路のラジアル方向の流路長が前記テーパ流路の前記ディフューザ流路幅の変化量以上になっている。

この発明による遠心圧縮機は、好ましくは、前記ハブ側壁面は、前記インペラ出口部における前記翼付け根部の前記軸線方向の位置より前記ハブ側に、前記インペラ出口部における翼高寸法の０．１以上偏倚している。

この発明による遠心圧縮機は、好ましくは、前記ハブ側壁面が前記インペラの背面に対応する部位より前記ディフューザ入口を経て前記ディフューザ出口に至るまで滑らかに連続した面である。

この発明による遠心圧縮機によれば、シュラウド側壁面のディフューザ入口側がテーパ面になっており、前記テーパ面によって前記ディフューザ流路幅が前記ディフューザ入口より前記通路部へ向かうに従って徐々に小さくなる前記テーパ流路が形成されているため、前記テーパ流路をラジアル方向に流れる流体に整流作用が与えられる。

そして、前記ディフューザ入口から前記ディフューザ出口におけるハブ側壁面がインペラ出口部における翼付け根部のインペラ軸線方向の位置よりハブ側にあることにより、ハブ側壁面がインペラ出口部における翼付け根部のインペラ軸線方向の位置と同じ位置にある場合に比して、ハブ側壁面がハブ側にある分、前記通路部のディフューザ流路幅を小さくすることなくシュラウド側壁面をハブ側に移行できる。このことにより、大流量領域のコンプレッサ効率を低下することなく、テーパ流路による整流化作用を促進でき、サージ流量を低減できる
これにより、ディフューザの簡単な変更だけで、大流量側作動域の圧縮機効率の低下を招くことなく、サージを抑制して小流量側の圧縮機作動限界を拡大することができ、圧縮機の高性能化が図られる。

この発明による遠心圧縮機を自動車用過給機に適用した一つの実施形態を、図１〜図４を参照して説明する。

図１に示されているように、過給機１は、ベアリングハウジング１７と、ベアリングハウジング１７の一端部側に一体的に組み付けられたコンプレッサハウジング１９と、ベアリングハウジング１７の他端部側に一体的に組み付けられたタービンハウジング２１とによるハウジング（筐体）３を有する。

ハウジング３の一端部側には本発明による遠心圧縮機である遠心式コンプレッサ５が設けられ、他端部側にはラジアルタービン７が設けられている。

ラジアルタービン７と遠心式コンプレッサ５との間に位置するベアリングハウジング１７は、軸受部１１によって当該ベアリングハウジング１７をインペラ軸線方向に貫通する回転軸部材９を回転自在に支持している。

回転軸部材９の一端部にはコンプレッサハウジング１９内にあって遠心式コンプレッサ５を構成するコンプレッサインペラ１３が一体的に固定されている。

自動車のエンジンから出てきた排気ガスは、供給側スクロール通路２３、ガス入口空間２５を通って、ラジアルタービン７に供給され、タービンインペラ１５を回転させる。タービンインペラ１５の回転が回転軸部材９によってコンプレッサインペラ１３に伝達され、コンプレッサインペラ１３が回転する。

コンプレッサインペラ１３は、コンプレッサハウジング１９の内部に配置され、回転軸部材９と共にベアリングハウジング１７より回転可能に支持されている。コンプレッサインペラ１３は複数枚の翼５９を有す多翼形のものである。

コンプレッサインペラ１３の軸線方向正面（図１で見て右側）のインペラ入口部１３Ａ側には、コンプレッサハウジング１９によってコンプレッサインペラ１３と同心に吸入通路５７が形成されている。コンプレッサハウジング１９には、コンプレッサインペラ１３の径方向外周側に吐出側スクロール通路５８が形成されている。吐出側スクロール通路５８は、図示されていないが、一端に吐出口を備えている。

コンプレッサインペラ１３は、回転することにより、吸入通路５７より流体を吸入し、昇圧した流体を径方向外周側のインペラ出口部１３Ｂより径方向外方へ吐き出す。

コンプレッサインペラ１３のインペラ出口部１３Ｂと吐出側スクロール通路５８との間には円環状のディフューザ通路６１が形成されている。ディフューザ通路６１は、コンプレッサインペラ１３の回転によって昇圧された流体を、当該流体が有する旋回速度を減衰しつつ吐出側スクロール通路５８に導く。

ディフューザ通路６１は、吸入通路５７側のコンプレッサハウジング１９によるシュラウド側壁面６３と、吸入通路５７とは反対側のハブ側（軸受側）Ａに位置するベアリングハウジング１７によるハブ側壁面６５とにより画定され、インペラ軸線方向にディフューザ流路幅Ｗを備えている。

ディフューザ通路６１は、インペラ出口部１３Ｂ側（内周側）がディフューザ入口６１Ａに、吐出側スクロール通路５８側（外周側）がディフューザ出口６１Ｂになっており、ディフューザ出口６１Ｂ側に、インペラ軸線に直交する垂直で、ディフューザ流路幅Ｗが一定の平行通路部６７を有している。

図２に示されているように、ハブ側壁面６５は、インペラ出口部１３Ｂにおける翼付け根部のインペラ軸線方向位置ａよりハブ側（ベアリングハウジング１７側）Ａにある。これにより、ディフューザ入口６１Ａのディフューザ流路幅Ｗがインペラ出口部１３Ｂにおける翼高寸法Ｌ（図３参照）より大きい。なお、図２においても、ハブ側Ａ（図にて左側）の反対（図にて右側）側がシュラウド側Ｂである。

この実施形態では、ハブ側壁面６５は、インペラ出口部１３Ｂにおけるインペラ背面１３Ｃより更に軸受側、つまり、図２で見て左側にあり、ディフューザ入口６１Ａとディフューザ出口６１Ｂとの間において、全体がインペラ軸線に直交する垂直面で、円環状の同一平面になっている。つまり、ハブ側壁面６５はコンプレッサインペラ１３の背面に対応する部位よりディフューザ入口６１Ａを経てディフューザ出口６１Ｂに至るまで滑らかに連続した面である。ハブ側壁面６５のインペラ軸線方向位置ａからハブ側への偏倚量は、図３に、符号ΔＬにより示されている。

シュラウド側Ｂにあるシュラウド側壁面６３のディフューザ入口６１Ａ側は、ディフューザ入口６１Ａより平行通路部６７へ向かうに従ってディフューザ流路幅Ｗを減縮するテーパ面（円錐面）６９になっている。

上述したように、シュラウド側壁面６３のディフューザ入口６１Ａ側がテーパ面６９になっていることにより、当該テーパ面部分においては、ディフューザ流路幅Ｗがディフューザ入口６１Ａより平行通路部６７へ向かうに従って徐々に小さくなるテーパ流路７１が形成される。これにより、テーパ流路７１をラジアル方向に流れる流体、つまり、ディフューザ入口６１Ａより平行通路部６７へ流れる流体に対して整流作用が与えられる。

本実施形態では、ハブ側壁面６５がインペラ出口部１３Ｂにおける翼付け根部のインペラ軸線方向位置ａより偏倚量ΔＬだけハブ側にあることにより、ハブ側壁面６５がインペラ出口部１３Ｂにおける翼付け根部のインペラ軸線方向位置ａと同じ位置にある場合に比して、ハブ側壁面６５が偏倚量ΔＬだけハブ側にある分、平行通路部６７のディフューザ流路幅Ｗを小さくすることなく（変更することなく）、シュラウド側壁面６３をハブ側に移行できるから、この移行量（偏倚量ΔＬと同じ）に応じて、大流量領域のコンプレッサ効率を低下することなく、テーパ流路７１による整流化作用を促進でき、サージ流量を低減できる。

これにより、ディフューザの簡単な変更だけで、大流量側作動域の圧縮機効率の低下を招くことなく、サージを抑制して小流量側の圧縮機作動限界を拡大することができ、圧縮機の高性能化を図ることができる。

ハブ側壁面６５の偏倚量ΔＬは、図３に示されているインペラ出口部１３Ｂにおける翼高寸法Ｌの０．１以上、より好ましくは０．３以上であることが好ましく、それ以下であると、テーパ流路７１のラジアル方向の流路長Ｌ２が不足し、充分な整流化作用が得られない。テーパ流路７１のラジアル方向の流路長Ｌ２とテーパ流路７１のディフューザ流路幅変化量Ｌ１との比Ｌ１／Ｌ２は、適正傾斜角度θにより決まり、０．１≦（Ｌ１／Ｌ２）≦１．０程度であればよい。

図５は、横軸が無次元化した流量比、縦軸が圧力比の圧縮機性能を示すグラフである。図５において、破線が、Ｌ１／Ｌ２＝０．３、ΔＬ／Ｌ＝０．４の本発明の実施形態品の特性を、実線がΔＬ＝０の従来品の特性を示している。

このグラフより、大流量側作動域の圧縮機効率の低下を招くことなく、小流量側の圧縮機作動限界が、本発明の実施形態品では、線Ａで示す従来品のものより、線Ｂで示されているように、拡大することが分かる。

上述の実施形態では、ハブ側壁面６５は、ディフューザ入口６１Ａとディフューザ出口６１Ｂとの間において、全体が円環状の段差のない同一平面になっていることにより、製作性がよい。

しかし、ハブ側壁面６５は、必ずしも、全体が円環状の同一平面である必要はなく、ハブ側壁面６５の偏倚量ΔＬに応じて、図６に示されているように、ディフューザ入口６１Ａで段差ｂがあるものになることがある。

また、図７に示されているように、ハブ側壁面６５が、インペラ出口部１３Ｂにおける翼付け根部のインペラ軸線方向位置ａよりハブ側に偏倚した上で、ディフューザ入口６１Ａ側にもテーパ面７３があるものや、図８に示されているように、ディフューザ入口６１Ａ部分に、流れ案内面７５を追加した変形例が考えられる。この場合、ハブ側壁面６５の偏倚量ΔＬと、インペラ出口部１３Ｂにおける翼高寸法Ｌとの比ΔＬ／Ｌを１．０から２．０程度に設定することもできる。

要約すると、ΔＬ／Ｌの適正値は、０．１以上、２．０以下、より好ましくは０．３以上、１．０以下である。

また、テーパ面６９は、上述の実施形態では、直線傾斜のテーパ面になっているが、図９に破線により示されているように、凸円弧状傾斜のラウンド面、あるいは凹円弧状傾斜のラウンド面であってもよい。

なお、ディフューザ通路６１の平行通路部６７は、ディフューザ出口６１Ｂに向ってディフューザ流路幅が減少する通路部に置き換えることもできる。

この発明による遠心圧縮機を自動車用過給機に適用した一つの実施形態を示す断面図である。 この発明による遠心圧縮機の一つの実施形態の要部を示す拡大断面図である。 この発明による遠心圧縮機の一つの実施形態の寸法諸元を示す説明図である。 この発明による遠心圧縮機の一つの実施形態の寸法諸元を示す説明図である。 遠心圧縮機の圧縮機性能を示すグラフである。 この発明による遠心圧縮機の他の実施形態の要部を示す拡大断面図である。 この発明による遠心圧縮機の他の実施形態の要部を示す拡大断面図である。 この発明による遠心圧縮機の他の実施形態の要部を示す拡大断面図である。 この発明による遠心圧縮機の他の実施形態の要部を示す拡大断面図である。 ディフューザの従来例を示す拡大断面図である。

符号の説明

１ 過給機
３ ハウジング
５ 遠心式コンプレッサ
７ ラジアルタービン
９ 回転軸部材
１１ 軸受部
１３ コンプレッサインペラ
１３Ａ インペラ入口部
１３Ｂ インペラ出口部
１５ タービンインペラ
１７ ベアリングハウジング
１９ コンプレッサハウジング
２１ タービンハウジング
２３ スクロール通路
２５ ガス入口空間
５７ 吸入通路
５８ 吐出側スクロール通路
５９ 翼
６１ ディフューザ通路
６１Ａ ディフューザ入口
６１Ｂ ディフューザ出口
６３ シュラウド側壁面
６５ ハブ側壁面
６７ 平行通路部
６９ テーパ面
７１ テーパ流路
７３ テーパ面
７５ 流れ案内面

Claims (3)

1. ハウジングの内部にインペラが回転可能に設けられ、前記インペラの軸線方向のインペラ入口部側に吸入通路が形成され、前記インペラの径方向外周側に吐出側スクロール通路が形成され、前記インペラの径方向外周側のインペラ出口部と前記吐出側スクロール通路との間に、前記インペラの回転によって昇圧された流体を前記吐出側スクロール通路に導く円環状のディフューザ通路が形成され、前記ディフューザ通路にベーンを有さない遠心圧縮機であって、
   前記ディフューザ通路は、前記吸入通路側のシュラウド側壁面と前記吸入通路とは反対側のハブ側に位置するハブ側壁面とにより画定されて、前記軸線方向にディフューザ流路幅を備え、前記インペラ出口部側がディフューザ入口に、前記吐出側スクロール通路側がディフューザ出口になっており、前記ディフューザ出口側に前記ディフューザ流路幅が一定もしくは前記ディフューザ出口に向って前記ディフューザ流路幅が減少する通路部を有しており、
   前記ディフューザ入口から前記ディフューザ出口における前記ハブ側壁面が前記インペラ出口部における翼付け根部の前記軸線方向の位置より前記ハブ側にあり、前記シュラウド側壁面の前記ディフューザ入口側がテーパ面になっており、前記テーパ面によって前記ディフューザ流路幅が前記ディフューザ入口より前記通路部へ向かうに従って徐々に小さくなるテーパ流路が形成され、前記テーパ流路のラジアル方向の流路長が前記テーパ流路の前記ディフューザ流路幅の変化量以上になっていることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記ハブ側壁面は、前記出口部における前記翼付け根部の前記軸線方向の位置より前記ハブ側に、前記インペラ出口部における翼高寸法の０．１以上偏倚していることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記ハブ側壁面が前記インペラの背面に対応する部位より前記ディフューザ入口を経て前記ディフューザ出口に至るまで滑らかに連続した面であることを特徴とする請求項１または２に記載の遠心圧縮機。

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