JP5076999B2

JP5076999B2 - 遠心圧縮機

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Publication number: JP5076999B2
Application number: JP2008074605A
Authority: JP
Inventors: 信也後藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-03-21
Also published as: JP2009228549A

Description

本発明は、車両用過給機、船舶用過給機、ガスタービン等に用いられかつ空気等のガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機に関する。

遠心圧縮機について種々の開発がなされており、一般的な遠心圧縮機の構成は、次のようになる。

即ち、一般的な遠心圧縮機は、ケーシングを備えており、このケーシングは、内側に、空気（ガスの一例）を圧縮するための圧縮領域を有している。また、ケーシングの圧縮領域には、ハブが配設されており、このハブは、軸心（ハブの軸心）を中心として回転可能である。そして、ハブの外周面には、複数のブレードが周方向に沿って配設されている。更に、ケーシングの圧縮領域の上流側周縁部には、空気をブレード側へ給気する給気口が形成されており、ケーシングの圧縮領域の下流側周縁部には、圧縮した空気を排気する環状の排気流路が形成されている。

従って、遠心圧縮機を運転する場合には、例えばタービンホイール（図示省略）の回転等によりハブを回転させて、全てのブレードを一体的に回転させる。これにより、給気口からブレード側に給気した空気を遠心力を利用して圧縮することができ、圧縮した空気を排気流路から排気することができる。

ところで、遠心圧縮機の圧力比を高く設定すると、遠心圧縮機の回転体としてのブレードは高周速化の傾向にある。一方、ブレードの周速が高くなると、圧縮領域の入口部における空気流の入口相対マッハ数が増加して、遠心圧縮機の効率（圧縮機効率）が低下すると共に、ブレードの共振を回避することが困難になる。つまり、一般的な遠心圧縮機にあっては、遠心圧縮機の高圧力比化を図りつつ、遠心圧縮機の効率の向上させつかつブレードの共振を回避することことは困難である。

そこで、前述の問題を解決することができる遠心圧縮機器も開発されており（特許文献１及び特許文献２参照）、先行技術に係る遠心圧縮機の特徴等は、次のようになる。

即ち、先行技術に係る遠心圧縮機にあっては、ハブの外周面に、軸長（ハブの軸方向に平行な方向の長さ）の異なる２種類のブレードが周方向に沿って交互に配設されている。ここで、軸長の異なる２種類のブレードは、圧縮領域の入口部から圧縮領域の出口部にかけて延びたフルブレードと、圧縮領域の入口部の下流側から圧縮領域の出口部にかけて延びたスプリッタブレードである。

ここで、フルブレード及びスプリッタブレードが圧縮領域の出口部まで延びているため、圧縮領域の出口部に存するブレードの枚数を十分に確保できる。また、スプリッタブレードが圧縮領域の入口部の下流側から延びてあるため、圧縮領域の入口部に存するブレードを枚数を減らして、その分だけ圧縮領域の入口径を小さくすることができ、圧縮領域の入口部（フルブレードの前縁近傍部）における空気流の入口相対マッハ数を低減することができる。これにより、遠心圧縮機の高圧力比化を図りつつ、遠心圧縮機の効率を向上させかつブレードの共振を抑制することができる。
特開２００２−３３２９９３号公報特開２００２−２１５７４号公報

しかしながら、先行技術に係る遠心圧縮機においても、近年における遠心圧縮機の高圧力比化及び高効率化の要求を十分に満足させるものでなく、遠心圧縮機の圧力比及び効率の更なる向上が望まれている。

そこで、本発明は、前述の課題を解決することができる、新規な構成の遠心圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の特徴は、ガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機において、内側にガスを圧縮するための圧縮領域を有したケーシングと、前記ケーシングの前記圧縮領域に設けられ、軸心（前記ハブの軸心）を中心として回転可能なハブと、前記ハブの外周面に周方向に沿って配設され、軸長（前記ハブの軸方向に平行な方向の長さ）の異なる３数種のブレードからなる複数のブレードグループと、を備え、前記ケーシングの前記圧縮領域の上流側周縁部にガスを前記ブレード側へ給気する給気口が形成され、前記ケーシングの前記圧縮領域の下流側周縁部に圧縮したガスを排気する環状の排気流路が形成され、各ブレードグループを構成する３数種の前記ブレードは、前記圧縮領域の入口部から前記圧縮領域の出口部にかけて延びたフルブレードと、前記圧縮領域の入口部の下流側から前記圧縮領域の出口部にかけて延びかつ前記ハブの回転方向から見て前記フルブレードに後続する第１スプリッタブレードと、前記圧縮領域の入口部の下流側から前記圧縮領域の出口部にかけて延びかつ前記ハブの回転方向から見て前記第１スプリッタブレードに後続する第２スプリッタブレードであって、前記第１スプリッタブレードの軸長が前記第２スプリッタブレードの軸長よりも短くなっており、前記フルブレードの出口羽根角をβf、前記第１スプリッタブレードの出口羽根角をβs1、前記第２スプリッタブレードの出口羽根角をβs2とした場合に、βs1≧βf＞βs2の関係が成立するようになっていることを要旨とする。

なお、特許請求の範囲及び明細書において、「上流側」とは、主流のガスの流れ方向から見て上流側のことであって、「下流側」とは、主流のガスの流れ方向から見て下流側のことである。

そして、前記第１スプリッタブレードの軸長が前記第２スプリッタブレードの軸長よりも短くし、βs1≧βf＞βs2の関係が成立するようにしたのは、これらの条件を満たすときに、前述の先行技術に係る遠心圧縮機を模擬した遠心圧縮機に比べて、圧力比及び効率（圧縮機効率）を飛躍的に向上させることができるという、新規な知見に基づくものである。この新規な知見は、前記第１スプリッタブレードの軸長が前記第２スプリッタブレードの軸長よりも短くすることより、前記フルブレードの翼面に立つ衝撃波が前記第１スプリッタブレードの前縁周りのポテンシャル流れ場と干渉することを回避して、エネルギー損失を低減したこと、及び、βs1≧βf＞βs2の関係が成立するようにしたことにより、各ブレードグループにおける３種類の前記ブレードの負荷バランスが良くなったことによるものと考えられる。

本発明の特徴によると、前記ハブを回転させて、全ての前記ブレードを一体的に回転させる。これにより、前記給気口から前記ブレード側に給気したガスを遠心力を利用して圧縮することができ、圧縮した空気を前記排気流路から排気することができる。

ここで、前記フルブレード、前記第１スプリッタブレード、及び前記第２スプリッタブレードが前記圧縮領域の出口部まで延びているため、前記圧縮領域の出口部に存する前記ブレードの枚数を十分に確保できる。また、前記第１スプリッタブレード及び前記第２スプリッタブレードが前記圧縮領域の入口部の下流側から延びてあるため、前記圧縮領域の入口部に存する前記ブレードを枚数を減らして、その分だけ前記圧縮領域の入口径を小さくすることができ、前記圧縮領域の入口部（前記フルブレードの前縁近傍部）におけるガス流の入口相対マッハ数を低減することができる。

本発明によれば、前記圧縮領域の出口部に存する前記ブレードの枚数を十分に確保すると共に、前記圧縮領域の入口部におけるガス流の入口相対マッハ数を低減することができるため、前記遠心圧縮機の高圧力比化を図りつつ、前記遠心圧縮機の効率を向上させかつ前記ブレードの共振を抑制することができる。そして、前記第１スプリッタブレードの軸長が前記第２スプリッタブレードの軸長よりも短くし、βs1≧βf＞βs2の関係が成立するようになっているため、前述の新規な知見を考慮すると、前述の先行技術に係る遠心圧縮機に比べて、前記遠心圧縮機の圧力比及び効率を飛躍的に向上させることができる。

本発明の実施形態について図１から図６を参照して説明する。

ここで、図１は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の模式的な側断面図、図２は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の回転体の斜視図、図３は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の回転体の側面図、図４は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の回転体の正面図、図５は、実施例、比較例、及び従来例について空気の流量と圧力比の関係を示す図、図６は、実施例、比較例、及び従来例について空気の流量と効率の関係を示す図である。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、車両用過給機又は船舶用過給機に用いられ、空気（ガスの一例）を遠心力を利用して圧縮するものである。そして、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１の具体的な構成は、以下のようになる。

遠心圧縮機１は、ケーシング３を備えており、このケーシング３は、内側に、空気を圧縮するための圧縮領域３Ｆを有している。なお、ケーシング３は、車両用過給機又は船舶用過給機の別のケーシング（図示省略）に一体的に連結してある。

ケーシング３の圧縮領域３Ｆ内には、ハブ５が配設されており、このハブ５は、外周面（外周部）が下流方向に向かって拡径するように円錐台状に構成されている。また、ハブ５は、別のケーシングに回転可能に設けられたタービン軸７の一端部に一体的に連結されてあって、軸心（ハブ５の軸心５Ｓ、換言すれば、タービン軸７の軸心７Ｓ）を中心として回転可能である。なお、タービン軸７の他端部には、タービンホイール（図示省略）が一体的に連結されている。

ハブ５の外周面には、複数のブレードグループ９が周方向に沿って配設されており、各ブレードグループ９は、軸長（ハブ５の軸方向に平行な方向の長さ）の異なる３数種のブレード１１，１３，１５からなるものである。なお、３数種のブレード１１，１３，１５の詳細については後述する。

ケーシング３の圧縮領域３Ｆの上流側周縁部（前側周縁部）には、空気をブレード１１，１３，１５側へ給気する給気口１７が形成されている。また、ケーシング３の圧縮領域３Ｆの下流側周縁部（後側周縁部）には、圧縮した空気を昇圧して排気する環状のディフューザ流路（排気流路）１９が形成されている。なお、ディフューザ流路１９の周縁部には、スクロール流路（図示省略）が形成されており、このスクロール流路は、内燃機関の吸気マニホールド（図示省略）に接続されている。

続いて、本発明の実施形態の要部について説明する。

各ブレードグループ９を構成する３数種のブレード１１，１３，１５は、フルブレード１１と、ハブ５の回転方向Ｄから見てフルブレード１１に後続する第１スプリッタブレード１３と、ハブ５の回転方向Ｄから見て第１スプリッタブレード１３に後続する第２スプリッタブレード１５である。また、フルブレード１１は、圧縮領域３Ｆの入口部３Ｆｉから圧縮領域３Ｆの出口部３Ｆｏにかけて延びてあって、第１スプリッタブレード１３及び第２スプリッタブレード１５は、圧縮領域３Ｆの入口部３Ｆｉの下流側（後側）から圧縮領域３Ｆの出口部３Ｆｏにかけて延びている。なお、フルブレード１１の外縁、第１スプリッタブレード１３の外縁、及び第２スプリッタブレード１５の外縁は、ケーシング３の壁面にそれぞれ近接してあって、フルブレード１１の後縁、第１スプリッタブレード１３の後縁、及び第２スプリッタブレード１５の後縁は、径方向（ハブ５の径方向）の同じ位置に位置している。

また、図３に示すように、第１スプリッタブレード１３の軸長は、第２スプリッタブレード１５の軸長よりも短くなっている。換言すれば、第１スプリッタブレード１３の軸長をＬs1、第２スプリッタブレードの軸長をＬs2とした場合に、Ｌs2＞Ｌs1の関係が成立するようになっている。また、フルブレード１１の軸長（Ｌf）は、第１スプリッタブレード１３の軸長（Ｌs1）及び第２スプリッタブレード１５の軸長（Ｌs2）よりも当然長くなっている。具体的には、本発明の実施形態にあっては、Ｌs1＝０．５Ｌf、Ｌs2＝０．７Ｌfの関係になっている。

更に、図４に示すように、フルブレード１１の出口羽根角をβf、第１スプリッタブレード１３の出口羽根角をβs1、第２スプリッタブレード１５の出口羽根角をβs2とした場合に、βs1≧βf＞βs2の関係が成立するようになっている。具体的には、本発明の実施形態にあっては、βs1＝１．２βf、βs2 ＝０．７βfの関係になっている。

そして、Ｌs2＞Ｌs1の関係、及びβs1≧βf＞βs2の関係が成立するようにしたのは、これらの関係が成立するときに、図５及び図６に示すように、前述の先行技術に係る遠心圧縮機を模擬した遠心圧縮機（図示省略）に比べて、圧力比及び効率を飛躍的に向上させると共に、比較例に係る遠心圧縮機（図示省略）に比べて、圧力比を更に向上させることができるという、新規な知見に基づくものである。この新規な知見は、Ｌs2＞Ｌs1の関係が成立するようにしたことにより、フルブレード１１の翼面に立つ衝撃波が第１スプリッタブレード１３の前縁周りのポテンシャル流れ場と干渉することを回避して、エネルギー損失を低減したこと、及び、βs1≧βf＞βs2の関係が成立するようにしたことにより、各ブレードグループ９における３種類のブレード１１，１３，１５の負荷バランスが良くなったことによるものと考えられる。

ここで、図５中における実施例は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１の圧力比、図５中における比較例は、比較例に係る遠心圧縮機の圧力比、図５中における従来例は、先行技術に係る遠心圧縮機を模擬した遠心圧縮機の圧力比、図６中における実施例は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１の効率、図６中における比較例は、比較例に係る遠心圧縮機の効率、図６中における従来例は、先行技術に係る遠心圧縮機を模擬した遠心圧縮機の効率を示している。また、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１等の圧力比及び効率は、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析によって求めたものである。

なお、比較例に係る遠心圧縮機は、Ｌs2＞Ｌs1の関係（具体的には、Ｌs1＝０．５Ｌf、Ｌs2＝０．７Ｌfの関係）、及びβs1＝βf＝βs2の関係が成立してあって、それらの点を除き、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１と同様の構成を有している。また、先行技術に係る遠心圧縮機を模擬した遠心圧縮機は、第２スプリッタブレード１５が省略され、Ｌs1＝０．７Ｌfの関係、及びβs1＝βfが成立してあって、それらの点を除き、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１と同様の構成を有している。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

遠心圧縮機１を運転する場合には、タービンホイールの回転によってハブ５を回転させて、全てのブレード１１，１３，１５を一体的に回転させる。これにより、給気口１７からブレード１１，１３，１５側に給気した空気を遠心力を利用して圧縮することができ、圧縮した空気を昇圧してディフューザ流路１９から排気することができる。なお、ディフューザ流路１９から排気された空気は、スクロール流路を経由して内燃機関の吸気マニホールドに送られる。

ここで、フルブレード１１、第１スプリッタブレード１３、及び第２スプリッタブレード１５が圧縮領域３Ｆの出口部３Ｆｏまで延びているため、圧縮領域３Ｆの出口部３Ｆｏに存するブレードの枚数を十分に確保できる。また、第１スプリッタブレード１３及び第２スプリッタブレード１５が圧縮領域３Ｆの入口部３Ｆｉの下流側から延びてあるため、圧縮領域３Ｆの入口部３Ｆｉに存するブレードを枚数を減らして、その分だけ圧縮領域３Ｆの入口径を小さくすることができ、圧縮領域３Ｆの入口部３Ｆｉ（フルブレード１１の前縁近傍部）における空気流（ガス流の一例）の入口相対マッハ数を低減することができる。

以上の如き、本発明の実施形態によれば、圧縮領域３Ｆの出口部３Ｆoに存するブレードの枚数を十分に確保すると共に、圧縮領域３Ｆの入口部３Ｆｉにおける空気流の入口相対マッハ数を低減することができるため、遠心圧縮機１の高圧力比化を図りつつ、遠心圧縮機１の効率を向上させかつフルブレード１１の共振を抑制することができる。そして、Ｌs2＞Ｌs1の関係、及びβs1≧βf＞βs2の関係が成立するようになっているため、前述の新規な知見を考慮すると、前述の先行技術に係る遠心圧縮機に比べて、遠心圧縮機１の圧力比及び効率を飛躍的に向上させることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の模式的な側断面図である。本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の回転体の斜視図である。本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の回転体の側面図である。本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の回転体の正面図である。実施例、比較例、及び従来例について空気の流量と圧力比の関係を示す図である。実施例、比較例、及び従来例について空気の流量と効率の関係を示す図である。

符号の説明

１遠心圧縮機
３ケーシング
３Ｆ圧縮領域
３Ｆｉ入口部
３Ｆｏ出口部
５ハブ
９ブレードグループ
１１フルブレード
１３第１スプリッタブレード
１５第２スプリッタブレード
１７給気口
１９ディフューザ流路

Claims

ガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機において、
内側にガスを圧縮するための圧縮領域を有したケーシングと、
前記ケーシングの前記圧縮領域に配設され、軸心を中心として回転可能なハブと、
前記ハブの外周面に周方向に沿って配設され、軸長の異なる３数種のブレードからなる複数のブレードグループと、を備え、
前記ケーシングの前記圧縮領域の上流側周縁部にガスを前記ブレード側へ給気する給気口が形成され、前記ケーシングの前記圧縮領域の下流側周縁部に圧縮したガスを排気する環状の排気流路が形成され、
各ブレードグループを構成する３数種の前記ブレードは、前記圧縮領域の入口部から前記圧縮領域の出口部にかけて延びたフルブレードと、前記圧縮領域の入口部の下流側から前記圧縮領域の出口部にかけて延びかつ前記ハブの回転方向から見て前記フルブレードに後続する第１スプリッタブレードと、前記圧縮領域の入口部の下流側から前記圧縮領域の出口部にかけて延びかつ前記ハブの回転方向から見て前記第１スプリッタブレードに後続する第２スプリッタブレードであって、
前記第１スプリッタブレードの軸長が前記第２スプリッタブレードの軸長よりも短くなっており、
前記フルブレードの出口羽根角をβf、前記第１スプリッタブレードの出口羽根角をβs1、前記第２スプリッタブレードの出口羽根角をβs2とした場合に、
βs1≧βf＞βs2の関係が成立するようになっていることを特徴とする遠心圧縮機。