JP5223642B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、回転翼の回転により気体を圧縮する遠心圧縮機に関する。

従来から、回転翼の回転により空気や冷媒ガス等の気体を圧縮する遠心圧縮機が、ターボチャージャや冷蔵・冷凍機等に使用されている。上記圧縮機は、圧縮機から吐出される気体の流路を狭める等により気体を流動し難くすると共に、回転翼が回転して気体をさらに吐出することで、吐出側の気体を昇圧させる。
ところで、圧縮機から吐出される気体を流動し難くすることにより、圧縮機内の気体の流量は減少するのであるが、流量が一定の値まで減少したときに圧縮機の振動や吐出される気体の脈動等（いわゆるサージング）が発生する。サージングが発生した状態のまま圧縮機を運転させると圧縮機を破損する虞があるため、上記一定の流量以下では圧縮機を運転させることができない。よって、圧縮機の少流量側の作動限界は、サージングが発生する上記一定の流量までとされていた。

ここで、特許文献１には、圧縮機の作動限界を少流量側に拡大するために、気体の循環流路（トリートメント空洞部）を有する圧縮機が開示されている。
特許文献１に示された圧縮機は、回転翼の近傍に設けられた第１開口部と、回転翼の上流側に設けられた第２開口部と、第１開口部と第２開口部とを連結する循環流路とを有している。回転翼の設置箇所を流れる気体の流量が減少し、サージングが発生する流量に近づいたときに、第１開口部から第２開口部に向けて循環流路を介して気体を循環させる。気体が循環することで、回転翼の設置箇所における気体の流量が増加し、サージングを回避することができる。すなわち、気体の循環によって圧縮機の効率は低下するものの、圧縮機の作動限界を少流量側に拡大することができた。
特許第３４９４１１８号公報（第５頁、第１図）

しかし、小型の圧縮機では、上記循環流路を形成するためのスペースが不足しているために、循環流路を設けることが困難であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、循環流路を形成することが困難な圧縮機においても、作動限界を少流量側に拡大できる圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の遠心圧縮機は、回転翼の回転により気体を圧縮する遠心圧縮機であって、回転翼に気体を導入する導入管と、導入管内における回転翼の上流側に設けられ、気体の流れを規制する状態と規制しない状態との間で変位する規制部材とを有するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、規制部材が回転翼の上流側における気体の流れを規制することで、回転翼の設置箇所における所定の箇所に、気体の流動しない領域（剥離）が発生する。また、本発明では、規制部材の変位に伴い、上記領域が発生・消滅する。
さらに、本発明では、上記領域が発生することにより回転翼の設置箇所における気体の流動可能範囲は狭くなり、結果として、回転翼の設置箇所を流動する気体の流速が上昇する。

また、本発明の遠心圧縮機は、規制部材が、導入管の内径と略同一である外径を有する環状部材であるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、環状部材が回転翼の上流側における気体の流れを規制することで、回転翼の略周縁部に気体の流動しない領域が発生する。

また、本発明の遠心圧縮機は、規制部材が、導入管の内径よりも小さな径を有する円板部材であり、導入管の略中心に設けられるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、円板部材が回転翼の上流側における気体の流れを規制することで、回転翼の略中心に気体の流動しない領域が発生する。

また、本発明の遠心圧縮機は、規制部材が、導入管の軸方向に直交する方向における所定の軸回りで回転し、気体の流れを規制する状態と規制しない状態との間で変位するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、規制部材が、導入管の軸方向に直交する方向における所定の軸回りで回転することで、気体の流れを規制する状態と規制しない状態との間で変位する。また、本発明では、規制部材の変位に伴い、回転翼の設置箇所における所定の箇所に気体の流動しない領域が発生・消滅する。

本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、本来サージングが発生するほどに気体の流量が少ない場合であっても、回転翼の設置箇所を流動する気体の流速を上昇させることで、サージングの発生を回避できるという効果がある。したがって、本発明によれば、圧縮機の作動限界を少流量側に拡大できるという効果がある。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
第１の実施形態に係る遠心圧縮機Ｃの構成を、図１を参照して説明する。
図１は、第１の実施形態に係る遠心圧縮機Ｃの全体構成を示す概略図であり、（ａ）は遠心圧縮機Ｃの断面図、（ｂ）は（ａ）における空気導入部３のＡ矢視図である。なお、図１の矢印Ｆは前方を示す。また、図１では、説明のために各構成要素の縮尺を適宜変更して記載している。

遠心圧縮機Ｃは、後述するインペラ１の回転により空気（気体）を圧縮し、不図示のエンジンに圧縮された空気を供給するターボチャージャである。
図１に示すように、圧縮機Ｃは、回転により空気を送り出すインペラ（回転翼）１と、インペラ１を囲んで設けられるハウジング部２と、インペラ１に空気を導入する空気導入部３とを備えている。

インペラ１は、略円錐状を呈するベース１１と、ベース１１の外周面に複数設けられた翼１２と、ベース１１をその中心軸方向で貫通するインペラ軸１３と、ベース１１とインペラ軸１３とを一体的に接続するボルト１４とを有している。

複数の翼１２は、ベース１１の周方向で略等間隔に設けられている。インペラ軸１３は、前後方向で延びる棒状部材であり、不図示の軸受けに回転自在に設けられている。また、インペラ軸１３のベース１１と逆側の端部には、エンジンから導かれる排気ガスの流動によって回転する不図示のタービンが接続されている。
インペラ１は、中心軸回りに回転することで、インペラ１前方の空気を吸引し、吸引した空気を径方向外側に送り出すことができる。

ハウジング部２は、略環状を呈するコンプレッサハウジング２１と、略円板状を呈するシールプレート２２とを有している。
コンプレッサハウジング２１の略中央部にはインペラ１が設けられており、コンプレッサハウジング２１及びインペラ１の中心軸は略同一の方向に延びている。また、コンプレッサハウジング２１は、空気を導入するためにインペラ１の前方に開口する導入口２３と、インペラ１を周方向で取り囲むように形成されたスクロール流路２４とを有している。スクロール流路２４は、不図示の吐出口に接続され、該吐出口はエンジンの給気口に接続されている。

コンプレッサハウジング２１とシールプレート２２とは、前後方向で重なって一体的に接続されている。コンプレッサハウジング２１とシールプレート２２との間には、ディフューザ流路２５がインペラ１の径方向外側で略環状に形成されている。
導入口２３は、インペラ１の設置箇所を介してディフューザ流路２５に連通し、ディフューザ流路２５は、スクロール流路２４に連通している。

空気導入部３は、略円筒状を呈しインペラ１に空気を導入する導入管３１と、略環状を呈し空気の流れを規制する規制板（規制部材、環状部材）３２と、規制板３２を回転させる駆動部３３とを有している。

導入管３１は導入口２３に接続され、導入管３１及びインペラ１の中心軸は略同一の方向に延びている。また、導入管３１における導入口２３の逆側は、不図示のエアクリーナに接続されている。
規制板３２は、略環状を呈する板状部材であり、規制板３２の外径は導入管３１の内径と略同一である。また、規制板３２は、導入管３１内における導入口２３の近傍に設けられ、規制板３２の中心部を挟んで径方向外側に突出する２本の回転軸３２ａを有している。回転軸３２ａは、導入管３１の中心軸に直交する方向（紙面上下方向）に延びており、導入管３１の周面部に軸回りで回転自在に支持されている。
駆動部３３は、導入管３１の紙面上側に設けられ、一方の回転軸３２ａと接続されている。この駆動部３３は、規制板３２を導入管３１の中心軸方向に平行する向きと直交する向きとの間で回転して変位させることができ、電動機又は空気式もしくは油圧式のアクチュエータ等が用いられる。

続いて、本実施形態に係る圧縮機Ｃの動作・作用を、図２を参照して説明する。
図２は、本実施形態に係る圧縮機Ｃ内を流動する空気の剥離の状態を示す概略図である。

まず、圧縮機Ｃが空気を圧縮する動作について説明する。なお、規制板３２は、導入管３１の中心軸方向に平行しているものとする。
エンジンから導かれる排気ガスの流動によってタービンが回転し、該タービンとインペラ軸１３とが接続されていることから、インペラ１が回転する。かかる回転により、インペラ１の前方の空気が吸引され、エアクリーナ及び導入管３１を介して空気がインペラ１に導入される。導入された空気は、インペラ１の回転により径方向外側に送り出され、ディフューザ流路２５を経てスクロール流路２４に流入する。
ここで、圧縮機Ｃから吐出される空気を流動し難くすると、インペラ１は空気を送り続けるために、スクロール流路２４内の空気圧は上昇し、スクロール流路２４に接続された吐出口から昇圧された空気が吐出される。この昇圧された空気がエンジンに導入されることで、エンジンの出力等の性能が向上する。
以上で、圧縮機Ｃが空気を圧縮する動作は終了する。

次に、規制板３２が空気の流れを規制することにより、サージングを回避する動作・作用について説明する。
インペラ１が回転することにより、空気がインペラ１の軸方向前側から導入され、径方向外側に送り出される。空気は、インペラ１の回転面に対して垂直に導入されるのであるが、インペラ１が回転しているために、インペラ１における翼１２から見た相対的な空気の流動は、回転面に対して一定の角度αをもって流動する。
一方、翼１２も回転面に対して角度βをもって設けられている。角度α及びβが略同一であれば、空気は滑らかに翼１２の設置箇所に流入する。

ここで、圧縮機Ｃから吐出される空気をさらに流動し難くすると、圧縮比（大気圧に対する、圧縮機Ｃから吐出される空気の圧力の比）がさらに上昇すると共に、圧縮機Ｃ内の空気の流量が減少する。
圧縮機Ｃの流路径は変化しないので、空気の流量が減少することで、空気の流速も減少する。上記角度αは、空気の流速とインペラ１の回転速度とを合成したベクトルの、回転面に対する角度であるため、インペラ１の回転速度が一定で空気の流速が減少すると角度αは小さくなり、さらに鋭角の角度α１となる。すなわち、空気は翼１２がもつ傾きとは異なる方向で流入することになるため、翼１２の下流側に空気の流動しない領域（剥離）が発生する。そして、この剥離によりインペラ１に振動等が生じ、結果としてサージングを発生させる。

上記サージングが発生しようとする前に、駆動部３３を作動させ、規制板３２を導入管３１の中心軸方向に対向する向きに変位させる。規制板３２により導入管３１内を流れる空気は規制され、規制板３２の下流側に第２剥離Ｐ（図２参照）が発生する。図２では、第２剥離Ｐが発生している領域を網点で表している。
図２に示すように、規制板３２によって発生した第２剥離Ｐは下流側に延び、また、規制板３２は略環状に形成されているため、第２剥離Ｐは略円筒状に発生している。さらに、第２剥離Ｐはインペラ１の設置箇所に到達しており、インペラ１における翼１２の周縁部と重なっている。
第２剥離Ｐが発生している領域には空気は流動できないため、インペラ１の設置箇所及び上流側の流路は実質的に狭くなる。流量が変化せずに流路が狭くなることで、空気の流動は径方向内側へ偏向し、インペラ１の径方向内側を流動する空気の流速が上昇する。流速が上昇することで、上記角度α１は角度α寄りに変化し、翼１２の径方向内側に発生していた剥離が縮小又は消滅する。よって、サージングの発生を回避することができる。

続いて、本実施形態に係る圧縮機Ｃと従来の圧縮機とを、シミュレーションを用いて比較した結果を、図３を参照して説明する。
図３は、本実施形態に係る圧縮機Ｃと従来の圧縮機とを、シミュレーションを用いて比較した結果を示す概略図である。

まず、流量を凡そ１．４とし、徐々に圧縮機から吐出される空気を流動し難くすることで、圧縮比を上昇させていく。なお、シミュレーション開始時の圧縮比はいずれも凡そ１．５倍であり、インペラ１は一定の速度で回転しているものとする。
空気を流動し難くするにつれて流量は減少していき、流量が凡そ０．８となったところでいずれの圧縮機においてもサージングが発生する。

ここで、従来の圧縮機ではサージングが発生しているために、さらに流量を減少させても圧縮比は上昇せず、逆に低下する。従来の圧縮機を、流量が凡そ０．８から０．５までの範囲（図３における範囲Ｓ）で運転させると、圧縮機破損の虞がある。
一方、本実施形態に係る圧縮機Ｃにおいても、本来ならば流量が凡そ０．８となったところでサージングが発生するのであるが、規制板３２を作動させて第２剥離Ｐを発生させることで、サージングの発生を回避できる。もっとも、インペラ１の周辺部に第２剥離Ｐが発生し、インペラ１の空気を送り出す能力が低下するために、圧縮比は一旦低下する（０．１倍強）。しかし、サージングの発生を回避できることから連続運転が可能であり、流量をさらに減少させることで圧縮比を再び上昇させることができる。

したがって、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、本来サージングが発生するほどに空気の流量が少ない場合であっても、インペラ１の設置箇所を流動する空気の流速を上昇させることで、サージングの発生を回避できるという効果がある。したがって、本実施形態によれば、圧縮機Ｃの作動限界を少流量側に拡大できるという効果がある。

〔第２実施形態〕
第２の実施形態に係る遠心圧縮機Ｃ２の構成を、図４を参照して説明する。
図４は、第２の実施形態に係る遠心圧縮機Ｃ２の全体構成を示す概略図であり、（ａ）は遠心圧縮機Ｃ２の断面図、（ｂ）は（ａ）における空気導入部３のＢ矢視図である。なお、図４において、図１に示す第１の実施形態の構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

遠心圧縮機Ｃ２は、インペラ１の回転により空気（気体）を圧縮し、不図示のエンジンに圧縮された空気を供給するターボチャージャである。
図４に示すように、圧縮機Ｃ２は、回転により空気を送り出すインペラ（回転翼）１と、インペラ１を囲んで設けられるハウジング部２と、インペラ１に空気を導入する空気導入部３とを備えている。

空気導入部３は、略円筒状を呈しインペラ１に空気を導入する導入管３１と、略円板状を呈し空気の流れを規制する第２規制板（規制部材、円板部材）３４と、第２規制板３４を回転させる駆動部３３とを有している。

第２規制板３４は、略円板状を呈する部材であり、第２規制板３４の径は導入管３１の内径よりも小さく形成されている。また、第２規制板３４は、導入管３１の略中心かつ導入口２３の近傍に設けられ、第２規制板３４の中心部を挟んで径方向外側に突出する２本の回転軸３４ａを有している。回転軸３４ａは、導入管３１の中心軸に直交する方向（紙面上下方向）に延びており、導入管３１の周面部に回転自在に支持されている。
駆動部３３は、紙面上方に突出する回転軸３４ａと接続されている。

続いて、本実施形態に係る圧縮機Ｃ２の動作・作用を、図５を参照して説明する。
図５は、本実施形態に係る圧縮機Ｃ２内を流動する空気の剥離の状態を示す概略図である。

まず、圧縮機Ｃ２が空気を圧縮する動作であるが、第１の実施形態における圧縮機Ｃの動作と同様であるため、その説明を省略する。

次に、第２規制板３４が空気の流れを規制することにより、サージングを回避する動作・作用について説明する。なお、インペラ１の設置箇所を流動する空気の流速を上昇させることでサージングが回避される動作・作用は、第１の実施形態と同様であるためその説明を省略し、第２規制板３４が空気の流速を上昇させる動作・作用についてのみ説明する。

圧縮機Ｃ２内の空気の流量が減少しサージングが発生しようとする前に、駆動部３３を作動させ、第２規制板３４を導入管３１の中心軸方向に対向する向きに変位させる。第２規制板３４により導入管３１内を流れる空気は規制され、第２規制板３４の下流側に第３剥離Ｑ（図５参照）が発生する。図５では、第３剥離Ｑが発生している領域を網点で表している。
図５に示すように、第２規制板３４によって発生した第３剥離Ｑは下流側に延び、また、第２規制板３４は略円板状に形成されているため、第３剥離Ｑは略円柱状に発生している。さらに、第３剥離Ｑはインペラ１の設置箇所に到達しており、インペラ１の径方向中央部と重なっている。
第３剥離Ｑによって、空気の流動は径方向外側へ偏向し、インペラ１の径方向外側での流速低下を補うので、そこでの剥離が抑制され、翼１２の径方向外側に発生していた剥離が縮小又は消滅する。よって、サージングの発生を回避することができる。

なお、本実施形態においても第１の実施形態と同様に、第２規制板３４の作動により圧縮機Ｃ２の圧縮比は一旦低下する。しかし、サージングの発生を回避できることから連続運転が可能であり、流量をさらに減少させることで圧縮比は再び上昇させることができる。

したがって、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、本来サージングが発生するほどに空気の流量が少ない場合であっても、インペラ１の設置箇所を流動する空気の流速を上昇させることで、サージングの発生を回避できるという効果がある。したがって、本実施形態によれば、圧縮機Ｃ２の作動限界を少流量側に拡大できるという効果がある。

なお、前述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲においてプロセス条件や設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、圧縮機Ｃ及びＣ２はターボチャージャとして用いられているが、本発明はこのような用途に限定されるものではなく、他の用途に用いてもよい。例えば本発明に係る圧縮機を冷蔵・冷凍機に用いてもよい。
また、上記実施形態では、圧縮機Ｃ及びＣ２が圧縮する気体は空気であったが、その用途に合わせて適宜変更してよく、例えば冷媒ガス等でもよい。

また、上記実施形態では、エンジンから導かれる排気ガスの流動を利用してインペラ１を回転させていたが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、他の動力を利用してもよい。例えば、エンジンの回転力をインペラ軸１３に伝達する構成や、電動機等を利用する構成によりインペラ１を回転させてもよい。

また、上記実施形態では、規制板３２は回転することで導入管３１内の空気の流動を規制する姿勢と規制しない姿勢との間で変位する構成となっているが、他の構成によって空気の流動を規制してもよい。例えば、複数の平板を渦状に連結し、カメラの絞りのような構成としてもよい。また、導入管３１の軸方向で伸縮する蛇腹状の環状部材を導入口２３の近傍に設置し、上記軸方向で伸縮させて上記蛇腹部材の内径を拡大・縮小させてもよい。

第１の実施形態に係る遠心圧縮機Ｃの全体構成を示す概略図である。 第１の実施形態に係る遠心圧縮機Ｃ内を流動する空気の剥離の状態を示す概略図である。 第１の実施形態に係る遠心圧縮機Ｃと従来の圧縮機とを、シミュレーションを用いて比較した結果を示す概略図である。 第２の実施形態に係る遠心圧縮機Ｃ２の全体構成を示す概略図である。 第２の実施形態に係る遠心圧縮機Ｃ２内を流動する空気の剥離の状態を示す概略図である。

符号の説明

Ｃ…遠心圧縮機、Ｃ２…遠心圧縮機、１…インペラ（回転翼）、３１…導入管、３２…規制板（規制部材、環状部材）、３４…第２規制板（規制部材、円板部材）

Claims (2)

1. 回転翼の回転により気体を圧縮する遠心圧縮機であって、
   前記回転翼に気体を導入する導入管と、
   前記導入管の内径よりも小さな径を有する円板部材であって、前記導入管内における前記回転翼の上流側において、前記導入管の略中心に設けられ、気体の流れを規制する状態と規制しない状態との間で変位する規制部材と、を有し、
   前記気体の流量が所定の流量以下になったとき、前記規制部材を気体の流れを規制する状態にし、前記規制部材の背面から前記回転翼の設置箇所に到達する剥離を発生させることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記規制部材は、前記導入管の軸方向に直交する方向における所定の軸回りで回転し、気体の流れを規制する状態と規制しない状態との間で変位することを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。

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