JP5251587B2

JP5251587B2 - 遠心圧縮機

Info

Publication number: JP5251587B2
Application number: JP2009036808A
Authority: JP
Inventors: 健中野; 豪人円山; 豊平田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2029-02-19
Also published as: JP2010190149A

Description

本発明は、遠心力を利用して空気等のガスを圧縮する遠心圧縮機に関する。

従来から、ターボチャージャ等に用いられる遠心圧縮機にあっては、圧縮機効率の向上を図るために、ディフューザ流路に複数のディフューザベーンを配設することがよく行われている（特許文献１及び特許文献２参照）。そして、複数のディフューザベーンを備えた先行技術に係る遠心圧縮機の具体的な構成等は、次のようになる。

即ち、先行技術に係る遠心圧縮機は、ハウジングを具備しており、このハウジングは、内側に、シュラウドを有している。また、ハウジングのシュラウド内には、インペラが回転可能に設けられており、このインペラは、ターボチャージャにおけるロータ軸（タービン軸）に一体的に連結してあって軸心（ハブの軸心、換言すれば、インペラの軸心）周りに回転可能なハブ、及びこのハブの外周面に周方向に間隔を置いて設けられた複数のブレードを備えている。ここで、各ブレードの外縁は、ハウジングのシュラウドに沿うように延びている。

ハウジングの前側部には、空気（ガスの一例）をインペラ側へ吸入する吸入口が形成されており、ハウジングの内部におけるインペラの出口側（下流側）には、空気を減速させて昇圧する環状のディフューザ流路が形成されている。また、ディフューザ流路内には、空気を整流する複数のディフューザベーン（ガイドベーン）が周方向に間隔を置いて配設されている。更に、ハウジングの内部におけるディフューザ流路の周縁側には、渦巻き状のスクロール流路が形成されており、ハウジングの適宜位置には、空気を吐出する吐出口が形成されてあって、この吐出口は、スクロール流路を介してディフューザ流路に連通してある。

従って、ロータ軸を回転させて、インペラを一体的に回転させることにより、吸入口からインペラ側に吸入した空気を遠心力を利用して圧縮することができる。そして、圧縮された空気は、複数のディフューザベーンによって整流されつつ、ディフューザ流路内において減速して昇圧され、スクロール流路を経由して吐出口から吐出される。ここで、複数のディフューザベーンによって空気が整流されることにより、インペラの出口側（下流側）における空気の流れを安定させて、圧縮機効率の向上を図ることができる。

特許第２７４３６５８号公報特許第３７４６７４０号公報

ところで、先行技術に係る遠心圧縮機は、前述のように、ディフューザ流路に複数のディフューザベーンを配設することにより圧縮機効率の向上を図ることができるものの、ディフューザベーンを省略した遠心圧縮機に比べて、ディフューザ流路の流路面積が小さくなり、作動範囲（作動域）が狭くなるという問題がある。つまり、ディフューザ流路に複数のディフューザベーンを配設した上で、圧縮機効率の向上と作動範囲の拡大を両立させることは容易でないという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問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。

本発明の発明者は、前述の課題を解決するために、種々の試行錯誤を繰り返した結果、各ディフューザベーンの端面とハウジングのハブ側壁面との間又は各ディフューザベーンの端面とハウジングのシュラウド側壁面との間に適正なクリアランスがディフューザベーンの前縁側から後縁側にかけて形成されている場合（換言すれば、クリアランス有りの場合）には、図５及び図６に示すように、各ディフューザベーンの端面とハウジングの壁面との間にクリアランスが形成されていない場合（換言すれば、クリアランス無しの場合）と同程度の圧縮機効率を維持し、クリアランス無しの場合に比較して作動範囲を拡大できるという、新規な知見を得ることができ、本発明を完成するに至った。また、新規な知見は、隣接関係にあるディフューザベーン間のスロート部（図４参照）の流路面積を前記クリアランスに相当する分だけ大きくして、ディフューザ流路の有効流路面積を十分に確保できたことによるものと考えられる。

ここで、図５は、クリアランス有り及び無しの場合における圧縮機流量と圧縮機効率の関係を示す図、図６は、クリアランス有り及び無しの場合における圧縮機流量と圧縮比の関係を示す図であって、それらの関係は、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析によって求められる。なお、図５及び図４中において、Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃ，Ｎｄ，Ｎｅは、遠心圧縮機１の回転数であって、Ｎａ＜Ｎｂ＜Ｎｃ＜Ｎｄ＜Ｎｅの関係になっている。

本発明の特徴は、遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機において、内側にシュラウドを有したハウジングと、前記ハウジングの前記シュラウド内に回転可能に設けられ、軸心周りに回転可能なハブ、及び前記ハブの外周面に周方向に間隔を置いて設けられかつ外縁が前記ハウジングの前記シュラウドに沿うように延びた複数のブレードを備えたインペラと、を具備し、前記ハウジングに前記インペラ側へガスを吸入する吸入口が形成され、前記ハウジングの内部における前記インペラの出口側にガスを減速させて昇圧する環状のディフューザ流路が形成され、前記ディフューザ流路内にガスを整流する複数のディフューザベーンが周方向に間隔を置いて配設され、前記ハウジングにガスを吐出する吐出口が形成され、前記吐出口が前記ディフューザ流路に連通してあって、各ディフューザベーンの端面が前記ハウジングのハブ側壁面又は前記ハウジングのシュラウド側壁面に非接触であって、各ディフューザベーンの端面と前記ハウジングのハブ側壁面との間又は各ディフューザベーンの端面と前記ハウジングのシュラウド側壁面との間にクリアランスが前記ディフューザベーンの前縁側から後縁側にかけて形成され、前記ディフューザベーンの最大翼高さの寸法をＨ、前記クリアランスの寸法をＣとした場合に、０．０２Ｈ≦Ｃ≦０．２０Ｈ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、前記ハウジングのシュラウド側壁面とは、前記ハウジングの前記シュラウドに連続した壁面のことをいい、前記ハウジングのハブ側壁面とは、前記ハウジングの前記シュラウド側壁面に対向した壁面のことをいう。

本発明の特徴によると、前記インペラを回転させることにより、前記吸入口から前記インペラ側に吸入したガスを遠心力を利用して圧縮することができる。そして、圧縮されたガスは、複数の前記ディフューザベーンによって整流されつつ、前記ディフューザ流路内において減速して昇圧され、前記吐出口から吐出される。ここで、複数の前記ディフューザベーンによってガスが整流されることにより、前記インペラの出口側（下流側）におけるガスの流れを安定させることができる。

各ディフューザベーンの端面と前記ハウジングのハブ側壁面との間又は各ディフューザベーンの端面と前記ハウジングのシュラウド側壁面との間に前記クリアランスが前記ディフューザベーンの前縁側から後縁側にかけて形成され、０．０２Ｈ≦Ｃ≦０．２０Ｈ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適用すると、前記クリアランス無しの場合と同程度の圧縮機効率を維持し、前記クリアランス無しの場合に比較して作動範囲を拡大できる。

本発明によれば、前記クリアランス無しの場合と同程度の圧縮機効率を維持し、前記クリアランス無しの場合に比較して作動範囲を拡大できるため、前記ディフューザ流路に複数の前記ディフューザベーンを配設した上で、圧縮機効率の向上と作動範囲の拡大を両立させることができる。

本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の側断面図である。ディフューザベーン周辺の拡大図である。参考例に係るディフューザベーン周辺の拡大図である。図１におけるIV-IV線に沿った図である。クリアランスの有り及び無しの場合における圧縮機流量と圧縮機効率の関係を示す図である。クリアランスの有り及び無しの場合における圧縮機流量と圧縮比の関係を示す図である。

本発明の実施形態について図１から図４を参照して説明する。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４に示すように、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、ターボチャージャ等に用いられ、遠心力を利用して空気（ガスの一例）を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、ハウジング（コンプレッサハウジング）３を備えており、このハウジング３は、内側にシュラウド５ｓを有したハウジング本体５と、このハウジング本体５の後側に設けられた蓋部材（ハウジングプレート）７等からなるものである。なお、蓋部材７には、ターボチャージャにおける別のハウジング（ベアリングハウジング）９が一体的に形成されている。

ハウジング本体５のシュラウド５ｓ内には、インペラ１１が回転可能に設けられている。具体的には、ハウジング本体５のシュラウド５ｓ内には、ハブ１３が設けられており、このハブ１３の外周面は、ハブ１３の軸心方向から径方向外側（換言すれば、インペラ１１の軸心方向から径方向外側）に向かって延びている。また、ハブ１３は、別のハウジング９に回転可能に設けられたロータ軸（タービン軸）１５の一端部（前端部）に固定ナット１７を介して一体的に連結されてあって、ハブ１３の軸心（換言すれば、インペラ１１の軸心）周りに回転可能である。更に、ハブ１３の外周面には、複数のブレード１９が周方向に間隔を置いて設けられており、各ブレード１９の外縁は、ハウジング本体５のシュラウド５ｓに沿うように延びている。

ハウジング３の前側部には、空気をインペラ１１側へ吸入する吸入口２１が形成されており、ハウジング３の内部におけるインペラ１１の出口側（下流側）には、空気を減速させて昇圧する環状のディフューザ流路２３が形成されている。また、ディフューザ流路２３内には、空気を整流する複数のディフューザベーン（ガイドベーン）２５が周方向に間隔を置いて配設されており、各ディフューザベーン２５の端面（基端面）は、ハウジング本体５の一部を構成するリング状のディフューザプレート２７に一体的に連結してある。更に、ハウジング３の内部におけるディフューザ流路２３の周縁側には、渦巻き状のスクロール流路２９が形成されており、ハウジング３の適宜位置には、空気を吐出する吐出口３１が形成されてあって、この吐出口３１は、スクロール流路２９を介してディフューザ流路２３に連通してある。

続いて、本発明の実施形態の要部を説明する。

図１及び図２に示すように、各ディフューザベーン２５の端面（先端面又は一端面）と蓋部材７のハブ側壁面７ｆとの間には、クリアランス３３がディフューザベーン２５の前縁側（上流縁側）から後縁側（下流縁側）にかけて形成されている。そして、ディフューザベーン２５の最大翼高さの寸法をＨ、クリアランス３３の寸法をＣとした場合に、０．０２Ｈ≦Ｃ≦０．２０Ｈの関係が成立するようになっている。また、各ディフューザベーン２５の端面と蓋部材７のハブ側壁面７ｆとの間の代わりに、各ディフューザベーン２５の端面（基端面又は他端面）とハウジング本体５のシュラウド側壁面５ｆとの間にクリアランス３３がディフューザベーン２５の前縁側から後縁側にかけて形成されるようにしても構わない。

ここで、０．０２Ｈ≦Ｃの関係が成立するようにしたのは、Ｃが０．０２Ｈ未満であると、隣接関係にあるディフューザベーン２５間のスロート部Ｓ（図４参照）の流路面積を十分に大きくすることができないからである。一方、Ｃ≦０．２０Ｈの関係が成立するようにしたのは、Ｃが０．２０Ｈを超えると、クリアランスフローの増大による圧縮機効率の低下が懸念されるからである。なお、ハウジング本体５のシュラウド側壁面５ｆとは、ハウジング本体５のシュラウド５ｓに連続した壁面（本発明の実施形態にあっては、ディフューザプレート２７の壁面）のことをいい、蓋部材７のハブ側壁面７ｆとは、ハウジング本体５のシュラウド側壁面５ｆに対向した壁面のことをいう。

各ディフューザベーン２５の端面と蓋部材７のハブ側壁面７ｆとの間又は各ディフューザベーン２５の端面とハウジング本体５のシュラウド側壁面５ｆとの間にクリアランス３３がディフューザベーン２５の前縁側から後縁側にかけて形成される代わりに、参考例として、図３（ａ）（ｂ）に示すように、各ディフューザベーン２５の端面（先端面又は一端面）と蓋部材７のハブ側壁面７ｆとの間にクリアランス３５がディフューザベーン２５の前縁側から中央側にかけて形成されるようにしても構わない。具体的には、各ディフューザベーン２５の前縁側から中央側の翼高さ（寸法Ｈ’）が中央側から後縁側の翼高さ（最大翼高さ（寸法Ｈ））に比べてクリアランス３５の寸法に相当する分だけ低くなるようにしたり、蓋部材７のハブ側壁面７ｆにおけるディフューザベーン２５の前縁側から中央側に整合する部位に凹み３７が形成されるようにしたりしても構わない。更に、各ディフューザベーン２５の端面と蓋部材７のハブ側壁面７ｆとの間の代わり又は他に、各ディフューザベーン２５の端面（基端面又は他端面）とハウジング本体５のシュラウド側壁面５ｆとの間にクリアランス３５がディフューザベーン２５の前縁側から中央側にかけて形成されるようにしても構わない。

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。

ロータ軸１５を回転させて、インペラ１１を一体的に回転させることにより、吸入口２１からインペラ１１側に吸入した空気を遠心力を利用して圧縮することができる。そして、圧縮された空気は、複数のディフューザベーン２５によって整流されつつ、ディフューザ流路２３内において減速して昇圧され、スクロール流路２９を経由して吐出口３１から吐出される。ここで、複数のディフューザベーン２５によって空気が整流されることにより、インペラ１１の出口側（下流側）における空気の流れを安定させることができる。

各ディフューザベーン２５の端面と蓋部材７のハブ側壁面７ｆとの間又は各ディフューザベーン２５の端面とハウジング本体５のシュラウド側壁面５ｆとの間にクリアランス３３がディフューザベーン２５の前縁側から後縁側にかけて形成され、０．０２Ｈ≦Ｃ≦０．２０Ｈの関係が成立するようにした場合には、前述の新規な知見（［課題を解決するための手段］参照）を適用すると、クリアランス無しの場合と同程度の圧縮機効率を維持し、前記クリアランス無しの場合に比較して作動範囲を拡大できる。なお、クリアランス無しの場合とは、各ディフューザベーン２５の端面と蓋部材７のハブ側壁面７ｆとの間及び各ディフューザベーン２５の端面とハウジング本体５のシュラウド側壁面５ｆとの間にクリアランス３３が形成されていない場合ことをいう。

従って、本発明の実施形態によれば、前記クリアランス無しの場合と同程度の圧縮機効率を維持し、前記クリアランス無しの場合に比較して作動範囲を拡大できるため、ディフューザ流路２３に複数のディフューザベーン２５を配設した上で、圧縮機効率の向上と作動範囲の拡大を両立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。

Ｓスロート部
１遠心圧縮機
３ハウジング
５ハウジング本体
５ｆシュラウド側壁面
５ｓシュラウド
７蓋部材
７ｆハブ側壁面
１１インペラ
１３ハブ
１５ロータ軸
１９ブレード
２１吸入口
２３ディフューザ流路
２５ディフューザベーン
２７ディフューザプレート
２９スクロール流路
３１吐出口
３３クリアランス
３５クリアランス

Claims

遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機において、
内側にシュラウドを有したハウジングと、
前記ハウジングの前記シュラウド内に回転可能に設けられ、軸心周りに回転可能なハブ、及び前記ハブの外周面に周方向に間隔を置いて設けられかつ外縁が前記ハウジングの前記シュラウドに沿うように延びた複数のブレードを備えたインペラと、を具備し、
前記ハウジングに前記インペラ側へガスを吸入する吸入口が形成され、前記ハウジングの内部における前記インペラの出口側にガスを減速させて昇圧する環状のディフューザ流路が形成され、前記ディフューザ流路内にガスを整流する複数のディフューザベーンが周方向に間隔を置いて配設され、前記ハウジングにガスを吐出する吐出口が形成され、前記吐出口が前記ディフューザ流路に連通してあって、
各ディフューザベーンの端面が前記ハウジングのハブ側壁面又は前記ハウジングのシュラウド側壁面に非接触であって、各ディフューザベーンの端面と前記ハウジングのハブ側壁面との間又は各ディフューザベーンの端面と前記ハウジングのシュラウド側壁面との間にクリアランスが前記ディフューザベーンの前縁側から後縁側にかけて形成され、
前記ディフューザベーンの最大翼高さの寸法をＨ、前記クリアランスの寸法をＣとした場合に、０．０２Ｈ≦Ｃ≦０．２０Ｈ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。