JP5830991B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、過給機、ガスタービン、産業用空気設備等に用いられ、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。

車両用過給機等の過給器に用いられる一般的な遠心圧縮機の構成について簡単に説明すると、次のようになる。

一般的な遠心圧縮機は、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（内壁）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、その軸心周りに回転可能かつ外周面（ハブ面）がインペラの軸方向から径方向外側へ延びたディスク（ハブディスク）、及びこのディスクの外周面に間隔を置いて設けられた複数枚のブレードを備えている。

ハウジングにおけるインペラの入口側には、空気（ガスの一例）を吸入する吸入口が形成されている。また、ハウジングの内部におけるインペラの出口側には、圧縮した空気を排気する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、インペラを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と共に、圧縮した空気を排気流路から排気することができる。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１から特許文献３に示すものがある。

特開２００９−２０９６９４号公報 特開２００４−２７９３１号公報 特開平９−３１０６９９号公報

ところで、近年、遠心圧縮機のサージングを抑制して、遠心圧縮機の作動域をより低流量側へ拡大するという要請が強くなってきている。また、遠心圧縮機のサージングを改善（抑制）する手法の１つとして、ブレードの平均の出口羽根角を４５度以上に拡大（設定）するという手法がある。一方、ブレードの平均の出口羽根角を４５度以上に拡大すると、それに伴い、遠心圧縮機の運転中にブレードの付け根付近に過大な応力（遠心応力）が発生して、インペラの構造強度上、遠心圧縮機を成立させることが困難になる。

つまり、インペラの構造強度を十分に確保した上で、遠心圧縮機の作動域をより低流量側へ拡大することは困難であるという問題がある。

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、前述の問題を解決するために試行錯誤を繰り返して、２つの新規な知見を見出し、これらの新規な知見に基づいて本発明を完成するに至った。本発明の特徴を説明する前に、これらの新規な知見を見出すまでの経緯について説明する。

ブレードの平均の出口羽根角βｂａを４５度以上（具体的には５０度）に設定し、ブレードのチップ端の出口羽根角βｂｔとハブ端の出口羽根角βｂｈの差（βｂｔ−βｂｈ）をパラメータとして変化させつつ、遠心圧縮機の運転中におけるインペラの応力分布について１つ目のＦＥＭ（Finite Element Method）解析を行った。そして、１つ目のＦＥＭ解析の結果として、ブレードのチップ端の出口羽根角βｂｔとハブ端の出口羽根角βｂｈの差（βｂｔ−βｂｈ）とインペラの最大応力比との関係をまとめると、図６（ａ）示すようになる。なお、インペラの最大応力比とは、出口羽根角βｂｔと出口羽根角βｂｈが等しい場合におけるインペラの最大応力に対する、差（βｂｔ−βｂｈ）に対応したインペラの最大応力の割合であって、最大応力比が０．９５以下の場合に、遠心圧縮機の運転中におけるインペラの最大応力が許容応力以下になることが経験的又は試験的に分かっている。また、１つ目のＦＥＭ解析においては、ブレードのミッドスパン（ハブ端とチップ端の間の中央点）の出口羽根角βｂｍをブレードの平均の出口羽根角βｂａ以上（具体的には５０度）に設定した。

１つ目のＦＥＭ解析結果によれば、ブレードのチップ端の出口羽根角βｂｔとハブ端の出口羽根角βｂｈの差（βｂｔ−βｂｈ）が６度以上になると、インペラの最大応力を許容応力以下まで低減できることが判明した。これにより、ブレードの平均の出口羽根角βｂａを４５度以上に設定した場合に、ブレードのチップ端の出口羽根角βｂｔとハブ端の出口羽根角βｂｈの差（βｂｔ−βｂｈ）を６度以上に設定すると、遠心圧縮機の運転中におけるインペラの最大応力を許容応力以下に低減できるという、第１の新規な知見を得ることができた。

次に、ブレードの平均の出口羽根角βｂａを４５度以上（具体的には５０度）に設定し、ブレードのチップ端の出口羽根角βｂｔとハブ端の出口羽根角βｂｈの差（βｂｔ−βｂｈ）を１０度に設定し、ブレードのレイク角αをパラメータとして変化させつつ、遠心圧縮機の運転中におけるインペラの応力分布について２つ目のＦＥＭ（Finite Element Method）解析を行った。そして、２つ目のＦＥＭ解析の結果として、ブレードのレイク角αとインペラの最大応力比との関係をまとめると、図６（ｂ）に示すようになる。

２つ目のＦＥＭ解析結果によれば、ブレードのレイク角αが２８〜５０度の範囲内であると、インペラの最大応力をより十分に低減できることが判明した。これにより、ブレードの平均の出口羽根角βｂａを４５度以上に設定した場合に、ブレードのチップ端の出口羽根角βｂｔとハブ端の出口羽根角βｂｈの差（出口羽根角βｂｔ−出口羽根角βｂｈ）を６度以上に設定し、更に、ブレードのレイク角αを２８〜５０度の範囲内に設定すると、遠心圧縮機の運転中におけるインペラの最大応力をより十分に低減できるという、第２の新規な知見を得ることができた。

本発明は、遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機において、ハウジングと、前記ハウジング内に回転可能に設けられ、ディスク（ハブディスク）及び前記ディスクの外周面に周方向に間隔を置いて設けられた複数枚のブレードを備えたインペラと、を具備し、各ブレードの平均の出口羽根角が４５度以上に設定され、各ブレードのハブ端の出口羽根角が前記平均の出口羽根角よりも小さく設定され、各ブレードのチップ端の出口羽根角が前記平均の出口羽根角よりも大きく設定され、各ブレードのチップ端の出口羽根角とハブ端の出口羽根角の差が６〜１３度の範囲内に設定され、各ブレードのレイク角が２８〜５０度の範囲内に設定されている。

なお、「ガス」とは、空気、窒素ガス、水素ガス等を含む意であって、「上流」とは、主流のガスの流れ方向から見て上流のことであって、「下流」とは、主流のガスの流れ方向から見て下流のことである。また、「出口羽根角」とは、前記インペラの径方向と前記ブレードの後縁側の羽根厚中心線とのなす角のことをいい、「平均の出口羽根角」とは、前記ブレードのハブ端からチップ端までの出口羽根角の平均値のことをいう。また、「レイク角」とは、前記インペラの軸方向（軸心方向）と前記ブレードの後縁（後縁の中心線）とのなす角のことをいう。

ここで、各ブレードのチップ端の出口羽根角とハブ端の出口羽根角の差を１３度以内に設定されるようにしたのは、１３度を超えると、各ブレードのブレード形状を維持することが困難になるからである。

本発明によると、前記遠心圧縮機を運転する場合には、前記インペラを回転させることにより、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と共に、圧縮したガスを排気することができる（前記遠心圧縮機の運転に関する作用）。

前述の作用の他に、各ブレードのハブ端の出口羽根角が前記平均の出口羽根角よりも小さく設定され、各ブレードのチップ端の出口羽根角が前記平均の出口羽根角よりも大きく設定され、各ブレードのチップ端の出口羽根角とハブ端の出口羽根角の差が６〜１３度の範囲内に設定されているため、前述の第１の新規な知見を適用すると、前述のように、各ブレードの平均の出口羽根角を４５度以上に設定しても、各ブレードのブレード形状を維持しつつ、前記遠心圧縮機の運転中における前記インペラの最大応力を許容応力以下に低減できる。

また、各ブレードのレイク角が２８〜５０度の範囲内に設定されているため、前述の第２の新規な知見を適用すると、前記遠心圧縮機の運転中における前記インペラの最大応力をより十分に低減できる。

本発明によれば、各ブレードの平均の出口羽根角を４５度以上に設定しても、各ブレードのブレード形状を維持しつつ、前記遠心圧縮機の運転中における前記インペラの最大応力を許容応力以下に低減できるため、前記遠心圧縮機の運転中に前記ブレードの付け根付近に過大な応力（遠心応力）が発生することを回避して、前記インペラの構造強度（前記遠心圧縮機の構造強度）を十分に確保した上で、前記遠心圧縮機のサージングを抑制して、前記遠心圧縮機の作動域をより低流量側へ拡大することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るインペラの正面図である。 図２は、本発明の実施形態に係るインペラの側面図である。 図３は、本発明の実施形態に係るインペラの斜視図である。 図４は、本発明の実施形態に係るインペラのブレードのハブ端からチップ端まで出口羽根角の大きさを示す図である。 図５は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の側断面図である。 図６（ａ）は、ブレードのチップ端の出口羽根角とハブ端の出口羽根角の差とインペラの最大応力比との関係を示す図、図６（ｂ）は、ブレードのレイク角とインペラの最大応力比と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５を参照して説明する。なお、図面中において、「Ｆ」は、前方向、「Ｒ」は、後方向をそれぞれ指してある。

図５に示すように、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、車両用過給機に用いられ、遠心力を利用して空気（ガスの一例）Ａ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。

本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、ハウジング３を具備しており、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シールプレート７等からなる。なお、シールプレート７は、車両用過給機における別のハウジング（ベアリングハウジング）９に一体的に連結又は一体形成されてある。

ハウジング本体５のシュラウド５ｓ内には、インペラ（コンプレッサインペラ）１１が回転可能に設けられている。

具体的には、図１、図２、図３、及び図５に示すように、ハウジング本体５のシュラウド５ｓ内には、ディスク（ハブディスク）１３が設けられており、このディスク１３は、インペラ１１の軸心１１ｃ周りに回転方向Ｄ１へ回転可能であって、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いる。また、ディスク１３の外周面（ハブ面）１３ｆは、インペラ１１の軸方向（前後方向）Ｄ２から径方向Ｄ３外側に向かって延びてあって、ディスク１３の背面１３ｄは、シールプレート７に対向してある。なお、ロータ軸１５は、ロータ軸１５の他端部（後端部）一体的に連結された図示省略の別のインペラ（タービンインペラ）からの回転力によって回転するようになっている。

ディスク１３の外周面１３ｆには、軸長の異なる２種類のフルブレード（全羽根）１９及びスプリッタブレード（短羽根）２１が周方向に間隔を置いて交互に設けられており、２種類のブレード１９，２１は、複数枚のフルブレード１９と、各隣接するフルブレード１９間に配置されたスプリッタブレード２１である。ここで、フルブレード１９の前縁１９ａは、スプリッタブレード２１の前縁２１ａよりも上流側（前側）に位置してあって、フルブレード１９の後縁１９ｂ及びスプリッタブレード２１の後縁２１ｂは、インペラ１１の軸方向Ｄ２及び径方向Ｄ３の同じ位置に位置してある。また、フルブレード１９のチップ端（先端）１９ｔ及びスプリッタブレード２１のチップ端（先端）２１ｔ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。なお、軸長の異なる２種類のブレード１９，２１を用いる代わりに、軸長の同じブレード（図示省略）を用いても構わない。

図５に示すように、ハウジング本体５の前側部には、空気をインペラ１１側へ吸入（給気）する吸入口（給気口）２３が形成されており、この吸入口２３は、空気を浄化するエアクリーナ（図示省略）に接続可能である。また、ハウジング本体５におけるインペラ１１の出口側（下流側）には、圧縮した空気を減速させて排気する環状のディフューザ流路２５（排気流路の一例）が形成されており、ハウジング本体５の内部におけるディフューザ流路２５の外周側には、渦巻き状のスクロール流路２７（排気流路の一例）が形成されている。更に、ハウジング本体５の適宜位置には、空気を吐出する吐出口２９が形成されており、この吐出口２９は、スクロール流路２７を介してディフューザ流路２５に連通してあって、内燃機関の吸気マニホールド（図示省略）に接続可能である。

続いて、本発明の実施形態の特徴部分について説明する。

図１から図４に示すように、各フルブレード１９及び各スプリッタブレード２１（以下、各ブレード１９，２１という）の平均の出口羽根角βｂａは、４５度以上（具体的には５０度）に設定されている。これは、遠心圧縮機１のサージングを十分に抑制するためのである。

各ブレード１９，２１のハブ端（基端）１９ｈ，２１ｈの出口羽根角βｂｈは、平均の出口羽根角βｂａよりも小さく設定されており、各ブレード１９，２１のチップ端１９ｔ，２１ｔの出口羽根角βｂｔは、平均の出口羽根角βｂａよりも大きく設定されている。また、各ブレード１９，２１のミッドスパン（チップ端１９ｔ，２１ｔとハブ端１９ｈ，２１ｈの間の中央点）の出口羽根角βｂｍは、平均の出口羽根角βｂａ以上に設定されている。換言すれば、各ブレード１９，２１の出口羽根角βｂは、ハブ端１９ｈ，２１ｈからチップ端１９ｔ，２１ｔに向かって拡大するようになっている。ここで、「ハブ端１９ｈ，２１ｈからチップ端１９ｔ，２１ｔに向かって拡大する」とは、図４において実線で示すような場合だけでなく、図４において仮想線で示すように、各ブレード１９，２１の出口羽根角βｂが一定になる部分を含む意である。

各ブレード１９，２１のチップ端１９ｔ，２１ｔの出口羽根角βｂｔとハブ端１９ｈ，２１ｈの出口羽根角βｂｈの差（βｂｔ−βｂｈ）は、６〜１３度の範囲内に設定されている。差（βｂｔ−βｂｈ）を６度以上に設定されるようにしたのは、前述の第１の新規な知見を適用するためである。一方、差（βｂｔ−βｂｈ）を１３度以下に設定されるようにしたのは、１３度を超えると、各ブレード１９，２１のブレード形状を維持することが困難になるからである。

各ブレード１９，２１のレイク角α（図２参照）は、２８〜５０度の範囲内に設定されている。これは、前述の新規な第２の知見を適用するためである。

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。

別のインペラからの回転力によってロータ軸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２３からインペラ１１側に吸入した空気Ａを遠心力を利用して圧縮することができる。そして、圧縮した空気Ａをディフューザ流路２５から排気して、スクロール流路２７を経由して吐出口２９から吐出することができる。

前述の作用の他に、各ブレード１９，２１のチップ端１９ｔ，２１ｔの出口羽根角βｂｔが平均の出口羽根角βｂａよりも大きく設定され、各ブレード１９，２１のハブ端１９ｈ，２１ｈの出口羽根角βｂｈが平均の出口羽根角βｂａよりも小さく設定され、各ブレード１９，２１のチップ端１９ｔ，２１ｔの出口羽根角βｂｔとハブ端１９ｈ，２１ｈの出口羽根角βｂｈの差（βｂｔ−βｂｈ）が６〜１３度の範囲内に設定されているため、前述の第１の新規な知見を適用すると、前述のように、各ブレード１９，２１の平均の出口羽根角βｂａを４５度以上に設定しても、各ブレード１９，２１のブレード形状を維持しつつ、遠心圧縮機１の運転中におけるインペラ１１の最大応力（最大遠心応力）を許容応力以下に低減できる。特に、各ブレード１９，２１のレイク角αが２８〜５０度の範囲内に設定されているため、前述の第２の新規な知見を適用すると、遠心圧縮機１の運転中におけるインペラ１１の最大応力をより十分に低減できる。

従って、本発明の実施形態によれば、遠心圧縮機１の運転中にブレード１９，２１の付け根付近に過大な応力（遠心応力）が発生することを回避して、インペラ１１の構造強度（遠心圧縮機１の構造強度）を十分に確保した上で、遠心圧縮機１のサージングを抑制して、遠心圧縮機１の作動域をより低流量側へ拡大することができる。

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、適宜の変更を行うことにより、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。

１ 遠心圧縮機
３ ハウジング
５ｓ シュラウド
１１ インペラ
１１ｃ インペラの軸心
１３ ディスク（ハブディスク）
１３ｄ ディスクの背面
１３ｆ ディスクの外周面（ハブ面）
１５ ロータ軸
１９ フルブレード
１９ａ フルブレードの前縁
１９ｂ フルブレードの後縁
１９ｈ フルブレードのハブ端
１９ｔ フルブレードのチップ端
２１ スプリッタブレード
２１ａ スプリッタブレードの前縁
２１ｂ スプリッタブレードの後縁
２１ｈ スプリッタブレードのハブ端
２１ｔ スプリッタブレードのチップ端
２３ 吸入口
２５ ディフューザ流路
２７ スクロール流路
２９ 吐出口
Ｄ１ インペラの回転方向
Ｄ２ インペラの軸方向
Ｄ３ インペラの径方向
βｂ ブレードの出口羽根角
βｂａ ブレードの平均の出口羽根角
βｂｈ ブレードのハブ端の出口羽根角
βｂｔ ブレードのチップ端の出口羽根角
βｂｍ ブレードのミッドスパンの出口羽根角
α ブレードのレイク角

Claims (2)

1. 遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機において、
   ハウジングと、
   前記ハウジング内に回転可能に設けられ、ディスク及び前記ディスクの外周面に周方向に間隔を置いて設けられた複数枚のブレードを備えたインペラと、を具備し、
   各ブレードの平均の出口羽根角が４５度以上に設定され、各ブレードのハブ端の出口羽根角が前記平均の出口羽根角よりも小さく設定され、各ブレードのチップ端の出口羽根角が前記平均の出口羽根角よりも大きく設定され、各ブレードのチップ端の出口羽根角とハブ端の出口羽根角の差が６〜１３度の範囲内に設定され、各ブレードのレイク角が２８〜５０度の範囲内に設定されている、遠心圧縮機。
2. 各ブレードのミッドスパンの出口羽根角が前記平均の出口羽根角以上に設定されている、請求項１に記載の遠心圧縮機。

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