JP6112223B2 - 遠心圧縮機及び過給機 - Google Patents
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Description
本発明は、遠心力を利用して空気等の流体を圧縮する遠心圧縮機等に関する。
近年、過給機、ガスタービン、産業用空気設備等に用いられる遠心圧縮機について種々の研究開発がなされている(特許文献1及び特許文献2参照)。
一般的な遠心圧縮機は、圧縮機ハウジングを具備している。この圧縮機ハウジングは、内側にシュラウドを有している。圧縮機ハウジング内には、圧縮機インペラがその軸心周りに回転可能に設けられている。圧縮機インペラは、ハブ(圧縮機ディスク)を備えている。このハブのハブ面は、軸方向一方側(圧縮機インペラの軸方向一方側)から半径方向(圧縮機インペラの半径方向)外側に向かって延びている。更に、ハブ面には、複数の圧縮機ブレードが周方向に間隔を置いて一体的に設けられており、各圧縮機ブレードの先端縁は、圧縮機ハウジングのシュラウドに沿うように延びている。
圧縮機ハウジングにおける圧縮機インペラの入口側(上流側)には、空気等の流体を圧縮機ハウジング内に取入れるための流体取入口(流体取入流路)が形成されている。そして、圧縮機ハウジング内における圧縮機インペラの出口側(下流側)には、圧縮した流体(圧縮空気等の圧縮流体)を減速させて昇圧する環状のディフューザ(ディフューザ流路)が形成されている。また、静圧回復性の高いディフューザは、通常、環状の平行部(並行部)と、平行部の半径方向内側に連続して形成された環状の絞り部とを有している。平行部では、シュラウド側に位置する壁面及びハブ側に位置する壁面が半径方向に対して平行(並行)に設けられている。一方、絞り部では、シュラウド側に位置する壁面が半径方向外側に向かってハブ側に位置する壁面に漸次接近している。
圧縮機ハウジング内におけるディフューザの出口側には、渦巻き状の圧縮機スクロール(圧縮機スクロール流路)がディフューザに連通して形成されている。そして、圧縮機ハウジングの適宜位置には、圧縮した流体を圧縮機ハウジングの外側へ排出するための流体排出口(流体排出流路)が圧縮機スクロールに連通して形成されている。
なお、本発明に関連する先行技術は、特許文献1、特許文献2および特許文献3に示されている。
ところで、近年、遠心圧縮機の大流量側の作動域における圧縮機性能を低下させることなく、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小流量側へ拡大するという要請が強くなってきている。
そこで、本発明は、前述の要請に応えることができる遠心圧縮機等を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様は、遠心圧縮機であって、内側にシュラウドを有するハウジングと、前記ハウジング内に回転可能に設けられたインペラと、前記インペラの入口側に連通する流体の取入口と、前記インペラの出口側に連通するディフューザと、前記流体の排出口と、前記インペラから前記ディフューザを介して流出した流体を前記排出口に流通させる渦巻き状のスクロールとを具備し、前記ディフューザは、半径方向外側に向かって延伸する第1の壁と、前記シュラウドから前記半径方向外側に向かって前記第1の壁に漸次接近するように延伸するテーパ面、及び、前記テーパ面から前記第1の壁と平行に前記半径方向外側に向かって延伸する平行面を含む第2の壁とを含み、前記第2の壁の前記テーパ面は、前記第1の壁と共に前記ディフューザの流路面積を最小にする流路面積最小部と、前記テーパ面と一体的に形成され、前記流路面積最小部よりも前記インペラの前記出口側に位置し、前記ディフューザの流路に向けて突出した曲面を有する凸部とを含むことを要旨とする。
なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「流体」とは、空気等のガスを含む意であって、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたことを含む意であって、「一体的に設けられ」とは、一体形成されたことを含む意である。また、「軸方向」とは、圧縮機インペラの軸方向のことをいい、「半径方向」とは、圧縮機インペラの半径方向のことをいう。そして、「シュラウド側壁面」とは、圧縮機ハウジングのシュラウドを半径方向外側へ延長した面側に位置する壁面のことをいい、「ハブ側壁面」とは、圧縮機ディスクのハブ面を半径方向外側へ延長した面側に位置する壁面のことをいい、「子午面」とは、圧縮機インペラの軸心を含む平面のことをいう。更に、「上流」とは、流体の主流の流れ方向から見て上流のことをいい、「下流」とは、流体の主流の流れ方向から見て下流のことをいう。
本発明の第2の態様は、エンジンからの排気ガスの圧力エネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する過給機であって、第1の態様に係る遠心圧縮機を具備したことを要旨とする。
本発明によれば、遠心圧縮機のチョーク流量を十分に確保しつつ、遠心圧縮機の小流量側の作動域において、圧縮機インペラの上流側に生成される逆流領域の拡大を抑制ができる。従って、遠心圧縮機の大流量側の作動域における圧縮機性能を低下させることなく、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、より小流量側へ拡大することができる。
本発明は、新規に得られた次の知見に基づいている。
図5(a)は、発明例の場合、従来例の場合、及び比較例におけるディフューザ43とその周囲の構成を示す子午面図であり、数値流体(CFD:Computational Fluid Dynamics)解析において想定される流路を示している。図5(b)は、発明例、従来例、及び比較例におけるディフューザの半径方向位置と流路面積との関係を示す図である。図中の「D1」は軸方向、「D2」は半径方向を示している。なお、図中のFは流体の主流の流れ方向を示す。
図5(a)において実線で示すように、発明例に係るディフューザ43は、凸部53が突出して形成されたシュラウド側壁面51s(43s)を有する絞り部51を備える。凸部53の表面は曲面形状を有している。また、子午面における凸部53の半径方向外側の端縁は、接線方向が不連続に変化する不連続点を形成している。
一方、図5(a)において二点鎖線で示すように、従来例のディフューザ43の絞り部51は、凸部53が形成されていないシュラウド側壁面51cを有する。また、図5(a)において破線で示すように、比較例のディフューザ43の絞り部51は、凸部53を持たず且つ発明例に係る凸部53の突出量に相当する分だけ従来例の場合よりも絞り部51の流路幅が狭くなるように形成されたシュラウド側壁面51pを有している。なお、シュラウド側壁面以外の形状は、発明例、従来例及び比較例において共通である。また、図5(b)に示すように、何れの例においても、ディフューザ43の流路面積は、絞り部51の出口又は絞り部の出口の手前側で最小になっている。
図6は、図5(a)に示す発明例、従来例及び比較例の各流路を想定した遠心圧縮機に対する数値流体解析の結果を示している。具体的には、図6は、圧縮機インペラが小流量側の作動域において動作した時の、圧縮機インペラの上流側に生成される逆流領域を示している。なお、図6中において、「P1」は発明例における逆流領域の終端、「P2」は従来例における逆流領域の終端、「P3」は比較例における逆流領域の終端をそれぞれ示している。
図6に示すように、この解析結果から、従来例及び比較例に比べて、発明例の遠心圧縮機は、小流量側の作動域において圧縮機インペラ35の上流側に生成される逆流領域の拡大を抑制することができることが見出された。これは、凸部53の上流側部分(凸部の頂点部分から半径方向外側の端縁にかけての部分)によってディフューザ43のシュラウド壁面51s(43s)側の逆流の一部をブロックした(堰き止めた)ことによるものと考えられる。
本発明の一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、図面に示すとおり、「L」は、左方向、「R」は、右方向、「D1」は、軸方向、「D2」は、半径方向である。
図4に示すように、本実施形態に係る過給機1は、エンジン(図示省略)からの排気ガス(ガスの一例)の圧力エネルギーを利用して、エンジンに供給される空気を過給(圧縮)する。過給機1は例えば車両に搭載される。
過給機1は、軸受ハウジング3を具備している。軸受ハウジング3内には、一対のラジアル軸受5及び一対のスラスト軸受7が設けられている。複数の軸受5,7には、左右方向へ延びたロータ軸(回転軸)9が回転可能に設けられている。換言すれば、軸受ハウジング3には、ロータ軸9が複数の軸受5,7を介して回転可能に設けられている。
軸受ハウジング3の右側には、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力(回転トルク)を発生させるラジアルタービン11が配設されている。
軸受ハウジング3の右側には、タービンハウジング13が設けられている。タービンハウジング13は、内側にシュラウド13sを有している。また、タービンハウジング13内には、タービンインペラ15がその軸心(タービンインペラ15の軸心、換言すれば、ロータ軸9の軸心)C周りに回転可能に設けられている。タービンインペラ15は、ロータ軸9の右端部に同心上に一体的に連結されている。タービンインペラ15は、タービンディスク17を備えている。タービンディスク17のハブ面17hは、右側から半径方向外側(タービンインペラ15の半径方向外側)へ延びている。更に、タービンディスク17のハブ面17hには、複数のタービンブレード19が周方向に間隔を置いて一体形成されている。各タービンブレード19の先端縁(外縁)19tは、タービンハウジング13のシュラウド13sに沿うように延びている。
タービンハウジング13の適宜位置には、排気ガスをタービンハウジング13内に取入れるための排気取入口(排気取入流路)21が形成されている。排気取入口21は、エンジンの排気マニホールド(図示省略)に接続する。また、タービンハウジング13の内部におけるタービンインペラ15の入口側(排気ガスの主流の流れ方向から見て上流側)には、渦巻き状のタービンスクロール(タービンスクロール流路)23が形成されている。タービンスクロール23は、排気取入口21に連通している。タービンハウジング13におけるタービンインペラ15の出口側(排気ガスの主流の流れ方向から見て下流側)には、排気ガスを排出する排気排出口(排気排出流路)25が形成されている。排気排出口25は、接続管(図示省略)を介して排気ガス浄化装置(図示省略)に接続する。
図3及び図4に示すように、軸受ハウジング3の左側には、遠心力を利用して空気を圧縮する遠心圧縮機27が配設されている。
軸受ハウジング3の左側には、圧縮機ハウジング29が設けられている。圧縮機ハウジング29は、内側にシュラウド31sを有したハウジング本体31と、このハウジング本体31の右側に設けられかつ軸受ハウジング3の左側部に一体的に連結された環状のシールプレート33とを備えている。圧縮機ハウジング29内には、圧縮機インペラ35がその軸心(圧縮機インペラ35の軸心、換言すれば、ロータ軸9の軸心)C周り回転可能に設けられている。圧縮機インペラ35は、ロータ軸9の左端部に同心上に一体的に連結されている。圧縮機インペラ35は、ロータ軸9の左端部に一体的に連結したハブ(圧縮機ディスク)37を備えている。ハブ37のハブ面37hは、左側(ロータ軸9(換言すれば、圧縮機インペラ35)の軸方向一方側)から半径方向(圧縮機インペラ35の半径方向)外側へ延びている。更に、ハブ面37hには、複数の圧縮機ブレード39が周方向に間隔を置いて一体形成されている。各圧縮機ブレード39の先端縁(外縁)39tは、ハウジング本体31のシュラウド31sに沿って延びている。なお、複数の圧縮機ブレード39に加えて、圧縮機ブレード39よりも軸長の短い複数の圧縮機ブレード(図示省略)がハブ面37hに設けられてもよい。この場合、軸長の短い圧縮機ブレードは、周方向に圧縮機ブレード39と交互に配列し、ハブ面37hと一体的に形成される。
圧縮機ハウジング29における圧縮機インペラ35の入口側(空気の主流の流れ方向から見て上流側)には、空気を圧縮機ハウジング29内に取入れるための流体取入口としての空気取入口(空気取入流路)41が形成されている。空気取入口41は、空気を浄化するエアクリーナ(図示省略)に接続される。圧縮機ハウジング29内における圧縮機インペラ35の出口側(空気の主流の流れ方向から見て下流側)には、圧縮された空気を昇圧する環状のディフューザ(ディフューザ流路)43が形成されている。更に、圧縮機ハウジング29の内部には、渦巻き状の圧縮機スクロール(圧縮機スクロール流路)45が形成されている。圧縮機スクロール45は、ディフューザ43に連通している。そして、圧縮機ハウジング29の適宜位置には、圧縮された空気を圧縮機ハウジング29の外側へ排出するための流体排出口としての空気排出口(空気排出流路)47が形成されている。空気排出口47は、圧縮機スクロール45に連通し、エンジンの吸気マニホールド(図示省略)に接続される。
続いて、本実施形態に係るディフューザ43の構成について説明する。
図1に示すように、ディフューザ43は、環状の平行部(並行部)49と、この平行部49の半径方向内側に連続して形成されかつ圧縮した空気を整流する環状の絞り部51とを有している。
平行部49は、ハブ37側に位置する壁面(ハブ側壁面)49hと、シュラウド31s側に位置する壁面(シュラウド側壁面)49sとを有する。壁面49hと壁面49sは、半径方向(圧縮機インペラ35の半径方向)に対して平行(並行)に配置されている。換言すれば、平行部49は、流路幅wが半径方向に沿って一定になるように設けられている。
絞り部51は、ハブ37側に位置する壁面(ハブ側壁面)51hと、シュラウド31s側に位置する壁面(シュラウド側壁面)51sとを有する。壁面51hは半径方向に平行に配置されている。一方、壁面51sは、シュラウド31sから半径方向外側に向かって壁面51hに漸次接近するように延伸している。換言すれば、絞り部51は、流路幅wが半径方向外側に向かって漸次小さくなるように形成されている。更に、子午面における壁面51sは、緩やかな曲線状を呈している。
平行部49の壁面49hは、絞り部51の出口51eにおいて、絞り部51の壁面51hに接続している。また、壁面49h及び壁面51hは同一平面上に位置する。即ち、壁面49h及び壁面51hは、ハブ37側に位置し且つ半径方向外側に向かって延伸する第1の壁としての、ディフューザ43の壁面43h或いはその一部を構成する。
平行部49の壁面49sも、絞り部51の出口51eにおいて、絞り部51の壁面51s(半径方向外側の端縁51so)に接続している。また、壁面51sはシュラウド31sにも接続している。従って、壁面49s及び壁面51sは、シュラウド31s側に位置し、第1の壁と共に流路を形成する第2の壁としての、ディフューザ43の壁面43s或いはその一部を構成する。具体的には、壁面49sは、壁面51sからディフューザ43の壁面(第1の壁)43hと平行に半径方向外側に向かって延伸する平行面を形成している。一方、壁面51sは、シュラウド31sから半径方向外側に向かってディフューザ43の壁面(第1の壁)43hに漸次接近するように延伸するテーパ面を形成する。
ディフューザ43は、絞り部51の出口51e、換言すれば、平行部49の入口49gの流路面積が最小になるように構成されている。なお、絞り部51の出口51eの流路面積が最小になる代わりに、絞り部51の出口51eの手前側(空気の主流の流れ方向から見て直上流側)の流路面積が最小になるように構成されてもよい。つまり、絞り部51の壁面51s(第2の壁のテーパ面)は、後述の凸部53が設けられた領域以外の領域において、ディフューザ43の壁面(第1の壁)と共にディフューザ43の流路面積を最小にする流路面積最小部を含んでいる。なお、凸部53は、流路面積最小部よりも圧縮機インペラ35の出口側に位置する。例えば、絞り部51の出口51e(平行部49の入口49g)がこの流路面積最小部に相当する。
絞り部51の壁面51sにおける半径方向内側の端縁51si側には、凸部53が形成されている。凸部53は、ディフューザ43の流路に向けて突出している。また、凸部53は、例えば圧縮機インペラ35の軸心の周りに環状に形成される。子午面における凸部53の表面53fは、緩やかな曲面形状を呈している。本実施形態では、子午面における凸部53の半径方向外側の端縁53o及び半径方向内側の端縁53iは、それぞれ接線方向が不連続に変化する不連続点を形成している。凸部53における半径方向外側の端縁53oは、絞り部51の壁面51sの半径方向の中央位置(中心位置)51smよりも半径方向内側に位置している。
凸部53における半径方向内側の端縁53iは、絞り部51の壁面51sにおける半径方向内側の端縁51siに一致している。そして、子午面における凸部53の表面53fの平均曲率半径は、子午面における絞り部51の壁面51sの平均曲率半径よりも小さく設定されている。ここで、平均曲率半径とは、曲面(子午面における凸部53の表面53f、子午面における絞り部51の壁面51s)が1つの曲率半径を有する場合には、その曲率半径のことをいい、曲面が複数の曲率半径を有する場合には、複数の曲率半径の平均値のことをいう。
なお、子午面における絞り部51の壁面(テーパ面)51sは、曲線状を呈していなくてもよい。例えば図2(a)に示すように、壁面51sは直線形状を呈してもよい。また、凸部53における半径方向内側の端縁53iは、壁面51sにおける半径方向内側の端縁51siに一致しなくてもよい。例えば図2(b)に示すように、端縁53iは、絞り部51の壁面51sにおける半径方向内側の端縁51siの半径方向外側に位置してもよい。
なお、凸部53の端縁53oは、不連続点を形成することなく壁面51sに向けて湾曲し、壁面51sと滑らかに接続してもよい。これは端縁53iについても同様である。また、壁面51sの端縁51siは、不連続点を形成するようにシュラウド31sに接続してもよく(図1参照)、不連続点を形成することなくシュラウド31sに向けて湾曲し、シュラウド31sと滑らかに接続してもよい。
本実施形態の作用及び効果について説明する。
排気ガスは、排気取入口21からタービンハウジング13内に取入れられ、タービンスクロール23を経由してタービンインペラ15の入口側から出口側へ流通する。すると、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力(回転トルク)が発生し、タービンインペラ15、ロータ軸9、及び圧縮機インペラ35が一体的に回転する。これにより、空気は、空気取入口41から圧縮機インペラ35側に取入れられ、ディフューザ43を通過する際に圧縮される。圧縮された空気は、圧縮機スクロール45を経由して空気排出口47から排出され、エンジンに供給される。これら一連の工程によりエンジンに空気を過給することができる。なお、タービンインペラ15の出口側へ流通した排気ガスは、排気排出口25からタービンハウジング13の外側へ排出される。
絞り部51の壁面51sの半径方向内側の端縁51si側に凸部53が突出して形成されている。従って、前述の新規な知見から理解されるように、遠心圧縮機27の小流量側の作動域において空気の逆流が抑制され、圧縮機インペラ35の上流側に生成される逆流領域の拡大を抑制することができる。
凸部53における半径方向外側の端縁53oが、絞り部51の壁面51sにおける半径方向の中央位置51smよりも半径方向内側に位置し、子午面における凸部53の表面53fの平均曲率半径が子午面における絞り部51の壁面51sの平均曲率半径よりも小さく設定されている。そのため、凸部53の上流側部分(頂点部分から半径方向外側の端縁53oにかけての部分)によってディフューザ43のシュラウド壁面43s側の逆流の一部を効果的にブロックすることができる。これにより、遠心圧縮機27の小流量側の作動域において、圧縮機インペラ35の上流側に生成される逆流領域の拡大を十分に抑制することができる。
ディフューザ43は絞り部51の出口51e又は絞り部51の出口51eの手前側の流路面積が最小になるように構成されている。換言すれば、絞り部51の壁面51sは、凸部53が設けられた領域以外の領域において、絞り部51の壁面51hと共にディフューザ43の流路面積を最小にする流路面積最小部を含み、且つ、凸部53は、この流路面積最小部よりも圧縮機インペラ35の出口側に位置している。そのため、絞り部51の壁面51sに凸部53が突出して形成されても、凸部53によってディフューザ43の最小流路面積が縮小されることがなく、遠心圧縮機27のチョーク流量を十分に確保することができる。
以上の如き、本発明の実施形態によれば、遠心圧縮機27のチョーク流量を十分に確保しつつ、遠心圧縮機27の小流量側の作動域において、圧縮機インペラ35の上流側に生成される逆流領域の拡大を十分に抑制できる。そのため、遠心圧縮機27の大流量側の作動域における圧縮機性能を低下させることなく、遠心圧縮機27のサージングを抑制して、遠心圧縮機27の作動域を、より小流量側へ拡大することができる。換言すれば、車両用過給機1の大流量側の作動域における圧縮機性能を低下させることなく、車両用過給機1のサージングを抑制して、車両用過給機1の作動域を、より小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るものでなく、例えば車両用過給機1における遠心圧縮機27に適用した技術的思想をガスタービン、産業用空気設備等における遠心圧縮機(図示省略)に適用したり、ディフューザ43に複数のディフューザベーン(図示省略)を周方向に間隔を置いて設けたりする等、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、前述の実施形態に限定されないものである。
本発明の実施例について図7を参照して説明する。
前述の発明例の場合、従来例の場合、及び比較例の場合における流量と圧力比との関係ついて数値流体解析を行った。その結果、図7に示すように、発明例の場合の方が従来例の場合及び比較例の場合に比べて遠心圧縮機の作動域ORを、より小流量側へ拡大できることが確認できた。
D1:軸方向、D2:半径方向、1:過給機(車両用過給機)、3:軸受ハウジング、9:ロータ軸、11:ラジアルタービン、13:タービンハウジング、15:タービンインペラ、17:タービンディスク、19:タービンブレード、27:遠心圧縮機、29:圧縮機ハウジング、31:ハウジング本体、31s:ハウジング本体のシュラウド、33:シールプレート、35:圧縮機インペラ、37:ハブ(圧縮機ディスク)、37h:ハブ面、39:圧縮機ブレード、41:空気取入口(流体取入口)、43:ディフューザ、43h:ディフューザのハブ側壁面(第1の壁)、43s:ディフューザのシュラウド側壁面(第2の壁)、45:圧縮機スクロール、47:空気排出口(流体排出口)、49:平行部、49g:平行部の入口、49h:平行部のハブ側壁面(第1の壁)、49s:平行部のシュラウド側壁面(第2の壁、平行面)、51:絞り部、51e:絞り部の出口(流路面積最小部の一例)、51h:絞り部のハブ側壁面(第1の壁)、51s:絞り部のシュラウド側壁面(第2の壁、テーパ面)、51si:絞り部のシュラウド側壁面の半径方向内側の端縁、53:凸部、53f:凸部の表面、53i:凸部の半径方向内側の端縁、53o:凸部の半径方向の外側の端縁
Claims (4)
- 遠心圧縮機であって、
内側にシュラウドを有するハウジングと、
前記ハウジング内に回転可能に設けられたインペラと、
前記インペラの入口側に連通する流体の取入口と、
前記インペラの出口側に連通するディフューザと、
前記流体の排出口と、
前記インペラから前記ディフューザを介して流出した流体を前記排出口に流通させる渦巻き状のスクロールと
を具備し、
前記ディフューザは、
半径方向外側に向かって延伸する第1の壁と、
前記シュラウドから前記半径方向外側に向かって前記第1の壁に漸次接近するように延伸するテーパ面、及び、前記テーパ面から前記第1の壁と平行に前記半径方向外側に向かって延伸する平行面を含む第2の壁と
を含み、
前記第2の壁の前記テーパ面は、
前記第1の壁と共に前記ディフューザの流路面積を最小にする流路面積最小部と、
前記テーパ面と一体的に形成され、前記流路面積最小部よりも前記インペラの前記出口側に位置し、前記ディフューザの流路に向けて突出した曲面を有する凸部と
を含む
ことを特徴とする遠心圧縮機。 - 前記インペラの軸心を含む断面において、前記凸部の平均曲率半径は、前記第2の壁の前記テーパ面の平均曲率半径よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の遠心圧縮機。
- 前記凸部における前記半径方向外側の端縁は、前記テーパ面における前記半径方向の中央位置よりも前記半径方向内側に位置していることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の遠心圧縮機。
- エンジンからの排気ガスの圧力エネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する過給機であって、
請求項1から請求項3のうちのいずれか1項に記載の遠心圧縮機を具備したことを特徴とする過給機。
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