JP6128230B2

JP6128230B2 - 遠心圧縮機及び過給機

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Publication number: JP6128230B2
Application number: JP2015544880A
Authority: JP
Inventors: 和枝石川
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: CN105408638A; JPWO2015064272A1; WO2015064272A1; US10330102B2; US20160108921A1; DE112014005001T5; CN105408638B

Description

本発明は、遠心力を利用して空気等のガスを含む流体を圧縮する遠心圧縮機及び過給機に関するものである。

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から特許文献３参照）。

一般的な遠心圧縮機は、ハウジングを具備している。このハウジングは、内側にシュラウドを有している。ハウジング内には、インペラがその軸心周りに回転可能に設けられている。インペラはディスクを備えている。このディスクのハブ面は、タービンインペラの軸方向一方側から径方向外側に向かって延びている。更に、ディスクのハブ面には、複数のブレードが周方向に間隔を置いて一体的に設けられている。各ブレードの先端縁は、ハウジングのシュラウドに沿うように延びている。

ハウジングにおけるインペラの入口側には、流体をハウジング内に導入するための導入流路（導入口）が形成されている。また、ハウジング内におけるインペラの出口側には、圧縮した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。なお、インペラの入口側及び出口側は、主流の流れ方向から見て上流側及び下流側をそれぞれ意味する。

ハウジング内におけるインペラとディフューザの間には絞り部が設けられている。絞り部は、ディフューザに連通して形成されている。また、絞り部の流路幅は、主流の流れ方向に沿って漸次小さくなっている。ハウジング内におけるディフューザの出口側には、渦巻き状のスクロール（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、ハウジングの適宜位置には、圧縮した流体をハウジングの外側へ排出するための排出流路（排出口）がスクロールに連通して形成されている。なお、排出流路とスクロールの巻き始め側は、ハウジングの舌部によって仕切られている。

特開２０１２−２４６９３１号公報特開２０１２−１９７７４９号公報特開２０１１−８９４９０号公報

実際の運転条件を模擬した試験において、ディフューザの出口静圧を測定したところ、図４に示すように、ディフューザの出口静圧の周方向の変動が大流量側（チョーク側）においては小さいものの、小流量側（サージ側）おいては大きくなることが確認された。具体的には、舌部の先端とインペラの軸心を通る線を基準線として仮定した場合、小流量側におけるディフューザの出口静圧が、インペラの回転方向において基準線から３０〜１３５度付近にある領域で高くなり、基準線から２１０〜３１５度付近にある領域で低くなることが確認された。換言すれば、小流量側におけるディフューザの出口静圧は、インペラの回転方向において舌部の先端よりも直前側に位置する領域（第１の領域）で高くなり、インペラの軸心を挟んで第１の領域の反対側に位置する領域（第２の領域）で低くなることが確認された。仮に、小流量側におけるディフューザの出口静圧の周方向の変動が更に大きくなったとすると、それが引き金となって遠心圧縮機のサージングが引き起こされる。このような状況では、遠心圧縮機の作動域を小流量側へ拡大させることが困難になる。

なお、図４は、インペラの回転方向における上記基準線からの角度位置とディフューザの出口静圧の回復率（インペラの入口全圧に対するディフューザの出口静圧の比率）との関係を示す図である。

本発明は、小流量側におけるディフューザの出口静圧の周方向の変動を低減できる遠心圧縮機及び過給機を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、遠心力を利用して流体を圧縮する遠心圧縮機であって、内側にシュラウドを有したハウジングと、前記ハウジング内に回転可能に設けられたインペラと、前記ハウジングにおける前記インペラの入口側に設けられ、流体を前記ハウジング内に導入する導入流路と、前記ハウジング内における前記インペラの出口側に設けられた環状のディフューザと、前記インペラと前記ディフューザの間に前記ディフューザに連通して設けられ、主流の流れ方向に沿って漸次小さくなる流路幅を有する環状の絞り部と、前記ディフューザの出口側に前記ディフューザに連通して設けられる渦巻き状のスクロールと、前記スクロールの巻き終わり側に連通して設けられ、流体を前記ハウジングの外側へ排出する排出流路と、前記排出流路と前記スクロールの巻き始め側との間を仕切る舌部とを備え、前記ディフューザの流路長さは、前記スクロールの前記巻き始め側に位置する第１の領域から前記インペラの軸心を挟んで前記第１の領域と反対側に位置し且つ前記第１の領域よりも前記巻き終わり側に位置する第２の領域にかけて増加していることを要旨とする。

なお、本願の明細書又は特許請求の範囲において、「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、インペラの軸方向のことをいい、「径方向」とは、インペラの径方向のことをいう。

本発明の第２の態様は過給機であって、第１の態様に係る遠心圧縮機を具備することを要旨とする。

本発明によれば、小流量側における前記ディフューザの出口静圧に関する傾向を相殺して、小流量側における前記ディフューザの出口静圧の周方向の変動を低減できる。そのため、前記遠心圧縮機のサージを十分に抑制して、前記遠心圧縮機の作動域を小流量側へ拡大することができる。

図１は、図３におけるＩ−Ｉ線に沿った断面図である。図２は、ディフューザとインペラの関係を示す図１の部分拡大図である。図３は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機を示す正断面図である。図４は、インペラの回転方向における角度位置とディフューザの出口静圧の回復率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３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、右方向である。

遠心圧縮機は遠心力を利用して空気を圧縮するものである。図１及び図３に示すように、本実施形態に係る遠心圧縮機１は、過給機３に用いられる。

遠心圧縮機１は、ハウジング（コンプレッサハウジング）５を具備している。ハウジング５は、内側にシュラウド７ｓを有したハウジング本体７と、ハウジング本体７の右側に設けられかつ空気の漏れを抑えるシールプレート９とを備えている。シールプレート９は、過給機３における別のハウジング（軸受ハウジング）１１に一体的に連結されている。

ハウジング５内には、インペラ（コンプレッサインペラ）１３がその軸心１３ｃ周りに回転可能に設けられている。インペラ１３は、ハウジング１１に複数の軸受（図示省略）を介して回転可能に設けた回転軸１５の左端部に一体的に連結されている。また、インペラ１３は、ディスク１７を備えている。ディスク１７のハブ面１７ｈは、左方向（インペラ１３の軸方向一方側）からの径方向（インペラ１３の径方向）外側へ延びている。ディスク１７のハブ面１７ｈには、複数の長ブレード(full blades, long blades)１９が周方向に間隔を置いて一体形成されている。各長ブレード１９の先端縁１９ｔは、ハウジング本体７のシュラウド７ｓに沿うように延びている。更に、周方向に隣接する長ブレード１９間には、短ブレード(splitter blades, short blades)２１がハブ面１７ｈに一体的に設けられている。短ブレード２１は、長ブレード１９よりも軸長が短い。また、各短ブレード２１の先端縁２１ｔは、ハウジング本体７のシュラウド７ｓに沿うように延びている。なお、軸長の異なるブレード（長ブレード１９及び短ブレード２１）を用いる代わりに、同じ軸長のブレード（図示省略）を用いてもよい。

ハウジング本体７におけるインペラ１３の入口側（主流の流れ方向から見て上流側）には導入流路（導入口）２３が形成されている。導入流路２３は、空気をハウジング５内に導入する。導入流路２３は、空気を浄化するエアクリーナ（図示省略）に接続する。また、ハウジング５内におけるインペラ１３の出口側（主流の流れ方向から見て下流側）にはディフューザ（ディフューザ流路）２５が形成されている。ディフューザ２５は環状に形成され、圧縮した空気を減速させて昇圧する。ディフューザ２５は、ハウジング本体７の一部により構成されたシュラウド側壁面２５ｓと、シールプレート９の一部により構成されたハブ側壁面２５ｈとを含む。なお、シュラウド側壁面２５ｓとは、ハウジング本体７のシュラウド７ｓを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２５ｈとは、ディスク１７のハブ面１７ｈを径方向外側へ延長した面側に位置する壁面のことをいう。

ハウジング５内におけるインペラ１３とディフューザ２５との間には絞り部（絞り流路）２７が形成されている。絞り部２７は、ディフューザ２５に連通している。軸方向における絞り部２７の流路幅は、主流の流れ方向に沿って漸次小さくなっている。また、ハウジング５内におけるディフューザ２５の出口側には、渦巻き状のスクロール（スクロール流路）２９が形成されている。スクロール２９は、ディフューザ２５に連通している。スクロール２９の断面積は、巻き終わり側（下流側）が巻き始め側（上流側）よりも大きい。そして、ハウジング本体７の適宜位置には排出流路（排出口）３１が形成されている。排出流路３１は、圧縮された空気をハウジング５の外側へ吐出させる。排出流路３１は、スクロール２９の巻き終わり側に連通する。また排出流路３１は、エンジンの吸気マニホールド（図示省略）に接続する。なお、排出流路３１とスクロール２９の巻き始め側との間は、ハウジング本体７の舌部３３によって仕切られている。

図１から図３に示すように、ディフューザ２５の外周縁２５ｏは、インペラ１３と同心上に位置している。また、ディフューザ２５の内周縁２５ｉ（絞り部２７の外周縁）の中心（軸心）２５ｉｃは、インペラ１３の軸心１３ｃに対して、舌部３３の先端３３ｔよりもインペラ１３の回転方向ＲＤから見て直前側に位置する領域（直前側領域、第１の領域）ＰＡに向かう方向（領域ＰＡ側）へ偏心してている。換言すれば、ディフューザ２５の流路長さ（径方向長さ）ｍは、領域ＰＡから、インペラ１３の軸心１３ｃを中心として領域ＰＡの反対側に位置する領域（反対領域、第２の領域）ＣＡにかけて漸次大きくなっている。更に換言すれば、ディフューザ２５の領域ＰＡはスクロール２９の巻き始め側に位置する。一方、ディフューザ２５の領域ＣＡはインペラ１３の軸心１３ｃを挟んで領域ＰＡと反対側に位置し且つ領域ＰＡよりもスクロール２９の巻き終わり側に位置する。ディフューザ２５の流路長さは、この領域ＰＡから領域ＣＡにかけて増加している。

ここで、舌部３３の先端３３ｔとインペラ１３の軸心１３ｃを通る線を基準線ＶＬとして仮定し、任意の位置について、回転方向ＲＤにおける基準線ＶＬからの角度を偏心角度と定義し、軸心１３ｃからの距離を偏心量と定義する。この定義の下、ディフューザ２５の内周縁２５ｉの中心２５ｉｃの偏心角度θは、４５〜１１５度に設定されている。この設定の範囲では、他の範囲よりも、ディフューザ２５の領域ＰＡの静圧回復率（静圧上昇率）の抑制と、ディフューザ２５の反対領域ＣＡの静圧回復率の向上が得られやすい。

上記の定義の下、ディフューザ２５の内周縁２５ｉの中心２５ｉｃの偏心量ｅは、インペラ１３の最大径ｄの３〜８％に設定されている。ディフューザ２５の内周縁２５ｉの中心２５ｉｃの偏心量ｅをインペラ１３の最大径ｄの３％以上に設定されるようにしたのは、ディフューザ２５の領域ＰＡの静圧回復率を抑制する作用、及びディフューザ２５の領域ＣＡの静圧回復率を高める作用を十分に発揮させるためである。一方、ディフューザ２５の内周縁２５ｉの中心２５ｉｃの偏心量ｅをインペラ１３の最大径ｄの８％以下に設定されるようにしたのは、絞り部２７の整流作用を十分に発揮させるためである。

なお、ディフューザ２５の内周縁２５ｉの形状は円形に限られない。即ち、内周縁２５ｉは、ディフューザ２５の流路長さｍが領域ＰＡから領域ＣＡにかけて漸次大きくなる形状を有していればよい。つまり、この条件を満たす限り、回転方向ＲＤにおける内周縁２５ｉの曲率は変化していてもよい。この場合も、内周縁２５ｉの各点における曲率中心の群は、インペラ１３の軸心１３ｃから領域ＰＡに偏心していることになる。

続いて、本実施形態の作用及び効果について説明する。

過給機３におけるラジアルタービン（図示省略）の駆動によって、インペラ１３がその軸心１３ｃ周りに回転軸１５と一体的に回転する。このインペラ１３の回転によって、導入流路２３からハウジング５内に導入した空気を圧縮することができる。そして、圧縮した空気は、絞り部２７によって整流され、ディフューザ２５によって減速させながら昇圧され、スクロール２９を経由して排出流路３１からハウジング５の外側へ吐出される。

ディフューザ２５の流路長さｍが領域ＰＡから領域ＣＡにかけて漸次大きくなるように構成されている。そのため、領域ＰＡにおける静圧回復率を抑えつつ、領域ＣＡにおける静圧回復率を高めることができる。これにより、小流量側におけるディフューザ２５の出口静圧が領域ＰＡにおいて高く、領域ＣＡにおいて低くなるという傾向（図４参照）を相殺して、小流量側におけるディフューザ２５の出口静圧の周方向の変動を低減することができる。

そして、ディフューザ２５のシュラウド側壁面２５ｓがハウジング本体７の一部により構成されている。そのため、機械加工によってハウジング本体７を仕上げる際に、ディフューザ２５のシュラウド側壁面２５ｓの径方向長さを周方向に沿って調節することにより、ディフューザ２５の流路長さｍを前述のように構成することができる。換言すれば、大幅な設計変更を行うことなく、小流量側におけるディフューザ２５の出口静圧の周方向の変動を低減することができる。

また、ディフューザ２５の外周縁２５ｏはインペラ１３と同心上に位置している。従って、ディフューザ２５の流路長さが周方向で変化するにも関わらず、スクロール２９については、ディフューザ２５の流路長さの変化に応じた偏心させる必要がない。つまり、スクロール２９については大幅な設計変更が不要である。また、ディフューザ２５からスクロール２９に流入する流体の流れへの影響を極力抑えることが可能となる。

従って、本実施形態によれば、大幅な設計変更を行うことなく、小流量側におけるディフューザ２５の出口静圧に関する傾向を相殺して、小流量側におけるディフューザ２５の出口静圧の周方向の変動を低減できるため、遠心圧縮機１の製造コストの低減を図りつつ、遠心圧縮機１のサージを十分に抑制して、遠心圧縮機１の作動域を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、例えば遠心圧縮機１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適用したり、ディフューザ２５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配設したりする等、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、遠心圧縮機１だけでなく、遠心圧縮機１を用いた過給機３にも及ぶものである。

１：遠心圧縮機、３：過給機、５：ハウジング、７：ハウジング本体、７ｓ：シュラウド、９：シールプレート、１３：インペラ、１３ｃ：インペラの軸心、１７：ディスク、１７ｈ：ディスクのハブ面、１９：長ブレード、１９ｔ：長ブレードの先端縁、２１：短ブレード、２１ｔ：短ブレードの先端縁、２３：導入流路、２５：ディフューザ、２５ｈ：ディフューザのハブ側壁面、２５ｓ：ディフューザのシュラウド側壁面、２５ｉ：ディフューザの内周縁、２５ｉｃ：ディフューザの内周縁の中心、２５ｏ：ディフューザの外周縁、２７：絞り部、２９：スクロール、３１：排出流路、３３：舌部、３３ｔ：舌部の先端、ＰＡ：ディフューザの直前側領域、ＣＡ：ディフューザの反対領域、ＲＤ：インペラの回転方向、ＶＬ：基準線

Claims

遠心力を利用して流体を圧縮する遠心圧縮機であって、
内側にシュラウドを有したハウジングと、
前記ハウジング内に回転可能に設けられたインペラと、
前記ハウジングにおける前記インペラの入口側に設けられ、流体を前記ハウジング内に導入する導入流路と、
前記ハウジング内における前記インペラの出口側に設けられた環状のディフューザと、
前記インペラと前記ディフューザの間に前記ディフューザに連通して設けられ、主流の流れ方向に沿って漸次小さくなる流路幅を有する環状の絞り部と、
前記ディフューザの出口側に前記ディフューザに連通して設けられる渦巻き状のスクロールと、
前記スクロールの巻き終わり側に連通して設けられ、流体を前記ハウジングの外側へ排出する排出流路と、
前記排出流路と前記スクロールの巻き始め側との間を仕切る舌部と
を備え、
前記ディフューザの流路長さは、前記スクロールの前記巻き始め側に位置する第１の領域から前記インペラの軸心を挟んで前記第１の領域と反対側に位置し且つ前記第１の領域よりも前記巻き終わり側に位置する第２の領域にかけて増加しており、
前記ディフューザの外周縁は前記インペラと同心上に位置している
ことを特徴とする遠心圧縮機。
前記ディフューザの内周縁の中心は、前記インペラの前記軸心から前記第１の領域に偏心していることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
前記舌部の先端と前記インペラの前記軸心を通る線を基準線として仮定し、任意の位置について前記インペラの回転方向における前記基準線からの角度を偏心角度と定義した場合、前記ディフューザの前記内周縁の前記中心の偏心角度は、４５〜１１５度に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の遠心圧縮機。
任意の位置について前記インペラの前記軸心から距離を偏心量と定義した場合、前記ディフューザの前記内周縁の前記中心の偏心量は、前記インペラの最大径の３〜８％に設定されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の遠心圧縮機。
請求項１から請求項４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。