JP6335068B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、遠心圧縮機に関するものである。

従来、この分野の技術として、下記特許文献１に記載の遠心圧縮機が知られている。この遠心圧縮機のコンプレッサ翼車は、フルブレードと、フルブレード同士の間に配設された第１スプリッタブレード及び第２スプリッタブレードと、を備えている。特許文献１では、第１スプリッタブレード及び第２スプリッタブレードのシュラウド側の前縁を、フルブレードの負圧面側に寄せる旨が提案されている。

特開２０１２−１４０８９９号公報

この種のコンプレッサ翼車のブレードは複雑な形状でありブレード同士の間隔も狭いので、切削加工時の加工性を良くするために、ブレード同士の間隔を可能な限り大きくすることが望まれる。その一方、安易にブレードの間隔を広げる設計をすれば、コンプレッサ翼車の性能低下を招く場合がある。

この課題に鑑み、本発明は、性能を維持しながら加工性を向上したコンプレッサ翼車を備える遠心圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の遠心圧縮機は、切削加工で製作され所定の回転軸線周りに回転可能に設けられたコンプレッサ翼車を備える遠心圧縮機であって、コンプレッサ翼車は、回転軸線周りに回転可能に設けられたハブと、ハブの外周面に回転周方向に沿って配設された複数のフルブレードと、フルブレード同士の間に配設され、第１スプリッタブレードと第１スプリッタブレードよりも回転方向の後方に位置する第２スプリッタブレードとからなるスプリッタブレード群と、を備え、第１スプリッタブレードは第２スプリッタブレードよりも回転軸線方向の寸法が短く、第２スプリッタブレードはフルブレードよりも回転軸線方向の寸法が短く、第１スプリッタブレードの後縁ハブ側は、フルブレードの後縁ハブ側同士の間を回転周方向に３等分する位置であるか、当該３等分する位置よりも第２スプリッタブレード側に寄って位置し、第２スプリッタブレードの後縁ハブ側は、フルブレードの後縁ハブ側同士の間を回転周方向に３等分する位置よりも第１スプリッタブレード側に寄って位置し、第２スプリッタブレードと当該第２スプリッタブレードに隣接するフルブレードとの間の第１スロート幅が、コンプレッサ翼車のインペラ径の２．１７％以上である。

この遠心圧縮機によれば、コンプレッサ翼車の第２スプリッタブレードとフルブレードとの間隔が一定量確保される。これにより、コンプレッサ翼車の切削加工時に、第２スプリッタブレードとフルブレードとの間に適切なサイズの工具が入り易く、第２スプリッタブレード及びフルブレードの付け根の加工が容易になる。また、第１スプリッタブレード及び第２スプリッタブレードの上記の配置によれば、従来のコンプレッサ翼車と同等の性能が得られる。

また、第１スプリッタブレードと当該第１スプリッタブレードに隣接するフルブレードとの間の第２スロート幅が、インペラ径の２．４７％以上であり、第１スプリッタブレードと当該第１スプリッタブレードに隣接する第２スプリッタブレードとの間の第３スロート幅が、インペラ径の２．１７％以上且つ３．７０％未満であることとしてもよい。

この構成によれば、コンプレッサ翼車の切削加工時に、フルブレード、第１スプリッタブレード、及び第２スプリッタブレードのそれぞれの間に適切なサイズの工具が入り易い。

本発明によれば、性能を維持しながら加工性を向上したコンプレッサ翼車を備える遠心圧縮機を提供することができる。

本発明の遠心圧縮機が適用される過給機の一例を示す断面図である。 過給機のコンプレッサ翼車を示す斜視図である。 過給機のコンプレッサ翼車を示す正面図である。 過給機のコンプレッサ翼車を示す側面図である。 過給機のコンプレッサ翼車の第１及び第２スプリッタブレードの前縁ハブ側の近傍を拡大して示す側面図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明者らによるＣＦＤの結果を示すグラフである。 （ａ），（ｂ）は、本発明者らによる他のＣＦＤの結果を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の遠心圧縮機が適用される過給機の一例について説明する。

図１に示されるように、過給機１は、タービン２とコンプレッサ３（遠心圧縮機）とを備えている。タービン２は、タービンハウジング４と、タービンハウジング４に収納されたタービン翼車６と、を備えている。コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング５と、コンプレッサハウジング５に収納されたコンプレッサ翼車７と、を備えている。タービン翼車６は回転軸１４の一端に設けられており、コンプレッサ翼車７は回転軸１４の他端に設けられている。タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５との間には、軸受ハウジング１３が設けられている。回転軸１４は、軸受１５を介して軸受ハウジング１３に回転可能に支持されており、回転軸１４、タービン翼車６及びコンプレッサ翼車７が一体の回転体１２として回転する。

タービンハウジング４には、排気ガス流入口８及び排気ガス流出口１０が設けられている。内燃機関（図示せず）から排出された排気ガスが、排気ガス流入口８を通じてタービンハウジング４内に流入し、タービン翼車６を回転させ、その後、排気ガス流出口１０を通じてタービンハウジング４外に流出する。

コンプレッサハウジング５には、吸入口９及び吐出口１１が設けられている。上記のようにタービン翼車６が回転すると、回転軸１４を介してコンプレッサ翼車７が回転する。回転するコンプレッサ翼車７は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入し、圧縮して吐出口１１から吐出する。吐出口１１から吐出された圧縮空気は、前述の内燃機関に供給される。

続いて、図２〜図５を参照しながら、コンプレッサ翼車７について更に説明する。なお、各図に示されるコンプレッサ翼車７は、以下で説明する各部位の寸法を必ずしも正確に反映するものではない。

コンプレッサ翼車７は、回転軸線Ａ周りに矢印Ｂ方向に回転する。コンプレッサ翼車７は、例えばアルミ合金製であり、「マルチスプリッタインペラ」と呼ばれるタイプのコンプレッサ翼車である。具体的には、コンプレッサ翼車７は、回転軸１４（図１）に取り付けられ回転軸線Ａ周りに回転するハブ２０と、ハブ２０の外周面に回転周方向に沿って配設された複数（図の例では６枚）のフルブレード２３と、を備えている。ハブ２０は、先端側に行くに従って小径となる形状をなし、回転軸線Ａ側を凸にして湾曲する外側面を有している。フルブレード２３はハブ２０の外周面上において回転周方向に等間隔に配置されている。フルブレード２３同士の間には、スプリッタブレード群２４が設けられている。各スプリッタブレード群２４は、２枚のスプリッタブレードからなる。２枚のスプリッタブレードのうち、回転方向前方に位置するものを第１スプリッタブレード２１と呼び、回転方向後方に位置するものを第２スプリッタブレード２２と呼ぶ。フルブレード２３の軸長（回転軸線方向の寸法）をＬｆ、第１スプリッタブレード２１の軸長をＬｓ１、第２スプリッタブレード２２の軸長をＬｓ２とすれば、Ｌｆ＞Ｌｓ２＞Ｌｓ１の関係がある（図４参照）。

複数（図の例では６枚）の第１スプリッタブレード２１は、それぞれ、ハブ２０の外周面において回転周方向に沿って等間隔に配置されている。また、複数（図の例では６枚）の第２スプリッタブレード２２は、それぞれ、ハブ２０の外周面において回転周方向に沿って等間隔に配置されている。なお以下では、フルブレード２３、第１スプリッタブレード２１及び第２スプリッタブレード２２の３種類を総称して単に「ブレード」と呼ぶ場合がある。上述のようなコンプレッサ翼車７は、例えば同時５軸制御による切削加工で製作される。

ハブ２０は、先端側に行くほど小径になる形状をなすので、ブレード同士の間隔は、コンプレッサ翼車７の前縁側に行くほど狭くなる。従って、第２スプリッタブレード２２の前縁（リーディングエッジ）ハブ側２２ｊと、フルブレード２３の付け根２３ｈとの間隙２９は特に狭い。コンプレッサ翼車７の製作時において、この間隙２９に切削工具が入らない場合、第２スプリッタブレード２２の付け根２２ｈやフルブレード２３の付け根２３ｈの丸み（Ｒ）が１回で加工できない。そうすると、当該付け根２２ｈ，２３ｈの近傍を小さい工具で複数回切削する必要があり、加工時間が増大してしまう。その一方、安易に上記間隙２９を広げる設計をすれば、コンプレッサ翼車７の性能低下を招く場合がある。

そこで、この問題に鑑み、コンプレッサ翼車７では、各ブレードの配置を次のようなものとする。

互いに隣り合うフルブレード２３及びフルブレード２３’（図３参照）と、そのフルブレード２３，２３’の間に位置する第１スプリッタブレード２１及び第２スプリッタブレード２２とを考える。各ブレードの後縁（トレーリングエッジ）において、第１スプリッタブレード２１の後縁ハブ側２１ｋは、フルブレード２３の後縁ハブ側２３ｋとフルブレード２３’の後縁ハブ側２３ｋ’との間を回転周方向に３等分する位置に位置するか、又は、当該３等分する位置よりも第２スプリッタブレード２２側に寄って位置する。また、第２スプリッタブレード２２の後縁ハブ側２２ｋは、フルブレード２３の後縁ハブ側２３ｋとフルブレード２３’の後縁ハブ側２３ｋ’との間を回転周方向に３等分する位置よりも第１スプリッタブレード２１側に寄って位置する。

すなわち、図３に示されるように、フルブレード２３’の後縁ハブ側２３ｋ’と第１スプリッタブレード２１の後縁ハブ側２１ｋとの中心間距離をａ１、第１スプリッタブレード２１の後縁ハブ側２１ｋと第２スプリッタブレード２２の後縁ハブ側２２ｋとの中心間距離をｂ１、第２スプリッタブレード２２の後縁ハブ側２２ｋとフルブレード２３の後縁ハブ側２３ｋとの中心間距離をｃ１、とすれば、
ａ１≧（ａ１＋ｂ１＋ｃ１）／３かつｃ１＞（ａ１＋ｂ１＋ｃ１）／３の関係がある。なお、ａ１，ｂ１，ｃ１は、すべて各ブレードの後縁ハブ側２１ｋ，２２ｋ，２３ｋ，２３ｋ’が位置する円周上で測った円弧の長さである。

また、前述の通り、ハブ２０が先端側に行くほど小径になる形状をなすことから、幾何学的に、第２スプリッタブレード２２の前縁ハブ側２２ｊと当該第２スプリッタブレード２２に隣接するフルブレード２３の付け根２３ｈとの間隙２９が特に狭くなり易く、切削加工を困難にする場合がある。そこで、図５に示されるように、第２スプリッタブレード２２と当該第２スプリッタブレード２２に隣接するフルブレード２３との間のスロート幅（以下「寸法ｃ２」とする）は、コンプレッサ翼車７のインペラ径Ｄの２．１７％以上とする。なお、スロート幅は、互いに隣接するブレードの付け根同士を結ぶ直線のうち最短の直線の長さに該当する。本実施形態の場合、寸法ｃ２（第１のスロート幅）は、第２スプリッタブレード２２の前縁ハブ側２２ｊに対向する付け根２３ｈ上の点のうち前縁ハブ側２２ｊに最も近い点と、前縁ハブ側２２ｊとの直線距離である。厳密には、寸法ｃ２には、前縁ハブ側２２ｊの丸み部分の長さ及び付け根２３ｈの丸み部分の長さは含まれない。

この構成によれば、第２スプリッタブレード２２とフルブレード２３との間隙２９が一定量確保される。これにより、コンプレッサ翼車７の切削加工時に、第２スプリッタブレード２２とフルブレード２３との間に適切なサイズの工具が入り、第２スプリッタブレード２２の付け根２２ｈやフルブレード２３の付け根２３ｈの丸みを１回で加工することが可能になる。よって、コンプレッサ翼車７の加工性が良くなる。また、詳細は後述するが、第１スプリッタブレード２１及び第２スプリッタブレード２２の上記の配置によれば、コンプレッサ翼車７の極端な性能低下も発生しない。よって、性能を維持しながら加工性を向上させたコンプレッサ翼車７及びこれを備えるコンプレッサ３が得られる。

更に、図５に示されるように、第１スプリッタブレード２１と当該第１スプリッタブレード２１に隣接するフルブレード２３’との間のスロート幅を「寸法ａ２」とする。また、第１スプリッタブレード２１と当該第１スプリッタブレード２１に隣接する第２スプリッタブレード２２との間のスロート幅を「寸法ｂ２」とする。このとき、寸法ａ２（第２のスロート幅）がインペラ径Ｄの２．４７％以上であり、寸法ｂ２（第３のスロート幅）がインペラ径Ｄの２．１７％以上且つ３．７０％未満であると更に好ましい。具体的には、寸法ｂ２は、インペラ径Ｄの２．１７％以上且つ３．７０％未満の値であって寸法ｃ２及び寸法ａ２に基づいて定まる値となる。

本実施形態の場合、寸法ａ２は、第１スプリッタブレード２１の前縁ハブ側２１ｊに対向する付け根２３ｈ’上の点のうち前縁ハブ側２１ｊに最も近い点と、前縁ハブ側２１ｊとの直線距離である。厳密には、寸法ａ２には、前縁ハブ側２１ｊの丸み部分の長さ及び付け根２３ｈ’の丸み部分の長さは含まれない。同様に、本実施形態の場合、寸法ｂ２は、前縁ハブ側２１ｊに対向する付け根２２ｈ上の点のうち前縁ハブ側２１ｊに最も近い点と、前縁ハブ側２１ｊとの直線距離である。厳密には、寸法ｂ２には、前縁ハブ側２１ｊの丸み部分の長さ及び付け根２２ｈの丸み部分の長さは含まれない。

ここで、前述の寸法ｃ２の条件と同様に、寸法ａ２がインペラ径Ｄの２．１７％以上であれば、コンプレッサ翼車７の切削加工時に、フルブレード２３’と第１スプリッタブレード２１との間に適切なサイズの工具が入り、これらのブレード２３’，２１の付け根２３ｈ’，２１ｈの丸みを１回で加工することが可能になる。同様に、寸法ｂ２がインペラ径Ｄの２．１７％以上であれば、第１スプリッタブレード２１と第２スプリッタブレード２２との間に適切なサイズの工具が入り、これらのブレードの付け根の丸みを１回で加工することが可能になる。

よって、上述した寸法ａ２，ｂ２，ｃ２の条件が満たされた場合、コンプレッサ翼車７の切削加工時に、フルブレード２３，２３’、第１スプリッタブレード２１、及び第２スプリッタブレード２２のそれぞれの間に適切なサイズの工具が入る。その結果、各ブレードの付け根の丸みを１回で加工することが可能であるので、コンプレッサ翼車７の加工性が更に良い。

続いて、上述したブレードの配置による上述の作用効果を確認するために本発明者らが実行した数値流体解析（ＣＦＤ）について説明する。

（数値流体解析（１））
下表１に示されるように、まずベースとなるコンプレッサ翼車のモデルＭ３を作成した。モデルＭ３は、フルブレード２３、第１スプリッタブレード２１、第２スプリッタブレード２２を６枚ずつ備えるものである。モデルＭ３では、各ブレードの後縁ハブ側２１ｋ，２２ｋ，２３ｋが等間隔に配置され寸法ａ１，ｂ１，ｃ１はすべて等しい。また、モデルＭ３では、寸法ａ２はインペラ径Ｄの２．４７％、寸法ｂ２はインペラ径Ｄの３．７０％、寸法ｃ２はインペラ径Ｄの１．７４％であった。

表１に示されるモデルＭ１〜Ｍ５は、フルブレード２３及び第２スプリッタブレード２２の位置を固定し、第１スプリッタブレード２１のみをコンプレッサ翼車７の回転周方向へ回転移動させたものである。具体的には、モデルＭ２は、モデルＭ３に対して第１スプリッタブレード２１を第２スプリッタブレード２２に近づけるように移動させたモデルであり、モデルＭ１は第１スプリッタブレード２１を第２スプリッタブレード２２に更に近づけるように移動させたモデルである。また、モデルＭ４は、モデルＭ３に対して第１スプリッタブレード２１を第２スプリッタブレード２２から遠ざけるように移動させたモデルであり、モデルＭ５は第１スプリッタブレード２１を第２スプリッタブレード２２から更に遠ざけるように移動させたモデルである。各モデルＭ１〜Ｍ５における寸法ａ２，ｂ２，ｃ２が、インペラ径Ｄに対するパーセント表示として表１に示されている。

各モデルＭ１〜Ｍ５によるＣＦＤの結果は、図６に示される。図６（ａ）は、各モデルＭ１〜Ｍ５の流量−圧力比の関係を示すグラフであり、図６（ｂ）は、各モデルＭ１〜Ｍ５の流量−効率の関係を示すグラフである。グラフから理解される通り、モデルＭ４，Ｍ５はベースのモデルＭ３に対して圧力比及び効率が低下したが、モデルＭ１，Ｍ２はモデルＭ３に対して遜色ない圧力比及び効率を示すことが判った。よって、第１スプリッタブレード２１を第２スプリッタブレード２２に近づける変更は、コンプレッサ翼車７の極端な性能低下の原因にならないことが確認された。

ここで、前述の通り、各寸法ａ２，ｂ２，ｃ２が、すべてインペラ径Ｄの２．１７％以上であれば、コンプレッサ翼車７の良好な加工性が得られる。よって、この条件を加え、寸法ａ２がインペラ径Ｄの２．４７％以上、かつ寸法ｂ２がインペラ径Ｄの２．１７％以上かつ３．７０％未満の条件を満足すれば、コンプレッサ翼車７における、ベースのモデルＭ３と同等の性能と良好な加工性が両立される。

なお、グラフに示される圧力比とは、コンプレッサ翼車７の入口（図１の吸入口９に相当）に対する出口（図１の吐出口１１に相当）の気体の圧力比である。また、グラフに示される効率とは、コンプレッサ翼車７に付与された仕事に対するコンプレッサ翼車７がした仕事の比である。

（数値流体解析（２））
表２に示されるモデルＭ６〜Ｍ１０は、フルブレード２３及び第１スプリッタブレード２１の位置を固定し、第２スプリッタブレード２２のみをコンプレッサ翼車７の回転周方向へ回転移動させたものである。ベースとなるモデルＭ８は、前述のモデルＭ３と同じものである。モデルＭ７は、モデルＭ８に対して第２スプリッタブレード２２を第１スプリッタブレード２１から遠ざけるように移動させたモデルであり、モデルＭ６は第２スプリッタブレード２２を第１スプリッタブレード２１から更に遠ざけるように移動させたモデルである。また、モデルＭ９は、モデルＭ８に対して第２スプリッタブレード２２を第１スプリッタブレード２１に近づけるように移動させたモデルであり、モデルＭ１０は第２スプリッタブレード２２を第１スプリッタブレード２１に更に近づけるように移動させたモデルである。各モデルＭ６〜Ｍ１０における寸法ａ２，ｂ２，ｃ２が、インペラ径Ｄに対するパーセント表示として表２に示されている。

各モデルＭ６〜Ｍ１０によるＣＦＤの結果は、図７に示される。図７（ａ）は、各モデルＭ６〜Ｍ１０の流量−圧力比の関係を示すグラフであり、図７（ｂ）は、各モデルＭ６〜Ｍ１０の流量−効率の関係を示すグラフである。グラフから理解される通り、例えばモデルＭ６はベースのモデルＭ８に対して圧力比が低下したが、モデルＭ９，Ｍ１０はモデルＭ８に対して遜色ない圧力比及び効率を示すことが判った。すなわち、第２スプリッタブレード２２を第１スプリッタブレード２１に近づける変更は、コンプレッサ翼車７の極端な性能低下の原因にならないことが確認された。

ここで、前述の通り、各寸法ａ２，ｂ２，ｃ２が、すべてインペラ径Ｄの２．１７％以上であれば、コンプレッサ翼車７の良好な加工性が得られる。よって、この条件を加え、寸法ｂ２がインペラ径Ｄの２．１７％以上かつ３．７０％未満、かつ寸法ｃ２がインペラ径Ｄの２．１７％以上の条件で、コンプレッサ翼車７における、ベースのモデルＭ３（Ｍ８）と同等の性能と良好な加工性が両立される。

以上の数値流体解析（１），（２）の結果をまとめると、寸法ａ２がインペラ径Ｄの２．４７％以上、かつ寸法ｂ２がインペラ径Ｄの２．１７％以上かつ３．７０％未満、かつ寸法ｃ２がインペラ径Ｄの２．１７％以上であると、コンプレッサ翼車７の性能を維持しながら加工性を向上する上で最も好ましいことが確認された。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形したものであってもよい。例えば、実施形態ではブレード２１，２２，２３のセットを６セット備えるコンプレッサ翼車７を例示して説明しているが、本発明は、ブレードのセット数が異なるコンプレッサ翼車にも適用することができる。

３ コンプレッサ（遠心圧縮機）
７ コンプレッサ翼車
２０ ハブ
２１ 第１スプリッタブレード
２１ｊ 前縁ハブ側
２１ｋ 後縁ハブ側
２２ 第２スプリッタブレード
２２ｊ 前縁ハブ側
２２ｋ 後縁ハブ側
２２ｈ 付け根
２３、２３’ フルブレード
２３ｋ、２３ｋ’ 後縁ハブ側
２３ｈ、２３ｈ’ 付け根
２４ スプリッタブレード群
Ａ 回転軸線
Ｄ インペラ径
ａ２ 第２のスロート幅
ｂ２ 第３のスロート幅
ｃ２ 第１のスロート幅

Claims (2)

1. 切削加工で製作され所定の回転軸線周りに回転可能に設けられたコンプレッサ翼車を備える遠心圧縮機であって、
   前記コンプレッサ翼車は、
   前記回転軸線周りに回転可能に設けられたハブと、
   前記ハブの外周面に回転周方向に沿って配設された複数のフルブレードと、
   前記フルブレード同士の間に配設され、第１スプリッタブレードと前記第１スプリッタブレードよりも回転方向の後方に位置する第２スプリッタブレードとからなるスプリッタブレード群と、を備え、
   前記第１スプリッタブレードは前記第２スプリッタブレードよりも前記回転軸線方向の寸法が短く、前記第２スプリッタブレードは前記フルブレードよりも前記回転軸線方向の寸法が短く、
   前記第１スプリッタブレードの後縁ハブ側は、前記フルブレードの後縁ハブ側同士の間を回転周方向に３等分する位置であるか、当該３等分する位置よりも前記第２スプリッタブレード側に寄って位置し、
   前記第２スプリッタブレードの後縁ハブ側は、前記フルブレードの後縁ハブ側同士の間を回転周方向に３等分する位置よりも前記第１スプリッタブレード側に寄って位置し、
   前記第２スプリッタブレードと当該第２スプリッタブレードに隣接する前記フルブレードとの間の第１スロート幅が、前記コンプレッサ翼車のインペラ径の２．１７％以上である、遠心圧縮機。
2. 前記第１スプリッタブレードと当該第１スプリッタブレードに隣接する前記フルブレードとの間の第２スロート幅が、前記インペラ径の２．４７％以上であり、
   前記第１スプリッタブレードと当該第１スプリッタブレードに隣接する前記第２スプリッタブレードとの間の第３スロート幅が、前記インペラ径の２．１７％以上且つ３．７０％未満である、請求項１に記載の遠心圧縮機。

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