JP6369621B2 - 遠心圧縮機および過給機 - Google Patents

Description

本開示は、インペラの回転によって吸気を圧縮する遠心圧縮機および過給機に関する。

従来、一端にタービンインペラが設けられ他端にコンプレッサインペラが設けられたシャフトが、ベアリングハウジングに回転自在に支持された過給機が知られている。こうした過給機をエンジンに接続し、エンジンから排出される排気ガスによってタービンインペラを回転させるとともに、このタービンインペラの回転によって、シャフトを介してコンプレッサインペラを回転させる。こうして、過給機は、コンプレッサインペラの回転に伴い空気を圧縮してエンジンに送出する。

過給機のコンプレッサインペラ側は、所謂遠心圧縮機として機能している。一般的に、遠心圧縮機では、吸気流量が小さい領域でサージングが生じる。サージングは、コンプレッサインペラで圧縮された高圧の吸気（気体）が、低圧側であるコンプレッサインペラの上流側に逆流することによって生じる現象であり、この現象は遠心圧縮機の運転を不安定にする。そこで、特許文献１に記載の遠心圧縮機は、インペラを収容するハウジングの内壁に形成される溝（特許文献１では「環状凹溝」）を有している。この溝は、コンプレッサインペラの周方向に延伸する環状に形成され、当該コンプレッサインペラにおける翼の前縁をまたぐように位置している。吸気流量が小さい領域で逆流した吸気は、環状凹溝に到達すると、環状凹溝に沿って流れることで、逆流から順流に流れの向きを変える。これにより、吸気の逆流による影響が小さくなり、サージングの発生が抑制される。

特開昭５８−１８６００号公報

上記の特許文献１のように、ハウジングの内壁に溝を形成することで吸気の逆流の影響を抑制することができる。しかし、溝内の気体の流れは損失となるため、この損失の抑制が可能となる技術の開発が希求されている。

本願の目的は、吸気の逆流による圧力損失を低減することが可能な遠心圧縮機および過給機を提供することである。

本開示の第１の態様は遠心圧縮機であって、内部に吸気路を有するハウジングと、吸気路内に収容されたインペラと、吸気路の内壁に形成され、インペラの回転方向に延在する偏流溝とを備え、偏流溝を形成する溝壁と吸気路の内壁とが連続的に接続する境界部は、吸気の流通方向の上流側に位置する上流側境界部と、流通方向の下流側に位置する下流側境界部とを含み、上流側境界部は、下流側境界部よりも、インペラの径方向において内側に位置し、前記偏流溝は、流通方向においてインペラよりも上流側に位置することを要旨とする。

上流側境界部における、偏流溝の溝壁及び溝壁の接線方向のうちの何れかと、吸気路の内壁及び内壁の接線方向のうちの何れかとの成す角は、９０度以下であってもよい。

下流側境界部における、偏流溝の溝壁及び溝壁の接線方向のうちの何れかと、吸気路の内壁及び内壁の接線方向のうちの何れかとの成す角は、９０度以上であってもよい。

偏流溝は、上流側境界部からインペラの径方向と平行に延在する上流溝壁部と、上流溝壁部から下流側境界部まで延在するとともに、上流溝壁部に鋭角に接続する下流溝壁部と、を備えてもよい。

上記課題を解決するために、本開示の過給機は、上記遠心圧縮機を備えることを特徴とする。

本開示によれば、吸気の逆流による圧力損失を低減することが可能となる。

図１は、本開示の実施形態に係る過給機の概略断面図である。 図２は、図１の破線部分の抽出図である。 図３は、図２の二点鎖線部分の抽出図である。 図４（ａ）〜図４（ｃ）は、本実施形態の第１〜第３変形例を説明するための図である。 図５（ａ）〜図５（ｃ）は、本実施形態の第４〜第６変形例を説明するための図である。 図６は、本実施形態の第７変形例を説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、本開示内容の理解を容易とするための例示にすぎない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本実施形態に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、過給機Ｃの概略断面図である。以下では、図に示す矢印Ｌを過給機Ｃの左側を示す方向とし、矢印Ｒを過給機Ｃの右側を示す方向として説明する。図１に示すように、過給機Ｃは、過給機本体１を備えている。過給機本体１は、ベアリングハウジング２（ハウジング）と、ベアリングハウジング２の左側に締結ボルト３によって連結されるタービンハウジング４と、ベアリングハウジング２の右側に締結ボルト５によって連結されるコンプレッサハウジング６（ハウジング）と、を有する。これらは一体化されている。

ベアリングハウジング２には、過給機Ｃの左右方向に貫通する軸受孔２ａが形成されている。この軸受孔２ａには軸受７が収容される。軸受７は、シャフト８を回転自在に支持する。シャフト８の左端部にはタービンインペラ９が一体的に固定されており、このタービンインペラ９がタービンハウジング４内に回転自在に収容されている。また、シャフト８の右端部にはコンプレッサインペラ（インペラ）１０が一体的に固定されており、このコンプレッサインペラ１０がコンプレッサハウジング６内に回転自在に収容されている。

コンプレッサハウジング６には吸気口１１が形成されている。吸気口１１は、過給機Ｃの右側に開口し、エアクリーナ（図示せず）に接続する。また、締結ボルト５によってベアリングハウジング２とコンプレッサハウジング６とが連結された状態では、これら両ハウジング２、６の、互いの対向面が、気体（例えば空気）を昇圧するディフューザ流路１２を形成する。ディフューザ流路１２は、シャフト８の径方向内側から外側に向けて環状に形成されている。ディフューザ流路１２は、上記の径方向内側において、コンプレッサインペラ１０を介して吸気口１１に連通している。

また、コンプレッサハウジング６にはコンプレッサスクロール流路１３が設けられている。コンプレッサスクロール流路１３は環状に形成され、ディフューザ流路１２よりもシャフト８の径方向外側に位置する。コンプレッサスクロール流路１３は、エンジンの吸気口（図示せず）に連通している。また、コンプレッサスクロール流路１３は、ディフューザ流路１２にも連通している。したがって、コンプレッサインペラ１０が回転すると、気体が吸気口１１からコンプレッサハウジング６内に吸い込まれ、コンプレッサインペラ１０の翼間を流通する過程において増速増圧され、ディフューザ流路１２およびコンプレッサスクロール流路１３で昇圧（圧力回復）されてエンジンに導かれる。

タービンハウジング４には吐出口１４が形成されている。吐出口１４は、過給機Ｃの左側に開口し、排気ガス浄化装置（図示せず）に接続する。また、タービンハウジング４には、流路１５と、この流路１５よりもシャフト８の径方向外側に位置する環状のタービンスクロール流路１６とが設けられている。タービンスクロール流路１６は、エンジンの排気マニホールド（図示せず）から排出される排気ガスが導かれるガス流入口（図示せず）に連通する。また、タービンスクロール流路１６は、流路１５にも連通している。したがって、排気ガスは、ガス流入口からタービンスクロール流路１６に導かれ、流路１５およびタービンインペラ９を介して吐出口１４に導かれる。この流通過程において、排気ガスはタービンインペラ９を回転させる。タービンインペラ９の回転力は、シャフト８を介してコンプレッサインペラ１０に伝達され、これによりコンプレッサインペラ１０は回転する。気体は、コンプレッサインペラ１０の回転力によって昇圧され、エンジンに導かれる。

このように、過給機Ｃのうち、コンプレッサハウジング６側の構成要素は、コンプレッサインペラ１０の回転によって、吸気口１１からディフューザ流路１２に導かれる吸気（気体）を圧縮する遠心圧縮機ＣＣとして機能する。

図２は、図１の破線部分の抽出図である。図２に示すように、吸気路１７は、吸気口１１からディフューザ流路１２まで連通する気体の流路である。吸気路１７は、吸気口１１から流入した吸気をディフューザ流路１２まで導く。コンプレッサインペラ１０は、吸気路１７内に収容されている。

吸気路１７の内壁１７ａには、偏流溝１８が形成されている。偏流溝１８は、コンプレッサインペラ１０の回転方向に延在する環状の溝である。偏流溝１８は、コンプレッサインペラ１０の軸方向において、コンプレッサインペラ１０よりも吸気口１１側に配される。換言すれば、偏流溝１８は、吸気の流通方向（吸気口１１からコンプレッサインペラ１０に向かう方向）においてコンプレッサインペラ１０よりも上流側に位置する。詳細には、偏流溝１８における端部１８ａ（図２における左側の端部）は、コンプレッサインペラ１０の吸気口１１側の端部１０ａよりも吸気口１１側に位置している。

図３は、図２の二点鎖線部分の抽出図である。図３に示すように、偏流溝１８を形成する溝壁１８ｂと吸気路１７の内壁１７ａとが連続的に接続する境界部は、吸気の流通方向の上流側（図３中、右側）に位置する上流側境界部１９と、吸気の流通方向の下流側（図３中、左側）に位置する下流側境界部２０とを含んでいる。換言すれば、境界部は、溝壁１８ｂと吸気路１７の内壁１７ａとが互いに接続によって形成される。また、上流側境界部１９は、下流側境界部２０よりも、コンプレッサインペラ１０の径方向において内側（図３中、下側）に位置する。

図３は、例えば、コンプレッサインペラ１０の回転軸を含む平断面を示している。この図に示すように、上流側境界部１９および下流側境界部２０は、曲面形状を有する。

上流側境界部１９において、溝壁１８ｂの接線方向と吸気路１７の内壁１７ａの接線方向との成す角αは、９０度以下となっている。

下流側境界部２０において、溝壁１８ｂの接線方向と、吸気路１７の内壁１７ａの接線方向との成す角βは、９０度以上となっている。

偏流溝１８の溝壁１８ｂは、上流溝壁部１８ｃと、下流溝壁部１８ｄとを含んでいる。上流溝壁部１８ｃは、上流側境界部１９からコンプレッサインペラ１０の径方向と平行に延在する部位である。下流溝壁部１８ｄは、下流側境界部２０から上流溝壁部１８ｃまで延在する部位である。図３に示すように、上流溝壁部１８ｃおよび下流溝壁部１８ｄの境界部２１は、曲面形状を有する。境界部２１において、上流溝壁部１８ｃおよび下流溝壁部１８ｄそれぞれの接線方向の成す角γが、鋭角となっている。

気体は、吸気口１１から吸気路１７に流入し、ディフューザ流路１２に向かって流れる。う即ち、図３中の白抜き矢印で示すように、気体は左側に向かって流れる。このとき、過給機Ｃの吸気流量が小さい領域では、一点鎖線の矢印で示すように、吸気路１７の内壁１７ａ近傍において、コンプレッサインペラ１０で圧縮された高圧の吸気の一部が、低圧側であるコンプレッサインペラ１０の上流側に逆流する。

このように逆流した吸気は、遠心力により吸気路１７の内壁１７ａから偏流溝１８の溝壁１８ｂに沿って流れる。具体的には、偏流溝１８の内部で、下流溝壁部１８ｄから上流溝壁部１８ｃに向かって逆流した吸気が流れることで、流れの向きが変化（偏向）し、吸気の主流に合流する。

本実施形態の偏流溝１８では、径方向内側に突出した上流溝壁部１８ｃが、逆流の「返し（リフレクタ）」として機能し、吸気の主流との合流による干渉（混合損失）を低減する。そのため、吸気の逆流による損失を低減することができる。

また、コンプレッサインペラ１０側（吸気の逆流方向における上流側）では、インペラの遠心力による影響が大きいため、逆流する吸気の流れは複雑で安定していない。一方、コンプレッサインペラ１０よりも下流側まで吸気が逆流すると、吸気の流れが安定する。偏流溝１８は、コンプレッサインペラ１０の軸方向において、コンプレッサインペラ１０よりも吸気口１１側に配されているので、偏流溝１８に流入した流れによる壁面との摩擦抵抗が抑えられる。その結果、圧力損失の低減効果が向上する。

図４（ａ）〜図４（ｃ）は、第１〜第３変形例を説明するための図である。図４（ａ）に示すように、第１変形例に係る偏流溝２８では、上述した実施形態と同様、角αが鋭角となっている。一方、角βは、鋭角となっている。

図４（ｂ）に示すように、第２変形例に係る偏流溝３８では、角αが９０度以下であって、角βが直角となっている。

図４（ｃ）に示すように、第３変形例に係る偏流溝４８では、上述した実施形態と同様に、角αが９０度以下であり、角βが９０度以上である。しかしながら、偏流溝４８の溝壁４８ｂは、図４に示すように曲面形状を有している。

図５（ａ）〜図５（ｃ）は、第４〜第６変形例を説明するための図である。図５（ａ）に示すように、第４変形例に係る偏流溝５８では、角αが９０度以下であり、角βは直角であり、角γは鋭角となっている。また、上流溝壁部５８ｃは、コンプレッサインペラ１０の径方向に対して傾斜し、下流溝壁部５８ｄが、コンプレッサインペラ１０の径方向と平行である。

図５（ｂ）に示すように、第５変形例に係る偏流溝６８では、上述した実施形態と同様に、角αが９０度以下であり、角βが９０度以上である。しかしながら、上述した実施形態と異なり、上流溝壁部６８ｃと下流溝壁部６８ｄの間に、コンプレッサインペラ１０の回転軸方向に延在する底面６８ｅが形成されている。

図５（ｃ）に示すように、第６変形例に係る偏流溝７８では、角αが９０度以下であり、角βが９０度以上である。そして、上流溝壁部７８ｃが、コンプレッサインペラ１０の径方向と平行である。

このように、上流側境界部１９が下流側境界部２０よりも、コンプレッサインペラ１０の径方向の内側に位置している限り、本開示に係る偏流溝の形状は様々な変形が可能である。つまり、上述した条件を満たすかぎり、偏流溝の形状は図示したものに限られない。

例えば、上述した実施形態では、上流側境界部１９、下流側境界部２０、および、上流溝壁部１８ｃおよび下流溝壁部１８ｄの境界部２１は、図３に示すように曲面形状を有している。しかし、上流側境界部１９における、上流溝壁部１８ｃおよび吸気路１７の内壁１７ａのいずれか一方が、図３に示す断面において曲線で示される形状を有し、いずれか他方が直線で示される形状を有していてもよい。あるいは、双方が、図３に示す断面において直線で示される形状を有していてもよい。

同様に、下流側境界部２０における、下流溝壁部１８ｄおよび吸気路１７の内壁１７ａのいずれか一方が、図３に示す断面において曲線で示される形状を有し、いずれか他方が直線で示される形状を有していてもよい。また、双方が、図３に示す断面において直線で示される形状を有していてもよい。

同様に、上流溝壁部１８ｃおよび下流溝壁部１８ｄの境界部２１における、上流溝壁部１８ｃおよび下流溝壁部１８ｄのいずれか一方が、図３に示す断面において曲線で示される形状を有し、いずれか他方が直線で示される形状を有していてもよい。また、双方が、図３に示す断面において直線で示される形状を有していてもよい。

いずれにしても、角αは、上流側境界部１９における、上流溝壁部１８ｃ及び上流溝壁部１８ｃの接線方向のうちの何れかと、吸気路１７の内壁１７ａ及び内壁１７ａの接線方向のうちの何れかとの成す角となる。

また、角βは、下流側境界部２０における、下流溝壁部１８ｄ及び下流溝壁部１８ｄの接線方向のうちの何れかと、吸気路１７の内壁１７ａ及び内壁１７ａの接線方向のうちの何れかとの成す角となる。

また、角γは、上流溝壁部１８ｃおよび下流溝壁部１８ｄの境界部２１における、上流溝壁部１８ｃ及び上流溝壁部１８ｃの接線方向のうちの何れかと、下流溝壁部１８ｄ及び下流溝壁部１８ｄの接線方向のうちの何れかとの成す角となる。

また、上述した実施形態および変形例では、角αが９０度以下である場合について説明したが、角αが鈍角であってもよい。ただし、上述した実施形態および変形例のように、角αを９０度以下とすることで、鈍角の場合よりも、偏流溝１８、２８、３８、４８、５８、６８、７８内から合流する吸気の主流の向きを、偏流溝１８、２８、３８、４８、５８、６８、７８からの流れ方向に沿わせて混合損失を低減できる。即ち、と、偏流溝１８、２８、３８、４８、５８、６８、７８によって、安定した偏向効果（ディフレクタとしての機能）が得られる。

また、上述した実施形態および第２〜第６変形例では、角βが９０度以上である場合について説明したが、角βが鋭角であってもよい。ただし、上述した実施形態および第２〜第６変形例のように、角βを９０度以上とすることで、角βが鋭角である場合に比べて、偏流溝１８、３８、４８、５８、６８、７８内に逆流した吸気を導き易い形状とすることができる。

また、上述した実施形態では、上流溝壁部１８ｃは、コンプレッサインペラ１０の径方向と平行に延在し、角γが鋭角である場合について説明した。しかし、第４変形例のように、上流溝壁部５８ｃは、コンプレッサインペラ１０の径方向に対し傾斜していてもよい。ただし、上流溝壁部５８ｃを、コンプレッサインペラ１０の径方向と平行に延在させ、角γを鋭角とすることで、偏流溝１８から主流に合流する吸気の向きを、主流の流れ方向に沿わせて混合損失を低減できる。

また、上述した実施形態および第４変形例のように、Ｖ字型の切り込みによって偏流溝１８、５８を形成することで、偏流溝１８の濡れ縁（表面積）を小さく抑えられ、偏流溝１８内を流れる吸気との摩擦損失を低減できる。

また、上述した第３変形例のように、偏流溝４８を曲面形状に形成することで、偏流溝４８内においては、吸気の淀み（滞留）が生じ難く、圧力損失の低減も可能となる。

図６は、第７変形例を説明するための図であり、第７変形例における図２に対応する部位の抽出図である。図６に示すように、第７変形例に係るコンプレッサハウジング６は、本体部６ａと環状部材６ｂからなる。本体部６ａのうち、吸気路１７の内壁１７ａには、吸気口１１側から順に大径部１７ｂおよび小径部１７ｃが形成されている。大径部１７ｂは、小径部１７ｃよりも内径が大きく、大径部１７ｂと小径部１７ｃとの境界には、吸気口１１側ほど内径が大きくなる向きに傾斜するテーパ部１７ｄが形成されている。

環状部材６ｂは、大径部１７ｂに嵌め込まれて固定される。環状部材６ｂが、大径部１７ｂに嵌め込まれたとき、環状部材６ｂの内周側の端部６ｃは、テーパ部１７ｄよりも、コンプレッサインペラ１０の径方向の位置が内側に位置する。このとき、テーパ部１７ｄと環状部材６ｂで形成される溝が偏流溝８８となる。

このように、コンプレッサハウジング６が、本体部６ａと環状部材６ｂからなる場合であっても、上述した実施形態と同様、吸気の逆流による損失を低減することができる。また、環状部材６ｂを組み付ける前にテーパ部１７ｄを加工すれば、偏流溝８８を形成できることから、加工性を向上することが可能となる。さらに、環状部材６ｂを換装するのみで、環状部材６ｂの端部６ｃの径方向位置を容易に変更できる。

以上、添付図面を参照しながら本開示の実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

Claims (5)

1. 内部に吸気路を有するハウジングと、
   前記吸気路内に収容されたインペラと、
   前記吸気路の内壁に形成され、前記インペラの回転方向に延在する偏流溝と
   を備え、
   前記偏流溝を形成する溝壁と前記吸気路の内壁とが連続的に接続する境界部は、吸気の流通方向の上流側に位置する上流側境界部と、前記流通方向の下流側に位置する下流側境界部とを含み、
   前記上流側境界部は、前記下流側境界部よりも、前記インペラの径方向において内側に位置し、
   前記偏流溝の前記下流側境界部は、前記流通方向において前記インペラよりも上流側に位置する遠心圧縮機。
2. 前記上流側境界部における、前記偏流溝の前記溝壁及び前記溝壁の接線方向のうちの何れかと、前記吸気路の内壁及び前記内壁の接線方向のうちの何れかとの成す角は、９０度以下である請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記下流側境界部における、前記偏流溝の前記溝壁及び前記溝壁の接線方向のうちの何れかと、前記吸気路の内壁及び前記内壁の接線方向のうちの何れかとの成す角は、９０度以上である請求項１または２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記偏流溝は、前記上流側境界部から前記インペラの径方向と平行に延在する上流溝壁部と、前記上流溝壁部から前記下流側境界部まで延在するとともに、前記上流溝壁部に鋭角に接続する下流溝壁部と、を備える請求項１から３のうちの何れか１項に記載の遠心圧縮機。
5. 前記請求項１から４のうちの何れか１項に記載の遠心圧縮機を備える過給機。

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