JP6607076B2 - コンプレッサインペラ及びターボチャージャ - Google Patents

Description

本発明は、軸方向から流入する流体を圧縮して、径方向外側に送出する遠心式のコンプレッサインペラ、及び、当該コンプレッサインペラを有するターボチャージャに関する。

自動車等のエンジンからの排気エネルギーにより過給を行うターボチャージャ等には、軸方向から流入する流体を圧縮して、径方向外側に送出する遠心式のコンプレッサインペラが設けられることがある。このようなコンプレッサインペラでは、流体の流入量が少なくなると、コンプレッサインペラが回転しても流体を圧縮できなくなるサージングが発生するおそれがある。

サージングの発生を抑制する方法として、ケーシングトリートメントと呼ばれる循環構造を設けることが従来行われている。これは、例えば特許文献１に記載されているように、コンプレッサインペラを収容しているハウジングに、流体の一部をコンプレッサインペラ周辺から吸気路に戻すための循環流路を設けるものである。このような循環流路を設けることで、コンプレッサインペラに流入する流体の見かけ流量を増やし、サージングの発生を抑制することができるとされている。

特開２００５−２３７９２号公報

しかしながら、コンプレッサインペラの吸気路に接続されている吸気管が湾曲している等の事情により、コンプレッサインペラにより吸い込まれる流体には、コンプレッサインペラの回転方向（周方向）において圧力分布が生じていることがある。そうすると、コンプレッサインペラの周りに設けられた上記循環流路内で周方向における圧力差が生じ、流体が循環流路内を周方向に流動するため、流体を吸気路に戻すような軸方向の流れを確保できなくなるおそれがある。その結果、ケーシングトリートメントによるサージングの抑制効果が十分に発揮されないという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、サージングの発生を従来よりも効果的に抑制することを目的とする。

本発明は、ハウジングに回転可能に収容されており、所定の回転方向に回転することで、回転軸の軸方向から流入する流体を圧縮して、径方向外側に送出する遠心式のコンプレッサインペラであって、前記軸方向に沿って形成されたハブから径方向外側に延びる羽根が前記回転方向に複数形成されており、前記複数の羽根のうち少なくとも一部の羽根には、前記ハブから径方向外側に延び、前記流体の流れ方向において上流端の輪郭をなすリーディングエッジと、前記リーディングエッジと接続され、前記ハウジングの内壁に沿った輪郭をなすシュラウドラインと、によって形成される角部に、前記羽根の表裏方向に貫通する貫通部が形成されていることを特徴とする。

流体の流入量が少ない場合に、コンプレッサインペラの羽根の背側（回転方向上流側）において流体が羽根から剥離して失速することが、サージングの発生要因の１つとして知られている。そこで、本発明では、羽根の表裏方向に貫通する貫通部を設けることにより、流体が貫通部を通って羽根の腹側（回転方向下流側）から背側に流れ、背側における流体の剥離・失速を抑えることができるようにしている。特に本発明では、後で詳細に説明するように、リーディングエッジとシュラウドラインとによって形成される角部に貫通部を設けることで、流体の剥離・失速を効果的に抑え、その結果、サージングの発生を従来よりも効果的に抑制することが可能となっている。

本実施形態に係るターボチャージャの概略構成を示す断面図である。 コンプレッサインペラの斜視図である。 図２のＩＩＩの方向からスリットを見たときの模式図である。 図３のＩＶ−ＩＶ断面における断面図である。 スリットの変形例を示す模式図である。 スリットの変形例を示す模式図である。 スリットの変形例を示す模式図である。

以下、本発明に係るコンプレッサインペラをターボチャージャに適用した実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明に係るコンプレッサインペラは、ターボチャージャだけでなく、他の遠心式圧縮機に適用することも可能である。

（ターボチャージャの概略構成）
図１は、本実施形態に係るターボチャージャの概略構成を示す断面図である。ターボチャージャ１は、自動車等に搭載される不図示のエンジンに対して設けられるものであり、エンジンからの排気エネルギーを利用して過給を行うものである。ターボチャージャ１は、回転軸１１とコンプレッサインペラ１２とタービンインペラ１３とからなる回転体１０が、ハウジング１５に収容された基本構成を有する。

コンプレッサインペラ１２は、回転軸１１の一方側（図１の左側）の軸端部に取り付けられており、タービンインペラ１３は、回転軸１１の他方側（図１の右側）の軸端部に取り付けられている。回転軸１１は、軸受１４によって回転自在に支持されており、これによって回転体１０が回転可能となっている。なお、図１では軸受１４を簡略化して図示しているが、一般的には、ラジアル方向の荷重を支持するラジアル軸受と、スラスト方向の荷重を支持するスラスト軸受とがそれぞれ設けられている。

ハウジング１５は、コンプレッサインペラ１２を収容するコンプレッサハウジング１６と、タービンインペラ１３を収容するタービンハウジング１７と、軸受１４を収容する円筒状の軸受ハウジング１８とからなる。軸受ハウジング１８は、ハウジング１５の軸方向中央部に位置しており、その一方側（図１の左側）にコンプレッサハウジング１６が取り付けられ、その他方側（図１の左側）にタービンハウジング１７が取り付けられている。

コンプレッサハウジング１６には、コンプレッサインペラ１２の軸方向外側に、吸気をコンプレッサインペラ１２に供給するための円筒状の吸気路１６ａが形成されるとともに、コンプレッサインペラ１２の径方向外側に、コンプレッサインペラ１２により圧縮された吸気を送出するための渦巻き状のスクロール通路１６ｂが形成されている。また、タービンハウジング１７には、タービンインペラ１３の径方向外側に、排気をタービンインペラ１３に供給するための渦巻き状のスクロール通路１７ａが形成されるとともに、タービンインペラ１３の軸方向外側に、タービンインペラ１３の駆動に供した排気を排出するための円筒状の排気路１７ｂが形成されている。

このように構成されたターボチャージャ１では、スクロール通路１７ａから供給される排気によってタービンインペラ１３が回転させられるのに伴って、コンプレッサインペラ１２も回転する。そうすると、吸気路１６ａからコンプレッサインペラ１２に吸気が取り込まれ、コンプレッサインペラ１２の回転によって吸気が圧縮される。コンプレッサインペラ１２で圧縮された吸気は、スクロール通路１６ｂに向かって径方向外側に送出され、最終的にエンジンに供給される。

（コンプレッサインペラの詳細構成）
図２は、コンプレッサインペラ１２の斜視図である。コンプレッサインペラ１２は、軸方向に沿って形成されたハブ２１と、ハブ２１から径方向外側に延びる複数の羽根２２とを有する、遠心式のコンプレッサインペラである。ハブ２１の径方向中心部には、軸方向に貫通する貫通孔２１ａが形成されており、この貫通孔２１ａに回転軸１１が挿入される。複数の羽根２２は、長翼２２Ａ及び短翼２２Ｂの２種類の羽根が回転方向に交互に並んで構成されており、このうち全ての長翼２２Ａには、長翼２２Ａの表裏方向を貫通するスリット２３が形成されている。

図１及び図２に示すように、スリット２３は、羽根２２（長翼２２Ａ）のうち、リーディングエッジ２２ａとシュラウドライン２２ｂとによって形成される角部２２ｃに設けられている。ここで、リーディングエッジ２２ａとは、羽根２２のうち、ハブ２１から径方向外側に延び、吸気の流れ方向において上流端の輪郭をなす直線部分を指す。また、シュラウドライン２２ｂとは、羽根２２のうち、コンプレッサハウジング１６の内壁１６ｃ（図１参照）に対向し、且つ、内壁１６ｃに沿った輪郭をなす曲線部分を指しており、リーディングエッジ２２ａと角２２ｄにて接続されている。

図３は、図２のＩＩＩの方向からスリット２３を見たとき、すなわち、コンプレッサインペラ１２の回転方向の上流側からスリット２３を見たときの模式図である。なお、図３は、便宜のため、リーディングエッジ２２ａとシュラウドライン２２ｂとが直交した図としているが、リーディングエッジ２２ａとシュラウドライン２２ｂとは直交していなくてもよい。このことは、図５〜図７においても同様である。

図３に示すように、本実施形態のスリット２３は、リーディングエッジ２２ａとシュラウドライン２２ｂとの角２２ｄの近傍から、リーディングエッジ２２ａ及びシュラウドライン２２ｂのいずれに対しても斜めに直線的に延設されている。また、スリット２３は、角部２２ｃのうち、特に、リーディングエッジ２２ａからの離間距離がシュラウドライン２２ｂの長さの２０％以内、且つ、シュラウドライン２２ｂからの離間距離がリーディングエッジ２２ａの長さの半分以内である領域に形成されている。スリット２３は、その一方端（図３の左下端）がリーディングエッジ２２ａ又はシュラウドライン２２ｂに達するまでは延びておらず、羽根２２を構成する材料によって全周が囲まれた長穴状となっている。

図４は、図３のＩＶ−ＩＶ断面における断面図である。以下の説明においては、コンプレッサインペラ１２の回転方向の上流側を「背側」、下流側を「腹側」と称する。図４に示すように、羽根２２の表裏方向に沿った断面で見ると、スリット２３は、背側の開口２３ｂが腹側の開口２３ａよりもリーディングエッジ２２ａから遠くなるように、羽根２２の表裏方向に対して斜めに形成されている。

（失速の発生原理とその対策）
図４に示すように、コンプレッサインペラ１２に取り込まれた吸気は、羽根２２のリーディングエッジ２２ａで、腹側を流れる流れＦａと背側を流れる流れＦｂとに分かれる。このうち、背側の流れＦｂは、コンプレッサインペラ１２の回転時に羽根２２が相対的に離れていくことになる。そして、吸気量が少ない場合には、羽根２２に対する吸気の迎え角が相対的に大きくなるので、矢印Ｆｃで示すように、吸気が羽根２２の背側の面から剥離して羽根２２に沿って流れなくなる失速という現象が発生する。

そこで、本実施形態では、羽根２２にスリット２３を設けることにより、図４の矢印Ｆｄで示すように、腹側を流れる吸気の一部が、スリット２３を通って背側に流れることができるようになっている。こうして、スリット２３を介して背側に吸気を供給することで、背側における吸気の流量を増やすことができ、背側における吸気の剥離・失速を抑えることが可能となっている。

ここで、吸気の剥離・失速は、羽根２２のうち、吸気の流れ方向において上流側の部位ほど発生しやすく、また、回転速度が速い部位、すなわち、径方向外側の部位ほど発生しやすい。吸気の流れ方向において上流側の部位とは、羽根２２のうちリーディングエッジ２２ａの近傍の部位に相当する。また、回転速度が速い部位（径方向外側の部位）とは、羽根２２のうちシュラウドライン２２ｂの近傍の部位に相当する。したがって、リーディングエッジ２２ａとシュラウドライン２２ｂとによって形成される角部２２ｃは、上述の２つの条件を満たす部位となり、このような部位にスリット２３を設けることで、吸気の剥離・失速をより効果的に抑えることが可能となっている。

（効果）
本実施形態では、複数の羽根２２のうち少なくとも一部の羽根２２（長翼２２Ａ）には、リーディングエッジ２２ａとシュラウドライン２２ｂとによって形成される角部２２ｃに、羽根２２の表裏方向に貫通するスリット２３（貫通部）が形成されている。上述のように、角部２２ｃは、吸気の剥離・失速が発生しやすい条件を備えた部位であるから、このような部位にスリット２３を設けることによって、流体の剥離・失速を効果的に抑えることができる。その結果、サージングの発生を従来よりも効果的に抑制することが可能となっている。また、本実施形態のコンプレッサインペラ１２は、スリット２３を設けることによって、個々の羽根２２による圧縮効果を向上させるものであるので、吸気路１６ａにおいて周方向に圧力分布があるような場合でも、適切に吸気を圧縮することができ、この点においても、従来のケーシングトリートメントよりも優れている。さらに、ケーシングトリートメントのように、コンプレッサハウジング１６に循環通路を設ける必要がないので、コンプレッサハウジング１６の設計自由度を向上させることができるという点でも有利である。

また、本実施形態では、スリット２３は、背側（回転方向上流側）の開口２３ｂが腹側（回転方向下流側）の開口２３ａよりもリーディングエッジ２２ａから遠くなるように、羽根２２の表裏方向に対して斜めに形成されている。このため、図４の矢印Ｆｄで示すように、スリット２３から背側に流れ出た吸気が、そのまま羽根２２の背側の面に沿って流れやすく、背側における吸気の剥離・失速をより効果的に抑えることができる。

また、本実施形態では、スリット２３は、シュラウドライン２２ｂからの離間距離がリーディングエッジ２２ａの長さの半分以内の領域に形成されている。このため、スリット２３が、シュラウドライン２２ｂのより近傍、すなわち、回転速度がより速く、吸気の剥離・失速がより発生しやすい部位に配置されることになり、吸気の剥離・失速をより効果的に抑えることができる。

また、本実施形態では、スリット２３は、リーディングエッジ２２ａからの離間距離がシュラウドライン２２ｂの長さの２０％以内の領域に形成されている。このため、スリット２３が、リーディングエッジ２２ａのより近傍、すなわち、吸気の流れ方向においてより上流側の、吸気の剥離・失速がより発生しやすい部位に配置されることになり、吸気の剥離・失速をより効果的に抑えることができる。

また、本実施形態では、本発明の「貫通部」として、羽根２２の表面に沿って延びるスリット２３を設けている。貫通部を長く延びるスリット２３とすることで、スリット２３を介して腹側から背側に流れる吸気の流量を増やすことができ、吸気の剥離・失速をより確実に抑えることができる。

また、本実施形態では、スリット２３は、リーディングエッジ２２ａとシュラウドライン２２ｂとの角２２ｄの近傍から、リーディングエッジ２２及びシュラウドライン２２ｂのいずれに対しても斜めに延設されている。上述のように、吸気の剥離・失速は、吸気の流れ方向において上流側の部位ほど発生しやすく、また、回転速度が速い部位（径方向外側の部位）ほど発生しやすい。このような部位は、角２２ｄの近傍から概ね斜めの方向に沿って延びていると考えられるので、このような方向に沿ってスリット２３を延設することによって、効果的に吸気の剥離・失速を抑制できる。

また、本実施形態では、スリット２３は、羽根２２を構成する材料によって全周が囲まれた長穴状となっている。このため、スリット２３周辺の羽根２２の強度を向上させることができるとともに、コンプレッサインペラ１２の回転中に、羽根２２がスリット２３から裂けていくことを防止することができる。

［他の実施形態］
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、スリット２３が、リーディングエッジ２２ａとシュラウドライン２２ｂとの角２２ｄの近傍から、リーディングエッジ２２ａ及びシュラウドライン２２ｂのいずれに対しても斜めに直線的に延設されているものとした。しかしながら、スリット２３は、必ずしも直線的に延設されている必要はなく、図５のａ図やｂ図に示すように、リーディングエッジ２２ａとシュラウドライン２２ｂとの角２２ｄから離れるにつれて、リーディングエッジ２２ａからの離間距離及びシュラウドライン２２ｂからの離間距離のいずれもが大きくなるように延びている曲線に沿って延設されていてもよい。

また、上記実施形態では、スリット２３が、１枚の羽根２２に１つだけ設けられているものとした。しかしながら、スリット２３は、１枚の羽根２２に対して複数形成されていてもよい。この場合、例えば、図６のａ図に示すように、複数（ここでは２つ）のスリット２３を互いに平行に設けることができる。ただし、複数のスリット２３を平行に設けることは必須ではなく、複数のスリット２３が交差しない程度にリーディングエッジ２２ａ（又はシュラウドライン２２ｂ）に対する傾斜角度が異なっていてもよいし、複数のスリット２３が交差していてもよい。

また、上記実施形態では、スリット２３が、リーディングエッジ２２ａとシュラウドライン２２ｂとの角２２ｄの近傍から延設されているものとした。しかしながら、図６のｂ図に示すように、スリット２３を、リーディングエッジ２２ａとシュラウドライン２２ｂとの角２２ｄから延設してもよい。この場合、スリット２３は、羽根２２を構成する材料によって全周が囲まれた長穴状ではなく、一部が羽根２２の外側に開放されている切欠状となるが、強度的に問題なければ、このような切欠状でもよい。

また、上記実施形態では、スリット２３が、リーディングエッジ２２ａとシュラウドライン２２ｂとの角２２ｄの近傍から、リーディングエッジ２２ａ及びシュラウドライン２２ｂのいずれに対しても斜めに延設されているものとした。しかしながら、スリット２３の延設方向はこのような向きに限定されない。例えば、図７のａ図に示すように、スリット２３を、リーディングエッジ２２ａとシュラウドライン２２ｂとの角２２ｄ又は角２２ｄの近傍を通らないように設けることも可能である。また、図７のｂ図に示すように、スリット２３を、リーディングエッジ２２ａと平行に設けてもよい。あるいは、スリット２３を、シュラウドライン２２ｂと平行に設けてもよい。

また、上記実施形態では、本発明における「貫通部」として、羽根２２の表面に沿って延びるスリット２３を設けるものとした。しかしながら、貫通部の具体的形状は、長く延びるスリット２３に限定されず、例えば円筒状の貫通孔等とすることも可能である。

また、上記実施形態では、複数の長翼２２Ａと複数の短翼２２Ｂとによって構成される羽根２２のうち、全ての長翼２２Ａにスリット２３を設けるものとしたが、スリット２３を設ける羽根２２は適宜変更が可能である。例えば、短翼２２Ｂを含めて全ての羽根２２にスリット２３を設けてもよいし、複数の長翼２２Ａにおいてスリット２３を回転方向に交互に設けるようにしてもよい。

１：ターボチャージャ
１１：回転軸
１２：コンプレッサインペラ
２１：ハブ
２２（２２Ａ、２２Ｂ）：羽根
２２ａ：リーディングエッジ
２２ｂ：シュラウドライン
２２ｃ：角部
２３：スリット（貫通部）
２３ａ：回転方向下流側（腹側）の開口
２３ｂ：回転方向上流側（背側）の開口
１６：コンプレッサハウジング（ハウジング）
１６ｃ：内壁

Claims (6)

1. ハウジングに回転可能に収容されており、所定の回転方向に回転することで、回転軸の軸方向から流入する流体を圧縮して、径方向外側に送出する遠心式のコンプレッサインペラであって、
   前記軸方向に沿って形成されたハブから径方向外側に延びる羽根が前記回転方向に複数形成されており、
   前記複数の羽根のうち少なくとも一部の羽根には、前記ハブから径方向外側に延び、前記流体の流れ方向において上流端の輪郭をなすリーディングエッジと、前記リーディングエッジと接続され、前記ハウジングの内壁に沿った輪郭をなすシュラウドラインと、によって形成される角部に、前記羽根の表裏方向に貫通する貫通部が形成されており、
   前記貫通部は、前記羽根の表面に沿って延びるスリットであり、
   前記スリットは、前記リーディングエッジと前記シュラウドラインとの角又は角近傍から、前記リーディングエッジ及び前記シュラウドラインのいずれに対しても斜めに延設されていることを特徴とするコンプレッサインペラ。
2. 前記貫通部は、前記回転方向における上流側の開口が下流側の開口よりも前記リーディングエッジから遠くなるように、前記表裏方向に対して斜めに形成されている請求項１に記載のコンプレッサインペラ。
3. 前記貫通部は、前記シュラウドラインからの離間距離が前記リーディングエッジの長さの半分以内の領域に形成されている請求項１又は２に記載のコンプレッサインペラ。
4. 前記貫通部は、前記リーディングエッジからの離間距離が前記シュラウドラインの長さの２０％以内の領域に形成されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載のコンプレッサインペラ。
5. 前記スリットは、前記羽根を構成する材料によって全周が囲まれた長穴状となっている請求項１ないし４のいずれか１項に記載のコンプレッサインペラ。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のコンプレッサインペラを有するターボチャージャ。

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