JP6642258B2 - 過給機 - Google Patents

Description

この発明は過給機に関し、特に、コンプレッサインペラを備えた過給機に関する。

従来の過給機としては、例えば、特許文献１に開示されたコンプレッサ及びこれを用いたターボチャージャが知られている。特許文献１に開示されたコンプレッサは、空気の入口部および圧縮空気の出口部を有するコンプレッサハウジングと、コンプレッサハウジング内に回転軸を中心として回転可能に収容配置されるインペラとを備える。このコンプレッサではコンプレッサハウジングの内壁面が滑らかに膨出形成されている。コンプレッサハウジングの内壁面とこの内壁面に対向するインペラの翼の径方向縁部との間のクリアランスが、翼の径方向縁部についての空気入口部側の端部領域と空気出口部側の端部領域との間の中間位置において最小である。

特許文献１に開示されたコンプレッサによれば、クリアランス領域を通過する空気量すなわち損失を低減して、高速回転するインペラとハウジングとの接触を回避しつつコンプレッサ効率を向上させることができるとしている。

特開２０１０−２７５９５０号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたコンプレッサは、クリアランス領域を通過する空気量の低減により損失を低減するものの、低速時における空気層のインペラからの剥離による失速が生じるという問題を解決しない。空気層のインペラからの剥離による失速は、サージを発生してコンプレッサの性能低下を招く要因の一つである。図７に示すように、例えば、インペラ翼６２を有するコンプレッサインペラ６１へ流入する空気の絶対速度をＣとし、コンプレッサインペラ６１の周速Ｕとすると、コンプレッサインペラ６１へ流入する空気の相対速度はＷである。低速時における空気層のコンプレッサインペラ６１からの剥離は、インペラ翼６２の中心線（キャンバーライン）Ｌとコンプレッサインペラ６１へ向けて流入する空気の流入相対速度Ｗとが成す迎角αが大きくなるときに発生することが知られている。その理由は、低速時はインペラ翼６２の前縁付近の流路断面積に対して空気流量が小さく、絶対速度Ｃが小さくなることで迎角αが大きくなるためである。そこで、低速時において迎角αが小さくなるインペラ翼を備えたコンプレッサインペラやコンプレッサインペラの入口径を縮小したコンプレッサインペラを採用すれば、低速時における空気流の剥離は防止できる。しかしながら、これらの対策はコンプレッサインペラにおけるインペラスロート（インペラ翼間の空気流路において最も流路断面積が小さい領域）の流路断面積の減少を余儀なくされ、高速時のコンプレッサの能力が低下するという問題を生じる。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、高速時のコンプレッサの能力を低下させることなく、低速時における空気層のインペラ翼からの剥離を抑制することができる過給機の提供にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、空気入口部と空気出口部を備えたコンプレッサハウジングと、前記コンプレッサハウジング内にて回転可能なコンプレッサインペラと、前記コンプレッサハウジングに設けられ、前記コンプレッサインペラと対向するシュラウド壁と、を備え、前記コンプレッサインペラは、ハブ部と、前記ハブ部の周方向に設けられ、前記空気入口部から前記空気出口部へ向けて延在する複数の第１インペラ翼と、を備え、前記ハブ部の周方向に互いに隣り合う一対の前記第１インペラ翼の前記コンプレッサインペラの回転方向前方に位置する一方の第１インペラ翼は、前記コンプレッサインペラの回転方向後方に位置する他方の第１インペラ翼と前記シュラウド壁とでインペラスロート部を区画するとともに、前記インペラスロート部から前記空気入口部側へ延在する入口側翼部と、前記インペラスロート部から前記空気出口側に延在する出口側翼部と、を有し、前記入口側翼部は、前記第１インペラ翼の前記シュラウド壁と対向する外周縁から前記コンプレッサインペラの径方向内側に凹む凹部を有し、前記シュラウド壁は、前記第１インペラ翼の前記凹部と対向する位置に、前記凹部に対応する断面形状の環状の凸部を有し、前記凸部は前記空気入口部よりも空気流路断面積を減少することを特徴とする。

本発明によれば、コンプレッサインペラの入口側翼部の凹部およびシュラウド壁の凸部に設けることにより、凹部および凸部における流路断面積は空気入口部における流路断面積と比較して小さくなる。低速時にコンプレッサインペラを通過する空気の流量は変化しないが、流路断面積の減少により凹部および凸部を通過する空気の速度が増大して、入口側翼部における空気層の剥離が抑制される。その結果、過給機の高速時のコンプレッサの能力を低下させることなく、低速時における空気層のインペラ翼からの剥離を抑制することができる。

また、上記の過給機において、前記凹部は円弧状の凹部であり、前記凸部は円弧状の前記凹部に倣って断面円弧状に突出する凸部である構成としてもよい。
この場合、コンプレッサインペラを通過する空気は凹部および凸部を円滑に通過することができる。

また、上記の過給機において、前記空気入口部における前記コンプレッサインペラと前記シュラウド壁との入口クリアランスに対する前記凹部の凹み量との比は、０より大きく３より小さい構成としてもよい。
この場合、コンプレッサインペラの入口側翼部における空気層の剥離をより抑制することができる。

本発明によれば、高速時のコンプレッサの能力を低下させることなく、低速時における空気層のインペラ翼からの剥離を抑制することができる過給機を提供することができる。

本発明の実施形態に係るターボチャージャの概略構成を示す概略図である。 本実施形態に係るターボチャージャにおけるコンプレッサを示す縦断面図である。 本実施形態に係るコンプレッサインペラの側面図である。 本実施形態に係るコンプレッサインペラの長翼および短翼を模式的に展開して示す説明図である。 本実施形態のコンプレッサインペラの要部を拡大して示す縦断面図である。 （ａ）は変更例１に係るターボチャージャの要部拡大図であり、（ｂ）は変更例２に係るターボチャージャの要部拡大図であり、（ｃ）は変更例３に係るターボチャージャの要部拡大図である。 従来のコンプレッサインペラのインペラ翼を模式的に展開して示す説明図である。

以下、本発明の実施形態に係る過給機としてのターボチャージャについて図面を参照して説明する。本実施形態のターボチャージャは車載用のターボチャージャである。図１に示すように、ターボチャージャ１０は、コンプレッサハウジング１１と、コンプレッサハウジング１１内にて回転可能なコンプレッサインペラ１２とを備える。コンプレッサハウジング１１は空気入口部１５および空気出口部１６を有している。空気入口部１５は、コンプレッサハウジング１１に接続された配管１７を通る大気圧の空気を取り込む空気の入口である。空気出口部１６はコンプレッサインペラ１２により圧縮された空気の出口である。圧縮された空気は空気出口部１６に接続された配管１８を通じてエンジンに燃焼用の空気として供給される。図１において白矢印は空気の流れを示す。

コンプレッサインペラ１２は回転軸１９の一端と連結されている。回転軸１９の他端はタービン２０が連結されている。タービン２０はタービンハウジング２１内に回転可能に収容されている。コンプレッサハウジング１１とタービンハウジング２１との間には、ベアリングハウジング２２が設けられている。回転軸１９はスラスト軸受やラジアル軸受により構成される軸受部２３により回転可能に支持されている。

タービンハウジング２１は、排ガス入口部２４および排ガス出口部２５を有する。排ガス入口部２４は、エンジンから排出された高温の排ガスをタービンハウジング２１内へ高速で流入する排ガスの入口である。エンジンから排出された高温の排ガスはタービンハウジング２１に接続された配管２６を通る。排ガス出口部２５は、タービンハウジング２１内でタービン２０を回転させた後の排ガスの出口である。タービン２０を回転させた後の排ガスはタービンハウジング２１に接続された配管２７を通り、図示しないマフラへと排出される。図１において黒矢印は排ガスの流れを示す。

図２に示すように、コンプレッサインペラ１２は略円錐台状のハブ部３０を備えている。ハブ部３０の外周径は、軸心Ｐ方向において空気入口部１５側からベアリングハウジング２２へ向かう所定の位置までは一定であり、所定の位置からベアリングハウジング２２へ近づくにつれて大きくなっている。ハブ部３０には、図３に示すように周方向に設けた複数のインペラ翼を備えている。本実施形態のインペラ翼は、空気入口部１５から空気出口部１６まで延在する複数の長翼３１と、長翼３１よりも延在長さが短い複数の短翼３２とを備えている。長翼３１と短翼３２とは周方向において交互に配置されている。長翼３１および短翼３２は三次元的に湾曲した板状に形成されている。長翼３１は第１インペラ翼に相当し、短翼３２は第２インペラ翼に相当する。

長翼３１は、空気入口部１５に対向する前縁（リーディングエッジ）３３と空気出口部１６に対向する後縁（トレーディングエッジ）３４を有する。長翼３１は、前縁３３と後縁３４とを結び、湾曲線として描かれる外周縁（インペラシュラウドライン）３５を有している。外周縁３５の前縁３３側はほぼ直線であり、後縁３４へ向けて円弧を描くように後縁３４に達している。長翼３１の後縁３４は径方向においてハブ部３０の外周縁に位置する。

短翼３２は、空気入口部１５に対向する前縁（リーディングエッジ）３６と空気出口部１６に対向する後縁（トレーディングエッジ）３７を有する。短翼３２は、前縁３６と後縁３７とを結び、湾曲線として描かれる外周縁（インペラシュラウドライン）３８を有している。短翼３２の前縁３６は、回転軸１９の軸心Ｐ方向において長翼３１の前縁３３よりも空気入口部１５から離れて位置する。短翼３２の後縁３７は径方向においてハブ部３０の外周縁に位置する。従って、短翼３２の外周縁３８の長さは長翼３１の外周縁３５の長さより短い。外周縁３８は前縁３６から円弧を描くように後縁３７に達している。

図３では、ハブ部３０における空気入口部１５側の最小外周径Ｄ１ｈとし、空気入口部１５におけるコンプレッサハウジング１１の内周径Ｄ１ｓとしている。また、ハブ部３０における空気出口部１６側の最大外周径Ｄ２とする。長翼３１の前縁３６付近の流路断面積Ａは内周径Ｄ１ｓおよび最小外周径Ｄ１ｈに基づいて式１から得られる。πは円周率である。

Ａ＝π・（Ｄ１ｓ／２−Ｄ１ｈ／２）^２ ・・・（式１）

コンプレッサインペラ１２における空気入口部１５側では、ハブ部３０の周方向において互いに長翼３１が隣り合う。図３に示すように、コンプレッサハウジング１１および互いに隣り合う一対の長翼３１によりインペラスロート部Ｔが区画される。インペラスロート部Ｔは長翼３１の間の空気流路において流路断面積が急縮小する領域を指す。インペラスロート部Ｔはコンプレッサインペラ１２の周方向において長翼３１の数に応じて存在する。本実施形態では、インペラスロート部Ｔにおけるハブ部３０の外周径は、ハブ部３０の空気入口部１５側の外周径（Ｄ１ｈ）と等しい。ハブ部３０の外周径は、インペラスロート部Ｔから軸心Ｐ方向におけるベアリングハウジング２２へ向かうほど大きくなる（図２を参照）。

図２に示すように、コンプレッサハウジング１１は、長翼３１の外周縁３５および短翼３２の外周縁３８に対向するシュラウド壁３９を備えている。シュラウド壁３９は外周縁３５、３８に倣うように形成されている。従って、インペラスロート部Ｔは、一対の長翼３１とシュラウド壁３９とにより区画されている。空気入口部１５におけるコンプレッサインペラ１２とシュラウド壁３９との間には入口クリアランスＣＬが設定されている。

図４は長翼３１と短翼３２とインペラスロート部Ｔとを模式的に展開して示す図である。図４では、コンプレッサインペラ１２へ流入する空気の絶対速度をＣとし、コンプレッサインペラ１２の周速をＵとしている。長翼３１へ流入する空気の相対速度は流入相対速度Ｗである。長翼３１の前縁３３における中心線（キャンバーライン）Ｌと流入相対速度Ｗとが成す角度は迎角αである。軸心Ｐと中心線Ｌとが成す角度は翼角βである。図４ではインペラスロート部Ｔを一点鎖線にて示す。

図４では、インペラスロート部Ｔを区画する一対の長翼３１のうち、一方の長翼３１を長翼３１Ａとし、他方の長翼３１を長翼３１Ｂとしている。この場合、インペラスロート部Ｔは他方の長翼３１Ｂの前縁３３を基準に規定される。長翼３１Ａは長翼３１Ｂよりもコンプレッサインペラ１２の回転方向前方に位置する。つまり、長翼３１Ａはインペラスロート部Ｔよりもコンプレッサインペラ１２の回転方向前方に位置する。長翼３１Ａは、インペラスロート部Ｔから空気入口部１５側へ延在する入口側翼部４１と、インペラスロート部Ｔより空気出口部１６側へ延在する出口側翼部４２と、を有する。他方の長翼３１Ｂは、インペラスロート部Ｔよりもコンプレッサインペラ１２の回転方向後方に位置する。

図４に示す長翼３１Ｂを回転方向前方の長翼３１として見る場合には、長翼３１Ｂの回転方向後方の長翼３１Ｃとの間にインペラスロート部Ｔが存在する。従って、長翼３１Ｂと長翼３１Ｃとの間のインペラスロート部Ｔから見ると、長翼３１Ｂが一方の長翼に相当し、長翼３１Ｃが他方の長翼に相当する。つまり、インペラスロート部Ｔを基準として回転方向前方の長翼３１は一方の長翼に相当し、インペラスロート部Ｔの回転方向後方の長翼３１が他方の長翼に相当する。この場合、インペラスロート部Ｔは他方の長翼３１Ｃの前縁３３を基準に規定される。

本実施形態では、一方の長翼３１Ｂの入口側翼部４１には、外周縁３５の一部が径方向内側へ凹むように円弧状の凹部４３が形成されている。凹部４３は、入口側翼部４１における低速時の空気層の剥離を抑制するために設けられている。因みに、長翼３１Ａの入口側翼部４１は、長翼３１Ａにおいて低速時の空気層の剥離が最も生じやすい部位である。コンプレッサインペラ１２における全ての長翼３１に凹部４３が形成されている。図５に示すように、前縁３３の入口クリアランスＣＬを規定する外周縁３５から凹部４３の径方向において最も深い点までの距離を凹み量Ｑとしている。本実施形態では、凹み量Ｑと入口クリアランスＣＬとの関係は、式２を満たすように設定されている。

０＜Ｑ／ＣＬ＜３・・・（式２）

一方、シュラウド壁３９は、長翼３１の凹部４３と対向する位置に、凹部４３に対応する断面形状の環状の凸部４４が形成されている。凸部４４は、シュラウド壁３９の空気入口部１５寄りにて周方向にわたって形成されている。シュラウド壁３９から凸部４４の径方向において最も突出している点までの距離を突出量Ｒとしている。本実施形態では凹み量Ｑと突出量Ｒは等しい（Ｑ＝Ｒ）。従って、凹部４３における外周縁３５とシュラウド壁３９における凸部４４との間のクリアランスは一定である。なお、シュラウド壁３９に凸部４４が設けられていることから、例えば、コンプレッサハウジング１１を軸心Ｐに沿って２分割可能な構成とすれば、コンプレッサハウジング１１の組み付けが可能となる。

凹部４３および凸部４４に対応する位置での流路断面積をＡｔとすると、流路断面積Ａｔは、式３により求められる。πは円周率である。

Ａｔ＝π・｛（Ｄ１ｓ／２−Ｑ）−Ｄ１ｈ／２｝^２ ・・・（式３）

従って、流路断面積Ａｔは、長翼３１の前縁３６付近の流路断面積Ａよりも減少している。

次に、本実施形態のターボチャージャ１０の作用について説明する。ターボチャージャ１０が一定の回転数で回転されるとき、コンプレッサインペラ１２には空気が取り込まれる。このとき、コンプレッサインペラ１２を通過する空気流量は一定となる。空気流量をＧａとすると、空気流量Ｇａは、式４により求められる。ρは空気の密度である。

Ｇａ＝ρ・Ｃ・Ａ ・・・（式４）

空気流量Ｇａは流路断面積Ａと空気の絶対速度Ｃに比例することが知られている。一対の長翼３１の間を通過する空気流についてみると、一方の長翼３１の入口側翼部４１の翼面は、他方の長翼３１の空気入口部１５側の翼面と比べると低圧となる。空気流量Ｇａが一定であって空気の絶対速度Ｃが小さくなると、迎角αが大きくなり、入口側翼部４１において空気層の剥離が発生し易くなる。

本実施形態では、凹部４３および凸部４４を設けたことにより、コンプレッサインペラ１２における空気流路の途中の流路断面積Ａｔは流路断面積Ａよりも減少されている。このため、コンプレッサインペラ１２を通過する空気流量が一定のとき、コンプレッサインペラ１２における凹部４３に対応する入口側翼部４１を通過する空気の絶対速度Ｃは増大する。入口側翼部４１を通過する空気の増速により、迎角αが小さくなるため、入口側翼部４１における低速時の空気層の剥離が抑制される。入口側翼部４１を通過した空気はインペラスロート部Ｔを通り、出口側翼部４２を通過して空気出口部１６から噴出される。

凹み量Ｑと入口クリアランスＣＬとの関係では、式２を満たすことが好ましく、この場合、高速時のコンプレッサ能力を低下させることなく、低速時における入口側翼部４１からの空気層の剥離が確実に抑制され、インペラ効率が改善される。

本実施形態のターボチャージャ１０によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）コンプレッサインペラ１２の入口側翼部４１の凹部４３およびシュラウド壁３９の凸部４４に設けることにより、凹部４３および凸部４４における流路断面積Ａｔは空気入口部１５における流路断面積Ａと比較して小さくなる。コンプレッサインペラ１２を通過する空気の流量は変化しないが、流路断面積の減少により凹部４３および凸部４４を通過する空気の速度が増大して、入口側翼部４１における空気層の剥離が抑制される。その結果、ターボチャージャ１０の高速時のコンプレッサの能力を低下させることなく、低速時における空気層の長翼３１からの剥離を抑制することができる。

（２）凹部４３は円弧状の凹部であり、凸部４４は円弧状の凹部４３に倣って断面円弧状に突出する凸部であるため、コンプレッサインペラ１２を通過する空気は凹部４３および凸部４４を円滑に通過することができる。

（３）空気入口部１５におけるコンプレッサインペラ１２とシュラウド壁３９との入口クリアランスＣＬに対する凹部４３の凹み量との比は、０より大きく３より小さい。コンプレッサインペラ１２の入口側翼部４１における空気層の剥離をより抑制することができる。

（変更例１〜３）
次に、変更例１〜３に係るターボチャージャについて説明する。図６（ａ）に示す変更例１に係るターボチャージャでは、断面が円弧状の凹部５１であるが、凹部５１の曲率が前縁３３から遠ざかるにつれて曲率が小さくなるように設定されている。また、凸部５２は凹部５１に倣って径方向内側へ向けて突出している。凸部５２の曲率は空気入口部１５から遠ざかるにつれて曲率が小さくなっている。従って、凹部５１および凸部５２の前縁３３に近い側に対応する流路を通過する空気の速度が増大する。なお、凹部５１の曲率が前縁３３から遠ざかるにつれて曲率が大きくなるように設定してもよい。

図６（ｂ）に示すターボチャージャでは、凹部５３の断面は円弧状に形成されているが、前縁３３から直ちに形成されるのではなく、前縁３３から離れた位置から形成されている。凸部５４は凹部５３に倣って径方向内側へ向けて突出している。従って、凹部５３および凸部５４に対応する流路を通過する空気の速度が増大する。

図６（ｃ）に示すターボチャージャでは、凹部５５の断面が円弧状ではなく複数の直線の組み合わせにより形成されている。また、凸部５６は凹部５５に倣って径方向内側へ向けて突出している。凹部５５および凸部５６に対応する流路を通過する空気の速度が増大する。なお、図６（ａ）〜図６（ｃ）に示す凹部５１、５３、５５および凸部５２、５４、５６は誇張して図示している。

なお、上記の実施形態は、本発明の一実施形態を示すものであり、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、下記のように発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能である。

○ 上記の実施形態（変更例を含む）では、２種類の翼（長翼と短翼）を備えたコンプレッサインペラについて例示したが、この限りではない。例えば、短翼を備えず長翼のみを備えるコンプレッサであってもよい。
○ 上記の実施形態（変更例を含む）では、互いに隣り合う長翼の間にインペラスロート部が存在するとしたが、この限りではない。例えば、長翼より僅かに短い短翼を設け、長翼と短翼との間にインペラスロート部が存在する場合でも、本発明は適用可能である。
○ 上記の実施形態（変更例を含む）では、インペラスロート部より空気入口部側へ延在する入口側翼部の一部に凹部を形成するとしたがこの限りではない。例えば、入口側翼部にわたって凹部を形成してもよく、凹部の軸方向の長さは各種の条件に応じて変更可能である。
○ 上記の実施形態（変更例を含む）では、空気入口部におけるコンプレッサインペラとシュラウド壁との入口クリアランスＣＬに対する凹部の凹み量Ｑとの比（Ｑ／ＣＬ）は、好ましい条件として０より大きく３より小さいとしたが、この限りではない。入口クリアランスＣＬに対する凹部の凹み量Ｑとの比（Ｑ／ＣＬ）は、コンプレッサインペラの諸条件によっては３以上であってもよい。

１０ ターボチャージャ
１１ コンプレッサハウジング
１２ コンプレッサインペラ
１５ 空気入口部
１６ 空気出口部
１９ 回転軸
３０ ハブ部
３１ 長翼
３２ 短翼
３３ 前縁
３５ 外周縁
３９ シュラウド壁
４１ 入口側翼部
４２ 出口側翼部
４３、５１、５３、５５ 凹部
４４、５２、５４、５６ 凸部
Ａ、Ａｔ 流路断面積
ＣＬ 入口クリアランス
Ｑ 凹み量
Ｒ 突出量
Ｔ インペラスロート部
Ｗ 空気の流入相対速度
Ｕ インペラの周速
Ｃ 空気の絶対速度
α 迎角
β 翼角

Claims (3)

1. 空気入口部と空気出口部を備えたコンプレッサハウジングと、
   前記コンプレッサハウジング内にて回転可能なコンプレッサインペラと、
   前記コンプレッサハウジングに設けられ、前記コンプレッサインペラと対向するシュラウド壁と、を備え、
   前記コンプレッサインペラは、
   ハブ部と、
   前記ハブ部の周方向に設けられ、前記空気入口部から前記空気出口部へ向けて延在する複数の第１インペラ翼と、を備え、
   前記ハブ部の周方向に互いに隣り合う一対の前記第１インペラ翼の前記コンプレッサインペラの回転方向前方に位置する一方の第１インペラ翼は、
   前記コンプレッサインペラの回転方向後方に位置する他方の第１インペラ翼と前記シュラウド壁とでインペラスロート部を区画するとともに、
   前記インペラスロート部から前記空気入口部側へ延在する入口側翼部と、
   前記インペラスロート部から前記空気出口側に延在する出口側翼部と、を有し、
   前記入口側翼部は、前記第１インペラ翼の前記シュラウド壁と対向する外周縁から前記コンプレッサインペラの径方向内側に凹む凹部を有し、
   前記シュラウド壁は、前記第１インペラ翼の前記凹部と対向する位置に、前記凹部に対応する断面形状の環状の凸部を有し、前記凸部は前記空気入口部よりも空気流路断面積を減少することを特徴とする過給機。
2. 前記凹部は円弧状の凹部であり、前記凸部は円弧状の前記凹部に倣って断面円弧状に突出する凸部であることを特徴とする請求項１記載の過給機。
3. 前記空気入口部における前記コンプレッサインペラと前記シュラウド壁との入口クリアランスに対する前記凹部の凹み量との比は、０より大きく３より小さいことを特徴とする請求項１又は２記載の過給機。

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