JP6716609B2 - ラジアルコンプレッサのディフューザ用のガイドベーン - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段に記載のラジアルコンプレッサのディフューザ用のガイドベーンに関する。

ラジアルコンプレッサのディフューザ用のそのようなガイドベーンは、従来技術から十分に既知である。通常、ラジアルコンプレッサは、収容領域を備え、その収容領域に、ラジアルコンプレッサのコンプレッサホイールが、収容可能、あるいは、ラジアルコンプレッサの完成状態で収容されている。更に、ラジアルコンプレッサは、収容領域の下流側に配置された、例えば、少なくとも実質的に半径方向に延在するディフューザを備える。ラジアルコンプレッサの運転中にコンプレッサホイールを使用して、コンプレッサホイールから流出し、かつディフューザを貫流する空気は、圧縮される。

前述のガイドベーンは、例えば、ラジアルディフューザとして形成されたディフューザに配置、あるいは、ラジアルコンプレッサの完成状態で配置されており、ディフューザを貫流する空気の誘導に用いられる。その際、ガイドベーンは、キャンバーラインを有し、例えば翼型として形成できる。

通常、複数のガイドベーンは、デュフューザに配置され、コンプレッサホイールの周辺方向にその周囲にわたって連続的に配置されている。複数のガイドベーンにより、排出ガイドバッフルとも呼ばれるガイド装置が形成されている。したがって、ガイド装置は、空気の流れ方向でコンプレッサホイールあるいは収容領域の下流側に配置されており、ディフューザにおける有利な流れ状態をもたらす。

更に、特許文献１には、タービンホイール及びタービンホイールの下流側に配置された複数のガイドベーンを有するガイドバッフルを含むタービンを備えるターボチャージャが開示されている。

国際公開特許第２００６／０５３５７９Ａ１号明細書

従来のラジアルコンプレッサにおいて使用され、その際ディフューザに配置、あるいは配置可能な従来のガイドベーンは、所望しない、つまり不利な気流状態をディフューザでもたらす翼ジオメトリを有する。そのような翼ジオメトリは、例えば、液滴形状翼型の形状のジオメトリであり、その液滴形状翼型は、空気により貫流可能な気流流路を大幅に制限することをもたらし、その結果、気流流路は、低い最大体積流量の空気だけが貫流できる。更なる翼ジオメトリは、航空機翼に関して最適化されているが、ディフューザでは大きな損失をもたらす、いわゆるＮＡＣＡ翼型である。更なる翼ジオメトリは、翼先端で不意の流路拡大により高い損失をもたらす、いわゆるくさび翼である。それぞれのガイドベーンが、例えば、一定の厚さを有する平坦な翼として形成されている場合には、これは、空気の流れの所望しない大幅な減速をもたらし、それに由来して高い損失となる。更なる翼ジオメトリは、一定の厚さを有するいわゆる円弧ジオメトリである。この場合、不適切に多い数の自由なジオメトリパラメータのみが存在し、この翼ジオメトリは、特にガイドベーンの中央部分で大幅な減速をもたらす。

本発明の課題は、冒頭に記載の形式のガイドベーンを、特に有利な気流状態がディフューザで実現できるように更に開発することである。

本課題は、請求項１の特徴を有するガイドベーンにより解決される。目的にかなった本発明の発展形態を伴う有利な形態は、従属請求項に示される。

請求項１の前段に示された形式のガイドベーンを、特に有利な気流状態がディフューザで実現できるように更に開発するために、キャンバーラインが少なくとも部分領域において楕円形に形成されていることが、本発明により提供されている。

キャンバーライン全体が、すなわちキャンバーラインの延在範囲全体に沿って楕円形に形成されているとき、特に有利であることが明らかとなっている。楕円形のキャンバーラインを有するガイドベーンの使用により、少なくともほとんど均一な減速が、ガイドベーンにより少なくとも部分的に制限された気流流路において、翼の前縁部で過剰な制約とならずに実現できる。更に、楕円形のキャンバーラインを有するガイドベーンの使用により、高い自由度のジオメトリパラメータが発生する。

本発明には、特に内燃機関の排気ガスターボチャージャ用のラジアルコンプレッサであって、ラジアルコンプレッサのコンプレッサホイール用の収容領域を備え、収容領域の下流側に配置されたディフューザを備え、かつディフューザに配置された本発明に係る少なくとも１つのガイドベーンを備える、ラジアルコンプレッサもまた含まれる。ディフューザそれ自体は、空気によって貫流可能な気流流路であり、空気は、コンプレッサホイールを使用して圧縮され、コンプレッサホイールから流出してディフューザを貫流する。ガイドベーンが少なくとも実質的に楕円形のキャンバーラインを有することにより、ディフューザでは、特に有利な気流状態は、過度な欠点なしに実現でき、その結果、ラジアルコンプレッサの特に効果的な運転が実現できる。

本発明のその他の利点、特徴、及び詳細は、図面を参照した好適な実施形態の以下の説明により明らかになる。前述の説明で記載した特徴、及び特徴の組み合わせ、及び以下の図の説明で記載し、かつ／又は単一の図面のみで示す特徴、及び特徴の組み合わせは、本発明の範囲を逸脱せずに、それぞれ示す組み合わせだけではなく、他の組み合わせで、又は単独でもまた使用してもよい。

単一図においてコンプレッサホイール用の収容領域の下流側に配置されたラジアルコンプレッサのディフューザ用の、少なくとも部分領域において楕円形に形成されたキャンバーラインを有するガイドベーンの概略断面図である。

図１は、コンプレッサホイール用の収容領域の下流側に配置されたラジアルコンプレッサのディフューザ用の、全般的に符号１０で表示されたガイドベーンを概略断面図で示す。ラジアルコンプレッサは、好適には、排気ガスターボチャージャの、構成部品であり、その構成部品により、例えば、往復動内燃機関として形成された自動車の内燃機関が形成されている。内燃機関は、自動車の駆動用に形成されており、内燃機関の排気により貫流可能な排気管及び空気により貫流可能な吸気管を含む。吸気管を使用して、吸気管を貫流する空気は、内燃機関の少なくとも１つの燃焼室、特にシリンダに誘導される。

排気ガスターボチャージャは、排気管に配置され、排気により駆動可能なタービンを備える。それに加えて、タービンは、タービンハウジング及びタービンハウジングに配置された排気により駆動可能なタービンホイールを含む。タービンホイールは、タービンハウジングに対して回転軸周りに回転可能であり、排気ガスターボチャージャのロータの構成部品である。ロータは、前述のコンプレッサホイール及びシャフトを更に含み、そのシャフトにより、タービンホイール及びコンプレッサホイールが回転不能に接続されている。これにより、コンプレッサホイールは、シャフトを介してタービンホイールにより駆動可能であり、その結果、ラジアルコンプレッサの運転中、空気は、コンプレッサホイールを使用して圧縮される。その結果、排気中に含まれるエネルギを、空気の圧縮のために利用できる。

ラジアルコンプレッサは、吸気管に配置され、コンプレッサホイールが配置されているコンプレッサハウジングを含む。その際、コンプレッサホイールあるいはロータは、コンプレッサハウジングに対して前述の回転軸周りに回転可能である。コンプレッサホイールが配置されている前述の収容領域は、コンプレッサハウジングにより境界画定されている。

ラジアルコンプレッサは、空気の流れ方向でラジアルコンプレッサを通過して収容領域の下流側、つまりタービンホイールに配置されている前述のディフューザを更に備える。ディフューザは、コンプレッサホイールを使用して圧縮され、コンプレッサホイールから流出する空気により貫流可能な流路、あるいはラジアルコンプレッサの運転中に貫流される流路である。好適には、ディフューザは、ラジアルディフューザとして形成されており、少なくとも実質的に半径方向に延在する。

ラジアルコンプレッサは、排出ガイドバッフルとも呼ばれるガイド装置を更に含む。ガイド装置は、ディフューザに、つまり収容領域あるいはコンプレッサホイールの下流側に配置された多数のガイドベーンを含み、それらのガイドベーンのうち図１では符号１０と付されたガイドベーンが示されている。ディフューザに配置されたガイドベーンは、ディフューザを貫流する空気の誘導に役立ち、その結果、有利な気流状態は、ディフューザで実現できる。ガイドベーン１０に関する前述および後述の実施は、排出ガイドバッフルの別のガイドベーンにそのまま転用できる。

図１から、ガイドベーン１０がキャンバーラインＸを有することが認識できる。このとき特に有利な気流状態をディフューザで実現できるようにするために、キャンバーラインＸは、少なくとも部分領域において楕円形に形成されている。本実施形態では、キャンバーラインＸ全体が楕円形に形成されていることが提供されている。これは、キャンバーラインＸがキャンバーラインの延在範囲全体に沿って楕円形に形成されていること、すなわち、楕円の部分として形成されていることを意味する。

図１はまた、キャンバーラインＸの設計用の補助ダイアグラムとして利用される、ダイアグラム１２も示す。図１から、ガイドベーン１０のキャンバーラインＸが、ガイドベーン１０の翼弦Ｃの長さにわたる楕円形膨張部を有する楕円として設計されることが特に良好に認識できる。ガイドベーン１０は、翼入口部１４を備え、その翼入口部１４を通過してラジアルコンプレッサの運転中に、空気がガイドベーン１０に流入する。更に、ガイドベーン１０は、翼出口部１６を備え、その翼出口部１６を通過して、空気がガイドベーン１０を流れ去る。翼入口部１４及び翼出口部１６は、共通の直線と交差し、そのようにして翼弦Ｃを画定する。

キャンバーラインＸは、楕円形に形成されているため、以下で楕円とも呼ばれる。その楕円は、翼弦Ｃに対してちょうど２つの交差角を有し、ガイドベーン１０の翼弦Ｃとの楕円の交差角は、それぞれ、すなわち個々に見ると４５°未満であり、かつ、一緒では、すなわち合計では常に８０°未満である。

ｆ_r,3によりガイドベーン１０の入口半径を表示し、ｆ_r,4によりガイドベーン１０の出口半径を示す。入口半径ｆ_r,3は、図１ではｒ₃により具体的に示され、出口半径ｆ_r,4もまたｒ₄により具体的に示されている。更に、図１では半径ｒ₂が認識できる。更に、ガイドベーン１０は、入口角α_b,3及び出口角α_b,4を有し、ガイドベーン１０、特に、ガイドベーン１０に空気が流入するガイドベーンの入口領域は、半径方向に対して入口角α_b,3をなす。更に、ガイドベーン１０、特に、それを越えてガイドベーン１０を空気が流れ去るガイドベーンの出口領域は、半径方向に対して入口角α_b,4をなし、この半径方向は、図１ではそれぞれｒ^→により具体的に示されている。

更に、ガイドベーン１０は、最大厚ｄ_ｂ及びいわゆる最大厚位置ｆ_ｂを有する。翼弦Ｃの長さは、更にＩ_ｂと表示されている。更に、楕円の中心点Ｍがガイドベーン１０の翼弦方向に関して翼弦Ｃの中心点Ｓから翼弦Ｃの長さＩ_ｂの半分を越えずに離れているとき、特に有利であることが明らかである。

図１において具体的に示されたガイドベーン１０の態様により、少なくとも部分的にガイドベーン１０により制限された、空気により貫流可能な気流流路では、少なくとも実質的に均一な減速を翼前縁部で過剰な制約とならずに実現でき、同時に、特に高い自由度のジオメトリパラメータを示すことができる。これにより、好適には、ラジアルディフューザとして形成されたディフューザ用に、楕円形特性を有する排出ガイドバッフル設計が可能であり、したがって、特に有利な気流状態をディフューザで示すことができる。

１０ ガイドベーン
１２ ダイアグラム
１４ 翼入口部
１６ 翼出口部
Ｃ 翼弦
Ｓ 中心点
Ｍ 中心点
Ｘ キャンバーライン
ｄ_b 最大厚
ｆ_b 最大厚位置
ｆ_r,3 入口半径
ｆ_r,4 出口半径
ｌ_b 長さ
ｒ₂ 半径
ｒ₃ 入口半径
ｒ₄ 出口半径
ｒ^→ 半径方向
α_b,3 入口角
α_b,4 出口角

Claims (5)

1. コンプレッサホイール用の収容領域の下流側に配置されたラジアルコンプレッサのディフューザ用のガイドベーン（１０）であって、
   全体が楕円形に形成されているキャンバーライン（Ｘ）を備え、
   前記ガイドベーン（１０）の翼弦（Ｃ）の中心点（Ｓ）からの前記楕円の中心点（Ｍ）の距離は、翼弦方向に関して最大で前記翼弦（Ｃ）の長さ（Ｉ_ｂ）の半分であることを特徴とする、ガイドベーン。
2. 前記ガイドベーン（１０）の翼入口部及び翼出口部は、前記ガイドベーン（１０）の前記翼弦（Ｃ）を画定して共通の直線と交差することを特徴とする、請求項１記載のガイドベーン。
3. 前記翼入口部及び前記翼出口部のそれぞれにおける前記翼弦（Ｃ）に対する前記楕円の交差角は、それぞれ４５°未満であり、かつ合計で８０°未満であることを特徴とする、請求項１または請求項２記載のガイドベーン。
4. 特に内燃機関の排気ガスターボチャージャ用のラジアルコンプレッサであって、
   前記ラジアルコンプレッサのコンプレッサホイール用の収容領域と、
   前記収容領域の下流側に配置されたディフューザと、
   前記ディフューザにおいて請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の少なくとも１つのガイドベーン（１０）と
   を備える、ラジアルコンプレッサ。
5. 内燃機関用、特に、請求項４記載のラジアルコンプレッサを備える自動車の内燃機関用の排気ガスターボチャージャ。

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