JP7452708B2

JP7452708B2 - 遠心圧縮機および過給機

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Publication number: JP7452708B2
Application number: JP2022568051A
Authority: JP
Inventors: 克典時枝
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2021-09-03
Publication date: 2024-03-19
Anticipated expiration: 2041-09-03
Also published as: CN116057265A; JPWO2022123839A1; WO2022123839A1; DE112021003609T5; US20230160396A1

Description

本開示は、遠心圧縮機および過給機に関する。本出願は２０２０年１２月９日に提出された日本特許出願第２０２０－２０４２３６号に基づく優先権の利益を主張するものであり、その内容は本出願に援用される。

特許文献１には、コンプレッサハウジングと、コンプレッサインペラとを備えた遠心圧縮機について開示がある。特許文献１のコンプレッサハウジングには、ディフューザ流路と、スクロール流路とが形成される。スクロール流路には、径方向の最も内側に位置する内径端が形成される。スクロール流路の内径端は、コンプレッサインペラの回転軸方向における最大流路幅の中間点に対し、ディフューザ流路側に位置する。

特許第６３４７４５７号

スクロール流路の内径端がディフューザ流路側に位置すると、スクロール流路の内径側の断面形状が曲率の大きなものとなる。このため、スクロール流路壁に沿った流れの方向の変化が大きくなり、スクロール流路の内径側、かつ、ディフューザ流路側の内面において空気が剥離し易くなる。

本開示は、スクロール流路内での空気の剥離を抑制可能な遠心圧縮機および過給機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示の遠心圧縮機は、インペラを収容するハウジングと、ハウジングのうち、インペラよりも径方向外側に形成されたディフューザ流路と、ハウジングに形成され、ディフューザ流路に径方向外側から連通するスクロール流路であって、当該スクロール流路は、ディフューザ流路に対してインペラの回転軸方向および回転方向に延在し、当該スクロール流路は、径方向の最も内側に位置する内径端を含み、内径端は、回転軸方向における当該スクロール流路の最大流路幅の中間点に対して、ディフューザ流路から離隔する、スクロール流路と、を備え、中間点と内径端との回転軸方向の離隔距離は、スクロール流路の舌部および巻終わり部に対し、スクロール流路の延在方向における舌部から巻終わり部までの間の中間部において大きい。

スクロール流路は、径方向内側に位置する内径面を含み、内径面は、内径端よりディフューザ流路に近接する第１曲率面と、内径端よりディフューザ流路から離隔する第２曲率面と、を含み、第１曲率面の曲率半径は、第２曲率面の曲率半径と等しくてもよい。

スクロール流路は、径方向内側に位置する内径面を含み、内径面は、内径端よりディフューザ流路に近接する第１曲率面と、内径端よりディフューザ流路から離隔する第２曲率面と、を含み、中間部では、第１曲率面の曲率半径は、第２曲率面の曲率半径より大きくてもよい。

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。

本開示によれば、スクロール流路壁に沿った流れの剥離を抑制することが可能となる。

図１は、過給機の概略断面図である。図２は、本実施形態のコンプレッサスクロール流路の概略断面図である。図３は、コンプレッサスクロール流路内を流通する空気の流速を可視化した図である。図４は、コンプレッサスクロール流路の巻始め部から巻終わり部までの方位角と、回転軸方向における内径端と中間点の間の距離との関係を表すグラフである。図５は、中間部におけるコンプレッサスクロール流路の概略断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の一実施形態について説明する。実施形態に示す具体的な寸法、材料および数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。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、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、過給機ＴＣの概略断面図である。以下では、図１に示す矢印Ｌ方向を過給機ＴＣの左側として説明する。図１に示す矢印Ｒ方向を過給機ＴＣの右側として説明する。図１に示すように、過給機ＴＣは、過給機本体１を備える。過給機本体１は、ベアリングハウジング３と、タービンハウジング５と、コンプレッサハウジング（ハウジング）７と、を含む。タービンハウジング５は、ベアリングハウジング３の左側に締結ボルト９によって連結される。コンプレッサハウジング７は、ベアリングハウジング３の右側に締結ボルト１１によって連結される。

ベアリングハウジング３には、軸受孔３ａが形成される。軸受孔３ａは、ベアリングハウジング３を過給機ＴＣの左右方向に貫通する。軸受孔３ａは、シャフト１３の一部を収容する。軸受孔３ａには、軸受１５が収容される。本実施形態では、軸受１５は、フルフローティング軸受である。しかし、これに限定されず、軸受１５は、セミフローティング軸受や、転がり軸受など他の軸受であってもよい。シャフト１３は、軸受１５によって、回転可能に支持される。シャフト１３の左端部には、タービン翼車１７が設けられる。タービン翼車１７は、タービンハウジング５に回転可能に収容される。シャフト１３の右端部には、コンプレッサインペラ（インペラ）１９が設けられる。コンプレッサインペラ１９は、コンプレッサハウジング７に回転可能に収容される。本開示において、シャフト１３、タービン翼車１７およびコンプレッサインペラ１９の回転軸方向、径方向および回転方向は、それぞれ単に回転軸方向、径方向および回転方向と称され得る。

コンプレッサハウジング７には、吸気口２１が形成される。吸気口２１は、過給機ＴＣの右側に開口する。吸気口２１は、不図示のエアクリーナに接続される。ベアリングハウジング３とコンプレッサハウジング７の対向面によって、ディフューザ流路２３が形成される。ディフューザ流路２３は、環状に形成される。ディフューザ流路２３は、コンプレッサハウジング７のうち、コンプレッサインペラ１９よりも径方向外側に形成される。ディフューザ流路２３は、径方向内側において、コンプレッサインペラ１９を介して吸気口２１に連通している。吸気口２１からコンプレッサインペラ１９を介して流入した空気は、ディフューザ流路２３を流通する。ディフューザ流路２３は、空気を加圧する。

コンプレッサハウジング７には、コンプレッサスクロール流路（スクロール流路）２５が形成される。コンプレッサスクロール流路２５は、環状に形成される。コンプレッサスクロール流路２５は、例えば、ディフューザ流路２３よりも径方向外側に位置する。コンプレッサスクロール流路２５は、ディフューザ流路２３に対して径方向外側に連通する。コンプレッサスクロール流路２５は、ディフューザ流路２３に対して回転軸方向および回転方向に延在する。コンプレッサスクロール流路２５は、不図示のエンジンの吸気口と、ディフューザ流路２３とに連通している。コンプレッサインペラ１９が回転すると、吸気口２１からコンプレッサハウジング７内に空気が吸気される。吸気された空気は、コンプレッサインペラ１９の翼間を流通する過程において加圧加速される。加圧加速された空気は、ディフューザ流路２３およびコンプレッサスクロール流路２５で加圧される。加圧された空気は、エンジンの吸気口に導かれる。

このようなコンプレッサハウジング７およびベアリングハウジング３により、遠心圧縮機ＣＣが構成される。本実施形態では、遠心圧縮機ＣＣが過給機ＴＣに搭載される例ついて説明する。ただし、これに限定されず、遠心圧縮機ＣＣは、過給機ＴＣ以外の装置に組み込まれてもよいし、単体であってもよい。

タービンハウジング５には、吐出口２７が形成される。吐出口２７は、過給機ＴＣの左側に開口する。吐出口２７は、不図示の排気ガス浄化装置に接続される。タービンハウジング５には、連通流路２９およびタービンスクロール流路３１が形成される。連通流路２９は、タービン翼車１７の径方向外側に位置する。連通流路２９は、環状に形成される。連通流路２９は、タービン翼車１７を介して吐出口２７とタービンスクロール流路３１とを連通する。

タービンスクロール流路３１は、例えば、連通流路２９よりも径方向外側に位置する。タービンスクロール流路３１は、環状に形成される。タービンスクロール流路３１は、不図示のガス流入口と連通する。ガス流入口には、不図示のエンジンの排気マニホールドから排出される排気ガスが導かれる。排気ガスは、タービンスクロール流路３１および連通流路２９を通過し、タービン翼車１７を介して吐出口２７に導かれる。排気ガスは、タービン翼車１７を流通する過程においてタービン翼車１７を回転させる。

タービン翼車１７の回転力は、シャフト１３を介してコンプレッサインペラ１９に伝達される。コンプレッサインペラ１９が回転すると、上記のとおりに空気が加圧される。こうして、空気がエンジンの吸気口に導かれる。

図２は、本実施形態のコンプレッサスクロール流路２５の概略断面図である。図２に示すように、コンプレッサスクロール流路２５は、回転軸方向に最大流路幅Ｔｈとなる側端部２５ａ、２５ａを有する。コンプレッサスクロール流路２５の内面は、側端部２５ａ、２５ａを境に、外径面２５ｂと、内径面２５ｃとを有する。

外径面２５ｂは、コンプレッサスクロール流路２５の内面のうち、側端部２５ａ、２５ａよりも外径側に形成される。外径面２５ｂは、径方向外側に突出した曲面形状を有する。内径面２５ｃは、コンプレッサスクロール流路２５の内面のうち、側端部２５ａ、２５ａよりも内径側に形成される。内径面２５ｃは、径方向内側に突出した曲面形状を有する。

ディフューザ流路２３からコンプレッサスクロール流路２５に流入した空気の大部分は、外径面２５ｂに沿ってディフューザ流路２３に近接する部分から離隔する部分に導かれる。外径面２５ｂに沿って移動した空気は、外径面２５ｂから内径面２５ｃに導かれ、内径面２５ｃに沿ってディフューザ流路２３から離隔する部分から近接する部分に導かれる。このように、ディフューザ流路２３からコンプレッサスクロール流路２５に流入した空気の大部分は、コンプレッサスクロール流路２５内で図２中、時計回り（図中、矢印Ｒａ方向）の旋回流を形成する。

また、ディフューザ流路２３からコンプレッサスクロール流路２５に流入した空気の一部は、ディフューザ流路２３の出口端面２３ａから図２中、右側に移動し、内径面２５ｃに沿ってディフューザ流路２３に近接する部分から離隔する部分に導かれる。このように、ディフューザ流路２３からコンプレッサスクロール流路２５に流入した空気の一部は、コンプレッサスクロール流路２５内で図２中、反時計回り（図中、矢印Ｒｂ方向）の旋回流を形成する。

コンプレッサスクロール流路２５内の図２中、時計回りの旋回流および反時計回りの旋回流は、内径面２５ｃの後述する第１曲率面２５ｇにおいて互いに衝突し、淀み領域（剥離領域）が形成される。

外径面２５ｂは、コンプレッサスクロール流路２５のうち最も径方向外側に位置する外径端２５ｄを有する。内径面２５ｃは、コンプレッサスクロール流路２５のうち最も径方向内側に位置する内径端２５ｅを有する。

径方向において、側端部２５ａ、２５ａから外径端２５ｄまでの距離は、側端部２５ａ、２５ａから内径端２５ｅまでの距離よりも短い。コンプレッサスクロール流路２５のうち、側端部２５ａ、２５ａよりも外径側の流路断面積は、側端部２５ａ、２５ａより内径側の流路断面積より小さい。

外径端２５ｄは、回転軸方向において内径端２５ｅと同じ位置にある。ただし、これに限定されず、外径端２５ｄは、回転軸方向において内径端２５ｅと異なる位置にあってもよい。外径端２５ｄは、回転軸方向における最大流路幅Ｔｈの中間点２５ｆに対し、ディフューザ流路２３から離隔する。

内径端２５ｅは、回転軸方向における最大流路幅Ｔｈの中間点２５ｆに対し、ディフューザ流路２３から離隔する。ディフューザ流路２３近くの側端部２５ａと内径端２５ｅとの間の幅Ｅｉは、ディフューザ流路２３近くの側端部２５ａと中間点２５ｆの間の幅Ｍｈよりも大きい。つまり、ディフューザ流路２３近くの側端部２５ａと内径端２５ｅとの回転軸方向の離隔距離は、ディフューザ流路２３近くの側端部２５ａと中間点２５ｆとの回転軸方向の離隔距離よりも大きい。内径端２５ｅは、回転軸方向において、ディフューザ流路２３から離隔する側端部２５ａと、中間点２５ｆとの間に位置する。内径端２５ｅは、ディフューザ流路２３から離隔する側端部２５ａよりも、中間点２５ｆに近接する。

内径面２５ｃは、第１曲率面２５ｇと、第２曲率面２５ｈとを含む。第１曲率面２５ｇは、内径面２５ｃのうち、内径端２５ｅよりディフューザ流路２３に近接する。第２曲率面２５ｈは、内径面２５ｃのうち、内径端２５ｅよりディフューザ流路２３から離隔する。第１曲率面２５ｇの曲率半径は、第２曲率面２５ｈの曲率半径と等しい。ここで、等しいとは、完全に等しい場合と、製造上の公差、誤差を有する実質的に等しい場合とを含む意味である。ただし、これに限定されず、第１曲率面２５ｇの曲率半径は、第２曲率面２５ｈの曲率半径と異なっていてもよい。

上述したように、本実施形態のコンプレッサスクロール流路２５では、最大流路幅Ｔｈとなる側端部２５ａ、２５ａに対し、外径側の高さ（径方向における外径端２５ｄまでの距離）が、内径側の高さ（径方向における内径端２５ｅまでの距離）より小さい。そのため、側端部２５ａ、２５ａに対し外径側の高さと内径側の高さが等しい場合に比べ、コンプレッサスクロール流路２５の最大外径を小さくすることができる。その結果、コンプレッサハウジング７の最大外径を小さくすることができる。

一方、本実施形態のコンプレッサスクロール流路２５では、側端部２５ａ、２５ａに対し外径側の高さと内径側の高さが等しい場合に比べ、内径側の高さが大きく、内径側に突出した形状を有する。コンプレッサスクロール流路２５の内径側の高さが大きくなるほど、流路の断面形状の内径側の曲率が大きくなり、ディフューザ流路２３からコンプレッサスクロール流路２５に流入した空気が、特に第１曲率面２５ｇにおいて剥離し易くなり、剥離領域が拡大され易くなる。剥離領域が拡大されるほど、遠心圧縮機ＣＣの性能が低下する。

コンプレッサスクロール流路２５の内径端２５ｅが、中間点２５ｆに対しディフューザ流路２３に近接するほど、ディフューザ流路２３の出口端面２３ａと第１曲率面２５ｇとの間の角度αが大きくなる。角度αが大きくなるほど、ディフューザ流路２３からコンプレッサスクロール流路２５に流入した空気が、第１曲率面２５ｇから剥離し易くなる。

そこで、本実施形態では、コンプレッサスクロール流路２５の内径端２５ｅを、中間点２５ｆに対しディフューザ流路２３から離隔するように配している。これにより、内径端２５ｅが中間点２５ｆに対しディフューザ流路２３近くに位置する場合よりも、ディフューザ流路２３の出口端面２３ａと第１曲率面２５ｇとの間の角度αを小さくすることができる。その結果、ディフューザ流路２３からコンプレッサスクロール流路２５に流入した空気が第１曲率面２５ｇで剥離し難くなり、剥離領域の拡大を抑制することができる。

また、第１曲率面２５ｇと第２曲率面２５ｈの曲率半径が等しい場合、ディフューザ流路２３からコンプレッサスクロール流路２５に流入した空気が、第１曲率面２５ｇおよび第２曲率面２５ｈ上で滑らかに移動することができる。その結果、第１曲率面２５ｇおよび第２曲率面２５ｈ上で空気が剥離し難くなり、剥離領域の拡大を抑制することができる。

図３は、コンプレッサスクロール流路２５内を流通する空気の流速を可視化した図である。図４は、コンプレッサスクロール流路２５の巻始め部から巻終わり部までの方位角と、回転軸方向における内径端２５ｅと中間点２５ｆの間の距離との関係を表すグラフである。図３中、コンプレッサスクロール流路２５内に示される複数の曲線は、空気の流速の大きさを示し、曲線が長いほど流速が速いことを示す。図４中、縦軸は、ディフューザ流路２３近くの側端部２５ａを基準とした回転軸方向の距離を示し、横軸は、コンプレッサスクロール流路２５の巻始め部から巻終わり部までの方位角を示す。

図３および図４に示すように、コンプレッサスクロール流路２５の巻始め部２５ｉは、方位角０°で表され、巻終わり部２５ｊは方位角３３０°で表される。また、コンプレッサスクロール流路２５には、コンプレッサスクロール流路２５の上流部と下流部とを仕切る舌部２５ｋが形成される。コンプレッサスクロール流路２５の舌部２５ｋは、おおよそ方位角１５°で表される。また、コンプレッサスクロール流路２５は、コンプレッサスクロール流路２５の延在方向における巻始め部２５ｉ（舌部２５ｋ）から巻終わり部２５ｊまでの間に中間部２５ｍを有する。中間部２５ｍは、図４で示されるように、例えば方位角６０°～２１０°で表される範囲である。ただし、中間部２５ｍの範囲（方位角）は、これに限定されない。

図４に示されるように、中間点２５ｆと内径端２５ｅとの回転軸方向の離隔距離は、コンプレッサスクロール流路２５の延在方向（方位角）に沿って変化する。中間点２５ｆと内径端２５ｅとの回転軸方向の離隔距離は、舌部２５ｋにおいて最も小さい。

中間点２５ｆと内径端２５ｅとの回転軸方向の離隔距離は、舌部２５ｋから中間部２５ｍに向かって徐々に大きくなり、中間部２５ｍから巻終わり部２５ｊに向かって徐々に小さくなる。換言すれば、中間点２５ｆと内径端２５ｅとの回転軸方向の離隔距離は、コンプレッサスクロール流路２５の巻始め部２５ｉ（舌部２５ｋ）および巻終わり部２５ｊに対し、中間部２５ｍにおいてより大きい。

図５は、中間部２５ｍにおけるコンプレッサスクロール流路２５の概略断面図である。図５中、巻終わり部２５ｊの流路断面形状を破線で示し、中間部２５ｍの流路断面形状を実線で示す。なお、巻終わり部２５ｊの流路断面形状は、図２に示す流路断面形状と同じである。

図５に示すように、中間部２５ｍにおけるコンプレッサスクロール流路２５の内径端１２５ｅは、巻終わり部２５ｊにおけるコンプレッサスクロール流路２５の内径端２５ｅよりも、ディフューザ流路２３から離隔する。つまり、中間部２５ｍにおける中間点２５ｆと内径端１２５ｅとの回転軸方向の離隔距離は、巻終わり部２５ｊにおける中間点２５ｆと内径端２５ｅとの回転軸方向の離隔距離よりも大きい。

そのため、中間部２５ｍにおけるコンプレッサスクロール流路２５の第１曲率面１２５ｇは、巻終わり部２５ｊにおけるコンプレッサスクロール流路２５の第１曲率面２５ｇよりも曲率半径が大きくなる。

また、中間部２５ｍにおけるコンプレッサスクロール流路２５の第２曲率面１２５ｈは、巻終わり部２５ｊにおけるコンプレッサスクロール流路２５の第２曲率面２５ｈよりも曲率半径が小さくなる。その結果、第１曲率面１２５ｇの曲率半径は、第２曲率面１２５ｈの曲率半径より大きくなる。換言すれば、第２曲率面１２５ｈの曲率半径は、第１曲率面１２５ｇの曲率半径より小さくなる。

図３に示すように、コンプレッサスクロール流路２５内に示される複数の曲線は、中間部２５ｍ（特に、方位角６０°～１５０°）において、コンプレッサスクロール流路２５の外径端付近まで長く延在している。このように、コンプレッサスクロール流路２５内を流通する空気の流速は、中間部２５ｍ（特に、方位角６０°～１５０°）において最も速くなる。空気の流速が速くなるほど、第１曲率面２５ｇ、１２５ｇにおいて空気が剥離し易くなる。

そのため、本実施形態では、空気の流速が最も速くなる中間部２５ｍにおいて、第２曲率面１２５ｈの曲率半径を小さくしている。曲率半径を小さくすることで、曲率半径が大きい場合よりも、図５中、時計回りの空気の旋回速度を、効率よく減速させることができる。その結果、第２曲率面１２５ｈから第１曲率面１２５ｇに移動した空気が、第１曲率面１２５ｇ上で剥離し、剥離領域が拡大されるのを抑制することができる。

以上、添付図面を参照しながら本開示の一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。

上記実施形態では、中間点２５ｆと内径端２５ｅとの回転軸方向の離隔距離がコンプレッサスクロール流路２５の延在方向に沿って変化する例について説明した。しかし、これに限定されず、中間点２５ｆと内径端２５ｅとの回転軸方向の離隔距離は、コンプレッサスクロール流路２５の延在方向に沿って一定であってもよい。

ＣＣ遠心圧縮機
ＴＣ過給機
７コンプレッサハウジング（ハウジング）
１９コンプレッサインペラ（インペラ）
２３ディフューザ流路
２５コンプレッサスクロール流路（スクロール流路）
２５ａ側端部
２５ｂ外径面
２５ｃ内径面
２５ｄ外径端
２５ｅ内径端
２５ｆ中間点
２５ｇ第１曲率面
２５ｈ第２曲率面
２５ｉ巻始め部
２５ｊ巻終わり部
２５ｋ舌部
２５ｍ中間部
１２５ｅ内径端
１２５ｇ第１曲率面
１２５ｈ第２曲率面

Claims

インペラを収容するハウジングと、
前記ハウジングのうち、前記インペラよりも径方向外側に形成されたディフューザ流路と、
前記ハウジングに形成され、前記ディフューザ流路に径方向外側から連通するスクロール流路であって、当該スクロール流路は、前記ディフューザ流路に対して前記インペラの回転軸方向および回転方向に延在し、当該スクロール流路は、径方向の最も内側に位置する内径端を含み、前記内径端は、前記回転軸方向における当該スクロール流路の最大流路幅の中間点に対して、前記ディフューザ流路から離隔する、スクロール流路と、
を備え、
前記中間点と前記内径端との前記回転軸方向の離隔距離は、前記スクロール流路の舌部および巻終わり部に対し、前記スクロール流路の延在方向における前記舌部から前記巻終わり部までの間の中間部において大きい、
遠心圧縮機。
前記スクロール流路は、径方向内側に位置する内径面を含み、前記内径面は、前記内径端より前記ディフューザ流路に近接する第１曲率面と、前記内径端より前記ディフューザ流路から離隔する第２曲率面と、を含み、前記第１曲率面の曲率半径は、前記第２曲率面の曲率半径と等しい、請求項１に記載の遠心圧縮機。
前記スクロール流路は、径方向内側に位置する内径面を含み、前記内径面は、前記内径端より前記ディフューザ流路に近接する第１曲率面と、前記内径端より前記ディフューザ流路から離隔する第２曲率面と、を含み、前記中間部では、前記第１曲率面の曲率半径は、前記第２曲率面の曲率半径より大きい、請求項１または２に記載の遠心圧縮機。
前記請求項１～３のうちいずれか１項に記載の遠心圧縮機を備える過給機。