JPWO2015019901A1

JPWO2015019901A1 - 遠心圧縮機及び過給機

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Publication number: JPWO2015019901A1
Application number: JP2015530830A
Authority: JP
Inventors: 保孝別所
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2034-07-29
Also published as: CN105339675A; EP3032108B1; EP3032108A1; WO2015019901A1; US20160076553A1; EP3032108A4; JP6323454B2; US10066638B2; EP3032108B8

Abstract

ハウジング（５）内におけるインペラ（１３）の出口側に、環状のディフューザ（２７）が形成される。ディフューザ（２７）のシュラウド側壁面（２７ｓ）及びハブ側壁面（２７ｈ）は、径方向に対してそれぞれ平行である。ディフューザ（２７）のシュラウド側壁面（２７ｓ）に複数の環状の段差部（３５）が形成されている。各段差部（３５）は、ディフューザ（２７）の流路幅を主流の流れ方向に沿って広げるように形成されている。

Description

本発明は、遠心力を利用して流体（空気等のガスを含む）を圧縮する遠心圧縮機、特に、遠心圧縮機におけるディフューザに関するものである。

近年、過給機、ガスタービン、産業用空気設備等に用いられる遠心圧縮機について種々の研究開発がなされている。（特許文献１〜特許文献３参照）。

一般的な遠心圧縮機は、ハウジングを具備している。このハウジングは、内側にシュラウドを有している。ハウジング内には、インペラがその軸心周りに回転可能に設けられている。インペラはディスクを備えている。このディスクのハブ面は、タービンインペラの軸方向一方側から径方向外側に向かって延びている。ディスクのハブ面には、複数のブレードが周方向に間隔を置いて一体的に設けられている。各ブレードの先端縁は、ハウジングのシュラウドに沿うように延びている。

ハウジング内におけるインペラの出口側には、圧縮した流体（圧縮流体）を減速させて昇圧する環状のディフューザ（ディフューザ流路）が形成されている。また、ハウジング内におけるディフューザの出口側には、ディフューザに連通したスクロール（スクロール流路）が形成されている。

特開２００９−２３０５号公報特開２００６−２２００５３号公報特開２０１０−１９６５４２号公報

ところで、遠心圧縮機の運転中に、ディフューザのシュラウド側壁面の出口側において、流路形状の急激な変化に伴う流れの剥離（剥離渦）が発生する。一方、流れの剥離が発達すると、ディフューザの出口側における有効流路面積が減少する。その結果、ディフューザによって主流の流れを十分に減速させることができず、ディフューザの静圧回復性能が低下する。また、ディフューザのシュラウド側壁面の出口側における流れの剥離による低圧部（ブロッケージ、低圧領域、閉塞領域）とスクロール内の主流の流れとの衝突（干渉）によって、スクロールの下流側に位置する吐出口（吐出流路）内の流れに乱れが生じて、遠心圧縮機の圧縮機効率が低下する。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる遠心圧縮機及び過給機を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、遠心力を利用して流体（空気等のガスを含む）を圧縮する遠心圧縮機であって、内側にシュラウドを有したハウジングと、前記ハウジング内に回転可能に設けられたインペラと、前記ハウジング内における前記インペラの出口側の径方向外側に形成されたディフューザ（ディフューザ流路）と、前記ハウジング内における前記ディフューザの出口側に形成されたスクロール（スクロール流路）とを具備し、前記ディフューザのシュラウド側壁面及びハブ側壁面は、径方向にそれぞれ延在し、前記ディフューザのシュラウド側壁面に少なくとも１つの段差部が前記ディフューザの流路幅を主流の流れ方向に沿って広げるように形成されていることを要旨とする。

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたことを含む意であって、「一体的に設けられ」とは、一体形成されたことを含む意である。また、「軸方向」とは、インペラの軸方向のことをいい、「径方向」とは、インペラの径方向のことをいう。更に、「シュラウド側壁面」とは、ハウジングのシュラウドを径方向外側へ延長した面側に位置する壁面のことをいい、「ハブ側壁面」とは、ディスクのハブ面を径方向外側へ延長した面側に位置する壁面のことをいう。

本発明の第２の態様は、過給機であって、第１の態様に係る遠心圧縮機を具備したことを要旨とする。

本発明によれば、前記遠心圧縮機の運転中に、前記ディフューザのシュラウド側壁面の出口側の剥離の発達を抑えることができる。そのため、前記ディフューザの出口側の有効流路面積の減少を抑えて、前記ディフューザによって主流の流れを十分に減速させることができる。また、前記遠心圧縮機の運転中に、前記ディフューザのシュラウド側壁面の出口側において、流れの剥離による低圧部を縮小できる。そのため、その低圧部と前記スクロール内の主流の流れとの衝突（干渉）を緩和して、前記スクロールの下流側における主流の流れに乱れが生じることを抑えることができる。よって、本発明によれば、前記ディフューザの静圧回復性能を高めつつ、前記遠心圧縮機の圧縮機効率の向上を図ることができる。

図１は、図３における矢視部Iの拡大図である。図２（ａ）は、図１における矢視部IIの拡大図、図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、段差部の異なる態様を示す図である。図３は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機等を示す正断面図である。図４（ａ）は、発明例に係るディフューザの周辺の構成を示す模式図、図４（ｂ）は、比較例に係るディフューザの周辺の構成を示す模式図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、大流量側（チョーク側）の作動域において低圧部が生成される領域を示す図、図５（ａ）が発明例の場合、図５（ｂ）が比較例の場合である。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、圧縮機効率のピーク付近の作動域におけるスクロール内及びディフューザ内の静圧分布を示す図、図６（ａ）が発明例の場合、図６（ｂ）が比較例の場合である。図７は、発明例及び比較例における流量と圧縮機効率との関係を示す図である。

本発明は、次に述べる新規な知見に基づいている。

即ち、その新規な知見とは、所定の条件の下で、ディフューザ２７のシュラウド側壁面２７ｓに環状の段差部３５が形成された場合（図４（ａ）参照）には、環状の段差部３５が形成されていない場合（図４（ｂ）参照）に比べて、遠心圧縮機の運転中に、ディフューザ２７のシュラウド側壁面２７ｓの出口２７ｏ側において、流れの剥離（剥離渦）の発達が抑えられ、これにより、その剥離による低圧部ＬＰが縮小されるというものである（図５（ａ）及び図５（ｂ）参照）。これは、環状の段差部３５近傍に剥離渦を局所的に発生させて、ディフューザ２７のシュラウド側壁面２７ｓ近傍に低圧部ＬＰを生成したことにより、ディフューザ２７の出口２７ｏの手前側において主流の流れがディフューザ２７のシュラウド側壁面２７ｓに沿い易くなったことによるものと考えられる。また、所定の条件とは、ディフューザ２７のシュラウド側壁面２７ｓ及びハブ側壁面２７ｈがインペラの径方向に対してそれぞれ平行であること、及び環状の段差部３５がディフューザ２７の流路幅を主流の流れ方向に沿って広げるようになっていることである。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）における符号２７ｉは、インペラ１３の収容室（図１参照）に連通するディフューザ２７の入口を示している。

ここで、図４（ａ）は、発明例に係るディフューザ２７の周辺の構成を示す模式図である。図４（ｂ）は、比較例に係るディフューザ２７の周辺の構成を示す模式図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、大流量側（チョーク側）の作動域において低圧部が生成される領域を示す図であって、図５（ａ）が発明例の場合、図５（ｂ）が比較例の場合である。また、低圧部ＬＰが生成される領域は、数値流体解析（ＣＦＤ：ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ解析）により求めたものである。更に、図示は省略するが、大流量側の作動域だけでなく、小流量側（サージ側）及び圧縮機効率のピーク付近の作動域においても、同様の解析結果を得ることができた。

本発明の実施形態について図１から図３を参照して説明する。なお、図面に示すとおり、「Ｌ」は、左方向、「Ｒ」は、右方向である。

図１及び図３に示すように、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、過給機３に用いられ、遠心力を利用して空気を圧縮するものである。

遠心圧縮機１は、ハウジング（コンプレッサハウジング）５を具備している。ハウジング５は、内側にシュラウド７ｓを有したハウジング本体７と、このハウジング本体７の右側に設けられたシールプレート９とを備えている。なお、シールプレート９は、過給機３における別のハウジング（軸受ハウジング）１１に一体的に連結されている。

ハウジング５内には、インペラ（コンプレッサインペラ）１３がその軸心Ｃ周りに回転可能に設けられている。インペラ１３は、回転軸１９の左端部に一体的に連結されている。回転軸１９は、別のハウジング１１に複数のスラスト軸受１５及び複数（１つのみ図示）のラジアル軸受１７を介して回転可能に設けられている。また、インペラ１３は、ディスク２１を備えている。ディスク２１はハブ面２１ｈを有する。ハブ面２１ｈは、左方向（インペラ１３の軸方向一方側）からの径方向（インペラ１３の径方向）外側へ延びている。更に、ディスク２１のハブ面２１ｈには、同じ軸長の複数のブレード２３が周方向に間隔を置いて一体形成されている。各ブレード２３の先端縁２３ｔは、ハウジング本体７のシュラウド７ｓに沿うように延びている。なお、軸長の同じ複数のブレード２３を用いる代わりに、異なる軸長の複数種のブレード（図示省略）を用いてもよい。

ハウジング本体７におけるインペラ１３の入口側には、導入口（導入流路）２５が形成されている。導入口２５は、空気をハウジング５内に導入する。また、導入口２５は、空気を浄化するエアクリーナ（図示省略）に接続する。ハウジング５内におけるインペラ１３の出口側には、ディフューザ（ディフューザ流路）２７が形成されている。ディフューザ２７は、圧縮した空気（圧縮空気）を減速させて昇圧する。ディフューザ２７は例えば環状に形成されている。ハウジング５内におけるインペラ１３とディフューザ２７との間には、絞り部（絞り流路）２９が形成されている。絞り部２９の流路幅は、主流の流れ方向に沿って漸次小さくなっている。絞り部２９は、例えば環状に形成されている。絞り部２９は、ディフューザ２７に連通している。

ハウジング５内におけるディフューザ２７の出口側には、スクロール（スクロール流路）３１が形成されている。スクロール３１は渦巻き状に形成されている。スクロール３１は、ディフューザ２７に連通している。スクロール３１の断面積は、巻き終わり側（下流側）が巻き始め側（上流側）よりも大きくなっている。ハウジング本体７の適宜位置には、吐出口（吐出流路）３３が形成されている。吐出口３３は、圧縮された空気をハウジング５の外側へ吐出する。吐出口３３は、スクロール３１に連通し、かつエンジンの吸気マニホールドあるいはインタークーラーなどエンジン側吸気配管（図示省略）に接続する。

図１及び図２（ａ）に示すように、ディフューザ２７のシュラウド側壁面２７ｓ及びハブ側壁面２７ｈは、径方向（インペラ１３の径方向）に延在して設けられる。例えば、径方向に対してそれぞれ平行にすることができる。なお、シュラウド側壁面２７ｓとは、ハウジング本体７のシュラウド７ｓを径方向外側へ延長した面側に位置する壁面のことをいう。ハブ側壁面２７ｈとは、ディスク２１のハブ面２１ｈを径方向外側へ延長した面側に位置する壁面のことをいう。ここで、上述の平行は、厳密である必要はない。即ち、シュラウド側壁面２７ｓ及びハブ側壁面２７ｈは、径方向に対して数度程度の角度で傾斜していてもよい。

ディフューザ２７のシュラウド側壁面２７ｓの中間部（ディフューザ２７の入口２７ｉと出口２７ｏの間）には、複数の環状の段差部３５が形成されている。各段差部３５は、ディフューザ２７の流路幅を主流の流れ方向に沿って広げるように形成されている。各段差部３５は、剥離渦を局所的に発生させる。各段差部３５は、ディフューザ２７の流路幅方向（左右方向）に対して平行である。ただし、図２（ｂ）に示すように、ディフューザ２７の流路幅方向に対して直線状又は曲線状に傾斜してもよい。更に、図２（ｃ）に示すように、段差部３５の個数を単数（１つ）にしてもよい。ここで、上述の平行は、厳密である必要ではない。

段差部３５は連続した環状である必要はない。例えば、段差部３５は、スクロール巻き終わり側の舌部近傍など、特定の周方向の領域にのみに設けてもよい。ただし、段差部３５を環状に形成する場合は、機械加工が容易となる。

段差部３５の個数は、エンジン仕様に合わせて、任意に選択できる。ただし、例えば、段差部３５を単数にすることで、特定の作動領域において、ピンポイントに効果を発揮でき、複数の段差部３５を設けることで、単数と比較的して広範囲の作動領域において、効果を発揮することができる。ここで、複数の段差部３５を設ける一例として、２つの段差部３５を設けることができる。２つの段差部３５を設けることにより、段差部の加工作業にかかる手間を極力抑えて、単数として比較して広範囲に効果を発揮することができる。

段差部３５の段差量δは、ディフューザ２７の出口２７ｏの流路幅αの５〜３０％、好ましくは１０〜２０％（０．０５〜０．３０倍、好ましくは、０．１０〜０．２０倍）に設定されている。段差量δを流路幅αの５％以上に設定されるようにしたのは、５％未満であると、段差部３５近傍に十分な強度（渦度）の剥離渦を局所的に発生させることが困難になるおそれがあるからである。一方、段差量δを流路幅αの３０％未満に設定したのは、３０％を超えると、段差部３５によって発生した剥離渦（剥離）が増大するおそれがあるからである。

ディフューザ２７のシュラウド側壁面２７ｓは、段差部３５の径方向外側に連続（隣接）する部分を有する。この部分の径方向の長さβは、段差部３５の段差量δの５〜３０倍、好ましくは１０〜２０倍に設定されている。長さβを段差量δの５倍以上に設定されるようにしたのは、５倍未満であると、ディフューザ２７の出口２７ｏの手前側において主流の流れをディフューザ２７のシュラウド側壁面２７ｓに沿わせることが困難になるおそれがあるからである。一方、長さβを段差部３５の３０倍以下に設定したのは、３０倍を超えると、ディフューザ２７のシュラウド側壁面２７ｓにおけるディフューザ２７の出口２７ｏの手前側に新たな流れの剥離渦（剥離）が発生して、ディフューザ２７内の有効流路面積が減少するおそれがあるからである。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

過給機３におけるラジアルタービン（図示省略）の駆動によりインペラ１３をその軸心周りに回転軸１９と一体的に回転させることにより、導入口２５からハウジング５内に導入した空気を圧縮することができる。そして、圧縮した空気（圧縮空気）は、ディフューザ２７によって減速させながら昇圧され、スクロール３１を経由して吐出口３３からハウジング５の外側へ吐出される。

ディフューザ２７のシュラウド側壁面２７ｓ及びハブ側壁面２７ｈは、径方向に対してそれぞれ平行である。また、ディフューザ２７のシュラウド側壁面２７ｓの中間部に、環状の段差部３５がディフューザ２７の流路幅を主流の流れ方向に沿って広げるように形成されている。そのため、前述の新規な知見を適用すると、遠心圧縮機１の運転（過給機３の運転）中に、シュラウド側壁面２７ｓにおけるディフューザ２７の出口２７ｏ側での流れの剥離（剥離渦）の発達が抑えられ、その剥離による低圧部（ブロッケージ、低圧領域、閉塞領域）を縮小することができる。

従って、本発明の実施形態によれば、遠心圧縮機１の運転中に、シュラウド側壁面２７ｓにおけるディフューザ２７の出口２７ｏ側の流れの剥離の発達を抑えることができる。そのため、ディフューザ２７の出口２７ｏ側の有効流路面積の減少が抑えられる。従って、ディフューザ２７によって主流の流れを十分に減速させることができる。また、遠心圧縮機１の運転中に、シュラウド側壁面２７ｓにおけるディフューザ２７の出口２７ｏ側の流れの剥離による低圧部ＬＰを縮小できる。そのため、その低圧部ＬＰとスクロール３１内の主流の流れとの衝突（干渉）を緩和して、スクロール３１の下流側に位置する吐出口３３内における主流の流れに乱れが生じることを抑えることができる。よって、本発明の実施形態によれば、ディフューザ２７の静圧回復性能を高めつつ、遠心圧縮機１の圧縮機効率の向上を図ることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものでなく、例えば遠心圧縮機１に適用した技術的思想をガスタービン、産業用空気設備等に適用したり、ディフューザ２７に複数のディフューザベーン（図示省略）を周方向に間隔を置いて配設したりする等、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

本発明の実施例について図６（ａ）、図６（ｂ）及び図７を参照して説明する。

発明例（図４（ａ）参照）及び比較例（図４（ｂ）参照）に対し、圧縮機効率のピーク付近の作動域におけるスクロール内及びディフューザ内の静圧分布について数値流体解析を行った。その結果、図６（ａ）に示す発明例の方が、図６（ｂ）に示す比較例に比べてスクロール内の静圧を全体的に高くできることが確認できた。換言すれば、ディフューザの静圧回復性能を高くできることが確認できた。また、図示は省略するが、圧縮機効率のピーク付近の作動域だけでなく、小流量側及び大流量側の作動域においても、同様の解析結果を得ることができた。なお、図６（ａ）及び図６（ｂ）中の数値は、スクロール内の静圧を無次元化したものである。

また、発明例（図４（ａ）参照）及び比較例（図４（ｂ）参照）における流量と圧縮機効率との関係について数値流体解析を行った。その結果、図７に示すように、発明例の方が比較例に比べて小流量側から大流量側の広い作動域において圧縮機効率を向上させることが確認された。

Claims

遠心力を利用して流体を圧縮する遠心圧縮機であって、
内側にシュラウドを有したハウジングと、
前記ハウジング内に回転可能に設けられたインペラと、
前記ハウジング内における前記インペラの出口側の径方向外側に形成されたディフューザと、
前記ハウジング内における前記ディフューザの出口側に形成されたスクロールと
を具備し、
前記ディフューザのシュラウド側壁面及びハブ側壁面は、径方向にそれぞれ延在し、
前記ディフューザのシュラウド側壁面に、少なくとも１つの段差部が、前記ディフューザの流路幅を主流の流れ方向に沿って広げるように形成されていることを特徴とする遠心圧縮機。
前記段差部の段差量が前記ディフューザの出口の流路幅の５〜３０％に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
前記ディフューザのシュラウド側壁面における前記段差部の径方向外側に連続する部分の径方向長さが前記段差部の段差量の５〜３０倍に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
前記ディフューザのシュラウド側壁面における前記段差部の径方向外側に連続する部分の径方向長さが前記段差部の段差量の５〜３０倍に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の遠心圧縮機。
前記段差部は環状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の遠心圧縮機を具備したことを特徴とする過給機。