WO2008053605A1

WO2008053605A1 - Diffuseur variable et compresseur

Info

Publication number: WO2008053605A1
Application number: PCT/JP2007/052354
Authority: WO
Inventors: Hirotaka Higashimori; Isao Tomita; Takashi Shiraishi
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2008-05-08
Also published as: JP4795912B2; CN101326373A; EP2078866A1; KR20080059352A; JP2008111368A; US20100129204A1

Description

明細書

可変ディフューザ及び圧縮機

技術分野

[0001] 本発明は、たとえば遠心圧縮機ゃ斜流圧縮機等に適用される可変ディフューザ、及びこの可変ディフューザを備えた圧縮機に関する。

背景技術

[0002] 従来、たとえば自動車用の内燃機関に使用されるターボチャージャ等の遠心圧縮機が知られている。

図 17は、従来の遠心圧縮機の要部を示す断面図である。図示の遠心圧縮機 10は、ハウジング 11内で多数のブレード 12を備えたインペラ 13が回転することにより、ノヽウジング 11の外部から導入したガスや空気等の流体を圧縮する。こうして形成された流体の流れ (気流）は、インペラ 13の外周端となるインペラ出口（以下では、「ディフユ一ザ入口」とも呼ぶ） 14,ディフューザ 15及び図示省略のスクロールを通って外部へ送出される。なお、図中の符号 16は、インペラ 13が回転する軸中心線である。

[0003] 上述したディフューザ 15は、インペラ出口 14とスクロールとの間に設けられた気流の通路であり、インペラ出口 14から吐出される気流を減速させることで動圧を静圧に回復させる機能を有している。このディフューザ 15は、通常一対の対向した壁面で形成されており、以下の説明では、対向する一対の壁面の一方をシユラウド側壁面 17と呼び、他方をハブ側壁面 18と呼ぶ。

そして、上述したディフューザ 15には、たとえば図 18に示すようなディフューザ翼（以下、「ベーン」と呼ぶ） 19を備えたベーンドディフューザと、ベーン 19を持たないベーンレスディフューザとがある。

[0004] ベーンドディフューザを備えている一般の遠心圧縮機は、ベーン 19が不動の固定翼ディフューザを採用している。しかし、遠心圧縮機の流量範囲拡大を必要とする場合には、ベーン 19を可動にして、図 20に示す翼前縁角度 |8 k (以下、「翼角と呼ぶ）を変化させることができる可変ディフューザを採用して、る。

可変ディフューザの一般的な構造は、たとえば図 18に示すように、ベーン 19にピボット軸 20を設けてシュラウド側壁面 17及びノヽブ側壁面 18に支持させるとともに、このピボット軸 20を中心にベーン 19を回動させて翼角 13 kを変化させるものである。

[0005] このような可変ディフューザについては、簡易な構造で複数のディフューザ羽根の角度を可変とする駆動装置が提案されている。この駆動装置は、ァクチユエータ等により回転する大歯車と、大歯車に嚙合する複数の歯車とを備えており、各歯車に連結されたディフューザ羽根を回転させて角度を変化させるものである。（たとえば、特許文献 1参照）

さらに、羽根付ディフューザを備えた遠心圧縮機においては、小流量側の作動を拡大することを目的として、回転自在な第 2の静止翼を設けることが提案されている。 ( たとえば、特許文献 2, 3参照）

特許文献 1：特開平 7— 310697号公報

特許文献 2：特許第 2865834号公報

特許文献 3 :特許第 3513729号公報

発明の開示

[0006] ところで、可変ディフューザのベーン 19については、ベーン翼形状を設計する場合、所望の流量変化範囲内で中間となる形状に設定される。従って、ピボット軸 20を中心にベーン 19を回動させ、翼角 j8 kを可変とする従来の可変ディフューザでは、図 1 9に示すような特性の変化が生じる。すなわち、サージ流量 Qsとチョーク流量 Qcとにより規定される流量範囲は、たとえば図 20に示すように、ベーン 19を最大翼角度 |8 maxから最小翼角度 β minまで回動範囲 Θの範囲内で回動させることにより、各々に対応するサージ流量 Qs及びチョーク流量 Qcの変動分だけ大きく広がることとなる

[0007] しかし、上述した流量範囲 (流量変化が可能な範囲)を大きく広げて設定する場合、図 21に示すように、流れ角度 j8とべーン 19の翼角 |8 kとがそれぞれ異なった傾きの変化をする。このため、小流量領域及び大流量領域においてインシデンス (In)が大きくなるので、損失の増加により効率が低下するという問題を有している。なお、ィンシデンスは、翼前縁角度 β kと流れ角度 βとの差によって定義される値である。また、回動式の可変ディフューザ構造は、ベーン 19のスムーズな回動を可能にするため、ベーン 19の両側端とシュラウド側壁面 17及びノヽブ側壁面 18との間に隙間 δ (図 18参照）が設けられている。このため、隙間 δを通って流れる気流の漏れを生じることになるので、全流量範囲にわたって効率が低下するという問題も指摘されている。

[0008] このように、従来の可変ディフューザは、インシデンスが大きくなることや隙間 δからの漏れにより、効率が低下するという問題を有しているので、この問題を解消してより一層効率を向上させることが望まれる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、より一層効率を向上させることができる可変ディフューザ及びこの可変ディフューザを備えた圧縮機を提供することにある。

[0009] 本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。

本発明に係る可変ディフューザは、ハウジング内で回転するインペラの外周端から吐出される気流を減速して動圧を静圧に回復させるディフューザ通路がハブ側壁面とシユラウド側壁面との間に形成され、前記ディフューザ通路にディフューザ翼が設けられて、る可変ディフューザにぉ、て、前記ハブ側壁面及び前記シュラウド側壁面を形成する壁面部材に前記ディフューザ翼を円周方向へ交互に固定するとともに、前記壁面部材のいずれか一方を前記インペラの回転と同軸に回動させる駆動手段を設けたことを特徴とするものである。

[0010] このような可変ディフューザによれば、ハブ側壁面及びシュラウド側壁面を形成する壁面部材にディフューザ翼を円周方向へ交互に固定するとともに、壁面部材のいずれか一方をインペラの回転と同軸に回動させる駆動手段を設けたので、可動側の壁面部材を回動させることにより、翼前縁角度を変動させることなくスロート面積を変化させることができる。また、ディフューザ翼とハブ側壁面及びシュラウド側壁面との間に形成される隙間 δは、いずれか一方の面のみとなるため減少する。

この場合、前記駆動手段により回動する前記壁面部材の可動範囲は、固定側の壁面部材に固定されて隣接するディフューザ翼間の全幅にわたるように設定されていることが好ましい。

[0011] 上記の発明において、前記壁面部材の回動側に設けられるディフューザ翼の入口半径 (Rl)は、前記壁面部材の固定側に設けられるディフューザ翼の入口半径 (R2) より大きく（R1 >R2)設定されていることが好ましぐこれにより、重なり合った翼の前縁厚さが増すことを防止できる。

[0012] 上記の発明において、前記壁面部材の回動側に設けられるディフューザ翼の翼前縁角度 kl)は、同一半径位置において前記壁面部材の固定側に設けられるディフューザ翼の翼前縁角度（ _a k2)より小さく（ひ kl < a k2)設定されて!、ることが好ましぐこれにより、 2枚の翼が重なった状態における平均的な翼前縁角度を減少させることができる。

[0013] 上記の発明において、前記壁面部材の回動側に設けられるディフューザ翼の翼前縁角度 ki)は、同一半径位置において前記壁面部材の固定側に設けられるディフューザ翼の翼前縁角度（ a k2)より大きく（ひ kl > ひ k2)設定されて!、ることが好ましぐこれにより、 2枚の翼が重なり合った状態における平均的な翼前縁角度を増加させることができる。

[0014] 上記の発明において、前記壁面部材の固定側に設けられるディフューザ翼は小弦節比翼であることが好ましぐこれにより、小弦節比翼の特性を維持しながら小流量時の特性を向上させることができる。

この場合、前記壁面部材の回動側に設けられるディフューザ翼の後縁半径 (R3)は

、前記壁面部材の固定側に設けられるディフューザ翼の後縁半径 (R4)より大きく（R

3 >R4)設定されていることが好ましぐこれにより、流量範囲のワイドレンジ化と高圧力比とを同時に達成することができる。

[0015] 上記の発明においては、固定側と回動側との設定を逆にしてもよい。

すなわち、壁面部材の固定側に設けられるディフューザ翼の入口半径 (R2)は、壁面部材の回動側に設けられるディフューザ翼の入口半径 (R1)より大きく（R2 >R1) 設定してちょい。

また、壁面部材の固定側に設けられるディフューザ翼の翼前縁角度（ a k2)は、同一半径位置において壁面部材の回動側に設けられるディフューザ翼の翼前縁角度（ a kl)より小さく k2く a kl)設定してもよい。

また、壁面部材の回動側に設けられるディフューザ翼を小弦節比翼としてもよい。また、壁面部材の固定側に設けられるディフューザ翼の後縁半径 (R4)は、壁面部材の回動側に設けられるディフューザ翼の後縁半径 (R3)より大きく（R4>R3)設定してちよい。

[0016] 上記の発明において、前記駆動手段は、前記壁面部材の固定側に対し、前記壁面部材の回動側が隙間形成位置と隙間低減位置との間を往復移動する摺動機構部を備えていることが好ましぐこれにより、隙間 δを最小にして効率を向上させることができる。

[0017] 本発明に係る圧縮機は、ハウジング内で回転するインペラの外周端に請求項 1から請求項 9の、ずれかに記載の可変ディフューザを備えて、ることを特徴とするものである。

[0018] このような圧縮機によれば、インシデンスが大きくなることや隙間 δからの漏れによる効率低下を解消し、より一層効率を向上させることができる可変ディフューザを備えた圧縮機となる。

[0019] 上述した本発明によれば、可動側の翼前縁角度を変動させることなくスロート面積を変化させることができるので、インシデンスの増大による効率低下を解消することができ、従って、より一層効率が向上した可変ディフューザ及びこの可変ディフューザを備えた圧縮機を提供することができる。

また、ディフューザ翼とハブ側壁面及びシュラウド側壁面との間に形成される隙間 δがいずれか一方の面のみになって減少するので、隙間 δからの漏れによる効率低下を解消することも可能になる。

図面の簡単な説明

[0020] [図 1]本発明の可変ディフューザに係る第 1の実施形態を示す図で、（a)は要部の分解斜視図、（b)は（a)の A— A断面図である。

[図 2]図 1に示した可変ディフューザの動作を示す図で、（a)は A11 =A12に設定した場合、（b)は可動翼が固定翼の圧力面に接した状態、（c)は (a)と (b)との中間に設定した場合を示している。

[図 3]本発明の第 2の実施形態に係る可変ディフューザの動作を示す図で、 (a)は可動翼入口半径を固定翼に比べて大ききした場合、 (b)は可動翼の前縁が交点 Xの上流にあって回動した場合、（c)は可動翼の前縁が交点 Xの下流にあって回動した場合を示している。

圆 4]本発明の第 3の実施形態に係る可変ディフューザを示す図である。

[図 5]図 4に示した可変ディフューザの特性を示す図である。

圆 6]本発明の第 4の実施形態に係る可変ディフューザを示す図である。

[図 7]図 6に示した可変ディフューザの特性を示す図である。

圆 8]本発明の第 5の実施形態に係る可変ディフューザを示す図である。

圆 9]図 8に示した第 5の実施形態に係る可変ディフューザの変形例を示す図である

[図 10]ベーンドディフューザ及び小弦節比ディフューザについて、圧力回復率と翼枚数との関係を示す図である。

圆 11]本発明の第 6の実施形態に係る可変ディフューザを示す要部の斜視図である圆 12]図 11に示した摺動機構部の説明図であり、 (a)はガイド面に対する摺動面の動作を示す図、（b)は可動円板の回動に伴って変化する隙間 δを示す図である。圆 13]図 11に示した摺動機構部により移動する可動円板及び可動翼の状態を示す図である。

[図 14]可動翼及び固定翼の翼間となる壁面に滑動面を設けた構成例を示す断面図である。

圆 15]図 11に示した摺動機構部の第 1変形例を示す図である。

[図 16]図 11に示した摺動機構部の第 2変形例を示す図である。

圆 17]従来の遠心圧縮機の要部を示す断面図である。

[図 18]可変ディフューザの従来例を示す要部の斜視図である。

[図 19]図 18に示した可変ディフューザの特性を示す図である。

[図 20]図 19に示した可変ディフューザの動作を示す説明図である。

[図 21]インシデンス (In)と流れ角 ( β )及び翼角（ β k)との関係を示す図である。符号の説明

30 可変ディフューザ 31 可動円板

31a シュラウド側壁面

32 固定円板

32a ハブ側壁面

33 ディフューザ通路

34, 34A〜E 可動ディフューザ翼（可動翼）

35 固定ディフューザ翼（固定翼）

40, 40A 駆動装置

41 ギア駆動部

42 ラックギ咅

43 ピニ才ンギア

45, 45A 摺動機構部

46 ガイドレール

47 凹溝部

48 ガイド溝

48a ガイド面

49 凸状部

49a 摺動面

発明を実施するための最良の形態

以下、本発明に係る可変ディフューザ及び圧縮機の一実施形態を図面に基づいて説明する。

<第 1の実施形態 >

図 1に示す可変ディフューザ 30は、たとえば遠心圧縮機ゃ斜流圧縮機等のハウジング内で回転するインペラの外周端から吐出される気流を減速することにより、気流の動圧を静圧に回復させるものである。この可変ディフューザ 30は、対向するシユラウド側壁面 31aとハブ側壁面 32aとの間にディフューザ通路 33が形成されるとともに、ディフューザ通路 33内に可動ディフューザ翼（以下、「可動翼」と呼ぶ） 34及び固定ディフューザ翼 (以下、「固定翼」と呼ぶ） 35が設けられて、る。なお、ここではシユラウド側壁面 31aに可動翼 34を設けて可動とする力ハブ側壁面 32aに可動翼 34を設けて可動としてもよ、。

[0023] 可動ディフューザ 30の構成を具体的に説明すると、可動翼 34がシユラウド側壁面 3 laを形成する可動円板 (壁面部材） 31に固定され、固定翼 35がハブ側壁面 32aを形成する固定円板 (壁面部材） 32に固定されている。可動翼 34及び固定翼 35は同じ翼形状とされ、シュラウド側壁面 31a及びハブ側壁面 32aに対し、各々同数の複数枚 (翼枚数 N)が円周方向へ所定のピッチで配置されて、る。

図 1 (a)は、対向する一対の可動円板 31及び固定円板 32が分離された状態を示している。この状態から、可動円板 31及び固定円板 32は、シュラウド側壁面 31aの可動翼 34とハブ側壁面 32aの固定翼 35とが、所定の基準位置において円周方向へ等ピッチで交互に配置されるように、図中に矢印で示す組合せ方向へスライドして一体化される。すなわち、可動円板 31及び固定円板 32が一体化された組立状態では、所定の基準位置において、可動翼 31と固定翼 32とが周方向へ交互に等ピッチで配列されている。なお、図 1 (b)の断面図は、可動円板 31及び固定円板 32を一体ィ匕して形成されるディフューザ通路 33について、図 1 (a)の A— A断面を示したものである。

[0024] 可動円板 31側には、可動円板 31をインペラの回転と同軸の回動方向（図中に白抜矢印で示す）において、所定の回動範囲 Θを回動させるための駆動装置 40が設けられている。この駆動装置 40は、たとえば可動円板 31の上端部に設けたギア駆動部 41と、下端部に設けた摺動機構部 45とにより構成されている。この場合の回動範囲 Θは、可動翼 31及び固定翼 32が上述した所定の基準位置で周方向へ交互に配列されているピッチと比較して、翼の厚さ分の差は生じるものの実質的に略 2倍となる。換言すれば、可動範囲 Θは、隣接する固定翼 35の翼間全幅となる。

[0025] ギア駆動部 41は、可動円板 31の上端面に形成したラックギア部 42とピ-オンギア 43とを嚙合させた構成とされる。なお、ピ-オンギア 43は、電動機 (不図示)等の駆動源に連結されており、必要に応じて所望の方向へ回動可能とされる。

摺動機構部 45は、ハウジング 11に対して可動円板 31が周方向へ摺動可能に連結されている部分である。図示の例では、ハウジング 11に形成した凸状のガイドレール 46と、可動円板 31の下端面に形成した凹溝部 47とを嵌合させ、可動円板 31がガイドレール 46に沿って摺動するように構成されている。このような摺動機構部 45は、ディフューザ通路 33の出口で静圧を回復した高圧の気流が、可動円板 31の背面からディフューザ通路 33の入口側へ漏出しないようにするため、ガイドレール 46と凹溝部 47との間に図示しない漏れ止め対策が施されている。

[0026] この結果、可動円板 31は、ギア駆動部 41のピ-オンギア 43を回動させることにより、摺動機構部 45に導かれてインペラの回転軸と同軸に回動するので、不動の固定円板 32に対して相対的に移動する。そして、可動円板 31と一体の可動翼 34は、基準位置から周方向両側へ可動範囲 Θの範囲内で移動する。すなわち、可動翼 34は、等ピッチで配列された基準位置力回動することにより隣接する両側の固定翼 35 へ向けて移動し、図 1 (b)に想像線で示すように、可動翼 34の圧力面が隣接する固定翼 35の負圧面に接する位置から、可動翼 34の負圧面が隣接する固定翼 35の圧力面に重なるように接する位置まで、翼の角度を変更することなしに、可動範囲 Θの範囲で回動可能となる。

[0027] 可動翼 34の可動範囲 Θについて、図 2に基づいてより具体的に説明する。

図 2 (a)は、可動翼 34が基準位置にある場合を示している。この状態において、同じ翼形状とした可動翼 34及び固定翼 35は、各々同数 (N枚)が周方向へ等ピッチに配置されている。この状態では、可動翼 34の両側に隣接している固定翼 35との翼間に形成されるスロート All及び A12が等しくなる。このため、可変ディフューザ 30のスロート面積は、可動翼 34の両側に形成されるスロートの合計値 (All +A12)に可動翼 34の枚数 Nを掛け合わせた値となる。

[0028] 図 2 (b)は、可動翼 34が固定翼 35の圧力面に接した状態を示している。この状態では、翼どうしがどこかで接しているので、スロート A12が略 0になるとともに、スロート Allが最大 (Allmax )となる。そして、このような最大のスロートは、上述した基準位置におけるスロートの合計値より大きくなるので (Allmax

>A11 +A12)、スロート面積は 1. 2〜1. 3倍程度に増加する。以下の説明では、このようにスロート面積が最大となる状態をスロート最大位置と呼ぶ。

なお、可動翼 34が基準位置力も逆向きに回転した場合についても、両翼がどこかで接することに変わりはないため、同様の結果となる。

[0029] 図 2 (c)は、可動翼 34が図 2 (a)と図 2 (b)との中間位置にある場合を示している。この状態のスロート面積は、基準位置とスロート最大位置との略中間値となる。従って、可動翼 34を可動範囲 Θの範囲で回動させることにより、スロート面積を基準値の 1. 2 〜1. 3倍程度の範囲内で適宜変化させることができる。

[0030] 上述した構成の可変ディフューザ 30は、可動翼 34及び固定翼 35よりなるディフユ一ザ翼の枚数が、実質的に N枚力も 2N枚まで 2倍に変化する。すなわち、可動円板 31に N枚の可動翼 34を取り付け、かつ、固定円板 32に N枚の固定翼 35を取り付けた場合、可動翼 34及び固定翼 35が互いに離間した状態では 2N枚のディフューザ翼が存在する。しかし、隣接する可動翼 34及び固定翼 35が互いに接した状態では、気流は実質的に N枚のディフューザ翼間を流れることとなる。

この結果、スロート面積の変化により、圧縮機特性の流量が変化する。すなわち、スロート面積が 1. 2〜1. 3倍程度に増加するので、図 19に示したチョーク流量 Qcを 2 0〜30%程度変化させて流量範囲を広げることができる。

[0031] また、固定翼 35はもとより、可動翼 34の翼前縁角度 (翼角） j8も常に一定であるから、ベーン 19の回動により翼角 βが変化する従来の可変ディフューザと比較すると、図 21に二点鎖線で示すように、インシデンスの変化は極めて小さなものとなる。従つて、この可変ディフューザ 30を備えた圧縮機は、インシデンスが大きくなると増大する損失を低減できるので、従来よりも効率を向上させることができる。

また、可動翼 34及び固定翼 35の一端がディフューザ通路 33を形成する壁面に固定されているので、翼幅方向の一方のみに隙間 δが形成されることとなる。従って、ベーン 19を回動させる従来構造と比較して、隙間 δの面積を半減させることができるため、気流の漏れによる損失を半減して効率を向上させることができる。

[0032] <第 2の実施形態 >

続いて、本発明の第 2の実施形態を図 3に基づいて説明する。

この実施形態の可動翼 34Αは、入口半径 R1を固定翼 35の入口半径 R2より大きく設定したものである。すなわち、可動翼 34Αの入口半径 R1は、可動翼 34Αが隣接する固定翼 35の中間位置にある場合、隣接する固定翼 35どうしで形成される翼間のスロート A2に対して、可動翼 34Aの翼前縁が上流側となるように設定されている。図示の例では、スロート A2と半径 R1との交点 Xに対して、可動翼 34Aの前縁がスロート A2の上流にある範囲でのみスロート面積が変化する。

[0033] 以下、図面に基づいて具体的に説明する。

図 3 (a)に示すように、可動翼 34Aが固定翼 35の略中央に位置する場合、スロート面積は最小になる。

図 3 (b)に示すように、可動翼 34Aの前縁がスロート A2の上流に位置する場合、スロート Al 1とスロート A12との合計値 (Al 1 +A12)は次第に増加する。

図 3 (c)に示すように、可動翼 34Aの前縁がスロート A2の下流に位置すると、スロート面積はスロート A2に翼枚数 Nを掛け合わせた値となり、可動翼 34Aを回転させてもスロートが最大の A2に達して増力！]しなくなる。

[0034] ところで、上述した図 2 (b)の状態においては、可動翼 34及び固定翼 35の翼先端が有限の間隔をもって互いに重なり合い、ディフューザ翼前縁の翼厚が厚くなつた状態となる。このような翼厚の増大は、スロート面積を最大限まで増加させる障害となるだけでなぐ翼前縁の損失を増加させる。

しかし、図 3 (c)に示す状態では、可動翼 34Aの前縁が固定翼 35の前縁の下流に位置している。従って、図 2 (b)に示す状態と比較すると、スロートの大きさは、 A2> Allmaxとなる。このように、入口半径 R1を入口半径 R2より大きく（R1 >R2)設定すると、スロート面積の可動範囲は最大値が大きくなる。

また、図 3 (c)に示す状態では、翼前縁は実質的に固定翼 35の枚数分に半減するので、翼前縁の損失が減少する。

[0035] <第 3の実施形態 >

続いて、本発明の第 3の実施形態を図 4及び図 5に基づいて説明する。この実施形態の可動翼 34Bは、同一半径位置において、翼前縁角度 (翼角） a kl を固定翼 35の翼角 o; k2よりも小さく設定し、可動翼 34Bを固定翼 35の中間から固定翼 35の負圧面に向かって駆動する。

このような構成とすれば、スロート A12の最大値はスロート A2と比較して小さくなる力 2枚の翼を重ね合わせた状態では、平均的な翼角 a k を減少、させることができる。

[0036] この結果、圧縮機の特性は、図 5に示すように、最大角度における流れ角度 exが小さくなり、実線表示と破線表示との比較から、流量が少ないときの性能が向上していることが分かる。また、中間角度においても、実線表示と点線表示との比較から、流れ角度 aが小さい小流量時の性能も、最大角度時ほどではないものの向上していることが分かる。

すなわち、翼角 a kを _a kl < a k2とする設定は、流れ角度 αが小さい小流量時の性能を重視したものとなり、最大角度時及び中間角度時において、小流量領域における圧力比を向上させる性能改善が得られる。

[0037] <第 4の実施形態 >

続いて、本発明の第 4の実施形態を図 6及び図 7に基づいて説明する。この実施形態の可動翼 34Cは、同一半径位置において、翼前縁角度 (翼角） a kl を固定翼 35の翼角 o; k2より大きく設定し、可動翼 34Cを固定翼 35の中間から固定翼 35の圧力面に向かって駆動する。

このような構成とすれば、上述した第 2の実施形態と同様に、スロートは A2が最大値となる。一方、チョーク流量 Qcは、ディフューザ入口の流れ角度 αがスロート A2に略直角に流れるため、固定翼 35の圧力面角度に対してもさらに大きい角度になる。このため、負のインシデンスが大きくなり、損失が大きく実質的なチョーク流量を低減させる原因となる。

[0038] しかし、この実施形態では、可動翼 34C及び固定翼 35が接して 2枚の翼が合わさつた状態では、平均的な翼角 a kを増加させることができる。

この結果、圧縮機の特性は、図 7に示すように、最大角度で流れ角度 αが大きい大流量時において、実線表示と破線表示との比較から、圧力比の上昇により性能が向上していることが分かる。また、中間角度においても、実線表示と点線表示との比較から、流れ角度 αが大きい大流量時の性能も、最大角度時ほどではないものの、向上していることが分かる。

すなわち、翼角 a kを a kl > a k2とする設定は、流れ角度 aが大きい大流量時の性能を重視したものとなり、最大角度時及び中間角度時において、大流量領域における圧力比を向上させる性能改善が得られる。

[0039] <第 5の実施形態 >

続いて、本発明の第 5の実施形態を図 8から図 10に基づいて説明する。ベーンドディフューザにおいては、隣接する翼との間に翼負圧面から直角方向に最短距離が形成されて!、な、もの、換言すればスロートができな、ものを「小弦節比ディフューザ」と呼んで一般に認識されている。この小弦節比ディフューザは、次のような特徴を有している。

[0040] ベーンレスディフューザは、サージ流量 Qsが小さぐし力もチョーク流量 Qcが大き V、ため、流量範囲が広、反面効率は低!、と、う特徴を有して、る。

一方、ベーンドディフューザは、サージ流量 Qsが大きぐしかもチョーク流量 Qcがサージ流量 Qsより 10〜20%程度大きいだけであるから、流量範囲は狭いものの効率は高!、と!/、う特徴を有して、る。

これに対し、小弦節比ディフューザは、スロートができないため、チョーク流量 Qcはベーンドディフューザより大きぐサージ流量 Qsはべーンドディフューザより大きくなる。従って、小弦節比ディフューザは、ベーンレスディフューザより効率が高くなるという特徴を有している。なお、小弦節比ディフューザにおいて、スロートが形成されない可動翼は「小弦節比翼」と呼ばれて、る。

[0041] 図 10は、ディフューザの特性として、ベーンドディフューザ及び小弦節比ディフューザについて圧力回復率と翼枚数との関係を示したものである。

通常のベーンドディフューザは、翼枚数を変化させると、図中に実線で示すように、翼枚数が 10枚前後力も小翼枚数になると圧力回復率が急速に低下し、極限として 0 枚の場合はべーンレスディフューザに一致する。

一方、小弦節比ディフューザでは、翼自体の大きさが通常のベーンドディフューザより小さいものを使用するので、図中に一点鎖線で示すように、翼枚数を大きくしても通常のベーンドディフューザまで圧力回復率が高くなることはない。

[0042] そこで、第 5の実施形態では、図 8に示すように、固定翼 35の枚数が十分に小さくスロートを形成できな、小弦節比翼を備えて、る小弦節比ディフューザにぉ、て、仮想のスロート A2を設定し、上述した第 2の実施形態を適用する。すなわち、この実施形態の可動翼 34Dは、入口半径 Rlを固定翼 35の入口半径 R 2より大きく設定したものである。従って、可動翼 34Dの入口半径 R1は、可動翼 34D が隣接する固定翼 35の中間位置にある場合、隣接する固定翼 35どうしで形成される翼間に仮想したスロート A2に対して、可動翼 34Dの翼前縁が上流側となるように設定されている。

[0043] このような構成とすれば、可動翼 34Dと固定翼 35とが重なった場合は小弦節比翼 N枚と同様の圧力回復率を示し、両翼が等間隔に設置された場合には、翼枚数が 2 N枚となるため圧力回復率は高くなる。従って、この実施形態の構成を採用すれば、小弦節比ディフューザの特性を維持しながら、小流量時に可動翼 34D及び固定翼 3 5を等間隔に設定して性能を向上させることができる。

[0044] 次に、本実施形態の変形例を図 9に示して説明する。この変形例は、図 8に示す実施形態と同様に固定翼 35を小弦節比翼とし、さらに、可動翼 34Eの後縁半径 R3を固定翼 35の後縁半径 R4より大きく設定したものである。

このような構成とすれば、次のような特性が得られる。すなわち、図 9 (a)に示すように、可動翼 34E及び固定翼 35が分離して 2N枚の翼枚数となる場合には、可動翼 3 4Eの翼面積が小弦節比ディフューザより大きくなるので、圧力回復率は上昇する。また、可動翼 34Eが図 9 (b)に示す位置にある場合には、スロートが形成されないヮイドレンジの特性を示す。

そして、可動翼 34Eが図 9 (c)に示す位置にある場合には、翼枚数を N枚とした通常のベーンドディフューザと同様の高い圧力回復率を示す。

[0045] このため、可動翼 34Eが実質スロートよりも固定翼 35の圧力面側にあるときは、固定翼 35が小弦節比翼として機能するため、チョーク流量 Qc及びサージ流量 Qsで規定される流量範囲が拡大されるワイドレンジィ匕を維持しながら、可動翼 34Eにより圧力上昇を増すという作用が得られる。従って、この実施形態の構成を採用すれば、小弦節比ディフューザの特性を維持しながら、小流量時に可動翼 34E及び固定翼 35 を等間隔に設定して性能を向上させることができるので、ワイドレンジ化 (流量範囲の拡大)及び高圧力比を同時に達成することができる。

[0046] <第 6の実施形態 > 続、て、本発明の第 6の実施形態を図 11から図 16に基づ、て説明する。

この実施形態は、可動円板 31を回動させる駆動装置 40の摺動機構部 45に関するものであり、特に、固定円板 32の壁面と可動翼 34との隙間 δを低減するために好適な構造に関する。

図 11に示す駆動装置 40Αは、ハウジング 11に形成したガイド溝 48と、可動円板 3 1の下端部に設けた凸状部 49とにより構成された摺動機構部 45Αを備えている。

[0047] ガイド溝 48の一側面には、円弧形状 (半径 R)の凹凸を形成したガイド面 48aが設けられている。同様に、凸状部 49側にも、ガイド面 48aと対向する側面に対して、同じ円弧形状 (半径 R)の凹凸を形成した摺動面 49aが設けられている。この摺動面 49a はガイド面 48aと接しており、可動円板 31が回動することにより、双方に形成された円弧状の凹凸接触位置が周方向へ移動する。

また、ノ、ウジング 11には、ディフューザ通路 33側から見て可動円板 31の外周側となる面に接してシール機能を発揮するシール部材 50が取り付けられて、る。このシ一ル部材 50は、ディフューザ通路 33を流れる気流が摺動機構部 45Aを通過して漏出することを防止するものである。

[0048] このような構成とすれば、可動円板 31は、ガイド面 48aと摺動面 49aとの凹凸接触位置に応じて固定円板 32に接近する方向または離間する方向に移動し、固定円板 32との面間距離を変化させる。以下、この面間距離変化について、図 12及び図 13 を参照して具体的に説明する。

可動円板 31は、可動円板 31側が回動することにより、固定側のガイド面 48aに形成された凸部と摺動面 49aに形成された凸部とが接触する隙間形成位置 (図 12 (a) に破線で表示）と、ガイド面 48aの凹凸及び摺動面 49aの凹凸が互いに嚙合するように接触する隙間低減位置（図 12 (a)に実線で表示）との間を、円弧の半径 R方向に往復移動する。

[0049] この結果、可動翼 34の先端とハブ側壁面 32aとの間に形成される隙間 δは、図 13 に示すように、隙間形成位置における最大値 (図中に一点鎖線で表示)から、隙間低減位置における最小値（図中に実線で表示)までの範囲内で変化する。

図 12 (b)は、可動円板 31の可動範囲 Θに対応する隙間 δの変化を示したものであり、隙間低減位置における最小隙間は、ガイド面 48aの凹凸及び摺動面 49aの凹凸を最適化することにより、ほとんどないに等しい δ 0とすることができる。このため、隙間低減位置では隙間 δを通る気流の漏れ量が減少するので、可変ディフューザを備えた圧縮機の効率を向上させることができる。

[0050] また、上述した摺動機構部 45Αは、ガイド面 48aの凹凸及び摺動面 49aの凹凸が嚙み合う隙間低減位置を利用し、凹凸のピッチで段階的に回動させることが好ましいすなわち、可動翼 34の位置が段階的に固定されるため、駆動装置 40Aのガタゃ外部からの振動による翼位置の変動を防止できるようになり、圧縮機の特性を安定させることがでさる。

[0051] また、上述した可変ディフューザにおいては、たとえば図 14に示すように、隙間 δ 力い状態でも良好な摺動性が得られるように、可動翼 34の翼間となるシュラウド側壁面 31a及び固定翼 35の翼間となるハブ側壁面 32aに滑動面 51を形成する。具体的には、両翼の翼間となる壁面に、たとえば 4フッ化工チレンのようなフッ素榭脂等を塗布して滑動面を形成すればょヽ。

このような構成とすれば、可動円板 31は、隙間 δがなくてもスムーズな回動が可能となる。また、可動円板 31の背面側力もディフューザ出口圧力により押圧すれば、上述したガイド面 48a及び摺動面 49aのような凹凸がなくても、隙間 δをなくして効率の向上を達成することができる。

[0052] ところで、上述した説明では、ガイド面 48a及び摺動面 49aを円弧状としたが、たとえば図 15に示す第 1変形例のように、互いに同じ正弦波状の凹凸を有するガイド面 48b及び摺動面 49bとしてもよ!/、。

あるいは、図 16に示す第 2変形例のように、固定側となるハウジング 11にガイド溝 4 8' を形成し、このガイド溝 48^ の適所に回動自在の回転リング 52を必要数設置する構成としてもよい。この場合、可動円板 31が回動すると、回転リング 52に対して円弧状や正弦波状の摺動面 49aが摺動するので、上述したガイド面 48a, 48bと同様に、隙間低減位置で隙間 δをなくすことができる。

[0053] また、上記の実施形態で説明した可動翼及び固定翼の設定については、固定側と回動側とを逆に設定してもよい。すなわち、固定翼の入口半径と可動翼の入口半径との大小を逆にしたり、固定翼の翼前縁角度と可動翼の翼前縁角度の大小を逆にしたり、固定翼及び可動翼で小弦節比翼とする翼を逆にしたり、さらに、固定翼の後縁半径と可動翼の後縁半径との大小を逆にしても、それぞれ同様の作用効果が得られる。

[0054] このように、本発明の可変ディフューザ構造によれば、インシデンスの増大や隙間

δ力もの漏れによる効率低下を解消し、より一層効率が向上した可変ディフューザを提供することができる。従ってこの可変ディフューザを備えた遠心圧縮機ゃ斜流圧縮機等の圧縮機は、その性能をより一層向上させることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなぐ本発明の要旨を逸脱しな、範囲内にお、て適宜変更することができる。

産業上の利用可能性

[0055] 本発明のディフューザ及び圧縮機は、たとえばターボチャージャ、舶用過給機、航空用小型ガスタービン及び産業用の遠心圧縮機ゃ斜流圧縮機に適用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] ノ、ウジング内で回転するインペラの外周端から吐出される気流を減速して動圧を静圧に回復させるディフューザ通路がハブ側壁面とシュラウド側壁面との間に形成され、前記ディフューザ通路にディフューザ翼が設けられている可変ディフューザにおいて、

前記ハブ側壁面及び前記シュラウド側壁面を形成する壁面部材に前記ディフューザ翼を円周方向へ交互に固定するとともに、前記壁面部材のいずれか一方を前記ィンペラの回転と同軸に回動させる駆動手段を設けたことを特徴とする可変ディフューザ。

[2] 前記駆動手段により回動する前記壁面部材の可動範囲が、固定側の壁面部材に固定されて隣接するディフューザ翼間の全幅にわたるように設定されていることを特徴とする請求項 1に記載の可変ディフューザ。

[3] 前記壁面部材の回動側に設けられるディフューザ翼の入口半径 (R1)が、前記壁面部材の固定側に設けられるディフューザ翼の入口半径 (R2)より大きく（Rl >R2) 設定されていることを特徴とする請求項 1または 2に記載の可変ディフューザ。

[4] 前記壁面部材の回動側に設けられるディフューザ翼の翼前縁角度（ a kl)力同一半径位置において前記壁面部材の固定側に設けられるディフューザ翼の翼前縁角度（ a k2)より小さく（ひ kl < a k2)設定されて!、ることを特徴とする請求項 3に記載の可変ディフューザ。

[5] 前記壁面部材の回動側に設けられるディフューザ翼の翼前縁角度（ a kl)力同一半径位置において前記壁面部材の固定側に設けられるディフューザ翼の翼前縁角度（ a k2)より大きく（ひ kl > a k2)設定されて!、ることを特徴とする請求項 3に記載の可変ディフューザ。

[6] 前記壁面部材の固定側に設けられるディフューザ翼が小弦節比翼であることを特徴とする請求項 3に記載の可変ディフューザ。

[7] 前記壁面部材の回動側に設けられるディフューザ翼の後縁半径 (R3)が、前記壁面部材の固定側に設けられるディフューザ翼の後縁半径 (R4)より大きく（R3 >R4) 設定されていることを特徴とする請求項 6に記載の可変ディフューザ。

[8] 固定側と回動側とが逆に設定されていることを特徴とする請求項 3から 7のいずれかに記載の可変ディフューザ。

[9] 前記駆動手段は、前記壁面部材の固定側に対し、前記壁面部材の回動側が隙間形成位置と隙間低減位置との間を往復移動する摺動機構部を備えていることを特徴とする請求項 1から 7のいずれかに記載の可変ディフューザ。

[10] ハウジング内で回転するインペラの外周端に請求項 1から請求項 9の、ずれかに記載の可変ディフューザを備えていることを特徴とする圧縮機。