WO2019087389A1 - 遠心圧縮機及びこの遠心圧縮機を備えたターボチャージャ - Google Patents

遠心圧縮機及びこの遠心圧縮機を備えたターボチャージャ Download PDF

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健一郎 岩切
良洋 林
茨木 誠一
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三菱重工エンジン&ターボチャージャ株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a centrifugal compressor and a turbocharger provided with the centrifugal compressor.
  • centrifugal compressors There are two types of centrifugal compressors: a closed type in which the entire wing is covered by a shroud cover, and an open type in which the wing is not covered by a shroud cover.
  • Patent Documents 1 to 3 describe a centrifugal compressor in which a blade is covered by a shroud cover partially in the rotational axis direction of the impeller, for example, on the front edge side of the blade.
  • the shroud cover provided in the centrifugal compressors of Patent Documents 1 to 3 has a cylindrical shape having a certain shape along the circumferential direction of the shroud cover. While covering the blade with such a shroud cover has the effect of reducing the occurrence of clearance flow, there are also some disadvantages, but the conventional cylindrical shroud cover addresses these disadvantages. There was a problem that it was impossible.
  • At least one embodiment of the present disclosure is a centrifugal compressor in which a blade is partially covered by a shroud cover in the rotational axis direction of the impeller, and the disadvantage caused by providing the shroud cover
  • An object of the present invention is to provide a centrifugal compressor which can be reduced and a turbocharger provided with the centrifugal compressor.
  • a centrifugal compressor according to at least one embodiment of the present disclosure, An impeller having a plurality of first wings and rotatably provided; A shroud cover partially provided on the front edge side of the first wing in the rotational axis direction of the impeller, the shroud cover mutually connecting the first wings adjacent in the circumferential direction;
  • the shroud cover has a shape in which the position in the rotation axis direction of at least one of the upstream end edge and the downstream end edge of the shroud cover changes along the circumferential direction of the shroud cover.
  • the shroud cover has a shape that can cope with the disadvantages that may occur due to the provision of the shroud cover, the disadvantages can be reduced.
  • the shroud cover has a portion connected to the pressure surface of the first wing and a portion connected to the suction surface of the first wing, respectively, from the leading edge to the trailing edge of the first wing. It is configured to be within 30% or less of the meridian plane length of one wing.
  • the clearance flow mainly occurs in the range of 30% or less of the meridional plane length of the first wing.
  • the generation of the clearance flow is reduced by the shroud cover provided in the range of 30% or less of the meridional plane length of the first wing from the front edge to the rear edge of the first wing can do.
  • one of a meridional plane length of a portion connected to the pressure side of the first wing and a meridional plane length of a portion connected to the suction side of the first wing is longer than the other. It is configured.
  • the primary eigenmode for vibration of the first wing is a mode in which a portion on the front edge side of the first wing vibrates, providing the shroud cover on the front edge side of the first wing is a vibrating portion To add to the mass, leading to a decrease in the eigenvalue.
  • the shroud cover since the shroud cover has a narrow portion in the rotational axis direction, the shroud cover has a narrower width in the rotational axis direction than in the circumferential direction. The mass can be reduced, as a result of which the vibrations of the wing can be reduced.
  • the clearance flow is generated from the pressure side of the first wing to the suction side.
  • the shroud cover is a part of the upstream end edge from a portion connected to the pressure surface of the first wing between the circumferentially adjacent first blades to a portion connected to the suction surface of the first wing Is positioned closer to the trailing edge of the first wing than the throat position.
  • Covering the blade with a shroud cover may reduce the flow rate by reducing the throat area. According to the configuration of the above (4), since the shroud cover can be provided while avoiding the throat position, it is possible to suppress the decrease in the flow rate.
  • the shroud cover has a front end of a portion connected to the pressure side of the first wing at the front edge of the first wing and a front end of a portion connected to the suction side of the first wing It is comprised so that it may be located in the trailing edge side of the said 1st wing rather than a throat position.
  • the impeller is circumferentially adjacent to a plurality of second wings having a front edge portion on the rear edge side of the front edge portion of the first wing and having a meridional length shorter than the first wing. Further comprising between the first wings to be fitted, The shroud cover interconnects the first wings adjacent to each other in the circumferential direction and the second wings between the first wings.
  • the vibration in the natural mode of the first wing can be reduced by connecting the first wing and the second wing having a different vibration mode from the first wing by the shroud cover it can.
  • a centrifugal compressor is An impeller rotatably provided, having a plurality of first wings and a plurality of second wings provided between the first wings circumferentially adjacent to each other; A shroud cover provided partially on the front edge side of the first wing in the rotational axis direction of the impeller;
  • the second wing has a leading edge on the trailing edge side of the leading edge of the first wing and has a meridional length shorter than that of the first wing,
  • the shroud cover interconnects the first wings adjacent to each other in the circumferential direction and the second wings between the first wings.
  • the vibration in the natural mode of the first wing can be reduced. it can.
  • a turbocharger according to at least one embodiment of the present disclosure is: The centrifugal compressor according to any one of the above (1) to (7) is provided.
  • the shroud cover has a shape that can cope with the disadvantages that may occur due to the provision of the shroud cover, the disadvantages can be reduced.
  • the shroud cover changes along the circumferential direction of the shroud cover in the rotational axis direction of at least one of the upstream end edge and the downstream end edge of the shroud cover.
  • Embodiment 1 is a partial cross-sectional view of a centrifugal compressor according to Embodiment 1 of the present disclosure. It is a graph which shows distribution of the clearance flow obtained by CFD analysis by the present inventors. It is a figure showing an example of the shroud cover provided in the centrifugal compressor concerning Embodiment 1 of this indication. It is a figure which shows another example of the shroud cover provided in the centrifugal compressor based on Embodiment 1 of this indication. It is a figure showing the shroud cover provided in the centrifugal compressor concerning Embodiment 2 of this indication. It is a figure showing the shroud cover provided in the centrifugal compressor concerning Embodiment 3 of this indication.
  • centrifugal compressor according to some embodiments of the present disclosure shown below will be described by taking a centrifugal compressor of a turbocharger as an example.
  • the centrifugal compressor in the present disclosure is not limited to a centrifugal compressor of a turbocharger, and may be any centrifugal compressor operating alone.
  • the fluid compressed by this compressor is air, but can be replaced by any fluid.
  • the centrifugal compressor 1 As shown in FIG. 1, the centrifugal compressor 1 according to the first embodiment includes a housing 2 and an impeller 3 rotatably provided around the rotational axis L in the housing 2.
  • the impeller 3 has a plurality of streamline-shaped first wings 4 (only one first wing 4 is drawn in FIG. 1) provided at predetermined intervals in the circumferential direction.
  • the impeller 3 is provided with an annular shroud cover 5 partially in the direction of the rotation axis L from the front edge 4 a to the rear edge 4 b of the first wing 4.
  • the shroud cover 5 mutually connects the outer peripheral edge portions 4c and 4c of the first wings 4 and 4 adjacent in the circumferential direction.
  • the range in which the shroud cover 5 is provided will be described.
  • the inventors conducted CFD analysis on a centrifugal compressor provided with an open type impeller in which a blade is not covered by a shroud cover, and determined a region where a clearance flow occurs.
  • the analysis result is shown in FIG. From this result, it was found that the clearance flow mainly occurs within 30% or less of the meridional plane length from the front edge 4a of the first wing 4 toward the rear edge 4b. Therefore, in order to reduce the occurrence of clearance flow, it is preferable to provide the shroud cover 5 within this range. Even if the shroud cover 5 is provided in the range on the rear edge 4 b side than this range, the effect of reducing the occurrence of the clearance flow is not improved.
  • the present inventors have also reported the results of CFD analysis for a closed-type centrifugal compressor (Ibaraki, S., Furukawa, M., Iwakiri, K. and Takahashi, K., Vertical flow structure and loss generation process in a transonic centrifugal compressor impeller, Proceedings of ASME Turbo Expo 2007, Montreal, Canada, GT 2007-27791 (2007)).
  • the closed type centrifugal compressor has an advantage that it is possible to suppress the generation of loss due to the clearance flow, but a scraping vortex in which low energy fluid accumulated on the trailing edge side of the wing is wound is generated There is a disadvantage that losses may occur due to
  • the first wing 4 is moved from the front edge 4 a of the first wing 4 toward the rear edge 4 b. While the occurrence of clearance flow can be reduced by the shroud cover 5 provided in the range of 30% or less of the meridian length of the above, the raking vortices are generated by the absence of the shroud cover on the rear edge 4b side of the first wing 4 It is possible to suppress the occurrence of loss due to the occurrence.
  • the primary eigenmode of the first wing 4 is a mode in which the leading edge 4a side is shaken, and in the centrifugal compressor 1, the mass of the shroud cover 5 is added to this portion, which leads to a decrease in the eigenvalue .
  • the shroud cover 5 provided in the centrifugal compressor 1 has a shape in which the position of the downstream end 5b in the rotational axis L direction changes along the circumferential direction of the shroud cover 5.
  • the rear end portion 11 b of the portion 11 connected to the pressure surface 4 d of the first wing 4 is connected to the suction surface 4 e of the first wing 4
  • the shape located closer to the front edge 4 a of the first wing 4 than the rear end 12 b of the portion 12, that is, the meridional length of the portion 11 connected to the pressure surface 4 d of the first wing 4 is It has a shape shorter than the meridional length of the portion 12 connected to the suction surface 4 e of the wing 4.
  • the rear end 12 b of the portion 12 connected to the negative pressure surface 4 e of the first wing 4 is on the pressure side 4 d of the first wing 4.
  • the shroud cover 5 shown in each of FIGS. 3 and 4 since there is a narrow portion in the direction of the rotation axis L (see FIG. 1) at the rear end 11b and the rear end 12b, the shroud cover In the case where the position of the downstream end 5b in the direction of the rotation axis L of the downstream side 5b is constant along the circumferential direction of the shroud cover 5, that is, the shroud cover is wider than in the case where the width in the rotation The mass of 5 can be reduced. As a result, the vibration of the first wing 4 can be reduced.
  • the clearance flow on the front edge 4a side of the first wing 4 occurs from the pressure side 4d to the suction side 4e. Therefore, in order to reduce the occurrence of the clearance flow, either the portion 11 connected to the pressure surface 4d or the portion 12 connected to the suction surface 4e goes from the front edge 4a to the rear edge 4b. It suffices to sufficiently cover the range of 30% or less of the meridional length of the first wing 4.
  • the shroud cover 5 shown in each of FIG. 3 and FIG. 4 reduces the vibration of the first wing 4 by reducing the mass of the shroud cover 5 since the portion 12 and the portion 11 respectively cover the entire range. While, the occurrence of the clearance flow can be reduced.
  • the shroud cover 5 has a shape in which the position of the downstream end 5b in the rotational axis L direction changes along the circumferential direction of the shroud cover 5, so that the width in the rotational axis L direction is Since there is a narrow portion, the shroud cover 5 has a shroud cover 5 compared to the case where the positions in the direction of the rotation axis L of the upstream end 5a and the downstream end 5b are constant along the circumferential direction of the shroud cover 5
  • the mass of 5 can be reduced, and as a result, the vibration of the first wing 4 can be reduced.
  • the shroud cover 5 has a meridional length of the portion 11 connected to the pressure side 4 d of the first wing 4 and a meridional length of the portion 12 connected to the negative pressure side 4 e of the first wing 4.
  • the shroud cover 5 has a point where the meridional length of the portion 11 connected to the pressure side 4 d of the first wing 4 is shorter than the meridional length of the portion 12 connected to the negative side 4 e of the first wing 4
  • the meridional plane length of the portion 12 connected to the negative pressure surface 4e of the first wing 4 includes both in the circumferential direction a location shorter than the meridional plane length of the portion 11 connected to the pressure side 4d of the first wing 4 It may be.
  • the entire shroud cover 5 is provided in a range of 30% or less of the meridional plane length of the first wing 4 from the front edge 4 a to the rear edge 4 b of the first wing 4. It is not limited to this form. It is sufficient if at least the portion 11 connected to the pressure surface 4 d of the first wing 4 and the portion 12 connected to the suction surface 4 e of the first wing 4 fall within this range. The part 5b may be out of this range.
  • the centrifugal compressor according to the second embodiment is the same as the first embodiment except that the shape of the shroud cover 5 is changed.
  • the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the detailed description thereof is omitted.
  • the shroud cover 5 has a shape in which the position of the upstream end 5 a in the rotational axis L direction changes along the circumferential direction of the shroud cover 5. Specifically, as shown in FIG. 5, in the shroud cover 5, the front end 12 a of the portion 12 connected to the negative pressure surface 4 e of the first wing 4 is connected to the positive pressure surface 4 d of the first wing 4 The front edge 11a of the portion 11 is located on the rear edge 4b side of the first wing 4 in the rotational axis L direction, and the rear edge 4b side of the first wing 4 in the rotational axis L direction than the throat position 10 It has a shape located at The other configuration is the same as that of the first embodiment.
  • Covering the first wing 4 with the shroud cover 5 can reduce the generation of the clearance flow as described above in the first embodiment, but the flow area may decrease due to the reduction of the throat area by the thickness of the shroud cover 5 There is a disadvantage that there is.
  • the shroud cover 5 can be provided while avoiding the throat position 10, a decrease in the flow rate can be suppressed.
  • the shroud cover 5 of the second embodiment has a shape in which the position of the upstream side edge portion 5 a in the direction of the rotation axis L changes along the circumferential direction of the shroud cover 5. Since a narrow portion is present, the vibration of the first wing 4 can also be reduced as in the first embodiment. Furthermore, in the shroud cover 5 of the second embodiment, the portion 11 connected to the pressure side 4d of the first wing 4 is 30% of the meridional plane length of the first wing 4 from the front edge 4a toward the rear edge 4b. Since the whole of the following range is covered, the occurrence of the clearance flow can also be reduced as in the first embodiment.
  • the entire upstream end 5a of the shroud cover 5 from the front end 11a to the front end 12a is located closer to the rear edge 4b of the first wing 4 in the rotational axis L direction than the throat position 10.
  • a portion of the upstream end 5a of the shroud cover 5 from the front end 11a to the front end 12a may be located closer to the rear edge 4b of the first wing 4 in the rotational axis L direction than the throat position 10.
  • the position of the downstream end 5b of the shroud cover 5 in the direction of the rotation axis L is constant in the circumferential direction, but the present invention is not limited to this.
  • the position of the downstream end 5b of the shroud cover 5 in the direction of the rotation axis L may also change in the circumferential direction. That is, the configuration of the shroud cover 5 of the first embodiment may be combined with the configuration of the shroud cover 5 of the second embodiment.
  • the centrifugal compressor according to the third embodiment is modified such that the impeller 3 has a second wing different in shape from the first wing 4 in addition to the first wing 4 for each of the first and second embodiments. It is in addition, although Embodiment 3 is described below in the form which changed the centrifugal compressor of Embodiment 1, it is also possible to change the centrifugal compressor of Embodiment 2 to the form of Embodiment 3.
  • FIG. In the third embodiment the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the detailed description thereof is omitted.
  • the impeller 3 is provided between a plurality of streamlined first wings 4 provided at predetermined intervals in the circumferential direction and the first wings 4 and 4 adjacent in the circumferential direction. And a plurality of splitter blades 20 which are the second wings.
  • the splitter blade 20 has a front edge 20 a on the rear edge 4 b side of the front edge 4 a of the first wing 4 and has a meridional length shorter than that of the first wing 4.
  • the shroud cover 5 interconnects the first blades 4 and 4 adjacent to each other in the circumferential direction with the splitter blade 20 between the first blades 4 and 4.
  • the shroud cover 5 has a shape in which the position of the downstream end 5b in the direction of the rotation axis L changes in the circumferential direction.
  • the other configuration is the same as that of the first embodiment.
  • the vibration of the first wing 4 in the eigenmode is reduced by connecting the first wing 4 and the splitter blade 20 having a vibration mode different from that of the first wing 4 by the shroud cover 5. be able to.
  • the portion 11 connected to the pressure side 4d of the first wing 4 is 30% of the meridional plane length of the first wing 4 from the front edge 4a toward the rear edge 4b. Since the following range is covered, the occurrence of clearance flow can also be reduced as in the first embodiment.
  • the rear end 12 b of the portion 12 connected to the suction surface 4 e of the first wing 4 is connected to the pressure surface 4 d of the first wing 4
  • the shape may be located closer to the front edge 4 a of the first wing 4 than the rear end 11 b of the portion 11.
  • the vibration of the first wing 4 can be reduced.
  • the portion 11 covers the entire range of 30% or less of the meridional length of the first wing 4 from the front edge 4a to the rear edge 4b, the clearance flow is the same as the shroud cover 5 of FIG. Can also be reduced.
  • the positions of the upstream end 5 a and the downstream end 5 b in the direction of the rotation axis L are the circumferential direction of the shroud cover 5.
  • the splitter blades 20 between the first wings 4 and 4 adjacent to each other in the circumferential direction may be connected to each other. Also in this case, since the first wing 4 and the splitter blade 20 having a vibration mode different from that of the first wing 4 are connected by the shroud cover 5, vibration in the natural mode of the first wing 4 can be reduced. it can.
  • centrifugal compressor 2 housing 3 impeller 4 first wing 4 a front edge 4 b (first wing) rear edge 4 c (first wing) outer edge 4 d (first wing) positive (first wing) positive Pressure surface 4e suction surface 5 (first blade) Shroud cover 5a upstream edge 5b (of shroud cover) downstream edge 10 (of shroud cover) Throat position 11 Part connected to pressure surface of first blade 11a (a portion connected to the pressure side of the first wing) 11b (a portion connected to the pressure side of the first wing) a rear end 12 portion 12a (connected to the suction side of the first wing) The front end 12b of the part connected to the suction surface of one wing The rear end 20 (of the part connected to the suction surface of the first wing) Splitter blade (second wing)

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Abstract

遠心圧縮機は、複数の第1翼を有するとともに回転可能に設けられたインペラと、インペラの回転軸線方向において部分的に第1翼の前縁部側に設けられたシュラウドカバーであって、周方向に隣り合う第1翼間を相互に連結するシュラウドカバーとを備え、シュラウドカバーは、シュラウドカバーの上流側端縁部及び下流側端縁部の少なくとも一方の回転軸線方向における位置がシュラウドカバーの周方向に沿って変化する形状を有する。

Description

遠心圧縮機及びこの遠心圧縮機を備えたターボチャージャ
 本開示は、遠心圧縮機及びこの遠心圧縮機を備えたターボチャージャに関する。
 遠心圧縮機には、翼の全体がシュラウドカバーによって覆われたクローズ型と、翼がシュラウドカバーによって覆われていないオープン型とがある。特許文献1~3には、インペラの回転軸線方向において部分的に、例えば翼の前縁部側において翼がシュラウドカバーによって覆われた遠心圧縮機が記載されている。
特開平6-235398号公報 特開平6-193594号公報 特許第3653054号公報
 特許文献1~3の遠心圧縮機に設けられたシュラウドカバーは、シュラウドカバーの周方向に沿って一定形状を有する円筒形状を有している。このようなシュラウドカバーで翼を覆うことによってクリアランスフローの発生を低減できるという効果が得られる反面、いくつかのデメリットも生じ得るが、従来の円筒形状のシュラウドカバーでは、それらのデメリットに対して対応できないといった課題があった。
 上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも1つの実施形態は、インペラの回転軸線方向において部分的に翼がシュラウドカバーによって覆われた遠心圧縮機であって、シュラウドカバーを設けることにより生じるデメリットを低減できる遠心圧縮機及びこの遠心圧縮機を備えたターボチャージャを提供することを目的とする。
(1)本開示の少なくとも1つの実施形態に係る遠心圧縮機は、
 複数の第1翼を有するとともに回転可能に設けられたインペラと、
 前記インペラの回転軸線方向において部分的に前記第1翼の前縁部側に設けられたシュラウドカバーであって、周方向に隣り合う前記第1翼間を相互に連結するシュラウドカバーと
を備え、
 前記シュラウドカバーは、該シュラウドカバーの上流側端縁部及び下流側端縁部の少なくとも一方の前記回転軸線方向における位置が前記シュラウドカバーの周方向に沿って変化する形状を有する。
 上記(1)の構成によると、シュラウドカバーを設けることにより生じ得るデメリットに対応可能な形状をシュラウドカバーが有することによって、デメリットを低減することができる。
(2)いくつかの実施形態では、上記(1)の構成において、
 前記シュラウドカバーは、前記第1翼の正圧面に接続される部分及び前記第1翼の負圧面に接続される部分がそれぞれ、前記第1翼の前縁部から後縁部に向かって前記第1翼の子午面長さの30%以下の範囲内にあるように構成されている。
 本発明者らのCFD解析によれば、クリアランスフローは主に、第1翼の子午面長さの30%以下の範囲において発生することが明らかになった。上記(2)の構成によると、第1翼の前縁部から後縁部に向かって第1翼の子午面長さの30%以下の範囲に設けられたシュラウドカバーによってクリアランスフローの発生を低減することができる。
(3)いくつかの実施形態では、上記(1)または(2)の構成において、
 前記シュラウドカバーは、前記第1翼の正圧面に接続される部分の子午面長さ及び前記第1翼の負圧面に接続される部分の子午面長さの一方が他方よりも長くなるように構成されている。
 第1翼の振動についての1次固有モードは、第1翼の前縁部側の部分が振動するモードであるため、第1翼の前縁部側にシュラウドカバーを設けることは、振動する部分に質量を付加することになり、固有値の低下につながる。しかし、上記(3)の構成によると、シュラウドカバーには回転軸線方向の幅が狭い部分が存在するので、シュラウドカバーの回転軸線方向の幅が周方向に一定の場合に比べて、シュラウドカバーの質量を減少することができ、その結果、翼の振動を低減することができる。
 また、第1翼の前縁部側においてクリアランスフローは、第1翼の正圧面側から負圧面側に向かって発生する。このため、クリアランスフローによる損失の発生を抑制するためには、第1翼の正圧面又は負圧面のいずれかにおいて、必要な範囲にわたって第1翼をシュラウドカバーによって覆えば十分である。上記(3)の構成によると、第1翼の正圧面側又は負圧面側のいずれかに接続された部分でクリアランスフローによる損失の発生を抑制できる。
(4)いくつかの実施形態では、上記(1)~(3)のいずれかの構成において、
 前記シュラウドカバーは、周方向に隣り合う前記第1翼間において前記第1翼の正圧面に接続される部分から前記第1翼の負圧面に接続される部分までの上流側端縁部の一部分がスロート位置よりも前記第1翼の後縁部側に位置するように構成されている。
 翼をシュラウドカバーで覆うと、スロート面積が低下することによって流量が低下するおそれがある。上記(4)の構成によると、スロート位置を避けながらシュラウドカバーを設けることができるので、流量の低下を抑制することができる。
(5)いくつかの実施形態では、上記(4)の構成において、
 前記シュラウドカバーは、前記第1翼の正圧面に接続される部分の前端部が前記第1翼の前記前縁部にあるとともに前記第1翼の負圧面に接続される部分の前端部が前記スロート位置よりも前記第1翼の後縁部側に位置するように構成されている。
 上記(5)の構成によると、スロート位置を避けながらシュラウドカバーを設けることができるので、流量の低下を抑制することができる。
(6)いくつかの実施形態では、上記(1)~(5)のいずれかの構成において、
 前記インペラは、前記第1翼の前記前縁部よりも後縁部側に前縁部を有するとともに前記第1翼よりも短い子午面長さを有する複数の第2翼を、周方向に隣り合う前記第1翼間にさらに備え、
 前記シュラウドカバーは、周方向に隣り合う前記第1翼間と、該第1翼間の前記第2翼とを相互に連結する。
 上記(6)の構成によると、第1翼と、第1翼と異なる振動モードを有する第2翼とをシュラウドカバーによって連結することによって、第1翼の固有モードでの振動を低減することができる。
(7)本開示の少なくとも1つの実施形態に係る遠心圧縮機は、
 複数の第1翼と、周方向に隣り合う前記第1翼間に設けられた複数の第2翼とを有し、回転可能に設けられたインペラと、
 前記インペラの回転軸線方向において部分的に前記第1翼の前縁部側に設けられたシュラウドカバーと
を備え、
 前記第2翼は、前記第1翼の前記前縁部よりも後縁部側に前縁部を有するとともに前記第1翼よりも短い子午面長さを有し、
 前記シュラウドカバーは、周方向に隣り合う前記第1翼間と、該第1翼間の前記第2翼とを相互に連結する。
 上記(7)の構成によると、第1翼と、第1翼と異なる振動モードを有する第2翼とをシュラウドカバーによって連結することによって、第1翼の固有モードでの振動を低減することができる。
(8)本開示の少なくとも1つの実施形態に係るターボチャージャは、
 上記(1)~(7)のいずれかの遠心圧縮機を備える。
 上記(8)の構成によると、シュラウドカバーを設けることにより生じ得るデメリットに対応可能な形状をシュラウドカバーが有することによって、デメリットを低減することができる。
 本開示の少なくとも1つの実施形態によれば、シュラウドカバーは、シュラウドカバーの上流側端縁部及び下流側端縁部の少なくとも一方の回転軸線方向における位置がシュラウドカバーの周方向に沿って変化する形状を有することにより、シュラウドカバーを設けることにより生じ得るデメリットに対応可能な形状をシュラウドカバーが有することができるので、そのようなデメリットを低減することができる。
本開示の実施形態1に係る遠心圧縮機の部分断面図である。 本発明者らによるCFD解析によって得られたクリアランスフローの分布を示すグラフである。 本開示の実施形態1に係る遠心圧縮機に設けられたシュラウドカバーの一例を示す図である。 本開示の実施形態1に係る遠心圧縮機に設けられたシュラウドカバーの別の一例を示す図である。 本開示の実施形態2に係る遠心圧縮機に設けられたシュラウドカバーを示す図である。 本開示の実施形態3に係る遠心圧縮機に設けられたシュラウドカバーを示す図である。 本開示の実施形態3に係る遠心圧縮機に設けられたシュラウドカバーの変形例を示す図である。 本開示の実施形態3に係る遠心圧縮機に設けられたシュラウドカバーの別の変形例を示す図である。
 以下、添付図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
 以下に示す本開示のいくつかの実施形態に係る遠心圧縮機を、ターボチャージャの遠心圧縮機を例にして説明する。ただし、本開示における遠心圧縮機は、ターボチャージャの遠心圧縮機に限定するものではなく、単独で動作する任意の遠心圧縮機であってもよい。以下の説明において、この圧縮機によって圧縮される流体は空気であるが、任意の流体に置き換えることが可能である。
(実施形態1)
 図1に示されるように、実施形態1に係る遠心圧縮機1は、ハウジング2と、ハウジング2内において回転軸線Lを中心に回転可能に設けられたインペラ3とを備えている。インペラ3は、周方向に所定の間隔をあけて設けられた流線形状の複数の第1翼4(図1には1つの第1翼4のみが描かれている)を有している。
 インペラ3には、第1翼4の前縁部4aから後縁部4bに向かって回転軸線L方向において部分的に環状のシュラウドカバー5が設けられている。シュラウドカバー5によって、周方向に隣り合う第1翼4,4の外周縁部4c,4c間が相互に連結されている。以下で、シュラウドカバー5を設ける範囲について説明する。
 本発明者らは、シュラウドカバーによって翼が覆われていないオープン型のインペラを備えた遠心圧縮機についてCFD解析を行い、クリアランスフローが発生する領域を求めた。その解析結果を図2に示す。この結果から、クリアランスフローは主に、第1翼4の前縁部4aから後縁部4bに向かって子午面長さの30%以下の範囲内において発生することがわかった。このため、クリアランスフローの発生を低減するためには、この範囲内にシュラウドカバー5を設けることが好ましい。この範囲よりも後縁部4b側の範囲にシュラウドカバー5を設けたとしても、クリアランスフローの発生を低減する効果は向上しない。
 また、本発明者らは、クローズ型の遠心圧縮機に対するCFD解析の結果を報告している(Ibaraki, S., Furukawa, M., Iwakiri, K. and Takahashi, K., Vortical flow structure and loss generation process in a transonic centrifugal compressor impeller, Proceedings of ASME Turbo Expo 2007, Montreal, Canada, GT2007-27791 (2007)参照)。これによれば、クローズ型の遠心圧縮機には、クリアランスフローによる損失の発生を抑制できるという長所があるが、翼の後縁部側に集積した低エネルギー流体が巻き上がった掻き揚げ渦が生じることにより損失が発生する場合があるという短所がある。
 本発明者らのこれらのCFD解析の結果によれば、図1に示されるように、遠心圧縮機1では、第1翼4の前縁部4aから後縁部4bに向かって第1翼4の子午面長さの30%以下の範囲に設けられたシュラウドカバー5によってクリアランスフローの発生を低減できる一方で、第1翼4の後縁部4b側にシュラウドカバーがないことによって掻き揚げ渦が生じることによる損失の発生を抑制することができる。
 ただし、インペラ3の回転軸線L方向において部分的にシュラウドカバー5を設けた遠心圧縮機1には、固有値の低下という重大なデメリットが存在する。第1翼4の1次固有モードは前縁部4a側が振れるモードであり、遠心圧縮機1では、この部分にシュラウドカバー5の質量が付加されることになるので、固有値の低下につながってしまう。このような固有値の低下を抑制するためには、シュラウドカバー5の形状に工夫が必要となる。
 そこで、遠心圧縮機1に設けられたシュラウドカバー5は、下流側端縁部5bの回転軸線L方向における位置がシュラウドカバー5の周方向に沿って変化する形状を有している。具体的には、図3に示されるように、シュラウドカバー5は、第1翼4の正圧面4dに接続される部分11の後端部11bが、第1翼4の負圧面4eに接続される部分12の後端部12bよりも第1翼4の前縁部4a側に位置する形状、すなわち、第1翼4の正圧面4dに接続される部分11の子午面長さが、第1翼4の負圧面4eに接続される部分12の子午面長さよりも短い形状を有している。
 また、別の例として、図4に示されるように、シュラウドカバー5は、第1翼4の負圧面4eに接続される部分12の後端部12bが、第1翼4の正圧面4dに接続される部分11の後端部11bよりも第1翼4の前縁部4a側に位置する形状、すなわち、第1翼4の負圧面4eに接続される部分12の子午面長さが、第1翼4の正圧面4dに接続される部分11の子午面長さよりも短い形状を有してもよい。
 図3及び図4のそれぞれに示されたシュラウドカバー5では、後端部11b及び後端部12bの部分で、回転軸線L(図1参照)方向の幅が狭い部分が存在するので、シュラウドカバー5の下流側端縁部5bの回転軸線L方向における位置がシュラウドカバー5の周方向に沿って一定の場合、すなわち、回転軸線L方向の幅が周方向に一定の場合に比べて、シュラウドカバー5の質量を減少することができる。その結果、第1翼4の振動を低減することができる。
 一方、第1翼4の前縁部4a側におけるクリアランスフローは、正圧面4d側から負圧面4e側に向かって発生する。このため、クリアランスフローの発生を低減するためには、正圧面4dに接続される部分11又は負圧面4eに接続される部分12のいずれかが、前縁部4aから後縁部4bに向かって第1翼4の子午面長さの30%以下の範囲を十分に覆っていればよい。図3及び図4のそれぞれに示されたシュラウドカバー5は、部分12及び部分11がそれぞれこの範囲全体を覆っているので、シュラウドカバー5の質量を減少することによって第1翼4の振動を低減しながら、クリアランスフローの発生を低減することができる。
 このように、シュラウドカバー5は、下流側端縁部5bの回転軸線L方向における位置がシュラウドカバー5の周方向に沿って変化する形状を有していることにより、回転軸線L方向の幅が狭い部分が存在するので、シュラウドカバー5の上流側端縁部5a及び下流側端縁部5bの回転軸線L方向における位置がシュラウドカバー5の周方向に沿って一定の場合に比べて、シュラウドカバー5の質量を減少することができ、その結果、第1翼4の振動を低減することができる。
 実施形態1では、シュラウドカバー5は、第1翼4の正圧面4dに接続される部分11の子午面長さ及び第1翼4の負圧面4eに接続される部分12の子午面長さの一方が他方よりも短い形状を有していたが、この形態に限定するものではない。シュラウドカバー5は、第1翼4の正圧面4dに接続される部分11の子午面長さが、第1翼4の負圧面4eに接続される部分12の子午面長さよりも短い個所と、第1翼4の負圧面4eに接続される部分12の子午面長さが、第1翼4の正圧面4dに接続される部分11の子午面長さよりも短い個所とを周方向に両方含んでいてもよい。
 実施形態1では、シュラウドカバー5の全体が、第1翼4の前縁部4aから後縁部4bに向かって第1翼4の子午面長さの30%以下の範囲に設けられていたが、この形態に限定するものではない。少なくとも第1翼4の正圧面4dに接続される部分11及び第1翼4の負圧面4eに接続される部分12がこの範囲にあればよく、これらの部分11,12間の下流側端縁部5bがこの範囲外にあってもよい。
(実施形態2)
 次に、実施形態2に係る遠心圧縮機について説明する。実施形態2に係る遠心圧縮機は、実施形態1に対して、シュラウドカバー5の形状を変更したものである。尚、実施形態2において、実施形態1の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
 実施形態2では、シュラウドカバー5は、上流側端縁部5aの回転軸線L方向における位置がシュラウドカバー5の周方向に沿って変化する形状を有している。具体的には、図5に示されるように、シュラウドカバー5は、第1翼4の負圧面4eに接続される部分12の前端部12aが、第1翼4の正圧面4dに接続される部分11の前端部11aよりも、回転軸線L方向において第1翼4の後縁部4b側に位置するとともに、スロート位置10よりも、回転軸線L方向において第1翼4の後縁部4b側に位置する形状を有している。その他の構成は実施形態1と同じである。
 第1翼4をシュラウドカバー5で覆うと、実施形態1において上述したようにクリアランスフローの発生を低減できる一方で、シュラウドカバー5の厚さ分だけスロート面積が低下することによって流量が低下するおそれがあるといったデメリットが存在する。しかし、実施形態2の構成では、スロート位置10を避けながらシュラウドカバー5を設けることができるので、流量の低下を抑制することができる。
 また、実施形態2のシュラウドカバー5は、上流側端縁部5aの回転軸線L方向における位置がシュラウドカバー5の周方向に沿って変化する形状を有していることにより、回転軸線L方向の幅が狭い部分が存在するので、実施形態1と同様、第1翼4の振動を低減することもできる。さらに、実施形態2のシュラウドカバー5は、第1翼4の正圧面4dに接続される部分11が前縁部4aから後縁部4bに向かって第1翼4の子午面長さの30%以下の範囲全体を覆っているので、実施形態1と同様、クリアランスフローの発生を低減することもできる。
 実施形態2では、前端部11aから前端部12aまでのシュラウドカバー5の上流側端縁部5a全体が、スロート位置10よりも、回転軸線L方向において第1翼4の後縁部4b側に位置しているが、この形態に限定するものではない。前端部11aから前端部12aまでのシュラウドカバー5の上流側端縁部5aの一部分がスロート位置10よりも、回転軸線L方向において第1翼4の後縁部4b側に位置してもよい。
 実施形態2では、シュラウドカバー5の下流側端縁部5bの回転軸線L方向における位置は周方向に一定であったが、この形態に限定するものではない。シュラウドカバー5の下流側端縁部5bの回転軸線L方向における位置も周方向に変化してもよい。すなわち、実施形態1のシュラウドカバー5の構成と、実施形態2のシュラウドカバー5の構成とを組み合わせてもよい。
(実施形態3)
 次に、実施形態3に係る遠心圧縮機について説明する。実施形態3に係る遠心圧縮機は、実施形態1及び2のそれぞれに対して、インペラ3が、第1翼4の他に、第1翼4とは形状の異なる第2翼を有するように変更したものである。尚、以下では実施形態1の遠心圧縮機を変更した形態で実施形態3を説明するが、実施形態2の遠心圧縮機を実施形態3の形態に変更することも可能である。また、実施形態3において、実施形態1の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
 図6に示されるように、インペラ3は、周方向に所定の間隔をあけて設けられた流線形状の複数の第1翼4と、周方向に隣り合う第1翼4,4間に設けられた第2翼である複数のスプリッタブレード20とを有している。スプリッタブレード20は、第1翼4の前縁部4aよりも後縁部4b側に前縁部20aを有するとともに第1翼4よりも短い子午面長さを有している。
 シュラウドカバー5は、周方向に隣り合う第1翼4,4間と、第1翼4,4間のスプリッタブレード20とを相互に連結している。尚、シュラウドカバー5は、下流側端縁部5bの回転軸線L方向における位置が周方向に変化する形状を有している。その他の構成は、実施形態1と同じである。
 実施形態3の構成では、第1翼4と、第1翼4と異なる振動モードを有するスプリッタブレード20とをシュラウドカバー5によって連結することによって、第1翼4の固有モードでの振動を低減することができる。
 また、実施形態3のシュラウドカバー5は、第1翼4の正圧面4dに接続される部分11が前縁部4aから後縁部4bに向かって第1翼4の子午面長さの30%以下の範囲内を覆っているので、実施形態1と同様、クリアランスフローの発生を低減することもできる。
 図7に示されるように、実施形態3のシュラウドカバー5は、第1翼4の負圧面4eに接続される部分12の後端部12bが、第1翼4の正圧面4dに接続される部分11の後端部11bよりも第1翼4の前縁部4a側に位置する形状であってもよい。この場合、図6のシュラウドカバー5よりも質量を減少することができるので、第1翼4の振動を低減することができる。また、部分11が前縁部4aから後縁部4bに向かって第1翼4の子午面長さの30%以下の範囲全体を覆っているので、図6のシュラウドカバー5と同様、クリアランスフローの発生を低減することもできる。
 図8に示されるように、実施形態3のシュラウドカバー5は、上流側端縁部5a及び下流側端縁部5bそれぞれの回転軸線L(図1参照)方向における位置がシュラウドカバー5の周方向に沿って一定であり、かつ、周方向に隣り合う第1翼4,4間と、第1翼4,4間のスプリッタブレード20とを相互に連結するように構成されてもよい。この場合も、第1翼4と、第1翼4と異なる振動モードを有するスプリッタブレード20とがシュラウドカバー5によって連結されているので、第1翼4の固有モードでの振動を低減することができる。
1 遠心圧縮機
2 ハウジング
3 インペラ
4 第1翼
4a (第1翼の)前縁部
4b (第1翼の)後縁部
4c (第1翼の)外周縁部
4d (第1翼の)正圧面
4e (第1翼の)負圧面
5 シュラウドカバー
5a (シュラウドカバーの)上流側端縁部
5b (シュラウドカバーの)下流側端縁部
10 スロート位置
11 第1翼の正圧面に接続される部分
11a (第1翼の正圧面に接続される部分の)前端部
11b (第1翼の正圧面に接続される部分の)後端部
12 第1翼の負圧面に接続される部分
12a (第1翼の負圧面に接続される部分の)前端部
12b (第1翼の負圧面に接続される部分の)後端部
20 スプリッタブレード(第2翼)
 

Claims (8)

  1.  複数の第1翼を有するとともに回転可能に設けられたインペラと、
     前記インペラの回転軸線方向において部分的に前記第1翼の前縁部側に設けられたシュラウドカバーであって、周方向に隣り合う前記第1翼間を相互に連結するシュラウドカバーと
    を備え、
     前記シュラウドカバーは、該シュラウドカバーの上流側端縁部及び下流側端縁部の少なくとも一方の前記回転軸線方向における位置が前記シュラウドカバーの周方向に沿って変化する形状を有する遠心圧縮機。
  2.  前記シュラウドカバーは、前記第1翼の正圧面に接続される部分及び前記第1翼の負圧面に接続される部分がそれぞれ、前記第1翼の前縁部から後縁部に向かって前記第1翼の子午面長さの30%以下の範囲内にあるように構成されている、請求項1に記載の遠心圧縮機。
  3.  前記シュラウドカバーは、前記第1翼の正圧面に接続される部分の子午面長さ及び前記第1翼の負圧面に接続される部分の子午面長さの一方が他方よりも長くなるように構成されている、請求項1または2に記載の遠心圧縮機。
  4.  前記シュラウドカバーは、周方向に隣り合う前記第1翼間において前記第1翼の正圧面に接続される部分から前記第1翼の負圧面に接続される部分までの上流側端縁部の一部分がスロート位置よりも前記第1翼の後縁部側に位置するように構成されている、請求項1~3のいずれか一項に記載の遠心圧縮機。
  5.  前記シュラウドカバーは、前記第1翼の正圧面に接続される部分の前端部が前記第1翼の前記前縁部にあるとともに前記第1翼の負圧面に接続される部分の前端部が前記スロート位置よりも前記第1翼の後縁部側に位置するように構成されている、請求項4に記載の遠心圧縮機。
  6.  前記インペラは、前記第1翼の前記前縁部よりも後縁部側に前縁部を有するとともに前記第1翼よりも短い子午面長さを有する複数の第2翼を、周方向に隣り合う前記第1翼間にさらに備え、
     前記シュラウドカバーは、周方向に隣り合う前記第1翼間と、該第1翼間の前記第2翼とを相互に連結する、請求項1~5のいずれか一項に記載の遠心圧縮機。
  7.  複数の第1翼と、周方向に隣り合う前記第1翼間に設けられた複数の第2翼とを有し、回転可能に設けられたインペラと、
     前記インペラの回転軸線方向において部分的に前記第1翼の前縁部側に設けられたシュラウドカバーと
    を備え、
     前記第2翼は、前記第1翼の前記前縁部よりも後縁部側に前縁部を有するとともに前記第1翼よりも短い子午面長さを有し、
     前記シュラウドカバーは、周方向に隣り合う前記第1翼間と、該第1翼間の前記第2翼とを相互に連結する遠心圧縮機。
  8.  請求項1~7のいずれか一項に記載の遠心圧縮機を備えたターボチャージャ。
     
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