WO2023203813A1 - 遠心圧縮機 - Google Patents

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WO2023203813A1
WO2023203813A1 PCT/JP2022/048015 JP2022048015W WO2023203813A1 WO 2023203813 A1 WO2023203813 A1 WO 2023203813A1 JP 2022048015 W JP2022048015 W JP 2022048015W WO 2023203813 A1 WO2023203813 A1 WO 2023203813A1
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WO
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Prior art keywords
flow path
impeller
sub
compressor
main flow
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/048015
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
保孝 別所
Original Assignee
株式会社Ihi
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 株式会社Ihi filed Critical 株式会社Ihi
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing

Definitions

  • the present disclosure relates to a centrifugal compressor.
  • This application claims the benefit of priority based on Japanese Patent Application No. 2022-70654 filed on April 22, 2022, the contents of which are incorporated into this application.
  • a sub-flow path may be formed in addition to the main flow path (see, for example, Patent Documents 1 to 5).
  • a compressor impeller is arranged in the main flow path.
  • a first end of the secondary flow path is connected to the main flow path at a position upstream of the compressor impeller.
  • the second end of the secondary channel is connected to the main channel at a position downstream of the first end.
  • surge limits the operating range of the centrifugal compressor in low flow regions.
  • some of this air enters the secondary channel from the second end and returns to the main channel from the first end. According to such a configuration, it is possible to reduce the influence of surge and expand the operating range in the low flow rate region.
  • An object of the present disclosure is to provide a centrifugal compressor that can improve efficiency in low flow areas.
  • a centrifugal compressor includes an impeller and a housing that accommodates the impeller, the housing including a main flow path that accommodates the impeller, and a housing that is perpendicular to the axial direction of the impeller.
  • the sub-flow path includes: a housing including a constriction continuous with the first end and narrowing toward the first end.
  • the sub-flow path may include a plurality of fins arranged along the circumferential direction of the impeller.
  • the plurality of fins may be provided in the throttle part of the sub-channel.
  • Each of the plurality of fins may be inclined with respect to the central axis of the impeller when viewed in the radial direction of the impeller.
  • Each of the plurality of fins may be sloped in the same direction as the leading edge of the blade of the impeller when viewed in the radial direction.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a supercharger including a centrifugal compressor according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged sectional view of the Z section in FIG.
  • FIG. 3 is a radially side view of the second insert.
  • FIG. 4 is an enlarged sectional view showing the first comparative example.
  • FIG. 5 is an enlarged sectional view showing a second comparative example.
  • FIG. 6 is an enlarged sectional view showing a third comparative example.
  • FIG. 7 shows the analysis results of the pressure ratio in the low flow rate region.
  • FIG. 8 shows the analysis results of efficiency in the low flow rate region.
  • FIG. 9 shows the analysis results of the pressure ratio in the high flow rate region.
  • FIG. 10 shows the analysis results of efficiency in a high flow rate region.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a supercharger TC including a centrifugal compressor 100 according to an embodiment.
  • centrifugal compressor 100 is incorporated into supercharger TC.
  • centrifugal compressor 100 may be incorporated into a device other than supercharger TC, or may stand alone.
  • the supercharger TC includes a shaft 1, a turbine impeller 2, and a compressor impeller 3.
  • the shaft 1, turbine impeller 2, and compressor impeller 3 rotate integrally. Therefore, in the present disclosure, the "axial direction”, “radial direction” and “circumferential direction” of the shaft 1, the turbine impeller 2 and the compressor impeller 3 are simply referred to as “axial direction”, “radial direction” and “circumferential direction”, respectively. may be called.
  • the supercharger TC includes a bearing housing 4, a turbine housing 5, and a compressor housing (housing) 6.
  • the turbine housing 5 is connected to the first end surface of the bearing housing 4, the left end surface in FIG. 1, by a fastening bolt B1.
  • the compressor housing 6 is connected to the second end surface of the bearing housing 4, the right end surface in FIG. 2, by a fastening bolt B2.
  • the bearing housing 4 includes a bearing hole 4a.
  • the bearing hole 4a extends in the axial direction within the bearing housing 4.
  • the bearing hole 4a accommodates the bearing 7.
  • a full floating bearing is shown as an example of the bearing 7.
  • the bearing 7 may be a semi-floating bearing or other radial bearing, such as a rolling bearing.
  • the bearing 7 rotatably supports the shaft 1.
  • a turbine impeller 2 is provided at the first end of the shaft 1, the left end in FIG.
  • the turbine impeller 2 rotates integrally with the shaft 1.
  • Turbine impeller 2 is rotatably housed within turbine housing 5 .
  • a compressor impeller 3 is provided at the second end of the shaft 1, the right end in FIG. The compressor impeller 3 rotates integrally with the shaft 1.
  • the compressor impeller 3 is rotatably housed within the compressor housing 6.
  • the compressor housing 6 includes an intake port 6a at the end opposite to the bearing housing 4 in the axial direction.
  • the intake port 6a is connected to an air cleaner (not shown).
  • the compressor housing 6 also includes a main flow path 20 and a sub flow path 30.
  • the main flow path 20 and the sub flow path 30 will be described in detail later.
  • a compressor impeller 3 is arranged in the main flow path 20 .
  • the bearing housing 4 and the compressor housing 6 define a diffuser flow path 8 therebetween.
  • the diffuser flow path 8 expands from the inside to the outside in the radial direction.
  • Diffuser channel 8 has an annular shape.
  • the diffuser flow path 8 communicates with the intake port 6a via the compressor impeller 3.
  • the compressor housing 6 includes a compressor scroll passage 9.
  • the compressor scroll passage 9 is located on the outside in the radial direction with respect to the diffuser passage 8 .
  • Compressor scroll passage 9 communicates with diffuser passage 8 . Further, the compressor scroll passage 9 communicates with an intake port of an intercooler (not shown).
  • the upstream side of the intake air flow in the main flow path 20 is simply referred to as the "upstream side,” and the downstream side of the intake air flow in the main flow path 20 is simply referred to as the “upstream side.” may be referred to as "downstream”.
  • the turbine housing 5 includes an exhaust port 5a at the end opposite to the bearing housing 4 in the axial direction.
  • the exhaust port 5a is connected to an exhaust gas purification device (not shown).
  • Turbine housing 5 includes a connecting channel 10 .
  • the connecting channel 10 expands from the inside in the radial direction to the outside.
  • the connecting channel 10 has an annular shape.
  • the connecting flow path 10 communicates with the exhaust port 5a via the turbine impeller 2.
  • the turbine housing 5 includes a turbine scroll passage 11.
  • the turbine scroll flow path 11 is located on the outside in the radial direction with respect to the connection flow path 10 .
  • the turbine scroll flow path 11 communicates with the connection flow path 10 .
  • the turbine scroll passage 11 communicates with a gas inlet (not shown).
  • the gas inlet receives exhaust gas discharged from an exhaust manifold of an engine (not shown).
  • exhaust gas is guided from the gas inlet to the turbine scroll flow path 11, and further guided to the exhaust port 5a via the connection flow path 10 and the turbine impeller 2.
  • the exhaust gas rotates the turbine impeller 2 while passing between the blades of the turbine impeller 2.
  • the rotational force of the turbine impeller 2 is transmitted to the compressor impeller 3 via the shaft 1.
  • the compressor impeller 3 rotates, air is taken in from the intake port 6a and is accelerated and pressurized by the compressor impeller 3, as described above.
  • a portion including the turbine impeller 2 and the turbine housing 5 functions as a turbine 200.
  • FIG. 2 is an enlarged sectional view of the Z section in FIG. 1.
  • Compressor housing 6 includes a main body 60 and an insert 70.
  • the main body 60 includes a first cylindrical part 61 and a second cylindrical part 62.
  • Each of the first cylindrical portion 61 and the second cylindrical portion 62 has a generally cylindrical shape.
  • the central axis of the first cylindrical portion 61 coincides with the central axis of the compressor impeller 3.
  • the inner diameter of the first cylindrical portion 61 is constant along the axial direction.
  • the second cylindrical part 62 is coaxially formed inside the first cylindrical part 61.
  • the first cylindrical portion 61 and the second cylindrical portion 62 are integrally formed.
  • the upstream end portions (the right end portions in FIG. 1) of the first cylindrical portion 61 and the second cylindrical portion 62 are open.
  • the downstream ends (left end in FIG. 1) of the first cylindrical part 61 and the second cylindrical part 62 are connected to each other.
  • the second cylindrical portion 62 is shorter than the first cylindrical portion 61 , and the upstream end of the second cylindrical portion 62 is located inside the first cylindrical portion 61 .
  • the outer diameter of the second cylindrical portion 62 is constant along the axial direction and is smaller than the inner diameter of the first cylindrical portion 61. Therefore, a gap is formed between the first cylindrical portion 61 and the second cylindrical portion 62 in the radial direction.
  • the inner surface of the second cylindrical portion 62 includes a tapered portion 62a that is narrowed from the upstream side to the downstream side.
  • the second cylindrical portion 62 includes a slit 63.
  • the slit 63 penetrates the second cylindrical portion 62 in the radial direction.
  • the slit 63 may extend in the circumferential direction and may be discontinuous in the circumferential direction.
  • This discontinuous portion of material (rib) connects the portions on both sides of the slit 63 along the axial direction.
  • the slit 63 may extend in the circumferential direction and may be continuous in the circumferential direction (that is, continuous over the entire circumference). In this case, in order to connect the first cylindrical part 61 and the second cylindrical part 62, a material (rib ) is provided.
  • the insert 70 is arranged inside the first cylindrical part 61.
  • the insert 70 includes a first insert 71 and a second insert 72.
  • the first insert 71 has a cylindrical shape.
  • the first insert 71 is coaxially fitted inside the first cylindrical portion 61 .
  • the first cylindrical portion 61 includes a counterbore 61a into which the first insert 71 is fitted.
  • the inner wall of the first insert 71 is formed to be flush with the inner wall of the first cylindrical portion 61 .
  • the inner diameter of the first insert 71 is constant along the axial direction.
  • the first insert 71 is flush with the end surface of the first cylindrical portion 61 in the axial direction, and defines the intake port 6a.
  • the first insert 71 may be recessed or protruded from the end surface of the first cylindrical portion 61 in the axial direction.
  • the second insert 72 includes a main body portion 73 and a plurality of fins 74.
  • the main body portion 73 is coaxially arranged inside the first cylindrical portion 61.
  • the outer surface of the main body portion 73 includes a tapered portion 73a that is tapered from the upstream side to the downstream side.
  • the main body portion 73 has a generally hollow truncated conical shape.
  • the downstream end (the left end in FIG. 2) of the main body part 73 has a small diameter and comes into contact with the end of the second cylindrical part 62.
  • the upstream end (the right end in FIG. 2) of the main body portion 73 has a large diameter and is located inside the first insert 71.
  • the outer diameter of the main body portion 73 is smaller than the inner diameters of the first cylindrical portion 61 and the first insert 71. Therefore, a gap is formed between the first cylindrical portion 61 and the first insert 71 and the main body portion 73 in the radial direction.
  • the gaps between the first cylindrical portion 61 and the first insert 71 and the main body portion 73, the gaps between the first cylindrical portion 61 and the second cylindrical portion 62, and the slits 63 are arranged in the sub flow path 30. functions as
  • the space other than the sub-flow path 30 functions as the main flow path 20 .
  • the space from the intake port 6a to the upstream end of the main body part 73, the space inside the second insert 72, and the space inside the second cylindrical part 62. functions as the main flow path 20.
  • the main flow path 20 extends from the intake port 6a to the radially inner end of the diffuser flow path 8.
  • the sub flow path 30 is located on the radially outer side of the main flow path 20 in a cross section perpendicular to the axial direction.
  • the radial gap between the upstream end of the main body portion 73 and the first insert 71 functions as the first end 30A of the sub flow path 30.
  • the first end 30A opens into the main flow path 20 at a position upstream of the compressor impeller 3. Further, the first end portion 30A opens into the main flow path 20 in the opposite direction to the compressor impeller 3 in the axial direction.
  • the radially inner end of the slit 63 functions as the second end 30B of the sub flow path 30.
  • the second end 30B opens into the main flow path 20 at a position downstream from the first end 30A.
  • the second end 30B opens radially inward to the main flow path 20.
  • the second end 30B faces the compressor impeller 3 in the radial direction.
  • the sub-flow path 30 includes a constricted portion 30C that is continuous with the first end 30A and narrowed toward the first end 30A.
  • the inner diameters of the first cylindrical portion 61 and the first insert 71 are constant along the axial direction, and the outer surface of the main body portion 73 extends from the upstream side to the downstream side. It includes a tapered portion 73a that is tapered towards the end. Therefore, the space outside the tapered portion 73a in the radial direction functions as the constricted portion 30C.
  • FIG. 3 is a side view of the second insert 72 viewed in the radial direction.
  • the plurality of fins 74 are arranged along the circumferential direction.
  • the fins 74 protrude radially outward from the outer surface of the main body portion 73 .
  • the fins 74 are inclined with respect to the central axis X of the compressor impeller 3 when viewed in the radial direction.
  • the angle between the fins 74 and the central axis X is defined as ⁇ .
  • the fins 74 are inclined in the same direction as the leading edge of the compressor impeller 3 when viewed in the radial direction.
  • the radially outer ends of the fins 74 contact the inner surface of the first insert 71.
  • the second insert 72 is fitted into the inner surface of the first insert 71 by means of fins 74 .
  • Fins 74 secure second insert 72 to first insert 71 .
  • first insert 71 and the second insert 72 first, the first insert 71 is fitted into the counterbore 61a. Subsequently, the fins 74 of the second insert 72 are fitted into the inner surface of the first insert 71. This order allows the first insert 71 and the second insert 72 to be assembled into the main body 60.
  • the sub-flow path 30 includes a constriction portion 30C and fins 74 that are continuous to the first end portion 30A.
  • the throttle portion 30C and the fins 74 obstruct the flow within the sub-channel 30. Therefore, the throttle portion 30C and the fins 74 can reduce the flow rate of air returning to the main flow path 20. Therefore, in this embodiment, the sub-flow path 30 functions as a buffer area that temporarily stores air. This is contrary to conventional configurations that actively return air in the secondary flow path to the main flow path.
  • the first end portion 30A opens into the main flow path 20 in the opposite direction to the compressor impeller 3 in the axial direction. Therefore, for example, the sub flow path 30 is extended in the axial direction compared to the case where the first end 30A opens into the main flow path 20 in the radial direction. Therefore, the sub-flow path 30 can store air for a longer period of time.
  • the air pressurized by the compressor impeller 3 is stored in the sub-flow path 30 for a long time. Therefore, the pressure of the air decreases while it is stored in the sub-flow path 30, so that it is cooled. Therefore, the pressure and temperature of the air in the sub-channel 30 approach the pressure and temperature of the air flowing through the main channel 20 when returning to the main channel 20 . According to such a configuration, when the air in the sub-flow path 30 returns to the main flow path 20, the flow loss in the main flow path 20 can be reduced. Therefore, efficiency in the low flow rate region can be improved.
  • the fins 74 are inclined in the same direction as the leading edge of the compressor impeller 3 when viewed in the radial direction.
  • the air flowing through the main flow path 20 is dragged by the rotation of the compressor impeller 3 and is turned in the same direction as the rotation of the compressor impeller 3.
  • the fins 74 are inclined in the same direction as the leading edge of the compressor impeller 3, the air returning from the first end 30A to the main flow path 20 is also rotated in the same direction as the rotation of the compressor impeller 3. Therefore, the air returning to the main flow path 20 from the first end 30A does not interfere with the flow within the main flow path 20. Therefore, when the air in the sub-channel 30 returns to the main channel 20, flow loss in the main channel 20 can be reduced. Therefore, efficiency in the low flow rate region can be further improved.
  • the sub-flow path 30 includes a constriction portion 30C and fins 74 that are continuous to the first end portion 30A.
  • the throttle portion 30C and the fins 74 can reduce the flow rate of air entering the sub-flow path 30 from the first end 30A.
  • the air that has entered the sub-channel 30 returns to the main channel 20 from the second end 30B.
  • the air pressure at the first end 30A and the air pressure at the second end 30B are reduced.
  • the difference between the pressure and the pressure becomes relatively small. According to such a configuration, when the air in the sub-flow path 30 returns to the main flow path 20 from the second end 30B, it is possible to reduce flow loss in the main flow path 20. Therefore, efficiency in high flow areas can also be improved.
  • the air in the sub-flow path 30 when the air in the sub-flow path 30 returns to the main flow path 20 from the second end 30B, the air returns to a position between the blades of the compressor impeller 3; As long as the air returns to the passage 20, the air may be returned to a position upstream of the compressor impeller 3.
  • centrifugal compressor 500 differs from the centrifugal compressor 100 described above in that the centrifugal compressor 500 does not include a sub-flow path. Centrifugal compressor 500 may be generally similar to centrifugal compressor 100 in other respects.
  • centrifugal compressor 600 differs from the centrifugal compressor 100 described above in the configuration of a subflow path 30D. Specifically, centrifugal compressor 600 does not include an insert. The sub-flow path 30D does not include a constriction part, and the first end 30A opens to the main flow path 20 more widely than the centrifugal compressor 100. Centrifugal compressor 600 may be generally similar to centrifugal compressor 100 in other respects.
  • a centrifugal compressor 700 according to a third comparative example differs from the centrifugal compressor 100 described above in the configuration of a sub-flow path 30E. Specifically, in the centrifugal compressor 700, the first end 30A opens to the main flow path 20 in the radial direction. Therefore, the sub-flow path 30E is shorter than the sub-flow path 30 of the centrifugal compressor 100 described above in the axial direction. Insert 70 is constructed from a single piece. Centrifugal compressor 700 may be generally similar to centrifugal compressor 100 in other respects.
  • FIGS. 7 and 8 show the analysis results of the pressure ratio and efficiency in the low flow rate region, respectively.
  • FIGS. 9 and 10 respectively show the analysis results of pressure ratio and efficiency in the high flow rate region.
  • the horizontal axis indicates the flow rate ratio.
  • the vertical axis indicates pressure ratio in FIGS. 7 and 9, and efficiency in FIGS. 8 and 10.
  • the pressure ratio is P (tot)ratio
  • the compressor outlet pressure (total pressure) is P (tot) out
  • the compressor inlet pressure (total pressure) is P (tot) When in , it is calculated by the following formula (1).
  • P (tot)ratio P (tot)out / P (tot)in ... (1)
  • Effective in FIGS. 8 and 10 refers to efficiency as ⁇ (tot) , pressure ratio as P (tot)ratio , air specific heat ratio as ⁇ air , compressor outlet temperature (total temperature) as T (tot)out ,
  • ⁇ (tot) (P (tot)ratio ( ⁇ air-1/ ⁇ air) -1) / (T (tot)out /T (tot)in -1)... (2)
  • the "flow rate ratio" in FIGS. 7, 8, 9, and 10 is calculated as follows, for example. For each of the examples and comparative examples, the flow rate at all rotation speeds used in the analysis is calculated. The maximum flow rate at any one rotational speed is extracted from all the calculated flow rates including both the example and the comparative example. By calculating the ratio between the extracted maximum flow rate and each flow rate at the same rotation speed, the "flow ratio" of each of the example and the comparative example at any one rotation speed is calculated.
  • the centrifugal compressor 100 of the embodiment shown in FIG. 2 and the centrifugal compressors 500, 600, 700 of the first, second, and third comparative examples shown in FIGS. 4 to 6 We analyzed the performance of Specifically, when air flows from the intake port 6a toward the compressor impeller 3 at a plurality of flow rates, the pressure ratio and efficiency were calculated for each condition.
  • lines A-1 and A-2 respectively indicate the analysis results of Embodiments 1 and 2 of the present disclosure, which correspond to the centrifugal compressor 100 shown in FIG. Embodiment 2 differs from Embodiment 1 in the angle ⁇ of the fins 74 and the opening area of the first end 30A.
  • Line B shows the analysis results of Comparative Example 1, which corresponds to the centrifugal compressor 500 of FIG. 4 that does not have a sub-flow path.
  • line B could not be analyzed at a low flow rate compared to other conditions.
  • Line C shows the analysis result of Comparative Example 2, which corresponds to the centrifugal compressor 600 in FIG.
  • Lines D-1, D-2, and E represent analyzes of Comparative Examples 3, 4, and 5, which correspond to the centrifugal compressor 700 in FIG. 6 in which the first end 30A of the subflow path 30E opens in the radial direction.
  • Comparative example 4 differs from comparative example 3 in the radius from central axis X to first end 30A.
  • the fins 74 are arranged in such a direction that the air returned from the first end 30A to the main flow path 20 is parallel to the axial direction (which may also be referred to as non-swirl).
  • the fins 74 are arranged in such a direction that the air returned from the sub-flow path 30 to the main flow path 20 is swirled in the opposite direction to the rotation of the compressor impeller 3 (which may also be referred to as counter-swirl). .
  • the pressure ratios of Embodiments 1 and 2 are different from the pressure ratios of Comparative Examples 1 to 5 (lines B, C, D-1, Compared to D-2 and E), it maintains an increase as the flow rate decreases.
  • the inlet pressure of the compressor impeller 3 which decreases as the flow rate decreases, can be increased to a higher pressure. That is, the critical flow range (surge margin) on the low flow rate side can be expanded, and the operating range of the centrifugal compressor can be further expanded to the low flow rate side compared to conventionally known structures.
  • the pressure ratios of Embodiments 1 and 2 are different from the pressure ratios of Comparative Examples 1 to 5 (lines B, C, D-1, Higher than D-2 and E).
  • the pressure ratio can be maintained high in the high flow area, so that the inlet pressure of the compressor impeller 3, which decreases as the flow rate increases, can be made higher against the exhaust pressure resistance on the downstream side of the compressor impeller 3. It means that you can. That is, the critical flow area (choke margin) on the high flow rate side can be expanded, and the operating area of the centrifugal compressor can be further expanded to the high flow rate area compared to conventionally known structures.
  • the centrifugal compressor 100 includes a compressor impeller 3 and a compressor housing 6 that accommodates the compressor impeller 3.
  • the compressor housing 6 includes a main flow path 20 that accommodates the compressor impeller 3 and a sub flow path 30 that surrounds the main flow path 20 in a cross section perpendicular to the axial direction of the compressor impeller 3.
  • the sub flow path 30 has a first end 30A that opens into the main flow path 20 at a position upstream of the compressor impeller 3, and a main flow opening at a position downstream of the first end 30A. and a second end 30B that opens into the passage 20.
  • the first end 30A opens into the main flow path 20 in the opposite direction to the compressor impeller 3 in the axial direction, and the sub flow path 30 continues to the first end 30A and narrows toward the first end 30A. It includes a constriction section 30C.
  • the throttle portion 30C can reduce the flow rate of air returning from the first end portion 30A to the main flow path 20. Therefore, the sub-flow path 30 functions as a buffer area that temporarily stores air.
  • the first end portion 30A opens to the main flow path 20 in the opposite direction to the compressor impeller 3 in the axial direction. Therefore, for example, the sub flow path 30 is extended in the axial direction compared to the case where the first end 30A opens into the main flow path 20 in the radial direction. Therefore, the sub-flow path 30 can store air for a longer time.
  • the pressure of the air pressurized by the compressor impeller 3 decreases while it is stored in the sub-flow path 30, so that it is cooled. Therefore, the pressure and temperature of the air in the sub-channel 30 approach the pressure and temperature of the air flowing through the main channel 20 when returning to the main channel 20 .
  • the air in the sub-flow path 30 returns to the main flow path 20 from the first end 30A, it is possible to reduce flow loss in the main flow path 20. Therefore, efficiency in the low flow rate region can be improved.
  • the throttle portion 30C can reduce the flow rate of air entering the sub-flow path 30 from the first end portion 30A. According to such a configuration, the difference between the air pressure at the first end 30A and the air pressure at the second end 30B becomes relatively small. Therefore, when the air in the sub-channel 30 returns to the main channel 20 from the second end 30B, the flow loss in the main channel 20 can be reduced. Therefore, efficiency in high flow areas can also be improved.
  • the sub-flow path 30 includes a plurality of fins 74 arranged along the circumferential direction.
  • the fins 74 can obstruct the flow of air within the sub-flow path 30 and can store air within the sub-flow path 30 for a longer period of time. Therefore, efficiency in the low flow rate region can be further improved.
  • the plurality of fins 74 are provided in the throttle section 30C of the sub-flow path 30. According to such a configuration, the fins 74 can reduce the flow rate of air entering the sub flow path 30 from the first end 30A in the high flow rate region. Therefore, efficiency in the high flow rate region can be further improved.
  • each of the plurality of fins 74 is inclined with respect to the central axis X of the compressor impeller 3 when viewed in the radial direction. According to such a configuration, the fins 74 can further impede the flow of air within the sub-flow path 30 and can store air within the sub-flow path 30 for a longer period of time. Therefore, efficiency in the low flow rate region can be further improved.
  • each of the plurality of fins 74 is inclined in the same direction as the leading edge of the blade of the compressor impeller 3 when viewed in the radial direction.
  • the air returning from the first end portion 30A to the main flow path 20 is rotated in the same direction as the rotation of the compressor impeller 3, that is, in the direction in which the air flowing through the main flow path 20 is rotated. Therefore, the air returning to the main flow path 20 from the first end 30A does not interfere with the flow within the main flow path 20. Therefore, when the air in the sub-channel 30 returns to the main channel 20, flow loss in the main channel 20 can be reduced. Therefore, efficiency in the low flow rate region can be further improved.
  • Compressor impeller (impeller) 6 Compressor housing (housing) 20 Main channel 30 Sub-channel 30A First end of sub-channel 30B Second end of sub-channel 30C Throttle section 74 Fin 100 Centrifugal compressor X Central axis

Abstract

遠心圧縮機１００は、インペラ３と、インペラ３を収容するハウジング６と、を備える。ハウジング６は、インペラ３を収容する主流路２０と、インペラ３の軸方向に垂直な断面において、主流路２０を囲う副流路３０と、を含む。副流路３０は、主流路２０内の空気の流れにおいて、インペラ３よりも上流の位置で主流路２０に開口する第１端部３０Ａと、第１端部３０Ａよりも下流の位置で主流路２０に開口する第２端部３０Ｂと、を含む。第１端部３０Ａは、インペラ３の軸方向において、インペラ３と反対向きに主流路２０に開口し、副流路３０は、第１端部３０Ａに連続し、第１端部３０Ａに向かって狭くされた絞り部３０Ｃを含む。

Description

遠心圧縮機
　本開示は、遠心圧縮機に関する。本出願は２０２２年４月２２日に提出された日本特許出願第２０２２－７０６５４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。
　遠心圧縮機においては、主流路に加えて、副流路が形成される場合がある（例えば、特許文献１から５を参照）。主流路には、コンプレッサインペラが配される。副流路の第１の端部は、コンプレッサインペラよりも上流の位置で主流路に接続される。副流路の第２の端部は、第１の端部よりも下流の位置で主流路に接続される。低流量領域では、コンプレッサインペラによって加圧された空気の一部が、主流路を逆流し得る。これは、サージと称され、低流量領域における遠心圧縮機の動作範囲を制限する。しかしながら、副流路を備える遠心圧縮機では、この空気の一部は、第２の端部から副流路に進入し、第１の端部から主流路に戻る。このような構成によれば、サージの影響を低減し、低流量領域における動作範囲を拡大することができる。
米国特許出願公開第２００９／０２６３２３４号明細書 特許第６８６５６０４号公報 特開２０１４－２０２１０３号公報 国際公開第２０１９／００４３８６号 特開２０２１－９５８８２号公報
　遠心圧縮機においては、低流量領域における効率をさらに改善することが望まれている。
　本開示の目的は、低流量領域における効率を改善することができる、遠心圧縮機を提供することである。
　上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る遠心圧縮機は、インペラと、インペラを収容するハウジングであって、当該ハウジングは、インペラを収容する主流路と、インペラの軸方向に垂直な断面において、主流路を囲う副流路と、を含み、副流路は、主流路内の空気の流れにおいて、インペラよりも上流の位置で主流路に開口する第１端部と、第１端部よりも下流の位置で主流路に開口する第２端部と、を含み、第１端部は、インペラの軸方向において、インペラと反対向きに主流路に開口し、副流路は、第１端部に連続し、第１端部に向かって狭くされた絞り部を含む、ハウジングと、を備える。
　副流路は、インペラの周方向に沿って配置される複数のフィンを含んでもよい。
　複数のフィンは、副流路のうち絞り部に設けられてもよい。
　複数のフィンの各々は、インペラの径方向に見た場合に、インペラの中心軸に対して傾斜してもよい。
　複数のフィンの各々は、径方向に見た場合に、インペラのブレードのリーディングエッジと同じ向きに傾斜してもよい。
　本開示によれば、低流量領域における効率を改善することができる。
図１は、実施形態に係る遠心圧縮機を備える過給機の概略断面図である。 図２は、図１中のＺ部の拡大断面図である。 図３は、径方向に見た第２インサートの側面図である。 図４は、第１比較例を示す拡大断面図である。 図５は、第２比較例を示す拡大断面図である。 図６は、第３比較例を示す拡大断面図である。 図７は、低流量領域における圧力比の解析結果を示す。 図８は、低流量領域における効率の解析結果を示す。 図９は、高流量領域における圧力比の解析結果を示す。 図１０は、高流量領域における効率の解析結果を示す。
　以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。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する。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、実施形態に係る遠心圧縮機１００を備える過給機ＴＣの概略断面図である。本実施形態では、遠心圧縮機１００は、過給機ＴＣに組み込まれる。他の実施形態では、遠心圧縮機１００は、過給機ＴＣ以外の装置に組み込まれてもよく、または、単体であってもよい。
　過給機ＴＣは、シャフト１と、タービンインペラ２と、コンプレッサインペラ（インペラ）３と、を備える。後述するように、シャフト１、タービンインペラ２およびコンプレッサインペラ３は、一体的に回転する。したがって、本開示において、シャフト１、タービンインペラ２およびコンプレッサインペラ３の「軸方向」、「径方向」および「周方向」は、それぞれ単に「軸方向」、「径方向」および「周方向」と称され得る。
　過給機ＴＣは、ベアリングハウジング４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）６と、を含む。軸方向において、ベアリングハウジング４の第１の端面、図１においては左側の端面には、締結ボルトＢ１によってタービンハウジング５が連結される。軸方向において、ベアリングハウジング４の第２の端面、図２においては右側の端面には、締結ボルトＢ２によってコンプレッサハウジング６が連結される。
　ベアリングハウジング４は、軸受孔４ａを含む。軸受孔４ａは、ベアリングハウジング４内を軸方向に延在する。軸受孔４ａは、軸受７を収容する。本実施形態では、軸受７の一例として、フルフローティング軸受が示される。他の実施形態では、軸受７は、セミフローティング軸受または転がり軸受等の他のラジアル軸受であってもよい。軸受７は、シャフト１を回転可能に支持する。
　軸方向において、シャフト１の第１の端部、図１においては左側の端部には、タービンインペラ２が設けられる。タービンインペラ２は、シャフト１と一体的に回転する。タービンインペラ２は、タービンハウジング５内に回転可能に収容される。軸方向において、シャフト１の第２の端部、図１において右側の端部には、コンプレッサインペラ３が設けられる。コンプレッサインペラ３は、シャフト１と一体的に回転する。コンプレッサインペラ３は、コンプレッサハウジング６内に回転可能に収容される。
　コンプレッサハウジング６は、軸方向においてベアリングハウジング４と反対側の端部に、吸気口６ａを含む。吸気口６ａは、不図示のエアクリーナに接続される。また、コンプレッサハウジング６は、主流路２０および副流路３０を含む。主流路２０および副流路３０については、詳しくは後述する。主流路２０には、コンプレッサインペラ３が配置される。
　ベアリングハウジング４およびコンプレッサハウジング６は、それらの間にディフューザ流路８を規定する。ディフューザ流路８は、径方向の内側から外側に向けて拡がる。ディフューザ流路８は、環状形状を有する。ディフューザ流路８は、コンプレッサインペラ３を介して吸気口６ａに連通する。
　コンプレッサハウジング６は、コンプレッサスクロール流路９を含む。コンプレッサスクロール流路９は、ディフューザ流路８に対して径方向外側に位置する。コンプレッサスクロール流路９は、ディフューザ流路８と連通する。また、コンプレッサスクロール流路９は、不図示のインタークーラの吸気口と連通する。
　上記のようなコンプレッサハウジング６では、コンプレッサインペラ３が回転すると、吸気口６ａから主流路２０内に空気が吸気される。吸気は、コンプレッサインペラ３の翼の間を通る間に、遠心力によって増速および加圧される。空気は、ディフューザ流路８およびコンプレッサスクロール流路９においてさらに加圧される。加圧された空気は、不図示の吐出口から流出し、インタークーラの吸気口に導かれる。過給機ＴＣにおいて、コンプレッサインペラ３およびコンプレッサハウジング６を含む部分は、遠心圧縮機１００として機能する。
　本開示において、遠心圧縮機１００およびその構成要素について、主流路２０内の吸気の流れにおける上流側は、単に「上流側」と称され、主流路２０内の吸気の流れにおける下流側は、単に「下流側」と称され得る。
　タービンハウジング５は、軸方向においてベアリングハウジング４と反対側の端部に、排気口５ａを含む。排気口５ａ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は、連結流路１０を含む。連結流路１０は、径方向の内側から外側に向けて拡がる。連結流路１０は、環状形状を有する。連結流路１０は、タービンインペラ２を介して排気口５ａに連通する。
　タービンハウジング５は、タービンスクロール流路１１を含む。タービンスクロール流路１１は、連結流路１０に対して径方向の外側に位置する。タービンスクロール流路１１は、連結流路１０と連通する。また、タービンスクロール流路１１は、不図示のガス流入口と連通する。ガス流入口は、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を受け入れる。
　上記のようなタービンハウジング５では、排気ガスは、ガス流入口からタービンスクロール流路１１に導かれ、さらに、連結流路１０およびタービンインペラ２を介して排気口５ａに導かれる。排気ガスは、タービンインペラ２の翼の間を通る間に、タービンインペラ２を回転させる。タービンインペラ２の回転力は、シャフト１を介してコンプレッサインペラ３に伝達される。コンプレッサインペラ３が回転すると、上記のように、空気が吸気口６ａから取り込まれて、コンプレッサインペラ３によって増速および加圧される。過給機ＴＣにおいて、タービンインペラ２およびタービンハウジング５を含む部分は、タービン２００として機能する。
　続いて、コンプレッサハウジング６の主流路２０および副流路３０について説明する。
　図２は、図１中のＺ部の拡大断面図である。コンプレッサハウジング６は、本体６０と、インサート７０と、を含む。
　本体６０は、第１円筒部６１と、第２円筒部６２と、を含む。第１円筒部６１および第２円筒部６２の各々は、概ね円筒形状を有する。
　第１円筒部６１の中心軸は、コンプレッサインペラ３の中心軸と一致する。第１円筒部６１の内径は、軸方向に沿って一定である。
　第２円筒部６２は、第１円筒部６１の内部に同軸に形成される。第１円筒部６１および第２円筒部６２は一体的に形成される。第１円筒部６１および第２円筒部６２の上流側の端部（図１において右側の端部）は、開口している。第１円筒部６１および第２円筒部６２の下流側の端部（図１において左側の端部）は、互いに連結されている。軸方向において、第２円筒部６２は、第１円筒部６１よりも短く、第２円筒部６２の上流側の端部は、第１円筒部６１の内部に位置する。
　第２円筒部６２の外径は、軸方向に沿って一定であり、第１円筒部６１の内径よりも小さい。したがって、径方向において第１円筒部６１と第２円筒部６２との間には、隙間が形成される。第２円筒部６２の内面は、上流側から下流側に向かって狭くされたテーパ部分６２ａを含む。
　第２円筒部６２は、スリット６３を含む。スリット６３は、第２円筒部６２を径方向に貫通する。例えば、スリット６３は、周方向に延在しており、かつ、周方向に不連続であってもよい。この不連続な部分の素材（リブ）が、軸方向に沿ってスリット６３の両側の部分を連結する。また、例えば、スリット６３は、周方向に延在しており、かつ、周方向に連続（すなわち、全周にわたって連続）であってもよい。この場合、第１円筒部６１と第２円筒部６２を連結させるために、第１円筒部６１と第２円筒部６２との間の径方向隙間に周方向に不連続な部分の素材（リブ）が設けられる。
　インサート７０は、第１円筒部６１の内部に配置される。本実施形態では、インサート７０は、第１インサート７１と、第２インサート７２と、を含む。
　第１インサート７１は、円筒形状を有する。第１インサート７１は、第１円筒部６１の内部に同軸に嵌合される。第１円筒部６１は、第１インサート７１が嵌合される座繰り６１ａを含む。径方向において、第１インサート７１の内壁は、第１円筒部６１の内壁と面一となるように形成される。第１インサート７１の内径は、軸方向に沿って一定である。第１インサート７１は、軸方向において第１円筒部６１の端面と面一であり、吸気口６ａを規定する。他の実施形態では、第１インサート７１は、軸方向において第１円筒部６１の端面よりも引っ込んでいてもよく、または、突出してもよい。
　第２インサート７２は、本体部７３と、複数のフィン７４と、を含む。
　本体部７３は、第１円筒部６１の内部に同軸に配置される。本体部７３の外面は、上流側から下流側に向かって細くされたテーパ部分７３ａを含む。例えば、本実施形態では、本体部７３は、概ね中空の截頭円錐台形状を有する。本体部７３の下流側の端部（図２において左側の端部）は小径を有し、第２円筒部６２の端部と接触する。本体部７３の上流側の端部（図２において右側の端部）は大径を有し、第１インサート７１の内側に位置する。本体部７３の外径は、第１円筒部６１および第１インサート７１の内径よりも小さい。したがって、径方向において、第１円筒部６１および第１インサート７１と、本体部７３との間には、隙間が形成される。
　上記の第１円筒部６１および第１インサート７１と、本体部７３との間の隙間、第１円筒部６１と第２円筒部６２との間の隙間、ならびに、スリット６３は、副流路３０として機能する。
　第１円筒部６１の内部において、副流路３０以外の空間は、主流路２０として機能する。具体的には、第１インサート７１の内部において、吸気口６ａから本体部７３の上流側の端部までの空間、第２インサート７２の内部の空間、および、第２円筒部６２の内部の空間は、主流路２０として機能する。主流路２０は、吸気口６ａからディフューザ流路８の径方向内端まで延在する。副流路３０は、軸方向に垂直な断面において、主流路２０の径方向外側に位置する。
　本体部７３の上流側の端部と、第１インサート７１との間の径方向の隙間は、副流路３０の第１端部３０Ａとして機能する。図１を参照して、第１端部３０Ａは、コンプレッサインペラ３よりも上流の位置で主流路２０に開口する。また、第１端部３０Ａは、軸方向において、コンプレッサインペラ３と反対向きに主流路２０に開口する。
　図２を参照して、スリット６３の径方向内端は、副流路３０の第２端部３０Ｂとして機能する。第２端部３０Ｂは、第１端部３０Ａよりも下流の位置で主流路２０に開口する。本実施形態では、第２端部３０Ｂは、径方向内向きに主流路２０に開口している。本実施形態では、第２端部３０Ｂは、径方向においてコンプレッサインペラ３に対向する。
　副流路３０は、第１端部３０Ａに連続し、かつ、第１端部３０Ａに向かって狭くされた絞り部３０Ｃを含む。具体的には、本実施形態では、上記のように、第１円筒部６１および第１インサート７１の内径は軸方向に沿って一定であり、かつ、本体部７３の外面は上流側から下流側に向かって細くされたテーパ部分７３ａを含む。したがって、テーパ部分７３ａの径方向外側の空間が、絞り部３０Ｃとして機能する。
　図３は、径方向に見た第２インサート７２の側面図である。複数のフィン７４は、周方向に沿って配置される。フィン７４は、本体部７３の外面から径方向外側に突出する。フィン７４は、径方向に見た場合に、コンプレッサインペラ３の中心軸Ｘに対して傾斜する。フィン７４と中心軸Ｘとの間の角度は、αと定義される。本実施形態では、フィン７４は、径方向に見た場合に、コンプレッサインペラ３のリーディングエッジと同じ向きに傾斜する。
　図２を参照して、フィン７４の径方向外端は、第１インサート７１の内面と接触する。第２インサート７２は、フィン７４によって第１インサート７１の内面に嵌合される。フィン７４は、第１インサート７１に対して第２インサート７２を固定する。
　第１インサート７１および第２インサート７２の組み立てに関して、まず、第１インサート７１が座繰り６１ａに嵌合される。続いて、第２インサート７２のフィン７４が、第１インサート７１の内面に嵌合される。この順番によって、第１インサート７１および第２インサート７２を本体６０に組み込むことができる。
　続いて、遠心圧縮機１００の動作について説明する。
　まず、低流量領域における動作について説明する。
　上記のように、コンプレッサインペラ３が回転すると、吸気口６ａから主流路２０内に空気が吸気される。吸気は、コンプレッサインペラ３の翼の間を通る間に、遠心力によって加圧される。
　低流量流域では、コンプレッサインペラ３の入口の圧力が、コンプレッサインペラ３の出口の圧力よりも小さくなると、圧力勾配が逆になることによって、加圧された空気の一部は、コンプレッサインペラ３の出口からコンプレッサインペラ３の入口に向かって押し返される。この空気は、主流路２０を逆流する。しかしながら、遠心圧縮機１００は副流路３０を備えるため、主流路２０を逆流する空気は、第２端部３０Ｂから副流路３０に進入する。これによって、サージの影響が抑制され、低流量領域における遠心圧縮機１００の動作範囲が拡大される。
　副流路３０に進入した空気は、第１端部３０Ａから主流路２０に戻る。しかしながら、本実施形態では、副流路３０は、第１端部３０Ａに連続する絞り部３０Ｃおよびフィン７４を含む。絞り部３０Ｃおよびフィン７４は、副流路３０内の流れを妨げる。このため、絞り部３０Ｃおよびフィン７４は、主流路２０に戻る空気の流量を低減することができる。したがって、本実施形態では、副流路３０は、空気を一時的に貯留するバッファ領域として機能する。これは、副流路内の空気を積極的に主流路に戻す従来の構成とは、逆である。
　また、本実施形態では、第１端部３０Ａは、軸方向においてコンプレッサインペラ３と反対向きに主流路２０に開口する。したがって、例えば、第１端部３０Ａが径方向に主流路２０に開口する場合に比して、副流路３０は、軸方向に延長される。よって、副流路３０は、空気をより長く貯留することができる。
　上記のような構成によれば、コンプレッサインペラ３によって加圧された空気は、副流路３０に長く貯留される。このため、空気は、副流路３０に貯留される間に圧力が低下するため、冷やされる。したがって、副流路３０内の空気の圧力および温度は、主流路２０に戻る際には、主流路２０を流れる空気の圧力および温度に近付く。このような構成によれば、副流路３０内の空気が主流路２０に戻る際に、主流路２０内の流れの損失を低減することができる。したがって、低流量領域における効率を改善することができる。
　また、本実施形態では、フィン７４は、径方向に見た場合に、コンプレッサインペラ３のリーディングエッジと同じ向きに傾斜する。主流路２０を流れる空気は、コンプレッサインペラ３の回転に引きずられて、コンプレッサインペラ３の回転と同じ方向に旋回される。本実施形態では、フィン７４がコンプレッサインペラ３のリーディングエッジと同じ向きに傾斜するため、第１端部３０Ａから主流路２０に戻る空気も、コンプレッサインペラ３の回転と同じ方向に旋回される。したがって、第１端部３０Ａから主流路２０に戻る空気は、主流路２０内の流れを邪魔しない。よって、副流路３０内の空気が主流路２０に戻る際に、主流路２０内の流れの損失を低減することができる。したがって、低流量領域における効率をさらに改善することができる。
　続いて、高流量領域における動作について説明する。
　高流量領域では、低流量領域とは逆に、主流路２０内を流れる空気の一部が、第１端部３０Ａから副流路３０に進入する。しかしながら、本実施形態では、副流路３０は、第１端部３０Ａに連続する絞り部３０Ｃおよびフィン７４を含む。絞り部３０Ｃおよびフィン７４は、第１端部３０Ａから副流路３０に進入する空気の流量を低減することができる。副流路３０に進入した空気は、第２端部３０Ｂから主流路２０に戻る。本実施形態では、上記のように、第１端部３０Ａから副流路３０に進入する空気の流量が低減されるため、第１端部３０Ａにおける空気の圧力と、第２端部３０Ｂにおける空気の圧力との間の差が、比較的小さくなる。このような構成によれば、副流路３０内の空気が第２端部３０Ｂから主流路２０に戻る際に、主流路２０内の流れの損失を低減することができる。したがって、高流量領域における効率も改善することができる。なお、本実施形態では、副流路３０内の空気が第２端部３０Ｂから主流路２０に戻る際に、コンプレッサインペラ３の翼間の位置に空気が戻るようにしているが、空気が主流路２０に戻る限りにおいて、コンプレッサインペラ３よりも上流側の位置に空気が戻るようにしてもよい。
　続いて、遠心圧縮機１００の解析結果について説明する。
　図４、図５および図６は、それぞれ第１比較例、第２比較例および第３比較例を示す拡大断面図である。
　図４を参照して、第１比較例に係る遠心圧縮機５００は、遠心圧縮機５００が副流路を備えない点で、上記の遠心圧縮機１００と異なる。遠心圧縮機５００は、その他の点については、遠心圧縮機１００と概ね同様であってもよい。
　図５を参照して、第２比較例に係る遠心圧縮機６００は、副流路３０Ｄの構成において上記の遠心圧縮機１００と異なる。具体的には、遠心圧縮機６００は、インサートを備えない。副流路３０Ｄは、絞り部を含まず、第１端部３０Ａは、遠心圧縮機１００と比較して、主流路２０に広く開口する。遠心圧縮機６００は、その他の点については、遠心圧縮機１００と概ね同様であってもよい。
　図６を参照して、第３比較例に係る遠心圧縮機７００は、副流路３０Ｅの構成において上記の遠心圧縮機１００と異なる。具体的には、遠心圧縮機７００では、第１端部３０Ａは、径方向に主流路２０に開口する。このため、副流路３０Ｅは、軸方向において、上記の遠心圧縮機１００の副流路３０よりも短い。インサート７０は、単一の部品によって構成される。遠心圧縮機７００は、その他の点については、遠心圧縮機１００と概ね同様であってもよい。
　図７および図８は、低流量領域における圧力比および効率の解析結果をそれぞれ示す。図９および図１０は、高流量領域における圧力比および効率の解析結果をそれぞれ示す。図７から図１０において、横軸は流量比を示す。縦軸は、図７および図９では圧力比を示し、図８および図１０では効率を示す。
　図７および図９の「圧力比」とは、圧力比をＰ(tot)ratio、コンプレッサの出口圧力（全圧）をＰ(tot) out、コンプレッサの入口圧力（全圧）をＰ(tot) inとしたとき、以下の式（１）によって算出される。
　Ｐ(tot)ratio＝Ｐ(tot)out／Ｐ(tot)in・・・（１）
　図８および図１０の「効率」とは、効率をη(tot)、圧力比をＰ(tot)ratio、空気比熱比をγair、コンプレッサの出口温度（全温）をＴ(tot)out、コンプレッサの入口温度（全温）をＴ(tot)inとしたとき、以下の式（２）によって算出される。
　η(tot)＝（Ｐ(tot)ratio  （γair－１／γair）－１）／（Ｔ(tot)out／Ｔ(tot)in－１）・・・（２）
　図７、図８、図９および図１０の「流量比」とは、例えば、以下のように算出される。実施例および比較例の各々について、解析で使用された全ての回転数における流量を算出する。実施例および比較例の双方を含む算出された全ての流量の中から、任意の１つの回転数における最大流量を抽出する。その抽出された最大流量と、同じ回転数での各流量の比率を算出することによって、任意の１つの回転数における実施例および比較例のそれぞれの「流量比」が算出される。
　流体解析ツールを使用して、図２に示される実施形態の遠心圧縮機１００、ならびに、図４から図６に示される第１、第２および第３比較例の遠心圧縮機５００，６００，７００の性能を解析した。具体的には、吸気口６ａからコンプレッサインペラ３に向かって空気が複数の流量で流れる場合に、各条件について圧力比および効率を算出した。
　図７から図１０において、線Ａ－１および線Ａ－２は、図２に示される遠心圧縮機１００に相当する、本開示の実施形態１および２の解析結果をそれぞれ示す。実施形態２は、フィン７４の角度αおよび第１端部３０Ａの開口面積において実施形態１と異なる。
　線Ｂは、副流路を備えない図４の遠心圧縮機５００に相当する、比較例１の解析結果を示す。なお、図７および図８では、線Ｂは、他の条件と比較して低流量では解析できなかった。
　線Ｃは、副流路３０Ｄの第１端部３０Ａが主流路２０に広く開口する図５の遠心圧縮機６００に相当する、比較例２の解析結果を示す。
　線Ｄ－１、線Ｄ－２および線Ｅは、副流路３０Ｅの第１端部３０Ａが径方向に開口する図６の遠心圧縮機７００に相当する、比較例３，４および５の解析結果をそれぞれ示す。比較例４は、中心軸Ｘから第１端部３０Ａまでの半径において比較例３と異なる。また、比較例３および４では、フィン７４は、第１端部３０Ａから主流路２０に戻される空気が、軸方向に平行になるような向きに配置される（ノンスワールとも称され得る）。比較例５では、フィン７４は、副流路３０から主流路２０に戻される空気が、コンプレッサインペラ３の回転と反対方向に旋回されるような向きに配置される（カウンタースワールとも称され得る）。
　図７を参照して、低流量領域において、実施形態１および２の圧力比（線Ａ－１およびＡ－２）は、比較例１から５の圧力比（線Ｂ，Ｃ，Ｄ－１，Ｄ－２及びＥ）と比較して、流量が減少するに伴って増加を維持する。これは、低流量領域において、圧力比を高く維持できることにより、流量の減少とともに低下するコンプレッサインペラ３の入口圧力をより高い圧力にすることができることを意味する。すなわち、低流量側の限界流量領域（サージマージン）を拡大でき、従来知られた構造と比べて、遠心圧縮機の作動領域をさらに低流量領域側に拡大させることができる。
　図８を参照して、低流量領域において、実施形態１および２の効率（線Ａ－１およびＡ－２）は、比較例１（線Ｂ）を除き、比較例２から５の効率（線Ｃ，Ｄ－１，Ｄ－２及びＥ）よりも高い。したがって、実施形態１および２によれば、低流量領域における効率を改善することができる。
　図９を参照して、高流量領域において、実施形態１および２の圧力比（線Ａ－１およびＡ－２）は、比較例１から５の圧力比（線Ｂ，Ｃ，Ｄ－１，Ｄ－２及びＥ）よりも高い。これは、高流量領域において、圧力比を高く維持できることにより、コンプレッサインペラ３の下流側の排圧抵抗に対して、流量の増加とともに低下するコンプレッサインペラ３の入口圧力をより高い圧力にすることができることを意味する。すなわち、高流量側の限界流量領域（チョークマージン）を拡大でき、従来知られた構造と比べて、遠心圧縮機の作動領域をさらに高流量領域側に拡大させることができる。
　図１０を参照して、高流量領域において、実施形態１および２の効率（線Ａ－１およびＡ－２）は、比較例１から５の効率（線Ｂ，Ｃ，Ｄ－１，Ｄ－２及びＥ）よりも高い。したがって、実施形態１および２によれば、高流量領域における効率を改善することができる。
　以上のような実施形態に係る遠心圧縮機１００は、コンプレッサインペラ３と、コンプレッサインペラ３を収容するコンプレッサハウジング６と、を備える。コンプレッサハウジング６は、コンプレッサインペラ３を収容する主流路２０と、コンプレッサインペラ３の軸方向に垂直な断面において、主流路２０を囲う副流路３０と、を含む。副流路３０は、主流路２０内の空気の流れにおいて、コンプレッサインペラ３よりも上流の位置で主流路２０に開口する第１端部３０Ａと、第１端部３０Ａよりも下流の位置で主流路２０に開口する第２端部３０Ｂと、を含む。第１端部３０Ａは、軸方向において、コンプレッサインペラ３と反対向きに主流路２０に開口し、副流路３０は、第１端部３０Ａに連続し、第１端部３０Ａに向かって狭くされた絞り部３０Ｃを含む。このような構成によれば、低流量領域では、主流路２０を逆流する空気は、第２端部３０Ｂから副流路３０に進入し、第１端部３０Ａから主流路２０に戻る。しかしながら、絞り部３０Ｃは、第１端部３０Ａから主流路２０に戻る空気の流量を低減することができる。したがって、副流路３０は、空気を一時的に貯留するバッファ領域として機能する。また、上記のような構成によれば、第１端部３０Ａは、軸方向においてコンプレッサインペラ３と反対向きに主流路２０に開口する。このため、例えば、第１端部３０Ａが径方向に主流路２０に開口する場合に比して、副流路３０は、軸方向に延長される。したがって、副流路３０は、空気をより長く貯留することができる。コンプレッサインペラ３によって加圧された空気は、副流路３０に貯留される間に圧力が低下するため、冷やされる。したがって、副流路３０内の空気の圧力および温度は、主流路２０に戻る際には、主流路２０を流れる空気の圧力および温度に近付く。このような構成によれば、副流路３０内の空気が第１端部３０Ａから主流路２０に戻る際に、主流路２０内の流れの損失を低減することができる。したがって、低流量領域における効率を改善することができる。
　また、高流量領域では、低流量領域とは逆に、主流路２０内を流れる空気の一部は、第１端部３０Ａから副流路３０に進入する。しかしながら、絞り部３０Ｃは、第１端部３０Ａから副流路３０に進入する空気の流量を低減することができる。このような構成によれば、第１端部３０Ａにおける空気の圧力と、第２端部３０Ｂにおける空気の圧力との間の差が、比較的小さくなる。したがって、副流路３０内の空気が第２端部３０Ｂから主流路２０に戻る際に、主流路２０内の流れの損失を低減することができる。したがって、高流量領域における効率も改善することができる。
　また、遠心圧縮機１００では、副流路３０は、周方向に沿って配置される複数のフィン７４を含む。フィン７４は、副流路３０内の空気の流れを妨げることができ、副流路３０内に空気をより長く貯留することができる。よって、低流量領域における効率をさらに改善することができる。
　また、遠心圧縮機１００では、複数のフィン７４は、副流路３０のうち絞り部３０Ｃに設けられる。このような構成によれば、フィン７４は、高流量領域において、第１端部３０Ａから副流路３０に進入する空気の流量を低減することができる。したがって、高流量領域における効率をさらに改善することができる。
　また、遠心圧縮機１００では、複数のフィン７４の各々は、径方向に見た場合に、コンプレッサインペラ３の中心軸Ｘに対して傾斜する。このような構成によれば、フィン７４は、副流路３０内の空気の流れをより妨げることができ、副流路３０内に空気をより長く貯留することができる。よって、低流量領域における効率をさらに改善することができる。
　また、遠心圧縮機１００では、複数のフィン７４の各々は、径方向に見た場合に、コンプレッサインペラ３のブレードのリーディングエッジと同じ向きに傾斜する。このような構成によれば、第１端部３０Ａから主流路２０に戻る空気は、コンプレッサインペラ３の回転と同じ方向、すなわち、主流路２０を流れる空気が旋回される方向に旋回される。したがって、第１端部３０Ａから主流路２０に戻る空気は、主流路２０内の流れを邪魔しない。よって、副流路３０内の空気が主流路２０に戻る際に、主流路２０内の流れの損失を低減することができる。したがって、低流量領域における効率をさらに改善することができる。
　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。
　３　　　　コンプレッサインペラ（インペラ）
　６　　　　コンプレッサハウジング（ハウジング）
　２０　　　主流路
　３０　　　副流路
　３０Ａ　　副流路の第１端部
　３０Ｂ　　副流路の第２端部
　３０Ｃ　　絞り部
　７４　　　フィン
　１００　　遠心圧縮機
　Ｘ　　　　中心軸

Claims (5)

  1. 　インペラと、
    　前記インペラを収容するハウジングであって、当該ハウジングは、
    　　前記インペラを収容する主流路と、
    　　前記インペラの軸方向に垂直な断面において、前記主流路を囲う副流路と、
    　を含み、
    　前記副流路は、
    　　前記主流路内の空気の流れにおいて、前記インペラよりも上流の位置で前記主流路に開口する第１端部と、
    　　前記第１端部よりも下流の位置で前記主流路に開口する第２端部と、
    　を含み、
    　前記第１端部は、前記インペラの軸方向において、前記インペラと反対向きに前記主流路に開口し、
    　前記副流路は、前記第１端部に連続し、前記第１端部に向かって狭くされた絞り部を含む、
    　ハウジングと、
    　を備える、遠心圧縮機。
  2. 　前記副流路は、前記インペラの周方向に沿って配置される複数のフィンを含む、請求項１に記載の遠心圧縮機。
  3. 　前記複数のフィンは、前記副流路のうち前記絞り部に設けられる、請求項２に記載の遠心圧縮機。
  4. 　前記複数のフィンの各々は、前記インペラの径方向に見た場合に、前記インペラの中心軸に対して傾斜する、請求項２に記載の遠心圧縮機。
  5. 　前記複数のフィンの各々は、前記径方向に見た場合に、前記インペラのブレードのリーディングエッジと同じ向きに傾斜する、請求項４に記載の遠心圧縮機。
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