JP5866836B2

JP5866836B2 - 遠心圧縮機

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Publication number: JP5866836B2
Application number: JP2011154973A
Authority: JP
Inventors: 拓郎桐明
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2031-07-13
Also published as: DE112012002923B4; US9816523B2; US20140105736A1; JP2013019385A; WO2013008599A1; DE112012002923T5

Description

本発明は、過給機、ガスタービン、産業用空気設備等に用いられ、遠心力を利用して空気等のガスを圧縮する遠心圧縮機に関する。

車両用過給機等の過給器に用いられる一般的な遠心圧縮機の構成について簡単に説明すると、次のようになる。

一般的な遠心圧縮機は、ハウジングを具備しており、このハウジングは、内側に、シュラウド（壁面）を有している。また、ハウジングのシュラウド内には、インペラが回転可能に設けられており、このインペラは、その軸心周りに回転可能かつ外周面（ハブ面）がインペラの軸方向から径方向外側へ延びたディスク（ハブディスク）、及びこのディスクの外周面に間隔を置いて設けられた複数枚のブレードを備えている。

ハウジングの外壁におけるインペラの入口の下流側には、空気（ガスの一例）を吸入する吸入口が形成されている。また、ハウジングの内部におけるインペラの出口側には、圧縮した空気を排気する排気流路が形成されており、ハウジングの外壁の適宜位置には、圧縮した空気を吐出する吐出口が排気流路に連通して形成されている。

従って、遠心圧縮機を運転する場合には、インペラを回転させることにより、吸入口からインペラ側に吸入した空気を遠心力を利用して圧縮することができると共に、圧縮した空気を排気流路を経由して吐出口からハウジングの外側へ吐出することができる。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１から特許文献３に示すものがある。

特開２００９−２０９６９４号公報特開２００４−２７９３１号公報特開平９−３１０６９９号公報

ところで、近年、遠心圧縮機のサージを抑制して、遠心圧縮機の作動域をより低流量側へ拡大するという要請が強くなってきている。

そこで、本発明は、作動域をより低流量側へ拡大することができる、新規な構成の遠心圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の発明者は、前述の課題を解決するために、試行錯誤を繰り返した結果、図４（ａ）（ｂ）に示すように、吸入口とインペラとの間に適正な内径を有した円筒空間状の拡大部を形成することにより、拡大部の壁面付近の環状空間内の圧力が高くなり、拡大部を形成しない場合に比べて、サージ近傍におけるインペラの上流側の逆流領域が上流方向に拡大されることを抑制できるという、新規な知見を得ることができ、本発明を完成するに至った。ここで、適正な内径とは、吸入口の内径よりも大きくかつインペラの入口径の２倍以上の内径のことをいう。また、前述の新規な知見は、拡大部の壁面付近の環状空間が所謂ダンパーとしての機能を発揮して、逆流の圧力エネルギーを受け止めることによるものと考えられる。なお、拡大部の入口側（直上流側）には、内径を上流方向に向かって上流方向に向かって漸次縮径した入口テーパ部が形成されており、拡大部の出口側（直下流側）には、内径を下流方向に向かって漸次縮径した出口テーパ部が形成されている。

ここで、図４（ａ）は、吸入口とインペラとの間に円筒空間状の拡大部を形成しない場合において、サージ近傍におけるインペラの上流側の逆流領域を示す図、図４（ｂ）は、吸入口とインペラとの間に円筒空間状の拡大部を形成した場合において、サージ近傍におけるインペラの上流側の逆流領域を示す図であって、図４（ａ）（ｂ）中の逆流領域は、３次元定常粘性ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）により解析した圧力分布から求めたものである。

本発明の第１の態様は、遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機であって、ハウジングと、前記ハウジング内に回転可能に設けられ、ディスク（ハブディスク）及び前記ディスクの外周面に周方向に間隔を置いて設けられた複数枚のブレードを備えたインペラと、を具備し、前記インペラの入口の上流側にガスを吸入する吸入口が形成され、前記ハウジングの外壁に圧縮したガスを吐出する吐出口が形成され、前記吸入口と前記インペラとの間に円筒空間状（円柱空間状）の拡大部（ストレート部）が形成され、前記拡大部の全体が前記ブレードの前縁よりも上流側に位置し、前記拡大部の内径が前記吸入口の内径よりも大きくかつ前記インペラの入口径の２倍以上に設定されている。
本発明の第２の態様は、遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機であって、ハウジングと、前記ハウジング内に回転可能に設けられ、ディスク及び前記ディスクの外周面に周方向に間隔を置いて設けられた複数枚のブレードを備えたインペラと、を具備し、前記インペラの入口の上流側にガスを吸入する吸入口が形成され、前記ハウジングの外壁に圧縮したガスを吐出する吐出口が形成され、前記吸入口と前記インペラとの間に円筒空間状の拡大部が形成され、前記拡大部の内径が前記吸入口の内径よりも大きくかつ前記インペラの入口径の２倍以上に設定され、前記ブレードの軸長に対する前記ブレードの前縁から前記拡大部までの前記インペラの軸方向の距離の比率は、１．０〜６．０に設定されている。
本発明の第３の態様は、遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機であって、ハウジングと、前記ハウジング内に回転可能に設けられ、ディスク及び前記ディスクの外周面に周方向に間隔を置いて設けられた複数枚のブレードを備えたインペラと、を具備し、前記インペラの入口の上流側にガスを吸入する吸入口が形成され、前記ハウジングの外壁に圧縮したガスを吐出する吐出口が形成され、前記吸入口と前記インペラとの間に円筒空間状の拡大部が形成され、前記拡大部の内径が前記吸入口の内径よりも大きくかつ前記インペラの入口径の２倍以上に設定され、前記拡大部の入口側に内径を上流方向に向かって漸次縮径した入口テーパ部が形成され、前記拡大部の出口側に内径を下流方向に向かって漸次縮径した出口テーパ部が形成されている。

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「ガス」とは、空気、窒素ガス、水素ガス等を含む意である。また、「軸方向」とは、インペラの軸方向のことである。更に、「上流」とは、主流のガスの流れ方向から見て上流のことであって、「下流」とは、主流のガスの流れ方向から見て下流のことである。「ブレードの軸長」とは、ブレードにおける前縁のチップ端（先端）から後縁のハブ端（基端）までの長さのことをいい、軸長の異なる複数種のブレードを備えている場合には、最も長いブレードの軸長のことをいう。

本発明の第１から第３の態様によると、前記遠心圧縮機を運転する場合には、前記インペラを回転させることにより、前記吸入口から前記インペラ側に吸入したガスを遠心力を利用して圧縮することができると共に、圧縮したガスを前記吐出口から前記ハウジングの外側へ吐出することができる。

前述の作用の他に、前記吸入口と前記インペラとの間に円筒空間状の前記拡大部が形成され、前記拡大部の内径が前記吸入口の内径よりも大きくかつ前記インペラの入口径の２倍以上に設定されているため、前述の新規な知見を適用すると、サージ近傍における前記インペラの上流側の逆流領域が上流方向に拡大することを抑制できる。

本発明によれば、サージ近傍における前記インペラの上流側の逆流領域が上流方向に拡大することを抑制できるため、前記遠心圧縮機のサージを十分に抑制して、前記遠心圧縮機の作動域をより低流量側へ拡大することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機の断面図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機の部分拡大断面図である。図３は、本発明の第２実施形態に係る遠心圧縮機の断面図である。図４（ａ）は、吸入口とインペラとの間に円筒空間状の拡大部を形成しない場合において、サージ近傍におけるインペラの上流側の逆流領域を示す図、図４（ｂ）は、吸入口とインペラとの間に円筒空間状の拡大部を形成した場合において、サージ近傍におけるインペラの上流側の逆流領域を示す図インペラの上流側の逆流領域を示す図である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１及び図２を参照して説明する。なお、図面中において、「ＦＦ」は、前方向、「ＦＲ」は、後方向をそれぞれ指してある。

図１及び図２に示すように、本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機１は、車両用過給機に用いられ、遠心力を利用して空気（ガスの一例）Ａを圧縮するものである。そして、本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機１の具体的な構成は、以下のようになる。

本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機１は、ハウジング３を具備しており、このハウジング３は、内側にシュラウド（内壁）５ｓを有したハウジング本体５と、このハウジング本体５の後側に設けられたシールプレート７等からなる。なお、シールプレート７は、車両用過給機における別のハウジング（ベアリングハウジング）９に一体的に連結されてある。

ハウジング本体５のシュラウド５ｓ内には、インペラ（コンプレッサインペラ）１１が回転可能に設けられている。

具体的には、ハウジング本体５のシュラウド５ｓ内には、ディスク（ハブディスク）１３が設けられており、このディスク１３は、インペラ１１の軸心１１ｃ周りに回転可能であって、別のハウジング９に回転可能に設けられたロータ軸（タービン軸）１５の一端部（前端部）に固定ナット１７を介して一体的に連結されている。また、ディスク１３の外周面（ハブ面）１３ｆは、インペラ１１の軸方向（前後方向）Ｂ１から径方向Ｂ２外側に向かって延びてあって、ディスク１３の背面１３ｄは、シールプレート７に対向してある。なお、ロータ軸１５は、ロータ軸１５の他端部（後端部）一体的に連結された図示省略の別のインペラ（タービンインペラ）からの回転力によって回転するようになっている。

ディスク１３の外周面１３ｆには、軸長の異なる２種類のフルブレード（全羽根）１９及びスプリッタブレード（短羽根）２１が周方向に間隔を置いて交互に設けられており、２種類のブレード１９，２１は、複数枚のフルブレード１９と、各隣接するフルブレード１９間に配置されたスプリッタブレード２１である。ここで、フルブレード１９の前縁１９ａは、スプリッタブレード２１の前縁２１ａよりも上流側（前側）に位置してあって、フルブレード１９の後縁１９ｂ及びスプリッタブレード２１の後縁２１ｂは、インペラ１１の軸方向Ｂ１及び径方向Ｂ２の同じ位置に位置してある。また、フルブレード１９のチップ端（先端）１９ｔ及びスプリッタブレード２１のチップ端（先端）２１ｔは、ハウジング本体５のシュラウド５ｓに沿うように延びている。なお、軸長の異なる２種類のブレード１９，２１を用いる代わりに、軸長の同じブレード（図示省略）を用いても構わない。

ハウジング本体５の外壁におけるインペラ１１の入口の上流側には、筒状のケーシング２３が連通して設けられている。また、筒状のケーシング２３の先端側には、空気Ａを吸入する吸入口２５が形成されており、この吸入口２５は、空気を浄化するエアクリーナ（図示省略）に配管（図示省略）を介して接続可能である。

ハウジング本体５（ハウジング３の内部）におけるインペラ１１の出口側（直下流側）には、圧縮した空気を減速させて排気する環状のディフューザ流路２７（排気流路の一例）が形成されており、ハウジング本体５の内部におけるディフューザ流路２７の外周側には、渦巻き状のスクロール流路２９（排気流路の一例）が形成されている。また、ハウジング本体５の外壁には、空気を吐出する吐出口３１がスクロール流路２９及びディフューザ流路２７に連通して形成されており、この吐出口３１は、内燃機関の吸気マニホールド（図示省略）に配管（図示省略）を介して接続可能である。

続いて、本発明の第１実施形態の要部について説明する。

図１に示すように、ケーシング２３の内部の中央、換言すれば、吸入口２５とインペラ１１との間には、円筒空間状（円柱空間状）の拡大部（ストレート部）３３が形成されている。また、ケーシング２３の内部における拡大部３３の入口側（直上流側）には、内径を上流方向（前方向）に向かって漸次縮径した入口テーパ部３５が連続して形成されており、ケーシング２３の内部における拡大部３３の出口側（直下流側）には、内径を下流方向（後方向）に向かって漸次縮径した出口テーパ部３７が連続して形成されている。なお、拡大部３３の壁面３３ｆ付近（入口テーパ部３５の壁面３５ｆ付近及び出口テーパ部３７の壁面３７ｆ付近を含む）には、吸入口２５の内径Ｄｅと同じ内径を有した環状空間Ｓが形成されるようになっている。

ここで、拡大部３３の内径Ｄｍは、吸入口２５の内径Ｄｅよりも大きくかつインペラ１１の入口径Ｄｉの２．０〜４．０倍に設定されている。拡大部３３の内径Ｄｍを吸入口２５の内径Ｄｅよりも大きくかつインペラ１１の入口径Ｄｉの２．０倍以上に設定されるようにしたのは、前述の新規な知見を適用するためのである。一方、拡大部３３の内径Ｄｍをインペラ１１の入口径Ｄｉの４．０倍以下に設定されるようにしたのは、４．０倍を超えて設定されると、遠心圧縮機１が大型化して、遠心圧縮機１のコンパクト化を図ることが困難になるからである。

フルブレード１９の軸長Ｌｓに対するフルブレード１９の前縁１９ａから拡大部３３までのインペラ１１の軸方向Ｂ１の距離Ｌｔの比率（Ｌｔ／Ｌｓ）は、１．０〜６．０、好ましくは、１．５〜４．０に設定されている。比率（Ｌｔ／Ｌｓ）を１．０以上に設定されるようにしたのは、比率（Ｌｔ／Ｌｓ）が１．０未満に設定されると、インペラ１１と拡大部３３の間隔が小さすぎて、遠心圧縮機１の性能が著しく低下するからである。一方、比率（Ｌｔ／Ｌｓ）を６．０以下に設定されるようにしたのは、比率（Ｌｔ／Ｌｓ）が６．０を超えて設定されると、インペラ１１と拡大部３３の間隔が大きすぎて、遠心圧縮機１のコンパクト化を図ることが困難になるからである。

フルブレード１９の軸長Ｌｓに対する拡大部３３の軸長Ｌｍの比率（Ｌｍ／Ｌｓ）は、０．５〜５．０、好ましくは、０．５〜２．５に設定されている。比率（Ｌｍ／Ｌｓ）を０．５以上に設定されるようにしたのは、比率（Ｌｍ／Ｌｓ）が０．５未満に設定されると、拡大部３３の軸長Ｌｍが小さすぎて、拡大部３３の壁面３３ｆ付近の環状空間Ｓが所謂ダンパーとしての機能を発揮して、逆流の圧力エネルギーを受け止めることが困難になるからである。一方、比率（Ｌｍ／Ｌｓ）を５．０以下に設定されるようにしたのは、比率（Ｌｍ／Ｌｓ）が５．０を超えて設定されると、遠心圧縮機１が大型化して、遠心圧縮機１のコンパクト化を図ることが困難になるからである。

続いて、本発明の第１実施形態の作用及び効果について説明する。

別のインペラからの回転力によってロータ軸１５を回転させて、インペラ１１を一体的に回転させることにより、吸入口２５からインペラ１１側に吸入した空気Ａを遠心力を利用して圧縮することができると共に、圧縮した空気Ａをディフューザ流路２７及びスクロール流路２９を経由して吐出口３１からハウジング３の外側へ吐出することができる。

前述の作用の他に、吸入口２５とインペラ１１との間に円筒空間状の拡大部３３が形成され、拡大部３３の内径Ｄｍが吸入口２５の内径Ｄｅよりも大きくかつインペラ１１の入口径Ｄｉの２倍以上に設定されているため、前述の新規な知見を適用すると、サージ近傍におけるインペラ１１の上流側の逆流領域が上流方向に拡大することを抑制できる。

従って、本発明の第１実施形態によれば、遠心圧縮機１のサージを十分に抑制して、遠心圧縮機１の作動域をより低流量側へ拡大することができる（後述の実施例参照）。特に、フルブレード１９の軸長Ｌｓに対するフルブレード１９の前縁１９ａから拡大部３３までのインペラ１１の軸方向Ｂ１の距離Ｌｔの比率（Ｌｔ／Ｌｓ）が１．０〜６．０に設定され、フルブレード１９の軸長Ｌｓに対する拡大部３３の軸長Ｌｍの比率（Ｌｍ／Ｌｓ）が０．５〜５．０に設定されているため、遠心圧縮機１の大型化を抑えて、遠心圧縮機１のコンパクト化を図ることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について図３を参照して説明する。なお、図面中において、「ＦＦ」は、前方向、「ＦＲ」は、後方向をそれぞれ指してある。

図３に示すように、本発明の第２実施形態に係る遠心圧縮機３９は、車両用過給機に用いられかつ遠心力を利用して空気Ａを圧縮するものであって、本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機１と同様の構成を有している。以下、遠心圧縮機３９の構成のうち、遠心圧縮機１の構成と異なる部分についてのみ簡単に説明する。なお、遠心圧縮機３９における複数の構成要素のうち、遠心圧縮機１における構成要素と対応するものについては、図面中に同一番号を付する。

遠心圧縮機３９にあっては、筒状のケーシング２３が省略されており、それに伴い、吸入口２５がハウジング３の外壁におけるインペラ１１の入口の上流側（ハウジング３の外壁の前側）に形成されており、拡大部３３がハウジング３の内部における吸入口２５とインペラ１１との間に形成されている。また、入口テーパ部３５がハウジング３の内部における拡大部３３の入口側（直上流側）に連続して形成されており、出口テーパ部３７がハウジング３の内部における拡大部３３の出口側（直下流側）に連続して形成されている。

ここで、本発明の第２実施形態にあっても、拡大部３３の内径Ｄｍは、吸入口２５の内径Ｄｅよりも大きくかつインペラ１１の入口径Ｄｉの２．０〜４．０倍に設定されている。また、フルブレード１９の軸長Ｌｓに対するフルブレード１９の前縁１９ａから拡大部３３までのインペラ１１の軸方向Ｂ１の距離Ｌｔの比率（Ｌｔ／Ｌｓ）は、１．０〜６．０、好ましくは、１．５〜４．０に設定されている。更に、フルブレード１９の軸長Ｌｓに対する拡大部３３の軸長Ｌｍの比率（Ｌｍ／Ｌｓ）は、０．５〜５．０、好ましくは、０．５〜２．５に設定されている。

そして、本発明の第２実施形態においても、本発明の第１実施形態と同様の作用及び効果を奏する他に、吸入口２５、拡大部３３、入口テーパ部３５、及び出口テーパ部３７がハウジング３に形成されているため、遠心圧縮機１の大型化を十分に抑えて、遠心圧縮機１のコンパクト化をより一層図ることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、適宜の変更を行うことにより、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

本発明の実施例について簡単に説明する。

本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１を発明品として試作し、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１からケーシング２３を省略したものを比較品として試作し、発明品及び比較品について実際の運転条件を模擬して性能試験を行った。その結果、発明品のサージ流量を比較品のサージ流量に対して１５％低減できることが確認された。

１遠心圧縮機
３ハウジング
５ハウジング本体
５ｓシュラウド
１１インペラ
１１ｃインペラの軸心
１３ディスク
１３ｆディスクの外周面
１９フルブレード
２１スプリッタブレード
２３ケーシング
２５吸入口
２７ディフューザ流路
２９スクロール流路
３１吐出口
３３拡大部
３５入口テーパ部
３７出口テーパ部
３９遠心圧縮機
Ｂ１インペラの軸方向
Ｂ２インペラの径方向
Ｄｅ吸入口の内径
Ｄｉインペラの入口径
Ｄｍ拡大部の内径
Ｌｍ拡大部の軸長
Ｌｓフルブレードの軸長
Ｌｔフルブレードの前縁から拡大部までのインペラの軸方向の距離

Claims

遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機であって、
ハウジングと、
前記ハウジング内に回転可能に設けられ、ディスク及び前記ディスクの外周面に周方向に間隔を置いて設けられた複数枚のブレードを備えたインペラと、を具備し、
前記インペラの入口の上流側にガスを吸入する吸入口が形成され、前記ハウジングの外壁に圧縮したガスを吐出する吐出口が形成され、
前記吸入口と前記インペラとの間に円筒空間状の拡大部が形成され、前記拡大部の全体が前記ブレードの前縁よりも上流側に位置し、前記拡大部の内径が前記吸入口の内径よりも大きくかつ前記インペラの入口径の２倍以上に設定されている、遠心圧縮機。
遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機であって、
ハウジングと、
前記ハウジング内に回転可能に設けられ、ディスク及び前記ディスクの外周面に周方向に間隔を置いて設けられた複数枚のブレードを備えたインペラと、を具備し、
前記インペラの入口の上流側にガスを吸入する吸入口が形成され、前記ハウジングの外壁に圧縮したガスを吐出する吐出口が形成され、
前記吸入口と前記インペラとの間に円筒空間状の拡大部が形成され、前記拡大部の内径が前記吸入口の内径よりも大きくかつ前記インペラの入口径の２倍以上に設定され、
前記ブレードの軸長に対する前記ブレードの前縁から前記拡大部までの前記インペラの軸方向の距離の比率は、１．０〜６．０に設定されている、遠心圧縮機。
遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機であって、
ハウジングと、
前記ハウジング内に回転可能に設けられ、ディスク及び前記ディスクの外周面に周方向に間隔を置いて設けられた複数枚のブレードを備えたインペラと、を具備し、
前記インペラの入口の上流側にガスを吸入する吸入口が形成され、前記ハウジングの外壁に圧縮したガスを吐出する吐出口が形成され、
前記吸入口と前記インペラとの間に円筒空間状の拡大部が形成され、前記拡大部の内径が前記吸入口の内径よりも大きくかつ前記インペラの入口径の２倍以上に設定され、
前記拡大部の入口側に内径を上流方向に向かって漸次縮径した入口テーパ部が形成され、前記拡大部の出口側に内径を下流方向に向かって漸次縮径した出口テーパ部が形成されている、遠心圧縮機。
前記ハウジングの外壁における前記インペラの入口の上流側に連通して設けられた筒状のケーシングを具備し、
前記吸入口が前記ケーシングの先端側に形成され、前記拡大部が前記ケーシングの内部に形成され、前記入口テーパ部が前記ケーシングの内部における前記拡大部の入口側に形成され、前記出口テーパ部が前記ケーシングの内部における前記拡大部の出口側に形成されている、請求項３に記載の遠心圧縮機。
前記吸入口が前記ハウジングの外壁における前記インペラの入口の上流側に形成され、前記拡大部が前記ハウジングの内部における前記吸入口と前記インペラとの間に形成され、前記入口テーパ部が前記ハウジングの内部における前記拡大部の入口側に形成され、前記出口テーパ部が前記ハウジングの内部における前記拡大部の出口側に形成されている、請求項３に記載の遠心圧縮機。
前記ブレードの軸長に対する前記拡大部の軸長の比率は、０．５〜５．０に設定されている、請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の遠心圧縮機。