JP2009068373A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心圧縮機１の作動域を低流量側に拡大させつつ、低流量の作動域における遠心圧縮機１の圧縮機効率を向上させること。
【解決手段】複数のインペラブレード７の外縁の前端部にアウターリング１３が連結するように設けられ、ケーシング３のシュラウド壁３ｆにアウターリング１３を収容する環状の収容凹部１５が形成され、収容凹部１５の後側壁面とアウターリング１３の後側面との間に環状の下流補助通路１７が区画形成され、ケーシング３のシュラウド壁３ｆにおけるインペラブレード７の前縁位置よりも上流側に上流補助穴１９が形成され、ケーシング３の内部に下流補助通路１７側から上流補助穴１９側へガスの流れを許容する環状のトリートメントキャビティ２１が形成されたこと。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャー、ガスタービン、産業用空気設備等に用いられ、空気等のガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機に関する。

近年、遠心圧縮機の作動域を拡大させるために種々の研究がなされており、作動域を拡大させた遠心圧縮機として特許文献１及び特許文献２に示すものがある。

以下、先行技術に係る遠心圧縮機について図３を参照して説明する。

ここで、図３は、先行技術に係る遠心圧縮機の縦断面図である。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。

先行技術に係る遠心圧縮機１０１は、ケーシング１０３を備えており、このケーシング１０３は、内側に、シュラウド壁１０３ｆを有している。また、ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆ内には、ハブ１０５が配設されており、このハブ１０５は、軸心（ハブ１０５の軸心）を中心として回転可能である。更に、ハブ１０５の外周面には、複数（１つのみ図示）のインペラブレード１０７が周方向に沿って設けられており、各インペラブレード１０７の外縁は、ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆにそれぞれ近接してある。

ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆの前側周縁部には、空気をインペラブレード１０７側へ給気する給気口１０９が形成されており、ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆの後側周縁部には、圧縮した空気を排気する環状の排気流路１１１が形成されている。そして、ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆにおけるインペラブレード１０７の前縁位置よりも下流側（ガスの流れから見て下流側、換言すれば、後側）には、スリット状の下流補助穴１１３が形成されており、ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆにおけるインペラブレード１０７の前縁位置よりも上流側（ガスの流れから見て上流側、換言すれば、前側）には、スリット状の上流補助穴１１５が形成されている。更に、ケーシング１０３の内部には、下流補助穴１１３側から上流補助穴１１５側へ空気の流れを許容する環状のトリートメントキャビティ１１７が形成されており、このトリートメントキャビティ１１７は、下流補助穴１１３と上流補助穴１１５に連通してある。

従って、遠心圧縮機１０１を運転する場合には、例えばタービンホイール（図示省略）の回転等によりハブ１０５を回転させて、複数のインペラブレード１０７を一体的に回転させる。これにより、給気口１０９からインペラブレード１０７側に給気した空気を遠心力を利用して圧縮することができ、圧縮した空気を排気流路１１１から排気することができる。

また、遠心圧縮機１０１の運転中において、給気口１０９から給気される空気の流量が少なくなると、インペラブレード１０７側へ給気した空気の一部が逆流して、下流補助穴１１３からトリートメントキャビティ１１７内に流入する。そして、トリートメントキャビティ１１７内に流入した空気は、下流補助穴１１３側から上流補助穴１１５側へ流れて、上流補助穴１１５から流出して、再びインペラブレード１０７側に給気される。つまり、インペラブレード１０７側へ給気した空気の一部を下流補助穴１１３と上流補助穴１１５の間で循環させて、遠心圧縮機１０１のサージング現象を抑制することができる。よって、遠心圧縮機１０１の作動域を低流量側に拡大させることができる。
特開２００６−３４２６８２号公報 特開２００３−３１４４９６号公報

ところで、遠心圧縮機の運転中、ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆとインペラブレード１０７の外縁とのクリアランスを経由して、インペラブレード１０７の正圧面側から負圧面側に相対的に流れる所謂クリアランスフローが生じる。また、給気口１０９から給気される空気の流量が少なくなると、インペラブレード１０７の正圧面に対する空気の流入角が大きくなって、インペラブレード１０７の外縁の前端部におけるクリアランスフローが増大する。そのため、遠心圧縮機１０１の作動域を低流量側に拡大しても、低流量の作動域においては、インペラブレード１０７の外縁の前端部におけるクリアランスフローよって隣接するインペラブレード１０７間の空気の流れに大きな乱れが生じることになり、隣接するインペラブレード１０７間におけるエネルギー損失が大きくなって、低流量の作動域における遠心圧縮機１０１の圧縮機効率の低下につながる。

つまり、遠心圧縮機１０１の作動域を低流量側に拡大させつつ、低流量の作動域における遠心圧縮機１０１の圧縮機効率を向上させることは先行技術に係る遠心圧縮機１０１では十分でないという問題がある。

なお、複数のインペラブレード１０７の外縁の前端部から後端部にかけてアウタースリーブを連結するように設けることによって、クリアランスフローをなくすことも考えられるが、インペラブレード１０７側へ給気した空気の一部を循環させることができなくなって、遠心圧縮機１０１の作動域を低流量側に拡大させることができなくなる。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の遠心圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の特徴は、ガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機において、内側にシュラウド壁を有したケーシングと、前記ケーシングの前記シュラウド壁内に配設され、軸心（ハブの軸心）を中心として回転可能なハブと、前記ハブの外周面に沿って設けられ、外縁が前記シュラウド壁にそれぞれ近接した複数のインペラブレードと、を備え、前記ケーシングの前記シュラウド壁の前側周縁部にガスを前記インペラブレード側へ給気する給気口が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁の後側周縁部に圧縮したガスを排気する環状の排気流路が形成され、複数の前記インペラブレードの外縁の前端部にアウターリングが連結するように設けられ、前記ケーシングの前記シュラウド壁に前記アウターリングを収容する環状の収容凹部が形成され、前記収容凹部の後側壁面と前記アウターリングの後側面との間に環状の下流補助通路が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁における前記インペラブレードの前縁位置よりも上流側（ガスの流れから見て上流側、換言すれば、前側）に上流補助穴が形成され、前記ケーシングの内部に前記下流補助通路側から前記上流補助穴側へガスの流れを許容する環状のトリートメントキャビティが形成され、前記トリートメントキャビティが前記下流補助通路及び前記上流補助穴に連通してあることを要旨とする。

なお、前側とは、ガスの流れから見て上流側のことであって、後側とは、ガスの流れから見て下流側のことである
本発明の特徴によると、前記遠心圧縮機を運転する場合には、前記ハブを回転させて、複数の前記インペラブレードを一体的に回転させる。これにより、前記給気口から前記インペラブレード側に給気したガスを遠心力を利用して圧縮することができ、圧縮したガスを前記排気流路から排気することができる。

また、前記遠心圧縮機の運転中において、前記給気口から給気されるガスの流量が少なくなると、前記インペラブレード側へ給気したガスの一部が逆流して、前記下流補助通路から前記トリートメントキャビティ内に流入する。そして、前記トリートメントキャビティ内に流入したガスは、前記下流補助通路側から前記上流補助穴側へ流れて、前記上流補助穴から流出して、再び前記インペラブレード側に給気される。つまり、前記インペラブレード側へ給気したガスの一部を前記下流補助通路と前記上流補助穴の間で循環させて、前記遠心圧縮機のサージング現象を抑制することができる。

更に、複数の前記インペラブレードの外縁の前端部に前記アウターリングが連結するように設けられてあって、前記ケーシングの前記シュラウド壁に前記アウターリングを収容する環状の前記収容凹部が形成されているため、低流量の作動域においても、前記インペラブレードの外縁の前端部におけるクリアランスフローを抑制して、隣接する前記インペラブレード間におけるガスの流れを安定させることができる。

本発明によれば、前記遠心圧縮機のサージング現象を抑制すると共に、低流量の作動域においても、隣接する前記インペラブレード間におけるガスの流れを安定させることができるため、前記遠心圧縮機の作動域を低流量側に拡大させつつ、低流量の作動域における前記遠心圧縮機の圧縮機効率を向上させることができる。

本発明の実施形態について図１を参照して説明する。

ここで、図１は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の縦断面図、図２は、本発明の実施形態の変形例に係る遠心圧縮機の縦断面図である。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、ターボチャージャーに用いられ、空気（ガスの一例）を遠心力を利用して圧縮するものである。そして、本発明の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。

遠心圧縮機１は、ケーシング３を備えており、このケーシング３は、内側に、シュラウド壁３ｆを有している。また、ケーシング３は、ターボチャージャーの別のケーシング（図示省略）に一体的に取付られている。

ケーシング３のシュラウド壁３ｆ内には、ハブ５が配設されており、このハブ５は、別のケーシングに回転可能に設けられたタービン軸ＴＳの一端部に一体的に連結されてあって、軸心（ハブ５の軸心、換言すれば、タービン軸ＴＳの軸心）を中心として回転可能である。なお、タービン軸ＴＳの他端部には、タービンホイール（図示省略）が一体的に連結されている。

ハブ５の外周面には、複数（１つのみ図示）のインペラブレード７が周方向に沿って設けられており、各インペラブレード７の外縁は、ケーシング３のシュラウド壁３ｆにそれぞれ近接してある。

ケーシング３のシュラウド壁３ｆの前側周縁部には、空気をインペラブレード７側へ給気する給気口９が形成されており、ケーシング３のシュラウド壁３ｆの後側周縁部には、空気の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換しつつ、圧縮した空気を排気する環状のディフューザ流路（排気流路）１１が形成されている。なお、ディフューザ流路１１の周縁部には、スクロール流路（図示省略）が形成されており、このスクロール流路は、内燃機関の吸気マニホールド（図示省略）に接続されている。

複数のインペラブレード７の外縁の前端部には、アウターリング１３が連結するように設けられており、ケーシング３のシュラウド壁３ｆには、アウターリング１３を収容する環状の収容凹部１５が形成されている。また、収容凹部１５の後側壁面とアウターリング１３の後側面との間には、環状の下流補助通路１７が区画形成されており、ケーシング３のシュラウド壁３ｆにおけるインペラブレード７の前縁位置よりも上流側（ガスの流れから見て上流側、換言すれば、前側）には、スリット状の上流補助穴１９が形成されている。なお、スリット状の上流補助穴１９は、ケーシング３の軸心を中心とし周方向に連続してあっても、周方向に不連続であっても構わない。

ケーシング３の内部には、下流補助通路１７側から上流補助穴１９側へ空気の流れを許容する環状のトリートメントキャビティ２１が収容凹部１５に連続して形成されており、このトリートメントキャビティ２１は、下流補助通路１７及び上流補助穴１９に連通してある。なお、ケーシング３の内部にトリートメントキャビティ２１が収容凹部１５に連続して形成される代わりに、図２に示すように、ケーシング３の内部にトリートメントキャビティ２１が収容凹部１５と仕切られるように形成されても構わない。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

遠心圧縮機１を運転する場合には、タービンホイールの回転によってハブ５を回転させて、複数のインペラブレード７を一体的に回転させる。これにより、給気口９からインペラブレード７側に給気した空気を遠心力を利用して圧縮することができ、圧縮した空気をディフューザ流路１１から排気することができる。なお、ディフューザ流路１１から排気された空気は、スクロール流路を経由して内燃機関の吸気マニホールドに送られる。

また、遠心圧縮機１の運転中において、給気口９から給気される空気の流量が少なくなると、インペラブレード７側へ給気した空気の一部が逆流して、下流補助通路１７からトリートメントキャビティ２１内に流入する。そして、トリートメントキャビティ２１内に流入した空気は、下流補助通路１７側から上流補助穴１９側へ流れて、上流補助穴１９から流出して、再びインペラブレード７側に給気される。つまり、インペラブレード７側へ給気した空気の一部を下流補助通路１７と上流補助穴１９の間で循環させて、遠心圧縮機１のサージング現象を抑制することができる。

更に、複数のインペラブレード７の外縁の前端部にアウターリング１３が連結するように設けられてあって、ケーシング３のシュラウド壁３ｆにアウターリング１３を収容する環状の収容凹部１５が形成されているため、低流量の作動域においても、インペラブレード７の外縁の前端部におけるクリアランスフローを抑制して、隣接するインペラブレード７間における空気の流れを安定させることができる。

また、アウターリング１３によって複数のインペラブレード７の外縁の前端部が連結されているため、複数のインペラブレード７の固有振動数を高めて、複数のインペラブレード７の制振性を高めることができる。

以上の如き、本発明の実施形態によれば、遠心圧縮機１のサージング現象を抑制すると共に、低流量の作動域においても、隣接するインペラブレード７間における空気の流れを安定させることができるため、遠心圧縮機１の作動域を低流量側に拡大させつつ、低流量の作動域における遠心圧縮機１の圧縮機効率を向上させることができる。

また、複数のインペラブレード７の固有振動数を高めて、複数のインペラブレード７の制振性を高めることができるため、遠心圧縮機１の運転中におけるインペラブレード７の応力集中を緩和して、インペラブレード７の疲労寿命を延ばすことができる。

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、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の縦断面図である。 本発明の実施形態の変形例に係る遠心圧縮機の断面図である。 先行技術に係る遠心圧縮機の縦断面図である。

符号の説明

１ 遠心圧縮機
３ ケーシング
３ｆ シュラウド壁
５ ハブ
７ インペラブレード
９ 給気口
１１ ディフューザ流路
１３ アウターリング
１５ 収容凹部
１７ 下流補助通路
１９ 上流補助穴
２１ トリートメントキャビティ

Claims (2)

1. ガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機において、
   内側にシュラウド壁を有したケーシングと、
   前記ケーシングの前記シュラウド壁内に配設され、軸心を中心として回転可能なハブと、
   前記ハブの外周面に沿って設けられ、外縁が前記シュラウド壁にそれぞれ近接した複数のインペラブレードと、を備え、
   前記ケーシングの前記シュラウド壁の前側周縁部にガスを前記インペラブレード側へ給気する給気口が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁の後側周縁部に圧縮したガスを排気する環状の排気流路が形成され、
   複数の前記インペラブレードの外縁の前端部にアウターリングが連結するように設けられ、前記ケーシングの前記シュラウド壁に前記アウターリングを収容する環状の収容凹部が形成され、
   前記収容凹部の後側壁面と前記アウターリングの後側面との間に環状の下流補助通路が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁における前記インペラブレードの前縁位置よりもガスの流れからに上流補助穴が形成され、前記ケーシングの内部に前記下流補助通路側から前記上流補助穴側へガスの流れを許容する環状のトリートメントキャビティが形成され、前記トリートメントキャビティが前記下流補助通路及び前記上流補助穴に連通してあることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記トリートメントキャビティが前記収容凹部に連続して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。

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