JP2009197614A - 遠心圧縮機及びディフューザベーン - Google Patents

Abstract

【課題】遠心圧縮機１の圧力比を高く設定した上で、遠心圧縮機１の圧縮機効率を十分に向上させること。
【解決手段】ベーンドディフューザ１１は、ケーシング３におけるシュラウド側壁面３ａとハブ側壁面３ｂによって形成される環状のディフューザ流路ＤＰ内に周方向へ間隔を置いて配設された複数のディフューザベーン１３を備え、各ディフューザベーン１３の上流側縁部の翼断面形状は、それぞれ、曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくなるような曲線形状（例えば半楕円形状又は放物線形状）であること。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気等のガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機、及びこの遠心圧縮機に用いられるディフューザベーンに関する。

遠心圧縮機におけるディフューザには、ベーンドディフューザとベーンレスディフューザの２種類があり、船舶過給機、ガスタービン等に用いられる遠心圧縮機においては、圧縮機効率の高効率化を目的としてベーンドディフューザをディフューザとして採用する場合が多い。そして、ベーンドディフューザを採用した従来の遠心圧縮機の構成等は、次のようになる。

即ち、従来の遠心圧縮機は、ケーシングを具備しており、このケーシングは、内側に、空気を圧縮する空気（ガスの一例）を圧縮するための圧縮領域を有している。また、ケーシングの圧縮領域の上流側には、空気を圧縮領域側へ導入可能な導入口が形成されている。

ケーシングの圧縮領域には、ハブが設けられており、このハブは、軸心（ハブの軸心）を中心として回転可能である。また、ハブの外周面には、複数のインペラブレードが周方向に間隔を置いて設けられており、各インペラブレードの外縁部の先端は、ケーシングのシュラウド側壁面にそれぞれ近接してある。

ケーシングの圧縮領域の下流側には、空気の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換するベーンドディフューザが設けられている。そして、ベーンドディフューザは、ケーシングにおけるシュラウド側壁面とハブ側壁面によって形成される環状のディフューザ流路内に周方向へ間隔を置いて配設された複数のディフューザベーンを備えている。また、各ディフューザベーンの上流側縁部（前縁部）の翼断面形状（横断面形状）は、それぞれ、半円形状になっている。

従って、例えばタービンホイール（図示省略）の回転等によりハブを回転させて、複数のインペラブレードを一体的に回転させることにより、導入口から圧縮領域側に導入した空気を遠心力を利用して圧縮する。そして、圧縮された空気は、ベーンドディフューザにより昇圧されてディフューザ流路から排気される。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１及び特許文献２に示すものがある。
特開２００５−２２６５６８号公報 特開２００４−１２４７１５号公報

ところで、近年、遠心圧縮機の高圧力比化に伴い、図５に示すように、ディフューザベーンの入口側における空気流（ガス流の一例）のマッハ数（入口マッハ数）が増加する傾向にある。ここで、図５は、ディフューザベーンの周辺におけるマッハ数の高い領域を示す図であって、マッハ数の高い領域（図５において点ハッチを施した領域）は、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析によって求めている。また、入口マッハ数の高い空気流がディフューザベーンの上流側縁部（前縁部）に衝突すると、ディフューザベーンの翼面に沿う流れが減少して、ディフューザベーンの翼面における境界層が下流側に向かって発達する。そのため、隣接するディフューザベーン間における圧力損失が大きくなって、遠心圧縮機の圧縮機効率の低下を招くことになる。

つまり、遠心圧縮機の圧力比を高く設定した上で、遠心圧縮機の圧縮機効率を十分に向上させることは困難であるという問題がある。

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及びディフューザベーンを提供することを目的とする。

本発明の第１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、内側にガスを圧縮するための圧縮領域を有し、前記圧縮領域の上流側にガスを前記圧縮領域側へ導入可能な導入口が形成されたケーシングと、前記ケーシングの前記圧縮領域に設けられ、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周方向に間隔を置いて設けられた複数のインペラブレードと、前記ケーシングの前記圧縮領域の下流側に設けられ、前記ケーシングにおけるシュラウド側壁面とハブ側壁面によって形成される環状のディフューザ流路内に周方向へ間隔を置いて配設された複数のディフューザベーンを備えたベーンドディフューザと、を具備し、各ディフューザベーンの上流側縁部（前縁部）の翼断面形状（横断面形状）は、それぞれ、曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくなるような曲線形状であることを要旨とする。

なお、特許請求の範囲及び明細書において、「上流側」とは、主流のガスの流れ方向から見て上流側のことであって、「下流側」とは、主流のガスの流れ方向から見て下流側のことである。

第１の特徴によると、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とにより、前記導入口から前記圧縮領域側に導入したガスを遠心力を利用して圧縮する。そして、圧縮されたガスは、前記ベーンドディフューザにより昇圧されて前記ディフューザ流路から排気される（前記遠心圧縮機の一般的な作用）。

また、各ディフューザベーンの上流側縁部の翼断面形状は、それぞれ、曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくなるような曲線形状であるため、入口マッハ数の高いガス流が前記ディフューザベーンの上流側縁部に衝突しても、前記ディフューザベーンの翼面に沿う流れを十分に確保して、前記ディフューザベーンの翼面における境界層の発達を十分に抑制することができる（前記遠心圧縮機の特有の作用）。

本発明の第２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用いられるディフューザベーンにおいて、前縁部の翼断面形状（横断面形状）は、曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくなるような曲線形状であることを要旨とする。

第２の特徴によると、前記ディフューザベーンの前縁部の翼断面形状は、曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくなるような曲線形状であるため、前記ディフューザベーンを前記遠心圧縮機に用いた場合に、前記遠心圧縮機の特有の作用と同様の作用を奏する。

本発明によれば、入口マッハ数の高いガス流が前記ディフューザベーンの上流側縁部に衝突しても、前記ディフューザベーンの翼面に沿う流れを十分に確保して、前記ディフューザベーンの翼面における境界層の発達を十分に抑制できるため、前記遠心圧縮機の圧力比を高く設定した上で、隣接する前記ディフューザベーン間における圧力損失を小さくして、前記遠心圧縮機の圧縮機効率を十分に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から図４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断面図、図２は、本発明の実施形態に係るディフューザベーンの上流側縁部の翼断面形状を示す図、図３（ａ）は、本発明の実施形態に係るディフューザベーンの上流側縁部近傍の翼面における境界層の生成状態を示す図、図３（ｂ）は、比較例に係るディフューザベーンの上流側縁部近傍の翼面における境界層の生成状態を示す図、図４は、実施例及び比較例について空気の流量と圧力損失の関係を示す図である。

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、船舶過給機、ガスタービン等に用いられ、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を具備しており、このケーシング３は、内側に、空気（ガスの一例）を圧縮するための圧縮領域ＣＲを有している。また、ケーシング３の圧縮領域ＣＲの上流側には、空気を圧縮領域ＣＲ側へ導入可能な導入口５が形成されている。また、ケーシング３は、タービン用のケーシング（図示省略）に一体的に取付られている。

ケーシング３の圧縮領域ＣＲには、ハブ７が設けられており、このハブ７の外周面は、軸心方向（ハブ７の軸心方向）から径方向（ハブ７の径方向）外側に向かって延びている。また、ハブ７は、タービン用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７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７の外周面には、複数のインペラブレード９が周方向に間隔を置いて設けられており、各インペラブレード９の外縁部は、ハブ７の軸心方向からハブ７の径方向外側に向かってそれぞれ延びている。また、各インペラブレード９の外縁部の先端は、ケーシング３のシュラウド側壁面３ａにそれぞれ近接してある。

図１及び図２（ａ）（ｂ）に示すように、ケーシング３の圧縮領域ＣＲの下流側には、空気の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換するベーンドディフューザ１１が設けられている。また、ベーンドディフューザ１１は、ケーシング３におけるシュラウド側壁面３ａとハブ側壁面３ｂによって形成される環状のディフューザ流路ＤＰ内に周方向へ間隔を置いて配設された複数のディフューザベーン１３を備えている。なお、ディフューザ流路ＤＰ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。

各ディフューザベーン１３の上流側縁部（前縁部）の翼断面形状（図１において矢視部II-II線に沿った横断面形状）は、それぞれ、曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくなるような曲線形状である。具体的には、この曲線形状は、コード方向に沿った方向を長軸方向Ｌｅとし、長軸方向Ｌｅに対して直交する方向を短軸方向Ｌｓとして規定される半楕円形状である。そして、半楕円形状の長径Ｒｅと短径Ｒｓの間には、１＜（Ｒｅ／Ｒｓ）≦５、好ましくは、１＜（Ｒｅ／Ｒｓ）＜３の関係が成立するようになっている。ここで、１＜（Ｒｅ／Ｒｓ）としたのは、Ｒｅ／Ｒｓが１未満であると、曲線形状の曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくならないからであり、一方、（Ｒｅ／Ｒｓ）≦５としたのは、Ｒｅ／Ｒｓが５を越えても、後述の遠心圧縮機１の特有の作用に大きな変化が生じないからであると共に、ディフューザベーン１３の上流側縁部の配置スペースの確保が容易になって、設計の自由度も高くなるからである。

なお、各ディフューザベーン１３の上流側縁部の翼断面形状を半楕円形状にする代わりに、曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくなるような放物線形状にしても構わない。

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。

タービンホイールの回転によってハブ７を回転させて、複数のインペラブレード９を一体的に回転させることにより、導入口５から圧縮領域ＣＲ側に導入した空気を遠心力を利用して圧縮する。そして、圧縮された空気は、ベーンドディフューザ１１により昇圧されてディフューザ流路ＤＰから排気される。なお、ディフューザ流路ＤＰ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。（遠心圧縮機１の一般的な作用）。

また、各ディフューザベーン１３の上流側縁部の翼断面形状は、それぞれ、曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくなるような曲線形状（半楕円形状又は放物線形状）であるため、入口マッハ数の高い空気流がディフューザベーン１３の上流側縁部に衝突しても、ディフューザベーン１３の翼面に沿う流れを十分に確保して、図３（ａ）（ｂ）に示すように、ディフューザベーン１３の翼面における境界層Ｂの発達を十分に抑制することができる（遠心圧縮機１の特有の作用）。なお、図３（ｂ）における比較例に係るディフューザベーン（比較ディフューザベーン）の上流側縁部の翼断面形状は半円形状になっており、図３（ａ）（ｂ）に示された境界層の生成状態は、ＣＦＤ解析によって求めている。

従って、本発明の実施形態によれば、入口マッハ数の高い空気流がディフューザベーン１３の上流側縁部に衝突しても、ディフューザベーン１３の翼面に沿う流れを十分に確保して、ディフューザベーン１３の翼面における境界層Ｂの発達を十分に抑制できるため、遠心圧縮機１の圧力比を高く設定した上で、図４に示すように、隣接するディフューザベーン１３間における圧力損失を小さくして、遠心圧縮機１の圧縮機効率を十分に向上させることができる。なお、図４中における実施例とは、隣接するディフューザベーン１３間における圧力損失をＣＦＤ解析によって求めたものであって、図４中における比較例とは、隣接する比較ディフューザベーン間における圧力損失をＣＦＤ解析によって求めたものである。

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断面図である。 本発明の実施形態に係るディフューザベーンの上流側縁部の翼断面形状を示す図である。 図３（ａ）は、本発明の実施形態に係るディフューザベーンの上流側縁部近傍の翼面における境界層の生成状態を示す図、図３（ｂ）は、比較例に係るディフューザベーンの上流側縁部近傍の翼面における境界層の生成状態を示す図である。 実施例及び比較例について空気の流量と圧力損失の関係を示す図である。 ディフューザベーンの周辺におけるマッハ数の高い領域を示す図である。

符号の説明

１ 遠心圧縮機
３ ケーシング
３ａ シュラウド側壁面
３ｂ ハブ側壁面
５ 導入口
７ ハブ
９ インペラブレード
１１ ベーンドディフューザ
１３ ディフューザベーン
ＣＲ 圧縮領域
ＤＰ ディフューザ流路
Ｌｅ 長軸方向
Ｌｓ 短軸方向
ＴＳ タービン軸
Ｂ 境界層

Claims (6)

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、
   内側にガスを圧縮するための圧縮領域を有し、前記圧縮領域の上流側にガスを前記圧縮領域側へ導入可能な導入口が形成されたケーシングと、
   前記ケーシングの前記圧縮領域に設けられ、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周方向に間隔を置いて設けられた複数のインペラブレードと、
   前記ケーシングの前記圧縮領域の下流側に設けられ、前記ケーシングにおけるシュラウド側壁面とハブ側壁面によって形成される環状のディフューザ流路内に周方向へ間隔を置いて配設された複数のディフューザベーンを備えたベーンドディフューザと、を具備し、
   各ディフューザベーンの上流側縁部の翼断面形状は、それぞれ、曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくなるような曲線形状であることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記曲線形状は、コード方向に沿った方向を長軸方向とし、前記長軸方向に対して直交する方向を短軸方向として規定される半楕円形状であることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記曲線形状は、放物線形状であることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
4. ガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機に用いられるディフューザベーンにおいて、
   前縁部の翼断面形状は、曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくなるような曲線形状であることを特徴とするディフューザベーン。
5. 前記曲線形状は、コード方向に沿った方向を長軸方向とし、前記長軸方向に対して直交する方向を短軸方向として規定される半楕円形状であることを特徴とする請求項４に記載のディフューザベーン。
6. 前記曲線形状は、放物線形状であることを特徴とする請求項４に記載のディフューザベーン。

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