JP2019505728A

JP2019505728A - 遠心式圧縮機のディフューザ

Info

Publication number: JP2019505728A
Application number: JP2018543725A
Authority: JP
Inventors: ムンディンガーゲアト; フンツィカールネ
Original assignee: アーベーベーターボシステムズアクチエンゲゼルシャフト
Priority date: 2016-02-19
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2019-02-28
Also published as: KR20180120704A; EP3417176A1; WO2017140852A1; DE102016102924A1; CN109072939A

Abstract

遠心式圧縮機のディフューザの流れ通路は、ディフューザ区分の流入領域において著しく横断面を拡張される。これにより、流れは、本来のディフューザ通路の手前で既により多くの場所を与えられる。このことは、早期の減速と相応する圧力形成をもたらす。したがって、これにより圧縮機の後続の部分構成部材における流れの速度が減じられ、相応して流れ損失が減じられる。

Description

本発明は、流体機械の分野に関し、遠心式圧縮機のディフューザ、このようなディフューザを備える遠心式圧縮機ならびにこのようなディフューザを備える遠心式圧縮機を有する排ガスターボチャージャに関する。

先行技術
遠心式圧縮機は、特に内燃機関にチャージするための排ガスターボチャージャにおいて使用される。遠心式圧縮機の圧縮機インペラ（羽根車）は、流入する空気流を回転運動させ、これにより、遠心力によって、半径方向外方に向かって増大する圧力を有する圧力場が形成される。流れ速度を螺旋形の集合室（螺旋部）において低く保持するために、圧縮機インペラからの空気流の、常に比較的高い流出速度は、ディフューザ内における減速を必要とし、これにより、壁摩擦損失が減じられ、圧縮機段の効率が全体的に改善される。

この場合、遠心式ディフューザとも呼ばれる、遠心式圧縮機のディフューザは、通常は平行壁を有する環状室として構成される。この環状室は、半径方向で圧縮機インペラの流出部に接続する。環状室は通常、２つの環状のプレートにより画定される。これらのプレートは、圧縮機のシャフトの回転軸線に対して垂直またはほぼ垂直に延びている。

付加的に、全周に沿って配置されたガイドベーン（流れをガイドするための成形されたベーン、楔形ベーン、円弧状ベーン）を有するガイドインペラを加えることにより、ディフューザの効率を高めることができる。ベーンを備えたディフューザの例は、独国特許出願公開第１０２００８０４４５０５号明細書に示されている。

遠心式ディフューザの重要なパラメータは、隣り合う２つのガイドベーンの間の最も狭い横断面積（スロート）と、通路流出部と通路流入部との面積比（ＡＲ）と、通路長さと流入幅との比（ＬＷＲ）である。

ディフューザ内では、面積Ａが、流れ方向で、増大する半径ｒを伴って半径方向外方に向かって増大する（Ａ＝２^＊ｐｉ^＊ｒ^＊ｂ，ｂ＝幅）。側壁の開き（平行性からの逸脱）により、ディフューザ通路はベーン間で拡張されるだけではなく、側壁の方向に向かっても拡張され、これにより主に通路部分での減速が強化され得る。このことは、平行壁を有するディフューザに対して、同一の構造長さで強化された減速をもたらし、したがって付加的に改善された圧縮機効率に寄与する。しかし、ディフューザ内において幾何学的な変化により達成可能な減速もしくは所定の運転点のための圧力増大は、制限されている。なぜならば、過度に強く減速した場合、ディフューザ内における層流剥離に基づいて不安定な流れが生じ、このことは圧縮機の特性マップ幅および安定的な運転領域に不都合に作用してしまうからである。

発明の概要
本発明の課題は、遠心式圧縮機のディフューザを最適化して、大きな減速にも拘わらず不安定な流れが生じないようにすることにある。

本発明によれば、この課題は、ディフューザ区分の流入領域において通流面積を著しく拡大することにより達成される。これにより、流れは、本来のディフューザ通路の手前で既により多くの場所を与えられる。このことは、早期の減速と相応する圧力形成をもたらす。したがって、これにより圧縮機の後続の部分構成部材における流れの速度が減じられ、相応して流れ損失が減じられる。さらに、ベーンを備えるディフューザ部分の手間の空間および大部分でベーンを備えるディフューザ領域における、強い圧力形成を伴う強い減速は、特性マップ幅に有利に作用する。

ベーンを備えるディフューザの手前およびベーンを備えるディフューザの流入領域において流れ横断面を著しく拡大することは、側方のディフューザ壁（平行壁または開度を有する壁）において環状に延びるセットバック部を設けることにより行われる。この環状に延びるセットバック部は、好適には、側方のディフューザ壁の回転により製造される。しかし、環状に延びるセットバック部の製造は、比較的大きな製造技術的な手間を伴って、フライス盤によって、またはセットバック部を含むディフューザ壁の直接的な変形加工によっても可能である。セットバック部は、両方の側壁に位置していてもよく、または両側壁のうちの一方の側壁のみに位置していてもよい。セットバック部は、１つまたは複数の段部により形成されてもよい。セットバック部は、斜面として形成されていてもよい。

この場合、セットバック部は、インペラ流出部と、隣り合う２つのベーンの間の最も狭い横断面（スロート）との間の領域に位置している。

スロート内でこのように獲得された面積は、特にディフューザベーン角度が平坦な場合に、減少する流れ損失と組み合わせて、ディフューザ流入部の領域で増す流れ減速を許容する。セットバック部により、ディフューザ角度およびスロート面積は、互いに対して独立して調節され得る。したがって、ディフューザベーン角度が極めて平坦な場合に規定されたスロート面積を達成することができ、このことは、サージ限界に近い、損失を減じられた有利な流入比をもたらす。

本発明を以下に図面につき詳しく説明する。

従来の排ガスターボチャージャを示す概略図であり、ベーンを備える遠心式ディフューザを有する圧縮機側がタービン側よりも詳細に示されている。ケーシング壁においてシュラウド側のセットバック部を有する本発明により構成されたディフューザの圧縮機側を示す部分図である。ケーシング壁において、ハブ側の斜面形のセットバック部を有する、本発明により構成されたディフューザの圧縮機側を示す部分図である。ケーシング壁において、両側のセットバック部を有する、本発明により構成されたディフューザの圧縮機側を示す部分図である。ケーシング壁において、両側の斜面形のセットバック部を有する、本発明により構成されたディフューザの圧縮機側を示す部分図である。ケーシング壁において、両側の多段のセットバック部を有する、本発明により構成されたディフューザの圧縮機側を示す部分図である。ケーシング壁において、シュラウド側の斜面形のセットバック部と、ハブ側の多段のセットバック部とを有する、本発明により構成されたディフューザの圧縮機側の部分図である。

図１は、概略的に図示された排ガスタービン５０を備える排ガスターボチャージャを示している。排ガスタービン５０には、気体流入部５１を介して排ガスターボチャージャによりチャージすべき内燃機関の排ガスが供給されている。排ガス流内に含まれるエネルギは、タービン内で、シャフト３０を介してタービンのホイールに結合された圧縮機インペラを駆動するための回転エネルギへと変換される。圧縮機インペラは、ハブ１０と、ハブに配置された多数のブレード１１とを含んでいる。シャフト３０は、軸受ケーシング４０内で回転可能に支承されている。圧縮機インペラ自体は、軸受ケーシング４０に隣接する圧縮機ケーシング２内に配置されている。圧縮機ケーシングは、図示の実施形態では、外側部分、つまり外側の圧縮機ケーシング２２と、挿入された内側部分、つまり内側の圧縮機ケーシング２０とを含んでいる。圧縮機インペラのハブおよび軸受ケーシングの壁部分と一緒に、圧縮機ケーシングの種々異なる部分は、圧縮すべき空気質量のための流れ通路を画定している。図において矢印で示されているように、圧縮すべき空気は軸方向で圧縮機インペラに供給される。圧縮機インペラのブレードの領域では、流れ通路はハブ１０と、内側の圧縮機ケーシング２０とにより画定されている。この区分において、流れは軸方向から半径方向へと方向転換させられる。次いで流れは、ディフューザの領域に流入する。ディフューザは、圧縮機インペラの流出部から外側の圧縮機ケーシング内の集合室２４に至るまでの流れ区分２３を形成する。集合室は、螺旋形に形成されており、この場合、螺旋部の幅広の端部において、給気冷却器または内燃機関の空気流入部に向かう方向で空気流が圧縮機から流出する。

ディフューザ領域は、実質的に環状の中空室であり、この中空室は両側で円環面状の壁により画定されている。圧縮機インペラのブレードから見て、シュラウド側（ブレード先端側）の壁部分２１、ハブ側の壁部分４１と呼ばれる。圧縮機インペラ流出部から螺旋形の集合室内への開口にまで延びている両方の壁部分２１，４１は、図示された実施形態では、描かれているシャフト軸線に対して垂直に延びている。任意では、冒頭で述べたように、シュラウド側の壁領域またはハブ側の壁領域もしくは両方の壁領域が、厳密な半径方向から逸脱していてもよく、これにより僅かに開いた壁の延在が生じる。

冒頭で述べたように、ディフューザ領域はベーンを設けられていてもよく、全周に沿って配置された多数のガイドベーン２５を備えている。これらのガイドベーンは、通常、流れをガイドするための成形されたベーン、楔形ベーン、または円弧状ベーンとして形成されている。ガイドベーンは規則的にまたは非規則的に分配されて、同一のまたは異なる半径方向の高さに配置されていてもよく、かつ同一にまたは互いに異なって成形されていてもよい。隣り合って配置された２つのガイドベーンの間には、最も狭い横断面を備えるそれぞれ１つの箇所が存在しており、この箇所は専門用語ではスロート（のど部）と呼ばれる。

図２〜図７には、本発明により流れ通路横断面を拡大されたディフューザの種々異なる実施形態が示されている。図２および図３は、互いに異なる構成の、片側に配置されたセットバック部を示しており、図４〜図７は、互いに異なる構成の、両側に配置されたセットバック部を示している。

図２に示した実施形態では、ディフューザを画定する壁部分４１を備えるハブ側のケーシング壁は、圧縮機インペラの流出部に整合しているので、ハブ側では流れ横断面の拡張は行われていない。その代わりに、流れ横断面の拡張は、反対の側に位置するシュラウド側で見ることができる。この第１の実施形態では、セットバック部２１１は、直角の段部として形成されており、この段部は、ケーシング壁に対して約９０°の角度で延びている。任意では、この角度はより鋭くてもよく、これによりセットバック部は、傾斜した斜面の形になる。

図３に示した実施形態は、そのような斜面形のセットバック部を有している。しかし、この実施形態では、片側の横断面拡張部がハブ側に配置されており、つまり軸受ケーシングに所属する壁部分４１に配置されている。圧縮機インペラの流出部における流れ通路２３１は、ハブ側のセットバック部４０２に基づいて、流れ方向で、ディフューザのガイドベーン２５の手前およびガイドベーン２５の領域の流れ通路区分２３２の横断面拡張部に拡張する。任意では、角度は、９０度までのあまり尖っていない角度であってもよく、これによりセットバック部は、より急な斜面またはそれどころか直角の段部になる。

図４および図５は、上述の片側の横断面拡張部を両側で実施して示している。まず、両側の、直角のセットバック部２１１および４０１を備えた横断面拡張部、次いで両側の斜面形のセットバック部２１２，４０２を備えた横断面拡張部を示している。

説明された片側または両側のセットバック部はそれぞれ、複数の半径方向で離間した部分段から構成されていてもよく、部分段自体は、ケーシング壁に対してそれぞれ同一の角度または互いに異なる角度を有していてもよい。多段のセットバック部２１３，４０３を備える相応に構成された両側の横断面拡張部は、図６に図示されている。

最終的には、図７に示されているように、互いに異なって形成された両側のセットバック部を互いに組み合わせることもできる。この場合、ハブ側の多段のセットバック部４０３とシュラウド側の斜面形のセットバック部２１２との図示された組み合わせは、１つの可能な組み合わせでしかない。あらゆる組み合わせ可能性が可能であり、以下の請求項により保護されている。

横断面を拡張するセットバック部が両側に配置されている場合、これらのセットバック部は同一の半径方向の高さに配置されていてもよく、これにより流れ方向では全体として唯１つの横断面拡張部が生じる。択一的には、これらの両側のセットバック部が、互いに異なる半径方向の高さに配置されていてもよく、これにより全体として、２つの連続する横断面拡張部が生じるか、または多段または斜面形のセットバック部の場合には、比較的大きい横断面拡張部が連続的に比較的大きな区分にわたって生じる。

図示された実施形態では、それぞれのセットバック部が、流れ方向で明らかにガイドベーンの流入エッジ２５１の手前に配置されている。しかし、本発明によれば、横断面拡張部が、隣り合って配置された２つのガイドベーンの間のそれぞれ最も狭い箇所の手前に形成されている場合に、特に効果的である。この場合、セットバック部は、隣り合って配置された２つのガイドベーンの間のこの最も狭い箇所（スロート）の半径方向の高さよりも小さい半径方向の高さに配置されている。

１０圧縮機インペラのハブ
１１圧縮機インペラのブレード
２圧縮機ケーシング（２０−２４を含む）
２０内側の圧縮機ケーシング
２１円環面状の壁部分（シュラウド側）
２１１ディフューザ横断面を拡張するためのセットバック部（シュラウド側）
２１２ディフューザ横断面を拡張するための傾斜したセットバック部（シュラウド側）
２１３ディフューザ横断面を拡張するための多段のセットバック部（シュラウド側）
２２外側の圧縮機ケーシング（螺旋ケーシング）
２３ディフューザ領域の流れ通路
２３１ディフューザ領域の流れ通路区分
２３２ディフューザ領域の横断面拡張された流れ通路区分
２４外側の圧縮機ケーシング内の集合室（螺旋部）
２５ディフューザのガイドベーン
２５１ガイドベーンの流入エッジ
３０ターボチャージャのシャフト
４０軸受ケーシング
４１円環面状の壁部分（ハブ側）
４１１ディフューザ横断面を拡張するためのセットバック部（ハブ側）
４１２ディフューザ横断面を拡張するための傾斜したセットバック部（ハブ側）
４１３ディフューザ横断面を拡張するための多段のセットバック部（ハブ側）
５０タービン
５１気体流入部（内燃機関からの排ガスの供給部）
５２気体流出部（タービンから排気管への排ガスの導出部）

Claims

円環面状の２つの壁部分（２１，４１）により画定され、半径方向外方に向かって開放した流れ通路（２３）を有しており、該流れ通路（２３）は、半径方向内側に位置する流入開口を備えている、遠心式圧縮機のディフューザであって、
環状に延びるセットバック部に基づいて、軸方向で、前記流れ通路の前記壁部分のうちの少なくとも１つの壁部分に、半径方向内側に位置する前記流入開口を起点として、流れ方向で半径方向外方に向かって横断面拡張部（２３２）が設けられていることを特徴とする、遠心式圧縮機のディフューザ。
前記壁部分（２１，４１）の間に配置された複数のガイドベーン（２５）を有する、請求項１記載の遠心式圧縮機のディフューザ。
隣り合う２つのガイドベーンの間に、それぞれ１つの最も狭い箇所が形成されており、少なくとも１つの前記セットバック部は、軸方向で、隣り合う２つのガイドベーンの間の前記最も狭い箇所の半径方向の高さよりも小さな半径方向の高さに配置されており、したがって前記流れ通路の前記横断面拡張部は、流れ方向で、隣り合う２つのガイドベーンの間の前記最も狭い箇所の手前に設けられている、請求項２記載の遠心式圧縮機のディフューザ。
前記ガイドベーン（２５）は、それぞれ１つの流入エッジ（２５１）を有していて、少なくとも１つの前記セットバック部は、軸方向で、前記ガイドベーンの前記流入エッジ（２５１）の半径方向の高さよりも小さな半径方向の高さに配置されており、したがって前記流れ通路の前記横断面拡張部は、流れ方向で、前記ガイドベーンの手前に設けられている、請求項２または３記載の遠心式圧縮機のディフューザ。
前記セットバック部は、前記両方の壁部分のうちの少なくとも１つの壁部分において、前記各壁部分に対して４５°〜９０°の角度で設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の遠心式圧縮機のディフューザ。
前記セットバック部は、前記両方の壁部分のうちの少なくとも１つの壁部分において、それぞれ１つの軸方向の部分セットバック部を備える、半径方向で離間した複数の段部で設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の遠心式圧縮機のディフューザ。
前記各部分セットバック部は、前記両方の壁部分のうちの少なくとも１つの壁部分において、前記各壁部分に対して４５°〜９０°の角度で設けられている、請求項５記載の遠心式圧縮機のディフューザ。
前記両方の壁部分において、セットバック部が配置されており、前記両方の壁部分の前記セットバック部は、同一の半径方向の高さに設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の遠心式圧縮機のディフューザ。
前記両方の壁部分において、セットバック部が配置されており、前記両方の壁部分の前記セットバック部は、互いに異なる半径方向の高さに設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の遠心式圧縮機のディフューザ。
請求項１から８までのいずれか１項記載のディフューザを有する遠心式圧縮機。
請求項９記載の遠心式圧縮機を有する排ガスターボチャージャ。