JP2021032106A - ベーンドディフューザ及び遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】ベーンドディフューザにおけるディフューザ性能を向上させる。【解決手段】一実施形態に係るベーンドディフューザは、遠心圧縮機のインペラの下流側に設けられるベーンドディフューザであって、ハブ側面および前記ハブ側面と対向するシュラウド側面を含み、前記インペラの下流側に環状のディフューザ流路を形成するディフューザ流路形成部と、前記ディフューザ流路に前記インペラの周方向に間隔をあけて設けられた複数のディフューザ翼と、を備え、前記複数のディフューザ翼の各々と、前記ハブ側面および前記シュラウド側面の少なくとも一方との接続部には、フィレットが形成され、前記フィレットの半径をＲ、前記複数のディフューザ翼の各々の翼高さをｂとした場合に、前記ディフューザ流路のスロート位置の下流側におけるＲ／ｂの最大値は、前記ディフューザ流路の前記スロート位置の上流側におけるＲ／ｂの最大値よりも大きい。【選択図】図１０

Description

本開示は、ベーンドディフューザ及び遠心圧縮機に関する。

車両用、舶用及び産業用のターボチャージャのコンプレッサ部等に用いられる遠心圧縮機は、羽根車の回転を介して流体に運動エネルギーを与えるとともに、径方向外側に流体を吐出することで遠心力による圧力上昇を得るものである。
遠心圧縮機の性能向上のために様々な工夫がなされている。その一つとして、遠心圧縮機のインペラの下流側に設けられるベーンドディフューザにおける静圧回復性能（ディフューザ性能）の向上が挙げられる。例えば特許文献１には、ディフューザ翼の翼角と流体の流れ角との差であるインシデンスを小さくすることでディフューザ性能の低下を抑制する技術が記載されている（特許文献１参照）。

特開２００４−９２４８２号公報

上述した特許文献１に記載の遠心圧縮機では、インシデンスの翼高さ方向の分布を考慮することにより、ディフューザ性能の低下をより有効に抑制するようにしている。しかし、遠心圧縮機の性能向上の観点から、更なるディフューザ性能の向上が求められている。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、ベーンドディフューザにおけるディフューザ性能を向上させることを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るベーンドディフューザは、
遠心圧縮機のインペラの下流側に設けられるベーンドディフューザであって、
ハブ側面および前記ハブ側面と対向するシュラウド側面を含み、前記インペラの下流側に環状のディフューザ流路を形成するディフューザ流路形成部と、
前記ディフューザ流路に前記インペラの周方向に間隔をあけて設けられた複数のディフューザ翼と、を備え、
前記複数のディフューザ翼の各々と、前記ハブ側面および前記シュラウド側面の少なくとも一方との接続部には、フィレットが形成され、
前記フィレットの半径をＲ、前記複数のディフューザ翼の各々の翼高さをｂとした場合に、前記ディフューザ流路のスロート位置の下流側におけるＲ／ｂの最大値は、前記ディフューザ流路の前記スロート位置の上流側におけるＲ／ｂの最大値よりも大きい。

一般的にディフューザ流路では、静圧回復のために下流側に向かうにつれて流体の流速が低下するように、下流側に向かうにつれて流路断面積が大きくなるように形成されている。また、上記接続部の近傍では、交差する２つの壁面であるディフューザ翼とハブ側面のそれぞれから、又は、ディフューザ翼とシュラウド側面のそれぞれから流体が影響を受けるため、特に流体の流速が低下し易い。ディフューザ流路では、静圧回復による静圧の上昇により、ディフューザ流路の下流側の方が静圧が高くなるが、上記接続部の近傍において流体の流速が低下することで、ディフューザ流路の下流側に向かうにつれて高くなる静圧の影響を受けて流体の逆流が生じるおそれがある。そのため、上記接続部から流体の流れが剥離して、有効な流路断面積が狭くなってしまい、静圧回復性能が低下するおそれがある。

ここで、上記Ｒ／ｂを大きくすると、上記接続部に形成されるフィレットの半径Ｒが大きくなるので、上記接続部において、ハブ側面やシュラウド側面とディフューザ翼とがフィレットを介してなだらかに接続されるようになり、交差する２つの壁面からの影響を受け難くなるので、上記接続部の近傍で流体の流速の低下が抑制される。そのため、上述したような逆流の発生を抑制して、流体の剥離を抑制できる。また、上記Ｒ／ｂを大きくすると、上記Ｒ／ｂが小さい場合と比べて流路断面積が減少するので、流体の流速が必要以上に低下することを抑制でき、上述したような逆流がより発生し難くなり、流体の剥離を抑制できる。なお、静圧回復の観点から、ディフューザ流路では、下流側に向かうにつれて流路断面積をより増加させて流体の流速をより低下させる方が望ましいが、流体の流速が過度に低下して上述したような逆流や剥離が生じてしまうと、ディフューザ性能が大きく低下してしまう。そのため、上記Ｒ／ｂを大きくすることで下流側に向かうにつれて増加する流路断面積の増加量を抑制し、上述したような逆流や剥離を抑制することができ、ディフューザ性能の向上につながる。

一方、ディフューザ流路のスロート位置よりも上流側では、流路断面積をできるだけ大きくとることがディフューザ性能の向上を図る上で望ましい。そのため、ディフューザ流路のスロート位置よりも上流側では、上記Ｒ／ｂは小さい方がよい。
上記（１）の構成によれば、ディフューザ流路のスロート位置の下流側におけるＲ／ｂの最大値がディフューザ流路のスロート位置の上流側におけるＲ／ｂの最大値よりも大きいので、上述したような逆流や剥離を抑制しつつ、ディフューザ流路のスロート位置よりも上流側において流路断面積をできるだけ大きくとることができるので、ディフューザ性能の効果的に向上できる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記ディフューザ流路の前記スロート位置の下流側におけるＲ／ｂの最大値は、０．２以上である。

本発明者の知見によれば、ディフューザ流路における境界層厚さ、すなわち壁面付近での流体の流速が比較的低い領域の厚さは、ディフューザ翼の翼高さの約２０％程度である。このため、上記（２）の構成によれば、Ｒ／ｂの最大値を０．２以上とすることで、フィレットの翼高さ方向の寸法がディフューザ翼の翼高さの２０％以上となるので、上記接続部の近傍で流体の流速の低下が効果的に抑制される。したがって、上述したような逆流や剥離を効果的に抑制できる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、前記ディフューザ流路の前記スロート位置の下流側における少なくとも一部の区間のＲ／ｂは、前記ディフューザ翼の後縁側に向かって大きくなっている。

本発明者の知見によれば、上述したような逆流や剥離は、ディフューザ流路の下流側に向かう程に発達する。そのため、上記（３）の構成によれば、ディフューザ翼の後縁側に向かってＲ／ｂを大きくすることで、上述したような逆流や剥離を効果的に抑制できる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、前記ディフューザ流路の前記スロート位置の下流側における少なくとも一部の区間のＲ／ｂは、前記ディフューザ翼の後縁側に向かって線形的に大きくなっている。

本発明者の知見によれば、ディフューザ翼の後縁側に向かうにつれてディフューザ流路の流路断面積が線形的に変化する方が非線形的に変化する場合よりもディフューザ性能が良好である。このため、例えばディフューザ翼が平板部材などで直線状に形成されている場合などにおいて、上記（４）の構成のようにＲ／ｂをディフューザ翼の後縁側に向かって線形的に大きく形成することで、ディフューザ流路の流路断面積を線形的に変化させることが可能となる。これにより、ディフューザ性能が良好となる。
また、上記（４）の構成によれば、フィレットの半径Ｒが線形的に変化するようにフィレットを形成するため、製造が容易である。

（５）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、前記ディフューザ流路の前記スロート位置の下流側における少なくとも一部の区間のＲ／ｂは、前記ディフューザ翼の後縁側に向かって、前記後縁側に向かうにつれて変化量が大きくなるように曲線的に大きくなっている。

本発明者の知見によれば、ディフューザ翼の後縁側に向かうにつれてディフューザ流路の流路断面積が線形的に変化する方が非線形的に変化する場合よりもディフューザ性能が良好である。このため、例えばディフューザ翼が後縁側に向かって非線形的な曲線状に形成されている場合などにおいて、Ｒ／ｂをディフューザ翼の後縁側に向かうにつれて変化量が大きくなるように（すなわち下向きに凸となるように）曲線的に大きく形成することで、ディフューザ流路の流路断面積を線形的に変化させることが可能となる。これにより、ディフューザ性能が良好となる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、
前記フィレットは、前記複数のディフューザ翼の各々の圧力面および負圧面の夫々に形成され、
前記圧力面に形成されている前記フィレットの半径をＲ_Ｐ、前記負圧面に形成されている前記フィレットの半径をＲ_Ｓとした場合に、前記圧力面に形成されている前記フィレットのＲ_Ｐ／ｂの分布と、前記負圧面に形成されている前記フィレットのＲ_Ｓ／ｂの分布とは、互いに異なっている。

本発明者の知見によれば、ディフューザ流路における境界層の厚さは、圧力面側と負圧面側とで異なっている。このため、上記（６）の構成のように、圧力面に形成されているフィレットのＲ_Ｐ／ｂの分布と、負圧面に形成されているフィレットのＲ_Ｓ／ｂの分布とを、夫々の面において形成される境界層の厚さに応じて互いに異なるように形成することで、ディフューザ性能を向上できる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、前記ディフューザ流路のスロート位置の下流側におけるＲ_Ｐ／ｂの最大値は、前記ディフューザ流路の前記スロート位置の下流側におけるＲ_Ｓ／ｂの最大値よりも大きい。

本発明者の知見によれば、遠心圧縮機のある作動点においては、圧力面側の方が負圧面側よりも境界層が厚く形成される。このため、上記（７）の構成のように、スロート位置の下流側における圧力面側のＲ_Ｐ／ｂの最大値を、負圧面側のＲ_Ｓ／ｂの最大値よりも大きくすることで、二次流れを誘起し圧力面側境界層が薄くなるため、ディフューザ性能を向上できる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかの構成において、前記フィレットは、前記複数のディフューザ翼の各々と前記ハブ側面との接続部のみ、又は、前記複数のディフューザ翼の各々と前記シュラウド側面との接続部のみに形成される。

上記のフィレットは、複数のディフューザ翼の各々とハブ側面との接続部のみ、又は、複数のディフューザ翼の各々とシュラウド側面との接続部のみに形成されるだけであっても、ディフューザ性能の向上に寄与する。したがって、上記（８）の構成によれば、ディフューザ性能を向上できる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかの構成において、
前記インペラは、前記インペラの周方向に間隔をあけて設けられた複数の羽根を含み、
前記複数の羽根の各々の先端は、前記遠心圧縮機のケーシングの内面に対して所定の隙間を存して配置されており、
前記フィレットは、少なくとも、前記複数のディフューザ翼の各々と前記シュラウド側面との接続部に形成される。

上記（９）の構成によれば、複数の羽根の各々の先端は、遠心圧縮機のケーシングの内面に対して所定の隙間を存して配置されている。すなわち、上記（９）の構成によれば、インペラは、環状のシュラウド部材を有さない所謂オープンタイプインペラとして構成されている。
本発明者の知見によれば、オープンタイプインペラを有する遠心圧縮機では、羽根のチップクリアランスからの漏れ流れの影響により、ハブ側面よりもシュラウド側面の方が厚い境界層が形成される。
したがって、上記（９）の構成によれば、複数のディフューザ翼の各々とシュラウド側面との接続部にフィレットを形成することで、オープンタイプインペラに対するディフューザ性能の向上を図ることができる。

（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係る遠心圧縮機は、
インペラと、
上記（１）乃至（９）の何れかの構成のベーンドディフューザと、を備える。

上記（１０）の構成によれば、上記（１）乃至（９）の何れかの構成のベーンドディフューザを備えるので、ディフューザ性能の効果的に向上でき、遠心圧縮機の効率が向上する。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、ベーンドディフューザにおけるディフューザ性能を向上できる。

一実施形態に係る遠心圧縮機の軸方向に沿った概略断面図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ矢視図である。 図２におけるＩＩＩ矢視図である。 図２におけるＩＶ矢視図である。 図２におけるＶ矢視図である。 図２におけるＶＩ矢視図である。 ４つの接続部のうちの２つにフィレットが形成されている例を示す模式的な図である。 ４つの接続部のうちの３つにフィレットが形成されている例を示す模式的な図である。 ４つの接続部の全てにフィレットが形成されている例を示す模式的な図である。 幾つかの実施形態において、フィレットの半径Ｒの大きさがディフューザ翼の前縁から後縁にかけてどのように変化するのかを表したグラフの例である。 幾つかの実施形態において、フィレットの半径Ｒの大きさがディフューザ翼の前縁から後縁にかけてどのように変化するのかを表したグラフの例である。 幾つかの実施形態において、フィレットの半径Ｒの大きさがディフューザ翼の前縁から後縁にかけてどのように変化するのかを表したグラフの例である。 幾つかの実施形態において、フィレットの半径Ｒの大きさがディフューザ翼の前縁から後縁にかけてどのように変化するのかを表したグラフの例である。 ディフューザ流路における境界層及び２次流れについて説明するための図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、一実施形態に係る遠心圧縮機１００の軸方向に沿った概略断面図である。図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ矢視図であり、後述するベーンドディフューザ１０について説明するための模式的な図である。図３は、図２におけるＩＩＩ矢視図である。図４は、図２におけるＩＶ矢視図である。図５は、図２におけるＶ矢視図である。図６は、図２におけるＶＩ矢視図である。
なお、遠心圧縮機１００は、例えば、自動車用又は舶用のターボチャージャや、その他産業用遠心圧縮機、送風機等に適用可能である。
以下の説明では、後述するインペラ２０の軸線方向、すなわち回転中心Ｏの延在方向を軸方向と呼ぶ。軸方向のうち、遠心圧縮機１００に流入する流体の流れに沿った上流側を軸方向上流側とし、その反対側を軸方向下流側とする。なお、後述する図３〜図９では、軸方向上流側をシュラウド側と呼び、軸方向下流側をハブ側と呼ぶ。
また、以下の説明では、回転中心Ｏを中心としたインペラ２０の径方向を単に径方向とも呼ぶ。径方向のうち、回転中心Ｏに近づく方向を径方向内側とし、回転中心Ｏから遠ざかる方向を径方向外側とする。
以下の説明では、回転中心Ｏを中心としたインペラ２０の回転方向に沿った方向を単に周方向とも呼ぶ。
なお、以下の説明では、単に上流側と呼ぶ場合、方向の説明に係る部位や領域における流体の主たる流れの方向に沿った上流側を指すものとする。同様に、以下の説明では、単に下流側と呼ぶ場合、方向の説明に係る部位や領域における流体の主たる流れの方向に沿った下流側を指すものとする。

幾つかの実施形態に係る遠心圧縮機１００は、例えば図１に示すように、インペラ２０と、ケーシング３とを含む。ケーシング３は、インペラ２０の外周側にスクロール流路４を形成するスクロール部６と、インペラ２０の下流側に設けられ、インペラ２０で圧縮された流体（圧縮空気）をスクロール流路４に供給するためのベーンドディフューザ１０とを備える。

幾つかの実施形態では、インペラ２０は、インペラ２０の周方向に間隔をあけて設けられた複数の羽根２１を含む。複数の羽根２１のそれぞれは、インペラ２０のハブ面２０ａに立設されている。
幾つかの実施形態では、複数の羽根２１の各々の先端２１ａは、ケーシング３の内面３ａに対して所定の隙間を存して配置されている。すなわち、幾つかの実施形態に係るインペラ２０は、環状のシュラウド部材を有さないオープンタイプインペラとして構成されている。

幾つかの実施形態に係るベーンドディフューザ１０は、インペラ２０の下流側に環状のディフューザ流路８を形成するディフューザ流路形成部１１と、ディフューザ流路８にインペラ２０の周方向に間隔をあけて設けられた複数のディフューザ翼３０とを備える。
なお、インペラ２０の軸方向に沿った断面において（すなわち図１における紙面上で）、スクロール流路４は円形形状を有しており、ディフューザ流路８は直線状に形成されている。

ディフューザ流路形成部１１は、ディフューザ流路８をインペラ２０の軸方向に挟んで設けられた一対の流路壁１３，１５によって構成される。一対の流路壁１３，１５のうち、ハブ側の流路壁１３は、ディフューザ流路８に面したハブ側面１３ａを有し、シュラウド側の流路壁１５は、ハブ側面１３ａと対向するとともにディフューザ流路８に面したシュラウド側面１５ａを有する。
なお、図１においては、スクロール部６とディフューザ流路形成部１１に便宜的に異なるハッチングを付しているが、ケーシング３は、スクロール部６とディフューザ流路形成部１１との境界位置に関わらない任意の箇所で連結された複数のケーシング部品で構成されていてもよい。また、ケーシング３は、インペラ２０を収容するコンプレッサハウジングの他に、インペラ２０を回転可能に支持する軸受を収容するベアリングハウジングの一部を含んでいても良い。

例えば図２によく示すように、複数のディフューザ翼３０の各々は、ディフューザ翼３０の径方向内側の端部である前縁３１から径方向外側の端部である後縁３３にかけて延在する圧力面側の壁面３０ａと、圧力面側の壁面３０ａとは翼厚方向に沿って反対側に設けられた負圧面側の壁面３０ｂとを有する。以下の説明では、圧力面側の壁面３０ａを単に圧力面３０ａとも呼び、負圧面側の壁面３０ｂを単に負圧面３０ｂとも呼ぶ。幾つかの実施形態では、ディフューザ翼３０の背側の壁面が圧力面３０ａであり、腹側の壁面が負圧面３０ｂである。
周方向に沿って互いに隣接する一対のディフューザ翼３０において、一方のディフューザ翼３０の圧力面３０ａと、他方のディフューザ翼３０の負圧面３０ｂとが対向している。一対のディフューザ翼３０間の流路面積が最小になる位置をスロート４１と呼ぶ。図２において、スロート４１の存在する領域を破線で示している。以下の説明では、スロート４１が存在する領域の位置をスロート位置４１ａとも呼ぶ。

幾つかの実施形態に係る遠心圧縮機１００では、遠心圧縮機１００の性能向上のために、ベーンドディフューザ１０におけるディフューザ性能を向上させるようにしている。以下、幾つかの実施形態に係るベーンドディフューザ１０について詳細に説明する。
幾つかの実施形態に係るベーンドディフューザ１０には、複数のディフューザ翼３０の各々とハブ側面１３ａとの接続部４３、及び、複数のディフューザ翼３０の各々とシュラウド側面１５ａとの接続部４５とが存在する。すなわち、幾つかの実施形態に係るベーンドディフューザ１０には、圧力面３０ａとハブ側面１３ａとを接続する接続部４３、負圧面３０ｂとハブ側面１３ａとを接続する接続部４３、圧力面３０ａとシュラウド側面１５ａとを接続する接続部４５、及び、負圧面３０ｂとシュラウド側面１５ａとを接続する接続部４５の４つの接続部４３、４５が存在する。
幾つかの実施形態に係るベーンドディフューザ１０では、図４〜図６に示すように、上述した４つの接続部４３、４５のうち、少なくとも１つの接続部にフィレット５０が形成されている。なお、図４〜図６に示した例では、負圧面３０ｂとハブ側面１３ａとを接続する接続部４３にフィレット５０が形成されている。

なお、幾つかの実施形態に係るフィレット５０は、所謂隅Ｒ部とも呼ばれる隅部の円弧、すなわち壁面同士が交差する部分においてベーンドディフューザ１０の形成の過程で意図せずとも形成されてしまう隅部の円弧とは異なり、意図して形成した円弧である。フィレット５０の半径は、意図せずに形成された隅部の円弧の半径よりも大きな曲率半径を有する。なお、幾つかの実施形態では、意図せずに形成された隅部の円弧の半径をＲａとするとＲａ／ｂは、おおよそ０．０５から０．１程度の大きさとなる。なお、フィレット５０は、完全な円弧の形状でなくてもよく、略円弧の形状であればよい。

幾つかの実施形態に係るフィレット５０は、負圧面３０ｂとハブ側面１３ａとを接続する接続部４３ではなく、この接続部４３以外の３つの接続部４３、４５の何れか１つに形成されていてもよい。
また、幾つかの実施形態に係るフィレット５０は、４つの接続部４３、４５のうちの何れか２つに形成されていてもよい。例えば、図７は、４つの接続部４３、４５のうちの２つにフィレット５０が形成されている例を示す模式的な図である。図７に示す例では、幾つかの実施形態に係るフィレット５０は、負圧面３０ｂとハブ側面１３ａとを接続する接続部４３、及び、負圧面３０ｂとシュラウド側面１５ａとを接続する接続部４５に形成されている。

また、幾つかの実施形態に係るフィレット５０は、４つの接続部４３、４５のうちの何れか３つに形成されていてもよい。例えば、図８は、４つの接続部４３、４５のうちの３つにフィレット５０が形成されている例を示す模式的な図である。図８に示す例では、幾つかの実施形態に係るフィレット５０は、負圧面３０ｂとハブ側面１３ａとを接続する接続部４３、負圧面３０ｂとシュラウド側面１５ａとを接続する接続部４５、及び、圧力面３０ａとハブ側面１３ａとを接続する接続部４３に形成されている。

さらに、幾つかの実施形態に係るフィレット５０は、４つの接続部４３、４５の全てに形成されていてもよい。例えば、図９は、４つの接続部４３、４５の全てにフィレット５０が形成されている例を示す模式的な図である。

図１０〜図１３は、幾つかの実施形態において、フィレット５０の半径Ｒの大きさがディフューザ翼３０の前縁３１から後縁３３にかけてどのように変化するのかを表したグラフの例である。図１０〜図１３では、腹側の壁面３０ｂ、すなわち負圧面３０ｂにおける前縁３１から後縁３３までの位置を横軸にとり、フィレット５０の半径Ｒをディフューザ翼３０の翼高さｂで除したＲ／ｂの値を縦軸にとった。
なお、図１０〜図１３におけるグラフ７１〜７４は単なる例示であり、本発明はこれに限定されない。

例えば、図１０のグラフ７１や図１３のグラフ７４に示すように、前縁３１からスロート位置４１ａまではフィレット５０を設けず、スロート位置４１ａ以降にフィレット５０を設け、スロート位置４１ａよりも後縁３３側においてＲ／ｂの値が０．２以上となるようにしてもよい。なお、以下の説明では、以降とは、基準となる位置と該位置よりも後縁３３側とを指すこととする。例えば、スロート位置４１ａ以降とは、スロート位置４１ａ位置とスロート位置４１ａよりも後縁３３側とを指す。

また、例えば、図１１のグラフ７２で示すように、前縁３１側からスロート位置４１ａよりも前縁３１側の位置Ｃ２まではフィレット５０を設けず、位置Ｃ２以降にフィレット５０を設け、スロート位置４１ａにおいてＲ／ｂの値が０．２以上となるようにしてもよい。

例えば、図１２のグラフ７３で示すように、前縁３１側からスロート位置４１ａよりも後縁３３側の位置Ｃ３まではフィレット５０を設けず、位置Ｃ３以降にフィレット５０を設け、位置Ｃ３よりも後縁３３側の位置においてＲ／ｂの値が０．２以上となるようにしてもよい。

なお、図１０のグラフ７１ａや、図１１におけるグラフ７２ａ、図１２におけるグラフ７３ａのように、スロート位置４１ａよりも後縁３３側の位置Ｃ１以降でＲ／ｂの値を一定としてもよい。
また、図１０のグラフ７１ｂや、図１１におけるグラフ７２ｂ、図１２におけるグラフ７３ｂのように、スロート位置４１ａよりも後縁３３側の位置Ｃ１以降でＲ／ｂの値が漸増するようにしてもよい。
また、図１０のグラフ７１ｃや、図１１におけるグラフ７２ｃ、図１２におけるグラフ７３ｃのように、スロート位置４１ａよりも後縁３３側の位置Ｃ１以降でＲ／ｂの値が漸減するようにしてもよい。

図１０〜１２のグラフ７１〜７３のように、Ｒ／ｂの値を線形的に変化させてもよく、図１３のグラフ７４のように、Ｒ／ｂの値を曲線的（非線形的）に変化させてもよい。
また、図１３のグラフ７４ａ，７４ｃのように、スロート位置４１ａ以降又はスロート位置４１ａよりも後縁３３側の位置以降でＲ／ｂの値を漸増させてもよく、図１３のグラフ７４ｂのように、スロート位置４１ａよりも後縁３３側の位置Ｃ４以降でＲ／ｂの値を漸減させてもよい。
なお、図１３のグラフ７４ａのように、後縁側に向かうにつれてＲ／ｂの値の変化量が小さくなるようしてもよく、図１３のグラフ７４ｃのように、後縁側に向かうにつれてＲ／ｂの値の変化量が大きくなるようしてもよい。
また、図１０〜１３のグラフ７１ｃ，７２ｃ，７３ｃ，７４ｂのように後縁３３側に向かうにつれてＲ／ｂの値を漸減させる場合には、Ｒ／ｂの値を漸減させる区間の一部においてＲ／ｂの値が０．２未満となってもよい。
Ｒ／ｂの値を変化させるために、流体の流れに沿った方向及び軸方向にディフューザ翼３０の翼厚ｔを変化させてもよい。なお、ここで、翼厚ｔは、ディフューザ翼３０のキャンバーラインから翼面までの距離とする。

図１０〜１３に示すように、幾つかの実施形態に係るベーンドディフューザ１０では、フィレット５０の半径をＲ、複数のディフューザ翼３０の各々の翼高さをｂとした場合に、ディフューザ流路８のスロート位置４１ａの下流側におけるＲ／ｂの最大値は、ディフューザ流路８のスロート位置４１ａの上流側におけるＲ／ｂの最大値よりも大きい。

一般的にディフューザ流路８では、静圧回復のために下流側に向かうにつれて流体の流速が低下するように、下流側に向かうにつれて流路断面積が大きくなるように形成されている。また、上記接続部４３，４５の近傍では、交差する２つの壁面であるディフューザ翼３０とハブ側面１３ａのそれぞれから、又は、ディフューザ翼３０とシュラウド側面１５ａのそれぞれから流体が影響を受けるため、特に流体の流速が低下し易い。ディフューザ流路８では、静圧回復による静圧の上昇により、ディフューザ流路８の下流側の方が静圧が高くなるが、上記接続部４３，４５の近傍において流体の流速が低下することで、ディフューザ流路８の下流側に向かうにつれて高くなる静圧の影響を受けて流体の逆流が生じるおそれがある。そのため、上記接続部４３，４５から流体の流れが剥離して、有効な流路断面積が狭くなってしまい、静圧回復性能が低下するおそれがある。

ここで、上記Ｒ／ｂを大きくすると、上記接続部４３，４５に形成されるフィレット５０の半径Ｒが大きくなるので、上記接続部４３，４５において、ハブ側面１３ａやシュラウド側面１５ａとディフューザ翼３０とがフィレット５０を介してなだらかに接続されるようになり、交差する２つの上記壁面からの影響を受け難くなるので、上記接続部４３，４５の近傍で流体の流速の低下が抑制される。そのため、上述したような逆流の発生を抑制して、流体の剥離を抑制できる。また、上記Ｒ／ｂを大きくすると、上記Ｒ／ｂが小さい場合と比べて流路断面積が減少するので、流体の流速が必要以上に低下することを抑制でき、上述したような逆流がより発生し難くなり、流体の剥離を抑制できる。なお、静圧回復の観点から、ディフューザ流路８では、下流側に向かうにつれて流路断面積をより増加させて流体の流速をより低下させる方が望ましいが、流体の流速が過度に低下して上述したような逆流や剥離が生じてしまうと、ディフューザ性能が大きく低下してしまう。そのため、上記Ｒ／ｂを大きくすることで下流側に向かうにつれて増加する流路断面積の増加量を抑制することで、上述したような逆流や剥離を抑制することができ、ディフューザ性能の向上につながる。

一方、ディフューザ流路８のスロート位置４１ａよりも上流側では、流路断面積をできるだけ大きくとることがディフューザ性能の向上を図る上で望ましい。そのため、ディフューザ流路８のスロート位置４１ａよりも上流側では、上記Ｒ／ｂは小さい方がよい。
幾つかの実施形態によれば、ディフューザ流路８のスロート位置４１ａの下流側におけるＲ／ｂの最大値がディフューザ流路８のスロート位置４１ａの上流側におけるＲ／ｂの最大値よりも大きいので、上述したような逆流や剥離を抑制しつつ、ディフューザ流路８のスロート位置よりも上流側において流路断面積をできるだけ大きくとることができるので、ディフューザ性能の効果的に向上できる。

なお、幾つかの実施形態に係るベーンドディフューザ１０では、複数のディフューザ翼３０の各々とハブ側面１３ａとの接続部４３、又は、複数のディフューザ翼３０の各々とシュラウド側面１５ａとの接続部４５の何れか一方にだけフィレット５０が形成されていてもよい。

図１４は、ディフューザ流路８における境界層及び２次流れについて説明するための図である。図１４は、図２におけるＶ矢視図に相当する図であり、上述したフィレット５０が形成されていない場合について示すものである。
以下、図１４を参照して、境界層９１及び２次流れ９３がディフューザ性能に及ぼす影響について説明する。

ディフューザ流路８を流体が流れる場合、壁面であるハブ側面１３ａ、シュラウド側面１５ａ、圧力面３０ａ及び負圧面３０ｂの近傍では、これら壁面の影響を受けるため、これら壁面の影響を受けない領域よりも流速が大幅に低くなる境界層９１が発生する。
また、ディフューザ流路８では、圧力面３０ａ近傍の圧力と負圧面３０ｂ近傍の圧力との差による圧力勾配が生じる。この圧力勾配は、ディフューザ流路８における流体の流れ方向に直交する方向とディフューザ翼３０の翼高さ方向（軸方向）とを含む平面であるクロスセクションと平行な断面に生じる。なお、図３〜図９、及び図１４の各図では、該クロスセクションと平行な断面を表している。
２次流れ９３とは、上記の圧力勾配を主たる駆動力としてクロスセクションの延在方向と平行な方向に沿ってディフューザ流路８内を循環するように流れる流体の流れのことである。

なお、接続部４３，４５の近傍では、上記の２次流れ９３によって駆動される別の２次流れ９５が発生する。この、別の２次流れ９５が発生すると、コーナーストールと呼ばれる、ディフューザ流路８の上流側から下流側に向かう方向には流体がほとんど流れない領域が発生してしまう。コーナーストールの発生は、ディフューザ流路８内の有効流路断面を減少させてしまうだけでなく、上述したような逆流や剥離を招くので、静圧回復性能を低下させてしまう。
また、ディフューザ流路８の下流側に向かうにつれて静圧回復によって流体の主たる流れの流速が低下する。そのため、一般的には、ディフューザ流路８の下流側に向かうにつれてクロスセクション内におけるコーナーストールの発生領域は大きくなる。

ディフューザ流路８のうち、スロート位置４１ａよりも上流側では、上流側から下流側に向かう流体の運動エネルギーが卓越した状態が維持される。そのためクロスセクション内の上記圧力勾配による運動量変化に比べ、上流側から下流側に向かう流体の運動量（流れ方向運動量）が大きく、２次流れ９３は発生し難い。したがって、スロート位置４１ａよりも上流側では、流路断面積をなるべく大きく確保するのがよい。
しかし、スロート位置４１ａよりも下流側では、静圧回復により流れ方向運動量が減少し、クロスセクション内の圧力勾配の影響を受け始める。
この時、静圧回復によって下流側ほど上昇する静圧の圧力勾配（逆圧力勾配）に打ち勝つような流れ方向運動量を維持しつつ、２次流れを適度に発生させ、境界層９１の厚さをなるべく薄くすることにより、有効流路断面が増えることで、さらなる静圧回復が期待できる。

幾つかの実施形態によれば、フィレット５０の半径Ｒをディフューザ流路８の延在方向に沿って変更することにより、クロスセクション内の圧力勾配により生じる２次流れを制御し、遠心圧縮機１００の作動範囲拡大と効率向上を実現することができる。
また、幾つかの実施形態によれば、４つの接続部４３，４５のうちの少なくとも１つにフィレット５０を形成することで、コーナーストールが発生し易い領域がフィレット５０に置き換わることとなり、コーナーストールの発生を抑制できる。

図１０〜１３に示すように、幾つかの実施形態では、ディフューザ流路８のスロート位置４１ａの下流側におけるＲ／ｂの最大値は、０．２以上である。
本発明者の知見によれば、ディフューザ流路８における境界層９１、すなわち壁面付近での流体の流速が比較的低い領域の厚さは、ディフューザ翼３０の翼高さｂの約２０％程度である。このため、幾つかの実施形態によれば、Ｒ／ｂの最大値を０．２以上とすることで、フィレット５０の翼高さ方向の寸法がディフューザ翼３０の翼高さｂの２０％以上となるので、接続部４３，４５の近傍で流体の流速の低下が効果的に抑制される。したがって、上述したような逆流や剥離を効果的に抑制できる。

図１０〜１３に示すように、幾つかの実施形態では、ディフューザ流路８のスロート位置４１ａの下流側における少なくとも一部の区間のＲ／ｂは、ディフューザ翼３０の後縁３３側に向かって大きくなっている。
本発明者の知見によれば、上述したような逆流や剥離は、ディフューザ流路８の下流側に向かう程に発達する。そのため、幾つかの実施形態によれば、ディフューザ翼３０の後縁３３側に向かってＲ／ｂを大きくすることで、上述したような逆流や剥離を効果的に抑制できる。

図１０〜１２に示すように、幾つかの実施形態では、ディフューザ流路８のスロート位置４１ａの下流側における少なくとも一部の区間のＲ／ｂは、ディフューザ翼３０の後縁３３側に向かって線形的に大きくなっている。

本発明者の知見によれば、ディフューザ翼３０の後縁３３側に向かうにつれてディフューザ流路８の流路断面積が線形的に変化する方が非線形的に変化する場合よりもディフューザ性能が良好である。このため、例えばディフューザ翼３０が平板部材などで直線状に形成されている場合などにおいて、Ｒ／ｂをディフューザ翼３０の後縁３３側に向かって線形的に大きく形成することで、ディフューザ流路８の流路断面積を線形的に変化させることが可能となる。これにより、ディフューザ性能が良好となる。
また、フィレット５０の半径Ｒが線形的に変化するようにフィレット５０を形成するため、製造が容易である。

図１３のグラフ７４ｃのように、ディフューザ流路８のスロート位置４１ａの下流側における少なくとも一部の区間のＲ／ｂは、ディフューザ翼３０の後縁３３側に向かって、後縁３３側に向かうにつれて変化量が大きくなるように曲線的に大きくなっていてもよい。

上述したように、本発明者の知見によれば、ディフューザ翼３０の後縁３３側に向かうにつれてディフューザ流路８の流路断面積が線形的に変化する方が非線形的に変化する場合よりもディフューザ性能が良好である。このため、例えばディフューザ翼３０が後縁３３側に向かって非線形的な曲線状に形成されている場合などにおいて、Ｒ／ｂをディフューザ翼３０の後縁３３側に向かうにつれて変化量が大きくなるように（すなわち図１３のグラフ７４ｃのように下向きに凸となるように）曲線的に大きく形成することで、ディフューザ流路８の流路断面積を線形的に変化させることが可能となる。これにより、ディフューザ性能が良好となる。

フィレット５０を複数のディフューザ翼３０の各々の圧力面３０ａおよび負圧面３０ｂの夫々に形成した場合、フィレット５０の半径Ｒは、以下のようにしてもよい。すなわち、圧力面３０ａに形成されているフィレット５０の半径をＲ_Ｐ、負圧面３０ｂに形成されているフィレット５０の半径をＲ_Ｓとした場合に、圧力面３０ａに形成されているフィレット５０のＲ_Ｐ／ｂの分布と、負圧面３０ｂに形成されているフィレットのＲ_Ｓ／ｂの分布とは、互いに異なっていてもよい。

本発明者の知見によれば、ディフューザ流路８における境界層９１の厚さは、圧力面３０ａ側と負圧面３０ｂ側とで異なっている。このため、上述したように、圧力面３０ａに形成されているフィレット５０のＲ_Ｐ／ｂの分布と、負圧面３０ｂに形成されているフィレット５０のＲ_Ｓ／ｂの分布とを、夫々の面において形成される境界層９１の厚さに応じて互いに異なるように形成することで、ディフューザ性能を向上できる。

また、フィレット５０を複数のディフューザ翼３０の各々の圧力面３０ａおよび負圧面３０ｂの夫々に形成した場合、ディフューザ流路８のスロート位置４１ａの下流側におけるＲ_Ｐ／ｂの最大値は、ディフューザ流路８のスロート位置４１ａの下流側におけるＲ_Ｓ／ｂの最大値よりも大きいとよい。

本発明者の知見によれば、遠心圧縮機のある作動点においては、圧力面３０ａ側の方が負圧面３０ｂ側よりも境界層９１が厚く形成される場合がある。このため、上述したように、スロート位置４１ａの下流側における圧力面３０ａ側のＲ_Ｐ／ｂの最大値を、負圧面３０ｂ側のＲ_Ｓ／ｂの最大値よりも大きくすることで、ディフューザ性能を向上できる。

なお、フィレット５０は、複数のディフューザ翼３０の各々とハブ側面１３ａとの接続部４３のみ、又は、複数のディフューザ翼３０の各々とシュラウド側面１５ａとの接続部４５のみに形成されていてもよい。
上記のフィレット５０は、複数のディフューザ翼３０の各々とハブ側面１３ａとの接続部４３のみ、又は、複数のディフューザ翼３０の各々とシュラウド側面１５ａとの接続部４５のみに形成されるだけであっても、ディフューザ性能の向上に寄与する。

上述した幾つかの実施形態では、複数の羽根２１の各々の先端２１ａは、遠心圧縮機１００のケーシング３の内面３ａに対して所定の隙間を存して配置されている。そして、上述した幾つかの実施形態では、フィレット５０は、少なくとも、複数のディフューザ翼３０の各々とシュラウド側面１５ａとの接続部４５に形成されてもよい。
すなわち、上述した幾つかの実施形態では、インペラ２０は、環状のシュラウド部材を有さない所謂オープンタイプインペラとして構成されている。
本発明者の知見によれば、オープンタイプインペラを有する遠心圧縮機１００では、羽根２１のチップクリアランスからの漏れ流れの影響により、ハブ側面１３ａよりもシュラウド側面１５ａの方が厚い境界層９１が形成される。
したがって、上述した幾つかの実施形態によれば、複数のディフューザ翼３０の各々とシュラウド側面１５ａとの接続部４５にフィレット５０を形成することで、オープンタイプインペラに対するディフューザ性能の向上を図ることができる。
なお、上述した幾つかの実施形態において、インペラ２０は、環状のシュラウド部材を有していてもよい。

以上、説明したように、幾つかの実施形態に係る遠心圧縮機１００は、上述した幾つかの実施形態に係るベーンドディフューザ１０を備えるので、ディフューザ性能の効果的に向上でき、遠心圧縮機１００の効率が向上する。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
なお、上述した幾つかの実施形態では、遠心圧縮機について説明したが、上述した幾つかの実施形態に係る特徴は、遠心ポンプにも適用可能である。

８ ディフューザ流路
１０ ベーンドディフューザ
１１ ディフューザ流路形成部
１３，１５ 流路壁
１３ａ ハブ側面
１５ａ シュラウド側面
２０ インペラ
２１ 羽根
２１ａ 先端
３０ ディフューザ翼
３０ａ 壁面（圧力面）
３０ｂ 壁面（負圧面）
４１ スロート
４１ａ スロート位置
４３，４５ 接続部
５０ フィレット
１００ 遠心圧縮機

Claims (10)

1. 遠心圧縮機のインペラの下流側に設けられるベーンドディフューザであって、
   ハブ側面および前記ハブ側面と対向するシュラウド側面を含み、前記インペラの下流側に環状のディフューザ流路を形成するディフューザ流路形成部と、
   前記ディフューザ流路に前記インペラの周方向に間隔をあけて設けられた複数のディフューザ翼と、を備え、
   前記複数のディフューザ翼の各々と、前記ハブ側面および前記シュラウド側面の少なくとも一方との接続部には、フィレットが形成され、
   前記フィレットの半径をＲ、前記複数のディフューザ翼の各々の翼高さをｂとした場合に、前記ディフューザ流路のスロート位置の下流側におけるＲ／ｂの最大値は、前記ディフューザ流路の前記スロート位置の上流側におけるＲ／ｂの最大値よりも大きい
   ベーンドディフューザ。
2. 前記ディフューザ流路の前記スロート位置の下流側におけるＲ／ｂの最大値は、０．２以上である
   請求項１に記載のベーンドディフューザ。
3. 前記ディフューザ流路の前記スロート位置の下流側における少なくとも一部の区間のＲ／ｂは、前記ディフューザ翼の後縁側に向かって大きくなっている
   請求項１又は２に記載のベーンドディフューザ。
4. 前記ディフューザ流路の前記スロート位置の下流側における少なくとも一部の区間のＲ／ｂは、前記ディフューザ翼の後縁側に向かって線形的に大きくなっている
   請求項３に記載のベーンドディフューザ。
5. 前記ディフューザ流路の前記スロート位置の下流側における少なくとも一部の区間のＲ／ｂは、前記ディフューザ翼の後縁側に向かって、前記後縁側に向かうにつれて変化量が大きくなるように曲線的に大きくなっている
   請求項３に記載のベーンドディフューザ。
6. 前記フィレットは、前記複数のディフューザ翼の各々の圧力面および負圧面の夫々に形成され、
   前記圧力面に形成されている前記フィレットの半径をＲ_Ｐ、前記負圧面に形成されている前記フィレットの半径をＲ_Ｓとした場合に、前記圧力面に形成されている前記フィレットのＲ_Ｐ／ｂの分布と、前記負圧面に形成されている前記フィレットのＲ_Ｓ／ｂの分布とは、互いに異なっている
   請求項１乃至５の何れか１項に記載のベーンドディフューザ。
7. 前記ディフューザ流路のスロート位置の下流側におけるＲ_Ｐ／ｂの最大値は、前記ディフューザ流路の前記スロート位置の下流側におけるＲ_Ｓ／ｂの最大値よりも大きい
   請求項６に記載のベーンドディフューザ。
8. 前記フィレットは、前記複数のディフューザ翼の各々と前記ハブ側面との接続部のみ、又は、前記複数のディフューザ翼の各々と前記シュラウド側面との接続部のみに形成される
   請求項１乃至７の何れか１項に記載のベーンドディフューザ。
9. 前記インペラは、前記インペラの周方向に間隔をあけて設けられた複数の羽根を含み、
   前記複数の羽根の各々の先端は、前記遠心圧縮機のケーシングの内面に対して所定の隙間を存して配置されており、
   前記フィレットは、少なくとも、前記複数のディフューザ翼の各々と前記シュラウド側面との接続部に形成される
   請求項１乃至７の何れか１項に記載のベーンドディフューザ。
10. インペラと、
    請求項１乃至９の何れか１項に記載のベーンドディフューザと、を備える
    遠心圧縮機。

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