JP6402569B2 - 遠心圧縮機及び遠心圧縮機の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、遠心圧縮機及び遠心圧縮機の設計方法に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の遠心圧縮機が知られている。この文献では、遠心圧縮機のディフューザ流路の内壁のインペラ軸線方向の間隔を、インペラ外縁寄り端からディフューザ翼間のスロート部へ向って徐々に縮小することにより、当該区間を流通するガスの圧力回復を抑制し、また、スロート部からスクロール流路寄り端に向って徐々に拡大することにより、当該区間を流通するガスの圧力回復を促進して、ディフューザ流路を流通するガスが圧力を回復する割合の均一化を図ることが提案されている。

特開平１１−２９４３９２号公報

この種の遠心圧縮機においては、更に高い効率が求められている。その一方で、遠心圧縮機においては、適用される装置の要求仕様に適合させる目的などから、同程度のサイズの遠心圧縮機に対して流量レンジを極端に変更することは避ける必要がある。そこで、本発明は、同程度のサイズの遠心圧縮機に対して流量レンジを極端に変更することなく効率を高める遠心圧縮機及びその設計方法を提供することを目的とする。

本発明の遠心圧縮機は、内側の周縁部にスクロール流路を有するケーシングと、前記ケーシングの内部に回転可能に配置されたインペラと、前記ケーシング内において前記インペラを周方向に取り囲み、前記スクロール流路に連通するディフューザ流路と、前記ディフューザ流路内で前記周方向に配置された複数のディフューザ翼と、を備えた遠心圧縮機であって、前記ディフューザ流路の前記インペラ側の端部から前記ディフューザ翼間の所定の基準位置までの区間は、前記ディフューザ流路の内壁面同士が平行である平行流路区間であり、少なくとも一方の前記内壁面には、前記基準位置を起点として径方向外側に進むに従って前記内壁面同士の間隔を拡げるように傾斜した内壁傾斜部が設けられており、前記基準位置は、前記インペラの回転軸線に平行な視線で見て、隣接するディフューザ翼の両方に接する最小の仮想円の中心位置であり、前記内壁傾斜部は、当該内壁傾斜部に対面する他方の前記内壁面に対して１．５〜４．５°の傾斜角で傾斜している。

本発明の遠心圧縮機は、内側の周縁部にスクロール流路を有するケーシングと、前記ケーシングの内部に回転可能に配置されたインペラと、前記ケーシング内において前記インペラを周方向に取り囲み、前記スクロール流路に連通するディフューザ流路と、前記ディフューザ流路内で前記周方向に配置された複数のディフューザ翼と、を備えた遠心圧縮機であって、前記ディフューザ流路の前記インペラ側の端部から前記ディフューザ翼間の所定の基準位置までの区間は、前記ディフューザ流路の内壁面同士が平行である平行流路区間であり、少なくとも一方の前記内壁面には、前記基準位置を起点として径方向外側に進むに従って前記内壁面同士の間隔を拡げるように傾斜した内壁傾斜部が設けられており、前記基準位置は、前記インペラの回転軸線に平行な視線で見て、隣接するディフューザ翼の両方に接する最小の仮想円の中心位置、又は当該中心位置よりも前記径方向外側に位置し、前記スクロール流路の入口における前記内壁面同士の間隔は、前記ディフューザ翼の入口における前記内壁面同士の間隔の１．１０〜１．３１倍である。

本発明の遠心圧縮機の設計方法は、内側の周縁部にスクロール流路を有するケーシングと、前記ケーシングの内部に回転可能に配置されたインペラと、前記ケーシング内において前記インペラを周方向に取り囲み、前記スクロール流路に連通するディフューザ流路と、前記ディフューザ流路内で前記周方向に配置された複数のディフューザ翼と、を備えた遠心圧縮機の設計方法であって、前記ディフューザ流路の前記インペラ側の端部から前記ディフューザ翼間の所定の基準位置までの区間は、前記ディフューザ流路の内壁面同士が平行である平行流路区間であり、少なくとも一方の前記内壁面には、前記基準位置を起点として径方向外側に進むに従って前記内壁面同士の間隔を拡げるように傾斜した内壁傾斜部が設けられており、前記基準位置は、前記インペラの回転軸線に平行な視線で見て、隣接するディフューザ翼の両方に接する最小の仮想円の中心位置、又は当該中心位置よりも前記径方向外側に位置し、前記スクロール流路の入口における前記内壁面同士の間隔が前記インペラの出口の高さに対して所望の比になるように、前記内壁傾斜部の、当該内壁傾斜部に対面する他方の前記内壁面に対する傾斜角と、前記基準位置と、を決定する。

本発明によれば、同程度のサイズの遠心圧縮機に対して流量レンジを極端に変更することなく効率を高める遠心圧縮機及びその設計方法を提供することができる。

本発明の遠心圧縮機の第１実施形態を示す断面図である。 第１実施形態に係る遠心圧縮機を示す分解斜視図である。 第１実施形態に係る遠心圧縮機のディフューザ流路を拡大して模式的に示す断面図である。 第１実施形態に係る遠心圧縮機のディフューザ翼近傍を示す平面図である。 第１実施形態に係る遠心圧縮機のインペラ、ディフューザ流路、及びスクロール流路の部分を示す断面図である。 （ａ）は、本発明者らによるＣＦＤの結果を示すグラフであり、（ｂ）はその一部を拡大して示すものである。 （ａ）は、本発明者らによるＣＦＤの結果を示すグラフであり、（ｂ）はその一部を拡大して示すものである。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る遠心圧縮機及び遠心圧縮機の設計方法の実施形態について詳細に説明する。

図１及び図２に示される遠心圧縮機１は、一方側が開口したケーシング本体５を備え、ケーシング本体５は、内側の周縁部で周方向に延びるスクロール流路３を有している。ケーシング本体５は、スクロール流路３に連なるガス吐出管７を備えている。更に、遠心圧縮機１は、ロータ軸１１と、ロータ軸１１に嵌着されケーシング本体５の内部中央に位置するインペラ１３と、を備えている。ロータ軸１１は、ケーシング本体５の内壁部中央に設けられたシール部材９を貫通しており回転軸線Ａ周りに回転可能である。更に、遠心圧縮機１は、インペラ１３を覆うようにケーシング本体５の開口部分に嵌合する環状のケーシング蓋１９を備えている。ケーシング蓋１９は、外部からインペラ１３の先端部に向うガス流入口１５を備えており、インペラ１３を周方向に取り囲むと共にスクロール流路３に連通するディフューザ流路１７を形成する。ディフューザ流路１７内には、周方向に等間隔に配置された多数のディフューザ翼２１が設けられている。ロータ軸１１には、歯車増速機構を介してモータなどの駆動装置（図示せず）が連結されており、当該駆動装置がインペラ１３を回転軸線Ａ周りに回転させる。なお、遠心圧縮機１が過給機の一部である場合は、ロータ軸１１は内燃機関の排ガスで回転するタービン（図示せず）に連結される。

ケーシング本体５の内部には、インペラ１３を取り囲む凹陥部２３が設けられており、凹陥部２３には環状の支持座２７が嵌入されている。ディフューザ翼２１は、支持座２７に対して一体的に形成されている。また、スクロール流路３の流路断面形状は、ガス吐出管７に近接するほど大きくなるように形成されている。遠心圧縮機１ではインペラ１３が回転軸線Ａの周りに回転すると、圧縮機外部のガス（例えば空気）がガス流入口１５からケーシング本体５へ送り込まれ、該ケーシング本体５の内部において、インペラ１３の径方向外方への速度エネルギーがガスに付与される。

この速度エネルギーが付与されたガスは、ディフューザ流路１７をインペラ１３の径方向外方へ通過してディフューザ翼２１で減速し、速度エネルギーが圧力エネルギーに変換されて圧力が上昇する。更に、圧力が上昇したガスは、スクロール流路３からガス吐出管７を経て圧縮機外部へ吐出される。

図３は、ディフューザ流路１７近傍を拡大して示す断面図であり、回転軸線Ａ（図１）を含む断面を取った断面図である。図３ではディフューザ流路１７の特徴を誇張して描写しており、各部の寸法比が他の図面や説明の数値と一致しない場合がある。図４は、回転軸線Ａに平行な視線で見たディフューザ流路１７であり、一部のディフューザ翼２１を含む部分を拡大して示す平面図である。

ディフューザ流路１７は、回転軸線Ａ方向に対面するハブ側内壁面３１とシュラウド側内壁面３３とで挟まれた領域である。ハブ側内壁面３１は、例えば、回転軸線Ａ（図１）に直交する平面をなしている。詳細は後述するが、シュラウド側内壁面３３は、ハブ側内壁面３１に対して傾斜する内壁傾斜部３３ｂを有している。以下、ディフューザ流路１７を、径方向内側（ガスの上流側）から外側（ガスの下流側）に向かって、第１区間１０１、第２区間１０２、及び第３区間１０３の３つの区間に分けて考える。第１区間１０１と第２区間１０２との境界位置を基準位置Ｐとし、第２区間１０２と第３区間１０３との境界位置を基準位置Ｑとする。基準位置Ｐは、ディフューザ翼入口２１ａとディフューザ翼出口２１ｂとの間に設定される。基準位置Ｑは、ディフューザ翼出口２１ｂとスクロール入口３ａとの間に設定される。

第１区間１０１は、ディフューザ流路１７のインペラ側端部１７ａから基準位置Ｐまでの区間であり、ハブ側内壁面３１とシュラウド側内壁面３３とが平行である平行流路区間である。第２区間１０２は、径方向外側（下流側）に進むに従ってハブ側内壁面３１とシュラウド側内壁面３３との間隔が徐々に拡がる拡大流路区間である。第２区間１０２において、シュラウド側内壁面３３は内壁傾斜部３３ｂを有している。内壁傾斜部３３ｂは、基準位置Ｐを起点として径方向外側に延び、対面するハブ側内壁面３１に対して傾斜した傾斜面をなしている。このような拡大流路区間では、ディフューザ流路１７を流通するガスの圧力回復が促進される。第３区間１０３は、基準位置Ｑからスクロール入口３ａまでの区間であり、ハブ側内壁面３１とシュラウド側内壁面３３とが平行である平行流路区間である。

次に、基準位置Ｐについて説明する。図４の平面図において、互いに隣接するディフューザ翼２１，２１の両方に接する最小の仮想円Ｃを考えると、基準位置Ｐは、当該仮想円Ｃの中心Ｃ０の位置に一致する。仮に、ディフューザ流路１７の全区間に亘ってハブ側内壁面３１とシュラウド側内壁面３３とが平行であれば、基準位置Ｐは当該ディフューザ流路１７のスロートに該当する位置である。実際には、基準位置Ｐからディフューザ流路１７の回転軸線Ａ方向の高さが拡大する影響により、ディフューザ流路１７のスロートの位置と基準位置Ｐとは僅かにずれている。

図５を参照しながら、ディフューザ流路１７の各部位の寸法について説明する。図５に示されるように、インペラ１３の出口１３ｂの高さ（回転軸線Ａ方向の長さ）をｂ２とし、ディフューザ翼入口２１ａにおけるハブ側内壁面３１とシュラウド側内壁面３３との間隔をｂ３とし、ディフューザ翼出口２１ｂにおけるハブ側内壁面３１とシュラウド側内壁面３３との間隔をｂ４とし、スクロール入口３ａにおけるハブ側内壁面３１とシュラウド側内壁面３３との間隔をｂ５とする。また、回転軸線Ａを起点として、インペラ１３の出口１３ｂまでの距離（インペラ半径）をＤ２とし、ディフューザ翼入口２１ａまでの距離をＤ３とし、ディフューザ翼出口２１ｂまでの距離をＤ４とし、スクロール入口３ａまでの距離をＤ５とし、基準位置Ｐまでの距離をＤｐとし、基準位置Ｑまでの距離をＤｑとする。また、ディフューザ翼２１の入口角をαｖ３（図示せず）とする。

各寸法は、以下の範囲で設定される。
b3/b2=0.7〜1.5（好ましくは0.8〜0.9）
b5/b3=1.10〜1.31（好ましくは1.14〜1.28、更に好ましくは1.21）
D3/D2=1.05〜1.25（好ましくは1.1〜1.2、更に好ましくは1.15）
D4/D2=1.5〜1.6
Dp/D2=1.2〜1.3
Dq/D2=1.7〜1.8
αv3=６０〜６５°

図３に示される第２区間１０２における内壁傾斜部３３ｂは、回転軸線Ａ（図１）を軸とする円錐面をなす。図３に示される断面内において、内壁傾斜部３３ｂは直線であり、ハブ側内壁面３１に対する内壁傾斜部３３ｂの傾斜角をθとすれば、傾斜角θは１．５〜４．５°の範囲で設定される。傾斜角θは、２〜４°に設定されると好ましく、その中でも、傾斜角θが３°であると好ましい。

以上説明した遠心圧縮機１の作用効果について説明する。ディフューザ流路１７は、下流側に進むに従って徐々に流路が拡大する第２区間１０２を有しているので、ディフューザ流路１７内でのガスの静圧回復が可能となる。よって、減速したガスをスクロール流路３に流入することができ、スクロール流路３における衝突損失や摩擦損失が低減されるので、その結果、遠心圧縮機１の高効率化が図られる。また、スクロール流路３の負荷が低減されディフューザ流路１７とスクロール流路３とのマッチング改善が図られる。

また、ディフューザ流路１７の拡大が始まる基準位置Ｐが、ディフューザ流路１７のスロートの位置に近く、基準位置Ｐよりも上流側は平行流路区間である。この構成により、遠心圧縮機１では、拡大する流路を有しない同程度のサイズの遠心圧縮機に対して、スロートの断面積はほぼ等しいと考えられ、流量レンジが極端に変更されることがない。その結果、同程度のサイズの遠心圧縮機に対して、流量レンジを維持しながら高効率化を図ることができる。

なお、上記のように流量レンジを維持するためには、拡大流路区間の開始位置である基準位置Ｐは、仮想円Ｃの中心Ｃ０（図４）の位置よりも径方向外側（下流側）に設定してもよい。

続いて、遠心圧縮機１の設計方法について説明する。ここでは、拡大流路区間の開始位置である基準位置Ｐが、仮想円Ｃの中心Ｃ０（図４）の位置、又は中心Ｃ０よりも径方向外側（下流側）の位置に設定される場合について説明する。まず、遠心圧縮機１に要求されるパラメータb5/b3の値を決定し、決定された所望のb5/b3の値が実現されるように、幾何学的な条件から、傾斜角θと拡大流路区間の開始位置（基準位置Ｐ）と、を決定する。ここで、基準位置Ｐが径方向外側に寄りすぎると、所望のb5/b3の値を実現するための傾斜角θが大きくなりすぎる。そうすると、ディフューザ流路１７の内壁面からガスの流れが剥離し易くなり、効率低下の原因となり得る。このような観点から、前述したように、傾斜角θは１．５〜４．５°の範囲で設定され、２〜４°に設定されると好ましく、その中でも、傾斜角θが３°であると好ましい。

続いて、図６は、本発明者らが実行した数値流体解析（ＣＦＤ）の結果を示すグラフである。遠心圧縮機１において、それぞれ傾斜角θを変化させた実施例１〜３及び比較例について、ガスの体積流量に対する断熱効率（図６（ａ），（ｂ））及び圧力比（図７（ａ），（ｂ））を算出した。実施例１〜３及び比較例においては、各パラメータθ，b3/b2，b5/b3を下表１のように設定した。比較例は、傾斜角θをゼロとしたものであり、すなわち、ディフューザ流路１７が全区間に亘って平行流路区間であることを意味する。また、実施例１〜３ともに、基準位置Ｐは、仮想円Ｃの中心Ｃ０（図４）の位置とした。図６（ａ），図７（ａ）ともに、それぞれ５つのグラフ群が存在するが、これは、インペラ１３の回転数を５段階で変化させたことに対応している。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）における破線部を拡大したものであり、図７（ｂ）は、図７（ａ）における破線部を拡大したものである。

図６に示されるとおり、全体的に、実施例１〜３は比較例に比べて、断熱効率、圧力比ともに上回っている。よって、前述したような遠心圧縮機１の構成によって、高効率化が図られることが判った。また、図６（ａ），（ｂ）に示されるとおり、θ＝３．０°の場合（実施例２）に特に高い効率が得られることが判った。また、図６（ａ），（ｂ）に示されるとおり、b5/b3=1.21の場合（実施例２）に特に高い効率が得られることが判った。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形したものであってもよい。例えば、実施形態では、シュラウド側内壁面３３に内壁傾斜部３３ｂを設けたが、ハブ側内壁面３１に同様の内壁傾斜部を設けてもよい。また、ハブ側内壁面３１とシュラウド側内壁面３３との両方に、互いに対面する内壁傾斜部を設けてもよい。これらの構成によっても、ディフューザ流路１７内に拡大流路区間を設けることができる。また、拡大流路区間（第２区間）の下流側に平行流路区間（第３区間）を設けることは必須ではなく、拡大流路区間がスクロール入口３ａまで連続してもよい。

１ 遠心圧縮機
３ スクロール流路
３ａ スクロール入口
５ ケーシング本体
１３ インペラ
１３ｂ インペラの出口
１７ ディフューザ流路
１９ ケーシング蓋
２１ ディフューザ翼
３１ ハブ側内壁面
３３ シュラウド側内壁面
３３ｂ 内壁傾斜部
１０１ 第１区間（平行流路区間）
Ａ 回転軸線
Ｃ 仮想円
Ｃ０ 仮想円の中心
Ｐ 基準位置

Claims (3)

1. 内側の周縁部にスクロール流路を有するケーシングと、
   前記ケーシングの内部に回転可能に配置されたインペラと、
   前記ケーシング内において前記インペラを周方向に取り囲み、前記スクロール流路に連通するディフューザ流路と、
   前記ディフューザ流路内で前記周方向に配置された複数のディフューザ翼と、を備えた遠心圧縮機であって、
   前記ディフューザ流路の前記インペラ側の端部から前記ディフューザ翼間の所定の基準位置までの区間は、前記ディフューザ流路の内壁面同士が平行である平行流路区間であり、
   少なくとも一方の前記内壁面には、前記基準位置を起点として径方向外側に進むに従って前記内壁面同士の間隔を拡げるように傾斜した内壁傾斜部が設けられており、
   前記基準位置は、前記インペラの回転軸線に平行な視線で見て、隣接するディフューザ翼の両方に接する最小の仮想円の中心位置であり、
   前記内壁傾斜部は、当該内壁傾斜部に対面する他方の前記内壁面に対して１．５〜４．５°の傾斜角で傾斜している、遠心圧縮機。
2. 内側の周縁部にスクロール流路を有するケーシングと、
   前記ケーシングの内部に回転可能に配置されたインペラと、
   前記ケーシング内において前記インペラを周方向に取り囲み、前記スクロール流路に連通するディフューザ流路と、
   前記ディフューザ流路内で前記周方向に配置された複数のディフューザ翼と、を備えた遠心圧縮機であって、
   前記ディフューザ流路の前記インペラ側の端部から前記ディフューザ翼間の所定の基準位置までの区間は、前記ディフューザ流路の内壁面同士が平行である平行流路区間であり、
   少なくとも一方の前記内壁面には、前記基準位置を起点として径方向外側に進むに従って前記内壁面同士の間隔を拡げるように傾斜した内壁傾斜部が設けられており、
   前記基準位置は、前記インペラの回転軸線に平行な視線で見て、隣接するディフューザ翼の両方に接する最小の仮想円の中心位置であり、
   前記スクロール流路の入口における前記内壁面同士の間隔は、前記ディフューザ翼の入口における前記内壁面同士の間隔の１．１０〜１．３１倍である、遠心圧縮機。
3. 内側の周縁部にスクロール流路を有するケーシングと、
   前記ケーシングの内部に回転可能に配置されたインペラと、
   前記ケーシング内において前記インペラを周方向に取り囲み、前記スクロール流路に連通するディフューザ流路と、
   前記ディフューザ流路内で前記周方向に配置された複数のディフューザ翼と、を備えた遠心圧縮機の設計方法であって、
   前記ディフューザ流路の前記インペラ側の端部から前記ディフューザ翼間の所定の基準位置までの区間は、前記ディフューザ流路の内壁面同士が平行である平行流路区間であり、
   少なくとも一方の前記内壁面には、前記基準位置を起点として径方向外側に進むに従って前記内壁面同士の間隔を拡げるように傾斜した内壁傾斜部が設けられており、
   前記基準位置は、前記インペラの回転軸線に平行な視線で見て、隣接するディフューザ翼の両方に接する最小の仮想円の中心位置であり、
   前記スクロール流路の入口における前記内壁面同士の間隔が前記インペラの出口の高さに対して所望の比になるように、前記内壁傾斜部の、当該内壁傾斜部に対面する他方の前記内壁面に対する傾斜角を決定する、遠心圧縮機の設計方法。

Images