JP6919220B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、遠心圧縮機に関する。

当該分野の技術として、特許文献１に開示された遠心圧縮機が知られている。この遠心圧縮機は、インペラの翼高さに対するケーシングとインペラとの間のクリアランスの割合を小さくすることにより、漏れ損失の低減を図っている。

特開２００６−９７４８号公報

このような遠心圧縮機の分野においては、作動流体の圧縮効率を向上させる工夫が検討されている。この効率の向上を妨げる現象として、サージ現象が知られている。このサージ現象は、圧縮機に提供される作動流体の流量が低下したときに生じやすい。そこで、本発明は、提供される作動流体の流量が低下した場合であってもサージ現象を起こし難い遠心圧縮機を提供する。

本発明の一態様は、所定の回転軸線のまわりに回転可能に設けられた翼車を備える遠心圧縮機であって、翼車は、作動流体を受け入れる入口部と圧縮された作動流体を排出する出口部とを構成し、回転周方向に沿って互いに離間して配置された複数のフルブレードと、フルブレードが回転周方向に沿って互いに離間して立設されたハブ外周面を有し、回転軸線のまわりに回転可能に設けられたハブと、を備え、ハブ外周面は、ハブ外周面の形状を規定するハブラインを回転軸線のまわりに回転させて得られる形状を有し、入口部と出口部との間に形成される流路は、回転周方向に沿って互いに対面するフルブレードの間に形成される第１流路部を有し、第１流路部におけるハブラインは、回転軸線の方向に直交する半径方向に凸となる第１変曲点を含む曲線である。

この圧縮機によれば、第１流路部におけるハブラインが半径方向に凸であるので、第１流路部における断面積が急激に小さくなる。従って、断面積が小さくされた流路に作動流体が提供された場合には、サージ現象を生じる流量の限界値が小さくなる。従って、遠心圧縮機に提供される作動流体が減少した場合においてサージ現象を起こし難くすることができる。

いくつかの態様において、第１流路部は、入口部から出口部に向かう作動流体が流れる方向に交差する断面の面積が第１の値から第２の値まで減少する第１領域と、第１領域より下流側であって断面の面積が第２の値以下である第２領域と、を含んでもよい。この構成によれば、第１領域において流路の断面積が急激に小さくすることが可能になる。従って、よりサージ現象の発生を抑制し易くなる。

いくつかの態様において、第２領域は、作動流体が流れる方向に交差する断面の面積が第２の値から連続的に減少してもよい。この構成によれば、第１領域と第２領域との境界部分において流路の断面積が最も小さくなる。従って、さらにサージ現象の発生を抑制し易くなる。

いくつかの態様において、回転周方向における一対のフルブレードの間に配置され、入口部と出口部との間に設けられた前縁を有するスプリッタブレードをさらに備え、流路は、作動流体が流れる方向において第１流路部よりも下流側に形成され、回転周方向において互いに対面するフルブレードとスプリッタブレードとの間に形成される第２流路部をさらに有し、第２流路部におけるハブラインは、半径方向に凹となる第２変曲点を含む曲線であってもよい。路部におけるハブラインは、半径方向に凹となる第２変曲点を含む曲線であってもよい。この構成によれば、第２流路部における断面積が大きくなるので、作動流体が流れやすくなる。従って、遠心圧縮機が受け入れ可能な作動流体の流量の低下が抑制されるので、大流量側における遠心圧縮機の性能の低下を抑制できる。

本発明によれば、提供される作動流体の流量が低下した場合であってもサージ現象を起こし難い遠心圧縮機が提供される。

図１は、実施形態に係るコンプレッサを備える過給機の構造を模式的に示す図である。 図２は、図１の一部断面を拡大して示す図である。 図３は、第１流路部及び第２流路部を示す斜視図である。 図４は、変形例１に係るコンプレッサを示す図である。 図５は、変形例２に係るコンプレッサを示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、過給機１は、例えば、車両の内燃機関（不図示）に用いられるものである。特に、過給機１は、小型の内燃機関に用いられる。過給機１は、コンプレッサ２（遠心圧縮機）とタービン３と連結部４とを備える。

コンプレッサ２は、コンプレッサハウジング６とコンプレッサ翼車７とを有する。コンプレッサ翼車７は、受け入れた作動流体を圧縮する。コンプレッサハウジング６は、内側の周縁部において周方向に延びるスクロール流路８を有し、圧縮された作動流体をコンプレッサハウジング６の外部へ導く。コンプレッサ翼車７は、シャフト９の一端に設けられ、当該シャフト９の他端にはタービン３のタービン翼車１１が設けられる。シャフト９は、コンプレッサ翼車７とタービン翼車１１との間に配置されたベアリング１２によって回転可能に支持される。ベアリング１２は、コンプレッサハウジング６とタービンハウジング１３との間に設けられた連結部４のベアリングハウジング１４に配置される。

このような構成を有する過給機１は、内燃機関から排出されたガスがタービンハウジング１３を介してタービン翼車１１に供給され、タービン翼車１１によって当該ガスの有するエネルギがシャフト９の回転エネルギに変換される。シャフト９が回転するとコンプレッサ翼車７が回転する。コンプレッサ翼車７は、当該回転エネルギを利用して内燃機関へ供給される作動流体（例えば空気）を圧縮する。

以下、コンプレッサ２の構成についてさらに詳細に説明する。

図２に示されるように、コンプレッサ２は、主要な構成要素として、コンプレッサハウジング６とコンプレッサ翼車７とを有する。

コンプレッサハウジング６は、コンプレッサ２の基体をなすものであり、コンプレッサ翼車７を収容する。コンプレッサハウジング６は、作動流体を導くスクロール流路８と、コンプレッサ翼車７に対面するシュラウド１６と、を有する。スクロール流路８は、回転軸線ＡＸを囲むように形成された流路である。シュラウド１６は、コンプレッサ翼車７に対面する。シュラウド１６とコンプレッサ翼車７との間には、僅かな隙間が設けられており、シュラウド１６に対してコンプレッサ翼車７は回転軸線ＡＸのまわりに回転する。

コンプレッサ翼車７は、羽根部１７とハブ１８とを有する。

羽根部１７は、コンプレッサ２に要求される性能に応じて、三次元的な形状を有する。羽根部１７は、複数のフルブレード１９と複数のスプリッタブレード２１とを有するフルブレード１９及びスプリッタブレード２１は、同じ枚数設けられており、周方向に交互に配置される。フルブレード１９は、回転周方向に沿って互いに離間して配置される。フルブレード１９は、作動流体を受け入れる入口部２２と、作動流体を排出する出口部２３とを構成する。具体的には、フルブレード１９は、前縁１９ａにより入口部２２を構成し、後縁１９ｂにより出口部２３を構成する。従って、作動流体は、入口部２２から出口部２３に向かって流れる。スプリッタブレード２１は、回転周方向に沿って一対のフルブレード１９の間に配置される。スプリッタブレード２１は、入口部２２と出口部２３との間に設けられた前縁２１ａを有する。

再び図２に示されるように、ハブ１８は、所定の曲線（ハブラインＬ）を回転軸線ＡＸのまわりに回転させて得られる外周面１８ａ（ハブ外周面）を有する回転体である。ハブ１８の外周面１８ａには、羽根部１７が立設されている。ハブ１８と羽根部１７とは一体に成形されており、ハブ１８と羽根部１７とは一体となって回転する。

図３に示されるように、本実施形態でいう「流路Ｆ」とは、ハブ１８の外周面１８ａと、一対のフルブレード１９と、シュラウド１６（図２参照）とに囲まれた領域をいう。流路Ｆは、入口部２２から受け入れた作動流体を出口部２３まで導く。以下の説明において、説明の便宜上、入口部２２の側を単に「上流側」と呼び、出口部２３の側を単に「下流側」と呼ぶことがある。

流路Ｆは、上流側から下流側に向かう方向において、いくつかの領域を有する。具体的には、流路Ｆは、第１流路部Ｆ１と、第２流路部Ｆ２とを有する。第１流路部Ｆ１は、第２流路部Ｆ２よりも上流側に形成される。第１流路部Ｆ１は、ハブ１８の外周面１８ａとシュラウド１６と一対のフルブレード１９に挟まれた領域である。第２流路部Ｆ２は、第１流路部Ｆ１よりも下流側に形成される。第２流路部Ｆ２は、ハブ１８の外周面１８ａとシュラウド１６とフルブレード１９とスプリッタブレード２１とに挟まれた領域である。従って、入口部２２から受け入れられた作動流体は、第１流路部Ｆ１を通過した後に第２流路部Ｆ２を経て出口部２３から排出される。

本実施形態に係るコンプレッサ２は、その流路Ｆの構成に特徴がある。具体的には、上流側から下流側に向かう方向における流路Ｆの断面積の変化に特徴がある。

より詳細には、図２に示されるように、第１流路部Ｆ１は、第１領域Ｆ１ａと第２領域Ｆ１ｂとを有する。第１領域Ｆ１ａは、作動流体が流れる方向において断面積が第１の値から第２の値まで減少する領域である。第２領域Ｆ１ｂは、第１領域Ｆ１ａより下流側であって断面積が第２の値以下である領域である。第１領域Ｆ１ａと第２領域Ｆ１ｂとの境界部分は、絞り部２４と呼ぶ。さらに、第２流路部Ｆ２は、第３領域Ｆ２ａと第４領域Ｆ２ｂと、を有する。第３領域Ｆ２ａは、作動流体が流れる方向において断面積が第２の値から第３の値まで徐々に増加する領域である。第４領域Ｆ２ｂは、第３領域Ｆ２ａの下流側に形成され、作動流体が流れる方向において断面積が第３の値から第４の値へ連続的に減少する領域である。

要するに、流路Ｆは、入口部２２から絞り部２４までの間に断面積が急激に狭まり、絞り部２４において最小になる。絞り部２４から第２領域Ｆ１ｂの終端（つまり第２流路部Ｆ２の始端）までの間に断面積が徐々に広がる。断面積の拡大は第２流路部Ｆ２に至っても連続的に継続し、最終的に拡大部２６において最大となる。そして、出口部２３に向かって徐々に小さくなる。

上述したように、流路Ｆは、ハブ１８の外周面１８ａと、一対のフルブレード１９と、シュラウド１６とに囲まれた領域である。従って、流路Ｆの形状は、これら構成要素の形状により規定される。本実施形態に係る特徴的な流路Ｆの形状は、ハブ１８の外周面１８ａの形状により規定されている。そして、ハブ１８の外周面１８ａの形状は、ハブラインＬによって規定されている。

ハブ１８の外周面１８ａを規定するハブラインＬは、ハブ１８を回転軸線ＡＸを通るように設定される仮想面において断面視したときの外形線である。例えば、ハブラインＬは、回転軸線方向をＸ軸とし半径方向をＹ軸とした二次元座標系における曲線として示すことができる。ハブラインＬは、第１流路部Ｆ１に対応する線分Ｌ１においてＹ軸（半径方向）に凸となる第１変曲点Ｐ１を有する。この第１変曲点Ｐ１の位置は、絞り部２４の位置に対応する。さらに、ハブラインＬは、第２流路部Ｆ２に対応する線分Ｌ２においてＹ軸に凹となる第２変曲点Ｐ２を有する。この第２変曲点Ｐ２の位置は、拡大部２６の位置に対応する。

換言すると、ハブラインＬは、入口部２２から急激に正のＹ方向に伸び（つまりシュラウド１６に近づき）、絞り部２４においてハブラインＬとシュラウド１６との隙間が最小になる。そして、ハブラインＬは、徐々に負のＹ方向に伸び、拡大部２６においてハブラインＬとシュラウド１６との隙間が最大になる。ここで、接続部２７の両側における線分Ｌ１，Ｌ２は滑らかに連続している。そして、拡大部２６を過ぎた後はＹ方向に凹の形状を持って出口部２３に至る。

このコンプレッサ２によれば、第１流路部Ｆ１におけるハブラインＬが半径方向Ｒに凸であるので、第１流路部Ｆ１における断面積が急激に小さくなる。従って、断面積が小さくされた流路Ｆに作動流体が提供された場合には、サージ現象を生じる流量の限界値が小さくなる。従って、コンプレッサ２に提供される作動流体が減少した場合においてサージ現象を起こし難くすることができる。

また、コンプレッサ２は、回転周方向における一対のフルブレード１９の間に配置され、入口部２２と出口部２３との間に設けられた前縁２１ａを有するスプリッタブレード２１をさらに備える。流路Ｆは、作動流体が流れる方向において第１流路部Ｆ１よりも下流側に形成され、回転周方向において互いに対面するフルブレード１９とスプリッタブレード２１との間に形成される第２流路部Ｆ２をさらに有する。第２流路部Ｆ２におけるハブラインＬは、半径方向Ｒに凹となる第２変曲点Ｐ２を含む曲線である。この構成によれば、第２流路部Ｆ２における断面積が大きくなるので、作動流体が流れやすくなる。従って、コンプレッサ２が受け入れ可能な作動流体の流量の低下が抑制されるので、大流量側におけるコンプレッサ２の性能の低下を抑制できる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

例えば、流路Ｆの形状及びハブラインＬの形状は、図２に示される形状に限定されることはない。例えば、図４及び図５に示されるように、流路ＦＡ，ＦＢのような形状であってもよい。

図４に示された変形例１に係るコンプレッサ２Ａは、羽根部１７Ａを含むコンプレッサ翼車７Ａを有する。羽根部１７Ａは、フルブレード１９Ａとスプリッタブレード２１Ａとを有する。さらに、コンプレッサ翼車７Ａは、ハブ１８Ａを有する。ハブ１８Ａは、その外周面１８ａＡの形状が、実施形態に係るハブ１８の外周面１８ａと異なっている。外周面１８ａＡを規定するハブラインＬＡは、第１流路部Ｆ１Ａに対応する線分Ｌ１Ａと、第２流路部Ｆ２Ａに対応する線分Ｌ２Ａと、を有する。具体的には、第１流路部Ｆ１Ａの第２領域Ｆ１ｂＡにおいて、回転軸線ＡＸからハブラインＬＡへの半径方向Ｒにおける距離が一定である。当該距離が一定である領域は、第２流路部Ｆ２Ａの第３領域Ｆ２ａＡまで延びている。つまり、第２領域Ｆ１ｂＡ及び第３領域Ｆ２ａＡにおける断面積は、第２の値で略一定となり得る。また、この構成では、第２流路部Ｆ２Ａは、拡大部２６を有しない。変形例１に係るコンプレッサ２Ａにおいても、実施形態に係るコンプレッサ２と同様に、コンプレッサ２Ａに提供される作動流体が減少した場合においてサージ現象を起こし難くすることができる。

図５に示された変形例２に係るコンプレッサ２Ｂは、羽根部１７Ｂを含むコンプレッサ翼車７Ｂを有する。羽根部１７Ｂは、フルブレード１９Ｂとスプリッタブレード２１Ｂとを有する。さらに、コンプレッサ翼車７Ｂは、ハブ１８Ｂを有する。ハブ１８Ｂは、その外周面１８ａＢの形状が、実施形態に係るハブ１８の外周面１８ａと異なっている。外周面１８ａＢを規定するハブラインＬＢは、第１流路部Ｆ１Ｂに対応する線分Ｌ１Ｂと、第２流路部Ｆ２Ｂに対応する線分Ｌ２Ｂと、を有する。第２流路部Ｆ２Ｂを規定するハブラインＬＢの線分Ｌ２Ｂは接続部２７において変曲点Ｐ２Ｂを有し、その下流側においては変曲点を有さず、半径方向Ｒに凹となる曲線となる。変形例２に係るコンプレッサ２Ｂにおいても、実施形態に係るコンプレッサ２と同様に、コンプレッサ２Ｂに提供される作動流体が減少した場合においてサージ現象を起こし難くすることができる。

１ 過給機
２，２Ａ，２Ｂ コンプレッサ
３ タービン
４ 連結部
６ コンプレッサハウジング
７，７Ａ，７Ｂ コンプレッサ翼車
８ スクロール流路
９ シャフト
１１ タービン翼車
１２ ベアリング
１３ タービンハウジング
１４ ベアリングハウジング
１６ シュラウド
１７，１７Ａ，１７Ｂ 羽根部
１８，１８Ａ，１８Ｂ ハブ
１８ａ，１８ａＡ，１８ａＢ 外周面
１９，１９Ａ，１９Ｂ フルブレード
１９ａ 前縁
１９ｂ 後縁
２１，２１Ａ，２１Ｂ スプリッタブレード
２１ａ 前縁
２２ 入口部
２３ 出口部
２４ 絞り部
２６ 拡大部
２７ 接続部
ＡＸ 回転軸線
Ｆ 流路
Ｆ１，Ｆ１Ａ 第１流路部
Ｆ２，Ｆ２Ａ 第２流路部
Ｆ１ａ 第１領域
Ｆ１ｂ 第２領域
Ｆ２ａ 第３領域
Ｆ２ｂ 第４領域
Ｌ，ＬＡ，ＬＢ ハブライン
Ｌ１ 線分
Ｐ１ 第１変曲点
Ｐ２ 第２変曲点
Ｒ 半径方向

Claims (3)

1. 所定の回転軸線のまわりに回転可能に設けられた翼車を備える遠心圧縮機であって、
   前記翼車は、
   作動流体を受け入れる入口部と圧縮された前記作動流体を排出する出口部とを構成し、回転周方向に沿って互いに離間して配置された複数のフルブレードと、
   前記フルブレードが前記回転周方向に沿って互いに離間して立設されたハブ外周面を有し、前記回転軸線のまわりに回転可能に設けられたハブと、を備え、
   前記ハブ外周面は、前記ハブ外周面の形状を規定するハブラインを前記回転軸線のまわりに回転させて得られる形状を有し、
   前記入口部と前記出口部との間に形成される流路は、前記回転周方向に沿って互いに対面する前記フルブレードの間に形成される第１流路部を有し、
   前記第１流路部における前記ハブラインは、前記回転軸線の方向に直交する半径方向に凸となる第１変曲点を含む曲線であり、
   前記第１流路部は、前記入口部から前記出口部に向かう前記作動流体が流れる方向に交差する断面の面積が第１の値から第２の値まで減少する第１領域を含み、
   前記第１流路部は、前記第１領域より下流側であって前記断面の面積が前記第２の値以上である第２領域を含む、遠心圧縮機。
2. 前記第２領域は、前記作動流体が流れる方向に交差する断面の面積が前記第２の値から連続的に増大する、請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記回転周方向における一対の前記フルブレードの間に配置され、前記入口部と前記出口部との間に設けられた前縁を有するスプリッタブレードをさらに備え、
   前記流路は、前記作動流体が流れる方向において前記第１流路部よりも下流側に形成され、前記回転周方向において互いに対面する前記フルブレードと前記スプリッタブレードとの間に形成される第２流路部をさらに有し、
   前記第２流路部における前記ハブラインは、前記半径方向に凹となる第２変曲点を含む曲線である、請求項１又は２に記載の遠心圧縮機。

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