JP5182519B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、過給機、ガスタービン、産業用空気設備等に用いられ、空気等のガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機に関する。

近年、遠心圧縮機の作動域を拡大させるために種々の研究がなされており、作動域を拡大させた遠心圧縮機として特許文献１及び特許文献２に示すものがある。

以下、先行技術に係る遠心圧縮機について図５を参照して説明する。

ここで、図５は、先行技術に係る遠心圧縮機の要部の模式的な側断面図である。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。

先行技術に係る遠心圧縮機１０１は、ケーシング１０３を備えており、このケーシング１０３は、内側に、シュラウド壁１０５を有している。また、ケーシング１０３のシュラウド壁１０５内には、インペラ１０７が回転可能に設けられており、このインペラ１０７は、軸心（インペラ１０７の軸心、換言すれば、ケーシング１０３の軸心）周りに回転可能なハブ１０９、及びこのハブ１０９の外周面に間隔を置いて設けられた複数枚（１枚のみ図示）のブレード１１１を備えている。ここで、各ブレード１１１の外縁は、ケーシング１０３のシュラウド壁１０５に沿うように延びている。

ケーシング１０３のシュラウド壁１０５の上流側周縁には、空気（ガスの一例）をインペラブ１０７側へ吸入する吸入口１１３が形成されており、ケーシング１０３のシュラウド壁１０５の下流側周縁には、圧縮した空気を排気する環状のディフューザ流路１１５（排気流路の１つ）が形成されている。また、ケーシング１０３のシュラウド壁１０５におけるブレード１１１の前縁位置よりも下流側（後側）には、逆流した空気を抽気可能な抽気穴１１７が形成されており、ケーシング１０３のシュラウド壁１０５におけるブレード１１１の前縁位置よりも上流側（前側）には、空気をインペラ１０７側へ流出可能な流出穴１１９が形成されている。そして、ケーシング１０３の内部には、抽気穴１１７側から流出穴１１９側へ空気の流れを許容する環状のトリートメントキャビティ１２１が形成されている。

従って、遠心圧縮機１０１を運転する場合には、例えばタービンホイール（図示省略）の回転等により複数枚のブレード１１１をハブ１０９と一体的に回転させ、換言すれば、インペラ１０７を回転させることにより、吸入口１１３からインペラ１０７側に吸入した空気を遠心力を利用して圧縮することができる。そして、圧縮した空気は、ディフューザ流路１１５から減速させて排気される。

遠心圧縮機１０１の運転中に、遠心圧縮機１０１の作動点がインペラ１０７の入口側の空気流量の少ないオフデザイン領域に移ると、インペラ１０７内において空気（インペラ１０７側へ吸入した空気の一部）の逆流が生じ、逆流した空気が抽気穴１１７から抽気され、トリートメントキャビティ１２１内に流入する。そして、トリートメントキャビティ１２１内に流入した空気は、抽気穴１１７側から流出穴１１９側へ流れて、流出穴１１９からインペラ１０７の入口側へ流出して、再びインペラ１０７側に吸入される。これにより、インペラ１０７側へ吸入した空気の一部を抽気穴１１７と流出穴１１９の間で循環させて、遠心圧縮機１０１の作動を安定させることができ、結果的に遠心圧縮機１０１の作動域を低流量側に拡大させることができる。

特開２００６−３４２６８２号公報 特開２００３−３１４４９６号公報

ところで、インペラ１０７内において空気の逆流が大きくなると、逆流した空気を抽気穴１１７から十分に抽気することができず、遠心圧縮機１０１の作動が不安定になって、遠心圧縮機１０１はサージングに至ることになる。そして、近年、遠心圧縮機１０１のサージングを十分に抑制して、遠心圧縮機１０１の作動域をより一層の拡大させるという要求が高まってきている。

そこで、本発明は、前述の課題を解決することができる、新規な構成の遠心圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の特徴は、ガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機において、内側にシュラウド壁を有したケーシングと、前記ケーシングの前記シュラウド壁内に回転可能に設けられ、軸心周りに回転可能なハブ、及び前記ハブの外周面に周方向に間隔を置いて設けられかつ外縁が前記ケーシングの前記シュラウド壁に沿うように延びた複数枚のブレードを備えたインペラと、を具備し、前記ケーシングの前記シュラウド壁の上流側周縁にガスを前記インペラ側へ吸入（給気）する吸入口（給気口）が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁の下流側周縁に圧縮したガスを排気する排気流路が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁における前記ブレードの前縁位置よりも下流側に逆流したガスを抽気可能な環状の抽気溝が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁における前記ブレードの前縁位置よりも上流側にガスを前記インペラの入口側へ流出可能な流出穴が形成され、前記ケーシングの内部に前記抽気溝側から前記流出穴側へガスの流れ（流通）を許容する環状のトリートメントキャビティが形成され、前記抽気溝の開口下流端の内径が開口上流端の内径よりも大きくなるように前記ケーシングの前記シュラウド壁に環状のシュラウド段差面が形成され、前記ブレードの外縁に前記シュラウド段差面に対応したブレード段差面が形成されていることを要旨とする。

ここで、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。また、「複数枚のブレード」は、軸長の異なる複数種のブレードからなるものであってもよく、この場合には、「前記ブレードの前縁位置」とは、最も軸長の長いブレードの前縁位置のことであって、「前記ブレードの外縁」とは、最も軸長の長いブレードの外縁のこである。更に、「流出穴」とは、流出溝を含む意であって、「開口下流端」とは、開口部の下流端のことであって、「開口上流端」とは、開口部の上流端のことである。

本発明の第１の特徴によると、前記遠心圧縮機を運転する場合には、複数枚の前記ブレードを前記ハブと一体的に回転させ、換言すれば、前記インペラを回転させることにより、前記吸入口から前記インペラ側に吸入したガスを遠心力を利用して圧縮することができる。そして、圧縮したガスは、前記排気流路から排気される。

前記遠心圧縮機の運転中に、前記遠心圧縮機の作動点が前記インペラの入口側のガス流量の少ないオフデザイン領域に移ると、前記インペラ内においてガス（インペラ側へ吸入したガスの一部）の逆流が生じる。そして、逆流したガスは、前記抽気溝から抽気され、前記トリートメントキャビティ内において前記抽気溝側から前記流出穴側へ流れて、前記流出穴から前記インペラの入口側へ流出して、再び前記インペラ７側に吸入される。これにより、インペラ側へ吸入した空気の一部を前記抽気溝と前記流出穴の間で循環させて、前記遠心圧縮機の作動を安定させることができる。

ここで、前記抽気溝の開口下流端の内径が開口上流端の内径よりも大きくなるように前記ケーシングの前記シュラウド壁に環状の前記シュラウド段差面が形成され、前記ブレードの外縁に前記シュラウド段差面に対応した前記ブレード段差面が形成されているため、前記ブレードの正圧面側から負圧面側に相対的に流れる所謂クリアランスフローを抑制しつつ、前記インペラ内におけるガスの逆流が大きくなっても、前記シュラウド段差面によって逆流したガスをせき止めて、前記抽気溝から十分に抽気することができる。

本発明によれば、前記ブレードの正圧面側から負圧面側に相対的に流れるクリアランスフローを抑制しつつ、前記インペラ内におけるガスの逆流が大きくなっても、前記抽気溝から十分に抽気することができるため、前記遠心圧縮機の効率（圧縮機効率）の維持を図りつつ、前記遠心圧縮機のサージングを十分に抑制して、前記遠心圧縮機の作動域をより一層拡大させることができる。

本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の模式的な側断面図である。 本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の要部の模式的な側断面図である。 図３（ａ）は、図２における矢視部IIIの拡大図、図３（ｂ）（ｃ）は、別態様のブレード段差を示す図である。 圧縮機性能を示す図である。 先行技術に係る遠心圧縮機の要部の模式的な側断面図である。

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。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、過給機に用いられ、遠心力を利用して空気（ガスの一例）を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を備えており、このケーシング３は、内側に、シュラウド壁５を有している。また、ケーシング３は、別のケーシング（図示省略）に一体的に取付られている。

ケーシング３のシュラウド壁５内には、インペラ７が回転可能に設けられている。具体的には、ケーシング３のシュラウド壁５内には、ハブ９が設けられており、このハブ９の外周面は、ケーシング３の軸方向（換言すれば、インペラ７の軸方向）から徐々にケーシング３の径方向（換言すれば、インペラ７の径方向）の外側へ向かって延びている。また、ハブ９は、別のケーシングに回転可能に設けられたロータ軸１１の一端部（前端部）に締付ナット１３を介して一体的に連結されてあって、インペラ７の軸心（換言すれば、ケーシング３の軸心）周りに回転可能である。更に、ハブ９の外周面には、複数枚（１枚のみ図示）の長ブレード（フルブレード）１５及び複数枚（１枚のみ図示）の短ブレード（スプリッタブレード）１７が周方向に間隔を置いて交互に設けられている。ここで、長ブレード１５の前縁は、短ブレード１７の前縁よりも上流側（前側）に位置してあって、長ブレード１５の外縁及び短ブレード１７の外縁は、ケーシング３のシュラウド壁５に沿うように延びている。なお、軸長の異なる２種類のブレード１５，１７を用いる代わりに、軸長の同じブレードを用いても構わない。

ケーシング３のシュラウド壁５の上流側周縁（インペラ７の入口側周縁）には、空気をインペラ７側へ吸入（給気）する吸入口（給気口）１９が形成されており、ケーシング３のシュラウド壁５の下流側周縁（インペラ７の出口側周縁）には、圧縮した空気を減速させて排気する環状のディフューザ流路２１（排気流路の１つ）が形成されている。また、ケーシング３の内部におけるディフューザ流路２１の周縁側には、圧縮した空気を排気する渦巻き状のスクロール流路２３（排気流路の１つ）が形成されている。そして、ケーシング３の適宜位置には、圧縮した空気を吐出する吐出口２５が形成されており、この吐出口２５は、スクロール流路２３及びディフューザ流路２１に連通してあって、内燃機関の吸気マニホールド（図示省略）に接続可能である。

ケーシング３のシュラウド壁５における長ブレード１５の前縁位置よりも下流側（後側）であってブレード１７の前縁位置よりも上流側には、逆流した空気を抽気可能な環状の抽気溝２７が形成されている。また、ケーシング３のシュラウド壁５における長ブレード１５の前縁位置よりも上流側には、空気をインペラ７側へ流出可能な１つ又は複数（１つのみ図示）の流出穴２９が周方向に沿って形成されている。そして、ケーシング３の内部には、抽気溝２７側から流出穴２９側へ空気の流れ（流通）を許容する環状のトリートメントキャビティ３１が形成されている。更に、ケーシング３のシュラウド壁５におけるインペラ７と流出穴２９の間には、絞り部３３が形成されており、この絞り部３３は、下流側へ向かって内径を徐々に縮径してある。

図２及び図３（ａ）に示すように、抽気溝２７の開口下流端（開口部の下流端）２７ａの内径が開口上流端（開口部の上流端）２７ｂの内径よりも大きくなるように、ケーシング３のシュラウド壁５には、環状のシュラウド段差面３５が形成されている。また、各長ブレード１５の外縁に、シュラウド段差面３５に対応したブレード段差面３７が形成されている。ここで、ブレード段差面３７の段差量（段差高さ）ｍは、シュラウド段差面３５の段差量ｋと同じであって、ブレード段差面３７は、シュラウド段差面３５に近接している。

なお、ブレード段差面３７は、図３（ｂ）に示すように、ケーシング３の軸方向（図３において左右方向）における抽気溝２７の開口下流端２７ａと開口上流端２７ｂとの間に位置していれば、シュラウド段差面３５に近接しなくても構わない。また、ブレード段差面３７は、図３（ａ）（ｂ）に示すように、ケーシング３の軸方向（図３において左右方向）における抽気溝２７の開口下流端２７ａと開口上流端２７ｂとの間に位置する代わりに、図３（ｃ）に示すように、ケーシング３の軸方向における抽気溝２７の開口下流端２７ａの位置と同じ位置に位置するようにしても構わない。

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。

遠心圧縮機１を運転する場合には、例えばタービンホイール（図示省略）の回転によりロータ軸１１を回転させることにより、複数枚のブレード１５，１７をハブ９と一体的に回転させ、換言すれば、インペラ７を回転させる。これにより、吸入口１９からインペラ７側に吸入した空気を遠心力を利用して圧縮することができる。そして、圧縮した空気は、ディフューザ流路２１及びスクロール流路２３から排気され、吐出口２５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の運転中に、遠心圧縮機１の作動点がインペラ７の入口側の空気流量の少ないオフデザイン領域に移ると、インペラ７内において空気（インペラ７側へ吸入した空気の一部）の逆流が生じ、逆流した空気が抽気溝２７から抽気され、トリートメントキャビティ３１内に流入する。そして、トリートメントキャビティ３１内に流入した空気は、抽気溝２７側から流出穴２９側へ流れて、流出穴２９からインペラ７の入口側へ流出して、再びインペラ７側に吸入される。これにより、インペラ１０７側へ吸入した空気の一部を抽気溝２７と流出穴２９の間で循環させて、遠心圧縮機１の作動を安定させることができる。

ここで、抽気溝２７の開口下流端２７ａの内径が開口上流端２７ｂの内径よりも大きくなるように、ケーシング３のシュラウド壁５に環状のシュラウド段差面３５が形成され、各長ブレード１５の外縁にシュラウド段差面３５に対応したブレード段差面３７が形成されているため、各長ブレード１５の正圧面側から負圧面側に相対的に流れる所謂クリアランスフローを抑制しつつ、インペラ７内における空気の逆流が大きくなっても、シュラウド段差面３５によって逆流した空気をせき止めて、抽気溝２７から十分に抽気することができる。

また、ケーシング３のシュラウド壁５におけるインペラ７と流出穴２９の間に絞り部３３が形成されているため、流出穴２９から空気がインペラ７の入口側へ流出しても、縮流による整流作用を発揮させて、インペラ７の入口側におけるエネルギー損失を低減することができる。

従って、本発明の実施形態によれば、各長ブレード１５の正圧面側から負圧面側に相対的に流れるクリアランスフローを抑制しかつインペラ７の入口側におけるエネルギー損失を低減しつつ、インペラ７内における空気の逆流が大きくなっても、抽気溝２７から十分に抽気することができるため、遠心圧縮機１の効率（圧縮機効率）の向上を図りつつ、遠心圧縮機１のサージングを十分に抑制して、図４に示すように、遠心圧縮機１のサージ限界（サージライン）を低流量側に移行させて、遠心圧縮機１の作動域をより一層拡大させることができる。なお、図４中において、Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃは、遠心圧縮機１の回転数であって、Ｎａ＞Ｎｂ＞Ｎｃの関係になっている。

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。

１ 遠心圧縮機
５ シュラウド壁
７ インペラ
９ ハブ
１５ 長ブレード
１７ 短ブレード
１９ 吸入口
２１ ディフューザ流路
２３ スクロール流路
２５ 吐出口
２７ 抽気溝
２７ａ 開口下流端
２７ｂ 開口上流端
２９ 流出穴
３１ トリートメントキャビティ
３３ 絞り部
３５ シュラウド段差面
３７ ブレード段差面

Claims (3)

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、
   内側にシュラウド壁を有したケーシングと、
   前記ケーシングの前記シュラウド壁内に回転可能に設けられ、軸心周りに回転可能なハブ、及び前記ハブの外周面に周方向に間隔を置いて設けられかつ外縁が前記ケーシングの前記シュラウド壁に沿うように延びた複数枚のブレードを備えたインペラと、を具備し、
   前記ケーシングの前記シュラウド壁の上流側周縁にガスを前記インペラ側へ吸入する吸入口が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁の下流側周縁に圧縮したガスを排気する排気流路が形成され、
   前記ケーシングの前記シュラウド壁における前記ブレードの前縁位置よりも下流側に逆流したガスを抽気可能な環状の抽気溝が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁における前記ブレードの前縁位置よりも上流側にガスを前記インペラの入口側へ流出可能な流出穴が形成され、前記ケーシングの内部に前記抽気溝側から前記流出穴側へガスの流れを許容する環状のトリートメントキャビティが形成され、
   前記抽気溝の開口下流端の内径が開口上流端の内径よりも大きくなるように前記ケーシングの前記シュラウド壁に環状のシュラウド段差面が形成され、前記ブレードの外縁に前記シュラウド段差面に対応したブレード段差面が形成されていることを特徴とする遠心圧縮機。
2. ブレード段差面の段差量は、前記シュラウド段差面の段差量と同じであって、前記ブレード段差面は、前記ケーシングの軸方向における前記抽気溝の開口下流端と開口上流端との間、又は前記軸方向における前記抽気溝の開口下流端の位置と同じ位置に位置していることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記ケーシングのシュラウド壁における前記インペラと前記流出穴の間に下流側へ向かって内径を徐々に縮径した絞り部が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の遠心圧縮機。

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