(57)【要約】【課題】圧力及び流量の脈動を伴う条件下において広い作動範囲で運転可能な遠心圧縮機を提供する。【解決手段】少なくとも一つの再循環流路は、空気流路の空気流れの方向において前縁より下流側にて空気流路に接続する第１入口スリットと、空気流路の空気流れの方向において第１入口スリットより下流側にて空気流路に接続する第２入口スリットと、少なくとも一つの再循環流路における第１入口スリットの下流側又は第１入口スリット内に設けられた第１ベーンと、少なくとも一つの再循環流路における第２入口スリットの下流側又は第２入口スリット内に設けられた第２ベーンと、を含み、インペラの回転軸に対する周方向と、第１ベーンのコード方向とのなす角度をα１とし、インペラの回転軸に対する周方向と、第２ベーンのコード方向とのなす角度をα２とすると、α１＞α２を満たす。【選択図】  図２
2020139420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラと、
前記インペラを収容し、前記インペラに空気を案内するように内部に空気流路を形成するケーシングと、
を備え、
前記ケーシングは、
前記空気流路を流れる前記空気の一部を前記インペラの翼の前縁より下流側から前記前縁より上流側に還流させるための少なくとも一つの再循環流路を含み、
前記少なくとも一つの再循環流路は、
前記空気流路の空気流れの方向において前記前縁より下流側にて前記空気流路に接続する第１入口スリットと、
前記空気流路の空気流れの方向において前記第１入口スリットより下流側にて前記空気流路に接続する第２入口スリットと、
前記少なくとも一つの再循環流路における前記第１入口スリットの下流側又は前記第１入口スリット内に設けられた第１ベーンと、
前記少なくとも一つの再循環流路における前記第２入口スリットの下流側又は前記第２入口スリット内に設けられた第２ベーンと、
を含み、
前記第１ベーンの前縁の位置での前記インペラの回転軸に対する周方向と、前記第１ベーンのコード方向とのなす角度をα１とし、前記第２ベーンの前縁の位置での前記インペラの回転軸に対する周方向と、前記第２ベーンのコード方向とのなす角度をα２とすると、α１＞α２を満たす、遠心圧縮機。
【請求項２】
前記少なくとも一つの再循環流路は、前記第１入口スリット、前記第２入口スリット、前記第１ベーン及び前記第２ベーンを含む第１再循環流路を備え、
前記第１再循環流路は、
前記空気流路の空気流れの方向において前記翼の前記前縁より上流側にて前記空気流路に接続する出口スリットと、
前記空気流路の外周側に設けられ、前記第１入口スリット、前記第２入口スリット及び前記出口スリットの各々に接続する外周側空間部と、
を含む、請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項３】
前記第１ベーンは前記第１入口スリット内に設けられ、前記第２ベーンは前記第２入口スリット内に設けられた、請求項２に記載の遠心圧縮機。
【請求項４】
前記少なくとも一つの再循環流路は、前記第１入口スリット及び前記第１ベーンを含む第１再循環流路と、前記第２入口スリット及び前記第２ベーンを含む第２再循環流路と、
を含み、
前記第１再循環流路は、前記空気流路の空気流れの方向において前記翼の前記前縁より上流側にて前記空気流路に接続する第１出口スリットと、前記空気流路の外周側に設けられ、前記第１入口スリット及び前記第１出口スリットの各々に接続する第１外周側空間部と、を含み、
前記第２再循環流路は、前記空気流路の空気流れの方向において前記第１出口スリットより上流側にて前記空気流路に接続する第２出口スリットと、前記第１外周側空間部の外周側に設けられ、前記第２入口スリット及び前記第２出口スリットの各々に接続する第２外周側空間部と、を含む、請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項５】
前記第１ベーンは前記第１外周側空間部に設けられ、前記第２ベーンは前記第２外周側空間部に設けられた、請求項４に記載の遠心圧縮機。
【請求項６】
前記第１出口スリットの幅は、前記第２出口スリットの幅よりも小さい、請求項４又は５に記載の遠心圧縮機。
【請求項７】
前記第１入口スリットの幅は、前記第２入口スリットの幅よりも小さい、請求項１乃至６の何れか１項に記載の遠心圧縮機。
【請求項８】
前記第１ベーン及び前記第２ベーンは、１０°≦α１−α２≦２５°を満たすように配置された、請求項１乃至７の何れか１項に記載の遠心圧縮機。
【請求項９】
タービンと、
前記タービンに回転軸を介して接続された請求項１乃至８の何れか１項に記載の遠心圧縮機と、
を備えるターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、遠心圧縮機及びターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機の作動範囲を拡大する手段の一つとして、遠心圧縮機のケーシングの入口にケーシングトリートメントと呼ばれる再循環流路を設ける技術が特許文献１に開示されている。特許文献１には、遠心圧縮機において、ケーシングの内周面に吸引リング溝、リング案内路、及び環状リング溝からなる再循環流路を形成し、吸引リング溝の位置又は幅を周方向において円弧上に分布させることで、遠心圧縮機の安定作動範囲を小流量側に拡大できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０９９４１７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、例えば自動車用ターボチャージャに使用される遠心圧縮機は、エンジンによる圧力と流量の時間変動（脈動）を伴う条件下で使用される。既存の文献より、このような条件下においては脈動による流体の慣性力の影響により、コンプレッサの小流量側における逆流現象（サージング）が阻害され、小流量側における安定作動域が拡大することが明らかとなっている。
しかし一方で、特許文献１に記載される従来の再循環流路は脈動を伴わない定常流れを想定した設計がなされており、このような脈動を伴う条件下では遠心圧縮機の作動範囲を拡大する効果が限定的となることが本願発明者の検討の結果明らかとなった。
【０００５】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、圧力及び流量の脈動を伴う条件下において広い作動範囲で運転可能な遠心圧縮機及びターボチャージャを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）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、
前記インペラを収容し、前記インペラに空気を案内するように内部に空気流路を形成するケーシングと、
を備え、
前記ケーシングは、
前記空気流路を流れる前記空気の一部を前記インペラの翼の前縁より下流側から前記前縁より上流側に還流させるための少なくとも一つの再循環流路を含み、
前記少なくとも一つの再循環流路は、
前記空気流路の空気流れの方向において前記前縁より下流側にて前記空気流路に接続する第１入口スリットと、
前記空気流路の空気流れの方向において前記第１入口スリットより下流側にて前記空気流路に接続する第２入口スリットと、
前記少なくとも一つの再循環流路における前記第１入口スリットの下流側又は前記第１入口スリット内に設けられた第１ベーンと、
前記少なくとも一つの再循環流路における前記第２入口スリットの下流側又は前記第２入口スリット内に設けられた第２ベーンと、
を含み、
前記第１ベーンの前縁の位置での前記インペラの回転軸に対する周方向と、前記第１ベーンのコード方向とのなす角度をα１とし、前記第２ベーンの前縁の位置での前記インペラの回転軸に対する周方向と、前記第２ベーンのコード方向とのなす角度をα２とすると、α１＞α２を満たす。
【０００７】
上記遠心圧縮機では、流量が増大するにつれて、周方向に対して第１ベーン及び第２ベーンに流入する流れの方向がなす流れ角は小さくなる。このため、上記（１）に記載するように第１ベーンの角度α１を第２ベーンの角度α２よりも大きくすることにより、第１ベーンの角度α１を比較的流量が小さい時（圧力比が大きい時）の流れ角にマッチさせ、第２ベーンの角度α２を比較的流量が大きい時（圧力比が小さい時）の流れ角にマッチさせることが可能となる。一方、第２入口スリットは空気流路の空気流れの方向において第１入口スリットより下流側にて空気流路に接続しており、再循環流路の前後差圧は第２入口スリットを通る場合の方が第１入口スリットを通る場合よりも高くなる。このため、第１ベーンの角度α１を第２ベーンの角度α２よりも大きくすることにより、遠心圧縮機の作動状態に応じた再循環流量の変動を抑制して、脈動条件下において遠心圧縮機のサージ流量を効果的に低減することができる。これにより、遠心圧縮機の作動範囲を小流量側に拡大することができ、遠心圧縮機を広い作動範囲で安定的に運転することができる。
【０００８】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の遠心圧縮機において、
前記少なくとも一つの再循環流路は、前記第１入口スリット、前記第２入口スリット、前記第１ベーン及び前記第２ベーンを含む第１再循環流路を備え、
前記第１再循環流路は、
前記空気流路の空気流れの方向において前記翼の前記前縁より上流側にて前記空気流路に接続する出口スリットと、
前記空気流路の外周側に設けられ、前記第１入口スリット、前記第２入口スリット及び前記出口スリットの各々に接続する外周側空間部と、
を含む。
【０００９】
上記（２）に記載の遠心圧縮機によれば、簡素な構成で遠心圧縮機の作動状態に応じた再循環流量の変動を抑制して、脈動条件下において遠心圧縮機のサージ流量を効果的に低減することが可能である。
【００１０】
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）に記載の遠心圧縮機において、
前記第１ベーンは前記第１入口スリット内に設けられ、前記第２ベーンは前記第２入口スリット内に設けられる。
【００１１】
上記（３）に記載の遠心圧縮機によれば、第１ベーンによって第１入口スリットに流入する流れの流量を効果的に調節し、第２ベーンによって第２入口スリットに流入する流れの流量を効果的に調節することができる。これにより、簡素な構成で遠心圧縮機の作動状態に応じた再循環流量の変動を抑制して、脈動条件下において遠心圧縮機のサージ流量を効果的に低減することが可能である。
【００１２】
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の遠心圧縮機において、
前記少なくとも一つの再循環流路は、前記第１入口スリット及び前記第１ベーンを含む第１再循環流路と、前記第２入口スリット及び前記第２ベーンを含む第２再循環流路と、
を含み、
前記第１再循環流路は、前記空気流路の空気流れの方向において前記翼の前記前縁より上流側にて前記空気流路に接続する第１出口スリットと、前記空気流路の外周側に設けられ、前記第１入口スリット及び前記第１出口スリットの各々に接続する第１外周側空間部と、を含み、
前記第２再循環流路は、前記空気流路の空気流れの方向において前記第１出口スリットより上流側にて前記空気流路に接続する第２出口スリットと、前記第１外周側空間部の外周側に設けられ、前記第２入口スリット及び前記第２出口スリットの各々に接続する第２外周側空間部と、を含む。
【００１３】
上記（４）に記載の遠心圧縮機によれば、第１再循環流路の流路抵抗と第２再循環流路の流路抵抗を個別に調節することができる。このため、再循環流量（第１再循環流路の流量と第２再循環流路の流量の合計）の変動を効果的に抑制することができる。
【００１４】
（５）幾つかの実施形態では、上記（４）に記載の遠心圧縮機において、
前記第１ベーンは前記第１外周側空間部に設けられ、前記第２ベーンは前記第２外周側空間部に設けられる。
【００１５】
上記（５）に記載の遠心圧縮機によれば、第１入口スリット、第２入口スリット、第１出口スリット及び第２出口スリットの寸法の制約を受けることなく第１ベーン及び第２ベーンを設けて再循環流量の変動を抑制することができる。
【００１６】
（６）幾つかの実施形態では、上記（４）又は（５）に記載の遠心圧縮機において、
前記第１出口スリットの幅は、前記第２出口スリットの幅よりも小さい。
【００１７】
上記（６）に記載の遠心圧縮機によれば、再循環流量を減らしたい小流量時の流れ角にマッチした第１ベーンに対応する第１再循環流路の流路抵抗を大きくし、再循環流量を増やしたい大流量時の流れ角にマッチした第２ベーンに対応する第２再循環流路の流路抵抗を小さくすることができる。これにより、再循環流量の変動を抑制する効果を高めることができる。
【００１８】
（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかに記載の遠心圧縮機において、
前記第１入口スリットの幅は、前記第２入口スリットの幅よりも小さい。
【００１９】
上記（７）に記載の遠心圧縮機によれば、再循環流量を減らしたい小流量時の流れ角にマッチした第１ベーンに対応する第１入口スリットの流路抵抗を大きくし、再循環流量を増やしたい大流量時の流れ角にマッチした第２ベーンに対応する第２入口スリットの流路抵抗を小さくすることができる。これにより、再循環流量の変動を抑制する効果を高めることができる。
【００２０】
（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかに記載の遠心圧縮機において、
前記第１ベーン及び前記第２ベーンは、１０°≦α１−α２≦２５°を満たすように配置される。
【００２１】
上記（８）に記載の遠心圧縮機によれば、遠心圧縮機の作動状態に応じた再循環流量の変動を効果的に抑制することができる。これにより、脈動条件下において遠心圧縮機のサージ流量を効果的に低減することができる。
【００２２】
（９）本発明の少なくとも一実施形態に係るターボチャージャは、
タービンと、
前記タービンに回転軸を介して接続された上記（１）乃至（８）の何れかに記載の遠心圧縮機と、
を備える。
【００２３】
上記（９）に記載の遠心圧縮機によれば、上記（１）乃至（８）の何れかに記載の遠心圧縮機を備えているため、遠心圧縮機の作動状態に応じた再循環流量の変動を抑制して、脈動条件下において遠心圧縮機のサージ流量を効果的に低減することが可能である。これにより、遠心圧縮機の作動範囲を小流量側に拡大することができ、ターボチャージャを広い作動範囲で安定的に運転することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、圧力及び流量の脈動を伴う条件下において広い作動範囲で運転可能な遠心圧縮機及びターボチャージャが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】一実施形態に係るターボチャージャ２の概略構成を示す図である。
【図２】一実施形態に係る再循環流路２６（２６Ａ）の概略構成を示す断面図である。
【図３】図２における各第１ベーン３６のＡ−Ａ断面（軸方向における第１ベーン３６の中央位置に沿った断面）を軸方向に沿って視た図である。
【図４】図２における各第２ベーン３８のＢ−Ｂ断面（軸方向における第２ベーン３８の中央位置に沿った断面）を軸方向に沿って視た図である。
【図５】参考形態に係る再循環流路（ケーシングトリートメント）の構成を示す概略図である。
【図６】コンプレッサの出口境界に圧力変動を付加した非定常解析の結果を示す図である。
【図７】流入流れ角θと第１入口スリット３０の圧力損失係数との概略関係を示す図である。
【図８】流入流れ角θと第２入口スリット３２の圧力損失係数との概略関係を示す図である。
【図９】再循環流路２６における小流量側作動時（圧力比極大時）の流れを説明するための図である。
【図１０】再循環流路２６における大流量側作動時（圧力比極小時）の流れを説明するための図である。
【図１１】参考形態に係る遠心圧縮機におけるインペラ入口流量、吸気流量及び再循環流量の変動を概略的に示す図である。
【図１２】遠心圧縮機４におけるインペラ入口流量、吸気流量及び再循環流量の変動を概略的に示す図である。
【図１３】一実施形態に係る２つの再循環流路２６（２６Ａ，２６Ｂ）の概略構成を示す断面図である。
【図１４】図１３における各第１ベーン５４のＣ−Ｃ断面（径方向における第１ベーン５４の中央位置に沿った断面）を示す翼列展開図である。
【図１５】図１３における各第２ベーン６２のＤ−Ｄ断面（径方向における第２ベーン６２の中央位置に沿った断面）を示す翼列展開図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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。
【００２７】
図１は、一実施形態に係るターボチャージャ２の概略構成を示す図である。
図１に示すように、ターボチャージャ２は、遠心圧縮機４、及び遠心圧縮機４に回転軸６を介して接続されたタービン８を備える。遠心圧縮機４は、インペラ１０と、インペラ１０を収容するケーシング１２と、を備える。以下では、インペラ１０の軸方向を単に「軸方向」といい、インペラ１０の径方向を単に「径方向」といい、インペラ１０の周方向を単に周方向ということとする。
【００２８】
インペラ１０は、回転軸６に固定されたハブ１４とハブ１４の外周面に周方向に間隔をあけて設けられた複数の翼１６とを含む。インペラ１０は、回転軸６を介してタービン８のタービンロータ９に接続されており、インペラ１０とタービンロータ９とは一体的に回転するように構成されている。回転軸６は軸受５によって回転可能に支持されている。
【００２９】
ケーシング１２は、インペラ１０に空気を案内するように内部に空気流路１８を形成する空気案内部２０と、インペラ１０を通過した空気が流入するスクロール部２２とを含む。
【００３０】
空気案内部２０は、空気流路１８を流れる空気の一部をインペラ１０の翼１６の前縁２４より下流側から前縁２４より上流側に還流させるための少なくとも一つの再循環流路２６（ケーシングトリートメント）を含む。
【００３１】
図２は、一実施形態に係る再循環流路２６（第１再循環流路）の概略構成を示す断面図である。
図２に示す再循環流路２６は、外周側空間部２８、第１入口スリット３０、第２入口スリット３２、出口スリット３４、複数の第１ベーン３６及び複数の第２ベーン３８を含む。
【００３２】
外周側空間部２８は、空気流路１８の外周側に環状に形成されており、軸方向に沿って延設されている。
【００３３】
第１入口スリット３０は、空気流路１８と外周側空間部２８とを径方向に連通するように空気流路１８と外周側空間部２８の間に環状に形成されている。第１入口スリット３０の内周端３０ａは、空気流路１８の空気流れの方向においてインペラ１０の翼１６の前縁２４より下流側にて空気流路１８に接続し、第１入口スリット３０の外周端３０ｂは、外周側空間部２８に接続する。
【００３４】
第２入口スリット３２は、空気流路１８と外周側空間部２８とを径方向に連通するように空気流路１８と外周側空間部２８の間に環状に形成されている。第２入口スリット３２の内周端３２ａは、空気流路１８の空気流れの方向において第１入口スリット３０より下流側にて空気流路１８に接続し、第２入口スリット３２の外周端３２ｂは、外周側空間部２８の空気流れの方向において第１入口スリット３０よりも上流側にて外周側空間部２８に接続する。
【００３５】
出口スリット３４は、空気流路１８と外周側空間部２８とを径方向に連通するように空気流路１８と外周側空間部２８の間に環状に形成されている。出口スリット３４の内周端３４ａは、空気流路１８の空気流れの方向においてインペラ１０の翼１６の前縁２４より上流側にて空気流路１８に接続し、出口スリット３４の外周端３４ｂは、外周側空間部２８の空気流れの方向において第１入口スリット３０よりも下流側（図示する形態では、外周側空間部２８の空気流れの方向において外周側空間部２８の下流側端部２８ａ）にて外周側空間部２８に接続する。
【００３６】
図３は、図２における各第１ベーン３６のＡ−Ａ断面（軸方向における第１ベーン３６の中央位置に沿った断面）を軸方向に沿って視た図である。図４は、図２における各第２ベーン３８のＢ−Ｂ断面（軸方向における第２ベーン３８の中央位置に沿った断面）を軸方向に沿って視た図である。
【００３７】
図３に示すように、複数の第１ベーン３６は、第１入口スリット３０内に周方向に間隔をあけて設けられている。また、図４に示すように、複数の第２ベーン３８は、第２入口スリット３２内に周方向に間隔をあけて設けられている。
【００３８】
ここで、図３に示す断面において、第１ベーン３６の前縁４０の位置でのインペラ１０の回転速度の接線方向ｕ（インペラ１０の回転軸６に対する周方向）と、第１ベーン３６のコード方向Ｃ１（第１ベーン３６の前縁４０を起点とする、前縁４０と後縁４２とを結ぶ方向）とのなす角度をα１とし、図４に示す断面において、第２ベーン３８の前縁４４の位置でのインペラ１０の回転速度の接線方向ｕ（インペラ１０の回転軸６に対する周方向）と、第２ベーン３８のコード方向Ｃ２（第２ベーン３８の前縁４４を起点とする、前縁４４と後縁４６とを結ぶ方向）とのなす角度をα２とすると、第１ベーン３６及び第２ベーン３８は、α１＞α２を満たすように配置されている。角度α１及び角度α２は、例えば、１０°≦α１−α２≦２５°となるように設定されてもよい。
【００３９】
このように第１ベーン３６及び第２ベーン３８をα１＞α２を満たすように配置することにより、不図示のエンジンによる圧力及び流量の脈動を伴う条件下において、サージ流量を低減して小流量側に作動範囲を拡大することができ、遠心圧縮機４を広い作動範囲で安定的に運転することができる。
【００４０】
以下に、上記のような効果を得ることができる理由について、参考形態に係る考察を交えて説明する。
【００４１】
乗用車用ターボチャージャに使用される遠心圧縮機は、エンジンによる圧力及び流量の時間変動（脈動）を伴う条件下で使用され、その際のサージング特性は脈動を伴わない条件下のコンプレッサ単体試験（ベンチ試験）に対して異なる傾向を示す。すなわち、脈動条件下では、コンプレッサ単体試験（定常条件）に対してサージ流量が低減する傾向にある。
【００４２】
脈動条件下でサージ流量が低減する要因として、インペラ入口の質量流量ｍ〔ｋｇ／ｓ〕の時間変動によって生じる流体の慣性力ｄｍ／ｄｔの影響がある。脈動によって流量の時間変動が急峻になることで慣性力が増大し、インペラ出口からの逆流が阻害されることで、サージを生じにくくしていると考えられる。
【００４３】
図５は参考形態に係る再循環流路（ケーシングトリートメント）の構成を示す概略図である。なお、図５に示す参考形態では、一つの入口スリットのみを有する一つの再循環流路のみが設けられている。
【００４４】
図６は、コンプレッサの出口境界に圧力変動を付加した非定常解析の結果を示す図である。
図６において実線は遠心圧縮機の吸気流量（遠心圧縮機の入口境界の流量）の時系列変化を示しており、一点鎖線はインペラ入口の流量の時系列変化を示しており、破線は圧力比の時系列変化を示している。また、各線について、太線は図５に示した再循環流路が設けられている場合を示しており、細線は再循環流路が設けられていない場合を示している。
【００４５】
図６に示すように、再循環流路が設けられている場合のインペラ入口の流量の振幅Ａの方が、再循環流路が設けられていない場合のインペラ入口の流量の振幅Ｂよりも小さくなっている。このため、再循環流路を設けた方が、脈動によるサージ低減効果が小さくなると考えられる。一方、吸気流量の振幅Ｃは再循環流路の有無によらずほぼ同程度である。インペラ入口の流量は、吸気流量と再循環流路からの再循環流量との和で表されるため、再循環流量が吸気流量と逆位相で変動した結果、インペラ入口の流量の振幅Ａが振幅Ｂよりも減少していると考えられる。このため、脈動条件下におけるサージ改善要因である慣性力ｄｍ／ｄｔの効果が減衰し、サージ改善効果が限定的となる。
【００４６】
再循環流路の有無による脈動条件下での入口流量振幅の差異は、以下のような理論により説明可能である。
【００４７】
まず、第１の前提として、再循環流路の再循環流量は、遠心圧縮機の出口の圧力状態に応じて変化する。また、第２の前提として、一般的な遠心圧縮機のＰ−Ｑ特性上、圧力極大の点において流量が極小になり、圧力極小の点において流量が極大となる。
【００４８】
これらの前提を踏まえると、吸気流量が極大となる点では、圧縮機出口の圧力低下によって再循環流路の前後差圧（図５における点Ｐと点Ｑの差圧）が減少し、再循環流量が減少する。一方、吸気流量が極小となる点では、出口圧力が上昇することで再循環流路の前後差圧が増大し、再循環流量が増加する。インペラ入口の流量は、吸気流量と再循環流量の和として定義されるため、再循環流量の変化が吸気流量の変化を打ち消すように作用した結果、インペラ内部を通過する流量の振幅が減少する。
【００４９】
以上のような理論から、脈動条件下における再循環流量の変動の小さい再循環流路構造を設計すれば、インペラ入口の流量変動に伴う慣性力の減衰を抑制でき、脈動条件下において遠心圧縮機のサージ流量を効果的に低減することが可能であると考えられる。
【００５０】
以上を踏まえて、図２に示す構成について考察すると、空気流路１８の流れ方向の静圧分布について、再循環流路２６の入口スリットの位置は下流側にあるほど再循環流路の前後差圧は増大するため、小流量時に上流側の第１入口スリット３０を通過しやすくし、大流量時に下流側の第２入口スリット３２を通過しやすくすることで、圧力比の変動に対して再循環流量の変動を抑制できると考えられる。
【００５１】
そこで、図３及び図４に示したように、α１＞α２を満たすように第１ベーン３６及び第２ベーン３８が配置されている。遠心圧縮機４では、流量が増大するにつれて、インペラ１０の回転速度の接線方向ｕに対して第１ベーン３６及び第２ベーン３８に流入する流れの方向ｄがなす流れ角θは小さくなる。このため、α１＞α２を満たす適切な角度α１及び角度α２を設定することにより、脈動条件下において第１ベーン３６の角度α１を小流量時の流れ角θにマッチさせ、第２ベーン３８の角度α２を大流量時の流れ角θにマッチさせることが可能となる。
【００５２】
例えば図７に示すように、流量が極小の時（圧力比が極大の時）に第１入口スリット３０の圧力損失係数が極小となるように第１ベーン３６の角度α１を相対的に大きく設定し、図８に示すように流量が極大の時（圧力比が極小時）に第２入口スリット３２の圧力損失係数が極小となるように第２べーンの角度α２を角度α１より小さく設定してもよい。これにより、図９に示すように出口スリット３４との差圧が小さい第１入口スリット３０に小流量時に空気を流しやすくし、図１０に示すように出口スリット３４との差圧が大きい第２入口スリット３２に大流量時に空気を流しやすくすることができる。
【００５３】
このように、α１＞α２を満たす適切な角度α１及び角度α２を設定することにより、脈動条件下で遠心圧縮機４の作動点に応じて流れ角θがマッチするスリット３０，３２を切り替えることにより、、図１１及び図１２に示すように、参考形態に係る遠心圧縮機（図５参照）と比較して、実施形態では遠心圧縮機４の作動状態に応じた再循環流量の変動を抑制し、インペラ入口における流量変動を維持することができる。。これにより、脈動条件下における流体慣性力ｄｍ／ｄｔの効果を確保することができ、サージ流量を効果的に低減して作動範囲を小流量側に拡大することができ、遠心圧縮機４を広い作動範囲で安定的に運転することができる。
【００５４】
なお、上述した実施形態において、仮に第１ベーン３６及び第２ベーン３８が設けられていなかった場合、流れ角θが変動しても第１入口スリット３０圧力損失係数と第２入口スリット３２の圧力損失係数との大小関係は変化しないため、再循環流量の変動を効果的に抑制することができない。
【００５５】
図１３は、一実施形態に係る２つの再循環流路２６（２６Ａ，２６Ｂ）の概略構成を示す断面図である。図１３に示す形態では、ケーシング１２は、半径方向に２重に設置された第１再循環流路２６Ａ及び第２再循環流路２６Ｂを含んでいる。
【００５６】
第１再循環流路２６Ａは、第１外周側空間部４８、第１入口スリット５０、第１出口スリット５２及び複数の第１ベーン５４を含む。第１外周側空間部４８は、空気流路１８の外周側に環状に形成されており、軸方向に沿って延設されている。
【００５７】
第１入口スリット５０は、空気流路１８と第１外周側空間部４８とを径方向に連通するように空気流路１８と第１外周側空間部４８の間に環状に形成されている。第１入口スリット５０の内周端５０ａは、空気流路１８の空気流れの方向においてインペラ１０の翼１６の前縁２４より下流側にて空気流路１８に接続し、第１入口スリット５０の外周端５０ｂは、第１外周側空間部４８に接続する。
【００５８】
第１出口スリット５２は、空気流路１８と第１外周側空間部４８とを径方向に連通するように空気流路１８と第１外周側空間部４８の間に環状に形成されている。第１出口スリット５２の内周端５２ａは、空気流路１８の空気流れの方向において翼１６の前縁２４より上流側にて空気流路１８に接続し、第１出口スリット５２の外周端５２ｂは、第１外周側空間部４８の空気流れの方向において第１入口スリット５０よりも下流側（図示する形態では、第１外周側空間部４８の空気流れの方向において第１外周側空間部４８の下流側端部４８ａ）にて第１外周側空間部４８に接続する。
【００５９】
第２再循環流路２６Ｂは、第２外周側空間部５６、第２入口スリット５８、第２出口スリット６０及び複数の第２ベーン６２を含む。第２外周側空間部５６は、第１外周側空間部４８の外周側に環状に形成されており、軸方向に沿って延設されている。
【００６０】
第２入口スリット５８は、空気流路１８と第２外周側空間部５６とを径方向に連通するように空気流路１８と第２外周側空間部５６の間に環状に形成されている。第２入口スリット５８の内周端５８ａは、空気流路１８の空気流れの方向において第１入口スリット３０より下流側にて空気流路１８に接続し、第２入口スリット５８の外周端５８ｂは、第２外周側空間部５６に接続する。軸方向における第２入口スリット５８のスリット幅Ｗ２は、軸方向における第１入口スリット５０のスリット幅Ｗ１より大きく設定されている。
【００６１】
第２出口スリット６０は、空気流路１８と第２外周側空間部５６とを径方向に連通するように空気流路１８と第２外周側空間部５６の間に環状に形成されている。第２出口スリット６０の内周端６０ａは、空気流路１８の空気流れの方向において第１出口スリット５８より上流側にて空気流路１８に接続し、第２出口スリット６０の外周端６０ｂは、第２外周側空間部５６の空気流れの方向において第２入口スリット５８よりも下流側（図示する形態では、第２外周側空間部５６の空気流れの方向における第２外周側空間部５６の下流側端部５６ａ）にて第２外周側空間部５６に接続する。軸方向における第２出口スリット６０のスリット幅Ｗ４は、軸方向における第１出口スリット５２のスリット幅Ｗ３より大きく設定されている。
【００６２】
図１４は、図１３における各第１ベーン５４のＣ−Ｃ断面（径方向における第１ベーン５４の中央位置に沿った断面）を示す翼列展開図である。図１５は、図１３における各第２ベーン６２のＤ−Ｄ断面（径方向における第２ベーン６２の中央位置に沿った断面）を示す翼列展開図である。
【００６３】
図１４に示すように、複数の第１ベーン５４は、第１外周側空間部４８内に周方向に間隔をあけて設けられている。また、図１５に示すように、複数の第２ベーン６２は、第２外周側空間部５６内に周方向に間隔をあけて設けられている。
【００６４】
図１４に示すように、第１ベーン５４の前縁６４の位置でのインペラ１０の回転速度の接線方向ｕ（インペラ１０の回転軸６に対する周方向）と、第１ベーン３６のコード方向Ｃ１（第１ベーン５４の前縁６４を起点とする、前縁６４と後縁６６とを結ぶ方向）とのなす角度をα１とし、図１５に示すように、第２ベーン６２の前縁６８の位置でのインペラ１０の回転速度の接線方向ｕ（インペラ１０の回転軸６に対する周方向）と、第２ベーン６２のコード方向Ｃ２（第２ベーン６２の前縁６８を起点とする、前縁６８と後縁７０とを結ぶ方向）とのなす角度をα２とすると、第１ベーン５４及び第２ベーン６２は、α１＞α２を満たすように配置されている。
【００６５】
図１３に示す構成では、第１再循環流路２６Ａの前後差圧（第１入口スリット５０と第１出口スリット５２との差圧）よりも第２再循環流路２６Ｂの前後差圧（第２入口スリット５８と第２出口スリット６０との差圧）の方が大きい。このため、流量が極小の時（圧力比が極大の時）における流れ角θにマッチするように角度α１を設定し、流量が極大の時（圧力比が極小の時）における流れ角θにマッチするように角度α２を角度α１より小さく設定することにより、流量が極小の時における第１再循環流路２６Ａの圧力損失係数を極小とするとともに、流量が極大の時における第２再循環流路２６Ｂの圧力損失係数を極小とすることができる。
【００６６】
このように、遠心圧縮機４の作動点に応じて流れ角θがマッチする再循環流路２６Ａ，２６Ｂが切り替わることにより、参考形態に係る遠心圧縮機（図５参照）と比較して、遠心圧縮機４の作動状態に応じた再循環流量の変動を抑制して、脈動条件下において遠心圧縮機４のサージ流量を効果的に低減することが可能である。これにより、遠心圧縮機４の作動範囲を小流量側に拡大することができ、遠心圧縮機４を広い作動範囲で安定的に運転することができる。
【００６７】
また、上述したように、第１入口スリット５０のスリット幅Ｗ１が第２入口スリット５８のスリット幅Ｗ２よりも小さく設定されており、第１出口スリット５２のスリット幅Ｗ３が第２出口スリット６０のスリット幅Ｗ４よりも小さく設定されている。このように、再循環流量を減らしたい小流量時の流れ角θにマッチした第１ベーン５４に対応する第１再循環流路２６Ａの流路抵抗を大きくし、再循環流量を増やしたい大流量時の流れ角θにマッチした第２ベーン６２に対応する第２再循環流路２６Ｂの流路抵抗を小さくしている。これにより、再循環流量の変動を抑制して再循環流量を平準化する効果を高めることができる。ただし、ケーシング１２の製造容易性やパッケージングの観点からは、図１３に示す形態よりも図２に示す形態の方が有利である。
【００６８】
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。
【符号の説明】
【００６９】
２  ターボチャージャ
４  遠心圧縮機
５  軸受
６  回転軸
８  タービン
９  タービンロータ
１０  インペラ
１２  ケーシング
１４  ハブ
１６  翼
１８  空気流路
２０  空気案内部
２２  スクロール部
２４，４０，４４，６４，６８  前縁
２６  再循環流路
２６Ａ  第１再循環流路
２６Ｂ  第２再循環流路
２８  外周側空間部
２８ａ，４８ａ，５６ａ  下流側端部
３０  第１入口スリット
３０ａ  内周端
３０ｂ  外周端
３２  第２入口スリット
３２ａ  内周端
３２ｂ  外周端
３４  出口スリット
３４ａ  内周端
３４ｂ  外周端
３６  第１ベーン
３８  第２ベーン
４２，４６  前縁
４８  第１外周側空間部
４８ａ  下流側端部
５０  第１入口スリット
５０ａ  内周端
５０ｂ  外周端
５２  第１出口スリット
５２ａ  内周端
５２ｂ  外周端
５８  第１出口スリット
５８ａ  内周端
５８ｂ  外周端
５４  第１ベーン
５６  第２外周側空間部
５６ａ  下流側端部
５８  第２入口スリット
５８ａ  内周端
５８ｂ  外周端
６０  第２出口スリット
６０ａ  内周端
６０ｂ  外周端
６２  第２ベーン
６６，７０  前縁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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