(57)【要約】【課題】サージングの原因になるブレード１３の前縁付近における空気の流れの剥離を十分に抑制して、遠心圧縮機１の作動域を低流量側に拡大すること。【解決手段】ハウジング３の内壁５におけるインペラ７の入口側に、シュラウド周辺におけるガスの流れにインペラ７の回転方向と逆方向の旋回を与える複数枚の入口ガイドベーン２７が周方向に間隔を置いて設けられていること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、
ハウジングと、
前記ハウジングの内に回転可能に設けられ、軸心周りに回転可能なホイール、及び前記ホイール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ハウジングの内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、
前記ハウジングの内壁の上流側周縁部にガスを前記インペラ側へ吸入する吸入口が形成され、前記ハウジングの内壁の下流側周縁部に圧縮したガスを排気する排気流路が形成され、
前記ハウジングの内壁における前記インペラの入口側に、シュラウド周辺におけるガス流れに前記インペラの回転方向と逆方向の旋回を与える複数枚の入口ガイドベーンが周方向に間隔を置いて設けられていることを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項２】
前記ハウジングの内壁に周方向溝が複数枚の前記ブレードの前縁の下流側近傍を囲むように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項３】
前記ハウジングの内壁における前記ブレードの前縁の下流側に逆流したガスを抽気可能な抽気穴が形成され、前記ハウジングの内壁における前記入口ガイドベーンの前縁の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、前記ハウジングの内部に前記抽気穴側から前記流出穴側へガスの流れを許容する環状のキャビティが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項４】
前記ハウジングの内壁における前記インペラの入口側に下流方向へ向かって内径を徐々に縮径した絞り部が形成されており、複数枚の前記入口ガイドベーンが前記ハウジングの内壁における前記絞り部の上流側に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載の遠心圧縮機。
【請求項５】
前記絞り部の縮径量をＬ、前記入口ガイドベーンの高さをＨとした場合に、Ｈ≦Ｌの関係が成立するようになっていることを特徴とする請求項４に記載の遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両用過給機、船舶用過給機、ガスタービン等に用いられる遠心圧縮機について種々の開発がなされており、一般的な遠心圧縮機の構成等について簡単に説明すると、次のようになる（特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００３】
即ち、一般的な遠心圧縮機は、ハウジングを具備しており、このハウジング内には、インペラが回転可能に設けられている。また、インペラは、インペラの軸心周りに回転可能なホイール、及びこのホイールの外周面に間隔を置いて設けられた複数枚のブレードを備えている。ここで、各ブレードの外縁は、ハウジングの内壁に沿うように延びている。
【０００４】
ハウジングの内壁の上流側周縁には、空気（ガスの一例）をインペラ側へ吸入する吸入口が形成されている。また、ハウジングの内壁の下流側周縁には、圧縮した空気を排気する排気流路が形成されている。
【０００５】
従って、遠心圧縮機を運転する場合には、例えば、内燃機関（図示省略）からの排気ガスのエネルギを利用してロータ軸（図示省略）の回転させることにより、複数枚のブレードをホイールと一体的に回転させ、換言すれば、インペラを回転させる。これにより、吸入口からインペラ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、圧縮した空気を排気流路から排気することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２４０６８０号公報
【特許文献２】特開２００６−１５２９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、遠心圧縮機の運転中に、インペラの入口側の空気流量が少なくなって、インペラの入口側のインシデンス（相対流れ角と羽角度の差）が増大すると、ブレードの前縁付近に空気の流れの剥離（剥離域）が発生して、遠心圧縮機はサージングに至ることになる。一方、近年、遠心圧縮機のサージングを十分に抑制して、遠心圧縮機の作動域を拡大させるという要求が高まってきている。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の発明者は、前述の課題を解決するために、種々の試行錯誤を繰り返した結果、インペラの入口側のシュラウド周辺におけるガスの流れにインペラの回転方向と逆方向の旋回を与えた場合には、インペラの回転方向と逆方向の旋回を与えない場合に比べて、図５及び図６に示すように、インペラの入口側の相対マッハ数が増加し、インペラの入口側のシュラウド周辺におけるガスの流れが遷音速流れから超音速流れに移行して、ブレードの前縁付近にブレード面に対して略垂直な離脱衝撃波が生成され、ガスの流れの剥離（剥離域）の発生を抑制することができるという、第１の新規な知見を得ることができ、第１の発明を完成するに至った。更に、前記条件に加えて、ハウジングの内壁に周方向溝を複数枚のブレードの前縁の下流側近傍を囲むように形成した場合には、周方向溝を介してブレードの圧力面から負圧面にガスの流れが発生し、図７に示すように、離脱衝撃波の生成箇所を下流側に変位（移行）させて、ブレード間における低エネルギ領域（インペラ内における低エネルギ領域）の発達を抑制できるという、第２の新規な知見を得ることができ、第２の発明を完成するに至った。なお、前記条件に加えて、仮に前記逆方向の旋回を与えなくてもインペラの入口側のシュラウド周辺におけるガスの相対流れが超音速流れになる程度に、インペラの入口側の相対マッハ数が非常に高い場合には、ハウジングの内壁に周方向溝を複数枚のブレードの前縁の下流側近傍を囲むように形成した場合と同様の相対マッハ数分布（図示省略）を得ることができ、離脱衝撃波の生成箇所を下流側に変位させて、ブレード間における低エネルギ領域の発達を抑制できるという、別の新規な知見も得ることができた。
【００１０】
ここで、図５は、インペラの回転方向と逆方向の旋回を与えない場合における、径方向外側から見たインペラ内のガスの相対マッハ数分布を示す図、図６は、インペラの回転方向と逆方向の旋回を与えた場合における、径方向外側から見たインペラ内のガスの相対マッハ数分布を示す図、図７は、インペラの回転方向と逆方向の旋回を与えかつ周方向溝を形成した場合における、径方向外側から見たインペラ内のガスの相対マッハ数分布を示す図である。また、インペラ内のガスの相対マッハ数分布は、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析により求められる。
【００１１】
第１の発明の特徴は、ガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機において、ハウジングと、前記ハウジングの内に回転可能に設けられ、軸心周りに回転可能なホイール、及び前記ホイール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ハウジングの内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、前記ハウジングの内壁の上流側周縁部（前記インペラの入口側）にガスを前記インペラ側へ吸入する吸入口が形成され、前記ハウジングの内壁の下流側周縁部（前記インペラの出口側）に圧縮したガスを排気する環状の排気流路が形成され、前記ハウジングの内壁における前記インペラの入口側（前記インペラの上流側）に、シュラウド周辺（前記ハウジングの内壁周辺）におけるガスの流れに前記インペラの回転方向と逆方向の旋回を与える複数枚の入口ガイドベーンが周方向に間隔を置いて設けられていることを要旨とする。
【００１２】
ここで、特許請求の範囲及び明細書において、「上流」とは、主流のガスの流れ方向から見て上流のことであって、「下流」とは、主流のガスの流れ方向から見て下流のことである。
【００１３】
第１の発明の特徴によると、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ホイール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。これにより、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、圧縮したガスを前記排気流路から排気することができる。
【００１４】
また、前記ハウジングの内壁における前記インペラの入口側に複数枚の前記入口ガイドベーンが周方向に間隔を置いて設けられているため、前述の第１の新規な知見を考慮すると、前記遠心圧縮機の運転中に、前記インペラの入口側のガス流量が少なくなっても、前記インペラの入口側のシュラウド周辺におけるガスの相対流れを超音速流れに保って、図８に示すように、前記ブレードの前縁付近に生成された離脱衝撃波の作用によってガスが前記ブレードのブレード面に沿うように促すことができる。
【００１５】
ここで、図８は、離脱衝撃波を通過したガスの相対流れを示す径方向外側から見た展開図である。
【００１６】
また、仮に前記逆方向の旋回を与えなくてもインペラの入口側のシュラウド周辺におけるガスの相対流れが超音速流れになる程度に、前記インペラの入口側の相対マッハ数が非常に高い場合には、前述の別の新規な知見を適用すると、図８において二点鎖線で示すように、離脱衝撃波の生成箇所を下流側に変位させて、前記ブレード間における低エネルギ領域（前記インペラ内における低エネルギ領域）の発達を抑制できる。
【００１７】
第２の発明の特徴は、第１の特徴に加えて、前記ハウジングの内壁に周方向溝（周溝）が複数枚の前記ブレードの前縁の下流側近傍を囲むように形成されていることを要旨とする。
【００１８】
ここで、「複数枚の前記ブレード」とは、複数枚の前記ブレードが軸長の異なる複数種の前記ブレードからなる場合には、最も軸長の長い複数枚のブレードのことをいう。
【００１９】
第２の発明の特徴によると、第１の発明の特徴による作用の他に、前記ハウジングの内壁に前記周方向溝が複数枚の前記ブレードの前縁の下流側近傍を囲むように形成されているため、前述の第２の新規な知見を適用すると、離脱衝撃波の生成箇所を下流側に変位させて、前記ブレード間における低エネルギ領域の発達を抑制できる。
【発明の効果】
【００２０】
第１及び第２の発明によれば、前記遠心圧縮機の運転中に、前記インペラの入口側のガス流量が少なくなっても、前記インペラの入口側のシュラウド周辺におけるガスの相対流れを超音速流れに保って、離脱衝撃波の作用によってガスが前記ブレードのブレード面に沿うように促すことができるため、前記遠心圧縮機のサージングの原因になる前記ブレードの前縁付近におけるガスの流れの剥離を十分に抑制して、前記遠心圧縮機の作動域を低流量側に拡大することができる。
【００２１】
また、第２の発明によれば、離脱衝撃波の生成箇所を下流側に変位させて、前記ブレード間における低エネルギ領域の発達を抑制できるため、前記ブレード間におけるエネルギ損失を低減して、前記遠心圧縮機の効率（圧縮機効率）を高めることができる。なお、第１の発明でも、前記インペラの入口側の相対マッハ数が非常に高い場合には、同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施形態に係る遠心圧縮機に係る側断面図である。
【図２】図２（ａ）は、図１における矢視部IIAの拡大図、図２（ｂ）は、図２（ａ）における矢視部IIBの展開図である。
【図３】第２の実施形態に係る遠心圧縮機の側断面図である。
【図４】第３の実施形態に係る遠心圧縮機の側断面図である。
【図５】インペラの回転方向と逆方向の旋回を与えない場合における、径方向外側から見たインペラ内のガスの相対マッハ数分布を示す図である。
【図６】インペラの回転方向と逆方向の旋回を与えた場合における、径方向外側から見たインペラ内のガスの相対マッハ数分布を示す図である。
【図７】インペラの回転方向と逆方向の旋回を与えかつ周方向溝を形成した場合における、径方向外側から見たインペラ内のガスの相対マッハ数分布を示す図である。
【図８】離脱衝撃波を通過したガスの相対流れを示す径方向外側から見た展開図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（第１の実施形態）
第１の実施形態について図１及び図２（ａ）（ｂ）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。
【００２４】
図１に示すように、第１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、第１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。
【００２５】
遠心圧縮機１は、ハウジング３を備えており、このハウジング３は、内側に、内壁５を有している。また、ハウジング３は、別のハウジング（図示省略）に一体的に取付られている。
【００２６】
ハウジング３の内壁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、ハウジング３の内壁５内には、ホイール９が設けられており、このホイール９の外周面は、インペラ７の軸方向から径方向外側へ向かって徐々に延びている。また、ホイール９は、別のハウジングに回転可能に設けられたロータ軸（タービン軸）１１の一端部（前端部）に一体的に連結されてあって、インペラ７の軸心周りに回転可能である。更に、ホイール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）１３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）１５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１３の前縁は、短ブレード１５の前縁よりも上流側（前側）に位置してあって、各長ブレード１３の外縁及び各短ブレード１５の外縁は、ハウジング３の内壁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１３，１５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。
【００２７】
ハウジング３の内壁５の上流側周縁（インペラ７の入口側）には、空気をインペラ７側へ吸入（給気）する吸入口（給気口）１７が形成されており、この吸入口１７は、エアクリーナー（図示省略）に接続可能である。また、ハウジング３の内壁５の下流側周縁（インペラ７の出口側）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１９（排気流路の１つ）が形成されており、ハウジング３の内部におけるディフューザ流路１９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２１（排気流路の１つ）が形成されている。そして、ハウジング３の適宜位置には、圧縮した空気を吐出する吐出口（図示省略）が形成されており、この吐出口は、スクロール流路２１及びディフューザ流路１９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。
【００２８】
図１及び図２（ａ）（ｂ）に示すように、ハウジング３の内壁５におけるインペラ７の入口側には、絞り部２３が形成されており、この絞り部２３は、下流方向へ向かって内径を徐々に縮径してある。そして、ハウジング３の内壁５における絞り部２３の上流側（インペラ７の入口側）には、円弧状の複数（１つのみ図示）のベーンプレート２５が周方向に沿って埋設されており、各ベーンプレート２５には、インペラ７の入口側のシュラウド周辺（ハウジング３の内壁５周辺）における空気の流れにインペラ７の回転方向と逆方向の旋回を与える複数枚の入口ガイドベーン２７が設けられている。換言すれば、ハウジング３の内壁５における絞り部２３の上流側には、複数枚の入口ガイドベーン２７が複数のベーンプレートを介して周方向に間隔を置いて設けられている。
【００２９】
ここで、絞り部２３の縮径量をＬ、入口ガイドベーン２７の高さをＨとした場合に、Ｈ≦Ｌの関係が成立するようになっている。これは、入口ガイドベーン２７の後流を絞り、インペラ７に流入する空気の流れを整流するためである。なお、絞り部２３の縮径量Ｌとは、絞り部２３の上流端２３ｕの内半径から絞り部２３の下流端２３ｄの内半径を引いた値である。
【００３０】
続いて、第１の実施形態の作用及び効果について説明する。
【００３１】
遠心圧縮機１を運転する場合には、内燃機関の排気マニホールド（図示省略）からの排気ガスのエネルギを利用してロータ軸１１を回転させることにより、複数枚のブレード１３，１５をホイール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１７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、圧縮した空気をディフューザ流路１９及びスクロール流路２１から排気して、吐出口を経由して内燃機関の吸気マニホールドに送ることができる。
【００３２】
また、ハウジング３の内壁５における絞り部２３の上流側に複数枚の入口ガイドベーン２７が周方向に間隔を置いて設けられているため、前述の第１の新規な知見（［課題を解決するための手段］参照）を考慮すると、遠心圧縮機１の運転中に、インペラ７の入口側の空気流量が少なくなっても、インペラ７の入口側のシュラウド周辺における空気の相対流れを超音速流れに保って、長ブレード１３の前縁付近に生成された離脱衝撃波の作用によって空気が長ブレード１３の負圧面に沿うように促すことができる。
【００３３】
更に、仮に前記逆方向の旋回を与えなくてもインペラ７の入口側のシュラウド周辺における空気の相対流れが超音速流れになる程度に、インペラ７の入口側の相対マッハ数が非常に高い場合には、前述の別の新規な知見（［課題を解決するための手段］参照）を適用すると、離脱衝撃波の生成箇所を下流側に変位させて、長ブレード１３間における低エネルギ領域（インペラ７内における低エネルギ領域）の発達を抑制できる。
【００３４】
従って、第１の実施形態によれば、遠心圧縮機１のサージングの原因になる長ブレード１３の前縁付近における空気の流れの剥離を十分に抑制して、遠心圧縮機１の作動域を低流量側に拡大することができる。
【００３５】
また、インペラ７の入口側の相対マッハ数が非常に高い場合には、長ブレード１３間における低エネルギ領域（インペラ７内における低エネルギ領域）の発達を抑制できるため、長ブレード１３間におけるエネルギ損失を低減して、遠心圧縮機１の効率（圧縮機効率）を高めることができる。
【００３６】
（第２の実施形態）
第２の実施形態について図３を参照して説明する。
【００３７】
図３に示すように、第２の実施形態に係る遠心圧縮機２９は、遠心力を利用して空気を圧縮するものであって、第１の実施形態に係る遠心圧縮機１と略同じ構成を有しており、第２の実施形態に係る遠心圧縮機２９の具体的な構成のうち、第１の実施形態に係る遠心圧縮機１の具体的な構成と異なる部分について説明する。なお、第２の実施形態に係る遠心圧縮機２９における複数の構成要素のうち、第１の実施形態に係る遠心圧縮機１における構成要素と対応するものについては、図中に同一番号を付して、説明を省略する。
【００３８】
ハウジング３の内壁５には、周方向溝（周溝）３１が複数枚の長ブレード１３の前縁の下流側近傍を囲むように形成されている。ここで、長ブレード１３の前縁の下流側近傍とは、長ブレード１３の前縁と後縁の中間であって、長ブレード１３の前縁側に寄った部位のことをいう。
【００３９】
第２の実施形態によると、第１の実施形態による作用と同様の作用を奏する他に、ハウジング３の内壁５に周方向溝３１が複数枚の長ブレード１３の前縁の下流側近傍を囲むように形成されているため、前述の第２の新規な知見（［課題を解決するための手段］参照）を適用すると、離脱衝撃波の生成箇所を下流側に変位させて、長ブレード１３間における低エネルギ領域の発達を抑制できる。
【００４０】
従って、第２の実施形態によれば、第１の実施形態による効果を奏する他に、インペラ７内における低エネルギ領域の発達を抑制できるため、長ブレード１３間におけるエネルギ損失を低減して、遠心圧縮機１の効率を高めることができる。
【００４１】
（第３の実施形態）
第３の実施形態について図４を参照して説明する。
【００４２】
図４に示すように、第３の実施形態に係る遠心圧縮機３３は、遠心力を利用して空気を圧縮するものであって、第１の実施形態に係る遠心圧縮機１と略同じ構成を有しており、第３の実施形態に係る遠心圧縮機３３の具体的な構成のうち、第１の実施形態に係る遠心圧縮機１の具体的な構成と異なる部分について説明する。なお、第３の実施形態に係る遠心圧縮機３３における複数の構成要素のうち、第１の実施形態に係る遠心圧縮機１における構成要素と対応するものについては、図中に同一番号を付して、説明を省略する。
【００４３】
ハウジング３の内壁５における長ブレード１３の前縁の下流側には、逆流した空気を抽気可能な１つ又は複数（１つのみ図示）の抽気穴３５が形成されており、ハウジング３の内壁５における入口ガイドベーン２７の前縁の上流側には、空気をインペラ７の入口側へ流出可能な１つ又は複数（１つのみ図示）の流出穴３７が形成されている。そして、ハウジング３の内部には、抽気穴３５側から流出穴３７側へ空気の流れを許容する環状のキャビティ（トリートメントキャビティ）３９が形成されている。なお、１つ又は複数の抽気穴３５の代わりに、環状の抽出溝（抽出穴の一例）が形成されたり、１つ又は複数の流出穴３７の代わりに、環状の流出溝（流出穴の一例）が形成されたりしても構わない。
【００４４】
第３の実施形態によると、第１の実施形態による作用と同様の作用を奏する他に、遠心圧縮機３３の運転中に、インペラ７の入口側の空気流量の少なくなって、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穴３５から抽気され、キャビティ３９内に流入する。そして、キャビティ３９内に流入した空気は、抽気穴３５側から流出穴３７側へ流れて、流出穴３７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７側へ吸入した空気の一部を抽気穴３５と流出穴３７の間で循環させて、遠心圧縮機３３の作動を安定させることができる。
【００４５】
従って、第３の実施形態によれば、第１の実施形態による効果をより一層高めることができる。
【００４６】
なお、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、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。
【符号の説明】
【００４７】
１        遠心圧縮機
３        ハウジング
５        内壁
７        インペラ
９        ホイール
１１        ロータ軸
１３        長ブレード
１５        短ブレード
１７        吸入口
１９        ディフューザ流路（排気流路）
２１        スクロール流路（排気流路）
２３        絞り部
２３ｕ      上流端
２３ｅ      下流端
２５        ベーンプレート
２７        入口ガイドベーン
２９        遠心圧縮機
３１        周方向溝
３３        遠心圧縮機
３５        抽気穴
３７        流出穴
３９        キャビティ
【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】
2010270641.tif 000007
【図６】
2010270641.tif 000008
【図７】
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【図８】
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