(57)【要約】【課題】圧縮効率の低下を容易に抑制でき、しかもディフューザの設計後に、圧縮効率低下抑制のための修正を行えるようにした、遠心圧縮機を提供する。【解決手段】インペラ２の外周側に一対の対向壁面で区画されて形成されたディフューザ７と、ディフューザ７の径方向外側に設けられたスクロール流路５ｃとを備える。ディフューザ７に複数のベーン８を有する。複数のベーン８は、インペラ２の回転中心Ｏに対して偏心した位置Ｐを中心として、ディフューザ７の周方向に均等に配置されている。偏心した位置Ｐは、複数のベーン８の、インペラ２の回転中心Ｏに対する羽根角がディフューザ７の周方向で不均一になることにより、ディフューザ７内の静圧のバラツキが少なくなるように、設定されている。【選択図】図２
2014202102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラの外周側に一対の対向壁面で区画されて形成されたディフューザと、前記ディフューザの径方向外側に設けられたスクロール流路とを備え、
前記ディフューザに複数のベーンを有し、
前記複数のベーンは、前記インペラの回転中心に対して偏心した位置を中心として、前記ディフューザの周方向に均等に配置され、
前記偏心した位置は、前記複数のベーンの、前記インペラの回転中心に対する羽根角がディフューザの周方向で不均一になることにより、前記ディフューザ内の静圧のバラツキが少なくなるように、設定されていることを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項２】
前記スクロール流路の舌部より前記インペラの回転方向下流側で、かつ該舌部の近傍に配置される前記ベーンの、前記インペラの回転中心に対する羽根角が、前記偏心した位置に対する羽根角より小となるように、前記偏心した位置が設定されていることを特徴とする請求項１記載の遠心圧縮機。
【請求項３】
前記スクロール流路の舌部に対して周方向反対側の位置より前記インペラの回転方向下流側で、かつ前記周方向反対側の位置の近傍に配置される前記ベーンの、前記インペラの回転中心に対する羽根角が、前記偏心した位置に対する羽根角より大となるように、前記偏心した位置が設定されていることを特徴とする請求項１又は２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、遠心圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機は、高速回転するインペラによって軸方向から空気を吸引し、それに高速の速度エネルギを与えて径方向外側に吐出する。インペラの外周側にはディフューザが設けられ、このディフューザ内にて吐出空気が次第に減速され、圧力が高められていく。さらに、ディフューザの径方向外側には渦巻き状のスクロール流路が設けられ、このスクロール流路内でも減速・昇圧がなされて、高圧（過給圧）の空気がエンジンに供給されるようになっている。
【０００３】
ところで、前記ディフューザは、コンプレッサハウジングとシールプレートとがなす一対の対向壁面で区画されるのが通常であり、したがってディフューザは、インペラを径方向外側から囲む一定幅、一定流路面積のリング状流路となっている。すなわち、インペラおよびディフューザは、ディフューザの背圧が周方向で一定であると仮定して、設計されている。ここで、ベーン無しディフューザの場合を考えると、ディフューザ内の空気の流れは、遠心力と回転力との影響を受けて径方向外側に向かいながら周方向に回転し、その後スクロール流路に流入するようになっている。
【０００４】
ところが、インペラやディフューザは中心軸に対して均等に形成配置されているものの、スクロール流路は渦巻き状であって中心軸に対し均等でないため、前記の流れによって生じるディフューザの背圧（静圧）は、周方向に沿って一定でなく、バラツキを有している。したがって、ディフューザ内の流れが周方向に一様でないため、圧縮効率が設計値より低下していると考えられる。なお、ベーン有りディフューザの場合にも、ベーンはディフューザ内において、インペラの回転軸を中心にして均等に配置されることから、前述した流れのバラツキは解消されない。
【０００５】
このような流れのバラツキに起因する圧縮効率低下を改善するため、従来では、例えばディフューザの流路面積をその周方向で変化させている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１７６６９９号公報
【特許文献２】特表２０１０−５２９３５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ディフューザの流路面積を変化させるためには、これを形成するコンプレッサハウジングやシールプレートの設計を変更する必要があり、したがってその製造も新たに行う必要があるため、コストの増加を招いてしまう。また、ディフューザを一旦設計した後、シミュレーション（計算）等によって流れのバラツキを求めた結果、圧縮効率の低下が解消していない場合には、ディフューザの設計をやり直さなければならないため、これによってもコストが増加してしまう。
【０００８】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、圧縮効率の低下を容易に抑制でき、しかもディフューザの設計後に、圧縮効率低下抑制のための修正を行えるようにした、遠心圧縮機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の遠心圧縮機は、インペラの外周側に一対の対向壁面で区画されて形成されたディフューザと、前記ディフューザの径方向外側に設けられたスクロール流路とを備え、前記ディフューザに複数のベーンを有し、前記複数のベーンは、前記インペラの回転中心に対して偏心した位置を中心として、前記ディフューザの周方向に均等に配置され、前記偏心した位置は、前記複数のベーンの、前記インペラの回転中心に対する羽根角がディフューザの周方向で不均一になることにより、前記ディフューザ内の静圧のバラツキが少なくなるように、設定されていることを特徴とする。
【００１０】
また、前記遠心圧縮機においては、前記スクロール流路の舌部より前記インペラの回転方向下流側で、かつ該舌部の近傍に配置される前記ベーンの、前記インペラの回転中心に対する羽根角が、前記偏心した位置に対する羽根角より小となるように、前記偏心した位置が設定されていることが好ましい。
【００１１】
また、前記遠心圧縮機においては、前記スクロール流路の舌部に対して周方向反対側の位置より前記インペラの回転方向下流側で、かつ前記周方向反対側の位置の近傍に配置される前記ベーンの、前記インペラの回転中心に対する羽根角が、前記偏心した位置に対する羽根角より大となるように、前記偏心した位置が設定されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の遠心圧縮機によれば、複数のベーンを、インペラの回転中心に対して偏心した位置を中心として、ディフューザの周方向に均等に配置し、前記偏心した位置を、複数のベーンの、インペラの回転中心に対する羽根角がディフューザの周方向で不均一になることにより、ディフューザ内の静圧のバラツキが少なくなるように設定しているので、ディフューザ内での流れのバラツキを少なくし、バラツキに起因する圧縮効率の低下を抑制することができる。
また、ベーンの中心を従来に比べて偏心させるだけで、各ベーンの羽根角を変化させることができるので、ベーンの設計・製造を容易に行うことができ、また、ディフューザの設計後に、設計したディフューザの特性に合わせてベーンの羽根角を容易に設計し直し、修正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機の概略構成を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。
【図２】図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図３】ディフューザ入口部の静圧分布を示す図である。
【図４】偏心による各ベーンの羽根角の変化を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の遠心圧縮機を詳しく説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１（ａ）は、本実施形態の遠心圧縮機の概略構成を示す縦断面図であり、図１（ｂ）は、（ａ）の要部拡大図である。なお、この遠心圧縮機は、例えば産業用や舶用の遠心圧縮機に好適に用いられるものである。
【００１５】
図１（ａ）に示すように本実施形態の遠心圧縮機１は、インペラ２と、シャフト３と、シールプレート４と、コンプレッサハウジング５と、ディフューザ７とを備えている。
インペラ２は、基部２ａに対して固定される羽根２ｂを複数備えて形成されている。このインペラ２は、回転駆動されることにより、軸方向から吸引した空気Ｘ（流体）に速度エネルギを付与し、半径方向に送り出すようになっている。シャフト３は、インペラ２の空気Ｘの吸入方向から見て、インペラ２の中央に固定されており、図示しない駆動源（モータやタービン等）で生成された回転動力をインペラ２に伝達するようになっている。
【００１６】
シールプレート４は、インペラ２の背面に対向配置されたもので、中央部にシャフト３を挿通するための貫通孔（図示せず）を有している。コンプレッサハウジング５は、ボルト６によってシールプレート４に締結されたもので、空気Ｘの吸入側からインペラ２を覆うケーシングである。このコンプレッサハウジング５は、図１（ａ）に示すように空気Ｘを吸入するための吸入口５ａと、空気Ｘを吐出する吐出口５ｂと、インペラ２から送り出された空気Ｘを吐出口５ｂに導くスクロール流路５ｃ及び延出部５ｄとを備えている。
【００１７】
スクロール流路５ｃは、空気Ｘの吸入方向から見て、インペラ２を囲うようにしてインペラ２の外側に渦巻き状に形成されたもので、同方向から見た場合に、インペラ２を中央とする周方向に空気Ｘを案内し、延出部５ｄに流入させるようになっている。すなわち、スクロール流路５ｃにおける空気Ｘは、インペラ２の回転軸を中心としてその周方向に渦巻き状に流れるようになっている。
【００１８】
ディフューザ７は、インペラ２を径方向外側から囲むと共に、コンプレッサハウジング５とシールプレート４とがなす一対の対向壁面、すなわちコンプレッサハウジング５側の７ａとシールプレート４側の壁面７ｂとで区画されて、インペラ２とスクロール流路５ｃとの間に設けられている。これら壁面７ａ、７ａは互いに平行で、径方向に沿って所定の長さを有すると共に、周方向に連続してリング状の流路を形成している。このような構成によってディフューザ７は、その内側でインペラ２側に連通するとともに、径方向外側でスクロール流路５ｃに連通する流路となっている。
【００１９】
このディフューザ７には、図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である図２に示すように、複数のベーン８が配置されている。なお、図２ではベーン８を模式的に１１個記載しているが、実際にはこれ以上であっても以下であってもよい。これらベーン８は、例えばシールプレート４の壁面７ｂ上、あるいはコンプレッサハウジング５の壁面７ａ上に一体に形成されたものであり、図１（ｂ）に示したようにその高さがディフューザ７の幅、すなわち対向壁面７ａ、７ａ間の距離にほぼ一致して形成されている。
【００２０】
また、これらベーン８は、図２に示すようにディフューザ７の周方向に沿って適宜間隔で配置されている。これらベーン８は、一点を中心としてこの中心点Ｐから均等に形成配置されている。すなわち、各ベーン８は前記中心点Ｐから全て等距離で、かつ該中心点Ｐから見て同じ形状・角度に形成されている。
【００２１】
ただし、本発明では、前記中心点Ｐはディフューザ７の中心、すなわちインペラ２の回転軸であり、かつスクロール流路５ｃの中心となるインペラ２の回転中心Ｏに対して、偏心して配置されている。つまり、前記中心点Ｐは、本発明における、「インペラ２の回転中心Ｏに対して偏心した位置」となっている。
【００２２】
ここで、インペラ２やディフューザ７は、インペラ２の回転中心Ｏに対して均等に配置されているのに対し、スクロール流路５ｃは、渦巻き状であって前記回転中心Ｏに対し均等に配置されていない。したがって、ディフューザ７では、例えばスクロール流路５ｃの舌部９近傍、すなわち延出部５ｄとスクロール流路５ｃとの境界部となる舌部９近傍で、背圧が増減する。つまり、前述したようにディフューザ７の背圧は、周方向に沿って一定でなく、バラツキを有している。
【００２３】
図３は、図２に示した回転中心Ｏから見た舌部９の位置を０°とし、図２中に矢印で示すインペラ２の回転方向（本例では時計回り方向）における周方向位置での、ディフューザ７の入口部（インペラ２側）での静圧（背圧）を計算で求めた結果の一例を示す図、すなわちディフューザ入口部の静圧分布の一例を示す図である。ただし、図３は、ベーン８が無い状態で求めた結果である。
【００２４】
図３に示すように、渦巻き状であるスクロール流路５ｃの不均等性に起因して、ディフューザ７内の静圧には周方向でバラツキが生じている。そこで、本実施形態では、このようなディフューザ７内の静圧の周方向でのバラツキを少なくするように、前記中心点Ｐ（インペラ２の回転中心Ｏに対して偏心した位置）が設定されている。
【００２５】
すなわち、従来ではインペラ２の回転中心Ｏに対して、ベーン８も均等に形成配置されている。つまり、予め設計した前記回転中心Ｏに対して均等に形成配置されるように、各ベーン８の位置が設計され、この設計に基づき、削り出し法や鋳造法によってシールプレート４あるいはコンプレッサハウジング５が形成され、したがってその壁面７ａあるいは壁面７ｂ上に、各ベーン８が形成されている。
【００２６】
これに対して本実施形態では、図３に示したような予め求めたベーン無しの状態でのディフューザ７の静圧（背圧）分布、すなわちディフューザ７内の静圧の周方向でのバラツキを少なくするように前記中心点Ｐを設定（設計）し、この設定に基づいて各ベーン８を形成配置している。
【００２７】
このようにインペラ２の回転中心Ｏに対してベーン８の中心点Ｐを偏心させると、図２に示すように各ベーン８の、インペラ２の回転中心Ｏに対する羽根角は、ディフューザ７の周方向で不均一になる。
図４は、偏心による各ベーン８の羽根角の変化を説明するための図である。図４中において二点鎖線で示す円Ｂは、偏心した位置となる前記中心点Ｐを中心とする円であり、各ベーン８はこの円Ｂ上に内端を位置させ、インペラ２の回転方向（矢印方向）外側に向かって延びている。なお、各ベーン８は前記中心点Ｐを中心にして均等に、すなわち同一間隔、同じ長さ、同じ羽根角で形成配置されている。
【００２８】
また、図４中において実線で示す円Ｃは、インペラ２の回転中心Ｏを中心とする円であり、ディフューザ７の周方向に沿う円である。
各ベーン８は、前記したように中心点Ｐを中心にして均等に配置されていることから、中心点Ｐから半径方向に延びる直線に対する傾斜角、すなわち偏心した位置（中心点Ｐ）に対する羽根角θ１は、当然ながら同一となる。一方、インペラ２の回転中心Ｏから半径方向に延びる直線に対する傾斜角、すなわちインペラ２の回転中心Ｏに対する羽根角θ２は、ベーン８の形成位置に応じて異なるようになり、したがって羽根角θ２はディフューザ７の周方向において不均一になっている。
【００２９】
ここで、実際にディフューザ７内を流れる流体（空気）は、インペラ２の回転中心Ｏに対する羽根角θ２によって影響を受ける。具体的には、羽根角θ２が相対的に小さくなれば（ベーン８が立ち上がれば）、この箇所での圧力が増加し、羽根角θ２が相対的に大きくなれば（ベーン８が寝れば）、この箇所での圧力が減少する。
【００３０】
そこで、本実施形態では、図２、図４に示すように中心点Ｐを、インペラ２の回転中心Ｏに対してディフューザ７の周方向における９０°の方向に偏心させている。これにより、スクロール流路５ｃの舌部９よりインペラ２の回転方向下流側で、かつ舌部９の近傍に配置されるベーン８ａは、図４に模式的に示すベーン８ａの羽根角θ２とθ１との関係から分かるように、ベーン８ａの羽根角θ２は羽根角θ１より小となる。したがって、このベーン８ａが配置された箇所では、ベーン８がインペラ２の回転中心Ｏに対して均等に配置された従来に比べて圧力が増加する。つまり、図３に示した、ディフューザ７の静圧が最も低くなる箇所（３０°〜６０°の間）で圧力を増加させることができる。よって、ディフューザ７内の静圧のバラツキを少なくすることができる。
【００３１】
また、スクロール流路５ｃの舌部９（０°）に対して周方向反対側（１８０°）の位置よりインペラ２の回転方向下流側で、かつ該周方向反対側の位置の近傍に配置されるベーン８ｂは、図４に模式的に示すベーン８ｂの羽根角θ２とθ１との関係から分かるように、ベーン８ａの羽根角θ２は羽根角θ１より大となる。したがって、このベーン８ｂが配置された箇所では圧力が減少する。つまり、図３に示した、ディフューザ７の静圧が比較的高くなる箇所（２１０°〜２７０°の間）で圧力を減少させることができる。よって、ディフューザ７内の静圧のバラツキを少なくすることができる。
【００３２】
このように本実施形態の遠心圧縮機１にあっては、複数のベーン８を、インペラ２の回転中心Ｏに対して偏心した位置（中心点Ｐ）を中心として、ディフューザ７の周方向に均等に配置し、前記中心点Ｐ（偏心した位置）を、複数のベーン８の、インペラ２の回転中心Ｏに対する羽根角θ２がディフューザ７の周方向で不均一になることにより、ディフューザ７内の静圧のバラツキが少なくなるように設定しているので、ディフューザ７内での流れのバラツキを少なくし、バラツキに起因する圧縮効率の低下を抑制することができる。
【００３３】
また、ベーン８の中心を従来に比べて偏心させるだけで、各ベーン８の、インペラ２の回転中心Ｏに対する羽根角θ２を変化させることができるので、ベーン８の設計・製造を容易に行うことができる。
さらに、ディフューザ７の設計後に、設計したディフューザ７の特性（例えば静圧分布）を計算等で求め、得られた結果に合わせて、ベーン８の羽根角θ２を容易に設計し直し、修正することができる。
【００３４】
なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、図３に示した静圧分布に対応して、インペラ２の回転中心Ｏに対して中心点Ｐをディフューザ７の周方向における９０°の方向に偏心させたが、ディフューザの設計によって静圧分布も変化した場合には、変化した静圧分布に基づき、この静圧のバラツキを少なくするように、前記中心点Ｐの偏心位置を設定する。
【符号の説明】
【００３５】
１…遠心圧縮機、２…インペラ、４…シールプレート、５…コンプレッサハウジング、７…ディフューザ、７ａ、７ｂ…壁面、８、８ａ、８ｂ…ベーン、９…舌部、Ｏ…インペラの回転中心、Ｐ…中心点（偏心した位置）
【図１】
2014202102.tif 000003
【図２】
2014202102.tif 000004
【図３】
2014202102.tif 000005
【図４】
2014202102.tif 000006