(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラと、該インペラを収納するケーシングとを具備し、該ケーシングが、吸入口と、インペラの周囲に形成される環洞流路と、該環洞流路に連通する吐出口とを有し、前記ケーシングの内部で且つ前記吸入口の周囲に閉鎖空間である環状空間が形成され、前記ケーシングの内周面と前記環状空間とを連通する溝を前記ケーシング全周に形成し、前記溝は全周１サイクルで、前記吸入口の軸心方向に所定の振幅を有する曲線であり、前記溝の最上流点はインペラ羽根の上流端に位置することを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項２】
前記ケーシングは前記吐出口と環洞流路の境界に形成される舌部を有し、前記溝の最下流点は、インペラ回転中心と前記舌部を結ぶ基準半径を中心として１２０゜〜−６０゜の範囲に位置する請求項１の遠心圧縮機。
【請求項３】
前記溝の最下流点は、前記基準半径に対して±４５゜の範囲に位置する請求項１又は請求項２の遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮性流体を昇圧する遠心圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧縮性流体を昇圧する遠心圧縮機の作動域を制限するものとして、低流量時に於ける流体の逆流によるサージングの発生がある。サージングが発生すると遠心圧縮機の運転が不能になるので、サージングの発生を抑制することが遠心圧縮機の作動域拡大につながる。
【０００３】
サージングの発生を抑制する手段の１つとして特許文献１に示されるケーシングトリートメントがある。
【０００４】
遠心圧縮機は、高速で回転するインペラと、インペラを収納し、インペラの周囲にスクロール流路を形成するケーシングを有している。特許文献１に示すケーシングトリートメントでは、インペラの上流端に臨接するケーシングの壁面に全周に亘る溝を形成し、該溝をインペラより上流側の流路に連通させ、低流量時にインペラ内部に局部的に発生する高圧部からインペラの上流側に流体を逆流させ、部分的に再循環させることでサージングの発生を抑制している。
【０００５】
斯かるケーシングトリートメントにより、サージング抑制の効果は得られているが、一層のサージング抑制、サージング抑制による遠心圧縮機の作動域拡大が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３３２７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は斯かる実情に鑑み、より効果的なケーシングトリートメントを行うことで、サージング抑制の効果の向上、遠心圧縮機の作動域拡大を図るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、インペラと、該インペラを収納するケーシングとを具備し、該ケーシングが、吸入口と、インペラの周囲に形成される環洞流路と、該環洞流路に連通する吐出口とを有し、前記ケーシングの内部で且つ前記吸入口の周囲に閉鎖空間である環状空間が形成され、前記ケーシングの内周面と前記環状空間とを連通する溝を前記ケーシング全周に形成した遠心圧縮機に係るものである。
【０００９】
又本発明は、前記溝は全周１サイクルで、前記吸入口の軸心方向に所定の振幅を有する曲線であり、前記溝の最上流点はインペラ羽根の上流端に位置する遠心圧縮機に係るものである。
【００１０】
又本発明は、前記ケーシングは前記吐出口と環洞流路の境界に形成される舌部を有し、前記溝の最下流点は、インペラ回転中心と前記舌部を結ぶ基準半径を中心として１２０゜〜−６０゜の範囲に位置する遠心圧縮機に係るものである。
【００１１】
又本発明は、前記溝の最下流点は、前記基準半径に対して±４５゜の範囲に位置する遠心圧縮機に係るものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、インペラと、該インペラを収納するケーシングとを具備し、該ケーシングが、吸入口と、インペラの周囲に形成される環洞流路と、該環洞流路に連通する吐出口とを有し、前記ケーシングの内部で且つ前記吸入口の周囲に閉鎖空間である環状空間が形成され、前記ケーシングの内周面と前記環状空間とを連通する溝を前記ケーシング全周に形成したので、インペラ内部の局部的な圧力の上昇が前記環状空間に分散され、サージング抑制の効果が向上し、遠心圧縮機の作動域拡大が図れるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明が実施される遠心圧縮機の一例を示す断面図である。
【図２】本実施例のケーシングトリートメントの溝の形状を説明するグラフである。
【図３】本実施例に係る溝とインペラとの関係を示す説明図である。
【図４】本実施例に於けるケーシングと溝の最下流点の位置関係を示す説明図である。
【図５】ケーシングトリートメントと遠心圧縮機の作動特性との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
【００１５】
先ず、図１に於いて本発明の実施例に係る遠心圧縮機について概略を説明する。
【００１６】
図１中、１は遠心圧縮機、２はケーシング、３は該ケーシング２に収納されるインペラを示している。
【００１７】
軸受ハウジング（図示せず）に回転自在に支持された回転軸４の一端部に前記インペラ３が固着されている。尚、前記回転軸４の他端部には例えばタービン（図示せず）が連結されている。
【００１８】
前記ケーシング２は前記インペラ３の周囲に環洞流路５を形成し、該環洞流路５の所要位置には昇圧された圧縮性流体、例えば圧縮空気を吐出する吐出口９が連通されている。前記ケーシング２の中央には前記インペラ３に臨み該インペラ３と同心の吸入口６が形成されている。
【００１９】
前記インペラ３の周囲には前記環洞流路５に連通するディフューザ部７が形成されている。
【００２０】
該ディフューザ部７は前記ケーシング２の前記インペラ３を収納する部屋と前記環洞流路５とを連通するリング状の空間であり、前記環洞流路５と前記ディフューザ部７との間には境界壁部８が形成されている。
【００２１】
エンジン（図示せず）からの排気ガスによりタービンが回転され、前記回転軸４を介して前記インペラ３が回転され、タービンと同軸に設けられた、前記インペラ３が回転され、前記吸入口６より燃焼用空気が吸入され、吸入された燃焼用空気は前記インペラ３の回転及び前記ディフューザ部７を通過することで圧縮され、前記環洞流路５に流入する。圧縮された空気は該環洞流路５から前記吐出口９を経て吐出される。
【００２２】
次に、ケーシングトリートメントについて説明する。
【００２３】
前記ケーシング２の内部に、前記吸入口６と同心に円筒状空間１１が形成される。該円筒状空間１１は円周方向に無端に連続した空間である。尚、図示では前記円筒状空間１１の断面は長円形となっているが、円形或はその他任意の形状であってもよく、要は所定の容積Ｖを有する環状空間であればよい。
【００２４】
又、前記ケーシング２には溝１２が形成され、該溝１２の外端は前記円筒状空間１１に開口し、前記溝１２の内端は前記吸入口６の壁面、且つ前記インペラ３の上流端近傍に開口している。又、前記溝１２は連続したリング状の溝であってもよく、或は円周方向に長い長孔が所定間隔で穿設されたものでもよく、或は円孔が所定ピッチで穿設されたものであってもよい。
【００２５】
前記溝１２は、インペラ３内部と前記円筒状空間１１とを連通させており、低流量時にインペラ３内部に発生する局部的な高圧が前記溝１２を通して前記円筒状空間１１に伝播する。前記円筒状空間１１が圧力上昇を分散させ、局部的な圧力の上昇が抑制される。所定の容積Ｖは、前記溝１２を通して高圧が伝播した場合に、圧力を分散させ得るだけの容積となっていればよい。
【００２６】
次に、前記ケーシング２の特に、前記環洞流路５の形状は、非軸対称となっている。従って、前記環洞流路５の全周で圧力は一定ではなく、周方向に圧力分布を持っている。更に、前記インペラ３の周縁も同様に圧力分布を有し、前記環洞流路５の圧力分布は、前記ディフューザ部７を通して前記インペラ３の内部にも伝播している。この為、前記インペラ３内部で局部的に発生する高圧部も、軸心方向で同位置とは限らず、前記環洞流路５の圧力分布に対応して変位していると考えられる。
【００２７】
従って、前記溝１２は高圧部を通過する様に位置が選定される。前記溝１２は、周方向に展開した場合、前記高圧部を通過する直線であってもよいが、好ましくは圧力分布に対応して軸心方向に所定の振幅で１周（３６０゜）、１周期で変位する変位曲線とする。変位曲線は、例えばサインカーブであるが、サインカーブに限定されるものではない。
【００２８】
前記溝１２の変位曲線は、前記インペラ３内部で局部的に発生する高圧部の変位を反映させ、より効果的に前記インペラ３内部で局部的に発生する高圧部と前記円筒状空間１１とを連通させる。
【００２９】
更に、前記溝１２について詳述する。
【００３０】
図２は、該溝１２の展開図であり、以下に説明する実施例では、該溝１２の変位曲線をサインカーブとして説明する。又、図２では、上側を上流側、下側を下流側として示し、曲線は溝１２の中心を示している。本実施例では前記インペラ３の最大径がφＤｍｍ（ここではＤ＝１４４．２）、前記溝１２の溝幅ｄは３ｍｍ（ｄ／Ｄ＝０．０２）としている。又、図２中、点Ａは、溝１２の最上流点を示し、点Ｂは溝１２の最下流点、Ｗ／２は振幅を示している。
【００３１】
図３は、インペラ３と溝１２との関係を示しており、尚、図３中、溝幅は３ｍｍと例示している。
【００３２】
図３中、ラインＡは、該ラインＡ上に溝１２の最上流点Ａが存在することを示し、ラインＢは、該ラインＢ上に溝１２の最下流点Ｂが存在することを示している。即ち、図３中、前記溝１２は全周１サイクルで且つ前記ラインＡとラインＢとの間で振幅する。
【００３３】
又、前記ラインＡは、前記インペラ３のインペラ羽根３ａの上流端を中心に上流下流方向に±ｄ／２（ここでｄは溝１２の溝幅：図示ではｄ／２＝１．５ｍｍ）に位置する。即ち、溝１２の最上流点が前記インペラ羽根３ａの上流端を通るラインを含む範囲で、上流、下流に変位した位置に設定される。尚、前記ラインＡの±ｄ／２の範囲での最適な位置は、前記ケーシング２の形状、前記インペラ３の特性等で変化するので、計算、実験等により設定する。
【００３４】
次に、ラインＢの位置は、図示の様にインペラ３が小羽根３ｂを有しているものは、該小羽根３ｂの上流端（ｈ）を下流下限とし、小羽根３ｂを有していないインペラ３ではインペラ羽根３ａの高さＨの１／２程度とする。尚、溝１２の最下流点Ｂの下流下限位置を、小羽根３ｂの上流端又はインペラ羽根３ａの高さＨの１／２程度としたのは、それ以上下流に設定しても、サージング抑制効果は改善されず、一方圧縮効率が低下し、実用上意味がないからである。
【００３５】
又、図４により、前記溝１２の円周方向の位置（即ち、最上流点の位置又は最下流点の位置）について説明する。尚、図４では、インペラ３の回転中心を座標中心とし、前記吐出口９の中心軸心と平行で前記インペラ３の回転中心を通過する軸をＸ軸とし、前記インペラ３の回転中心を通り、前記Ｘ軸に直交する軸をＹ軸とし、図４中右側に延出するＸ軸を０°とし、インペラの回転方向と逆方向を正としている。又、図４中、１５は前記吐出口９と前記環洞流路５の境界部を形成する舌部を示している。
【００３６】
図示の例では、該舌部１５は６０°の位置にあり、該舌部１５より１２０°上流の位置から、上流側１８０°の範囲（図示では上半分の０°〜１８０°の範囲）に前記溝１２の最下流点Ｂが位置すると、サージング抑制効果が得られる。尚、後述する様に、実験の結果では、最下流点Ｂが前記舌部１５の位置にある場合が、最もサージング抑制効果が得られた。尚、前記最下流点Ｂは、前記インペラ３の周縁の圧力分布に対応して決定されるものであり、圧力分布はインペラ３の形状、インペラ３の特性等に変化するものであり、必ずしも適正な最下流点Ｂが６０°の位置、或は舌部１５の位置とは限らない。
【００３７】
然し乍ら、前記舌部１５の近傍で、例えば舌部１５を中心として±４５゜の範囲内で、前記最下流点Ｂの最適な位置が得られる。従って、最下流点Ｂの位置は、前記舌部１５と前記インペラ３とを結ぶ直線（基準半径）を中心として、１２０゜〜−６０゜（インペラの回転方向と逆方向を正）好ましくは、±４５゜の範囲で設定される。
【００３８】
図５は、ケーシングトリートメントと遠心圧縮機の作動特性の関係を示すグラフであり、横軸は吐出流量（Ｑ）を示し、縦軸は圧力比（Ｐｏ／Ｐｉ：Ｐｏは流体出口圧力、Ｐｉは流体入口圧力）を示している。
【００３９】
図５に於いて、各曲線の左側がサージングを起して作動不能となることを示している。即ち、各曲線がサージング限界値を示している。又、図５中、△のプロットはケーシングトリートメント（ＣＴ）がされていないものである。◇のプロットは従来のケーシングトリートメント、即ちインペラの上流端に臨接するケーシングの壁面に全周に亘る溝を形成し、該溝をインペラより上流側の流路に連通させ、低流量時にインペラ内部に局部的に発生する高圧部からインペラの上流側に流体を逆流させ、部分的に再循環させているものである。
【００４０】
○のプロットは本実施例のケーシングトリートメントが実施されたもの、即ちインペラの上流端に臨接するケーシングの壁面に全周に亘る溝１２を形成し、該溝１２は展開するとサインカーブとなるもの（以下サインカーブトリートメントと称す）であり、且つ溝１２の最下流点Ｂが舌部１５に位置するもの（図２、図４参照）である。
【００４１】
図５より、従来のケーシングトリートメントを実施したもの、ケーシングトリートメントをしていないものより、更に吐出流量が小流量側で作動しており、サージング抑制効果が得られている。
【００４２】
又、従来のケーシングトリートメントの様に、インペラの上流側に流体を逆流させ、部分的に再循環させていないので、吐出流量が少なくなることがない。又、インペラの上流側に流体を逆流させていないことから、吐出圧の低下が避けられ、従来のケーシングトリートメントに比べ小流量側で圧力比が増大しているのが分る。
【００４３】
従来のケーシングトリートメントに対し、サージング抑制効果を増大させる溝１２の最下流点Ｂの位置は、舌部１５の位置を中心として、１２０゜〜−６０゜（インペラの回転方向と逆方向を正）であり、更に好ましくは、±４５゜の範囲である。
【００４４】
溝１２の最下流点Ｂの位置を、舌部１５の位置を中心として±４５゜の範囲に設定することで、従来のケーシングトリートメントに対し、圧力比を低下させずにサージング抑制効果の増大を得るが、前記±４５゜の範囲で更に最適な位置を設定するには、前記ケーシング２の形状、前記インペラ３の特性、遠心圧縮機１の容量等を考慮し、計算により求めるのが好ましい。
【００４５】
尚、前記溝１２が描く曲線は、サインカーブとして説明したが、全周を１サイクルとし、吸入口６の軸心方向に所定の振幅で変位するカーブであればよい。
【００４６】
更に、前記溝１２は、インペラ３内部と前記円筒状空間１１とを連通させ、低流量時にインペラ３内部に発生する局部的な高圧を前記円筒状空間１１により分散させ、局部的な圧力の上昇を抑制するものであるので、前記溝１２は直線であっても、例えば前記最下流点Ｂの位置を通過する様に位置を設定すれば、局部的な高圧を前記円筒状空間１１により分散させることができ、サージング抑制効果を増大させることが可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１              遠心圧縮機
２              ケーシング
３              インペラ
４              回転軸
５              環洞流路
６              吸入口
１１            円筒状空間
１２            溝
１５            舌部
【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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