(57)【要約】【課題】作動範囲の確保と効率とを両立する遠心圧縮機を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の遠心圧縮機１は、インペラ１３と、インペラ１３の外側に周方向に配列された複数の前置翼３１と、前置翼３１の外側に周方向に配列された複数の後置翼３２と、を有するディフューザ１７と、を備え、前置翼３１のソリディティが１以下であり、後置翼３２のソリディティが１以下であり、後置翼３２のコード長が前置翼３１のコード長よりも短い。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラと、
前記インペラの外側に周方向に配列された複数の前置翼と、前記前置翼の外側に周方向に配列された複数の後置翼と、を有するディフューザと、を備え、
前記前置翼のソリディティが１以下であり、
前記後置翼のソリディティが１以下であり、
前記後置翼のコード長が前記前置翼のコード長よりも短い、遠心圧縮機。
【請求項２】
前記ディフューザは、同数の前記前置翼と前記後置翼とを有しており、
前記前置翼のトレーリングエッジと前記後置翼のリーディングエッジとの位相差を前記前置翼の配列ピッチで除した値を比位相差と定義し、
前記リーディングエッジが前記トレーリングエッジよりも前記インペラの回転方向の後方に位置するときの前記比位相差をプラス符号で表し、前記インペラの回転方向の前方に位置するときの前記比位相差をマイナス符号で表すとき、
前記比位相差αが、−０．１≦α≦＋０．３である、請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項３】
前記ディフューザは、同数の前記前置翼と前記後置翼とを有しており、
前記前置翼のトレーリングエッジと前記後置翼のリーディングエッジとの位相差を前記前置翼の配列ピッチで除した値を比位相差と定義し、
前記リーディングエッジが前記トレーリングエッジよりも前記インペラの回転方向の後方に位置するときの前記比位相差をプラス符号で表し、前記インペラの回転方向の前方に位置するときの前記比位相差をマイナス符号で表すとき、
前記比位相差αが、＋０．１である、請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項４】
前記ディフューザは、同数の前記前置翼と前記後置翼とを有しており、
前記前置翼のトレーリングエッジと前記後置翼のリーディングエッジとの位相差を前記前置翼の配列ピッチで除した値を比位相差と定義し、
前記リーディングエッジが前記トレーリングエッジよりも前記インペラの回転方向の後方に位置するときの前記比位相差をプラス符号で表し、前記インペラの回転方向の前方に位置するときの前記比位相差をマイナス符号で表すとき、
前記比位相差αが、＋０．３≦α≦＋０．６である、請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項５】
前記ディフューザは、同数の前記前置翼と前記後置翼とを有しており、
前記前置翼のトレーリングエッジと前記後置翼のリーディングエッジとの位相差を前記前置翼の配列ピッチで除した値を比位相差と定義し、
前記リーディングエッジが前記トレーリングエッジよりも前記インペラの回転方向の後方に位置するときの前記比位相差をプラス符号で表し、前記インペラの回転方向の前方に位置するときの前記比位相差をマイナス符号で表すとき、
前記比位相差αが、＋０．５である、請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項６】
前記ディフューザは、同数の前記前置翼と前記後置翼とを有しており、
前記前置翼のトレーリングエッジと前記後置翼のリーディングエッジとの位相差を前記前置翼の配列ピッチで除した値を比位相差と定義し、
前記リーディングエッジが前記トレーリングエッジよりも前記インペラの回転方向の後方に位置するときの前記比位相差をプラス符号で表し、前記インペラの回転方向の前方に位置するときの前記比位相差をマイナス符号で表すとき、
前記比位相差αが、＋０．１≦α≦＋０．５である、請求項１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ものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記特許文献１に記載の遠心圧縮機が知られている。この遠心圧縮機のディフューザは、径方向に２段に設けられた翼を備えている。すなわち、当該ディフューザは、インペラの外側に設けられた前置翼と、この前置翼の更に外側に設けられた後置翼と、を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平1-121599号公報
【特許文献２】特開平8-159094号公報
【特許文献３】特開2009-264305号公報
【特許文献４】特開2011-043130号公報
【特許文献５】特開2012-092839号公報
【特許文献６】米国特許3588270号
【特許文献７】米国特許3861826号
【特許文献８】特開2004-150404号公報
【特許文献９】特開昭53-119411号公報
【特許文献１０】特開昭57-159998号公報
【特許文献１１】特開昭58-124099号公報
【特許文献１２】特開昭58-160597号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種の遠心圧縮機においては、ディフューザ翼のコード長がピッチに対して長くなると作動範囲が狭くなる傾向にある。よって、作動範囲を確保するためには翼のコード長を短くする必要がある。しかし、翼のコード長が短いと、翼による圧力回復が十分ではなくなり、遠心圧縮機の効率は低下することになる。そこで、翼の径方向外側に更に２段目の翼（後置翼）を設ければ圧力回復を補うことができる。しかしながら、後置翼の存在によって作動範囲の拡大が阻害されてしまう。また、後置翼のコード長がピッチに対して長すぎれば、１段目の翼（前置翼）で形成されるガスの流れが阻害される。このように、ディフューザに２段のディフューザ翼を設ける構成を採用しても、作動範囲の確保と効率との両立は困難であった。
【０００５】
本発明は、作動範囲の確保と効率とを両立する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】
【０００６】
本発明の遠心圧縮機は、インペラと、インペラの外側に周方向に配列された複数の前置翼と、前置翼の外側に周方向に配列された複数の後置翼と、を有するディフューザと、を備え、前置翼のソリディティが１以下であり、後置翼のソリディティが１以下であり、後置翼のコード長が前置翼のコード長よりも短い。
【０００７】
また、ディフューザは、同数の前置翼と後置翼とを有しており、前置翼のトレーリングエッジと後置翼のリーディングエッジとの位相差を前置翼の配列ピッチで除した値を比位相差と定義し、リーディングエッジがトレーリングエッジよりもインペラの回転方向の後方に位置するときの比位相差をプラス符号で表し、インペラの回転方向の前方に位置するときの比位相差をマイナス符号で表すとき、比位相差αが、−０．１≦α≦＋０．３であるようにしてもよい。
【０００８】
また、ディフューザは、同数の前置翼と後置翼とを有しており、前置翼のトレーリングエッジと後置翼のリーディングエッジとの位相差を前置翼の配列ピッチで除した値を比位相差と定義し、リーディングエッジがトレーリングエッジよりもインペラの回転方向の後方に位置するときの比位相差をプラス符号で表し、インペラの回転方向の前方に位置するときの比位相差をマイナス符号で表すとき、比位相差αが、＋０．１であるようにしてもよい。
【０００９】
また、ディフューザは、同数の前置翼と後置翼とを有しており、前置翼のトレーリングエッジと後置翼のリーディングエッジとの位相差を前置翼の配列ピッチで除した値を比位相差と定義し、リーディングエッジがトレーリングエッジよりもインペラの回転方向の後方に位置するときの比位相差をプラス符号で表し、インペラの回転方向の前方に位置するときの比位相差をマイナス符号で表すとき、比位相差αが、＋０．３≦α≦＋０．６であるようにしてもよい。
【００１０】
また、ディフューザは、同数の前置翼と後置翼とを有しており、前置翼のトレーリングエッジと後置翼のリーディングエッジとの位相差を前置翼の配列ピッチで除した値を比位相差と定義し、リーディングエッジがトレーリングエッジよりもインペラの回転方向の後方に位置するときの比位相差をプラス符号で表し、インペラの回転方向の前方に位置するときの比位相差をマイナス符号で表すとき、比位相差αが、＋０．５であるようにしてもよい。
【００１１】
また、ディフューザは、同数の前置翼と後置翼とを有しており、前置翼のトレーリングエッジと後置翼のリーディングエッジとの位相差を前置翼の配列ピッチで除した値を比位相差と定義し、リーディングエッジがトレーリングエッジよりもインペラの回転方向の後方に位置するときの比位相差をプラス符号で表し、インペラの回転方向の前方に位置するときの比位相差をマイナス符号で表すとき、比位相差αが、＋０．１≦α≦＋０．５であるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、作動範囲の確保と効率とを両立する遠心圧縮機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に係る遠心圧縮機の断面図である。
【図２】図１の遠心圧縮機の分解斜視図である。
【図３】図１の遠心圧縮機のディフューザ翼を拡大して示す平面図である。
【図４】ディフューザ翼を示す平面図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、本発明者らによる実験の結果を示すグラフである。
【図６】本発明者らによる実験の結果を示すグラフである。
【図７】本発明者らによる実験の結果を示すグラフである。
【図８】本発明者らによる実験の結果を示すコンター図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る遠心圧縮機の実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１及び図２に示される遠心圧縮機１は、一方側が開口したケーシング本体５を備え、ケーシング本体５は、内側の周縁部で周方向に延びるスクロール流路３を有している。ケーシング本体５は、スクロール流路３に連なるガス吐出管７を備えている。更に、遠心圧縮機１は、ロータ軸１１とインペラ１３とを備えている。インペラ１３はロータ軸１１に嵌着されケーシング本体５の内部中央に位置している。ロータ軸１１は、ケーシング本体５の内壁部中央に設けられたシール部材９を貫通しており回転軸線Ａ周りに回転可能である。
【００１６】
更に、遠心圧縮機１は、インペラ１３を覆うようにケーシング本体５の開口部分に嵌合する環状のケーシング蓋１９を備えている。ケーシング蓋１９は、外部からインペラ１３の先端部に向うガス流入口１５を備えており、インペラ１３を周方向に取り囲むと共にスクロール流路３に連通するディフューザ１７を形成する。ディフューザ１７内には、周方向に等間隔に配置された多数のディフューザ翼２１が設けられている。ロータ軸１１には、歯車増速機構を介してモータなどの駆動装置（図示せず）が連結されており、当該駆動装置がインペラ１３を回転軸線Ａ周りに回転させる。なお、遠心圧縮機１が過給機の一部である場合は、ロータ軸１１は内燃機関の排ガスで回転するタービン（図示せず）に連結される。
【００１７】
ケーシング本体５の内部には、インペラ１３を取り囲む凹陥部２３が設けられており、凹陥部２３には環状の支持座２７が嵌入されている。ディフューザ翼２１は、支持座２７に対して一体的に形成されている。また、スクロール流路３の流路断面形状は、ガス吐出管７に近接するほど大きくなるように形成されている。遠心圧縮機１ではインペラ１３が回転軸線Ａの周りに回転すると、圧縮機外部のガス（例えば空気）がガス流入口１５からケーシング本体５へ送り込まれる。そして、該ケーシング本体５の内部において、インペラ１３の径方向外方への速度エネルギーがガスに付与される。
【００１８】
この速度エネルギーが付与されたガスは、ディフューザ１７をインペラ１３の径方向外方へ通過してディフューザ翼２１で減速し、速度エネルギーが圧力エネルギーに変換されて圧力が上昇する。更に、圧力が上昇したガスは、スクロール流路３からガス吐出管７を経て圧縮機外部へ吐出される。
【００１９】
図３を参照しながら、ディフューザ１７について更に詳細に説明する。図３は、ディフューザ１７を回転軸線Ａと平行な視線で見た図である。ディフューザ１７は径方向に２段に設けられたディフューザ翼２１を備えている。すなわち、前述のディフューザ翼２１は、径方向内側に配置された複数の前置翼３１と径方向外側に配置された複数の後置翼３２との、２種類の翼で構成されている。前置翼３１はインペラ１３の直ぐ外側において周方向に等間隔に配列されている。後置翼３２は前置翼３１の更に外側において周方向に等間隔に配列されている。後置翼３２は前置翼３１と同数設けられている。
【００２０】
ディフューザ１７においては、前置翼３１と後置翼３２とが、以下の（１）〜（３）の条件をすべて満足している。
（１）前置翼３１のソリディティが１以下
（２）後置翼３２のソリディティが１以下
（３）後置翼３２のコード長Ｌ２が、前置翼３１のコード長Ｌ１よりも短い
【００２１】
ソリディティについて、図４に示されるディフューザ翼４０を例として説明する。ディフューザ翼におけるソリディティとは、ディフューザ翼４０のコード長ｃを、ディフューザ翼４０の配列ピッチｐで除した値である。なお、上記の配列ピッチｐとは、ディフューザ翼４０のリーディングエッジ４０ｄを通る円Ｂの円周の長さを当該ディフューザ翼４０の枚数で除した長さである。
【００２２】
上記の条件（１）〜（３）を満足するディフューザ１７によれば、遠心圧縮機１の作動範囲の確保と効率とを両立することができる。ディフューザ１７が上記の効果を奏する原理は以下のようなものと考えられる。
【００２３】
一般的に、遠心圧縮機のディフューザ翼のソリディティが大きくなるほど、ディフューザにおけるガスの圧力回復が促進され遠心圧縮機の効率は大きくなる。その代わりに、ディフューザ翼のソリディティが大きくなれば、遠心圧縮機の作動範囲は小さくなる。
【００２４】
ディフューザ１７によれば、前置翼３１のソリディティが１以下と比較的小さいので、遠心圧縮機１の作動範囲が確保し易い。その一方で、前置翼３１によるガスの圧力回復の作用は小さいので、遠心圧縮機１の効率向上を阻害する要因になり得る。しかし、前置翼３１の外側に後置翼３２が存在することにより後置翼３２によって圧力回復作用が補われ、ガスは、前置翼３１の通過後に後置翼３２で圧力回復される。
【００２５】
また、後置翼３２のソリディティが１以下と比較的小さいので、後置翼３２は、遠心圧縮機１の作動範囲を極端に小さくするものではない。また、後置翼３２のソリディティが小さいので、後置翼３２で発生するストールも抑制され、ストールに起因する遠心圧縮機１の効率低下も起こりにくい。
【００２６】
また、後置翼３２のコード長Ｌ２は前置翼３１のコード長Ｌ１よりも短いことから、後置翼３２におけるガスの圧力回復は比較的緩やかである。従って、後置翼３２の入口側（リーディングエッジ３２ｄ側）に、周方向の急激な圧力分布が現れることが避けられる。よって、そのような急激な圧力分布の影響による前置翼３１でのストール発生が抑制され、遠心圧縮機１の効率低下が避けられる。以上の結果、遠心圧縮機１の作動範囲の確保と効率とをバランスよく両立することが可能になる。
【００２７】
また、前置翼３１及び後置翼３２のソリディティを小さくすることにより、前置翼３１及び後置翼３２のコード長が比較的短くなり、ディフューザ１７の径方向の寸法が小さく抑えられる。よって、遠心圧縮機１の小型化を図ることができる。例えば、ロータ軸１１に対してモータの駆動軸が歯車増速機構を介さずに直接連結されるタイプの遠心圧縮機がある。このタイプの遠心圧縮機では、インペラの回転数に制約があるので、流量確保のためにインペラ径を比較的大きくする必要がある。このようにインペラ径を大きくする必要がある場合には、ディフューザの径方向の寸法の確保が困難になる場合がある。このようなタイプの遠心圧縮機においても、径方向の寸法が抑えられる本実施形態のディフューザ１７が好適に適用され得る。
【００２８】
続いて、前置翼３１と後置翼３２との、周方向における位置関係について説明する。図３に示されるように、前置翼３１と後置翼３２との周方向における位置関係を示すために、前置翼３１のトレーリングエッジ３１ｄ（以下「エッジ３１ｄ」）と、後置翼３２のリーディングエッジ３２ｄ（以下「エッジ３２ｄ」）との周方向における位相差を考える。この位相差を前置翼３１の配列ピッチで除した値を「比位相差」と定義する。エッジ３１ｄとエッジ３２ｄとの位相差と、前置翼３１の配列ピッチと、は共に角度の次元を持つ量であり、比位相差は無次元の量とされる。
【００２９】
また、エッジ３２ｄがエッジ３１ｄよりも、インペラ１３の回転方向Ｊの後方に位置するときに比位相差をプラス符号で表し、エッジ３２ｄがエッジ３１ｄよりも、インペラ１３の回転方向Ｊの前方に位置するときに比位相差をマイナス符号で表すものとする。以上のような比位相差を導入することにより、前置翼３１と後置翼３２との周方向の位置関係を、比位相差として表すことができる。
【００３０】
図３には、前置翼３１の配列ピッチを１とする目盛が図示されている。エッジ３１ｄを目盛の０の位相に固定すれば、エッジ３２ｄが上記の目盛の0.1, 0.2, 0.3, … の位相にあるときに、それぞれ比位相差が+0.1,+0.2, +0.3, … となる。図３に例示される配置の場合では、エッジ３２ｄが目盛の0.3の位相にあるので、比位相差は+0.3である。なお、比位相差の性質上、前置翼３１と後置翼３２との周方向の位置関係について、比位相差＝Ｘで表される位置関係は、比位相差＝Ｘ＋１．０・ｎ（ｎは整数）で表される位置関係と等しい。
【００３１】
ディフューザ１７においては、遠心圧縮機１の効率の向上を図る観点から、比位相差αを−０．１≦α≦＋０．３とすることが好ましく、特にα＝＋０．１とすることが好ましい。その一方、遠心圧縮機１の作動範囲を広く確保する観点からは、比位相差αを＋０．３≦α≦＋０．６とすることが好ましく、特にα＝＋０．５とすることが好ましい。従って、遠心圧縮機１の効率と作動範囲とのバランスを重視する観点から、＋０．１≦α≦＋０．５としてもよい。
【００３２】
続いて、本発明者らが行った実験について説明する。１段のディフューザ翼（前置翼のみ）を備えた遠心圧縮機について、ディフューザ翼のソリディティを５種類に変更しながら、遠心圧縮機の流量・圧力比曲線、及び流量・効率曲線を作成した。対象の５種類のディフューザ翼ＶＤ１〜ＶＤ５のソリディティは、次の通りである。
ＶＤ１：１．８１
ＶＤ２：１．５４
ＶＤ３：１．１３
ＶＤ４：１．１３
ＶＤ５：０．９５
実験結果は図５（ａ）に示される。図５（ａ）に示される２つのグラフ群のうち、上のグラフ群が５種類のディフューザ翼ＶＤ１〜ＶＤ５の流量・効率曲線であり、下のグラフ群が５種類のディフューザ翼ＶＤ１〜ＶＤ５の流量・圧力比曲線である。
【００３３】
また、図５（ａ）から読み取られるＶＤ１〜ＶＤ５の作動範囲に基づいて、ディフューザ翼のソリディティと遠心圧縮機の作動範囲との関係を図５（ｂ）のようにグラフ化した。図５（ａ）に示されるように、ディフューザ翼のソリディティが小さくなるほど、遠心圧縮機の効率及び圧力比が低下することが判った。但し、図５（ｂ）に示されるように、ディフューザ翼のソリディティが小さくなるほど作動範囲が広くなることが判った。
【００３４】
次に２段のディフューザ翼（前置翼及び後置翼）を備えた遠心圧縮機について、後置翼のコード長Ｌ２と前置翼のコード長Ｌ１との比（Ｌ２／Ｌ１）と、遠心圧縮機の効率との関係をＣＦＤにより取得した。ここでは、前置翼のソリディティを０．６６〜１．１６とし、後置翼のソリディティを０．４７〜０．７７とした。ＣＦＤ結果は図６に示される。図６のグラフによれば、Ｌ２／Ｌ１の値が１以下の範囲で高い効率が得られることが判った。また、Ｌ２／Ｌ１の値が１より大きい範囲では、Ｌ２／Ｌ１の値が大きくなるほど効率が低下すると考えられる。よって、後置翼のコード長Ｌ２を、前置翼のコード長Ｌ１よりも短くすることで、比較的高い効率が得られることが判った。特に、Ｌ２／Ｌ１が約０．６のときに、最も高い効率が得られることが判った。
【００３５】
次に、２段のディフューザ翼（前置翼及び後置翼）を備えると共に、前述の（１）〜（３）の条件を満たす遠心圧縮機について、比位相差と遠心圧縮機の効率との関係を実験により取得した。ここでは、前置翼のソリディティを０．９５とし、後置翼のソリディティを０．４５とした。また、Ｌ２／Ｌ１を０．６６とした。実験結果は図７に示される。図７中の実線のグラフは実データであり、破線のグラフは実データに基づいてフィッティングを行ったグラフである。図７のグラフによれば、比位相差α＝０．９〜１．０及び０〜０．３のときに比較的高い効率が得られることが判った。特に、α＝約０．１のときに高い効率が得られることが判った。なお、上記の比位相差α＝０．９〜１．０及び０〜０．３の範囲は、比位相差α＝−０．１〜０．３と表すこともできる。
【００３６】
次に、２段のディフューザ翼（前置翼及び後置翼）を備えた遠心圧縮機について、ディフューザにおける圧力分布をＣＦＤ解析で得た。ここでは、後置翼３２のコード長Ｌ２を前置翼３１のコード長Ｌ１よりも長くした。具体的には、Ｌ２／Ｌ１＝１．０１とした。得られた圧力分布は、コンター図として図８に示される。
【００３７】
図８によれば、前置翼３１の出口近傍においては顕著な圧力差が周方向に生じるといった好ましくない状態になっている。これは、次のような作用によるものと考えられる。すなわち、後置翼３２のコード長が長いために、後置翼３２の揚力係数が大きく、後置翼３２の循環効果によって前置翼３１と後置翼３２との間の流れが加速される。そうすると、径方向外側に向かって減速し圧力上昇が生じるような流れが前置翼３１で作られたとしても、その後の後置翼３２によって再び加速され減圧してしまう。よって、流れの加減速による損失が生じるのみでなく、前置翼３１のトレーリングエッジ近傍に急激な圧力分布を生じさせ，流れを不安定にし作動範囲を狭める要因となってしまう。このように、Ｌ２／Ｌ１＞１とする構成は、後置翼３２の出口付近における周方向の圧力差の要因となるために、好ましくないことが判った。
【００３８】
本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、実施例の変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。
【００３９】
例えば、図１の例では、支持座２７に対して前置翼３１と後置翼３２とが設けられているが、前置翼３１が設けられる支持座と後置翼３２が設けられる支持座とをそれぞれ別体としてもよい。この構成によれば、上記の２つの支持座の周方向の位置関係を変更することにより、前置翼３１と後置翼３２との位相差を容易に変更することができる。よって、効率を重視した構成のディフューザと、作動範囲を重視した構成のディフューザとを、互いに容易に改造することができる。また、２つの支持座の位置関係を運転中に変更可能にすべく、少なくとも一方の支持座を周方向に駆動する駆動機構を設けてもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１  遠心圧縮機
１３  インペラ
１７  ディフューザ
３１  前置翼
３２  後置翼
Ｌ１，Ｌ２  コード長
３１ｄ  トレーリングエッジ
３２ｄ  リーディングエッジ
【図１】
2018013107.tif 000003
【図２】
2018013107.tif 000004
【図３】
2018013107.tif 000005
【図４】
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【図５】
2018013107.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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