(57)【要約】【課題】作動範囲の拡大。【解決手段】循環流路６は、ケーシング２の内周面の適当な位置に配置される２箇所の第４循環流路部分１６と、第３循環流路部分１７とを形成し、内面１２と外面１１とから構成される。循環流路６の内面１２と外面１１に局所的な曲面を形成することにより循環流量を増大させ、その結果として、サージ流量の低減又はチョーク流量の増大を促進して、作動範囲を拡大する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主流路を形成するケーシングと、
前記ケーシングの内周面側に回転自在に配置される回転翼車と、
前記ケーシングの内周側に設けられる主流路と、
前記ケーシングの内周側に設けられる循環流路とを構成し、
前記回転翼車は、
回転軸と、
前記回転軸の周方向に並べられて前記回転軸の周面に固定的に配置される複数の動翼とを形成し、
前記主流路は、
第１流路と、
第２流路とを形成し、
前記第１流路は、第１空間を形成し、
前記第２流路は、前記第１空間より下流側に位置し前記動翼の回転を許容する第２空間を形成し、
前記循環流路は、
前記ケーシングの内周側に配置され前記主流路に連通する第１循環流路部分と、
前記ケーシングの内周側に配置され前記主流路に連通し前記第１循環流路部分より下流側に位置する第２循環流路部分とを形成し、
前記循環流路の内面は、前記第１循環流路部分と前記第２循環流路部分の間の前記循環流路の中の流れの流量を増加させる局所的曲面を形成している
圧縮機。
【請求項２】
前記局所的曲面は、前記第２循環流路部分から前記第１循環流路部分に向かう循環流量を増加させてサージ流量を低減させる曲面を形成する
請求項１の圧縮機。
【請求項３】
前記サージ流量を低減させる前記曲面は、前記循環流路の内面として凸面を形成し、前記凸面は前記循環流路の内側から見て凸である
請求項２の圧縮機。
【請求項４】
前記サージ流量を低減させる曲面は、前記循環流路の外面として凹面を形成し、前記凹面は前記循環流路の内側から見て凸である
請求項２の圧縮機。
【請求項５】
前記局所的曲面は、前記第１循環流路部分から前記第２循環流路部分に向かう循環流量を増加させてチョーク流量を増大させる曲面を形成する
請求項１の圧縮機。
【請求項６】
前記チョーク流量を増大させる曲面は、前記第３循環流路の内面として凸面を形成し、前記凸面は前記循環流路の内側から見て凸である
請求項５の圧縮機。
【請求項７】
前記チョーク流量を増大させる曲面は、前記循環流路の外面として凹面を形成し、前記凹面は前記循環流路の内側から見て凸である
請求項５の圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機に関し、特に、循環流路の形成によりサージ近傍とチョーク近傍で作動範囲を拡大させる圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボチャージャ用コンプレッサ、産業用コンプレッサのような圧縮空気供給機関には、遠心圧縮機が広く用いられている。遠心圧縮機は、その流量が基準流量より少なくなればサージング現象を惹起して運転不能に陥り、その流量が基準流量より多くなればチョーキング現象を惹起してその流量より多い流量を実現することができない。それの回転速度と作動流体の流量との関係が適正であるように設計される遠心圧縮機は、その作動範囲が制限されている。
【０００３】
遠心圧縮機の作動範囲の拡大のために改善された遠心圧縮機は、後掲特許公報で知られている。そのような遠心圧縮機は、上流側と下流側との間で流体を循環させる循環流路を形成している。遠心圧縮機は、回転軸には円周方向に多数の動翼が配列される動翼群が形成され、動翼群は、ケーシングの内周面に沿って回転している。公知の遠心圧縮機は、ケーシングに循環流路を形成している。循環流路には、サージング現象の抑制時とチョーク現象の抑制時とでは、向きが異なる流れ循環流が形成される。循環流路の流れの抵抗を低減する改善が多様に行われている。
【０００４】
流れ抵抗を更に低減し、且つ、制限されている作動範囲を更に拡大することが求められる。
【０００５】
【特許文献１】
日本国特許第２５６９０２９号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、流れ抵抗を更に低減し、且つ、制限されている作動範囲を更に拡大することができる圧縮機を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数の形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【０００８】
本発明による圧縮機は、ケーシング（２）と、ケーシング（２）の内周面側に回転自在に配置される回転翼車（１）と、ケーシング（２）の内周側に設けられる主流路（７）と、ケーシング（２）の内周側に設けられる循環流路（６）とから構成されている。回転翼車（１）は、回転軸（３）と、回転軸（３）の周方向に並べられて回転軸（３）の周面に固定的に配置される複数の動翼（４）とから形成されている。主流路（７）は、第１流路（１１）と、第２流路（８）とから形成されている。第１流路（１１）は第１空間を形成し、第２流路（８）は第１空間より下流側に位置し動翼（４）の回転を許容する第２空間を形成している。循環流路（６）は、ケーシング（２）の内周側に配置され主流路（７）に連通する第１循環流路部分（１７）と、ケーシング（２）の内周側に配置され主流路（７）に連通し第１循環流路部分（１７）より下流側に位置する第２循環流路部分（１６）とを形成している。循環流路（６）の内面は、第１循環流路部分（１７）と第２循環流路部分（１６）の間の循環流路（６）の中の流れの流量を増加させる局所的曲面（１８又は１９）を形成している。
【０００９】
このような局所的曲面（１８又は１９）は、循環流路（６）の中の流体を小曲率半径で曲げることが可能であり、循環流路（６）の抵抗を低減し、その循環流量を増大させることにより、作動範囲の限界であるサージ流量を低減し、又は、チョーク流量を増大させることができ、その結果として、作動範囲を拡大することができる。
【００１０】
更に、その様な局所的曲面は、第２循環流路部分（１６）から第１循環流路部分（１７）に向かう循環流を増加させ、サージ流量を低減させる曲面（１８）を形成する。そのサージ流量を低減させる曲面（１８）は、循環流路（６）の内側（１２）に滑らかな凸面を形成している。その凸面は循環流路（６）の内側から見て凸である。そのサージ流量を低減させる曲面は、循環流路（６）の外側（１１）に滑らかに形成され得る。更に、そのような局所的曲面は、第１循環流路部分（１７）から第２循環流路部分（１６）に向かう循環流を増加させ、そのチョーク流量を増大させる曲面（１９）を形成する。そのチョーク流量を増大させる曲面（１９）は、循環流路（６）の内側（１２）に滑らかな凸面を形成し、その凸面は循環流路（６）の内側から見て凸である。そのチョーク流量を増大させる曲面（１９）は、循環流路（６）の外側（１１）に滑らかに形成され得る。
【００１１】
凸面は、循環流路の内側から見て凸である。内側から見て凸とは、円の中心点から見てその円の部分である円弧が凸であるという表現で意味される。流路の外側面に形成される凹面は、循環流路の内側から見て凸である。このような面は、その配置により循環流路（６）の抵抗を低減し、循環流量を増大させることによりチョーク流量の増大又はサージ流量の低減を可能にする。圧縮機の用途次第では、両効果が同時的に利用され得る。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図に対応して、本発明による圧縮機は、回転翼車がケーシングの内側に配置されて設けられている。その回転翼車１は、図１に示されるように、ケーシング２の内側周面の内側に回転自在に配置されている。回転翼車１は、回転軸（ボス）３と複数の動翼４とから構成されている。複数の動翼４は、回転軸３の周面に固着され回転軸３の周りに等角度間隔で配列されている。
【００１３】
循環流路構成体５は、ケーシング２に同体に支持されてケーシング２に固定されている。循環流路構成体５は、循環流路６を形成する。循環流路６は、内面（内側）１２と外面（外側）１１とを形成している。循環流路構成体５は、回転軸心線の周りを取り囲む環状体である。流路は、循環流路６と主流路７とから形成されている。循環流路６の一部分は、主流路７の一部分を形成する。主流路７を形成する空間は、動翼４の回転を許容し第１主流路８を形成する第１空間と、第１主流路８より上流側に位置し、特に、動翼４の前縁１０より上流側に位置する第２主流路９を形成する第２空間と、第１主流路８より上流側に位置し第２流路９より下流側に位置する第３主流路１１を形成する第３空間とから構成されている。
【００１４】
循環流路６は、ケーシング２の内周面１１と循環流路形成体５の外周面１２との間に挟まれて位置する環状の空間である第１循環流路部分１３と、循環流路形成体５の内周面１４により形成される第２循環流路部分１５と、循環流路形成体５に開けられ第１循環流路部分１３の下流側と第２循環流路部分１５の下流側とを連通する第３循環流路部分１６と、循環流路形成体５に開けられ第１循環流路部分１３と第２循環流路部分１５の上流側とを連通して配置される第４循環流路部分１７とから形成されている。第３循環流路部分１６が第１主流路８に面する開口は、前縁９より下流側に位置している。
【００１５】
第３循環流路部分１６の近傍、特に、第１循環流路部分１３と第３循環流路部分１６との境界領域の曲管状流路の内側流路内面に形成される滑らかな凸状線の集合である第１凸状線集合面１８を形成している。第１凸状線集合面１８を形成する凸状線は循環流路の内側の視点Ｐから見てそれぞれに凸である。その内側流路内面は、視点Ｐを通る直線がその曲管状流路の内面に交叉する２つの交点のうち視点Ｐに近い交点の側の内面（視点Ｐを通る無数の直線がその曲管状流路の内面にそれぞれに交叉する２つの交点のうち視点Ｐに近い交点の集合又はその集合の一部）である。第１凸状線集合面１８としては、部分円筒面、部分球面、部分トーラス面、又は、これらの面の複合が例示される。
【００１６】
第４循環流路部分１７の近傍、特に、第１循環流路部分１３と第４循環流路部分１７との境界領域の曲管状流路の内側流路内面に形成される滑らかな凸状線の集合である第２凸状線集合面１９を更に形成している。第２凸状線集合面１９を形成する凸状線は循環流路の内側の視点Ｐから見てそれぞれに凸である。その内側流路内面は、視点Ｐを通る直線がその曲管状流路の内面に交叉する２つの交点のうち視点Ｐに近い交点の側の内面（視点Ｐを通る無数の直線がその曲管状流路の内面にそれぞれに交叉する２つの交点のうち視点Ｐに近い交点の集合又はその集合の一部）である。第２凸状線集合面１９としては、部分円筒面、部分球面、部分トーラス面、又は、これらの面の複合が例示される。
【００１７】
図２は、第１凸状線集合面１８のような滑らかな面が形成されていないモデル流路に対するサージ近傍の流速解析結果を示している。第３循環流路部分１６から流入する流れは、滑らかでない凸領域２１が存在するために、循環流路６の中で半径方向から軸方向に急激に向きを変えることができずにその流れは加速され、（図２の領域ａ）、循環流路６の外壁面２２（又は１１）に衝突し、その後に、第４循環流路部分１７に向かう。領域ｂは、流速が非常に小さい死水域であり、その周囲には、循環流路６内で加速された流れ（領域ａ）のために渦流ｅが発生する。領域ｂのような大きい死水領域は、循環流路６に流入する流れに対して抵抗になり、循環流量を低減させる。
【００１８】
図３は、そのモデル流路に対するチョーク近傍の流速解析結果を示している。滑らかでない凸領域２１が存在するために、第３循環流路部分１６に向かう流れは滑らかでない凸領域２１より剥離し、この剥離領域は循環流路６に流入する流れに対して抵抗になり、循環流量を低減させる。
【００１９】
本発明による圧縮機では、サージ近傍の場合、循環流路６内で流れの向きが半径方向から軸方向に変わる際の流れの加速が緩和され、死水領域が低減し、循環流量が増大する。チョーク近傍の場合、第３循環流路部分１６の近傍で剥離領域が低減し、循環流量が増大する。
【００２０】
図４は、第１凸状線集合面１８の存在による改善領域を示している。領域２３は、サージング近傍の改善領域を示し、領域２４はチョーク近傍の改善領域を示している。
【００２１】
図５は、第４循環流路部分１７と第３循環流路部分１６との間の圧力差発生に起因して循環流路６に流れる流量ΔＱを示している。動翼４に作用する流体の有効流量はＱで表され、主流路流量はＱｓで示されていて、次式の関係がある。
Ｑ＝Ｑｓ−ΔＱ
横軸が動翼４の子午面長で表される図６に示されるように、静圧は点Ａと点Ｂとで圧力差が生じ、その圧力差に基づいて、図７に示されるように、循環流量ΔＱの分だけ、有効流量Ｑが小流量側に移動する。本発明では、局所的曲面を循環流路内に形成することにより、循環流量ΔＱが増大し、その分、サージ流量が低減し、作動範囲が拡大する。
【００２２】
図８は、第４循環流路部分１７と第３循環流路部分１６の間の圧力差発生に起因して循環流路６に流れる流量ΔＱを示している。主流路流量は、Ｑｃで示され、次式の関係がある。
Ｑ＝Ｑｃ＋ΔＱ
図９に示されるように、静圧は点Ａと点Ｂとで圧力差が生じている。その圧力差に基づいて、図１０に示されるように、循環流量ΔＱの分だけ、有効流量Ｑが大流量側に移動する。本発明では、局所的曲面を循環流路内に形成することにより、循環流量ΔＱが増大し、その分、チョーク流量が増大し、作動範囲が拡大する。
【００２３】
図１１は、本発明による圧縮機の実施の他の形態を示している。第３循環流路部分１６の近傍で第１凸状線集合面１８が形成され、第４循環流路部分１７の近傍で第２凸状線集合面１９が形成されている。第１凸状線集合面１８と第２凸状線集合面１９の間は、有効流路平行面２５と、第１凸状線集合面１８に連続し循環流路の有効流路に対して急傾斜する急傾斜面２７と、第２凸状線集合面１９に連続し循環流路の有効流路に対して急傾斜する急傾斜面２６とから形成される凹面に形成されている。そのような凹状急傾斜面で形成される凹面形成流路部位には、渦流が発生することにより、循環流路６に入る流れをより多く引き込むことができて、循環流量が増大する。
【００２４】
図１２は、本発明による圧縮機の実施の更に他の形態を示している。実施の本形態では、実施の図１１の形態の第２凸状線集合面１９は存在せず、平行面２５は、第４循環流路部分１７の近傍まで完全に延長されている。図で、実線はサージ近傍の流れを示し、点線はチョーク近傍の流れを示している。実施の本形態では、サージ流量低減効果が存在するが、チョーク流量増大効果は薄れる。
【００２５】
図１３は、本発明による圧縮機の実施の更に他の形態を示している。実施の本形態では、実施の図１１の形態の第１凸状線集合面１８は存在せず、平行面２５は、第３循環流路部分１６の近傍まで完全に延長されている。図で、実線はサージ近傍の流れを示し、点線はチョーク近傍の流れを示している。実施の本形態では、チョーク流量増大効果が存在するが、サージ流量低減効果は薄れる。
【００２６】
図１４は、本発明による圧縮機の実施の更に他の形態を示している。実施の本形態では、第３循環流路部分１６の近傍でケーシング２の内面に第１凹面２８が形成され、第４循環流路部分１７の近傍でケーシング２の内面に第２凹面２９が形成されている。図で、実線はサージ近傍の流れを示し、点線はチョーク近傍の流れを示している。このような２箇所の凹面は、これらの凹面内に渦流が発生することにより、循環流路６に入る流れをより多く引き込むことができその循環流量が増大して、サージ流量を低減し、且つ、チョーク流量を増大させる。第１凹面２８は、循環流路内面２５の側に形成され得る。
【００２７】
図１５は、本発明による圧縮機の実施の更に他の形態を示している。実施の本形態では、第３循環流路部分１６の近傍でケーシング２の内面に凹面２８が形成されているが、実施の図１４の形態の第２凹面２９は形成されていない。実施の本形態では、サージ流量低減効果が存在するが、チョーク流量の増大効果は薄れる。
【００２８】
図１６は、本発明による圧縮機の実施の更に他の形態を示している。実施の本形態では、第４循環流路部分１７の近傍でケーシング２の内面に凹面２８が形成されているが、実施の図１４の形態の第２凹面２９は形成されていない。実施の本形態では、チョーク流量増大効果が存在するが、サージ流量低減効果は薄れる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明による圧縮機は、制限されている作動範囲を更に拡大することができる。サージ近傍又はチョーク近傍で作動範囲が拡大され、又は、サージ近傍とチョーク近傍とで作動範囲が拡大する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による圧縮機の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図２は、循環流路の流速分布を示す断面図である。
【図３】図３は、循環流路の他の流速分布を示す断面図である。
【図４】図４は、圧力比と流量の関係を示すグラフである。
【図５】図５は、循環流路の存在に起因する流量の変化を示す断面図である。
【図６】図６は、静圧と回転翼車子午面長の関係を示すグラフである。
【図７】図７は、圧力比と流量の関係を示すグラフである。
【図８】図８は、循環流路の存在に起因する流量の他の変化を示す断面図である。
【図９】図９は、静圧と回転翼車子午面長の他の関係を示すグラフである。
【図１０】図１０は、圧力比と流量の他の関係を示すグラフである。
【図１１】図１１は、本発明による圧縮機の実施の他の形態を示す断面図である。
【図１２】図１２は、本発明による圧縮機の実施の更に他の形態を示す断面図である。
【図１３】図１３は、本発明による圧縮機の実施の更に他の形態を示す断面図である。
【図１４】図１４は、本発明による圧縮機の実施の更に他の形態を示す断面図である。
【図１５】図１５は、本発明による圧縮機の実施の更に他の形態を示す断面図である。
【図１６】図１６は、本発明による圧縮機の実施の更に他の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１…回転翼車
２…ケーシング
３…回転軸
４…動翼
５…循環流路形成体
６…循環流路
７…主流路
８…第１流路
９…第２流路
１１…第３流路
１３…第１循環流路部分
１５…第２循環流路部分
１６…第４循環流路部分（下流側）
１７…第３循環流路部分（上流側）
【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】
2004190577.tif 000013
【図１２】
2004190577.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2004190577.tif 000017
【図１６】
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