(57)【要約】【課題】インペラで圧縮された空気をインペラ上流側へと循環する流量を制御可能としサージング限界流量を低減する可変ベーン式遠心圧縮機を実現する。【解決手段】シュラウド部に設けた環状の空気室１４に配設するガイドベーン１８と、インペラ上流部とインペラ半翼入口付近の間で開口する吸込連通路１５により導通させ圧縮空気を導入可能とすると共に、インペラ上流部の吸込口側で開口する吹出連通路１６により導通させ圧縮空気を導出可能に設けた循環流路１７と、吹出連通路１６よりも上流側の流路に回転中のインペラ１１に流入する空気流にインペラ１１と同一方向の旋回を与え旋回量調整可能な空気流旋回機構２３となる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラの外周部から前方に延びて吸込口を形成するシュラウド部を有するハウジングを備えた遠心圧縮機において、ハウジングのシュラウド部に設けた環状の空気室に円周方向複数箇所を区画し、かつインペラ回転方向に対向する正面を凹湾曲して配設するガイドベーンと、
空気室にインペラ上流部とインペラ半翼入口付近の間で開口する吸込連通路により導通させ圧縮空気を導入可能とすると共に、インペラ上流部の吸込口側で開口する吹出連通路により導通させ圧縮空気を導出可能に設けた循環流路と、インペラ上流部の吹出連通路よりも上流側の流路に回転中のインペラに流入する空気流にインペラと同一方向の旋回を与え旋回量調整可能な空気流旋回機構と、から成り、インペラで圧縮された空気をインペラ上流側へと循環する流量を制御可能とし遠心圧縮機のサージング限界流量を低減することを特徴とする可変ベーン式遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンへの過給圧を発生させる過給機の給気装置や空気源設備等として用いる可変ベーン式遠心圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エンジンへの過給を行う過給機は、例えば、翼車を有するタービンとインペラを有する遠心圧縮機（コンプレッサ）とを軸受車室を介して一体構造とされている。そして、翼車とインペラを軸受車室内に回転自在に支持した軸に連結し、エンジンの排気により翼車を回転させることにより、軸を介してインペラが回転される。これにより、吸気を遠心圧縮機で圧縮してエンジンに給気するのである。
【０００３】
このように、過給機で用いる遠心圧縮機においては、図８に一例を示すように、空気量が減少してくると、圧縮機の特性曲線Ｉがサージ線Ｓ１を越えてサージング領域Ａに入るという特性がある。従って、サージ線Ｓ１をＳ２の位置へと低流量側へ移動させることができれば、エンジンの運転範囲に対してより広い範囲に亘り適合することができる。
【０００４】
そのため、従来、サージング領域に入るような低流量容量の運転状況下でも、サージング領域に入らないようにサージ線を低流量側へ移動させるようにした遠心圧縮機が提案されている（特開平５−６００９７号公報）。
【０００５】
すなわち、従来の遠心圧縮機は、図９に示すように、吸込口３０からインペラ３１の外周部に至るシュラウド部３２には、吸込口３０側からインペラ３１の方向へ向けて縮径する絞り部３３が設けられている。シュラウド部３２には、内部を空洞とした環状の空気室３４が設けられている。空気室３４とインペラ３１の間には第１開口部３５を設けると共に、空気室３４と絞り部３３の終端付近の間に第２開口部３６が設けられている。第１開口部３５と空気室３４と第２開口部３６により循環流路３７が形成されている。
【０００６】
これにより、絞り部３３で吸気を縮流し、その縮流効果で循環流路３７に吸引作用を付与して負圧にするのである。そして、回転運転時に、インペラ３１に吸引される空気の一部を循環流路３７を通して循環させ、サージングの発生する流量容量を減少させるのである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の遠心圧縮機は、第１開口部３５と第２開口部３６の圧力差が小さいため、循環流の流量を十分大きくすることができなく、サージング発生の抑制効果が十分に得られない。さらに、第２開口部３６の上流側で吸込口３０を絞り部３３で絞っているため、また第１開口部３５での空気の旋回速度エネルギを損失しているため、空気力学的な圧力損失が大きくなって遠心圧縮機の効率を低下させるという実用上解決すべき課題を有する。
【０００８】
【特許文献１】特開平５−６００９７号公報
【０００９】
本発明は、以上の課題を解決するために案出されたものである。すなわち、本発明の目的は、エンジンへの過給圧を発生させる過給機の給気装置や空気源設備等として用いられ、インペラで圧縮された空気をインペラ上流側へと循環させ遠心圧縮機のサージングを抑制する可変ベーン式遠心圧縮機を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のターボチャージャ用遠心圧縮機は、インペラの外周部から前方に延びて吸込口を形成するシュラウド部を有するハウジングを備えた遠心圧縮機において、ハウジングのシュラウド部に設けた環状の空気室に円周方向複数箇所を区画し、かつインペラ回転方向に対向する正面を凹湾曲して配設するガイドベーンと、空気室にインペラ上流部とインペラ半翼入口付近の間で開口する吸込連通路により導通させ圧縮空気を導入可能とすると共に、インペラ上流部の吸込口側で開口する吹出連通路により導通させ圧縮空気を導出可能に設けた循環流路と、インペラ上流部の吹出連通路よりも上流側の流路に回転中のインペラに流入する空気流にインペラと同一方向の旋回を与え旋回量調整可能な空気流旋回機構と、から成り、インペラで圧縮された空気をインペラ上流側へと循環する流量を制御可能とし遠心圧縮機のサージング限界流量を低減することを特徴とする。
【００１１】
【発明の作用・効果】
インペラ回転方向に対向する正面を凹湾曲に形成して配設するガイドベーンは、内蔵する空気室および吸込連通路と吹出連通路で構成される空気の循環流路を設けたハウジングにより渦の発生を抑制することができ、遠心圧縮機の効率を低下させることなくサージ限界流量の大幅な低減が可能になる。インペラ上流部の吹出連通路よりも上流側の流路に回転中のインペラに流入する空気流にインペラと同一方向の旋回を与え旋回量調整可能な空気流旋回機構によりインペラで圧縮された空気をインペラ上流側へと循環する流量を制御可能とし遠心圧縮機のサージング限界流量を低減することができる。すなわち、空気流旋回機構は、これを絞ることによりハウジング（ケーシングトリートメント）の吹出口の圧力を低下させると共に、流入空気に旋回を与えることができる。このため、従来のようにケーシングトリートメントのみの場合に比して、サージ限界流量を大幅に低減することができ、空気流旋回機構のベーンの角度を制御することにより効率を向上することができ、実用上の作用効果を有する。
【００１２】
〔作用：効果が生じる理由〕
サージが発生する流量に近い運転条件では、インペラのシュラウド側で逆流が発生し半翼入口直前および全翼（インペラ）入口直前のシュラウド側に渦が発生する。この逆流（渦）の発生を抑制することで遠心圧縮機のサージング発生を抑えることができ、サージが発生する限界流量を低減することができるのである。また、空気流旋回機構を絞ることにより吹出口の圧力が低下するため、吸込口から空気室を介して吹出口へと循環する空気の流量を増加することができる。この循環流量を増加することにより、吸込口から失速した空気をより多く吸い出すことができ、シュラウド側での逆流（渦）をより効果的に抑制することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態における可変ベーン式遠心圧縮機３は、図１に示すように自動車用エンジンの排気タービン過給装置に実施した例で説明する。自動車用エンジンの排気タービン過給装置は、自動車用エンジンの複数のシリンダ１の吸気口に接続した吸気通路２の途中に遠心圧縮機３を介在し、複数のシリンダ１の排気口に接続した排気通路４の途中にガスタービン５を介在し、遠心圧縮機３とガスタービン５を同軸に連結している。エンジンの排気通路４を流れる排気ガスでガスタービン５が回転されて遠心圧縮機３が回転され、吸気通路２を流れる空気が遠心圧縮機３で圧縮され、高圧になった空気が各シリンダ１に供給される。
【００１４】
本発明の実施の形態における可変ベーン式遠心圧縮機３は、図２ないし図４に示すように、吸込口１０からインペラ１１の外周部に至るシュラウド部１２には、吸込口１０側からインペラ１１の方向へ向けて縮径する絞り部１３が設けられている。シュラウド部１２には、内部を空洞とした環状の空気室１４が設けられている。空気室１４とインペラ１１の間には吸込連通路１５を設けると共に、空気室１４と絞り部１３の終端付近の間に円周方向環状に開口する吹出連通路１６が設けられている。吸込連通路１５と空気室１４と吹出連通路１６により循環流路１７が形成されている。
【００１５】
詳しくは、本発明の実施形態のターボチャージャ用遠心圧縮機は、インペラ１１の外周部から前方に延びて吸込口１０を形成するシュラウド部１２を有するハウジング２１が具備されている。このハウジング２１のシュラウド部１１に設けた環状の空気室１４には、円周方向複数箇所を区画し、かつインペラ１１の回転方向に対向する正面を凹湾曲して形成するガイドベーン１８が配設されている。空気室１４には、インペラ上流部１９とインペラ半翼入口付近２０の間で開口する吸込連通路１５により導通させ圧縮空気を導入可能とすると共に、インペラ上流部の吸込口側で円周方向環状に開口する吹出連通路１６により導通させ圧縮空気を導出可能とする循環流路１７が構成されている。
【００１６】
吸込連通路１５の配設位置は、図４、図５に示すように渦Ｕが発生する位置である半翼入口直前（上流側）に配置されている。また、吹出連通路１６の配設位置は、図４に示すように、ガイドベーン１８の開放端の下流側で、渦Ｕが発生する位置（インペラ入口）から十分に離れた上流側に配置されている（Ｌ≒Ｒ１）。さらに、  空気（渦）の旋回速度エネルギを有効に利用するため、吸込みスリットを空気室１４に深く切り込むのが好ましい。
【００１７】
本発明の実施の形態における可変ベーン式遠心圧縮機３は、インペラ１１の回転方向に対向する正面を凹湾曲に形成して配設するガイドベーン１８が、インペラ１１の回転方向に角度αで傾斜し、ガイドベーン１８のインペラ回転方向に対向する背面はインペラの回転軸に平行に形成されている。ガイドベーン１８は、図２ないし図４に示すように上端部と下端部が、空気室１４の内壁に一体的に接続され、空気室１４を区画して構造上の強化が図られている。
【００１８】
本発明の実施の形態における可変ベーン式遠心圧縮機３は、図２ないし図５に示すように、インペラの回転方向に対向する前面を凸湾曲に形成して配設するガイドベーン１８が、吸込連通路側の厚さ（ｂ１）を吹出連通路側の厚さ（ｂ２）よりも厚く構成されている。また、ガイドベーン１８の厚さは吸込連通路側の厚さ（ｂ１）から吹出連通路側の厚さ（ｂ２）へと滑らかに減少するように構成されている。
【００１９】
本発明の実施の形態における可変ベーン式遠心圧縮機３は、吸込連通路１５がスリットからなり、凹凸湾曲するガイドベーン１８の高さの１／２以上に至る開口（深さ）を有する。
【００２０】
次に、遠心圧縮機３は、図２に示すように、エンジンの吸気通路２を流れる空気は、遠心圧縮機３の空気入口管２２から回転中のインペラ１１の前面の入口に流入し、インペラ１１の羽根の間の湾曲通路を通って、インペラ１１の外周の出口からディフューザを経て渦巻室に流入し、高圧になった空気が渦巻室の空気出口管から流出し、エンジンのシリンダ１に流入する。
【００２１】
遠心圧縮機３は、図２に示すように、インペラ１１と同芯的の空気入口に、回転中のインペラ１１に流入する空気流にインペラ１１と同一方向の旋回を与える空気流旋回機構２３を旋回量調整可能に設けられている。空気流旋回機構２３は、図２に示すように、円筒形状の空気入口管２２の中心を挟む上下左右などの複数個所に、それぞれ軸２４を空気入口管２２の径方向に貫通して軸受し、空気入口管２２内に突出した軸２４の内側部の後側に、それぞれ軸２４の軸芯方向に沿って略三角板形状の案内羽根２５の前側を固定し、空気入口管２２の中心に近づくに従って空気入口管２２の軸芯方向の幅が狭くなる各案内羽根２５をそれぞれインペラ１１の前面の入口の前側に配置されている。
【００２２】
空気入口管２２外に突出した軸２４の外側には、図２に示すように、それぞれ軸２４を所望の角度回転する回転駆動装置２６を連結し、各案内羽根２５をそれぞれ、その案内羽根２５と対面したインペラ１１の羽根の移動方向に傾斜可能にし、図６に示すように、各案内羽根２５がそれぞれ空気入口管２２とインペラ１１の軸芯方向から傾斜する角度を調整可能にしている。回転駆動装置２６には、ステップモータ式、油圧または空圧式のアクチュエータが例示されている。回転駆動装置２６は、この他にフェースギヤとピニオンの噛み合わせ機構や螺旋ばねなどからなるバネ機構や開閉リンクからなるリンク機構などにより構成することにより、各案内羽根２５がそれぞれ空気入口管２２とインペラ１１の軸芯方向から傾斜する角度を調整可能にすることができる。
【００２３】
各案内羽根２５がインペラ１１の軸芯方向に配置されてインペラ１１の軸芯方向から傾斜していないと、案内羽根のない従来の場合と同様に、空気入口管２２の空気流がインペラ１１の軸芯方向に流れてインペラ１１の入口に流入する。案内羽根２５がそれぞれその案内羽根２５と対面したインペラ１１の羽根の移動方向に傾斜していると、各案内羽根２５を通過する空気流がそれぞれその案内羽根２５でその傾斜方向に折曲されてインペラ１１の軸芯方向から傾斜し、回転中のインペラ１１の入口に流入する空気流がインペラ１１と同一方向に同芯状に旋回する。
【００２４】
インペラ１１の入口の速度三角形は、各案内羽根２５がインペラ１１の軸芯方向から傾斜せず、空気入口管２２を流れる空気流がインペラ１１の軸芯方向からインペラ１１の入口に流入するときは、図６に示すようになり、各案内羽根２５がインペラ１１に軸芯方向に傾斜して、インペラ１１の入口に流入する空気流がインペラ１１の羽根の移動方向に傾斜するときは、図６に実線で示すようになる。図６中、Ｃは、空気入口管２２を流れる空気流の絶対速度を示し、Ｕは、インペラ１１入口の周方向速度を示し、Ｗは、空気流がインペラ１１の入口に流入する相対速度を示す。αは、インペラ１１の入口に流入する空気流がインペラ１１の軸芯方向からインペラ１１の羽根の移動方向に傾斜する角度を示し、βは、空気流がインペラ１１の入口に流入する相対角度を示す。
【００２５】
インペラ１１の入口の速度三角形から明らかなように各案内羽根２５が羽根の軸芯方向から傾斜して、インペラ１１の入口に流入する空気流がインペラ１１の羽根の移動方向に傾斜してインペラ１１と同一方向に旋回すると、空気流がインペラ１１の入口に流入する相対速度βが殆ど変化せずに、空気入口管２２を流れる空気流の軸芯方向の絶対速度Ｃｃｏｓαと、空気流がインペラ１１の入口に流入する相対速度Ｗが減少する。
【００２６】
インペラ１１に流入する空気流が傾斜する角度αが大きくなるに従って、空気流がインペラ１１に流入する相対速度βが殆ど変化せずに、空気流の軸芯方向の絶対速度Ｃｃｏｓαと空気流の相対流入速度Ｗ、即ち、インペラ１１に流入する空気流量が徐々に減少する。遠心圧縮機３は、空気流がインペラ１１に流入する相対角度βがインペラ１１の羽根の入口角度に一致して空気流がインペラ１１の羽根に沿って流れるときに効率が最高になり、また、空気流がインペラ１１の羽根から激しく剥離して不安定になるとサージングになるので、空気流の傾斜角度αが大きくなるに従って、最高効率点が小流量側に移動し、また、サージング限界が小流量側に移動する。
【００２７】
遠心圧縮機３の空気流量に対する効率と圧力比の特性は、回転速度がｎ１とｎ２（ｎ１＜ｎ２＞である場合、空気流の傾斜角度αが小さいまたは零のときはには、図７に細線で示すようになり、空気流の傾斜角度αが大きいときには、図５に実線で示すようになる。図７から明らかなように、空気流の傾斜角度αが大きくなると、効率の最高点が小流量側に移動し、また、小流量域でサージング限界が小流量側に移動してエンジン作動線が小流量側に移動する。
【００２８】
回転速度が遅くてｎ１である場合、空気流の傾斜角度αが小さいまたは零のときには、遠心圧縮機３が有効に作動する最小の空気流量がＱであるが、空気流の傾斜角度αが大きくなると、圧力比と効率が殆ど変化せずに、最小の空気流量がさらに小さくなってＱ１になる。空気流量がＱ２より少ない領域でも、遠心圧縮機３の圧力比を高めて、過給による加速性能の向上や排気エミッションの低減を達成することができる。また、回転速度がｎ１より速くてｎ２であり、空気流量が中流域のＱ３である場合、空気流の傾斜角度αが小さいまたは零のときには、効率がη１であるが、空気流の傾斜角度αが大きくなると、圧力比が変化せずに、効率が高くなってη２になる。
【００２９】
図２に示すように、各案内羽根２５の回転駆動装置２６をエンジンの回転速度に応じて制御する制御装置２７を設けている。エンジンの低速域では、各案内羽根２５の傾斜角度を大きくして、インペラ１１に流入する空気流に与える旋回を大きくする。また、エンジンの高速域では、各案内羽根２５の傾斜角度を小さくまたは零にして、インペラ１１に流入する空気流に与える旋回を小さくまたは零にする。
【００３０】
上記構成からなる本発明の実施形態における可変ベーン付遠心圧縮機３は、インペラ１１で圧縮された空気を空気室１４および吸込連通路１５と吹出連通路１６からなる循環流路１７を通じて効率良くインペラ上流側へと循環させることにより、遠心圧縮機３のサージングを抑制することができる。そして、インペラ回転方向に対向する正面を凹湾曲に形成して配設するガイドベーン１８は、内蔵する空気室１４および吸込連通路１５と吹出連通路１６で構成される空気の循環流路１７を設けたハウジングにより渦の発生を抑制することができ、遠心圧縮機３の効率を低下させることなくサージ限界流量の大幅な低減が可能になる。インペラ上流部の吹出連通路１６よりも上流側の流路に回転中のインペラ１１に流入する空気流にインペラ１１と同一方向の旋回を与え旋回量調整可能な空気流旋回機構２６によりインペラ１１で圧縮された空気をインペラ上流側へと循環する流量を制御可能とし遠心圧縮機３のサージング限界流量を低減することができる。すなわち、空気流旋回機構２３は、これを絞ることによりハウジング（ケーシングトリートメント）の吹出口の圧力を低下させると共に、流入空気に旋回を与えることができる。このため、従来のようにケーシングトリートメントのみの場合に比して、サージ限界流量を大幅に低減することができ、空気流旋回機構２３の案内羽根２５（ベーン）の角度を制御することに領域より効率を向上することができ、実用上の作用効果を有する。すなわち、遠心圧縮機３においては、図８一例を示すように、空気量が減少してくると、圧縮機の特性曲線Ｉがサージ線Ｓ１を越えてサージングにＡに入るという特性がある。従って、サージ線Ｓ１をＳ２とＳ３の位置へとより低流量側へ移動させることができることにより、エンジンの運転範囲に対してより広い範囲に亘り適合することができる。
【００３１】
詳しくは、サージが発生する流量に近い運転条件では、インペラ１１のシュラウド側で逆流が発生し半翼入口直前および全翼（インペラ）入口直前のシュラウド側に渦が発生する。この逆流（渦）の発生を抑制することで遠心圧縮機３のサージング発生を抑えることができ、サージが発生する限界流量を低減することができるのである。また、空気流旋回機構２３を絞ることにより吹出口の圧力が低下するため、吸込口から空気室１４を介して吹出口へと循環する空気の流量を増加することができる。この循環流量を増加することにより、吸込口から失速した空気をより多く吸い出すことができ、シュラウド側での逆流（渦）をより効果的に抑制することができる。
【００３２】
また、インペラ１１の回転方向に対向する正面を凹湾曲に形成して配  設するガイドベーン１８を内蔵する空気室１４および吸込連通路１５と吹出連通路１６で構成される空気の循環流路１７を設けたハウジング２１により、図３に示すように、渦Ｕの発生を抑制することができる。このため、本発明の実施の形態のターボチャージャ用遠心圧縮機は、効率を低下させることなくサージ限界流量の大幅な低減が可能になる。
【００３３】
すなわち、本発明の実施形態における可変ベーン式用遠心圧縮機３は、吸込連通路１５の配設位置を、渦Ｕが発生する位置である半翼入口直前（上流側）に配置し、吹出連通路１６の配設位置を、渦Ｕが発生する位置（インペラ入口）から十分に離れた上流側に配置することにより（Ｌ≒Ｒ１）、空気（渦）の旋回速度エネルギを有効に利用することができる。吸込連通路１５としての吸込みスリットを空気室１４に深く切り込むことにより、空気（渦）の旋回速度エネルギをさらに一層有効に利用することができる。
【００３４】
また、本発明の実施形態の可変ベーン式用遠心圧縮機３は、空気室１４の円周等分にガイドベーン数枚を空気室１４内に設置することにより、空気の旋回速度エネルギを効率良く圧力に変換することができる。これにより、吸込連通路１５と吹出連通路１６の圧力差が小さい場合でも十分な循環流量が得られ、サージング発生の抑制効果を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における可変ベーン式遠心圧縮機をエンジンに適用した例を示す要部の概略図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるの可変式遠心圧縮機を示す要部の構成図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるガイドベーンを示す要部を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態におけるガイドベーンを示す要部の断面図である。
【図５】従来の遠心圧縮機のシュラウド部における圧力分布を示す線図である。
【図６】案内羽根が傾斜している状態図である。
【図７】遠心圧縮機の空気流量に対する効率と圧力比の特性を示す線図である。
【図８】遠心圧縮機の流量と圧力の関係例を示す線図である。
【図９】従来の遠心圧縮機を示す要部の概略図である。
【符号の説明】
１１…インペラ
１０…吸込口
１２、２２…シュラウド部
１３…絞り部
１４、２４…空気室
１５、２５…吸込連通路
１６、２７…吹出連通路
２６…吸込みスリット
１７…循環流路
１８…ガイドベーン
１９インペラ上流部
２０…インペラ半翼入口付近
２２…空気入口管
２３…空気流旋回機構
２５…案内羽根
２６…回転駆動装置
【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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