(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽根車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壁を有するハウジングを備え、上記シュラウド壁の吸込口側の部分に、上記羽根車の入口方向に向けて縮径する絞り部を設け、かつ、上記シュラウド壁の羽根車の外周に対峙する部分に開口するスリット状の第１流路と、上記絞り部の終端となる最小径付近に開口するスリット状の第２流路と、上記第１流路と上記第２流路とを連絡する円環状のトリートメントキャビティとからなる循環流路を設けた遠心圧縮機において、上記円環状のトリートメントキャビティの内径は羽根車の入口径の１．５〜２．０倍であり、トリートメントキャビティの高さは上記第１流路のスリット幅の１．０〜２．０倍であることを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項２】
上記第２流路または第２流路と上記円筒状のキャビティの第２流路側とに、上記循環流路を出た循環流が半径方向の流れまたは羽根車の回転方向と逆方向に旋回する流れになるように傾斜した複数の逆スワールフィンを設けた請求項１記載の遠心圧縮機。
【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一般製造工場の空気源設備等として用いる遠心圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンへの過給を行なう過給機は、たとえば、翼車を有するタービンと羽根車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し、上記翼車と羽根車とを、軸受車室内に回転自在に支持させた軸にて連結し、エンジンの排気によって翼車を回転させ、該翼車の回転で軸を介して羽根車を回転させること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ようにしている。
【０００３】
上記過給機に用いる遠心圧縮機において、サージングと呼ばれる現象が起き、過給機の性能に重大な影響を及ぼす場合がある。サージングは周期的な負荷変動がないのに一種の自励振動が発生し、周期的に圧力や吐出量が変動する現象である。サージングは全揚程（または圧力比）―吐出量の特性が図４（Ａ）で示すような右上がりとなる吐出量が少ないところで発生する。サージング発生の原因を定性的に説明する。吐出量が減少し、羽根車内を流れる流量が減ると、羽根車の外周と対峙するシュラウド壁の壁面（ケーシング）に層流境界層が発達する。境界層内にはエネルギーの流入が少ないので、その部分は低圧領域になる。そうすると羽根車の吐出側の高圧の領域からの逆流が起こり吐出圧が低下する。吐出圧が低下すると逆流は止まり、再び正流になる。かくして吐出圧と吐出量の周期的変動が起こるが、それがサージングであり、サージングが起こると軸受、羽根車、軸継手などに重大な損傷を与える。
【０００４】
図４（Ｂ）は羽根車の回転数をパラメータとした複数の特性曲線の図で、図４（Ａ）の特性曲線の頂点を結んだ線をサージ線Ｓといい、サージ線Ｓより左側はサージング領域Ａという。そして上記サージ線ＳをＳ’の位置へと低流量側へ移動させることができれば、エンジンの運転をより広い範囲に亘り適応させることができる。
【０００５】
かかる問題を解決するため、本願出願人は、先に特許出願を行なった（特開平５−６００９７）。図５は上記出願に開示された遠心圧縮機の断面図である。図に示すように、羽根車１の外周部にディフューザ部２を介してスクロール状の圧縮流路３を有し、かつ、上記ディフューザ部２から前方へ延びて吸込口４を形成するようにしたシュラウド壁５を有するハウジング６を備え、さらに、上記羽根車１を図示しないタービンの翼車に軸を介して連結し、エンジンの排気によってタービンの翼車が回転させられることにより軸を介して羽根車１が回転させられ、該羽根車１の回転により、吸気を圧縮してエンジンに給気させられるようにしてある遠心圧縮機において、上記シュラウド壁５の吸気口４側の部分に、上記羽根車１の入口方向へ向けて縮径する絞り部７を設け、該絞り部７によって縮流効果の与えられた空気が羽根車１により吸引されるようにし、かつ、上記シュラウド壁５中に環状のトリートメントキャビティ８を設け、さらに、上記シュラウド壁５に、トリートメントキャビティ８内と羽根車1の設置位置とを連通させるためのスリット状の第1流路９と、トリートメントキャビティ８内と上記絞り部７の終端よりもやや下流位置とを径方向へ連通させるためのスリット状の第２流路１０とを、それぞれ周方向に穿設し、上記第1流路９、トリートメントキャビティ８、第２流路１０により、低流量運転時に羽根車1によって吸引される空気の一部を循環させてサージ線の低流量化を図るための循環流路を構成する。
【０００６】
運転を行なうと、羽根車1の回転により吸込口４から吸い込まれた空気は、羽根車1における吸引領域に吸引され、ディフューザ部２、圧縮流路３を通って目的とする場所へ給気される。低流量運転時には、羽根車1のすべての領域における圧力がトリートメントキャビティ８内の圧力よりも高くなる。したがって、羽根車1の羽根部分を通過する空気の一部が第1流路９からトリートメントキャビティ８内へ向かうような空気流が発生する。一方、このとき、吸込口4から入ってくる空気は、絞り部７により縮流されるので、第２流路１０を通過する際の速度分布はその縮流効果によって外側（壁に近いところ）で大きく（速く）なっている。したがって、この縮流効果を受けた空気流が第２流路１０の開口を通過することで、第２流路１０からトリートメントキャビティ８内の空気を吸引することになり、その結果、トリートメントキャビティ８内の負圧を大きくし、上記羽根車１の羽根部分を通過する空気の一部を、第1流路９からトリートメントキャビティ８内を通して第２流路１０から排出し、それを再び羽根車1に向けて流すことができ、図5の破線矢印で示す如く、静圧を利用した循環流ａを発生させることができる。
【０００７】
このように循環流ａを生じさせるので、吐出流量の少ない運転領域でも、羽根車1内を流れる流量を増加させることができ、かつ、羽根車1の吐出側からの逆流を抽気するので、図４（Ｂ）に示すサージ線Ｓを低流量側のＳ’の位置に移動させることができる。
【０００８】
ところが、上記循環流ａは羽根車1の回転と同方向、すなわち、順旋回方向の成分を有する流れであるため、循環流ａのない場合に比べて広作動域化を図ることはできるが、羽根車1の前後の流れ角の転向が小さいため、羽根車1の入、出口の圧力比であるオイラーヘッドを低下させてしまうことになる。
【０００９】
そこで、本願出願人は、オイラーヘッドを低下させることなく、広作動域化を図るため、先に特許出願を行なった（特開２００１−２８９１９７）。
【００１０】
図６（Ａ）（Ｂ）は上記出願に開示された図面である。図において、図５と共通する部分は同一の符号を付しており、重複した説明は省略する。図６（Ａ）において、１１は第２流路１０に設けた逆スワールフィンであり、図６（Ｂ）において、１２はトリートメントキャビティ８に設けた逆スワールフィンである。逆スワールフィン１１、１２は放射方向とのなす角度αが０または正であり、点線の矢印で示すように、旋回成分のないものから逆旋回方向の範囲の流れとして流出させられるため、羽根車１の前後の流れ角の転向が大きくなり、羽根車１の入、出口の圧力比であるオイラーヘッドが大きくなる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記特開平５−６００９７に開示される発明では、第１流路９とトリートメントキャビティ８と第２流路１０とで形成される循環流路の形状について何ら特定されていない。本願発明者等は、鋭意研究と実験を行なった結果、循環流路の形状が、遠心圧縮機のサージング領域に大きな影響を及ぼすことを見出し、循環流路の形状を特定することにより、遠心圧縮機の作動域を、さらに低流量側に拡大することができる旨の知見を得た。
【００１２】
本発明は、上記知見に基づいて完成されたもので、循環流路の形状を数値的に特定することにより、作動領域を拡大することができる遠心圧縮機を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の遠心圧縮機は、羽根車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壁を有するハウジングを備え、上記シュラウド壁の吸込口側の部分に、上記羽根車の入口方向に向けて縮径する絞り部を設け、かつ、上記シュラウド壁の羽根車の外周に対峙する部分に開口するスリット状の第１流路と、上記絞り部の終端となる最小径付近に開口するスリット状の第２流路と、上記第１流路と上記第２流路とを連絡する円環状のトリートメントキャビティとからなる循環流路を設けた遠心圧縮機において、上記円環状のトリートメントキャビティの内径は羽根車の入口径の１．５〜２．０倍であり、トリートメントキャビティの高さは上記第１流路のスリット幅の１．０〜２．０倍である。
【００１４】
また、上記第２流路または第２流路と上記円筒状のキャビティの第２流路側とに、上記循環流路を出た循環流が半径方向の流れまたは羽根車の回転方向と逆方向に旋回する流れになるように傾斜した複数の逆スワールフィンを設けるのが好ましい。
【００１５】
次に本発明の作用を説明する。第１流路に流入した循環流は、先に述べたように、羽根車と同方向、すなわち、順旋回方向の成分を有する旋回流である。第１流路はスリット状の流路であり、入口から遠ざかるほど流路面積が拡大し、羽根車出口とスクロール状の圧縮流路とを連通するディフュ−ザ部と同様に、循環流の有する速度のエネルギーを圧力のエネルギーに変換する。したがって、トリートメントキャビティの内径を、羽根車入口径の１．５〜２．０倍になるように大きくすると、第１流路の長さが大きくなり、ディフュ−ザとしての機能を十分発揮し、トリートメントキャビティ入口における圧力が増大して、低流量領域で十分な量の循環流が得られて、サージ線を低流量側に移動させることができる。さらに、トリートメントキャビティの高さ（幅）を第１流路のスリット幅の１．０〜２．０倍としたので、第１流路からトリートメントキャビティに流入する循環流の流路の急拡大による圧力損失を低く押さえることができる。
【００１６】
さらに、循環流路の出口側に逆スワールフィンを設けることにより、羽根車に流入する空気流を半径方向の流れまたは羽根車の回転方向と逆方向に旋回する流れになるようにしたので、羽根車前後における流れ角の転向が大きく、羽根車が十分な仕事をするので、羽根車の入、出口の圧力比としてのオイラーヘッドが大きくなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本願請求項１に記載された発明の１実施形態である。本図において、図５と共通する部分については同一の符号を付しており、重複した説明は省略する。図において、２０は循環流路であり、第１流路９、トリートメントキャビティ８および第２流路１０からなる。２１は円環状のブロックであり、シュラウド壁５の内面５ａとの間に循環流路２０を形成している。ブロック２１は図示しない３枚程度の半径方向のリブによりシュラウド壁５の内面５ａから支持されている。９はスリット状の第１流路であり、図では回転軸に対して垂直な面ととして示されているが、回転軸に対して傾斜した截頭円錐面であってもよい。第１流路は拡径しているので、ディフェーザ２と同様に内部で速度のエネルギーが圧力のエネルギーに変換し、圧力が高まるが、その機能を発揮させるためには十分な長さが必要である。トリートメントキャビティ８は、第１流路９に接続する円環状のキャビティである。第１流路９に十分な長さが取れるように、トリートメントキャビティ８の内径（円環状のブロック２１の外径）Ｄ２を羽根車１の入口径Ｄ１に対し、Ｄ２＝１．５〜２．０Ｄ１になるようにする。また、トリートメントキャビティ８の高さｈ２は、流路の急拡大による圧力損失を防ぐため、第１流路の幅ｈ１に対し、ｈ２＝１．０〜２．０ｈ１になるようにしている。１０は、トリートメントキャビティ８に接続する第２流路である。第２流路１０の出口は吸込口４の絞り部７のわずかに下流側に開口している。第２流路１０は、羽根車１の入口に向かって縮径する截頭円錐面として図示されているが、回転軸に直角な面であってもよいし、図と逆方向に傾斜した截頭円錐面であってもよい。
【００１８】
図２は請求項２記載発明の図面であり、（Ａ）は回転軸芯を含む平面で切断した断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ矢視断面図である。本発明は図１に示す請求項１記載発明に逆スワールフィンを追加したものであり、図１と共通する部分には同一の符号を付しており、重複した説明は省略する。図において、１３は逆スワールフィンである。逆スワールフィン１３と回転軸芯を含む放射状の面１４とのなす角度αは０から正の範囲であればよい。逆スワールフィン１３は、図ではトリートメントキャビティ８の第２流路１０寄りの部分から第２流路１０内にかけて設けられているが、第２流路１０内だけに設けてもよい。
【００１９】
次に本実施形態の作用を説明する。第１流路９に流入した循環流ａは、先に述べたように、羽根車１と同方向、すなわち、順旋回方向の成分を有する旋回流である。第１流路９はスリット状の流路であり、入口から遠ざかるほど流路面積が拡大し、羽根車１出口とスクロール状の圧縮流路３とを連通するディフュ−ザ部２と同様に、循環流の有する速度のエネルギーを圧力のエネルギーに変換する。したがって、トリートメントキャビティ８の内径Ｄ２を、羽根車１入口径Ｄ１の１．５〜２．０倍になるように大きくすると、第１流路９の長さが大きくなり、ディフュ−ザとしての機能を十分発揮し、トリートメントキャビティ８入口における圧力が増大して、低流量領域で十分な量の循環流ａが得られて、サージ線Ｓを低流量側に移動させることができる。さらに、トリートメントキャビティ８の高さ（幅）ｈ２を第１流路９のスリット幅ｈ１の１．０〜２．０倍としたので、第１流路９からトリートメントキャビティ８に流入する循環流ａの流路の急拡大による圧力損失を低く押さえることができる。
【００２０】
さらに、循環流路２０の出口側に逆スワールフィン１３を設けることにより、羽根車１に流入する空気流ａを半径方向の流れまたは羽根車１の回転方向と逆方向に旋回する流れになるようにしたので、羽根車１前後における流れ角の転向が大きく、羽根車１が十分な仕事をするので、羽根車１の入、出口の圧力比としてのオイラーヘッドが大きくなる。
【００２１】
図３は本発明の遠心圧縮機の特性曲線のグラフである。図において、Ｑｄは設計流量、Ｑ／Ｑｄは流量比、Ｓはサージ線をそれぞれ表している。図上で「従来のトリートメント装着時」とは、図５に示す構造の遠心圧縮機であり、「本発明形状装着時」とは、図１に示す構造の遠心圧縮機であり、「本発明形状＋逆スワールフィン装着時」とは、図２に示す構造の遠心圧縮機である。「pressure ratio」とは、遠心圧縮機の出口圧力／入口圧力の比である。図３から本発明の効果が大きいことがわかる。
【００２２】
本発明は以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の遠心圧縮機は、第１流路の長さを十分大きく取ったので、第１流路内で循環流が十分減速された状態でトリートメントキャビティ内に流入するため、トリートメントキャビティ内の圧力が増大して、循環流量が増加する。さらに、逆スワールフィンと組み合わせることにより、オイラーヘッドが上昇する。これらの結果、本発明の遠心圧縮機は、作動域を低流量側に拡大することができるなどの優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の請求項１記載発明の遠心圧縮機の断面図である。
【図２】本願の請求項２記載発明の遠心圧縮機の断面図である。
【図３】本発明と従来の遠心圧縮機の性能を比較したグラフである。
【図４】遠心圧縮機の特性曲線のグラフである。
【図５】従来の遠心圧縮機の断面図である。
【図６】従来の遠心圧縮機の断面図である。
【符号の説明】
１    羽根車
４    吸込口
５    シュラウド壁
６    ハウジング
７    絞り部
８    トリートメントキャビティ
９    第１流路
１０    第２流路
１３    逆スワールフィン
２０    循環流路
【図１】
0004100030.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004100030.tif 000004
【図４】
0004100030.tif 000005
【図５】
0004100030.tif 000006
【図６】
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