(57)【要約】【課題】遠心圧縮機１の作動域を低流量側に拡大させつつ、遠心圧縮機１の圧縮機効率を向上させること。【解決手段】ケーシング３のシュラウド壁３ｆにおけるインペラブレード７の前縁位置よりも下流側に下流補助穴１３が形成され、ケーシング３のシュラウド壁３ｆにおけるインペラブレード７の前縁位置よりも上流側に上流補助穴１５が形成され、ケーシング３の内部に下流補助穴１３側から上流補助穴１５側へガスの流れを許容する環状のトリートメントキャビティ１７が形成され、ケーシング３のシュラウド壁３ｆに内径を拡径した膨張部１９が上流補助穴１５の開口部の前端位置から下流側に向かって形成され、ケーシング３のシュラウド壁３ｆにおける膨張部１９の下流側に内径を徐々に縮径した絞り部２１が形成されたこと。【選択図】図１
2009068372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機において、
内側にシュラウド壁を有したケーシングと、
前記ケーシングの前記シュラウド壁内に配設され、軸心を中心として回転可能なハブと、
前記ハブの外周面に周方向に沿って設けられ、外縁が前記シュラウド壁にそれぞれ近接した複数のインペラブレードと、を備え、
前記ケーシングの前記シュラウド壁の前側周縁部にガスを前記インペラブレード側へ給気する給気口が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁の後側周縁部に圧縮したガスを排気する環状の排気流路が形成され、
前記ケーシングの前記シュラウド壁における前記インペラブレードの前縁位置よりも下流側に下流補助穴が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁における前記インペラブレードの前縁位置よりも上流側に上流補助穴が形成され、前記ケーシングの内部に前記下流補助穴側から前記上流補助穴側へガスの流れを許容する環状のトリートメントキャビティが形成され、前記トリートメントキャビティが前記上流補助穴と前記下流補助穴に連通してあって、
前記ケーシングの前記シュラウド壁に内径を拡径した膨張部が前記上流補助穴の開口部の前端位置から下流側に向かって形成されたことを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項２】
前記ケーシングの前記シュラウド壁における前記膨張部の下流側に内径を徐々に縮径した絞り部が形成され、前記絞り部が前記インペラブレードの前縁位置よりも上流側に位置していることを特徴とする請求項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、ターボチャージャー、ガスタービン、産業用空気設備等に用いられ、空気等のガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、遠心圧縮機の作動域を拡大させるために種々の研究がなされており、作動域を拡大させた遠心圧縮機として特許文献１及び特許文献２に示すものがある。
【０００３】
以下、先行技術に係る遠心圧縮機について図４を参照して説明する。
【０００４】
ここで、図４は、先行技術に係る遠心圧縮機の縦断面図である。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。
【０００５】
先行技術に係る遠心圧縮機１０１は、ケーシング１０３を備えており、このケーシング１０３は、内側に、シュラウド壁１０３ｆを有している。また、ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆ内には、ハブ１０５が配設されており、このハブ１０５は、軸心（ハブ１０５の軸心）を中心として回転可能である。更に、ハブ１０５の外周面には、複数（１つのみ図示）のインペラブレード１０７が周方向に沿って設けられており、各インペラブレード１０７の外縁は、ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆにそれぞれ近接してある。
【０００６】
ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆの前側周縁部には、空気（ガスの一例）をインペラブレード１０７側へ給気する給気口１０９が形成されており、ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆの後側周縁部には、圧縮した空気を排気する環状の排気流路１１１が形成されている。そして、ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆにおけるインペラブレード１０７の前縁位置よりも下流側（ガスの流れから見て下流側、換言すれば、後側）には、スリット状の下流補助穴１１３が形成されており、ケーシング１０３のシュラウド壁１０３ｆにおけるインペラブレード１０７の前縁位置よりも上流側（ガスの流れから見て上流側、換言すれば、前側）には、スリット状の上流補助穴１１５が形成されている。更に、ケーシング１０３の内部には、下流補助穴１１３側から上流補助穴１１５側へ空気の流れを許容する環状のトリートメントキャビティ１１７が形成されており、このトリートメントキャビティ１１７は、下流補助穴１１３と上流補助穴１１５に連通してある。
【０００７】
従って、遠心圧縮機１０１を運転する場合には、例えばタービンホイール（図示省略）の回転等によりハブ１０５を回転させて、複数のインペラブレード１０７を一体的に回転させる。これにより、給気口１０９からインペラブレード１０７側に給気した空気を遠心力を利用して圧縮することができ、圧縮した空気を排気流路１１１から排気することができる。
【０００８】
また、遠心圧縮機１０１の運転中において、給気口１０９から給気される空気の流量が少なくなると、インペラブレード１０７側へ給気した空気の一部が逆流して、下流補助穴１１３からトリートメントキャビティ１１７内に流入する。そして、トリートメントキャビティ１１７内に流入した空気は、下流補助穴１１３側から上流補助穴１１５側へ流れて、上流補助穴１１５から流出して、再びインペラブレード１０７側に給気される。つまり、インペラブレード１０７側へ給気した空気の一部を下流補助穴１１３と上流補助穴１１５の間で循環させて、遠心圧縮機１０１のサージング現象を抑制することができる。よって、遠心圧縮機１０１の作動域を低流量側に拡大させることができる。
【特許文献１】特開２００６−３４２６８２号公報
【特許文献２】特開２００３−３１４４９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、トリートメントキャビティ１１７内に流入した空気が上流補助穴１１５から流出する際に、主流の空気の流れを大きく乱して、図２（ｂ）に示すように、上流補助穴１１５の下流側（後側）にエネルギー損失の大きな領域が生じる。そのため、先行技術に係る遠心圧縮機１０１にあっては、前述のように、サージング現象を抑制して、遠心圧縮機１０１の作動域を低流量側に拡大させることができるものの、遠心圧縮機１０１の圧縮機効率を十分に向上させることは容易でないという問題がある。
【００１０】
なお、図２（ｂ）は、先行技術に係る遠心圧縮機のエネルギー損失の分布状態を無次元化した形で示す図であって、エネルギー損失は、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析によって求めており、数値が大きいほどエネルギー損失が大きいことを示している。
【００１１】
そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の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】
【００１２】
本発明の特徴は、ガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機において、内側にシュラウド壁を有したケーシングと、前記ケーシングの前記シュラウド壁内に配設され、軸心（ハブの軸心）を中心として回転可能なハブと、前記ハブの外周面に周方向に沿って設けられ、外縁が前記シュラウド壁にそれぞれ近接した複数のインペラブレードと、を備え、前記ケーシングの前記シュラウド壁の前側周縁部にガスを前記インペラブレード側へ給気する給気口が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁の後側周縁部に圧縮したガスを排気する環状の排気流路が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁における前記インペラブレードの前縁位置よりも下流側（ガスの流れから見て下流側、換言すれば、後側）に下流補助穴が形成され、前記ケーシングの前記シュラウド壁における前記インペラブレードの前縁位置よりも上流側（ガスの流れから見て上流側、換言すれば、前側）に上流補助穴が形成され、前記ケーシングの内部に前記下流補助穴側から前記上流補助穴側へガスの流れを許容する環状のトリートメントキャビティが形成され、前記トリートメントキャビティが前記上流補助穴と前記下流補助穴に連通してあって、前記ケーシングの前記シュラウド壁に内径を拡径した膨張部が前記上流補助穴の開口部の前端位置から下流側に向かって形成されたことを要旨とする。
【００１３】
本発明の特徴によると、前記遠心圧縮機を運転する場合には、前記ハブを回転させて、複数の前記インペラブレードを一体的に回転させる。これにより、前記給気口から前記インペラブレード側に給気したガスを遠心力を利用して圧縮することができ、圧縮したガスを前記排気流路から排気することができる。
【００１４】
また、前記遠心圧縮機の運転中において、前記給気口から給気されるガスの流量が少なくなると、前記インペラブレード側へ給気したガスの一部が逆流して、前記下流補助穴から前記トリートメントキャビティ内に流入する。そして、前記トリートメントキャビティ内に流入したガスは、前記下流補助穴側から前記上流補助穴側へ流れて、前記上流補助穴から流出して、再び前記インペラブレード側に給気される。つまり、前記インペラブレード側へ給気したガスの一部を前記下流補助穴と前記上流補助穴の間で循環させて、前記遠心圧縮機のサージング現象を抑制することができる。
【００１５】
更に、前記ケーシングの前記シュラウド壁に前記膨張部が前記上流補助穴の開口部の前端位置から下流側に向かって形成されているため、ガスの粘性作用も相まって、前記上流補助穴から流出したガスが前記膨張部の内壁（前記ケーシングの前記シュラウド壁の一部）に沿うように流れ、換言すれば、前記上流補助穴から流出したガスの流れが主流のガスの流れと同方向になるように曲げられる。これにより、前記上流補助穴から流出する際における主流のガスの流れを大きく乱すことがなくなり、前記上流補助穴の下流側にエネルギー損失の大きな領域が生じることを回避できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、前記遠心圧縮機のサージング現象を抑制すると共に、前記上流補助穴の下流側にエネルギー損失の大きな領域が生じることを回避できるため、前記遠心圧縮機の作動域を低流量側に拡大させつつ、前記遠心圧縮機の圧縮機効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施形態について図１、図２（ａ）、及び図３を参照して説明する。
【００１８】
ここで、図１は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の縦断面図、図２（ａ）は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機のエネルギー損失の分布状態を無次元化した形で示す図、図３は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機及び先行技術に係る遠心圧縮機についてガスの流量と圧縮機効率の関係を示す図である。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。
【００１９】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、ターボチャージャーに用いられ、空気（ガスの一例）を遠心力を利用して圧縮するものである。そして、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の具体的な構成は、以下のようになる。
【００２０】
遠心圧縮機１は、ケーシング３を備えており、このケーシング３は、内側に、シュラウド壁３ｆを有している。また、ケーシング３は、ターボチャージャーの別のケーシング（図示省略）に一体的に取付られている。
【００２１】
ケーシング３のシュラウド壁３ｆ内には、ハブ５が配設されており、このハブ５は、別のケーシングに回転可能に設けられたタービン軸ＴＳの一端部に一体的に連結されてあって、軸心（ハブ５の軸心、換言すれば、タービン軸ＴＳの軸心）を中心として回転可能である。なお、タービン軸ＴＳの他端部には、タービンホイール（図示省略）が一体的に連結されている。
【００２２】
ハブ５の外周面には、複数（１つのみ図示）のインペラブレード７が周方向に沿って設けられており、各インペラブレード７の外縁は、ケーシング３のシュラウド壁３ｆにそれぞれ近接してある。
【００２３】
ケーシング３のシュラウド壁３ｆの前側周縁部には、空気をインペラブレード７側へ給気する給気口９が形成されており、ケーシング３のシュラウド壁３ｆの後側周縁部には、空気の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換しつつ、圧縮した空気を排気する環状のディフューザ流路（排気流路）１１が形成されている。なお、ディフューザ流路１１の周縁部には、スクロール流路（図示省略）が形成されており、このスクロール流路は、内燃機関の吸気マニホールド（図示省略）に接続されている。
【００２４】
ケーシング３のシュラウド壁３ｆにおけるインペラブレード７の前縁位置よりも下流側（ガスの流れから見て下流側、換言すれば、後側）には、スリット状の下流補助穴１３が形成されており、ケーシング３のシュラウド壁３ｆにおけるインペラブレード７の前縁位置よりも上流側（ガスの流れから見て上流側、換言すれば、前側）には、スリット状の上流補助穴１５が形成されている。なお、スリット状の下流補助穴１３及びスリット状の上流補助穴１９は、周方向に連続してあっても、或いは周方向に不連続であっても構わない。
【００２５】
ケーシング３の内部には、下流補助穴１３側から上流補助穴１５側へ空気の流れを許容する環状のトリートメントキャビティ１７が形成されており、このトリートメントキャビティ１７は、下流補助穴１３と上流補助穴１５に連通してある。
【００２６】
ケーシング３のシュラウド壁３ｆには、内径を拡径した膨張部１９が上流補助穴１５の開口部の前端位置から下流側に向かって形成されている。換言すれば、上流補助穴１５の開口部の後端位置におけるケーシング３のシュラウド壁３ｆの内径Ｄ１は、上流補助穴１５の開口部の前端位置におけるケーシング３のシュラウド壁の内径Ｄ２よりも大きくなっている。なお、上流補助穴１５の開口部の後端位置におけるケーシング３のシュラウド壁３ｆの内径Ｄ１は、トリートメントキャビティ１７の内径Ｄcavよりも小さくなっている。
【００２７】
ケーシング３のシュラウド壁３ｆにおける膨張部１９の下流側には、内径を徐々に縮径した絞り部２１が形成されており、この絞り部２１は、インペラブレード７の前縁位置よりも上流側に位置している。
【００２８】
続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。
【００２９】
遠心圧縮機１を運転する場合には、タービンホイールの回転によってハブ５を回転させて、複数のインペラブレード７を一体的に回転させる。これにより、給気口９からインペラブレード７側に給気した空気を遠心力を利用して圧縮することができ、圧縮した空気をディフューザ流路１１から排気することができる。なお、ディフューザ流路１１から排気された空気は、スクロール流路を経由して内燃機関の吸気マニホールドに送られる。
【００３０】
また、遠心圧縮機１の運転中において、給気口９から給気される空気の流量が少なくなると、インペラブレード７側へ給気した空気の一部が逆流して、下流補助穴１３からトリートメントキャビティ１７内に流入する。そして、トリートメントキャビティ１７内に流入した空気は、下流補助穴１３側から上流補助穴１５側へ流れて、上流補助穴１５から流出して、再びインペラブレード７側に給気される。つまり、インペラブレード７側へ給気した空気の一部を下流補助穴１３と上流補助穴１５の間で循環させて、遠心圧縮機１のサージング現象を抑制することができる。
【００３１】
更に、ケーシング３のシュラウド壁３ｆに膨張部１９が上流補助穴１５の開口部の前端位置から下流側に向かって形成されているため、空気の粘性作用も相まって、上流補助穴１５から流出した空気が膨張部１９の内壁（ケーシング３のシュラウド壁３ｆの一部）に沿うように流れ、換言すれば、上流補助穴１５から流出した空気の流れが主流の空気の流れと同方向になるように曲げられる。これにより、上流補助穴１５から流出する際における主流の空気の流れを大きく乱すことがなくなり、図３（ａ）に示すように、上流補助穴１５の下流側にエネルギー損失の大きな領域が生じることを回避できる。なお、図３（ａ）におけるエネルギー損失は、ＣＦＤ解析によって求めており、数値が大きいほどエネルギー損失が大きいことを示している。
【００３２】
また、ケーシング３のシュラウド壁３ｆにおける膨張部１９の下流側に絞り部２１が形成されているため、膨張部１９において空気の流速を一旦減速させて、絞り部２１において空気の流速を急加速することができる。これにより、上流補助穴１５の下流側で生成したディストーションレベル（空気の流れの偏り）をインペラブレード７の入口側（上流側近傍）で緩和することができる。
【００３３】
以上の如き、本発明の実施形態によれば、遠心圧縮機１のサージング現象を抑制した上で、上流補助穴１５の下流側にエネルギー損失の大きな領域が生じることを回避すると共に、上流補助穴１５の下流側で生成したディストーションレベルをインペラブレード７の入口側で緩和することができるため、遠心圧縮機１の作動域を低流量側に拡大させつつ、図３に示すように、遠心圧縮機１の圧縮機効率を向上させることができる。なお、図３中における実施例とは、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１の圧縮機効率をＣＦＤ解析によって求めたものであって、図３中における比較例とは、先行技術に係る遠心圧縮機１０１（図４参照）の圧縮機効率をＣＦＤ解析によって求めたものである。
【００３４】
本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の縦断面図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機のエネルギー損失の分布状態を無次元化した形で示す図、図２（ｂ）は、先行技術に係る遠心圧縮機のエネルギー損失の分布状態を無次元化した形で示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る遠心圧縮機及び先行技術に係る遠心圧縮機についてガスの流量と圧縮機効率の関係を示す図である。
【図４】先行技術に係る遠心圧縮機の縦断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１        遠心圧縮機
３        ケーシング
３ｆ      シュラウド壁
５        ハブ
７        インペラブレード
９        給気口
１１        ディフューザ流路
１３        下流補助穴
１５        上流補助穴
１７        トリートメントキャビティ
１９        膨張部
２１        絞り部
【図１】
2009068372.tif 000003
【図２】
2009068372.tif 000004
【図３】
2009068372.tif 000005
【図４】
2009068372.tif 000006