JP2008111369A - Centrifugal compressor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ターボチャージャ等の遠心圧縮機に関する。 The present invention relates to a centrifugal compressor such as a turbocharger.
従来、たとえば自動車用の内燃機関に使用されるターボチャージャ等の遠心圧縮機が知られている。
図12は、従来の遠心圧縮機の要部を示す断面図である。図示の遠心圧縮機10は、ハウジング11内で多数のブレード12を備えたインペラ13が回転することにより、ハウジング11の外部から導入したガスや空気等の流体を圧縮する。こうして形成された流体の流れ(気流)は、インペラ13の外周端となるインペラ出口(以下では、「ディフューザ入口」とも呼ぶ)14、ディフューザ通路15及びスクロール(不図示)を通って外部へ送出される。なお、図中の符号16は、インペラ13が回転する軸中心線である。
Conventionally, for example, a centrifugal compressor such as a turbocharger used for an internal combustion engine for automobiles is known.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a main part of a conventional centrifugal compressor. The illustrated
上述したディフューザ通路15は、インペラ出口14とスクロールとの間に設けられており、インペラ出口14から吐出される気流を減速させることで動圧を静圧に回復させるための通路である。このディフューザ通路15は、通常一対の対向した壁面で形成されており、以下の説明では、対向する一対の壁面の一方をシュラウド側壁面15aと呼び、他方をハブ側壁面15bと呼ぶ。
なお、内燃機関と組み合わせて使用される自動車用のターボチャージャでは、広い圧縮機作動範囲が要求されることから、通常ベーンを持たないタイプのディフューザ(ベーンレスディフューザ)が採用されている。
The above-described
Incidentally, in a turbocharger for automobiles used in combination with an internal combustion engine, a wide compressor operating range is required, and therefore, a type of diffuser (vaneless diffuser) that does not normally have a vane is employed.
ターボチャージャの作動範囲は圧縮機で決定されるため、作動範囲の広い圧縮機が求められる。また、作動流量の最小限界は、図13に示すように、サージングなどの不安定現象により規定され、最小流量を規定するサージ流量Qsと最大流量を規定するチョーク流量Qcとの間が流量範囲となる。このため、圧縮機の作動範囲を広げるためには、サージングを防止する手段が必要である。
上述したサージングの開始は、ベーンを持たないディフューザ通路15内の逆流に起因している。なお、図12(b)には、サージング時におけるシュラウド壁面15aの逆流領域が破線で示され、失速開始時におけるシュラウド壁面15aの逆流領域が実線で示されている。
Since the operating range of the turbocharger is determined by the compressor, a compressor having a wide operating range is required. Further, as shown in FIG. 13, the minimum limit of the working flow rate is defined by an unstable phenomenon such as surging, and a flow range is defined between the surge flow rate Qs that defines the minimum flow rate and the choke flow rate Qc that defines the maximum flow rate. Become. For this reason, in order to widen the operating range of the compressor, a means for preventing surging is necessary.
The start of the surging described above is caused by the backflow in the
遠心圧縮機のサージングを防止する従来技術としては、吐出流量に応じてディフューザの流路断面積を最適に調整する絞り部を設けることが提案されている。この絞り部は、ディフューザの一側部を形成するディスク状のディフューザ側板により構成されている。このディフューザ側板は、ディフューザに形成された凹部に設けられ、流路断面側に往復動自在とされる。(たとえば、特許文献1参照)
ところで、特に車載用のターボチャージャでは、エンジン加速時の過給圧を上げることが望まれており、小流量・低回転でも圧力比の高い圧縮機が必要である。そして、圧縮機の作動範囲に大きく影響するディフューザ通路15の通路幅を可変にすることにより、サージ流量Qsの制御を可能とし、作動範囲を大幅に改善できることは公知である。このようなディフューザ通路の可変機構においては、通路幅の可変制御を均一かつ正確に実施することが必要となる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、遠心圧縮機のディフューザ通路において、通路幅の可変制御を均一かつ正確に実施することが可能な遠心圧縮機を提供することにある。
By the way, in particular, in-vehicle turbochargers, it is desired to increase the supercharging pressure at the time of engine acceleration, and a compressor having a high pressure ratio is required even at a small flow rate and low rotation. It is known that the surge flow rate Qs can be controlled and the operating range can be greatly improved by making the passage width of the
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a centrifugal compressor capable of uniformly and accurately performing variable control of the passage width in the diffuser passage of the centrifugal compressor. Is to provide.
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る遠心圧縮機は、ベーンレスディフューザにベーンレスディフューザの一方の壁面を構成する環状の可動部を設け、この環状の可動部の位置を変化させてディフューザ通路幅を調整する遠心圧縮機において、前記可動部をハウジングに対してインペラ回転軸の周りに回動可能とし、前記可動部をインペラ回転軸の周方向に回動することにより前記ディフューザ通路幅の方向に移動させるネジ機構を設けたことを特徴とするものである。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
A centrifugal compressor according to the present invention is a centrifugal compressor in which a vaneless diffuser is provided with an annular movable portion that constitutes one wall surface of the vaneless diffuser, and the diffuser passage width is adjusted by changing the position of the annular movable portion. A screw mechanism is provided that allows the movable portion to rotate about an impeller rotation shaft with respect to the housing, and moves the movable portion in the direction of the diffuser passage width by rotating the movable portion in the circumferential direction of the impeller rotation shaft. It is characterized by that.
このような遠心圧縮機によれば、可動部をハウジングに対してインペラ回転軸の周りに回動可能とし、可動部をインペラ回転軸の周方向に回動することによりディフューザ通路幅の方向に移動させるネジ機構を設けたので、ディフューザ通路幅は、ネジのピッチと回転数との掛け算により可動部が傾斜することなく均一に平行移動して変化する。 According to such a centrifugal compressor, the movable portion can be rotated around the impeller rotation shaft with respect to the housing, and the movable portion is moved in the direction of the diffuser passage width by rotating in the circumferential direction of the impeller rotation shaft. Since the screw mechanism is provided, the diffuser passage width is changed by the parallel translation of the movable portion without being inclined by the multiplication of the pitch of the screw and the number of rotations.
上記の発明において、前記可動部の移動を前記ディフューザ通路幅がインペラ出口幅に対して大きくならないように前記ディフューザ幅の最大位置で規制するストッパを設けることが好ましく、これにより、必要以上に通路幅が広がることを防止できる。 In the above invention, it is preferable to provide a stopper for restricting the movement of the movable part at the maximum position of the diffuser width so that the diffuser passage width does not increase with respect to the impeller outlet width. Can be prevented from spreading.
上記の発明において、前記ネジ機構は、前記可動部に作用する気流の押圧力が同一方向となるように、押圧力の相殺位置に対して外径側または内径側に設けられていることが好ましく、これにより、可動部側と固定部側との噛合部には常にシール機能が生じるため、気流の漏れを防止または低減することができる。
この場合、前記ネジ機構は、前記可動部に作用する気流の押圧力の一部が相殺されるような半径位置に設けられていることが好ましく、これにより、可動部を回動させる駆動力の低減が可能になる。
In the above invention, the screw mechanism is preferably provided on the outer diameter side or the inner diameter side with respect to the pressing force canceling position so that the pressing force of the airflow acting on the movable portion is in the same direction. As a result, a sealing function is always generated at the meshing portion between the movable portion side and the fixed portion side, so that airflow leakage can be prevented or reduced.
In this case, it is preferable that the screw mechanism is provided at a radial position where a part of the pressing force of the airflow acting on the movable part is canceled out. Reduction is possible.
上述した本発明によれば、可動部をハウジングに対して回動可能とし、さらに、この可動部をディフューザ通路幅の方向で移動させるネジ機構を設けたので、ディフューザ通路の通路幅Wは、ネジのピッチと回転数との掛け算により可動部が傾斜することなく均一に平行移動して変化するようになる。従って、ディフューザ通路の通路幅Wは、ネジ機構により均一かつ正確な可変制御が可能となり、作動範囲の広い遠心圧縮機を容易に提供することができる。 According to the present invention described above, since the movable portion can be rotated with respect to the housing, and the screw mechanism for moving the movable portion in the direction of the diffuser passage width is provided, the passage width W of the diffuser passage is By multiplying the pitch and the number of rotations, the movable part uniformly translates and changes without tilting. Therefore, the passage width W of the diffuser passage can be uniformly and accurately controlled by the screw mechanism, and a centrifugal compressor having a wide operating range can be easily provided.
以下、本発明に係る遠心圧縮機の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図1に示す遠心圧縮機10Aは、ハウジング11内で多数のブレード12を備えたインペラ13が軸中心線16を中心に回転し、ハウジング11の外部から導入したガスや空気等の流体を圧縮して気流を形成する。この気流は、インペラ出口(ディフューザ入口)14からディフューザ通路15Aに導入され、ディフューザ通路15Aを通過する際に減速されて静圧を回復した後、図示しないスクロールを通って外部へ送出される。
Hereinafter, one embodiment of a centrifugal compressor concerning the present invention is described based on a drawing.
In the
ディフューザ通路15Aはベーンレスディフューザであり、一対のシュラウド側壁面15a及びハブ側壁面15bを対向配置して形成されている。このうち、ベーンレスディフューザの一方の壁面、たとえばシュラウド側壁面15aには、シュラウド側壁面15aの一部を形成する環状の可動部20が設けられている。この可動部20は、その位置を変化させることにより、ディフューザ通路幅Wを調整することができる。
なお、可動部20は、ディフューザ入口14を起点として下流側の途中まで設けられているが、可動部20の起点がディフューザ入口14であればその終点は特に限定されることはない。
The
In addition, although the
可動部20はインペラ13と同軸に設置した略リング状の板状部材であり、ネジ機構21を介してハウジング11と螺合している。この結果、可動部20はハウジング11に対して軸中心線16を中心に回動可能となり、かつ、可動部20がディフューザ通路幅Wの方向で白抜矢印17のように往復の平行移動をする。
図示の例では、可動部20の内周側にネジ機構21を設けてハウジング11と螺合させている。すなわち、シュラウド側壁面15aに凹部18を形成し、可動部20のリング内周面に設けたネジ部21aと、ハウジング11側の凹部18に設けたネジ部11aとを螺合させるネジ機構21が設けられている。
また、ディフューザ入口14に位置する可動部20の下端角部19にR加工を施すことにより、可動部20がディフューザ通路15A側へ移動した場合であっても気流の流れに乱れを生じにくくなる。
The
In the illustrated example, a
Further, by subjecting the lower
続いて、可動部20を回動させる駆動機構30の一例を図2に示して説明する。
この駆動機構30は、1または複数のピニオンギア31をハウジング11の所定位置に回動可能に支持させ、可動部20の外周側に形成した駆動用ギア部22と噛合させたものである。この結果、ピニオンギア31を図示しない電動機等の駆動源により所望の方向へ回動させると、駆動用ギア部22がピニオンギア31と噛合している可動部20は、ピニオンギア31と反対方向へ回動する。このような駆動機構30は、ピニオンギア31の回転数と可動部20の回転数とがギア比により定まるため、ネジ機構21の回動により変化するディフューザ通路幅Wの制御性は高い。
Next, an example of the
The
こうして可動部20が回動すると、その回動方向に応じて、ネジ機構21により可動部20が白抜矢印17の方向へ平行移動してその位置を変化させる。この結果、ディフューザ通路幅Wは、最大のWa(図1(b)参照)と最小のWi(図1(c)参照)との間で適宜調整される。
このとき、ディフューザ通路幅Wが最大のWaを超えないように、可動部20の移動をディフューザ通路幅Wの最大位置Waで規制するストッパを設けておき、ディフューザ通路幅Wが必要以上に広がることを防止することが好ましい。すなわち、ディフューザ通路幅Wがインペラ出口幅に対して大きくならないように、ストッパを設けておく。
When the
At this time, a stopper for restricting the movement of the
上述したストッパの具体例としては、たとえば図1(c)に示すように、ハウジング11側にストッパ面11bを設けておき、このストッパ面11bに可動部20側の規制面20aを当接させる構成がある。
あるいは、図2に示すように、上述したピニオンギア31の歯幅(厚さ)を適宜選択することにより、ピニオンギア31に可動部20側の規制面20aを当接させて可動幅を限定する構成としてもよい。なお、作動流量が異なる遠心圧縮機10は、ディフューザ通路15Aの調整範囲も異なるため、ピニオンギア31の歯幅を変えることで駆動機構30等に互換性を与えることができる。
As a specific example of the stopper described above, for example, as shown in FIG. 1C, a
Alternatively, as shown in FIG. 2, by appropriately selecting the tooth width (thickness) of the
上述したように、ネジ機構21により可動部20を平行移動させてディフューザ通路幅Wを可変とすれば、図3に示すように、ディフューザ通路幅Wを小さくすることにより、サージ流量Qsを低減することができる。すなわち、ディフューザ通路幅Wを最大のWaとした場合のサージ流量Qsは、ディフューザ通路幅Wの減少に伴って、最小のWiで最も大きい値のΔQだけ低減される。従って、ディフューザ通路幅Wを適宜調整することにより、遠心圧縮機10Aが作動する流量Qの範囲は、従来のQs/Qc間より低流量側へΔQだけ広がることとなる。
As described above, if the diffuser passage width W is variable by translating the
このため、上述した遠心圧縮機10Aをターボチャージャに適用する場合、たとえば図4に示すように、制御部では、エンジン作動状態及び可動部20の駆動量に関するデータベースを作成しておき、入力されたエンジン作動状態のデータに基づいて駆動量決定を実施する。そして、ここで決定した駆動量の信号を出力して駆動機構30を動作させると、可動部20が回転して所望の位置まで平行移動する。
このとき、ネジ機構21を採用しているので、可動部20の平行移動量は、ネジのピッチ長さPと回転数Nとの掛け算(P×N)で正確に算出される。
Therefore, when the
At this time, since the
そして、ネジ機構21の採用により、図5(b)に示すように、可動部20が軸中心線16を挟んで軸方向に傾斜するようなことはなく、従って、図5(a)に示すように、軸中心線16に沿う均一な平行移動により均一な通路幅のディフューザ通路15Aを形成することができる。また、この場合の移動量は、ネジのピッチ長さPと回転数Nとにより正確な値に制御することができる。
さらに、ネジ機構21では、可動部20側のネジ部21aと、ハウジング11側のネジ部11aとが、気流の圧力を受けることで互いのネジ面どうしを密着させてシール機能を発揮する。このため、可動部20と固定部側のハウジング11との間に形成される隙間から気流が漏出し、可動部20の背面側を通って再度ディフューザ通路15Aに戻る循環流(図8の実線矢印F参照)の形成を防止または抑制することができる。図示の例では、静圧を回復した高圧が可動部20の背面側に作用するので、可動部20がディフューザ通路15A側へ押圧されてネジ面どうしが密着している。
By adopting the
Further, in the
ところで、上述した実施形態では、図6に示すようにネジ部21を内周側に設けた構成を説明したが、たとえば図7に示すように、ネジ部21を外周側に設けた構成としてもよい。
図6に示す構成(ネジ部21が内周側)では、図8に示すように、ディフューザ通路15Aを通過して静圧を回復した高圧の出口圧力P2が隙間Sを通って可動部20の背面側に作用する。一方、ディフューザ入口14の近傍では、静圧を回復する前で低圧の入口圧力P1がネジ機構21のシール作用により、可動部20の背面側へ作用することはない。このとき、ディフューザ通路15A内を流れる気流の圧力Pは、入口圧力P1から出口圧力P2に上昇していくので、背面側に作用する出口圧力P2は、ディフューザ通路15A内を流れる圧力Pの平均値より高い。従って、圧力差により可動部20を押圧する力は、常にディフューザ通路15Aに向けた白抜矢印17aの方向となる。
In the above-described embodiment, the configuration in which the
In the configuration shown in FIG. 6 (the threaded
図7に示す構成(ネジ部21が外周側)では、図9に示すように、ディフューザ通路15Aで静圧を回復する前で低圧の入口圧力P1が隙間Sを通って可動部20の背面側に作用する。一方、ディフューザ出口の近傍では、静圧を回復した高圧の出口圧力P2がネジ機構21のシール作用により、可動部20の背面側へ作用することはない。このとき、ディフューザ通路15A内を流れる気流の圧力Pは、入口圧力P1から出口圧力P2に上昇していくので、背面側に作用する入口圧力P1は、ディフューザ通路15A内を流れる圧力Pの平均値より低い。従って、圧力差により可動部20を押圧する力は、常にハウジング11に向けた白抜矢印17bの方向となる。
In the configuration shown in FIG. 7 (the
このように、圧力差により可動部20を押圧する力が常に同一方向となり、作動条件により押圧方向が切り替わることもないので、ネジ機構21のシール機能を常に維持する漏れ防止の効果が得られる。換言すれば、ネジ機構21は、可動部20に作用する気流の押圧力が同一方向となるように、押圧力の相殺位置に対して外径側または内径側に設けられているので、ネジ機構21のシール機能を常に維持する漏れ防止の効果が得られる。従って、ネジ機構21のシール機構に漏れがある場合、図中に実線矢印Fで示すように、気流が漏れて高圧側から低圧側へ流れる循環流を発生し、遠心圧縮機10Aの効率を低下させていたが、圧力差により可動部20を押圧する力が常に同一方向となれば、このような効率低下を抑制または解消することができる。
In this way, the force that presses the
図10及び図11に示す他の実施形態では、ネジ機構21Aが可動部20の内外周途中位置に配置されている。この場合、固定側のネジ40は、図11(a)に示すいずれか一方にネジ部が設けられたものでもよいし、あるいは、図11(b)に示す両方にネジ部が設けられたネジ40Aでもよい。
図10に示す構成では、ネジ40が可動部20の気流流れ方向において中間よりディフューザ入口14側に配置されている。このため、可動部20の背面側には、低圧の入口圧力P1及び高圧の出口圧力P2が作用する。
In other embodiments shown in FIGS. 10 and 11, the
In the configuration shown in FIG. 10, the
このうち、入口圧力P1はネジ40より下方の背面側に作用し、出口圧力P2はネジ40より上方の背面側に作用する。従って、ネジ40より上方では、出口圧力P2と、ディフューザ通路15A内のネジ40より上方を流れる圧力Pの平均値との圧力差により、可動部20は、白抜矢印17cで示すディフューザ通路15A側に押圧される。
しかし、ネジ40より下方では、入口圧力P1と、ディフューザ通路15A内のネジ40より下方を流れる圧力Pの平均値との圧力差により、可動部20は、白抜矢印17dで示すハウジング11側に押圧される。
なお、後述するネジ機構21Aのシール機能により、ネジ40の上下間で気流が漏出することはない。
Among these, the inlet pressure P1 acts on the back side below the
However, below the
In addition, air current does not leak between the upper and lower sides of the
このとき、受圧面積及び圧力の差により、可動部20に作用する逆向きの力は異なった値となるので、互いに相殺されて残る力の絶対値は減少することとなる。そして、可動部20に作用する力が大きい方向に向けて、すなわち、図示の例では白抜矢印17cで示すディフューザ通路15Aの方向に作用する力が大きいため、ディフューザ通路15Aの方向に向けて、常に押圧力が作用する。このため、ネジ機構21Aのネジ面間は、常に同方向へ密着することでシール機能を発揮する。なお、常に押圧力が作用する方向は、ネジ40の位置を気流の流れ方向に変更することで、所望の方向に設定することができる。
At this time, the reverse forces acting on the
このような構成とすれば、ネジ40を設ける位置に応じて、可動部20をディフューザ通路15A側に押圧する力と、可動部20をハウジング11側に押圧する力とが相殺されるため、可動部20を回動させるのに必要な駆動力を低減することができる。すなわち、ネジ機構21Aの設置位置が、可動部20に作用する気流の押圧力の一部を相殺するような半径位置にあれば、可動部20を小さな駆動力で回動させることができるので、ディフューザ通路15Aの通路幅制御が容易になるとともに、ネジ機構21A等の摺動部に生じる摩耗が低減する。
With such a configuration, the force that presses the
上述した本発明では、可動部20をハウジング11に対して回動可能とし、さらに、この可動部20をディフューザ通路幅Wの方向で移動させるネジ機構21,21Aを設けたので、通路幅Wは、ネジのピッチPと回転数Nとの掛け算により可動部20が傾斜することなく均一に平行移動して変化する。従って、ディフューザ通路15Aの通路幅Wは、ネジ機構21,21Aにより均一かつ正確な可変制御が可能となり、作動範囲の広い遠心圧縮機を容易に提供することができる。
ところで、上述した本実施形態では、ディフューザ通路15Aをベーンレスディフューザとして説明したが、たとえば図1(b),(c)に想像線で示すように、翼高さhが低くハブ側壁面15bに当たらない範囲のベーン23を有するベーン付ディフューザについても適用可能である。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
In the present invention described above, the
In the above-described embodiment, the
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can change suitably.
10A 遠心圧縮機
11 ハウジング
12 ブレード
13 インペラ
14 インペラ出口(ディフューザ入口)
15A ディフューザ通路
15a シュラウド側壁面
18 凹部
20 可動部
21,21A ネジ機構
22 駆動用ギア部
30 駆動機構
31 ピニオンギア
40,40A ネジ
Claims (4)
前記可動部をハウジングに対してインペラ回転軸の周りに回動可能とし、前記可動部をインペラ回転軸の周方向に回動することにより前記ディフューザ通路幅の方向に移動させるネジ機構を設けたことを特徴とする遠心圧縮機。 In the centrifugal compressor for adjusting the width of the diffuser passage by changing the position of the annular movable portion by providing the annular movable portion constituting one wall surface of the vaneless diffuser to the vanless diffuser,
A screw mechanism is provided that allows the movable portion to rotate about an impeller rotation shaft with respect to the housing, and moves the movable portion in the direction of the diffuser passage width by rotating the movable portion in the circumferential direction of the impeller rotation shaft. Centrifugal compressor characterized by.
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