JP2008111369A

JP2008111369A - 遠心圧縮機

Info

Publication number: JP2008111369A
Application number: JP2006294409A
Authority: JP
Inventors: Isao Tomita; 勲冨田; Hirotaka Higashimori; 弘高東森; Takashi Shiraishi; 白石　　隆
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-05-15
Also published as: KR20080039256A; NL2000964C; NL2000964A1; CN101173683A

Abstract

【課題】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。
【解決手段】ベーンレスディフューザに設けた環状の可動部２０の位置を変化させてディフューザ通路幅Ｗを調整する遠心圧縮機１０Ａにおいて、可動部２０をハウジング１１に対してインパラ回転軸の周りに回動可能とし、可動部２０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Ｗの方向に移動させるネジ機構２１を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャ等の遠心圧縮機に関する。

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。

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。

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。

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）
実開平６−６３８９７号公報（図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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明に係る遠心圧縮機の一実施形態を示す図で、（ａ）はディフューザ周辺の要部を示す断面図、（ｂ）はディフューザ通路の流路幅Ｗが最大の状態を示す要部拡大図、（ｃ）はディフューザ通路の流路幅Ｗが最小の状態を示す要部拡大図である。図１に示した可動部の回動させる駆動機構の構成例を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の左側面図である。本発明に係る遠心圧縮機について、流量（Ｑ）−圧力比を示す性能曲線である。駆動量決定のプロセスを示すブロック図である。本発明の作用を示す図で、（ａ）は可動部が平行移動する状態、（ｂ）は可動部が傾斜した状態を示している。可動部の内周側にネジ機構を設けた状態を示すディフューザ通路の要部拡大図である。可動部の外周側にネジ機構を設けた状態を示すディフューザ通路の要部拡大図である。図６の作用を示す説明図である。図７の作用を示す説明図である。本発明の他の実施形態を示す説明である。図１１のネジ部を示す図で、（ａ）は片側にネジを設けた例、（ｂ）は両側にネジを設けた例である。遠心圧縮機の従来例を示す図で、（ａ）はディフューザ周辺の要部を示す断面図、（ｂ）はディフューザ通路の気流を示す図である。従来の遠心圧縮機について、流量（Ｑ）−圧力比を示す性能曲線である。

符号の説明

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

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遠心圧縮機。
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たことを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
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を特徴とする請求項１または２に記載の遠心圧縮機。
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を特徴とする請求項３に記載の遠心圧縮機。