JP2013002280A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心圧縮機１のコンパクト化及び遠心圧縮機１の構成の簡略化を図りつつ、遠心圧縮機１のサージングを抑制して、遠心圧縮機１の作動域を低流量側に拡大すること。
【解決手段】ハウジング３内にインペラ１１が回転可能に設けられ、インペラ１１は、ホイール１３、複数枚のフルブレード１９、及び複数枚のスプリッタブレード２１を備え、ホイール１３の背面１３ｄから外周面１３ｈの中央部にかけて複数の貫通穴３１が形成され、複数の貫通穴３１はホイール１３の軸心１３ｃを中心とした円周上に等間隔に配置されており、各貫通穴３１の先端側開口部３１ａがスプリッタブレード２１の根本部に位置していること。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給機、ガスタービン、産業用空気設備等に用いられ、遠心力を利用して空気等のガスを圧縮する遠心圧縮機に関する。

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。

以下、先行技術に係る遠心圧縮機について図５を参照して説明する。

ここで、図５は、先行技術に係る遠心圧縮機の要部の模式的な側断面図である。なお、図面中において、「Ｆ」は、前方向、「Ｒ」は、後方向をそれぞれ指してある。

図５に示すように、先行技術に係る遠心圧縮機１０１は、ハウジング１０３を具備しており、このハウジング１０３は、内側に、シュラウド１０３ｓを有している。また、ハウジング１０３のシュラウド１０３ｓ内には、インペラ１０５が回転可能に設けられており、このインペラ１０５は、軸心１０７ｃ（換言すれば、インペラ１０５の軸心）周りに回転可能なホイール１０７、及びこのホイール１０７の外周面１０７ｈに間隔を置いて設けられた複数枚（１枚のみ図示）のブレード１０９を備えている。ここで、ホイール１０７の外周面１０７ｈは、ホイール１０７の軸方向（換言すれば、インペラ１０５の軸方向）から径方向外側へ延びており、各ブレード１０９の先端縁（外縁）１０９ｔは、ハウジング１０３のシュラウド１０３ｓに沿うように延びている。

ハウジング１０３におけるインペラ１０５の入口側（上流側）には、空気Ａ（ガスの一例）を吸入する吸入口１１１が形成されており、ハウジング１０３の内部におけるインペラ１０５の出口側（下流側）には、圧縮した空気Ａを減速させて排気する環状のディフューザ流路１１３（排気流路の１つ）が形成されている。また、ハウジング１０３のシュラウド１０３ｓにおけるブレード１０９の前縁１０９ｆ（前縁位置）よりも下流側には、逆流した空気Ａを抽気可能な抽気穴１１５が形成されており、ハウジング１０３のシュラウド１０３ｓにおけるブレード１０９の前縁１０９ｆよりも上流側には、空気Ａをインペラ１０５の入口側へ流出可能な流出穴１１７が形成されている。そして、ハウジング１０３の内部には、抽気穴１１５側から流出穴１１７側へ空気Ａの流れを許容する環状のトリートメントキャビティ１１９が形成されている。

従って、遠心圧縮機１０１を運転する場合には、インペラ１０５を回転させることにより、遠心力を利用して、吸入口１１１からインペラ１０５側に吸入した空気Ａを圧縮することができる。そして、圧縮した空気Ａは、ディフューザ流路１１３から排気される。

遠心圧縮機１０１の運転中に、吸入口１１１から吸入される空気Ａの流量（実際の流量）が少なくなると、インペラ１０５側へ吸入した空気Ａの一部が逆流して、抽気穴１１５に抽気され、トリートメントキャビティ１１９内に流入する。そして、トリートメントキャビティ１１９内に流入した空気Ａは、抽気穴１１５側から流出穴１１７側へ流れて、流出穴１１７からインペラ１０５の入口側へ流出する。これにより、インペラ１０５側へ吸入した空気Ａの一部を流出穴１１７と抽気穴１１５との間で循環させて、インペラ１０５側へ吸入される空気Ａの見かけの流量を実際の流量よりも多くすることができる。よって、遠心圧縮機１０１のサージングを抑制し、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。

特開２００６−３４２６８２号公報 特開２００３−３１４４９６号公報

ところで、前述の先行技術に係る遠心圧縮機１０１においては、遠心圧縮機１０１のサージングを抑制し、遠心圧縮機１０１の作動域を低流量側に拡大することができるものの、ハウジング１０３の内部に環状のトリートメントキャビティ１１９を形成する必要があり、ハウジング１０３の大型化及びハウジング１０３の構成の複雑化、換言すれば、遠心圧縮機１０１の大型化及び遠心圧縮機１０１の構成の複雑化を招くという問題がある。

つまり、遠心圧縮機１０１のコンパクト化及び遠心圧縮機１０１の構成の簡略化を図りつつ、遠心圧縮機１０１の作動域を低流量側に拡大することは困難であるという問題がある。

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。

本発明の特徴は、遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機において、内側にシュラウド（内壁）を有したハウジングと、前記ハウジング内に回転可能に設けられ、軸心（ホイールの軸心）周りに回転可能かつ外周面が軸方向（ホイールの軸方向）から径方向外側に向かって延びたホイール、及び前記ホイールの外周面に周方向に間隔を置いて設けられかつ先端縁（外縁）が前記ハウジングの前記シュラウドに沿うように延びた複数枚のブレードを備えたインペラと、を具備し、前記ハウジングにおける前記インペラの入口側（上流側）にガスを吸入（給気）する吸入口（給気口）が形成され、前記ハウジングの内部における前記インペラの出口側（下流側）に圧縮したガスを排気する排気流路が形成され、前記ホイールの背面から外周面の中央部又は先端面にかけて貫通穴が形成されていることを要旨とする。

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「上流」とは、主流のガスの流れ方向から見て上流のことであって、「下流」とは、主流のガスの流れ方向から見て下流のことである。

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、前記インペラを回転させることにより、遠心力を利用して、前記吸入口から前記インペラ側に吸入したガスを圧縮することができる。そして、圧縮したガスは、前記排気流路から排気される。

前記遠心圧縮機の運転中に、前記吸入口から吸入されるガスの流量（実際の流量）が少なくなると、圧縮されたガスの一部が前記インペラの出口側から前記ホイールの背面側（背面付近）を経由して前記貫通穴内に流入する。そして、前記貫通穴内に流入したガスが前記貫通穴の先端方向へ流れて、前記貫通穴の先端側開口部から流出する。つまり、前記ハウジングの内部にトリートメントキャビティを形成することなく、前記ホイールの背面から外周面の中央部又は先端面にかけて前記貫通穴を形成するだけで、圧縮したガスの一部を前記インペラの出口側と前記貫通穴の先端側開口部との間で循環させて、前記インペラの出口側へ向かって流れるガスの流量を実際の流量よりも多くすることができる。

本発明によれば、前記ハウジングの内部にトリートメントキャビティを形成することなく、前記ホイールの背面から外周面の中央部又は先端面にかけて前記貫通穴を形成するだけで、前記インペラの出口側へ向かって流れるガスの流量を実際の流量よりも多くすることができるため、前記遠心圧縮機のコンパクト化及び前記遠心圧縮機の構成の簡略化を図りつつ、前記遠心圧縮機のサージングを抑制して、前記遠心圧縮機の作動域を低流量側に拡大することができる。

図１は、第１実施形態に係る遠心圧縮機の部分側断面図である。 図２は、第１実施形態に係る遠心圧縮機の側断面図である。 図３は、第１実施形態に係る遠心圧縮機におけるホイールを先端側から見た図であって、フルブレード及びスプリッタブレードの形成箇所を二点鎖線で示してある。 図４は、第２実施形態に係る遠心圧縮機の部分側断面図である。 図５は、先行技術に係る遠心圧縮機の模式的な側断面図である。

（第１実施形態）
第１実施形態について図１から図３を参照して説明する。なお、図面中において、「Ｆ」は、前方向、「Ｒ」は、後方向をそれぞれ指してある。

図１及び図２に示すように、第１実施形態に係る遠心圧縮機１は、過給機に用いられ、遠心力を利用して空気Ａ（ガスの一例）を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１の具体的な構成は、以下のようになる。

本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、ハウジング３を具備しており、このハウジング３は、内側にシュラウド（内壁）５ｓを有したハウジング本体５と、このハウジング本体５の後側に設けられたシールプレート（カバープレート）７等からなるものである。なお、シールプレート７は、過給機における別のハウジング（ベアリングハウジング）９に一体的に連結又は一体形成されてある。

ハウジング本体５のシュラウド５ｓ内には、インペラ１１が回転可能に設けられている。具体的には、ハウジング本体５のシュラウド５ｓ内には、ホイール１３が設けられており、このホイール１３の外周面１３ｈは、ホイール１３の軸方向から径方向外側（換言すれば、インペラ１１の軸方向から径方向外側）に向かって延びてあって、ホイール１３の背面１３ｄは、シールプレート７に対向してある。また、ホイール１３は、別のハウジング９に回転可能に設けられたロータ軸（タービン軸）１５の一端部（前端部）に固定ナット１７を介して一体的に連結されてあって、ホイール１３の軸心１３ｃ（換言すれば、インペラ１１の軸心又はロータ軸１５の軸心）周りに回転可能である。更に、ホイール１３の外周面１３ｈには、軸長の異なる２種類のフルブレード１９及びスプリッタブレード２１が周方向に間隔を置いて交互に設けられており、２種類のブレード１９，２１は、複数枚のフルブレード１９と、各隣接するフルブレード１９間に配置されたスプリッタブレード２１である。ここで、フルブレード１９の前縁１９ｆは、スプリッタブレード２１の前縁２１ｆよりも上流側（前側）に位置してあって、各フルブレード１９の先端縁（外縁）１９ｔ及び各スプリッタブレード２１の先端縁２１ｔは、ハウジング本体５のシュラウド５ｓに沿うように延びている。なお、軸長の異なる２種類のブレード１９，２１を用いる代わりに、軸長の同じブレードを用いても構わない。

ハウジング本体５の前側部には、空気Ａをインペラ１１側へ吸入（給気）する吸入口（給気口）２３が形成されており、この吸入口２３は、空気Ａを浄化するエアクリーナ（図示省略）に接続可能である。また、ハウジング本体５におけるインペラ１１の出口側（下流側）には、圧縮した空気Ａを減速させて排気する環状のディフューザ流路２５（排気流路の一例）が形成されており、ハウジング本体５の内部におけるディフューザ流路２５の外周側には、渦巻き状のスクロール流路２７（排気流路の一例）が形成されている。更に、ハウジング本体５の適宜位置には、空気Ａを吐出する吐出口２９が形成されており、この吐出口２９は、スクロール流路２７を介してディフューザ流路２５に連通してあって、内燃機関の吸気マニホールド（図示省略）に接続可能である。

続いて、第１実施形態の特徴部分について説明する。

図１及び図３に示すように、ホイール１３の背面１３ｄから外周面１３ｈの中央部にかけて、複数の貫通穴３１が形成されており、複数の貫通穴３１は、ホイール１３の軸心１３ｃを中心とした円周上に等間隔に配置されている。また、各貫通穴３１は、ホイール１３の軸方向へ平行に延びてあって、各貫通穴３１の先端側開口部３１ａは、スプリッタブレード２１の根本部に位置している。更に、各貫通穴３１の基端側開口部３１ｂは、圧縮した空気Ａの一部をホイール１３の背面１３ｄ側（ホイール１３の背面１３ｄとシールプレート７との間）から流入可能であって、各貫通穴３１の先端側開口部３１ａは、圧縮した空気Ａの一部を上流側（インペラ１１の入口側）へ流出可能である。なお、ホイール１３の先端面１３ｔの一部が固定ナット１７からはみ出ている場合には、複数の貫通穴３１がホイール１３の背面１３ｄから先端面１３ｔにかけて形成されるようにしても構わなく、貫通穴３１の一部又は全部をホイール１３の軸方向に対して傾斜させても構わない。

続いて、第１実施形態の作用及び効果について説明する。

タービンホイール（図示省略）の回転によってロータ軸１５を回転させて、インペラ１１を一体的に回転させることにより、遠心力を利用して、吸入口２３からインペラ１１側に吸入した空気Ａを圧縮することができる。そして、圧縮した空気Ａは、ディフューザ流路２５から排気され、スクロール流路２７を経由して吐出口２９から吐出される。

遠心圧縮機１の運転中に、吸入口２３から吸入される空気Ａの流量（実際の流量）が少なくなると、圧縮された空気Ａの一部がインペラ１１の出口側のハブ面（ホイール１３の外周面１３ｈに沿った面）付近からホイール１３の背面１３ｄ側（背面１３ｄ付近）を経由して複数の貫通穴３１内に流入する。そして、複数の貫通穴３１内に流入した空気Ａの一部が貫通穴３１の先端方向へ流れて、複数の貫通穴３１の先端側開口部３１ａから流出する。つまり、ハウジング３（ハウジング本体５）の内部にトリートメントキャビティ（［背景技術］の説明を参照）を形成することなく、ホイール１３の背面１３ｄから外周面１３ｈの中央部にかけて複数の貫通穴３１を形成するだけで、圧縮した空気Ａの一部をインペラ１１の出口側と貫通穴３１の先端部との間で循環させて、インペラ１１の出口側へ向かって流れる空気Ａの見かけの流量を実際の流量よりも多くすることができる。

また、前述のように、圧縮された空気Ａの一部がインペラ１１の出口側のハブ面付近からホイール１３の背面１３ｄ側を経由して複数の貫通穴３１内に流入するため、インペラ１１の出口側のハブ面付近における逆流領域（剥離域）を低減することができる。

従って、第１実施形態によれば、ハウジング３の内部にトリートメントキャビティを形成することなく、ホイール１３の背面１３ｄから外周面１３ｈの中央部にかけて複数の貫通穴３１を形成するだけで、インペラ１１の出口側へ向かって流れる空気Ａの見かけの流量を実際の流量よりも多くできるため、遠心圧縮機１のコンパクト化及び遠心圧縮機１の構成の簡略化を図りつつ、遠心圧縮機１のサージングを抑制して、遠心圧縮機１の作動域を低流量側に拡大することができる。特に、インペラ１１の出口側のハブ面付近における逆流領域を低減できるため、遠心圧縮機１のサージングを十分に抑制して、遠心圧縮機１の作動域を低流量側に更に拡大することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態について図４を参照して説明する。なお、図面中において、「Ｆ」は、前方向、「Ｒ」は、後方向をそれぞれ指してある。

図４に示すように、第２実施形態に係る遠心圧縮機３３は、第１実施形態に係る遠心圧縮機１（図１参照）と同様の構成を有しており、遠心圧縮機３３の構成のうち、遠心圧縮機１の構成と異なる部分についてのみ説明する。なお、遠心圧縮機３３における複数の構成要素のうち、遠心圧縮機１における構成要素と対応するものについては、図面中に同一番号を付する。

即ち、第２実施形態に係る遠心圧縮機３３にあっては、各貫通穴３１の先端側開口部３１ａの開口中心３１ａｃは、ハウジング本体５のシュラウド５ｓ側でかつインペラ１１の入口側を指向するようになっている。これにより、インペラ１１の出口側へ向かって流れる空気Ａのうち、ハウジング本体５のシュラウド５ｓ側を流れる空気Ａの見かけの流量を実際の流量よりも多くできる。

従って、第２実施形態によれば、第１実施形態の効果を奏する他に、遠心圧縮機３３のサージングをより十分に抑制して、遠心圧縮機１の作動域を低流量側により一層拡大することができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものでなく、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。

１ 遠心圧縮機
３ ハウジング
５ ハウジング本体
５ｓ シュラウド
７ シールプレート
１１ インペラ
１３ ホイール
１３ｃ ホイールの軸心
１３ｄ ホイールの背面
１３ｈ ホイールの外周面
１３ｔ ホイールの先端面
１５ ロータ軸
１９ フルブレード
１９ｆ フルブレードの前縁
１９ｔ フルブレードの先端縁
２１ スプリッタブレード
２１ｆ スプリッタブレードの前縁
２１ｔ スプリッタブレードの先端縁
２３ 吸入口
２５ ディフューザ流路（排気流路の一例）
２７ スクロール流路（排気流路の一例）
２９ 吐出口
３１ 貫通穴
３１ａ 貫通穴の先端側開口部
３１ａｃ 貫通穴の先端側開口部の開口中心
３１ｂ 貫通穴の基端側開口部
３３ 遠心圧縮機

Claims (4)

1. 遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機において、
   内側にシュラウドを有したハウジングと、
   前記ハウジング内に回転可能に設けられ、軸心周りに回転可能かつ外周面が軸方向から径方向外側に向かって延びたホイール、及び前記ホイールの外周面に周方向に間隔を置いて設けられかつ先端縁が前記ハウジングの前記シュラウドに沿うように延びた複数枚のブレードを備えたインペラと、を具備し、
   前記ハウジングにおける前記インペラの入口側にガスを吸入する吸入口が形成され、前記ハウジングの内部における前記インペラの出口側に圧縮したガスを排気する排気流路が形成され、
   前記ホイールの背面から外周面の中央部又は先端面にかけて貫通穴が形成されていることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 複数枚の前記ブレードは、複数枚のフルブレードと、各隣接するフルブレード間に配置されかつ前縁が前記フルブレードの前縁よりも下流側に位置したスプリッタブレードとからなり、
   前記貫通穴の先端側開口部が前記スプリッタブレードの前縁の根本部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。
3. 前記貫通穴の先端側開口部の開口中心が前記ハウジングの前記シュラウド側を指向していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記貫通穴の個数が複数であって、複数の前記貫通穴が前記ホイールの軸心を中心とした円周上に等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載の遠心圧縮機。

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