JP2019015229A - 遠心圧縮機インペラ及び遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心圧縮機の逆流領域を低減し、小流量作動時の効率を向上することを目的とする。【解決手段】コンプレッサ３のインペラ７は、子午面上に投影された投影像における長羽根２３の前縁２５のうち、所定の基準位置Ｐよりも径方向内側の部分を前縁第１部３１とし、基準位置Ｐよりも径方向外側の部分を前縁第２部３２としたとき、前縁第２部３２は、回転軸線Ａに直交する直線に沿って延び、前縁第１部３１のすべての部分は、前縁第２部３２よりも上流側に位置する。【選択図】図３

Description

本発明は、遠心圧縮機インペラ及び遠心圧縮機に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の遠心圧縮機インペラが知られている。このインペラの主羽根を子午面に投影した形状において、主羽根の前縁は回転軸線に略直交する方向（回転径方向）に延在している。

特開2008-196381号公報

上記のような主羽根の形状によれば、特に小流量作動時において、主羽根のチップからハブに向かう方向にガスが逆流する逆流領域が広がる傾向がある。このような逆流領域は、遠心圧縮機の効率低下の原因になり得る。この課題に鑑み、本発明は、遠心圧縮機の逆流領域を低減し、小流量作動時の効率を向上することを目的とする。

本発明の遠心圧縮機インペラは、ハブと、ハブに設けられた羽根と、を備える遠心圧縮機インペラであって、子午面上に投影された投影像における羽根の前縁のうち、所定の基準位置よりも回転径方向内側の部分を前縁第１部とし、基準位置よりも回転径方向外側の部分を前縁第２部としたとき、前縁第２部は、回転軸線に直交する直線に沿って延び、前縁第１部のすべての部分は、前縁第２部よりも上流側に位置する。

前縁第１部は、回転径方向内側に向かうに従ってより上流側に位置するようにしてもよい。また、前縁のハブ側の端部から基準位置までの回転径方向の距離は、前縁のハブ側の端部から前縁のチップ側の端部までの回転径方向の距離の０．２〜０．８倍であるようにしてもよい。本発明の遠心圧縮機は、上記の何れかの遠心圧縮機インペラを備える。

本発明によれば、遠心圧縮機の逆流領域を低減し、小流量作動時の効率を向上することができる。

図１は、過給機の回転軸線を含む断面図である。 図２は、図１の過給機のコンプレッサのインペラを示す側面図である。 図３は、インペラを子午面上に投影した投影像を示す図である。 図４は、インペラの前縁近傍におけるスパン方向（径方向）の静圧分布を示す概念図である。 図５は、インペラ及びインペラ上流の吸入口の逆流領域を示す概念図である。 図６（ａ），（ｂ）は、それぞれ、インペラの変形例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る遠心圧縮機インペラ及び遠心圧縮機の実施形態について詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、過給機１の回転軸線Ａを含む断面を取った断面図である。過給機１は、本実施形態に係る遠心圧縮機として、コンプレッサ３を備えている。また、コンプレッサ３は、本実施形態に係る遠心圧縮機インペラとして、コンプレッサ翼車７を備えている。

過給機１は、例えば、船舶や車両の内燃機関に適用されるものである。図１に示されるように、過給機１は、タービン２とコンプレッサ３とを備えている。タービン２は、タービンハウジング４と、タービンハウジング４に収納されたタービン翼車６と、を備えている。タービンハウジング４は、タービン翼車６の周囲において周方向に延びるスクロール流路１６を有している。コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング５と、コンプレッサハウジング５に収納されたコンプレッサ翼車７と、を備えている。コンプレッサハウジング５は、コンプレッサ翼車７の周囲において周方向に延びるスクロール流路１７を有している。

タービン翼車６は回転軸１４の一端に設けられており、コンプレッサ翼車７は回転軸１４の他端に設けられている。タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５との間には、軸受ハウジング１３が設けられている。回転軸１４は、軸受１５を介して軸受ハウジング１３に回転可能に支持されており、回転軸１４、タービン翼車６及びコンプレッサ翼車７が一体の回転体１２として回転軸線Ａ周りに回転する。

タービンハウジング４には、排気ガス流入口８及び排気ガス流出口１０が設けられている。内燃機関（図示せず）から排出された排気ガスが、排気ガス流入口８を通じてタービンハウジング４内に流入し、スクロール流路１６を通じてタービン翼車６に流入し、タービン翼車６を回転させる。その後、排気ガスは、排気ガス流出口１０を通じてタービンハウジング４外に流出する。

コンプレッサハウジング５には、吸入口９及び吐出口１１が設けられている。上記のようにタービン翼車６が回転すると、回転軸１４を介してコンプレッサ翼車７が回転する。回転するコンプレッサ翼車７は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入する。この空気が、コンプレッサ翼車７及びスクロール流路１７を通過して圧縮され吐出口１１から吐出される。吐出口１１から吐出された圧縮空気は、前述の内燃機関に供給される。

続いて、コンプレッサ翼車７（以下「インペラ７」という）について更に説明する。以下、「上流」、「下流」の語は、インペラ７におけるガスの上流及び下流に対応する。また、単に「径方向」、「周方向」、「軸方向」と言うときには、それぞれ、インペラ７の回転径方向、回転周方向、回転軸方向を意味するものとする。

図２に示されるように、インペラ７は、ハブ２１と、ハブ２１に設けられた複数の長羽根（羽根）２３とを備えている。複数の長羽根２３はハブ２１の表面で周方向に等間隔で配置されている。インペラ７は、長羽根２３同士の各間に設けられた短羽根を更に備えてもよい。図３には、長羽根２３の子午面形状が示される。長羽根２３の子午面形状とは、長羽根２３をインペラ７の子午面上に回転方向に投影した投影像の形状を言う。また、インペラ７の子午面とは、回転軸線Ａを含む平面を言う。また、以下の説明において、長羽根２３の付け根に形成されるフィレットは、長羽根２３の子午面形状には含まれないものとする。また、図２及び図３で示される長羽根２３の詳細な形状の描写は、図１では省略されている。

以下、長羽根２３の子午面形状について説明する。図３に示されるように、子午面上に投影された長羽根２３の前縁２５（リーディングエッジ）を径方向に２つの部分に分けて考える。前縁２５のうち、所定の基準位置Ｐよりも径方向内側の部分を前縁第１部３１とし、基準位置Ｐよりも径方向外側の部分を前縁第２部３２とする。前縁第１部３１と、前縁第２部３２と、は互いに異なる形状を呈する。前縁２５のハブ側の端部（以下「ハブ側端部２５ｈ」という）から基準位置Ｐまでの径方向の距離Ｌ１は、ハブ側端部２５ｈから前縁２５のチップ側の端部（以下「チップ側端部２５ｃ」という）までの径方向の距離Ｌ３の０．２〜０．８倍である。

前縁第２部３２は、回転軸線Ａに直交する直線に沿って延びている。具体的には、前縁第２部３２は、基準位置Ｐからチップ側端部２５ｃまで、回転軸線Ａに略直交する直線をなすように延びている。なお、前縁第２部３２が回転軸線Ａに直交する直線に沿って延びる状態とは、前縁第２部３２が回転軸線Ａに直交する直線に対して僅かに傾斜している状態であってもよく、前縁第２部３２が回転軸線Ａに直交する直線に近接して位置する曲線をなす状態であってもよい。

前縁第１部３１のすべての部分は、前縁第２部３２よりも上流側に位置している。すなわち、図３の場合、前縁第１部３１のすべての部分は、前縁第２部３２よりも左側に位置している。この構成により、長羽根２３のハブ側には、チップ側に比べて上流側に張出した部分（以下「張出部分３５」という）が存在することになる。張出部分３５は、図３中にハッチングで示される部分である。また、前縁第１部３１のすべての部分は、チップ側端部２５ｃと基準位置Ｐとを通る直線よりも上流側に位置している。すなわち、張出部分３５は、前縁第２部３２の延長線よりも上流側に張り出している。

前縁第１部３１は、径方向内側に向かうに従ってより上流側に位置する。すなわち、前縁第１部３１上の各点は、ハブ側に近い位置ほど上流側に位置する。前縁第１部３１は、径方向内側かつ下流側に向けて膨らむように湾曲している。前縁第１部３１と前縁第２部３２とは、基準位置Ｐで屈曲することなく連続的に接続されている。すなわち、前縁第１部３１の基準位置Ｐにおける接線と、前縁第２部３２の基準位置Ｐにおける接線と、が一致している。

上記のような長羽根２３を有するインペラ７による作用効果について説明する。前述の通り、長羽根２３のハブ側には、チップ側に比べて上流側に張出した張出部分３５が存在する。図４は、インペラの前縁近傍におけるスパン方向（径方向）の静圧分布を示す概念図である。図４中の曲線Ｇ１が本実施形態のインペラ７の静圧分布を示し、曲線Ｇ２は、張出部分３５を有していない比較インペラ（図示せず）の静圧分布を示す。比較インペラでは、子午面上に投影された前縁が回転軸線Ａに直交する直線をなすものとする。また、図５は、インペラの逆流領域を示す概念図である。図５中で曲線ｇ３よりも上方の領域がインペラ７で発生する逆流領域Ｇ３を示し、曲線ｇ４よりも上方の領域が比較インペラで発生する逆流領域Ｇ４を示す。逆流領域Ｇ３は逆流領域Ｇ４に包含されている。図４及び図５は何れも、コンプレッサ３の小流量域におけるインペラの状態を示すものである。

図４に示されるように、比較インペラの静圧分布（曲線Ｇ２）によれば、比較インペラのチップ側（高圧）とハブ側（低圧）との静圧差が比較的大きい。この静圧差に起因して、比較インペラでは、ガスが逆流する逆流領域がチップ側からハブ側に向かう傾向が比較的大きくなり、図５に示されるように逆流領域Ｇ４が形成される。このような逆流領域は、遠心圧縮機の効率低下や、サージ発生の原因になり得る。

これに対し、張出部分３５を有するインペラ７では、張出部分３５の存在により、チップ側のガスよりも先に、ハブ側のガスに長羽根２３からの仕事が付与される。これにより、ハブ側の静圧が高められ、図４の曲線Ｇ１に示されるように、チップ側とハブ側との静圧差が緩和される。従って、ガスの逆流領域がチップ側からハブ側に広がる傾向が小さくなり、図５に示されるように逆流領域Ｇ３が縮小される。そして、インペラ７からガスに効率よく仕事が付与され、コンプレッサ３の効率が向上する。上記の効果は、小流量域において特に顕著である。また、逆流領域が縮小されることにより、小流量域でのサージが発生しにくくなり、コンプレッサ３及び過給機１の作動安定性が向上する。

また、前縁第１部３１が、径方向内側に向かうに従ってより上流側に位置する形状であるので、ハブ側端部２５ｈにおいては、前縁２５がハブ２１表面に対して浅い角度をなすように連結されることになる。従って、インペラ７では、比較インペラに比較して、長羽根２３の付け根に発生する応力が低減される。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、下記の変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

張出部分を有する長羽根の子午面形状としては、長羽根２３（図３）のようなものには限定されない。例えば、長羽根の子午面形状は、次に説明する図６（ａ）又は（ｂ）に示される形状であってもよい。

図６（ａ）に示される長羽根４３の前縁４５を、基準位置Ｐを境界として前縁第１部４１と前縁第２部４２とに分けて考える。前縁第２部４２は、チップ側端部４５ｃを通り回転軸線Ａに略直交する方向に延びる直線をなしている。前縁第１部４１のすべての部分は、前縁第２部４２よりも上流側に位置する。前縁第１部４１は、径方向内側に向かうに従ってより上流側に位置する。前縁４５のハブ側端部４５ｈは基準位置Ｐよりも上流側に位置している。前縁第１部４１は、基準位置Ｐからハブ側端部４５ｈまで直線状に延びている。そして、長羽根４３のハブ側には、チップ側に比べて上流側に張出した張出部分４７が形成されている。

図６（ｂ）に示される長羽根５３の前縁５５を、基準位置Ｐを境界として前縁第１部５１と前縁第２部５２とに分けて考える。前縁第２部５２は、チップ側端部５５ｃを通り回転軸線Ａに略直交する方向に延びる直線をなしている。前縁第１部５１のすべての部分は、前縁第２部５２よりも上流側に位置する。前縁５５のハブ側端部５５ｈは基準位置Ｐよりも上流側に位置している。前縁第１部５１は、ハブ側端部５５ｈを通り回転軸線Ａに直交する方向に延びる直線部分５１ａを有している。そして、長羽根５３のハブ側には、チップ側に比べて上流側に張出した張出部分５７が形成されている。

１ 過給機
３ コンプレッサ（遠心圧縮機）
２３ 長羽根
２５ 前縁
２５ｃ，４５ｃ，５５ｃ チップ側端部
２５ｈ，４５ｈ，５５ｈ ハブ側端部
３１，４１，５１ 前縁第１部
３２，４２，５２ 前縁第２部
Ｐ 基準位置

Claims (4)

1. ハブと、前記ハブに設けられた羽根と、を備える遠心圧縮機インペラであって、
   子午面上に投影された投影像における前記羽根の前縁のうち、所定の基準位置よりも回転径方向内側の部分を前縁第１部とし、前記基準位置よりも回転径方向外側の部分を前縁第２部としたとき、
   前記前縁第２部は、回転軸線に直交する直線に沿って延び、
   前記前縁第１部のすべての部分は、前記前縁第２部よりも上流側に位置する、遠心圧縮機インペラ。
2. 前記前縁第１部は、
   前記回転径方向内側に向かうに従ってより上流側に位置する、請求項１に記載の遠心圧縮機インペラ。
3. 前記前縁のハブ側の端部から前記基準位置までの前記回転径方向の距離は、
   前記前縁のハブ側の端部から前記前縁のチップ側の端部までの前記回転径方向の距離の０．２〜０．８倍である、請求項１又は２に記載の遠心圧縮機インペラ。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の遠心圧縮機インペラを備える遠心圧縮機。

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