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WO2019097730A1 - 遠心圧縮機及びこの遠心圧縮機を備えたターボチャージャ - Google Patents

遠心圧縮機及びこの遠心圧縮機を備えたターボチャージャ Download PDF

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WO2019097730A1
WO2019097730A1 PCT/JP2017/041708 JP2017041708W WO2019097730A1 WO 2019097730 A1 WO2019097730 A1 WO 2019097730A1 JP 2017041708 W JP2017041708 W JP 2017041708W WO 2019097730 A1 WO2019097730 A1 WO 2019097730A1
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scroll
centrifugal compressor
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range
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岳 佐々木
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Mitsubishi Heavy Industries Engine and Turbocharger Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Engine and Turbocharger Ltd
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Priority to PCT/JP2017/041708 priority patent/WO2019097730A1/ja
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/441Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for elastic fluid pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00Geometry
    • F05D2250/50Inlet or outlet
    • F05D2250/52Outlet
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00Geometry
    • F05D2250/70Shape

Definitions

  • the present disclosure relates to a centrifugal compressor and a turbocharger provided with the centrifugal compressor.
  • Patent Document 1 does not aim to expand the operation area on the small flow rate side, but by changing the enlargement ratio of the cross-sectional area of the scroll channel along the circumferential direction, the tongue and compressed air are affected by the tongue. And a centrifugal compressor with an improved efficiency by reducing the loss caused by the peeling occurring between the two.
  • the configuration of the centrifugal compressor described in Patent Document 1 is not for solving the factor of the efficiency reduction due to the operation in the operation area on the small flow rate side, and is described in Patent Document 1 Since the range of occurrence of separation is different from the range of occurrence of separation in the working area on the small flow rate side, the working area on the small flow rate side can not be expanded.
  • At least one embodiment of the present disclosure aims to provide a centrifugal compressor having an enlarged operation area on the small flow rate side and a turbocharger provided with the centrifugal compressor.
  • a centrifugal compressor With the impeller, And a housing having a scroll flow passage formed in a spiral shape on the outer peripheral side of the impeller.
  • the circumferential direction position of the scroll passage is represented by an angular position based on the winding end of the scroll passage, and the scroll passage is a plane including the rotation axis of the impeller at the circumferential position where the angular position is ⁇ .
  • the cross sectional area of the scroll channel is A
  • the distance from the rotation axis to the scroll center of the cross section of the scroll channel is R
  • the radius of the impeller is r.
  • F ( ⁇ ) (A / R) / r To define 0.35 ⁇ F (360 °) ⁇ 0.65, 0.08 ⁇ F (360 °) ⁇ F (60 °) ⁇ 0.4 ⁇ F (360 °).
  • the scroll channel includes a first region in which the F ( ⁇ ) changes at least partially within the range of the ⁇ from 60 ° to 270 ° at a change rate smaller than the reference change rate.
  • the enlargement ratio of the cross-sectional area of the scroll flow path is smaller than when F ( ⁇ ) changes at the reference change rate.
  • the reduction in the flow velocity of the compressed fluid flowing in the flow path can be suppressed. For this reason, a state in which peeling is unlikely to occur is formed even on the downstream side of the region where the state in which peeling is unlikely to occur is formed by the configuration of the above (1). It is possible to further suppress and further expand the operation area on the small flow rate side.
  • the first area is A change rate decreasing region in which the change rate of the F ( ⁇ ) decreases; A change rate increase area in which the change rate of the F ( ⁇ ) increases downstream of the change rate decrease area is included.
  • the decrease in the flow velocity of the compressed fluid is suppressed on the upstream side of the first region, while the decrease in the flow velocity of the compressed fluid is mitigated on the downstream side of the first region.
  • the centrifugal compressor operates in the operation area at the low flow rate side, separation occurs within the circumferential range of the angular position in the range of 90 ° to 180 °, so the flow velocity of compressed fluid decreases at the upstream side of the first area.
  • the change rate decreasing area and the change rate increasing area are continuous, and the inflection position at which the change rate changes from a decrease to an increase is in the range of 90 ° to 270 °.
  • the angular position of the inflection position is ⁇ IP
  • the cross-sectional area of the scroll flow path is A IP with respect to the cross section when the scroll flow path is cut by a plane including the rotation axis of the impeller at the circumferential position where the angular position is ⁇ IP.
  • the distance to the scroll center of the cross section of the scroll passage as R IP from F IP (A IP / R IP ) / r To define F IP ⁇ F ( ⁇ IP ) It is.
  • the scroll channel includes a second region in which the F ( ⁇ ) changes at least partially in the range of the ⁇ from 270 ° to 360 ° at a change rate larger than the reference change rate.
  • the angular position is 60 in the second region downstream of the region (the first region) in which peeling is less likely to occur by the configuration of any of the above (2) to (5).
  • F ( ⁇ ) increases at a standard rate of change in the range of ° to 360 °, a sufficient static pressure recovery can be realized because the reduction in the flow velocity of the compressed fluid is mitigated.
  • the scroll flow path includes a third area in which the F ( ⁇ ) changes at a change rate smaller than the reference change rate in a range until the ⁇ becomes 360 ° on the downstream side of the second area.
  • F ( ⁇ ) is based on the angular position in the range of 60 ° to 360 ° Since the decrease in the flow velocity of the compressed fluid is suppressed as compared with the case of increase in the change rate, it is possible to apply an inertial force to the compressed fluid to direct the flow of the compressed fluid to the outlet of the scroll channel. As a result, since it can suppress that the recirculation flow from a scroll channel to a diffuser channel increases more than necessary, efficiency fall of a centrifugal compressor can be reduced.
  • a turbocharger according to at least one embodiment of the present disclosure is: The centrifugal compressor according to any one of the above (1) to (7) is provided.
  • the working area on the small flow rate side of the centrifugal compressor can be expanded.
  • centrifugal compressor according to some embodiments of the present disclosure shown below will be described by taking a centrifugal compressor of a turbocharger as an example.
  • the centrifugal compressor in the present disclosure is not limited to a centrifugal compressor of a turbocharger, and may be any centrifugal compressor operating alone.
  • the fluid compressed by this compressor is air, but can be replaced by any fluid.
  • the centrifugal compressor 1 includes a housing 2 and an impeller 3 rotatably provided around the rotational axis L in the housing 2.
  • the housing 2 has a scroll portion 4 in which a scroll flow passage 5 having a spiral shape is formed on the outer peripheral side of the impeller 3, and a scroll flow passage 5 along the circumferential direction of the scroll flow passage 5 inside the scroll flow passage 5 in the radial direction.
  • a diffuser portion 6 in which a communicating diffuser flow path 7 is formed.
  • a circumferential position based on the end of winding of the scroll portion 4 is represented by a central angle about the rotation axis L, that is, an angular position ⁇ . Therefore, the angular position ⁇ representing the circumferential position at the end of winding is 0 °.
  • an arbitrary range in the circumferential direction can be represented by a range of angular position ⁇ , and a range represented by the range of angular position ⁇ is defined as an angular range.
  • the cross-sectional area of the scroll channel 5 is denoted by A with respect to the cross section when the scroll channel 5 is cut by a plane including the rotation axis L at the circumferential position where the angular position is ⁇ .
  • the scroll channel 5 (see FIG. 1) is configured such that the value of F ( ⁇ ) changes within the range indicated by hatching. It is done.
  • F ( ⁇ ) the efficiency of the centrifugal compressor 1
  • the compressed air flowing in the scroll flow passage 5 changes the flow passage area of the scroll flow passage 5 (change in flow velocity) and changes in the curvature of the scroll flow passage (change in flow direction) In the range of the angle range of 90 ° to 180 °, peeling occurs in the scroll channel 5.
  • the recirculation flow introduced from the scroll passage 5 to the diffuser passage 7 in the vicinity of the circumferential position where the angular position is 60 ° in the operation region on the small flow rate side As a result, the recirculation flow makes it difficult for peeling to occur in the scroll channel 5 in the angular range of 90 ° to 180 °.
  • the operation area on the small flow rate side can be expanded.
  • Condition (2) indicates that F (60 °) is 8% to 40% of F (360 °), but if F (60 °) is less than 8% of F (360 °) Since the recirculation flow can not be sufficiently secured, the occurrence of separation can not be sufficiently suppressed. In addition, when F (60 °) is larger than 40% of F (360 °), the effect of suppressing the occurrence of separation due to the recirculation flow becomes a ceiling, and the disadvantage due to too much recirculation flow increases.
  • F ( ⁇ ) changes at a change rate smaller than the reference change rate ⁇ , within the range of the angle range ⁇ of 60 ° to 270 °. Contains the area.
  • the rate of change of F ( ⁇ ) corresponds to the slope of the tangent of F ( ⁇ ).
  • F ( ⁇ ) may change in any way.
  • the enlargement ratio of the cross-sectional area of the scroll channel 5 is smaller than in the case where F ( ⁇ ) changes at the reference change ratio ⁇ , and therefore, the fluid flows in the scroll channel 5 in the first region. A reduction in the flow rate of compressed air can be suppressed.
  • the setting of F (60 °) and F (360 °) makes it possible to form a state in which peeling is less likely to occur even in the downstream side of the region where the state in which peeling is less likely to occur in scroll passage 5 is formed. As a result, the occurrence of separation in the scroll flow path 5 can be further suppressed, and the operation area on the small flow rate side can be further expanded.
  • the change rate of F ( ⁇ ) may be smaller than the reference change rate ⁇ , or a part of the angle range from 60 ° to 270 ° In the range, the change rate of F ( ⁇ ) may be smaller than the reference change rate ⁇ . In the latter case, a region in which the change rate of F ( ⁇ ) is smaller than the reference change rate ⁇ is the first region.
  • the scroll channel 5 may at least partially include the first region within an angle range of 60 ° to 270 °.
  • F ( ⁇ ) may change at any change rate as long as the change rate of F ( ⁇ ) satisfies the condition smaller than the reference change rate ⁇ .
  • a graph of the angular position ⁇ and the second derivative F ′ ′ ( ⁇ ) of F ( ⁇ ) is shown in FIG. 3.
  • the angular position ⁇ is from 60 ° to ⁇ ( ⁇ 270 °
  • F ′ ′ ( ⁇ ) may change at any change rate as long as the change rate of F ( ⁇ ) satisfies the condition smaller than the reference change rate ⁇ .
  • the rate of change of F ( ⁇ ) decreases on the upstream side (the range from 60 ° to ⁇ ) of the first region, the decrease in the flow velocity of the compressed air can be suppressed. Since the rate of change of F ( ⁇ ) increases on the downstream side of the region (a range from ⁇ to ⁇ ), the decrease in the flow velocity of the compressed air is mitigated.
  • the centrifugal compressor operates in the low flow side working area, the angular position falls within the circumferential range of 90 ° to 180 °, so the flow velocity of compressed air decreases on the upstream side of the first area By suppressing this, it is possible to more reliably form a state in which peeling is unlikely to occur.
  • the change rate decreasing area and the change rate increasing area are continuous.
  • the inflection point IP where the rate of change turns from a decrease to an increase may be within an angle range of 90 ° to 270 ° According to this configuration, the flow velocity of the compressed air upstream of the first region Can be reliably suppressed, so that it is possible to more reliably form a state in which peeling is less likely to occur.
  • F ( ⁇ ) becomes smaller than in the case where F ( ⁇ ) changes at the reference change ratio ⁇ at least in the change rate decreasing region reaching the inflection position IP.
  • the occurrence of separation in the scroll flow path 5 can be further reliably suppressed, and the operation area on the small flow rate side can be further reliably expanded.
  • FIG. 4 specifies the rate of change of F ( ⁇ ) on the downstream side of the first region with respect to the embodiment of FIG. 3.
  • the configuration of the first region is the same as the embodiment of FIG.
  • the scroll channel 5 in the angular range from ⁇ to 360 °, ie, from ⁇ to 360 ° following the first region, the scroll channel 5 (see FIG. 1) has a change rate larger than the reference change rate ⁇ And the second region in which F ( ⁇ ) changes.
  • the angle range from ⁇ to 360 ° is the second region, but it is not limited to this range.
  • an angle range of at least 270 ° to 360 ° there is a region where F ( ⁇ ) is larger than the reference change rate ⁇ .
  • a region in which the change rate of F ( ⁇ ) is larger than the reference change rate ⁇ is the second region. Therefore, scroll passage 5 may include a second region in which F ( ⁇ ) changes at a change rate larger than reference change rate ⁇ at least partially within the angle range of 270 ° to 360 °. .
  • FIG. 5 is a modification of the embodiment of FIG. 4 in which the change rate of F ( ⁇ ) in the range of 270 ° to 360 ° is changed.
  • the second region in the range of 270 ° to 360 ° is F more than the case where F ( ⁇ ) changes (increases) at the base change rate ⁇ in the range of the angle range of 60 ° to 360 °. It includes a region where the value of ( ⁇ ) increases.
  • the scroll channel 5 in the angular range from ⁇ to 360 °, that is, from ⁇ (> 270 °) to 360 °, the scroll channel 5 (see FIG. 1) has a change rate smaller than the reference change rate ⁇
  • the embodiment of FIG. 5 includes a third region in which F ( ⁇ ) changes (decreases) at a negative rate of change.
  • F ( ⁇ ) changes at a change rate smaller than the reference change rate ⁇ , within the range of the angle range ⁇ of 60 ° to 270 °.
  • the angular range ⁇ may include the first region within the range of 120 ° to 270 °.
  • peeling occurs in the scroll channel 5 in the angular range of 90 ° to 180 ° in the operation area on the small flow rate side, but the first half of the range in which peeling occurs, ie, the angular range is from 90 ° In the region including the range up to 120 °, the occurrence of peeling is suppressed by setting the above conditions (1) and (2), and the second half of the range in which peeling occurs, that is, the range of the angle range from 120 ° to 180 ° In the area
  • production of peeling can be suppressed by making the change rate of F ((theta)) smaller than reference change rate (DELTA).
  • the inflection point IP in the embodiment of FIG. 3 may be within an angle range of 180 ° to 270 °.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

遠心圧縮機は、インペラと、インペラの外周側に渦巻き状のスクロール流路が形成されたハウジングとを備え、スクロール流路の周方向位置を、スクロール流路の巻き終わりを基準とする角度位置で表し、角度位置がθである周方向位置においてインペラの回転軸線を含む平面によってスクロール流路を切断した場合の断面に対して、スクロール流路の断面積をAとし、回転軸線からスクロール流路の断面のスクロール中心までの距離をRとし、インペラの半径をrとして、F(θ)=(A/R)/rを定義すると、0.35≦F(360°)≦0.65であり、0.08×F(360°)≦F(60°)≦0.4×F(360°)である。

Description

遠心圧縮機及びこの遠心圧縮機を備えたターボチャージャ
 本開示は、遠心圧縮機及びこの遠心圧縮機を備えたターボチャージャに関する。
 近年、遠心圧縮機の作動領域の拡大が求められている。例えば、自動車エンジンでは、低速度領域における燃費改善・加速度性能向上が求められており、これに伴い、ターボチャージャにも低速・小流量側の作動領域の拡大が求められている。特許文献1には、小流量側の作動領域を拡大する目的ではないが、周方向に沿ってスクロール流路の断面積の拡大率を変化させることによって、舌部の影響により舌部と圧縮空気との間に発生した剥離に起因する損失を低減して効率を向上した遠心圧縮機が記載されている。
国際公開第2012/132528号
 遠心圧縮機において小流量側の作動領域では、スクロール流路内に剥離が発生してスクロール流路内の流れの通過面積を減少させることにより、剥離発生箇所の内部流速が急増し、内部流動のエントロピーが増加するため、遠心圧縮機の効率が低下する。また、スクロール流路内に発生した剥離は、ディフューザー流路内に流入してディフューザー流路を塞ぐため、ディフューザー流路内の内部流動を悪化させて遠心圧縮機の効率を低下させ、さらにはサージングを発生させる。しかしながら、特許文献1に記載の遠心圧縮機の構成は、このような小流量側の作動領域での作動に起因する効率低下の要因を解決するためのものではなく、特許文献1に記載される剥離の発生範囲は、小流量側の作動領域での剥離の発生範囲とは異なるので、小流量側の作動領域を拡大することはできない。
 上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも1つの実施形態は、小流量側の作動領域を拡大した遠心圧縮機及びこの遠心圧縮機を備えたターボチャージャを提供することを目的とする。
(1)本開示の少なくとも1つの実施形態に係る遠心圧縮機は、
 インペラと、
 前記インペラの外周側に渦巻き状のスクロール流路が形成されたハウジングと
を備える遠心圧縮機であって、
 前記スクロール流路の周方向位置を、前記スクロール流路の巻き終わりを基準とする角度位置で表し、該角度位置がθである周方向位置において前記インペラの回転軸線を含む平面によって前記スクロール流路を切断した場合の断面に対して、前記スクロール流路の断面積をAとし、前記回転軸線から前記スクロール流路の断面のスクロール中心までの距離をRとし、前記インペラの半径をrとして、
  F(θ)=(A/R)/r
を定義すると、
 0.35≦F(360°)≦0.65であり、
 0.08×F(360°)≦F(60°)≦0.4×F(360°)である。
 上記(1)の構成によると、0.35≦F(360°)≦0.65とすることにより、大流量側の作動領域における摩擦損失の増大と、小流量側の作動領域における失速による効率低下とのバランスをとることができる。また、0.08×F(360°)≦F(60°)≦0.4×F(360°)とすることにより、小流量側の作動領域において、角度位置が60°である周方向位置の近傍でスクロール流路からディフューザー流路に導入される再循環流れが確保されるので、この再循環流れによって、スクロール流路内に剥離が発生しにくくなる。この結果、スクロール流路内の剥離の発生が抑制されるので、小流量側の作動領域を拡大することができる。
(2)いくつかの実施形態では、上記(1)の構成において、
 前記θが60°から360°までの前記F(θ)の変化率である基準変化率Δを、
  Δ=[F(360°)-F(60°)]/(360°-60°)
と定義すると、
 前記スクロール流路は、60°から270°までの前記θの範囲内において少なくとも部分的に、前記基準変化率よりも小さい変化率で前記F(θ)が変化する第1領域を含む。
 上記(2)の構成によると、第1領域では、F(θ)が基準変化率で変化する場合に比べてスクロール流路の断面積の拡大率が小さくなっているので、第1領域においてスクロール流路内を流通する圧縮流体の流速の低下が抑えられる。このため、上記(1)の構成によって剥離が発生しにくい状態が形成された領域より下流側でも、剥離が発生しにくい状態が形成されるようになるので、スクロール流路内の剥離の発生をさらに抑制し、小流量側の作動領域をさらに拡大することができる。
(3)いくつかの実施形態では、上記(2)の構成において、
 前記第1領域は、
 前記F(θ)の変化率が減少する変化率減少領域と、
 前記変化率減少領域の下流で前記F(θ)の変化率が増加する変化率増加領域と
を含む。
 上記(3)の構成によると、第1領域の上流側で圧縮流体の流速の低下が抑えられるのに対し、第1領域の下流側で圧縮流体の流速の低下が緩和される。遠心圧縮機が小流量側の作動領域で作動する場合、角度位置が90°から180°の範囲の周方向範囲内に剥離が発生するので、第1領域の上流側で圧縮流体の流速の低下を抑えることで、剥離が発生しにくい状態をより確実に形成することができる。
(4)いくつかの実施形態では、上記(3)の構成において、
 前記変化率減少領域と前記変化率増加領域とは連続しており、前記変化率が減少から増加に転じる変曲位置は90°~270°までの前記θの範囲内にある。
 上記(4)の構成によると、第1領域の上流側で圧縮流体の流速の低下を確実に抑えることができるので、剥離が発生しにくい状態をより確実に形成することができる。
(5)いくつかの実施形態では、上記(4)の構成において、
 前記変曲位置の前記角度位置をθIPとし、
 前記角度位置がθIPである周方向位置において前記インペラの回転軸線を含む平面によって前記スクロール流路を切断した場合の断面に対して、前記スクロール流路の断面積をAIPとし、前記回転軸線から前記スクロール流路の断面のスクロール中心までの距離をRIPとして、
  FIP=(AIP/RIP)/r
を定義すると、
  FIP<F(θIP
である。
 上記(5)の構成によると、第1領域において、変曲位置に至る変化率減少領域では少なくとも、F(θ)が基準変化率で変化した場合よりもF(θ)が小さくなるので、第1領域において圧縮流体の流速の低下が抑えられる領域が確実に存在することになる。その結果、スクロール流路内の剥離の発生がさらに確実に抑制されて、小流量側の作動領域をさらに確実に拡大することができる。
(6)いくつかの実施形態では、上記(2)~(5)のいずれかの構成において、
 前記スクロール流路は、270°から360°までの前記θの範囲内において少なくとも部分的に、前記基準変化率よりも大きい変化率で前記F(θ)が変化する第2領域を含む。
 上記(6)の構成によると、上記(2)~(5)のいずれかの構成によって剥離が発生しにくい状態にした領域(第1領域)よりも下流の第2領域において、角度位置が60°から360°の範囲でF(θ)が基準変化率で増加する場合に比べて、圧縮流体の流速の低下が緩和されるので、十分な静圧回復を実現できる。
(7)いくつかの実施形態では、上記(6)の構成において、
 前記スクロール流路は、前記第2領域の下流側で前記θが360°となるまでの範囲において、前記基準変化率よりも小さい変化率で前記F(θ)が変化する第3領域を含む。
 上記(7)の構成によると、上記(3)の構成によって静圧回復が実現された領域よりも下流の第3領域において、角度位置が60°から360°の範囲でF(θ)が基準変化率で増加する場合に比べて、圧縮流体の流速の低下が抑えられるので、圧縮流体の流れをスクロール流路の出口に向かわせる慣性力を圧縮流体に与えることができる。この結果、スクロール流路からディフューザー流路への再循環流れが必要以上に増加することを抑制できるので、遠心圧縮機の効率低下を低減することができる。
(8)本開示の少なくとも1つの実施形態に係るターボチャージャは、
 上記(1)~(7)のいずれかの遠心圧縮機を備える。
 上記(8)の構成によると、遠心圧縮機の小流量側の作動領域を拡大することができる。
 本開示の少なくとも1つの実施形態によれば、0.35≦F(360°)≦0.65とすることにより、大流量側の作動領域における摩擦損失の増大と、小流量側の作動領域における失速による効率低下とのバランスをとることができる。また、0.08×F(360°)≦F(60°)≦0.4×F(360°)とすることにより、小流量側の作動領域において、角度位置が60°である周方向位置の近傍でスクロール流路からディフューザー流路に導入される再循環流れが確保されるので、この再循環流れによって、スクロール流路内に剥離が発生しにくくなる。この結果、スクロール流路内の剥離の発生が抑制されるので、小流量側の作動領域を拡大することができる。
本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機の平面模式図である。 本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機のスクロール流路のF(θ)の変化を表すグラフである。 本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機のスクロール流路のF(θ)の変化率の一例を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機のスクロール流路のF(θ)の変化率の別の例を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機のスクロール流路のF(θ)の変化率のさらに別の例を示すグラフである。
 以下、添付図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
 以下に示す本開示のいくつかの実施形態に係る遠心圧縮機を、ターボチャージャの遠心圧縮機を例にして説明する。ただし、本開示における遠心圧縮機は、ターボチャージャの遠心圧縮機に限定するものではなく、単独で動作する任意の遠心圧縮機であってもよい。以下の説明において、この圧縮機によって圧縮される流体は空気であるが、任意の流体に置き換えることが可能である。
 図1に示されるように、遠心圧縮機1は、ハウジング2と、ハウジング2内で回転軸線Lを中心に回転可能に設けられたインペラ3とを備えている。ハウジング2は、インペラ3の外周側に渦巻き状のスクロール流路5が形成されたスクロール部4と、スクロール流路5の半径方向内側でスクロール流路5の周方向に沿ってスクロール流路5と連通するディフューザー流路7が形成されたディフューザー部6とを備えている。
 本開示において、スクロール部4の巻き終わりを基準とする周方向位置を、回転軸線Lを中心とする中心角すなわち角度位置θで表すこととする。したがって、巻き終わりの周方向位置を表す角度位置θは0°となる。ただし、巻き終わりからスクロール流路5に沿って一周して巻き終わりに戻ってきたことを意味するための巻き終わりの位置は、角度位置θ=360°と表される。また、周方向の任意の範囲は角度位置θの範囲によって表すことができ、角度位置θの範囲によって表される範囲を角度範囲と定義する。
 角度位置がθである周方向位置において回転軸線Lを含む平面によってスクロール流路5を切断した場合の断面に対して、スクロール流路5の断面積をAとし、回転軸線Lからスクロール流路5の断面のスクロール中心Oまでの距離をRとし、インペラ3の半径をrとして、
  F(θ)=(A/R)/r
を定義する。
 遠心圧縮機1では、
 角度位置θ=360°におけるF(θ)の値は、
 0.35≦F(360°)≦0.65 ・・・(1)
となっている。
 また、遠心圧縮機1では、
 角度位置θ=60°におけるF(θ)の値は、
 0.08×F(360°)≦F(60°)≦0.4×F(360°) ・・・(2)
となっている。
 図2に示されるように、角度範囲が60°から360°までにおいて、スクロール流路5(図1参照)は、F(θ)の値が斜線で示された範囲内で変化するように構成されている。
 尚、条件(1)は、F(360°)=0.5を中心とする±30%の範囲である。図1に示されるように、遠心圧縮機1が大流量側の作動領域で動作すると、角度位置θ=360°において摩擦損失が増大するおそれがあり、遠心圧縮機1が小流量側の作動領域で動作すると、角度位置θ=360°において失速による効率低下が発生するおそれがある。F(θ)を条件(1)に設定することにより、大流量側の作動領域及び小流量側の作動領域で生じ得る上記課題のバランスをとることができる。
 また、小流量側の作動領域において、スクロール流路5内を流通する圧縮空気がスクロール流路5の流路面積の変化(流速の変化)とスクロール流路の曲率の変化(流通方向の変化)とに対応しきれずに、角度範囲90°から180°までの範囲においてスクロール流路5内に剥離が発生する。これに対し、条件(2)とすることにより、小流量側の作動領域において、角度位置が60°である周方向位置の近傍でスクロール流路5からディフューザー流路7に導入される再循環流れが確保されるので、この再循環流れによって、角度範囲90°から180°までの範囲においてスクロール流路5内に剥離が発生しにくくなる。この結果、スクロール流路5内の剥離の発生が抑制されるので、小流量側の作動領域を拡大することができる。
 尚、条件(2)は、F(60°)がF(360°)の8%~40%であることを表しているが、F(60°)がF(360°)の8%未満では、再循環流れが十分に確保できないため、剥離の発生を十分に抑制することができない。また、F(60°)がF(360°)の40%よりも大きいと、再循環流れによる剥離の発生の抑制効果が頭打ちになり、再循環流れが多すぎることによるデメリットが大きくなる。
 次に、以下のいくつかの実施形態において、角度範囲が60°から360°までの範囲におけるF(θ)の変化の形態と、F(θ)の変化に起因する作用効果とを説明する。
 図3に示されるように、角度範囲が60°から360°までの範囲においてF(θ)が一定に変化(増加)する場合の変化率を基準変化率Δとすると、
  Δ=[F(360°)-F(60°)]/(360°-60°)
と定義される。すなわち、基準変化率Δは、図3の一点鎖線で描かれた直線の傾きに相当する。
 一実施形態において、スクロール流路5(図1参照)は、角度範囲θが60°から270°までの範囲内において、基準変化率Δよりも小さい変化率でF(θ)が変化する第1領域を含んでいる。ここで、F(θ)の変化率は、F(θ)の接線の傾きに相当する。尚、第1領域の下流端から角度位置θ=360°までの範囲は、F(θ)がどのように変化してもよい。第1領域では、F(θ)が基準変化率Δで変化する場合に比べてスクロール流路5の断面積の拡大率が小さくなっているので、第1領域においてスクロール流路5内を流通する圧縮空気の流速の低下が抑えられる。このため、F(60°)及びF(360°)の設定によって、スクロール流路5内に剥離が発生しにくい状態が形成された領域より下流側でも、剥離が発生しにくい状態が形成されるようになるので、スクロール流路5内の剥離の発生をさらに抑制し、小流量側の作動領域をさらに拡大することができる。
 尚、60°から270°までの角度範囲の全範囲において、F(θ)の変化率が基準変化率Δよりも小さくなっていてもよいし、60°から270°までの角度範囲の一部の範囲において、F(θ)の変化率が基準変化率Δよりも小さくなっていてもよい。後者の場合、F(θ)の変化率が基準変化率Δよりも小さくなっている領域が第1領域となる。したがって、スクロール流路5は、60°から270°までの角度範囲内において少なくとも部分的に第1領域を含んでいてもよい。
 この実施形態において、F(θ)の変化率が基準変化率Δよりも小さい条件を満たしていれば、どのような変化率でF(θ)が変化してもよい。その一例として図3に、角度位置θとF(θ)の2階微分F”(θ)とのグラフが示されている。第1領域は、角度位置θが60°からα(<270°)までの範囲でF”(θ)<0となる変化率減少領域と、角度範囲αからβ(α<β≦270°)までの範囲でF”(θ)>0となる変化率増加領域とを含んでもよい。
 この構成によると、第1領域の上流側(60°からαまでの範囲)でF(θ)の変化率が低下しているので、圧縮空気の流速の低下が抑えられるのに対し、第1領域の下流側(αからβまでの範囲)でF(θ)の変化率が増加しているので、圧縮空気の流速の低下が緩和される。遠心圧縮機が小流量側の作動領域で作動する場合、角度位置が90°から180°の範囲の周方向範囲内に剥離が発生するので、第1領域の上流側で圧縮空気の流速の低下を抑えることで、剥離が発生しにくい状態をより確実に形成することができる。
 変化率減少領域と変化率増加領域との間にF”(θ)=0となる角度範囲が存在してもよいが、図3の例では、変化率減少領域と変化率増加領域とは連続しており、変化率が減少から増加に転じる変曲位置IPは、90°~270°までの角度範囲内にあってもよい。この構成によると、第1領域の上流側で圧縮空気の流速の低下を確実に抑えることができるので、剥離が発生しにくい状態をより確実に形成することができる。
 また、図3の例では、変曲位置IPの角度位置θIP=αである周方向位置において回転軸線L(図1参照)を含む平面によってスクロール流路5(図1参照)を切断した場合の断面に対して、スクロール流路5の断面積をAIPとし、回転軸線Lからスクロール流路5の断面のスクロール中心O(図1参照)までの距離をRIPとして、
  FIP=(AIP/RIP)/r
を定義すると、
  FIP<F(α)
となっていてもよい。
 この構成によると、第1領域において、変曲位置IPに至る変化率減少領域では少なくとも、F(θ)が基準変化率Δで変化した場合よりもF(θ)が小さくなるので、第1領域において圧縮空気の流速の低下が抑えられる領域が確実に存在することになる。その結果、スクロール流路5内の剥離の発生がさらに確実に抑制されて、小流量側の作動領域をさらに確実に拡大することができる。
 また、別の実施形態が図4に示されている。図4の実施形態は、図3の実施形態に対し、第1領域の下流側におけるF(θ)の変化率を特定したものである。したがって、第1領域の構成は、図3の実施形態と同じである。この実施形態では、第1領域に続いて角度位置θ=360°まで、すなわちβから360°までの角度範囲において、スクロール流路5(図1参照)は、基準変化率Δよりも大きい変化率でF(θ)が変化する第2領域を含んでいる。第2領域では、F(θ)が基準変化率Δで変化する場合に比べてスクロール流路5の断面積の拡大率が大きくなっていることから、スクロール流路5内を流通する圧縮空気の流速の低下が緩和されるので、十分な静圧回復を実現できる。
 尚、図4の実施形態では、βから360°までの角度範囲が第2領域であったが、この範囲に限定するものではない。少なくとも270°から360°までの角度範囲において、F(θ)が基準変化率Δよりも大きい領域があればよい。この場合、F(θ)の変化率が基準変化率Δよりも大きくなっている領域が第2領域となる。したがって、スクロール流路5は、270°から360°までの角度範囲内において少なくとも部分的に、基準変化率Δよりも大きい変化率でF(θ)が変化する第2領域を含んでいればよい。
 また、さらに別の実施形態が図5に示されている。図5の実施形態は、図4の実施形態に対して、270°から360°までの範囲におけるF(θ)の変化率を変更したものである。この実施形態では、270°から360°までの範囲における第2領域は、角度範囲が60°から360°までの範囲においてF(θ)が基準変化率Δで変化(増加)する場合よりもF(θ)の値が大きくなる領域を含んでいる。第2領域に続いて角度位置θ=360°まで、すなわちγ(>270°)から360°までの角度範囲において、スクロール流路5(図1参照)は、基準変化率Δよりも小さい変化率、図5の実施形態では負の変化率でF(θ)が変化(減少)する第3領域を含んでいる。
 第3領域では、F(θ)が基準変化率Δで変化する場合に比べてスクロール流路5の断面積の拡大率が小さくなっているので、圧縮空気の流速の低下が抑えられて、圧縮空気の流れをスクロール流路5の出口に向かわせる慣性力を圧縮空気に与えることができる。この結果、スクロール流路5からディフューザー流路7(図1参照)への再循環流れが必要以上に増加することを抑制できるので、遠心圧縮機1(図1参照)の効率低下を低減することができる。
 図3~5の各実施形態では、スクロール流路5は、角度範囲θが60°から270°までの範囲内において、基準変化率Δよりも小さい変化率でF(θ)が変化する第1領域を含んでいたが、角度範囲θが120°から270°までの範囲内に第1領域を含んでいてもよい。上述したように、小流量側の作動領域において角度範囲90°から180°までの範囲においてスクロール流路5内に剥離が発生するが、剥離が発生する範囲の前半、すなわち角度範囲が90°から120°までの範囲を含む領域では、上記条件(1)及び(2)の設定によって剥離の発生を抑制し、剥離が発生する範囲の後半、すなわち角度範囲が120°から180°までの範囲を含む領域では、F(θ)の変化率を基準変化率Δよりも小さくすることによって剥離の発生を抑制することができる。尚、この場合、図3の実施形態における変曲位置IPは、180°~270°までの角度範囲内にあればよい。
 このように、0.35≦F(360°)≦0.65とすることにより、大流量側の作動領域における摩擦損失の増大と、小流量側の作動領域における失速による効率低下とのバランスをとることができる。また、0.08×F(360°)≦F(60°)≦0.4×F(360°)とすることにより、小流量側の作動領域において、角度位置が60°である周方向位置の近傍でスクロール流路5からディフューザー流路7に導入される再循環流れが確保されるので、この再循環流れによって、角度範囲90°から180°までの範囲においてスクロール流路5内に剥離が発生しにくくなる。この結果、スクロール流路5内の剥離の発生が抑制されるので、小流量側の作動領域を拡大することができる。
1 遠心圧縮機
2 ハウジング
3 インペラ
4 スクロール部
5 スクロール流路
6 ディフューザー部
7 ディフューザー流路
IP 変曲位置
 スクロール中心
Δ 基準変化率
θ 角度位置

Claims (8)

  1.  インペラと、
     前記インペラの外周側に渦巻き状のスクロール流路が形成されたハウジングと
    を備える遠心圧縮機であって、
     前記スクロール流路の周方向位置を、前記スクロール流路の巻き終わりを基準とする角度位置で表し、該角度位置がθである周方向位置において前記インペラの回転軸線を含む平面によって前記スクロール流路を切断した場合の断面に対して、前記スクロール流路の断面積をAとし、前記回転軸線から前記スクロール流路の断面のスクロール中心までの距離をRとし、前記インペラの半径をrとして、
      F(θ)=(A/R)/r
    を定義すると、
     0.35≦F(360°)≦0.65であり、
     0.08×F(360°)≦F(60°)≦0.4×F(360°)である遠心圧縮機。
  2.  前記θが60°から360°までの前記F(θ)の変化率である基準変化率Δを、
      Δ=[F(360°)-F(60°)]/(360°-60°)
    と定義すると、
     前記スクロール流路は、60°から270°までの前記θの範囲内において少なくとも部分的に、前記基準変化率よりも小さい変化率で前記F(θ)が変化する第1領域を含む、請求項1に記載の遠心圧縮機。
  3.  前記第1領域は、
     前記F(θ)の変化率が減少する変化率減少領域と、
     前記変化率減少領域の下流で前記F(θ)の変化率が増加する変化率増加領域と
    を含む、請求項2に記載の遠心圧縮機。
  4.  前記変化率減少領域と前記変化率増加領域とは連続しており、前記変化率が減少から増加に転じる変曲位置は90°~270°までの前記θの範囲内にある、請求項3に記載の遠心圧縮機。
  5.  前記変曲位置の前記角度位置をθIPとし、
     前記角度位置がθIPである周方向位置において前記インペラの回転軸線を含む平面によって前記スクロール流路を切断した場合の断面に対して、前記スクロール流路の断面積をAIPとし、前記回転軸線から前記スクロール流路の断面のスクロール中心までの距離をRIPとして、
      FIP=(AIP/RIP)/r
    を定義すると、
      FIP<F(θIP
    である、請求項4に記載の遠心圧縮機。
  6.  前記スクロール流路は、270°から360°までの前記θの範囲内において少なくとも部分的に、前記基準変化率よりも大きい変化率で前記F(θ)が変化する第2領域を含む、請求項2~5のいずれか一項に記載の遠心圧縮機。
  7.  前記スクロール流路は、前記第2領域の下流側で前記θが360°となるまでの範囲において、前記基準変化率よりも小さい変化率で前記F(θ)が変化する第3領域を含む、請求項6に記載の遠心圧縮機。
  8.  請求項1~7のいずれか一項に記載の遠心圧縮機を備えたターボチャージャ。
     
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