JP5517914B2 - 遠心圧縮機のスクロール構造 - Google Patents
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Description
本発明は、コンプレッサインペラの回転によって、該コンプレッサインペラの外周部に渦巻形状に形成された流路を構成するスクロール部構造を備えた遠心圧縮機に関し、スクロール部において静圧を回復させるスクロール構造に関する。
遠心圧縮機は広い運転範囲において高圧力、高効率化であることが求められている。
図５は、遠心圧縮機におけるコンプレッサインペラの回転軸心上半分の要部拡大断面図を示している。
遠心圧縮機のコンプレッサ１は、主に回転するハブ３１及びその外周面に取付けられた多数の遠心羽根３２で構成されているコンプレッサインペラ３を回転駆動源とシャフトで連結したタービンロータ２と、それを収納すると共に、流体の流路を形成するコンプレッサハウジング１１とで構成されている。
コンプレッサハウジング１１は、コンプレッサインペラ３の外周側に略ドーナツ状を成して、コンプレッサインペラ３から吐出される気流を減速させることによって、静圧を回復させるディフューザ部１３、その外周側に、断面積が周方向に向かい渦巻状に拡大するように形成され、気流を減速、昇圧するスクロール１２及び出口管（図示省略）が設けられている。
図５は、遠心圧縮機におけるコンプレッサインペラの回転軸心上半分の要部拡大断面図を示している。
遠心圧縮機のコンプレッサ１は、主に回転するハブ３１及びその外周面に取付けられた多数の遠心羽根３２で構成されているコンプレッサインペラ３を回転駆動源とシャフトで連結したタービンロータ２と、それを収納すると共に、流体の流路を形成するコンプレッサハウジング１１とで構成されている。
コンプレッサハウジング１１は、コンプレッサインペラ３の外周側に略ドーナツ状を成して、コンプレッサインペラ３から吐出される気流を減速させることによって、静圧を回復させるディフューザ部１３、その外周側に、断面積が周方向に向かい渦巻状に拡大するように形成され、気流を減速、昇圧するスクロール１２及び出口管（図示省略）が設けられている。
コンプレッサインペラ３が回転すると、遠心羽根３２が空気通路１５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、コンプレッサインペラ３の外周端からディフューザ部１３及びスクロール１２を通って出口管から外部へ送出される。
図６は、スクロール１２の平面視の概略図を示す。
図６は、スクロール終点（図６の３６０°）を０基準にして、図６において時計回りに６０°の位置から３０°毎に位置を決めた半径Ｒの分布は一定になっている。
図７（Ａ）には、横軸に周方向毎の角度位置を示し、縦軸にスクロール１２のコンプレッサ回転軸中心Ｌ１からスクロール図芯Ｐまでの半径Ｒを示し、半径Ｒの分布は一定になっていることを示している。
また、図７（Ｂ）は、図６において時計回りに６０°の位置を基準にしたスクロール１２の周方向位置毎（３０°毎）における各断面を積層して表示した断層図で、スクロール図芯Ｐの半径Ｒ方向の変化を表わしたものである。
図６は、スクロール終点（図６の３６０°）を０基準にして、図６において時計回りに６０°の位置から３０°毎に位置を決めた半径Ｒの分布は一定になっている。
図７（Ａ）には、横軸に周方向毎の角度位置を示し、縦軸にスクロール１２のコンプレッサ回転軸中心Ｌ１からスクロール図芯Ｐまでの半径Ｒを示し、半径Ｒの分布は一定になっていることを示している。
また、図７（Ｂ）は、図６において時計回りに６０°の位置を基準にしたスクロール１２の周方向位置毎（３０°毎）における各断面を積層して表示した断層図で、スクロール図芯Ｐの半径Ｒ方向の変化を表わしたものである。
スクロールの構造を変化させた従来技術として、特開２０１０−２０９８２４号公報（特許文献１）が開示されている。
特許文献１は、流体ガスを動翼に供給して動力を得るタービンの動翼の回転軸周りに渦巻状に形成された流路を備えたスクロール部の外縁は、半径Ｒが一定に形成された円弧部と、該円弧部の終点からスクロール部の終点に向かって半径Ｒが漸減したものである。
特許文献１は、流体ガスを動翼に供給して動力を得るタービンの動翼の回転軸周りに渦巻状に形成された流路を備えたスクロール部の外縁は、半径Ｒが一定に形成された円弧部と、該円弧部の終点からスクロール部の終点に向かって半径Ｒが漸減したものである。
しかし、特許文献１の技術においては、流体ガスを動翼に供給して膨張しながら動力を得るタービンのスクロール構造であり、気流を圧縮する本願の場合とでは気流の流れ方、及び性質が異なるものである。
また、遠心圧縮機はコンプレッサインペラ３で加速された流れを減速させることで静圧を得る。
図７に示すような従来技術では気流の減速はディフューザ部１３によって行われており、スクロールでは減速させていない。減速しない分はスクロール１２内での損失となり、遠心圧縮機としての高い効率、高い圧力は得られなかった。
一方スクロール１２で減速させようとするとスクロール壁と流体との間に発生する境界層が厚くなり、静圧回復が十分に得られない。
また、遠心圧縮機はコンプレッサインペラ３で加速された流れを減速させることで静圧を得る。
図７に示すような従来技術では気流の減速はディフューザ部１３によって行われており、スクロールでは減速させていない。減速しない分はスクロール１２内での損失となり、遠心圧縮機としての高い効率、高い圧力は得られなかった。
一方スクロール１２で減速させようとするとスクロール壁と流体との間に発生する境界層が厚くなり、静圧回復が十分に得られない。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、スクロール断面のスクロール図芯と回転軸中心との半径を部分的に変え、スクロール内で気流の流れを減速させる部分と増速させる部分を作り、十分な静圧回復ができるようにして、遠心圧縮機としての高い効率、高い圧力を得られるようにすることを目的とする。
本発明はかかる課題を解決するため、遠心圧縮機のコンプレッサインペラの下流側に配設されたディフューザ部から吐出されたガス又は空気等の流体の流路を形成する遠心圧縮機のスクロール構造において、前記スクロールを形成し、周方向に連なる各断面形状のスクロール図芯からコンプレッサ回転軸中心までの半径が、前記スクロールの巻き始めからスクロールの周方向任意の角度まで漸増する半径増大円弧部と、前記スクロールの終点に向かって漸減する半径減少円弧部とを備えたことを特徴とする。
このような構成によりスクロールの巻き始めの部分ではスクロール壁面と流体との境界層厚さが薄く、流体の流通抵抗が小さいため、スクロールの半径を大きくして、流体を減速させることで静圧回復を促進させ、中途からスクロール終点部分までは半径を小さくして、流体を増速させることで境界層厚さの肥大を防ぎ、流体の流量を確保してコンプレッサ性能の向上が図れる。
また、本発明において好ましくは、前記半径増大円弧部と前記半径減少円弧部との境界部を、前記スクロール部の終点を０基準として２１０°近傍とするとよい。
このような構成により、静圧を回復させるには流体速度を減少させる必要があるが、流体速度を減少させるとスクロール壁と流体とに境界層が発生し、流通抵抗が大きくなり、流体の流量損失がおおきくなる。従って、境界を２１０°近傍とすることで、２１０°の範囲までの間に回復させ、それ以降を半径減少円弧部とすることで、流体の流速を速めて境界層の発生を小さくして、静圧を圧損なくコンプレッサ性能を得ることができる。
また、本発明において好ましくは、前記半径増大円弧部と前記半径減少円弧部との間に円弧の変化を緩和する円弧緩和部を備えるとよい。
このような構成により、流体の急な減速、増速が発生するため、半径増大円弧部と半径減少円弧部との境界部分の変化を滑らかにして、流体の乱れを抑制して、コンプレッサ性能の向上を図る。
また、本発明において好ましくは、前記円弧緩和部は前記スクロール部の終点を０基準として、略２６０°から３００°の範囲とするとよい。
このような構成により、円弧緩和部を略２６０°から３００°の範囲とすることで、２６０°の範囲までの間に回復させ、境界部分の変化を滑らかにして、流体の乱れを抑制して、それ以降を半径減少円弧部とすることで、流体の流速を速めて境界層の発生を小さくして、静圧を圧損なくコンプレッサ性能を得ることができる。
コンプレッサ回転軸中心から該スクロールの断面形状のスクロール図芯までの半径が、前記ディフューザ部から周方向に任意の範囲漸増する半径増大円弧部と、前記スクロール部の終点に向かって漸減する半径減少円弧部とを備えることにより、スクロール内で気流の流れを減速させる部分と増速させる部分を作り、十分な静圧回復ができるようにして、遠心圧縮機としての高い効率、高い圧力が得られる効果を有する。
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。
但し、この実施例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特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
但し、この実施例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特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
（第１実施形態）
図５に示すように、本発明のスクロールは、流体の流路として、コンプレッサインペラ３の外周側に略ドーナツ状を成して、コンプレッサインペラ３から吐出される気流を減速させることによって、静圧を回復させるディフューザ部１３、その外周側に、断面積が周方向に向かい渦巻状に拡大するように形成され、気流を減速、昇圧するスクロール１２及び出口管（図示省略）が設けられている。
図５に示すように、本発明のスクロールは、流体の流路として、コンプレッサインペラ３の外周側に略ドーナツ状を成して、コンプレッサインペラ３から吐出される気流を減速させることによって、静圧を回復させるディフューザ部１３、その外周側に、断面積が周方向に向かい渦巻状に拡大するように形成され、気流を減速、昇圧するスクロール１２及び出口管（図示省略）が設けられている。
コンプレッサインペラ３が回転すると、遠心羽根３２が空気通路１５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、コンプレッサインペラ３の外周端からディフューザ部１３及びスクロール１２を通って出口管から外部へ送出される。
図１及び、図２（Ａ），（Ｂ）に基づいて、本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機のスクロール構造について説明する。
図１は、スクロール１２を平面視したもので、実線は第１実施形態の形状を示し、破線は従来例の形状を示す。
スクロール構造は、スクロール１２のラジアル方向の断面は略円形をしており、該断面の面積はスクロール終点Ｚを０基準として、時計回りに６０°の位置からスクロール終点Ｚまでの間、渦巻状に漸次拡大している。
また、図１の時計回りに６０°の位置は、スクロールの巻き始め位置に略一致する部位である。
そして、スクロール１２の回転軸中心Ｌ１と、スクロール１２を形成し、周方向に連なる各部位の断面中心であるスクロール図芯Ｐとの距離、半径Ｒが漸次変化している。
その変化の仕方は、図２（Ａ）に示すとおり、時計回りに６０°の位置からスクロール終点Ｚまでの間３０°毎（目盛りは６０°毎に記載）に部位のスクロール図芯Ｐの半径を示したものである。
そして、略６０°の位置から略２１０°の間はスクロール図芯Ｐの半径が増大した半径増大円弧部Ｅとなっており、略２１０°より下流側からスクロール終点Ｚ（３６０°）までのスクロール図芯Ｐの半径が減少した半径減少円弧部Ｆとなっている。
尚、破線は従来例を示し、Ｒが一定になっているのに対し、実線は実施形態１を示している。
図２（Ｂ）はスクロール１２を時計回りに略６０°の位置からスクロール終点Ｚまでの間３０°毎部位の断面を積層した図であり、スクロール図芯Ｐの変化が容易に読取れる。
図１は、スクロール１２を平面視したもので、実線は第１実施形態の形状を示し、破線は従来例の形状を示す。
スクロール構造は、スクロール１２のラジアル方向の断面は略円形をしており、該断面の面積はスクロール終点Ｚを０基準として、時計回りに６０°の位置からスクロール終点Ｚまでの間、渦巻状に漸次拡大している。
また、図１の時計回りに６０°の位置は、スクロールの巻き始め位置に略一致する部位である。
そして、スクロール１２の回転軸中心Ｌ１と、スクロール１２を形成し、周方向に連なる各部位の断面中心であるスクロール図芯Ｐとの距離、半径Ｒが漸次変化している。
その変化の仕方は、図２（Ａ）に示すとおり、時計回りに６０°の位置からスクロール終点Ｚまでの間３０°毎（目盛りは６０°毎に記載）に部位のスクロール図芯Ｐの半径を示したものである。
そして、略６０°の位置から略２１０°の間はスクロール図芯Ｐの半径が増大した半径増大円弧部Ｅとなっており、略２１０°より下流側からスクロール終点Ｚ（３６０°）までのスクロール図芯Ｐの半径が減少した半径減少円弧部Ｆとなっている。
尚、破線は従来例を示し、Ｒが一定になっているのに対し、実線は実施形態１を示している。
図２（Ｂ）はスクロール１２を時計回りに略６０°の位置からスクロール終点Ｚまでの間３０°毎部位の断面を積層した図であり、スクロール図芯Ｐの変化が容易に読取れる。
また、スクロール１２内における気流の流れには次の関係式が成立することが知らされている。
Ｒ×Ｃｕ＝一定 ・・・・・・・（１）
Ｒ；スクロール図芯Ｐの半径 Ｃｕ；周方向流速（スクロール巻き方向）
Ｒ×Ｃｕ＝一定 ・・・・・・・（１）
Ｒ；スクロール図芯Ｐの半径 Ｃｕ；周方向流速（スクロール巻き方向）
Ｒ（半径）が大きくなれば、Ｃｕ〔周方向流速（スクロール巻き方向）〕は小さく（遅く）なり、その逆も成立つ。
従って、スクロール図芯Ｐの半径Ｒを６０°から２１０°の間を漸次増大した半径増大円弧部において、ディフューザ部１３から吐出された気流は減速される。
スクロール１２の巻き始め位置（６０°近傍）から２１０°の間はスクロール１２の壁面と流体（気流）との摩擦によって発生する境界層厚さが薄いため減速させることで静圧回復の促進を図ることができる。
従って、スクロール図芯Ｐの半径Ｒを６０°から２１０°の間を漸次増大した半径増大円弧部において、ディフューザ部１３から吐出された気流は減速される。
スクロール１２の巻き始め位置（６０°近傍）から２１０°の間はスクロール１２の壁面と流体（気流）との摩擦によって発生する境界層厚さが薄いため減速させることで静圧回復の促進を図ることができる。
その後、２１０°より下流側からスクロール終点Ｚまでの間を漸次減少した半径減少円弧部において気流は増速される。
増速されると境界層厚さの肥大を防ぐので流速が確保される。
境界層厚さは気流を減速させることにより、流れに沿って成長するため、気流の流量が少なくなる。
そのため、ある一定の範囲（本実施形態では略６０°から２１０°）だけ減速させるようにしてある。
巻き始め位置（６０°近傍）から２１０°の位置は遠心圧縮機の要求性能により高い圧力又は高い空気量の選択により、前後させることで容易に可能となる。
尚、２１０°を大きく越えた部位まで半径Ｒを増大させると静圧は上昇するが、気流の流量抵抗は大きくなり、２１０°より前にすると静圧の上昇が低くなる。
２１０°の位置は、エンジン用遠心圧縮機要求性能に対して圧力及び、空気量において、バランスの取れた位置である。
増速されると境界層厚さの肥大を防ぐので流速が確保される。
境界層厚さは気流を減速させることにより、流れに沿って成長するため、気流の流量が少なくなる。
そのため、ある一定の範囲（本実施形態では略６０°から２１０°）だけ減速させるようにしてある。
巻き始め位置（６０°近傍）から２１０°の位置は遠心圧縮機の要求性能により高い圧力又は高い空気量の選択により、前後させることで容易に可能となる。
尚、２１０°を大きく越えた部位まで半径Ｒを増大させると静圧は上昇するが、気流の流量抵抗は大きくなり、２１０°より前にすると静圧の上昇が低くなる。
２１０°の位置は、エンジン用遠心圧縮機要求性能に対して圧力及び、空気量において、バランスの取れた位置である。
スクロール１２の巻き始めの部分ではスクロール壁面と流体との境界層厚さが薄く、流体の流通抵抗が小さいため、スクロールの半径を大きくして、流体を減速させることで静圧回復を促進させ、中途からスクロール終点部分までは半径を小さくして、流体を増速させることで境界層厚さの肥大を防ぎ、流体の流量を確保してコンピレッサ性能の向上が図れる。
静圧を回復させるには流体速度を減少させる必要があるが、流体速度を減少させるとスクロール壁と流体とに境界層が発生し、流通抵抗が大きくなり、流体の流量損失がおおきくなる。従って、境界を２１０°近傍とすることで、２１０°までの範囲の間に回復させ、それ以降を半径減少円弧部とすることで、流体の流速を速めて境界層の発生を小さくして、静圧を圧損なくコンプレッサ性能を得ることができる。
静圧を回復させるには流体速度を減少させる必要があるが、流体速度を減少させるとスクロール壁と流体とに境界層が発生し、流通抵抗が大きくなり、流体の流量損失がおおきくなる。従って、境界を２１０°近傍とすることで、２１０°までの範囲の間に回復させ、それ以降を半径減少円弧部とすることで、流体の流速を速めて境界層の発生を小さくして、静圧を圧損なくコンプレッサ性能を得ることができる。
（第２実施形態）
図３及び、図４（Ａ），（Ｂ）に基づいて、本発明の第２実施形態に係る遠心圧縮機のスクロール構造について説明する。
尚、第１実施形態と同じものは同一の符号を付して説明は省略する。
図３は、スクロール１２を平面視したもので、実線は第２実施形態の形状を示し、破線は従来例の形状を示す。
図３及び、図４（Ａ），（Ｂ）に基づいて、本発明の第２実施形態に係る遠心圧縮機のスクロール構造について説明する。
尚、第１実施形態と同じものは同一の符号を付して説明は省略する。
図３は、スクロール１２を平面視したもので、実線は第２実施形態の形状を示し、破線は従来例の形状を示す。
スクロール構造は、スクロール１２のラジアル方向の断面は略円形をしており、該断面の面積はスクロール終点Ｚを０基準として、時計回りに６０°の位置から２６０°までの間、渦巻状に漸次拡大してスクロール図芯Ｐの半径増大円弧部Ｅを形成している。
そして、スクロール１２の回転軸中心Ｌ１と、スクロール１２を形成し、周方向に連なる各部位の断面中心であるスクロール図芯Ｐとの距離、半径Ｒが漸次変化（増大）している。
さらに、２６０°から３００°の範囲の半径を一定にして、円弧の変化を緩和する円弧緩和部Ｇが形成され、３００°からスクロール終点Ｚ（３６０°）までのスクロール図芯Ｐの半径Ｒが減少した半径減少円弧部となっている。
その半径Ｒの変化は、図４（Ａ）に示すとおり、時計回りに６０°の位置からスクロール終点Ｚまでの間３０°毎（目盛りは６０°毎に記載）に部位のスクロール図芯Ｐの半径を示したものである。
図４（Ｂ）はスクロール１２を時計回りに６０°の位置からスクロール終点Ｚまでの間３０°毎部位の断面を積層した図であり、スクロール図芯Ｐの変化が容易に読取れる。
尚、本実施形態では、円弧緩和部Ｇのスクロール図芯半径を一定にしたが、図４（Ａ）において円弧状Ｋ（破線部）にするとより気流の乱れが抑制できる。
そして、スクロール１２の回転軸中心Ｌ１と、スクロール１２を形成し、周方向に連なる各部位の断面中心であるスクロール図芯Ｐとの距離、半径Ｒが漸次変化（増大）している。
さらに、２６０°から３００°の範囲の半径を一定にして、円弧の変化を緩和する円弧緩和部Ｇが形成され、３００°からスクロール終点Ｚ（３６０°）までのスクロール図芯Ｐの半径Ｒが減少した半径減少円弧部となっている。
その半径Ｒの変化は、図４（Ａ）に示すとおり、時計回りに６０°の位置からスクロール終点Ｚまでの間３０°毎（目盛りは６０°毎に記載）に部位のスクロール図芯Ｐの半径を示したものである。
図４（Ｂ）はスクロール１２を時計回りに６０°の位置からスクロール終点Ｚまでの間３０°毎部位の断面を積層した図であり、スクロール図芯Ｐの変化が容易に読取れる。
尚、本実施形態では、円弧緩和部Ｇのスクロール図芯半径を一定にしたが、図４（Ａ）において円弧状Ｋ（破線部）にするとより気流の乱れが抑制できる。
円弧緩和部Ｇが配設されることにより、半径増大円弧部Ｅと半径減少円弧部Ｆとの境界部分の変化を滑らかにして、流体の乱れを抑制して、コンプレッサ性能の向上を図る。
また、円弧緩和部を２６０°〜３００°の範囲とすることで、２６０°の範囲までの間に回復させ、境界部分の変化を滑らかにして、流体の乱れを抑制して、それ以降を半径減少円弧部とすることで、流体の流速を速めて境界層の発生を小さくして、静圧を圧損なくコンプレッサ性能を得ることができる。
また、円弧緩和部を２６０°〜３００°の範囲とすることで、２６０°の範囲までの間に回復させ、境界部分の変化を滑らかにして、流体の乱れを抑制して、それ以降を半径減少円弧部とすることで、流体の流速を速めて境界層の発生を小さくして、静圧を圧損なくコンプレッサ性能を得ることができる。
コンプレッサインペラの回転によって、該コンプレッサインペラの外周部に渦巻形状に形成された流路を構成するスクロール部構造を備えた遠心圧縮機に関し、スクロール部において静圧を回復させて、高いコンプレッサ性能を得る遠心圧縮機に用いられるとよい。
１ コンプレッサ
２ タービンロータ
３ コンプレッサインペラ
１１ コンプレッサハウジング
１２ スクロール
１３ ディフューザ部
１５ 空気通路
Ｅ 半径増大円弧部
Ｆ 半径減少円弧部
Ｇ 円弧緩和部
Ｌ１ コンプレッサ回転軸中心
Ｐ スクロール図芯
Ｒ 半径
２ タービンロータ
３ コンプレッサインペラ
１１ コンプレッサハウジング
１２ スクロール
１３ ディフューザ部
１５ 空気通路
Ｅ 半径増大円弧部
Ｆ 半径減少円弧部
Ｇ 円弧緩和部
Ｌ１ コンプレッサ回転軸中心
Ｐ スクロール図芯
Ｒ 半径
Claims (4)
- 遠心圧縮機のコンプレッサインペラの下流側に配設されたディフューザ部から吐出されたガス又は空気等の流体の流路を形成する遠心圧縮機のスクロール構造において、
前記スクロールを形成し、周方向に連なる各断面形状のスクロール図芯からコンプレッサ回転軸中心までの半径が、前記スクロールの巻き始めからスクロールの周方向の任意の角度まで漸増する半径増大円弧部と、前記スクロールの終点に向かって漸減する半径減少円弧部とを備えたことを特徴とする遠心圧縮機のスクロール構造。 - 前記半径増大円弧部と前記半径減少円弧部との境界部を、前記スクロール終点を０基準として210度近傍としたことを特徴とする請求項１記載の遠心圧縮機のスクロール構造。
- 前記半径増大円弧部と前記半径減少円弧部との間に円弧の変化を緩和する円弧緩和部を備えたことを特徴とする請求項１記載の遠心圧縮機のスクロール構造。
- 前記円弧緩和部は前記スクロールの終点を０基準として、略２６０°〜３００°の範囲としたことを特徴とする請求項３記載の遠心圧縮機のスクロール構造。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010291362A JP5517914B2 (ja) | 2010-12-27 | 2010-12-27 | 遠心圧縮機のスクロール構造 |
| EP11854033.5A EP2589819B1 (en) | 2010-12-27 | 2011-12-22 | Centrifugal compressor with scroll structure |
| PCT/JP2011/079793 WO2012090853A1 (ja) | 2010-12-27 | 2011-12-22 | 遠心圧縮機のスクロール構造 |
| US13/813,172 US9581046B2 (en) | 2010-12-27 | 2011-12-22 | Scroll structure of centrifugal compressor |
| CN201180037782.0A CN103052808B (zh) | 2010-12-27 | 2011-12-22 | 离心压缩机的涡旋构造 |
Applications Claiming Priority (1)
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