JP7633264B2 - 圧縮機のスタビライザ流路 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機、詳細にはラジアル圧縮機及びダイアゴナル圧縮機の分野に関する。詳細には、本発明は、圧縮機段のマップ幅及び特性曲線勾配を増大させるための圧縮機入口のスタビライザ流路に関する。

排気ガスターボ過給機は、内燃機関、特に往復動ピストンエンジンの性能を向上させるために使用される。排気ガスターボ過給機は、通常、ラジアル又はダイアゴナル圧縮機と、ラジアル又は軸流タービンとを備えている。

ラジアル圧縮機及びダイアゴナル圧縮機の実用的な運転範囲は、サージ限界／流れの不安定性によって、より小さな質量流に向かって制限され、圧縮機がスロットル調整されると、入射角は、流れが分離してポンピングが発生するまでますます悪化する。流れが依然として発生する許容入射角は、流れのマッハ数が増加するにつれて減少する。すなわち、マップ幅は、高圧力比及び／又は高吸引能力を有する段の場合、減少する傾向がある。

特性曲線を安定させるための手段として、圧縮機ハウジング内で圧縮機ホイールのホイール輪郭の上に、吸入通路と平行に、環状キャビティの形態のバイパスを設けることができる。このようなバイパスは、スタビライザチャンバ又は再循環器としても知られている。再循環器を用いることで、圧縮機ホイール入口の質量流をサージ限界の近くまで人為的に増加させることができる。質量流の一部は、圧縮機ホイールからサイドチャンバ（バイパス）へ分岐される。この質量流は高いスワール成分（インペラの回転方向、共スワール（ｃｏ－ｓｗｉｒｌ））を有する。この共スワールにより、圧縮機の仕事率が低下し、サージ限界に近いフラットな特性曲線となる。

サージ限界に近いフラットな特性曲線は、圧力脈動（例えば、過給された内燃機関のバルブの動きによって生じる）を伴う用途において、予期しないポンピングを引き起こす可能性がある。このため、動作点と動作速度曲線上のサージ限界点との間に最小限の圧力上昇をもたらすことが要求される。高圧力比及び従来のバイパス／スタビライザ流路を有する段の場合、この要求は、高い仕事率と一定速度での質量流に対するフラットな仕事率プロファイルのために、ほとんど満たすことができない。

本発明の目的は、圧縮機、詳細にはラジアル圧縮機又はダイアゴナル圧縮機のスタビライザ流路を提供することであり、これは、従来技術で知られている欠点の少なくとも１つに関して改良される。さらに、本発明の目的は、改良された圧縮機及び改良されたターボ過給機を提供することにある。

上記目的を達成するために、独立請求項１による圧縮機、詳細にはラジアル圧縮機又はダイアゴナル圧縮機のスタビライザ流路が提供される。さらに、本明細書に記載された実施形態によるスタビライザ流路を有する圧縮機、及びそのような圧縮機を有するターボ過給機が提供される。

本発明のさらなる態様、利点及び特徴は、従属請求項、明細書及び添付図面に見出される。

本発明の１つの態様によれば、圧縮機、詳細にはラジアル圧縮機又はダイアゴナル圧縮機のスタビライザ流路が提供される。スタビライザ流路は、圧縮機ホイールの吸入領域において主流路を取り囲み、環状ウェブによって主流路に対して区切られた環状スタビライザチャンバを備える。環状スタビライザチャンバは、ベーンがなく、下流入口流路と上流出口開口部を介して接続される。複数の流れ案内要素が下流入口流路に配置される。下流入口流路は、環状ウェブの上流部分と環状ウェブの下流部分との間に配置される。

従って、圧縮機段のマップ幅及び特性曲線勾配の増大を可能にするスタビライザ流路が好都合に提供される。さらに、下流入口流路に流れ案内要素を有する本発明によるスタビライザ流路によって、構成要素の統合、格納性及び製造コストの点で、従来技術による従来のスタビライザよりも有利なスタビライザ流路を提供することができる。

本発明の第２の態様によれば、圧縮機、詳細にはラジアル圧縮機又はダイアゴナル圧縮機が提供され、この圧縮機は、圧縮機ホイール及び本明細書に記載の実施形態の１つによるスタビライザ流路を備える。従って、増大したマップ幅及び特性曲線勾配を有する圧縮機を好都合に提供することができる。

本発明の第３の態様は、本明細書に記載された実施形態の１つによる圧縮機を有するターボ過給機に関し、従来技術よりも改善されたターボ過給機を好都合に提供することができる。

本発明は、図に示され、そこからさらなる利点及び変更が続く例示的な実施形態によって、以下に説明される。

従来技術によるスタビライザ流路の概略図である。 本明細書に記載される実施形態によるスタビライザ流路の概略図である。 本明細書に記載されるさらなる実施形態によるスタビライザ流路の概略図である。 本明細書に記載されるさらなる実施形態によるスタビライザ流路の概略図である。 本明細書に記載されるさらなる実施形態によるスタビライザ流路の概略図である。 図４ａの細部の拡大図である。 本明細書に記載されるさらなる実施形態によるスタビライザ流路の入口流路の概略図である。 本明細書に記載されるさらなる実施形態によるスタビライザ流路の入口流路の概略図である。 流れ案内要素を通過したときに流れの逆スワールを生成するための流れ案内要素の構成を示す概略図である。 流れ案内要素を通過したときに流れのスワールを減少させるための流れ案内要素の構成を示す概略図である。

図１は、従来技術のスタビライザ流路１０の概略図である。詳細には、図１は、例えば排気ガスターボ過給機において空気を圧縮するために用いられるラジアル圧縮機のハウジングを通る圧縮機ホイール２１の回転軸１１に沿った断面を示す。スタビライザチャンバ１２は、圧縮機ハウジング５内に配置される。スタビライザチャンバ１２は、入口流路１５及び出口開口１６を介して主流路１３に接続される。スタビライザチャンバ１２は、環状ウェブ１４によって主流路１３に対して区切られている。環状ウェブ１４を圧縮機ハウジングに接続する保持リブ１２１は、スタビライザチャンバ１２内に配置される。

本開示による圧縮機のスタビライザ流路は、図２から８を参照して以下に説明する。圧縮機は、ラジアル圧縮機又はダイアゴナル圧縮機とすることができる。

本明細書に記載された他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、スタビライザ流路１０は、圧縮機ホイール２１の吸入領域において主流路１３を取り囲む環状スタビライザチャンバ１２を備える。換言すると、スタビライザ流路１０は、典型的には、圧縮機入口に配置される。これに関連して、本開示において、「スタビライザ流路」は、詳細には、圧縮機段のマップ幅を拡大するように構成された圧縮機入口の流路であると理解されることに留意されたい。例えば、スタビライザ流路１０は、再循環流路とすることができる。

環状スタビライザチャンバ１２は、さらに、図２に例示的に示されるように、環状ウェブ１４によって主流路１３に対して区切られる。環状スタビライザチャンバ１２にはベーンがない。換言すると、環状スタビライザチャンバ１２内にはベーン、詳細には流れ案内ベーンが配置されていない。詳細には、環状スタビライザチャンバ１２は、ストラットなしとすることができる。換言すると、環状スタビライザチャンバ１２内にベーン及びストラットが存在しないように、環状スタビライザチャンバ１２は、流れ案内ベーンなし及びストラットなしとすることができる。さらに、環状スタビライザチャンバ１２は、下流入口流路１５及び上流出口開口１６を介して主流路１３に接続される。環状スタビライザチャンバ１２は、回転対称とすることができる。

図２に概略的に示すように、下流入口流路１５には、複数の流れ案内要素１７が配置されている。典型的には、複数の流れ案内要素１７は、主流路１３の中心軸１１の周りで周方向に配置されている。詳細には、複数の流れ案内要素１７は、主流路１３の中心軸１１の周りに同心円状に配置することができる。さらに、流れ案内要素１７は、入口流路１５の主流路側の入口開口１５Ａと面一になるように、及び／又は入口流路１５のスタビライザチャンバ側の出口開口１５Ｂと面一になるように形成できることに留意されたい。もしくは、図２に例示的に示されるように、流れ案内要素１７は、入口流路１５の主流路側の入口開口１５Ａから、及び／又は入口流路のスタビライザチャンバ側の出口開口１５Ｂから相隔たることができる。下流入口流路１５は、環状ウェブ１４の上流部分１４１と環状ウェブ１４の下流部分１４２との間に配置されている。

本開示において、用語「入口流路」は、スタビライザチャンバへの流れ入口流路として機能する流路を意味すると理解される。典型的には、入口流路１５は、図２に例示的に示されるように、主流路側の入口開口１５Ａと、スタビライザチャンバ側の出口開口１５Ｂとを備える。

本開示において、用語「下流」及び「上流」は、圧縮機ホイールの吸入領域の主流路の主流れに関連する。より良く理解するために、図には主流路の方向１が示されている。１つの実施例によれば、スタビライザチャンバの入口流路１５は、図２に示されるように、圧縮機ホイール２１の入口縁２４に対して下流に配置することができる。スタビライザチャンバの出口開口１６は、典型的には、圧縮機ホイール２１の入口縁２４の上流に配置される。

本明細書に記載された他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、複数の流れ案内要素１７は、通過することができる偏向グリッドを提供するように構成され配置されている。例えば、偏向グリッドは、実質的に半径方向に通過することができる偏向グリッドを提供するように構成して配置することができる。本開示において、表現「実質的に半径方向に」は、半径方向ｒに対してα＝±４５°以下、詳細にはα＝±２５°以下の角度範囲を意味すると理解される。図２に例示的に示されるように、半径方向ｒは中心軸１１に対して垂直に延びる。１つの実施例によれば、「実質的に半径方向に」は、半径方向ｒに対して±１０°以下の角度範囲を意味すると理解される。より良い理解のために、図５は、上述の「実質的に半径方向に」の定義に該当する角度αで傾斜した入口流路１５を例示的に示す。角度αは、ｘ－ｒ平面内にある。

本明細書に記載された他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、図２から５の実施形態に例示的に示されるように、下流入口流路１５は実質的に半径方向に延びる。

本明細書に記載される他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態によれば、複数の流れ案内要素１７は、図６に例示的に示されるように、実質的に軸方向に通過することができる偏向グリッドを提供するように構成され配置されている。本開示において、表現「実質的に軸方向に」は、軸方向ｘに対して±４５°以下、詳細には±２５°以下の角度範囲を意味すると理解される、図２に例示的に示されるように、軸方向ｘは中心軸１１に沿って延びる。１つの実施例によれば、「実質的に軸方向に」は、軸方向ｘに対して±１０°以下の角度範囲を意味すると理解される。実質的に軸方向に通過することができる偏向グリッドは、例えば、図６によるスタビライザチャンバの入口流路１５の構成及び流れ案内要素１７の配置によって提供することができる。

本明細書に記載された他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、下流入口流路１５は、図６に例示的に示されるように、実質的に半径方向に延びる部分１５Ｃと実質的に軸方向に延びる部分１５Ｄとを備える。実質的に半径方向に延びる部分１５Ｃと実質的に軸方向に延びる部分１５Ｄとの間には、典型的には、湾曲した移行領域１５Ｆが存在する。

本明細書に記載された他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、環状ウェブ１４の上流部分１４１は、実質的に半径方向に延びる第１の突出部１８を備える。環状ウェブ１４の下流部分１４２は、図４ａ、４ｂ及び５に例示的に示されるように、同様に、実質的に半径方向に延びる第２の突出部１９Ａを備えることができる。もしくは、環状ウェブ１４の下流部分１４２は、図６に例示的に示されるように、実質的に軸方向に延びる第２の突出部１９Ｂを備えることができる。

本明細書に記載された他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、スタビライザ流路１０は、図２に例示的に示されるように、圧縮機ハウジングの一体部分である。もしくは、スタビライザ流路１０は、図３ａに例示的に示されるように、圧縮機の吸入領域に取り付けることができる挿入部品２２に一体化することができる。さらなる実施例によれば、スタビライザ流路は、内側圧縮機ハウジング２０Ａ及び外側圧縮機ハウジング２０Ｂを有する圧縮機２０が示されている図３ｂに例示的に示されるように、内側圧縮機ハウジング２０Ａの一部とすることができる。

本明細書に記載された他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、環状ウェブ１４の上流部分１４１と環状ウェブ１４の下流部分１４２は、複数の流れ案内要素１７を介して、例えばねじ結合部により結合される。ねじ結合部は、流れ案内要素１７を貫通して延びることができる。ねじ結合部は、別の方法で、すなわち、流れ案内要素１７を貫通して延びないように製作することもできることに留意されたい。代替的に又は追加的に、例えばシュリンケージ（ｓｈｒｉｎｋａｇｅ）又はクランプのような他のタイプの結合手段を使用することも可能である。

本明細書に記載された他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、複数の流れ案内要素１７は、別個の構成要素の形態である。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態によれば、複数の流れ案内要素１７は、環状ウェブ１４の上流部分１４１と一体的に（一体部品で）形成され、及び／又は環状ウェブ１４の下流部分１４２と一体的に（一体部品で）形成される。

本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、環状ウェブ１４の下流部分１４２は、センタリング肩部１４３を有する。代替的に又は追加的に、環状ウェブ１４の上流部分１４１は、センタリング肩部（明示的に示されていない）を有することができる。センタリング肩部は、円筒形又は円錐形とすることができる。

本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、複数の流れ案内要素１７の各々は、入口流路１５内で主流路１３の中心軸１１の周りに、流れ案内要素１７を円周方向に、詳細には同心円状に配置するように構成されたセンタリング座部を有する。

本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、複数の流れ案内要素１７の少なくとも１つ、詳細には少なくとも半分、又は全ては、カーチス型ベーンプロファイルから形成される。詳細には、複数の流れ案内要素１７の少なくとも１つ、詳細には少なくとも半分、又は全ては、角柱状のカーチス型ベーンとすることができる。典型的には、流れ案内要素１７は、半径方向偏向ベーンの形態である。カーチス型ベーンプロファイルから流れ案内要素を、詳細には角柱状のカーチス型ベーンの形態の流れ案内要素を形成すると、これらは比較的厚く作ることができるという利点を有するので、例えばねじ結合部又は他の適切なタイプの結合手段によって、このような案内要素を介して環状ウェブ１４の上流部分１４１と環状ウェブ１４の下流部分１４２とをより良好に結合することができる。

本明細書に記載された他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、図４ａ及び４ｂに例示的に示されるように、複数の流れ案内要素１７は、スタビライザチャンバの入口流路１５の流出領域に配置される。入口流路１５の流出領域は、スタビライザチャンバ側の出口開口１５ｂの側に位置する入口流路１５の領域を意味すると理解される。流出領域は、例えば、入口流路長さＬの半分以下にわたって延びることができる。より良く理解するために、入口流路１５の流出領域１５Ｅは、図４ｂに例示的に示されている。入口流路１５の流出領域における流れ案内要素１７の配置は、流速及びベーン振動励起に対して有利な効果を有することができる。

本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、流れ案内要素１７の各々は、流入端部１７ａ及び流出端部１７ｂを有し、流れ案内要素１７のそれぞれの流出端部１７Ｂは、流れ案内要素１７のそれぞれの流入端部１７Ａに対して周方向に傾斜しており、図８に流入端部１７Ａと流出端部１７Ｂとの間の矢印によって例示的に示されるように、それらが通過する場合にスワール（ｓｗｉｒｌ）が減少するようになっている。

もしくは、図７に流入端部１７Ａと流出端部１７Ｂとの間の矢印で例示するように、逆スワールが発生するように、流れ案内要素１７のそれぞれの流出端部１７Ｂを流れ案内要素１７のそれぞれの流入端部１７Ａに対して周方向に傾斜させることができる。より良く理解するために、圧縮機ホイールの回転方向２が図７及び図８に示されている。圧縮機ホイールの回転は、スワールに作用される流れをもたらす。

本開示の第２の態様によれば、圧縮機ホイール２１と本明細書に記載の１つの実施形態によるスタビライザ流路１０とを備える圧縮機、詳細にはラジアル圧縮機又はダイアゴナル圧縮機が提供される。本明細書に記載された他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態によれば、圧縮機ホイール２１は、入口開口１５ａの領域において、数Ｎ１の圧縮機ホイールベーン２３を備える。下流入口流路１５内の案内要素の数Ｎ２は、Ｎ２≧１．５×Ｎ１の関係にある。これは、圧縮機の運転時の騒音及び振動の発生を低減するために好都合である。

本発明の第３の態様は、本明細書に記載された実施形態の１つによる圧縮機を有するターボ過給機に関し、従来技術よりも改善されたターボ過給機が好都合に提供される。

１ 主流れ方向
２ 圧縮機ホイールの回転方向
５ 圧縮機ハウジング
１０ スタビライザ流路
１１ 中心軸／圧縮機ホイールの回転軸
１２ 環状スタビライザチャンバ
１２１ ストラット
１３ 主流路
１４ 環状ウェブ
１４１ 環状ウェブの上流部分
１４２ 環状ウェブの下流側部分
１４３ センタリング肩部
１５ スタビライザチャンバの入口流路
１５Ａ 主流路側の入口流路の入口開口
１５Ｂ スタビライザチャンバ側の入口流路の出口開口
１５Ｃ 実質的に半径方向に延びる入口流路の部分
１５Ｄ 実質的に軸方向に延びる入口流路の部分
１５Ｅ 流入流路の流出領域
１５Ｆ 移行領域
１６ スタビライザチャンバの出口開口
１７ 流れ案内要素
１７Ａ 流れ案内要素の流入端部
１７Ｂ 流れ案内要素の流出端部
１８ 実質的に半径方向に延びる第１の突出部
１９Ａ 実質的に半径方向に延びる第２の突出部
１９Ｂ 実質的に軸方向に延びる第２の突出部
２０ 圧縮機
２０Ａ 内側圧縮機ハウジング
２０Ｂ 外側圧縮機ハウジング
２１ 圧縮機ホイール
２２ 挿入部品
２３ 圧縮機ホイールのベーン
２４ 圧縮機ホイールの入口縁
ｒ 半径方向
ｘ 軸方向
Ｌ 入口流路長さ
α 「実質的に半径方向に」を説明するためのｘ－ｒ平面における角度

Claims (15)

1. 圧縮機のスタビライザ流路（１０）であって、
   前記スタビライザ流路（１０）は、圧縮機ホイール（２１）の吸入領域の主流路（１３）を取り囲み、環状ウェブ（１４）によって前記主流路（１３）に対して区切られる環状スタビライザチャンバ（１２）を有し、
   前記環状スタビライザチャンバ（１２）は、ベーンを有しておらず、下流入口流路（１５）及び上流出口開口（１６）を介して接続されており、
   複数の流れ案内要素（１７）が前記下流入口流路（１５）に配置されており、
   前記下流入口流路（１５）は、前記環状ウェブ（１４）の上流部分（１４１）と前記環状ウェブ（１４）の下流部分（１４２）との間に配置されており、
   前記環状ウェブ（１４）の上流部分（１４１）は、実質的に半径方向に延びる第１の突起部（１８）を備え、前記環状ウェブ（１４）の下流部分（１４２）は、実質的に半径方向に延びる第２の突起部（１９Ａ）又は、前記環状ウェブ（１４）の前記下流部分（１４２）は、実質的に軸方向に延びる第２の突起部（１９Ｂ）を備える、スタビライザ流路。
2. 前記複数の流れ案内要素（１７）は、通過可能な偏向グリッドを提供するように構成されて配置されている、請求項１に記載のスタビライザ流路。
3. 前記下流入口流路（１５）は、実質的に半径方向に延びる、又は前記下流入口流路（１５）は、実質的に半径方向に延びる部分（１５Ｃ）及び実質的に軸方向に延びる部分（１５Ｄ）を備える、請求項１又は２に記載のスタビライザ流路。
4. 前記複数の流れ案内要素（１７）は、前記主流路（１３）の中心軸（１１）の周りで円周方向に配置されている、請求項１から３のいずれかに記載のスタビライザ流路。
5. 前記スタビライザ流路は、圧縮機ハウジングの一体部品である、又は前記スタビライザ流路は、前記圧縮機の前記吸入領域に取り付け可能な挿入部品（２２）に組み込まれている、又は前記スタビライザ流路は、ハウジング圧縮機の内側を構成する内側圧縮機ハウジング（２０Ａ）の一部である、請求項１から４のいずれかに記載のスタビライザ流路。
6. 前記環状ウェブ（１４）の前記上流部分（１４１）及び前記環状ウェブ（１４）の前記下流部分（１４２）は、前記複数の流れ案内要素（１７）を介して、結合されている請求項１から５のいずれかに記載のスタビライザ流路。
7. 前記複数の流れ案内要素（１７）は、別個の構成要素の形態である、請求項１から６のいずれかに記載のスタビライザ流路。
8. 前記複数の流れ案内要素（１７）は、前記環状ウェブ（１４）の前記上流部分（１４１）、及び、前記環状ウェブ（１４）の前記下流部分（１４２）の少なくとも一方と一体形成されている、請求項１から７のいずれかに記載のスタビライザ流路。
9. 前記環状ウェブ（１４）の前記下流部分（１４２）、及び、前記環状ウェブ（１４）の前記上流部分（１４１）の少なくとも一方は、センタリング肩部（１４３）を有する、請求項１から８のいずれかに記載のスタビライザ流路。
10. 前記複数の流れ案内要素（１７）の各々は、前記下流入口流路（１５）内で前記流れ案内要素（１７）を前記主流路（１３）の中心軸（１１）の周りで円周方向に配置するように構成されたセンタリング座部を有する、請求項１から９のいずれかに記載のスタビライザ流路。
11. 前記複数の流れ案内要素（１７）の少なくとも１つは、カーチス型ベーンプロファイル角柱状のベーンプロファイル、及び、カーチス型ベーンの少なくとも一つである、請求項１から１０のいずれかに記載のスタビライザ流路。
12. 前記複数の流れ案内要素（１７）は、前記環状スタビライザチャンバの前記下流入口流路（１５）の流出領域（１５Ｅ）に配置されている、請求項１から１１のいずれかに記載のスタビライザ流路。
13. 前記流れ案内要素（１７）の各々は、流入端部（１７Ａ）及び流出端部（１７Ｂ）を有し、前記流れ案内要素（１７）の前記流出端部は、前記流入端部（１７Ａ）に対して周方向で傾斜しており、それらが通過する際にスワールが減少するか又は逆スワールが発生するようになっている、請求項１から１２のいずれかに記載のスタビライザ流路。
14. 圧縮機（２０）であって、前記圧縮機は、圧縮機ホイール（２１）と、請求項１から１３のいずれかに記載のスタビライザ流路（１０）とを有する、圧縮機。
15. 請求項１４に記載の圧縮機（２０）を有するターボ過給機。

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