JPH0735091A - 遠心式ターボ機械における吐出管の渦流防止装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 遠心式ターボ機械から送出される加圧流体を
吐出管内で整流し渦流を防止して遠心圧縮機の性能を向
上させる。 【構成】 遠心式ターボ機械の渦巻室出口に接続される
吐出管２の内周面側に、圧縮空気の渦流を規制する内向
きの整流板２１を設けて遠心圧縮機における吐出管の渦
流防止装置を構成した。また上記整流板２１は吐出管２
内部を放射状に仕切るように設けてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は遠心圧縮機，遠心ポンプ
等ターボ機械の吐出管内に整流板を設けて流体の渦流を
規制する遠心式ターボ機械における渦流防止装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば渦巻室型の遠心圧縮機は産
業用及び自動車用エンジンのターボチャージャー等に多
用されており、この種の遠心圧縮機はエンジンの排気風
を利用したタービン羽根あるいは電動機等の駆動源を用
いて同軸上に設けられた羽根車をケーシング内で高速回
転させるように設置されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし渦巻室を有する
遠心圧縮機等のターボ機械では一般に渦巻室内部で旋回
流が生じ（図４参照），この旋回により生ずる損失のた
めに、設計点以上の大流量域における全圧力上昇及び達
成される最大流量が低下する。加えて従来の遠心圧縮機
は低速回転時或いは急激な過負荷等の際、低流量域にな
ると、ターボ機械特有の旋回失速や、脈動によるサージ
ング等の非定常現象が発生し、遠心圧縮機を含む管路系
に激しい異常振動を生じて安定な運転が不能になるた
め、この領域での運転は避けねばならず低流量域におけ
る運転を規制される問題がある。これに対し、従来遠心
圧縮機の羽根車並びに渦巻室の形状等の改良が種々試み
られ効率の向上が図られたが、全作動範囲にわたる全圧
力上昇と最大流量の増加及び低流量域におけるサージン
グ限界点を改善するには到らなかった。

【０００４】そこで本発明は、遠心圧縮機並びに該遠心
圧縮機と下流に設置された作業機器とを接続する吐出管
について実験装置によりその性能特性を把握し、吐出管
内に圧縮された流体の渦流を規制する整流板を設けるこ
とにより、上記従来の問題を解消し全流量域における運
転をより有効に可能にするとともに、高性能で廉価に製
作できる遠心式ターボ機械にすることのできる吐出管の
渦流防止装置の提供を目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による遠心式ターボ機械における吐出管の渦
流防止装置は、遠心式ターボ機械３の渦巻室８出口に接
続される吐出管２の内周面側に、圧縮された流体の渦流
を規制する内向きの整流板２１，２２，２３を設けてい
る。また吐出管２にその内部を放射状に仕切る整流板２
１を設けることもできる。

【０００６】

【作用】上記のように構成した遠心式ターボ機械におけ
る吐出管の渦流防止装置は、遠心式ターボ機械３から旋
回しながら送出される渦流状の流体を吐出管２内に設け
た整流板２１，２２，２３が規制するように案内して整
流し、渦流を防止した状態で送出する。これにより圧縮
空気等の流体の内部損失が減少しエネルギー効率を増大
させることができるとともに、サージング限界をより低
流量域側にすることができる。

【０００７】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づき説明する。図
１において１は遠心式ターボ機械３の性能特性を確認す
る実験装置であり、該実験装置１は上記遠心式ターボ機
械３の吐出口３ｂに接続した吐出管２に、絞り弁６を有
する測定用吐出管７を接続するとともに、遠心式ターボ
機械３の羽根車３ａと同軸で回転するタービン羽根４ａ
を内装したタービン４の吸込口４ｂ側に後述する送気調
整装置５を設けて構成している。

【０００８】上記実験装置１に用いる遠心式ターボ機械
３は自動車用のターボチャージャーを示し、図２，図３
に示すように、羽根車３ａがディフューザー８ａと連な
る渦巻室８を形成したケーシング８ｂ内で回転されるこ
とにより、吸込口８ｃに接続される吸込管９から外気を
吸い込み、渦巻室８で加圧して圧縮空気Ｗとして吐出口
３ｂから吐出管２へ送出するものである。

【０００９】上記吐出管２は図６（ａ），（ｂ）に示す
ように、その両側に固着されたフランジ２ａを吐出口３
ｂと測定用吐出管７端に設けたフランジ間に介挿し、ボ
ルト２ｂで締着し着脱交換可能に構成している。そして
遠心式ターボ機械３及び吐出管２の各測定箇所には、圧
力検出器（測定用吐出管）Ａ，ピトー管Ｐ，風速計Ｈ，
温度計Ｔ等が取り付けられ、これらセンサーで検出され
たデーターはモニター機器（不図示）に表示されるよう
にしている。

【００１０】また送気調整装置５はサージタンク１０に
電動機１１で駆動されるルーツ型の送風機１２を安全弁
１３を介して管路１０ａで接続するとともに、上記サー
ジタンク１０から流量調節弁１４，１４ａ，１４ｂを有
する分配管１５を設け、流量調節弁１４側を前述タービ
ン４の吸込口４ｂに接続し、サージタンク１０内の圧縮
空気を前記流量調節弁１４で送気調節することによりタ
ービン羽根車４ａを回転させ、同軸に設けられた遠心式
ターボ機械３の羽根車３ａを任意の回転数に設定調節可
能に構成している。

【００１１】次に上記のように構成した実験装置１によ
り、図２に示す従来のものと同様な中空円筒の吐出管２
を遠心式ターボ機械３に装着した実験例について説明す
る。電動機１１を駆動させ送風機１２でサージタンク１
０内へ圧縮空気を貯溜したのち、流量調節弁１４を羽根
車３ａが所定回転（本実験では羽根車３ａの回転を汎用
回転域の１０，０００ｒｐｍに設定した。）となるよう
に開く。これにより遠心式ターボ機械３は羽根車３ａ
が、図２矢印方向に回転して吸込口８ｃから外気を吸い
込み、ディフューザー８ａで誘導しながら渦巻室８で圧
縮し吐出口３ｂから圧縮空気Ｗを吐出管２側に送出す
る。

【００１２】このとき測定用吐出管７の後端に設けた絞
り弁６の開度を調節して遠心式ターボ機械３への負荷調
節を行い、羽根車３ａの周速度Ｕ2 に対する羽根車出口
半径方向の風速度Ｃ2rの比から求められる流量係数Φ＝
Ｃ2r／Ｕ2 を変化させる。そして上記流量係数Φの変化
毎に、吐出管２に装備した圧力検出器Ａで検出される吐
出管２内に生ずる全圧Ｐt を測定し、該全圧Ｐt と大気
圧Ｐa との比から得られる全圧力比Ｐt ／Ｐa を、図７
に示すように横軸に流量係数Φをとり縦軸に全圧力比Ｐ
t ／Ｐa をとって、グラフにプロットすると特性曲線ａ
が得られた。

【００１３】これによれば、最大全圧力比Ｐｔ／Ｐａは
流量係数Φ＝０．１０で１．０３２から１．０３５に上
昇し、最大流量範囲も０．１７から０．１８まで増加し
ている。さらにサージング限界（運転可能な最小の流
量）は流量係数Φが０．０６付近であり、このときの全
圧力比Ｐt ／Ｐa は１．０３４程度である。そして上記
流量係数Φ以下では遠心式ターボ機械３及び管路系に異
常振動が発生して実用運転は不能となった。さらにケー
シング８ｂに装備して渦巻室８内に設けた各センサーに
より、渦巻室８内の圧縮空気Ｗは図４に示すように流れ
ていることが把握できた。即ち白抜きの矢印は羽根車３
ａから放出された直後の圧縮空気Ｗの流れであり、黒塗
りの矢印は羽根車３ａの回転で圧縮され吐出口３ｂから
送出されようとするものであり、これらは渦巻室８内の
形状にそって捻られた圧縮空気Ｗ1 となって送出され
る。

【００１４】また上記圧縮空気Ｗの流れを吐出管２内に
おいて確認するため、吐出管２を透明な中空円筒に取り
換えるとともに、風上側の２点からオイルペイントを注
入した。 上記オイルペイントは図５に示すように圧縮
空気Ｗの流れにより、吐出管２内面で螺旋状に２筋の曲
線Ｋとして画かれ、圧縮空気Ｗは吐出管２内において旋
回しながら渦流となって送出されることを可視化し得
た。

【００１５】そこで吐出管２を図６（ｅ）に示す（仮想
線を除く）ように吐出管２内で通路２ｃを有して中心部
に丸棒材２ｄを介入させた状態で、前述した実験と同様
な方法で流量係数Φ毎に全圧を測定したところ、図７に
示す特性曲線ｂが得られた。これによれば全圧力比Ｐt
／Ｐa の最高値は前述した円筒の吐出管２による特性曲
線ａの最高値よりやや増大しこの点での効率はよくなる
が、サージング限界の流量係数Φは０．０８とより小さ
な値となり実用的には不充分であることを示した。尚絞
り弁６の全開レベルによる流量係数Φ０．１７付近での
全圧力比Ｐt／Ｐa は上記２例とも略同程度である。

【００１６】以上の実験から丸棒内装円筒管とした吐出
管２は円筒に丸棒２ｄを入れたことにより、通路２ｃ内
における全圧は高まるものの圧縮空気Ｗの旋回が促進さ
れ、渦流となってエネルギーの内部損失が多いことが推
定される。また上記実験例による吐出管２内の圧縮空気
Ｗの流れは、上述の如く旋回して流量の低下による軸流
速度の減少により、低流量域では旋回の影響が性能特性
に大きく関与している。そして大流量域では軸流速度が
大きく旋回と軸流速度の合成からなる絶対速度が増加
し、一般には絶対速度の略２乗に比例する摩擦損失を生
じ性能特性を低下させているものとみられる。

【００１７】従って渦巻室８の吐出口３ｂから吐出管２
にかけて上記圧縮空気Ｗの渦流を防止する整流装置を設
けることにより、複雑で高価な遠心式ターボ機械３に格
別な手を加えることなく問題点を解消しその性能の改善
が期待できる。そこで図６（ａ），（ｂ）に示すよう
に、吐出管２を中空円筒の内周面側に圧縮空気の渦流を
規制する内向きの整流板２１を内部を十字状（放射状）
に仕切るように設けて、既述の吐出管２と交換し前述と
同様な方法で実験すると、図７に示す性能特性曲線ｃを
得た。これによれば低流量域におけるサージング限界は
０．０４付近となり従来の性能特性曲線ａより大幅に低
流量域側に改善でき、また最大流量域から最高全圧力比
Ｐt ／Ｐa が１．０３７付近に至る流量全範囲において
全圧力比Ｐt ／Ｐa が略均等に上昇し、全体効率を格段
に増大することが確認できた。

【００１８】また本整流板の効果を再確認するため、図
１に示す装置に別のターボチャージャーを装着し、遠心
圧縮機の特性を求めたところ、図８に示すように図７に
おけるのと同様な結果が得られた。但し、ａ′，ｂ′
（共に５０，０００ｒｐｍ）及びａ″，ｂ″（共に４
０，０００ｒｐｍ）は図７の円管ａ，十字管ｃに対応し
ている。

【００１９】従って遠心式ターボ機械３の運転範囲を大
流量側に大幅に増加させ、さらに全圧力上昇も増加させ
ることが可能になった。そして、低流量域側では僅かに
性能特性の低下が見られるが、この種ターボ型の圧縮機
で最も重要な未解決の問題であるサージング開始点をよ
り低流量域までシフトさせることができる。それ故従来
の渦巻室８を有する遠心式ターボ機械３で運転流量範囲
を大幅に拡大し、且つ高い性能で運転することが可能と
なる。

【００２０】また吐出管２に圧縮空気Ｗの渦流を規制す
る内向きの整流板２１を設ける他の実施例として、図６
（ｃ）に示すように吐出管２の内周面側に吐出管の内面
側に突出する４枚の整流板２２を突設した吐出管２、及
び同図（ｄ）に示すように吐出管２の内部を断面の法線
に沿って２室に仕切る整流板２３を有する吐出管２を得
ることも可能であり、これらの機構によっても前述の吐
出管２における曲線ｃと同様の効果が得られることは容
易に推論できる。また上記整流板２１，２２，２３は流
体旋回方向と逆向きの螺旋状に曲折した状態で吐出管２
内の長手方向に設けてもよく、また前記した図６（ｅ）
の丸棒２ｄに整流板を仮想線に示すように植設した構成
としてもよい。

【００２１】上記の実験により確認した整流板２１付の
吐出管２を、自動車用エンジンのターボーチャージャー
の遠心式ターボ機械３に用いた場合、エンジンの燃焼効
率を向上することができ、また発生熱エネルギーを増加
させることができてエンジンを高性能に且つ小型化する
ことができる。またサージング限界をより低流量域にし
得たので、エンジンの低速回転時における遠心式ターボ
機械３及び管路系の異常振動の発生が抑制でき、機関の
関連部品や部材を簡潔な構成で製作できるとともに軽量
化を図ることが可能となる。尚、上記実施例は自動車用
エンジンの遠心圧縮機について説明したが、本発明によ
る渦流防止装置は、上記実施例のケースに限られること
なく、空気以外の流体を対象とするポンプ等を含め、吐
出管側に渦流が発生する遠心式ターボ機械全般に適用さ
れるものである。

【００２２】

【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
いるので、以下に記載するような効果を奏する。 （１）遠心式ターボ機械から送出される加圧された流体
は、吐出管内に設けた整流板で整流され渦流を防止され
た状態で送出されるので、流体の内部損失が減ってエネ
ルギー効率を増大することができる。 （２）またサージング限界をより低流量域に改善できる
ので、遠心式ターボ機械並びにエンジン等の下流側作動
機器の異常振動を抑制でき、運転が静粛且つスムースに
行われるとともに、各関連部品や部材の小型軽量化を可
能として低コストな作動機器及び遠心式ターボ機械を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】遠心圧縮機の実験装置を示す平面図。

【図２】遠心圧縮機を一部破断して示す側面図。

【図３】図２のＡーＡ線断面図。

【図４】遠心圧縮機内の圧縮空気の流れを示す模式図。

【図５】透明な吐出管内におけるオイルペイントの記録
図。

【図６】（ａ）は本発明実施例に係わる吐出管の正断面
図。（ｂ）はその側面図。（ｃ）は第２実施例に係わる
吐出管の側断面図。（ｄ）は第３実施例に係わる吐出管
の側断面図。（ｅ）は中空円筒吐出管に丸棒を挿入した
側断面図。

【図７】図１の実験装置により各種の吐出管を用いた遠
心圧縮機の性能特性曲線を示すグラフ。

【図８】同じく他の遠心圧縮機を用いた実験の性能特性
曲線を示すグラフ。

【符号の説明】

１ 実験装置 ２ 吐出管 ３ 遠心式ターボ機械 ３ａ 羽根車 ３ｂ 吐出口 ４ タービン ５ 送気調節装置 ６ 絞り弁 ８ 渦巻室 ８ｃ 吸込口 ９ 吸込管 ２１，２２，２３ 整流板 Ｗ 圧縮空気

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 遠心式ターボ機械（３）の渦巻室（８）
   出口に接続される吐出管（２）の内周面側に、流体の渦
   流を規制する内向きの整流板（２１），（２２），（２
   ３）を設けたことを特徴とする遠心式ターボ機械におけ
   る吐出管の渦流防止装置。
2. 【請求項２】 吐出管（２）にその内部を放射状に仕切
   る整流板（２１）を設けた請求項１の遠心式ターボ機械
   における吐出管の渦流防止装置。