ターボ圧縮機
【課題】圧縮できる最大流量を維持したまま、効率を悪化させることなく小流量側へ作動域を拡大でき、これにより広い流量範囲で作動可能なターボ圧縮機を提供する。
【解決手段】軸心を中心に回転する動翼列１２ａを有する軸流圧縮機１２と、軸流圧縮機の下流側に同軸に配置され軸心を中心に回転する遠心インペラ１４ａを有する遠心圧縮機１４と、軸流圧縮機の動翼列と遠心圧縮機の遠心インペラを囲みその内側に気体の流路１５を構成するケーシング１６と、動翼列の上流側と下流側のケーシング内面を直接連通する循環流路１８と、を備える。循環流路１８の上流端１８ａは、遠心インペラ１４ａより上流側であって、静圧が動翼列１２ａ及び遠心インペラ１４ａの位置より高い位置に設定されている。
【解決手段】軸心を中心に回転する動翼列１２ａを有する軸流圧縮機１２と、軸流圧縮機の下流側に同軸に配置され軸心を中心に回転する遠心インペラ１４ａを有する遠心圧縮機１４と、軸流圧縮機の動翼列と遠心圧縮機の遠心インペラを囲みその内側に気体の流路１５を構成するケーシング１６と、動翼列の上流側と下流側のケーシング内面を直接連通する循環流路１８と、を備える。循環流路１８の上流端１８ａは、遠心インペラ１４ａより上流側であって、静圧が動翼列１２ａ及び遠心インペラ１４ａの位置より高い位置に設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸流圧縮機と遠心圧縮機を組み合わせたターボ圧縮機に係わり、さらに詳しくは、ケーシングトリートメントを備えたターボ圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ圧縮機（軸流圧縮機と遠心圧縮機）の小流量側の作動域を拡大する手段として、循環型のケーシングトリートメントが提案され、既に用いられている（例えば、特許文献１〜４）。
【０００３】
特許文献１，２は、遠心圧縮機に関するものであり、インペラが位置するケーシングに設置されたスリットから気体を抽気してインペラの上流側に気体を循環させるものである。
特許文献３は、軸流圧縮機に関するものであり、インペラが位置するケーシングに周方向に延びるスリットを設け、このスリット内で気体を循環させるものである。
特許文献４は、軸流圧縮機に関するものであり、インペラが位置するケーシングに設置されたスリットから気体を抽気してインペラの上流側に気体を循環させるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２０９８５８号公報、「遠心圧縮機」
【特許文献２】米国特許第４，７４３，１６１号公報、「ＣＯＭＰＲＥＳＳＯＲＳ」
【特許文献３】米国特許第５，７０７，２０６号公報、「ＴＵＲＢＯＭＡＣＨＩＮＥ」
【特許文献４】米国特許第５，６０７，２８４号公報、「ＢＡＦＦＬＥＤ ＰＡＳＳＡＧＥ ＣＡＳＩＮＧ ＴＲＥＡＴＭＥＮＴ ＦＯＲ ＣＯＭＰＲＥＳＳＯＲ ＢＬＡＤＥＳ」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
軸流圧縮機の下流側に遠心圧縮機を組み合わせ、軸流圧縮機で圧縮した気体を再度遠心圧縮機で圧縮して高圧縮比を達成するターボ圧縮機の開発が進められている。
【０００６】
このターボ圧縮機において、上述した従来のケーシングトリートメントを適用した場合、以下の問題点があった。
【０００７】
従来のケーシングトリートメントでは、気体の抽気位置は、遠心圧縮機のインペラの中間位置、又は軸流圧縮機のインペラの中間位置である。しかし、これらの抽気位置は、軸流圧縮機の上流側との差圧が低いため、抽気流量が少ない。その結果、小流量側作動域への拡大が困難であり、かつ小流量時における効率が悪化する。
また、上述した従来のケーシングトリートメントでは、抽気が常時行われるため、最大流量側では効率が悪化するおそれがある。
【０００８】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、圧縮できる最大流量を維持したまま、効率を悪化させることなく小流量側へ作動域を拡大でき、これにより広い流量範囲で作動可能なターボ圧縮機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、軸心を中心に回転する動翼列を有する軸流圧縮機と、
該軸流圧縮機の下流側に同軸に配置され前記軸心を中心に回転する遠心インペラを有する遠心圧縮機と、
前記軸流圧縮機の動翼列と遠心圧縮機の遠心インペラを囲みその内側に気体の流路を構成するケーシングと、
前記動翼列の上流側と下流側のケーシング内面を直接連通する循環流路と、を備え、
前記循環流路の上流端は、前記遠心インペラより上流側であって、静圧が動翼列及び遠心インペラの位置より高い位置に設定されている、ことを特徴とするターボ圧縮機が提供される。
【００１０】
本発明の実施形態によれば、前記軸流圧縮機は前記動翼列の下流側に回転しない静翼列を有しており、
前記循環流路の上流端は、前記静翼列の位置である。
【００１１】
本発明の実施形態によれば、ターボ圧縮機は、前記循環流路を全開又は全閉に択一的に切換可能な流路開閉装置を備える。
【００１２】
本発明の別の実施形態によると、ターボ圧縮機は、前記循環流路を流れる気体の流量を連続的に制御可能な循環量制御装置を備える。
【発明の効果】
【００１３】
上記本発明の構成によれば、循環流路の上流端（抽気位置）が、遠心インペラより上流側であって、静圧が動翼列及び遠心インペラの位置より高い位置に設定されているので、軸流圧縮機の上流側との差圧が大きいため、大量の気体を抽気することができる。
その結果、実際に流入する気体流量が減少した場合でも、抽気流量に相当する分、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量が増加もしくは維持されるため、効率を悪化させることなく小流量側へ作動域を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機の全体構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機の静圧分布図である。
【図３】従来のターボ圧縮機における流量と圧力比及び効率との関係図である。
【図４】本発明の第１実施形態のターボ圧縮機における流量と圧力比及び効率との関係図である。
【図５】本発明の第２実施形態によるターボ圧縮機の全体構成図である。
【図６】図５のＡ−Ａ断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態のターボ圧縮機における流量と圧力比及び効率との関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通または対応する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機の全体構成図である。
この図において、本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機１０は、軸流圧縮機１２、遠心圧縮機１４、ケーシング１６、循環流路１８、及び流路開閉装置２０を備える。
本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機１０は、例えば空気を圧縮する過給機用の圧縮機であるが、本発明はこれに限定されず、その他の圧縮機であってもよい。
【００１７】
軸流圧縮機１２は、軸心Ｚ−Ｚを中心に回転する動翼列１２ａと、動翼列１２ａの下流側（図で右側）で回転しない静翼列１２ｂとを有する。この例において、軸流圧縮機１２は、１列の動翼列１２ａと１列の静翼列１２ｂからなる単段の軸流圧縮機であるが、本発明はこれに限定されず、複数の動翼列１２ａと静翼列１２ｂからなる多段の軸流圧縮機であってもよい。
【００１８】
遠心圧縮機１４は、軸流圧縮機１２の下流側（図で右側）に軸流圧縮機１２と同軸に配置されており、同一の軸心Ｚ−Ｚを中心に回転する遠心インペラ１４ａを有する。
軸流圧縮機１２と遠心圧縮機１４の回転軸（図示せず）は、同一でも別軸でもよい。別軸の場合、それぞれの回転速度は、同一でも相違してもよい。
【００１９】
ケーシング１６は、軸流圧縮機１２の動翼列１２ａ及び静翼列１２ｂと遠心圧縮機１４の遠心インペラ１４ａを囲み、その内側に気体１の流路１５を構成する。
気体１は、例えば空気であるが、その他の気体（排気ガス、窒素ガス、等）であってもよい。
流路１５は、ケーシング１６の内面１６ａと動翼列１２ａが取り付けられたロータ１３との間、及びケーシング１６の内面１６ａと遠心インペラ１４ａの翼部が取り付けられたコーン部１７との間の空間である。流路１５の断面形状は、ドーナツ形状（中空円形）である。
【００２０】
上述した構成により、本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機１０は、前方から吸入した低圧の気体１を軸流圧縮機１２で圧縮して中圧の気体２とし、これを再度遠心圧縮機１４で圧縮して更に圧力の高い高圧の気体３として、外部に送出するようになっている。従って、軸流圧縮機１２と遠心圧縮機１４により高い圧縮比を達成することができる。
【００２１】
図１において、循環流路１８は、動翼列１２ａの上流側（図で左側）と下流側（図で右側）のケーシング内面を直接連通する流路である。
循環流路１８の上流端１８ａは、動翼列１２ａの下流側に位置するケーシング内面に開口しており、循環流路１８の下流端１８ｂは、動翼列１２ａの上流側に位置するケーシング内面に開口している。上流端１８ａと下流端１８ｂを結ぶ循環流路１８の中間部分１８ｃはケーシング１６の内面１６ａより外側に設けられている。
【００２２】
循環流路１８の上流端１８ａ及び下流端１８ｂのケーシング１６の内面１６ａへの開口形状は、周方向に連続的又は断続的に延びる１又は複数のスリット形状であるのが好ましい。
また、中間部分１８ｃの軸心Ｚ−Ｚに直交する断面形状は、上流端１８ａから下流端１８ｂまでの圧力損失を低くできる限りで任意であり、１又は複数の円形、矩形、円弧形状、その他であってもよい。
【００２３】
流路開閉装置２０は、循環流路１８を全開又は全閉に択一的に切換可能に構成されている。
この例において、流路開閉装置２０は、循環流路１８の中間部分１８ｃにおいて軸方向に移動可能な弁部材２０ａと、弁部材２０ａを軸方向に移動させるアクチュエータ２０ｂとからなる。アクチュエータ２０ｂは、弁部材２０ａを下流端１８ｂへの分岐位置（全閉位置）と分岐位置より外側（全開位置）とのいずれかに位置決めするようになっている。
【００２４】
なお、循環流路１８の開閉位置は、下流端１８ｂへの分岐位置に限定されず、上流端１８ａの近傍でも、中間部分１８ｃでもよい。
【００２５】
上述した流路開閉装置２０により、弁部材２０ａを全開位置又は全閉位置に移動することにより、循環流路１８を全開又は全閉に択一的に切換えることができる。
【００２６】
図２は、本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機の静圧分布図である。
この図において、横軸は遠心インペラ１４ａの下流端を基準とする軸方向位置、縦軸は回転中心（Ｚ−Ｚ軸）からの半径方向距離と入口側圧力を基準とする静圧比である。
図中のターボ圧縮機１０は、回転中心（Ｚ−Ｚ軸）の上半分を示している。
また、ターボ圧縮機１０の上部に示す曲線は、循環流路１８がない場合のターボ圧縮機１０の各部に対応する静圧比である。
さらに、図中のＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４は、それぞれ動翼列１２ａの上流側、動翼列１２ａの位置、静翼列１２ｂの位置、及び遠心インペラ１４ａの上流側における静圧を示している。なおこの静圧分布図は、所定の条件におけるシミュレーション結果である。
【００２７】
本発明の第１実施形態によれば、循環流路１８の上流端１８ａは、遠心圧縮機１４の遠心インペラ１４ａより上流側であって、静圧が動翼列１２ａ及び遠心インペラ１４ａの位置より高い位置に設定されている。
すなわち図２の例において、循環流路１８の上流端１８ａは、Ａ３に相当する静翼列１８ｂの位置に設定されている。
【００２８】
この構成により、気体の抽気位置を、遠心インペラ１４ａの中間位置（Ａ４）又は動翼列１２ａの中間位置（Ａ２）とする従来のケーシングトリートメントと比較して、本発明の第１実施形態における気体の抽気位置（Ａ３）の静圧が高く、動翼列１２ａの上流側（Ａ１）との差圧が大きいため、大量の気体を抽気することができる。
【００２９】
図３は、従来のターボ圧縮機における流量と圧力比及び効率との関係図である。
この図において、横軸は流量、縦軸は圧力比と効率である。また、図中の実線は、循環流路（すなわちケーシングトリートメント）がない場合、破線は循環流路がある場合である。
さらに、図中のＢ１は最大回転速度における特性、Ｂ２は最小回転速度における特性、Ｂ３はその中間速度における特性、Ｂ４はサージラインを示している。すなわち、循環流路がない場合、従来のターボ圧縮機はＢ１，Ｂ２，Ｂ４で囲まれる領域が作動領域であることを模式的に示している。
【００３０】
図３において、循環流路がある場合、実際に流入する気体流量が減少した場合でも、抽気流量に相当する分、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量が増加もしくは維持されるため、図中に破線で示すように、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ４の線が小流量側へ移動する。
しかし、上述したように従来の抽気位置は、軸流圧縮機の上流側との差圧が低いため、抽気流量が少なく、小流量側作動域への移動が少ない。
また、従来のケーシングトリートメントでは、抽気が常時行われるため、抽気流量に相当する分、圧縮できる最大流量が減少する場合がある。
【００３１】
図４は、本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機における流量と圧力比及び効率との関係図である。
この図において、図中の実線は循環流路１８が全閉の場合、破線は循環流路１８が全開の場合である。全閉の場合、図３の従来例の循環流路（すなわちケーシングトリートメント）がない場合と一致する。
なお、図３と同様に、図中のＢ１は最大回転速度における特性、Ｂ２は最小回転速度における特性、Ｂ３はその中間速度における特性、Ｂ４はサージラインを示している。すなわち、循環流路がない場合、本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機１０はＢ１，Ｂ２，Ｂ４で囲まれる領域が作動領域であることを模式的に示している。
【００３２】
図４において、循環流路が全開の場合、実際に流入する気体流量が減少した場合でも、抽気流量に相当する分、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量が増加もしくは維持されるため、図中に破線で示すように、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ４の線が小流量側へ移動する。
この場合、本発明の第１実施形態では、図２に示したように、循環流路１８の上流端１８ａ（抽気位置）が、静圧が動翼列１２ａ及び遠心インペラ１４ａの位置より高い位置（Ａ３）に設定されているので、軸流圧縮機１２の上流側（Ａ１）との差圧が大きいため、大量の気体を抽気することができる。
その結果、本発明の第１実施形態では、小流量側へ作動域を拡大することができる。
【００３３】
また、本発明の第１実施形態では、循環流路１８を全開又は全閉に択一的に切換可能な流路開閉装置２０を備えているので、循環流路１８を全開すれば、上述したように小流量側へ作動域を拡大することができ、循環流路１８を全閉すれば、抽気のない場合に圧縮できる最大流量を維持することができる。
従って、流路開閉装置２０を必要に応じて作動させることにより、圧縮できる最大流量を維持したまま、小流量側へ作動域を拡大できる。
【００３４】
図３、図４において図中の折線Ｃは、エンジン作動条件における流量と圧力比の関係を模式的に示している。
折線Ｃの折曲がり位置Ｃ１における効率は、図３と図４の比較から、図４の方が高いことがわかる。
【００３５】
この理由は、従来のケーシングトリートメントでは、循環流路を流れる気体の流量が少なく、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量増加は限定的となるため、結果として効率を維持できないまま小流量側へ作動域が拡大されていると考えられる。
これに対し、本発明の第１実施形態では、循環流路を流れる気体の流量が多く、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量を増加させることが可能となり、効率がほとんど低下しないものと考えられる。
【００３６】
上述したように、本発明の第１実施形態では、軸流圧縮機１２を遠心圧縮機１４と組み合わせ、かつ、より静圧の高くなる軸流段静翼部から抽気を行うことで循環流路１８内の循環流量を増加させることができる。
その結果、見かけ上の流量が増加し、圧縮機の作動域全体が小流量側へシフトする。さらに循環流路１８を流路開閉装置２０によって制御することにより、広範囲で作動可能なターボ圧縮機１０が実現可能となる。
【００３７】
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態によるターボ圧縮機の全体構成図である。
この図において、第２実施形態のターボ圧縮機１０は、軸流圧縮機１２、遠心圧縮機１４、ケーシング１６、循環流路１８、及び循環量制御装置２０を備える。
以下において、主に、上述した第１実施形態によるターボ圧縮機１０を異なる点（構成や作用など）について、第２実施形態によるターボ圧縮機１０を説明する。
以下において、第２実施形態によるターボ圧縮機１０について説明しない点（構成や作用など）は、上述の第１実施形態と同じである。
【００３８】
循環流路１８は、以下のように、第１実施形態の場合と共通する構成と異なる構成をする。
【００３９】
循環流路１８が第１実施形態の場合と共通する構成は、次の通りである。
【００４０】
図５において、循環流路１８は、動翼列１２ａの上流側（図で左側）と下流側（図で右側）のケーシング内面１６ａを直接連通する流路である。
循環流路１８の上流端１８ａは、動翼列１２ａの下流側に位置するケーシング内面１６ａに開口しており、循環流路１８の下流端１８ｂは、動翼列１２ａの上流側に位置するケーシング内面１６ａに開口している。上流端１８ａと下流端１８ｂを結ぶ循環流路１８の中間部分１８ｃはケーシング１６の内面１６ａより外側に設けられている。
【００４１】
循環流路１８の上流端１８ａ及び下流端１８ｂのケーシング１６の内面１６ａへの開口形状は、周方向に連続的又は断続的に延びる１又は複数のスリット形状であるのが好ましい。
【００４２】
循環流路１８が第１実施形態の場合と異なる構成は、次の通りである。
【００４３】
図６は、図５のＡ−Ａ断面図である。
図５、図６に示すように、循環流路１８の中間部分１８ｃの少なくとも一部は、その外面１９ａ及び内面１９ｂが軸心Ｚ−Ｚ上の点Ｏを中心とする球面形状になっている。この例において、外面１９ａは点Ｏを中心とする半径Ｒ１の球面の一部であり、内面１９ｂは点Ｏを中心とする半径Ｒ２の球面の一部である。
【００４４】
従って、この部分において、循環流路１８の点Ｏを通る平面での断面形状は、点Ｏを中心とする中空円形となる。しかし、本発明は、中空円形の断面形状に限定されず、その一部が分割された円弧形状であってもよい。
【００４５】
第２実施形態では、流路開閉装置２０の代わりに、循環量制御装置２０が設けられる。
【００４６】
循環量制御装置２０は、循環流路１８を流れる気体の流量を連続的に制御できるように構成されている。
この例において、循環量制御装置２０は、前記球面形状の外面１９ａ及び内面１９ｂに沿って円弧状に延びる複数のベーン２０ａと、Ｚ−Ｚ上の点Ｏを通る揺動軸２１を中心に複数のベーン２０ａを揺動させるアクチュエータ２０ｂとからなる。なお、各ベーン２０ａは、軸心Ｚ−Ｚと平行な方向においても、当該方向と直交する方向においても、前記球面形状の外面１９ａ及び内面１９ｂに沿って延びる。従って、各ベーン２０ａにおいて、外面１９ａと対向する面、および内面１９ｂと対向する面は、それぞれ球面の一部を構成する。
複数のベーン２０ａの揺動は、同期するのが好ましい。また、この同期を達成するために、複数の揺動軸２１を同期させる同期機構を用いるのが好ましい。また各揺動軸２１をそれぞれ別のアクチュエータ２０ｂで同期させてもよい。
【００４７】
ベーン２０ａの気体の流れに沿った断面形状は、この例では平板であるが、翼形であるのが好ましく、その他の形状であってもよい。
【００４８】
また、図６において、複数のベーン２０ａは、周方向に３０度ピッチで１２枚設けられ、それぞれ揺動軸２１を中心に揺動して、循環流路１８の中空円形流路を全閉できるようになっている。さらに全閉から揺動軸２１を９０度揺動させることにより、循環流路１８を全開することができる。
従って、この構成により、循環流路１８の流量を全閉から全開まで制御することができる。
なお、本発明は、この構成に限定されず、循環流路１８の流量を連続的に制御できればよい。
【００４９】
また、上述した複数のベーン２０ａは、揺動軸２１を中心に揺動して流量を連続的に制御するため、ベーン２０ａを通過した気体は、ベーンの向きにより、軸心Ｚ−Ｚを中心とする旋回（スワール）が付加される。
このスワールの方向は、圧縮機の回転方向と同じ順スワールでも、圧縮機の回転方向と逆向きの逆スワールでもよい。また、このスワールにより、動翼列１２ａに流入する気体全体のスワールを制御し、効率を高めてもよい。
【００５０】
上述した循環量制御装置２０により、複数のベーン２０ａを同期して揺動することにより、循環流路１８を流れる気体の流量を連続的に制御することができる。
【００５１】
本発明の第２実施形態によれば、循環流路１８の上流端１８ａは、第１実施形態と同様に、遠心圧縮機１４の遠心インペラ１４ａより上流側であって、静圧が動翼列１２ａ及び遠心インペラ１４ａの位置より高い位置に設定されている。
すなわち図２の例において、循環流路１８の上流端１８ａは、Ａ３に相当する静翼列１２ｂの位置に設定されている。
【００５２】
この構成により、気体の抽気位置を、遠心インペラ１４ａの中間位置（Ａ４）又は動翼列１２ａの中間位置（Ａ２）とする従来のケーシングトリートメントと比較して、本発明の第２実施形態における気体の抽気位置（Ａ３）の静圧が高く、動翼列１２ａの上流側（Ａ１）との差圧が大きいため、大量の気体を抽気することができる。
【００５３】
図７は、本発明の第２実施形態によるターボ圧縮機における流量と圧力比及び効率との関係図である。
この図において、図中の太い実線は循環流路１８が全閉の場合、破線は循環流路１８が全開の場合である。全閉の場合、図３の従来例の循環流路（すなわちケーシングトリートメント）がない場合と一致する。また、細い実線は、全閉と全開の中間位置、すなわち循環流路１８を流れる流量が最大と最小の中間流量の場合である。
【００５４】
なお、図３と同様に、図中のＢ１は最大回転速度における特性、Ｂ２は最小回転速度における特性、Ｂ３はその中間速度における特性、Ｂ４はサージラインを示している。すなわち、循環流路がない場合、本発明の第２実施形態によるターボ圧縮機１０はＢ１，Ｂ２，Ｂ４で囲まれる領域が作動領域であることを模式的に示している。
【００５５】
図７において、循環流路が全開の場合、実際に流入する気体流量が減少した場合でも、抽気流量に相当する分、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量が増加もしくは維持されるため、図中に破線で示すように、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ４の線が小流量側へ移動する。
この場合、本発明の第２実施形態では、図２に示したように、循環流路１８の上流端１８ａ（抽気位置）が、静圧が動翼列１２ａ及び遠心インペラ１４ａの位置より高い位置（Ａ３）に設定されているので、軸流圧縮機１２の上流側（Ａ１）との差圧が大きいため、大量の気体を抽気することができる。
その結果、本発明の第２実施形態では、小流量側へ作動域を拡大することができる。
【００５６】
また、本発明の第２実施形態では、循環流路１８を流れる気体の流量を連続的に制御可能な循環量制御装置２０を備えているので、循環流路１８の流量を増加させれば、上述したように小流量側へ作動域を拡大することができ、循環流路１８の流量を減少させてゼロにすれば、抽気のない場合に圧縮できる最大流量を維持することができる。さらに、図７で細い実線で示したように、循環流路１８の流量を中間流量で運転することもできる。
従って、循環量制御装置２０により循環流路１８の流量を制御することにより、圧縮できる最大流量を維持したまま、効率を悪化させることなく小流量側へ作動域を拡大できる。
【００５７】
図３、図７において図中の折線Ｃは、エンジン作動条件における流量と圧力比の関係を模式的に示している。
折線Ｃの折曲がり位置Ｃ１における効率は、図３と図７の比較から、図７の方が高いことがわかる。
【００５８】
この理由は、従来のケーシングトリートメントでは、循環流路を流れる気体の流量が少なく、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量増加は限定的となるため、結果として効率を維持できないまま小流量側へ作動域が拡大されていると考えられる。
これに対し、本発明の第２実施形態では、循環流路を流れる気体の流量が多く、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量を増加させることが可能となり、効率がほとんど低下しないものと考えられる。
【００５９】
上述したように、本発明の第２実施形態では、軸流圧縮機１２を遠心圧縮機１４と組み合わせ、かつ、より静圧の高くなる軸流段静翼部から抽気を行うことで循環流路１８内の循環流量を増加させることができる。
その結果、見かけ上の流量が増加し、圧縮機の作動域全体が小流量側へシフトする。さらに循環流路１８の流量を循環量制御装置２０によって連続的に制御することにより、広範囲で作動可能なターボ圧縮機１０が実現可能となる。
【００６０】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【符号の説明】
【００６１】
１ 低圧の気体、２ 中圧の気体、３ 高圧の気体、
１０ ターボ圧縮機、１２ 軸流圧縮機、
１２ａ 動翼列、１２ｂ 静翼列、１３ ロータ、
１４ 遠心圧縮機、１４ａ 遠心インペラ、
１５ 流路、１６ ケーシング、１６ａ 内面、
１７ コーン部、１８ 循環流路、
１８ａ 上流端、１８ｂ 下流端、１８ｃ 中間部分、
２０ 流路開閉装置、循環量制御装置 ２０ａ 弁部材、ベーン、２０ｂ アクチュエータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸流圧縮機と遠心圧縮機を組み合わせたターボ圧縮機に係わり、さらに詳しくは、ケーシングトリートメントを備えたターボ圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ圧縮機（軸流圧縮機と遠心圧縮機）の小流量側の作動域を拡大する手段として、循環型のケーシングトリートメントが提案され、既に用いられている（例えば、特許文献１〜４）。
【０００３】
特許文献１，２は、遠心圧縮機に関するものであり、インペラが位置するケーシングに設置されたスリットから気体を抽気してインペラの上流側に気体を循環させるものである。
特許文献３は、軸流圧縮機に関するものであり、インペラが位置するケーシングに周方向に延びるスリットを設け、このスリット内で気体を循環させるものである。
特許文献４は、軸流圧縮機に関するものであり、インペラが位置するケーシングに設置されたスリットから気体を抽気してインペラの上流側に気体を循環させるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２０９８５８号公報、「遠心圧縮機」
【特許文献２】米国特許第４，７４３，１６１号公報、「ＣＯＭＰＲＥＳＳＯＲＳ」
【特許文献３】米国特許第５，７０７，２０６号公報、「ＴＵＲＢＯＭＡＣＨＩＮＥ」
【特許文献４】米国特許第５，６０７，２８４号公報、「ＢＡＦＦＬＥＤ ＰＡＳＳＡＧＥ ＣＡＳＩＮＧ ＴＲＥＡＴＭＥＮＴ ＦＯＲ ＣＯＭＰＲＥＳＳＯＲ ＢＬＡＤＥＳ」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
軸流圧縮機の下流側に遠心圧縮機を組み合わせ、軸流圧縮機で圧縮した気体を再度遠心圧縮機で圧縮して高圧縮比を達成するターボ圧縮機の開発が進められている。
【０００６】
このターボ圧縮機において、上述した従来のケーシングトリートメントを適用した場合、以下の問題点があった。
【０００７】
従来のケーシングトリートメントでは、気体の抽気位置は、遠心圧縮機のインペラの中間位置、又は軸流圧縮機のインペラの中間位置である。しかし、これらの抽気位置は、軸流圧縮機の上流側との差圧が低いため、抽気流量が少ない。その結果、小流量側作動域への拡大が困難であり、かつ小流量時における効率が悪化する。
また、上述した従来のケーシングトリートメントでは、抽気が常時行われるため、最大流量側では効率が悪化するおそれがある。
【０００８】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、圧縮できる最大流量を維持したまま、効率を悪化させることなく小流量側へ作動域を拡大でき、これにより広い流量範囲で作動可能なターボ圧縮機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、軸心を中心に回転する動翼列を有する軸流圧縮機と、
該軸流圧縮機の下流側に同軸に配置され前記軸心を中心に回転する遠心インペラを有する遠心圧縮機と、
前記軸流圧縮機の動翼列と遠心圧縮機の遠心インペラを囲みその内側に気体の流路を構成するケーシングと、
前記動翼列の上流側と下流側のケーシング内面を直接連通する循環流路と、を備え、
前記循環流路の上流端は、前記遠心インペラより上流側であって、静圧が動翼列及び遠心インペラの位置より高い位置に設定されている、ことを特徴とするターボ圧縮機が提供される。
【００１０】
本発明の実施形態によれば、前記軸流圧縮機は前記動翼列の下流側に回転しない静翼列を有しており、
前記循環流路の上流端は、前記静翼列の位置である。
【００１１】
本発明の実施形態によれば、ターボ圧縮機は、前記循環流路を全開又は全閉に択一的に切換可能な流路開閉装置を備える。
【００１２】
本発明の別の実施形態によると、ターボ圧縮機は、前記循環流路を流れる気体の流量を連続的に制御可能な循環量制御装置を備える。
【発明の効果】
【００１３】
上記本発明の構成によれば、循環流路の上流端（抽気位置）が、遠心インペラより上流側であって、静圧が動翼列及び遠心インペラの位置より高い位置に設定されているので、軸流圧縮機の上流側との差圧が大きいため、大量の気体を抽気することができる。
その結果、実際に流入する気体流量が減少した場合でも、抽気流量に相当する分、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量が増加もしくは維持されるため、効率を悪化させることなく小流量側へ作動域を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機の全体構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機の静圧分布図である。
【図３】従来のターボ圧縮機における流量と圧力比及び効率との関係図である。
【図４】本発明の第１実施形態のターボ圧縮機における流量と圧力比及び効率との関係図である。
【図５】本発明の第２実施形態によるターボ圧縮機の全体構成図である。
【図６】図５のＡ−Ａ断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態のターボ圧縮機における流量と圧力比及び効率との関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通または対応する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機の全体構成図である。
この図において、本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機１０は、軸流圧縮機１２、遠心圧縮機１４、ケーシング１６、循環流路１８、及び流路開閉装置２０を備える。
本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機１０は、例えば空気を圧縮する過給機用の圧縮機であるが、本発明はこれに限定されず、その他の圧縮機であってもよい。
【００１７】
軸流圧縮機１２は、軸心Ｚ−Ｚを中心に回転する動翼列１２ａと、動翼列１２ａの下流側（図で右側）で回転しない静翼列１２ｂとを有する。この例において、軸流圧縮機１２は、１列の動翼列１２ａと１列の静翼列１２ｂからなる単段の軸流圧縮機であるが、本発明はこれに限定されず、複数の動翼列１２ａと静翼列１２ｂからなる多段の軸流圧縮機であってもよい。
【００１８】
遠心圧縮機１４は、軸流圧縮機１２の下流側（図で右側）に軸流圧縮機１２と同軸に配置されており、同一の軸心Ｚ−Ｚを中心に回転する遠心インペラ１４ａを有する。
軸流圧縮機１２と遠心圧縮機１４の回転軸（図示せず）は、同一でも別軸でもよい。別軸の場合、それぞれの回転速度は、同一でも相違してもよい。
【００１９】
ケーシング１６は、軸流圧縮機１２の動翼列１２ａ及び静翼列１２ｂと遠心圧縮機１４の遠心インペラ１４ａを囲み、その内側に気体１の流路１５を構成する。
気体１は、例えば空気であるが、その他の気体（排気ガス、窒素ガス、等）であってもよい。
流路１５は、ケーシング１６の内面１６ａと動翼列１２ａが取り付けられたロータ１３との間、及びケーシング１６の内面１６ａと遠心インペラ１４ａの翼部が取り付けられたコーン部１７との間の空間である。流路１５の断面形状は、ドーナツ形状（中空円形）である。
【００２０】
上述した構成により、本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機１０は、前方から吸入した低圧の気体１を軸流圧縮機１２で圧縮して中圧の気体２とし、これを再度遠心圧縮機１４で圧縮して更に圧力の高い高圧の気体３として、外部に送出するようになっている。従って、軸流圧縮機１２と遠心圧縮機１４により高い圧縮比を達成することができる。
【００２１】
図１において、循環流路１８は、動翼列１２ａの上流側（図で左側）と下流側（図で右側）のケーシング内面を直接連通する流路である。
循環流路１８の上流端１８ａは、動翼列１２ａの下流側に位置するケーシング内面に開口しており、循環流路１８の下流端１８ｂは、動翼列１２ａの上流側に位置するケーシング内面に開口している。上流端１８ａと下流端１８ｂを結ぶ循環流路１８の中間部分１８ｃはケーシング１６の内面１６ａより外側に設けられている。
【００２２】
循環流路１８の上流端１８ａ及び下流端１８ｂのケーシング１６の内面１６ａへの開口形状は、周方向に連続的又は断続的に延びる１又は複数のスリット形状であるのが好ましい。
また、中間部分１８ｃの軸心Ｚ−Ｚに直交する断面形状は、上流端１８ａから下流端１８ｂまでの圧力損失を低くできる限りで任意であり、１又は複数の円形、矩形、円弧形状、その他であってもよい。
【００２３】
流路開閉装置２０は、循環流路１８を全開又は全閉に択一的に切換可能に構成されている。
この例において、流路開閉装置２０は、循環流路１８の中間部分１８ｃにおいて軸方向に移動可能な弁部材２０ａと、弁部材２０ａを軸方向に移動させるアクチュエータ２０ｂとからなる。アクチュエータ２０ｂは、弁部材２０ａを下流端１８ｂへの分岐位置（全閉位置）と分岐位置より外側（全開位置）とのいずれかに位置決めするようになっている。
【００２４】
なお、循環流路１８の開閉位置は、下流端１８ｂへの分岐位置に限定されず、上流端１８ａの近傍でも、中間部分１８ｃでもよい。
【００２５】
上述した流路開閉装置２０により、弁部材２０ａを全開位置又は全閉位置に移動することにより、循環流路１８を全開又は全閉に択一的に切換えることができる。
【００２６】
図２は、本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機の静圧分布図である。
この図において、横軸は遠心インペラ１４ａの下流端を基準とする軸方向位置、縦軸は回転中心（Ｚ−Ｚ軸）からの半径方向距離と入口側圧力を基準とする静圧比である。
図中のターボ圧縮機１０は、回転中心（Ｚ−Ｚ軸）の上半分を示している。
また、ターボ圧縮機１０の上部に示す曲線は、循環流路１８がない場合のターボ圧縮機１０の各部に対応する静圧比である。
さらに、図中のＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４は、それぞれ動翼列１２ａの上流側、動翼列１２ａの位置、静翼列１２ｂの位置、及び遠心インペラ１４ａの上流側における静圧を示している。なおこの静圧分布図は、所定の条件におけるシミュレーション結果である。
【００２７】
本発明の第１実施形態によれば、循環流路１８の上流端１８ａは、遠心圧縮機１４の遠心インペラ１４ａより上流側であって、静圧が動翼列１２ａ及び遠心インペラ１４ａの位置より高い位置に設定されている。
すなわち図２の例において、循環流路１８の上流端１８ａは、Ａ３に相当する静翼列１８ｂの位置に設定されている。
【００２８】
この構成により、気体の抽気位置を、遠心インペラ１４ａの中間位置（Ａ４）又は動翼列１２ａの中間位置（Ａ２）とする従来のケーシングトリートメントと比較して、本発明の第１実施形態における気体の抽気位置（Ａ３）の静圧が高く、動翼列１２ａの上流側（Ａ１）との差圧が大きいため、大量の気体を抽気することができる。
【００２９】
図３は、従来のターボ圧縮機における流量と圧力比及び効率との関係図である。
この図において、横軸は流量、縦軸は圧力比と効率である。また、図中の実線は、循環流路（すなわちケーシングトリートメント）がない場合、破線は循環流路がある場合である。
さらに、図中のＢ１は最大回転速度における特性、Ｂ２は最小回転速度における特性、Ｂ３はその中間速度における特性、Ｂ４はサージラインを示している。すなわち、循環流路がない場合、従来のターボ圧縮機はＢ１，Ｂ２，Ｂ４で囲まれる領域が作動領域であることを模式的に示している。
【００３０】
図３において、循環流路がある場合、実際に流入する気体流量が減少した場合でも、抽気流量に相当する分、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量が増加もしくは維持されるため、図中に破線で示すように、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ４の線が小流量側へ移動する。
しかし、上述したように従来の抽気位置は、軸流圧縮機の上流側との差圧が低いため、抽気流量が少なく、小流量側作動域への移動が少ない。
また、従来のケーシングトリートメントでは、抽気が常時行われるため、抽気流量に相当する分、圧縮できる最大流量が減少する場合がある。
【００３１】
図４は、本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機における流量と圧力比及び効率との関係図である。
この図において、図中の実線は循環流路１８が全閉の場合、破線は循環流路１８が全開の場合である。全閉の場合、図３の従来例の循環流路（すなわちケーシングトリートメント）がない場合と一致する。
なお、図３と同様に、図中のＢ１は最大回転速度における特性、Ｂ２は最小回転速度における特性、Ｂ３はその中間速度における特性、Ｂ４はサージラインを示している。すなわち、循環流路がない場合、本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機１０はＢ１，Ｂ２，Ｂ４で囲まれる領域が作動領域であることを模式的に示している。
【００３２】
図４において、循環流路が全開の場合、実際に流入する気体流量が減少した場合でも、抽気流量に相当する分、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量が増加もしくは維持されるため、図中に破線で示すように、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ４の線が小流量側へ移動する。
この場合、本発明の第１実施形態では、図２に示したように、循環流路１８の上流端１８ａ（抽気位置）が、静圧が動翼列１２ａ及び遠心インペラ１４ａの位置より高い位置（Ａ３）に設定されているので、軸流圧縮機１２の上流側（Ａ１）との差圧が大きいため、大量の気体を抽気することができる。
その結果、本発明の第１実施形態では、小流量側へ作動域を拡大することができる。
【００３３】
また、本発明の第１実施形態では、循環流路１８を全開又は全閉に択一的に切換可能な流路開閉装置２０を備えているので、循環流路１８を全開すれば、上述したように小流量側へ作動域を拡大することができ、循環流路１８を全閉すれば、抽気のない場合に圧縮できる最大流量を維持することができる。
従って、流路開閉装置２０を必要に応じて作動させることにより、圧縮できる最大流量を維持したまま、小流量側へ作動域を拡大できる。
【００３４】
図３、図４において図中の折線Ｃは、エンジン作動条件における流量と圧力比の関係を模式的に示している。
折線Ｃの折曲がり位置Ｃ１における効率は、図３と図４の比較から、図４の方が高いことがわかる。
【００３５】
この理由は、従来のケーシングトリートメントでは、循環流路を流れる気体の流量が少なく、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量増加は限定的となるため、結果として効率を維持できないまま小流量側へ作動域が拡大されていると考えられる。
これに対し、本発明の第１実施形態では、循環流路を流れる気体の流量が多く、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量を増加させることが可能となり、効率がほとんど低下しないものと考えられる。
【００３６】
上述したように、本発明の第１実施形態では、軸流圧縮機１２を遠心圧縮機１４と組み合わせ、かつ、より静圧の高くなる軸流段静翼部から抽気を行うことで循環流路１８内の循環流量を増加させることができる。
その結果、見かけ上の流量が増加し、圧縮機の作動域全体が小流量側へシフトする。さらに循環流路１８を流路開閉装置２０によって制御することにより、広範囲で作動可能なターボ圧縮機１０が実現可能となる。
【００３７】
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態によるターボ圧縮機の全体構成図である。
この図において、第２実施形態のターボ圧縮機１０は、軸流圧縮機１２、遠心圧縮機１４、ケーシング１６、循環流路１８、及び循環量制御装置２０を備える。
以下において、主に、上述した第１実施形態によるターボ圧縮機１０を異なる点（構成や作用など）について、第２実施形態によるターボ圧縮機１０を説明する。
以下において、第２実施形態によるターボ圧縮機１０について説明しない点（構成や作用など）は、上述の第１実施形態と同じである。
【００３８】
循環流路１８は、以下のように、第１実施形態の場合と共通する構成と異なる構成をする。
【００３９】
循環流路１８が第１実施形態の場合と共通する構成は、次の通りである。
【００４０】
図５において、循環流路１８は、動翼列１２ａの上流側（図で左側）と下流側（図で右側）のケーシング内面１６ａを直接連通する流路である。
循環流路１８の上流端１８ａは、動翼列１２ａの下流側に位置するケーシング内面１６ａに開口しており、循環流路１８の下流端１８ｂは、動翼列１２ａの上流側に位置するケーシング内面１６ａに開口している。上流端１８ａと下流端１８ｂを結ぶ循環流路１８の中間部分１８ｃはケーシング１６の内面１６ａより外側に設けられている。
【００４１】
循環流路１８の上流端１８ａ及び下流端１８ｂのケーシング１６の内面１６ａへの開口形状は、周方向に連続的又は断続的に延びる１又は複数のスリット形状であるのが好ましい。
【００４２】
循環流路１８が第１実施形態の場合と異なる構成は、次の通りである。
【００４３】
図６は、図５のＡ−Ａ断面図である。
図５、図６に示すように、循環流路１８の中間部分１８ｃの少なくとも一部は、その外面１９ａ及び内面１９ｂが軸心Ｚ−Ｚ上の点Ｏを中心とする球面形状になっている。この例において、外面１９ａは点Ｏを中心とする半径Ｒ１の球面の一部であり、内面１９ｂは点Ｏを中心とする半径Ｒ２の球面の一部である。
【００４４】
従って、この部分において、循環流路１８の点Ｏを通る平面での断面形状は、点Ｏを中心とする中空円形となる。しかし、本発明は、中空円形の断面形状に限定されず、その一部が分割された円弧形状であってもよい。
【００４５】
第２実施形態では、流路開閉装置２０の代わりに、循環量制御装置２０が設けられる。
【００４６】
循環量制御装置２０は、循環流路１８を流れる気体の流量を連続的に制御できるように構成されている。
この例において、循環量制御装置２０は、前記球面形状の外面１９ａ及び内面１９ｂに沿って円弧状に延びる複数のベーン２０ａと、Ｚ−Ｚ上の点Ｏを通る揺動軸２１を中心に複数のベーン２０ａを揺動させるアクチュエータ２０ｂとからなる。なお、各ベーン２０ａは、軸心Ｚ−Ｚと平行な方向においても、当該方向と直交する方向においても、前記球面形状の外面１９ａ及び内面１９ｂに沿って延びる。従って、各ベーン２０ａにおいて、外面１９ａと対向する面、および内面１９ｂと対向する面は、それぞれ球面の一部を構成する。
複数のベーン２０ａの揺動は、同期するのが好ましい。また、この同期を達成するために、複数の揺動軸２１を同期させる同期機構を用いるのが好ましい。また各揺動軸２１をそれぞれ別のアクチュエータ２０ｂで同期させてもよい。
【００４７】
ベーン２０ａの気体の流れに沿った断面形状は、この例では平板であるが、翼形であるのが好ましく、その他の形状であってもよい。
【００４８】
また、図６において、複数のベーン２０ａは、周方向に３０度ピッチで１２枚設けられ、それぞれ揺動軸２１を中心に揺動して、循環流路１８の中空円形流路を全閉できるようになっている。さらに全閉から揺動軸２１を９０度揺動させることにより、循環流路１８を全開することができる。
従って、この構成により、循環流路１８の流量を全閉から全開まで制御することができる。
なお、本発明は、この構成に限定されず、循環流路１８の流量を連続的に制御できればよい。
【００４９】
また、上述した複数のベーン２０ａは、揺動軸２１を中心に揺動して流量を連続的に制御するため、ベーン２０ａを通過した気体は、ベーンの向きにより、軸心Ｚ−Ｚを中心とする旋回（スワール）が付加される。
このスワールの方向は、圧縮機の回転方向と同じ順スワールでも、圧縮機の回転方向と逆向きの逆スワールでもよい。また、このスワールにより、動翼列１２ａに流入する気体全体のスワールを制御し、効率を高めてもよい。
【００５０】
上述した循環量制御装置２０により、複数のベーン２０ａを同期して揺動することにより、循環流路１８を流れる気体の流量を連続的に制御することができる。
【００５１】
本発明の第２実施形態によれば、循環流路１８の上流端１８ａは、第１実施形態と同様に、遠心圧縮機１４の遠心インペラ１４ａより上流側であって、静圧が動翼列１２ａ及び遠心インペラ１４ａの位置より高い位置に設定されている。
すなわち図２の例において、循環流路１８の上流端１８ａは、Ａ３に相当する静翼列１２ｂの位置に設定されている。
【００５２】
この構成により、気体の抽気位置を、遠心インペラ１４ａの中間位置（Ａ４）又は動翼列１２ａの中間位置（Ａ２）とする従来のケーシングトリートメントと比較して、本発明の第２実施形態における気体の抽気位置（Ａ３）の静圧が高く、動翼列１２ａの上流側（Ａ１）との差圧が大きいため、大量の気体を抽気することができる。
【００５３】
図７は、本発明の第２実施形態によるターボ圧縮機における流量と圧力比及び効率との関係図である。
この図において、図中の太い実線は循環流路１８が全閉の場合、破線は循環流路１８が全開の場合である。全閉の場合、図３の従来例の循環流路（すなわちケーシングトリートメント）がない場合と一致する。また、細い実線は、全閉と全開の中間位置、すなわち循環流路１８を流れる流量が最大と最小の中間流量の場合である。
【００５４】
なお、図３と同様に、図中のＢ１は最大回転速度における特性、Ｂ２は最小回転速度における特性、Ｂ３はその中間速度における特性、Ｂ４はサージラインを示している。すなわち、循環流路がない場合、本発明の第２実施形態によるターボ圧縮機１０はＢ１，Ｂ２，Ｂ４で囲まれる領域が作動領域であることを模式的に示している。
【００５５】
図７において、循環流路が全開の場合、実際に流入する気体流量が減少した場合でも、抽気流量に相当する分、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量が増加もしくは維持されるため、図中に破線で示すように、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ４の線が小流量側へ移動する。
この場合、本発明の第２実施形態では、図２に示したように、循環流路１８の上流端１８ａ（抽気位置）が、静圧が動翼列１２ａ及び遠心インペラ１４ａの位置より高い位置（Ａ３）に設定されているので、軸流圧縮機１２の上流側（Ａ１）との差圧が大きいため、大量の気体を抽気することができる。
その結果、本発明の第２実施形態では、小流量側へ作動域を拡大することができる。
【００５６】
また、本発明の第２実施形態では、循環流路１８を流れる気体の流量を連続的に制御可能な循環量制御装置２０を備えているので、循環流路１８の流量を増加させれば、上述したように小流量側へ作動域を拡大することができ、循環流路１８の流量を減少させてゼロにすれば、抽気のない場合に圧縮できる最大流量を維持することができる。さらに、図７で細い実線で示したように、循環流路１８の流量を中間流量で運転することもできる。
従って、循環量制御装置２０により循環流路１８の流量を制御することにより、圧縮できる最大流量を維持したまま、効率を悪化させることなく小流量側へ作動域を拡大できる。
【００５７】
図３、図７において図中の折線Ｃは、エンジン作動条件における流量と圧力比の関係を模式的に示している。
折線Ｃの折曲がり位置Ｃ１における効率は、図３と図７の比較から、図７の方が高いことがわかる。
【００５８】
この理由は、従来のケーシングトリートメントでは、循環流路を流れる気体の流量が少なく、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量増加は限定的となるため、結果として効率を維持できないまま小流量側へ作動域が拡大されていると考えられる。
これに対し、本発明の第２実施形態では、循環流路を流れる気体の流量が多く、圧縮機インペラへと流入する見かけの流量を増加させることが可能となり、効率がほとんど低下しないものと考えられる。
【００５９】
上述したように、本発明の第２実施形態では、軸流圧縮機１２を遠心圧縮機１４と組み合わせ、かつ、より静圧の高くなる軸流段静翼部から抽気を行うことで循環流路１８内の循環流量を増加させることができる。
その結果、見かけ上の流量が増加し、圧縮機の作動域全体が小流量側へシフトする。さらに循環流路１８の流量を循環量制御装置２０によって連続的に制御することにより、広範囲で作動可能なターボ圧縮機１０が実現可能となる。
【００６０】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【符号の説明】
【００６１】
１ 低圧の気体、２ 中圧の気体、３ 高圧の気体、
１０ ターボ圧縮機、１２ 軸流圧縮機、
１２ａ 動翼列、１２ｂ 静翼列、１３ ロータ、
１４ 遠心圧縮機、１４ａ 遠心インペラ、
１５ 流路、１６ ケーシング、１６ａ 内面、
１７ コーン部、１８ 循環流路、
１８ａ 上流端、１８ｂ 下流端、１８ｃ 中間部分、
２０ 流路開閉装置、循環量制御装置 ２０ａ 弁部材、ベーン、２０ｂ アクチュエータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸心を中心に回転する動翼列を有する軸流圧縮機と、
該軸流圧縮機の下流側に同軸に配置され前記軸心を中心に回転する遠心インペラを有する遠心圧縮機と、
前記軸流圧縮機の動翼列と遠心圧縮機の遠心インペラを囲みその内側に気体の流路を構成するケーシングと、
前記動翼列の上流側と下流側のケーシング内面を直接連通する循環流路と、を備え、
前記循環流路の上流端は、前記遠心インペラより上流側であって、静圧が動翼列及び遠心インペラの位置より高い位置に設定されている、ことを特徴とするターボ圧縮機。
【請求項２】
前記軸流圧縮機は前記動翼列の下流側に回転しない静翼列を有しており、
前記循環流路の上流端は、前記静翼列の位置である、ことを特徴とする請求項１に記載のターボ圧縮機。
【請求項３】
前記循環流路を全開又は全閉に択一的に切換可能な流路開閉装置を備える、ことを特徴とする請求項１または２に記載のターボ圧縮機。
【請求項４】
前記循環流路を流れる気体の流量を連続的に制御可能な循環量制御装置を備える、ことを特徴とする請求項１または２に記載のターボ圧縮機。
【請求項１】
軸心を中心に回転する動翼列を有する軸流圧縮機と、
該軸流圧縮機の下流側に同軸に配置され前記軸心を中心に回転する遠心インペラを有する遠心圧縮機と、
前記軸流圧縮機の動翼列と遠心圧縮機の遠心インペラを囲みその内側に気体の流路を構成するケーシングと、
前記動翼列の上流側と下流側のケーシング内面を直接連通する循環流路と、を備え、
前記循環流路の上流端は、前記遠心インペラより上流側であって、静圧が動翼列及び遠心インペラの位置より高い位置に設定されている、ことを特徴とするターボ圧縮機。
【請求項２】
前記軸流圧縮機は前記動翼列の下流側に回転しない静翼列を有しており、
前記循環流路の上流端は、前記静翼列の位置である、ことを特徴とする請求項１に記載のターボ圧縮機。
【請求項３】
前記循環流路を全開又は全閉に択一的に切換可能な流路開閉装置を備える、ことを特徴とする請求項１または２に記載のターボ圧縮機。
【請求項４】
前記循環流路を流れる気体の流量を連続的に制御可能な循環量制御装置を備える、ことを特徴とする請求項１または２に記載のターボ圧縮機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−４１８２６（Ｐ２０１２−４１８２６Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８１５５０（Ｐ２０１０−１８１５５０）
【出願日】平成２２年８月１６日（２０１０．８．１６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１６日（２０１０．８．１６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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