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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6730917
(24)【登録日】2020年7月7日
(45)【発行日】2020年7月29日
(54)【発明の名称】遠心圧縮機及びターボチャージャ
(51)【国際特許分類】
F04D 29/66 20060101AFI20200716BHJP
F04D 29/42 20060101ALI20200716BHJP
F04D 29/44 20060101ALI20200716BHJP
F02B 37/00 20060101ALI20200716BHJP
F02B 39/00 20060101ALI20200716BHJP
【ＦＩ】
F04D29/66 H
F04D29/42 H
F04D29/44 P
F02B37/00 301F
F02B39/00 G
F02B39/00 Q
【請求項の数】13
【全頁数】27
(21)【出願番号】特願2016-234766(P2016-234766)
(22)【出願日】2016年12月2日
(65)【公開番号】特開2018-91207(P2018-91207A)
(43)【公開日】2018年6月14日
【審査請求日】2019年2月12日
(73)【特許権者】
【識別番号】316015888
【氏名又は名称】三菱重工エンジン＆ターボチャージャ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000785
【氏名又は名称】誠真ＩＰ特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】東森 弘高
(72)【発明者】
【氏名】神坂 直志
【審査官】
山崎 孔徳
(56)【参考文献】
【文献】
米国特許出願公開第２００７／０２６９３０８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特開２０１０−１９００８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開昭５９−０１５６９６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ０４Ｄ ２９／６６
Ｆ０２Ｂ ３７／００
Ｆ０２Ｂ ３９／００
Ｆ０４Ｄ ２９／４２
Ｆ０４Ｄ ２９／４４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
インペラ及び前記インペラを収容する第１シュラウドケーシングを備える遠心圧縮機であって、
前記インペラは、ハブと、前記ハブの外周面に立設された複数の翼とを含み、
前記複数の翼のうち少なくとも一つの翼は、
前記第１シュラウドケーシングに沿って延在する第１先端縁と、
前記第１先端縁の上流端から前記インペラの径方向における内側へ延在する第１前縁と、
前記径方向における前記第１前縁の内側端から上流側へ延在する第２先端縁と、
前記第２先端縁の上流端から前記径方向における内側へ延在する第２前縁と、
を含み、
前記第１シュラウドケーシングの内周面の内側に設けられた第２シュラウドケーシングを更に備え、
前記第２シュラウドケーシングは、第１前縁の上流側に位置し、前記第１シュラウドケーシングの内周面との間に第１流路を形成するとともに、前記第２シュラウドケーシングの内周面の内側に第２流路を形成するよう構成され、
前記第２シュラウドケーシングの内周面は、前記第２シュラウドケーシングの下流端から上流側に向かって前記インペラの回転軸線に対して平行に延在する平行面と、前記平行面の上流端から上流側に向かうにつれて半径が大きくなるベルマウス形状を有するベルマウス面と、前記ベルマウス面の上流端と前記第２シュラウドケーシングの外周面とを接続する曲面状の接続面と、を含む、遠心圧縮機。
前記インペラは、ハブと、前記ハブの外周面に立設された複数の翼とを含み、
前記複数の翼のうち少なくとも一つの翼は、
前記第１シュラウドケーシングに沿って延在する第１先端縁と、
前記第１先端縁の上流端から前記インペラの径方向における内側へ延在する第１前縁と、
前記径方向における前記第１前縁の内側端から上流側へ延在する第２先端縁と、
前記第２先端縁の上流端から前記径方向における内側へ延在する第２前縁と、
を含み、
前記第１シュラウドケーシングの内周面の内側に設けられた第２シュラウドケーシングを更に備え、
前記第２シュラウドケーシングは、第１前縁の上流側に位置し、前記第１シュラウドケーシングの内周面との間に第１流路を形成するとともに、前記第２シュラウドケーシングの内周面の内側に第２流路を形成するよう構成され、
前記第２シュラウドケーシングの内周面は、前記第２シュラウドケーシングの下流端から上流側に向かって前記インペラの回転軸線に対して平行に延在する平行面と、前記平行面の上流端から上流側に向かうにつれて半径が大きくなるベルマウス形状を有するベルマウス面と、前記ベルマウス面の上流端と前記第２シュラウドケーシングの外周面とを接続する曲面状の接続面と、を含む、遠心圧縮機。
【請求項2】
インペラ及び前記インペラを収容する第１シュラウドケーシングを備える遠心圧縮機であって、
前記インペラは、ハブと、前記ハブの外周面に立設された複数の翼とを含み、
前記複数の翼のうち少なくとも一つの翼は、
前記第１シュラウドケーシングに沿って延在する第１先端縁と、
前記第１先端縁の上流端から前記インペラの径方向における内側へ延在する第１前縁と、
前記径方向における前記第１前縁の内側端から上流側へ延在する第２先端縁と、
前記第２先端縁の上流端から前記径方向における内側へ延在する第２前縁と、
を含み、
前記第１シュラウドケーシングの内周面の内側に設けられた第２シュラウドケーシングを更に備え、
前記第２シュラウドケーシングは、第１前縁の上流側に位置し、前記第１シュラウドケーシングの内周面との間に第１流路を形成するとともに、前記第２シュラウドケーシングの内周面の内側に第２流路を形成するよう構成され、
前記第２シュラウドケーシングの外周面は、前記第２シュラウドケーシングの下流端から上流側に向かって上流側に向かうにつれて半径が大きくなる曲面状の拡径面であって径方向の内側に向かって凹となるように形成された拡径面と、前記拡径面の上流端と前記第２シュラウドケーシングの内周面とを接続する曲面状の接続面と、を含む、遠心圧縮機。
前記インペラは、ハブと、前記ハブの外周面に立設された複数の翼とを含み、
前記複数の翼のうち少なくとも一つの翼は、
前記第１シュラウドケーシングに沿って延在する第１先端縁と、
前記第１先端縁の上流端から前記インペラの径方向における内側へ延在する第１前縁と、
前記径方向における前記第１前縁の内側端から上流側へ延在する第２先端縁と、
前記第２先端縁の上流端から前記径方向における内側へ延在する第２前縁と、
を含み、
前記第１シュラウドケーシングの内周面の内側に設けられた第２シュラウドケーシングを更に備え、
前記第２シュラウドケーシングは、第１前縁の上流側に位置し、前記第１シュラウドケーシングの内周面との間に第１流路を形成するとともに、前記第２シュラウドケーシングの内周面の内側に第２流路を形成するよう構成され、
前記第２シュラウドケーシングの外周面は、前記第２シュラウドケーシングの下流端から上流側に向かって上流側に向かうにつれて半径が大きくなる曲面状の拡径面であって径方向の内側に向かって凹となるように形成された拡径面と、前記拡径面の上流端と前記第２シュラウドケーシングの内周面とを接続する曲面状の接続面と、を含む、遠心圧縮機。
【請求項3】
前記第２シュラウドケーシングの下流端は、前記径方向において、前記第２先端縁より外側に位置する、請求項１又は２に記載の遠心圧縮機。
【請求項4】
前記第２シュラウドケーシングの下流端は、前記インペラの軸方向において、前記第２先端縁の上流端より下流側に位置する、請求項１乃至３の何れか１項に記載の遠心圧縮機。
【請求項5】
前記第２シュラウドケーシングの上流端と前記第２前縁との前記インペラの回転軸線の延在方向に沿った長さは、前記第１先端縁の前記上流端と前記第２前縁と前記ハブとの接続位置との径方向に沿った長さよりも大きい、
請求項１乃至４の何れか１項に記載の遠心圧縮機。
請求項１乃至４の何れか１項に記載の遠心圧縮機。
【請求項6】
前記インペラの回転軸線の延在方向に沿って進退することで前記第１流路を開閉可能に構成されたバルブをさらに備える、
請求項１乃至５の何れか１項に記載の遠心圧縮機。
請求項１乃至５の何れか１項に記載の遠心圧縮機。
【請求項7】
前記第２シュラウドケーシングは、前記インペラの子午面において翼形状を有する、請求項１乃至６の何れか１項に記載の遠心圧縮機。
【請求項8】
前記第２シュラウドケーシングの内周面は、前記第２シュラウドケーシングの下流端から上流側に向かって前記インペラの回転軸線に対して平行に延在する平行面と、前記平行面の上流端から上流側に向かうにつれて半径が大きくなるベルマウス形状を有するベルマウス面と、前記ベルマウス面の上流端と前記第２シュラウドケーシングの外周面とを接続する曲面状の接続面と、を含む、
請求項２に記載の遠心圧縮機。
請求項２に記載の遠心圧縮機。
【請求項9】
前記第２シュラウドケーシングの外周面は、前記第２シュラウドケーシングの下流端から上流側に向かって上流側に向かうにつれて半径が大きくなる曲面状の拡径面であって径方向の内側に向かって凹となるように形成された拡径面と、前記拡径面の上流端と前記第２シュラウドケーシングの内周面とを接続する曲面状の接続面と、を含む、
請求項１に記載の遠心圧縮機。
請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項10】
前記第１流路は、下流側に向かうにつれて流路断面積が小さくなる絞り流路部を有する、請求項１乃至９の何れか１項に記載の遠心圧縮機。
【請求項11】
前記第２シュラウドケーシングを支持するように前記第１流路に設けられた支柱を更に含み、
前記支柱は、前記インペラの径方向に直交する断面において翼形状を有する、請求項１乃至１０の何れか１項に記載の遠心圧縮機。
前記支柱は、前記インペラの径方向に直交する断面において翼形状を有する、請求項１乃至１０の何れか１項に記載の遠心圧縮機。
【請求項12】
前記第２シュラウドケーシングを支持するように前記第１流路に設けられた支柱と、
前記径方向における前記第１流路の外側から前記支柱を支持するように設けられた環状支持部と、
を含み、
前記第２シュラウドケーシング、前記支柱、及び前記環状支持部は、一体化されており、
前記環状支持部は、前記第１シュラウドケーシングに対して着脱可能に構成された、請求項１乃至１１の何れか１項に記載の遠心圧縮機。
前記径方向における前記第１流路の外側から前記支柱を支持するように設けられた環状支持部と、
を含み、
前記第２シュラウドケーシング、前記支柱、及び前記環状支持部は、一体化されており、
前記環状支持部は、前記第１シュラウドケーシングに対して着脱可能に構成された、請求項１乃至１１の何れか１項に記載の遠心圧縮機。
【請求項13】
請求項１乃至１２の何れか１項に記載の遠心圧縮機を備えるターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、遠心圧縮機及びターボチャージャに関する。
【背景技術】
【0002】
例えばターボチャージャには、エンジンが吸入する空気の密度を高めるために遠心圧縮機が用いられる。遠心圧縮機は、空気の流れにエネルギーを与え圧力を上昇するためにハブに複数枚の翼が立設して構成されるインペラを有し、インペラを回転軸により高速回転することにより空気を回転軸方向に流れを吸い込み、空気に回転軸周りの高速の速度を与え同時に圧力を上昇させ、半径外周に向かって流出させ、インペラの出口の外周に設置されたディフューザに、その高速且つ昇圧された空気を送入する機能を有するインペラが設置されている。
以下では「遠心圧縮機インペラ」、または単に「インペラ」と称す。
【0003】
図２６は、従来の遠心圧縮機インペラにおける最高効率点近傍での子午面上の流線を示す図である。また、図２７は、図２６におけるＡ−Ａ矢視図であり、回転流面上における翼間の流線を示す図である。
【0004】
図２７に示すように、遠心圧縮機インペラでは、一般に、最高効率点近傍において、翼０１２の入口の回転流面において翼前縁０３０に流入する流線と翼断面の中心線Ｌｃとのなす角として定義される衝突角が略０となり、損失が小さく効率が高くなる。
【0005】
遠心圧縮機において、回転数を一定に維持した状態で流量が低下すると、図２８に示すように、翼前縁０３０において衝突角θが増加し、翼先端縁近傍の流れが翼面から剥離して翼０１２が失速し、効率が低下する。
【0006】
流量がさらに減少して衝突角θが増加すると、翼先端縁近傍の流れの剥離領域はハブ側に向けて拡大し、翼前縁０３０の近傍に逆流を含む循環流Ｆｃが生じる。図２９に示すように、この循環流Ｆｃを子午面で見ると、翼前縁０３０の近傍の循環流Ｆｃは、インペラの径方向外側に向けて流れ、これに伴って当該流れの圧力が上昇するため、当該流れが翼０１２の先端縁近傍で上流側に向かう。この上流側への流れは、その後インペラの径方向内側に向けて流れ、翼前縁で負圧面に沿う流れが剥離して、再び流れがインペラの径方向外側に向かう、という循環を行う。このため、流量の減少に伴って損失が増加しやすい。なお、以下では、上記循環流Ｆｃを「子午面の逆流」という。このような子午面の逆流は、最高効率点から流量が低下し翼先端縁近傍の流れが翼面から剥離し失速すると共に始まり、さらに流量が減少すると翼前縁近傍の領域に拡大する、という特性を有する。
【0007】
さらに流量が減少すると、子午面の逆流が拡大する。子午面の逆流が翼高さ方向及び軸方向に拡大すると、翼入口の流れの歪が翼後縁に達するため、ディフューザが失速し、サージが発生する。
【0008】
このように、流量が減少すると、翼の失速と子午面の逆流が発生して圧力低下や損失増加による効率低下が生じ、さらに流量が減少すると、子午面の逆流が拡大し、ディフューザが失速してサージが発生するという課題が生じる。
【0009】
上記従来の遠心圧縮機について、回転数一定における流量と圧力比との関係を示す流量−圧力比特性曲線Ｃ０の代表例を図３０に示す。
【0010】
図３０に示すように、遠心圧縮機においてある流量よりも流量が減少すると、圧力比（及び効率）が低下し、さらに流量が低下するとサージが発生する。
【0011】
図３０に示すように、回転数一定における流量―圧力比特性では、設計点（最高効率点近傍の点）とその回転数でのサージ点の流量差がサージマージンと呼ばれる。また、図８に示すように、連続した回転数範囲においてコンプレッサの運用のサージマージンとは、各運用点と各回転数でのサージ点の包絡線であるサージラインとの流量差のことを言う。
【0012】
ターボチャージャ用の遠心圧縮機では、上述したような翼の失速がサージマージンを狭くし、流量の減少に伴って圧力及び効率が低下するため、サージマージンをより広くし、流量の減少に伴う圧力低下や効率低下が少ない遠心圧縮機が望まれている。
【0013】
特許文献１には、低流量時におけるサージング限界流量を低減することを目的とした遠心圧縮機が開示されている。特許文献１に記載の遠心圧縮機では、遠心圧縮機のインペラと吸気口との間を連通する吸気通路の通路断面を径方向に絞る抵抗体を設けて、インペラの翼への流入速度を上昇させることで、低流量時におけるサージング限界流量の低減を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0014】
【特許文献1】国際公開第２０１４‐１２８９３１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
特許文献１に記載の遠心圧縮機では、低流量時におけるサージング限界流量の低減を図るためには、多孔板、格子状の板又はメッシュ状の板として構成された抵抗体を設ける必要があり、遠心圧縮機の構成が複雑化しやすい。
【0016】
本発明は、上述したような従来の課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、流量の低下に伴う圧力及び効率の低下を簡素な構成で抑制可能な遠心圧縮機及びこれを備えるターボチャージャを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0017】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る遠心圧縮機は、インペラ及び前記インペラを収容する第１シュラウドケーシングを備える遠心圧縮機であって、前記インペラは、ハブと、前記ハブの外周面に立設された複数の翼とを含み、前記複数の翼のうち少なくとも一つの翼は、前記第１シュラウドケーシングに沿って延在する第１先端縁と、前記第１先端縁の上流端から前記インペラの径方向における内側へ延在する第１前縁と、前記径方向における前記第１前縁の内側端から上流側へ延在する第２先端縁と、前記第２先端縁の上流端から前記径方向における内側へ延在する第２前縁と、を含む。
【0018】
上記（１）に記載の遠心圧縮機において、流量が低下すると第１前縁のうち第１先端縁側の部分の近傍の流れが翼面から剥離し、上述した「子午面の逆流」が発生し、インペラの径方向内側の第２先端縁に向けて逆流による局所的な内向きの流れが生じる。一方、第２前縁を通過した流れは、翼によりインペラ回転方向に力を受けてその周方向の速度が大きくなり、その周方向の速度に起因する遠心力により下流に向かって流れながら径方向外向きに流れる。第１前縁のうち第１先端縁側の部分の近傍で上流に向かって逆流した後の径方向内側への流れは、第２前縁を通過後の径方向外向きの流れにより進行を妨げられるため、それ以上径方向内側へ流れない。その結果、「子午面の逆流」は、発達を抑制されて第１前縁と第１先端縁の近傍の領域に閉じ込められ、安定した循環流となる。
【0019】
この安定した循環流によって、第１前縁の位置で流路が閉塞されるため、第１前縁から流れがインペラにほとんど流入せず、第２前縁からの流れが主にインペラに流入する。また、安定した循環流と第２前縁からインペラに流入した流れとの境界に滑らかな境界面が形成されるため、第２前縁を通過した流れは、後縁まで滑らかに流れることができる。その結果、前述した翼の失速と逆流に伴う圧力低下や損失増加が抑制され、流量の低下に伴う圧力及び効率の低下を抑制することができる。また、特許文献１に係る遠心圧縮機と比較して、多孔板等からなる複雑な構成の抵抗体を設ける必要がないため、簡素な構成で上記効果を得ることができる。
【0020】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の遠心圧縮機において、前記第１シュラウドケーシングの内周面の内側に設けられた第２シュラウドケーシングを更に備え、前記第２シュラウドケーシングは、第１前縁の上流側に位置し、前記第１シュラウドケーシングの内周面との間に第１流路を形成するとともに、前記第２シュラウドケーシングの内周面の内側に第２流路を形成するよう構成される。
【0021】
上記（２）に記載の遠心圧縮機において、流量が低下すると第１前縁のうち第１先端縁側の部分の近傍の流れが翼面から剥離し、上述した「子午面の逆流」が発生し、インペラの径方向内側の第２先端縁に向けて逆流による局所的な内向きの流れが生じる。一方、第２前縁を通過した流れは、翼によりインペラ回転方向に力を受けてその周方向の速度が大きくなり、その周方向の速度に起因する遠心力により下流に向かって流れながら径方向外向きに流れる。第１前縁のうち第１先端縁側の部分の近傍で上流に向かって逆流した後の径方向内側への流れは、第２シュラウドケーシングの外周面により進行を妨げられるため、それ以上径方向内側へ流れない。その結果、「子午面の逆流」は、発達を抑制されて第１前縁と第１先端縁の近傍の領域に閉じ込められ、安定した循環流となる。
【0022】
この安定した循環流によって、第１前縁の位置で流路が閉塞されるため、第１前縁から流れがインペラにほとんど流入せず、第２前縁からの流れが主にインペラに流入する。また、安定した循環流と第２前縁からインペラに流入した流れとの境界に滑らかな境界面が形成されるため、第２前縁を通過した流れは、後縁まで滑らかに流れることができる。その結果、前述した翼の失速と逆流に伴う圧力低下や損失増加が抑制され、流量の低下に伴う圧力及び効率の低下を抑制することができる。また、特許文献１に係る遠心圧縮機と比較して、多孔板等からなる複雑な構成の抵抗体を設ける必要がないため、簡素な構成で上記効果を得ることができる。
【0023】
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載の遠心圧縮機において、前記第２先端縁に固定された環状の第２先端縁シュラウドを更に備える。
【0024】
上記（３）に記載の遠心圧縮機によれば、流量の低下に伴う圧力及び効率の低下を抑制することができる。
【0025】
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の遠心圧縮機において、前記第２先端縁に固定された環状の第２先端縁シュラウドと、前記第１シュラウドケーシングの内周面の内側に設けられた第２シュラウドケーシングと、を更に備え、前記第２シュラウドケーシングは、第１前縁の上流側に位置し、前記第１シュラウドケーシングの内周面との間に第１流路を形成するとともに、前記第２シュラウドケーシングの内周面の内側に第２流路を形成するよう構成され、前記第２先端縁シュラウドの上流端は、前記第２シュラウドケーシングの下流端よりも上流側に位置する。
【0026】
上記（４）に記載の遠心圧縮機によれば、流量の低下に伴う圧力及び効率の低下を抑制することができる。
【0027】
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れか１項に記載の遠心圧縮機において、前記第１先端縁に固定された環状の第１先端縁シュラウドを更に備える。
【0028】
上記（５）に記載の遠心圧縮機によれば、流量の低下に伴う圧力及び効率の低下を抑制することができる。
【0029】
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れか１項に記載の遠心圧縮機において、前記第２シュラウドケーシングの下流端は、前記径方向において、前記第２先端縁より外側に位置する。
【0030】
上記（６）に記載の遠心圧縮機によれば、「子午面の逆流」における径方向内側に向かう流れの進行を第２先端縁よりも径方向外側で妨げることができるため、「子午面の逆流」の発達を効果的に抑制することができる。これにより、流量の低下に伴う圧力及び効率の低下を簡素な構成で効果的に抑制することができる。
【0031】
（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れか１項に記載の遠心圧縮機において、前記第２シュラウドケーシングの下流端は、前記インペラの軸方向において、前記第２先端縁の上流端より下流側に位置する。
【0032】
上記（７）に記載の遠心圧縮機によれば、「子午面の逆流」における径方向内側に向かう流れの進行を第２先端縁よりも径方向外側且つ第１前縁に近い位置で妨げることができるため、「子午面の逆流」の発達を効果的に抑制することができる。これにより、流量の低下に伴う圧力及び効率の低下を簡素な構成で効果的に抑制することができる。
【0033】
（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れか１項に記載の遠心圧縮機において、前記第２前縁は、前記径方向における前記第２前縁の外側端が前記径方向における前記第２前縁の内側端より上流側に位置するように、前記径方向に対して傾斜している。
【0034】
上記（８）に記載の遠心圧縮機によれば、第２前縁がこのように傾斜していることにより、第２前縁近傍における翼の圧力面がインペラの出口方向（径方向外側）を向くこととなる。インペラに流入する流れには翼の圧力面に垂直な方向の力が作用するため、流れを軸方向から径方向外側に転向する作用が大きくなる。
【0035】
このため、第２流路からインペラに流入する流れを、第２前縁近傍で半径方向外側に転向させる作用を強めることができる。これにより、第１シュラウドケーシングの内周面近傍における境界層の拡大を抑制し、翼の後縁における先端側での流速の分布を一様な分布に近づけることができる。
【0036】
その結果、インペラ効率が向上し、ディフューザの圧力回復率が向上するため、遠心圧縮機の高効率化が可能となる。
【0037】
（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の何れか１項に記載の遠心圧縮機において、前記第１前縁は、前記径方向における前記第１前縁の外側端が前記径方向における前記第１前縁の内側端より上流側に位置するように、前記径方向に対して傾斜している。
【0038】
上記（９）に記載の遠心圧縮機によれば、第１前縁がこのように傾斜していることにより、第２前縁を傾斜させた場合と同様の理由により、第１流路からインペラに流入する流れを、第１前縁近傍で半径方向外側に転向させる作用を強めることができる。これにより、第１シュラウドケーシングの内周面近傍における境界層の拡大を抑制し、翼の後縁における先端側での流速の分布を一様な分布に近づけることができる。
【0039】
その結果、インペラ効率が向上し、ディフューザの圧力回復率が向上するため、遠心圧縮機２の高効率化が可能となる。
【0040】
（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（９）の何れか１項に記載の遠心圧縮機において、前記第１前縁は、前記径方向における前記第１前縁の外側端が前記径方向における前記第１前縁の内側端より下流側に位置するように、前記径方向に対して傾斜している。
【0041】
上記（６）に記載の遠心圧縮機によれば、翼の振動強度を高くすることが可能となる。
【0042】
（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１０）の何れか１項に記載の遠心圧縮機において、前記第２シュラウドケーシングは、前記インペラの子午面において翼形状を有する。
【0043】
上記（１１）に記載の遠心圧縮機によれば、第２シュラウドケーシング自体の抵抗に起因する圧力損失を抑制することができる。
【0044】
（１２）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１１）の何れか１項に記載の遠心圧縮機において、前記第２シュラウドケーシングの内周面は、上流側に向かうにつれて半径が大きくなるベルマウス形状を有する。
【0045】
上記（１２）に記載の遠心圧縮機によれば、下流側に向かうにつれて第２流路の流路断面積を小さくすることができるため、第２流路の流れを軸方向に加速することができる。
【0046】
（１３）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１２）に記載の遠心圧縮機において、前記第２シュラウドケーシングの外周面は、上流側に向かうにつれて半径が大きくなる曲面状の拡径面と、前記拡径面の上流側にて前記拡径面と前記第２シュラウドケーシングの内周面とを接続する曲面状の接続面とを含む。
【0047】
上記（１３）に記載の遠心圧縮機によれば、接続面及び拡径面に沿って滑らかに第１前縁に流れを導くことができる。
【0048】
（１４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１３）の何れか１項に記載の遠心圧縮機において、前記第１流路は、ベルマウス形状の入口を有し且つ下流側に向かうにつれて流路断面積が小さくなる絞り流路部を有する。
【0049】
上記（１４）に記載の遠心圧縮機によれば、絞り流路部の流路断面積が下流側に向かうにつれて小さくなるため、第１流路の流れを軸方向に加速することができる。
【0050】
（１５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１４）の何れか１項に記載の遠心圧縮機において、前記インペラケーシングは、前記第２シュラウドケーシングを支持するように前記第１流路に設けられた支柱を含み、前記支柱は、前記インペラの径方向に直交する断面において翼形状を有する。
【0051】
上記（１５）に記載の遠心圧縮機によれば、支柱の断面形状に損失の小さい断面形状を使用するため、支柱自体の抵抗に起因する圧力損失を低減することができる。
【0052】
（１６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１５）の何れか１項に記載の遠心圧縮機において、前記インペラケーシングは、前記第２シュラウドケーシングを支持するように前記第１流路に設けられた支柱と、前記径方向における前記第１流路の外側から前記支柱を支持するように設けられた環状支持部と、を含み、前記第２シュラウドケーシング、前記支柱、及び前記環状支持部は、一体化されており、前記環状支持部は、前記第１シュラウドケーシングに対して着脱可能に構成される。
【0053】
上記（１６）に記載の遠心圧縮機によれば、第２シュラウドケーシングを第１シュラウドケーシングの別の部品とし、同軸に組み上げることができるようにすれば、インペラの第２先端縁の高さを鋳造で設定又は機械加工により調整した上で、その高さに応じて第２シュラウドケーシング、支柱及び環状支持部により構成される部品を製造することができる。このため、遠心圧縮機の性能設計の自由度及び構造設計の自由度を高くすることができる。
【0054】
（１７）本発明の少なくとも一実施形態に係るターボチャージャは、上記（１）乃至（１６）の何れか１項に記載の遠心圧縮機を備える。
【0055】
上記（１７）に記載のターボチャージャによれば、流量の低下に伴う圧力及び効率の低下を簡素な構成で抑制可能な遠心圧縮機を備えるため、簡素且つ高性能なターボチャージャを提供することができる。
【発明の効果】
【0056】
本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、流量の低下に伴う圧力及び効率の低下を簡素な構成で抑制可能な遠心圧縮機及びこれを備えるターボチャージャが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0057】
【図1】一実施形態に係るターボチャージャ１００における遠心圧縮機２の一部を概略的に示す子午面図である。
【図3】遠心圧縮機２における最高効率点近傍の大流量時（以下、「流量Ａ時」という。）における子午面上の流れを示す図である。
【図4】遠心圧縮機２における流量Ａよりも流量が小さい小流量時（以下、「流量Ｂ時」という。）における子午面上の流れを示す図である。
【図5】遠心圧縮機２の流量Ｂ時における第１先端縁２４近傍の翼間流面の流れ（図４におけるＢ−Ｂ矢視図）と、遠心圧縮機２の流量Ｂ時における第２先端縁２８近傍の翼間流面の流れ（図４におけるＣ−Ｃ矢視図）とを重ねて示す図である。
【図6】遠心圧縮機２の流量−圧力比特性曲線Ｃ１を示す図である。
【図7】遠心圧縮機２の流量−効率特性曲線Ｃ２を示す図である。
【図8】ターボチャージャ１００におけるエンジン回転数の増加にほぼ比例して増加するインペラ回転数毎の遠心圧縮機２の流量−圧力比特性曲線Ｃ１ａ，Ｃ１ｂ，Ｃ１ｃと、それらに対応するインペラ回転数毎の従来の遠心圧縮機の流量−圧力比特性曲線Ｃ０ａ，Ｃ０ｂ，Ｃ０ｃを示す図である。
【図9】従来の遠心圧縮機における流量−圧力比特性曲線Ｃ０ａ，Ｃ０ｂ，Ｃ０ｃとエンジン作動特性との関係を示す図である。
【図10】遠心圧縮機２における流量−圧力比特性曲線Ｃ１ａ，Ｃ１ｂ，Ｃ１ｃとエンジン作動特性との関係を示す図である。
【図11】一実施形態に係るターボチャージャ１００における遠心圧縮機２の子午面の一部を概略的に示す図である。
【図13】一実施形態に係るターボチャージャ１００における遠心圧縮機２の子午面の一部を概略的に示す図である。
【図15】環状支持部５４は、第１シュラウドケーシング１４に対して着脱される様子を示す図である。
【図16】一実施形態に係るターボチャージャ１００における遠心圧縮機２の子午面の一部を概略的に示す図である。
【図18】第１流路１６にバルブ６２が設けられた構成を示す子午面図である。
【図19】一実施形態に係るターボチャージャ１００における遠心圧縮機２の一部を概略的に示す子午面図である。
【図21】一実施形態に係るターボチャージャ１００における遠心圧縮機２の一部を概略的に示す子午面図である。
【図22】一実施形態に係るターボチャージャ１００における遠心圧縮機２の一部を概略的に示す子午面図である。
【図23】一実施形態に係るターボチャージャ１００における遠心圧縮機２の一部を概略的に示す子午面図である。
【図24】一実施形態に係るターボチャージャ１００における遠心圧縮機２の一部を概略的に示す子午面図である。
【図25】第１前縁の内側端３６の定義及び第２先端縁２８の下流端７０の定義を説明するための図である。
【図26】従来の遠心圧縮機における最高効率近傍での子午面上の流線を示す図である。
【図30】従来の遠心圧縮機における、流量−圧力比特性曲線Ｃ０を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0058】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【0059】
図１は、本発明の一実施形態に係るターボチャージャ１００における遠心圧縮機２の一部を概略的に示す子午面図である。図２は、一実施形態に係る遠心圧縮機２におけるインペラ４の一部を概略的に示す正面図である。
【0060】
図１に示すように、遠心圧縮機２は、インペラ４及びインペラ４を収容するインペラケーシング６を備える。インペラ４は、不図示のエンジンの排ガスの流れを利用して回転する不図示のタービンのロータと同軸上に設けられており、タービンのロータによって回転駆動されて、エンジンへ供給する空気を圧縮するように構成されている。インペラ４を通過した空気は、ディフューザ５及び不図示のスクロール室を通った後、エンジンへ供給される。
【0061】
インペラ４は、ハブ８と、ハブ８の外周面１０に立設された複数の翼１２と、を含む。以下では、インペラ４の径方向を単に「径方向」、インペラ４の軸方向を単に「軸方向」、インペラ４の周方向を単に「周方向」という。また、以下では、軸方向における空気流れの上流側を単に「上流側」、軸方向における空気流れの下流側を単に「下流側」という。
【0062】
インペラケーシング６は、第１シュラウドケーシング１４と、第１シュラウドケーシング１４の内側に設けられ、第１シュラウドケーシング１４との間に環状の第１流路１６を形成するとともに、内側に第２流路１８を形成する第２シュラウドケーシング２０と、第２シュラウドケーシング２０を支持するように第１流路１６の流路長さにおいて上流部分に設けられた支柱５２と、径方向における第１流路１６の外側から支柱５２を支持するように設けられた円環状支持部５４と、を含む。第２シュラウドケーシング２０は、インペラ４の上流側に設けられている。
【0064】
図１に示すように、第１先端縁２４は、後縁２２の先端３２から第１シュラウドケーシング１４の内周面６６に沿って曲線状に延在する。第１先端縁２４は、第１シュラウドケーシング１４の内周面６６との間には、わずかな隙間が設けられている。
【0065】
第１前縁２６は、第２シュラウドケーシング２０の下流端４８に軸方向に隙間を介して対向するように第２シュラウドケーシング２０の下流側に設けられる。第１前縁２６は、第１先端縁２４の上流端３４から径方向における内側へ延在し、第２先端縁２８の下流端７０と第１先端縁２４の上流端３４とを接続する。第１前縁２６は、第１流路１６に対向するように径方向に延在し、第２シュラウドケーシング２０の下流端４８の下流側に下流端４８に隣接して設けられる。図１に示す例示的形態では、第１前縁２６は、軸方向と直交する方向に沿って直線状に延在する。
【0066】
第２先端縁２８は、第２シュラウドケーシング２０の内周面４０のうち上記下流端４８の近傍部分に隙間を介して対向するように内周面４０に沿って延在し、径方向における第２シュラウドケーシング２０の内側に設けられる。第２先端縁２８は、径方向における第１前縁２６の内側端３６から上流側へ直線状又は曲線状に延在しており、第１先端縁２４よりも上流側に位置する。また、第１先端縁２４と第２先端縁２８との間に第１前縁２６を介しているため、第１先端縁２４の前縁半径が第２先端縁２８の下流端７０の半径よりも大きい（すなわち、第２先端縁２８の下流端７０と回転軸線Ｏとの距離は、第１先端縁２４の上流端３４と回転軸線Ｏとの距離よりも大きい。）。図示する例示的形態では、第２先端縁２８は、軸方向に沿って、第１先端縁２４の上流側への仮想的な延長線にほぼ平行に、直線状に延在する。
【0067】
なお、第２先端縁２８と第２シュラウドケーシング２０とが軸方向にオーバーラップする長さは、第１前縁２６の径方向長の半分以上であることが望ましい。また、第２シュラウドケーシング２０の下流端４８は、径方向において第１前縁２６の中央よりも内側に位置することが望ましい。また、第２シュラウドケーシング２０の下流端４８と第２シュラウドケーシング２０の内周面４０はインペラ４の第２先端縁２８と第１前縁２６とほぼ一定の隙間を介して対向する曲線で構成されていても良い。
【0068】
なお、図１等に示す例示的形態では、第１前縁２６と第２先端縁２８とは互いにほぼ直角に交わるよう構成されており、第１前縁２６の内側端３６と第２先端縁２８の下流端７０は一致する。ただし、実際の構造において、図２５に破線で示すように、第１前縁２６と第２先端縁２８とは滑らかな曲線で繋がっていても良い。この場合、直線状の第１前縁２６の径方向内側への仮想的な延長線と直線状の第２先端縁２８の下流側への仮想的な延長線との交点を、第１前縁２６の内側端３６及び第２先端縁２８の下流端７０と定義することとする。
【0069】
第２前縁３０は、軸方向において第１前縁２６の上流側に位置し、第２先端縁２８の上流端３８から径方向における内側へ直線状又は曲線状に延在し、ハブ８の外周面１０に接続する。第２前縁３０は、第２流路１８に対向して設けられる。図示する例示的形態では、第２前縁３０は、軸方向に直交する方向に沿って直線状に延在する。
【0070】
第２シュラウドケーシング２０は、環状に構成されており、第１シュラウドケーシング１４の内周面６６の半径方向内側に設けられ、第１シュラウドケーシング１４の内周面６６のうち第１前縁２６より上流側の内壁面６７と第２シュラウドケーシング２０の外周面４２との間に上述の第１流路１６が形成される。また、上述の第２流路１８は、第２シュラウドケーシング２０の内周面４０の内側に円管状又は環状に形成される。第２シュラウドケーシング２０は、子午面において翼形状（翼断面形状）を有している。第２シュラウドケーシング２０の内周面４０は、上流側に向かうにつれて半径が大きくなるベルマウス形状を有する。第２シュラウドケーシング２０の外周面４２は、上流側に向かうにつれて半径が大きくなる曲面状の拡径面４４と、拡径面４４の上流側にて拡径面４４と第２シュラウドケーシング２０の内周面４０とを接続する曲面状の接続面４６とを含む。また、第２シュラウドケーシング２０の下流端４８は、径方向において、第２先端縁２８より外側に位置するとともに、軸方向において、第２先端縁２８の上流端３８より下流側に位置する。
【0071】
第１シュラウドケーシング１４のうち第１前縁２６より上流側の内壁面６７はベルマウス形状の入口を有しており、また、第１流路１６は、下流側に向かうにつれて流路断面積が小さくなる絞り流路部５０を有する。第１シュラウドケーシング１４のうち第１前縁２６より下流側の内壁面６８は、第１先端縁２４に沿って下流側に向かうにつれて径方向外側へ湾曲している。支柱５２は、第１流路１６におけるベルマウス形状の入口の上流端近傍に設置されるとともに、径方向に直交する断面において翼形状を有している。
【0072】
かかる構成では、第２シュラウドケーシング２０を支持する支柱５２の周辺の流速が第１前縁２６近傍の流速に比べて遅く、且つ、支柱５２の断面形状に損失の小さい断面形状を使用するため、支柱５２自体の抵抗に起因する圧力損失を低減することができる。他の実施形態では、支柱５２は、インペラ４の径方向に直交する断面においてその前縁及び後縁に円弧のある平板や円柱等によって構成されていてもよい。
【0073】
また、流量が減少していくと、安定した循環流Ｆｃが生じる領域が拡大するので、第２シュラウドケーシング２０が第２前縁３０に対して上流側に延在することにより、拡大した循環流Ｆｃが第２前縁３０近傍の流れに影響を及ぼし第２前縁３０近傍の流れが剥離することを抑制できる。
【0074】
また、第２シュラウドケーシング２０においてその上流端が第２前縁３０に対して上流側へ延在する長さは、第１先端縁２４の上流端３４と、第２前縁３０とハブ８との接続位置との径方向距離相当、又は当該径方向距離以上であることが望ましい。これにより、第２シュラウドケーシング２０の上流端の半径を大きくすることができ、第１流路１６の断面積を大きくすることができ、支柱５２周辺の流速を十分低くすることができる。このため、支柱５２自体の抵抗に起因する圧力損失を低減できるとともに、安定した循環流Ｆｃの拡大による第２前縁３０近傍の流れの剥離を効果的に抑制することができる。
【0075】
図示する例示的形態では、インペラ４の入口位置における半径（第１先端縁２４の上流端３４とインペラ４の回転軸線Ｏとの距離）で、インペラ４の出口位置における半径（翼１２の後縁２２とインペラ４の回転軸線Ｏとの距離）を除した値は、１．１〜１．３程度である。また、インペラ４の出口位置においてハブ８の外周面１０が径方向に対してなす角度θは、５°≦θ≦１５°に設定されている。
【0076】
図３は、遠心圧縮機２における最高効率点近傍の大流量時（以下、「流量Ａ時」という。）における子午面上の流れを示す図である。図４は、遠心圧縮機２における流量Ａよりも流量が小さい小流量時（以下、「流量Ｂ時」という。）における子午面上の流れを示す図である。図５は、遠心圧縮機２の流量Ｂ時における第１先端縁２４近傍の翼間流面の流れ（図４におけるＢ−Ｂ矢視図）と、遠心圧縮機２の流量Ｂ時における第２先端縁２８近傍の翼間流面の流れ（図４におけるＣ−Ｃ矢視図）とを重ねて示す図である。
【0077】
図３に示す最高効率点近傍の流量Ａ時には、インペラ４の上流の流れは、第１前縁２６及び第２前縁３０の各々で軸流速度が略一定となるように第１流路１６及び第２流路１８に流入する。最高効率点近傍の流量Ａ時には、第１前縁２６及び第２前縁３０に対して無衝突な流れ（翼断面の中心線すなわちキャンバーラインに沿う方向の流れ）が形成されるため、高効率且つ高圧力で遠心圧縮機２の運転を行うことができる。
【0078】
一方、最高効率近傍の流量Ａが、第１流路１６の流路断面積Ｓ１と第２流路１８の流路断面積Ｓ２との和に対する第２流路１８の流路断面積Ｓ２の比Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）程度の流量Ｂまで減少すると、図４に示すように、第１流路１６に流れがほとんど流入せず、第２流路１８のみに流れが流入するようになる。
【0079】
この現象について以下で説明する。図４に示すように、遠心圧縮機２においても、上述した「子午面の逆流」が発生するが、翼入口側の第１先端縁２４近傍で上流に向かって逆流した後の径方向内側への流れは、第２シュラウドケーシング２０の外周面４２で進行を妨げられるため、それ以上径方向内側へ流れない。その結果、「子午面の逆流」は、発達を抑制されて第１前縁２６と第１先端縁２４の間の領域に閉じ込められ、安定した循環流Ｆｃとなる。
【0080】
この安定した循環流Ｆｃによって、第１前縁２６の位置で流路が閉塞されるため、第１流路１６から流れがインペラ４にほとんど流入せず、第２流路１８からのみ流れがインペラ４に流入する。また、安定した循環流Ｆｃと第２前縁３０からインペラ４に流入した流れとの境界に滑らかな境界面が形成されるため、第２前縁３０を通過した流れは、後縁２２まで滑らかに流れることができる。その結果、図２１及び図２２等を用いて説明した翼の失速と逆流に伴う圧力低下や損失増加が抑制され、流量の低下に伴う圧力及び効率の低下を抑制することができる。
【0081】
また、上記のように第１前縁２６の位置における流路が閉塞されるため、インペラ４の入口面積が実質的に第２前縁３０の径方向範囲に対応する流路面積のみになる。このため、流量Ａから流量Ｂに減少しても、第２流路１８の流量低下が抑制され、第２前縁３０に対する無衝突な流れを維持することができる。すなわち、図５において、第２前縁３０に対する流れの衝突角（第２前縁３０に流入する流線と翼断面の中心線すなわちキャンバーラインとのなす角）が略０に維持され、その流れが高効率でインペラ４の出口に達することができる。
【0082】
また、図４に示すように、インペラ４の入口面積が実質的に第２前縁３０の位置に対応する流路断面積Ｓ２のみになっても、インペラ４の出口面積Ｓ３は変わらないため、インペラ４の入口から出口までの減速量及び仕事量が大きくなり、吐出圧力が高くなる。
【0084】
図６に示すように、遠心圧縮機２の流量−圧力比特性曲線Ｃ１は、ある程度大きい流量域ＷＬでは、第１流路１６と第２流路１８の両方に流れが流れるため、図１９〜図２３を用いて説明した従来の遠心圧縮機の流量−圧力比特性曲線Ｃ０と概ね同等の特性を有する。
【0085】
また、遠心圧縮機２の流量−圧力比特性曲線Ｃ１は、ある程度小さい流量域ＷＳでは、第２流路１８のみに流れが流れるため、第２流路１８のチョーク流量とサージ流量とからなる仮想の流量−圧力比特性曲線Ｃ３（第２流路１８だけから流れがインペラ４に流入する仮想の遠心圧縮機における流量−圧力比特性曲線）と概ね同等の特性を有する。このため、小流量域ＷＳにおいて、矢印Ｐ１に示すように従来の遠心圧縮機よりも圧力比が高くなる。また、第２流路１８のサージ流量を、従来の遠心圧縮機のサージ流量よりも小さくすることができ、矢印Ｐ２に示すように、サージマージンを拡大することができる。
【0086】
このように、遠心圧縮機２の流量−圧力比特性曲線Ｃ１は、従来の遠心圧縮機の流量−圧力比特性曲線Ｃ０と、第２流路１８のチョーク流量とサージ流量とからなる仮想の流量−圧力比特性曲線Ｃ３とを合体したような特性を有する。
【0087】
また、図７に示すように、遠心圧縮機２の流量−効率特性曲線Ｃ２も同様に、従来の遠心圧縮機の流量−効率特性曲線Ｃ４と、第２流路１８のチョーク流量とサージ流量とからなる仮想の効率−圧力比特性曲線Ｃ５とを合体したような特性を有する。
【0088】
このため、遠心圧縮機２の流量−効率特性曲線Ｃ２では、第２流路１８のみに流れが流れる仮想の遠心圧縮機の流量−圧力比特性曲線Ｃ５に対応するように従来の遠心圧縮機より小流量側に効率ピーク点が生じ、矢印Ｐ３に示すように、従来の遠心圧縮機の流量−効率特性曲線Ｃ４に比べて小流量まで高効率を得ることができる。
【0089】
以上のように、遠心圧縮機２によれば、従来の遠心圧縮機と比較して、サージマージンを拡大させることが可能となり、小流量域における圧力比を上昇するとともに小流量域における効率を向上することが可能となる。また、特許文献１に係る遠心圧縮機と比較して、多孔板等からなる複雑な構成の抵抗体を設ける必要がない。このため、流量の低下に伴う圧力及び効率の低下を簡素な構成で抑制することができる。
【0090】
図８は、ターボチャージャ１００におけるエンジン回転数毎の遠心圧縮機２の流量−圧力比特性曲線Ｃ１ａ，Ｃ１ｂ，Ｃ１ｃと、それらに対応するエンジン回転数毎の従来の遠心圧縮機の流量−圧力比特性曲線Ｃ０ａ，Ｃ０ｂ，Ｃ０ｃを示す図である。図８では、特性曲線Ｃ１ａ，Ｃ１ｂ，Ｃ１ｃの順に、対応するエンジン回転数が大きくなる。
【0091】
遠心圧縮機２によれば、矢印Ｐ４に示すように、低回転数で高圧力比に達することができる。また、従来の遠心圧縮機よりもサージ流量を小さくすることができるため、従来と同様のエンジン作動線Ｌ０上で作動する場合にはサージマージンを拡大することができる。また、サージマージンを従来と同様に設定した場合には、矢印Ｐ５に示すように、圧力一定の流量領域を広くすることができ、エンジンが要求する広い流量範囲に対応することができる。
【0092】
図９は、従来の遠心圧縮機における流量−圧力比特性曲線Ｃ０ａ，Ｃ０ｂ，Ｃ０ｃとエンジン作動特性との関係を示す図である。図１０は、遠心圧縮機２における流量−圧力比特性曲線Ｃ１ａ，Ｃ１ｂ，Ｃ１ｃとエンジン作動特性との関係を示す図である。
【0093】
図９に示すように、従来、遠心圧縮機をエンジン作動線Ｌ０上で作動する場合、起動時や低速からの加速時に相当する小流量時にはサージマージン近傍の領域での作動となるため、効率ピークに対して効率が低下した領域での使用にならざるを得なかった。
【0094】
これに対し、遠心圧縮機２によれば、図１０に示すように、小流量域に高効率領域が生じるため、小流量でも高効率作動点を使用でき、低回転数で従来の圧力を達成できる。このため、加速時には速やかに流量と圧力比を高くでき、流量と圧力比の上昇についてレスポンスを向上することができる。
【0095】
また、翼１２の前縁部分が第１前縁２６及び第２先端縁２８からなる切り欠き形状を有することにより、翼１２の入口側の先端部分の重量が低減されるため、翼１２の振動固有値を高くすることが可能となる。このため、振動に対する強度を高くすることができ、翼１２に作用する遠心力を低減して翼１２に生ずる応力を低減することができる。また、強度や振動固有値を従来相当に設定する場合には、翼１２を薄くできるので、ピーク効率を向上することが可能となる。
【0096】
一実施形態では、図１１及び図１２に示すように、遠心圧縮機２における第２前縁３０は、径方向における第２前縁３０の外側端３９（３８）が径方向における第２前縁３０の内側端５６より上流側に位置するように、径方向に対して傾斜していてもよい。
【0097】
第２前縁３０がこのように傾斜していることにより、第２前縁３０近傍における翼１２の圧力面がインペラ４の出口方向（径方向外側）を向くこととなる。インペラ４に流入する流れには翼１２の圧力面に垂直な方向の力が作用するため、流れを軸方向から径方向外側に転向する作用が大きくなる。
【0098】
このため、第２流路１８からインペラ４に流入する流れを、矢印Ｐ６に示すように、第２前縁３０近傍で半径方向外側に転向させる作用を強めることができる。これにより、第１シュラウドケーシング１４の内周面５８近傍における境界層の拡大を抑制し、翼１２の後縁２２における先端側での流速の分布を一様な分布に近づけることができる。
【0099】
その結果、インペラ効率が向上し、ディフューザ５の圧力回復率が向上するため、遠心圧縮機２の高効率化が可能となる。
【0100】
一実施形態では、図１３及び図１４に示すように、第１前縁２６は、径方向における第１前縁２６の外側端３５（３４）が径方向における第１前縁２６の内側端３６より上流側に位置するように、径方向に対して傾斜していてもよい。
【0101】
第１前縁２６がこのように傾斜していることにより、第２前縁３０を傾斜させた場合と同様の理由により、第１流路１６からインペラ４に流入する流れを、矢印Ｐ７に示すように、第１前縁２６近傍で半径方向外側に転向させる作用を強めることができる。これにより、第１シュラウドケーシング１４の内周面５８近傍における境界層の拡大を抑制し、翼１２の後縁２２における先端側での流速の分布を一様な分布に近づけることができる。
【0102】
その結果、インペラ効率が向上し、ディフューザ５の圧力回復率が向上するため、遠心圧縮機２の高効率化が可能となる。
【0103】
なお、第１前縁２６は、径方向における第１前縁２６の外側端３５（３４）が径方向における第１前縁２６の内側端３６より下流側に位置するように、径方向に対して傾斜していてもよい。これにより、翼１２の振動強度を高くすることが可能となる。
【0104】
一実施形態では、図１５に示すように、第２シュラウドケーシング２０、支柱５２、及び円環状支持部５４は、一体化されており（一部品として構成されており）、円環状支持部５４は、第１シュラウドケーシング１４に対して着脱可能に構成されていてもよい。この場合、円環状支持部５４は、例えば不図示のボルトによって第１シュラウドケーシング１４に取り付けられていてもよい。
【0105】
このように、第２シュラウドケーシング２０を第１シュラウドケーシング１４の別の部品とし、第２シュラウドケーシング２０と第１シュラウドケーシング１４とを同軸に組み上げることができるようにすれば、インペラ４の第２先端縁２８の高さを鋳造で設定又は機械加工により調整した上で、その高さに応じて第２シュラウドケーシング２０、支柱５２及び円環状支持部５４により構成される部品を製造することができる。このため、遠心圧縮機２の性能設計の自由度及び構造設計の自由度を高くすることができる。
【0106】
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。以下で説明する形態において、既出の構成と同様の機能を有する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【0107】
例えば図１に示す形態において、第２シュラウドケーシング２０と第２先端縁２８とは軸方向においてオーバーラップしていなくてもよい。第２シュラウドケーシング２０の下流端４８は、第２先端縁２８に対して径方向外側にあっても内側にあってもよい。第２シュラウドケーシング２０の下流端４８が第２先端縁２８に対して径方向内側にある場合には、第２シュラウドケーシング２０の下流端４８は、第２前縁３０の上流側に位置する。
【0108】
例えば、図１６及び図１７に示すように、インペラ４は、上述の翼１２（主羽根）に加えて、隣接する翼１２の間に設けられたスプリッタ翼６０を備えていてもよい。スプリッタ翼６０は翼１２よりも短く、スプリッタ翼６０の前縁位置は翼１２の前縁位置よりも下流側に設定されている。この場合、本発明は、主羽根としての翼１２とスプリッタ翼６０の何れか一方又は両方に適用することができ、特に主羽根としての翼１２に適用することで、流量の低下に伴う圧力及び効率の低下を効果的に抑制することができる。
【0109】
また、一実施形態では、図１８に示すように、遠心圧縮機２は、第１流路１６を開閉可能に構成されたバルブ６２を更に備えていてもよい。この場合、バルブ６２はアクチュエータ６４によって開閉されるように構成されてもよいし、手動で開閉されるように構成されてもよい。かかる構成では、大流量時にバルブ６２を開状態にし、小流量時にバルブ６２を閉状態にすることで、流量の低下に伴う圧力及び効率の低下を抑制することができる。
【0110】
また、一実施形態では、例えば図１９に示すように、遠心圧縮機２は、第２シュラウドケーシング２０を備えていなくてもよい。
【0111】
この場合、流量が低下すると第１前縁２６のうち第１先端縁２４側の部分の近傍の流れが翼面から剥離し、上述した「子午面の逆流」が発生し、インペラ４の径方向内側の第２先端縁２８に向けて逆流による局所的な内向きの流れが生じる（図２０参照）。一方、第２前縁３０を通過した流れは、翼１２によりインペラ４の回転方向に力を受けてその周方向の速度が大きくなり、その周方向の速度に起因する遠心力により下流に向かって流れながら径方向外向きに流れる。第１前縁２６のうち第１先端縁２４側部分の近傍で上流に向かって逆流した後の径方向内側への流れは、第２前縁３０を通過した後の径方向外向きの流れＦｏにより進行を妨げられるため、それ以上径方向内側へ流れない。その結果、「子午面の逆流」は、発達を抑制されて第１前縁２６と第１先端縁２４の近傍の領域に閉じ込められ、安定した循環流Ｆｃとなる。
【0112】
この安定した循環流Ｆｃによって、第１前縁２６の位置で流路が閉塞されるため、第１前縁２６から流れがインペラ４にほとんど流入せず、主に第２前縁３０からの流れがインペラ４に流入する。また、安定した循環流Ｆｃと第２前縁３０からインペラ４に流入した流れとの境界に滑らかな境界面が形成されるため、第２前縁３０を通過した流れは、後縁２２まで滑らかに流れることができる。その結果、前述した翼１２の失速と逆流に伴う圧力低下や損失増加が抑制され、流量の低下に伴う圧力及び効率の低下を抑制することができる。また、特許文献１に係る遠心圧縮機と比較して、多孔板等からなる複雑な構成の抵抗体を設ける必要がないため、簡素な構成で上記効果を得ることができる。
【0113】
一実施形態では、例えば図２０において、第２先端縁２８は、ｆ２４を上流側に延長した仮想延長線に対して、径方向外側に１０度以内、又は径方向内側に２０度以内の角度を成しているか、当該仮想延長線に対して平行に延在していることが望ましい。
【0114】
一実施形態では、例えば図２１に示すように、第２シュラウドケーシング２０は、環状構造を有しており、第１シュラウドケーシング１４の内周面６６の内側に設けられ、第１前縁２６より上流側且つ第２先端縁２８より径方向外側に配置される。この第２シュラウドケーシング２０は、第１シュラウドケーシング１４の内周面６６のうち第１前縁２６より上流側の壁面６７との間に第１流路１６を形成するとともに、第２シュラウドケーシング２０の内周面の内側に第２流路１８を形成する。
【0115】
図２１に示す形態では、第２シュラウドケーシング２０は、第１流路１６の流れと第２流路１８の流れをそれぞれ第１前縁２６及び第２前縁３０に滑らかに導くように、板状の子午断面形状を有している。また、第２シュラウドケーシング２０を支持する支柱５２は、板状又は翼型形状の断面形状を有しており、第１流路１６の流れを妨げないようにその断面形状の中心線がほぼ回転軸方向に沿うように形成される。支柱５２は、第１シュラウドケーシング１４の壁面６７から径方向における内側へ延在し、第２シュラウドケーシング２０の外周面に接続するよう構成されている。なお、かかる形態に関し、第２シュラウドケーシング２０は、翼型形状の断面形状を有していてもよい。
【0116】
なお、図２１に示す形態において、支柱５２の断面形状の中心線は、第１流路１６の流れが第１前縁２６に流入するときにインシデンスがほぼ０になるように、回転軸方向に対して傾斜を有していてもよい。また、第２シュラウドケーシング２０の下流端４８は、第２前縁３０より下流で且つ第１前縁２６より上流に、第２先端縁２８と隙間を介して配置されることが望ましい。
【0117】
一実施形態では、例えば図２２に示すように、第２先端縁２８に固定された環状の第２先端縁シュラウド７２を備える。図示する形態では、第２先端縁シュラウド７２は、第２前縁３０よりも上流側に突出するように、第２先端縁２８よりも長い軸方向長を有する。第２先端縁シュラウド７２は、例えば矩形や翼形状の子午断面形状を有する。
【0118】
一実施形態では、例えば図２３に示すように、第２先端縁２８に固定された環状の第２先端縁シュラウド７２と、第２先端縁シュラウド７２の軸方向上流側に設置された第２シュラウドケーシング２０とを備える。図２３に示す形態では、第２シュラウドケーシング２０と第２先端縁シュラウド７２とは、第１流路１６側の壁面が滑らかに連続するように、且つ第２流路１８側の壁面が滑らかに連続するように構成されている。すなわち、第２シュラウドケーシング２０の外周面４２と第２先端縁シュラウド７２の外周面８２とは隙間を介して滑らかに繋がり、第２シュラウドケーシング２０の内周面４０と第２先端縁シュラウド７２の内周面８４とは隙間を介して滑らかに繋がるように構成されている。また、第２シュラウドケーシング２０の下流端部７４と第２先端縁シュラウド７２の上流端部７６とは、軸方向及び径方向にわずかな隙間を介して、インペラ４の回転に支障がないように対向配置されている。図示する形態では、第２シュラウドケーシング２０の下流端部７４は、その内周側に切欠き形状を有しており、第２先端縁シュラウド７２の上流端部７６がその切欠き形状内の空間に侵入している。また、第２先端縁シュラウド７２の上流端７８は、第２シュラウドケーシング２０の下流端４８よりも上流側に位置する。
【0119】
一実施形態では、例えば図２４に示すように、第１先端縁２４に固定された環状の第１先端縁シュラウド８０を備える。第１先端縁シュラウド８０の断面形状の内面は、第１先端縁２４の子午面形状を有する。
【符号の説明】
【0120】
２ 遠心圧縮機４ インペラ
６ インペラケーシング
８ ハブ
１０ 外周面
１２ 翼
１４ 第１シュラウドケーシング
１６ 第１流路
１８ 第２流路
２０ 第２シュラウドケーシング
２２ 後縁
２４ 第１先端縁
２６ 第１前縁
２８ 第２先端縁
３０ 第２前縁
３２ 先端
３４ 上流端
３５ 外側端
３６ 内側端
３８ 上流端
３９ 外側端
４０ 内周面
４２ 外周面
４４ 拡径面
４６ 接続面
４８ 下流端
５０ 絞り流路部
５２ 支柱
５４ 円環状支持部
５６ 内側端
５８ 内周面
６０ スプリッタ翼
６２ バルブ
６４ アクチュエータ
６６ 内周面
６７ 壁面
６８ 壁面
７０ 下流端
７２ 第２先端縁シュラウド
７４ 下流端部
７６ 上流端部
７８ 上流端
８０ 第１先端縁シュラウド
８２ 外周面
８４ 内周面
１００ ターボチャージャ