JP2006009748A - Centrifugal compressor - Google Patents
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Description
本発明は、遠心圧縮機に関する。 The present invention relates to a centrifugal compressor.
図7に示すように、遠心圧縮機10は、図示しないモータ等によって回転駆動されるインペラ1と、インペラ1を収容するケーシング2とを備えている。インペラ1は、略円錐状に形成されたハブ(ロータ)4と、ハブ4にラジアル状に取り付けられた翼3とを有している。ケーシング2は、インペラ1を所定のクリアランスCLを隔てて収容すべく、略円錐筒状に形成されている。インペラ1の前縁部5から後縁部6まで、クリアランスCLは、略一定の値とされている。
As shown in FIG. 7, the
符号Hは、翼3の高さを示しており、インペラ1の前縁部5側から後縁部6側に向けて、翼3の高さHは、次第に小さくなるように形成されている。ここで、翼3の高さHとは、インペラ内の空気主流に直交する方向の、ハブ面からの翼の張り出しの大きさである。また以下において、ハブ面に沿った子午面距離に対する翼高さの変化量を子午面距離で割った値を翼高さの変化率と定義する。
The symbol H indicates the height of the
遠心圧縮機10のインペラ1では、翼3の先端部7とシュラウドケーシング2とのクリアランスCLから流入するクリアランスフローが存在する。クリアランスフローCLFとは、図10に示すように、インペラ1の翼3の圧力面3a側の空気の一部が翼3とケーシング2との間のクリアランスCLを通って、翼3の負圧面3b側に流れ込む現象をいう。
In the
理想的にクリアランスフローCLFが存在しない場合のモデル化したインペラ内部流動を図8及び図9に示す。図8は、図7のA−A矢視に対応する図である。図8に示すように、翼3とケーシング2との間にクリアランスCLが存在しないと仮定すると、図8のB−B線の断面上を紙面に直交する奥行き方向に流れる流れ(主流)の流速の分布(翼間流速分布)は、図9に示すように、翼3の負圧面3b側から圧力面3a側に向けて流速が次第に低くなるようになる。
FIG. 8 and FIG. 9 show the modeled impeller internal flow when the clearance flow CLF ideally does not exist. FIG. 8 is a diagram corresponding to the AA arrow in FIG. 7. Assuming that there is no clearance CL between the
これに対し、クリアランスフローCLFが存在する場合のモデル化したものを図10及び図11に示す。図10に示すように、クリアランスフローCLFは、主流方向にほぼ直角方向に流入するので、図11に示すように、図10のC−C線上の翼間流速分布において、負圧面3b近傍の流速は、理想的な流速とクリアランスフローCLFのほぼ零の流速が混合し、図9に示す理想的な流速に対して半減する。この混合による主流方向の流速の減少が圧力損失である。 On the other hand, what was modeled when the clearance flow CLF exists is shown in FIGS. As shown in FIG. 10, the clearance flow CLF flows in a direction substantially perpendicular to the main flow direction. Therefore, as shown in FIG. 11, in the inter-blade flow velocity distribution on the CC line in FIG. Is a mixture of an ideal flow velocity and a substantially zero flow velocity of the clearance flow CLF, which is halved with respect to the ideal flow velocity shown in FIG. The decrease in flow velocity in the main flow direction due to this mixing is pressure loss.
図7に示すように、遠心圧縮機10のインペラ1では、流れ方向の入口から出口にかけて翼3の高さHが低くなる。図12−1は、翼3の高さHが相対的に高い場合を示し、図12−2は、翼3の高さHが相対的に低い場合を示している。上記のように、ケーシング2との間のクリアランスCLは、翼3の前縁部5側から後縁部6側にかけて略一定であるので、翼3の高さHが低くなると、クリアランスCLの幅△bと翼3の高さHの比(△b/H)が相対的に大きくなるため、図12−1及び図12−2に示すように、クリアランスフローCLFが占める面積と、主流の占める面積との比が大きくなり、圧力損失が増加する。即ち、クリアランスフローCLFによる圧力損失は、翼3の高さHが低いほど大きく、翼3の前縁部5側よりも後縁部6側で大きい。
As shown in FIG. 7, in the
本発明の目的は、圧力損失が少なく効率の低下を抑制可能な遠心圧縮機を提供することである。 An object of the present invention is to provide a centrifugal compressor that has little pressure loss and can suppress a decrease in efficiency.
本発明の遠心圧縮機は、インペラの翼の高さが前記翼の前縁部側から後縁部側に向けて漸次小さくなるように変化するように形成され、前記翼の高さの変化率は、前記翼の後縁部の近傍において、相対的に大きくなるように構成されていることを特徴としている。 The centrifugal compressor of the present invention is formed such that the blade height of the impeller changes so as to gradually decrease from the front edge portion side to the rear edge portion side of the blade, and the change rate of the blade height Is configured to be relatively large in the vicinity of the trailing edge of the blade.
本発明の遠心圧縮機は、インペラの翼の先端部において、前記インペラを収容するケーシングと対向するシュラウド面のシュラウドラインが、前記翼の後縁上のハブ面から出口幅の点から前記翼の内部に向けて前記シュラウドラインに引いた仮想接線よりも、前記仮想接線と前記シュラウドラインとの交点よりも前記翼の後縁部側において、前記翼の高さを大きくする方向に凸となるように形成されていることを特徴としている。ここで、前記翼の後縁上のハブ面から出口幅の点は、前記翼の後縁上のハブ面から出口幅だけ隔てた点であることができる。 In the centrifugal compressor of the present invention, the shroud line of the shroud surface facing the casing housing the impeller is provided at the tip of the impeller blade from the hub surface on the trailing edge of the blade from the point of exit width. It protrudes in the direction of increasing the height of the blade on the trailing edge side of the blade from the intersection of the virtual tangent and the shroud line, rather than the virtual tangent drawn on the shroud line toward the inside. It is characterized by being formed. Here, the exit width point from the hub surface on the trailing edge of the blade may be a point separated from the hub surface on the trailing edge of the blade by the exit width.
本発明の遠心圧縮機は、インペラの翼の基端部において、前記翼が取り付けられるハブとの境界線であるハブラインが、前記翼の後縁部と前記ハブラインとの交点から前記インペラの半径方向に引いた仮想半径線よりも前記翼の高さを大きくする方向に凹となるように形成されていることを特徴としている。 In the centrifugal compressor according to the present invention, a hub line, which is a boundary line with a hub to which the blade is attached, at a proximal end portion of the impeller blade, a radial direction of the impeller from an intersection of the rear edge portion of the blade and the hub line It is characterized by being formed so as to be concave in the direction of increasing the height of the wings than the imaginary radius line drawn in (1).
本発明の遠心圧縮機において、前記翼の基端部において、前記翼が取り付けられるハブとの境界線であるハブラインが、前記翼の後縁部と前記ハブラインとの交点から前記インペラの半径方向に引いた仮想半径線よりも前記翼の高さを大きくする方向に凹となるように形成されていることを特徴としている。 In the centrifugal compressor according to the present invention, a hub line, which is a boundary line with a hub to which the blade is attached, at a base end portion of the blade is arranged in a radial direction of the impeller from an intersection of the trailing edge portion of the blade and the hub line. It is characterized by being formed to be concave in the direction of increasing the height of the wings than the drawn virtual radius line.
本発明の遠心圧縮機は、インペラの翼の高さが前縁から後縁に向けて漸次小さくなるように形成され、前記翼の高さの変化率は、少なくとも一つの変曲点を持つように構成されていることを特徴としている。 The centrifugal compressor of the present invention is formed such that the impeller blade height gradually decreases from the leading edge toward the trailing edge, and the blade height change rate has at least one inflection point. It is characterized by being configured.
本発明の遠心圧縮機によれば、圧力損失が少なく効率の低下を抑制可能である。 According to the centrifugal compressor of the present invention, it is possible to suppress a decrease in efficiency with little pressure loss.
以下、本発明の遠心圧縮機の一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。
本実施形態において、上述した従来技術と共通する部分には、共通する符号を付し、その詳細な説明を省略する。
Hereinafter, an embodiment of the centrifugal compressor of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
In the present embodiment, portions common to the above-described conventional technology are denoted by common reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
本実施形態は、図12−1及び図12−2を参照して説明したように、相対的に圧力損失が大きい翼3の後縁部6側での圧力損失の低減を図り、遠心圧縮機の効率の低下を効果的に抑えることを目的としている。
In the present embodiment, as described with reference to FIGS. 12A and 12B, the pressure loss on the
(第1実施形態)
図1及び図2を参照して、第1実施形態について説明する。図1は、本実施形態の遠心圧縮機20のインペラ1を示す側面図であり、図2は、図1の要部拡大図である。
(First embodiment)
The first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a side view showing an
図1に示すように、翼3の先端部7側において、ケーシング(図示せず)と対向する翼3のシュラウド面11のライン(シュラウドライン)12は、従来の図7の遠心圧縮機10のシュラウドライン13に比べて、翼3の高さHが拡大する方向に膨出するように形成されている。翼3において、その膨出した部分(凸部)を符号14で示す。翼3が凸部14を有し、従来よりも翼3の高さHが大きく形成されている。
As shown in FIG. 1, a line (shroud line) 12 of the
図2において、符号TA1は、遠心圧縮機20の翼3において、翼3の後縁上のハブラインから出口幅Lのシュラウド側の点Pを起点とし、翼3の内部の上流側に向けてシュラウドライン12に引いた接線を示している。点Pは、シュラウドライン12と翼3の後縁との交点でもある。遠心圧縮機20の翼3は、シュラウドライン12と接線TA1との交点よりも後縁部6側において、接線TA1よりも翼3の高さHが拡大する方向に膨出する凸部14を有している。従来の遠心圧縮機10の翼3の後縁部6側は、翼3の高さHが相対的に低く、クリアランスフローCLFによる圧力損失が特に問題となるが、本実施形態の遠心圧縮機20において、その凸部14は、翼3の後縁部6側に設けられている。これにより、クリアランスフローCLFによる圧力損失が効果的に低減される。
In FIG. 2, reference numeral TA <b> 1 is a shroud in the
符号TA2は、点Pから図7の従来の遠心圧縮機10のシュラウドライン13に引いた接線を示している。遠心圧縮機10の翼3では、接線TA2よりも翼3の高さHを拡大する方向に膨出する凸部を有していないため、遠心圧縮機20の翼3に比べて、翼3の高さHが低く、クリアランスフローCLFによる圧力損失が大きい。
A symbol TA2 indicates a tangent line drawn from the point P to the
本実施形態では、遠心圧縮機20のインペラ1の出口部分の子午面形状において、従来のシュラウドライン13が、翼3の高さH方向にハブ4からシュラウド方向に凹型となっていたのに対し、本実施形態のシュラウドライン12は、凸型とされている。遠心圧縮機20のインペラ1と同一の出口幅L(図2及び図7)の従来のインペラ1に対して、シュラウドライン12を凸とすることにより、インペラ1の入口から出口に至るまでの中間部分(本実施形態では、特に圧力損失の大きい出口側)の翼3の高さHを高くすることができる。
In the present embodiment, in the meridional shape of the outlet portion of the
そのため、本実施形態の遠心圧縮機20では、従来の遠心圧縮機10に比べて、クリアランスCLの幅△bと翼3の高さHとの比(△b/H)が相対的に大きくなる。その結果、クリアランスフローCLFが占める流路面積と、主流が占める流路面積の比が低減し、圧力損失が小さくなるため、効率の低下を防止することができる。
Therefore, in the
本実施形態の遠心圧縮機20においても、図7に示した従来の遠心圧縮機10と同様に、ケーシングとインペラ1との間のクリアランスCLは、翼3の前縁部5側から後縁部6側にかけて略一定の値に設定されている。本実施形態では、翼3が凸部14を有し、翼3の高さHが従来(図7の翼3)よりも高いという翼3の形状に合わせて、遠心圧縮機20のケーシングは、翼3の前縁部5側から後縁部6側にかけてのクリアランスCLが略一定の値になるような形状に形成される(図示せず)。
Also in the
以降に説明する本発明の各実施形態においても共通して、従来と同様に、インペラ1の翼3の高さHは、翼3の前縁部5側から後縁部6側に向けて漸次小さくなるように変化するように形成されるが、翼3の後縁側においてもクリアランスフローCLFが占める割合が小さくなるよう十分な翼高さを持たせつつ、相対的に狭隘となるインペラ出口へ滑らかに空気を導くために、翼高さの変化率は変曲点を持つように構成されているという特徴を有している。即ち、縦軸に翼高さ、横軸にハブ面に沿った翼前縁からの子午面距離を取ったときに、従来の翼形状は下に凸の単調減少の曲線となるのに対し、本発明の各実施形態では、前縁側で下に凸、後縁側で上に凸の(場合によっては後縁近傍でさらに下に凸の)途中に変曲点を有する曲線となる。
In the embodiments of the present invention to be described later, the height H of the
以上述べた本実施形態をまとめると以下のようになる。 The present embodiment described above can be summarized as follows.
(基本原理)
本実施形態の基本原理は、翼3の高さHに対して、クリアランスCLの割合を小さくすることで、漏れ損失が減少し、効率が向上するというものである。従来より、クリアランスCLの絶対値を減少させ、1)漏れ量の絶対値を減少させるとともに、2)クリアランスCLと翼3の高さHの比を小さくすることが行われている。これに対して、本実施形態では、クリアランスCLの絶対値は、上記の従来からの取り組みによって小さくすることができるので、さらに、漏れ損失の低減のために、翼3の高さHを高くするための工夫を行い、クリアランスCLと翼3の高さHの比を小さくすることとしている。
(Basic principle)
The basic principle of this embodiment is that the leakage loss is reduced and the efficiency is improved by reducing the ratio of the clearance CL with respect to the height H of the
(付加的な効果)
本実施形態では、以下に述べるような、付加的な効果が得られる。
(Additional effect)
In this embodiment, the following additional effects can be obtained.
図3は、従来の遠心圧縮機10の翼3を示している。図3において、符号Uは、インペラ1の回転方向速度を示し、符号Wは、流れの相対速度を示し、符号Cは、流れの絶対速度を示している。これらにより、図3に示すような速度三角形が形成される。図4は、本実施形態の遠心圧縮機20のインペラ1の速度三角形を示しており、図4の破線にて従来の遠心圧縮機10のインペラ1の速度三角形を示している。
FIG. 3 shows a
図3及び図4に示すように、遠心圧縮機20のインペラ1において、凸部14の分だけ、翼3の高さHを高くすると、同じ流量を流す場合に、速度三角形内のCmが減少し、Cm’となる。仕事量を一定に保つ(圧力を一定に保つ)ために、Cu’=Cuにする必要があり、そのために、流れ角β’<βとなるように翼角βk’<βkに修正する(図3参照)。
As shown in FIGS. 3 and 4, in the
その結果、本実施形態の遠心圧縮機20では、従来の遠心圧縮機10に比べて、絶対流速C’も減少する。この絶対流速C’は、ケーシングとの摩擦損失を発生するので、この絶対流速C’が低下することにより、インペラ1の損失が低下する。
したがって、本実施形態の付加的な効果として、翼角βkを小さくすることで、摩擦損失を低減することができ、遠心圧縮機20の効率の低減を抑えることができる。
As a result, in the
Therefore, as an additional effect of the present embodiment, by reducing the blade angle βk, friction loss can be reduced, and reduction in the efficiency of the
(第2実施形態)
次に、図5を参照して、第2実施形態について説明する。
第2実施形態において、上記第1実施形態と共通する部分についての説明は省略し、第2実施形態の特徴部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG.
In the second embodiment, description of parts common to the first embodiment will be omitted, and only characteristic parts of the second embodiment will be described.
図5に示すように、第2実施形態に係る遠心圧縮機30では、翼3においてハブ4に取り付けられた側である基端部16側のハブライン17は、従来の図7の遠心圧縮機10のハブライン15に比べて、翼3の高さHが拡大する方向に窪むように形成されている。翼3において、その相違部分(凹部)を符号18で示す。翼3が凸部18を有し、従来よりも翼3の高さHが大きく形成されている。ハブライン17は、インペラ1の翼3の基端部16と、翼3の基端部16が取り付けられるハブ4との境界線である。
As shown in FIG. 5, in the
図5において、符号15で示す従来のハブラインは、同時に、翼3の後縁部6の出口幅Lのハブ4側の点Qを通るハブ4の半径方向の線分(半径線)である。点Qは、ハブライン17と翼3の後縁部6との交点である。遠心圧縮機30の翼3は、点Qを通る半径線15よりも翼3の高さHを拡大する方向に膨出する凸部18を有している。従来の遠心圧縮機10の翼3の後縁部6側は、翼3の高さHが相対的に低く、クリアランスフローCLFによる圧力損失が特に問題となるが、遠心圧縮機30において、その凸部18は、翼3の後縁部6側に設けられている。これにより、クリアランスフローCLFによる圧力損失が効果的に低減される。従来の遠心圧縮機10では、ハブライン15よりも翼3の高さHを拡大する方向に膨出する凸部を有していないため、遠心圧縮機30の翼3に比べて、翼3の高さHが低く、クリアランスフローCLFによる圧力損失が大きい。
In FIG. 5, the conventional hub line indicated by
従来の遠心圧縮機10のインペラ1では、子午面形状において、ハブライン15に関して、インペラ1の前縁部5から後縁部6までの軸方向長さZ1に対し、インペラ1の前縁部5と後縁部6の間の中間部でのインペラ1の前縁部5からの軸方向長さZ2が、Z1≧Z2である。これに対して、第2実施形態では、インペラ1の前縁部5から後縁部6までの軸方向長さZ1に対し、中間部でのインペラ1の前縁部5からの軸方向長さZ2の最大値Z2maxが、Z1<Z2maxである。
In the
第2実施形態では、インペラ1の前縁部5と後縁部6の間の中間部でのインペラ1の軸方向の長さの最大値をZ1<Z2maxとしたことにより、インペラ1の前縁部5と後縁部6の間の中間部の翼3の高さHを高くすることができる。そのため、クリアランスCLの幅△bと翼3の高さHとの比(△b/H)が相対的に大きくなる。その結果、クリアランスフローCLFが占める流路面積と、主流が占める流路面積の比が低減し、圧力損失が小さくなるため、効率の低下を防止することができる。また、第2実施形態においても、上記第1実施形態の上記付加的効果が得られる。
In the second embodiment, the maximum value of the axial length of the
図1及び図5に示すように、第1実施形態及び第2実施形態では、共通して、従来と同様に、インペラ1の翼3の高さHが、翼3の前縁部5側から後縁部6側に向けて漸次小さくなるように変化するように形成されるが、その場合、翼3の高さHの変化率が、翼3の後縁部6の近傍において、相対的に大きくなるように構成されているという特徴を有している。即ち、第1実施形態及び第2実施形態は、共に、インペラ1の出口直前まで翼3のHを最大限に確保し、出口近傍で流路を他の部分に比べて急峻に絞るという構成を有している。この構成によれば、翼3の後縁部6の出口幅が所定の設計値Lに構成されるという設計上の制約の下で、後縁部6側において翼3の高さHを大きく構成することができる。
As shown in FIGS. 1 and 5, in the first embodiment and the second embodiment, in common, the height H of the
(第3実施形態)
図6を参照して、第3実施形態について説明する。
第3実施形態において、上記実施形態と共通する部分についての説明は省略し、第3実施形態においての特徴部分についてのみ説明する。
(Third embodiment)
The third embodiment will be described with reference to FIG.
In the third embodiment, description of parts common to the above embodiment is omitted, and only characteristic parts in the third embodiment are described.
第3実施形態に係る遠心圧縮機40では、翼3が、上記第1実施形態の凸部14と、上記第2実施形態の凸部18の両方を有している。これにより、第3実施形態では、上記第1実施形態と第2実施形態の作用効果を奏することができる。
In the
以上述べたように、第1〜第3実施形態では、インペラ1の出口形状を変更し、中間部の翼3の高さHを高くすることで、クリアランスCLの幅と翼3の高さHとの比(△b/H)が相対的に小さくなる。その結果、クリアランスフローCLFが占める流路面積と、主流が占める流路面積の比が低減し、圧力損失の発生が小さくなるため、遠心圧縮機の効率の低下を防止することができる。
As described above, in the first to third embodiments, the width of the clearance CL and the height H of the
1 インペラ
2 ケーシング
3 翼
3a 圧力面
3b 負圧面
4 ハブ
5 前縁部
6 後縁部
7 先端部
10 遠心圧縮機
11 シュラウド面
12 シュラウドライン
13 シュラウドライン
14 凸部
15 ハブライン
16 基端部
17 ハブライン
18 凸部
20 遠心圧縮機
30 遠心圧縮機
40 遠心圧縮機
CL クリアランス
CLF クリアランスフロー
△b クリアランスの幅
H 翼の高さ
TA1 接線
TA2 接線
P 点
Q 点
U インペラの回転方向速度
W 流れの相対速度
C 流れの絶対速度
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記翼の高さの変化率の絶対値は、前記翼の後縁部の近傍において、相対的に大きくなるように構成されている
ことを特徴とする遠心圧縮機。 The height of the impeller blade is formed so as to gradually decrease from the front edge side to the rear edge side of the blade,
The absolute value of the change rate of the blade height is configured to be relatively large in the vicinity of the trailing edge of the blade.
ことを特徴とする遠心圧縮機。 A shroud line of a shroud surface facing a casing accommodating the impeller at a tip portion of the impeller blades is formed on the shroud line from the hub surface on the trailing edge of the blade toward the inside of the blades from the point of exit width. It is formed so as to be convex in the direction of increasing the height of the blade on the trailing edge side of the blade from the intersection of the virtual tangent and the shroud line rather than the drawn virtual tangent. And centrifugal compressor.
ことを特徴とする遠心圧縮機。 A hub line, which is a boundary line with a hub to which the blade is attached, at a proximal end portion of the impeller blade, is more than the virtual radius line drawn in the radial direction of the impeller from the intersection of the rear edge of the blade and the hub line. A centrifugal compressor characterized by being formed to be concave in the direction of increasing the height of the blade.
前記翼の基端部において、前記翼が取り付けられるハブとの境界線であるハブラインが、前記翼の後縁と前記ハブラインとの交点から前記インペラの半径方向に引いた仮想半径線よりも前記翼の高さを大きくする方向に凹となるように形成されている
ことを特徴とする遠心圧縮機。 The centrifugal compressor according to claim 2,
A hub line, which is a boundary line with a hub to which the blade is attached, at a base end portion of the blade is more than a virtual radius line drawn in the radial direction of the impeller from an intersection of the trailing edge of the blade and the hub line. A centrifugal compressor characterized by being formed to be concave in the direction of increasing the height.
前記翼の高さの変化率は、少なくとも一つの変曲点を持つように構成されている
ことを特徴とする遠心圧縮機。 The impeller wing height is formed so that it gradually decreases from the leading edge to the trailing edge,
The centrifugal compressor is characterized in that the change rate of the height of the blade has at least one inflection point.
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