JP2008286058A - 圧縮機用遠心羽根車及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機用遠心羽根車において、流路の平均水力直径を大きくすることで摩擦損失と２次流れ損失を低減して高効率とすること。
【解決手段】圧縮機用遠心羽根車１は、心板１ｂと側板１ｃの間に円形翼列状に配置した複数の羽根を設け、各羽根の前部を３次元形状の入口羽根で構成すると共に、各羽根の後部をそり線形状が２次元形状である出口羽根１ａで構成している。この圧縮機用遠心羽根車１において、出口羽根１ａの流れ方向の羽根厚さを上流部より下流部で大きくし、出口羽根１ａの高さ方向の羽根厚さを中央部で最小にする。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧縮機用遠心羽根車及びその製造方法に係り、特に遠心圧縮機や遠心ブロワーなどに使用される圧縮機用遠心羽根車及びその製造方法に好適なものである。

遠心圧縮機や遠心ブロワーなどに使用される一般的な圧縮機用遠心羽根車は、回転駆動軸に取り付けられる心板と、側板と、これらの間に円形翼列状に配置され且つ一様な厚さを有する複数の羽根とより構成されている。この圧縮機用遠心羽根車が回転すると、作動気体は羽根車入ロ部から軸方向に流入し、隣り合う２枚の羽根、側板および心板で形成される流路を通り、羽根車出ロから半径方向に吐出される。

低比速度（小流量）圧縮機では、一般に羽根高さの低い圧縮機用遠心羽根車が使用される。この圧縮機用遠心羽根車では、流路は羽根車入口から羽根車出口に近づくほど扁平になり、アスペクト比ｂ／Ｐ（流路高さｂと流路幅Ｐとの比）が小さく、流路の平均水力直径が小さいため、摩擦損失が大きい。また、この圧縮機用遠心羽根車では、流路内の２次流れの発生により２次流れ損失が発生する。

圧縮機用遠心羽根車の摩擦損失Δρは、次の式（１）で表される。ここで、ｇは定数、Ｌは流路長さ、ｄ_Ｈは流路の平均水力直径、ｗは流路内の平均相対速度である。

従来の一般的な低比速度圧縮機用遠心羽根車では、アスペクト比ｂ／Ｐが小さく、流路の平均水力直径ｄ_Ｈが小さいため、摩擦損失が大きく、アスペクト比ｂ／Ｐが大きい（１に近い）高比速度圧縮機用遠心羽根車と比較して、効率が低いという欠点がある。

また、圧縮機用遠心羽根車に生ずる２次流れは、主として流路内の１組の渦対と、境界層内流体の吹き寄せとから成り、羽根先端の背面側には、２次流れによる低エネルギ流体が集積しやすく、流路中で最も損失が大きく、流れの剥離が生じやすい。さらには、流路断面が矩形の場合、流路内において２次流れによる衝突損失が生じ、流路の４隅に低エネルギ流体が集積することによって損失が大きくなる。

そこで、特開平８−３０３３８９号公報（特許文献１）に記載された圧縮機用遠心羽根車が案出されている。この圧縮機用遠心羽根車は、羽根前部は３次元形状の入口羽根で、また、羽根後部は２次元形状の出口羽根で構成されており、羽根後部の２次元形状を有する出口羽根の厚さは、上流部より下流部で大きくなっている。係る構成によって、上述した一般的な圧縮機用遠心羽根車と比較して、アスペクト比ｂ／Ｐが大きくなる（１に近くなる）ため、流路の平均水力直径ｄ_Ｈが大きくなり、摩擦損失を減少することができる。また、３次元形状の入口羽根により、圧縮機用遠心羽根車の入口部に流入する気体の相対速度が減少するため、この点からも摩擦損失を減少することができる。

特開平８−３０３３８９号公報

しかし、特許文献１の圧縮機用遠心羽根車では、流路の断面輪郭を矩形としているため、流路の平均水力直径ｄ_Ｈはその断面輪郭が正方形の場合に最大で０．８８６である。また、特許文献１の圧縮機用遠心羽根車では、流路内で発生する２次流れ損失については考慮されていない。

本発明の第１の目的は、流路の平均水力直径を大きくすることで摩擦損失を低減しつつ２次流れ損失を低減して高効率な圧縮機用遠心羽根車を提供することにある。

本発明の第２の目的は、流路断面輪郭を曲線で構成することによって２次流れ損失を低減して高効率な圧縮機用遠心羽根車を提供することにある。

本発明の第３の目的は、流路の平均水力直径を大きくすることで摩擦損失を低減して高効率とした圧縮機用遠心羽根車を容易に製造できる製造方法を提供することにある。

前述の第１の目的を達成するための本発明の第１の態様は、心板と側板の間に円形翼列状に配置した複数の羽根を設け、前記各羽根の前部を３次元形状の入口羽根で構成すると共に、前記各羽根の後部をそり線形状が２次元形状である出口羽根で構成した圧縮機用遠心羽根車において、前記出口羽根の流れ方向の羽根厚さを上流部より下流部で大きくし、前記出口羽根の高さ方向の羽根厚さを中央部で最小にしたことにある。

前述の第１の目的を達成するための本発明の第２の態様は、心板と側板の間に円形翼列状に配置した複数の羽根を設け、前記各羽根の前部を３次元形状の入口羽根で構成すると共に、前記各羽根の後部をそり線形状が２次元形状である出口羽根で構成した圧縮機用遠心羽根車において、前記出口羽根の周方向の羽根厚さを内径側より外径側で大きくし、前記出口羽根の高さ方向の羽根厚さを中央部で最小にしたことにある。

係る本発明の第１または第２の態様におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
（１）前記心板と前記側板と前記出口羽根とで形成した流路の断面輪郭を曲線で構成したこと。
（２）前記心板と前記側板と前記出口羽根とで形成した流路の断面輪郭を２本以上の曲線と２本以上の直線とで構成したこと。
（３）前記心板と前記側板と前記出口羽根とで形成した流路の断面輪郭を５本以上の直線で構成したこと。

また、前述の第２の目的を達成するための本発明の第３の態様は、心板と側板の間に円形翼列状に配置した複数の羽根を設け、前記各羽根の前部を３次元形状の入口羽根で構成すると共に、前記各羽根の後部をそり線形状が２次元形状である出口羽根で構成した圧縮機用遠心羽根車において、前記出口羽根の流れ方向の羽根厚さを上流部より下流部で大きくし、前記心板と前記側板と前記出口羽根とで形成した流路の断面輪郭を曲線で構成したことにある。

係る本発明の第３の態様におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
（１）前記心板と前記側板と前記出口羽根とで形成した流路の断面輪郭を全て曲線で構成したこと。

また、前述の第３の目的を達成するための本発明の第４の態様は、心板と側板の間に円形翼列状に配置した複数の羽根を設け、前記各羽根の前部を３次元形状の入口羽根で構成すると共に、前記各羽根の後部をそり線形状が２次元形状である出口羽根で構成した圧縮機用遠心羽根車の製造方法において、前記出口羽根の流れ方向の羽根厚さを上流部より下流部で大きくし、前記出口羽根の高さ方向の羽根厚さを中央部で最小にした形状とし、前記出口羽根の羽根高さ方向に２分割した一方を前記心板または前記側板に一体に形成すると共に、前記出口羽根の羽根高さ方向に２分割した他方及び前記入口羽根を前記側板または前記心板に一体に形成した後、前記心板と前記側板とを結合することにある。

係る本発明の第４の態様におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
（１）前記出口羽根の羽根高さ方向に２分割した一方の先端面と前記出口羽根の羽根高さ方向に２分割した他方の先端面とを接合して、前記心板と前記側板とを結合すること。
（２）前記出口羽根の羽根高さ方向に２分割した一方または他方と前記入口羽根とを一体に形成すること。

本発明によれば、流路の平均水力直径を大きくすることで摩擦損失を低減しつつ２次流れ損失を低減して高効率な圧縮機用遠心羽根車を提供することができる。

また、本発明によれば、流路断面輪郭を曲線で構成することによって２次流れ損失を低減して高効率な圧縮機用遠心羽根車を提供することができる。

また、本発明によれば、流路の平均水力直径を大きくすることで摩擦損失を低減して高効率とした圧縮機用遠心羽根車を容易に製造できる製造方法を提供することができる。

以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の圧縮機用遠心羽根車を図１から図４を用いて説明する。

図１は本発明の第１実施形態の圧縮機用遠心羽根車を備えた一軸多段遠心圧縮機の縦断面図である。

複数の圧縮機用遠心羽根車１Ａ〜１Ｅ、ディフユーザ２Ａ〜２Ｅ、リターンベンド３Ａ〜３Ｄ、および案内羽根４Ａ〜４Ｄにより、多段に構成された圧縮機段を軸方向に積み重ねて、一軸多段遠心圧縮機１００が形成されている。回転軸７には複数の圧縮機用遠心羽根車１Ａ〜１Ｅが軸方向に積み重ねられており、回転軸７の両端部は軸受９で回転可能に支持されている。なお、複数の圧縮機用遠心羽根車１Ａ〜１Ｅの１つを共通的に称する場合には、圧縮機用遠心羽根車１と称する。

各圧縮機用遠心羽根車１Ａ〜１Ｅの下流側である半径方向外側にはディフユーザ２Ａ〜２Ｅが設けられている。最終段を除く各段のディフユーザ２Ａ〜２Ｄは、次段へ作動流体を導くリターンベンド３Ａ〜３Ｄに接続されている。リターンベンド３Ａ〜３Ｄの下流側には半径方向内向きに作動流体を導く案内羽根４Ａ〜４Ｄが形成されている。最終段のディフユーザ２Ｅの下流側には、最終段の圧縮機用遠心羽根車１Ｅから吐出される作動流体を集めて図示しない吐出配管から吐出するためのスクロール５が形成されている。ディフユーザ２Ａ〜２Ｅ、リターンベンド３Ａ〜３Ｄ、案内羽根４Ａ〜４Ｄ、およびスクロール５は静止部材であり、圧縮機ケーシング６に形成されている。

吸込口８から吸い込まれた作動流体は、１段目の圧縮機用遠心羽根車１Ａで昇圧され、ディフユーザ２Ａでさらに昇圧された後、リターンベンド３Ａと案内羽根４Ａにより流れ方向を半径方向外側から半径方向内側に変えられ、２段目の圧縮機用遠心羽根車１Ｂへ導かれる。以下、このような流れを各段で繰り返すことにより順次昇圧されて、最終段のディフユーザ２Ｅを経た後、吐出スクロール５を通り吐出口１０から吐出配管（図示せず）へ導かれる。

図２は図１に示す一軸多段遠心圧縮機における１つの圧縮機用遠心羽根車の縦断面図、図３は図２のＡ−Ａ断面拡大図、図４は従来の圧縮機用遠心羽根車の図３に対応する図、図５は図２に示すＢ−Ｂ断面における心板側の断面図、図６は図２に示すＢ−Ｂ断面における側板側の断面図である。

心板１ｂと側板１ｃの間に円形翼列状に配置された複数の羽根は、羽根前縁から図２の破線までの羽根前部を３次元形状の入口羽根１ｄで構成され、図２の破線から羽根後縁までの羽根後部をそり線形状が２次元形状である出口羽根１ａで構成されている。また、羽根後部の出口羽根１ａの流れ方向の羽根厚さは上流部より下流部で厚く（換言すれば、羽根後部の出口羽根１ａの周方向の羽根厚さは内径側より外径側で厚く）、且つ、出口羽根１ａの高さ方向の羽根厚さは中央部で最小となっており、さらには、流路１１の断面輪郭が全て曲線となっている。係る構成によって、従来の出口形状を持つ圧縮機用遠心羽根車と比較して、流路１１の平均水力直径砺ｄ_Ｈが大きくなり、摩擦損失を減少することができると共に、流れの剥離を抑制し２次流れ損失を小さくすることができる。また、出口羽根１ａにおける流路１１を形成する面が曲面で構成されているため、従来の出口形状を持つ圧縮機用遠心羽根車と比較して、２次流れ損失を小さくすることができる。
（第２及び第３実施形態）
次に、本発明の第２及び第３実施形態について図７及び図８を用いて説明する。図７は本発明の第２実施形態の圧縮機用遠心羽根車の図３に対応する図、図８は本発明の第３実施形態の圧縮機用遠心羽根車の図３に対応する図である。この第２及び第３実施形態は、以下に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一である。

第２実施形態の圧縮機用遠心羽根車の流路１１の断面輪郭は、２つの曲線と２本の直線で構成されている。また、第３実施形態の圧縮機用遠心羽根車の流路１１の断面輪郭は、６本の直線で構成された６角形で構成されている。これらの第２及び第３実施形態の構成によれば、図４に示す従来の出口形状を持つ圧縮機用遠心羽根車と比較して、摩擦損失及び２次流れ損失を低減することができる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態の圧縮機用遠心羽根車の製造方法について図９及び図１０を用いて説明する。この第２実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

心板１ｂは、図９に示すように、出口羽根１ａの厚さが最小となっている出口羽根１ａの高さ方向の中央部で出口羽根１ａを２分割した心板側羽根１ｅ及び３次元形状を有する入口羽根１ｄを一体にして製作される。なお、図９（ａ）は心板側羽根１ｅを有する心板１ｂの正面図、図９（ｂ）は心板側羽根１ｅを有する心板１ｂの縦断面図である。

側板１ｃは、図１０に示すように、２分割した出口羽根１ａの側板側の羽根１ｆを一体にして製作される。なお、図１０（ａ）は側板側羽根１ｆを有する側板１ｃの縦断面図、図１０（ｂ）は心板側羽根１ｅを有する側板１ｃの正面図である。

これらの心板１ｂと側板１ｃに成形される羽根は、その周りが開放された状態で溶接または削り出し、及び、仕上げ加工作業を行うことができるので、３次元形状のものでも比較的容易に成形することができる。この心板１ｂに成形された出口羽根１ｅの先端を、他方の側板１ｃに成形された出口羽根１ｆの先端に溶接、或いは拡散接合等によって結合することにより、圧縮機用遠心羽根車１が完成する。完成された圧縮機用遠心羽根車１の形状は、上述した第１実施形態の圧縮機用遠心羽根車１と実質的に同一である。

入口羽根１ｄが心板１ｂ及び心板１ｂ側の２分割した出口羽根１ｅと一体となっているため、特許文献１の図１に記載された圧縮機用遠心羽根車と比較して、剛性に優れるという利点がある。

なお、入口羽根１ｄは、側板１ｃと出口羽根１ａを２分割した側板側の羽根１ｆに、一体として成形することも可能である。

本発明の第１実施形態の圧縮機用遠心羽根車を備えた一軸多段遠心圧縮機の縦断面図である。 図１に示す一軸多段遠心圧縮機における１つの圧縮機用遠心羽根車の縦断面図である。 図２のＡ−Ａ断面拡大図である。 従来の圧縮機用遠心羽根車の図３に対応する図である。 図２に示すＢ−Ｂ断面における心板側の断面図である。 図２に示すＢ−Ｂ断面における側板側の断面図である。 本発明の第２実施形態の圧縮機用遠心羽根車の図３に対応する図である。 本発明の第３実施形態の圧縮機用遠心羽根車の図３に対応する図である。 本発明の第４実施形態の圧縮機用遠心羽根車に用いる心板の正面図と縦断面図である。 本発明の第４実施形態の圧縮機用遠心羽根車に用いる側板の縦断面図と正面図である。

符号の説明

１、１Ａ〜１Ｅ…圧縮機用遠心羽根車、１ａ…出口羽根、１ｂ…側板、１ｃ…心板、１ｄ…入口羽根、１ｅ…２分割した出口羽根の心板側の羽根、１ｆ…２分割した出口羽根の側板側の羽根、２…ディフユーザ、３…リターンベンド、４…案内羽根、５…スクロール、６…圧縮機ケーシング、７…回転軸、８…吸込口、９…軸受、１０…吐出口、１１…流路、１００…一軸多段遠心圧縮機。

Claims (10)

1. 心板と側板の間に円形翼列状に配置した複数の羽根を設け、前記各羽根の前部を３次元形状の入口羽根で構成すると共に、前記各羽根の後部をそり線形状が２次元形状である出口羽根で構成した圧縮機用遠心羽根車において、
   前記出口羽根の流れ方向の羽根厚さを上流部より下流部で大きくし、前記出口羽根の高さ方向の羽根厚さを中央部で最小にしたことを特徴とする圧縮機用遠心羽根車。
2. 心板と側板の間に円形翼列状に配置した複数の羽根を設け、前記各羽根の前部を３次元形状の入口羽根で構成すると共に、前記各羽根の後部をそり線形状が２次元形状である出口羽根で構成した圧縮機用遠心羽根車において、
   前記出口羽根の周方向の羽根厚さを内径側より外径側で大きくし、前記出口羽根の高さ方向の羽根厚さを中央部で最小にしたことを特徴とする圧縮機用遠心羽根車。
3. 請求項１または２において、前記心板と前記側板と前記出口羽根とで形成した流路の断面輪郭を曲線で構成したことを特徴とする圧縮機用遠心羽根車。
4. 請求項１または２において、前記心板と前記側板と前記出口羽根とで形成した流路の断面輪郭を２本以上の曲線と２本以上の直線とで構成したことを特徴とする圧縮機用遠心羽根車。
5. 請求項１または２において、前記心板と前記側板と前記出口羽根とで形成した流路の断面輪郭を５本以上の直線で構成したことを特徴とする圧縮機用遠心羽根車。
6. 心板と側板の間に円形翼列状に配置した複数の羽根を設け、前記各羽根の前部を３次元形状の入口羽根で構成すると共に、前記各羽根の後部をそり線形状が２次元形状である出口羽根で構成した圧縮機用遠心羽根車において、
   前記出口羽根の流れ方向の羽根厚さを上流部より下流部で大きくし、前記心板と前記側板と前記出口羽根とで形成した流路の断面輪郭を曲線で構成したことを特徴とする圧縮機用遠心羽根車。
7. 請求項６において、前記心板と前記側板と前記出口羽根とで形成した流路の断面輪郭を全て曲線で構成したことを特徴とする圧縮機用遠心羽根車。
8. 心板と側板の間に円形翼列状に配置した複数の羽根を設け、前記各羽根の前部を３次元形状の入口羽根で構成すると共に、前記各羽根の後部をそり線形状が２次元形状である出口羽根で構成した圧縮機用遠心羽根車の製造方法において、
   前記出口羽根の流れ方向の羽根厚さを上流部より下流部で大きくし、前記出口羽根の高さ方向の羽根厚さを中央部で最小にした形状とし、
   前記出口羽根の羽根高さ方向に２分割した一方を前記心板または前記側板に一体に形成すると共に、前記出口羽根の羽根高さ方向に２分割した他方及び前記入口羽根を前記側板または前記心板に一体に形成した後、前記心板と前記側板とを結合することを特徴とする圧縮機用遠心羽根車の製造方法。
9. 請求項８において、前記出口羽根の羽根高さ方向に２分割した一方の先端面と前記出口羽根の羽根高さ方向に２分割した他方の先端面とを溶接または拡散接合して、前記心板と前記側板とを結合することを特徴とする圧縮機用遠心羽根車の製造方法。
10. 請求項８において、前記出口羽根の羽根高さ方向に２分割した一方または他方と前記入口羽根とを一体に形成することを特徴とする圧縮機用遠心羽根車の製造方法。

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