JP2011021491A - インペラおよび回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】流体流路の後半部に生じる低エネルギー流体のかたまりを縮小させて流動損失の低減を図ることができるインペラおよび回転機械を提供する。
【解決手段】インペラ流路１０の径方向内側から径方向外側へ向かうに従い流れ方向が軸方向から径方向へと漸次変化する回転機械のインペラ１であって、インペラ流路１０を構成するハブ面４と負圧面ｎとを備え、インペラ流路１０の入口６側の前半部および出口７側の後半部１１の一方である後半部１１に位置するハブ面４と負圧面ｎとが接する隅部１２に、インペラ流路１０の内側へ向かって膨出する膨出部ｂを設けたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、インペラおよび回転機械に関するものであり、特にその流路形状に係るものである。

産業用圧縮機やターボ冷凍機、小型ガスタービンなどの回転機械に用いられる遠心型や斜流型の圧縮機にあっては常に性能向上が求められており、特に、これら圧縮機のキーコンポーネントであるインペラの性能向上が必要となっている。そこで近年、インペラの性能向上を図るために羽根のチップ−ハブ間の前縁に凹部を設けて２次流れや剥離を効果的に抑制するインペラが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、遠心型や斜流型のインペラの性能向上を図るために、ハブ面に沿う流れの境界層が拡大しないよう羽根間のハブ面に複数本の溝を形成してハブ面に沿う流れに乱れを生じさせるものや、境界層の局部集中を防止するために羽根間に複数の小翼を設けたものがある（例えば、特許文献２，３参照）。

特開２００６−２６８９号公報 特開２００５−１６３６４０号公報 特開２００５−１８０３７２号公報

ところで、図９〜図１１に示す従来の遠心型の圧縮機のインペラ２０１は、ハブ２０２のハブ面２０４上に形成された隣り合う羽根２０３の圧力面ｐおよび負圧面ｎと、ハブ面２０４と、シュラウド面２０５とによって流体流路２１０が形成され、例えば、図１０に示すハブ２０２が軸線Ｏ周りに回転すると、流体が径方向内側に配置された入口２０６から軸方向に沿って流入し、その後、流体流路２１０に沿って流れ方向が軸方向から径方向へと変化しながら移動して、最終的に径方向外側に配置された出口２０７から径方向に沿って外方へ排出されることとなる。なお、インペラ２０１の回転方向を図９中矢印で示す。

このように、インペラ２０１の径方向内側から径方向外側へ向かうに従い軸線Ｏに沿う方向から径方向に沿う方向へと流体流路２１０の流れ方向が変化するので、インペラ２０１の出口２０７近傍におけるシュラウド面２０５上に境界層が発達し、また、羽根２０３の負圧面ｎ上での圧力が最も低くなるので、シュラウド面２０５と負圧面ｎとに境界層が吸い寄せられて徐々に蓄積して出口２０７近傍のシュラウド面２０５上での負圧面ｎ側にて低エネルギー流体のかたまりｋとなる。 さらに、流れの曲り部内側では流体が剥がれやすくなるので、低エネルギー流体のかたまりｋが蓄積するのと、流れが剥がれやすくなるのとが同時に作用して、負圧面ｎとシュラウド面２０５とにより形成されるコーナ部分近傍において蓄積された低エネルギー流体のかたまりｋの範囲が拡大されてしまう。上述の図９〜図１１では遠心型の圧縮機を一例に説明したが、同様に斜流型の圧縮機の流体流路においても同じ理由で低エネルギー流体のかたまりｋが蓄積する。そして、この低エネルギー流体のかたまりｋが出口２０７に向かって徐々に拡大し、これにより流体流路２１０の出口２０７側の後半部２１１から出口２０７に亘って流動損失が生じてしまう。
また、この低エネルギー流体のかたまりｋは、流量が減少するに従って大きくなるため、小流量側での性能を低下させる要因にもなってしまう。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、流体流路の後半部に生じる低エネルギー流体のかたまりを縮小させて流動損失の低減を図ることができるインペラおよび回転機械を提供するものである。

本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために以下の構成を採用する。
本発明に係るインペラ（例えば、実施形態におけるインペラ１）は、流体流路（例えば、実施形態におけるインペラ流路１０）の径方向内側から径方向外側へ向かうに従い流れ方向が軸方向から径方向へと漸次変化する回転機械のインペラであって、前記流体流路の少なくとも一部を構成するハブ面（例えば、実施形態におけるハブ面４）と羽根面（例えば、実施形態における圧力面ｐ、負圧面ｎ）とを備え、前記流体流路の入口（例えば、実施形態における入口６）側の前半部および出口（例えば、実施形態における出口７）側の後半部（例えば、実施形態における後半部１１）の一方である後半部に位置する前記ハブ面と前記羽根面とが接する隅部（例えば、実施形態における隅部１２，２２）に、前記流体流路の内側へ向かって膨出する膨出部（例えば、実施形態における膨出部ｂ）を設けたことを特徴とする。
この発明に係るインペラによれば、膨出部が流体流路の後半部においてハブ面と羽根面とが接する隅部から流体流路の内側へ向かって膨出して設けられていることで、流体流路を流れる流体が後半部で膨出部を乗り越え、膨出部の対面に生じる低エネルギー流体のかたまりが膨出部を乗り越えた高エネルギーの流体に押し付けられて縮小するため、低エネルギー流体のかたまりが蓄積することによる流動損失の低減を図ることができる。ここで、低エネルギー流体は流量が減少するに従い増大する傾向にあるが、膨出部によって流速が上昇するので、特に低流量の流体が流入される場合に、効率向上を図れ、さらに流体の失速が抑制されるのでサージ余裕も拡大される。
また、隅部に膨出部を設けることで、膨出部が形成されている羽根とハブとの接する部分の強度を増加させることができるとともに、例えば、羽根およびハブと一体的に形成することで部品点数が増加することなしに作成することができる。

また本発明に係るインペラは、上記本発明のインペラにおける前記隅部が、前記羽根の負圧面と前記ハブ面とで形成される隅部（例えば、実施形態における隅部１２）であってもよい。
この発明に係るインペラによれば、羽根の負圧面とシュラウド面とのコーナ部近傍に蓄積する低エネルギー流体のかたまりに対して比較的近い負圧面とハブ面との隅部に膨出部を設けてあるため、膨出部を乗り越えた高エネルギー流体により効率よく低エネルギー流体を押し付けて縮小させることができる。

また本発明のインペラは、上記本発明のインペラにおける前記隅部が、前記羽根の圧力面と前記ハブ面とで形成される隅部（例えば、実施形態における隅部２２）であってもよい。
この発明に係るインペラによれば、羽根の圧力面とハブ面とで形成される隅部に膨出部を設けた場合であっても、膨出部を乗り越えた流体により低エネルギー流体を押し付けて縮小させることができる。また、圧力面とハブ面との隅部および負圧面とハブ面との隅部の両方に膨出部を設けた場合には、更なる低エネルギー流体の縮小化を図ることができる。

また本発明に係るインペラは、上記本発明のインペラにおいて、前記膨出部の前記流体流路の上流側又は下流側の少なくとも一方に前記膨出部と、前記ハブ面および前記羽根面とを滑らかに繋ぐすりつけ部（例えば、実施形態におけるすりつけ部１３）を設けてもよい。
この発明に係るインペラによれば、膨出部とハブ面および羽根面とがすりつけ部によって滑らかに接続されるため、流体が膨出部を乗り越える際の流動損失を抑制することができる。

また本発明に係る回転機械は、上記本発明のインペラを備えている。
この発明に係る回転機械によれば、上述した本発明のインペラを備えているため、回転機械のより一層の損失低減を図ることができる。

本発明に係るインペラおよび回転機械によれば、ハブ面と羽根面とが接する隅部に膨出部を設けたことで、流体流路を流れる流体が膨出部を乗り越える際に、流体流路の後半部の羽根の負圧面近傍のシュラウド面に沿って生じる低エネルギー流体のかたまりを縮小させることができるため、この低エネルギー流体のかたまりが拡大することによって生じる流動損失の低減を図ることができる効果がある。

本発明の実施形態における遠心圧縮機の横断面図である。 本発明の実施形態におけるインペラの要部を示す拡大正面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態におけるインペラの流量に対する効率特性を示すグラフである。 本発明の実施形態におけるインペラの流量に対するヘッド特性を示すグラフである。 本発明の実施形態の他の実施例におけるインペラの正面図である。 図７のＢ’−Ｂ’線に沿う断面図である。 従来のインペラにおける図２に相当する正面図である。 図９のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図９のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

次に、この発明の実施形態における回転機械のインペラについて図面を参照しながら説明する。この実施形態のインペラは、回転機械である遠心型圧縮機のインペラを一例に説明する。

本実施形態の回転機械である遠心圧縮機１００は、一例として、図１に示すように、主として、軸線Ｏ周りに回転させられるシャフト１０２と、シャフト１０２に取り付けられて遠心力を利用してプロセスガス（気体）Ｇを圧縮するインペラ１と、シャフト１０２を回転可能に支持すると共にプロセスガスＧを上流側から下流側に流す流路１０４が形成されたケーシング１０５と、によって構成されている。

ケーシング１０５は、略円柱状の外郭をなすように形成され、中心を貫くようにシャフト１０２が配置されている。ケーシング１０５のうちシャフト１０２の軸方向の両端には、ジャーナル軸受１０５ａが設けられ、一端には、スラスト軸受１０５ｂが設けられている。これらジャーナル軸受１０５ａ及びスラスト軸受１０５ｂはシャフト１０２を回転可能に支持している。即ち、シャフト１０２は、ジャーナル軸受１０５ａ及びスラスト軸受１０５ｂを介してケーシング１０５に支持されている。
また、ケーシング１０５のうち軸方向の一端側にはプロセスガスＧを外部から流入させる吸込口１０５ｃが設けられ、他端側にはプロセスガスＧが外部に流出する排出口１０５ｄが設けられている。ケーシング１０５内には、これら吸込口１０５ｃ及び排出口１０５ｄにそれぞれ連通し、縮径及び拡径を繰り返す内部空間が設けられている。この内部空間は、インペラ１を収容する空間として機能すると共に上記流路１０４としても機能する。即ち、吸込口１０５ｃと排出口１０５ｄとは、インペラ１及び流路１０４を介して連通している。

インペラ１は、シャフト１０２の軸方向に間隔を空けて複数配列されている。なお、図示例において、インペラ１は６つ設けられているが少なくとも１つ以上設けられていればよい。

図２〜図５は、遠心型圧縮機１００のインペラ１を示しており、このインペラ１は、ハブ２と複数の羽根３とを備えて構成される。
ハブ２は、正面視で略円形に形成され、上述した軸線Ｏを中心として軸周りに回転可能になっている。ハブ２には、図３に示すように、軸線Ｏから径方向外側にやや離間した径方向内側の所定の位置Ｓから径方向外側に向かってハブ面４が湾曲形成されている。この湾曲形成されたハブ面４は、径方向内側に位置する面が軸線Ｏに沿って形成されるとともに、径方向外側に向かうにつれて徐々に径方向に沿う凹型に形成される。つまり、ハブ２は、その軸線Ｏからやや離間した径方向内側の位置Ｓから径方向外側に向かうほどその軸方向厚さ寸法が軸方向端面の一方（上流側）から減少し、この軸方向厚さ寸法の減少量が内側ほど大きく外側ほど小さくなっている。なお、図３において、ハブ２の径方向を矢印で示している。

上述したハブ面４には、図２に示すように、複数の羽根３が略放射状に配置され、図４に示すようにハブ面４に対して略垂直に立設されている。この羽根３は、ハブ端ｈからチップ端ｔまで厚さが略一様に形成され、ハブ端ｈからチップ端ｔまでハブ２の回転方向（図２中矢印で示す）に向かって若干凸面となる湾曲した形状を呈している。インペラ１が回転することで、湾曲形状の羽根３の凹面側および凸面側の各羽根面のうち凸面側の羽根面が圧力面ｐとなる一方、凸面の裏側である凹面側の羽根面が負圧面ｎとなる。

また図３に示すように、羽根３のチップ端ｔはハブ２の径方向内側から径方向外側に亘って湾曲形成されている。より具体的には、上述したハブ面４と同様に、径方向内側ほど軸線Ｏに沿い、径方向外側に向かうにつれて徐々に径方向に沿う凹型に形成されている。そして、羽根３は、ハブ面４を基準にするとその高さ寸法が、ハブ２の径方向内側ほど高く、径方向外側ほど低く形成される。

上述したインペラ１は、羽根３のチップ端ｔ側がケーシング１０５（図１参照）で覆われており、このケーシング１０５により構成されるシュラウド面５と、上述した隣り合う羽根３の圧力面ｐおよび負圧面ｎと、これら圧力面ｐと負圧面ｎとの間のハブ面４とによってインペラ１のインペラ流路１０が構成される。そして、インペラ１が回転することにより、ハブ２の径方向内側に位置するインペラ流路１０の入口６から軸方向に沿って流体が流入して、遠心力によって径方向外側に位置する出口７から径方向に沿って流体が外方へ流出することとなる。

上述した構成のインペラ流路１０は、そのハブ２の径方向内側から径方向外側へ向かうに従い流れ方向が軸方向から径方向へと漸次変化しており、上述した入口６から出口７へ向かって湾曲形成される。このようにインペラ流路１０が湾曲していることで、インペラ流路１０の出口７側の後半部１１の負圧面ｎに近いシュラウド面５側に、低エネルギー流体のかたまりｋ（図３、図４参照）が蓄積され易くなっている。

インペラ流路１０の後半部１１には、ハブ面４と羽根３の負圧面ｎとが接する隅部１２にインペラ流路１０の内側へ向かって膨出する膨出部ｂが形成されている。この膨出部ｂはハブ面４および負圧面ｎと一体的に形成されている（図２，図４参照）。この膨出部ｂを設けることにより、インペラ流路１０の後半部１１における低エネルギー流体のかたまりｋが、膨出部ｂを乗り越えた高エネルギー流体に押し付けられて縮小されることとなる。

膨出部ｂは、その最大幅がインペラ流路１０の幅の２５％程度、羽根３の高さの３０％程度に設定されている。そしてインペラ流路１０の入口６から６５％程度の位置で最大幅、最大高さとなるのが望ましい。そして、膨出部ｂの周囲にはそれぞれハブ面４および負圧面ｎとの間を滑らかに繋ぐすりつけ部１３が設けられている。

すりつけ部１３は、インペラ流路１０の入口６側では、流路長さの３０％程度の位置から負圧面ｎを基準に出口７側へ向かって徐々に幅および高さ寸法が増加して膨出部ｂへ繋がる。さらに膨出部ｂの出口７側では、出口７方向へ向かって徐々に幅および高さ寸法が減少して、インペラ１の後段に配置される不図示のディフューザなどへの接続等を考慮して出口７で負圧面ｎに収束し幅および高さ寸法が０に戻る。なお、上述した膨出部ｂの形状および位置は一例であって上記の位置に限られず、また、すりつけ部１３の開始位置も上記位置に限られるものではない。

図５は、インペラ１および従来のインペラを用いた回転機械の効率特性を示すグラフであり、縦軸を効率η、横軸を流量Ｑとしている。なお、図５中、膨出部ｂを設けていないインペラを備える回転機械の効率を実線で示し、膨出部ｂを設けている上述のインペラ１を備える回転機械の効率を破線で示している。
図５に示すように、同一の流量Ｑで膨出部ｂを設けた場合の方が膨出部ｂを設けない場合と比較して効率が向上していることが分かる。特に、小流量側での効率が大きく向上していることが分かる。

また図６は、インペラ１および従来のインペラを用いた回転機械のヘッド（仕事）特性を示すグラフであり、縦軸をヘッド（仕事）、横軸を流量Ｑとしている。なお、図６中、膨出部ｂを設けていないインペラを備える回転機械のヘッドを実線で示し、膨出部ｂを設けている上述のインペラ１を備える回転機械のヘッドを破線で示している。
図６に示すように、膨出部ｂを設けていないインペラを備える回転機械のサージ点（図中、塗りつぶしの丸で示す。）よりも、膨出部ｂを設けている上述のインペラ１を備える回転機械のサージ点（図中、白抜きの丸で示す）の方が、より低流量側に変位してそのサージ余裕が拡大したことが分かる。
これら図５、図６の効率向上およびサージ点の低流量化は、インペラ流路１０の後半部１１における低エネルギー流体のかたまりｋが、膨出部ｂを乗り越えた高エネルギー流体に押し付けられて縮小されて流体の失速が抑制されたからである。なお、サージ点とは、回転機械がサージングせずに正常動作するのに最低限必要な流量である。

したがって、上述した実施形態の回転機械のインペラ１によれば、膨出部ｂがインペラ流路１０の後半部１１においてハブ面４と羽根３の負圧面ｎとが接する隅部１２からインペラ流路１０の内側へ向かって膨出して設けられていることで、インペラ流路１０を流れる流体が後半部１１で膨出部ｂを乗り越え、膨出部ｂの対面に生じる低エネルギー流体のかたまりｋに膨出部ｂを乗り越えた高エネルギーの流体が押し付けられて低エネルギー流体のかたまりｋが縮小するため、低エネルギー流体のかたまりｋが蓄積することによる流動損失の低減を図ることができる。
さらに、低エネルギー流体のかたまりｋは流量が減少するに従い増大する傾向にあるが、膨出部ｂによって流速が上昇するので、特に低流量の流体が流入される場合に効率向上を図れ、さらに流体の失速が抑制されるのでサージ余裕も拡大される。
また、隅部１２に膨出部ｂを設けることで、膨出部ｂが形成されている羽根３とハブ２との接する部分の強度を増加させることができるとともに、ハブ２および羽根３と膨出部ｂとを一体的に形成することで部品点数が増加することなしに作成することができる。

また、羽根３の負圧面ｎと、チップ端ｔ側のシュラウド面５とのコーナ部近傍の低エネルギー流体のかたまりｋが蓄積する部分に比較的近い負圧面ｎとハブ面４との接する隅部１２に膨出部ｂを設けてあるため、膨出部ｂを乗り越えた高エネルギー流体により効率よく低エネルギー流体のかたまりｋを押し付けて縮小させることができる。
さらに、膨出部ｂとハブ面４および負圧面ｎとがすりつけ部１３によって滑らかに接続されるため、高エネルギー流体が膨出部ｂを乗り越える際の損失を抑制することができる。

なお、上述した実施形態のインペラ１では、インペラ流路１０の後半部１１に位置する負圧面ｎおよびハブ面４の接する隅部１２に膨出部ｂを設ける場合について説明したが、この構成に限られず、例えば他の実施例として図７、図８に示すように、インペラ流路１０の後半部１１に位置する圧力面ｐおよびハブ面４の接する隅部２２に膨出部ｂを設けるようにしてもよい。このように隅部２２に膨出部ｂを設けた場合も、羽根３の負圧面ｎとシュラウド面５とのコーナー部近傍に蓄積する低エネルギー流体のかたまりｋに、膨出部ｂを乗り越えた高エネルギーの流体を押し付けて、低エネルギー流体のかたまりｋを縮小することができるため、低エネルギー流体のかたまりｋの蓄積による流動損失の低減を図ることができる。
また、上述した実施形態の膨出部ｂの形状および位置は一例であって、これに限られるものではない。また、すりつけ部１３も同様に、これに限られるものではない。

また、上記実施形態では遠心型の回転機械である遠心圧縮機１００のインペラを一例に説明したが、これに限られるものではなく、斜流型の回転機械のインペラであってもよい。また圧縮機に限られるものではなく、送風機やタービン等のインペラに適用してもよい。また、上述した実施形態では、ハブ面４の対面側がケーシング１０５のシュラウド面５により覆われるいわゆるオープン型のインペラを一例に説明したが、羽根３に一体形成されたチップ端ｔ側を覆う壁を備えるクローズ型のインペラに適用してもよい。このクローズ型のインペラの場合は上述した実施形態のシュラウド面５を、チップ端ｔを覆う壁の内面に読み替えればよい。なお、膨出部ｂ以外のハブ面４と翼面（負圧面ｎ、圧力面ｐ）の境界部は、従来通り切削カッター工具の先端丸みによる隅肉Ｒが若干ついている。

１ インペラ
４ ハブ面
６ 入口
７ 出口
１０ インペラ流路（流体流路）
１２ 隅部
１３ すりつけ部
２２ 隅部
１００ 遠心圧縮機
ｐ 圧力面（羽根面）
ｎ 負圧面（羽根面）
ｂ 膨出部

Claims (5)

1. 流体流路の径方向内側から径方向外側へ向かうに従い流れ方向が軸方向から径方向へと漸次変化する回転機械のインペラであって、
   前記流体流路の少なくとも一部を構成するハブ面と羽根面とを備え、
   前記流体流路の入口側の前半部および出口側の後半部の一方である後半部に位置する前記ハブ面と前記羽根面とが接する隅部に、前記流体流路の内側へ向かって膨出する膨出部を設けたことを特徴とするインペラ。
2. 前記隅部は、前記羽根の負圧面と前記ハブ面とで形成される隅部である請求項１に記載のインペラ。
3. 前記隅部は、前記羽根の圧力面と前記ハブ面とで形成される隅部である請求項１又は２に記載のインペラ。
4. 前記膨出部の前記流体流路の上流側又は下流側の少なくとも一方に前記膨出部と、前記ハブ面および前記羽根面との間を滑らかに繋ぐすりつけ部を設けた請求項１乃至３の何れか一項に記載のインペラ。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載のインペラを備えた回転機械。

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