JP2011027089A - 遠心圧縮機のインペラ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】円盤状のハブの一面から突出し、放射状に複数設けられたブレード40を備え、径方向内周側で軸方向に沿うようにして流入する流体Gを径方向外周側へと流出させる流路が形成される遠心圧縮機のインペラ30であって、ブレード40は、前記流路を流れる流体Gから受ける圧力が相対的に高い圧力面40a及び前記圧力が相対的に低い負圧面40bを具備する本体部43と、径方向内周側で曲面状に圧力面40aと負圧面40bとを接続する前縁部44とを有し、本体部43の部材中心線Qと軸方向Pとがなす角βが、前記ハブと接続する内端から外端42に向かうに従って次第に大きくなるように設定されていると共に、前縁部44の部材中心線Qと交差する中心位置Oにおける曲率半径が、内端から外端42に向かうに従って次第に小さくなるように設定されていることを特徴とする。
【選択図】図4
Description
このような構成により、主羽根の負圧面における低エネルギー流体の集積が抑えられて、内部損失を低減させることにより、圧縮効率を向上させている。
すなわち、本発明に係る遠心圧縮機は、円盤状のハブと、該ハブの一面から突出し、放射状に複数設けられたブレードとを備え、前記ハブと隣り合う前記ブレードとによって径方向内周側で軸方向に沿うようにして流入する流体を径方向外周側へと流出させる流路が形成される遠心圧縮機のインペラであって、前記ブレードは、前記流路を流れる流体から受ける圧力が相対的に高い圧力面及び前記圧力が相対的に低い負圧面を具備する本体部と、径方向内周側で曲面状に前記圧力面と前記負圧面とを接続する前縁部とを有し、前記本体部の部材中心線と軸方向とがなす角が、前記ハブと接続する内端から外端に向かうに従って次第に大きくなるように設定されていると共に、前記前縁部の前記部材中心線と交差する中心位置における曲率半径が、前記内端から前記外端に向かうに従って次第に小さくなるように設定されていることを特徴とする。
なお、相対流入速度とは、回転中のブレードに対して軸方向から流入する流体の相対的な速度をいう。
この構成によれば、流速の速い外端側での中心位置における曲率半径が、本体部の部材厚の1/2未満に設定、すなわち、断面形状が半円弧状に形成された曲面よりも小さい曲率半径に設定されていることから、衝突損失をさらに抑えて高効率化を図ることができる。
この構成によれば、流速の遅い内端側における前縁部において、中心位置よりも圧力面側での曲率半径が、本体部の部材厚の1/2未満に設定されていることから、内端側において衝突損失を抑えることができる。また、中心位置よりも負圧面側の曲率半径が本体部の部材厚の1/2より大きく設定されていることから、内端側においても前縁部に沿って負圧面へと流れる流体の剥離による損失を抑えて高効率化を図ることができる。
この構成によれば、内端から外端に向かって、前縁部の曲率半径の変化率が一定であることから、製作を容易にすることができる。
この構成によれば、内端から外端に向かって、前縁部の曲率半径の変化率が異なるので、使用条件や性能、製作コスト等に基づいて最適な形状を選択することが可能となる。
この構成によれば、外端側の断面形状が楕円状に形成されており、内端側から外端側に向かって前縁部先端の曲率半径が次第に小さくなっていることから、インシデンス角が相対的に小さく流れが剥離し難くなる外端側ほど、前縁部先端の曲率半径が小さくなる。これにより、流体の剥離が生じる可能性が少ない外端側において衝突損失を大きく低減することができる。さらに、径方向の広い範囲において、流体の剥離が生じる可能性を高めることなく、衝突損失を低減することができる。従って、衝突損失が大きく低減されて、高い効率を得ることができる。よって、高性能な遠心圧縮機を提供することができる。
この構成によれば、前縁部は、内端側における断面形状が、前縁部先端よりも圧力面側において曲率半径が小となり、前縁部先端よりも負圧面側において曲率半径が大となる非対称状に形成されており、内端側において圧力面の曲率半径が小さく形成されていることから、内端側において衝突損失を低減することができる。また、負圧面側の曲率半径が大きく形成されていることから、内端側において剥離が生じ難くなる。これにより、内端側において衝突損失を小さくすると共に、流れの剥離を抑止することができる。従って、流体の剥離が生じる可能性を高めることなく、衝突損失を低減することができ、高い効率を得ることができる。よって、高性能な遠心圧縮機を提供することができる。
(第一実施形態)
図1は、本発明の第一実施形態に係る遠心圧縮機1の要部拡大断面図である。
まず始めに、遠心圧縮機1の概略構成について説明する。図1に示すように、遠心圧縮機1は、渦巻形ケーシング10と、主軸20と、インペラ30とを備えている。
インペラ30は、円盤状に形成され、軸方向上流側から下流側に進むに従って次第に外径を大きくするハブ31と、図2に示すように、三次元形状となった複数のブレード40とを備えている。
ブレード40は、外周湾曲面31aから突出し、放射状に複数設けられている。このブレード40については、後に詳述する。
図3及び図4に示すように、ブレード40は、一定の翼厚(部材厚)t1で形成されてガスGから受ける圧力が相対的に高い圧力面40a及びガスGから受ける圧力が相対的に低い負圧面40bを具備する本体部43と、流体流入部32(図1参照)で曲面状に圧力面40aと負圧面40bとを接続する前縁部44とを有している。
このように、外端42における前縁部44は、前縁部先端47Bが曲率半径ρ2(<ρ1)とされており、翼厚t1の1/2未満に設定されている。
図5に示すように、前縁部先端47の曲率半径ρは、内端41から外端42に向かって、変化率一定で小さくなっている。なお、インシデンス角αについても、内端41から外端42に向かって、同様の変化率となっている。
まず、主軸20に対して外部から回転駆動力が付与されると、主軸20及びこの主軸20と一体となったインペラ30が回転する(図1参照)。そして、インペラ30の回転数が定格回転数に達する。
すなわち、図4に示すように、流速が早く効率に対する影響が比較的に大きい前縁部44の外端42側においては、前縁部先端47B(中心位置OB)の曲率半径ρ2が翼厚t1の1/2未満とされて比較的に小さくなっており、ガスGと前縁部先端47Bとの衝突損失が小さくなる。一方、前縁部先端47の曲率半径ρを小さくすると、一般的にガスGが剥離し易くなるが、外端42側のインシデンス角αは、内端41側のインシデンス角α1よりも小さなα2(=0)となっており、ガスGが負圧面40b側に流れても剥離が殆ど生じない。
図6及び図7は、本発明の第二実施形態に係る遠心圧縮機2のインペラ30を周方向に展開した図であって、図6は、径方向の内端41(ハブ側)における流体流入部32を示しており、図7が、径方向の外端42(チップ側)における流体流入部32を示している。なお、図6及び図7において、図1〜図5と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
これらにより、内端41側において、衝突損失の抑止と剥離の抑止とを両立させることができるので、高効率化を図ることができる。
図8及び図9は、本発明の第三実施形態に係る遠心圧縮機3のインペラ30を周方向に展開した図であって、図8は、径方向の内端41(ハブ側)における流体流入部32を示しており、図9が、径方向の外端42(チップ側)における流体流入部32を示している。なお、図8及び図9において、図1〜図7と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
そして、前縁部先端47Cと前縁部先端47Bとは、曲率半径ρ2で同一となっており、前縁部64の径方向の全ての前縁部先端47が曲率半径ρ2で形成されている。
また、外端42側においては、インシデンス角αが、小さく(α2=0)形成されているので、流れの剥離が生じ難くなっている。一方、内端41側においては、インシデンス角α1が、大きく(α1(>α2))形成されており、一般的には流れの剥離が生じ易くなっているが、前縁部先端47Cよりも負圧面40b側が比較的に大きい曲率半径ρ4で形成されているので、インシデンス角α1が大きくても、ガスGが剥離することを効果的に抑止することができる。
これらにより、前縁部64の内端41から外端42までの径方向の全部において、衝突損失の抑止と剥離の抑止とを両立させることができるので、非常に高い効率を得ることができる。よって、高性能な遠心圧縮機3を提供することができる。
例えば、上述した実施形態では、前縁部44,54,64の曲率半径ρの変化率を、内端41から外端42に向けて一定としたが、必ずしも一定にすることはない。
例えば、図10に示すように、第一実施形態と同様に、前縁部44の断面形状を内端41で半円状に形成し、外端42で楕円状に形成した場合において、グラフ(1)に示すように、内端41から外端42に向けて、内端41側で前縁部先端47Aの曲率半径ρを急激に小さくし、その後、緩やかに小さくしてもよい。このような構成によれば、前縁部先端47が広い範囲で小さい曲率半径ρで形成されることとなるので、曲率半径ρの変化率を一定にした場合に比べて、衝突損失をより広い範囲で軽減することが可能となる。また、グラフ(2)〜(5)のように変化させることも可能である。このようにすることで、遠心圧縮機の使用条件や性能、製作コスト等に応じて最適な形状を選択することが可能となる。また、ブレード40の質量を調整することで、ブレード40に作用する遠心力や固有振動数を調整することも可能である。
また、上述した実施形態では、単段に構成した遠心圧縮機に本発明を適用した場合について説明したが、複数段に構成した遠心圧縮機に本発明を適用してもよい。
30…インペラ
31…ハブ
40…ブレード
40a…圧力面
40b…負圧面
41…内端
42…外端
43…本体部
44,54,64…前縁部
47(47A〜47D)…前縁部先端
48…接続部
G…ガス(流体)
O(OA〜OD)…中心位置
P…回転中心軸
Q…部材中心線
S(S1,S2)…スロート面積
t1…翼厚(部材厚)
v…相対流入速度
Claims (7)
- 円盤状のハブと、該ハブの一面から突出し、放射状に複数設けられたブレードとを備え、
前記ハブと隣り合う前記ブレードとによって径方向内周側で軸方向に沿うようにして流入する流体を径方向外周側へと流出させる流路が形成される遠心圧縮機のインペラであって、
前記ブレードは、前記流路を流れる流体から受ける圧力が相対的に高い圧力面及び前記圧力が相対的に低い負圧が作用する負圧面を具備する本体部と、
径方向内周側で曲面状に前記圧力面と前記負圧面とを接続する前縁部とを有し、
前記本体部の部材中心線と軸方向とがなす角が、前記ハブと接続する内端から外端に向かうに従って次第に大きくなるように設定されていると共に、
前記前縁部の前記部材中心線と交差する中心位置における曲率半径が、前記内端から前記外端に向かうに従って次第に小さくなるように設定されていることを特徴とする遠心圧縮機のインペラ。 - 請求項1に記載の遠心圧縮機のインペラにおいて、
前記前縁部の前記外端側での前記中心位置における曲率半径が、前記前縁部と接続する位置での前記本体部の部材厚の1/2未満に設定されていることを特徴とする遠心圧縮機のインペラ。 - 請求項1又は2に記載の遠心圧縮機のインペラにおいて、
前記前縁部の前記内端側での曲率半径が、前記中心位置よりも前記圧力面側で前記前縁部と接続する位置での前記本体部の部材厚の1/2未満に設定されていると共に、前記負圧面側で前記部材厚の1/2より大きく設定されていることを特徴とする遠心圧縮機のインペラ。 - 請求項1から3のうちいずれか一項に記載の遠心圧縮機のインペラにおいて、
前記内端から前記外端に向かって、前記前縁部の曲率半径の変化率が一定であることを特徴とする遠心圧縮機のインペラ。 - 請求項1から3のうちいずれか一項に記載の遠心圧縮機のインペラにおいて、
前記内端から前記外端に向かって、前記前縁部の曲率半径の変化率が異なることを特徴とする遠心圧縮機のインペラ。 - 円盤状のハブと、該ハブの一面から突出し、放射状に複数設けられたブレードとを備え、
前記ハブと隣り合う前記ブレードとによって径方向内周側で軸方向に沿うようにして流入する流体を径方向外周側へと流出させる流路が形成される遠心圧縮機のインペラであって、
前記ブレードは、前記流路を流れる流体から受ける圧力が相対的に高い圧力面及び前記圧力が相対的に低い負圧が作用する負圧面を具備する本体部と、
径方向内周側で曲面状に前記圧力面と前記負圧面とを接続する前縁部とを有し、
前記本体部の部材中心線と軸方向とがなす角が、前記ハブと接続する内端から外端に向かうに従って次第に大きくなるように設定されていると共に、
前記前縁部は、前記外端側における断面形状が楕円状に形成されており、
前記内端から前記外端に向かうに従って前縁部先端の曲率半径が次第に小さくなっていることを特徴とする遠心圧縮機のインペラ。 - 円盤状のハブと、該ハブの一面から突出し、放射状に複数設けられたブレードとを備え、
前記ハブと隣り合う前記ブレードとによって径方向内周側で軸方向に沿うようにして流入する流体を径方向外周側へと流出させる流路が形成される遠心圧縮機のインペラであって、
前記ブレードは、前記流路を流れる流体から受ける圧力が相対的に高い圧力面及び前記圧力が相対的に低い負圧面を具備する本体部と、
径方向内周側で曲面状に前記圧力面と前記負圧面とを接続する前縁部とを有し、
前記本体部の部材中心線と軸方向とがなす角が、前記ハブと接続する内端から外端に向かうに従って次第に大きくなるように設定されていると共に、
前記前縁部は、前記内端側における断面形状が、前縁部先端よりも前記圧力面側において曲率半径が小となり、前記前縁部先端よりも前記負圧面側において曲率半径が大となる非対称状に形成されており、
前記内端から前記外端に向かうに従って前記圧力面側の曲率半径が次第に大きくなっていると共に、前記負圧面側の曲率半径が次第に小さくなっていることを特徴とする遠心圧縮機のインペラ。
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