JP2011094531A - インペラ及び回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】流動損失の発生を低減して性能向上を図ったインペラと、回転機械とを提供する。
【解決手段】円盤状のハブ２と、ハブ２の一面（ハブ面４）から突出し、放射状に複数設けられたブレード３とを備え、ハブ２と、隣り合うブレード３、３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、径方向外周側へ流出させる流路を形成したインペラ１である。ブレード３には、径方向外周側の後縁９からハブ２と反対の側のチップ端縁ｔにかけて一部がカットされてなる、カット部２０が形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、インペラ及び回転機械に関する。

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、圧縮機の効率を向上させるべく、インペラの性能向上を図ってインペラブレードの前縁側に傾斜部を設けたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−０７４３８５号公報

ところで、図１０、図１１に示す従来の遠心型圧縮機のインペラ２０１では、ハブ２０２のハブ面２０４上に形成された隣り合うブレード２０３、２０３と、ハブ面２０４と、シュラウド面２０５とによって流体流路２１０が形成される。例えば、図１１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１０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の流れ方向が変化し、また、ブレード２０３のシュラウド面２０５側となるチップ２０９側では、遠心力による遠心方向への流れ（二次流れ）が集積することにより、インペラ２０１の出口２０７では、図１１に示すようにその後縁２０８の長さ方向（高さ方向）において周方向速度が不均一になってしまう。

そして、この二次流れの集積が出口２０７に向かって徐々に拡大し、さらには、主流のひずみなどの影響を受けることにより、流体流路２１０の出口２０７側にてチップ２０９側およびハブ２０４側における周方向速度が大きくなり、特にチップ２０９側が過大となる。そこで、流体は均一に流れようとするべく、二次流れの集積を解消しようとするが、その混合過程において圧力の低下が起こり、流動損失（圧力損失）が生じてしまうのである。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、流動損失を低減して性能向上を図ったインペラと、回転機械とを提供することを目的としている。

本発明のインペラは、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、径方向外周側へ流出させる流路を形成したインペラであって、前記ブレードには、前記径方向外周側の後縁から前記ハブと反対の側のチップ端縁にかけて一部がカットされてなる、カット部が形成されていることを特徴としている。

このインペラによれば、ブレードの後縁からチップ端縁にかけて、一部をカットしてなるカット部を形成したので、ブレードのチップ側において過大に仕事がなされることが抑えられ、インペラが流体に余分な周方向速度を与えなくなるため、インペラ出口付近での周方向速度が均一化されることにより、流動損失の発生が抑制される。

また、前記インペラにあっては、前記カット部の、前記後縁の長さ方向におけるカット長さが、前記カット部を設けないブレードを用いた場合での、前記流路を流れる流体の、周方向速度の最速部分に対応する位置までを少なくとも含んでいるのが好ましい。

このように、後縁の長さ方向におけるカット長さを周方向速度の最速部分に対応する位置までを少なくとも含んでいるので、周方向速度の最速部分に対応することで仕事量が最も多くなる部分までが少なくともカットされることにより、ブレードのチップ側において過大に仕事がなされてしまうことがより確実に抑えられる。

また、前記インペラにあっては、前記カット部の、前記後縁の長さ方向におけるカット長さが、前記カット部を設けないブレードを用いた場合での前記流路を流れる流体の、周方向速度が定常部分よりも速度が大きい部分を少なくとも含んでいるのが好ましい。
このようにすれば、仕事量が多くなる部分を全て確実にカットすることができ、したがって、ブレードの後縁のチップ端縁側において過大に仕事がなされてしまうことを最大限に抑えることができる。

また、前記インペラにあっては、前記カット部の、径方向におけるカット長さが、前記カット部を設けないブレードを用いた場合での、前記流路を流れる流体の、周方向速度の定常部分と最速部分との比に基づいて決定されているのが好ましい。

ブレードの径方向での位置と周方向速度との相関をとると、ブレードの前縁から後縁に行くに連れて、周方向速度が直線的に上昇する。したがって、前記カット部の径方向におけるカット長さを、周方向速度の定常部分と最速部分との比に基づいて決定することにより、例えば周方向速度の最速部分を定常部分と同等になるまで低下させることが可能になり、これにより、ブレードのチップ側において過大に仕事がなされてしまうことがより確実に抑えられる。

本発明の回転機械は、前記インペラを備えたことを特徴としている。
この回転機械によれば、前述したように流動損失が抑制されたインペラを備えているので、回転機械自体の損失低減化が図られたものとなる。

本発明のインペラにあっては、流動損失が抑制されているので、より一層の性能向上が図られたものとなる。
本発明の回転機械にあっては、性能向上が図られたインペラを備えているので、回転機械自体も性能向上が図られたものとなる。

本発明の回転機械を遠心圧縮機に適用した場合の一実施形態を示す図である。 本発明のインペラの要部を示す正面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 後縁の長さ方向における位置と、周方向速度との関係を示すグラフである。 ブレードの前縁（入口）から後縁（出口）までの位置と、周方向速度との相関を示すグラフである。 本発明のインペラの変形例を示す図であって、図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明のインペラの変形例を示す図であって、図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明のインペラの変形例を示す図であって、図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明のインペラの変形例を示す図であって、図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 従来のインペラの要部を示す正面図である。 図１０のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

以下、図面を参照して本発明を詳しく説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明の回転機械を遠心圧縮機に適用した場合の一実施形態を示す図であり、図１中符号１００は遠心圧縮機である。また、符号１は、本発明の一実施形態となるインペラである。

この遠心圧縮機１００は、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を圧縮する前記インペラ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を形成したケーシング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たもので、中心を貫くようにしてシャフト１０２を配置している。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には、シャフト１０２が回転可能に支持されている。これにより、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。

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前記流路１０４としても機能する。
すなわち、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、図示例ではシャフト１０２にインペラ１が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３は、遠心圧縮機１００のインペラ１を示す図であり、このインペラ１は、ハブ２と複数のブレード３とを備えて構成されている。
ハブ２は、図２に示すように、正面視で略円形に形成された円盤状のもので、前述した軸線Ｏを中心として軸周りに回転するよう構成されたものである。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ている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が湾曲した状態に形成されている。

この湾曲状態に形成されたハブ面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、径方向外側に行くに連れて徐々に径方向に沿う、凹型に形成されている。つまり、ハブ２は、その軸線Ｏより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。

前述したハブ面４には、図２に示すように、複数のブレード３が略放射状に配置され、ハブ面４に対して略垂直に立設されている。これらブレード３は、図３に示すハブ端縁ｈからチップ端縁ｔまで、厚さが略一様に形成されているものの、軸線Ｏに沿って流体の流れる上流側から下流側にかけて、厚さが徐々に薄くなっている。

また、ブレード３のチップ端縁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。具体的には、前述したハブ面４と同様に、径方向内側ほど軸線Ｏに沿い、径方向外側に行くに連れて徐々に径方向に沿う凹型に形成されている。そして、ブレード３は、ハブ面４を基準にするとその高さ寸法（スパン方向寸法）が、ハブ２の径方向内側ほど高く（大きく）、径方向外側ほど低く（小さく）形成されている。

ただし、ブレード３には、図１１に示した従来の一般的なブレード２０３に対して、径方向外周側となる後縁９から、チップ端縁ｔにかけて一部がカットされてなる、カット部２０が形成されている。すなわち、図３中二点鎖線で示す部分Ｃがカットされて、カット部２０が形成されている。このカット部２０におけるカット端縁２１は、本実施形態では直線状に形成されている。

カット部２０は、後縁の長さ方向（スパン方向）におけるカット長さＬ１、すなわち図３中二点鎖線で示すカット部分Ｃにおけるカット長さＬ１が、例えば図１１における後縁の長さ（スパン）Ｈの、チップ側を基端として５％〜４０％程度となっている。ただし、このカット長さＬ１については、後述するように周方向速度との関係から求められる。

インペラ１は、ブレード３のチップ端縁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、図２に示すように隣り合うブレード３、３と、ハブ面４とによってインペラ流路１０が構成されている。そして、インペラ１が回転することにより、図３に示すようにハブ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、さらに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ようになっている。

このような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、前述した入口６から出口７へ向かって湾曲した状態に形成されている。したがって、このようにインペラ流路１０が湾曲していることにより、図１１に示した従来では、シュラウド面２０５側（チップ２０９側）への二次流れに起因して、流体流路２１０の出口２０７側にて流動損失が生じていた。

これに対して本発明では、図３に示したようにブレード３にカット部２０を形成したことにより、インペラ流路１０の出口付近での周方向速度を均一化することができる。

図４は、前記カット部２０を形成しないブレード、すなわち、図１１に示したようなブレード２０３を用いた場合での、前記流路２１０を流れる流体の、後縁２０８の長さ方向（スパン方向）における位置と、周方向速度との関係を示すグラフである。図４のグラフにおいて横軸は、後縁２０８におけるハブ端縁ｈ（ハブ面２０４）からチップ端縁ｔ（チップ２０９）までのスパンを、ハブ端縁ｈを０％とし、チップ端縁ｔを１００％として示している。

図４に示すように従来のブレード２０３では、周方向速度は、チップ端縁ｔ（チップ２０９）側において最速部分を含むピークを有する。すなわち、図４ではスパンが８０％〜９０％程度の範囲において、周方向速度が最速部分となる。したがって、従来では、前述したようにインペラ２０１の出口２０７において周方向速度が不均一になり、特にチップ端縁ｔ（チップ２０９）側で周方向速度が高くなっている。

なお、図１１に示したブレード２０３は、オープンインペラにおけるものであり、したがってチップ２０９側にはシュラウド面５（２０５）との間にチップクリアランスが存在することから、図４中のスパンが１００％近傍となるチップ端縁ｔ側においては仕事をしないので、周方向速度が急激に低く（遅く）なっている。一方、クローズインペラの場合には、周知のようにチップクリアランスは存在しないので、このようなチップ端縁ｔ側における周方向速度の急激な低下は見られなくなる。

また、図１１に示したハブ面２０４側や、クローズインペラの場合のシュラウド面２０５側では、壁面近くとなることから、流体の軸方向速度が主流に比べて遅くなり、周方向速度が速くなる。（図４でも、スパンが０％近傍のハブ側において、僅かながら周方向速度が速くなっている。）

図４に示したように従来のブレード２０３では、チップ端縁ｔ側において周方向速度が速くなり、このような周方向速度の不均一が結果的に流動損失を生じさせていた。そこで、本実施形態のブレード３では、前述したように後縁９からチップ端縁ｔにかけてカット部２０を形成している。このカット部２０については、前述したように図３中二点鎖線で示すカット長さＬ１が、図３中Ｈで示す従来の後縁の長さ（スパン）の、５％〜４０％程度となるようにしているが、さらに好ましくは、図４に示したグラフにおいて、チップ側から周方向速度の最速部分に対応する位置を少なくとも含むようにするのが好ましい。

具体的には、スパンが８０％〜９０％の範囲となる位置において周方向速度が最速となるので、少なくともこの最速部分に位置するブレード３の後縁９のチップ端縁ｔ側をカットする、つまりカット長さＬ１を、後縁９の長さ（スパン）Ｈの２０％以上４０％以下となるように形成するのが好ましい。
このように、後縁９の長さ（スパン）Ｈ方向におけるカット長さＬ１を周方向速度の最速部分に対応する位置を少なくとも含むようにすることにより、仕事量が最も多くなる部分を確実にカットすることができ、したがって、ブレード３の後縁９のチップ端縁ｔ側において過大に仕事がなされてしまうことを効果的に抑えることができる。
さらに好ましくは、図４に示したグラフにおける、周方向速度の定常部分（スパンが５％〜６０％の範囲）に位置するブレード３の後縁９をカットせずに残し、周方向速度がこの定常部分よりも大きな部分（スパンが６０％〜１００％近傍の範囲）に位置するブレード３の後縁９をカットするように、カット長さＬ１を設定するのがより好ましい。
具体的には、スパンが６０％〜１００％近傍の範囲となる位置において、周方向速度が定常部分よりも大きくなるので、少なくともこの定常部分の速度を超える部分に位置するブレード３の後縁９のチップ端縁ｔ側をカットする、すなわち、カット長さＬ１を後縁９の長さ（スパン）Ｈの４０％となるように形成するのがより好ましい。
このように、後縁９の長さ（スパン）Ｈ方向におけるカット長さＬ１を、周方向速度が定常部分よりも大きくなる部分に対応する位置を少なくとも含むようにすることにより、仕事量が多くなる部分を全て確実にカットすることができ、したがって、ブレード３の後縁９のチップ端縁ｔ側において過大に仕事がなされてしまうことを最大限に抑えることができる。

また、カット部２０については、図３中に示す径方向におけるカット長さＬ２を、図４に示したグラフにおける、周方向速度の定常部分と最速部分との比に基づいて決定するのが好ましい。
具体的には、定常部分（スパンが５％〜６０％の範囲）での周方向速度であるｖ１［ｍ／ｓ］と、最速部分（スパンが８０％〜９０％の範囲）での周方向速度であるｖ２［ｍ／ｓ］との比である（ｖ１／ｖ２）を用い、以下の式に示すようにカット長さＬ２を決定するのが好ましい。
Ｌ２＝（１−ｖ１／ｖ２）×Ｍ×ｒ
（ここで、Ｍはマージンを含む係数、ｒはブレード３の後縁９（出口７側）の外半径と前縁（入口６側）の外半径との差を示す。）

なお、前記式において、マージンを５０％としてＭを１．５とし、さらに（ｖ１／ｖ２）＝５／６とすると、Ｌ２＝０．２５ｒとなる。したがって、カット長さＬ２を、ブレード３の後縁９（出口７側）の外半径と前縁（入口６側）の外半径との差ｒの、２５％程度とするのが好ましい。
ここで、ブレード３の径方向での位置と周方向速度との相関をとると、図５に示すように、ブレード３の前縁（入口６側）から後縁９（出口７側）に行くに連れて、周方向速度が直線的に上昇する。したがって、ブレード３の径方向におけるカット長さＬ２を、前記式に示したように周方向速度の定常部分と最速部分との比に基づいて、周方向速度の最速部分が定常部分と同等になるように決定する。これにより、ブレード３のチップ端縁ｔ側において過大に仕事がなされてしまうことを、より確実に抑えることができる。

このような構成のインペラ１にあっては、ブレード３の後縁９からチップ端縁ｔにかけてカット部２０を形成したので、ブレード３のチップ端縁ｔ側において過大に仕事をなすことを抑え、例えば図４中二点鎖線で示すように、インペラ１の出口７付近での周方向速度を均一化することができる。

また、カット部２０の、後縁９の長さ方向におけるカット長さＬ１を、周方向速度の最速部分に対応する位置を少なくとも含むようにすることにより、仕事量が最も多くなる部分までを確実にカットすることができる。これにより、流動損失の発生を確実に抑制し、より一層の性能向上を図ることができる。
また、前述したように後縁９の長さ（スパン）Ｈ方向におけるカット長さＬ１を、周方向速度が定常部分よりも大きくなる部分に対応する位置を少なくとも含むようにすることにより、仕事量が多くなる部分を全て確実にカットすることができ、したがって、ブレード３の後縁９のチップ端縁ｔ側において過大に仕事がなされてしまうことを最大限に抑えることができる。
また、カット部２０の、径方向におけるカット長さＬ２を、周方向速度の定常部分と最速部分との比に基づき、周方向速度の最速部分が定常部分と同等になるように形成することにより、ブレード３のチップ端縁ｔ側において過大に仕事がなされてしまうことを、より確実に抑えることができる。これにより、流動損失の発生を確実に抑制し、より一層の性能向上を図ることができる。

また、このようなインペラ１を備えた遠心圧縮機１００にあっては、前述したようにインペラ１の流動損失の発生が抑制されているので、この遠心圧縮機１００自体の損失低減化が図られたことにより、より一層の性能向上が図られたものとなる。

なお、本発明においては、前記のカット部２０の形状は図３に示した形状に限定されることなく、後縁９からチップ端縁ｔにかけて一部がカットされてなる形状であれば、種々の形状を採用することができる。
例えば、図３に示した実施形態では、カット部２０におけるカット端縁２１を直線状に形成したが、これに代えて、図６に示すようにカット端縁２１を、外側に向かって凹形状となる円弧状に形成してもよい。

また、図７に示すようにカット端縁２１を、外側に向かって凸形状となる円弧状に形成してもよい。
さらには、図８に示すようにカット端縁２１を、外側に向かって凹形状となる鉤状に形成してもよい。

また、前記のブレード３では、後縁９からチップ端縁ｔにかけてカットされたカット部２０のみを形成しているが、図９に示すようにこのカット部２０に加えて、後縁９からハブ端縁ｈにかけて一部がカットされてなるカット部２２を形成してもよい。前述したように、ハブ面４側では壁面近くとなることで、図４に示したように周方向速度が僅かながら速くなる。そこで、図９に示したようにカット部２２を形成することにより、インペラ１の出口７付近での周方向速度を、ハブ面４側においても均一化することができる。これにより、流動損失の発生を抑制してより一層の性能向上を図ることができる。

なお、カット部２２におけるカット端縁２１については、図９に示したように直線状に形成するのに代えて、図６、図７に示すような円弧状、あるいは図８に示すような鉤状に形成してもよい。

また、前記実施形態では、遠心型の回転機械である遠心圧縮機１００のインペラ１を例にして説明したが、本発明はこれに限定されることなく、例えば斜流型の回転機械のインペラに適用することもできる。
また、本発明の回転機械についても、圧縮機に限定されることなく、送風機に適用することもできる。

また、前記実施形態では、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（オープンインペラ）を例に説明したが、ブレード３に一体形成されたチップ端縁ｔ側を覆う壁を備える、クローズ型のインペラ（クローズインペラ）に適用してもよい。

１…インペラ、２…ハブ、３…ブレード、４…ハブ面、６…入口、７…出口、９…後縁、１０…インペラ流路（流路）２０…カット部、２１…カット端縁、ｈ…ハブ端縁、ｔ…チップ端縁

Claims (5)

1. 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、径方向外周側へ流出させる流路を形成したインペラであって、
   前記ブレードには、前記径方向外周側の後縁から前記ハブと反対の側のチップ端縁にかけて一部がカットされてなる、カット部が形成されていることを特徴とするインペラ。
2. 前記カット部の、前記後縁の長さ方向におけるカット長さが、前記カット部を設けないブレードを用いた場合での前記流路を流れる流体の、周方向速度の最速部分に対応する位置までを少なくとも含んでいることを特徴とする請求項１記載のインペラ。
3. 前記カット部の、前記後縁の長さ方向におけるカット長さが、前記カット部を設けないブレードを用いた場合での前記流路を流れる流体の、周方向速度が定常部分よりも速度が大きい部分を少なくとも含んでいることを特徴とする請求項１又は２に記載のインペラ。
4. 前記カット部の、径方向におけるカット長さが、前記カット部を設けないブレードを用いた場合での前記流路を流れる流体の、周方向速度の定常部分と最速部分との比に基づいて決定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のインペラ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のインペラを備えた回転機械。

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