JP2014169705A - インペラ - Google Patents

Abstract

【課題】遠心力に対する強度を確保すべくブレードの厚みを増した場合に、遠心力及びロータの安定性の両面に悪影響を及ぼすことなく、ディスクの径方向外側部分に作用する曲げ応力を低減させる手段を提供する。
【解決手段】本発明に係るインペラは、回転軸に一体的に回転可能に取り付けられる円盤状のディスク１０１と、該ディスク１０１の表面から突出して周方向に複数設けられ、少なくとも径方向外側部分に、重量を抑制するための空洞部１０３が設けられたブレード１０２と、を備え、空洞部１０３は、断面略円形を有し、複数穿設されていることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、回転軸に一体的に回転可能に取り付けられる円盤状のディスクと、該ディスクの表面から突出して周方向に複数設けられたブレードとを備えるインペラに関するものである。

遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機では、円盤状のディスクの表面に羽根状のブレードが周方向に複数設けられてなるインペラが、回転軸に沿って複数段にわたって設けられる。そして、この遠心圧縮機では、回転軸の回転に伴って、インペラを収容するケーシングとブレードとによって形成される流路をガスが通過し、その間にガスが圧縮されるようになっている。

ここで、圧縮しようとするガスが、例えば水素のように分子量が小さく圧縮しにくいガスである場合、通常のガスと同様に高い圧縮率まで圧縮するためには、インペラの段数を増やす必要がある。しかし、インペラの段数を増やすと、これを収容するケーシングの数も増加するため、遠心圧縮機全体が大型化するとともに、材料費の増加によるコストアップにもつながる。

また、ケーシングの数が増加すると、このケーシングに設けられて回転軸を回転可能に支持する軸受の数も増加する。そうすると、回転軸の軸受損失が増大するとともに、軸受のメンテナンスも煩雑化する。このような理由から、インペラの段数を最小限に抑えることにより、ケーシングの数は最小限に抑えることが好ましい。

そこで、インペラの段数を増やすことなく、水素のような圧縮しにくいガスを高い圧縮率まで圧縮する手段として、インペラの周方向への回転速度（以下、「周速度」と呼ぶ）を高速化する方法が挙げられる。この方法によれば、ケーシングの数が増えないので、遠心圧縮機全体が大型化することがなく、また材料費が増加することもない。

しかし、従来のインペラでは、インペラの周速度を高速化すると、遠心力が急激に増大するため、ブレードに生じる応力が高くなってしまうという問題がある。これは、インペラの周速度が高速になると、ブレードに作用する遠心力は、周速度の２乗に比例して大きくなるからである。

図８は、回転軸Ｓに固定された従来例に係るインペラ７０を示す概略断面図である。このように、基端部がディスク７１に固定されたブレード７２の先端部がシュラウド（不図示）によって覆われていない、いわゆるオープンインペラ（例えば、特許文献１を参照）は、ブレード７２がシュラウドによって構造的に補強されていないため、インペラ７０の周速度が高速になって遠心力が増大すると、遠心力を受けたブレード７２が比較的変形や損傷しやすい。そこで、遠心力によって生じるブレード７２の応力を抑制する手段として、ブレード７２の厚みを増す方法が従来用いられる。

しかし、遠心力による応力を緩和すべくブレード７２の厚みを増すと、ブレード７２の重量が増加するため、ディスク７１に作用する曲げ応力が大きくなる。従って、図８に示すように、ディスク７１において軸方向への厚みが薄く形成される径方向外側部分（図８に二点差線で示す部分）が、曲げ応力によって変形や損傷しやすくなってしまう。このような曲げ応力によるディスク７１の変形や損傷を防止する手段としては、ディスク７１の厚みを増す方法が挙げられる（例えば、特許文献２を参照）。

特開平０７−４９０９９号公報 特開２００１−３０４１８１号公報

しかし、従来のインペラ７０では、曲げ応力によるディスク７１の損傷を防止すべくディスク７１の厚みを増すと、曲げ応力に対するディスク７１の強度が高まるというメリットがある反面、ディスク７１の重量が増加することによって遠心力が大きくなるという問題、及び、回転軸Ｓやインペラ７０等からなるロータの軸長が長くなり、ロータの安定性を悪化させるという問題がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、遠心力に対する強度を確保すべくブレードの厚みを増した場合に、遠心力及びロータの安定性の両面に悪影響を及ぼすことなく、ディスクの径方向外側部分に作用する曲げ応力を低減させる手段を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明に係るインペラは、回転軸に一体的に回転可能に取り付けられる円盤状のディスクと、該ディスクの表面から突出して周方向に複数設けられ、少なくとも径方向外側部分に、重量を抑制するための空洞部が設けられたブレードと、を備え、前記空洞部は、断面略円形を有し、複数穿設されていることを特徴とする。

このような構成によれば、少なくともブレードの径方向外側部分に空洞部を設けることでブレードの重量を抑制するので、インペラの周速度が高速になっても、遠心力を増大させることなく且つロータの安定性を悪化させることなく、ディスクの径方向外側部分に作用する曲げ応力を低減させることができる。

また、本発明に係るインペラは、前記ブレードの内部における前記空洞部が設けられている範囲が、前記径方向に沿って、前記ディスクと接続する基端部における径方向に略直交する方向への厚みが、前記ディスクの厚みより大きい範囲であることを特徴とする。

このような構成によれば、ブレードの基端部における径方向に略直交する方向への厚みがディスクの厚みより大きい範囲、すなわちディスクの厚みが比較的薄くなる径方向外側部分に空洞部が形成されるので、曲げ応力によってディスクが損傷することをより確実に防止することができる。

また、本発明に係るインペラは、前記空洞部が、前記ディスクの裏面側から前記ディスクを貫通して前記ブレードに達するように穿設されていることを特徴とする。

このような構成によれば、ディスクの裏面側からディスクを貫通して穿設する簡略な作業によって、ブレード内部に空洞部を形成することができる。

また、本発明に係るインペラは、前記ディスクを貫通して、前記空洞部と前記ディスクの裏面側とを連通する通気孔が設けられていることを特徴とする。

このような構成によれば、ブレード内部に形成した空洞部が、通気孔を介してディスクの裏面側と連通しているので、空洞部の外部で圧力が変化すると、これに応じて空洞部の内部も圧力が変化する。従って、空洞部の内部と外部との圧力差によってブレードに応力が作用することはない。また、通気孔はディスクを貫通して設けられ、通気孔の一端開口がブレードの表面に形成されることはない。従って、ブレードによって案内されるガスの流れが、通気孔の一端開口によって悪影響を受けることがない。

また、本発明に係るインペラは、前記空洞部に、前記ブレードを形成する材料より密度の低い材料が充填されていることを特徴とする。

このような構成によれば、空洞部の内部に所定の材料が充填されているため、空洞部の内部或いはその周辺部において、ガスの流れに悪影響を及ぼすいわゆる二次流れの発生を防止することができる。また、この空洞部に充填された材料は、ブレードを形成する材料より密度が低いので、ブレードの重量を抑制するという空洞部の役割を阻害することはない。

本発明に係るインペラによれば、遠心力に対する強度を確保すべくブレードの厚みを増した場合に、遠心力及びロータの安定性の両面に悪影響を及ぼすことなく、ディスクの径方向外側部分に作用する曲げ応力を低減させることができる。

本発明の第１実施形態に係るインペラを備えた遠心圧縮機を示す概略断面図である。 本発明の第１実施形態に係るインペラを裏面側から見た状態を示す概略平面図である。 本発明の第１実施形態に係るインペラの変形例を示す図であって、裏面側から見た状態を示す概略平面図である。 本発明の第１実施形態に係るインペラを構成するブレードの１枚を、基端部側から見た状態を示す概略斜視図である。 第１実施形態のインペラについて、図４におけるＢ−Ｂ断面を示す概略断面図である。 第２実施形態のインペラについて、図４におけるＢ−Ｂ断面を示す概略断面図である。 第３実施形態のインペラについて、図４におけるＢ−Ｂ断面を示す概略断面図である。 従来例に係るインペラを示す概略断面図である。

［第１実施形態］
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。まず、本発明の第１実施形態に係るインペラの構成について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るインペラ１０を備えた遠心圧縮機１を示す概略断面図である。遠心圧縮機１は、筐体としてのケーシング２と、このケーシング２の中央部を貫通して設けられた回転軸３と、この回転軸３に沿って設けられた複数のインペラ１０と、を備えるものである。

ケーシング２は、インペラ１０及び回転軸３を収容するためのものである。このケーシング２は、図１に示すように、略円柱形状を有するケーシング本体２１と、このケーシング本体２１の長手方向両端部にそれぞれ設けられた一対のジャーナル軸受２２と、同じくケーシング本体２１の長手方向のいずれか一端部に設けられたスラスト軸受２３と、を有している。

ケーシング本体２１は、図１に示すように、略円柱形状を有し、その中央部を貫通して軸挿通孔２１１が形成されている。また、ケーシング本体２１の長手方向一端側には、圧縮すべきガスが外部から内部へ流入する吸入口２１２が開口して設けられる一方、長手方向他端側には、圧縮されたガスが内部から外部へ流出する排出口２１３が設けられている。そして、ケーシング２の内部には、吸入口２１２及び排出口２１３にそれぞれ連通して、長手方向に縮径及び拡径を繰り返す内部空間２１４が設けられている。

ジャーナル軸受２２及びスラスト軸受２３は、回転軸３を軸回りに回転可能に支持するためのものである。ジャーナル軸受２２は、図１に示すように、その一方が、ケーシング本体２１の一端側における軸挿通孔２１１に嵌合して設けられ、その他方が、ケーシング本体２１の他端側に取り付けられた軸受ケース２４の内部に収容されている。また、スラスト軸受２３は、ケーシング本体２１の一端側に取り付けられた軸受ケース２５の内部に収容されている。

回転軸３は、不図示の駆動機（タービンやモータ等）によって回転駆動されるものである。この回転軸３は、図１に示すように、ケーシング本体２１の軸挿通孔２１１を挿通され、その長手方向両端部がケーシング本体２１の外部へそれぞれ突出している。そして、回転軸３は、その長手方向両端部が、ジャーナル軸受２２及びスラスト軸受２３にそれぞれ挿通されることにより、回転可能に支持されている。

インペラ１０は、遠心力を利用してガスを圧縮するものである。このインペラ１０は、図１に示すように、回転軸３に同軸上に取り付けられた円盤状のディスク１０１と、このディスク１０１の表面に突出して設けられた複数枚のブレード１０２と、ディスク１０１の裏面からブレード１０２に達するように穿設された空洞部１０３と、を有するものである。このように構成されるインペラ１０は、ケーシング２の内部に収容され、ディスク１０１を貫通して形成された軸挿通孔１０１ａに対し、回転軸３が挿通されて固定されている。これにより、インペラ１０は、回転軸３の回転に伴ってこれと一体的に回転するようになっている。そして、インペラ１０を構成する複数枚のブレード１０２同士の間の隙間、またはブレード１０２とケーシング本体２１の間の隙間が、ガスが流通する流路１０４として構成されている。尚、本実施形態では、回転軸３の軸方向に沿って６個のインペラ１０を所定間隔で設けているが、インペラ１０の数はこれに限られず、適宜設計変更が可能であり、勿論、１つでも構わない。

ここで、図２は、インペラ１０をディスク１０１の裏面側から見た図、すなわちブレード１０２の突出側と逆側から見た図である。図１及び図２に示すように、インペラ１０を構成するディスク１０１は、軸方向視で略円形に形成され、その中心部に、軸方向一方に突出したハブ部１０１ｂが設けられている。そして、その軸方向一方側の面は、外周側から内周側に向かうに従って、径方向から軸方向へ向かうように湾曲形成されている。また、他方側の面は、回転軸３に略直交する平面に形成されている。このため、ディスク１０１の肉厚は、外周側で最も薄く、内周側に向かうに従って厚くなっている。また、ハブ部１０１ｂを貫通して、回転軸３が挿通される軸挿通孔１０１ａが形成されている。尚、ディスク１０１の形状は、本実施形態に限定されず適宜設計変更が可能である。

一方、インペラ１０を構成するブレード１０２は、図２に示すように、ディスク１０１の表面に周方向へ所定の間隔で複数枚設けられている。ここで、図４は、ブレード１０２の１枚を、基端部側すなわちディスク１０１への接続側から見た状態を示す概略斜視図である。尚、図４では、ブレード１０２の紙面手前側に位置するディスク１０１を、破線で示している。ブレード１０２は、圧縮すべきガスを所定の流れ方向に案内するためのものである。このブレード１０２は、図１に示すように側面視でディスク１０１の表面に沿うように湾曲した形状を有するとともに、図２に示すように平面視でもディスク１０１の中心から放射状に延びるように湾曲した形状を有している。また、ブレード１０２は、図４に示すように、その基端部の厚みｄ１が、ディスク１０１の径方向内側から径方向外側に向かって徐々に大きくなっている。また、図５は、図４におけるＢ−Ｂ断面を示す概略断面図である。ブレード１０２は、基端部から先端部に向かってその厚みが徐々に薄くなることにより、断面略三角形状となっている。尚、ブレード１０２の形状は、ディスク１０１の形状に合わせて適宜設計変更が可能である。

空洞部１０３は、ブレード１０２の重量を抑制するためのものである。この空洞部１０３は、図５に示すように、ディスク１０１の裏面からディスク１０１を貫通し、ブレード１０２の所定深さまで達するように、且つ、ブレード１０２を貫通しないように穿設されている。また、この空洞部１０３は、図２及び図４に示すように、断面略円形を有し、ディスク１０１とブレード１０２の径方向外側部分に複数穿設されている。ここで、この径方向外側部分とは、図４に示すように径方向内側から径方向外側に向かって徐々に大きくなるブレード１０２の基端部における径方向に略直交する方向への厚みｄ１が、図５に示すようにディスク１０１の厚みｄ２を越えて大きくなる範囲を意味している。

尚、空洞部１０３の穿設位置、個数、断面形状等は、本実施形態に限定されず適宜設計変更が可能である。例えば、空洞部１０３の断面形状を、本実施形態の断面略円形に代えて、図３に示すようにディスク１０１の径方向に延びる長穴形状としてもよいし、図に詳細は示さないが、略多角形状や略楕円形状としてもよい。また、ディスク１０１及びブレード１０２において空洞部１０３を設ける位置は、径方向外側部分だけでなく、径方向中央部分や径方向内側部分にも設けてよい。

また、本実施形態では、空洞部１０３の形成手順として、ディスク１０１とブレード１０２とを溶接やロウ付け等により接続した後に、ディスク１０１の裏面側から穿設している。しかし、ディスク１０１とブレード１０２とを接続する前に、分離した状態のディスク１０１及びブレード１０２に空洞部１０３をそれぞれ穿設し、その後にディスク１０１とブレード１０２とを接続してもよい。この場合、ディスク１０１を貫通して形成する空洞部１０３は、ディスク１０１の表面側から穿設することも可能である。また、ディスク１０１、ブレード１０２、及び空洞部１０３を、鍛造削り出しや鋳造により一体成形する等、適宜設計変更が可能である。

次に、第１実施形態に係るインペラ１０の作用効果について説明する。本実施形態に係るインペラ１０は、例えば分子量が小さく圧縮しにくい水素ガス等を圧縮する遠心圧縮機１に装備される。このような遠心圧縮機１では、前述のように、高い圧縮率を達成すべくインペラ１０の周速度が高速化されるとともに、増大する遠心力によってブレード１０２が変形や損傷しないよう、ブレード１０２の厚みが厚く形成される。しかし、ブレード１０２を厚く形成すると、ブレード１０２の重量が増加することによって、ブレード１０２が固定されたディスク１０１に作用する曲げ応力が大きくなる。これにより、ディスク１０１の厚みが薄く形成される径方向外側部分では、曲げ応力によってディスク１０１が変形や損傷しやすいという問題がある。

しかし、第１実施形態に係るインペラ１０は、前述のように、ブレード１０２の径方向外側部分に空洞部１０３が設けられ、径方向外側部分においてブレード１０２の重量が抑制されている。従って、径方向外側部分においてディスク１０１に作用する曲げ応力が低減されるため、曲げ応力によるディスク１０１の変形や損傷を防止することができる。しかも、径方向外側部分に空洞部１０３を形成した場合、ディスク１０１及びブレード１０２の重量が抑制されることにより、ディスク１０１及びブレード１０２に作用する遠心力も低減されるとともに、回転軸３やインペラ１０等からなるロータの安定性が、この空洞部１０３の存在によって悪化することもない。

尚、内部に空洞部１０３を設け、外側に部材厚を確保することで、ブレード１０２として必要な断面二次モーメントを確保することができる。このため、空力特性を犠牲にすることなく、空洞部１０３によってブレード１０２の重量を低減しつつ、剛性を確保することができる。

また、本実施形態では、水素ガスを圧縮する遠心圧縮機１を例に説明したが、例えばヘリウムガスや天然ガス等の分子量の小さいガスを遠心圧縮機１で圧縮してもよい。また、インペラ１０は、圧縮すべきガスの種類によらず、周速度が高速な遠心圧縮機１に適用することができる。更に、インペラ１０は、遠心圧縮機１だけでなく、不図示のガスタービンやエキスパンダやターボチャージャ等を含む半径流式の回転機械に適用することが可能である。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係るインペラ１０の構成について説明する。第２実施形態に係るインペラ１０を備える遠心圧縮機１は、図１に示す第１実施形態の遠心圧縮機１と比較すると、インペラ１０の構成だけが異なっている。尚、それ以外の構成は、第１実施形態と同じであるため、第１実施形態と同じ符号を用い、ここでは説明を省略する。

本実施形態のインペラ１０も、図１に示すように、円盤状のディスク１０１と、このディスク１０１の表面に突出して設けられた複数枚のブレード１０２と、を有している。ここで、本実施形態のブレード１０２は、図４に示す第１実施形態のブレード１０２と同じ構成であって、その径方向外側部分に、空洞部１０３が穿設されている。

ここで、図６は、本実施形態のインペラ１０について、図４におけるＢ−Ｂ断面を示す図である。本実施形態のディスク１０１には、第１実施形態のような空洞部１０３は形成されず、空洞部１０３より小径な通気孔１０１ｄがディスク１０１を貫通して形成され、空洞部１０３とディスク１０１の裏面側とを連通している。このような構成によれば、インペラ１０の外部で圧力が変化すると、通気孔１０１ｄを通じて空洞部１０３の内部も圧力が変化する。従って、空洞部１０３の内部と外部との圧力差によってブレード１０２に応力が作用することはない。また、通気孔１０１ｄはディスク１０１を貫通して設けられ、その一端開口はディスク１０１の表面に形成されている。従って、ブレード１０２を貫通して通気孔１０１ｄを形成し、その一端開口をブレード１０２の表面に形成する場合と比較すると、通気孔１０１ｄの一端開口が、ブレード１０２に沿って流れるガスの流れに悪影響を与えにくくなっている。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係るインペラ１０の構成について説明する。第３実施形態に係るインペラ１０を備えた遠心圧縮機１は、図１に示す第１実施形態の遠心圧縮機１と比較すると、インペラ１０の構成だけが異なっている。尚、それ以外の構成は、第１実施形態と同じであるため、第１実施形態と同じ符号を用い、ここでは説明を省略する。

本実施形態のインペラ１０も、図１に示すように、円盤状のディスク１０１と、このディスク１０１の表面に突出して設けられた複数枚のブレード１０２と、を有している。ここで、本実施形態のディスク１０１は、図２に示す第１実施形態のディスク１０１と同じ構成であって、その径方向外側部分を貫通して、複数の空洞部１０３が形成されている。
一方、本実施形態のブレード１０２も、図４に示す第１実施形態のブレード１０２と同じ構成であって、ディスク１０１の空洞部１０３と連通するようにして、空洞部１０３が穿設されている。

ここで、図７は、本実施形態のインペラ１０について、図４におけるＢ−Ｂ断面を示す図である。本実施形態では、ブレード１０２及びディスク１０１に形成された空洞部１０３に、ブレード１０２を形成する材料より密度の低い樹脂３０が充填され、空洞部１０３のディスク１０１裏面側の開口を塞ぐようにして、樹脂３０の漏出を防止するための蓋部材３１が設けられている。但し、樹脂３０が完全に固形化する等して漏出する危険性がない場合は、蓋部材３１を設けなくてもよい。

このような構成によれば、空洞部１０３に充填される樹脂３０は、ブレード１０２を形成する材料より密度が低いので、径方向外側部分においてブレード１０２の重量が抑制され、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、空洞部１０３に樹脂３０が充填されるので、流路１０４を流れるガスが空洞部１０３に流入することによって、ガスの流れに悪影響を及ぼすいわゆる二次流れの発生を未然に防止することができる。更に、空洞部１０３に樹脂３０が充填されるので、ディスク１０１の回転時に、その裏側の空間における風損の増加を抑えることもできる。

尚、空洞部１０３に充填する材料としては、ブレード１０２を形成する材料より密度の低い部材であれば、樹脂３０に限られず他の部材を用いても良い。また、本実施形態では、図７に示すように、ブレード１０２に形成された空洞部１０３だけでなくディスク１０１に形成された空洞部１０３にも樹脂３０を充填したが、少なくともブレード１０２に形成された空洞部１０３に樹脂３０を充填すれば足り、ディスク１０１に形成された空洞部１０３には必ずしも樹脂３０を充填する必要はない。また、本実施形態に代えて、第２実施形態のインペラ１０の空洞部１０３に樹脂３０を充填することによっても、同様の効果が得られる。

尚、上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ、或いは動作手順等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

１ 遠心圧縮機
１０ インペラ
１０１ ディスク
１０１ａ 軸挿通孔
１０１ｂ ハブ部
１０１ｄ 通気孔
１０２ ブレード
１０３ 空洞部
１０４ 流路
２ ケーシング
２１ ケーシング本体
２１１ 軸挿通孔
２１２ 吸入口
２１３ 排出口
２１４ 内部空間
２２ ジャーナル軸受
２３ スラスト軸受
２４ 軸受ケース
２５ 軸受ケース
３ 回転軸
３０樹脂
３１ 蓋部材
７０ インペラ
７１ ディスク
７２ ブレード
Ｓ 回転軸

Claims (5)

1. 回転軸に一体的に回転可能に取り付けられる円盤状のディスクと、
   該ディスクの表面から突出して周方向に複数設けられ、少なくとも径方向外側部分に、重量を抑制するための空洞部が設けられたブレードと、
   を備え、
   前記空洞部は、断面略円形を有し、複数穿設されていることを特徴とするインペラ。
2. 前記ブレードの内部における前記空洞部が設けられている範囲が、前記径方向に沿って、前記ディスクと接続する基端部における径方向に略直交する方向への厚みが、前記ディスクの厚みより大きい範囲であることを特徴とする請求項１に記載のインペラ。
3. 前記空洞部が、前記ディスクの裏面側から前記ディスクを貫通して前記ブレードに達するように穿設されて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. 前記ディスクを貫通して、前記空洞部と前記ディスクの裏面側とを連通する通気孔が設けられて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。
5. 前記空洞部に、前記ブレードを形成する材料より密度の低い材料が充填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１項に記載のインペラ。

Images