JP2016061241A - 遠心羽根車及び遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】境界層の発達を抑制し、性能を十分に発揮することができる遠心羽根車、及び、遠心圧縮機を提供すること。【解決手段】ハブ２０と、シュラウド２１と、これらハブ２０及びシュラウド２１の間に配置される複数の羽根２２とを備え、ハブ２０に固定された回転軸の回転により流体を径方向に吹き出すインペラであって、羽根２２のキャンバ線３２を所定の子午面断面に投影した際の投影線３３と該キャンバ線３２とのなす角を傾斜角度γθとし、回転軸の回転方向とは反対方向への傾斜を正とした場合、羽根２２は、前縁２２Ａの傾斜角度γθがハブ２０側で０または正であり、シュラウド２１側に向けて徐々に大きくなると共に、流体の流れ方向においては、前縁から後縁に向かって傾斜角度が徐々に小さくなるよう形成した。【選択図】図６

Description

本発明は、遠心羽根車及び遠心羽根車を備える遠心圧縮機に関する。

一般に、石油化学プラントや天然ガスプラント等においては、産業用遠心圧縮機が用いられている。この種の遠心圧縮機では、回転軸に固定されるハブと、このハブに配置される複数の羽根とを備え、回転軸の回転により流体を径方向に吹き出す遠心羽根車が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−０４４４７３号公報

従来の構成では、遠心羽根車の羽根１００を吸込口１０１側から見た場合、図１１に示すように、羽根１００は、前縁１０２のキャンバ線１０３と、回転中心から径方向に延びた直線１０４とのなす角度が、ハブ側の壁面１０５からシュラウド側の壁面１０６に亘って略０°に形成されている。また、吹出口１０７側から羽根１００を見た場合、図１２に示すように、羽根１００は、後縁１０８を含む羽根後半部が、羽根１００の負圧面Ｓとシュラウド側の壁面１０６と対向するように斜めに傾斜している。

ところで、この種の遠心羽根車では、流体の流路を形成するシュラウド側の壁面１０６に、境界層１０９が発生し、この境界層１０９は、羽根前半部におけるシュラウド側の壁面１０６の減速域で発達する。また、羽根１００の表面においても、回転によって正圧のかかる正圧面Ｐに比べて減速の大きい負圧面Ｓで、前縁１０２を起点とした境界層が発達する。この境界層は、遠心力により半径上側へ吸い寄せられてシュラウド側の壁面１０６に発生した境界層１０９に流入して合体し、これにより更にシュラウド側の壁面１０６の境界層１０９が発達する。このように発達した境界層は、羽根後半部でも更に成長し、羽根出口側で大きなエネルギー欠損部分を作るため、遠心羽根車の性能を損なうことが想定された。しかし、従来の構成では、特に、羽根前半部におけるシュラウド側の壁面１０６で発達する境界層１０９を抑制する工夫がなされていなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、境界層の発達を抑制し、性能を十分に発揮することができる遠心羽根車、及び、遠心圧縮機を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の遠心羽根車は、ハブと、シュラウドと、前記ハブ及び前記シュラウドの間に配置される複数の羽根とを備え、ハブに固定された回転軸の回転により流体を径方向に吹き出す遠心羽根車であって、羽根のキャンバ線を所定の子午面断面に投影した際の投影線と該キャンバ線とのなす角を傾斜角度とし、回転軸の回転方向とは反対方向への傾斜を正とした場合、羽根は、前縁の傾斜角度がハブ側で０または正であり、シュラウド側に向けて徐々に大きくなると共に、流れ方向においては、前縁から後縁に向かって傾斜角度が徐々に小さくなるよう形成した。

この構成によれば、羽根は、前縁の傾斜角度がハブ側で０または正であり、シュラウド側に向けて徐々に大きくなるため、羽根の前縁から前半部にかけて、羽根の正圧面がシュラウドと対向する。このため、羽根の正圧面の力で境界層をシュラウド側へ押し付けることにより、境界層の発達を抑制できる。また、羽根の負圧面では、境界層が遠心力により負圧面へ押し付けられることにより、シュラウド側への移動が抑えられ、境界層の発達を抑制できる。さらに、流れ方向においては、前縁から後縁に向かって傾斜角度が徐々に小さくなるよう形成したため、羽根の後半部における羽根の表面面積を低減することで、羽根の後半部で羽根表面に発達する境界層の量を小さくできる。これにより、羽根出口側でのエネルギー欠損部分の発生を抑え、遠心羽根車の性能を十分に発揮することができる。

また、この構成において、羽根は、後縁の傾斜角度がハブ側で０または正であり、シュラウド側に向けて徐々に大きくなることが好ましい。この構成によれば、羽根の後半部でも、羽根の正圧面がシュラウドと対向するため、羽根の正圧面の力で境界層をシュラウド側へ押し付けることにより、境界層の発達を抑制できる。

また、羽根は、後縁の傾斜角度がハブ側からシュラウド側まで０または正であることが好ましい。また、正の値は０に近い方が好ましい。この構成によれば、羽根の後縁の長さが最短距離になるため、羽根の後縁厚みからの後流の量が最小化される。さらに、羽根の後半部における羽根の表面面積を低減することで、羽根の後半部で羽根表面に発達する境界層の量を、従来よりも小さくできる。

また、羽根の前縁は、子午面断面に投影した際に、ハブ側からシュラウド側まで直線状、もしくは、ハブ側とシュラウド側との間で、流れ方向上流側に凸となる形状とすることが好ましい。この構成によれば、シュラウドに対向する羽根の前縁部分の面積を大きくすることができ、その分、境界層の発達をより効果的に抑制できる。

また、遠心圧縮機は、上記した遠心羽根車を備えるため、羽根出口側でのエネルギー欠損部分の発生を抑え、遠心圧縮機の圧縮効率の向上を図ることができる。

本発明にかかる遠心羽根車によれば、羽根は、前縁の傾斜角度がハブ側で０または正であり、シュラウド側に向けて徐々に大きくなると共に、流れ方向においては、前縁から後縁に向かって前記傾斜角度が徐々に小さくなるよう形成したため、羽根の前縁から前半部にかけて、羽根の正圧面がシュラウドと対向することにより、境界層の発達を抑制でき、羽根出口側でのエネルギー欠損部分の発生を抑え、遠心羽根車の性能を十分に発揮することができる。

図１は、本実施形態に係る遠心圧縮機の縦断面図である。 図２は、インペラを示す部分拡大図である。 図３は、子午面断面上に表される羽根の傾斜角度を説明するための図である。 図４は、子午面断面に投影された羽根を示す図である。 図５は、インペラの吸入口を軸方向から見た図である。 図６は、インペラの羽根の前縁の形状を示す模式図である。 図７は、インペラの吹出口を径方向から見た図である。 図８は、インペラの吹出口を軸方向から見た図である。 図９は、インペラの羽根の後縁の形状を示す模式図である。 図１０は、従来と本実施形態の羽根の形状による境界層の成長の変化を示す実験計測図である。 図１１は、従来のインペラの羽根の前縁の形状を示す模式図である。 図１２は、従来のインペラの羽根の後縁の形状を示す模式図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本実施形態にかかる遠心圧縮機の縦断面図である。遠心圧縮機１は、複数のパーツを組み合わせて構成されるケーシング２と、ケーシング２内に図示省略の軸受を介してその軸線Ｌ回りに回転可能に支持される回転軸５と、の回転軸５に固定されて該回転軸５と一体に回転するように設けられたクローズドタイプのインペラ６，６とを備える。すなわち、本実施形態の遠心圧縮機１は、２段式の遠心圧縮機である。

この遠心圧縮機１は、図示省略の駆動装置により回転軸５が駆動され、インペラ６，６が回転されることによって、ケーシング２に設けられている吸込口１０を介して圧縮対象のガスあるいは空気等の流体が吸い込まれる。吸込口１０には、ケーシング２内に形成された吸込空間１０Ａを介して、吸入流路１１が接続され、この吸入流路１１は、回転軸５の軸線Ｌ方向（軸方向）に沿って曲がり、１段目のインペラ６の吸入口６Ａに対向して開口している。

吸込口１０から吸い込まれた流体は、１段目のインペラ６の回転によって遠心力が付与され、その運動エネルギーがインペラ６の吹出口６Ｂに設けられている１段目のベーンレスディフューザ１２で圧力エネルギーに変換される。さらに、この流体は、リターンベンド１４、リターンベーン１５を経て、次段圧縮ステージである２段目のインペラ６の吸入口６Ａに導かれるようになっている。

この圧縮流体は、２段目のインペラ６によっても同様に遠心力が付与され、２段目のベーンレスディフューザ１２で運動エネルギーが圧力エネルギーに変換され、さらに高圧の圧縮流体となってスクロール１６に吐出される。そして、スクロール１６からケーシング２に設けられている吐出口１７を経て図示省略の吐出配管へと送出されるようになっている。なお、図１中の符号１８は、インペラ６のスラストを調整するために設けられているバランスピストンである。次にインペラ６について説明する。

図２は、インペラを示す部分拡大図である。インペラ６は、図２に示すように、回転軸５に固着されるハブ２０と、ハブ２０に対して径方向および軸方向に隙間を設けて配置されるシュラウド２１と、ハブ２０とシュラウド２１との間に配置される複数の羽根２２とを備える。この羽根２２は、図示は省略するが、軸線Ｌの周囲に間隔を開けて放射状に配置されている。また、羽根２２の前縁２２Ａは、インペラ６の吸入口６Ａ側に位置し、後縁２２Ｂはインペラ６の吹出口６Ｂまで延びている。

ところで、インペラ６の吸入口６Ａ側では、ハブ２０と共に、流体の流路を形成するシュラウド２１の内壁面２１Ａに境界層が発生する。この境界層は、羽根２２の前縁２２Ａから後縁２２Ｂに向けて流体が流れる際に、シュラウド２１の内壁面２１Ａで成長（発達）し、吹出口（羽根出口側）６Ｂで大きなエネルギー欠損を生じるため、インペラの性能を損なうことが想定された。本実施形態では、境界層の成長を抑えるために、羽根２２の形状について以下の構成を有する。

まず、インペラ６の羽根２２の形状を規定するために必要な傾斜角度について説明する。図３は、子午面断面上に表される羽根の傾斜角度を説明するための図であり、図４は、子午面断面に投影された羽根を示す図である。インペラ６の羽根２２は３次元形状を有するため、図３、４に示す円筒座標系を用いて傾斜角度を表現する。

図３、４において、Ｚ軸は回転軸５の軸線Ｌを示している。また、Ｚ軸と、Ｘ軸から所定の角度θのなす角で原点Ｏから延びる直線ｒとで形成されるｒＺ面が所定の子午面断面３０を示す。この子午面断面３０に羽根２２を投影した場合に、符号３１で示す破線は、子午面流路を羽根スパン方向に等面積に分割した線（流線）となる。

図３において、符号３２は、投影前における羽根（例えば前縁）のキャンバ線である。このキャンバ線３２を子午面断面３０に投影すると投影線（子午面断面３０に平行な羽根のキャンバ線の投影線）３３が形成される。この投影線３３とキャンバ線３２とのなす角が本実施形態の羽根２２の傾斜角度（羽根の周方向への傾斜角度）γθとして規定される。なお、傾斜角度γθの正負は、回転軸５の回転方向に応じて規定され、本実施形態では、回転方向と反対側（反回転方向）と正とする。

なお、符号３４は、子午面断面３０に垂直な羽根のキャンバ線の投影線を示し、上記した投影線３３とＺ軸（子午面断面３０に平行移動した平行線Ｚ´）とのなす角γＺを子午面断面３０に投影した羽根の軸方向の傾き角とする。

次に、羽根２２の形状について説明する。図５は、インペラの吸入口を軸方向から見た図であり、図６は、インペラの羽根の前縁の形状を示す模式図である。図６に示すように、前縁２２Ａは、ハブ２０の内壁面２０Ａよりもシュラウド２１の内壁面２１Ａ側に突き出すように湾曲して形成されている。具体的には、前縁２２Ａのキャンバ線３２は、上記した子午面断面３０（図３）への投影線３３に対する傾斜角度γθが、ハブ２０側では略０または正であり、シュラウド２１側に向けて徐々に大きくなるように湾曲している。この構成では、羽根２２の前縁２２Ａは、シュラウド２１側が反回転方向に傾斜することにより、羽根２２の正圧面Ｐがシュラウド２１の内壁面２１Ａに対向して配置される。さらに、傾斜角度γθは、シュラウド２１側に向けて徐々に大きくなるため、前縁２２Ａは、シュラウド２１側ほど傾き、よりシュラウド２１の内壁面２１Ａと対向することとなる。このため、羽根２２の正圧面Ｐが生じる力Ｆは、シュラウド２１側に向けて徐々にシュラウド２１の内壁面２１Ａに向かう。なお、前縁２２Ａの湾曲は、１つの円弧に沿って湾曲させても良いし、複数の円弧を組み合わせて湾曲させても良い。

この構成によれば、羽根２２は、前縁２２Ａの傾斜角度γθがハブ２０側で０または正であり、シュラウド２１側に向けて徐々に大きくなるため、流れ方向における羽根２２の前縁２２Ａから前半部にかけて、羽根２２の正圧面Ｐがシュラウド２１の内壁面２１Ａと対向する。このため、羽根２２の正圧面Ｐの力Ｆで境界層３５をシュラウド２１の内壁面２１Ａへ押し付けることにより、境界層３５の発達を抑制できる。また、羽根２２の負圧面Ｓ側では、負圧面Ｓに発生した境界層３５が遠心力Ｆ１により負圧面Ｓへ押し付けられることにより、シュラウド２１側への移動が抑えられ、境界層３５の発達を抑制できる。

次に、羽根２２の後縁２２Ｂ側について説明する。図７は、インペラの吹出口を径方向から見た図であり、図８は、吹出口を軸方向から見た図であり、図９は、インペラの羽根の後縁の形状を示す模式図である。羽根２２の後縁２２Ｂ側は、前縁２２Ａ側とは異なり、投影線３３に対するキャンバ線３２の傾斜角度γθが略０または正に形成される。この正の値は０に近い方が好ましい。また、羽根２２の前縁２２Ａと後縁２２Ｂとの間は、流体の流れ方向に沿って、傾斜角度γθが徐々に小さくなる（０に近づく）ように形成される。この構成では、羽根２２の後縁２２Ｂは、ハブ２０の内壁面２０Ａおよびシュラウド２１の内壁面２１Ａに対して略垂直に立設されることにより、軸線Ｌ方向の高さ（長さ）を最短距離にできるため、羽根２２の後縁２２Ｂの厚みからの後流の量が最小化される。

次に、本実施形態の効果について説明する。図１０は、従来と本実施形態の羽根の形状による境界層の成長の変化を示す実験計測図である。図１０において、Ａ〜Ｃは、従来（図１１、１２）の羽根１００を用いた構成での境界層の変化を示し、Ｄ〜Ｆは本実施形態の羽根２２を用いた構成での境界層の変化を示す。具体的には、Ａ，Ｄは、それぞれインペラの流出口手前での境界層の量を示す。また、Ｂ，Ｅは、それぞれインペラの流出口へ向かう途中箇所での境界層の量を示す。さらに、Ｃ，Ｆは、それぞれ羽根の流れ方向の長さの中間部での境界層の量を示す。

従来の構成では、流体の流れ方向（Ｃ→Ｂ→Ａ）に沿って、境界層１０９（境界層の集積発達部の中で特に圧力損失の大きい部分）の量が増加している。これに対して、本実施形態では、流体の流れ方向（Ｆ→Ｅ→Ｄ）に沿って、わずかに境界層３５（境界層の集積発達部の中で特に圧力損失の大きい部分）の量が増えてはいるものの、従来の構成に比べて格段に境界層の量が低減しており、境界層（境界層の集積発達部の中で特に圧力損失の大きい部分）の成長を抑制できたことが理解できる。

以上、説明したように、本実施形態によれば、ハブ２０と、シュラウド２１と、これらハブ２０及びシュラウド２１の間に配置される複数の羽根２２とを備え、ハブ２０に固定された回転軸５の回転により流体を径方向に吹き出すインペラ６であって、羽根２２のキャンバ線３２を所定の子午面断面３０に投影した際の投影線３３と該キャンバ線３２とのなす角を傾斜角度γθとし、回転軸５の回転方向とは反対方向への傾斜を正とした場合、羽根２２は、前縁２２Ａの傾斜角度γθがハブ２０側で０または正であり、シュラウド２１側に向けて徐々に大きくなるため、羽根２２の前縁２２Ａから前半部にかけて、羽根２２の正圧面Ｐがシュラウド２１の内壁面２１Ａと対向する。このため、羽根２２の正圧面Ｐの力Ｆで境界層３５をシュラウド２１の内壁面２１Ａ側へ押し付けることにより、境界層３５の発達を抑制できる。また、羽根２２の負圧面Ｓでは、境界層３５が遠心力Ｆ１により負圧面Ｓへ押し付けられることにより、シュラウド２１側への移動が抑えられ、境界層３５の発達を抑制できる。

さらに、流体の流れ方向においては、前縁２２Ａから後縁２２Ｂに向かって傾斜角度γθが徐々に小さくなるよう形成されたため、羽根２２の後半部における羽根２２の表面面積を低減することで、羽根２２の後半部で羽根表面に発達する境界層の量を小さくできる。これにより、羽根出口側でのエネルギー欠損部分の発生を抑え、インペラ６の性能を十分に発揮することができる。

また、本実施形態によれば、羽根２２は、後縁２２Ｂの傾斜角度γθがハブ２０側からシュラウド２１側まで０または正であるため、羽根２２の後縁２２Ｂにおける軸線Ｌ方向の高さ（長さ）を最短距離にできるため、羽根２２の後縁２２Ｂの厚みからの後流の量が最小化される。さらに、羽根２２の後半部における羽根２２の表面面積を低減することで、羽根２２の後半部で羽根表面に発達する境界層の量を従来よりも格段に小さくできる。

また、本実施形態の遠心圧縮機１は、上記したインペラ６を備えるため、羽根２２出口側でのエネルギー欠損部分の発生を抑え、遠心圧縮機１の圧縮効率の向上を図ることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上記した内容により本発明が限定されるものではない。例えば、上記した実施形態では、羽根２２の後縁２２Ｂの傾斜角度γθがハブ２０側からシュラウド２１側まで０または正である構成について説明したが、羽根２２の後縁の傾斜角度γθがハブ２０側で０または正であり、シュラウド２１側に向けて徐々に大きくなっても良い。この構成によれば、羽根２２の後半部でも、羽根２２の正圧面Ｐがシュラウド２１の内壁面２１Ａと対向するため、羽根２２の正圧面Ｐの力で境界層３５をシュラウド２１側へ押し付けることにより、境界層３５の発達をより効果的に抑制できる。

また、上記した実施形態では、羽根２２の前縁２２Ａは、子午面断面に投影した際に、ハブ２０とシュラウド２１とを略直線とした形状をしているが、これに限るものではなく、ハブ２０とシュラウド２１との間で、前縁２２Ａを流体の流れ方向上流側に突出する凸形状としても良い。この構成によれば、シュラウド２１に対向する羽根２２の前縁２２Ａ部分の面積を大きくすることができ、その分、境界層３５の発達をより効果的に抑制できる。

また、本実施形態では、羽根２２の前縁は、傾斜角度γθがハブ２０側からシュラウド２１側に向けて徐々に大きく湾曲する構成としたが、これに限るものではなく、傾きを中折れ状に急に大きく（屈曲）する構成（スパン方向のどこかに不連続部を設ける構成）としても良い。この場合、屈曲する部分（不連続部）は１つでなく複数設けても良い。

また、本実施形態では、インペラ６は、２段式の遠心圧縮機１に設けられているが、インペラを備える圧縮機であれば、単段式の遠心圧縮機や３段以上の多段遠心圧縮機に適用することは可能である。

１ 遠心圧縮機
２ ケーシング
５ 回転軸
６ インペラ（回転羽根車）
６Ａ 吸入口
６Ｂ 吹出口
１０ 吸込口
１０Ａ 吸込空間
１１ 吸入流路
１２ ベーンレスディフューザ
１４ リターンベンド
１５ リターンベーン
１６ スクロール
１７ 吐出口
１８ バランスピストン
２０ ハブ
２０Ａ 内壁面
２１ シュラウド
２１Ａ 内壁面
２２ 羽根
２２Ａ 前縁
２２Ｂ 後縁
３０ 子午面断面
３２ キャンバ線
３３ 投影線
３５ 境界層（境界層の集積発達部の中で特に圧力損失の大きい部分）
１００ 羽根
１０１ 吸込口
１０２ 前縁
１０３ キャンバ線
１０４ 直線
１０５ 壁面
１０６ 壁面
１０７ 吹出口
１０８ 後縁
１０９ 境界層（境界層の集積発達部の中で特に圧力損失の大きい部分）
Ｌ 軸線
Ｏ 原点
Ｐ 正圧面
Ｓ 負圧面
Ｚ´ 平行線
ｒ 直線
γθ 傾斜角度

Claims (5)

1. ハブと、シュラウドと、前記ハブ及び前記シュラウドの間に配置される複数の羽根とを備え、前記ハブに固定された回転軸の回転により流体を径方向に吹き出す遠心羽根車であって、
   前記羽根のキャンバ線を所定の子午面断面に投影した際の投影線と該キャンバ線とのなす角を傾斜角度とし、前記回転軸の回転方向とは反対方向への傾斜を正とした場合、
   前記羽根は、前縁の前記傾斜角度が前記ハブ側で０または正であり、前記シュラウド側に向けて徐々に大きくなると共に、流れ方向においては、前縁から後縁に向かって前記傾斜角度が徐々に小さくなるよう形成したことを特徴とする遠心羽根車。
2. 前記羽根は、後縁の前記傾斜角度が前記ハブ側で０または正であり、前記シュラウド側に向けて徐々に大きくなることを特徴とする請求項１に記載の遠心羽根車。
3. 前記羽根は、後縁の前記傾斜角度が前記ハブ側から前記シュラウド側まで０または正であることを特徴とする請求項１に記載の遠心羽根車。
4. 前記羽根の前縁は、子午面断面に投影した際に、前記ハブ側から前記シュラウド側まで直線状、もしくは、前記ハブ側と前記シュラウド側との間で、流れ方向上流側に凸となる形状としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の遠心羽根車。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の遠心羽根車を備えることを特徴とする遠心圧縮機。

Images