JP2016535194A - Ｓ字形の後縁を有するブレードを備えた遠心圧縮機インペラ - Google Patents

Abstract

遠心圧縮機インペラ（９）は、入口、出口、および入口から出口に延びるディスク（２３）を備える。複数のブレード（２５）が、ディスク（２３）から延び、各ブレードは、入口に前縁（２５Ｌ）、出口に後縁（２５Ｔ）、前縁と後縁との間でディスクに沿って延びるブレード基部（２５Ｂ）、およびディスクの反対側で前縁と後縁との間に延びるブレード先端（２５Ａ）を有する。後縁は、中間に変曲を有するＳ字形である。【選択図】図２

Description

本明細書で開示される主題は、圧縮機の改善に関し、より詳細には、遠心圧縮機に関する。

遠心圧縮機は、電気モータ、ガスタービン、蒸気タービン等の原動機によって供給された機械エネルギーを、圧縮機を流れるガスの圧力を高めるための圧力エネルギーに変換する。圧縮機は、原則的に、ロータおよびダイヤフラムバンドルを回転可能に収容するケーシングを備える。ロータは、原動機によって回転駆動される１つ以上のインペラからなっていてもよい。インペラは、概して軸線方向の入口部、および概して半径方向の出口部を有するブレードを備える。流路はブレードによって、およびインペラの背板またはディスクによって区切られる。いくつかの圧縮機では、インペラは、背板またはディスクの反対側にシュラウドを備え、ブレードは、背板またはディスクと、シュラウドとの間に延びている。軸線方向に各インペラの流路に入るガスは、インペラのブレードによって加速され、子午面において、半径方向、または半径方向と軸線方向とが混合した様式でインペラから出る。加速されたガスは、周囲に配置されたディフューザを介して、各インペラによって送られ、ここでガスの運動エネルギーは、少なくとも部分的に、ガス圧を増加させる圧力エネルギーに変換される。

原動機によって供給され、圧縮機によって吸収されるエネルギーの量は、有用な圧力エネルギーに完全に変換することはできない。すなわちこれは、流体の圧力増加における各種の消失現象が、圧縮機全体に関与するためである。一部の損失は、二次的な渦度によって引き起こされるが、これはブレード通路全体の至るところで生成され、インペラの出口で、ブレードの後縁近くに堆積する。

米国特許出願公開第２０１３／２５１５３３号明細書

第１の態様によれば、本開示は、入口、出口、および入口から出口に延びるディスクを有する遠心圧縮機インペラに関する。複数のブレードがディスクから延び、各ブレードは、前縁、後縁、ブレード基部、およびブレード先端を有する。ブレード基部およびブレード先端は、各ブレードの前縁と後縁との間に延びている。各ブレードは、正圧側および負圧側をさらに有する。各ブレードの後縁はＳ字形であり、したがって後縁は、正圧側と負圧側との両側に、凹性の後縁部分と凸性の後縁部分とを有し、２つの後縁部分同士の間に変曲点を有する。

各ブレードの負圧側および正圧側は、したがって非線織面によって画定され、すなわち各ブレードの両側は、三次元の湾曲した形状を有する。これにより、圧縮機効率の改善が達成される。

いくつかの実施形態によれば、各ブレードの後縁の凹部および凸部は、ブレード基部により近い後縁の第１の部分が、ブレードの正圧側に面する凸性を有し、ブレード基部からより遠い後縁の第２の部分が、ブレードの負圧側に面する凸性を有するように配置される。

別の態様によれば、本開示は、上述した少なくとも１つのインペラ、およびインペラの出口の周囲に配置されたディフューザを備える遠心圧縮機に関する。好ましい実施形態において、圧縮機は多段圧縮機であり、少なくとも１つ、かつ好ましくはいくつかのインペラ、もしくはインペラ全体が、上述したように、Ｓ字形の後縁を有するように設計される。

さらに別の態様によれば、本開示は、圧縮機インペラを設計する方法に関し、この方法は、子午面で、インペラディスクに沿ったブレード基部形状、およびブレード先端形状を画定するステップと、ブレードの正圧側面および負圧側面を、ブレード基部形状とブレード先端形状との間に延びる線織面として画定するステップであって、正圧側面および負圧側面は、ブレードの直線的な後縁と直線的な前縁との間に延びる、画定するステップと、後縁の複数の点を接線方向に沿って変位することによって、線織面を非線織面に変換するステップであって、これによって、凹部、凸部、およびそれらの間の変曲点を有する後縁にＳ字形を付与する、変換するステップとを含む。

特徴および実施形態が以下に開示され、かつ添付の特許請求の範囲にさらに記載されるが、これは、本説明の不可欠な部分を形成している。上記の簡単な説明は、以下の詳細な説明をよりよく理解できるように、また当該技術分野への本発明の寄与をよりよく理解できるように、本発明の様々な実施形態の特徴を記載している。以下で説明され、添付の特許請求の範囲に記載される、本発明の他の特徴が存在することは言うまでもない。この点において、本発明のいくつかの実施形態を詳しく説明する前に、本発明の様々な実施形態は、以下の説明に記載され、図面に示される詳細な構造への適用、および構成部品の配置への適用を制限されないことが理解されよう。本発明は、他の実施形態も可能であり、かつ様々な方法で実施することができる。また、本明細書で採用される表現および用語は説明を目的とし、限定とみなしてはならないことが理解されるべきである。

このように、本開示が基づく概念は、本発明のいくつかの目的を実施するための他の構造、方法、および／またはシステムを設計する基礎として、容易に使用できることが当業者には理解されよう。したがって、特許請求の範囲は、本発明の精神および範囲から逸脱しない限りにおいて、このような均等物の構造を含むとみなされることが重要である。

添付の図面に関連して考慮されるときに、以下の詳細な説明を参照することによって、本発明の開示されている実施形態、および付随する利点の多くが、よりよく理解されるようになるにつれて、さらに完全な理解が容易に得られるであろう。

本開示によるインペラを使用できる、多段遠心圧縮機の縦断面を示す。 図１の圧縮機のインペラブレードの拡大図を示す。 図１の遠心圧縮機のインペラの斜視図を示す。 子午面における、ブレードの投影の概略図を示す。 インペラブレードの金属角度を定義する図を示す。 軸線方向に沿って、図３のブレードの、ブレード厚さ、および金属角度を表す図を示す。 軸線方向に沿って、図３のブレードの、ブレード厚さ、および金属角度を表す図を示す。 本開示による、三次元ブレードの斜視図を示す。 本開示による、インペラの後縁の半径方向における概略図を示す。 現行技術のインペラ、および本開示によるインペラの、ポリトロープ効率対流量係数の図を示す。

例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面を参照する。異なる図面における同一の参照番号は、同一または類似の要素を特定する。さらに、図面は、必ずしも縮尺通りではない。また、以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。その代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。

本明細書中での「一実施形態」または「実施形態」、あるいは「いくつかの実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示された主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書中の様々な箇所で使われる「一実施形態において」または「実施形態において」、あるいは「いくつかの実施形態において」という表現は、必ずしも同じ実施形態を指すわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つ以上の実施形態において、任意適当な方法で組み合わせることができる。

図１および図１Ａは、本明細書で開示される主題が具体化された、全体として符号１００で示す、多段遠心圧縮機の例示的な実施形態を示す。図１は、圧縮機の回転軸線Ａ―Ａを含む平面による断面図を示し、図１Ａは、１つの圧縮機段の拡大図を示す。

圧縮機１００は、入口マニホールド２、および出口マニホールド３を備えた外側ケーシング１を有する。ケーシング１の内側には、複数の圧縮機段を画定する、いくつかの構成部品が配置される。

より詳細には、ケーシング１は、圧縮機ロータを収容する。圧縮機ロータは、ロータ軸５からなる。ロータ軸５は、２つの端部軸受６、７で支持することができる。圧縮機ロータは、少なくとも１つのインペラをさらに備える。図１に示すように、いくつかの実施形態において、圧縮機ロータは、各圧縮機段に１つの、複数のインペラ９を備える。インペラ９は、２つの軸受６と７との間に配置される。

第１のインペラ９の入口９Ａは、圧縮されるガスが入口マニホールド２を介して送られる、入口プレナム１１と流体連通する。いくつかの実施形態において、ガス流は半径方向に入口プレナム１１に入り、次に、１組の移動可能な入口ガイドベーン１３を介して送られ、ほぼ軸線方向に第１のインペラ９に入る。

図１の例示的な実施形態によれば、最後のインペラ９の出口９Ｂは、圧縮されたガスを収集して出口マニホールド３の方へ送る、ボリュート１５と流体連通する。

固定ダイヤフラム１７は、連続的に配置されたインペラ９の、それぞれの対同士の間に配置される。ダイヤフラム１７は、分離した、軸線方向に配置された構成部品として形成することができる。他の実施形態において、ダイヤフラム１７は、２つのほぼ対称な半分で形成されてもよい。各ダイヤフラム１７は、各上流側インペラ９の半径方向出口から、各下流側インペラ９の入口へと延びる、ディフューザ１８、および戻り流路１９を画定する。ディフューザ１８では、ガス流の流れが遅くなり、インペラからガスに伝達された運動エネルギーが圧力エネルギーに変換されることによって、ガス圧が上昇する。

戻り流路１９は、圧縮されたガス流を、上流側インペラの出口から下流側インペラの入口の方に戻す。いくつかの実施形態において、固定されたブレード２０が、ディフューザ１８に配置されてもよい。いくつかの実施形態において、圧縮されたガスを上流側のインペラから下流側のインペラに向け直している間に、流れの接線成分を除去するための、固定されたブレード２１が戻り流路１９に設けられてもよい。

圧縮機１００のいくつかの圧縮機段のうちの１つの拡大図が示されている図１Ａ、および例示的なインペラが不等角投影図で示されている図２に最もよく示されているように、各インペラ９は、ハブ部２３Ａを画定するディスク２３からなる。ハブ部２３Ａは、穴２３Ｂを有し、ここを通ってロータ軸５が延びる。ディスク２３は、全体としてハブと呼ばれることもある。複数のブレード２５が、ディスク２３から延びて流路を画定し、ガス流は流路を通り、ブレード２５によって加速される。各ブレードは、ブレードの入口および出口にそれぞれ配置された、前縁２５Ｌおよび後縁２５Ｔを有する。いくつかの実施形態において、インペラ９は、開放されていてもよい。他の実施形態では、インペラは、シュラウド２７によって閉じられて、ディスク２３の反対側に配置されてもよく、ブレード２５は、ディスク２３とシュラウド２７との間に延びる。

各ブレード２５は、前縁２５Ｌと後縁２５Ｔとの間でシュラウド２７に沿って延びる、ブレード先端２５Ａを備える。各ブレード２５は、前縁２５Ｌと後縁２５Ｔとの間でディスク２３に沿って延びる、ブレード基部すなわちブレード根元２５Ｂをさらに備える。

各ブレード２５は、負圧側および正圧側を有し、ブレードの形状はそれぞれ、ブレード２５の中心線すなわち反り曲線と、ディスク２３およびシュラウド２７との交点から始まり、以下で説明される方法で画定される。図３は、子午面すなわち平面Ｒ−Ｚにおける一般的なブレード２５の投影を示し、Ｒは半径方向、Ｚは軸線方向である。Ｌ１は、ディスク２３におけるブレード形状の、中心線すなわち反り曲線の子午面Ｒ−Ｚへの投影である。Ｌ２は、シュラウド２７の、ブレード形状の中心線すなわち反り曲線の、同一の子午面Ｒ−Ｚへの投影である。

線Ｌ１およびＬ２は、したがってそれぞれ、ディスクおよびシュラウドの、すなわちブレード基部およびブレード先端の、Ｒ−Ｚ平面（子午面）におけるブレード形状の投影である。図３には、ブレードの後縁２５Ｔおよび前縁２５Ｌの投影も表されている。

上述したように、インペラ９は、図面に示す例示的な実施形態に示されているように、覆うことができる。しかしながら、示されていない他の実施形態では、インペラ９は開放され、シュラウド２７は設けられない。この場合、線Ｌ２は単に、ブレード先端２５Ａにおける、反り曲線すなわち中心線の子午面Ｒ−Ｚへの投影である。

このような線Ｌ１およびＬ２は、以下の通りに、ブレードの負圧側および正圧側の三次元面を設計するための開始点である。

２本の線Ｌ１およびＬ２から始まって、ブレードの負圧側および正圧側を画定する、ブレード２５の対向する面の実際の形状は、２つの追加パラメータ、すなわちブレード厚さおよびブレード金属角度によって決定される。両方のパラメータは、線Ｌ１およびＬ２のそれぞれに沿った複数の位置に対して定義される。いくつかの実施形態において、ブレード金属角度およびブレード厚さは、線Ｌ１と線Ｌ２とで異なる値を有する場合がある。

線Ｌ１またはＬ２の考えられる各点における、ブレード金属角度βは、インペラの概略前面図を示す図４に見られるように、線Ｌ１またはＬ２への接線と、子午線方向（Ｍ）との間の角度として定義され、Ｌは、考えられる一般的な中心線である。矢印Ｆは、インペラの回転の方向を示す。従来、角度βの表示は、インペラの回転の方向と一致する。したがって、図４の例において、子午線方向Ｍから開始して測定され、インペラの回転の方向（矢印Ｆ）とは反対のとき、角度βは負である。

ブレード厚さ（ｔｈ）は、曲線Ｌ１またはＬ２の考えられる各点におけるブレードの反り曲線（すなわち中心線）からの、ブレードの負圧側面と正圧側面との間の距離として定義される。図５および図６は、例示的なブレードの金属角度（β）および厚さ（ｔｈ）の分布を概略的に示す。図５および図６のグラフの横軸には、子午線方向に沿って正規化された座標が示されている。座標「０」は、ブレードの前縁での位置を示し、座標「１」は、後縁での位置を示す。

上記で定義されたパラメータの組み合わせにより、ブレード先端２５Ａおよびブレード基部２５Ｂで、ブレードの形状が与えられる。ブレードの正圧側および負圧側の面を定義するための次のステップは、上記で定義されたブレード先端２５Ａおよびブレード基部２５Ｂの２つのブレード形状から始まる、２つの対向する線織面の生成である。線織面は、ブレード先端形状の各点を、ブレード基部形状の対応する点と直線でつなぐことによって生成される。

曲線Ｌ１およびＬ２、ならびに対応するブレード先端およびブレード基部の形状は通常は変化、すなわち１つがもう１つに対して接線方向に変位し、ブレード先端形状およびブレード基部形状を、インペラの回転軸線の周囲で、１つをもう１つに対して回転させるので、ブレードの形状はまだ完全に画定されていない。したがって、２本の曲線Ｌ１およびＬ２の、可能な接線方向の変位によって、ブレード形状を完全に画定する際の自由度をさらに高めることが可能になる。従来技術のインペラでは、２本の曲線Ｌ１およびＬ２は、接線方向に移動、すなわちインペラ軸線の周囲で、１本に対してもう１本を回転させることにより、（純半径方向出口を有するインペラ用に）後縁２５Ｔを軸線方向に対して傾斜させて、その直線形状を維持する。軸線方向に対する後縁の傾斜は、傾斜の角度と呼ばれ、上述したパラメータと共に、ブレードの全体形状を画定する。

逆に、本明細書で開示される主題によれば、ブレード先端形状およびブレード基部形状、ならびにブレード先端とブレード基部との中間の形状は、図７の斜視図、および図８の側面図で示すように、後縁２５Ｔが非直線になるように、より詳細にはＳ字形になるように、接線方向に変位する。より詳細には、図７は、後縁２５Ｔが見る人の方を向いている、単一のブレード２５を斜視図で示している。

後縁２５Ｔは、第１の部分２５Ｔ_D、および第２の部分２５Ｔ_Sを有する。第１の部分２５Ｔ_Dは、ディスク２３のより近くに配置され、第２の部分２５Ｔ_Sは、シュラウド２７のより近くに配置される（詳しくは図８を参照のこと）。

いくつかの例示的な実施形態において、ディスク２３により近い後縁の第１の部分２５Ｔ_Dは、ブレードの正圧側ＰＳに面する凸性、およびブレードの負圧側ＳＳに面する凹性を有する。ブレードの正圧側ＰＳは、回転Ｆの方向に対して前側であり、ブレードの負圧側ＳＳは、回転Ｆの方向に対して後ろ側、すなわち正圧側の反対側である。後縁２５Ｔの第２の部分２５Ｔ_Sは、反対の配置を有し、正圧側が凹性で、負圧側が凸性である。

凸性がディスクの近くで負圧側に面し、シュラウドの近くで正圧側に面する、逆の配置が除外されることはない。

いくつかの実施形態において、後縁の第１の部分および第２の部分は、後縁全体が湾曲し、直線部分がないように、変曲点で１つをもう１つと結合する。

後縁のＳ字形の構成は、後縁の各点を接線方向、すなわちインペラの回転軸線の周囲で変位させる適切な法則を提供することによって得られる。実際に、後縁の形状は、例えば、ブレード基部形状から（またはブレード先端形状から）始まって、後縁に沿って複数の点を接線方向に移動し、かつ前記の点を補間によって接続して得られる。後縁の様々な点の接線方向の変位は、予め線織面として生成された、正圧側面および負圧側面の残りの点を剛体変位させ、線織面は、線Ｌ１、Ｌ２およびブレード厚さ、ならびにこれに沿った金属角度分布から得られた、ブレード基部形状およびブレード先端形状から始まる。

最終的な結果として、インペラの正圧側および負圧側の両方の全面が、二重曲率を有する非線織面になる。

ブレードの後縁２５Ｔの、二重でＳ字形の曲率は、圧縮機のポリトロープ効率を改善する際の損失を低減する。このことは、Ｓ字形の後縁（曲線Ｃ１）を有するインペラを使用する圧縮機段、および直線的な後縁（曲線Ｃ２）を有するインペラを使用する圧縮機段の、ポリトロープ効率対流量係数を示す図９で理解することができる。非設計点（流量係数が１００より低いかまたは高い）において、Ｓ字形の後縁２５Ｔを有するインペラのポリトロープ効率は、直線的な後縁を有する従来技術の設計を上回って、著しく改善されている。

本明細書で説明される主題の、開示された実施形態は、いくつかの例示的な実施形態に関して、図面に示され、細部にわたって上記で完全に説明されたが、当業者には明らかなように、本明細書に記載される新規の教示、原理および概念から実質的に逸脱することなく、多くの修正、変更、および省略が可能であり、本主題の利点は、添付の特許請求の範囲に記載される。したがって、開示される技術革新の適切な範囲は、このような修正、変更、および省略を全て包含するように、添付の特許請求の範囲の最も広い解釈によってのみ決定されるべきである。様々な実施形態の異なる特徴、構造、および手段は、異なる組み合わせにすることができる。

１ ケーシング
２ 入口マニホールド
３ 出口マニホールド
５ ロータ軸
６ 軸受
７ 軸受
９ インペラ
９Ａ 入口
９Ｂ 出口
１１ 入口プレナム
１３ 入口ガイドベーン
１５ ボリュート
１７ ダイヤフラム
１８ ディフューザ
１９ 戻り流路
２０ ブレード
２１ ブレード
２３ ディスク
２３Ａ ハブ部
２３Ｂ 穴
２５ ブレード
２５Ａ ブレード先端
２５Ｂ ブレード基部、ブレード根元
２５Ｌ 前縁
２５Ｔ 後縁
２５ＴＤ 第１の部分
２５ＴＳ 第２の部分
２７ シュラウド
１００ 圧縮機
Ａ―Ａ 回転軸線
Ｃ１、Ｃ２ 曲線
Ｆ 回転、矢印
Ｍ 子午線方向
ＰＳ 正圧側
Ｒ−Ｚ 平面、子午面
ＳＳ 負圧側
β ブレード金属角度

Claims (7)

1. 入口（９Ａ）と、
   出口（９Ｂ）と、
   前記入口から前記出口に延びるディスク（２３）と、
   前記ディスクから延びる複数のブレード（２５）であって、前記各ブレードは、前記入口の前縁（２５Ｌ）、前記出口の後縁（２５Ｔ）、前記前縁と前記後縁との間で前記ディスクに沿って延びるブレード基部（２５Ｂ）、前記前縁と前記後縁との間に延びる、前記ディスクの反対側のブレード先端（２５Ａ）、正圧側（ＰＳ）、および負圧側（ＳＳ）からなり、
   前記後縁は、凹部、凸部、およびそれらの間の変曲点を有するＳ字形である、複数のブレードとを備える、
   遠心圧縮機（１００）のインペラ（９）。
2. 前記ブレード基部により近い前記後縁の第１の部分（２５ＴＤ）が、前記ブレードの前記正圧側に面する凸性を有し、前記ブレード基部からより遠い、前記後縁の第２の部分（２５ＴＳ）が、前記ブレードの前記負圧側に面する凸性を有するように、前記後縁の前記凹部および前記凸部が配置される、請求項１に記載のインペラ。
3. 前記後縁が、前記ブレード基部と前記ブレード先端との間で、全延長に沿って全体的に湾曲しており、直線部分をもたない、請求項１または２に記載のインペラ。
4. 前記各ブレードが、前記正圧側および前記負圧側の両方の二重曲率に従って全体的に湾曲し、線織面がない、請求項１、２または３に記載のインペラ。
5. 請求項１乃至４の１項以上による、少なくとも１つの前記インペラ、および前記インペラの前記出口の周囲に配置されたディフューザ（１８）を備える遠心圧縮機。
6. 圧縮機（１００）のインペラ（９）を設計する方法であって、
   子午面で、インペラディスク（２３）に沿ったブレード基部形状、およびブレード先端形状を画定するステップと、
   前記ブレードの正圧側面（ＰＳ）および負圧側面（ＳＳ）を、前記ブレード基部形状と前記ブレード先端形状との間に延びる線織面として画定するステップであって、前記正圧側面および前記負圧側面は、前記ブレードの直線的な後縁（２５Ｔ）と直線的な前縁（２５Ｌ）との間に延びる、画定するステップと、
   前記後縁の複数の点を接線方向に沿って変位することによって、前記線織面を非線織面に変換するステップであって、これによって、凹部、凸部、およびそれらの間の変曲点を有する前記後縁にＳ字形を付与する、変換するステップとを含む方法。
7. ブレード基部（２５Ｂ）により近い前記後縁の第１の部分（２５ＴＤ）が、前記ブレードの前記正圧側に面する凸性を有し、前記ブレード基部からより遠い前記後縁の第２の部分（２５ＴＳ）が、前記ブレードの前記負圧側に面する凸性を有するように、前記後縁の前記凹部および前記凸部が配置される、請求項６に記載の方法。