JP2017172344A - インペラ、回転機械、およびインペラの製造方法 - Google Patents

インペラ、回転機械、およびインペラの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】容易に加工を行うことが可能なインペラ、回転機械、およびインペラの製造方法を提供する。
【解決手段】インペラは、軸線を中心とした円盤状をなすディスク3aと、ディスク3aの軸線方向一方側を向く面に、軸線の周方向に間隔をあけて形成された複数のブレード3bと、これら複数のブレード3bを軸線方向一方側から囲うカバー3cと、を備え、カバー3cは、軸線方向他方側から一方側に向かうに従って縮径してブレード3bと接続された内周面11と、内周面11の軸線方向一方側の端部から径方向外側に向かって延びて軸線方向一方側を向く先端面13と、を有し、ブレード3bの軸線方向一方側の縁部である前縁部20は、内周面11と先端面13との境界Kから径方向内側に向かって延びている。
【選択図】図2

Description

この発明は、インペラ、回転機械、およびインペラの製造方法に関する。
産業用圧縮機やターボ冷凍機、小型ガスタービンなどに用いられる回転機械として、回転軸に固定されたディスクに複数のブレードを取り付けたインペラを具備したものが知られている。上記回転機械は、インペラを回転させることで、ガスに圧力エネルギー及び速度エネルギーを与えている。
特許文献1には、ブレードにカバーを一体的に取り付けた、いわゆるクローズドインペラを備えた遠心圧縮機が記載されている。
このようなインペラにおいては、カバーとブレードとディスクとをそれぞれ個別に成形した後に組み立てる3ピース製法や、カバーのみを個別に成形して組み立てる2ピース製法ではなく、カバーとブレードとディスクとを初めから一体の状態で成形する1ピース製法が採用される場合がある。特に、作動流体が腐食性ガスである場合は、耐腐食性材料の溶接が困難であるため、1ピース製法が採用されることが多い。
また、小径のインペラなど流路幅が極端に狭くなり、溶接部の脚長が流路幅に対して大きくなり過ぎ、性能信頼性への懸念がある場合なども1ピース製法が採用される。
特開2015−175250号公報
特許文献1に記載のクローズドインペラは、特に、1ピース化しようとした場合などに、複雑な削りだし加工や放電加工等の加工が必要となる場合がある。この削り出し加工の際、工具の根元が太いことから、ブレード間のインペラの軸方向に工具を挿入できる深さが制限される。そのため、インペラのディスク側やカバー側を加工する際に、工具をインペラの軸線に対して斜めに挿入して加工することとなる。しかし、インペラのカバーなどに切削工具が干渉してしまう場合があり、インペラの加工に熟練を要するという課題がある。また、放電加工の場合には、放電極の形状を複雑に形成する必要が生じて、コストが増加してしまう場合がある。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、容易に加工を行うことができるインペラ、回転機械、およびインペラの製造方法を提供することを目的とする。
この発明の第一態様によれば、インペラは、軸線を中心とした円盤状をなすディスクと、前記ディスクの軸線方向一方側を向く面に、前記軸線の周方向に間隔をあけて形成された複数のブレードと、これら複数のブレードを軸線方向一方側から囲うカバーと、を備え、前記カバーは、前記軸線方向他方側から一方側に向かうに従って縮径して前記ブレードと接続された内周面と、前記内周面の前記軸線方向一方側の端部から径方向外側に向かって延びて前記軸線方向一方側を向く先端面と、を有し、前記ブレードの前記軸線方向一方側の縁部である前縁部は、前記内周面と前記先端面との境界から径方向内側に向かって延びている。
このように構成することで、ブレードの前縁よりも軸線方向一方側にカバーが突出することを抑制できる。そのため、工具がカバーに干渉したり、放電極の形状が複雑化したりすることを抑制して、容易に加工を行うことができる。また、カバーの回転によりブレードの前縁の直前で生じていた旋回流を低減できる。そのため、カバー側において、ブレード前縁付近における境界層を薄くすることができ、インペラ性能を向上できる。
この発明の第二態様によれば、インペラは、第一態様における先端面が、径方向内側ほど前記軸線方向他方側に配置される凸曲面を備えていてもよい。
このように構成することで、工具等の干渉を更に抑制できる。
この発明の第三態様によれば、インペラは、第一又は第二態様における前縁部が、その径方向外側に、前記軸線方向一方側に突出する突出縁部を備えていてもよい。
このようにブレードの前縁部の径方向外側の部分に突出縁部が設けられていることで、ブレードの前縁部の形状によらず、突出縁部を介して前記内周面と前記先端面との境界からブレードの前縁部を連続するように形成することができる。
この発明の第四態様によれば、回転機械は、第一から第三態様の何れか一つの態様のインペラを備えている。
このように構成することで、回転機械を容易に作成することができるとともに、インペラ性能向上に伴い、回転機械の効率向上を図ることができる。
この発明の第五態様によれば、インペラの製造方法は、軸線を中心とした円盤状をなすディスクと、前記ディスクの軸線方向一方側を向く面に、前記軸線の周方向に間隔をあけて形成された複数のブレードと、これら複数のブレードを軸線方向一方側から囲うカバーと、を有し、前記カバーが、前記軸線方向他方側から一方側に向かうに従って縮径して前記ブレードと接続された内周面と、前記内周面の前記軸線方向一方側の端部から径方向外側に向かって延びて前記軸線方向一方側を向く先端面と、を備えるインペラの製造方法であって、前記ブレードの前記軸線方向一方側の縁部である前縁部を、前記内周面と前記先端面との境界から径方向内側に向かって延びるように形成する工程を含む。
このようにすることで、ディスクへの工具の干渉を抑制できる。そのため、容易にインペラを製造することができる。
上記インペラによれば、容易に加工を行うことが可能となる。
この発明の第一実施形態における遠心圧縮機の概略構成を示す構成図である。 この発明の第一実施形態におけるインペラの拡大図である。 横軸をブレードに対するスパン方向の位置(Span Normalized)、縦軸をガスの周方向速度の絶対値(Vt_abs)としたグラフである。 この発明の第一実施形態におけるインペラの製造方法を示すフローチャートである。 この発明の第二実施形態における図2に相当する拡大図である。 この発明の第一実施形態の変形例における図2に相当する拡大図である。
(第一実施形態)
次に、この発明の第一実施形態におけるインペラおよび回転機械を図面に基づき説明する。
図1は、この発明の第一実施形態における遠心圧縮機の概略構成を示す構成図である。
図1に示すように、遠心圧縮機1は、回転軸2と、インペラ3Aと、ジャーナル軸受5Aと、スラスト軸受5Bと、ケーシング6と、を備えている。
回転軸2は、軸線O方向に延びる柱状に形成されている。この回転軸2は、軸線O方向の第一端部2a側(軸線方向一方側)および第二端部2b側(軸線方向他方側)で、ジャーナル軸受5Aによって回転自在に支持されている。さらに、回転軸2は、その第一端部2aがスラスト軸受5Bによって支持されている。
インペラ3Aは、回転軸2に対してその軸線O方向に複数設けられている。これらインペラ3Aは、回転軸2に対して嵌め合い等により取り付けられている。インペラ3Aは、ディスク3aと、ブレード3bと、カバー3cと、をそれぞれ有している。
ディスク3aは、軸線Oを中心とした円盤状に形成されている。より具体的には、ディスク3aは、軸線O方向における回転軸2の第一端部2a側から回転軸2の第二端部2b側に向かうにつれて、軸線Oを中心とした径方向で漸次拡径するように形成されている。ここで、ディスク3aの中心軸は、回転軸2の軸線Oと重なっている。そのため、以下の説明においては、ディスク3aの軸線についても「軸線O」と称する。
ブレード3bは、ディスク3aの軸線O方向の第一端部2a側を向く面に形成されるとともに、軸線Oの周方向に間隔をあけて複数形成されている。さらに、これらブレード3bは、ディスク3aから離間するように延びるとともに、軸線Oを中心に放射状に配置されている。
カバー3cは、上記複数のブレード3bを軸線O方向の第一端部2a側から覆う。言い換えれば、カバー3cは、ブレード3bを間に挟んでディスク3aと対向するように設けられている。カバー3cの内周面11は、軸線O方向の第二端部2b側から第一端部2a側に向かうに従って縮径するように形成されている。この内周面11から、上述したブレード3bがディスク3aへ向かって延びている。
ここで、インペラ3Aには、上述したディスク3aの第一端部2a側を向く面と、ブレード3bと、カバー3cの内周面11とによって、軸線O方向の第一端部2a側から第二端部2b側に向かうにつれて径方向外側に向かう流路が形成されている。
また、この実施形態における遠心圧縮機1の回転軸2は、軸線O方向に複数のインペラ3Aを備えており、これにより多段式インペラ群3Gが構成されている。
ケーシング6は、筒状に形成され、回転軸2、インペラ3A、および、ジャーナル軸受5A等を収容する。ケーシング6は、ジャーナル軸受5Aを介して回転軸2を回転自在に支持している。これによりケーシング6に対して回転軸2に取り付けられたインペラ3Aが相対回転可能となっている。
ケーシング6は、吸込み口6aと、接続流路6bと、ケーシング流路6cと、接続流路6dと、排出口6eとを備えている。
吸込み口6aは、軸線O方向においてケーシング6の第一端部2aに近い側に形成されている。この吸込み口6aは、外部から供給されるガスを受け入れる。この吸込み口6aは、ケーシング6の外周面6fのうち、軸線O方向における最も第一端部2aに近い側に配置されている。
接続流路6bは、吸込み口6aと、複数のインペラ3Aのうち最も第一端部2a側に配置された一段目のインペラ3Aとを接続する。つまり、この接続流路6bは、吸込み口6aが受け入れたガスを一段目のインペラ3Aに供給する。
ケーシング流路6cは、軸線O方向で隣り合うインペラ3Aの流路同士を接続する。より具体的には、上流側に配置されるインペラ3Aの外周端部付近のインペラ収容空間と、下流側に配置されるインペラ3Aの前端部付近のインペラ収容空間とを連通させる。ケーシング流路6cは、上流側に配置されたインペラ3Aにより昇圧されたガスを一旦径方向外側に導いた後、径方向内側に導いて下流側に配置されたインペラ3Aの前端部に供給する。これにより、ケーシング流路6cを流れるガスは、複数のインペラ3Aによって段階的に昇圧される。なお、ケーシング流路6cには、ディフューザ、リターンベーン等を設けても良い。
接続流路6dは、最も第二端部2b側に配置された最終段のインペラ3Aと、排出口6eとを接続する。つまり、この接続流路6dは、多段式インペラ群3Gにより昇圧されたガスを排出口6eへ導く。
排出口6eは、接続流路6dにより導かれたガスを、ケーシング6の外部へ排出する。この排出口6eは、ケーシング6の外周面6fのうち、軸線O方向における最も第二端部2bに近い側に配置されている。
図2は、この発明の第一実施形態におけるインペラの拡大図である。
図2に示すように、インペラ3Aのカバー3cは、内周面11と、外周面12と、先端面13と、後端面14と、をそれぞれ備えている。内周面11は、上記した通りの形状であり、図2に示す軸線Oを含む断面では凸曲面となっている。
外周面12は、内周面11と同様に、軸線O方向の第二端部2b側(図2における紙面右側)から第一端部2a側(図2における紙面左側)に向かうに従って縮径するように形成されている。この外周面12は、図2に示す軸線Oを含む断面では凹曲面となっており、インペラ3Aが収容されるケーシング6の内周面6gと僅かな隙間を介して対向するように配置されている。また、外周面12は、軸線O方向の第二端部2b側から第一端部2a側に向かうに従って、内周面11から漸次離間している。言い換えれば、カバー3cは、第二端部2b側から第一端部2a側に向かって徐々にその厚さが増加するように形成されている。なお、ケーシング6の内周面6gとカバー3cの外周面12との間に、ラビリンスシール等のシール機構を設けても良い。
先端面13は、内周面11の軸線O方向の第一端部2aに近い側の端部11aから軸線Oを中心とした径方向の外側に向かって延びている。つまり、この先端面13は、軸線O方向の第一端部2a側を向いている。この先端面13は、内周面11の端部11aと、外周面12の第一端部2aに近い側の端部12aとに渡って形成されている。この実施形態において先端面13は、軸線Oに垂直な平面で形成されている。また、この実施形態におけるケーシング6の内周面6gには、先端面13と対向する平面が形成されている。
後端面14は、軸線O方向における第二端部2bに近い側において内周面11の端部11bと外周面12の端部12bとに渡るように形成されている。
ブレード3bは、軸線O方向における第一端部2aに近い側の縁部である前縁部20を備えている。この前縁部20は、内周面11と先端面13との交わる境界部Kから、軸線Oを中心とした径方向内側に向かって延びている。ここで、前縁部20は、先端面13と連続することが好ましい。この実施形態における前縁部20は、直線に近い僅かに湾曲した曲線状で形成されるとともに、軸線Oに垂直な平面に対して、軸線Oを中心とする径方向において、外側から内側に向かうほど第二端部2b側に配置されるように傾斜している。このように前縁部20が傾斜していることで、ブレード3bにおいて、カバー3cに近い側の前縁部20からブレード3bの後縁部21までの距離と、ディスク3aに近い側の前縁部20からブレード3bの後縁部21までの距離との差が小さくなっている。ここで、上述した境界部Kは、内周面11と先端面13との交わる位置のみではなく、例えば、内周面11と先端面13との交わる位置から1から2mm程度ずれた位置も含んでいる(以下、第二実施形態も同様)。
図3は、横軸をブレードに対するスパン方向の位置(Span Normalized)、縦軸をガスの周方向速度の絶対値(Vt_abs)としたグラフである。
図3のグラフにおいて、破線は、比較例であって、ブレード3bの前縁部20が、境界部Kよりも第二端部2b側の位置から径方向内側に延びる場合である。一方で、図3のグラフにおいて、実線は、上述した実施形態の場合である。図3に示すように、比較例では、スパン方向において、ブレード3bの前縁部20の位置(図3中、矢印で示す)の直前に、ガスの周方向速度の絶対値が上昇する領域がある。これは、ブレード3bの前縁部20よりも第一端部2a側に配置されたカバー3cと、ガスと、が接触してしまうことで、ガスの周方向速度の絶対値が上昇していると考えられる。
一方で、この実施形態におけるインペラ3Aは、境界部Kから径方向内側に向かって前縁部20が延びているため、ブレード3bの前縁部20の直前において、ガスとカバー3cとの接触によるガスの周方向速度の絶対値の上昇が発生していない。
次に、上述したインペラ3Aの製造方法について説明する。
図4は、この発明の第一実施形態におけるインペラの製造方法を示すフローチャートである。
まず、ステンレス等の金属により、例えば、カバー3cの外周面12と先端面13とが形成された母材を形成する(ステップS01)。
次いで、図2に示すような切削工具Tを用いてブレード3b、カバー3cの内周面11、および、ディスク3aを切削加工により成形する(ステップS02)。この際、ブレード3bの前縁部20を、カバー3cの内周面11と先端面13との境界部Kから径方向内側に向かって延びるように、ブレード3bを切削により形成する。その後、必要に応じて、表面研摩等の仕上げ加工を行う。
したがって、上述した第一実施形態によれば、ブレード3bの前縁部20よりも軸線O方向の第一端部2a側にカバー3cが突出することを抑制できる。そのため、工具がカバー3cに干渉することを抑制して、容易に加工を行うことができる。また、カバー3cの回転によりカバー3cの回転によりブレード3bの前縁部20の直前で生じていた旋回流を低減できる。そのため、カバー3c側において、ブレード3bの前縁部20付近における境界層を薄くすることができ、インペラ3Aの性能を向上できる。
(第二実施形態)
次に、この発明の第二実施形態におけるインペラを図面に基づき説明する。この第二実施形態は、上述した第一実施形態と先端面13の形状が異なるだけである。そのため、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。
図5は、この発明の第二実施形態における図2に相当する拡大図である。
図5に示すように、第二実施形態におけるインペラ3Bは、ディスク3aと、ブレード3bと、カバー103cと、をそれぞれ有している。
カバー103cは、複数のブレード3bを軸線O方向の第一端部2a側(図3における紙面左側)から覆っている。また、カバー103cは、ディスク3aと対向するように設けられ、内周面11と、外周面12と、先端面113と、後端面14と、をそれぞれ備えている。
内周面11、外周面12、および、後端面14は、上述した第一実施形態と同様の構成である。すなわち、内周面11は、軸線O方向の第二端部2b側(図3における紙面右側)から第一端部2a側に向かうに従って縮径するように形成されている。この内周面11から、ブレード3bがディスク3aに向かって延びている。
さらに、外周面12は、内周面11と同様に、軸線O方向の第二端部2b側から第一端部2a側に向かうに従って縮径するように形成されている。この外周面12は、収容されるケーシング6の内周面6gと僅かな隙間を介して対向するように配置されている。さらに、外周面12は、軸線O方向の第二端部2b側から第一端部2a側に向かうに従って、内周面11から漸次離間している。
さらに、後端面14は、軸線O方向における第二端部2bに近い側において内周面11の端部11bと外周面12の端部12bとに渡って形成されている。
先端面113は、内周面11の軸線O方向の第一端部2aに近い側の端部11aから軸線Oを中心とした径方向の外側に向かって延びている。この先端面113は、軸線O方向の第一端部2a側を向いている。この先端面113は、内周面11の端部11aと、外周面12の第一端部2aに近い側の端部12aとに渡って形成されている。この第二実施形態における先端面113は、その少なくとも一部が、軸線Oを含む断面において凸状の曲面となっている。
より具体的には、この第二実施形態におけるカバー103cは、軸線O方向において、内周面11の第一端部2a側の端部11aが、外周面12の第一端部2a側の端部12aよりも、第二端部2b側に配置されている。そして、これら端部11aと端部12aとに渡って形成される先端面113は、軸線Oを中心とした径方向で内側の部分に、外側から内側に向かうにつれて、軸線O方向における第一端部2a側から第二端部2b側に向かう凸曲面が形成されている。
ブレード3bは、第一実施形態と同様に、上記先端面113と内周面11との境界部Kから軸線Oを中心とした径方向内側に向かって延びている。そして、この第二実施形態においても、ブレード3bの前縁部20は、直線に近い僅かに湾曲した曲線状に形成されるとともに、軸線Oに垂直な平面に対して、軸線Oを中心とする径方向において、外側から内側に向かうにつれて第二端部2b側に配置されるように傾斜している。
したがって、上述した第二実施形態によれば、切削加工等を行う際に、先端面113が凸曲面を備えることで、切削工具Tの干渉を抑制できるとともに、仮に切削工具Tが干渉したとしても凸曲面であることから切削工具Tの移動などが妨げられたり、切削工具Tが損傷したりすることを抑制できる。
(その他の変形例)
上述した各実施形態においては、ブレード3bの前縁部20の全体が、境界部Kから径方向内側に延びる場合を一例に説明した。しかし、この構成に限られない。
図6は、この発明の第一実施形態の変形例における図2に相当する拡大図である。
図6に示すように、インペラ3Cの前縁部20Cが、その径方向外側に、軸線O方向の第一端部2a側に突出する突出縁部22を備えていても良い。
この突出縁部22は、前縁部20Cの残部20Cbの延長線Eよりも、軸線O方向の第一端部2a側に突出するように形成されており、境界部Kから軸線Oを中心とした径方向の内側、且つ、第二端部2b側に斜めに延びて、残部20Cbに連続するように形成されている。この突出縁部22を設けることで、前縁部20Cを、例えば、第一実施形態のように軸線O方向で前縁部20の全体を第一端部2a側に配置できない場合であっても、前縁部20Cを境界部Kから軸線Oを中心とした径方向の内側に延びるように形成することができる。
また、この発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。
上述した実施形態においては、遠心圧縮機を一例に説明したが、圧縮機に限られず、例えば、タービン等の回転機械にも適用できる。
上述した実施形態において、遠心圧縮機1の回転軸2に、インペラ3Aが直列に6個設けられた一例を示した。しかし、遠心圧縮機1は、インペラ3Aが、回転軸2に対して少なくとも1個設けられていればよい。同様に、インペラ3B,3Cを備える場合についても、インペラ3B,3Cを一つだけ設けるようにしても良い。
さらに、上述した各実施形態においてはインペラ3A,3B,3Cを切削加工する場合について説明したが、放電加工で成形するようにしても良い。この放電加工の場合も、この発明を適用することで、放電極の形状を複雑に形成する必要が無くなり、コスト増加を抑制できる。
1…遠心圧縮機 2…回転軸 2a…第一端部 2b…第二端部 3A,3B,3C…インペラ 3a…ディスク 3b…ブレード 3c,103c…カバー 3G…多段式インペラ群 5A…ジャーナル軸受 5B…スラスト軸受 6…ケーシング 6a…吸込み口 6b…接続流路 6c…ケーシング流路 6d…接続流路 6e…排出口 6f…外周面 6g…内周面 7…シール装置 11…内周面 11a…端部 11b…端部 12…外周面 12a…端部 12b…端部 13…先端面 14…後端面 20…前縁部 21…後縁部 22…突出縁部 E…延長線 T…切削工具

Claims (5)

  1. 軸線を中心とした円盤状をなすディスクと、
    前記ディスクの軸線方向一方側を向く面に、前記軸線の周方向に間隔をあけて形成された複数のブレードと、
    これら複数のブレードを軸線方向一方側から囲うカバーと、を備え、
    前記カバーは、
    前記軸線方向他方側から一方側に向かうに従って縮径して前記ブレードと接続された内周面と、
    前記内周面の前記軸線方向一方側の端部から径方向外側に向かって延びて前記軸線方向一方側を向く先端面と、を有し、
    前記ブレードの前記軸線方向一方側の縁部である前縁部は、前記内周面と前記先端面との境界から径方向内側に向かって延びているインペラ。
  2. 前記先端面は、
    径方向内側ほど前記軸線方向他方側に配置される凸曲面を備える請求項1に記載のインペラ。
  3. 前記前縁部は、
    その径方向外側に、前記軸線方向一方側に突出する突出縁部を備える請求項1又は2に記載のインペラ。
  4. 請求項1から3の何れか一項に記載のインペラを備える回転機械。
  5. 軸線を中心とした円盤状をなすディスクと、
    前記ディスクの軸線方向一方側を向く面に、前記軸線の周方向に間隔をあけて形成された複数のブレードと、
    これら複数のブレードを軸線方向一方側から囲うカバーと、を有し、
    前記カバーが、前記軸線方向他方側から一方側に向かうに従って縮径して前記ブレードと接続された内周面と、前記内周面の前記軸線方向一方側の端部から径方向外側に向かって延びて前記軸線方向一方側を向く先端面と、を備えるインペラの製造方法であって、
    前記ブレードの前記軸線方向一方側の縁部である前縁部を、前記内周面と前記先端面との境界から径方向内側に向かって延びるように形成する工程を含むインペラの製造方法。
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