JP2018155244A - ターボ圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】２次流れ及びそれに起因する渦流れを抑制してターボ圧縮機の効率を向上させる。【解決手段】ターボ圧縮機（１００）の翼車（１０）は、ハブ（３０）及び複数の翼（３１）を有する。回転軸（Ｏ）から前縁部（３１ａ）とハブ縁部（３１ｃ）との交点までの距離をＲ１と定義し、回転軸（Ｏ）から前縁部（３１ａ）とシュラウド縁部（３１ｄ）との交点までの距離をＲ２と定義し、回転軸（Ｏ）から後縁部（３１ｂ）までの距離をＲ３と定義したとき、距離Ｒ１、距離Ｒ２及び距離Ｒ３が０．２≦Ｒ１／Ｒ３≦０．３かつ０．６≦Ｒ２／Ｒ３≦０．８の関係を満たす。コード方向に関する前縁部（３１ａ）からの無次元距離をＭと定義したとき、無次元距離Ｍが０％以上かつ５％以下の区間において翼角度βｓが一定であり、無次元距離Ｍが５％の位置において翼角度βｈ及び翼角度βｓがβｈ≧βｓ×２／３の関係を満たす。【選択図】図１

Description

本開示は、ターボ圧縮機に関する。

ターボ圧縮機は、翼車と呼ばれる部品を備えている。翼車は、圧縮性の流体を送風又は圧縮するために用いられる回転部品であり、流体を主として回転接線方向に加速することによって流体に運動エネルギーを付与する。翼車は、一般的に円錐台に近い形状を有し、小径面の中心と大径面の中心とを結ぶ直線を軸として回転する。翼車は、ハブ及び複数の翼を有する。複数の翼は、ハブの表面上に放射状に配置されている。

ターボ圧縮機に吸入された流体は、翼の前縁部に所定の角度で衝突する。この衝突によって、翼の表面（負圧面）と翼の裏面（正圧面）との間に速度差が発生し、流体に運動エネルギーが与えられる。翼の前縁部から翼の後縁部までの区間においては、翼車の回転半径の増加にともなって、主として回転接線方向に関する流体の分速度が増加する。翼車が最大の外径を有する位置において分速度が最大となり、流体に付与される運動エネルギーの総量が定められる。

翼車の翼間の流路における流体の流れは、非常に複雑である。複雑な流れ場では、速度が遅くかつ高強度の渦流れ（高い渦度を有する渦流れ）が発生する。渦流れは、翼から流体に運動エネルギーを効率的に付与することを妨げる。また、渦流れにおける流体の摩擦によって損失が生じる。このことは、圧力比及び断熱効率の低下の要因となる。

渦流れの１つとして、負圧面での相対圧力差によって引き起こされる２次流れに起因する渦流れが知られている。２次流れとは、主流に垂直な速度成分を有する流れを意味する。２次流れは、シュラウド壁に衝突し、剥離し、渦流れとなって主流を阻害する。

図８Ａ及び図８Ｂは、特許文献１に記載されたターボ圧縮機の翼車の翼角度を示すグラフである。各グラフの横軸は、翼の主流方向の長さ（コード方向の長さ）の無次元距離mを示している。各グラフの縦軸は、翼角度を示している。図８Ａは、翼のハブ縁部における翼角度βＨを示している。図８Ｂは、翼のシュラウド縁部における翼角度βＳを示している。図８Ｃは、無次元距離ｍに対する（βＨ−βＳ）の値を示している。

特許文献１には、翼間の流路の出口に近づくにつれて相対圧力差ΔＣｐが減少するように翼車を設計することが記載されている。相対圧力差ΔＣｐは、翼の負圧面上の圧力差である。（βＨ−βＳ）の値が増加すると相対圧力差ΔＣｐは減少する。

特許第３６９３１２１号公報

Colin Osborne et al. 著、「AERODYNAMIC AND MECHANICAL DESIGN OF AN 8:1 PRESSURE RATIO CENTRIFUGAL COMPRESSOR」、NASA CR-134782、1975年4月

特許文献１は、翼間の流路の出口付近における（βＨ−βＳ）の値に着目しているにすぎない。

本開示の目的は、２次流れ及びそれに起因する渦流れを抑制してターボ圧縮機の効率を向上させることにある。

すなわち、本開示は、
ケーシングと、
前記ケーシング内に配置された翼車と、
を備え、
前記翼車は、上面、下面及び外周面を有するハブと、前記ハブの前記外周面上に放射状に配置された複数の翼とを有し、
前記複数の翼のそれぞれは、前記ハブの前記上面の側に位置する前縁部と、前記ハブの前記下面の側に位置する後縁部と、前記ハブの前記外周面に接するハブ縁部と、スパン方向の外側に位置する翼端であるシュラウド縁部とを含み、
前記翼車の回転軸から前記前縁部と前記ハブ縁部との交点までの距離をＲ１と定義し、
前記翼車の前記回転軸から前記前縁部と前記シュラウド縁部との交点までの距離をＲ２と定義し、前記翼車の前記回転軸から前記後縁部までの距離をＲ３と定義したとき、
前記距離Ｒ１、前記距離Ｒ２及び前記距離Ｒ３が０．２≦Ｒ１／Ｒ３≦０．３かつ０．６≦Ｒ２／Ｒ３≦０．８の関係を満たし、
コード方向に関する前記前縁部からの無次元距離をＭと定義したとき、
前記無次元距離Ｍが０％以上かつ５％以下の区間において前記シュラウド縁部の翼角度βｓが一定であり、
前記無次元距離Ｍが５％の位置において前記ハブ縁部の翼角度βｈ及び前記シュラウド縁部の前記翼角度βｓがβｈ≧βｓ×２／３の関係を満たす、ターボ圧縮機を提供する。

本開示の技術によれば、前縁部の近傍の負圧面において、スパン方向の相対圧力差が減少する。これにより、２次流れ及びそれに起因する渦流れが抑制され、ターボ圧縮機の効率が向上する。

図１は、本開示の一実施形態に係るターボ圧縮機の子午面投影図である。 図２は、図１に示すターボ圧縮機の翼車の斜視図である。 図３は、図２に示す翼車の翼の斜視図である。 図４は、翼角度の特定方法を示す図である。 図５は、翼車への入口における作動流体の状態を示すＰ−Ｈ線図である。 図６は、図２に示す翼車の翼角度βｈ及びβｓを示すグラフである。 図７は、図１に示すターボ圧縮機を用いた冷凍サイクル装置の構成図である。 図８Ａは、特許文献１に記載されたターボ圧縮機の翼車の翼角度βＨを示すグラフである。 図８Ｂは、特許文献１に記載されたターボ圧縮機の翼車の翼角度βＳを示すグラフである。 図８Ｃは、無次元距離ｍに対する（βＨ−βＳ）の値を示すグラフである。

（本開示の基礎となった知見）
常温での飽和蒸気圧が負圧である物質が冷媒として冷凍サイクル装置に使用されることがある。常温での飽和蒸気圧が負圧である物質としては、水が挙げられる。水を用いた冷凍サイクル装置のターボ圧縮機の翼車がフロン系冷媒（例えばＲ１３４ａ）を用いた冷凍サイクル装置のターボ圧縮機の翼車と同じ比速度にて設計されている場合、水を用いた冷凍サイクル装置のターボ圧縮機には次のような問題が生じる。

水蒸気の密度はフロン系冷媒の蒸気の密度よりも小さいので、翼車への入口における水蒸気のマッハ数（音速に対する流速の比）は、フロン系冷媒の蒸気のマッハ数よりも大きい。水蒸気のマッハ数は、例えば、Ｒ１３４ａのマッハ数の１．３倍である。マッハ数が大きいので、翼車への入口における水蒸気の静圧の低下幅も大きい。飽和状態に近い状態の水蒸気が翼間の流路に進むとき、静圧の低下によって水蒸気が凝縮する。翼に水滴が衝突してエロージョンが促進されたり、凝縮水の滞留によって流路が閉塞されたりする。その結果、ターボ圧縮機の信頼性が損なわれたり、ターボ圧縮機の性能が低下したりする。

静圧の低下による冷媒の凝縮を防ぐために、翼車への入口の流路面積を増やしてマッハ数を下げることが有効である。しかし、入口の流路面積を増やすと、翼車の半径も増加し、翼の前縁部の長さも増加する。前縁部の長さが増えると、翼の先端部（シュラウド縁部）の近傍を流れる冷媒と翼の根元部（ハブ縁部）の近傍を流れる冷媒との間の相対マッハ数が拡大する。前縁部において翼に加わる負荷が過剰に増加し、翼の負圧面における相対圧力差が増加する。その結果、スパン方向の２次流れが助長される。２次流れは、シュラウド壁に衝突して剥離し、渦流れを生じさせる。有害な渦流れが翼の前縁部で発生すると、渦流れが主流を阻害しながら下流に向かって流れる。主流を阻害する低速領域がディフューザーまで拡大し、ディフューザーにおける静圧回復効果が妨げられる。その結果、ターボ圧縮機の性能が低下する。

特許文献１は、翼角度βＨと翼角度βＳとの差に着目しているものの、翼間の流路の出口付近における（βＨ−βＳ）の値に着目しているにすぎない。さらに、特許文献１は、空気などの一般的な流体の２次流れを抑制することに言及するにとどまっている。

本発明者らの上記知見によれば、翼の前縁部の近傍の負圧面において、スパン方向の相対圧力差を減らすことが２次流れ及びそれに起因する渦流れを抑制すること、ひいてはターボ圧縮機の性能の向上に有効である。シュラウド縁部において翼に加わる負荷を下げつつ、ハブ縁部において翼に加わる負荷を上げると、相対圧力差を効果的に減らすことができる。

本開示の第１態様に係るターボ圧縮機は、
ケーシングと、
前記ケーシング内に配置された翼車と、
を備え、
前記翼車は、上面、下面及び外周面を有するハブと、前記ハブの前記外周面上に放射状に配置された複数の翼とを有し、
前記複数の翼のそれぞれは、前記ハブの前記上面の側に位置する前縁部と、前記ハブの前記下面の側に位置する後縁部と、前記ハブの前記外周面に接するハブ縁部と、スパン方向の外側に位置する翼端であるシュラウド縁部とを含み、
前記翼車の回転軸から前記前縁部と前記ハブ縁部との交点までの距離をＲ１と定義し、
前記翼車の前記回転軸から前記前縁部と前記シュラウド縁部との交点までの距離をＲ２と定義し、前記翼車の前記回転軸から前記後縁部までの距離をＲ３と定義したとき、
前記距離Ｒ１、前記距離Ｒ２及び前記距離Ｒ３が０．２≦Ｒ１／Ｒ３≦０．３かつ０．６≦Ｒ２／Ｒ３≦０．８の関係を満たし、
コード方向に関する前記前縁部からの無次元距離をＭと定義したとき、
前記無次元距離Ｍが０％以上かつ５％以下の区間において前記シュラウド縁部の翼角度βｓが一定であり、
前記無次元距離Ｍが５％の位置において前記ハブ縁部の翼角度βｈ及び前記シュラウド縁部の前記翼角度βｓがβｈ≧βｓ×２／３の関係を満たすものである。

第１態様によれば、距離Ｒ１、距離Ｒ２及び距離Ｒ３が０．２≦Ｒ１／Ｒ３≦０．３かつ０．６≦Ｒ２／Ｒ３≦０．８の関係を満たすので、作動流体の凝縮が防止される。さらに、第１態様によれば、無次元距離Ｍが０％以上かつ５％以下の区間において、シュラウド縁部の翼角度βｓが一定である。言い換えると、無次元距離Ｍが０％以上かつ５％以下の区間において、シュラウド縁部は直線的な翼形状を有する。このような構成によれば、シュラウド縁部に加わる翼負荷を抑えることができる。さらに、無次元距離Ｍが５％の位置においてβｈ≧βｓ×２／３の関係が満たされるように、無次元距離Ｍが０％以上かつ５％以下の区間におけるハブ縁部の翼角度βｈが調整されていると、ハブ縁部に加わる翼負荷が増加し、ハブ縁部の負圧面の静圧の低下幅が拡大する。これにより、前縁部の近傍の負圧面において、スパン方向の相対圧力差が減少する。その結果、２次流れに起因する渦流れの発生が抑制され、渦流れによって主流が阻害されにくくなり、ターボ圧縮機の性能が向上する。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係るターボ圧縮機の前記無次元距離Ｍが５％を超えかつ１０％以下の区間における前記シュラウド縁部の前記翼角度βｓは、前記無次元距離Ｍが０％の位置における前記シュラウド縁部の前記翼角度βｓの０．９７倍よりも小さく、前記無次元距離Ｍが１０％の位置において前記翼角度βｈ及び前記翼角度βｓがβｈ≧βｓ×１／２の関係を満たす。第２態様によれば、翼車が定格設計点よりも高速で回転し、翼の全体に加わる翼負荷が高い状況においても、シュラウド縁部に加わる翼負荷を下げつつ、ハブ縁部に加わる翼負荷を上げることができる。その結果、前縁部の近傍の負圧面において、スパン方向の相対圧力差が減少し、２次流れ及びそれに起因する渦流れの発生が抑制される。高負荷運転条件においてこの効果は顕著であり、ターボ圧縮機の性能が向上する。

本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様に係るターボ圧縮機の前記翼車は、常温での飽和蒸気圧が負圧である作動流体を圧縮する。本開示の技術は、このような作動流体を圧縮するためのターボ圧縮機に特に有用である。

本開示の第４態様に係る冷凍サイクル装置は、
第１又は第２態様に係るターボ圧縮機を備え、
常温での飽和蒸気圧が負圧である物質が冷媒として使用されているものである。

本開示の技術は、常温での飽和蒸気圧が負圧である物質を冷媒として用いた冷凍サイクル装置に特に有用である。

本開示の第５態様において、例えば、第４態様に係る冷凍サイクル装置の前記物質が水を含む。水を含む冷媒は、環境に対する負荷が小さい。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

図１に示すように、本実施形態のターボ圧縮機１００は、翼車１０、バックプレート１３、シュラウド１４及びケーシング１６を備えている。翼車１０は、ハブ３０及び複数の翼３１を有し、ケーシング１６の内部に配置されている。バックプレート１３とシュラウド１４との間にはディフューザ１５が形成されている。翼車１０を通過した作動流体がディフューザ１５に流れ込む。シュラウド１４は、翼車１０を取り囲むシュラウド壁１４ａを有する。ケーシング１６は、圧縮されるべき作動流体を翼車１０に導くための吸入空間１７を形成している。吸入空間１７は、翼車１０への入口である。翼車１０にはノーズコーン１２が取り付けられている。シュラウド１４がケーシング１６の一部であってもよい。

ターボ圧縮機１００は、遠心圧縮機でありうる。本開示の技術は、斜流圧縮機にも適用可能である。

図１の子午面投影図は、翼車１０の回転軸Ｏを含む子午面に翼３１及びシュラウド壁１４ａを回転投影することによって得られる回転投影図である。子午面投影図に表された形状は、ターボ機械の分野において、「子午面形状」と呼ばれている。

図２に示すように、翼車１０のハブ３０は、上面３０ａ、下面３０ｂ及び外周面３０ｃを有する。ハブ３０は、円錐台に近い形状を有し、上面３０ａから下面３０ｂに向かって滑らかに拡径している。複数の翼３１は、ハブ３０の外周面３０ｃの上に放射状に配置されている。

翼３１は、正圧面３１ｐ及び負圧面３１ｑを有する。正圧面３１ｐは、翼車１０の回転方向Ｄにおける前方側に位置している面である。負圧面３１ｑは、翼車１０の回転方向Ｄにおける後方側に位置している面である。

翼３１は、さらに、前縁部３１ａ、後縁部３１ｂ、ハブ縁部３１ｃ及びシュラウド縁部３１ｄを有する。前縁部３１ａは、コード方向において、ハブ３０の上面３０ａの側に位置する翼端である。後縁部３１ｂは、コード方向において、ハブ３０の下面３０ｂの側に位置する翼端である。ハブ縁部３１ｃは、ハブ３０の外周面３０ｃに接する翼端である。シュラウド縁部３１ｄは、スパン方向の外側に位置する翼端である。スパン方向において、シュラウド縁部３１ｄは、ハブ縁部３１ｃの反対側に位置している。

図３に示すように、スパン方向は、矢印Ａで示される方向である。コード方向は、矢印Ｂで示される方向である。スパン方向は、コード方向に直交している。

翼車１０は、複数の副翼（splitter blade）を備えていてもよい。複数の副翼のそれぞれは、主翼（full blade）である翼３１よりも短い翼であり、翼３１と翼３１との間に配置されうる。

図１に示すように、翼車１０の回転軸Ｏから前縁部３１ａとハブ縁部３１ｃとの交点までの距離をＲ１と定義する。翼車１０の回転軸Ｏから前縁部３１ａとシュラウド縁部３１ｄとの交点までの距離をＲ２と定義する。翼車１０の回転軸Ｏから後縁部３１ｂまでの距離をＲ３と定義する。距離Ｒ１は、前縁部３１ａの位置におけるハブ３０の半径である。距離Ｒ２は、前縁部３１ａの位置における翼車１０の半径である。距離Ｒ３は、後縁部３１ｂの位置における翼車１０の半径である。作動流体は、吸入空間１７を通じて翼車１０に導かれる。吸入面積は、前縁部３１ａの軌跡によって規定されるドーナツ状の面の面積（π×（（Ｒ２）²−（Ｒ１）²））に等しい。

次に、常温での飽和蒸気圧が負圧である物質が作動流体である場合、作動流体の凝縮を防止するために必要な距離Ｒ１，Ｒ２及びＲ３の関係について説明する。

距離Ｒ３は、翼車１０の最大の半径である。翼車１０の大きさを表す指標として比速度Ｎｓが用いられる。比速度Ｎｓと翼車１０に要求される外周速度とが決まれば、距離Ｒ３が求められる。ターボ圧縮機１００は、例えば、０．６〜０．８の比速度Ｎｓを有する。外周速度は、翼３１の後縁部３１ｂの速度（ｍ／ｓｅｃ）である。比速度Ｎｓは、下記式によって定義される。

Ｎ：軸の回転数［ｒｐｍ］
Ｑ：作動流体の体積流量（入口）［ｍ³／ｓｅｃ］
Ｈ：熱落差（ヘッド）［ｍ］

距離Ｒ１は、翼３１の固有値と軸の回転数との関係から決定されうる。翼３１の固有値は、ハブ３０の強度、翼３１の前縁部３１ａの長さなどに関連する値である。距離Ｒ１は、距離Ｒ３と概ね比例関係にある。距離Ｒ１及び距離Ｒ３は、例えば、０．２≦Ｒ１／Ｒ３≦０．３の関係を満たす。

常温での飽和蒸気圧が負圧である物質が作動流体として使用されるとき、先に説明したように、作動流体の凝縮に起因する問題が生じやすい。本実施形態では、距離Ｒ２及び距離Ｒ３が０．６≦Ｒ２／Ｒ３≦０．８の関係を満たす。これにより、作動流体の凝縮が防止され、ターボ圧縮機１００の信頼性が向上する。

一般的なターボ圧縮機において、距離Ｒ２は、翼間の流路に作動流体が流入するときに翼の前縁部と作動流体との相対速度が最小となるように調整される。距離Ｒ２が増加すると吸入面積も増加し、作動流体の流入速度Ｖ１が下がる。距離Ｒ２が増加すると、前縁部とシュラウド縁部との交点の速度ＶＲ２も増加するので、流入速度Ｖ１と速度ＶＲ２との速度合成値（翼の前縁部と作動流体との相対速度）には最小値が存在する。

例えば、冷媒として水が使用された２段圧縮冷凍サイクルにおいて、蒸発温度が６℃であり、凝縮温度が３７℃であるとき、蒸発器における飽和圧力は０．９４ｋＰａであり、凝縮器における飽和圧力は６．２８ｋＰａである。圧力比は６．６８（＝６．２８ｋＰａ／０．９４ｋＰａ）である。一段あたりの圧縮比は約２．５８である。この圧力比を達成するために必要な翼車の外周速度は、断熱効率及びスリップ係数によって算出されうる。比速度Ｎｓが０．６であり、比（Ｒ１／Ｒ３）が０．２５であるとき、流入速度Ｖ１と速度ＶＲ２との速度合成値が最小となるＲ２／Ｒ３の値は約０．５４である。この値は、作動流体がフロン系冷媒（例えばＲ１３４ａ）であっても変わらない。

図５を参照して作動流体の凝縮のメカニズムを説明する。図５において、蒸発器における飽和圧力がＰ０であり、蒸発器における飽和温度がＴ０である。蒸発器における流路面積が翼車への入口の流路面積よりも十分に大きいと仮定すると、蒸発器における作動流体の流速はゼロに近似できる。この場合、蒸発器において、作動流体の全圧は静圧（＝Ｐ０）に等しい。翼車への入口における作動流体の流速がＶ１であるとき、流速に対応して静圧はＰ１まで低下する。作動流体の圧力が低下するとき、作動流体の状態は、損失を無視すると等エントロピー線に沿って変化する。翼車への入口において作動流体が適度な過熱度ｓｈを有していたとしても、圧力がＰ０からＰ１まで低下すると、作動流体は気相状態から気液二相状態に変化し、作動流体の凝縮が発生する。

本実施形態では、０．６≦Ｒ２／Ｒ３≦０．８の関係が満たされる。つまり、流入速度Ｖ１と速度ＶＲ２との速度合成値が最小値よりも大きい。このような構成によって、作動流体の凝縮が防止されうる。

次に、翼車１０における翼３１の翼角度βについて説明する。

まず、翼の負圧面における相対圧力差について説明する。仮に、作動流体と前縁部３１ａとの相対角度と前縁部３１ａの翼角度との角度差（＝angle of incidence）がスパン方向に一定である場合、負圧面３１ｑにおける作動流体の静圧は、ハブ縁部３１ｃの近くで高く、シュラウド縁部３１ｄの近くで低い。作動流体と前縁部３１ａとの相対角度は、作動流体の流入速度Ｖ１と前縁部３１ａの周方向の速度とによって決まる。

前縁部３１ａの位置において、ハブ縁部３１ｃの回転半径は距離Ｒ１に等しく、シュラウド縁部３１ｄの回転半径は距離Ｒ２に等しい。距離Ｒ２が距離Ｒ１よりも大きいので、シュラウド縁部３１ｄの周方向の速度は、ハブ縁部３１ｃの周方向の速度よりも大きい。周方向の速度が大きいことは、翼３１と作動流体との相対速度が大きいことを意味する。つまり、前縁部３１ａの近傍において、翼３１の負圧面３１ｑにはスパン方向に沿って圧力勾配（相対圧力差）が存在する。

本実施形態においては、作動流体の凝縮を防止するために、距離Ｒ３に対する距離Ｒ２の比（Ｒ２／Ｒ３）が０．６≦Ｒ２／Ｒ３≦０．８を満たす。この範囲は、一般的なターボ圧縮機における（Ｒ２／Ｒ３）の値よりも大きい。そのため、負圧面３１ｑにおけるスパン方向の相対圧力差も大きくなる可能性がある。負圧面３１ｑにおける相対圧力差が増加すると、スパン方向の２次流れが助長される。スパン方向の２次流れは、主流を阻害する渦流れを発生させる。

スパン方向の２次流れを抑制するために、本実施形態の翼車１０は、以下に説明する構造を有する。これにより、作動流体の凝縮を防止しつつ、スパン方向の２次流れを抑制することができる。

図６は、本実施形態における翼車１０の翼角度βｈ及びβｓを示している。縦軸は翼角度βを示している。横軸はコード方向に関する前縁部３１ａからの無次元距離Ｍ（％）を示している。０％の位置が翼３１の前縁部３１ａに相当し、１００％の位置が後縁部３１ｂに相当する。例えば、ハブ縁部３１ｃの全長（ハブ縁部３１ｃの翼断面の中心線の全長）をＬとしたとき、ハブ縁部３１ｃにおける無次元距離ＭがＹ％の位置は、ハブ縁部３１ｃに沿って前縁部３１ａから後縁部３１ｂに向かって（Ｌ＊Ｙ）／１００の距離だけ進んだ位置に対応する。このことは、シュラウド縁部３１ｄについてもあてはまる。

図６に示すように、本実施形態では、翼角度βは負の値を有する。「翼角度βｈ」及び「翼角度βｓ」は、次の方法によって特定されうる。

図４に示すように、特定の無次元距離Ｍの位置において、ハブ３０の外周面３０ｃの法線ＮＬに垂直な投影面ＢＰにハブ縁部３１ｃの翼断面の中心線３１１を投影する。回転軸Ｏに平行かつその法線ＮＬを含む基準平面Ｈを投影面ＢＰに投影する。得られた投影図ＢＰにおいて、ハブ縁部３１ｃの翼断面の中心線３１１と基準平面Ｈとのなす角度が特定の無次元距離Ｍの位置における翼角度βｈである。

同様に、特定の無次元距離Ｍの位置において、シュラウド面の法線ＮＬに垂直な投影面ＢＰにシュラウド縁部３１ｄの中心線３１２を投影する。回転軸Ｏに平行かつその法線ＮＬを含む基準平面Ｈを投影面ＢＰに投影する。得られた投影図ＢＰにおいて、シュラウド縁部３１ｄの中心線３１２と基準平面Ｈとのなす角度が特定の無次元距離Ｍの位置における翼角度βｓである。「シュラウド面」は、翼車１０を回転させたときに得られるシュラウド縁部３１ｄの軌跡によって規定される面である。

翼車１０の回転軸Ｏは、法線ＮＬを含む基準平面Ｈの上に存在していることもある。

なお、特許文献１に記載された翼角度の定義は、本明細書における翼角度の定義と異なる。本明細書における翼角度βは、特許文献１に記載された翼角度β１から９０°を引いた角度（β＝β１−９０°）に対応する。

図６に示すように、本実施形態の翼車１０において、無次元距離Ｍが０％以上かつ５％以下の区間において、シュラウド縁部３１ｄの翼角度βｓが一定である。言い換えると、無次元距離Ｍが０％以上かつ５％以下の区間において、シュラウド縁部３１ｄは直線的な翼形状を有する。「翼角度βｓが一定」とは、無次元距離Ｍが０％の位置における翼角度βｓに対して、翼角度βｓの変化が±１％以内であることを意味する。

図６に示すように、無次元距離Ｍが０％以上かつ５％以下の区間において、ハブ縁部３１ｃの翼角度βｈは急激に増加している。無次元距離Ｍが５％の位置において、ハブ縁部３１ｃの翼角度βｈ及びシュラウド縁部３１ｄの翼角度βｓは、βｈ≧βｓ×２／３の関係を満たす。つまり、無次元距離Ｍが５％の位置において、翼角度βｈと翼角度βｓとの間に十分な差が確保されている。無次元距離Ｍが５％の位置におけるハブ縁部３１ｃの翼角度βｈの上限値は、例えば０度である。

シュラウド縁部３１ｄの翼角度βｓが一定であると、正圧面３１ｐと負圧面３１ｑとの速度差がつきにくいので、シュラウド縁部３１ｄに加わる翼負荷を抑えることができる。無次元距離Ｍが５％の位置においてβｈ≧βｓ×２／３の関係が満たされるように、無次元距離Ｍが０％以上かつ５％以下の区間におけるハブ縁部３１ｃの翼角度βｈが調整されていると、ハブ縁部３１ｃに加わる翼負荷が増加し、ハブ縁部３１ｃの負圧面３１ｑの静圧の低下幅が拡大する。これにより、前縁部３１ａの近傍の負圧面３１ｑにおいて、スパン方向の相対圧力差が減少する。その結果、２次流れに起因する渦流れの発生が抑制され、渦流れによって主流が阻害されにくくなり、ターボ圧縮機の性能が向上する。比（Ｒ２／Ｒ３）が０．６≦Ｒ２／Ｒ３≦０．８を満たすことによって発生する可能性のある不利益（スパン方向の相対圧力差）が翼角度βｈ及びβｓの調整によって相殺されていると考えることができる。

図６に示すように、無次元距離Ｍが５％を超えかつ１０％以下の区間において、翼角度βｓの変化は緩やかである。無次元距離Ｍが５％を超えかつ１０％以下の区間における翼角度βｓは、無次元距離Ｍが０％の位置における翼角度βｓの０．９７よりも小さい。無次元距離Ｍが１０％の位置において、翼角度βｈ及び翼角度βｓがβｈ≧βｓ×１／２の関係を満たしている。このような構成によれば、翼車１０が定格設計点よりも高速で回転し、翼３１の全体に加わる翼負荷が高い状況においても、シュラウド縁部３１ｄに加わる翼負荷を下げつつ、ハブ縁部３１ｃに加わる翼負荷を上げることができる。その結果、前縁部３１ａの近傍の負圧面３１ｑにおいて、スパン方向の相対圧力差が減少し、２次流れ及びそれに起因する渦流れの発生が抑制される。高負荷運転条件においてこの効果は顕著であり、ターボ圧縮機１００の性能が向上する。

本実施形態のターボ圧縮機１００の翼車１０は所謂オープン型である。ただし、本開示の技術は、シュラウド壁１４ａが翼車１０のシュラウド縁部３１ｄに接しているクローズド型の翼車にも適用できる。

（冷凍サイクル装置の実施形態）
図７に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置２００は、冷媒を循環させる主回路６、吸熱回路７及び放熱回路８を備えている。主回路６には、常温で液体の冷媒が充填されている。詳細には、冷媒として、常温（日本工業規格：２０℃±１５℃／JIS Z8703）での飽和蒸気圧が負圧である物質が使用されている。そのような冷媒として、水又はアルコールを主成分とする冷媒が挙げられる。冷凍サイクル装置２００の運転時において、主回路６の内部は、大気圧よりも低い負圧状態である。本明細書において、「主成分」とは質量比で最も多く含まれた成分を意味する。

主回路６は、蒸発器６６、第１圧縮機６１、中間冷却器６２、第２圧縮機６３、凝縮器６４及び膨張弁６５を含む。これらの機器は流路（配管）によってこの順に接続されている。

吸熱回路７は、蒸発器６６で冷却された冷媒液を使用するための回路であり、ポンプ７０、室内熱交換器７１などの必要な機器を有している。吸熱回路７の一部は蒸発器６６の内部に位置している。蒸発器６６の内部において、吸熱回路７の一部は、冷媒液の液面よりも上に位置していてもよいし、冷媒液の液面よりも下に位置していてもよい。吸熱回路７には、水、ブラインなどの熱媒体が充填されている。

蒸発器６６に貯留された冷媒液は、吸熱回路７を構成する部材（配管）に接触する。これにより、冷媒液と吸熱回路７の内部の熱媒体との間で熱交換が行われ、冷媒液が蒸発する。吸熱回路７の内部の熱媒体は、冷媒液の蒸発潜熱によって冷却される。例えば、冷凍サイクル装置２００が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、吸熱回路７の熱媒体によって室内の空気が冷却される。室内熱交換器７１は、例えば、フィンチューブ熱交換器である。

放熱回路８は、凝縮器６４の内部の冷媒から熱を奪うために使用される回路であり、ポンプ８０、室外熱交換器８１などの必要な機器を有している。放熱回路８の一部は凝縮器６４の内部に位置している。詳細には、凝縮器６４の内部において、放熱回路８の一部は、冷媒液の液面よりも上に位置している。放熱回路８には、水、ブラインなどの熱媒体が充填されている。冷凍サイクル装置２００が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、放熱回路８の熱媒体によって凝縮器６４の冷媒が冷却される。

第２圧縮機６３から吐出された高温の冷媒蒸気は、凝縮器６４の内部において、放熱回路８を構成する部材（配管）に接触する。これにより、冷媒蒸気と放熱回路８の内部の熱媒体との間で熱交換が行われ、冷媒蒸気が凝縮する。放熱回路８の内部の熱媒体は、冷媒蒸気の凝縮潜熱によって加熱される。冷媒蒸気によって加熱された熱媒体は、室外熱交換器８１において、外気又は冷却水によって冷却される。

蒸発器６６は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。蒸発器６６は、冷媒液を貯留するとともに、冷媒液を内部で蒸発させる。蒸発器６６の内部の冷媒液は、蒸発器６６の外部からもたらされた熱を吸収し、沸騰する。すなわち、吸熱回路７から熱を吸収することによって加熱された冷媒液が蒸発器６６の中で沸騰及び蒸発する。本実施形態において、蒸発器６６に貯留された冷媒液は、吸熱回路７を循環する熱媒体と間接的に接触する。つまり、蒸発器６６に貯留された冷媒液の一部は、吸熱回路７の熱媒体によって加熱され、飽和状態の冷媒液を加熱するために使用される。

第１圧縮機６１及び第２圧縮機６３は、冷媒蒸気を２段階で圧縮する。第１圧縮機６１として、本実施形態のターボ圧縮機１００が使用されうる。第２圧縮機６３は、第１圧縮機６１から独立した容積型圧縮機であってもよいし、シャフト１１によって第１圧縮機６１に連結されたターボ圧縮機であってもよい。第２圧縮機６３として、本実施形態のターボ圧縮機１００が使用されてもよい。シャフト１１を回転させるための電動機６７は、第１圧縮機６１と第２圧縮機６３との間に配置されている。シャフト１１の長手方向に沿って、第１圧縮機６１、第２圧縮機６３及び電動機６７がこの順番で配置されていてもよいし、電動機６７、第１圧縮機６１及び第２圧縮機６３がこの順番で配置されていてもよい。第１圧縮機６１及び第２圧縮機６３がシャフト１１によって連結されているので、第１圧縮機６１及び第２圧縮機６３の部品点数が減少する。

中間冷却器６２は、第１圧縮機６１から吐出された冷媒蒸気を第２圧縮機６３に吸入される前に冷却する。中間冷却器６２は、直接接触式の熱交換器であってもよいし、間接式の熱交換器であってもよい。

凝縮器６４は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。凝縮器６４は、冷媒蒸気を凝縮させるとともに、冷媒蒸気を凝縮させることによって生じた冷媒液を貯留する。本実施形態では、過熱状態の冷媒蒸気が、外部環境に熱を放出することによって冷却された熱媒体に間接的に接触して凝縮する。つまり、冷媒蒸気は、放熱回路８の熱媒体によって冷却され、凝縮する。

膨張弁６５は、凝縮した冷媒液を減圧する減圧機構の一例である。膨張弁６５は省略されていてもよい。

本実施形態において、蒸発器６６及び凝縮器６４は、間接接触型の熱交換器（例えば、シェルチューブ熱交換器）である。ただし、蒸発器６６及び凝縮器６４は、直接接触型の熱交換器であってもよい。つまり、吸熱回路７及び放熱回路８を冷媒液が循環することによって、冷媒液が加熱されたり冷却されたりしてもよい。さらに、吸熱回路７及び放熱回路８の少なくとも１つが省略されていてもよい。

本実施形態のターボ圧縮機１００が第１圧縮機６１として使用されている場合、冷媒の過熱度が比較的小さかったとしても、冷媒の凝縮が防止される。第１圧縮機６１の入口（翼車１０への入口）における冷媒の温度は、蒸発器６６における飽和温度に５℃を加えた温度以下であってもよい。冷媒の過熱度が比較的低いので、圧縮過程における理論動力を減らすことができ、第１圧縮機６１の消費電力も減少する。

本明細書に開示された技術は、チラー及びターボ冷凍機に代表される冷凍サイクル装置に適している。冷凍サイクル装置は、例えば、業務用又は家庭用の空調機器に使用される。

１０ 翼車
１４ シュラウド
１６ ケーシング
３０ ハブ
３１ 翼
３１ａ 前縁部
３１ｂ 後縁部
３１ｃ ハブ縁部
３１ｄ シュラウド縁部
３１ｑ 負圧面
３１ｐ 正圧面
１００ ターボ圧縮機
２００ 冷凍サイクル装置

Claims (5)

1. ケーシングと、
   前記ケーシング内に配置された翼車と、
   を備え、
   前記翼車は、上面、下面及び外周面を有するハブと、前記ハブの前記外周面上に放射状に配置された複数の翼とを有し、
   前記複数の翼のそれぞれは、前記ハブの前記上面の側に位置する前縁部と、前記ハブの前記下面の側に位置する後縁部と、前記ハブの前記外周面に接するハブ縁部と、スパン方向の外側に位置する翼端であるシュラウド縁部とを含み、
   前記翼車の回転軸から前記前縁部と前記ハブ縁部との交点までの距離をＲ１と定義し、前記翼車の前記回転軸から前記前縁部と前記シュラウド縁部との交点までの距離をＲ２と定義し、前記翼車の前記回転軸から前記後縁部までの距離をＲ３と定義したとき、
   前記距離Ｒ１、前記距離Ｒ２及び前記距離Ｒ３が０．２≦Ｒ１／Ｒ３≦０．３かつ０．６≦Ｒ２／Ｒ３≦０．８の関係を満たし、
   コード方向に関する前記前縁部からの無次元距離をＭと定義したとき、
   前記無次元距離Ｍが０％以上かつ５％以下の区間において前記シュラウド縁部の翼角度βｓが一定であり、
   前記無次元距離Ｍが５％の位置において前記ハブ縁部の翼角度βｈ及び前記シュラウド縁部の前記翼角度βｓがβｈ≧βｓ×２／３の関係を満たす、ターボ圧縮機。
2. 前記無次元距離Ｍが５％を超えかつ１０％以下の区間における前記シュラウド縁部の前記翼角度βｓは、前記無次元距離Ｍが０％の位置における前記シュラウド縁部の前記翼角度βｓの０．９７倍よりも小さく、
   前記無次元距離Ｍが１０％の位置において前記翼角度βｈ及び前記翼角度βｓがβｈ≧βｓ×１／２の関係を満たす、請求項１に記載のターボ圧縮機。
3. 前記翼車は、常温での飽和蒸気圧が負圧である作動流体を圧縮する、請求項１又は２に記載のターボ圧縮機。
4. 請求項１又は２に記載のターボ圧縮機を備え、
   常温での飽和蒸気圧が負圧である物質が冷媒として使用されている、冷凍サイクル装置。
5. 前記物質が水を含む、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。

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