JP2019070338A

JP2019070338A - 遠心圧縮機インペラ

Info

Publication number: JP2019070338A
Application number: JP2017196125A
Authority: JP
Inventors: 哲哉大塩; Tetsuya Oshio
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-10-06
Filing date: 2017-10-06
Publication date: 2019-05-09

Abstract

【課題】流量及び空力性能を確保しながら、遠心圧縮機の運転可能な回転数の範囲を確保する遠心圧縮機インペラを提供する。【解決手段】遠心圧縮機インペラ５は、全羽根２１と、短羽根２３とを備えるタイプのインペラである。全羽根２１の子午面内翼弦長をＡ１とし、全羽根２１のチップ２１ａにおける最大翼厚をＢ１とし、短羽根２３の子午面内翼弦長をＡ２とし、短羽根２３のチップ２３ａにおける最大翼厚をＢ２としたとき、Ｂ１／Ｂ２＝ａ・Ａ１／Ａ２、及びａ＝０．８〜１．２が満足される。【選択図】図３

Description

本発明は、遠心圧縮機インペラに関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１及び２に記載の遠心圧縮機インペラが知られている。これらのインペラは、全羽根と短羽根との２種類の羽根を備えている。遠心圧縮機インペラが複数種類の羽根を有することは、空力性能を向上させる観点で有利である。

特開2013-024055号公報特開2009-243394号公報

遠心圧縮機では、インペラの共振を回避するために、羽根の共振周波数に対応するようなインペラ回転数（共振域）を回避するように遠心圧縮機を運転する必要がある。２種類の羽根はそれぞれ共振周波数を有するので、遠心圧縮機の運転においては、回避すべき共振域も２種類存在し、運転可能な回転数の範囲が狭くなってしまう。

共振を回避する他の手法としては、各羽根の共振周波数が極めて高くなるように各羽根を設計することも考えられる。すなわち、例えば、羽根の高さを低くしたり、羽根の厚さを厚くしたりすることにより羽根の共振周波数を高め、運転中に想定されるインペラの振動数領域を共振域が超えるようにすることが考えられる。しかしながら、羽根の高さを低くすれば遠心圧縮機の流量が低下し、羽根の厚さを厚くすれば空力性能が低下する。

上記の課題に鑑み、本発明は、流量及び空力性能を確保しながら、遠心圧縮機の運転可能な回転数の範囲を確保する遠心圧縮機インペラを提供することを目的とする。

本発明の遠心圧縮機インペラは、
第１種の羽根と、第１種の羽根とは異なる第２種の羽根と、を備え、
第１種の羽根の子午面内翼弦長をＡ１とし、第１種の羽根のチップにおける最大翼厚をＢ１とし、
第２種の羽根の子午面内翼弦長をＡ２とし、第２種の羽根のチップにおける最大翼厚をＢ２としたとき、
Ｂ１／Ｂ２＝ａ・Ａ１／Ａ２
ａ＝０．８〜１．２
が満足される。

また、第１種の羽根は全羽根であり、第２種の羽根は全羽根同士の間に設けられた短羽根であることとしてもよい。

インペラ直径をＤ_２とし、
第１種の羽根の回転軸方向の長さをＬとし、
第１種の羽根の後縁の回転軸方向の長さをｂ_２とし、
第１種の羽根の前縁のチップ側端部の直径をＤ_１ｓとし、
第１種の羽根の前縁のハブ側端部の直径をＤ_１ｈとしたとき、
L/D₂= 0.30〜0.45
b₂/D₂=0.05〜0.15
D_1s/D₂=0.4〜0.85
D_1h/D₂=0.15〜0.3
が満足されることとしてもよい。

本発明によれば、流量及び空力性能を確保しながら、遠心圧縮機の運転可能な回転数の範囲を確保する遠心圧縮機インペラを提供することができる。

実施形態の遠心圧縮機インペラを備える遠心圧縮機の断面図である。遠心圧縮機インペラの側面図である。子午面上に回転方向に投影された全羽根及び短羽根を示す図である。遠心圧縮機のキャンベル線図を示す。短羽根の子午面内翼弦長と共振周波数との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る遠心圧縮機インペラの実施形態について詳細に説明する。

図１は、本実施形態の遠心圧縮機インペラを有する遠心圧縮機の断面図である。遠心圧縮機１は、ハウジング３と、ハウジング３に収納された遠心圧縮機インペラ５（以下「インペラ５」という）と、を備えている。ハウジング３は、インペラ５の周囲において周方向に延びるスクロール７を有している。ハウジング３には、吸入口９及び吐出口１１が設けられている。インペラ５は、例えばモータ等の動力源１３から駆動力を受けて、回転軸線Ｈ周りに回転する。インペラ５が回転すると、インペラ５は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入する。この空気が、インペラ５及びスクロール７を通過して圧縮され吐出口１１から吐出される。なお、遠心圧縮機１は過給機のコンプレッサであってもよい。この場合、当該過給機のタービンが動力源１３である。

インペラ５は、次のように設計されている。図２に示されるように、インペラ５は、ハブ１７と、複数の全羽根２１（第１種の羽根）と、複数の短羽根２３（第２種の羽根）と、を備えている。全羽根２１は、ハブ１７上に設けられ回転周方向に等間隔に配置されている。短羽根２３は、全羽根２１に比べて上下流方向の長さが短く、全羽根２１同士の間にそれぞれ１つずつ設けられている。インペラ５は、全羽根２１（フルブレード）と短羽根２３（スプリッタブレード）とを有するタイプのものであり、全羽根のみを有するインペラに比較して良好な空力性能が得られる。

図３は、子午面（回転軸線Ｈを含む平面）上に回転方向に投影された全羽根２１と短羽根２３とを示す。インペラ５においては、下記の条件が満足される。
インペラ直径をＤ_２とし、
全羽根２１の回転軸方向の長さをＬとし、
全羽根２１の後縁の回転軸方向の長さをｂ_２とし、
全羽根２１の前縁のチップ側端部の直径をＤ_１ｓとし、
全羽根２１の前縁のハブ側端部の直径をＤ_１ｈとしたとき、
L/D₂= 0.30〜0.45
b₂/D₂=0.05〜0.15
D_1s/D₂=0.4〜0.85
D_1h/D₂=0.15〜0.3
上記のような条件によれば、インペラ５の全羽根２１は、上下流方向の長さが比較的長く、翼高さが比較的高い。従って、インペラ５では、上記のような比較的大きい全羽根２１の存在により、比較的大きい流量が確保される。

続いて、インペラ５の共振を回避するための設計方法について説明する。遠心圧縮機１の運転では、インペラ５の共振を回避するために、各羽根の共振周波数に対応するようなインペラ回転数（共振域）を回避するように遠心圧縮機を運転する必要がある。インペラ５では、全羽根２１及び短羽根２３がそれぞれ共振周波数を有する。従って、遠心圧縮機の運転においては、回避すべき共振域も２種類存在し、運転可能な回転数の範囲が狭くなってしまう。

この対策として、インペラ５の設計方法では、全羽根２１の共振周波数と、短羽根２３の共振周波数とを、近づけるといった思想に基づいて、全羽根２１及び短羽根２３の仕様が決定される。

図４（ａ）は、全羽根と短羽根とを備える一般的な遠心圧縮機インペラのキャンベル線図を示し、図４（ｂ）は、上述の思想に基づくインペラ５のキャンベル線図を示す。図４（ａ），（ｂ）共に、符号１０１ａ，１０１ｂ，…は、それぞれ全羽根の所定の各モードの共振周波数を示し、符号１０２ａ，１０２ｂ，…は、それぞれ短羽根の所定の各モードの共振周波数を示す。また、全羽根の共振周波数１０１ｂ，１０１ｃに対応する共振域をＲ１，Ｒ３とし、短羽根の共振周波数１０２ａ，１０２ｂに対応する共振域をＲ２，Ｒ４とする。また、符号Ｐは、遠心圧縮機１の運転時に想定されるインペラ回転数の上限から下限までの範囲（以下「運転範囲Ｐ」）を示す。

図４（ａ）に示されるように、一般的なインペラでは、全羽根に関する共振域Ｒ１，Ｒ３と、短羽根に関する共振域Ｒ２，Ｒ４と、を、運転範囲Ｐから除いた範囲が、運転可能なインペラ回転数の範囲である。これに対し、インペラ５では、図４（ｂ）に示されるように、短羽根の共振周波数１０２ａが全羽根の共振周波数１０１ｂに近づき、短羽根の共振周波数１０２ｂが全羽根の共振周波数１０１ｃに近づいている。これにより、共振域Ｒ１とＲ２とがほぼ重複し、共振域Ｒ３とＲ４とが一部重複している。この場合、運転範囲Ｐから除くべき共振域Ｒ１〜Ｒ４の一部が互いに重複することで、一般的なインペラ（図４（ａ））に比較して、運転可能なインペラ回転数の範囲が拡大する。

以上のように、全羽根２１と短羽根２３との共振周波数が近いインペラ５によれば、全羽根２１に起因する共振域と短羽根２３に起因する共振域との一部が互いに重複する。その結果、回避すべき共振域が狭くなり、運転可能なインペラ回転数の範囲を広く確保することができる。すなわち、インペラ５は複数種類の羽根を備えるタイプであるにも関わらず、共振域が極端に増加することが避けられ、運転可能なインペラ回転数の範囲を確保することができる。

なお、共振回避のための他の対策として、羽根の共振周波数を極めて高くし、運転中に想定されるインペラの振動数領域を共振域が超えるようにすることが考えられる。しかしながら、この対策には、全羽根２１と短羽根２３の上下流方向の長さを短くしたり、翼高さを低くしたり、翼厚を厚くしたりすることが必要であるので、流量や空力性能が低下する。これに比較して、全羽根２１と短羽根２３との共振周波数を近くする共振対策では、比較的大きい流量や高い空力性能が確保される。

続いて、全羽根２１の共振周波数と短羽根２３の共振周波数とを近づけるためのインペラ５の構成の一例を説明する。
全羽根２１の子午面内翼弦長をＡ１とし、
全羽根２１のチップ２１ａにおける最大翼厚をＢ１とし、
短羽根２３の子午面内翼弦長をＡ２とし、
短羽根２３のチップ２３ａにおける最大翼厚をＢ２としたとき、下式（１）及び（２）が満足されればよい。
Ｂ１／Ｂ２＝ａ・Ａ１／Ａ２ …（１）
ａ＝０．８〜１．２ …（２）

換言すれば、全羽根２１と短羽根２３との間で、チップにおける最大翼厚の比（Ｂ１／Ｂ２）を、子午面内翼弦長の比（Ａ１／Ａ２）の０．８〜１．２倍の範囲内に近似させればよい。なお、子午面内翼弦長Ａ１は、図３に示されるように、子午面上に投影されたチップ２１ａの投影像の長さであり、子午面内翼弦長Ａ２は、子午面上に投影されたチップ２３ａの投影像の長さである。また、最大翼厚Ｂ１は、チップ２１ａにおける翼厚Ｔ１（図２参照）の中で最大のものであり、最大翼厚Ｂ２は、チップ２３ａにおける翼厚Ｔ２（図２参照）の中で最大のものである。

一般的に遠心圧縮機インペラでは、全羽根と短羽根とは近似した立体形状をなす。また、羽根上の各部位の翼厚分布は、全羽根と短羽根とで近似していると考えられる。従って、子午面内翼弦長とチップにおける最大翼厚との比が、共振周波数に及ぼす影響は、全羽根と短羽根とで近似していると考えられる。従って、数式（１）及び（２）が満足されれば、インペラ５における全羽根２１と短羽根２３との共振周波数同士が近似すると考えられる。なお、数式（２）に代えて、ａ＝０．９〜１．１とすれば、Ｂ１／Ｂ２とＡ１／Ａ２とが更に近似し、全羽根２１と短羽根２３との共振周波数が更に近似するため、より好ましい。

図５を参照しながら、本発明者が行ったシミュレーションについて説明する。このシミュレーションでは、遠心圧縮機の短羽根の子午面内翼弦長と共振周波数との関係を算出した。図５（ａ），（ｂ）において、横軸は、短羽根の子午面内翼弦長を全羽根の子午面内翼弦長との比で示す。すなわち、横軸の１００％は全羽根と同じ子午面内翼弦長であり、６０〜９０％は、それぞれ全羽根の６０〜９０％の子午面内翼弦長を表す。図５（ａ）のシミュレーションでは、短羽根の子午面内翼弦長のみを全羽根の６０〜１００％の範囲で変化させた。図５（ｂ）のシミュレーションでは、短羽根の子午面内翼弦長を全羽根の６０〜１００％で変化させると共に、短羽根全体の翼厚を子午面内翼弦長に比例するように変化させた。図５（ａ），（ｂ）にはそれぞれ、短羽根の１次〜６次モードの共振周波数に対応する６本のグラフが示される。

図５（ａ）に示されるように、短羽根の翼厚が変わらずに子午面内翼弦長が変化した場合、子午面内翼弦長が短くなるに従って、各モードとも共振周波数が大きくなる。これに対し、図５（ｂ）に示されるように、子午面内翼弦長に比例して翼厚が変化すれば、子午面内翼弦長に関わらず共振周波数が一定になるモードが現れる。本シミュレーションの例では、３次モード及び４次モードの共振周波数がほぼ一定になった。以上より、全羽根の子午面内翼弦長が短縮された短羽根を設計する際に、子午面内翼弦長にほぼ比例するように翼厚を薄くするといった設計により、短羽根の何れかのモードの共振周波数を、全羽根の共振周波数に近似させることが可能であることが判った。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。例えば、実施形態では、全羽根と短羽根との２種類の羽根を備えるインペラを例として説明したが、３種類の羽根を備えるインペラに本発明が適用されてもよい。この場合、上記３種類のうちの２種類の羽根に、第１種の羽根と第２種の羽根との関係が適用されてもよい。

１遠心圧縮機
５インペラ（遠心圧縮機インペラ）
２１全羽根（第１種の羽根）
２３短羽根（第２種の羽根）

Claims

第１種の羽根と、前記第１種の羽根とは異なる第２種の羽根と、を備え、
前記第１種の羽根の子午面内翼弦長をＡ１とし、前記第１種の羽根のチップにおける最大翼厚をＢ１とし、
前記第２種の羽根の子午面内翼弦長をＡ２とし、前記第２種の羽根のチップにおける最大翼厚をＢ２としたとき、
Ｂ１／Ｂ２＝ａ・Ａ１／Ａ２
ａ＝０．８〜１．２
が満足される、遠心圧縮機インペラ。
前記第１種の羽根は全羽根であり、
前記第２種の羽根は前記全羽根同士の間に設けられた短羽根である、請求項１に記載の遠心圧縮機インペラ。
インペラ直径をＤ_２とし、
前記第１種の羽根の回転軸方向の長さをＬとし、
前記第１種の羽根の後縁の回転軸方向の長さをｂ_２とし、
前記第１種の羽根の前縁のチップ側端部の直径をＤ_１ｓとし、
前記第１種の羽根の前縁のハブ側端部の直径をＤ_１ｈとしたとき、
L/D₂= 0.30〜0.45
b₂/D₂=0.05〜0.15
D_1s/D₂=0.4〜0.85
D_1h/D₂=0.15〜0.3
が満足される、請求項１又は２に記載の遠心圧縮機インペラ。