JP2022130751A - Impeller and centrifugal compressor using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、インペラ及びそれを用いた遠心圧縮機に関する。 The present disclosure relates to impellers and centrifugal compressors using the same.
遠心圧縮機において、作動流体は、インペラによって加速される。速度を圧力に変換することによって、作動流体が減速されて圧縮される。作動流体を減速するためには、流路断面積を拡大する必要がある。つまり、作動流体の圧力は、主に、ディフューザによって増大される。ただし、インペラによって加速された作動流体の速度は音速に近いため、インペラの流路からディフューザに移る過程で大きい損失が発生しがちである。そこで、一般的なインペラは、その外周部において流路断面積が拡大するように設計されている。 In a centrifugal compressor, the working fluid is accelerated by an impeller. By converting velocity to pressure, the working fluid is decelerated and compressed. In order to decelerate the working fluid, it is necessary to increase the cross-sectional area of the flow path. That is, the working fluid pressure is primarily increased by the diffuser. However, since the velocity of the working fluid accelerated by the impeller is close to the speed of sound, large losses tend to occur in the process of moving from the flow path of the impeller to the diffuser. Therefore, a general impeller is designed so that the cross-sectional area of the flow passage is enlarged at its outer peripheral portion.
当業者に知られているように、インペラの流路の出口の近傍において、作動流体の流れが淀む。この傾向は、小型かつ高圧縮比の遠心圧縮機で顕著である。作動流体の流れの淀みを減少させることができれば、より効率的な圧縮が可能である。 As is known to those skilled in the art, the flow of working fluid stagnates near the outlet of the impeller flow path. This tendency is conspicuous in small-sized, high-compression-ratio centrifugal compressors. More efficient compression is possible if stagnation in the working fluid flow can be reduced.
本開示は、作動流体の流れの淀みを減少させて効率的な圧縮を達成するための技術を提供する。 The present disclosure provides techniques for reducing stagnation in working fluid flow to achieve efficient compression.
本開示は、
ハブ表面を有するハブと、
前記ハブの前記ハブ表面に固定された複数の翼と、
を備え、
前記ハブ表面は、半径方向の内側に位置する曲面部分と、前記半径方向の外側に位置する平面部分とを有する、
インペラを提供する。
This disclosure is
a hub having a hub surface;
a plurality of wings secured to the hub surface of the hub;
with
The hub surface has a curved portion located radially inward and a planar portion located radially outward.
Provide impeller.
本開示の技術によれば、作動流体の流れの淀みを減少させて効率的な圧縮を達成できる。 According to the technique of the present disclosure, stagnation in the flow of working fluid can be reduced to achieve efficient compression.
(本開示の基礎となった知見)
本発明者らは、効率的な圧縮を妨げる原因について鋭意検討した。その結果、以下の2つの主要な原因に気付き、本開示を想到するに至った。
(Findings on which this disclosure is based)
The inventors of the present invention have extensively studied the causes that hinder efficient compression. As a result, the inventors have noticed the following two main causes, and have arrived at the present disclosure.
図13は、従来の遠心圧縮機の子午面投影図の一部を拡大して示している。太い矢印線は、作動流体の主流を表している。遠心圧縮機において、インペラ120とシュラウド壁103との間には隙間shがある。この隙間shは、細い矢印線で示すように、翼間の流路からの作動流体の漏れを生じさせる。作動流体の漏れは、エッカート渦の一因となる。環状の矢印線で示すように、エッカート渦は、インペラ120の外周部で作動流体の流速が低下することによって成長する。特に、流量への寄与が大きいシュラウド壁103側において、エッカート渦は、スムーズな流れを阻害する。エッカート渦による損失を抑制できれば、効率的な圧縮を達成できる、つまり、高い圧縮比を達成できると考えられる。
FIG. 13 shows an enlarged part of a meridional projection of a conventional centrifugal compressor. A thick arrow line represents the main flow of the working fluid. There is a gap sh between the
「エッカート渦」とは、インペラの外周部で生じる渦のことであり、流速の低下及び圧力の損失をもたらす。「インペラの外周部」は、インペラの翼間の流路の下流部分を意味する。 "Eckhart vortices" are vortices that occur at the outer periphery of the impeller, resulting in flow velocity reduction and pressure loss. "Impeller periphery" means the downstream portion of the flow path between the blades of the impeller.
効率的な圧縮を妨げる他の1つの原因は、翼幅方向における作動流体の流速分布にあると考えられる。すなわち、作動流体の流速は、シュラウド壁の近傍で相対的に速く、ハブの近傍で相対的に遅い。ディフューザにおける効率的な圧力上昇のためには、翼幅方向の流速分布は極力小さいことが望ましいと考えられる。 Another factor that hinders efficient compression is believed to be the flow velocity distribution of the working fluid in the spanwise direction. That is, the flow velocity of the working fluid is relatively high near the shroud walls and relatively low near the hub. For efficient pressure rise in the diffuser, it is desirable that the flow velocity distribution in the spanwise direction be as small as possible.
なお、特許文献1においては、インペラとシュラウド壁とが一体化されていることが前提である。シュラウド壁がインペラとともに回転するため、高い回転数(例えば、外周周速500m/s以上)で運転されるべき遠心圧縮機に特許文献1の技術を適用することは困難である。
In addition, in
(本開示に係る一態様の概要)
本開示の第1態様に係るインペラは、
ハブ表面を有するハブと、
前記ハブの前記ハブ表面に固定された翼と、
を備え、
前記ハブ表面は、半径方向の内側に位置する曲面部分と、前記半径方向の外側に位置する平面部分とを有する。
(Overview of one aspect of the present disclosure)
The impeller according to the first aspect of the present disclosure includes:
a hub having a hub surface;
wings secured to the hub surface of the hub;
with
The hub surface has a curved portion located radially inward and a flat portion located radially outward.
第1態様によれば、エッカート渦の成長が抑制され、インペラの外周部で作動流体がスムーズに流れる。結果として、効率的な圧縮が達成されうる。 According to the first aspect, the growth of the Eckert vortex is suppressed, and the working fluid flows smoothly in the outer peripheral portion of the impeller. As a result, efficient compression can be achieved.
本開示の第2態様において、例えば、第1態様に係るインペラでは、前記平面部分は、前記半径方向に平行であってもよい。このような構成によれば、流路断面積を適度に減少させることができるので、作動流体の流量の大幅な減少を回避しつつ、上記した効果を得ることができる。 In the second aspect of the present disclosure, for example, in the impeller according to the first aspect, the planar portion may be parallel to the radial direction. With such a configuration, the cross-sectional area of the flow path can be appropriately reduced, so that the above effects can be obtained while avoiding a large decrease in the flow rate of the working fluid.
本開示の第3態様において、例えば、第1又は第2態様に係るインペラでは、前記インペラの回転軸を含む子午面に前記翼を回転投影することによって得られる子午面投影図において、前記翼の輪郭は、前記ハブ表面の前記平面部分に向かい合う曲線部分を含んでいてもよい。このような構成によれば、作動流体の流量を十分に確保することができる。 In the third aspect of the present disclosure, for example, in the impeller according to the first or second aspect, in a meridional plane projection view obtained by rotationally projecting the blade on a meridional plane containing the rotation axis of the impeller, the blade A profile may include a curved portion facing the planar portion of the hub surface. With such a configuration, a sufficient flow rate of the working fluid can be ensured.
本開示の第4態様において、例えば、第1から第3態様のいずれか1つに係るインペラでは、前記ハブは、回転軸に平行な方向における一端側に位置する上面と、前記回転軸に平行な方向における他端側に位置する下面とを有していてもよく、前記ハブの前記下面には、前記下面から前記上面に向かって窪んでいる環状凹部が設けられていてもよく、前記ハブを軸方向から平面視したとき、前記環状凹部は、前記ハブ表面の前記平面部分よりも前記内側に収まっていてもよい。このような構成によれば、ハブの内周部への応力の集中を緩和できるとともに、ハブの外周部の軸方向への変位を抑制できる。 In the fourth aspect of the present disclosure, for example, in the impeller according to any one of the first to third aspects, the hub includes an upper surface located on one end side in a direction parallel to the rotation axis, and an upper surface parallel to the rotation axis. and a lower surface located on the other end side in the direction of the hub, and the lower surface of the hub may be provided with an annular recess recessed from the lower surface toward the upper surface, and the hub When viewed in plan from the axial direction, the annular recess may be housed inside the flat portion of the hub surface. According to such a configuration, stress concentration on the inner peripheral portion of the hub can be alleviated, and displacement of the outer peripheral portion of the hub in the axial direction can be suppressed.
本開示の第5態様において、例えば、第4態様に係るインペラでは、前記環状凹部は、前記半径方向における外周側に外周部を有していてもよく、前記回転軸を含む平面内において、前記環状凹部の前記外周部は直線形状であってもよい。このような構成によれば、ハブの下面の内周側の部分が軸方向に突出することを抑えつつ、ハブの下面の内周側の部分に生じる応力を緩和することができる。 In the fifth aspect of the present disclosure, for example, in the impeller according to the fourth aspect, the annular recess may have an outer peripheral portion on the outer peripheral side in the radial direction, and in a plane including the rotation axis, the The outer peripheral portion of the annular recess may be linear. According to such a configuration, it is possible to reduce the stress generated in the inner peripheral portion of the lower surface of the hub while preventing the inner peripheral portion of the lower surface of the hub from protruding in the axial direction.
本開示の第6態様において、例えば、第5態様に係るインペラでは、前記回転軸を含む平面内において、前記外周部と前記ハブの前記下面とが接点P1において接していてもよく、前記回転軸に平行かつ前記接点P1を通る直線と、前記ハブ表面との交点を接点P2とするとき、前記接点P1における前記環状凹部の前記外周部の、前記回転軸に直交する平面に対する傾きは、前記接点P2における前記ハブ表面の、前記回転軸に直交する平面に対する傾きよりも小さくてもよい。このような構成によれば、インペラの外周端における剛性の低下を抑えつつ、ハブの下面の内周側の部分に生じる応力をより効果的に緩和することができる。 In the sixth aspect of the present disclosure, for example, in the impeller according to the fifth aspect, the outer peripheral portion and the lower surface of the hub may be in contact with each other at a point of contact P1 in a plane including the rotating shaft, and the rotating shaft When a straight line parallel to and passing through the contact point P1 and the hub surface intersect with the contact point P2, the inclination of the outer peripheral portion of the annular recess at the contact point P1 with respect to the plane perpendicular to the rotation axis is the contact point P2. The inclination of the hub surface at P2 with respect to a plane orthogonal to the rotation axis may be smaller. According to such a configuration, it is possible to more effectively relieve the stress generated in the inner peripheral side portion of the lower surface of the hub while suppressing a decrease in rigidity at the outer peripheral end of the impeller.
本開示の第7態様に係る遠心圧縮機は、
第1から第6態様のいずれか1つのインペラと、
前記インペラを囲むシュラウド壁と、
を備えている。
A centrifugal compressor according to a seventh aspect of the present disclosure includes
an impeller of any one of the first to sixth aspects;
a shroud wall surrounding the impeller;
It has
第5態様によれば、高い圧縮比を達成できる。 According to the fifth aspect, a high compression ratio can be achieved.
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。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. The present disclosure is not limited to the following embodiments.
(第1実施形態)
図1は、本開示の第1実施形態に係る遠心圧縮機100の断面を示している。本実施形態の遠心圧縮機100は、シャフト11、インペラ2、バックプレート13及びハウジング15を備えている。インペラ2は、シャフト11に固定されている。バックプレート13は、インペラ2の下面に向かい合う位置に配置されている。インペラ2は、ハウジング15に収容されている。遠心圧縮機100は、シャフト11の回転によって駆動され、作動流体を圧縮する。本明細書では、インペラ2の回転軸Oに平行な方向を「軸方向」と称する。回転軸Oに垂直な方向を「半径方向」と称する。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a cross section of a
インペラ2は、ハブ20、複数の主翼21(full blade)及び複数の副翼22(splitter blade)を有する。ハブ20は、上面23、下面24及びハブ表面25を有する。上面23は、軸方向の一端側に位置する面である。下面24は、軸方向の他端側に位置する面である。上面23が相対的に小さい直径を有し、下面24が相対的に大きい直径を有する。上面23及び下面24は、それぞれ、平坦な面である。ハブ表面25は、上面23と下面24との間に位置している面である。ハブ20は、回転軸Oに沿って上面23から下面24に向かって滑らかに拡径している。主翼21及び副翼22は、ハブ20に固定され、ハブ表面25の上に放射状に設けられている。主翼21及び副翼22は、インペラ2の周方向に交互に並んでいる。副翼22は、主翼21よりも短い翼である。これらの翼間にインペラ2の流路が形成されている。
The
副翼22は必須ではなく、省略されていてもよい。
The
ハウジング15は、シュラウド壁3、周縁部材17及びフロント部材18を有する。シュラウド壁3は、インペラ2に沿う形状を有するとともに、インペラ2を囲っている。シュラウド壁3は、インペラ2を超える位置まで軸方向に延びて吸入口12を形成している。インペラ2の外周端よりも半径方向の外側において、シュラウド壁3とバックプレート13との間には、ディフューザ26が形成されている。ディフューザ26は、羽根無しディフューザであってもよく、羽根付きディフューザであってもよい。周縁部材17は、インペラ2の周囲に渦巻き室16を形成している。渦巻き室16は、ディフューザ26に連通している。
図2は、インペラ2の回転軸Oを含む子午面に主翼21及び副翼22を回転投影することによって得られる子午面投影図(回転投影図)である。図3は、図2の部分拡大図である。子午面投影図は、回転軸Oを中心としてインペラ2を回転させたときに得られる主翼21及び副翼22の軌跡をインペラ2の回転軸Oを含む縦断面に書き加えることによって得られる図である。
FIG. 2 is a meridional plane projection (rotational projection) obtained by rotationally projecting the
本実施形態において、ハブ表面25は、曲面部分25p及び平面部分25qを有する。曲面部分25pは、半径方向の内側に位置する部分である。曲面部分25pは、凹形状を有する。詳細には、曲面部分25pは、軸方向に関して、上面23から下面24に向かって凸状である。平面部分25qは、半径方向の外側に位置する部分である。子午面投影図において、曲面部分25pは曲線状の輪郭を示し、平面部分25qは直線状の輪郭を示す。
In this embodiment,
図13に示すように、従来のインペラ120において、ハブ表面125は、曲面のみで構成されている。
As shown in FIG. 13, in the
これに対し、本実施形態では、ハブ表面25は、その外周部において平面部分25qを有する。平面部分25qによれば、翼間の流路の高さが減少するので、従来のインペラ120を基準とすると、流路断面積が減少する。平面部分25qの区間において、流路断面積は概ね一定である。流路断面積の拡大を抑えると作動流体の流速が上がる。これにより、エッカート渦の成長が抑制され、インペラ2の外周部で作動流体がスムーズに流れる。結果として、効率的な圧縮が達成されうる。
In contrast, in this embodiment, the
流路断面積は、ハブ20の形状及び/又はシュラウド壁3の形状を変更することによって増減する。作動流体の流速は、シュラウド壁3の近傍で速く、ハブ20の近傍で遅い。そのため、シュラウド壁3の形状を変更することによって流路断面積を減らす場合、言い換えれば、主翼21及び副翼22の翼幅を減らすことによって流路断面積を減らす場合、流量への影響が大きくなりすぎる可能性がある。本実施形態では、ハブ20の形状の変更によって流路断面積が減らされている。このような構成によれば、流量を十分に確保しつつ、所望の効果を得ることができる。
The flow cross-sectional area is increased or decreased by changing the shape of the
また、ハブ20に平面部分25qを設けて流路を狭めることによって、ハブ20の近傍における作動流体の流速が上昇する。これに伴い、シュラウド壁3の近傍において、作動流体の流速の低下が抑制される、あるいは、流速が上昇する。ハブ20の外周部の厚みを増やして流路を狭めることによる影響は、シュラウド壁3の近傍の流れよりもハブ20の近傍の流れに強く及ぶ。そのため、翼間の流路の出口であるインペラ2の外周端において、ハブ20の近傍の流速とシュラウド壁3の近傍の流速との差が縮小する。すなわち、作動流体の高速な流れが整えられ、翼幅方向の流速分布が減少する。結果として、ディフューザ26における圧力変換の効率が高まる。
Further, by narrowing the flow path by providing the
例えば、ディフューザ26が羽根付きディフューザである場合、次のような効果が期待される。すなわち、作動流体の流速分布が小さい場合、羽根(vane)に作動流体が均一な速度及び角度で衝突し、作動流体の流れが乱れにくい。その結果、より高い圧縮比を達成できる。
For example, if the
また、平面部分25qは、ハブ20の外周部に存在するので、平面部分25qによってハブ20の外周部の厚さが増加する。これにより、ハブ20の外周部がハブ20の内周部によって精度よく支えられる。
Further, since the
本実施形態において、平面部分25qは、半径方向に平行である。このような構成によれば、流路断面積を適度に減少させることができるので、作動流体の流量の大幅な減少を回避しつつ、上記した効果を得ることができる。ただし、平面部分25qが半径方向に対して傾斜していてもよい。
In this embodiment, the
図2に示す子午面投影図において、主翼21の先端の輪郭、副翼22の先端の輪郭及びシュラウド壁3の輪郭は、いずれも曲線である。言い換えれば、主翼21及び副翼22の輪郭は、ハブ表面25の平面部分25qに向かい合う曲線部分を含んでいる。主翼21及び副翼22の輪郭を構成する曲線は、軸方向に関して、上面23から下面24に向かって凸状である。本実施形態では、各輪郭は、曲線のみで構成されている。このような構成によれば、作動流体の流量を十分に確保することができる。「主翼21の先端」とは、主翼21のシュラウド壁3に向かい合う端部を意味する。「副翼22の先端」とは、副翼22のシュラウド壁3に向かい合う端部を意味する。
In the meridional plane projection view shown in FIG. 2, the outline of the tip of the
図3に示すように、本実施形態では、曲面部分25pと平面部分25qとが互いに隣接している。この場合、インペラ2の作製が容易である。
As shown in FIG. 3, in this embodiment, the
子午面投影図において、主翼21とハブ表面25との境界線の全長を主翼21の翼面長さと定義する。主翼21の上流端の位置を0%の位置と定義し、主翼21の下流端の位置を100%の位置と定義する。このとき、曲面部分25pと平面部分25qとの境界Bは、翼面長さの75%の位置から90%の位置の範囲に存在しうる。つまり、半径方向に関する平面部分25qの長さは、翼面長さの10%以上25%以下でありうる。平面部分25qの長さを適切に調整することによって、上記した効果を十分に得ることができる。
In the meridional projection view, the total length of the boundary line between the
図2及び図3に示すように、インペラ2の下面24は平坦な面である。インペラ2の下面24には、上面23から下面24に向かう方向に突出した部分が設けられていない。このような構成は、遠心圧縮機100の小型化にとって有利である。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
ハブ20の下面24には環状凹部27が設けられている。環状凹部27は、下面24から上面23に向かって窪んでいる部分である、ハブ20を軸方向から平面視したとき、環状凹部27は、ハブ表面25の平面部分25qよりも内側に収まっている。本実施形態では、下面24も平坦な面であるため、平面部分25qを構成している部分のハブ20の厚さは一定である。従来のインペラ120(図13参照)を基準とすると、平面部分25qを構成している部分のハブ20の厚さは増えている。言い換えれば、ハブ20の外周部の剛性が上がっている。
An
ハブ20は、ハブ20、主翼21及び副翼22に加わる遠心力を支えているため、ハブ20の内周部に応力が集中する。環状凹部27は、ハブの内周部への応力の集中を緩和する役割を果たす。さらに、平面部分25qよりも内側に環状凹部27が設けられていると、平面部分25qの厚さが環状凹部27によって消費されない。ハブ20が最も薄くなる外周部において、平面部分25qによる厚さの増加と相俟って、ハブ20の厚さを十分に確保することができる。これにより、ハブ20の外周部の軸方向への変位を抑制できる。
Since the
図4Aは、図2を部分的に拡大して示している。図4Aは、回転軸Oを含むハブ20の縦断面でもある。環状凹部27の輪郭の一部又は全部は、円弧形状を有する。このような構成によれば、ハブ20の下面24の内周側の部分が軸方向に突出することを抑えつつ、ハブ20の下面24の内周側の部分に生じる応力を緩和することができる。
FIG. 4A shows a partially enlarged view of FIG. 4A is also a longitudinal section of
図4Aの縦断面において、環状凹部27の接線L1とハブ20の下面24とのなす角度θ1は、例えば、45度以下である。角度θ1は、30度以上40度以下の範囲にあってもよい。接線L1は、環状凹部27の輪郭の接線であって、環状凹部27とハブ20の下面24の外周側の部分24bとの接点P1を通る接線である。接点P1は、環状凹部27とハブ20の下面24との境界線上の点である。このような構成によれば、環状凹部27の表面への応力を低減できるとともに、ハブ20の下面24の内周側の部分24aに生じる応力をより効果的に緩和することができる。
In the longitudinal section of FIG. 4A, the angle θ1 formed by the tangent line L1 of the
図4Bは、変形例に係る環状凹部270の拡大断面図である。環状凹部270は、内周側の部分27a及び外周側の部分27b(外周部)を含む。内周側の部分27aは、円弧形状の輪郭を有し、ハブ20の下面24の内周側の部分24aに接続している。外周側の部分27bは、直線形状の輪郭を有し、ハブ20の下面24の外周側の部分24bに接続している。内周側の部分27aと外周側の部分27bとは、半径方向における環状凹部270の中心よりも外周側で接続している。このような構成によれば、ハブ20の下面24の内周側の部分24aが軸方向に突出することを抑えつつ、ハブ20の下面24の内周側の部分24aに生じる応力を緩和することができる。
FIG. 4B is an enlarged cross-sectional view of an
応力は、環状凹部270の中央付近に集中しやすい。環状凹部270の外周側の部分27bが平面形状を有することにより、環状凹部270の中央付近における応力の分布をハブ20の内部側、すなわち、上面23に寄せることができる。これにより、環状凹部270の中央付近の表面の応力、及び、ハブ20の下面24の内周側の部分24a(間接的にシャフト11と接続する部分)に生じる応力を緩和することができる。
Stress tends to concentrate near the center of the
図4Bの断面において、環状凹部270の外周側の部分27bと基準平面R1とのなす角度θ2は、例えば、45度以下である。角度θ2は、30度以上40度以下の範囲にあってもよい。このような構成によれば、環状凹部270の表面への応力を低減できるとともに、ハブ20の下面24の内周側の部分24aに生じる応力をより効果的に緩和することができる。基準平面R1は、ハブ20の下面24を含み、ハブ20の半径方向に平行な平面である。図4Bの断面では、基準平面R1は、直線で表される。
In the cross section of FIG. 4B, the angle θ2 between the outer
角度θ2は、ハブ表面25の接線L2と基準平面R2とのなす角度φ以下であってもよい。このような構成によれば、インペラ2の外周端における剛性の低下を抑えつつ、ハブ20の下面24の内周側の部分24aに生じる応力をより効果的に緩和することができる。接線L2は、接点P2を通る接線である。基準平面R2は、接点P2を通り、ハブ20の半径方向に平行な平面である。接点P2は、基準平面R3とハブ表面25との交点である。基準平面R3は、環状凹部270とハブ20の下面24との接点P1を通り、軸方向に平行であり、半径方向に垂直な平面である。図4Bの断面では、基準平面R2及びR3は、直線で表される。
The angle θ2 may be less than or equal to the angle φ between the tangent line L2 of the
角度θ2は、接点P1における環状凹部24の外周側の部分27bの基準平面R1に対する傾き(鋭角側の傾き)ある。角度φは、接点P2におけるハブ表面25の基準平面R2に対する傾き(鋭角側の傾き)である。基準平面R1及び基準平面R2は、回転軸Oに直交する平面である。角度θ2は、角度φよりも小さくてもよい。
The angle θ2 is the inclination (acute angle side inclination) of the outer
図5は、曲面部分25pと平面部分25qとの他の位置関係を示している。図5に示すように、曲面部分25pと平面部分25qとの間に遷移部分25rが設けられていてもよい。遷移部分25rは、平面であってもよく、曲面であってもよく、平面と曲面との組み合わせであってもよい。このような構成によれば、作動流体の流れが遷移部分25rで乱れにくいので、よりスムーズな流れを達成できる可能性がある。遷移部分25rの長さLは、例えば、翼面長さの1%以上10%以下である。
FIG. 5 shows another positional relationship between the
図6は、曲面部分25pと平面部分25qとの境界Bの位置を示すインペラ2の平面図である。副翼22は省略されている。図6に示す例において、曲面部分25pは、平面部分25qによって包囲されている。曲面部分25pと平面部分25qとの境界Bは、例えば円形である。つまり、平面部分25qが円環状である。このような構成によれば、インペラ2の作製が容易である。
FIG. 6 is a plan view of
図7は、曲面部分25pと平面部分25qとの境界Bの位置を示すインペラ2の他の平面図である。副翼22は省略されている。図7に示す例では、曲面部分25pと平面部分25qとの境界Bが直線状である。このような構成によれば、平面部分25qの流路方向の長さを、周方向の位置に対応して適切に調節することができる。その結果、より高い圧縮比を達成できる。
FIG. 7 is another plan view of the
本実施形態の遠心圧縮機100において、インペラ2は、シュラウド壁3に対して相対的に回転する。インペラ2とシュラウド壁3とは分離されており、インペラ2のみが回転する。この場合、インペラ2の主翼21とシュラウド壁3との間には、隙間SHが存在する。インペラ2の副翼22とシュラウド壁3との間にも、隙間SHが存在する。作動流体の一部は、これらの隙間SHを乗り越え、エッカート渦の一因を作る。したがって、このタイプの遠心圧縮機に本開示の技術が特に有用である。ただし、インペラとシュラウド壁とが一体化されているタイプの遠心圧縮機に本開示の技術を適用できる可能性もある。
In the
(第2実施形態)
図8は、本開示の第2実施形態に係る流体機械300の構成を示している。流体機械300は、遠心圧縮機100、タービン200及び燃焼器301を備えている。流体機械300は、ガスタービンシステムに使用されうる。シャフト11が遠心圧縮機100とタービン200とに共用されている。遠心圧縮機100は、図1を参照して説明した圧縮機である。作動流体は、例えば空気である。空気が遠心圧縮機100によって圧縮され、燃焼器301に供給される。燃焼器301において、燃料と圧縮空気との混合ガスを燃焼させる。燃焼ガスのエネルギーは、タービン200によって軸出力の形で取り出される。
(Second embodiment)
FIG. 8 shows the configuration of a
遠心圧縮機100によれば、作動流体の流量を増加させることなく、高い圧縮比を達成できる。つまり、遠心圧縮機100を回転させるためのトルクを抑えつつ、タービン200の吸気圧力を上昇させることができる。その結果、流体機械300の効率が向上する。
According to the
(シミュレーションによる検証)
図9は、実施例及び比較例のインペラについて、上流端から下流端にわたって流路断面積を算出した結果を示すグラフである。横軸は、流路の位置を翼面長さに対する割合で表した値を示している。主翼21の上流端の位置が0%に対応する。主翼21の下流端の位置が100%に対応する。縦軸は、流路断面積の正規化された値を示している。実施例のインペラによれば、約70%の位置から約100%の位置まで流路断面積が一定であった。これに対し、比較例のインペラの流路断面積は、約85%の位置まで連続的に減少するとともに、約85%の位置から増加に転じていた。
(verification by simulation)
FIG. 9 is a graph showing the results of calculating the flow channel cross-sectional area from the upstream end to the downstream end for the impellers of Examples and Comparative Examples. The horizontal axis indicates the value of the position of the flow path expressed as a ratio to the length of the blade surface. The position of the upstream end of the
以下のシミュレーションは、図9に示す流路断面積を持つ実施例及び比較例のインペラについて行った。 The following simulations were performed for impellers of Examples and Comparative Examples having flow channel cross-sectional areas shown in FIG.
図10は、実施例及び比較例のインペラについて、上流端から下流端にわたって作動流体の子午面流速を計算機シミュレーションによって算出した結果を示すグラフである。横軸は、流路の位置を翼面長さに対する割合で表した値を示している。縦軸は、子午面流速を示している。「子午面流速」とは、子午面に平行な方向に関する速度成分で表される流速を意味する。流速は、ハブ表面の近傍における流速の正規化された値を示している。作動流体の種類は空気であり、インペラの回転数は107000rpmであった。 FIG. 10 is a graph showing the results of computer simulation of the meridional surface flow velocity of the working fluid from the upstream end to the downstream end for the impellers of Examples and Comparative Examples. The horizontal axis indicates the value of the position of the flow path expressed as a ratio to the length of the blade surface. The vertical axis indicates the meridional flow velocity. A "meridional plane flow velocity" means a flow velocity represented by a velocity component in a direction parallel to the meridional plane. Flow velocity indicates the normalized value of flow velocity in the vicinity of the hub surface. The type of working fluid was air, and the impeller speed was 107000 rpm.
図10に示すように、実施例のインペラによれば、約85%の位置から流速が急激に上昇した。流速の急激な上昇は、慣性によって、平面部分25qの開始位置よりも下流の位置に現れた。これに対し、比較例のインペラによれば、流速は、約90%の位置まで漸増し、約90%の位置から100%の位置まで漸減した。
As shown in FIG. 10, according to the impeller of the example, the flow velocity abruptly increases from the position of about 85%. Due to inertia, the rapid increase in flow velocity appeared at a position downstream of the starting position of the
図11は、実施例及び比較例のインペラについて、上流端から下流端にわたって静圧を計算機シミュレーションによって算出した結果を示すグラフである。横軸は、流路の位置を翼面長さに対する割合で表した値を示している。縦軸は、ハブ表面の近傍における作動流体の静圧の正規化された値を示している。 FIG. 11 is a graph showing the results of calculating the static pressure from the upstream end to the downstream end of the impellers of Examples and Comparative Examples by computer simulation. The horizontal axis indicates the value of the position of the flow path expressed as a ratio to the length of the blade surface. The vertical axis shows the normalized value of the static pressure of the working fluid in the vicinity of the hub surface.
図11に示すように、実施例のインペラによれば、静圧は、約85%の位置から急激に下がり、その後、回復に転じた。これに対し、比較例のインペラによれば、静圧は、100%の位置まで連続的に増加した。 As shown in FIG. 11, according to the impeller of Example, the static pressure dropped sharply from the position of about 85% and then recovered. In contrast, with the comparative impeller, the static pressure increased continuously up to the 100% position.
図12は、実施例及び比較例のインペラについて、作動流体の流速を計算機シミュレーションによって算出した結果を示すコンター図である。色の濃い部分がマッハ数の小さい領域、つまり、空気の流れが淀んだ領域を表している。図12(a)が比較例のインペラのシミュレーション結果であり、図12(b)が実施例のインペラのシミュレーション結果である。図12(a)と図12(b)とを比べると理解できるように、実施例のインペラを使用したとき、色の濃い領域が明らかに減少した。 FIG. 12 is a contour diagram showing the results of calculation of the flow velocity of the working fluid by computer simulation for the impellers of Example and Comparative Example. Areas with darker colors represent areas with low Mach numbers, that is, areas with stagnant airflow. FIG. 12(a) is the simulation result of the impeller of the comparative example, and FIG. 12(b) is the simulation result of the impeller of the example. As can be seen by comparing Figures 12(a) and 12(b), the dark areas were clearly reduced when the example impeller was used.
(実機による検証)
図9に示す流路断面積を持つ実施例及び比較例のインペラを用いて遠心圧縮機を作製し、所定の回転数及び所定の流量での圧縮比を調べた。作動流体として空気を用いた。本実施例のインペラを用いることにより、高回転条件下において、比較例に対して約10.6%の圧縮比の向上を確認した。
(Verification with actual equipment)
A centrifugal compressor was manufactured using the impellers of the example and the comparative example having the flow passage cross-sectional area shown in FIG. 9, and the compression ratio at a predetermined rotation speed and a predetermined flow rate was examined. Air was used as the working fluid. By using the impeller of this example, it was confirmed that the compression ratio was improved by about 10.6% compared to the comparative example under high rotation conditions.
本開示の技術は、ガスタービンシステム、冷凍サイクル装置などに使用される遠心圧縮機に有用であり、小型かつ高回転型の遠心圧縮機に特に有用である。 The technology of the present disclosure is useful for centrifugal compressors used in gas turbine systems, refrigeration cycle devices, and the like, and is particularly useful for small, high-speed centrifugal compressors.
2 インペラ
3 シュラウド壁
11 シャフト
12 吸入口
13 バックプレート
15 ハウジング
16 渦巻き室
17 周縁部材
18 フロント部材
20 ハブ
21 主翼
22 副翼
23 上面
24 下面
25 ハブ表面
25p 曲面部分
25q 平面部分
25r 遷移部分
26 ディフューザ
27,270 環状凹部
100 遠心圧縮機
200 タービン
300 流体機械
301 燃焼器
O 回転軸
SH 隙間
B 境界
2
Claims (7)
前記ハブの前記ハブ表面に固定された複数の翼と、
を備え、
前記ハブ表面は、半径方向の内側に位置する曲面部分と、前記半径方向の外側に位置する平面部分とを有する、
インペラ。 a hub having a hub surface;
a plurality of wings secured to the hub surface of the hub;
with
The hub surface has a curved portion located radially inward and a planar portion located radially outward.
impeller.
請求項1に記載のインペラ。 the planar portion is parallel to the radial direction;
Impeller according to claim 1.
請求項1又は2に記載のインペラ。 in a meridional projection obtained by rotationally projecting the blade onto a meridional plane containing the axis of rotation of the impeller, the profile of the blade includes a curved portion facing the planar portion of the hub surface;
The impeller according to claim 1 or 2.
前記ハブの前記下面には、前記下面から前記上面に向かって窪んでいる環状凹部が設けられており、
前記ハブを軸方向から平面視したとき、前記環状凹部は、前記ハブ表面の前記平面部分よりも前記内側に収まっている、
請求項1から3のいずれか1項に記載のインペラ。 The hub has an upper surface located on one end side in a direction parallel to the rotation axis and a lower surface located on the other end side in a direction parallel to the rotation axis,
The lower surface of the hub is provided with an annular recess recessed from the lower surface toward the upper surface,
When the hub is viewed in plan from the axial direction, the annular recess is located inside the planar portion of the hub surface.
Impeller according to any one of claims 1 to 3.
前記回転軸を含む平面内において、前記環状凹部の前記外周部は直線形状である、
請求項4に記載のインペラ。 The annular recess has an outer peripheral portion on the outer peripheral side in the radial direction,
In a plane containing the rotation axis, the outer peripheral portion of the annular recess is linear.
Impeller according to claim 4.
前記回転軸に平行かつ前記接点P1を通る直線と、前記ハブ表面との交点を接点P2とするとき、
前記接点P1における前記環状凹部の前記外周部の、前記回転軸に直交する平面に対する傾きは、前記接点P2における前記ハブ表面の、前記回転軸に直交する平面に対する傾きよりも小さい、
請求項5に記載のインペラ。 the outer peripheral portion and the lower surface of the hub are in contact with each other at a point of contact P1 in a plane containing the rotation axis;
When a straight line parallel to the rotation axis and passing through the contact point P1 and the hub surface intersect with the contact point P2,
The inclination of the outer peripheral portion of the annular recess at the contact point P1 with respect to the plane perpendicular to the rotation axis is smaller than the inclination of the hub surface at the contact point P2 with respect to the plane perpendicular to the rotation axis.
Impeller according to claim 5.
前記インペラを囲むシュラウド壁と、
を備えた、遠心圧縮機。 an impeller according to any one of claims 1 to 6;
a shroud wall surrounding the impeller;
A centrifugal compressor with
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