JP4209362B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、遠心圧縮機に関する。

図７に示すように、遠心圧縮機１０は、図示しないモータ等によって回転駆動されるインペラ１と、インペラ１を収容するケーシング２とを備えている。インペラ１は、略円錐状に形成されたハブ（ロータ）４と、ハブ４にラジアル状に取り付けられた翼３とを有している。ケーシング２は、インペラ１を所定のクリアランスＣＬを隔てて収容すべく、略円錐筒状に形成されている。インペラ１の前縁部５から後縁部６まで、クリアランスＣＬは、略一定の値とされている。

符号Ｈは、翼３の高さを示しており、インペラ１の前縁部５側から後縁部６側に向けて、翼３の高さＨは、次第に小さくなるように形成されている。ここで、翼３の高さＨとは、インペラ内の空気主流に直交する方向の、ハブ面からの翼の張り出しの大きさである。また以下において、ハブ面に沿った子午面距離に対する翼高さの変化量を子午面距離で割った値を翼高さの変化率と定義する。

遠心圧縮機１０のインペラ１では、翼３の先端部７とシュラウドケーシング２とのクリアランスＣＬから流入するクリアランスフローが存在する。クリアランスフローＣＬＦとは、図１０に示すように、インペラ１の翼３の圧力面３ａ側の空気の一部が翼３とケーシング２との間のクリアランスＣＬを通って、翼３の負圧面３ｂ側に流れ込む現象をいう。

理想的にクリアランスフローＣＬＦが存在しない場合のモデル化したインペラ内部流動を図８及び図９に示す。図８は、図７のＡ−Ａ矢視に対応する図である。図８に示すように、翼３とケーシング２との間にクリアランスＣＬが存在しないと仮定すると、図８のＢ−Ｂ線の断面上を紙面に直交する奥行き方向に流れる流れ（主流）の流速の分布（翼間流速分布）は、図９に示すように、翼３の負圧面３ｂ側から圧力面３ａ側に向けて流速が次第に低くなるようになる。

これに対し、クリアランスフローＣＬＦが存在する場合のモデル化したものを図１０及び図１１に示す。図１０に示すように、クリアランスフローＣＬＦは、主流方向にほぼ直角方向に流入するので、図１１に示すように、図１０のＣ−Ｃ線上の翼間流速分布において、負圧面３ｂ近傍の流速は、理想的な流速とクリアランスフローＣＬＦのほぼ零の流速が混合し、図９に示す理想的な流速に対して半減する。この混合による主流方向の流速の減少が圧力損失である。

図７に示すように、遠心圧縮機１０のインペラ１では、流れ方向の入口から出口にかけて翼３の高さＨが低くなる。図１２−１は、翼３の高さＨが相対的に高い場合を示し、図１２−２は、翼３の高さＨが相対的に低い場合を示している。上記のように、ケーシング２との間のクリアランスＣＬは、翼３の前縁部５側から後縁部６側にかけて略一定であるので、翼３の高さＨが低くなると、クリアランスＣＬの幅△ｂと翼３の高さＨの比（△ｂ／Ｈ）が相対的に大きくなるため、図１２−１及び図１２−２に示すように、クリアランスフローＣＬＦが占める面積と、主流の占める面積との比が大きくなり、圧力損失が増加する。即ち、クリアランスフローＣＬＦによる圧力損失は、翼３の高さＨが低いほど大きく、翼３の前縁部５側よりも後縁部６側で大きい。

特開２０００−６４９９８号公報

本発明の目的は、圧力損失が少なく効率の低下を抑制可能な遠心圧縮機を提供することである。

本発明の遠心圧縮機は、インペラの翼の高さが前記翼の前縁部側から後縁部側に向けて漸次小さくなるように変化するように形成され、前記翼の高さの変化率は、前記翼の後縁部の近傍において、相対的に大きくなるように構成されていることを特徴としている。

本発明の遠心圧縮機は、インペラの翼の先端部において、前記インペラを収容するケーシングと対向するシュラウド面のシュラウドラインが、前記翼の後縁上のハブ面から出口幅の点から前記翼の内部に向けて前記シュラウドラインに引いた仮想接線よりも、前記仮想接線と前記シュラウドラインとの交点よりも前記翼の後縁部側において、前記翼の高さを大きくする方向に凸となるように形成されていることを特徴としている。ここで、前記翼の後縁上のハブ面から出口幅の点は、前記翼の後縁上のハブ面から出口幅だけ隔てた点であることができる。

本発明の遠心圧縮機は、インペラの翼の基端部において、前記翼が取り付けられるハブとの境界線であるハブラインが、前記翼の後縁部と前記ハブラインとの交点から前記インペラの半径方向に引いた仮想半径線よりも前記翼の高さを大きくする方向に凹となるように形成されていることを特徴としている。

本発明の遠心圧縮機において、前記翼の基端部において、前記翼が取り付けられるハブとの境界線であるハブラインが、前記翼の後縁部と前記ハブラインとの交点から前記インペラの半径方向に引いた仮想半径線よりも前記翼の高さを大きくする方向に凹となるように形成されていることを特徴としている。

本発明の遠心圧縮機は、インペラの翼の高さが前縁から後縁に向けて漸次小さくなるように形成され、前記翼の高さの変化率は、少なくとも一つの変曲点を持つように構成されていることを特徴としている。

本発明の遠心圧縮機によれば、圧力損失が少なく効率の低下を抑制可能である。

以下、本発明の遠心圧縮機の一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。
本実施形態において、上述した従来技術と共通する部分には、共通する符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態は、図１２−１及び図１２−２を参照して説明したように、相対的に圧力損失が大きい翼３の後縁部６側での圧力損失の低減を図り、遠心圧縮機の効率の低下を効果的に抑えることを目的としている。

（第１実施形態）
図１及び図２を参照して、第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態の遠心圧縮機２０のインペラ１を示す側面図であり、図２は、図１の要部拡大図である。

図１に示すように、翼３の先端部７側において、ケーシング（図示せず）と対向する翼３のシュラウド面１１のライン（シュラウドライン）１２は、従来の図７の遠心圧縮機１０のシュラウドライン１３に比べて、翼３の高さＨが拡大する方向に膨出するように形成されている。翼３において、その膨出した部分（凸部）を符号１４で示す。翼３が凸部１４を有し、従来よりも翼３の高さＨが大きく形成されている。

図２において、符号ＴＡ１は、遠心圧縮機２０の翼３において、翼３の後縁上のハブラインから出口幅Ｌのシュラウド側の点Ｐを起点とし、翼３の内部の上流側に向けてシュラウドライン１２に引いた接線を示している。点Ｐは、シュラウドライン１２と翼３の後縁との交点でもある。遠心圧縮機２０の翼３は、シュラウドライン１２と接線ＴＡ１との交点よりも後縁部６側において、接線ＴＡ１よりも翼３の高さＨが拡大する方向に膨出する凸部１４を有している。従来の遠心圧縮機１０の翼３の後縁部６側は、翼３の高さＨが相対的に低く、クリアランスフローＣＬＦによる圧力損失が特に問題となるが、本実施形態の遠心圧縮機２０において、その凸部１４は、翼３の後縁部６側に設けられている。これにより、クリアランスフローＣＬＦによる圧力損失が効果的に低減される。

符号ＴＡ２は、点Ｐから図７の従来の遠心圧縮機１０のシュラウドライン１３に引いた接線を示している。遠心圧縮機１０の翼３では、接線ＴＡ２よりも翼３の高さＨを拡大する方向に膨出する凸部を有していないため、遠心圧縮機２０の翼３に比べて、翼３の高さＨが低く、クリアランスフローＣＬＦによる圧力損失が大きい。

本実施形態では、遠心圧縮機２０のインペラ１の出口部分の子午面形状において、従来のシュラウドライン１３が、翼３の高さＨ方向にハブ４からシュラウド方向に凹型となっていたのに対し、本実施形態のシュラウドライン１２は、凸型とされている。遠心圧縮機２０のインペラ１と同一の出口幅Ｌ（図２及び図７）の従来のインペラ１に対して、シュラウドライン１２を凸とすることにより、インペラ１の入口から出口に至るまでの中間部分（本実施形態では、特に圧力損失の大きい出口側）の翼３の高さＨを高くすることができる。

そのため、本実施形態の遠心圧縮機２０では、従来の遠心圧縮機１０に比べて、クリアランスＣＬの幅△ｂと翼３の高さＨとの比（△ｂ／Ｈ）が相対的に大きくなる。その結果、クリアランスフローＣＬＦが占める流路面積と、主流が占める流路面積の比が低減し、圧力損失が小さくなるため、効率の低下を防止することができる。

本実施形態の遠心圧縮機２０においても、図７に示した従来の遠心圧縮機１０と同様に、ケーシングとインペラ１との間のクリアランスＣＬは、翼３の前縁部５側から後縁部６側にかけて略一定の値に設定されている。本実施形態では、翼３が凸部１４を有し、翼３の高さＨが従来（図７の翼３）よりも高いという翼３の形状に合わせて、遠心圧縮機２０のケーシングは、翼３の前縁部５側から後縁部６側にかけてのクリアランスＣＬが略一定の値になるような形状に形成される（図示せず）。

以降に説明する本発明の各実施形態においても共通して、従来と同様に、インペラ１の翼３の高さＨは、翼３の前縁部５側から後縁部６側に向けて漸次小さくなるように変化するように形成されるが、翼３の後縁側においてもクリアランスフローＣＬＦが占める割合が小さくなるよう十分な翼高さを持たせつつ、相対的に狭隘となるインペラ出口へ滑らかに空気を導くために、翼高さの変化率は変曲点を持つように構成されているという特徴を有している。即ち、縦軸に翼高さ、横軸にハブ面に沿った翼前縁からの子午面距離を取ったときに、従来の翼形状は下に凸の単調減少の曲線となるのに対し、本発明の各実施形態では、前縁側で下に凸、後縁側で上に凸の（場合によっては後縁近傍でさらに下に凸の）途中に変曲点を有する曲線となる。

以上述べた本実施形態をまとめると以下のようになる。

（基本原理）
本実施形態の基本原理は、翼３の高さＨに対して、クリアランスＣＬの割合を小さくすることで、漏れ損失が減少し、効率が向上するというものである。従来より、クリアランスＣＬの絶対値を減少させ、１）漏れ量の絶対値を減少させるとともに、２）クリアランスＣＬと翼３の高さＨの比を小さくすることが行われている。これに対して、本実施形態では、クリアランスＣＬの絶対値は、上記の従来からの取り組みによって小さくすることができるので、さらに、漏れ損失の低減のために、翼３の高さＨを高くするための工夫を行い、クリアランスＣＬと翼３の高さＨの比を小さくすることとしている。

（付加的な効果）
本実施形態では、以下に述べるような、付加的な効果が得られる。

図３は、従来の遠心圧縮機１０の翼３を示している。図３において、符号Ｕは、インペラ１の回転方向速度を示し、符号Ｗは、流れの相対速度を示し、符号Ｃは、流れの絶対速度を示している。これらにより、図３に示すような速度三角形が形成される。図４は、本実施形態の遠心圧縮機２０のインペラ１の速度三角形を示しており、図４の破線にて従来の遠心圧縮機１０のインペラ１の速度三角形を示している。

図３及び図４に示すように、遠心圧縮機２０のインペラ１において、凸部１４の分だけ、翼３の高さＨを高くすると、同じ流量を流す場合に、速度三角形内のＣｍが減少し、Ｃｍ’となる。仕事量を一定に保つ（圧力を一定に保つ）ために、Ｃｕ’＝Ｃｕにする必要があり、そのために、流れ角β’＜βとなるように翼角βｋ’＜βｋに修正する（図３参照）。

その結果、本実施形態の遠心圧縮機２０では、従来の遠心圧縮機１０に比べて、絶対流速Ｃ’も減少する。この絶対流速Ｃ’は、ケーシングとの摩擦損失を発生するので、この絶対流速Ｃ’が低下することにより、インペラ１の損失が低下する。
したがって、本実施形態の付加的な効果として、翼角βｋを小さくすることで、摩擦損失を低減することができ、遠心圧縮機２０の効率の低減を抑えることができる。

（第２実施形態）
次に、図５を参照して、第２実施形態について説明する。
第２実施形態において、上記第１実施形態と共通する部分についての説明は省略し、第２実施形態の特徴部分についてのみ説明する。

図５に示すように、第２実施形態に係る遠心圧縮機３０では、翼３においてハブ４に取り付けられた側である基端部１６側のハブライン１７は、従来の図７の遠心圧縮機１０のハブライン１５に比べて、翼３の高さＨが拡大する方向に窪むように形成されている。翼３において、その相違部分（凹部）を符号１８で示す。翼３が凸部１８を有し、従来よりも翼３の高さＨが大きく形成されている。ハブライン１７は、インペラ１の翼３の基端部１６と、翼３の基端部１６が取り付けられるハブ４との境界線である。

図５において、符号１５で示す従来のハブラインは、同時に、翼３の後縁部６の出口幅Ｌのハブ４側の点Ｑを通るハブ４の半径方向の線分（半径線）である。点Ｑは、ハブライン１７と翼３の後縁部６との交点である。遠心圧縮機３０の翼３は、点Ｑを通る半径線１５よりも翼３の高さＨを拡大する方向に膨出する凸部１８を有している。従来の遠心圧縮機１０の翼３の後縁部６側は、翼３の高さＨが相対的に低く、クリアランスフローＣＬＦによる圧力損失が特に問題となるが、遠心圧縮機３０において、その凸部１８は、翼３の後縁部６側に設けられている。これにより、クリアランスフローＣＬＦによる圧力損失が効果的に低減される。従来の遠心圧縮機１０では、ハブライン１５よりも翼３の高さＨを拡大する方向に膨出する凸部を有していないため、遠心圧縮機３０の翼３に比べて、翼３の高さＨが低く、クリアランスフローＣＬＦによる圧力損失が大きい。

従来の遠心圧縮機１０のインペラ１では、子午面形状において、ハブライン１５に関して、インペラ１の前縁部５から後縁部６までの軸方向長さＺ１に対し、インペラ１の前縁部５と後縁部６の間の中間部でのインペラ１の前縁部５からの軸方向長さＺ２が、Ｚ１≧Ｚ２である。これに対して、第２実施形態では、インペラ１の前縁部５から後縁部６までの軸方向長さＺ１に対し、中間部でのインペラ１の前縁部５からの軸方向長さＺ２の最大値Ｚ２ｍａｘが、Ｚ１＜Ｚ２ｍａｘである。

第２実施形態では、インペラ１の前縁部５と後縁部６の間の中間部でのインペラ１の軸方向の長さの最大値をＺ１＜Ｚ２ｍａｘとしたことにより、インペラ１の前縁部５と後縁部６の間の中間部の翼３の高さＨを高くすることができる。そのため、クリアランスＣＬの幅△ｂと翼３の高さＨとの比（△ｂ／Ｈ）が相対的に大きくなる。その結果、クリアランスフローＣＬＦが占める流路面積と、主流が占める流路面積の比が低減し、圧力損失が小さくなるため、効率の低下を防止することができる。また、第２実施形態においても、上記第１実施形態の上記付加的効果が得られる。

図１及び図５に示すように、第１実施形態及び第２実施形態では、共通して、従来と同様に、インペラ１の翼３の高さＨが、翼３の前縁部５側から後縁部６側に向けて漸次小さくなるように変化するように形成されるが、その場合、翼３の高さＨの変化率が、翼３の後縁部６の近傍において、相対的に大きくなるように構成されているという特徴を有している。即ち、第１実施形態及び第２実施形態は、共に、インペラ１の出口直前まで翼３のＨを最大限に確保し、出口近傍で流路を他の部分に比べて急峻に絞るという構成を有している。この構成によれば、翼３の後縁部６の出口幅が所定の設計値Ｌに構成されるという設計上の制約の下で、後縁部６側において翼３の高さＨを大きく構成することができる。

（第３実施形態）
図６を参照して、第３実施形態について説明する。
第３実施形態において、上記実施形態と共通する部分についての説明は省略し、第３実施形態においての特徴部分についてのみ説明する。

第３実施形態に係る遠心圧縮機４０では、翼３が、上記第１実施形態の凸部１４と、上記第２実施形態の凸部１８の両方を有している。これにより、第３実施形態では、上記第１実施形態と第２実施形態の作用効果を奏することができる。

以上述べたように、第１〜第３実施形態では、インペラ１の出口形状を変更し、中間部の翼３の高さＨを高くすることで、クリアランスＣＬの幅と翼３の高さＨとの比（△ｂ／Ｈ）が相対的に小さくなる。その結果、クリアランスフローＣＬＦが占める流路面積と、主流が占める流路面積の比が低減し、圧力損失の発生が小さくなるため、遠心圧縮機の効率の低下を防止することができる。

本発明の第１実施形態の遠心圧縮機のインペラの側断面図である。 図１の拡大図である。 従来のインペラに関する速度三角形を示す図である。 第１実施形態のインペラに関する速度三角形を示す図である。 本発明の第２実施形態の遠心圧縮機のインペラの側断面図である。 本発明の第３実施形態の遠心圧縮機のインペラの側断面図である。 従来の遠心圧縮機のインペラの側断面図である。 図７のＡ−Ａ矢視に対応し、理想的にクリアランスフローが存在しない場合のモデル化した図である。 図８のＢ−Ｂ線上の翼間流速分布を示す図である。 図７のＡ−Ａ矢視に対応し、クリアランスフローが存在する場合のモデル化した図である。 図１０のＣ−Ｃ線上の翼間流速分布を示す図である。 翼高さが高い場合のクリアランスフローが占める面積と主流が占める面積との割合を示す図である。 翼高さが低い場合のクリアランスフローが占める面積と主流が占める面積との割合を示す図である。

符号の説明

１ インペラ
２ ケーシング
３ 翼
３ａ 圧力面
３ｂ 負圧面
４ ハブ
５ 前縁部
６ 後縁部
７ 先端部
１０ 遠心圧縮機
１１ シュラウド面
１２ シュラウドライン
１３ シュラウドライン
１４ 凸部
１５ ハブライン
１６ 基端部
１７ ハブライン
１８ 凸部
２０ 遠心圧縮機
３０ 遠心圧縮機
４０ 遠心圧縮機
ＣＬ クリアランス
ＣＬＦ クリアランスフロー
△ｂ クリアランスの幅
Ｈ 翼の高さ
ＴＡ１ 接線
ＴＡ２ 接線
Ｐ 点
Ｑ 点
Ｕ インペラの回転方向速度
Ｗ 流れの相対速度
Ｃ 流れの絶対速度

Claims (2)

1. インペラの翼の先端部において、前記インペラを収容するケーシングと対向するシュラウド面のシュラウドラインが、前記翼の後縁上のハブ面から出口幅の点から前記翼の内部に向けて前記シュラウドラインに引いた仮想接線よりも、前記仮想接線と前記シュラウドラインとの交点よりも前記翼の後縁部側において、前記翼の高さを大きくする方向に凸となるように形成されている
   ことを特徴とする遠心圧縮機。
2. 請求項１記載の遠心圧縮機において、
   前記翼の基端部において、前記翼が取り付けられるハブとの境界線であるハブラインが、前記翼の後縁と前記ハブラインとの交点から前記インペラの半径方向に引いた仮想半径線よりも前記翼の高さを大きくする方向に凹となるように形成されている
   ことを特徴とする遠心圧縮機。

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