JP4973623B2 - 遠心圧縮機のインペラ - Google Patents

Description

本発明は、遠心圧縮機のインペラに関する。

従来、遠心圧縮機のインペラとして、回転軸線周りを高速で回転するハブと、ハブから径方向に突出して遠心力により流体を加速するブレードとを複数枚備え、ブレードの流体流入側の端部に位置するリーディングエッジ（インデューサ部）の外周側の角部が斜めに切断されたものが知られている。この傾斜は、吸い込まれる気流の速度成分のうち、リーディングエッジと垂直な相対流入速度成分の大きさが衝撃波を発生する速度よりも小さくなるように設定されている。

遠心圧縮機のインペラにおいては、リーディングエッジの外周側の角部付近に衝突する流体の速度（相対マッハ数）は内周側よりも大きく、この相対マッハ数が所定値を超えると衝撃波が生じる。この衝撃波がブレード付近の翼面境界層に干渉すると、翼面境界層がブレードから剥離してしまい性能が低下する場合がある（図５参照）。この遠心圧縮機のインペラでは、リーディングエッジの角部を斜めに切断することによって、当該部分の相対マッハ数のうち衝撃波の発生に関与する速度成分を小さくし、衝撃波の発生を抑制することによってブレードから翼面境界層が剥離することを防止している。
特開平８−４９６９６号公報

しかしながら、このような遠心圧縮機のインペラにあっては、リーディングエッジのうち、最も回転速度が大きく流体にエネルギーを付与する部分である外周側の角部の翼面積を必要以上に減少させるため、遠心圧縮機の圧縮機効率が低下してしまうという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、圧縮機効率の低下を抑制することのできる遠心圧縮機のインペラを提供することを目的とする。

本発明に係る遠心圧縮機のインペラは、回転軸線周りを高速で回転するハブと、ハブから径方向に突出して遠心力により流体を加速するブレードとを備え、ブレードの流体流入側の端部に、径方向に広がるインデューサ部を有する遠心圧縮機のインペラにおいて、インデューサ部の外周端部には、流体の速度分布に基づいて、内周側から外周側へ向かって流体流出側に傾斜する切欠部が形成されており、切欠部は、内周側から外周側へ向かって傾斜角が増加するように傾斜することを特徴とする。

本発明に係る遠心圧縮機のインペラでは、内周側から外周側へ向かって流体流出側に傾斜する切欠部がインデューサ部の外周端部に形成されているため、インデューサ部に衝突する流体の速度のうち衝撃波の発生に関与する速度成分を小さくすることによって、衝撃波の発生を抑制することができる。これによって、翼面境界層がブレードから剥離してしまうことを防止することができる。また、翼面境界層の剥離を防止するために必要な最小限の傾斜とすべく、流体の速度分布に基づき傾斜角が増加するように切欠部を傾斜させることによって、インデューサ部の外周端部を単に斜めに切断した場合に比して、翼面積の減少を抑制することができる。これによって、最も回転速度が大きく流体にエネルギーを付与する部分であるインデューサ部の外周端部の翼面積を確保し、圧縮機効率の低下を抑制することができる。

本発明に係る遠心圧縮機のインペラにおいて、切欠部は、内周側から外周側へ向かって、流体の速度の増加に応じて、傾斜角が増加するように傾斜することが好ましい。流体の速度分布は、内周側から外周側へ向かって徐々に増加してゆくため、切欠部もその流体の速度の増加に応じて傾斜角が増加するように傾斜させることによって、切欠部の傾斜を翼面境界層の剥離の防止のための必要最低限の傾斜とすることができる。

本発明に係る遠心圧縮機のインペラにおいて、切欠部は、内周側から外周側へ向かって傾斜角が連続的に増加するように曲線状に傾斜させることが好ましい。これによって、切欠部の形状を流体の速度分布に対応した理想的な形状とすることができる。あるいは、屈曲部を複数有し、屈曲部における傾斜角が内周側から外周側へ向かって段階的に増加するように傾斜する構成としてもよい。これによって、製造時において切欠部の形成が容易となる。

本発明に係る遠心圧縮機のインペラでは、周方向から見て、切欠部の所定位置における傾斜角が回転軸線に対する垂直線及び所定位置における接線がなす角度θ（ｒ）で定義され、所定位置における流体の相対マッハ数をＭ_ｗ１（ｒ）とし、ブレードの翼面境界層の剥離を起こさない相対マッハ数の上限値をＭ_ｌｉｍとし、所定の係数をＣとした場合に、ｃｏｓθ（ｒ）＝Ｃ×Ｍ_ｌｉｍ／Ｍ_ｗ１（ｒ）の関係を満たすように切欠部の形状が設定されていることが好ましい。切欠部の所定位置における傾斜角θ（ｒ）をこのように設定することによって、当該所定位置での傾斜を翼面境界層の剥離を防止するのに必要な最低限の傾斜とすることができる。

本発明に係る遠心圧縮機のインペラにおいて、所定の係数Ｃは０．７２以上、１．２９以下であることが好ましい。所定の係数Ｃをこの範囲とした場合は、十分な遠心圧縮機の圧縮機効率を安定して確保することができる。

本発明によれば、圧縮機効率の低下を抑制することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る遠心圧縮機のインペラの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るインペラを採用した遠心圧縮機の子午面形状を示す図である。図１に示すように、遠心圧縮機２０は、ケーシング２１に回転軸２２で高速回転可能に軸支されたインペラ１を収容することによって構成されている。この遠心圧縮機２０は、流体流入側（図１における紙面左側）から流入した空気Ａをインペラ１の回転力で加速することによって圧縮し、流体流出側（図１における紙面右側）から流出させるものである。

ケーシング２１は、回転軸線Ｒに沿って延びる吸入通路２３を流入側に備えると共に、回転軸線Ｒに対して径方向に広がる流出通路２４を流出側に備えている。吸入通路２３と流出通路２４とは横断面視において湾曲する壁部２６で接続されている。ケーシング２１の流出通路２４には、インペラ１で圧縮された空気Ａの動圧を静圧に変換するデフューザ２７が設けられている。

インペラ１は、中央位置に回転軸２２が嵌入されて回転軸線Ｒ周りを高速で回転するハブ２と、ハブ２から径方向に突出して供給される空気を遠心力によって加速するブレード３とを備えている。ハブ２は、流入側から流出側へ向かって外径が広がるような形状をなしており、横断面視においてその外周面２ａが湾曲するような形状をなしている。ハブ２の外周面２ａは、流入側では回転軸線Ｒに対して平行をなし、流出側では回転軸線Ｒに対して垂直をなすことによりケーシング２１の流出通路２４に向かって広がるように形成されている。これによって、ケーシング２１の吸入通路２３を通過して流入側から流入した空気を流出側で回転軸線Ｒと垂直な方向へガイドして、流出通路２４へ流出させることができる。

インペラ１のブレード３は、ハブ２の外周面２ａに回転軸線Ｒ周りに複数設けられている。ブレード３同士の間の空間は、流入した空気Ａの流路として構成されている。周方向から見て、ブレード３の流入側の端部、すなわちインデューサ部４は回転軸線Ｒに対して略垂直となるように形成され、ブレード３の流出側の端部６は回転軸線Ｒと水平となるように形成され、また、ブレード３の外周縁部７はケーシング２１の壁部２６の横断面形状に沿って湾曲している。ブレード３の外周縁部７とケーシング２１の壁部２６との間には微小なギャップが設けられている。ブレード３のインデューサ部４は回転方向に捩られており、ブレード３の外周縁部７も径方向から見て回転方向に捩られている。

次に、ブレード３のインデューサ部４の構成について詳細に説明する。

図２は、図１に示すブレードのインデューサ部の形状を説明するための図である。図２の左側にはブレード３のインデューサ部４に衝突する空気Ａの速度分布を示す模式図が示されており、図２の右側には空気Ａの速度分布に基づいて設定されたブレード３のインデューサ部４の形状を示す図が示されている。左側の模式図に示すように、インデューサ部４と衝突する空気Ａの速度（以下、相対マッハ数という）は、ハブ２の外周面２ａとの境界付近では低く、外周側へ向かうにつれて徐々に増加し、一定以上増加するとその増加率は低減し、一定の速度に収束するようになだらかに増加する。この相対マッハ数は、所定の値を超えた場合、ブレード３の翼面境界層と干渉する程度にまで衝撃波が大きくなり、翼面境界層がブレード３から剥離してしまう。一方、所定の値以下であれば、衝撃波は翼面境界層と干渉を生じるまでの大きさにはならず、翼面境界層はブレード３から剥離しない。

インデューサ部４の回転軸線Ｒからｒ離れた位置における空気Ａの相対マッハ数をＭ_ｗ１（ｒ）とし、ブレード３の翼面境界層の剥離を起こさない相対マッハ数の上限値をＭ_ｌｉｍとすると、図２における内周側の領域ＬにおいてはＭ_ｗ１（ｒ）≦Ｍ_ｌｉｍの関係が成り立ち、外周側の領域ＨにおいてはＭ_ｗ１（ｒ）＞Ｍ_ｌｉｍの関係が成り立つ。ブレード３の翼面境界層の剥離を起こさない相対マッハ数の上限値は、経験的にＭ_ｌｉｍ＝１．１〜１．３とされる。

図２の左側の図に示すように、インデューサ部４のうちＭ_ｗ１（ｒ）≦Ｍ_ｌｉｍの関係が成り立つ領域、すなわち領域Ｌと対応する領域においては翼面境界層の剥離が起きるおそれがないので、傾斜が設けられることなく回転軸線Ｒと垂直をなすように構成される。一方、インデューサ部４のうちＭ_ｗ１（ｒ）＞Ｍ_ｌｉｍの関係が成り立つ領域、すなわち領域Ｈと対応する領域においては、インデューサ部が回転軸線Ｒと垂直に形成された場合、翼面境界層の剥離が起きるおそれがある。従って、インデューサ部４の外周端部側には、空気の速度分布に基づいて、内周側から外周側へ向かって流出側に傾斜する切欠部８が形成される。

ここで、切欠部８の傾斜を設定するために用いられる後退翼の独立性原理について、図３を参照して説明する。図３には、紙面左右方向に向かって流れる速度Ｍ_∞の一様流の中に、一般的な薄板状の翼３０を配置した状態が示されている。この翼３０は、その断面形状が一様流に対して流線形をなすような構成とされており、一様流の垂直軸線に対して傾斜角∧をなすように傾斜している。このように構成された翼３０の空力特性は、前縁部３０ａに対して垂直な速度成分Ｍ_ｎのみに依存する（後退翼独立性原理）。従って、翼３０に傾斜角∧を設けた場合、衝撃波の発生に関与する速度成分のマッハ数はＭ_ｎとなる。この速度成分Ｍ_ｎの大きさは、Ｍ_ｎ＝Ｍ_∞ｃｏｓ∧で与えられるため、一様流の速度Ｍ_∞のｃｏｓ∧倍によって衝撃波の発生に関与する速度成分のマッハ数が定められることが分かる。ｃｏｓ∧は１よりも小さいため、翼３０に傾斜角を設けることによって、衝撃波に関与する速度成分のマッハ数を小さくすることができ、結果として、衝撃波を弱くできることが理解される。

図２に戻り、周方向から見て、回転軸線Ｒに対する垂直線Ｐと、切欠部８の回転軸線Ｒからｒ離れた位置における接線Ｎとのなす角度を当該位置における傾斜角θ（ｒ）と定義する。上述の後退翼の独立性原理によって、衝撃波の発生に関与する速度成分のマッハ数は、Ｍ_ｗ１（ｒ）のｃｏｓθ（ｒ）倍で与えられる。このマッハ数がＭ_ｌｉｍと同一値またはＭ_ｌｉｍより小さければ翼面境界層の剥離は生じないので、剥離を防止するために必要な傾斜角θ（ｒ）は次の数式（１）で設定される。

ｃｏｓθ（ｒ）＝Ｍ_ｌｉｍ／Ｍ_ｗ１（ｒ） （１）

図２の左側の模式図に示すようにＭ_ｗ１（ｒ）は内周側から外周側へ向かって増加しているため、切欠部８は、Ｍ_ｗ１（ｒ）の増加に応じて傾斜角θ（ｒ）が連続的に増加するように曲線状に傾斜する。また、外周端部付近においては、Ｍ_ｗ１（ｒ）の増加率は徐々に減少し、一定速度に収束するような速度分布となるため、それに応じて切欠部８も外周端部付近では傾斜角θ（ｒ）の増加率が徐々に減少するような構成とされる。

次に、本実施形態に係る遠心圧縮機２０のインペラ１の作用・効果について説明する。

図４に、数式（１）を用いて具体的に設定されたブレードの切欠部の形状の例を示す図であり、（ａ）はインペラ１の断面図であり、（ｂ）は切欠部の拡大図である。図４に示すブレード３は、インデューサ部４（切欠部８）の外周端部における相対マッハ数Ｍ_ｗ１ｔ（ｒ）＝１．５とし、Ｍ_ｌｉｍ＝１．３として設定されている。図４中の一点鎖線は切欠部を設けなかった場合のブレード３６のインデューサ部の外周端部３４の形状を示し、点線は、インデューサ部の外周端部を単に斜めに切断することで切欠部３５が形成された従来のブレードの形状を示している。

図４中の一点鎖線で示すような切欠部を設けないブレード３６を適用した場合、インデューサ部の外周端部３４付近で衝撃波の発生に関与する空気の速度の大きさは、外周端部付近における相対マッハ数Ｍ_ｗ１ｔと等しくなり、Ｍ_ｌｉｍよりも大きくなってしまう。図５は、図４（ａ）中のＢに示す方向から切欠部を設けないブレードを見たときの図である。図５に示すように、切欠部を設けない場合は、ブレード３６同士の間の流路に大きな衝撃波Ｗが発生してしまい、ブレード３６の翼面境界層ＢＬと干渉してしまう。これによって、翼面境界層ＢＬがブレード３６から剥離してしまい性能が低下する。

図４中の点線で示すような単に外周端部を斜めに切断して切欠部３５を形成した従来のブレードを適用した場合、傾斜を設けることによって切欠部３５付近で衝撃波の発生に関与する空気の速度を小さくすることができ、翼面境界層の剥離を防止することができる。しかし、インデューサ部は、外周端部側の方が大径であり回転速度が大きいため、空気に対して付与するエネルギーが大きくなる。従って、従来のブレードでは、インデューサ部のうち、最も空気にエネルギーを付与することのできる部分である外周端部側の翼面積を必要以上に減少させるため、遠心圧縮機の圧縮機効率が低下してしまう。

一方、本実施形態に係るインペラ１のブレード３によれば、内周側から外周側へ向かって流体流出側に傾斜する切欠部８がインデューサ部４の外周端部に形成されているため、衝撃波の発生に関与する速度成分のマッハ数を減少させることができ、衝撃波の発生を抑制することができる。これによって、翼面境界層がブレードから剥離してしまうことを防止することができる。

また、翼面境界層の剥離を防止するために必要な最小限の傾斜とすべく、空気の相対マッハ数の増加に応じて傾斜角θ（ｒ）が増加するように切欠部８を傾斜させることによって、インデューサ部４の外周端部を単に斜めに切断した場合に比して、翼面積の減少を抑制することができる。具体的には、図４（ｂ）に示すように、従来のブレードの外周端部３５よりも斜線で示す領域だけ翼面積を広くすることができ、従来よりも４５％面積減少を小さくすることができる。これによって、最も回転速度が大きく流体にエネルギーを付与する部分であるインデューサ部４の外周端部の翼面積を確保し、圧縮機効率の低下を抑制することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、本実施形態においては、切欠部８は、内周側から外周側へ向かって傾斜角θ（ｒ）が連続的に増加するように曲線状に傾斜する構成とされていたため、空気の速度分布に対応した理想的な形状とすることができた。一方、これに代えて、段階的に傾斜するように折れ曲がり直線状に構成してもよい。具体的には、図６に示すように、切欠部８は、複数の屈曲部９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを有しており、屈曲部における傾斜角θ（ｒ）が内周側から外周側へ向かって段階的に増加する構成とされている。各屈曲部同士の間は直線状に形成されている。屈曲部における傾斜角θ（ｒ）は数式（１）によって設定してもよいが、切欠部８の全体的な形状が数式（１）で設定された曲線状の形状に近似するように任意に設定してもよい。また、屈曲部の数は特に限定されない。これによって、製造時において切欠部の形成を容易とすることができる。

また、本実施形態においては、切欠部８の形状を数式（１）によって設定したが、数式（２）に示すように、Ｍ_ｌｉｍ／Ｍ_ｗ１に所定の係数Ｃを掛け合わせて設定してもよい。

ｃｏｓθ（ｒ）＝Ｃ×Ｍ_ｌｉｍ／Ｍ_ｗ１（ｒ） （２）

図７は、数式（２）を用いて切欠部の形状を設定したインペラを採用した場合の遠心圧縮機の圧縮機効率を係数Ｃごとにプロットしたグラフである。図６の横軸は係数Ｃの値を示し、縦軸は圧縮機効率を示す。図７から理解されるように、Ｃ＝１．０付近をピークとしてＣ＝０．７２までは一定以上の圧縮機効率を確保しており、Ｃ＝０．７２を下回る範囲では急激に圧縮機効率が減少している。また、Ｃ＝１．０からＣ＝１．２９までは一定以上の圧縮機効率を確保しており、Ｃ＝１．２９を上回る範囲では急激に圧縮機効率が減少している。これによって、係数Ｃは０．７２以上、１．２９以下であると、十分な圧縮機効率を確保することができると理解される。

図８は、数式（２）を用いて設定した切欠部の形状の例を示す図であり、（ａ）にブレードの全体図を示し、（ｂ）に切欠部の拡大図を示す。図８に示す切欠部の形状のうち、実線で示す切欠部４８は、Ｃ＝０．７２として設定した場合の形状を示し、点線で示す切欠部５８は、Ｃ＝１．２９として設定した場合の形状を示している。図８（ｂ）に示すように、切欠部４８と切欠部５８の間の範囲内で係数Ｃを変化させることによって様々な曲線形状または折れ曲がり直線形状の切欠部を設定することができ、いずれの形状についても本発明の作用・効果を奏することができる。すなわち、本発明においては、切欠部４８と切欠部５８の間の範囲内に存在する全ての曲線形状及び折れ曲がり直線形状を採用することができる。

本発明の実施形態に係るインペラを採用した遠心圧縮機の子午面形状を示す図である。 図１に示すブレードのインデューサ部の形状を説明するための図である。 切欠部の傾斜を設定するために用いられる後退翼の独立性原理について説明するための図である。 数式（１）を用いて具体的に設定されたブレードの切欠部の形状の例を示す図であり、（ａ）はインペラの断面図であり、（ｂ）は切欠部の拡大図である。 図４（ａ）中のＢに示す方向から切欠部を設けないブレードを見たときの図である。 変形例に係るインペラのブレードの切欠部を示す図である。 数式（２）を用いて切欠部の形状を設定したインペラを採用した場合の遠心圧縮機の圧縮機効率を係数Ｃごとにプロットしたグラフである。 数式（２）を用いて設定した切欠部の形状の例を示す図であり、（ａ）にブレードの全体図を示し、（ｂ）に切欠部の拡大図を示す。

符号の説明

１…インペラ、２…ハブ、３…ブレード、４…インデューサ部、８，４８，５８…切欠部、２０…遠心圧縮機。

Claims (6)

1. 回転軸線周りを高速で回転するハブと、前記ハブから径方向に突出して遠心力により流体を加速するブレードとを備え、前記ブレードの流体流入側の端部に、径方向に広がるインデューサ部を有する遠心圧縮機のインペラにおいて、
   前記インデューサ部の外周端部には、前記流体の速度分布に基づいて、内周側から外周側へ向かって流体流出側に傾斜する切欠部が形成されており、
   前記切欠部は、内周側から外周側へ向かって傾斜角が増加するように傾斜することを特徴とする遠心圧縮機のインペラ。
2. 前記切欠部は、内周側から外周側へ向かって、前記流体の速度の増加に応じて、前記傾斜角が増加するように傾斜することを特徴とする請求項１記載の遠心圧縮機のインペラ
3. 前記切欠部は、内周側から外周側へ向かって前記傾斜角が連続的に増加するように曲線状に傾斜することを特徴とする請求項１または２記載の遠心圧縮機のインペラ。
4. 前記切欠部は、屈曲部を複数有し、前記屈曲部における前記傾斜角が内周側から外周側へ向かって増加するように段階的に傾斜することを特徴とする請求項１または２記載の遠心圧縮機のインペラ。
5. 周方向から見て、前記切欠部の所定位置における前記傾斜角が前記回転軸線に対する垂直線及び前記所定位置における接線がなす角度θ（ｒ）で定義され、前記所定位置における前記流体の相対マッハ数をＭ_ｗ１（ｒ）とし、前記ブレードの翼面境界層の剥離を起こさない相対マッハ数の上限値をＭ_ｌｉｍとし、所定の係数をＣとした場合に、
   ｃｏｓθ（ｒ）＝Ｃ×Ｍ_ｌｉｍ／Ｍ_ｗ１（ｒ）
   の関係を満たすように前記切欠部の形状が設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の遠心圧縮機のインペラ。
6. 前記所定の係数Ｃは０．７２以上で１．２９以下であることを特徴とする請求項５記載の遠心圧縮機のインペラ。

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