JP6184017B2 - インペラ及びそれを備えた回転機械 - Google Patents
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Description
特許文献1の回転機械にあっても、高揚程化と高効率化とを満足のゆくレベルで両立するのは困難である。従来は、これを解決することのできる適切な技術も存在しなかった。
ブレードの厚さの中心曲線を回転軸の軸線方向からディスクに投影した投影曲線における接線と、投影曲線と接線との接点と軸線を結ぶ直線に対して直交する想像直線とがなす角度のうち、ディスクの回転方向の後側かつ外周側に形成される角度をブレードの羽根角度と定義した場合、
ブレードの羽根角度は、中心から外方へ向かって所定の漸増領域と漸減領域とを有し、かつ漸増領域と漸減領域との変曲領域より中心側に、漸増領域の羽根角度増加量よりも小さな部分漸減領域を設けられ、前記ブレードの羽根角度が、前記ブレードのハブ側の羽根角度であり、前記部分漸減領域と前記漸減領域との間に、部分漸増領域が設けられており、前記羽根角度が大きくなる位置の第一極大点と、前記羽根角度が小さくなる位置の極小点と、前記羽根角度が大きくなる位置の第二極大点と、が入口側から出口側へ順に設けられていることを特徴とする。
ここで、ディスクは、回転軸に支持され、回転軸の軸線を中心に回転する。
また、複数のブレードは、ディスク上に略放射状に設けられたものとする。
しかも、部分漸減領域の羽根角度減少量を、漸増領域の羽根角度増加量よりも小さくすることにより、部分漸減領域と後続の領域との角度変化を小さくすることができる。これにより、部分漸減領域の減少量を漸増領域の羽根角度増加量よりも大とした場合に比較し、二次流れの巻き上がり傾向を大幅に抑制することが可能となる。このため、二次流れと主流とが干渉することによるエネルギー損失を、より大幅に低減することが可能となる。
また、本発明にかかるインペラによれば、前述したように部分漸減領域と漸減領域との間に、部分漸増領域を設けることにより、部分漸減領域と漸減領域とをより滑らかに接続することが可能となる。これにより、二次流れの巻き上がりを、より大幅に低減することが可能となる。このため、二次流れと主流とが干渉することによるエネルギー損失を、より大幅に低減することが可能となる。
また、本発明にかかるインペラによれば、前述したようにブレードの羽根角度をブレードのハブ側の羽根角度とすることにより、ブレードのハブ側でも流体に高負荷を与えることが可能となるので、更なる高揚程をかせぐことができる。
即ち、本発明の部分漸減領域が考慮されていない場合、ブレードのハブ側で流体に高負荷を与えると、ブレードのハブ側からシュラウド側に向かう二次流れの巻き上がり傾向が強くなるので、更なる高揚程化は困難であった。
これに対し、本発明にかかるインペラは、部分漸減領域を設けたので、ブレードのハブ側でも流体に高負荷を与えながら、部分漸減領域で二次流れの巻き上がり傾向を大幅に抑制することができる。これにより、より高い揚程をかせぐことが可能となる。
以下、本発明の一実施形態に係るインペラを備えた遠心圧縮機について図1から図5を参照して説明する。
本実施形態にかかる回転機械は遠心圧縮機10であり、本実施形態では多段圧縮機となっている。そして、図1に示すように、遠心圧縮機10は、ケーシング2と、ケーシング2を貫通するように配置された軸線Oを中心に延在する回転軸3と、キーを介して回転軸3に一体に回転可能に固定された複数のインペラ1と、を主に備えている。
また、各々のインペラ1は、流出側に進むにつれて漸次拡径した略円盤状のディスク11と、ディスク11の表面から回転軸3の軸線Oの一方側に向かって立ち上がるように、ディスク11に放射状に取り付けられて周方向に並んだ複数のブレード12と、を有している。さらに、このインペラ1は、軸線O方向の一方側からこれら複数のブレード12を周方向に覆うように取り付けられたカバー13を有している。インペラ1は、このカバー13とケーシング2との間に、インペラ1とケーシング2とが接触しないように間隙が画成されている。
ブレード12のハブ12bは、入口側(ブレードの前縁部)から出口側(ブレードの後縁部)に向かって羽根角度βが漸次大きくなる漸増領域Aと、出口側に向かって羽根角度βが漸次小さくなる漸減領域Bと、が形成されている。
ブレードのハブ12bは、漸増領域Aと漸減領域Bとの変曲領域より中心側に、漸増領域Aの羽根角度増加量よりも小さな部分漸減領域Cが形成されている。
上記のような遠心圧縮機10では、吸込口23から流入した流体Fは、一段目のインペラ1の流路14、ディフューザ流路41、リターン流路42の順に流れた後、二段目のインペラ1の流路14、ディフューザ流路41、リターン流路42という順に流れていく。
そして、最後段のインペラ1のディフューザ通路まで流れた流体Fは、吐出口24から外部に流出するようになっている。
そして、流体Fは、前述した順で流れる途中、各インペラ1によって圧縮される。つまり、本実施形態の遠心圧縮機10では、流体Fを複数のインペラ1によって段階的に圧縮し、これによって大きな圧縮比を得るようになっている。
一方、従来のインペラでは、効率を上げるために流体に与える圧力を下げることも考えられるが、高い揚程をかせぐことができない。
このように従来のインペラを用いたのでは、高揚程化と高効率化とを満足のゆく高いレベルで実現するのは困難であった。
このために本実施形態のブレード12のハブ12bは、羽根角度βが、中心から外方へ向かって所定の漸増領域Aと漸減領域Bとを有し、かつ漸増領域Aと漸減領域Bとの変曲領域より中心側に、漸増領域Aの羽根角度増加量よりも小さな部分漸減領域Cを設けている。このため高い揚程を得るために漸増領域Aで次第に負荷を高めても、その途中である部分漸減領域Cで負荷を一旦緩和することが可能となる。これにより、流体に与える負荷を高めながら、二次流れの巻き上がり傾向を良好に抑制することができる。このため、二次流れと主流とが干渉することによるエネルギー損失を、大幅に低減することができる。
しかも、部分漸減領域Cの羽根角度減少量を、漸増領域Aの羽根角度増加量よりも小さくしている。このため、部分漸減領域Cと後続の領域との角度変化を小さくすることができる。これにより、部分漸減領域Cの減少量を漸増領域の羽根角度増加量よりも大とした場合に比較し、二次流れの巻き上がり傾向を大幅に抑制することが可能となる。このため、二次流れと主流とが干渉することによるエネルギー損失を、より大幅に低減することができる。
即ち、本発明の部分漸減領域Cが考慮されていない場合、ブレードのハブ側で流体に高負荷を与えると、ブレードのハブ側からシュラウド側に向かう二次流れの巻き上がり傾向が強くなり、ブレードのハブ側で流体に対する負荷を高めるのは困難になるので、更なる高揚程をかせぐことが難しい。
これに対し、本実施形態にかかるインペラ1によれば、ブレード12は、ハブ12bの羽根角度βを考慮して部分漸減領域Cを設けたので、ブレード12のハブ12b側でも流体に高負荷を与えながら、部分漸減領域Cで二次流れの巻き上がり傾向を大幅に抑制することができる。このため、ブレード12のハブ12b側でも流体に対しより高負荷を与えることができるので、より高い揚程をかせぐことができる。
より具体的には、図5中、位置P0では、入口負荷を小さくして損失を低減している。
図5中、位置P1では、第一極大点をもたせ、流れ方向の前方でも負荷を高めている。
図5中、位置P2において、通常は二次流れの巻き上がりが起き始まると考えられる。そこで、本実施形態においては、この二次流れの巻き上がりが起き始まる位置P2に極小点をもたせている。つまり位置P2を低負荷とし、二次流れの巻き上がりが起きるのを効率的に抑制している。
極小点の位置P2は、入口(ブレードの前縁部)から20%〜50%の範囲内にある。
また、位置P1と位置P2との間で、流路面積が最大となる。
図5中、位置P3では、第二極大点をもたせ、流れ方向の中方でも、流体に負荷をもたせている。
図5中、位置P4では、出口が構造的制約を満足するように負荷を小さくしている。
ブレード12のシュラウド側の流れ変化をスムーズにすることも可能となる。
ブレード12のハブ側の羽根角度βの分布において位置P1,P3に極大点を設け、位置P2に極小点をもたせることにより、流れ変化が急となる部分があるものの、その影響を極力小さくするようにすることができる。
また、本実施形態では、カバー13を備えるクローズインペラを例に説明したが、ブレード12のチップ12a側がケーシング2のシュラウド面により覆われる、いわゆるオープン型のインペラ1(オープンインペラ)に適用してもよい。
Claims (3)
- 回転軸に支持され、前記回転軸の軸線を中心に回転するディスクと、
前記ディスクに略放射状に設けられた複数のブレードと、
を備え、前記ブレード間に流路が形成され、前記ディスクの回転によって前記ブレードに沿って回転中心から径方向外方へ流体を送り出すインペラであって、
前記ブレードの厚さの中心曲線を前記回転軸の軸線方向から前記ディスクに投影した投影曲線における接線と、前記投影曲線と前記接線との接点と前記軸線を結ぶ直線に対して直交する想像直線とがなす角度のうち、前記ディスクの回転方向の後側かつ外周側に形成される角度をブレードの羽根角度と定義した場合、
前記ブレードの羽根角度は、中心から外方へ向かって所定の漸増領域と漸減領域とを有し、かつ
前記漸増領域と前記漸減領域との変曲領域より中心側に、前記漸増領域の羽根角度増化量よりも小さな部分漸減領域が設けられ、
前記ブレードの羽根角度が、前記ブレードのハブ側の羽根角度であり、
前記部分漸減領域と前記漸減領域との間に、部分漸増領域が設けられており、
前記羽根角度が大きくなる位置の第一極大点と、前記羽根角度が小さくなる位置の極小点と、前記羽根角度が大きくなる位置の第二極大点と、が入口側から出口側へ順に設けられていることを特徴とするインペラ。 - 前記ブレードは、流体が流入する入口側である前縁部の流れ方向位置を0%とし且つ流体が流出する出口側である後縁部の流れ方向位置を100%とした場合、前記部分漸減領域が、20%以上、50%以下の範囲内に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のインペラ。
- 軸線に沿って延びる回転軸と、
前記回転軸に支持され、該回転軸とともに前記軸線を中心に回転し、回転によって回転中心から径方向外方へ流体を送り出す請求項1又は2に記載のインペラと、を備えたことを特徴とする回転機械。
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