JP6249219B2 - インペラ及び遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、インペラ及び遠心圧縮機に関する。

産業用圧縮機やターボ冷凍機、小型ガスタービンなどの回転機械に用いられる遠心型や斜流型の圧縮機にあっては常に性能向上が求められており、特に、これら圧縮機のキーコンポーネントであるインペラの性能向上が必要となっている。そこで近年、インペラの性能向上を図るために種々の手段が提案されている。

特許文献１には、圧縮機や軸流ガスタービンのファンに用いられるシュラウドレスブレードに、ブレード両面を貫通するクロスブリードホール（Ｃｒｏｓｓ Ｂｌｅｅｄ Ｈｏｌｅｓ）を設けることが記載されている。該クロスブリードホールは、ブレードのチップ付近に設けられている。

米国特許出願公開第２０１０／０３２９８４８号明細書

しかしながら、上記特許文献１のシュラウドレスブレードでは、ブレードの負圧面側における径方向外側の領域で二次流れによる渦が形成されることで、該領域に低エネルギー流体が滞留し、インペラとしてエネルギー損失を生じる。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、エネルギー損失を抑制した効率の高いインペラを提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明の第一の態様に係るインペラ、及び遠心圧縮機では、以下の手段を採用している。
本発明の一態様に係るインペラは、軸線回りに回転するディスクと、該ディスクの軸線方向一方側の面に、周方向に間隔をあけて複数設けられて軸線方向一方側から流入する流体を径方向外側に向かって排出する流路を画成するブレードと、を備え、前記ブレードは、径方向内側から外側に向かうに従って、軸線方向の寸法が減少するように形成され、前記ブレードに、回転方向前方側を向く圧力面と回転方向後方側を向く負圧面とを連通する孔部が形成され、前記孔部が前記ブレードを貫通する方向は、前記ディスクを基準とする前記ブレードの高さ方向における中間位置を前記軸線方向に結んだ線に沿うように設定されている。

この構成によれば、流路内部を流通する流体の一部が孔部を経てジェット流として負圧面側の流路内部に噴出される。該ジェット流により、ブレードの負圧面側で生じる二次流れ、及び渦を散逸させることができる。

また、本発明の一態様に係るインペラでは、孔部は、圧力面側から負圧面側に向かうにしたがって、流路の下流側に向かって延びている構成としてもよい。

この構成によれば、孔部から噴出されたジェット流が流路の負圧面側における流体の主流と略同じ方向に向かって流れるため、主流の流れを妨げることなく、二次流れ、及び渦を散逸させることができる。

さらに、本発明の一態様に係るインペラでは、複数の孔部が、ダクトの径方向内側から外側に向かって互いに離間して配列されている構成としてもよい。

この構成によれば、孔部から噴出されるジェット流の流量が増加するとともに、負圧面側におけるより広い領域に対してジェット流が噴射されるため、負圧面側で発生する二次流れ、渦をより効果的に散逸させることができる。

さらに、本発明の一態様に係るインペラでは、孔部は、圧力面側から負圧面側に向かうにしたがって開孔面積が拡大する構成としてもよい。

この構成によれば、孔部から噴出するジェット流の圧力を下げる方向に適宜調節することができる。これにより、ジェット流が主流の流れを妨げることのないように適切に調節されるとともに、二次流れ、及び渦を効果的に散逸させることができる。

また、本発明の一態様に係るインペラでは、孔部は、圧力面側から負圧面側に向かうにしたがって開孔面積が縮小する構成としてもよい。

この構成によれば、孔部から噴出するジェット流の圧力を上げる方向に適宜調節することができる。これにより、ジェット流が主流の流れを妨げることのないように適切に調節されるとともに、二次流れ、及び渦を効果的に散逸させることができる。

加えて、本発明の一態様に係るインペラでは、孔部は、該孔部の内周面に螺旋状に形成された溝を有する構成であってもよい。

この構成によれば、孔部から噴出されたジェット流に対して、螺旋状の溝によって旋回成分が与えられる。旋回成分を含む流体が、二次流れ、及び渦に衝突するため、これら二次流れ、渦をより効果的に散逸させることができる。

さらに、本発明の一態様に係るインペラでは、孔部は、圧力面側に設けられた１つの流入口を有し、流入口にそれぞれ連通するとともに負圧面側に設けられた複数の噴射口を有する構成としてもよい。

この構成によれば、圧力面側に設けられる流入口が１つであるのに対して、負圧面側に設けられる噴射口が複数に分かれているので、負圧面側におけるより広い領域に対してジェット流が噴射されるため、負圧面側で発生する二次流れ、渦をより効果的に散逸させることができる。

さらに、本発明は、上述のいずれかの態様に係るインペラを備える遠心圧縮機を提供する。

本発明のインペラによれば、エネルギー損失を抑制した効率の高いインペラを提供することができる。

本発明に係る遠心圧縮機の概要を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係るインペラの周方向断面図である。 本発明の第一実施形態に係るブレードの図１のＡ−Ａ線における断面図である。 本発明の各実施形態に係る孔部Ｈの設けられる領域を示す図である。 本発明の第二実施形態に係るブレードの断面図である。 本発明の第二実施形態に係るブレードの変形例を示す断面図である。 本発明の第三実施形態に係るブレードの断面図である。 本発明の第三実施形態に係るブレードの変形例を示す断面図である。 本発明の第四実施形態に係るブレードの断面図である。 本発明の第五実施形態に係るブレードの断面図である。

次に、この発明の実施形態における回転機械のインペラについて図面を参照しながら説明する。この実施形態のインペラは、回転機械である遠心型圧縮機のインペラを一例に説明する。

（第一実施形態）
本実施形態の回転機械である遠心圧縮機１００は、一例として、図１に示すように、主として、軸線Ｏ周りに回転させられるシャフト１０２と、シャフト１０２に取り付けられて遠心力を利用してプロセスガス（気体）Ｇを圧縮するインペラ１と、シャフト１０２を回転可能に支持すると共にプロセスガスＧを上流側から下流側に流す流路１０４が形成されたケーシング１０５と、によって構成されている。

ケーシング１０５は、略円柱状の外郭をなすように形成され、中心を貫くようにシャフト１０２が配置されている。ケーシング１０５のうちシャフト１０２の軸方向の両端には、ジャーナル軸受１０５ａが設けられ、一端には、スラスト軸受１０５ｂが設けられている。これらジャーナル軸受１０５ａ及びスラスト軸受１０５ｂはシャフト１０２を回転可能に支持している。即ち、シャフト１０２は、ジャーナル軸受１０５ａ及びスラスト軸受１０５ｂを介してケーシング１０５に支持されている。
また、ケーシング１０５のうち軸方向の一端側にはプロセスガスＧを外部から流入させる吸込口１０５ｃが設けられ、他端側にはプロセスガスＧが外部に流出する排出口１０５ｄが設けられている。ケーシング１０５内には、これら吸込口１０５ｃ及び排出口１０５ｄにそれぞれ連通し、縮径及び拡径を繰り返す内部空間が設けられている。この内部空間は、インペラ１を収容する空間として機能すると共に上記流路１０４としても機能する。
即ち、吸込口１０５ｃと排出口１０５ｄとは、インペラ１及び流路１０４を介して連通している。

インペラ１は、シャフト１０２の軸方向に間隔を空けて複数配列されている。なお、図１では、インペラ１は６つ設けられているが少なくとも１つ以上設けられていればよい。

インペラ１は、ディスク２と複数のブレード３とを備えて構成される。ディスク２は、正面視で略円形に形成され、上述した軸線Ｏを中心として軸周りに回転可能になっている。ディスク２には、軸線Ｏから径方向外側にやや離間した径方向内側の所定の位置Ｓから径方向外側に向かってディスク面４が湾曲形成されている。この湾曲形成されたディスク面４は、径方向内側に位置する面が軸線Ｏに沿って形成されるとともに、径方向外側に向かうにつれて徐々に径方向に沿う凹型に形成される。つまり、ディスク２は、その軸線Ｏからやや離間した径方向内側の位置Ｓから径方向外側に向かうほどその軸方向厚さ寸法が軸方向端面の一方（上流側）から減少し、この軸方向厚さ寸法の減少量が内側ほど大きく外側ほど小さくなっている。

上述したディスク面４には、複数のブレード３が略放射状に配置されるとともに、ディスク面４に対しては略垂直に立設されている。このブレード３は、ディスク面４側の端部からディスク面４側と反対側のチップ側端部にわたって厚さが略一様に形成されている。また、ブレード３は軸線Ｏ方向から見て、径方向内側の端部から径方向外側の端部にわたってディスク２の回転方向に向かって若干凸面となる湾曲した形状を有している。インペラ１が回転することで、湾曲形状のブレード３の凹面側および凸面側の各ブレード面のうち凸面側のブレード面が圧力面ｐとなる一方、凸面の裏側である凹面側のブレード面が負圧面ｎとなる。

図２は、図１のＡ−Ａ線における断面を示す図である。なお、Ａ−Ａ線は、ディスク面４を基準とするブレード３の高さ方向における中間位置を通る線である。図２に示すように、ブレード３のチップ端ｔはディスク２の径方向内側から径方向外側にかけて湾曲するように形成されている。より具体的には、上述したディスク面４と同様に、径方向内側ほど軸線Ｏに沿い、径方向外側に向かうにつれて徐々に径方向に沿う凹型に形成されている。
そして、ブレード３は、ディスク面４を基準にするとその高さ寸法が、ディスク２の径方向内側ほど高く、径方向外側ほど低く形成される。

インペラ１は、ブレード３のチップ端ｔ側がケーシング１０５（図１参照）で覆われており、このケーシング１０５により構成されるシュラウド面５と、上述した隣り合うブレード３の圧力面ｐおよび負圧面ｎと、これら圧力面ｐと負圧面ｎとの間のディスク面４とによってインペラ１のインペラ流路１０が構成される。すなわち、１つのブレード３を介して２つのインペラ流路１０，１０が互いに隣り合うように構成される。

さらに、ブレード３の延在中途には、圧力面ｐから負圧面ｎに向かってブレード３を貫通する孔部Ｈが形成されている。孔部Ｈはブレード３を、厚さ方向に対して所定の角度をなして貫通するように形成されている。言い換えると、孔部Ｈは圧力面ｐ側における流入口Ｈ１と負圧面ｎ側における噴射口Ｈ２との位置がディスク２の周方向から見て互いにずれるようにして形成されるとともに、流入口Ｈ１と噴射口Ｈ２とが互いに直線的に連通するように形成されている。すなわち、ブレード３を介して互いに隣り合う２つのインペラ流路１０，１０は、孔部Ｈによって互いに連通される。
さらに、本実施形態では、インペラ１の周方向から見た場合における、孔部Ｈの貫通する方向が、ディスク面４を基準とするブレード３の高さ方向における中間位置を軸線方向に結んだ線と概ね同一となるように設定される。

孔部Ｈを貫通する方向から見た孔部Ｈの断面形状は円形をなしている。ここで、孔部Ｈの開孔寸法は、設計に応じて適宜決定されるものであるが、本実施形態では孔部Ｈの流入口Ｈ１と噴射口Ｈ２は同じ開孔寸法を有している。

次に、ブレード３を圧力面ｐ側から見た場合における孔部Ｈ（流入口Ｈ１）の設けられる位置について図４を参照して説明する。すなわち、孔部Ｈが設けられる位置は、図４における領域Ａの内側である。領域Ａは、ブレード３の表面における流体の流れ方向に沿った仮想曲線Ｌ１と、該仮想曲線とそれぞれ直交する仮想曲線Ｌ２，Ｌ３、及びディスク面４で囲まれた領域である。

仮想曲線Ｌ１は、上述のように流体の流れ方向に沿って湾曲するとともに、ディスク面４からブレード３のチップ端ｔにわたる高さ寸法の約６０％の位置を通るように設定される。また、仮想曲線Ｌ２はブレード３における、インペラ流路１０の入口６側の端縁から出口７側の端縁にわたる寸法の約２０％の位置を通るように設定される。同様にして、仮想曲線Ｌ３は入口６側の端縁から出口７側の端縁にわたる寸法の約６０％の位置を通るように設定される。つまり、領域Ａは、円弧状に形成された一対の長辺と、それら長辺を結ぶ一対の短辺から形成された略矩形の領域であって、ディスク面４と同様に、径方向内側ほど軸線Ｏに沿い、径方向外側に向かうにつれて徐々に径方向に沿う凹型に形成されている。そして、ブレード３は、ディスク面４を基準にするとその高さ寸法が、ディスク２の径方向内側ほど高く、径方向外側ほど低く形成される。
なお、上述の説明では、圧力面ｐ側における流入口Ｈ１の設けられる位置について説明したが、噴射口Ｈ２も流入口Ｈ１と同様に、領域Ａの内側に含まれるようにして形成される。

以上のように、インペラ１におけるブレード３のチップ端ｔ側は、ケーシング１０５（図１参照）で覆われて、このケーシング１０５により構成されるシュラウド面５と、上述した隣り合うブレード３の圧力面ｐおよび負圧面ｎと、これら圧力面ｐと負圧面ｎとの間のディスク面４とによってインペラ１のインペラ流路１０が構成されている。したがって、インペラ１が回転することにより、ディスク２の径方向内側に位置するインペラ流路１０の入口６から流体が流入して、遠心力によって径方向外側に位置する出口７から外方へ流出する。すなわち、流体は図２に示すように主流Ｆを形成する。また、主流Ｆは概ねディスク面４の湾曲する方向に沿って流通する。なお、主流Ｆはブレード３の高さ方向全体にわたって存在するが、図２では１つの矢印によって主流Ｆの向かう代表的な方向を表している。

ここで、ブレード３に孔部Ｈが設けられていない場合の主流Ｆの挙動について説明する。すなわち、インペラ流路１０は、そのディスク２の径方向内側から径方向外側へ向かうに従い流れ方向が軸方向から径方向へと漸次変化しており、上述した入口６から出口７へ向かって湾曲形成される。このようにインペラ流路１０が湾曲していること、及びインペラ１の回転に伴って径方向外側に向かう遠心力が発生することから、インペラ流路１０では、主流Ｆに加えて図２中の破線矢印で示す二次流れＦ２が形成される。ブレード３に孔部Ｈが形成されていない場合、この二次流れＦ２は、インペラ流路１０の出口７側の後半部１１の負圧面ｎに近いシュラウド面５側の領域ｋに到達して渦を形成する。つまり、二次流れＦ２は、領域ｋで低エネルギー流体として滞留する。

しかしながら、本実施形態ではブレード３の延在中途に圧力面ｐから負圧面ｎに向かってブレード３を貫通する孔部Ｈが形成されている。この場合、インペラ流路１０の入口６から流入した流体の一部は、圧力面ｐ側の流入口Ｈ１から孔部Ｈに流入し、負圧面ｎの噴射口Ｈ２から、ブレード３を介して隣接するインペラ流路１０（インペラ１の回転方向後方側のインペラ流路１０）に向けて噴射される。そして、噴射口Ｈ２から噴射された流体は、ジェット流ＦＪを形成する。前述のように、孔部Ｈはディスク面４を基準とするブレード３の高さ方向における中間位置を結んだ線の延在する方向と同一の方向をなしてブレード３を貫通している。すなわち、孔部Ｈの近傍を流れる主流Ｆの向かう方向と略同一である。したがって、孔部Ｈから噴射されるジェット流ＦＪの流れる方向も主流Ｆの向かう方向と略同一となる。

これにより、主流Ｆの流れる方向と異なる方向成分を持つ二次流れＦ２に対して、主流Ｆと略同一の方向成分を持つジェット流ＦＪが衝突する。ここで、孔部Ｈの開孔容積は、インペラ流路１０の容積に比して十分に小さいため、孔部Ｈを通過するジェット流ＦＪは周囲に比して高い圧力を有する。言い換えると、ジェット流ＦＪは、二次流れＦ２よりも大きな流速を有している。
したがって、二次流れＦ２は、ジェット流ＦＪによって偏向されて、ジェット流ＦＪと略同一の方向、すなわち主流Ｆと略同一の方向に向かう流れとなり、領域ｋに向かう方向成分は低減される。

以上のように、本実施形態に係るインペラ１では、ブレード３に、回転方向前方側を向く圧力面ｐと回転方向後方側を向く負圧面ｎとに連通する孔部Ｈが形成されている。
これにより、二次流れＦ２に起因して領域ｋで生じていた渦は、孔部Ｈから噴射されるジェット流ＦＪによって低減され、低エネルギー流体として領域ｋで滞留する成分が減少する。すなわち、インペラ１では二次流れＦ２による圧力損失が低減され、高い効率を得ることができる。

また、孔部Ｈは、圧力面ｐ側から負圧面ｎ側に向かうにしたがって、インペラ流路１０の下流側に向かって延びている。
これにより、主流Ｆの流れる方向と異なる方向成分を持つ二次流れＦ２に対して、主流Ｆと略同一の方向成分を持つジェット流ＦＪを形成することができる。

（第二実施形態）
次に本発明の第二実施形態について図５を参照して説明する。なお、第一実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図５は、本実施形態に係るインペラ１のブレード３を示す図である。図５に示すように、本実施形態に係るブレード３では、圧力面ｐ側に設けられる流入口Ｈ１の開孔面積に対して、負圧面ｎ側に設けられる噴射口Ｈ２の開孔面積が大きく形成されている。すなわち、圧力面ｐ側から負圧面ｎ側に向かうにしたがって該開孔面積が拡大するように孔部Ｈが形成されている。
この構成によれば、孔部Ｈが直管状に形成されている場合に比して、孔部Ｈを通過するジェット流ＦＪの圧力を下げる方向に調節することができる。すなわち、ジェット流ＦＪの流速を小さくすることが可能となる。したがって、より効果的に二次流れＦ２を低減することができる。

なお、図６に示すように、本実施形態に係るブレード３では、圧力面ｐ側に設けられる流入口Ｈ１の開孔面積に対して、負圧面ｎ側に設けられる噴射口Ｈ２の開孔面積が小さく形成されていてもよい。すなわち、圧力面ｐ側から負圧面ｎ側に向かうにしたがって該開孔面積が縮小するように孔部Ｈが形成されていてもよい。
この構成によれば、孔部Ｈが直管状に形成されている場合に比して、孔部Ｈを通過するジェット流ＦＪの圧力を上げる方向に調節することができる。すなわち、ジェット流ＦＪの流速を大きくすることが可能となる。したがって、より効果的に二次流れＦ２を低減することができる。

（第三実施形態）
次に本発明の第三実施形態について図７を参照して説明する。なお、上述の各実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図７に示すように、本実施形態に係るブレード３では、複数の孔部Ｈがディスク２の径方向内側から径方向外側に向かって互いに離間して設けられている。図７では孔部Ｈは３つ示されている。これら３つの孔部Ｈは、径方向内側に位置する孔部Ｈから径方向外側に位置する孔部Ｈになるほど、ディスク面４から離間するように略直線状に配列されている。また、これら３つの孔部Ｈは全て図４に示す領域Ａの内側に形成されている。

この構成によれば、孔部Ｈが１つのみ設けられている場合に比して、より広い範囲に対してジェット流ＦＪを噴射することができる。したがって、より効果的に二次流れＦ２を抑制することができる。

なお、図８に示すように、３つの孔部Ｈは、ディスク面４を基準とするブレード３の高さ方向に沿うようにして配列されていてもよい。この構成によっても、より広い範囲に対してジェット流ＦＪを噴射することができ、より効果的に二次流れＦ２を低減することができる。

（第四実施形態）
次に本発明の第四実施形態について図９を参照して説明する。なお、上述の各実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図９に示すように、本実施形態に係るブレード３では、孔部Ｈはその内周面に螺旋状の溝を有している。該溝は圧力面ｐ側から負圧面ｎ側に向かうにしたがって孔部Ｈの内周面上に沿って円を描くようにして形成されている。すなわち、該溝は雌ねじ様をなしている。なお、溝の周回方向は右回りであっても左回りであってもよい。
この構成によれば、孔部Ｈを通過するジェット流ＦＪに対して溝の周回方向に準じた旋回成分を付与することができる。したがって、ジェット流ＦＪが二次流れＦ２に衝突するに際して、旋回成分を含む流れが二次流れＦ２を拡散することで、より効果的に二次流れＦ２を低減することができる。

（第五実施形態）
次に本発明の第五実施形態について図１０を参照して説明する。なお、上述の各実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図１０に示すように、本実施形態に係るブレード３では、孔部Ｈは圧力面ｐ側に設けられた１つの流入口Ｈ１と、負圧面ｎ側に設けられた複数の噴射口Ｈ２とを有している。図１０では３つの噴射口Ｈ２を有する構成を示している。３つの噴射口Ｈ２は、１つの流入口Ｈ１に対して、それぞれ連通している。また、３つの噴射口Ｈ２は、ディスク２の径方向内側から径方向外側に向かって互いに離間して配列されている。すなわち、孔部Ｈの内側には流入口Ｈ１を起点としてそれぞれの噴射口Ｈ２に向かう３つの流路が形成されている。さらに、該流路のうち最も径方向内側に位置する流路は流入口Ｈ１と直線的に連通している。

この構成によれば、１つの流入口Ｈ１から導入されたジェット流ＦＪは３つの流路に向かって３つの流れに分岐した後、３つの噴射口Ｈ２から負圧面ｎ側に噴射される。したがって、負圧面ｎ側における広い範囲に対してジェット流ＦＪを供給することができる。また、圧力面ｐ側に設けられる流入口Ｈ１が１つのみであることにより、ジェット流ＦＪを形成するに当たって主流Ｆから取り出される流れの成分がより少なくて済む。
したがって、より効果的に二次流れＦ２を低減することができるとともに、ジェット流ＦＪが主流Ｆに与える影響を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

例えば、上述の各実施形態では、孔部Ｈの開孔形状は円形であるが、孔部Ｈの開孔形状はこれに限定されず、矩形のスリット状や、三角形状等の多角形をなしていてもよい。また、長円形であってもよい。

１… インペラ
２… ディスク
３… ブレード
４… ディスク面
５… シュラウド面
６… インペラ流路入口
７… インペラ流路出口
１０… インペラ流路
１００… 遠心圧縮機
１０２… シャフト
１０４… 流路
１０５… ケーシング
Ｆ… 主流
Ｆ２… 二次流れ
ＦＪ… ジェット流
Ｈ… 孔部

Claims (8)

1. 軸線回りに回転するディスクと、
   該ディスクの軸線方向一方側の面に、周方向に間隔をあけて複数設けられて軸線方向一方側から流入する流体を径方向外側に向かって排出する流路を画成するブレードと、
   を備え、
   前記ブレードは、径方向内側から外側に向かうに従って、軸線方向の寸法が減少するように形成され、
   前記ブレードに、回転方向前方側を向く圧力面と回転方向後方側を向く負圧面とを連通する孔部が形成され、
   前記孔部が前記ブレードを貫通する方向は、前記ディスクを基準とする前記ブレードの高さ方向における中間位置を前記軸線方向に結んだ線に沿うように設定されているインペラ。
2. 前記孔部は、圧力面側から負圧面側に向かうにしたがって、前記流路の下流側に向かって延びている請求項１に記載のインペラ。
3. 複数の前記孔部が、前記径方向内側から外側に向かって互いに離間して配列されている請求項１又は２に記載のインペラ。
4. 前記孔部は、前記圧力面側から前記負圧面側に向かうにしたがって開孔面積が拡大する請求項１から３のいずれか一項に記載のインペラ。
5. 前記孔部は、前記圧力面側から前記負圧面側に向かうにしたがって開孔面積が縮小する請求項１から４のいずれか一項に記載のインペラ。
6. 前記孔部は、該孔部の内周面に螺旋状に形成された溝を有する請求項１から５のいずれか一項に記載のインペラ。
7. 前記孔部は、前記圧力面側に設けられた１つの流入口を有し、前記流入口にそれぞれ連通するとともに前記負圧面側に設けられた複数の噴射口を有する請求項１から５のいずれか一項に記載のインペラ。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のインペラを備える遠心圧縮機。

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