JP6311855B2 - インペラ、及び遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、遠心圧縮機におけるインペラの羽根形状に関するものである。

遠心圧縮機は、インペラを回転させて流体を径方向へ流通させることで、遠心力によって流体の昇圧を行なうものである。近年、この遠心圧縮機の市場においては、性能を確保しながらコンパクト化が要求されている。このため、インペラのさらなる性能向上が必要となってきている。

ここで、インペラの羽根の負圧面側においては、境界層が発達することで流動損失が生じ、この流動損失がインペラの性能向上を妨げる要因の一つとなっている。
また、インペラでは通常、羽根の厚さ寸法（周方向の幅寸法）は、径方向外側に向かって徐々に減少していくが、羽根の後縁側の端部では、インペラの周方向に沿って軸方向視で略直線状に切り落とされたような形状に形成されている。従って、図８に示すように、回転方向Ｒ１に向かって回転するインペラ２０１における羽根２０４の後縁２０４ａの下流側には、流体が剥離することで後流Ｆ１が発生し、この後流Ｆ１による損失が、インペラの性能向上を妨げる他の要因として知られていた。

このような後流損失を低減するために、特許文献１には羽根の後縁の端部において、羽根の周方向の幅寸法が下流に向かう程徐々に狭まるように形成された羽根車（インペラ）が開示されている。そしてこのような羽根の後縁形状によって、後流の剥離領域の低減を図っている。

特開２００９−４１３７３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたインペラの羽根は、回転方向の前方側を向く正圧面（圧力面）と回転方向後方側を向く負圧面とが、共に下流に向かって狭まっている。この場合には、流体が羽根の後縁部で回転方向後方へ逃げてしまい、即ち、羽根の後縁端部における流体の絶対速度のうちの回転方向前方へ向かう成分が減少し、ヘッドの低下を招いてしまう。従って、特許文献１のインペラは、後流の剥離領域の低減によってインペラの性能向上を図ることが可能となる反面で、ヘッドの低下による性能低下のおそれがあった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、ヘッドの低下を防止しながら、羽根の後流損失を低減して性能向上を図ったインペラを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係るインペラは、正圧面と、負圧面と、これら正圧面及び負圧面を接続する後縁部とを有する複数の羽根を備え、軸線回りに回転されることで前記軸線方向から流入する流体を前記軸線の径方向の外側に向かって圧送するインペラであって、前記正圧面が、前記径方向の外側に向かうに従って回転方向後方側に向かって変曲点の存在しない状態で、滑らかに湾曲して前記後縁部に接続される後縁側正圧面を有し、前記負圧面が、前記径方向の外側に向かうに従って回転方向後方側に向かって変曲点の存在しない状態で、滑らかに湾曲する第一負圧面と、該第一負圧面との間に変曲点が設けられて該第一負圧面に接続されて、前記径方向の外側に向かうに従って前記正圧面に向かって変曲点の存在しない状態で、滑らかに湾曲して前記後縁部に接続された第二負圧面とを有し、前記後縁部は、前記後縁側正圧面の径方向外側の端部と、前記第二負圧面の径方向外側の端部とを接続しており、前記後縁部の径方向の外側の端部は、前記正圧面側に角のある丸みを帯びた曲線形状に形成され、前記第二負圧面は、前記軸線方向視で、任意の点を結んだ曲線によって形成されていることを特徴とする。

このようなインペラによると、軸線の径方向の外側に向かって流通する流体は、羽根の正圧面によって押されて圧縮される。そして後縁側正圧面においては、極端に回転方向後方側に屈曲することなく、滑らに湾曲して後縁部に接続されているため、後縁部において流体が回転方向後方に導かれて逃げてしまうことを抑制できる。即ち、後縁部における流体の絶対速度の回転方向前方に向かう速度成分を低下させることなく、流体を流通させることが可能となる。
さらに、負圧面においては、第一負圧面と第二負圧面との接続部分から正圧面に向かって第二負圧面が湾曲している。このため、流体の負圧面からの流体の剥離を抑制することができ、後流の発生を抑えることが可能となる。
また、任意の点を結んだ曲線によって第二負圧面を形成することで、流体の流動状況に合わせてより複雑な曲面を形成でき、確実に流体の剥離を抑制して後流損失の低減でき、インペラのさらなる性能向上につながる。

また、前記第二負圧面は、前記径方向の外側に向かうに従って、曲率半径が漸次小さくなっていてもよい。

このような形状に第二負圧面を形成することで、さらに流体の剥離を抑制して後流損失を低減でき、インペラのさらなる性能向上につながる。

さらに、本発明に係る遠心圧縮機は、上記のインペラを備えることを特徴とする。

このような遠心圧縮機においては、後縁側正圧面によって、後縁部における流体の絶対速度の回転方向前方に向かう速度成分を低下させることなく、流体を流通させることができる。さらに、正圧面に向かって湾曲して形成された第二負圧面によって、流体の負圧面からの剥離を抑制して、後流の発生を抑えることができる。

本発明のインペラ及び遠心圧縮機によると、後縁側正圧面が変曲点を有さず、また第二負圧面が正圧面に向かって湾曲していることで、ヘッドの低下を防止しながら、羽根の後流による損失を低減でき、性能向上が可能となる。

本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の全体断面図である。 本発明の実施形態に係る遠心圧縮機におけるインペラの拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る遠心圧縮機におけるインペラを軸方向から見た図である。 本発明の実施形態に係る遠心圧縮機におけるインペラに関し、羽根の後縁部周辺の拡大図であって、図３のＡ部を示すものである。 本発明の実施形態に係る遠心圧縮機におけるインペラに関し、羽根における第二負圧面の第一の参考例を示す図である。 本発明の実施形態に係る遠心圧縮機におけるインペラに関し、羽根における第二負圧面の第二の参考例を示す図である。 本発明の実施形態に係る遠心圧縮機におけるインペラに関し、羽根における第二負圧面の変形例を示す図である。 従来の遠心圧縮機におけるインペラに関し、羽根が切り落とし形状となっている場合の、後流発生の状況を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１００について説明する。
図１に示すように、遠心圧縮機１００は、ケーシング１０２にジャーナル軸受１０３及びスラスト軸受１０４を介して軸支され、軸線Ｐ回りに回転可能とされた回転軸１０１に、軸線Ｐ方向に並んで取り付けられた複数のインペラ１（本実施形態では６個）を備えている。

この遠心圧縮機１００は、回転軸１０１とともに回転する各インペラ１の遠心力を利用し、ケーシング１０２に形成された吸込口１０５ｃから供給される流体Ｆを、上流側の流路１０５ａから下流側の流路１０５ｂへと段階的に流通させる。そして流通する間に、流体Ｆを圧縮して昇圧し、排出口１０５ｄから排出するものである。

次に、それぞれのインペラ１について説明する。
図２及び図３に示すように、インペラ１は、回転軸１０１とともに軸線Ｐを中心として回転方向Ｒに回転可能とされている。
また、インペラ１は、軸線Ｐ方向視で略円盤状をなすディスク３と、ディスク３に設けられた複数の羽根４と、羽根４を軸線Ｐ方向から覆うシュラウド５とを備えている。

ディスク３は、軸線Ｐ方向の一方側を向く端面が小径とされ、他方側を向く端面が大径とされて、これら二つの端面が軸線Ｐ方向の一方側から他方側に向かうに従って漸次拡径する曲面３ａによって接続されることで、軸線Ｐ方向視で略円盤状をなし、全体として略傘形状をなす部材である。
また、このディスク３の径方向内側には、該ディスク３を軸線Ｐ方向に貫く貫通孔３ｂが形成されている。この貫通孔３ｂに回転軸１０１が挿入されて嵌合されることで、インペラ１が回転軸１０１に一体に固定される。

羽根４は、上記ディスク３における曲面３ａから軸線Ｐ方向の一方側に立ち上がるように、軸線Ｐの周方向、即ち、回転方向Ｒに一定間隔をあけて複数（本実施形態では７個）設けられている部材である。

またこれら複数の羽根４は、それぞれディスク３の径方向内側から外側に向かうに従って、回転方向Ｒの後方側に向かって湾曲するように形成されている。そして、隣接する羽根４同士の間は、径方向内側から外側に向かって流体Ｆが流通可能なインペラ流路２とされている。

シュラウド５は、複数の羽根４を軸線Ｐ方向の一方側から覆うように、これら羽根４と一体に設けられた部材である。即ちこのシュラウド５は、軸線Ｐ方向の他方側に向かうに従って漸次拡径する略傘形状をなしている。

次に、複数の羽根４のそれぞれについて、さらに詳しく説明する。
図３及び図４に示すように、それぞれの羽根４は、回転方向Ｒの前方側を向く正圧面１１と後方側を向く負圧面１２と、これら正圧面１１と負圧面１２とを、径方向外側の端部、即ち後縁側の端部で接続する後縁部１３と、これら正圧面１１と負圧面１２とを、径方向内側の端部、即ち前縁側の端部で接続する前縁部１４（図２、図３参照）とを有している。

正圧面１１は、その径方向外側に形成されて、径方向外側に向かうに従って回転方向Ｒの後方側に向かって、変曲点の存在しない状態で、滑らかに湾曲するとともに、後縁部１３へ接続された後縁側正圧面２１を有している。

負圧面１２は、その径方向外側に形成されて、径方向外側に向かうに従って回転方向Ｒの後方側に向かって、変曲点の存在しない状態で、滑らかに湾曲する第一負圧面２２を有している。さらに、この第一負圧面２２の径方向外側に接続され、径方向外側に向かうに従って正圧面１１に向かって、変曲点の存在しない状態で滑らかに湾曲するとともに、後縁部１３へ接続された第二負圧面２３を有している。即ち、第一負圧面２２と第二負圧面２３との間には、変曲点Ｂが設けられ、互いに湾曲方向が異なっていることとなる。

さらに、この第二負圧面２３は、径方向外側に向かうに従って、曲率半径が漸次小さくなっていくように形成されている。

後縁部１３は、後縁側正圧面２１の径方向外側の端部と、第二負圧面２３の径方向外側の端部とを接続しており、本実施形態では、後縁部１３の径方向外側の端部は、正圧面１１側に角のある丸みを帯びた曲線形状に形成されているが、長さが非常に短い周方向に沿う略直線の切り落とし形状であってもよい。

前縁部１４は、正圧面１１の径方向内側の端部と、負圧面１２の径方向内側の端部とを接続している。

このような遠心圧縮機１００においては、インペラ１のインペラ流路２を軸線Ｐの径方向外側に向かって流体Ｆが流通し、羽根４の正圧面１１によって押圧されて圧縮される。ここで、後縁側正圧面２１は、極端に回転方向Ｒの後方側に屈曲することなく、滑らかに湾曲して後縁部１３に接続されている。このため、正圧面１１によって押圧される流体Ｆが、後縁部１３で回転方向Ｒの後方に導かれて逃げるように流通することを防ぐことができる。即ち、後縁部１３における流体Ｆの絶対速度のうちの回転方向Ｒの前方に向かう速度成分を低下させることがない。

ここで、インペラ１のヘッドは、後縁部１３におけるインペラ１の周速度と、流体Ｆの回転方向Ｒへの絶対速度と、インペラ１の効率を掛け合わせて算出される。

従って、本実施形態では後縁側正圧面２１によって回転方向Ｒの前方に向かう速度成分を低下させることがないため、インペラ１のヘッドの低下を防止することが可能となる。

また、負圧面１２においては、第一負圧面２２と第二負圧面２３との接続部分（変曲点Ｂ）から、正圧面１１に向かって第二負圧面２３が湾曲しているとともに、曲率半径が径方向外側に向かって小さくなっている。換言すれば、インペラ１の周方向に沿って、軸線Ｐ方向視で略直線形状に切り落とされる領域が従来よりも小さくなっている。このため、径方向外側で流体Ｆが剥離してしまうことを確実に抑制して後流の発生を抑えることができ、後流損失の低減が可能となる。

ここで、後流損失は主流の動圧に比例するため、流体Ｆの流量が大きくなる程、後流損失が大きくなり、インペラ１の効率低下への影響が大きくなる。即ち、逆に、大流量であればある程、後流の発生を抑止した場合にはインペラ１の効率向上につながることとなる。

本実施形態の遠心圧縮機１００によると、後縁側正圧面２１によって回転方向Ｒの前方に向かう速度成分の低下の抑制を図り、また、第二負圧面２３によって流体Ｆの剥離を抑制できる。従って、ヘッド低下を防止するとともに、羽根４の後流損失を抑えて、インペラ１の性能向上を図ることが可能となる。

なお、第二負圧面２３の曲率半径は、本実施形態では径方向外側に向かうに従って漸次小さくなるように形成されているが、必ずしもそうでなくともよく、第二負圧面２３が全体として径方向外側に向かって正圧面１１に向かって湾曲していればよい。

次に、第二負圧面の第一の参考例について説明する。
図５に示すように、第二負圧面３３は、軸線Ｐ方向から見て、楕円Ｏの長軸を羽根４の中心線方向とし、また楕円Ｏの短軸を羽根４の厚み方向として、この楕円Ｏの略４分の１に相当する楕円弧形状に形成されていてもよい。この場合にも、第二負圧面３３の曲率半径は径方向外側に向かうに従って、漸次小さくなっている。しかしこれに加え、楕円弧形状とすることで、第二負圧面３３の回転方向Ｒの厚さ寸法が極端に小さくなることがなく、羽根の強度を確保しながら、後流損失の低減によってインペラ１の性能向上が可能となる。

次に、第二負圧面の第二の参考例について説明する。
図６に示すように、第二負圧面４３は、軸線Ｐ方向から見て、複数の円弧を接続することで形成されていてもよい。この場合には、インペラ１の寸法、形状、流体Ｆの流量等で異なる流体Ｆの流動状況に合わせてより複雑な曲面を形成でき、さらに確実に流体Ｆの剥離を抑制して後流損失の低減が可能となり、インペラ１の性能向上につながる。

さらに、第二負圧面の変形例について説明する。
図７に示すように、第二負圧面５３は、軸線Ｐ方向から見て、複数の任意の点（図７における×印の点）を結んだ曲線によって形成されていてもよい。この場合にも、インペラ１の寸法、形状、流体Ｆの流量等で異なる流体Ｆの流動状況に合わせてより複雑な曲面を形成でき、さらに確実に流体Ｆの剥離を抑制して後流損失の低減が可能となり、インペラ１の性能向上を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、本実施形態ではシュラウド５が設けられたクローズドインペラとなっているが、シュラウド５が設けられていないオープンインペラについても、本発明を適用可能である。

１…インペラ、２…インペラ流路、３…ディスク、３ａ…曲面、３ｂ…貫通孔、４…羽根、５…シュラウド、１１… 正圧面、１２…負圧面、１３…後縁部、１４…前縁部、２１…後縁側正圧面、２２…第一負圧面、２３…第二負圧面、３３…第二負圧面、４３…第二負圧面、５３…第二負圧面、Ｐ…軸線、Ｆ…流体、Ｒ…回転方向、Ｂ…変曲点、１００…遠心圧縮機、１０１…回転軸、１０２…ケーシング、１０３…ジャーナル軸受、１０４…スラスト軸受、１０５ａ、１０５ｂ…流路、Ｆ１…後流、２０１…インペラ、２０４…羽根、２０４ａ…後縁、Ｒ１…回転方向

Claims (3)

1. 正圧面と、負圧面と、これら正圧面及び負圧面を接続する後縁部とを有する複数の羽根を備え、軸線回りに回転されることで前記軸線方向から流入する流体を前記軸線の径方向の外側に向かって圧送するインペラであって、
   前記正圧面が、前記径方向の外側に向かうに従って回転方向後方側に向かって変曲点の存在しない状態で、滑らかに湾曲して前記後縁部に接続される後縁側正圧面を有し、
   前記負圧面が、前記径方向の外側に向かうに従って回転方向後方側に向かって変曲点の存在しない状態で、滑らかに湾曲する第一負圧面と、該第一負圧面との間に変曲点が設けられて該第一負圧面に接続されて、前記径方向の外側に向かうに従って前記正圧面に向かって変曲点の存在しない状態で、滑らかに湾曲して前記後縁部に接続された第二負圧面とを有し、
   前記後縁部は、前記後縁側正圧面の径方向外側の端部と、前記第二負圧面の径方向外側の端部とを接続しており、前記後縁部の径方向の外側の端部は、前記正圧面側に角のある丸みを帯びた曲線形状に形成され、
   前記第二負圧面は、前記軸線方向視で、任意の点を結んだ曲線によって形成されていることを特徴とするインペラ。
2. 前記第二負圧面は、前記径方向の外側に向かうに従って、曲率半径が漸次小さくなっていることを特徴とする請求項１に記載のインペラ。
3. 請求項１又は２に記載のインペラを備えることを特徴とする遠心圧縮機。

Images