JP6600457B2 - 遠心圧縮機段 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１又は１６のプリアンブルに記載の遠心圧縮機のための遠心圧縮機段に関する。

特許文献１及び特許文献２からは、少なくとも１つの遠心圧縮機段を有する遠心圧縮機の基本構造が知られている。当該先行技術には、遠心圧縮機の１つの遠心圧縮機段又は各遠心圧縮機段がステータに対して回転するインペラを有しており、当該インペラはロータ側に複数のインペラブレードを有していることが開示されている。ここでは、インペラの各インペラブレードは、流体入口端と流体出口端とを有しており、各インペラブレードの流体入口端と流体出口端との間には、吸い込み側と、圧力側と 、ステータに対向する外面とが延在しており、各インペラブレードの外面はステータに隣接し、ステータに対する密封に用いられている。このような、インペラブレードの外面がステータに直接接している遠心圧縮機のインペラは、側板を有しておらず、オープンインペラとも称される。

不利な動作条件下では、インペラのインペラブレードの外面がステータ内に侵入するか、又は、ステータに擦り付けられ、それによって、インペラブレードの外面及びステータの領域において損傷が生じる可能性がある。したがって、インペラのインペラブレードのステータに対向する外面における損傷の危険を減少させる目的で材料の厚さを減少させるために、材料を取り除く場合、インペラブレードの外面の領域におけるステータに対する密封効果が低下する。

インペラブレードの外面の領域における損傷の危険は減少しているが、ステータに対する外面の良好な密封効果は確実化されている遠心圧縮機段の需要が存在する。

独国特許発明第19502808号明細書 独国特許出願公開第102012203801号明細書

したがって、本発明の課題は、上述の要求を満たすような遠心圧縮機の遠心圧縮機段を提供することにある。

本課題は、本発明の第１の態様によると、請求項１に記載の遠心圧縮機段によって解決される。それによると、少なくとも１つのインペラブレードの外面には、少なくとも１つのノッチが設けられており、当該ノッチは、吸い込み側でも圧力側でも、長手方向ウェブによって区切られており、これら長手方向ウェブのいずれも、ステータに対する各インペラブレードの密封端部を構成している。

本発明によると、インペラの少なくとも１つのインペラブレードの外面には、少なくとも１つのノッチが設けられており、当該ノッチは、各インペラブレードの吸い込み側でも各インペラブレードの圧力側でも、好ましくは流体入口端と流体出口端との間に連続的に延在する長手方向ウェブによって区切られている。長手方向ウェブのいずれも、遠心圧縮機段のステータに対する各インペラブレードの密封端部を構成している。それによって、一方では、遠心圧縮機インペラのインペラブレードの外面の領域におけるステータに対する改善された密封効果が確実化され、他方では、インペラブレードの外面がステータに擦った、又は、侵入した際の損傷の危険が減少する。各インペラブレードの圧力側の領域でも吸い込み側の領域でも、それぞれ長手方向ウェブによって、最適な空気力学的輪郭が提供されるので、当該遠心圧縮機段は高い効率を有している。

有利なさらなる構成によると、各インペラブレードの外面には唯一のノッチが設けられており、当該ノッチは、流体入口端と流体出口端との間に延在している。好ましくは、各ノッチは、流体入口端に隣接して閉じられており、流体出口端に隣接して開かれている。代替的な有利なさらなる構成によると、各ノッチは、流体入口端及び流体出口端に隣接してそれぞれ開かれている。

したがって、各ノッチが流体入口端に隣接して、これらウェブの内１つのウェブの凹部によって開かれて構成されている場合、当該ノッチは、フライス加工によって、ノッチが各インペラブレードの流体入口端に隣接して閉じて構成されている場合よりも容易に製造され得る。

代替的な有利なさらなる構成によると、各インペラブレードの外面には複数のノッチが設けられており、これらのノッチは流体入口端と流体出口端との間に相前後して位置しており、少なくとも横方向ウェブによって互いに離間している。好ましくは、前方のノッチは前側で流体入口端に隣接して閉じられ、かつ、後側で閉じられており、後方のノッチは後側で流体出口端に隣接して閉じられており、かつ、前側で閉じられている。

好ましくは、各インペラブレードの外面に設けられたノッチは、Ｖ字形の横断面と、Ｕ字形又は丸く形作られたノッチ底部とを有している。この輪郭は、一方では良好な密封効果を確実化するために、他方ではインペラブレードの良好な摩擦挙動と機械的完全性とを確実化するために有利である。

別の有利なさらなる構成によると、各インペラの全てのインペラブレードのノッチは、同じ深さを有している。代替的な有利なさらなる構成によると、各インペラの少なくとも１つのインペラブレードのノッチは、各インペラの他のインペラブレードのノッチに対して、異なる深さを有している。遠心圧縮機インペラのノッチの深さが異なることによって、インペラブレードの固有振動数を調整し、遠心圧縮機の最適な動作挙動を確実化することができる。さらに、隣接するインペラブレードのノッチの異なる深さを、遠心圧縮機インペラの平衡に用いることができる。

本発明の第２の態様によると、本課題は、請求項１６に記載の遠心圧縮機段によって解決される。これによると、少なくとも１つのインペラブレードの外面には複数の凹部が設けられており、当該凹部は、吸い込み側でも圧力側でも、境界部によって区切られており、凹部の境界部は、各インペラブレードのステータに対する密封輪郭を構成している。それによってやはり、一方では、インペラブレードの外面の領域におけるステータに対する改善された密封効果が確実化され、他方では、外面がステータに擦った際の損傷の危険が減少する。

好ましくは、各インペラブレードの外面に設けられた凹部は、異なる寸法を有する穴として構成されている。この構成は特に単純である。異なる寸法を有する穴によって、インペラブレードの固有振動数を調整することが可能であり、さらに、このような穴を、遠心圧縮機インペラの平衡に用いることができる。

本発明の好ましいさらなる構成は、下位請求項及び以下の説明から明らかになる。本発明の実施例は、これに限定されることなく、図を用いて詳細に説明される。示されているのは以下の図である。

本発明の第１の態様による、本発明に係る遠心圧縮機段の詳細を子午断面で示した図である。 図１のＡ‐Ａの方向に切断した図である。 図１のＢの方向に見た図である。 図１のＢの方向に見た別の図である。 図１のＡ‐Ａの方向に切断した別の図である。 図１のＡ‐Ａの方向に切断したさらに別の図である。 図１のＡ‐Ａの方向に切断したさらに別の図である。 図１の細部を示した図である。 本発明の代替的な態様に係るインペラブレードの斜視図である。 本発明の第２の態様による、遠心圧縮機段のためのインペラブレードの斜視図である。

本発明は、少なくとも１つの遠心圧縮機段を有する遠心圧縮機に関する。図１は、本発明の第１の態様による、本発明に係る遠心圧縮機段の詳細を子午断面で示した図である。

遠心圧縮機の１つの遠心圧縮機段又は各遠心圧縮機段は、各圧縮機段の流路１１に配置された、ロータ側の複数のインペラブレード１２を備えたインペラ１０を有している。インペラ１０は、ステータ１３に対して回転する。ステータ１３は、ハウジング又はステータリング等であり得る。

各圧縮機段の流路１１は、ロータ側のハブ輪郭１４とステータ輪郭１５とによって区切られている。各インペラブレード１２は、流体入口端１６と流体出口端１７とを有している。

図１及び図２の実施例によると、流体入口端１６は、丸みを付けられた面的な輪郭によって画定されている。それに対して、流体出口端１７は、図１及び図２によると、平らな、丸みを付けられていない、面的な輪郭によって画定されている。

各インペラブレード１２の流体入口端１６と流体出口端１７との間には、圧力側１８、吸い込み側１９、及び、インペラブレード１２の径方向外側においてステータ１３に対向する各インペラブレード１２の外面２０が延在している。

図１によると、流れの方向に見て、流路１１内におけるインペラ１０のインペラブレード１２の下流には、固定されたガイドベーン２１を有するステータ側のディフューザが位置している。当該ディフューザは、遠心圧縮機段の構成要素ではない。このようなディフューザを省略することも可能である。

遠心圧縮機インペラ１０の少なくとも１つのインペラブレード１２の、好ましくは各インペラブレード１２のステータ１３に対向する外面２０には、少なくとも１つのノッチ２２が設けられている。

図１から図８の実施例では、各インペラブレード１２の外面２０には、唯一のノッチが設けられており、当該ノッチは、流体入口端１６と流体出口端１７との間に延在し、圧力側１８でも吸い込み側１９でも、流体入口端１６と流体出口端１７との間に延在する長手方向ウェブ２３又は２４によって区切られている。

長手方向ウェブ２３、２４のいずれも、遠心圧縮機段のステータ１３に対する各インペラ１０の密封端部を構成する。

図３の変型例においては、インペラブレード１２の外面２０に構成されている各ノッチ２２は、流体入口端１６に隣接して閉じられている。それに対して、図４の代替例では、各ノッチ２２は、各インペラブレード１２の流体入口端１６に隣接して開かれて構成されており、吸い込み側又は圧力側の長手方向ウェブ２３における凹部２５を通じて、各インペラブレード１２の吸い込み側１９の領域に開口している。

図４の変型例は、フライス加工によって、図３の変型例よりも容易に形成可能である。しかしながら、空気力学的理由から、図３の変型例が好まれる。図３及び図４の変型例両方において、各ノッチ２２は、図示されていない流体出口端１７に隣接して開かれて構成されている。

図２から明らかなように、各インペラブレード１２の外面２０に設けられたノッチ２２は、Ｖ字形の横断面と、丸く形作られた又はＵ字形のノッチ底部２６とを有しており、横断面がＶ字形のノッチ２２の境界を成している長手方向ウェブ２３、２４の側方の辺２７は、外側に向かって、又は、各インペラブレード１２の外面２０への方向において広がっている。好ましくは、各インペラブレード１２の外面２０に構成された長手方向ウェブ２３、２４のいずれも、その外側部分において、流体入口端１６と流体出口端１７との間で一定の厚さを有している。

図２に示された、各インペラブレード１２の外面２０に設けられたノッチ２２の輪郭は好ましいものではあるが、必ずしもこのように構成しなければならないものではない。例えば、図５及び図７には、長手方向ウェブ２３、２４の内１つのみが、すなわち図５では圧力側１８のウェブ２４が、図７では吸い込み側１９のウェブ２３が、各インペラブレード１２の外面２０への方向において広がっているが、それぞれもう一方の長手方向ウェブは、外側に向かって各インペラブレード１２の外面２０への方向において、一定の厚さを有している変型例が示されている。

図６には、吸い込み側１９のウェブ２３が、外側に向かって各インペラブレード１２の外面２０への方向において、圧力側１８のウェブ２４よりも短く構成されている変型例が示されている。

本発明の第１の変型例によると、遠心圧縮機インペラ１０の全てのインペラブレード１２のノッチ２２は、同じ深さを有している。しかしながら、これとは違って、遠心圧縮機インペラ１０の少なくとも１つのインペラブレード１２のノッチ２２を、遠心圧縮機インペラ１０の残りのインペラブレード１２のノッチ２２に対して、異なる深さを有するように構成することも可能である。それによって、インペラブレード１２の固有振動数が影響を受け、遠心圧縮機インペラ１０及び遠心圧縮機段の最適な動作挙動が確実化され得る。

流体入口端１６と流体出口端１７との間に延在する各ノッチ２２の深さは、流体入口端１６と流体出口端１７との間の部分において一定であるか、又は、図８に示したように可変であって良い。例えば、図８では、各ノッチ２２の深さは、流体入口端１６に隣接する部分及び流体出口端１７に隣接する部分においてそれぞれ、中央部分よりも深くなっている。この場合、ノッチの深さは、延在方向に見て、好ましくは連続的に、すなわち段差等を生じずに変化している。

図９には、本発明の第１の態様の変型例が示されている。当該変型例では、各インペラブレード１２の外面２０には複数のノッチ２２が設けられており、これらのノッチは流体入口端１６と流体出口端１７との間に相前後して位置しており、横方向ウェブ２８によって互いに離間している。横方向ウェブ２８は、各インペラブレード１２の吸い込み側１９と圧力側１８との間に延在しており、すなわち、流体入口端１６と流体出口端１７との間に延在する長手方向ウェブ２３及び２４に対して横に延在している。

図９において、前方のノッチ２２は、前側で流体入口端１６に隣接して閉じられ、かつ、後側で閉じられている。後方のノッチ２２は、後側で流体出口端１７に隣接して閉じられ、かつ、前側で閉じられている。図９では、前方のノッチ２２と後方のノッチ２２との間には、さらに２つのノッチ２２が配置されており、これらはやはり前側及び後側で閉じられている。すなわち、いずれのノッチも閉じられており、少なくとも長手方向ウェブ２３及び２４と横方向ウェブ２８とによって区切られている。長手方向ウェブの数は、空気力学的損失と機械的完全性の最適化の理由から、インペラのその時々の必要に適応させられ得る。

本発明は、インペラ１０を有する遠心圧縮機段を提案している。当該インペラは、最適な空気力学的輪郭によって一方では最適な密封効果が、他方では最適な摩擦防止が、吸い込み側１９及び圧力側１８の領域で提供されるように、そのインペラブレード１２の外面２０の領域が構成されている。

図１から図９の実施例では、遠心圧縮機インペラ１０のインペラブレード１２の外面２０に、それぞれ少なくとも１つのノッチ２２が中心溝の形態で設けられており、圧力側１８の領域でも吸い込み側１９の領域でも、ノッチ２２は長手方向ウェブ２３、２４によって区切られているので、圧力側１８及び吸い込み側１９は、外面２０の領域において、最適な空力的特性を有している。

ノッチ２２の深さ及び幅は、一方では良好な密封効果を、他方では良好な摩擦防止を提供するために調整される。

以上で説明したように、遠心圧縮機インペラ１０のインペラブレード１２のノッチ２２は、異なる深さを有していて良く、それによって、インペラブレードの固有振動数が最適に調整されるか、又は、遠心圧縮機インペラ１０の平衡が保たれる。

図１０は、本発明の第２の態様による、本発明に係る遠心圧縮機段のインペラブレード１２の詳細を示しており、当該インペラブレードによって、上述した利点が得られる。図１０では、ステータ１３に対向するインペラブレード１２の外面２０には、溝状のノッチが設けられておらず、複数の凹部２９が設けられている。当該凹部は、吸い込み側１９でも圧力側１８でも、境界部３０によって区切られており、凹部２９の境界部３０は、各インペラブレード１２のステータ１３に対する密封輪郭を構成している。このとき、各インペラブレード１２の外面２０に設けられた凹部２９は、好ましくは穴として構成されており、これらの穴は、円形の横断面を有しており、その周囲は全て境界部３０によって囲まれている。ここで、各インペラブレード１２の外面２０に設けられた穴は、好ましくは異なる寸法、すなわち異なる直径及び／又は深さを有している。

１０ インペラ
１１ 流路
１２ インペラブレード
１３ ステータ
１４ ハブ輪郭
１５ ステータ輪郭
１６ 流体入口端
１７ 流体出口端
１８ 圧力側
１９ 吸い込み側
２０ 外面
２１ ガイドベーン
２２ ノッチ
２３ 長手方向ウェブ
２４ 長手方向ウェブ
２５ 凹部
２６ ノッチ底部
２７ 辺
２８ 横方向ウェブ
２９ 凹部
３０ 境界部

Claims (13)

1. 遠心圧縮機のための遠心圧縮機段であって、前記遠心圧縮機段は、ロータ側の複数のインペラブレード（１２）を有する、ステータ（１３）に対して回転するインペラ（１０）を含み、各インペラブレード（１２）は、流体入口端（１６）、流体出口端（１７）、前記流体入口端（１６）と前記流体出口端（１７）との間に延在する吸い込み側（１９）、圧力側（１８）、及び、前記ステータ（１３）に対向する外面（２０）を有している遠心圧縮機段において、
   少なくとも１つのインペラブレード（１２）の前記外面（２０）には、少なくとも１つのノッチ（２２）が設けられており、前記ノッチは、前記吸い込み側（１９）でも前記圧力側（１８）でも、長手方向ウェブ（２３、２４）によって区切られており、前記長手方向ウェブ（２３、２４）のいずれも、各インペラブレード（１２）の前記ステータ（１３）に対する密封端部を構成しており、
   各インペラ（１０）の全てのインペラブレード（１２）の前記ノッチ（２２）が、同じ深さを有しており、
   前記ノッチの深さが、各インペラブレード（１２）の前記流体入口端（１６）と前記流体出口端（１７）との間で変化することを特徴とする遠心圧縮機段。
2. 遠心圧縮機のための遠心圧縮機段であって、前記遠心圧縮機段は、ロータ側の複数のインペラブレード（１２）を有する、ステータ（１３）に対して回転するインペラ（１０）を含み、各インペラブレード（１２）は、流体入口端（１６）、流体出口端（１７）、前記流体入口端（１６）と前記流体出口端（１７）との間に延在する吸い込み側（１９）、圧力側（１８）、及び、前記ステータ（１３）に対向する外面（２０）を有している遠心圧縮機段において、
   少なくとも１つのインペラブレード（１２）の前記外面（２０）には、少なくとも１つのノッチ（２２）が設けられており、前記ノッチは、前記吸い込み側（１９）でも前記圧力側（１８）でも、長手方向ウェブ（２３、２４）によって区切られており、前記長手方向ウェブ（２３、２４）のいずれも、各インペラブレード（１２）の前記ステータ（１３）に対する密封端部を構成しており、
   各インペラ（１０）の少なくとも１つのインペラブレードのノッチ（２２）が、各インペラ（１０）の他のインペラブレードのノッチ（２２）に対して異なる深さを有しており、
   前記ノッチの深さが、各インペラブレード（１２）の前記流体入口端（１６）と前記流体出口端（１７）との間で変化することを特徴とする遠心圧縮機段。
3. 各インペラブレード（１２）の前記外面（２０）には、唯一のノッチ（２２）が設けられており、前記ノッチは、前記流体入口端（１６）と前記流体出口端（１７）との間に延在していることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心圧縮機段。
4. 各ノッチ（２２）が、前記流体入口端（１６）に隣接して閉じられていることを特徴とする請求項３に記載の遠心圧縮機段。
5. 各ノッチ（２２）が、前記流体入口端（１６）に隣接して開かれていることを特徴とする請求項３に記載の遠心圧縮機段。
6. 各ノッチ（２２）が、前記流体入口端（１６）に隣接して、吸い込み側のウェブ（２３）内の凹部（２５）を通じて、各インペラブレード（１２）の前記吸い込み側（１９）の領域に開口することを特徴とする請求項５に記載の遠心圧縮機段。
7. 各ノッチ（２２）が、前記流体出口端（１７）に隣接して開かれていることを特徴とする請求項３から６のいずれか一項に記載の遠心圧縮機段。
8. 各インペラブレード（１２）の前記外面（２０）には、複数のノッチ（２２）が設けられており、前記ノッチは、前記流体入口端（１６）と前記流体出口端（１７）との間で相前後して位置しており、少なくとも一つの横方向ウェブ（２８）を通じて互いに離間していることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心圧縮機段。
9. 各前記横方向ウェブ（２８）が、各インペラブレード（１２）の前記吸い込み側（１９）と前記圧力側（１８）との間に延在していることを特徴とする請求項８に記載の遠心圧縮機段。
10. 前方のノッチ（２２）が、前側で前記流体入口端（１６）に隣接して閉じられ、かつ、後側で閉じられており、後方のノッチ（２２）が、後側で前記流体出口端（１７）に隣接して閉じられ、かつ、前側で閉じられていることを特徴とする請求項８又は９に記載の遠心圧縮機段。
11. 各ノッチ（２２）が、Ｖ字形の横断面と、Ｕ字形又は丸く形作られたノッチ底部（２６）とを有していることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の遠心圧縮機段。
12. 各インペラブレード（１２）の前記外面（２０）に構成された前記長手方向ウェブ（２３、２４）のいずれも、その外側部分において一定の厚さを有していることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の遠心圧縮機段。
13. インペラブレード（１２）の前記外面（２０）に構成された前記長手方向ウェブ（２３、２４）のいずれも、前記インペラブレード（１２）の前記流体入口端（１６）と前記流体出口端（１７）との間に延在していることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の遠心圧縮機段。

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