JP6662451B2

JP6662451B2 - 遠心圧縮機インペラ

Info

Publication number: JP6662451B2
Application number: JP2018516898A
Authority: JP
Inventors: 拓郎桐明; ソーミヤダッタ
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2016-05-09
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2020-03-11
Anticipated expiration: 2037-04-07
Also published as: JPWO2017195512A1; US11028856B2; US20200386239A1; WO2017195512A1; CN108463636A; DE112017002375T5; DE112017002375B4; CN108463636B

Description

本開示は、遠心圧縮機インペラに関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の遠心圧縮機インペラが知られている。特許文献１では、インペラを射出成形で製作することが記載されている。

特開2014-238084号公報

一般的に、遠心圧縮機インペラは複雑な湾曲面を含む羽根を有しているので、射出成形で製作する場合には離型が問題になる。すなわち、羽根を形成するための金型にあっては、離型の際に羽根と金型との干渉を避ける必要がある。よって、羽根の形状が複雑であれば、離型を可能にするために金型を細かく分割する必要があり、生産性が悪くなる。その一方で、金型をインペラの回転軸線方向に離型することも考えられる。しかし、回転軸線方向への離型を可能とするようなインペラにあっては、羽根の形状が大きく制約されるので、羽根の形状を単純化せざるを得ず、その結果、インペラの性能を犠牲にせざるを得ない。

本開示は、性能の低下を抑えながら射出成形による生産性を高める遠心圧縮機インペラを説明する。

本開示の一態様に係る遠心圧縮機インペラは、ハブと、ハブ上で回転周方向に配列された複数の長羽根と、長羽根同士の間に配設された短羽根と、を備える遠心圧縮機インペラであって、回転軸線に直交する仮想平面に平行な方向であり、且つ、短羽根の回転方向前方に隣接する長羽根の負圧面のすべてと、短羽根の回転方向後方に隣接する長羽根の正圧面のすべてと、短羽根の表面のすべてと、が見える視線の方向が存在する。

本開示の遠心圧縮機インペラによれば、性能の低下を抑えながら射出成形による生産性を高めることができる。

第１実施形態の遠心圧縮機インペラの側面図である。（ａ），（ｂ）は、一般的な遠心圧縮機インペラの羽根を回転軸線に直交する平面に投射した形状を示す図である。（ａ），（ｂ）は、本発明者らによる試験結果を示す図である。（ａ），（ｂ）は、本発明者らによる試験結果を示す図である。第２実施形態の遠心圧縮機インペラの側面図である。

本開示の遠心圧縮機インペラは、ハブと、ハブ上で回転周方向に配列された複数の長羽根と、長羽根同士の間に配設された短羽根と、を備える遠心圧縮機インペラであって、回転軸線に直交する仮想平面に平行な方向であり、且つ、短羽根の表面のすべてが見える視線の方向が存在しており、長羽根の枚数と短羽根の枚数との合計をＮ枚とし、長羽根の見開き角をαとし、短羽根の見開き角をβとしたとき、α≦（３６０°／Ｎ）＋βである。

本開示の遠心圧縮機インペラは、ハブと、ハブ上で回転周方向に配列された複数の長羽根を備える遠心圧縮機インペラであって、回転軸線に直交する仮想平面に平行な方向であり、且つ、１つの長羽根の負圧面のすべてと、負圧面に隣接する他の長羽根の正圧面のすべてと、が見える視線の方向が存在する。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ本開示の一実施形態に係る遠心圧縮機インペラ１（以下、単に「インペラ１」と称する）について詳細に説明する。

図１に示されるインペラ１は、遠心圧縮機内で回転軸線Ｃ周りに矢印Ｊ方向に回転し、回転軸線Ｃ方向から導入されるガスを回転径方向に排出する。インペラ１は、ハブ３と、ハブ３上で回転周方向に等間隔に配列された複数（例えば６枚）の長羽根５を備える。また、インペラ１は、長羽根５同士の間にそれぞれ１枚ずつ配設された複数の（例えば６枚）の短羽根７を備える。

ここで、インペラ１の１つの短羽根７と、この短羽根７を回転周方向に挟む２つの長羽根５に注目する。注目する短羽根７を「短羽根７Ａ」とする。短羽根７Ａの回転方向前方に隣接する長羽根５を「長羽根５Ａ」とする。短羽根７Ａの回転方向後方に隣接する長羽根５を「長羽根５Ｂ」とする。また、回転軸線Ｃに直交する仮想平面を仮想平面Ｓとする。

インペラ１には、仮想平面Ｓに平行な方向であり、且つ、長羽根５Ａの負圧面１１のすべてと、長羽根５Ｂの正圧面１２のすべてと、短羽根７Ａの表面のすべてと、が見える視線の方向が存在する。短羽根７Ａの表面には、短羽根７Ａの負圧面１３、正圧面１４、リーディングエッジ、及びトレーリングエッジが含まれる。なお、上記の視線の方向は、短羽根７Ａの出口羽根角の方向であり、図１は、当該視線の方向から見たインペラ１の側面図である。

これに対し、インペラ１を回転軸線Ｃに平行な視線で見ると、長羽根５Ａの負圧面１１と、長羽根５Ｂの正圧面１２と、短羽根７Ａの表面と、のうち、少なくとも一部が見えない状態となる。

ここで、「インペラ１上のある面Ｔがすべて見える」とは、面Ｔ上のすべての点が、インペラ１の表面上の他の部位に隠されることなくすべて見えることを言う。このとき、互いに重複して見える点の組が面Ｔ上に存在している場合にも、「面Ｔがすべて見える」という状態に含まれる。

上記のように、「インペラ１において、仮想平面Ｓに平行な方向であり、且つ、長羽根５Ａの負圧面１１のすべてと、長羽根５Ｂの正圧面１２のすべてと、が見える視線の方向が存在する」という条件について考える。当該条件が満足されるためには、当該インペラ１の長羽根５の枚数と短羽根７の枚数との合計をＮ枚とし、長羽根５の見開き角をαとし、短羽根７の見開き角をβとしたとき、α≦（３６０°／Ｎ）＋βであることが必要である。

ここで、図２を参照しながら、インペラの羽根の見開き角の定義について説明する。図２（ａ）は、一般的な遠心圧縮機インペラ２０１の１つの長羽根１０５を、回転軸線Ｃに直交する仮想平面Ｓ（図１参照）に投射した図である。図２（ｂ）は、遠心圧縮機インペラ２０１の１つの短羽根１０７を、上記仮想平面Ｓに投射した図である。

図２において、
点Ｃは、インペラ２０１の回転軸線
点Ａは、長羽根１０５のリーディングエッジのハブ側の端部
点Ｄは、長羽根１０５のトレーリングエッジのハブ側の端部
点Ｅは、短羽根１０７のリーディングエッジのハブ側の端部
点Ｆは、短羽根１０７のトレーリングエッジのハブ側の端部とする。

図２（ａ）に示されるように、長羽根１０５の見開き角αは、仮想平面Ｓ上において直線ＣＡと直線ＣＤとがなす角度と定義される。同様に、短羽根１０７の見開き角βは、仮想平面Ｓ上において直線ＣＥと直線ＣＦとがなす角度と定義される。

続いて、インペラ１による作用効果について説明する。前述の通り、インペラ１には、仮想平面Ｓに平行な方向であり、且つ、長羽根５Ａの負圧面１１のすべてと、長羽根５Ｂの正圧面１２のすべてと、短羽根７Ａの表面のすべてと、が見える視線の方向が存在する。よって、長羽根５Ａの負圧面１１と、長羽根５Ｂの正圧面１２と、短羽根７Ａとを形成する射出成形金型を一体のものとした場合にも、当該金型は、上記視線の方向（短羽根７Ａの出口羽根角の方向）に離型可能である。すなわち、図１においては、当該金型を紙面に直交する方向に手前側に離型することができる。

従って、インペラ１の射出成形においては、長羽根５同士の間のそれぞれに一体ずつの金型を割り当てることができる。そして、長羽根５と同数（６体）の金型によってすべての長羽根５と短羽根７とを形成することができる。また、このとき、各金型を仮想平面Ｓに平行な方向に直線軌道で移動させて離型することができる。すなわち、長羽根５の枚数と同じ数（６体）といった比較的少数の金型によってインペラ１の６枚の長羽根５及び６枚の短羽根７を形成することができる。そして、金型の離型の際には各金型を仮想平面Ｓに平行な方向に直線軌道で移動させればよい。従って、射出成形によるインペラ１の生産性の向上が図られる。

また、インペラ１は、長羽根５及び短羽根７を形成する金型を仮想平面Ｓに平行な方向に離型させる形状である。従って、回転軸線Ｃ方向への離型を可能とするインペラに比較して、長羽根５及び短羽根７の形状を極端に単純化する必要がなく、インペラ１の性能の低下を抑えることができる。

なお、前述のとおり、インペラ１を回転軸線Ｃに平行な視線で見ると、長羽根５Ａの負圧面１１と、長羽根５Ｂの正圧面１２と、短羽根７Ａの表面と、のうち、少なくとも一部が見えない状態となる。従って、このインペラ１の長羽根５及び短羽根７を一体で形成可能であり且つ回転軸線Ｃ方向に離型可能な射出成形金型は存在しない。

以下、インペラ１の性能について、本発明者らが行ったＣＦＤ解析の結果について説明する。

本発明者らは、インペラのモデルＭ１，Ｍ２を準備してＣＦＤ解析を行った。モデルＭ１のインペラは、インペラ１の条件を満足せず、複雑な形状の長羽根及び短羽根を備える。モデルＭ２のインペラは、回転軸線Ｃ方向に離型可能な金型によって製造可能であるような単純な形状の長羽根及び短羽根を備える。ＣＦＤ解析の結果は、図３（ａ），（ｂ）に示される。図３（ａ）は、インペラの流量（横軸）と効率（縦軸）との関係を示すグラフである。図３（ｂ）は、インペラの流量（横軸）と圧力比（縦軸）との関係を示すグラフである。モデルＭ１とモデルＭ２とを比較して判るとおり、インペラの羽根形状を安易に単純化すると、効率及び圧力比の低下を招くことが判る。特に、効率については、モデルＭ１に対してモデルＭ２の効率が、５ポイント（５％分）と比較的大きく低下した。

更に、本発明者らは、インペラのモデルＭ１’，Ｍ３を準備してＣＦＤ解析を行った。モデルＭ１’のインペラは、モデルＭ１と同様に、インペラ１の条件を満足せず、複雑な形状の長羽根及び短羽根を備える。モデルＭ３のインペラは、前述のインペラ１の条件を満足するものである。ＣＦＤ解析の結果は、図４（ａ），（ｂ）に示される。図４（ａ）は、インペラの流量（横軸）と効率（縦軸）との関係を示すグラフである。図４（ｂ）は、インペラの流量（横軸）と圧力比（縦軸）との関係を示すグラフである。モデルＭ１’とモデルＭ３とを比較して判るとおり、モデルＭ３では、モデルＭ１’に対して遜色がない圧力比が得られる。また、モデルＭ３の効率の低下は、モデルＭ１’に対して１．５ポイント（１．５％分）と比較的小さく抑えられた。以上により、インペラ１によれば、モデルＭ１’のようなインペラに比べても、極端な性能低下が発生しないことが判明した。

〔第２実施形態〕
図５に示される遠心圧縮機インペラ７１は、ハブ３と、ハブ３上で回転周方向に等間隔に配列された複数（例えば６枚）の長羽根７５を備える遠心圧縮機インペラである。インペラ７１は、第１実施形態のインペラ１が備えるような短羽根７（図１参照）を備えていない。インペラ７１には、回転軸線Ｃに直交する仮想平面Ｓに平行な方向であり、且つ、１つの長羽根７５Ａの負圧面８１のすべてと、負圧面８１に隣接する他の長羽根７５Ｂの正圧面８２のすべてと、が見える視線の方向が存在する。図５は、当該視線の方向から見たインペラ１の側面図である。また、上記のような視線の方向が存在するという条件を満たすためには、長羽根７５の枚数をＭ枚としたとき、長羽根７５の見開き角αが、α≦３６０°／Ｍであることが必要である。インペラ７１を回転軸線Ｃに平行な視線で見ると、長羽根７５Ａの負圧面８１と、長羽根７５Ｂの正圧面８２と、のうち、少なくとも一部が見えない状態となる。以上のようなインペラ７１によっても、第１実施形態のインペラ１と同様の作用効果が奏される。

本開示は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。例えば、第１実施形態では、長羽根５と短羽根７とを６枚ずつ備えるインペラ１を例として説明したが、本開示は、それ以外の枚数の長羽根及び短羽根を備えるインペラにも同様に適用可能である。また、第２実施形態では、長羽根７５を６枚備えるインペラ７１を例として説明したが、本開示は、それ以外の枚数の長羽根を備えるインペラにも同様に適用可能である。

１遠心圧縮機インペラ
３ハブ
５，５Ａ，５Ｂ長羽根
７，７Ａ短羽根
１１負圧面
１２正圧面
７１遠心圧縮機インペラ
７５，７５Ａ，７５Ｂ長羽根
８１負圧面
８２正圧面
Ｃ回転軸線
Ｓ仮想平面

Claims

ハブと、前記ハブ上で回転周方向に配列された複数の長羽根と、前記長羽根同士の間に配設された短羽根と、を備える遠心圧縮機インペラであって、
回転軸線に直交する仮想平面に平行な方向であり、且つ、前記短羽根の回転方向前方に隣接する前記長羽根の負圧面のすべてと、前記短羽根の回転方向後方に隣接する前記長羽根の正圧面のすべてと、前記短羽根の表面のすべてと、が見える視線の方向が存在する、遠心圧縮機インペラ。
ハブと、前記ハブ上で回転周方向に配列された複数の長羽根と、前記長羽根同士の間に配設された短羽根と、を備える遠心圧縮機インペラであって、
回転軸線に直交する仮想平面に平行な方向であり、且つ、前記短羽根の表面のすべてが見える視線の方向が存在しており、
前記長羽根の枚数と前記短羽根の枚数との合計をＮ枚とし、前記長羽根の見開き角をαとし、前記短羽根の見開き角をβとしたとき、α≦（３６０°／Ｎ）＋βである、遠心圧縮機インペラ。
ハブと、前記ハブ上で回転周方向に配列された複数の長羽根を備える遠心圧縮機インペラであって、
回転軸線に直交する仮想平面に平行な方向であり、且つ、１つの前記長羽根の負圧面のすべてと、前記負圧面に隣接する他の前記長羽根の正圧面のすべてと、が見える視線の方向が存在する、遠心圧縮機インペラ。
前記回転軸線に平行な視線で見ると、前記短羽根の回転方向前方に隣接する前記長羽根の負圧面、前記短羽根の回転方向後方に隣接する前記長羽根の正圧面、及び前記短羽根の前記表面を合わせた面のうち少なくとも一部が見えない、請求項１又は２に記載の遠心圧縮機インペラ。
前記回転軸線に平行な視線で見ると、前記負圧面及び前記正圧面を合わせた面のうち少なくとも一部が見えない、請求項３に記載の遠心圧縮機インペラ。