JP6995719B2 - 遠心羽根車および遠心式流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、遠心羽根車およびこれを備える遠心式流体機械に関する。

遠心式流体機械の一例であるプロセス用遠心圧縮機では、吸入した作動流体は単段あるいは多段の羽根車に設けられた流路を通過した後、吐出される。作動流体が羽根車の流路を通過する過程で、羽根車の回転エネルギーが作動流体に付与され、作動流体が圧縮される。羽根車を高速回転させて高周速化することにより、単位重量あたりの流体エネルギー増大分（ヘッド）が増え、必要ヘッドを満足するための羽根車段数が低減可能となる。さらに、羽根車段数の低減によりエネルギー損失が減り、圧縮機の効率向上を見込むことができる。また、羽根車を高速回転させて高周速化することにより、従来と比べ外径の小さな羽根車で、従来と同等量の流体エネルギーを与えることが可能となる。羽根車を高速回転させて高周速化するためには羽根車の限界周速を向上させることが必要である。羽根車の限界周速を向上することにより、羽根車の段数の低減や羽根車外径の低減が可能となり、プロセス用遠心圧縮機の小型化・高効率化が実現する。

羽根車の限界周速向上にあたり、高速回転時における構造強度の確保が課題となる。すなわち、羽根車の高周速化に伴い羽根車に発生する遠心応力が増大し、回転数が過大となるとシュラウドやハブに過大な応力が発生し、羽根車が損傷する。このように、羽根車の限界周速は、構造強度による制約を受ける。そのため、羽根車の限界周速を向上させるためには、遠心力に対し、構造強度の高い構造とする必要がある。従来は、羽根車のハブやシュラウドの寸法を変えることで、応力を抑制している。

なお、周速度を大きくできるようにした羽根車を備えた遠心圧縮機としては、例えば、特許文献１に記載のものがある。特許文献１では羽根の形状を工夫することにより、高い強度の羽根とし、周速度を大きくできるようにしている。

特開２０１０-１５１１２６号公報

従来、ハブやシュラウドの寸法を変える、あるいは羽根の形状を工夫するなどの観点で羽根車の限界周速を向上させている。
本発明は従来の観点以外に限界周速を向上させる方法がないか種々検討してなされたものである。

本発明の目的は、遠心羽根車を高周速化することが可能な構造を有する遠心羽根車およびそれを備えた遠心式流体機械を提供することにある。

本発明は、ハブ、複数の翼及びシュラウドにより構成される遠心式流体機械の遠心羽根車の翼に中空部を設けるようにしたものである。

本発明によれば、遠心羽根車に発生する遠心力が低下し、特にハブに発生する応力が低下する。その結果、ハブに発生する応力が許容限界応力に達する遠心羽根車の回転数が高くなり、遠心羽根車を高周速化することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例に係る遠心羽根車の外観図である。 図１に示す遠心羽根車における翼１ピッチ分を抜き出した形状を示す図である。 図１及び図２に示す遠心羽根車における翼部を抽出した図であり、中空部の設け方の一例を説明する図である。 図１及び図２に示す遠心羽根車における翼部を抽出した図であり、中空部の設け方の他の一例を説明する図である。 図１及び図２に示す遠心羽根車における翼部を抽出した図であり、中空部の設け方の他の一例を説明する図である。 本発明の遠心羽根車を適用した遠心式流体機械の一例を示す図である。

以下、本発明を実施する上で好適な実施例について図面を用いて説明する。
先ず、本発明の実施例を詳細に説明する前に、本発明に至った経緯について説明する。
従来、ハブやシュラウドの寸法を変えて高速回転時における構造強度の確保する、あるいは羽根の形状を工夫して高い強度の羽根とするなどの観点で羽根車の限界周速を向上させている。しかしながら、羽根車に発生する遠心力を小さくすることができれば、羽根車を高速回転させてもシュラウドやハブに発生する応力の増大を抑えることができ、羽根車の損傷を防止することができる。すなわち、限界周速を向上させることができる。

また、羽根車は、ハブ、複数の翼及びシュラウドにより構成される。羽根車はハブをシャフトに焼き嵌めてシャフトに取り付けられる。ハブをシャフトに固定する際の焼き嵌め代には製作性などの理由により限界があるため、羽根車の高周速化によりハブに加わる遠心力が増大すると、ハブが拡がりシャフトとの間にすべりが生じる。したがって、ハブに加わる遠心力を小さくすることができれば、羽根車を高速回転させてもハブの拡がりを抑えてハブとシャフトとの間にすべりが生じないようにすることができるので、限界周速を向上させることができる。例えば、羽根車に発生する遠心力を小さくするために、軽量の構造材を用いることが考えられる。

一方、遠心羽根車以外の分野では、例えば、ガスタービンや蒸気タービンの翼を中空構造としている。ガスタービンの翼では、中空部は翼を冷却するための冷却空気通路として用いられる。蒸気タービンでは液滴回収のため静翼内部に空間を形成したり、動翼の長翼化に起因して遠心力を低減するために動翼を中空化したりしている。しかし、遠心式流体機械の遠心羽根車は流体性能を向上させるという観点から翼を薄く構成することが多く、また、特許文献１に記載のように、羽根の強度確保も考慮して翼を中実構造としている。このように、遠心羽根車における技術的課題は、ガスタービンや蒸気タービンの翼における技術的課題とは異なる。
さらに、ガスタービンや蒸気タービンの翼は、個々に製造した翼をロータやケーシングに組み込むものであり、中空構造の翼自体は鋳造や曲げ加工などで製造される。しかし、遠心羽根車は、ハブ、複数の翼及びシュラウドを一体的に製造するものであり、このような羽根車構造では翼を中空構造とすることが困難である。これらのことから、遠心羽根車の翼をガスタービンや蒸気タービンの翼ように中空構造にするということは考えられていなかった。

しかし、遠心羽根車の限界周速を向上させるためには、上述したように、羽根車に発生する遠心力を小さくすることがハブなどに発生する応力の低減や、シャフト焼き嵌め部の変形低減に有効である。そして、近年の３Ｄプリンタの普及に伴い、従来は加工が困難であった構造の設計が可能となりつつある。例えば、特開２０１６－３７９０１号公報には、ターボチャージャーに用いられる羽根車を積層造形することが提案されている。なお、この特許文献では、必要な強度を確保しつつ慣性力を低減するため、羽根車として、ブレード部とハブ面部を含むシェル部と、シェル部の内側にあって格子状の骨格と空隙で形成される、シェル部よりも密度の低いコア部を有する構造を採用し、この構造を積層造形により形成している。この特許文献１は、慣性モーメントを下げてターボチャージャーとしての応答性の向上させるものであり、限界周速を向上させることやブレード部の中空化については考慮されていない。

本発明は、近年の３Ｄプリンタの普及に伴い、従来は加工が困難であった中空部を有する遠心羽根車の設計が可能であることに着目し、翼に中空部を設け、遠心羽根車に生じる遠心力を低下させることで、遠心羽根車の限界周速を向上させるようにしたものである。

また、本発明者等の検討によれば、遠心羽根車に生じる遠心力低減のため中空部を設けるにあたり、中空部を設ける場所と中空度を適切に選定することが重要である。中空度とは翼における中空の割合（単位体積あたりの中空の体積）である。遠心力は質量、回転中心からの距離、角速度の二乗の積により計算される。よって、中空度が高く、なおかつ回転中心から離れた位置に中空部を設ける程、遠心力を大きく低減することが可能である。しかし、高い応力が発生している部位で中空度を高くした場合、中空部を設けた部位の応力が一層高まり、耐用可能な周速が低下する可能性がある。遠心圧縮機向けの羽根車では、仕様に応じ、羽根車の軸方向長さや入口幅、出口幅などが大きく異なる。これに伴い、遠心力負荷時の応力の分布傾向や最大応力の発生部は異なる。そのため、仕様の異なる種々の羽根車の応力分布傾向を考慮した上で、中空度を設定することが重要である。このような点を考慮し、本発明の好適な実施例では、構造強度を考慮しつつ中空部を設けることにより遠心力を低下させた遠心圧縮機向けの遠心羽根車の構造を提案する。

遠心圧縮機向けの遠心羽根車では、翼部において、シュラウド流路側表面の曲率が最大となる部位で高い応力が生じるが、シュラウド流路側表面の曲率が最大となる部位から離れると、応力は低下してゆく。よって、シュラウド流路側表面の曲率が最大となる部位では、翼の強度裕度が低く、中空度を高く設定することが難しい。一方、シュラウド流路側面の曲率が最大となる部位から離れにつれ、翼の強度裕度は高く、中空度を高く設定することが可能である。

そこで、本発明の実施例で提案する遠心圧縮機向け遠心羽根車は、翼の中空度を、シュラウド流路側表面の曲率が最大となる部位に接合された位置で最小とし、シュラウド流路側表面の曲率が最大となる部位から離れるほど高く設定する。これにより、強度裕度を考慮した合理的な軽量化が達成され、構造強度を確保しつつも、大幅に遠心力を低減した遠心羽根車を得ることが出来る。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例を詳細に説明する。
先ず、図１及び図２を用いて本発明が適用される遠心羽根車の構成を説明する。図１は本発明の一実施例に係る遠心羽根車の外観図である。図２は図１に示す遠心羽根車における翼１ピッチ分を抜き出した形状を示す図である。
図１及び図２に示すように、本発明が適用される遠心羽根車１００は、翼入口側の中央部が突出した形状となっている円盤状のハブ１０１と、ハブ１０１上に周方向に間隔を置いて配置されている複数の翼１０２と、翼１０２を挟んでハブ１０１に対向して配置されるシュラウド１０３により構成される。ハブ１０１、翼１０２、シュラウド１０３は３Ｄプリンタ等を用いた積層造形法により一体物として成型される。遠心羽根車１００はハブ１０１の内径部にてシャフト（図示省略）に焼き嵌めにより固定される。遠心羽根車１００はハブ１０１の内径部にてシャフトを介してモータ（図示省略）からのトルクが伝達される。ハブ１０１、翼１０２、シュラウド１０３、翼入口側端部１０４、翼出口側端部１０５により囲われる領域が、遠心羽根車１００内部における、作動流体の流路１０６となる。作動流体は、翼入口側端部１０４側より流入し、流路１０６内で遠心羽根車１００より仕事を受け、圧縮されつつ翼出口側端部１０５側より吐出される。

次に図３を用いて翼１０２に中空部を設ける際の中空部の設け方の一例を説明する。図３は図１及び図２に示す遠心羽根車における翼１０２を抽出して表した図である。図３は、翼の中空度をシュラウド流路側面の曲率が最大となる部位に接合された位置で最小とし、シュラウド流路側面の曲率が最大となる部位から離れるほど高く設定した形状を示す。以降、シュラウド流路側表面１０７で曲率が最大となる部位を、シュラウド曲率最大部１０８と呼称し、シュラウド曲率最大部１０８に接合される（対向する）翼の部位をシュラウド曲率最大部対応翼部１０８ａと呼称する。シュラウド曲率最大部１０８（シュラウド曲率最大部対応翼部１０８ａ）は、翼入口側端部１０４と翼出口側端部１０５の中間部に位置する。また、翼１０２において、翼入口側端部１０４の中点と、翼出口側端部１０５の中点を翼面１０９に沿って結んだ線（図に示す点線）よりハブ１０１側の部位をハブ側翼部１１０、シュラウド側の部位を、シュラウド側翼部１１１と呼称する。

翼１０２には、図３に示すように、中空部１１２が設けられている。図３においては翼１０２の厚さ方向における中空部１１２の幅を変えることにより中空度を変えている。また、翼１０２の強度を維持するため、中空部１１２は翼入口側端部１０４から翼出口側端部１０５の方向において複数に分割されて設けられている。また、複数に分割された中空部１１２はシュラウド流路側表面１０７に対し放射状に設けられている。そして、本実施例では、シュラウド曲率最大部対応翼部１０８ａ近傍で翼の中空度が最小となり、シュラウド曲率最大部対応翼部１０８ａ近傍を離れるにつれて翼１０２の中空度が高くなっている。すなわち、中空部１１２の幅がシュラウド曲率最大部対応翼部１０８ａ近傍で最小、シュラウド曲率最大部対応翼部１０８ａ近傍を離れるにつれて広くなっている。

なお、中空部１１２の形状は図３に示す形状に限定されるものではない。本実施例の遠心羽根車は３Ｄプリンタ等を用いた積層造形法により製造されているので、様々な形状の中空部１１２とするこができる。例えば、ハブ側翼部１１０とシュラウド側翼部１１１で中空度を変えても良い。例えば、ハブ側翼部１１０における中空部の幅を小さくし、シュラウド側翼部１１１における中空部の幅を大きくするようにしても良く、また、中空部の幅をシュラウド側に向かうに従い大きくするようにしても良い。さらに、中空部１１２をシュラウド側翼部１１１のみに設けてもよい。

中空部１１２を設けた翼１０２は、中実翼を採用した構造と比べ軽量となり、回転時に遠心羽根車に生じる遠心力は低下する。これにより、特に翼１０２、シュラウド１０３における遠心力を受けるハブ１０１で生じる応力が低減されるため、遠心羽根車１００は中実翼を採用した構造と比べ、より高速に回転させることが可能となる。すなわち、許容限界応力に達する回転数が、翼を中実とした構造と比べ高くなり、限界周速を上昇させることができる。

一方、翼１０２では、回転時に発生する応力が中空部１１２を設けたことにより中実翼を用いた場合と比べ概ね上昇するものの、中実翼を用いた場合に最大応力が発生するシュラウド曲率最大部対応翼部１０８ａ近傍では中空度が低く応力の増大量が小さい。すなわち、回転時における遠心羽根車の翼に生じる翼形状に起因する応力分布を考慮して中空部が設定されているため、中空部近傍における強度問題の発生を回避できる。このため、翼１０２は強度のボトルネックとならず、翼１０２で生じる応力からは、遠心羽根車１００の限界周速は規定されない。なお、放射状に複数の中空部に分割して中空部１１２を翼１０２に設けることにより、応力の勾配に応じて中空部の大きさを設定することができ、応力を部分毎に最適化することが可能である。

本実施例の遠心羽根車１００におけるその他の利点として、シャフトと遠心羽根車内径（ハブ）との間の焼き嵌め部の信頼性向上が挙げられる。遠心羽根車１００では、翼１０２に中空部１１２を設け遠心力を低減したことにより、回転時における遠心羽根車内径（ハブ）の拡がり量が低下する。その結果、遠心羽根車内径とシャフト間の焼き嵌め部で必要となる締め代を小さくしても良い。また、遠心羽根車とシャフトの間で滑りが生じるリスクが低くなるので、限界周速を向上させることができる。

また、中空構造を採用する利点として、中実構造と比べ、同一の質量でより高い剛性を確保でき、変形を抑制可能な点が挙げられる。

図４に中空部の設け方の他の一例を示す。図４では、翼２０２に中空部２１２を設けるにあたって、翼出口側端部２０５側のみに中空部２１２を設けている。すなわち、シュラウド曲率最大部対応翼部２０８ａと翼出口側端部２０５との間の翼部に中空部２１２を設けている。中空部２１２は、翼入口側端部２０４側または翼出口側端部２０５側のいずれかの翼部に設けられていればよい。中空部２１２を翼入口側端部２０４側または翼出口側端部２０５側のどちらに設けるかは強度解析の結果にもよるが、一般的に、遠心力の低減という観点では、図４に示すように、回転中心から離れている翼出口側端部２０５側の翼部に設けるのが良い。この例においても、シュラウド曲率最大部対応翼部２０８ａ近傍で翼２０２の中空度が最小となり、シュラウド曲率最大部対応翼部２０８ａ近傍を離れるにつれて翼２０２の中空度が高くなっている。したがって、この例では、回転中心から離れるほど翼の中空度が上がっている。この図４に示す翼２０２を備えた遠心羽根車においても、上述の図３に示す翼１０２を備えた遠心羽根車と同様な効果が得られる。

図５に中空部の設け方の他の一例を示す。図５では、翼３０２に中空部３１２を設けるにあたって、中空部３１２を格子状としている。その他の点は、図３に示す翼１０２と同様である。例えば、シュラウド曲率最大部対応翼部３０８ａ近傍で翼３０２の中空度が最小となり、シュラウド曲率最大部対応翼部３０８ａ近傍を離れるにつれて翼３０２の中空度が高くなっている。この図５に示す翼３０２を備えた遠心羽根車においても、上述の図３に示す翼１０２を備えた遠心羽根車と同様な効果が得られる。また、中空部３１２を格子状とすることにより、翼３０２の強度を高めることができる。

＜遠心式流体機械の構成例＞
次に、図６を用いて本発明の遠心羽根車を適用した遠心式流体機械の構成例を説明する。遠心式流体機械としては、遠心ポンプ、遠心圧縮機などがあるが、図６は遠心圧縮機の全体構造を示す縦断面図である。
図６において、遠心圧縮機１０は、円筒状などに形成され静止部（ステータ）となるケーシング１１と、このケーシング１１内にラジアル軸受１２、１３及びスラスト軸受１４により支持されて回転可能に設けられた回転軸１５と、この回転軸１５に装着された複数段（図６では５段）の遠心羽根車１６とを備えている。回転軸１５と遠心羽根車１６によりロータ１７を構成している。なお、本実施例では、１本の回転軸１５に遠心羽根車１６を多段に設けた一軸多段遠心圧縮機を例に説明するが、遠心羽根車１６が１段のみの単段遠心圧縮機にも同様に適用できるものである。

ケーシング１１には、１段目の遠心羽根車１６に作動流体である気体を導入する吸込流路１８と、各段の遠心羽根車１６から出た気体の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフューザ１９と、このディフューザ１９からの圧縮された気体を次段の遠心羽根車１６に導入する戻り流路２０と、最終段の遠心羽根車１６から出た気体をケーシング１１外に吐出するための吐出流路２１などが設けられている。

回転軸１５の吐出側端部には、モータ等の駆動機（図示省略）が連結されており、この駆動機によってロータ１７を回転駆動する。また、ロータ１７が回転することにより、気体が吸込流路１８から吸い込まれて、複数段の遠心羽根車１６で順次圧縮され、最終的に吐出流路２１から吐出されるようになっている。

上述の構成において、遠心羽根車１６に上述の実施例の遠心羽根車が用いられている。上述した本発明の遠心羽根車を用いることにより、遠心圧縮機の遠心羽根車の段数低減や遠心羽根車外径の低減が実現し、遠心圧縮機の小型化や効率向上を実現することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。

また、特許請求の範囲の記載は、引用関係を簡潔化するために、単項引用としているが、多項引用とした場合、さらには、多項引用する請求項を多項引用する場合も本発明は含む。

１００：遠心羽根車
１０１：ハブ
１０２、２０２、３０２：翼
１０３：シュラウド
１０４、２０４：翼入口側端部
１０５、２０５：翼出口側端部
１０６：流路
１０７：シュラウド流路側表面
１０８、２０８、３０８：シュラウド曲率最大部
１０８ａ、２０８ａ、３０８ａ：シュラウド曲率最大部対応翼部
１０９：翼面
１１０：ハブ側翼部
１１１：シュラウド側翼部
１１２、２１２、３１２：中空部

Claims (5)

1. ハブ、複数の翼及びシュラウドにより構成される遠心式流体機械の遠心羽根車であって、
   前記翼は中空部が設けられ、
   前記中空部は、前記翼として中実翼を用いた場合に最大応力が発生する翼の部位の中空度が他の部位の中空度よりも小さくなるように設けられ、
   前記中空部は、前記シュラウドの流路側表面にて曲率が最大となる部位に対向する翼の部位で中空度が最小となるように設けられ、
   前記翼の厚さ方向における前記中空部の幅を変えることにより前記中空度を変え、前記シュラウドの流路側表面にて曲率が最大となる部位の前記翼の厚さ方向における前記中空部の幅を最小として前記翼の中空部を除く翼の厚さが他の部位の中空部における前記翼の中空部を除く翼の厚さよりも厚くなるようにしていることを特徴とする遠心羽根車。
2. 請求項１に記載の遠心羽根車において、
   前記中空部は、前記シュラウドの流路側表面にて曲率が最大となる部位より離れるほど翼の中空度が高くなるように設けられていることを特徴とする遠心羽根車。
3. 請求項１に記載の遠心羽根車において、
   前記中空部は、複数に分割して設けられており、かつ、前記シュラウドの流路側表面に対し放射状に設けられていることを特徴とする遠心羽根車。
4. 請求項１に記載の遠心羽根車において、
   前記ハブ、前記複数の翼及び前記シュラウドは、積層造形により一体成型されていることを特徴とする遠心羽根車。
5. 回転軸と、前記回転軸に焼き嵌めされた遠心羽根車とを備えた遠心式流体機械であって、
   前記遠心羽根車として請求項１乃至４の何れか一項に記載の遠心羽根車を用いたことを特徴とする遠心式流体機械。

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