JP6998462B2 - 回転翼及びこの回転翼を備える遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本開示は、回転翼及びこの回転翼を備える遠心圧縮機に関する。

特許文献１には、インペラの構造強度を十分に確保した上で作動域を低流量側へ拡大した遠心圧縮機が記載されている。この遠心圧縮機では、インペラに設けられた各ブレードの圧力面に、後縁のエッジ部の中心を負圧面側へ寄せるように緩やかに曲がった曲がり面部が形成されている。

特開２０１３－１５１０１号公報

本発明者らの鋭意検討によると、ブレードの圧力面側に特許文献１に開示された曲がり面部を形成すると、インペラの構造強度を十分に確保した上で作動域を低流量側へ拡大できるものの圧力比は低下してしまうことが明らかになった。一方で、ブレードの負圧面側に曲がり面部を形成すると、圧力比を向上できることが明らかとなった。

上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、圧力比を向上できる回転翼及びこの回転翼を備える遠心圧縮機を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも１つの実施形態に係る回転翼は、
ハブと、
前記ハブに設けられた複数のブレードと
を備える回転翼であって、
前記複数のブレードのそれぞれは、負圧面と、圧力面と、前縁と、後縁と、チップ側縁と、ハブ側縁とを含み、
前記負圧面は、前記後縁に接続する領域のうち前記ブレードの翼高さ方向の一部の領域である第１領域において、前記後縁を前記圧力面側に寄せるように前記後縁に向かって凸状に湾曲した第１曲がり面部を含む。

上記（１）の構成によると、負圧面に沿って前縁から後縁に向かって流通する流体の流れ方向は、第１曲がり面部に沿って流れることで大きく曲がり、後縁を通り過ぎたあたりで回転翼の回転方向に近似するようになる。このような空気の流れ方向の変化によって、流体の回転翼に対する仕事が増加するので、回転翼の回転による圧力比を向上することができる。

（２）いくつかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記第１曲がり面部は前記ハブ側縁に接続する。

（３）いくつかの実施形態では、上記（２）の構成において、
前記第１曲がり面部は、前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かう方向において前記ハブ側縁から翼高さの８０％以下の領域に形成されている。

本発明者らの鋭意検討によると、負圧面に第１曲がり面部を形成することによる圧力比の向上効果は、第１曲がり面部がハブ側縁付近に存在するほど大きくなる。上記（２）及び（３）の構成によると、第１曲がり面部がハブ側縁付近に形成されているので、圧力比の向上効果をさらに高めることができる。

（４）いくつかの実施形態では、上記（１）～（３）のいずれかの構成において、
前記ブレードの子午面に垂直な断面において、前記前縁と前記後縁とをつなぐ直線であるコード線に対して前記第１曲がり面部の接線のなす角度が前記後縁に向かって増加するように、前記第１曲がり面部は構成されている。

上記（４）の構成によると、負圧面に沿って前縁から後縁に向かって流通する流体の流れ方向は、第１曲がり面部に沿って流れることでさらに大きく曲がり、後縁を通り過ぎたあたりで回転翼の回転方向にさらに近似するようになる。このような空気の流れ方向の変化によって、流体の回転翼に対する仕事がさらに増加するので、回転翼の回転による圧力比をさらに向上することができる。

（５）いくつかの実施形態では、上記（１）～（４）のいずれかの構成において、
前記圧力面は、前記後縁に接続する領域のうち前記ブレードの翼高さ方向の一部の領域である第２領域において、前記後縁を前記負圧面側に寄せるように前記後縁に向かって凸状に湾曲した第２曲がり面部を含む。

上記（５）の構成によると、流体が圧力面に沿って流通する際に生じる境界層は、第２曲がり面部において縮小し、圧力面に沿った流体の流れが助長されるので、回転翼の回転による圧縮効率を向上することができる。

（６）いくつかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記第２曲がり面部は前記チップ側縁に接続する。

（７）いくつかの実施形態では、上記（６）の構成において、
前記第２曲がり面部は、前記チップ側縁から前記ハブ側縁に向かう方向において前記チップ側縁から翼高さの７０％以下の領域に形成されている。

本発明者らの鋭意検討によると、圧力面に第２曲がり面部を形成することによる回転翼の回転による圧縮効率の向上効果は、第２曲がり面部がチップ側縁付近に存在するほど大きくなる。上記（６）及び（７）の構成によると、第２曲がり面部がチップ側縁付近に形成されているので、回転翼の回転による圧縮効率の向上効果をさらに高めることができる。

（８）いくつかの実施形態では、上記（５）～（７）のいずれかの構成において、
前記ブレードの子午面に垂直な断面において、前記前縁と前記後縁とをつなぐ直線であるコード線に対して前記第２曲がり面部の前記後縁における接線のなす角度は、前記コード線に対して前記第１曲がり面部の前記後縁における接線のなす角度よりも小さい。

上記（８）の構成によると、第２曲がり面部よりも第１曲がり面部の方が大きく湾曲した構成となっている。このため、第２曲がり面部に沿って流れる流体によって、ブレードの後縁付近に形成される境界層域が低減されるため、回転翼の回転による圧縮効率が向上する。

（９）いくつかの実施形態では、上記（５）～（８）のいずれかの構成において、
前記後縁は、前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かって直線状である。
上記（９）の構成によると、後縁がハブ側縁からチップ側縁に向かって直線状であるので、ブレードの製造作業性を向上することができる。

（１０）本発明の少なくとも１つの実施形態に係る遠心圧縮機は、
上記（１）～（９）のいずれか一項に記載の回転翼を備える。
上記（１０）の構成によると、遠心圧縮機の圧力比を向上することができる。

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、負圧面に沿って前縁から後縁に向かって流通する流体の流れ方向は、第１曲がり面部に沿って流れることで大きく曲がり、後縁を通り過ぎたあたりで回転翼の回転方向に近似するようになる。このような空気の流れ方向の変化によって、流体の回転翼に対する仕事が増加するので、回転翼の回転による圧力比を向上することができる。

本開示の実施形態１に係る回転翼を備えた遠心圧縮機の子午面図である。 本開示の実施形態１に係る回転翼に設けられたブレードの等スパンハイト断面図である。 本開示の実施形態１に係る回転翼に設けられたブレードの後縁付近における子午面に垂直な部分断面図である。 空気の体積流量と圧力比との関係についてＣＦＤ解析によって得られた結果を示すグラフである。 第１領域の範囲を変化させたときのすべり量の変化についてＣＦＤ解析によって得られた結果を示すグラフである。 本開示の実施形態２に係る回転翼に設けられたブレードの後縁付近における圧力面側の子午面図である。 図６のＶＩＩ－ＶＩＩ線に沿った断面図である。 本開示の実施形態２に係る回転翼に設けられたブレードの後縁付近の斜視図である。 空気の体積流量と圧縮効率との関係についてＣＦＤ解析によって得られた結果を示すグラフである。 図４のブレード（ｂ）の負圧面及び圧力面に形成される境界層における流速分布についてＣＦＤ解析によって得られた結果を示す図である。 本開示の実施形態２に係る回転翼の第１曲がり面部及び第２曲がり面部それぞれの湾曲形状を示す部分断面図である。 第２領域の範囲を変化させたときの境界層内流速の変化についてＣＦＤ解析によって得られた結果を示すグラフである。 本開示の実施形態２に係る回転翼に設けられたブレードの変形例の後縁付近の正面図である。

以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

以下に示す本開示のいくつかの実施形態の回転翼を、ターボチャージャの遠心圧縮機に設けられた回転翼（インペラ）を例に説明する。ただし、本開示における遠心圧縮機は、ターボチャージャの遠心圧縮機に限定するものではなく、単独で動作する任意の遠心圧縮機であってもよい。また、具体的には説明しないが、本開示の回転翼は、タービンや軸流ポンプに用いられる回転翼も含んでいる。尚、以下の説明において、遠心圧縮機によって圧縮される流体は空気であるが、任意の流体に置き換えることが可能である。

（実施形態１）
図１に示されるように、遠心圧縮機１は、ハウジング２と、ハウジング２内において回転軸線Ｌを中心に回転可能に設けられたインペラ３とを備えている。インペラ３は、周方向に所定の間隔をあけてハブ５に設けられた流線形状の複数のブレード４（図１には１つのブレード４のみが描かれている）を有している。各ブレード４は、前縁４ａと、後縁４ｂと、ハウジング２に面するチップ側縁４ｃと、ハブ５に接続するハブ側縁４ｄとを含んでいる。

各ブレード４の負圧面１０において、後縁４ｂに接続する領域のうちブレード４の翼高さ方向の一部の領域を第１領域Ｒ１とする。図２に示されるように、各ブレード４の負圧面１０は、第１領域Ｒ１において、後縁４ｂを圧力面２０側に寄せるように後縁４ｂに向かって凸状に湾曲した第１曲がり面部１１を含んでいる。図２において、第１曲がり面部１１の前縁４ａ側の縁部１１ａを通りブレード４の中心線ＣＬ１に垂直な垂直線ＰＬ１を引く。前縁４ａから垂直線ＰＬ１までの中心線ＣＬ１を垂直線ＰＬ１から後縁４ｂ側へ延長した直線を延長線ＥＬ１とすると、第１領域Ｒ１において、後縁４ｂは、延長線ＥＬ１に対して圧力面２０側に位置している。

図３に示されるように、第１曲がり面部１１の凸状の湾曲は、前縁４ａ（図２参照）と後縁４ｂとをつなぐ直線であるコード線ＣＬ２に対して第１曲がり面部１１の接線のなす角度が後縁４ｂに向かって増加するような形状となっていることが好ましい。すなわち、第１曲がり面部１１の接線ＴＬ１及び接線ＴＬ１よりも後縁４ｂ側の接線ＴＬ２のそれぞれがコード線ＣＬ２に対してなす角度をそれぞれθ_１及びθ_２とすると、θ_１＜θ_２となっていることが好ましい。

各ブレード４の負圧面１０の第１領域Ｒ１に第１曲がり面部１１が存在すると、負圧面１０に沿って前縁４ａから後縁４ｂに向かって流通する空気の流れ方向Ｂは、第１曲がり面部１１に沿って流れることで大きく曲がり、後縁４ｂを通り過ぎたあたりでインペラ３（図１参照）の回転方向Ａに近似するようになる。このような空気の流れ方向の変化によって、空気に対するインペラ３の仕事が増加するので、インペラ３の回転による圧力比、すなわち遠心圧縮機１（図１参照）の圧力比が向上する。

本発明者らは、このような第１曲がり面部１１による効果をＣＦＤ解析によって確認した。その結果を図４に示す。図４のグラフには、負圧面１０に第１曲がり面部１１を有する実施形態１のブレード（（ａ）に図示されている）の他に、（ｂ）に図示されるような、圧力面２０に曲がり面部９を有する形態のブレードと、（ｃ）に図示されるような、後縁４ｂ近傍の断面が略楕円形状を有する形態のブレードとについて、ＣＦＤ解析によって得られた空気の体積流量と圧力比との関係が示されている。この関係から、負圧面１０に第１曲がり面部１１を有する実施形態１のブレードは、他の２つの形態のブレードに対して圧力比の向上効果を有していることが確認できる。

また、発明者らは、圧力比の向上効果を得るための第１領域Ｒ１の好ましい範囲をＣＦＤ解析によって確認した。その結果を図５に示す。図５のグラフには、負圧面１０に第１曲がり面部１１を有する実施形態１のブレード（（ａ）に図示されている）について、ハブ側縁４ｄからチップ側縁４ｃに向かう方向においてブレードの翼高さＨに対するハブ側縁４ｄからの第１領域Ｒ１の高さｈ１の割合（スパンハイト）（ｈ１／Ｈ）、すなわち第１領域Ｒ１の無次元高さを変化させたときのすべり量ΔＣ_θの変化を示している。ここで、すべり量ΔＣ_θは圧力比の指標であり、図５の（ａ）～（ｃ）それぞれの比較においては、すべり量ΔＣ_θが小さいほど圧力比は大きくなる。

図５のグラフにはさらに、（ｂ）に示されるように、圧力面２０に曲がり面部９を有するブレードについて、ハブ側縁４ｄからチップ側縁４ｃに向かう方向においてブレードの翼高さＨに対するハブ側縁４ｄからの曲がり面部９の高さｈ２の割合（ｈ２／Ｈ）を変化させたときのすべり量ΔＣ_θの変化と、（ｃ）に示されるように、後縁４ｂ近傍の断面が略楕円形状を有する形態のブレードについて、ハブ側縁４ｄからチップ側縁４ｃに向かう方向においてブレードの翼高さＨに対するハブ側縁４ｄからの略楕円形状の断面を有する部分８の高さｈ３の割合（ｈ３／Ｈ）を変化させたときのすべり量ΔＣ_θの変化とを示している。

図５のグラフによれば、ハブ側縁４ｄからの第１領域Ｒ１の無次元高さを８０％以下とすれば、ブレード（ａ）はブレード（ｂ）及び（ｃ）に対してすべり量ΔＣ_θが小さい、すなわち圧力比が大きくなっていることがわかる。このため、ハブ側縁４ｄからの第１領域Ｒ１の無次元高さが８０％以下、好ましくは７０％以下、さらに好ましくは５０％以下であれば、圧力比の向上効果があるといえる。

（実施形態２）
次に、実施形態２に係る回転翼について説明する。実施形態２に係る回転翼は、実施形態１に対して、圧力面２０にも曲がり面部を形成したものである。尚、実施形態２において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図６に示されるように、各ブレード４の圧力面２０において、後縁４ｂに接続する領域のうちブレード４の翼高さ方向の一部の領域を第２領域Ｒ２とする。図７に示されるように、各ブレード４の圧力面２０は、第２領域Ｒ２において、後縁４ｂを負圧面１０側に寄せるように後縁４ｂに向かって凸状に湾曲した第２曲がり面部２１を含んでいる。図７において、第２曲がり面部２１の前縁４ａ側の縁部２１ａを通りブレード４の中心線ＣＬ１に垂直な垂直線ＰＬ２を引く。前縁４ａから垂直線ＰＬ２までの中心線ＣＬ１を垂直線ＰＬ２から後縁４ｂ側へ延長した直線を延長線ＥＬ２とすると、第２領域Ｒ２において、後縁４ｂは、延長線ＥＬ２に対して負圧面１０側に位置している。

図８に示されるように、第１領域Ｒ１は、負圧面１０において翼高さ方向にハブ側縁４ｄからチップ側縁４ｃに向かって延びるように形成され、第２領域Ｒ２は、圧力面２０において翼高さ方向にチップ側縁４ｃからハブ側縁４ｄに向かって延びるように形成されている。ブレード４の翼高さ方向において第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間には、負圧面１０側及び圧力面２０側のそれぞれに凸状に湾曲した曲がり面部が形成されることによって、断面が略楕円形状を有する中間部分３０が構成されている。ブレード４を後縁４ｂに対向する方向から見たときに、後縁４ｂは、ハブ側縁４ｄからチップ側縁４ｃまで直線形状となっている。その他の構成は実施形態１と同じである。

本発明者らによるＣＦＤ解析によれば、実施形態１において説明したように、負圧面１０に第１曲がり面部１１を形成することによって遠心圧縮機１（図１参照）の圧力比を向上する効果があった（図４参照）。しかしながら、本発明者らが図４のブレード（ａ）～（ｃ）のそれぞれに対してＣＦＤ解析を行ったところ、図９に示されるように、ブレード（ａ）は、空気の体積流量によっては、他の２つの形態のブレードに対して、インペラ３（図１参照）の回転による圧縮効率、すなわち遠心圧縮機１の圧縮効率が低くなり得ることを確認した。一方で、空気の体積流量によっては、圧力面に曲がり面部を形成したブレード（ｂ）において遠心圧縮機１の圧縮効率が最も高くなり得ることを確認した。このことから、圧力面２０にも曲がり面部を形成することで遠心圧縮機１の圧縮効率を向上できると考えられる。

図１０（ａ）には、図４のブレード（ｂ）に対してＣＦＤ解析を行うことによって、ブレードの負圧面１０及び圧力面２０に形成される境界層付近の流速分布を得た結果を示しし、図１０（ｂ）には、図４のブレード（ａ）に対してＣＦＤ解析を行うことによって、ブレードの負圧面１０及び圧力面２０に形成される境界層付近の流速分布を得た結果を示している。図１０（ａ）に示されるように、各ブレード４の圧力面２０の第２領域Ｒ２に第２曲がり面部２１が存在すると、圧力面２０に沿って前縁４ａ（図１参照）から後縁４ｂに向かって流通する際に生じる境界層４０は、第２曲がり面部２１において縮小し、圧力面２０に沿った流れが助長されることが分かる。一方、図１０（ｂ）に示されるように、各ブレード４の負圧面１０の第１領域Ｒ１に第１曲がり面部１１が存在しても、第１曲がり面部１１において境界層４０の縮小は見られない。したがって、圧力面２０に曲がり面部（第２曲がり面部２１）を形成することで、遠心圧縮機１の圧縮効率が向上するといえる。

図８に示されるように、実施形態２に係るブレード４は、負圧面１０において後縁４ｂに接続する第１領域Ｒ１に第１曲がり面部１１が形成されるとともに、圧力面２０において後縁４ｂに接続する第２領域Ｒ２に第２曲がり面部２１が形成されているので、実施形態１と同様に遠心圧縮機１（図１参照）の圧力比を向上できるとともに遠心圧縮機１の圧縮効率を向上することができる。

図１１（ａ）に示されるように、ブレード４の子午面に垂直な断面において、コード線ＣＬ２に対して第１曲がり面部１１の後縁４ｂにおける接線ＴＬ３のなす角度をθ_４ｂとする。図１１（ｂ）に示されるように、ブレード４の子午面に垂直な断面において、コード線ＣＬ２に対して第２曲がり面部２１の後縁４ｂにおける接線ＴＬ４のなす角度をα_４ｂとする。第２曲がり面部２１の凸状の湾曲は、α_４ｂ＜θ_４ｂとなっていることが好ましい。この構成によると、第２曲がり面部２１に沿って流れる空気がブレード４を押す力よりも、第１曲がり面部１１に沿って流れる空気によって、ブレード４の後縁４ｂ付近に形成される境界層域が低減されるため、インペラ３の圧縮効率が向上する。

本発明者らは、圧縮効率の向上効果を得るための第２領域Ｒ２の好ましい範囲をＣＦＤ解析によって確認した。その結果を図１２に示す。図１２のグラフには、図４のブレード（ｂ）について、第２領域Ｒ２の無次元高さを変化させたときの境界層内における空気の流速（境界層内流速）の変化を示している。図１２のグラフにはさらに、図４のブレード（ａ）について、第１領域Ｒ１の無次元高さを変化させたときの境界層内流速の変化と、図４のブレード（ｃ）について、略楕円形状の断面を有する部分８の無次元高さを変化させたときの境界層内流速の変化とを示している。

図１２のグラフによれば、チップ側縁４ｃからの第２領域Ｒ２の無次元高さを７０％以下とすれば、ブレード（ｂ）はブレード（ａ）及び（ｃ）に対して境界層内流速が大きいことがわかる。このため、チップ側縁４ｃからの第２領域Ｒ２の無次元高さが７０％以下、好ましくは４０％以下、さらに好ましくは３０％以下であれば、圧縮効率の向上効果があるといえる。

実施形態２では、図８に示されるように、ブレード４を後縁４ｂに対向する方向から見たときに、後縁４ｂは、ハブ側縁４ｄからチップ側縁４ｃまで直線形状となっていたが、この形態に限定するものではない。例えば図１３（ａ）に示されるように、後縁４ｂは、ハブ側縁４ｄからチップ側縁４ｃまで湾曲していてもよいし、例えば図１３（ｂ）に示されるように、中間部分３０に翼高さ方向の厚みをもたせて、後縁４ｂを３つの直線部分を組み合わせた構成にしてもよい。ただし、図８に示されるように、後縁４ｂがハブ側縁４ｄからチップ側縁４ｃまで直線形状となる構成にすれば、ブレード４の製造作業性を向上することができる。

実施形態１及び２のそれぞれでは、ブレード４はフルブレードとして説明したが、この形態に限定するものではない。ブレード４は、２つのフルブレード間に設けられたスプリッタブレードであってもよい。

１ 遠心圧縮機
２ ハウジング
３ インペラ（回転翼）
４ ブレード
４ａ 前縁
４ｂ 後縁
４ｃ チップ側縁
４ｄ ハブ側縁
５ ハブ
８ 略楕円形状の断面を有する部分
９ 曲がり面部
１０ 負圧面
１１ 第１曲がり面部
１１ａ （第１曲がり面部の）縁部
２０ 圧力面
２１ 第２曲がり面部
３０ 中間部分
４０ 境界層
ＣＬ１ 中心線
ＣＬ２ コード線
ＥＬ１ 延長線
ＥＬ２ 延長線
Ｌ 回転軸線
ＰＬ１ 垂直線
ＰＬ２ 垂直線
Ｒ１ 第１領域
Ｒ２ 第２領域
ＴＬ１ 接線
ＴＬ２ 接線
ＴＬ３ 接線
ＴＬ４ 接線

Claims (9)

1. ハブと、
   前記ハブに設けられた複数のブレードと
   を備える回転翼であって、
   前記複数のブレードのそれぞれは、負圧面と、圧力面と、前縁と、後縁と、チップ側縁と、ハブ側縁とを含み、
   前記負圧面は、前記後縁に接続する領域のうち前記ブレードの翼高さ方向の一部の領域である第１領域において、前記後縁を前記圧力面側に寄せるように前記後縁に向かって凸状に湾曲した第１曲がり面部を含み、
   前記第１曲がり面部は前記ハブ側縁に接続する回転翼。
2. 前記第１曲がり面部は、前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かう方向において前記ハブ側縁から翼高さの８０％以下の領域に形成されている、請求項１に記載の回転翼。
3. 前記ブレードの子午面に垂直な断面において、前記前縁と前記後縁とをつなぐ直線であるコード線に対して前記第１曲がり面部の接線のなす角度が前記後縁に向かって増加するように、前記第１曲がり面部は構成されている、請求項１又は２に記載の回転翼。
4. 前記圧力面は、前記後縁に接続する領域のうち前記ブレードの翼高さ方向の一部の領域である第２領域において、前記後縁を前記負圧面側に寄せるように前記後縁に向かって凸状に湾曲した第２曲がり面部を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の回転翼。
5. 前記第２曲がり面部は前記チップ側縁に接続する、請求項４に記載の回転翼。
6. 前記第２曲がり面部は、前記チップ側縁から前記ハブ側縁に向かう方向において前記チップ側縁から翼高さの７０％以下の領域に形成されている、請求項５に記載の回転翼。
7. 前記ブレードの子午面に垂直な断面において、前記前縁と前記後縁とをつなぐ直線であるコード線に対して前記第２曲がり面部の前記後縁における接線のなす角度は、前記コード線に対して前記第１曲がり面部の前記後縁における接線のなす角度よりも小さい、請求項４～６のいずれか一項に記載の回転翼。
8. 前記後縁は、前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かって直線状である、請求項４～７のいずれか一項に記載の回転翼。
9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の回転翼を備える遠心圧縮機。
   

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