JP7161424B2 - インペラ及び回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、インペラ及び回転機械に関する。

圧縮機、ターボ冷凍機、及び小型ガスタービンなどに用いられる回転機械として、回転軸に固定されたディスクに複数のブレードを取り付けたインペラを備えた構造が知られている。上記回転機械は、インペラを回転させることで、内部を流通する流体に圧力エネルギー及び速度エネルギーを与えている。

このような回転機械において、例えば特許文献１には、ディスクの背面に、気体が導入されるインペラの入口側に向かって窪んだ凹部を備える構造が開示されている。このような構成によれば、必要な強度を保ちつつ、インペラの軽量化を可能としている。

特開２０１１－８５０８８号公報

特許文献１の構造からさらなる軽量化を図ろうとすると、インペラの強度不足を招く懸念がある。そこで、必要な強度を保ちつつ、インペラをさらに軽量化することが望まれている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、必要な強度を保ちつつ、さらなる軽量化を図ることが可能なインペラ及び回転機械を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明の第一態様に係るインペラは、軸線を中心とした円盤状をなすディスクと、前記ディスクの軸線方向の第一側を向く前面に、前記軸線周りの周方向に間隔をあけて設けられた複数のブレードと、複数の前記ブレードを前記第一側から覆い、前記第一側から前記軸線方向の第二側に向かうにしたがって漸次拡径するカバーと、を備え、前記カバーは、最も前記第一側に位置する第一端部の厚みよりも厚みが大きい厚肉部が前記第一端部から離れた位置であって、前記ディスク、前記ブレード及び前記カバーにより形成されたインペラ流路の流入口と流出口との間に形成されている。

このような構成とすることで、カバーでは、第一端部の厚みに対し、厚肉部の厚みだけが大きくなる。その結果、カバーが軽量化される。また、カバーでは、軸線方向において第一端部から離れるほど、インペラが軸線周りに回転したときの遠心力が大きく作用する。さらに、ディスクとカバーとの間を流れる作動流体の圧力は、径方向の内側から外側に向かって高まる。つまり、軸線方向において第一端部から離れるほど、作動流体によって高い圧力が作用する。これらに対し、カバーにおいて、第一端部から離れた位置を厚肉部とすることで、遠心力や作動流体の圧力に対し、十分なインペラの強度が確保される。したがって、インペラの必要な強度を保ちつつ、さらなる軽量化を図ることが可能となる。

また、本発明の第二態様に係るインペラでは、第一態様において、前記厚肉部は、前記第一側から前記第二側に向かうにしたがって前記厚みが増加していてもよい。

このような構成とすることで、インペラの回転時に、インペラの出口に向かって次第に圧力が高くなる作動流体による影響に対応させて、部分的に厚肉部の厚みを大きくできる。したがって、重量を余分に増加させることなく、インペラの必要な強度を適切に保つことが可能となる。

また、本発明の第三態様に係るインペラでは、第一態様又は第二態様において、前記カバーは、前記第一端部と前記厚肉部とを接続し、前記第一側から前記第二側に向かうにしたがって厚みが増加する遷移部を有していてもよい。

このような構成とすることで、軸線方向における広い領域にわたって、ディスクとカバーとの間を流れる作動流体による影響に対応させて、部分的にカバーの厚みを大きくできる。その結果、カバーの形状を作動流体の圧力に応じた適切な形状とすることできる。また、厚みが徐々に増加することで、カバーに局所的に高い応力が発生しづらくなる。したがって、インペラの必要な強度をより適切に保つことが可能となる。

また、本発明の第四態様に係るインペラでは、第一態様から第三態様のいずれか一つにおいて、前記ディスクには、前記軸線方向の前記第二側を向く背面に、前記軸線方向の前記第一側に向かって窪む凹部が形成され、前記厚肉部は、前記軸線方向において、前記軸線方向における前記凹部の底部の位置と重なる領域に形成されていてもよい。

凹部が形成された部分では、ディスクの剛性が低くなり、ディスクとブレードとの接続部分に応力が集中しやすい。これに対し、軸線方向において、凹部の底部が形成された位置に対応するように、厚肉部が形成される。その結果、カバーにより、ブレードを介してディスクを補強することができる。これによって、ディスクとブレードとの接続部分に生じる応力を緩和することができる。

また、本発明の第五態様に係る回転機械では、軸線回りに回転する回転軸と、前記回転軸に固定された第一態様から第四態様のいずれか一つのインペラを備える。

このような構成とすることで、必要な強度を保ちつつ、さらなる軽量化を図ることができるインペラを備えた回転機械が提供できる。

本発明によれば、必要な強度を保ちつつ、さらなる軽量化を図ることが可能となる。

本発明の実施形態に係る回転機械の縦断面図である。 上記回転機械に設けられたインペラの上半部を示す断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明によるインペラ及び回転機械を実施するための形態を説明する。しかし、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る回転機械の縦断面図である。図１に示すように、本実施形態の遠心圧縮機（回転機械）１０は、主として、ケーシング２０と、回転軸３０と、インペラ４０と、を備えている。

ケーシング２０は、回転軸３０及びインペラ４０を収容する。ケーシング２０は、回転軸３０の軸線Ｏの延びる方向（以下、この方向を軸線方向Ｄａと称する）に延びる筒状をなしている。ケーシング２０には、縮径及び拡径を繰り返す内部空間２４が設けられている。この内部空間２４にはインペラ４０が収容されている。

ケーシング２０において、軸線方向Ｄａの第一側（上流側）Ｄａｕの一端部２０ａには、作動流体（プロセスガス）Ｇを外部からケーシング２０内に流入させる吸込口２５が設けられている。また、ケーシング２０において、軸線方向Ｄａの第二側（下流側）Ｄａｄの他端部２０ｂには、作動流体Ｇをケーシング２０の外部に流出させる排出口２６が設けられている。

ケーシング２０には、インペラ４０同士を繋ぐようにケーシング側流路５０が形成されている。ケーシング側流路５０は、インペラ４０を流通する作動流体Ｇを、ケーシング２０において軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕから第二側Ｄａｄに流通させる。

ケーシング側流路５０は、ディフューザ部５１と、リターンベンド部５２と、戻り流路５３と、を有している。ディフューザ部５１は、インペラ４０の径方向Ｄｒにおける外周部から径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏに向けて延びている。リターンベンド部５２は、ディフューザ部５１の径方向Ｄｒにおける外周部から断面視Ｕ字状に回り込み、径方向Ｄｒの内側Ｄｒｉに向けて延びている。リターンベンド部５２は、径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏに向かって流れる作動流体Ｇの流れ方向を、径方向Ｄｒの内側Ｄｒｉに反転させて案内する。戻り流路５３は、リターンベンド部５２から径方向Ｄｒの内側Ｄｒｉに向けて、インペラ４０の軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕの端部まで延びている。

回転軸３０は、ジャーナル軸受２８Ａ及び２８Ｂを介して、ケーシング２０に対して軸線Ｏ回りに回転自在に支持されている。ジャーナル軸受２８Ａは、ケーシング２０の一端部２０ａに固定されている。ジャーナル軸受２８Ｂは、ケーシング２０の他端部２０ｂに固定されている。また、ケーシング２０の一端部２０ａには、スラスト軸受２９がさらに固定されている。軸線方向Ｄａにおける回転軸３０の一端側は、スラスト軸受２９によって軸線方向Ｄａに支持されている。

複数のインペラ４０は、回転軸３０にそれぞれ固定されている。インペラ４０は、遠心力を利用して作動流体Ｇを圧縮する。複数のインペラ４０は、ケーシング２０の内部の内部空間２４に軸線方向Ｄａに間隔を空けて収容されている。なお、図１において、インペラ４０が６つ設けられている場合の一例を示しているが、インペラ４０は、少なくとも１つ以上設けられていればよい。

図２は、上記回転機械に設けられたインペラの上半部を示す断面図である。図２に示すように、各インペラ４０は、ディスク４１と、ブレード４２と、カバー４３と、を備えた、いわゆるクローズドインペラである。

ディスク４１は、軸線Ｏを中心とした円盤状に形成されている。ディスク４１は、軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕから第二側Ｄａｄに向かうにしたがって、径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏに漸次拡径するように形成されている。

ディスク４１の中心部には、軸線方向Ｄａに貫通する円形の貫通孔４１１が形成されている。貫通孔４１１の内周面が回転軸３０の外周面に嵌まり込んだ状態で、インペラ４０が回転軸３０に一体に固定されている。

ディスク４１において軸線方向Ｄａの第二側Ｄａｄを向く面は、軸線Ｏと交差する方向に広がる背面４１２とされている。背面４１２には、凹部４７が形成されている。凹部４７は、背面４１２から軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕに窪むように形成されている。凹部４７は、径方向Ｄｒから見た際に、カバー４３における軸線方向Ｄａの第二側Ｄａｄの第二端部４３２よりも軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕに窪んでいる。つまり、凹部４７の底部４７ｂの軸線方向Ｄａの位置は、カバー４３の第二端部４３２に対して軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕに位置している。ここで、凹部４７の底部４７ｂは、凹部４７の中で軸線方向Ｄａにおいて最も第一側Ｄａｕに形成されている。凹部４７は、背面４１２において、径方向Ｄｒの中間付近に形成されている。凹部４７は、貫通孔４１１に対して径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏに離れた位置に形成されている。凹部４７は、背面４１２における径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏの端部に対して径方向Ｄｒの内側Ｄｒｉに離れた位置に形成されている。このような凹部４７を形成することで、ディスク４１が軽量化されている。

ディスク４１における軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕを向く面は、ディスク主面（前面）４１３とされている。ディスク主面４１３は、軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕから第二側Ｄａｄに向かうにしたがって漸次径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏに向かうように湾曲して延びている。ディスク主面４１３における軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕの部分は、径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏを向いている。ディスク主面４１３における軸線方向Ｄａの第二側Ｄａｄの部分は、軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕを向いている。ディスク主面４１３は、凹曲面状をなしている。

ブレード４２は、軸線Ｏの周方向に間隔をあけてディスク主面４１３に複数設けられている。各ブレード４２は、ディスク主面４１３から軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕに向かって延びている。

カバー４３は、複数のブレード４２を軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕから覆っている。カバー４３は、ディスク４１との間にブレード４２を挟むように、ディスク４１と対向して配置されている。つまり、カバー４３には、ブレード４２におけるディスク主面４１３と接続されている端部とは反対側の端部が固定されている。カバー４３は、軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕから第二側Ｄａｄに向かうにしたがって、径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏに漸次拡径するように形成されている。カバー４３において、ディスク４１を向くカバー内面４３０は、軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕから第二側Ｄａｄに向かうにしたがって、漸次径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏに向かうように湾曲して延びている。カバー内面４３０には、ブレード４２が接続されている。カバー内面４３０は、凸曲面状をなしている。

カバー４３は、薄肉部４８と、厚肉部４９と、遷移部６０とを有している。薄肉部４８は、カバー４３において、軸線方向Ｄａの最も第一側Ｄａｕに位置する第一端部４３１を含む領域である。薄肉部４８は、カバー４３において、最も厚みが小さい領域である。ここで、厚みとは、カバー内面４３０に対して直交する方向への肉厚である。薄肉部４８は、軸線方向Ｄａにおいて一定の厚みとされている。

厚肉部４９は、カバー４３において、軸線方向Ｄａの最も第二側Ｄａｄに位置する第二端部４３２を含む領域である。厚肉部４９は、カバー４３において、最も厚みが大きい領域である。つまり、厚肉部４９での厚みＴ２は、薄肉部４８での厚みＴ１よりも大きい。厚肉部４９が形成されている領域Ａは、軸線方向Ｄａにおいて、第一端部４３１から離れた位置に形成されている。領域Ａは、軸線方向Ｄａにおいて、凹部４７の底部４７ｂの位置と重なる位置に形成されている。本実施形態の厚肉部４９では、軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕから第二側Ｄａｄに向かうにしたがって厚みが増加している。

なお、本実施形態では、厚みが大きい厚肉部４９とは、例えば、カバー４３において、第一端部４３１の厚みと第二端部４３２の厚みとの平均値よりも厚みが大きい領域である。

遷移部６０は、第一端部４３１と厚肉部４９とを接続する領域である。つまり、遷移部６０は、薄肉部４８と厚肉部４９とを繋ぐ領域である。遷移部６０では、軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕから第二側Ｄａｄに向かうにしたがって厚みが増加している。遷移部６０は、薄肉部４８での外周面と厚肉部４９での外周面とを滑らかに繋いでいる。したがって、カバー４３は、薄肉部４８から厚肉部４９に向かって、厚みが漸次増大している。つまり、カバー４３は、第一端部４３１での厚みが最も小さく、第二端部４３２での厚みが最も大きく形成されている。

インペラ４０では、カバー内面４３０、ディスク主面４１３、及びブレード４２の間に、インペラ流路４５が形成されている。インペラ流路４５は、軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕから第二側Ｄａｄに向かうにしたがって、径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏに向かうように湾曲しながら延びている。インペラ流路４５は、流入口４５１と、流出口４５２と、を有している。流入口４５１は、インペラ４０の軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕかつ径方向Ｄｒの内側Ｄｒｉの端部に形成されている。流入口４５１は、軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕに向かって開口している。流出口４５２は、インペラ４０の軸線方向Ｄａの第二側Ｄａｄかつ径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏの端部に形成されている。流出口４５２は、径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏに向かって開口している。

図１に示すように、このような遠心圧縮機１０においては、作動流体Ｇは、吸込口２５からケーシング側流路５０に導入される。作動流体Ｇは、回転軸３０とともに軸線Ｏ回りに回転するインペラ４０のインペラ流路４５を通過することで圧縮される。具体的には、図２に示すように、回転しているインペラ４０では、流入口４５１からインペラ流路４５に作動流体Ｇが導入される。インペラ流路４５に導入された作動流体Ｇは、インペラ流路４５内を軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕから第二側Ｄａｄに向かうにしたがって、径方向Ｄｒの内側Ｄｒｉから外側Ｄｒｏに流れて昇圧される。インペラ流路４５内で昇圧された作動流体Ｇは、流出口４５２から径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏのディフューザ部５１（図１参照）に吐出される。

図１に示すように、ディフューザ部５１に吐出された作動流体Ｇは、径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏに流れ、リターンベンド部５２において流れ方向が反転される。その後、作動流体Ｇは、戻り流路５３を通して後段に配置された別のインペラ４０に送り込まれる。このようにして、作動流体Ｇは、ケーシング２０の一端部２０ａから他端部２０ｂに向けて多段に設けられたインペラ４０とケーシング側流路５０を経ることで、多段階にわたって圧縮され、排出口２６から排出される。

上述したようなインペラ４０及び遠心圧縮機１０によれば、カバー４３では、軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕに形成された薄肉部４８の厚みＴ１に対し、軸線方向Ｄａの第二側Ｄａｄに形成された厚肉部４９の厚みＴ２が大きくなる。つまり、カバー４３では、他の領域に比べて厚肉部４９だけが厚くなる。その結果、カバー４３が軽量化される。

また、カバー４３の第二端部４３２は、第一端部４３１よりも、径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏに位置している。つまり、カバー４３では、軸線方向Ｄａにおいて第一端部４３１から離れるほど、インペラ４０が軸線Ｏ周りに回転したときの遠心力が大きく作用する。さらに、インペラ流路４５を流れる作動流体Ｇの圧力は、径方向Ｄｒの内側Ｄｒｉから外側Ｄｒｏに向かって高まる。つまり、カバー４３では、軸線方向Ｄａにおいて第一端部４３１から離れるほど、作動流体Ｇによって高い圧力が作用する。特に、多くの作動流体が流通する大流量に対応したインペラ４０では、本実施形態のようにインペラ流路４０は流出口４５２付近で軸線Ｏに対して大きく傾いた状態となる。その結果、流出口４５２付近で作動流体Ｇによって作用する圧力は大きくなる。これらに対し、カバー４３において、軸線方向Ｄａの第二側Ｄａｄを含む領域を最も厚い厚肉部４９とすることで、遠心力や作動流体Ｇの圧力に対し、十分なインペラ４０の強度が確保される。

したがって、厚肉部４９により、カバー４３の軸線方向Ｄａの第二側Ｄａｄに大きな遠心力や作動流体Ｇの大きな圧力が作用しても、十分な強度を確保することができる。また、カバー４３の全域を厚肉部４９の厚みＴ２で形成せずに、薄肉部４８や遷移部６０が形成されていることで、インペラ４０の必要な強度を保ちつつ、さらなる軽量化を図ることが可能となる。

また、厚肉部４９は、軸線方向Ｄａの第二側Ｄａｄに向かって厚みが増大し、第二端部４３２で最も厚くされている。これにより、インペラ４０の回転時に、流出口４５２付近に向かって次第に圧力が高くなる作動流体Ｇによる影響に対応させて、部分的に厚肉部４９の厚みＴ２を大きくできる。したがって、重量を余分に増加させることなく、インペラ４０の必要な強度を適切に保つことが可能となる。

また、カバー４３では、遷移部６０によって、薄肉部４８の外周面と厚肉部４９の外周面とが滑らかに接続されている。つまり、カバー４３の厚みは、軸線方向Ｄａの第二側Ｄａｄに向かって徐々に大きくされている。そのため、軸線方向Ｄａの広い領域にわたって、インペラ流路４５を流れる作動流体Ｇの圧力の上昇に対応するように、カバー４３が厚くなっている。これにより、インペラ流路４５を流れる作動流体Ｇによる影響対応させて、部分的にカバー４３の厚みを大きくできる。その結果、カバー４３の形状を作動流体Ｇの圧力に応じた適切な形状とすることできる。また、厚みが徐々に増加することで、カバー４３に局所的に高い応力が発生しづらくなる。したがって、インペラ４０の必要な強度をより適切に保つことが可能となる。

また、軸線方向Ｄａにおいて、ディスク４１に形成された凹部４７の底部４７ｂの位置と重なる領域Ａに厚肉部４９が形成されている。凹部４７が形成された部分では、ディスク４１の剛性が低くなる。その結果、インペラ４０の回転時に、ディスク４１には、底部４７ｂを基点として、軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕへ倒れ込むような変形が生じる。これにより、ディスク４１とブレード４２との接続部分の中でも、底部４７ｂに近い流入口４５１付近に高い応力が生じる。これに対し、軸線方向Ｄａにおいて、凹部４７の底部４７ｂが形成された位置に対応するように、厚肉部４９が形成される。その結果、カバー４３の曲げ合成が増大し、ブレード４２を介して、ディスク４１の変形が抑制できる。つまり、カバー４３により、ブレード４２を介してディスク４１を補強することができる。これによって、ディスク４１とブレード４２との接続部分に生じる応力を緩和することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

例えば、インペラ４０の形状は、本実施形態の形状に限定されるものではない。例えば、インペラ４０では、ディスク４１に凹部４７が形成されていなくてもよい。
また、厚肉部４９は、本実施形態のように軸線方向Ｄａの第一側Ｄａｕから第二側Ｄａｄに向かうにしたがって厚みが増すように形成された構造に限定されるものではない。厚肉部４９は、カバー４３において、局部的に厚みが厚くなるように形成されていてもよい。また、厚肉部４９は、遷移部６０を介して薄肉部４８と接続されていることに限定されるものではない。厚肉部４９は、第一端部４３１から離れた位置に形成されていれば、薄肉部４８と離れて形成されていてもよい。

さらに、回転機械の一例として、遠心圧縮機１０を例示したが、これに限らずインペラを備えるのであれば、ポンプ等の他の回転機械においても同様の構成を適用できる。

１０ 遠心圧縮機（回転機械）
２０ ケーシング
２０ａ 一端部
２０ｂ 他端部
２４ 内部空間
２５ 吸込口
２６ 排出口
２８Ａ、２８Ｂ ジャーナル軸受
２９ スラスト軸受
３０ 回転軸
４０ インペラ
４１ ディスク
４２ ブレード
４３ カバー
４５ インペラ流路
４７ 凹部
４７ｂ 底部
４８ 薄肉部
４９ 厚肉部
６０ 遷移部
５０ ケーシング側流路
５１ ディフューザ部
５２ リターンベンド部
５３ 戻り流路
４１１ 貫通孔
４１２ 背面
４１３ ディスク主面（前面）
４３０ カバー内面
４３１ 第一端部
４３２ 第二端部
４５１ 流入口
４５２ 流出口
Ａ 領域
Ｄａ 軸線方向
Ｄａｕ 第一側
Ｄａｄ 第二側
Ｄｒ 径方向
Ｄｒｉ 内側
Ｄｒｏ 外側
Ｇ 作動流体（プロセスガス）
Ｏ 軸線
Ｔ１、Ｔ２ 厚み

Claims (5)

1. 軸線を中心とした円盤状をなすディスクと、
   前記ディスクの軸線方向の第一側を向く前面に、前記軸線周りの周方向に間隔をあけて設けられた複数のブレードと、
   複数の前記ブレードを前記第一側から覆い、前記第一側から前記軸線方向の第二側に向かうにしたがって漸次拡径するカバーと、を備え、
   前記カバーは、最も前記第一側に位置する第一端部の厚みよりも厚みが大きい厚肉部が前記第一端部から離れた位置であって、前記ディスク、前記ブレード及び前記カバーにより形成されたインペラ流路の流入口と流出口との間に形成されているインペラ。
2. 前記厚肉部は、前記第一側から前記第二側に向かうにしたがって前記厚みが増加している請求項１に記載のインペラ。
3. 前記カバーは、前記第一端部と前記厚肉部とを接続し、前記第一側から前記第二側に向かうにしたがって厚みが増加する遷移部を有する請求項１又は２に記載のインペラ。
4. 前記ディスクには、前記軸線方向の前記第二側を向く背面に、前記軸線方向の前記第一側に向かって窪む凹部が形成され、
   前記厚肉部は、前記軸線方向において、前記軸線方向における前記凹部の底部の位置と重なる領域に形成されている請求項１又は２に記載のインペラ。
5. 軸線回りに回転する回転軸と、
   前記回転軸に固定された請求項１から４の何れか一項に記載のインペラを備える回転機械。

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