JP7342817B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

この発明は、遠心圧縮機に関する。

例えば、特開２０１８－１６８７０７号公報には、インペラを備える遠心圧縮機が開示されている。この遠心圧縮機におけるインペラは、外周面及び背面を有するハブと、複数の翼と、を有している。ハブには、外周面と背面とを連通させる貫通孔が形成されている。この貫通孔の形成により、インペラの慣性モーメントと、インペラに作用するスラスト荷重と、が低減されている。

特開２０１８－１６８７０７号公報

特開２０１８－１６８７０７号公報に記載される遠心圧縮機のインペラでは、ハブの外周面に沿って吐出側に向かう気流の一部が、貫通孔を取り囲む内周面のうち前記気流の下流側に位置する部位に衝突することによって貫通孔を通じてインペラの背面側に向かう場合がある。この場合、性能（圧力比）が低下する。

本発明の目的は、インペラの慣性モーメント及びインペラに作用するスラスト荷重の低減と、圧力比の低下の抑制と、の双方を達成可能な遠心圧縮機を提供することである。

この発明の一局面に従った遠心圧縮機は、回転軸と、前記回転軸に固定されており前記回転軸と一体回転するインペラと、を備える遠心圧縮機であって、前記インペラは、前記回転軸の一方側から他方側に向かうにしたがって次第に拡径する外周面と、前記他方側に形成された背面と、を有するハブと、前記ハブの前記外周面に設けられた複数のブレードと、を備え、前記ハブは、前記回転軸の径方向に対して互いに離間する内周側ハブと外周側ハブとを備え、前記外周面は、前記内周側ハブの外周面に相当する内側外周面と、前記外周側ハブの外周面に相当する外側外周面と、を有し、前記背面は、前記内周側ハブの背面に相当する内側背面と、前記外周側ハブの背面に相当する外側背面と、を有し、各前記ブレードは、前記内側外周面及び前記外側外周面にかけて設けられ、前記内周側ハブと前記外周側ハブとを接続している。

この発明によれば、インペラの慣性モーメント及びインペラに作用するスラスト荷重の低減と、圧力比の低下の抑制と、の双方を達成可能な遠心圧縮機を提供することができる。

本発明の一実施形態の遠心圧縮機の構成を概略的に示す図である。 インペラの斜視図である。 インペラの背面図である。 貫通孔の近傍におけるインペラの断面図である。 ブレードの変形例を示す断面図である。 外側外周面の変形例を示す断面図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、本発明の一実施形態の遠心圧縮機の構成を概略的に示す図である。図１に示されるように、遠心圧縮機１は、インペラ１００と、タービンホイール２００と、回転軸３１０と、モータ３２０と、軸受け３３０と、ケーシング４００と、を備えている。

回転軸３１０は、インペラ１００とタービンホイール２００とを接続している。この回転軸３１０は、モータ３２０により回転駆動される。回転軸３１０は、軸受け３３０で受けられている。なお、モータ３２０は、ロータと、ステータ（図示略）と、を有している。

ケーシング４００は、インペラ１００、タービンホイール２００、回転軸３１０、モータ３２０及び軸受け３３０を収容している。ケーシング４００は、コンプレッサハウジング４１０と、タービンハウジング４２０と、センターハウジング４３０と、を有している。

コンプレッサハウジング４１０は、インペラ１００を収容している。コンプレッサハウジング４１０は、吸込み口４１１と、吐出部４１２と、を有している。コンプレッサハウジング４１０内におけるインペラ１００の吐出側には、ディフューザ（図示略）が設けられている。

タービンハウジング４２０は、タービンホイール２００を収容している。タービンハウジング４２０は、吸込み部４２１と、排出口４２２と、を有している。

センターハウジング４３０は、コンプレッサハウジング４１０とタービンハウジング４２０との間に配置されている。センターハウジング４３０は、モータ３２０と軸受け３３０とを収容している。

センターハウジング４３０は、リアハウジング４４０を有している。リアハウジングは４４０は、インペラ１００の背面側に配置されている。リアハウジング４４０は、インペラ１００と軸受け３３０との間に設けられている。リアハウジング４４０は、インペラ１００と対向する対向面４４２（図４を参照）を有している。対向面４４２は、平坦に形成されている。

インペラ１００は、吸込み口４１１から吸い込まれたガス（例えば空気）を吐出部４１２から吐出させる。インペラ１００は、回転軸３１０に固定されており、軸芯Ａまわりに回転軸３１０と一体回転する。図２及び図３に示されるように、インペラ１００は、ハブ１１０と、複数のブレード１２０と、を備えている。

ハブ１１０は、軸芯Ａまわりに回転可能である。本実施形態では、軸芯Ａは、回転軸３１０の回転中心軸に相当する。ハブ１１０は、外周面１１２と、背面１１８と、を有している。

外周面１１２は、回転軸３１０の一方側（図１における上側）から他方側（図１における下側）に向かうにしたがって次第に拡径する形状を有している。換言すれば、外周面１１２は、吸込み側の端部から吐出側の端部に向かうにしたがって次第に当該外周面１１２の外径が大きくなる形状を有している。外周面１１２は、前記一方側から前記他方側に向かうにしたがって回転軸３１０に近づく向きに凸となるように湾曲する形状を有している。

背面１１８は、軸芯Ａと直交している。背面１１８は、前記他方側（吐出側）に形成されている。背面１１８は、平坦に形成されている。なお、背面１１８は、平坦に形成されていなくてもよい。すなわち、背面１１８は、軸芯Ａと直交していなくてもよい。

ハブ１１０は、回転軸３１０の径方向に対して互いに離間する内周側ハブ１１４Ａと外周側ハブ１１６Ａとを備えている。内周側ハブ１１４Ａは、回転軸３１０に固定されている。外周側ハブ１１６Ａは、内周側ハブ１１４Ａを包囲する円環状に形成されている。

ハブ１１０の外周面１１２は、内周側ハブ１１４Ａの外周面に相当する内側外周面１１４と、外周側ハブ１１６Ａの外周面に相当する外側外周面１１６と、を有している。内側外周面１１４及び外側外周面１１６は、回転軸３１０の一方側から他方側の間において、回転軸３１０の径方向に互いに交わらない。本実施形態では、外側外周面１１６は、円環状（リング状）に形成されている。

ハブ１１０の背面１１８は、内周側ハブ１１４Ａの背面に相当する内側背面１１５と、外周側ハブ１１６Ａの背面に相当する外側背面１１７と、を有している。外側背面１１７は、内側背面１１５と面一である。なお、外側背面１１７は、内側背面１１５と面一でなくてもよい。

内周側ハブ１１４Ａは、内側外周面１１４と内側背面１１５とを繋ぎ、環状に連続する内側外側面１１０ａを有している。

外周側ハブ１１６Ａは、外側外周面１１６と外側背面１１７とを繋ぎ、環状に連続する外側内側面１１０ｂを有している。内側外側面１１０ａと外側内側面１１０ｂとは、回転軸３１０の径方向に対して、互いに対向している。

各ブレード１２０は、ハブ１１０の外周面１１２に設けられている。各ブレード１２０は、内側外周面１１４から外側外周面１１６に至るように延びる形状を有している。各ブレード１２０は、内側外周面１１４及び外側外周面１１６にかけて設けられ、内周側ハブ１１４Ａと外周側ハブ１１６Ａとを接続している。複数のブレード１２０は、複数の第１ブレード１２０Ａと、複数の第２ブレード１２０Ｂと、を有している。

第１ブレード１２０Ａは、内側外周面１１４のうち前記一方側の端部の近傍から外側外周面１１６に至るように延びる形状を有している。

第２ブレード１２０Ｂは、内側外周面１１４のうち径方向における中央部から外側外周面１１６に至るように延びる形状を有している。

図２～図４に示されるように、各ブレード１２０は、ブレード本体１２２と、内側接続部１２４と、外側接続部１２６と、を有している。

ブレード本体１２２は、内側外周面１１４から外側外周面１１６に至るように延びる形状を有している。ブレード本体１２２は、ハブ１１０の回転方向に向けて傾倒している。

内側接続部１２４は、内側外側面１１０ａとブレード本体１２２との境界部に設けられている。内側接続部１２４は、背面１１８から離れるにしたがって回転軸３１０に近づく向きに凸となるように湾曲する形状を有している。内側接続部１２４と内側外側面１１０ａとは繋がっている。すなわち、内側接続部１２４は、内側背面１１５から離れるにしたがって回転軸３１０に近づく向きに凸となるように湾曲する凸部に相当する。

外側接続部１２６は、外側内側面１１０ｂとブレード本体１２２との境界部に設けられている。外側接続部１２６は、背面１１８から離れるにしたがって回転軸３１０から離れる向きに凸となるように湾曲する形状を有している。外側接続部１２６と外側内側面１１０ｂとは繋がっている。すなわち、外側接続部１２６は、外側背面１１７から離れるにしたがって回転軸３１０に離れる向きに凸となるように湾曲する凸部に相当する。

各ブレード１２０、内側外側面１１０ａ及び外側内側面１１０ｂは、複数の貫通孔ｈを規定している。貫通孔ｈは、ブレード１２０を避けて開口している。各貫通孔ｈのうち背面１１８側の開口は、軸芯Ａまわりに連続的につながる円環状に形成されている。各貫通孔ｈは、軸芯Ａと平行な方向にハブ１１０を貫通している。図３に示されるように、貫通孔ｈは、ハブ１１０の外縁部の近傍に形成されることが好ましい。ハブ１１０の外周面１１２の最大半径Ｒに対する貫通孔ｈの内径Ｒ１の割合Ｒ１／Ｒは、０．７４以上０．８以下であることが好ましい。本実施形態では、前記割合Ｒ１／Ｒは、０．７４５である。また、ハブ１１０の外周面１１２の最大半径Ｒに対する貫通孔ｈの外径Ｒ２の割合Ｒ２／Ｒは、０．８５以上０．９以下であることが好ましい。本実施形態では、前記割合Ｒ２／Ｒは、０．８５５である。

なお、内径Ｒ１は、軸芯Ａから内側外周面１１４のうちハブ１１０の径方向における外側の縁部１１４ａ（図２を参照）までの距離を意味する。外径Ｒ２は、軸芯Ａから外側外周面１１６のうちハブ１１０の径方向における外側の縁部１１６ａまでの距離を意味する。

以上に説明したように、本実施形態の遠心圧縮機１では、インペラ１００の貫通孔ｈが軸芯Ａまわりに環状につながっているため、インペラ１００の慣性モーメントが有効に低減され、かつ、インペラ１００に作用するスラスト荷重も有効に低減される。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、貫通孔ｈは、軸芯Ａまわりに環状につながる形状であれば、円環状に限られない。

また、全てのブレード１２０は、互いに同じ形状に形成されてもよい。

また、図５に示されるように、内側接続部１２４と、ブレード本体１２２のうち内側接続部１２４と外側接続部１２６との間の部位１２５と、外側接続部１２６とは、同じ曲率半径を半径とする湾曲面上に設定されてもよい。

また、図６に示されるように、内側外周面１１４のうち外周側ハブ１１６Ａ側の端部１１４ｂは、軸芯Ａから離れるにしたがって次第に背面１１８から離れる形状を有していてもよい。この場合、内周側ハブ１１４Ａの外周面の一部と他部とは、回転軸３１０の径方向において、互いに重なっている。

［態様］
上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

この開示の一局面に従った遠心圧縮機は、回転軸と、前記回転軸に固定されており前記回転軸と一体回転するインペラと、を備える遠心圧縮機であって、前記インペラは、前記回転軸の一方側から他方側に向かうにしたがって次第に拡径する外周面と、前記他方側に形成された背面と、を有するハブと、前記ハブの前記外周面に設けられた複数のブレードと、を備え、前記ハブは、前記回転軸の径方向に対して互いに離間する内周側ハブと外周側ハブとを備え、前記外周面は、前記内周側ハブの外周面に相当する内側外周面と、前記外周側ハブの外周面に相当する外側外周面と、を有し、前記背面は、前記内周側ハブの背面に相当する内側背面と、前記外周側ハブの背面に相当する外側背面と、を有し、各前記ブレードは、前記内側外周面及び前記外側外周面にかけて設けられ、前記内周側ハブと前記外周側ハブとを接続している。

この遠心圧縮機では、インペラのハブが互いに離間する内周側ハブと外周側ハブとを備え、ブレードが内周側ハブの外周面と外周側ハブの外周面とを接続しているため、インペラの慣性モーメントが有効に低減され、かつ、インペラに作用するスラスト荷重も有効に低減される。

また、前記内周側ハブは、前記内側外周面と前記内側背面とを繋ぎ、環状に連続する内側外側面を有し、前記外周側ハブは、前記外側外周面と前記外側背面とを繋ぐとともに前記内側外側面と対向し、環状に連続する外側内側面を有し、各前記ブレード、前記内側外側面及び前記外側内側面は、前記ハブの前記背面から前記ハブの外周面に向けて各前記ブレードを避けて貫通する複数の貫通孔を規定し、前記ハブの前記外周面の最大半径に対する前記貫通孔の内径の割合は、０．７４以上０．８以下であり、前記ハブの前記外周面の最大半径に対する前記貫通孔の外径の割合は、０．８５以上０．９以下であることが好ましい。

このようにすれば、ハブの外縁部の近傍に貫通孔が形成されるため、インペラの慣性モーメント及びインペラに作用するスラスト荷重がより有効に低減される。

また、各前記ブレードは、前記背面から離れるにしたがって前記回転軸に近づく向きに凸となるように湾曲する凸部を有し、前記凸部と前記内側外側面とは繋がっていることが好ましい。

この態様では、ブレードとハブとが繋がる部分への応力集中の発生が抑制される。

また、各前記ブレードは、前記背面から離れるにしたがって前記回転軸から離れる向きに凸となるように湾曲する凸部を有し、前記凸部と前記外側内側面とは繋がっていることが好ましい。

この態様では、ブレードとハブとが繋がる部分への応力集中の発生が抑制される。

また、前記内側外周面のうち前記外周側ハブ側の端部は、前記回転軸から離れるにしたがって次第に前記背面から離れる形状を有することが好ましい。

この態様では、内周側ハブの外周面に沿って吐出側に向かう気流の一部が、貫通孔を規定する側面のうち前記気流の下流側に位置する部位に衝突することによって貫通孔を通じてハブの背面側に向かうこと、すなわち、圧力比が低下することが抑制される。

１ 遠心圧縮機、１００ インペラ、１１０ ハブ、１１２ 外周面、１１４ 内側外周面、１１４Ａ 内周側ハブ、１１５ 内側背面、１１６ 外側外周面、１１６Ａ 外周側ハブ、１１７ 外側背面、１１８ 背面、１２０ ブレード、１２２ ブレード本体、１２４ 内側接続部、１２６ 外側接続部、２００ タービンホイール、３１０ 回転軸、３２０ モータ、３３０ 軸受け、４００ ケーシング、４１０ コンプレッサハウジング、４２０ タービンハウジング、４３０ センターハウジング、４４０ リアハウジング、４４２ 対向面、Ａ 軸芯、ｈ 貫通孔。

Claims (4)

1. 回転軸と、
   前記回転軸に固定されており前記回転軸と一体回転するインペラと、を備える遠心圧縮機であって、
   前記インペラは、
   前記回転軸の一方側から他方側に向かうにしたがって次第に拡径する外周面と、前記他方側に形成された背面と、を有するハブと、
   前記ハブの前記外周面に設けられた複数のブレードと、を備え、
   前記ハブは、
   前記回転軸の径方向に対して互いに離間する内周側ハブと外周側ハブとを備え、
   前記外周面は、
   前記内周側ハブの外周面に相当する内側外周面と、
   前記外周側ハブの外周面に相当する外側外周面と、を有し、
   前記背面は、
   前記内周側ハブの背面に相当する内側背面と、
   前記外周側ハブの背面に相当する外側背面と、を有し、
   各前記ブレードは、前記内側外周面及び前記外側外周面にかけて設けられ、前記内周側ハブと前記外周側ハブとを接続しており、
   前記内周側ハブは、前記内側外周面と前記内側背面とを繋ぎ、環状に連続する内側外側面を有し、
   前記外周側ハブは、前記外側外周面と前記外側背面とを繋ぐとともに前記内側外側面と対向し、環状に連続する外側内側面を有し、
   各前記ブレード、前記内側外側面及び前記外側内側面は、前記ハブの前記背面から前記ハブの外周面に向けて各前記ブレードを避けて貫通する複数の貫通孔を規定し、
   前記ハブの前記外周面の最大半径に対する前記貫通孔の内径の割合は、０．７４以上０．８以下であり、
   前記ハブの前記外周面の最大半径に対する前記貫通孔の外径の割合は、０．８５以上０．９以下である、遠心圧縮機。
2. 各前記ブレードは、前記背面から離れるにしたがって前記回転軸に近づく向きに凸となるように湾曲する凸部を有し、前記凸部と前記内側外側面とは繋がっている、請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 各前記ブレードは、前記背面から離れるにしたがって前記回転軸から離れる向きに凸となるように湾曲する凸部を有し、前記凸部と前記外側内側面とは繋がっている、請求項１または２に記載の遠心圧縮機。
4. 回転軸と、
   前記回転軸に固定されており前記回転軸と一体回転するインペラと、を備える遠心圧縮機であって、
   前記インペラは、
   前記回転軸の一方側から他方側に向かうにしたがって次第に拡径する外周面と、前記他方側に形成された背面と、を有するハブと、
   前記ハブの前記外周面に設けられた複数のブレードと、を備え、
   前記ハブは、
   前記回転軸の径方向に対して互いに離間する内周側ハブと外周側ハブとを備え、
   前記外周面は、
   前記内周側ハブの外周面に相当する内側外周面と、
   前記外周側ハブの外周面に相当する外側外周面と、を有し、
   前記背面は、
   前記内周側ハブの背面に相当する内側背面と、
   前記外周側ハブの背面に相当する外側背面と、を有し、
   各前記ブレードは、前記内側外周面及び前記外側外周面にかけて設けられ、前記内周側ハブと前記外周側ハブとを接続しており、
   前記内側外周面のうち前記外周側ハブ側の端部は、前記回転軸から離れるにしたがって次第に前記背面から離れる形状を有する、遠心圧縮機。

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