WO2011013258A1

WO2011013258A1 - 遠心圧縮機のインペラ

Info

Publication number: WO2011013258A1
Application number: PCT/JP2010/001091
Authority: WO
Inventors: 若井宗弥; 中庭彰宏; 坂元康朗; 檜山貴志
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2011-02-03
Also published as: EP2461041B1; JP2011027089A; US20120121432A1; CN102472293A; EP2461041A4; JP5473457B2; US8956118B2; CN102472293B; EP2461041A1

Abstract

　遠心圧縮機のインペラは、円盤状のハブと；このハブの一面から突出し、放射状に複数設けられたブレードと；を備える。前記ハブと隣り合う前記ブレードとによって径方向内周側で軸方向に沿うようにして流入する流体を径方向外周側へと流出させる流路が形成される。そして、前記ブレードは、前記流路を流れる流体から受ける圧力が相対的に高い圧力面及び前記圧力が相対的に低い負圧面を具備する本体部と、前記径方向内周側で前記圧力面と前記負圧面とを接続する曲面状の前縁部とを有す。また、前記本体部の部材中心線と前記軸方向とがなす角が、前記ハブと接続する内端から外端に向かうに従って大きくなる。さらに、前記前縁部の前記部材中心線と交差する中心位置の曲率半径が、前記内端から前記外端に向かうに従って小さくなる。

Description

遠心圧縮機のインペラ

　本発明は、インペラの回転により流体にエネルギーを与える遠心圧縮機に関する。

　本願は、２００９年７月２９日に、日本国に出願された特願２００９－１７６６０９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　ターボ型圧縮機の一種である遠心圧縮機は、石油化学や天然ガスのプラントに用いられている。このような遠心圧縮機は、原油を分解して得られるガスや天然ガスなどを圧縮し、この圧縮ガスを各種プラントの反応プロセスやパイプラインに送り込んでいる。このような遠心圧縮機は、主軸に固定されたハブと複数のブレードとを有するインペラを備えている。遠心圧縮機がこのインペラが回転させることによって、ガスに圧力エネルギー及び速度エネルギーが与えられる。

　例えば、下記特許文献１には、主軸のまわりに等間隔に設けられた複数の主羽根を備えたインペラが開示されている。このインペラの主羽根の前縁は、主軸方向から平面視すると回転方向とは逆方向に弓形に湾曲している。さらに、半径方向の直線と前記前縁の翼端の接線とによって形成される第１の角が、１０°以上となっている。

　このような構成により、主羽根の負圧面で低エネルギー流体が集積されることが抑えられる。このようにして内部損失を低減させることにより、圧縮効率が向上する。

特開２００４－４４４７３号公報

　しかしながら、近年、遠心圧縮機に対して更なる高圧力比化・大容量化の要請が高まりつつある。従来の技術では、このような要請に十分に応えることができないという問題がある。

　本発明は、このような事情を考慮してなされた。本発明は、高性能な遠心圧縮機を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用する。

　すなわち、本発明に係る遠心圧縮機のインペラは、円盤状のハブと；このハブの一面から突出し、放射状に複数設けられたブレードと；を備える。前記ハブと隣り合う前記ブレードとによって径方向内周側で軸方向に沿うようにして流入する流体を径方向外周側へと流出させる流路が形成される。そして、前記ブレードは、前記流路を流れる流体から受ける圧力が相対的に高い圧力面及び前記圧力が相対的に低い負圧面を具備する本体部と、前記径方向内周側で前記圧力面と前記負圧面とを接続する曲面状の前縁部とを有す。また、前記本体部の部材中心線と前記軸方向とがなす角が、前記ハブと接続する内端から外端に向かうに従って大きくなる。さらに、前記前縁部の前記部材中心線と交差する中心位置の曲率半径が、前記内端から前記外端に向かうに従って小さくなる。

　この構成によれば、部材中心線と軸方向とがなす角が内端から外端に向かうに従って大きくなっている。すなわち、部材中心線と相対流入速度の方向とがなすインシデンス角が、内端から外端に向かうに従って小さくなっている。これにより、流体の流速が速い外端側ではインシデンス角を小さくして高効率化を図ることができる。さらに、前縁部の中心位置での曲率半径が内端から外端に向かうに従って小さくなっている。これにより、流速の速い外端側で、流速の遅い内端側に対して相対的に前縁部での流体の衝突損失を低減させることができる。この結果、全体として衝突損失による効率の低下を抑えることができる。そして、さらなる高効率化を図ることができる。その一方で、流速の遅い内端側では外端側に比してインシデンス角を大きくし流路面積を大きくすることで流量を確保することができる。この結果、全体として流量を確保しつつ高効率化を図ることができる。

　なお、相対流入速度とは、回転中のブレードに対して軸方向から流入する流体の相対的な速度をいう。

　また、前記遠心圧縮機のインペラは、以下のように構成されてもよい：前記前縁部の前記外端側での前記中心位置の曲率半径が、前記前縁部と接続する位置での前記本体部の部材厚の１／２未満である。

　この構成によれば、流速の速い外端側での中心位置の曲率半径が、本体部の部材厚の１／２未満に設定されている。すなわち、この曲率半径は、断面形状が半円弧状に形成された曲面よりも小さく設定されている。これにより、衝突損失をさらに抑えて高効率化を図ることができる。

　また、前記遠心圧縮機のインペラは、以下のように構成されてもよい：前記前縁部の前記内端側での曲率半径が、前記中心位置よりも前記圧力面側で前記前縁部と接続する位置での前記本体部の部材厚の１／２未満であり、前記負圧面側で前記部材厚の１／２より大きい。

　この構成によれば、流速の遅い内端側の前縁部では、中心位置よりも圧力面側での曲率半径が、本体部の部材厚の１／２未満に設定されている。これにより、内端側で衝突損失を抑えることができる。また、中心位置よりも負圧面側の曲率半径が本体部の部材厚の１／２より大きく設定されている。これにより、内端側でも、前縁部に沿って負圧面へと流れる流体の剥離による損失を抑えて、高効率化を図ることができる。

　また、前記遠心圧縮機のインペラは、以下のように構成されてもよい：前記内端から前記外端に向かって、前記前縁部の曲率半径の変化率が一定である。

　この構成によれば、内端から外端に向かって、前縁部の曲率半径の変化率が一定である。これにより、製作を容易に行なうことができる。

　また、上記の遠心圧縮機のインペラは、以下のように構成されてもよい：前記内端から前記外端に向かって、前記前縁部の曲率半径の変化率が異なる。

　この構成によれば、内端から外端に向かって、前縁部の曲率半径の変化率が異なる。このため、使用条件や性能、製作コスト等に基づいて最適な形状を選択することが可能となる。

　ところで、本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機のインペラは、円盤状のハブと；このハブの一面から突出し、放射状に複数設けられたブレードと；を備える。そして、前記ハブと隣り合う前記ブレードとによって径方向内周側で軸方向に沿うようにして流入する流体を径方向外周側へと流出させる流路が形成される。前記ブレードは、前記流路を流れる流体から受ける圧力が相対的に高い圧力面及び前記圧力が相対的に低い負圧面を具備する本体部と、前記径方向内周側で前記圧力面と前記負圧面とを接続する曲面状の前縁部とを有する。そして、前記本体部の部材中心線と前記軸方向とがなす角が、前記ハブと接続する内端から外端に向かうに従って大きくなる。また、前記前縁部の前記外端側の断面形状は楕円状であり、前記内端から前記外端に向かうに従って前縁部先端の曲率半径が小さくなる。

　この構成によれば、外端側の断面形状が楕円状に形成されている。そして、内端側から外端側に向かって前縁部先端の曲率半径が次第に小さくなっている。これらの構成により、インシデンス角が相対的に小さく流れが剥離し難くなる外端側ほど、前縁部先端の曲率半径が小さくなる。このため、流体の剥離が生じる可能性が少ない外端側での衝突損失を大きく低減することができる。さらに、径方向の広い範囲で、流体の剥離が生じる可能性を高めることなく、衝突損失を低減することができる。したがって、衝突損失が大きく低減されて、高い効率を得ることができる。この結果、高性能な遠心圧縮機を提供することができる。

　また、本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機のインペラは、円盤状のハブと；このハブの一面から突出し、放射状に複数設けられたブレードと；を備える。そして、前記ハブと隣り合う前記ブレードとによって径方向内周側で軸方向に沿うようにして流入する流体を径方向外周側へと流出させる流路が形成される。前記ブレードは、前記流路を流れる流体から受ける圧力が相対的に高い圧力面及び前記圧力が相対的に低い負圧面を具備する本体部と、前記径方向内周側で前記圧力面と前記負圧面とを接続する曲面状の前縁部とを有する。また、前記本体部の部材中心線と前記軸方向とがなす角が、前記ハブと接続する内端から外端に向かうに従って大きくなる。そして、前記前縁部の前記内端側の断面形状は非対称状であり、前縁部先端よりも前記圧力面側の曲率半径が、前記前縁部先端よりも前記負圧面側の曲率半径と比べて小さくなっている。さらに、前記内端から前記外端に向かうに従って前記圧力面側の曲率半径が大きくなり、前記負圧面側の曲率半径が小さくなる。

　この構成によれば、前縁部の内端側での断面形状が、前縁部先端よりも圧力面側で曲率半径が小さい形状となっている。そして、この断面形状は、前縁部先端よりも負圧面側で曲率半径が大きく、非対称となっている。内端側で圧力面の曲率半径が小さく形成されていることによって、内端側での衝突損失を低減することができる。また、負圧面側の曲率半径が大きく形成されていることによって、内端側で剥離が生じ難くなる。これにより、内端側で衝突損失を小さくすると共に、流れの剥離を抑止することができる。したがって、流体の剥離が生じる可能性を高めることなく、衝突損失を低減することができ、高い効率を得ることができる。このようにして、高性能な遠心圧縮機を提供することができる。

図１は、本発明の第一実施形態に係る遠心圧縮機１の要部拡大断面図である。図２は、本発明の同実施形態に係るインペラ３０の外観構成斜視図である。図３は、本発明の同実施形態に係るインペラ３０を周方向に展開した図である。この図３は、径方向の内端４１（ハブ側）での流体流入部３２を示している。図４は、本発明の同実施形態に係るインペラ３０を周方向に展開した図である。この図４は、径方向の外端４２（チップ側）での流体流入部３２を示している。図５は、本発明の同実施形態に係る前縁部先端４７の径方向位置（横軸）と曲率半径（縦軸）との関係を示したグラフである。図６は、本発明の第二実施形態に係る遠心圧縮機２のインペラ３０を周方向に展開した図である。この図６は、径方向の内端４１（ハブ側）での流体流入部３２を示している。図７は、本発明の第二実施形態に係る遠心圧縮機２のインペラ３０を周方向に展開した図である。この図７は、径方向の外端４２（チップ側）での流体流入部３２を示している。図８は、本発明の第三実施形態に係る遠心圧縮機３のインペラ３０を周方向に展開した図である。この図８は、径方向の内端４１（ハブ側）での流体流入部３２を示している。図９は、本発明の第三実施形態に係る遠心圧縮機３のインペラ３０を周方向に展開した図である。この図９は、径方向の外端４２（チップ側）での流体流入部３２を示している。図１０は、本発明の第一～第三実施形態に係る遠心圧縮機の前縁部の第一変形例を示す図である。この図１０は、前縁部先端の径方向位置（横軸）と曲率半径（縦軸）との関係を示したグラフである。図１１は、本発明の第一～第三実施形態に係る遠心圧縮機の前縁部の第二変形例を示す図である。この図１１は、前縁部先端の径方向位置（横軸）と曲率半径（縦軸）との関係を示したグラフである。

　以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
　まず、本発明の第一実施形態について説明する。図１は、本発明の第一実施形態に係る遠心圧縮機１の要部拡大断面図である。

　まず始めに、遠心圧縮機１の概略構成について説明する。図１に示すように、遠心圧縮機１は、渦巻形ケーシング１０と、主軸２０と、インペラ３０とを備えている。

　渦巻形ケーシング１０は、インペラ３０の収容空間を有するケーシング本体部１１と、ケーシング本体部１１の下流側から流路を径方向に拡大させるディフューザ部１２と、渦巻状に形成され、ディフューザ部１２の外径部１２ａに連通するボリュート部１３とを備えている。

　主軸２０は、ケーシング本体部１１を挿通しており、回転中心軸Ｐを中心にして外部より回転駆動される。

　図２は、インペラ３０の概略構成斜視図である。インペラ３０は、円盤状に形成され、軸方向上流側から下流側に進むに従って次第に外径を大きくするハブ３１と、図２に示すように、三次元形状となった複数のブレード４０とを備えている。

　ハブ３１は、図１に示すように、断面輪郭が放物線状となった外周湾曲面３１ａを有している。このハブ３１は、上流端面３１ｂと下流端面３１ｃとに開口する貫通孔３１ｄを有している。この貫通孔３１ｄに、主軸２０が挿通固定されている。

　ブレード４０は、外周湾曲面３１ａから突出し、放射状に複数設けられている。このブレード４０については、後に詳述する。

　このような構成のインペラ３０のうち、上流端面３１ｂ側における径方向内周側は流体流入部３２とされている。そして、下流端面３１ｃ側の外周部は流体流出部３３とされている。

　このような構成により、ケーシング本体部１１で主軸２０に沿って軸方向に流れるガスＧが、図１に示すように、流体流入部３２からインペラ３０に流入すると、外周湾曲面３１ａと各ブレード４０間とケーシング本体部１１とで区画された流路を流れる。このガスＧが下流側に進むに従って、流れの方向が次第に径方向に向く。そして、ガスＧは流体流出部３３から径方向外方に向けて流出する。その後、ガスＧはディフューザ部１２を介してボリュート部１３に流入する。

　図３及び図４は、インペラ３０を周方向に展開した図である。図３は、径方向の内端４１（ハブ側）での流体流入部３２を示している。図４は、径方向の外端４２（チップ側）での流体流入部３２を示している。

　図３及び図４に示すように、ブレード４０は、一定の翼厚（部材厚）ｔ１で形成されている。このブレード４０は、本体部４３と前縁部４４とを有している。前記本体部４３は、ガスＧから受ける圧力が相対的に高い圧力面４０ａ及びガスＧから受ける圧力が相対的に低い負圧面４０ｂを具備する。そして、前記前縁部４４は、流体流入部３２（図１参照）で曲面状に圧力面４０ａと負圧面４０ｂとを接続する。

　図３に示すように、ブレード４０は、本体部４３の部材中心線Ｑと回転中心軸Ｐ（軸方向）とがなす角βが、内端４１ではβ１とされている。そして、図４に示すように、角βは、外端４２ではβ２（＞β１）とされている。内端４１から外端４２に向かうにしたがって、部材中心線Ｑと回転中心軸Ｐとのなす角βが一定の変化率で次第に大きくなっている。

　換言すれば、回転中のブレード４０に対して軸方向から流入するガスＧの相対流入速度ｖの方向と、部材中心線Ｑとがなすインシデンス角αが、図３に示すように、径方向の内端４１ではα１となっている。そして、インシデンス角αは、径方向の外端４２ではα２（＝０）となっている。内端４１と外端４２との間で、インシデンス角αが径方向内端４１から外端４２に向かって一定の変化率で次第に小さくなっている。

　図３及び図４に示すように、ブレード４０間のスロート面積Ｓは、インシデンス角αの大きさに比例している。すなわち、インシデンス角α１となった内端４１におけるスロート面積Ｓ１が、インシデンス角α２（＝０）となった外端４２におけるスロート面積Ｓ２よりも大きくなっており、径方向内端４１から外端４２に向かって変化率一定で次第に小さくなっている。

　図３に示すように、内端４１での前縁部４４の断面形状は、半円状である。前縁部先端４７Ａが、部材中心線Ｑの延長線と前縁部４４の輪郭線との交点である中心位置ＯＡとなっている。より具体的に、前縁部４４は、中心位置ＯＡを起点として、圧力面４０ａ側及び負圧面４０ｂ側のそれぞれの下流側に向けて、同一の曲率半径ρ１で四半弧状の軌跡を描いた後に、本体部４３と連続している。すなわち、この前縁部先端４７Ａの曲率半径ρ１は、本体部４３と前縁部４４との接続部４８の翼厚ｔ１の１／２に設定されている。

　図４に示すように、外端４２での前縁部４４の断面形状は、楕円状である。前縁部先端４７Ｂが部材中心線Ｑの延長線と前縁部４４の輪郭線との交点である中心位置ＯＢとなっている。より具体的には、前縁部４４の断面形状は、短径が接続部４８の翼厚ｔ１と同じである楕円を、短軸で切離した半分に相当する断面形状となっている。図４に示すように、圧力面４０ａと負圧面４０ｂとは、前縁部４４を経て連続している。

　このように、前縁部先端４７Ｂの曲率半径がρ２（＜ρ１）であり、このρ２が翼厚ｔ１の１／２未満であるように、外端４２での前縁部４４は構成されている。

　図５は、前縁部先端４７の径方向位置（横軸）と曲率半径（縦軸）との関係を示したグラフである。図５に示すように、前縁部先端４７の曲率半径ρは、内端４１から外端４２に向かって、一定の変化率で小さくなっている。なお、インシデンス角αについても、内端４１から外端４２に向かって、同様の変化率となっている。

　次に、上記心圧縮機１の作用を説明する。まず、主軸２０に対して外部から回転駆動力が付与されると、主軸２０及びこの主軸２０と一体となったインペラ３０が回転する（図１参照）。そして、インペラ３０の回転数が定格回転数に達する。

　ガスＧは、流体流入部３２から軸方向に向けてインペラ３０に流入し、インペラ３０を流れる間に圧力エネルギー及び速度エネルギーが与えられ、流体流出部３３から径方向外方に流出する。そして、ディフューザ部１２及びボリュート部１３を流れる際に速度エネルギーが圧力エネルギーに変換される。

　上記流れの過程のうち、ガスＧがインペラ３０に流入する際には、エネルギー損失が極めて小さくなっている。

　すなわち、図４に示すように、流速が早く、効率に対する影響が比較的に大きい前縁部４４の外端４２側では、前縁部先端４７Ｂ（中心位置ＯＢ）の曲率半径ρ２が翼厚ｔ１の１／２未満とされて比較的に小さくなっている。このため、ガスＧと前縁部先端４７Ｂとの衝突損失が小さくなる。一方、前縁部先端４７の曲率半径ρを小さくすると、一般的にガスＧが剥離し易くなる。しかし、外端４２側のインシデンス角αは、内端４１側のインシデンス角α１よりも小さなα２（＝０）となっている。この結果、ガスＧが負圧面４０ｂ側に流れても剥離が殆ど生じない。

　一方、流速が遅く効率に対する影響が比較的小さな前縁部４４の内端４１側では、インシデンス角α１が比較的に大きく設定されて、大きいスロート面積Ｓ１となっている。このため、比較的に大流量のガスＧが流れる。そして、前縁部先端４７Ａ（中心位置ＯＡ）が比較的に大きい曲率半径ρ１となっているために、ガスＧが負圧面４０ｂ側に流れても剥離が殆ど生じない。

　そして、内端４１から外端４２に向かって前縁部先端４７の曲率半径ρが一定の変化率で小さくなっている。このため、内端４１から外端４２に向かうほど、ガスＧの衝突損失が小さくなっている。つまり、前縁部４４の内端４１から外端４２に亘って、ガスＧの前縁部先端４７への衝突によるエネルギー損失が小さくなる。そして、内端４１から外端４２に向かって、インシデンス角αが一定の変化率で小さくなっている。このため、内端４１から外端４２に亘って流れの剥離が殆ど生じない。

　このようにして、ガスＧは、エネルギー損失を殆ど生じさせずに、インペラ３０の内部を流れる。この結果、圧力エネルギーが高められる。

　以上説明したように、遠心圧縮機１によれば、部材中心線Ｑと回転中心軸Ｐとがなす角βが内端４１から外端４２に向かうに従って大きくなるように設定されている。つまり、部材中心線Ｑと相対流入速度ｖの方向とがなすインシデンス角αが内端４１から外端４２に向かうに従って小さくなるように設定されている。これにより、ガスＧの流速が速い外端４２側ではインシデンス角αを小さく（βを大きく（β２））して流れの剥離を抑えて高効率化を図ることができる。さらに、前縁部４４の中心位置Ｏの曲率半径ρが内端４１から外端４２に向かうに従って小さくなるように設定されている。これにより、流速の速い外端４２側で、流速の遅い内端４１側に対して相対的に前縁部４４でのガスＧの衝突損失を低減させることができる。この結果、全体として、衝突損失による効率の低下を抑えることができる。そして、さらなる高効率化を図ることができる。その一方で、流速の遅い内端４１側では外端４２側に比してインシデンス角αを大きく（βを小さく（β１））しスロート面積Ｓ（Ｓ１）を大きくすることによって、チョーク流量を確保することができる。それと同時に、インシデンス角αが大きくても、曲率半径を大きくすることによって流れの剥離を抑えることができる。この結果、全体として流量を確保しつつ高効率化を図ることができる。

　換言すれば、内端４１側から外端４２側に向かって前縁部先端４７の曲率半径ρが次第に小さくなっている。これにより、インシデンス角αが相対的に小さくなって流れが剥離し難い外端４２側ほど、前縁部先端４７の曲率半径ρが小さくなる。このため、剥離が生じる可能性が少ない外端４２側での衝突損失を大きく低減することができる。さらに、径方向の広い範囲で、衝突損失を低減することができると共に、剥離が生じる可能性を高めることがない。したがって、衝突損失が大きく低減されて、高い効率を得ることができる。よって、高性能な遠心圧縮機１を提供することができる。

　また、曲率半径ρが、内端４１から外端４２に向けて、変化率一定で小さくなるために、前縁部４４の形状定義が容易となる。この結果、加工プログラムの作成や機械加工が容易となる。

　次に、本発明の第二実施形態について説明する。図６及び図７は、本発明の第二実施形態に係る遠心圧縮機２のインペラ３０を周方向に展開した図である。図６は、径方向の内端４１（ハブ側）での流体流入部３２を示している。図７は、径方向の外端４２（チップ側）での流体流入部３２を示している。なお、図６及び図７では、図１～図５と同様の構成要素を同一の符号を付して説明を省略する。

　遠心圧縮機２は、ブレード４０の前縁部５４の形状が上述した前縁部４４と異なっている。なお、インシデンス角αは、第一実施形態と同様に、内端４１と外端４２との間で、径方向内端４１から外端４２に向かって一定の変化率で次第に小さくなっている。

　図６に示すように、内端４１での前縁部５４は、前縁部先端４７Ｃが部材中心線Ｑの延長線と前縁部５４の輪郭線との交点である中心位置ＯＣよりも圧力面４０ａ側に形成されている。この前縁部５４の断面形状は、前縁部先端４７Ｃよりも圧力面４０ａ側の曲率半径がρ３となり、前縁部先端４７Ｃよりも負圧面４０ｂ側の曲率半径がρ４となる非対称状に形成されている。より具体的には、前縁部先端４７Ｃよりも圧力面４０ａ側の曲率半径ρ３が接続部４８の翼厚ｔ１の１／２未満に設定されている。そして、負圧面４０ｂ側の曲率半径ρ４が本体部４３の翼厚ｔ１の１／２より大きく設定されている。また、前縁部先端４７Ｃは、曲率半径ρ２（＜ρ１）に設定されている。

　図７に示すように、外端４２の前縁部５４の断面形状は、半円状である。前縁部先端４７Ｄが、部材中心線Ｑの延長線と前縁部５４の輪郭線との交点である中心位置ＯＤとなっている。中心位置ＯＤが曲率半径ρ１（接続部４８における本体部４３の翼厚ｔ１の１／２）に設定されている。

　このような前縁部５４の曲率半径ρは、内端４１から外端４２に向かって、変化率が一定となっている。すなわち、前縁部先端４７の曲率半径ρが内端４１から外端４２に向かって一定の変化率で、曲率半径ρ２から曲率半径ρ１まで大きくなる。また、前縁部先端４７Ｃよりも圧力面４０ａ側の曲率半径ρが、内端４１から外端４２に向かって一定の変化率で、曲率半径ρ３から曲率半径ρ１まで大きくなっている。そして、前縁部先端４７Ｃよりも負圧面４０ｂ側の曲率半径ρが、内端４１から外端４２に向かって一定の変化率で、曲率半径ρ４から曲率半径ρ１まで小さくなっている。

　このような構成によれば、流速の遅い内端４１側では、圧力面４０ａ側が、翼厚ｔ１の１／２未満に設定された曲率半径ρ３で形成されている。そして、前縁部先端４７Ｃが、翼厚ｔ１の１／２未満に設定された曲率半径ρ２で形成されている。これにより、内端４１側での衝突損失を抑えることができる。

　さらに、負圧面４０ｂ側が、翼厚ｔ１の１／２より大きく設定されたρ４であることから、前縁部５４に沿って負圧面４０ｂへと流れるガスＧの剥離による損失を抑えることができる。この結果、高効率化を図ることができる。より具体的に説明すると、内端４１のようにインシデンス角α（α１）が比較的に大きく設定された状態で前縁部先端４７Ｃを比較的に小さい曲率半径ρ２で形成すると、剥離が生じ易くなるのが通常である。しかし、本実施形態では、前縁部先端４７Ｃの負圧面４０ｂ側が、比較的に大きい曲率半径ρ４で形成されている。このため、前縁部先端４７に沿って負圧面４０ｂへと流れるガスＧの剥離が抑止される。これにより、ガスＧの剥離による損失を抑止することができる。

　したがって、内端４１側で、衝突損失を抑止しながら剥離を抑止することができる。この結果、高効率化を図ることができる。

　さらに、内端４１から外端４２に向かうにつれて、前縁部先端４７の曲率半径ρ２及び圧力面４０ａ側の曲率半径ρ３がρ１へと次第に大きくなっている。同時に、負圧面４０ｂ側の曲率半径ρ４がρ２へと次第に小さくなっている。このため、前縁部５４の径方向の広い範囲で、衝突損失の抑止と剥離の抑止とを両立させることができる。この結果、高効率化を図ることができる。

　次に、本発明の第三実施形態について説明する。図８及び図９は、本発明の第三実施形態に係る遠心圧縮機３のインペラ３０を周方向に展開した図である。図８は、径方向の内端４１（ハブ側）での流体流入部３２を示している。図９は、径方向の外端４２（チップ側）での流体流入部３２を示している。なお、図８及び図９では、図１～図７と同様の構成要素について、同一の符号を付して説明を省略する。

　遠心圧縮機３は、上述した第一実施形態の前縁部４４、第二実施形態の前縁部５４に代えて、前縁部６４を有している。なお、インシデンス角αは、第一実施形態と同様に、内端４１と外端４２との間で、径方向内端４１から外端４２に向かって一定の変化率で次第に小さくなっている。

　図８に示すように、内端４１の前縁部６４の断面形状は、第二実施形態の前縁部５４と同様である。前縁部先端４７Ｃが中心位置ＯＣよりも圧力面４０ａ側に形成されており、非対称状となっている。すなわち、前縁部先端４７Ｃよりも圧力面４０ａ側の曲率半径ρ３が接続部４８の翼厚ｔ１の１／２未満に設定されている。そして、負圧面４０ｂ側の曲率半径ρ４が本体部４３の翼厚ｔ１の１／２より大きく設定されている。また、前縁部先端４７Ｃは、曲率半径ρ２に設定されている。

　図９に示すように、外端４２の前縁部６４の断面形状は、上述した第一実施形態の前縁部４４のうちの外端４２と同様に、楕円状に形成されている。すなわち、前縁部先端４７Ｂが中心位置ＯＢとなっている。そして、外端４２における前縁部６４は、前縁部先端４７Ｂが曲率半径ρ２とされている。

　このような前縁部６４の曲率半径ρは、内端４１から外端４２に向かって、一定の変化率で変化する。すなわち、前縁部先端４７Ｃよりも圧力面４０ａ側の曲率半径ρが、内端４１から外端４２に向かって一定の変化率で大きくなっている。そして、前縁部先端４７Ｃよりも負圧面４０ｂ側の曲率半径ρが、内端４１から外端４２に向かって一定の変化率で小さくなっている。

　そして、前縁部先端４７Ｃと前縁部先端４７Ｂとは、曲率半径が同一（ρ２）となっている。前縁部６４の径方向の全ての前縁部先端４７が曲率半径ρ２で形成されている。

　このような構成によれば、前縁部６４の径方向の全ての前縁部先端４７が曲率半径ρ２で形成されている。このため、径方向の全てに亘って衝突損失を低減することができる。

　また、外端４２側では、インシデンス角αが、小さく（α２＝０）形成されている。このため、流れの剥離が生じ難くなっている。一方、内端４１側では、インシデンス角α１が、大きく（α１（＞α２））形成されているので、一般的には流れの剥離が生じ易くなっている。しかし、前縁部先端４７Ｃよりも負圧面４０ｂ側が比較的に大きい曲率半径ρ４で形成されている。このため、インシデンス角α１が大きくても、ガスＧが剥離することを効果的に抑止することが可能になる。

　上記のような構成によって、前縁部６４の内端４１から外端４２までの径方向の全部で、衝突損失の抑止と剥離の抑止とを両立させることができる。このため、非常に高い効率を得ることができる。このようにして、高性能な遠心圧縮機３を提供することができる。

　なお、上述した実施形態で示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲で設計要求等に基づき種々変更可能である。

　例えば、上述した実施形態では、前縁部４４，５４，６４の曲率半径ρの変化率を、内端４１から外端４２に向けて一定としたが、必ずしも一定にすることはない。

　例えば、図１０に示すように、第一実施形態と同様に、前縁部４４の断面形状を内端４１で半円状に形成し、外端４２で楕円状に形成した場合、グラフ（１）に示すように、内端４１から外端４２に向けて、内端４１側で前縁部先端４７Ａの曲率半径ρを急激に小さくし、その後、緩やかに小さくしてもよい。このような構成によれば、前縁部先端４７が広い範囲で小さい曲率半径ρで形成される。このため、曲率半径ρの変化率を一定にした場合に比べて、衝突損失をより広い範囲で軽減することが可能となる。また、曲率半径ρをグラフ（２）～（５）のように変化させることも可能である。このようにすることで、遠心圧縮機の使用条件や性能、製作コスト等に応じて最適な形状を選択することが可能となる。また、ブレード４０の質量を調整することで、ブレード４０に作用する遠心力や固有振動数を調整することも可能である。

　同様に、図１１に示すように、径方向の長さをいくつかの所定の範囲に区切って、所定の範囲毎に変化率を異ならせてもよい。例えば、内端４１からＡ地点までの範囲で曲率半径ρの変化率を一定にしたり、Ａ地点からＢ地点までの曲率半径ρの変化率をＢ地点に近づくほど大きくしたりすることで、最適な形状にすることができる。

　また、第一実施形態に係る前縁部先端４７だけでなく、第二実施形態や第三実施形態でも、前縁部５４，６４の圧力面４０ａ側や負圧面４０ｂ側の曲率半径ρの変化率を異ならせてもよい。

　また、部材中心線Ｑと回転中心軸Ｐとのなす角β、又は、インシデンス角αや、スロート面積Ｓの変化率も、内端４１から外端４２に向けて必ずしも一定にすることはない。

　また、前縁部４４，５４，６４の輪郭線は、単一の曲率半径ρ、又は、３以下の曲率半径の組み合わせでなくてもよく、４以上の曲率半径を組み合わせて滑らかに連続させてもよい。

　また、第一実施形態及び第三実施形態に係る前縁部４４，６４の外端４２側の断面形状を楕円状としたが、これに限定されることはなく、圧力面４０ａ側や負圧面４０ｂ側に前縁部先端４７の曲率半径よりも大きな少なくとも一つ以上の曲率半径を設けて、前縁部先端４７の曲率半径及び本体部４３と滑らかに連続した形状にしてもよい。

　また、外端４２側のインシデンス角α２は、内端４１側のインシデンス角α１よりも小さければ０（ゼロ）でなくてもよい。

　また、上述した実施の形態では、ブレード４０の外周にシュラウド（外筒）が設けられていない所謂オープンインペラのインペラ３０に本発明を適用したが、ブレード４０の外周にシュラウドを設けた所謂クローズドインペラに本発明を適用してもよい。

　また、上述した実施形態では、単段に構成した遠心圧縮機に本発明を適用した場合について説明したが、複数段に構成した遠心圧縮機に本発明を適用してもよい。

　本発明に係る遠心圧縮機によれば、高性能な遠心圧縮機を提供することができる。

１～３　遠心圧縮機
３０　インペラ
３１　ハブ
４０　ブレード
４０ａ　圧力面
４０ｂ　負圧面
４１　内端
４２　外端
４３　本体部
４４，５４，６４　前縁部
４７（４７Ａ～４７Ｄ）　前縁部先端
４８　接続部
Ｇ　ガス（流体）
Ｏ（ＯＡ～ＯＤ）　中心位置
Ｐ　回転中心軸
Ｑ　部材中心線
Ｓ（Ｓ１，Ｓ２）　スロート面積
ｔ１　翼厚（部材厚）
ｖ　相対流入速度

Claims

　遠心圧縮機のインペラであって、
　円盤状のハブと；
　このハブの一面から突出し、放射状に複数設けられたブレードと；
を備え、
　前記ハブと隣り合う前記ブレードとによって径方向内周側で軸方向に沿うようにして流入する流体を径方向外周側へと流出させる流路が形成され、
　前記ブレードは、前記流路を流れる流体から受ける圧力が相対的に高い圧力面及び前記圧力が相対的に低い負圧面を具備する本体部と、前記径方向内周側で前記圧力面と前記負圧面とを接続する曲面状の前縁部とを有し、
　前記本体部の部材中心線と前記軸方向とがなす角が、前記ハブと接続する内端から外端に向かうに従って大きくなり、
　前記前縁部の前記部材中心線と交差する中心位置の曲率半径が、前記内端から前記外端に向かうに従って小さくなることを特徴とする遠心圧縮機のインペラ。
　前記前縁部の前記外端側での前記中心位置の曲率半径が、前記前縁部と接続する位置での前記本体部の部材厚の１／２未満であることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機のインペラ。
　前記前縁部の前記内端側での曲率半径が、前記中心位置よりも前記圧力面側で前記前縁部と接続する位置での前記本体部の部材厚の１／２未満であり、前記負圧面側で前記部材厚の１／２より大きいことを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機のインペラ。
　前記内端から前記外端に向かって、前記前縁部の曲率半径の変化率が一定であることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機のインペラ。
　前記内端から前記外端に向かって、前記前縁部の曲率半径の変化率が異なることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機のインペラ。
　遠心圧縮機のインペラであって、
　円盤状のハブと；
　このハブの一面から突出し、放射状に複数設けられたブレードと；
を備え、
　前記ハブと隣り合う前記ブレードとによって径方向内周側で軸方向に沿うようにして流入する流体を径方向外周側へと流出させる流路が形成され、
　前記ブレードは、前記流路を流れる流体から受ける圧力が相対的に高い圧力面及び前記圧力が相対的に低い負圧面を具備する本体部と、前記径方向内周側で前記圧力面と前記負圧面とを接続する曲面状の前縁部とを有し、
　前記本体部の部材中心線と前記軸方向とがなす角が、前記ハブと接続する内端から外端に向かうに従って大きくなり、
　前記前縁部の前記外端側の断面形状は楕円状であり、
　前記内端から前記外端に向かうに従って前縁部先端の曲率半径が小さくなることを特徴とする遠心圧縮機のインペラ。
　遠心圧縮機のインペラであって、
　円盤状のハブと；
　このハブの一面から突出し、放射状に複数設けられたブレードと；
を備え、
　前記ハブと隣り合う前記ブレードとによって径方向内周側で軸方向に沿うようにして流入する流体を径方向外周側へと流出させる流路が形成され、
　前記ブレードは、前記流路を流れる流体から受ける圧力が相対的に高い圧力面及び前記圧力が相対的に低い負圧面を具備する本体部と、前記径方向内周側で前記圧力面と前記負圧面とを接続する曲面状の前縁部とを有し、
　前記本体部の部材中心線と前記軸方向とがなす角が、前記ハブと接続する内端から外端に向かうに従って大きくなり、
　前記前縁部の前記内端側の断面形状は非対称状であり、前縁部先端よりも前記圧力面側の曲率半径が、前記前縁部先端よりも前記負圧面側の曲率半径と比べて小さくなっており、
　前記内端から前記外端に向かうに従って前記圧力面側の曲率半径が大きくなり、前記負圧面側の曲率半径が小さくなることを特徴とする遠心圧縮機のインペラ。