WO2016067666A1 - インペラ、遠心式流体機械、及び流体装置 - Google Patents

インペラ、遠心式流体機械、及び流体装置 Download PDF

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山下　修一
中庭　彰宏
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三菱重工業株式会社
三菱重工コンプレッサ株式会社
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    • F05D2240/301—Cross-sectional characteristics

Definitions

  • the present invention relates to an impeller, a centrifugal fluid machine including the impeller, and a fluid device including a plurality of centrifugal fluid machines.
  • centrifugal fluid machine such as a centrifugal compressor
  • fluid is sucked into the casing
  • pressure is applied to the fluid
  • the fluid is discharged from the casing.
  • Patent Document 1 proposes an appropriate blade angle distribution of the impeller in order to improve the impeller performance.
  • an object of the present invention is to provide an impeller, a centrifugal fluid machine, and a fluid device that can improve performance.
  • the impeller as one aspect according to the invention for solving the above problems is A disk that rotates about an axis, and a plurality of fluids that are provided in the disk at intervals in the circumferential direction centered on the axis, and fluid that flows in from the axial direction in which the axis extends by rotating together with the disk
  • the thickness of the blade gradually decreases as it goes from the disk side to the chip side, and the decreasing rate of the thickness gradually decreases as it goes from the disk side to the chip side.
  • the thickness of the blade in a part in the height direction from the disk side to the chip side can be made thinner than a constant rate in which the blade thickness decreases from the disk side to the chip side. . Therefore, with the impeller, the weight of the impeller can be reduced. Further, the moment of inertia around the axis, in other words, GD 2 can be reduced, and the load at the time of starting the centrifugal fluid machine including this blade can be reduced. Furthermore, the weight reduction of the impeller can enhance the high peripheral speed durability of the impeller. Further, by reducing the weight of the impeller, the natural frequency of the impeller can be increased, and the vibration of the impeller between the start and stop of the centrifugal fluid machine including the blade can be suppressed.
  • the thickness of the blade is directed from the disk side to the chip side in the outlet region on the outlet edge side of the intermediate position in the camber line direction in the blade and including the outlet edge.
  • the thickness may gradually decrease, and the thickness decreasing rate may gradually decrease from the disk side toward the chip side.
  • the wake width of the fluid at the impeller outlet can be reduced.
  • the blade has a thickness from the disk side in the inlet region that is closer to the inlet edge than the intermediate position in the camber line direction in the blade and includes the inlet edge.
  • the thickness may be gradually decreased toward the side, and the thickness reduction rate may be gradually decreased from the disk side toward the chip side.
  • the shock wave of the fluid at the impeller inlet can be reduced.
  • the thickness of the blade gradually decreases from the disk side toward the chip side in the entire area of the blade in the camber line direction, and the reduction rate of the thickness is reduced to the disk side. It may be gradually decreased from the chip toward the chip side.
  • the impeller since the blade can be reduced in weight over the entire area in the camber line direction, the impeller can be further reduced in weight. Further, since the thickness of the blade at the outlet edge is reduced in part in the height direction, the wake width of the fluid at the impeller outlet can be reduced. Further, since the thickness of the blade at the inlet edge is also reduced in a part in the height direction, the shock wave of the fluid at the impeller inlet can be reduced.
  • the thickness of the blade may gradually increase and then gradually decrease from the inlet edge toward the outlet edge in the camber line direction.
  • the thickness at the inlet and outlet edges of the blade is thinner than the middle part in the camber line direction, so that the wake width of the fluid at the impeller outlet can be reduced and the shock wave of the fluid at the impeller inlet can be reduced. can do.
  • an impeller as another aspect according to the invention for solving the above problems is A disk that rotates about an axis, and a plurality of fluids that are provided in the disk at intervals in the circumferential direction centered on the axis, and fluid that flows in from the axial direction in which the axis extends by rotating together with the disk.
  • the thickness at the inlet and outlet edges of the blade is thinner than the middle part in the camber line direction, so that the wake width of the fluid at the impeller outlet can be reduced and the shock wave of the fluid at the impeller inlet can be reduced. can do.
  • the absolute value of the maximum reduction rate of the blade thickness in the camber line direction is the thickness of the blade in the camber line direction. It may be smaller than the absolute value of the maximum increase rate.
  • the thickness increases relatively rapidly toward the outlet edge, and on the blade outlet edge side, the thickness decreases relatively gradually toward the outlet edge. .
  • the wake width of the fluid in an impeller exit can be made smaller.
  • the rate of change in the blade thickness in the camber line direction gradually decreases from the disk side toward the chip side. Also good.
  • a centrifugal fluid machine as one aspect according to the invention for solving the above problems is One of the above-described impellers, a rotary shaft that is formed in a columnar shape around the axis and to which the impeller is attached, and a casing that rotatably covers the impeller are provided.
  • the fluid device as one aspect according to the invention for solving the above problems is A plurality of centrifugal fluid machines, a rotation drive shaft, and a driving force transmission mechanism that transmits rotation of the rotation drive shaft to the rotation shafts of the plurality of centrifugal fluid machines.
  • the performance of the impeller can be improved.
  • the centrifugal fluid machine of this embodiment is a centrifugal compressor.
  • the centrifugal compressor 10 includes a cylindrical rotary shaft 11 around an axis Ar, an impeller 20 that is attached to the rotary shaft 11 and rotates around the axis Ar together with the rotary shaft 11, A casing 15 that rotatably covers the impeller 20.
  • the impeller 20 of the present embodiment is an open impeller.
  • the impeller 20 includes a disk 21 having a circular shape centered on the axis Ar, and a plurality of blades provided at intervals in the circumferential direction Dc centered on the axis Ar. 23.
  • the outer diameter of the disk 21 gradually increases from the first side in the axial direction Da toward the second side on the opposite side. Further, this disk 21 has a tangent at each position on the boundary line between the surface and the meridional section from a direction substantially parallel to the axis Ar as it goes from the first side to the second side in the axial direction Da. The shape is gradually directed in the radial direction Dr with respect to the axis Ar.
  • the plurality of blades 23 protrude in a direction including a direction component perpendicular to the surface of the disk 21, and have a diameter from the inside of the radial direction Dr of the disk 21 along the surface of the disk 21. It extends toward the outside in the direction Dr.
  • the blade 23 is gradually inclined toward one side in the circumferential direction Dc from the inner side in the radial direction Dr toward the outer side in the radial direction Dr.
  • One side of the circumferential direction Dc is the rear side of the rotation direction R of the disk 21.
  • the first side edge in the axial direction Da forms an inlet edge 24 into which gas flows between the plurality of blades 23.
  • the outer edge in the radial direction Dr forms an outlet edge 25 through which gas flows out from between the plurality of blades 23 to the outer side in the radial direction Dr.
  • the protruding direction with respect to the surface of the disk 21, in other words, the end in the height direction Dh forms a chip 26 and faces the inner peripheral surface of the casing 15.
  • the surface facing the front side in the rotation direction R forms a pressure surface 28, and the surface facing the rear side in the rotation direction R forms a suction surface 29.
  • the casing 15 is formed with a cylindrical inlet channel 16 centering on the axis Ar on the first side in the axial direction Da with respect to the impeller 20. Further, an annular outlet channel 17 centering on the axis Ar is formed in the casing 15 at a position facing the outlet edge 25 of the blade 23 on the outer side in the radial direction Dr of the impeller 20.
  • the thickness of the blade 23 of the impeller 20 gradually decreases from the disk side toward the chip side. Further, the thickness reduction rate gradually decreases from the disk side toward the chip side.
  • the center line Lc of the thickness extends in a direction perpendicular to the surface of the disk 21, but this is a change in the thickness of the blade 23 accompanying a change in the position of the blade 23 in the height direction Dh. This is to make it easier to understand.
  • the thickness center line Lc is inclined with respect to the surface of the disk 21 at least at a position between the inlet edge 24 and the outlet edge 25, and is further curved at at least a part of the position. Is made. As shown in FIG.
  • the thickness of the blade 23 in the present embodiment is a diameter of a circle Cc that is in contact with the positive pressure surface 28 and the negative pressure surface 29 of the blade 23 around the camber line CL of the blade 23.
  • the camber line CL is a line in which points having the same distance from the pressure surface 28 of the blade 23 and the distance from the suction surface 29 are gathered, and extends from the inlet edge 24 to the outlet edge 25 of the blade 23. It is.
  • the camber line CL exists for each position in the height direction Dh of the blade 23.
  • the thickness of the blade 23 gradually increases and then decreases in the camber line direction Dcl along the camber line CL from the inlet edge 24 toward the outlet edge 25.
  • FIG. 6 indicates the percentage of the distance from the inlet edge 24 to each position in the camber line direction Dcl when the distance from the inlet edge 24 to the outlet edge 25 along the camber line CL is 100%.
  • shaft in FIG. 6 shows the ratio of the thickness in each position of the height direction Dh with respect to the maximum thickness in the height direction Dh.
  • each curve indicates a thickness in which the ratio of the distance from the disk side edge 27 to the distance from the disk side edge 27 to the chip 26 in the height direction Dh of the blade 23 is the same in the camber line direction Dcl. It is a curve.
  • a thick solid line is a thickness curve at a position where the ratio of the distance in the height direction Dh of the blade 23 is 0, that is, the position of the disk side edge 27.
  • the dotted line is a thickness curve at a position where the ratio of the distance in the height direction Dh of the blade 23 is 0.2.
  • a two-dot chain line is a thickness curve at a position where the ratio of the distance in the height direction Dh of the blade 23 is 0.4.
  • the broken line is a thickness curve at a position where the ratio of the distance in the height direction Dh of the blade 23 is 0.6.
  • the one-dot chain line is a thickness curve at a position where the ratio of the distance in the height direction Dh of the blade 23 is 0.8.
  • the thin solid line is a thickness curve at a position where the ratio of the distance in the height direction Dh of the blade 23 is 1.0, that is, the position of the tip 26.
  • the blade 23 is located at the position where the distance from the disk side edge 27 is 0, that is, the thickness at the disk side edge 27 is higher in the camber line direction than in any position in the height direction Dh. Thickest at each position of Dcl. Further, the blade 23 is located at a position where the ratio of the distance from the disk side edge 27 is 1, that is, at the position of the chip 26 at each position in the camber line direction Dcl rather than any position in the height direction Dh. The thinnest. As described above with reference to FIG. 4, the thickness of the blade 23 gradually decreases as the ratio of the distance from the disk side edge 27 increases, that is, toward the chip side. Further, the thickness reduction rate gradually decreases from the disk side toward the chip side.
  • the thickness of the blade 23 gradually increases from the inlet edge 24 toward the outlet edge 25 at any position in the height direction Dh, as described above with reference to FIG. Then it gradually decreases.
  • the thickness curve at the position where the distance from the disk side edge 27 is 0 (thick solid line) and the thickness curve at the position where the distance from the disk side edge 27 is 0.2 (dotted line) in FIG. ) The absolute value of the maximum increase rate ⁇ Timax of the thickness in the camber line direction Dcl is larger than the absolute value of the maximum decrease rate Tdmax of the thickness in the camber line direction Dcl.
  • the thickness increases relatively abruptly toward the outlet edge 25, and on the outlet edge 25 side of the blade 23, the thickness increases toward the outlet edge 25. Will decrease relatively slowly.
  • the rate of change of the thickness in the camber line direction Dcl gradually decreases from the disk side toward the chip side.
  • the thickness of the blade 23 gradually decreases from the disk side toward the chip side in the entire region of the camber line direction Dcl, and the reduction rate increases from the disk side to the chip side. Decrease gradually as you head. For this reason, in the present embodiment, a part of the height direction Dh in the entire region in the camber line direction Dcl is smaller than that in which the thickness of the blade 23 decreases from the disk side toward the chip side. The thickness of the blade 23 can be reduced. Therefore, in this embodiment, weight reduction of the impeller 20 can be achieved. In addition, the moment of inertia around the axis Ar, in other words, GD 2 can be reduced, and the load at the start of the centrifugal compressor 10 can be reduced.
  • the weight reduction of the impeller 20 can enhance the high peripheral speed durability of the impeller 20. Further, by reducing the weight of the impeller 20, the natural frequency of the impeller 20 can be increased, and the vibration of the impeller 20 from the start to the stop of the centrifugal compressor 10 can be suppressed.
  • the thickness of the blade 23 at the entrance edge 24 is less than the one in the height direction Dh, compared with the constant rate at which the thickness of the blade 23 decreases from the disk side toward the chip side. Further, the thickness of the blade 23 gradually increases from the inlet edge 24 toward the outlet edge 25 on the inlet edge 24 side. For this reason, in this embodiment, the shock wave of the gas in the inlet_port
  • the thickness of the blade 23 at the outlet edge 25 is less than the one in the height direction Dh, rather than a constant rate at which the thickness of the blade 23 decreases from the disk side toward the chip side. Further, the thickness of the blade 23 gradually decreases toward the outlet edge 25 on the outlet edge 25 side. For this reason, in this embodiment, the wake width of the gas at the exit of the impeller 20 can be reduced.
  • the rate of change in thickness in the camber line direction Dcl on the outlet edge 25 side of the blade 23 is smaller than the rate of change in thickness in the camber line direction Dcl on the inlet edge 24 side of the blade 23. Therefore, the wake width of the gas at the outlet of the impeller 20 can be reduced more effectively, and aerodynamic performance can be improved.
  • the centrifugal fluid machine of this embodiment is also a centrifugal compressor.
  • the centrifugal compressor 10a of the present embodiment is also mounted on the rotary shaft 11 and the cylindrical rotary shaft 11 with the axis Ar as the center, as shown in FIG.
  • An impeller 20a that rotates about the axis Ar together with the rotary shaft 11 and a casing 15 that rotatably covers the impeller 20a are provided.
  • the impeller 20a includes a disk 21 and a plurality of blades 23a, similar to the impeller 20 of the first embodiment.
  • the impeller 20a of the present embodiment is a closed impeller.
  • the shroud 22 is provided on the tip 26 of each blade 23a.
  • the plurality of blades 23a are disposed between the disk 21 and the shroud 22 and connected to both.
  • the blade 23a of the impeller 20a has substantially the same thickness at any position in the height direction Dh of the blade 23a. Further, the blade 23a of the impeller 20a is moved from the inlet edge 24 toward the outlet edge 25 in the camber line direction Dcl along the camber line CL, as shown in FIG. 9, like the blade 23a in the first embodiment.
  • the thickness gradually increases and then decreases.
  • the absolute value of the maximum increase rate ⁇ Timax of the thickness in the camber line direction Dcl is larger than the absolute value of the maximum decrease rate Tdmax of the thickness in the camber line direction Dcl. In other words, on the inlet edge 24 side of the blade 23a, the thickness increases relatively rapidly toward the outlet edge 25, and on the outlet edge 25 side of the blade 23a, the thickness increases toward the outlet edge 25. Will decrease relatively slowly.
  • the shock wave of the gas at the inlet of the impeller 20a can be reduced, and the wake width of the gas at the outlet of the impeller 20a can be reduced. Therefore, also in this embodiment, the aerodynamic performance of the impeller 20a can be improved.
  • Fluid Device Embodiment An embodiment of a fluid device will be described with reference to FIG.
  • the rotation drive shaft 31, the plurality of centrifugal compressors 10x, 10y, and 10z, and the rotation of the rotation drive shaft 31 are rotated about the rotation shaft 11x of the plurality of centrifugal compressors 10x, 10y, and 10z. , 11y, 11z, and a driving force transmission mechanism 32.
  • the drive force transmission mechanism 32 includes a drive gear 33 provided on the rotary drive shaft 31, a driven gear 34 provided on the rotary shafts 11x, 11y, and 11z of the centrifugal compressors 10x, 10y, and 10z, and a drive gear. And a transmission gear 35 that transmits the rotation of 33 to the driven gear 34.
  • the driving force transmission mechanism 32 transmits the rotation of the rotary drive shaft 31 to the rotary shafts 11x, 11y, and 11z of the centrifugal compressors 10x, 10y, and 10z via the gears 33, 34, and 35, thereby rotating the rotary drive shaft 31. Increase the speed of rotation. Therefore, this driving force transmission mechanism 32 functions as a speed increaser.
  • one or more first-stage centrifugal compressors 10x suck in gas from the outside and increase the pressure.
  • one or more second-stage centrifugal compressors 10y further pressurize the gas pressurized by the first-stage centrifugal compressor 10x.
  • the remaining third-stage centrifugal compressor 10z further boosts the gas boosted by the second-stage centrifugal compressor 10y and discharges it to the outside.
  • the discharge port of the first stage centrifugal compressor 10x and the suction port of the second stage centrifugal compressor 10y are connected by the pipe 37, and the discharge port of the second stage centrifugal compressor 10y and the third port are connected to the third stage centrifugal compressor 10y.
  • a suction port of the stage centrifugal compressor 10z is connected by a pipe 38.
  • the rotary shafts 11x, 11y, 11z of the plurality of centrifugal compressors 10x, 10y, 10z and the rotary drive shaft 31 are connected by the driving force transmission mechanism 32, and the centrifugal compressors 10x, 10y, 10z at each stage are connected.
  • the fluid device that sequentially pressurizes the gas is sometimes called a geared compressor. Therefore, in the following, this type of fluid device is referred to as a geared compressor 30.
  • an impeller having a large flow coefficient is used for the first-stage centrifugal compressor 10x.
  • the maximum mechanical Mach number may be about 1.3 (430 m / s at the impeller peripheral speed under atmospheric suction conditions). Therefore, such an impeller is required to have high peripheral speed durability and high aerodynamic performance.
  • the centrifugal compressor of the first embodiment or the second embodiment is used as the first stage centrifugal compressor 10x.
  • this embodiment is an example which uses the centrifugal compressor of said 1st embodiment or said 2nd embodiment only for 1st stage centrifugal compressor 10x, 2nd stage centrifugal compressor 10y or 3rd stage centrifugal is used. You may use the centrifugal compressor of said 1st embodiment or said 2nd embodiment also for the compressor 10z.
  • the geared compressor 30 of this embodiment is an example which has the centrifugal compressor 10x, 10y, 10z from the 1st stage to the 3rd stage, a geared compressor has only the 1st stage and the 2nd stage. Even if it has a centrifugal compressor, you may have a centrifugal compressor of the 4th stage or more.
  • the thickness of the blade 23 gradually decreases from the disk side toward the chip side, and the rate of decrease decreases from the disk side toward the chip side. It gradually decreases.
  • the thickness of the blade 23 is gradually increased from the disk side to the chip side only in the outlet edge 25 side from the intermediate position in the camber line direction Dcl in the blade 23 and only in the outlet region including the outlet edge 25. It is also possible to decrease and gradually decrease the decrease rate from the disk side toward the chip side.
  • the thickness of the blade 23 in the blade 23 is closer to the inlet edge 24 than the intermediate position in the camber line direction Dcl, only in the inlet region including the inlet edge 24, or only in the inlet region and the outlet region described above. May gradually decrease from the disk side toward the chip side, and the decrease rate may gradually decrease from the disk side toward the chip side.
  • the thickness of the blade 23a is substantially the same at any position in the height direction Dh.
  • the blade 23a of the closed impeller also has a blade thickness that increases from the disk side toward the chip side in at least one region in the camber line direction Dcl. The rate of decrease may be gradually decreased, and the rate of decrease may gradually decrease from the disk side toward the chip side.
  • centrifugal fluid machine is a centrifugal compressor.
  • centrifugal fluid machine it is not limited to a centrifugal compressor,
  • a centrifugal pump may be sufficient.

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Abstract

　インペラは、軸線を中心として回転するディスクと、軸線を中心とする周方向に間隔をあけてディスクに複数設けられているブレード（２３）と、を備える。ブレード（２３）の厚さは、ディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少し、厚さの減少率がディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少する。

Description

インペラ、遠心式流体機械、及び流体装置
　本発明は、インペラ、これを備える遠心式流体機械、及び複数の遠心式流体機械を備える流体装置に関する。本願は、２０１４年１０月２７日に、日本国に出願された特願２０１４－２１８１９１号に基づき優先権を主張し、この内容をここに援用する。
　遠心圧縮機等の遠心式流体機械では、インペラが回転することで、ケーシング内に流体を吸い込み、この流体に圧力を加えてケーシングから吐出する。
　以下の特許文献１に記載の技術では、インペラの性能向上を図るために、インペラの適切なブレード角度分布を提案している。
日本国特許第４８８８４３６号公報
　遠心式流体機械のインペラに関して、上記特許文献１のように各種提案がなされているものの、さらなる性能向上が望まれている。
　そこで、本発明は、性能向上を図ることができるインペラ、遠心式流体機械、及び流体装置を提供することを目的とする。
　上記問題点を解決するための発明に係る一態様としてのインペラは、
　軸線を中心として回転するディスクと、前記軸線を中心とする周方向に間隔をあけて前記ディスクに複数設けられ、前記ディスクと一体回転することで前記軸線が延びる軸線方向から流入する流体を前記軸線に対する径方向外側に案内するブレードと、を備え、前記流体が流入する側の前記ブレードの入口縁から前記流体が流出する前記ブレードの出口縁に向かって延びるキャンバーラインに沿った方向であるキャンバーライン方向における少なくとも一領域で、前記ブレードの厚さがディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少し、前記厚さの減少率がディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少する。
　当該インペラでは、ブレードの厚さがディスク側からチップ側に向かうに連れて減少する割合が一定のものよりも、ディスク側からチップ側に向かう高さ方向の一部におけるブレードの厚さを薄くできる。よって、当該インペラでは、インペラの軽量化を図ることができる。また、軸線を中心とする慣性モーメント、言い換えるとＧＤ２を小さくすることができ、このブレードを備える遠心式流体機械の起動時における負荷を軽減することができる。さらに、インペラの軽量化により、このインペラの高周速耐久性を高めることができる。また、インペラの軽量化により、このインペラの固有振動数を高めることができ、このブレードを備える遠心式流体機械の起動から停止までの間でのインペラの振動を抑えることができる。
　ここで、前記インペラにおいて、前記ブレード中で前記キャンバーライン方向の中間位置よりも前記出口縁側であって、前記出口縁を含む出口領域で、前記ブレードの厚さがディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少し、前記厚さの減少率がディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少してもよい。
　当該インペラでは、出口縁でのブレードの厚さが高さ方向の一部で薄くなるため、インペラ出口における流体のウェーク幅を小さくすることができる。
　また、以上のいずれかの前記インペラにおいて、前記ブレード中で前記キャンバーライン方向の中間位置よりも前記入口縁側であって、前記入口縁を含む入口領域で、前記ブレードの厚さがディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少し、前記厚さの減少率がディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少してもよい。
　当該インペラでは、入口縁でのブレードの厚さが高さ方向の一部で薄くなるため、インペラ入口における流体の衝撃波を小さくすることができる。
　以上のいずれかの前記インペラにおいて、前記ブレードにおける前記キャンバーライン方向の全領域で、前記ブレードの厚さがディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少し、前記厚さの減少率がディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少してもよい。
　当該インペラでは、キャンバーライン方向の全領域にわって、ブレードの軽量化を図るこができるため、インペラのさらなる軽量化を図ることができる。また、出口縁でのブレードの厚さが高さ方向の一部で薄くなるため、インペラ出口における流体のウェーク幅を小さくすることができる。さらに、入口縁でのブレードの厚さも高さ方向の一部で薄くなるため、インペラ入口における流体の衝撃波を小さくすることができる。
　また、以上のいずれかの前記インペラにおいて、前記ブレードの厚さが、前記キャンバーライン方向で前記入口縁から前記出口縁へ向かうに連れて次第に増加してから、次第に減少してもよい。
　当該インペラでは、ブレードの入口縁及び出口縁での厚さが、キャンバーライン方向の中間部分に比べて薄くなるため、インペラ出口における流体のウェーク幅を小さくできると共に、インペラ入口における流体の衝撃波を小さくすることができる。
　また、上記問題点を解決するための発明に係る他の態様としてのインペラは、
　軸線を中心として回転するディスクと、前記軸線を中心とする周方向に間隔をあけて前記ディスクに複数設けられ、前記ディスクと一体回転することで前記軸線が延びる軸線方から流入する流体を前記軸線に対する径方向外側に案内するブレードと、を備え、前記流体が流入する側の前記ブレードの入口縁から前記流体が流出する前記ブレードの出口縁に向かって延びるキャンバーラインに沿った方向であるキャンバーライン方向で、前記ブレードの厚さが前記入口縁から前記出口縁へ向かうに連れて次第に増加してから、次第に減少する。
　当該インペラでは、ブレードの入口縁及び出口縁での厚さが、キャンバーライン方向の中間部分に比べて薄くなるため、インペラ出口における流体のウェーク幅を小さくできると共に、インペラ入口における流体の衝撃波を小さくすることができる。
　キャンバーライン方向でブレードの厚さが変化する、以上のいずれかの前記インペラにおいて、前記キャンバーライン方向における前記ブレードの厚さの最大減少率の絶対値は、前記キャンバーライン方向における前記ブレードの厚さの最大増加率の絶対値よりも小さくてもよい。
　当該インペラでは、ブレードの入口縁側で、出口縁に向かうに連れて厚さが相対的に急激に増加し、ブレードの出口縁側では、出口縁に向かうに連れて厚さが相対的に緩やか減少する。このため、当該インペラでは、インペラ出口における流体のウェーク幅をより小さくすることができる。
　キャンバーライン方向でブレードの厚さが変化する、以上のいずれかの前記インペラにおいて、前記キャンバーライン方向における前記ブレードの厚さの変化率は、ディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に小さくなってもよい。
　上記問題点を解決するための発明に係る一態様としての遠心式流体機械は、
　以上のいずれかの前記インペラと、前記軸線を中心として円柱状を成し、前記インペラが取り付けられる回転軸と、前記インペラを回転可能に覆うケーシングと、を備えている。
　上記問題点を解決するための発明に係る一態様としての流体装置は、
　複数の前記遠心式流体機械と、回転駆動軸と、前記回転駆動軸の回転を複数の前記遠心式流体機械の前記回転軸に伝達する駆動力伝達機構と、を備える。
　本発明の一態様では、インペラの性能向上を図ることができる。
本発明に係る第一実施形態における遠心圧縮機の断面図である。 本発明に係る第一実施形態におけるインペラの要部正面図である。 本発明に係る第一実施形態におけるインペラの要部斜視図である。 本発明に係る第一実施形態におけるブレードの高さ変化に伴う厚さ変化を示す説明図である。 本発明に係る第一実施形態におけるブレードのキャンバーライン方向の位置変化に伴う厚さ変化を示す説明図である。 本発明に係る第一実施形態におけるブレードの高さ変化及びキャンバーライン方向の位置変化に伴う厚さ変化を示すグラフである。 本発明に係る第二実施形態における遠心圧縮機の断面図である。 本発明に係る第二実施形態におけるブレードの高さ変化に伴う厚さ変化を示す説明図である。 本発明に係る第二実施形態におけるブレードのキャンバーライン方向の位置変化に伴う厚さ変化を示す説明図である。 本発明に係る一実施形態におけるギヤード圧縮機の構成を示す説明図である。
　以下、本発明に係る遠心式流体機械の各種実施形態について、図面を用いて説明する。
　「遠心式流体機械の第一実施形態」
　遠心式流体機械の第一実施形態について、図１～図６を用いて説明する。
　本実施形態の遠心式流体機械は、遠心圧縮機である。図１に示すように、この遠心圧縮機１０は、軸線Ａｒを中心として円柱状の回転軸１１と、この回転軸１１に装着されて回転軸１１と共に軸線Ａｒを中心として回転するインペラ２０と、このインペラ２０を回転可能に覆うケーシング１５と、を備えている。
　本実施形態のインペラ２０は、オープンインペラである。このインペラ２０は、軸線Ａｒが延びる軸線方向Ｄａから見た形状が軸線Ａｒを中心として円形を成すディスク２１と、軸線Ａｒを中心とする周方向Ｄｃに間隔をあけて設けられている複数のブレード２３と、を有する。
　ディスク２１は、軸線方向Ｄａの第一の側から反対側の第二の側に向かうに連れて、その外径が次第に大きくなっている。さらに、このディスク２１は、その表面と子午断面との境界線上の各位置での接線が、軸線方向Ｄａの第一の側から第二の側に向かうに連れて、軸線Ａｒとほほ平行な方向から次第に軸線Ａｒに対する径方向Ｄｒに向く形状になっている。
　複数のブレード２３は、図２及び図３に示すように、ディスク２１の表面に対して垂直な方向成分を含む方向に突出し、ディスク２１の表面に沿ってディスク２１の径方向Ｄｒの内側から径方向Ｄｒの外側に向かって延びている。このブレード２３は、径方向Ｄｒの内側から径方向Ｄｒの外側に向かうに連れて次第に、周方向Ｄｃの一方側に傾いている。この周方向Ｄｃの一方側は、ディスク２１の回転方向Ｒの後側である。
　このブレード２３で、軸線方向Ｄａの第一の側の縁は、複数のブレード２３の相互間に気体が流入する入口縁２４を成す。また、このブレード２３で、径方向Ｄｒの外側の縁は、複数のブレード２３相互間から径方向Ｄｒの外側に気体が流出する出口縁２５を成す。このブレード２３で、ディスク２１の表面に対する突出方向、言い換えると高さ方向Ｄｈの端は、チップ２６を成し、ケーシング１５の内周面と対向している。また、このブレード２３で、回転方向Ｒの前側を向く面は正圧面２８を成し、回転方向Ｒの後側を向く面が負圧面２９を成す。
　ケーシング１５には、図１に示すように、インペラ２０を基準にして軸線方向Ｄａの第一の側に、軸線Ａｒを中心として円柱状の入口流路１６が形成されている。さらに、ケーシング１５には、インペラ２０の径方向Ｄｒの外側であって、ブレード２３の出口縁２５と対向する位置に、軸線Ａｒを中心として環状の出口流路１７が形成されている。
　インペラ２０のブレード２３の厚さは、図４に示すように、ディスク側からチップ側に向かうに連れて、次第に減少する。また、この厚さの減少率は、ディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少する。なお、図４では、厚さの中心線Ｌｃがディスク２１の表面に対して垂直な方向に延びているが、これは、ブレード２３の高さ方向Ｄｈの位置変化に伴うブレード２３の厚さ変化を理解し易くするためである。実際には、厚さの中心線Ｌｃは、入口縁２４から出口縁２５までの間の少なくとも一部の位置でディスク２１の表面に対して傾斜し、さらに、この間の少なくとも一部の位置で曲線を成している。本実施形態におけるブレード２３の厚さは、図３に示すように、ブレード２３のキャンバーラインＣＬを中心としてブレード２３の正圧面２８及び負圧面２９に接する円Ｃｃの直径である。なお、キャンバーラインＣＬとは、ブレード２３の正圧面２８からの距離と負圧面２９からの距離が等しい点が集まった線であって、ブレード２３の入口縁２４から出口縁２５に向かって延びる線である。このキャンバーラインＣＬは、ブレード２３の高さ方向Ｄｈの位置毎に存在する。
　また、ブレード２３の厚さは、図５に示すように、キャンバーラインＣＬに沿ったキャンバーライン方向Ｄｃｌで、入口縁２４から出口縁２５に向かうに連れて次第に増加してから次第に減少する。
　ここで、図６を用いて、高さ方向Ｄｈの位置変化及びキャンバーライン方向Ｄｃｌの位置変化に伴うブレード２３の厚さ変化について説明する。なお、図６中の横軸は、キャンバーラインＣＬに沿って入口縁２４から出口縁２５までの距離を１００％とした場合の入口縁２４からキャンバーライン方向Ｄｃｌの各位置までの距離の百分率を示す。また、図６中の縦軸は、高さ方向Ｄｈにおける最大厚さに対する高さ方向Ｄｈの各位置での厚さの割合を示す。また、図６中、各曲線は、ブレード２３の高さ方向Ｄｈにおけるディスク側縁２７からチップ２６までの距離に対するディスク側縁２７からの距離の割合がキャンバーライン方向Ｄｃｌで同じ位置を結んだ厚さ曲線である。各厚さ曲線のうち、太実線は、ブレード２３の高さ方向Ｄｈの距離の割合が０の位置、つまりディスク側縁２７の位置での厚さ曲線である。以下、点線は、ブレード２３の高さ方向Ｄｈの距離の割合が０．２の位置での厚さ曲線である。二点鎖線は、ブレード２３の高さ方向Ｄｈの距離の割合が０．４での位置での厚さ曲線である。破線は、ブレード２３の高さ方向Ｄｈの距離の割合が０．６の位置での厚さ曲線である。一点鎖線は、ブレード２３の高さ方向Ｄｈの距離の割合が０．８の位置での厚さ曲線である。細実線は、ブレード２３の高さ方向Ｄｈの距離の割合が１．０の位置、つまりチップ２６の位置での厚さ曲線である。
　同図に示すように、ブレード２３は、ディスク側縁２７からの距離の割合が０の位置、つまりディスク側縁２７での厚さが、高さ方向Ｄｈのいずれの位置よりも、キャンバーライン方向Ｄｃｌの各位置で最も厚い。また、ブレード２３は、ディスク側縁２７からの距離の割合が１の位置、つまりチップ２６の位置での厚さが、高さ方向Ｄｈのいずれの位置よりも、キャンバーライン方向Ｄｃｌの各位置で最も薄い。ブレード２３の厚さは、図４を用いて前述したように、ディスク側縁２７からの距離の割合が大きくなるに連れて、つまりチップ側に向かうに連れて、次第に減少する。また、この厚さの減少率は、ディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少する。
　また、同図に示すように、ブレード２３の厚さは、図５を用いて前述したように、高さ方向Ｄｈのいずれの位置でも、入口縁２４から出口縁２５に向かうに連れて次第に増加してから次第に減少する。しかも、同図におけるディスク側縁２７からの距離の割合が０の位置での厚さ曲線（太実線）やディスク側縁２７からの距離の割合が０．２の位置での厚さ曲線（点線）で顕著に示されるように、キャンバーライン方向Ｄｃｌの厚さの最大増加率ΔＴｉｍａｘの絶対値は、キャンバーライン方向Ｄｃｌの厚さの最大減少率Ｔｄｍａｘの絶対値よりも大きい。言い換えると、ブレード２３の入口縁２４側では、出口縁２５に向かうに連れて厚さが相対的に急激に増加し、ブレード２３の出口縁２５側では、出口縁２５に向かうに連れて厚さが相対的に緩やか減少する。このキャンバーライン方向Ｄｃｌの厚さの変化率は、ディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に小さくなる。
　以上のように、本実施形態では、キャンバーライン方向Ｄｃｌの全領域で、ブレード２３の厚さがディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少し、しかもその減少率がディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少する。このため、本実施形態では、ブレード２３の厚さがディスク側からチップ側に向かうに連れて減少する割合が一定のものよりも、キャンバーライン方向Ｄｃｌの全領域で、高さ方向Ｄｈの一部におけるブレード２３の厚さを薄くできる。よって、本実施形態では、インペラ２０の軽量化を図ることができる。また、軸線Ａｒを中心とする慣性モーメント、言い換えるとＧＤ２を小さくすることができ、遠心圧縮機１０の起動時における負荷を軽減することができる。さらに、インペラ２０の軽量化により、このインペラ２０の高周速耐久性を高めることができる。また、インペラ２０の軽量化により、このインペラ２０の固有振動数を高めることができ、遠心圧縮機１０の起動から停止までの間でのインペラ２０の振動を抑えることができる。
　また、本実施形態では、ブレード２３の厚さがディスク側からチップ側に向かうに連れて減少する割合が一定のものよりも、入口縁２４でのブレード２３の厚さが高さ方向Ｄｈの一部で薄くなる上に、入口縁２４側では、入口縁２４から出口縁２５に向かうに連れて次第にブレード２３の厚さが厚くなる。このため、本実施形態では、インペラ２０の入口における気体の衝撃波を小さくすることができ、空力性能を高めることができる。
　また、本実施形態では、ブレード２３の厚さがディスク側からチップ側に向かうに連れて減少する割合が一定のものよりも、出口縁２５でのブレード２３の厚さが高さ方向Ｄｈの一部で薄くなる上に、出口縁２５側では、出口縁２５に向かうに連れて次第にブレード２３の厚さが薄くなる。このため、本実施形態では、インペラ２０の出口における気体のウェーク幅を小さくすることができる。特に、本実施形態では、ブレード２３の入口縁２４側でのキャンバーライン方向Ｄｃｌにおける厚さの変化率よりも、ブレード２３の出口縁２５側でのキャンバーライン方向Ｄｃｌにおける厚さの変化率が小さいため、インペラ２０の出口における気体のウェーク幅をより効果的に小さくすることができ、空力性能を高めることができる。
　「遠心式流体機械の第二実施形態」
　遠心式流体機械の第二実施形態について、図７～図９を用いて説明する。
　本実施形態の遠心式流体機械も、遠心圧縮機である。図７に示すように、本実施形態の遠心圧縮機１０ａも、図７に示すように、第一実施形態と同様、軸線Ａｒを中心として円柱状の回転軸１１と、この回転軸１１に装着されて回転軸１１と共に軸線Ａｒを中心として回転するインペラ２０ａと、このインペラ２０ａを回転可能に覆うケーシング１５と、を備えている。また、インペラ２０ａは、第一実施形態のインペラ２０と同様に、ディスク２１と複数のブレード２３ａとを有している。但し、本実施形態のインペラ２０ａは、クローズインペラである。このため、各ブレード２３ａのチップ２６にシュラウド２２が設けられている。言い換えると、複数のブレード２３ａは、ディスク２１とシュラウド２２との間に配置され、両者に接続されている。
　このインペラ２０ａのブレード２３ａは、図８に示すように、ブレード２３ａの高さ方向Ｄｈのいずれの位置でも、その厚さがほぼ同じである。また、インペラ２０ａのブレード２３ａは、第一実施形態におけるブレード２３ａと同様、図９に示すように、キャンバーラインＣＬに沿ったキャンバーライン方向Ｄｃｌで、入口縁２４から出口縁２５に向かうに連れて次第にその厚さが増加してから次第に減少する。しかも、キャンバーライン方向Ｄｃｌの厚さの最大増加率ΔＴｉｍａｘの絶対値は、キャンバーライン方向Ｄｃｌの厚さの最大減少率Ｔｄｍａｘの絶対値よりも大きい。言い換えると、ブレード２３ａの入口縁２４側では、出口縁２５に向かうに連れて厚さが相対的に急激に増加し、ブレード２３ａの出口縁２５側では、出口縁２５に向かうに連れて厚さが相対的に緩やか減少する。
　このため、本実施形態でも、第一実施形態と同様、インペラ２０ａの入口における気体の衝撃波を小さくすることができる上に、インペラ２０ａの出口における気体のウェーク幅を小さくすることができる。よって、本実施形態でも、インペラ２０ａの空力性能を高めることができる。
　「流体装置の実施形態」
　流体装置の一実施形態について、図１０を用いて説明する。
　流体装置として、図１０に示すように、回転駆動軸３１と、複数の遠心圧縮機１０ｘ，１０ｙ，１０ｚと、回転駆動軸３１の回転を複数の遠心圧縮機１０ｘ，１０ｙ，１０ｚの回転軸１１ｘ，１１ｙ，１１ｚに伝達する駆動力伝達機構３２と、を備えているものがある。駆動力伝達機構３２は、回転駆動軸３１に設けられている駆動ギヤ３３と、各遠心圧縮機１０ｘ，１０ｙ，１０ｚの回転軸１１ｘ，１１ｙ，１１ｚに設けられている従動ギヤ３４と、駆動ギヤ３３の回転を従動ギヤ３４に伝える伝達ギヤ３５と、を有する。駆動力伝達機構３２は、回転駆動軸３１の回転を各ギヤ３３，３４，３５を介して各遠心圧縮機１０ｘ，１０ｙ，１０ｚの回転軸１１ｘ，１１ｙ，１１ｚに伝えることで、回転駆動軸３１の回転を増速させる。よって、この駆動力伝達機構３２は、増速機として機能する。
　複数の遠心圧縮機１０ｘ，１０ｙ，１０ｚのうち、１以上の第一段遠心圧縮機１０ｘは、外部からの気体を吸込み、これを昇圧する。複数の遠心圧縮機１０ｘ，１０ｙ，１０ｚのうち、１以上の第二段遠心圧縮機１０ｙは、第一段遠心圧縮機１０ｘで昇圧された気体をさらに昇圧する。残りの第三段遠心圧縮機１０ｚは、第二段遠心圧縮機１０ｙで昇圧された気体をさらに昇圧して、これを外部に吐出する。このため、この流体装置では、第一段遠心圧縮機１０ｘの吐出口と第二段遠心圧縮機１０ｙの吸込口とが配管３７で接続され、第二段遠心圧縮機１０ｙの吐出口と第三段遠心圧縮機１０ｚの吸込口とが配管３８で接続されている。
　このように、複数の遠心圧縮機１０ｘ，１０ｙ，１０ｚの各回転軸１１ｘ，１１ｙ，１１ｚと回転駆動軸３１とが駆動力伝達機構３２で連結され、各段の遠心圧縮機１０ｘ，１０ｙ，１０ｚで順次気体を昇圧する流体装置は、ギヤード圧縮機と呼ばれることがある。そこで、以下では、この種の流体装置をギヤード圧縮機３０と呼ぶことにする。
　ギヤード圧縮機３０では、第一段遠心圧縮機１０ｘに、流量係数が大きなインペラが用いられる。このようなインペラでは、機械マッハ数が最大で１．３（大気吸込条件下ではインペラ周速で４３０ｍ／ｓ）程度になることがある。よって、このようなインペラには、高周速耐久性や高い空力性能が要求される。
　そこで、本実施形態では、第一段遠心圧縮機１０ｘとして、上記第一実施形態又は上記第二実施形態の遠心圧縮機を用いる。
　なお、本実施形態は、第一段遠心圧縮機１０ｘのみに上記第一実施形態又は上記第二実施形態の遠心圧縮機を用いる例であるが、第二段遠心圧縮機１０ｙや第三段遠心圧縮機１０ｚにも、上記第一実施形態又は上記第二実施形態の遠心圧縮機を用いてもよい。また、本実施形態のギヤード圧縮機３０は、第一段から第三段までの遠心圧縮機１０ｘ，１０ｙ，１０ｚを有する例であるが、ギヤード圧縮機は、第一段及び第二段のみの遠心圧縮機を有するものであっても、第四段以上の遠心圧縮機を有するものであってもよい。
　「変形例」
　第一実施形態では、キャンバーライン方向Ｄｃｌの全領域で、ブレード２３の厚さがディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少し、しかもその減少率がディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少する。しかしながら、ブレード２３中でキャンバーライン方向Ｄｃｌの中間位置よりも出口縁２５側であって、出口縁２５を含む出口領域のみで、ブレード２３の厚さがディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少し、その減少率がディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少するようにしてもよい。また、ブレード２３中でキャンバーライン方向Ｄｃｌの中間位置よりも入口縁２４側であって、入口縁２４を含む入口領域のみで、又はこの入口領域及び前述の出口領域のみで、ブレード２３の厚さがディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少し、その減少率がディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少するようにしてもよい。
　第二実施形態では、ブレード２３ａの厚さが高さ方向Ｄｈのいずれの位置でもほぼ同じである。しかしながら、第二実施形態のように、クローズドインペラのブレード２３ａに関しても、第一実施形態と同様、キャンバーライン方向Ｄｃｌの少なくとも一領域で、ブレードの厚さがディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少し、しかもその減少率がディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少するようにしてもよい。
　以上の各実施形態は、いずれも遠心式流体機械が遠心圧縮機である例である。しかしながら、遠心式流体機械であれば、遠心圧縮機に限定されず、例えば、遠心ポンプであってもよい。
　本発明に係る一態様によれば、インペラの性能向上を図ることができる。
　１０，１０ａ，１０ｘ，１０ｙ，１０ｚ：遠心圧縮機（遠心式流体機械）、１１，１１ｘ，１１ｙ，１１ｚ：回転軸、１５：ケーシング、２０，２０ａ：インペラ、２１：ディスク、２２：シュラウド、２３，２３ａ：ブレード、２４：入口縁、２５：出口縁、２６：チップ、２７：ディスク側縁、２８：正圧面、２９：負圧面、３０：ギヤード圧縮機（流体装置）、Ａｒ：軸線、ＣＬ：キャンバーライン、Ｄａ：軸線方向、Ｄｃ：周方向、Ｄｃｌ：キャンバーライン方向、Ｄｈ：高さ方向、Ｄｒ：径方向

Claims (10)

  1. 　軸線を中心として回転するディスクと、
    　前記軸線を中心とする周方向に間隔をあけて前記ディスクに複数設けられ、前記ディスクと一体回転することで前記軸線が延びる軸線方向から流入する流体を前記軸線に対する径方向外側に案内するブレードと、
    　を備え、
    　前記流体が流入する側の前記ブレードの入口縁から前記流体が流出する前記ブレードの出口縁に向かって延びるキャンバーラインに沿った方向であるキャンバーライン方向における少なくとも一領域で、前記ブレードの厚さがディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少し、前記厚さの減少率がディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少する、
    　インペラ。
  2. 　請求項１に記載のインペラにおいて、
    　前記ブレード中で前記キャンバーライン方向の中間位置よりも前記出口縁側であって、前記出口縁を含む出口領域で、前記ブレードの厚さがディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少し、前記厚さの減少率がディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少する、
    　インペラ。
  3. 　請求項１又は２に記載のインペラにおいて、
    　前記ブレード中で前記キャンバーライン方向の中間位置よりも前記入口縁側であって、前記入口縁を含む入口領域で、前記ブレードの厚さがディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少し、前記厚さの減少率がディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少する、
    　インペラ。
  4. 　請求項１から３のいずれか一項に記載のインペラにおいて、
    　前記ブレードにおける前記キャンバーライン方向の全領域で、前記ブレードの厚さがディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少し、前記厚さの減少率がディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に減少する、
    　インペラ。
  5. 　請求項１から４のいずれか一項に記載のインペラにおいて、
    　前記ブレードの厚さが、前記キャンバーライン方向で前記入口縁から前記出口縁へ向かうに連れて次第に増加してから、次第に減少する、
    　インペラ。
  6. 　軸線を中心として回転するディスクと、
    　前記軸線を中心とする周方向に間隔をあけて前記ディスクに複数設けられ、前記ディスクと一体回転することで前記軸線が延びる軸線方から流入する流体を前記軸線に対する径方向外側に案内するブレードと、
    　を備え、
    　前記流体が流入する側の前記ブレードの入口縁から前記流体が流出する前記ブレードの出口縁に向かって延びるキャンバーラインに沿った方向であるキャンバーライン方向で、前記ブレードの厚さが前記入口縁から前記出口縁へ向かうに連れて次第に増加してから、次第に減少する、
    　インペラ。
  7. 　請求項５又は６に記載のインペラにおいて、
    　前記キャンバーライン方向における前記ブレードの厚さの最大減少率の絶対値は、前記キャンバーライン方向における前記ブレードの厚さの最大増加率の絶対値よりも小さい、
    　インペラ。
  8. 　請求項５から７のいずれか一項に記載のインペラにおいて、
    　前記キャンバーライン方向における前記ブレードの厚さの変化率は、ディスク側からチップ側に向かうに連れて次第に小さくなる、
    　インペラ。
  9. 　請求項１から８のいずれか一項に記載のインペラと、
    　前記軸線を中心として円柱状を成し、前記インペラが取り付けられる回転軸と、
    　前記インペラを回転可能に覆うケーシングと、
    　を備えている遠心式流体機械。
  10. 　請求項９に記載の複数の遠心式流体機械と、
    　回転駆動軸と、
    　前記回転駆動軸の回転を複数の前記遠心式流体機械の前記回転軸に伝達する駆動力伝達機構と、
    　を備える流体装置。
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