JP2014001687A - インペラ及び遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率で作動範囲が広いインペラを提供することを目的とする。
【解決手段】インペラ(11)は、遠心圧縮機(1)に備えられてディスク部(11a)と翼部(11b)とを有し、翼部(11b)の出口側かつ先端側の所定の領域(A1)が、他の領域(A2)よりも薄く形成された翼厚制限部(WBk)とされている。
【選択図】図５

Description

本発明は、遠心圧縮機のインペラ及びそれを備えた遠心圧縮機に関する。

従来、遠心圧縮機のインペラに対し、特性向上のため、その翼の厚さを部分的に異ならせるものについて種々検討が行われてきている。
例えば、翼の強度特性の向上に関し、翼全体を厚肉化することなく圧損増加を抑制しながら高強度が得られるものとして、入口側において部分的に厚肉化した第１肉厚部と、出口側において部分的に厚肉化した第２肉厚部と、を設けたインペラを、本願出願人は特許文献１において提案している。

特開２００９−２４３３９４号公報

ところで、遠心圧縮機の効率向上に関しては、インペラの出口側の翼の高さが高い程、効率が向上する。この場合、翼の厚さを同じとしたまま翼の高さを高くすると、翼の質量が増加し、その質量増加分に応じて、インペラ回転時における翼の根本部位に加わる遠心応力も高くなる。この遠心応力は、特に翼の出口近傍において顕著に高く、また、回転が高速である程高くなる。このため、出口側の翼の高さが高いインペラを高速回転させるときには、遠心応力に対する何らかの配慮を必要とする場合があった。
そこで、翼の厚さ分布が最適化されて、高効率であると共に高速回転が可能で作動範囲が広いインペラと、そのインペラを備えて高効率で作動範囲が広い遠心圧縮機と、が望まれていた。

本発明が解決しようとする課題は、高効率で作動範囲が広いインペラ及び遠心圧縮機を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は次の構成を有する。
１） 遠心圧縮機(1)に備えられてディスク部(11a)と翼部(11b)とを有し、
前記翼部(11b)の出口側かつ先端側の所定の領域(A1)の翼厚(WBk)が、他の領域(A2)よりも薄く形成された翼厚制限部(B1)とされているインペラ(11)である。
２） 遠心圧縮機(1)に備えられてディスク部(11a)と翼部(11b)とを有し、
前記翼部(11b)の出口側かつ先端側の所定の領域(A1)の翼厚ＷＢｋと前記翼部(11b)の先端縁部(11d)の最小の幅Ｗ１とが、
ＷＢｋ≦１．５×Ｗ１
の関係を満たしているインペラ(11)である。
３） 前記ディスク部(11a)の径Ｄ１と出口縁部の高さＨ１とが、
０．０６≦Ｈ１／Ｄ１
の関係を満たしていることを特徴とする１）又は２）に記載のインペラ(11)である。
４） 前記翼厚制限部(B1)は、前記翼部(11b)の出口縁部(11c)と先端縁部(11d)とを含んで設けられていることを特徴とする３）に記載のインペラ(11)である。
５） 前記翼厚制限部(B1)は、前記ディスク部(11a)の表面から前記翼部(11b)の前記先端縁部(11d)までの子午面上の延面距離を１００％とし、前記ディスク部(11a)の表面(11a1)の位置を０％位置としたときに、６０％以上となる領域に設けられていることを特徴とする１）〜４）のいずれか一つに記載のインペラ(11)である。
６） 前記翼厚制限部(B1)は、前記翼部(11b)の入口から出口までの子午面上の延面距離を１００％とし、前記出口縁部(11c)の位置を１００％位置としたときに、７０％以上となる領域に設けられていることを特徴とする１）〜５）のいずれか一つに記載のインペラ(11)である。
７） 前記翼部(11b)の前記出口縁部(11c)は、４０°以上のレイク角をもって形成されていることを特徴とする１）〜６）のいずれか一つに記載のインペラ(11)である。
８） 吸気流路(9)を有するハウジング(3)と、
前記吸気流路(9)内に配設された１）〜７）のいずれか一つに記載のインペラと、
を備えた遠心圧縮機(1)である。

本発明によれば、高効率で作動範囲が広い、という効果が得られる。

本発明の実施形態における遠心圧縮機を説明するための断面図である。 本発明の実施形態におけるインペラを説明するための半断面図である。 図２における矢視Ｙ図である。 本発明の実施形態におけるインペラのレイク角と遠心力ベクトルとを説明するためのベクトル図である。 本発明の実施形態におけるインペラの特徴的部位を説明するための半断面図である。

本発明の実施形態におけるインペラ及び遠心圧縮機を図１〜図５を参照して説明する。説明における前後の方向は、便宜的に図１に矢印で示された方向で規定する。

まず、本発明の実施形態における遠心圧縮機１の構成を図１を参照して説明する。図１は、遠心圧縮機１の断面図である。
遠心圧縮機１は、略環状の吸気流路部Ｒを有する本体ハウジング３と、本体ハウジング３の後方側（吸気流路部Ｒの下流側）に連結された蓋ハウジング５と、を含むハウジング体７を有している。
本体ハウジング３の吸気流路部Ｒは、内部が、前方を上流側として後方側へ吸気される流体（この例では空気）の流路９となっている。この流路９の後方側（下流側）にはインペラ１１が配設されている。
インペラ１１は、ディスク部１１ａと、ディスク部１１ａから径方向外側に延出するよう設けられた翼部１１ｂと、を有している。この例では、翼部１１ｂは、所謂全翼（全羽根）１１ｂ１及び半翼（半羽根）１１ｂ２を備えたものが示されている。
ディスク部１１ａには、シャフト１３が挿通固定されている。このシャフト１３は、蓋ハウジング５に支持されつつ図示しない駆動源に連結されており、駆動源の動作によってインペラ１１はシャフト１３と共に回転軸線ＣＬ１を中心として回転するようになっている。この回転により、遠心圧縮機１は、流路９内の空気を吸引圧縮すると共にインペラ１１の径方向外側に設けられたディフューザ１４からスクロール通路１５に向け送給する。

次に、インペラ１１の詳細について、図２〜図５を参照して説明する。
図２は、図１に示される遠心圧縮機１のインペラ１１近傍の概略半断面図であり、インペラ１１の回転時の空気の流れが白抜き矢印で示されている。すなわち、図２の右方側が空気の入口であり、左上方側が空気の出口となっている。
図３は、図２におけるインペラ１１の矢視Ｙ図である。矢視Ｙの方向は、インペラ１１の回転軸線ＣＬ１に対して直交する方向である。図４はインペラ１１のレイク角と遠心力ベクトルＦとについて説明するためのベクトル図である。図５は、翼の厚さを説明するための図２に対応した図であり、全翼１１ｂ１のみを示している。

ここで、インペラ１１の主要寸法に、以下のように符号を設定しておく。
まず、翼部１１ｂの出口側縁部である出口縁部１１ｃの根本から先端までの高さを高さＨ１とする（図２及び図３参照）。
具体的には、出口縁部１１ｃがディスク部１１ａの表面１１ａ１に接続する接続点Ｐ１を含んで回転軸線ＣＬ１と直交する平面ＳＦ１と、出口縁部１１ｃにおけるディスク部１１ａの表面１１ａ１から最も離れた頂点Ｐ２を含んで回転軸線ＣＬ１と直交する平面ＳＦ２との間の距離として設定される。
頂点Ｐ２が、フィレット又は面取りが付されていることにより形状として明確な屈曲点として特定できない場合は、そのフィレット又は面取りがないと仮定した場合の屈曲点を頂点Ｐ２として採用する。
ディスク部１１ａの直径は径Ｄ１とする（図２参照）。
また、翼部１１ｂの出口縁部１１ｃに設定されたレイク角は角度θとする（図３及び図４参照）。
また、翼部１１ｂの出口縁部１１ｃの先端側縁部である先端縁部１１ｄの翼厚は幅Ｗ１とする（図３参照）。
ここで、翼厚は、翼部１１ｂの任意の高さ位置Ｐｋにおける平面ＳＦ２と平行な平面ＳＦｋ上の幅Ｗｋとして便宜的に設定される。従って、翼部１１ｂの出口縁部１１ｃの先端の翼厚は、頂点Ｐ２を通る平面ＳＦ２上の距離である幅Ｗ１として示される。

次に、翼部１１ｂの厚さの好ましい分布について図５を主に参照して詳述する。
インペラ１１は、翼部１１ｂにおいて、その出口側、かつ先端側の所定の領域Ａ１（クロスハッチング付き範囲）に対応する部位Ｂ１の翼厚ＷＢｋが、他の領域Ａ２（クロスハッチング無し範囲）に対応する部位Ｂ２よりも薄くなっているとよい。すなわち、部位Ｂ１は、翼厚ＷＢｋが厚くならないように制限された翼厚制限部となっている。この場合、部位Ｂ１は、部位Ｂ２よりも単位表面積に対応する質量が小さくなっている。
部位Ｂ１は、翼部１１ｂの一方側と他方側とが、例えば、断面形状でそれぞれ直線で互いに平行となるように形成されている。
また、部位Ｂ１は、翼部１１ｂにおいて回転軸線ＣＬ１から遠方に離れている出口縁部１１ｃを含む範囲に設けられているとよい。この場合、インペラ１１の回転時にディスク部１１ａに生じる遠心応力は、部位Ｂ１が設けられていない場合及び部位Ｂ１が出口縁部１１ｃを含まず回転軸線ＣＬ１に対して領域Ａ１よりも近い位置に設けられている場合と比べて顕著に抑制される。
そのため、インペラ１１は、ディスク部１１ａの遠心応力に対する一定の耐力を上限として、抑制された分だけ許容回転数を高く設定することができる。

また、部位Ｂ１は、ディスク部１１ａの表面１１ａ１から遠方に離れている先端縁部１１ｄを含む範囲に設けられているとよい。この場合、翼部１１ｂの先端側が軽量となり、翼部１１ｂの固有振動数が高域へ顕著に遷移している。
すなわち、翼部１１ｂの固有振動数が、部位Ｂ１が設けられていない場合及び部位Ｂ１が先端縁部１１ｄを含まず領域Ａ１よりもディスク部１１ａの表面１１ａ１に近い位置に設けられている場合と比べて高くなっている。
従って、翼部１１ｂは、共振を生じない回転数範囲が高い方側に広くなっており、その分、許容回転数の上限をより高く設定することができる。すなわち、インペラ１１の許容回転数を高く設定することができる。

このように、インペラ１１は、領域Ａ１に対応した部位Ｂ１が、翼部１１ｂの出口側、かつ先端側に、それぞれ出口縁部１１ｃと先端縁部１１ｄとを含んで設けられているので、翼部１１ｂの高さを高くしても許容回転数の上限を抑えることなく高速回転させることができる。
従って、インペラ１１は、高効率で作動範囲が広いものとなっており、このインペラ１１を備えた遠心圧縮機も、高効率で作動範囲が広いものとなる。

上述した寸法及び領域Ａ１の設定範囲（部位Ｂ１の形成範囲）は、全翼の場合に限らず、半翼の場合にも同様に適用できる。
詳しくは、半翼は、翼部１１ｂの子午面上の入口から出口までの延在方向長さ（以下、長さスパンとも称する）が全翼よりも短いので、半翼における領域Ａ１に対応する部位Ｂ１の長さスパンは、全翼に対する半翼の長さスパンの比に応じて短くなる。

また、翼部１１ｂは、出口縁部１１ｃにおいてレイク角の角度θが正の値となるように形成されているとよい。そして、この角度θが大きい程、インペラ回転時に翼部１１ｂに働く遠心力の分力としての翼部１１ｂを周方向に曲げようとする力が小さくなるので、その分、インペラ１１の許容回転数を高く設定することができる。

これについて図４を参照して説明する。
図４（ａ）は、インペラ１１の一つの翼部１１ｂを入口側（前方側）から見た模式図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の矢視Ｙ１図であり、翼部１１ｂを出口側から見た図である。

翼部１１ｂの先端縁部１１ｄにおける任意の点Ｐ７にかかる遠心力ベクトルＦは、点Ｐ７における接線ＬＮ５の方向の分力ベクトルＦ１と、分力ベクトルＦ１に直交する分力ベクトルＦ２と、に分解される。
ここで、点Ｐ７における接線ＬＮ５と、回転軸線ＣＬ１と点Ｐ７とを通る直線（直径）と、のなす角度βの大きさは、レイク角の角度θの大きさに依存する。
詳しくは、翼部１１ｂの先端縁部１１ｂの形状ラインは、角度θが０（ゼロ）°の場合、破線で示される。これに対し、角度θが正の値で付与され、その値が大きくなるほど、先端縁部１１ｄの形状ラインは直径により近く沿うように形成される。そのため角度βは小さくなり、分力ベクトルＦ２の大きさは小さくなる。

この遠心力ベクトルＦの分力である分力ベクトルＦ２は、翼部１１ｂを周方向に曲げる力、換言するならば、角度θを変えるように翼部１１ｂを変形させる力となるので、分力ベクトルＦ２が小さいほど、翼部１１ｂの根本に遠心力に起因して生じる応力が小さくなる。
発明者の検討により、レイク角の角度θを４０°以上にすると、翼部１１ｂの先端縁部１１ｄの形状ラインが直径に極めて近づき、翼部１１ｂの根本に遠心力に起因して生じる応力の顕著な低減が見られて好ましいことが判明した。

発明者は、部位Ｂ１の形成範囲及び翼厚の最適化をさらに探求し、より高効率で作動範囲を広くできる条件を以下のように得たので説明する。
まず、インペラ１１の翼部１１ｂにおいて、ディスク部１１ａの径Ｄ１と出口縁部１１ｃの高さＨ１との関係が、
０．０６≦Ｈ１／Ｄ１・・・（式１）
であると、領域Ａ１に対応して部位Ｂ１を設けた場合の効果がより顕著になるので好ましい。
部位Ｂ１の翼厚ＷＢｋについては、他の部位Ｂ２の翼厚よりも薄くなっていることが好ましいが、他の部位Ｂ２の翼厚よりも厚い部分を含む場合でも、先端縁部１１ｄにおける最小の幅Ｗ１に対し、
ＷＢｋ≦１．５×Ｗ１・・・（式２）
で形成されていることが好ましい。この場合、部位Ｂ１の翼厚ＷＢｋは一定でなくてもよく、（式２）を満たす範囲にあればよい。

部位Ｂ１の形成範囲は、翼部１１ｂの高さ方向範囲に関して、図５においてディスク部１１ａの表面１１ａ１の任意位置Ｐ３における法線ＬＮ１に沿った位置での翼部１１ｂの高さ（任意位置Ｐ３から法線ＬＮ１と先端縁部１１ｄとの交点Ｐ４までの子午面上の延面距離Ｈ２（以下、高さスパンＨ２とも称する）を１００％とし、ディスク部１１ａの表面１１ａ１の位置（Ｐ３の位置）を０％としたときの、６０％以上の範囲に含まれていると好ましい。
具体的には、図５において、高さスパンＨ２に対して６０％位置を示す高さ推奨目安線ＬＮ２に対し、部位Ｂ１のディスク部１１ａの表面１１ａ１側の境界線ＬＮ３が、推奨目安線ＬＮ２をディスク部１１ａ側に超えることなく先端縁部１１ｄ側に位置するようになっていると好ましい。
これは、部位Ｂ１が高さスパンＨ２に対し６０％未満の範囲に拡張していると、翼部１１ｂの固有振動数が高域化するものの、剛性低下の影響が無視できなくなることによる。

翼部１１ｂの長さスパンに対する部位Ｂ１の長さスパンついては、ディスク部１１ａの表面１１ａ１と翼部１１ｂの入口縁部１１ｅとの交点Ｐ５から、出口縁部１１ｃとの交点Ｐ６までの子午面に沿った距離を１００％とし、交点Ｐ５の位置を０％としたときの、７０％以上の範囲に含まれるものであると好ましい。
具体的には、図５において、７０％位置を示す推奨目安線ＬＮ４に対し、部位Ｂ１の入口縁部１１ｅ側の境界線である法線ＬＮ１が、推奨目安線ＬＮ４を入り口縁部１１ｅ側に超えることなく出口縁部１１ｃ側に位置するようになっていると好ましい。
これは、部位Ｂ１が長さスパンで７０％未満の範囲に拡張していると、許容回転数を高くすることができるものの、剛性低下の影響が無視できなくなることによる。

以上詳述した、部位Ｂ１の翼厚が他の部位Ｂ２の翼厚よりも薄い点，（式１）の関係を満たす点，（式２）の関係を満たす点，部位Ｂ１の形成範囲の高さスパンが６０％以上の範囲に含まれている点，部位Ｂ１の形成範囲の長さスパンが７０％以上の範囲に含まれている点，レイク角が付与されている点，及びレイク角の角度が４０°以上とされている点は、全点を備えることに限定されるものではなく、矛盾しない範囲で適宜組み合わせてインペラ１１に採用することができる。また、その組み合わせ内容に拘わらず、インペラ１１は、高効率で作動範囲が広く、そのインペラを搭載した遠心圧縮機は、高効率で作動範囲が広いという特徴を有する。

本発明の実施例は、上述した構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形例としてもよいのは言うまでもない。
翼部１１ｂの部位Ｂ１における一方側の面と他方側の面とは、断面形状で少なくとも一方が曲線になるように形成されていてもよく、また、一方側と他方側との両方が直線で表される場合、各直線が平行でなくてもよい。

１ 遠心圧縮機
３ 本体ハウジング
５ 蓋ハウジング
７ ハウジング体
９ 流路
１１ インペラ
１１ａ ディスク部、 １１ａ１ 表面
１１ｂ 翼部、 １１ｂ１ 全翼（全羽根）、 １１ｂ２ 半翼（半羽根）
１１ｃ 出口縁部、 １１ｄ 先端縁部
１３ シャフト、 １４ ディフューザ、 １５ スクロール通路
Ａ１ 領域
Ｂ１ 部位
ＣＬ１ 回転軸線、 Ｄ１ 径
Ｆ 遠心力ベクトル、 Ｆ１，Ｆ２ 分力ベクトル
Ｈ１ 高さ、 Ｈ２ 延面距離（高さスパン）
ＬＮ１ 法線、 ＬＮ２，ＬＮ４ 推奨目安線
ＬＮ３ 境界線、 ＬＮ５ 接線
Ｐ１ 接続点、 Ｐ２ 頂点、 Ｐ３ 任意位置、 Ｐ５，Ｐ６ 交点
Ｐ７ （任意の）点、 Ｐｋ 高さ位置
Ｒ 吸気流路部
ＳＦ１，ＳＦ２，ＳＦｋ，ＳＦ３ 平面
Ｗ１，Ｗｋ，ＷＢｋ 幅（翼厚）
θ （レイク角の）角度、 β 角度

Claims (8)

1. 遠心圧縮機に備えられてディスク部と翼部とを有し、
   前記翼部の出口側かつ先端側の所定の領域が、他の領域よりも薄く形成された翼厚制限部とされているインペラ。
2. 遠心圧縮機に備えられてディスク部と翼部とを有し、
   前記翼部の出口側かつ先端側の所定の領域の翼厚ＷＢｋと前記翼部の先端縁部の最小の幅Ｗ１とが、
   ＷＢｋ≦１．５×Ｗ１
   の関係を満たしているインペラ。
3. 前記ディスク部の径Ｄ１と出口縁部の高さＨ１とが、
   ０．０６≦Ｈ１／Ｄ１
   の関係を満たしていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のインペラ。
4. 前記翼厚制限部は、前記翼部の出口縁部と先端縁部とを含んで設けられていることを特徴とする請求項３記載のインペラ。
5. 前記翼厚制限部は、前記ディスク部の表面から前記翼部の前記先端縁部までの子午面上の延面距離を１００％とし、前記ディスク部の表面の位置を０％位置としたときに、６０％以上となる領域に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のインペラ。
6. 前記翼厚制限部は、前記翼部の入口から出口までの子午面上の延面距離を１００％とし、前記出口縁部の位置を１００％位置としたときに、７０％以上となる領域に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のインペラ。
7. 前記翼部の前記出口縁部は、４０°以上のレイク角をもって形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のインペラ。
8. 吸気流路を有するハウジングと、
   前記吸気流路内に配設された請求項１〜７のいずれか１項に記載のインペラと、
   を備えた遠心圧縮機。

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