JP3876195B2 - 遠心圧縮機のインペラ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のブレードを備える遠心圧縮機のインペラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レシプロエンジンの過給器やガスタービンエンジンに用いられる遠心圧縮機は、概ね円錐台形をなす回転ハブの外周面に、中心軸線に対して捻れた面を有する複数のブレードを突設してなるインペラを備えている。このインペラは、ブレードの形状が圧縮効率に大きな影響を及ぼし、これまでに種々の改良策が提案されてきた（特開平７−９１２０５号公報などを参照されたい）。
【０００３】
回転体であるインペラのブレードは、負圧面と正圧面とが法線面に対して大きな角度をもって傾斜した断面形状とすると（図１４参照）、基端部（以下ハブ側と呼称する）の発生応力が著しく増大してしまうので、ハブ側の発生応力をできるだけ低減するために、その径方向についての厚さを、遊端（以下チップ側と呼称する）を最小としてハブ側へ向けて一定または直線的に漸増させ、負圧面と正圧面とを法線面に対して殆ど傾斜させずに表裏対称形の断面形状とすることが一般的である（図１５参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、遠心圧縮機のより一層の高圧力比化に伴い、周速（回転速度）をより一層高めると同時にブレードの空力負荷を高める必要があるが、ブレードの空力負荷（特にハブ側）を著しく増大させると、ブレードからの流体剥離に伴うサージングの発生や二次流れの発生に起因する損失の増大を招く。またブレードのハブ側応力の増大は、耐久性（寿命）の低下に繋がるので好ましいことではない。
【０００５】
ブレードにおけるハブ側の空力負荷を低減するには、チップ側の空力負荷も同時に低減するか、図１４に示した如く法線面に対してブレードを傾けねばならないが、このようにすると、上述した通り、ハブ側の応力を増大させてしまう。つまりチップ側からハブ側までの径方向についての空力負荷分布の設計自由度は低く、径方向についての空力負荷を独立して制御することは困難であった。
【０００６】
他方、遠心圧縮機のインペラにおいては、互いに隣り合うフルブレード同士間に画定された流体通路の途中から、１枚若しくは複数枚のスプリッタブレードを設けることがある。このスプリッタブレードが１枚の場合は、通常、流体通路の中心面に沿って延設され、流体の流れ方向についての翼厚分布は、正圧面と負圧面とが中心面に対して対称に入り口から漸増するものとされている。ところが、流体通路の入り口側における流体の流れは、フルブレードの負圧面から剥離する傾向があるため、その全長に渡って流体通路の中心面に沿わせてスプリッタブレードを延設した従来の構造によると、フルブレードの負圧面からの剥離流にスプリッタブレードの前端部が干渉し、これが圧縮機の効率を低下させる一因となっていた。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消すべく案出されたものであり、その第１の目的は、ブレードにおけるハブ側の応力を増大せずにサージ特性を向上すると共に、損失をより一層低減することが可能なように改良された遠心圧縮機のインペラを提供することにある。また本発明の第２の目的は、スプリッタブレードを有する遠心圧縮機におけるスプリッタブレードの入り口部分の損失を低減することが可能なように改良された遠心圧縮機のインペラを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明の請求項１においては、遠心圧縮機のインペラに設けられた複数のブレードの少なくとも一部の径方向についての厚さの増大率を、ハブ側へ近づくに連れて負圧面側のみを漸増させるものとした。特に、ブレードの径方向についての厚さの増大率を、チップ側から中央部にかけてよりも中央部からハブ側にかけての方をより大きくしても良い（請求項２）。これにより、ハブ近傍の応力を増大させずに通路の断面積を減少させることができるので、ハブ付近の空力負荷が局所的に低減され、サージ特性が向上すると共に二次流れの巻上がりが減少し、損失を低減することができる。
【０００９】
また互いに隣り合うブレードの基端部同士間に画定された流体通路の少なくとも一部の外周面のインペラの軸中心からの距離を、正圧面からこれに対向する負圧面にかけて漸増させるようにしても（請求項３）、請求項１の構成と同等の作用を発揮し得る。
【００１０】
そして本発明の請求項４においては、フルブレードとスプリッタブレードとを備える遠心圧縮機のインペラにおいて、互いに隣り合うフルブレード同士間に画定された流体通路の中心軸線に対し、スプリッタブレードの前端部を、フルブレードの負圧面側へ向けて所定角度だけ傾けるものとした。この場合、スプリッタブレードの流体の流れ方向についての翼厚を、中心面に対して正圧面と負圧面とで不一致とし、且つ入口から急増させ途中から略一定あるいは一旦減少させた後に再び微増させるものとした（請求項５）。これにより、フルブレードの負圧面からの剥離流に対するスプリッタブレードの前端部の干渉を避けた上でフルブレードとスプリッタブレード間の通路断面積の急激な変化を緩和することができる。
【００１１】
これらに加えて、少なくとも一部のブレードの前縁を中央部からハブ側にかけて流体の上流側へ徐々に伸延させるものとしても良い（請求項６）。これにより、二次流れの発生がより一層減少する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明が適用された遠心圧縮機のインペラの要部を示す全体斜視図である。このインペラ１は、ロータ軸２に嵌着されたハブ３と、ハブ３と一体をなすディスク４と、ロータ軸２の軸線に沿う断面上にハブ３及びディスク４によって連続的に形成された概ね９０度の角度範囲に渡る円弧からなる湾曲面上に突設された複数のブレード５とを有し、例えばチタン合金を切削加工して形成されている。なお、図１は一部のみを実線で示しているが、円周方向の全周に渡って等角度ピッチで複数の捻れたブレード５が形成されている。
【００１４】
これらのブレード５は、図２に誇張して示したように、流体の流れ方向について特にハブ側の空力負荷の増大を緩和したい領域についての径方向についての厚さの増大率が、基本的にはチップ側からハブ側にかけて概ね一定かあるいは微増するように設定されているが、その負圧面側（回転方向の後側）のみに、中央部からハブ側にかけての厚さ増大率を漸増させた翼厚漸増部６が形成されている。この翼厚分布は、チップ側から中央部までは略一定か或いは微増するように設定し、チップ側から中央部にかけての増大率よりも、中央部からハブ側にかけての増大率の方がより大きくなるようにしても良い。
【００１５】
ブレード５の断面形状をこのように設定することにより、図３に示すように、ブレード５におけるハブ面上での翼間幅Ａを、従来のもの（２点鎖線で示す）に比して局所的に減少させることができるので、ハブ側の応力を急激に増大させずにその空力負荷を好適に低減し得る。また流体が剥離し易いブレード５の負圧面の流れ方向についての曲率も低減し得るため、サージ特性を向上すると共に、ハブ側の二次流れの低減を企図することができる。なお、図３において、互いに隣り合うフルブレード５同士間には整流用のスプリッタブレード５ａが設けられているが、本発明は、スプリッタブレード５ａの無いものにも等しく適用し得ることは言うまでもない。
【００１６】
特に空力負荷の高い部分（翼間通路長で見て入口から４０％〜８０％の領域）にこの翼厚漸増部６を適用し、ハブ側の翼間幅Ａを図４に示すように設定した場合の流れの様子を見ると、図５に示すように、従来構造のもの（ｂ）に比して本発明によるもの（ａ）の方が、フルブレード５、スプリッタブレード５ａ共に、ハブ３の外周面に近い側の二次流れが減少し（流れの幅が狭くなり）、ハブ側からの巻上がりが減少していることが分かる。
【００１７】
この効果を空力負荷（ＬＰ（Loading Paramater）＝（負圧側Ｗ−正圧側Ｗ）／平均Ｗ）で見ると、図６に示すように、特に、翼間通路長で見て入口から４０〜８０％にかけての領域での低減が顕著である。
【００１８】
一方、境界層内の二次流れは、主流に比して高い入射角でブレード５の前縁に流入してくる。そこでブレード５の前縁を中央部からハブ側にかけて上流側へ徐々に伸延することにより、その伸延部（スカロープ形状）を二次流れが乗り越える時に渦が発生してブレード５に再付着するものとしている。これにより、二次流れの発生を抑制するものとしている。
【００１９】
この伸延部７をスプリッタブレード５ａに設けたものは、図７（ａ）に示すように、伸延部７を乗り越えた二次流れが再付着しており、伸延部７を備えないもの（ｂ）に比して二次流れが好適に抑制されていることが分かる。なお、伸延部７は、フルブレード５にも設けても良いことは言うまでもない。
【００２０】
図８は、本発明の別の実施形態を示している。これは互いに隣り合うブレード５のハブ側同士間に画定された通路面８の位置を、正圧面からこれに対向する負圧面にかけて、ロータ軸２の中心から徐々に遠ざけるようにしたものである。これによっても、図２に示したものと同様の作用が得られる。
【００２１】
ところで、互いに隣り合うフルブレード５同士間に画定された流体通路の途中から１枚のスプリッタブレード５ａが設けられたものの場合（図９参照）、フルブレード５の負圧面からの剥離流にスプリッタブレード５ａの前端部が干渉し、これが圧縮機の効率を低下させる一因となっていた。この不都合に対処するためには、スプリッタブレード５ａの前端部の輪郭を、図９に点線で示したように、流体の実際の流れに沿わせた形状とすることが考えられる。
【００２２】
しかしながら、流体の流れ方向についての中心面に対する翼厚分布が正圧面側と負圧面側とで対称に設定された従来のもの（図１０及び図１１に点線で示す）の場合、スプリッタブレード５ａの前端部を上記のように流れに沿わせた形状とすると、図９にＡ寸法で示す負圧側フルブレードとの翼間幅の変化は図１２に破線で示したようになり、２点鎖線で示す通常のものに比して通路断面積が過度に急変してしまう。あまりに急激な通路断面積の変化は流れの剥離傾向の増大を招き、損失の増大に繋がる。
【００２３】
他方、図９にＢ寸法で示した正圧側フルブレードとの翼間幅を形成しているスプリッタブレード５ａの負圧面の角度変化を見ると、スプリッタブレード５ａの前端部を流れに沿わせた形状とすると、図１３に点線で示したように角度変化率の上昇が急峻となり、これも流れの剥離傾向を増大させる要因となってしまう。つまり、スプリッタブレード５ａの前端部を実際の流体の流れに沿わせるだけでは、損失の増大を抑制することはできなかった。
【００２４】
そこで本発明においては、スプリッタブレード５ａの前端部の接面の角度を、フルブレード５のそれに対して１度〜７度大きくすると共に、図１０及び図１１に実線と一点鎖線で示したように、正圧面側と負圧面側とで翼厚分布を不一致とし、その翼厚を、前端から急増させ、途中から略一定あるいは一旦減少させた後に再び増加させるようにした。これにより、図１２に実線で示すように、実際の流れに対する偏差をさほど大きくせずに翼間幅Ａの変化率を低減すると共に、図１３に実線で示すように、翼間幅Ｂを形成するスプリッタブレード５ａの負圧面の角度変化率を低減して損失の低減を図った。
【００２５】
なお、遠心圧縮機の流体通路への圧縮流体の流入角度とスプリッタブレード５ａの前端部角度との偏差は、通常は３度〜４度の範囲が好ましく、これが７度を超えると、スプリッタブレード自体が流体の剥離を助長してしまうことが実験により確認された。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳述した通り本発明の請求項１乃至３によれば、ブレードにおけるハブ近傍の応力を急激に増大させずに局所的にハブ側の空力負荷を制御することができるので、ブレードからの流体剥離の減少によるサージ特性の向上と、ハブ付近からの二次流れの低減による損失低減効果とが得られる。
【００２７】
また本発明の請求項４並びに５によれば、フルブレードの負圧面からの剥離流にスプリッタブレードの前端部が干渉することを避けた上でフルブレードとスプリッタブレード間の通路断面積の急激な変化を緩和することができるので、スプリッタブレードの前端部に生ずる損失を低減する効果が得られる。
【００２８】
さらに請求項６によれば、ブレードの前縁を中央部からハブ側にかけて流体の上流側へ徐々に伸延させるものとしたので、二次流れの発生抑制効果が得られる。
【００２９】
よって本発明により、インペラのブレードにおけるハブ側応力を増大させることなくサージ特性を高め且つ損失をより一層低減する上に多大な効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された遠心圧縮機のインペラの要部を示す全体斜視図
【図２】誇張して示したブレードの入口側の端面図
【図３】ブレードのハブ面に沿う断面図
【図４】ハブ側の翼間幅と翼間通路長との関係を示すグラフ
【図５】翼厚漸増部の有無による二次流れの違いを示す説明図
【図６】空力負荷と翼間通路長との関係を示すグラフ
【図７】伸延部の有無による二次流れの違いを示す説明図
【図８】本発明の別の実施形態を示したブレードの入口側の端面図
【図９】フルブレードとスプリッタブレードとの関係を示す流体通路の部分的な展開図
【図１０】スプリッタブレードの翼厚分布の一例を示すグラフ
【図１１】スプリッタブレードの翼厚分布の別例を示すグラフ
【図１２】流体通路中のＡ寸法の変化を示すグラフ
【図１３】スプリッタブレードの負圧面の角度変化率のグラフ
【図１４】応力上不利なブレードの断面形状
【図１５】従来の一般的なブレードの断面形状
【符号の説明】
１ インペラ
２ ロータ軸
３ ハブ
４ ディスク
５ フルブレード
５ａ スプリッタブレード
６ 翼厚漸増部
７ 伸延部
８ 通路面

Claims (6)

1. 複数のブレードを備える遠心圧縮機のインペラであって、
   前記ブレードの少なくとも一部の径方向についての厚さの増大率を、基端部へ近づくに連れて負圧面側のみを漸増させたことを特徴とする遠心圧縮機のインペラ。
2. 前記ブレードの径方向についての厚さの増大率を、遊端部から中央部にかけてよりも中央部から基端部にかけての方をより大きくした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。
3. 複数のブレードを備える遠心圧縮機のインペラであって、
   互いに隣り合うブレードの基端部同士間に画定された流体通路の少なくとも一部の外周面の当該インペラの軸中心からの距離を、正圧面からこれに対向する負圧面にかけて漸増させるようにしたことを特徴とする遠心圧縮機のインペラ。
4. フルブレードとスプリッタブレードとを備える遠心圧縮機のインペラであって、
   互いに隣り合う前記フルブレード同士間に画定された流体通路の中心軸線に対し、前記スプリッタブレードの前端部を、前記フルブレードの負圧面側へ向けて所定角度だけ傾けたことを特徴とする遠心圧縮機のインペラ。
5. 前記スプリッタブレードの流体の流れ方向についての翼厚を、中心面に対して正圧面と負圧面とで不一致とし、且つ入口から急増させ途中から略一定あるいは一旦減少させた後に再び微増させることを特徴とする請求項４に記載の遠心圧縮機のインペラ。
6. 少なくとも一部の前記ブレードの前縁を、径方向の中央部から基端部にかけて流体の上流側へ徐々に伸延させたことを特徴とする請求項１乃至５に記載の遠心圧縮機のインペラ。

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