JP6951087B2 - 回転機械 - Google Patents
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Description
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、高揚力を得ることができる回転機械を提供することを目的とする。
即ち、本発明の一の態様に係る回転機械は、軸線回りに回転する回転軸と、前記回転軸と一体に回転することで、前記軸線方向から導入される流体を径方向外側に排出するインペラと、前記回転軸及びインペラを収容し、前記インペラの径方向外側に接続されて前記インペラから排出される前記流体を径方向外側に導くケーシングと、を備え、前記インペラは、前記軸線回りに回転される円盤状をなすディスクと、前記ディスクの前記軸線方向を向く面側に周方向に間隔をあけて設けられ、径方向外側に向かうにしたがって回転方向後方側に延びる複数のブレードと、を備え、各前記ブレードは、径方向内側から外側に向かうにしたがって回転方向後方側に延びて、後縁が前記ディスクの外周縁部よりも径方向内側に位置する主翼と、各前記主翼に対応するように該主翼の回転方向前方側に間隔をあけて設けられて、前縁が前記主翼の前縁よりも径方向外側に位置し、後縁が前記ディスクの外周縁部に位置する副翼と、を有し、前記副翼のコード長は、前記主翼のコード長の5%〜30%であり、前記副翼は、互いに隣り合う一対の前記主翼のうち、対応する前記主翼側に近接して配置されており、前記主翼の圧力面の後縁側領域と、該主翼に対応する前記副翼の負圧面の前縁側領域とが互いに対向しており、複数の前記ブレードを前記軸線方向から覆うカバーをさらに備え、前記軸線方向に対向する前記ディスクと前記カバーとの間の領域をディスク側領域、カバー側領域及びこれらディスク側領域とカバー側領域との間の中央領域に区分した際に、前記副翼は、前記中央領域に設けられずに、前記ディスク側領域及び前記カバー側領域の少なくとも一方に設けられている。
即ち、主翼と副翼との間で、境界層が一旦リセットされることになるため、その後に副
翼で効果的に揚力を得ることができ、インペラ全体として高い揚力を実現することができ
る。
また、副翼が対応する主翼の圧力面で成長した境界層を、当該副翼によってより確実に切り取ることができる。
また、主流におけるディスク側及びカバー側の少なくとも一方での全圧が上昇する全圧分布を得ることができる。
また、この場合、主翼の圧力面の後縁側領域と副翼の負圧面の前縁側領域とが、流体の流れに直交する方向に重なり合うことになる。そのため、主翼の圧力面で成長した境界層は、負圧面の前縁によって切り取られた後、そのまま主翼の圧力面に従って径方向外側に移送される。したがって、主翼間の流れから境界層をより確実に切り取ることができる。一方、主翼は、ディスクの外周縁部まで至っていないため、該主翼によって剥離が発生してしまうこともない。
また、副翼のコード長が長すぎれば、流れに対する主翼の圧力面によるエネルギーの供給が妨げられる。また、副翼のコード長が短すぎれば、境界層が切り取られた後の流れに対する副翼の圧力面によるエネルギーの供給量が低下する。
副翼のコード長を上記範囲に設定することで、主翼、副翼による流体へのエネルギー供給の最適化を図ることができる。
翼片を有しており、隣り合う前記副翼片のうち後段側の前記副翼片の前縁は、前段側の前
記副翼片の後縁よりも回転方向前方側に位置していてもよい。
図1に示すように、圧縮機1は、回転軸2、ジャーナル軸受5、スラスト軸受6、インペラ20、及びケーシング10を備えている。本実施形態の圧縮機1は、インペラ20を複数段備えたいわゆる一軸多段遠心圧縮機である。
ケーシング10は、導入流路11、接続流路13及び排出流路16を有している。
ディフューザ流路14は、インペラ20の径方向外側に接続されており、インペラ20から径方向外側に排出されるガスを径方向外側に導きながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する。リターン流路15は、ディフューザ流路14の径方向外側に接続されて径方向外側に向かうガスを径方向内側に転向させて後段側のインペラ20に案内する。
ディスク30は、軸線Oを中心とした円盤状に形成されている。ディスク30には、軸線Oを中心とした円形をなして軸線O方向に貫通する貫通孔31が形成されている。貫通孔31の内面が回転軸2の外周面に嵌まり込むことによって、インペラ20が回転軸2に一体に固定されている。
本実施形態では、ディスク主面33の軸線O方向一方側の端部と貫通孔31の軸線O方向一方側の端部との間には、軸線O方向に直交する平面状をなすディスク前端面34が形成されている。ディスク主面33の軸線O方向他方側の端部とディスク背面32の径方向外側の端部との間には、軸線O方向に延びてディスク30の外周縁部となるディスク外端面35が設けられている。
カバー36の内周面37、ディスク主面33及びブレード40によって、これらの間に軸線O方向一方側から他方側に向かうに従って、回転方向R後方側に湾曲するように延びる流路が形成されている。
主翼50は、径方向内側から外側に向かうにしたがって回転方向R後方側に延びている翼形状をなしている。主翼50の前縁51は、カバー36の軸線O方向一方側の端部に近接した位置に配置されている。主翼50の後縁52は、ディスク30の外周縁部よりも径方向内側に位置している。即ち、主翼50の後縁52は、ディスク30の外周縁部まで至らずに、該外周縁部の径方向内側に該外周端部と間隔をあけて配置されている。
主翼50における回転方向R前方側(周方向他方側)を向く面は、圧力面53とされており、回転方向R後方側を向く面は負圧面54とされている。
副翼60における回転方向R前方側(周方向他方側)を向く面は、圧力面63とされており、回転方向R後方側を向く面は負圧面64とされている。
副翼60は、主翼50を後縁62から外周縁部まで滑らかに延長させた際の仮想湾曲線を、そのまま主翼50の圧力面53が向く方に遷移させた湾曲線上に位置している。副翼60の前縁61は、主翼50の後縁52よりも該主翼50の圧力面53に沿うガスの流れの上流側、かつ、主翼50の圧力面53の向く方向に該主翼50から離間した位置に配置されている。
ここで、軸線O方向から見た際に、互いに隣り合う主翼50の後縁52及び軸線Oを結ぶ線分同士がなす角をθ1とする。また、軸線O方向から見た際に、主翼40の後縁52及び軸線Oを結ぶ線分と該主翼50に対応する副翼60の前縁61及び軸線Oを結ぶ線分とがなす角をθ2とする。この際、本実施形態では、θ2/θ1≦0.1が成立していることが好ましい。
主翼50に対応する副翼60の角θ2の範囲内に、当該対応する主翼50の後縁52が位置していることが好ましい。
主翼50に対応する副翼60は、該主翼50の回転方向R前方側に位置する主翼50よりも対応する主翼50に近接して配置されていることが好ましい。
上記のようなインペラ20を、例えば3Dプリンタを用いて作成してもよい。
回転軸2の回転に伴ってインペラ20が回転すると、該インペラ20内の流路に軸線O方向一方側からガスが導入される。このようにインペラ20内に導入されたガスは、流路内を径方向外側に向かう過程で、主翼50の圧力面53からエネルギーが付与されて昇圧される。
一方で、主翼50の圧力面53から回転方向R前方側に離間した境界層Bの影響が小さい流れ、又は、境界層Bの影響を受けていない流れは、副翼60の圧力面63によってエネルギーが付与されて昇圧される。
また、仮に主翼50の後縁52がディスク30の外周縁部まで至っていれば、当該主翼50で境界層Bが剥離する可能性があるが、主翼50は外周端部まで至っていないため、剥離することはない。
本実施形態では、副翼60のコード長が主翼50のコード長の5%〜30%の範囲に設定されているため、主翼50、副翼60によるガスへのエネルギー供給の最適化を図ることができる。
また、角θ1と角θ2との間にθ2/θ1≦0.1の関係が成立するため、上記同様、主翼50、副翼60による作用効果を一層高めることができる。
第二実施形態のインペラ20Aは、副翼80の構成が第一実施形態と相違する。第二実施形態の副翼80は、複数段の副翼片81から構成されている。
前段の副翼片81の前縁(副翼80の前縁)は、主翼50の後縁52よりも該主翼50の圧力面53に沿うガスの流れの上流側、かつ、該主翼50の圧力面53が向く方向に離間して配置されている。前段の副翼片81の後縁は、ディスク30の外周縁部から径方向内側に離間している。
なお、第二実施形態では、3つ以上の副翼片81を有していてもよい。この場合、互いに隣り合う副翼片81同士の関係は、上記前段の副翼片81と後段の副翼片81との関係と同様になる。また、最後段の副翼片81の後縁がディスク30の外周縁部に位置する。
第三実施形態のインペラ20Bでは、主翼50に対応するように、ディスク30側及びカバー36側に離間して一対の副翼90a,90bが設けられている。
即ち、軸線Oを含む断面視において、流路をディスク側領域91、カバー側領域92及び中央領域93の3つの領域に区分けした際に、ディスク側領域91及びカバー側領域92にのみ副翼90a,90bが設けられており、中央領域93には設けられていない。
実施形態では、インペラ20,20A,20Bをそれぞれカバー36を備えたクローズインペラとして説明したが、本発明をカバー30を備えていないオープンインペラに適用してもよい。
実施形態では、回転機械として圧縮機1を例に説明したが、例えばポンプ等の他の回転機械に本発明を適用してもよい。
2 回転軸
3 第一端部
4 第二端部
5 ジャーナル軸受
6 スラスト軸受
10 ケーシング
11 導入流路
12 吸込み口
13 接続流路
14 ディフューザ流路
15 リターン流路
16 排出流路
17 排出口
20 インペラ
30 ディスク
31 貫通孔
32 ディスク背面
33 ディスク主面
34 ディスク前端面
35 ディスク外端面
36 カバー
37 内周面
40 ブレード
50 主翼
51 前縁
52 後縁
53 圧力面
53a 後縁側領域
54 負圧面
60 副翼
61 前縁
62 後縁
63 圧力面
64 負圧面
64a 前縁側領域
70 剥離切り取り流路
80 副翼
81 副翼片
90a 副翼
90b 副翼
91 ディスク側領域
92 カバー側領域
93 中央領域
B 境界層
O 軸線
R 回転方向
Claims (3)
- 軸線回りに回転する回転軸と、
前記回転軸と一体に回転することで、前記軸線方向から導入される流体を径方向外側に排出するインペラと、
前記回転軸及びインペラを収容し、前記インペラの径方向外側に接続されて前記インペラから排出される前記流体を径方向外側に導くケーシングと、
を備え、
前記インペラは、
前記軸線回りに回転される円盤状をなすディスクと、
前記ディスクの前記軸線方向を向く面側に周方向に間隔をあけて設けられ、径方向外側に向かうにしたがって回転方向後方側に延びる複数のブレードと、
を備え、
各前記ブレードは、
径方向内側から外側に向かうにしたがって回転方向後方側に延びて、後縁が前記ディスクの外周縁部よりも径方向内側に位置する主翼と、
各前記主翼に対応するように該主翼の回転方向前方側に間隔をあけて設けられて、前縁が前記主翼の前縁よりも径方向外側に位置し、後縁が前記ディスクの外周縁部に位置する副翼と、
を有し、
前記副翼のコード長は、前記主翼のコード長の5%〜30%であり、
前記副翼は、互いに隣り合う一対の前記主翼のうち、対応する前記主翼側に近接して配置されており、
前記主翼の圧力面の後縁側領域と、該主翼に対応する前記副翼の負圧面の前縁側領域とが互いに対向しており、
複数の前記ブレードを前記軸線方向から覆うカバーをさらに備え、
前記軸線方向に対向する前記ディスクと前記カバーとの間の領域をディスク側領域、カバー側領域、及びこれらディスク側領域とカバー側領域との間の中央領域に区分した際に、前記副翼は、前記中央領域に設けられずに、前記ディスク側領域及び前記カバー側領域の少なくとも一方に設けられている回転機械。 - 前記インペラにおける前記副翼は、前記径方向外側に向かって順次配列された複数段の副翼片を有しており、
隣り合う前記副翼片のうち後段側の前記副翼片の前縁は、前段側の前記副翼片の後縁よりも回転方向前方側に位置している請求項1に記載の回転機械。 - 前記インペラにおける前記軸線方向から見て、互いに隣り合う前記主翼の後縁及び前記軸線を結ぶ線分同士がなす角をθ1とし、
前記軸線方向から見て、前記主翼の後縁及び前記軸線を結ぶ線分と該主翼に対応する前記副翼の前縁及び前記軸線を結ぶ線分とがなす角をθ2とした際に、
0<θ2/θ1≦0.1が成立する請求項1又は2に記載の回転機械。
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