JP7386333B2 - インペラ、及び遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本開示は、インペラ、及び遠心圧縮機に関する。
本願は、２０２０年４月２３日に日本国特許庁に出願された特願２０２０－０７６７０４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

遠心圧縮機に用いられるインペラは、円盤状のハブと、ハブの一方側の面に設けられた複数のブレードと、を備えている。

上記のようなインペラでは、圧力比の向上を図る場合、ブレードのバックワード角を小さくすることで、出口の絶対流速の周方向成分を増加させる手法がとられることが従来一般的である。なお、バックワード角とは、ブレードの後縁における接線が回転軸線の径方向に対してなす角度を指す。このような形状を有するインペラの具体例として、下記特許文献１に記載されたものが知られている。

特開２０１４－１０９１９３号公報

しかしながら、上記のような形状のインペラでは、ブレードのハブからチップまで一様に翼負荷が大きくなるため、インペラ内部の圧力勾配に起因した二次流れや翼端の漏れ渦などの流動構造に起因した損失が大きくなる。このため、効率の低下や安定作動領域の縮小を招く虞がある。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、圧力比が高く、かつ効率も高いインペラ、及び遠心圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係るインペラは、軸線を中心とする円盤状のハブと、該ハブの前記軸線方向一方側を向く面から突出し、周方向に配列された複数のブレードと、を備え、前記ブレードにおける前記ハブからチップに向かう翼高さ方向を含む断面視で、前記ブレードには、回転方向の後方側に向かって凸となるように湾曲する凹面が形成され、前記ブレードは、前縁側から後縁側にかけて前記凹面の曲率が増加する部分を有する。

本開示によれば、圧力比が高く、かつ効率も高いインペラ、及び遠心圧縮機を提供することができる。

本開示の実施形態に係る遠心圧縮機の構成を示す断面図である。 本開示の実施形態に係るインペラの構成を示す斜視図である。 本開示の実施形態に係るインペラの構成を示す子午面図である。 本開示の実施形態に係るインペラの翼角分布を示す図である。 本開示の実施形態に係るフルブレードの翼高さ方向における形状を示した図である。 本開示の実施形態に係るフルブレードの翼高さ方向における形状を示した図である。 本開示の実施形態に係るブレードの翼角を定義するための図である。 本開示の実施形態に係るフルブレードの翼角とキャンバー線の関係を示す説明図である。 本開示の実施形態に係るインペラの二次流れの様子を示す説明図である。

（遠心圧縮機の構成）
以下、本開示の実施形態に係る遠心圧縮機１００について、図１から図８を参照して説明する。図１に示すように、遠心圧縮機１００は、回転軸１０と、インペラ１と、ケーシング３０と、ディフューザベーン４０と、を備えている。なお、本発明において、ディフューザベーン４０は必須な構成ではなく、ディフューザベーンを備えていない遠心圧縮機に対して本発明を適用しても良い。

回転軸１０は、軸線Ａｃに沿って延びるとともに、当該軸線Ａｃ回りに回転可能である。回転軸１０の外周面には、インペラ１が固定されている。インペラ１は、ハブ２と、複数のブレード５，７（フルブレード５、及びスプリッタブレード７）と、を有している。
ハブ２は、軸線Ａｃを中心とする円盤状をなしている。ハブ２の外周面は、軸線Ａｃ方向一方側から他方側に向かうに従って径方向内側から外側に向かって湾曲する曲面状をなしている。

図２に示されるように、フルブレード５は、ハブ２の周面上に流体の入口部３から出口部４まで延びるように設けられた長翼である。スプリッタブレード７は、ハブ２の周面上で隣り合うフルブレード５，５間に形成される流体の各流路６においてフルブレード５の前縁５ａよりも下流側から出口部４まで延びるように設けられた短翼である。また、図２における矢印（符号Ｎ）は、インペラ１の回転方向を示している。

図３に示されるように、フルブレード５は、入口部３側の縁である前縁５ａと、出口部４側の縁である後縁５ｂと、ハブ２と接続する側の縁であるハブ側縁５ｃと、ハブ側縁５ｃと対向する縁であるチップ側縁５ｄとを有している。スプリッタブレード７は、入口部３側の縁である前縁７ａと、出口部４側の縁である後縁７ｂと、ハブ２と接続する側の縁であるハブ側縁７ｃと、ハブ側縁７ｃと対向する縁であるチップ側縁７ｄとを有している。チップ側縁５ｄ，７ｄはそれぞれ、図示しないケーシングの内壁面に面し、ケーシングの内壁面との間に隙間（以下、「クリアランス」という）が形成されている。なお、フルブレード５の詳細な構成については後述する。

ケーシング３０は、これら回転軸１０、及びインペラ１を外周側から囲っている。ケーシング３０の内部には、インペラ１を収容するとともに外部から導かれた流体を圧縮する圧縮流路Ｐと、圧縮流路Ｐの径方向外側に接続された出口流路Ｆと、が形成されている。
圧縮流路Ｐは、インペラ１の外形に対応するように、軸線Ａｃ方向一方側から他方側に向かうに従って次第に拡径している。圧縮流路Ｐの径方向外側の出口には出口流路Ｆが接続されている。

出口流路Ｆは、ディフューザ流路Ｆ１と、出口スクロールＦ２と、を有している。ディフューザ流路Ｆ１は、圧縮流路Ｐから導かれた流体の静圧を回復させるために設けられている。ディフューザ流路Ｆ１は、圧縮流路Ｐの出口から径方向外側に向かって延びる円環状をなしている。軸線Ａｃを含む断面視では、ディフューザ流路Ｆ１の流路幅は延在方向の全域にわたって一定である。ディフューザ流路Ｆ１中には複数のディフューザベーン４０が設けられていても良い。

ディフューザ流路Ｆ１の径方向外側の出口には、出口スクロールＦ２が接続されている。出口スクロールＦ２は、軸線Ａｃの周方向に延びる渦巻き状をなしている。出口スクロールＦ２は、円形の流路断面を有している。出口スクロールＦ２の一部には、高圧流体を外部に導くための排気孔が形成されている（図示省略）。

（フルブレードの構成）
図４は、フルブレード５のハブ側縁５ｃ及びチップ側縁５ｄの翼角の前縁５ａから後縁５ｂまでの分布を示している。図４では、フルブレード５の子午面長さ方向に、フルブレード５の子午面長さに対するフルブレード５の前縁５ａからフルブレード５の子午面長さ方向の長さの比ｍの軸をとっている。ｍの定義から、前縁５ａの位置はｍ＝０となり、後縁５ｂ，７ｂの位置はｍ＝１となる。また、ｍの値が同じであることは、インペラ１を子午面方向から視認した場合の位置が同じであることを意味している。図４中の実線はチップ側縁５ｄの翼角分布を示し、破線はハブ側縁５ｃの翼角分布を示し、一点鎖線はこれらチップ側縁５ｄとハブ側縁５ｃとの間の部分（ミッドスパン５ｍ）の翼角分布を示している。ここで、ブレードの翼高さ方向におけるハブ側縁５ｃの位置を０％スパン位置、チップ側縁５ｄの位置を１００％スパン位置とした場合に、図４におけるミッドスパン５ｍの位置は、５０％スパン位置（チップ側縁５ｄとハブ側縁５ｃとの中間位置）である。ただし、本発明においてミッドスパン５ｍの位置は５０％スパン位置には限定されない。ミッドスパン５ｍの位置を３０～７０％スパン位置の範囲内における任意のスパン位置として、後述する凹面Ｒの位置を定義してもよい。

図６は、ブレード５の任意のスパン位置において入口部３から出口部４まで子午面長さ方向に沿って平面上に展開した図である。当該展開図において、縦軸はブレード５の回転方向、横軸は子午面長さ方向を示している。この平面上において、ブレード（フルブレード５又はスプリッタブレード７）と子午面長さ方向とのなす角度βを翼角と定義する。つまり、ブレードの後縁の位置における翼角β（バックワード角）は、ブレードの後縁位置における翼面の接線が子午面長さ方向に対してなす角度を指している。また、図７を参照すれば、軸方向ｚ、半径方向Ｒ、軸周りの回転角度θで表される座標系において、座標点１と座標点２との間の微小区間における翼角βは、下記式（１）により規定される。
ｔａｎβ＝Ｒ_２・ｄθ／ｄｍ・・・・（１）
ここで、ｄθ＝θ_２－θ_１、ｄｍ＝√（Ｚ_２－Ｚ_１）^２＋（Ｒ_２－Ｒ_１）^２であり、Ｓはキャンバー線である。

図４に示した実施形態では、フルブレード５では、前縁５ａ側では、チップ側縁５ｄの翼角βｔが最も大きく、次いでミッドスパン５ｍの翼角βｍが大きい。また、前縁５ａ側ではハブ側縁５ｃの翼角βｈが最も小さい（βｔ＞βｍ＞βｈ）。一方で、前縁５ａ側から後縁５ｂ側に向かうにつれて、翼角分布は変化する。具体的には、後縁５ｂ側では、ハブ側縁５ｃの翼角βｈが最も大きく、次いでチップ側縁５ｄの翼角βｔが大きい。また、後縁５ｂ側では、ミッドスパン５ｍの翼角βｍが最も小さい（βｈ＞βｔ＞βｍ）。

また、図示しない実施形態では、後縁５ｂ側において、チップ側縁５ｄの翼角βｔが最も大きくても良い。また、チップ側縁５ｄの翼角βｔとハブ側縁５ｃの翼角βｈとが同じ大きさであっても良い。この場合においても、後縁５ｂ側では、ミッドスパン５ｍの翼角βｍが最も小さい（βｔ≧βｈ＞βｍ）。

図５Ａ、図５Ｂは、本開示の実施形態に係るブレードの翼高さ方向における形状を示した図である。ここで、図５Ａ、図５Ｂは、前縁から４０～１００％となる部分（ｍ＝０．４～１．０）におけるフルブレードの形状（翼厚中心線）を示しており、図５Ａの方が、図５Ｂよりも前縁５ａ側に位置している。

つまり、図４の翼角分布は、図２および図５Ａ、図５Ｂに示すように、本実施形態に係るフルブレード５では、ハブ２からチップ側に離間する方向である翼高さ方向を含む断面視で、回転方向Ｎの後方側に向かって凸となるように湾曲する凹面Ｒが形成されていることを意味している。

さらに、上述した断面視で、フルブレード５のチップ側縁５ｄとハブ側端縁５ｃとを結んだ仮想線ＩＬと前記ブレードのミッドスパンとの前記仮想線に対して直交する方向に沿った距離を凹み量ｄと定義した場合に、フルブレード５は、前縁５ａ側から後縁５ｂ側にかけて凹み量ｄが増加する部分（ｄ_２＞ｄ_１）を有している。図５Ｂにおけるミッドスパン５ｍにおける凹み量ｄ_２は、図５Ａにおけるミッドスパン５ｍにおける凹み量ｄ_１よりも大きくなっている。

さらに、図４から読み取れるように、フルブレード５は、前縁５ａ側から後縁５ｂ側にかけて凹面Ｒの曲率が増加する部分を有している。図５Ｂにおけるミッドスパン５ｍにおける凹面Ｒの曲率は、図５Ａにおけるミッドスパン５ｍにおける凹面Ｒの曲率よりも大きくなっている。ここで、凹面Ｒの曲率とは凹面Ｒに少なくとも２箇所で接する最小仮想円の曲率半径の逆数として定義される。

この凹面Ｒは、フルブレード５の前縁５ａ側から４０～１００％となる部分（ｍ＝０．４～１．０）の少なくとも一部に形成されていることが望ましい。また、この凹面Ｒは、翼面を流れるの二次流れが特に強い前縁５ａから６０％となる部分（ｍ＝０．６）に少なくとも形成されていることが望ましい。また、この凹面Ｒにおける最も曲率が大きい部分は、フルブレード５の前縁５ａ側から６０～７０％となる部分（ｍ＝０．６～０．７）に形成されていることが望ましい。

本実施形態に係るフルブレード５では、上述したように、フルブレード５の後縁５ｂの位置において、ミッドスパン５ｍの翼角βｍが、ハブ側の翼角βｈ及びチップ側の翼角βｔよりも小さい。
また、本実施形態に係るフルブレード５では、図４に示したように、フルブレード５の後縁５ｂの位置において、フルブレード５の後縁５ｂの位置において、ハブ側の翼角βｈおよびチップ側の翼角βｔの何れか小さい方（ｍｉｎ（βｈ、βｔ））とミッドスパン５ｍにおける翼角βｍとの差分をｄβ、ハブ側の翼角βｈとチップ側の翼角βｔとの差分の絶対値（｜βｈ－βｔ｜）をΔβと定義した場合に、ｄβ＞Δβの関係を満たす。望ましくは、ｄβ＞Δβ＋２°の関係を満たす。さらに望ましくは、ｄβ＞Δβ＋５°の関係を満たす。

（作用効果）

上記構成によれば、フルブレード５には回転方向の後方側に向かって凸となるように湾曲する凹面Ｒが形成されている。さらに、フルブレード５には、前縁５ａ側から後縁５ｂ側にかけてこの凹面Ｒの凹み量ｄが増加する部分（ｄ_２＞ｄ_１）が形成されている。図８に示すように、フルブレード５に沿って流体が流れる場合、凹面Ｒに向かって積極的に流れが引き込まれる。これにより、二次流れが凹面Ｒに捕捉され、チップ側縁５ｄではなく、後縁５ｂ側に向かって導かれる（図８中の実線）。一方で、上記の凹面Ｒが形成されていない場合、破線矢印で示すように、二次流れは遠心力によって前縁５ａ側からチップ側縁５ｄに向かって流れてしまう。その結果、損失が増大してしまう。一方で、本実施形態によれば、このような二次流れによる損失を低減することができる。したがって、上記の構成によれば、ｄβをΔβよりも大きくした分だけインペラ１の圧縮比を高めることができる。

ここで、上述の二次流れは、ブレードの前縁側から４０～１００％となる部分、特に前縁側から６０％近傍の部分で発生しやすいことが知られている。上記構成によれば、このように二次流れが発生しやすい部分に凹面が形成されていることで、より積極的に二次流れを低減することができる。

上記構成によれば、ミッドスパン５ｍには、フルブレード５の後縁５ｂの位置において、ミッドスパン５ｍの翼角βｍが、ハブ側の翼角βｈ及びチップ側の翼角βｔよりも小さくなっている。さらに、上述したように、ｄβ＞Δβの関係を満たす。望ましくは、ｄβ＞Δβ＋２°の関係を満たす。さらに望ましくは、ｄβ＞Δβ＋５°の関係を満たす。
したがって、ｄβをΔβよりも大きくした分だけインペラ１の圧縮比を高めることができる。

（その他の実施形態）
以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、上述した実施形態では、上述した凹面Ｒがフルブレード５に形成される場合を例にして説明したが、このような凹面Ｒは、スプリッタブレード７に形成されていてもよいものである。

＜付記＞
各実施形態に記載のインペラ１、及び遠心圧縮機１００は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係るインペラ１は、軸線Ａｃを中心とする円盤状のハブ２と、該ハブ２の前記軸線Ａｃ方向一方側を向く面から突出し、周方向に配列された複数のブレード５と、を備え、前記ブレード５における前記ハブ２からチップ側に離間する方向である翼高さ方向を含む断面視で、前記ブレード５には、回転方向の後方側に向かって凸となるように湾曲する凹面Ｒが形成され、前記断面視で、ブレード５のチップ側の端縁５ｄとハブ側の端縁５ｃとを結んだ仮想線ＩＬとブレード５のミッドスパン５ｍとの仮想線ＩＬに対して直交する方向に沿った距離を凹み量ｄと定義した場合に、ブレード５は、前縁側から後縁側にかけて凹み量ｄが増加する部分を有する。

上記構成によれば、ブレード５には回転方向の後方側に向かって凸となるように湾曲する凹面が形成されている。さらに、ブレード５には、前縁５ａ側から後縁５ｂ側にかけて凹み量ｄが増加する部分が形成されている。ブレード５に沿って流体が流れる場合、凹面Ｒに向かって積極的に流れが引き込まれる。これにより、二次流れが凹面Ｒに捕捉され、チップ側ではなく、後縁５ｂ側に向かって導かれる。したがって、二次流れによる損失を低減することができ、これによりインペラ１の圧縮比を高めることもできる。

（２）第２の態様に係るインペラ１では、前記凹み量ｄが増加する部分では、前縁側から後縁側にかけて凹面Ｒの曲率が増加するように構成される。

上記構成によれば、上記凹み量ｄが増加する部分において、前縁側から後縁側にかけて凹面Ｒの曲率が増加するように構成されることで、より効果的に二次流れによる損失を低減し、インペラ１の圧縮比を高めることができる。

（３）第３の態様に係るインペラ１では、ブレード５の後縁５ｂの位置において、ブレード５のハブ側の端縁５ｃとチップ側の端縁５ｄとの間であるミッドスパン５ｍにおける翼角βｍは、ハブ側の翼角βｈ及びチップ側の翼角βｔよりも小さい。

上記構成によれば、ミッドスパン５ｍのバックワード角（後縁における翼角）をハブ２やシュラウドと比較して小さくすることで、二次流れや漏れ流れとの関連が深いハブ２やシュラウドなどの壁面付近の負荷は出来るだけ変えずに（流動構造に起因した圧力損失をできる限り抑制しつつ）、圧力比を向上させることができる。

（４）第４の態様に係るインペラ１では、前記凹面Ｒは、前記ブレード５の前縁側から４０～１００％となる部分に形成されている。

ここで、上述の二次流れは、ブレード５の前縁５ｂ側から４０～１００％となる部分で特に発生しやすいことが知られている。上記構成によれば、このように二次流れが発生しやすい部分に凹面Ｒが形成されていることで、より積極的に二次流れを低減することができる。

（５）第５の態様に係るインペラ１では、上記（３）第３の態様において、ブレード５の後縁５ａの位置において、ハブ側の翼角βｈおよびチップ側の翼角βｔの何れか小さい方とミッドスパンにおける翼角βｍとの差分をｄβ、ハブ側の翼角βｈとチップ側の翼角βｔとの差分の絶対値をΔβと定義した場合に、ｄβ＞Δβの関係を満たす。

上記構成によれば、上記（３）第３の態様に記載した作用効果を高めることができる。

（６）第６の態様に係るインペラ１では、上記（５）第５の態様において、ｄβ＞Δβ＋２°の関係を満たす。

上記構成によれば、上記（３）第３の態様に記載した作用効果をより一層高めることができる。

（７）第７の態様に係る遠心圧縮機１００は、インペラ１と、該インペラを覆うケーシング３０と、を備える。

上記構成によれば、圧力比が高く、かつ効率が向上した遠心圧縮機を提供することができる。

１００ 遠心圧縮機
１ インペラ
２ ハブ
３ 入口部
４ 出口部
５ フルブレード
５ａ 前縁
５ｂ 後縁
５ｃ ハブ側縁
５ｄ チップ側縁
５ｍ ミッドスパン
６ 流路
７ スプリッタブレード
１０ 回転軸
３０ ケーシング
４０ ディフューザベーン
Ａｃ 軸線
Ｆ 出口流路
Ｆ１ ディフューザ流路
Ｆ２ 出口スクロール
Ｐ 圧縮流路
Ｒ 凹面
Ｐｌ 平面

Claims (6)

1. 軸線を中心とする円盤状のハブと、
   該ハブの前記軸線方向一方側を向く面から突出し、周方向に配列された複数のブレードと、
   を備え、
   前記ブレードにおける前記ハブからチップ側に離間する方向である翼高さ方向を含む断面視で、前記ブレードには、回転方向の後方側に向かって凸となるように湾曲する凹面が形成され、
   前記断面視で、前記ブレードのチップ側の端縁とハブ側の端縁とを結んだ仮想線と前記ブレードのミッドスパンとの前記仮想線に対して直交する方向に沿った距離を凹み量と定義した場合に、
   前記ブレードは、前縁側から後縁側にかけて前記凹み量が増加する部分を有するとともに、
   前記ブレードの前記後縁の位置において、前記ミッドスパンにおける翼角は、前記ハブ側の翼角及び前記チップ側の翼角よりも小さい
   インペラ。
2. 前記凹み量が増加する部分では、前記前縁側から前記後縁側にかけて前記凹面の曲率が増加するように構成される請求項１に記載のインペラ。
3. 前記凹面は、前記ブレードの前縁側から４０～１００％となる部分の少なくとも一部に形成されている請求項１又は２に記載のインペラ。
4. 前記ブレードの前記後縁の位置において、前記ハブ側の前記翼角および前記チップ側の前記翼角の何れか小さい方と前記ミッドスパンにおける前記翼角との差分をｄβ、前記ハブ側の前記翼角と前記チップ側の前記翼角との差分の絶対値をΔβと定義した場合に、
   ｄβ＞Δβの関係を満たす請求項１乃至３の何れか１項に記載のインペラ。
5. ｄβ＞Δβ＋２°の関係を満たす請求項４に記載のインペラ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のインペラと、
   該インペラを覆うケーシングと、
   を備える遠心圧縮機。

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