JP6200531B2

JP6200531B2 - インペラ及び流体機械

Info

Publication number: JP6200531B2
Application number: JP2016020106A
Authority: JP
Inventors: 亮祐齋藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2016-02-04
Filing date: 2016-02-04
Publication date: 2017-09-20
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: JP2016065548A

Description

本発明は、遠心式や斜流式などの圧縮機やポンプなどにて、流体を昇圧可能なインペラ及びこのインペラを有する流体機械に関するものである。

例えば、流体機械として、流体を圧送する遠心圧縮機は、ケーシングと、このケーシングの内部で回転可能に配置されたインペラ（羽根車）と、このインペラを回転可能な駆動装置とから構成されている。従って、駆動装置によりインペラを回転させることで、このインペラの軸線方向前側からケーシングの内部に流体を取り込み、この流体をインペラの径方向外側に圧送してケーシングの外部に送り出すことができる。

遠心圧縮機のインペラとしては、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された圧縮機のインペラは、ブレードの回転方向後側に隣接配置されたブレードとの間にブレードの翼根に沿って切欠きを設けることで、ハブの表面に沿って切欠きに流れてきた二次流れが切欠きを通ってハブの背面側に吸い出され、ブレードの負圧面側に滞留する低エネルギ流体を低減するものである。

特開２００９−１３３２６７号公報

上述した圧縮機のインペラにあっては、ブレードの翼根に切欠きを設けることで、ブレードの負圧面側に滞留する低エネルギ流体を低減することができる。しかし、近年、圧縮機においては、コンプレッサ効率の更なる高効率化が求められているのが現状である。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、ブレードの負圧面側に滞留する低エネルギ流体を低減させることで高効率化を可能とするインペラ及び流体機械を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明のインペラは、円環形状をなすハブと、前記ハブの外周面に沿って放射状に配置される複数のブレードと、を備え、回転軸線に沿って前記ブレードの前縁側から流れ込んだ流体が、前記回転軸線に交差する半径方向の外側に向かって前記ブレードの後縁側から排出されるインペラにおいて、前記ブレードの圧力面は、前記ハブ側から回転方向の前方に対して９０度以下の角度で延出する第１圧力面と、前記第１圧力面から回転方向の前方に対して９０度より大きい角度で延出する第２圧力面と、を有し、前記ブレードは、同様の厚さであって、回転方向の前方側の前記第１圧力面及び前記第１圧力面が設けられる圧力面と、回転方向の後方側の負圧面とが同様の形状をなす、ことを特徴とするものである。

従って、インペラが回転すると、第１圧力面によりハブの表面に沿う流れが生成され、前方側のブレードの負圧面側に低エネルギ流体が停滞しようとするが、第２圧力面からこの前方側のブレードの負圧面側への流れが生成されることから、ブレードの負圧面側に滞留する低エネルギ流体が低減されることとなり、インペラ効率を向上することができる。

本発明のインペラでは、前記ブレードの圧力面は、前記第２圧力面から回転方向の前方に対して９０度以下の角度で延出する第３圧力面を有することを特徴としている。

従って、第３圧力面により前方側のブレードの負圧面側への流れが生成されるため、ブレードの負圧面側に滞留する低エネルギ流体を低減することができる。

本発明のインペラでは、前記第１圧力面と前記第３圧力面は、前記ハブに対して回転方向の前方へ傾斜していることを特徴としている。

従って、第１圧力面及び第３圧力面により生成される流体により、前方側のブレードの負圧面側におけるハブ側に滞留する低エネルギ流体を低減することができる。

本発明のインペラでは、前記ブレードの圧力面は、少なくとも外周側に前記第２圧力面が設けられることを特徴としている。

従って、前方側のブレードの負圧面側に停滞する低エネルギ流体は、ブレードの外周側に発生しやすいことから、ブレードの外周側に第２圧力面を設けることで、ブレードの負圧面側に滞留する低エネルギ流体を効率良く低減することができる。

本発明のインペラでは、前記ブレードの圧力面は、内周側が回転方向の前方側に向けて湾曲する湾曲形状をなす一方、外周側が前記第１圧力面と前記第２圧力面と前記第３圧力面を有するＳ字形状をなすことを特徴としている。

従って、内周側が湾曲形状をなして外周側がＳ字形状をなすことで、流体を効率的に圧送することができる。

本発明のインペラでは、前記第２圧力面は、前記ハブから前記ブレードにおける回転軸心方向の長さの１／２以下の位置に設けられることを特徴としている。

従って、ブレードのハブ側に第２圧力面を設けることで、ブレードの負圧面側に滞留する低エネルギ流体を効率良く低減することができる。

本発明のインペラでは、前記第２圧力面は、回転方向の前方側に位置する前記ブレードの先端部の負圧面に対向していることを特徴としている。

従って、第２圧力面により発生した流体を対向するブレードの先端部の負圧面に流すことで、ここに滞留する低エネルギ流体を効率良く低減することができる。

また、本発明の流体機械は、中空形状をなすケーシングと、円環形状をなすハブの外周面に沿って複数のブレードが放射状に配置されて前記ケーシング内に回転自在に支持されるインペラと、前記インペラに対して流体が該インペラの前縁側から軸方向に沿って吸入される吸入通路と、前記インペラで圧送された流体が該インペラの軸方向に交差する半径方向の外側に向かって前記ブレードの後縁側から排出される排出通路と、を備え、前記ブレードの圧力面は、前記ハブ側から回転方向の前方に対して９０度以下の角度で延出する第１圧力面と、前記第１圧力面から回転方向の前方に対して９０度より大きい角度で延出する第２圧力面と、を有することを特徴とするものである。

従って、インペラが回転すると、吸入通路から流体がインペラの前縁から軸方向に沿って吸入され、インペラで圧縮された流体が排出通路からインペラの軸方向に交差する半径方向の外側に向かってブレードの後縁側から排出される。このとき、インペラは、第１圧力面によりハブの表面に沿う流れが生成され、前方側のブレードの負圧面側に低エネルギ流体が停滞しようとするが、第２圧力面によりこの前方側のブレードの負圧面側への流れが生成されることから、ブレードの負圧面側に滞留する低エネルギ流体が低減されることとなり、インペラ効率を向上することができる。

本発明のインペラ及び流体機械によれば、ブレードの圧力面に、ハブ側から回転方向の前方に対して９０度以下の角度で延出する第１圧力面と、第１圧力面から回転方向の前方に対して９０度より大きい角度で延出する第２圧力面とを設けるので、第２圧力面により前方側のブレードの負圧面側への流れが生成されることから、ブレードの負圧面側に滞留する低エネルギ流体が低減されることとなり、インペラ効率を向上することができる。

図１は、本発明の一実施例に係る遠心圧縮機のインペラの断面図である。図２は、本実施例のインペラの正面図である。図３は、本実施例のインペラの斜視図である。図４は、本実施例の遠心圧縮機の概略図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るインペラ及び流体機械の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、本発明の一実施例に係る遠心圧縮機のインペラの断面図、図２は、本実施例のインペラの正面図、図３は、本実施例のインペラの斜視図、図４は、本実施例の遠心圧縮機の概略図である。

本実施例において、図４に示すように、実施例１の遠心圧縮機１０は、ケーシング１１と、インペラ１２と、吸入通路１３と、排出通路１４とを有している。ケーシング１１は中空形状をなし、中央部に回転軸１５が図示しない軸受により回転自在に支持され、この回転軸１５の端部に図示しない駆動装置が連結されている。回転軸１５は、外周部にインペラ（羽根車）１２が固定されている。このインペラ１２は、円環部材としてのハブ２１と、このハブ２１の外周面に放射状をなして配置される複数のブレード（羽根）２２とにより構成されている。この場合、ハブ２１は、回転軸１５に固定され、外周面が回転軸方向から回転軸方向に交差（直交）する方向へと湾曲した形状をなし、各ブレード２２がこの軸方向に湾曲した外周面に周方向に所定間隔をもって固定され、ケーシング１１のシュラウド２３との間に所定隙間が確保されている。

ケーシング１１は、インペラ１２に対して流体が、このインペラ１２の軸方向に沿って吸入される吸入通路１３が形成されており、流体をこの吸入通路１３を介してインペラ１２の前面部に取込可能となっている。この吸込通路１３は、シュラウド２３により区画されている。また、ケーシング１１は、インペラ１２の外周側に、このインペラ１２で圧送された流体を、このインペラ１２の軸方向に交差する径方向に沿って排出する排出通路（ディフューザ）１４が形成されており、インペラ１２で圧縮した流体をこの排出通路１４に吐出可能となっている。この排出通路１４は、ケーシング１１のシュラウド２３，２４により構成されている。

従って、駆動装置により回転軸１５が回転すると、インペラ１２が回転し、流体が吸入通路１３を通してケーシング１１内に吸い込まれる。すると、この流体は、回転するインペラ１２を流過する過程で昇圧された後、排出通路１４に吐出され、ここで圧縮流体の動圧が静圧に変換され、吐出口から外部に吐出される。

このように構成された本実施例のインペラ１２は、図１から図３に示すように、ハブ２１の外周面に放射状をなして複数のブレード２２が固定されて構成されている。そして、各ブレード２２は、同形状をなし、矢印Ａで表す回転方向に対して、前方側が圧力面Ｐ１であり、後方側が負圧面Ｐ２となっている。

ブレード２２の圧力面Ｐ１は、ハブ２１側から回転方向Ａの前方に対して９０度以下の角度θ１でシュラウド２３側に向けて延出する第１圧力面３１と、第１圧力面３１から回転方向Ａの前方に対して９０度より大きい角度θ２でシュラウド２３側に向けて延出する第２圧力面３２と、第２圧力面３２から回転方向Ａの前方に対して９０度以下の角度θ３でシュラウド２３側に向けて延出する第３圧力面３３とが形成されている。

このブレード２２の圧力面Ｐ１は、内周側の前縁端２２ａ側にて、ハブ２１側の基端部２２ｃからシュラウド２３側の先端部２２ｄにかけて、回転方向Ａの前方側に向けて湾曲することで、圧力面Ｐ１側が凹むような湾曲断面形状となっている。また、ブレード２２の圧力面Ｐ１は、外周側の後縁端２２ｂにて、ハブ２１側の基端部２２ｃからシュラウド２３側の先端部２２ｄにかけて、第１圧力面３１と第２圧力面３２と第３圧力面３３が形成されることで、Ｓ字断面形状となっている。

この場合、ブレード２２の圧力面Ｐ１は、ハブ２１の軸方向に交差する長手方向に対して、前縁端２２ａの湾曲断面形状から後縁端２２ｂのＳ字断面形状に徐々に移行する形状となっている。即ち、ブレード２２の圧力面Ｐ１は、ハブ２１の軸方向に交差する長手方向に対して、前縁端２２ａから後縁端２２ｂに向けて前縁端２２ａから略１／３の位置でＳ字断面形状への移行が開始していく。つまり、ブレード２２の圧力面Ｐ１は、前縁端２２ａから略１／３の位置で第２圧力面３２が形成され始め、徐々に角度θ２が大きくなっていき、後縁端２２ｂで所定の角度θ２となる。このようにブレード２２の圧力面Ｐ１は、少なくとも後縁端２２ｂに第２圧力面３２が設けられることが望ましい。

また、ブレード２２の圧力面Ｐ１は、ハブ２１側の基端部２２ｃからシュラウド２３側の先端部２２ｄに向けて、第１圧力面３１が基端部２２ｃからブレード２２における回転軸心方向の長さの１／４以下の位置に設けられている。また、ブレード２２の圧力面Ｐ１は、ハブ２１側の基端部２２ｃからシュラウド２３側の先端部２２ｄに向けて、第２圧力面３２が基端部２２ｃからブレード２２における回転軸心方向の長さの１／２以下の位置に設けられている。

ここで、第１圧力面３１と第２圧力面３２と第３圧力面３３について、図１に基づいて具体的に説明する。第１圧力面３１は、ハブ２１側から回転方向Ａの前方に対して９０度以下の角度θ１でシュラウド２３側に向けて延出しているが、この角度θ１は、９０度よりも小さい角度であることが好ましい。第２圧力面３２は、第１圧力面３１から回転方向Ａの前方に対して９０度より大きい角度θ２でシュラウド２３側に向けて延出しているが、この第２圧力面３２は、回転方向Ａの前方側に位置するブレード２２の先端部２２ｄ側の負圧面Ｐ２に対向していることが好ましい。第３圧力面３３は、第２圧力面３２から回転方向Ａの前方に対して９０度以下の角度θ３でシュラウド２３側に向けて延出しているが、この角度θ３は、９０度よりも小さい角度であることが好ましい。つまり、第１圧力面３１と第３圧力面３３は、ハブ２１側に傾斜していることが好ましく、第２圧力面３２は、シュラウド２３側に傾斜していることが好ましい。

また、ブレード２２の圧力面Ｐ１は、第１圧力面３１と第２圧力面３２と第３圧力面３３から構成されるが、この各圧力面３１，３２，３３は、基端部２２ｃから先端部２２ｄに向けて平面形状または凸状の湾曲面であることが望ましい。そのため、各圧力面３１，３２，３３が凸状の湾曲面であるとき、各圧力面３１，３２，３３の角度θ１，θ２，θ３は、接線の角度である。また、第２圧力面３２が回転方向Ａの前方側に位置するブレード２２の先端部２２ｄ側の負圧面Ｐ２に対向するとは、第２圧力面３２の法線がブレード２２の先端部２２ｄ側の負圧面Ｐ２に向くということである。

なお、各ブレード２２は、どの位置であってもほぼ同様の厚さであり、一方側が３つの圧力面３１，３２，３３を有する圧力面Ｐ１であることから、後方側の負圧面Ｐ２も圧力面Ｐ１とほぼ同様の形状となっている。

従って、インペラ１２が回転し、流体が前縁端２２ａ側から流入すると、この流体は、回転するインペラ１２を流過する過程で昇圧され、後縁端２２ｂ側から排出される。このとき、インペラ１２は、各ブレード２２の圧力面Ｐ１における第１圧力面３１によりハブ２１の表面に沿う流れが生成され、前方側のブレード２２の負圧面Ｐ２側に低エネルギ流体Ｂが停滞しようとする。しかし、第１圧力面３１により生成された流れが、前方側のブレード２２の負圧面Ｐ２のハブ２１側に作用することで、ブレード２２の負圧面Ｐ２のハブ２１側に停滞する低エネルギ流体Ｂが低減される。また、第２圧力面３２により生成された流れが、前方側のブレード２２の負圧面Ｐ２のシュラウド２３側に作用することで、ブレード２２の負圧面Ｐ２のシュラウド２３側に停滞する低エネルギ流体Ｂが低減される。

このように本実施例のインペラ１２にあっては、円環形状をなすハブ２１と、このハブ２１の外周面に沿って放射状に配置される複数のブレード２２とを備え、ブレード２２の圧力面Ｐ１として、ハブ２１側から回転方向Ａの前方に対して９０度以下の角度で延出する第１圧力面３１と、この第１圧力面３１から回転方向Ａの前方に対して９０度より大きい角度で延出する第２圧力面３２とを設けている。

従って、インペラ１２が回転すると、第１圧力面３１によりハブ２１の表面に沿う流れが生成され、前方側のブレード２２の負圧面Ｐ２側に低エネルギ流体Ｂが停滞しようとするが、第２圧力面３２によりこの前方側のブレード２２の負圧面Ｐ２側への流れが生成されることから、ブレード２２の負圧面Ｐ２側に滞留する低エネルギ流体Ｂが低減されることとなり、インペラ効率を向上することができる。

本実施例のインペラ１２では、ブレード２２の圧力面Ｐ１として、第２圧力面３２から回転方向Ａの前方に対して９０度以下の角度で延出する第３圧力面３３を設けている。従って、第３圧力面３３により前方側のブレード２２の負圧面Ｐ２側への流れが生成されるため、ブレード２２の負圧面Ｐ２側に滞留する低エネルギ流体Ｂを低減することができる。

本実施例のインペラ１２では、第１圧力面３１と第３圧力面３２は、ハブ２１に対して回転方向Ａの前方へ傾斜している。従って、第１圧力面３１及び第３圧力面３３により生成される流体により、前方側のブレード２２の負圧面Ｐ２側におけるハブ２１側に滞留する低エネルギ流体Ｂを低減することができる。

本実施例のインペラ１２では、ブレード２２の圧力面Ｐ１は、少なくとも外周側に第２圧力面３２を設けている。従って、前方側のブレード２２の負圧面Ｐ２側に停滞する低エネルギ流体Ｂは、ブレード２２の後縁端２２ｂ側に発生しやすいことから、ブレード２２の後縁端２２ｂ側に第２圧力面３２を設けることで、ブレード２２の負圧面Ｐ２側に滞留する低エネルギ流体Ｂを効率良く低減することができる。

本実施例のインペラ１２では、ブレード２２の圧力面Ｐ１の前縁端２２ａ側（内周側）を回転方向Ａの前方側に向けて湾曲する湾曲形状とする一方、後縁端２２ｂ側（外周側）を第１圧力面３１と第２圧力面３２と第３圧力面３３によりＳ字形状としている。従って、前縁端２２ａ側が湾曲形状をなして後縁端２２ｂ側がＳ字形状をなすことで、流体を効率的に圧送することができる。

本実施例のインペラ１２では、第２圧力面３２がハブ２１からブレード２２における回転軸心方向の長さの１／２以下の位置に設けられている。従って、ブレード２２のハブ２１側に第２圧力面３２が位置することで、ブレード２２の負圧面Ｐ２側に滞留する低エネルギ流体Ｂを効率良く低減することができる。

本実施例のインペラ１２では、第２圧力面３２が回転方向Ａの前方側に位置するブレード２２の先端部２２ｄの負圧面Ｐ２に対向している。従って、第２圧力面３２により発生した流体を対向するブレード２２の先端部２２ｄの負圧面Ｐ２に流すことで、ここに滞留する低エネルギ流体Ｂを効率良く低減することができる。

また、本実施例の流体機械にあっては、中空形状をなすケーシング１１と、円環形状をなすハブ２１の外周面に沿って複数のブレード２２が放射状に配置されてケーシング１１内に回転自在に支持されるインペラ１２と、インペラ１２に対して流体がインペラ１２の軸方向に沿って吸入される吸入通路１３と、インペラ１２で圧送された流体がインペラ１２の軸方向に交差する方向に沿って排出される排出通路１４とを備え、ブレード２２の圧力面Ｐ１として、ハブ２１側から回転方向Ａの前方に対して９０度以下の角度で延出する第１圧力面３１と、この第１圧力面３１から回転方向Ａの前方に対して９０度より大きい角度で延出する第２圧力面３２を設けている。

従って、インペラ１２が回転すると、吸入通路１３から流体がインペラ１２の軸方向に沿って吸入され、インペラ１２で圧縮された流体が排出通路１４からインペラ１２の軸方向に交差する方向に沿って排出される。このとき、インペラ１２は、第１圧力面３１によりハブ２１の表面に沿う流れが生成され、前方側のブレード２２の負圧面Ｐ２側に低エネルギ流体Ｂが停滞しようとするが、第２圧力面３２によりこの前方側のブレード２２の負圧面Ｐ２側への流れが生成されることから、ブレード２２の負圧面Ｐ２側に滞留する低エネルギ流体Ｂが低減されることとなり、インペラ効率を向上することができる。

なお、本発明のインペラ及び流体機械は、ブレードの圧力面に回転方向の前方に対して９０度より大きい角度で延出する第２圧力面を設けるものであり、第１圧力面や第３圧力面の形状が限定されるものではない。

また、上述の実施例では、インペラ１２を、ハブ２１の外周面に複数のブレード２２を周方向に所定間隔をもって固定し、ケーシング１１のシュラウド２３との間に所定隙間を設けた、所謂、オープンインペラとしたが、この構成に限定されるものではなく、ハブの外周面に複数のブレードを周方向に所定間隔をもって固定し、各ブレードの外側にリング形状をなすシュラウドを固定した、所謂、クローズドインペラにも適用することができる。

１０遠心圧縮機（流体機械）
１１ケーシング
１２インペラ
１３吸入通路
１４排出通路
１５回転軸
２１ハブ
２２ブレード
２３，２４シュラウド
３１第１圧力面
３２第２圧力面
３３第３圧力面
Ａ回転方向
Ｂ低エネルギ流体
Ｐ１圧力面
Ｐ２負圧面

Claims

円環形状をなすハブと、
前記ハブの外周面に沿って放射状に配置される複数のブレードと、
を備え、
回転軸線に沿って前記ブレードの前縁側から流れ込んだ流体が、前記回転軸線に交差する半径方向の外側に向かって前記ブレードの後縁側から排出されるインペラにおいて、
前記ブレードの圧力面は、前記ハブの外周面から回転方向の前方に対して９０度以下の角度で延出する第１圧力面と、
前記第１圧力面から回転方向の前方に対して９０度より大きい角度で延出する第２圧力面と、
を有し、
前記ブレードは、同様の厚さであって、回転方向の前方側の前記第１圧力面及び前記第２圧力面が設けられる圧力面と、回転方向の後方側の負圧面とが同様の形状をなす、
ことを特徴とするインペラ。
前記ブレードの圧力面は、前記第２圧力面から回転方向の前方に対して９０度以下の角度で延出する第３圧力面を有することを特徴とする請求項１に記載のインペラ。
前記第１圧力面と前記第３圧力面は、前記ハブに対して回転方向の前方へ傾斜していることを特徴とする請求項２に記載のインペラ。
前記ブレードの圧力面は、少なくとも外周側に前記第２圧力面が設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のインペラ。
前記ブレードの圧力面は、内周側が回転方向の前方側に向けて湾曲する湾曲形状をなす一方、外周側が前記第１圧力面と前記第２圧力面と前記第３圧力面を有するＳ字形状をなすことを特徴とする請求項２または３に記載のインペラ。
前記第２圧力面は、前記ハブから前記ブレードにおける回転軸心方向の長さの１／２以下の位置に設けられることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載のインペラ。
前記第２圧力面は、回転方向の前方側に位置する前記ブレードの先端部の負圧面に対向していることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載のインペラ。
回転軸に固定されて外周面が回転軸方向から回転軸方向に交差する方向へと湾曲した円環形状をなすハブと、
前記ハブの湾曲した外周面に沿って放射状に配置されてケーシングとの間に所定隙間が確保されている複数のブレードと、
を備え、
回転軸線に沿って前記ブレードの前縁側から流れ込んだ流体が、前記回転軸線に交差する半径方向の外側に向かって前記ブレードの後縁側から排出されるインペラにおいて、
前記ブレードの圧力面は、前記ハブ側から回転方向の前方に対して９０度以下の角度で延出する第１圧力面と、
前記第１圧力面から回転方向の前方に対して９０度より大きい角度で延出する第２圧力面と、
を有し、
前記ブレードは、同様の厚さであって、回転方向の前方側の前記第１圧力面及び前記第２圧力面が設けられる圧力面と、回転方向の後方側の負圧面とが同様の形状をなす、
ことを特徴とするインペラ。
中空形状をなすケーシングと、
円環形状をなすハブの外周面に沿って複数のブレードが放射状に配置されて前記ケーシング内に回転自在に支持されるインペラと、
前記インペラに対して流体が該インペラの前縁側から軸方向に沿って吸入される吸入通路と、
前記インペラで圧送された流体が該インペラの軸方向に交差する半径方向の外側に向かって前記ブレードの後縁側から排出される排出通路と、
を備え、
前記ブレードの圧力面は、前記ハブの外周面から回転方向の前方に対して９０度以下の角度で延出する第１圧力面と、
前記第１圧力面から回転方向の前方に対して９０度より大きい角度で延出する第２圧力面と、
を有し、
前記ブレードは、同様の厚さであって、回転方向の前方側の前記第１圧力面及び前記第２圧力面が設けられる圧力面と、回転方向の後方側の負圧面とが同様の形状をなす、
ことを特徴とする流体機械。