(57)【要約】【課題】必要な強度を保ちつつ遠心圧縮機のインペラーの重量をより軽量化する。【解決手段】インペラーディスクの気体が導入される入口側と反対側に位置する背面において、前記複数のインペラー翼が取り付けられていない位置に周方向に対応する非取付位置に、前記複数のインペラー翼が取り付けられている位置に周方向に対応する取付位置に比べて、前記入口側に向って凹んだ凹部が形成されている。インペラー翼が無い非取付位置では回転時の応力がより小さいため、必要な強度を保持しつつ大きく肉抜きをして軽量化することができる。【選択図】図１
2011085088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラーディスクと、
前記インペラーディスクに取り付けられた複数のインペラー翼とを具備し、
前記インペラーディスクの気体が導入される入口側と反対側に位置する背面において、前記複数のインペラー翼が取り付けられていない位置に周方向に対応する非取付位置に、前記複数のインペラー翼が取り付けられている位置に周方向に対応する取付位置に比べて、前記入口側に向って凹んだ凹部が形成されている
遠心圧縮機用インペラー。
【請求項２】
請求項１に記載された遠心圧縮機用インペラーであって、
前記インペラーディスクの前記背面の前記取付位置は、前記凹部よりも浅く前記入口側に向って凹んでいる
遠心圧縮機用インペラー。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された遠心圧縮機用インペラーであって、
前記非取付位置において、前記凹部に対して回転軸側の前記インペラーディスクの板厚は、前記凹部の底に向って一次関数的に増加する
遠心圧縮機用インペラー。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載された遠心圧縮機用インペラーであって、
前記非取付位置において、前記凹部に対して外周側の前記インペラーディスクの板厚は、前記凹部の底に向って一次関数的に増加する
遠心圧縮機用インペラー。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載された遠心圧縮機用インペラーが回転軸の周りに回転することにより前記入口側から導入された前記気体を圧縮して前記インペラーディスクの半径方向に形成されたディフューザーに供給する遠心圧縮機。
【請求項６】
インペラーディスクと、
前記インペラーディスクに取り付けられた複数のインペラー翼とを具備する遠心圧縮機用インペラーの設計方法であって、
前記インペラーディスクの初期形状を与える工程と、
前記初期形状について、前記インペラーディスクが軸周りに回転したときの応力をシミュレーションにより解析する工程と、
前記応力が所定値よりも低い部位に、前記インペラーディスクの気体が導入される入口側と反対側に位置する背面において、前記複数のインペラー翼が取り付けられていない位置に周方向に対応する非取付位置に、前記複数のインペラー翼が取り付けられている位置に周方向に対応する取付位置に比べて、前記入口側に向って凹んだ凹部を形成することにより前記インペラーディスクの軽量化モデルを生成する工程
とを有する遠心圧縮機用インペラーの設計方法。
【請求項７】
請求項６に記載された遠心圧縮機用インペラーの設計方法であって、
更に、前記凹部が前記所定値よりも低い部位に、前記インペラーディスクの前記背面の前記取付位置に、前記凹部よりも浅く前記入口側に向って凹んだ部位を形成する工程
を有する遠心圧縮機用インペラーの設計方法。
【請求項８】
請求項６又は７に記載された遠心圧縮機用インペラーの設計方法であって、
更に、前記非取付位置において、前記窪みに対して回転軸側の前記インペラーディスクの板厚を、前記凹部の底に向って一次関数的に増加するように設定する工程
を有する遠心圧縮機用インペラーの設計方法。
【請求項９】
請求項６から８のいずれかに記載された遠心圧縮機用インペラーの設計方法であって、
更に、前記非取付位置において、前記窪みに対して外周側の前記インペラーディスクの板厚を、前記凹部の底に向って一次関数的に増加するように設計する工程
を有する遠心圧縮機用インペラーの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心圧縮機のインペラーの形状と設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機のインペラーにおいて、回転時に発生する応力を許容値以下に抑えながら軽量化する技術が求められている。インペラーの重量が重たいと、以下のような問題が生じる。
（ａ）インペラーの重量が重たいことにより、制御信号に対する運転回転数のレスポンスが悪い。
（ｂ）インペラーの重量が重たいと起動時のトルクが大きいため、エネルギー効率が悪い。
（ｃ）インペラーの重量が重たいと、軸系の安定化に対して不利である。
【０００３】
上記（ｃ）の事情について更に説明する。コンプレッサーの運転は通常、軸系の１次固有振動数を越え、３次固有振動数の下で且つ２次固有振動数の上もしくは下の運転範囲で行われる。インペラーの軽量化によって軸系質量が軽くなると、１、２、３次とも固有振動数が上昇する。その結果、１次固有振動数は運転範囲に近づくが、一般的に１次固有振動数が高いほど流体不安定力の発生は抑制されるため、軸系の安定性が向上する。更に、運転範囲を２次固有振動数より低い位置に設定することができ、３次固有振動数との差を大きくすることも可能である。このように、インペラー（軸系重量）の軽量化は軸系の安定に対して有利である。
【０００４】
特許文献１に記載の技術では、ディスク背面部を窪ませることによってインペラーの体積を減らしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３０４１８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
インペラーの重量をより軽量化することを可能とする技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下に、［発明を実施するための形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【０００８】
本発明の一側面における遠心圧縮機用インペラーは、インペラーディスク（４）と、インペラーディスクに取り付けられた複数のインペラー翼（５）とを備える。インペラーディスクの気体が導入される入口（７）側と反対側に位置する背面において、複数のインペラー翼（５）が取り付けられていない位置に周方向に対応する非取付位置に、複数のインペラー翼（５）が取り付けられている位置に周方向に対応する取付位置に比べて、入口（７）側に向って凹んだ凹部（１０）が形成されている。
【０００９】
本発明の一側面における遠心圧縮機（１）は、本発明による遠心圧縮機用インペラー（４、５）が回転軸（３）の周りに回転することにより前記入口（７）側から導入された気体を圧縮してインペラーディスク（４）の半径方向に形成されたディフューザー（８）に供給する。
【００１０】
本発明の一側面における遠心圧縮機用インペラーの設計方法は、インペラーディスク（４）と、インペラーディスクに取り付けられた複数のインペラー翼（５）とを備えた遠心圧縮機用インペラーの設計方法であって、インペラーディスク（４）の初期形状を与える工程（Ｓ１）と、初期形状について、インペラーディスク（４）が軸（３）周りに回転したときの応力をシミュレーションにより解析する工程（Ｓ２）と、応力が所定値よりも低い部位に、インペラーディスクの気体が導入される入口（７）側と反対側に位置する背面において、複数のインペラー翼（５）が取り付けられていない位置に周方向に対応する非取付位置に、複数のインペラー翼（５）が取り付けられている位置に周方向に対応する取付位置に比べて、入口（７）側に向って凹んだ凹部を形成することによりインペラーディスクの軽量化モデルを生成する工程（Ｓ４）とを有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、必要な強度を保ちつつインペラーの重量をより軽量化することを可能とする技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、遠心圧縮機の断面図を示す。
【図２】図２は、インペラーディスクの設計方法を示す。
【図３】図３は、肉抜き方法について説明するためのインペラーの断面図である。
【図４】図４は、遠心圧縮機の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態における遠心圧縮機の断面図である。遠心圧縮機１は、回転軸３の周りに回転するインペラーディスク４を備える。インペラーディスク４の回転軸３と反対側の面である翼取付面９に、周方向に等間隔のピッチで並んだ複数のインペラー翼５が固定される。遠心圧縮機１は、回転軸３の周りにインペラーディスク４とインペラー翼５が回転することにより、入口７から導入された空気などの気体を圧縮して、ラジアル方向に設けられたディフューザー部８に圧縮気体を供給する。インペラーディスク４の背面側、即ち気体が導入される入口７側と反対側はシールプレート２に対向する。インペラー翼５のインペラーディスク４と反対側の縁に近接して対向する位置にカバー６が設けられる。カバー６が無い型の遠心圧縮機の場合でも、本実施形態で説明するインペラーディスク４の軽量化は有効である。
【００１４】
インペラーディスク４の背面、すなわちシールプレート２に対向する面について説明する。インペラーディスク４の背面は軽量化するために切削され、肉抜き部１０が形成されている。
【００１５】
遠心圧縮機１が回転駆動するとき、インペラーディスク４の背面に発生する応力は周方向に一様ではない。インペラー翼５が取り付けられていない位置に対応する非取付位置にかかる応力は、インペラー翼５が取り付けられている位置の根元、即ちインペラー翼５が取り付けられている位置に周方向に対応する位置である取付位置にかかる応力よりも小さい。そのため、強度を維持しつつできるだけ肉抜きをした場合、非取付位置におけるインペラーディスク４の背側面１１は、取付位置における背側面１５よりも入口７側に向って深く凹んだ凹部とすることができる。一方、取付位置における背側面１５には、インペラー翼５によって発生する応力を支持するために、非取付位置よりも肉抜き量が少なく、非取付位置よりも浅く凹んだビード状のビード部１３が形成される。
【００１６】
図１では、取付位置における背側面１１の底部１２は、回転軸３に垂直な半径方向１４の面に対して、入口７側（導入気体の上流側）に向って凹んだ凹部の底に位置する。更に、非取付位置における背側面１５の底部１６も、半径方向１４の面に対して、導入気体の上流側に向って凹んだ凹部の底に位置する。底部１２は底部１６よりも入口７側に位置する。このような周方向に均一でなく、複数のインペラー翼５の周方向のピッチを周期として回転対称な肉抜きをすることにより、回転時の応力に耐える強度を維持しつつ計量化を図ることができる。
【００１７】
図２は、このようなインペラーディスク４の設計方法を示す。まずインペラーディスクの初期モデルを示すデータを作成する（ステップＳ１）。初期モデルは、例えば肉抜き部１０を持たない典型的な形状のインペラーディスクの構成を示す。その初期モデルについて、回転駆動時の応力分布を解析する（ステップＳ２）。このような応力解析は、汎用的な形状最適化ソルバー（例えばアルテアエンジニアリング株式会社のＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔ）によって実行することができる。
【００１８】
設計者は、初期モデルの応力解析の結果を参照して、回転駆動時の応力が低く、肉抜きしたときの影響が小さいと思われる部位を、肉抜きする対象部位として選定する（ステップＳ３）。そして選定した箇所を肉抜きしたインペラーディスクの軽量化モデルを作成する（ステップＳ４）。インペラーディスクの背面側は、前述のように、インペラー翼が取り付けられていない位置に周方向に対応する非取付位置において応力が小さい傾向がある。そのため設計者は、図１に示したような形状の軽量化モデルを作成することにより、強度を維持した軽量化モデルを作成することができる。
【００１９】
設計者は、上記のような汎用的な解析ソフトウエアを用いることにより、軽量化モデルの応力解析を行う（ステップＳ５）。その結果、充分な強度が確保できている場合は、軽量化モデルをインペラーディスクの設計用データとして採用する（ステップＳ６）。強度が充分でなかった場合は、ステップＳ３に戻って肉抜きする部分の形状を変更することにより軽量化モデルの作成をやり直す。
【００２０】
次に図３を参照して、ステップＳ３、Ｓ４における肉抜きの方法についてより詳細に説明する。初期モデルにおいて、インペラーディスク４の外周端、すなわち気体の流れの下流端の板厚Ｔ１が与えられる。板厚Ｔ１は、概ね回転軸３の延長方向に沿った端部の幅である。更に、背面側において遠心圧縮機１の入口７側と反対側の端部、即ち肉抜き部１０に対して回転軸３に近い側の端部の板厚Ｔ２が与えられる。板厚Ｔ２は、概ね回転軸３に垂直な方向に沿った端部の幅である。
【００２１】
設計者は、インペラー翼５の非取付部において、翼取付面９と外側背側面１１−１（肉抜き部１０の底部１２よりも外周側の背側面）との間の板厚が、外周側から内周側にかけて徐々に厚くなるように設計する。典型的には、翼取付面９と外側背側面１１−１との間の中心線２１に沿って両側の幅が一次関数的に増加するように、板厚を設計する。
【００２２】
設計者は更に、インペラー翼５の非取付部において、内側面２０（インペラーディスク４の回転軸３側の取付面）と内側背側面１１−２（肉抜き部１０の底部１２よりも内周側の背側面）との間の板厚が、端部から入口７側に向って徐々に厚くなるように設計する。典型的には、内側面２０と内側背側面１１−２との中心線２２に沿って両側の幅が一次関数的に増加するように、板厚を設計する。
【００２３】
上記の設計によって肉抜き部１０を設計すると、肉抜き部１０の底部は仮背側面２３と仮背側面２４とが交わる点で鋭角となる。このような点で発生する応力集中を避けるために、この交点の箇所は曲率半径が大きい形状となるように修正し、大きいＲを有する底部１２を設定する。以上のようにインペラー翼５が無い位置の背側を大きく肉抜きすることにより、強度を維持しつつ肉抜き部１０の形状を設計することが容易にできる。
【００２４】
図４は、他の実施形態における遠心圧縮機１ａを示す。本実施形態において、インペラー翼５の取付位置において、インペラーディスク４ａの背側面１５ａは内側に凹んでおらず、回転軸３に垂直な面内に縁を有するビード１３が形成される。一方、非取付位置においては図１と同様に大きく肉抜きがされる。設計によっては、このようにインペラー翼５の取付位置の形状は様々で有り得る。
【符号の説明】
【００２５】
１、１ａ  遠心圧縮機
２  シールプレート
３  回転軸
４、４ａ  インペラーディスク
５  インペラー翼
６  カバー
７  入口
８  ディフューザー部
９  翼取付面
１０  肉抜き部
１１  背側面
１１−１  外側背側面
１１−２  内側背側面
１２  底部
１３  ビード部
１４  半径方向
１５、１５ａ  背側面
１６  底部
２０  内側面
２１  中心線
２２  中心線
２３  仮背側面
２４  仮背側面
Ｔ１  板厚
Ｔ２  板厚
【図１】
2011085088.tif 000003
【図２】
2011085088.tif 000004
【図３】
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【図４】
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