(57)【要約】【課題】流入流量が減少した場合に入口の負圧面側のハブ面で境界層が拡大して効率低下したり失速するのを抑制することができるインペラおよび回転機械を提供する。【解決手段】流体流路１０の径方向内側から径方向外側へ向かうに従い流れ方向が軸方向から径方向へと変化する回転機械のインペラ１であって、流体流路１０を構成するハブ面４と圧力面ｐ、負圧面ｎとを備え、圧力面ｐとハブ面４とが接する隅部１２のうち、流体流路１０の入口６近傍の隅部１２に流体流路１０の内側へ向かって膨出する膨出部ｂを設けたことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流路の径方向内側から径方向外側へ向かうに従い流れ方向が軸方向から径方向へと変化する回転機械のインペラであって、
前記流体流路の少なくとも一部を構成するハブ面と羽根面とを備え、
前記羽根面を構成する圧力面と前記ハブ面とが接する隅部のうち前記流体流路の入口近傍の隅部に前記流体流路の内側へ向かって膨出する膨出部を設けたことを特徴とするインペラ。
【請求項２】
前記羽根の負圧面と前記ハブ面とで形成される隅部のうち前記流体流の入口近傍の隅部に前記流体流路の内側へ向かって膨出する第２膨出部が設けられた請求項１に記載のインペラ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のインペラを備える回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、インペラおよび回転機械に関するものであり、特にその流路形状に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
産業用圧縮機やターボ冷凍機、小型ガスタービンなどの回転機械に用いられる遠心型や斜流型の圧縮機にあっては常に性能向上が求められており、特に、これら圧縮機のキーコンポーネントであるインペラの性能向上が必要となっている。そこで近年、インペラの性能向上を図るために羽根のチップ−ハブ間の前縁に凹部を設けて２次流れや剥離を効果的に抑制するインペラが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、遠心型や斜流型のインペラの性能向上を図るために、ハブ面に沿う流れの境界層が拡大しないよう羽根間のハブ面に複数本の溝を形成してハブ面に沿う流れに乱れを生じさせるものや、境界層の局部集中を防止するために羽根間に複数の小翼を設けたものがある（例えば、特許文献２，３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２６８９号公報
【特許文献２】特開２００５−１６３６４０号公報
【特許文献３】特開２００５−１８０３７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図９は従来のインペラの羽根前縁近傍を示したものであり、この図９に示すように従来のインペラの入口ハブ面においては、インペラ流路２１０の入口２０６側のスロート面積を確保するために、入口２０６側の羽根２０３の羽根角度を設計点流量における入口２０６へ流体が流入する角度（入口流れ角）よりもインペラ径方向に立てた設計をしているため、羽根角度に対する流体の入口流れ角（以下、入射角θという）が大きくなってしまう。そして流体の入射角θは流入流量の減少により大きくなる傾向があるので、とりわけ入口２０６近傍で最も流量が少なくなる羽根の負圧面ｎ側のハブ面において流入流量の減少による境界層の拡大が顕著になり、効率が低下したり失速してしまうという課題がある。
【０００５】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、流入流量が減少した場合に入口の負圧面側のハブ面で境界層が拡大して効率低下したり失速するのを抑制することができるインペラおよび回転機械を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために以下の構成を採用する。
本発明に係る回転機械のインペラ（例えば、実施形態におけるインペラ１）は、流体流路（例えば、実施形態におけるインペラ流路１０）の径方向内側から径方向外側へ向かうに従い流れ方向が軸方向から径方向へと変化する回転機械のインペラであって、前記流体流路の少なくとも一部を構成するハブ面（例えば、実施形態におけるハブ面４）と羽根面（例えば、実施形態における圧力面ｐ、負圧面ｎ）とを備え、前記羽根面の圧力面と前記ハブ面とが接する隅部（例えば、実施形態における隅部１２）のうち、前記流体流路の入口（例えば、実施形態における入口６）近傍の隅部に前記流体流路の内側へ向かって膨出する膨出部（例えば、実施形態における膨出部ｂ）を設けたことを特徴とする。
この発明に係る回転機械のインペラによれば、入口近傍のハブ面と圧力面とが接する隅部に膨出部が設けられることでハブ面側の羽根前縁が厚く形成されて実質的に羽根前縁半径が増加され、また、ハブ面側の流入速度が小さいため、羽根角度に対する流体の入射角が大きくなった場合であっても半径が増加された羽根前縁の膨出部による丸み部を流れがゆっくりと回り込み、前縁負圧面側での境界層の肥大が抑制され、ハブ面の負圧面側で境界層が発達するのを抑制することができる。さらに、ハブ面側の隅部すなわち局所に限定した膨出部が設けられることで、スロート面積の低下量を最小限に抑えることができる。
そして、入口近傍の隅部に膨出部を設けることで、流体から力を受け、かつ、インペラが回転することにより遠心応力も発生する羽根とハブとの接する部分の強度を増加させることができ、さらに、羽根およびハブと一体的に形成した場合には部品点数の増加を抑制することができる。
【０００７】
また本発明の回転機械のインペラは、上記本発明の回転機械のインペラにおいて、前記羽根面の負圧面と前記ハブ面とで形成される隅部のうち前記流体流の入口近傍の隅部に前記流体流路の内側へ向かって膨出する第２膨出部を設けてもよい。
この発明に係る回転機械のインペラによれば、羽根の圧力面とハブ面との隅部に配置される膨出部に加えて、羽根の負圧面とハブ面とで形成される隅部に第２膨出部が設けられるので、ハブ面側の羽根前縁の厚さ寸法をさらに拡大することができるため、流量の低下による境界層の拡大をさらに抑制することができ、また入口の隅部における羽根とハブとの接する部分の強度をさらに増加させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る回転機械のインペラによれば、流量が低下した場合に入口側の羽根角度に対する流体の入射角が拡大しても、膨出部により羽根前縁半径が増加した分だけ、入口のとりわけ負圧面側のハブ面に生じる境界層の拡大を抑制して小流量側で効率が低下したり失速するのを抑制することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態における遠心圧縮機の横断面図である。
【図２】本発明の実施形態におけるインペラの要部を示す拡大正面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図５】本発明の実施形態における羽根前縁の拡大断面図である。
【図６】本発明の実施形態におけるインペラの流量に対する効率特性を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態におけるインペラの流量に対するヘッド特性を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態の他の実施例における図４に相当する断面図である。
【図９】従来のインペラにおける羽根の前縁付近の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、この発明の実施形態におけるインペラおよび回転機械について図面を参照しながら説明する。この実施形態のインペラは、回転機械である遠心型圧縮機のインペラを一例に説明する。
【００１１】
本実施形態の回転機械である遠心圧縮機１００は、一例として、図１に示すように、主として、軸線Ｏ周りに回転させられるシャフト１０２と、シャフト１０２に取り付けられて遠心力を利用してプロセスガス（気体）Ｇを圧縮するインペラ１と、シャフト１０２を回転可能に支持すると共にプロセスガスＧを上流側から下流側に流す流路１０４が形成されたケーシング１０５と、によって構成されている。
【００１２】
ケーシング１０５は、略円柱状の外郭をなすように形成され、中心を貫くようにシャフト１０２が配置されている。ケーシング１０５のうちシャフト１０２の軸方向の両端には、ジャーナル軸受１０５ａが設けられ、一端には、スラスト軸受１０５ｂが設けられている。これらジャーナル軸受１０５ａ及びスラスト軸受１０５ｂはシャフト１０２を回転可能に支持している。即ち、シャフト１０２は、ジャーナル軸受１０５ａ及びスラスト軸受１０５ｂを介してケーシング１０５に支持されている。
また、ケーシング１０５のうち軸方向の一端側にはプロセスガスＧを外部から流入させる吸込口１０５ｃが設けられ、他端側にはプロセスガスＧが外部に流出する排出口１０５ｄが設けられている。ケーシング１０５内には、これら吸込口１０５ｃ及び排出口１０５ｄにそれぞれ連通し、縮径及び拡径を繰り返す内部空間が設けられている。この内部空間は、インペラ１を収容する空間として機能すると共に上記流路１０４としても機能する。即ち、吸込口１０５ｃと排出口１０５ｄとは、インペラ１及び流路１０４を介して連通している。
【００１３】
インペラ１は、シャフト１０２の軸方向に間隔を空けて複数配列されている。なお、図示例において、インペラ１は６つ設けられているが少なくとも１つ以上設けられていればよい。
【００１４】
図２〜図３は遠心型圧縮機１００のインペラ１を示しており、このインペラ１は、ハブ２と複数の羽根３とを備えて構成される。
ハブ２は、正面視で略円形に形成され、上述した軸線Ｏを中心として軸周りに回転可能になっている。ハブ２には、図３に示すように、軸線Ｏから径方向外側にやや離間した径方向内側の所定の位置Ｓから径方向外側に向かってハブ面４が湾曲形成されている。この湾曲形成されたハブ面４は、径方向内側に位置する面が軸線Ｏに沿って形成されるとともに、径方向外側に向かうにつれて徐々に径方向に沿う凹型に形成される。つまり、ハブ２は、その軸線Ｏからやや離間した径方向内側の位置Ｓから径方向外側に向かうほどその軸方向厚さ寸法が軸方向端面の一方（上流側）から減少し、この軸方向厚さ寸法の減少量が内側ほど大きく外側ほど小さくなる。なお、図３において、ハブ２の径方向を矢印で示している。
【００１５】
上述したハブ面４には、図２に示すように、複数の羽根３が略放射状に配置され、図４に示すようにハブ面４に対して法線方向に沿って立設されている。この羽根３は、ハブ端ｈからチップ端ｔまで厚さが略一様に形成され、ハブ端ｈ（図３参照）からチップ端ｔまでハブ２の回転方向（図２中矢印で示す）に向かって若干凸面となる湾曲した形状を呈している。インペラ１が回転することで、湾曲形状の羽根３の凹面側および凸面側の各羽根面のうち凸面側の羽根面が圧力面ｐとなる一方、凸面の裏側である凹面側の羽根面が負圧面ｎとなる。
【００１６】
また図３に示すように、羽根３のチップ端ｔはハブ２の径方向内側から径方向外側に亘って湾曲形成されている。より具体的には、上述したハブ面４と同様に、径方向内側ほど軸線Ｏに沿い、径方向外側に向かうにつれて徐々に径方向に沿う凹型に形成されている。そして、羽根３は、ハブ面４を基準としたその高さ寸法が、ハブ２の径方向内側ほど高く、径方向外側ほど低く形成される。
【００１７】
上述したインペラ１は、羽根３のチップ端ｔ側がケーシング１０５（図１参照）で覆われており、このケーシング１０５により構成されるシュラウド面５と、上述した隣り合う羽根３の圧力面ｐおよび負圧面ｎと、これら圧力面ｐと負圧面ｎとの間のハブ面４とによってインペラ１のインペラ流路１０が構成される。そして、インペラ１が回転することにより、ハブ２の径方向内側に位置するインペラ流路１０の入口６から軸方向に沿って流体が流入して、遠心力によって径方向外側に位置する出口７から径方向に沿って流体が外方へ流出することとなる。
【００１８】
上述した構成のインペラ流路１０は、ハブ２の径方向内側から径方向外側へ向かうに従いその流れ方向が軸方向から径方向へと漸次変化しており、上述した入口６から出口７へ向かって湾曲形成される。
【００１９】
ところで、ハブ面４と羽根３の圧力面ｐとが接する隅部１２のうち入口６近傍の隅部１２には、インペラ流路１０の内側へ向かって膨出する膨出部ｂが形成されている。この膨出部ｂはハブ面４および圧力面ｐと一体的に形成されている（図２〜図４参照）。また、羽根３の前縁２０は断面略半円形状を呈しており（図５参照）、膨出部ｂは、上述した隅部１２のうち入口６近傍の隅部１２すなわち、前縁２０に隣接する狭い範囲の隅部１２に形成されている。
【００２０】
膨出部ｂは、その最大幅がインペラ流路１０の幅の２０％程度、羽根高さの２０％程度に設定され、インペラ流路１０の内側に向かって凸状となる曲面で入口６近傍から流れ方向の下流側へ向かって滑らかに立ち上がり、すぐに最大幅、最大高さとなる。そして、最大幅、最大高さとなった後、立ち上がりと同様の曲面により徐々に立下り、インペラ流路１０の入口６から流路長さの１０％程度の位置でハブ面４および圧力面ｐへ滑らかに繋がる。このように膨出部ｂを形成することで、羽根３の前縁２０のハブ面４側の厚さ寸法が増加し、図５に示すように、実質的に前縁２０の羽根前縁半径ｒ１が羽根前縁半径ｒ２へ増加することとなる。
【００２１】
図６は、インペラ１および従来のインペラを用いた回転機械の効率の特性を示すグラフであり、縦軸を効率η、横軸を流量Ｑとしている。なお、図６中、膨出部ｂを設けていないインペラを備える回転機械の効率を実線で示し、膨出部ｂを設けている上述のインペラ１を備える回転機械の効率を破線で示している。
図６に示すように、同一の流量Ｑで膨出部ｂを設けた場合の方が膨出部ｂを設けない場合と比較して効率が向上していることが分かる。特に、小流量側での効率が大きく向上していることが分かる。
【００２２】
また図７は、インペラ１および従来のインペラを用いた回転機械のヘッド（仕事）特性を示すグラフであり、縦軸をヘッド（仕事）、横軸を流量Ｑとしている。なお、図７中、膨出部ｂを設けていないインペラを備える回転機械のヘッドを実線で示し、膨出部ｂを設けている上述のインペラ１を備える回転機械のヘッドを破線で示している。
図７に示すように、膨出部ｂを設けていないインペラを備える回転機械のサージ点（図中、塗りつぶしの丸で示す。）よりも、膨出部ｂを設けている上述のインペラ１を備える回転機械のサージ点（図中、白抜きの丸で示す）の方が、より低流量側に変位してそのサージ余裕が拡大したことが分かる。
【００２３】
これら図６、図７に示すように、インペラ１の特性が膨出部ｂを設けていないインペラと比較して効率が向上すると共にサージ点が低流量側に変位したのは、流量が減少して図２に示す流体の入射角度が拡大した場合に、入口６の羽根前縁半径の部分的な増加によって負圧面ｎ側で境界層が発達し難くなったためである。なお、サージ点とは、回転機械がサージングせずに正常動作するのに最低限必要な流量である。
【００２４】
したがって、上述した実施形態の回転機械のインペラ１によれば、入口６近傍のハブ面４と圧力面ｐとが接する隅部１２に膨出部ｂが設けられることで、ハブ面４側の羽根３の前縁２０の厚さ寸法が部分的に増加するため、実質的にハブ面４側の羽根前縁半径ｒ１が羽根前縁半径ｒ２へと増加して、設計点流量でもハブ負圧面の境界層の発達を抑制することができる。
【００２５】
また、膨出部ｂによってハブ面４側の羽根３の前縁２０が厚く形成されて実質的に羽根前縁半径ｒ１が羽根前縁半径ｒ２へと増加されるため、羽根角度（図２参照）に対する流体の入射角が大きくなった場合であっても、ハブ面４の負圧面ｎ側で境界層が発達するのを抑制して、小流量側での効率低下抑制や失速防止を図り、サージ余裕を拡大することができる。
【００２６】
さらに、ハブ面４側の隅部１２すなわち局所に限定した膨出部ｂが設けられるので、インペラ流路１０の入口６側のスロート面積の低下量を最小限に抑えることができる。
また、入口６近傍の隅部１２に膨出部ｂを設けることで、流体から力を受け、かつ、インペラ１が高速回転することによって遠心応力も発生する羽根３とハブ２との接する部分の強度を増加させることができ、さらに、羽根３およびハブ２と一体的に形成した場合には部品点数の増加を抑制することができる。
【００２７】
なお、上述した実施形態のインペラ１では、圧力面ｐおよびハブ面４の接する隅部１２のうちインペラ流路１０の入口６近傍に位置する隅部１２に膨出部ｂを設ける場合について説明したが、この構成に限られず、例えば他の実施例として図８に示すように、インペラ流路１０の入口６近傍の負圧面ｎおよびハブ面４の接する隅部２２に膨出部ｂ’を設けるようにしてもよい。このように隅部２２に膨出部ｂ’を設けた場合、ハブ面４側の羽根３の前縁２０の厚さ寸法が増加して羽根前縁半径をさらに拡大することができるため、流量の低下による境界層の拡大をさらに抑制することができる。さらに、入口６の隅部１２における羽根３とハブ２との接する部分の強度の更なる増加を図ることができる。
また、上述した実施形態の膨出部ｂの形状および位置は一例であって、これに限られるものではない。
【００２８】
また、上記実施形態では遠心型の回転機械のインペラを一例に説明したが、これに限られるものではなく、斜流型の回転機械のインペラであってもよい。また圧縮機に限られるものではなく、送風機やタービン等のインペラに適用してもよい。また、上述した実施形態では、ハブ面４の対面側がシュラウド面５により覆われるいわゆるオープン型のインペラを一例に説明したが、羽根３に一体形成されたチップ端ｔ側を覆う壁を備えるクローズ型のインペラに適用してもよい。このクローズ型のインペラの場合は上述した実施形態のシュラウド面５を、チップ端ｔを覆う壁の内面に読み替えればよい。なお、膨出部ｂ以外のハブ面４と翼面（負圧面ｎ、圧力面ｐ）の境界部は、従来通り切削カッター工具の先端丸みによる隅肉Ｒが若干ついている。
【符号の説明】
【００２９】
１  インペラ
４  ハブ面
６  入口
７  出口
１０  インペラ流路（流体流路）
１２  隅部
２２  隅部
１００  遠心圧縮機
ｐ  圧力面（羽根面）
ｎ  負圧面（羽根面）
ｂ  膨出部
ｂ’  膨出部（第２膨出部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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