(57)【要約】【課題】遠心圧縮機１の高効率化を促進しつつ、インペラ１１の耐久性、換言すれば、遠心圧縮機１の耐久性の向上を図ること。【解決手段】ディスク１７の先端部に複数の嵌合溝３１が周方向に間隔を置いて形成され、各ブレード１９は、基端部がディスク１７の嵌合溝３１に径方向の微動を許容した状態で嵌合した第１分割ブレード３３と、この第１分割ブレード３３の下流側に隣接しかつ基端部がディスク１７のハブ面１７ｈに一体的に連結された第２分割ブレード３５とからなっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠心力を利用して流体を圧縮する遠心圧縮機において、
内側にシュラウドを有したハウジングと、
前記ハウジング内に回転可能に設けられ、ハブ面が軸方向一方側から径方向外側に向かって延びたディスク、及び前記ディスクのハブ面に周方向に間隔を置いて設けられかつ先端縁がハウジングの前記シュラウドに沿うように延びた複数のブレードを備えたインペラと、を具備し、
各ブレードは、基端部が前記ディスクの先端部に嵌合した第１分割ブレードと、前記第１分割ブレードの下流側に隣接しかつ基端部が前記ディスクのハブ面に一体的に連結された第２分割ブレードとからなり、複数の前記第１分割ブレードの先端縁の間にアウターリングが囲むように一体的に設けられ、前記ハウジングの前記シュラウドに前記アウターリングを収容する環状の収容溝が形成されていることを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項２】
各第１分割ブレードの前縁は、チップ端がハブ端よりも軸方向一方側に位置するように径方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項３】
前記アウターリングは、外周側に、強化繊維と熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂の複合材料により構成された補強リングを有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の遠心圧縮機。
【請求項４】
前記ディスクのハブ面における周方向に隣接する各ブレード間に、前記ブレードよりも軸長の短い短ブレードが一体的に設けられ、各短ブレードの先端縁が前記ハウジングの前記シュラウドに沿うように延び、各第２分割ブレードの前縁の軸方向の位置が前記短ブレードの前縁の軸方向の位置と同じであることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心力を利用して流体（空気等のガスを含む）を圧縮する遠心圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、過給機、ガスタービン、産業用空気設備等に用いられる遠心圧縮機について種々の研究開発がなされており、遠心圧縮機の一般的な構成について簡単に説明すると、次のようになる（特許文献１から特許文献３等参照）。
【０００３】
遠心圧縮機は、ハウジングを具備しており、このハウジングは、内側に、シュラウドを有している。そして、ハウジング内には、インペラがその軸心周りに回転可能に設けられている。また、インペラは、ディスクを備えており、このディスクのハブ面は、インペラの軸方向一方側から径方向外側に向かって延びている。更に、ディスクのハブ面には、複数のブレードが周方向に間隔を置いて一体的に設けられており、各ブレードの先端縁は、ハウジングのシュラウドに沿うように延びている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−８２６８９号公報
【特許文献２】特開２００８−４５４２５号公報
【特許文献３】特開２００５−２４０６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年、遠心圧縮機の高効率化の要請に伴い、インペラの回転数は増大する傾向にある。一方、インペラの回転数が増大すると、遠心圧縮機の運転中に、ブレードの前縁のハブ端付近（基端付近）に過大な引張応力（遠心応力）が集中して、インペラの耐久性、換言すれば、遠心圧縮機の耐久性の低下を招くことになる。つまり、遠心圧縮機の高効率化を促進しつつ、遠心圧縮機の耐久性の向上を図ることは容易でないという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の遠心圧縮機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の特徴は、遠心力を利用して流体（空気等のガスを含む）を圧縮する遠心圧縮機において、内側にシュラウドを有したハウジングと、前記ハウジング内に回転可能に設けられ、ハブ面が軸方向一方側から径方向外側に向かって延びたディスク、及び前記ディスクのハブ面に周方向に間隔を置いて設けられかつ先端縁がハウジングの前記シュラウドに沿うように延びた複数のブレードを備えたインペラと、を具備し、各ブレードは、基端部（付け根部）が前記ディスクの先端部に嵌合した第１分割ブレードと、前記第１分割ブレードの下流側に隣接しかつ基端部が前記ディスクのハブ面に一体的に連結（結合）された第２分割ブレードとからなり、複数の前記第１分割ブレードの先端縁の間にアウターリングが囲むように一体的に設けられ、換言すれば、前記アウターリングによって複数の前記第１分割ブレードの先端縁が一体的に連結され、前記ハウジングの前記シュラウドに前記アウターリングを収容する環状の収容溝が形成されていることを要旨とする。
【０００８】
なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたことを含む意であって、「一体的に設けられ」とは、一体形成されたことを含む意である。また、「軸方向」とは、インペラの軸方向のことをいい、「径方向」とは、インペラの径方向のことをいう。更に、「下流」とは、主流の流れ方向から見て下流のことをいう。
【０００９】
第１の特徴によると、前記インペラをその軸心周りに回転させることにより、前記インペラ側に取入れた流体を圧縮することができる。そして、圧縮した流体（圧縮流体）は、前記ハウジングの外側へ排出される。
【００１０】
各ブレードが前記第１分割ブレードと前記第２分割ブレードとからなり、各第１分割ブレードの基端部が前記ディスクの先端部に嵌合し、前記アウターリングによって複数の前記第１分割ブレードの先端縁が一体的に連結されているため、複数の前記第１分割ブレードを前記ディスクと一体化することなく、前記インペラの一部としてユニット化することができる。これにより、前記インペラの回転数を増大しても、前記遠心圧縮機の運転中に、前記第１分割ブレードの前縁のハブ端付近、換言すれば、前記ブレードの前縁のハブ端付近に過大な引張応力が発生することを抑えることができる。
【００１１】
なお、前記アウターリングによって複数の前記第１分割ブレードの先端縁が一体的に連結されているため、前記遠心圧縮機の運転中に、前記アウターリングによって前記第１分割ブレードの径方向の自由な伸びが規制され、前記第１分割ブレードには圧縮応力が発生することになる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、前記インペラの回転数を増大しても、前記遠心圧縮機の運転中に、前記ブレードの前縁のハブ端付近に過大な引張応力が発生することを抑えることができるため、前記遠心圧縮機の高効率化を促進しつつ、前記インペラの耐久性、換言すれば、前記遠心圧縮機の耐久性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の要部を示す拡大正断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機におけるインペラの斜視図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機におけるインペラの分解斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の正断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態の変形例に係る遠心圧縮機の要部を示す拡大正断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（本発明の実施形態）
本発明の実施形態について図１から図４を参照して説明する。なお、図面に示すとおり、「Ｒ」は、右方向、「Ｌ」は、左方向である。
【００１５】
図４に示すように、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、過給機、ガスタービン、又は産業用空気設備等に用いられ、遠心力を利用して空気を圧縮するものである。そして、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１の具体的な構成は、以下のようになる。
【００１６】
本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、ハウジング３を具備しており、このハウジング３は、内側にシュラウド５ｓを有したハウジング本体５と、このハウジング本体５の右側に設けられた環状のシールプレート７とを備えている。なお、シールプレート７は、過給機、ガスタービン、又は産業用空気設備等における別のハウジング９に一体的に連結されている。
【００１７】
ハウジング３内には、インペラ１１がその軸心Ｃ周りに回転可能に設けられており、このインペラ１１は、別のハウジング９に回転可能に設けたロータ軸１３の左端部に軸端ナット（固定ナット）１５を介して一体的に連結されている。また、インペラ１１は、ディスク１７を備えており、このディスク１７のハブ面１７ｈは、左方向（インペラ１１の軸方向一方側）からの径方向外側（インペラ１１の径方向外側）へ延び、かつディスク１７の背面１７ｄは、シールプレート７に対向してある。そして、ディスク１７のハブ面１７ｈには、複数のブレード１９が周方向に間隔を置いて一体形成されており、各ブレード１９の先端縁１９ｔは、ハウジング本体５のシュラウド５ｓに沿うように延びている。更に、ディスク１７のハブ面１７ｈにおける周方向に隣接する各ブレード１９間には、ブレード１９よりも軸長の短い短ブレード２１が一体形成されており、各短ブレード２１の先端縁２１ｔは、ハウジング本体５のシュラウド５ｓに沿うように延びている。換言すれば、ディスク１７のハブ面１７ｈには、ブレード１９及び短ブレード２１が周方向に沿って交互に一体形成されている。
【００１８】
ハウジング３（ハウジング本体５）におけるインペラ１１の入口側（主流の流れ方向から見て上流側）には、空気をハウジング３内に取入れるための取入口２３が形成されている。また、ハウジング３内におけるインペラ１１の出口側（主流の流れ方向から見て下流側）には、圧縮した空気（圧縮空気）を減速させて昇圧する環状のディフューザ流路２５が形成されている。
【００１９】
ハウジング３内におけるディフューザ流路２５の出口側には、渦巻き状のスクロール流路２７が形成されており、スクロール流路２７は、ディフューザ流路２５に連通してある。また、スクロール流路２７の断面積は、主流の流れ方向（巻き始め側から巻き終わり側）に沿って漸次大きくなるように構成されている。更に、ハウジング３の適宜位置には、圧縮された空気をハウジング３の外側へ排出するための排出口２９が形成されている。
【００２０】
続いて、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１の特徴部分について説明する。
【００２１】
図１から図３に示すように、ディスク１７の先端部（インペラ１１の軸方向の一端部）には、複数の嵌合溝（嵌合スリット）３１が周方向に間隔を置いて形成されており、各嵌合溝３１の断面形状は、矩形状を呈している。
【００２２】
各ブレード１９は、基端部（付け根部）がディスク１７の嵌合溝３１に径方向（インペラ１１の径方向）の微動を許容した状態で嵌合した第１分割ブレード３３と、この第１分割ブレード３３の下流側に隣接しかつ基端部がディスク１７のハブ面１７ｈに一体的に連結（結合）された第２分割ブレード３５とからなっている。ここで、各第１分割ブレード３３は、軸端ナット１５の円筒部１５ｓによって軸方向（インペラ１１の軸方向）の移動が規制されており、各第１分割ブレード３３の前縁３３ａは、チップ端（先端）がハブ端（基端）よりも左側（インペラ１１の軸方向一方側）に位置するように径方向（インペラ１１の径方向）に対して傾斜している。また、各第２分割ブレード３５の前縁３５ａの軸方向の位置は、短ブレード２１の前縁２１ａの軸方向の位置と同じである。なお、第１分割ブレード３３の前縁３３ａは、ブレード１９の前縁１９ａに相当し、第１分割ブレード３３の先端縁３３ｔは、ブレード１９の先端縁１９ｔの一部に相当し、第２分割ブレード３５の後縁３５ｂは、ブレード１９の後縁１９ｂに相当し、第２分割ブレード３５の先端縁３５ｔは、ブレード１９の先端縁１９ｔの一部に相当する。
【００２３】
複数の第１分割ブレード３３の先端縁３３ｔの間には、アウターリング３７が囲むように一体的に設けられており、このアウターリング３７は、外周側（径方向外側）に、強化繊維と熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂の複合材料により構成された補強リング３９を有している。また、ハウジング本体５のシュラウド５ｓには、アウターリング３７を収容する環状の収容溝４１が形成されている。なお、アウターリング３７から補強リング３９を省略しても構わない。
【００２４】
続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。
【００２５】
遠心圧縮機１の運転を開始して、インペラ１１をロータ軸１３と一体的に回転させることにより、取入口２３からインペラ１１側に取入れた空気を遠心力を利用して圧縮することができる。なお、圧縮された空気は、ディフューザ流路２５によって昇圧され、スクロール流路２７を経由して排出口２９からハウジング３の外側へ排出される（遠心圧縮機１の通常の作用）。
【００２６】
各ブレード１９が第１分割ブレード３３と第２分割ブレード３５とからなり、各第１分割ブレード３３の基端部がディスク１７の嵌合溝３１に径方向の微動を許容した状態で嵌合し、アウターリング３７によって複数の第１分割ブレード３３の先端縁３３ｔが一体的に連結されているため、複数の第１分割ブレード３３をディスク１７と一体化することなく、インペラ１１の一部としてユニット化することができる。特に、アウターリング３７が外周側に強化繊維と熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂の複合材料により構成された補強リング３９を有しているため、アウターリング３７の強度を高めて、複数の第１分割ブレード３３をインペラ１１の一部として安定的に保持することができる。これにより、インペラ１１の回転数を増大しても、遠心圧縮機１の運転中に、第１分割ブレード３３の前縁３３ａのハブ端付近、換言すれば、ブレード１９の前縁１９ａのハブ端付近に過大な引張応力（遠心応力）が発生することを抑えることができる。
【００２７】
なお、アウターリング３７によって複数の第１分割ブレード３３の先端縁３３ｔが一体的に連結されているため、遠心圧縮機１の運転中に、アウターリング３７によって第１分割ブレード３３の径方向の自由な伸びが規制され、第１分割ブレード３３には圧縮応力が発生することになる。
【００２８】
また、各第１分割ブレード３３の基端部がディスク１７の嵌合溝３１に径方向の微動を許容した状態で嵌合しているため、第１分割ブレード３３の基端部とディスク１７の嵌合溝３１の間に摩擦減衰作用を発揮させることができる。これにより、遠心圧縮機１の運転中における第１分割ブレード３３の振動応力、換言すれば、ブレード１９の振動応力を低減することができる。
【００２９】
また、チップ端がハブ端よりも左側に位置するように各第１分割ブレード３３の前縁３３ａが径方向に対して傾斜しているため、チップ端がハブ端よりも右側に位置するように各第１分割ブレード３３の前縁３３ａが径方向に対して傾斜している場合に比較して、第１分割ブレード３３の前縁３３ａのチップ端付近、換言すれば、ブレード１９の前縁１９ａのチップ端付近における境界層の二次流れの影響を低減することができる。
【００３０】
更に、各第２分割ブレード３５の前縁３５ａの軸方向の位置が短ブレード２１の前縁２１ａの軸方向の位置と同じであるため、各第２分割ブレード３５を短ブレード２１と同一形状にすることができる。
【００３１】
従って、本発明の実施形態によれば、インペラ１１の回転数を増大しても、遠心圧縮機１の運転中に、ブレード１９の前縁１９ａのハブ端付近に過大な引張応力が発生することを抑えて、ブレード１９の振動応力を低減できるため、遠心圧縮機１の高効率化を促進しつつ、インペラ１１の耐久性、換言すれば、遠心圧縮機１の耐久性の向上を図ることができる。特に、ブレード１９の前縁１９ａのチップ端付近における境界層の二次流れの影響を低減することができるため、遠心圧縮機１の高効率化をより促進することができる。
【００３２】
また、各第２分割ブレード３５を短ブレード２１と同一形状にすることができるため、インペラ１１の製造が簡単になり、遠心圧縮機１の製造コストの増大を抑えることができる。
【００３３】
（変形例）
本発明の実施形態の変形例について図５を参照して説明する。なお、図面に示すとおり、「Ｒ」は、右方向、「Ｌ」は、左方向である。
【００３４】
図５に示すように、アウターリング３７の外周面（補強リング３９の外周面）３７ｃと収容溝４１の底面（奥面）４１ｂとの間には、インペラ１１内で逆流した空気を一時的に収容するための環状のトリートメントキャビティ４３が区画形成されている。また、アウターリング３７の下流側側面３７ｄと収容溝４１の下流側壁面４１ｄとの間には、トリートメントキャビティ４３内に前記逆流した空気を抽出（抽気）するための環状の抽出スリット４５が区画形成されている。更に、アウターリング３７の上流側側面３７ｕと収容溝４１の上流側壁面４１ｕとの間には、トリートメントキャビティ４３内からインペラ１１の入口側へ前記逆流した空気を排出するための環状の排出スリット４７が区画形成されている。
【００３５】
前記の構成によると、遠心圧縮機１の運転中に、インペラ１１側へ取入れる空気の流量（実際の流量）が少なくなると、インペラ１１内とインペラ１１の入口との圧力差によって、前記逆流した空気が抽出スリット４５からトリートメントキャビティ４３内に抽出され、トリートメントキャビティ４３内を経由して、排出スリット４７からインペラ１１の入口側へ排出される。これにより、インペラ１１側へ取入れる見かけの流量を実際の流量よりも多くすることができる。
【００３６】
従って、本発明の実施形態の変形例によれば、前述の本発明の実施形態の効果を奏する他に、遠心圧縮機１のサージングを抑制し、遠心圧縮機１の作動域を小流量側に拡大することができる。
【００３７】
なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、例えば、ディスク１７のハブ面１７ｈにブレード１９及び短ブレード２１が周方向に沿って交互に一体形成されてる代わりに、複数のブレード１９のみが周方向に間隔を置いて一体形成される等、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。
【符号の説明】
【００３８】
１：遠心圧縮機、３：ハウジング、５：ハウジング本体、５ｓ：シュラウド、７：シールプレート、１１：インペラ、１３：ロータ軸、１５：軸端ナット、１５ｓ：円筒部、１７：ディスク、１７ｈ：ハブ面、１９：ブレード、１９ａ：前縁、１９ｂ：後縁、１９ｔ：先端縁、２１：短ブレード、２１ａ：前縁、２１ｔ：先端縁、３１：嵌合溝、３３：第１分割ブレード、３３ａ：前縁、３３ｔ：先端縁、３５：第２分割ブレード、３５ａ：前縁、３５ｂ：後縁、３５ｔ：先端縁、３７：アウターリング、３７ｃ：外周面、３７ｄ：下流側側面、３７ｕ：上流側側面、３９：補強リング、４１：収容溝、４１ｄ：下流側壁面、４１ｕ：上流側壁面、４３：トリートメントキャビティ、４５：抽出スリット、４７：排出スリット
【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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