(57)【要約】  【課題】軸流圧縮機としての安定した作動範囲を広く設定することができることと併せ、従来の軸流圧縮機よりも簡単な構造とする軸流圧縮機の提供にある。  【解決手段】主軸１２に固定されたボス部１３と、ボス部１３から主軸１２の半径方向に延設された動翼１５と、動翼１５の翼端１６と対向する外周ケーシング１１とを有し、動翼１５は、ボス部１３側の翼基部から翼端１６へ向かうにつれて主軸１２の軸心Ｐと翼面との傾斜角度が増大する動翼であり、翼端１６付近の傾斜角度が、翼基部１８付近の傾斜角度よりも大きく設定された軸流圧縮機１０であり、動翼１５はボス部１３の半径方向に移動する可動翼であり、外周ケーシング１１は翼端１６付近を収容する環状凹部３１を有する。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸に固定されたボス部と、該ボス部から前記主軸の半径方向に延設された動翼と、該動翼の翼端と対向する外周ケーシングとを有し、前記動翼は、ボス部側の翼基部から翼端へ向かうにつれて前記主軸の軸心と翼面との傾斜角度が増大する動翼を備えた軸流圧縮機において、
前記動翼は前記ボスの半径方向に移動する可動翼であり、
前記外周ケーシングは前記翼端付近を収容する環状凹部を有することを特徴とする軸流圧縮機。
【請求項２】
前記動翼に対して移動を規制する付勢力を付与する付勢手段を有し、前記動翼は回転に伴う遠心力と付勢力との差に応じて自律的に移動することを特徴とする請求項１記載の軸流圧縮機。
【請求項３】
前記ボス部に翼基部付近を収容する収容部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の軸流圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は軸流圧縮機に関し、特に、主軸の軸心と翼面とが傾斜する動翼を有し、動翼における翼端付近の傾斜角度が翼基部付近の傾斜角度よりも大きく設定された軸流圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
軸流圧縮機に関連する従来の技術としては、例えば、特許文献１に開示された翼角自律調整式立型軸流送風機が存在する。
この種の軸流送風機は、電動機の下方の動力軸に取り付けられたインペラハブと、このインペラハブの外周に配置され、インペラハブを貫通する軸に取り付けられた複数枚の翼と、軸と接続されるリンクと、このリンクに接続される押し上げプレートと、先端にウエイトを備えたアームと、このアームに備えられた引っ張りスプリングとを有する。
【０００３】
ウエイトを持つアームはピンによりインペラハブに連結され、アームはインペラハブに対して回動自在である。
押し上げプレートはアームの回動によりインペラハブに対して昇降する。
押し上げプレートの昇降はリンクを介して軸を回転させ、翼の角度を変更させる。
【０００４】
この種の軸流送風機では、電動機が停止している状態では、引っ張りスプリングの張力によりウエイト及びアームが重力により下がった位置にある。
電動機が起動されると、引っ張りスプリングの張力に抗してウエイトを取り付けたアームがピンを支点として上方へ回動し、ウエイトは押し上げプレートを押し上げる。
押し上げプレートの移動によりリンクを介して軸が回動され、軸の回動により翼の軸周りの角度が変化する。
つまり、遠心力を利用することにより自律的に動翼の軸周りの角度を変えることができる。
【特許文献１】特開２００１−１２３９９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された従来の技術では、動翼の軸周りの角度を変更するための機構が必要であり、この機構の構造が複雑となるという問題がある。
【０００６】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、軸流圧縮機としての安定した作動範囲を広く設定することができることと併せ、従来の動翼可動式の軸流圧縮機よりも簡単な構造とすることができる軸流圧縮機の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するため、本発明は、主軸に固定されたボス部と、該ボス部から前記主軸の半径方向に延設された動翼と、該動翼の翼端と対向する外周ケーシングとを有し、前記動翼は、ボス部側の翼基部から翼端へ向かうにつれて前記主軸の軸心と翼面との傾斜角度が増大する動翼を備えた軸流圧縮機において、前記動翼は前記ボスの半径方向に移動する可動翼であり、前記外周ケーシングは前記翼端付近を収容する環状凹部を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、動翼の翼端付近は、動翼の主軸半径方向の移動により環状凹部に対して出没する。
翼端付近の傾斜角度は、翼基部付近の傾斜角度よりも大きく設定されているが、動翼を主軸の半径方向へ移動させることにより、例えば、低流量時に動翼の翼端付近を環状凹部から出現させ、低流量時の流体の流れに適したストールし難い動翼として機能させる。
他方、高流量時に翼端付近を環状凹部に埋没させ、高流量時の流体の流れに適した高効率の動翼として機能する。
動翼を主軸半径方向に移動させるだけであるから、安定した作動範囲を広く設定することができることと併せ、従来の軸流圧縮機よりも簡単な構造とすることができる。
【０００９】
また、本発明では、上記の軸流圧縮機において、動翼に対して移動を規制する付勢力を付与する付勢手段を有し、前記動翼は回転に伴う遠心力と前記付勢力との差に応じて自律的に移動されてもよい。
【００１０】
この場合、主軸が高回転の状態では回転に伴い動翼に作用する遠心力が大きくなり、動翼は付勢手段の付勢力に抗してボス部から遠ざかる方向へ移動して、翼端付近が環状凹部に収容される。
主軸が低回転数又は停止の状態では、付勢手段の付勢力が動翼をボス部側に引き付けるから、翼端付近が環状凹部から流路に出現する。
【００１１】
また、本発明では、上記の軸流圧縮機において、前記ボス部に翼基部付近を収容する収容部が形成されてもよい。
【００１２】
この場合、翼基部付近は動翼の移動に応じて収容部に対して出入りする。
例えば、低流量時に翼基部付近を収容部に収容させ、高流量時において翼基部付近を収容部から出すようにすると、高流量時においてボス部と翼基部との間に空隙が形成されず、ボス部付近での流体の逆流を妨げることができる。
動翼の移動に関わらず、ボス部から外周ケーシングの内周付近まで動翼が位置するから動翼を有効活用することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、軸流圧縮機としての安定した作動範囲を広く設定することができることと併せ、従来の軸流圧縮機よりも簡単な構造とする軸流圧縮機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態の軸流圧縮機を図１〜図５に基づき説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る軸流圧縮機の一部を破断して示す側面図、図２は本発明の実施形態に係る軸流圧縮機の動翼を半径方向から示した側面図、図３は本発明の実施形態に係る動翼と主軸の軸心がなす傾斜角度と、動翼の半径方向の距離との関係を示すグラフ図、図４は本発明の実施形態に係る軸流圧縮機における動翼と動翼可動機構を示す側面図、本発明の実施形態に係る軸流圧縮機の低流量時と高流量時の動翼の位置を示す正面図である。
なお、説明の便宜上、図１における左側を上流側とし、右側を下流側として軸流圧縮機の各部を説明する。
【００１５】
図１に示すように、軸流圧縮機１０は筒状の外周ケーシング１１を有し、外周ケーシング１１内の空間は流路Ｆを形成する。
外周ケーシング１１内には主軸１２が配置されており、主軸１２は外周ケーシング１１の中心と主軸の軸心Ｐが一致するように、図示しない支持手段により回転自在に保持されている。
さらに、主軸１２は駆動源（図示せず）から伝達される回転力を受けて回転するものとなっている。
主軸１２の上流側端には主軸の径より大きな径を有する略円柱状のボス部１３が固定されている。
ボス部１３の上流端は先端が丸められたコーン部１４が形成されており、コーン部１４は外周ケーシング１１内の上流側からの流体の流れを下流側へ導く。
外周ケーシング１１の内周面とボス部１３の外周面の間の流路Ｆの断面積は上流側及び下流側の流路Ｆの断面積と比べて狭くなっている。
【００１６】
ボス部１３の外周面には複数の動翼１５が配設されている。
動翼１５は、ボス部１３から主軸１２の半径方向に延設され、軸心Ｐから最も離れた動翼１５の翼端１６は外周ケーシング１１と対向する。
動翼１５は、図２に示すように、主軸１２の軸心Ｐに対して捩れた翼面を有している。
主軸１２の軸心Ｐと翼面との傾斜角度は、動翼１５の根元側である翼基部１８から翼端１６へ至るまでの間では増大している。
【００１７】
図３は、主軸１２の軸心Ｐと翼面との傾斜角度と、動翼１５における翼基部１８から翼端１６までの距離との関係を示すグラフである。
翼基部１８から翼端１６までの距離のうち、翼基部１８から４分３程度までの範囲（図３におけるＡからＢに至る範囲であり、説明の便宜上「第１翼部１９」と称する）と、翼端１６までの残りの４分の１程度までの範囲（図３におけるＢからＣに至る範囲であり、説明の便宜上「第２翼部２０」と称する）では、傾斜角度の増加率が異なっている。
【００１８】
第２翼部２０における傾斜角度の増加率は、第１翼部１９における傾斜角度の増加率よりも大きく設定されている。
つまり、第２翼部２０は、第１翼部１９よりも動翼１５の捩れ度合いが大きいと言える。なお、捩れ度合い（傾斜角度の増加率）については、圧縮機の作動条件等によっては、第２翼部２０において第１翼部１９よりも動翼１５の捩れ度合いを小さく設定したり、第２翼部２０と第１翼部１９で捩れ度合いを等しくしたりしても良い。
この実施形態では、動翼１５における第１翼部１９は高流量時における流体の流れ方向に適した翼部であり、第２翼部２０は低流量時における流体の流れ方向に適した翼部となっている。
第２翼部２０における傾斜角度が、第１翼部１９における傾斜角度よりも大きくなっている理由は、低流量時の際の第２翼部２０におけるストールを防止するためである。
【００１９】
動翼１５における第１翼部１９と第２翼部２０の半径方向における距離の比率を３：１程度としたが、この比率は軸流圧縮機１０の諸条件により変動する要素である。
なお、図１〜図５において、第１翼部１９と第２翼部２０の境界を破線により示したが、図示した破線は説明の便宜上示したものに過ぎない。
【００２０】
ところで、動翼１５はボス部１３の半径方向に移動する可動翼となっている。
図４に示すように、翼基部１８の端部には、主軸１２へ向かうように半径方向へ延設された軸部材２１が取り付けられている。
軸部材２１の端部には軸心Ｐ方向に軸部材２１の径より拡径された軸底部２２が形成されている。
【００２１】
次に、動翼１５を保持しつつ動翼１５を移動自在とする動翼可動機構２３について説明する。
図４に示すように、ボス部１３には軸心Ｐ方向において動翼１５の位置と対応する凹部空間２４が形成されている。
凹部空間２４では主軸１２の外周面の一部が露出されており、露出された主軸１２の外周面に基底部材２５が固定されている。
基底部材２５は、軸心Ｐ方向において凹部空間２４を形成するボス部１３の内壁に挟まれており、基底部材２５の外周面は主軸１２の外周面と平行となっている。
【００２２】
基底部材２５には、基底部材２５の軸心Ｐ方向の両端から半径方向の外周側へ向けて立ち上がり、凹部空間２４を内周側空間部２４Ａと外周側空間部２４Ｂに２分割する区画部材２６が備えられている。
区画部材２６は半径方向にボス部１３の内壁に沿う壁部２７と、壁部２７の外周側の端部を接続する区画部２８を有する。
区画部２８には動翼１５に取り付けた軸部材２１が挿通される挿通孔２９が形成されている。
【００２３】
区画部２８の外周側に位置する外周側空間部２４Ｂは、第２翼部２０の一部である翼基部１８付近を収容する収容部としての空間である。
外周側空間部２４Ｂの半径方向の深さは、動翼１５の移動距離にほぼ対応し、動翼１５における第２翼部２０の半径方向の長さにほぼ対応する。
区画部２８の内周側に位置する内周側空間部２４Ａは、軸底部２２が収容される空間であり、区画部２８と基底部材２５との間で軸底部２２の半径方向の移動を許容する空間でもある。
このため、区画部２８と基底部材２５は動翼１５の半径方向の移動距離を規定する。
【００２４】
内周側空間部２４Ａには、区画部２８と軸底部２２を連結するコイルばね３０が備えられている。
コイルばね３０は、動翼１５に対して半径方向の外周側への移動を規制する付勢力を付与する付勢手段であり、コイルばね３０の付勢力は動翼１５を主軸１２側へ引き付ける方向に作用する。
従って、動翼１５が半径方向の外周側へ向かって移動するにつれて、コイルばね３０により動翼に付与される付勢力は大きくなる。
このように、この実施形態では、基底部材２５、区画部材２６、コイルばね３０を含む動翼可動機構２３が設けられているが、動翼可動機構２３は動翼１５毎に設けられている。
【００２５】
ところで、動翼１５はボス部１３に対して半径方向へ移動することができるが、外周ケーシング１１には動翼１５の翼端１６付近が収容される環状凹部３１が形成されている。
環状凹部３１の軸心Ｐ方向の長さは、動翼１５における第１翼部１９と第２翼部２０の境界付近における軸心Ｐ方向の長さとほぼ対応している。
環状凹部３１の半径方向の深さは、動翼１５の移動距離にほぼ対応するほか、動翼１５における第２翼部２０の半径方向の距離にほぼ対応する。
このため、環状凹部３１は、動翼１５が最も半径方向の外周側に移動した状態では、翼端１６付近である第２翼部２０が環状凹部３１にほぼ隠蔽され、動翼１５が最も主軸１２側に接近した状態では、第２翼部２０が環状凹部３１から流路Ｆに露出される。
【００２６】
次に、この発明の実施形態に係る軸流圧縮機１０の作用について説明する。
軸流圧縮機１０が停止している状態では、動翼１５はコイルばね３０の付勢力が付与され、図５（ａ）に示すように、翼端１６付近が環状凹部３１から露出された状態にあるほか、第１翼部１９の一部である翼基部１８付近がボス部１３の外周側空間部２４Ｂに収容された状態となる。
主軸１２の回転に伴い動翼１５が軸心Ｐ周りに回転されると、動翼１５により流体が上流側から下流側へ送られる。
回転する動翼１５及び軸部材２１には遠心力が作用するが、両者１５、２１に作用する遠心力がコイルばね３０の付勢力に対抗できない程度の低回転では流体の流量も低流量に留まる。
【００２７】
低流量時には、回転する動翼１５に対する流体の流れ方向が、高流量時と比較して軸心Ｐと成す角度が比較的大きい状態となる。
このとき、図５（ａ）に示すように、低流量時における流体の流れ方向に適した傾斜角度を有している第２翼部２０が流路Ｆに出る状態にあるから、第２翼部２０でのストールの発生が防止又は抑制され、軸流圧縮機１０の安定した運転が維持される。
また、第２翼部２０が流路Ｆに位置する状態では、第２翼部２０後方（動翼１５の下流側）の高圧となっている流体の一部が環状凹部３１を通って低圧となっている第２翼部２０前方（動翼１５の上流側）に戻される（図４を参照。）。
環状凹部３１を通じた流体の一部還流は、第２翼部２０におけるストール発生をより確実に防止する。
【００２８】
主軸１２の回転数が上昇すると、回転数の上昇に伴い動翼１５に作用する遠心力が大きくなる。
所定の回転数を超えると、動翼１５がコイルばね３０の付勢力に抗して半径方向へ主軸１２から遠ざかるように移動する。
遠心力に基づく動翼１５の移動により、第２翼部２０が環状凹部３１へ徐々に隠蔽され、第２翼部２０の隠蔽とともに翼基部１８付近がボス部１３の外周側空間部２４Ｂから露出される。
【００２９】
図５（ｂ）に示すように、傾斜角度が大きな第２翼部２０がほぼ隠蔽されることにより、第２翼部２０と比べて傾斜角度が小さい第１翼部１９だけの動翼が流路Ｆを実質的に臨む状態となる。
動翼１５における傾斜角度の大きな第２翼部２０は、高流量時において大きな抵抗となる。
このため、高流量時において第２翼部２０が環状凹部３１において隠蔽されることは、第１翼部１９が高流量時に適した動翼として機能し、軸流圧縮機１０の効率を低下させない。
【００３０】
また、第２翼部２０の環状凹部３１への隠蔽に伴って翼基部１８付近が流路Ｆに露出されることにより、外周ケーシング１１の内周面からボス部１３の外周面にわたって高流量時に適した動翼（第１翼部１９）が位置することになり、軸流圧縮機１０の効率の良い運転が維持される。
なお、主軸１２が高回転から低回転になり所定の回転数以下になると、コイルばね３０の付勢力が遠心力に勝り、回転数に応じて動翼１５が主軸１２側に近づくように半径方向へ移動する。
【００３１】
このように、この実施形態の軸流圧縮機１０では、動翼１５の翼端１６付近である第２翼部２０は、動翼１５の主軸半径方向の移動により環状凹部３１に対して出没する。
第２翼部２０における傾斜角度が第１翼部１９の傾斜角度よりも大きく設定されているが、動翼１５の半径方向の移動により、例えば、低流量時に動翼１５の第２翼部２０を環状凹部３１から流路Ｆへ出現させ、第２翼部２０が低流量時の流体の流れに適したストールし難い動翼として機能する。
他方、高流量時に翼端１６付近を環状凹部３１に収容させ、第１翼部１９が高流量時の流体の流れに適した高効率の動翼として機能する。
【００３２】
この実施形態に係る軸流圧縮機１０によれば以下の効果を奏する。
（１）動翼可動機構２３により動翼１５を主軸１２の半径方向に移動させるだけであることから、低流量であってもストールを生じ難い安定した作動範囲を広く設定することができる。また、動翼可動機構２３が基底部材２５と、区画部材２６と、コイルばね３０を含み、動翼１５に作用する遠心力を利用して動翼１５の移動を図ることから、従来の軸流圧縮機よりも簡単な構造とすることができる。
【００３３】
（２）動翼１５は遠心力を受けて主軸１２から遠ざかるように半径方向へ移動し、コイルばね３０は動翼１５に対して移動を規制する付勢力を付与するから、動翼１５は遠心力に応じて自律的に移動することができる。これにより主軸１２が低回転数又は停止の状態では、コイルばね３０の付勢力が動翼１５をボス部１３側に引き付けた状態を維持させ、特に、低流量時に適した第２翼部２０が環状凹部３１から出現させることができ、また、高流量時には、第２翼部２０を環状凹部３１に埋没させ、流路Ｆを臨む第１翼部１９を高流量時の流体の流れに適した高効率の動翼として機能させることができる。
【００３４】
（３）翼基部１８付近が動翼１５の移動に応じて収容部である外周側空間部２４Ｂに対して出入りするから、低流量時に翼基部１８付近を外周側空間部２４Ｂに収容させ、高流量時において翼基部１８付近を外周側空間部２４Ｂから流路Ｆに露出させることができる。これにより、高流量時においてボス部１３と翼基部１８との間に空隙が形成されず、ボス部１３付近での流体の逆流を妨げることができる。
（４）動翼１５の半径方向の移動に関わらず、流路Ｆにおけるボス部１３から外周ケーシング１１の内周付近まで第１翼部１９が位置するから動翼１５を有効活用することができる。
【００３５】
（５）第２翼部２０が流路Ｆに位置する低流量時では、環状凹部３１に第２翼部２０が収容されていない状態にあることから、第２翼部２０後方の高圧となっている流体の一部が環状凹部３１を通って低圧となっている第２翼部２０前方に戻すことができる。つまり、環状凹部３１を流体の戻し通路として機能させることができ、環状凹部３１を通じた流体の一部還流は、第２翼部２０におけるストール抑制に寄与する。
（６）軸流圧縮機１０としての安定した作動範囲を広く設定することができることから、従来の軸流圧縮機よりも作動範囲が広い遠心圧縮機の作動範囲に対応することができ、遠心圧縮機の上流側に配置する圧縮機として好適である。
【００３６】
なお、上記の実施形態に係る軸流圧縮機は本発明の一実施形態を示すものであり、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、下記のように発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能である。
○  上記の実施形態では、ボス部に備えられる動翼の数について特に言及しなかったが、動翼の数は軸流圧縮機に必要な諸条件に応じて適宜設定してもよい。また動翼の断面形態も実施形態の断面形態に限定されず、翼断面の長さ、厚さ、反り等は要求される空力特性を考慮して自由に設定できる。
○  上記の実施形態では、付勢手段としてコイルばねを用いたが、付勢手段はコイルばねの付勢力と同じ付勢力を動翼に付与することができる付勢手段であれば、その種類、形式や取り付け方は問われない。例えば、板ばねやゴムを付勢手段として用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態に係る軸流圧縮機の一部を破断して示す側面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る軸流圧縮機の動翼を半径方向から示した側面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る動翼の翼面と主軸の軸心がなす傾斜角度と、動翼の半径方向の距離との関係を示すグラフ図である。
【図４】本発明の実施形態に係る軸流圧縮機における動翼と動翼移動機構を示す側面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る軸流圧縮機の低流量時と高流量時の動翼の位置を示す正面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  軸流圧縮機
１１  外周ケーシング
１２  主軸
１３  ボス部
１５  動翼
１６  翼端
１８  翼基部
１９  第１翼部
２０  第２翼部
２３  動翼可動機構
２４  凹部空間
２４Ａ  内周側空間部
２４Ｂ  外周側空間部
２５  基底部材
２６  区画部材
３０  コイルばね
３１  環状凹部
Ｆ  流路
Ｐ  軸心
【図１】
2008215275.tif 000003
【図２】
2008215275.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008215275.tif 000006
【図５】
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