(57)【要約】【課題】遠心圧縮機において、圧縮比の低下量を抑えつつ作動領域を広げる。【解決手段】インペラの流体出口におけるシュラウド側のインペラ回転円周の接線方向に対する出口翼角θｓを、インペラの流体出口におけるハブ側のインペラ回転円周の接線方向に対する出口翼角θｈよりも小さくする。また、インペラのシュラウド側とハブ側との流体の流出角αｈとαｓとを略同一角度とする。【選択図】図５
2008163820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラとディフューザとを有する遠心圧縮機において、インペラの流体出口におけるシュラウド側のインペラ回転円周の接線方向に対する翼の角度は、インペラの流体出口におけるハブ側のインペラ回転円周の接線方向に対する翼の角度よりも小さくなっていること
を特徴とする遠心圧縮機。
【請求項２】
請求項１に記載の遠心圧縮機において、
インペラのシュラウド側とハブ側との流体の流出角が略同一角度となっていること
を特徴とする遠心圧縮機。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の遠心圧縮機において、
インペラの流体出口におけるシュラウド側のインペラ回転円周の接線方向に対する翼の角度は、インペラの流体出口におけるハブ側のインペラ回転円周の接線方向に対する翼の角度よりも１０度以上小さくなっていること
を特徴とする遠心圧縮機。
【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の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体を圧縮するための圧縮機の一つとして遠心圧縮機１０が知られている。従来の遠心圧縮機１０は、例えば、図６に示すように、インペラ１１が取り付けられた回転軸１２と回転軸１２を回転自在に支持するハウジング１４とシュラウド１５とスクロール１７とを備えている。インペラ１１は、回転軸１２に嵌まり込んでいる円筒形部分と円筒形部分から半径方向に延びた円板状部分とを持つハブ１３と、ハブ１３に固定される回転翼１９とを備えている。回転翼１９は、内周側から外周側に延びた複数の翼で構成されている。シュラウド１５はインペラ１１の回転翼１９との間に微小な隙間を空けて、その内面形状が回転翼１９の外形に沿った形状となっている。各回転翼１９とハブ１３とシュラウド１５によって囲まれる領域は流体の流路を構成する。
【０００３】
シュラウド１５はインペラ１１への流体吸い込み側には吸い込み口１６を備え、インペラ１１の流体出口側には、インペラ１１を通った流体の圧力回復を行うディフューザ１８とスクロール１７を備えている。ディフューザ１８はインペラ１１出口に設けられた半径方向に向かった平行流路であり、流路の中に複数の静翼３１を備えている。静翼３１はインペラ１１からディフューザ１８に入る流体の方向に沿うように設けられている。スクロール１７はディフューザ１８の複数の静翼３１の間の流路から吐出された流体を集合させる渦巻状の管路である（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図６に示す遠心圧縮機１０の中の流体の流れについて説明する。吸い込み口１６から遠心圧縮機１０に吸い込まれた流体は、インペラ１１に吸い込まれる。そして、インペラ１１に設けられた複数の回転翼１９とハブ１３とシュラウド１５によって構成される流路を流れていく。この流路は、入口側は回転軸１２と同軸方向であるが、下流に向かうに従って、ハブ１３の流体側面に従って半径方向に流れの方向が変化していく流路である。回転翼１９が回転軸１２によって回転し、この流路内部を流れる流体に回転力を与え、その回転力によって流体は回転しながらインペラ１１の流路に沿って半径方向に向かって流れていく。そして、流体はインペラ１１から吐出され、ディフューザ１８に流入する。ディフューザによって減速されて、圧力回復した流体はスクロール１７に流入する。スクロール１７には複数の静翼３１によって構成されている複数のディフューザ１８の流路を通った流体が集合され、更に圧力が回復されて吐出口から外部に吐出される。
【０００５】
このような遠心圧縮機１０のインペラ１１の出口における流速分布を図７に示す。インペラ１１に吸い込まれた流体はハブ１３に沿ってその流れの方向が軸方向から半径方向に変わっていく。この流れの方向を子午面方向という。インペラ１１の出口においては、子午面方向は半径方向となっている。この流れの方向が変化していく際に、流体は遠心力によってハブ１３の側に押し付けられるので、インペラ１１内の流路のハブ１３に近い側は流量が多く流速も早いが、逆のシュラウド１５に近い側は流量が少なく、流速も遅くなっている。このため、図７に示すように、インペラ１１出口においては両方の壁面に接する部分の流速は壁面との摩擦により減速され中央より低くなっているが、壁面より離れた流体が流れている部分では、ハブ側子午面方向速度Ｖｈのほうがシュラウド側子午面方向速度Ｖｓよりも大きくなっている。
【０００６】
図８に示すように、インペラ１１は回転軸に固定されており、所定の回転数によって回転し、その流体出口、あるいはインペラ１１の先端の回転方向速度はｕとなっている。インペラ１１の複数の回転翼１９の間に形成された流体流路を流れる流体のインペラ１１の出口での流れの方向は、回転翼１９の出口の方向となっている。そしてハブ側子午面方向速度Ｖｈのほうがシュラウド側子午面方向速度Ｖｓよりも大きくなっていることから、ハブ側の回転翼１９に沿った方向のハブ側出口流速Ｗｈはシュラウド側の回転翼１９に沿った方向のシュラウド側出口流速Ｗｓよりも速くなっている。インペラ１１の回転速度はハブ側もシュラウド側も同じｕであることから、インペラ１１の流路内の流体はいずれもインペラ１１の回転方向に周速ｕをもって移動している。このことからインペラ１１の内部の回転翼１９に沿った方向のハブ側出口流速Ｗｈ，シュラウド側出口流速Ｗｓと回転方向の周速ｕとを合成したハブ側、シュラウド側のそれぞれの合成速度ベクトルＣｈ，Ｃｓは、図８に示すように各方向がずれることとなる。そして、シュラウド側の合成速度ベクトルＣｓのインペラ回転円周の接線方向に対する角度であるシュラウド側流出角αｓは、ハブ側の合成速度ベクトルＣｈのインペラ回転円周の接線方向に対する角度であるハブ側流出角αｈよりも小さくなる。これによって、シュラウド側の流れは静翼３１に対する迎え角が大きくなり、シュラウド側でサージ現象が発生しやすく作動領域が狭くなるという問題があった。
【０００７】
そこで、このような問題を解決するために特許文献１に記載された従来技術では、ディフューザ１８の静翼３１のハブ側とシュラウド側との取付角度を変更することによってサージ現象の発生を低減するようにしている。しかし、ディフューザ１８の静翼３１は、複数の翼列を一体として製造することが多いことから、このようにハブ側とシュラウド側において入口角度を変更する構造は、製造に手間がかかるという問題があった。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２７９３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一方、上記の問題を解決するために、インペラ１１の回転円周の接線方向に対する出口角度を小さくしてシュラウド側の合成速度ベクトルＣｓの方向が静翼３１に対して適切な迎え角となるようにすることが考えられる。このようにすることによってディフューザ１８のシュラウド側におけるサージの発生は減少するものの、インペラ１１の回転円周の接線方向に対する出口翼角を全体に小さくすることによって圧力比が低下してしまうという問題がある。
【００１０】
本発明は、遠心圧縮機の圧縮比の低下量を抑えつつ作動領域を広げることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の遠心圧縮機は、インペラとディフューザとを有する遠心圧縮機において、インペラの流体出口におけるシュラウド側のインペラ回転円周の接線方向に対する翼の角度は、インペラの流体出口におけるハブ側のインペラ回転円周の接線方向に対する翼の角度よりも小さくなっていることを特徴とする。また、本発明の遠心圧縮機においては、インペラのシュラウド側とハブ側との流体の流出角が略同一角度となっていること、としても好適であるし、インペラの流体出口におけるシュラウド側のインペラ回転円周の接線方向に対する翼の角度は、インペラの流体出口におけるハブ側のインペラ回転円周の接線方向に対する翼の角度よりも１０度以上小さくなっていること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、遠心圧縮機の圧縮比の低下量を抑えつつ作動領域を広げることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の遠心圧縮機１０は、インペラ１１と、インペラ１１が取り付けられた回転軸１２と、回転軸１２を回転自在に支持する図示しないハウジングと、インペラ１１の回転面に沿って微小隙間を空けて設けられたシュラウド１５と、複数の静翼３１を備えてインペラ１１を通った流体の圧力回復を行うディフューザ１８と、ディフューザ１８から吐出された流体を集合させる渦巻状の管路であるスクロール１７と、を備えている。
【００１４】
インペラ１１は回転軸１２に固定され、回転軸方向から半径方向に向かって流路を変化させていくハブ１３とハブ１３に固定された回転翼１９とを有している。回転翼１９のハブ１３に固定された側が回転翼１９のハブ側端２３であり、シュラウド１５の側にある開放端がシュラウド側端２１である。回転翼１９のシュラウド側端２１のハブ１３と対向する面には微小に隙間を空けてシュラウド１５が設けられており、回転翼１９とハブ１３とシュラウド１５によって流体流路が構成される。回転翼１９はシュラウド１５の吸い込み口１６から軸方向に吸い込んだ流体を半径方向に向かって効率よく吐出することができるように各回転翼１９は流体入口から出口に向かってねじられている。各回転翼１９の高さは、流体入口から流体出口に向かって流路幅となる回転翼１９の直径が大きくなっていくことに反比例して、次第に低くなり、流体入口から出口に向かって略一定の流路面積となるように構成されている。
【００１５】
図２に本実施形態のインペラ１１を吸い込み側から見た図を示す。図２に示すように、ハブ１３に取り付けられた各回転翼１９は流体入口側から出口側に向かって次第にその翼高さが低くなっている。また、各回転翼１９は回転方向に対して反対側に向かって湾曲するように構成され、インペラ１１の回転数、外径、各回転翼１９のインペラ１１の回転円周の接線方向に対する翼の角度である出口翼角によって所定の圧力比と流量が出るように構成されている。
【００１６】
図３に本発明の回転翼１９の斜視図を示し、図４には回転翼１９の先端部の平面を示す。図３、４において、矢印は回転翼１９及びハブ１３の回転方向を示している。図３、４に示すように、回転翼１９は根元から先端に向かってねじれてきている。そして回転翼１９の先端部においては、回転翼１９のシュラウド側端２１はハブ側端２３に対して回転方向の後ろ側に向かって倒れるように構成され、流体出口におけるインペラ回転円周の接線方向に対するシュラウド側出口翼角θｓは、流体出口におけるインペラ回転円周の接線方向に対するハブ側出口翼角θｈよりも小さくなっている。
【００１７】
ハブ側出口翼角θｈとシュラウド側出口翼角θｓとはそれぞれの遠心圧縮機の設計条件などによって選択されるが、ハブ側出口翼角θｈとシュラウド側出口翼角θｓとの差は１０度以上であることが望ましい。例えば、θｈ＝５５度、θｓ＝４５度、のように構成することも好適である。また、回転翼１９の先端部は、ハブ側端２３はハブ１３に略直角に取り付けられており、ハブ側端２３からシュラウド側端２１に向かって回転方向に向かって倒れるような曲面として構成してもよいし、ハブ１３にハブ側端２３を傾斜して固定して、ハブ側端２３からシュラウド側端２１に向かって直線的に翼面が傾斜するように構成するようにしてもよい。
【００１８】
以上のように構成された遠心圧縮機の動作について、図５を参照しながら説明する。図５に示すように、インペラ１１は反時計回りに周速ｕで回転している。回転翼１９のハブ側端２３におけるインペラ１１の回転円周の接線方向に対する翼の角度はハブ側出口翼角θｈであり、回転翼１９のシュラウド側端２１におけるインペラ１１の回転円周の接線方向に対する翼の角度はシュラウド側出口翼角θｓである。図５に示すように、シュラウド側出口翼角θｓはハブ側出口翼角θｈよりも小さな角度であることから、シュラウド側の流体流れ方向は回転方向の後方側に傾くこととなる。
【００１９】
一方、インペラ１１に吸い込まれた流体はハブ１３に沿ってその流れの方向が軸方向から半径方向に変わっていくので、流体は遠心力によってハブ１３の側に押し付けられ、インペラ１１内の流路のハブ１３に近い側は流量が多く流速も早くなり、逆のシュラウドに近い側は流量が少なく、流速も遅くなっている。このため、インペラ１１出口においてはハブ側子午面方向速度Ｖｈのほうがシュラウド側子午面方向速度Ｖｓよりも大きく、回転翼１９のハブ側端２３に沿った方向のハブ側出口流速Ｗｈのほうが回転翼１９のシュラウド側端２１に沿った方向のシュラウド側出口流速Ｗｓよりも大きくなっている。また、ハブ側、シュラウド側ともにインペラ１１出口の周速はｕで一定であることから、シュラウド側出口翼角θｓがハブ側出口翼角θｈよりも小さくなると、回転翼１９のシュラウド側端２１に沿った方向のシュラウド側出口流速Ｗｓと周速ｕとの合成速度ベクトルＣｓの方向は、回転翼１９のハブ側端２３に沿った方向のハブ側出口流速Ｗｈと周速ｕとの合成速度ベクトルＣｈの方向に近づいてくる。そして、シュラウド側の合成速度ベクトルＣｓとハブ側の合成速度ベクトルＣｈのインペラ１１の回転円周の接線方向に対する角度であるシュラウド側流出角αｓもハブ側流出角αｈに近づいてくる。
【００２０】
すると、シュラウド側の流体の静翼３１に対する迎え角が減少し、流量が低下した際のサージの発生が抑えられる。特に遠心圧縮機は流量が減少してくると、シュラウド側の流体の静翼３１に対する迎え角が大きくなり、サージが発生しやすくなるが、本実施形態によると、シュラウド側の迎え角が大きくならないようにすることかできるため、サージの発生を効果的に低減することができ、サージの発生無しで運転できる動作領域を拡大することができるという効果を奏する。
【００２１】
更に、設計上、このシュラウド側流出角αｓをハブ側流出角αｈと同一となるようにすることによって、シュラウド側、ハブ側とで流体がディフューザ１８に流入する角度を等しくなるようにすることができる。このようにシュラウド側とハブ側の流出角αｓ，αｈを等しくなるようにすることによって、ディフューザ１８での流れの方向をハブ側とシュラウド側とでそろえることができ、ディフューザの取付角をシュラウド側とハブ側とで変えることなく製造することができる。また、全体効率の改善を図ることができる。
【００２２】
また、流速、流量の大きいハブ側出口翼角θｈを必要設計角度から変化させずに流速、流量の少ないシュラウド側出口翼角θｓをθｈより小さくしているため、全体の圧力比の低下量が少ない状態で、シュラウド側の回転力に対する抵抗の減少を図ることが出来ることから、遠心圧縮機１０の駆動必要動力が減少し、効率の向上を図ることが出来るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態にかかる遠心圧縮機を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる遠心圧縮機のインペラを軸方向から見た平面図である。
【図３】本発明の実施形態にかかる遠心圧縮機の回転翼を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施形態にかかる遠心圧縮機の回転翼の先端部を示す平面図である。
【図５】本発明の実施形態にかかる遠心圧縮機のインペラとディフューザの流れの方向を示す説明図である。
【図６】従来技術における遠心圧縮機の断面図である。
【図７】遠心圧縮機のインペラ出口における子午面方向速度の分布図である。
【図８】従来技術における遠心圧縮機のインペラとディフューザの流れの方向を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  遠心圧縮機、１１  インペラ、１２  回転軸、１３  ハブ、１４  ハウジング、１５  シュラウド、１６  吸い込み口、１７  スクロール、１８  ディフューザ、１９   回転翼、２１  シュラウド側端、２３  ハブ側端、３１  静翼、ｕ  周速、Ｖｈ  ハブ側子午面方向速度、Ｖｓ  シュラウド側子午面方向速度、Ｗｈ  ハブ側出口流速、Ｗｓ  シュラウド側出口流速、αｈ  ハブ側流出角、αｓ  シュラウド側流出角、θｈ  ハブ側出口翼角、θｓ  シュラウド側出口翼角。
【図１】
2008163820.tif 000003
【図２】
2008163820.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008163820.tif 000008
【図７】
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【図８】
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