(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線を中心として円盤状をなすディスクと、
該ディスクの前記軸線方向一方側に、周方向に間隔をあけて複数設けられて前記軸線方向一方側から径方向外側に向かって延びる流路を画成するブレードと、
複数の前記ブレードを、軸線方向一方側から覆うカバーと、
を備え、
前記ブレードは、
前記流路の延在領域の入口を含み、前記ディスクに対する倒れ角度が相対的に小さい第一低剛性領域と、
該第一低剛性領域に隣接するとともに、前記ディスクに対する倒れ角度が相対的に大きい高剛性領域と、
該高剛性領域に隣接し、かつ前記流路の延在領域の出口を含み、前記ディスクに対する倒れ角度が相対的に小さい第二低剛性領域と、
を有し、
前記ブレードの前記ディスク側の端縁と、前記カバー側の端縁とが、前記軸線に対する周方向において同一の位置に設けられ、
前記倒れ角度は、前記ブレードが前記ディスク、及び前記カバーのいずれか一方に対してなす角度のうち、小さい方の角度であるインペラ。
【請求項２】
前記軸線回りに回転する回転軸と、
前記回転軸に取り付けられた請求項１に記載のインペラと、
前記インペラを外側から覆うケーシングと、
を備える遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インペラ、及びこれを備える遠心圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に遠心圧縮機は、回転軸を中心として放射状に延びる複数のブレードを有するインペラと、このインペラを外側から覆うことでインペラとの間で流路を画成するケーシングと、を備えている。この流路は、インペラの回転によってケーシング内に外部の流体を吸引するとともに、流路中を流通する間に流体に圧力を加えてケーシング出口から高圧状態で吐出する。
【０００３】
上記のような遠心圧縮機では、特にインペラの前後で高圧の流体と低圧の流体とが混在している。これら流体の圧力差に起因して、インペラ上のブレードに曲げ応力が付加されることが知られている。
【０００４】
そこで、上記の曲げ応力に対する剛性を高めることを目的として、これまでに種々の技術が提唱されている。このような技術の一例として、下記特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された遠心圧縮機では、インペラの入口側、及び出口側の少なくとも一方における肉厚が厚く形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２４３３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、遠心圧縮機では、ブレードの肉厚を増してしまうと、圧縮性能に影響が及ぶことが知られている。特に、インペラの出口側におけるブレードの肉厚を増加した場合には、圧縮性能に顕著な影響が及んでしまう。また，インペラの重量増加に起因して，振動特性にも影響が及ぶ。したがって、上記特許文献１の遠心圧縮機、及びインペラには改善の余地がある。
【０００７】
本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、十分な剛性と圧縮性能とを備えるインペラ、及び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】
【００１８】
本発明の一態様に係るインペラは、軸線を中心として円盤状をなすディスクと、該ディスクの前記軸線方向一方側に、周方向に間隔をあけて複数設けられて前記軸線方向一方側から径方向外側に向かって延びる流路を画成するブレードと、複数の前記ブレードを、軸線方向一方側から覆うカバーと、を備え、前記ブレードは、前記流路の延在領域の入口を含み、前記ディスクに対する倒れ角度が相対的に小さい第一低剛性領域と、該第一低剛性領域に隣接するとともに、前記ディスクに対する倒れ角度が相対的に大きい高剛性領域と、該高剛性領域に隣接し、かつ前記流路の延在領域の出口を含み、前記ディスクに対する倒れ角度が相対的に小さい第二低剛性領域と、を有し、前記ブレードの前記ディスク側の端縁と、前記カバー側の端縁とが、前記軸線に対する周方向において同一の位置に設けられ、前記倒れ角度は、前記ブレードが前記ディスク、及び前記カバーのいずれか一方に対してなす角度のうち、小さい方の角度である。
【００１９】
上述のような構成によれば、高剛性領域と、第一低剛性領域、及び第二低剛性領域との間に剛性差が生じる。この剛性差により、ブレードに対して曲げ応力が付加された場合であっても、曲げ応力の大部分を高剛性領域で受け止めることができる。
さらに、上述のような構成によれば、ブレードがディスクとカバーとによって軸線方向の両側から支持される。これにより、ブレードの剛性をさらに高めることができる。
【００２２】
本発明のさらに他の態様に係る遠心圧縮機は、前記軸線回りに回転する回転軸と、前記回転軸に取り付けられた上記いずれか１つの態様に係るインペラと、前記インペラを外側から覆うケーシングと、を備える。
【００２３】
上述のような構成によれば、十分な耐久性と圧縮性能とを備える遠心圧縮機を提供する
ことができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、十分な剛性と圧縮性能とを備えるインペラ、及び遠心圧縮機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係る遠心圧縮機（ギアド遠心圧縮機）の構成を示す図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係るインペラを示す要部拡大図である。
【図３】本発明の第一実施形態に係るブレードの各部における断面形状を示す図である。
【図４】本発明の第一実施形態の変形例に係るブレードを軸線方向から見た図である。
【図５】本発明の第二実施形態に係るブレードの各部における断面形状を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、遠心圧縮機１は、増速機構２を内蔵したいわゆるギアド圧縮機である。増速機構２は、駆動源（図示せず）により回転駆動され外装部３によって覆われた歯車４を備えている。歯車４には、歯車４よりも十分に小さい歯車であるピニオン５が噛み合わされている。このピニオン５は、軸受７により回転可能に支持されたピニオンシャフト６の長手方向の中央部に固定されている。
【００２７】
この実施形態におけるピニオンシャフト６は、その両端部に、インペラ８，９がそれぞれ取り付けられている。これらインペラ８，９は、軸受７に対して片持ち構造となっている。インペラ８，９は、それぞれピニオンシャフト６の回転による遠心力を利用して上流側流路（図示せず）から供給される流体を圧縮して流す。
【００２８】
ケーシング１０には、上流側流路から流体を流入させる吸込通路１２と、外部へ流体を流出させるための排出通路１３とが形成されている。また、インペラ８，９の軸線Ｏ方向外側には、吸込通路１２の内部空間の中央部に蓋部１１が配置されている。ここで、インペラ８，９、ピニオンシャフト６、蓋部１１、および、ピニオン５によりこの実施形態のロータＲが構成されている。図２中、一点鎖線は軸線Ｏを示す。
【００２９】
上記遠心圧縮機１の構成により、増速機構２を介してピニオンシャフト６が回転すると、吸込通路１２に流入した流体がインペラ８，９によって圧縮される。その後、圧縮された流体が、インペラ８，９の径方向外側の排出通路１３を介してケーシング１０の外部に排出される。インペラ８，９は同様な形状であるため、以下の説明では、インペラ８についてのみ詳述する。以下のインペラ８の説明において、ピニオンシャフト６の軸線Ｏに対して、流体が流入する側を入口４１（入口側）、その反対側を出口４２（出口側）と称する。さらに、以下の説明において特に記載が無い場合、「径方向」とはインペラ８，９の径方向を指し、「軸線Ｏ方向」とはロータＲの軸線Ｏ方向を指している。
【００３０】
図２はインペラ８の子午面を示している。インペラ８の子午面とは、正面視円形のインペラ８の子午線およびピニオンシャフト６の軸線を通る縦断面を意味する。同図に示すように、上記遠心圧縮機１のインペラ８は、軸線Ｏを中心として円盤状に形成されたディスク３０と、複数のブレード４０と、カバー５０とを備えている。この遠心圧縮機１は、いわゆるクローズドタイプのインペラである。ディスク３０は、ピニオンシャフト６に対して焼き嵌め等により固定される。
【００３１】
複数のブレード４０は、ディスク３０の前側面（軸線Ｏ方向一方側となる表面）３１から突出して設けられている。さらに、これらブレード４０は、軸線Ｏ方向から見て、周方向の一方側から他方側に向かって次第に湾曲している。
【００３２】
カバー５０は、ブレード４０の前端に形成された正面視で円環状をなしている。これにより、カバー５０は、複数のブレード４０を軸線Ｏ方向の一方側から覆っている。
【００３３】
ディスク３０は、ピニオンシャフト６に対して外嵌される略円筒状の筒部３２を備えている。ディスク３０は、その軸線方向後側で、筒部３２から径方向外側に向かって延びる円板状のディスク本体部３５を備えている。ディスク本体部３５は、径方向内側ほど厚肉に形成されている。ディスク本体部３５は、前側面３１と、筒部３２の外周面３２ａとを滑らかに繋ぐ凹状の曲面３１ａを備えている。上述した蓋部１１（図１参照）は、上記筒部３２の端面３２ｂとピニオンシャフト６の端面６ａとを軸方向外側から覆うようにして取り付けられている。
【００３４】
ブレード４０は、ディスク本体部３５の周方向に等間隔で複数配列されている。ブレード４０は、側面視で径方向内側から径方向外側に向かうに従って、次第に先細りに形成されている。言い換えると、前側面３１および曲面３１ａを基準とするブレード４０の延在寸法（ブレード高さ）は、軸線Ｏの径方向内側から径方向外側に向かうに従って次第に減少している。
【００３５】
インペラ８の流路は、前側面３１と、曲面３１ａと、外周面３２ａと、周方向に互いに対向するブレード４０の面４０ａと、前側面３１および曲面３１ａに対向するカバー５０の壁面５０ａとにより画成される。
【００３６】
続いて、本実施形態におけるブレード４０の詳細な形状について、図３を参照して説明する。図３は、ブレード４０を、その延在方向（流体の流れ方向）から見た断面を示している。このうち、図３（ａ）は、図２中のＡ−Ａ線におけるブレード４０の断面を示し、図３（ｂ）は、図２中のＢ−Ｂ線におけるブレード４０の断面を示している。さらに、図３（ｃ）は、図２中のＣ−Ｃ線におけるブレード４０の断面を示している。
【００３７】
まず、図３（ａ）と図３（ｃ）に示すように、インペラ８の入口４１、および出口４２を含む領域では、ブレード４０は前側面３１および曲面３１ａに対して、周方向の一方側に向かって傾斜している。一方で、図３（ｂ）に示すように、インペラ８の中央部では、ブレード４０は前側面３１および曲面３１ａに対しておおむね直角をなしている。なお、ブレード４０が前側面３１および曲面３１ａに対してなす角度のうち、劣角（小さい方の角度）を、ブレード４０の倒れ角度θと呼ぶ。
【００３８】
すなわち、本実施形態に係るブレード４０では、入口４１、および出口４２を含む領域における倒れ角度θが、他の領域におけるブレード４０の倒れ角度θに比べて相対的に小さくなるように設定されている。さらに、上記の領域では、倒れ角度θが相対的に小さく設定されていることに加えて、板厚ｔも、他の領域における板厚ｔに比べて相対的に小さい。
【００３９】
このように、倒れ角度θ、および板厚ｔが相対的に小さく設定された領域（低剛性領域Ｓ１）は、ブレード４０に対して、その高さ方向から付加される曲げ応力に対する剛性が相対的に小さくなっている。より詳細には、ブレード４０の入口４１側における領域は、第一低剛性領域Ｓ１１とされ、出口４２側における領域は、第二低剛性領域Ｓ１２とされている。
【００４０】
一方で、上記の低剛性領域Ｓ１を除く領域では、倒れ角度θ、および板厚ｔが、低剛性領域Ｓ１における各値に比べて相対的に大きく設定されていることから、上記の曲げ応力に対する剛性が相対的に大きくなっている。この領域を高剛性領域Ｓ２と呼ぶ。
【００４１】
より具体的には、本実施形態では、低剛性領域Ｓ１は、インペラ８の流路の延在領域中において、入口４１又は出口４２から流体の流れ方向における、おおむね５〜４５％の領域を含む。言い換えると、高剛性領域Ｓ２は、入口４１又は出口４２から見て最大で５〜１００％にかけての領域とされ、最小で４５〜５５％にかけての領域とされる。すなわち、本実施形態では、ブレード４０の延在方向（流体の流れ方向）における、中央部の領域が高剛性領域Ｓ２とされている。
【００４２】
上述の構成によれば、ブレード４０の高剛性領域Ｓ２では、板厚ｔが相対的に大きく、かつ、ディスク３０に対する倒れ角度θが相対的に大きく設定されている。すなわち、板厚ｔと倒れ角度θとが、インペラ８の流路の延在領域全体にわたって変化している。これにより、例えば板厚ｔのみを増加させた場合に比べて、板厚ｔを比較的に薄くした状態で、剛性をさらに高めることができる。言い換えると、ブレード４０の剛性を高めるに当たって、板厚ｔを過剰に大きくすることによる、圧縮性能の低下等を抑制することができる。
【００４３】
さらに、上記のような構成によれば、高剛性領域Ｓ２と、低剛性領域Ｓ１との間に剛性差が生じる。この剛性差により、ブレード４０に対して曲げ応力が付加された場合であっても、曲げ応力の大部分を高剛性領域Ｓ２に集中させることができる。
【００４４】
ここで、遠心圧縮機１の運転中、インペラ８の流路内には、圧縮される前の比較的に低圧状態の流体が流通する。一方で、カバー５０とディスク３０の外側では、すでに圧縮された高圧状態の流体が流通する。これら高圧流体と低圧流体との圧力差によって、インペラ８に対して軸線Ｏ方向の両側から圧縮力が生じる場合がある。この圧縮力は、カバー５０とディスク３０とを介して、ブレード４０に対する曲げ応力として付加される。
【００４５】
しかしながら、上述のような構成によれば、上記の曲げ応力の大部分を高剛性領域Ｓ２で選択的に受け止めることができるため、曲げ応力がブレード４０の耐久性に及ぼす影響を低減することができる。加えて、インペラ８の入口４１、および出口４２に相当する低剛性領域Ｓ１では、板厚ｔを相対的に薄くできることから、遠心圧縮機１としての圧縮性能をも高めることができる。
【００４６】
以上、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明した。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記で説明した構成に対して種々の変更を施すことが可能である。
【００４７】
［第一変形例］
例えば、上記の実施形態では、ブレード４０の倒れ角度θ、および板厚ｔを、ブレード４０の各部で変化させることによって、高剛性領域Ｓ２と、低剛性領域Ｓ１とを形成した。しかしながら、これら高剛性領域Ｓ２、低剛性領域Ｓ１の態様はこれに限定されない。一例として、図４に示すように、ブレード４０の延在方向における曲率を各部で変えることによって、高剛性領域Ｓ２と、低剛性領域Ｓ１とを形成してもよい。
【００４８】
より具体的には、図４に示すように、ブレード４０の入口４１、および出口４２を含む領域では、軸線Ｏ方向から見た場合のブレード４０の曲率が、他の領域に比べて相対的に小さく設定されることで、低剛性領域Ｓ１とされている。一方で、ブレード４０の入口４１、および出口４２を含まない領域は、ブレード４０の曲率が、相対的に大きく設定されることで、高剛性領域Ｓ２とされている。
【００４９】
ブレード４０の剛性は、軸線Ｏ方向から見た場合の曲率が小さいほど低下し、曲率が大きいほど増加することが知られている。したがって、上記のような構成によれば、曲率の大小に基づいて高剛性領域Ｓ２と低剛性領域Ｓ１とを形成することができる。これにより、ブレードの板厚ｔを増加させることなく、剛性を高めることができる。加えて、インペラ８の入口４１、および出口４２に相当する低剛性領域Ｓ１では、板厚ｔを相対的に薄くできることから、遠心圧縮機１としての圧縮性能をも高めることができる。
【００５０】
さらに、上記の実施形態では、インペラ８は、カバー５０を有するものとして説明した。すなわち、インペラ８は、いわゆるクローズドタイプとされている。しかしながら、インペラ８は、必ずしもカバー５０を備えている必要はなく、いわゆるオープンタイプとして構成されていてもよい。
【００５１】
オープンタイプのインペラ８では、ブレード４０がディスク３０に対して片持ちはりの状態で支持されることから、流体の圧力差に基づく曲げ応力に対してはさらに積極的な対策が必要となる。したがって、ブレード４０上に、上記のような高剛性領域Ｓ２、及び低剛性領域Ｓ１を設けることで、耐久性の向上に対する大きな寄与を得ることができる。
【００５２】
また、上記の実施形態では、ブレード４０の延在方向において、入口４１側から出口４２側にかけて、第一低剛性領域Ｓ１１と、高剛性領域Ｓ２と、第二低剛性領域Ｓ１２と、が設けられる構成について説明した。しかしながら、入口４１側、又は出口４２側のいずれか一方のみを低剛性領域Ｓ１として、残余の領域を全て高剛性領域Ｓ２とすることも可能である。
【００５３】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図５を参照して説明する。なお、上述の第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００５４】
図５に示すように、本実施形態におけるブレード４０の低剛性領域Ｓ１では、高さ方向における両端縁のうち、ディスク３０側の端縁４３が前側面３１および曲面３１ａに対して、倒れ角度θを伴って傾斜している。
【００５５】
さらに、本実施形態では、カバー５０と接する側の端縁４４も、カバー５０に対して傾斜している。加えて、これらディスク３０側からカバー５０側に向かうにしたがって、ブレード４０は滑らかに湾曲している。より詳細には、低剛性領域Ｓ１では、ブレード４０はピニオンシャフト６の回転方向の前方側から後方側に向かって曲面状に突出している。なお、ブレード４０の突出方向は上記に限定されず、上記とは反対の方向、すなわち、回転方向の後方側から前方側に向かって曲面状に突出していてもよい。
【００５６】
一方で、この低剛性領域Ｓ１と隣接する高剛性領域Ｓ２では、ブレード４０はディスク３０、およびカバー５０に対しておおむね直角をなしている。さらに、高剛性領域Ｓ２では、ブレード４０の板厚ｔは、低剛性領域Ｓ１における板厚ｔに比べて相対的に厚く設定されている。
【００５７】
上述のような構成によれば、上記第一実施形態と同様に、ブレード４０に付加される曲げ応力の大部分を高剛性領域Ｓ２で選択的に受け止めることができるため、曲げ応力がブレード４０の耐久性に及ぼす影響を低減することができる。加えて、インペラ８の入口４１、および出口４２に相当する低剛性領域Ｓ１では、板厚ｔを相対的に薄くできることから、遠心圧縮機１としての圧縮性能をも高めることができる。
【００５８】
以上、本発明の各実施形態に係るインペラ８（９）を、遠心圧縮機１としてのギアド圧縮機に適用した例について説明した。しかしながら、遠心圧縮機１の態様は、ギアド圧縮機には限定されない。例えば、多段圧縮機を遠心圧縮機１として適用することも勿論可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１…遠心圧縮機  ２…増速機構  ３…外装部  ４…歯車  ５…ピニオン  ６…ピニオンシャフト  ７…軸受  ８，９…インペラ  １０…ケーシング  １１…蓋部  １２…吸込通路  １３…排出通路  ３０…ディスク  ３１…前側面  ３２…筒部  ３５…ディスク本体部  ４０…ブレード  ４１…入口  ４２…出口  ４３…ディスク３０側の端縁  ４４…カバー５０と接する側の端縁  ５０…カバー  ３１ａ…曲面  ３２ａ…外周面  ４０ａ…面  ５０ａ…壁面  Ｏ…軸線  Ｒ…ロータ  Ｓ１…低剛性領域  Ｓ１１…第一低剛性領域  Ｓ１２…第二低剛性領域  Ｓ２…高剛性領域  ｔ…板厚  θ…倒れ角度
【図１】
0006627175.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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