(57)【要約】【課題】内部損失の増大を回避して遠心圧縮機の性能を向上させる。【解決手段】主軸１のまわりに等間隔に設けられた複数の主羽根３と、隣り合う主羽根３，３間に中間羽根４とを備える羽根車について、主羽根３の前縁３ａを主軸１方向から平面視すると回転方向とは逆方向に弓形に湾曲させ、さらに半径方向の直線と前縁３ａの翼端の接線とによって形成されるバウ角を１０°以上５０°以下に設定する。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸のまわりに等間隔に設けられた複数の主羽根を備える羽根車であって、
前記主羽根の前縁が、前記主軸方向から平面視すると回転方向とは逆方向に弓形に湾曲し、さらに半径方向の直線と前記前縁の翼端の接線とによって形成される第１の角が１０°以上であることを特徴とする羽根車。
【請求項２】
前記第１の角が５０°以下であることを特徴とする請求項１記載の羽根車。
【請求項３】
前記主羽根の前記主軸方向の長さをＬとし前記前縁から距離０．２×Ｌだけ離間した位置で前記主羽根を前記主軸に垂直に断面視すると、その位置での前記主羽根の翼型が前記回転方向とは逆方向に弓形に湾曲し、さらに前記半径方向の直線と前記翼型の翼端の接線とによって形成される第２の角が１５°以上であることを特徴とする請求項１または２記載の羽根車。
【請求項４】
前記第２の角が５５°以下であることを特徴とする請求項３記載の羽根車。
【請求項５】
前記主羽根間に、該主羽根の前縁よりも前記主軸方向に後退した中間羽根が設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか記載の羽根車。
【請求項６】
主軸のまわりに等間隔に設けられた複数の主羽根と、隣り合う主羽根間に個々に配置されかつ該主羽根よりも前記主軸方向に後退して設けられた複数の中間羽根とを備える羽根車であって、
前記中間羽根の前縁が、前記半径方向の翼端を前方に突き出すように前記主軸方向に対して傾斜していることを特徴とする羽根車。
【請求項７】
前記半径方向に対する前記前縁の傾斜角が５°以上であることを特徴とする請求項６記載の羽根車。
【請求項８】
前記傾斜角が３０°以下であることを特徴とする請求項７記載の羽根車。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか記載の羽根車を有することを特徴とする遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠心圧縮機に備わる羽根車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばガスタービンや過給機等に用いられる遠心圧縮機は、軸体に固定されたハブの一方の側面に、軸体を取り囲むように等間隔に離間して複数の羽根が設けられた羽根車を備えており、この羽根車を回転駆動することにより、羽根間に形成される流路にガスを導き、流路を通過する過程でガスを圧縮して吐出するしくみとなっている。
【０００３】
従来の羽根車の一例を図１０および図１１に示す。各図に示す羽根車は、主軸１０１に固定された円盤状のハブ１０２と、ハブ１０２の一方の側面に主軸１０１を取り囲むように等間隔に離間して設けられた複数の主羽根１０３と、隣り合う羽根１０３，１０３間にそれぞれ設けられた中間羽根１０４とを備えている。
【０００４】
上記の羽根車を備える遠心圧縮機において、羽根車に吸い込まれたガスは主羽根１０３，１０３間、さらに主羽根１０３と中間羽根１０４との間に形成される流路を通過する過程で各羽根の仕事により圧力および速度エネルギーを高められる。各羽根間を通過したガスは、後段に控えるディフーザ（図示略）に流入し、速度エネルギーを圧力エネルギーに変換されて圧力を高められる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような遠心圧縮機においては、近年、高圧力比化・大容量化による性能の向上が進められているが、従来の羽根車の構造を維持しての性能改善は限界に近づきつつある。これは、高圧力比化・大容量化に伴って翼の負荷が大きくなることにより、流路内の二次流れも増大し、羽根の負圧面翼端での低エネルギー流体の集積等を原因として内部損失が増大するためである。
【０００６】
ここで、隣り合う主羽根１０３，１０３間に現れるガスの二次流れについて考える。隣り合う主羽根１０３，１０３の前縁１０３ａ，１０３ａ間の静圧分布を見ると、全体の傾向としては羽根車の回転方向に先行する主羽根１０３の側面１０３ｂ（すなわち負圧面）側で静圧が低く、後ろに続く主羽根１０３の側面１０３ｃ（すなわち圧力面）側で静圧が高い状態が形成される。
【０００７】
先行する主羽根１０３の側面１０３ｂに沿う領域では、静圧が、羽根車の中心寄りの翼の根元部分で高く、外周寄りの翼端部分で低い状態が形成される。さらに、後ろに続く主羽根１０３の側面１０３ｃに沿う領域では、羽根車の外周寄りの翼端部分で静圧が高い状態が形成される。
【０００８】
このため、前縁１０３ａ，１０３ａ間では、図１２に示すように、静圧の圧力勾配に従い、後ろに続く主羽根１０３の外周寄りの翼端部分から、先行する主羽根１０３の翼端部分に向けて二次流れが発生する（図中の矢印Ｐ）。また、先行する主羽根１０３の側面１０３ｂでは、羽根車の中心寄りの翼の根元部分から翼端部分に向けて二次流れが発生する（図中の矢印Ｑ）。
【０００９】
このように、主羽根１０３の負圧面側の翼端部分から中央部分に向けて二次流れが発生することにより、主羽根の負圧面側の翼端部分に低エネルギー流体（ガス）の集積が生じてしまい、内部損失を増大させる要因となっている。
【００１０】
次に、中間羽根１０４の翼端に現れるガスの二次流れについて説明する。
中間羽根１０４の前縁１０４ａには、主羽根１０３，１０３間に導入されたガスの一部が導入され、中間羽根１０４に沿って流れるが、主羽根１０３，１０３間に導入されたガスが、前縁１０４ａにぶつかる前の時点ですでに剥離を生じ始めるので、中間羽根１０４には乱れを生じたガスが導入されることになる。これにより、中間羽根１０４に沿う二次流れが拡大し（図１１中の矢印Ｙ）、低エネルギー流体の集積が生じて（同図の斜線部Ｎ）上記と同様に内部損失を増大させる要因となっている。
【００１１】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、内部損失の増大を回避して遠心圧縮機の性能を向上させることを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、次のような構成の羽根車および遠心圧縮機を採用する。すなわち本発明に係る請求項１記載の羽根車は、主軸のまわりに等間隔に設けられた複数の主羽根を備える羽根車であって、
前記主羽根の前縁が、前記主軸方向から平面視すると回転方向とは逆方向に弓形に湾曲し、さらに半径方向の直線と前記前縁の翼端の接線とによって形成される第１の角が１０°以上であることを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の羽根車は、請求項１記載の羽根車において、前記第１の角が５０°以下であることを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の羽根車は、請求項１または２記載の羽根車において、前記主羽根の前記主軸方向の長さをＬとし前記前縁から距離０．２×Ｌだけ離間した位置で前記主羽根を前記主軸に垂直に断面視すると、その位置での前記主羽根の翼型が前記回転方向とは逆方向に弓形に湾曲し、さらに前記半径方向の直線と前記翼型の翼端の接線とによって形成される第２の角が１５°以上であることを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の羽根車は、請求項３記載の羽根車において、前記第２の角が５５°以下であることを特徴とする。
【００１６】
請求項５記載の羽根車は、請求項１ないし４のいずれか記載の羽根車において、前記主羽根間に、該主羽根の前縁よりも前記主軸方向に後退した中間羽根が設けられていることを特徴とする。
【００１７】
請求項６記載の羽根車は、主軸のまわりに等間隔に設けられた複数の主羽根と、隣り合う主羽根間に個々に配置されかつ該主羽根よりも前記主軸方向に後退して設けられた複数の中間羽根とを備える羽根車であって、
前記中間羽根の前縁が、前記半径方向の翼端を前方に突き出すように前記主軸方向に対して傾斜していることを特徴とする。
【００１８】
請求項７記載の羽根車は、請求項６記載の羽根車において、前記半径方向に対する前記前縁の傾斜角が５°以上であることを特徴とする。
【００１９】
請求項８記載の羽根車は、請求項７記載の羽根車において、前記傾斜角が、３０°以下であることを特徴とする。
【００２０】
請求項９記載の遠心圧縮機は、請求項１ないし８のいずれか記載の羽根車を有することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る羽根車および遠心圧縮機の第１の実施形態を図１ないし図９に示して説明する。
本実施形態の羽根車を図１に示す。図に示す羽根車は、主軸（軸体）１に固定された円盤状のハブ２と、ハブ２の一方の側面に主軸１を取り囲むように等間隔に離間して設けられた複数の主羽根３と、隣り合う羽根３，３間にそれぞれ設けられた中間羽根４とを備えている。
【００２２】
主羽根３と中間羽根４とは、ハブ２のまわりに均一なピッチで交互に配列されている。中間羽根４は、主羽根３の前縁部分を主軸１方向に適当な長さだけ切除され、残る部分は後縁にかけて主羽根３と同じ形状を留めているか、または主羽根３と異なる形状のいずれかであり、両側の主羽根よりも弦長が短く形成されている。
【００２３】
図２は図１の羽根車を備える遠心圧縮機を断面視した図である。羽根車は、ガスの導入路５ａ、排出路５ｂを形成されたケーシング５の内部に、主軸１を支持されて回動自在に配設されている。
【００２４】
主羽根３の前縁３ａは、主軸１方向から平面視すると回転方向とは逆方向に弓形に湾曲した形状となっている。前縁３ａは、図３に示すように、羽根車の中心Ｏから翼端に伸ばした直線Ｒ１と、後述する負圧面３ｂ側の曲線の翼端における接線Ｌ１とによって形成される角（第１の角；主羽根３の前縁３ａのバウ（ｂｏｗ）角という）α１が２７°となるように湾曲した形状となっている。
【００２５】
また、主羽根３の主軸１方向の長さを軸長Ｌとし前縁３ａから距離０．２×Ｌだけ離間した位置で主羽根３を主軸１に垂直に断面視すると、その位置での主羽根３の翼型３ａ’は前縁３ａと同じく回転方向とは逆方向に弓形に湾曲した形状となっている。そしてこの位置での翼型３ａ’は、図４に示すように、羽根車の中心Ｏから翼端に伸ばした直線Ｒ２と、後述する負圧面３ｂ側の曲線の翼端における接線Ｌ２とによって形成される角（第２の角：主羽根３の軸長２０％における翼型断面のバウ角という）α２が３５゜となるように湾曲した形状となっている。
【００２６】
中間羽根４の前縁４ａは、図２に示すように、羽根車の半径方向の翼端を前方（ガスの流入方向に相反する方向）に突き出すように主軸１方向に対して傾斜している。この場合の、主軸１方向に対する前縁４ａの傾斜角βは、１０．１°となっている。
【００２７】
上記のように構成された羽根車とこれを備える遠心圧縮機について、主軸１を回転させて遠心圧縮機を駆動すると、各羽根間に導入されるガスには、主羽根３や中間羽根４に与えられた形状により速度差が生じ、主羽根３の回転方向に先行する側面３ｃには圧力面が、反対側の側面３ｂには負圧面が形成される。これは中間羽根４についても同じであり、回転方向に先行する側面４ｃには圧力面が、反対側の側面４ｂには負圧面が形成される。
【００２８】
ここで、隣り合う主羽根３，３間に現れるガスの二次流れについて説明する。
バウ角α１が２７°に設定された前縁３ａ，３ａ間では、全体の傾向として、羽根車の回転方向に先行する主羽根３の側面３ｂ（すなわち負圧面）側で静圧が低く、後ろに続く主羽根３の側面３ｃ（すなわち圧力面）側で静圧が高い状態が形成される。
【００２９】
先行する主羽根３の側面３ａに沿う領域では、静圧が、羽根車の中心寄りの翼の根元部分と外周寄りの翼端部分とで高く、この２つの高圧領域に挟まれた主羽根３の中央部分で低い状態が形成される。さらに、後ろに続く主羽根３の側面３ｂに沿う領域では、羽根車の外周寄りの翼端部分で静圧が高い状態が形成される。
【００３０】
このため、前縁３ａ，３ａ間では、図５に示すように、静圧の圧力勾配に従って後ろに続く主羽根３の外周寄りの翼端部分から、先行する主羽根３の翼端に向けて二次流れが発生する（図中の矢印Ｒ）。また、先行する主羽根３の側面３ａでは、羽根車の中心寄りの翼の根元部分から中央部分に向けて二次流れが発生するとともに（図中の矢印Ｓ）、外周寄りの翼端部分から中央部分に向けて二次流れが発生する（図中の矢印Ｔ）。
【００３１】
このように、主羽根３の負圧面側の翼端部分から中央部分に向けて圧力勾配を大きくすることにより、負圧面の翼根から翼端に向かう二次流れが低減され、主羽根の負圧面側の翼端部分に生じる低エネルギー流体（ガス）の集積が少なくなって内部損失が低減される。上記の現象は、バウ角α２を３５°に設定された軸長２０％の位置での主羽根３，３間でも見られる。
【００３２】
次に、中間羽根４の翼端に現れるガスの二次流れについて説明する。
中間羽根４の前縁４ａには、主羽根３，３間に導入されたガスの一部がぶつかり、中間羽根４の両側面４ｂ，４ｃに沿って流れるが、前縁４ａがガスの流れに相反する方向、つまりガスの上流側に突き出すことで、図６に示すように、主羽根３，３間に導入されたガスが流れを乱す前に中間羽根４に導入されることになる。これにより、中間羽根４の両側面４ｂ，４ｃに沿って流れるガスの二次流れは下流に向かう成分が大きくなり（図中の矢印Ｘ）、低エネルギー流体の集積（図中の斜線部Ｍ）が少なくなって内部損失が低減される。
【００３３】
上記のように、主羽根３の前縁３ａ、および軸長２０％における翼型３ａ’をそれぞれ湾曲形状とし、さらに中間羽根４の前縁４ａをガスの上流側に突き出させることで、主羽根３，３間に導入されるガスの二次流れを改善し、低エネルギー流体の集積を少なくして内部損失を低減させることができ、これによって遠心圧縮機の効率を向上させることが可能である。
【００３４】
ここで、前縁３ａに設定されるバウ角α１と遠心圧縮機の効率との関係、およびバウ角α１と羽根車に作用する遠心応力との関係を図７に示す。バウ角α１は、遠心圧縮機の効率の観点から見ると１０°以上であることが望ましく、羽根車に作用する遠心応力の観点から見ると５０°以下であることが望ましい。バウ角α１が１０°より小さいと低エネルギー流体の集積が拡大して十分な効率が得られず、５０°より大きいと主羽根３の付け根の部分に作用する遠心応力が急激に増大して羽根車の安全性が損なわれることになる。
【００３５】
さらに言えば、遠心圧縮機の効率と遠心応力との関係がバランスして有効なバウ角α１の範囲は２０°以上３５°以下である。この範囲では、遠心圧縮機の効率が高く安定するとともに、遠心応力が低く抑えられることになり、羽根車に与えられるバウ角α１の大きさとしては最も好適である。
【００３６】
次に、主羽根３の軸長２０％における翼型３ａ’に設定されるバウ角α２と遠心圧縮機の効率との関係、およびバウ角α２と羽根車に作用する遠心応力との関係を図８に示す。バウ角α２は、遠心圧縮機の効率の観点から見ると１５°以上であることが望ましく、羽根車に作用する遠心応力の観点から見ると５５°以下であることが望ましい。バウ角α２が１５°より小さいと低エネルギー流体の集積が拡大して十分な効率が得られず、５５°より大きいと主羽根３の付け根の部分に作用する遠心応力が急激に増大して羽根車の安全性が損なわれることになる。
【００３７】
さらに言えば、遠心圧縮機の効率と遠心応力との関係がバランスして有効なバウ角α２の範囲は２５°以上４０°以下である。この範囲では、遠心圧縮機の効率が高く安定するとともに、遠心応力が低く抑えられることになり、羽根車に与えられるバウ角α２の大きさとしては最も好適である。
【００３８】
次に、中間羽根４の前縁４ａに設定される傾斜角βと遠心圧縮機の効率との関係、および傾斜角βと羽根車に作用する遠心応力との関係を図９に示す。傾斜角βは、遠心圧縮機の効率の観点から見ると５°以上であることが望ましく、羽根車に作用する遠心応力の観点から見ると３０°以下であることが望ましい。傾斜角βが５°より小さいと低エネルギー流体の集積が拡大して十分な効率が得られず、３０°より大きいと主羽根３の付け根の部分に作用する遠心応力が急激に増大して羽根車の安全性が損なわれることになる。
【００３９】
さらに言えば、遠心圧縮機の効率と遠心応力との関係がバランスして有効な傾斜角βの範囲は８°以上１５°以下である。この範囲では、遠心圧縮機の効率が高く安定するとともに、遠心応力が低く抑えられることになり、羽根車に与えられるバウ角α２の大きさとしては最も好適である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、主羽根の前縁を弓形に湾曲させ、半径方向の直線と前縁の翼端の接線とがなす第１の角を１０°以上に設定することにより、主羽根の負圧面における低エネルギー流体の集積が抑えられて内部損失が低減するので、圧縮効率を向上させることができる。
【００４１】
また、第１の角を５０°以下に設定することにより、主羽根の付け根の部分に作用する遠心応力が低く抑えられて羽根車の安全性が確保されるので、遠心圧縮機の健全な運転が可能になる。
【００４２】
本発明によれば、主羽根の軸長２０％における翼型を前縁と同じく弓形に湾曲させ、半径方向の直線と前縁の翼端の接線とがなす第２の角を１５°以上に設定することにより、主羽根の負圧面における低エネルギー流体の集積が抑えられて内部損失が低減するので、圧縮効率のさらなる向上が図れる。
【００４３】
また、第２の角を５５°以下に設定することにより、主羽根の付け根の部分に作用する遠心応力が低く抑えられて羽根車の安全性が確保されるので、遠心圧縮機の健全性がさらに高められる。
【００４４】
本発明によれば、主羽根間に中間羽根を設けることにより、主羽根間を流れるガスの乱れが抑えられるので、これによっても圧縮効率を向上させることができる。
【００４５】
本発明によれば、中間羽根の前縁を主軸方向に対して傾斜させることにより、中間羽根の翼端における低エネルギー流体の集積が抑えられて内部損失が低減するので、圧縮効率を向上させることができる。この場合の前縁の傾斜角は５°以上に設定することが望ましい。
【００４６】
また、前縁の傾斜角を３０°以下に設定することにより、主羽根の付け根の部分に作用する遠心応力が低く抑えられて羽根車の安全性が確保されるので、遠心圧縮機の健全性がさらに高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態を示す図であって、羽根車を主軸方向から見た平面図である。
【図２】図１の羽根車を具備する遠心圧縮機を、羽根車の主軸に直交する方向から見た断面図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う羽根車の断面図であって、特に主羽根の前縁の形状に注目した図である。
【図４】図２におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う羽根車の断面図であって、特に主羽根の軸長２０％における翼型の形状に注目した図である。
【図５】隣り合う主羽根の前縁間に発生する二次流れを示す状態説明図である。
【図６】中間羽根の翼端に現れるガスの二次流れを示す状態説明図である。
【図７】前縁に設定されるバウ角α１と遠心圧縮機の効率との関係、およびバウ角α１と羽根車に作用する遠心応力との関係を示すグラフである。
【図８】主羽根の軸長２０％における翼型に設定されるバウ角α２と遠心圧縮機の効率との関係、およびバウ角α２と羽根車に作用する遠心応力との関係を示すグラフである。
【図９】中間羽根の前縁に設定される傾斜角βと遠心圧縮機の効率との関係、および傾斜角βと羽根車に作用する遠心応力との関係を示すグラフである。
【図１０】従来の羽根車を主軸方向から見た平面図である。
【図１１】同じく、従来の羽根車を主軸に直交する方向から見た断面図である。
【図１２】従来の羽根車の隣り合う主羽根の前縁間に発生する二次流れを示す状態説明図である。
【符号の説明】
１　　　主軸（軸体）
２　　　ハブ
３　　　主羽根
４　　　中間羽根
５　　　ケーシング
α１　　第１の角
α２　　第２の角
β　　　傾斜角
【図１】
2004044473.tif 000003
【図２】
2004044473.tif 000004
【図３】
2004044473.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004044473.tif 000007
【図６】
2004044473.tif 000008
【図７】
2004044473.tif 000009
【図８】
2004044473.tif 000010
【図９】
2004044473.tif 000011
【図１０】
2004044473.tif 000012
【図１１】
2004044473.tif 000013
【図１２】
2004044473.tif 000014