(57)【要約】【課題】本発明のインペラは、圧縮機の作動領域全体に亘り、インペラとハウジングとの間に必要とされるクリアランスを減少させるように、インペラの形状的安定性を改良する。【解決手段】遠心力荷重の下、互いに軸方向に移動する傾向がある、第１のインペラ部分３０および第２のインペラ部分３２は、内部キャビティ３４を備えるように互いに結合される。入口開口部３８および出口開口部３６は、内部キャビティ３４を通り冷却流が流れるように、内部キャビティ３４と連通している。第１および第２の面４０，４２、ならびに境界間隙４８は、概ね互いに整列している。この境界間隙４８は、遠心力荷重が増大するにつれ閉じられ、第１の端５０および第２の端５２が、互いに接近する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに結合された第1のインペラ部分と第2のインペラ部分とを有し、両者間に内部キャビティが形成されるとともに、上記第１のインペラ部分が、複数のブレードを支持することを特徴とする回転機械用インペラ。
【請求項２】
上記インペラが回転軸を有し、上記第１のインペラ部分および上記第２のインペラ部分が、上記回転軸から遠い方の位置に先端部を備え、上記第１のインペラ部分および上記第２のインペラ部分は、上記先端部付近で互いに結合される第１の面および第２の面を各々備えることを特徴とする請求項１に記載の回転機械用インペラ。
【請求項３】
上記第１のインペラ部分および上記第２のインペラ部分が、上記内部キャビティを形成する第１の輪郭面および第２の輪郭面を各々備え、上記第１の輪郭面および第２の輪郭面が、互いに概ね鏡像関係であることを特徴とする請求項２に記載の回転機械用インペラ。
【請求項４】
上記第１のインペラ部分および上記第２のインペラ部分が、上記回転軸と同軸の円筒面を有し、この円筒面が、上記第１のインペラ部分と上記第２のインペラ部分とを軸方向に分離する境界間隙を含むことを特徴とする請求項２に記載の回転機械用インペラ。
【請求項５】
上記境界間隙と、上記第１の面および上記第２の面と、が、概ね互いに整列していることを特徴とする請求項４に記載の回転機械用インペラ。
【請求項６】
上記円筒面が出口開口部を備え、上記第２のインペラ部分が入口開口部を備えるとともに、上記入口開口部および上記出口開口部が、上記内部キャビティと連通していることを特徴とする請求項４に記載の回転機械用インペラ。
【請求項７】
上記インペラが出口開口部を備え、上記第２のインペラ部分が入口開口部を備えるとともに、上記入口開口部および上記出口開口部が上記内部キャビティと連通していることを特徴とする請求項１に記載の回転機械用インペラ。
【請求項８】
上記第１のインペラ部分および上記第２のインペラ部分が、結合材料で互いに固定された第１の面および第２の面を各々備えることを特徴とする請求項１に記載の回転機械用インペラ。
【請求項９】
上記第１のインペラ部分および第２のインペラ部分が、上記内部キャビティに連通している間隙の分だけ離れており、この間隙は、上記第１のインペラ部分の第１の端と、上記第２のインペラ部分の第２の端と、の各々によって形成されており、これらの第１および第２の端は、互いに軸方向に対して移動可能であるように構成される請求項１に記載の回転機械用インペラ。
【請求項１０】
上記第１のインペラ部分および上記第２のインペラ部分が結合材料で互いに結合されていることを特徴とする請求項１に記載の回転機械用インペラ。
【請求項１１】
上記インペラを少なくとも部分的に囲む静止ハウジングを備え、このハウジングが、ブレードに近接したシュラウドを備え、このシュラウドと上記第１のインペラ部分との間にインペラ入口およびインペラ出口が形成され、このインペラ出口が、上記インペラ入口から半径方向外側に配置されるように構成される請求項１に記載の回転機械用インペラ。
【請求項１２】
シュラウドを備える静止ハウジングと、
この静止ハウジング内で、かつ軸に関して回転可能に配置されたインペラと、を備えてなり、このインペラが、互いに固定された第１のインペラ部分および第２のインペラ部分を備え、かつこれらの間に内部キャビティが形成され、上記第１のインペラ部分が、インペラ出口およびインペラ入口を形成するシュラウドに近接した複数のブレードを支持するとともに、上記インペラ入口が、上記インペラ出口より半径方向内側に配置されるように構成されることを特徴とする圧縮機。
【請求項１３】
上記インペラが出口開口部を備え、上記第２のインペラ部分が入口開口部を備え、上記入口開口部および上記出口開口部が、内部キャビティと連通していることを特徴とする請求項１２に記載の圧縮機。
【請求項１４】
上記ハウジングが上記第２のインペラ部分に近接して構造ハウジングを備え、上記入口開口部が、上記構造ハウジングに近接する上記第２のインペラ部分に配置されることを特徴とする請求項１３に記載の圧縮機。
【請求項１５】
上記第１のインペラ部分および上記第２のインペラ部分が、上記軸から離れた方の先端部付近で互いに結合された第１の面および第２の面を各々備え、かつ上記先端部とは逆側にある周方向の境界間隙が、上記第１のインペラ部分と上記第２のインペラ部分との間を軸方向に移動可能なように、上記第１のインペラ部分と上記第２のインペラ部分とを分けることを特徴とする請求項１２に記載の圧縮機。
【請求項１６】
ａ）第１のインペラ部分および第２のインペラ部分を設けるステップと、
ｂ）上記第１のインペラ部分と上記第２のインペラ部分との間に内部キャビティを形成するように、上記第１のインペラ部分および上記第２のインペラ部分を互いに結合させるステップと、
を含むことを特徴とするインペラの製造方法。
【請求項１７】
上記ステップａ）が、上記第１のインペラ部分および上記第２のインペラ部分を鍛造することを含む請求項１６に記載のインペラの製造方法。
【請求項１８】
上記ステップｂ）が、回転軸から離れた方のインペラ先端部付近で、上記第１のインペラ部分と上記第２のインペラ部分を互いに結合させることを含む請求項１６に記載のインペラの製造方法。
【請求項１９】
上記ステップｂ）が、上記第１のインペラ部分と上記第２のインペラ部分との間の最も内径側となる位置に配置された周方向の境界間隙を設け、この境界間隙が内部キャビティと連通することを特徴とする請求項１６に記載のインペラの製造方法。
【請求項２０】
上記境界間隙の幅を減少するように、上記第１のインペラ部分および上記第２のインペラ部分の撓みによる軸方向の圧縮が軽減するステップを備えることを特徴とする請求項１９に記載のインペラの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の部品からなる中空のインペラ、およびその製造方法ならびに使用方法に関する。このインペラは、例えば、半径流式の遠心圧縮機、または他の回転装置における使用に適している。
【背景技術】
【０００２】
小型のガスタービン圧縮機は、多くの場合、空気の圧力を高める最後の段（ｓｔａｇｅ）として、半径流式の圧縮機のインペラを利用する。この半径流式の圧縮機のインペラは、インペラの内径側付近の入口からインペラの外径側付近の出口へと、空気の流れを加速する湾曲したブレードを有する金属ホイールを備える。インペラは、インペラの遠心力荷重を受ける１つのボア部、つまり支持構造部を備える。このような単段型の半径流式のインペラは、より少数の部品で、複数段の軸流式圧縮機が提供可能な圧縮比と同程度に圧力を上昇させることができる。さらに、単段型のインペラは、同程度の圧力上昇において、複数段の軸流式圧縮機と比べて、圧縮機の軸方向の長さを短縮させるのに役立つ。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
現在使用されている従来のインペラは、通常、高い遠心力荷重がかかる場合に、ローリングし軸方向に撓む傾向のある、非対称で中実の、皿型のボア部（ｒａｄａｒ  ｄｉｓｈ−ｓｈａｐｅｄ  ｂｏｒｅ）を有する。特に、従来のインペラは、インペラ先端部で、インペラ入口への空気流の方向とは逆方向に、軸方向に撓む。このような撓みは、非対称のインペラにかかる遠心力慣性荷重およびインペラの温度勾配によって生じる。その結果、圧縮機は、運転領域全体に亘り、インペラ先端部の撓みを考慮するように、クリアランスを用いて設計されなければならない。圧縮機は、圧縮機の特定の運転条件で所望のクリアランスが得られるように設計されており、その結果、全体的な圧縮機の効率が低下する設計外の運転中では、所望する性能に満たない。
【０００４】
圧縮機の運転領域全体に亘る、軸方向先端部の改良型クリアランスを提供するインペラが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、例えば、圧縮機などに使用されるインペラを提供する。このインペラは、シュラウドを備えるハウジング内に配置される。このインペラは、軸の周りに回転可能であり、互いに結合された第１のインペラ部分と第２のインペラ部分とを備える。第１のインペラ部分は、上記シュラウドに近接して配置された複数のブレードを支持する。インペラ出口およびインペラ入口は、ブレードによって構成され、インペラ入口は、インペラ出口より半径方向内側に配置される。内部キャビティは、第１のインペラ部分と第２のインペラ部分との間に形成される。これらの第１のインペラ部分および第２のインペラ部分は、例えば、結合材料などを用いてインペラ先端部付近で互いに結合される、第１の面および第２の面を各々有する。
【０００６】
例示的な実施例においては、入口孔および出口孔が、インペラに設けられるとともに、冷却流が中を流れるように内部キャビティに接続するように配置される。一実施例においては、インペラに遠心力荷重がかかる間に、第１のインペラ部分と第２のインペラ部分との間で軸方向に相対的に移動できるように、周方向の境界間隙が、第１のインペラ部分と第２のインペラ部分との間に形成される。
【０００７】
一実施例においては、インペラは、第１のインペラ部分および第２のインペラ部分を鍛造することによって製造される。第１のインペラ部分および第２のインペラ部分は、例えば、インペラ先端部付近に配置される結合材料を用いて液相拡散接合によって互いに結合される。内部キャビティは、第１のインペラ部分および第２のインペラ部分の所望の冷却および荷重を提供するように形状化される。
【０００８】
本発明のインペラは、圧縮機の作動領域全体に亘り、インペラとハウジングとの間に必要とされるクリアランスを減少させるように、インペラの形状的安定性を改良する。
【０００９】
本発明のインペラは、圧縮機の作動領域全体に亘り、インペラ出口とディフューザ入口との間の先端部の整列を改良する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１では、ハウジング１２を備える圧縮機１０が示されている。インペラ１８は、ハウジング１２内に配置され、軸Ａの周りを回転する。インペラ１８は、インペラ１８の内径側の入口１４およびインペラ１８の外径側の出口１６を備える。シュラウド２２は、インペラ１８に支持されたブレード２０に近接してインペラの片側に配置される。構造ハウジング２４は、インペラ１８の反対側つまり後側に配置される。図に示された実施例においては、構造ハウジング２４は、圧縮機の漏出した高温ガスからの高温、および温度勾配を生じさせる近接のバーナ（図示せず）からの高温に晒される。
【００１１】
インペラ１８は、インペラ１８を回転可能に支持する支持面２６を備える。図に示された実施例においては、円筒面２７は、支持面２６の間に配置される。ボア部２８が、円筒面２７から外側に延在している。このボア部２８は、作動領域全体に亘りインペラ１８の形状的安定性を維持するための、遠心力荷重および温度勾配に耐える必要があるインペラ１８の構造の一部である。先行技術においては、このボア部は、非対称な皿型のインペラを構成するように、インペラのブレードを支持する中実構造である。
【００１２】
本発明のインペラ１８は、複数の部品を用いて提供される。図に示された実施例においては、第１のインペラ部分３０および第２のインペラ部分３２は、内部キャビティ３４を備えるように互いに結合される。図２に示されるように、より対称的なインペラとする場合に伴う重量増加の不利益を、第１のインペラ部分３０と第２のインペラ部分３２との間にある内部キャビティ３４によって回避しつつ、第１のインペラ部分３０および第２のインペラ部分３２は、より対称的な形状のインペラ形状となるように構成される。
【００１３】
第１のインペラ部分３０および第２のインペラ部分３２は、インペラ１８の先端部３３付近で互いに結合される第１の面４０および第２の面４２を各々備える（図３）。一実施例においては、結合材料４３が、第１のインペラ部分３０および第２のインペラ部分３２を互いに結合するように使用される。例えば、当業者に周知な液相拡散結合処理および適宜に選択された材料を用いることができる。アクセスできない内部キャビティ３４内にバリ（フラッシュ）が出ず、バリの除去作業を回避できるので、液相拡散接合が好ましい。他の実施例においては、イナーシャ式摩擦圧接または摩擦溶接結合を使用することができる。
【００１４】
さらに、内部キャビティ３４は、インペラにおける温度勾配によるインペラ１８の撓みを避けるために、インペラを冷却するように利用される。一実施例においては、図３に示されるように、複数の出口開口部３６が、円筒面２７に設けられる。複数の入口開口部３８が、インペラ１８の高温側となる、構造ハウジング２４側の第２のインペラ部分３２に設けられる。入口開口部３８および出口開口部３６は、図３の矢印によって示されるように、冷却流が内部キャビティ３４中を流れるように、内部キャビティ３４と連通している。これらの入口開口部３８および出口開口部３６は、特定のインペラの用途に対して所望の冷却を得るような配置および寸法とすることができる。
【００１５】
第１のインペラ部分３０および第２のインペラ部分３２は、内部キャビティ３４を形成するように第１の輪郭面４４および第２の輪郭面４６を各々備える。図に示された実施例においては、第１の輪郭面４４および第２の輪郭面４６は、遠心力荷重によるインペラ１８の撓みを最小限にするように、軸平面に関して、互いが概ね鏡像関係となる。さらに、これらの第１の輪郭面４４および第２の輪郭面４６の形状は、インペラ１８の所望の冷却および荷重分散を得るように、選択することができる。
【００１６】
第１のインペラ部分３０および第２のインペラ部分３２は、遠心力荷重の下、互いに向かって軸方向に移動する傾向がある。図４に示されるように、周方向の境界間隙４８が、円筒面２７の領域において、第１のインペラ部分３０および第２のインペラ部分３２の間に設けられる。図に示される実施例においては、第１の面４０および第２の面４２、ならびに境界間隙４８は、概ね互いに整列している。この境界間隙４８は、遠心力荷重が増大するにつれ閉じ、第１の端５０および第２の端５２が、互いに接近する。第１の面４０および第２の面４２の間の結合面の応力は、いくつかのインペラの用途において、境界間隙４８が存在することによって減少する。境界間隙４８付近の圧縮応力は、境界間隙４８の存在によって減少する。図４に示される実施例においては、出口開口部３６は、境界間隙４８の領域に設けられる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】圧縮機の一部の断面図。
【図２】図１に示されたインペラの斜視図かつ部分的な断面図。
【図３】図１に示されたインペラの拡大断面図。
【図４】図３の４‐４線に沿ったインペラの拡大断面図。
【符号の説明】
【００１８】
１０…圧縮機
１８…インペラ
３０…第１のインペラ部分
３２…第２のインペラ部分
２６…支持面
３６…出口開口部
３８…入口開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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