JP2016511358A - タービン、圧縮機又はポンプの羽根車 - Google Patents

Abstract

本発明は、その前面（２１０）上に突出する羽根（２２）を有する、流体のための回転機械のホイール（２，２’）に関する。羽根設置領域を規定する直径範囲の少なくとも７０％である、前面（２１０）の一部分において、前面（２１０）は錐体に対する接線であり、その錐体の先端は前方を指し、その錐体の頂角は、１５４°と１７０°との間である。本発明はまた、上記のホイールを有する回転機械及びターボ圧縮機に関する。

Description

本発明は、例えば遠心圧縮機、遠心ポンプ又は求心タービンのローターのような、液体又はガス状流体のための回転機械のローターに関する。本発明はまた、上記のローターを備えたコンプレッサ、遠心ポンプ又は求心タービンに関し、そしてまた複数のローターの少なくとも一つがこの様式であるターボ圧縮機に関する。

求心タービン又は遠心式圧縮機のような回転機械は、産業において、具体的には熱機関の分野において広く使用される。一つの用途において、ターボ圧縮機を形成するために、圧縮機と同一のシャフト上に結合させられたタービンが使用される。タービンにエンジンからの排気ガスが供給され、タービンは圧縮機を駆動する。その圧縮機は、エンジンに過給するために新鮮な空気を圧縮する。ある圧縮機は電動モーターによって駆動され、あるタービンは電力を発生させるために利用される。

図５及び図６は、先行技術による遠心圧縮機１１を示す。圧縮機１１は、圧縮機本体１１１及び圧縮機本体１１１上に回転可能に取り付けられた回転部分を有する。回転部分は、圧縮機本体１１１のベアリング１１３上で回転するシャフト１１４上に取り付けられた圧縮機ローター１１２を有する。圧縮機ローター１１２は、ハブ１１２０及びそのハブに固定された一組の羽根（ブレード）１１２１を含む。圧縮機の本体１１１は、ハブ１１２０に面して配置され、入口ダクト１１１０を構成する軸方向の開口部を有する。圧縮機の本体１１１は、圧縮機ローター１１２の周りにボリュート（渦形部）１１１２を更に含む。ボリュート１１１２は周囲開口部１１１１を有し、周囲の開口部１１１１は、圧縮機ローター１１２の周囲に配置され、出口ダクト１１１３につながる。出口ダクト１１１３は、実質的に圧縮機ローター１１２に対する接線の方向に延びる。ガス状の流体は、圧縮機ローター１１２によって駆動されている間、軸方向の開口部１１１０から周囲の開口部１１１１に循環する。羽根１１２１の幾何学的形状は、圧縮機ローター１１２がガスに機械的なエネルギーを供給するように設計され、これは主にそれらを加速することによる。したがって、運動エネルギーが得られ、次いで、主にボリュート１１１２内で圧力に変換される。

求心タービンは、先に記述された遠心圧縮機の構造にかなり類似した構造を有するが、ガスの循環の方向が反対向きにされ、仕事は流体によって機械に提供される。ガス状の流体を用いるタービンの場合に、羽根の幾何学的形状は、ガスがタービンのローターを通過しながら膨張し、それにエネルギーを提供するように設計される。

ガス状流体を用いて仕事をするための従来知られる構成は、毎分約２００，０００回転の、非常に高い回転速度で動作する。そのような速度が到達されることを可能にするために使用される技術は、特にベアリングに関して非常に特殊であり、それはただ静水力学的であるしかなく、従ってポンプによる圧力下で潤滑剤を供給されることが要求される。加えて、そのような速度は、圧縮機ローターが電動モーターによって駆動される場合は、現在到達されることができない。

しかしながら、自動車産業は、燃料消費レベルを低減するより一般的な目的のために、排気量を縮小する強い傾向の発展を見てきた。それは、特に過給のための、低エンジン出力で効率が良く、従って低ガス流量に適した回転機械を開発する必要性の出現を引き起こした。

流体が液体の場合、遠心式の回転機械によってかなりの圧力増大が得られる。これらの機械はポンプと呼ばれ、概して、羽根が設置される平面的なフランジを含む大きな直径のローターによって区別される。そのような機械は、大きな遠心力を伴うローターの直径に起因して、それらの回転の速度が制限される。

したがって、本発明は、低流体流量について高い効率を達成することを可能にする、回転機械のためのローターを供給することを目的とする。

これらの目的を考慮して、本発明は、その対象として、流体用の回転機械のためのローターを有する。ローターは、ローター軸をもち、その回転するローターをローター軸の回りに取り付けるように構成されたハブ、ハブに固定され、ローター軸に対して実質的に半径方向の平面に延びるフランジであり、フランジは前面を有する、フランジ、及び、前面から延びる羽根であり、羽根のそれぞれは、最大で前面上に位置付けられた中心円と周囲円との間に延び、少なくとも一つの羽根は中心円に延び、一つの羽根は少なくとも周囲円に延びる、羽根、を有し、前面上に、中心円と周囲円との間に位置付けられた内側円及び外側円は、中心円と周囲円との間の直径の差の少なくとも７０％の直径の差を有し、内側円及び外側円は、第一の円錐に属し、第一の円錐の頂点は前方に向けられ、第一の円錐の頂点角度は１５４°と１７０°との間に含まれ、第二の錐体はその回転軸としてローター軸をもち、第二の錐体の頂点は前方に向けられ、内側円と外側円との間に含まれる任意の円の前面に接し、第二の錐体は１７０°より小さいか又は等しい頂点角度をもつ。

回転機械が低い流体流量で動作することを要求される場合、一組の制約は、実質的に半径方向の平面に延びる流体の循環を構成すること及び比較的低い軸方向の成分を有することを含む。圧縮機又は遠心ポンプに関して、流体に供給される仕事は、回転の速度と、羽根配列の入口半径と出口半径との間の差とを掛け合わせたもの（積）に比例する。したがって、ローターを使用して、大きな長さに渡って流体の半径方向の循環を可能にすることが必要である。これはより一般的に、低流量で良好な性能をもたなければならない全ての回転機械に関して、当てはまる。

そのため、圧縮機に関して、羽根の後縁は大きな直径に配置されるものであり、一方で、前縁は可能な限りローターの回転軸に近く位置付けられなければならない。しかしながら、羽根配列の出口直径を大きくすることは、出力領域を大きくする傾向がある。なぜなら、かなりの損失を引き起こすことによる他は、羽根の高さは限定的な程度に低減されるしかできないからである。それは、羽根と圧縮機の本体との間の隙間が、羽根の高さよりもずっと小さくはなくなる、という事実に起因する。

その上、流路のそれぞれの円筒形状の区分を通る流れの維持のために、出口断面積の増大は、引き換えに羽根内への流体の入口断面の増大を必然的に伴う。しかしながら、我々は、先行技術に従って設計されたローターの大多数を代表する圧縮機ローターに関して、この拘束は、先に言及された、前縁を可能な限りローターの回転軸に近くに押しやることを奨励する拘束に対して非常に対抗的であると分かることを認める。実際に、これらのローター上で、前縁は実質的に半径方向に延び、羽根配列の入口における空気の循環は、ゼロ又は非常に小さな半径方向の成分を有する。

一方で、ここで言及される対抗は、前縁がローター軸の方向に近い方向に延びる場合には、なくなることが認められる。そのとき、ローターは、ローター軸の近くに位置付けられるが、十分な入口断面を提供するために十分に長い前縁をもつことができる。この場合において、空気の循環は、それが羽根配列内に到着するとすぐに実質的に半径方向の平面に、そして結果として、流路全体に延びる。本明細書において、我々は、回転機械の“半径方向の”ローターを、このように実質的に半径方向の平面に延び、比較的小さな軸方向の成分を有する流体の循環を構成するその幾何学的形状であると評価している。

遠心ポンプの場合において、同じ理由が適用可能である。

求心タービンの場合において、圧縮機又は遠心ポンプに関して有効な先に与えられた理由は、部分的にのみタービンに対して置き換え可能であるが、ラジアル型のローターを用いることも有益である。実際に、タービンローターが低ガス流量で動作しなければならない場合には、流路が出口において高いことは必要ではない。反対に、それが過大な大きさでないことは、実際に有益である。なぜなら、これは、タービンを無用に重みで圧することにつながり、羽根配列の内部に対して流体によって供給される仕事は、その全てのうちのほんの小さな部分にのみものをいうからである。いずれの場合にも、流体力学の観点から、後縁をローター軸の方向に近い方向に配置することは必要ではない。したがって、大部分はラジアル型ローターに類似するが、半軸方向の流体出口又は完全に軸方向の流体出口を有するタービンローターを得ることが可能である。

いずれの場合においても、本明細書において我々は、流体の循環がフランジの表面の極めて大部分に渡って実質的に半径方向の平面に延びるローターを検討している。

ラジアル型ローターの回転速度を限定する側面の一つは、フランジ上への羽根の設置によって引き起こされる機械的な制約である。この制約は、前方に転位された羽根に加えられる遠心力はフランジを後方に変形させ、従って前面を引き伸ばす傾向があるという事実に主に由来する。しかしながら、この現象は、ハブとフランジとの間の移行領域に位置付けられ、ラジアル型ローターの場合に典型的に観察される構成である、（圧縮機又はポンプのローターに関して）前縁の根元又は（それぞれタービンローターに関して）後端の根元における力の集中によって、局所的に、非常に強く増大される。この機械的な制約はまた、フランジの前面に対する羽根の転位に起因して羽根の根元で引き起こされるモーメントによって結果として生じる。最後に、ラジアルモーターの場合に、本明細書において示される制約領域は、典型的に、疲労において最も重く荷重を受けるローターの領域であることに留意することが必要である。

しかしながら、フランジが錐体の形状を全体として与えられ、その頂点がローターの正面に向かって方向付けられている場合には、フランジに加えられる遠心力は、フランジを真っ直ぐにする傾向があり、その前方の面を圧縮することが留意される。それは、先に記述した引き伸ばしの効果を完全に又は部分的に埋め合わせる。その上、フランジのこの傾向に起因して、フランジに対する羽根の軸方向の転移、及びそれ故に関連する曲げモーメントは、平面的なフランジの場合と比較して低減される。この構成は、ローターの回転速度制限を後退させること又はローターを拡大すること、及びそれ故により良い性能を得ることを可能にする。

そのような幾何学的な構成は、それがより繊細な領域における機械的な制約を低減することを第一に目的にする場合、ローターの変形を最適化するように検討されてもよい。この第二の目的は、具体的には、機械加工及び組立ての公差、熱変形、ベアリングにおける動き及び振動による変形に関して回転機械の本体に対する十分な隙間を補償すること目指してもよい。この具体的な場合において、上で説明されたものとは反対に、目的は、ローターの疲労に対する最高の抵抗性を提供する角度よりもわずかに大きな、錐体の頂点における角度を選択することである。

本発明によるローターにおいて、前面の大部分は実質的に錐体に沿って延び、その錐体の頂点は前方に向けられ、錐体の頂点角度は１５４°と１７０°との間に含まれる。ただし、羽根の設置領域の境界を定める複数の環状部分（円）である、周囲円及び中心円がこの特徴的な領域の外側に位置付けられることが、ごく頻繁である。実際に、前面の外形は、流体の排出速度を半径方向の平面に向けるように、周囲において概して真っ直ぐにされている。その上、ハブが軸方向においてフランジよりも概して厚いことに起因して、ローター軸に近い前面の一部分は概してフィレットの形状を有し、ハブの輪郭を構成する。しかし、半径方向における流体循環の長さを最大化する必要性に起因して、（圧縮機又は遠心ポンプの場合の）前縁の設置又は（タービンの場合の）後縁の設置は、この領域に位置付けられることが頻繁であり、たとえ前縁（それぞれ、後縁）がローター軸の方向に近い方向に延びる場合でも、このようである。これら二つの部分の傍らに、すなわち、前面の広さの７０％以上をほとんど常に意味する、内側円と外側円との間において、出願人は、特定の範囲において前面の形を傾斜させることが特に有益であることを発見した。最終的に、特定の構成において、正確な円錐区分の形状を呈することなく、ローターの非常に大きな部分に渡ってフランジの前面がわずかに曲線状となることができる。

全体として、フランジの前面が実質的に錐体を形成し、その錐体の頂点角度が１６０°と１６６°との間に含まれる場合に、非常に満足な結果が得られる。そのとき、この構成を使用して、非常に低い流体流量で動作する回転機械に非常に良好な性能を与えることが可能である。

上に記述された二つの矛盾した効果を考慮すれば、関係する領域における疲労負荷を最小化することを可能にする構成を探し出すことが可能である。このように規定される均衡は、ローターの異なる幾何学的形状特性に依存し、具体的には羽根の高さに依存する。しかし、我々は、検討された多くの場合においてそれはかなり鈍感であること、及び、準静的な制約の最小化はフランジの前面が１６４°に近い頂点角度を備える錐体を実質的に形成する場合に達成されることを認めることができた。しかしながら、わずかに小さい角度は、特定された領域における更に大きな圧縮を得ることを可能にし、従って時には疲労に抵抗するためのより良い選択を構成することができる。

一つの具体的な実施形態によれば、一部分のサブアセンブリの特定の羽根は、中心円と周囲円との間に含まれる中間円から延びる。そのような羽根は、“スプリッター”とも呼ばれ、中心円から延びる複数の羽根の間の空間を細分する。本発明は、そのような構成において特に有益である。なぜなら、これらの中間羽根の（圧縮機又はポンプの場合における）前縁又は（それぞれタービンの場合における）後縁は、ラジアルローター上で、フランジとハブとの間の移行領域に、すなわちフランジの曲げ変形が集中する傾向がある領域に典型的に位置するからである。

これらの具体的な場合において、内側円及び外側円は、中心円と周囲円との間の直径の差の少なくとも８５％の直径の差を有する。

一つの具体的な構成において、フランジ及びハブは一体である。

本発明はまた、先に記述されたようなローターを有するタービンを、その対象として有する。

本発明はまた、先に記述されたようなローターを含む圧縮機を、その対象として有する。

本発明はまた、タービン及び圧縮機を含み、タービン及び圧縮機は少なくとも一つのローターをそれぞれ含み、その複数のローターは回転可能に結合させられており、複数のローターのうちの一つは少なくとも先に記述されたようなローターであるターボ圧縮機を、その対象として有する。

以下の記述を読むことによって、本発明はより良く理解され、他の特徴及び利点が見えてくるであろう。その記述は、添付の図面を参照する。
本発明の第一の実施形態によるローターの斜視図である。 図１のローターの断面図である。 本発明の第二の実施形態によるローターの図２に類似した図である。 本発明による二つのローターを含むターボ圧縮機の断面図である。 先行技術による遠心圧縮機の図６のＶ−Ｖ線についての長手方向の断面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 先行技術によるローターの図２に類似した図である。 先行技術によるローターの図２に類似した図である。 先行技術によるローターの図２に類似した図である。 先行技術によるローターの図２に類似した図である。

第一の実施形態による回転機械のローター２は、図１及び図２に示される。ローター２、例えば圧縮機のローターは、回転するローターをローター軸Ａの回りに取り付けるように構成されたハブ２０、ハブ２０と一体であり、実質的にローター軸Ａに対して垂直な平面に延びるフランジ２１、及びローター２の前側に突出するようにフランジ２１の前面２１０上に取り付けられた羽根２２を含む。回転可能に取り付けられるために、ローター２は、図示されないシャフトを受容するように意図された穴２０１をハブ２０に含む。ローター２の全ての要素は一体であり、ローター２は、例えば金属合金又は合成材料を鋳造することによって、又はそのような材料のブロックを機械加工することによって作られる。

フランジ２１は、機械的強度の理由のため及びローターの全体の変形を最小化するために、図２の断面に見られるように、その周囲よりも、ハブ２０の近くでより大きな幅を有する。羽根２２は、実質的に一定の厚さを備え、実質的に前面２１０に対して垂直なナイフの刃の形状を有する。ある複数の羽根２２は、前面２１０上で、その基部がハブ２０に近い円Ｊに位置付けられた前縁２２１から、ローター２の周囲２４に位置付けられた後端２２２まで延びる。前述のグループの羽根の間に散在する一部分の他の複数の羽根２２は前縁２２３を有し、前縁２２３は、中間の直径を備え、円Ｊと周囲２４との間に配置された円Ｎ上又は円Ｎを越えて位置付けられている。前縁２２１，２２３は、ローター軸Ａに対して実質的に平行である。

前面２１０は、丸みを帯びた接続フィレットの形状を備えた第一の領域Ｃを有し、第一の領域Ｃは、中心円Ｊから、前縁２２１の根元を通過して、前縁２２１と前面２１０との交点に向かい、内側円Ｋまで延びる。第一の領域Ｃには、内側円Ｋから外側円Ｌに延びる実質的に錐体形状の第二の領域Ｄが続く。次いで、前面２１０は、外側円Ｌから周囲円Ｍに向かい、ローター２の周囲まで延びる第三の領域Ｅで一通りとなる。この外側領域Ｅにおける前面２１０の母線は、丸みを帯びた形状であり、周囲２４におけるローター軸Ａに対する垂線に対する接線である。このローターにおいて、具体的には図２を参照すると、中心円の直径は、周囲円の直径の１８．５％を表す。外側円Ｌは、この場合において、頂点Ｐ２における角度β＝１７０°を備えた第二の錐体Ｓが前面２１０に対する接線となる円であるとして規定される。内側円Ｋ及び外側円Ｌの直径は、それぞれ、周囲円Ｍの直径の２９％及び９０．５％を表す。内側円Ｋ及び外側円Ｌを包含する第一の錐体Ｒの頂点における角度αは、１６４°である。換言すれば、第二の領域Ｄにおいて、第一の錐体Ｒの母線と径方向の平面との間で構成される角度は、８°である。したがって、内側円Ｋと外側円Ｌとの間の直径の相違は、周囲円Ｍと中心円Ｊとの間の直径相違の７４％を表す。前面２１０上で内側円Ｋと外側円Ｌとの間に置かれる如何なる円において前面２１０に接する如何なる錐体でも、１７０°より小さいか又は等しい頂点角度を有する。

本発明によるローター、及びその特性が先に列挙された幾何学的形状は、それが内側円から平らな前面を含むという事実を別として同一であるローターと比較されてきた。これら二つのローターの場合において、決定的に重要な制約の点は、中間の長さを備え、従って比較的ハブから遠い、散在する羽根の前縁の基部に位置付けられており、本発明によるローターのフランジの最適な傾斜に関連する釣り合いによってもたらされる利得は、非常に大きい。ここで、先に記述された特徴によって得られるフランジの傾斜の最適化は、決定的に重要な点における荷重のほぼ５５％の低減を得ることを可能にする。換言すれば、圧縮機の疲労使命プロファイルの最大速度を約５０％増大させることを可能にする。

本発明の第二の実施形態によれば、求心タービン２’のローターにおいて、図３に示されるローターのように、前面２１０’は、直径Ｄｉの中心円Ｊ’と直径Ｄｅの周囲円Ｍ’との間で、連続的に変化する形を有する。外側円Ｌ’は、周囲円Ｍ’と一致しているものとして規定され、内側円Ｋ’の直径は、（Ｄｅ−２Ｘ）である。ここで、（数１）である。

第一の錐体Ｒ’は、内側円Ｋ’及び外側円Ｌ’を含み、１６０°の頂点角度を有する。より開いた第二の錐体Ｓ’は、より大きな頂点角度をもち、内側円Ｋ’と外側円Ｌ’との間で前面２１０’に接する錐体である。この構成において、第二の錐体は、外側円Ｌ’において前面２１０’に接する。第二の錐体Ｓ’の頂点Ｐ２’における角度βは、１６６°である。

一組の基本的な条件は、本発明に属する幾何学的な特色を特徴付け、それを先行技術から区別することを可能にする。第一に、それら以外の、まれに、ラジアル型の遠心圧縮機ローター又は求心タービンローターについて、前面を生み出す曲線は、常に、構造によって、長円の４分の１の形状を有することが認められる。これは、３つの幾何学的な条件の帰結である。第一に、遠心圧縮機又はポンプ上のガスの出口の方向、及びそれぞれ求心タービンの中へのガスの入口の方向は、定義上実質的に半径方向である。第二に、システムの回転する特性に関連する円対称は、そしてまた流体の様々な循環径路を一緒に配置する必要性は、遠心圧縮機又はポンプの中へのガスの入口の方向、及びそれぞれの求心タービンにおけるガスの出口の方向は、常に軸方向であることを暗示する。第三に、より良い効率のために、目的は、流路の強すぎる湾曲を回避することである。より一般的に、この形状は、円の４分の１にかなり近い。図７乃至図１０は、ごく一般的な設計による圧縮機ローター及びタービンローターを示す。羽根は、全体として中心円Ｊから周囲円Ｍへ延びる。これらのローターのそれぞれのために、それぞれ、二つの円Ｋ及びＬ、内側円及び外側円が、前面上で、中心円Ｊと周囲円Ｍとの間に位置付けられるように検討される。外側円Ｌと内側円Ｋとの間の直径の差２Ｘは、周囲円Ｍと中心円Ｊとの間の直径の差（Ｄｅ−Ｄｉ）の７０％に等しい。その上、円Ｋ及び円Ｌは、これら二つの円を通る第一の錐体Ｒの頂点角度が最大になるように配置される。これらの構成のそれぞれにおいて、外側円Ｌは周囲円Ｍと一致する。

このように組み立てられた第一の錐体Ｒの頂点角度は、典型的に１３０°と１４５°との間に含まれ、換言すれば、本発明の特徴的な角度範囲の外側であることが認められる。

ターボ圧縮機３が図４に示される。ターボ圧縮機３は、タービン３０及び圧縮機３１を有する。タービン３０及び圧縮機３１のそれぞれのローター３０２，３１２は、同じ回転シャフト３２にベアリング３３を介して固定される。ベアリング３３は、圧縮機３１の本体３１１とタービンの本体３０１との間に配置される。ローター３０２，３１２は、先に記述された実施形態に従っている。そのようなターボ圧縮機３は、低ガス流量に関して、良好な効率を得ることを可能にする。本発明に従って作られたローターは、従来のローターに比較して特に大きく、このターボ圧縮機は、ローターのより低い回転速度で動作する。この理由により、ベアリング３３は、ボールベアリングと共に使用されてもよい。

本発明は、例示の目的で単に記述された実施形態に限定されない。ローターシャフトは、ローターと一体であってもよい。

Claims (8)

1. 流体用の回転機械のためのローターであり、当該ローターは、
   ローター軸をもち、
   回転する当該ローターを前記ローター軸の回りに取り付けるように構成されたハブ、
   前記ハブに固定され、前記ローター軸に対して実質的に半径方向の平面に延びるフランジであり、当該フランジは前面を有する、フランジ、及び
   前記前面から突出する羽根であり、羽根のそれぞれは、最大で前記前面上に位置付けられた中心円と周囲円との間に延び、少なくとも一つの羽根は前記中心円に延び、少なくとも一つの羽根は前記周囲円に延びる、羽根、
   を有し、
   前記前面上に、前記中心円と前記周囲円との間に位置付けられ、前記中心円と前記周囲円との間の直径の差の少なくとも７０％の直径の差を有する、内側円及び外側円が存在し、
   前記内側円及び前記外側円は、第一の円錐に属し、前記第一の円錐の頂点は前方に向けられ、前記第一の円錐の頂点角度は１５４°と１７０°との間に含まれ、
   前記内側円と前記外側円との間に含まれる前記前面上の円が何であるかに関わらず、第二の錐体は回転軸としてローター軸をもち、前記第二の錐体の頂点は前方に向けられ、前記の円上で前記前面に接し、前記第二の錐体は１７０°より小さいか又は等しい頂点角度をもつ、
   ローター。
2. 前記第一の円錐は、１６４°の角度を有する、請求項１に記載のローター。
3. 前記内側円及び前記外側円は、前記中心円と前記周囲円との間の直径の差の少なくとも８５％の直径の差を有する、請求項１又は請求項２に記載のローター。
4. 前記羽根のうちの一部分の羽根は、前記中心円と前記周囲円との間に含まれる中間円から周囲に向かって延びる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のローター。
5. 前記フランジ及び前記ハブは一体である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のローター。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のローターを有する、圧縮機。
7. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のローターを有する、タービン。
8. ターボ圧縮機であり、タービン及び圧縮機を有し、前記タービン及び前記圧縮機は少なくとも一つのローターをそれぞれ有し、前記ローターは、回転可能に結合させられ、
   前記ローターの少なくとも一つは、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のローターである、ターボ圧縮機。
   
   

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