JP2018141413A - インペラ及び回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】二次流れをより効果的に抑制することができるインペラ及び該インペラを備えた回転機械を提供する。【解決手段】軸線Ｏを中心とする円盤状をなすディスク３０と、該ディスク３０の軸線Ｏ方向一方側を向く面に軸線Ｏの周方向に間隔をあけて複数設けられ、軸線Ｏの径方向内側から外側に向かうにしたがって回転方向Ｒ後方側に延びるとともに、軸線Ｏ方向一方側から流入する流体を径方向外側に向かって排出する流路を形成するブレード４０と、ブレード４０における回転方向Ｒ後方側を向く負圧面４２から突出し、流体の流れ方向に沿って延びるフィン５０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、インペラ及び回転機械に関する。

産業用圧縮機やターボ冷凍機、小型ガスタービン、ポンプ等に用いられる回転機械として、回転軸に固定されたディスクに複数のブレードを取り付けたインペラを備えたものが知られている。上記回転機械は、インペラを回転させることで、ガスに圧力エネルギー及び速度エネルギーを与えている。
例えば特許文献１には流体の流れ方向に沿って延びる溝をブレードの圧力面及び負圧面の両面に形成することで、二次流れの抑制を図ったインペラが開示されている。このインペラでは、乱流状態の流体流れを溝に沿った流れに規制することで、整流状態に遷移させるとされている。

特開平９−１００７９７号公報

しかしながら、上記特許文献１のインペラでは、ブレード内の溝内で渦が発生してしまうため、却って流路中の乱流状態を促進させてしまい、その結果、剥離が生じ易くなってしまう他、混合損失が増加してしまうという欠点がある。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、二次流れをより効果的に抑制することができるインペラ及び該インペラを備えた回転機械を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用している。
即ち、本発明の第一態様に係るインペラは、軸線を中心とする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を向く面に前記軸線の周方向に間隔をあけて複数設けられ、前記軸線の径方向内側から外側に向かうにしたがって回転方向後方側に延びるとともに、前記軸線方向一方側から流入する流体を径方向外側に向かって排出する流路を形成するブレードと、前記ブレードにおける回転方向後方側を向く負圧面から突出し、前記流体の流れ方向に沿って延びるフィンと、を備える。

上記構成により、遠心力によってブレードの負圧面を径方向外側に駆け上がる二次流れが、フィンによって抑制される。即ち、当該二次流れはフィンに接触することによって主流の流れ方向に向きが変えられる。また、ブレードに溝を形成した場合に比べて乱流が発生し難いため、乱流損失を抑えることができる。

上記インペラでは、前記フィンは、前記ブレードの前縁から後縁側に向かって延びていることが好ましい。

インペラのブレード間の流路のうち前縁側の流路は、主流の方向と遠心力の方向とが大きく異なるため、二次流れが発達し易い。この点、前縁からフィンが存在することで、インペラの入口での二次流れを抑えることができる。

上記インペラでは、前記フィンは、前記ブレードにおける前縁と後縁との中間位置よりも前縁側から該中間位置よりも後縁側に延びていてもよい。

上記中間位置よりも前縁側では、主流の方向と遠心力の方向とが大きく異なるため、当該中間位置よりも後縁側までフィンを伸ばすことで、インペラ全体としての二次流れを大きく抑えることができる。

上記インペラでは、前記フィンは、前記負圧面と前記ブレードにおける前記回転方向前方側を向く正圧面とのうち、前記負圧面のみに設けられていてもよい。

各ブレードの回転方向前方側を向く圧力面では圧力が大きくなり、回転方向後方側を向く負圧面では圧力が小さくなるため、互いに隣り合うブレードの圧力面から負圧面に向かって圧力が小さくなる圧力勾配が生じる。そのため、二次流れは、圧力面から負圧面に向かうことになる。本発明では、負圧面のみにフィンがあるため負圧面に導かれる二次流れを主流の流れ方向に転向させることができる。一方で、圧力面にはフィンがないため、表面積の拡大による摩擦抵抗の増加を抑えることができる。

上記インペラでは、前記フィンは、前記ブレードの前記ディスク側と該ブレードのチップ側との間で、互いに間隔をあけて複数設けられていてもよい。

複数のフィンがあることで、二次流れの上流側となるディスク側のフィンによって転向し切れなかった二次流れを、次のフィンによって転向させることができる。

上記インペラでは、前記複数のフィンのうちの最も前記ディスク側に配置された前記フィンである第一フィンと前記ディスクとの間隔は、該第一フィンと前記複数のフィンのうちの該第一フィンに隣り合う第二フィンとの間隔よりも小さく設定されていてもよい。

二次流れはディスクから離間する流れであるため、当該ディスク側が上流側となる。第一フィンとディスクとの間隔が小さいため、二次流れの上流側となるディスク側で、積極的に二次流れを捕まえて主流方向に転向させることができる。また、第一フィンと第二フィンとの間隔は大きいため、第一フィンを乗り越えた二次流れがその直後に第二フィンに衝突することにより生じる衝突損失を低減させることができる。

上記インペラでは、前記フィンは、前記ブレードの前縁側から後縁側に向かうに従って、前記ブレードの前記負圧面からの突出量が小さくなってもよい。

二次流れは、主流の方向と遠心力の方向とが大きくことなるブレードの前縁側で生じ易いため、前縁側でフィンの突出量を大きくすることで二次流れを効果的に抑制することができる。また、後縁側では二次流れの影響が小さいため、フィンの突出量を小さくすることで、フィンと流体との接触によって生じる摩擦損失を抑制することができる。

本発明の第二態様に係る回転機械は、上記いずれかのインペラを備えることを特徴とする。

これにより、インペラ内での二次流れを抑えることでインペラの出口での混合損失が低減されるため、回転機械としての効率を向上させることができる。

本発明に係るインペラ及び回転機械によれば、二次流れをより効果的に抑制することができる。

実施形態に係る回転機械の縦断面図である。 実施形態に係るインペラの縦断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 フィンが設けられていないインペラの縦断面図であって、二次流れの挙動を説明する図である。 図３に対応する図面であって、フィンが設けられていない場合の二次流れの挙動を説明する図である。 第一変形例に係るインペラの縦断面図である。 第二変形例に係るインペラの縦断面図である。 第三変形例に係るインペラのブレードを平面状に表した場合の該ブレード及びフィンの模式図である。

以下、本発明に係るインペラ２０を備えた圧縮機（回転機械）について、図１〜図５を参照して説明する。
図１に示すように、圧縮機１は、回転軸２、ジャーナル軸受５、スラスト軸受６、インペラ２０、及びケーシング１０を備えている。本実施形態の圧縮機１は、インペラ２０を複数段備えたいわゆる一軸多段遠心圧縮機である。

回転軸２は、水平方向に沿う軸線Ｏ方向に延びる円柱状をなしている。回転軸２は、軸線Ｏ方向の第一端部３側（軸線Ｏ方向一方側）および第二端部４側（軸線Ｏ方向他方側）で、ジャーナル軸受５によって軸線Ｏ回りに回転可能に支持されている。回転軸２は、第一端部３がスラスト軸受６によって支持されている。

インペラ２０は、回転軸２の外周面に外嵌されており、軸線Ｏ方向に間隔をあけて複数段が設けられている。これらインペラ２０は、回転軸２とともに軸線Ｏ回りに回転することで、軸線Ｏ方向から流入するガス（流体）を径方向外側に向かって圧送する。インペラ２０の詳細構造については後述する。

ケーシング１０は、筒状に形成された部材であって、回転軸２、インペラ２０、および、ジャーナル軸受５等を収容する。ケーシング１０は、ジャーナル軸受５を介して回転軸２を回転自在に支持している。これによりケーシング１０に対して回転軸２に取り付けられたインペラ２０が相対回転可能となっている。
ケーシング１０は、導入流路１１、接続流路１３及び排出流路１６を有している。

導入流路１１は、複数のインペラ２０のうち最も軸線Ｏ方向一方側に配置された最前段のインペラ２０に対してケーシング１０の外部からガスを導入する。導入流路１１は、ケーシング１０の外周面に開口しており、当該開口部はガスの吸込み口１２とされている。該導入流路１１は、径方向内側の部分で最前段のインペラ２０の軸線Ｏ方向一方側に接続されている。

接続流路１３は、軸線Ｏ方向に隣り合う一対のインペラ２０を接続する流路である。接続流路１３は、前段側のインペラ２０から径方向外側に排出されるガスを、後段側のインペラ２０に軸線Ｏ方向一方側から導入する。接続流路１３は、ディフューザ流路１４及びリターン流路１５を有している。
ディフューザ流路１４は、インペラ２０の径方向外側に接続されており、インペラ２０から径方向外側に排出されるガスを径方向外側に導きながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する。リターン流路１５は、ディフューザ流路１４の径方向外側に接続されて径方向外側に向かうガスを径方向内側に転向させて後段側のインペラ２０に案内する。

排出流路１６は、複数のインペラ２０のうち最も軸線Ｏ方向他方側に配置された最後段のインペラ２０から径方向外側に排出されるガスをケーシング１０の外部に排出する。排出流路１６は、ケーシング１０の外周面に開口しており、当該開口部はガスの排出口１７とされている。該排出流路１６は、径方向内側の部分で最後段のインペラ２０の径方向外側に接続されている。

次に、図２及び図３を参照して、インペラ２０の詳細構成について説明する。インペラ２０は、ディスク３０、ブレード４０及びカバー３６を有している。
ディスク３０は、軸線Ｏを中心とした円盤状に形成されている。ディスク３０には、軸線Ｏを中心とした円形をなして軸線Ｏ方向に貫通する貫通孔３１が形成されている。貫通孔３１の内周面３７が回転軸２の外周面に嵌まり込むことによって、インペラ２０が回転軸２に一体に固定されている。

ディスク３０における軸線Ｏ方向他方側を向く面は、軸線Ｏに直交する平面状をなすディスク背面３２とされている。ディスク３０における貫通孔３１の軸線Ｏ方向一方側の端部からディスク背面３２の径方向外側の端部にかけては、軸方向一方側から他方側に向かうに従って漸次径方向外側に向かって延びるディスク主面３３が形成されている。ディスク主面３３は、軸線Ｏ方向一方側の部分は、径方向外側を向いており、軸線Ｏ方向他方側に向かうにしたがって軸線Ｏ方向一方側を向くように漸次湾曲している。即ち、ディスク主面３３は、軸線Ｏ方向一方側から他方側に向かうに従って漸次拡径している。ディスク主面３３は、凹曲面状をなしている。
本実施形態では、ディスク主面３３の軸線Ｏ方向一方側の端部と貫通孔３１の軸線Ｏ方向一方側の端部との間には、軸線Ｏ方向に直交する平面状をなすディスク前端面３４が形成されている。ディスク主面３３の軸線Ｏ方向他方側の端部とディスク背面３２の径方向外側の端部との間には、軸線Ｏ方向に延びてディスク３０の外周縁部となるディスク外端面３５が設けられている。

ブレード４０は、ディスク３０におけるディスク主面３３に軸線Ｏの周方向に間隔をあけて複数設けられている。各ブレード４０は、径方向内側から径方向外側に向かうに従ってインペラ２０の回転方向Ｒ後方側（周方向一方側）に向かって湾曲している。ブレード４０は、回転方向Ｒの前方側に向かって凸となる凸曲面をなしながら延びている。ブレード４０は、径方向内側の端部を前縁４３とし径方向外側の端部を後縁４４とした翼形状をなしている。ブレード４０における回転方向Ｒ前方側を向く面は圧力面４１とされ、回転方向Ｒ後方側を向く面は負圧面４２とされている。

カバー３６は、複数のブレード４０を軸線Ｏ方向一方側から覆っている。カバー３６は、ディスク３０との間にブレード４０を挟むように、ディスク３０と対向して設けられている。カバー３６の内周面３７は、軸線Ｏ方向一方側から他方側に向かうにしたがって漸次拡径するように形成されている。カバー３６の内周面３７は、ディスク主面３３と対応するように該ディスク主面３３同様に湾曲している。カバー３６の内周面３７には、ブレード４０におけるディスク主面３３側とは反対側の端部であるチップが固定されている。
カバー３６の内周面３７、ディスク主面３３及びブレード４０によって、これらの間に軸線Ｏ方向一方側から他方側に向かうに従って、回転方向Ｒ後方側に湾曲するように延びる流路が形成されている。

フィン５０は、ブレード４０の圧力面４１と負圧面４２とのうち、負圧面４２のみに設けられている。フィン５０は、負圧面４２から回転方向Ｒ後方側に向かって突出するとともに、ブレード４０の負圧面４２の前縁４３側から後縁４４側にむかってガスの流れ方向（主流の流れ方向）に延びている。
本実施形態では、フィン５０の上流側の端部は、ブレード４０の前縁４３に一致している。即ち、フィン５０は、ブレード４０の前縁４３から後縁４４側に向かって延びている。
フィン５０の下流側の端部はブレード４０の後縁４４に一致している。即ち、フィン５０は、ブレード４０の後縁４４に至るまで延びている。

フィン５０は、ブレード４０におけるディスク３０側とチップ側との間で、互いにブレード４０の高さ方向（ブレード４０のディスク３０からチップ側に向かう方向）に間隔をあけて２つが設けられている。なお、フィン５０は、３つ以上の複数が設けられていてもよい。各フィン５０は、それぞれブレード４０の前縁４３から後縁４４にわたって延びている。なお、各フィン５０は、ブレード４０の前縁４３と後縁４４との中間位置を跨るように延びていることが好ましい。即ち、ブレード４０の前縁４３は当該中間位置よりも前縁４３側に位置し、ブレード４０の後縁４４は当該中間位置よりも後縁４４側に位置していることが好ましい。

ここで、互いに隣り合う２つのフィン５０のうち、ディスク３０側のフィン５０を第一フィン５０とし、チップ側のフィン５０を第二フィン５０とする。第一フィン５０はディスク３０からブレード４０の高さ方向に置換して配置されており、第二フィン５０は、第一フィン５０からさらにブレード４０の高さ方向に離間し、かつ、ブレード４０のチップとも離間している。
本実施形態では、ディスク３０と第一フィン５０との間隔をＬ１、第一フィン５０と第二フィン５０との間隔をＬ２とした場合に、Ｌ１＜Ｌ２の関係が成立している。ここで、Ｌ１、Ｌ２は、それぞれブレード４０の後縁４４での間隔としてもよいし、ブレード４０の任意の箇所における主流の流れ方向に直交する直線上の間隔としてもよい。また、Ｌ１、Ｌ２をそれぞれ前縁４３から後縁４４の平均間隔としてもよい。

次に、本実施形態のインペラ２０及び圧縮機１の作用効果について説明する。
回転軸２の回転に伴ってインペラ２０が回転すると、該インペラ２０内の流路に軸線Ｏ方向一方側からガスが導入される。このようにインペラ２０内に導入されたガスは、流路内を径方向外側に向かう過程で、ブレード４０の圧力面４１からエネルギーが付与されて昇圧される。

ここで、図４に示すように、仮にフィン５０がないインペラ２０の場合には、流路における負圧面４２側、かつ、ブレード４０のチップ側（カバー３６側）に向かって二次流れＳが流れる。
各ブレード４０の回転方向Ｒ前方側を向く圧力面４１では圧力が大きくなり、回転方向Ｒ後方側を向く負圧面４２では圧力が小さくなる。そのため、互いに隣り合うブレード４０の圧力面４１から負圧面４２に向かって圧力が小さくなる圧力勾配が生じる。この圧力勾配によって、圧力面４１から負圧面４２側へと流れる二次流れＳが発生する。
また、インペラ２０の入口側は、主流の流れ方向と遠心力の方向が異なるため、当該入口側での遠心力の影響を受けるガスによって二次流れＳが発生する。
このような二次流れＳが発生すれば、主流との混合損失が発生する他、流路における負圧面４２側かつチップ側の部分に昇圧されない低エネルギー流体Ｅが集積される結果、昇圧されないガスを排出することになり、インペラ２０全体としての効率が低下する。

これに対して本実施形態では、インペラ２０の負圧面４２に流れ方向に沿うフィン５０が設けられているため、図２及び図３に示すように、特にブレード４０のディスク３０側からチップ側に向かって負圧面４２に沿って流れる二次流れＳを主流の流れ方向に転向させることができる。即ち、該二次流れＳはフィン５０に接触することによって主流の流れ方向に向きが変えられる。そのため、二次流れＳを抑制することができる。
ここで、例えば、ブレード４０に流れ方向に沿う溝を形成した場合には、当該溝によって発生する乱流により、インペラ２０全体として乱流損失が増大することになる。本実施形態では、フィン５０によって二次流れＳを転向させているため、乱流損失が発生することを抑制できる。

また、インペラ２０のブレード４０間の流路のうち前縁４３側の流路は、上述のように主流の方向と遠心力の方向とが大きく異なるため、二次流れＳが発達し易い。本実施形態では、前縁４３からフィン５０が存在することで、インペラ２０の入口での二次流れＳを抑えることができる。

さらに、特にブレード４０の前縁４３と後縁４４と中間位置よりも前縁４３側では、主流の方向と遠心力の方向とが大きく異なるため、当該中間位置よりも後縁４４側までフィン５０を伸ばすことで、インペラ２０全体としての二次流れＳを大きく抑えることができる。

また、本実施形態では、負圧面４２のみにフィン５０があるため、圧力勾配や遠心力に従って負圧面４２に導かれる二次流れＳを主流の流れ方向に転向させることができる。一方で、圧力面４１にはフィン５０がないため、不用意に表面積が拡大することを回避し、摩擦抵抗の増加を抑えることができる。

さらに、本実施形態では、複数のフィン５０があることで、二次流れＳの上流側となるディスク３０側のフィン５０によって転向し切れなかった二次流れＳを、次のフィン５０によって転向させることができる。

ここで、二次流れＳはディスク３０から離間する流れであるため、当該ディスク３０側が上流側となる。本実施形態では、Ｌ１＜Ｌ２の関係が成立しており、即ち、第一フィン５０とディスク３０との間隔Ｌ１が小さいため、二次流れＳの上流側となるディスク３０側で、積極的に二次流れＳを捕まえて主流方向に転向させることができる。また、第一フィン５０と第二フィン５０との間隔が大きいため、第一フィン５０を乗り越えた二次流れＳがその直後に第二フィン５０に衝突することにより生じる衝突損失を低減させることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば第一変形例として、図６に示すように、フィン５０の下流側の端部をブレード４０の後縁４４から離間して該後縁４４の上流側に配置してもよい。即ち、第一変形例のフィン５０は、ブレード４０の前縁４３から後縁４４に至るまでの途中まで延びている。これによっても、二次流れＳの影響が大きい流路の上流側でフィン５０によって該二次流れＳを主流の流れ方向に転向させながら、二次流れＳの影響が小さい下流側ではフィン５０が存在しないことで摩擦損失を低減することができる。

さらに、第二変形例として、図７に示すように、第一変形例に加えて、フィン５０の上流側の端部をブレード４０の前縁４３から下流側に離間して設けてもよい。ブレード４０の前縁４３に近接した部分では流入するガスに対してブレード４０からエネルギーが与えられて間もないため、二次流れＳは大きく発生しないことがある。よって、前縁４３に近接したではフィン５０を設けないことで、摩擦損失の低下を図ることができる。

また、第三変形例として、例えば図８に示すように、ブレード４０の前縁４３から後縁４４に至るフィン５０の該ブレード４０の負圧面４２からの高さ（突出量）を、前縁４３から後縁４４に向かうに従って漸次小さくしてもよい。上述の通り、前縁４３側の部分では遠心力による影響が顕著であるため、二次流れＳが大きい前縁４３側の部分ではフィン５０の高さを大きくする。これにより、二次流れＳを効果的に抑制しながら、インペラ２０全体としての摩擦損失を低減させることができる。
実施形態では複数のフィン５０を備えた例について説明したが、フィン５０が１つのみ備えた構成であってもよい。

また、インペラ２０としてはカバー３６を備えたクローズインペラのみならず、本発明をカバー３６を備えていないオープンインペラに適用してもよい。
実施形態では、回転機械として圧縮機１を例に説明したが、例えばポンプ等の他の回転機械に本発明を適用してもよい。

１ 圧縮機
２ 回転軸
３ 第一端部
４ 第二端部
５ ジャーナル軸受
６ スラスト軸受
１０ ケーシング
１１ 導入流路
１２ 吸込み口
１３ 接続流路
１４ ディフューザ流路
１５ リターン流路
１６ 排出流路
１７ 排出口
２０ インペラ
３０ ディスク
３１ 貫通孔
３２ ディスク背面
３３ ディスク主面
３４ ディスク前端面
３５ ディスク外端面
３６ カバー
３７ 内周面
４０ ブレード
４１ 圧力面
４２ 負圧面
４３ 前縁
４４ 後縁
５０ フィン
Ｏ 軸線
Ｒ 回転方向
Ｓ 二次流れ

Claims (8)

1. 軸線を中心とする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を向く面に前記軸線の周方向に間隔をあけて複数設けられ、前記軸線の径方向内側から外側に向かうにしたがって回転方向後方側に延びるとともに、前記軸線方向一方側から流入する流体を径方向外側に向かって排出する流路を形成するブレードと、
   前記ブレードにおける回転方向後方側を向く負圧面から突出し、前記流体の流れ方向に沿って延びるフィンと、
   を備えるインペラ。
2. 前記フィンは、前記ブレードの前縁から後縁側に向かって延びている請求項１に記載のインペラ。
3. 前記フィンは、前記ブレードにおける前縁と後縁との中間位置よりも前縁側から該中間位置よりも後縁側に延びている請求項１又は２に記載のインペラ。
4. 前記フィンは、前記負圧面と前記ブレードにおける回転方向前方側を向く正圧面とのうち、前記負圧面のみに設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載のインペラ。
5. 前記フィンは、前記ブレードの前記ディスク側と該ブレードのチップ側との間で、互いに間隔をあけて複数設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載のインペラ。
6. 前記複数のフィンのうちの最も前記ディスク側に配置された前記フィンである第一フィンと前記ディスクとの間隔は、該第一フィンと前記複数のフィンのうちの該第一フィンに隣り合う第二フィンとの間隔よりも小さく設定されている請求項５に記載のインペラ。
7. 前記フィンは、前記ブレードの前縁側から後縁側に向かうに従って、前記ブレードの前記負圧面からの突出量が小さくなる請求項１から６のいずれか一項に記載のインペラ。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のインペラを備える回転機械。

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