(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記孔部は、前記圧力面側に設けられた1つの流入口を有し、前記流入口にそれぞれ連通するとともに前記負圧面側に設けられた複数の噴射口を有する請求項1から5のいずれか一項に記載のインペラ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記特許文献1のシュラウドレスブレードでは、ブレードの負圧面側における径方向外側の領域で二次流れによる渦が形成されることで、該領域に低エネルギー流体が滞留し、インペラとしてエネルギー損失を生じる。
【0006】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、エネルギー損失を抑制した効率の高いインペラを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するため、本発明の第一の態様に係るインペラ、及び遠心圧縮機では、以下の手段を採用している。
本発明の一態様に係るインペラは、軸線回りに回転するディスクと、該ディスクの軸線方向一方側の面に、周方向に間隔をあけて複数設けられて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画成するブレードと、を備え、
前記ブレードは、径方向内側から外側に向かうに従って、軸線方向の寸法が減少するように形成され、前記ブレードに、回転方向前方側を向く圧力面と回転方向後方側を向く負圧面と
を連通する孔部が形成され
、前記孔部が前記ブレードを貫通する方向は、前記ディスクを基準とする前記ブレードの高さ方向における中間位置を前記軸線方向に結んだ線に沿うように設定されている。
【0008】
この構成によれば、流路内部を流通する流体の一部が孔部を経てジェット流として負圧面側の流路内部に噴出される。該ジェット流により、ブレードの負圧面側で生じる二次流れ、及び渦を散逸させることができる。
【0009】
また、本発明の一態様に係るインペラでは、孔部は、圧力面側から負圧面側に向かうにしたがって、流路の下流側に向かって延びている構成としてもよい。
【0010】
この構成によれば、孔部から噴出されたジェット流が流路の負圧面側における流体の主流と略同じ方向に向かって流れるため、主流の流れを妨げることなく、二次流れ、及び渦を散逸させることができる。
【0011】
さらに、本発明の一態様に係るインペラでは、複数の孔部が、ダクトの径方向内側から外側に向かって互いに離間して配列されている構成としてもよい。
【0012】
この構成によれば、孔部から噴出されるジェット流の流量が増加するとともに、負圧面側におけるより広い領域に対してジェット流が噴射されるため、負圧面側で発生する二次流れ、渦をより効果的に散逸させることができる。
【0013】
さらに、本発明の一態様に係るインペラでは、孔部は、圧力面側から負圧面側に向かうにしたがって開孔面積が拡大する構成としてもよい。
【0014】
この構成によれば、孔部から噴出するジェット流の圧力を下げる方向に適宜調節することができる。これにより、ジェット流が主流の流れを妨げることのないように適切に調節されるとともに、二次流れ、及び渦を効果的に散逸させることができる。
【0015】
また、本発明の一態様に係るインペラでは、孔部は、圧力面側から負圧面側に向かうにしたがって開孔面積が縮小する構成としてもよい。
【0016】
この構成によれば、孔部から噴出するジェット流の圧力を上げる方向に適宜調節することができる。これにより、ジェット流が主流の流れを妨げることのないように適切に調節されるとともに、二次流れ、及び渦を効果的に散逸させることができる。
【0017】
加えて、本発明の一態様に係るインペラでは、孔部は、該孔部の内周面に螺旋状に形成された溝を有する構成であってもよい。
【0018】
この構成によれば、孔部から噴出されたジェット流に対して、螺旋状の溝によって旋回成分が与えられる。旋回成分を含む流体が、二次流れ、及び渦に衝突するため、これら二次流れ、渦をより効果的に散逸させることができる。
【0019】
さらに、本発明の一態様に係るインペラでは、孔部は、圧力面側に設けられた1つの流入口を有し、流入口にそれぞれ連通するとともに負圧面側に設けられた複数の噴射口を有する構成としてもよい。
【0020】
この構成によれば、圧力面側に設けられる流入口が1つであるのに対して、負圧面側に設けられる噴射口が複数に分かれているので、負圧面側におけるより広い領域に対してジェット流が噴射されるため、負圧面側で発生する二次流れ、渦をより効果的に散逸させることができる。
【0021】
さらに、本発明は、上述のいずれかの態様に係るインペラを備える遠心圧縮機を提供する。
【発明の効果】
【0022】
本発明のインペラによれば、エネルギー損失を抑制した効率の高いインペラを提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0024】
次に、この発明の実施形態における回転機械のインペラについて図面を参照しながら説明する。この実施形態のインペラは、回転機械である遠心型圧縮機のインペラを一例に説明する。
【0025】
(第一実施形態)
本実施形態の回転機械である遠心圧縮機100は、一例として、
図1に示すように、主として、軸線O周りに回転させられるシャフト102と、シャフト102に取り付けられて遠心力を利用してプロセスガス(気体)Gを圧縮するインペラ1と、シャフト102を回転可能に支持すると共にプロセスガスGを上流側から下流側に流す流路104が形成されたケーシング105と、によって構成されている。
【0026】
ケーシング105は、略円柱状の外郭をなすように形成され、中心を貫くようにシャフト102が配置されている。ケーシング105のうちシャフト102の軸方向の両端には、ジャーナル軸受105aが設けられ、一端には、スラスト軸受105bが設けられている。これらジャーナル軸受105a及びスラスト軸受105bはシャフト102を回転可能に支持している。即ち、シャフト102は、ジャーナル軸受105a及びスラスト軸受105bを介してケーシング105に支持されている。
また、ケーシング105のうち軸方向の一端側にはプロセスガスGを外部から流入させる吸込口105cが設けられ、他端側にはプロセスガスGが外部に流出する排出口105dが設けられている。ケーシング105内には、これら吸込口105c及び排出口105dにそれぞれ連通し、縮径及び拡径を繰り返す内部空間が設けられている。この内部空間は、インペラ1を収容する空間として機能すると共に上記流路104としても機能する。
即ち、吸込口105cと排出口105dとは、インペラ1及び流路104を介して連通している。
【0027】
インペラ1は、シャフト102の軸方向に間隔を空けて複数配列されている。なお、
図1では、インペラ1は6つ設けられているが少なくとも1つ以上設けられていればよい。
【0028】
インペラ1は、ディスク2と複数のブレード3とを備えて構成される。ディスク2は、正面視で略円形に形成され、上述した軸線Oを中心として軸周りに回転可能になっている。ディスク2には、軸線Oから径方向外側にやや離間した径方向内側の所定の位置Sから径方向外側に向かってディスク面4が湾曲形成されている。この湾曲形成されたディスク面4は、径方向内側に位置する面が軸線Oに沿って形成されるとともに、径方向外側に向かうにつれて徐々に径方向に沿う凹型に形成される。つまり、ディスク2は、その軸線Oからやや離間した径方向内側の位置Sから径方向外側に向かうほどその軸方向厚さ寸法が軸方向端面の一方(上流側)から減少し、この軸方向厚さ寸法の減少量が内側ほど大きく外側ほど小さくなっている。
【0029】
上述したディスク面4には、複数のブレード3が略放射状に配置されるとともに、ディスク面4に対しては略垂直に立設されている。このブレード3は、ディスク面4側の端部からディスク面4側と反対側のチップ側端部にわたって厚さが略一様に形成されている。また、ブレード3は軸線O方向から見て、径方向内側の端部から径方向外側の端部にわたってディスク2の回転方向に向かって若干凸面となる湾曲した形状を有している。インペラ1が回転することで、湾曲形状のブレード3の凹面側および凸面側の各ブレード面のうち凸面側のブレード面が圧力面pとなる一方、凸面の裏側である凹面側のブレード面が負圧面nとなる。
【0030】
図2は、
図1のA−A線における断面を示す図である。なお、A−A線は、ディスク面4を基準とするブレード3の高さ方向における中間位置を通る線である。
図2に示すように、ブレード3のチップ端tはディスク2の径方向内側から径方向外側にかけて湾曲するように形成されている。より具体的には、上述したディスク面4と同様に、径方向内側ほど軸線Oに沿い、径方向外側に向かうにつれて徐々に径方向に沿う凹型に形成されている。
そして、ブレード3は、ディスク面4を基準にするとその高さ寸法が、ディスク2の径方向内側ほど高く、径方向外側ほど低く形成される。
【0031】
インペラ1は、ブレード3のチップ端t側がケーシング105(
図1参照)で覆われており、このケーシング105により構成されるシュラウド面5と、上述した隣り合うブレード3の圧力面pおよび負圧面nと、これら圧力面pと負圧面nとの間のディスク面4とによってインペラ1のインペラ流路10が構成される。すなわち、1つのブレード3を介して2つのインペラ流路10,10が互いに隣り合うように構成される。
【0032】
さらに、ブレード3の延在中途には、圧力面pから負圧面nに向かってブレード3を貫通する孔部Hが形成されている。孔部Hはブレード3を、厚さ方向に対して所定の角度をなして貫通するように形成されている。言い換えると、孔部Hは圧力面p側における流入口H1と負圧面n側における噴射口H2との位置がディスク2の周方向から見て互いにずれるようにして形成されるとともに、流入口H1と噴射口H2とが互いに直線的に連通するように形成されている。すなわち、ブレード3を介して互いに隣り合う2つのインペラ流路10,10は、孔部Hによって互いに連通される。
さらに、本実施形態では、インペラ1の周方向から見た場合における、孔部Hの貫通する方向が、ディスク面4を基準とするブレード3の高さ方向における中間位置を軸線方向に結んだ線と概ね同一となるように設定される。
【0033】
孔部Hを貫通する方向から見た孔部Hの断面形状は円形をなしている。ここで、孔部Hの開孔寸法は、設計に応じて適宜決定されるものであるが、本実施形態では孔部Hの流入口H1と噴射口H2は同じ開孔寸法を有している。
【0034】
次に、ブレード3を圧力面p側から見た場合における孔部H(流入口H1)の設けられる位置について
図4を参照して説明する。すなわち、孔部Hが設けられる位置は、
図4における領域Aの内側である。領域Aは、ブレード3の表面における流体の流れ方向に沿った仮想曲線L1と、該仮想曲線とそれぞれ直交する仮想曲線L2,L3、及びディスク面4で囲まれた領域である。
【0035】
仮想曲線L1は、上述のように流体の流れ方向に沿って湾曲するとともに、ディスク面4からブレード3のチップ端tにわたる高さ寸法の約60%の位置を通るように設定される。また、仮想曲線L2はブレード3における、インペラ流路10の入口6側の端縁から出口7側の端縁にわたる寸法の約20%の位置を通るように設定される。同様にして、仮想曲線L3は入口6側の端縁から出口7側の端縁にわたる寸法の約60%の位置を通るように設定される。つまり、領域Aは、円弧状に形成された一対の長辺と、それら長辺を結ぶ一対の短辺から形成された略矩形の領域であって、ディスク面4と同様に、径方向内側ほど軸線Oに沿い、径方向外側に向かうにつれて徐々に径方向に沿う凹型に形成されている。そして、ブレード3は、ディスク面4を基準にするとその高さ寸法が、ディスク2の径方向内側ほど高く、径方向外側ほど低く形成される。
なお、上述の説明では、圧力面p側における流入口H1の設けられる位置について説明したが、噴射口H2も流入口H1と同様に、領域Aの内側に含まれるようにして形成される。
【0036】
以上のように、インペラ1におけるブレード3のチップ端t側は、ケーシング105(
図1参照)で覆われて、このケーシング105により構成されるシュラウド面5と、上述した隣り合うブレード3の圧力面pおよび負圧面nと、これら圧力面pと負圧面nとの間のディスク面4とによってインペラ1のインペラ流路10が構成されている。したがって、インペラ1が回転することにより、ディスク2の径方向内側に位置するインペラ流路10の入口6から流体が流入して、遠心力によって径方向外側に位置する出口7から外方へ流出する。すなわち、流体は
図2に示すように主流Fを形成する。また、主流Fは概ねディスク面4の湾曲する方向に沿って流通する。なお、主流Fはブレード3の高さ方向全体にわたって存在するが、
図2では1つの矢印によって主流Fの向かう代表的な方向を表している。
【0037】
ここで、ブレード3に孔部Hが設けられていない場合の主流Fの挙動について説明する。すなわち、インペラ流路10は、そのディスク2の径方向内側から径方向外側へ向かうに従い流れ方向が軸方向から径方向へと漸次変化しており、上述した入口6から出口7へ向かって湾曲形成される。このようにインペラ流路10が湾曲していること、及びインペラ1の回転に伴って径方向外側に向かう遠心力が発生することから、インペラ流路10では、主流Fに加えて
図2中の破線矢印で示す二次流れF2が形成される。ブレード3に孔部Hが形成されていない場合、この二次流れF2は、インペラ流路10の出口7側の後半部11の負圧面nに近いシュラウド面5側の領域kに到達して渦を形成する。つまり、二次流れF2は、領域kで低エネルギー流体として滞留する。
【0038】
しかしながら、本実施形態ではブレード3の延在中途に圧力面pから負圧面nに向かってブレード3を貫通する孔部Hが形成されている。この場合、インペラ流路10の入口6から流入した流体の一部は、圧力面p側の流入口H1から孔部Hに流入し、負圧面nの噴射口H2から、ブレード3を介して隣接するインペラ流路10(インペラ1の回転方向後方側のインペラ流路10)に向けて噴射される。そして、噴射口H2から噴射された流体は、ジェット流FJを形成する。前述のように、孔部Hはディスク面4を基準とするブレード3の高さ方向における中間位置を結んだ線の延在する方向と同一の方向をなしてブレード3を貫通している。すなわち、孔部Hの近傍を流れる主流Fの向かう方向と略同一である。したがって、孔部Hから噴射されるジェット流FJの流れる方向も主流Fの向かう方向と略同一となる。
【0039】
これにより、主流Fの流れる方向と異なる方向成分を持つ二次流れF2に対して、主流Fと略同一の方向成分を持つジェット流FJが衝突する。ここで、孔部Hの開孔容積は、インペラ流路10の容積に比して十分に小さいため、孔部Hを通過するジェット流FJは周囲に比して高い圧力を有する。言い換えると、ジェット流FJは、二次流れF2よりも大きな流速を有している。
したがって、二次流れF2は、ジェット流FJによって偏向されて、ジェット流FJと略同一の方向、すなわち主流Fと略同一の方向に向かう流れとなり、領域kに向かう方向成分は低減される。
【0040】
以上のように、本実施形態に係るインペラ1では、ブレード3に、回転方向前方側を向く圧力面pと回転方向後方側を向く負圧面nとに連通する孔部Hが形成されている。
これにより、二次流れF2に起因して領域kで生じていた渦は、孔部Hから噴射されるジェット流FJによって低減され、低エネルギー流体として領域kで滞留する成分が減少する。すなわち、インペラ1では二次流れF2による圧力損失が低減され、高い効率を得ることができる。
【0041】
また、孔部Hは、圧力面p側から負圧面n側に向かうにしたがって、インペラ流路10の下流側に向かって延びている。
これにより、主流Fの流れる方向と異なる方向成分を持つ二次流れF2に対して、主流Fと略同一の方向成分を持つジェット流FJを形成することができる。
【0042】
(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、第一実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【0043】
図5は、本実施形態に係るインペラ1のブレード3を示す図である。
図5に示すように、本実施形態に係るブレード3では、圧力面p側に設けられる流入口H1の開孔面積に対して、負圧面n側に設けられる噴射口H2の開孔面積が大きく形成されている。すなわち、圧力面p側から負圧面n側に向かうにしたがって該開孔面積が拡大するように孔部Hが形成されている。
この構成によれば、孔部Hが直管状に形成されている場合に比して、孔部Hを通過するジェット流FJの圧力を下げる方向に調節することができる。すなわち、ジェット流FJの流速を小さくすることが可能となる。したがって、より効果的に二次流れF2を低減することができる。
【0044】
なお、
図6に示すように、本実施形態に係るブレード3では、圧力面p側に設けられる流入口H1の開孔面積に対して、負圧面n側に設けられる噴射口H2の開孔面積が小さく形成されていてもよい。すなわち、圧力面p側から負圧面n側に向かうにしたがって該開孔面積が縮小するように孔部Hが形成されていてもよい。
この構成によれば、孔部Hが直管状に形成されている場合に比して、孔部Hを通過するジェット流FJの圧力を上げる方向に調節することができる。すなわち、ジェット流FJの流速を大きくすることが可能となる。したがって、より効果的に二次流れF2を低減することができる。
【0045】
(第三実施形態)
次に本発明の第三実施形態について
図7を参照して説明する。なお、上述の各実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【0046】
図7に示すように、本実施形態に係るブレード3では、複数の孔部Hがディスク2の径方向内側から径方向外側に向かって互いに離間して設けられている。
図7では孔部Hは3つ示されている。これら3つの孔部Hは、径方向内側に位置する孔部Hから径方向外側に位置する孔部Hになるほど、ディスク面4から離間するように略直線状に配列されている。また、これら3つの孔部Hは全て
図4に示す領域Aの内側に形成されている。
【0047】
この構成によれば、孔部Hが1つのみ設けられている場合に比して、より広い範囲に対してジェット流FJを噴射することができる。したがって、より効果的に二次流れF2を抑制することができる。
【0048】
なお、
図8に示すように、3つの孔部Hは、ディスク面4を基準とするブレード3の高さ方向に沿うようにして配列されていてもよい。この構成によっても、より広い範囲に対してジェット流FJを噴射することができ、より効果的に二次流れF2を低減することができる。
【0049】
(第四実施形態)
次に本発明の第四実施形態について
図9を参照して説明する。なお、上述の各実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【0050】
図9に示すように、本実施形態に係るブレード3では、孔部Hはその内周面に螺旋状の溝を有している。該溝は圧力面p側から負圧面n側に向かうにしたがって孔部Hの内周面上に沿って円を描くようにして形成されている。すなわち、該溝は雌ねじ様をなしている。なお、溝の周回方向は右回りであっても左回りであってもよい。
この構成によれば、孔部Hを通過するジェット流FJに対して溝の周回方向に準じた旋回成分を付与することができる。したがって、ジェット流FJが二次流れF2に衝突するに際して、旋回成分を含む流れが二次流れF2を拡散することで、より効果的に二次流れF2を低減することができる。
【0051】
(第五実施形態)
次に本発明の第五実施形態について
図10を参照して説明する。なお、上述の各実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【0052】
図10に示すように、本実施形態に係るブレード3では、孔部Hは圧力面p側に設けられた1つの流入口H1と、負圧面n側に設けられた複数の噴射口H2とを有している。
図10では3つの噴射口H2を有する構成を示している。3つの噴射口H2は、1つの流入口H1に対して、それぞれ連通している。また、3つの噴射口H2は、ディスク2の径方向内側から径方向外側に向かって互いに離間して配列されている。すなわち、孔部Hの内側には流入口H1を起点としてそれぞれの噴射口H2に向かう3つの流路が形成されている。さらに、該流路のうち最も径方向内側に位置する流路は流入口H1と直線的に連通している。
【0053】
この構成によれば、1つの流入口H1から導入されたジェット流FJは3つの流路に向かって3つの流れに分岐した後、3つの噴射口H2から負圧面n側に噴射される。したがって、負圧面n側における広い範囲に対してジェット流FJを供給することができる。また、圧力面p側に設けられる流入口H1が1つのみであることにより、ジェット流FJを形成するに当たって主流Fから取り出される流れの成分がより少なくて済む。
したがって、より効果的に二次流れF2を低減することができるとともに、ジェット流FJが主流Fに与える影響を抑制することができる。
【0054】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【0055】
例えば、上述の各実施形態では、孔部Hの開孔形状は円形であるが、孔部Hの開孔形状はこれに限定されず、矩形のスリット状や、三角形状等の多角形をなしていてもよい。また、長円形であってもよい。