特開 2024-86911 インペラ、及び遠心圧縮機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024086911

(43)【公開日】2024-06-28

(54)【発明の名称】インペラ、及び遠心圧縮機

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/30 20060101AFI20240621BHJP

【ＦＩ】

F04D29/30 C

【審査請求】有

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024066328

(22)【出願日】2024-04-16

(62)【分割の表示】P 2019156984の分割

【原出願日】2019-08-29

(71)【出願人】

【識別番号】310010564

【氏名又は名称】三菱重工コンプレッサ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100162868

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 英輔

(74)【代理人】

【識別番号】100161702

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100189348

【弁理士】

【氏名又は名称】古都 智

(74)【代理人】

【識別番号】100196689

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 康一郎

(72)【発明者】

【氏名】八木 信頼

(72)【発明者】

【氏名】中庭 彰宏

(72)【発明者】

【氏名】岡 寛哲

(57)【要約】

【課題】より簡素な構成によって応力が低減されることで、運転可能な回転数領域が拡大することが可能なインペラ、遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】インペラは、軸線回りに回転可能とされて、軸線方向一方側に向かうに従って径方向外側に向かって延びる外周面を有するディスクと、ディスクの前記外周面に周方向に間隔をあけて複数配置されたブレードと、複数のブレードを覆うようにディスクの外周面に対向して配置されたカバーと、を備え、ブレードの前縁が、カバー側からディスク側に向かうに従って軸線方向一方側に向かって延びる直線部と、ディスク側の端部を含む部分に設けられ、前縁から突出する突出部と、を有する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸線回りに回転可能とされて、前記軸線方向一方側に向かうに従って径方向外側に向かって延びる外周面を有するディスクと、
該ディスクの前記外周面に周方向に間隔をあけて複数配置されたブレードと、
前記複数のブレードを覆うように前記ディスクの外周面に対向して配置されたカバーと、
を備え、
前記ブレードの前縁が、
前記カバー側から前記ディスク側に向かうに従って前記軸線方向一方側に向かって延びる直線部と、
前記ディスク側の端部を含む部分に設けられ、前記前縁から突出する突出部と、
を有するインペラ。

【請求項2】

前記突出部は、径方向外側から内側に向かうに従って、軸線方向の他方側に延びている請求項１に記載のインペラ。

【請求項3】

前記突出部の端縁は、前記ディスク側に向かって凹となる曲面をなしている請求項１又は２に記載のインペラ。

【請求項4】

前記軸線に沿って延びる回転軸と、
該回転軸に固定された請求項１又は２に記載のインペラと、
前記回転軸、及び前記インペラを外周側から覆うケーシングと、
を備える遠心圧縮機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、インペラ、及び遠心圧縮機に関する。

【背景技術】

【0002】

遠心圧縮機に用いられるインペラとして、カバー型と呼ばれる形式のインペラが知られている。一例として下記特許文献１に記載されているように、この種のインペラは、ディスクと、ブレードと、カバーとを有している。ディスクの外周面は、軸線方向一方側に向かうに従って径方向外側に延びている。この外周面上には、周方向に間隔をあけて配列された複数のブレードが設けられている。カバーはこれらブレードを径方向外側から覆っている。

【0003】

遠心圧縮機の運転中には、インペラに対して回転に伴う遠心力が発生する。この遠心力によって、ブレードの両端縁（つまり、ディスク側の端縁、及びカバーの端縁）には、高い応力が生じる。このような応力が常態的にブレードに加わると、遠心圧縮機の安定的な運転に支障を来たす虞がある。言い換えれば、遠心圧縮機の運転可能な回転数領域は、この応力分布を一つの指標として決定される。そこで、ブレードの肉厚を大きくして剛性を高め、運転可能な回転数領域を広げる措置が取られる場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４－２３４８０３号公報

【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、上記のようにブレードの肉厚を単に大きくした場合、遠心圧縮機としての性能が低下する可能性がある。この性能の低下を補うために各部の形状や寸法を全面的に見直す必要も生じてしまう。

【0006】

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、より簡素な構成によって応力が低減されることで、運転可能な回転数領域が拡大されたインペラ、及び遠心圧縮機を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本開示に係るインペラは、軸線回りに回転可能とされて、前記軸線方向一方側に向かうに従って径方向外側に向かって延びる外周面を有するディスクと、該ディスクの前記外周面に周方向に間隔をあけて複数配置されたブレードと、前記複数のブレードを覆うように前記ディスクの外周面に対向して配置されたカバーと、を備え、前記ブレードの前縁が、前記カバー側から前記ディスク側に向かうに従って前記軸線方向一方側に向かって延びる直線部と、前記ディスク側の端部を含む部分に設けられ、前記前縁から突出する突出部と、を有する。

【0008】

本開示に係る遠心圧縮機は、前記軸線に沿って延びる回転軸と、該回転軸に固定された前記インペラと、前記回転軸、及び前記インペラを外周側から覆うケーシングと、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本開示のインペラ、及び遠心圧縮機によれば、より簡素な構成によって応力が低減されることで、運転可能な回転数領域が拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本開示の第一実施形態に係る遠心圧縮機の構成を示す断面図である。

【図2】本開示の第一実施形態に係るインペラを周方向から見た図である。

【図3】本開示の第二実施形態に係るインペラを周方向から見た図である。

【図4】本開示の変形例に係るインペラを周方向から見た図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

＜第一実施形態＞
（遠心圧縮機の構成）
以下、本開示の第一実施形態に係る遠心圧縮機１について、図１と図２を参照して説明する。図１に示すように、遠心圧縮機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。本実施形態の遠心圧縮機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。

【0012】

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方向他方側）および第二端部４側（軸線Ｏ方向一方側）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。

【0013】

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の詳細な構成については後述する。

【0014】

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。

【0015】

導入流路１１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方向他方側に接続されている。

【0016】

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方向他方側から導入する。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。

【0017】

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。

【0018】

（インペラの構成）
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の内面が回転軸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。

【0019】

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方向他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、軸方向他方側から一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方向他方側の部分は、径方向外側を向いており、軸線Ｏ方向一方側に向かうにしたがって軸線Ｏ方向他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方向他方側から一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。

【0020】

本実施形態では、ディスク主面３３の軸線Ｏ方向他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方向一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。

【0021】

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。各ブレード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。互いに隣り合う一対のブレード４０同士の間には、上述の導入流路１１、及び接続流路１３に連通する流路が形成されている。

【0022】

ブレード４０の前縁５１は、カバー３６の軸線Ｏ方向他方側の端部に近接した位置に配置されている。前縁５１は、直線部Ｓと、切欠部Ｃとによって構成されている。直線部Ｓは、カバー３６側からディスク３０側に向かうに従って、軸線Ｏ方向一方側に向かって延びている。切欠部Ｃは、この直線部Ｓの中途位置から当該直線部Ｓよりも後退している。切欠部Ｃは、周方向から見て円弧状をなしている。切欠部Ｃのディスク３０側の端部は、該ディスク３０の外周面（ディスク主面３３）からカバー３６側に離間した位置にある。

【0023】

切欠部Ｃは、当該切欠部Ｃの中心点を通り、前縁５１に直交する等分線Ｌを基準として、カバー３６側に位置する第一部分Ｃ１と、ディスク３０側に位置する第二部分Ｃ２とに分けられている。本実施形態ではこれら第一部分Ｃ１、及び第二部分Ｃ２が互いに連続する円弧状をなしている。このうち、第一部分Ｃ１は円弧状以外の形状（例えば矩形状）をなしていてもよい。一方で、第二部分Ｃ２は、第一部分Ｃ１の形状によらず、円弧状とされる。

【0024】

さらに、切欠部Ｃの延在寸法Ｄ（つまり、切欠部Ｃのカバー側の端部からディスク側の端部までの寸法：円弧の直径）は、前縁５１全体の寸法を１００％とした時、５０％以下とされる。より望ましくは、この寸法Ｄは、前縁５１全体の４０％以下とされる。最も望ましくは、寸法Ｄは前縁５１全体の３０％以下とされる。

【0025】

カバー３６は、複数のブレード４０を外周側から覆っている。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方向他方側から一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が固定されている。

【0026】

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。

【0027】

（作用効果）
次いで、遠心圧縮機１の動作について説明する。遠心圧縮機１を駆動するに当たっては、まず外部の動力源によって、回転軸２を回転させる。回転軸２の回転に伴って、インペラ２０が一体に回転する。これにより、上述の導入流路１１を通じて、外部の流体が遠心圧縮機１内に取り込まれる。流体は、インペラ２０のブレード４０同士の間の流路を流通するに従って圧縮され、高圧流体となって接続流路１３に流入する。接続流路１３に流入した流体は、さらに後段のインペラ２０によって圧縮される。このようなサイクルが最終段のインペラ２０に至るまで繰り返され、最終的に排出流路１６から目標圧力の流体が吐出する。

【0028】

ところで、遠心圧縮機１の運転中には、インペラ２０に対して回転に伴う遠心力が発生する。この遠心力によって、ブレード４０の両端縁（つまり、ディスク３０側の端縁、及びカバー３６側の端縁）には、高い応力が生じる。このような応力が常態的にブレード４０に加わると、遠心圧縮機１の安定的な運転に支障を来たす虞がある。言い換えれば、遠心圧縮機１の運転可能な回転数領域は、この応力分布を一つの指標として決定される。そこで、本実施形態では、ブレード４０の前縁５１に、直線部Ｓと、切欠部Ｃとが形成されている。

【0029】

上記構成によれば、当該切欠部Ｃが形成されている部分では、他の部分（直線部Ｓ）に比べて剛性が低くなる。したがって、インペラ２０の回転に伴う遠心力がブレード４０に加わった場合、応力の大部分は、当該切欠部Ｃが形成されている部分に集中する。言い換えれば、ブレード４０の前縁５１におけるディスク３０側の端部や、カバー３６側の端部に生じる応力を小さく抑えることができる。その結果、遠心力に対するインペラ２０の耐久性を高めることができる。その結果、遠心圧縮機１の運転可能な回転数領域を拡大することができる。

【0030】

上記構成によれば、切欠部Ｃが全体として円弧状をなすことから、例えば切欠部Ｃを矩形状に形成した場合に比べて、局所的な応力集中を抑えることができる。言い換えれば、当該部分における応力分布を緩やかにすることができる。したがって、前縁５１の全体のうち、切欠部Ｃに応力を積極的に集中させつつも、当該切欠部Ｃ内では応力の分布を均一化することができる。

【0031】

上記構成によれば、切欠部Ｃのディスク３０側の端部が、ディスク３０の外周面からカバー３６側に離間した位置にあることから、ブレード４０の剛性を確保しつつ、切欠部Ｃに応力を集中させることができる。

【0032】

＜第二実施形態＞
次に、本開示の第二実施形態について、図３を参照して説明する。なお、上記の第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態では、インペラ２０ｂの構成が第一実施形態とは異なっている。

【0033】

インペラ２０ｂでは、前縁５１のうち、カバー３６側の部分は直線部Ｓとされ、直線部Ｓよりもディスク３０側の部分は切欠部Ｃｂとされている。つまり、この切欠部Ｃｂの径方向内側の端部（ディスク３０側の端部）は、ディスク３０の外周面（ディスク主面３３）に接している。

【0034】

切欠部Ｃｂの延在寸法Ｄ（つまり、切欠部Ｃｂのカバー側の端部からディスク側の端部までの寸法：円弧の直径）は、前縁５１全体の寸法を１００％とした時、１０％以上４０％以下とされる。より望ましくは、この寸法Ｄは、前縁５１全体の２０％以上４０％以下とされる。最も望ましくは、寸法Ｄは前縁５１全体の４０％とされる。

【0035】

上記構成によれば、切欠部Ｃｂのディスク３０側の端部が、ディスク３０の外周面に接していることから、ブレード４０の剛性を確保しつつ、切欠部Ｃｂに応力をさらに集中させることができる。

【0036】

（その他の実施形態）
以上、本開示の実施の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の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、図４に示すように、インペラ２０ｃでは、前縁５１におけるディスク３０側の端部を含む部分に、前縁５１から突出する突出部Ｐが設けられていてもよい。この突出部Ｐは、径方向外側から内側に向かうに従って、軸線Ｏ方向の他方側に延びている。突出部Ｐの端縁は、ディスク３０側に向かって凹となる曲面をなしている。このような構成によれば、ブレード４０に生じた応力が、突出部Ｐにその応力の大部分を集中させることができる。

【0037】

＜付記＞
各実施形態に記載のインペラは、例えば以下のように把握される。

【0038】

（１）第１の態様に係るインペラは、軸線回りに回転可能とされて、前記軸線方向一方側に向かうに従って径方向外側に向かって延びる外周面を有するディスクと、該ディスクの前記外周面に周方向に間隔をあけて複数配置されたブレードと、前記複数のブレードを覆うように前記ディスクの外周面に対向して配置されたカバーと、備え、前記ブレードの前縁が、前記カバー側から前記ディスク側に向かうに従って前記軸線方向一方側に向かって延びる直線部と、該直線部よりも後退するとともに、少なくとも前記ディスク側の部分が周方向から見て円弧状に形成された切欠部と、を有する。

【0039】

上記構成によれば、ブレード４０の前縁５１に切欠部Ｃが形成されている。これにより、当該切欠部Ｃが形成されている部分では、他の部分（直線部Ｓ）に比べて剛性が低くなる。したがって、インペラ２０の回転に伴う遠心力がブレード４０に加わった場合、応力の大部分は、当該切欠部Ｃが形成されている部分に集中する。言い換えれば、ブレード４０の前縁５１におけるディスク３０側の端部や、カバー３６側の端部に生じる応力を小さく抑えることができる。その結果、遠心力に対するインペラ２０の耐久性を高めることができる。

【0040】

（２）第２の態様に係るインペラ２０では、前記切欠部Ｃの前記カバー３６側の部分が周方向から見て円弧状に形成されている。

【0041】

上記構成によれば、切欠部Ｃが全体として円弧状をなすことから、例えば切欠部Ｃを矩形状に形成した場合に比べて、局所的な応力集中を抑えることができる。言い換えれば、当該部分における応力分布を緩やかにすることができる。したがって、前縁５１の全体のうち、切欠部Ｃに応力を積極的に集中させつつも、当該切欠部Ｃ内では応力の分布を均一化することができる。

【0042】

（３）第３の態様に係るインペラ２０では、前記切欠部Ｃの前記ディスク３０側の端部は、該ディスク３０の前記外周面から前記カバー３６側に離間した位置にある。

【0043】

上記構成によれば、切欠部Ｃのディスク３０側の端部が、ディスク３０の外周面からカバー３６側に離間した位置にあることから、ブレード４０の剛性を確保しつつ、切欠部Ｃに応力を集中させることができる。

【0044】

（４）第４の態様に係るインペラ２０は、前記切欠部Ｃの前記ディスク３０側の端部から前記カバー３６側の端部までの長さは、前記前縁５１の長さに対して３０％以下である。

【0045】

上記構成によれば、ブレード４０の剛性を確保しつつ、切欠部Ｃに応力を集中させることができる。

【0046】

（５）第５の態様に係るインペラ２０ｂでは、前記切欠部Ｃｂの前記ディスク３０側の端部は、該ディスク３０の前記外周面と接している。

【0047】

上記構成によれば、切欠部Ｃｂのディスク３０側の端部が、ディスク３０の外周面に接していることから、ブレード４０の剛性を確保しつつ、切欠部Ｃｂに応力を集中させることができる。

【0048】

（６）第６の態様に係るインペラ２０ｂは、前記切欠部Ｃｂの前記ディスク３０側の端部から前記カバー３６側の端部までの長さは、前記前縁５１の長さに対して２０％以上４０％以下である。

【0049】

上記構成によれば、ブレード４０の剛性を確保しつつ、切欠部Ｃｂに応力を集中させることができる。

【0050】

（７）第７の態様に係る遠心圧縮機１は、前記軸線Ｏに沿って延びる回転軸２と、該回転軸２に固定された上記いずれか一の態様に係るインペラ２０，２０ｂと、前記回転軸２、及び前記インペラ２０，２０ｂを外周側から覆うケーシング１０と、を備える。

【0051】

上記構成によれば、遠心力に対するインペラ２０，２０ｂの耐久性が高められていることによって、遠心圧縮機１の運転可能な回転数領域をさらに拡大することができる。

【符号の説明】

【0052】

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
２０，２０ｂ，２０ｃ 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
５１ 前縁
５２ 後縁
Ｃ，Ｃｂ 切欠部
Ｃ１ 第一部分
Ｃ２ 第二部分
Ｌ 等分線
Ｏ 軸線
Ｐ 突出部
Ｓ 直線部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】