JP6746943B2 - 遠心圧縮機インペラ - Google Patents

Description

本発明は、遠心圧縮機インペラに関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載のインペラが知られている。このインペラの羽根のチップは、入口から出口に向かって羽根角が一定とされたチップ角度一定領域と、チップ角度一定領域の出口側に連続し羽根角が漸次大きくなるチップ角増大領域と、を有している。特許文献１では、上記の構成によりインペラの圧縮効率を向上させることが提案されている。

特開2015-75040号公報

この種の遠心圧縮機インペラにおいては、更なる効率の向上が求められている。本発明は、効率の向上を図る遠心圧縮機インペラを提供することを目的とする。

本発明の遠心圧縮機インペラは、流体の入口から出口まで延在する羽根を有する遠心圧縮機インペラであって、羽根は、チップの羽根角の分布を当該チップの延在方向に沿って見たときに羽根角を一定とする羽根角一定領域を備え、羽根角一定領域の入口側の始点が、入口から離れた位置にある。

また、入口側始点の、入口からの無次元子午面長は、0.05m/m2以上であることとしてもよい。また、羽根角一定領域は、入口からの無次元子午面長が0.05m/m2である点と、入口からの無次元子午面長が0.40m/m2である点と、の間の領域内に存在するようにしてもよい。また、羽根角一定領域内における各点の羽根角は、入口側の始点における羽根角を羽根角β１としたときに、（β１±１）°の範囲内の角度であるようにしてもよい。また、羽根角一定領域の領域幅は、無次元子午面長で0.05m/m2以上であるようにしてもよい。また、羽根角の分布は、羽根角一定領域内に極小値が存在するようにしてもよい。

本発明によれば、効率の向上を図る遠心圧縮機インペラを提供することができる。

実施形態に係る遠心圧縮機インペラを示す図である。 遠心圧縮機インペラの羽根を回転軸線周りに回転させて得られる回転体を示す斜視図である。 インペラの子午面長とｒθ値との関係を示すグラフである。 インペラの子午面長と羽根角βとの関係を示すグラフである。 インペラの子午面長と翼面マッハ数との関係を示すグラフである。 （ａ）は実施例インペラ、（ｂ）は比較例インペラについてのマッハ数分布を示すコンター図である。 インペラの流量−圧力比、及び流量−効率の関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るインペラの実施形態について詳細に説明する。本実施形態のインペラ１は、例えば、過給機のコンプレッサ等のインペラとして使用される遠心圧縮機インペラである。図１に示されるように、インペラ１は、回転軸線Ｈ周りに回転するハブ３と、ハブ３の周囲に形成され流体の入口から出口まで延在する複数の羽根５とを備えている。このような遠心圧縮機インペラの構成は周知のものであるので、更なる詳細な説明は省略する。

図１は、回転軸線Ｈを含む一つの仮想平面に対して、羽根５を回転周方向に投射した状態を図示したものである。羽根５は、チップ１１（シュラウド側エッジ）、ハブ側エッジ１２、リーディングエッジ１３、及びトレーリングエッジ１４の４つのエッジを有する。インペラ１は、流体の入口であるリーディングエッジ１３から回転軸線Ｈ方向に流体を吸引し、出口であるトレーリングエッジ１４から圧縮された流体を径方向に吐出する。以下、チップ１１とリーディングエッジ１３との交点であるチップ１１の入口を単に「チップ入口」と呼び、符号１１ａを付す。また、チップ１１とトレーリングエッジ１４との交点であるチップ１１の出口を単に「チップ出口」と呼び、符号１１ｂを付す。

本実施形態のインペラ１は、羽根５のチップ１１の羽根角βが後述の分布を示すことに特徴がある。以下、「チップの羽根角β」の定義について説明する。

まず、チップ１１上の任意の点の子午方向における位置を、チップ入口１１ａを基準とした無次元子午面長（Normalized meridional distance; m/m2）で表すものとする。ここで、「無次元子午面長」の定義について説明する。図１に示されるように、回転軸線Ｈを含む仮想平面に投射された状態の羽根５において、羽根５における任意の点Ｍを考える。点Ｍを通りリーディングエッジ１３からトレーリングエッジ１４まで子午方向に延びる曲線ＬＭの全長をｍ２とする。また、リーディングエッジ１３から点Ｍまで曲線ＬＭに沿って測った長さをｍとする。このとき、リーディングエッジ１３を基準とする点Ｍの無次元子午面長は、長さｍ２に対する長さｍの割合（すなわち、ｍ／ｍ２）で定義される。従って、リーディングエッジ１３を基準とする無次元子午面長は０〜１の値を取る無次元量である。

これをチップ１１上の任意の点Ｊに適用する。図１に示されるように、チップ入口１１ａからチップ出口１１ｂまで子午方向に延びるチップ１１の全長をｋとする。チップ入口１１ａから点Ｊまでチップ１１に沿って測った長さをｊとする。このとき、チップ入口１１ａを基準とする点Ｊの無次元子午面長はｊ／ｋ[m/m2]と表される（ｊ／ｋ=０〜１）。このように、チップ１１上の任意の点の子午方向における位置は、チップ入口１１ａを基準とする無次元子午面長によって、無次元の０〜１の値で表現することができる。

続いて、チップ１１上の任意の点Ｊの回転周方向における位置を表すために、チップ入口１１ａを基準とした「ｒθ値」を導入する。図２は、インペラ１の羽根５を回転軸線Ｈ周りに回転させて得られる仮想の回転体を示す斜視図である。チップ１１は、当該回転体の周側面上に現れる。図２に示されるように、チップ入口１１ａと点Jとの回転周方向の位相差をθとし、インペラ１が回転する際の点Ｊの回転半径をｒとすると、チップ入口１１ａを基準とした点Ｊのｒθ値は、上記のｒとθとを乗じた値である。このｒθ値は、図２に示される円弧Ｃの長さに相当する。

続いて、図３に示されるように、チップ１１上の点について、チップ入口１１ａを基準とした無次元子午面長を横軸に取り、チップ入口１１ａを基準としたｒθ値を縦軸に取った座標系において、チップ入口１１ａ（m/m2=0）からチップ出口１１ｂ（m/m2=1）までチップ１１上の各点についてグラフ化したものが、グラフＧ１である。そして、グラフＧ１の各点における接線の傾きが、その各点ごとの羽根角βに対応している。具体的には、チップ１１上の任意の点Ｊにおける羽根角βは、tanβ＝ｄ（ｒθ）／ｄｊで定義される。ここでｊは、前述のとおり、チップ入口１１ａから任意の点Ｊまでチップ１１に沿って測った長さ（有次元の量）である。

図４に示されるグラフＧ３は、上述した羽根角βの定義に従って、チップ入口１１ａ（m/m2=0）からチップ出口１１ｂ（m/m2=1）までの、チップ１１の延在方向に沿った羽根角βの分布を示すグラフである。

図４に示されるように、本実施形態のインペラ１の特徴的な構成として、チップ１１の羽根角βの分布を、チップ１１の延在方向に沿ってチップ入口１１ａからチップ出口１１ｂまで見たときに、羽根角βが一定である羽根角一定領域Ａが存在している。そして、この羽根角一定領域Ａのチップ入口１１ａ側の始点Ｔ１は、チップ入口１１ａから離れた位置に存在している。すなわち、チップ入口１１ａを基準とした始点Ｔ１の無次元子午面長はゼロではなく、具体的には、チップ入口１１ａを基準とした始点Ｔ１の無次元子午面長は0.05m/m2以上になっている。また、羽根角一定領域Ａは、チップ入口１１ａを基準とする無次元子午面長が0.05m/m2である点Ｓ１と、無次元子午面長が0.40m/m2である点Ｓ２と、の間の領域内に存在する。具体的には、図４のグラフＧ３で示される例では、羽根角一定領域ＡはＴ１（約0.2m/m2）からＴ２（約0.3m/m2）の領域である。

また、上記の「羽根角βが一定」とは、羽根角一定領域Ａの始点Ｔ１の羽根角を羽根角β１とすると、羽根角一定領域Ａ内において、チップ１１上の各点の羽根角βが（β１±１）°の範囲内の角度であることを言う。羽根角一定領域Ａ内では、チップ１１上の各点の羽根角βが（β１±１）°である条件を満足した上で、羽根角βが上下に変動してもよい。例えば、羽根角一定領域Ａ内で、羽根角βが極小値をもつように変動してもよい。また、羽根角一定領域Ａの領域幅は無次元子午面長で0.05m/m2以上である。具体的には、図４のグラフＧ３で示される例では、羽根角一定領域Ａは約0.2〜約0.3m/m2の領域であり、その領域幅は約0.1m/m2である。

続いて、上述のようなインペラ１の作用効果について説明する。

一般的にこの種の遠心圧縮機インペラでは、高回転・高圧力比の条件下で、入口で強い衝撃波が発生することが知られており、衝撃波による境界層剥離が発生する場合がある。これに対して、インペラ１においては、羽根角一定領域Ａで羽根角βが一定であるので、羽根角一定領域Ａではチップ１１が直線状の形状をなす。そうすると、羽根角一定領域Ａでのチップ１１近傍の流体の加速が抑えられ、その結果、衝撃波が弱まり、チップ１１における境界層剥離が抑制され、インペラ１の効率が上昇する。

ここで、仮に、羽根角一定領域Ａが、チップ入口１１ａを始点として存在しているとすれば、流量が小さくなってしまい、好ましくない。これに対して、図４に示されるように、羽根角一定領域Ａのチップ入口１１ａ側の始点Ｔ１が、チップ入口１１ａから離れた位置に設定されているので、始点Ｔ１よりも入口側の領域では、例えばインペラ１の流量増加を狙ったチップ１１の曲線形状を採用するなど、インペラ１の流量設計の自由を確保しやすい。また、この観点から、チップ入口１１ａを基準とした始点Ｔ１の無次元子午面長が0.05m/m2以上であれば、流量設計の自由を十分に確保することができる。

また、インペラ１の羽根５同士の間にスプリッタブレードが設けられる場合、スプリッタブレードはチップ入口１１ａを基準とする無次元子午面長0.40m/m2に対応する位置近傍を始点として配置される場合が一般的に多い。この場合、スプリッタブレードの始点よりも入口側の位置で羽根５の境界層剥離が発生して実流路が狭くなり、下流でも過度な加速が生じれば、スプリッタブレードにおいても境界層剥離が発生する可能性が高まる。これに対して、インペラ１の羽根５では、チップ入口１１ａを基準とする無次元子午面長0.40m/m2である点Ｓ２よりも入口側に羽根角一定領域Ａが位置する。この構成により、スプリッタブレードが存在する場合にあっては、スプリッタブレードの始点よりも入口側の位置で羽根５における境界層剥離が抑制される。その結果、スプリッタブレードが存在する場合にあっては、当該スプリッタブレードにおける境界層剥離も抑制することができる。

続いて、インペラ１の構成に基づく上述の効果を確認すべく本発明者らが実行した実験について説明する。

上述したインペラ１の構成を備えるインペラ（以下「実施例インペラ」）と、羽根角一定領域を備えない従来のインペラ（以下「比較例インペラ」）のモデルを準備し、ＣＦＤ解析を実行した。実施例インペラの羽根形状は、図３に示される実線のグラフＧ１と、図４に示される実線のグラフＧ３と、で特定されるものである。同様に、比較例インペラの羽根形状は、図３に示される破線のグラフＧ２と、図４に示される破線のグラフＧ４と、で特定されるものである。

ＣＦＤ解析の結果は、図５〜図６に示される。図５は、羽根のチップ入口（m/m2=0）からチップ出口（m/m2=1）までの翼面マッハ数分布を示すグラフである。実線のグラフＧ５_１，Ｇ５_２が実施例インペラに対応し、グラフＧ５_１が負圧面側における分布、グラフＧ５_２が正圧面側における分布である。同様に、破線のグラフＧ６_１，Ｇ６_２が比較例インペラに対応し、グラフＧ６_１が負圧面側における分布、グラフＧ６_２が正圧面側における分布である。図６は、インペラにおけるマッハ数分布をコンター図で示すものであり、インペラを回転軸線に直交する方向から見て示すものである。図６（ａ）が実施例インペラに対応し、図６（ｂ）が比較例インペラに対応する。図７は、各インペラの流量−圧力比特性及び流量−効率特性を示すグラフである。図７では、実線が実施例インペラに対応し、破線が比較例インペラに対応する。

比較例インペラでは、図５のグラフＧ６_１に示されるように、0.3m/m2近傍において翼面マッハ数が急激に低下しており、また、図６（ｂ）のＰで示す部位に現れているように、衝撃波に起因する境界層剥離が発生したものと考えられる。これに対し、実施例インペラでは、図６（ａ）に示されるように、上記の部位Ｐに対応する位置での境界層剥離が解消されていることが判る。また、図５のグラフＧ５_１に示されるように、翼面マッハ数は約0.35m/m2の位置から比較的緩やかに低下している。これにより、実施例インペラでは、衝撃波の発生が抑えられ、衝撃波に起因する境界層剥離が抑えられていることが判る。なお、羽根の正圧面側の翼面マッハ数を比較しても、実施例インペラ（グラフＧ５_２）では比較例インペラ（グラフＧ６_２）に比較して、翼面マッハ数の起伏が緩やかであることが判る。

また、図７に示されるように、実施例インペラでは比較例インペラに比較して、特に大流量で、衝撃波が発生する回転数の条件下において、圧力比及び効率が改善されることが判る。以上のとおり、インペラ１の構成による効率改善の効果が確認された。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

１ インペラ
５ 羽根
１３ リーディングエッジ（入口）
１４ トレーリングエッジ（出口）
Ａ 羽根角一定領域
Ｔ１ 始点
β 羽根角

Claims (1)

1. 流体の入口から出口まで延在する羽根を有する遠心圧縮機インペラであって、
   前記羽根は、チップの羽根角の分布を当該チップの延在方向に沿って見たときに前記羽根角を一定とする羽根角一定領域を備え、
   前記羽根角一定領域の前記入口側の始点が、前記入口から離れた位置にあり、
   前記羽根角一定領域内における各点の前記羽根角は、
   前記入口側の始点における羽根角を羽根角β１としたときに、（β１±１）°の範囲内の角度である、との条件を満たしており、
   前記入口と前記羽根角一定領域との間に、前記羽根角の前記条件を満たさない領域が存在し、
   前記入口側の始点の、前記入口からの無次元子午面長は、0.05m/m2以上であり、
   前記羽根角一定領域は、
   前記入口からの無次元子午面長が0.05m/m2である点と、前記入口からの無次元子午面長が0.40m/m2である点と、の間の領域内に存在し、
   前記羽根角一定領域の領域幅は、無次元子午面長で0.05m/m2以上であり、
   前記羽根角の分布は、前記羽根角一定領域内に極小値が存在する、遠心圧縮機インペラ。

Images