JP2022130751A - インペラ及びそれを用いた遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】作動流体の流れの淀みを減少させて効率的な圧縮を達成する。
【解決手段】本開示のインペラ（２）は、ハブ表面（２５）を有するハブ（２０）と、ハブ（２０）のハブ表面（２５）に固定された翼（２１，２２）と、を備えている。ハブ表面（２５）は、半径方向の内側に位置する凹曲面部（２５ｐ）と、半径方向の外側に位置する平面部（２５ｑ）とを有する。本開示の遠心圧縮機（１００）は、インペラ（２）と、インペラ（２）を囲むシュラウド壁（３）と、を備えている。
【選択図】図３

Description

本開示は、インペラ及びそれを用いた遠心圧縮機に関する。

遠心圧縮機において、作動流体は、インペラによって加速される。速度を圧力に変換することによって、作動流体が減速されて圧縮される。作動流体を減速するためには、流路断面積を拡大する必要がある。つまり、作動流体の圧力は、主に、ディフューザによって増大される。ただし、インペラによって加速された作動流体の速度は音速に近いため、インペラの流路からディフューザに移る過程で大きい損失が発生しがちである。そこで、一般的なインペラは、その外周部において流路断面積が拡大するように設計されている。

特開２０１５－２１２５５１号公報

当業者に知られているように、インペラの流路の出口の近傍において、作動流体の流れが淀む。この傾向は、小型かつ高圧縮比の遠心圧縮機で顕著である。作動流体の流れの淀みを減少させることができれば、より効率的な圧縮が可能である。

本開示は、作動流体の流れの淀みを減少させて効率的な圧縮を達成するための技術を提供する。

本開示は、
ハブ表面を有するハブと、
前記ハブの前記ハブ表面に固定された複数の翼と、
を備え、
前記ハブ表面は、半径方向の内側に位置する曲面部分と、前記半径方向の外側に位置する平面部分とを有する、
インペラを提供する。

本開示の技術によれば、作動流体の流れの淀みを減少させて効率的な圧縮を達成できる。

図１は、本開示の第１実施形態に係る遠心圧縮機の断面図である。 図２は、図１に示す遠心圧縮機のインペラの子午面投影図である。 図３は、図２の部分拡大図である。 図４Ａは、図２の部分的拡大図である。 図４Ｂは、環状凹部の他の一例の拡大断面図である。 図５は、曲面部分と平面部分との他の位置関係を示す図である。 図６は、曲面部分と平面部分との境界の位置を示すインペラの平面図である。 図７は、曲面部分と平面部分との境界の位置を示すインペラの他の平面図である。 図８は、本開示の第２実施形態に係る流体機械の構成図である。 図９は、実施例及び比較例のインペラについて、上流端から下流端にわたって流路断面積を算出した結果を示すグラフである。 図１０は、実施例及び比較例のインペラについて、上流端から下流端にわたって作動流体の子午面流速を計算機シミュレーションによって算出した結果を示すグラフである。 実施例及び比較例のインペラについて、上流端から下流端にわたって静圧を計算機シミュレーションによって算出した結果を示すグラフである。 図１２は、実施例及び比較例のインペラについて、作動流体の流速を計算機シミュレーションによって算出した結果を示すコンター図である。 図１３は、従来の遠心圧縮機の子午面投影図の部分拡大図である。

（本開示の基礎となった知見）
本発明者らは、効率的な圧縮を妨げる原因について鋭意検討した。その結果、以下の２つの主要な原因に気付き、本開示を想到するに至った。

図１３は、従来の遠心圧縮機の子午面投影図の一部を拡大して示している。太い矢印線は、作動流体の主流を表している。遠心圧縮機において、インペラ１２０とシュラウド壁１０３との間には隙間ｓｈがある。この隙間ｓｈは、細い矢印線で示すように、翼間の流路からの作動流体の漏れを生じさせる。作動流体の漏れは、エッカート渦の一因となる。環状の矢印線で示すように、エッカート渦は、インペラ１２０の外周部で作動流体の流速が低下することによって成長する。特に、流量への寄与が大きいシュラウド壁１０３側において、エッカート渦は、スムーズな流れを阻害する。エッカート渦による損失を抑制できれば、効率的な圧縮を達成できる、つまり、高い圧縮比を達成できると考えられる。

「エッカート渦」とは、インペラの外周部で生じる渦のことであり、流速の低下及び圧力の損失をもたらす。「インペラの外周部」は、インペラの翼間の流路の下流部分を意味する。

効率的な圧縮を妨げる他の１つの原因は、翼幅方向における作動流体の流速分布にあると考えられる。すなわち、作動流体の流速は、シュラウド壁の近傍で相対的に速く、ハブの近傍で相対的に遅い。ディフューザにおける効率的な圧力上昇のためには、翼幅方向の流速分布は極力小さいことが望ましいと考えられる。

なお、特許文献１においては、インペラとシュラウド壁とが一体化されていることが前提である。シュラウド壁がインペラとともに回転するため、高い回転数（例えば、外周周速５００ｍ／ｓ以上）で運転されるべき遠心圧縮機に特許文献１の技術を適用することは困難である。

（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様に係るインペラは、
ハブ表面を有するハブと、
前記ハブの前記ハブ表面に固定された翼と、
を備え、
前記ハブ表面は、半径方向の内側に位置する曲面部分と、前記半径方向の外側に位置する平面部分とを有する。

第１態様によれば、エッカート渦の成長が抑制され、インペラの外周部で作動流体がスムーズに流れる。結果として、効率的な圧縮が達成されうる。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係るインペラでは、前記平面部分は、前記半径方向に平行であってもよい。このような構成によれば、流路断面積を適度に減少させることができるので、作動流体の流量の大幅な減少を回避しつつ、上記した効果を得ることができる。

本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様に係るインペラでは、前記インペラの回転軸を含む子午面に前記翼を回転投影することによって得られる子午面投影図において、前記翼の輪郭は、前記ハブ表面の前記平面部分に向かい合う曲線部分を含んでいてもよい。このような構成によれば、作動流体の流量を十分に確保することができる。

本開示の第４態様において、例えば、第１から第３態様のいずれか１つに係るインペラでは、前記ハブは、回転軸に平行な方向における一端側に位置する上面と、前記回転軸に平行な方向における他端側に位置する下面とを有していてもよく、前記ハブの前記下面には、前記下面から前記上面に向かって窪んでいる環状凹部が設けられていてもよく、前記ハブを軸方向から平面視したとき、前記環状凹部は、前記ハブ表面の前記平面部分よりも前記内側に収まっていてもよい。このような構成によれば、ハブの内周部への応力の集中を緩和できるとともに、ハブの外周部の軸方向への変位を抑制できる。

本開示の第５態様において、例えば、第４態様に係るインペラでは、前記環状凹部は、前記半径方向における外周側に外周部を有していてもよく、前記回転軸を含む平面内において、前記環状凹部の前記外周部は直線形状であってもよい。このような構成によれば、ハブの下面の内周側の部分が軸方向に突出することを抑えつつ、ハブの下面の内周側の部分に生じる応力を緩和することができる。

本開示の第６態様において、例えば、第５態様に係るインペラでは、前記回転軸を含む平面内において、前記外周部と前記ハブの前記下面とが接点Ｐ１において接していてもよく、前記回転軸に平行かつ前記接点Ｐ１を通る直線と、前記ハブ表面との交点を接点Ｐ２とするとき、前記接点Ｐ１における前記環状凹部の前記外周部の、前記回転軸に直交する平面に対する傾きは、前記接点Ｐ２における前記ハブ表面の、前記回転軸に直交する平面に対する傾きよりも小さくてもよい。このような構成によれば、インペラの外周端における剛性の低下を抑えつつ、ハブの下面の内周側の部分に生じる応力をより効果的に緩和することができる。

本開示の第７態様に係る遠心圧縮機は、
第１から第６態様のいずれか１つのインペラと、
前記インペラを囲むシュラウド壁と、
を備えている。

第５態様によれば、高い圧縮比を達成できる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

（第１実施形態）
図１は、本開示の第１実施形態に係る遠心圧縮機１００の断面を示している。本実施形態の遠心圧縮機１００は、シャフト１１、インペラ２、バックプレート１３及びハウジング１５を備えている。インペラ２は、シャフト１１に固定されている。バックプレート１３は、インペラ２の下面に向かい合う位置に配置されている。インペラ２は、ハウジング１５に収容されている。遠心圧縮機１００は、シャフト１１の回転によって駆動され、作動流体を圧縮する。本明細書では、インペラ２の回転軸Ｏに平行な方向を「軸方向」と称する。回転軸Ｏに垂直な方向を「半径方向」と称する。

インペラ２は、ハブ２０、複数の主翼２１（full blade）及び複数の副翼２２（splitter blade）を有する。ハブ２０は、上面２３、下面２４及びハブ表面２５を有する。上面２３は、軸方向の一端側に位置する面である。下面２４は、軸方向の他端側に位置する面である。上面２３が相対的に小さい直径を有し、下面２４が相対的に大きい直径を有する。上面２３及び下面２４は、それぞれ、平坦な面である。ハブ表面２５は、上面２３と下面２４との間に位置している面である。ハブ２０は、回転軸Ｏに沿って上面２３から下面２４に向かって滑らかに拡径している。主翼２１及び副翼２２は、ハブ２０に固定され、ハブ表面２５の上に放射状に設けられている。主翼２１及び副翼２２は、インペラ２の周方向に交互に並んでいる。副翼２２は、主翼２１よりも短い翼である。これらの翼間にインペラ２の流路が形成されている。

副翼２２は必須ではなく、省略されていてもよい。

ハウジング１５は、シュラウド壁３、周縁部材１７及びフロント部材１８を有する。シュラウド壁３は、インペラ２に沿う形状を有するとともに、インペラ２を囲っている。シュラウド壁３は、インペラ２を超える位置まで軸方向に延びて吸入口１２を形成している。インペラ２の外周端よりも半径方向の外側において、シュラウド壁３とバックプレート１３との間には、ディフューザ２６が形成されている。ディフューザ２６は、羽根無しディフューザであってもよく、羽根付きディフューザであってもよい。周縁部材１７は、インペラ２の周囲に渦巻き室１６を形成している。渦巻き室１６は、ディフューザ２６に連通している。

図２は、インペラ２の回転軸Ｏを含む子午面に主翼２１及び副翼２２を回転投影することによって得られる子午面投影図（回転投影図）である。図３は、図２の部分拡大図である。子午面投影図は、回転軸Ｏを中心としてインペラ２を回転させたときに得られる主翼２１及び副翼２２の軌跡をインペラ２の回転軸Ｏを含む縦断面に書き加えることによって得られる図である。

本実施形態において、ハブ表面２５は、曲面部分２５ｐ及び平面部分２５ｑを有する。曲面部分２５ｐは、半径方向の内側に位置する部分である。曲面部分２５ｐは、凹形状を有する。詳細には、曲面部分２５ｐは、軸方向に関して、上面２３から下面２４に向かって凸状である。平面部分２５ｑは、半径方向の外側に位置する部分である。子午面投影図において、曲面部分２５ｐは曲線状の輪郭を示し、平面部分２５ｑは直線状の輪郭を示す。

図１３に示すように、従来のインペラ１２０において、ハブ表面１２５は、曲面のみで構成されている。

これに対し、本実施形態では、ハブ表面２５は、その外周部において平面部分２５ｑを有する。平面部分２５ｑによれば、翼間の流路の高さが減少するので、従来のインペラ１２０を基準とすると、流路断面積が減少する。平面部分２５ｑの区間において、流路断面積は概ね一定である。流路断面積の拡大を抑えると作動流体の流速が上がる。これにより、エッカート渦の成長が抑制され、インペラ２の外周部で作動流体がスムーズに流れる。結果として、効率的な圧縮が達成されうる。

流路断面積は、ハブ２０の形状及び／又はシュラウド壁３の形状を変更することによって増減する。作動流体の流速は、シュラウド壁３の近傍で速く、ハブ２０の近傍で遅い。そのため、シュラウド壁３の形状を変更することによって流路断面積を減らす場合、言い換えれば、主翼２１及び副翼２２の翼幅を減らすことによって流路断面積を減らす場合、流量への影響が大きくなりすぎる可能性がある。本実施形態では、ハブ２０の形状の変更によって流路断面積が減らされている。このような構成によれば、流量を十分に確保しつつ、所望の効果を得ることができる。

また、ハブ２０に平面部分２５ｑを設けて流路を狭めることによって、ハブ２０の近傍における作動流体の流速が上昇する。これに伴い、シュラウド壁３の近傍において、作動流体の流速の低下が抑制される、あるいは、流速が上昇する。ハブ２０の外周部の厚みを増やして流路を狭めることによる影響は、シュラウド壁３の近傍の流れよりもハブ２０の近傍の流れに強く及ぶ。そのため、翼間の流路の出口であるインペラ２の外周端において、ハブ２０の近傍の流速とシュラウド壁３の近傍の流速との差が縮小する。すなわち、作動流体の高速な流れが整えられ、翼幅方向の流速分布が減少する。結果として、ディフューザ２６における圧力変換の効率が高まる。

例えば、ディフューザ２６が羽根付きディフューザである場合、次のような効果が期待される。すなわち、作動流体の流速分布が小さい場合、羽根（vane）に作動流体が均一な速度及び角度で衝突し、作動流体の流れが乱れにくい。その結果、より高い圧縮比を達成できる。

また、平面部分２５ｑは、ハブ２０の外周部に存在するので、平面部分２５ｑによってハブ２０の外周部の厚さが増加する。これにより、ハブ２０の外周部がハブ２０の内周部によって精度よく支えられる。

本実施形態において、平面部分２５ｑは、半径方向に平行である。このような構成によれば、流路断面積を適度に減少させることができるので、作動流体の流量の大幅な減少を回避しつつ、上記した効果を得ることができる。ただし、平面部分２５ｑが半径方向に対して傾斜していてもよい。

図２に示す子午面投影図において、主翼２１の先端の輪郭、副翼２２の先端の輪郭及びシュラウド壁３の輪郭は、いずれも曲線である。言い換えれば、主翼２１及び副翼２２の輪郭は、ハブ表面２５の平面部分２５ｑに向かい合う曲線部分を含んでいる。主翼２１及び副翼２２の輪郭を構成する曲線は、軸方向に関して、上面２３から下面２４に向かって凸状である。本実施形態では、各輪郭は、曲線のみで構成されている。このような構成によれば、作動流体の流量を十分に確保することができる。「主翼２１の先端」とは、主翼２１のシュラウド壁３に向かい合う端部を意味する。「副翼２２の先端」とは、副翼２２のシュラウド壁３に向かい合う端部を意味する。

図３に示すように、本実施形態では、曲面部分２５ｐと平面部分２５ｑとが互いに隣接している。この場合、インペラ２の作製が容易である。

子午面投影図において、主翼２１とハブ表面２５との境界線の全長を主翼２１の翼面長さと定義する。主翼２１の上流端の位置を０％の位置と定義し、主翼２１の下流端の位置を１００％の位置と定義する。このとき、曲面部分２５ｐと平面部分２５ｑとの境界Ｂは、翼面長さの７５％の位置から９０％の位置の範囲に存在しうる。つまり、半径方向に関する平面部分２５ｑの長さは、翼面長さの１０％以上２５％以下でありうる。平面部分２５ｑの長さを適切に調整することによって、上記した効果を十分に得ることができる。

図２及び図３に示すように、インペラ２の下面２４は平坦な面である。インペラ２の下面２４には、上面２３から下面２４に向かう方向に突出した部分が設けられていない。このような構成は、遠心圧縮機１００の小型化にとって有利である。

ハブ２０の下面２４には環状凹部２７が設けられている。環状凹部２７は、下面２４から上面２３に向かって窪んでいる部分である、ハブ２０を軸方向から平面視したとき、環状凹部２７は、ハブ表面２５の平面部分２５ｑよりも内側に収まっている。本実施形態では、下面２４も平坦な面であるため、平面部分２５ｑを構成している部分のハブ２０の厚さは一定である。従来のインペラ１２０（図１３参照）を基準とすると、平面部分２５ｑを構成している部分のハブ２０の厚さは増えている。言い換えれば、ハブ２０の外周部の剛性が上がっている。

ハブ２０は、ハブ２０、主翼２１及び副翼２２に加わる遠心力を支えているため、ハブ２０の内周部に応力が集中する。環状凹部２７は、ハブの内周部への応力の集中を緩和する役割を果たす。さらに、平面部分２５ｑよりも内側に環状凹部２７が設けられていると、平面部分２５ｑの厚さが環状凹部２７によって消費されない。ハブ２０が最も薄くなる外周部において、平面部分２５ｑによる厚さの増加と相俟って、ハブ２０の厚さを十分に確保することができる。これにより、ハブ２０の外周部の軸方向への変位を抑制できる。

図４Ａは、図２を部分的に拡大して示している。図４Ａは、回転軸Ｏを含むハブ２０の縦断面でもある。環状凹部２７の輪郭の一部又は全部は、円弧形状を有する。このような構成によれば、ハブ２０の下面２４の内周側の部分が軸方向に突出することを抑えつつ、ハブ２０の下面２４の内周側の部分に生じる応力を緩和することができる。

図４Ａの縦断面において、環状凹部２７の接線Ｌ１とハブ２０の下面２４とのなす角度θ１は、例えば、４５度以下である。角度θ１は、３０度以上４０度以下の範囲にあってもよい。接線Ｌ１は、環状凹部２７の輪郭の接線であって、環状凹部２７とハブ２０の下面２４の外周側の部分２４ｂとの接点Ｐ１を通る接線である。接点Ｐ１は、環状凹部２７とハブ２０の下面２４との境界線上の点である。このような構成によれば、環状凹部２７の表面への応力を低減できるとともに、ハブ２０の下面２４の内周側の部分２４ａに生じる応力をより効果的に緩和することができる。

図４Ｂは、変形例に係る環状凹部２７０の拡大断面図である。環状凹部２７０は、内周側の部分２７ａ及び外周側の部分２７ｂ（外周部）を含む。内周側の部分２７ａは、円弧形状の輪郭を有し、ハブ２０の下面２４の内周側の部分２４ａに接続している。外周側の部分２７ｂは、直線形状の輪郭を有し、ハブ２０の下面２４の外周側の部分２４ｂに接続している。内周側の部分２７ａと外周側の部分２７ｂとは、半径方向における環状凹部２７０の中心よりも外周側で接続している。このような構成によれば、ハブ２０の下面２４の内周側の部分２４ａが軸方向に突出することを抑えつつ、ハブ２０の下面２４の内周側の部分２４ａに生じる応力を緩和することができる。

応力は、環状凹部２７０の中央付近に集中しやすい。環状凹部２７０の外周側の部分２７ｂが平面形状を有することにより、環状凹部２７０の中央付近における応力の分布をハブ２０の内部側、すなわち、上面２３に寄せることができる。これにより、環状凹部２７０の中央付近の表面の応力、及び、ハブ２０の下面２４の内周側の部分２４ａ（間接的にシャフト１１と接続する部分）に生じる応力を緩和することができる。

図４Ｂの断面において、環状凹部２７０の外周側の部分２７ｂと基準平面Ｒ１とのなす角度θ２は、例えば、４５度以下である。角度θ２は、３０度以上４０度以下の範囲にあってもよい。このような構成によれば、環状凹部２７０の表面への応力を低減できるとともに、ハブ２０の下面２４の内周側の部分２４ａに生じる応力をより効果的に緩和することができる。基準平面Ｒ１は、ハブ２０の下面２４を含み、ハブ２０の半径方向に平行な平面である。図４Ｂの断面では、基準平面Ｒ１は、直線で表される。

角度θ２は、ハブ表面２５の接線Ｌ２と基準平面Ｒ２とのなす角度φ以下であってもよい。このような構成によれば、インペラ２の外周端における剛性の低下を抑えつつ、ハブ２０の下面２４の内周側の部分２４ａに生じる応力をより効果的に緩和することができる。接線Ｌ２は、接点Ｐ２を通る接線である。基準平面Ｒ２は、接点Ｐ２を通り、ハブ２０の半径方向に平行な平面である。接点Ｐ２は、基準平面Ｒ３とハブ表面２５との交点である。基準平面Ｒ３は、環状凹部２７０とハブ２０の下面２４との接点Ｐ１を通り、軸方向に平行であり、半径方向に垂直な平面である。図４Ｂの断面では、基準平面Ｒ２及びＲ３は、直線で表される。

角度θ２は、接点Ｐ１における環状凹部２４の外周側の部分２７ｂの基準平面Ｒ１に対する傾き（鋭角側の傾き）ある。角度φは、接点Ｐ２におけるハブ表面２５の基準平面Ｒ２に対する傾き（鋭角側の傾き）である。基準平面Ｒ１及び基準平面Ｒ２は、回転軸Ｏに直交する平面である。角度θ２は、角度φよりも小さくてもよい。

図５は、曲面部分２５ｐと平面部分２５ｑとの他の位置関係を示している。図５に示すように、曲面部分２５ｐと平面部分２５ｑとの間に遷移部分２５ｒが設けられていてもよい。遷移部分２５ｒは、平面であってもよく、曲面であってもよく、平面と曲面との組み合わせであってもよい。このような構成によれば、作動流体の流れが遷移部分２５ｒで乱れにくいので、よりスムーズな流れを達成できる可能性がある。遷移部分２５ｒの長さＬは、例えば、翼面長さの１％以上１０％以下である。

図６は、曲面部分２５ｐと平面部分２５ｑとの境界Ｂの位置を示すインペラ２の平面図である。副翼２２は省略されている。図６に示す例において、曲面部分２５ｐは、平面部分２５ｑによって包囲されている。曲面部分２５ｐと平面部分２５ｑとの境界Ｂは、例えば円形である。つまり、平面部分２５ｑが円環状である。このような構成によれば、インペラ２の作製が容易である。

図７は、曲面部分２５ｐと平面部分２５ｑとの境界Ｂの位置を示すインペラ２の他の平面図である。副翼２２は省略されている。図７に示す例では、曲面部分２５ｐと平面部分２５ｑとの境界Ｂが直線状である。このような構成によれば、平面部分２５ｑの流路方向の長さを、周方向の位置に対応して適切に調節することができる。その結果、より高い圧縮比を達成できる。

本実施形態の遠心圧縮機１００において、インペラ２は、シュラウド壁３に対して相対的に回転する。インペラ２とシュラウド壁３とは分離されており、インペラ２のみが回転する。この場合、インペラ２の主翼２１とシュラウド壁３との間には、隙間ＳＨが存在する。インペラ２の副翼２２とシュラウド壁３との間にも、隙間ＳＨが存在する。作動流体の一部は、これらの隙間ＳＨを乗り越え、エッカート渦の一因を作る。したがって、このタイプの遠心圧縮機に本開示の技術が特に有用である。ただし、インペラとシュラウド壁とが一体化されているタイプの遠心圧縮機に本開示の技術を適用できる可能性もある。

（第２実施形態）
図８は、本開示の第２実施形態に係る流体機械３００の構成を示している。流体機械３００は、遠心圧縮機１００、タービン２００及び燃焼器３０１を備えている。流体機械３００は、ガスタービンシステムに使用されうる。シャフト１１が遠心圧縮機１００とタービン２００とに共用されている。遠心圧縮機１００は、図１を参照して説明した圧縮機である。作動流体は、例えば空気である。空気が遠心圧縮機１００によって圧縮され、燃焼器３０１に供給される。燃焼器３０１において、燃料と圧縮空気との混合ガスを燃焼させる。燃焼ガスのエネルギーは、タービン２００によって軸出力の形で取り出される。

遠心圧縮機１００によれば、作動流体の流量を増加させることなく、高い圧縮比を達成できる。つまり、遠心圧縮機１００を回転させるためのトルクを抑えつつ、タービン２００の吸気圧力を上昇させることができる。その結果、流体機械３００の効率が向上する。

（シミュレーションによる検証）
図９は、実施例及び比較例のインペラについて、上流端から下流端にわたって流路断面積を算出した結果を示すグラフである。横軸は、流路の位置を翼面長さに対する割合で表した値を示している。主翼２１の上流端の位置が０％に対応する。主翼２１の下流端の位置が１００％に対応する。縦軸は、流路断面積の正規化された値を示している。実施例のインペラによれば、約７０％の位置から約１００％の位置まで流路断面積が一定であった。これに対し、比較例のインペラの流路断面積は、約８５％の位置まで連続的に減少するとともに、約８５％の位置から増加に転じていた。

以下のシミュレーションは、図９に示す流路断面積を持つ実施例及び比較例のインペラについて行った。

図１０は、実施例及び比較例のインペラについて、上流端から下流端にわたって作動流体の子午面流速を計算機シミュレーションによって算出した結果を示すグラフである。横軸は、流路の位置を翼面長さに対する割合で表した値を示している。縦軸は、子午面流速を示している。「子午面流速」とは、子午面に平行な方向に関する速度成分で表される流速を意味する。流速は、ハブ表面の近傍における流速の正規化された値を示している。作動流体の種類は空気であり、インペラの回転数は１０７０００ｒｐｍであった。

図１０に示すように、実施例のインペラによれば、約８５％の位置から流速が急激に上昇した。流速の急激な上昇は、慣性によって、平面部分２５ｑの開始位置よりも下流の位置に現れた。これに対し、比較例のインペラによれば、流速は、約９０％の位置まで漸増し、約９０％の位置から１００％の位置まで漸減した。

図１１は、実施例及び比較例のインペラについて、上流端から下流端にわたって静圧を計算機シミュレーションによって算出した結果を示すグラフである。横軸は、流路の位置を翼面長さに対する割合で表した値を示している。縦軸は、ハブ表面の近傍における作動流体の静圧の正規化された値を示している。

図１１に示すように、実施例のインペラによれば、静圧は、約８５％の位置から急激に下がり、その後、回復に転じた。これに対し、比較例のインペラによれば、静圧は、１００％の位置まで連続的に増加した。

図１２は、実施例及び比較例のインペラについて、作動流体の流速を計算機シミュレーションによって算出した結果を示すコンター図である。色の濃い部分がマッハ数の小さい領域、つまり、空気の流れが淀んだ領域を表している。図１２（ａ）が比較例のインペラのシミュレーション結果であり、図１２（ｂ）が実施例のインペラのシミュレーション結果である。図１２（ａ）と図１２（ｂ）とを比べると理解できるように、実施例のインペラを使用したとき、色の濃い領域が明らかに減少した。

（実機による検証）
図９に示す流路断面積を持つ実施例及び比較例のインペラを用いて遠心圧縮機を作製し、所定の回転数及び所定の流量での圧縮比を調べた。作動流体として空気を用いた。本実施例のインペラを用いることにより、高回転条件下において、比較例に対して約１０．６％の圧縮比の向上を確認した。

本開示の技術は、ガスタービンシステム、冷凍サイクル装置などに使用される遠心圧縮機に有用であり、小型かつ高回転型の遠心圧縮機に特に有用である。

２ インペラ
３ シュラウド壁
１１ シャフト
１２ 吸入口
１３ バックプレート
１５ ハウジング
１６ 渦巻き室
１７ 周縁部材
１８ フロント部材
２０ ハブ
２１ 主翼
２２ 副翼
２３ 上面
２４ 下面
２５ ハブ表面
２５ｐ 曲面部分
２５ｑ 平面部分
２５ｒ 遷移部分
２６ ディフューザ
２７，２７０ 環状凹部
１００ 遠心圧縮機
２００ タービン
３００ 流体機械
３０１ 燃焼器
Ｏ 回転軸
ＳＨ 隙間
Ｂ 境界

Claims (7)

1. ハブ表面を有するハブと、
   前記ハブの前記ハブ表面に固定された複数の翼と、
   を備え、
   前記ハブ表面は、半径方向の内側に位置する曲面部分と、前記半径方向の外側に位置する平面部分とを有する、
   インペラ。
2. 前記平面部分は、前記半径方向に平行である、
   請求項１に記載のインペラ。
3. 前記インペラの回転軸を含む子午面に前記翼を回転投影することによって得られる子午面投影図において、前記翼の輪郭は、前記ハブ表面の前記平面部分に向かい合う曲線部分を含む、
   請求項１又は２に記載のインペラ。
4. 前記ハブは、回転軸に平行な方向における一端側に位置する上面と、前記回転軸に平行な方向における他端側に位置する下面とを有し、
   前記ハブの前記下面には、前記下面から前記上面に向かって窪んでいる環状凹部が設けられており、
   前記ハブを軸方向から平面視したとき、前記環状凹部は、前記ハブ表面の前記平面部分よりも前記内側に収まっている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のインペラ。
5. 前記環状凹部は、前記半径方向における外周側に外周部を有し、
   前記回転軸を含む平面内において、前記環状凹部の前記外周部は直線形状である、
   請求項４に記載のインペラ。
6. 前記回転軸を含む平面内において、前記外周部と前記ハブの前記下面とが接点Ｐ１において接し、
   前記回転軸に平行かつ前記接点Ｐ１を通る直線と、前記ハブ表面との交点を接点Ｐ２とするとき、
   前記接点Ｐ１における前記環状凹部の前記外周部の、前記回転軸に直交する平面に対する傾きは、前記接点Ｐ２における前記ハブ表面の、前記回転軸に直交する平面に対する傾きよりも小さい、
   請求項５に記載のインペラ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のインペラと、
   前記インペラを囲むシュラウド壁と、
   を備えた、遠心圧縮機。

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