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技術 遠心羽根車、およびこれを備える遠心式流体機械

出願人 株式会社日立製作所
発明者 平舘澄賢伊藤俊雄
出願日 2016年4月1日 (4年10ヶ月経過) 出願番号 2016-073894
公開日 2017年10月12日 (3年4ヶ月経過) 公開番号 2017-186914
状態 未査定
技術分野 非容積形ポンプの構造
主要キーワード 半径方向流速 圧力上昇特性 限界流量 壁面位置 無次元流量 半径方向圧力 下流流路 最大突出位置
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年10月12日)のものです。
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図面 (12)

課題

遠心羽根車出口における作動流体半径方向流速分布の均一化とともに、周方向流速分布の均一化をも図ることができる遠心羽根車、およびこれを備える遠心式流体機械を提供する。

解決手段

羽根車100の101の翼面を構成する翼スパン方向の翼面線素13は、羽根車回転方向Aに向けて凸状となる曲線線素である。また、翼面線素13の羽根車回転方向Aへの突出量が最大となる位置は、翼面線素13の翼スパン方向の中央位置Lよりもハブ102と反対側、すなわちシュラウド103側に設定されている。

概要

背景

遠心式流体機械高効率化を図った例が特許文献1,2に記載されている。これらの例では、遠心羽根車翼面を構成する翼面線素曲線線素とすることによって、遠心羽根車の内部で発生する流動損失を低減する試みが行われている。

例えば、特許文献1に記載の遠心圧縮機は、翼(羽根)を間に挟んでハブに対向して配置されたシュラウドを有するクローズド型の遠心羽根車を備えている。この遠心羽根車では、翼の翼面が曲線線素で構成される自由曲面で定義され、翼負圧面が凹面であり、かつ凹面の凹み量が最大となる位置は翼スパン方向翼高さ方向)の中央位置よりもハブ側に設定されている(段落0038参照)。こうして、翼素渦による誘起速度翼負荷)を制御し、翼負圧面とハブおよびシュラウドの各表面とが交差するコーナー部で流れを減速させて圧力を高くすることで、ハブからシュラウド、および翼圧力面から翼負圧面へと向かう二次流れを抑制して、流動損失の低減を図っている。

また、特許文献2に記載の遠心圧縮機は、シュラウドを有さないオープン型の遠心羽根車を備えている。この遠心羽根車では、翼の翼面が曲線線素で構成される自由曲面で定義され、曲線線素の形状が遠心羽根車の回転方向に対して凸面をなしている。また、曲線線素の最大曲げ位置が、翼スパン方向(翼高さ方向)の中間部に位置している(段落0020参照)。こうして、翼スパン方向の翼負荷分布を均一化することで、作動流体流量分布翼間流路中で均一化して、流動損失の低減を図っている。

概要

遠心羽根車の出口における作動流体の半径方向流速分布の均一化とともに、周方向流速分布の均一化をもることができる遠心羽根車、およびこれを備える遠心式流体機械を提供する。羽根車100の翼101の翼面を構成する翼スパン方向の翼面線素13は、羽根車回転方向Aに向けて凸状となる曲線線素である。また、翼面線素13の羽根車回転方向Aへの突出量が最大となる位置は、翼面線素13の翼スパン方向の中央位置Lよりもハブ102と反対側、すなわちシュラウド103側に設定されている。

目的

本発明は、前記した事情に鑑みなされたものであり、遠心羽根車の出口における作動流体の半径方向流速分布の均一化とともに、周方向流速分布の均一化をも図ることができる遠心羽根車、およびこれを備える遠心式流体機械を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

円盤状のハブと、前記ハブ上に周方向に間隔をおいて配置されている複数のと、を有し、前記翼の翼面を構成する翼高さ方向の翼面線素は、前記ハブの回転方向に向けて凸状となる曲線線素であり、前記翼面線素の前記回転方向への突出量が最大となる位置は、該翼面線素の翼高さ方向の中央位置よりも前記ハブと反対側に設定されていることを特徴とする、遠心羽根車

請求項2

前記突出量が最大となる位置は、前記翼面線素において前記ハブと交差する端縁位置を0%、前記ハブと反対側の端縁位置を100%とした場合に、60〜80%の位置に設定されていることを特徴とする、請求項1に記載の遠心羽根車。

請求項3

前記翼を間に挟んで前記ハブに対向して配置されているシュラウドを有することを特徴とする、請求項1に記載の遠心羽根車。

請求項4

請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の遠心羽根車を備えることを特徴とする、遠心式流体機械

請求項5

前記遠心羽根車の径方向外側に配置され、前記遠心羽根車から送り出される作動流体減速させて前記作動流体の動圧成分を静圧成分へ変換するディフューザを備え、前記ディフューザは、前記遠心羽根車の径方向外側に配置されている前置翼列と、該前置翼列の径方向外側に配置されている後置翼列とを含む二重翼列部を有することを特徴とする、請求項4に記載の遠心式流体機械。

技術分野

0001

本発明は、遠心羽根車、およびこれを備える遠心式流体機械に関する。

背景技術

0002

遠心式流体機械の高効率化を図った例が特許文献1,2に記載されている。これらの例では、遠心羽根車の翼面を構成する翼面線素曲線線素とすることによって、遠心羽根車の内部で発生する流動損失を低減する試みが行われている。

0003

例えば、特許文献1に記載の遠心圧縮機は、翼(羽根)を間に挟んでハブに対向して配置されたシュラウドを有するクローズド型の遠心羽根車を備えている。この遠心羽根車では、翼の翼面が曲線線素で構成される自由曲面で定義され、翼負圧面が凹面であり、かつ凹面の凹み量が最大となる位置は翼スパン方向翼高さ方向)の中央位置よりもハブ側に設定されている(段落0038参照)。こうして、翼素渦による誘起速度翼負荷)を制御し、翼負圧面とハブおよびシュラウドの各表面とが交差するコーナー部で流れを減速させて圧力を高くすることで、ハブからシュラウド、および翼圧力面から翼負圧面へと向かう二次流れを抑制して、流動損失の低減を図っている。

0004

また、特許文献2に記載の遠心圧縮機は、シュラウドを有さないオープン型の遠心羽根車を備えている。この遠心羽根車では、翼の翼面が曲線線素で構成される自由曲面で定義され、曲線線素の形状が遠心羽根車の回転方向に対して凸面をなしている。また、曲線線素の最大曲げ位置が、翼スパン方向(翼高さ方向)の中間部に位置している(段落0020参照)。こうして、翼スパン方向の翼負荷分布を均一化することで、作動流体流量分布翼間流路中で均一化して、流動損失の低減を図っている。

先行技術

0005

特開2012−219779号公報
特開2002−332993号公報

発明が解決しようとする課題

0006

特許文献1,2に記載の技術のいずれも、遠心羽根車の翼面を構成する曲線線素の形状を遠心羽根車の回転方向に向けて凸状に形成して、翼スパン方向の翼負荷分布を制御することで、翼間流路中での作動流体の流量分布を均一化して高効率化を図るものである。特許文献1,2に記載の技術において流量分布を均一化することとは、遠心羽根車内の翼間流路中における、羽根車回転軸中心軸とする任意の円筒断面での、作動流体の半径方向の流速分布を均一化することと同義である。つまり、特許文献1,2に記載の技術では、翼間流路中における作動流体の半径方向の流速分布を均一化することに主眼を置いて、流動損失の低減による高効率化を図っている。

0007

ここで、翼間流路中における作動流体は、半径方向の速度成分とともに、周方向の速度成分をも有している。作動流体のこれら両速度成分の一様性は、遠心羽根車内部の流動損失の大きさに影響を与えると同時に、遠心羽根車下流に位置するディフューザ部の失速特性に大きな影響を与える。後述するように、流量減少時のディフューザ部の失速を抑制するためには、遠心羽根車の出口における半径方向流速分布とともに、周方向流速分布をも均一化する必要があることが、発明者らの検討により判明した。

0008

しかしながら、特許文献1,2に記載の技術は、前記したように、遠心羽根車の出口における作動流体の半径方向流速分布の均一化を企図しており、周方向流速分布の均一化に関してはさらなる改善の余地があった。

0009

本発明は、前記した事情に鑑みなされたものであり、遠心羽根車の出口における作動流体の半径方向流速分布の均一化とともに、周方向流速分布の均一化をも図ることができる遠心羽根車、およびこれを備える遠心式流体機械を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0010

上記課題を達成すべく、本発明に係る遠心羽根車は、円盤状のハブと、前記ハブ上に周方向に間隔をおいて配置されている複数の翼と、を有し、前記翼の翼面を構成する翼高さ方向の翼面線素は、前記ハブの回転方向に向けて凸状となる曲線線素であり、前記翼面線素の前記回転方向への突出量が最大となる位置は、該翼面線素の翼高さ方向の中央位置よりも前記ハブと反対側に設定されていることを特徴とする。
また、本発明に係る遠心式流体機械は、前記遠心羽根車を備えることを特徴とする。

発明の効果

0011

本発明によれば、遠心羽根車の出口における作動流体の半径方向流速分布の均一化とともに、周方向流速分布の均一化をも図ることができる遠心羽根車、およびこれを備える遠心式流体機械を提供できる。

図面の簡単な説明

0012

本発明の第1実施形態に係る遠心式流体機械を示す子午面断面図である。
図1に示される遠心式流体機械の部分拡大断面図である。
遠心式流体機械が備える羽根車を斜め上流側から見た概略斜視図である。
図4(a)〜(c)は羽根車の周方向に隣り合う2枚の翼の翼後縁の形状を、羽根車の半径方向外周側から見た図を示しており、図4(a)は本実施形態における翼後縁の形状、図4(b)は従来の曲線線素を有する羽根車の翼後縁の形状、図4(c)は従来の直線線素を有する羽根車の翼後縁の形状を示す。
図5(a)〜(c)は、図4(a)〜(c)に示す各羽根車の翼の形状を有する羽根車について、設計点での流量における3次元粘性流体解析を実施して得られた、羽根車出口円筒面における半径方向流速の分布の一例をそれぞれ示す図である。
図6(a)は、図4(a)に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車の、羽根車出口における周方向流速の翼スパン方向分布を示すグラフ図6(b)は、図4(b)に示す従来の曲線線素を有する羽根車の、羽根車出口における周方向流速の翼スパン方向分布を示すグラフである。
図7(a),(b)は、羽根車の翼から作動流体に加わる翼力の方向を示す図であり、図7(a)は、翼のシュラウド側がハブ側に対して、羽根車回転方向において前進している場合を示し、図7(b)は、翼のシュラウド側がハブ側に対して、羽根車回転方向において後退している場合を示す。
図8(a),(b)は、羽根車出口における速度三角形を示す図である。
図9(a),(b)は、本発明の第2実施形態に係る遠心式流体機械の羽根車およびディフューザを示す図であり、図9(a)は、羽根車およびディフューザを羽根車の軸方向上流側から見た図、図9(b)は、羽根車およびディフューザの子午面断面図である。
ディフューザにおける二重翼列部の前置翼列および後置翼列のうち任意の一組の翼を取り出して示す説明図である。
図11(a),(b)は、羽根車およびベーン付きディフューザの内部の流れを3次元粘性流体解析した結果の一例を示すグラフであり、図11(a)は効率特性を示し、図11(b)は圧力上昇特性を示す。

実施例

0013

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を適宜省略する。

0014

(第1実施形態)
まず、図1図8を参照しながら、本発明の第1実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る遠心式流体機械200を示す子午面断面図(回転軸104の中心軸を含む平面で切断した断面図)である。図2は、図1に示される遠心式流体機械200の部分拡大断面図である。本実施形態では、遠心式流体機械200が一軸多段式の遠心圧縮機である例を取り上げて説明する。

0015

図1に示すように、遠心式流体機械200は、回転エネルギーを作動流体に付与する遠心羽根車(以下、単に「羽根車」ともいう)100と、この羽根車100が取り付けられる回転軸104と、羽根車100の径方向外側に配置されているディフューザ105と、を有している。ディフューザ105は、羽根車100から送り出される作動流体(以下、単に「流体」ともいう)の動圧成分を静圧成分へ変換するものである。

0016

図2に示すように、ディフューザ105の下流には、後段の羽根車100または機外へ流体を導くための下流流路108と、ディフューザ105から下流流路108へ流体を導くリターンチャネル106とが設けられている。

0017

羽根車100は、円盤状のハブ102と、ハブ102上に周方向に間隔をおいて配置されている複数の翼(羽根)101と、翼101を間に挟んでハブ102に対向して配置されているシュラウド(側板)103と、を有している。ハブ102は、回転軸104に締結されている。複数の翼101は、ハブ102とシュラウド103との間に位置している。なお、図2では、シュラウド103を有するクローズド型の羽根車100の一例を示している。ただし、シュラウド103を有さないオープン型の羽根車が使用されてもよい。

0018

ディフューザ105は、本実施形態では、図2に示すように、周方向にほぼ等ピッチで配置された複数枚の翼を有するベーン(羽根)付きディフューザである。ただし、図2では示していないが、翼を有さないベーンレスディフューザが使用されてもよい。

0019

図1に示すように、遠心式流体機械200は、図2に示した圧縮段複数段軸方向に積層した形で構成されている。回転軸104を回転自在に支持するラジアル軸受117が回転軸104の両端側に配置されている。また、回転軸104の一方の端部には、回転軸104を軸方向に支持するスラスト軸受118が配置されている。

0020

回転軸104には、多段の圧縮段の羽根車100(図1では4つの羽根車100)が固定して取り付けられている。各羽根車100の下流側には、前記したように、ディフューザ105およびリターンチャネル106が設けられている。これらの羽根車100、ディフューザ105、およびリターンチャネル106は、ケーシング119内に収容されている。ケーシング119の吸込み側には、吸込み部114が設けられており、ケーシング119の吐出側には吐出部116が設けられている。第1段の羽根車100の上流側には、吸込み流れに予旋回を付与するインレットガイドベーン115が設けられている。吐出部116は、スクロール120を有している。

0021

このように構成された遠心式流体機械200においては、図2に示すように、羽根車吸込口107から吸引された流体が、各段の羽根車100、ディフューザ105、リターンチャネル106を通過するごとに昇圧されて次段の圧縮段に送られる。そして、圧縮された流体は、最終的に所定圧力になって下流流路108へ吐出される。

0022

ところで、遠心式流体機械200、特に気体を扱う遠心式流体機械では、流量減少に伴い、羽根車100やディフューザ105で流れが失速し、流量を減じてもそれ以上圧力が上昇せずに、大きな圧力変動および流量変動を発生する現象が生じる。これをサージングといい、遠心式流体機械200の小流量(低流量)側の限界点となる。一方、サージング発生限界流量から流量調整弁等を開いて流量を増大させていくと、吐出圧力が低下して、それ以上流量が増大しない現象が生じる。これをチョークといい、遠心式流体機械200の大流量側の限界点となる。これら2つの限界点であるサージングとチョークとの間を、作動範囲と呼んでおり、遠心式流体機械200の効率を低下させずに作動範囲を増大させることが常に求められている。

0023

以下に、本実施形態に係る遠心式流体機械200において、定格点(設計点)における流体効率の向上と、小流量側におけるディフューザ失速抑制による作動範囲の拡大とを両立させる構成について説明する。

0024

図3は、遠心式流体機械200が備える羽根車100を斜め上流側から見た概略斜視図である。図3では、シュラウド103は翼101と交差する部分のみが表示されており、翼101の形状が見えるように示されている。羽根車100は、図3中の矢印Aで示す羽根車回転方向(ハブ102の回転方向)に回転するようになっている。

0025

図3において、ハブ102上に周方向に間隔をおいて配設された複数の翼101の内の一枚に、翼101の翼面を構成する、ハブ102とシュラウド103とを結ぶ翼スパン方向(翼高さ方向)の翼面線素13を、重ねて示している。図3から分かるように、本実施形態では、翼面線素13は曲線線素であり、翼101の翼面は自由曲面から構成されている。なお、図3において、符号14は翼101の上流側の端縁である翼前縁を示し、符号15は翼101の下流側の端縁である翼後縁を示している。

0026

図4(a)〜(c)は、羽根車の周方向に隣り合う2枚の翼の翼後縁の形状を、羽根車の半径方向外周側から見た図を示している。図4(a)は、本実施形態における翼後縁15の形状を示す。図4(b)は、前記特許文献1における従来の曲線線素を有する羽根車の翼後縁15aの形状を示す。図4(c)は、翼面線素が直線線素から構成され、かつ翼のシュラウド103側がハブ102側に対して羽根車回転方向Aに前傾した、従来の直線線素を有する羽根車の翼後縁15bの形状を示す。

0027

図4(a),(b)では、翼スパン方向の中央位置Lを一点鎖線で示している。また、図4(a)〜(c)において、符号11は翼圧力面(羽根車の任意の1枚の翼に属する翼面のうち、羽根車回転方向Aに対して前側に位置する翼面)を示し、符号12は翼負圧面(羽根車回転方向Aに対して後側に位置する翼面)を示す。

0028

図4(a)に示すように、本実施形態における羽根車100の翼101の翼面を構成する翼スパン方向(翼高さ方向)の翼面線素13(図3も参照)は、羽根車回転方向Aに向けて凸状となる曲線線素である。また、翼面線素13の羽根車回転方向Aへの突出量が最大となる位置Bは、翼面線素13の翼スパン方向の中央位置Lよりもハブ102と反対側、すなわちシュラウド103側に設定されている。そして、翼面線素13の突出量が最大となる位置Bは、翼面線素13においてハブ102と交差する端縁位置を0%、ハブ102と反対側の端縁位置、すなわちシュラウド103と交差する端縁位置を100%とした場合に、60〜80%の位置に設定されていることが好ましい。

0029

本実施形態において、羽根車100の翼101の形状を、図4(a)に示す形状としたことによる効果を、図5図6を用いて説明する。
図5(a)〜(c)は、図4(a)〜(c)に示す各羽根車の翼の形状を有するクローズド型の羽根車について、設計点での流量における3次元粘性流体解析を実施して得られた、羽根車出口円筒面における半径方向流速Crの分布の一例をそれぞれ示す図である。なお、図5中では、半径方向流速Crを羽根車出口周速U2で除して無次元化した、無次元半径向流速分布Cr/U2として示している。

0030

図5(c)中の黒色コンター領域は、半径方向流速が0よりも小さい領域、つまり逆流域を示している。図5(a)〜(c)から以下のことが分かる。すなわち、図5(c)に示すように、従来の直線線素を有する羽根車では、シュラウド側の翼負圧面12付近に逆流域が存在している。一方、図5(a)に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車、および図5(b)に示す従来の曲線線素を有する羽根車では、何れも逆流域が消滅し、ほぼ同等の均一性の半径方向流速分布を実現していることが分かる。

0031

したがって、図4(a)に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車、および図4(b)に示す従来の曲線線素を有する羽根車をそれぞれ備える遠心式流体機械は、図4(c)に示す従来の直線線素を有する羽根車を有する遠心式流体機械よりも流動損失を低減できる。このため、設計点での流体効率が高い遠心式流体機械となる。

0032

図6(a)は、図4(a)に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車の、羽根車出口における、周方向平均した周方向流速Cuの翼スパン方向分布が、流量変化に応じてどのように変化していくかを示すグラフである。また、図6(b)は、図4(b)に示す従来の曲線線素を有する羽根車の、羽根車出口における、周方向平均した周方向流速Cuの翼スパン方向分布が、流量変化に応じてどのように変化していくかを示すグラフである。

0033

図6(a),(b)において、縦軸は、周方向流速Cuを羽根車出口周速U2で除して無次元化した、無次元周方向流速Cu/U2を示す。横軸は、翼スパン方向位置を表し、左端点がシュラウド103側の壁面位置、右端点がハブ102側の壁面位置を、それぞれ示す。図6中の数値は、100%が設計点での流量を示し、それ以外は、設計点での流量に対する流量比を示している。また、図6中の二点鎖線は、設計点での流量における、シュラウド103側の壁面でのCu/U2の値と、ハブ102側の壁面でのCu/U2の値とを結んだ線である。

0034

従来の曲線線素を有する羽根車では、図6(b)に示すように、設計点での流量において既に翼スパン方向にわたってのCu/U2の分布が大きく、シュラウド側よりもハブ側で周方向流速が低い分布となっている。そして、流量低下とともに、ハブ102の壁面付近における周方向流速の低い領域の拡大が顕著になっていく。

0035

一方、本実施形態の曲線線素を有する羽根車では、図6(a)に示すように、従来の曲線線素を有する羽根車よりも、設計点での流量における翼スパン方向にわたっての周方向流速分布が均一化する。これととともに、流量低下時のハブ102の壁面付近における周方向流速の低い領域の拡大も抑制されていることが分かる。

0036

次に、羽根車100の翼101の形状を図4(a)に示す形状にしたことで、翼スパン方向にわたっての半径方向流速分布および周方向流速分布がともに均一化されるメカニズムを、図7および図8を参照して説明する。

0037

図7(a),(b)は、羽根車の翼から作動流体に加わる翼力Fの方向を示す図である。図7(a)は、翼101aのシュラウド103側がハブ102側に対して、羽根車回転方向Aにおいて前進している場合を示し、図7(b)は、翼101bのシュラウド103側がハブ102側に対して、羽根車回転方向Aにおいて後退している場合を示す。
図8(a),(b)は、羽根車出口における速度三角形を示す図である。図8において、U2は、羽根車出口周速、β2は、羽根車出口における流体の相対流れ角、W2は、羽根車出口における流体の相対速度、C2は、羽根車出口における流体の絶対速度、Cu2は、羽根車出口における流体の絶対速度の周方向成分を示す。図8において、速度はベクトル表示されている。

0038

図7(a)に示すように傾斜する翼101aを有する羽根車では、翼力Fがハブ102側に向かって作用する。そのため、ハブ102側では静圧が上昇し、シュラウド103側では静圧が低下する。その結果、ハブ102側からシュラウド103側へ、翼圧力面11側から翼負圧面12側へと向かう二次流れが比較的大きくなり、シュラウド103側の翼負圧面12付近に低エネルギー流体集積する。また同時に、ハブ102側では相対流速が低下し、シュラウド103側では相対流速が上昇する。このとき、ハブ102側における羽根車出口の速度三角形は図8(b)に相当する流れ場、シュラウド103側における羽根車出口の速度三角形は図8(a)に相当する流れ場となっている。この場合、周方向流速(羽根車出口における流体の絶対速度の周方向成分Cu2)は、ハブ102側の方がシュラウド103側よりも大きい。

0039

一方、図7(b)に示すように傾斜する翼101bを有する羽根車では、翼力Fがシュラウド103側に向かって作用する。そのため、ハブ102側では静圧が低下し、シュラウド103側では静圧が上昇する。その結果、二次流れが抑制される。また同時に、ハブ102側では相対流速が上昇し、シュラウド103側では相対流速が低下する。このとき、ハブ102側における羽根車出口の速度三角形は図8(a)に相当する流れ場、シュラウド103側における羽根車出口の速度三角形は図8(b)に相当する流れ場となっている。この場合、周方向流速(羽根車出口における流体の絶対速度の周方向成分Cu2)は、シュラウド103側の方がハブ102側よりも大きい。

0040

図4(b)に示す従来の曲線線素を有する羽根車の翼では、翼のシュラウド103側がハブ102側よりも羽根車回転方向Aにおいて後退している領域が、翼のシュラウド103側の端縁位置から、翼スパン方向の中央位置Lよりもハブ側に及んでいる。このため、図7(b)に示す翼101bを有する羽根車と内部流れが類似することとなる。したがって、従来の曲線線素を有する羽根車では、羽根車出口において半径方向流速の均一化は図れるものの、周方向流速については、ハブ102側がシュラウド103側よりも低下する分布となってしまう。ここで、完全に半径方向流速を均一化できると仮定すると、周方向流速の均一化の観点からは、翼のシュラウド103側がハブ102側よりも羽根車回転方向Aにおいて後退している領域を、翼のシュラウド103側の端縁位置から翼スパン方向の中央位置Lまでとするのが好ましい。これは、ハブ102側に作用する翼力Fとシュラウド103側に作用する翼力Fとが、等分されるためである。しかしながら、図5(b)に示すように、従来の曲線線素を有する羽根車と同様の翼の形状とした場合でも、二次流れの残留によって、シュラウド103側の半径方向流速はハブ102側よりも小さい。このため、翼のシュラウド103側がハブ102側よりも羽根車回転方向Aにおいて後退している領域を、翼のシュラウド103側の端縁位置から翼スパン方向の中央位置Lまでとすると、周方向流速の非均一性が残ってしまう。これは、図8に示す速度三角形から分かるように、二次流れ残留の影響でシュラウド103側の方がハブ102側よりも周方向流速が大きくなるからである。

0041

一方、図4(a)に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車100では、翼面線素13を羽根車回転方向Aに向けて凸状の曲線線素とし、かつその最大突出位置Bを、翼スパン方向の中央位置Lよりもシュラウド103側になるよう設定している。この場合には、半径方向流速の均一性は確保したまま、曲線線素の最大突出位置Bが翼スパン方向の中央位置Lにある場合と比較してシュラウド103側の周方向流速が小さくなり、周方向流速の均一性も増すのである。

0042

次に、翼スパン方向にわたっての周方向流速分布の均一化によって、遠心式流体機械200が備えるディフューザ105の失速が抑制されるメカニズムを、以下に説明する。

0043

遠心式流体機械200のディフューザ105は、基本的には半径方向外側(下流側)に向かうにつれて流路断面積が増大する減速流路であり、羽根車出口から下流側に向かうにつれ、徐々に静圧が上昇する。ここで、ディフューザ105内部における、半径方向外向きに増大する半径方向圧力勾配支える力は二つある。一つ目は、周方向流速成分に起因する半径方向外向きの遠心力である。二つ目は、半径方向流速の減速に基づく半径方向運動量の減少によって生じる、半径方向外向きの力である。

0044

図4(b)に示す従来の曲線線素を有する羽根車では、ハブ102の壁面付近における周方向流速が小さい。そのため、流量低下に伴って増大するディフューザ105内部の半径方向圧力勾配を支えるためには、図6(b)に示すように、流量低下とともに、ハブ102の壁面付近の半径方向流速が急減する必要がある。このため、ディフューザ105のハブ102側の壁面付近で流れの剥離・逆流が比較的大流量側で発生してしまい、失速が早まってしまう。

0045

一方、図4(a)に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車100では、翼スパン方向にわたっての周方向流速分布の均一性が高い。このため、ディフューザ105におけるハブ102側およびシュラウド103側のどちらか一方の側の壁面付近でのみ、流量低下に伴って半径方向流速が急減するといった状況が生じない。したがって、羽根車出口での翼スパン方向にわたっての周方向流速分布が大きい場合と比較して、ディフューザ105の側壁(ハブ102側およびシュラウド103側の壁面)における流れの剥離・逆流が、より小流量側まで抑制される。したがって、失速を抑制することが可能となる。

0046

前記したように、本実施形態では、図4(a)に示すように、羽根車100の翼101の翼面を構成する翼スパン方向の翼面線素13は、羽根車回転方向Aに向けて凸状となる曲線線素である。また、翼面線素13の羽根車回転方向Aへの突出量が最大となる位置Bは、翼面線素13の翼スパン方向の中央位置Lよりもハブ102と反対側、すなわちシュラウド103側に設定されている。

0047

このような本実施形態では、半径方向流速の均一性は確保したままで、曲線線素の最大突出位置Bが翼スパン方向の中央位置Lにある場合と比較してシュラウド103側の周方向流速が小さくなることによって周方向流速の均一性も向上する。
すなわち、羽根車出口における作動流体の半径方向流速分布の均一化とともに、周方向流速分布の均一化をも図ることができる羽根車100、およびこれを備える遠心式流体機械200を提供できる。
これにより、遠心式流体機械200の設計点での流量における流体効率が向上するとともに、小流量側におけるディフューザの失速の抑制によって作動範囲も拡大する。

0048

また、本実施形態では、翼面線素13の突出量が最大となる位置Bは、ハブ102側の端縁位置からシュラウド103側の端縁位置に向かって60〜80%の位置に設定されている。このように、位置Bを60%以上の位置とすることによって周方向流速分布の均一性をより高めることができ、位置Bを80%以下の位置とすることによって半径方向流速の均一性をより確保することができる。

0049

なお、本実施形態では、クローズド型の羽根車100に適用される場合について説明してきたが、オープン型の羽根車に適用される場合にも所定の効果は見込まれる。しかしながら、オープン型の羽根車における二次流れは、翼の翼高さ方向先端とケーシングとの間の隙間(チップクリアランス)で生じる翼端漏れ流れの影響を主として受ける。このように、オープン型の羽根車では、二次流れの生じ方がクローズド型の羽根車とは異なるため、本実施形態のように、羽根車100は、クローズド型の羽根車であることが好ましい。

0050

(第2実施形態)
次に、図9図11を参照しながら、本発明の第2実施形態について、前記した第1実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を省略する。
本実施形態は、図1におけるディフューザ105として、特に、二重翼列の羽根付きディフューザを搭載した場合に関するものである。

0051

図9(a),(b)は、本発明の第2実施形態に係る遠心式流体機械の羽根車100およびディフューザ105を示す図である。図9(a)は、羽根車100およびディフューザ105を、羽根車100の軸方向上流側から見た図である。図9(b)は、羽根車100およびディフューザ105の子午面断面図である。

0052

第1実施形態と同様、第2実施形態における羽根車100は、ハブ102上に周方向に間隔をおいて配設された複数の翼101を有している。翼101の翼面を構成する、ハブ102とシュラウド103とを結ぶ翼スパン方向(翼高さ方向)の翼面線素13は曲線線素であり、翼面は自由曲面から構成されている。図4(a)に示すように、翼面線素13は、第1実施形態と同様に、羽根車回転方向Aに向けて凸状の曲線線素であり、かつその最大突出位置は、翼スパン方向の中央位置よりもシュラウド103側に位置している。

0053

一方、ディフューザ105は、ベーン無し部70(図9(b)参照)と、二重翼列部71とを有している。二重翼列部71は、羽根車100の径方向外側に配置されている前置翼列72と、該前置翼列72の径方向外側に配置されている後置翼列73とを含んでいる。前置翼列72は、周方向にほぼ等ピッチで配置された複数枚の翼を有している。後置翼列73は、前置翼列72の下流側に配置されており、前置翼列72と同様に周方向にほぼ等ピッチで配置された複数枚の翼を有している。

0054

二重翼列部71を有するディフューザ105では、小流量域で高い圧力回復を達成できる翼列を前置翼列72とし、大流量域で高い圧力回復を達成できる翼列を後置翼列73とする場合が一般的である(例えば、妹尾、他2名、「遠心送風機の小弦節比円形二重翼列ディフューザ」、日本機械学会論文集(B編)49巻439号(1983)参照)。これは、広い流量範囲において高い静圧回復率(作動流体の動圧成分を静圧成分へと変換する変換割合)を得るためである。

0055

次に、図4(a)に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車100と、二重翼列部71を有するディフューザ105とを組み合わせて用いることによる効果を、図10を参照して説明する。

0056

図10は、ディフューザ105における二重翼列部71の前置翼列72および後置翼列73のうち任意の一組の翼を取り出して示す説明図である。
図10中には、前置翼列72へ流入する流体の絶対速度C3、および、前置翼列72により流れを転向された後、後置翼列73へと流入する流体の絶対速度C4も示している。なお、前置翼列72へ流入する流体の絶対速度C3は、設計点での流量付近の場合の絶対速度C3aと小流量の場合の絶対速度C3bとで分けて示している。図10において、速度はベクトル表示されている。

0057

図10に示すように、前置翼列72へ流入する作動流体の絶対速度C3は、流量低下とともに、徐々に周方向Cへと向くことになる。ベーン付きディフューザでは、ある流量よりも小流量側では流体は翼面に沿って流れることができなくなり、翼負圧面(前置翼列72の符号80に相当する翼面)で流れが剥離・逆流してディフューザが失速する場合がある。しかし、二重翼列部71を有するディフューザ105において、前置翼列72の翼取付角度を、なるべく小流量の場合の絶対速度C3bの方向に沿うように設定することで、小流量側まで前置翼列72の翼負圧面80での流れの剥離・逆流を抑制可能である。ただし、この場合、設計点での流量付近において、前置翼列72で発生する圧力損失は増大する。

0058

そして、前置翼列72から流出して後置翼列73へと流入する流れは、前置翼列72の流れの拘束作用によって、流量に関わらずほぼ同一の流れ方向を維持したまま、後置翼列73へと流入する。したがって、後置翼列73の翼取付角度は、設計点での流量付近の絶対速度C4の方向に沿うように設定されている。これにより、小流量側まで後置翼列73の翼負圧面81での流れの剥離・逆流を生じさせずに、設計点での流量付近における後置翼列73で発生する圧力損失を低減することが可能である。

0059

このように、二重翼列部71を有するディフューザ105では、設計点での流量における効率を維持したまま、小流量側でのディフューザ105の翼負圧面に起因する失速の発生を抑制することが可能である。

0060

一方、二重翼列部71の入口と出口との間の静圧上昇量は、流量低減とともに増大する。このため、ディフューザ105におけるハブ102側の壁面74およびシュラウド103側の壁面75(以下、合わせて「ディフューザ105の側壁」という)上の速度境界層厚みは流量低減とともに増大し、ある流量以下ではディフューザ105の側壁付近において流れの剥離・逆流が生じる。このように、二重翼列部71を有するディフューザ105では、翼負圧面に起因する失速ではなく、ディフューザの側壁に起因する失速によって、ディフューザが失速する。

0061

図4(a)に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車100は、羽根車出口における半径方向流速分布の均一化が図れると同時に、周方向流速分布の均一化も図れることによって、ディフューザ105の側壁に起因する失速発生を抑制する効果を有する。
また、二重翼列部71を有するディフューザ105は、ディフューザ105の翼負圧面に起因する失速を抑制する効果をも有する。
以上のことから、図4(a)に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車100と、二重翼列部71を有するディフューザ(以下、「二重翼列付きディフューザ」ともいう)105とを組み合わせることで、ディフューザ部における翼負圧面起因、およびディフューザ側壁起因の両方の失速を抑制することが可能となるのである。

0062

図11(a),(b)は、クローズド型の羽根車およびベーン付きディフューザの内部の流れを3次元粘性流体解析した結果の一例を示すグラフである。図11(a)は、効率特性を示し、図11(b)は、圧力上昇特性を示す。
図11では、以下の3つのケースを示している。すなわち、ケース1は、図4(b)に示す従来の曲線線素を有する羽根車と、一般的な単翼列付きディフューザとを組み合わせた場合を示す。ケース2は、図4(b)に示す従来の曲線線素を有する羽根車と、本実施形態の二重翼列付きディフューザ105とを組み合わせた場合を示す。ケース3は、図4(a)に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車100と、本実施形態の二重翼列付きディフューザ105とを組み合わせた場合を示す。

0063

図11(a),(b)の横軸は、設計点での流量Qdesで除して無次元化した、無次元流量Q/Qdesを示す。図11(a)の縦軸は、従来の曲線線素を有する羽根車と単翼列付きディフューザとを組みわせた遠心圧縮機段の、設計点での流量Qdesにおける断熱ヘッドHad,desで除して無次元化した、断熱ヘッド比Had/Had,desを示す。図11(b)の縦軸は、従来の曲線線素を有する羽根車と単翼列付きディフューザとを組みわせた遠心圧縮機段の、設計点での流量Qdesにおける断熱効率ηad,desで除して無次元化した、断熱効率比ηad/ηad,desを示す。

0064

図11に示すように、前記3つのケースの遠心圧縮機段の設計点での流量における断熱ヘッドと断熱効率はほぼ同一である。一方、前記3つのケースの小流量側の失速点(断熱ヘッドがピークとなる流量点)は、ケース1、ケース2、ケース3の順に小流量側に移動している。ケース1とケース2の比較から、従来の曲線線素を有する羽根車においても、本実施形態の二重翼列付きディフューザ105を適用することで、小流量側へ作動範囲を拡大できることが分かる。加えて、ケース2とケース3の比較から、本実施形態の曲線線素を有する羽根車と、本実施形態の二重翼列付きディフューザ105とを組み合わせることで、小流量側への作動範囲の更なる拡大を実現できることが分かる。

0065

なお、本実施形態では、第1実施形態と同様に、クローズド型の羽根車100に適用される場合について説明してきたが、オープン型の羽根車に適用される場合にも所定の効果は見込まれる。しかしながら、オープン型の羽根車では、二次流れの生じ方がクローズド型の羽根車とは異なるため、本実施形態のように、羽根車100は、クローズド型の羽根車であることが好ましい。

0066

以上、本発明について実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。前記した実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

0067

例えば、前記した実施形態では、遠心式流体機械200が遠心圧縮機である例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばポンプ等の他の遠心式流体機械にも適用可能である。

0068

11翼圧力面
12翼負圧面
13翼面線素
14翼前縁
15翼後縁
70ベーン無し部
71 二重翼列部
72前置翼列
73後置翼列
74ハブ側の壁面
75シュラウド側の壁面
80 翼負圧面
81 翼負圧面
100遠心羽根車
101 翼
102 ハブ
103シュラウド
104回転軸
105ディフューザ
106リターンチャネル
107羽根車吸込口
108下流流路
114 吸込み部
115インレットガイドベーン
116吐出部
117ラジアル軸受
118スラスト軸受
119ケーシング
120スクロール
200遠心式流体機械
A 羽根車回転方向
B最大突出位置
F 翼力
L 中央位置

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