JP2015031180A - 回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の回転機械は、負圧面で衝突する二次流れによる損失を低減することが可能な回転機械を提供することを目的とする。【解決手段】軸線Ｏを中心に径方向に延在して周方向に間隔をあけて複数が配置され、間に径方向に流体が流通する流路を画成する羽根１９を備え、隣接する羽根１９における周方向に対向する面のうち、羽根１９によって画成される流路を流通する流体の負圧面１９ｂから突出して径方向に延びる凸部１９ｃが形成されていることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、回転機械に関する。

流体へエネルギを与える遠心ポンプ等のターボ機械は、ケーシングの内部にケーシングとの間で相対回転可能に設けられた羽根車を備えており、ケーシングの外部から取り込んだ流体を、羽根車を回転させて羽根車内の流路の径方向外側へ昇圧して吐出する。

流体へエネルギを与える際に、遠心ポンプに用いられる羽根車の流路内では、羽根車の遠心力やコリオリ力等の種々の影響を受けて主流の流れを阻害する二次流れが発生する。この二次流れは、損失を引き起こして、回転機械の性能を低下させてしまう要因の一つとなる。

二次流れを低減する方法として例えば特許文献１には、遠心圧縮機の羽根車内において流路を形成する羽根と側板との表面に、流体の流れ方向に沿って溝を形成する構造が開示されている。このように流路に溝を形成することで、流体の流れが溝に沿った方向に規制されるため、流路内の二次流れを抑制することができる。

特開平９−１００７９７号公報

しかしながら、遠心ポンプ等のターボ機械である回転機械の羽根車においては、特許文献１に開示されたものとは異なる二次流れも発生している。具体的には、羽根車内の各流路において圧力面から負圧面側に向かう二次流れは、流路を形成する側板に沿って進み負圧面で側板に沿って流れる二つの二次流れが衝突しミキシングされる。この二次流れ同士の衝突によって主流の流れが阻害され損失が生じ、ターボ機械の性能低下の要因となっている。

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、負圧面で衝突する二次流れによる損失を低減することが可能な回転機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の一態様に係る回転機械は、軸線を中心として径方向に延在し、周方向に間隔をあけて複数が配置されて間に径方向に流体が流通する流路を画成する羽根を備え、隣接する前記羽根における周方向に対向する一対の面のうち、前記流路を流通する流体の負圧面となる面から突出して前記径方向に延びる凸部が形成されていることを特徴とする。

このような回転機械よれば、流路内の流体によって生じて軸線方向に広がりながら径方向外側に向かう二つの二次流れを、羽根の負圧面から突出して径方向に延びる凸部によって圧力面に向かって戻るように流れの向きを変更して衝突させることができる。即ち、流路を流れる二つの二次流れを、負圧面から隣接する羽根の圧力面に向かう成分を持った状態で衝突させることができる。これにより、衝突時のミキシングによる衝撃を低減することができ、負圧面で衝突する二次流れによる損失を低減させることができる。

また、本発明の他の態様に係る回転機械は、前記凸部は、前記流体の流入側から流出側に向かって漸次突出高さが大きくなることを特徴とする。

このような回転機械よれば、凸部を流体の流入側から流出側に向かって漸次突出高さが大きくなるように形成することで、二次流れが発生しにくい流入側の突出高さを減らすことができる。即ち、流体の流入側から流出側に向かうにしたがって、徐々に突出高さが大きくなるように凸部を形成することで、二次流れの影響が大きい流出側では凸部を十分に作用させて二次流れを整流させることができる。一方、二次流れが発生しにくく二次流れの影響を受けづらい流入側では突出高さを小さくし、主流に影響を与えないようにすることができる。これにより、凸部によって流出側の二次流れを効率的に低減でき、負圧面で衝突する二次流れによる損失を効率的に低減することが可能となる。

さらに、本発明の他の態様に係る回転機械は、前記凸部は、前記負圧面の軸線方向の中央を含む領域に形成されていることを特徴とする。

このような回転機械によれば、凸部が負圧面の軸線方向の中央を含む領域に形成されていることで、軸線方向に広がりながら径方向外側に向かう二つの二次流れを凸部が配置されている負圧面の軸線方向の中央部分で衝突させることができる。そのため、流路を軸線方向に広がりながら径方向外側に向かう二つの二次流れを均等に衝突させることができる。これにより、より効果的に負圧面側で衝突する二次流れによる損失を低減し、ロバスト性を高めることが可能となる。

また、本発明の他の態様に係る回転機械は、隣接する前記羽根における周方向に対向する一対の面のうち、前記流路を流通する流体の圧力面となる面における前記凸部と対応する位置に、該圧力面から凹んで径方向に延びる凹部が形成されていることを特徴とする。

このような回転機械によれば、羽根の圧力面における凸部と対応する位置に凹部が形成されていることで、凸部が形成されることで増加する羽根の重量を、凹部によって減らすことができる。そのため、羽根自体の重量が増加することなく羽根の負圧面に凸部を形成することができる。これにより、重量増加によって羽根の組み立て性が損なわれることがないため、凸部を有する羽根を備えた回転機械を容易に製造することができる。

本発明の回転機械によれば、羽根の負圧面に凸部を設けることで、二次流れの衝突する位置を強制的に規制して、負圧面で衝突する二次流れによる損失を低減することが可能な回転機械を提供することを目的とする。

本発明の第一実施形態に係る遠心ポンプ全体断面図である。 本発明の第一実施形態に係る遠心ポンプを示す要部断面図である。 本発明の第一実施形態に係る羽根車の全体を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る羽根車の流路の断面を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る羽根車の全体を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る羽根車の流路の断面を示す図である。

以下、本発明に係る第一実施形態の回転機械について図１から図４を参照して説明する。
第一実施形態における回転機械はターボ機械である遠心ポンプ（回転機械）１であり、例えば給水ポンプが挙げられ、本実施形態では多段ポンプとなっている。そして、図１に示すように、この遠心ポンプ（回転機械）１は、外部ケーシング２と、外部ケーシング２の内部に配置されている内部ケーシング３（ケーシング）と、内部ケーシング３を貫通するように配置された軸線Ｏを中心に延在する回転軸４と、キーを介して回転軸４に一体に回転可能に固定された両吸込インペラ５及び複数の羽根車６（インペラ）とを主に備えている。

外部ケーシング２は、中空形状をなし、径方向内側に向かって流体Ｆを吸い込む吸込口８と、径方向外側に向かって流体Ｆを吐き出す吐出口９とが形成されている。

また、外部ケーシング２の一端部（図１の左端部）にはケーシングカバー１１が装着されているとともに、外部ケーシング２の他端部にはケーシングカバー１２が装着されている。そして、ケーシングカバー１１、１２がそれぞれ複数の締結ボルト１３、１４により固定されることで、外部ケーシング２、内部ケーシング３、及びケーシングカバー１１、１２が一体化されている。また、吸込口８には、不図示の復水回収ラインが連結され、吐出口９には不図示の給水ラインが接続されている。

内部ケーシング３は、外部ケーシング２の内部に配置されており、複数のリング部材１０を回転軸４の軸線Ｏ方向に配列した構成をなしている。また、この内部ケーシング３には、吸込口８及び吐出口９にそれぞれ連通して、縮径及び拡径を繰り返す内部空間が設けられている。この内部空間には羽根車６が収容される。そして、羽根車６を収容した際に羽根車６同士の間となる位置に羽根車６を流通する流体Ｆを上流側から下流側に流通させるケーシング流路７が形成されており、吸込口８と吐出口９とは羽根車６及びケーシング流路７を介して連通している。

回転軸４は、内部ケーシング３に収容された羽根車６及び両吸込インペラ５が外嵌されて、これらと共に軸線Ｏを中心に回転する。またこの回転軸４は図示しない軸受によって外部ケーシング２及び内部ケーシング３に対して回転自在に支持されており、また図示しない原動機によって回転駆動される。

両吸込インペラ５は、外部ケーシング２の内部に収容されており、吸込口８から流体Ｆを吸込むように構成されている。

複数の羽根車６は、両吸込インペラ５よりも軸線Ｏ方向の下流側となる他方側（図１における紙面に向かって右側）で、内部ケーシング３における各々のリング部材１０の内部に、回転軸４の軸線Ｏ方向に間隔を空けて収容されている。
また、各々の羽根車６は、図２及び図３に示すように、流出側に進むにつれて漸次拡径した略円盤状のディスク１８と、ディスク１８の表面から回転軸４の外部ケーシング２の一端部となる軸線Ｏの他方側に立ち上がるように、ディスク１８に放射状に取り付けられて周方向に並んだ複数の羽根１９（ブレード）とを有している。さらに、この羽根車６は、軸線Ｏ方向の一方側からこれら複数の羽根１９を周方向に覆うように取り付けられたカバー２０を有している。さらに、このカバー２０と内部ケーシング３との間は、羽根車６と内部ケーシング３とが接触しないように間隙Ｓが画成されている。

ディスク１８は、軸線Ｏ方向の一方側（図２における紙面に向かって左側）を向く端面が小径とされ、他方側を向く端面が大径とされている。そして、ディスク１８は、これら二つの端面が軸線Ｏ方向の一方側から他方側に向かうにしたがって漸次拡径する曲面１８ａによって接続されることで、軸線Ｏ方向視で略円盤状をなし、全体として略傘形状をなしている。

また、このディスク１８の径方向内側には、ディスク１８を軸線Ｏ方向に貫く貫通孔１８ｂが形成されている。この貫通孔１８ｂに回転軸４が挿入されて嵌合されることで、羽根車６が回転軸４に固定されて、一体として回転可能となっている。

羽根１９は、軸線Ｏを中心としてディスク１８における曲面１８ａから軸線Ｏ方向の一方側に立ち上がるように、軸線Ｏの周方向、即ち、回転方向Ｒに一定間隔をあけて複数配置されている。羽根１９は、それぞれディスク１８の径方向内側から外側に向かうにしたがって、回転方向Ｒの後方側に向かって湾曲するように形成されている。これら複数の羽根１９は、隣接する羽根１９同士における軸線Ｏの周方向に対向する一対の面のうち、回転方向Ｒの前方側を向く面が圧力面１９ａ、回転方向Ｒの後方側を向く面が負圧面１９ｂとなっている。また、隣接する羽根１９の圧力面１９ａと負圧面１９ｂとの間には、径方向に流体Ｆが流通する流路２３が画成される。そして、羽根１９は負圧面１９ｂにディスク１８の径方向内側から突出して軸線Ｏの径方向に延びる凸部１９ｃを有している。

凸部１９ｃは、流体Ｆの流入側である径方向内側から流出側である径方向外側に向かって、羽根１９の負圧面１９ｂの軸線Ｏ方向の中央を含む領域で漸次突出して形成されている。具体的には、凸部１９ｃは、羽根１９の軸線Ｏ方向の中央部分から対称に径方向に断面三角形状をなして、羽根１９の径方向の中央部分から羽根１９の先端側に向かうにしたがって徐々に突出高さが大きくなるように形成されている。

カバー２０は、複数の羽根１９を軸線Ｏ方向の一方側から覆うようにこれら羽根１９と一体に設けられた部材であり、軸線Ｏ方向の一方側から他方側に向かうに従って漸次拡径する略傘形状をなしている。即ち、本実施形態では羽根車６は、カバー２０を有するクローズドインペラとなっている。

そして、径方向内側から外側に向かって流体Ｆが流通する流路２３は、隣接する二つの羽根１９だけでなく、羽根１９とともにディスク１８及びカバー２０によって羽根１９の軸線Ｏ方向の端部が囲まれ、径方向に流体Ｆが流通するように画成された空間となっている。そして、流路２３は、羽根１９における軸線Ｏ方向の一方側、即ち、径方向内側を流体Ｆの流入側として流体Ｆを取り込み、径方向外側を流体Ｆの流出側として羽根１９の先端側から流体Ｆを排出する。

ここで、各々の羽根車６の間を繋ぐように、流体Ｆが段階的に昇圧されるように上述したケーシング流路７は形成されている。そして、両吸込インペラ５の流出側が図示しない給水経路を介して軸線Ｏ方向の一方側の端部に設けられた最前段の羽根車６の流入側に接続され、各々の羽根車６の流出側は隣接する羽根車６の流入側にケーシング流路７を介して接続されている。また、軸線Ｏ方向の他方側の端部に設けられた最後段の羽根車６の流出側は吐出口９に接続されている。

そして、ケーシング流路７は、羽根車６の流路２３へ流体Ｆを導入する吸込流路２２と、流路２３から流体Ｆが導入されるディフューザ流路２４と、ディフューザ流路２４から流体Ｆが導入されるリターン流路２５とを有している。

吸込流路２２は、径方向外方から径方向内方に向かって流体Ｆを流した後、流体Ｆの向きを羽根車６の直前で回転軸４の軸線Ｏ方向に変換させる流路である。

ディフューザ流路２４は、径方向内方側が流路２３に連通しており、羽根車６によって昇圧された流体Ｆを径方向外側に向かって流通させる。このディフューザ流路２４には回転軸４の軸線Ｏを中心として周方向に等間隔に配置された複数のディフューザベーン１６が設けられている。

リターン流路２５は、一端側がディフューザ流路２４に連通し、他端側が吸込流路２２に連通するようになっている。このリターン流路２５は、ディフューザ流路２４を通って径方向外側に向かって流れてきた流体Ｆの向きを径方向内側に向くように反転させるコーナ部２６と、径方向外方から径方向内方に向かって延出するストレート部２７とを有している。

ストレート部２７は、内部ケーシング３に一体的に取り付けられた隔壁部材の下流側側壁と、内部ケーシング３に一体的に取り付けられて径方向内方に延伸した延伸部の上流側側壁とで囲まれた流路である。また、ストレート部２７には、回転軸４の軸線Ｏを中心として周方向に等間隔に配置された複数のリターンベーン１７が設けられている。

次に、上記構成の遠心ポンプ（回転機械）１の作用について説明する。
上記のような第一実施形態の遠心ポンプ（回転機械）１では、各々の羽根車６へ流体Ｆの入口付近となる径方向内側の吸込流路２２から流入した流体Ｆを、羽根車６内の流路２３を介して羽根車６の径方向外側に配置されたディフューザ流路２４に圧縮して送り出している。そして、この流路２３内を流体Ｆが流通することで、径方向内側から外側に向かって昇圧して送り出される主流Ｆ１と、主流Ｆ１の流れを阻害する二次流れＦ２とが生じている。

ここで説明する二次流れＦ２は、図３及び図４に示すように、羽根１９が軸線Ｏ回りに回転方向Ｒに向かって旋回することにより流路２３内の流体Ｆが圧力面１９ａから押し出され、圧力面１９ａと交差する方向に向かって主流Ｆ１の流れを遮るように周方向に流れ、隣接する羽根１９の負圧面１９ｂで衝突している。具体的には、二次流れＦ２は、圧力面１９ａから流体Ｆが押し出されると、羽根１９と共に流路２３を画成するディスク１８側の面及びカバー２０側の面に沿うように軸線Ｏ方向に広がりながら、圧力面１９ａと交差する方向かつ径方向外側に向かうように流れる。この軸線Ｏ方向に広がりながら径方向外側に向かって流れる二つの二次流れＦ２が負圧面１９ｂに到達すると、負圧面１９ｂから突出している凸部１９ｃによって二次流れＦ２が整流される。さらに、二次流れＦ２は、径方向に断面三角形状をなす負圧面１９ｂの凸部１９ｃによって流れの方向が凸部１９ｃによって圧力面１９ａに向かって戻るように整流される。そして、凸部１９ｃが配置されている中央部分で二次流れＦ２同士が巻き込まれるように衝突しミキシングされる。

上記のような遠心ポンプ（回転機械）１によれば、圧力面１９ａによって押し出された流路２３内の流体Ｆによって生じて、羽根１９と共に流路２３を画成するディスク１８側の面及びカバー２０側の面の二つの面に沿って軸線方向に広がりながら径方向外側に向かう二つの二次流れＦ２を、羽根１９の負圧面１９ｂから突出して径方向に延びる凸部１９ｃによって、圧力面１９ａに向かって戻るように流れの向きを変更させるよう整流させて凸部１９ｃが配置されている部分で衝突させることができる。即ち、ディスク１８側の面に沿って流れる二次流れＦ２と、カバー２０側の面に沿って流れる二次流れＦ２との二つの二次流れＦ２を、負圧面１９ｂから隣接する羽根１９の圧力面１９ａに向かう成分を持った状態で衝突させることができる。これにより、衝突しミキシングされる際の衝撃を低減することができ、負圧面１９ｂで衝突する二次流れＦ２による損失を低減させることができる。

また、負圧面１９ｂから突出する凸部１９ｃが形成されていることで、ディスク１８側の面に沿って流れる二次流れＦ２とカバー２０側の面に沿って流れる二次流れＦ２とが凸部１９ｃが配置された部分で流れが整流されて衝突することとなる。そのため、二次流れＦ２同士が負圧面１９ｂで衝突しミキシングされる位置は凸部１９ｃを配置した位置とすることができ、任意の位置で二次流れＦ２同士を衝突させることができる。これにより、二次流れＦ２をコントロールした設計を容易に行うことができる。

さらに、凸部１９ｃを流体Ｆの流入側である径方向内側から流出側である径方向外側に向かって漸次突出高さが大きくなるように形成することで、二次流れＦ２が発生しにくい流入側の突出高さを減らすことができる。即ち、流体Ｆの流入側である羽根１９の径方向の中央部分から、流出側である羽根１９の先端側に向かうにしたがって、徐々に突出高さが大きくなるように凸部１９ｃを形成することで、二次流れＦ２の影響が大きい流出側では凸部１９ｃを十分に作用させて二次流れＦ２を整流させることができる。一方、二次流れＦ２が発生しにくく二次流れＦ２の影響を受けづらい流入側では突出高さを小さくし、主流に影響を与えないようにすることができる。これにより、凸部１９ｃによって流出側の二次流れＦ２を効率的に低減でき、負圧面１９ｂ側で衝突する二次流れＦ２による損失を効率的に低減することが可能となる。

また、凸部１９ｃが、負圧面１９ｂの軸線Ｏ方向の中央を含む領域に径方向の断面三角形状をなして形成されていることで、二次流れＦ２を凸部１９ｃが配置されている負圧面１９ｂの軸線Ｏ方向の中央部分で衝突させることができる。そのため、羽根１９と共に流路２３を画成するディスク１８側の面及びカバー２０側の面に沿うように軸線Ｏ方向に広がりながら径方向外側に向かう二つの二次流れＦ２を均等に衝突させることができる。これにより、より効果的に負圧面１９ｂ側で衝突する二次流れＦ２による損失を低減することが可能となる。

次に、図５及び図６を参照して第二実施形態の遠心ポンプ（回転機械）１について説明する。
第二実施形態においては第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を伏して詳細な説明を省略する。この第二実施形態の遠心ポンプ（回転機械）１は、羽根１９が凹部１９ｄを有している点について第一実施形態と相違する。

即ち、図５及び図６に示すよう、第二実施形態では、羽根１９の圧力面１９ａにおける凸部１９ｃと対応する位置に、径方向に延びる凹部１９ｄが形成されている。
凹部１９ｄは、隣接する羽根１９同士における軸線Ｏの周方向に対向する一対の面のうち、羽根１９の凸部１９ｃが形成されている負圧面１９ｂと対向する裏面であり、流路２３を流通する流体Ｆの圧力面１９ａに形成されている。そして、凹部１９ｄは、圧力面１９ａの凸部１９ｃと対応する位置に形成されている。凹部１９ｄは、凸部１９ｃと対になるような形状をなしている。具体的には、凹部１９ｄは、羽根１９の軸線Ｏ方向の中央部分から対称に径方向に断面三角形状をなして、羽根１９の径方向の中央部分から羽根１９の先端側に向かうにしたがって徐々に凹み量が大きくなるように圧力面１９ａから窪んで形成されている。

上記のような第二実施形態の遠心ポンプ（回転機械）１によれば、羽根１９の圧力面１９ａにおける凸部１９ｃと対応する位置に凹部１９ｄが形成されていることで、負圧面１９ｂに凸部１９ｃが形成されることで増加する羽根１９の重量を、圧力面１９ａの凹部１９ｄによって減らすことができる。そのため、羽根１９自体の重量が増加することなく羽根１９の負圧面１９ｂに凸部１９ｃを形成することができる。これにより、重量増加によって羽根１９や羽根車６等の組み立て性が損なわれることがないため、凸部１９ｃを有する羽根１９を備えた回転機械を容易に製造することができる。

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、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。

なお、本実施形態では、回転機械をターボ機械である遠心ポンプ（回転機械）１として羽根車６に使用される羽根１９について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、水車の羽根１９やガスタービンのインペラ等に用いても良い。さらに、遠心ポンプ（回転機械）１であっても、羽根車６の羽根１９に限定されるものではなく、例えば、ディフューザベーン１６に凸部１９ｃを設けることで、ディフューザ流路２４の二次流れＦ２を低減させる効果を奏し、またリターンベーン１７に凸部１９ｃを設けることで、リターン流路２５の二次流れＦ２を低減させる効果を奏する。
また、凸部１９ｃの形状は、本実施形態の形状に限定されるものではなく、例えば、断面矩形状に突出する形状や、羽根１９の流出側のみで突出する形状としても良い。
さらに、凸部１９ｃは、羽根１９の負圧面１９ｂの軸線Ｏ方向の中央を含む領域に形成されることに限定されるものではなく、羽根１９の負圧面１９ｂの軸方向の任意の位置に配置してもよい。例えば、回転機械の規模や用途によって、二次流れＦ２の二つの流れが羽根１９において合流する位置が軸線Ｏ方向のお中央付近からずらすように設計されている場合では、あえて凸部１９ｃを羽根１９の負圧面１９ａの中央からずらして形成してもよい。このように凸部１９ｃを配置することで、使用される回転機械に応じて、二つの二次流れＦ２が負圧面１９ｂで衝突する際の損失を効率的に低減させることができる。

Ｏ…軸線 Ｆ…流体 Ｒ…回転方向 Ｆ１…主流 Ｆ２…二次流れ １…遠心ポンプ（回転機械） ２…外部ケーシング ３…内部ケーシング ４…回転軸 ５…両吸込インペラ ６…羽根車 １８…ディスク １８ａ…曲面 １８ｂ…貫通孔 １９…羽根 １９ａ…圧力面 １９ｂ…負圧面 １９ｃ…凸部 ２０…カバー ２３…流路 Ｓ…間隙 ７…ケーシング流路 ８…吸込口 ９…吐出口 １０…リング部材 １１，１２…ケーシングカバー １３，１４…締結ボルト １６…ディフューザベーン １７…リターンベーン ２２…吸込流路 ２４…ディフューザ流路 ２５…リターン流路 ２６…コーナ部 ２７…ストレート部 凹部…１９ｄ

Claims (4)

1. 軸線を中心として径方向に延在し、周方向に間隔をあけて複数が配置されて間に径方向に流体が流通する流路を画成する羽根を備え、
   隣接する前記羽根における周方向に対向する一対の面のうち、前記流路を流通する流体の負圧面となる面から突出して前記径方向に延びる凸部が形成されていることを特徴とする回転機械。
2. 前記凸部は、前記流体の流入側から流出側に向かって漸次突出高さが大きくなることを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
3. 前記凸部は、前記負圧面の軸線方向の中央を含む領域に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転機械。
4. 隣接する前記羽根における周方向に対向する一対の面のうち、前記流路を流通する流体の圧力面となる面における前記凸部と対応する位置に、該圧力面から凹んで径方向に延びる凹部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の回転機械。

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