JP2017180115A - 羽根車、回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】効率の向上した羽根車、回転機械を提供する。
【解決手段】軸線Ａｃを中心とするディスク１１と、ディスク１１の軸線Ａｃ方向一方側を向く主面１１Ａに、軸線Ａｃの周方向に間隔をあけて複数配置されて、軸線Ａｃの径方向に延在する主ブレード１２と、主面１１Ａの各主ブレード１２の周方向一方側に設けられ、ディスク１１の外周側から径方向内側に向かって延在し、主ブレード１２よりも径方向の寸法が小さい補助ブレード１３と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、羽根車、回転機械に関する。

回転機械の一例として、流体を圧送するための遠心ポンプが広く用いられている（下記特許文献１参照）。このような遠心ポンプでは、複数の羽根を有する羽根車を回転させることで、流体が圧送される。羽根車は、円盤状のディスクと、ディスクの面上で周方向に間隔をあけて配列された複数の羽根と、を有している。すなわち、隣接する一対の羽根同士の間の空間（流路）は、ディスクの径方向内側から外側に向かうに従って次第にその面積が拡大している。また、ポンプのディフューザとして同様の羽根を備えるものも知られている（下記特許文献２参照）。

特開２００３−１６６４９１号公報 特開平４−０１２２００号公報

しかしながら、上記のような羽根車では、羽根同士の間に形成される流路の面積拡大率（径方向内側から外側にかけての面積拡大率）が大きいことから、径方向内側から外側に向かって流れる流体が羽根の表面に追従しきれずに、該表面で流れの剥離を生じる虞がある。このような流れの剥離を生じた場合、所期の揚程が得られないばかりでなく、遠心ポンプの効率に影響が及ぶ場合もある。

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、流れの剥離を低減することで効率の向上した羽根車、回転機械を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、羽根車は、軸線を中心とするディスクと、前記ディスクの軸線方向一方側を向く主面に、軸線の周方向に間隔をあけて複数配置されて、軸線の径方向に延在する主ブレードと、前記主面の各前記主ブレードの周方向一方側に設けられ、前記ディスクの外周側から径方向内側に向かって延在し、該主ブレードよりも径方向の寸法が小さい補助ブレードと、を備える。

この構成によれば、主ブレードの周方向一方側に、該主ブレードよりも径方向の寸法が小さい補助ブレードが設けられている。このような補助ブレードを設けることにより、隣接する一対の主ブレード同士の間に形成される流路の、見かけ上の面積拡大率を小さくすることができる。
加えて、主ブレードと補助ブレードとの間の間隙を通じて、主ブレードの周方向一方側に存在する流体を径方向外側に向かって流通させることができる。ここで、ディスクの外周側では、周囲の流体との流速差に起因してウェーク（乱流）が発生しやすい。上記の構成によれば、主ブレードと補助ブレードとの間の間隙を流通してきた流体によって、ディスクの外周側で生じウェークを外周側に吹き飛ばすことができる。

本発明の第二の態様によれば、上記の羽根車は、周方向に間隔をあけて配列された複数の前記補助ブレードを有してもよい。

この構成によれば、主ブレードの周方向一方側に、周方向に間隔をあけて配列された複数の補助ブレードが設けられている。これにより、主ブレード同士の間に形成される流路の、見かけ上の面積拡大率をさらに小さくすることができる。加えて、補助ブレード同士の間を流通する流体によって、上記のようにディスクの外周側で生じたウェークをより広範囲にわたって解消することができる。

本発明の第三の態様によれば、上記の羽根車では、前記複数の補助ブレードは、周方向一方側に設けられた該補助ブレードになるほど、径方向における寸法が小さくなってもよい。

この構成によれば、複数の補助ブレードのうち、周方向一方側に設けられた補助ブレードになるほど、径方向における寸法が小さい。これにより、主ブレードの周方向一方側を流通する流体の流れが、これら補助ブレードによって妨げられる虞を低減することができる。

本発明の第四の態様によれば、上記の羽根車では、前記主ブレードと前記補助ブレードとの間の距離、及び複数の前記補助ブレード同士の間の距離が、径方向内側から外側に向かうに従って次第に拡大していてもよい。

この構成によれば、主ブレードと補助ブレードとの間の距離、及び複数の補助ブレード同士の間の距離が、径方向内側から外側に向かうに従って次第に拡大する。これにより、これらブレード同士の間の領域を径方向外側に向かって流れる流体の流速が、径方向外側に向かうにつれて小さくなる。すなわち、ディスクの外周側で滞留する流体との流速差を小さくすることができるため、該ディスクの外周側でウェークが生じる虞をさらに低減することができる。

本発明の第五の態様によれば、上記の羽根車では、前記主ブレード、及び前記補助ブレードは、径方向内側から外側に向かうに従って、周方向他方側から一方側に向かって湾曲していてもよい。

この構成によれば、主ブレード、及び補助ブレードが、径方向内側から外側に向かうに従って、周方向他方側から一方側に向かって、すなわち、羽根車の回転方向前方側から後方側に向かって湾曲している。これにより、主ブレード及び補助ブレードの表面で流体が剥離を起こす可能性をさらに低減することができる。

本発明の第六の態様によれば、回転機械は、軸線に沿って延びるロータと、前記ロータに取り付けられた上記第一から第五のいずれか一態様に係る羽根車と、前記羽根車を外周側から覆うケーシングと、を備える。

この構成によれば、効率の向上した羽根車、及びこれを備える回転機械を提供することができる。

本発明によれば、効率の向上した羽根車、回転機械を提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る回転機械（ポンプ）の構成を示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係る羽根車を軸線方向から見た断面図である。 本発明の第一実施形態に係る羽根車の要部拡大図である。 本発明の第二実施形態に係る羽根車の要部拡大図である。 本発明の実施形態に係る羽根車の変形例を示す要部拡大図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について、図１から図３を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る遠心ポンプ１（回転機械）の構成を示す図である。同図に示すように、遠心ポンプ１は、軸線Ａｃに沿って延びるロータ２と、ロータ２の外周面に取り付けられた羽根車３と、ロータ２及び羽根車３を外周側から覆うケーシング４と、を備えている。

ロータ２は、軸線Ａｃを中心とする円柱状をなしている。ロータ２の軸線Ａｃ方向両側の端部には、軸受装置５（ジャーナル軸受６、及びスラスト軸受７）が設けられている。これら軸受装置５によって、ロータ２は軸線Ａｃ回りに回転可能に支持されている。ジャーナル軸受６はロータ２の荷重を径方向から支持するための軸受である。スラスト軸受７はロータ２にかかるスラスト方向（軸線Ａｃ方向）の荷重を支持するための軸受である。

羽根車３は、ロータ２の外周面に対して、例えば締り嵌め等を施すことによって固定されている。すなわち、羽根車３はロータ２と一体に軸線Ａｃ回りに回転する。詳しくは後述するが、羽根車３は、円盤状のディスク１１と、このディスク１１における軸線Ａｃ方向一方側の面に設けられた複数のブレードと、を有している。ロータ２上には、複数（６つ）の羽根車３が軸線Ａｃ方向に配列されている。

ケーシング４は、上記のロータ２、及び羽根車３を内部に収容するとともに、流体を流通させるための流体流路８を形成する。より詳細には、ケーシング４の内周面は、軸線Ａｃ方向一方側から他方側に向かうにしたがって拡径と縮径とを繰り返すことで、上記の流体流路８を形成している。ケーシング４の軸線Ａｃ方向一方側には、外部から流体を導入するための導入口９が形成されている。他方で、ケーシング４の軸線Ａｃ方向他方側には、流体流路８を通じて圧送された流体を吐出する吐出口１０が形成されている。以降の説明では、導入口９が位置する側を上流側と呼び、吐出口１０が位置する側を下流側と呼ぶ。

次に、図２と図３を参照して、羽根車３の詳細な構成について説明する。図２に示すように、本実施形態における羽根車３は、軸線Ａｃを中心とする円盤状のディスク１１と、このディスク１１における軸線Ａｃ方向一方側の面（主面１１Ａ）に設けられた複数の主ブレード１２及び補助ブレード１３と、を有している。

ディスク１１の中心を含む領域には、上記の流体流路８を通じて流れてきた流体を導くための導入開孔１４が形成されている。本実施形態では３つの主ブレード１２が、この導入開孔１４の外周縁から径方向外側（ディスク１１の外周縁）にかけて延在している。より具体的には、これら３つの主ブレード１２は、軸線Ａｃの周方向に等間隔をあけて主面１１Ａ上に配列されている。

さらに、各主ブレード１２は、軸線Ａｃの径方向内側から外側に向かうに従って、周方向の他方側から一方側に向かって徐々に湾曲している。すなわち、主ブレード１２の周方向一方側の面は、周方向他方側に向かって湾曲するように凹没している。一方で、主ブレード１２の周方向他方側の面は、周方向他方側に向かって湾曲するように突出している。

これら主ブレード１２の周方向両面のうち、周方向他方側の面（突出する面）は正圧面１２Ｐとされている。主ブレード１２の周方向両面のうち、周方向一方側の面（凹没する面）は負圧面１２Ｎとされている。なお、各主ブレード１２の周方向における寸法（すなわち、軸線Ａｃ方向から見た場合における主ブレード１２の厚み）は、径方向の全域にわたって同一とされている。

主面１１Ａ上における各主ブレード１２の周方向一方側の領域（各主ブレード１２同士の間の領域）には、互いに隣接する複数（２つ）の補助ブレード１３が設けられている。これら２つの補助ブレード１３は、いずれも主ブレード１２よりも径方向における寸法が小さく設定されている。さらに、２つの補助ブレード１３のうち、周方向一方側の補助ブレード１３は、周方向他方側の補助ブレード１３よりも径方向の寸法が小さく設定されている。すなわち、周方向一方側の補助ブレード１３になるほど、径方向の寸法が小さくなっている。

なお、以降の説明では、２つの補助ブレード１３のうち、周方向他方側（主ブレード１２と隣接する側）の補助ブレード１３を第一補助ブレード１３１と呼び、第一補助ブレード１３１に隣接する補助ブレード１３を第二補助ブレード１３２と呼ぶ。すなわち、第二補助ブレード１３２は、第一補助ブレード１３１よりも径方向における寸法が小さく設定されている。

さらに、これら第一補助ブレード１３１、及び第二補助ブレード１３２も、上記主ブレード１２と同様に、径方向内側から外側に向かうにしたがって、周方向他方側から一方側に向かって湾曲している。より詳細には、本実施形態では、第一補助ブレード１３１、及び第二補助ブレード１３２は、いずれも同一の中心点を有する同心円弧状をなしている。

また、第一補助ブレード１３１、第二補助ブレード１３２の径方向内側の端部は、周方向一方側から他方側に向かう円弧状をなしている。言い換えれば、これら第一補助ブレード１３１、第二補助ブレード１３２の径方向内側の端部は鈍頭状をなしている。

主ブレード１２と第一補助ブレード１３１との間には、径方向に延びる間隙が形成されている。この間隙は、第一補助流路Ｆ１とされている。また、第一補助ブレード１３１と第二補助ブレード１３２との間に形成された間隙は、第二補助流路Ｆ２とされている。すなわち、第二補助流路Ｆ２は、第一補助流路Ｆ１よりも径方向における寸法が小さく設定されている。

さらに、図２の鎖線で示すように、主ブレード１２、第一補助ブレード１３１、第二補助ブレード１３２それぞれにおける径方向内側の端部を結ぶ線（包絡線Ｌ）は、径方向内側から外側に向かうにしたがって周方向他方側から一方側に向かって連続的に湾曲した曲線状をなしている。この包絡線Ｌと、該包絡線Ｌの周方向一方側に位置する他の主ブレード１２の正圧面１２Ｐとによって囲まれる空間は、上記の導入開孔１４を通じて流体流路８から導かれた流体が流通するための主流路Ｆｍとされている。

すなわち、この主流路Ｆｍは、径方向内側から外側に向かうに従って、周方向における寸法が徐々に拡大している。さらに、この主流路Ｆｍは、径方向内側から外側に向かうに従って、周方向他方側から一方側に向かって湾曲している。

次に、本実施形態に係る遠心ポンプ１、及び羽根車３の動作について説明する。遠心ポンプ１を運転するに当たっては、まず駆動源（図示省略）によって、ロータ２を軸線Ａｃ回りに回転駆動する。ロータ２の回転に伴って、ロータ２上に一体に設けられた羽根車３も回転する。この羽根車３の回転によって、導入口９を通じて外部の流体が流体流路８中に導かれる。このとき、羽根車３に形成された主流路Ｆｍを通過する間に流体の圧力が上昇する。ここで、本実施形態では、遠心ポンプ１に６つの羽根車３が設けられている。すなわち、これら６つの羽根車３によって圧力が順次高められながら、上流側から下流側に向かって流体が圧送される。その後、高圧となった流体は、ケーシング４の下流側に設けられた吐出口１０から外部に向かって吐出される。遠心ポンプ１の運転中には、以上のようなサイクルが連続的に繰り返される。

続いて、再び図３を参照して、主流路Ｆｍ中における流体の挙動について説明する。同図に示すように、遠心ポンプ１の運転中には、羽根車３は周方向他方側から一方側に向かって回転している（図３中の矢印）。羽根車３の回転に伴って、ディスク１１の導入開孔１４から主流路Ｆｍ中に流入した流体は、該主流路Ｆｍに沿って径方向内側から外側に流れる。

ここで、羽根車３に上記の補助ブレード１３が設けられていない場合、すなわち、主ブレード１２のみが主面１１Ａ上に設けられている場合、３つの主ブレード１２同士の間の間隙は、補助ブレード１３が設けられている場合に比べて大きくなる。すなわち、主ブレード１２同士の間の領域における面積拡大率が大きくなってしまう。このように面積拡大率が大きい場合、径方向内側から外側に向かって流れる流体が主ブレード１２の表面に追従しきれずに、該表面で流れの剥離を生じる虞がある。このような流れの剥離を生じた場合、所期の揚程が得られないばかりでなく、遠心ポンプ１の効率に影響が及ぶ場合もある。

さらに、ディスク１１の外周側の領域では、他の領域に比べて流体の流動が乏しいことから、ウェークＷが発生しやすい。ウェークＷとは、流速の異なる流体同士が衝突することによって生じる乱流場を指す。このようなウェークＷが発達した場合、遠心ポンプ１の効率に影響を与える虞がある。

しかしながら、本実施形態に係る羽根車３では、主ブレード１２の周方向一方側に、該主ブレード１２よりも径方向の寸法が小さい補助ブレード１３が設けられている。このような補助ブレード１３を設けることにより、隣接する一対の主ブレード１２同士の間に形成される流路の、見かけ上の面積拡大率を小さくすることができる。

加えて、主ブレード１２と補助ブレード１３との間の間隙を通じて、主ブレード１２の周方向一方側に存在する流体を径方向外側に向かって流通させることができる。すなわち、主ブレード１２と補助ブレード１３との間、及び補助ブレード１３同士の間の間隙を流通してきた流体によって、ディスク１１の外周側で生じウェークＷを外周側に吹き飛ばすことができる。

より詳細には、主流路Ｆｍを流通する流体に対しては、羽根車３の回転に伴って、径方向内側から外側に向かう遠心力が働く。この遠心力によって、主流路Ｆｍ中の流体は、第一補助流路Ｆ１、及び第二補助流路Ｆ２内に流れ込む。これら第一補助流路Ｆ１、及び第二補助流路Ｆ２内に流れ込んだ流体は、さらに径方向外側に向かって流れた後、ディスク１１の外周側に流れ出す。これにより、ディスク１１の外周側で生じウェークＷを外周側に吹き飛ばすことができる。したがって、遠心ポンプ１の効率を向上させることができる。

加えて、上記のような構成によれば、主ブレード１２、及び補助ブレード１３が、径方向内側から外側に向かうに従って、周方向他方側から一方側に向かって、すなわち、羽根車３の回転方向前方側から後方側に向かって湾曲している。これにより、主ブレード１２及び補助ブレード１３の表面で流体が剥離を起こす可能性をさらに低減することができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図４を参照して説明する。なお、上記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、２つの補助ブレード１３（第一補助ブレード１３１、第二補助ブレード１３２）同士の間の間隔（距離）が、径方向内側から外側に向かうに従って次第に拡大している。

すなわち、第一補助ブレード１３１は主ブレード１２と同一の方向に延びている一方で、第二補助ブレード１３２は、これら主ブレード１２及び第一補助ブレード１３１とは異なる方向に向かって延びている。より詳細には、第二補助ブレード１３２の径方向外側の端部は、第一実施形態における第二補助ブレード１３２の径方向外側の端部よりも、さらに周方向一方側に位置している。

このような構成によれば、主ブレード１２と補助ブレード１３との間の距離、及び複数の補助ブレード１３同士の間の距離が、径方向内側から外側に向かうに従って次第に拡大する。これにより、これらブレード同士の間の領域を径方向外側に向かって流れる流体の流速が、径方向外側に向かうにつれて小さくなる。すなわち、ディスク１１の外周側で滞留する流体との流速差を小さくすることができるため、該ディスク１１の外周側でウェークＷが生じる虞をさらに低減することができる。また、仮にウェークＷが生じた場合であっても、上述の第一実施形態と同様に、主ブレード１２と補助ブレード１３との間の間隙（第一補助流路Ｆ１）、及び補助ブレード１３同士の間の間隙（第二補助流路Ｆ２）を流通してきた流体によって、ディスク１１の外周側で生じウェークＷを外周側に吹き飛ばすことができる。

以上、本発明の各実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の各構成に種々の変更を施すことが可能である。
例えば、上記の実施形態の他、図５に示す構成を採ることも可能である。同図の構成では、第一補助ブレード１３１、及び第二補助ブレード１３２が、周方向において互いに反対の方向に延びている。より詳細には、第一補助ブレード１３１は、径方向内側から外側に向かうに従って、周方向一方側から他方側に向かって延びている。一方で、第二補助ブレード１３２は、径方向内側から外側に向かうに従って、周方向他方側から一方側に向かって延びている。これにより、第一補助流路Ｆ１は、径方向内側から外側に向かうに従って、周方向の寸法が次第に小さくなっている。一方で、第二補助流路Ｆ２は、径方向内側から外側に向かうに従って、周方向の寸法が次第に大きくなっている。このような構成であっても、上記実施形態で説明したものと同様の作用効果を得ることができる。

１…遠心ポンプ
２…ロータ
３…羽根車
４…ケーシング
５…軸受装置
６…ジャーナル軸受
７…スラスト軸受
８…流体流路
９…導入口
１０…吐出口
１１…ディスク
１１Ａ…主面
１２…主ブレード
１２Ｐ…正圧面
１２Ｎ…負圧面
１３…補助ブレード
１３１…第一補助ブレード
１３２…第二補助ブレード
１４…導入開孔
Ａｃ…軸線
Ｆｍ…主流路
Ｆ１…第一補助流路
Ｆ２…第二補助流路
Ｌ…包絡線
Ｗ…ウェーク

Claims (6)

1. 軸線を中心とするディスクと、
   前記ディスクの軸線方向一方側を向く主面に、軸線の周方向に間隔をあけて複数配置されて、軸線の径方向に延在する主ブレードと、
   前記主面の各前記主ブレードの周方向一方側に設けられ、前記ディスクの外周側から径方向内側に向かって延在し、該主ブレードよりも径方向の寸法が小さい補助ブレードと、
   を備える羽根車。
2. 周方向に間隔をあけて配列された複数の前記補助ブレードを有する請求項１に記載の羽根車。
3. 前記複数の補助ブレードは、周方向一方側に設けられた該補助ブレードになるほど、径方向における寸法が次第に小さくなる請求項２に記載の羽根車。
4. 前記主ブレードと前記補助ブレードとの間の距離、及び複数の前記補助ブレード同士の間の距離が、径方向内側から外側に向かうに従って次第に拡大している請求項２又は３に記載の羽根車。
5. 前記主ブレード、及び前記補助ブレードは、径方向内側から外側に向かうに従って、周方向他方側から一方側に向かって湾曲している請求項１から４のいずれか一項に記載の羽根車。
6. 軸線に沿って延びるロータと、
   前記ロータに取り付けられた請求項１から５のいずれか一項に記載の羽根車と、
   前記羽根車を外周側から覆うケーシングと、
   を備える回転機械。

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