JP4802786B2 - 遠心形ターボ機械 - Google Patents

Description

本発明は、ポンプや圧縮機等のターボ機械に係り、特に羽根車から遠心方向に流体を流出する遠心形ターボ機械に関する。

従来の遠心形ターボ機械の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の遠心形ターボ機械では、流体性能を低下させることなく小型化するために、返し羽根入口側端部を、半開部通路の半径方向位置よりも半径方向内側に位置させている。そして、返し羽根入口側端部よりも半径方向外側に、半開部通路に連続する円管状の空間を形成している。これにより、半開部通路から流出した流れは、円形翼列状に周方向に配列された複数の返し羽根に規制されることなく流入でき、返し羽根に流入する際の損失が低減される。

特開平１１−３２４９８７号公報

水返し羽根入口側端部を半開部通路の径方向位置よりも半径方向内側に位置させないと、半開部通路の数は、ディフューザの羽根枚数と同じになる。そして、半開部通路から流出した流れを、水返し羽根が遮らないようにするためには、水返し羽根の羽根枚数を半開部通路の数と同じにせざるを得ない。上記公報に記載の流体機械では、水返し羽根の羽根枚数を任意に選定できるが、ディフューザ の羽根枚数は、以下の理由により、必ずしも任意に選定することは困難である。

ディフューザの羽根枚数は、ディフューザにおける流れの失速に関係する。ディフューザで流れの失速が生じると、揚程曲線に不安定現象が生じる。一方、返し羽根の羽根枚数が適正でないと、返し羽根から流出した流れの速度分布がひずみ、返し羽根の下流の次段羽根車の効率が低下する。その結果、ディフューザと返し羽根の羽根枚数は、互いに密接に関係し、両者を自由に選定することができない。なお、半開部通路の形状に応じて、この半開部通路から流出した流れの速度分布が変化するから、半開部通路形状のいかんによっては、半開部通路の下流側に位置する返し羽根の損失が増大する。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、遠心形ターボ機械において、流体損失を低減することにある。本発明の他の目的は、遠心形ターボ機械の流体性能を低下させること無く、コンパクトに構成することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、回転軸に複数枚の遠心羽根車が取り付けられ、前段の羽根車で昇圧された流体を後段の羽根車に導く複数枚の羽根を有するディフューザと戻り流路手段とを備えた遠心形ターボ機械において、戻り流路手段は、前段羽根車の背面側に配置した側板と、この側板に対向し後段羽根車の前面側に配置したプレートと、側板とプレート間であって周方向に間隔を置いて配置した複数の水返し羽根とを有し、側板は、周方向にその外径部が変化しているとともにディフューザ羽根の凹面側で大きくディフューザ羽根の凸面側で小さくなっており、戻り流路手段の複数枚の水返し羽根の外径位置の最大位置を側板の最小径位置以下とし、側板の外径側であってディフューザの外径位置まで環状にＵターン流路を形成し、この環状のＵターン流路の内側に半開部流路を形成し、この半開部流路の内径側は前記側板の最大外径部よりも内側であり、さらに前記半開部流路の内径側の周方向位置は、ディフューザ羽根の凹面から始まり対向するディフューザ羽根の凸面に達する点を経由してこの対向するディフューザ羽根の凸面に沿う前記側板の最大径部までであり、前記対向するディフューザ羽根の凸面に達する点は、前記側板の最小径部としたことにある。

そしてこの特徴において、側板の外径部は、この遠心形ターボ機械の横断面において、戻り流路の水返し羽根の凸面側に滑らかに接続することがこのましく、ディフューザの羽根枚数を、戻り流路手段の水返し羽根枚数以下とするのがよい。また、羽根車は、流れを吸い込む側に配置した羽根車側板と次段側に配置した心板とを有し、ディフューザの羽根の外径は、羽根車の心板側で小さく羽根車側板側で大きいことが好ましい。

本発明によれば、遠心形ターボ機械において戻り流路の外径位置を周方向に変化させたので、戻り流路の羽根での衝突損失等が低減され、流体損失を低減することができる。また、流体性能を低下させること無く、戻り流路を内径側にシフトすることができるので、コンパクト化が可能になる。

以下、本発明に係る遠心形ターボ機械のいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。以下の説明においては、遠心ポンプを例にとり説明するが、遠心形のターボ機械であれば同様に本発明を適用できる。遠心ポンプ１００の例を、図１および図２に示す。図１は、一軸多段遠心ポンプの主要部の縦断面図であり、中間の隣り合う２段部を示した図である。

図２は、図１に示した遠心ポンプ１００の水返し部の横断面図であり、図１のＺ−Ｚ矢視図である。

図示しない駆動機に連結された主軸２には、複数枚の羽根車１が取り付けられている。各羽根車１の半径方向外方である下流側には、一対の平行壁面で形成されたディフューザ３が形成されている。ディフューザ３では、周方向に間隔を置いて複数のディフューザ羽根３Ａが配置されており、羽根車１を出た流れを外径側に導く。ディフューザ羽根３Ａで形成された流路は、ディフューザ３の最外径部であるＵターン流路５で軸方向に向きを変える。ここで、流体の流れ方向を変えるために、ディフューザ羽根３Ａは、軸方向にその最大径位置が直線的に変化し、羽根車１の心板側で最小となっている。このようにディフューザ３の出口部４が形成されている。

Ｕターン流路５は、羽根車１の心板側背面に配置された側板８と、次段の羽根車１の側板側の前面に配置されたステージプレート１２との間に形成された流路に接続されている。側板８には、半径方向に間隔を置いて翼型に形成された複数の水返し羽根７が形成されている。水返し羽根７は側板８に設けられていてもよいし、ステージプレートに設けられていてもよい。また、これら双方に設けてもよい。側板８およびステージプレート１２は、ケーシング１４に保持されている。

このように構成した遠心ポンプ１００の流れを、以下に説明する。前段の羽根車１を出た流れは、ディフューザ３部でディフューザ羽根３Ａに沿って旋回成分を弱めながら半径方向外向きに流れる。このとき、ディフューザ３の流路面積が半径方向に漸次増大しているから、矢印Ａで示した流体の流れは減速される。流れが減速したので、速度エネルギーが圧力エネルギーに変換される。減速された流体は、ディフューザ３の出口部４でＵターン流路５に吐き出され、Ｕターン流路５から水返し羽根７部を経て次段の羽根車１に導かれる。

次に、Ｕターン流路５部の詳細を説明する。図２に示すように、側板８の外径部８Ｂは周方向にその半径位置を変化させている。すなわち、ディフューザ羽根３Ａの凹面側で長く、凸面側で短くなっている。これにより、水返し羽根７の入口部には、半開部流路６が形成される。円形翼列状に配置された水返し羽根７の入口側端部７Ａを、半開部流路６の径方向位置よりも径方向内側に位置させる。これにより、水返し羽根７の入口側端部７Ａよりも径方向外側に、Ｕターン流路５と半開部流路６に連続するリング状の空間９が形成される。

さらに、側板８の外径部８Ｂでは、軸方向端部である角部に曲面部１０が形成されている。この曲面部１０は、ディフューザ３を出た流れが、径方向外向きから軸方向におよび軸方向から径方向内向きに転向したときに、流れに生じる剥離による損失を抑制するために設けている。

図１に示す実施例では、ディフューザ３の羽根枚数よりも水返し羽根７の羽根枚数を多くしている。具体的には、水返し羽根７の羽根枚数を１６枚、ディフューザ３の羽根枚数を１２枚とした。なお、水返し羽根７およびディフューザ３の羽根枚数は、ディフューザ３の羽根枚数の方が水返し羽根７の羽根枚数より少なければ、他の羽根枚数の組み合わせでもよい。

このように各羽根枚数を設定するのは、以下の理由による。ディフューザ３の羽根枚数を水返し羽根７の羽根枚数よりも少なくすると、羽根車１を出た流れが持つ速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する変換量が少なく、減速が不十分なまま水返し羽根７に流入する。その結果、ディフューザ３よりも下流側で、流速に応じて増加する摩擦損失が増加する。そこで本実施例では、速度エネルギーから圧力エネルギーへの変換量が所定量となる条件下で、最小である羽根枚数に設定する。このように羽根枚数を設定することにより、失速が抑制され、揚程曲線における不安定現象を回避可能となる。

なお、水返し羽根７の羽根枚数を許容最大枚数よりも多くすると、隣り合う水返し羽根７で形成される流路の面積が減少し、流れの流速が早くなり摩擦損失が増大する。そこで、摩擦損失が予め定めた設定値以下になる条件下で、最大の羽根枚数にする。水返し羽根７の枚数を許容最大値にすると、水返し羽根７の出口では、剥離流れによって生じる流速が遅い領域と、隣り合う水返し羽根７間に形成される流路から流出される流速が速い領域との周方向における数が多くなり、水返し羽根７から流出した流れが周方向で一様化される。このように一様化した流れを次段の羽根車１へ流入させれば、次段の羽根車１の効率が向上する。

水返し羽根７の羽根枚数を多くすると、水返し羽根７の羽根の長さを短くしても流れは水返し羽根７に沿いやすくなるから所定の向きに流れる。その結果、水返し羽根７の入口側端部７Ａを、より軸心側に位置させることができる。水返し羽根７をより内径側に配置すれば、リング状の空間９をより大きくすることができる。

リング状空間９の増大により、Ｕターン流路５と半開部流路６から流出した流れの一様化が促進される。一様化した流れが水返し羽根７に流入すると、水返し羽根７における混合損失等が低減する。なお流体損失が、水返し羽根の位置を軸心側にシフトする前と同程度であってもよいときは、水返し羽根の位置を軸心側にシフトさせれば、それだけＵターン流路も軸心側にシフトさせることができるので、遠心ポンプを小型化できる。

本発明に係る遠心ポンプの他の実施例を、図３を用いて説明する。本実施例は、上記実施例とは、ディフューザ３の羽根枚数と水返し羽根７の羽根枚数の組み合わせを変えている。具体的には、ディフューザ３の羽根枚数と水返し羽根７の羽根枚数を同じにしている。なお、側板８の外径部８Ｂの位置は上記実施例と同様に、周方向に変化させている。

側板の外径部８Ｂは、ディフューザ羽根３Ａの凹面側である圧力面では、切り込まれたディフューザ羽根３Ａの出口の位置であり、ディフューザ羽根３Ａの凸面側である負圧面側では、水返し羽根７の入口側端部７Ａである。そして、この２点間をほぼ直線で結んで、外径部８Ｂを形成する。外径部８Ｂは、水返し羽根７の負圧面の入口側先端７Ｂに接する。

本実施例によれば、Ｕターン流路の内径側に形成される半開部流路６から流出した流れの角度と、水返し羽根７に流入する流れの角度である入口角度との角度差が小さくなり、水返し羽根７に流入するときの流れの衝突損失が低減する。また、側板８の外径部８Ｂでは流れの剥離が生じやすく、特に外径部８Ｂの水返し羽根７側の入口側先端７Ｂでは流速が遅くなる。そこで、この入口側先端７Ｂに水返し羽根７の入口側端部７Ａを位置させると、水返し羽根７の衝突損失が低減する。

本実施例では、ディフューザ３の羽根枚数を水返し羽根７の羽根枚数と同数としたが、図２に示した実施例と同様に、羽根枚数を異ならせてもよい。ただし、その場合でも、側板８の外径部８Ｂは、ディフューザ３の凹面側では切り込み部位置とし、ディフューザ３の凸面側では、水返し羽根７の入口側端部７Ａの半径位置とする。これにより、水返し羽根７入口での衝突損失を低減できる。また、本実施例では多段の遠心ポンプを例に説明したが、戻り流路を有するものであれば、２段でも単段の遠心流体機械でも本発明を適用できる。

本発明に係る遠心形ターボ機械の一実施例の部分縦断面図である。 図１に示した遠心形ターボ機械に用いる水返し羽根の一実施例の横断面図である。 図１に示した遠心形ターボ機械に用いる水返し羽根の他の実施例の横断面図である。

符号の説明

１…羽根車、２…主軸、３…ディフューザ、３Ａ…ディフューザ羽根、４…ディフューザ出口部、５…Ｕターン流路、６…半開部流路、７…水返し羽根、７Ａ…水返し羽根入口側端部、７Ｂ…水返し羽根の負圧面の入口側先端、８…側板、８Ｂ…外径部、９…リング状の空間、１０…曲面部、１００…遠心形ターボ機械（ポンプ）。

Claims (4)

1. 回転軸に複数枚の遠心羽根車が取り付けられ、前段の羽根車で昇圧された流体を後段の羽根車に導く複数枚の羽根を有するディフューザと戻り流路手段とを備えた遠心形ターボ機械において、
   前記戻り流路手段は、前段羽根車の背面側に配置した側板と、この側板に対向し後段羽根車の前面側に配置したプレートと、側板とプレート間であって周方向に間隔を置いて配置した複数の水返し羽根とを有し、前記側板は、隣り合う前記ディフューザ羽根間で周方向にその外径が変化しているとともにディフューザ羽根の凹面側で大きくディフューザ羽根の凸面側で小さくなっており、
   前記戻り流路手段の複数枚の水返し羽根の最大径は前記側板の最小径以下であり、
   前記側板の外径側であって前記ディフューザの外径位置まで環状にＵターン流路を形成し、この環状のＵターン流路の内側に半開部流路を形成し、この半開部流路の内径側は前記側板の最大外径部よりも内側であり、さらに前記半開部流路の内径側の周方向位置は、ディフューザ羽根の凹面から始まり対向するディフューザ羽根の凸面に達する点を経由してこの対向するディフューザ羽根の凸面に沿う前記側板の最大径部までであり、前記対向するディフューザ羽根の凸面に達する点は、前記側板の最小径部としたことを特徴とする遠心形ターボ機械。
2. 前記側板の外径部は、この遠心形ターボ機械の横断面において、前記戻り流路の水返し羽根の凸面側に滑らかに接続することを特徴とする請求項１に記載の遠心形ターボ機械。
3. 前記ディフューザの羽根枚数を、前記戻り流路手段の水返し羽根枚数以下としたことを特徴とする請求項２に記載の遠心形ターボ機械。
4. 前記羽根車は流れを吸い込む側に配置した羽根車側板と次段側に配置した心板とを有し、前記ディフューザの羽根の外径は、前記心板側で小さく前記羽根車側板側で大きいことを特徴とする請求項２に記載の遠心形夕一ボ機械。

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