JP5167403B1 - 遠心式流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】インペラの吐出流れとベーン入口の角度不一致による流れの剥離を抑制し、翼付ディフューザの性能を向上させた遠心式流体機械を提供する。
【解決手段】複数枚のブレード、及びこれら複数枚のブレードを有するインペラと、インペラの下流側に設けられるとともに、対向するシュラウド側壁面２２及びハブ側壁面２３との間に複数枚のベーン２４を有するディフューザ２１とを備え、インペラを回転させて昇圧した流体がディフューザ２１を通過して流出するように構成された遠心圧縮機であって、ハブ側壁面２３に開口するとともに作動流体をベーン２４の圧力面２４ａに沿って流体の流れ方向へ噴射する１または複数個の作動流体噴射口２５を備え、該作動流体噴射口２５がスロート半径（Ｒ２）よりベーン２４の前縁側となる半径位置に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、翼付ディフューザを備えた遠心式流体機械、特に、舶用過給機、自動車用過給機、航空用ガスタービン等に用いられる遠心圧縮機等の遠心式流体機械に関するものである。

過給機等の遠心圧縮機に用いられる遠心式流体機械は、ケーシング内でインペラを回転させることにより、昇圧する流体（気体）がインペラ内の大半の流路を半径方向に通過して流れ、主に遠心力の作用で昇圧されるように構成されている。このような遠心式流体機械は、高圧力比、高効率、広作動範囲が求められることから、インペラの下流に複数枚のベーン（ディフューザ翼）を備えた翼付ディフューザが設けられており、この翼付ディフューザの高性能化が不可欠となっている。

特許文献１の遠心圧縮機では、空気の流れがベーンから剥離するのを防止するため、ベーンの負圧面と圧力面とを連通させる連通路を形成している。
また、特許文献２の遠心式流体機械には、シュラウドの側壁面及びハブの側壁面のうち少なくとも一方の壁面に設けた溝、あるいは、壁面と近接するベーンの端部に設けた連通孔により、ベーンの半径方向外側面と半径方向内側面とを連通させた構成が開示されている。このような構成によれば、ベーンの半径方向内側面に形成された境界層の厚さが減少するので、ディフューザの失速限界を低流量側に拡げることができ、広い流量範囲における安定した運転が可能になる。

特開平１０−３３１７９４号公報 特開２００５−１５５５６５号公報

ところで、遠心式流体機械のベーンには、インペラから吐出された昇圧後の流体が歪んだ流れとなって流入する。このため、ベーンの性能向上には、インペラの流れを考慮した改善が必要である。
歪んだ流れを具体的に説明すると、ディフューザのベーンには、昇圧した流体の流れが翼高さ方向に速度分布を持って流入する。このため、ベーン入口においては、流れ角と翼入り口角度との不一致が生じることとなる。このような角度の不一致は、ベーンの前縁で昇圧する流体の流れに剥離を生じさせるので、この剥離に起因して、翼付ディフューザの効率低下やベーンの失速を生じるという改善すべき課題がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、インペラの吐出流れとベーン入口の角度不一致による流れの剥離を抑制し、翼付ディフューザの性能を向上させた遠心式流体機械を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の第１態様に係る遠心式流体機械は、複数枚のブレード、及びこれら複数枚のブレードを有するインペラと、前記インペラの下流側に設けられるとともに、対向するシュラウド側壁面及びハブ側壁面との間に複数枚のベーンを有するディフューザとを備え、前記インペラを回転させて昇圧した流体が前記ディフューザを通過して流出するように構成された遠心式流体機械であって、前記ハブ側壁面に開口するとともに作動流体を前記ベーンの圧力面に沿って前記流体の流れ方向へ噴射する１または複数個の作動流体噴射口を備え、該作動流体噴射口がスロート半径（Ｒ２）より前記ベーンの前縁側となる半径位置に設けられていることを特徴とするものである。

このような遠心式流体機械によれば、ハブ側壁面に開口するとともに作動流体をベーンの圧力面に沿って流体の流れ方向へ噴射する１または複数個の作動流体噴射口を備え、該作動流体噴射口がスロート半径（Ｒ２）よりベーンの前縁側となる半径位置に設けられているので、ベーンの圧力面ハブ側に噴射された作動流体がインペラから吐出される歪んだ流れと合流し、流れ角と翼入り口角度との角度不一致に起因する剥離を抑制する。
すなわち、ベーン前縁部の圧力面から剥離しようとする流れは、作動流体噴射口から圧力面に沿って流体の流れ方向へ噴射された作動流体の影響を受けるため、圧力面から離間しにくくなる。この場合、圧力面側の剥離を抑制するためには、スロート幅の２０％以下となる圧力面側の領域に作動流体噴射口を開口させて作動流体を噴射させることが望ましい。

本発明の第２態様に係る遠心式流体機械は、複数枚のブレード、及びこれら複数枚のブレードを有するインペラと、前記インペラの下流側に設けられるとともに、対向するシュラウド側壁面及びハブ側壁面との間に複数枚のベーンを有するディフューザとを備え、前記インペラを回転させて昇圧した流体が前記ディフューザを通過して流出するように構成された遠心式流体機械であって、前記シュラウド側壁面に開口するとともに作動流体を前記ベーンの負圧面に沿って前記流体の流れ方向へ噴射する１または複数個の作動流体噴射口を備え、該作動流体噴射口がスロート半径（Ｒ２）より前記ベーンの前縁側となる半径位置に設けられていることを特徴とするものである。

このような遠心式流体機械によれば、シュラウド側壁面に開口するとともに作動流体をベーンの負圧面に沿って流体の流れ方向へ噴射する１または複数個の作動流体噴射口を備え、該作動流体噴射口がスロート半径（Ｒ２）よりベーンの前縁側となる半径位置に設けられているので、ベーンの負圧面シュラウド側に噴射された作動流体がインペラから吐出される歪んだ流れと合流し、流れ角と翼入り口角度との角度不一致に起因する剥離を抑制する。
すなわち、ベーン前縁部の負圧面から剥離しようとする流れは、作動流体噴射口から負圧面に沿って流体の流れ方向へ噴射された作動流体の影響を受けるため、負圧面から離間しにくくなる。この場合、負圧面側の剥離を抑制するためには、スロート幅の２０％以下となる負圧面側の領域に作動流体噴射口を開口させて作動流体を噴射させることが望ましい。

本発明の遠心式流体機械において、前記作動流体噴射口を設ける半径位置は、前記ベーンの前縁半径（Ｒ１）を基準として９５％の最小半径（Ｒｏ）を内周側限度とし、前記スロート半径（Ｒ２）を外周側限度とすることが好ましく、これにより、ベーンの前縁近傍となる領域に作動流体を噴射し、インペラの吐出流れとベーン入口との角度不一致に起因して発生する流れの剥離を最小限の作動流体噴射量で効率よく抑制することができる。

上記の発明において、前記作動流体噴射口の作動流体噴射角度（θ）は、前記流体の流れ方向に対して壁面から６０度以下となるように設定されていることが好ましく、これにより、噴射した作動流体がベーンの前縁から圧力面ハブ側または負圧面シュラウド側に沿って効率よく流れるようになり、噴射した作動流体による剥離抑制の効率が向上する。

上記の発明において、前記作動流体は、前記ディフューザの下流から一部を還流させた流体、または、外部の圧力源から導入した流体を使用することが好ましい。

上述した本発明によれば、インペラの吐出流れとベーン入口の角度不一致による流れの剥離を抑制し、翼付ディフューザの性能を向上させた遠心式流体機械を提供するという顕著な効果が得られる。
特に、ベーンの圧力面ハブ側に噴射する作動流体は性能向上に有効であり、ベーンの負圧面シュラウド側に噴射する作動流体は作動範囲の拡大に有効であるから、圧力面ハブ側及び負圧面シュラウド側の両方に作動流体を噴射することで、高圧力比及び高効率で広作動範囲の遠心式流体機械を実現することが可能になる。

本発明に係る遠心式流体機械の一実施形態を示す図で、（ａ）は翼付ディフューザの要部構成例を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の翼付ディフューザをシュラウド側から見た断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。 遠心式流体機械の概要を示すインペラ及び翼付ディフューザの縦断面図である。 図２の遠心式流体機械をインペラ上流側から見た図である。

以下、本発明に係る遠心式流体機械（以下、遠心圧縮機を例示して説明する）の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図２及び図３に示すように、遠心圧縮機１０は、インペラ１１と、ディフューザ２１とを主たる要素として構成されたものであり、導入した流体を昇圧して吐出する。インペラ１１は、複数枚のブレード１２と、これらブレード１２の根元部Ｒに配置されたハブ１３とを有するとともに、ブレード１２はそれぞれ、ハブ１３の小径側端部１３ａにその前縁ＬＥが位置するとともに、ハブ１３の大径側端部１３ｂにその後縁ＴＥが位置するようにして、ハブ１３の表面上に設けられている。
なお、図において符号１４は、ブレード１２の先端側を覆うように配置されたシュラウドを示している。

ディフューザ２１は、前述したインペラ１１の下流側に設けられるとともに、対向するシュラウド側壁面２２及びハブ側壁面２３との間に複数枚のベーン（ディフューザ翼）２４を有するものであり、インペラ１１を通過して昇圧された流体（気体）が有する運動エネルギーを圧力エネルギーに変換する機能を有している。すなわち、ディフューザ２１では、流体の流速が減速されることにより、流れの動圧が静圧の上昇に変換される。
こうして静圧が上昇した流れは、渦巻状のボリュート３１により遠心圧縮機１０の出口に導かれる。

すなわち、遠心圧縮機１０は、複数枚のブレード１２、及びこれら複数枚のブレード１２の根元部Ｒに配置されるハブ１３を有するインペラ１１と、インペラ１１の下流側に設けられるとともに、対向するシュラウド側壁面２２及びハブ側壁面２３との間に複数枚のベーン２４を有するディフューザ２１とを備え、インペラ１１を回転させて昇圧した流体がディフューザ２１を通過して流出するように構成されている。

図１は、ディフューザ２１の一部を拡大した斜視図であり、インペラ１１を通過した流体の出口側となるブレード１２の後縁ＴＥ側から、すなわち、ディフューザ２１の入口側から見た図である。
上述した流体圧縮機１０に対し、図１に示す本実施形態の第１態様では、ハブ側壁面２３に開口するとともに作動流体（図中の矢印Ｆａ）をベーン２４の圧力面２４ａに沿って流体の流れ方向へ噴射する１または複数個の作動流体噴射口２５を備えている。そして、この作動流体噴射口２５は、スロート半径（Ｒ２）よりもベーン２４の前縁２４ｃ側となる半径位置に設けられている。

上述した作動流体噴射口２５は、ベーン２４の前縁２４ｃに相当する半径Ｒ１、すなわち前縁２４ｃの位置を結ぶ円の半径Ｒ１を基準とした９５％半径位置Ｒｏ（９５％Ｒ１）から、ベーン２４のスロート２７と翼負圧面２４ｂとが交差する半径位置Ｒ２までの範囲内に、圧力面２４ａに沿って１または複数個の穴が設けられている。換言すれば、作動流体噴射口２５を設ける半径位置（半径方向の領域）は、ベーン２４の前縁半径Ｒ１を基準として定めた９５％の最小半径Ｒｏを内周側限度とし、かつ、スロート半径Ｒ２を外周側限度とした範囲内となる。

作動流体噴射口２５となる穴は、たとえば図１（ｃ）に示すように、作動流体噴射角度（θ）が、流体の流れ方向に対してハブ側壁面２３から６０度以下（θ＜６０度）となるように設定されている。作動流体噴射口２５は、一般的には円形断面とするが、これに限定されることはなく、楕円形や四角形等の断面形状は勿論のこと、圧力面２４ａに沿って細長いスリットとしてもよい。

また、作動流体噴射口２５から噴射する作動流体は、たとえば図２に示すように、ディフューザ２１の下流から抽気流路２８を通って一部を還流させた流体でもよいし、あるいは、外部の圧力源４０から導入した流体を使用してもよい。

このような作動流体噴射口２５を有する遠心式圧縮機１０は、ハブ側壁面２３に開口してベーン２４の圧力面２４ａに作動流体Ｆａを噴射するので、ベーン２４の圧力面ハブ側に噴射された作動流体がインペラ１１から吐出される昇圧流体の歪んだ流れと合流し、流れ角と翼入り口角度との角度不一致に起因する剥離を抑制する。
すなわち、ベーン２４の前縁部においては、前縁２４ｃの周辺で圧力面２４ａから剥離しようとする流体の流れが、作動流体噴射口２５から圧力面２４ａに沿って流体の流れ方向へ噴射された作動流体Ｆａの影響を受けるため、圧力面２４ａから離間しにくくなる。換言すれば、前縁部周辺で圧力面２４ａから剥離しようとする流体の流れは、作動流体噴射口２５から圧力面２４ａに沿って流体の流れ方向へ噴射された作動流体Ｆａの流れによって剥離方向へ向かう流れが抑えられるため、圧力面２４ａから離間しにくくなる。

このようにして、作動流体噴射口２５からベーン２４の圧力面ハブ側に作動流体を噴射することにより、インペラ１１の吐出流れとベーン２４の翼入り口角度との不一致による流れの剥離が抑制され、この結果、ディフューザ２１及び遠心圧縮機１０の性能が向上する。
この場合、圧力面２４ａから流体の流れが剥離することを効率よく抑制するためには、スロート２７の幅方向において、スロート幅の１０％以下となる圧力面２４ａ側の領域に作動流体噴射口２５を開口させ流ことが望ましい。すなわち、スロート２７の幅方向において、剥離抑制対象となる圧力面２４ａに近い位置から作動流体を噴射させることが望ましい。

また、このような剥離抑制に必要な作動流体の噴射流量は、圧縮する流体流量の２〜５％程度であり、５％以上にすると剥離防止の効果にほとんど変化はなく、２％以下では十分な剥離防止効果が得られない。
また、作動流体噴射口２５を設ける半径位置について、内周側限度を最小半径（Ｒｏ）としたのは、噴射口作動流体による剥離防止効果が顕在化するためであり、外周側限度をスロート半径（Ｒ２）としたのは、これ以上では、剥離防止効果の変化がほとんど無いためである。

続いて、上述した流体圧縮機１０に対し、図１に示す本実施形態の第２態様では、シュラウド側壁面２２に開口するとともに作動流体（図中の矢印Ｆａ）をベーン２４の負圧面２４ｂに沿って流体の流れ方向へ噴射する１または複数個の作動流体噴射口２６を備えている。
そして、この作動流体噴射口２６は、上述した作動流体噴射口２５と同様に、スロート半径（Ｒ２）よりもベーン２４の前縁２４ｃ側となる半径位置に設けられている。すなわち、上述した第１態様とは、作動流体噴射口２６の位置がシュラウド側壁面２２となって異なるものの、作動流体噴射口２６の設置位置（領域）や作動流体等の基本事項については、ハブ側壁面２３をシュラウド側壁面２２に読み替え、圧力面２４ａを負圧面２４ａに読み替えればよい。

このような遠心圧縮機１０によれば、シュラウド側壁面２２に開口するとともに作動流体をベーン２４の負圧面２４ｂに沿って流体の流れ方向へ噴射する１または複数個の作動流体噴射口２６を備え、この作動流体噴射口２６がスロート半径（Ｒ２）よりベーン２４の前縁２４ｃ側となる半径位置に設けられているので、ベーン２４の負圧面シュラウド側に噴射された作動流体がインペラ１１から吐出される歪んだ流れと合流し、流れ角と翼入り口角度との角度不一致に起因する剥離を抑制する。この結果、ディフューザ２１及び遠心圧縮機１０の作動範囲、具体的には、サージング発生の流量値により規定される低流量側（下限値）から、チョーク発生の流量値が規定する高流量値（上限値）までの作動流量範囲を広げることが可能になる。

すなわち、ベーン２４の前縁部２４ｃにおける負圧面２４ｂから剥離しようとする流れは、作動流体噴射口２６から負圧面２４ｂに沿って流体の流れ方向へ噴射された作動流体の影響を受けるため、負圧面２４ｂから離間しにくくなる。この場合、負圧面２４ｂ側の剥離を抑制するためには、作動流体噴射口２５と同様に、スロート幅の１０％以下となる負圧面２４ｂ側の領域に作動流体噴射口２６を開口させて作動流体を噴射させることが望ましい。
また、圧縮する流体流量に対する噴射流量の割合や、内周側限度を最小半径（Ｒｏ）とし、かつ、外周側限度をスロート半径（Ｒ２）とすること、作動流体噴射角度（θ）を６０度以下とする理由や作動流体の供給源等については、上述したハブ側壁面２３側の作動流体噴射口２５と同様である。

最後に、上述した流体圧縮機１０に対し、図１に示す本実施形態の第３態様では、ハブ側壁面２３に開口するとともに作動流体をベーン２４の圧力面２４ａに沿って流体の流れ方向へ噴射する１または複数個の作動流体噴射口２５と、シュラウド側壁面２２に開口するとともに作動流体をベーン２４の負圧面２４ｂに沿って流体の流れ方向へ噴射する１または複数個の作動流体噴射口２６とを備えている。すなわち、上述した第１態様及び第２態様の作動流体噴射口２５，２６を共に備えた構成となる。
このような構成とすれば、上述した第１態様及び第２態様の作用効果が得られるので、ディフューザ２１及び遠心圧縮機１０の性能向上及び作動範囲拡大が可能になる。

このように、上述した本実施形態によれば、インペラ１１の吐出流れとベーン入口の角度不一致による流れの剥離を抑制し、ベーン２４を備えたディフューザ２１の性能を向上させた遠心圧縮機１０等の遠心式流体機械を提供することができる。
特に、作動流体噴射口２５からベー２４の圧力面ハブ側に噴射する作動流体は性能向上に有効であり、作動流体噴射口２６からベーン２４の負圧面シュラウド側に噴射する作動流体は作動範囲の拡大に有効であるから、圧力面ハブ側及び負圧面シュラウド側の両方に作動流体を噴射することで、高圧力比及び高効率で広作動範囲の遠心式流体機械を実現することが可能になる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえば遠心式流体機械が遠心式流体機械（舶用過給機、自動車用過給機、航空用ガスタービン等）に限定されることはなく、遠心ポンプや遠心ブロワを包含するというように、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１０ 遠心圧縮機（遠心式流体機械）
１１ インペラ
１２ ブレード
１３ ハブ
１４ シュラウド
２１ ディフューザ
２２ シュラウド側壁面
２３ ハブ側壁面
２４ ベーン（ディフューザ翼）
２４ａ 圧力面
２４ｂ 負圧面
２４ｃ 前縁
２５，２６ 作動流体噴射口
２７ スロート
２８ 抽気流路
４０ 圧力源

Claims (5)

1. 複数枚のブレード、及びこれら複数枚のブレードを有するインペラと、
   前記インペラの下流側に設けられるとともに、対向するシュラウド側壁面及びハブ側壁面との間に複数枚のベーンを有するディフューザとを備え、
   前記インペラを回転させて昇圧した流体が前記ディフューザを通過して流出するように構成された遠心式流体機械であって、
   前記ハブ側壁面に開口するとともに作動流体を前記ベーンの圧力面に沿って前記流体の流れ方向へ噴射する１または複数個の作動流体噴射口を備え、該作動流体噴射口がスロート半径（Ｒ２）より前記ベーンの前縁側となる半径位置に設けられていることを特徴とする遠心式流体機械。
2. 複数枚のブレード、及びこれら複数枚のブレードを有するインペラと、
   前記インペラの下流側に設けられるとともに、対向するシュラウド側壁面及びハブ側壁面との間に複数枚のベーンを有するディフューザとを備え、
   前記インペラを回転させて昇圧した流体が前記ディフューザを通過して流出するように構成された遠心式流体機械であって、
   前記シュラウド側壁面に開口するとともに作動流体を前記ベーンの負圧面に沿って前記流体の流れ方向へ噴射する１または複数個の作動流体噴射口を備え、該作動流体噴射口がスロート半径（Ｒ２）より前記ベーンの前縁側となる半径位置に設けられていることを特徴とする遠心式流体機械。
3. 前記作動流体噴射口を設ける半径位置は、前記ベーンの前縁半径（Ｒ１）を基準として９５％の最小半径（Ｒｏ）を内周側限度とし、前記スロート半径（Ｒ２）を外周側限度としたことを特徴とする請求項１または２に記載の遠心式流体機械。
4. 前記作動流体噴射口の作動流体噴射角度（θ）は、前記流体の流れ方向に対して壁面から６０度以下となるように設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の遠心式流体機械。
5. 前記作動流体は、前記ディフューザの下流から一部を還流させた流体、または、外部の圧力源から導入した流体を使用することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の遠心式流体機械。
   

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