JPS64561B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、多段の遠心式或いは斜流の圧縮機、
ブロワなどの多段ターボ機械に関するものであ
る。

従来、この種の多段のターボ機械では通常、羽
根車を出たあとの流れは、デイフユーザ、Ｕター
ブ部及び戻り流路を通つて次の段の羽根車に導か
れるように構成されている。これらの流路の要素
のうち、デイフユーザにおいては、案内翼の無い
壁面のみにより構成されたものか、或いは多数の
案内翼又は案内流路を円周上に配置して構成され
たものが用いられている。

第１図は従来の２段の遠心圧縮機の断面図で、
羽根車１は軸１０により駆動され、吸込口７から
ガスを吸引し、外径D₁を有する羽根車１の出口
からこれを吐き出す。その後、ガスは案内翼の無
いデイフユーザ部３を通つて減速し、流路の外径
D₂の部分からＵターン部４に入り、案内羽根６
を有する戻り流路５を径て次の段の羽根車１′に
吸込まれる。２はケーシング、１１及び１１′は
ガスの漏洩を防ぐ軸ラビリンスシール１２は羽根
車からの漏洩を防ぐライナーリング、１４は羽根
の間隔をとるスペーサである。第１図の例では、
デイフユーザ３には案内翼は無く、ケーシングの
壁面で構成される流路の面積が、直径の増加と共
に増加する為、ガスは減速し圧縮される。１５は
軸ナツト、１３は最終段のガスを集めて送り出す
為の渦巻室である。

このようにデイフユーザ部３に案内翼の無いも
のでは、羽根車１を出た高速の流体の流れを十分
に減速して圧力のエネルギに変換するには、かな
り長い流路を必要とし、一般には羽根車１外径
D₁に対して約1.6〜２倍の外径D₂を持つデイフユ
ーザ部３が使われている。デイフユーザ部３に案
内羽根のないものは、構造簡単、適用流量範囲が
広いという利点はあるが、上記の理由で、羽根車
１を収容する機械全体のケーシング２の外径は大
きなものになり、しかも効率が悪い。

これに対して、効率を改善する目的で従来から
案内翼付きのデイフユーザが用いられている。こ
れは円周上に配列された案内翼どうしの間の流路
面積を漸増させることにより、流れを効率良く減
速して圧力を回復しようとするものである。

この従来例を第２図及び第３図により示せば、
羽根車１から吐き出されたガスは、案内翼８を有
するデイフユーザ部３によつて整流減速される。
案内翼８は第３回に示すように、円周上に多数枚
が配列され、翼と翼との間で流路が形成され、通
常、流れの旋回方向に合わせて図のようにわん曲
した形となつているのが普通である。このような
案内翼８付きの場合は、減速昇圧の効果が翼無し
の場合に比べて大きいので、案内翼８の外径D₃
及びデイフユーザ部３の外径D₂は比較的小さく
することができる。その割合は、1.5〜1.7位が一
般的であるが、運転流量範囲が狭いのが欠点であ
る。

また効率の面で見れば、翼無しの場合に比べ
て、設計点近傍では効率は高くなるが、案内翼８
が円周上に重なつて配列されているため、翼と翼
の間で構成される最小面積部で流れが閉塞を起こ
すことと、翼を固定しておくと、流れの方向と翼
の角度が、設計点以外では合わなくなる為、広い
流量範囲で使用するには適さない、などの欠点が
あつた。

また、Ｕターン部４及び戻り流路５についてみ
れば、流れがデイフユーザ部３を出てから次の段
に移る場合には、この流れを圧縮機外周から内周
に向つてＵターン部４によりＵターンさせる。こ
の流れは周方向の速度成分を持つた旋回流である
のでこれを軸中心に向う所の旋回の無い流れに整
流する為に、戻り流路５には案内羽根６を設けて
いる。

従来のものにおいてはデイフユーザ部分３から
出た流れは、周方向成分が多く残つた旋回流であ
るので、これを受けた案内羽根６はかなり長い曲
線部分を備えて内周部近くで半径方向に向かう直
線部分により、流れを半径方向に揃えることにな
る。従つて案内羽根６の長さが長くなることによ
り、摩擦損失が増加し、また、案内羽根６の全長
のうち半径方向に向く直線部分の長さが結果的に
短かくなるので、十分な半径向きの整流効果が得
られない欠点があつた。

本発明は、従来のものの上記の如き欠点を除
き、効率が高く、広い流量範囲にわたつて運転が
可能であり、しかもケーシング外径を小さくする
ことができる多段ターボ機械を提供することを目
的とするものである。

この目的を達成するために、発明者らは多くの
実験研究を重ね、その時に得られた知見に基づき
本発明がなされた。

即ち、従来においてはデイフユーザ部の外径
D₂はデイフユーザによる昇圧効果のみに着目し
て、大きい方が好ましい、と考えられていた。例
えば第４図は外径比D₂／D₁と圧力回復率との関
係の実験結果を示すグラフであるが、翼付デイフ
ユーザＡ（本願発明の構成に準じたもの）、翼なし
デイフユーザＢの何れの場合においても外径比
D₂／D₁が大きい方が圧力回復率は大であり、圧
力の上昇が大である。従来はこのようなデイフユ
ーザ部分における効果のみに着目し、外径比
D₂／D₁が比較的大きくとられていた。

しかし、発明者らの研究によれば、多段圧縮機
でデイフユーザにおける減速効果が上るならば、
むしろ外径比D₂／D₁が大きいと、かえつて全体
として損失を招き、効率が低下することが確かめ
られた。そして本発明は、従来の習慣に反して外
径比D₂／D₁をできるだけ小さくするように構成
し、さらに外径比D₂／D₁を小さくすることによ
り新たに発生する後述の問題点を解決して、なさ
れたものである。

発明者らの研究によれば、従来のものの如く圧
力回復のためにデイフユーザ長さを長くとる（そ
の結果外径比D₂／D₁も大となる）と、デイフユ
ーザ部３の流路と共に戻り流路５の流路も長くな
り、それらの流路における摩擦損失が増大し、か
えつて効率が低下することが確かめられた。

しかしながら、ただ単にD₂／D₁を小にしたの
みではそれに伴ない新たな問題点を生ずる。

即ち、デイフユーザ部３の案内翼８が、従来に
おける第３図に示す如く自由渦の旋回に添つて弯
曲する構造であると、案内翼８を出た流体は周方
向の速度成分がかなり大きいので、戻り流路５の
案内羽根６の入口も周方向に対して比較的浅い角
度で構成して流れを受け入れるようにする。一
方、案内羽根６の中ではこの流れを半径方向に転
向せねばならないが、案内羽根６の全長のうち半
径方向に向く直線部分が長くとれない。従つて方
向の転向を短い距離で行なわねばならないが、こ
れを行なうのは困難であり、次段の羽根車１′に
旋回成分（周方向成分）を持つた流体が流れ込
み、次段において所要の圧力を発生することが困
難となる。

この問題を解決するために発明者らはさらに研
究を行ない、案内翼のカンバー線が、従来は、半
径が大きくなるにつれ第３図の如く次第に周方向
に対する角度が浅くなつていたものを、逆に、半
径が大きくなるにつれて半径方向に近づくように
逆向きに反りを持たせたことによりこれを解決し
た。即ち、これにより、戻り流路５の案内羽根６
の入口に入る流れの方向が半径方向に近くなり、
案内羽根６の全長は短くとも、半径方向に近い部
分の長さは従来のものよりかえつて長くなり、次
段の羽根車１′の吸込口には旋回成分の殆んどな
い流れを送り込むことができ、次段の圧縮特性を
損うのを防ぐことができた。

前述の第４図は、デイフユーザ部３のみにおけ
る性能を比較したものであるが、本願発明は、デ
イフユーザ部３以外の流路も含め、総合的に性能
の向上をはかるものであり、第５図にその実験結
果を示す。第５図は、圧縮機の１段目の羽根車１
の入口から、次の段の入口に至る流路、即ち、羽
根車１、デイフユーザ部３、Ｕターン部４及び戻
り流路５を総合した圧縮機一段落当りの性能を示
している。図の縦軸は圧力を、横軸は流量を表わ
す無次元係数（それぞれ圧力係数、流量係数）
で、図中の３本の曲線は、それぞれデイフユーザ
部３外径D₂と羽根車１外径D₁との比が1.2，1.4，
1.6の各場合を示している。

この実験によると、デイフユーザ部３の出入口
で観察した第４図の結果とは異なり、デイフユー
ザ部３の長さを十分に長くとつて圧力を回復する
よりも、却つて径の小さな所でＵターン部４に接
続せしめ、戻り流路５に通して方が効果的である
ことが判つた。この理由は、デイフユーザ部３を
長くすれば、それだけ戻り流路５も長くなり、却
つて摩擦損失が増加する為である。

実験によれば、デイフユーザ部３としては、従
来方式に比べて短かすぎると考えられるD₂／D₁
＝1.2〜1.45近くの間で、デイフユーザ部３から
戻り流路５まで含めた全体で最も良好な圧力回復
が得られることが判つた。即ち、第５図におい
て、D₂／D₁の値が大きくなると、大流量側で効
率の低下が著しい。

第６図は、この傾向を判り易く説明する為に、
横軸にD₂／D₁をとり、縦軸に第５図の流量，
，における三つの圧力値を比較したものであ
る。即ち、D₂／D₁＝1.2の場合が、どの流量にお
いても圧力が高いので、これを１として、他の
D₂／D₁の圧力との比をとつたものである。これ
を見ても、流量が→→と多くなるに従い、
D₂／D₁の比の大きいものは、一段落当りの圧力
上昇が低くなることが明瞭である。第６図におい
て縦軸の圧力の低下を２％迄許容するとすれば、
D₂／D₁の最適な範囲は1.2〜1.45とみてよい。こ
の範囲内にD₂の寸法をとれば、従来に比べて効
率が向上すると共に圧縮機ケーシング２の外径は
小さくなり、それだけ重量も軽くできるという大
きな効果を生ずる。

さらに、案内翼を設けると、案内翼なしのデイ
フユーザに比べ適用流量範囲が狭くなる、という
問題点に対しては、案内翼相互の間隔を広げるこ
と、例えば翼長さよりも広げることにより解決可
納である。

即ち、本発明は、デイフユーザに翼型の案内翼
を設け、この翼のカンバー線の反りの方向を流れ
が半径方向に向うような形に選定して取付けるこ
とにより、翼を出た後で、かなりの圧力上昇が得
られ、且つ流れの方向が半径方向に転向している
ので、デイフユーザ径を大きくせずに、直ちに流
体をＵターン部に導き、戻り流路に通すようにす
れば、戻り案内羽根も短かく設計できるため、損
失の少ない効率の高い流路が設計でき、ケーシン
グの大きさも小さくでき、かつ内周部で十分に半
径方向に揃つた流れを得ることができるので、次
の段の羽根車の特性を損なうことがない、という
効果を生ずる。

また、案内翼は、板状でなく、断面形状が翼形
をなしていることが好ましい。

この理由は、 (1) ターボ機械では運転流量が広範囲に変るのが
一般であり、流量が変ると翼に入る流れの流入
角度が変化する。この場合翼前面で流れの衝突
が生じたり、又、翼面で流れが乱れたりする
が、流れをスムースにする為の翼型を使用すれ
ば、流入角に対して鈍感になり、流入角が変つ
ても翼面に沿つてスムースに流れる利点があ
る。

(2) 上述の理由で、翼面に沿つて流れがスムース
に流れるので、損失が最小に抑えられる。もし
薄い板状の案内羽根の場合は、流れの剥離等が
起き易く、損失も増える。

(3) 壁面に沿う流れがスムースであるので、翼の
入口方向と出口方向のいわゆる転向角を大きく
とれ、その為に流れの減速作用が大きくなる。
それだけ昇圧が大きい。

(4) 翼と翼の間の流れは、翼の背面と腹面とには
さまれた流れとなる。この場合、背面を通る流
れは流速が速く、腹面を通る流れは流速が殆ん
ど変らない。その結果流速の速くるなる背面側
の圧力は低くなり、腹面側を通る流れは圧力が
それよりも高いので、流れは点線の方向に圧力
の低い方へ向おうとする。この為、一般に流速
の速い流れは、慣性作用もあつて背面からはが
れようとして背面の終端部分では渦が生じる恐
れがあるが、これを点線の流れが押し戻すの
で、結果として渦は出来難い。つまり、剥離を
抑える効果がある。

このように翼型にすることにより、揚力作用の
影響（翼の腹面と背面に圧力差が著しく生じる現
象）によつて、却つて流れはスムーズに流れ、且
つ大きな転向角を与えることが可能になる。これ
によつて、短い区間で大きな減速効果を得られ、
それだけ圧力上昇が効果的に生ずることになる。
しかも、流量が広い範囲で変つても翼の上述した
効果は変らない利点がある。この点が、単に板状
のガイドベーンを利用するのとは、根本的に異つ
た効果を奏する。

本発明は羽根車、デイフユーザ部、Ｕターン部
及び戻り流路を有する多段ターボ機械において、
前記デイフユーザ部に円周上等間隔に案内翼を配
置し、該案内翼の断面形状は、カンバー線の接線
の方向が、半径が大になるにつれて半径方向に近
づくように反りを持たせた翼型形状となし、かつ
該デイフユーザ部の出口部分の外径D₂は、前記
羽根車の外径D₁に対し、 D₂＝（1.2〜1.45）D₁ であることを特徴とする多段ターボ機械である。

本発明の実施例を図面を用いて説明する。第７
図及び第８図は２段の遠心圧縮機を示す。

デイフユーザ部３の案内翼９は、翼型に製作さ
れ、しかも羽根車１を出た後の流れの旋回方向を
半径方向に転向させるように、カンバー線１６の
接線方向が、半径が大になるにつれて半径方向に
近づくように反りが与えられている。

第７図、第８図のように構成された案内翼９の
形状と位置関係を更に詳細に第９図に示す。この
図で案内翼９は、弦の長さＬ（翼型の先端と後端
を直線で結んだ長さ）を有し、この弦は半径方向
と角８をなすように取り付けられている。一方、
第９図には、羽根車１の直径D₁での流れの速度
ベクトルを記してあるが、ｕは羽根車１の外周速
度、ｃは羽根車１の外周から吐き出されるガスの
絶対速度を示す。ｃが半径方向となす角はαで示
されており、δはαよりも数度小さい目に取り付
けるように構成されている。

このように構成することにより、羽根車１を出
たガスの流れは翼面に沿つて流れる際に、揚力作
用の影響を受けて、翼の無い場合の旋回流れの方
向よりも、半径方向側に転向されることになり、
デイフユーザ面積の増加と相まつて非常に大きな
減速昇圧効果があることが確認されている。この
案内翼９は第８図、第９図では明瞭にカンバー線
１６の接線方向が半径が大になるにつれて半径方
向に近づくように描かれているが、この効果は前
述したように流れを旋回流れから半径方向に転向
することにあり、このような効果を有する翼形状
であればカンバー線１６の反りの如何によらずこ
の発明の範ちゆうに入る。

第９図において、案内翼９を出た直後のガスの
流れは速度ベクトルをv₁で示され、又従来方式の
翼の無い場合のこの部分における流れの速度ベク
トルはv₂で示されている。この二つの流れを、半
径方向と周方向という直角座標に記入したものが
第１０図である。この図のv₁とv₂とは、半径方向
の速度成分v₁″とv₂″とが共に等しくv_Mである所か
ら、全く同一流量の場合を示している。即ち、案
内翼９の後端に位置する直径D₃の流れ場におい
て、案内翼９によつて、より半径方向に近い方向
に転向された速度v₁の方が、翼の無い場合の速度
v₂よりも減速されていることは明らかである。別
の表現をすれば、流速のおそくなつた分だけ、圧
力は高くなるわけである。更に第１０図で重要な
ことは、流れの旋回成分即ち、周方向の速度成分
v₁′とv₂′を比較すると、v₂の方にはまだ大きな旋
回成分が残つていることが判る。

次にこれらの流れが、Ｕターン部４を通つて戻
り流路５に入る場合を第１１図ａ及びｂにより説
明する。

戻り流路５には、通常案内羽根１７が設けられ
ているが、この案内羽根１７の役目は、前段のデ
イフユーザ部３から流入する周方向速度成分を持
つた旋回流を、軸中心に向う所の旋回の無い流れ
に整流することにある。この作用を第１１図で説
明すると、案内羽根１７はその外周部が、流れを
スムーズに迎え入れるように流れの方向に曲げら
れている。その先端が、半径方向となす角度をγ
とすると、流入する旋回流の周方向成分が大きい
程γは大きな角度となる。従来のものの如くこの
γが大きい場合の一例が第１１図の案内羽根１
７′である。

一般に従来の翼無しデイフユーザを持つたター
ボ機械の場合、D₂／D₁の比にもよるが、このγ
の値は約55〜65度であり、これを短い距離で流れ
の方向を中心に向けて転向させることは困難で、
案内羽根１７′の場合図に示したように必然的に
大きな曲線部分を持つた羽根となり、中心に向う
直線部分１８が短くなる。このことは次の段に吸
込まれるガスが全く旋回成分を持たないで流れる
ことは困難なことを示し、実際上はかなりの旋回
成分を残したまま羽根車１′に吸込まれることに
なる。遠心式や斜流式のターボ機械において、回
転する方向に旋回分を持つた流れを羽根車が吸込
むとヘツドが減少し、所要の圧力が達成できなく
なることは、理論的にも実験的にもよく知られて
いる。これを避ける為には、第１１図に示した戻
り案内羽根１７のように転向をできるだけ短く完
了して直線部分１９を長くとることが得策であ
る。

本実施例においては、デイフユーザ部３の案内
翼９を逆向きに反らせることにより戻り流路５に
流入する流れの旋回成分を小にしたので角度γは
小にすることができ、計算による一例では案内羽
根１７の場合γは45〜55度程度となり、その為に
戻り案内羽根１７の直線部分１９は、１７′によ
うな従来例の直線部分１８に比べて長くすること
ができ、殆んど旋回成分の無い流れを２段目羽根
車１′に送ることができる。これにより、２段目
の羽根車１′のヘツドも設計通り確保でき、且つ
戻り流路５の長さも短かくできるので、摩擦によ
る損失も減少する。

第１１図ａは、デイフユーザ部３を出る流れ
が、Ｕターン部４で折れ曲り、戻り流路５に入る
模様を速度ベクトルで表したもので、実線で示し
た速度ベクトルが本発明の実施例の構成により実
現した流れの方向であり、点線で示したベクトル
が従来の方法で減速した場合の流れの方向を示
す。この図のようにＵターン部４では入る流れと
出る流れは半径方向に対して同じ角度βをなし、
この角βに合わせて戻り流路５の案内羽根６の入
口角度を設定することになる。この角βが小さい
と案内羽根６は流れを容易に半径方向に向けるこ
とができる。第１１図のｂで、羽根１７はβの小
さい場合、１７′はβの大きい流れの場合を示し、
旋回成分が大きく残つている従来の流れでは、β
が大きくなるので、案内羽根１７′は、流れを半
径方向に向ける為に大きくわく曲させねばなら
ず、この為に、半径方向に向つて案内する翼の直
線部分１８の長さが短くなり、流路長さが増すと
同時に十分に流れを半径方向に整流することが困
難となる。

これに対して、本発明の実施例の構成によれ
ば、流れが案内羽根１７の入口部分で、すでに従
来のものよりも半径方向に向いているので、曲線
部の流路長さが短くでき、その分直線部分１９を
十分長くとることができるので流れの案内効果が
高く、次の段の羽根車１′に真直に流入させるこ
とができ、次段の性能が低下することがない。

即ち、ターボ機械では、羽根車の入口の流れ
が、回転方向の旋回成分を持つているとヘツドが
減少し、所要の圧力が達成できなくなる現象があ
るので、これを防ぐことにも効果があるわけであ
る。

以上は遠心式圧縮機について説明したが、本発
明はその他、斜流式のものにも、ブロワなどにも
適用できる。

本発明により、デイフユーザ部外径を小となし
てターボ機械全体の寸法を小となしかつ軽量とな
し、従来のものに比べ効率を向上することがで
き、しかも広い流量範囲に適用する多段ターボ機
械を提供することができ、実用上極めて大なる効
果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の縦断面図、第２図は別の従来
例の縦断面図、第３図はそのＡ−Ａ線横断面図、
第４図は外径比と圧力回復率との関係を示すグラ
フ、第５図は流量係数と圧力係数との関係を示す
グラフ、第６図は外径比と圧力係数比との関係を
示すグラフ、第７図は本発明の実施例の縦断面
図、第８図はそのＢ−Ｂ線横断面図、第９図はデ
イフユーザ案内翼の説明図、第１０図はデイフユ
ーザ案内翼出口におけるベクトル比較図、第１１
図ａはＵターン部の前後における流れのベクトル
比較図で左側は従来、右側は本発明の実施例、第
１１図ｂは戻り流路の案内羽根比較図で左側は従
来、右側は本発明の実施例を示す。 １，１′……羽根車、２……ケーシング、３…
…デイフユーザ部、４……Ｕターン部、５……戻
り流路、６……案内羽根、７……吸込口、８，９
……案内翼、１０……軸、１１，１１′……ラビ
リンスシール、１２……ライナーリング、１３…
…渦巻室、１４……スペーサ、１５……軸ナツ
ト、１６……カンバー線、１７……案内羽根、１
８，１９……直線部分。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 羽根車、デイフユーザ部、Ｕターン部及び戻
   り流路を有する多段ターボ機械において、前記デ
   イフユーザ部に円周上等間隔に案内翼を配置し、
   該案内翼の断面形状は、カンバー線の接線の方向
   が、半径が大になるにつれて半径方向に近づくよ
   うに反りを持たせた翼型形状となし、かつ該デイ
   フユーザ部の出口部分の外径D₂は、前記羽根車
   の外径D₁に対し、 D₂＝（1.2〜1.45）D₁ であることを特徴とする多段ターボ機械。