WO2011034044A1

WO2011034044A1 - 排出スクロール及びターボ機械

Info

Publication number: WO2011034044A1
Application number: PCT/JP2010/065802
Authority: WO
Inventors: 真成飯野; 秀昭椙下; 直人杼谷
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2011-03-24
Also published as: US20120171030A1; JP5535562B2; JP2011064111A

Abstract

　内部を旋回する流体と、流入する流体との混合損失の低減を図りつつ、流入した流体を集約して排出させることが可能な排出スクロールを提供する。排出スクロールは、断面略環状の空間を形成するスクロール本体（１１）と、排出流路（８）とスクロール本体（１１）とを接続し、排出流路（８）から排出される流体（Ａ）を強制的に減速させてスクロール本体（１１）に流入させる接続部（１２）とを備える。

Description

排出スクロール及びターボ機械

　本発明は、ターボ機械の排出流路に接続される排出スクロール及びこれを備えたターボ機械に関する。
　本願は、２００９年９月１６日に、日本に出願された特願２００９－２１４８１４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　圧縮機、タービンやポンプなどのターボ機械では、作動流体の排出流路に環状に形成された排出スクロールが取り付けられており、作動流体は該排出スクロール内部に集約されて周方向に沿って旋回流として流れて、径方向外周側に向かって延出された排出管から排出される（例えば、特許文献１、２参照）。

　図８は、軸流圧縮機の排出流路に取り付けられた排出スクロールの従来図を示している。図８に示すように、軸流圧縮機において、動翼及び静翼が配設された流路流末には、排出流路として断面略環状に形成されたディフューザ１００が設けられている。なお、図８は中心軸（回転軸）Ｌを挟んで一方側のみを表示しており、他方側を省略している。ディフューザ１００は、次第に断面積が増加するように形成されていることで流路から排出された流体Ｆの動圧を静圧に変換させる。この際、ディフューザ１００は、ＣＦＤ等による解析や経験則に基づいて、断面積の変化により、流通する流体Ｆに剥離が生じないように、かつ、効率良く減速させるように、流路延長、流路延長方向の曲率、断面積の変化率、入口と出口との面積比等が設定される。また、ディフューザ１００は、入口１００ａ側で流路とともに軸方向に沿って延設されるとともに、出口１００ｂ側に向かうに従って径方向外周側に向かうように湾曲形成され、全体としてラッパ状に形成されている。そして、排出スクロール１０１は、このディフューザ１００の出口開口１００ｃと接続されるように、該出口１００ｂの径方向外周側に環状に配置され、ディフューザ１００から流体Ｆが流入する。排出スクロール１０１に流入した流体Ｆは、中心軸Ｌを含む断面内において、排出スクロール１０１の内壁面１０１ａに沿って旋回するとともに、周方向に異なる位置で流入する流体Ｆと混合されて周方向に沿って流れることになる。

実開平７－８５９７号公報特開２００５－１５５３９３号公報

　しかしながら、特許文献１、２や図８に示すような排出スクロール１０１の構造では、中心軸Ｌを含む断面内において排出スクロール１０１の内壁面１０１ａに沿って旋回する流体Ｆと、新たに流入する流体Ｆとが、入口部１０１ｂで衝突、混合されることにより、圧力損失が生じてしまう問題があった。

　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、内部を旋回する流体と、流入する流体との衝突・混合による圧力損失の低減を図りつつ、流入した流体を集約して排出させることが可能な排出スクロールを提供するものである。

　本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。本発明は、ターボ機械の排出流路に接続され、該排出流路から排出される流体が流入する排出スクロールであって、断面略環状の空間を形成するスクロール本体と、前記排出流路と前記スクロール本体とを接続し、前記排出流路から排出される前記流体を強制的に減速させて前記スクロール本体に流入させる接続部とを備えることを特徴とする。

　この構成によれば、排出流路から接続部に流入した流体は、該接続部により強制的に減速されることになる。このため、スクロール本体には、十分に減速された状態で流入することとなり、これにより流入した流体とスクロール本体を旋回する流体とが衝突、混合して、スクロール本体に集合することによる圧力損失の低減を図ることができる。

　また、上記の排出スクロールにおいて、前記接続部は、前記排出流路と接続された入口部と、該入口部よりも前記流体の流路面積が拡大された出口部とを有し、該流路面積の拡大により流通する流体を減速させることが好ましい。

　この構成によれば、流路面積の拡大により接続部の入口部から出口部へと流通する流体を強制的かつ効果的に減速させることができる。

　また、上記の排出スクロールにおいて、前記接続部は、前記入口部から前記出口部に繋がる壁部に沿って前記流体を剥離させることが好ましい。

　この構成によれば、接続部において、入口部から出口部へと流通する流体を、壁部に沿って剥離させることにより強制的かつ効果的に減速させることができる。

　また、上記の排出スクロールにおいて、前記接続部は、前記壁部の前記入口部または前記入口部近傍に全周にわたって設けられ、前記流体を剥離させる角部を有し、前記角部よりも前記出口部側で前記流体を剥離させることが好ましい。

　この構成によれば、壁部の入口部または入口部の近傍に設けられた角部よりも出口部側で流体を剥離させることで、接続部において強制的かつ効果的に流体を減速させることができるとともに、角部により流体の剥離が排出流路側まで及んでしてしまうことを確実に防止することができる。

　また、上記の排出スクロールにおいて、前記接続部は、前記流体を強制的に剥離させる流体剥離部を有することが好ましい。

　この構成によれば、接続部を流通する流体は、流体剥離部により強制的に剥離させられることにより、効果的に減速させられることになる。

　また、本発明のターボ機械は、上記の排出スクロールと、該排出スクロールへ前記流体を排出させる排出流路とを備えることを特徴としている。

　この構成によれば、排出スクロールにおける衝突・混合による圧力損失の低減を図ることができることで、全体として損失を効果的に低減させることができる。

　本発明の排出スクロールによれば、内部を旋回する流体と、流入する流体とが衝突、混合して、排出スクロールに集合することによる圧力損失の低減を図りつつ、流入した流体を集約して排出させることができる。
　また、本発明のターボ機械によれば、全体として損失低減を図りつつ、使用した流体を排出流路から排出スクロールを介して排出させることができる。

本発明の第１の実施形態の軸流圧縮機の半断面図である。本発明の第１の実施形態の排出スクロールの詳細を示す断面図である。本発明の第１の実施形態の第１の変形例の排出スクロールの詳細を示す断面図である。本発明の第１の実施形態の第２の変形例の排出スクロールの詳細を示す断面図である。本発明の第１の実施形態の第３の変形例の排出スクロールの詳細を示す断面図である。本発明の第１の実施形態の第４の変形例の排出スクロールの詳細を示す断面図である。本発明の第２の実施形態の排出スクロールの詳細を示す断面図である。従来の排出スクロールを示す断面図である。

（第１の実施形態）
　本発明に係る第１の実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
　図１は、ターボ機械の一例として軸流圧縮機１を示している。図１に示すように、軸流圧縮機１は、ロータ２と、ロータ２の外周に略筒状に配設され、ロータ２との間に作動流体である空気Ａが流通する断面略環状の流路１ａを形成するケーシング３と、流路１ａ内に配設された静翼４及び動翼５と、流路１ａへの空気Ａの給排気を行う吸込スクロール６及び排出スクロール１０と、吸込スクロール６及び排出スクロール１０と流路１ａとを接続する吸込流路７及び排出流路８とを備える。

　静翼４は、ケーシング３の内周面に取り付けられて、ロータ２に向かって径方向内周側に設けられている。また、動翼５は、ロータ２に取り付けられて、ケーシング３に向かって径方向外周側に突出して設けられている。静翼４及び動翼５は、それぞれ放射状に複数設けられているとともに、軸方向Ｘに沿って交互に複数段設けられている。

　吸込スクロール６は、ケーシング３の軸方向Ｘの一方側（上流側）に設けられており、吸込流路７によって流路１ａと接続されている。吸込スクロール６は、略環状に形成された空間を有し、図示しない吸込口から流入した空気Ａを周方向Ｙに沿って流通させ、吸込流路７を介して断面略環状に形成された流路１ａ全体にわたって空気Ａを供給させる。

　図２に示すように、排出流路８は、ケーシング３の軸方向Ｘの他方側（下流側）に設けられており、次第に流通断面が増加することで流路８を流通する圧縮された空気Ａを剥離を生じさせずに減速させるディフューザとして構成されている。また、ディフューザを構成する排出流路８は、入口８ａ側で流路１ａとともに軸方向Ｘに沿って延設されるとともに、出口８ｂ側に向かうに従って径方向外周側に向かうように湾曲形成され、全体としてラッパ状に形成されている。そして、排出スクロール１０は、この排出流路８の出口８ｂの開口と接続されるように、該出口８ｂの径方向外周側に環状に配置されている。

　排出スクロール１０は、断面略環状の空間を形成するスクロール本体１１と、排出流路８とスクロール本体１１とを接続し、排出流路８から排出される空気Ａを強制的に減速させてスクロール本体１１に流入させる接続部１２とを備える。接続部１２において、排出流路８と接続された入口部１２ａと、スクロール本体１１と接続された出口部１２ｂとでは、出口部１２ｂの方が流路面積が大きく形成されている。また、接続部１２において、入口部１２ａと出口部１２ｂとは壁部１２ｃにより接続されている。本実施形態においては、中心軸Ｌを含む断面において、接続部１２は全体として略台形状の断面を呈し、入口部１２ａで排出流路８との間には角部１３が形成されている。ここで、接続部１２における空気Ａの流通方向に沿う単位長さ当りの流路面積の増加量、すなわち流路面積の増加率は、排出流路８における流路面積の増加率よりも大きく設定されている。さらに、接続部１２においては、入口部１２ａから出口部１２ｂへの急激な流路面積の増加により、壁部１２ｃに沿って流通する空気Ａを壁部１２ｃから剥離させるように、流路面積の増加率が設定されている。なお、接続部１２において、入口部１２ａと出口部１２ｂとを接続する壁部１２ｃは、中心軸Ｌを含む断面視した場合、軸方向Ｘ一方側（上流側）のみ、または軸方向Ｘの他方側（下流側）のみにあってもよいし、両方側にあってもよい。

　また、スクロール本体１１は、接続部１２の出口部１２ｂの径方向外周側に接続される流入部１４と、流入部１４から軸方向Ｘに隣接して広がる空間で、流入した空気Ａを周方向Ｙに沿って旋回流として流通させる本体部１５とを有する。図２に示すように、スクロール本体１１を中心軸Ｌを含む断面視した場合、スクロール本体１１を構成する内壁面１１ａは、流入部１４と本体部１５との間で滑らかな曲線となって連続している。また、本体部１５は、流入部１４よりも径方向内周側に向かって広がっており、接続部１２との間には壁体が接続部１２から本体部１５へ空気Ａが直接流入するのを規制する流入規制部１６として構成されている。

　次に、この実施形態の排出スクロール１０の作用を説明する。
　図２に示すように、排出流路８から排出スクロール１０に流入する空気Ａは、まず接続部１２を流通する。接続部１２に流入した空気Ａは、接続部１２が入口部１２ａから出口部１２ｂへと流路面積が大きくなるように形成されていることにより、強制的に減速されることになる。また、本実施形態では、入口部１２ａから出口部１２ｂへの流路面積の拡大が急激に変化することにより、壁部１２ｃに沿う空気Ａの流れに剥離Ａ１が生じ、これによりさらに効果的に減速させることができる。なお、壁部１２ｃは、中心軸Ｌを含む断面視した場合、軸方向Ｘ一方側（上流側）のみ、または軸方向Ｘの他方側（下流側）のみにあってもよいし、両方側にあってもよい。

　そして、このように接続部１２を流通して、スクロール本体１１において流入部１４に流入した空気Ａ２は、中心軸Ｌを含む断面内において、さらに内壁面１１ａに沿って本体部１５内で旋回することとなる。そして、本体部１５内で旋回する空気Ａ３は、流入規制部１６に沿って径方向外周側へと流れて、新たに流入部１４から本体部１５へと流入する空気Ａ２と衝突、混合されることとなる。しかしながら、上記のとおり、流入部１４から本体部１５へと流入する空気Ａ２は、接続部１２において十分に減速させられた状態にあることから、衝突、混合され、スクロール本体１１に集合することによる圧力損失の低減を図ることができる。

　ここで、上記のとおり接続部１２においては剥離Ａ１を生じさせることで、圧力損失が生じてしまうことになるが、接続部１２における減速に伴うスクロール本体１１内での衝突、混合して集合することによる圧力損失を大幅に低減させることができることで、全体としては圧力損失の低減を図ることができる。このため、効率良く内部に剥離等を発生しないように設計されたディフューザである排出流路８に対して、排出スクロール１０が接続されることで、より効率的なスクロールを実現することができる。また、上記のとおり接続部１２において壁部１２ｃでは剥離Ａ１が生じるが、入口部１２ａに角部１３が形成されていることから、該角部１３を起点として出口部１２ｂ側に剥離Ａ１が形成されることとなり、剥離Ａ１が上流側の排出流路８にまで生じてしまうことを防止することができる。なお、角部としては、上記のように内壁面同士が交差することで形成されるものに限られず、入口部１２ａまたは入口部１２ａ近傍に全周にわたって突起が形成されていて、該突起の先端によって角部が形成されていても良い。

　図３は、本実施形態の第１の変形例を示している。図３に示すように、本変形例では、排出流路２０は全体として軸方向Ｘに沿って形成されており、排出スクロール２１において接続部２２も排出流路２０と対応して軸方向Ｘに沿って形成され排出流路２０と接続されている。また、排出スクロール２１においてスクロール本体２３は、流入部１４が接続部２２と軸方向Ｘに接続されており、本体部１５は流入部１４の径方向外周側に広がっている。このように軸方向Ｘに沿って排出流路２０と排出スクロール２１が接続されている場合にも、同様の構成を備えることにより、スクロール本体２３内における衝突、混合して集合することによる圧力損失の低減を効果的に図ることができる。

　図４は、本実施形態の第２の変形例を示している。図４に示すように、本変形例の排出ケーシング３０では、壁部１２ｃが、中心軸Ｌを含む断面視した場合、窪み１２ｄを有する段状に形成されており、該窪み１２ｄが流体剥離部として機能し、壁部１２ｃに沿う空気Ａを強制的に剥離させることが可能となっている。そして、窪み１２ｄによって強制的に壁部１２ｃに沿う空気Ａに剥離Ａ４を生じさせることにより、接続部１２を流通する空気Ａを効果的に減速させて、スクロール本体１１内での衝突、混合して集合することによる圧力損失の低減をさらに図ることができる。なお、該窪み１２ｄは、中心軸Ｌを含む断面視した場合、軸方向Ｘ一方側（上流側）のみ、または軸方向Ｘの他方側（下流側）のみにあってもよいし、両方側にあってもよい。

　図５は、本実施形態の第３の変形例を示している。図５に示すように、本変形例の排気スクロール４０では、接続部４１の壁部４１ａが、中心軸Ｌを含む断面視した場合、軸方向Ｘ一方側（上流側）に形成されている。すなわち、接続部４１においては、空気Ａの流れのターンの内側で流路断面積が急激に拡大される。また、本変形例では、スクロール本体４２において、本体部４３は、接続部４１より径方向外周側で広がるように形成されており、図２に示す流入規制部１６のない構成となっている。本変形例の接続部４１では、壁部４１ａに沿う空気Ａに剥離Ａ５を生じさせることができる。そして、このように剥離Ａ５を生じさせることで接続部４１を流通する空気Ａを効果的に減速させることができるので、流入規制部１６が設けられずにスクロール本体４２内を旋回する空気Ａ３が流入部１４に向かって流れるような構成となっていても、衝突、混合して集合することによる圧力損失を低減させることができる。なお、壁部４１ａは軸方向Ｘの他方側（下流側）でもよいし、両方側にあってもよい。

　図６は、本実施形態の第４の変形例を示している。図６に示すように、本変形例の排気スクロール５０では、接続部１２の内部において、流体剥離部として、入口部１２ａ側を頂点５１ａとし出口部１２ｂ側を底辺とした断面略三角形状の中間壁５１が、支柱５２によって支持されて複数形成されている。そして、入口部１２ａから流入した空気Ａは中間壁５１同士の間、及び中間壁５１と壁部１２ｃとの間を流通し、中間壁５１の底辺側の角５１ｂを基点として剥離Ａ６が生じることとなる。このため、接続部１２を流通する空気Ａは、中間壁５１における剥離Ａ６により、さらに効果的に減速させられることとなり、これによりさらに効果的にスクロール本体１１内での衝突、混合されて集合することによる圧力損失の低減を図ることができる。

（第２の実施形態）
　次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図７は、本発明の第２の実施形態を示したものである。なお、この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

　図７に示すように、排出スクロール６１の接続部６２において、流路内側となる部分は、滑らかな曲線状とせずに、角６１ａを形成している。本実施形態ではさらに、接続部６２の流路内側となる位置でも、本体部１５と接続部６２との接続部分において、角６１ｂが形成されている。

　この実施形態の排出スクロール６１では、排出流路６０を流通する空気Ａは、接続部６２に流入した際に、流路の内側となる位置に角６１ａが形成されていることから、該角６１ａが強制剥離部として機能し、空気Ａの流れに剥離Ａ７が生じることとなる。同様に、接続部６２からスクロール本体６３内に流入して本体部１５を旋回する空気Ａ３が、流入規制部１６に沿って径方向外周側へ流通する際に、角６１ｂが強制剥離部として機能し、空気Ａ３の流れに剥離Ａ８が生じることとなる。このため、接続部６２を流通する空気Ａ、及び、本体部１５を流通する空気Ａ３は、この剥離Ａ７、Ａ８により乱されて圧力損失を生じ、急激に減速させられることとなる。このため、接続部６２を流通する空気Ａと、本体部１５を流通する空気Ａ３とが衝突、混合したとしても、これにより圧力損失を低減させることができ、全体として圧力損失の低減を図ることができる。また、接続部６２からスクロール本体６３内に流入する空気Ａと空気Ａ３の流れ方向が略一致するので、これによっても混合する際の圧力損失の発生を抑制することができる。

　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、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

　なお、上記各実施形態及び各変形例で示した排気スクロールは、軸流圧縮機に搭載されるものとして説明したが、これに限るものではなく、遠心圧縮機にも適用可能である。さらには、圧縮機に限るものでもはく、ガスタービン、蒸気タービン、水中ポンプなど、様々なターボ機械において作動流体を排出させる構造として適用可能である。

　本発明の排出スクロールによれば、排出流路から接続部に流入した流体は、接続部により強制的に減速される。このスクロール本体に十分に減速されて流入した流体は、スクロール本体を旋回する流体に衝突、混合して、スクロール本体に集合するので、圧力損失の低減を図ることができる。

　１　　軸流圧縮機（ターボ機械）
　８、２０、６０　　排出流路
　１０、２１、３０、４０、５０、６１　　排出スクロール
　１１、４２、６３　　スクロール本体
　１２、２２、４１、６２　　接続部
　１２ａ　　入口部
　１２ｂ　　出口部
　１２ｃ　　壁部
　１２ｄ　　窪み（強制剥離部）
　１３　　角部
　５１ｂ　　角（強制剥離部）
　６１ａ、６１ｂ　　角（強制剥離部）
　Ａ　　空気（流体）

Claims

　ターボ機械の排出流路に接続され、該排出流路から排出される流体が流入する排出スクロールであって、
　断面略環状の空間を形成するスクロール本体と、
　前記排出流路と前記スクロール本体とを接続し、前記排出流路から排出される前記流体を強制的に減速させて前記スクロール本体に流入させる接続部とを備えることを特徴とする排出スクロール。
　請求項１に記載の排出スクロールにおいて、
　前記接続部は、前記排出流路と接続された入口部と、該入口部よりも前記流体の流路面積が拡大された出口部とを有し、該流路面積の拡大により流通する流体を減速させることを特徴とする排出スクロール。
　請求項２に記載の排出スクロールにおいて、
　前記接続部は、前記入口部から前記出口部に繋がる壁部に沿って前記流体を剥離させることを特徴とする排出スクロール。
　請求項３に記載の排出スクロールにおいて、
　前記接続部は、前記壁部の前記入口部または前記入口部近傍に全周にわたって設けられ、前記流体を剥離させる角部を有し、前記角部よりも前記出口部側で前記流体を剥離させることを特徴とする排出スクロール。
　請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の排出スクロールにおいて、
　前記接続部は、前記流体を強制的に剥離させる流体剥離部を有することを特徴とする排出スクロール。
　請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の排出スクロールと、
　該排出スクロールへ前記流体を排出させる排出流路とを備えることを特徴とするターボ機械。