JP2006170112A - 流体機械の不安定流動抑制装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 設計点での効率低下を招くことなく、設計点の流量よりも低い低流量域での旋回失速、サージングを抑制することができる流体機械の不安定流動抑制装置を提供する。
【解決手段】 羽根なしディフューザ１の流路を介して対向する壁の少なくとも一方の壁１１ｂの内面１１ｂ−１に複数の溝１２ｂを、それぞれの溝１２ｂの長手方向が設計点での流体の前記流路内における主流方向に沿うように傾斜した直線状の溝形状となるように形成する。或いは、前記壁の内面に複数の溝を、それぞれの溝の長手方向が設計点での流体の前記流路内における主流方向に沿うように傾斜した曲線状の溝形状となるように形成する。羽根付きディフューザに適用してもよい。また、溝の下流側部分を、半径方向に沿う直線状としてもよい。また、長手方向の中央部では流路内と溝内とを仕切り、且つ、長手方向の両端部では流路内と溝内とを連通させる仕切り板を設けてもよい。また、溝の上流側の縁部に突起を設けてもよい。
【選択図】 図３

Description

本発明は流体機械の不安定流動抑制装置に関し、具体的には羽根なしディフューザ或いは羽根付きディフューザを有する遠心圧縮機、送風機、ポンプ等の流体機械の不安定流動抑制装置に関するものである。

羽根なし或いは羽根付きのディフューザを有する遠心圧縮機、送風機、ポンプ等の流体機械では、低流量域において旋回失速を発生し、運転可能領域をせばめることが知られている。そして、このような旋回失速を発生した状態のもとで運転を継続した場合には、羽根車出口直後のディフューザの壁面静圧の時間変動のため、ディフューザ内の圧力脈動により、羽根車の回転軸の振れが大きくなって軸受の損傷を誘発し、流体機械として安定な運転を継続することができない状態となる。

そこで下記の特許文献１では、このような旋回失速の発生に伴う不具合を回避するため、ディフューザの流路を介して対向する壁の少なくとも一方の壁の内面に複数の溝を放射状に形成することを提案している。この場合、次のような作用効果が得られる。即ち、ディフューザに形成した溝の内部には半径方向の圧力勾配により内向きの流れが誘起され、その分だけ主流の流量が増加し、また溝内部の内向きの流れは旋回をもたないので、この溝内部への流れが主流から溝に流入するときに主流の角運動欠損を誘発し、また溝から主流へ流出するときには主流の角運動量を著しく低下させる。従って、主流はその分だけ旋回速度を失い、主流周速が低下し、その結果、流れ角が大きくなって低流量時にも高流量時と同様な流れを実現し、特に壁面付近では３次元逆流がなくなり、流れ角が著しく大きくなる（立ってくる）ことにより、断面速度分布のねじれが著しく低減し、旋回失速の抑制効果が現れて、軸受の損傷も阻止される。

このことを図１２及び図１３に基づいて更に詳述する。図１２は従来の羽根なしのラジアルディフューザを備えた流体機械を示し、図１２（ａ）は内部構造の概要図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。また、図１３は旋回失速抑制効果の説明図である。

図１２に示すように、羽根なしディフューザ１は、流体機械の羽根車５の外周側に配置されている。ディフューザ１は、外周に吐出口３ａを開口する流路３を介して対向する壁１ａ，１ｂなどから構成されており、各壁１ａ，１ｂの内面１ａ−１，１ｂ−１には放射状に複数の溝２ａ，２ｂが形成されている。なお、壁１ａ，１ｂの何れか一方にだけ溝を形成してもよい。また、図中の４は吸込口、５ａは羽根車５の回転軸であり、この回転軸５ａには図示しない駆動モータの回転軸が連結されている。運転時には前記駆動モータによって羽根車５が矢印Ｂ方向に回転駆動されることにより、矢印Ｃのように吸込口４より流入した流体が、羽根車５から吐出されてディフューザ１の流路３内に流入し、流路３内を流通した後、吐出口３ａより吐出される。

図１３には溝なしの場合と溝を形成した場合との、運転時に羽根車５より吐出してディフューザ１内（流路３）を流れる流体のディフューザ１内（流路３）における主流方向速度、周方向速度及び半径方向速度を比較するベクトル図を示している。前記作用効果の説明のように溝なしの場合の周方向速度Ｖθよりも、溝を形成した場合の周方向速度Ｖ’θのほうが低下し、また、溝なしの場合の半径方向速度Ｖｒが、溝２ａ，２ｂ内の逆流のため、その分ΔＶｒだけ増加してＶ’ｒとなる。その結果、溝を形成した場合の主流方向速度Ｖ’は、その流れ角α’が、溝なしの場合の主流方向速度Ｖの流れ角αよりも大きくなる（立ってくる）。このため、低流量時にも高流量時と同様の流れが実現されることになって、低流量域での旋回失速、サージングが抑制される。

特許第３２２５１９７号公報

しかしながら、上記従来の装置では低流量域における旋回失速を抑制することはできるものの、溝が放射状に形成されていることから、流体機械が設計点（高流量域）で運転されている場合にも、圧力勾配によってディフューザの溝内部に生じた逆流（循環流）の流れ方向と、主流方向とが交差することになるため、前記逆流（循環流）と主流とが混合する際に混合損失が発生して、効率の低下を招くという不具合がある。

従って本発明は上記の事情に鑑み、設計点での効率低下を招くことなく、設計点での流量よりも低い低流量域での旋回失速、サージングを抑制することができる流体機械の不安定流動抑制装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する第１発明の流体機械の不安定流動抑制装置は、羽根車からの吐出流体が流入する羽根なしディフューザの流路を介して対向する壁の少なくとも一方の壁の内面に複数の溝を、それぞれの溝の長手方向が設計点での前記流体の前記流路内における主流方向に沿うように傾斜した直線状の溝形状となるように形成したことを特徴とする。

また、第２発明の流体機械の不安定流動抑制装置は、羽根車からの吐出流体が流入する羽根なしディフューザの流路を介して対向する壁の少なくとも一方の壁の内面に複数の溝を、それぞれの溝の長手方向が設計点での前記流体の前記流路内における主流方向に沿うように傾斜した曲線状の溝形状となるように形成したことを特徴とする。

また、第３発明の流体機械の不安定流動抑制装置は、羽根車からの吐出流体が流入する羽根付きディフューザの流路を介して対向する壁の少なくとも一方の壁の内面の前記各羽根間にそれぞれ溝を、それぞれの溝の長手方向が設計点での前記流体の前記流路内における主流方向に沿うように傾斜した直線状の溝形状となるように形成したことを特徴とする。

また、第４発明の流体機械の不安定流動抑制装置は、羽根車からの吐出流体が流入する羽根なしディフューザの流路を介して対向する壁の少なくとも一方の壁の内面の前記各羽根間にそれぞれ溝を、それぞれの溝の長手方向が設計点での前記流体の前記流路内における主流方向に沿うように傾斜した円弧状の溝形状となるように形成したことを特徴とする。

また、第５発明の流体機械の不安定流動抑制装置は、第１〜第４発明の何れかの流体機械の不安定流動抑制装置において、
前記溝は、前記長手方向の下流側部分が、半径方向に沿う直線状であることを特徴とする。

また、第６発明の流体機械の不安定流動抑制装置は、第１〜第５発明の何れかの流体機械の不安定流動抑制装置において、
前記溝には、前記長手方向の中央部では前記流路内と前記溝内とを仕切り、且つ、前記長手方向の両端部では前記流路内と前記溝内とを連通させる仕切り板を設けたことを特徴とする。

また、第７発明の流体機械の不安定流動抑制装置は、羽根車からの吐出流体が流入する羽根なしディフューザの流路を介して対向する壁の少なくとも一方の壁の内面に複数の溝を、放射状に形成した流体機械の不安定流動抑制装置において、
前記溝には、前記長手方向の中央部では前記流路内と前記溝内とを仕切り、且つ、前記長手方向の両端部では前記流路内と前記溝内とを連通させる仕切り板を設けたことを特徴とする。

また、第８発明の流体機械の不安定流動抑制装置は、羽根車からの吐出流体が流入する羽根付きディフューザの流路を介して対向する壁の少なくとも一方の壁の内面の前記各羽根間に、それぞれ放射状に溝を形成した流体機械の不安定流動抑制装置において、
前記溝には、前記長手方向の中央部では前記流路内と前記溝内とを仕切り、且つ、前記長手方向の両端部では前記流路内と前記溝内とを連通させる仕切り板を設けたことを特徴とする。

また、第９発明の流体機械の不安定流動抑制装置は、第１〜第８発明の何れかの流体機械の不安定流動抑制装置において、
前記内面における前記溝の長手方向の上流側の縁部に突起を設けたことを特徴とする。

また、第１０発明の流体機械の不安定流動抑制装置は、羽根車からの吐出流体が流入する羽根なしディフューザの流路を介して対向する壁の少なくとも一方の壁の内面に複数の溝を、放射状に形成した流体機械の不安定流動抑制装置において、
前記内面における前記溝の長手方向の上流側の縁部に突起を設けたことを特徴とする。

また、第１１発明の流体機械の不安定流動抑制装置は、羽根車からの吐出流体が流入する羽根付きディフューザの流路を介して対向する壁の少なくとも一方の壁の内面の前記各羽根間に、それぞれ放射状に溝を形成した流体機械の不安定流動抑制装置において、
前記内面における前記溝の長手方向の上流側の縁部に突起を設けたことを特徴とする。

第１又は第３発明の流体機械の不安定流動抑制装置によれば、設計点での運転時（高流量時）には直線状の主流方向と溝の長手方向とが平行になって、前記主流方向と圧力勾配により溝に生じる逆流（循環流）の方向とが平行になるため、前記逆流（循環流）が前記主流と混合する際の混合損失を抑えることができて効率の低下を抑えることができる。しかも、設計点での流量よりも低い低流量時には、主流の流れ角が設計点よりも小さくなって前記主流方向が前記長手方向と交差するようになることから、主流方向の流れ角が大きくなる（立ってくる）ため、低流量域での旋回失速、サージングを抑制することができて運転範囲を拡大することができる。

第２又は第３発明の流体機械の不安定流動抑制装置によれば、設計点での運転時（高流量時）には曲線状の主流方向と曲線状の溝の長手方向とが平行になって、前記主流方向と圧力勾配により溝で生じる逆流（循環流）の方向とが平行になるため、前記逆流（循環流）が前記主流と混合する際の混合損失を抑えることができて効率の低下を抑えることができる。しかも、設計点で流量よりも低い低流量時には、主流の流れ角が設計点よりも小さくなって前記主流方向が前記長手方向と交差するようになることから、前記主流方向の流れ角が大きくなる（立ってくる）ため、低流量域での旋回失速、サージングを抑制することができて運転範囲を拡大することができる。

第５発明の流体機械の不安定流動抑制装置によれば、上記の第１，第２，第３又は第５発明と同様の作用効果が得られ、しかも、溝の下流側部分は半径方向に沿った直線状であるため、より確実に溝に圧力勾配による逆流（循環流）を生じさせることができる。

第６，第７又は第８発明の流体機械の不安定流動抑制装置によれば、主流の一部が溝内に入り込むのを仕切り板によって阻止することにより、確実に溝に圧力勾配による逆流（循環流）を生じさせることができる。

第９，第１０又は第１１発明の流体機械の不安定流動抑制装置によれば、主流の一部が溝内に入り込むのを突起によって阻止することができるため、確実に溝に圧力勾配による逆流（循環流）を生じさせることができる。

以下、本発明の実施の形態例に係る遠心圧縮機、送風機、ポンプ等の流体機械の不安定流動抑制装置を、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態例に係る羽根なしのラジアルディフューザを備えた流体機械の内部構造の概要図、図２は前記ディフューザの溝部拡大図、図３は図１のＤ−Ｄ線矢視断面図である。また、図４は流体機械の設計点の説明図、図５は高流量時と低流量時の主流方向の変化を示すベクトル図である。

図１〜図３に示すように、羽根なしディフューザ１１は、流体機械の羽根車１５の外周側に配置されている。ディフューザ１１は、外周に吐出口１３ａを開口する流路３を介して対向する壁１１ａ，１１ｂなどから構成されている。また、図中の１４は吸込口、１５ａは羽根車１５の回転軸であり、この回転軸１５ａには図示しない駆動モータやエンジンなど駆動機の回転軸が連結されている。運転時には前記駆動モータなどの駆動機によって羽根車１５が矢印Ｅ方向に回転駆動されることにより、矢印Ｆのように吸込口１４より流入した流体（気体又は液体）が、羽根車１５から吐出されてディフューザ１１の流路１３内に流入し、流路１３内を流通した後、吐出口１３ａより吐出される。

また、ディフューザ１１の各壁１１ａ，１１ｂの内面１１ａ−１，１１ｂ−１には、それぞれ複数の溝１２ａ，１２ｂが形成されている。図２にはディフューザ１１の流路１３内における上流側（ディフューザ入口側）の静圧Ｐ１と下流側（ディフューザ出口側）の静圧Ｐ２との圧力勾配（Ｐ２＞Ｐ１）によって溝１２ａ，１２ｂに生じる逆流（循環流）が、主流と混合する様子を矢印で示している。

溝１２ａと溝１２ｂは同様のものであるため、以下では図３に基づき溝１２ｂについて詳細に説明し、溝１２ａについては詳細な説明及び図示を省略する。なお、溝は何れか一方の壁にだけ設けるようにしてもよい。即ち、壁１１ａの内面１１ａ−１にだけ複数の溝１２ａを設けるようにしてもよく、壁１１ｂの内面１１ｂ−１にだけ複数の溝１２ｂを設けるようにしてもよい。

図３に示すように、複数の溝１２ｂは壁内面１１ｂ−１の羽根車１５寄りの位置に羽根車１５の周方向に沿って所定の間隔（図示例では一定の間隔）で配設されている。なお、溝１２ｂの本数は図示例の４本に限定するものではなく、従来例のように８本にするなど、適宜設定すればよい。

そして、複数の溝１２ｂは、それぞれの溝１２ｂの長手方向が設計点（周知のように流体機械の羽根車やディフューザなどを設計する際の設計点を意味する）での流路１３内における前記流体の主流方向に沿うように傾斜した直線状の溝形状となるように形成されている。換言すると、図示の溝１２ｂは平面視が長方形状であり、その長手方向の先端側（羽根車１５の半径方向の外方側）が、前記流体の周速方向側（羽根車１５の回転方向側）に傾斜しており、この周速方向と前記主流方向とのなす角度が、設計点における前記流体（主流）の流れ角と同じになっている。

図４に示すように、流体機械に要求される吐出圧力Ｐと吐出流量Ｑとによって当該流体機械の設計点が例えばＤ点に決定され、この設計点Ｄでの流体機械の運転効率が最もよくなるように設計され、通常、流体機械は設計点Ｄで運転される。

図５にディフューザ１１の流路１３内を流れる流体の主流方向速度、周方向速度（周速）、半径方向速度のベクトルを示すように設計点（高流量時）における主流方向速度Ｖの流れ角αに比べて、低流量時の主流方向速度Ｖ’の流れ角α’は、半径方向速度Ｖ’ｒが小さくなるため（周方向速度Ｖθは羽根車１５の回転速度が一定のため変化がないとする）、その分小さくなる（周速方向側に傾いてくる）。従って、設計点（高流量）の場合には、図３に実線の矢印Ｇで示す前記流体の主流方向と、溝１２ｂの長手方向とが平行になる一方、設計点での流量よりも低い低流量時には、設計点のときよりも主流の流れ角が小さくなるため、図３に点線の矢印Ｈで示すように前記流体の主流方向が、溝１２ｂの長手方向に対して交差するようになる。

以上のように、本実施の形態例によれば、羽根車１５からの吐出流体が流入する羽根なしディフューザ１１の流路１３を介して対向する壁１１ａ，１１ｂの内面１１ａ−１，１１ｂ−１に複数の溝１２ａ，１２ｂ（何れ一方だけでもよい）を、それぞれの溝１２ａ，１２ｂの長手方向が設計点での前記流体の流路１３内における主流方向に沿うように傾斜した直線状の溝形状となるように形成したことにより、設計点での運転時（高流量時）には前記主流方向と溝１２ａ，１２ｂの長手方向とが平行になって、前記主流方向と圧力勾配により溝１２ａ，１２ｂに生じる逆流（循環流）の方向とが平行になるため、前記逆流（循環流）が前記主流と混合する際の混合損失を抑えることができて効率の低下を抑えることができる。しかも、設計点での流量よりも低い低流量時には、主流の流れ角が設計点よりも小さくなって前記主流方向が前記長手方向と交差するようになることから、「背景技術」の欄で述べた作用効果と同様の作用効果が得られて、前記主流方向の流れ角が大きくなる（立ってくる）ため、低流量域での旋回失速、サージングを抑制することができて運転範囲を拡大することができる。

ところで、流路１３内を流れる流体の主流方向は、図３に示すような直線状ではなく、壁内面１１ａ−１，１１ｂ−１との摩擦などによって流路１３内で生じる損失の状況によっては曲線状となる場合もあることが知られている。そこで、かかる場合には曲線状の主流方向に合わせて溝の形状も、主流方向と同様の曲線状とすることが望ましい。この場合の構成を図６に基づいて詳述する。

図６は羽根なしのラジアルディフューザを備えた流体機械の内部構造の断面図（図３に相当する断面図）である。図６では、流路１３を介して対向する壁１１ａ，１１ｂ（壁１１ａは図示せず：図１参照）のうちの一方の壁１１ｂの内面１１ｂ−１に、複数の溝１２ｂ（図３参照）に代えて複数の溝２２ｂが形成されている。勿論、この場合、図示は省略するが、他方の壁１１ａの内面１１ａ−１にも、複数の溝１２ａ（図３参照）に代えて溝２２ｂと同様の溝２２ａ（図示せず）が複数形成される。なお、何れか一方の壁にだけ溝を設けるようにしてもよいことは、上記の場合と同様である。

溝の形状が上記の場合と異なる他は上記の場合と同様の構成であるため、ここでは溝の形状について詳述し、その他の構成についての詳細な説明及び図示は省略する（図１〜図３参照）。

図６に示すように、複数の溝２２ｂは壁１１ｂの内面１１ｂ−１の羽根車１５寄りの位置に羽根車１５の周方向に沿って所定の間隔（図示例では一定の間隔）で配設されている。なお、溝２２ｂの本数は図示例の４本に限定するものではない。

そして、複数の溝２２ｂは、それぞれの溝２２ｂの長手方向が、当該流体機械の設計点での羽根車１５からの吐出流体の流路１３内（図１参照）における主流方向に沿うように傾斜した曲線状の溝形状となるように形成されている。換言すると、図示の溝２２ｂは平面視が湾曲した帯状（曲線状）であり、その長手方向の先端側（羽根車１５の半径方向の外方側）にいくほど前記流体の周速方向側（羽根車１５の回転方向側）に傾斜しており、これと同様に傾斜している設計点での前記流体の主流方向と平行になっている。図示及び詳細な説明は省略するが、溝２２ａの形状も溝２２ｂと同様である。

従って、設計点（高流量）の場合には、図６に実線の矢印Ｉで示す曲線状の主流方向と、曲線状の溝２２ｂの長手方向とが平行になる一方、設計点での流量よりも低い低流量時には、設計点のときよりも主流の流れ角が小さくなるため、図６に点線の矢印Ｊで示すように曲線状の主流方向が、曲線状の溝２２ｂの長手方向に対して交差するようになる。

以上のように、本実施の形態例では、羽根車１５からの吐出流体が流入する羽根なしディフューザ１１の流路１３を介して対向する壁１１ａ，１１ｂの内面１１ａ−１，１１ｂ−１に複数の溝２２ａ，２２ｂ（何れ一方だけでもよい）を、それぞれの溝２２ａ，２２ｂの長手方向が、当該流体機械の設計点での羽根車１５からの吐出流体の流路１３内（図１参照）における主流方向に沿うように傾斜した曲線状の溝形状となるように形成さしたことにより、設計点での運転時（高流量時）には曲線状の主流方向と曲線状の溝２２ａ，２２ｂの長手方向とが平行になって、前記主流方向と圧力勾配により溝２２ａ，２２ｂで生じる逆流（循環流）の方向とが平行になるため、前記逆流（循環流）が前記主流と混合する際の混合損失を抑えることができて効率の低下を抑えることができる。しかも、設計点での流量よりも低い低流量時には、主流の流れ角が設計点よりも小さくなって前記主流方向が前記長手方向と交差するようになることから、「背景技術」の欄で述べた作用効果と同様の作用効果が得られて、前記主流方向の流れ角が大きくなる（立ってくる）ため、低流量域での旋回失速、サージングを抑制することができて運転範囲を拡大することができる。

なお、上記の溝１２ａ，１２ｂは設計点での流体の主流方向に合わせて傾斜した溝形状であるため、場合によっては溝１２ａ，１２ｂの長手方向の両側で十分な圧力勾配が得られないことなどから、溝１２ａ，１２ｂに逆流（循環流）が生じにくくなることも考えられる。そこで、かかる場合には図７に示すような溝形状とすることも有効である。

図７は羽根なしのラジアルディフューザを備えた流体機械の内部構造の断面図（図３に相当する断面図）である。図７では、流路１３を介して対向する壁１１ａ，１１ｂ（壁１１ａは図示せず：図１参照）のうちの一方の壁１１ｂの内面１１ｂ−１に、複数の溝１２ｂ（図３参照）に代えて複数の溝３２ｂが形成されている。勿論、この場合、図示は省略するが、他方の壁１１ａの内面１１ａ−１にも、複数の溝１２ａ（図３参照）に代えて溝３２ｂと同様の溝３２ａ（図示せず）が複数形成される。なお、何れか一方の壁にだけ溝を設けるようにしてもよいことは、上記の場合と同様である。

溝の形状が上記場合と異なる他は上記と同様の構成であるため、ここでは溝の形状について詳述し、その他の構成についての詳細な説明及び図示は省略する（図１〜図３参照）。

図７に示すように、複数の溝３２ｂは壁１１ｂの内面１１ｂ−１の羽根車１５寄りの位置に羽根車１５の周方向に沿って所定の間隔（図示例では一定の間隔）で配設されている。なお、溝３２ｂの本数は図示例の４本に限定するものではない。

そして、溝３２ｂは、上記の溝１２ｂ（図３参照）においてその下流側部分を、羽根車１５の半径方向に沿う直線状としたものである。詳述すると、複数の溝３２ｂは、何れも上流側部分３２ｂ−１と下流側部分３２ｂ−２とからなるくの字状となっている。各溝３２ｂの上流側部分３２ｂ−１は、上記の溝１２ｂと同様（図３参照）、それぞれの上流側部分３２ｂ−１の長手方向が当該流体機械の設計点での流路１３内における流体の主流方向に沿うように傾斜した直線状の溝形状となるように形成されている。

一方、各溝３２ｂの下流側部分３２ｂ−２は、何れも羽根車１５の半径方向に沿った直線状に形成されている。即ち、下流側部分３２ｂは羽根車１５の回転軸１５ａを中心とする放射状となっている。図示及び詳細な説明は省略するが、溝３２ａの形状も溝３２ｂと同様である。

従って、本実施の形態例によれば、溝３２ｂの上流側部分３２ｂ−１は上記の溝１２ｂと同様の形状であるため、上記の溝１２ｂの場合と同様の作用効果が得られ、しかも、溝３２ｂの下流側部分３２ｃ−２は羽根車１５の半径方向に沿った直線状であるため、より確実に溝３２ｂに圧力勾配による逆流（循環流）を生じさせることができる。溝３２ａについても、勿論、溝３２ｂと同様の作用効果が得られる。

また、かかる構成は図６のような曲線状の溝２２ｂ，２２ｂに対しても適用することができる。即ち、図示は省略するが、上記の溝２２ａ，２２ｂにおいてその下流側部分を、羽根車１５の半径方向に沿う直線状とした溝形状とすればよい。具体的には、当該複数の溝は、何れも上流側部分と下流側部分とからなるくの字状の溝形状とする。そして、当該複数の溝の上流側部分は、上記の溝２２ａ，２２ｂと同様（図６参照）、それぞれの上流側部分の長手方向が、当該流体機械の設計点での羽根車１５からの吐出流体の流路１３内（図１参照）における主流方向に沿うように傾斜した曲線状の溝形状となるように形成する。一方、当該複数の溝の下流側部分は、何れも羽根車１５の半径方向に沿った直線状に形成する。即ち、当該下流側部分は羽根車１５の回転軸１５ａを中心とする放射状とする。

この場合にも、当該溝の上流側部分は上記の溝２２ａ，２２ｂと同様の形状であるため、上記の溝２２ａ，２２ｂの場合と同様の作用効果が得られ、しかも、当該溝の下流側部分は羽根車１５の半径方向に沿った直線状であるため、確実に当該溝に圧力勾配による逆流（循環流）を生じさせることができる。

図８は羽根付きのラジアルディフューザを備えた流体機械の内部構造の断面図（図３に相当する断面図）である。図８に示すディフューザ４１は流路を介して対向する壁４１ａ，４１ｂ（壁４１ａは図示せず）の内面４１ａ−１，４１ｂ−１（内面４１ａ−１は図示せず）にそれぞれ羽根４６ａ，４６ｂ（羽根４６ａは図示せず）が設けられたものである。

そして、本ディフューザ４１では、壁４１ａ，４１ｂの内面４１ａ−１，４１ｂ−１の各羽根４６ａ間及び各羽根４６ｂ間にそれぞれ溝４２ａ，４２ｂ（溝４２ａは図示せず）を、それぞれの溝４２ａ，４２ｂの長手方向が当該流体機械の設計点での流体のディフューザ流路内における主流方向に沿うように傾斜した直線状の溝形状となるように形成されている。なお、図中の４５は流体機械の羽根車、４５ａは図示しない駆動モータやエンジンなど駆動機の回転軸に結合された羽根車４５の回転軸である。

本実施の形態例においても、溝４２ａ，４２ｂが上記の溝１２ａ，１２ｂと同様の作用効果が得られる。

また、溝４２ａ，４２ｂに代えて、各羽根４６ａ間や各羽根４６ｂ間にそれぞれ上記の溝２２ａ，２２ｂ（図６参照）や上記の溝３２ａ，３２ｂ（図７参照）と同様の溝を設けてもよく、この場合にも上記の溝２２ａ，２２ｂや溝３２ａ，３２ｂと同様の作用効果が得られる。

また、図９に示す羽根付きのアキシャルディフューザ８１を備えた流体機械においても、羽根車８２からの吐出流体が流入するディフューザ８１の流路の壁内面に、上記の溝１２ａ，１２ｂ、溝２２ａ，２２ｂ、或いは、溝３２ａ，３２ｂと同様の溝８３を形成することにより、上記の溝１２ａ，１２ｂ、溝２２ａ，２２ｂ、或いは、溝３２ａ，３２ｂと同様の作用効果を得ることができる。なお、何れの実施の形態例においても、溝の深さ、幅、長さは流体機械のサイズや特性よって個別に適宜決定されるものである。

更には、図１０又は図１１に示すような構成とすることによって、より確実に溝部での圧力勾配による逆流（循環流）を生じさせることもできる。図１０（ａ）は仕切り板を設けた溝部の構成を示す平面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＫ−Ｋ線矢視断面図、図１０（ｃ）は図１０（ａ）のＬ−Ｌ線矢視断面図、図１０（ｄ）は他の仕切り板を設けた溝部の構成を示す平面図、図１０（ｅ）は図１０（ｄ）のＭ−Ｍ線矢視断面図、図１０（ｆ）は図１０（ｄ）のＮ−Ｎ線矢視断面図である。また、図１１（ａ）は突起を設けた溝部の構成を示す平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＯ−Ｏ線矢視断面図である。

図１０（ａ）〜図１０（ｃ）では、溝１２ｂに仕切り板５１が設けられている。仕切り板５１は仕切り板本体部５１ａと、仕切り板本体部５１ａの幅方向両端部に形成した脚部５１ｂ，５１ｃとを有してなるものである。仕切り板本体部５１ａは溝１２ｂの深さよりも小さな板厚を有するものである一方、脚部５１ｂ，５１ｃは前記深さと同じ板厚を有するものである。また、脚部５１ｂ，５１ｃの長手方向両端部は仕切り板本体部５１ａよりも前記長手方向に突出している。従って、仕切り板５１は平面視がＨ状（図１０（ａ）参照）で、且つ、横断面がコ字状（図１０（ｃ）参照）のものとなっている。

一方、壁１１ｂの内面１１ｂ−１には、溝１２ｂに比べて幅広で且つ深さ及び長さは溝１２ｂと同じ溝１２ａ’が形成されている。そして、仕切り板５１は、脚部５１ｂ，５１ｃを溝１２’に嵌合するようにして溝１２’に固定されており、壁内面１１ｂ−１と面一になっている。また、脚部５１ｂ，５１ｃの間隔が溝１２ｂの幅となっており、仕切り板本体部５１ａの長さは溝１２ｂの長さよりも短い。かくして、仕切り板５１は、溝１２ｂの長手方向の中央部では仕切り板本体部５１ａによって流路１３内と溝１２ｂ内とを仕切り、且つ、溝１２ｂの長手方向両端部では流路１３内と溝１２ｂ内とを連通させている。

図１０（ｄ）〜図１０（ｆ）では、溝１２ｂに仕切り板６１が設けられている。仕切り板６１は仕切り板本体部６１ａと、仕切り板本体部６１ａの幅方向両端部に形成した脚部６１ｂ，６１ｃとを有してなるものである。仕切り板本体部６１ａは溝１２ｂの深さよりも小さな板厚を有するものである一方、脚部６１ｂ，６１ｃは前記深さと同じ板厚を有するものである。また、脚部５１ｂ，５１ｃは仕切り板本体部５１ａと同じ長さである。従って、仕切り板６１は平面視が矩形状（図１０（ｄ）参照）で、且つ、横断面がコ字状（図１０（ｆ）参照）のものとなっている。

一方、壁１１ｂの内面１１ｂ−１には、溝１２ｂに比べて幅広であり、深さは溝１２ｂと同じで長さは溝１２ｂよりも短い溝１２ａ’’が形成されている。そして、仕切り板６１は、脚部６１ｂ，６１ｃを溝１２’に嵌合するようにして溝１２’’に固定されており、壁内面１１ｂ−１と面一になっている。また、脚部６１ｂ，６１ｃの間隔が溝１２ｂの幅となっており、仕切り板本体部６１ａの長さは溝１２ｂの長さよりも短い。かくして、仕切り板６１は、溝１２ｂの長手方向の中央部では仕切り板本体部６１ａによって流路１３内と溝１２ｂ内とを仕切り、且つ、溝１２ｂの長手方向両端部では流路１３内と溝１２ｂ内とを連通させている。

以上のように本実施の形態例では溝１２ｂの長手方向の中央部では流路１３内と溝１２ｂ内とを仕切り、且つ、溝１２ｂの長手方向両端部では流路１３内と溝１２ｂ内とを連通させることができる仕切り板５１，６１を備えたことにより、主流の一部が溝１２ｂ内に入り込むのを仕切り板５１，６１によって阻止することができるため、確実に溝１２ｂに圧力勾配による逆流（循環流）を生じさせることができる。なお、仕切り板は上記形状のものに限定するものではなく、適宜の形状とすることができる。例えば、図示は省略するが、単なる平板状の仕切り板の幅方向両端部を、溝の幅方向両側の縁部に設けた凹部に嵌合させてもよい。何れにしても、仕切り板は、溝１２ｂの長手方向の中央部では流路１３内と溝１２ｂ内とを仕切り、且つ、溝１２ｂの長手方向両端部では流路１３内と溝１２ｂ内とを連通させることができるものであればよい。

なお、仕切り板は、溝１２ｂのような直線状の溝に限らず、図６に示すような曲線状の溝２２ｂや図７に示すようなくの字状の溝３２ｂにも適用することができ、それぞれ溝の形状に応じて曲線状やくの字状に形成すればよい。この場合にも、上記と同様に溝２２ｂや溝３２ｂに圧力勾配による逆流（循環流）を確実に生じさせることができる。

また、図１１では、壁１１ｂの内面１１ｂ−１における溝１２ｂの長手方向の上流側の縁部１１ｂ−２に突起７１を設けている。なお、突起７１は溝１２ｂと同じ幅（これに限定せず、例えば溝１２ｂの幅より広くてもよい）を有している。また、突起７１の表面７１ａは下流側から上流側に向かうにしたがって壁内面１１ｂ−１の縁部１１ｂ−２から離れる傾斜面となっており、このことよって主流の流れをできるだけ乱さないようになっている。その他の構成は図１０（ａ）〜図１０（ｂ）に示す構成と同様であるため、ここでの説明は省略する。なお、図１０（ａ）〜図１０（ｂ）に示す構成において突起７１を設けてもよく、その他の仕切り板を設ける場合にも、突起７１を設けることができる。更には、仕切り板を設けずに突起７１だけを設けてもよい。

本実施の形態例によれば、壁内面１１ｂ−１における溝１２の長手方向の上流側の縁部１１ｂ−２に突起７１を設けているため、主流の一部が溝１２ｂ内に入り込むのを突起７１によってより確実に阻止することができるため、より確実に溝１２ｂに圧力勾配による逆流（循環流）を生じさせることができる。

また、このような突起を図６に示す曲線状の溝２２ｂや図７に示すくの字状の溝にも適用した場合にも、より確実に溝２２ｂや溝３２ｂに圧力勾配による逆流（循環流）を生じさせることができるという効果が得られる。

更には、仕切り板は設けずに突起だけを設けた場合にも、各溝に圧力勾配による逆流（循環流）を確実に生じさせることができるという効果が得られる。

本発明は流体機械の不安定流動抑制装置に関するものであり、羽根なしディフューザ或いは羽根付きディフューザを有する遠心圧縮機、送風機、ポンプ等の流体機械の低流量域における旋回失速、サージングを抑制して運転範囲を拡大する場合に適用して有用なものである。

本発明の実施の形態例に係る羽根なしのラジアルディフューザを備えた流体機械の内部構造の概要図である。 前記ディフューザの溝部拡大図である。 図１のＤ−Ｄ線矢視断面図である。 流体機械の設計点の説明図である。 高流量時と低流量時の主流方向の変化を示すベクトル図である。 羽根なしのラジアルディフューザを備えた流体機械の内部構造の断面図である。 羽根なしのラジアルディフューザを備えた流体機械の内部構造の断面図である。 羽根付きのラジアルディフューザを備えた流体機械の内部構造の断面図である。 羽根付きのアキシャルディフューザを備えた流体機械の断面図である。 （ａ）は仕切り板を設けた溝部の構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＫ−Ｋ線矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＬ−Ｌ線矢視断面図、（ｄ）は他の仕切り板を設けた溝部の構成を示す平面図、（ｅ）は（ｄ）のＭ−Ｍ線矢視断面図、（ｆ）は（ｄ）のＮ−Ｎ線矢視断面図である。 （ａ）は突起を設けた溝部の構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＯ−Ｏ線矢視断面図である。 従来の羽根なしのラジアルディフューザを備えた流体機械を示し、（ａ）は内部構造の概要図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。 旋回失速抑制効果の説明図である。

符号の説明

１１ 羽根なしラジアルディフューザ
１１ａ，１１ｂ 壁
１１ａ−１，１１ｂ−１ 内面
１１ｂ−２ 縁部
１２ａ，１２ｂ 溝
１２ｂ’，１２ｂ’’ 幅広の溝
１２ｂ−１ 長手方向の中央部
１２ｂ−２，１２ｂ−３ 長手方向の端部
１３ 流路
１３ａ 吐出口
１４ 吸込口
１５ 羽根車
１５ａ 回転軸
２２ｂ 溝
３２ｂ 溝
３２ｂ−１ 上流側部分
３２ｂ−２ 下流側部分
４１ 羽根付きラジアルディフューザ
４１ｂ 壁
４１ｂ−１ 内面
４２ｂ 溝
４５ 羽根車
４５ａ 回転軸
４６ｂ 羽根
５１ 仕切り板
５１ａ 仕切り板本体部
５１ｂ，５１ｃ 脚部
６１ 仕切り板
６１ａ 仕切り板本体部
６１ｂ，６１ｃ 脚部
７１ 突起
７１ａ 表面
８１ 羽根付きアキシャルディフューザ
８２ 羽根車
８３ 溝

Claims (11)

1. 羽根車からの吐出流体が流入する羽根なしディフューザの流路を介して対向する壁の少なくとも一方の壁の内面に複数の溝を、それぞれの溝の長手方向が設計点での前記流体の前記流路内における主流方向に沿うように傾斜した直線状の溝形状となるように形成したことを特徴とする流体機械の不安定流動抑制装置。
2. 羽根車からの吐出流体が流入する羽根なしディフューザの流路を介して対向する壁の少なくとも一方の壁の内面に複数の溝を、それぞれの溝の長手方向が設計点での前記流体の前記流路内における主流方向に沿うように傾斜した曲線状の溝形状となるように形成したことを特徴とする流体機械の不安定流動抑制装置。
3. 羽根車からの吐出流体が流入する羽根付きディフューザの流路を介して対向する壁の少なくとも一方の壁の内面の前記各羽根間にそれぞれ溝を、それぞれの溝の長手方向が設計点での前記流体の前記流路内における主流方向に沿うように傾斜した直線状の溝形状となるように形成したことを特徴とする流体機械の不安定流動抑制装置。
4. 羽根車からの吐出流体が流入する羽根なしディフューザの流路を介して対向する壁の少なくとも一方の壁の内面の前記各羽根間にそれぞれ溝を、それぞれの溝の長手方向が設計点での前記流体の前記流路内における主流方向に沿うように傾斜した円弧状の溝形状となるように形成したことを特徴とする流体機械の不安定流動抑制装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の流体機械の不安定流動抑制装置において、
   前記溝は、前記長手方向の下流側部分が、半径方向に沿う直線状であることを特徴とする流体機械の不安定流動抑制装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の流体機械の不安定流動抑制装置において、
   前記溝には、前記長手方向の中央部では前記流路内と前記溝内とを仕切り、且つ、前記長手方向の両端部では前記流路内と前記溝内とを連通させる仕切り板を設けたことを特徴とする流体機械の不安定流動抑制装置。
7. 羽根車からの吐出流体が流入する羽根なしディフューザの流路を介して対向する壁の少なくとも一方の壁の内面に複数の溝を、放射状に形成した流体機械の不安定流動抑制装置において、
   前記溝には、前記長手方向の中央部では前記流路内と前記溝内とを仕切り、且つ、前記長手方向の両端部では前記流路内と前記溝内とを連通させる仕切り板を設けたことを特徴とする流体機械の不安定流動抑制装置。
8. 羽根車からの吐出流体が流入する羽根付きディフューザの流路を介して対向する壁の少なくとも一方の壁の内面の前記各羽根間に、それぞれ放射状に溝を形成した流体機械の不安定流動抑制装置において、
   前記溝には、前記長手方向の中央部では前記流路内と前記溝内とを仕切り、且つ、前記長手方向の両端部では前記流路内と前記溝内とを連通させる仕切り板を設けたことを特徴とする流体機械の不安定流動抑制装置。
9. 請求項１〜８の何れか１項に記載の流体機械の不安定流動抑制装置において、
   前記内面における前記溝の長手方向の上流側の縁部に突起を設けたことを特徴とする流体機械の不安定流動抑制装置。
10. 羽根車からの吐出流体が流入する羽根なしディフューザの流路を介して対向する壁の少なくとも一方の壁の内面に複数の溝を、放射状に形成した流体機械の不安定流動抑制装置において、
    前記内面における前記溝の長手方向の上流側の縁部に突起を設けたことを特徴とする流体機械の不安定流動抑制装置。
11. 羽根車からの吐出流体が流入する羽根付きディフューザの流路を介して対向する壁の少なくとも一方の壁の内面の前記各羽根間に、それぞれ放射状に溝を形成した流体機械の不安定流動抑制装置において、
    前記内面における前記溝の長手方向の上流側の縁部に突起を設けたことを特徴とする流体機械の不安定流動抑制装置。

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