JP2011017316A

JP2011017316A - ターボ機械

Info

Publication number: JP2011017316A
Application number: JP2009163622A
Authority: JP
Inventors: Yohei Ishizu; 陽平石津
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2011-01-27

Abstract

【課題】羽根車の外周端とケーシングとの間に存在する作動流体内の速度分布に起因する摩擦損失を低減することができるターボ機械を提供する。
【解決手段】回転軸８の軸線上に位置し軸線Ｚ−Ｚを中心に回転するハブ１１とハブの外周面に固定された複数の羽根１２とからなる羽根車１０と、羽根車を囲むハウジング１４と、羽根車とハウジングの間に位置するシュラウド１６とを備える。シュラウド１６は、複数の羽根の外周端を隙間を隔てて囲み、ハウジングに羽根車と同心に自由回転可能に支持されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、ターボ機械に係り、更に詳しくは、可動式シュラウドを有するターボ機械に関する。

本出願において、ターボ機械とは、遠心，斜流，あるいは軸流の，ポンプ，圧縮機およびタービンなどのすべてを意味する。

従来の遠心圧縮機は、例えば特許文献１，２に開示されている。
特許文献１の遠心圧縮機は、図１に示すように、ケーシング５1A,５1Bの内部で回転するインペラ５２を備え、該インペラ５２は、ハブ５５、翼５６、およびシュラウド５７を有し、インペラ５２の回転により、空気入口部５３から空気を流入させ、翼５６でこれを遠心圧縮し、圧縮された空気を空気出口部５４から外部に吐出するようになっている。この例において、シュラウド５７は、翼５６の外周端を囲み、翼５６と共に回転する。

特許文献２の遠心圧縮機は、図２に示すように、ケーシング６３の内部で回転するインペラを備え、該インペラは、ハブ６５およびインペラブレード６７を有し、インペラの回転により、空気を流入させ、インペラブレード６７でこれを遠心圧縮し、圧縮された空気をディヒューザ流路６１から外部に吐出するようになっている。この例において、シュラウド壁６４は、インペラブレード６７の外周端を囲むケーシングの内面であり、固定されている。

特許文献１のシュラウド５７の背面とケーシング５1A,５1Bの内面との間、及び特許文献２のインペラブレード６７の外周端とシュラウド壁６４との間には、その間に存在する流体内の速度分布に起因する摩擦損失が発生する。
この摩擦損失を低減するために、特許文献３が既に提案されている。

特許文献３のターボ型流体機械は、図３に示すように、ケーシング７８の内部で回転する羽根車７５を備え、該羽根車７５は、羽根車主板７３を有し、羽根車７５の回転により、流体流入口７６から流体を流入させ、羽根車７５でこれを遠心圧縮し、圧縮された流体を吐出口７７から外部に吐出するようになっている。また、羽根車主板７３の外面又はこれに近接して相対するケーシング壁面に、撥水性被膜を有している。
なおこの例において、シュラウドは、羽根車主板７３のうち羽根車７５の図で左側を囲む板であり、羽根車７５と共に回転する。

特開２００４−３５３６０８号公報、「遠心圧縮機」特開２００９−７４３８５号公報、「遠心圧縮機」特開平０９−１９５９８３号公報、「円板摩擦損失が軽減されたターボ型流体機械」

上述したように、従来のターボ機械、すなわち遠心圧縮機またはラジアルタービンでは、羽根車（インペラ）を構成する羽根（翼、インペラブレード）の外周端を囲むシュラウドは、羽根車と共に回転する場合と、羽根車に近接して固定されケーシングの一部を構成する場合とがあった。

以下、シュラウドと共に回転する羽根車を、「シュラウド付き羽根車」と呼び、シュラウドがケーシングの一部として固定された羽根車を、「シュラウド無し羽根車」と呼ぶ。

シュラウド付き羽根車におけるシュラウド外面とこれに近接するケーシング内面との相対速度、及び、シュラウド無し羽根車における羽根車外面とこれに近接するケーシング内面との相対速度は、いずれも羽根車の回転速度であり、そのため、従来のターボ機械、すなわち遠心圧縮機またはラジアルタービンでは、静止したシュラウド壁面と旋回方向の速度をもった作動流体との間に大きな摩擦損失を生じていた。

本発明は上述した従来の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、羽根車の外周端とケーシングとの間に存在する作動流体内の速度分布に起因する摩擦損失を低減することができるターボ機械を提供することにある。

本発明によれば、回転軸の軸線上に位置し該軸線を中心に回転するハブと該ハブの外周面に固定された複数の羽根とからなる羽根車と、
該羽根車を囲むハウジングと、
前記羽根車とハウジングの間に位置し、複数の羽根の外周端を隙間を隔てて囲み、前記ハウジングに前記羽根車と同心に自由回転可能に支持されているシュラウドとを備える、ことを特徴とするターボ機械が提供される。

本発明の実施例によれば、前記ハウジングとシュラウドの間に位置しシュラウドを回転可能に支持するベアリングを備える。

上記本発明の構成によれば、複数の羽根の外周端を隙間を隔てて囲むシュラウドが、羽根車とハウジングの間に位置し、ハウジングに羽根車と同心に自由回転可能に支持されているので、シュラウドが作動流体との摩擦により回転し、その回転は慣性により維持され、作動流体との旋回方向相対速度が減少するため、摩擦損失を低減できる。
従って、羽根車の外周端とケーシングとの間に存在する作動流体内の速度分布に起因する摩擦損失を低減することができる。

なお，シュラウド付き羽根車によっても，作動流体の主流とシュラウドとの摩擦損失は低減されるが，シュラウドの付加によって羽根車の質量が増加し，駆動力および遠心応力の点で不利になる。本発明においては，この問題も回避することができる。

特許文献１の遠心圧縮機の構成図である。特許文献２の遠心圧縮機の構成図である。特許文献３のターボ型流体機械の構成図である。本発明のターボ機械の第１実施形態図である。本発明のターボ機械の第２実施形態図である。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図４は、本発明のターボ機械の第１実施形態図である。
この例において、本発明のターボ機械は、遠心圧縮機であるが、ラジアルタービンであってもよい。以下、遠心圧縮機の場合を説明する。

図４において、本発明のターボ機械（遠心圧縮機）は、羽根車１０、ハウジング１４、およびシュラウド１６を備える。

羽根車１０（又はインペラと呼ぶ）は、回転軸８の軸線上に位置しその軸線Ｚ−Ｚを中心に回転するハブ１１と、ハブ１１の外周面に固定された複数の羽根１２（又は、翼、インペラブレードと呼ぶ）とからなる。羽根車１０の回転は、図示しないベアリングで支持されている。
また回転軸８は、図示しない回転駆動装置（例えば、タービン、電動機、等）によりその軸線Ｚ−Ｚを中心に回転駆動される。

ハウジング１４は、羽根車１０を囲み、羽根車１０の回転で遠心圧縮された作動流体２を外部に吐出する流体吐出口１５を有する。作動流体は、気体（空気，窒素，水素，等）あるいは液体（水，液体燃料，液体酸素，等）であるが，粘性による効果の大きい液体のほうが，本発明の効果がより顕著になる。

シュラウド１６は、羽根車１０とハウジング１４の間に位置する。またシュラウド１６の内面１７は、羽根車１０の複数の羽根１２の外周端を隙間を隔てて囲む。さらに、シュラウド１６は、ハウジング１４に羽根車１０と同心に自由回転可能に支持されている。

さらに、本発明のターボ機械（遠心圧縮機）は、ハウジング１４とシュラウド１６の間に位置するベアリング１８を備え、シュラウド１６を回転可能に支持する。
この例において、ベアリング１８は、１対の玉軸受であるが、本発明はこれに現例されず、その他のベアリングであってもよい。

図５は、本発明のターボ機械の第２実施形態図である。
この例において、ベアリング１８は、流体ベアリングであり、加圧した同一の作動流体３をハウジング１４とシュラウド１６の間に供給し、シュラウド１６を、羽根車１０と同心に自由回転可能に支持している。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

上述した図４、図５の構成により、羽根車１０の回転により、流体流入口９から作動流体１を流入させ、羽根車１０でこれを遠心圧縮し、圧縮された作動流体２を流体吐出口１５から外部に吐出するようになっている。
なお、本発明のターボ機械がラジアルタービンの場合には、この逆であり、同様の構成により、圧縮された作動流体２を流体吐出口１５（この場合は、流体流入口）から流入させ、羽根車１０でこれを膨張させて回転軸８を回転駆動し、膨張した作動流体１を流体流入口９（この場合は、流体吐出口）から外部に吐出する。

以下、本発明のターボ機械の作用効果を具体的に説明する。

本発明のターボ機械の運転を開始すると、ラジアルタービンの場合は、羽根１２に受ける流体力によって、遠心圧縮機の場合は回転軸８に伝達された動力によって、羽根車１０が回転を始める。
このとき、シュラウド１６の内面１７の壁面近傍の流体には速度勾配が生じ、この速度勾配による粘性摩擦応力が作用する。もしシュラウド１６が固定されていれば、この摩擦応力による摩擦損失が生じる。この摩擦損失エネルギのうち速度の旋回成分に起因するものをＥ_ｆとする。
シュラウド１６が自由に回転可能となっている場合でも、運転開始直後はシュラウド１６は停止しているので、同様な摩擦応力が生じる。しかし、これは摩擦損失ですべて消費されずに、一部はシュラウド１６の回転運動を駆動することに使われる。つまり、摩擦により消費されるエネルギのうちの一部は摩擦損失エネルギＥ_ｆ１として消費されるが、残りはシュラウド１６に伝達されるエネルギＥ_ｔとなる。

シュラウド１６に伝達されたエネルギＥ_ｔのうち、その一部はシュラウド１６とハウジング１４との間のベアリングなどにおける摩擦損失Ｅ_ｆ２として消費されるが、残りはシュラウド１６の角運動エネルギとして保持される。

これらのエネルギの大小関係を考える。まず、運転開始時にはシュラウド１６はまだ停止しているので、摩擦損失はシュラウド１６が固定されている場合と等しく、式（１）が成り立つ。
ｔ＝０；Ｅ_ｆ１＝Ｅ_ｆ；Ｅ_ｔ＝Ｅ_ｆ２＝０・・・（１）

運転を続けると、シュラウド１６へのエネルギ伝達がはじまり、シュラウド１６は回転しはじめる。するとシュラウド１６の壁面近傍での流体の速度勾配は小さくなる。ニュートン流体の摩擦応力は速度勾配に比例するので、摩擦により流体が失うエネルギは、シュラウド１６が固定されている場合より小さくなる。シュラウド１６に伝達されたエネルギのうちの一部は、ベアリングなどの摩擦損失として消費されため、式（２）が成り立つ。
ｔ＞０；Ｅ_ｆ１＋Ｅ_ｔ＜Ｅ_ｆ；Ｅ_ｆ２＜＝Ｅ_ｔ（等号は定常運転時）・・・（２）

したがって、流体の旋回速度に起因する摩擦損失の合計は、式（３）で示すように、シュラウド１６が固定されている場合よりも軽減される。
Ｅ_ｆ１＋Ｅ_ｆ２＜Ｅ_ｆ・・・（３）

すなわち、上述した本発明の構成によれば、複数の羽根１２の外周端を隙間を隔てて囲むシュラウド１６が、羽根車１０とハウジング１４の間に位置し、ハウジング１４に羽根車１０と同心に自由回転可能に支持されているので、シュラウド１６が作動流体との摩擦により回転し、その回転は慣性により維持され、作動流体との旋回方向相対速度が減少するため、式（３）で示すように、摩擦損失を低減できる。
従って、羽根車の外周端とケーシングとの間に存在する流体内の速度分布に起因する摩擦損失を低減することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

１，２，３作動流体、
８回転軸、９流体流入口、
１０羽根車（インペラ）、
１１ハブ、１２羽根（翼、インペラブレード）、
１４ハウジング、１５流体吐出口、
１６シュラウド、１７内面、
１８ベアリング

Claims

回転軸の軸線上に位置し該軸線を中心に回転するハブと該ハブの外周面に固定された複数の羽根とからなる羽根車と、
該羽根車を囲むハウジングと、
前記羽根車とハウジングの間に位置し、複数の羽根の外周端を隙間を隔てて囲み、前記ハウジングに前記羽根車と同心に自由回転可能に支持されているシュラウドとを備える、ことを特徴とするターボ機械。
前記ハウジングとシュラウドの間に位置しシュラウドを回転可能に支持するベアリングを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のターボ機械。