JP2014109193A - Centrifugal fluid machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、遠心式羽根車を有する遠心式流体機械に係り、特に遠心羽根車の翼形状に関する。 The present invention relates to a centrifugal fluid machine having a centrifugal impeller, and more particularly to a blade shape of a centrifugal impeller.
従来の遠心式流体機械の例が、特許文献1に記載されている。この公報に記載の遠心圧縮機では、作動範囲を拡大するとともに効率を向上させ、羽根車の周速度を大きくするために、羽根車の翼の翼角度を、次のように設定している。
An example of a conventional centrifugal fluid machine is described in
すなわち、翼のシュラウド曲線における翼角度が、前縁部の近傍で最小値となると共に、後縁部に向かって増大し、シュラウド曲線の中間点と後縁部の間で最大値になる。一方、翼のハブ曲線における翼角度が、前縁部から後縁部に向かって増大し、ハブ曲線の中間点と前縁部との間で最大値になる。 That is, the blade angle in the blade shroud curve has a minimum value in the vicinity of the leading edge, increases toward the trailing edge, and reaches a maximum between the midpoint and the trailing edge of the shroud curve. On the other hand, the blade angle in the hub curve of the blade increases from the leading edge toward the trailing edge, and reaches a maximum value between the midpoint and the leading edge of the hub curve.
なお、遠心式流体機械の羽根車が備える翼に関連する設計方法としては、特許文献2や非特許文献1に記載のものが知られている。
In addition, as a design method related to the blades included in the impeller of the centrifugal fluid machine, those described in
上記特許文献1に記載の遠心圧縮機では、羽根車のシュラウド側において翼前縁の近傍で翼角度を最小とし、軸方向であって吸込み側から羽根車を見た状態で、シュラウド側前縁近傍で翼がより周方向に近づいた形状となる。したがって、隣り合う2つの翼間の最小流路断面積であるスロート面積が、特にシュラウド側で減少する。そのため、スロート付近における流れの流速が増大し、チョークが発生し易くなる。チョークが発生すると、遠心圧縮機の大流量側の作動範囲が狭まってしまう。
In the centrifugal compressor described in
一方、特許文献2に記載のように、羽根車の翼後縁付近(羽根車出口付近)においてハブ側をシュラウド側に対し羽根車の回転方向に先行するように傾斜させると、非特許文献1に示されている様に、低流量側の作動範囲が狭まる。
On the other hand, as described in
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は遠心式流体機械において、低流量側の作動範囲を従来の遠心羽根車よりも拡大しながら、大流量側の作動範囲を従来の遠心羽根車と同程度に維持することにある。そして、このように遠心羽根車の作動範囲を拡大しながら、遠心式流体機械の流体効率を向上させることも目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art. The purpose of the centrifugal fluid machine is to increase the operating range on the large flow rate side while expanding the operating range on the low flow rate side compared to the conventional centrifugal impeller. The purpose is to maintain the same level as a conventional centrifugal impeller. And it aims also at improving the fluid efficiency of a centrifugal fluid machine, expanding the operating range of a centrifugal impeller in this way.
上記目的を達成する本発明の特徴は、ハブに複数の翼を円周方向に間隔をおいて配設した遠心羽根車を回転軸に取り付けた遠心式流体機械の前記複数の翼の翼角度分布を、吸込み側端部であるハブ側前縁と吐出端部であるハブ側後縁とを結ぶハブ側キャンバー線を横軸に、翼のハブ側翼角度を縦軸にして示した場合に、ハブ側キャンバー線の中央点よりもハブ側前縁に近い位置でハブ側翼角度が最大となり、ハブ側前縁とハブ側翼角度が最大となる位置の間まではハブ側翼角度の分布が上に凸であり、反ハブ側であるシュラウド側の吸込み側端部であるシュラウド側前縁と吐出端部であるシュラウド側後縁とを結ぶシュラウド側キャンバー線を横軸に、翼のシュラウド側翼角度を縦軸にして示した場合に、シュラウド側キャンバー線の中央点よりもシュラウド側前縁に近い位置でシュラウド側翼角度が最小となり、シュラウド側前縁からシュラウド側翼角度が最小となる点を含む区間で下に凸の翼角度分布を有し、この下に凸の翼角度分布区間よりシュラウド側後縁側の部分ではシュラウド側後縁まで上に凸としたことにある。 A feature of the present invention that achieves the above object is that the blade angle distribution of the plurality of blades of a centrifugal fluid machine in which a centrifugal impeller having a plurality of blades arranged on a hub at circumferential intervals is attached to a rotating shaft. When the hub-side camber line connecting the hub-side front edge that is the suction-side end and the hub-side rear edge that is the discharge end is shown on the horizontal axis and the hub-side blade angle of the blade is shown on the vertical axis, The hub-side blade angle is maximum at a position closer to the hub-side front edge than the center point of the side camber line, and the hub-side blade angle distribution is convex upward between the hub-side front edge and the hub-side blade angle. Yes, the shroud-side camber line connecting the shroud-side front edge, which is the suction side end of the shroud side, which is the opposite side of the hub, and the shroud-side rear edge, which is the discharge end, is on the horizontal axis, and the blade shroud-side blade angle is on the vertical axis The center point of the shroud camber line In the section including the point where the shroud side blade angle is minimum at the position close to the shroud side front edge and the shroud side blade angle is minimum from the shroud side front edge, the blade angle distribution is convex downward. The portion on the shroud side trailing edge side from the blade angle distribution section is projected upward to the shroud side trailing edge.
本発明によれば、遠心式流体機械が備える遠心羽根車の翼のハブ側翼角度を、翼前縁と流れ方向中間点との間で最大値となるようにし、翼前縁から翼角度が最大値となる点までの翼角度分布において変曲点を有さないようにしたので、低流量側の作動範囲を従来の遠心羽根車よりも拡大しながら、大流量側の作動範囲を従来の遠心羽根車と同程度に維持できる。また、遠心羽根車の作動範囲を拡大しながら、遠心式流体機械の流体効率も向上する。 According to the present invention, the hub blade angle of the centrifugal impeller blades included in the centrifugal fluid machine is maximized between the blade leading edge and the flow direction intermediate point, and the blade angle is maximized from the blade leading edge. Since the blade angle distribution up to the point where there is a value is made not to have an inflection point, the operating range on the large flow rate side is expanded as compared with the conventional centrifugal impeller while expanding the operating range on the low flow rate side compared to the conventional centrifugal impeller. It can be maintained at the same level as the impeller. In addition, the fluid efficiency of the centrifugal fluid machine is improved while expanding the operating range of the centrifugal impeller.
以下、本発明に係る遠心式流体機械のいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。
初めに、図17および図18を用いて、遠心式流体機械について説明する。
Hereinafter, some embodiments of a centrifugal fluid machine according to the present invention will be described with reference to the drawings.
First, a centrifugal fluid machine will be described with reference to FIGS. 17 and 18.
図17は、本発明に係る遠心式流体機械200の一部を取り出した子午面断面図である。
図18は、図17に示した部分を含む遠心式流体機械200の全体の子午面断面図であり、一軸多段式の遠心圧縮機の例である。
FIG. 17 is a meridional cross-sectional view of a part of the
FIG. 18 is a meridional cross-sectional view of the entire
遠心式流体機械200は、回転エネルギーを流体に付与する遠心羽根車170と、この遠心羽根車170が取り付けられる回転軸174と、遠心羽根車170の半径方向外側にあって遠心羽根車170から流出された流体の動圧を静圧へと変換するディフューザ175を有している。ディフューザ175の下流には、後段の遠心羽根車170または機外へ流体を導くための下流流路178と、ディフューザ175から下流流路178へ流体を導くリターンチャネル176が設けられている。
The
羽根車170は、回転軸174に締結する円盤(ハブ)172と、ハブ172に対向して配置される側板(シュラウド)173と、ハブ172とシュラウド173間に位置し周方向に間隔をおいて配置された複数枚の翼171とを有している。なお、図17ではシュラウド173を有する場合を示しているが、シュラウドを有しないいわゆるハーフシュラウド型羽根車も用いられる。
The
ディフューザ175には、図17に示すように、周方向にほぼ等ピッチで配置された複数枚の翼を有するベーン付きディフューザと、図17では示していないが、翼を有さないベーンレスディフューザのいずれかが用いられる。
As shown in FIG. 17, the
図18に、図17に示した圧縮段を複数段軸方向に積層した形の多段遠心圧縮機200を示す。回転軸181を回転自在に支持するラジアル軸受187が回転軸181の両端側に配置されている。回転軸181の一方の端部には、回転軸181を軸方向に支持するスラスト軸受188が配置されている。
FIG. 18 shows a multistage
回転軸181には、多段の圧縮段の羽根車180、この図18では4枚の羽根車180が固定して取り付けられている。各羽根車180の下流側には、図17に示したと同様に、ディフューザ182およびリターンチャネル183が設けられている。これら羽根車180およびディフューザ182、リターンチャネル183はケーシング190内に収容されている。ケーシング190吸込み側には吸込みケーシング184が設けられており、ケーシング190の吐出側には吐出ケーシング186が設けられている。初段羽根車180の上流側には、吸込流れに予旋回を付与するインレットガイドベーン185が設けられている。吐出ケーシング186は、スクロール191を有している。
A plurality of
この様に構成した遠心式流体機械200においては、羽根車吸込口177から吸引された流体が、各段の羽根車180およびディフューザ182、リターンチャネル183を通過するごとに昇圧されて次段圧縮段に送られる。そして、圧縮された流体は、最終的に所定圧力になって下流流路178へ吐出される。
In the centrifugal
ところで、遠心式流体機械200、特に気体を扱う遠心式流体機械では、流量減少に伴い遠心羽根車1800やディフューザ182で流れが失速し、流量を減してもそれ以上圧力が上昇せずに、大きな圧力変動および流量変動を発生する現象が生じる。これをサージングといい、遠心式流体機械200の小流量側の限界点となる。一方、サージング発生限界流量から流量調整弁等を開いて流量を増大させていく場合に、吐出圧力が低下しそれ以上流量が増大しない現象が生じる。これをチョークと呼び、遠心式流体機械200の大流量側の限界点となる。これら2つの限界点、サージング及びチョーク間を、作動範囲と呼び、遠心式流体機械の効率を低下させずに作動範囲を増大させることが常に求められている。以下に、本発明に係る遠心式流体機械200において、効率を低下させずに作動範囲を増大させるいくつかの実施例を示す。
By the way, in the centrifugal
図1ないし図3を用いて、本発明に係る遠心式流体機械200の第1の実施例を説明する。図1は、遠心式流体機械200が備える羽根車180の翼20形状分布を示す図である。図1の横軸は、翼20の圧力面と負圧面からの距離が等しくなる点を連ねた翼中心線(キャンバー線)の長さSを、ハブ端及びシュラウド端のそれぞれについて、各々の前縁から後縁までの総キャンバー線長さで無次元化して示した長さSである。縦軸は、翼角度β(°)である(図2参照)。翼20のハブ側端の翼角度βを破線で、シュラウド側端における翼角度βを実線で示している。
A first embodiment of a centrifugal
図2は、羽根車180が備える翼120を1枚だけ取り出し、軸方向視した図である。翼20のシュラウド側端を曲線24で、翼20のハブ側端を曲線23で示している。なお、図2以下ではキャンバー線を翼20の代表曲線として用いる。羽根車180の吸込み側端部である前縁21及び羽根車の吐出側端部である後縁22は、直線となっている。
FIG. 2 is a view in which only one blade 120 included in the
翼角度βは、周方向からの傾きとして表わされ、例えばシュラウド側で半径Rの位置における翼角度βsは、周方向微小長さR・dθと、子午面上の距離dmの比で表わされる。ここで子午面上の距離dmは、翼20上の周方向微小長さR・dθ間に、シュラウド側端24が点s1から点s2に変化したとして、点s1と点s2を羽根車180の子午面(R−Z面)に投影して得られた点間の距離である。したがって、点s1と点s2間のキャンバー線上における翼角度βは、次式(1)で示される。なお、図2で、Nは回転方向であり、Oは原点である。
The blade angle β is expressed as an inclination from the circumferential direction. For example, the blade angle β s at the position of the radius R on the shroud side is expressed by a ratio between the circumferential small length R · dθ and the distance dm on the meridian plane. It is. Here, the distance dm on the meridian plane is defined as the points s 1 and s 2 on the assumption that the
β=tan−1(dm/(R・dθ))・・・(1)
図3Aは、相隣り合う2枚の翼A、Bの任意の半径位置における軸方向視図であり、破線は翼角度βがβ=βGと大きい場合であり、実線はβ=βSと小さい場合である。翼A、Bの負圧面はそれぞれ符号31A、31Bであり、圧力面は符号32A、32Bで示される。隣り合う2枚の翼A、Bの一方の翼Aから、他方の翼Bの負圧面上へ引いた垂線を、翼間流路幅Lとする。翼管流路幅Lは、翼角度β=βGの場合にはLGであり、翼角度β=βSの場合にはLSである。
β = tan −1 (dm / (R · dθ)) (1)
Figure 3A is a phase adjacent two vanes A, an axial plan view at an arbitrary radial position B, the dashed line is a case the blade angle beta is greater and beta = beta G, the solid line and beta = beta S This is the case. The suction surfaces of the blades A and B are denoted by
図3Bは、羽根車180内の流れの速度三角形を示すベクトル図である。羽根車180の周方向速度がUであり、翼角度βがβGの場合には、羽根車180内流れの相対速度がW、羽根車内流れの絶対速度がCである。翼角度βがβSの場合には、羽根車180内流れの相対速度がW‘、羽根車内流れの絶対速度がC’に変化する、Cmは絶対速度の子午面方向成分であり、流量に関連する速度成分である。
FIG. 3B is a vector diagram showing the velocity triangle of the flow in the
図1に戻り、本実施例で示した翼20のシュラウド側の翼角度βsの分布曲線10は、翼前縁sL_sにおいて最小βs_minであり、下流にいくにしたがい増大する。そして、シュラウド側の翼角度βsは、翼前縁sL_sからキャンバー線長さSAの範囲では下に凸状であり、キャンバー線長さSAの点から翼後縁sT_sまでのキャンバー線長さSBの範囲では上に凸状の分布となっている。ここで、キャンバー線長さSAは、流れ方向中間点(無次元キャンバー線長さS=0.5)よりも小さい。
Returning to Figure 1, the
一方、ハブ側の翼角度βhの分布曲線11は、翼前縁sL_hから流れ方向中間点(無次元キャンバー線長さS=0.5)smの間で最大βh_mAxとなる。そして、翼前縁sL_hから翼角度βh_maxの間では、ハブ側の翼角度βhの分布曲線11は変曲点を有していない。このように、翼20の形状を設定した理由は以下のとおりである。
On the other hand, the
図3Aで、翼角度βGとβSの差異は、図3Bで速度三角形の形状の差異になって現れる。同一半径位置において、図3B中の絶対流速C、C’の子午面方向成分Cmの大きさをほぼ同一に設定すると、翼角度βが小さいβSの場合の相対速度ベクトルW’の大きさが、翼角度βが大きいβGの場合の相対速度ベクトルWの大きさよりも大きい。 In FIG. 3A, the difference between the blade angles β G and β S appears as a difference in the shape of the velocity triangle in FIG. 3B. When the magnitudes of the meridional direction direction components C m of the absolute flow velocities C and C ′ in FIG. 3B are set to be substantially the same at the same radial position, the magnitude of the relative velocity vector W ′ in the case of β S with a small blade angle β. Is larger than the magnitude of the relative velocity vector W in the case of β G where the blade angle β is large.
通常の遠心羽根車180では、ハブ側の相対流速よりもシュラウド側の相対流速の方が、減速率が大きい。したがって、壁面摩擦損失や減速損失(相対流速が減速して、流れ方向下流側に向かい壁面境界層厚みが増すことに起因する損失)等の値から決定される羽根車効率や羽根車失速特性は、シュラウド側における相対流速の減速を適切に設定すれば改善可能となる。
In the ordinary
シュラウド側の翼角度βsを翼前縁において最小にし、キャンバー線長さSAの区間で下に凸状の分布として、相対流速の減速率が大きく翼20が失速し易いシュラウド側前半における翼角度βsの増大を抑制し、相対流速の減速率を低減する。これにより、より低流量側まで羽根車の失速を抑制できる。
The blade angle beta s of the shroud-side to minimize the leading edge, as convex profile under the section of the camber line length S A, wing in easily shroud side half deceleration rate is
翼20のシュラウド側の前縁側(キャンバー線長さSA部)で相対流速を減速させないようにすると、翼前縁21から流れ方向下流側に向かって相対流速の高い領域が拡大する。相対流速が高い領域では、壁面摩擦損失が大きく、相対流速の高い領域の増大は、羽根車効率の低下を引き起こす。そこで、シュラウド側の翼後縁22側(キャンバー線長さSB部)では翼角度βsを上に凸状の分布とし、相対流速を減速させて、壁面摩擦損失がそれ以上増大するのを防止する。
If so at the shroud side of the front edge of the wing 20 (camber line length S A portion) does not decelerate the relative flow rates, areas of high relative velocity is increased from the
すなわち、シュラウド側の翼前縁側(キャンバー線長さSA部)において、前縁部21の近傍における翼角度βsの増大を抑制し、その後翼角度βsを急激に増大させ、相対流速の減速率を増大させる。つまり、翼角度のβsの増大を抑制された領域では図3Bに示されるように相対流速が高くなり、この相対流速の高い領域が下流側まで拡大される。その結果、相対流速の低下に起因する低流量側での羽根車失速が抑制され、羽根車の効率向上が可能となる。
That is, in the blade leading edge side of the shroud side (camber line length S A unit), prior to suppress an increase in blade angle beta s in the vicinity of the
ところで、本実施例の羽根車では、シュラウド側の前縁側(キャンバー線長さSAの範囲)における翼角度βsの増大を抑制したので、シュラウド側の前縁側(キャンバー線長さSAの範囲)では、図3Aに示した様に翼間流路幅Lが狭まる。キャンバー線長さSの方向に関して、翼間流路幅Lは翼前縁21で最も狭く、さらにシュラウド23側でハブ24側よりも短い。
Incidentally, in the impeller of this embodiment, since suppressing the increase in the blade angle beta s on the shroud side of the front edge (range of camber line length S A), the shroud-side leading edge side (the camber line length S A In the range), the inter-blade channel width L is narrowed as shown in FIG. 3A. Regarding the direction of the camber line length S, the inter-blade channel width L is the narrowest at the
隣り合う2枚の翼A、Bが形成する翼間流路において、キャンバー線長さSの方向に関して、最も流路断面積が狭い部分をスロートと呼ぶ。このスロートで、相対流速のマッハ数が1を超えると、チョークが発生し、それ以上流量を増やすことができなくなる。したがって相対流速が増大する遠心式流体機械の大流量側運転においては、作動範囲が狭まる。 In the inter-blade channel formed by two adjacent blades A and B, the portion having the narrowest channel cross-sectional area in the direction of the camber line length S is called a throat. If the Mach number of the relative flow velocity exceeds 1 at this throat, choke is generated and the flow rate cannot be increased any further. Therefore, in the large flow rate side operation of the centrifugal fluid machine in which the relative flow rate increases, the operating range is narrowed.
この不具合を回避するため本実施例では、ハブ側の翼角度βhが、翼前縁(無次元キャンバー線長さS=0)から無次元キャンバー線長さS=0.5になるまでの間に最大(βh_max)となるように設定した。さらに、翼前縁21から翼角度βhが最大となる間には、ハブ側の翼角度βhの分布曲線が変曲点を有しないようにした。
In order to avoid this problem, in this embodiment, the blade angle β h on the hub side is changed from the blade leading edge (non-dimensional camber line length S = 0) to the non-dimensional camber line length S = 0.5. It set so that it might become the maximum ((beta) h_max ) in between. Further, while the blade angle β h is maximized from the
これにより、無次元キャンバー線長さS=0.5までに形成されることが多いスロートと、翼前縁21(無次元キャンバー線長さS=0)間で、ハブ側の翼角度βhが滑らかにかつ急激に増大する。その結果、スロートにおけるハブ側の翼角度βh_throatが大きくなり、スロートのハブ側付近では、翼間流路幅Lhが増大する。ハブ側付近で翼間流路幅Lhが増大するので、シュラウド側で翼間流路幅Lsが狭まってもスロート面積を維持できる。ハブ側の翼間流路幅Lhの増大は、ハブ側翼角度分布が変曲点を有せず、上に凸の形状であることにより実現される。この結果、相対流速のマッハ数が1を超える流量域を大流量側に延ばすことができ、羽根車180におけるチョーク発生が抑制され、遠心式流体機械の大流量側の作動範囲を確保できる。
Thus, the blade angle β h on the hub side between the throat that is often formed up to the dimensionless camber line length S = 0.5 and the blade leading edge 21 (dimensionless camber line length S = 0). Increases smoothly and rapidly. As a result, the blade angle β h_throat on the hub side in the throat increases, and the inter-blade channel width L h increases near the hub side of the throat. Since the inter-blade channel width L h increases near the hub side, the throat area can be maintained even if the inter-blade channel width L s narrows on the shroud side. Increasing the inter-blade passage width L h of the hub-side does not have a inflection point hub-side blade angle distribution is achieved by a upwardly convex shape. As a result, the flow rate region in which the Mach number of the relative flow velocity exceeds 1 can be extended to the large flow rate side, choke generation in the
なお、スロートにおけるハブ側翼角度βhを大きくするため、ハブ側翼角度の最大値βh_maxを、翼20のハブ側面で剥離が生じない程度までできるだけ90°に近づける。このようにハブ側翼角度の最大値βh_maxを90°に近づけると、ハブ側翼角度の最大値βh_maxがハブ側の出口翼角度βh_Tより大きくなることが多くなる。そこで、ハブ側翼角度が最大値βh_maxとなる点からハブ側出口までの翼角度βh分布を、滑らかに減少させるのが望ましい。
In order to increase the hub side blade angle β h at the throat, the maximum value β h — max of the hub side blade angle is set as close to 90 ° as possible to the extent that no separation occurs on the hub side surface of the
さらに、ハブ側の翼前縁径Rh_Lをシュラウド側翼前縁径Rs_Lよりも小さくすることが望ましい。この理由は、以下のとおりである。 Further, it is desirable to be smaller than the previous blade hub side En径the R H_L shroud side blade leading En径R S_L. The reason for this is as follows.
遠心羽根車では、子午面におけるシュラウド側の曲率半径ρsがハブ側の曲率半径ρhより小さい(図17参照)ので、翼前縁21における子午面方向流速成分は、シュラウド側で大きくハブ側では小さい。そのため、ハブ側翼前縁径Rh_Lをシュラウド側翼前縁径Rs_Lに略等しくすると、ハブ側の翼前縁21における羽根車の周速Uが過大になる。さらに、ハブ側の翼前縁21では子午面方向流速が小さいので、ハブ側の翼前縁21に流入する流体は、より周方向に傾いた方向からハブ側の翼前縁21へ流入する。
In the centrifugal impeller, since the curvature radius ρ s on the meridian surface on the shroud side is smaller than the curvature radius ρ h on the hub side (see FIG. 17), the meridional surface direction flow velocity component at the
一方、翼前縁21で発生する圧力損失を低減するためには、翼前縁21に流入する流れの相対流入角度と翼前縁21の翼角度βを等しくする(迎え角のない状態)のが好ましい。もし、ハブ側の翼前縁径Rh_Lとシュラウド側の翼前縁径Rs_Lとが等しければ、ハブ側とシュラウド側の翼前縁21における翼角度βを同じにするのが理想となる。図1を参考にすると、ハブ側における翼前縁21の翼角度βh_Lを、シュラウド側の翼前縁の翼角度βs_L=βs_minまで小さくしなければならなくなる。その結果、翼前縁21から急激に翼角度βが増大し、翼角度βの増大量が過大となり、流れが翼20に沿わず剥離等が生じて効率が悪化する恐れがある。この不具合を回避するために、ハブ側翼前縁径Rh_Lをシュラウド側翼前縁径Rs_Lよりも小さくするのが好ましい。
On the other hand, in order to reduce the pressure loss generated at the
本発明に係る遠心式流体機械200の他の実施例を、図4ないし図6を用いて説明する。本実施例が、上記実施例1に示した遠心式流体機械と異なるのは、遠心羽根車180が有する翼のシュラウド側の翼角度分布における極小値の位置を変化させたことにある。
Another embodiment of the centrifugal
図4に、本実施例に係る遠心羽根車180の翼角度分布の一例を示す。ハブ側の翼角度分布41は、実施例1と同様である。これに対して、シュラウド側の翼角度分布40は、翼前縁sL_sから流れ方向下流側に向かうにつれて一度減少し、最小値βs_minになり、その後増大に転じる。さらに、シュラウド側翼前縁sL_sと翼後縁sT_sの間の翼角度は、キャンバー線方向に初めは下に凸状で、終りの方では上に凸状になっている。図4では、中間点Sm(キャンバー線長さS=0.5)より上流側に位置する区間SCで下に凸状で、区間SCに続く区間SDで上に凸状になっているが、下に凸状の区間Scは中間点Smを越えていてもよい。
FIG. 4 shows an example of the blade angle distribution of the
本実施例の遠心羽根車180は、上記実施例1に示した遠心羽根車180よりさらに羽根車180のシュラウド側前縁付近の相対流速の減速率を低減している。これにより、羽根車の低流量側の作動範囲をより拡大できる。なお、翼間流路幅Lは、スロートのシュラウド側で、実施例1に示した羽根車よりもさらに小さくなる。そこで、本実施例では、遠心羽根車180の大流量側での作動範囲を確保するために、ハブ側の最大翼角度βh_maxを、実施例1における値と同等以上にしている。また、ハブ側の最大翼角度βh_maxは、ハブ側出口翼角度βT_hより大きくなる場合が多いので、ハブ側の最大翼角度βh_maxとなる位置からハブ側出口ST_hまでの間の翼角度は、滑らかに減少するような分布としている。
The
図5は、図4に示した翼角度分布を有する遠心羽根車の翼50を1枚だけ取り出した、軸方向視図である。翼50のシュラウド側のキャンバー線54は、翼前縁51側が半径方向外向きに凸となる部分A5Aを有する略S字形状を示す。一方、翼50のハブ側のキャンバー線53は、翼前縁51側が半径方向内向きに凸となる部分A5Bを有する略S字形状を示す。この理由を、図6を併用して説明する。
FIG. 5 is an axial view when only one
図6は、遠心羽根車180に関する座標系であり、軸方向視図である。この図6は、吸込み側から見た図である。遠心羽根車180は、回転軸Oを中心にして、回転方向Nに回転する。遠心羽根車180の翼の作用を説明し易くするために、翼キャンバー線が直線状となる翼60を取り上げる。
FIG. 6 is a coordinate system related to the
翼の前縁61における翼角度をβLとしたときに、前縁61より下流側の位置P62における翼角度βを示す図である。位置P62は、翼前縁61から周方向にΔθだけ離れており、この位置P62における翼角度βは、幾何学的関係から、β=βL+Δθで表される。翼キャンバー線が直線状となる翼では、翼前縁61から下流側に行くに従い、翼角度βは周方向角度θに対し直線的に増大する。
The blade angle at the
翼キャンバー線の周方向角度θに対し翼角度βが線形的に変化せず、位置P62から下流側に行くにつれ、徐々に翼角度βの増加量が小さくなる場合、および翼角度βの増加量が大きくなる場合について考える。位置P62から、翼角度βの増加量がキャンバー線の周方向角度θに対し小さくなる場合には、キャンバー線の形状は図6の曲線63のようになる。すなわち、位置P62を通る直線状のキャンバー線に接するとともに、半径方向外向きに凸状となる。これに対して、翼角度βの増加量がキャンバー線の周方向角度θに対し急激に増大する場合には、キャンバー線の形状は図6の曲線64のようになる。すなわち、位置P62を通る直線状のキャンバー線に接するとともに、半径方向内向きに凸状となる。
The blade angle β does not change linearly with respect to the circumferential direction angle θ of the blade camber line, and when the blade angle β gradually increases from the position P62 toward the downstream side, and the blade angle β increases. Consider the case where the amount increases. From the position P 62, increase the blade angle β is if smaller with respect to the circumferential direction an angle θ camber line, the shape of the camber line is a
図4に示した翼角度分布を有する遠心羽根車180では、シュラウド側の翼角度が、翼前縁から下流側に向かうにつれて一度減少し最小となった後増大に転じているので、図5に示すように、翼前縁51側が半径方向外向きに凸となる略S字形状を示す。また、ハブ側の翼角度が、前縁51から流れ方向中間点までの間で変曲点を有さずに最大となり、最大値の位置より下流側で滑らかに減少しているので、ハブ側のキャンバー線は、翼前縁51側で半径方向内向きに凸となる略S字形状となる。
In the
本実施例においても、実施例1と同様の理由で、ハブ側の翼前縁径をシュラウド側の翼前縁径よりも小さくすることが望ましい。 Also in the present embodiment, for the same reason as in the first embodiment, it is desirable to make the blade leading edge diameter on the hub side smaller than the blade leading edge diameter on the shroud side.
図7以下を用いて、本発明に係る遠心式流体機械200のさらに他の実施例を説明する。本実施例が上記実施例1、2に示した遠心式流体機械200と異なるのは、遠心羽根車180の翼後縁72における翼70の傾き方向を回転方向に対し後傾させたことにある。これにより、遠心羽根車180を軸方向視した場合に、翼のシュラウド側キャンバー線とハブ側キャンバー線が交差する。
Still another embodiment of the centrifugal
図7は、遠心羽根車180が有する翼70を1枚だけ取り出した軸方向視図である。翼70の翼後縁72で、シュラウド側キャンバー線74がハブ側キャンバー線73より回転方向に対し後傾している。なお、ハブ側キャンバー線73およびシュラウド側キャンバー線74の翼角度分布は、実施例1あるいは実施例2と同様の分布である。
FIG. 7 is an axial view when only one
以下に、本実施例で示す遠心羽根車180の作用を説明する。
図8Aは、翼後縁86でシュラウド側83のキャンバー線がハブ側84のキャンバー線よりも前傾している羽根車180(以下前傾羽根車とも称す)の図であり、翼間流路を形成する隣り合う2枚の翼80を取り出した図である。翼80の後縁86において、シュラウド側83がハブ側84に対し、回転方向に対して前傾している。
Below, the effect | action of the
FIG. 8A is a view of an impeller 180 (hereinafter also referred to as a forward inclined impeller) in which the camber line on the
このように翼後縁86で、翼80のシュラウド側83をハブ側84より回転方向に前傾させると、翼80に作用する遠心応力を軽減可能となる。各翼80から流体へ作用する翼力Fは、翼圧力面81に対して垂直方向、換言すれば翼負圧面82のハブ側84方向に作用する。翼力Fの作用する方向では静圧が上昇するので、翼負圧面82のハブ側84では静圧が上昇する。これに対し、翼負圧面82のシュラウド側83では静圧が低下する。
Thus, if the
遠心羽根車180の翼間流路では、主流流速よりも流速が遅くエネルギーが低い壁面速度境界層が、壁面付近に発生する。壁面速度境界層内の流体は、翼間流路断面内の静圧勾配に打ち勝つことができず、静圧の高い領域から低い領域へと流動する。ここで、翼間流路断面とは、翼間流路を回転軸の中心から半径r=一定の円筒面で切断した断面である。この流動する流れは、主流に対して垂直方向の流速成分を有する二次流れを、翼間流路断面内において形成する。
In the inter-blade flow path of the
以上のとおり、遠心羽根車180の翼間流路断面内の壁面速度境界層付近では、静圧の高い翼圧力面81から静圧の低い翼負圧面82へ向かう二次流れが生じる。前傾羽根車では、さらに翼負圧面82の壁面速度境界層付近において、ハブ側84からシュラウド側83へ向かう二次流れも生じる。したがって、翼負圧面82のシュラウド側83に低エネルギー流体が蓄積し、圧力損失が増大する。それとともに、翼間流路断面内の流れの一様性が悪化し、羽根車180より下流側のディフューザやリターンチャネル部の損失が増大する。
As described above, in the vicinity of the wall surface velocity boundary layer in the cross section between the blades of the
図8Bは、翼後縁86でシュラウド側83のキャンバー線がハブ側84のキャンバー線よりも後傾している羽根車180(以下後傾羽根車とも称す)の図であり、翼間流路を形成する隣り合う2枚の翼80を取り出した図である。後傾羽根車では、翼力Fは翼負圧面82のシュラウド側83の方向に作用する。したがって、翼負圧面82のハブ側84では静圧が低下し、翼負圧面82のシュラウド側83では静圧が上昇する。これにより、翼負圧面82のシュラウド側83へ向かう二次流れを抑制することが可能となり、翼間流路断面内の流れの一様性が向上し、遠心羽根車180の効率が向上する。
FIG. 8B is a view of an impeller 180 (hereinafter also referred to as a backward inclined impeller) in which the camber line on the
図9Aは、前傾羽根車および後傾羽根車の3次元粘性流体解析結果であり、圧力特性を示す図である。
図9Bは、図9Aに圧力特性を示した前傾羽根車および後傾羽根車についての、効率特性を示す図であり、3次元粘性流体解析結果である。これら両図に示す前傾羽根車および後傾羽根車は、従来技術の項の特許文献1に記載の羽根車とほぼ同じ翼角度分布を有しており、いわば従来羽根車である。細線91は前傾羽根車の場合であり、太線92は後傾羽根車の場合である。
FIG. 9A is a diagram showing a pressure characteristic, which is a three-dimensional viscous fluid analysis result of a forward inclined impeller and a backward inclined impeller.
FIG. 9B is a diagram showing the efficiency characteristics of the forward tilt impeller and the rear tilt impeller whose pressure characteristics are shown in FIG. 9A, and is a three-dimensional viscous fluid analysis result. The forward inclined impeller and the backward inclined impeller shown in these drawings have substantially the same blade angle distribution as the impeller described in
前傾翼羽根車および後傾翼羽根車180の翼角度βの分布は同じであり、翼後縁86の傾斜方向のみが異なっている。3次元粘性流体解析は、上記2種の遠心羽根車180に、同一形状のベーンレスディフューザおよびリターンチャネルを組み合わせた単段の遠心式流体機械について実施した。横軸は、前傾翼羽根車の設計点流量を1として基準化した流量比である。縦軸は、前傾翼羽根車の設計点圧力および設計点効率を1として基準化した圧力比および効率比である。後傾翼羽根車の方が前傾翼羽根車よりも設計点付近の圧力および効率の双方が、向上していることが分かる。
The distribution of the blade angle β of the forward inclined blade impeller and the rear
図10Aは、前傾羽根車の設計点における流速分布の一例を示す図である。羽根車翼後縁102を含む円筒面を展開して示しており、半径方向流速分布CRを羽根車出口周速U2で無次元化した無次元半径方向流速分布CR/U2である。隣り合う2つの翼間の翼間流路を示している。
図10Bは、後傾羽根車の設計点における流速分布の一例を示す図である。図10Aに対応する図である。
FIG. 10A is a diagram illustrating an example of a flow velocity distribution at a design point of a forward inclined impeller. A cylindrical surface including the impeller
FIG. 10B is a diagram illustrating an example of a flow velocity distribution at a design point of the backward inclined impeller. It is a figure corresponding to FIG. 10A.
前傾羽根車では、図10Aに示すように、シュラウド101側の翼負圧面104付近に低速領域(黒色部)が顕著に表れているが、後傾羽根車では図10Bに示すように、低速流域が縮小している。一方、図9Aに示すように、後傾羽根車は前傾羽根車に比べ、より小流量で圧力が急減し、失速が早まっている。解析結果からは、後傾羽根車を有する遠心式圧縮段で失速が早まったのは、後傾羽根車で失速が早まったことに起因することが判明した。
In the forward inclined impeller, as shown in FIG. 10A, a low speed region (black portion) appears prominently near the
後傾羽根車における失速が早まる原因を、図11を用いて説明する。
図11は、前傾羽根車および後傾羽根車におけるシュラウド側翼面付近の無次元相対速度W/U2の分布を示したグラフであり、仕様点における解析結果に基づく。図11の横軸は、無次元キャンバー線長さSであり、左端が翼前縁85、右端が翼後縁86である。一点鎖線112、113が前傾羽根車についてであり、実線110、111が後傾羽根車についてである。線110、112は、負圧面82における相対流速であり、線111、113は圧力面における相対流速である。
The reason why the stall in the backward inclined impeller is accelerated will be described with reference to FIG.
FIG. 11 is a graph showing the distribution of the dimensionless relative velocity W / U 2 near the shroud blade surface in the forward inclined impeller and the backward inclined impeller, and is based on the analysis result at the specification point. The horizontal axis of FIG. 11 is the dimensionless camber line length S, the left end is the
後傾羽根車では、遠心羽根車180の翼後縁86において、シュラウド側がハブ側よりも回転方向に後傾している(図8A参照)ので、翼負圧面82のハブ側84で静圧が低下し、翼負圧面82のシュラウド側83で静圧が上昇する。したがって、翼負圧面82のシュラウド側83では、翼前縁85から後縁86に向かい、流れ方向の静圧上昇量が増大する。流れ方向の静圧上昇量が増大すると、流れ方向の相対流速の減速が促進される。後傾羽根車では、特に翼80が失速し易い翼負圧面82のシュラウド側83の前半部で、翼前縁85からの相対流速の減速率が増大する(図11の実線110参照)。すなわち、後傾羽根車の翼負圧面相対流速110は、前傾羽根車の翼負圧面相対流速112に比べ、翼80の前半部において相対流速の低下が大きい。
In the rearwardly inclined impeller, the shroud side is inclined rearward in the rotational direction relative to the hub side at the
翼前縁85から翼後縁86に向けて上昇する静圧に起因して逆圧力勾配が生じているが、翼80の表面付近で相対流速が急減すると、この逆圧力勾配に打ち勝って下流側に流れるのに必要なエネルギーが不足する。その結果、翼80のシュラウド側83の負圧面82では、翼前縁85に近い前半部において翼面上の剥離が生じ易くなり、サージング限界に関係する羽根車失速がより大流量側で発生する。したがって後傾羽根車では、図10Bに示すように、翼シュラウド101側の負圧面104への低エネルギー流体の集積が抑制されているにも係わらず、羽根車失速が早まる。なお通常は、低エネルギー流体が二次流れにより集積され、翼面上の大規模剥離を誘起する。
A reverse pressure gradient is generated due to the static pressure rising from the
これらの従来技術の不具合に鑑み、本実施例では、実施例1または実施例2に記載の翼角度βの分布を採用した。つまり、シュラウド側24の翼角度βsを、翼前縁21において最小とし、その後増大に転じさせる。それとともに、シュラウド側24の翼前縁21と翼後縁22の間の翼角度βsを、翼前縁21側では下に凸状、翼後縁22側では上に凸状の分布とする。ハブ側の最大翼角度βh_maxの位置を、翼前縁21から流れ方向前半部に位置させ、前縁21から最大翼角度βh_maxの位置までのハブ側23の翼角度βhの分布に変曲点が現れないようにする(図1、2参照)。
In view of these disadvantages of the prior art, the present embodiment employs the distribution of the blade angle β described in the first or second embodiment. That is, the blade angle β s on the
あるいは、シュラウド側54の翼角度βsを、翼前縁51から流れ方向下流側に向かうにつれて一旦減少させて最小翼角度βs_minとした後、増大に転じさせる。それとともに、シュラウド側54の翼前縁51と翼後縁52の間の翼角度βsを、翼前縁51側では下に凸状、翼後縁52側では上に凸状とする。ハブ側53の最大翼角度βh_maxの位置を、翼前縁51から流れ方向中間点までの位置とし、最大翼角度βh_maxの位置より上流側ではハブ側53の翼角度βhの分布に変曲点が現れないようにする(ず4、5参照)。
Alternatively, the blade angle β s on the
上記いずれかの翼角度分布を採用することにより、効率向上を図ったがために羽根車の翼後縁でシュラウド側がハブ側よりも回転方向に後傾した羽根車で生じる、翼シュラウド側負圧面における相対流速の急激な減速を回避できる。さらに、低流量側の作動範囲を従来羽根車程度に確保できるとともに、大流量側の作動範囲も従来羽根車程度に確保でき、作動範囲を確保し効率向上した遠心式流体機械を実現できる。 By adopting one of the blade angle distributions described above, the blade shroud-side suction surface is generated by the impeller whose shroud side is tilted backward in the rotational direction from the hub side at the trailing edge of the impeller because the efficiency was improved by adopting one of the blade angle distributions described above. A sudden deceleration of the relative flow velocity at can be avoided. Furthermore, the operating range on the low flow rate side can be secured to the same level as that of the conventional impeller, and the operating range on the large flow rate side can be secured to the level of the conventional impeller.
以上説明したように、本実施例では、実施例1および実施例2に記載のいずれの翼角度分布も適用可能である。ただし、遠心式流体機械の大幅な効率向上が求められるときには、翼後縁においてシュラウド側がハブ側より回転方向に後傾する度合いを大きくする必要がある。そのような場合には、低流量側の作動範囲を確保するために、翼シュラウド側の負圧面の前半部で相対流速の減速率を大幅に減少させることが必要であり、実施例2に記載の翼角度βの分布の方が相対流速の減速率を減少可能であるから、好ましい。 As described above, in the present embodiment, any blade angle distribution described in the first embodiment and the second embodiment is applicable. However, when a significant improvement in the efficiency of the centrifugal fluid machine is required, it is necessary to increase the degree that the shroud side tilts backward in the rotational direction from the hub side at the blade trailing edge. In such a case, in order to ensure the operating range on the low flow rate side, it is necessary to significantly reduce the deceleration rate of the relative flow velocity at the front half of the suction surface on the blade shroud side, which is described in Example 2. The distribution of the blade angle β is preferable because the deceleration rate of the relative flow velocity can be reduced.
図12Aは、実施例2に記載の翼角度βの分布を有する後傾羽根車(以下修正後傾羽根車とも称す)と上記従来型の前傾羽根車についての圧力特性である。細線121は図9Aに示した細線91と同一であり、太線122が修正後傾羽根車の場合である。
図12Bは、図12Aに圧力特性を示した羽根車についての効率特性を示す図である。細線123は図9Bの細線93と同一であり、太線124は修正後傾羽根車についての効率曲線である。図12A、図12Bとも、3次元粘性流体解析から得られたもので、修正後傾羽根車羽根車と前傾羽根車に、同一形状のベーンレスディフューザおよびリターンチャネルを組み合わせた単段の遠心式流体機械についてである。修正後傾羽根車は前傾羽根車よりも、設計点付近の圧力および効率の双方が向上している。また、低流量側の作動範囲も大流量側の作動範囲も、従来型である前傾羽根車とほぼ同程度まで確保できている。
FIG. 12A shows the pressure characteristics of a backward tilt impeller (hereinafter also referred to as a corrected post tilt impeller) having a blade angle β distribution described in the second embodiment and the conventional forward tilt impeller. The
FIG. 12B is a diagram showing efficiency characteristics for the impeller whose pressure characteristics are shown in FIG. 12A. The thin line 123 is the same as the thin line 93 in FIG. 9B, and the thick line 124 is the efficiency curve for the corrected tilted impeller. Both FIGS. 12A and 12B are obtained from a three-dimensional viscous fluid analysis, and are a single-stage centrifugal type in which a vaneless diffuser and a return channel having the same shape are combined with a corrected inclined impeller impeller and a forward inclined impeller. About fluid machinery. The corrected tilted impeller is improved in both pressure and efficiency near the design point than the forward tilted impeller. In addition, the operating range on the low flow rate side and the operating range on the large flow rate side can be ensured to approximately the same extent as that of the conventional forward inclined impeller.
ところで、上記各実施例では、遠心羽根車180が有する翼20、50の形状を、遠心羽根車180のハブ側端およびシュラウド側端の翼形状を用いて規定している。高効率な遠心羽根車を得るためには、3次元の翼形状が必須となっている。そのため、ハブ側端おおびシュラウド側端で規定された翼形状を、ハブ側端とシュラウド側端間を適切に接続して3次元化する必要がある。
By the way, in each said Example, the shape of the
ハブ側端とシュラウド側端間の接続法のいくつかの例を、以下図面を用いて説明する。
図13Aは、遠心羽根車180が備える直線要素を有する翼130の軸方向視図である。図13Bは、図13Aに示した翼130を有する遠心羽根車の子午面断面図である。破線136は、子午面流線の一例を示している。またAxは、回転軸の中心線を示している。ハブ側キャンバー線133およびシュラウド側キャンバー線134を、翼前縁131から翼後縁132まで複数の点Psi,Phi(i=0,n;n=総分割点)で分割し、分割点Psi,Phi同士を直線で接続する。分割点Psi,Phi同士を接続する接続要素135が、直線要素である。
Several examples of connection methods between the hub side end and the shroud side end will be described below with reference to the drawings.
FIG. 13A is an axial view of a
遠心羽根車180の翼130を直線要素135の集合体で規定するので、遠心羽根車を製作する時に、5軸NC加工機等を用い、エンドミル等の切削工具での加工が可能になる。エンドミルの側面を第1番目の直線要素135に位置決めし、切削工具を翼前縁131から翼後縁132までハブ側キャンバー線133およびシュラウド側キャンバー線134に沿って滑らかに移動させれば、3次元化された翼形状をNC加工で製作でき、製作性が向上する。
Since the
ハブ側キャンバー線143およびシュラウド側キャンバー線144の接続方法の他の例を、図14Aおよび図14Bを用いて説明する。
図14Aは、遠心羽根車180が備える曲線要素145を有する翼140の軸方向視図である。図14Bは、図14Aに示した翼140を有する遠心羽根車の子午面断面図である。破線146は、子午面流線の一例を示している。図13Aおよび図13Bに示した羽根車180とは異なり、翼140を曲線要素145の集合体で規定する。直線要素の場合と同様に、ハブ側キャンバー線143およびシュラウド側キャンバー線144を、翼前縁141から翼後縁142まで複数の点Psi,Phi(i=0,m;m=総分割点)で分割し、分割点Psi,Phi同士を曲線で接続する。分割点Psi,Phi同士を接続する接続要素145が、曲線要素である。
Another example of a method for connecting the hub-
FIG. 14A is an axial view of a
ハブ側キャンバー線143とシュラウド側キャンバー線144の接続曲線の具体例のいくつかを、以下に説明する。
初めに、直線要素を変形して曲線要素を得る方法について説明する。図13Bに記載した直線要素翼130を有する羽根車180において、シュラウド側キャンバー線134とハブ側キャンバー線133の間に形成される子午面流線136を、羽根車180の回転軸Ax周りに回転させると、回転流面が得られる。
Some specific examples of connection curves of the hub-
First, a method for obtaining a curved element by deforming a linear element will be described. In the
図15は、回転流面150を3次元的に斜視図で示した図である。回転流面150上に形成される翼断面151の翼前縁152Aと翼後縁153を結ぶ翼弦S方向に、翼断面151を相似拡大または相似収縮(本実施例ではRdだけ縮小)させて新たな翼断面155を得る。本実施例の翼断面155では、翼後縁153を固定し、翼前縁152Aを翼前縁152Bに変化させ、翼前縁径156Aを翼前縁径156Bまで変化させている。
FIG. 15 is a three-dimensional perspective view of the
図13Bに示した複数の直線要素135を、シュラウド側キャンバー線134とハブ側キャンバー線間に形成される複数の流線で翼高さ方向に分割し、同様に回転流面150を形成する。得られた翼断面151を翼弦方向に相似拡大または相似収縮させて新たな翼断面155を得る。この手順を繰り返し、得られた複数の新たな翼断面155を翼高さ方向に積層する。
A plurality of
翼後縁径157や無次元キャンバー線長さSに対する翼角度分布βを変化させないようにして、羽根車180の仕事(理論圧力上昇)を維持する。積層の際には、相似拡大量や相似縮小量を各翼高さ位置で変化させ、それぞれ得られた翼断面を翼高さ方向に積層する。これにより、曲線要素化された翼が形成される。
The work (theoretical pressure increase) of the
子午面上で翼前縁形状が曲線状になる様に曲線要素化した遠心羽根車においては、特に図14Bに示す子午面上で翼前縁146が吸込口方向に対して凹状となる場合に、スロート面積が増大することが本発明者らの知見により得られた。そこで、図14A、図14Bに示す曲線要素化した翼を用いると、さらなる大流量側の作動範囲の改善が可能となる。
In the centrifugal impeller in which the blade leading edge shape becomes a curved shape on the meridian surface, particularly when the
翼の曲線要素化の他の例として、子午面流線を回転軸周りに回転させて得られる回転流面を翼高さ方向に複数個求め、各回転流面上の翼断面を円周方向にスライドさせて新たな翼断面を得、スライド後の各翼断面を翼高さ方向に積層させる。この様に翼を曲線要素化すると、単に羽根車の翼後縁においてシュラウド側をハブ側よりも回転方向に後傾させた直線要素翼よりも、羽根車出口流れの一様化を促進できる可能性がある。 As another example of wing curve elementization, multiple rotating flow surfaces obtained by rotating meridional streamlines around the rotation axis are obtained in the blade height direction, and the blade cross section on each rotating flow surface is circumferential To obtain a new blade section, and stack the blade sections after the slide in the blade height direction. If the blades are curved elements in this way, it is possible to promote more uniform impeller outlet flow than straight element blades that are simply tilted back in the rotational direction at the trailing edge of the impeller blades than the hub side. There is sex.
図16Aは、直線要素翼羽根車の羽根車出口における、無次元半径方向流速CR/U2の分布を示す図である。 FIG. 16A is a diagram showing a distribution of dimensionless radial flow velocity CR / U 2 at the impeller exit of the linear element impeller.
図16Bは、曲線要素翼羽根車の羽根車出口における、無次元半径方向流速CR/U2の分布を示す図である。
図16Bに示す羽根車では、翼負圧面164が回転方向に対し凸状の形状となる様に、各翼高さ位置における翼断面の周方向へのスライド量を調整している。これら両図は、仕様点における3次元粘性解析の結果である。図16Aの直線要素翼では翼負圧面164のハブ160側付近に低速領域(黒色域)が現れていたが、図16Bの曲線要素翼では消滅している。
FIG. 16B is a diagram showing a distribution of dimensionless radial flow velocity CR / U 2 at the impeller exit of the curved element impeller.
In the impeller shown in FIG. 16B, the sliding amount in the circumferential direction of the blade cross section at each blade height position is adjusted so that the
本実施例によれば、製作性は多少犠牲となるものの、翼のハブ側端とシュラウド側端を接続する際に、接続法に尤度が増し、翼面を自由曲面で定義でき、さらなるスロート面積拡大や、緻密な二次流れの制御が可能になる。 According to this embodiment, although the productivity is somewhat sacrificed, when connecting the hub end and shroud end of the blade, the likelihood of the connection method is increased, the blade surface can be defined by a free-form surface, and further throat It is possible to enlarge the area and control the precise secondary flow.
上記各実施例によれば、ハブ側およびシュラウド側の翼角度分布と翼後縁形状の少なくともいずれかを変更し、ハブ側端とシュラウド側端の間を接続する翼素として直線要素と曲線要素のいずれをも適用可能としたので、羽根車のさらなる高性能化が図られる。なお、上記実施例では曲線要素化として2種類の方法を単独に使用する場合について説明したが、これらを組み合わせた曲線要素化手法を用いてもよい。さらに、実施例3においても、実施例1、2と同様の理由で、ハブ側翼前縁径をシュラウド側翼前縁径よりも小さくすることが望ましい。 According to each of the above embodiments, at least one of the blade angle distribution and the blade trailing edge shape on the hub side and the shroud side is changed, and a linear element and a curved element are used as blade elements connecting the hub side end and the shroud side end. Since either of these can be applied, the impeller can be further improved in performance. In the above embodiment, the case where two types of methods are used independently as the curve elementization has been described, but a curve elementization method combining these methods may be used. Further, in the third embodiment, for the same reason as in the first and second embodiments, it is desirable to make the hub side blade leading edge diameter smaller than the shroud side blade leading edge diameter.
上記各実施例では、一軸多段型の遠心圧縮機を例にとり説明したが、端段の遠心圧縮機にも本発明を適用できることは言うまでもない。また、羽根車がシュラウド(側板)を有する遠心羽根車について説明したが、シュラウド(側板)を有しないオープン型の羽根車についても同様に適用できる。 In each of the above embodiments, a single-shaft multi-stage centrifugal compressor has been described as an example, but it goes without saying that the present invention can also be applied to an end-stage centrifugal compressor. Moreover, although the centrifugal impeller in which the impeller has a shroud (side plate) has been described, the present invention can be similarly applied to an open type impeller that does not have a shroud (side plate).
上記各実施例を纏めると、シュラウド側翼角度が最小となる位置をシュラウド側前縁としてもよく、ハブ側翼角度分布の上に凸である区間では、ハブ側翼角度分布が変曲点を有しないことが必須である。 Summarizing the above embodiments, the position at which the shroud side blade angle is minimum may be the shroud side leading edge, and the hub side blade angle distribution does not have an inflection point in the section convex above the hub side blade angle distribution. Is essential.
また、ハブに複数の翼を円周方向に間隔をおいて配設した遠心羽根車を回転軸に取り付けた遠心式流体機械の反ハブ側端であるシュラウド側で、回転軸の軸方向吸込み側から見て、翼は前縁から流れ方向中間点までの区間が上に凸形状となっていることが特徴であり、翼は、回転軸の軸方向吸込み側から見て、ハブ側端で前縁から流れ方向中間点までの区間が下に凸形状となっているのがよい。 In addition, on the shroud side, which is the opposite side of the hub of a centrifugal fluid machine with a centrifugal impeller having a plurality of blades arranged on the hub at intervals in the circumferential direction, on the rotating shaft, the axial suction side of the rotating shaft The blade is characterized in that the section from the leading edge to the middle point in the flow direction is convex upward, and the blade is seen at the front end at the hub side as viewed from the axial suction side of the rotating shaft. The section from the edge to the midpoint in the flow direction should be convex downward.
さらに、翼は、回転軸の回転方向が右方向であれば軸方向吸込み側から見てシュラウド側キャンバー線がS字状でハブ側キャンバー線が逆S字状であり、回転方向が左方向であればその逆形状となっていればさらに好ましい。翼の吐出端部である後縁において、翼のシュラウド側がハブ側より回転方向に後傾していることが好ましく、翼のシュラウド側キャンバー線とハブ側キャンバー線が、回転軸の軸方向吸込み側から見て、交差していればさらに好ましい。 Further, if the rotation direction of the rotating shaft is rightward, the blade has an S-shaped shroud camber line and an inverted S-shaped hub-side camber line as viewed from the axial suction side, and the rotation direction is leftward. If it is present, it is more preferable if it has the opposite shape. It is preferable that the shroud side of the blade is inclined backward in the rotational direction from the hub side at the trailing edge which is the discharge end portion of the blade, and the shroud side camber wire and the hub side camber wire of the blade are on the axial suction side of the rotating shaft. From the viewpoint of crossing, it is more preferable if they intersect.
さらにまた、翼を複数の直線要素間を滑らかに接続して構成してもよく、翼を複数の曲線要素間を滑らかに接続して構成してもよい。上記いずれかの遠心羽根車を複数個、同一の回転軸に取り付けたものでも単段のものでもよい。 Furthermore, the wing may be configured by smoothly connecting a plurality of linear elements, or the wing may be configured by smoothly connecting a plurality of curved elements. A plurality of the above centrifugal impellers may be attached to the same rotating shaft or may be a single stage.
なお上記各実施例に示したものは例示的なものであって、限定的なものではない。発明の範囲は特許請求の範囲の記載に示されており、発明の真の精神及び範囲内に存在する変形例は、全て特許請求の範囲内に含まれる。 In addition, what was shown in each said Example is an illustration, Comprising: It is not limited. The scope of the invention is indicated in the appended claims, and all variations that come within the true spirit and scope of the invention are included within the scope of the claims.
10…シュラウド側翼角度、11…ハブ側翼角度、20…遠心羽根車の翼、21…翼前縁、22…翼後縁、23…ハブ側キャンバー線、24…シュラウド側キャンバー線、40…シュラウド側翼角度、41…ハブ側翼角度、50…遠心羽根車の翼、51…翼前縁、52…翼後縁、53…ハブ側キャンバー線、54…シュラウド側キャンバー線、60…遠心羽根車の翼、61…翼前縁、62…翼前縁より下流側の翼任意位置、63、74…キャンバー線、70…遠心羽根車の翼、71…翼前縁、72…翼後縁、73…ハブ側キャンバー線、74…シュラウド側キャンバー線、80…遠心羽根車の翼、81…翼圧力面、82…翼負圧面、83…シュラウド側、84…ハブ側、85…翼前縁、86…翼後縁、100…ハブ、101…シュラウド、102…翼後縁、103…翼圧力面、104…翼負圧面、110、112…翼負圧面付近の相対速度、111、113…翼圧力面付近の相対速度、130…遠心羽根車の翼、131…翼前縁、132…翼後縁、133…ハブ側キャンバー線、134…シュラウド側キャンバー線、135…直線要素、136…任意翼高さ位置における子午面流線、140…遠心羽根車の翼、141…翼前縁、142…翼後縁、143…ハブ側キャンバー線、144…シュラウド側キャンバー線、145…直線要素、146…任意翼高さ位置における子午面流線、150…回転流面、151…翼断面、152…翼前縁、153…翼後縁、154…翼弦、155…翼弦方向への相似縮小後の翼断面、160…ハブ、161…シュラウド、162…翼後縁、163…翼圧力面、164…翼負圧面、170…遠心羽根車、171…遠心羽根車の翼、172…ハブ、173…シュラウド、174…回転軸、175…ディフューザ、176…リターンチャネル、177…羽根車吸込口、178…段下流流路、 180…遠心羽根車、181…回転軸、182…ディフューザ、183…リターンチャネル、184…吸込ケーシング、185…インレットガイドベーン、186…吐出ケーシング、200…遠心式流体機械、C、C’…絶対流速、Cm…絶対流速の子午面方向成分、CR…絶対流速の半径方向成分、F…翼力、L…翼間流路幅、m…子午面方向長さ、R…半径、s…無次元キャンバー線長さ、sL…翼前縁、 sL_s…シュラウド側翼前縁、sL_s…ハブ側翼前縁、sm…翼中間点、sT…翼後縁、sT_s…シュラウド側翼後縁、 sT_s…ハブ側翼後縁、U…羽根車周速、U2…羽根車出口周速、W、W’…相対流速、β…翼角度、βh_mAx…ハブ側翼角度最大値、βL…前縁翼角度、βs_min…シュラウド側翼角度最小値、θ…角度、ω…羽根車回転角速度。
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