JP2015094293A - 遠心形ターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化したときの効率の低下を抑制できる形状の返し羽根を有する遠心形ターボ機械を提供することを課題とする。【解決手段】回転軸２に向かう戻り方向に流体が流れる戻り流路５に、回転軸２の軸方向を高さ方向として、中心線ＣＬを中心とする多重の円形翼列状に配設される返し羽根６の翼面が、戻り流路５における流体の流れを中心線ＣＬを中心とする周方向から回転軸２に向かう径方向に転向させる曲面であり、返し羽根６のうちで最も上流側に配置される外翼６０を回転軸２の軸方向に垂直な平面で断面した翼断面６０ｃのキャンバーラインＬｎ１が、高さ方向で異なった湾曲形状を呈することを特徴とする遠心多段ポンプ。【選択図】図４

Description

本発明は、遠心形ターボ機械に関する。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１には、「側板１２は、そのディフューザ羽根１３ａとこれに隣接するディフューザ羽根１３ｂとの間で挟まれる拡大通路１４に臨む部分のうち、ディフューザ羽根１３ａの負圧面１３ａ１の後縁１３ａ１０より出口側に、流れを略遠心方向から略軸方向に転向させつつ戻り流路４へと導く半開部通路１５を備えている。各ディフューザ羽根１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…は、それらの圧力面１３ａ２，１３ｂ２，１３ｃ２…のうち半開部通路１５に臨む部位のうち一部分１３ａ２０，１３ｂ２０，１３ｃ２０が、軸方向下流側に向かって漸次テーパ状に薄肉化された構造となっている。」と記載されている（要約参照）。

特開平１１−３２４９８７号公報 特開２００７−２４７６２２号公報

金元敏明他，「遠心ターボ機械の戻り流路用円形翼列に関する研究（第４報）」，日本機械学会論文集（Ｂ編），５２巻４７３号（昭和６１年），７６頁〜８４頁

しかしながら、特許文献１，２に記載されている遠心形ターボ機械の形状（ディフューザ羽根、返し羽根、拡大通路等の形状）では、小型化等のために返し羽根の径方向の長さを縮小することが要求された場合、返し羽根の出入口間に要求される転向量が羽根の長さに対して相対的に大きくなる。そのため、遠心形ターボ機械の小型化にともなって、羽根を主軸（回転軸）の軸方向に垂直な平面で切断した断面（翼型）のキャンバーラインの反りを大きくすることが必要になり、流れの剥離が生じる可能性が高い。つまり、特許文献１，２に記載される遠心形ターボ機械は小型化に適した形状ではなく、小型化に関しては改善の余地がある。

また、特許文献１に記載されている遠心形ターボ機械は、返し羽根入口の流路幅方向における周方向の流体の速度（流速）分布がほぼ一様であるのに対し、子午面速度（子午面に沿った速度）には大きな差が生じる。つまり、返し羽根入口では、子午面に沿った流体の流速が回転軸の軸方向（返し羽根の高さ方向）で大きく変化する。これは、流体の流れを転向するＵターン流路で内側の流れと外側の流れで転向するときの曲率が異なり、流体の流れが、曲率の小さい外側に偏って外側の流れの流速が速くなるためである。そして、小型化によって流路（ディフューザ等）の断面積が小さくなると流路における流速が増大し、これによって子午面速度の差（返し羽根の高さ方向の速度差）がさらに拡大する。この結果、返し羽根入口で、羽根角度と流体の流入角度の角度差が大きくなって剥離が生じる可能性が高くなり、この点についても改善の余地がある。

非特許文献１には、返し羽根を二重の円形翼列（前段翼列と後段翼列）に配置することによって、返し羽根の翼面の長さの縮小によって生じる問題点を解決する技術が記載されている。非特許文献１によると、回転軸を中心とする径方向内側に配置される後段翼列と、径方向外側に配置される前段翼列と、の二重の円形翼列に返し羽根を配置することによって、翼面の流線方向の長さが二分割されることで境界層の発達を抑制することができる。境界層の発達が抑制されると、二次流れが弱くなって返し羽根における流れが均一化され、返し羽根の下流における混合損失が低減して遠心形ターボ機械の効率が向上する。
また、回転軸の軸方向に垂直な平面で切断した翼型のキャンバーラインの反りが大きく境界層が発達しやすい形状の返し羽根であっても、流速の大きな高エネルギの流体を、前段翼列に配置される外翼の凹面に沿って流れた後に、後段翼列に配置される内翼の凸面側に流入させることによって流れの剥離を抑制できる。

しかしながら、返し羽根が二重の円形翼列に配置される構成であっても、返し羽根入口における羽根角度と流体の流入角度に差が生じると、流れの剥離が発生して遠心形ターボ機械の効率が低下する。そして、返し羽根入口における子午面速度の差によって生じる効率の低下を抑制することは非特許文献１で充分に検討されていない。

そこで本発明は、小型化したときの効率の低下を抑制できる形状の返し羽根を有する遠心形ターボ機械を提供することを特徴とする。

前記課題を解決するため本発明は、ディフューザから転向部を経由して戻り流路に流れ込む構成の遠心形ターボ機械において、戻り流路に備わる返し羽根が多重の円形翼列状に配置され、さらに、戻り流路の入口における返し羽根の羽根角度が軸方向（高さ方向）で異なるという特徴を有する。

本発明によると、小型化したときの効率の低下を抑制できる形状の返し羽根を有する遠心形ターボ機械を提供できる。

実施例１に係る遠心多段ポンプの断面図である。 ディフューザとＵターン流路と戻り流路の構成を示す断面図である。 図２におけるＳｅｃ１−Ｓｅｃ１での断面図である。 （ａ）は図２におけるＳｅｃ２−Ｓｅｃ２での断面図、（ｂ）は返し羽根の拡大図である。 （ａ）は返し羽根入口部の拡大図、（ｂ）はＵターン流路における流体の流れを示す図である。 実施例２の外翼と内翼の形状を示す図である。 実施例３の外翼と内翼の形状を示す図である。

以下、適宜図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。なお、以下では遠心多段ポンプを遠心形ターボ機械の一例としているが、本発明は、遠心多段ポンプ以外の遠心形ターボ機械に広く適用可能である。

図１は実施例１に係る遠心多段ポンプの断面図、図２はディフューザとＵターン流路と戻り流路の構成を示す断面図である。
図１に示すように、実施例１に係る遠心多段ポンプ１（遠心形ターボ機械）は、図示しない動力源（電動機など）に接続されてケーシング１４に収納される回転軸２（主軸）に、複数枚（図１では８段）の遠心羽根車３が取り付けられて構成される。複数枚の遠心羽根車３は、回転軸２の軸方向に並んで備わり、上流側の遠心羽根車３と下流側の遠心羽根車３の間が流体の流路（ディフューザ４，Ｕターン流路５ａ，戻り流路５）になっている。なお、遠心羽根車３の数は８段に限定されるものではない。

実施例１において、遠心多段ポンプ１の上流および下流は、流体の流れの上流および下流であり、回転軸２の軸方向においては、吸入口１ａの側を上流（軸方向上流）とし、吐出口１ｂの側を下流（軸方向下流）とする。
また、ディフューザ４においては、回転軸２の側を上流、外周側を下流とし、戻り流路５においては、外周側を上流、回転軸２の側を下流とする。ここでいう外周側は、回転軸２の中心線ＣＬを中心とする円周の外周側とする（以下、同じ）。

隣り合う遠心羽根車３の間の流路は、図２に示すように、ディフューザ４、Ｕターン流路５ａ（転向部）、および戻り流路５を含んで構成される。そして、ディフューザ４にはディフューザ羽根９が備わり、戻り流路５には返し羽根６が備わっている。また、遠心羽根車３は、複数（例えば、７枚）の羽根３０を有している。
ディフューザ４、Ｕターン流路５ａ、および戻り流路５は、ディフューザ４と戻り流路５の間の仕切壁となる側板１０と、ケーシング１４と一体構造で遠心羽根車３を覆うように備わるステージ７の間に設けられる。
なお、ディフューザ羽根９は、回転軸２の中心線ＣＬに沿った方向（回転軸２の軸方向）を高さＨｄとする。また、返し羽根６は、回転軸２の軸方向を高さＨｒとする。
つまり、ディフューザ羽根９は、回転軸２の軸方向を高さＨｄの方向として側板１０に立設し、返し羽根６は、回転軸２の軸方向を高さＨｒの方向として側板１０に立設する。
また、側板１０は、回転軸２の中心線ＣＬを中心とする径方向に広がっている。

遠心羽根車３は、回転軸２の中心線ＣＬを中心とする径方向の中心側に配置され、回転軸２の軸方向に流体を吸い込む流入部３ｂと、径方向外側において径方向に流体を吐出する流出部３ａと、を有する。
また、Ｕターン流路５ａは、その一部が半開部通路１２となっている。半開部通路１２の詳細は後記する。

回転軸２の軸方向上流に配設される遠心羽根車３（上流羽根車３Ｕ）の流出部３ａから吐出された流体は、ディフューザ４、Ｕターン流路５ａ（半開部通路１２）、および戻り流路５の順に流れ、回転軸２の軸方向下流に配設される遠心羽根車３（下流羽根車３Ｄ）に流入部３ｂから流入する。

上流羽根車３Ｕの流出部３ａから吐出された流体は、白矢印で示すように回転軸２から離反する径方向にディフューザ４を流れる。実施例１においては、ディフューザ４における流体の流れの方向（回転軸２から離反する径方向）を遠心方向Ｄ１と称する。
Ｕターン流路５ａに流れ込んだ流体は流れの方向が転向する。具体的に、Ｕターン流路５ａでは、流体の流れが、回転軸２から離反する径方向（遠心方向Ｄ１）から白矢印で示すように回転軸２の軸方向Ｄ２に転向し、さらに、回転軸２に向かう径方向に転向する。
そして、Ｕターン流路５ａで流れが転向した流体は、戻り流路５に流れ込み、白矢印で示すように回転軸２に向かう径方向に流れて流入部３ｂから下流羽根車３Ｄに流入する。実施例１においては、戻り流路５における流体の流れの方向（回転軸２に向かう径方向）を戻り方向Ｄ３と称する。

図３は、図２におけるＳｅｃ１−Ｓｅｃ１での断面図であり、回転軸２の軸方向上流側から見たディフューザ羽根９の形状を示す。
実施例１のディフューザ羽根９は、図２に示すように、側板１０とステージ７の間に高さＨｄで立設する翼状の羽根であり、図３に示すように、凹面状の負圧面９ａと凸面状の圧力面９ｂを有する。また、ディフューザ羽根９は、遠心羽根車３（図２参照）の周囲に、回転軸２の中心線ＣＬ（図２参照）を中心とする円形翼列状に配置され、隣り合う２つのディフューザ羽根９における負圧面９ａと圧力面９ｂの間が拡大通路１１となる。そして、この拡大通路１１に流体が流れる。
なお、実施例１のディフューザ羽根９は、この種のディフューザ羽根として公知であるものと同様の構成（形状）であればよい。例えば、回転軸２の軸方向（高さＨｄの方向）に、厚みが一定のディフューザ羽根９であればよい。つまり、側板１０と平行な平面で断面した断面の形状が、側板１０からステージ７（図２参照）まで同じ形状となるディフューザ羽根９であればよい。

また、拡大通路１１の下流側（ディフューザ４の下流側）は、ディフューザ羽根９の下流側の端辺（後端辺９０ａ）となっている。そして、後端辺９０ａと、隣り合うディフューザ羽根９の圧力面９ｂと、の間が拡大通路１１の出口部１１ａになり、出口部１１ａにおいてディフューザ４とＵターン流路５ａが連続している。

実施例１においてＵターン流路５ａを構成する半開部通路１２は、側板１０の外周部に設けられている。図３に示すように、１つのディフューザ羽根９の後端辺９０ａから、隣り合うディフューザ羽根９の圧力面９ｂに向かう側板１０の端辺（通路端１０ａ）が半開部通路１２になる。そして、側板１０の外周（輪郭線）は、ディフューザ羽根９（圧力面９ｂ）の曲面形状に沿った部分と通路端１０ａによって回転軸２の軸方向から見た山形を呈し、径方向に凹凸形状を呈する。
つまり、側板１０の外周は、ディフューザ羽根９の後端辺９０ａが径方向に突出して凸部となる。また、側板１０の外周は、通路端１０ａとディフューザ羽根９の圧力面９ｂが交わる交点が、径方向に凹んだ位置となり、これによって、周縁部が凹状の形状（凹部）となっている。そして、凸部と凹部が、ディフューザ羽根９の圧力面９ｂと通路端１０ａで連結されて半開部通路１２になる。
なお、ここでいう側板１０の外周は、回転軸２（図２参照）の軸方向に垂直な仮想平面に側板１０を投影したときの側板１０の外形形状を示す線（曲線）とする（以下、同じ）。

このような構成によって、通路端１０ａの外周と、回転軸２の中心線ＣＬ（図２参照）と、の距離が、隣り合うディフューザ羽根９の一方の負圧面９ａから他方のディフューザ羽根９の圧力面９ｂに向かって漸減して凹部となる。さらに、通路端１０ａの外周と、回転軸２の中心線ＣＬと、の距離が、凹部から圧力面９ｂの凸面状に沿って後端辺９０ａまで漸増して凸部となる。つまり、通路端１０ａの外周の、回転軸２の中心線ＣＬからの距離が、中心線ＣＬを中心とする周方向で一定ではない側板１０になる。

このような形状の半開部通路１２が、通路端１０ａとステージ７（内周面７ａ）の間のＵターン流路５ａの一部をなす。そして、ディフューザ４の拡大通路１１を出口部１１ａまで流れた流体は、ステージ７の内周面７ａと通路端１０ａの間のＵターン流路５ａに流れ込み、さらに、戻り流路５（図２参照）に流れ込む。このように、実施例１において、流体の流れの方向を転向するＵターン流路５ａ（転向部）は、その一部が半開部通路１２となっている。

また、図２に示すように、遠心羽根車３（上流羽根車３Ｕ）から流出した流体は、ディフューザ４の拡大通路１１（図３参照）を流れるときにディフューザ羽根９の作用によって周方向の速度成分が減少して圧力が回復する。つまり、遠心羽根車３から流出した流体が有する速度エネルギの一部がディフューザ４で圧力エネルギに変換される。
そして、ディフューザ４の拡大通路１１を流れた流体は、出口部１１ａからＵターン流路５ａ（半開部通路１２）に流れ込んで流れが転向する。

図４の（ａ）は図２のＳｅｃ２−Ｓｅｃ２での断面図であり、回転軸２の軸方向に垂直な平面で切断した返し羽根６の形状を示す。また、図４の（ｂ）は外翼の拡大図である。
また、図５の（ａ）は返し羽根入口部の拡大図、（ｂ）はＵターン流路における流体の流れを示す図である。なお、回転軸２は、白い矢印の方向（返し羽根６の側から見て右方向）に回転する。

図４の（ａ）に示すように、実施例１の返し羽根６は、二重の円形翼列状に配置されている。返し羽根６は、回転軸２に近い側（内周側）で、当該回転軸２の中心線ＣＬを中心とする円形翼列状に配置される内翼６１と、内翼６１よりも外周側（通路端１０ａの側）で、中心線ＣＬを中心とする円形翼列状に配置される外翼６０と、を含んで構成される。
外翼６０は、回転軸２の軸方向下流側から見て、凸面部６０ａと凹面部６０ｂを両翼面とする湾曲形状を呈する。そして、隣り合う外翼６０の一方の凸面部６０ａと他方の凹面部６０ｂの間が戻り流路５となり、流体は翼面（凸面部６０ａ，凹面部６０ｂ）に沿って戻り流路５を流れる。

同様に、内翼６１は、回転軸２の軸方向下流側から見て、凸面部６１ａと凹面部６１ｂを両翼面とする湾曲形状を呈する。そして、隣り合う内翼６１の一方の凸面部６１ａと他方の凹面部６１ｂの間が戻り流路５となり、流体は翼面（凸面部６１ａ，凹面部６１ｂ）に沿って戻り流路５を流れる。

このように、実施例１の返し羽根６（外翼６０，内翼６１）においては、翼面（外翼６０の凸面部６０ａと凹面部６０ｂ、内翼６１の凸面部６１ａと凹面部６１ｂ）が戻り流路５を流れる流体をガイドする面になる。
そして、返し羽根６の翼面は、戻り流路５における流体の流れを、回転軸２の中心線ＣＬを中心とする周方向から、回転軸２に向かう径方向に転向させるような曲面になっている。

また、実施例１においては、外翼６０が配置される翼列を前段翼列とし、内翼６１が配置される翼列を後段翼列とする。なお、戻り流路５における流体の流れに基づいた配置では、前段翼列が上流側であり後段翼列が下流側になる。したがって、実施例１では、外翼６０が最も上流側に配置され、内翼６１が最も下流側に配置される。

そして、実施例１の外翼６０は、回転軸２の軸方向に垂直な平面で切断した断面（翼断面６０ｃ）が、図４の（ｂ）に斜線で示す形状を呈する。
また、実施例１において、通路端１０ａは、側板１０における外翼６０の凸面部６０ａに沿っている。なお、図４の（ａ）には、外翼６０の前縁部６０１が、ディフューザ羽根９の後端辺９０ａよりも、通路端１０ａに沿って後退した位置に配置されている外翼６０が図示されている。しかしながら、この形状は限定されるものではない。例えば、外翼６０の翼面（凸面部６０ａ，凹面部６０ｂ）の長さを長くするために、前縁部６０１が後端辺９０ａの位置になるまで凸面部６０ａと凹面部６０ｂの長さが延伸した形状の外翼６０であってもよい。

また、外翼６０は、上流側の端部（前縁部６０１）から下流側の端部（後縁部６０２）を結ぶ曲線を翼断面６０ｃのキャンバーラインＬｎ１（外翼のキャンバーライン）とし、そのキャンバーラインＬｎ１を挟んだ両側が、翼面となる凸面部６０ａと凹面部６０ｂになっている。
そして、前縁部６０１と、隣り合う外翼６０の凸面部６０ａの間が、戻り流路５の入口部（返し羽根入口部５ＩＮ）になる。
なお、外翼６０のキャンバーラインＬｎ１は、外翼６０の凸面部６０ａと凹面部６０ｂの中間を通る曲線であり、外翼６０の翼断面６０ｃの厚みの中心線とする。

内翼６１は、回転軸２の軸方向に垂直な平面で内翼６１を切断した翼断面６１ｃが、図４の（ａ）に斜線で示す形状を呈する。また、内翼６１は、前縁部６１１から後縁部６１２を結ぶ曲線を翼断面６１ｃのキャンバーラインＬｎ２（内翼のキャンバーライン）とし、そのキャンバーラインＬｎ２を挟んだ両側が、翼面となる凸面部６１ａと凹面部６１ｂになっている。
なお、内翼６１のキャンバーラインＬｎ２は、内翼６１の凸面部６１ａと凹面部６１ｂの中間を通る曲線であり、内翼６１の翼断面６１ｃの厚みの中心線とする。

また、内翼６１は、中心線ＣＬを中心とする円弧に沿って外翼６０の凹面部６０ｂの側にオフセットした位置に配設され、戻り流路５は、外翼６０の凹面部６０ｂにガイドされた流体が内翼６１の凸面部６１ａ側に流れ込むように構成される。
例えば、外翼６０の後縁部６０２と内翼６１の前縁部６１１の間に生じる間隙ΔＳ２は、隣り合う外翼６０の後縁部６０２の間の距離ΔＳ１の１／５〜１／１０程度になる。

そして、実施例１の外翼６０は、翼断面６０ｃのキャンバーラインＬｎ１の湾曲形状が、回転軸２の軸方向（高さＨｒの方向）で異なっている。
例えば、図４の（ａ），（ｂ）に示すように、外翼６０の後縁部６０２は、高さＨｒの方向に延設される。したがって、外翼６０の高さＨｒごとのキャンバーラインＬｎ１を側板１０に投影したとき、全てのキャンバーラインＬｎ１の投影線が、後縁部６０２の位置で交差する。そして、外翼６０のキャンバーラインＬｎ１は、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど曲率が小さくなっている。
これによって、外翼６０の凸面部６０ａは、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど周方向（回転軸２の回転方向）側に張り出す曲面となる。そして、このように、キャンバーラインＬｎ１の湾曲形状が高さＨｒの方向で異なる外翼６０の前縁部６０１は、側板１０から高さＨｒの方向に向かって凸面部６０ａの側に傾斜する。

一方、内翼６１のキャンバーラインＬｎ２は、高さＨｒの方向で同じ形状とすればよい。

このような形状の外翼６０と外翼６０の間が戻り流路５になると、返し羽根入口部５ＩＮにおいては、外翼６０の羽根角度が高さＨｒの方向で異なる。つまり、図５の（ａ）に示すように、側板１０における翼断面６０ｃに対する羽根角度θ１と、側板１０から高さＨｒの方向に離れた翼断面６０ｃに対する羽根角度θ２と、が異なる。

実施例１において、外翼６０の前縁部６０１を円弧形状としたときの中心点Ｐｔと、回転軸２（図１参照）の中心線ＣＬを結ぶ直線と直行する第１想像線Ｘ１と、当該中心点ＰｔにおけるキャンバーラインＬｎ１の接線Ｘ２と、がなす角度を、羽根角度θ１（θ２）と定義する。なお、羽根角度θ１（θ２）は、このように定義される角度に限定されるものではない。

また、図５の（ｂ）に示すように、回転軸２の中心線ＣＬ（図２参照）を含む平面で切断した断面において、Ｕターン流路５ａでは、内側の流れ（側板１０の側）と外側の流れ（ステージ７の側）で曲率が異なる。したがって、Ｕターン流路５ａにおける流体の流れは曲率の小さな外側の流れに偏って、外側の流れの流速Ｖｏｕｔが内側の流れの流速Ｖｉｎよりも大きくなる（Ｖｏｕｔ＞Ｖｉｎ）。
特に、遠心多段ポンプ１（図１参照）の小型化によって、ディフューザ４等の流路断面積が小さくなると、外側の流れの流速Ｖｏｕｔと内側の流れの流速Ｖｉｎの速度差が大きくなる。
また、Ｕターン流路５ａにおける外側の流れの流速Ｖｏｕｔと内側の流れの流速Ｖｉｎの速度差は、そのまま返し羽根入口部５ＩＮにおける子午面速度の差（高さＨｒの方向に生じる子午面の断面上の速度差）となる。
よって、遠心多段ポンプ１が小型化すると、返し羽根入口部５ＩＮにおける子午面速度の差が大きくなり、このことによって、返し羽根入口部５ＩＮにおける流体の流入角度が、外翼６０の高さＨｒの方向で変化する。したがって、返し羽根入口部５ＩＮにおける外翼６０の羽根角度が高さＨｒの方向で一定であると、流体の流入角度と外翼６０の羽根角度に差が生じ、剥離による乱れが発生する場合がある。

そこで、実施例１は、図４の（ａ）に示すように、キャンバーラインＬｎ１の形状が高さＨｒの方向で異なっている外翼６０とした。つまり、返し羽根入口部５ＩＮにおける流体の流入角度と外翼６０の羽根角度が、いかなる高さＨｒにおいても大きく異ならない形状の外翼６０とした。
例えば、実験計測やシミュレーションによって、ディフューザ４（図２参照）、Ｕターン流路５ａ（図２参照）、および戻り流路５（図２参照）の形状（流路断面積等）を様々に変更したときの返し羽根入口部５ＩＮにおける流入角度の高さＨｒの方向の変化を求め、これに基づいて最適設計された形状の外翼６０とすればよい。

以上のように、実施例１の遠心多段ポンプ１（図１参照）は、戻り流路５（図４の（ａ）参照）に備わる返し羽根６（図４の（ａ）参照）が、回転軸２の中心線ＣＬを中心とする二重の円形翼列状に配置される。
さらに、前段翼列に配置される外翼６０（図４の（ａ）参照）は、翼断面６０ｃのキャンバーラインＬｎ１（図４の（ｂ）参照）の湾曲形状が、高さＨｒの方向で異なっている。例えば、図４の（ｂ）に示すように、外翼６０のキャンバーラインＬｎ１は、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど曲率が小さくなる。

このような形状の外翼６０（図４の（ａ）参照）とすることによって、返し羽根入口部５ＩＮ（図４の（ａ）参照）において高さＨｒの方向で変化する流体の流入角度と外翼６０の羽根角度の差を小さくすることができ、剥離による乱れを抑制できる。
例えば、小型化によって流体の流速が大きくなる場合であっても、返し羽根入口部５ＩＮにおける剥離の発生を抑制でき、小型化に適した遠心多段ポンプ１（図１参照）とすることができる。つまり、遠心多段ポンプ１が小型化されたときの剥離の発生が抑制されるため、剥離の発生による効率の低下が抑制されることになり、効率が低下することなく遠心多段ポンプ１を小型化することができる。

実施例２は、実施例１と同じ構成の遠心多段ポンプ１（図１参照）において、返し羽根６（図６参照）の形状が異なるものである。
図６は、実施例２の外翼と内翼の形状を示す図である。図６に示すように、実施例２の返し羽根６は、外翼６２と内翼６３が二重の円形翼列状（上流側の前段翼列と下流側の後段翼列）に配置されている。外翼６２は、両翼面となる凸面部６２ａと凹面部６２ｂが、前縁部６２１から後縁部６２２の間で湾曲する湾曲面であり、図６に斜線で示す形状の翼断面６２ｃを有する。同様に、内翼６３は、両翼面となる凸面部６３ａと凹面部６３ｂが、前縁部６３１から後縁部６３２の間で湾曲する湾曲面であり、図６に斜線で示す形状の翼断面６３ｃを有する。

実施例２の返し羽根６（外翼６２，内翼６３）も、戻り流路５における流体の流れを、回転軸２の中心線ＣＬを中心とする周方向から、回転軸２に向かう径方向に転向させるような翼面（外翼６２の凸面部６２ａと凹面部６２ｂ、内翼６３の凸面部６３ａと凹面部６３ｂ）を有する。

そして、外翼６２（翼断面６２ｃ）のキャンバーラインＬｎ１の形状と、内翼６３（翼断面６３ｃ）のキャンバーラインＬｎ２の湾曲形状が、ともに高さＨｒの方向で異なっている。

例えば、図６に示すように、内翼６３の後縁部６３２は、高さＨｒの方向に延設される。したがって、内翼６３の高さＨｒごとのキャンバーラインＬｎ２を側板１０に投影したとき、全てのキャンバーラインＬｎ２の投影線が後縁部６３２の位置で交差する。また、内翼６３のキャンバーラインＬｎ２は、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど曲率が小さくなる。

さらに、外翼６２の後縁部６２２は、側板１０から高さＨｒの方向に向かって周方向に凸面部６２ａの側に傾斜する。つまり、外翼６２の高さＨｒごとのキャンバーラインＬｎ１を側板１０に投影したとき、後縁部６２２の位置では、側板１０から高さＨｒの方向に離れた翼断面６２ｃのキャンバーラインＬｎ１ほど凸面部６２ａの側に配置される。そして、外翼６２のキャンバーラインＬｎ１は、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど曲率が小さくなる。

図１に示すディフューザ４やＵターン流路５ａの形状や運転状態によっては、外翼６２の前縁部６２１の位置で高さＨｒの方向に生じる流入角度の差がさらに顕著になる場合がある。この場合、図４の（ａ）に示す実施例１のように、外翼６０のキャンバーラインＬｎ１の湾曲形状の違いのみで流入角度の差を解消しようとすると、キャンバーラインＬｎ１の長さが側板１０の側とステージ７の側で大きく異なったり、外翼６２の翼断面６２ｃが歪んだ形状になったりて、戻り流路５で流れの剥離が生じる可能性が高くなる。

そこで、実施例２の返し羽根６は、外翼６２の前縁部６２１の位置での高さＨｒ方向に生じる流入角度の差を、外翼６２および内翼６３のそれぞれのキャンバーラインＬｎ１，Ｌｎ２の湾曲形状の違いで解消する（小さくする）。これによって、返し羽根入口部５ＩＮにおける流体の流入角度と外翼６２の羽根角度が、いかなる高さＨｒにおいても大きく異ならない返し羽根６とすることができる。また、側板１０の側とステージ７の側とで、キャンバーラインＬｎ１，Ｌｎ２の長さが大きく異なること、外翼６２の翼断面６２ｃが歪んだ形状になること、が回避される。そして、内翼６３は、翼断面６３ｃのキャンバーラインＬｎ２の湾曲形状が高さＨｒの方向で異なって、隣り合う内翼６３間の戻り流路５に流入する流体の流入角度と、前縁部６３１の位置における内翼６３の羽根角度が、高さＨｒの方向で大きく異ならない形状とした。
さらに、外翼６２のキャンバーラインＬｎ１は、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど曲率が小さくなる構成とした。

このような形状の外翼６２と内翼６３を有する返し羽根６とすることによって、外翼６２の前縁部６２１の位置で、高さＨｒの方向に生じる流入角度の差がさらに顕著になる場合であっても剥離の発生を抑制でき、小型化に適した遠心多段ポンプ１（図１参照）とすることができる。

実施例３は、実施例１と同じ構成の遠心多段ポンプ１（図１参照）において、返し羽根６（図２参照）の形状が異なるものである。
図７は、実施例３の外翼と内翼の形状を示す図である。図７に示すように、実施例３の返し羽根６は、外翼６４と内翼６５が二重の円形翼列状（上流側の前段翼列と下流側の後段翼列）に配置されている。外翼６４は、両翼面となる凸面部６４ａと凹面部６４ｂが、前縁部６４１から後縁部６４２の間で湾曲する湾曲面であり、図７に斜線で示す形状の翼断面６４ｃを有する。同様に、内翼６５は、両翼面となる凸面部６５ａと凹面部６５ｂが、前縁部６５１から後縁部６５２の間で湾曲する湾曲面であり、図７に斜線で示す形状の翼断面６５ｃを有する。

実施例３の返し羽根６（外翼６４，内翼６５）も、戻り流路５における流体の流れを、回転軸２の中心線ＣＬを中心とする周方向から、回転軸２に向かう径方向に転向させるような翼面（外翼６４の凸面部６４ａと凹面部６４ｂ、内翼６５の凸面部６５ａと凹面部６５ｂ）を有する。

そして、外翼６４（翼断面６４ｃ）のキャンバーラインＬｎ１の湾曲形状が、高さＨｒの方向で異なっている。なお、内翼６５（翼断面６５ｃ）のキャンバーラインＬｎ２の湾曲形状は、高さＨｒの方向で同じ形状であってもよいし異なっていてもよい。

例えば、図７に示すように、外翼６４の前縁部６４１は、高さＨｒの方向に延設される。したがって、外翼６４の高さＨｒごとのキャンバーラインＬｎ１を側板１０に投影したとき、全てのキャンバーラインＬｎ１の投影線が前縁部６４１の位置で交差する。そして、外翼６４のキャンバーラインＬｎ１は、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど曲率が大きくなる。

さらに、内翼６５のキャンバーラインＬｎ２は、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど曲率が大きくなる。

このような形状の外翼６４は、戻り流路５の入口部（返し羽根入口部５ＩＮ）において高さＨｒの方向で羽根角度が異なる。したがって、返し羽根入口部５ＩＮにおいて高さＨｒの方向で変化する流体の流入角度と外翼６４の羽根角度の差を小さくすることができ、剥離による乱れを抑制できる。つまり、遠心多段ポンプ１（図１参照）が小型化されたときの剥離の発生が抑制されるため、剥離の発生による効率の低下が抑制され、効率を低下させることなく遠心多段ポンプ１を小型化できる。

また、キャンバーラインＬｎ２の形状が高さＨｒの方向で異なっている内翼６５とした。これによって、外翼６４の下流で、隣り合う内翼６５間の戻り流路５に流入する流体の流入角度と、前縁部６５１の位置における内翼６５の羽根角度が、高さＨｒの方向で大きく異ならない形状の内翼６５とすることができる。
したがって、外翼６４の前縁部６４１の位置で高さＨｒの方向に生じている流入角度と羽根角度の差が、外翼６４の後縁部６４２の位置で解消されない場合であっても、隣り合う内翼６５間の戻り流路５に流入する流体の流入角度と、内翼６５の前縁部６５１の羽根角度と、の差を小さくすることができる。そして、内翼６５の前縁部６５１の位置での剥離による乱れを抑制できる。

なお、本発明は前記した実施例に限定されるものではない。例えば、前記した実施例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。

例えば、実施例１の遠心多段ポンプ１（図１参照）は、図４の（ａ）に示すように、二重の円形翼列に外翼６０と内翼６１が配設されている返し羽根６を有する構成とした。しかしながら、三重、またはそれ以上の円形翼列に翼が配設された返し羽根を有する遠心多段ポンプ１であってもよい。
この場合、内周側の円形翼列に配設される翼ほど、中心線ＣＬを中心とする円弧に沿って外周側に配設される翼の凹面部の側にオフセットした位置に配設される事が好ましい。そして、例えば、最も外周側の円形翼列に配設されて最も上流側となる翼を外翼とし、外翼のキャンバーラインの形状（湾曲形状）が、返し羽根の高さ方向で異なっている構成とすればよい。例えば、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど曲率が小さくなるキャンバーラインとすればよい。
さらに、最も内周側の円形翼列に配設されて最も下流側となる翼を内翼とし、内翼のキャンバーラインが高さの方向に同じ形状とすればよい。つまり、内翼の高さごとのキャンバーラインを側板１０に投影したとき、全てのキャンバーラインが重なる構成とすればよい。

この他、本発明は、前記した実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。

例えば、実施例１〜３における返し羽根６（図４の（ａ）参照）の形状は一例に過ぎず、その形状は、遠心多段ポンプ１（図１参照）に要求される性能等に基づいて適宜決定されればよい。そして、最も上流側の前段翼列に配設される外翼のキャンバーラインの形状が、外翼の高さの方向で異なっている構成とすればよい。例えば、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど曲率が小さくなるキャンバーラインとすればよい。

さらに、前記したように、本発明は、遠心多段ポンプ１（図１参照）に限定されず、その他の遠心形ターボ機械（圧縮機など）にも広く適用可能である。

１ 遠心多段ポンプ（遠心形ターボ機械）
２ 回転軸
３ 遠心羽根車
４ ディフューザ
５ 戻り流路
５ａ Ｕターン流路（転向部）
６ 返し羽根
７ ステージ
９ ディフューザ羽根
１０ 側板
１１ 拡大通路
１４ ケーシング
６０，６２，６４ 外翼
６０ａ 凸面部（翼面）
６０ｂ 凹面部（翼面）
６１，６３，６５ 内翼
６１ａ 凸面部（翼面）
６１ｂ 凹面部（翼面）
６０１，６１１ 前縁部
６０２，６１２ 後縁部
ＣＬ 中心線
Ｌｎ１，Ｌｎ２ キャンバーライン
Ｈｒ 高さ

Claims (6)

1. 回転軸に取り付けられた複数枚の遠心羽根車と、
   前記遠心羽根車から流出した流体が前記回転軸から離れる遠心方向に流れるディフューザと、
   前記遠心羽根車に流入する前記流体が前記回転軸に向かう戻り方向に流れる戻り流路と、
   前記回転軸の中心線を中心とする径方向に広がって前記ディフューザと前記戻り流路の仕切壁をなす側板と、
   前記回転軸の軸方向を高さ方向として前記側板に立設し、前記中心線を中心とする円形翼列状に配設されて前記戻り流路に備わる複数の返し羽根と、
   前記ディフューザを流れた前記流体の流れを、前記遠心方向から前記軸方向に転向し、さらに、前記軸方向から前記戻り方向に転向する転向部と、を備え、
   前記円形翼列が多重に設けられて、前記返し羽根が、前記戻り流路における前記流体の流れの上流側から下流側に向かって複数列に配置され、
   前記返し羽根は、前記流体をガイドする翼面が、前記戻り流路における前記流体の流れを前記中心線を中心とする周方向から前記回転軸に向かう径方向に転向させる曲面であって、
   前記返し羽根のうちで最も上流側に配置される外翼を前記軸方向に垂直な平面で切断した断面のキャンバーラインが、前記側板からの前記高さ方向で異なった湾曲形状を呈することを特徴とする遠心形ターボ機械。
2. 湾曲形状が異なる前記外翼のキャンバーラインを前記側板に投影した投影線の全てが、前記外翼の下流側の後縁部の位置で交差することを特徴とする請求項１に記載の遠心形ターボ機械。
3. 前記返し羽根のうちで最も下流側に配置される内翼を前記軸方向に垂直な平面で切断した断面のキャンバーラインが、前記側板からの前記高さ方向で異なった湾曲形状を呈し、
   湾曲形状が異なる前記内翼のキャンバーラインを前記側板に投影した投影線の全てが、前記内翼の下流側の後縁部の位置で交差することを特徴とする請求項１に記載の遠心形ターボ機械。
4. 湾曲形状が異なる前記外翼のキャンバーラインを前記側板に投影した投影線の全てが、前記外翼の上流側の前縁部の位置で交差することを特徴とする請求項１に記載の遠心形ターボ機械。
5. 前記返し羽根のうちで最も下流側に配置される内翼を前記軸方向に垂直な平面で切断した断面のキャンバーラインが、前記側板からの前記高さ方向で異なった湾曲形状を呈することを特徴とする請求項４に記載の遠心形ターボ機械。
6. 前記側板の外周の、前記中心線からの距離が、前記中心線を中心とする周方向に一定でないことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の遠心形ターボ機械。

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