JP2015137606A - 回転機械用組立体、及び回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】羽根車内での逆流の発生を抑え、運転効率向上を図ることのできる回転機械用組立体、及び回転機械を提供する。【解決手段】軸線Ｏ回りに回転し、周方向に間隔をあけて配置された羽根６同士の間に、軸線Ｏ方向から流入する流体Ｗを径方向外側に向かって排出する主流路ＦＣが形成された羽根車４と、羽根車４を外周側から取り囲んで、羽根車４における主流路ＦＣへ流体Ｗを流入させる吸込流路１５及びリターン流路２３、及び、主流路ＦＣからの流体Ｗが流出する吐出流路１６及びディフューザ流路２１を形成するケーシング２と、羽根６の上流側にで、羽根６の入口における最外周端よりも径方向内側に突出するとともに、軸線Ｏの周方向に突出高さが異なるように非軸対称に設けられた凸部３０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、流体が内部を流通する回転機械用組立体、及びこれを備える回転機械に関する。

従来から、回転機械として、例えば流体のエネルギーと機械的エネルギーとを連続的に変換するポンプや圧縮機等が知られている。

このような回転機械には羽根車が設けられており、特にポンプにおいては、キャビテーションの発生を抑えて吸込み性能を向上させるため、羽根の入口で流路面積を大きくして流体の流速を小さく抑えることが一般的となっている。

しかし、このように羽根の入口で流体の流速を小さくした場合、特に部分流量運転時に、羽根車の羽根の入口、即ち羽根の前縁近傍で主流とは逆方向に流れる逆流が発生し易くなることが知られている。そしてこのような逆流の発生によって運転効率が低下してしまうといった問題が生じる。

ところで特許文献１には、ケーシングと羽根車（インペラ）のシュラウドとの間に形成された間隙を介して、羽根の出口から入口へと流通する漏れ流れが生じるポンプ装置が開示されている。このポンプ装置では、この漏れ流れが羽根の入口における主流と合流するが、この際に、漏れ流れの流出方向が主流の流通方向に一致するように転換されることで、合流による影響を低減している。
さらに、特許文献１に開示された構造では、羽根の入口部にケーシングから突出するように突起部が形成されている。このような突起部を形成することで、羽根車へと流入する主流の流通空間を狭めることが可能となり、上述した逆流の発生を抑える効果も期待できる。

実開昭６３−２６７９８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された構造では、突起部が羽根車の回転軸線の周方向に同じ形状、即ち軸対称形状となっている。ここで羽根の入口での主流の流れは、羽根車に至るまでの主流が流通する流路形状等の影響を受け、周方向に均一ではなく偏りが生じている場合がある。このような場合には、特許文献１に開示されたような軸対称形状が最適形状であるとは言えない。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、羽根車入口での逆流の発生を抑え、運転効率向上を図ることのできる回転機械用組立体、及び回転機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明の一の態様によれば、回転機械用組立体は、軸線回りに回転し、周方向に間隔をあけて配置された羽根同士の間に前記軸線方向から流入する流体を径方向外側に向かって排出する主流路が形成された羽根車と、前記羽根車を外周側から取り囲んで、前記羽根車における前記主流路へ前記流体を流入させる流入流路、及び、該羽根車における前記主流路からの前記流体が流出する流出流路を形成するケーシングと、前記羽根の上流側で、該羽根の入口における最外周端よりも径方向内側に突出するとともに、前記軸線の周方向に突出高さが異なるように非軸対称に設けられた凸部と、を備える。

このような回転機械用組立体によれば、羽根の入口で凸部が設けられていることで、羽根の入口で流入流路から羽根車の主流路へと流入する流体の流通空間を狭めることが可能となる。従って、逆流の発生を抑えることができる。さらに、凸部は非軸対称に設けられているため、周方向に流れの均一でない流体が主流路に流入した際には、この流体の流れの分布に応じて凸部の高さを異ならせることができる。即ち、逆流の発生し易い周方向位置と、発生しにくい周方向位置とで凸部の高さを異ならせることができる。

さらに、前記凸部では、前記突出高さは、前記流入流路から前記主流路に流入する前記流体の流速が小さい前記周方向の領域で高くなっていてもよい。

このように流体の流速が小さい周方向の領域で凸部の突出高さが高くなっていることで、羽根車の入口で、流速が小さいことで生じる逆流の発生を抑制することができる。

また、前記凸部では、前記突出高さは、前記流入流路から前記主流路に流入する前記流体の流速が大きい前記周方向の領域で高くなっていてもよい。

このように流体の流速が大きい周方向の領域で凸部の突出高さが高くなっていることで、この周方向の領域で流入流路から羽根車の主流路に流体を流入しにくくし、流入する流体の流入量を抑え、流速を小さくすることができる。従って、このような流速が大きい周方向の領域が、羽根車の入口で逆流が発生しない程度に十分に流速が大きくなっている領域であれば、周方向での流体の流速分布を均一化することで、流れを安定させて運転効率の向上を図ることができる。

また、前記ケーシングに設けられた前記凸部は、前記軸線の径方向内側を向く面から径方向内側に突出するとともに該軸線の方向に延びるフィンを有していてもよい。

羽根車の主流路から流入流路へと向かう逆流が生じた際には、この逆流は羽根車の回転に伴って回転方向への旋回成分を有している。ここで、凸部にフィンを設けることによって、フィンの表面に逆流を接触させ、逆流から旋回成分を取り除くことが可能になる。従って、運転の安定化を図ることができる。

さらに、前記ケーシングに設けられた前記凸部には、前記軸線の径方向内側を向く面から径方向外側に凹むとともに該軸線の方向に延びる溝部が形成されていてもよい。

羽根車の主流路から流入流路へと向かう逆流が生じた際には、この逆流は羽根車の回転に伴って回転方向への旋回成分を有している。ここで、凸部に溝部を形成することで溝部の内面に逆流を接触させ、逆流の旋回成分を取り除くことが可能になる。従って、運転の安定化を図ることができる。

また、前記凸部は、前記軸線の方向に、前記羽根に向かって突出高さが漸次高くなった後に漸次低くなってもよい。

凸部の形状が、突出高さが漸次高くなった後に漸次低くなっているため、流体を滑らかに主流路へ案内して凸部周りでの流体の剥離を抑制でき、凸部を設けることによる流体の乱れを抑えることができる。

また、本発明の他の態様によれば、回転機械は、上記の回転機械用組立体と、前記回転機械用組立体における羽根車とともに軸線回りに回転可能な回転軸と、を備えていてもよい。

このような回転機械によれば、羽根の入口で凸部が設けられた回転機械用組立体を備えることで、流入流路から羽根車の主流路へ流入する流体の流通空間を狭めることが可能となる。従って、羽根の入口で流体の流速を大きくすることができる。さらに、凸部の形状は、突出高さが漸次高くなった後に漸次低くなっているため、流体を滑らかに主流路へ案内して凸部周りでの流体の剥離を抑制でき、凸部を設けることによる流体の乱れを抑えることができる。

本発明の回転機械用組立体、及び回転機械では、羽根の上流側に設けられた凸部によって、羽根の入口での逆流の発生を抑え、運転効率向上を図ることが可能となる。

本発明の第一実施形態に係る遠心ポンプの縦断面図である。 本発明の第一実施形態に係る遠心ポンプの要部を拡大して示す断面図である。 本発明の第二実施形態に係る遠心ポンプの要部を拡大して示す断面図であって、周方向の領域毎に異なる凸部を示すものである。 本発明の第一実施形態の第一変形例に係る遠心ポンプの要部を拡大して示す断面図である。 本発明の第一実施形態の第二変形例に係る遠心ポンプの要部を拡大して示す断面図である。 本発明の第一実施形態の第三変形例に係る遠心ポンプの要部を拡大して示す断面図である。 本発明の第二実施形態に係る遠心ポンプの要部を拡大して示す断面図である。 本発明の第二実施形態の変形例に係る遠心ポンプの要部を拡大して示す断面図である。

〔第一実施形態〕
以下、本発明の第一実施形態に係る遠心ポンプ１（回転機械）について説明する。
図１に示すように、遠心ポンプ１は、例えば給水ポンプ等の多段ポンプである。この遠心ポンプ１は、筒状のケーシング２と、ケーシング２を貫通するように配された回転軸３と、回転軸３に固定されて複数段に設けられた羽根車４とを備えている。なお、この羽根車４とケーシング２とによって回転機械用組立体が構成されている。

回転軸３は、軸線Ｏを中心とした円柱状の部材であって、軸線Ｏを中心に回転可能となっている。

羽根車４は、前段側となる軸線Ｏの一方側から、後段側となる軸線Ｏの他方側に向かって回転軸３に互いに間隔をあけて外嵌され、回転軸３とともに軸線Ｏ回りに回転可能となっている。
なお、本実施形態では五段の羽根車４が設けられている。

そして、各々の羽根車４は、軸線Ｏ方向視で略円盤状をなすディスク５と、ディスク５に設けられた複数の羽根６と、これらディスク５及び羽根６を軸線Ｏ方向から覆うカバー７とを備えている。即ち羽根車４はクローズドインペラとなっている。

ディスク５は、軸線Ｏ方向の一方側（前段側）を向く面が、軸線Ｏ方向の一方側から他方側に向かうに従って漸次拡径する曲面５ｂとなっている軸線Ｏを中心とした略円盤状をなす部材である。
また、このディスク５の軸線Ｏを含む径方向内側の位置には、軸線Ｏと同軸上に該ディスク５を軸線Ｏ方向に貫く貫通孔５ａが形成され、この貫通孔５ａに回転軸３が嵌まり込んでいる。

各々の羽根６は、ディスク５における上記の曲面５ｂから軸線Ｏ方向の一方側に立ち上がるように、軸線Ｏの周方向に一定間隔をあけて複数が設けられている。

カバー７は、これら複数の羽根６を覆うように軸線Ｏ方向の一方側から羽根６に取り付けられている。そして、このカバー７と、ディスク５と、周方向に隣接する羽根６とによって囲まれた領域が、軸線Ｏ方向の一方側から流入する流体Ｗが径方向内側から外側に向かって流通する主流路ＦＣとなっている。

ケーシング２は、複数の羽根車４及び回転軸３を外周側から取り囲むように設けられている。さらに、ケーシング２には、回転軸３の軸線Ｏ方向の一方側と他方側の端部位置に、ケーシング２に対して回転軸３及び羽根車４を相対回転可能に支持する軸受１０が設けられている。

また、ケーシング２には、最前段の羽根車４の主流路ＦＣとケーシング２の外部とを連通し、この羽根車４よりも軸線Ｏ方向の一方側の位置で軸線Ｏの径方向に延びるとともに、主流路ＦＣに流体Ｗを軸線Ｏ方向に向かって導入可能な吸込流路１５（流入流路）が形成されている。

さらに、ケーシング２には、最後段の羽根車４の主流路ＦＣとケーシング２の外部とを連通し、この羽根車４よりも軸線Ｏ方向の他方側となる位置で軸線Ｏの径方向に延びるとともに、主流路ＦＣからの流体Ｗをケーシング２の外部に吐出可能な吐出流路１６（流出流路）が形成されている。

また、ケーシング２には、最後段の羽根車４を除く各羽根車４の主流路ＦＣに流体Ｗの流れの下流側で連通するとともに、軸線Ｏの径方向に延びて、主流路ＦＣからの流出する流体Ｗを流通させるディフューザ流路２１（流出流路）が形成されている。このディフューザ流路２１内には、ディフューザ流路２１を流通する流体Ｗから動圧を静圧として回復させるディフューザベーン２２が設けられている。

さらに、ケーシング２には、最前段の羽根車４を除く各羽根車４の主流路ＦＣに流体Ｗの流れの上流側で連通するとともに前段側の羽根車４に連通するディフューザ流路２１の出口に連通して軸線Ｏの径方向に延び、流通方向を１８０度転向させて主流路ＦＣへ流体Ｗを軸線Ｏ方向から流入させるリターン流路２３（流入流路）が形成されている。このリターン流路２３内には、リターン流路２３を流通する流体Ｗから旋回成分を取り除くリターンベーン２４が設けられている。

ここで、遠心ポンプ１は、ケーシング２、回転軸３、羽根車４に加え、各羽根車４における羽根６の上流側に設けられた軸線Ｏを中止とした環状をなす凸部３０をさらに備えている。
以下、凸部３０について説明する。

図２に示すように、凸部３０は、羽根６の入口となる羽根６の前縁における最外周端よりも径方向内側に突出するように、ケーシング２の吸込流路１５及びディフューザ流路２１の出口でケーシング２に一体に設けられている。

また、この凸部３０は、羽根６に向かって突出高さが漸次高くなった後に漸次低くなるように形成されている。

さらに、この凸部３０は、図３に示すように、軸線Ｏの周方向に突出高さが異なっており、非軸対称に設けられている。

具体的には、吸込流路１５及びリターン流路２３から羽根車４の主流路ＦＣに流入する流体Ｗの流速が小さい周方向の領域で、凸部３０の突出高さが高く、即ち径方向寸法が大きくなっている。

このような遠心ポンプ１によると、吸込流路１５から最前段の羽根車４の主流路ＦＣに流入した流体Ｗが、羽根車４同士の間のディフューザ流路２１及びリターン流路２３を経由して各段の羽根車４の主流路ＦＣを流通して圧送された後に、吐出流路１６から外部へ吐出される。

ここで、羽根６の入口には凸部３０が設けられているので、吸込流路１５及びリターン流路２３から主流路ＦＣへ流入する流体Ｗの流通空間を狭めることが可能となる。この結果、逆流の発生を抑えることができる。

さらに、凸部３０は突出高さが漸次高くなった後に漸次低くなるように形成されている。即ち、流体Ｗを主流路ＦＣへ向かって滑らかに案内でき、凸部３０周りで流体Ｗの流れの剥離を抑制できる。従って、凸部３０を設けたとしても流体Ｗの乱れを抑えることができる。

ところで、回転軸３が水平方向に一致するように遠心ポンプ１が設置された場合には、羽根車４の主流路ＦＣのうちで上部に位置する主流路ＦＣへの流体Ｗの流入量が小さくなる。その一方で、主流路ＦＣのうちで下部に位置する主流路ＦＣへの流体Ｗの流入量が大きくなる。即ち、上部で流速が遅くなり下部で流速が速くなって、軸線Ｏの周方向に流体Ｗの流速が不均一となる場合がある。

このような場合であっても、本実施形態のように凸部３０を非軸対称に設けるとともに、例えば凸部３０の突出高さが高い領域を羽根車４の上部に配し、突出高さが低い領域を羽根車４の下部に配する。これにより、凸部３０の突出高さが高い羽根車４の上部の領域で、逆流の発生を抑えることができる。

本実施形態の遠心ポンプ１によると、羽根６の上流側に設けられた凸部３０によって、特に羽根車４上部の領域で、主流路ＦＣ内の上流側となる羽根６の入口での逆流の発生を抑え、運転効率向上を図ることが可能となる。

ここで、上述した場合とは逆に、凸部３０は、吸込流路１５及びリターン流路２３から羽根車４の主流路ＦＣに流入する流体Ｗの流速が大きい周方向の領域で、凸部３０の突出高さが高く、即ち径方向寸法が大きくなっていてもよい。

このように流体Ｗの流速が大きい周方向の領域で凸部３０の突出高さが高くなっていることで、この周方向の領域で吸込流路１５及びリターン流路２３から羽根車４の主流路ＦＣに流体Ｗを流入しにくくし、流入する流体Ｗの流入量を抑え、流速を小さくすることができる。従って、このような流体Ｗの流速が大きい周方向の領域が、羽根車４の入口で逆流が発生しない程度に十分に流速が大きくなっている領域であれば、周方向での流体Ｗの流速分布を均一化することで、羽根車４内を流通する流体Ｗの流れを安定させて運転効率の向上を図ることができる。

ここで、図４に示すように、凸部３０Ａは、ケーシング２とは別体で設けられていてもよい。具体的には、遠心ポンプ１は、軸線Ｏを中心とした環状をなすとともに羽根６の入口でケーシング２の径方向内側を向く面に嵌め込まれたウェアリング３２をさらに備えている。そしてこのウェアリング３２に凸部３０Ａが形成されている。

さらに、図５に示すように、羽根６の入口には凸部３０Ｂが設けられていてもよい。この凸部３０Ｂは、凸部３０と同様の形状をなしているが、ケーシング２に一体で設けられているとともに羽根車４のカバー７の径方向内側を向く面を覆うように羽根車４内まで延設されている。

ここで、カバー７の径方向外側を向く面とケーシング２との間には間隙が形成されており、この間隙を主流路ＦＣの下流側から上流側へ向かう漏れ流れＷ１が流通する。そして凸部３０Ｂが羽根車４のカバー７を径方向内側から覆うように形成されていることで、漏れ流れＷ１は軸線Ｏ方向に向かって主流路ＦＣへ流入することになる。よって、吸込流路１５及びリターン流路２３からの流体Ｗの流通方向と、漏れ流れＷ１の主流路ＦＣへの流出方向とを一致させることができ、流体Ｗと漏れ流れＷ１とが合流する際の損失を低減することができる。

また、図６に示すように、凸部３０Ｃは、ケーシング２とは別体で設けられていてもよい。具体的には、遠心ポンプ１は、軸線Ｏを中心とした環状をなすとともに羽根６の入口でケーシング２の径方向内側を向く面に嵌め込まれたウェアリング３３をさらに備えている。そしてこのウェアリング３３に凸部３０Ｂと同様の凸部３０Ｃが形成されている。なお、ウェアリング３３は羽根車４のカバー７を径方向内外から挟み込むように設けられている。従って、吸込流路１５及びリターン流路２３からの流体Ｗの流通方向と、漏れ流れＷ１の流出方向とを一致させることができ、流体Ｗと漏れ流れＷ１とが合流する際の損失を低減することができる。

なお、図２（図３）、図５では軸線Ｏ方向から主流路ＦＣへ流体Ｗが流入するようにケーシング２が形成されたエンドサクションタイプの遠心ポンプを示している。また図４、図６では、軸線Ｏ方向の径方向外側から主流路ＦＣへ流体Ｗが流入するようにケーシング２が形成された横吸込みタイプの遠心ポンプを示している。

〔第二実施形態〕
以下、本発明の第二実施形態に係る遠心ポンプ６１（回転機械）について説明する。
なお、第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
図７に示すように、本実施形態の遠心ポンプ６１では、凸部７０が第一実施形態の凸部３０（３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ）と異なっている。

凸部７０は、ケーシング２に一体（又は別体）に設けられ、凸部３０と略同一形状の凸部本体７２と、凸部本体７２における軸線Ｏの径方向内側を向く面から径方向外側に突出するとともに、軸線Ｏの方向に延びる複数のフィン７１を有している。
このフィン７１は、一つのみが設けられていてもよいし、複数が互いに周方向に離間して設けられていてもよい。複数の場合はそれらの形状や設置間隔が周方向に異なっていてもよい。このようなフィン７１は凸部７０が軸対称形状の場合に設置してもよい。

本実施形態の遠心ポンプ６１によれば、羽根車４の主流路ＦＣから吸込流路１５及びリターン流路２３に向かう逆流が生じた際には、この逆流は羽根車４の回転に伴って回転方向への旋回成分を有している。

本実施形態では、凸部７０にフィン７１を設けることによってフィン７１の表面となる周方向を向く面にこの逆流を接触させることで、逆流が有する旋回成分を取り除くことが可能になる。従って、逆流が旋回成分を有したまま、主流路ＦＣへ向かう流体Ｗに合流してしまうことを抑制でき、運転の安定化を図ることができる。

ここで、図８に示すように、凸部７０に代えて凸部８０を採用してもよい。具体的には、凸部８０は凸部３０と略同一形状をなしているとともに、この凸部８０には、軸線Ｏの径方向内側を向く面から径方向外側に凹むとともに軸線Ｏの方向に延びる溝部８１が形成されている。
この溝部８１は、一箇所のみ形成されていてもよいし、複数箇所に互いに周方向に離間して形成されていてもよい。複数の場合はそれらの形状や設置間隔が周方向に異なっていてもよい。このような溝部８１は凸部８０が軸対称形状の場合に形成してもよい。

このような凸部８０によっても、溝部８１の内面である周方向を向く面に逆流を接触させることで旋回成分を取り除くことが可能となり、フィン７１と同様に運転の安定化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、羽根車４はカバー７を有さないオープンインペラであってもよい。

また、上述の実施形態では、遠心ポンプ１、６１について説明を行ったが、上述した実施形態の構成を、遠心圧縮機等の他の回転機械に適用してもよい。

上記の回転機械用組立体、及び回転機械によれば、羽根車内での逆流の発生を抑え、運転効率向上を図ることが可能である。

１、６１…遠心ポンプ（回転機械） ２…ケーシング ３…回転軸 ４…羽根車 ５…ディスク ５ａ…貫通孔 ５ｂ…曲面 ６…羽根 ７…カバー １０…軸受 １５…吸込流路（流入流路） １６…吐出流路（流出流路） ２１…ディフューザ流路（流出流路） ２２…ディフューザベーン ２３…リターン流路（流入流路） ２４…リターンベーン ３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、７０、８０…凸部 ７２…凸部本体 ３２…ウェアリング ３３…ウェアリング ７１…フィン ８１…溝部 Ｏ…軸線 Ｗ…流体 ＦＣ…主流路 Ｗ１…漏れ流れ

Claims (7)

1. 軸線回りに回転し、周方向に間隔をあけて配置された羽根同士の間に前記軸線方向から流入する流体を径方向外側に向かって排出する主流路が形成された羽根車と、
   前記羽根車を外周側から取り囲んで、前記羽根車における前記主流路へ前記流体を流入させる流入流路、及び、該羽根車における前記主流路からの前記流体が流出する流出流路を形成するケーシングと、
   前記羽根の上流側で、該羽根の入口における最外周端よりも径方向内側に突出するとともに、前記軸線の周方向に突出高さが異なるように非軸対称に設けられた凸部と、
   を備える回転機械用組立体。
2. 前記凸部では、前記突出高さは、前記流入流路から前記主流路に流入する前記流体の流速が小さい前記周方向の領域で高くなっている請求項１に記載の回転機械用組立体。
3. 前記凸部では、前記突出高さは、前記流入流路から前記主流路に流入する前記流体の流速が大きい前記周方向の領域で高くなっている請求項１に記載の回転機械用組立体。
4. 前記凸部は、前記軸線の径方向内側を向く面から径方向内側に突出するとともに該軸線の方向に延びるフィンを有する請求項１から３のいずれか一項に記載の回転機械用組立体。
5. 前記凸部には、前記軸線の径方向内側を向く面から径方向外側に凹むとともに該軸線の方向に延びる溝部が形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の回転機械用組立体。
6. 前記凸部は、前記軸線の方向に、前記羽根に向かって突出高さが漸次高くなった後に漸次低くなる請求項１から５のいずれか一項に記載の回転機械用組立体。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の回転機械用組立体と、
   前記回転機械用組立体における羽根車とともに軸線回りに回転可能な回転軸と、
   を備える、
   回転機械。

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