JP2016050486A - 流体機械、及び流体機械の羽根車 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心式流体機械が有する遠心式羽根車において、翼間で生じる二次流れによる損失を低減しつつ、翼端で生じる漏れ流れによる損失を同時に低減することで、遠心式流体機械の性能を向上させる。
【解決手段】心板１１と、前記心板の外周面にそって放射状に配置される複数の翼１２を備えた羽根車とを備える流体機械において、前記翼１２の後縁部分の形状曲線は、前記翼１２と前記心板１１とが接続する翼根部１３に対して前記心板１１の回転方向の後方側に位置する少なくとも１点の極大値と、前記極大値より前記翼１２の翼端部１４側に位置する少なくとも１点の変曲点とを有し、前記翼端部１４は前記翼根部１３に対して前記回転方向の前方側に位置することを特徴とした前記羽根車を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、オープン型の羽根車を有する流体機械、及び前記流体機械の羽根車に関する。

回転する遠心式羽根車を有する遠心式流体機械は、従来から様々なプラントや空調機器、液体圧送ポンプ、ターボチャージャー等において利用されている。近年の環境負荷低減要求の高まりを受けて、これら遠心式流体機械には、従来以上の高効率化と、高作動範囲化が求められている。

遠心式流体機械の高効率化の実現には、遠心式羽根車が非常に重要な役割を果たす。遠心式羽根車の高効率化に関しては、羽根車の内部を流体が流れる際に壁面上で発生する摩擦損失や、羽根車の入口から出口に向かう際に内部流体の相対速度が減少し、壁面付近の流れの境界層厚みが増すことで生じる減速損失、壁面付近の低流速・低エネルギ流体が、羽根車内部の主流方向と直交する断面内の静圧勾配により駆動されることで生じる、二次流れ損失、そして、羽根車とケーシングの隙間からの漏れによる漏れ損失などを低減する必要がある。

これらの損失の内、二次流れ損失を低減するために、これまでに様々な手法が提案されている。例えば、下記特許文献１では、側板を有さないオープン型の遠心式羽根車を対象とし、羽根車出口付近での翼断面形状について、翼圧力面を心板に対して翼根側から翼端側にかけて鋭角、鈍角、鋭角となる様にＳ字型に湾曲させることにより、翼の負圧面側の翼端部に滞留する低エネルギ流体を低減し、高効率化を狙っている。

また、下記特許文献２では、側板を有するクローズド型の遠心式羽根車を対象とし、羽根車出口の翼断面形状について、翼面形状が回転方向に凸で、かつ、翼端部を翼根部よりも回転方向に対し後退させることにより、側板側の翼間流路コーナー部への低エネルギ流体の蓄積を促進する二次流れを抑制することを狙っている。

また、側板を有さないオープン型遠心羽根車で問題となる、羽根車とケーシングの隙間からの漏れによる漏れ損失を低減するために、様々な手法が提案されている。例えば、下記特許文献３では、羽根車出口側の翼端部厚さを羽根車入口側の翼端部厚さに対して厚くすることにより、漏れ流れを低減できるとしている。

特開２０１３−１９９８７０号公報 特開２０１２−２１９７７９号公報

上記特許文献１では、側板を有さないオープン型の遠心式羽根車において、羽根車の翼後縁形状をＳ字型に湾曲させることにより、効率改善を図っている。しかし、翼の圧力面が流体に対して与える翼力の方向が翼端側を向く領域は、翼力の方向が翼根側を向く領域に対して１/３程度のため、翼負圧面側の翼端部付近で生じる二次流れを抑制する効果は限定的と考えられる。

また、上記特許文献２では、二次流れの抑制による効率向上は期待できる。しかし、上記特許文献２で示されている発明は、翼端部に側板を有するクローズド型の遠心式羽根車が対象である。そのため、翼端部に側板を有さないオープン型の遠心式羽根車では、翼端部で生じる漏れ流れと、翼圧力面から翼負圧面の翼端部へ向かう二次流れとが干渉するため効率向上の効果は小さくなると考えられる。

本発明は上記従来技術の状況に鑑みなされたものであり、その目的はオープン型の遠心式羽根車を有する遠心式流体機械において、製品性能を向上させることにある。

より具体的には、羽根車内部の二次流れ損失を低減しつつ、翼端部での漏れ流れの影響による漏れ損失の低減を同時に実現することを可能とする遠心式羽根車を有した、遠心式流体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の本発明では、心板と、前記心板の外周面にそって放射状に配置される複数の翼を備えた羽根車とを備える流体機械において、 前記翼の後縁部分の形状曲線は、前記翼と前記心板とが接続する翼根部に対して前記心板の回転方向の後方側に位置する少なくとも１点の極大値と、前記極大値より前記翼の翼端部側に位置する少なくとも１点の変曲点とを有し、前記翼端部は前記翼根部に対して前記回転方向の前方側に位置することを特徴とした前記羽根車を備える。

本発明により、羽根車内部の二次流れ損失の低減と、翼端での漏れ流れによる漏れ損失の低減を同時に実現することを可能とし、更に、十分な強度を兼ね備えた遠心式羽根車を有する遠心式流体機械を提供可能となる。

本発明に係る遠心式流体機械を説明するための縦断面図である。 本発明実施例に係る遠心式流体機械の、羽根車後縁形状図である。 従来の遠心式流体機械の、羽根車後縁形状である。 本発明実施例に係る遠心式流体機械の、羽根車斜視図である。 本発明実施例及び従来の遠心式流体機械の羽根車後縁付近における全圧損失係数分布の比較図である。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。尚、以下の説明において遠心式流体機械とは、例えば、遠心送風機又は遠心圧縮機を意味するものである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

遠心式流体機械の例を、図1を用いて以下に述べる。図１は、単段の遠心式流体機械の、羽根車回転軸を通る平面における縦断面図である。ここでは、遠心式流体機械の一例として、羽根車段が単段（１段）のものを取り上げたが、本発明は単段、多段の遠心式流体機械全てに適用できるものであり、特に単段のものに限るものではない。

本実施例において、実施例の単段の遠心式流体機械は、主として、回転することで流体にエネルギを付与するための遠心式羽根車１と、この遠心式羽根車１を回転させるための回転軸２と、遠心式羽根車１の空気導入部分上流に設けられた吸込口配管３と、吸込口配管３の下流に設けられた、遠心式羽根車１への流入流れに任意の旋回速度を付与するための円形翼列であるインレットガイドベーン４と、遠心式羽根車１の半径方向外側にあって遠心式羽根車１の出口から流入する流体の動圧を静圧へと変換するディフューザ５及び、ディフューザ５の下流に設けられたスクロール６により構成される。

図２において，従来の遠心式羽根車例を用いて羽根車の構成を説明する。

図２より、オープン型の遠心式羽根車１は、回転軸２と締結される心板１１と、心板１１上に複数枚並ぶ翼１２から構成されている。この場合、心板１１は回転軸２に固定され、表面が回転軸方向から半径方向へと湾曲した形状をもち、翼１２がこの軸方向に湾曲した外周面に周方向に所定間隔をもって翼根部１３で固定されている。図２に示す様に、心板１１の外周面に放射状をなして複数の翼１２が固定されて構成されている。そして、翼１２のそれぞれは、同形状をもち、矢印で表わす回転方向Rに対して、前方側が圧力面１２１、後方側が負圧面１２２となっている。図２に示した羽根車の様に，従来の遠心式羽根車では，心板１１の外周面に沿って配置された翼１２の後縁形状が、直線形状を有している。

ディフューザ５については、周方向に並ぶ複数枚の翼が存在するベーン付きディフューザ、及び翼のないベーンレスディフューザなどがある。

図1に示すように羽根車１とディフューザ５は、ケーシング２１によりおおわれることで流路を形成している。オープン型の遠心式羽根車では、構造上、ケーシング２１の内側壁面と、翼１２の翼端部１４との間に間隙を有する。ケーシング２１は中空形状をなし、中央部に回転軸２が図示しない軸受により支持され、この回転軸２の端部に図示しない駆動装置が連結されている。

ケーシング２１は、羽根車１に対して流体が、この羽根車１の軸方向にそって吸入される吸入通路２２が形成されており、流体をこの吸入流路２２を介して羽根車前縁面１５に取り込む。ケーシング２１は、羽根車１の外周側に、この羽根車１で圧縮された流体を、この羽根車の軸方向に交差する径方向にそって排出するための排出通路２３を形成している。

したがって、図示しない駆動装置により回転軸２が回転すると、遠心式羽根車１が回転し、流体が吸入口配管３を通してケーシング２１内に吸い込まれる。吸い込まれた流体は、インレットガイドベーン４と回転する遠心式羽根車１を通過する過程で昇圧された後、ディフューザ５、スクロール６を経る際に圧縮流体の動圧が静圧に変換され、吐出口から外部へと吐出される。

本発明の遠心式流体機械の有する遠心式羽根車１は、図３に示す様に、心板１１の外周面に沿って配置された翼１２の後縁形状が、羽根車の回転方向を横軸として回転方向を正方向に、羽根のスパン方向を縦軸として、翼と心板が接続された翼根部から翼端部への方向を正方向としてみなしたときに、曲線的な形状を有し、その曲線形状は、少なくとも１点の極大値を取る点と、少なくとも1点の変曲点を持つことを特徴としている。

また、この曲線形状が有する極大値を取る点は、スパン方向中心断面に対して翼根側に位置する形状となっている。

また、変曲点は、極大値を取る点に対して翼端側に位置する。

本構成のうち、まず羽根車翼後縁形状を心板側で極大値を取る様に回転方向に前進させた後、回転方向とは逆方向に形成することで、流体に作用する翼力の方向が変化することにより、翼間流路内の静圧分布が変化し、従来の翼形状では翼の負圧面の翼端側に低エネルギ流体を集積するように形成される二次流れが抑制され、二次流れ損失を低減することが可能となる。

次に、図４に示すように，羽根車後縁形状のうち、極大値を取る点より翼端側で変曲点を設け、翼端部で曲線の接線が回転方向に向かって増加する勾配２０１を有する様に後縁形状を形成することで、翼端部とケーシング間で生じる漏れ流れと、前述した二次流れとの干渉に伴う損失を抑制することができる。なお、増加する勾配２０１だけでなく、スパン方向と平行となる場合２０２，減少する場合２０３も構成として含まれ、上記変曲点を持つことで、その程度は異なるが当該二次流れを抑制できる。

また，極大値をとる点が複数存在する曲線を後縁が有する場合も考えられる。この場合，最も翼端部側に位置する極大値よりも更に翼端部側に変曲点を有することで，二次流れを抑制できる。

図５は、従来の遠心式流体機械と、本発明による遠心式流体機械の数値解析による流れ場の比較を示す。

図５（ａ）は、翼後縁形状が直線的で、かつ翼端部が翼根部に対して回転方向後方側に位置する、従来の遠心式流体機械に採用されてきた羽根車形状における、翼後縁部近傍の全圧損失係数分布を示す。また、図５（ｂ）は、翼後縁形状が極大値を取る点より翼端側で変曲点を設け、翼端部で翼後縁形状を示す曲線の接線が回転方向に向かって増加する勾配２０１を有する後縁形状で、かつ翼端部が翼根部に対して回転方向前方側に位置する、本発明における遠心式流体機械に適用した、羽根車後縁部近傍の全圧損失係数分布を示す。図より、従来の遠心式流体機械に採用されてきた羽根車に比べ、本発明の形状の方が、損失の大きい領域が低減していることがわかる。これは、翼間で生じる二次流れの抑制と、翼端漏れ流れの主流との干渉による渦崩壊抑制の効果による、損失低減によるものである。

以上により、本実施例では、羽根車内部の二次流れ損失の低減と、翼端部とケーシング間で生じる翼端漏れ流れの低減を同時に実現可能な遠心式流体機械を提供できる。

本発明は、遠心式流体機械に関する発明であるが、原理が近い斜流式の流体機械にも適用可能な技術である。

１ 遠心式羽根車
２ 回転軸
３ 吸込口配管
４ インレットガイドベーン
５ ディフューザ
６ スクロール
１１ 心板
１２ 翼
１３ 翼根部
１４ 翼端部
１５ 羽根車前縁面
１６ 羽根車後縁面
２１ ケーシング
２２ 吸込流路
２３ 排出流路
１２１ 圧力面
１２２ 負圧面

Claims (7)

1. 心板と、前記心板の外周面にそって放射状に配置される複数の翼を備えた羽根車とを備える流体機械において、
   前記翼の後縁部分の形状曲線は、前記翼と前記心板とが接続する翼根部に対して前記心板の回転方向の後方側に位置する少なくとも１点の極大値と、前記極大値より前記翼の翼端部側に位置する少なくとも１点の変曲点とを有し、
   前記翼端部は前記翼根部に対して前記回転方向の前方側に位置することを特徴とした前記羽根車を備える流体機械。
2. 請求項１に記載の流体機械において、
   前記翼端部の点における接線が、前記回転方向に向かって増加する勾配となること
   を特徴とした前記羽根車を備える流体機械。
3. 請求項１又は２に記載の流体機械において、
   前記極大値となる点は、前記翼のスパン方向の中心部よりも前記翼根部側に位置することを特徴とする流体機械。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の流体機械において、
   前記極大値となる点が複数ある場合、最も前記翼端部側に位置する極大値よりも翼端側に位置する前記変曲点を少なくとも１点有することを特徴とする流体機械。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の流体機械において、
   前記流体機械には、遠心式流体機械又は斜流式流体機械を含むことを特徴とする流体機械。
6. 心板の外周面にそって放射状に配置される複数の翼を備えた流体機械の羽根車において、
   前記翼の後縁部分の形状曲線は、前記翼と前記心板とが接続する翼根部に対して前記心板の回転方向の後方側に位置する少なくとも１点の極大値と、前記極大値より前記翼の翼端部側に位置する少なくとも１点の変曲点とを有し、
   前記翼端部は前記翼根部に対して前記回転方向の前方側に位置すること
   を特徴とする流体機械の羽根車。
7. 請求項６に記載の流体機械の羽根車において、
   前記翼端部の点における接線が、前記回転方向に向かって増加する勾配となること
   を特徴とする流体機械の羽根車。