JP2016109082A - 羽根車およびターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】強度を向上すると共に、損失をより低減すること。【解決手段】ケーシング（吸込ベル２４）の内部に回転軸１４を介して回転可能に設けられ、回転方向となる周方向に沿って羽根３が複数配置された羽根車１において、羽根３の先端部３Ｂに沿って配置され、少なくとも負圧面側に突出すると共に、隣接する羽根３ごとに分離して設けられたフィン４と、周方向に沿って延在して配置されて隣接する羽根３の先端部３Ｂを連続して接続するように掛け渡される接続ロッド５と、を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、羽根車および当該羽根車が適用されるターボ機械に関するものである。

従来、例えば、特許文献１に斜流ポンプについて示されている。羽根の先端部にシュラウドを有していないオープン形の斜流ポンプ（ターボ機械）は、羽根車が回転することにより、吸込側から吸い込んだ液体を昇圧して、吐出側から圧送する。一方、羽根車の羽先端部にシュラウドを有しているクローズ形の斜流ポンプは、シュラウドが円筒状に形成されており、羽根車に対して同心状で、かつ各羽根の先端部を囲繞する状態で配置され、シュラウドの内周面と各羽根の先端部とが接続されている。このクローズ形の斜流ポンプは、羽根車がシュラウドと共に回転することにより、吸込側から吸い込んだ液体を昇圧して、吐出側から圧送する。

特開２０１１−２２６３７６号公報

上述した特許文献１には、オープン形の斜流ポンプと、クローズド形の斜流ポンプとについて以下のように示されている。オープン形の斜流ポンプでは、羽根の先端部からの漏れ流れに伴う損失が発生する。この漏れ流れは、羽根の腹面（液体が高圧になっている側の翼面：圧力面）から背面（液体が低圧となっている側の翼面：負圧面）に向かって、液体が羽根の先端部とケーシングとの間の隙間を通って流れることにより生ずるものである。一方、クローズド形の斜流ポンプでは、シュラウドがあるため漏れ流れは発生せずそのための損失は発生しない。しかし、クローズド形の斜流ポンプでは、シュラウドの外周面とケーシングの内周面との間の隙間を、シュラウドの後縁側から入り込んでシール部を通りシュラウドの前縁側から流れ出る、循環する漏れ流れによる損失が発生する。この場合の漏れ流れは、シュラウドの後縁側の液体が高圧で、前縁側の液体が低圧であるので、両者の圧力差により生ずるものである。さらに、クローズド形の斜流ポンプでは、シュラウドの外周面とケーシングの内周面との間で生ずる、液体の粘性摩擦による損失が発生する。このように、オープン形であってもクローズド形であっても、大きな損失が発生し、ポンプ性能の向上を阻害していた。

そこで、特許文献１には、インペラに対して同心状で、かつ各羽根の先端部を囲繞する状態で配置されており、内周面が羽根の先端部に接合されている円筒状のチップリングを備え、羽根の先端部の前縁部から後縁部に至る長さに対して、チップリングの前縁部から羽根の先端部に沿ってチップリングの後縁部に至る長さが短くなっているターボ機械が示されている。また、特許文献１には、各羽根の先端部に、羽根の先端部から隣接する羽根の先端部に向けて周方向に沿って張り出したチップ突出板を備え、チップ突出板相互は接触することなく対向しており、羽根の先端部の前縁部から後縁部に至る長さに対して、チップ突出板の前縁部から羽根の先端部に沿ってチップ突出板の後縁部に至る長さが短くなっているターボ機械が示されている。そして、特許文献１には、チップリングやチップ突出板を備えたことにより、羽根の先端部からの漏れ流れによる損失と、循環する漏れ流れによる損失と、流体の粘性摩擦による損失を総合した総合損失が低減し、ターボ機械の効率を向上させることができると示されている。

しかしながら、特許文献１のチップリングは、クローズド形のシュラウドの羽根の先端部の後縁部を短くした構成であり、流体の粘性摩擦による損失は存在する傾向にある。また、特許文献１のチップ突出板は、相互は接触することなく羽根ごとに分離しており、このため強度の低下が懸念される。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、強度を向上すると共に、損失をより低減することのできる羽根車およびターボ機械を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の羽根車は、ケーシングの内部に回転軸を介して回転可能に設けられ、回転方向となる周方向に沿って羽根が複数配置された羽根車において、前記羽根の先端部に沿って配置され、少なくとも負圧面側に突出すると共に、隣接する前記羽根ごとに分離して設けられたフィンと、周方向に沿って延在して配置されて隣接する前記羽根の先端部を連続して接続するように掛け渡される接続ロッドと、を備えることを特徴とする。

この羽根車によれば、羽根の先端部に沿って配置され、少なくとも負圧面側に突出すると共に、隣接する羽根ごとに分離して設けられたフィンにより、羽根の先端部において圧力面から負圧面への漏れ流れを抑制する。しかも、この羽根車によれば、周方向に沿って延在して配置されて隣接する羽根の先端部を連続して接続するように掛け渡される接続ロッドにより、羽根車の強度を得る。また、接続ロッドは、棒状であるため、クローズド形の羽根車のようなシュラウドと異なり、ケーシングの内周面との間での液体の粘性摩擦が発生する事態を抑制できる。この結果、この羽根車は、強度を向上すると共に、損失をより低減することができる。

また、本発明の羽根車では、前記フィンは、圧力面側にも突出して設けられ、負圧面側の突出高さが圧力面側の突出高さよりも大きいことを特徴とする。

この羽根車によれば、フィンが圧力面側にも突出して設けられていることで、羽根の先端部において圧力面から負圧面への漏れ流れを抑制する効果をより得ることができる。そして、フィンの負圧面側の突出高さが圧力面側の突出高さよりも大きいことで、負圧面側への漏れ流れをより抑制することができる。

また、本発明の羽根車では、前記フィンは、前記羽根の先端部の前縁端から後縁端の間の一部に配置されることを特徴とする。

この羽根車によれば、フィンが羽根の先端部の前縁端から後縁端の間の一部に配置されていても、羽根の先端部において圧力面から負圧面への漏れ流れを抑制する効果を得ることができ、かつ、フィンの設置量が少なくなるため、製造コストを低減することができる。

また、本発明の羽根車では、前記接続ロッドは、前記フィンの前縁端または後縁端の少なくとも一方を連続して接続するように設けられることを特徴とする。

この羽根車によれば、フィンに係る流体の負荷に対して強度を向上することができる。

上述の目的を達成するために、本発明のターボ機械は、ケーシングと、前記ケーシングの内部で回転可能に設けられた回転軸と、前記回転軸に設けられて回転方向となる周方向に沿って羽根が複数配置された羽根車と、を有するターボ機械において、前記羽根車は、上述したいずれか１つに記載の羽根車が適用されることを特徴とする。

このターボ機械によれば、羽根の先端部に沿って配置され、少なくとも負圧面側に突出すると共に、隣接する羽根ごとに分離して設けられたフィンにより、羽根の先端部において圧力面から負圧面への漏れ流れを抑制する。しかも、このターボ機械によれば、周方向に沿って延在して配置されて隣接する羽根の先端部を連続して接続するように掛け渡される接続ロッドにより、羽根車の強度を得る。また、接続ロッドは、棒状であるため、クローズド形の羽根車のようなシュラウドと異なり、ケーシングの内周面との間での液体の粘性摩擦が発生する事態を抑制できる。この結果、このターボ機械は、強度を向上すると共に、損失をより低減することができる。

本発明によれば、強度を向上すると共に、損失をより低減することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るターボ機械の一例の概略構成図である。 図２は、一般的な羽根車の斜視図である。 図３は、本発明の実施形態に係る羽根車の斜視図である。 図４は、本発明の実施形態に係る羽根車の概略断面図である。 図５は、本発明の実施形態に係る羽根車の羽根を先端側から視た図である。 図６は、本発明の実施形態に係る羽根車の他の例を示す斜視図である。 図７は、本発明の実施形態に係る羽根車の他の例を示す概略断面図である。 図８は、本発明の実施形態に係る羽根車の他の例を示す斜視図である。 図９は、本発明の実施形態に係る羽根車の他の例を示す概略断面図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本実施形態に係るターボ機械の一例の概略構成図である。本実施形態におけるターボ機械は、例えば、図１に示す立軸型の斜流ポンプ（以下、斜流ポンプという）１０である。この斜流ポンプ１０は、吸込口１１と吐出口１２が設けられるケーシング１３と、ケーシング１３内に配置される回転軸１４と、回転軸１４の下部に固定される羽根車１と、ケーシング１３内で回転軸１４を回転自在に支持する軸受１６，１７とを有している。

ケーシング１３は、円筒形状をなし、図示しない取付台に鉛直方向に沿って配置されている。ケーシング１３は、例えば、第一，第二，第三ケーシング２１，２２，２３が上方から鉛直方向に直列に連結されている。そして、下端側の第三ケーシング２３に吸込ベル２４が固定されることで、吸込口１１が形成されている。また、ケーシング１３は、上端側の第一ケーシング２１の上部が水平方向に湾曲することで、側部に向けて吐出口１２が形成されている。この第一ケーシング２１の吐出口１２に排出管２５が連結されている。そのため、ケーシング１３は、吸込口１１からほぼ鉛直方向に沿う第一流路Ａと、この第一流路Ａからほぼ水平方向に湾曲して吐出口１２に至る第二流路Ｂとを有する。

ケーシング１３は、内部に回転軸１４が配置されている。回転軸１４は、複数の軸受１６，１７により回転自在に支持されている。軸受１６は、ケーシング１３から延出された複数のステイ２６に支持された軸受箱２８に支持されている。また、軸受１７は、ケーシング１３から延出された複数のステイ２７に支持された軸受箱２９に支持されている。回転軸１４は、下端部に羽根車１が固定されている。そして、回転軸１４は、上端側の第一ケーシング２１の湾曲部分からケーシング１３の外側に延出する上端部に、駆動装置（モータおよび減速機）３０が連結されている。なお、ケーシング１３は、下端側の第三ケーシング２３の内周壁に、羽根車１の上方に位置して図示しないディフューザが固定されている。

従って、駆動装置３０を駆動すると、回転力が回転軸１４に伝達されて回転する。すると、回転軸１４の下端部に固定された羽根車１が回転軸１４と共に回転し、ケーシング１３内の圧力、つまり、第一流路Ａの圧力が上昇することで、水が吸込口１１からケーシング１３内に吸い込まれる。そして、ケーシング１３内に吸い込まれた水は、第一流路Ａを鉛直方向における上方に流れ、ディフューザにより圧力が低下された後に第二流路Ｂを水平方向に流れ、吐出口１２から排出管２５に吐出される。

図２は、一般的な羽根車の斜視図である。図３は、本実施形態に係る羽根車の斜視図である。図４は、本実施形態に係る羽根車の概略断面図である。

図２に示す一般的な羽根車１００は、回転軸１４に固定される円錐形状のハブ２の周囲に回転方向となる周方向に沿って羽根３が複数（本実施形態では６つ）設けられている。羽根３は、湾曲しつつ流体の流れ方向（図中に矢印で示す）および流れ方向に交差する径方向に延出されている。羽根３は、ハブ２から延出する部分が基端部３Ａで、ハブ２から離れる端部が先端部３Ｂとなる。また、羽根３は、その先端部３Ｂにおいて、吸込口１１側が前縁端３Ｂａとなり、吐出口１２側が後縁端３Ｂｂとなる。また、羽根３は、回転に際して流体に先に当たり高圧となる側の面が圧力面３Ｃとなり、低圧となる側の面が負圧面３Ｄとなる。この図２に示す一般的な羽根車１００は、シュラウドを有さず、オープン形の斜流ポンプ１０に適用される。

この一般的な羽根車１００に対し、本実施形態の羽根車１は、図３および図４に示すように、ハブ２、羽根３の基本構成については同様であるが、羽根３の先端部３Ｂに、フィン４と、接続ロッド５と、を有する。

フィン４は、各羽根３の先端部３Ｂに沿って前縁端３Ｂａ側から後縁端３Ｂｂ側に向かって延在して配置されている。図３および図４に示すフィン４は、羽根３の前縁端３Ｂａから後縁端３Ｂｂに至り先端部３Ｂ全体に設けられている。また、フィン４は、各羽根３の先端部３Ｂにおいて、少なくとも負圧面３Ｄ側に突出して設けられている。即ち、フィン４は、負圧面３Ｄ側にのみ突出するようにフィン４の先端部３Ｂの断面がＬ字形状に形成されているか、あるいは圧力面３Ｃ側および負圧面３Ｄ側に突出するようにフィン４の先端部３Ｂの断面がＴ字形状に形成されている。フィン４は、全ての羽根３の先端部３Ｂに設けられていることが好ましいが、例えば、羽根３が周方向に偶数個設けられている場合に、１つおきに設けられていてもよい。また、フィン４は、隣接する羽根３ごとに分離して設けられている。即ち、フィン４は、個々の羽根３ごとに独立して設けられている。このフィン４は、羽根３の先端部３Ｂに一体に設けられて回転するもので、図４に示すように、斜流ポンプ１０においてケーシング１３である吸込ベル２４の内周面に対して所定の隙間Ｃが確保されるように設けられている。

接続ロッド５は、棒状に形成されて周方向に沿って延在して配置され、周方向に隣接する羽根３の先端部３Ｂを連続して接続するように、羽根３の間に掛け渡されるものである。接続ロッド５は、羽根３自体に設けられていてもよいが、本実施形態において、全ての羽根３の先端部３Ｂにフィン４が設けられており、接続ロッド５は、各フィン４の前端４ａを連続して接続するように環状に形成されている。また、接続ロッド５は、各フィン４の後端４ｂを連続して接続するように環状に形成されている。なお、接続ロッド５は、図３および図４において、２箇所に設けられているが、少なくとも１箇所に設けられていればよい。

図５は、本実施形態に係る羽根車の羽根を先端側から視た図である。

上述したように、フィン４は、少なくとも負圧面３Ｄ側に突出して設けられている。図５に示すように、フィン４が圧力面３Ｃ側および負圧面３Ｄ側に突出して設けられている場合、フィン４は、負圧面３Ｄ側への突出高さＴ１が圧力面３Ｃ側への突出高さＴ２よりも大きく形成されている。フィン４が負圧面３Ｄ側にのみ突出して設けられている場合は、圧力面３Ｃ側への突出高さＴ２が０となる。

図６は、本実施形態に係る羽根車の他の例を示す斜視図である。図７は、本実施形態に係る羽根車の他の例を示す概略断面図である。

図６および図７に示すフィン４は、羽根３の前縁端３Ｂａから後縁端３Ｂｂに至り先端部３Ｂの一部であって前縁端３Ｂａ側に偏って設けられている。その他のフィン４の構成は図３および図４に示すものと同様である。

接続ロッド５は、棒状に形成されて周方向に沿って延在して配置され、周方向に隣接する羽根３の先端部３Ｂを連続して接続するように、羽根３の間に掛け渡されるものである。本実施形態において、全ての羽根３の先端部３Ｂにフィン４が設けられており、接続ロッド５は、各フィン４の前端４ａを連続して接続するように環状に形成されている。また、接続ロッド５は、各フィン４の後端４ｂを連続して接続するように環状に形成されている。なお、接続ロッド５は、図６および図７において、２箇所に設けられているが、少なくとも１箇所に設けられていればよい。

図８は、本実施形態に係る羽根車の他の例を示す斜視図である。図９は、本実施形態に係る羽根車の他の例を示す概略断面図である。

図８および図９に示すフィン４は、羽根３の前縁端３Ｂａから後縁端３Ｂｂに至り先端部３Ｂの一部であって後縁端３Ｂｂ側に偏って設けられている。その他のフィン４の構成は図３および図４に示すものと同様である。

接続ロッド５は、棒状に形成されて周方向に沿って延在して配置され、周方向に隣接する羽根３の先端部３Ｂを連続して接続するように、羽根３の間に掛け渡されるものである。本実施形態において、全ての羽根３の先端部３Ｂにフィン４が設けられており、接続ロッド５は、各フィン４の前端４ａを連続して接続するように環状に形成されている。また、接続ロッド５は、各フィン４の後端４ｂを連続して接続するように環状に形成されている。なお、接続ロッド５は、図８および図９において、２箇所に設けられているが、少なくとも１箇所に設けられていればよい。

なお、フィン４は、図６および図７では羽根３における先端部３Ｂの前縁端３Ｂａ側に偏って設けられ、図８および図９では羽根３における先端部３Ｂの後縁端３Ｂｂ側に偏って設けられているが、この限りではない。図には明示しないが、フィン４は、羽根３における先端部３Ｂの一部であって前縁端３Ｂａと後縁端３Ｂｂとの間に設けられていてもよい。

このように、本実施形態の羽根車１は、ケーシング１３（吸込ベル２４）の内部に回転軸１４を介して回転可能に設けられ、回転方向となる周方向に沿って羽根３が複数配置された羽根車１において、羽根３の先端部３Ｂに沿って配置され、少なくとも負圧面３Ｄ側に突出すると共に、隣接する羽根３ごとに分離して設けられたフィン４と、周方向に沿って延在して配置されて隣接する羽根３の先端部３Ｂを連続して接続するように掛け渡される接続ロッド５と、を備える。

この羽根車１によれば、羽根３の先端部３Ｂに沿って配置され、少なくとも負圧面３Ｄ側に突出すると共に、隣接する羽根３ごとに分離して設けられたフィン４により、羽根３の先端部３Ｂにおいて圧力面３Ｃから負圧面３Ｄへの漏れ流れを抑制する。しかも、この羽根車１によれば、周方向に沿って延在して配置されて隣接する羽根３の先端部３Ｂを連続して接続するように掛け渡される接続ロッド５により、羽根車１の強度を得る。また、接続ロッド５は、棒状であるため、クローズド形の羽根車のようなシュラウドと異なり、ケーシングの内周面との間での液体の粘性摩擦が発生する事態を抑制できる。この結果、この羽根車１は、強度を向上すると共に、損失をより低減することができる。

また、本実施形態の羽根車１では、フィン４は、圧力面３Ｃ側にも突出して設けられ、負圧面３Ｄ側の突出高さＴ１が圧力面３Ｃ側の突出高さＴ２よりも大きい。

この羽根車１によれば、フィン４が圧力面３Ｃ側にも突出して設けられていることで、羽根３の先端部３Ｂにおいて圧力面３Ｃから負圧面３Ｄへの漏れ流れを抑制する効果をより得ることができる。そして、フィン４の負圧面３Ｄ側の突出高さＴ１が圧力面３Ｃ側の突出高さＴ２よりも大きいことで、負圧面３Ｄ側への漏れ流れをより抑制することができる。

また、本実施形態の羽根車１では、フィン４は、羽根３の先端部３Ｂの前縁端３Ｂａから後縁端３Ｂｂの間の一部に配置されていてもよい。

この羽根車１によれば、フィン４が羽根３の先端部３Ｂの前縁端３Ｂａから後縁端３Ｂｂの間の一部に配置されていても、羽根３の先端部３Ｂにおいて圧力面３Ｃから負圧面３Ｄへの漏れ流れを抑制する効果を得ることができ、かつ、フィン４の設置量が少なくなるため、製造コストを低減することができる。なお、羽根３の先端部３Ｂにおいて圧力面３Ｃから負圧面３Ｄへの漏れ流れを抑制する効果を得るためには、フィン４が羽根３の先端部３Ｂの前縁端３Ｂａから後縁端３Ｂｂの間の全体に配置されていることが好ましい。

また、本実施形態の羽根車１では、接続ロッド５は、フィン４の前端４ａまたは後端４ｂの少なくとも一方を連続して接続するように設けられていてもよい。

この羽根車１によれば、フィン４に係る流体の負荷に対して強度を向上することができる。

また、本実施形態の斜流ポンプ１０（ターボ機械）では、ケーシング１３と、ケーシング１３の内部で回転可能に設けられた回転軸１４と、回転軸１４に設けられて回転方向となる周方向に沿って羽根３が複数配置された羽根車１と、を有する斜流ポンプ１０において、羽根車１は、フィン４および接続ロッド５を有する上述した構成の羽根車１が適用される。

この斜流ポンプ１０によれば、羽根３の先端部３Ｂに沿って配置され、少なくとも負圧面３Ｄ側に突出すると共に、隣接する羽根３ごとに分離して設けられたフィン４により、羽根３の先端部３Ｂにおいて圧力面３Ｃから負圧面３Ｄへの漏れ流れを抑制する。しかも、この斜流ポンプ１０によれば、周方向に沿って延在して配置されて隣接する羽根３の先端部３Ｂを連続して接続するように掛け渡される接続ロッド５により、羽根車１の強度を得る。また、接続ロッド５は、棒状であるため、クローズド形の羽根車のようなシュラウドと異なり、ケーシングの内周面との間での液体の粘性摩擦が発生する事態を抑制できる。この結果、この斜流ポンプ１０は、強度を向上すると共に、損失をより低減することができる。

なお、上述した実施形態では、ターボ機械として斜流ポンプ１０を一例として説明したが、ポンプ以外に、流体により羽根車１が回転し、この回転により回転軸１４が回転して動力を得るターボ機械であってもよい。この場合、図１において、ケーシング１３の吐出口１２側が流体の供給口となり、吸込口１１側が流体の排出口となり、羽根車１の回転方向が斜流ポンプ１０の場合と逆方向になり、かつ羽根車１における羽根３の圧力面３Ｃと負圧面３Ｄも逆になる。

１ 羽根車
２ ハブ
３ 羽根
３Ａ 基端部
３Ｂ 先端部
３Ｂａ 前縁端
３Ｂｂ 後縁端
３Ｃ 圧力面
３Ｄ 負圧面
４ フィン
４ａ 前端
４ｂ 後端
５ 接続ロッド
１０ 斜流ポンプ
１１ 吸込口
１２ 吐出口
１３ ケーシング
１４ 回転軸
１６，１７ 軸受
２１ 第一ケーシング
２２ 第二ケーシング
２３ 第三ケーシング
２４ 吸込ベル
２５ 排出管
２６ ステイ
２７ ステイ
２８ 軸受箱
２９ 軸受箱
３０ 駆動装置
Ａ 第一流路
Ｂ 第二流路
Ｃ 隙間
Ｔ１，Ｔ２ 突出高さ

Claims (5)

1. ケーシングの内部に回転軸を介して回転可能に設けられ、回転方向となる周方向に沿って羽根が複数配置された羽根車において、
   前記羽根の先端部に沿って配置され、少なくとも負圧面側に突出すると共に、隣接する前記羽根ごとに分離して設けられたフィンと、
   周方向に沿って延在して配置されて隣接する前記羽根の先端部を連続して接続するように掛け渡される接続ロッドと、
   を備えることを特徴とする羽根車。
2. 前記フィンは、圧力面側にも突出して設けられ、負圧面側の突出高さが圧力面側の突出高さよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の羽根車。
3. 前記フィンは、前記羽根の先端部の前縁端から後縁端の間の一部に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の羽根車。
4. 前記接続ロッドは、前記フィンの前縁端または後縁端の少なくとも一方を連続して接続するように設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の羽根車。
5. ケーシングと、前記ケーシングの内部で回転可能に設けられた回転軸と、前記回転軸に設けられて回転方向となる周方向に沿って羽根が複数配置された羽根車と、を有するターボ機械において、
   前記羽根車は、請求項１〜４のいずれか１つに記載の羽根車が適用されることを特徴とするターボ機械。

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