JP2017008840A - ターボ機械の羽根車 - Google Patents

Abstract

【課題】運転時における流れの損失をより効果的に防止する羽根車を提供する。【解決手段】側板付羽根車は、主板３と、側板１と、主板３と側板１とを接続する複数の羽根２と、を備え、羽根２の圧力面２ｃ側と負圧面２ｄ側とを接続する隙間２０が形成され、隙間２０は、負圧面２ｄ側の開口が圧力面２ｃ側の開口より狭くなっている。このように負圧面２ｄ側の開口を圧力面２ｃ側の開口より小さくすることにより、隙間２０から漏れる流体の勢いを増し、側板１と羽根負圧面２ｄのコーナー部に集積していた高損失流体８を吹き飛ばすことが出来る。【選択図】図２

Description

本発明は、遠心型又は斜流型等のポンプ及び送風機を含むターボ型流体機械（以下、「ターボ機械」という）に関し、特に側板（シュラウド）付羽根車の流路内の流れ損失を低減するための装置に関する。

従来、ターボ機械の側板付羽根車は、図９（ａ）及び図９（ａ）のIX−IX線断面図で
ある図９（ｂ）に示すように、側板１が羽根２を介して主板３に一体に取り付けられて羽根車を構成しており、この羽根車は、図示しないケーシング内に収納され、主板に取り付けられた主軸によって、矢印の方向に回転するようになっている。

運転時、流体は羽根車入口２ａより、矢印５の方向に吸い込まれ、隣接した羽根２と側板１及び主板３とによって形成された羽根車流路内を通過する間にエネルギーを与えられて、羽根車出口２ｂより図示しないケーシング（ボリュート室或いはガイドケーシング）に吐出される。

上記羽根車内では、側板１の内面に沿って境界層が生じ、また、入口２ａより出口２ｂに向かって流れる矢印方向の主流のほか、主流に直交する断面内で渦流状態となって流れる二次流れが生じる。

この結果、羽根車裏面（負圧面）２ｄ、或いは当該羽根車裏面２ｄと側板１との間のコーナー部に、損失の多い流体が集積する領域８が形成される。このような羽根裏面２ｄ或いは裏面２ｄと側板１との間のコーナー領域では、流れの減速が元来大きく、このため、従来の側板付歯車では、上記した境界層の発達と相俟って、当該領域で大きな流れの剥離と、これに起因する損失急増を招き易いという難点があった。

特許文献１は、上記した羽根車流路内の流れ損失を減少させるようにした側板付羽根車を開示している。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、特許文献１に記載された側板付羽根車は、羽根端部と側板１又は主板３との接続部の一部に、羽根表面（圧力面）２ｃから羽根裏面（負圧面）２ｄに貫通する隙間２０を有する。これにより、ターボ機械の運転時、側板付羽根車が回転すると、図１０（ｃ）に示すように、当該羽根車の流路内を流れる流体の一部が、羽根端部と側板１又は主板３との接続部の一部に設けられた隙間２０を通って、羽根表面（圧力面）２ｃから羽根裏面（負圧面）２ｄに向かって漏れ、この漏れた流体によってコーナー部に形成された高損失領域が、羽根裏面２ｄから離れた所に運ばれる。その結果、特許文献１に記載された羽根車では、大きな剥離が防止され、運転時における流れの損失を防止する。

特開平１−２８５７００

本発明は、運転時における流れの損失をより効果的に防止する羽根車を提供することを目的とする。

本発明は、主板と、側板と、主板と側板とを接続する複数の羽根と、を備え、前記羽根の圧力面側と負圧面側とを接続する隙間が形成され、前記隙間は、前記負圧面側の開口が前記圧力面側の開口より狭くなっている。このように負圧面側の開口を圧力面側の開口より小さくすることにより、隙間から漏れる流体の勢いを増し、側板と羽根負圧面のコーナー部に集積していた高損失流体を吹き飛ばすことが出来る。

本発明において、前記隙間は、前記圧力面側から前記負圧面に向かって徐々に狭くなっていてもよい。このように隙間を徐々に狭くすることにより、効率的に、隙間から漏れる流体の勢いを大きくすることができる。

本発明において、前記隙間は、前記羽根車の流体の入口部の半径をｒ１、前記羽根車の最外周の半径をｒ２としたときに、（ｒ１＋ｒ２）／２より外側に配置されてもよい。羽根に隙間を形成するとその分だけ羽根が流体を押す力が損なわれるので、むやみに隙間を形成することは望ましくない。本発明では、高損失領域の問題が生じやすい外側の部分に隙間を形成するので、できるだけ少ない隙間により、高損失領域の問題を解決できる。

本発明において、前記隙間は円筒の穴形状であり、１枚の羽根に対して前記複数の隙間が形成されていてもよく、また、前記隙間は長方形の形状であってもよい。また、前記隙間は、前記羽根、前記側板または前記主板に形成されていてもよい。このように、隙間の形状や個数は、また、隙間を形成する場所は、要求仕様等に応じて適宜定めることが好ましい。

本発明において、前記隙間部は、前記負圧面側の開口の大きさが前記圧力面側の開口の大きさの２／３以下であってもよい。負圧面側の開口の大きさと圧力面側の開口の大きさを上記の関係にすることにより、隙間から漏れる流体の勢いを増大させることができる。

本発明は、負圧面側の開口を圧力面側の開口より小さくした隙間を形成することにより、隙間から漏れる流体の勢いを増し、側板と羽根負圧面のコーナー部に集積していた高損失流体を吹き飛ばすことが出来るという効果を有する。

第１の実施の形態の側板付羽根車の側板を省略して示した上面図である。 第１の実施の形態の側板付羽根車を示す断面図である。 第２の実施の形態の側板付羽根車を示す断面図である。 第３の実施の形態の側板付羽根車を示す断面図である。 第４の実施の形態の側板付羽根車を示す断面図である。 第４の実施の形態の側板付羽根車の変形例を示す断面図である。 実施の形態に係るディフューザの構成を示す断面図である。 実施の形態に係るディフューザの構成を示す断面図である。 従来の側板付羽根車の構成を示す断面図である。 従来の別の側板付羽根車の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係るターボ機械の側板付羽根車について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の側板付羽根車の側板を省略して示した上面図である。側板付羽根車は、主板３の上に周方向に配設された複数の羽根２を備えている。この羽根２の上に、図示しない側板が接続されている。これらの複数の羽根２の間に複数の渦巻状流路が形成されている。複数の渦巻状流路は、羽根の内周側に開口された入口部２ａおよび外周部に開放された出口部２ｂを有している。

図２（ａ）は、図１に示す側板付羽根車の側断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のII−
II線断面図である。図２（ａ）に示すように、羽根車は、側板１が羽根２を介して主板
３に一体に取り付けられて構成されている。運転時、羽根車は、主板３に取り付けられた主軸によって、矢印４の方向に回転され、流体を羽根車の入口２ａから矢印５の方向に吸い込む。流体は、隣接した羽根２と側板１及び主板３によって形成された羽根車流路内を通過する間にエネルギーを与えて、羽根車出口２ｂより図示しないケーシング（ボリュート或いはガイドケーシング）に吐出するようになっている。

羽根２には、前後の渦巻状流路を接続する隙間２０が形成されている。隙間２０は、羽根車の径方向に沿って延びる長方形の形状を有している。図１に示すように、隙間２０が形成された位置は、具体的には、入口部２ａの開口の半径をｒ１、出口部２ｂのある最外周の半径をｒ２としたときに、（ｒ１＋ｒ２）／２よりも外側の位置である。

図２（ｂ）に示すように隙間２０は、羽根２の圧力面２ｃ側と負圧面２ｄ側とを貫通しており、圧力面２ｃ側の開口の方が、負圧面２ｄ側の開口よりも大きい。開口は、圧力面側から負圧面側に向かうに従って徐々に狭くなっており、負圧面側の開口の大きさは、圧力面側の開口の大きさの２／３である。

この構成により、ターボ機械の運転時、側板付羽根車が回転すると、当該羽根車流路を流れる流体の一部が、側板１と接続する羽根２に形成された隙間２０を通って、図２（ｂ）に示すように、圧力面２ｃ側から負圧面２ｄ側に向かう漏れ流れ２１が生じる。

一方、羽根車流路内では、主板３側と側板１側において、それぞれ羽根表面２ｃから羽根裏面２ｄに向かう二次流れに相当する流路渦６，７が生じている。上記流路渦６，７のうち、側板１側の流路渦７が前述の漏れ流れ２１によって弱められ、２つの流路渦６，７によって羽根裏面２ｄ或いは羽根裏面２ｄと側板１との間のコーナー部に形成される流体の高損失領域８は、上記漏れ流れ２１と流路渦７の変化とによって、コーナー部から離れたところに運ばれると同時に、漏れ流れ２１によってエネルギーが供給される。この結果、本実施の形態の側板付羽根車では大きな剥離が防止され、羽根車の部分流量運転時の流れの損失が低減される。

また、本実施の形態では、隙間２０は、圧力面２ｃ側から負圧面２ｄ側に向かうに従って、その開口が狭くなっているため、漏れ流れ２１の勢いが増し、高損失領域８をコーナーから離れたところに運ぶ力が強い。したがって、羽根車の部分流量運転時の流れの損失をいっそう低減できる。

また、本実施の形態では、羽根２に隙間２０を形成する位置は、入口部２ａの開口の半径をｒ１、出口部２ｂのある最外周の半径をｒ２としたときに、（ｒ１＋ｒ２）／２よりも外側の位置である。このように、出口部２ｂに近くなるにしたがって流体の速度が増し、コーナー部に高損失領域８が生じやすくなる。高損失領域８が生じやすい外側の位置において、漏れ流れ２１を生じさせることにより、効率良く高損失領域８を吹き飛ばして、羽根車の運転効率を高めることができる。

（第２の実施の形態）
図３（ａ）は、第２の実施の形態の側板付羽根車の側断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のIII−III線断面図である。第２の実施の形態の側板付羽根車の基本的な構成は、第１
の実施の形態の側板付羽根車と同じであるが、第２の実施の形態の側板付羽根車は隙間２０の形状が第１の実施の形態とは異なる。

第２の実施の形態では、１つの羽根２に対して複数の隙間２０が形成されており、その形状は、円筒の穴形状である。図３（ａ）では、３つの隙間２０を示しているが、隙間２０の数は、３つに限られない。

第２の実施の形態の側板付羽根車も第１の実施の形態と同様に、ターボ機械の運転時、側板付羽根車が回転すると、当該羽根車流路を流れる流体の一部が、側板１と接続する羽根２に形成された隙間２０を通って、図３（ｂ）に示すように、圧力面２ｃ側から負圧面２ｄ側に向かう漏れ流れ２１が生じ、コーナー部に形成された高損失領域８をコーナー部から離れたところに運ぶことができる。また、各隙間２０は圧力面２ｃから負圧面２ｄに向かうに従って開口が狭くなっているため、漏れ流れ２１の勢いを増すことができ、羽根車の部分流量運転時の流れの損失をいっそう低減できる。

（第３の実施の形態）
図４（ａ）は、第３の実施の形態の側板付羽根車の側断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のIV−IV線断面図である。第３の実施の形態の側板付羽根車の基本的な構成は、第１
の実施の形態の側板付羽根車と同じであるが、第３の実施の形態の側板付羽根車は隙間２０の形成された位置が第１の実施の形態とは異なる。

第３の実施の形態の側板付羽根車は、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、隙間２０が側板１に形成されている。隙間２０の形状は、第１の実施の形態と同様に、圧力面２ｃ側から負圧面２ｄ側に向かうに従ってその開口が狭くなる構成を有している。

この構成により、圧力面２ｃ側から負圧面２ｄ側への漏れ流れ２１は、羽根２の先端部を跨ぐようにして側板１に形成された隙間２０を通って、迂回するようにして流れる。羽根２に隙間２０を形成する構成と比較して、漏れ流れ２１が羽根２の裏面２ｄに沿う傾向が見られるが、流路渦６，７によって形成される高損失領域８が漏れ流れ２１と流路渦７の変化によって羽根裏面２ｄから離れたところに運ばれると同時に、漏れ流れ２１によりエネルギー供給を受けて剥離が防止されるという上記実施の形態と同様の効果が得られる。

（第４の実施の形態）
図５（ａ）は、第４の実施の形態の側板付羽根車の側断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のV−V線断面図である。第４の実施の形態の側板付羽根車の基本的な構成は、第１
の実施の形態の側板付羽根車と同じであるが、第４の実施の形態の側板付羽根車は隙間２０の形成された位置が第１の実施の形態とは異なる。

第４の実施の形態の側板付羽根車は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、隙間２０が羽根２の基部に形成されている。隙間２０の形状は、第１の実施の形態と同様に、圧力面２ｃ側から負圧面２ｄ側に向かうに従ってその開口が狭くなる構成を有している。

この構成により、図５（ｂ）に示された主板３側の流路渦６が、羽根２の基部側に形成された隙間２０からの漏れ流れ２１と対向することになって、その強さが弱められるので、２つの流路渦６，７によって形成される高損失領域８は、上述した第１乃至第３の実施の形態のように隙間２０を羽根２の先端側に設けたものに比べて、羽根裏面２ｄに集まる傾向が生じるが、漏れ流れ２１によって当該高損失領域８がコーナー部から離れたところへ運ばれて剥離が防止されることに本質的に変わりはない。

なお、本実施の形態では、隙間２０を、羽根２の基部に形成することとしたが、図６に示すように主板３に形成することとしてもよい。

（第５実施の形態）
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、本発明を適用したディフューザの構成を示す断面図である。ディフューザは、ターボ機械の羽根車の吐出側に設けられ、流量を調節しつつ、流体を全周に均等に配分する部材であり、かつ羽根車から排出される流体を圧力回復させる機構である。

図７（ｂ）に示すように、外側ケーシング１１と内側ケーシング１３とがディフューザ羽根１２を介して一体になって羽根車主板３の後流側に配設され、羽根車より吐出され流体を軸方向に整流しながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して当該ターボ機械の吐出口より吐出されるようになっている。このディフューザ羽根１２の外側ケーシング１１と接続する先端部に、ディフューザ羽根表面からディフューザ羽根裏面に貫通する隙間１４が形成されている。この隙間１４は、圧力面側１２ｃから負圧面側１２ｄに向かってその開口が徐々に小さくなっている。この構成により、羽根車回転時、羽根車の矢印方向の回転に伴って、ディフューザ羽根１２の圧力面側１２ｃから負圧面側１２ｄに向かって隙間１４から吹き出す漏れ流れにより、隣接するディフューザ羽根１２と内外両ケーシング１１，１３によって囲まれたディフューザ羽根流路内に羽根車の回転方向と同一方向に旋回する二次流れ１５が生じる。

これにより、ディフューザ羽根流路内に生じていた点線で示す大きさ剥離域１６ａが、実線で示すような小さな剥離域１６になる。このようにして、ディフューザ減速部での流れの剥離を抑制し、流れの損失を低減させることができる。なお、ディフューザ羽根１２先端部の隙間２４を図８に示すように、ディフューザ羽根１２と接続する外側ケーシング１１の内面に、羽根表面１２ｃから羽根裏面１２ｄへ貫通する隙間１４を設けることも可能である。この場合も、上記図７のものとほぼ同様の効果が奏される。

以上、本実施の側板付羽根車について実施の形態を挙げて詳細に説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではない。上記した実施の形態では、隙間の負圧面側の開口は圧力面側の開口に対して２／３の大きさである例を示したが、漏れ流れの勢いを増すことができるような大きさであればよく、負圧面側の開口が圧力面側の開口の２／３以下であってもよい。

本発明は、運転時における流れの損失を防止でき、ターボ機械の羽根車として有用である。

１ 側板
２ 羽根
３ 主板
４，５ 矢印
６，７ 流路渦
８ 高損失領域
１１ 外側ケーシング
１２ ディフューザ羽根
１３ 内側ケーシング
１４ 隙間
１５ 二次流れ
１６ 剥離域
２０ 隙間
２１ 漏れ流れ
２４ 隙間

Claims (7)

1. 主板と、側板と、主板と側板とを接続する複数の羽根と、を備え、
   前記羽根の圧力面側と負圧面側とを接続する隙間が形成され、
   前記隙間は、前記負圧面側の開口が前記圧力面側の開口より狭くなっているターボ機械の羽根車。
2. 前記隙間は、前記圧力面側から前記負圧面に向かって徐々に狭くなっている請求項１に記載のターボ機械の羽根車。
3. 前記隙間は、前記羽根車の流体の入口部の半径をｒ１、前記羽根車の最外周の半径をｒ２としたときに、（ｒ１＋ｒ２）／２より外側に配置される請求項１又は２に記載のターボ機械の羽根車。
4. 前記隙間は円筒の穴形状であり、１枚の羽根に対して複数の前記隙間が形成されている請求項１乃至３のいずれかに記載のターボ機械の羽根車。
5. 前記隙間は、長方形の形状である請求項１乃至３のいずれかに記載のターボ機械の羽根車。
6. 前記隙間部は、前記負圧面側の開口の大きさが前記圧力面側の開口の大きさの２／３以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のターボ機械の羽根車。
7. 前記隙間は、前記羽根、前記側板または前記主板に形成されている請求項１乃至６のいずれかに記載のターボ機械の羽根車。

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