JP2017186914A - 遠心羽根車、およびこれを備える遠心式流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心羽根車の出口における作動流体の半径方向流速分布の均一化とともに、周方向流速分布の均一化をも図ることができる遠心羽根車、およびこれを備える遠心式流体機械を提供する。【解決手段】羽根車１００の翼１０１の翼面を構成する翼スパン方向の翼面線素１３は、羽根車回転方向Ａに向けて凸状となる曲線線素である。また、翼面線素１３の羽根車回転方向Ａへの突出量が最大となる位置は、翼面線素１３の翼スパン方向の中央位置Ｌよりもハブ１０２と反対側、すなわちシュラウド１０３側に設定されている。【選択図】図３

Description

本発明は、遠心羽根車、およびこれを備える遠心式流体機械に関する。

遠心式流体機械の高効率化を図った例が特許文献１，２に記載されている。これらの例では、遠心羽根車の翼の翼面を構成する翼面線素を曲線線素とすることによって、遠心羽根車の内部で発生する流動損失を低減する試みが行われている。

例えば、特許文献１に記載の遠心圧縮機は、翼（羽根）を間に挟んでハブに対向して配置されたシュラウドを有するクローズド型の遠心羽根車を備えている。この遠心羽根車では、翼の翼面が曲線線素で構成される自由曲面で定義され、翼負圧面が凹面であり、かつ凹面の凹み量が最大となる位置は翼スパン方向（翼高さ方向）の中央位置よりもハブ側に設定されている（段落００３８参照）。こうして、翼素渦による誘起速度（翼負荷）を制御し、翼負圧面とハブおよびシュラウドの各表面とが交差するコーナー部で流れを減速させて圧力を高くすることで、ハブからシュラウド、および翼圧力面から翼負圧面へと向かう二次流れを抑制して、流動損失の低減を図っている。

また、特許文献２に記載の遠心圧縮機は、シュラウドを有さないオープン型の遠心羽根車を備えている。この遠心羽根車では、翼の翼面が曲線線素で構成される自由曲面で定義され、曲線線素の形状が遠心羽根車の回転方向に対して凸面をなしている。また、曲線線素の最大曲げ位置が、翼スパン方向（翼高さ方向）の中間部に位置している（段落００２０参照）。こうして、翼スパン方向の翼負荷分布を均一化することで、作動流体の流量分布を翼間流路中で均一化して、流動損失の低減を図っている。

特開２０１２−２１９７７９号公報 特開２００２−３３２９９３号公報

特許文献１，２に記載の技術のいずれも、遠心羽根車の翼面を構成する曲線線素の形状を遠心羽根車の回転方向に向けて凸状に形成して、翼スパン方向の翼負荷分布を制御することで、翼間流路中での作動流体の流量分布を均一化して高効率化を図るものである。特許文献１，２に記載の技術において流量分布を均一化することとは、遠心羽根車内の翼間流路中における、羽根車回転軸を中心軸とする任意の円筒断面での、作動流体の半径方向の流速分布を均一化することと同義である。つまり、特許文献１，２に記載の技術では、翼間流路中における作動流体の半径方向の流速分布を均一化することに主眼を置いて、流動損失の低減による高効率化を図っている。

ここで、翼間流路中における作動流体は、半径方向の速度成分とともに、周方向の速度成分をも有している。作動流体のこれら両速度成分の一様性は、遠心羽根車内部の流動損失の大きさに影響を与えると同時に、遠心羽根車下流に位置するディフューザ部の失速特性に大きな影響を与える。後述するように、流量減少時のディフューザ部の失速を抑制するためには、遠心羽根車の出口における半径方向流速分布とともに、周方向流速分布をも均一化する必要があることが、発明者らの検討により判明した。

しかしながら、特許文献１，２に記載の技術は、前記したように、遠心羽根車の出口における作動流体の半径方向流速分布の均一化を企図しており、周方向流速分布の均一化に関してはさらなる改善の余地があった。

本発明は、前記した事情に鑑みなされたものであり、遠心羽根車の出口における作動流体の半径方向流速分布の均一化とともに、周方向流速分布の均一化をも図ることができる遠心羽根車、およびこれを備える遠心式流体機械を提供することを課題とする。

上記課題を達成すべく、本発明に係る遠心羽根車は、円盤状のハブと、前記ハブ上に周方向に間隔をおいて配置されている複数の翼と、を有し、前記翼の翼面を構成する翼高さ方向の翼面線素は、前記ハブの回転方向に向けて凸状となる曲線線素であり、前記翼面線素の前記回転方向への突出量が最大となる位置は、該翼面線素の翼高さ方向の中央位置よりも前記ハブと反対側に設定されていることを特徴とする。
また、本発明に係る遠心式流体機械は、前記遠心羽根車を備えることを特徴とする。

本発明によれば、遠心羽根車の出口における作動流体の半径方向流速分布の均一化とともに、周方向流速分布の均一化をも図ることができる遠心羽根車、およびこれを備える遠心式流体機械を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る遠心式流体機械を示す子午面断面図である。 図１に示される遠心式流体機械の部分拡大断面図である。 遠心式流体機械が備える羽根車を斜め上流側から見た概略斜視図である。 図４（ａ）〜（ｃ）は羽根車の周方向に隣り合う２枚の翼の翼後縁の形状を、羽根車の半径方向外周側から見た図を示しており、図４（ａ）は本実施形態における翼後縁の形状、図４（ｂ）は従来の曲線線素を有する羽根車の翼後縁の形状、図４（ｃ）は従来の直線線素を有する羽根車の翼後縁の形状を示す。 図５（ａ）〜（ｃ）は、図４（ａ）〜（ｃ）に示す各羽根車の翼の形状を有する羽根車について、設計点での流量における３次元粘性流体解析を実施して得られた、羽根車出口円筒面における半径方向流速の分布の一例をそれぞれ示す図である。 図６（ａ）は、図４（ａ）に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車の、羽根車出口における周方向流速の翼スパン方向分布を示すグラフ、図６（ｂ）は、図４（ｂ）に示す従来の曲線線素を有する羽根車の、羽根車出口における周方向流速の翼スパン方向分布を示すグラフである。 図７（ａ），（ｂ）は、羽根車の翼から作動流体に加わる翼力の方向を示す図であり、図７（ａ）は、翼のシュラウド側がハブ側に対して、羽根車回転方向において前進している場合を示し、図７（ｂ）は、翼のシュラウド側がハブ側に対して、羽根車回転方向において後退している場合を示す。 図８（ａ），（ｂ）は、羽根車出口における速度三角形を示す図である。 図９（ａ），（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る遠心式流体機械の羽根車およびディフューザを示す図であり、図９（ａ）は、羽根車およびディフューザを羽根車の軸方向上流側から見た図、図９（ｂ）は、羽根車およびディフューザの子午面断面図である。 ディフューザにおける二重翼列部の前置翼列および後置翼列のうち任意の一組の翼を取り出して示す説明図である。 図１１（ａ），（ｂ）は、羽根車およびベーン付きディフューザの内部の流れを３次元粘性流体解析した結果の一例を示すグラフであり、図１１（ａ）は効率特性を示し、図１１（ｂ）は圧力上昇特性を示す。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を適宜省略する。

（第１実施形態）
まず、図１〜図８を参照しながら、本発明の第１実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る遠心式流体機械２００を示す子午面断面図（回転軸１０４の中心軸を含む平面で切断した断面図）である。図２は、図１に示される遠心式流体機械２００の部分拡大断面図である。本実施形態では、遠心式流体機械２００が一軸多段式の遠心圧縮機である例を取り上げて説明する。

図１に示すように、遠心式流体機械２００は、回転エネルギーを作動流体に付与する遠心羽根車（以下、単に「羽根車」ともいう）１００と、この羽根車１００が取り付けられる回転軸１０４と、羽根車１００の径方向外側に配置されているディフューザ１０５と、を有している。ディフューザ１０５は、羽根車１００から送り出される作動流体（以下、単に「流体」ともいう）の動圧成分を静圧成分へ変換するものである。

図２に示すように、ディフューザ１０５の下流には、後段の羽根車１００または機外へ流体を導くための下流流路１０８と、ディフューザ１０５から下流流路１０８へ流体を導くリターンチャネル１０６とが設けられている。

羽根車１００は、円盤状のハブ１０２と、ハブ１０２上に周方向に間隔をおいて配置されている複数の翼（羽根）１０１と、翼１０１を間に挟んでハブ１０２に対向して配置されているシュラウド（側板）１０３と、を有している。ハブ１０２は、回転軸１０４に締結されている。複数の翼１０１は、ハブ１０２とシュラウド１０３との間に位置している。なお、図２では、シュラウド１０３を有するクローズド型の羽根車１００の一例を示している。ただし、シュラウド１０３を有さないオープン型の羽根車が使用されてもよい。

ディフューザ１０５は、本実施形態では、図２に示すように、周方向にほぼ等ピッチで配置された複数枚の翼を有するベーン（羽根）付きディフューザである。ただし、図２では示していないが、翼を有さないベーンレスディフューザが使用されてもよい。

図１に示すように、遠心式流体機械２００は、図２に示した圧縮段が複数段軸方向に積層した形で構成されている。回転軸１０４を回転自在に支持するラジアル軸受１１７が回転軸１０４の両端側に配置されている。また、回転軸１０４の一方の端部には、回転軸１０４を軸方向に支持するスラスト軸受１１８が配置されている。

回転軸１０４には、多段の圧縮段の羽根車１００（図１では４つの羽根車１００）が固定して取り付けられている。各羽根車１００の下流側には、前記したように、ディフューザ１０５およびリターンチャネル１０６が設けられている。これらの羽根車１００、ディフューザ１０５、およびリターンチャネル１０６は、ケーシング１１９内に収容されている。ケーシング１１９の吸込み側には、吸込み部１１４が設けられており、ケーシング１１９の吐出側には吐出部１１６が設けられている。第１段の羽根車１００の上流側には、吸込み流れに予旋回を付与するインレットガイドベーン１１５が設けられている。吐出部１１６は、スクロール１２０を有している。

このように構成された遠心式流体機械２００においては、図２に示すように、羽根車吸込口１０７から吸引された流体が、各段の羽根車１００、ディフューザ１０５、リターンチャネル１０６を通過するごとに昇圧されて次段の圧縮段に送られる。そして、圧縮された流体は、最終的に所定圧力になって下流流路１０８へ吐出される。

ところで、遠心式流体機械２００、特に気体を扱う遠心式流体機械では、流量減少に伴い、羽根車１００やディフューザ１０５で流れが失速し、流量を減じてもそれ以上圧力が上昇せずに、大きな圧力変動および流量変動を発生する現象が生じる。これをサージングといい、遠心式流体機械２００の小流量（低流量）側の限界点となる。一方、サージング発生限界流量から流量調整弁等を開いて流量を増大させていくと、吐出圧力が低下して、それ以上流量が増大しない現象が生じる。これをチョークといい、遠心式流体機械２００の大流量側の限界点となる。これら２つの限界点であるサージングとチョークとの間を、作動範囲と呼んでおり、遠心式流体機械２００の効率を低下させずに作動範囲を増大させることが常に求められている。

以下に、本実施形態に係る遠心式流体機械２００において、定格点（設計点）における流体効率の向上と、小流量側におけるディフューザ失速抑制による作動範囲の拡大とを両立させる構成について説明する。

図３は、遠心式流体機械２００が備える羽根車１００を斜め上流側から見た概略斜視図である。図３では、シュラウド１０３は翼１０１と交差する部分のみが表示されており、翼１０１の形状が見えるように示されている。羽根車１００は、図３中の矢印Ａで示す羽根車回転方向（ハブ１０２の回転方向）に回転するようになっている。

図３において、ハブ１０２上に周方向に間隔をおいて配設された複数の翼１０１の内の一枚に、翼１０１の翼面を構成する、ハブ１０２とシュラウド１０３とを結ぶ翼スパン方向（翼高さ方向）の翼面線素１３を、重ねて示している。図３から分かるように、本実施形態では、翼面線素１３は曲線線素であり、翼１０１の翼面は自由曲面から構成されている。なお、図３において、符号１４は翼１０１の上流側の端縁である翼前縁を示し、符号１５は翼１０１の下流側の端縁である翼後縁を示している。

図４（ａ）〜（ｃ）は、羽根車の周方向に隣り合う２枚の翼の翼後縁の形状を、羽根車の半径方向外周側から見た図を示している。図４（ａ）は、本実施形態における翼後縁１５の形状を示す。図４（ｂ）は、前記特許文献１における従来の曲線線素を有する羽根車の翼後縁１５ａの形状を示す。図４（ｃ）は、翼面線素が直線線素から構成され、かつ翼のシュラウド１０３側がハブ１０２側に対して羽根車回転方向Ａに前傾した、従来の直線線素を有する羽根車の翼後縁１５ｂの形状を示す。

図４（ａ），（ｂ）では、翼スパン方向の中央位置Ｌを一点鎖線で示している。また、図４（ａ）〜（ｃ）において、符号１１は翼圧力面（羽根車の任意の１枚の翼に属する翼面のうち、羽根車回転方向Ａに対して前側に位置する翼面）を示し、符号１２は翼負圧面（羽根車回転方向Ａに対して後側に位置する翼面）を示す。

図４（ａ）に示すように、本実施形態における羽根車１００の翼１０１の翼面を構成する翼スパン方向（翼高さ方向）の翼面線素１３（図３も参照）は、羽根車回転方向Ａに向けて凸状となる曲線線素である。また、翼面線素１３の羽根車回転方向Ａへの突出量が最大となる位置Ｂは、翼面線素１３の翼スパン方向の中央位置Ｌよりもハブ１０２と反対側、すなわちシュラウド１０３側に設定されている。そして、翼面線素１３の突出量が最大となる位置Ｂは、翼面線素１３においてハブ１０２と交差する端縁位置を０％、ハブ１０２と反対側の端縁位置、すなわちシュラウド１０３と交差する端縁位置を１００％とした場合に、６０〜８０％の位置に設定されていることが好ましい。

本実施形態において、羽根車１００の翼１０１の形状を、図４（ａ）に示す形状としたことによる効果を、図５〜図６を用いて説明する。
図５（ａ）〜（ｃ）は、図４（ａ）〜（ｃ）に示す各羽根車の翼の形状を有するクローズド型の羽根車について、設計点での流量における３次元粘性流体解析を実施して得られた、羽根車出口円筒面における半径方向流速Ｃｒの分布の一例をそれぞれ示す図である。なお、図５中では、半径方向流速Ｃｒを羽根車出口周速Ｕ_２で除して無次元化した、無次元半径方向流速分布Ｃｒ／Ｕ_２として示している。

図５（ｃ）中の黒色のコンター領域は、半径方向流速が０よりも小さい領域、つまり逆流域を示している。図５（ａ）〜（ｃ）から以下のことが分かる。すなわち、図５（ｃ）に示すように、従来の直線線素を有する羽根車では、シュラウド側の翼負圧面１２付近に逆流域が存在している。一方、図５（ａ）に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車、および図５（ｂ）に示す従来の曲線線素を有する羽根車では、何れも逆流域が消滅し、ほぼ同等の均一性の半径方向流速分布を実現していることが分かる。

したがって、図４（ａ）に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車、および図４（ｂ）に示す従来の曲線線素を有する羽根車をそれぞれ備える遠心式流体機械は、図４（ｃ）に示す従来の直線線素を有する羽根車を有する遠心式流体機械よりも流動損失を低減できる。このため、設計点での流体効率が高い遠心式流体機械となる。

図６（ａ）は、図４（ａ）に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車の、羽根車出口における、周方向平均した周方向流速Ｃｕの翼スパン方向分布が、流量変化に応じてどのように変化していくかを示すグラフである。また、図６（ｂ）は、図４（ｂ）に示す従来の曲線線素を有する羽根車の、羽根車出口における、周方向平均した周方向流速Ｃｕの翼スパン方向分布が、流量変化に応じてどのように変化していくかを示すグラフである。

図６（ａ），（ｂ）において、縦軸は、周方向流速Ｃｕを羽根車出口周速Ｕ_２で除して無次元化した、無次元周方向流速Ｃｕ／Ｕ_２を示す。横軸は、翼スパン方向位置を表し、左端点がシュラウド１０３側の壁面位置、右端点がハブ１０２側の壁面位置を、それぞれ示す。図６中の数値は、１００％が設計点での流量を示し、それ以外は、設計点での流量に対する流量比を示している。また、図６中の二点鎖線は、設計点での流量における、シュラウド１０３側の壁面でのＣｕ／Ｕ_２の値と、ハブ１０２側の壁面でのＣｕ／Ｕ_２の値とを結んだ線である。

従来の曲線線素を有する羽根車では、図６（ｂ）に示すように、設計点での流量において既に翼スパン方向にわたってのＣｕ／Ｕ_２の分布が大きく、シュラウド側よりもハブ側で周方向流速が低い分布となっている。そして、流量低下とともに、ハブ１０２の壁面付近における周方向流速の低い領域の拡大が顕著になっていく。

一方、本実施形態の曲線線素を有する羽根車では、図６（ａ）に示すように、従来の曲線線素を有する羽根車よりも、設計点での流量における翼スパン方向にわたっての周方向流速分布が均一化する。これととともに、流量低下時のハブ１０２の壁面付近における周方向流速の低い領域の拡大も抑制されていることが分かる。

次に、羽根車１００の翼１０１の形状を図４（ａ）に示す形状にしたことで、翼スパン方向にわたっての半径方向流速分布および周方向流速分布がともに均一化されるメカニズムを、図７および図８を参照して説明する。

図７（ａ），（ｂ）は、羽根車の翼から作動流体に加わる翼力Ｆの方向を示す図である。図７（ａ）は、翼１０１ａのシュラウド１０３側がハブ１０２側に対して、羽根車回転方向Ａにおいて前進している場合を示し、図７（ｂ）は、翼１０１ｂのシュラウド１０３側がハブ１０２側に対して、羽根車回転方向Ａにおいて後退している場合を示す。
図８（ａ），（ｂ）は、羽根車出口における速度三角形を示す図である。図８において、Ｕ_２は、羽根車出口周速、β_２は、羽根車出口における流体の相対流れ角、Ｗ_２は、羽根車出口における流体の相対速度、Ｃ_２は、羽根車出口における流体の絶対速度、Ｃｕ_２は、羽根車出口における流体の絶対速度の周方向成分を示す。図８において、速度はベクトル表示されている。

図７（ａ）に示すように傾斜する翼１０１ａを有する羽根車では、翼力Ｆがハブ１０２側に向かって作用する。そのため、ハブ１０２側では静圧が上昇し、シュラウド１０３側では静圧が低下する。その結果、ハブ１０２側からシュラウド１０３側へ、翼圧力面１１側から翼負圧面１２側へと向かう二次流れが比較的大きくなり、シュラウド１０３側の翼負圧面１２付近に低エネルギー流体が集積する。また同時に、ハブ１０２側では相対流速が低下し、シュラウド１０３側では相対流速が上昇する。このとき、ハブ１０２側における羽根車出口の速度三角形は図８（ｂ）に相当する流れ場、シュラウド１０３側における羽根車出口の速度三角形は図８（ａ）に相当する流れ場となっている。この場合、周方向流速（羽根車出口における流体の絶対速度の周方向成分Ｃｕ_２）は、ハブ１０２側の方がシュラウド１０３側よりも大きい。

一方、図７（ｂ）に示すように傾斜する翼１０１ｂを有する羽根車では、翼力Ｆがシュラウド１０３側に向かって作用する。そのため、ハブ１０２側では静圧が低下し、シュラウド１０３側では静圧が上昇する。その結果、二次流れが抑制される。また同時に、ハブ１０２側では相対流速が上昇し、シュラウド１０３側では相対流速が低下する。このとき、ハブ１０２側における羽根車出口の速度三角形は図８（ａ）に相当する流れ場、シュラウド１０３側における羽根車出口の速度三角形は図８（ｂ）に相当する流れ場となっている。この場合、周方向流速（羽根車出口における流体の絶対速度の周方向成分Ｃｕ_２）は、シュラウド１０３側の方がハブ１０２側よりも大きい。

図４（ｂ）に示す従来の曲線線素を有する羽根車の翼では、翼のシュラウド１０３側がハブ１０２側よりも羽根車回転方向Ａにおいて後退している領域が、翼のシュラウド１０３側の端縁位置から、翼スパン方向の中央位置Ｌよりもハブ側に及んでいる。このため、図７（ｂ）に示す翼１０１ｂを有する羽根車と内部流れが類似することとなる。したがって、従来の曲線線素を有する羽根車では、羽根車出口において半径方向流速の均一化は図れるものの、周方向流速については、ハブ１０２側がシュラウド１０３側よりも低下する分布となってしまう。ここで、完全に半径方向流速を均一化できると仮定すると、周方向流速の均一化の観点からは、翼のシュラウド１０３側がハブ１０２側よりも羽根車回転方向Ａにおいて後退している領域を、翼のシュラウド１０３側の端縁位置から翼スパン方向の中央位置Ｌまでとするのが好ましい。これは、ハブ１０２側に作用する翼力Ｆとシュラウド１０３側に作用する翼力Ｆとが、等分されるためである。しかしながら、図５（ｂ）に示すように、従来の曲線線素を有する羽根車と同様の翼の形状とした場合でも、二次流れの残留によって、シュラウド１０３側の半径方向流速はハブ１０２側よりも小さい。このため、翼のシュラウド１０３側がハブ１０２側よりも羽根車回転方向Ａにおいて後退している領域を、翼のシュラウド１０３側の端縁位置から翼スパン方向の中央位置Ｌまでとすると、周方向流速の非均一性が残ってしまう。これは、図８に示す速度三角形から分かるように、二次流れ残留の影響でシュラウド１０３側の方がハブ１０２側よりも周方向流速が大きくなるからである。

一方、図４（ａ）に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車１００では、翼面線素１３を羽根車回転方向Ａに向けて凸状の曲線線素とし、かつその最大突出位置Ｂを、翼スパン方向の中央位置Ｌよりもシュラウド１０３側になるよう設定している。この場合には、半径方向流速の均一性は確保したまま、曲線線素の最大突出位置Ｂが翼スパン方向の中央位置Ｌにある場合と比較してシュラウド１０３側の周方向流速が小さくなり、周方向流速の均一性も増すのである。

次に、翼スパン方向にわたっての周方向流速分布の均一化によって、遠心式流体機械２００が備えるディフューザ１０５の失速が抑制されるメカニズムを、以下に説明する。

遠心式流体機械２００のディフューザ１０５は、基本的には半径方向外側（下流側）に向かうにつれて流路断面積が増大する減速流路であり、羽根車出口から下流側に向かうにつれ、徐々に静圧が上昇する。ここで、ディフューザ１０５内部における、半径方向外向きに増大する半径方向圧力勾配を支える力は二つある。一つ目は、周方向流速成分に起因する半径方向外向きの遠心力である。二つ目は、半径方向流速の減速に基づく半径方向運動量の減少によって生じる、半径方向外向きの力である。

図４（ｂ）に示す従来の曲線線素を有する羽根車では、ハブ１０２の壁面付近における周方向流速が小さい。そのため、流量低下に伴って増大するディフューザ１０５内部の半径方向圧力勾配を支えるためには、図６（ｂ）に示すように、流量低下とともに、ハブ１０２の壁面付近の半径方向流速が急減する必要がある。このため、ディフューザ１０５のハブ１０２側の壁面付近で流れの剥離・逆流が比較的大流量側で発生してしまい、失速が早まってしまう。

一方、図４（ａ）に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車１００では、翼スパン方向にわたっての周方向流速分布の均一性が高い。このため、ディフューザ１０５におけるハブ１０２側およびシュラウド１０３側のどちらか一方の側の壁面付近でのみ、流量低下に伴って半径方向流速が急減するといった状況が生じない。したがって、羽根車出口での翼スパン方向にわたっての周方向流速分布が大きい場合と比較して、ディフューザ１０５の側壁（ハブ１０２側およびシュラウド１０３側の壁面）における流れの剥離・逆流が、より小流量側まで抑制される。したがって、失速を抑制することが可能となる。

前記したように、本実施形態では、図４（ａ）に示すように、羽根車１００の翼１０１の翼面を構成する翼スパン方向の翼面線素１３は、羽根車回転方向Ａに向けて凸状となる曲線線素である。また、翼面線素１３の羽根車回転方向Ａへの突出量が最大となる位置Ｂは、翼面線素１３の翼スパン方向の中央位置Ｌよりもハブ１０２と反対側、すなわちシュラウド１０３側に設定されている。

このような本実施形態では、半径方向流速の均一性は確保したままで、曲線線素の最大突出位置Ｂが翼スパン方向の中央位置Ｌにある場合と比較してシュラウド１０３側の周方向流速が小さくなることによって周方向流速の均一性も向上する。
すなわち、羽根車出口における作動流体の半径方向流速分布の均一化とともに、周方向流速分布の均一化をも図ることができる羽根車１００、およびこれを備える遠心式流体機械２００を提供できる。
これにより、遠心式流体機械２００の設計点での流量における流体効率が向上するとともに、小流量側におけるディフューザの失速の抑制によって作動範囲も拡大する。

また、本実施形態では、翼面線素１３の突出量が最大となる位置Ｂは、ハブ１０２側の端縁位置からシュラウド１０３側の端縁位置に向かって６０〜８０％の位置に設定されている。このように、位置Ｂを６０％以上の位置とすることによって周方向流速分布の均一性をより高めることができ、位置Ｂを８０％以下の位置とすることによって半径方向流速の均一性をより確保することができる。

なお、本実施形態では、クローズド型の羽根車１００に適用される場合について説明してきたが、オープン型の羽根車に適用される場合にも所定の効果は見込まれる。しかしながら、オープン型の羽根車における二次流れは、翼の翼高さ方向先端とケーシングとの間の隙間（チップクリアランス）で生じる翼端漏れ流れの影響を主として受ける。このように、オープン型の羽根車では、二次流れの生じ方がクローズド型の羽根車とは異なるため、本実施形態のように、羽根車１００は、クローズド型の羽根車であることが好ましい。

（第２実施形態）
次に、図９〜図１１を参照しながら、本発明の第２実施形態について、前記した第１実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を省略する。
本実施形態は、図１におけるディフューザ１０５として、特に、二重翼列の羽根付きディフューザを搭載した場合に関するものである。

図９（ａ），（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る遠心式流体機械の羽根車１００およびディフューザ１０５を示す図である。図９（ａ）は、羽根車１００およびディフューザ１０５を、羽根車１００の軸方向上流側から見た図である。図９（ｂ）は、羽根車１００およびディフューザ１０５の子午面断面図である。

第１実施形態と同様、第２実施形態における羽根車１００は、ハブ１０２上に周方向に間隔をおいて配設された複数の翼１０１を有している。翼１０１の翼面を構成する、ハブ１０２とシュラウド１０３とを結ぶ翼スパン方向（翼高さ方向）の翼面線素１３は曲線線素であり、翼面は自由曲面から構成されている。図４（ａ）に示すように、翼面線素１３は、第１実施形態と同様に、羽根車回転方向Ａに向けて凸状の曲線線素であり、かつその最大突出位置は、翼スパン方向の中央位置よりもシュラウド１０３側に位置している。

一方、ディフューザ１０５は、ベーン無し部７０（図９（ｂ）参照）と、二重翼列部７１とを有している。二重翼列部７１は、羽根車１００の径方向外側に配置されている前置翼列７２と、該前置翼列７２の径方向外側に配置されている後置翼列７３とを含んでいる。前置翼列７２は、周方向にほぼ等ピッチで配置された複数枚の翼を有している。後置翼列７３は、前置翼列７２の下流側に配置されており、前置翼列７２と同様に周方向にほぼ等ピッチで配置された複数枚の翼を有している。

二重翼列部７１を有するディフューザ１０５では、小流量域で高い圧力回復を達成できる翼列を前置翼列７２とし、大流量域で高い圧力回復を達成できる翼列を後置翼列７３とする場合が一般的である（例えば、妹尾、他２名、「遠心送風機の小弦節比円形二重翼列ディフューザ」、日本機械学会論文集（Ｂ編）４９巻４３９号（１９８３）参照）。これは、広い流量範囲において高い静圧回復率（作動流体の動圧成分を静圧成分へと変換する変換割合）を得るためである。

次に、図４（ａ）に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車１００と、二重翼列部７１を有するディフューザ１０５とを組み合わせて用いることによる効果を、図１０を参照して説明する。

図１０は、ディフューザ１０５における二重翼列部７１の前置翼列７２および後置翼列７３のうち任意の一組の翼を取り出して示す説明図である。
図１０中には、前置翼列７２へ流入する流体の絶対速度Ｃ_３、および、前置翼列７２により流れを転向された後、後置翼列７３へと流入する流体の絶対速度Ｃ_４も示している。なお、前置翼列７２へ流入する流体の絶対速度Ｃ_３は、設計点での流量付近の場合の絶対速度Ｃ_３ａと小流量の場合の絶対速度Ｃ_３ｂとで分けて示している。図１０において、速度はベクトル表示されている。

図１０に示すように、前置翼列７２へ流入する作動流体の絶対速度Ｃ_３は、流量低下とともに、徐々に周方向Ｃへと向くことになる。ベーン付きディフューザでは、ある流量よりも小流量側では流体は翼面に沿って流れることができなくなり、翼負圧面（前置翼列７２の符号８０に相当する翼面）で流れが剥離・逆流してディフューザが失速する場合がある。しかし、二重翼列部７１を有するディフューザ１０５において、前置翼列７２の翼取付角度を、なるべく小流量の場合の絶対速度Ｃ_３ｂの方向に沿うように設定することで、小流量側まで前置翼列７２の翼負圧面８０での流れの剥離・逆流を抑制可能である。ただし、この場合、設計点での流量付近において、前置翼列７２で発生する圧力損失は増大する。

そして、前置翼列７２から流出して後置翼列７３へと流入する流れは、前置翼列７２の流れの拘束作用によって、流量に関わらずほぼ同一の流れ方向を維持したまま、後置翼列７３へと流入する。したがって、後置翼列７３の翼取付角度は、設計点での流量付近の絶対速度Ｃ_４の方向に沿うように設定されている。これにより、小流量側まで後置翼列７３の翼負圧面８１での流れの剥離・逆流を生じさせずに、設計点での流量付近における後置翼列７３で発生する圧力損失を低減することが可能である。

このように、二重翼列部７１を有するディフューザ１０５では、設計点での流量における効率を維持したまま、小流量側でのディフューザ１０５の翼負圧面に起因する失速の発生を抑制することが可能である。

一方、二重翼列部７１の入口と出口との間の静圧上昇量は、流量低減とともに増大する。このため、ディフューザ１０５におけるハブ１０２側の壁面７４およびシュラウド１０３側の壁面７５（以下、合わせて「ディフューザ１０５の側壁」という）上の速度境界層厚みは流量低減とともに増大し、ある流量以下ではディフューザ１０５の側壁付近において流れの剥離・逆流が生じる。このように、二重翼列部７１を有するディフューザ１０５では、翼負圧面に起因する失速ではなく、ディフューザの側壁に起因する失速によって、ディフューザが失速する。

図４（ａ）に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車１００は、羽根車出口における半径方向流速分布の均一化が図れると同時に、周方向流速分布の均一化も図れることによって、ディフューザ１０５の側壁に起因する失速発生を抑制する効果を有する。
また、二重翼列部７１を有するディフューザ１０５は、ディフューザ１０５の翼負圧面に起因する失速を抑制する効果をも有する。
以上のことから、図４（ａ）に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車１００と、二重翼列部７１を有するディフューザ（以下、「二重翼列付きディフューザ」ともいう）１０５とを組み合わせることで、ディフューザ部における翼負圧面起因、およびディフューザ側壁起因の両方の失速を抑制することが可能となるのである。

図１１（ａ），（ｂ）は、クローズド型の羽根車およびベーン付きディフューザの内部の流れを３次元粘性流体解析した結果の一例を示すグラフである。図１１（ａ）は、効率特性を示し、図１１（ｂ）は、圧力上昇特性を示す。
図１１では、以下の３つのケースを示している。すなわち、ケース１は、図４（ｂ）に示す従来の曲線線素を有する羽根車と、一般的な単翼列付きディフューザとを組み合わせた場合を示す。ケース２は、図４（ｂ）に示す従来の曲線線素を有する羽根車と、本実施形態の二重翼列付きディフューザ１０５とを組み合わせた場合を示す。ケース３は、図４（ａ）に示す本実施形態の曲線線素を有する羽根車１００と、本実施形態の二重翼列付きディフューザ１０５とを組み合わせた場合を示す。

図１１（ａ），（ｂ）の横軸は、設計点での流量Ｑ_ｄｅｓで除して無次元化した、無次元流量Ｑ／Ｑ_ｄｅｓを示す。図１１（ａ）の縦軸は、従来の曲線線素を有する羽根車と単翼列付きディフューザとを組みわせた遠心圧縮機段の、設計点での流量Ｑ_ｄｅｓにおける断熱ヘッドＨ_{ａｄ，ｄｅｓ}で除して無次元化した、断熱ヘッド比Ｈ_ａｄ／Ｈ_{ａｄ，ｄｅｓ}を示す。図１１（ｂ）の縦軸は、従来の曲線線素を有する羽根車と単翼列付きディフューザとを組みわせた遠心圧縮機段の、設計点での流量Ｑ_ｄｅｓにおける断熱効率η_{ａｄ，ｄｅｓ}で除して無次元化した、断熱効率比η_ａｄ／η_{ａｄ，ｄｅｓ}を示す。

図１１に示すように、前記３つのケースの遠心圧縮機段の設計点での流量における断熱ヘッドと断熱効率はほぼ同一である。一方、前記３つのケースの小流量側の失速点（断熱ヘッドがピークとなる流量点）は、ケース１、ケース２、ケース３の順に小流量側に移動している。ケース１とケース２の比較から、従来の曲線線素を有する羽根車においても、本実施形態の二重翼列付きディフューザ１０５を適用することで、小流量側へ作動範囲を拡大できることが分かる。加えて、ケース２とケース３の比較から、本実施形態の曲線線素を有する羽根車と、本実施形態の二重翼列付きディフューザ１０５とを組み合わせることで、小流量側への作動範囲の更なる拡大を実現できることが分かる。

なお、本実施形態では、第１実施形態と同様に、クローズド型の羽根車１００に適用される場合について説明してきたが、オープン型の羽根車に適用される場合にも所定の効果は見込まれる。しかしながら、オープン型の羽根車では、二次流れの生じ方がクローズド型の羽根車とは異なるため、本実施形態のように、羽根車１００は、クローズド型の羽根車であることが好ましい。

以上、本発明について実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分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。前記した実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

例えば、前記した実施形態では、遠心式流体機械２００が遠心圧縮機である例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばポンプ等の他の遠心式流体機械にも適用可能である。

１１ 翼圧力面
１２ 翼負圧面
１３ 翼面線素
１４ 翼前縁
１５ 翼後縁
７０ ベーン無し部
７１ 二重翼列部
７２ 前置翼列
７３ 後置翼列
７４ ハブ側の壁面
７５ シュラウド側の壁面
８０ 翼負圧面
８１ 翼負圧面
１００ 遠心羽根車
１０１ 翼
１０２ ハブ
１０３ シュラウド
１０４ 回転軸
１０５ ディフューザ
１０６ リターンチャネル
１０７ 羽根車吸込口
１０８ 下流流路
１１４ 吸込み部
１１５ インレットガイドベーン
１１６ 吐出部
１１７ ラジアル軸受
１１８ スラスト軸受
１１９ ケーシング
１２０ スクロール
２００ 遠心式流体機械
Ａ 羽根車回転方向
Ｂ 最大突出位置
Ｆ 翼力
Ｌ 中央位置

Claims (5)

1. 円盤状のハブと、
   前記ハブ上に周方向に間隔をおいて配置されている複数の翼と、を有し、
   前記翼の翼面を構成する翼高さ方向の翼面線素は、前記ハブの回転方向に向けて凸状となる曲線線素であり、
   前記翼面線素の前記回転方向への突出量が最大となる位置は、該翼面線素の翼高さ方向の中央位置よりも前記ハブと反対側に設定されていることを特徴とする、遠心羽根車。
2. 前記突出量が最大となる位置は、前記翼面線素において前記ハブと交差する端縁位置を０％、前記ハブと反対側の端縁位置を１００％とした場合に、６０〜８０％の位置に設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の遠心羽根車。
3. 前記翼を間に挟んで前記ハブに対向して配置されているシュラウドを有することを特徴とする、請求項１に記載の遠心羽根車。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の遠心羽根車を備えることを特徴とする、遠心式流体機械。
5. 前記遠心羽根車の径方向外側に配置され、前記遠心羽根車から送り出される作動流体を減速させて前記作動流体の動圧成分を静圧成分へ変換するディフューザを備え、
   前記ディフューザは、前記遠心羽根車の径方向外側に配置されている前置翼列と、該前置翼列の径方向外側に配置されている後置翼列とを含む二重翼列部を有することを特徴とする、請求項４に記載の遠心式流体機械。

Images