JP2018178872A

JP2018178872A - 流体機械

Info

Publication number: JP2018178872A
Application number: JP2017080421A
Authority: JP
Inventors: 学辻村; Manabu Tsujimura; 照彦小澤; Teruhiko Ozawa
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2017-04-14
Filing date: 2017-04-14
Publication date: 2018-11-15

Abstract

【課題】全体として圧力損失を抑制しつつ、吐出流路の下流での流れを均一化させることが可能な流体機械を提供する。
【解決手段】流体機械は、流体に作用する本体部２０と、本体部２０から吐出する流体を案内する複数の吐出流路１００を備え、複数の吐出流路１００の内の第一吐出流路１０１は、少なくとも一の箇所Ｐ１の断面が非円形形状とされていて、複数の吐出流路１００の内の第一吐出流路１０１とは異なる第二吐出流路１０２は、第一吐出流路１０１の非円形状となる一の箇所Ｐ１と対応する箇所Ｐ２の断面が第一吐出流路１０１の一の箇所Ｐ１の断面形状と異なる形状である。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体機械に関する。

流体機械には、ポンプ・圧縮機など様々なものがある。例えば、遠心ポンプでは、回転軸に取り付けられたインペラを回転させて、インペラによって発生する遠心力を利用した作用により、インペラの吸込口から流体を吸込み、径方向外周側に向けて吐出させる。インペラから吐出する流体は、吐出流路に案内され、当該吐出流路がディフューザとして機能して圧力回復が図られる。同じインペラから吐出される流体は、一般に同じ状態であることから、同じ条件の吐出流路に流入させる。

しかしながら、吐出流路から吐出された流体の流れが必ずしも均一にならない場合がある。例えば、特許文献１には、吐出流路よりも下流の流路の形状によって吐出された流体の流れが不均一になってしまい、このような不均一な流れが適切に整流されないまま下流、例えば次のインペラに流入する場合、流体機械としての性能が低下してしまう点が開示されている。このため、特許文献１の流体機械では、全体としての圧力損失を減らすために、複数のディフューザ流路の断面積が互い異なるように設定されている。

国際公開第２０１６／１５８６３６号

ここで、吐出流路から吐出される流体の不均一な流れは、上流のインペラ内部を流れる流体が不均一になり、このような不均一な流れが吐出流路に流入することなどによっても生じる。特許文献１の流体機械では、断面積が異なるように設定されていることで複数の吐出流路から吐出される流体の状態を均一しようとする作用が生じるものの、複数の吐出流路に流通する流体の状態に応じた作用をより効果的に生じさせて、吐出する流体の均一化を図ることができる手段が望まれていた。

そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、全体として圧力損失を抑制しつつ、吐出流路下流での流れを均一化させることが可能な流体機械を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明の一態様に係る流体機械は流体に作用する本体部と、前記本体部から吐出する流体を案内する複数の吐出流路を備え、複数の前記吐出流路の内の第一吐出流路は、少なくとも一の箇所の断面が非円形形状とされていて、複数の前記吐出流路の内の前記第一吐出流路とは異なる第二吐出流路は、前記第一吐出流路の非円形状となる前記一の箇所と対応する箇所の断面が前記第一吐出流路の前記一の箇所の断面形状と異なる形状である。

この構成によれば、本体部で作用を受けて吐出する流体は複数の吐出流路に案内されるが、この際第一吐出流路の断面が少なくとも一の箇所で非円形形状とされていることで第一吐出流路を流れる流体にはその断面形状に応じた作用を積極的に生じさせることができる。しかも、第二吐出流路では対応する箇所で異なる断面形状であるため、積極的に異なる条件で流体を流通させて、不均一となっている流れに対して効果的に作用の差を生じてさせて下流において均一化を図ることができ、全体として圧力損失の抑制につなげることができる。

また、本発明の一態様に係る流体機械においては、前記第一吐出流路の前記一の箇所の断面は楕円形状であるものとしても良い。

この構成によれば、第一吐出流路の一の箇所の断面が楕円形状であることで、円形断面から連続した断面変化が可能となるとともに、第二吐出流路の断面を、長径・短径比の調整により円形断面も含めて断面形状を容易に変化させることができる。

本発明によれば、全体として圧力損失を抑制しつつ、吐出流路下流での流れを均一化させることができる。

本発明の実施形態のポンプの全体構成を示す断面図である。本発明の実施形態のポンプにおけるインペラ及び吐出流路周辺の断面図である。図２の切断線Ａ−Ａに沿って破断した断面図である。図３の切断線Ｂ−Ｂに沿って破断した第一吐出流路の断面図である。図３の切断線Ｃ−Ｃに沿って破断した第二吐出流路の断面図である。本発明の実施形態の第１の変形例における吐出流路の断面図である。本発明の実施形態の第２の変形例における吐出流路の断面図である。本発明の実施形態の第３の変形例における吐出流路の断面図である。

以下、本発明に係る一の実施形態について図１から図５を参照して説明する。
図１及び図２は、本実施形態の流体機械であるポンプ１を示している。図１及び図２に示すように、本実施形態のポンプ１は、多段ディフューザポンプであり、回転部材２と、静止部材３とを備える。回転部材２は、回転軸１０と、回転軸１０に取り付けられて流体に作用する本体部である複数のインペラ２０とを備える。回転部材２は静止部材３内に回転可能に配置される。

静止部材３は、外胴部４０と、内胴部５０とを備える。外胴部４０は、吸入口４と、排出口６とが設けられた筒状部材を有する。外胴部４０は、筒状部材の胴本体部４１と、胴本体部４１の両端を閉塞する吸込側板４２と吐出側板４３とを有する。また、内胴部５０には、後述する吐出流路１００が形成されている。吐出流路１００は、各インペラ２０と対応して複数設けられており、下流のインペラ２０に接続されている。回転部材２を構成する各インペラ２０Ａ〜２０Ｇと、静止部材３を構成してインペラ２０と対応する各吐出流路１００は、インペラ２０Ａ〜２０Ｇが回転軸１０とともに回転することでそれぞれポンプ１Ａ〜１Ｇとしての作用を生じさせる。すなわち、本実施形態のポンプ１は、多段ポンプとして構成されていて、本実施形態のポンプ１では７段のポンプ１Ａ〜１Ｇによって構成されている。

第１のポンプ１Ａは、吸入口４に連通する低圧室５内にあり、インペラ２０Ａと２つの吐出流路とで構成されている。同様に第２〜第７のポンプ１Ｂ〜１Ｇは、インペラ２０Ｂ〜２０Ｇと、対応するそれぞれ２つの吐出流路とで構成されている。第７のポンプ１Ｇは、排出口６に連通する高圧室７に連通している。第１〜第７のポンプ１Ａ〜１Ｇの基本構造は同じである。以下では、図２及び図３に基づいて、第１〜第７のポンプ１Ａ〜１Ｇのうちの任意のポンプについて詳細に説明する。

図２及び図３に示すように、インペラ２０は、回転軸１０に取り付けられたハブ２１と、ハブ２１に取り付けられた複数のブレード２２と、ブレード２２の前面を覆うシュラウド２３とを備える。ハブ２１は、回転軸１０に取り付けられた筒状の基部２１ａと、基部２１ａと一体的に形成された円盤状のディスク部２１ｂとを備える。基部２１ａはキー構造やしまり嵌めなどにより回転軸１０に取り付けられている。ディスク部２１ｂはブレード２２が取り付けられ流体が流れる流路Ｆを形成する流路形成面２１ｃを有する。流路形成面２１ｃは、内周側では回転軸１０に沿うとともに、外周側へ向かうに従って径方向に沿うように曲面状に形成されている。シュラウド２３も、ハブ２１のディスク部２１ｂにおける流路形成面２１ｃと対向するようにして、流路Ｆを形成する流路形成面２３ａを有する。シュラウド２３の流路形成面２３ａもハブ２１における流路形成面２１ｃと対応して内周側では回転軸１０に沿うとともに、外周側へ向かうに従って径方向に沿うように曲面状に形成されている。これらハブ２１及びシュラウド２３の流路形成面２１ｃ、２３ａの間が流路Ｆとして形成され、内周側に吸込口２５、外周側に吐出口２６とした開口が形成されている。ブレード２２は、ハブ２１及びシュラウド２３の流路形成面２１ｃ、２３ａによって形成された流路Ｆに周方向に間隔を空けて複数設けられている。各ブレード２２は、内周側から外周側に向かうに従って周方向一方側から他方側へと湾曲している。

静止部材３の内胴部５０には、インペラ２０が配置される空洞部５１と、空洞部５１に接続された複数の吐出流路１００とを備える。本実施形態では、内胴部５０には、各インペラ２０と対応する吐出流路１００として、それぞれ第一吐出流路１０１及び第二吐出流路１０２の２つを備える。空洞部５１は、インペラ２０の形状に応じた形状を有している。空洞部５１にインペラ２０を配置した状態で、空洞部５１におけるインペラ２０の吐出口２６に面する部分は第一吐出流路１０１及び第二吐出流路１０２に対応して２つの合流流路５２、５３に区画されている。インペラ２０から吐出した流体はいずれかの合流流路５２、５３に流入した後に対応する第一吐出流路１０１または第二吐出流路１０２に流入する。

第一吐出流路１０１及び第二吐出流路１０２は、径方向外周側へと延びる流入部１０５と、流入部１０５と接続されて、径方向外周側から径方向内周側へと折り返される返し部１０６と、返し部１０６と接続されて径方向内周側へと延びる戻り部１０７とを備える。戻り部１０７は次段のインペラ２０が配置された空洞部５１に連通し、次段のインペラ２０の吸込口２５に接続されている。ここで、第一吐出流路１０１において、返し部１０６の径方向外周側から径方向内周側へと折り返し回転軸１０と平行な面に沿う折り返し位置Ｐ１での流路Ｆの断面（Ｂ−Ｂ断面）は非円形形状である楕円形状となっている。より詳しくは第一吐出流路１０１は、流入部１０５の断面が円形形状であるとともに、返し部１０６における流入部１０５との接続部分も円形形状である。そして、返し部１０６では折り返し位置Ｐ１に至るまでに長径と短径の比が次第に大きくなり折り返し位置Ｐ１まで至る一方、折り返し位置Ｐ１から下流で長径と短径の比が次第に小さくなり戻り部１０７に接続される位置では断面が円形形状となっている。そして、戻り部１０７は断面が円形形状となっている。第二吐出流路１０２も同様に、流入部１０５及び戻り部１０７では断面が円形形状である。また、第二吐出流路１０２の返し部１０６は、流入部１０５及び戻り部１０７との接続位置では断面が円形形状であるとともに、第一吐出流路１０１における折り返し位置Ｐ１と対応する折り返し位置Ｐ２に向かって長径と短径の比が変化して断面が、折り返し位置Ｐ１と長径の向きが同じとなる楕円形状となっている。第二吐出流路１０２の折り返し位置Ｐ２における断面の長径と短径の比は、第一吐出流路１０１の折り返し位置Ｐ１における断面の長径と短径の比と異なっている。

次に、本実施形態のポンプ１の作用について説明する。図２及び図３に示すように、回転軸１０とともにインペラ２０が回転することで、吸引された流体はインペラ２０から受ける遠心力の作用によりブレード２２に沿って径方向外周側へと流れ、吐出口２６から吐出される。吐出された流体は吐出する位置に従って２つの合流流路５２、５３いずれかに流入する。それぞれの合流流路５２、５３の流体は対応する第一吐出流路１０１または第二吐出流路１０２のいずれかに流入する。第一吐出流路１０１及び第二吐出流路１０２それぞれに流入した流体は流入部１０５、返し部１０６、戻り部１０７の順に流れ、径方向内周側への流れに転向された後に次段のインペラ２０へと流入する。この際、返し部１０６の折り返し位置Ｐ１、Ｐ２で断面が楕円形状に変化しているため、当該楕円形状、及び円形形状から楕円形状への変化によって流通する流体は作用を受ける。ここで、第一吐出流路１０１と第二吐出流路１０２とでは返し部１０６の折り返し位置Ｐ１、Ｐ２での楕円形状の断面における長径と短径の比が異なっているため、流体が受ける作用に差をつけることができる。そして、このように作用に差をつけることができるため、合流流路５２、５３で不均一な流れとなっている場合に、積極的に異なる条件で流体を流通させて、当該不均一となっている流れに対して効果的に作用の差を生じさせることができる。したがって、下流のインペラ２０に流入する位置において均一化を図ることができ、全体として圧力損失の抑制につなげることができる。

なお、上記実施形態では、第一吐出流路１０１と第二吐出流路１０２とは返し部１０６の折り返し位置Ｐ１、Ｐ２で断面形状が異なるものとしたがこれに限られるものではない。返し部１０６の折り返し位置Ｐ１、Ｐ２では同じ断面形状としつつ、他の互いに対応する位置、例えば流入部１０５と返し部１０６の接続位置や、流入部１０５から所定の長さ下流側の位置等で、異なる断面形状としつつ少なくとも一方を非円形形状としても良い。また、第一吐出流路１０１及び第二吐出流路１０２の全体にわたって、互いに対応する位置同士の断面形状が異なるようにしても良く、少なくとも一の箇所で断面形状が異なりつつ一方の吐出流路１００の断面形状が非円形形状であれば良い。また、一方が対応する位置で図６に示すような円形形状であっても良い。また、互いに断面形状を異ならせる手段として長径と短径の比を異なるものとしたが、これに限られるものではなく、例えば長径と短径の比は同一であっても図４及び図７に示すように長径及び短径の向きが異なるようにしても良い。また、また、非円形形状の例として上記では楕円形状を例に挙げたがこれに限るものではなく、例えば図８に示すように矩形形状などとしても良い。

また、本実施形態のような多段ポンプ１では、各ポンプ１Ａ〜１Ｇのそれぞれの第一吐出流路１０１と第二吐出流路１０２とで断面を異ならせるものとしたが、これに限られるものではない。吐出流路１００における流体が不均一となりうるポンプにおける吐出流路１００において、上記のように第一吐出流路１０１と第二吐出流路１０２とで断面形状を異ならせるようにして、他のポンプについては第一吐出流路１０１と第二吐出流路１０２の断面形状を同一の形状としても良い。また、吐出流路１００として第一吐出流路１０１と第二吐出流路１０２の２つを備えるものとしたがこれに限られるものでもなく、３つ以上としても良い。その場合にも複数の吐出流路１００のうち、一つの吐出流路１００の一の箇所で断面が非円形形状であるとともに、残りの吐出流路１００のうちの一つの吐出流路１００の対応する箇所で異なる断面形状であれば良い。

また、上記実施形態では流体機械の例としてポンプを例に挙げたがこれに限られるものではなく、圧縮機など、様々な流体機械に適用可能である。

１ポンプ（流体機械）
２０インペラ（本体部）
１００吐出流路
１０１第一吐出流路
１０２第二吐出流路
Ｐ１折り返し位置（一の箇所）
Ｐ２折り返し位置（一の箇所と対応する箇所）

Claims

流体に作用する本体部と、
前記本体部から吐出する流体を案内する複数の吐出流路を備え、
複数の前記吐出流路の内の第一吐出流路は、少なくとも一の箇所の断面が非円形形状とされていて、
複数の前記吐出流路の内の前記第一吐出流路とは異なる第二吐出流路は、前記第一吐出流路の非円形状となる前記一の箇所と対応する箇所の断面が前記第一吐出流路の前記一の箇所の断面形状と異なる形状である流体機械。
請求項１に記載の流体機械において、
前記第一吐出流路の前記一の箇所の断面は楕円形状である流体機械。