JP2019007383A - 遠心式流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】部分負荷効率が向上するとともにコスト低減が可能な遠心式流体機械を提供する。【解決手段】本発明の遠心式流体機械Ｍは、回転軸２に連結された羽根車１と、羽根車１の周囲から上流側へ接続されて吸込口２２が形成されるシュラウド１２とを具備し、シュラウド１２には、羽根車１と対向する部位に設けられた第一の開口部３２と、羽根車１の設置位置より上流側の吸込口２２の外周部に設けられた第二の開口部３３と、第一の開口部３２と第二の開口部３３とを連通させる連通流路３４とを有し、連通流路３４がリブ３５をもって形成される循環流路３１を備え、循環流路３１は、連通流路３４の周方向に延びる壁面３６、３７と、リブ３５とによって形成され、循環流路３１の横断面の面積は、第一の開口部３２側よりも第二の開口部３３側の方が小さくなっている。【選択図】図６

Description

本発明は、遠心式流体機械に関する。

従来、回転する遠心式羽根車で流体の圧力を高める遠心式流体機械は、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の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広作動範囲化が求められている。

遠心式流体機械の一種である、下水処理場で曝気用に使用される単段ブロワは、他のプラントで運用される流体機械と比較して、高い段圧力上昇と広い流量作動範囲の両立が要求される。そのため、主に遠心羽根車を有する遠心ブロワによって、運用がなされている。

従来の遠心式の単段ブロワは、羽根車上流に設けられた吸入絞り弁のインレットガイドベーンによって流量制御が行われている。インレットガイドベーンによる流量制御技術は、回転速度一定条件下において、インレットガイドベーンの設置角度を調整することによって行われる。インレットガイドベーンによって流路断面積を絞りつつ、羽根車に流入する流れに羽根車回転方向の予旋回を付与することで、翼流入角の調整を行い翼失速を抑制し、流量作動範囲の拡大を実現している。また、予旋回を付与することで軸動力の低減も可能であり、単純なバタフライ弁による流量制御と比較して、高効率化と作動範囲拡大を両立している。

しかし、近年従来一定回転速度で用いられてきた単段ブロワにおいて、羽根車回転速度を可変とする、モータ直結式の磁気軸受単段ブロワが開発された。磁気軸受単段ブロワでは、羽根車回転速度が可変のため、回転速度変化による流量制御と、インレットガイドベーンによる流量制御の両立により、高い部分負荷効率が実現できる。

ところで、ターボチャージャー用圧縮機をはじめとする、単段の遠心型の流体機械では、作動範囲拡大のために、ケーシングトリートメント構造が以前から提供されており、様々な形状が提案されている。ケーシングトリートメント構造は、遠心式羽根車を収納するケーシングのシュラウド側壁面上に設けられたスリットと、スリットに連通して羽根車上流へと流れを導く循環流路をもって構成されている。ケーシングトリートメント構造は、遠心式流体機械の部分負荷運転時には、遠心式羽根車の翼負圧面に蓄積する低エネルギ流体をスリットを介して吸い出し上流側に吐き出すことで、遠心式羽根車の翼負圧面上で生じる失速を抑え、作動範囲の拡大を実現している。

特開２０１６−２００１１９号公報（段落００３２〜００３６、図４等） 特許第３５８３１１５号公報（段落００２５〜００３４、図３等） 特開２００４−１４４０２９公報（段落００２２〜００２４、図４等）

ところで、特許文献１に記載のインレットガイドベーン（入口案内羽根１００）は、インレットガイドベーンの前縁側に屈曲部（１２２）を設けることで、流れのインレットガイドベーンへの流入角を調整している。これにより、インレットガイドベーンの損失を軽減し、部分負荷運転時の効率を向上させている。

特許文献２に記載の流量制御法では、回転速度制御とインレットガイドベーン（入口案内羽根１４）開度制御を同時に行うことで、部分負荷運転時においても常に最も効率が高くなる回転速度とインレットガイドベーンの開度を調整する技術が開示されている。

特許文献３に記載の遠心圧縮機では，遠心式羽根車を収納するケーシングのシュラウド（ハウジング２１）壁面上に設けられた環状の循環流路（吸込連通路２５、吹出連通路２７）内において、循環する流れを整流するために凹湾曲（吸込連通路１５）させたガイドベーン（１８）を設置し，循環流量の増加を実現している。

特許文献１または特許文献２に記載のように、インレットガイドベーンの形状や、その制御方法によって、遠心式流体機械の部分負荷の効率は大きく向上している。しかし、インレットガイドベーンは構造物であり、流路にある場合には流体が接するため、損失発生は避けられない。そのため、インレットガイドベーンを持つことなく遠心羽根車の回転速度制御のみで流量制御をできれば、更なる部分負荷効率の向上が実現可能である。また、インレットガイドベーンは可動部品であり、機構が複雑なため、比較的高価である。そのため、インレットガイドベーンを用いることなく流量制御が可能となれば、コストの面でも大きな利点が生じる。

また、特許文献３に記載のケーシングトリートメント構造では、循環流路内にガイドベーンを設けることで、流れを効率よく導いている。しかし、循環流路内を通過する流量は、循環流路入口のスリット部分の断面積で決まる。そのため、流路内の断面積を急激に拡げると、流路の急拡大に伴う圧力損失が生じて流路の通風効率は低下する。

本発明は上記実状に鑑み創案されたものであり、部分負荷効率が向上するとともにコスト低減が可能な遠心式流体機械の提供を目的とする。

前記課題を解決するため、第１の本発明の遠心式流体機械は、回転軸に連結された羽根車と、前記羽根車の周囲から上流側へ接続されて吸込口が形成されるシュラウドとを具備し、前記シュラウドには、前記羽根車と対向する部位に設けられた第一の開口部と、前記羽根車の設置位置より上流側の前記吸込口の外周部に設けられた第二の開口部と、前記第一の開口部と前記第二の開口部とを連通させる連通流路とを有し、前記連通流路がリブをもって形成される循環流路を備え、前記循環流路は、前記連通流路の周方向に延びる壁面と、前記リブとによって形成され、前記循環流路の横断面の面積は、前記第一の開口部側よりも前記第二の開口部側の方が小さくなっている。

第２の本発明の遠心式流体機械は、回転軸に連結された羽根車と、前記羽根車の周囲から上流側へ接続されて吸込口が形成されるシュラウドとを具備し、前記羽根車の運転状態に係らず、吐出側にゲージ圧で５０〜１００ｋＰａの圧力抵抗がある運転条件で使用され、前記シュラウドには、前記羽根車と対向する部位に設けられた第一の開口部と、前記羽根車の設置位置より上流側の前記吸込口の外周部に設けられた第二の開口部と、前記第一の開口部と前記第二の開口部とを連通させる連通流路とを有し、前記連通流路は、前記第一の開口部側よりも前記第二の開口部側の方が横断面の面積が小さくなっている。

第３の本発明の遠心式流体機械は、回転軸に連結された羽根車と、前記羽根車の周囲から上流側へ接続されて吸込口が形成されるシュラウドとを具備し、前記シュラウドには、前記羽根車と対向する部位に設けられた第一の開口部と、前記羽根車の設置位置より上流側の前記吸込口の外周部に設けられた第二の開口部と、前記第一の開口部と前記第二の開口部とを連通させる連通流路とを有する循環流路を備え、前記循環流路は、前記第一の開口部側よりも前記第二の開口部側の方が細くなっている。

本発明によれば、部分負荷効率が向上するとともにコスト低減が可能な遠心式流体機械を提供できる。

比較例の単段の遠心式流体機械を羽根車回転軸を通る平面で切断した縦断面図。 本発明を適用した実施形態の単段の遠心式流体機械を羽根車の回転軸を通る平面で切断した縦断面図。 実施形態の循環流路の子午面断面の模式図。 比較例の循環流路の模式図。 比較例の循環流路の連通流路の周辺を径方向外側から内側を見た模式図。 実施形態に係る循環流路構造の模式図。 実施形態の循環流路の連通流路の周辺を径方向外側から内側を見た模式図。 実施形態の循環流路の近傍を径方向外側から内側を見た模式的斜視図。 循環流路を第１のスリットの側から連通流路を見た図６のII方向矢視図。 循環流路を第２のスリットの側から連通流路を見た図６のIII方向矢視図。 比較例の循環流路構造と本発明構造の循環流路構造との遠心式流体機械の遠心式羽根車の吸込流量と循環流路の循環流量割合の比較を示すグラフ。 実施形態の循環流路構造を搭載して遠心式羽根車の回転速度制御のみで流量制御を行った場合と、従来の回転速度変化とインレットガイドベーンの流量制御との組み合わせによる流量制御の場合との効率の比較を示すグラフ。

以下、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。
本発明は、遠心式の羽根車を有する遠心式流体機械に関する。特に、曝気用ブロワの様に吐出側に固定抵抗を有し、広い作動範囲を要求される様な条件で使用される遠心式流体機械に本発明を適用できる。

以下の説明において、遠心式流体機械とは例えば、遠心送風機や遠心ブロワ、遠心圧縮機等を意味する。
本発明の実施形態の遠心式流体機械Ｍの基本構成は、比較例の遠心式流体機械１００Ｍの基本構成と同様である。
そこで、本発明の一実施形態を比較例と比較対照しつつ、説明する。なお、同様な構成要素についての重複する説明は省略する。

実施形態の遠心式流体機械Ｍの基本構成を、図1を用いて、従来（比較例）の遠心式流体機械１００Ｍを例に説明する。
図１に、比較例（従来）の単段の遠心式流体機械１００Ｍを羽根車回転軸Ｃを通る平面で切断した縦断面図を示す。ここでは、遠心式流体機械１００Ｍの一例として、羽根車の段数が単段（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Ｍの全てに適用でき、単段のものに限定されない。

比較例の単段の遠心式流体機械１００Ｍは、主な構成要素として、遠心式羽根車１、回転軸２、吸込口配管３、インレットガイドベーン４、ディフューザ５、およびスクロール６を備えている。

遠心式羽根車１は、回転することで処理対象の流体にエネルギを付与する。回転軸２は、駆動装置１０の駆動力により、遠心式羽根車１を回転させる。
吸込口配管３は、遠心式羽根車１の空気導入部分上流Ｊに設けられている。

インレットガイドベーン４は、吸込口配管３の下流に設けられ、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円形翼列である。
ディフューザ５は、遠心式羽根車１の半径方向外側にあり、断面積を次第に拡大することで遠心式羽根車１の吐出口８から流出する流体の動圧を静圧へと変換する。

ディフューザ５については、図１中では翼を有さないベーンレスディフューザとしている。ベーンレスディフューザは、径方向に拡がるハブ１１とシュラウド１２のみによって構成される。ベーンレスディフューザは、径方向外向きにハブ１１とシュラウド１２とで構成される流路断面積が拡大することで、動圧を静圧に変換する静圧回収を行う。
ディフューザ５は、この構成のほか、周方向に複数枚の翼を持つ羽根付きディフューザの採用も考えられる。

スクロール６は渦巻き型の流路であり、ディフューザ５の下流に設けられている。
本実施形態で説明する曝気用に用いられる遠心式流体機械Ｍの運転は、設計点から低流量側のみを使用することが多い。そのため、チョーク側（大流量側）の性能を考慮する必要がない。そこで、ターボチャージャー等で用いられる遠心式羽根車が採用する長翼と短翼の組み合わせによる羽根車ではなく、全て長翼の羽根１ｈで構成された羽根車を使用することが一般的である。

これは、設計点から、より低流量側の作動範囲が要求されるような条件においては、長翼の枚数を増やすことで、翼（羽根１ｈ）前縁に作用する負荷を分散させ、翼の失速を抑えることができるためである。つまり、長翼の枚数が多いほど失速しないようにできる。

こうして、翼の失速を抑えることができれば、流量の作動範囲の拡大が可能となる。そのため、長翼の枚数を増やすことは、低流量側で広い作動範囲を求められる曝気用ブロワにおいて、有効な手段である。
曝気用に用いられる遠心式流体機械Ｍは、吐出側に水頭（ヘッド）である一定の圧力抵抗が継続される運転条件で使用されると定義できる。

遠心式羽根車１とディフューザ５は、周囲がケーシング２１により覆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１では、構造上、ケーシング２１の内側壁面１４と遠心式羽根車１との間に間隙を有する。

また、ケーシング２１は、ディフューザ５においてシュラウド１２を形成する。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ている。回転軸２の一方側には遠心式羽根車１が固定され、その他方端部には駆動装置１０が連結されている。

ケーシング２１には、遠心式羽根車１に対して、流体が回転軸２が延在する方向に沿って吸入（図１の矢印α０）される吸入流路２２が形成されている。吸入流路２２を介して、流体を羽根車前縁１３より取り込む。ケーシング２１は、遠心式羽根車１の外周側に、遠心式羽根車１で圧縮された流体を、遠心式羽根車１の回転軸２が延在する方向に交差する径方向に沿ってスクロール６を経由して排出する（図１の矢印α９）ための排出通路２３を形成している。

上述の構成により、駆動装置１０の駆動により回転軸２が回転すると、遠心式羽根車１が回転する。回転する遠心式羽根車１の吸込み力により、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（図１の矢印α０）。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、羽根１ｈの回転力で昇圧される。その後、昇圧された圧縮流体が、ディフューザ５、スクロール６を経る過程で動圧が静圧に変換され、吐出口８から外部へと吐出される（図１の矢印α９）。

図２は、本発明を適用した実施形態の単段の遠心式流体機械Ｍを遠心式羽根車１の回転軸２を通る平面で切断した縦断面図である。
実施形態の遠心式流体機械Ｍでは、インレットガイドベーン４（図１参照）に代替して、遠心式羽根車１の羽根車前縁１３付近に、循環流路３１を設けている。循環流路３１は、羽根１ｈの負圧面側に発生する低エネルギ流体を上流の吸入流路２２側に戻す作用を行う。

遠心式流体機械Ｍにおいて、インレットガイドベーン４（図１参照）を廃し、回転速度制御のみで吸気流量の作動範囲を満足することで、高い部分負荷効率を維持することができる。また、インレットガイドベーン４を用いない部品点数削減によるコスト低減を図れる。

遠心式流体機械Ｍの吐出口８に固定抵抗（水頭）が設けられた様な条件では、吐出口８での吐出圧力を一定に維持したまま、吸気流量の広い作動範囲が要求される。ここで、固定抵抗とは、遠心式流体機械Ｍの吐出口８の側に常に一定の水深をもつ水槽が接続されているような条件である。吐出口８側の圧力は、水槽の大きさと水深によって決まる。そのため、水深が常時一定であれば、吐出口８の側には常に一定の圧力（＝固定抵抗）がかかり続ける。
遠心式流体機械Ｍを曝気用ブロワに用いた場合の一定の圧力とは、ゲージ圧で５０〜１００ｋＰａである。
本発明は、固定抵抗の条件下において、回転速度のみを変化させることで流量制御を行うことを特徴としている。

＜循環流路３１＞
図３に実施形態の循環流路の子午面断面の模式図を示す。
循環流路３１は、シュラウド１２に遠心羽根車１と対向する部位に設けられた第1のスリット３２と、遠心羽根車１の設置位置より上流側の吸込流路２２の外周部に設けられた第２のスリット３３と、第１のスリット３２と第２のスリット３３とを連通させる連通流路３４とを有して構成されている。

羽根車前縁１３より遠心羽根車１に流入した流れ（図３の矢印α１）は、第１のスリット３２より循環流路３１へ流入し、連通流路３４を通過した後、第２のスリット３３より吸込流路２２の側（上流側）へ流出する。循環流路３１から流出した流れは、吸込流路２２で吸込口配管３（図２参照）から吸い込んだ空気と混合され、再度、羽根車前縁１３から遠心羽根車１に流入する。

循環流路３１に流入する流れは、遠心羽根車１が、定格未満の部分負荷流量点で運転する際に、遠心羽根車１の翼（羽根１ｈ）負圧面側に蓄積される低エネルギ流体を吸い出す効果がある。翼負圧面側に蓄積された低エネルギ流体は、翼負圧面での翼失速を引き起こす。本実施形態では、循環流路３１の循環流によって低エネルギ流体を吸い出し、翼失速の発生を抑制する。これにより、効率を向上させ、作動範囲の拡大を実現している。

循環流路３１へと流入する流入流れ４０は、より流量が多いほど翼負圧面に蓄積する低エネルギ流体を吸い出す量が多くなる。そのため、循環流量をより多くするために、低圧力損失の流路構造が必要となる。

図４に比較例（従来）の循環流路１３１の模式図を示す。
循環流路１３１は、流路内壁１３６を保持するために、リブ１３５によって支持される。
比較例の循環流路１３１は、図３の実施形態と同様、シュラウド１２に遠心羽根車１と対向する部位に設けられた第1のスリット１３２と、遠心羽根車１の設置位置より上流側の吸込流路２２（図３参照）の外周部に設けられた第２のスリット１３３と、第１のスリット１３２と第２のスリット１３３とを連通させる連通流路１３４とを有して構成されている。

第１のスリット１３２と第２のスリット１３３との間の連通流路１３４は、リブ１３５と、流路内壁１３６と、流路外壁１３７（図４の二点鎖線）とによって囲まれて構成される。
また、循環流路１３１へ流入する流入流れ１４０（図５参照）は、第１のスリット１３２から、遠心式羽根車１の回転する方向（図４の矢印β９）と同一方向の旋回成分をもって流入する。

旋回成分をもって流入した流れは、リブ１３５の壁面１３５ｂと衝突し、遠心羽根車１の回転軸２が延在する方向の流れに転向される。
その際、流れが衝突するリブ１３５の羽根車１の回転方向（図４の矢印β９）の上流側に位置するリブ１３５と第１のスリット１３２との接続部において、回転方向（図４の矢印β９）と反対方向に流路構造が急拡大する。

そのため、図５に示すように、流入流れ１４０の上流側に位置するリブ１３５ｊに対して、はく離ｈ１や逆流ｇ１が生じる。図５は比較例の循環流路１３１の連通流路１３４の周辺を径方向外側の流路外壁１３７（リブ１３５の外周面間を閉塞するように形成される）（図４参照）の側から内側を見た模式図である。

循環流路１３１において、逆流ｇ１やはく離ｈ１が生じることで、連通流路１３４が一部閉塞される。そのため、循環流路１３１の流路として有効に作用する断面は、連通流路１３４の全断面の１／２程度となる。そのため、連通流路１３４において有効な流路が狭まるため、局所的に流速が上昇し、流路内圧力損失が増加する。そのため、循環流路１３１内の流路構造は、流路断面積を適切に設ける必要がある。

図６に、実施形態に係る循環流路３１の構造の模式図を示す。
そこで、本実施形態では、図６に示すように、流路内壁３６、リブ３５、流路外壁３７（リブ３５の外周面間を閉塞するように形成される）で構成される連通流路３４の流路断面積が、第１のスリット３２側から第２のスリット３３側にかけて、減少していく絞り構造としている。

＜循環流路３１＞
図７に、実施形態の循環流路３１の連通流路３４の周辺を径方向外側から内側を見た模式図を示す。図８に、実施形態の循環流路３１の近傍を径方向外側から内側を見た模式的斜視図を示す。なお、図７、図８では、流路外壁３７を省略して示している。

図７、図８に示すように、流路断面積を絞る際に、連通流路３４を構成するリブ３５の第１・第２内壁３５ａ、３５ｂを、それぞれ径方向から遠心羽根車１の回転方向（図６の矢印β１方向）に沿うように傾斜させている。これにより、循環流路３１に向かう流入流れ４０が、円滑に循環流路３１に流入できる。

また、連通流路３４を構成するリブ３５のうち、遠心羽根車１の回転方向（図８の矢印β１方向）上流側に位置するリブ３５ｊの第１内壁３５ａを、下流側に位置するリブ３５ｋの第２内壁３５ｂより大きく傾斜させている。これにより、上流側に位置するリブ３５ｊの第１内壁３５ａからのはく離ｈ０や逆流ｇ０を軽減できる。

図９は、循環流路３１を第１のスリット３２の側から連通流路３４を見た図６のII方向矢視図であり、図１０は、循環流路３１を第２のスリット３３の側から連通流路３４を見た図６のIII方向矢視図である。
図９に示すように、遠心羽根車１（図６参照）は矢印β１方向に回転するので、流体は、羽根１ｈが押す力と遠心力とによって第１のスリット３２を通って、連通流路３４に矢印β１方向の成分と径外方向成分を有した矢印α２１方向をもって流入する。

この際、連通流路３４における第１のスリット３２との接続部である連通入口部３４ｉにおいて、点３４ｉ５からの径内方向軌跡と点３４ｉ３からの周方向軌跡とで形成される点３４ｉ０で角部を形成されると流れに対して急峻に形状が変化し、流れのはく離が生じる。つまり、乱流の発生等により圧力損失が発生する。そこで、本実施形態では、点３４ｉ０の角部を面取りで角をとった形状に、点３４ｉ１と点３４ｉ２とを結んだ形状としている。

これにより、連通流路３４の入口である連通入口部３４ｉの形状は、点３４ｉ１、点３４ｉ２、点３４ｉ３、点３４ｉ４、点３４ｉ５を頂点とする略５角形で形作られている。これにより、連通流路３４の連通入口部３４ｉにおけるはく離域が抑制、軽減され、損失の発生を未然に抑制できる。

点３４ｉ１の位置は、連通流路３４の径方向の寸法（点３４ｉ０と点３４ｉ５との間の寸法）の点３４ｉ０を起点として径方向に３０〜７０％が好ましい。また、径方向面取り寸法（点３４ｉ０と点３４ｉ１間の寸法）に対して、周方向に７０％〜２００％の面取り寸法（点３４ｉ０と点３４ｉ２間の寸法）を維持すればよい。すなわち、径方向面取り寸法（点３４ｉ０と点３４ｉ１間の寸法）を１００％とした場合、周方向に７０％〜２００％の寸法（点３４ｉ０と点３４ｉ２間の寸法）面取りされている。

点３４ｉ０を起点として径方向に３０〜７０％の角取り（点３４ｉ０から点３４ｉ１まで）を行い、かつ、径方向面取り寸法（点３４ｉ０から点３４ｉ１までの寸法）に対して、周方向に７０％〜２００％の面取り寸法（点３４ｉ０から点３４ｉ２までの寸法）を維持することで、連通流路３４の連通入口部３４ｉにおける損失の発生を効果的に抑制できる。

そして、図７、図８に示すように、回転方向（図７、図８の矢印β１）に沿った上流側に位置するリブ３５ｊの第１内壁３５ａの大きな傾斜面および下流側に位置するリブ３５ｋの第２内壁３５ｂの小さな傾斜面とにより、連通流路３４は下流側にいくに従い流路が絞られる（図８参照）。

図９、図１０に示すように、連通流路３４における第２のスリット３３との接続部である連通出口部３４ｏの形状は、連通入口部３４ｉと同様、点３４ｏ５からの径内方向軌跡と点３４ｏ３からの周方向軌跡とで形成される点３４ｏ０の角部を面取りで角をとって、点３４ｏ１と点３４ｏ２とを結んだ形状としている。

連通出口部３４ｏの点３４ｏ１、点３４ｏ２、点３４ｏ３、点３４ｏ４、点３４ｏ５は、それぞれ連通入口部３４ｉの点３４ｉ１、点３４ｉ２、点３４ｉ３、点３４ｉ４、点３４ｉ５に対応する位置にある。

こうして、連通出口部３４ｏは、連通入口部３４ｉの点３４ｉ１、点３４ｉ２、点３４ｉ３、点３４ｉ４、点３４ｉ５を頂点とする連通入口部３４ｉを、流体の流れ方向に滑らかに結んだ点３４ｏ１、点３４ｏ２、点３４ｏ３、点３４ｏ４、点３４ｏ５を頂点とする略５角形の形状に形成されている。すなわち、連通出口部３４ｏは、連通入口部３４ｉの大きさ（面積）が縮小した大きさ（開口面積）を有している。

このように、本実施形態では、連通流路３４の流路断面積を、連通入口部３４ｉから下流側の連通出口部３４ｏにいくに従い、絞っていることを特徴としている。ここで、第二のスリット３３側の連通出口部３４ｏの開口面積を、第一のスリット３２側の連通入口部３４ｉの開口面積の３０〜７０％と小さくすることで、損失を効果的に抑制できる。なお、本実施形態では、連通出口部３４ｏの開口面積を連通入口部３４ｉの開口面積の約５０％とした場合を例示している。

この構造により、図８に示すように、流れが衝突するリブ３５の羽根車１（図６参照）の回転方向上流側に位置する第１内壁３５ａと第１のスリット３２との接続部におけるの流路構造（流入流れ４０と上流側の第１内壁３５ａとの間のスペース）の急拡大が抑えられる。そのため、リブ３５の上流側の第１内壁３５ａからの流れのはく離ｈ０や逆流域ｇ０（図７参照）を小さくできる。

また、図７に示すように、流れのはく離ｈ０や逆流域ｇ０を小さくして、はく離ｈ０域や逆流域ｇ０を正味の流路から遠ざけることができるため、比較例の図４に示すように、内壁１３５ａ、１３５ｂ間の距離を広くとった場合よりも、第１内壁３５ａと第２内壁３５ｂ間の距離が狭いながらも相対的に有効流路が広くとれる。

そのため、図８に示す本実施形態の循環流路３１の第１・第２内壁３５ａ、３５ｂの構成により、有効流路断面積を設計通りに確保することが可能となる。これにより、設計通り（所望）の有効流路断面積を確保し、圧損低減による循環流量の増加が可能となる。

＜流体機械Ｍの作動範囲＞
図１１に、図４の比較例（従来構造）の循環流路構造（白抜き□）の遠心式流体機械１００Ｍと本実施形態（本発明）構造の循環流路構造（黒塗り■）との遠心式流体機械Ｍの遠心式羽根車１の吸気流量（横軸）と、循環流路の循環流量割合（縦軸）の比較を示す。
図１１より、本発明構造は、特に低流量側において循環流量が増加していることが分る（図１１の黒塗り■参照）。例えば、吸気流量（横軸）の低流量側で循環流量割合（縦軸）が２％強改善していることが分る。

循環流量の増加は、流路の圧力損失低減によるものと言えるので、本実施形態の循環流路３１の横断面の面積を第一のスリット３２側よりも第二のスリット３３の方を小さくする形状により、圧損低減が説明できる。また、循環流量が増加しているので、図１１から、作動範囲を拡大できる効果がある。

＜流体機械Ｍの効率＞
図１２に、本実施形態の循環流路構造（図６〜図１０）を搭載して遠心式羽根車１の回転速度制御のみで流量制御を行った場合と、従来の回転速度変化とインレットガイドベーン４（図１参照）の流量制御との組み合わせによる流量制御の場合との効率の比較を示す。
図１２の横軸は設計点からの吸気流量の割合（％）を表し、縦軸に効率を示す。図１２より、本実施形態（発明）によって、従来の構成と比較して、低吸気流量域で効率が約１０％向上していることが分る。

以上、本実施形態の遠心式流体機械Ｍでは、従来の遠心式流体機械１００Ｍに用いられているインレットガイドベーン４を廃し、低圧損の循環流路を提案した。循環流路３１の横断面の面積を第一のスリット３２側よりも第二のスリット３３側の方が小さくすることで、つまり、循環流路３１を、第一のスリット３２側（第一の開口側）よりも第二のスリット３３側（第二の開口側）の方を細くすることで、作動範囲を広げられる。

また、上流側に位置するリブ３５ｊの第１内壁３５ａを、下流側に位置するリブ３５ｋの第２内壁３５ｂより大きく傾斜させる（図７、図８参照）ことで、効率向上を図れる。

これにより、回転速度制御のみで流量制御が可能な遠心式流体機械Ｍを実現できる。
インレットガイドベーン４（図１参照）を使用しない遠心式流体機械Ｍを提供できるため、部分負荷効率の向上が期待できる。また、コストの低減が可能となる。

すなわち、遠心式羽根車１で圧縮された空気を効率よく遠心式羽根車１の上流へと循環させ、低流量でのサージング抑制作用を有し、作動範囲を拡大した遠心式流体機械Ｍを提供できる。

例えば、主に下水処理場で用いられるような吐出側に固定抵抗（水頭）を有し、広い作動範囲を要求される曝気用の遠心式流体機械を対象に、従来用いられてきたインレットガイドベーン４を廃し、回転速度制御のみで流量制御を行えるる遠心式流体機械Ｍを提供できる。
本発明を吐出口８のゲージ圧が５０〜１００ｋＰａの曝気用のブロアーに用いることで、ブロアーの低コスト化と高効率化、作動範囲の拡大を図ることができる。

＜＜その他の実施形態＞＞
１．前記実施形態では、連通流路３４の入口の連通入口部３４ｉの点３４ｉ０の角部を面取りで角取りした形状を説明したが、面取り以外のＲ面取り形状または点３４ｉ０の角部を、曲率をもって角をとったり、または、直線と曲率をもって角をとった形状としてもよく、点３４ｉ０の角部をとれば形状は任意に選択できる。

２．なお、前記実施形態では、連通流路３４の横断面形状を略５角形にして第１のスリット３２から下流の第２のスリット３３にいくに従って絞る形状を例示して説明したが、連通流路３４の横断面形状が下流にいくに従って狭くなれば、その断面形状は適宜選択できる。

３．本発明は、前記の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、本発明を分かり易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。また、実施形態の構成の一部についても他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

本発明は、オープン型の羽根車を有する遠心式流体機械に関する発明であるが、本発明の活用例として、原理が近い、オープン型の羽根車を有する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（羽根車）
１ｈ 羽根（長翼）
２ 回転軸
１２ シュラウド
２２ 吸入流路（吸込口）
３１ 循環流路
３２ 第１のスリット（第一の開口部）
３３ 第２のスリット（第二の開口部）
３４ 連通流路
３４ｉ０ 点（角部）
３４ｏ０ 点（角部）
３５ リブ
３５ａ 第１内壁
３５ｂ 第２内壁
３６ 流路内壁（周方向に延びる壁面、内径壁面）
３７ 流路外壁（周方向に延びる壁面、外径壁面）
β１ 羽根車の回転方向
Ｍ 遠心式流体機械

Claims (8)

1. 回転軸に連結された羽根車と、
   前記羽根車の周囲から上流側へ接続されて吸込口が形成されるシュラウドとを具備し、
   前記シュラウドには、
   前記羽根車と対向する部位に設けられた第一の開口部と、前記羽根車の設置位置より上流側の前記吸込口の外周部に設けられた第二の開口部と、前記第一の開口部と前記第二の開口部とを連通させる連通流路とを有し、前記連通流路がリブをもって形成される循環流路を備え、
   前記循環流路は、前記連通流路の周方向に延びる壁面と、前記リブとによって形成され、
   前記循環流路の横断面の面積は、前記第一の開口部側よりも前記第二の開口部側の方が小さくなっている
   ことを特徴とする遠心式流体機械。
2. 請求項１に記載の遠心式流体機械において、
   前記リブにおける前記羽根車の径方向に形成される内壁は、前記羽根車の回転方向に沿うように傾斜している
   ことを特徴とする遠心式流体機械。
3. 請求項１に記載の遠心式流体機械において、
   前記リブにおける前記羽根車の径方向に形成される内壁は、前記羽根車の回転方向に沿うように傾斜しており、
   前記内壁は、前記連通流路を構成する前記リブの前記羽根車の回転方向の上流側に位置する方の第１内壁と、前記回転方向の下流側に位置する第２内壁とであり、
   前記第１内壁は、前記第２内壁よりも大きく傾斜している
   ことを特徴とする遠心式流体機械。
4. 請求項１に記載の遠心式流体機械において、
   前記連通流路の横断面における内径側であって前記羽根車の回転方向の上流側の角部は角取りされた形状を有している
   ことを特徴とする遠心式流体機械。
5. 請求項１に記載の遠心式流体機械において、
   前記連通流路の横断面における内径側であって前記羽根車の回転方向の上流側の角部は角取りされた形状を有しており、
   前記角取りされた形状は、前記羽根車の径方向に前記横断面の内径壁面を起点として外径壁面までの幅寸法を１００％とした場合、３０〜７０％まで角取りされており、かつ、前記径方向の角取り寸法に対して、周方向に７０％〜２００％の寸法角取りされた形状である
   ことを特徴とする遠心式流体機械。
6. 請求項１に記載の遠心式流体機械において、
   前記循環流路は、前記第一の開口部側の横断面に対して前記第二の開口部側の横断面の面積が、３０〜７０％である
   ことを特徴とする遠心式流体機械。
7. 回転軸に連結された羽根車と、前記羽根車の周囲から上流側へ接続されて吸込口が形成されるシュラウドとを具備し、
   前記羽根車の運転状態に係らず、吐出側にゲージ圧で５０〜１００ｋＰａの圧力抵抗がある運転条件で使用され、
   前記シュラウドには、前記羽根車と対向する部位に設けられた第一の開口部と、前記羽根車の設置位置より上流側の前記吸込口の外周部に設けられた第二の開口部と、前記第一の開口部と前記第二の開口部とを連通させる連通流路とを有し、
   前記連通流路は、前記第一の開口部側よりも前記第二の開口部側の方が横断面の面積が小さくなっている
   ことを特徴とする遠心式流体機械。
8. 回転軸に連結された羽根車と、
   前記羽根車の周囲から上流側へ接続されて吸込口が形成されるシュラウドとを具備し、
   前記シュラウドには、
   前記羽根車と対向する部位に設けられた第一の開口部と、前記羽根車の設置位置より上流側の前記吸込口の外周部に設けられた第二の開口部と、前記第一の開口部と前記第二の開口部とを連通させる連通流路とを有する循環流路を備え、
   前記循環流路は、前記第一の開口部側よりも前記第二の開口部側の方が細くなっている
   ことを特徴とする遠心式流体機械。

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