JP2020159297A - 遠心式回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】漏れ流れが主流に合流するときのエネルギー損失を低減する遠心式回転機械を提供する。【解決手段】遠心式回転機械１は、ハウジング９と、複数の羽根３３と当該羽根３３の外周を囲むシュラウド３５とを有し、ハウジング９内に収容されるクローズド式のインペラ７と、ハウジング９とシュラウド３５との隙間３７をシールするラビリンス部３９と、を備え、隙間３７を通過する漏れ流れＢの出口部４５からの当該漏れ流れＢの流出方向が、インペラ７の回転軸線Ｘに略平行である。【選択図】図２

Description

本開示は、遠心式回転機械に関するものである。

従来、下記特許文献１に記載の遠心式回転機械が知られている。この遠心式回転機械は、ハウジング内で回転するインペラを備えている。インペラは、複数の羽根とこの羽根の外周を囲むシュラウドとを有している。流体の主流はインペラの羽根を通過するが、ハウジングの内壁面とシュラウドの外壁面との隙間を流れる漏れ流れも発生する。この漏れ流れを減少するために、上記の隙間がラビリンス部でシールされている。

特表2014-521861号公報

しかしながら、上記漏れ流れが主流に合流するときには、主流の乱れが発生しエネルギー損失が発生する。当該エネルギー損失は、回転機械の効率低下の要因であるので、可能な限り低減することが望まれる。この課題に鑑み、本開示は、漏れ流れが主流に合流するときのエネルギー損失を低減する遠心式回転機械を説明する。

本開示の一形態に係る遠心式回転機械は、ハウジングと、複数の羽根と当該羽根の外周を囲むシュラウドとを有し、前記ハウジング内に収容されるクローズド式のインペラと、前記ハウジングと前記シュラウドとの隙間をシールするラビリンス部と、を備え、前記隙間を通過する漏れ流れの出口部から当該漏れ流れが流出するときの流出方向が、前記インペラの回転軸線に略平行である、遠心式回転機械である。

本開示の一形態に係る遠心式回転機械は、ハウジングと、複数の羽根と当該羽根の外周を囲むシュラウドとを有し、前記ハウジング内に収容されるクローズド式のインペラと、前記ハウジングと前記シュラウドとの隙間をシールするラビリンス部と、を備え、前記隙間を通過する漏れ流れの出口部において、前記ハウジングの内壁面と前記シュラウドの外壁面とが、前記インペラと同軸の円柱面をなしている、遠心式回転機械である。

上記の遠心式回転機械は、前記流体を前記回転軸線方向に外部に吐出する吐出口を備え、前記ハウジングの前記内壁面は、前記出口部から前記吐出口まで、前記インペラと同軸の円柱面をなしていることとしてもよい。

上記の遠心式回転機械は、前記流体の主流を前記回転軸線方向に外部から吸入する吸入口を備え、前記ハウジングの前記内壁面は、前記出口部から前記吸入口まで、前記インペラと同軸の円柱面をなしていることとしてもよい。

本開示の遠心式回転機械によれば、漏れ流れが主流に合流するときのエネルギー損失を低減することができる。

図１は、実施形態の遠心式回転機械を模式的に示す断面図である。 図２は、実施形態の遠心式回転機械のインペラ近傍を拡大して示す断面図である。 図３は、実施形態の漏れ流れの出口部近傍を拡大して示す断面図である。 図４は、比較例に係る漏れ流れの出口部近傍を拡大して示す断面図である。 図５は、他の実施形態に係る遠心式回転機械のインペラ近傍を拡大して示す断面図である。 図６は、他の実施形態に係る漏れ流れの出口部近傍を拡大して示す断面図である。

以下、図面を参照しながら本開示に係る遠心式回転機械の実施形態について詳細に説明する。以下の説明で単に「軸方向」、「径方向」、「周方向」と言うときには、それぞれ、後述するインペラ７の回転の軸方向、径方向、周方向を意味するものとする。

図１は、実施形態に係る遠心式回転機械１を模式的に示す断面図である。図１に示されるように、遠心式回転機械１は、タービン部３とモータ部５とを備えている。タービン部３は、インペラ７と、インペラ７が収容されるハウジング９とを有している。インペラ７は、軸方向に延びるシャフト２１の一端に取付けられている。ハウジング９には、インペラ７の周囲において周方向に延びるスクロール１１が設けられている。また、ハウジング９には、外部の流体が流入する流入口１３と、流体を外部に吐出する吐出口１５とが設けられている。

モータ部５は、モータ２３と、モータ２３が収容されるモータハウジング２５と、を有している。モータ２３は、シャフト２１に取付けられたロータ２７と、ロータ２７の周囲に配置されモータハウジング２５に固定されたステータ２９と、を有している。シャフト２１は、モータ２３を軸方向に挟む一対の軸受３２，３２を介してモータハウジング２５に軸支されている。モータ２３は、外部から供給される電力によってシャフト２１を回転軸線Ｘ周りに回転させる。シャフト２１には所定の対象物（図示せず）が取付けられ、モータ２３から当該対象物に対して機械的仕事が付与される。上記対象物は、例えば、遠心式回転機械１とは別に構成されたコンプレッサ（図示せず）のコンプレッサインペラであってもよい。

タービン部３において、外部からの流体が流入口１３を通じてハウジング９内に流入すると、流体は、スクロール１１を通過して径方向からインペラ７に流入する。そして流体は、インペラ７を回転させシャフト２１に対して回転軸線Ｘ周りの回転力を付与する。その後、流体はインペラ７の出口から軸方向に排出され、吐出口１５から軸方向に向けて外部へ吐出される。このようにしてタービン部３で発生する回転力が、上記のモータ２３で発生する回転力に追加されてシャフト２１に付与される。すなわち、タービン部３はモータ２３のパワーアシスト源として機能する。なお、流体は、液体であっても気体であってもよい。

続いて、図２を参照しながら、タービン部３の詳細について説明する。インペラ７は、クローズド式のインペラである。インペラ７は、シャフト２１に固定されるハブ３１と、ハブ３１の表面に設けられた複数の羽根３３と、当該羽根３３の外周を囲む筒状のシュラウド３５と、を有している。シュラウド３５とハウジング９との間には、径方向のクリアランスとして隙間３７が設けられている。

流入口１３（図１参照）からスクロール１１を通じて導入される流体の主流Ａは、インペラ７の羽根３３を通過する。すなわち、主流Ａは、羽根３３の入口３３ａから径方向に導入され羽根３３の出口３３ｂから軸方向に排出され、最終的には吐出口１５から外部に吐出される。このとき、スクロール１１が吐出口１５よりも高圧であるので、スクロール１１から隙間３７を通過して吐出口１５側に流動する漏れ流れＢも発生する。このような漏れ流れＢを減少するために、上記隙間３７をシールするためのラビリンス部３９が設けられている。具体的には、シュラウド３５の外周面上で外方に突出し周方向に延びる凸条部４１が軸方向に複数並べて設けられることで、ラビリンス部３９が形成されている。

ここで、漏れ流れＢが主流Ａに合流するときには、主流Ａの乱れが発生しエネルギー損失が発生し得る。当該エネルギー損失は、遠心式回転機械１の効率低下の要因であるので、可能な限り低減することが望まれる。

そこで、遠心式回転機械１においては、漏れ流れＢの出口部４５の構造を以下のようにしている。図３は、漏れ流れＢの出口部４５を拡大して示す断面図である。なお、図３は、説明に係る特徴を誇張して描写するために、他の図面とは各部位の寸法比が異なる場合がある。なお、漏れ流れＢの出口部４５とは、漏れ流れＢが主流Ａの流路８１に合流する部分である、図３の例における主流Ａの流路８１は、破線及び網掛けで示す部分である。

図３に示されるように、出口部４５においては、ハウジング９の内壁面４７とシュラウド３５の外壁面４９とが径方向に対面している。そして、出口部４５において、内壁面４７は回転軸線Ｘを円柱軸とする円柱内側面をなしており、外壁面４９は回転軸線Ｘを円柱軸とする円柱外側面をなしている。内壁面４７は、シュラウド３５の内壁面５０よりも径方向外側に位置しており、更に外壁面４９よりも径方向外側に位置している。

内壁面４７は、出口部４５で外壁面４９に径方向に対面する部分から吐出口１５に至るまで連続して、出口部４５における外壁面４９と平行に延びている。すなわち、内壁面４７は、出口部４５で外壁面４９に径方向に対面する部分から吐出口１５に至るまで連続して上記の円柱内側面をなしている。また、出口部４５を通り回転軸線Ｘを筒軸とする仮想円筒は、ハウジング９とは交差せずに吐出口１５に至る。

この構成によれば、出口部４５から流出する漏れ流れＢの流出方向は軸方向である。従って、漏れ流れＢは主流Ａに対して略平行に合流することになり、合流に起因する主流Ａの乱れが小さく抑えられる。その結果、漏れ流れＢが主流Ａに合流するときのエネルギー損失も低減される。

比較例として、図４に示されるような出口部４５’を考える。この出口部４５’におけるハウジング９の内壁面４７’は、回転軸線Ｘに直交する平面内に位置する。出口部４５’から吐出口１５に至るまでのハウジング９の内壁面４８は、シュラウド３５の内壁面５０と面一の位置にある。このようにハウジング９の内壁面４８とシュラウド３５の内壁面５０とが面一であることから、比較的円滑な主流Ａが形成されるとも考えられる。しかしながら、出口部４５’から排出される漏れ流れＢの流出方向は径方向であり、漏れ流れＢが主流Ａに交差するように合流することになる。このように、漏れ流れＢが主流Ａに交差するように合流することで、主流Ａの乱れが比較的大きくなり、エネルギー損失は比較的大きくなる。

本開示の遠心式回転機械は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

例えば、上述の実施形態は、タービン部３を例として説明したが、本開示の遠心式回転機械は、電動コンプレッサであってもよい。すなわち、図１に示されるタービン部３に代えてコンプレッサ部４であってもよい。このような電動コンプレッサは、例えば液体ヘリウム等の極低温の液体を圧送する用途に用いられる場合がある。

具体的には、図５に示されるように、コンプレッサ部４のコンプレッサインペラ２０７は、モータ２３（図１参照）によってシャフト２１と共に回転される。そして、コンプレッサインペラ２０７は、吸入口２１３を通じて外部の流体を軸方向に吸入し、スクロール１１に対して流体を径方向に吐出する。流体の主流Ａは、図中に矢印で示されるように、吸入口２１３側から、羽根３３を通過してスクロール１１に向かう。また、スクロール１１が吸入口２１３よりも高圧であるので、スクロール１１から隙間３７を通過して吸入口２１３側に流動する漏れ流れＢが発生する。このような漏れ流れＢを減少するために、上記隙間３７をシールするためのラビリンス部３９が設けられている。

このようなコンプレッサ部４においても、図２及び図３で説明したような出口部４５の構成が採用される。すなわち、図６に示されるように、出口部４５においては、ハウジング９の内壁面４７とシュラウド３５の外壁面４９とが径方向に対面している。そして、出口部４５において、内壁面４７は回転軸線Ｘを円柱軸とする円柱内側面をなしており、外壁面４９は回転軸線Ｘを円柱軸とする円柱外側面をなしている。内壁面４７は、シュラウド３５の内壁面５０よりも径方向外側に位置しており、更に外壁面４９よりも径方向外側に位置している。

内壁面４７は、出口部４５で外壁面４９に径方向に対面する部分から吸入口２１３に至るまで連続して、出口部４５における外壁面４９と平行に延びている。すなわち、内壁面４７は、出口部４５で外壁面４９に径方向に対面する部分から吸入口２１３に至るまで連続して上記の円柱内側面をなしている。また、出口部４５を通り回転軸線Ｘを筒軸とする仮想円筒は、ハウジング９とは交差せずに吸入口２１３に至る。なお、図５及び図６において、図２及び図３と同等の構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

以上のコンプレッサ部４の構成によれば、出口部４５から流出する漏れ流れＢの流出方向は軸方向である。従って、主流Ａに対して交差するように合流する漏れ流れＢは低減され、合流に起因する主流Ａの乱れが小さく抑えられる。その結果、漏れ流れＢが主流Ａに合流するときのエネルギー損失も低減される。

１ 遠心式回転機械
７ インペラ
９ ハウジング
１５ 吐出口
３３ 羽根
３５ シュラウド
３７ 隙間
３９ ラビリンス部
４５ 出口部
４７ 内壁面
４９ 外壁面
２１３ 吸入口
Ａ 主流
Ｂ 漏れ流れ
Ｘ 回転軸線

Claims (4)

1. ハウジングと、
   複数の羽根と当該羽根の外周を囲むシュラウドとを有し、前記ハウジング内に収容されるクローズド式のインペラと、
   前記ハウジングと前記シュラウドとの隙間をシールするラビリンス部と、を備え、
   前記隙間を通過する漏れ流れの出口部から当該漏れ流れが流出するときの流出方向が、前記インペラの回転軸線に略平行である、遠心式回転機械。
2. ハウジングと、
   複数の羽根と当該羽根の外周を囲むシュラウドとを有し、前記ハウジング内に収容されるクローズド式のインペラと、
   前記ハウジングと前記シュラウドとの隙間をシールするラビリンス部と、を備え、
   前記隙間を通過する漏れ流れの出口部において、
   前記ハウジングの内壁面と前記シュラウドの外壁面とが、前記インペラと同軸の円柱面をなしている、遠心式回転機械。
3. 流体の主流を前記回転軸線方向に外部に吐出する吐出口を備え、
   前記ハウジングの前記内壁面は、前記出口部から前記吐出口まで、前記インペラと同軸の円柱面をなしている、請求項２に記載の遠心式回転機械。
4. 流体の主流を前記回転軸線方向に外部から吸入する吸入口を備え、
   前記ハウジングの前記内壁面は、前記出口部から前記吸入口まで、前記インペラと同軸の円柱面をなしている、請求項２に記載の遠心式回転機械。

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