JP3912331B2 - 遠心形流体機械 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はポンプ，圧縮機等の遠心形流体機械に係り、特に騒音および圧力脈動の低減を行うのに好適な遠心形流体機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
羽根車出口の羽根の厚み、羽根間の２次流れ、あるいは境界層の影響で、周方向に非一様な流速分布を形成する。このような非一様な脈動流がディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部と干渉して周期的な圧力脈動を生じ騒音を発生する。あるいはこの圧力脈動がディフュ−ザを加振し、さらに嵌合部を介してケ−シングあるいはその外側の外ケ−シングを加振することにより、ポンプ周囲の空気に振動が伝播し騒音となる。
【０００３】
ズルツァ−・テクニカル・レビュ−６２巻１号（１９８０）２４〜２６ペ−ジ（Ｚｕｌｚｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｖｏｌ．６２ Ｎｏ．１（１９８０）ＰＰ．２４〜２６）記載の遠心ポンプでは、羽根車の羽根後縁径あるいは羽根後縁の周方向位置を回転軸中心線に沿って変化させることにより騒音を低減している。また特開昭５１−９１００６号公報に記載の電動送風機では、渦巻ケ−シングのボリュ−ト壁に増圧部と制音部とを形成（制音部はボリュ−トの巻き始め部の周方向位置を回転軸中心線に沿って変化させた部分）し、その制音部の周方向距離を羽根車の隣合う羽根後縁間の周方向距離とほぼ同一にすることにより、羽根車から流出した流れが同時にはボリュ−ト巻き始め部に当たらないようにしている。このようにすることにより、流れとボリュ−ト巻き始め部との干渉に回転軸中心線に沿って位相のずれが生じ、周期的な圧力脈動が緩和され騒音低減につながる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記従来技術では、羽根車の羽根後縁径を回転軸中心線に沿って変化させた場合、羽根車羽根後縁径とディフュ−ザ羽根前縁径あるいはボリュ−ト巻き始め部の径との径比が回転軸中心線に沿って変化するため揚程や効率が低下する問題があった。また羽根車の羽根後縁径を回転軸中心線に沿って変化させることに付随し、羽根車の主板と側板の外形を異ならせた場合、主板と側板の回転軸中心線に沿っての投影面積が異なることにより発生する軸スラストが問題となった。また羽根車羽根後縁の周方向位置を回転軸中心線に沿って変化させた場合、羽根車羽根後縁とディフュ−ザ羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部との周方距離が回転軸中心線に沿って変化しているものの変化量を最適化してはいない。またボリュ−ト巻き始め部の周方向位置を回転軸中心線に沿って変化させ、その変化量を羽根車の隣合う羽根後縁間の周方向距離とほぼ同一にした場合、ボリュ−トケ−シングで圧力回復を行う部分が短くなり十分な圧力回復が得られない問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、揚程や効率の低下を抑え、かつ騒音を低減できる遠心形流体機械を得ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、ケ−シング内で回転軸とともに回転する羽根車、およびケ−シングに対し固定した羽根付きディフュ−ザを有する遠心形流体機械において、羽根車羽根後縁の両端の位置での径に対し中央の位置での径を大きくし、ディフュ−ザの羽根前縁の両端の位置での径に対し中央の位置での径を大きくしたことにより達成される。
【０００７】
また上記目的は、渦巻ケ−シング内で回転軸とともに回転する羽根車を有する遠心形流体機械において、羽根車羽根後縁の両端の位置での径に対し中央の位置での径を大きくし、渦巻ケ−シングのボリュ−ト巻き始め部の両端の位置での径に対し中央の位置での径を大きくしたことにより達成される。
【０００８】
また上記目的は、渦巻ケ−シング内で回転軸とともに回転する羽根車を有する遠心形流体機械において、羽根車羽根後縁の両端の位置での径に対し中央の位置での径を小さくし、渦巻ケ−シングのボリュ−ト巻き始め部の両端の位置での径に対し中央の位置での径を小さくしたことにより達成される。
【０００９】
また上記目的は、渦巻ケ−シング内で回転軸とともに回転する羽根車を有する遠心形流体機械において、前記羽根車の羽根後縁径および渦巻ケ−シングのボリュ−ト巻き始め部の径を回転軸中心線に沿って変化させ、羽根車の羽根後縁径とボリュ−ト巻き始め部の径との比が回転軸中心線に沿って一定であることにより達成される。
【００１０】
また上記目的は、羽根車の羽根後縁あるいはディフュ−ザの羽根前縁あるいはその両方を二次元羽根で構成したことにより達成される。
【００１１】
また上記目的は、羽根車の羽根後縁を二次元羽根で構成し、あるいは渦巻ケ−シングのボリュ−ト巻き始め部を二次元形状とし、あるいはその両方を二次元形状としたたことにより達成される。
【００１２】
また上記目的は、羽根車あるいはディフュ−ザを拡散接合で製作したことにより達成される。
【００１３】
また上記目的は、羽根車を拡散接合で製作したことにより達成される。
【００１４】
また上記目的は、渦巻ケ−シングをプレス鋼板で製作したことにより達成される。
【００１９】
【実施例】
以下本発明の一実施例を図１により説明する。羽根車３はケ−シング１内で回転軸２の回りに回転し、ケ−シング１に対してディフュ−ザ４は固定してある。羽根車３は複数の羽根５を、ディフュ−ザ４は複数の羽根６を有し、羽根車３の羽根５の後縁７およびディフュ−ザ４の羽根６の前縁８はそれぞれ回転軸中心線に沿って径が変化するように形成している。すなわち図２は図１に示す一組の羽根車とディフュ−ザの子午面形状を示したものである。羽根車３の羽根後縁７は主板９ａ側７ａで径を最大、側板９ｂ側７ｂで径を最小とする。ディフュ−ザ４の羽根前縁８も羽根車３の羽根後縁７と子午面内で同じ向きに傾けており、羽根車の主板９ａ側８ａで径を最大、側板９ｂ側８ｂで径を最小とする。図３は図２のＡ−Ａ断面の羽根車羽根後縁７およびディフュ−ザ羽根前縁８付近の詳細図である。羽根車の羽根５およびディフュ−ザの羽根６は３次元形状、すなわち羽根の周方向位置を回転軸中心線に沿って変化させており、さらに羽根車羽根後縁７の径およびディフュ−ザ羽根前縁８の径を回転軸中心線に沿って変化させることにより、羽根車羽根後縁７およびディフュ−ザ羽根前縁８を周方向位置を回転軸中心線に沿って変化させている。図３の羽根車羽根後縁７およびディフュ−ザ羽根前縁８の周方向の位置関係を図４に示す。図４は、ディフュ−ザ羽根前縁の円筒展開図上に羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８とを投影したものである。すなわち図３において、回転軸中心から見た羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８を円筒断面Ａ−Ａ上に投影し、平面に展開したものである。ディフュ−ザの羽根前縁８と羽根車の羽根後縁７とで子午面での傾きを同じ向きに付けることにより、羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８との周方向位置にずれが生じる。この周方向位置のずれのため、羽根車羽根後縁７から流出した脈動流はディフュ−ザの羽根前縁８に位相がずれて当たりディフューザへの加振力は緩和される。また図５に示すようにディフュ−ザ４がケ−シング１に対して嵌合部１０を介して固定されている場合には、圧力脈動により加振されたディフュ−ザ４の振動が嵌合部１０を介してケ−シング１に伝わり、周囲の空気を振動させ騒音となるため、本実施例によりディフュ−ザ４に作用する加振力が緩和されれば騒音が低減する。
【００２０】
なお図２に示す実施例では羽根車羽根後縁７およびディフュ−ザ羽根前縁８の子午面形状は直線であるが、一般的には図６に示すように羽根車羽根後縁７の径とディフュ−ザ羽根前縁８の径を回転軸中心線に沿って単調に増加あるいは減少させ、かつ羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８の子午面での傾きを同じ向きに傾斜させればよい。さらに図７あるいは図８に示すように、羽根車羽根後縁７の両端７ａ，７ｂにおける径に対し中央の位置７ｃにおける径を大きくあるいは小さくし、かつディフュ−ザの羽根前縁８の両端８ａ，８ｂにおける径に対し中央の位置８ｃにおける径を大きくあるいは小さくしてもよい。
【００２１】
また図２に示す実施例は、図９に示すように羽根車３の主板９ａと側板９ｂの外径は等しくなくともよく、ディフュ−ザの側板１１ａ，１１ｂの内径は同じでなくともよい。このようにすることにより羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８との径比を従来通りにすることができ、羽根車羽根後縁径に対するディフュ−ザ羽根前縁径の比が拡大することによる揚程，効率等の性能低下を発生させない。さらに望ましくは図１０に示すように羽根車３の主板９ａの外径を側板９ｂの外径より大きくすることにより、羽根車の羽根長さを主板９ａ側から側板９ｂにかけて均一にでき、高圧側の主板９ａの回転軸中心線に沿っての投影面積を低圧側の側板９ｂの投影面積に対して縮小することができ軸スラストを低減できる。
【００２２】
さらに図３に示すディフュ−ザ羽根前縁８の最外周部８ａの径Ｒaと羽根車羽根後縁７の最外周部７ａの径ｒaとの比（Ｒa／ｒa）を、ディフュ−ザ羽根前縁８の最内周部８ｂの径Ｒbと羽根車羽根後縁７の最内周部７ｂの径ｒbとの比（Ｒb／ｒb）に等しくし、羽根車の羽根後縁径とディフュ−ザの羽根前縁径との比を軸方向で一定にすることにより、性能低下を最小限に抑えることができる。
【００２３】
また図１１は、羽根車の羽根５およびディフュ−ザの羽根６を２次元設計した場合の詳細図である。図１１では羽根５および６は２次元形状、すなわち羽根の周方向位置は回転軸中心線に沿って一定であるが、羽根車羽根後縁７の径およびディフュ−ザ羽根前縁８の径を回転軸中心線に沿って変化させることにより羽根車羽根後縁７およびディフュ−ザ羽根前縁８の周方向位置が回転軸中心線方向に変化する。そのためディフュ−ザに対して脈動流の位相がずれて当たり、ディフュ−ザに対する加振力が低減し騒音が低減する。特に羽根を２次元形状にすることにより、拡散接合が容易になり羽根の製作性，精度および強度を向上することができる。
【００２４】
なお図２あるいは図５に示す本発明は、単段，多段にかかわらず遠心ポンプ，遠心圧縮機に適用可能である。
【００２５】
本発明の別の実施例を図１２により説明する。羽根車３はケ−シング１内で回転軸２の回りに回転し、ケ−シング１に対してディフュ−ザ４は固定してある。羽根車３は複数の羽根５を、ディフュ−ザ４は複数の羽根６を有し、羽根車３の羽根５の後縁７およびディフュ−ザ４の羽根６の前縁８はそれぞれ回転軸中心線に沿って径が一定となるように形成している。図１３は図１２のＡ−Ａ断面の羽根車羽根後縁７およびディフュ−ザ羽根前縁８付近の詳細図である。羽根車の羽根５およびディフュ−ザの羽根６は３次元形状、すなわち羽根の周方向位置を回転軸中心線に沿って変化させている。図１３の羽根車羽根後縁７およびディフュ−ザ羽根前縁８の周方向の位置関係を図１４に示す。図1４は、ディフュ−ザ羽根前縁の円筒展開図上に羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８とを投影したものである。すなわち図１３において、回転軸中心から見た羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８を円筒断面Ａ−Ａ上に投影し、平面に展開したものである。図１４に示すように、羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８との周方向距離の最大値ｌ1と最小値ｌ2との差（ｌ1−ｌ2）を、羽根車の隣合う羽根後縁間の周方向距離ｌ3に等しくする。羽根車の隣合う羽根後縁間で１波長の脈動流が生じるため、ディフュ−ザの羽根前縁８に当たる脈動流の位相が回転軸中心線に沿って丁度１波長分ずれ、脈動によりディフュ−ザの羽根前縁８に加わる圧力脈動およびそれに伴う加振力は軸中心線に沿って積分すると打ち消しあう。図１３に示す本発明は、単段，多段にかかわらず遠心ポンプ，遠心圧縮機に適用可あるいは（ｌ1−ｌ2）をｌ3のｎ（整数） 分の１にすれば、ディフュ−ザの羽根前縁８に当たる脈動流の位相が回転軸中心線に沿ってｎ次の高調波の丁度１波長分ずれ、変動のｎ次の高調波成分によりディフュ−ザの羽根前縁８に加わる加振力は軸中心線に沿って積分すると打ち消しあう。特に多段の流体機械や二重ケ−シングの流体機械においては、段間あるいは内と外のケ−シング間の嵌合部で振動が伝わり、上記圧力脈動の１次あるいはｎ次の卓越周波数による加振力が騒音に大きく寄与するため、脈動流による加振力のうち、騒音に寄与する特定の高次の周波数成分を打ち消すように設計することが低騒音化に重要である。
【００２６】
さらにディフュ−ザの羽根前縁の円筒展開図上にディフュ−ザの羽根前縁と羽根車羽根後縁とを投影した図１５に示すように、前記円筒展開図上で羽根車の羽根後縁７とディフュ−ザの羽根前縁８とを直交させれば、羽根車羽根の圧力面と負圧面との圧力差による力の方向とディフュ−ザの羽根前縁とが平行になり、前記圧力差による加振力はディフュ−ザの羽根に作用せず騒音を低減できる。図１５に示す実施例を遠心ポンプに適用した場合の騒音およびディフュ−ザ入口における圧力変動の周波数スペクトルを図２８に示す。このポンプは４ＮＺおよび５ＮＺの加振周波数が卓越する羽根枚数の組合せになっており。図２７に示す従来のポンプでは騒音も同じ４ＮＺ，５ＮＺの周波数成分が卓越している。本発明を適用したポンプでは、図２８に示すように圧力変動に関しては４ＮＺ，５ＮＺ周波数成分の卓越性が消え、その結果騒音においても４ＮＺ，５ＮＺ周波数成分が著しく低減し、大幅に騒音が低減している。
【００２７】
図１５の実施例に示す発明は、ディフュ−ザ部とケ−シングあるいは内ケ−シングと外ケ−シングとの間に嵌合部を有する単段，多段の遠心ポンプ，遠心圧縮機の低騒音化に適用可能である。
なお図１４および図１５の実施例は図２に示すように羽根車羽根後縁径およびディフュ−ザ羽根前縁径を回転軸中心線に沿って変化させても可能である。すなわち図４に示す実施例の特殊な場合に相当する。
【００２８】
静止流路にディフュ−ザを有する遠心形流体機械に対する以上の発明は、静止流路にボリュ−トを有する遠心形流体機械に関しても有効である。図１６は本発明を渦巻ポンプに適用した場合の実施例である。図１６において、ケ−シング１内で回転軸２とともに羽根車３は回転し、ケ−シング１に対してボリュ−ト１２は固定してある。羽根車３は複数の羽根５を、ボリュ−ト１２はボリュ−ト巻き始め部１３を有し、羽根車３の羽根後縁７の径およびボリュ−ト巻き始め部１３の径はそれぞれ回転軸中心線に沿って変化している。図１７は図１６に示す羽根車とボリュ−トの正面断面の詳細図である。また図１８は羽根車の羽根５およびボリュ−トの巻き始め１３を２次元設計した場合である。図１７，図１８において、羽根車後縁７の最外周部を７ａ、最内周部を７ｂとし、ボリュ−ト巻き始め部１３の最外周部を１３ａ、最内周部を１３ｂとする。ディフュ−ザタイプの場合と同様、羽根車羽根後縁７の径およびボリュ−ト巻き始め１３の径を回転軸中心線に沿って変化させることにより、羽根車羽根後縁７およびボリュ−ト巻き始め部１３の周方向位置は回転軸中心線に沿って変化する。図１９の実施例は羽根車羽根後縁７の径およびボリュ−ト巻き始め部１３の径を回転軸中心線に沿って一定とし、羽根車羽根後縁７およびボリュ−ト巻き始め部１３の周方向位置を回転軸中心線に沿って変化させた３次元形状とした場合の例である。
【００２９】
以上の本発明は、ケ−シング内で回転軸のまわりに回転する羽根車、およびケ−シングに対して固定した羽根付きディフュ−ザあるいはボリュ−トを有する流体機械に適用可能で、図２０は二重胴形の多段ディフュ−ザポンプに適用した実施例、図２１は内部ケ−シング水平割形の多段ボリュ−トポンプに適用した実施例、図２２は輪切り形の多段ポンプに適用した実施例、図２３は水平分割形の多段遠心圧縮機に適用した実施例、図２４は二重胴形の単段ポンプに適用した実施例である。また本発明は遠心形だけでなく、斜流形にも適用可能である。図２５は多段斜流ポンプに適用した実施例である。
【００３０】
さらに多段の場合、羽根車後縁７の子午面における傾きを各段ごとにいかに設けるかが重要になる。これは図９に示すように、羽根車の主板９ａ，側板９ｂの外形およびディフュ−ザの側板１１ａ，１１ｂの内径をそれぞれ異なるようにした場合、羽根車とディフュ−ザの径比を小さくすることができ性能低下を抑えることができる反面、両側板の回転軸中心線に沿って投影面積が従来と異なることにより、この面積の違いによる軸スラストが問題となるためである。図２０の実施例では、全ての段の羽根車の主板９ａの外形を側板９ｂの外形より小さくしている。このようにすることで羽根車の羽根長さを主板９ａ側から側板９ｂ側にかけて均一にするとともに、高圧側の主板９ａの回転軸中心線に沿って投影面積を低圧側の側板９ｂの投影面積に対して小さくすることができ軸スラストを低減できる。図２１及び図２２の実施例では、前半の段と後半の段で羽根車羽根後縁の子午面における傾きを逆にすることにより、主板と側板の投影面積の違いにより生じる軸スラストを打ち消すことができる。図２３の実施例では、隣あう段で羽根車羽根後縁の子午面における傾きの方向を逆にすることにより、主板と側板の投影面積の違いにより生じる軸スラストを打ち消すことができる。
【００３１】
羽根車出口の流れＷ2 は、図２６に示すように羽根５の厚みや羽根間の２次流れや境界層の影響で、周方向に非一様な流速分布を形成する。このような非一様な脈動流がディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部と干渉して周期的な圧力脈動を生じ騒音を発生する。あるいはこの圧力脈動がディフュ−ザを加振し、さらに嵌合部を介してケ−シングあるいはその外側の外ケ−シングを加振することにより、ポンプ周囲の空気に振動が伝播し騒音となる。
【００３２】
図２７に遠心ポンプの騒音およびディフュ−ザ入口における圧力脈動の周波数スペクトルを示す。脈動流の周波数は、羽根車の回転数Ｎと羽根車羽根枚数Ｚの積Ｎ×Ｚであり、横軸の周波数はＮ×Ｚで無次元化している。圧力脈動はＮ×Ｚの基本周波数成分だけでなくその高調波成分も卓越している。これは羽根車出口の速度分布が正弦波ではなく、ひずんでいるためである。騒音はＮ×Ｚの基本周波数成分の特定の高調波成分だけが卓越しており、上記圧力脈動の全ての卓越周波数成分で騒音が卓越している訳ではない。これは特開昭６０−５０２９９号公報に示されているように脈動流がディフュ−ザの羽根を加振する際に、羽根車とディフュ−ザの羽根枚数の組合せによって、ディフュ−ザ全体では加振力が打ち消しあう周波数成分とそうでない成分が存在するためである。特に多段の流体機械や二重ケ−シングの流体機械においては、段間あるいは内と外のケ−シング間の嵌合部で、単段の場合でもディフュ−ザとケ−シング間の嵌合部で振動が伝わり、上記の卓越周波数による加振力が騒音に大きく寄与する。図２７に測定結果を示した遠心ポンプは、４ＮＺおよび５ＮＺの加振周波数が卓越する羽根枚数の組合せになっており、騒音も同じ４ＮＺ，５ＮＺの周波数成分が卓越している。
【００３３】
特に非一様な脈動流が、ディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部の回転軸中心線に沿った各位置に同じ位相で当たることにより、加振力は大きくなる。したがって、ディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部に傾斜を付ける、あるいは羽根車の羽根後縁に傾斜を付けることにより、ディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部に到達する脈動流の位相をずらせば、加振力が減少し騒音を低減できる。
【００３４】
ディフュ−ザポンプの羽根車およびディフュ−ザ部の子午面図である図２および正面図である図１１、あるいはボリュ−トポンプの正面図である図１８に示すように、羽根車の羽根後縁７の径とディフュ−ザの羽根前縁８の径（またはボリュ−ト巻き始め部１３）の径を回転軸中心線に沿って変化させることにより、羽根車の羽根後縁とディフュ−ザの羽根前縁（またはボリュ−ト巻き始め部）の周方向位置は回転軸中心線に沿って変化する。特に図２に示すように、羽根車の羽根後縁径とディフュ−ザの羽根前縁径（またはボリュ−ト巻き始め部の径）を回転軸中心線に沿って単調に増加あるいは減少させ、かつ羽根車の羽根後縁とディフュ−ザの羽根前縁（またはボリュ−ト巻き始め部）の子午面での傾斜を同じ向きにすることにより、ディフュ−ザ前縁部（あるいはボリュ−ト巻き始め部）の円筒展開図上に羽根車羽根後縁とディフュ−ザの羽根前縁（あるいはボリュ−ト巻き始め部）とを投影した図４，図１４に示すように、羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８（あるいはボリュ−ト巻き始め部１３）の周方向位置にずれが生じる。したがって羽根車羽根後縁とディフュ−ザ羽根前縁（あるいはボリュ−ト巻き始め部）との周方向距離は軸方向に異なり、羽根車羽根後縁から流出した変動流は、ディフュ−ザの羽根前縁（あるいはボリュ−ト巻き始め部）に位相がずれて当たり、加振力を打ち消しあう。そのためケ−シングに作用する加振力も低減し騒音も低減する。なお羽根車の羽根後縁径とディフュ−ザの羽根前縁径（またはボリュ−ト巻き始め部の径）の回転軸中心線に沿った変化は、単調な増加あるいは減少に限定するものではなく、別の変化の仕方でも同様の騒音低減効果が得られる。
【００３５】
なお本発明は、ディフュ−ザの羽根，ボリュ−ト巻き始め部および羽根車の羽根が２次元形状、すなわち羽根の周方向位置を回転軸中心線に沿って一定となるように設計した場合（図１１）に対しても、３次元形状、すなわち羽根の周方向位置を回転軸中心線に沿って変化させて設計した場合（図３）に対しても適用できる。特に２次元の羽根形状で騒音低減が可能であるため、拡散接合およびプレス鋼板成形が容易になり羽根およびボリュ−トの製作精度を向上することができる。また子午面での傾きを同じ向きにするため、羽根車羽根後縁径とディフュ−ザの羽根前縁径あるいはボリュ−ト巻き始め部の径との比が回転軸中心線に沿ってあまり変化せず性能低下が小さい。すなわち径比拡大により生じる圧力損失が低減でき、揚程や効率の低下を抑えることができる。さらに羽根車の羽根後縁径とディフュ−ザの羽根前縁径あるいはボリュ−ト巻き始め部の径との比を回転軸中心線に沿って一定にすることにより、性能低下を最小限に抑えることができる。
【００３６】
別の作用を図１４を用いて説明する。図１４は、羽根車およびディフュ−ザの正面断面図（図３）において、回転軸中心から見た羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８とを円筒断面Ａ−Ａ上に投影し、平面に展開したものである。羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８（あるいはボリュ−ト巻き始め部１３）との周方向距離を回転軸中心線に沿って変化させ、羽根車羽根後縁とディフュ−ザ羽根前縁（あるいはボリュ−ト巻き始め部）との周方向距離の最大値ｌ1と最小値ｌ2との差（ｌ1−ｌ2）を、羽根車の隣合う羽根後縁間の周方向距離ｌ3に等しくする。羽根車の隣合う羽根後縁間で１波長の脈動流が生じるため、ディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始めに当たる脈動流の位相が回転軸中心線に沿って丁度１波長分ずれ、脈動によりディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部に作用する圧力脈動および加振力は回転軸中心線に沿って積分すると打ち消しあう。
【００３７】
しかし、上記（ｌ1−ｌ2）を、羽根車の隣合う羽根後縁間の周方向距離ｌ3 に等しくするためにはかなりの傾斜が必要である。前述のように、羽根車出口の脈動流がディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部を加振する際に、羽根車羽根枚数とディフュ−ザ羽根枚数あるいはボリュ−ト巻き始め部の数の組合せによって、ＮＺ周波数成分の特定の高調波成分の加振力のみが卓越し、ディフュ−ザあるいはボリュ−トの加振に寄与する。そこで羽根車羽根後縁とディフュ−ザ羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部との周方向距離の最大値ｌ1と最小値ｌ2との差（ｌ1−ｌ2）を、羽根車の隣合う羽根後縁間の周方向距離ｌ3のｎ（整数）分の１にすれば、ディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部に当たる脈動流の位相が回転軸中心線に沿ってｎ次の高調波の丁度１波長分ずれ、脈動のｎ次の高調波成分によりディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部に加わる加振力は回転軸中心線に沿って積分すると打ち消しあう。特に多段の流体機械や二重ケ−シングの流体機械においては、段間あるいは内と外のケ−シング間の嵌合部で振動が伝わり、上記の卓越周波数による加振力が騒音に大きく寄与するため、脈動流による加振力のうち、騒音に寄与する特定の高次の周波数成分を打ち消すように設計することが低騒音化に重要である。
【００３８】
上記作用は、羽根車の羽根後縁とディフュ−ザの羽根前縁（あるいはボリュ−ト巻き始め部）とを３次元形状とし、図１３に示すように羽根車羽根後縁とディフュ−ザ羽根前縁（あるいはボリュ−ト巻き始め部）のそれぞれの径を回転軸中心線に沿って一定としたまま、周方向の位置だけを変化させても得られる。すなわち羽根車羽根後縁とディフュ−ザの羽根前縁（あるいはボリュ−ト巻き始め部）との周方向距離の最大値ｌ1と最小値ｌ2との差（ｌ1−ｌ2）を、羽根車の隣合う羽根後縁間の周方向距離ｌ3あるいはそのｎ（整数）分の１にすれば、ディフュ−ザの羽根前縁（あるいはボリュ−ト巻き始め部）に加わる１次あるいはｎ次の加振力は回転軸中心線に沿って積分すると打ち消しあう。
【００３９】
さらにディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部の円筒展開図上にディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部と羽根車羽根後縁とを投影したときの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部と羽根後縁を、前記円筒展開図上で直交させれば、ディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部に加わる圧力脈動による加振力を低減することができる。すなわち図２９に示すように、羽根車羽根の圧力面ｐと負圧面ｓとの圧力差による力Ｆのディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部に垂直な成分Ｆ1がディフュ−ザの羽根あるいはボリュ−ト巻き始め部に加振力として作用する。すなわち羽根車の回転にともない羽根車の羽根後縁は１〜５のように移動し、ディフュ−ザの羽根あるいはボリュ−ト巻き始め部に力Ｆ1が周期的に作用する。そこで図３０に示すように、円筒展開図上で羽根車の羽根後縁とディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部とを直交させれば、羽根車羽根の圧力面ｐと負圧面ｓとの圧力差による力Ｆの方向とディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始めとが平行になり、加振力はディフュ−ザの羽根あるいはボリュ−ト巻き始め部に作用しない。
【００４０】
図９に示すように羽根車の主板９ａの外径を側板９ｂの外径より大きくし、対応するディフュ−ザの２枚の側板の内径をそれぞれ羽根車の主板および側板の外径に対応させて異なるようにした場合、羽根車とディフュ−ザの径比を小さくすることができ性能低下を抑えることができる反面、主板と側板の回転軸中心線に沿って投影面積が異なり軸スラストが問題となる。そこで多段の場合、羽根車羽根後縁径を回転軸中心線に沿って変化させるだけでなく、少なくとも２つ以上の羽根車に対し羽根車の主板および側板の外径を異ならせ、かつ主板と側板との外径を異ならせた羽根車のうち、少なくとも１つ以上の羽根車に対して主板の外径を側板の外径より大きくし残りの羽根車の主板の外径を側板の外径より小さくすることにより、主板と側板の回転軸中心線方向の投影面積の違いにより発生する軸スラストを低減することができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、揚程や効率の低下を極力抑え、かつ遠心形流体機械から発生する騒音を低減できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したディフュ−ザポンプの例を示す全体構成斜視断面図。
【図２】本発明をディフュ−ザポンプに適用した一実施例を示す断面図。
【図３】図２のＡ−Ａ断面の正面詳細断面図。
【図４】図３のＡ−Ａ円筒断面に羽根車羽根後縁とディフュ−ザ羽根前縁を投影し展開した図。
【図５】本発明をディフュ−ザポンプに適用した他の例を示す断面図。
【図６】本発明をディフュ−ザポンプに適用した他の例を示す断面図。
【図７】本発明をディフュ−ザポンプに適用した他の例を示す断面図。
【図８】本発明をディフュ−ザポンプに適用した他の例を示す断面図。
【図９】本発明をディフュ−ザポンプに適用した他の例を示す断面図。
【図１０】本発明をディフュ−ザポンプに適用した他の例を示す断面図。
【図１１】図２のＡ−Ａ断面における他の例（羽根を２次元形状とした例）の正面詳細断面図。
【図１２】本発明をディフュ−ザポンプに適用した他の例を示す断面図。
【図１３】図１２のＡ−Ａ断面の正面詳細断面図。
【図１４】図１３のＡ−Ａ円筒断面に羽根車羽根後縁とディフュ−ザ羽根前縁を投影し展開した図。
【図１５】図１３のＡ−Ａ円筒断面に羽根車羽根後縁とディフュ−ザ羽根前縁を投影し展開した図で、図１４とは別の例を示す図。
【図１６】本発明を適用した渦巻ポンプの例を示す全体構成斜視断面図。
【図１７】図１６の一部（羽根車後縁とボリュート巻き始めの部分）の正面詳細断面図。
【図１８】図１６の一部（羽根車後縁とボリュート巻き始めの部分）の正面詳細断面図で、図１７とは別の例を示す図。
【図１９】図１６の一部（羽根車後縁とボリュート巻き始めの部分）の正面詳細断面図で、図１７及び図１８とは異なる例を示す図。
【図２０】本発明を二重胴形の多段ディフュ−ザポンプに適用した例を示す全体構成断面図。
【図２１】本発明を内部ケ−シング水平割形の多段ボリュ−トポンプに適用した例を示す全体構成断面図。
【図２２】本発明を輪切り形の多段ポンプに適用した例を示す全体構成断面図。
【図２３】本発明を水平分割形の多段遠心圧縮機に適用した例を示す全体構成断面図。
【図２４】本発明を二重胴形の単段ポンプに適用した例を示す全体構成断面図。
【図２５】本発明を多段斜流ポンプに適用した例を示す全体構成断面図。
【図２６】羽根車出口流速分布の説明図。
【図２７】従来の遠心形流体機械である遠心ポンプの騒音およびディフューザ入口における圧力変動の周波数スペクトルを示す線図。
【図２８】本発明を遠心ポンプに適用した場合の騒音およびディフューザ入口における圧力変動の周波数スペクトルを示す線図。
【図２９】従来の羽根車における羽根圧力面と負圧面との圧力差による力の作用方向を説明する説明図。
【図３０】本発明における羽根車の羽根圧力面と負圧面との圧力差による力の作用方向を説明する説明図。
【符号の説明】
１・・・ケ−シング、２・・・回転軸、３・・・羽根車、４・・・ディフュ−ザ、５・・・羽根車の羽根、６・・・ディフュ−ザの羽根、７・・・羽根車の羽根後縁、７ａ・・・羽根車の羽根後縁の羽根車主板側端部、７ｂ・・・羽根車の羽根後縁の羽根車側板側端部、７ｃ・・・羽根車の羽根後縁の回転軸中心線方向中心部、８・・・ディフュ−ザの羽根前縁、８ａ・・・ディフュ−ザの羽根前縁の羽根車主板側端部、８ｂ・・・ディフュ−ザの羽根前縁の羽根車側板側端部、８ｃ・・・羽根車の羽根後縁の回転軸中心線方向中心部、９ａ・・・羽根車の主板、９ｂ・・・羽根車の側板、１０・・・ディフュ−ザとケ−シングとの嵌合部、１１ａ，ｂ・・・ディフュ−ザの側板、１２・・・ボリュ−ト、１３・・・ボリュ−ト巻き始め、１３ａ・・・ボリュ−ト巻き始めの羽根車主板側端部、１３ｂ・・・ボリュ−ト巻き始めの羽根車側板側端部。
【発明の属する技術分野】
本発明はポンプ，圧縮機等の遠心形流体機械に係り、特に騒音および圧力脈動の低減を行うのに好適な遠心形流体機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
羽根車出口の羽根の厚み、羽根間の２次流れ、あるいは境界層の影響で、周方向に非一様な流速分布を形成する。このような非一様な脈動流がディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部と干渉して周期的な圧力脈動を生じ騒音を発生する。あるいはこの圧力脈動がディフュ−ザを加振し、さらに嵌合部を介してケ−シングあるいはその外側の外ケ−シングを加振することにより、ポンプ周囲の空気に振動が伝播し騒音となる。
【０００３】
ズルツァ−・テクニカル・レビュ−６２巻１号（１９８０）２４〜２６ペ−ジ（Ｚｕｌｚｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｖｏｌ．６２ Ｎｏ．１（１９８０）ＰＰ．２４〜２６）記載の遠心ポンプでは、羽根車の羽根後縁径あるいは羽根後縁の周方向位置を回転軸中心線に沿って変化させることにより騒音を低減している。また特開昭５１−９１００６号公報に記載の電動送風機では、渦巻ケ−シングのボリュ−ト壁に増圧部と制音部とを形成（制音部はボリュ−トの巻き始め部の周方向位置を回転軸中心線に沿って変化させた部分）し、その制音部の周方向距離を羽根車の隣合う羽根後縁間の周方向距離とほぼ同一にすることにより、羽根車から流出した流れが同時にはボリュ−ト巻き始め部に当たらないようにしている。このようにすることにより、流れとボリュ−ト巻き始め部との干渉に回転軸中心線に沿って位相のずれが生じ、周期的な圧力脈動が緩和され騒音低減につながる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記従来技術では、羽根車の羽根後縁径を回転軸中心線に沿って変化させた場合、羽根車羽根後縁径とディフュ−ザ羽根前縁径あるいはボリュ−ト巻き始め部の径との径比が回転軸中心線に沿って変化するため揚程や効率が低下する問題があった。また羽根車の羽根後縁径を回転軸中心線に沿って変化させることに付随し、羽根車の主板と側板の外形を異ならせた場合、主板と側板の回転軸中心線に沿っての投影面積が異なることにより発生する軸スラストが問題となった。また羽根車羽根後縁の周方向位置を回転軸中心線に沿って変化させた場合、羽根車羽根後縁とディフュ−ザ羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部との周方距離が回転軸中心線に沿って変化しているものの変化量を最適化してはいない。またボリュ−ト巻き始め部の周方向位置を回転軸中心線に沿って変化させ、その変化量を羽根車の隣合う羽根後縁間の周方向距離とほぼ同一にした場合、ボリュ−トケ−シングで圧力回復を行う部分が短くなり十分な圧力回復が得られない問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、揚程や効率の低下を抑え、かつ騒音を低減できる遠心形流体機械を得ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、ケ−シング内で回転軸とともに回転する羽根車、およびケ−シングに対し固定した羽根付きディフュ−ザを有する遠心形流体機械において、羽根車羽根後縁の両端の位置での径に対し中央の位置での径を大きくし、ディフュ−ザの羽根前縁の両端の位置での径に対し中央の位置での径を大きくしたことにより達成される。
【０００７】
また上記目的は、渦巻ケ−シング内で回転軸とともに回転する羽根車を有する遠心形流体機械において、羽根車羽根後縁の両端の位置での径に対し中央の位置での径を大きくし、渦巻ケ−シングのボリュ−ト巻き始め部の両端の位置での径に対し中央の位置での径を大きくしたことにより達成される。
【０００８】
また上記目的は、渦巻ケ−シング内で回転軸とともに回転する羽根車を有する遠心形流体機械において、羽根車羽根後縁の両端の位置での径に対し中央の位置での径を小さくし、渦巻ケ−シングのボリュ−ト巻き始め部の両端の位置での径に対し中央の位置での径を小さくしたことにより達成される。
【０００９】
また上記目的は、渦巻ケ−シング内で回転軸とともに回転する羽根車を有する遠心形流体機械において、前記羽根車の羽根後縁径および渦巻ケ−シングのボリュ−ト巻き始め部の径を回転軸中心線に沿って変化させ、羽根車の羽根後縁径とボリュ−ト巻き始め部の径との比が回転軸中心線に沿って一定であることにより達成される。
【００１０】
また上記目的は、羽根車の羽根後縁あるいはディフュ−ザの羽根前縁あるいはその両方を二次元羽根で構成したことにより達成される。
【００１１】
また上記目的は、羽根車の羽根後縁を二次元羽根で構成し、あるいは渦巻ケ−シングのボリュ−ト巻き始め部を二次元形状とし、あるいはその両方を二次元形状としたたことにより達成される。
【００１２】
また上記目的は、羽根車あるいはディフュ−ザを拡散接合で製作したことにより達成される。
【００１３】
また上記目的は、羽根車を拡散接合で製作したことにより達成される。
【００１４】
また上記目的は、渦巻ケ−シングをプレス鋼板で製作したことにより達成される。
【００１９】
【実施例】
以下本発明の一実施例を図１により説明する。羽根車３はケ−シング１内で回転軸２の回りに回転し、ケ−シング１に対してディフュ−ザ４は固定してある。羽根車３は複数の羽根５を、ディフュ−ザ４は複数の羽根６を有し、羽根車３の羽根５の後縁７およびディフュ−ザ４の羽根６の前縁８はそれぞれ回転軸中心線に沿って径が変化するように形成している。すなわち図２は図１に示す一組の羽根車とディフュ−ザの子午面形状を示したものである。羽根車３の羽根後縁７は主板９ａ側７ａで径を最大、側板９ｂ側７ｂで径を最小とする。ディフュ−ザ４の羽根前縁８も羽根車３の羽根後縁７と子午面内で同じ向きに傾けており、羽根車の主板９ａ側８ａで径を最大、側板９ｂ側８ｂで径を最小とする。図３は図２のＡ−Ａ断面の羽根車羽根後縁７およびディフュ−ザ羽根前縁８付近の詳細図である。羽根車の羽根５およびディフュ−ザの羽根６は３次元形状、すなわち羽根の周方向位置を回転軸中心線に沿って変化させており、さらに羽根車羽根後縁７の径およびディフュ−ザ羽根前縁８の径を回転軸中心線に沿って変化させることにより、羽根車羽根後縁７およびディフュ−ザ羽根前縁８を周方向位置を回転軸中心線に沿って変化させている。図３の羽根車羽根後縁７およびディフュ−ザ羽根前縁８の周方向の位置関係を図４に示す。図４は、ディフュ−ザ羽根前縁の円筒展開図上に羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８とを投影したものである。すなわち図３において、回転軸中心から見た羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８を円筒断面Ａ−Ａ上に投影し、平面に展開したものである。ディフュ−ザの羽根前縁８と羽根車の羽根後縁７とで子午面での傾きを同じ向きに付けることにより、羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８との周方向位置にずれが生じる。この周方向位置のずれのため、羽根車羽根後縁７から流出した脈動流はディフュ−ザの羽根前縁８に位相がずれて当たりディフューザへの加振力は緩和される。また図５に示すようにディフュ−ザ４がケ−シング１に対して嵌合部１０を介して固定されている場合には、圧力脈動により加振されたディフュ−ザ４の振動が嵌合部１０を介してケ−シング１に伝わり、周囲の空気を振動させ騒音となるため、本実施例によりディフュ−ザ４に作用する加振力が緩和されれば騒音が低減する。
【００２０】
なお図２に示す実施例では羽根車羽根後縁７およびディフュ−ザ羽根前縁８の子午面形状は直線であるが、一般的には図６に示すように羽根車羽根後縁７の径とディフュ−ザ羽根前縁８の径を回転軸中心線に沿って単調に増加あるいは減少させ、かつ羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８の子午面での傾きを同じ向きに傾斜させればよい。さらに図７あるいは図８に示すように、羽根車羽根後縁７の両端７ａ，７ｂにおける径に対し中央の位置７ｃにおける径を大きくあるいは小さくし、かつディフュ−ザの羽根前縁８の両端８ａ，８ｂにおける径に対し中央の位置８ｃにおける径を大きくあるいは小さくしてもよい。
【００２１】
また図２に示す実施例は、図９に示すように羽根車３の主板９ａと側板９ｂの外径は等しくなくともよく、ディフュ−ザの側板１１ａ，１１ｂの内径は同じでなくともよい。このようにすることにより羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８との径比を従来通りにすることができ、羽根車羽根後縁径に対するディフュ−ザ羽根前縁径の比が拡大することによる揚程，効率等の性能低下を発生させない。さらに望ましくは図１０に示すように羽根車３の主板９ａの外径を側板９ｂの外径より大きくすることにより、羽根車の羽根長さを主板９ａ側から側板９ｂにかけて均一にでき、高圧側の主板９ａの回転軸中心線に沿っての投影面積を低圧側の側板９ｂの投影面積に対して縮小することができ軸スラストを低減できる。
【００２２】
さらに図３に示すディフュ−ザ羽根前縁８の最外周部８ａの径Ｒaと羽根車羽根後縁７の最外周部７ａの径ｒaとの比（Ｒa／ｒa）を、ディフュ−ザ羽根前縁８の最内周部８ｂの径Ｒbと羽根車羽根後縁７の最内周部７ｂの径ｒbとの比（Ｒb／ｒb）に等しくし、羽根車の羽根後縁径とディフュ−ザの羽根前縁径との比を軸方向で一定にすることにより、性能低下を最小限に抑えることができる。
【００２３】
また図１１は、羽根車の羽根５およびディフュ−ザの羽根６を２次元設計した場合の詳細図である。図１１では羽根５および６は２次元形状、すなわち羽根の周方向位置は回転軸中心線に沿って一定であるが、羽根車羽根後縁７の径およびディフュ−ザ羽根前縁８の径を回転軸中心線に沿って変化させることにより羽根車羽根後縁７およびディフュ−ザ羽根前縁８の周方向位置が回転軸中心線方向に変化する。そのためディフュ−ザに対して脈動流の位相がずれて当たり、ディフュ−ザに対する加振力が低減し騒音が低減する。特に羽根を２次元形状にすることにより、拡散接合が容易になり羽根の製作性，精度および強度を向上することができる。
【００２４】
なお図２あるいは図５に示す本発明は、単段，多段にかかわらず遠心ポンプ，遠心圧縮機に適用可能である。
【００２５】
本発明の別の実施例を図１２により説明する。羽根車３はケ−シング１内で回転軸２の回りに回転し、ケ−シング１に対してディフュ−ザ４は固定してある。羽根車３は複数の羽根５を、ディフュ−ザ４は複数の羽根６を有し、羽根車３の羽根５の後縁７およびディフュ−ザ４の羽根６の前縁８はそれぞれ回転軸中心線に沿って径が一定となるように形成している。図１３は図１２のＡ−Ａ断面の羽根車羽根後縁７およびディフュ−ザ羽根前縁８付近の詳細図である。羽根車の羽根５およびディフュ−ザの羽根６は３次元形状、すなわち羽根の周方向位置を回転軸中心線に沿って変化させている。図１３の羽根車羽根後縁７およびディフュ−ザ羽根前縁８の周方向の位置関係を図１４に示す。図1４は、ディフュ−ザ羽根前縁の円筒展開図上に羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８とを投影したものである。すなわち図１３において、回転軸中心から見た羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８を円筒断面Ａ−Ａ上に投影し、平面に展開したものである。図１４に示すように、羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８との周方向距離の最大値ｌ1と最小値ｌ2との差（ｌ1−ｌ2）を、羽根車の隣合う羽根後縁間の周方向距離ｌ3に等しくする。羽根車の隣合う羽根後縁間で１波長の脈動流が生じるため、ディフュ−ザの羽根前縁８に当たる脈動流の位相が回転軸中心線に沿って丁度１波長分ずれ、脈動によりディフュ−ザの羽根前縁８に加わる圧力脈動およびそれに伴う加振力は軸中心線に沿って積分すると打ち消しあう。図１３に示す本発明は、単段，多段にかかわらず遠心ポンプ，遠心圧縮機に適用可あるいは（ｌ1−ｌ2）をｌ3のｎ（整数） 分の１にすれば、ディフュ−ザの羽根前縁８に当たる脈動流の位相が回転軸中心線に沿ってｎ次の高調波の丁度１波長分ずれ、変動のｎ次の高調波成分によりディフュ−ザの羽根前縁８に加わる加振力は軸中心線に沿って積分すると打ち消しあう。特に多段の流体機械や二重ケ−シングの流体機械においては、段間あるいは内と外のケ−シング間の嵌合部で振動が伝わり、上記圧力脈動の１次あるいはｎ次の卓越周波数による加振力が騒音に大きく寄与するため、脈動流による加振力のうち、騒音に寄与する特定の高次の周波数成分を打ち消すように設計することが低騒音化に重要である。
【００２６】
さらにディフュ−ザの羽根前縁の円筒展開図上にディフュ−ザの羽根前縁と羽根車羽根後縁とを投影した図１５に示すように、前記円筒展開図上で羽根車の羽根後縁７とディフュ−ザの羽根前縁８とを直交させれば、羽根車羽根の圧力面と負圧面との圧力差による力の方向とディフュ−ザの羽根前縁とが平行になり、前記圧力差による加振力はディフュ−ザの羽根に作用せず騒音を低減できる。図１５に示す実施例を遠心ポンプに適用した場合の騒音およびディフュ−ザ入口における圧力変動の周波数スペクトルを図２８に示す。このポンプは４ＮＺおよび５ＮＺの加振周波数が卓越する羽根枚数の組合せになっており。図２７に示す従来のポンプでは騒音も同じ４ＮＺ，５ＮＺの周波数成分が卓越している。本発明を適用したポンプでは、図２８に示すように圧力変動に関しては４ＮＺ，５ＮＺ周波数成分の卓越性が消え、その結果騒音においても４ＮＺ，５ＮＺ周波数成分が著しく低減し、大幅に騒音が低減している。
【００２７】
図１５の実施例に示す発明は、ディフュ−ザ部とケ−シングあるいは内ケ−シングと外ケ−シングとの間に嵌合部を有する単段，多段の遠心ポンプ，遠心圧縮機の低騒音化に適用可能である。
なお図１４および図１５の実施例は図２に示すように羽根車羽根後縁径およびディフュ−ザ羽根前縁径を回転軸中心線に沿って変化させても可能である。すなわち図４に示す実施例の特殊な場合に相当する。
【００２８】
静止流路にディフュ−ザを有する遠心形流体機械に対する以上の発明は、静止流路にボリュ−トを有する遠心形流体機械に関しても有効である。図１６は本発明を渦巻ポンプに適用した場合の実施例である。図１６において、ケ−シング１内で回転軸２とともに羽根車３は回転し、ケ−シング１に対してボリュ−ト１２は固定してある。羽根車３は複数の羽根５を、ボリュ−ト１２はボリュ−ト巻き始め部１３を有し、羽根車３の羽根後縁７の径およびボリュ−ト巻き始め部１３の径はそれぞれ回転軸中心線に沿って変化している。図１７は図１６に示す羽根車とボリュ−トの正面断面の詳細図である。また図１８は羽根車の羽根５およびボリュ−トの巻き始め１３を２次元設計した場合である。図１７，図１８において、羽根車後縁７の最外周部を７ａ、最内周部を７ｂとし、ボリュ−ト巻き始め部１３の最外周部を１３ａ、最内周部を１３ｂとする。ディフュ−ザタイプの場合と同様、羽根車羽根後縁７の径およびボリュ−ト巻き始め１３の径を回転軸中心線に沿って変化させることにより、羽根車羽根後縁７およびボリュ−ト巻き始め部１３の周方向位置は回転軸中心線に沿って変化する。図１９の実施例は羽根車羽根後縁７の径およびボリュ−ト巻き始め部１３の径を回転軸中心線に沿って一定とし、羽根車羽根後縁７およびボリュ−ト巻き始め部１３の周方向位置を回転軸中心線に沿って変化させた３次元形状とした場合の例である。
【００２９】
以上の本発明は、ケ−シング内で回転軸のまわりに回転する羽根車、およびケ−シングに対して固定した羽根付きディフュ−ザあるいはボリュ−トを有する流体機械に適用可能で、図２０は二重胴形の多段ディフュ−ザポンプに適用した実施例、図２１は内部ケ−シング水平割形の多段ボリュ−トポンプに適用した実施例、図２２は輪切り形の多段ポンプに適用した実施例、図２３は水平分割形の多段遠心圧縮機に適用した実施例、図２４は二重胴形の単段ポンプに適用した実施例である。また本発明は遠心形だけでなく、斜流形にも適用可能である。図２５は多段斜流ポンプに適用した実施例である。
【００３０】
さらに多段の場合、羽根車後縁７の子午面における傾きを各段ごとにいかに設けるかが重要になる。これは図９に示すように、羽根車の主板９ａ，側板９ｂの外形およびディフュ−ザの側板１１ａ，１１ｂの内径をそれぞれ異なるようにした場合、羽根車とディフュ−ザの径比を小さくすることができ性能低下を抑えることができる反面、両側板の回転軸中心線に沿って投影面積が従来と異なることにより、この面積の違いによる軸スラストが問題となるためである。図２０の実施例では、全ての段の羽根車の主板９ａの外形を側板９ｂの外形より小さくしている。このようにすることで羽根車の羽根長さを主板９ａ側から側板９ｂ側にかけて均一にするとともに、高圧側の主板９ａの回転軸中心線に沿って投影面積を低圧側の側板９ｂの投影面積に対して小さくすることができ軸スラストを低減できる。図２１及び図２２の実施例では、前半の段と後半の段で羽根車羽根後縁の子午面における傾きを逆にすることにより、主板と側板の投影面積の違いにより生じる軸スラストを打ち消すことができる。図２３の実施例では、隣あう段で羽根車羽根後縁の子午面における傾きの方向を逆にすることにより、主板と側板の投影面積の違いにより生じる軸スラストを打ち消すことができる。
【００３１】
羽根車出口の流れＷ2 は、図２６に示すように羽根５の厚みや羽根間の２次流れや境界層の影響で、周方向に非一様な流速分布を形成する。このような非一様な脈動流がディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部と干渉して周期的な圧力脈動を生じ騒音を発生する。あるいはこの圧力脈動がディフュ−ザを加振し、さらに嵌合部を介してケ−シングあるいはその外側の外ケ−シングを加振することにより、ポンプ周囲の空気に振動が伝播し騒音となる。
【００３２】
図２７に遠心ポンプの騒音およびディフュ−ザ入口における圧力脈動の周波数スペクトルを示す。脈動流の周波数は、羽根車の回転数Ｎと羽根車羽根枚数Ｚの積Ｎ×Ｚであり、横軸の周波数はＮ×Ｚで無次元化している。圧力脈動はＮ×Ｚの基本周波数成分だけでなくその高調波成分も卓越している。これは羽根車出口の速度分布が正弦波ではなく、ひずんでいるためである。騒音はＮ×Ｚの基本周波数成分の特定の高調波成分だけが卓越しており、上記圧力脈動の全ての卓越周波数成分で騒音が卓越している訳ではない。これは特開昭６０−５０２９９号公報に示されているように脈動流がディフュ−ザの羽根を加振する際に、羽根車とディフュ−ザの羽根枚数の組合せによって、ディフュ−ザ全体では加振力が打ち消しあう周波数成分とそうでない成分が存在するためである。特に多段の流体機械や二重ケ−シングの流体機械においては、段間あるいは内と外のケ−シング間の嵌合部で、単段の場合でもディフュ−ザとケ−シング間の嵌合部で振動が伝わり、上記の卓越周波数による加振力が騒音に大きく寄与する。図２７に測定結果を示した遠心ポンプは、４ＮＺおよび５ＮＺの加振周波数が卓越する羽根枚数の組合せになっており、騒音も同じ４ＮＺ，５ＮＺの周波数成分が卓越している。
【００３３】
特に非一様な脈動流が、ディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部の回転軸中心線に沿った各位置に同じ位相で当たることにより、加振力は大きくなる。したがって、ディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部に傾斜を付ける、あるいは羽根車の羽根後縁に傾斜を付けることにより、ディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部に到達する脈動流の位相をずらせば、加振力が減少し騒音を低減できる。
【００３４】
ディフュ−ザポンプの羽根車およびディフュ−ザ部の子午面図である図２および正面図である図１１、あるいはボリュ−トポンプの正面図である図１８に示すように、羽根車の羽根後縁７の径とディフュ−ザの羽根前縁８の径（またはボリュ−ト巻き始め部１３）の径を回転軸中心線に沿って変化させることにより、羽根車の羽根後縁とディフュ−ザの羽根前縁（またはボリュ−ト巻き始め部）の周方向位置は回転軸中心線に沿って変化する。特に図２に示すように、羽根車の羽根後縁径とディフュ−ザの羽根前縁径（またはボリュ−ト巻き始め部の径）を回転軸中心線に沿って単調に増加あるいは減少させ、かつ羽根車の羽根後縁とディフュ−ザの羽根前縁（またはボリュ−ト巻き始め部）の子午面での傾斜を同じ向きにすることにより、ディフュ−ザ前縁部（あるいはボリュ−ト巻き始め部）の円筒展開図上に羽根車羽根後縁とディフュ−ザの羽根前縁（あるいはボリュ−ト巻き始め部）とを投影した図４，図１４に示すように、羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８（あるいはボリュ−ト巻き始め部１３）の周方向位置にずれが生じる。したがって羽根車羽根後縁とディフュ−ザ羽根前縁（あるいはボリュ−ト巻き始め部）との周方向距離は軸方向に異なり、羽根車羽根後縁から流出した変動流は、ディフュ−ザの羽根前縁（あるいはボリュ−ト巻き始め部）に位相がずれて当たり、加振力を打ち消しあう。そのためケ−シングに作用する加振力も低減し騒音も低減する。なお羽根車の羽根後縁径とディフュ−ザの羽根前縁径（またはボリュ−ト巻き始め部の径）の回転軸中心線に沿った変化は、単調な増加あるいは減少に限定するものではなく、別の変化の仕方でも同様の騒音低減効果が得られる。
【００３５】
なお本発明は、ディフュ−ザの羽根，ボリュ−ト巻き始め部および羽根車の羽根が２次元形状、すなわち羽根の周方向位置を回転軸中心線に沿って一定となるように設計した場合（図１１）に対しても、３次元形状、すなわち羽根の周方向位置を回転軸中心線に沿って変化させて設計した場合（図３）に対しても適用できる。特に２次元の羽根形状で騒音低減が可能であるため、拡散接合およびプレス鋼板成形が容易になり羽根およびボリュ−トの製作精度を向上することができる。また子午面での傾きを同じ向きにするため、羽根車羽根後縁径とディフュ−ザの羽根前縁径あるいはボリュ−ト巻き始め部の径との比が回転軸中心線に沿ってあまり変化せず性能低下が小さい。すなわち径比拡大により生じる圧力損失が低減でき、揚程や効率の低下を抑えることができる。さらに羽根車の羽根後縁径とディフュ−ザの羽根前縁径あるいはボリュ−ト巻き始め部の径との比を回転軸中心線に沿って一定にすることにより、性能低下を最小限に抑えることができる。
【００３６】
別の作用を図１４を用いて説明する。図１４は、羽根車およびディフュ−ザの正面断面図（図３）において、回転軸中心から見た羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８とを円筒断面Ａ−Ａ上に投影し、平面に展開したものである。羽根車羽根後縁７とディフュ−ザ羽根前縁８（あるいはボリュ−ト巻き始め部１３）との周方向距離を回転軸中心線に沿って変化させ、羽根車羽根後縁とディフュ−ザ羽根前縁（あるいはボリュ−ト巻き始め部）との周方向距離の最大値ｌ1と最小値ｌ2との差（ｌ1−ｌ2）を、羽根車の隣合う羽根後縁間の周方向距離ｌ3に等しくする。羽根車の隣合う羽根後縁間で１波長の脈動流が生じるため、ディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始めに当たる脈動流の位相が回転軸中心線に沿って丁度１波長分ずれ、脈動によりディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部に作用する圧力脈動および加振力は回転軸中心線に沿って積分すると打ち消しあう。
【００３７】
しかし、上記（ｌ1−ｌ2）を、羽根車の隣合う羽根後縁間の周方向距離ｌ3 に等しくするためにはかなりの傾斜が必要である。前述のように、羽根車出口の脈動流がディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部を加振する際に、羽根車羽根枚数とディフュ−ザ羽根枚数あるいはボリュ−ト巻き始め部の数の組合せによって、ＮＺ周波数成分の特定の高調波成分の加振力のみが卓越し、ディフュ−ザあるいはボリュ−トの加振に寄与する。そこで羽根車羽根後縁とディフュ−ザ羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部との周方向距離の最大値ｌ1と最小値ｌ2との差（ｌ1−ｌ2）を、羽根車の隣合う羽根後縁間の周方向距離ｌ3のｎ（整数）分の１にすれば、ディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部に当たる脈動流の位相が回転軸中心線に沿ってｎ次の高調波の丁度１波長分ずれ、脈動のｎ次の高調波成分によりディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部に加わる加振力は回転軸中心線に沿って積分すると打ち消しあう。特に多段の流体機械や二重ケ−シングの流体機械においては、段間あるいは内と外のケ−シング間の嵌合部で振動が伝わり、上記の卓越周波数による加振力が騒音に大きく寄与するため、脈動流による加振力のうち、騒音に寄与する特定の高次の周波数成分を打ち消すように設計することが低騒音化に重要である。
【００３８】
上記作用は、羽根車の羽根後縁とディフュ−ザの羽根前縁（あるいはボリュ−ト巻き始め部）とを３次元形状とし、図１３に示すように羽根車羽根後縁とディフュ−ザ羽根前縁（あるいはボリュ−ト巻き始め部）のそれぞれの径を回転軸中心線に沿って一定としたまま、周方向の位置だけを変化させても得られる。すなわち羽根車羽根後縁とディフュ−ザの羽根前縁（あるいはボリュ−ト巻き始め部）との周方向距離の最大値ｌ1と最小値ｌ2との差（ｌ1−ｌ2）を、羽根車の隣合う羽根後縁間の周方向距離ｌ3あるいはそのｎ（整数）分の１にすれば、ディフュ−ザの羽根前縁（あるいはボリュ−ト巻き始め部）に加わる１次あるいはｎ次の加振力は回転軸中心線に沿って積分すると打ち消しあう。
【００３９】
さらにディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部の円筒展開図上にディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部と羽根車羽根後縁とを投影したときの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部と羽根後縁を、前記円筒展開図上で直交させれば、ディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部に加わる圧力脈動による加振力を低減することができる。すなわち図２９に示すように、羽根車羽根の圧力面ｐと負圧面ｓとの圧力差による力Ｆのディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部に垂直な成分Ｆ1がディフュ−ザの羽根あるいはボリュ−ト巻き始め部に加振力として作用する。すなわち羽根車の回転にともない羽根車の羽根後縁は１〜５のように移動し、ディフュ−ザの羽根あるいはボリュ−ト巻き始め部に力Ｆ1が周期的に作用する。そこで図３０に示すように、円筒展開図上で羽根車の羽根後縁とディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始め部とを直交させれば、羽根車羽根の圧力面ｐと負圧面ｓとの圧力差による力Ｆの方向とディフュ−ザの羽根前縁あるいはボリュ−ト巻き始めとが平行になり、加振力はディフュ−ザの羽根あるいはボリュ−ト巻き始め部に作用しない。
【００４０】
図９に示すように羽根車の主板９ａの外径を側板９ｂの外径より大きくし、対応するディフュ−ザの２枚の側板の内径をそれぞれ羽根車の主板および側板の外径に対応させて異なるようにした場合、羽根車とディフュ−ザの径比を小さくすることができ性能低下を抑えることができる反面、主板と側板の回転軸中心線に沿って投影面積が異なり軸スラストが問題となる。そこで多段の場合、羽根車羽根後縁径を回転軸中心線に沿って変化させるだけでなく、少なくとも２つ以上の羽根車に対し羽根車の主板および側板の外径を異ならせ、かつ主板と側板との外径を異ならせた羽根車のうち、少なくとも１つ以上の羽根車に対して主板の外径を側板の外径より大きくし残りの羽根車の主板の外径を側板の外径より小さくすることにより、主板と側板の回転軸中心線方向の投影面積の違いにより発生する軸スラストを低減することができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、揚程や効率の低下を極力抑え、かつ遠心形流体機械から発生する騒音を低減できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したディフュ−ザポンプの例を示す全体構成斜視断面図。
【図２】本発明をディフュ−ザポンプに適用した一実施例を示す断面図。
【図３】図２のＡ−Ａ断面の正面詳細断面図。
【図４】図３のＡ−Ａ円筒断面に羽根車羽根後縁とディフュ−ザ羽根前縁を投影し展開した図。
【図５】本発明をディフュ−ザポンプに適用した他の例を示す断面図。
【図６】本発明をディフュ−ザポンプに適用した他の例を示す断面図。
【図７】本発明をディフュ−ザポンプに適用した他の例を示す断面図。
【図８】本発明をディフュ−ザポンプに適用した他の例を示す断面図。
【図９】本発明をディフュ−ザポンプに適用した他の例を示す断面図。
【図１０】本発明をディフュ−ザポンプに適用した他の例を示す断面図。
【図１１】図２のＡ−Ａ断面における他の例（羽根を２次元形状とした例）の正面詳細断面図。
【図１２】本発明をディフュ−ザポンプに適用した他の例を示す断面図。
【図１３】図１２のＡ−Ａ断面の正面詳細断面図。
【図１４】図１３のＡ−Ａ円筒断面に羽根車羽根後縁とディフュ−ザ羽根前縁を投影し展開した図。
【図１５】図１３のＡ−Ａ円筒断面に羽根車羽根後縁とディフュ−ザ羽根前縁を投影し展開した図で、図１４とは別の例を示す図。
【図１６】本発明を適用した渦巻ポンプの例を示す全体構成斜視断面図。
【図１７】図１６の一部（羽根車後縁とボリュート巻き始めの部分）の正面詳細断面図。
【図１８】図１６の一部（羽根車後縁とボリュート巻き始めの部分）の正面詳細断面図で、図１７とは別の例を示す図。
【図１９】図１６の一部（羽根車後縁とボリュート巻き始めの部分）の正面詳細断面図で、図１７及び図１８とは異なる例を示す図。
【図２０】本発明を二重胴形の多段ディフュ−ザポンプに適用した例を示す全体構成断面図。
【図２１】本発明を内部ケ−シング水平割形の多段ボリュ−トポンプに適用した例を示す全体構成断面図。
【図２２】本発明を輪切り形の多段ポンプに適用した例を示す全体構成断面図。
【図２３】本発明を水平分割形の多段遠心圧縮機に適用した例を示す全体構成断面図。
【図２４】本発明を二重胴形の単段ポンプに適用した例を示す全体構成断面図。
【図２５】本発明を多段斜流ポンプに適用した例を示す全体構成断面図。
【図２６】羽根車出口流速分布の説明図。
【図２７】従来の遠心形流体機械である遠心ポンプの騒音およびディフューザ入口における圧力変動の周波数スペクトルを示す線図。
【図２８】本発明を遠心ポンプに適用した場合の騒音およびディフューザ入口における圧力変動の周波数スペクトルを示す線図。
【図２９】従来の羽根車における羽根圧力面と負圧面との圧力差による力の作用方向を説明する説明図。
【図３０】本発明における羽根車の羽根圧力面と負圧面との圧力差による力の作用方向を説明する説明図。
【符号の説明】
１・・・ケ−シング、２・・・回転軸、３・・・羽根車、４・・・ディフュ−ザ、５・・・羽根車の羽根、６・・・ディフュ−ザの羽根、７・・・羽根車の羽根後縁、７ａ・・・羽根車の羽根後縁の羽根車主板側端部、７ｂ・・・羽根車の羽根後縁の羽根車側板側端部、７ｃ・・・羽根車の羽根後縁の回転軸中心線方向中心部、８・・・ディフュ−ザの羽根前縁、８ａ・・・ディフュ−ザの羽根前縁の羽根車主板側端部、８ｂ・・・ディフュ−ザの羽根前縁の羽根車側板側端部、８ｃ・・・羽根車の羽根後縁の回転軸中心線方向中心部、９ａ・・・羽根車の主板、９ｂ・・・羽根車の側板、１０・・・ディフュ−ザとケ−シングとの嵌合部、１１ａ，ｂ・・・ディフュ−ザの側板、１２・・・ボリュ−ト、１３・・・ボリュ−ト巻き始め、１３ａ・・・ボリュ−ト巻き始めの羽根車主板側端部、１３ｂ・・・ボリュ−ト巻き始めの羽根車側板側端部。
Claims (9)
- ケ−シング内で回転軸とともに回転する羽根車、およびケ−シングに対し固定した羽根付きディフュ−ザを有する遠心形流体機械において、羽根車羽根後縁の両端の位置での径に対し中央の位置での径を大きくし、ディフュ−ザの羽根前縁の両端の位置での径に対し中央の位置での径を大きくしたことを特徴とする遠心形流体機械。
- 渦巻ケ−シング内で回転軸とともに回転する羽根車を有する遠心形流体機械において、羽根車羽根後縁の両端の位置での径に対し中央の位置での径を大きくし、渦巻ケ−シングのボリュ−ト巻き始め部の両端の位置での径に対し中央の位置での径を大きくしたことを特徴とする遠心形流体機械。
- 渦巻ケ−シング内で回転軸とともに回転する羽根車を有する遠心形流体機械において、羽根車羽根後縁の両端の位置での径に対し中央の位置での径を小さくし、渦巻ケ−シングのボリュ−ト巻き始め部の両端の位置での径に対し中央の位置での径を小さくしたことを特徴とする遠心形流体機械。
- 渦巻ケ−シング内で回転軸とともに回転する羽根車を有する遠心形流体機械において、前記羽根車の羽根後縁径および渦巻ケ−シングのボリュ−ト巻き始め部の径を回転軸中心線に沿って変化させ、羽根車の羽根後縁径とボリュ−ト巻き始め部の径との比が回転軸中心線に沿って一定であることを特徴とする遠心形流体機械。
- 請求項１において、羽根車の羽根後縁あるいはディフュ−ザの羽根前縁あるいはその両方を二次元羽根で構成したことを特徴とする遠心形流体機械。
- 請求項２，３，４の何れかにおいて、羽根車の羽根後縁を二次元羽根で構成し、あるいは渦巻ケ−シングのボリュ−ト巻き始め部を二次元形状とし、あるいはその両方を二次元形状としたたことを特徴とする遠心形流体機械。
- 請求項５において、羽根車あるいはディフュ−ザを拡散接合で製作したことを特徴とする遠心形流体機械。
- 請求項６において、羽根車を拡散接合で製作したことを特徴とする遠心形流体機械。
- 請求項６において、渦巻ケ−シングをプレス鋼板で製作したことを特徴とする遠心形流体機械。
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