JP4126269B2 - 遠心式流体機械 - Google Patents

Description

本発明は遠心式流体機械、特に舶用過給機、自動車用過給機、航空用ガスタービンなどに用いられる遠心圧縮機に関するものである。

従来の遠心圧縮機としては、ディフューザの対向する壁面（シュラウド壁面およびハブ側壁面）に、複数の溝を放射状に有したものがある（たとえば、特許文献１参照）。
特許第３２２５１９７号公報（図１）

この特許文献１に記載された発明は、ディフューザの対向する壁面に、複数の溝を放射状に形成し、この溝の内部に半径方向の圧力勾配により内向きの流れを誘起させ、その分だけ主流の流量を増加させて、高流量時と同様な流れを実現することによりディフューザの失速を抑制しようとしたものである。
しかしながら、特許文献１に記載された発明では、ディフューザの失速をある程度低減させることができても、さらなる低減を図ることは不十分であった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ディフューザにおける失速限界を低流量側に拡げることができるとともに、広い流量範囲にわたって安定して運転させることのできる遠心式流体機械を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載の遠心式流体機械は、複数枚のブレード、およびこれら複数枚のブレードの根元部に配置されるハブを有するインペラと、前記インペラの下流側に設けられるとともに、対向するシュラウド壁面およびハブ側壁面との間に複数枚のベーンを有するディフューザとを具備する遠心式流体機械であって、前記シュラウド側壁面および前記ハブ側壁面のうち、少なくとも一方の壁面に、前記ベーンの半径方向外側面と半径方向内側面とを連通する少なくとも一つの連通溝が設けられているとともに、前記連通溝の深さが、前記ベーンの前縁から後縁に向かって漸次浅くなるように形成されていることを特徴とする。
このような遠心式流体機械によれば、連通溝によりベーンの半径方向外側面から半径方向内側面に、すなわち、圧力の高い圧力面（背側面）側から圧力の低い負圧面（腹側面）側に、圧力差による流体の流れが生じる。この圧力差による流体の流れは、ベーンの半径方向内側面から遠ざかっていく際、このベーンの半径方向内側面の近傍に滞留する流体を一緒に引き連れてベーンの半径方向内側面から遠ざかっていくこととなる。言い換えれば、連通溝を通過してきた流体の流れによりベーンの半径方向内側面の近傍に滞留する流体が吸い出される（エジェクタ効果）ため、ベーンの半径方向内側面に形成された境界層の厚さが減少することになる。
また、このような遠心式流体機械によれば、連通溝の内部に入り込んだ主流は、連通溝の下流側の壁面と鋭角的に衝突した後、当該連通溝の外に出ていくこととなる。

請求項２に記載の遠心式流体機械は、前記ベーンの半径方向内側面の近傍に滞留する流体を前記連通溝に導くための溝が、前記ベーンの半径方向内側面に複数本設けられていることを特徴とする。
このような遠心式流体機械によれば、ベーンの半径方向内側面の近傍、特にベーンの高さ方向において中央部に滞留する流体が、溝を通って連通溝の方に導かれるようになっている。

請求項３に記載の遠心式流体機械は、複数枚のブレード、およびこれら複数枚のブレードの根元部に配置されるハブを有するインペラと、前記インペラの下流側に設けられるとともに、対向するシュラウド壁面およびハブ側壁面との間に複数枚のベーンを有するディフューザとを具備する遠心式流体機械であって、前記シュラウド側壁面および前記ハブ側壁面のうち、少なくとも一方の壁面と近接する前記ベーンの端部に、前記ベーンの半径方向外側面と半径方向内側面とを連通する少なくとも一つの連通孔が設けられているとともに、前記ベーンの半径方向内側面の近傍に滞留する流体を前記連通溝または前記連通孔に導くための溝が、前記ベーンの半径方向内側面に複数本設けられていることを特徴とする。
このような遠心式流体機械によれば、連通孔によりベーンの半径方向外側面から半径方向内側面に、すなわち、圧力の高い圧力面（背側面）側から圧力の低い負圧面（腹側面）側に、圧力差による流体の流れが生じる。この圧力差による流体の流れは、ベーンの半径方向内側面から遠ざかっていく際、このベーンの半径方向内側面の近傍に滞留する流体を一緒に引き連れてベーンの半径方向内側面から遠ざかっていくこととなる。言い換えれば、連通孔を通過してきた流体の流れによりベーンの半径方向内側面の近傍に滞留する流体が吸い出される（エジェクタ効果）ため、ベーンの半径方向内側面に形成された境界層の厚さが減少することになる。
また、このような遠心式流体機械によれば、ベーンの半径方向内側面の近傍、特にベーンの高さ方向において中央部に滞留する流体が、溝を通って連通孔の方に導かれるようになっている。

請求項４に記載の遠心式流体機械は、前記連通溝または前記連通孔が、前記ベーンの翼型中心線にたてられた法線に対して傾斜するとともに、前記連通溝または前記連通孔の延在方向と、前記ベーン間を通過する主流の流れ方向とが鋭角をなすように設けられていることを特徴とする。
このような遠心式流体機械によれば、連通溝または連通孔を通過する圧力差による流体の流れ方向と、ディフューザのベーン間を通過する主流の流れ方向とのなす角が鋭角になるように、連通溝または連通孔が形成されている。これにより、連通溝または連通孔を通過してきた流体およびこの流体により吸い出されたベーンの半径方向内側面の近傍に滞留していた流体が、速度の速い主流に効率よく（少ない抵抗で）引きずられていき、ベーンの半径方向内側面に形成された境界層の吸い出しが促進される。

請求項５に記載の遠心式流体機械は、前記連通溝または前記連通孔が、前記ベーンの前縁からスロートの間に設けられていることを特徴とする。
このような遠心式流体機械によれば、境界層が形成される部分にのみ連通溝または連通孔が形成されているので、主流がディフューザのベーン間を通過していくときの運動エネルギーの損失が抑制される。

本発明によれば、ディフューザにおける失速限界を低流量側に拡げることができるとともに、広い流量範囲にわたって安定して運転させることができる。

以下、本発明による遠心式流体機械（以下、遠心圧縮機を例に挙げて説明する）の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図６に示すように、遠心圧縮機１０は、インペラ１１と、ディフューザ２１とを主たる要素として構成されたものである。
インペラ１１は、複数枚のブレード１２と、これらブレード１２の根元部Ｒに配置されたハブ１３とを有するとともに、ブレード１２はそれぞれ、ハブ１３の小径側端部１３ａにその前縁ＬＥが位置するとともに、ハブ１３の大径側端部１３ｂにその後縁ＴＥが位置するようにハブ１３の表面上に設けられている。
なお、図において符号１４は、ブレード１２の先端側を覆うように配置されたシュラウドを示している。

ディフューザ２１は、前述したインペラ１１の下流側に設けられるとともに、対向するシュラウド壁面２２およびハブ側壁面２３との間に複数枚のベーン２４を有するものであり、インペラ１１を通過した流体の有する運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するものである。

図１はハブ側壁面２３からシュラウド側壁面２２を見た図であり、ディフューザ２１の入り口部分を示す要部拡大平面図である。
本実施形態では、ハブ側壁面２３に比べて境界層の厚さが厚くなるシュラウド側壁面２２に、ベーン２４の半径方向外側面２４ａと半径方向内側面２４ｂとを連通する少なくとも１つの連通溝（本実施形態では５つの連通溝）２５が設けられている。
これら連通溝２５は、ベーン２４の前縁部、具体的にはベーン２４の前縁ＬＥ１からスロート２６の間、すなわちインペラ１１の回転軸線Ｃ（図６参照）から距離Ｒ１，Ｒ２間に設けられている。

図１に示すように、各連通溝２５はその平面視形状において、ベーン２４の前縁ＬＥ１側（上流側）が直線状に形成されているとともに、後縁側が円弧状に形成されているものである。
また、各連通溝２５の前縁ＬＥ１側が形成する直線と、ベーン２４の翼型中心線Ｌ１にたてられた法線Ｌ２とのなす角αが鋭角、望ましくは４５度以上となるように設定されている。
なお、図１において符号βはベーン２４の取付角を示しており、一般的には２０度〜３０度の範囲で設定されている。

図２（ａ）は図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の円Ａで囲んだ部分を拡大した要部拡大断面図である。
図２に示すように、各連通孔２５は、その断面視形状が三角形を有するように形成されており、θ１が６０度から９０度、θ２が１０度から４０度となるように設定されている。

以上説明したような連通溝２５を設けることにより、図３に示すように、ベーン２４の半径方向外側面２４ａから半径方向内側面２４ｂに、すなわち、圧力の高い圧力面（背側面）側から圧力の低い負圧面（腹側面）側に、圧力差による流体の流れ（図３において実線矢印で示す流れ）が生じる。この圧力差による流体の流れは、ベーン２４の半径方向内側面２４ｂから遠ざかっていく際、このベーン２４の半径方向内側面２４ｂの近傍に滞留する流体を一緒に引き連れて（図３（ｂ）において破線矢印で示す流れを生じさせて）ベーン２４の半径方向内側面２４ｂから遠ざかっていくこととなる。言い換えれば、連通溝２５を通過してきた流体の流れによりベーンの半径方向内側面２４ｂの近傍に滞留する流体が吸い出される（エジェクタ効果）ようになるため、ベーン２４の半径方向内側面２４ｂに形成された境界層の厚みを減少させることができて、ディフューザ２１における失速限界を低流量側に拡げることができるとともに、広い流量範囲にわたって安定して運転させることができるようになる。

また、連通溝２５を通過する圧力差による流体の流れ方向と、ディフューザ２１のベーン２４間を通過する主流の流れ方向とのなす角が鋭角になるように、連通溝２５が形成されており、連通溝２５を通過してきた流体およびこの流体により吸い出されたベーン２４の半径方向内側面２４ｂの近傍に滞留していた流体が、速度の速い主流に効率よく（少ない抵抗で）引きずられていくこととなるので、ベーン２４の半径方向内側面２４ｂに形成された境界層の吸い出しが促進され、境界層の厚みをさらに減少させることができて、ディフューザ２１における失速限界を低流量側にさらに拡げることができるとともに、より広い流量範囲にわたって安定して運転させることができるようになる。

さらに、連通溝２５は、ベーン２４の前縁ＬＥ１からスロート２６の間にのみ設けられているので、主流がディフューザ２１のベーン２４間を通過していくときの運動エネルギーの損失を抑制することができ、効率の低減を抑制することができる。

さらにまた、連通溝２５の深さは、ベーン２４の前縁ＬＥ１から後縁に向かって漸次浅くなるように形成されており、連通溝２５の内部に入り込んだ主流は、連通溝２５の下流側の壁面と鋭角的に衝突した後、当該連通溝２５の外に出ていくこととなるので、衝突による主流の圧力損失を最小とすることができ、効率の低減を抑制することができる。

図４に示すように、ベーン２４の半径方向内側面２４ｂに、複数本（たとえば１５本）の溝２７が設けられているとさらに好適である。
図４に示すように、これら溝２７は各連通溝２５に対してそれぞれ３本ずつ設けられている。また、各溝２７はベーン２４の高さ方向における略中央部からシュラウド側壁面２２に向かって真っ直ぐに延びるとともに、ベーン２４の中央部側に位置する溝２７の端部がシュラウド側壁面２２の側に位置する溝２７の端部よりもベーン２４の前縁ＬＥ１側に位置するように形成されている。
このような溝２７を設けることにより、半径方向内側面２４ｂの近傍に滞留する流体がこれら溝２７の内部を通って連通溝２５に効率よく導かれることとなるので、境界層の厚みをさらに減少させることができて、ディフューザ２１における失速限界を低流量側にさらに拡げることができるとともに、より広い流量範囲にわたって安定して運転させることができるようになる。

つぎに、本発明による遠心式流体機械の他の実施形態について、図５を参照しながら説明する。
本実施形態は、図１から図３を用いて説明した実施形態における連通溝２５を連通孔３５としている点で前述した実施形態と異なり、その他の構成要素は前述した実施形態と同じであるので、ここでは連通孔３５についてのみ説明することにする。

連通孔３５は、ベーン３４の一端部（シュラウド側壁面３２側の端部）に設けられ、ベーン３４の半径方向外側面３４ａと半径方向内側面３４ｂとを連通する貫通孔である。連通孔３５は、半径方向外側面３４ａおよび半径方向内側面３４ｂで、それぞれ平面視矩形状に開口している。
また、連通孔３５の上流側の壁面（ベーン３４の前縁ＬＥ１側の壁面）３５ａと下流側の壁面（ベーン３４の後縁側の壁面）３５ｂ、およびこれら壁面３５ａ，３５ｂを結ぶ壁面（図５において上側に位置する壁面）３５ｃとシュラウド側壁面３２は、それぞれ平行になるように形成されている。
さらに、連通孔３５の上流側の壁面３５ａは、前述した連通溝２５の前縁ＬＥ１側が形成する直線同様、ベーン３４の翼型中心線にたてられた法線とのなす角α（図１参照）が鋭角、望ましくは４５度以上となるように設定されている。
なお、本実施形態においてシュラウド側壁面３２には、何ら特別な細工はなされていない。

以上説明したような連通孔３５を設けることにより、前述した実施形態同様、ベーン３４の半径方向外側面３４ａから半径方向内側面３４ｂに、すなわち、圧力の高い圧力面（背側面）側から圧力の低い負圧面（腹側面）側に、圧力差による流体の流れが生じる。この圧力差による流体の流れは、ベーン３４の半径方向内側面３４ｂから遠ざかっていく際、このベーン３４の半径方向内側面３４ｂの近傍に滞留する流体を一緒に引き連れてベーン３４の半径方向内側面３４ｂから遠ざかっていくこととなる。言い換えれば、連通孔３５を通過してきた流体の流れによりベーンの半径方向内側面３４ｂの近傍に滞留する流体が吸い出される（エジェクタ効果）ようになるため、ベーン３４の半径方向内側面３４ｂに形成された境界層の厚みを減少させることができて、ディフューザ３１における失速限界を低流量側に拡げることができるとともに、広い流量範囲にわたって安定して運転させることができるようになる。

また、連通孔３５を通過する圧力差による流体の流れ方向と、ディフューザ３１のベーン３４間を通過する主流の流れ方向とのなす角が鋭角になるように、連通孔３５が形成されており、連通孔３５を通過してきた流体およびこの流体により吸い出されたベーン３４の半径方向内側面３４ｂの近傍に滞留していた流体が、速度の速い主流に効率よく（少ない抵抗で）引きずられていくこととなるので、ベーン３４の半径方向内側面３４ｂに形成された境界層の吸い出しが促進され、境界層の厚みをさらに減少させることができて、ディフューザ３１における失速限界を低流量側にさらに拡げることができるとともに、より広い流量範囲にわたって安定して運転させることができるようになる。

本実施形態においても、ベーン３４の半径方向内側面３４ｂに、図４に示したような溝２７が設けられているとさらに好適である。
この溝２７を設けることによる作用効果は図４を用いて既に説明しているので、ここではその説明を省略する。

なお、図３ないし図５では、図面を簡略化するため連通溝２５あるいは連通孔３５を１つしか示していないが、本来これらは図１に示すように、各ベーン２４，３４に対して５つずつ設けられている。

今まで述べてきた実施形態では、連通溝２５あるいは連通孔３５が、ハブ側壁面２３に比べて境界層の厚さが厚くなるシュラウド側壁面２２，３２の側に設けるようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ハブ側壁面２３側のみ、あるいはシュラウド側壁面２２およびハブ側壁面２３の両方に設けるようにすることもできる。

また、連通溝２５が、インペラ１１の回転軸線Ｃを中心とする同心円上に形成されていると有利である。
このように、連通溝２５をインペラ１１の回転軸線Ｃを中心とする同心円上に形成させることにより、連通溝２５の加工を容易なものとすることができ、加工時間を短縮することができるとともに、製造コストを抑制することができる。
連通溝２５は、インペラ１１の回転軸線Ｃを中心とする同心円上に連続して（途切れることなく）形成させることもできる。すなわち、図１から図３を用いて説明した実施形態では、半径の異なる５本の溝が、シュラウド側壁面２２に形成されることとなる。
このように、連通溝２５をインペラ１１の回転軸線Ｃを中心とする同心円上に連続して形成させることにより、連通溝２５の加工をさらに容易なものとすることができ、加工時間をより一層短縮することができるとともに、製造コストをさらに抑制することができる。

上述した実施形態では、遠心圧縮機を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、たとえば、遠心ポンプ、斜流圧縮機、斜流ポンプなどにも適用され得るものである。

また、各実施形態で述べた連通溝２５、連通孔３５を一緒に設けるようにすることもできる。すなわち、シュラウド側壁面に連通溝を設けるとともに、ベーンに連通孔を設けるようにすることもできる。

本発明による遠心式流体機械の一実施形態を示す図であって、ハブ側壁面からシュラウド側壁面を見た、ディフューザの入り口部分を示す要部拡大平面図である。 本発明による遠心式流体機械の一実施形態を示す図であって、（ａ）は図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図、（ｂ）は（ａ）の円Ａで囲む部分を拡大した要部拡大図である。 本発明による遠心式流体機械の一実施形態を示す図であって、（ａ）は図１のベーン前縁部を拡大した要部拡大図であって、（ｂ）は（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。 ベーンの半径方向内側面に溝を設けた例を示す図であって、ハブ側壁面からシュラウド側壁面を見た、ディフューザの入り口部分を示す要部斜視図である。 本発明による遠心式流体機械の他の実施形態を示す図であって、ハブ側壁面からシュラウド側壁面を見た、ディフューザの入り口部分を示す要部斜視図である。 本発明による遠心式流体機械の一実施形態を示す概略縦断面図である。

符号の説明

１０ 遠心圧縮機（遠心式流体機械）
１１ インペラ
１２ ブレード
１３ ハブ
２１ ディフューザ
２２ シュラウド側壁面
２３ ハブ側壁面
２４ ベーン
２４ａ 半径方向外側面
２４ｂ 半径方向内側面
２５ 連通溝
２６ スロート
２７ 溝
３１ ディフューザ
３２ シュラウド側壁面
３４ ベーン
３４ａ 半径方向外側面
３４ｂ 半径方向内側面
３５ 連通孔
ＬＥ１ 前縁
Ｌ１ 翼型中心線
Ｌ２ 法線
Ｒ 根本部

Claims (5)

1. 複数枚のブレード、およびこれら複数枚のブレードの根元部に配置されるハブを有するインペラと、
   前記インペラの下流側に設けられるとともに、対向するシュラウド壁面およびハブ側壁面との間に複数枚のベーンを有するディフューザとを具備する遠心式流体機械であって、
   前記シュラウド側壁面および前記ハブ側壁面のうち、少なくとも一方の壁面に、前記ベーンの半径方向外側面と半径方向内側面とを連通する少なくとも一つの連通溝が設けられているとともに、
   前記連通溝の深さが、前記ベーンの前縁から後縁に向かって漸次浅くなるように形成されていることを特徴とする遠心式流体機械。
2. 前記ベーンの半径方向内側面の近傍に滞留する流体を前記連通溝に導くための溝が、前記ベーンの半径方向内側面に複数本設けられていることを特徴とする請求項１に記載の遠心式流体機械。
3. 複数枚のブレード、およびこれら複数枚のブレードの根元部に配置されるハブを有するインペラと、
   前記インペラの下流側に設けられるとともに、対向するシュラウド壁面およびハブ側壁面との間に複数枚のベーンを有するディフューザとを具備する遠心式流体機械であって、
   前記シュラウド側壁面および前記ハブ側壁面のうち、少なくとも一方の壁面と近接する前記ベーンの端部に、前記ベーンの半径方向外側面と半径方向内側面とを連通する少なくとも一つの連通孔が設けられているとともに、
   前記ベーンの半径方向内側面の近傍に滞留する流体を前記連通溝または前記連通孔に導くための溝が、前記ベーンの半径方向内側面に複数本設けられていることを特徴とする遠心式流体機械。
4. 前記連通溝または前記連通孔が、前記ベーンの翼型中心線にたてられた法線に対して傾斜するとともに、前記連通溝または前記連通孔の延在方向と、前記ベーン間を通過する主流の流れ方向とが鋭角をなすように設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の遠心式流体機械。
5. 前記連通溝または前記連通孔が、前記ベーンの前縁からスロートの間に設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の遠心式流体機械。

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