JP4981857B2

JP4981857B2 - 斜流圧縮機のディフューザ

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Publication number: JP4981857B2
Application number: JP2009169427A
Authority: JP
Inventors: 啓気千葉; 良介三戸
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2024-04-14
Also published as: JP2009236121A

Description

本発明は、斜流圧縮機のディフューザに関する。

ディフューザは、流体流路に羽根を設け、羽根を曲げ、流れを羽根に沿って流すことで流れを任意の曲げ方向に案内する、または、複数の羽根で形成する入口流路に比べ、出口流路を拡大することにより流れを減速させる場合に用いられている。また、ディフューザは、圧縮機、ボンプ、気体ブロワ等の風力機械の流体導入路や排出路または同流路に臨む回転ロータや羽根車の外周に設けられていて、風力性能の向上を図っている。また、流入速度分布が遷音速かつ斜流圧縮機のように３次元的な流動歪みが大きい場合のディフューザにおいて、ディフューザベーンを配置した場合、上記流動歪みのためベーン（羽根）負荷の大きい局所断面で境界層が肥大化し下流側で低速域もしくは剥離域を形成、圧力損失が増大し圧縮機の性能低下およびサージマージンの減少の要因となっていた。

流体流れにさらされた時、従来のディフューザの場合、羽根の後端部に、どうしても流れの剥離域（流体の流れが乱れ、損失の大きい領域）が生じ、性能低下を招いていた。この剥離域を小さくするために、図１４に示すディフューザが提案されている。このディフューザは、空気の流れＡに対し、その上流側に第一の羽根２０を設け、その下流側に第二の羽根３０をおいて配置したものであり、第一の羽根２０と第二の羽根３０との間に隙間を設けている。このディフューザは第一の羽根２０の後端部に発生する剥離域Ｃ１を小さくすべく、剥離域Ｃ１にある程度の角度を持って流体流れＢ２を吹き込ませることで、ある程度の効果を上げているが、一方で、速度の小さい剥離域Ｃ１に、速度の大きい流れＢ２を吹き込むため、かえって乱れを助長する不具合があった。また、メインの空気流れＡに対して平行ではなく、ある程度の角度を持って流れＢ２が流れ込むため、かえって流れが乱れると共に、下流側の第二の羽根３０に新たな剥離域Ｃ２を発生させる不具合があった（特許文献１参照）。また、遠心送風機のディフューザの前置翼と後置翼との周方向重なりを、翼ピッチ角（２Π／翼数）の９％としたものがある（非特許文献１参照）。

特開平６−２４１１９７号公報日本機械学会論文集（Ｂ編）４９巻４３９号、昭和５８年３月刊行

本発明は上記従来の不具合に鑑み、剥離域の発生箇所に主流（羽根）に沿って流れを吹き込むことにより、流れに乱れを発生させず、剥離域を減少せしめて、ディフューザを用いる風力機械や斜流圧縮機の性能の向上を図るべく提案するものである。

本発明は上記課題を解決するために、以下の（１）〜（１５）の手段を採用する。

（１）第１の手段に係る斜流圧縮機のディフューザは、斜流圧縮機のロータに取り付けられるディフューザであって、前記ディフューザは、流体の流れる向きを基準にして上流側に位置する第一の羽根と、同じく下流側に位置する第二の羽根とを含んでなり、前記第二の羽根を前記第一の羽根まで延在し、前記第一の羽根および前記第二の羽根の間に狭流路が形成されていることを特徴とする。本手段によれば、主流の一部が、上下流の羽根の狭流路から減速した流れ速度で、主流（羽根）に沿って、ほぼ同じ方向に流れることになる。

（２）第２の手段に係る斜流圧縮機のディフューザは、斜流圧縮機のロータに取り付けられるディフューザであって、前記ディフューザは、流体の流れる向きを基準にして上流側に位置する第一の羽根と、同じく下流側に位置する第二の羽根とを含んでなり、前記第一の羽根の下流端は、前記第二の羽根の上流端よりも下流に位置し、前記第一の羽根および前記第二の羽根の間に狭流路が形成されていることを特徴とする。本手段によれば、主流の一部が、上下流の羽根で構成する狭流路から減速した流れ速度で、主流（羽根）に沿って、ほぼ同じ方向に流れることになる。

（３）第３の手段に係る斜流圧縮機のディフューザは、前記（１）または（２）に記載する斜流圧縮機のディフューザにおいて、前記狭流路が前記第一の羽根の下流側根本端部または前記第二の羽根の上流側根本端部の一部分により形成されていることを特徴とする。

（４）第４の手段に係る斜流圧縮機のディフューザは、前記（１）または（２）に記載する斜流圧縮機のディフューザにおいて、前記第一の羽根の外周側の端から前記第二の羽根の外周側の端までの距離は、前記第一の羽根の根本側の端から前記第二の羽根の根本側の端までの距離よりも長いことを特徴とする。なお、根本側とは羽根が取り付けられているロータ側、外周側とはその逆方向であるロータの外周方向側である。

（５）第５の手段に係る斜流圧縮機のディフューザは、前記（１）または（２）に記載する斜流圧縮機のディフューザにおいて、前記第一の羽根の下流端における高圧力面側と、前記第二の羽根の上流端における低圧力面側とは、相対面して設けられていることを特徴とする。

（６）第６の手段に係る斜流圧縮機のディフューザは、前記（１）ないし（５）の何れかに記載する斜流圧縮機のディフューザにおいて、前記第一の羽根または前記第二の羽根が、斜流圧縮機の最大径部に跨って延設されていることを特徴とする。最大径部が一番曲率が小さくそこから剥離が始まる現象があり、その位置に跨って上下流の羽根を設けることが有効である。

（７）第７の手段に係る斜流圧縮機のディフューザは、前記（１）ないし（６）の何れかに記載する斜流圧縮機のディフューザにおいて、前記狭流路が、斜流圧縮機の最大径部に位置することを特徴とする。最大径部が一番曲率が小さくそこから剥離が始まる現象があり、その位置に狭流路を設けることが有効である。

（８）第８の手段に係る斜流圧縮機のディフューザは、前記（１）ないし（７）の何れかに記載する斜流圧縮機のディフューザにおいて、前記狭流路の流体流れ方向長さが、前記第一の羽根のコード長に対し、１％以上から５０％以下であることを特徴とする。なお、狭流路が長がすぎると流れが羽根に接触する距離が長くなるので摩擦抵抗が増え好ましくない。逆に、狭流路が短すぎると流れを制御できる距離が短くなるので、流れの減速効果が得られないことになり好ましくない。なお、羽根のコード長とは流体流れ方向の羽根の長さのことである。

（９）第９の手段に係る斜流圧縮機のディフューザは、前記（１）ないし（８）の何れかに記載する斜流圧縮機のディフューザにおいて、前記狭流路の隙間を、前記第一の羽根相互の間隔に対し、５％以上から５０％以内の隙間とすることを特徴とする。なお、５０％以上では隙間が小さすぎて、隣の通路に入り込む空気量が少なくなり、流れの少ない空気を隣の通路に導くという狙いの効果を得られない。

（１０）第１０の手段に係る斜流圧縮機のディフューザは、前記（１）または（２）に記載する斜流圧縮機のディフューザにおいて、前記ロータが前記狭流路を横断する方向の接合面を有する分割構造であり、前記第一または第二の少なくとも何れか一方の羽根の端部が、前記ロータの接合面より流体流れ方向に突出して延設されていることを特徴とする。

（１１）第１１の手段に係る斜流圧縮機のディフューザは、斜流圧縮機のロータに取り付けられるディフューザであって、前記ディフューザは、流体の流れる向きを基準にして上流側に位置する第一の羽根と、同じく下流側に位置する第二の羽根と、前記第一の羽根の下流端部と前記第二の羽根の上流端部との間であって、前記第一および第二の羽根の低圧面側に設けるベーンとよりなることを特徴とする。

（１２）第１２の手段に係る斜流圧縮機のディフューザは、前記（１）または（２）に記載する斜流圧縮機のディフューザにおいて、前記上流側の羽根および／または前記下流側の羽根が、流れに対する角度を可変可能とされていることを特徴とする。なお、上流側は下流側よりも流れ速度が速いので、下流側に比べ上流側の羽根を可変可能とした場合、その応答性が早まる。

（１３）第１３の手段に係る斜流圧縮機は、ケーシング内で回転駆動するロータと、同ロータの外周方向に一定間隔おいて立設されている上流側の第一の羽根と、第一の羽根の下流側に設けられている第二の羽根とを有する斜流圧縮機であって、前記第一の羽根の下流端は、前記第二の羽根の上流端よりも下流に位置し、前記第一の羽根および前記第二の羽根の間に狭流路が形成されていることを特徴とする。本手段によれば、主流の一部が狭流路から、減速した流れ速度で、主流（羽根）に沿って、ほぼ同じ方向に流れることになり、第一の羽根の下流端部側に発生する剥離域を低減することができる。

（１４）第１４の手段に係るジェットエンジンは、筒状のケーシングと、同ケーシング内に格納されている、膨張ガスにより回転駆動されるタービンと斜流圧縮機とを具え、前記タービンと前記斜流圧縮機のロータとが連結されているジェットエンジンであって、前記ロータの外周方向に一定間隔おいて立設されている上流側の第一の羽根と、第一の羽根の下流側に設けられている第二の羽根とよりなるディフューザを有し、前記第一の羽根の下流端は、前記第二の羽根の上流端よりも下流に位置し、前記第一の羽根および前記第二の羽根の間に狭流路が形成されていることを特徴とする。本手段の斜流圧縮機は整流効果および圧縮効率が高いものであるので、ジェットエンジンの小型化を図ることができる。

（１５）第１５の手段に係る斜流圧縮機ロータの製造方法は、斜流圧縮機のロータ外周囲に、その周方向に間隔をおいて複数設けられ、流れを案内する上流側の羽根の後端部と、下流側の羽根の前端部とが重なって狭い流路を形成しているディフューザを有す斜流圧縮機ロータの製造方法において、前記流路を横断する位置に接合面を有する複数の分割ロータの外周囲に、前記上流側または下流側の羽根およびその端部を前記接合面から延設してそれぞれ一体的に切削成形しておき、複数の分割ロータ相互を接合面で連結することにより斜流圧縮機ロータを製造することを特徴とする。

第１の手段よりなる請求項１に記載の斜流圧縮機のディフューザは、斜流圧縮機のロータに取り付けられるディフューザであって、前記ディフューザは、流体の流れる向きを基準にして上流側に位置する第一の羽根と、同じく下流側に位置する第二の羽根とを含んでなり、前記第二の羽根を前記第一の羽根まで延在し、前記第一の羽根および前記第二の羽根の間に狭流路が形成されているものであるので、流体の主流流れの一部が、上下流の羽根の狭流路より、遅い流れとなって、主流とほぼ等しいで流れ込むことにより、乱流が発生せず、剥離域が減少し、ひいては斜流圧縮機の性能が向上する。

第２の手段よりなる請求項２に記載の斜流圧縮機のディフューザは、斜流圧縮機のロータに取り付けられるディフューザであって、前記ディフューザは、流体の流れる向きを基準にして上流側に位置する第一の羽根と、同じく下流側に位置する第二の羽根とを含んでなり、前記第一の羽根の下流端は、前記第二の羽根の上流端よりも下流に位置し、前記第一の羽根および前記第二の羽根の間に狭流路が形成されているものであるので、流体の主流流れの一部が、上下流の羽根により構成されている狭流路より、遅い流れとなって、主流とほぼ等しい速度で流れ込むことにより、乱流が発生せず、剥離域が減少し、ひいては斜流圧縮機の性能が向上する。

第３の手段よりなる請求項３に記載の斜流圧縮機のディフューザは、請求項１または請求項２に記載の斜流圧縮機のディフューザにおいて、前記狭流路が前記第一の羽根の下流側根本端部または前記第二の羽根の上流側根本端部の一部分により形成されているものであるので、一部分の狭流路において、局所的に流れが狭められことになり、局所的な乱流の防止効果がある。

第４の手段よりなる請求項４に記載の斜流圧縮機のディフューザは、請求項１または請求項２に記載の斜流圧縮機のディフューザにおいて、前記第一の羽根の外周側の端から前記第二の羽根の外周側の端までの距離は、前記第一の羽根の根本側の端から前記第二の羽根の根本側の端までの距離よりも長いことを特徴とするものである。斜流圧縮機の場合、羽根のロータ外周方向で、その流れ分布が不均一な現象があり、根本側（基端側）がより境界層が厚くなっているので、より低速域が発達しやすい状況がある。そこで、羽根の根本側の間隔が狭くなるようにすれば、上下流の羽根で形成されている狭流路のスパン方向での流れ速度が平均化され、低速域との速度の差を十分に近づけて狭流路から吹き込むことで流れの整流効果向上を図ることができ、斜流圧縮機の性能が向上する。

第５の手段よりなる請求項５に記載の斜流圧縮機のディフューザは、前記請求項１ないし請求項４の何れかに記載の斜流圧縮機のディフューザにおいて、前記第一の羽根の下流端における高圧力面側と、前記第二の羽根の上流端における低圧力面側とは、相対面して設けられているものであるので、上記作用効果を奏すると共に、前記羽根の低圧力面側に発生する剥離域を減少させることができる。

第６の手段よりなる請求項６に記載の斜流圧縮機のディフューザは、前記請求項１ないし請求項５の何れかに記載の斜流圧縮機のディフューザにおいて、前記第一の羽根または前記第二の羽根が、斜流圧縮機の最大径部に跨って延設されているので、乱流発生の防止効果および剥離域の減少効果が大きくなる。

第７の手段よりなる請求項７に記載の斜流圧縮機のディフューザは、前記請求項１ないし請求項６の何れかに記載の斜流圧縮機のディフューザにおいて、前記狭流路が、斜流圧縮機の最大径部に位置するものであるので、乱流発生の防止効果および剥離域の減少効果が最も大きくなる。

第８の手段よりなる請求項８に記載の斜流圧縮機のディフューザは、前記請求項１ないし請求項７の何れかに記載の斜流圧縮機のディフューザにおいて、前記狭流路の流体流れ方向長さが、前記第一の羽根のコード長に対し、１％以上から５０％以下であるものであるので、上記作用効果を奏すると共に、下流側の第二の羽根の整流機能を損なうことがなく、狭流路よりの流れが、主流とほぼ等しい方向に流れることにより、乱流が発生せず、剥離域が減少し、ひいては斜流圧縮機の性能が向上する。

第９の手段よりなる請求項９に記載の斜流圧縮機のディフューザは、前記請求項１ないし請求項８の何れかに記載の斜流圧縮機のディフューザにおいて、前記狭流路の隙間を、前記第一の羽根相互の間隔に対し、５％以上から５０％以内の隙間とするものであるので、上記作用効果を奏すると共に、下流側の羽根の整流機能を損なうことがなく、狭流路よりの流れが、主流とほぼ等しい方向に流れることにより、乱流が発生せず、剥離域が減少し、ひいては斜流圧縮機の性能が向上する。

第１０の手段よりなる請求項１０に記載の斜流圧縮機のディフューザは、前記請求項１または請求項２に記載の斜流圧縮機のディフューザにおいて、前記ロータが前記狭流路を横断する方向の接合面を有する分割構造であり、前記第一または第二の少なくとも何れか一方の羽根の端部が、前記ロータの接合面より流体流れ方向に突出して延設されているものであるので、ロータの接合面相互を合致させれば、羽根の狭流路が形成できる。特に同狭流路の流路隙間が狭隘な場合に、容易に形成できる効果が大きい。

第１１の手段よりなる請求項１１に記載の斜流圧縮機のディフューザは、斜流圧縮機のロータに取り付けられるディフューザであって、前記ディフューザは、流体の流れる向きを基準にして上流側に位置する第一の羽根と、同じく下流側に位置する第二の羽根と、前記第一の羽根の下流端部と前記第二の羽根の上流端部との間であって、前記第一および第二の羽根の低圧面側に設けるベーンとよりなるものであるので、上流側の第一の羽根と下流側の第二の羽根の隙間からの流れ流量をベーンが抑制し、第一の羽根および第二の羽根に生じる剥離域を減少させる効果がある。

第１２の手段よりなる請求項１２に記載の斜流圧縮機のディフューザは、前記請求項１または請求項２に記載の斜流圧縮機のディフューザにおいて、前記上流側の羽根および／または前記下流側の羽根が、流れに対する角度を可変可能とされているので、運転状態に応じて羽根角度を調整して狭流路の流路幅を増減することができる、つまり、流れ圧力が大きくなった場合に流路幅を狭める、流れ圧力が小さくなった場合に流路幅を広げるように調整する。

第１３の手段よりなる請求項１３に記載の斜流圧縮機は、ケーシング内で回転駆動するロータと、同ロータの外周方向に一定間隔おいて立設されている上流側の第一の羽根と、第一の羽根の下流側に設けられている第二の羽根とを有する斜流圧縮機であって、前記第一の羽根の下流端は、前記第二の羽根の上流端よりも下流に位置し、前記第一の羽根および前記第二の羽根の間に狭流路が形成されているので、主流の一部が狭流路から、減速した流れ速度で、主流（羽根）に沿って、ほぼ同じ方向に流れることになり、第一の羽根の下流端部側に発生する剥離域を低減することができ、斜流圧縮機の整流効果および圧縮効率の向上が図れ、ひいては斜流圧縮機の小型化が達成できる。

第１４の手段よりなる請求項１４に記載のジェットエンジンは、筒状のケーシングと、同ケーシング内に格納されている、膨張ガスにより回転駆動されるタービンと斜流圧縮機とを具え、前記タービンと前記斜流圧縮機のロータとが連結されているジェットエンジンであって、前記ロータの外周方向に一定間隔おいて立設されている上流側の第一の羽根と、第一の羽根の下流側に設けられている第二の羽根とよりなるディフューザを有し、前記第一の羽根の下流端は、前記第二の羽根の上流端よりも下流に位置し、前記第一の羽根および前記第二の羽根の間に狭流路が形成されているので、斜流圧縮機の小型化が図れ、ひいてはジェットエンジンの前面面積およびエンジン長の縮小化、軽量化が達成できる。

第１５の手段よりなる請求項１５に記載の斜流圧縮機ロータの製造方法は、斜流圧縮機のロータ外周囲に、その周方向に間隔をおいて複数設けられ、流れを案内する上流側の羽根の後端部と、下流側の羽根の前端部とが重なって狭い流路を形成しているディフューザを有す斜流圧縮機ロータの製造方法において、前記流路を横断する位置に接合面を有する複数の分割ロータの外周囲に、前記上流側または下流側の羽根およびその端部を前記接合面から延設してそれぞれ一体的に切削成形しておき、複数の分割ロータ相互を接合面で連結することにより斜流圧縮機ロータを製造するものであるので、上下流の羽根により構成する狭流路が一挙に容易に製造できる。本方法によらずに、従来のようにロータを分割しないで最初から一体で狭流路を成形しようとする場合には、狭流路の切削加工が非常に困難である。

図１は、本発明の実施例１に係るディフューザの平面図である。図２は、本発明の実施例１に係るディフューザの羽根の重なり長さを説明する平面図である。図３は、本発明の実施例１に係るディフューザ羽根の間隔を説明する説明図である。図４は、本発明の実施例１に係る斜流圧縮機ロータの斜視図である。図５は、本発明の実施例１に係るディフューザの断面図である。図６は、図５の接合部の連結前の状態を説明する斜視図である。図７は、本発明の実施例１に係る斜流圧縮機の斜流路を示す正面図である。図８は、本発明の実施例２に係るディフューザの羽根の重ね合せ部を説明する正面図である。図９は、本発明の実施例３に係るディフューザの斜視図である。図１０は、本発明の実施例４に係るディフューザの平面図である。図１１は、本発明の実施例５に係るディフューザの平面図である。図１２は、本発明の実施例６に係るジェットエンジンの説明図である。図１３は、ジェット機に本発明の実施例６に係るジェットエンジンを装着した場合の外観図である。図１４は、従来のディフューザを示す平面図である。

本発明を実施するための最良の形態を、図１ないし図１３に示す、実施例１、２、３、４、５、６に基づき説明する。図１は斜流圧縮機ロータ外周のディフューザの平面図、図２はディフューザの羽根の重なり長さを説明する平面図、図３はディフューザの羽根の間隔を説明する説明図、図４は斜流圧縮機ディフューザの斜視図、図５は斜流圧縮機ディフューザ断面図、図６は図５の接合部の連結前の状態を説明する斜視図、図７は斜流圧縮機の斜流路を示す正面図である。図８は実施例２の羽根の重ね合せ部を説明する正面図、図９は実施例３のディフューザの斜視図、図１０は実施例４のディフューザの平面図、図１１は実施例５のディフューザの平面図である。図１２は実施例６に係るジェットエンジンの説明図、図１３は実施例６に係るジェットエンジンを装着したジェット機の外観図である。

図１は斜流圧縮機ロータの外周全面に設けられているディフューザの一部を示す平面図である。図中、２は斜流圧縮機のロータ外周に一定間隔おいて並設され、流体（空気）の流れる向きを基準として上流側に位置する第一の羽根（ベーン）である。３は同様に一定間隔おいて並設されていて、第一の羽根２の下流側に位置する第二の羽根（ベーン）である。２ａは第一の羽根２の低圧力面（凸面）、２ｂは第一の羽根２の高圧力面（凹面）、３ａは第二の羽根３の低圧力面（凸面）、３ｂは第二の羽根３の高圧力面（凹面）、Ａ矢印は空気流れ（主流）方向、Ｆ矢印はロータの回転軸方向、Ｇ矢印はロータの回転方向を示す。第一の羽根２の後端部に第二の羽根３の前端部が重なるように並設された重ね合せ部Ｄにより、狭流路Ｓが形成されている。また、第一の羽根２の高圧力面２ｂ側に、第二の羽根３の低圧力面３ａ側が対面するように設けられている。

しかして、ディフューザ１に空気流れＡが流入した場合、流れＡの一部が、重ね合せ部Ｄの狭流路Ｓより流れＢとなって第二の羽根３の低圧力面３ａに沿って流れることになる。流れＢは重ね合せ部Ｄの狭流路Ｓを通るため、その速度が減少し、流れＡ（主流）とほぼ等しい角度で下流側に流れ込むことになり、剥離域Ｃは最小限の大きさとなり、かつ、乱流が発生しない。つまり、第一の羽根２の高圧力面２ｂ側に沿って流れる流れ速さは、低圧力面２ａ側に沿って流れる流れ速さに比べ早いので、狭流路Ｓを通過させることで減速せしめることにより、流れＢの流れ速さを低圧力面２ａ側の流れ速さとほぼ同一の流れ速さとして、剥離域発生箇所に吐出させることで、剥離域Ｃを減少させる。また、流れＡの一部を、狭流路Ｓを通過させることで、流れＡとほぼ等しい方向角度で流れＢとして吐出させることで、乱流の発生を防止する。上記流れ速さは、主に狭流路Ｓの隙間寸法によって定まり、また、上記流れ方向角度は、主に狭流路Ｓの流路長さ寸法によって定めることができる。流れＢの吐出流れ速さおよび吐出方向角度を適正に設定することで、剥離域Ｃの減少と、剥離域Ｃへの流れＢの吐出による乱流発生の防止を図ることができ、それらの適正設定値を下述する。

図２に示すように、上流側の第一の羽根２と下流側の第二の羽根３との狭流路Ｓの流体流れ方向長さ（重ね合せ部Ｄの長さ）Ｌ１は、上流側の第一の羽根２のコード長Ｌに対し、１％以上から５０％以下とすればよい。同範囲長さであれば、下流側の第二の羽根３の整流機能を損なうことがなく、第一の羽根２と第二の羽根３とで形成する狭流路Ｓより吐出する流れが、主流とほぼ等しい方向に流れることにより、乱流が発生せず、剥離域が減少し、ひいては斜流圧縮機の性能が向上する。なお、狭流路Ｓの長さが大きすぎると流れが羽根に接触する距離が長くなるので摩擦抵抗が増え好ましくない。逆に、狭流路Ｓの長さが小さすぎると流れを制御できる距離が短くなるので、狭流路Ｓの効果が得られないことになり好ましくない。また、狭流路Ｓの長さＬ１を上流側の第一の羽根２のコード長Ｌに対し、５％以上から３０％以下とすると上記作用効果につき、より好適な結果を得ることができる。また、狭流路Ｓの長さＬ１を上流側の第一の羽根２のコード長Ｌに対し、５％以上から１５％以下とすると上記作用効果につき、更に好適な結果を得ることができる。

図３に示すように、上流側の第一の羽根２と下流側の第二の羽根３との狭流路Ｓ（重ね合せ部Ｄ）の隙間Ｐ１は、上流側の第一の羽根２と２１との相互の間隔Ｐに対し、５％以上から５０％以内に設定すれば、隙間より流れ出る流れ速度が適正となり、乱流の発生が防止できる。また、隙間Ｐ１を間隔Ｐの５％以上から３０％以内の隙間とすれば、隙間より流れ出る流れ速度が更に適正となり、乱流の発生が防止できる。また、隙間Ｐ１を間隔Ｐの５％以上から２０％以内の隙間とすれば、隙間より流れ出る流れ速度が最も適正となり、乱流の発生が更に防止できる。なお、上記下限値よりも隙間を狭くすれば、隣の流路に入り込む空気量が少なすぎて、乱れの少ない空気を隣の流路に導くという狙いの効果を得られにくい。逆に上記上限値よりも隙間を広くすれば、隣の流路に入り込む空気の流れが乱れてしまい所定の効果が得られにくい。なお、図３中では、隙間Ｐ１や間隔Ｐを説明するために便宜上、第一の羽根２、第二の羽根３および隣接する第一の羽根２１の板厚をそれぞれ図示して説明しているが、例えば航空機用途の斜流圧縮機や気体圧縮機の羽根の板厚は、１ミリ以下のものであり、同用途の場合には図示のようには見えない。

また、図４ないし図６に示すように、斜流圧縮機のロータは、長さＬ１の重ね合せ部Ｄにより形成する狭流路Ｓを横断する方向であり、ロータ軸心に直交する一直線状の接合面Ｔを有する分割構造となっており、一方のロータ４には上流側の第一の羽根２が、他方のロータ５には下流側の第二の羽根３がそれぞれ機械加工により一体的に削り出し成形されている。更に、第一の羽根２の後端部はロータ４の接合面ＴよりＥ寸法長さ突出して延設され、第二の羽根３の先端部はロータ５の接合面Ｔより同様にＥ寸法長さ突出して延設されている。この構造によれば、ロータ４と５との接合面Ｔ相互を合致させ、ボルト構造または溶接により連結すれば、第一の羽根２、３の狭流路Ｓ（重ね合せ部Ｄ）を有すディフューザ付のロータが一挙に容易に製造できる。特に、狭流路Ｓの隙間を小さく設定する場合には、切削加工具が隙間に入らず加工ができない場合が多々あったが、本実施例では容易に狭流路（Ｓ）が形成できる効果がある。

また、接合面Ｔは重ね合せ部Ｄにより形成される狭流路Ｓの隙間に沿う位置から、第一の羽根２の後縁と第二の羽根３の前縁とに沿うジグザグ状の接合面Ｔとすることも考えられるが、本実施例では一直線状としているので、ロータ４と５との連結および、ロータの一方を接合面Ｔに沿って回すことで、第一の羽根２と第二の羽根３相互間の隙間調整が容易に行える。なお、本実施例では上流側と下流側とのＥ寸法長さは同じ長さとしているが、相違させてもよく、更に、何れか一方のロータ（４または５）側からのみ、羽根（２または３）を延設してもよく、その場合でも狭流路Ｓは形成できる。

また、図５に示す上流側の第一の羽根２のコード長Ｌに対する狭流路Ｓ（重ね合い部Ｄ）の長さ寸法Ｌ１は、半分以下とすればよい。また、上流側の第一の羽根２のコード長と、下流側の第二の羽根３のコード長との比率は、３対７または４対６程度にすればよい。そのように上流側の第一の羽根２を短くすることで、上流側の第一の羽根２の後端部の低圧力面２ａ側での剥離域の発生範囲を減少することができ、更に、ロータ軸心に直交する方向から見て、第一の羽根２と第二の羽根３との間を塞ぐように、第一の羽根２の下流端部まで重なるように第二の羽根３の上流端部を隣接して延設することで、より一層、剥離域を減少することができる。

図７は斜流圧縮機の斜流路Ｈに臨むロータ外周に第一の羽根２と、第二の羽根３とを設けたものを説明するものであり、上流側の第一の羽根２とその下流側の第二の羽根３とは、ロータの最大径部Ｒに跨って延設されている。また、上流側および下流側の第一の羽根２、第二の羽根３の重ね合せ部Ｄより形成される狭流路が、ロータの最大径部Ｒに位置するように設けられていて、乱流発生の防止効果および剥離域の減少効果が最も大きくなるようにしている。

本実施例は、実施例１のものが羽根２、３の外周方向（ロータ外周方向）高さ全長にわたり重ね合い部を形成しているのに対し、その一部のみを重ね合せ部Ｄとしたものであり、図８に示す斜流圧縮機のディフューザは、下流側の第二の羽根３の前縁を下流方向（流れＡ方向）に傾斜する形状としており、重ね合せ部Ｄは、上流側の第一の羽根２の根本部（基端部）と下流側の第二の羽根３との根本部が長さＬ１寸法、重ね合う状態に並設することで、羽根２、３の根本部のみに狭流路を形成している。本実施例によれば、一部分の重ね合せ部Ｄにより形成される狭流路において、羽根２、３の根本部の流れが狭められことになり、局所的な乱流の防止効果がある。なお上記とは逆に上流側の第一の羽根２の下流端部の根本部のみを下流方向に延設するようにして、同様に一部分のみを重ね合わせてもよい。なお、羽根２、３の外周方向側のみに狭流路を設ける必要がある場合には、上記傾斜を逆にする、つまり、例えば、下流側の第二の羽根３の上流端部の外周側のみを上流方向に延設して、羽根２、３の外周側のみに狭流路を設ければよい。

本実施例は実施例１のものにおいて、更に図９に示す構成を採用したものであり、図９に示す斜流圧縮機のディフューザは、羽根２、３の根本側から外周側（ロータ外周方向またはスパン方向）Ｍまでの位置によって、流れＡの状況が違うので、その状況に合わせているものである。つまり、斜流圧縮機の場合、ロータに設けている第一の羽根２および第二の羽根３の外周側Ｍで、その流れ分布が不均一な現象があり、根本側（基端側）がより境界層が厚くなっているので、より低速域が発達しやすい状況にある。そこで、上流側の第一の羽根２に対し、下流側の第二の羽根３を、根本側の間隔Ｋよりも外周側Ｍの間隔Ｊが広くなるように、ロータの周方向に傾斜して設けたものである。このようにすれば、第一の羽根２と第二の羽根３とで形成されている狭流路の外周側Ｍでの流れ速度が平均化され、低速域との速度の差を十分に近づけて、第二の羽根３の低圧力面側に吹き込むことで流れＡ１の整流効果が高くなる。また、ディフューザを適用する装置によっては、上記とは逆の状況の場合があり、その場合には、上記とは逆方向に第二の羽根３を傾ければよい。

本実施例は実施例１のものにおいて、更に図１０に示す構成を採用したものであり、図１０に示す斜流圧縮機のディフューザは、上流側の第一の羽根２および下流側の第二の羽根３が、流れに対する角度を、回転軸２ｃおよび３ｃを中心として、矢印２ｄ、３ｄ方向に可変可能としたものである。第一の羽根２と第二の羽根３とで形成される狭流路（Ｓ）からの高エネルギー流体の供給をエンジンの運転状況に応じて可変調整する。例えば、流れ圧力が高くなると隙間を狭くして減速調整し、逆に、流れ圧力が低くなったときには隙間を広くなるように増速調節する。上流側のタービンやエンジンなどの運転状態（圧力や回転数）に応じて可変すればよく、エンジンが低出力のときは羽根を大きく重ねればよい（隙間を狭くする）。運転状態は第一の羽根２の上流側流路に設けている圧力や回転センサーにより検知し、同センサー信号に基づき羽根角度を制御すればよい。なお、下流側に比べ上流側の流れ速度が速いので、わずかな動きで迅速に制御するためには、上流側の第一の羽根２を可変調整すればよい。また、上流側または下流側の羽根のみを可変するようにしてもよい。羽根を可変とする手段は、可変インペラ式ポンプなどの公知の技術を利用すればよく、その説明は省略する。

図１１に示す斜流圧縮機のディフューザは、斜流圧縮機の斜流路のロータ外周囲に、その周方向に間隔をおいて複数設けられ、流れＡを案内する上流側の第一の羽根２およびその下流側の羽根４１よりなるディフューザであり、第一の羽根２と第二の羽根４１との間は、従来と同様に隙間Ｓ１を有したものであるが、上流側の第一の羽根２の下流端部から第二の羽根４１の上流端部までの隙間Ｓ１間であって、第一の羽根２および第二の羽根４１の低圧力面２ａ、４ａ側を、狭流路Ｓを形成するようにベーン（羽根）５１を追設したものである。又、５ａはベーン５１の低圧力面、Ｆはロータ軸心方向、Ｇはロータの回転方向を示す。この実施例のものは、第一の羽根２と羽根４１との間の隙間Ｓ１からの高エネルギー流体Ｂ１を、ベーン５１により抑制して、第一の羽根２および羽根４１の低圧力面２ａ、４ａ側に発生する剥離域を減少せしめたものである。

図１２は、実施例１の斜流圧縮機ロータを備えた斜流圧縮機をジェットエンジンに適用した事例説明図、図１３はジェット機に図１２のジェットエンジンＮを装着した場合を示す外観図である。斜流圧縮機１０は、ディフューザの第一の羽根２、ディフューザの第二の羽根３、ロータ６、インペラ羽根７、空気取り入れ口８、筒状のケーシング９とで構成されている。インペラ羽根７の下流外周には、一定間隔おいて、第一の羽根２、第二の羽根３がそれぞれ立設されていて、ディフューザを構成している。なお、図示では便宜上、ロータ６は断面で示しており、ディフューザは一部のみを図示する。第一の羽根２の下流端は、第二の羽根３の上流端よりも下流に位置し、第一の羽根２および第二の羽根３の間に狭流路（Ｓ）が形成されていて、その構成は実施例１のものと同様である。斜流圧縮機１０のロータ６は連結軸１１によりタービン１２と連結されており、燃焼器１４内にて発生するガスの膨張力を利用してタービン１２を回転させることで、斜流圧縮機１０を駆動し、空気を圧縮する。タービン１２を通過した後の燃焼ガスを排気ダクト１３で加速し、ジェットを噴き出すことで推力を発生する。また、図中、１５は燃料管、１６は燃料噴出孔、１７は軸受け、１８はガスダクト、１９は空気流路を示す。本実施例のものは、圧縮効率が高く、軸方向長さおよび外径の小型化が図れる実施例１の斜流圧縮機を用いているので、ジェットエンジンの前面面積およびエンジン長さの縮小化、重量軽減効果がある。

なお、以上の各実施例は斜流圧縮機用途のディフューザを事例として説明したが、本発明は遠心や軸流の圧縮機やポンプ、ブロワなどの風力機械のディフューザおよび汎用のディフューザにおいても適用できる。また、この発明を適用した圧縮機は圧縮効率ηが高くなるので、同じ性能のものを小型設計でき、軽量化はもちろんのこと、断面積も小さくできるので、航空エンジン用に特に適するものである。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく必要に応じ、適宜設計変更し得るものである。また、上記実施例における各構成要素には、当業者が容易に想定できるものや、実質的に同一のものが含まれる。

１ディフューザ
２第一の羽根
３第二の羽根
Ｓ狭流路

Claims

斜流圧縮機のロータに取り付けられるディフューザであって、前記ディフューザは、流体の流れる向きを基準にして上流側に位置する第一の羽根と、同じく下流側に位置する第二の羽根とを含んでなり、前記第二の羽根を前記第一の羽根まで延在し、前記第一の羽根および前記第二の羽根の間に狭流路が形成されていることを特徴とする斜流圧縮機のディフューザ。
斜流圧縮機のロータに取り付けられるディフューザであって、前記ディフューザは、流体の流れる向きを基準にして上流側に位置する第一の羽根と、同じく下流側に位置する第二の羽根とを含んでなり、前記第一の羽根の下流端は、前記第二の羽根の上流端よりも下流に位置し、前記第一の羽根および前記第二の羽根の間に狭流路が形成されていることを特徴とする斜流圧縮機のディフューザ。
前記狭流路が前記第一の羽根の下流側根本端部または前記第二の羽根の上流側根本端部の一部分により形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の斜流圧縮機のディフューザ。
前記第一の羽根の外周側の端から前記第二の羽根の外周側の端までの距離は、前記第一の羽根の根本側の端から前記第二の羽根の根本側の端までの距離よりも長いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の斜流圧縮機のディフューザ。
前記第一の羽根の下流端における高圧力面側と、前記第二の羽根の上流端における低圧力面側とは、相対面して設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載の斜流圧縮機のディフューザ。
前記第一の羽根または前記第二の羽根が、斜流圧縮機の最大径部に跨って延設されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れかに記載の斜流圧縮機のディフューザ。
前記狭流路が、斜流圧縮機の最大径部に位置することを特徴とする請求項１ないし請求項６の何れかに記載の斜流圧縮機のディフューザ。
前記狭流路の流体流れ方向長さが、前記第一の羽根のコード長に対し、１％以上から５０％以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項７の何れかに記載の斜流圧縮機のディフューザ。
前記狭流路の隙間を、前記第一の羽根相互の間隔に対し、５％以上から５０％以内の隙間とすることを特徴とする請求項１ないし請求項８の何れかに記載の斜流圧縮機のディフューザ。
前記ロータが前記狭流路を横断する方向の接合面を有する分割構造であり、前記第一または第二の少なくとも何れか一方の羽根の端部が、前記ロータの接合面より流体流れ方向に突出して延設されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の斜流圧縮機のディフューザ。
斜流圧縮機のロータに取り付けられるディフューザであって、前記ディフューザは、流体の流れる向きを基準にして上流側に位置する第一の羽根と、同じく下流側に位置する第二の羽根と、前記第一の羽根の下流端部と前記第二の羽根の上流端部との間であって、前記第一および第二の羽根の低圧面側に設けるベーンとよりなることを特徴とする斜流圧縮機のディフューザ。
前記上流側の羽根および／または前記下流側の羽根が、流れに対する角度を可変可能とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の斜流圧縮機のディフューザ。
ケーシング内で回転駆動するロータと、同ロータの外周方向に一定間隔おいて立設されている上流側の第一の羽根と、第一の羽根の下流側に設けられている第二の羽根とを有する斜流圧縮機であって、前記第一の羽根の下流端は、前記第二の羽根の上流端よりも下流に位置し、前記第一の羽根および前記第二の羽根の間に狭流路が形成されていることを特徴とする斜流圧縮機。
筒状のケーシングと、同ケーシング内に格納されている、膨張ガスにより回転駆動されるタービンと斜流圧縮機とを具え、前記タービンと前記斜流圧縮機のロータとが連結されているジェットエンジンであって、前記ロータの外周方向に一定間隔おいて立設されている上流側の第一の羽根と、第一の羽根の下流側に設けられている第二の羽根とよりなるディフューザを有し、前記第一の羽根の下流端は、前記第二の羽根の上流端よりも下流に位置し、前記第一の羽根および前記第二の羽根の間に狭流路が形成されていることを特徴とするジェットエンジン。
斜流圧縮機のロータ外周囲に、その周方向に間隔をおいて複数設けられ、流れを案内する上流側の羽根の後端部と、下流側の羽根の前端部とが重なって狭い流路を形成しているディフューザを有す斜流圧縮機ロータの製造方法において、前記流路を横断する位置に接合面を有する複数の分割ロータの外周囲に、前記上流側または下流側の羽根およびその端部を前記接合面から延設してそれぞれ一体的に切削成形しておき、複数の分割ロータ相互を接合面で連結することにより斜流圧縮機ロータを製造することを特徴とする斜流圧縮機ロータの製造方法。