JP5748505B2 - 回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、回転機械に関するものである。

周知のように、回転機械に用いられる羽根車は、作動流体が流通する流路が軸線周りに間隔を空けて形成されている。この羽根車は、回転機械の効率を左右することから、種々の改良が進められている。

例えば、下記特許文献１においては、低比速度のポンプの羽根車の各流路断面を正方形に形成することで、各流路断面を上記正方形と同一断面積となるように円形に形成した場合と比較して、作動流体の流入に対する無効な部位の面積を小さくし、流路入口における作動流体の衝突損失を抑制している。また、各流路断面を正方形に形成することで、各流路断面を上記正方形と同一断面積となるように矩形に形成した場合と比較して、流路壁面に対する作動流体の濡れ縁長さを短くして、作動流体の摩擦損失を抑制している。

特開２００４−２７８３１１号公報

しかしながら、従来の技術においては、回転機械の効率を向上させることに一定の効果があるが、その効果には限度があるという問題があった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、回転機械の効率を更に向上させることを課題とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る回転機械は、軸線を中心に回転する回転体を備え、主半径方向に向かって作動流体が流通する流路を有する回転機械において、前記流路の延在方向に直交する断面形状における少なくとも一つの隅部の曲線の曲率半径が、前記流路の入口から中間部に向かうに従って漸次大きくなると共に、前記流路の前記中間部から出口に向かうに従って漸次小さくなり、前記流路は、前記中間部の前記断面形状が円形状であることを特徴とする。
このようにすれば、流路の断面形状の隅部の曲線の曲率半径が、流路の入口から中間部に向かうに従って漸次大きくなるので、相対的に隅部の曲線の曲率半径が小さくなる入口において流路断面積を大きく確保して、作動流体の衝突損失を抑制することができる。
一方、相対的に隅部の曲線の曲率半径が大きくなる中間部においては濡れ縁長さを小さくして、作動流体の摩擦損失を抑制することができる。
そして、流路の中間部に比べて、相対的に隅部の曲率半径が小さくなる出口においては、隅部が画定する空間を大きく確保することで作動流体の速度分布を穏やかにして、作動流体の偏流が生じることを抑制することができる。
従って、上記の流路を採用することで、隅部の曲線の曲率半径が一定となった流路を採用する場合に比べて、衝突損失の抑制、摩擦損失の抑制、及び、作動流体の偏流の抑制を図ることができるので、回転機械の効率を向上させることができる。
また、流路の中間部の断面形状が円形状であるので、濡れ縁長さを比較的に短く構成することができる。

また、前記流路は、前記入口及び前記出口のうち少なくとも一方の前記断面形状が多角形状であることを特徴とする。
このようにすれば、流路の入口及び出口の断面形状を多角形状に形成するので、流路の隅部を多角形の角部で構成することができる。

また、前記回転体は、前記主半径方向の内側において前記軸線が延びる主軸方向に向けて開口する内側開口と前記主半径方向の外側において前記主半径方向に向けて開口する外側開口との間で前記作動流体を流通させ、前記流路は、前記回転体において前記軸線周りに間隔を空けて複数形成されていることを特徴とする。
このようにすれば、羽根車において衝突損失の抑制、摩擦損失の抑制、及び、作動流体の偏流の抑制を図ることができる。

また、前記流路は、前記断面形状の断面積を、前記入口から前記出口に向けて漸次大きくさせることを特徴とする。
このようにすれば、流路の出口の断面積が大きくなるので、流路の出口に生じ得る圧力脈動を抑えることができる。

本発明に係る回転機械によれば、回転機械の効率をさらに向上させることができる。

本発明の第一実施形態に係るポンプＭ１の子午断面の要部拡大図である。 本発明の第一実施形態において、図１におけるＩ−Ｉ線矢視図である。 本発明の第一実施形態に係る流路１３の入口１３ａの断面図（図２におけるII−II線断面図）である。 本発明の第一実施形態に係る流路１３の中間部１３ｃの断面図（図２におけるIII−III線断面図）である。 本発明の第一実施形態に係る流路１３の出口１３ｂの断面図（図２におけるIV−IV線断面図）である。 本発明の第一実施形態に係る流路１３の濡れ縁長さの変化を示したグラフであり、横軸が流路１３の延在方向位置、縦軸が濡れ縁長さとなっている。 本発明の第一実施形態に係る第一の作用説明図である。 本発明の第一実施形態に係る第二の作用説明図である。 本発明の第一実施形態に係る第三の作用説明図である。 本発明の第一実施形態において、流路１３の出口１３ｂにおける用水Ｗの円周方向の速度分布を概略的に示した図である。 本発明の第二実施形態に係るポンプＭ２の羽根車３２の正面断面図である。 本発明の第二実施形態に係る流路１４の入口１４ａの断面図（図１１におけるＶ−Ｖ線断面図）である。 本発明の第二実施形態に係る流路１４の中間部１４ｃの断面図（図１１におけるVI−VI線断面図）である。 本発明の第二実施形態に係る流路１４の出口１４ｂの断面図（図１１におけるVII−VII線断面図）である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
〔第一実施形態〕
図１は、本発明の第一実施形態に係るポンプＭ１の子午断面の要部拡大図である。
図１に示すように、ポンプＭ１は、ロータ１とステータ２とを有している。

ロータ１は、軸線Ｐ上に配設された主軸１１と、主軸１１の先端に固定された羽根車１２とを有している。

主軸１１は、ステータ２に配設された軸受部（不図示）によって片持ち支持されており、軸線Ｐを中心にして回転可能である。主軸１１は、駆動機（不図示）に連結されており、この駆動機により主軸１１を介して羽根車１２が回転駆動される。
なお、以下の説明においては、軸線Ｐの延在方向を「主軸方向」と、主軸１１の周方向を「円周方向」、主軸１１の半径方向を「主半径方向」という。

図２は、図１におけるＩ−Ｉ線矢視図である。
図１及び図２に示すように、羽根車１２は、所謂クローズドインペラタイプのものであり、複数の湾曲した羽根１２ａを主板１２ｂと側板１２ｃとで挟んで一体に構成されている。図２に示すように、羽根車１２においては、複数の羽根１２ａが、羽根車１２の中心軸周りに互いに間隔を空けて配列されている。このような構成により、羽根車１２は、主板１２ｂと側板１２ｃとの間の空間が、複数の羽根１２ａによって複数に分割された空間となっている。そして、この分割された空間のそれぞれが用水Ｗの流路１３（後述する。）となっている。
なお、羽根車１２は、材料がねずみ鋳鉄やステンレス鋳鋼の場合には鋳造により製作され、材料がプラスチックなどの場合には射出成形又は光造型により製作されている。

羽根車１２は、主板１２ｂを主軸１１の先端部に挿通されており、主軸１１の先端に対して同軸状に拘束されている。
この羽根車１２は、主軸方向一方に向けて開口する内側開口１２ｘ１から、複数の羽根１２ａによって分割された各流路１３に用水Ｗを流入させ、主半径方向外方に向けて開口する外側開口１２ｘ２から用水Ｗを全周状に流出させる。

ステータ２は、図１に示すように、羽根車１２を収容しており、スクロール２０と、ケーシングカバー２５とを有している。
スクロール２０の高圧側の開口部には、ケーシングカバー２５が固着されている。
このような構成において、用水Ｗは吸入口２ａから吸入され、回転する羽根車１２によって昇圧された後、吐出口２ｂから吐出される。

図３〜図５は、流路１３の延在方向に直交する断面図であって、図３は流路１３の入口１３ａの断面図（図２におけるII−II線断面図）であり、図４は流路１３の中間部１３ｃの断面図（図２におけるIII−III線断面図）であり、図５は流路１３の出口１３ｂの断面図（図２におけるIV−IV線断面図）である。
図３〜図５に示すように、流路１３は、入口１３ａから出口１３ｂに向かうに従って、濡れ縁長さ（流路１３の延在方向に直交する直交断面において、流路１３の流路壁面の断面輪郭長さ）が漸次大きくなっている。流路１３は、流路１３の延在方向に亘って、流路高さが略一定になっていると共に、流路幅が入口１３ａから出口１３ｂに進むに従って大きくなっている。

この流路１３は、図３〜図５に示すように、入口１３ａから出口１３ｂに進むに従って、流路１３の延在方向に直交する直交断面における形状（以下「直交断面形状」という。）が漸次変化するようになっている。
図３に示すように、流路１３の入口１３ａは、その直交断面形状が矩形状に形成されている。より具体的には、長辺を流路幅方向に、短辺を流路高さ方向にそれぞれ向けており、四つの隅部１３ｒが円弧状に形成されている。本実施形態においては、入口１３ａの各隅部１３ｒの断面輪郭が単曲線（曲率半径ｃ＝ｃ１）となっている。

図５に示すように、この流路１３の出口１３ｂは、直交断面形状が入口１３ａと同様に矩形状となっており、四つの隅部１３ｒが円弧状に形成されている。本実施形態においては、出口１３ｂの各隅部１３ｒの断面輪郭が単曲線（曲率半径ｃ＝ｃ１）となっている。

これら流路１３の入口１３ａと出口１３ｂとの間には、図４に示すように、流路１３の延在方向において一定の長さだけ同一の直交断面形状となった中間部１３ｃが延びている。この中間部１３ｃは、図４に示すように、その直交断面形状が楕円状に形成されている。この中間部１３ｃは、各隅部１３ｒの断面輪郭が単曲線（曲率半径ｃ＝ｃ２，ｃ１＞ｃ２）となっているが、流路幅方向の両端のそれぞれにおいて、二つずつ形成された隅部１３ｒが滑らかに接続されていることで断面輪郭が半円状となっている。
なお、本明細書において、「楕円状」とは、真正の楕円の他、中間部１３ｃのように、流路幅方向における両端の断面輪郭が半円状になっていると共に流路幅方向における中央側が直線状になっている形状も含む意味で用いている。

つまり、流路１３においては、図３〜図５に示すように、入口１３ａから中間部１３ｃ、中間部１３ｃから出口１３ｂに向かうに従って流路１３の直交断面形状が、矩形状から楕円状、楕円状から矩形状に滑らかに変化するようになっている。このように、流路１３の直交断面形状における四つの隅部１３ｒの曲線の曲率半径ｃは、入口１３ａから中間部１３ｃに向かうに従って漸次大きくなると共に（曲率半径ｃ〈ｃ１→ｃ２〉）、中間部１３ｃで一定になった後に（曲率半径ｃ〈ｃ２〉）、中間部１３ｃから出口１３ｂに向かうに従って漸次小さくなる（曲率半径ｃ〈ｃ２→ｃ１〉）。

図６は、流路１３の濡れ縁長さの変化を示したグラフであり、横軸が流路１３の延在方向位置、縦軸が濡れ縁長さとなっている。
仮に、流路１３の四つの隅部１３ｒを、流路１３の延在方向全域に亘って曲率半径ｃ＝ｃ１で形成した仮想例の場合には、図６に破線で示すように、入口１３ａから出口１３ｂまで流路１３の濡れ縁長さが単調に増加する。
これに対して、本実施形態のように、流路１３の四つの隅部１３ｒの曲線の曲率半径ｃを、流路１３の延在方向においてに変化させた場合（曲率半径ｃ〈ｃ１→ｃ２→ｃ１〉）には、図６に実線で示すように、流路１３の濡れ縁長さを、入口１３ａから中間部１３ｃまで穏やかに増加させた後に、中間部１３ｃにおいて仮想例と同様の傾きで増加させ、中間部１３ｃから出口１３ｂまで急激に増加させる。

続いて、上述したポンプＭ１及び流路１３の作用について、図７〜図１０を用いて説明する。
図７に示すように、入口１３ａにおいては、四つの隅部１３ｒが曲率半径ｃ１で形成されて、各隅部１３ｒが比較的に大きい空間を画定していることから、用水Ｗが流入し易い。例えば、四つの隅部１３ｒを曲率半径ｃ２で形成した仮想例と比較すると、図７にドットで示す領域ｓ１×４だけ流路１３の入口１３ａが広くなることから、入口１３ａにおける用水Ｗの衝突損失が抑制され、用水Ｗが入口１３ａにスムーズに流入する。

流路１３に流入した用水Ｗは、中間部１３ｃに向かって流れる。
図８に示すように、中間部１３ｃにおいては、四つの隅部１３ｒが曲率半径ｃ２で形成されて、各隅部１３ｒが比較的に小さい空間を画定していることから、濡れ縁長さが小さくなる。例えば、四つの隅部１３ｒを曲率半径ｃ１で形成した仮想例と比較すると、図８にドットで示す領域ｓ３×４だけ流路１３の流路断面積が狭くなる分に応じて濡れ縁長さが小さくなる。このため、中間部１３ｃにおいて、流路１３の流路壁面に対する用水Ｗの摩擦損失が抑制される。
また、流路１３の入口１３ａから中間部１３ｃまで、及び、中間部１３ｃから出口１３ｂまでの範囲においても、四つの隅部１３ｒの曲率半径ｃが、入口１３ａと出口１３ｂとにおける曲率半径ｃ１よりも大きく形成されていることから、四つの隅部１３ｒを曲率半径ｃ１で形成した仮想例と比較して、濡れ縁長さが小さくなる（図６参照）。このため、流路１３の入口１３ａから中間部１３ｃまで、及び、中間部１３ｃから出口１３ｂまでの範囲においても、流路１３の流路壁面に対する用水Ｗの摩擦損失が抑制される。

図９に示すように、流路１３の出口１３ｂにおいては、四つの隅部１３ｒが曲率半径ｃ１で形成されて、各隅部１３ｒが比較的に大きい空間を画定していることから、各隅部１３ｒ近傍の局所領域において用水Ｗの平均流速が比較的に小さくなる。例えば、四つの隅部１３ｒを曲率半径ｃ２で形成した仮想例と比較すると、図９にドットで示す領域ｓ２だけ各隅部１３ｒ近傍の局所領域が広くなる。このため、図１０に示すように、比較例における平均流速ｖ_１´に比べて、本実施形態の平均流速ｖ_１が小さくなる。そして、流路１３の出口１３ｂの流路幅方向における中央側の最小の流速ｖ_０との差分（Δｖ_１＜Δｖ_１´）が小さくなり、速度分布が緩和され、流路幅方向の中央側で生じうる用水Ｗの偏流が抑制される。

以上説明したように、ポンプＭ１によれば、流路１３の断面形状の隅部１３ｒの曲線の曲率半径が、流路１３の入口１３ａから中間部１３ｃに向かうに従って漸次大きくなるので、相対的に隅部１３ｒの曲線の曲率半径が小さくなる入口１３ａにおいて流路断面積を大きく確保して、用水Ｗの衝突損失を抑制することができる。
一方、相対的に隅部１３ｒの曲線の曲率半径が大きくなる中間部１３ｃにおいては濡れ縁長さを小さくして、用水Ｗの摩擦損失を抑制することができる。
そして、流路１３の中間部１３ｃに比べて、相対的に隅部１３ｒの曲率半径が小さくなる出口１３ｂにおいては、隅部１３ｒが画定する空間を大きく確保することで用水Ｗの速度分布を穏やかにして、用水Ｗの偏流が生じることを抑制することができる。
従って、上記の流路１３を採用することで、隅部１３ｒの曲線の曲率半径が一定となった流路１３を採用する場合に比べて、衝突損失の抑制、摩擦損失の抑制、及び、用水Ｗの偏流の抑制を図ることができるので、ポンプＭ１の効率を向上させることができる。

また、流路１３の入口１３ａ及び出口１３ｂの直交断面形状を矩形状に形成するので、流路１３の隅部１３ｒを矩形状の角部で構成することができる。これにより、円周方向に隣り合う二つの流路１３の入口１３ａ、及び、円周方向に隣り合う二つの流路１３の出口１３ｂを近接させることが可能となる。
また、流路１３は、流路１３の中間部１３ｃの直交断面形状が楕円状に形成するので、濡れ縁長さを比較的に短く構成することができる。また、直交断面形状が矩形状に形成された入口１３ａと出口１３ｂとに対して、中間部１３ｃの直交断面形状を滑らかに連続させることができる。
また、流路１３の入口１３ａ、中間部１３ｃ、出口１３ｂを、矩形状、楕円状、矩形状と変化させるので、比較的に流路１３を容易に形成することができる。

また、羽根車１２の流路１３における隅部１３ｒの曲線の曲率半径を変化させるので、羽根車１２において衝突損失の抑制、摩擦損失の抑制、及び、用水Ｗの偏流の抑制を図ることができる。

また、流路１３は、流路１３の直交断面形状における断面積を、入口１３ａから出口１３ｂに向けて漸次大きくするので、流路１３の出口１３ｂに生じ得る圧力脈動を抑えることができる。

〔第二実施形態〕
以下、本発明の第二実施形態について図を用いて説明する。なお、以下の説明及びその説明に用いる図面において、既に説明を終えた構成要素と同様の構成要素については、同一の符号を付して、重複した説明を省略する。

図１１は、本発明の第二実施形態に係るポンプＭ２の羽根車３２の正面断面図である。
この羽根車３２は、円周方向に隣り合う羽根３２ａの間に、流路１４が曲線状に形成されている。この流路１４は、上述した第一実施形態よりも厚く形成された羽根３２ａによって、所定の曲率でカーブするように画定されている。この流路１４の流路幅は、流路１４の延在方向における各直交断面において、上述した第一実施形態の流路１３の流路幅よりも狭くなっている。

図１２〜図１４は、流路１４の延在方向に直交する断面図であって、図１２は流路１４の入口１４ａの断面図（図１１におけるＶ−Ｖ線断面図）であり、図１３は流路１４の中間部１４ｃの断面図（図１１におけるVI−VI線断面図）であり、図１４は流路１４の出口１４ｂの断面図（図１１におけるVII−VII線断面図）である。

この流路１４は、図１２〜図１４に示すように、入口１４ａから中間部１４ｃ、中間部１４ｃから出口１４ｂに向かうに従って流路１４の直交断面形状が、矩形状から楕円状、楕円状から矩形状に滑らかに変化するようになっている。このように、流路１４の直交断面形状における四つの隅部１４ｒの曲線の曲率半径ｃは、入口１４ａから中間部１４ｃに向かうに従って漸次大きくなると共に（曲率半径ｃ〈ｃ１→ｃ２〉）、中間部１４ｃで一定になった後に（曲率半径ｃ〈ｃ２〉）、中間部１４ｃから出口１４ｂに向かうに従って漸次小さくなる（曲率半径ｃ〈ｃ２→ｃ１〉）。

本実施形態においても、上述した第一実施形態と同様の効果を得ることができる他、流路３２の流路幅が第一実施形態の流路１２よりも狭くなっていることで、小吐出し運転時において流路３２の流路幅方向中央側の用水Ｗと羽根３２ａ近傍の用水Ｗとの速度分布が更に穏やかになる。これにより、流路幅方向の中央側で生じうる偏流を更に抑制することができる。従って、小吐出し運転時において更なる効率の向上を図ることができる。

なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述した各実施形態においては、流路１３，１４の所定の範囲に亘って中間部１３ｃ，１４ｃとしたが、範囲を設定せずに或る位置だけを中間部としてもよい。また、中間部１３ｃ，１４ｃの位置は、入口１３ａ，１４ａと出口１３ｂ，１４ｂとの間であればいずれの位置であってもよい。

また、上述した各実施形態においては、隅部１３ｒ，１４ｒが円弧状である場合（曲率半径ｃ＞０）について説明したが、隅部１３ｒ，１４ｒが直角である場合（曲率半径ｃ＝０）についても本発明を適用することが可能である。

また、上述した各実施形態においては、四つの隅部１３ｒ，１４ｒの曲線の曲率半径を四つ全て変化させる構成にしたが、四つのうち一部について変化させてもよい。

また、上述した各実施形態においては、各直交断面形状において単曲線で形成された隅部１３ｒ，１４ｒに本発明を適用したが、複曲線（複数の曲率半径）で形成された隅部についても本発明を適用することができる。この場合には、複数の曲率半径の平均の曲率半径を、隅部の曲線の曲率半径とすればよい。

また、上述した各実施形態においては、側板１２ｃを備える所謂クローズド型の羽根車１２，３２に本発明を適用したが、側板１２ｃを省略した所謂オープン型の羽根車に本発明を適用してもよい。この場合においては、流路１３，１４の直交断面形状が閉じた断面にならないが、主板１２ｂと羽根１２ａ，３２ａとが形成する隅部１３ｒ，１４ｒの曲線の曲率半径を上記と同様に変更させればよい。

また、上述した各実施形態においては、流路１３，１４の入口１３ａ，１４ａと出口１３ｂ，１４ｂとにおける隅部１３ｒ，１４ｒの曲率半径をｃ１としたが、中間部１３ｃの曲率半径よりもそれぞれ小さくなることを条件として異なる曲率半径に設定してもよい。

また、上述した各実施形態においては、羽根車１２，３２の流路１３ａ，１４ａについて本発明を適用したが、ステータ２側に形成される流路（例えばディフューザベーン間の流路）に本発明を適用してもよい。

また、上述した各実施形態においては、中間部１３ｃ，１４ｃの直交断面形状を楕円状に形成したが、真円に形成してもよい。すなわち、中間部１３ｃ，１４ｃの直交断面形状を円形状に形成すれば、濡れ縁長さを比較的に短く構成することが可能である。

また、上述した各実施形態においては、ポンプについて本発明を適用したが、水車等の他の回転機械に本発明を適用してもよい。同様に、リカバリータービン機能を備えたポンプについて本発明を適用してもよい。なお、これらの場合には、用水Ｗの流れる向きは、ポンプにおいて流れる用水Ｗの向きとは逆方向になる。

１２…羽根車（回転体）
１２ｘ１…内側開口
１２ｘ２…外側開口
１３，１４…流路
１３ａ，１４ａ…入口
１３ｂ，１４ｂ…出口
１３ｃ，１４ｃ…中間部
１３ｒ，１４ｒ…隅部
Ｍ１，Ｍ２…ポンプ（回転機械）
Ｐ…軸線
Ｗ…用水（作動流体）
ｃ（ｃ１，ｃ２）…曲率半径

Claims (4)

1. 軸線を中心に回転する回転体を備え、主半径方向に向かって作動流体が流通する流路を有する回転機械において、
   前記流路の延在方向に直交する断面形状における少なくとも一つの隅部の曲線の曲率半径が、前記流路の入口から中間部に向かうに従って漸次大きくなると共に、前記流路の前記中間部から出口に向かうに従って漸次小さくなり、
   前記流路は、前記中間部の前記断面形状が円形状であることを特徴とすることを特徴とする回転機械。
2. 前記流路は、前記入口及び前記出口のうち少なくとも一方の前記断面形状が多角形状であることを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
3. 前記回転体は、前記主半径方向の内側において前記軸線が延びる主軸方向に向けて開口する内側開口と前記主半径方向の外側において前記主半径方向に向けて開口する外側開口との間で前記作動流体を流通させ、
   前記流路は、前記回転体において前記軸線周りに間隔を空けて複数形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転機械。
4. 前記流路は、前記断面形状の断面積を、前記入口から前記出口に向けて漸次大きくさせることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載の回転機械。

Images