JP6075579B2

JP6075579B2 - 流体機械のディフューザ構造

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Publication number: JP6075579B2
Application number: JP2015151406A
Authority: JP
Inventors: 伸次深尾; 佐野　岳志; 岳志佐野; 真成飯野; 川根　浩; 浩川根; 若井　宗弥; 宗弥若井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2031-01-14
Also published as: JP2015187451A

Description

本発明は、例えばポンプ・ポンプ水車等流体機械のディフューザ（流路）構造に関する。

一般に、ポンプ・ポンプ水車等流体（液体）機械において、ミニフロー（低流量域）運転時には、図８に示す流量-揚程特性曲線において右上がり特性部分（図中のＩｒで示す領域参照）を持つ場合があることは良く知られている（非特許文献１参照）。

この右上がり特性部分の領域では、ポンプ特性が不安定特性となり、逆流や振動等が生起されてポンプ運転が不可能となる。この右上がり特性部分の原因として、さまざまな要因が考えられるが、その一つにインペラを出た流れの速度ヘッドを有効に圧力ヘッドに変換させるためのディフューザ（特許文献１におけるポンプ水車の場合参照）での失速により損失が急激に増加することが挙げられる。

即ち、図９に示すように、等翼厚の複数枚の翼（ガイドベーン）１０１がインペラの外周に等ピッチで配列されたディフューザ１００において、各翼間流路で均一に剥離が発生する（図中渦巻き形状参照）ため、損失が急激に増加して右上がり特性部分が発生するのである。

特開２００４−１５６５８７号公報（図１）

機械工学便覧応用編Ｂ５流体機械（２３頁、図２３）昭和６１年７月１０日発行社団法人日本機械学会

従来のディフューザ１００にあっては、各翼１０１が等厚であるため、前述したように低流量特性が悪化するという問題点の他に、ある過渡的じょう乱によりある特定の翼１０１で失速が発生するとその隣の翼１０１に影響が伝播していき旋回失速が発生しやすいという問題点や翼厚が厚くなればなるほど衝突損失も増大するという問題点もあった。

そこで、本発明は、低流量特性を簡単な構造変更で効果的に改善することができると共に旋回失速の抑制や衝突損失の低減も併せて図ることができる流体機械のディフューザ構造を提供することを目的とする。

斯かる目的を達成するための本発明に係る流体機械のディフューザ構造は、
偶数枚の翼を等ピッチで有した流体機械のディフューザにおいて、
前記各翼の少なくとも前縁部の翼厚を交互に変化させ、
前記翼厚の厚い翼と前記翼厚の薄い翼とを交互に配置し、
前記各翼の前縁および後縁を流体の流れ方向においてそれぞれ等しい位置とした
ことを特徴とする。
また、
前記各翼は、それぞれ翼高さが等しいことを特徴とする。

また、
前記各翼の翼厚に相当する流路面積減少分を相殺するように各翼の前縁近傍から流路面積を拡大させたことを特徴とする。

また、
前記流路面積は各翼に沿って部分的に拡大させたことを特徴とする。

また、
前記流路面積は各翼の後縁近傍で縮小させたことを特徴とする。

また、
前記各翼の前記前縁から前記後縁までの長さを全て等しくしたことを特徴とする。

本発明に係る流体機械のディフューザ構造によれば、各翼の少なくとも前縁部の翼厚を交互に変化させたので、インシデンス変化に対する感度が大きい翼厚の薄い翼から先に剥離が生じて損失が増大し、一部の流量が翼厚の厚い翼の翼間流路に流入することから、翼厚の厚い翼の剥離が抑制され、損失の発生が緩やかになる。これにより、ポンプ等流体機械全体として右上がり特性部分の発生が抑制され、低流量特性が簡単な構造変更で効果的に改善される。

また、翼厚が異なる場合は予め隣接する翼での分布が大きいため、多少の過渡的じょう乱では旋回失速が誘発されないと共に、翼厚の薄い翼の存在により衝突損失も低減される。

本発明の実施例１を示すディフューザの翼列を二次元的に示した図である。本発明の実施例２を示すディフューザの翼列を二次元的に示した図である。本発明の実施例３を示すディフューザの側断面図である。本発明の実施例４を示すディフューザの説明図であり、同図(ａ)は側断面図で、同図(ｂ)は正断面図である。本発明の実施例５を示すディフューザの側断面図である。遠心ポンプの側断面図である。軸流ポンプの側断面図である。ポンプの流量-揚程特性曲線である。従来のディフューザの翼列を二次元的に示した図である。

以下、本発明に係る流体機械のディフューザ構造を実施例により図面を用いて詳細に説明する。

［実施例１］
図１は本発明の実施例１を示すディフューザの翼列を二次元的に示した図、図６は遠心ポンプの側断面図、図７は軸流ポンプの側断面図である。

本発明のディフューザ構造は、例えば遠心ポンプや軸流ポンプ等の流体（液体）機械のディフューザに適用されるものである。

即ち、遠心ポンプは、図６に示すように、ケーシング１０と複数枚の翼（ガイドベーン）１１を有したディフューザ１２とインペラ（ランナー）１３と吸込み管１４と回転軸１５と電動機１６とを備え、電動機１６で回転軸１５を介してインペラ１３回転されると、吸込み管１４より流入した水（流体）がインペラ１３及びディフューザ１２を通り昇圧されてケーシング１０より外部へ排出されるようになっている。

また、軸流ポンプは、図７に示すように、ケーシング１０と複数枚の翼（ガイドベーン）１１を有したディフューザ１２とインペラ（ランナー）１３と回転軸１５と電動機１６とを備え、電動機１６で回転軸１５を介してインペラ１３回転されると、ケーシング１０内に流入した水（流体）がインペラ１３及びディフューザ１２を通り昇圧されてケーシング１０外へ排出されるようになっている。

そして、本実施例では、図１に示すように、上述した各種ポンプにおいて、偶数枚の翼１１を等ピッチで有したディフューザ１２において、前記各翼１１の全体（少なくとも前縁部でも良い）の翼厚を交互に変化させている。図示例では、６枚の翼１１ａ〜１１ｆの内、１枚目と３枚目と５枚目の翼１１ａ，１１ｃ，１１ｅの翼厚が等しく（等しくなくても良い）厚く、２枚目と４枚目と６枚目の翼１１ｂ，１１ｄ，１１ｆの翼厚が、１枚目と３枚目と５枚目の翼１１ａ，１１ｃ，１１ｅよりも等しく（等しくなくても良い）薄いものとなっている。

このように各翼１１の翼厚を交互に変化させたので、インシデンス変化に対する感度が大きい翼厚の薄い翼１１ｂ，１１ｄ，１１ｆから先に剥離が生じて（図中渦巻き形状参照）損失が増大し、一部の流量が翼厚の厚い翼１１ａ，１１ｃ，１１ｅの翼間流路に流入する（図中矢印参照）ことから、翼厚の厚い翼１１ａ，１１ｃ，１１ｅの剥離が抑制され、損失の発生が緩やかになる。これにより、ポンプ全体として、図８に示す流量-揚程特性曲線において右上がり特性部分（Ｉｒ）の発生が抑制され、低流量特性が簡単な構造変更で効果的に改善される。

また、各翼１１がすべて等厚の場合、ある過渡的じょう乱によりある特定の翼１１で失速が発生するとその隣の翼１１に影響が伝播していき旋回失速が発生しやすいが、本実施例のように、翼厚が異なる場合は予め隣接する翼１１での分布が大きいため、多少の過渡的じょう乱では旋回失速が誘発されないという利点がある。更に、翼厚の薄い翼１１ｂ，１１ｄ，１１ｆの存在により衝突損失も低減されるという利点もある。

［実施例２］
図２は本発明の実施例２を示すディフューザの翼列を二次元的に示した図である。

これは、実施例１におけるディフューザ１２の各翼１１において、翼厚の薄い翼１１ｂ，１１ｄ，１１ｆの前縁を翼厚の厚い翼１１ａ，１１ｃ，１１ｅの前縁より流体流れ（図中矢印参照）の上流側へ配置した例である。その伸び出し量Ｌは、設計点性能に影響を及ぼさない程度が望ましいため、各翼１１のピッチＰ間距離の５％以内が好適である。また、翼厚の薄い翼１１ｂ，１１ｄ，１１ｆの後縁と翼厚の厚い翼１１ａ，１１ｃ，１１ｅの後縁は、定格運転時のポンプ性能に影響を及ぼさないように一致されている。

この実施例によれば、ディフューザ前縁での翼枚数が減少したことにより、伸び出した翼厚の薄い翼１１ｂ，１１ｄ，１１ｆの前縁近傍での翼負荷が増加し剥離がより発生しやすくなり、実施例１と同様の作用効果が得られる。また、本実施例は、強度上あまり翼厚を薄くできないような状況下では、翼厚を薄くして剥離を誘起させる場合の補助手段として有効である。

［実施例３］
図３は本発明の実施例３を示すディフューザの側断面図である。

これは、実施例１におけるディフューザ１２において、各翼１１の翼厚に相当する流路面積減少分を相殺するように各翼１１の前縁近傍から流路面積を拡大した例である。即ち、ケーシング１０（又はシュラウド）における子午面形状を各翼１１の前縁近傍において回転軸１５中心からの距離ｄ₁を距離ｄ₂に拡大して流路拡大部１０ａを設けたのである。

この実施例によれば、実施例１及び２と同様の作用効果に加えて、ディフューザ前縁での流速の増加（翼のブロッケージによる）を最小限に抑えることができ、衝突損失をより一層低減することができるという利点が得られる。即ち、従来形状では、翼前後の子午面を滑らかに変化させていたため、構造物による流路面積の減少により、翼の前縁近傍で流速が増加され衝突損失が発生していたのであるが、本実施例ではそれが改善されるのである。

［実施例４］
図４は本発明の実施例４を示すディフューザの説明図であり、同図(ａ)は側断面図で、同図(ｂ)は正断面図である。

これは、実施例３と同様に、翼のブロッケージによる流速増加は、実際には流路全体で生じるのではなく翼近傍で生じる現象であることに鑑み、図中に示すケーシング１０における流路拡大部１０ｂと回転軸１５における流路拡大部１５ａのように、ディフューザ１２における流路面積を各翼１１に沿って部分的に拡大させた例である。

この実施例によれば、実施例１及び２と同様の作用効果に加えて、ディフューザ前縁での流速の増加（翼のブロッケージによる）を最小限に抑えることができ、衝突損失をより一層低減することができるという利点が得られる。

［実施例５］
図５は本発明の実施例５を示すディフューザの側断面図である。

これは、実施例３（及び４）におけるディフューザ１２での流路拡大部１０ａ（１０ｂ）を各翼１１の後縁近傍で、回転軸１５中心からの距離ｄ₂から距離ｄ₁に減少させて縮小した例である。

この実施例によれば、実施例３及び４と同様の作用効果に加えて、ディフューザ後縁では流路面積を減少させることで流速の減少を低減させることができ、混合損失を低減することができるという利点が得られる。

尚、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で翼の形状、寸法変更や流路拡大部の形状、寸法変更等各種変更が可能であることはいうまでもない。

本発明に係る流体機械のディフューザ構造は、ポンプ・ポンプ水車に限らず、その他の流体（空気）機械に適用すると好適である。

１０ケーシング
１０ａ，１０ｂ流路拡大部
１１，１１ａ〜１１ｆ翼（ガイドベーン）
１２ディフューザ
１３インペラ（ランナー）
１４吸込み管
１５回転軸
１５ａ流路拡大部
１６電動機

Claims

偶数枚の翼を等ピッチで有した流体機械のディフューザにおいて、
前記各翼の少なくとも前縁部の翼厚を交互に変化させ、
前記翼厚の厚い翼と前記翼厚の薄い翼とを交互に配置し、
前記各翼の前縁および後縁を流体の流れ方向においてそれぞれ等しい位置とした
ことを特徴とする流体機械のディフューザ構造。
前記各翼は、それぞれ翼高さが等しいことを特徴とする請求項１に記載の流体機械のディフューザ構造。
前記各翼の翼厚に相当する流路面積減少分を相殺するように各翼の前縁近傍から流路面積を拡大させたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流体機械のディフューザ構造。
前記流路面積は各翼に沿って部分的に拡大させたことを特徴とする請求項３に記載の流体機械のディフューザ構造。
前記流路面積は各翼の後縁近傍で縮小させたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の流体機械のディフューザ構造。
前記各翼の前記前縁から前記後縁までの長さを全て等しくした
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の流体機械のディフューザ構造。