JP6682483B2

JP6682483B2 - 遠心回転機械

Info

Publication number: JP6682483B2
Application number: JP2017157052A
Authority: JP
Inventors: 佐野　岳志; 岳志佐野; 大輝浅原
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-08-16
Filing date: 2017-08-16
Publication date: 2020-04-15
Anticipated expiration: 2037-08-16
Also published as: US20190055956A1; US10801520B2; JP2019035374A

Description

本発明は、遠心回転機械に関する。

遠心回転機械のインペラでは、インペラ背面の間隙に流体が漏れることによる漏洩損失が生じるほか、円板が水中で回転することによる摩擦損失（円板摩擦損失）が生じる。低圧ポンプでは円板摩擦損失は小さいため、円板摩擦損失の影響は無視できる。しかしながら、石油ガスや化学プラント等においてニーズが高い高圧ポンプ（インジェクションポンプ、ESP(Electric Submersible Pump)及び給水ポンプ等）では、インペラの外径が大きくなりやすく、円板摩擦損失が全損失に対して占める割合が大きくなり、効率悪化の主要因となっている。一般的に、多段ポンプでは、ポンプ段数を増大させることによってポンプ一段当りが受け持つ圧力を減少させて、それぞれのポンプのインペラの外径を小さくすることが行われている。しかしながら、この場合、軸が長くなってしまう。従って、軸振動の制約上、ポンプ段数には制限がある。

円板摩擦損失は、流体中で大径円板が回転することにより生じる。これを低減するためには、インペラ背面の間隙を流れる流体と円板との速度差を小さくするか、又は円板表面の境界層（速度分布）を適切な形態に保持する必要がある。特許文献１には、円板摩擦損失を低減するための１つの方法が開示されている。

特開平３−１１１９８号公報

特許文献１では、インペラ背面を複数の空間に分割してインペラ背面の隙間の速度分布をコントロールすることを提案している。しかしながら、特許文献１に開示される構成は、寸法上狭い部分が形成されるので、寸法管理が難しく、複雑な構成が必要となり、ひいては製造コストアップにつながる。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、複雑な構造を有することなく、回転円板と回転円板周囲の流体との速度差を減少させることができる遠心回転機械を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明の一態様に係る回転遠心機械は、軸線回りに回転することで前記軸線に沿って流入する流体を径方向外側に圧送するインペラと、該インペラを収容し、前記インペラに前記軸線方向から対向する対向面を有するケーシングと、を備え、前記対向面に、前記インペラに相対的に近接して前記径方向に延びる凸部と前記インペラに相対的に離間して前記径方向に延びる凹部とが、周方向に交互に連続して形成されており、前記凸部と前記凹部とは、前記周方向全域にわたって、前記軸線を中心とした放射状に延びるように配置されており、前記凸部と前記凹部とは、前記径方向から見て曲線状をなすように前記周方向に交互に滑らかに連なっていることを特徴とする。

この構成によれば、凸部及び凹部が周方向に交互に連続して形成されているので、インペラとケーシングとの間の距離を変化させることができる。

上記の回転遠心機械は、前記インペラが、前記インペラを回転させるためのシャフトに固定されたディスクと、前記ディスクに設けられた複数のブレードと、前記ブレードを覆うカバーと、を備え、前記対向面が、前記ケーシングにおける前記ディスクに軸方向で対向する面と、前記ケーシングにおける前記カバーに軸方向で対向する面と、を有してもよい。

この構成によれば、インペラにおける軸方向の前後でカバー及びディスクとケーシングとの間の距離を変化させることができる。

上記の回転遠心機械は、前記凸部及び前記凹部が、前記対向面における前記ディスクに対向する部分の全領域と、前記対向面における前記カバーに対向する部分の全領域と、に形成されていてもよい。

この構成によれば、より広い範囲で、インペラとケーシングとの間の距離を変化させることができる。

上記の回転遠心機械は、前記凸部及び前記凹部が、前記対向面における前記ディスクに対向する部分の径方向外側の一部の領域と、前記対向面における前記カバーに対向する部分の径方向外側の一部の領域と、のみに形成されていてもよい。

この構成によれば、波形部の形成範囲を小さくするとともに、インペラと、インペラとケーシングとの間に位置する流体と、の速度差が大きくなりやすい領域でインペラとケーシングとの間の距離を変化させることができる。

上記の回転遠心機械は、前記インペラの回転方向での前記凹部の底端から前記凸部の突端への傾きが、前記インペラの回転方向での前記凸部の突端から前記凹部の底端への傾きよりも大きくてもよい。

この構成によれば、インペラとケーシングとの間の流体の速度を上げるときにはインペラとケーシングとの間の距離を急速に減少させるとともに、インペラとケーシングとの間の流体の速度を遅くするときにはインペラとケーシングとの間の距離を緩やかに減少させることができる。

本発明の回転遠心機械によれば、ケーシングに設けられた凸部及び凹部によりインペラとケーシングとの間の距離を変化させることができるので、インペラと、インペラとケーシングとの間の流体と、の速度差を低減し、簡素な構成で円板摩擦損失を低減することができる。

本発明の第１実施形態の遠心回転機械の軸方向断面図である。本発明の第１実施形態のケーシングの後方部分の斜視図である。図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩの断面図及びディスクを示す図である。波形部を有する構成の効果を示す図である。第２実施形態における波形部の配置を示す遠心回転機械の軸方向断面図である。本発明の第３実施形態の波形部とインペラとの関係を示す図である。

以下、添付の図面を参照し、本発明の遠心回転機械を多段式のポンプとして構成した場合の第１実施形態について説明する。

図１に示すように、遠心回転機械１は、軸線Ｏを有するシャフト１００と、シャフト１００とともに回転可能にシャフト１００に固定されたインペラ２と、吸入口３１が設けられ、インペラ２を収容するケーシング３と、を備えている。なお、本明細書では、インペラ２の軸方向においてインペラ２に対してケーシング３の吸入口３１に向かう方向を前方とし、インペラ２の軸方向においてインペラ２に対してケーシング３の吸入口３１の反対側に向かう方向を後方とする。

インペラ２は、軸方向で見ると略円盤状をなすディスク２１と、ディスク２１に設けられた複数のブレード２２と、ブレード２２を覆うカバー２３と、を備えている。このように、本実施形態のインペラ２は、クローズドインペラである。インペラ２は、軸線Ｏ周りに回転することで、軸線Ｏ方向においてケーシング３の吸入口３１を介して流入した流体を径方向外側に圧送する。ディスク２１は、シャフト１００が貫通して固定される貫通孔２４を備えている。ブレード２２は、軸方向においてディスク２１の前方に向かう面から延在している。カバー２３は、ブレード２２におけるディスク２１から離間する側に取り付けられている。ディスク２１は、軸方向において後方を向く後面２５を有する一方で、カバー２３は、軸方向において前方を向く前面２６を有する。

ケーシング３は、軸方向においてカバー２３の前面２６に対向する後面３２を有する前方部分３３と、軸方向においてディスク２１の後面２５に対向する前面３４を有する後方部分３５と、を備えている。後方部分３５には、シャフト１００とケーシング３が接触しないための隙間３６が形成されている。図１に示すように、カバー２３の前面２６と前方部分３３の後面３２との間には、軸方向においてインペラ２の前方に位置する前方間隙４が形成されており、ディスク２１の後面２５と後方部分３５の前面３４との間には、インペラ２の軸方向においてインペラ２の後方に位置する後方間隙５が形成されている。前方間隙４及び後方間隙５には、回転機械の動作中に、インペラ２から漏出した流体が流入する。図１には、前方間隙４内では径方向内向きに流体が流れ、後方間隙５内では径方向外向きに流体が流れることが図示されている。後面３２及び前面３４双方には、図１から図３に示すように、周方向に沿って波形部６が形成されている。後面３２及び前面３４に形成された波形部６は同一であるので、以下では、後方部分３５の前面３４に形成された波形部６についてのみ述べる。

本実施形態では、波形部６は、前面３４におけるディスク２１の後面２５に対向する部分の全領域に形成されている。波形部６は、後面２５に相対的に近接して径方向に延びている複数の凸部６１と、後面２５と相対的に離間して径方向に延びている複数の凹部６２と、を有している。凸部６１は、軸方向において最も前方に位置する突端６３を有し、凹部６２は、軸方向において最も後方に位置する底端６４を有する。本実施形態では、突端６３及び底端６４は、周方向において、それぞれ点状に形成されている。凸部６１及び凹部６２は、周方向において滑らかにつながるように周方向において交互に連続して形成されている。これは、凸部６１及び凹部６２に段差があり、従って凸部６１及び凹部６２に直角部分が形成されている場合、流体が凸部６１及び凹部６２を越えて移動する際に流体に渦が生じてしまうためである。本実施形態では、凸部６１及び凹部６２は、径方向で見ると曲線状に形成されている。波形部６の各波は左右対称に形成されており、すなわち各波は、突端６３又は底端６４を通る、軸線Ｏと平行な線に対して対称に形成されている。また、本実施形態では、波形部６の内周端は、図１の断面図では角を有するように形成されている。波の数は、最低でも４つであり、本実施形態では、例示的に８つの波を示してある。また、突端６３から底端６４までの距離は、すべての波に関して径方向に沿って略全長で一定である。

図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩの断面図である。図３では、ディスク２１も示してある。図３では、符号７がディスク２１の回転方向を表している。従って、後方間隙５内に位置する流体も回転方向７に沿って流れる。凸部６１が後面２５に相対的に近接し、凹部６２が後面２５と相対的に離間しているので、突端６３と後面２５との間の距離と、底端６４と後面２５との間の距離と、は、異なっており、底端６４と後面２５との間の距離は突端６３と後面２５との間の距離よりも大きい。なお、突端６３と後面２５との間の距離は、例示的に、底端６４と後面２５との間の距離の３０％〜８０％であり、本実施形態では５０％である。

円板摩擦損失を低減するためには、インペラ２とケーシング３との間（前方間隙４及び後方間隙５内）の流体に径方向内向きの旋回速度又は径方向外向きの旋回速度を与えることが有利であることが分かっている。なお、この点に関し、インペラ２とケーシング３との間では、径方向外向きよりも径方向内向きの旋回速度を与えた方が円板摩擦損失の低減に大きく寄与することが分かっており、すなわち、前方間隙４側の方が、一般的には摩擦損失低減効果が得られやすい。インペラ２とケーシング３との間の流体の速度を上げるためには、通常、インペラ２等により流れを加速する必要があるが、そのためのエネルギーが必要となる。本実施形態では、突端６３と後面２５との間の距離が底端６４と後面２５との間の距離よりも短いので、凸部６１と後面２５との間を通る流体の速度は、凹部６２と後面２５との間を通る流体の速度よりも高くなる。このように、凸部６１と後面２５との間を通る流体の速度が高いので、凸部６１が形成されている箇所では、ディスク２１と後方間隙５に位置する流体との速度差は小さくなる。従って、後面２５と前面３４との間の距離が大きい領域（凹部６２が形成される領域）Ａでは、インペラ２の回転エネルギーは、通常通り、後方間隙５内に位置する流体を回転方向に加速することに費やされる一方で、当該流体が、後面２５と前面３４との間の距離が小さい領域（凸部６１が形成された領域）Ｂに流入すると、流体は自然に加速され、ディスク２１と後方間隙５内に位置する流体との速度差が減少するので、ディスク２１が後方間隙５内の流体の加速に費やすエネルギーが減少し、結果として円板摩擦動力が低減する。

上記のとおり、後面３２及び前面３４に形成された波形部６は同一であるので、後面３２に形成された波形部６とカバー２３の前面２６との間でも同様の作用を提供することができる。

なお、凹部６２を設けることなく、周方向全体において、後面３２と前面２６との間の距離及び前面３４と後面２５との間の距離をそれぞれ小さくすることが考えられるが、後面３２と前面２６との間の距離及び前面３４と後面２５との間の距離が小さすぎると、後面３２及び前面２６双方の境界層が干渉し合い且つ前面３４及び後面２５双方の境界層がそれぞれ干渉し合い、むしろ損失が大きくなってしまう。従って、周方向全体において、後面３２と前面２６との間の距離及び前面３４と後面２５との間の距離を小さくすることはできない。

図４は、ケーシング３に波形部６を形成したことによる効果を表す図であり、波形部６が形成された後方部分３５を軸方向で見た図である。点線８は、従来のケーシングを用いた場合の前方間隙及び後方間隙を通る流体の流れを表したものであり、実線９は、本発明のケーシング３を用いた場合の後方間隙５を通る流体の流れを表している。図４から、本発明のケーシング３を用いることにより、後方間隙５を通る流体が径方向外側に達しやすくなっていることが分かる。前方間隙４を通る流体に対しても同様の作用が得られる。

また、本実施形態では、ケーシング３とインペラ２との間の距離を変更するためにケーシング３に波形部６を形成すればよいので、従来のインペラ２の構成を変更する必要がない。さらに、カバー２３及びディスク２１双方に対向するように波形部６を形成したので、圧力分布の変化を相殺することも可能になる。その上、後面３２及び前面３４における前面２６及び後面２５に対向する部分全体に波形部６を設けたので、前方間隙４及び後方間隙５に入った流体は、即座に凸部６１又は凹部６２とディスク２１及びカバー２３との間に達することができる。

従って、上記の実施形態によれば、ケーシング３に、凸部６１及び凹部６２を有する波形部６を形成することで、余計なエネルギーを付与することなく円板摩擦損失を低減することができる。また、ケーシング３に波形部６を形成すればよいので、シンプルなインペラ２を使用することが可能であるから、簡素な構造でインペラ２の円板摩擦損失を低減することができるという効果を奏する。さらに、ディスク２１及びカバー２３双方に対向するように波形部６を形成して、圧力分布の変化を相殺することで、スラストを防止することも可能である。その上、前方間隙４及び後方間隙５に入った流体が即座に凸部６１又は凹部６２とディスク２１及びカバー２３との間に達することができるので、素早く前方間隙４及び後方間隙５内の流体の速度を上げることが可能なる。

続いて、本発明の第２実施形態について、図５を参照して説明する。なお、以下では、第１実施形態と異なる構成についてのみ説明し、第１実施形態と同一の構成要素については説明を省略する。なお、第２実施形態における第１実施形態と同じ構成要素には、第１実施形態と同じ参照符号を付してある。
図５は、第２実施形態における波形部の配置を示す遠心回転機械１０１の軸方向断面図である。

第１実施形態では、後面３２及び前面３４における前面２６及び後面２５にそれぞれ対向する部分の全領域に波形部６を有するように構成したが、第２実施形態では、波形部１０６は、後面１３２及び前面１３４における前面２６及び後面２５にそれぞれ対向する部分の径方向外側の一部の領域のみに形成されている。また、第１実施形態では、波形部６の内周端は、角を有するように形成されていたが、第２実施形態では、波形部１０６の内周端は、滑らかに凹凸がなくなる形状とされている。

第２実施形態では、径方向外側でのみ、後面１３２と前面２６との間の距離及び前面１３４と後面２５との間の距離が異なるように構成されているので、径方向外側に達した流体のみが凸部１６１による加速を受ける。インペラ２は、径方向内側から径方向外側に向かって回転速度が大きくなるので、カバー２３と前方間隙４内に位置する流体との速度差及びディスク２１と後方間隙５内に位置する流体との速度差は、径方向外側にいくほど大きくなる。従って、速度差が大きい領域において速度差を低減することができるので、径方向外側の一部の領域のみにおいて後面１３２と前面２６との間の距離及び前面１３４と後面２５との間の距離を小さくすることは有利である。また、波形部１０６の内周端を滑らかに凹凸がなくなる形状としていることで、後方間隙５内部の流体の乱れを極力小さくすることができる。

続いて、本発明の第３実施形態について、図６を参照して説明する。なお、以下では、第１実施形態と異なる構成についてのみ説明し、第１実施形態と同一の構成要素については説明を省略する。なお、第３実施形態における第１実施形態と同じ構成要素には、第１実施形態と同じ参照符号を付してある。
図６は、第３実施形態における波形部２０６の構成を示す図であり、第１実施形態の図３に対応する図である。

第１実施形態では、波形部６の各波は対称な構成を有するものとしたが、第３実施形態の各波は非対称に構成されている。第３実施形態では、図６に示すように、インペラ２が回転方向７に回転するとして、前面２３４に形成された波形部２０６の凸部２６１及び凹部２６２が、それぞれの波において、インペラ２の回転方向前方にある突端２６３から底端２６４へ緩やかな傾きを有し、インペラ２の回転方向後方にある底端２６４から突端２６３へ急な傾きを有する。すなわち、第３実施形態では、インペラ２の回転方向での底端２６４から突端２６３までの傾きが、インペラ２の回転方向での突端２６３から底端２６４までの傾きよりも大きい。図示していないが、後面２３２についても同様である。

インペラ２の回転方向での突端２６３から底端２６４までの傾きが小さいことで、剥離を防止することが可能になる。また、インペラ２の回転方向での底端２６４から突端２６３までの傾きが大きいことで、前方間隙４及び後方間隙５の断面が急激に小さくなり、前方間隙４及び後方間隙５内に位置する流体の速度を迅速に上げることが可能になる。なお、第３実施形態の波形部２０６の構成は第２実施形態にも適用可能である。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
以下で、上記の実施形態の変形例をいくつか説明する。

第１実施形態では、波形部６の内周端が、角を有するように形成されていたが、第２実施形態のように、波形部６の内周端は、滑らかに凹凸がなくなる形状とされていてもよい。なお、第２実施形態のように、波形部１０６が径方向外側のみに形成されている場合には、波形部１０６の内周端が角を有していると、流体の流れに対向する波形部１０６の内周端（後方間隙５内に位置する内周端）において流体の乱れが生じてしまう。従って、波形部１０６が径方向外側のみに形成されている場合には、波形部１０６の内周端は滑らかに凹凸がなくなる形状とされていることが望ましい。

第１実施形態から第３実施形態では、凸部６１，２６１及び凹部６２，２６２双方は周方向では点状に形成されているが、周方向に所定距離延びるように形成されていてもよい。これにより、インペラ２とケーシング３との間の流体の速度を上げる区間を所定距離維持することができる。また、第１実施形態から第３実施形態では、凸部６１，２６１及び凹部６２，２６２が径方向で見ると曲線状に形成されていたが、凸部６１，２６１及び凹部６２，２６２が滑らかにつながっており且つ段差を有していないのであれば、凸部及び凹部は、径方向で見ると直線形で形成されてもよい。また、第１実施形態から第３実施形態では、凹部６２，２６２から凸部６１，２６１までの距離が径方向に沿って略全長で一定であったが、凹部６２，２６２から凸部６１，２６１からまでの距離は、径方向内側から径方向外側に向かって漸次大きくなるように構成されてもよい。

第１実施形態から第３実施形態の遠心回転機械１は、ポンプとしたが、他の遠心機械であってもよい。ただし、第１実施形態から第３実施形態はポンプに対して効果が高いので、ポンプとして構成することが好ましい。また、遠心回転機械１は、第１実施形態から第３実施形態では多段式のポンプとして構成しているが、単段式のポンプとして形成することも可能である。ただし、この場合、単段式のポンプ及び多段式のポンプでは、インペラ２背面側の径方向の流れが逆になる。

第１実施形態から第３実施形態では、インペラは、ディスク２１及びカバー２３を有するクローズドインペラとして構成されたが、別の実施形態では、カバー２３のないオープンインペラであってもよい。この場合、波形部６，１０６，２０６は、後面２５に対向する前面３４，１３４，２３４にのみ形成される。さらに、第１実施形態から第３実施形態では、ディスク２１及びカバー２３双方が設けられ、前面３４，１３４，２３４及び後面３２，１３２，２３２双方に波形部６，１０６，２０６が形成されるように構成したが、ディスク２１及びカバー２３双方が設けられる場合であっても、前面３４，１３４，２３４及び後面３２，１３２，２３２の一方のみに波形部６，１０６，２０６を形成するように構成することも可能である。ただし、前面３４に波形部６，１０６，２０６を形成することが好ましい。

Ｏ軸線、１，１０１遠心回転機械、２インペラ、２１ディスク、２２ブレード、２３カバー、２４貫通孔、２５後面、２６前面、３ケーシング、３１吸入口、３２，１３２後面（対向面）、３３前方部分、３４，１３４，２３４前面（対向面）、３５後方部分、３６隙間、４前方間隙、５後方間隙、６，１０６，２０６波形部、６１，１６１，２６１凸部、６２，２６２凹部、６３，２６３突端、６４，２６４底端、７回転方向、８点線、９実線、Ａ領域、Ｂ領域

Claims

軸線回りに回転することで前記軸線に沿って流入する流体を径方向外側に圧送するインペラと、
該インペラを収容し、前記インペラに前記軸線方向から対向する対向面を有するケーシングと、
を備え、
前記対向面に、前記インペラに相対的に近接して前記径方向に延びる凸部と前記インペラに相対的に離間して前記径方向に延びる凹部とが、周方向に交互に連続して形成されており、
前記凸部と前記凹部とは、前記周方向全域にわたって、前記軸線を中心とした放射状に延びるように配置されており、
前記凸部と前記凹部とは、前記径方向から見て曲線状をなすように前記周方向に交互に滑らかに連なっている遠心回転機械。
前記インペラが、前記インペラを回転させるためのシャフトに固定されたディスクと、前記ディスクに設けられた複数のブレードと、前記ブレードを覆うカバーと、を備え、
前記対向面が、前記ケーシングにおける前記ディスクに軸方向で対向する面と、前記ケーシングにおける前記カバーに軸方向で対向する面と、を有することを特徴とする請求項１に記載の遠心回転機械。
前記凸部及び前記凹部が、前記対向面における前記ディスクに対向する部分の全領域と、前記対向面における前記カバーに対向する部分の全領域と、に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の遠心回転機械。
前記凸部及び前記凹部が、前記対向面における前記ディスクに対向する部分の径方向外側の一部の領域と、前記対向面における前記カバーに対向する部分の径方向外側の一部の領域と、のみに形成されていることを特徴とする請求項２に記載の遠心回転機械。
前記インペラの回転方向での前記凹部の底端から前記凸部の突端への傾きが、前記インペラの回転方向での前記凸部の突端から前記凹部の底端への傾きよりも大きい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回転機械。