JP6706248B2 - ディフューザを備える流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、ディフューザを備える流体機械に関する。

ディフューザを備える流体機械として、たとえば水を輸送するディフューザポンプが知られている。一般に、ディフューザポンプは、回転駆動する羽根車で水に運動エネルギーを与え、羽根車の吐出し側に設けられるディフューザで圧力エネルギーに変換して水を高圧で輸送することができる。

一例として、高圧多段ディフューザポンプは、回転軸に固定される複数の羽根車を備えている。各段の羽根車の半径方向外側には、ディフューザが備えられる。ディフューザには、羽根車から吐出された流体が通るように構成される複数のディフューザ流路を画定するディフューザ羽根が形成される。ディフューザ流路を通った流体は、次段の羽根車に案内される。

ディフューザポンプにおいては、ポンプ内を通過する流体の圧力損失を減らし、流れを均一にし、ポンプ効率が向上するようにディフューザが設計される。従来、ディフューザポンプのポンプ効率を向上させるために、様々なディフューザ流路の形状が検討されてきた（特許文献１）。ディフューザポンプは、一般に複数のディフューザ流路を備えるが、従来のディフューザ流路は全て同一の形状であった。

特開２０１３−２０９８８３号公報

従来、ディフューザ流路は、全て同一の形状となるように設計されていたが、ディフューザより下流の流路の形状によっては、ディフューザから吐出された流体の流れが必ずしも均一にならない場合がある。ディフューザから吐出された流体の流れが適切に整流されずに次の段の羽根車に入る場合、ポンプ効率が低下することがある。

本開示は、全体として圧力損失を減らすための、各ディフューザ流路を提供することを１つの目的とする。また、本開示は、ディフューザの下流での流れを均一にするための各ディフューザ流路を提供することを１つの目的とする。

本開示の一側面によれば、流体機械が提供され、この流体機械は、流体の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するためのディフューザを有する。ディフューザは、流体が通過するように構成される第１ディフューザ流路および第２ディフューザ流路を有し、第１ディフューザ流路および第２ディフューザ流路の形状が異なる。

本開示の一側面によれば、流体機械において、第１ディフューザ流路および第２ディフューザ流路は、それぞれディフューザ流路の入口を有し、第１ディフューザ流路および第２ディフューザ流路の少なくとも一部において、各ディフューザ流路の入口からの距離が等しい位置における流路中心に直交する、第１ディフューザ流路および第２ディフューザ流路の断面積が互いに異なる。

本開示の一側面によれば、流体機械において、流体機械は、回転駆動して流体に運動エネルギーを与える第１羽根車を有し、第１ディフューザ流路および第２ディフューザ流路は、流体の流れ方向における第１羽根車の下流に位置する。

本開示の一側面によれば、流体機械において、第１ディフューザ流路および第２ディフューザ流路は、それぞれディフューザ流路の出口を有し、流体機械は、第１ディフューザ流路および第２ディフューザ流路の各ディフューザ流路の出口に流体結合される第１合流流路と、第１羽根車よりも流体の流れ方向の下流に位置する次段の第２羽根車に流体を供給するための、第１合流流路に流体結合される第１返し流路と、を有し、第１返し流路は第１羽根車の回転軸の方向に延びる。

本開示の一側面によれば、流体機械において、第２ディフューザ流路は、第１ディフューザ流路よりも第１返し流路の近くに位置し、第２ディフューザ流路の断面積が、第１ディフューザ流路の断面積よりも大きい。

本開示の一側面によれば、流体機械において、第１ディフューザ流路および第２ディフューザ流路は、それぞれのディフューザ流路の入口からディフューザ流路の出口に向かって、断面積が増大するように構成され、第２ディフューザ流路は、ディフューザ流路の入口からディフューザ流路の出口に向かって順番に断面積の増加率が相対的に大きい領域、小さい領域、大きい領域を有する。

本開示の一側面によれば、流体機械において、ディフューザは、流体が通過するように構成される第３ディフューザ流路および第４ディフューザ流路を有し、第３ディフューザ流路および第４ディフューザ流路は、流体の流れ方向における第１羽根車の下流に位置し、第３ディフューザ流路および第４ディフューザ流路は、それぞれディフューザ流路の出口を有し、流体機械は、第３ディフューザ流路および第４ディフューザ流路の各ディフューザ流路の出口に流体結合される第２合流流路と、第２羽根車に流体を供給するための、第２合流流路に流体結合される第２返し流路と、を有し、第２返し流路は第１羽根車の駆動軸の方向に延びる。

本開示の一側面によれば、流体機械において、第３ディフューザ流路および第４ディフューザ流路は、それぞれ第１ディフューザ流路および第２ディフューザ流路の回転対称となる形状である。

本開示の一側面によれば、流体機械において、第３ディフューザ流路および第４ディフューザ流路は、それぞれのディフューザ流路の入口からディフューザ流路の出口に向かって、断面積が増大するように構成され、第４ディフューザ流路は、ディフューザ流路の入口からディフューザ流路の出口に向かって順番に断面積の増加率が相対的に大きい領域、小さい領域、大きい領域を有する。

一実施形態による多段ディフューザポンプの全体構成を示す断面図である。 一実施形態による多段ディフューザポンプの羽根車およびディフューザ羽根の周辺の断面図である。 図２の線分Ａ−Ａおよび回転軸の方向に沿って切り出した断面斜視図である。 図２の線分Ａ−Ａに沿って切り出した断面図である。 一実施形態による、ディフューザ流路を示す平面図である。 一実施形態による、各ディフューザ流路の各位置における断面積の相対的な大きさを示すグラフである。 一実施形態による、ディフューザ流路の断面斜視図である。 図７に示されるディフューザ流路の位置Ｐ０１〜Ｐ０６における断面形状を示す図である。 一実施形態による各ディフューザ流路および比較例による各ディフューザ流路における、流体の相対的な流量を示すグラフである。 一実施形態による各ディフューザ流路および合流流路と、比較例の各ディフューザ流路および合流流路の圧力損失を示す図である。 比較例によるディフューザ流路１０４−５の各断面位置Ｐ０１〜Ｐ０６における流体の流速を示す図である。 一実施形態によるディフューザ流路１０４−５の各断面位置Ｐ０１〜Ｐ０６における流体の流速を示す図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面とともに説明する。なお、添付図面において、同一または類似の構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、各実施形態で示される特徴は、互いに矛盾しない限り他の実施形態にも適用可能である。

図１は、本開示の一実施形態による多段ディフューザポンプ１Ａの全体構成を示す断面図である。多段ディフューザポンプ１Ａは、回転部材３０と静止部材４０とで構成されている。

回転部材３０は、両端で支持される回転軸１０を備える。回転軸１０の羽根車取付け部１０ａ〜１０ｇに第１〜第７の羽根車Ｉ１〜Ｉ７が取り付けられている。回転部材３０は、静止部材４０内を回転自在に装着される。

静止部材４０は外胴部２５を有する。外胴部２５は、吸込口Ｗｉと吐出口Ｗｏとを備える筒状部材２０を有する。また、外胴部２５は、筒状部材２０の両端を閉鎖する吸込側板１８と吐出側板２２とを有する。静止部材４０はさらに内胴部２Ａを有する。内胴部２Ａには、羽根車Ｉ１〜Ｉ７とともに各段のポンプＰ１〜Ｐ７を形成するディフューザ羽根Ｖ１〜Ｖ７が形成されている。

第１のポンプＰ１は、吸水口Ｗｉに連通する低圧室Ｒ１内にあり、羽根車Ｉ１とディフューザ羽根Ｖ１とで構成される。第２〜第７のポンプＰ２〜Ｐ７は、羽根車Ｉ２〜Ｉ７とディフューザ羽根Ｖ２〜Ｖ７とで構成される。第７のポンプＰ７は、吐出口Ｗｏに連通する高圧室Ｒ２に連通している。

図２は、本開示の一実施形態による多段ディフューザポンプの羽根車Ｉ１、Ｉ２およびディフューザ羽根Ｖ１、Ｖ２の周辺の断面図である。図２に示される実施形態において、回転軸１０に固定される羽根車Ｉ１、Ｉ２は、複数の羽根車ブレード５０と、羽根車ブレード５０を等間隔で配置したハブ５２と、羽根車ブレード５０の前面を覆うシュラウド５４とを有する。羽根車Ｉ１、Ｉ２の下流側、すなわち半径方向外側に、ディフューザ部１００が形成される。

図３は、図２の線分Ａ−Ａおよび回転軸の方向に切り出した断面斜視図である。図４は、図２の線分Ａ−Ａで切り出した断面図である。なお、図３、４においては、ディフューザ部１００の図示を明瞭にするために、羽根車Ｉおよび回転軸１０は省略してある。

図２および図３に示されるように、ディフューザ部１００は、複数のディフューザ羽根１０２を有する。ハブ５２側の壁面１０９、シュラウド５４側の壁面１１０、および各ディフューザ羽根１０２により、それぞれディフューザ流路１０４が画定される。なお、ハブ５２およびシュラウド５４は、それぞれ羽根車１０２の主板および側板である。後に詳述するように、各ディフューザ流路１０４は、ディフューザ流路１０４の入口１０６からディフューザ流路１０４の出口１０８に向かって断面積が増大するように形成される。また、少なくともいくつかのディフューザ流路１０４は、互いに形状が異なる。なお、図３において、矢印は流体の流れる方向を示している。

図３、４に示されるように、ディフューザ流路１０４の出口１０８の下流側、すなわち半径方向外側に、ディフューザ流路１０４と流体連通する合流流路１５０が形成されている。図４に示される実施形態においては、４つのディフューザ流路１０４が１つの合流流路１５０に流体連通しており、４つのディフューザ流路１０４および１つの合流流路１５０が２組形成されている。図示の実施形態において、合流流路１５０は、ディフューザ流路１０４と同一平面内にある。なお、ディフューザ流路１０４および合流流路１５０の数は任意である。たとえば、他の実施形態において、３つのディフューザ流路が１つの合流流路に流体連通し、それらが３組形成されるようにしてもよい。

羽根車Ｉ１により運動エネルギーが付与されて吐出された流体はディフューザ流路１０４に入り、圧力エネルギーに変換される。各ディフューザ流路１０４のディフューザ流路１０４の出口１０８から出た流体は、ディフューザ流路１０４の出口１０８の下流に形成される合流流路１５０に入る。本開示の実施形態によるディフューザポンプにおいては、複数のディフューザ流路１０４は、ディフューザ流路１０４から吐出された流体ができるだけ損失しないように、下流にある合流流路１５０の形状を考慮して形状が設計される。

一実施形態において、合流流路１５０の下流において、合流流路１５０に流体連通する返し流路２００が形成される。図示の実施形態において、返し流路２００は、全体として回転軸１０の方向に延びる。

一実施形態において、返し流路２００の下流において、返し流路２００に流体連通する戻り流路２５０が形成される。戻り流路２５０は、全体として半径方向内側に回転軸１０に向かうように延びる。戻り流路２５０の下流には、次段の羽根車Ｉ２が形成される。

図示の実施形態において、羽根車Ｉ１を出た流体は、ディフューザ流路１０４を通り、その後、合流流路１５０、返し流路２００、および戻り流路２５０を通って次段の羽根車Ｉ２に供給される。

上述したように、各ディフューザ流路１０４は、ディフューザ流路１０４の入口１０６からディフューザ流路１０４の出口１０８に向かって断面積が増大するように形成される。また、少なくともいくつかのディフューザ流路１０４は、互いに形状が異なる。以下、一実施形態におけるディフューザ流路１０４の形状について詳述する。

図４は、図２の線分Ａ−Ａに沿って切り出したディフューザ流路１０４および合流流路１５０を示す平面図である。図示の実施形態において、８個のディフューザ羽根１０２の間に８個のディフューザ流路１０４が画定されている。ディフューザ流路１０４−１、１０４−８、１０４−７、１０４−６は、合流流路１５０−１に流体連通している。ディフューザ流路１０４−２、１０４−３、１０４−４、１０４−５は、合流流路１５０−２に流体連通している。便宜的に、ディフューザ流路１０４−１、１０４−８、１０４−７、１０４−６をグループ１とし、ディフューザ流路１０４−２、１０４−３、１０４−４、１０４−５をグループ２とする。グループ１およびグループ２のディフューザ流路１０４を通った流体は、それぞれの合流流路１５０、返し流路２００、および戻り流路２５０を通り、次段の羽根車に供給される。

図５は、一実施形態によるディフューザ流路１０４の１つを示す平面図である。図示のように、２つのディフューザ羽根１０２に内接する円の中心を結ぶ曲線をディフューザ流路１０４の流路中心と定義する。また、最も上流側（図５では左側）にある流路中心に垂直な断面を、ディフューザ流路１０４の入口１０６、と定義する。また、最も下流側（図５では右側）にある流路中心に垂直な断面を、ディフューザ流路１０４の出口１０８、と定義する。

図５に示される実施形態において、ディフューザ流路１０４は、ディフューザ流路１０４の入口１０６からディフューザ流路１０４の出口１０８に向かって流路断面積が増大している。本開示の一実施形態において、同一のグループ内の複数のディフューザ流路１０４の少なくとも一部は、同一グループ内の他のディフューザ流路１０４と形状が異なる。より詳細には、ディフューザ流路１０４の流路断面積の増大の程度が異なる。たとえば、各ディフューザ流路１０４の入口１０６から同一に距離における流路中心に直交するディフューザ流路１０４の断面積が異なる。

一実施形態において、合流流路１５０に流体連通する返し流路２００の近くに位置するディフューザ流路１０４ほど、流路断面積の増大の程度が大きくなるように構成することができる。図３、４に示される実施形態において、返し流路２００は、ディフューザ流路１０４−１、１０４−５の近くに位置している。そのため、返し流路２００に近いディフューザ流路１０４−１、１０４−５は、他のディフューザ流路１０４−２、１０４−３、１０４−４、１０４−６、１０４−７、１０４−８よりも流路断面積の増大の程度が大きい。

図６は、一実施形態による、各ディフューザ流路１０４−１〜１０４−８の各位置における断面積の相対的な大きさを示すグラフである。横軸は、図５に示すディフューザ流路の各位置Ｐ０１〜Ｐ０６を表す。なお、位置Ｐ０１はディフューザ流路１０４の入口１０６に対応し、位置Ｐ０６はディフューザ流路１０４の出口１０８に対応する。図６のグラフの縦軸は、比較例となる１つのディフューザ流路１０４の位置Ｐ０１の断面積を１００とした場合の相対的な流路断面積を表している。

一実施形態において、返し流路２００に近いディフューザ流路１０４の断面積は、ディフューザ流路１０４の入口１０６からディフューザ流路１０４の出口１０８に向かって、断面積の増加率が相対的に大きい領域、小さい領域、大きい領域を有する。たとえば、図６のグラフにおいて、返し流路２００に近いディフューザ流路１０４−５の断面積の増加率は、位置Ｐ０１から位置Ｐ０２においては増加率が大きく、位置Ｐ０２から位置Ｐ０３においては増加率が相対的に小さくなり、位置Ｐ０３から位置Ｐ０４においては、増加率が再び大きくなる。このような構成とすることにより、他のディフューザ流路１０４からの流体を合流流路１５０で合流させる際に混合損失を低減させることができる。

他の実施形態として、グループ１のディフューザ流路１０４−１、１０４−８、１０４−７、１０４−６およびグループ２のディフューザ流路１０４−５、１０４−４、１０４−３、１０４−２は、それぞれ回転対称となる形状としてもよい。

図７、図８は、一実施形態によるディフューザ流路１０４の断面形状の一例を示す図である。図７は、ディフューザ流路１０４の断面斜視図であり、位置Ｐ０１〜Ｐ０６における断面形状を概略的に示している。なお、図７において、手前側のディフューザ羽根１０２は破線で示されている。図８は、図７に示される位置Ｐ０１〜Ｐ０６における各断面形状をそれぞれ示している。図７、８において、上側がシュラウド５４の側の壁面１１０であり、下側がハブ５２の側の壁面１０９である。

図７、８に示されるように、一実施形態において、ディフューザ流路１０４は、回転軸１０の方向に凸となる部分を設けて、断面積の大きさを変更させている。図７、８に示されるように、一実施形態において、ディフューザ流路１０４の位置Ｐ０１、Ｐ０２ではシュラウドの側に凸状となり、位置Ｐ０３ではハブの側に凸状となり、位置Ｐ０４〜Ｐ０６ではシュラウドの側およびハブの側の両方に凸状となっている。ディフューザ流路１０４の各位置における断面形状は任意であり、他の実施形態では異なる形状とすることができる。たとえば、非限定的な例として、ディフューザ流路１０４の入口１０６からディフューザ流路１０４の出口１０８に向かって、シュラウドの側の壁面１１０にのみ凸状となり、ハブの側の壁面１０９にのみ凸状となり、シュラウドの側の壁面１１０およびハブの側の壁面１０９の両方に凸状となる任意の形状とすることができる。

図９に示すグラフは、本発明の一実施形態によるディフューザ流路を備えるポンプと、比較例によるディフューザ流路を備えるポンプとにおいて、各ディフューザ流路の単位時間当たりの流量を、数値流体力学（CFD, Computational Fluid Dynamics）による流れ解析により求めた結果を示す。図９のグラフにおいて、横軸は、図４に示されるディフューザ流路１０４−１〜１０４−８を示しており、縦軸は、各ディフューザ流路１０４−１〜１０４−８における相対的な流量を表している。相対的な流量が１である場合は、全てのディフューザ流路１０４−１〜１０４〜８に同一の流量で流体が流れることを意味する。比較例においては、全てのディフューザ流路が図６に示される比較例の断面と同一であり、合流流路は図９に示される実施例と同一である。図９のグラフにおいて、本発明の実施例における各ディフューザ流路１０４−１〜１０４−８の断面は、図６に示されるように形成されている。

図９のグラフに示されるように、本開示の実施形態のように、ディフューザ流路１０４−１〜１０４−８ごとに断面形状を変更することで、各ディフューザ流路１０４−１〜１０４−８における流量のばらつきが小さくなっている。すなわち、ディフューザ流路１０４の形状が全て同一の比較例の場合と比べて、本開示の実施形態では、ディフューザ流路１０４の下流にある合流流路１５０における混合損失が減少する。

図１０は、上記ＣＦＤシミュレーションによる、ディフューザ流路１０４および合流流路１５０の圧力損失を示す結果を示す図である。図１０において、圧力損失の大きさはグレースケールで示されており、黒が濃い方が大きな圧力損失が存在することを示している。図１０から分かる通り、本開示の実施形態の方が、比較例の場合よりも全体として圧力損失が小さくなっている。

図１１は、比較例によるディフューザ流路１０４−５の各断面位置Ｐ０１〜Ｐ０６における流体の流速を示す図である。図１２は、本開示の実施形態によるディフューザ流路１０４−５の各断面位置Ｐ０１〜Ｐ０６における流体の流速を示す図である。図１１および図１２において、各断面位置Ｐ０１〜Ｐ０６における流速は等流速線で示されており、断面の中心ほど流速が大きいことを示している。図１１および図１２から分かるように、本開示の実施形態においては、比較例の場合よりも、等流速度線のゆがみが小さく、きれいな褶曲を重ねた流速の分布となっている。そのため、本開示の実施形態においては、ディフューザ流路を通る流体の流れが均一であり、整流効果が向上している。本開示の実施形態によれば、圧力損失の低下と整流効果を高めることで、ポンプにおける騒音や振動を低減することができる。

以上のように本願発明の実施形態を説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。また、上述の実施形態のそれぞれの特徴は互いに矛盾しない限り組み合わせまたは交換することができる。

Ｉ１〜Ｉ７・・・羽根車
１００・・・ディフューザ部
１０４・・・ディフューザ流路
１０６・・・ディフューザ流路の入口
１０８・・・ディフューザ流路の出口
１５０・・・合流流路
２００・・・返し流路
２５０・・・戻り流路

Claims (5)

1. 流体機械であって、
   前記流体機械は、ディフューザを有し、
   前記ディフューザは、流体が通過するように構成される第１ディフューザ流路および第２ディフューザ流路を有し、
   前記第１ディフューザ流路および前記第２ディフューザ流路の形状が異なり、
   前記流体機械は、回転駆動して流体に運動エネルギーを与える第１羽根車を有し、
   前記第１ディフューザ流路および前記第２ディフューザ流路は、流体の流れ方向における前記第１羽根車の下流であり、かつ、前記第１羽根車の回転軸の方向に関して同一平面内に位置し、
   前記第１ディフューザ流路および前記第２ディフューザ流路は、それぞれディフューザ流路の出口を有し、
   前記流体機械は、前記第１ディフューザ流路および前記第２ディフューザ流路の各前記ディフューザ流路の出口に流体結合される第１合流流路と、
   前記第１羽根車よりも流体の流れ方向の下流に位置する次段の第２羽根車に流体を供給するための、前記第１合流流路に流体結合される第１返し流路と、を有し、前記第１返し流路は前記第１羽根車の回転軸の方向に延び、
   前記第１ディフューザ流路および前記第２ディフューザ流路は、それぞれディフューザ流路の入口を有し、
   前記第１ディフューザ流路および前記第２ディフューザ流路の少なくとも一部において、各ディフューザ流路の入口からの距離が等しい位置における流路中心に直交する、前記第１ディフューザ流路および前記第２ディフューザ流路の断面積が互いに異なり、
   前記第２ディフューザ流路は、前記第１ディフューザ流路よりも前記第１返し流路の近くに位置し、前記第２ディフューザ流路の前記断面積が、前記第１ディフューザ流路の断
   面積よりも大きい、
   流体機械。
2. 請求項１に記載の流体機械であって、
   前記第１ディフューザ流路および前記第２ディフューザ流路は、それぞれの前記ディフューザ流路の入口から前記ディフューザ流路の出口に向かって、断面積が増大するように構成され、
   前記第２ディフューザ流路は、前記ディフューザ流路の入口から前記ディフューザ流路の出口に向かって順番に断面積の増加率が相対的に大きい領域、小さい領域、大きい領域を有する、流体機械。
3. 請求項１または２に記載の流体機械であって、
   前記ディフューザは、流体が通過するように構成される第３ディフューザ流路および第４ディフューザ流路を有し、前記第３ディフューザ流路および前記第４ディフューザ流路は、流体の流れ方向における前記第１羽根車の下流であり、かつ、前記第１羽根車の回転軸の方向に関して同一平面内に位置し、
   前記第３ディフューザ流路および前記第４ディフューザ流路は、それぞれディフューザ流路の出口を有し、
   前記流体機械は、前記第３ディフューザ流路および前記第４ディフューザ流路の各前記ディフューザ流路の出口に流体結合される第２合流流路と、
   前記第２羽根車に流体を供給するための、前記第２合流流路に流体結合される第２返し流路と、を有し、前記第２返し流路は前記第１羽根車の駆動軸の方向に延びる、流体機械。
4. 請求項３に記載の流体機械であって、
   前記第３ディフューザ流路および前記第４ディフューザ流路は、それぞれ前記第１ディフューザ流路および前記第２ディフューザ流路の回転対称となる形状である、流体機械。
5. 請求項３または４に記載の流体機械であって、
   前記第３ディフューザ流路および前記第４ディフューザ流路は、それぞれの前記ディフューザ流路の入口から前記ディフューザ流路の出口に向かって、断面積が増大するように構成され、
   前記第４ディフューザ流路は、前記ディフューザ流路の入口から前記ディフューザ流路の出口に向かって順番に断面積の増加率が相対的に大きい領域、小さい領域、大きい領域を有する、流体機械。