JPH0979179A

JPH0979179A - 可変案内羽根付き流体機械

Info

Publication number: JPH0979179A
Application number: JP7256718A
Authority: JP
Inventors: Hideomi Harada; 英臣原田; Toshiaki Nishiwaki; 俊朗西脇
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1995-09-08
Filing date: 1995-09-08
Publication date: 1997-03-25
Anticipated expiration: 2015-09-08
Also published as: JP3093963B2

Abstract

(57)【要約】【課題】流体機械を設計点流量以下の流量域で運転し
たときに発生する不安定現象を回避し、さらに不安定現
象の生じない領域では最も性能が高くなるようにディフ
ューザ羽根を制御して流体機械を広い流量範囲で高性能
に運転できる可変案内羽根付き流体機械を提供する。【解決手段】角度を可変としたディフューザ羽根４を
具備した流体機械において、ディフューザ羽根４を羽根
車８からの流出角度に対して適当な迎え角相当角だけ傾
けた状態で保持するように制御する制御駆動装置５を有
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、遠心及び斜流形の液体
ポンプ、気体用のブロワ、圧縮機などの流体機械に係
り、特に入口案内羽根及びディフューザ羽根付き流体機
械に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】従来、遠心及び斜流のポンプ
を設計点以外の流量域で運転すると、羽根車、ディフュ
ーザなどの各構成要素で流れの剥離等が発生し、これら
の原因によって、当該ポンプの効率が、設計点流量のそ
れと比べて低下する欠点があった。これを解決するため
に、ポンプに可変の入口案内羽根やディフューザ羽根を
取付けてこれを流れに適合するように動かして運転する
方法が取られてきた。

【０００３】その代表的なものとして、特公平４−１８
１５８号、特公平４−１８１５９号、特開昭６３−２３
９３９８号、特開昭６３−２３０９９９号、特開昭５５
−１０７０９７号等がある。

【０００４】ところで、ディフューザ羽根を当該ポンプ
の運転状態に適合させるように最適に制御するには、羽
根車から流出する流れを前もって正確に把握しておく必
要がある。さらに、入口案内羽根があるポンプでは、入
口案内羽根の角度を変えると羽根車から流出する流れ
が、案内羽根の角度ごとに変化してしまうので、当該ポ
ンプの性能を入口案内羽根の角度ごとに前もって把握し
ておく必要がある。

【０００５】上記のような従来の技術においては、入口
案内羽根の角度ごとにディフューザ羽根角度を決めて試
験を行い、このデータを基に案内羽根を制御しなければ
ならないので、制御方法が非常に複雑になり、装置およ
び制御用ソフトに多大なコストがかかる欠点があった。
さらに、当該ポンプを装置に組み込んで、最も適した案
内翼の角度で運転するには最適値を自動的に選択するま
での時間がかかるなどの欠点が多かった。

【０００６】羽根車出口の流れ角度を算出する方法とし
て、特開平４−８１５９８号があるが、この方法では流
れ角度を算出する方法にいくつかの仮定が入るのと、一
般に羽根車出口では流れが歪むため壁面の静圧から流れ
角度を算出することに無理があり、さらに流れが不安定
となる領域では、精度上に問題があるなどの欠点が多か
った。

【０００７】また、ディフューザ羽根に圧力孔を設け、
この圧力を測定して羽根車から流出する流れ方向を算出
する方法として特開昭５７−５６６９９号があるが、こ
の方法は翼厚さの薄いディフューザ羽根では採用するこ
とができず、また、加工上のコストが掛かるなどの欠点
も多かった。

【０００８】ディフューザ羽根の圧力面側、負圧面側の
壁面圧力を測定する方法としては特開昭６２−５１７９
４号があるが、ディフューザの壁面に圧力孔があるため
にディフューザ羽根を回転させた場合、角度によって圧
力孔の相対的な位置が変わり、場合によっては圧力孔が
ディフューザ羽根の影に隠れてしまい、測定が不能とな
る欠点があった。

【０００９】また、入口案内羽根やディフューザ羽根の
角度を変えるとポンプの特性が大幅に変わるために、羽
根車から流出する流れの角度を何らかの方法で把握する
手段を用いない場合は、各案内羽根の角度ごとに性能試
験を前もって詳細に行い、この試験結果をもとに入口案
内羽根やディフューザ羽根の角度を決めるという方法が
取られてきた。

【００１０】さらに、この方法を用いてポンプの運転を
自動制御する場合、入口案内羽根やディフューザ羽根の
角度を、少なくとも３回は変えて（特公平４−１８１５
８号、特公平４−１８１５９号）当該ポンプのその時点
での運転状態を把握して、入口案内羽根やディフューザ
羽根の角度を決定する方法を取らねばならいので、設定
までの時間がかかり、特にサージング点付近の運転など
のように瞬時に状態を決定しなければならない運転点で
は問題が多かった。

【００１１】また、回転数が変わるような制御ではこれ
らの制御がさらに難しくなり、制御装置も高級になり、
装置のコストと制御ソフトのコストがかかる欠点があっ
た。

【００１２】ディフューザ羽根上に圧力孔を設けてこの
圧力を測定して羽根の角度を決める方法として特開昭５
７−５６６９９号があるが、羽根車から流出する流れ
は、ポンプの作動状態によって幅方向に大きく変化する
ために、ディフューザ羽根の中央付近だけで測定する
と、流れ角度の誤差が大きいという欠点がある。

【００１３】また、ディフューザ羽根面上に圧力孔があ
るので、流れの全圧を測定する場合もあり、高速の流れ
を扱うものでは静圧に比べて圧力レベルが大きくなっ
て、圧力検出装置として測定範囲の過大なものを使う必
要があり、測定精度に問題が生じる欠点があった。ま
た、この方法は、翼厚さの薄いディフューザ羽根では採
用することができず、コストも掛かるなどの問題もあっ
た。

【００１４】本発明は上述の事情に鑑みなされたもの
で、流体機械を設計点流量以下の流量域で運転したとき
に発生する不安定現象を回避し、さらに不安定現象の生
じない領域では最も性能が高くなるようにディフューザ
羽根を制御して流体機械を広い流量範囲で高性能に運転
できる可変案内羽根付き流体機械を提供することを目的
とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、角度を可変としたディフューザ羽根を具備した流体
機械において、ディフューザ羽根を羽根車からの流出角
度に対して適当な迎え角相当角だけ傾けた状態で保持す
るように制御する制御駆動装置を有することを特徴とす
る可変案内羽根付き流体機械である。請求項２に記載の
発明は、羽根車からの流出角度を直接又は間接に検出す
る流出角検出手段を備え、上記制御駆動装置は、この検
出値を基準としてディフューザ羽根角度を決定すること
を特徴とする請求項１に記載の可変案内羽根付き流体機
械である。請求項３に記載の発明は、流体機械本体及び
／又は配管に圧力、流速、温度又は振動等の状態量検出
手段を設け、これにより流出角度とディフューザ羽根角
度の偏差を推定してディフューザ羽根角度を調整するよ
うにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の可変
案内羽根付き流体機械である。請求項４に記載の発明
は、上記迎え角を、ディフューザ羽根の最大揚力係数が
得られるように予め定めていることを特徴とする請求項
１ないし３のいずれかに記載の可変案内羽根付き流体機
械である。請求項５に記載の発明は、角度を可変とした
ディフューザ羽根を具備した流体機械において、基準流
量を設定し、この基準流量より大きい流量においては、
ディフューザ羽根を羽根車からの流出角度に対して適当
な迎え角相当角だけ傾けた状態で保持するように制御
し、上記基準流量以下においては、上記変動圧力検出装
置で検出された圧力値の変動値を算出し、この変動値が
予め定められたしきい値以下、あるいはこの変動値が最
小値になるまでディフューザ羽根を制御する制御装置と
を備えたことを特徴とする可変案内羽根付き流体機械で
ある。

【００１６】図１は、この発明に想到するに至った考え
方を説明するもので、羽根車８出口の状態を示す模式図
である。羽根車８から流出する流体の流れ方向をａ（設
計流量），ｂ（小流量），ｃ（大流量）の矢印で示す。
この図から明らかなように、設計点以外の流量では、大
流量ではディフューザ羽根４の圧力面側、小流量ではデ
ィフューザ羽根４の負圧面側の流れの迎え角が過大にな
り、流れが剥離してしまう。この結果、図２（ａ）に無
次元吸込流量と無次元ディフューザ損失との関係として
示すように、ディフューザでの損失が増大する。その結
果、ポンプの全体性能は、図２（ｂ）に無次元吸込流量
とポンプ効率との関係として示すように設計点より小流
量側及び大流量側で効率が低下してしまう。

【００１７】本発明のディフューザ羽根は、羽根と羽根
の間のピッチ（節）と羽根の弦長との比である弦節比が
小さい小弦節比ディフューザ羽根を用いている。このデ
ィフューザ羽根は、通常用いられている羽根付きディフ
ューザとその原理が全く異なっている。通常の羽根付き
ディフューザは羽根と羽根の間で流路を形成し、入口と
出口で形成される流路の拡大を用いて流れを減速させて
昇圧を行わせるものである。しかし、本発明に用いたデ
ィフューザ羽根は、取付けのピッチが粗く、羽根間では
流路が構成されない。このディフューザの昇圧の原理
は、流れに置かれた翼の周りの循環によって静圧回復を
行わせるようにしたものである。以下にその説明を示
す。

【００１８】流れにおかれた翼の周りの循環は、以下の
式で表される。 Γ＝（Ｃｕ₁−Ｃｕ₂）ｔ（１）ここで、Ｃｕ：ディフューザの周方向の速度成分ｔ：翼のピッチ添字１：ディフューザ入口２：ディフューザ出口と表され、ディフューザ出口の静圧はＰｓ₂＝ρ（Ｃｕ₁ ²−Ｃｕ₂ ²）／２＋Ｐｓ₁ ＝ρ（Ｃｕ₁−Ｃｕ₂）・（Ｃｕ₁＋Ｃｕ₂）／２＋Ｐｓ₁ ＝ρΓ（Ｃｕ₁＋Ｃｕ₂）／２ｔ＋Ｐｓ₁ （２） ρ：流体の密度と表される。

【００１９】羽根の循環はまた次の式で示される。 Γ＝Ｌ／（Ｗ・ρ）（３）ここで、Ｌ：羽根の揚力Ｗ：羽根上流速度翼に働く揚力は次式で与えられる。Ｌ＝ＣＬ・ｌ・ρ・Ｗ²／２（４）ＣＬ：羽根の揚力係数ｌ：羽根長さよって、 Γ＝ＣＬ・ｌ・Ｗ／２（５）と表され、循環の大きさが揚力係数に比例していること
がわかる。一般に、翼の性能は翼に対する流れの迎え角
に依存し、迎え角が大きくなるに連れて揚力係数も増大
するが、迎え角が大きくなり過ぎると翼の負圧面で流れ
が剥離して失速を起こす。揚力と迎え角の関係は風胴実
験等によって求められている。

【００２０】本発明のディフューザは、この原理に基づ
いて翼形形状を持つ羽根を周方向に配置して、遠心ディ
フューザとして構成したものである。式（２）によって
ディフューザ出口の圧力は翼の循環量に依存し、式
（５）によってその循環量は翼の揚力係数に比例するこ
とがわかる。従って、ディフューザ出口の圧力を高める
には羽根の迎え角を剥離しない程度に大きくして、高い
揚力係数を保つようにすればよいことになる。

【００２１】本発明では、羽根車から流出する流れの方
向を検出する。そして、揚力係数の最大量にある割合を
乗じた揚力係数になるところでの迎え角βを求め、羽根
車出口の流れ角αにこの迎え角βを加えてディフューザ
羽根が最も有効に作用する角度を計算し、現時点のディ
フューザ羽根との偏差角を求め、これを一致させるよう
にディフューザ羽根を制御するものである。

【００２２】翼の揚力係数にある割合を乗じるのは、遠
心ディフューザの場合は半径が増大するに従って面積が
増大して流れの減速が起こるので、翼面上の境界層に対
して逆の圧力勾配が大きくなり、単独翼あるいは２次元
翼列の試験結果よりも失速が早く起こることを考慮した
ものである。この割合はディフューザでの昇圧の程度に
よって異なるので、設計状態に応じて適正に決定する必
要がある。この適正値は予め実験によって決定してもよ
いし、数値計算等によって求めてもよい。

【００２３】図３は、ディフューザ羽根角度を３種類変
えた場合、ディフューザ部の静圧力回復係数をディフュ
ーザ羽根に対する流れの迎え角を横軸にとって実験的に
調べた結果を示すもので、この実験の場合、ディフュー
ザでの静圧回復係数が最大を示すのは迎え角が３度程度
のときであることがわかる。この角度は流れのマッハ
数、レイノルズ数、羽根が取付けられるディフューザ
幅、羽根車から流出する幅方向の流れの歪み等によって
変わるので、機種によって予め決定しておくか、ディフ
ューザでの運転状態を監視してディフューザ羽根角度を
決定する必要がある。次に、ディフューザでの運転状態
を監視してディフューザ羽根角度を決定する方法を述べ
る。

【００２４】ディフューザ羽根の角度によってディフュ
ーザでの静圧上昇値が大きく変化するのは図３に示した
実験結果から明らである。図３で、迎え角０度は羽根車
から流出する流れの方向とディフューザ羽根角度とが一
致した場合で、これはディフューザ入口と出口の静圧力
を測定することによって検出することが可能である。な
お、ディフューザ入口と出口の静圧力を測定する代わり
に圧縮機入口、出口の圧力等を測定することによって、
ディフューザ部での性能を検出することも可能である。

【００２５】図３に示したように、ディフューザ羽根角
度が適正値を越えると静圧回復量が低下し始めるので、
まず、ディフューザ羽根の度を羽根車から流出する流れ
の角度に一致させてから、これを少しずつずらせてゆ
き、ディフューザ入口、出口の静圧力差が最大となる時
のディフューザ羽根角度を検出すれば、最適な角度の状
態に設定することが可能である。あるいは、ディフュー
ザ出口付近の静圧力を１点だけ測定し、ディフューザ羽
根の角度が羽根車から流出する流れの角度に一致したと
きとの圧力と比較してその値が最大となる時のディフュ
ーザ羽根角度を検出すれば、最適な角度の状態に設定す
ることが可能である。

【００２６】さらに、ディフューザ羽根角度が大きくな
り過ぎるとディフューザ羽根面上で失速が起きるので、
羽根面上あるいはディフューザ壁面上に変動圧力を検出
できる圧力センサや、流れの壁面剪断応力を測定できる
センサ等を取付けておいて、これらのセンサの出力信号
から境界層の剥離を検出することによって、剥離が生じ
ない角度までディフューザ羽根の角度を変えて、最適な
角度に設定することが可能である。

【００２７】また、発明者らは、ポンプの吸い込み配
管、ディフューザ、吐出配管にそれぞれ圧力センサを取
付けて、圧縮機の流量を変化させる実験を行った。図４
（ａ）は上記センサの出力の波形信号を示すものであ
り、左側がディフューザの周方向２カ所の位置で測定し
た圧力変動、右側が吸込配管及び吐出配管で測定した圧
力変動の測定結果を示すものである。この図から明らか
なように、流量が設計点流量より少なくなると、まずデ
ィフューザでの圧力の変動値が大きくなり（の左
図）、さらに流量を低下させると配管での変動が大きく
なり（の右図）、サージングが発生することがわか
る。

【００２８】図４（ｂ）は、設計流量を基準とした無次
元流量と圧縮機のヘッドを設計流量でのヘッドを基準と
して無次元化した無次元ヘッド係数との関係を示す図で
ある。図４（ｂ）における，，は、それぞれ図４
（ａ）の３通りの流量，，に対応している。従っ
て、このような状態量の変動を定量的に把握することに
より、適当なしきい値に基づいてサージング発生を回避
した安定な運転を行なうことが可能である。

【００２９】

【実施例】以下、本発明に係る可変案内羽根付き流体機
械の一実施例を図５乃至図１１を参照して説明する。

【００３０】図５及び図６は本発明が適用される単段遠
心圧縮機を示す図であり、図５はその縦断面図、図６は
その部分側面図である。これらの図に示されるように、
ディフューザ羽根４は複数の歯車１１を介して第１制御
駆動装置の一部を構成するアクチュエータ１２に連結さ
れ、羽根角度は可変になっている。また入口案内羽根６
は複数の歯車１３を介して第２制御駆動装置の一部を構
成するアクチュエータ１４に連結され、羽根角度は可変
になっている。

【００３１】図７は、本発明の可変案内羽根付き流体機
械の制御機構を説明するブロック図である。図７に示さ
れるように可変案内羽根付きポンプは、演算部１と記憶
部２とからなる演算処理装置Ｕと、必要とされるポンプ
の運転状態を入力できる入力装置３、ディフューザ羽根
４を可変制御できる第１制御駆動装置５と、入口案内羽
根６を可変制御できる第２制御駆動装置７、羽根車８の
回転数、即ちポンプの回転数を制御できる第３制御駆動
装置９を備えている。

【００３２】図８はディフューザ羽根の取付けられる盤
上に設けた圧力孔の説明図であり、図８（ａ）は正面
図、図８（ｂ）は断面図である。これらの穴は一つの盤
上でも別の盤上に１つずつでも構わない。図８に示され
るように、ディフューザ羽根４の取り付けられる円盤１
０上に圧力孔１１が設けられている。１１−１はディフ
ューザ羽根圧力面の圧力検出用圧力孔、１１−２はディ
フューザ羽根負圧面の圧力検出用圧力孔、１１−３は入
口側に設けた基準圧力の検出用圧力孔を示す。この３個
の圧力孔にはそれぞれ圧力検出器が設けられ、これよっ
てそれぞれの位置での圧力が検出される。

【００３３】圧力検出器の出力は、図７に示すように制
御機構の演算処理装置Ｕに入力され、ここにおいて、圧
力孔１１−３の圧力によって流れの動圧ΔＰｄが計算さ
れる。演算処理装置Ｕは、さらに圧力孔１１−１と圧力
孔１１−２の圧力差（Ｐ₁−Ｐ₂）を計算し、これとΔＰ
ｄの比、ξ＝（Ｐ₁−Ｐ₂）／ΔＰｄを求め、この値から
当該ディフューザの羽根角度を算出する。これは、例え
ば図９に示すグラフに沿って行われる。この図は、本発
明者が圧縮機を用いて得たデータをまとめて、横軸は、
各運転点の流量を設計点の流量で無次元化した無次元流
量、縦軸は、本発明によるディフューザ羽根の角度を取
って示したものである。

【００３４】図９において、無次元流量が０．６より大
きな流量では、図８に示した１１−３における圧力によ
って流れの動圧ΔＰｄを計算し、圧力孔１１−１及び１
１−２における圧力の差（Ｐ₁−Ｐ₂）との比ξ＝（Ｐ₁
−Ｐ₂）／ΔＰｄを求め、この値から当該ディフューザ
の羽根角度とこれに適当な迎え角β（図１０）を加えた
角度を演算処理装置Ｕにより算出し、さらにディフュー
ザ羽根４を第１駆動装置５によって可変制御して決定し
た羽根角度を示す。ここで、迎え角βは、記述したよう
に、揚力係数の最大量にある割合を乗じた揚力係数にな
るところでの迎え角として求める。

【００３５】なお、動圧ΔＰｄは、以下のようにして求
められる。羽根車出口の半径方向速度成分Ｃｍ₂は、Ｐ_r
を羽根車入口の圧力Ｐ_iと、圧力孔１１−３の圧力Ｐ₃と
の比（Ｐｒ＝Ｐ₃／Ｐ_i）とし、吸込流量をＱ、羽根車出
口のブロッケージをＢとすると、Ｃｍ₂＝（１／Ｐ_r）^(1/k)Ｑ／（πＤ₂ｂ₂Ｂ）と表される。羽根車出口の周方向速度成分Ｃｕ₂は、羽
根車のすべり係数をσ、羽根車の周速をＵ₂、羽根車出
口の羽根角度をβ₂とすると、Ｃｕ₂＝σＵ₂−Ｃｍ₂ｃｏｔβ₂ と表される。従って、羽根車出口の絶対速度Ｃは、Ｃ²＝Ｃｍ₂ ²＋Ｃｕ₂ ² と表される。羽根車出口の密度ρ₂は、羽根車入口の密
度をρ₁とすると、 ρ₂＝ρ₁（Ｐ_r）^(1/k) 表され、従って、羽根車出口の動圧ΔＰｄは、 ΔＰｄ＝Ｃ²／２ρ₂ から求まる。従って、ξは、 ξ＝（Ｐ₁−Ｐ₂）／ΔＰｄから求まる。

【００３６】流れ角に対するξの値は、予め検定風胴に
て求めておく。図１１は、その一例を示すもので、横軸
に流れに対する羽根角度、縦軸に検定時の１１−１と１
１−２の差圧と、動圧ΔＰｄ（これは、流れの全圧Ｐｔ
と静圧Ｐｓの差を測定すれば求まる。これは、上記の方
法とは異なる一般的な方法である。）の比から求めたξ
の値を示した。この曲線を記憶装置に記憶しておき、上
記方法から求めた圧縮機出口でのξから、羽根に対する
流れの角度を求めることができる。一方、羽根車出口で
の流れ角αは、 α＝ａｒｃｔａｎ（Ｃｍ₂／Ｃｕ₂）から求まるから、両者の差を計算すれば、ディフューザ
羽根の流れの角度に対しての偏差角を求めることができ
る。この偏差角度分だけディフューザ羽根の角度を修正
すれば、羽根車から流出する流れにディフューザ羽根の
角度を一致させることができる。一回で一致できない場
合は、数回このステップを繰り返せば完全に一致させる
ことが可能である。

【００３７】また、図９において、無次元流量が０．６
より小さな流量域においては、図８に示した１１−３の
圧力孔を変動圧力測定装置に接続して、微小時間ごとの
振幅の変動値Ｆｐを求め、これとしきい値Ｆｐｄを比較
することによって、微小時間ごとの振幅の変動値がしき
い値以下になるようにディフューザ羽根４を第１駆動装
置５によって可変制御して決定した羽根角度を示す。変
動値Ｆｐの求め方を図１２を用いて説明する。この図に
おいて、Ｔは１回の変動値を算出する微小時間であり、
δｔは変動値を算出する元となる圧力値Ｐ_i（Ｑ，ｔ）
のサンプリングピッチである。変動値Ｆｐ，Ｆｐｄは、
時間Ｔの間にδｔのピッチで測定された状態量の単位時
間当たりの標準偏差であり、以下の式で与えられる。Ｆｐ（Ｑ）＝［１／ＴΣ｛Ｐｉ（Ｑ，ｔ）−Ｍｉ
（Ｑ）｝²］^1/2 ただし、Ｍｉ（Ｑ）＝１／ＴΣＰｉ（Ｑ，ｔ）一定のバイアスを持ついわゆるＤＣデータも、そうでな
いＡＣデータもいずれも上式で取り扱うことができる。

【００３８】測定時間Ｔは、状態量の変動の指標値を精
度良く算出でき、しかも迅速な対応が採れるように短い
時間であることが必要である。この実施例では、このよ
うな時間Ｔを設定する目安として６０／ＺＮ（秒）を用
いる。ここで、Ｎは羽根車８の回転数（回／分）で、Ｚ
は羽根車８の羽根の枚数Ｚであり、従って、６０／ＺＮ
は、羽根車８が回転することによる本質的に発生する圧
力等の状態量の変動の周期である。Ｔは、このような本
質的変動による影響を受けない程度に大きく設定する必
要があり、従って、以下のような条件が課される。Ｔ≧Ｋ₁・６０／ＺＮ従って、実際には、Ｔはこの下限値に設定すればよい。
ここで、Ｋ₁は流体機械によって決まる定数で、当該機
械の試験時、あるいは量産品であればその代表品の性能
を予め調べ、定数入力装置３によって設定しておく。

【００３９】次に、サンプリングピッチであるδｔの設
定方法について述べる。このようなサンプリング周期δ
ｔは、正確な指標値を算出するという観点からは小さい
程好ましい。しかし、過度のサンプリングによりコンピ
ュータに負荷が掛かって算出に時間が掛かるのは却って
好ましくない。この実施例では、このような時間δｔを
設定する目安として、ここでも６０／ＺＮ（秒）を用い
る。すなわち、δｔを、羽根車２が回転することにより
本質的に発生する圧力等の状態量の変動による影響を受
けない程度に小さく設定する必要がある。従って、以下
のような条件が課される。 δｔ≦Ｋ・６０／ＺＮ

【００４０】さらに、この実施例では、図４で説明した
ように、設計点の場合と、より低流量で運転が不安定
になる及びの場合においてそれぞれ振幅周期が異な
ることに鑑み、設定を変えるようにしている。すなわ
ち、ヘッドが右上がりになる不安定領域を検出する場
合のサンプリング周期δｔは、Ｋ₂・６０／ＺＮであ
り、サージング現象を検出する場合のサンプリング周
期δｔは、Ｋ₃・６０／ＺＮである。ここで、Ｋ₂，Ｋ₃
は流体機械によって決まる定数で、Ｋ₁の場合と同様
に、当該機械の試験時、あるいは量産品であればその代
表品の性能を予め調べ、入力装置３によって設定してお
く。

【００４１】流体機械の運転時の変動値は、その都度上
記のように算出されるが、サージング発生の判断基準と
なる変動値（しきい値γ）の求め方を以下に示す。図１
３は本発明者の研究によって得られたデータで、横軸
は、各運転点の流量を設計点の流量で無次元化した無次
元流量、縦軸は圧力の変動値を設計点での変動値（＝Ｆ
ｐｄ）で無次元化した無次元変動値を示す。図中の○印
はディフューザ壁面での圧力の測定結果から得られたも
のを示す。ここでの条件は、以下の通りである。Ｎ＝９０００ｒｐｍ，Ｚ＝１７Ｋ₁＝２０００，Ｋ₂＝５，Ｋ₃＝２０

【００４２】この結果から、無次元流量が０．６より小
さな流量域から無次元変動値８が増大することがわか
る。ここで、ポンプが安定的に運転できる限界値を適宜
設定してこれをしきい値とすればよい。この例では、Ｆ
ｐ／Ｆｐｄとして１．５が限界となると判定し、しきい
値γとして１．５Ｆｐｄを用いる。次に、それぞれの流
量においてこの値がこのグラフで示されるしきい値以下
になるようにデイフューザ羽根を回転させることによ
り、図９に示した無次元流量０．６以下の領域での関係
が得られる。この図から、無次元流量が０．６より小さ
な流量におけるディフューザ羽根角度は、流量に比例し
て変わることがわかる。これとポンプの吸込流量及びヘ
ッド上昇を演算処理装置Ｕにより算出し、さらにディフ
ューザ羽根４を第１制御駆動装置５によって可変制御す
れば、ディフューザ羽根４を最適に制御できることにな
る。

【００４３】図１４に、一例として、横軸はこの装置を
取付けた遠心圧縮機の無次元流量、縦軸は上から圧力係
数及び効率をとって、この装置を取付けた遠心圧縮機の
性能を示すが、広い運転範囲で高効率な運転ができるこ
とが確認された。

【００４４】図１５に、ディフューザ羽根を固定して、
入口案内羽根だけを可変にした場合の遠心圧縮機の全体
性能を示すが、図１４に示す本発明による装置の性能は
この図に比べて大流量、小流量とも、性能が大幅に改善
されていることが分かり、本発明による効果が明らかで
ある。ポンプの場合、回転数を変えた場合にも無次元特
性としては同一の結果が得られる。

【００４５】図５乃至図１４に図示した実施例において
は、演算処理装置Ｕを１ユニット設置した例を示した
が、演算処理装置を機能別に分離して複数の演算処理装
置としてもよい。また、制御駆動装置を第１、第２、第
３制御駆動装置に機能別に分離したが、１つの制御駆動
装置としてもよい。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、流
体機械を設計点流量以外の流量域で運転したときに発生
する不安定現象を回避して、流体機械を広い流量範囲で
運転することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】羽根車出口の流体の状態を示す模式図である。

【図２】（ａ）は、無次元吸込流量と無次元ディフュー
ザ損失との関係を示す図であり、（ｂ）は、無次元吸込
流量とポンプ効率との関係を示す図である。

【図３】ディフューザ部の静圧力回復係数とディフュー
ザ羽根に対する流れの迎え角の関係を示す図である。

【図４】本発明の可変案内羽根付き流体機械の一例であ
る単段遠心圧縮機を示す縦断面図である。

【図５】ポンプの各所における圧力変動状態を示す図で
ある。

【図６】本発明の可変案内羽根付き流体機械の一例であ
る単段遠心圧縮機を示す部分側面図である。

【図７】本発明に係る可変案内羽根付き流体機械の一実
施例を示すブロック図である。

【図８】ディフューザ羽根の取付けられる盤上に設けた
圧力孔を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面
図である。

【図９】無次元流量とディフューザ羽根角度との関係を
示すグラフである。

【図１０】羽根車出口の流体の状態を示す模式図であ
る。

【図１１】予め検定風胴にて求めた流れ角に対するξの
関係を示すグラフである。

【図１２】本発明の可変案内羽根付き流体機械における
変動値の求め方を説明するグラフである。

【図１３】本発明の可変案内羽根付き流体機械における
しきい値の求め方を示すグラフである。

【図１４】本発明の無次元流量と効率及びヘッド係数と
の関係を示す図である。

【図１５】従来の技術の無次元流量と効率及びヘッド係
数との関係を示す図である。

【符号の説明】

１演算部２記憶部Ｕ演算処理装置３入力装置４ディフューザ羽根５第１制御駆動装置６入口案内羽根７第２制御駆動装置８羽根車９第３制御駆動装置１０円盤１１（１１−１，１１−２，１１−３）圧力孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】角度を可変としたディフューザ羽根を具
備した流体機械において、ディフューザ羽根を羽根車からの流出角度に対して適当
な迎え角相当角だけ傾けた状態で保持するように制御す
る制御駆動装置を有することを特徴とする可変案内羽根
付き流体機械。
【請求項２】羽根車からの流出角度を直接又は間接に
検出する流出角検出手段を備え、上記制御駆動装置は、
この検出値を基準としてディフューザ羽根角度を決定す
ることを特徴とする請求項１に記載の可変案内羽根付き
流体機械。
【請求項３】流体機械本体及び／又は配管に圧力、流
速、温度又は振動等の状態量検出手段を設け、これによ
り流出角度とディフューザ羽根角度の偏差を推定してデ
ィフューザ羽根角度を調整するようにしたことを特徴と
する請求項１又は２に記載の可変案内羽根付き流体機
械。
【請求項４】上記迎え角を、ディフューザ羽根の最大
揚力係数が得られるように予め定めていることを特徴と
する請求項１ないし３のいずれかに記載の可変案内羽根
付き流体機械。
【請求項５】角度を可変としたディフューザ羽根を具
備した流体機械において、基準流量を設定し、この基準流量より大きい流量におい
ては、ディフューザ羽根を羽根車からの流出角度に対し
て適当な迎え角相当角だけ傾けた状態で保持するように
制御し、上記基準流量以下においては、上記変動圧力検出装置で
検出された圧力値の変動値を算出し、この変動値が予め
定められたしきい値以下、あるいはこの変動値が最小値
になるまでディフューザ羽根を制御する制御装置とを備
えたことを特徴とする可変案内羽根付き流体機械。