JPH0979180A

JPH0979180A - 可変案内羽根付き流体機械

Info

Publication number: JPH0979180A
Application number: JP7256719A
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: JP3095208B2

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】羽根車２と、ディフューザ羽根３ａと、
流体機械の吸込流量又は吸込流量の変化に基づいて変わ
る流体機械若しくは原動機の状態量を検出する検出装置
Ｓ₀〜Ｓ₁₂を具備し、予め求められた吸込流量又は状態
量と羽根車２から流出する流れ角度の関係に基づき、検
出装置Ｓ₀〜Ｓ₁₂によって検出された吸込流量又は状態
量に対応する流れ角度を求め、これに適当な迎え角相当
角を加えてディフューザ羽根角度を決定して、ディフュ
ーザ羽根角度を制御する制御装置１２とを備えた。

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、羽根車と、ディフューザ羽根と、流体機械の吸込流
量又は吸込流量の変化に基づいて変わる流体機械若しく
は原動機の状態量を検出する検出装置を具備し、予め求
められた吸込流量又は状態量と羽根車から流出する流れ
角度の関係に基づき、上記検出装置によって検出された
吸込流量又は状態量に対応する流れ角度を求め、これに
適当な迎え角相当角を加えてディフューザ羽根角度を決
定して、ディフューザ羽根角度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】請求項２に記載の発明は、上記吸込流量と
ディフューザ羽根角度の関係が、ほぼ直線的な関係であ
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、上記直線関
係が、羽根車の回転数によって勾配が決まることを特徴
とする請求項２に記載の可変案内羽根付き流体機械であ
る。

【００１７】請求項４に記載の発明は、上記制御装置
が、上記ディフューザ羽根角度を変えたときにヘッドが
所定値を満足しない場合に、流体機械の回転数制御を行
う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、上記流体機械が入口案内羽根を有し、上記制御
装置は、上記ディフューザ羽根角度を変えたときにヘッ
ドが所定値を満足しない場合に、流体機械の入口案内羽
根角度を変えることを特徴とする請求項１ないし４のい
ずれかに記載の可変案内羽根付き流体機械である。

【００１８】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３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。

【００１９】本発明者らが考案したディフューザ羽根の
研究によれば、ポンプの無次元吸込流量に対する羽根車
出口でのディフューザ羽根の最適角度は図４に示したよ
うに、ほぼ直線で表され、流量０までディフューザ羽根
を制御すれば、サージング現象を回避できることがわか
った。つまり、この結果におけるディフューザ羽根角度
は流量に対応する流れ角αを示しているものと考えられ
る。

【００２０】ポンプの場合、回転数を変えたときの無次
元吸込流量に対する羽根車出口でのディフューザ羽根の
最適角度はほぼ一本の直線で表されるが（図４の直線Ｎ
₁)、圧縮機の場合はガスの圧縮性のために、回転数ごと
に直線の傾きは異なる（図４の直線Ｎ₁〜Ｎ₄)。この傾
きは羽根車出口の状態を予測することにより計算で求め
ることができる。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】本発明では、流体機械の吸込流量又は吸込
流量の変化に基づいて変わる流体機械若しくは原動機の
状態量を検出する。そして、予め求められた吸込流量又
は状態量と羽根車から流出する流れ角度の関係に基づ
き、上記検出装置によって検出された吸込流量又は状態
量に対応する流れ角度αを求める。これに、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。

【００２６】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。

【００２７】図５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。

【００２８】次に、ディフューザでの運転状態を監視し
ながらディフューザ羽根角度を決定する方法を述べる。
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５に示した実験結果から
明らである。図５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。

【００２９】図５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角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。

【００３０】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
角度を決定することもできる。このようにして、最適な
迎え角βを予め設定しておき、図４の関係から求められ
るαにこれを加えれば、最適なディフューザ羽根角度が
決定できる。

【００３１】なお、流れ角を求める基準となる検出値と
しては、吸込流量を直接測定する必要はなく、ポンプの
吸込流量と一定の対応関係を持つような状態量と、ディ
フューザ羽根角度の関係を、吸込流量との関係を介して
又は直接的に求めておき、これらの状態量を測定してデ
ィフューザ羽根角度を制御することができることも理解
される。

【００３２】このような状態量としては、例えば、ポン
プ用電動機の入力電流、回転数及びトルク、吸込圧力、
配管内流体速度、吸込及び吐出口での流体温度差、音、
バルブ開度などがあり、圧縮機で発生する熱をガスクー
ラー等で冷却する場合にはその熱交換量も指標となる。
以下に各々説明する。

【００３３】１）電動機の入力電流電動機駆動の場合、吸込流量に関連した状態量として電
動機の入力電流を検出することによって吸込流量をある
程度まで捕捉することができる。電動機動力はＬ＝η_m・η_p・Ｖ・Ａ＝ρ・ｇ・Ｈ・Ｑ／η ここで η_m：電動機効率 η_p：電動機力率Ｖ：電動機入力電圧Ａ：電動機入力電流 ρ：流体密度Ｈ：ヘッドＱ：吸込流量 η：被動機の効率と表され、電動機電流は吸込流量の関数であることがわ
かる。しかし、この場合、被動機の効率が流量の低下と
共に低下するのと、取り扱い流体の密度、ヘッド等が変
わると電動機入力が変わるので、電動機入力によって捕
捉できる流量の限界がある。

【００３４】２）電動機の回転数及びトルク電動機動力はＬ＝Ｔ・ω と表される。ここでＴ：トルク ω：角速度と表されるので、電動機の回転角速度及びトルクを測定
することによって吸込流量をある程度捕捉することが可
能である。電動機の回転数が一定の場合にはトルクの測
定だけで良い。

【００３５】３）吸込圧力配管中の流量はＱ＝Ａ・ｖ＝Ａ・（ρ・（Ｐｔ−Ｐｓ）／２）^1/2 ここでＡ：配管断面積ｖ：配管内流体の平均速度Ｐｔ：全圧Ｐｓ：静圧と表される。大気圧から吸い込むとすれば、全圧は一定
とできるので、静圧がわかれば吸込流量がわかることに
なる。従って、圧縮機の入口絞り部の静圧を測定するこ
とによって、吸込流量を捕捉することが可能である。こ
の場合、低流量時に羽根車から逆流する流れを除いて吸
い込み流れの静圧を正しく測定する必要がある。

【００３６】４）吐出圧力吐出流量を測定しても吸込流量を捕捉することが可能で
ある。圧縮性ガスを扱う機械の場合には吐出流量から吸
込流量を求めるには流体の密度を測定する方法を加味し
なければならないが、ポンプなどの非圧縮流体を扱う場
合には、吐出流量は吸込流量に一致する。

【００３７】５）配管内流体速度配管内の流体速度を測定すれば吸入圧力の場合と同様に
吸込流量を捕捉することが出来る。流速測定には熱線風
速計、レーザ流速計、超音波流速計等がある。

【００３８】６）吸込吐出温度圧縮機の場合流量によって入口出口の温度差が変化す
る。図６はある圧縮機の入口出口の温度差を流量を横軸
にとって示したもので、温度差と吸込流量にはある関係
があることがわかる。圧縮機の場合、この温度差を基に
仕事係数が求まるが（図７）、温度差とほぼ同じ傾向を
示すので、この値を測定しても吸込流量を捕捉すること
が可能である。図７では、２種類の回転数で行った結果
を同様に示した。

【００３９】７）ガスクーラ冷却水温度差圧縮機で発生する熱量をガスクーラ等で冷却する場合、
熱交換量はＬ＝（Ｔ１−Ｔ２）・Ｃｐ・ＷここでＴ１：ガスクーラ入口流体温度Ｔ２：ガスクーラ入口流体温度Ｃｐ：比熱Ｗ：流体量圧縮機の熱量は吸込流量に関係するので、ガスクーラの
冷却熱量を即ち流体の温度差を測定することによって吸
込流量をある程度捕捉することが可能である。

【００４０】８）音圧縮機で発生する騒音、あるいは流速に関係したストロ
ーハル数の測定を行うことによって流量を捕捉すること
も可能である。

【００４１】９）バルブ開度圧縮機等が取付けられた装置の吸込あるいは吐出バルブ
の開度と流量とは関係があるので、バルブ開度を測定す
ることによって、流量を捕捉することは可能である。

【００４２】なお、上記においては、吸込流量とディフ
ューザ羽根角度との関係を実験的に求めたが、この関係
を理論的に求めることもできる。請求項６の発明は、こ
れに着目してなされたもので、羽根車と、ディフューザ
羽根と、流体機械の吸込流量又は吸込流量の変化に基づ
いて変わる流体機械又は原動機の状態量を検出する検出
装置を具備し、吸込流量と羽根車から流出する流れ角度
の下記の関係に基づき、上記検出装置によって検出され
た吸込流量又は状態量に対応する流れ角度を求め、これ
に適当な迎え角相当角を加えてディフューザ羽根角度を
決定して、ディフューザ羽根角度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。 α＝ａｒｃｔａｎ（Ｑ／（Ｋ₁Ｎ−Ｋ₂Ｑ））ここにおける記号は以下の通りである。 α：流れ角Ｑ：吸込流量Ｋ₁＝（πＤ₂）²σｂ₂Ｂ：定数Ｎ：回転数Ｋ₂＝ｃｏｔβ₂：定数 σ：すべり係数 β₂：周方向からの羽根出口角度Ｄ₂：羽根車外径ｂ₂：羽根車出口幅Ｂ：ブロッケージ係数

【００４３】請求項７に記載の発明は、羽根車と、ディ
フューザ羽根と、流体機械の吸込流量又は吸込流量の変
化に基づいて変わる流体機械若しくは原動機の状態量及
び回転数を検出する検出装置を具備し、予め求められた
吸込流量と羽根車から流出する流れ角度の下記の関係に
基づき、上記検出装置によって検出された吸込流量又は
状態量及び回転数に対応する流れ角度を求め、これに適
当な迎え角相当角を加えてディフューザ羽根角度を決定
して、ディフューザ羽根角度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。 α＝ａｒｃｔａｎ（Ｑ／（Ｋ₁Ｎ−Ｋ₂Ｑ））ここにおける記号は以下の通りである。 α：流れ角Ｑ：吸込流量Ｋ₁＝（πＤ₂）²σｂ₂Ｂ：定数Ｎ：回転数Ｋ₂＝ｃｏｔβ₂：定数 σ：すべり係数 β₂：周方向からの羽根出口角度Ｄ₂：羽根車外径ｂ₂：羽根車出口幅Ｂ：ブロッケージ係数

【００４４】請求項８に記載の発明は、羽根車と、ディ
フューザ羽根と、流体機械の吸込流量又は吸込流量の変
化に基づいて変わる流体機械若しくは原動機の状態量及
び入口、出口の圧力比を検出する検出装置を具備し、予
め求められた吸込流量と羽根車から流出する流れ角度の
下記の関係に基づき、上記検出装置によって検出された
吸込流量又は状態量及び入口、出口の圧力比に対応する
流れ角度を求め、これに適当な迎え角相当角を加えてデ
ィフューザ羽根角度を決定して、ディフューザ羽根角度
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。

【数３】ここにおける記号は以下の通りである。 α：流れ角Ｑ：吸込流量Ｋ₁＝（πＤ₂）²σｂ₂Ｂ：定数Ｎ：回転数Ｋ₂＝ｃｏｔβ₂：定数Ｐ_r：圧縮機入口出口圧力比 κ：比熱比 σ：すべり係数 β₂：周方向からの羽根出口角度Ｄ₂：羽根車外径ｂ₂：羽根車出口幅Ｂ：ブロッケージ係数

【００４５】請求項９に記載の発明は、羽根車と、ディ
フューザ羽根と、流体機械の吸込流量又は吸込流量の変
化に基づいて変わる流体機械若しくは原動機の状態量、
羽根車の回転数および入口、出口の圧力比を検出する検
出装置を具備し、予め求められた吸込流量と羽根車から
流出する流れ角度の下記の関係に基づき、上記検出装置
によって検出された吸込流量又は状態量及び回転数及び
入口、出口の圧力比に対応する流れ角度を求め、これに
適当な迎え角相当角を加えてディフューザ羽根角度を決
定して、ディフューザ羽根角度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。

【数４】ここにおける記号は以下の通りである。 α：流れ角Ｑ：吸込流量Ｋ₁＝（πＤ₂）²σｂ₂Ｂ：定数Ｎ：回転数Ｋ₂＝ｃｏｔβ₂：定数Ｐ_r：圧縮機入口出口圧力比 κ：比熱比 σ：すべり係数 β₂：周方向からの羽根出口角度Ｄ₂：羽根車外径ｂ₂：羽根車出口幅Ｂ：ブロッケージ係数このような請求項６ないし９の発明の構成は、以下のよ
うな考察に基づいて、流れ角αを求めている。羽根車出
口の流量をＱ₂、羽根車外径をＤ₂、羽根車出口幅を
ｂ₂、羽根車出口部のブロッケージ係数をＢとすると、
羽根車出口の半径方向速度成分Ｃｍ₂は、Ｃｍ₂＝Ｑ₂／（πＤ₂ｂ₂Ｂ）（６）と表せる。流体が非圧縮であると仮定すると、Ｑ₂は入
口流量Ｑと等しいので、Ｃｍ₂＝Ｑ／（πＤ₂ｂ₂Ｂ）（７）となる。

【００４６】なお、ディフューザ内に流体が流れる場
合、実際の流れでは境界層のために壁面近くの速度は主
流に比べて小さくなる。主流の速度をＵ、境界層内の速
度をｕとして境界層内の速度が主流の速度より遅いため
に不足する流量は、

【数５】で表される。排除厚さをδ^* としてこの厚さ部分に、主
流速度Ｕと等しい流れが流れたとした場合の流量はＵδ
^* と表される。両者は等しいので境界層の排除厚さは、

【数６】と表される。（例えば、「流体力学（２）」（コロナ
社）、「内部流れの力学」（養賢堂））

【００４７】一般には、この排除厚さによる流路幅の減
少分を考慮して流路断面内の平均速度を計算するが、流
体機械の場合、羽根車から流出する流れは流路幅方向に
均一ではなく（例えば、日本機械学会論文集４４巻３８
４号、「遠心羽根車の相対速度分布と性能に関する研
究」図２０）、主流の速度より遅い領域は、境界層によ
る厚さより更に大きくなる。従って、幾何学上の流路幅
に対して、境界層及び速度の歪みによる流路幅の修正を
行わなければ流路断面内速度が過小評価され、それに基
づいて計算される流れの角度も誤差が大きくなる。そこ
で本発明ではこの流路幅の修正量としてブロッケージ係
数を考慮にいれた。

【００４８】一方、羽根車出口の周方向速度成分Ｃｕ₂
は、すべり係数をσ、周方向からの羽根車出口角度をβ
₂、羽根車周速度をＵ₂とすると、Ｃｕ₂＝σＵ₂−Ｃｍ₂ｃｏｔβ₂ （１０）と表せる。従って、羽根車出口の流れ角、すなわちディ
フューザの羽根角度αは、 α＝ａｒｃｔａｎ（Ｃｍ₂／Ｃｕ₂）＝ａｒｃｔａｎ（Ｑ／（πσＤ₂Ｕ₂ｂ₂Ｂ−Ｑｃｏｔβ₂））（１１）となる。ここで、Ｋ₁＝（πＤ₂）²σｂ₂ｂ₂Ｂ，Ｋ₂＝ｃｏｔβ₂ （１２）と置き、Ｎを回転数とすると、 α＝ａｒｃｔａｎ（Ｑ／（Ｋ₁Ｎ−Ｋ₂Ｑ））（１３）となる。一方、圧縮性流体の場合、羽根車出口流量Ｑ₂
は、圧縮機入口・出口の圧力比をＰ_r、比熱比をκとす
ると、簡便的に、

【数７】と表せる。従って、

【数８】となるので、（１０），（１５）式から羽根車出口流れ
角すなわちディフューザ羽根角αは、

【数９】となる。本発明では、このように求めた流れ角に適当な
迎え角相当角をβを加えてディフューザ羽根角度を算出
し、これに合わせるようにディフューザ羽根を回転させ
る。

【００４９】

【実施例】以下、本発明に係る可変案内羽根付き流体機
械の実施例を図面を参照して説明する。図８及び図９
は、本発明が適用される第１の実施例の単段遠心圧縮機
を示す図であり、図８はその縦断面図、図９はその部分
側面図である。吸込配管１から流入する流体に羽根車２
によって運動エネルギーを与え、これをディフューザ３
に送って昇圧し、スクロール４から吐出配管５に送り出
すものであり、羽根車２の主軸は電動機に連結されてい
る。吸込配管１には流量検出装置Ｓ₀が設けられてお
り、この出力はＣＰＵ１２に入力される。下流側のディ
フューザ３には、回転自在にディフューザ羽根３ａが配
置され、これは伝達機構９を介してアクチュエータ１０
に接続されている。このアクチュエータ１０には制御駆
動装置１１が設けられ、これに制御信号を送るＣＰＵ１
２が接続されている。

【００５０】図１０は、この実施例の可変案内羽根付き
流体機械の処理手順を示すフローチャートである。回転
数制御をする場合には、ステップ１で回転数設定を行
う。なお、回転数制御をしない場合には、次のステップ
に進む。次に、ステップ２で吸込流量を測定し、ステッ
プ３で図４に示す無次元吸込流量とディフューザ羽根角
度との関係より流れ角αを決定するか、又はステップ
３’で上述した計算式から流れ角αを計算する。そし
て、ステップ４でこれに適当な迎え角相当角βを加算す
る。そして、ステップ５でアクチュエータ１０を作動し
て、図１１に示すようにディフューザ羽根角度の変更を
行う。回転数制御を行う場合には、ステップ６でヘッド
が所定値を満足するか否かを判定し、満足しない場合に
はステップ１に戻る。ヘッドが満足されている場合は、
そのまま運転を継続する。以上のような工程で、ディフ
ューザ羽根角度を測定吸込流量に基づいて制御して、安
定かつ高性能の運転がなされる。

【００５１】図１２ないし図１５は、この発明の第２の
実施例を示すもので、流体機械本体の構造としては、吸
込配管１に、扇状の入口案内羽根６が周方向に複数配置
され、これに、伝達機構７を介してアクチュエータ８が
連結されている点が先の実施例と異なっている。また、
この圧縮機には流体を冷却するガスクーラ１３が設けら
れている。

【００５２】この圧縮機には、図１４に示すように、本
体又は付属機械の各所にセンサが取り付けられている。
すなわち、Ｓ₁は電動機Ｍの入力電流を検出する電流計
であり、Ｓ₂，Ｓ₃は主軸のトルクを検出するトルクセン
サ及び回転数センサ、Ｓ₄は吸込配管１に設けられた吸
込圧力センサ、Ｓ₅ないしＳ₇は吐出配管に設けられた吐
出圧力センサ、流体速度センサ及び流体温度センサであ
り、Ｓ₈は吸込配管に設けられた吸込温度センサ、Ｓ₉及
びＳ₁₀はガスクーラ１３の入口と出口の温度センサＳ₁ ₁
は音センサ、Ｓ₁₂はバルブ開度計である。これらのセン
サＳ₁〜Ｓ₁₂は検出装置インタフェイス１４に接続さ
れ、これを介してＣＰＵ１２に入力される。

【００５３】図１５は、本発明の可変案内羽根付き流体
機械の処理手順を示すフローチャートである。まず、ス
テップ１で、羽根車２の回転数を所定の限界を超えない
適当な値に設定しておく。次にステップ２において、羽
根車２の回転数Ｎ、要求される流量Ｑ及びヘッドＨ等か
ら入口案内羽根６の角度αを決定する。次に、ステップ
３で状態量を測定し、ステップ４で図４に示す関係に基
づいて、或いはステップ４’で上記計算式に基づいてデ
ィフューザ羽根角度を決定する。

【００５４】次に、ステップ５で制御駆動装置及びアク
チュエータを作動して入口案内羽根６の角度制御を行
う。次に、ステップ６でヘッドＨが所定値であるかどう
かを判断し、所定値であれば、そこで運転を継続する。
ヘッドが所定値でない場合には、ステップ７でヘッドと
所定値の大小関係を判断し、ヘッドが小さい場合は、ス
テップ８で入口案内羽根６の角度を減少させる。

【００５５】次に、ステップ９で入口案内羽根角度が下
限値であるかどうか判断し、ＮＯであればステップ３に
戻ってそれ以降のステップを繰り返す。また、ＹＥＳで
あれば、ステップ１０において回転数が限界値であるか
を判断し、ＹＥＳであればそのままで運転を継続する。
この場合には、所望のヘッドは得られない。ＮＯであれ
ば、ステップ１１で回転数を（予め定めた所定量だけ）
増加させ、ステップ３に戻ってそれ以降のステップを繰
り返す。

【００５６】ステップ７でヘッドが所定値より大きいと
判断される場合は、ステップ１２で入口案内羽根角度を
増加させる。次に、ステップ１３で入口案内羽根角度が
上限値であるかどうか判断し、ＮＯであればステップ３
に戻ってそれ以降のステップを繰り返す。また、ＹＥＳ
であれば、ステップ１４で回転数を（予め定めた所定の
ピッチだけ）減少させ、ステップ３に戻ってそれ以降の
ステップを繰り返す。

【００５７】図１６に、従来のディフューザ羽根を固定
した装置での全体性能と、本発明による装置での性能の
比較を示す。本発明による装置の性能は従来のものに比
べて、広い範囲で安定したかつ高性能な運転できること
がわかる。

【００５８】

【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、広い流量範囲で安定して、かつ高性能で運転
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】無次元吸込流量と無次元ディフューザ損失との
関係を示す図である。

【図３】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４】吸込流量とディフューザ羽根角度との関係を示
す図である。

【図５】迎え角と静圧回復係数の関係を示すグラフであ
る。

【図６】流量と圧縮機の入口及び出口の温度差の関係を
示すグラフである。

【図７】流量と仕事係数の関係を示すグラフである。

【図８】本発明の可変案内羽根付き流体機械の第１の実
施例である単段遠心圧縮機を示す縦断面図である。

【図９】図８の部分側面図である。

【図１０】第１の実施例の可変案内羽根付き流体機械の
処理手順を示すフローチャートである。

【図１１】本発明の可変案内羽根付き流体機械における
羽根車出口の流体の状態を示す模式図である。

【図１２】本発明の可変案内羽根付き流体機械の第２の
実施例である単段遠心圧縮機を示す縦断面図である。

【図１３】図１２の部分側面図である。

【図１４】第２の実施例の可変案内羽根付き流体機械の
制御系を含めたブロック図である。

【図１５】第２の可変案内羽根付き流体機械の処理手順
を示すフローチャートである。

【図１６】本発明の一実施例の可変案内羽根付き流体機
械の効果を説明するグラフである。

【符号の説明】

２羽根車３ディフューザ部３ａディフューザ羽根８，１０アクチュエータＳ₀〜Ｓ₁₂ 検出装置１１制御駆動装置１２制御装置（ＣＰＵ）Ｍ電動機

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】羽根車と、ディフューザ羽根と、流体機械の吸込流量又は吸込流量の変化に基づいて変わ
る流体機械若しくは原動機の状態量を検出する検出装置
を具備し、予め求められた吸込流量又は状態量と羽根車から流出す
る流れ角度の関係に基づき、上記検出装置によって検出
された吸込流量又は状態量に対応する流れ角度を求め、
これに適当な迎え角相当角を加えてディフューザ羽根角
度を決定して、ディフューザ羽根角度を制御する制御装
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。
【請求項２】上記吸込流量とディフューザ羽根角度の
関係は、ほぼ直線的な関係であ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】上記直線関係は、羽根車の回転数によっ
て勾配が決まることを特徴とする請求項２に記載の可変
案内羽根付き流体機械。
【請求項４】上記制御装置は、上記ディフューザ羽根
角度を変えたときにヘッドが所定値を満足しない場合
に、流体機械の回転数制御を行う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】上記流体機械は入口案内羽根を有し、上
記制御装置は、上記ディフューザ羽根角度を変えたとき
にヘッドが所定値を満足しない場合に、流体機械の入口
案内羽根角度を変えることを特徴とする請求項１ないし
４のいずれかに記載の可変案内羽根付き流体機械。
【請求項６】羽根車と、ディフューザ羽根と、流体機械の吸込流量又は吸込流量の変化に基づいて変わ
る流体機械又は原動機の状態量を検出する検出装置を具
備し、吸込流量と羽根車から流出する流れ角度の下記の関係に
基づき、上記検出装置によって検出された吸込流量又は
状態量に対応する流れ角度を求め、これに適当な迎え角
相当角を加えてディフューザ羽根角度を決定して、ディ
フューザ羽根角度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。 α＝ａｒｃｔａｎ（Ｑ／（Ｋ₁Ｎ−Ｋ₂Ｑ））ここにおける記号は以下の通りである。 α：流れ角Ｑ：吸込流量Ｋ₁＝（πＤ₂）²σｂ₂Ｂ：定数Ｎ：回転数Ｋ₂＝ｃｏｔβ₂：定数 σ：すべり係数 β₂：周方向からの羽根出口角度Ｄ₂：羽根車外径ｂ₂：羽根車出口幅Ｂ：ブロッケージ係数
【請求項７】羽根車と、ディフューザ羽根と、流体機械の吸込流量又は吸込流量の変化に基づいて変わ
る流体機械若しくは原動機の状態量及び回転数を検出す
る検出装置を具備し、予め求められた吸込流量と羽根車から流出する流れ角度
の下記の関係に基づき、上記検出装置によって検出され
た吸込流量又は状態量及び回転数に対応する流れ角度を
求め、これに適当な迎え角相当角を加えてディフューザ
羽根角度を決定して、ディフューザ羽根角度を制御する
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。 α＝ａｒｃｔａｎ（Ｑ／（Ｋ₁Ｎ−Ｋ₂Ｑ））ここにおける記号は以下の通りである。 α：流れ角Ｑ：吸込流量Ｋ₁＝（πＤ₂）²σｂ₂Ｂ：定数Ｎ：回転数Ｋ₂＝ｃｏｔβ₂：定数 σ：すべり係数 β₂：周方向からの羽根出口角度Ｄ₂：羽根車外径ｂ₂：羽根車出口幅Ｂ：ブロッケージ係数
【請求項８】羽根車と、ディフューザ羽根と、流体機械の吸込流量又は吸込流量の変化に基づいて変わ
る流体機械若しくは原動機の状態量及び入口、出口の圧
力比を検出する検出装置を具備し、予め求められた吸込流量と羽根車から流出する流れ角度
の下記の関係に基づき、上記検出装置によって検出され
た吸込流量又は状態量及び入口、出口の圧力比に対応す
る流れ角度を求め、これに適当な迎え角相当角を加えて
ディフューザ羽根角度を決定して、ディフューザ羽根角
度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。【数１】ここにおける記号は以下の通りである。 α：流れ角Ｑ：吸込流量Ｋ₁＝（πＤ₂）²σｂ₂Ｂ：定数Ｎ：回転数Ｋ₂＝ｃｏｔβ₂：定数Ｐ_r：圧縮機入口出口圧力比 κ：比熱比 σ：すべり係数 β₂：周方向からの羽根出口角度Ｄ₂：羽根車外径ｂ₂：羽根車出口幅Ｂ：ブロッケージ係数
【請求項９】羽根車と、ディフューザ羽根と、流体機械の吸込流量又は吸込流量の変化に基づいて変わ
る流体機械若しくは原動機の状態量、羽根車の回転数お
よび入口、出口の圧力比を検出する検出装置を具備し、予め求められた吸込流量と羽根車から流出する流れ角度
の下記の関係に基づき、上記検出装置によって検出され
た吸込流量又は状態量及び回転数及び入口、出口の圧力
比に対応する流れ角度を求め、これに適当な迎え角相当
角を加えてディフューザ羽根角度を決定して、ディフュ
ーザ羽根角度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。【数２】ここにおける記号は以下の通りである。 α：流れ角Ｑ：吸込流量Ｋ₁＝（πＤ₂）²σｂ₂Ｂ：定数Ｎ：回転数Ｋ₂＝ｃｏｔβ₂：定数Ｐ_r：圧縮機入口出口圧力比 κ：比熱比 σ：すべり係数 β₂：周方向からの羽根出口角度Ｄ₂：羽根車外径ｂ₂：羽根車出口幅Ｂ：ブロッケージ係数