KR102223293B1 - 회전 기계, 회전 기계의 배기 부재 - Google Patents

Abstract

유로 내에서 박리가 발생하는 영역을 저감하고, 확경 유로에 있어서의 압력 회복의 효율을 높이는 것을 목적으로 한다. 레이디얼 터빈(10A)은, 중심축(C)을 중심으로 회전 가능하게 마련된 로터(12)와, 로터(12)의 외주부에 고정된 회전 날개(13)와, 로터(12) 및 회전 날개(13)의 외주 측에 마련되어, 그 내측에 작동 유체의 유로를 형성하는 케이싱(11)과, 회전 날개(13)보다 작동 유체의 흐름 방향의 하류 측에 마련되어, 하류 측을 향하여 작동 유체의 유로 단면적이 점차 축소되는 축소 유로부(16)와, 축소 유로부(16)의 하류 측에 마련되어, 하류 측을 향하여 작동 유체의 유로 단면적이 점차 확대되는 확대 유로부(17)를 구비한다.

Description

회전 기계, 회전 기계의 배기 부재

본 발명은, 회전 기계, 회전 기계의 배기 부재에 관한 것이다.

터보 차저에 이용되는 레이디얼 터빈(원심 터빈) 또는 축류 터빈, 용광로용의 축류 블로어 등의 회전 기계는, 케이싱과, 케이싱 내에 회전 가능하게 마련된 로터와, 로터의 외주부에 마련된 날개를 구비하고 있다. 이와 같은 회전 기계에는, 외부로부터 송입된 작동 유체에 의하여, 날개를 가진 로터가 회전하는 것이 있다. 또, 날개를 가진 로터를 외부로부터 전달되는 동력에 의하여 회전시킴으로써, 작동 유체를 송출하는 것도 있다.

그런데, 이와 같은 회전 기계에 있어서는, 성능의 관점에서, 날개를 거친 작동 유체의 유속을 효율 좋게 압력으로 변환하는 것이 요망된다.

따라서, 예를 들면 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같이, 작동 유체의 배기 유로에, 유로 단면적이 점차 확대되는 확경 유로(디퓨저)를 구비하는 구성이 다용되고 있다. 이와 같은 확경 유로를 마련함으로써, 압축된 작동 유체의 압력을 점차 저하시켜, 예를 들면 대기압 중에 배기할 수 있다.

일본 특허공보 제5040156호

그런데, 예를 들면, 도 11에 나타내는 바와 같이, 터보 차저에 이용되는 레이디얼 터빈(1)의 경우, 작동 유체는, 케이싱(2)의 외주 측으로부터 날개차(3)를 따라 흘러 방향을 변경하고, 날개차(3)의 내주 측으로부터 중심축 방향을 따라 배출된다. 이 경우, 날개차(3)의 중앙부(3c)의 하류 측에 있어서는, 날개차(3)의 내주 측으로부터 중심축 방향을 따라 유출되는 작동 유체의 일부가 박리되어, 박리 와류를 형성한다. 이 박리 와류를 생성하는 영역 S1은, 실질적으로 작동 유체가 흐르는 유로로서 기능하지 않는다. 이로 인하여, 그 하류 측에서 박리 와류가 생성되는 영역의 영향을 받는 확경 유로(4)에서는, 압력 회복의 효율이 저하되는 경우가 있다.

또, 도 12에 나타내는 바와 같이, 축류 블로어(5) 등의 경우, 케이싱(6)과, 케이싱(6) 내에 마련된 로터(7)와의 사이를 흐르는 작동 유체가, 동익(動翼)(8A)이나 정익(靜翼)(8B)의 하류 측에서 박리되는 경우가 있다. 예를 들면, 정익(8B)의 하류 측에서, 로터(7)의 표면을 따라 흐르는 작동 유체에 박리가 발생한 경우, 박리가 발생한 영역 S2는, 실질적으로 작동 유체가 흐르는 유로로서 기능하지 않는다. 이로 인하여, 그 하류 측에서 박리가 발생하는 영역 S2의 영향을 받는 확경 유로(9)에서는, 압력 회복의 효율이 저하되는 경우가 있다.

본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 유로 내에서 박리가 발생하는 영역을 저감하고, 확경 유로에 있어서의 압력 회복의 효율을 높일 수 있는 회전 기계, 회전 기계의 배기 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 회전 기계, 회전 기계의 배기 부재는 이하의 수단을 채용한다.

본 발명의 일 양태에 관한 회전 기계는, 중심축을 중심으로 회전 가능하게 마련된 로터와, 상기 로터의 외주부에 고정된 회전 날개와, 상기 로터 및 상기 회전 날개의 외주 측에 마련되어, 그 내측에 작동 유체의 유로를 형성하는 케이싱과, 상기 회전 날개보다 상기 작동 유체의 흐름 방향의 하류 측에 마련되어, 하류 측을 향하여 상기 작동 유체의 유로 단면적이 점차 축소되는 축소 유로부와, 상기 축소 유로부의 하류 측에 마련되어, 하류 측을 향하여 상기 작동 유체의 유로 단면적이 점차 확대되는 확대 유로부를 구비한다.

본 양태에 관한 회전 기계에 의하면, 회전 날개보다 작동 유체의 흐름 방향의 하류 측에 축소 유로부가 마련됨으로써, 작동 유체의 유로가 좁아진다. 이로써, 유로가 좁아진 부분에 있어서는, 작동 유체가 실질적으로 흐르는 영역에 대하여, 회전 날개의 하류 측에서 박리가 발생할 수 있는 영역이 상대적으로 감소한다. 이와 같이 하여 유로 내에서 작동 유체의 박리가 발생하는 영역을 저감할 수 있다. 이와 같은 축소 유로부를 거친 후에, 확대 유로부에서 작동 유체의 유로 단면적을 점차 확대시킴으로써, 작동 유체의 압력 회복의 효율을 높일 수 있다.

상기 회전 기계에 있어서, 상기 로터 및 상기 회전 날개보다 하류 측을 향하여 뻗고, 상기 작동 유체를 하류 측에 배출하는 배출부를 더 구비하며, 상기 축소 유로부 및 상기 확대 유로부는, 상기 배출부에 있어서 상기 로터의 상기 흐름 방향 하류 측의 단부보다 하류 측에 형성되어 있으면 더 적합하다.

이와 같은 회전 기계에 의하면, 로터의 하류 측의 단부에서는, 그 하류 측에서 작동 유체의 박리가 발생하기 쉽다. 이와 같은 구성에 있어서, 로터의 하류 측의 단부보다 하류 측에 축소 유로부를 마련함으로써, 작동 유체의 박리가 발생하는 영역을, 효과적으로 저감할 수 있다.

상기 회전 기계에 있어서, 상기 케이싱 및 상기 로터는, 상기 회전 날개보다 상기 흐름 방향의 하류 측을 향하여 뻗고, 상기 축소 유로부는, 상기 회전 날개보다 하류 측에서, 상기 케이싱 및 상기 로터 중 적어도 일방에 형성되어 있으면 더 적합하다.

이와 같은 회전 기계에 의하면, 케이싱 및 로터가, 회전 날개보다 하류 측에 연속하여 뻗어 있는 구성에 있어서, 작동 유체의 박리가 발생하는 영역을, 효과적으로 저감할 수 있다.

상기 회전 기계에 있어서, 상기 회전 날개보다 하류 측에 마련되어, 상기 케이싱으로부터 내주 측을 향하여 뻗는 정익을 더 구비하고, 상기 축소 유로부는, 상기 흐름 방향에 있어서 상기 정익이 마련되어 있는 영역에 형성되어 있으면 더 적합하다.

이와 같은 회전 기계에 의하면, 회전 날개의 하류 측에 마련된 정익의 부분에 있어서, 작동 유체의 박리가 발생하는 영역을 저감할 수 있다.

상기 회전 기계에 있어서, 상기 회전 날개보다 상류 측에 마련되어, 상기 케이싱으로부터 내주 측을 향하여 뻗는 정익을 더 구비하고, 상기 축소 유로부는, 상기 회전 날개보다 상기 작동 유체의 흐름 방향의 하류 측에 마련되어 있으면 더 적합하다.

이와 같은 회전 기계에 의하면, 회전 날개의 하류 측에 마련된 부분에 있어서, 작동 유체의 박리가 발생하는 영역을 저감할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 관한 회전 기계의 배기 부재는, 중심축을 중심으로 회전 가능하게 마련된 로터, 상기 로터의 외주부에 고정된 회전 날개, 및 상기 회전 날개의 외주 측에 마련되어, 그 내측에 작동 유체의 유로를 형성하는 케이싱을 구비한 회전 기계의 배기 부재로서, 상기 로터 및 상기 회전 날개보다 하류 측을 향하여 뻗도록 마련되어, 상기 작동 유체를 하류 측에 배출하는 배기 유로를 형성하는 통 형상의 배기 부재 본체와, 상기 배기 부재 본체의 내주면에 형성되어, 상기 작동 유체의 흐름 방향의 하류 측을 향하여 상기 작동 유체의 유로 단면적이 점차 축소되는 축소 유로부와, 상기 배기 부재 본체의 내주면의 상기 축소 유로부보다 하류 측에 형성되어, 하류 측을 향하여 상기 작동 유체의 유로 단면적이 점차 확대되는 확대 유로부를 구비한다.

본 양태에 관한 회전 기계의 배기 부재에 의하면, 이와 같은 배기 부재를 마련함으로써, 회전 날개보다 작동 유체의 흐름 방향의 하류 측에 축소 유로부가 마련되게 된다. 이로써, 유로 내에서 작동 유체의 박리가 발생하는 영역을 저감할 수 있다.

본 발명에 관한 회전 기계, 회전 기계의 배기 부재에 의하면, 유로 내에서 박리가 발생하는 영역을 저감하고, 확경 유로에 있어서의 압력 회복의 효율을 높일 수 있다

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 터보 차저에 이용되는 레이디얼 터빈의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 관한 터보 차저에 이용되는 레이디얼 터빈에 있어서의 유로 면적을 나타내는 도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시형태의 변형예에 관한 터보 차저에 이용되는 레이디얼 터빈의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시형태의 변형예에 관한 터보 차저에 이용되는 레이디얼 터빈에 있어서의 유로 면적을 나타내는 도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 관한 축류 블로어의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시형태에 관한 축류 블로어의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시형태의 변형예에 관한 축류 블로어의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시형태에 관한 축류 터빈의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 있어서의 유속 분포를 나타내는 도이다.
도 10은 본 발명의 비교예에 있어서의 유속 분포를 나타내는 도이다.
도 11은 종래의 터보 차저에 이용되는 레이디얼 터빈의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 12는 종래의 축류 블로어의 구성을 나타내는 단면도이다.

이하에, 본 발명에 관한 회전 기계, 회전 기계의 배기 부재의 일 실시형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.

〔제1 실시형태〕

이하, 본 발명의 제1 실시형태에 대하여, 도 1을 이용하여 설명한다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 터보 차저에 이용되는 레이디얼 터빈(회전 기계)(10A)은, 케이싱(11)과, 로터(12)와, 회전 날개(13)를 구비하고 있다.

케이싱(11)은, 레이디얼 터빈(10A)의 외각(外殼)을 형성한다. 케이싱(11)은, 중공이고 그 내부에 로터(12)를 수용하는 로터 하우징(11R)과, 회전 날개(13)의 외주 측을 둘러싸도록 마련된 배기 부재(배출부, 배기 부재 본체)(15A) 등을 구비하고 있다.

또, 케이싱(11)에는, 내연 기관의 배기 가스 등의 작동 유체를 직경 방향 외측으로부터 도입하는 도시하지 않는 흡기구를 갖는 흡기 케이싱이나, 정지 날개가 접속된다.

로터(12)는, 케이싱(11) 내에, 도시하지 않는 베어링을 개재하여 중심축(C)을 중심으로 회전 가능하게 지지된 회전축(12s)과, 회전축(12s)의 중심축(C) 방향의 일방의 단부에 마련된 디스크부(14)를 구비하고 있다.

디스크부(14)는, 중심축(C)을 포함하는 중앙부에 형성된 보어부(14b)와, 보어부(14b)의 외주 측에, 중심축(C) 방향의 일방 측을 향하여 형성된 편향면(14f)을 구비하고 있다. 편향면(14f)은, 중심축(C) 방향의 일방 측으로부터 타방 측을 향하여 외경이 점차 확대되는 오목 형상 만곡면에 의하여 형성되고, 직경 방향 외측의 흡기구(11a)로부터 직경 방향 내측을 향하여 도입한 작동 유체의 흐름 방향을 중심축(C) 방향으로 편향시킨다.

회전 날개(13)는, 디스크부(14)의 편향면(14f)에, 중심축(C)을 중심으로 한 둘레 방향으로 간격을 두고 복수가 마련되어 있다.

상기 케이싱(11)은, 복수의 회전 날개(13)를, 중심축(C) 방향의 일방 측으로부터 덮도록 마련된 슈라우드부(18)를 구비하고 있다.

배기 부재(15A)는, 슈라우드부(18)에 연속하여, 회전 날개(13)보다 작동 유체의 흐름 방향의 하류 측, 즉 중심축(C) 방향의 일방 측에 마련되어 있다. 이 배기 부재(15A)는, 통 형상이고, 그 내측에, 디스크부(14)의 내주 측(보어부(14b)의 외주 측)으로부터 중심축(C) 방향의 일방 측(하류 측)을 향하여 흐르는 작동 유체의 배기 유로(102)를 형성한다.

이 배기 부재(15A)는, 그 내주면(15f)에, 축소 유로부(16)와, 축소 유로부(16)의 하류 측에 마련된 확대 유로부(17)를 구비하고 있다. 이들 축소 유로부(16) 및 확대 유로부(17)는, 배기 부재(15A)에 있어서 로터(12)의 흐름 방향 하류 측에 위치하는 보어부(14b)의 단부면(단부)(14g)보다 하류 측에 형성되어 있다.

축소 유로부(16)는, 하류 측을 향하여 그 내경이 점차 축소됨으로써, 작동 유체의 유로 단면적이 점차 축소되도록 형성되어 있다. 확대 유로부(17)는, 축소 유로부(16)의 하류 측에 연속하여 형성되고, 하류 측을 향하여 그 내경이 점차 확대됨으로써, 작동 유체의 유로 단면적이 점차 확대되도록 형성되어 있다.

상기한 바와 같은 레이디얼 터빈(10A)에 있어서는, 흡기구(11a)로부터 도입한 작동 유체는, 디스크부(14)의 편향면(14f)과 슈라우드부(18)와의 사이의 유로(101)에 직경 방향 외측으로부터 내측을 향하여 유입된다. 이 유로(101)에 유입된 작동 유체가 회전 날개(13)에 충돌함으로써, 로터(12)가 중심축을 중심으로 회전하고, 로터(12)의 타방의 단부에 연결된 압축기(도시하지 않음) 등을 구동한다. 작동 유체는, 디스크부(14)의 내주 측(보어부(14b)의 외주 측)으로부터 중심축(C) 방향의 일방 측(하류 측)을 향하여 유출되어, 배기 부재(15A)의 내측의 배기 유로(102)를 지나 외부에 배출된다.

여기에서, 배기 부재(15A) 내에 있어서, 디스크부(14)의 편향면(14f)을 따라 흘러 온 작동 유체의 일부는, 디스크부(14)의 보어부(14b)의 단부면(14g)의 하류 측에서 박리되어 와류를 생성한다. 이로써, 보어부(14b)의 단부면(14g)의 하류 측에는, 박리 와류가 생성되는 영역 S21이 형성된다. 한편, 배기 부재(15A) 내에 있어서, 중심축(C) 방향을 따라 하류 측에 흐르는 작동 유체는, 내주면(15f)에 형성된 축소 유로부(16)를 따름으로써, 직경 방향 내측으로 편향된다. 축소 유로부(16)를 거친 작동 유체는, 확대 유로부(17)에 있어서, 그 유로 단면적이 점차 확대됨으로써, 유속이 저하되고, 배기 부재(15A)의 출구로부터, 외부의 예를 들면, 대기압으로 해방된다.

이와 같이 하여, 축소 유로부(16)를 구비함으로써, 배기 부재(15A) 내의 배기 유로(102)의 중앙부에 형성된, 박리 와류가 생성되는 영역 S21은, 직경 방향 치수가 작아지고, 이 영역 S21의 외주 측에서 작동 유체가 하류 측에 흐르는 영역 S22의 단면적(이하, 이것을 유효 유로 면적이라고 칭함)이 상대적으로 커진다.

도 2는, 배기 부재(15A)의 유로 면적 M1과, 박리 와류가 생성되는 영역 S21을 제외한 작동 유체가 흐르는 영역 S22의 유효 유로 면적 M2와, 축소 유로부(16)를 구비하지 않는 경우(도 11에 나타낸 구성)에 있어서 박리 와류가 생성되는 영역 S21을 제외한 작동 유체가 흐르는 영역의 유효 유로 면적 M0을 나타내는 것이다. 이 도 2에 나타내는 바와 같이, 축소 유로부(16)를 구비함으로써, 작동 유체가 흐르는 영역 S22의 유효 유로 면적 M2가 커진다.

상술한 바와 같은 레이디얼 터빈(10A) 및 배기 부재(15A)에 의하면, 회전 날개(13)보다 작동 유체의 흐름 방향의 하류 측에 축소 유로부(16)가 마련됨으로써, 작동 유체의 유로(102)가 좁아진다. 이로써, 유로가 좁아진 부분에 있어서는, 작동 유체가 실질적으로 흐르는 영역 S22에 대하여, 회전 날개(13)의 하류 측에서 박리가 발생할 수 있는 영역 S21이 상대적으로 감소하게 된다. 이와 같이 하여 유로 내에서 작동 유체의 박리가 발생하는 영역 S21을 저감할 수 있다. 이와 같은 축소 유로부(16)를 거친 후에, 확대 유로부(17)에서 작동 유체의 유로 단면적을 점차 확대시킴으로써, 작동 유체의 압력 회복의 효율을 높일 수 있다.

또, 디스크부(14)의 보어부(14b)의 하류 측의 단부면(14g)의 하류 측에 축소 유로부(16)를 마련함으로써, 작동 유체의 박리가 발생하는 영역 S21을, 효과적으로 저감할 수 있다.

〔제1 실시형태의 변형예〕

도 3에 나타내는 바와 같이, 터보 차저에 이용되는 레이디얼 터빈(회전 기계)(10B)의 배기 부재(배출부, 배기 부재 본체)(15B)는, 케이싱(11)의 슈라우드부(18)에 연속하여, 회전 날개(13)보다 작동 유체의 흐름 방향의 하류 측, 즉 중심축(C) 방향의 일방 측에 마련되어 있다. 이 배기 부재(15B)는, 통 형상이고, 그 내측을, 디스크부(14)의 내주 측(보어부(14b)의 외주 측)으로부터 하류 측을 향하여 흐르는 작동 유체의 배기 유로(102)를 형성한다.

이 배기 부재(15B)는, 그 내주면(15f)에, 상류 측으로부터 하류 측을 향하여, 스트레이트 유로부(20)와, 제1 확대 유로부(21)와, 축소 유로부(22)와, 축소 유로부(22)의 하류 측에 마련된 제2 확대 유로부(23)를 구비하고 있다. 이들 제1 확대 유로부(21), 축소 유로부(22) 및 제2 확대 유로부(23)는, 배기 부재(15B)에 있어서 로터(12)의 흐름 방향 하류 측에 위치하는 보어부(14b)의 단부면(14g)보다 하류 측에 형성되어 있다.

스트레이트 유로부(20)는, 중심축(C) 방향에 있어서, 일정한 내경을 갖고 있다.

제1 확대 유로부(21)는, 하류 측을 향하여 그 내경이 점차 확대됨으로써, 작동 유체의 유로 단면적이 점차 확대되도록 형성되어 있다.

축소 유로부(22)는, 하류 측을 향하여 그 내경이 점차 축소됨으로써, 작동 유체의 유로 단면적이 점차 축소되도록 형성되어 있다. 제2 확대 유로부(23)는, 축소 유로부(22)의 하류 측에 연속하여 형성되고, 하류 측을 향하여 그 내경이 점차 확대됨으로써, 작동 유체의 유로 단면적이 점차 확대되도록 형성되어 있다.

도 4는, 배기 부재(15B)의 유로 면적 M11과, 박리 와류가 생성되는 영역 S21을 제외한 작동 유체가 흐르는 영역 S22의 유효 유로 면적 M12와, 축소 유로부(22)를 구비하지 않는 경우(도 11에 나타낸 구성)에 있어서 박리 와류가 생성되는 영역 S21을 제외한 작동 유체가 흐르는 영역의 유효 유로 면적 M0을 나타내는 것이다. 이 도 4에 나타내는 바와 같이, 축소 유로부(22)를 구비함으로써, 작동 유체가 흐르는 영역 S22의 유효 유로 면적 M12가 커진다.

이와 같은 배기 부재(15B)에 있어서도, 상기 제1 실시형태의 배기 부재(15A)와 동일하게, 축소 유로부(22)가 마련됨으로써, 회전 날개(13)의 하류 측에서 박리가 발생할 수 있는 영역 S21을 저감하고, 작동 유체가 실질적으로 흐르는 영역 S22의 유효 유로 단면적을 증가시킬 수 있다. 이와 같은 축소 유로부(22)를 거친 후에, 제2 확대 유로부(23)에서 작동 유체의 유로 단면적을 점차 확대시킴으로써, 작동 유체의 압력 회복의 효율을 높일 수 있다.

〔제2 실시형태〕

다음으로, 본 발명에 관한 회전 기계, 회전 기계의 배기 부재의 제2 실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 상기 제1 실시형태와 공통되는 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 축류 블로어(회전 기계)(10C)는, 케이싱(31C)과, 회전축(로터)(32)과, 동익(회전 날개)(33)과, 정익(34)을 구비하고 있다.

케이싱(31C)은, 중심축(C) 방향을 따라 뻗는 통 형상을 이루고 있다.

회전축(32)은, 케이싱(31C)의 내측에서, 도시하지 않는 베어링에 의하여 중심축(C)을 중심으로 회전 가능하게 지지되어 있다. 이 회전축(32)은, 도시하지 않는 터빈 등에 의하여 중심축(C)을 중심으로 회전 구동된다.

이들 케이싱(31C)의 내주면과 회전축(32)의 외주면과의 사이의 단면 환 형상의 영역에, 작동 유체의 유로(103)가 형성된다.

동익(33)은, 회전축(32)의 외주부에, 중심축(C)을 중심으로 한 둘레 방향으로 간격을 두고 복수가 마련되어 있다. 각 동익(33)은, 회전축(32)의 외주면으로부터 직경 방향 외측으로 뻗도록 형성되어 있다.

정익(34)은, 중심축(C) 방향에 있어서, 동익(33)의 하류 측에 배치되어 있다. 정익(34)은, 케이싱(31C)의 내측에, 중심축(C)을 중심으로 한 둘레 방향으로 간격을 두고 복수가 마련되어 있다. 각 정익(34)은, 케이싱(31C)으로부터 내주 측을 향하여 뻗도록 형성되어 있다.

상기 케이싱(31C) 및 회전축(32)은, 이들 동익(33) 및 정익(34)보다 흐름 방향의 하류 측을 향하여 뻗어 있다. 케이싱(31C)에 있어서, 동익(33) 및 정익(34)보다 하류 측에는, 축소 유로부(36C)와, 확대 유로부(37)가 형성되어 있다.

이들 축소 유로부(36C), 확대 유로부(37)는, 케이싱(31C)의 내주면(31f)에 형성되어 있다. 축소 유로부(36C)는, 하류 측을 향하여 케이싱(31C)의 내경이 축소됨으로써, 작동 유체의 유로 단면적이 점차 축소되고 있다. 여기에서, 도 5에 나타내는 바와 같이, 축소 유로부(36C)는, 흐름 방향에 있어서 정익(34)이 마련되어 있는 영역에 형성되어 있어도 된다.

확대 유로부(37)는, 축소 유로부(36C)의 하류 측에 마련되고, 하류 측을 향하여 케이싱(31C)의 내경이 점차 확대됨으로써, 작동 유체의 유로 단면적이 점차 확대되고 있다.

상술한 바와 같은 축류 블로어(10C)에 의하면, 동익(33), 정익(34)을 거친 작동 유체는, 그 흐름 방향의 하류 측에 축소 유로부(36C)가 마련됨으로써, 작동 유체의 유로가 좁아진다. 이로써, 유로가 좁아진 부분에 있어서는, 케이싱(31C)과 회전축(32)과의 사이의 유로(103)에 있어서, 작동 유체가 실질적으로 흐르는 영역 S22의 단면적이, 상대적으로 커진다. 이로써, 동익(33)의 하류 측에서 박리가 발생할 수 있는 영역 S21이 상대적으로 감소한다. 이와 같은 축소 유로부(36C)를 거친 후에, 확대 유로부(37)에서 작동 유체의 유로 단면적을 점차 확대시킴으로써, 작동 유체의 압력 회복의 효율을 높일 수 있다.

〔제3 실시형태〕

다음으로, 본 발명에 관한 회전 기계, 회전 기계의 배기 부재의 제3 실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 상기 제2 실시형태와 공통되는 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 축류 블로어(회전 기계)(10D)는, 케이싱(31D)과, 회전축(로터)(32D)과, 동익(33)과, 정익(34)을 구비하고 있다.

케이싱(31D)은, 중심축(C) 방향을 따라 뻗는 통 형상을 이루고 있다.

회전축(32D)은, 케이싱(31D)의 내측에서, 도시하지 않는 베어링에 의하여 중심축(C)을 중심으로 회전 가능하게 지지되어 있다. 이 회전축(32D)은, 도시하지 않는 터빈 등에 의하여 중심축(C)을 중심으로 회전 구동된다.

이들 케이싱(31D)의 내주면과 회전축(32D)의 외주면과의 사이의 단면 환 형상의 영역에, 작동 유체의 유로(103)가 형성된다.

동익(33)은, 회전축(32D)의 외주부에, 중심축(C)을 중심으로 한 둘레 방향으로 간격을 두고 복수가 마련되어 있다. 각 동익(33)은, 회전축(32D)의 외주면으로부터 직경 방향 외측으로 뻗도록 형성되어 있다.

정익(34)은, 중심축(C) 방향에 있어서, 동익(33)의 하류 측에 배치되어 있다. 정익(34)은, 케이싱(31D)의 내측에, 중심축(C)을 중심으로 한 둘레 방향으로 간격을 두고 복수가 마련되어 있다. 각 정익(34)은, 케이싱(31D)으로부터 내주 측을 향하여 뻗도록 형성되어 있다.

상기 케이싱(31D) 및 회전축(32D)은, 이들 동익(33) 및 정익(34)보다 흐름 방향의 하류 측을 향하여 뻗어 있다. 회전축(32D)의 외주면에는, 동익(33) 및 정익(34)보다 하류 측에, 축소 유로부(36D)가 형성되어 있다. 또, 케이싱(31D)의 내주면에는, 축소 유로부(36D)보다 하류 측에, 확대 유로부(37)가 형성되어 있다.

축소 유로부(36D)는, 하류 측을 향하여 회전축(32D)의 외경이 확대됨으로써, 작동 유체의 유로 단면적이 점차 축소되고 있다. 여기에서, 도 6에 나타내는 바와 같이, 축소 유로부(36D)는, 흐름 방향에 있어서 정익(34)이 마련되어 있는 영역에 형성되어 있다.

확대 유로부(37)는, 축소 유로부(36D)의 하류 측에 마련되고, 하류 측을 향하여 케이싱(31D)의 내경이 점차 확대됨으로써, 작동 유체의 유로 단면적이 점차 확대되고 있다.

상술한 바와 같은 축류 블로어(10D)에 의하면, 동익(33), 정익(34)을 거친 작동 유체는, 그 흐름 방향의 하류 측에 축소 유로부(36D)가 마련됨으로써, 작동 유체의 유로가 좁아진다. 이로써, 유로가 좁아진 부분에 있어서는, 케이싱(31D)과 회전축(32D)과의 사이의 유로(103)에 있어서, 작동 유체가 실질적으로 흐르는 영역 S32의 단면적이, 상대적으로 커진다. 이로써, 동익(33)의 하류 측에서 박리가 발생할 수 있는 영역 S31이 상대적으로 감소한다. 이와 같은 축소 유로부(36D)를 거친 후에, 확대 유로부(37)에서 작동 유체의 유로 단면적을 점차 확대시킴으로써, 작동 유체의 압력 회복의 효율을 높일 수 있다.

〔제3 실시형태의 변형예〕

또한, 상기 제3 실시형태에 있어서, 축소 유로부(36D)를, 흐름 방향에 있어서 정익(34)이 마련되어 있는 영역에 마련하도록 했지만, 이것에 한정되지 않는다.

예를 들면, 도 7에 나타내는 바와 같이, 축류 블로어(회전 기계)(10E)의 회전축(로터)(32E)에 형성된 축소 유로부(36E)를, 정익(34)보다 하류 측에 마련해도 된다.

〔제4 실시형태〕

다음으로, 본 발명에 관한 회전 기계, 회전 기계의 배기 부재의 제4 실시형태에 대하여 설명한다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 축류 터빈(회전 기계)(10F)은, 터빈 하우징(41)과, 로터(42)와, 정익(43)과, 동익(회전 날개)(44)과, 배기 케이싱(케이싱)(45)을 구비하고 있다.

터빈 하우징(41)은, 중심축(C) 방향을 따라 뻗는 통 형상을 이루고 있다.

정익(43)은, 터빈 하우징(41)의 내측에, 중심축(C)을 중심으로 한 둘레 방향으로 간격을 두고 복수가 마련되어 있다. 각 정익(43)은, 터빈 하우징(41)으로부터 내주 측을 향하여 뻗도록 형성되어 있다.

로터(42)는, 도시하지 않는 베어링에 의하여 중심축(C)을 중심으로 회전 가능하게 지지되어 있다.

동익(44)은, 로터(42)의 외주부에, 중심축(C)을 중심으로 한 둘레 방향으로 간격을 두고 복수가 마련되어 있다. 각 동익(44)은, 로터(42)의 외주면으로부터 직경 방향 외측으로 뻗도록 형성되어 있다. 동익(44)은, 중심축(C) 방향에 있어서, 정익(43)의 하류 측에 배치되어 있다.

배기 케이싱(45)은, 터빈 하우징(41)의 하류 측에 접속되어 있다. 배기 케이싱(45)은, 동익(44)의 직경 방향 외측에 위치하는 외주 케이싱부(45a)와, 외주 케이싱부(45a)에 대하여 직경 방향 내측에 간격을 두고 마련된 내주 케이싱부(45b)를 구비하고 있다. 내주 케이싱부(45b)는, 중심축(C) 방향을 따라 뻗는 통 형상을 이루고, 로터(42)의 회전축(42s)의 외주 측에 마련되어 있다. 이들 배기 케이싱(45)의 외주 케이싱부의 내주면과 내주 케이싱부(45b)의 외주면과의 사이의 단면 환 형상의 영역에, 작동 유체의 배기 유로(104)가 형성된다.

상기 배기 케이싱(45)은, 이들 정익(43) 및 동익(44)보다 흐름 방향의 하류 측을 향하여 뻗어 있다. 내주 케이싱부(45b)의 외주면에는, 정익(43) 및 동익(44)보다 하류 측에, 축소 유로부(46)가 형성되어 있다. 또, 터빈 하우징(41)의 내주면에는, 축소 유로부(46)보다 하류 측에, 확대 유로부(47)가 형성되어 있다.

축소 유로부(46)는, 하류 측을 향하여 내주 케이싱부(45b)의 외경이 확대됨으로써, 작동 유체의 유로 단면적이 점차 축소되고 있다.

확대 유로부(47)는, 축소 유로부(46)의 하류 측에 마련되고, 하류 측을 향하여 외주 케이싱부(45a)의 내경 및 내주 케이싱부(45b)의 외경이 점차 확대됨으로써, 작동 유체의 유로 단면적이 점차 확대되고 있다.

상술한 바와 같은 축류 터빈(10F)에 의하면, 정익(43), 동익(44)을 거친 작동 유체는, 그 흐름 방향의 하류 측에 축소 유로부(46)가 마련됨으로써, 작동 유체의 유로가 좁아진다. 이로써, 동익(44)의 하류 측에서 박리가 발생할 수 있는 영역이 상대적으로 감소한다. 이와 같은 축소 유로부(46)를 거친 후에, 확대 유로부(47)에서 작동 유체의 유로 단면적을 점차 확대시킴으로써, 작동 유체의 압력 회복의 효율을 높일 수 있다.

또한, 상기 실시형태에 있어서, 레이디얼 터빈(10A, 10B)과, 축류 블로어(10C, 10D), 축류 터빈(10F)을 예시했지만, 본 발명은, 예를 들면 사류식(斜流式) 터빈 등, 상기한 것 이외의 회전 기계에 적용 가능하다. 또, 레이디얼 터빈(10A, 10B), 축류 블로어(10C, 10D), 축류 터빈(10F)은, 각부의 구성을, 상기 실시형태 및 그 변형예에서 나타낸 구성과 다르게 해도 된다.

또, 축소 유로부는, 회전 날개보다 작동 유체의 흐름 방향의 하류 측에 마련되는 것이면, 축소 유로부를 형성하는 볼록 형상은 케이싱 측, 로터 측 중 어느 측에 마련해도 되고, 케이싱 측과 로터 측의 쌍방에 볼록 형상을 마련해도 된다.

또한, 케이싱은, 단일 부품으로 구성해도 되고, 복수 부품을 조합함으로써 구성해도 된다.

실시예

상기 제1 실시형태에서 나타낸 구성에 대하여, 효과를 확인했으므로, 이하에, 그 결과를 나타낸다.

실시예로서는, L자 형상의 배기 부재를 이용했다. 이 배기 부재는, 하류 측을 향하여 그 내경이 점차 확대되는 확대 유로부의 상류 측에, 축소 유로부를 구비하고 있다.

비교예로서, 확경 유로부의 상류 측에, 하류 측을 향하여 그 내경이 점차 축소되는 축소 유로부를 구비하지 않은 배기 부재를 이용했다.

상기의 실시예 및 비교예에 대하여, 컴퓨터 해석에 의하여, 배기 부재의 내부에 있어서의 유속 분포를 구했다.

그 결과를, 도 9 및 도 10에 나타낸다.

도 9에 나타내는 바와 같이, 축소 유로부를 가진 실시예에 있어서는, 도 10에 나타내는 비교예와 비교하면, 축소 유로부에 있어서, 유로 중앙부의 유속이 낮은 부분이 축소되어 있다. 따라서, 유로 내에서 박리가 발생하는 영역을 저감하고, 그 하류 측의 확대 유로부에 있어서 압력 회복의 효율을 높일 수 있다.

10A, 10B 레이디얼 터빈(회전 기계)
10C, 10D, 10E 축류 블로어(회전 기계)
10F 축류 터빈(회전 기계)
11 케이싱
12 로터
13 회전 날개
14g 단부면(단부)
15A, 15B 배기 부재(배출부, 배기 부재 본체)
15f 내주면
16, 22, 36C, 36D, 36E 축소 유로부
17, 37 확대 유로부
23 제2 확대 유로부(확대 유로부)
31C, 31D 케이싱
31f 내주면
32, 32D, 32E 회전축(로터)
33 동익(회전 날개)
34 정익
42 로터
43 정익
44 동익(회전 날개)
45 배기 케이싱(케이싱)
C 중심축

Claims (6)

1. 중심축을 중심으로 회전 가능하게 마련된 로터와,
   상기 로터의 외주부에 고정된 회전 날개와,
   상기 로터 및 상기 회전 날개의 외주 측에 마련되어, 그 내측에 작동 유체의 유로를 형성하는 케이싱과,
   상기 회전 날개보다 상기 작동 유체의 흐름 방향의 하류 측에 마련되어, 하류 측을 향하여 상기 작동 유체의 유로 단면적이 점차 축소되는 축소 유로부와,
   상기 축소 유로부의 하류 측에 마련되어, 하류 측을 향하여 상기 작동 유체의 유로 단면적이 점차 확대되는 확대 유로부를 구비하고,
   상기 로터 및 상기 회전 날개보다 하류 측을 향하여 뻗고, 상기 작동 유체를 하류 측에 배출하는 배출부를 더 구비하며,
   상기 축소 유로부 및 상기 확대 유로부는, 상기 배출부에 있어서, 상기 로터의 상기 흐름 방향 하류 측에 위치하는 보어부의 단부면보다 더 하류 측에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 레이디얼 터빈.
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6. 중심축을 중심으로 회전 가능하게 마련된 로터, 상기 로터의 외주부에 고정된 회전 날개, 및 상기 회전 날개의 외주 측에 마련되어, 그 내측에 작동 유체의 유로를 형성하는 케이싱을 구비한 레이디얼 터빈의 배기 부재로서,
   상기 로터 및 상기 회전 날개보다 하류 측을 향하여 뻗도록 마련되어, 상기 작동 유체를 하류 측에 배출하는 배기 유로를 형성하는 통 형상의 배기 부재 본체와,
   상기 배기 부재 본체의 내주면에 형성되어, 상기 작동 유체의 흐름 방향의 하류 측을 향하여 상기 작동 유체의 유로 단면적이 점차 축소되는 축소 유로부와,
   상기 배기 부재 본체의 내주면의 상기 축소 유로부보다 하류 측에 형성되어, 하류 측을 향하여 상기 작동 유체의 유로 단면적이 점차 확대되는 확대 유로부를 구비하고,
   상기 로터 및 상기 회전 날개보다 하류 측을 향하여 뻗고, 상기 작동 유체를 하류 측에 배출하는 배출부를 더 구비하며,
   상기 축소 유로부 및 상기 확대 유로부는, 상기 배출부에 있어서, 상기 로터의 상기 흐름 방향 하류 측에 위치하는 보어부의 단부면보다 더 하류 측에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이디얼 터빈의 배기 부재.
   

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