WO2004051091A1 - 遠心圧縮機用ディフューザ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

従来使用されている二次元翼形状のディフューザ翼の負圧面のすくなくともスロート部をボールエンドミルで切削して、凹面状とする。スロート部においては、凹面の底に向かうほど気体の圧力は高圧となるので、凹面底からハブ端及びシェラウド端に向かって気体が流動し、ハブ端及びシェラウド端に形成される境界層は薄くなる。

Description

明 細 書 遠心圧縮機用ディ フユ一ザ及びその製造方法 技術分野

本発明は、 遠心圧縮機用ディフューザ及びその製造方法に係り、 特にイ ンシデンス損失を低減可能で、 かつ、 スロー ト部の減速損失 を低減可能な遠心圧縮機用ディフューザ及びその製造方法に関する

背景技術

気体を圧縮して昇圧する圧縮機の一形式と して、 遠心圧縮機が公 知である。

図 1 は遠心圧縮機の断面図であって、 回転軸 1 1 に取り付けられ たイ ンペラ 1 2 とケーシング 1 3から構成される。 ケーシング 1 3 の内部にはィンペラ格納部、 ディフューザ部及び渦巻き状のスク 口 ールが形成されている。

インペラ 1 2には羽根 1 4が取り付けられており、 矢印 1 5方向 に流入した気体はィ ンペラ 1 2によって加速され、 遠心圧縮機の半 径方向 1 6に流出する。 イ ンペラ 1 2外周のディフューザ部には、 半径方向 1 6に流出した流体の動圧を靜圧に変換するディフューザ 翼 1 7が配置されている。 即ち、 ディ フューザ翼 1 7はケーシング 1 3のディフューザ部の前方内壁に嵌めこまれた輪状円盤 1 8上に 取り付けられており、 ディ フューザ翼 1 7はケーシング内ディフユ 一ザ部の後方内壁に向かって （高さ方向に） 伸延する。

図 2は従来使用されているディ フューザの斜視図であって、 輪状 円盤 1 8に翼形状の二次元ディフユ一ザ翼 1 7が複数枚取り付けら れている。 なお、 ディ フューザ 1 7翼の A— A断面は矩形である。 ディ フューザ翼 1 7 と輪状円盤 1 8の接続部を円弧状面とする と と もに、 この円弧状面の曲率半径の中心を結ぶ曲線がディ フューザ翼 1 7に沿う滑らかな曲線となって、 ディ フューザ翼 1 7の上流側で 交差し、 交差点によ り峰線を形成するこ とによ り失速さ らにはサー ジングを防止できるディ フユ一ザ翼も提案されており 、 例えば特開 平 1 0— 7 7 9 9 7号公報に開示されている。

イ ンペラ 1 2から流出した気体は矢印 2 0方向からディ フューザ 部に流入するが、 この気体の速度べク トルが輪状円盤 1 8の円周に 沿う軸となす角度を流れ角 c と称する。 流れ角 αはディ フューザ翼 1 7の輪状円盤 1 8への取り付け側 （シユラウ ド端 S ) とケーシン グ後方内壁側 （ハブ端 Η) においてはほぼ零であり、 中間領域にお いて正となる放物線状の高さ方向分布を有する。

図 3は流れ角のディ フューザ翼高さ方向の分布を示すグラフであ つて、 横軸はディ フユ一ザ翼高さを、 縦軸は流れ角 αを表す。 ディ フューザ翼 1 7はディ フューザ設置部のイ ンペラからスク ロールに 向かう方向 （長さ方向） に斜めに輪状円盤 1 8に取り付けられてい るが、 ディ フューザ 1 7に流入する気体が衝突する面を負圧面、 負 圧面の裏面を圧力面と呼ぶ。 負圧面及び圧力面が輪状円盤 1 8の円 周に沿う軸となす角度をそれぞれ負圧面翼角 a_{k s ue}及び圧力面翼角 c _{k P} r _eと呼ぶが、 負圧面翼角 a_{k sue}及び圧力面翼角 c _{kp r e}はディ フ ユーザ翼 1 7の高さ方向でほぼ一定である。

ここで、 流れ角ひ と負圧面翼角ひ _{k s u c}の差 （ひ 一 ひ _{k s u c}) をイ ン シデンス I n と定義する と、 ディ フューザ翼 1 7のハブ端 H及びシ ェラウ ド端 S近傍 （図 3の斜線部） でィ ンシデンス I nは負となる 。 このため、 ディ フューザ翼 1 7のハブ端 H及びシェラウ ド端 S近 傍の負圧面で境界層厚さが増し、 損失が増大する。 発明の開示

本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、 ディフューザ翼 のハブ端及びシェラウ ド端近傍での負圧面の境界層の生成を抑制し 、 圧損を低減するこ との可能な遠心圧縮機用ディフューザ及びその 製作方法を提供することを目的とする。

第一の発明に係る遠心圧縮機用ディフューザは、 流体の流れ方向 に直角な断面形状の負圧面が、 圧力面に向う凹形であるディフュー ザ翼を具備する。

第二の発明に係る遠心圧縮機用ディ フューザは、 流体の流れ方向 に直角な断面形状の負圧面と、 シェラウ ド面及びハブ面と成す角度 の少なく とも一方が鋭角であるディフューザ翼を具備する。

第三の発明に係る遠心圧縮機用ディ フューザは、 少なく ともス ロ — ト部及びその上流の流体の流れ方向に直角な断面形状の負圧面が 、 圧力面に向う凹形であるディフューザ翼を具備する。

第四の発明に係る遠心圧縮機用ディフューザは、 少なく ともス ロ ー ト部及びその上流の流体の流れ方向に直角な断面形状の負圧面と 、 シェラウ ド面及びハブ面と成す角度の少なく とも一方が鋭角であ るディフューザ翼を具備する。

第一から第四の発明にあっては、 少なく ともス ロ ート部の負圧面 が凹面に形成され、 シェラウ ド端及びハブ端近傍の負圧面における 境界層の生成が抑制される。

第五の遠心圧縮機用ディフューザの製造方法は、 二次元翼形状の ディ フューザ翼を製造するディ フューザ翼製造段階と、 ディフュー ザ翼製造段階で製造されたディ フューザ翼の一方の側面をボールェ ン ドミルで凹形に切削する切削段階を具備する。

第五の発明にあっては、 ディ フューザ翼は二次元翼形状のディ フ ユーザ翼の一方の側面をボールェン ドミルで切削することによ り製 造される。 図面の簡単な説明

図 1 は、 遠心圧縮機の断面図である。

図 2は、 遠従来使用されているディ フューザの斜視図である。 図 3は、 遠流れ角のディフューザ翼高さ方向の分布を示すグラフ である。

図 4 Aは、 遠本発明に係るディフ ュ ーザで使用されるディフ ュ ー ザ翼の斜視図である。

図 4 Bは、 図 4 Aの矢視線 Iに沿うディフ ュ ーザ翼の断面図であ る。

図 4 Cは、 図 4 Aの矢視線 I Iに沿うディフ ュ ーザ翼の断面図であ る。

図 4 Dは、 図 4 Aの矢視線 I I Iに沿うディフユ一ザ翼の断面図で ある。

図 4 Eは、 図 4 Aの矢視線 I Vに沿うディフ ユーザ翼の断面図であ る。

図 4 Fは、 図 4 Aの矢視線 Vに沿うディフ ュ ーザ翼の断面図であ る。

図 5は、 遠本発明における流れ角のディフ ュ ーザ翼高さ方向の分 布を示すグラフである。

図 6は、 遠本発明に係るディ フユ一ザで使用される第二のディ フ ユーザ翼の断面図である。

図 7 Aは、 遠本発明に係るディフューザの上面図である。

図 7 Bは、 図 7 Aの矢視線 B— Bに沿うディ フ ュ ーザ翼の断面図 である。

図 8 A〜図 8 Cは、 遠本発明に係るディフ ュ ーザで使用されるデ ィ フューザ翼の製作手順を示した図である。

図 8 Dは、 図 8 Cにおいて IIIで示す部分の断面図である。

図 8 Eは、 図 8 Cにおいて II、 IVで示す部分の断面図である。 図 8 Fは、 図 8 Cにおいて I、 Vで示す部分の断面図である。 発明を実施する最良の態様

図 4 Aは、 本発明に係るディ フューザで使用されるディ フューザ 翼の斜視図であ り、 図 4 B〜図 4 Fはディ フューザ翼 4 0の長さ方 向に上流側から I 〜Vにおける断面を表す。 ディ フューザ翼 4の負 圧面 4 0 1 は背面の圧力面 4 0 2に向かってへこんだ凹面となって いる。 即ち、 ディ フューザ翼 4 のハブ端 H近傍において負圧面とケ —シング内壁の成す角度 δ Η及びシェラウ ド端 S近傍において負圧 面と輪状円盤の成す角度 δ Sの少なく と も一方が鋭角に形成されて いる。

なお図 4 Α〜図 4 Fにおいては、 負圧面が滑らかな曲面で構成さ れているものと している。

図 5は、 本発明における流れ角のディ フューザ翼高さ方向の分布 を示すダラフであって、 負圧面角 a _{k s u c}はディ フユーザ翼 4のハブ 端 H及びシェラウ ド端 S近傍で小さ く な り、 ディ フューザ翼 4の高 さ方向の中央部で大き く なる。 従って、 本発明に係るディ フューザ で使用されるディ フューザ翼のイ ンシデンス I n 二 ( a _{k s a c} - a ) は、 ディ フューザ翼 4のハブ端 H及びシヱラウ ド端 S近傍で負にな るもののその絶対値は従来のディ フユ一ザ翼よ り小さ く なる。

これは、 ディ フューザ翼 4のハブ端 H及びシェラウ ド端 S近傍の 負圧面の境界層の厚さが薄く なるこ とを意味し、 従来のディ フュー ザ翼に比してイ ンシデンス損失は低減する。

図 6は本発明に係るディ フューザで使用される第二のディ フュー ザ翼の断面図であって、 曲面でなく折り 曲げ平面で構成されている 図 7 Aは本発明に係るディ フューザの上面図であり、 図 7 Bは、 図 7 Aにおいて矢視線 B— Bに沿うディ フューザ翼の断面図である 。 図 7 Aには二枚のディ フューザ翼 4 1、 4 2および翼間流路の気 体の等圧線が示されている。 第二のディ フューザ翼 4 2の上流端か ら第一のディ フューザ翼 4 1 の長さ方向中心線に引いた垂線と第一 のディ フューザ翼 4 1 の上流端までの C— Cの領域をスロー ト、 第 一のディフューザ翼 4 1 の上流端からス ロー ト C— Cまでの長さを スロー トまでの長さ X T というが、 第一のディ フューザ翼 4 1 の上 流端からス ロー ト C— Cまでのス ロー ト領域では第二のディ フュー ザ翼 4 2の上流端を中心と した扇型の圧力分布とな り、 翼上流端を 結ぶ領域 aの圧力は低圧であり、 第二のディ フューザ翼 4 2の上流 端と第一のディ フューザ翼 4 2 のス ロー ト領域中央を結ぶ領域 bは 高圧となる。 、 図 7 Bはス ロー ト領域で第一のディ フューザ翼 4 1 の長さ方向中 心線に直角な線 B— Bに沿う断面を示しているが、 気体の圧力分布 は第一のディ フューザ翼 4 1 に近づく ほど圧力は高く なる。 従って 、 気体には第一のディ フューザ翼 4 1 の負圧面から第二のディ フユ 一ザ翼 4 2の圧力面に向かう 2次流れ 4 3が生じ、 第一のディ フユ 一ザ翼 4 1 の負圧面のハブ端 H及びシヱラウ ド端 S近傍の負圧面に 形成される境界層を薄く し、 かつ、 第一のディ フューザ翼 4 1 の上 流端からス ロー ト C— Cまでのス ロー ト領域での圧力情報に伴う減 速損失が低減する。

なお、 ス ロー ト領域下流の第一のディ フューザ翼 4 1 と第二のデ ィ フユ一ザ翼 4 2が重なり合う領域では、 等圧線は第一のディ フユ 一ザ翼 4 1 と第二のディ フューザ翼 4 2の長さ方向中心線と直角と なるので、 気体には第一のディ フユ一ザ翼 4 1 の負圧面から第二の ディ フューザ翼 4 2 の圧力面に向かう流れは生じない。 従って、 ス ロー ト部及びその上流の負圧面を凹面に形成するこ とが特に重要で あって、 ス ロー ト部下流は特に凹面に形成しなく てもよい。

図 8 A〜図 8 Fは、 本発明に係るディ フューザで使用されるディ フューザ翼の製作手順の説明図であって、 まず断面が矩形の二次元 ディ フューザ翼を製作する （図 8 A ) 。

次にボールエン ドミ ルで二次元ディ フューザ翼の負圧面を切削し 、 負圧面を凹面に形成する。 二次元ディ フューザ翼の一端に沿って 切削した （図 8 B ) 後に、 他端に沿って切削すれば負圧面は凹面と なり （図 8 C ) 、 負圧面がディ フューザ翼のハブ面及びシェラウ ド 面と成す角度 δ Η及び δ Sは鋭角となる。

ボールェン ドミルの切削深さを一定とすれば、 本発明に係るディ フユ一ザ翼の製作課程は簡単となる。

通常二次元ディ フューザ翼は長さ方向の中央で最大厚さ となるの で、 本発明に係るディ フユ一ザ翼の断面は、 中央部（I I I )に関して 長さ方向に対称となる。 即ち、 中央部（I I I )の断面形状は図 8 Dに 示すよ うにな り、 部分（Π )及び（I V)の断面形状は図 8 Εに示すよ う にな り、 部分（I )及び（V)の断面形状は図 8 Fに示すよ うな形状とな る。

上記実施形態においては、 本発明に係るディ フユ一ザが遠心圧縮 機に適用される場合について説明したが、 本発明に係るディ フュー ザは遠心ブロアあるいは遠心ポンプに適用可能であるこ とは明らか である。

本発明に係る遠心圧縮機用ディ フューザによれば、 ディ フューザ 翼のシェラウ ド端及びハブ端近傍の負圧面に生成される境界層は薄 く な り、 イ ンシデンス損失を低減する と共に、 減速損失を低減可能 となる。

本発明に係る遠心圧縮機用ディ フユ一ザの製造方法によれば、 二 次元翼形状のディ フューザ翼をボールエン ドミルで切削するこ とに よ り、 ディ フューザ翼を容易に製造するこ とが可能となる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 流体の流れ方向に直角な断面の負圧面が、 圧力面に向う凹形 であるディ フューザ翼を具備する遠心圧縮機用ディ フューザ。

2 . 流体の流れ方向に直角な断面の負圧面と、 シェラウ ド面及び ハブ面と成す角度の少なく とも一方が鋭角であるディ フューザ翼を 具備する遠心圧縮機用ディ フューザ。

3 . 少なく と もス ロー ト部及びその上流の流体の流れ方向に直角 な断面の負圧面が、 圧力面に向う凹形であるディ フューザ翼を具備 する遠心圧縮機用ディ フューザ。

4 . 少なく と もス ロー ト部及びその上流の流体の流れ方向に直角 な断面の負圧面と、 シェラウ ド面及びハブ面と成す角度の少なく と も一方が鋭角であるデイ ブユーザ翼を具備する遠心圧縮機用ディ フ

5 . 二次元翼形状のディ フューザ翼を製造するディ フューザ翼製 造段階と、 前記ディ フューザ翼製造段階で製造されたディ フューザ 翼の一方の側面をボールエン ドミルで凹形に切削する切削段階を具 備する遠心圧縮機用ディ フューザの製造方法。