WO2015072231A1 - 遠心形ターボ機械 - Google Patents

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WO2015072231A1
WO2015072231A1 PCT/JP2014/075510 JP2014075510W WO2015072231A1 WO 2015072231 A1 WO2015072231 A1 WO 2015072231A1 JP 2014075510 W JP2014075510 W JP 2014075510W WO 2015072231 A1 WO2015072231 A1 WO 2015072231A1
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WO
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blade
return
centrifugal
side plate
wing
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/075510
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
大地 鳥居
孝英 長原
大樹 片山
Original Assignee
株式会社日立製作所
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Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社日立製作所 filed Critical 株式会社日立製作所
Priority to CN201480061841.1A priority Critical patent/CN105723097B/zh
Publication of WO2015072231A1 publication Critical patent/WO2015072231A1/ja

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D1/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D1/06—Multi-stage pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/445—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for liquid pumps
    • F04D29/448—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for liquid pumps bladed diffusers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape

Definitions

  • the present invention relates to a centrifugal turbomachine.
  • Patent Document 1 discloses that “the side plate 12 is a diffuser blade among the portions facing the enlarged passage 14 sandwiched between the diffuser blade 13a and the diffuser blade 13b adjacent thereto.
  • a semi-opening passage 15 is provided on the outlet side from the trailing edge 13a10 of the negative pressure surface 13a1 of 13a to guide the flow to the return flow path 4 while turning the flow from the substantially centrifugal direction to the substantially axial direction.
  • 13c Has a structure in which portions 13a20, 13b20, 13c20 of the portions facing the half-opening passage 15 of the pressure surfaces 13a2, 13b2, 13c2.
  • the centrifugal turbomachine described in Patent Document 1 has a substantially uniform fluid velocity (flow velocity) distribution in the circumferential direction in the flow passage width direction of the return blade inlet, whereas the meridional surface velocity (meridian velocity). There is a big difference in the speed along the surface.
  • the flow velocity of the fluid along the meridian plane greatly changes in the axial direction of the rotation axis (the height direction of the return blade).
  • This is a U-turn channel that turns the flow of the fluid, and the curvature when turning the inner flow and the outer flow is different, and the flow of the fluid is biased to the outside where the curvature is small, and the flow velocity of the outer flow becomes faster. Because.
  • Non-Patent Document 1 discloses a technique for solving the problems caused by the reduction of the length of the blade surface of the return blade by arranging the return blade in a double circular blade row (the front blade row and the rear blade row).
  • the return blades are arranged in a double circular blade row of a rear stage blade row arranged on the radially inner side around the rotation axis and a front stage blade row arranged on the outer side in the radial direction.
  • the development of the boundary layer can be suppressed by dividing the length of the blade surface in the streamline direction into two.
  • the secondary flow becomes weak and the flow in the return blade becomes uniform, the mixing loss downstream of the return blade is reduced, and the efficiency of the centrifugal turbomachine is improved.
  • a high-energy fluid with a large flow velocity is After flowing along the concave surface of the outer wing disposed in the, the flow separation can be suppressed by flowing into the convex surface side of the inner wing disposed in the rear blade row.
  • Non-Patent Document 1 does not sufficiently investigate the suppression of efficiency reduction caused by the difference in meridional surface velocity at the return blade inlet.
  • the present invention is characterized by providing a centrifugal turbomachine having a return blade having a shape capable of suppressing a decrease in efficiency when downsized.
  • the present invention provides a centrifugal turbomachine configured to flow from a diffuser to a return flow path via a turning portion, and return blades provided in the return flow path are arranged in a plurality of circular blade rows.
  • the blade angle of the return blade at the return channel inlet is different in the axial direction (height direction).
  • centrifugal turbomachine having a return blade having a shape capable of suppressing a decrease in efficiency when it is downsized.
  • FIG. 1 is a sectional view of a centrifugal multistage pump according to Embodiment 1.
  • FIG. It is sectional drawing which shows the structure of a diffuser, a U-turn flow path, and a return flow path.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along Sec1-Sec1 in FIG.
  • (A) is a sectional view taken along Sec2-Sec2 in FIG. 2, and (b) is an enlarged view of a return blade.
  • (A) is an enlarged view of the return blade inlet,
  • (b) is a diagram showing the flow of fluid in the U-turn channel. It is a figure which shows the shape of the outer wing
  • FIG. It is a figure which shows the shape of the outer wing
  • centrifugal multistage pump is taken as an example of a centrifugal turbomachine, but the present invention is widely applicable to centrifugal turbomachines other than the centrifugal multistage pump.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a centrifugal multistage pump according to a first embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing configurations of a diffuser, a U-turn flow path, and a return flow path.
  • the centrifugal multistage pump 1 centrifugal turbomachine
  • the centrifugal multistage pump 1 main shaft
  • a power source not shown
  • centrifugal impellers 3 are attached.
  • the plurality of centrifugal impellers 3 are arranged side by side in the axial direction of the rotary shaft 2, and a fluid flow path (diffuser) is provided between the upstream (Up) centrifugal impeller 3 and the downstream (Dn) centrifugal impeller 3. 4, U-turn channel 5a and return channel 5).
  • the number of centrifugal impellers 3 is not limited to eight.
  • the upstream (Up) and the downstream (Dn) of the centrifugal multistage pump 1 are the upstream and the downstream of the fluid flow.
  • the suction port 1a side is upstream (axial direction). Upstream), and the discharge port 1b side is downstream (axially downstream).
  • the rotating shaft 2 side is upstream and the outer peripheral side is downstream, and in the return flow channel 5, the outer peripheral side is upstream and the rotating shaft 2 side is downstream.
  • the outer peripheral side here is the outer peripheral side of the circumference centered on the center line CL of the rotating shaft 2 (the same applies hereinafter).
  • the flow path between adjacent centrifugal impellers 3 includes a diffuser 4, a U-turn flow path 5 a (turning portion), and a return flow path 5.
  • the diffuser 4 is provided with a diffuser blade 9, and the return flow path 5 is provided with a return blade 6.
  • the centrifugal impeller 3 has a plurality of (for example, seven) blades 30.
  • the diffuser 4, the U-turn flow path 5 a, and the return flow path 5 are provided so as to cover the centrifugal impeller 3 integrally with the side plate 10 serving as a partition wall between the diffuser 4 and the return flow path 5 and the casing 14. 7 is provided.
  • the diffuser blade 9 has a height Hd in a direction along the center line CL of the rotating shaft 2 (axial direction of the rotating shaft 2). Moreover, the return blade
  • the centrifugal impeller 3 is disposed on the radial center side centering on the center line CL of the rotating shaft 2, and an inflow portion 3 b that sucks fluid in the axial direction of the rotating shaft 2, and the fluid in the radial direction on the radially outer side. And an outflow portion 3a for discharging.
  • a part of the U-turn flow path 5a is a half-open passage 12. Details of the half-opening passage 12 will be described later.
  • the fluid discharged from the outflow part 3a of the centrifugal impeller 3 (upstream impeller 3U) disposed upstream (Up) in the axial direction of the rotating shaft 2 is diffuser 4, U-turn flow path 5a (half-open passage 12). And the return flow path 5 and flows into the centrifugal impeller 3 (downstream impeller 3D) disposed downstream (Dn) in the axial direction of the rotating shaft 2 from the inflow portion 3b.
  • the fluid flow direction in the diffuser 4 (radial direction away from the rotating shaft 2) is referred to as a centrifugal direction D1.
  • the direction of flow of the fluid flowing into the U-turn flow path 5a is turned. Specifically, in the U-turn flow path 5a, the flow of the fluid turns from the radial direction (centrifugal direction D1) away from the rotating shaft 2 to the axial direction D2 of the rotating shaft 2 as indicated by a white arrow, and further rotates. It turns in the radial direction toward the shaft 2.
  • the fluid whose direction is turned in the U-turn flow path 5a flows into the return flow path 5, flows in the radial direction toward the rotation shaft 2 as shown by the white arrow, and flows into the downstream impeller 3D from the inflow portion 3b.
  • the direction of fluid flow in the return flow path 5 (the radial direction toward the rotation shaft 2) is referred to as a return direction D3.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along Sec1-Sec1 in FIG. 2 and shows the shape of the diffuser blade 9 as viewed from the upstream side in the axial direction of the rotating shaft 2.
  • FIG. The diffuser blade 9 of the first embodiment is a wing-shaped blade standing at a height Hd between the side plate 10 and the stage 7 as shown in FIG. 2, and a concave suction surface 9a as shown in FIG. And a convex pressure surface 9b.
  • the diffuser blades 9 are arranged in a circular blade row around the centrifugal impeller 3 (see FIG. 2) and centered on the center line CL (see FIG. 2) of the rotating shaft 2, and adjacent two diffuser blades.
  • wing 9 of Example 1 should just be the structure (shape) similar to what is well-known as this kind of diffuser blade
  • the diffuser blade 9 may have a constant thickness in the axial direction of the rotating shaft 2 (the direction of the height Hd). That is, it is only necessary that the shape of the cross section taken along a plane parallel to the side plate 10 is the diffuser blade 9 having the same shape from the side plate 10 to the stage 7 (see FIG. 2).
  • downstream side (downstream side (Dn) of the diffuser 4) of the expansion passage 11 is an end side (rear end side 90a) on the downstream side of the diffuser blade 9.
  • end side 90a on the downstream side of the diffuser blade 9.
  • wing 9 becomes the exit part 11a of the expansion channel
  • the half-open passage 12 constituting the U-turn channel 5 a is provided on the outer peripheral portion of the side plate 10.
  • the end side (passage end 10 a) of the side plate 10 from the rear end side 90 a of one diffuser blade 9 toward the pressure surface 9 b of the adjacent diffuser blade 9 is a half-open passage 12.
  • the outer periphery (contour line) of the side plate 10 exhibits a mountain shape seen from the axial direction of the rotary shaft 2 by the portion along the curved surface shape of the diffuser blade 9 (pressure surface 9b) and the passage end 10a, and is uneven in the radial direction.
  • the outer periphery of the side plate 10 becomes a convex portion with the rear end side 90a of the diffuser blade 9 protruding in the radial direction.
  • the outer periphery of the side plate 10 is a position where the intersection of the passage end 10a and the pressure surface 9b of the diffuser blade 9 is recessed in the radial direction, and the peripheral portion has a concave shape (concave portion).
  • a convex part and a recessed part are connected with the pressure surface 9b of the diffuser blade
  • the outer periphery of the side plate 10 here is a line (curve) indicating the outer shape of the side plate 10 when the side plate 10 is projected onto a virtual plane perpendicular to the axial direction of the rotating shaft 2 (see FIG. 2) (hereinafter referred to as a curve). ,the same).
  • the distance between the outer periphery of the passage end 10a and the center line CL (see FIG. 2) of the rotary shaft 2 is such that the pressure of the other diffuser blade 9 from the one negative pressure surface 9a of the adjacent diffuser blade 9 It gradually decreases toward the surface 9b to form a recess. Further, the distance between the outer periphery of the passage end 10a and the center line CL of the rotating shaft 2 gradually increases from the concave portion to the rear end side 90a along the convex shape of the pressure surface 9b to form a convex portion. That is, the distance between the outer periphery of the passage end 10a and the center line CL of the rotating shaft 2 is the side plate 10 that is not constant in the circumferential direction around the center line CL.
  • the half-open passage 12 having such a shape forms a part of the U-turn flow path 5a between the passage end 10a and the stage 7 (inner peripheral surface 7a). Then, the fluid that has flowed through the enlarged passage 11 of the diffuser 4 to the outlet portion 11a flows into the U-turn passage 5a between the inner peripheral surface 7a of the stage 7 and the passage end 10a, and further, the return passage 5 (see FIG. 2). ) As described above, in the first embodiment, a part of the U-turn flow path 5a (turning portion) that turns the direction of the fluid flow is a half-opened passage 12.
  • the fluid flowing out from the centrifugal impeller 3 flows in the circumferential direction by the action of the diffuser blade 9 when flowing through the enlarged passage 11 (see FIG. 3) of the diffuser 4.
  • the component decreases and the pressure recovers. That is, part of the velocity energy of the fluid flowing out from the centrifugal impeller 3 is converted into pressure energy by the diffuser 4.
  • path 11 of the diffuser 4 flows in into the U-turn flow path 5a (half-opening part channel
  • FIG. 4A is a cross-sectional view taken along Sec2-Sec2 in FIG. 2, and shows the shape of the return blade 6 cut along a plane perpendicular to the axial direction of the rotary shaft 2.
  • FIG. 4B is an enlarged view of the outer wing.
  • FIG. 5A is an enlarged view of the return blade inlet, and
  • FIG. 5B is a diagram showing the flow of fluid in the U-turn flow path.
  • the rotating shaft 2 rotates in the direction of the white arrow (rightward when viewed from the return blade 6 side).
  • wing 6 of Example 1 is arrange
  • the return blade 6 is on the side closer to the rotating shaft 2 (inner peripheral side), and has an inner blade 61 arranged in a circular blade row centered on the center line CL of the rotating shaft 2, and an outer peripheral side of the inner blade 61.
  • the outer wing 60 arranged in a circular blade row centered on the center line CL (on the passage end 10a side).
  • the outer wing 60 has a curved shape with the convex surface portion 60a and the concave surface portion 60b as both wing surfaces when viewed from the downstream side in the axial direction of the rotating shaft 2.
  • the inner wing 61 exhibits a curved shape having both the convex surface portion 61a and the concave surface portion 61b as both wing surfaces when viewed from the downstream side in the axial direction of the rotary shaft 2. And between the one convex surface part 61a and the other concave surface part 61b of the adjacent inner wing
  • the wing surface (the convex surface portion 60a and the concave surface portion 60b of the outer wing 60, the convex surface portion 61a and the concave surface portion 61b of the inner wing 61). Becomes a surface for guiding the fluid flowing through the return flow path 5.
  • the blade surface of the return blade 6 is a curved surface that turns the flow of fluid in the return flow path 5 from the circumferential direction around the center line CL of the rotation shaft 2 in the radial direction toward the rotation shaft 2. ing.
  • the blade row in which the outer blade 60 is disposed is a front blade row
  • the blade row in which the inner blade 61 is disposed is a rear blade row.
  • the front blade row is on the upstream side (Up)
  • the rear blade row is on the downstream side (Dn). Therefore, in Example 1, the outer wing 60 is disposed on the most upstream side (Up), and the inner wing 61 is disposed on the most downstream side (Dn).
  • a cross section (blade cross section 60c) cut along a plane perpendicular to the axial direction of the rotary shaft 2 has a shape indicated by oblique lines in FIG.
  • the passage end 10 a is along the convex surface portion 60 a of the outer wing 60 in the side plate 10.
  • 4A shows the outer wing 60 in which the front edge 601 of the outer wing 60 is arranged at a position retracted along the passage end 10a from the rear end side 90a of the diffuser blade 9.
  • FIG. Has been.
  • this shape is not limited.
  • the outer wing 60 may be an elongated shape.
  • the outer wing 60 is a camber line Ln1 (outer wing camber line) of the blade cross section 60c, a curve connecting the upstream end (front edge 601) to the downstream end (rear edge 602), Both sides sandwiching the camber line Ln1 are a convex surface portion 60a and a concave surface portion 60b which are blade surfaces. And between the front edge part 601 and the convex surface part 60a of the adjacent outer wing 60 becomes the inlet part (return blade inlet part 5IN) of the return flow path 5.
  • Ln1 outer wing camber line
  • the camber line Ln1 of the outer wing 60 is a curve that passes between the convex surface portion 60a and the concave surface portion 60b of the outer wing 60, and is the center line of the thickness of the blade section 60c of the outer wing 60.
  • a blade cross section 61c obtained by cutting the inner wing 61 along a plane perpendicular to the axial direction of the rotary shaft 2 has a shape indicated by oblique lines in FIG.
  • a curve connecting the leading edge 611 to the trailing edge 612 is a camber line Ln2 (camber line of the inner wing) of the blade cross section 61c, and both sides sandwiching the camber line Ln2 are blade surfaces.
  • a convex surface portion 61a and a concave surface portion 61b are formed.
  • the camber line Ln2 of the inner wing 61 is a curve that passes between the convex surface portion 61a and the concave surface portion 61b of the inner wing 61, and is the center line of the thickness of the blade cross section 61c of the inner wing 61.
  • the inner wing 61 is disposed at a position offset toward the concave surface portion 60b of the outer wing 60 along an arc centered on the center line CL, and the return flow path 5 is formed on the concave surface portion 60b of the outer wing 60.
  • the guided fluid is configured to flow into the convex surface portion 61 a side of the inner wing 61.
  • the gap ⁇ S2 generated between the rear edge portion 602 of the outer wing 60 and the front edge portion 611 of the inner wing 61 is 1/5 to 1/10 of the distance ⁇ S1 between the rear edge portions 602 of the adjacent outer wings 60. It will be about.
  • the curved shape of the camber line Ln1 of the blade cross section 60c is different in the axial direction of the rotating shaft 2 (the direction of the height Hr).
  • the rear edge portion 602 of the outer wing 60 extends in the direction of the height Hr. Therefore, when the camber line Ln1 for each height Hr of the outer wing 60 is projected onto the side plate 10, the projection lines of all the camber lines Ln1 intersect at the position of the rear edge 602.
  • the camber line Ln1 of the outer wing 60 has a smaller curvature as it moves away from the side plate 10 in the direction of the height Hr.
  • the convex surface portion 60a of the outer wing 60 becomes a curved surface that protrudes toward the circumferential direction (the rotation direction of the rotary shaft 2) as the distance from the side plate 10 in the direction of the height Hr.
  • the front edge portion 601 of the outer wing 60 in which the curved shape of the camber line Ln1 differs in the direction of the height Hr is inclined from the side plate 10 toward the convex surface portion 60a toward the height Hr.
  • the camber line Ln2 of the inner wing 61 may have the same shape in the direction of the height Hr.
  • the blade angle of the outer wing 60 differs in the direction of the height Hr at the return blade inlet portion 5IN. That is, as shown in FIG. 5A, the blade angle ⁇ 1 with respect to the blade cross section 60c in the side plate 10 is different from the blade angle ⁇ 2 with respect to the blade cross section 60c away from the side plate 10 in the direction of the height Hr.
  • An angle formed by the tangent line X2 of the camber line Ln1 at the center point Pt is defined as a blade angle ⁇ 1 ( ⁇ 2).
  • the blade angle ⁇ 1 ( ⁇ 2) is not limited to the angle defined in this way.
  • the velocity difference between the outer flow velocity Vout and the inner flow velocity Vin in the U-turn flow path 5a is the difference in meridional surface velocity at the return blade inlet portion 5IN (the meridional section generated in the direction of the height Hr). Above speed difference). Therefore, when the centrifugal multistage pump 1 is reduced in size, the difference in meridional surface velocity at the return blade inlet portion 5IN increases, and thereby the fluid inflow angle at the return blade inlet portion 5IN becomes equal to the height Hr of the outer blade 60. Change in direction.
  • the outer wing 60 in which the shape of the camber line Ln1 is different in the direction of the height Hr is used. That is, the outer blade 60 has a shape in which the inflow angle of the fluid at the return blade inlet portion 5IN and the blade angle of the outer blade 60 do not differ greatly at any height Hr.
  • the shape (channel cross-sectional area, etc.) of the diffuser 4 (see FIG. 2), the U-turn channel 5a (see FIG. 2), and the return channel 5 (see FIG. 2) is variously changed by experimental measurement and simulation. What is necessary is just to obtain
  • the centrifugal multistage pump 1 of Embodiment 1 has the return blade 6 (see FIG. 4A) provided in the return flow path 5 (see FIG. 4A) of the rotary shaft 2.
  • the return blade 6 (see FIG. 4A) provided in the return flow path 5 (see FIG. 4A) of the rotary shaft 2.
  • the outer blade 60 (see FIG. 4A) arranged in the front blade row has a different camber line Ln1 (see FIG. 4B) in the blade cross section 60c in the direction of the height Hr.
  • the camber line Ln1 of the outer wing 60 has a smaller curvature as it moves away from the side plate 10 in the direction of the height Hr.
  • the outer blade 60 having such a shape By using the outer blade 60 having such a shape (see FIG. 4A), the inflow angle of the fluid that changes in the direction of the height Hr and the outer blade at the return blade inlet portion 5IN (see FIG. 4A).
  • the difference in the blade angle of 60 can be reduced, and disturbance due to peeling can be suppressed.
  • the centrifugal multistage pump 1 see FIG. 1 suitable for downsizing can be obtained.
  • the shape of the return blade 6 is different in the centrifugal multistage pump 1 (see FIG. 1) having the same configuration as that of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the shapes of the outer wing and the inner wing of the second embodiment.
  • the return blade 6 of the second embodiment includes a double circular blade row with an outer blade 62 and an inner blade 63 (upstream (Up) front blade row and downstream (Up) rear blade. Column).
  • the outer wing 62 is a curved surface in which the convex surface portion 62a and the concave surface portion 62b which are both wing surfaces are curved between the front edge portion 621 and the rear edge portion 622, and has a blade cross section 62c having a shape shown by hatching in FIG. .
  • the inner wing 63 is a curved surface in which the convex surface portion 63a and the concave surface portion 63b serving as both wing surfaces are curved between the front edge portion 631 and the rear edge portion 632, and has a blade cross section having a shape shown by hatching in FIG. 63c.
  • the return blade 6 (outer blade 62, inner blade 63) of the second embodiment also causes the flow of the fluid in the return flow path 5 from the circumferential direction around the center line CL of the rotating shaft 2 to the rotating shaft 2 in the radial direction.
  • Blade surfaces (convex surface portion 62a and concave surface portion 62b of outer wing 62, convex surface portion 63a and concave surface portion 63b of inner wing 63).
  • the shape of the camber line Ln1 of the outer wing 62 (blade cross section 62c) and the curved shape of the camber line Ln2 of the inner wing 63 (blade cross section 63c) are both different in the direction of the height Hr.
  • the rear edge portion 632 of the inner wing 63 extends in the direction of the height Hr. Therefore, when the camber line Ln2 for each height Hr of the inner wing 63 is projected onto the side plate 10, the projection lines of all the camber lines Ln2 intersect at the position of the trailing edge 632. Further, the camber line Ln2 of the inner wing 63 has a smaller curvature as it moves away from the side plate 10 in the direction of the height Hr.
  • the rear edge portion 622 of the outer wing 62 is inclined toward the convex surface portion 62a in the circumferential direction from the side plate 10 toward the height Hr. That is, when the camber line Ln1 for each height Hr of the outer wing 62 is projected onto the side plate 10, the camber line Ln1 of the blade cross section 62c away from the side plate 10 in the direction of the height Hr is convex at the position of the rear edge 622. It arrange
  • the camber line Ln1 of the outer wing 62 has a smaller curvature as it moves away from the side plate 10 in the direction of the height Hr.
  • the difference in the inflow angle that occurs in the direction of the height Hr at the position of the front edge portion 621 of the outer wing 62 may become more conspicuous. .
  • the first embodiment shown in FIG. 1 As in the first embodiment shown in FIG.
  • the difference between the inflow angles generated in the height Hr direction at the position of the front edge portion 621 of the outer wing 62 is calculated using the camber lines Ln1, Ln2 of the outer wing 62 and the inner wing 63, respectively. Eliminate (decrease) the difference in the curved shape. As a result, the return blade 6 in which the fluid inflow angle at the return blade inlet 5IN and the blade angle of the outer blade 62 are not significantly different at any height Hr can be obtained.
  • the inner blade 63 has a curved shape of the camber line Ln2 of the blade cross section 63c in the direction of the height Hr, and the inflow angle of the fluid flowing into the return flow path 5 between the adjacent inner blades 63 and the leading edge portion.
  • the blade angle of the inner wing 63 at the position 631 is not significantly different in the direction of the height Hr.
  • the camber line Ln1 of the outer wing 62 is configured to have a curvature that decreases as the distance from the side plate 10 in the direction of the height Hr.
  • the return blade 6 having the outer wing 62 and the inner wing 63 having such a shape By using the return blade 6 having the outer wing 62 and the inner wing 63 having such a shape, the difference in the inflow angle generated in the direction of the height Hr at the position of the front edge portion 621 of the outer wing 62 becomes more remarkable. Even if it is a case, generation
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the shapes of the outer wing and the inner wing of the third embodiment.
  • the outer blade 64 and the inner blade 65 are arranged in a double circular blade row (an upstream blade row on the upstream side and a rear blade row on the downstream side). Yes.
  • the outer wing 64 is a curved surface in which the convex surface portion 64a and the concave surface portion 64b serving as both wing surfaces are curved between the front edge portion 641 and the rear edge portion 642, and has a blade cross section 64c having a shape shown by hatching in FIG. .
  • the inner wing 65 is a curved surface in which a convex surface portion 65a and a concave surface portion 65b serving as both wing surfaces are curved between the front edge portion 651 and the rear edge portion 652, and the blade cross section having a shape shown by hatching in FIG. 65c.
  • the flow of the fluid in the return flow path 5 is changed in the radial direction from the circumferential direction around the center line CL of the rotating shaft 2 toward the rotating shaft 2.
  • Blade surfaces convex surface portion 64a and concave surface portion 64b of outer wing 64, convex surface portion 65a and concave surface portion 65b of inner wing 65).
  • the curved shape of the camber line Ln1 of the outer wing 64 differs in the direction of the height Hr.
  • the curved shape of the camber line Ln2 of the inner wing 65 (blade cross section 65c) may be the same shape or different in the direction of the height Hr.
  • the front edge portion 641 of the outer wing 64 extends in the direction of the height Hr. Therefore, when the camber line Ln1 for each height Hr of the outer wing 64 is projected onto the side plate 10, the projection lines of all the camber lines Ln1 intersect at the position of the front edge portion 641. And the camber line Ln1 of the outer wing 64 has a larger curvature as it moves away from the side plate 10 in the direction of the height Hr.
  • curvature of the camber line Ln2 of the inner wing 65 increases with increasing distance from the side plate 10 in the direction of the height Hr.
  • the outer blade 64 having such a shape has different blade angles in the direction of the height Hr at the inlet portion of the return flow path 5 (return blade inlet portion 5IN). Therefore, the difference between the inflow angle of the fluid changing in the direction of the height Hr and the blade angle of the outer blade 64 at the return blade inlet portion 5IN can be reduced, and turbulence due to separation can be suppressed. That is, since the occurrence of separation when the centrifugal multistage pump 1 (see FIG. 1) is downsized is suppressed, the decrease in efficiency due to the occurrence of separation is suppressed, and the centrifugal multistage pump 1 is reduced in size without reducing the efficiency. Can be
  • the inner wing 65 is different in the shape of the camber line Ln2 in the direction of the height Hr. Thereby, the inflow angle of the fluid flowing into the return flow path 5 between the adjacent inner wings 65 downstream of the outer wing 64 and the blade angle of the inner wing 65 at the position of the leading edge 651 are in the direction of the height Hr. Thus, the inner wing 65 having a shape that is not significantly different can be obtained.
  • this invention is not limited to an above-described Example.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of a certain embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of a certain embodiment.
  • the centrifugal multistage pump 1 of Embodiment 1 has a return blade 6 in which an outer blade 60 and an inner blade 61 are arranged in a double circular blade row. It was set as the structure which has.
  • the centrifugal multistage pump 1 may have a return vane in which blades are arranged in a triple or more circular blade row.
  • the blades disposed in the circular blade row on the inner circumferential side are disposed at positions offset toward the concave surface side of the blade disposed on the outer circumferential side along the arc centered on the center line CL. It is preferable.
  • the outermost blade disposed in the outermost circular blade row is the outer blade, and the shape (curved shape) of the camber line of the outer blade is different in the height direction of the return blade. What is necessary is just composition.
  • a camber line having a curvature that decreases with increasing distance from the side plate 10 in the direction of the height Hr may be used.
  • the blade disposed on the innermost circular blade row and located on the most downstream side may be an inner blade, and the camber line of the inner blade may have the same shape in the height direction. That is, when the camber line for every height of the inner wing is projected onto the side plate 10, all the camber lines may be overlapped.
  • the shape of the return blade 6 (see FIG. 4A) in the first to third embodiments is merely an example, and the shape is appropriately determined based on the performance required for the centrifugal multistage pump 1 (see FIG. 1). It only has to be decided. Then, the shape of the camber line of the outer wing disposed in the most upstream front blade row may be different in the height direction of the outer wing. For example, a camber line having a curvature that decreases with increasing distance from the side plate 10 in the direction of the height Hr may be used.
  • the present invention is not limited to the centrifugal multistage pump 1 (see FIG. 1), but can be widely applied to other centrifugal turbomachines (compressors and the like).

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Abstract

　回転軸（２）に向かう戻り方向に流体が流れる戻り流路（５）に、回転軸（２）の軸方向を高さ方向として、中心線（ＣＬ）を中心とする多重の円形翼列状に配設される返し羽根（６）の翼面が、戻り流路（５）における流体の流れを中心線（ＣＬ）を中心とする周方向から回転軸（２）に向かう径方向に転向させる曲面であり、返し羽根（６）のうちで最も上流側（Ｕｐ）に配置される外翼（６０）を回転軸（２）の軸方向に垂直な平面で断面した翼断面（６０ｃ）のキャンバーライン（Ｌｎ１）が、高さ方向で異なった湾曲形状を呈することを特徴とする遠心多段ポンプ。

Description

遠心形ターボ機械
　本発明は、遠心形ターボ機械に関する。
　本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１には、「側板１２は、そのディフューザ羽根１３ａとこれに隣接するディフューザ羽根１３ｂとの間で挟まれる拡大通路１４に臨む部分のうち、ディフューザ羽根１３ａの負圧面１３ａ１の後縁１３ａ１０より出口側に、流れを略遠心方向から略軸方向に転向させつつ戻り流路４へと導く半開部通路１５を備えている。各ディフューザ羽根１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…は、それらの圧力面１３ａ２，１３ｂ２，１３ｃ２…のうち半開部通路１５に臨む部位のうち一部分１３ａ２０，１３ｂ２０，１３ｃ２０が、軸方向下流側に向かって漸次テーパ状に薄肉化された構造となっている。」と記載されている（要約参照）。
特開平１１－３２４９８７号公報 特開２００７－２４７６２２号公報
金元敏明他，「遠心ターボ機械の戻り流路用円形翼列に関する研究（第４報）」，日本機械学会論文集（Ｂ編），５２巻４７３号（昭和６１年），７６頁～８４頁
　しかしながら、特許文献１，２に記載されている遠心形ターボ機械の形状（ディフューザ羽根、返し羽根、拡大通路等の形状）では、小型化等のために返し羽根の径方向の長さを縮小することが要求された場合、返し羽根の出入口間に要求される転向量が羽根の長さに対して相対的に大きくなる。そのため、遠心形ターボ機械の小型化にともなって、羽根を主軸（回転軸）の軸方向に垂直な平面で切断した断面（翼型）のキャンバーラインの反りを大きくすることが必要になり、流れの剥離が生じる可能性が高い。つまり、特許文献１，２に記載される遠心形ターボ機械は小型化に適した形状ではなく、小型化に関しては改善の余地がある。
　また、特許文献１に記載されている遠心形ターボ機械は、返し羽根入口の流路幅方向における周方向の流体の速度（流速）分布がほぼ一様であるのに対し、子午面速度（子午面に沿った速度）には大きな差が生じる。つまり、返し羽根入口では、子午面に沿った流体の流速が回転軸の軸方向（返し羽根の高さ方向）で大きく変化する。これは、流体の流れを転向するＵターン流路で内側の流れと外側の流れで転向するときの曲率が異なり、流体の流れが、曲率の小さい外側に偏って外側の流れの流速が速くなるためである。そして、小型化によって流路（ディフューザ等）の断面積が小さくなると流路における流速が増大し、これによって子午面速度の差（返し羽根の高さ方向の速度差）がさらに拡大する。この結果、返し羽根入口で、羽根角度と流体の流入角度の角度差が大きくなって剥離が生じる可能性が高くなり、この点についても改善の余地がある。
　非特許文献１には、返し羽根を二重の円形翼列（前段翼列と後段翼列）に配置することによって、返し羽根の翼面の長さの縮小によって生じる問題点を解決する技術が記載されている。非特許文献１によると、回転軸を中心とする径方向内側に配置される後段翼列と、径方向外側に配置される前段翼列と、の二重の円形翼列に返し羽根を配置することによって、翼面の流線方向の長さが二分割されることで境界層の発達を抑制することができる。境界層の発達が抑制されると、二次流れが弱くなって返し羽根における流れが均一化され、返し羽根の下流における混合損失が低減して遠心形ターボ機械の効率が向上する。
また、回転軸の軸方向に垂直な平面で切断した翼型のキャンバーラインの反りが大きく境界層が発達しやすい形状の返し羽根であっても、流速の大きな高エネルギの流体を、前段翼列に配置される外翼の凹面に沿って流れた後に、後段翼列に配置される内翼の凸面側に流入させることによって流れの剥離を抑制できる。
　しかしながら、返し羽根が二重の円形翼列に配置される構成であっても、返し羽根入口における羽根角度と流体の流入角度に差が生じると、流れの剥離が発生して遠心形ターボ機械の効率が低下する。そして、返し羽根入口における子午面速度の差によって生じる効率の低下を抑制することは非特許文献１で充分に検討されていない。
　そこで本発明は、小型化したときの効率の低下を抑制できる形状の返し羽根を有する遠心形ターボ機械を提供することを特徴とする。
　前記課題を解決するため本発明は、ディフューザから転向部を経由して戻り流路に流れ込む構成の遠心形ターボ機械において、戻り流路に備わる返し羽根が多重の円形翼列状に配置され、さらに、戻り流路の入口における返し羽根の羽根角度が軸方向（高さ方向）で異なるという特徴を有する。
　本発明によると、小型化したときの効率の低下を抑制できる形状の返し羽根を有する遠心形ターボ機械を提供できる。
実施例１に係る遠心多段ポンプの断面図である。 ディフューザとＵターン流路と戻り流路の構成を示す断面図である。 図２におけるＳｅｃ１－Ｓｅｃ１での断面図である。 （ａ）は図２におけるＳｅｃ２－Ｓｅｃ２での断面図、（ｂ）は返し羽根の拡大図である。 （ａ）は返し羽根入口部の拡大図、（ｂ）はＵターン流路における流体の流れを示す図である。 実施例２の外翼と内翼の形状を示す図である。 実施例３の外翼と内翼の形状を示す図である。
　以下、適宜図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。なお、以下では遠心多段ポンプを遠心形ターボ機械の一例としているが、本発明は、遠心多段ポンプ以外の遠心形ターボ機械に広く適用可能である。
　図１は実施例１に係る遠心多段ポンプの断面図、図２はディフューザとＵターン流路と戻り流路の構成を示す断面図である。
　図１に示すように、実施例１に係る遠心多段ポンプ１（遠心形ターボ機械）は、図示しない動力源（電動機など）に接続されてケーシング１４に収納される回転軸２（主軸）に、複数枚（図１では８段）の遠心羽根車３が取り付けられて構成される。複数枚の遠心羽根車３は、回転軸２の軸方向に並んで備わり、上流側（Ｕｐ）の遠心羽根車３と下流側（Ｄｎ）の遠心羽根車３の間が流体の流路（ディフューザ４，Ｕターン流路５ａ，戻り流路５）になっている。なお、遠心羽根車３の数は８段に限定されるものではない。
　実施例１において、遠心多段ポンプ１の上流（Ｕｐ）および下流（Ｄｎ）は、流体の流れの上流および下流であり、回転軸２の軸方向においては、吸入口１ａの側を上流（軸方向上流）とし、吐出口１ｂの側を下流（軸方向下流）とする。
　また、ディフューザ４においては、回転軸２の側を上流、外周側を下流とし、戻り流路５においては、外周側を上流、回転軸２の側を下流とする。ここでいう外周側は、回転軸２の中心線ＣＬを中心とする円周の外周側とする（以下、同じ）。
　隣り合う遠心羽根車３の間の流路は、図２に示すように、ディフューザ４、Ｕターン流路５ａ（転向部）、および戻り流路５を含んで構成される。そして、ディフューザ４にはディフューザ羽根９が備わり、戻り流路５には返し羽根６が備わっている。また、遠心羽根車３は、複数（例えば、７枚）の羽根３０を有している。
　ディフューザ４、Ｕターン流路５ａ、および戻り流路５は、ディフューザ４と戻り流路５の間の仕切壁となる側板１０と、ケーシング１４と一体構造で遠心羽根車３を覆うように備わるステージ７の間に設けられる。
　なお、ディフューザ羽根９は、回転軸２の中心線ＣＬに沿った方向（回転軸２の軸方向）を高さＨｄとする。また、返し羽根６は、回転軸２の軸方向を高さＨｒとする。
　つまり、ディフューザ羽根９は、回転軸２の軸方向を高さＨｄの方向として側板１０に立設し、返し羽根６は、回転軸２の軸方向を高さＨｒの方向として側板１０に立設する。
　また、側板１０は、回転軸２の中心線ＣＬを中心とする径方向に広がっている。
　遠心羽根車３は、回転軸２の中心線ＣＬを中心とする径方向の中心側に配置され、回転軸２の軸方向に流体を吸い込む流入部３ｂと、径方向外側において径方向に流体を吐出する流出部３ａと、を有する。
　また、Ｕターン流路５ａは、その一部が半開部通路１２となっている。半開部通路１２の詳細は後記する。
　回転軸２の軸方向上流（Ｕｐ）に配設される遠心羽根車３（上流羽根車３Ｕ）の流出部３ａから吐出された流体は、ディフューザ４、Ｕターン流路５ａ（半開部通路１２）、および戻り流路５の順に流れ、回転軸２の軸方向下流（Ｄｎ）に配設される遠心羽根車３（下流羽根車３Ｄ）に流入部３ｂから流入する。
　上流羽根車３Ｕの流出部３ａから吐出された流体は、白矢印で示すように回転軸２から離反する径方向にディフューザ４を流れる。実施例１においては、ディフューザ４における流体の流れの方向（回転軸２から離反する径方向）を遠心方向Ｄ１と称する。
　Ｕターン流路５ａに流れ込んだ流体は流れの方向が転向する。具体的に、Ｕターン流路５ａでは、流体の流れが、回転軸２から離反する径方向（遠心方向Ｄ１）から白矢印で示すように回転軸２の軸方向Ｄ２に転向し、さらに、回転軸２に向かう径方向に転向する。
　そして、Ｕターン流路５ａで流れが転向した流体は、戻り流路５に流れ込み、白矢印で示すように回転軸２に向かう径方向に流れて流入部３ｂから下流羽根車３Ｄに流入する。実施例１においては、戻り流路５における流体の流れの方向（回転軸２に向かう径方向）を戻り方向Ｄ３と称する。
　図３は、図２におけるＳｅｃ１－Ｓｅｃ１での断面図であり、回転軸２の軸方向上流側から見たディフューザ羽根９の形状を示す。
　実施例１のディフューザ羽根９は、図２に示すように、側板１０とステージ７の間に高さＨｄで立設する翼状の羽根であり、図３に示すように、凹面状の負圧面９ａと凸面状の圧力面９ｂを有する。また、ディフューザ羽根９は、遠心羽根車３（図２参照）の周囲に、回転軸２の中心線ＣＬ（図２参照）を中心とする円形翼列状に配置され、隣り合う２つのディフューザ羽根９における負圧面９ａと圧力面９ｂの間が拡大通路１１となる。そして、この拡大通路１１に流体が流れる。
　なお、実施例１のディフューザ羽根９は、この種のディフューザ羽根として公知であるものと同様の構成（形状）であればよい。例えば、回転軸２の軸方向（高さＨｄの方向）に、厚みが一定のディフューザ羽根９であればよい。つまり、側板１０と平行な平面で断面した断面の形状が、側板１０からステージ７（図２参照）まで同じ形状となるディフューザ羽根９であればよい。
　また、拡大通路１１の下流側（ディフューザ４の下流側（Ｄｎ））は、ディフューザ羽根９の下流側の端辺（後端辺９０ａ）となっている。そして、後端辺９０ａと、隣り合うディフューザ羽根９の圧力面９ｂと、の間が拡大通路１１の出口部１１ａになり、出口部１１ａにおいてディフューザ４とＵターン流路５ａが連続している。
　実施例１においてＵターン流路５ａを構成する半開部通路１２は、側板１０の外周部に設けられている。図３に示すように、１つのディフューザ羽根９の後端辺９０ａから、隣り合うディフューザ羽根９の圧力面９ｂに向かう側板１０の端辺（通路端１０ａ）が半開部通路１２になる。そして、側板１０の外周（輪郭線）は、ディフューザ羽根９（圧力面９ｂ）の曲面形状に沿った部分と通路端１０ａによって回転軸２の軸方向から見た山形を呈し、径方向に凹凸形状を呈する。
　つまり、側板１０の外周は、ディフューザ羽根９の後端辺９０ａが径方向に突出して凸部となる。また、側板１０の外周は、通路端１０ａとディフューザ羽根９の圧力面９ｂが交わる交点が、径方向に凹んだ位置となり、これによって、周縁部が凹状の形状（凹部）となっている。そして、凸部と凹部が、ディフューザ羽根９の圧力面９ｂと通路端１０ａで連結されて半開部通路１２になる。
　なお、ここでいう側板１０の外周は、回転軸２（図２参照）の軸方向に垂直な仮想平面に側板１０を投影したときの側板１０の外形形状を示す線（曲線）とする（以下、同じ）。
　このような構成によって、通路端１０ａの外周と、回転軸２の中心線ＣＬ（図２参照）と、の距離が、隣り合うディフューザ羽根９の一方の負圧面９ａから他方のディフューザ羽根９の圧力面９ｂに向かって漸減して凹部となる。さらに、通路端１０ａの外周と、回転軸２の中心線ＣＬと、の距離が、凹部から圧力面９ｂの凸面状に沿って後端辺９０ａまで漸増して凸部となる。つまり、通路端１０ａの外周の、回転軸２の中心線ＣＬからの距離が、中心線ＣＬを中心とする周方向で一定ではない側板１０になる。
　このような形状の半開部通路１２が、通路端１０ａとステージ７（内周面７ａ）の間のＵターン流路５ａの一部をなす。そして、ディフューザ４の拡大通路１１を出口部１１ａまで流れた流体は、ステージ７の内周面７ａと通路端１０ａの間のＵターン流路５ａに流れ込み、さらに、戻り流路５（図２参照）に流れ込む。このように、実施例１において、流体の流れの方向を転向するＵターン流路５ａ（転向部）は、その一部が半開部通路１２となっている。
　また、図２に示すように、遠心羽根車３（上流羽根車３Ｕ）から流出した流体は、ディフューザ４の拡大通路１１（図３参照）を流れるときにディフューザ羽根９の作用によって周方向の速度成分が減少して圧力が回復する。つまり、遠心羽根車３から流出した流体が有する速度エネルギの一部がディフューザ４で圧力エネルギに変換される。
　そして、ディフューザ４の拡大通路１１を流れた流体は、出口部１１ａからＵターン流路５ａ（半開部通路１２）に流れ込んで流れが転向する。
　図４（ａ）は図２のＳｅｃ２－Ｓｅｃ２での断面図であり、回転軸２の軸方向に垂直な平面で切断した返し羽根６の形状を示す。また、図４（ｂ）は外翼の拡大図である。
　また、図５（ａ）は返し羽根入口部の拡大図、（ｂ）はＵターン流路における流体の流れを示す図である。なお、回転軸２は、白い矢印の方向（返し羽根６の側から見て右方向）に回転する。
　図４（ａ）に示すように、実施例１の返し羽根６は、二重の円形翼列状に配置されている。返し羽根６は、回転軸２に近い側（内周側）で、当該回転軸２の中心線ＣＬを中心とする円形翼列状に配置される内翼６１と、内翼６１よりも外周側（通路端１０ａの側）で、中心線ＣＬを中心とする円形翼列状に配置される外翼６０と、を含んで構成される。
　外翼６０は、回転軸２の軸方向下流側から見て、凸面部６０ａと凹面部６０ｂを両翼面とする湾曲形状を呈する。そして、隣り合う外翼６０の一方の凸面部６０ａと他方の凹面部６０ｂの間が戻り流路５となり、流体は翼面（凸面部６０ａ，凹面部６０ｂ）に沿って戻り流路５を流れる。
　同様に、内翼６１は、回転軸２の軸方向下流側から見て、凸面部６１ａと凹面部６１ｂを両翼面とする湾曲形状を呈する。そして、隣り合う内翼６１の一方の凸面部６１ａと他方の凹面部６１ｂの間が戻り流路５となり、流体は翼面（凸面部６１ａ，凹面部６１ｂ）に沿って戻り流路５を流れる。
　このように、実施例１の返し羽根６（外翼６０，内翼６１）においては、翼面（外翼６０の凸面部６０ａと凹面部６０ｂ、内翼６１の凸面部６１ａと凹面部６１ｂ）が戻り流路５を流れる流体をガイドする面になる。
　そして、返し羽根６の翼面は、戻り流路５における流体の流れを、回転軸２の中心線ＣＬを中心とする周方向から、回転軸２に向かう径方向に転向させるような曲面になっている。
　また、実施例１においては、外翼６０が配置される翼列を前段翼列とし、内翼６１が配置される翼列を後段翼列とする。なお、戻り流路５における流体の流れに基づいた配置では、前段翼列が上流側（Ｕｐ）であり後段翼列が下流側（Ｄｎ）になる。したがって、実施例１では、外翼６０が最も上流側（Ｕｐ）に配置され、内翼６１が最も下流側（Ｄｎ）に配置される。
　そして、実施例１の外翼６０は、回転軸２の軸方向に垂直な平面で切断した断面（翼断面６０ｃ）が、図４（ｂ）に斜線で示す形状を呈する。
　また、実施例１において、通路端１０ａは、側板１０における外翼６０の凸面部６０ａに沿っている。なお、図４（ａ）には、外翼６０の前縁部６０１が、ディフューザ羽根９の後端辺９０ａよりも、通路端１０ａに沿って後退した位置に配置されている外翼６０が図示されている。しかしながら、この形状は限定されるものではない。例えば、外翼６０の翼面（凸面部６０ａ，凹面部６０ｂ）の長さを長くするために、前縁部６０１が後端辺９０ａの位置になるまで凸面部６０ａと凹面部６０ｂの長さが延伸した形状の外翼６０であってもよい。
　また、外翼６０は、上流側の端部（前縁部６０１）から下流側の端部（後縁部６０２）を結ぶ曲線を翼断面６０ｃのキャンバーラインＬｎ１（外翼のキャンバーライン）とし、そのキャンバーラインＬｎ１を挟んだ両側が、翼面となる凸面部６０ａと凹面部６０ｂになっている。
　そして、前縁部６０１と、隣り合う外翼６０の凸面部６０ａの間が、戻り流路５の入口部（返し羽根入口部５ＩＮ）になる。
　なお、外翼６０のキャンバーラインＬｎ１は、外翼６０の凸面部６０ａと凹面部６０ｂの中間を通る曲線であり、外翼６０の翼断面６０ｃの厚みの中心線とする。
　内翼６１は、回転軸２の軸方向に垂直な平面で内翼６１を切断した翼断面６１ｃが、図４（ａ）に斜線で示す形状を呈する。また、内翼６１は、前縁部６１１から後縁部６１２を結ぶ曲線を翼断面６１ｃのキャンバーラインＬｎ２（内翼のキャンバーライン）とし、そのキャンバーラインＬｎ２を挟んだ両側が、翼面となる凸面部６１ａと凹面部６１ｂになっている。
　なお、内翼６１のキャンバーラインＬｎ２は、内翼６１の凸面部６１ａと凹面部６１ｂの中間を通る曲線であり、内翼６１の翼断面６１ｃの厚みの中心線とする。
　また、内翼６１は、中心線ＣＬを中心とする円弧に沿って外翼６０の凹面部６０ｂの側にオフセットした位置に配設され、戻り流路５は、外翼６０の凹面部６０ｂにガイドされた流体が内翼６１の凸面部６１ａ側に流れ込むように構成される。
　例えば、外翼６０の後縁部６０２と内翼６１の前縁部６１１の間に生じる間隙ΔＳ２は、隣り合う外翼６０の後縁部６０２の間の距離ΔＳ１の１／５～１／１０程度になる。
　そして、実施例１の外翼６０は、翼断面６０ｃのキャンバーラインＬｎ１の湾曲形状が、回転軸２の軸方向（高さＨｒの方向）で異なっている。
　例えば、図４（ａ），（ｂ）に示すように、外翼６０の後縁部６０２は、高さＨｒの方向に延設される。したがって、外翼６０の高さＨｒごとのキャンバーラインＬｎ１を側板１０に投影したとき、全てのキャンバーラインＬｎ１の投影線が、後縁部６０２の位置で交差する。そして、外翼６０のキャンバーラインＬｎ１は、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど曲率が小さくなっている。
　これによって、外翼６０の凸面部６０ａは、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど周方向（回転軸２の回転方向）側に張り出す曲面となる。そして、このように、キャンバーラインＬｎ１の湾曲形状が高さＨｒの方向で異なる外翼６０の前縁部６０１は、側板１０から高さＨｒの方向に向かって凸面部６０ａの側に傾斜する。
　一方、内翼６１のキャンバーラインＬｎ２は、高さＨｒの方向で同じ形状とすればよい。
　このような形状の外翼６０と外翼６０の間が戻り流路５になると、返し羽根入口部５ＩＮにおいては、外翼６０の羽根角度が高さＨｒの方向で異なる。つまり、図５（ａ）に示すように、側板１０における翼断面６０ｃに対する羽根角度θ１と、側板１０から高さＨｒの方向に離れた翼断面６０ｃに対する羽根角度θ２と、が異なる。
　実施例１において、外翼６０の前縁部６０１を円弧形状としたときの中心点Ｐｔと、回転軸２（図１参照）の中心線ＣＬを結ぶ直線と直行する第１想像線Ｘ１と、当該中心点ＰｔにおけるキャンバーラインＬｎ１の接線Ｘ２と、がなす角度を、羽根角度θ１（θ２）と定義する。なお、羽根角度θ１（θ２）は、このように定義される角度に限定されるものではない。
　また、図５（ｂ）に示すように、回転軸２の中心線ＣＬ（図２参照）を含む平面で切断した断面において、Ｕターン流路５ａでは、内側の流れ（側板１０の側）と外側の流れ（ステージ７の側）で曲率が異なる。したがって、Ｕターン流路５ａにおける流体の流れは曲率の小さな外側の流れに偏って、外側の流れの流速Ｖｏｕｔが内側の流れの流速Ｖｉｎよりも大きくなる（Ｖｏｕｔ＞Ｖｉｎ）。
　特に、遠心多段ポンプ１（図１参照）の小型化によって、ディフューザ４等の流路断面積が小さくなると、外側の流れの流速Ｖｏｕｔと内側の流れの流速Ｖｉｎの速度差が大きくなる。
　また、Ｕターン流路５ａにおける外側の流れの流速Ｖｏｕｔと内側の流れの流速Ｖｉｎの速度差は、そのまま返し羽根入口部５ＩＮにおける子午面速度の差（高さＨｒの方向に生じる子午面の断面上の速度差）となる。
　よって、遠心多段ポンプ１が小型化すると、返し羽根入口部５ＩＮにおける子午面速度の差が大きくなり、このことによって、返し羽根入口部５ＩＮにおける流体の流入角度が、外翼６０の高さＨｒの方向で変化する。したがって、返し羽根入口部５ＩＮにおける外翼６０の羽根角度が高さＨｒの方向で一定であると、流体の流入角度と外翼６０の羽根角度に差が生じ、剥離による乱れが発生する場合がある。
　そこで、実施例１は、図４（ａ）に示すように、キャンバーラインＬｎ１の形状が高さＨｒの方向で異なっている外翼６０とした。つまり、返し羽根入口部５ＩＮにおける流体の流入角度と外翼６０の羽根角度が、いかなる高さＨｒにおいても大きく異ならない形状の外翼６０とした。
　例えば、実験計測やシミュレーションによって、ディフューザ４（図２参照）、Ｕターン流路５ａ（図２参照）、および戻り流路５（図２参照）の形状（流路断面積等）を様々に変更したときの返し羽根入口部５ＩＮにおける流入角度の高さＨｒの方向の変化を求め、これに基づいて最適設計された形状の外翼６０とすればよい。
　以上のように、実施例１の遠心多段ポンプ１（図１参照）は、戻り流路５（図４（ａ）参照）に備わる返し羽根６（図４（ａ）参照）が、回転軸２の中心線ＣＬを中心とする二重の円形翼列状に配置される。
　さらに、前段翼列に配置される外翼６０（図４（ａ）参照）は、翼断面６０ｃのキャンバーラインＬｎ１（図４（ｂ）参照）の湾曲形状が、高さＨｒの方向で異なっている。例えば、図４（ｂ）に示すように、外翼６０のキャンバーラインＬｎ１は、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど曲率が小さくなる。
　このような形状の外翼６０（図４（ａ）参照）とすることによって、返し羽根入口部５ＩＮ（図４（ａ）参照）において高さＨｒの方向で変化する流体の流入角度と外翼６０の羽根角度の差を小さくすることができ、剥離による乱れを抑制できる。
　例えば、小型化によって流体の流速が大きくなる場合であっても、返し羽根入口部５ＩＮにおける剥離の発生を抑制でき、小型化に適した遠心多段ポンプ１（図１参照）とすることができる。つまり、遠心多段ポンプ１が小型化されたときの剥離の発生が抑制されるため、剥離の発生による効率の低下が抑制されることになり、効率が低下することなく遠心多段ポンプ１を小型化することができる。
　実施例２は、実施例１と同じ構成の遠心多段ポンプ１（図１参照）において、返し羽根６（図６参照）の形状が異なるものである。
　図６は、実施例２の外翼と内翼の形状を示す図である。図６に示すように、実施例２の返し羽根６は、外翼６２と内翼６３が二重の円形翼列状（上流側（Ｕｐ）の前段翼列と下流側（Ｕｐ）の後段翼列）に配置されている。外翼６２は、両翼面となる凸面部６２ａと凹面部６２ｂが、前縁部６２１から後縁部６２２の間で湾曲する湾曲面であり、図６に斜線で示す形状の翼断面６２ｃを有する。同様に、内翼６３は、両翼面となる凸面部６３ａと凹面部６３ｂが、前縁部６３１から後縁部６３２の間で湾曲する湾曲面であり、図６に斜線で示す形状の翼断面６３ｃを有する。
　実施例２の返し羽根６（外翼６２，内翼６３）も、戻り流路５における流体の流れを、回転軸２の中心線ＣＬを中心とする周方向から、回転軸２に向かう径方向に転向させるような翼面（外翼６２の凸面部６２ａと凹面部６２ｂ、内翼６３の凸面部６３ａと凹面部６３ｂ）を有する。
　そして、外翼６２（翼断面６２ｃ）のキャンバーラインＬｎ１の形状と、内翼６３（翼断面６３ｃ）のキャンバーラインＬｎ２の湾曲形状が、ともに高さＨｒの方向で異なっている。
　例えば、図６に示すように、内翼６３の後縁部６３２は、高さＨｒの方向に延設される。したがって、内翼６３の高さＨｒごとのキャンバーラインＬｎ２を側板１０に投影したとき、全てのキャンバーラインＬｎ２の投影線が後縁部６３２の位置で交差する。また、内翼６３のキャンバーラインＬｎ２は、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど曲率が小さくなる。
　さらに、外翼６２の後縁部６２２は、側板１０から高さＨｒの方向に向かって周方向に凸面部６２ａの側に傾斜する。つまり、外翼６２の高さＨｒごとのキャンバーラインＬｎ１を側板１０に投影したとき、後縁部６２２の位置では、側板１０から高さＨｒの方向に離れた翼断面６２ｃのキャンバーラインＬｎ１ほど凸面部６２ａの側に配置される。そして、外翼６２のキャンバーラインＬｎ１は、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど曲率が小さくなる。
　図１に示すディフューザ４やＵターン流路５ａの形状や運転状態によっては、外翼６２の前縁部６２１の位置で高さＨｒの方向に生じる流入角度の差がさらに顕著になる場合がある。この場合、図４（ａ）に示す実施例１のように、外翼６０のキャンバーラインＬｎ１の湾曲形状の違いのみで流入角度の差を解消しようとすると、キャンバーラインＬｎ１の長さが側板１０の側とステージ７の側で大きく異なったり、外翼６２の翼断面６２ｃが歪んだ形状になったりして、戻り流路５で流れの剥離が生じる可能性が高くなる。
　そこで、実施例２の返し羽根６は、外翼６２の前縁部６２１の位置での高さＨｒ方向に生じる流入角度の差を、外翼６２および内翼６３のそれぞれのキャンバーラインＬｎ１，Ｌｎ２の湾曲形状の違いで解消する（小さくする）。これによって、返し羽根入口部５ＩＮにおける流体の流入角度と外翼６２の羽根角度が、いかなる高さＨｒにおいても大きく異ならない返し羽根６とすることができる。また、側板１０の側とステージ７の側とで、キャンバーラインＬｎ１，Ｌｎ２の長さが大きく異なること、外翼６２の翼断面６２ｃが歪んだ形状になること、が回避される。そして、内翼６３は、翼断面６３ｃのキャンバーラインＬｎ２の湾曲形状が高さＨｒの方向で異なって、隣り合う内翼６３間の戻り流路５に流入する流体の流入角度と、前縁部６３１の位置における内翼６３の羽根角度が、高さＨｒの方向で大きく異ならない形状とした。
　さらに、外翼６２のキャンバーラインＬｎ１は、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど曲率が小さくなる構成とした。
　このような形状の外翼６２と内翼６３を有する返し羽根６とすることによって、外翼６２の前縁部６２１の位置で、高さＨｒの方向に生じる流入角度の差がさらに顕著になる場合であっても剥離の発生を抑制でき、小型化に適した遠心多段ポンプ１（図１参照）とすることができる。
　実施例３は、実施例１と同じ構成の遠心多段ポンプ１（図１参照）において、返し羽根６（図２参照）の形状が異なるものである。
　図７は、実施例３の外翼と内翼の形状を示す図である。図７に示すように、実施例３の返し羽根６は、外翼６４と内翼６５が二重の円形翼列状（上流側の前段翼列と下流側の後段翼列）に配置されている。外翼６４は、両翼面となる凸面部６４ａと凹面部６４ｂが、前縁部６４１から後縁部６４２の間で湾曲する湾曲面であり、図７に斜線で示す形状の翼断面６４ｃを有する。同様に、内翼６５は、両翼面となる凸面部６５ａと凹面部６５ｂが、前縁部６５１から後縁部６５２の間で湾曲する湾曲面であり、図７に斜線で示す形状の翼断面６５ｃを有する。
　実施例３の返し羽根６（外翼６４，内翼６５）も、戻り流路５における流体の流れを、回転軸２の中心線ＣＬを中心とする周方向から、回転軸２に向かう径方向に転向させるような翼面（外翼６４の凸面部６４ａと凹面部６４ｂ、内翼６５の凸面部６５ａと凹面部６５ｂ）を有する。
　そして、外翼６４（翼断面６４ｃ）のキャンバーラインＬｎ１の湾曲形状が、高さＨｒの方向で異なっている。なお、内翼６５（翼断面６５ｃ）のキャンバーラインＬｎ２の湾曲形状は、高さＨｒの方向で同じ形状であってもよいし異なっていてもよい。
　例えば、図７に示すように、外翼６４の前縁部６４１は、高さＨｒの方向に延設される。したがって、外翼６４の高さＨｒごとのキャンバーラインＬｎ１を側板１０に投影したとき、全てのキャンバーラインＬｎ１の投影線が前縁部６４１の位置で交差する。そして、外翼６４のキャンバーラインＬｎ１は、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど曲率が大きくなる。
　さらに、内翼６５のキャンバーラインＬｎ２は、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど曲率が大きくなる。
　このような形状の外翼６４は、戻り流路５の入口部（返し羽根入口部５ＩＮ）において高さＨｒの方向で羽根角度が異なる。したがって、返し羽根入口部５ＩＮにおいて高さＨｒの方向で変化する流体の流入角度と外翼６４の羽根角度の差を小さくすることができ、剥離による乱れを抑制できる。つまり、遠心多段ポンプ１（図１参照）が小型化されたときの剥離の発生が抑制されるため、剥離の発生による効率の低下が抑制され、効率を低下させることなく遠心多段ポンプ１を小型化できる。
　また、キャンバーラインＬｎ２の形状が高さＨｒの方向で異なっている内翼６５とした。これによって、外翼６４の下流で、隣り合う内翼６５間の戻り流路５に流入する流体の流入角度と、前縁部６５１の位置における内翼６５の羽根角度が、高さＨｒの方向で大きく異ならない形状の内翼６５とすることができる。
　したがって、外翼６４の前縁部６４１の位置で高さＨｒの方向に生じている流入角度と羽根角度の差が、外翼６４の後縁部６４２の位置で解消されない場合であっても、隣り合う内翼６５間の戻り流路５に流入する流体の流入角度と、内翼６５の前縁部６５１の羽根角度と、の差を小さくすることができる。そして、内翼６５の前縁部６５１の位置での剥離による乱れを抑制できる。
　なお、本発明は前記した実施例に限定されるものではない。例えば、前記した実施例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
　また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
　例えば、実施例１の遠心多段ポンプ１（図１参照）は、図４（ａ）に示すように、二重の円形翼列に外翼６０と内翼６１が配設されている返し羽根６を有する構成とした。しかしながら、三重、またはそれ以上の円形翼列に翼が配設された返し羽根を有する遠心多段ポンプ１であってもよい。
　この場合、内周側の円形翼列に配設される翼ほど、中心線ＣＬを中心とする円弧に沿って外周側に配設される翼の凹面部の側にオフセットした位置に配設される事が好ましい。そして、例えば、最も外周側の円形翼列に配設されて最も上流側となる翼を外翼とし、外翼のキャンバーラインの形状（湾曲形状）が、返し羽根の高さ方向で異なっている構成とすればよい。例えば、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど曲率が小さくなるキャンバーラインとすればよい。
　さらに、最も内周側の円形翼列に配設されて最も下流側となる翼を内翼とし、内翼のキャンバーラインが高さの方向に同じ形状とすればよい。つまり、内翼の高さごとのキャンバーラインを側板１０に投影したとき、全てのキャンバーラインが重なる構成とすればよい。
　この他、本発明は、前記した実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
　例えば、実施例１～３における返し羽根６（図４（ａ）参照）の形状は一例に過ぎず、その形状は、遠心多段ポンプ１（図１参照）に要求される性能等に基づいて適宜決定されればよい。そして、最も上流側の前段翼列に配設される外翼のキャンバーラインの形状が、外翼の高さの方向で異なっている構成とすればよい。例えば、側板１０から高さＨｒの方向に離れるほど曲率が小さくなるキャンバーラインとすればよい。
　さらに、前記したように、本発明は、遠心多段ポンプ１（図１参照）に限定されず、その他の遠心形ターボ機械（圧縮機など）にも広く適用可能である。
　１　　　遠心多段ポンプ（遠心形ターボ機械）
　２　　　回転軸
　３　　　遠心羽根車
　４　　　ディフューザ
　５　　　戻り流路
　５ａ　　Ｕターン流路（転向部）
　６　　　返し羽根
　７　　　ステージ
　９　　　ディフューザ羽根
　１０　　側板
　１１　　拡大通路
　１４　　ケーシング
　６０，６２，６４　外翼
　６０ａ　凸面部（翼面）
　６０ｂ　凹面部（翼面）
　６１，６３，６５　内翼
　６１ａ　凸面部（翼面）
　６１ｂ　凹面部（翼面）
　６０１，６１１　前縁部
　６０２，６１２　後縁部
　ＣＬ　　中心線
　Ｌｎ１，Ｌｎ２　キャンバーライン
　Ｈｒ　　高さ

Claims (10)

  1. 　回転軸に取り付けられた複数枚の遠心羽根車と、
    　前記遠心羽根車から流出した流体が前記回転軸から離れる遠心方向に流れるディフューザと、
    　前記遠心羽根車に流入する前記流体が前記回転軸に向かう戻り方向に流れる戻り流路と、
    　前記回転軸の中心線を中心とする径方向に広がって前記ディフューザと前記戻り流路の仕切壁をなす側板と、
    　前記回転軸の軸方向を高さ方向として前記側板に立設し、前記中心線を中心とする円形翼列状に配設されて前記戻り流路に備わる複数の返し羽根と、
    　前記ディフューザを流れた前記流体の流れを、前記遠心方向から前記軸方向に転向し、さらに、前記軸方向から前記戻り方向に転向する転向部と、を備え、
    　前記円形翼列が多重に設けられて、前記返し羽根が、前記戻り流路における前記流体の流れの上流側から下流側に向かって複数列に配置され、
    　前記返し羽根は、前記流体をガイドする翼面が、前記戻り流路における前記流体の流れを前記中心線を中心とする周方向から前記回転軸に向かう径方向に転向させる曲面であって、
    　前記返し羽根のうちで最も上流側に配置される外翼を前記軸方向に垂直な平面で切断した断面のキャンバーラインが、前記側板からの前記高さ方向で異なった湾曲形状を呈することを特徴とする遠心形ターボ機械。
  2. 　湾曲形状が異なる前記外翼のキャンバーラインを前記側板に投影した投影線の全てが、前記外翼の下流側の後縁部の位置で交差することを特徴とする請求項１に記載の遠心形ターボ機械。
  3. 　前記返し羽根のうちで最も下流側に配置される内翼を前記軸方向に垂直な平面で切断した断面のキャンバーラインが、前記側板からの前記高さ方向で異なった湾曲形状を呈し、
    　湾曲形状が異なる前記内翼のキャンバーラインを前記側板に投影した投影線の全てが、前記内翼の下流側の後縁部の位置で交差することを特徴とする請求項１に記載の遠心形ターボ機械。
  4. 　湾曲形状が異なる前記外翼のキャンバーラインを前記側板に投影した投影線の全てが、前記外翼の上流側の前縁部の位置で交差することを特徴とする請求項１に記載の遠心形ターボ機械。
  5. 　前記返し羽根のうちで最も下流側に配置される内翼を前記軸方向に垂直な平面で切断した断面のキャンバーラインが、前記側板からの前記高さ方向で異なった湾曲形状を呈することを特徴とする請求項４に記載の遠心形ターボ機械。
  6. 　前記側板の外周の、前記中心線からの距離が、前記中心線を中心とする周方向に一定でないことを特徴とする請求項１に記載の遠心形ターボ機械。
  7. 　前記側板の外周の、前記中心線からの距離が、前記中心線を中心とする周方向に一定でないことを特徴とする請求項２に記載に記載の遠心形ターボ機械。
  8. 　前記側板の外周の、前記中心線からの距離が、前記中心線を中心とする周方向に一定でないことを特徴とする請求項３に記載に記載の遠心形ターボ機械。
  9. 　前記側板の外周の、前記中心線からの距離が、前記中心線を中心とする周方向に一定でないことを特徴とする請求項４に記載に記載の遠心形ターボ機械。
  10. 　前記側板の外周の、前記中心線からの距離が、前記中心線を中心とする周方向に一定でないことを特徴とする請求項５に記載に記載の遠心形ターボ機械。
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