WO2017072843A1

WO2017072843A1 - 回転機械

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Publication number: WO2017072843A1
Application number: PCT/JP2015/080168
Authority: WO
Inventors: 健一郎岩切
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2015-10-27
Filing date: 2015-10-27
Publication date: 2017-05-04
Also published as: CN107923409A; CN107923409B; US10968759B2; DE112015006776T5; US20180073375A1

Abstract

可変翼の球面状のハブ側端面に対向するとともに球面状の第１球面領域を有する第１翼対向面を含む翼対向ハブ部と、ハブの軸方向において翼対向ハブ部の上流側に設けられ、軸方向において第１翼対向面に隣接する第１外周面を有する上流側ハブ部と、軸方向において翼対向ハブ部の下流側に設けられ、軸方向において第１翼対向面に隣接する第２外周面を有する下流側ハブ部と、をハブが含み、以下の条件（ａ）と条件（ｂ）の少なくとも一方を満たす回転機械。（ａ）第１外周面の下流端は、第１翼対向面の上流端よりもハブの径方向において外側に位置する。（ｂ）第２外周面の上流端は、第１翼対向面の下流端よりもハブの径方向において外側に位置する。

Description

回転機械

　本開示は回転機械に関する。

　圧縮機やタービン等の回転機械において、静翼と動翼の少なくとも一方は、流れに対する迎え角を調節するために、ハブの径方向に沿った回動軸周りに回動可能な可変翼として構成される場合がある。

　このような可変翼を備えた回転機械において、可変翼の回動範囲において可変翼のハブ側端面とハブの翼対向面とが干渉しないように構成した場合、可変翼をクローズ側（可変翼のコードラインとハブの軸方向とのなす角が大きくなる方向）に回動させたときに可変翼のハブ側端面とハブの翼対向面とのクリアランスが拡大しやすい。可変翼のハブ側端面とハブの翼対向面とのクリアランスが拡大すると、該クリアランスを通過する漏れ流れに起因するロス（以下、クリアランスロスと記載）が増大して回転機械の効率が低下する可能性がある。

　特許文献１には、可変翼をクローズ側に回動させても上記クリアランスが拡大しないように、可変翼がハブの径方向外側に凹である球面状のハブ側端面を有するとともに、ハブの翼対向面がハブの径方向外側に凸である球面状の球面領域を有する回転機械が開示されている。

実開平３－１３４９８号公報

　特許文献１に記載された回転機械のように、ハブの翼対向面がハブの径方向外側に凸である球面状の球面領域を有する場合、何も工夫しなければ、流路内に突出した球面領域によって流路内のスムーズな流体流れが妨げられてしまう。その結果、ハブの径方向外側への流れ（所謂二次流れ）や球面領域の後方での剥離現象等が生じ、回転機械の性能低下を招く可能性がある。

　上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、ハブの径方向に沿った回動軸周りに回動可能に構成された可変翼を備える回転機械において、クリアランスロスを低減し性能低下を抑制することを目的とする。

　（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る回転機械は、回転中心軸周りに回転するように構成されたハブと、前記ハブを覆うよう構成され、前記ハブとの間に流体流路を形成するケーシングと、前記流体流路上に配置され、前記ハブの径方向に沿った回動軸周りに回動可能に構成された可変翼と、を備える回転機械であって、前記可変翼は、前記ハブの径方向外側に凹である球面状のハブ側端面を含み、前記ハブは、前記可変翼の前記ハブ側端面に対向するとともに前記ハブの径方向外側に凸である球面状の第１球面領域を有する第１翼対向面を含む翼対向ハブ部と、前記ハブの軸方向において前記翼対向ハブ部の上流側に設けられ、前記軸方向において前記第１翼対向面に隣接する第１外周面を有する上流側ハブ部と、前記軸方向において前記翼対向ハブ部の下流側に設けられ、前記軸方向において前記第１翼対向面に隣接する第２外周面を有する下流側ハブ部と、を含み、以下の条件（ａ）と条件（ｂ）の少なくとも一方を満たす回転機械。（ａ）前記第１外周面の下流端は、前記第１翼対向面の上流端よりも前記ハブの径方向において外側に位置する。（ｂ）前記第２外周面の上流端は、前記第１翼対向面の下流端よりも前記ハブの径方向において外側に位置する。

　上記（１）に記載の回転機械によれば、可変翼のハブ側端面が球面状に形成されるとともに第１翼対向面が第１球面領域を有するため、可変翼をクローズ側に回動させても可変翼のハブ側端面とハブの翼対向面とのクリアランスが基本的には拡大しない。このため、クリアランスロスを低減することができる。
　また、上記（１）に記載の回転機械において上記条件（ａ）を満たす場合には、上記条件（ａ）を満たさない場合と比較して、第１外周面を下流側に延長した仮想延長面に対するハブの径方向外側への突出量が小さくなるように第１翼対向面を形成することが可能となる。あるいは、該仮想延長面に対してハブの径方向外側に突出しないように第１翼対向面を形成することも可能となる。このように、第１外周面に沿った流体のスムーズな流れを妨げないよう第１翼対向面を形成することが可能となるため、二次流れの発生を抑制し、回転機械の性能低下を抑制することが容易となる。
　一方、上記（１）に記載の回転機械において上記条件（ｂ）を満たす場合には、上記条件（ａ）を満たさない場合と比較して、第２外周面を上流側に延長した仮想延長面に対するハブの径方向外側への突出量が小さくなるように第１翼対向面を形成することが可能となる。あるいは、該仮想延長面に対してハブの径方向外側に突出しないように第１翼対向面を形成することも可能となる。このように、球面領域の後方での剥離現象を抑制するよう第１翼対向面を形成することが可能となるため、回転機械の性能低下を抑制することが容易となる。
　したがって、上記（１）に記載の回転機械によれば、上記条件（ａ）と上記条件（ｂ）の少なくとも一方を満たすことにより、回転機械の性能低下を抑制することが容易となる。

　（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の回転機械において、前記回転機械は少なくとも前記条件（ａ）を満たし、前記第１翼対向面は、前記第１外周面を下流側に延長した第１仮想延長面よりも前記ハブの径方向において外側に突出しないよう形成されている。

　上記（２）に記載の回転機械によれば、第１外周面に沿った流体のスムーズな流れを第１外周面の下流側の第１翼対向面が妨げることを抑制することができるため、回転機械の性能低下を抑制することができる。

　（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載の回転機械において、前記回転機械は少なくとも前記条件（ｂ）を満たし、前記第１翼対向面は、前記第２外周面を上流側に延長した第２仮想延長面よりも前記ハブの径方向において外側に突出しないよう形成されている。

　上記（３）に記載の回転機械によれば、球面領域の後方での剥離現象を抑制し、回転機械の性能低下を抑制することができる。

　（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れか１項に記載の回転機械において、前記第１球面領域の球面中心は、前記可変翼の回動軸と前記回転機械の回転中心軸との交点に位置し、前記第１球面領域の球面半径をＲ０とし、前記第１外周面を下流側に延長した第１仮想延長面と前記球面中心との距離をＲ１とすると、前記第１球面領域は、Ｒ０≦Ｒ１を満たすよう形成されている。

　上記（４）に記載の回転機械によれば、第１外周面に沿った流体のスムーズな流れを第１外周面の下流側の第１翼対向面が妨げることを抑制することができるため、回転機械の性能低下を抑制することができる。

　（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れか１項に記載の回転機械において、前記第１球面領域の球面中心は、前記可変翼の回動軸と前記回転機械の回転中心軸との交点に位置し、前記第１球面領域の球面半径をＲ０とし、前記第２外周面を上流側に延長した第２仮想延長面と前記球面中心との距離をＲ２とすると、前記第１球面領域は、Ｒ０≦Ｒ２を満たすよう形成されている。

　上記（５）に記載の回転機械によれば、球面領域の後方での剥離現象を抑制し、回転機械の性能低下を抑制することができる。

　（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れか１項に記載の回転機械において、前記可変翼の回動軸は、前記可変翼のコードラインの中心よりも前縁側に位置し、前記第１翼対向面の上流端と前記回転機械の回転中心軸との距離Ｄｈ１は、前記第１翼対向面の下流端と前記回転機械の回転中心軸との距離Ｄｈ２よりも大きく、前記第１翼対向面の上流端と前記可変翼の回動軸との距離Ｌ１は、前記第１翼対向面の下流端と前記可変翼の回動軸との距離Ｌ２よりも小さい。

　上記（６）に記載の回転機械によれば、第１球面領域を含む第１翼対向面の上流側端と第１球面領域の頂点（第１球面領域上に存在しハブ中心軸からハブ径方向に最も離れた点であり、通常は第１球面領域と回動軸との交点）との間の軸方向距離及び径方向距離を縮めることができる。よって、回転機械の軸方向サイズをコンパクト化したり、翼前縁側の無駄な空間を小さくして第１翼対向面近傍の再循環流を抑制することができる。また、第１球面領域頂点の径方向における第１外周面からの突出量を抑制し、第１外周面に沿った流体のスムーズな流れに第１翼対向面が及ぼす影響を効果的に低減できる。

　（７）幾つかの実施形態では、上記（６）に記載の回転機械において、前記ハブの第１外周面の下流端と前記可変翼の回動軸との前記ハブの軸方向における距離Ｌ３は、前記ハブの第２外周面の上流端と前記可変翼の回動軸との前記ハブの軸方向における距離Ｌ４よりも小さい。

　上記（７）に記載の回転機械によれば、回転機械の軸方向サイズをコンパクト化したり、翼前縁側の無駄な空間を小さくして第１翼対向面近傍の再循環流を抑制することができる。

　（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れか１項に記載の回転機械において、前記可変翼は、前記ハブの径方向外側に凸である球面状のチップ側端面を含み、前記ケーシングは、前記可変翼の前記チップ側端面に対向するとともに前記ハブの径方向外側に凹である球面状の第２球面領域を有する第２翼対向面を含む翼対向ケーシング部と、前記ハブの軸方向において前記翼対向ケーシング部の上流側に設けられ、前記軸方向において前記第２翼対向面に隣接する第１内周面を有する上流側ケーシング部と、前記軸方向において前記翼対向ケーシング部の下流側に設けられ、前記軸方向において前記第２翼対向面に隣接する第２内周面を有する下流側ケーシング部と、を含み、前記可変翼の回動軸は、前記可変翼のコードラインの中心よりも前縁側に位置し、前記第２翼対向面の上流端と前記回転機械の回転中心軸との距離Ｄｔ１は、前記第２翼対向面の下流端と前記回転機械の回転中心軸との距離Ｄｔ２よりも大きく、前記第２翼対向面の上流端と前記可変翼の回動軸との距離Ｌ５は、前記第２翼対向面の下流端と前記可変翼の回動軸との距離Ｌ６よりも小さい。

　上記（８）に記載の回転機械によれば、第２球面領域を含む第２翼対向面の上流端と第２球面領域の頂点（第２球面領域上に存在しハブ中心軸からハブ径方向に最も離れた点であり、通常は第２球面領域と回動軸との交点）との間の軸方向距離及び径方向距離を縮めることができる。よって、回転機械の軸方向サイズをコンパクト化したり、翼前縁側の無駄な空間を小さくして第２翼対向面近傍の再循環流を抑制することができる。

　（９）幾つかの実施形態では、上記（８）に記載の回転機械において、前記ケーシングの第１内周面の下流端と前記可変翼の回動軸との距離Ｌ７は、前記ケーシングの第２内周面の上流端と前記可変翼の回動軸との前記ハブの軸方向における距離Ｌ８よりも小さい。

　上記（９）に記載の回転機械によれば、回転機械の軸方向サイズをコンパクト化したり、翼前縁側の無駄な空間を小さくして第２翼対向面近傍の再循環流を抑制することができる。

　（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係る回転機械は、回転中心軸周りに回転するように構成されたハブと、前記ハブを覆うよう構成され、前記ハブとの間に流体流路を形成するケーシングと、前記流体流路上に配置され、前記ハブの径方向に沿った回動軸周りに回動可能に構成された可変翼と、を備える回転機械であって、前記可変翼は、前記ハブの径方向外側に凸である球面状のチップ側端面を含み、前記ケーシングは、前記可変翼の前記チップ側端面に対向するとともに前記ハブの径方向外側に凹である球面状の第２球面領域を有する第２翼対向面を含む翼対向ケーシング部と、前記ハブの軸方向において前記翼対向ケーシング部の上流側に設けられ、前記軸方向において前記第２翼対向面に隣接する第１内周面を有する上流側ケーシング部と、前記軸方向において前記翼対向ケーシング部の下流側に設けられ、前記軸方向において前記第２翼対向面に隣接する第２内周面を有する下流側ケーシング部と、を含み、前記可変翼の回動軸は、前記可変翼のコードラインの中心よりも前縁側に位置し、前記第２翼対向面の上流端と前記回転機械の回転中心軸との距離Ｄｔ１は、前記第２翼対向面の下流端と前記回転機械の回転中心軸との距離Ｄｔ２よりも大きく、前記第２翼対向面の上流端と前記可変翼の回動軸との距離Ｌ５は、前記第２翼対向面の下流端と前記可変翼の回動軸との距離Ｌ６よりも小さい。

　上記（１０）に記載の回転機械によれば、第２球面領域を含む第２翼対向面の上流端と第２球面領域の頂点（第２球面領域上に存在しハブ中心軸からハブ径方向に最も離れた点であり、通常は第２球面領域と回動軸との交点）との間の軸方向距離及び径方向距離を縮めることができる。よって、回転機械の軸方向サイズをコンパクト化したり、翼前縁側の無駄な空間を小さくして第２翼対向面近傍の再循環流を抑制することができる。

　（１１）幾つかの実施形態では、上記（１０）に記載の回転機械において、前記ケーシングの第１内周面の下流端と前記可変翼の回動軸との距離Ｌ７は、前記ケーシングの第２内周面の上流端と前記可変翼の回動軸との前記ハブの軸方向における距離Ｌ８よりも小さい。

　上記（１１）に記載の回転機械によれば、回転機械の軸方向サイズをコンパクト化したり、翼前縁側の無駄な空間を小さくして第２翼対向面近傍の再循環流を抑制することができる。

　本発明の少なくとも一実施形態によれば、ハブの径方向に沿った回動軸周りに回動可能に構成された可変翼を備える回転機械において、クリアランスロスを低減し性能低下を抑制することができる。

一実施形態に係る回転機械としての軸流圧縮機の概略的な構成を示す断面図である。一実施形態に係る軸流圧縮機の一部を示す模式的な子午断面図である。一実施形態に係る軸流圧縮機の一部を示す模式的な子午断面図である。一実施形態に係る軸流圧縮機の一部を示す模式的な子午断面図である。一実施形態に係る軸流圧縮機の一部を示す模式的な子午断面図である。一実施形態に係る軸流圧縮機の一部を示す模式的な子午断面図である。一実施形態に係る軸流圧縮機の一部を示す模式的な子午断面図である。一実施形態に係る軸流圧縮機の一部を示す模式的な子午断面図である。一実施形態に係る軸流圧縮機の一部を示す模式的な子午断面図である。比較例としての軸流圧縮機の一部を示す模式的な子午断面図である。

　以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
　例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」「一致」等の相対的な配置関係を表す表現は、厳密にそのような相対的配置関係を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
　また、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

　図１は、幾つかの実施形態に係る回転機械としての軸流圧縮機１００の概略的な構成を示す断面図である。

　図１に示す軸流圧縮機１００は、回転中心軸Ｏ１周りに回転するように構成されたハブ２と、ハブ２を覆うよう構成され、ハブ２との間に流体流路４を形成するケーシング６と、ハブ２に固定された動翼８と、ケーシング６に固定された静翼１０とを備えている。

　動翼８は、流体流路４上に配置されており、ハブ２の径方向に沿った回動軸Ｏ２周りに回動可能に構成されている。回転中心軸Ｏ１の一の軸線方向位置にて周方向に配列された複数の動翼８が１つの動翼列を構成し、複数の動翼列が、回転中心軸Ｏ１の軸線方向（以下、ハブ２の軸方向と記載する。）に沿って配列されている。

　静翼１０は、流体流路４上に配置されており、ハブ２の径方向に沿った回動軸Ｏ３周りに回動可能に構成されている。ハブ２の軸方向における一の位置にて周方向に配列された複数の静翼１０が１つの静翼列を構成し、ハブの軸方向にて動翼列と静翼列が交互に配列されている。

　回転中心軸Ｏ１周りにハブ２及びハブ２に固定された動翼８が回転すると、ケーシング６の入口７から流入した流体が圧縮され、圧縮された流体がケーシング６の出口９から流出する。

　次に、図１に示した軸流圧縮機１００について、図２～図９を用いて幾つかの実施形態に係る動翼８及びその周囲の子午断面形状を説明する。

　図２は、一実施形態に係る軸流圧縮機１００の一部を示す模式的な子午断面図である。図３は、一実施形態に係る軸流圧縮機１００の一部を示す模式的な子午断面図である。図４は、一実施形態に係る軸流圧縮機１００の一部を示す模式的な子午断面図である。図５は、一実施形態に係る軸流圧縮機１００の一部を示す模式的な子午断面図である。図６は、一実施形態に係る軸流圧縮機１００の一部を示す模式的な子午断面図である。図７は、一実施形態に係る軸流圧縮機１００の一部を示す模式的な子午断面図である。図８は、一実施形態に係る軸流圧縮機１００の一部を示す模式的な子午断面図である。図９は、一実施形態に係る軸流圧縮機１００の一部を示す模式的な子午断面図である。

　幾つかの実施形態では、例えば図２～９に示すように、動翼８は、ハブ２の径方向外側に凹である球面状のハブ側端面１２を含む。ハブ２は、動翼８のハブ側端面１２に対向する翼対向ハブ部１６と、ハブ２の軸方向において翼対向ハブ部１６の上流側に設けられた上流側ハブ部２０と、ハブ２の軸方向において翼対向ハブ部１６の下流側に設けられた下流側ハブ部３２とを含む。ここで、翼対向ハブ部１６は、動翼８のハブ側端面１２に対向するとともにハブ２の径方向外側に凸である球面状の第１球面領域１５を有する第１翼対向面１４を含む。上流側ハブ部２０は、ハブ２の軸方向において第１翼対向面１４に隣接する第１外周面１８を有し、下流側ハブ部３２は、ハブ２の軸方向において第１翼対向面１４に隣接する第２外周面３４を有する。第１球面領域１５の球面中心Ｏ４は、動翼８の回動軸Ｏ２と回転機械の回転中心軸Ｏ１との交点に位置している。なお、上流側ハブ部２０、翼対向ハブ部１６及び下流側ハブ部３２は、一体で（一つの部材で）構成されていてもよいし、それぞれ別体で（別の部材で）構成されていてもよい。あるいは、上流側ハブ部２０、翼対向ハブ部１６及び下流側ハブ部３２のうち少なくとも一つが複数の部材によって構成されていてもよく、例えば図８に示すように、翼対向ハブ部１６が複数の部材によって形成されていてもよい。

　図２～図９に示す軸流圧縮機１００によれば、動翼８のハブ側端面１２が球面状に形成されるとともに第１翼対向面１４が第１球面領域１５を有するため、動翼８をクローズ側に回動させても動翼８のハブ側端面１２とハブ２の第１翼対向面１４とのクリアランスが基本的には拡大しない。このため、クリアランスロスを低減することができる。

　幾つかの実施形態では、例えば図２～図４及び図７～図９に示すように、第１外周面１８の下流端１８ａは、第１翼対向面１４の上流端１４ａよりもハブ２の径方向において外側に位置する。

　この場合、例えば図２、図３、及び図７～図９に示すように、第１外周面１８を下流側に延長した第１仮想延長面１８０に対してハブ２の径方向外側に突出しないように第１翼対向面１４を形成することが可能となる。図２、図３、及び図７～図９に示す実施形態では、第１球面領域１５の球面半径をＲ０とし、第１仮想延長面１８０と球面中心Ｏ４との距離をＲ１とすると、Ｒ０≦Ｒ１を満たすよう第１球面領域１５が形成されている。また、図４に示すように、第１外周面１８を下流側に延長した第１仮想延長面１８０に対してハブ２の径方向外側へ第１翼対向面１４が突出したとしても（Ｒ０＞Ｒ１となるよう第１球面領域１５が形成されている場合であっても）、仮想延長面１８０に対するハブ２の径方向外側への第１翼対向面１４の突出量を小さくすることができる。

　したがって、第１外周面１８に沿った流体のスムーズな流れＦを第１外周面１８の下流側の第１翼対向面１４が妨げることを抑制できるため、二次流れの発生を抑制し、軸流圧縮機１００の性能低下を抑制することが容易となる。

　これに対し、図１０に示すように、第１翼対向面１４の上流端１４ａよりもハブ２の径方向において外側に第１外周面１８の下流端１８ａが位置していない場合（第１翼対向面１４と第１外周面１８との間に段差が形成されていない場合）、ハブ２の第１外周面１８にそったスムーズな流体流れＦが第１球面領域１５に妨げられてしまう。その結果、ハブ２の径方向外側への流れ（所謂二次流れ）が生じ、軸流圧縮機の性能低下を招く可能性がある。

　幾つかの実施形態では、例えば図２～図６、図８及び図９に示すように、第２外周面３４の上流端３４ａは、第１翼対向面１４の下流端１４ｂよりもハブ２の径方向において外側に位置する。

　この場合、例えば図２～図５、図８及び図９に示すように、第２外周面３４を上流側に延長した第２仮想延長面３４０に対してハブ２の径方向外側に突出しないように第１翼対向面１４を形成することが可能となる。図２～図５、図８及び図９に示す実施形態では、第１球面領域１５の球面半径をＲ０とし、第２仮想延長面３４０と球面中心との距離をＲ２とすると、Ｒ０≦Ｒ２を満たすよう第１球面領域１５が形成されている。また、図６に示すように、第２外周面３４を上流側に延長した第２仮想延長面３４０に対してハブ２の径方向外側へ第１翼対向面１４が突出したとしても、第２仮想延長面３４０に対するハブ２の径方向外側への第１翼対向面１４の突出量を小さくすることができる。

　したがって、図２～図６、図８及び図９に示す実施形態によれば、第１球面領域１５の後方領域での剥離現象を抑制し、軸流圧縮機１００の性能低下を抑制することがきる。

　これに対し、図１０に示すように、第１翼対向面１４の下流端１４ｂよりもハブ２の径方向において外側に第２外周面３４の上流端３４ａが位置していない場合（第１翼対向面１４と第２外周面３４との間に段差が形成されていない場合）、第１球面領域１５の後方領域Ｓで剥離現象が生じ、軸流圧縮機の性能低下を招く可能性がある。

　幾つかの実施形態では、例えば図２、図８及び図９に示すように、第１仮想延長面１８０と第２仮想延長面３４０とが一致するように、第１外周面１８と第２外周面３４とが形成されていても良い。あるいは、例えば図３～７に示すように、第１仮想延長面１８０と第２仮想延長面３４０とがずれていてもよい。後者の場合には、主流のスムーズな流れに第１翼対向面１４が及ぼす影響を低減する観点から、図３に示すように、第１仮想延長面１８０と第２仮想延長面３４０の両方に対してハブ２の径方向外側へ突出しないように第１翼対向面１４を形成することが望ましい。図３に示す実施形態では、Ｒ０≦Ｒ１とＲ０≦Ｒ２の両方を満たすよう第１球面領域１５が形成されている。

　なお、図５に示すようにＲ０＞Ｒ１且つＲ０≦Ｒ２を満たす場合と、図７に示すようにＲ０≦Ｒ１且つＲ０＞Ｒ２を満たす場合とを比較すると、後者の方が、第１球面領域１５の後方領域での剥離を抑制しやすい。このため、第１球面領域１５の後方領域での剥離を抑制する観点からは、第１仮想延長面１８０よりも第２仮想延長面３４０を重視して第１球面領域１５の球面半径Ｒ０を設定することが望ましい。

　幾つかの実施形態では、例えば図８に示すように、動翼８の回動軸Ｏ２は、動翼８のコードラインの中心Ｏ５よりも前縁４０側に位置する。図８に示す実施形態では、第１翼対向面１４の上流端１４ａと軸流圧縮機１００の回転中心軸Ｏ１との距離Ｄｈ１は、第１翼対向面１４の下流端１４ｂと軸流圧縮機１００の回転中心軸Ｏ１との距離Ｄｈ２に等しく、第１翼対向面１４の上流端１４ａと動翼８の回動軸Ｏ２との距離Ｌ１は、第１翼対向面１４の下流端１４ｂと動翼８の回動軸Ｏ２との距離Ｌ２に等しい。球面領域をハブ２の第１翼対向面１４に形成する場合、通常は、このように対称性を有する形状が採用されやすい。ただし、この場合、動翼８の前縁４０側に無駄な空間Ｕ１が生じてしまい、第１翼対向面１４近傍に再循環流が発生するため、軸流圧縮機１００の効率が低下する可能性がある。

　これに対し、図９に示す実施形態では、動翼８の回動軸Ｏ２は、動翼８のコードラインの中心Ｏ５よりも前縁４０側に位置し、第１翼対向面１４の上流端１４ａと軸流圧縮機１００の回転中心軸Ｏ１との距離Ｄｈ１は、第１翼対向面１４の下流端１４ｂと軸流圧縮機１００の回転中心軸Ｏ１との距離Ｄｈ２よりも大きく、第１翼対向面１４の上流端１４ａと動翼８の回動軸Ｏ２との距離Ｌ１は、第１翼対向面１４の下流端１４ｂと動翼８の回動軸Ｏ２との距離Ｌ２よりも小さい。

　この構成によれば、第１球面領域１５を含む第１翼対向面１４の上流端１４ａと第１球面領域１５の頂点１５ａ（第１球面領域１５上に存在し回転中心軸Ｏ１からハブ２の径方向に最も離れた点であり、通常は第１球面領域１５と回動軸Ｏ２との交点）との間の軸方向距離及び径方向距離を縮めることができる。よって、軸流圧縮機１００の軸方向サイズをコンパクト化したり、動翼８の前縁４０側の無駄な空間Ｕ１を小さくして第１翼対向面１４近傍の再循環流（図８参照）を抑制することができる。また、第１外周面１８からのハブ２の径方向における第１球面領域頂点１５ａの突出量を抑制し、第１外周面１８に沿った流体のスムーズな流れＦに第１翼対向面１４が及ぼす影響を効果的に低減できる。

　幾つかの実施形態では、例えば図９に示すように、ハブ２の第１外周面１８の下流端１８ａと動翼８の回動軸Ｏ２とのハブ２の軸方向における距離Ｌ３は、ハブ２の第２外周面３４の上流端３４ａと動翼８の回動軸Ｏ２とのハブ２の軸方向における距離Ｌ４よりも小さい。

　この構成によれば、軸流圧縮機１００の軸方向サイズをコンパクト化したり、動翼８の前縁４０側の無駄な空間Ｕ１を小さくして第１翼対向面１４近傍の再循環流（図８参照）を抑制することができる。また、流体流路４を流れる流体が空間Ｕ１を通って動翼８のハブ側端面１２とハブ２の第１翼対向面１４とのクリアランスに流入しにくくなる。これにより、軸流圧縮機１００の効率低下を抑制することができる。

　幾つかの実施形態では、例えば図８及び図９に示すように、動翼８は、ハブ２の径方向外側に凸である球面状のチップ側端面２２を含む。ケーシング６は、動翼８のチップ側端面２２に対向する翼対向ケーシング部２６と、ハブ２の軸方向において翼対向ケーシング部２６の上流側に設けられた上流側ケーシング部３０と、ハブ２の軸方向において翼対向ケーシング部２６の下流側に設けられた下流側ケーシング部３６とを含む。ここで、翼対向ケーシング部２６は、動翼８のチップ側端面２２に対向するとともにハブ２の径方向外側に凹である球面状の第２球面領域２５を有する第２翼対向面２４を含む。上流側ケーシング部３０は、ハブ２の軸方向において第２翼対向面２４に隣接する第１内周面２８を有し、下流側ケーシング部３６は、ハブ２の軸方向において第２翼対向面２４に隣接する第２内周面３８を有する。なお、上流側ケーシング部３０、翼対向ケーシング部２６及び下流側ケーシング部３６は、一体で（一つの部材で）構成されていてもよいし、それぞれ別体で（別の部材で）構成されていてもよい。あるいは、上流側ケーシング部３０、翼対向ケーシング部２６及び下流側ケーシング部３６のうち少なくとも一つが複数の部材によって構成されていてもよく、例えば図８に示すように、翼対向ケーシング部１６が複数の部材によって形成されていてもよい。

　図８及び図９に示す軸流圧縮機１００によれば、動翼８のチップ側端面２２が球面状に形成されるとともに第２翼対向面２４が第２球面領域２５を有するため、動翼８をオープン側（動翼８のコードラインとハブ２の軸方向とのなす角が小さくなる方向）に回動させても動翼８のチップ側端面２２とケーシング６の第２翼対向面２４とのクリアランスが基本的には拡大しない。このため、クリアランスロスを低減することができる。

　幾つかの実施形態では、例えば図８に示すように、動翼８の回動軸Ｏ２は、動翼８のコードラインの中心Ｏ５よりも前縁４０側に位置し、第２翼対向面２４の上流端２４ａと軸流圧縮機１００の回転中心軸Ｏ１との距離Ｄｔ１は、第２翼対向面２４の下流端２４ｂと軸流圧縮機１００の回転中心軸Ｏ１との距離Ｄｔ２に等しく、第２翼対向面２４の上流端２４ａと動翼８の回動軸Ｏ２との距離Ｌ５は、第２翼対向面２４の下流端２４ｂと動翼８の回動軸Ｏ２との距離Ｌ６に等しい。球面領域をハブ２の第２翼対向面２４に形成する場合、通常は、このように対称性を有する形状が採用されやすい。ただし、この場合、動翼８の前縁４０側に無駄な空間Ｕ２が生じてしまい、第１翼対向面１４近傍に再循環流が発生するため、軸流圧縮機１００の効率が低下する可能性がある。

　これに対し、図９に示す実施形態では、動翼８の回動軸Ｏ２は、動翼８のコードラインの中心Ｏ５よりも前縁４０側に位置し、第２翼対向面２４の上流端２４ａと軸流圧縮機１００の回転中心軸Ｏ１との距離Ｄｔ１は、第２翼対向面２４の下流端２４ｂと軸流圧縮機１００の回転中心軸Ｏ１との距離Ｄｔ２よりも大きく、第２翼対向面２４の上流端２４ａと動翼８の回動軸Ｏ２との距離Ｌ５は、第２翼対向面２４の下流端２４ｂと動翼８の回動軸Ｏ２との距離Ｌ６よりも小さい。

　この構成によれば、第２球面領域２５を含む第２翼対向面２４の上流端２４ａと第２球面領域２５の頂点２５ａ（第２球面領域２５上に存在し回転中心軸Ｏ１からハブ２の径方向に最も離れた点であり、通常は第２球面領域２５と回動軸Ｏ２との交点）との間の軸方向距離及び径方向距離を縮めることができる。よって、軸流圧縮機１００の軸方向サイズをコンパクト化したり、動翼８の前縁４０側の無駄な空間Ｕ２を小さくして第２翼対向面２４近傍の再循環流（図８参照）を抑制することができる。

　幾つかの実施形態では、例えば図９に示すように、ケーシング６の第１内周面２８の下流端２８ａと動翼８の回動軸Ｏ２との距離Ｌ７は、ケーシングの第２内周面３８の上流端３８ａと動翼８の回動軸Ｏ２とのハブ２の軸方向における距離Ｌ８よりも小さい。

　この構成によれば、軸流圧縮機１００の軸方向サイズをコンパクト化したり、動翼８の前縁４０側の無駄な空間Ｕ２を小さくして第２翼対向面２４近傍の再循環流（図８参照）を抑制することができる。また、流体流路４の主流部分から空間Ｕ２に入り込む流体が減少するため動翼８のチップ側端面２２とケーシング６の第２翼対向面２４とのクリアランスでの漏れ流れを抑制することができる。これにより、軸流圧縮機１００の効率低下を抑制することができる。

　本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
　例えば、上述した幾つかの実施形態では、ハブ２及びケーシング６によって形成される流体流路４の形状と動翼８の形状の関係について説明したが、これらの関係については、該流体流路４の形状と静翼１０の形状との関係にも適用することができる。
　また、本発明は、例えばボイラ用軸流ファン、高炉用軸流ブロワ、ガスタービン圧縮機及び各種タービン等の回転機械に適用することができる。

２　ハブ
４　流体流路
６　ケーシング
７　入口
８　動翼
９　出口
１０　静翼
１２　ハブ側端面
１４　第１翼対向面
　１４ａ　第１翼対向面の上流端
１５　第１球面領域
１６　翼対向ハブ部
１８　第１外周面
　１８ａ　第１外周面の下流端
２０　上流側ハブ部
２２　チップ側端面
２４　第２翼対向面
　２４ａ　第２翼対向面の上流端
２５　第２球面領域
２６　翼対向ケーシング部
２８　第１内周面
２８ａ　第１内周面の下流端
３０　上流側ケーシング部
３２　下流側ハブ部
３４　第２外周面
　３４ａ　第２外周面の上流端
３６　下流側ケーシング部
３８　第２内周面
　３８ａ　第２内周面の上流端
４０　前縁
１００　軸流圧縮機
１８０　第１仮想延長面
３４０　第２仮想延長面

Claims

　回転中心軸周りに回転するように構成されたハブと、
　前記ハブを覆うよう構成され、前記ハブとの間に流体流路を形成するケーシングと、
　前記流体流路上に配置され、前記ハブの径方向に沿った回動軸周りに回動可能に構成された可変翼と、を備える回転機械であって、
　前記可変翼は、前記ハブの径方向外側に凹である球面状のハブ側端面を含み、
　前記ハブは、
　　前記可変翼の前記ハブ側端面に対向するとともに前記ハブの径方向外側に凸である球面状の第１球面領域を有する第１翼対向面を含む翼対向ハブ部と、
　　前記ハブの軸方向において前記翼対向ハブ部の上流側に設けられ、前記軸方向において前記第１翼対向面に隣接する第１外周面を有する上流側ハブ部と、
　　前記軸方向において前記翼対向ハブ部の下流側に設けられ、前記軸方向において前記第１翼対向面に隣接する第２外周面を有する下流側ハブ部と、
　を含み、
　以下の条件（ａ）と条件（ｂ）の少なくとも一方を満たす回転機械。
　　（ａ）前記第１外周面の下流端は、前記第１翼対向面の上流端よりも前記ハブの径方向において外側に位置する。
　　（ｂ）前記第２外周面の上流端は、前記第１翼対向面の下流端よりも前記ハブの径方向において外側に位置する。
　前記回転機械は少なくとも前記条件（ａ）を満たし、
　前記第１翼対向面は、前記第１外周面を下流側に延長した第１仮想延長面よりも前記ハブの径方向において外側に突出しないよう形成されている請求項１に記載の回転機械。
　前記回転機械は少なくとも前記条件（ｂ）を満たし、
　前記第１翼対向面は、前記第２外周面を上流側に延長した第２仮想延長面よりも前記ハブの径方向において外側に突出しないよう形成されている請求項１又は２に記載の回転機械。
　前記第１球面領域の球面中心は、前記可変翼の回動軸と前記回転機械の回転中心軸との交点に位置し、
　前記第１球面領域の球面半径をＲ０とし、前記第１外周面を下流側に延長した第１仮想延長面と前記球面中心との距離をＲ１とすると、
　前記第１球面領域は、Ｒ０≦Ｒ１を満たすよう形成されている請求項１乃至３の何れか１項に記載の回転機械。
　前記第１球面領域の球面中心は、前記可変翼の回動軸と前記回転機械の回転中心軸との交点に位置し、
　前記第１球面領域の球面半径をＲ０とし、前記第２外周面を上流側に延長した第２仮想延長面と前記球面中心との距離をＲ２とすると、
　前記第１球面領域は、Ｒ０≦Ｒ２を満たすよう形成されている請求項１乃至４の何れか１項に記載の回転機械。
　前記可変翼の回動軸は、前記可変翼のコードラインの中心よりも前縁側に位置し、
　前記第１翼対向面の上流端と前記回転機械の回転中心軸との距離Ｄｈ１は、前記第１翼対向面の下流端と前記回転機械の回転中心軸との距離Ｄｈ２よりも大きく、
　前記第１翼対向面の上流端と前記可変翼の回動軸との距離Ｌ１は、前記第１翼対向面の下流端と前記可変翼の回動軸との距離Ｌ２よりも小さい請求項１乃至５の何れか１項に記載の回転機械。
　前記ハブの第１外周面の下流端と前記可変翼の回動軸との前記ハブの軸方向における距離Ｌ３は、前記ハブの第２外周面の上流端と前記可変翼の回動軸との前記ハブの軸方向における距離Ｌ４よりも小さい請求項６に記載の回転機械。
　前記可変翼は、前記ハブの径方向外側に凸である球面状のチップ側端面を含み、
　前記ケーシングは、
　　前記可変翼の前記チップ側端面に対向するとともに前記ハブの径方向外側に凹である球面状の第２球面領域を有する第２翼対向面を含む翼対向ケーシング部と、
　　前記ハブの軸方向において前記翼対向ケーシング部の上流側に設けられ、前記軸方向において前記第２翼対向面に隣接する第１内周面を有する上流側ケーシング部と、
　　前記軸方向において前記翼対向ケーシング部の下流側に設けられ、前記軸方向において前記第２翼対向面に隣接する第２内周面を有する下流側ケーシング部と、
　を含み、
　前記可変翼の回動軸は、前記可変翼のコードラインの中心よりも前縁側に位置し、
　前記第２翼対向面の上流端と前記回転機械の回転中心軸との距離Ｄｔ１は、前記第２翼対向面の下流端と前記回転機械の回転中心軸との距離Ｄｔ２よりも大きく、
　前記第２翼対向面の上流端と前記可変翼の回動軸との距離Ｌ５は、前記第２翼対向面の下流端と前記可変翼の回動軸との距離Ｌ６よりも小さい請求項１乃至７の何れか１項に記載の回転機械。
　前記ケーシングの第１内周面の下流端と前記可変翼の回動軸との距離Ｌ７は、前記ケーシングの第２内周面の上流端と前記可変翼の回動軸との前記ハブの軸方向における距離Ｌ８よりも小さい請求項８に記載の回転機械。
　回転中心軸周りに回転するように構成されたハブと、
　前記ハブを覆うよう構成され、前記ハブとの間に流体流路を形成するケーシングと、
　前記流体流路上に配置され、前記ハブの径方向に沿った回動軸周りに回動可能に構成された可変翼と、を備える回転機械であって、
　前記可変翼は、前記ハブの径方向外側に凸である球面状のチップ側端面を含み、
　前記ケーシングは、
　　前記可変翼の前記チップ側端面に対向するとともに前記ハブの径方向外側に凹である球面状の第２球面領域を有する第２翼対向面を含む翼対向ケーシング部と、
　　前記ハブの軸方向において前記翼対向ケーシング部の上流側に設けられ、前記軸方向において前記第２翼対向面に隣接する第１内周面を有する上流側ケーシング部と、
　　前記軸方向において前記翼対向ケーシング部の下流側に設けられ、前記軸方向において前記第２翼対向面に隣接する第２内周面を有する下流側ケーシング部と、
　を含み、
　前記可変翼の回動軸は、前記可変翼のコードラインの中心よりも前縁側に位置し、
　前記第２翼対向面の上流端と前記回転機械の回転中心軸との距離Ｄｔ１は、前記第２翼対向面の下流端と前記回転機械の回転中心軸との距離Ｄｔ２よりも大きく、
　前記第２翼対向面の上流端と前記可変翼の回動軸との距離Ｌ５は、前記第２翼対向面の下流端と前記可変翼の回動軸との距離Ｌ６よりも小さい回転機械。
　前記ケーシングの第１内周面の下流端と前記可変翼の回動軸との距離Ｌ７は、前記ケーシングの第２内周面の上流端と前記可変翼の回動軸との前記ハブの軸方向における距離Ｌ８よりも小さい請求項１０に記載の回転機械。