JPWO1999036701A1 - 遠心ターボ機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、製造コストの過度の上昇を招くことなく、羽根車流路内の２次流れを効果的に減少させてそれによる損失を最小限に抑制し、効率の良い遠心ターボ機械を提供するものであり、中央側の入口（６ａ）と外周側の出口（６ｂ）の間に複数の羽根（３）が設けられ、これらの羽根の間に羽根車の回転によって入口から出口へ流体を送る流路が形成された羽根車であって、羽根（３）は、ハブ（２）側が羽根のシュラウド（４）側に対し、羽根車の回転方向に先行するような周方向の羽根傾斜を有し、かつ、前記流路の出口側から見た面において、羽根がハブ面と垂直な面に対してなす角度として定義される羽根傾斜角度が、入口から出口に向かうに従い減少傾向を呈し、それによって、羽根入口正面から見たときのシュラウド側とハブ側の羽根中心線が、羽根車の出口半径との比で示した無次元半径位置で０．８から０．９５の範囲において交差する。

Description

【発明の詳細な説明】

技術分野 この発明は、液体を圧送するための遠心形の液体ポンプや気体を圧送するため
のブロワ及びコンプレッサーなど、一般に「ターボ機械」と称される機械の羽根
車の改良に関するものである。 背景技術 図９Ａ乃至図１０Ｂは典型的なターボ機械を示すもので、所要の配管を有する
ケーシング（図示略）に、ハブ２、シュラウド４及びその間の複数個の羽根３か
らなる羽根車６を収容し、これに回転駆動源に連結された回転軸１を連結して構
成されている。このような羽根車においては、羽根３の上端３ａはシュラウド面
４ａで覆われ、隣接する２枚の羽根３、ハブ面２ａ及びシュラウド面４ａとで囲
まれた空間が流路を構成している。 これにより、羽根車６が回転軸１を中心に回転角速度ωで回転することで、吸
込管などを経由して羽根車入口６ａから流路に流入した流体が、羽根車出口６ｂ
に向けて移送され、吐出管などを経由して機外に導出するようになっている。羽
根３の回転方向に向かう面が圧力面３ｂとなり、これと反対の面が負圧面３ｃと
なる。 これらの図では、羽根の一例として、クローズド形羽根車の３次元形状がシュ
ラウド面の大部分を破断した状態で模式的に示されている。オープン形羽根車の
場合には、シュラウド面４を形成するための独立の部材は存在していないが、羽
根車６を囲む図外のケーシングが機械的にシュラウド面４を兼ねていて、流体力
学的な基本構成において、クローズド形羽根車と差異がないので、以降の説明は
、クローズド形羽根車の例示の下で進める。 このような遠心ターボ機械の羽根車流路内の流れにおいては、ほぼ流路に沿っ
て流れる主流に加え、流路内の圧力勾配等に起因して、壁面の境界層内の低エネ
ルギー流体が移動したために発生する２次流れ（主流に直交する速度成分を持つ
流れ）が生成される。この２次流れは主流に対して複雑に影響して、流路内に渦
や速度の不均一を形成し、それが羽根車内ばかりでなくその下流部（ディフュー
ザ、ガイドベーン等）での大きな損失を引き起こす原因となっていた。この２次
流れによって引き起こされる損失全体が２次流れ損失と呼ばれている。また、２
次流れの作用により流路の特定領域に集積された境界層内の低エネルギー流体は
、大規模な流れの剥離を誘起し、右上がり揚程特性を生じさせてターボ機械の安
定な運転を妨げるなどの不都合を生じることが知られている。 羽根車内の２次流れは、シュラウド面あるいはハブ面に沿って生じる翼間２次
流れと、羽根の圧力面あるいは負圧面に沿って生じる子午面２次流れに大別され
る。翼間２次流れは羽根の形状を後方に湾曲させることで抑制可能であることが
知られている。もう一方の子午面２次流れは、流路の３次元形状の詳細な最適化
が必要であり、容易に弱めたり打ち消したりすることができない。 子午面２次流れの発生メカニズムは以下のように説明されている。図９Ｂに示
されるように、羽根流路内の相対流れに関しては、主流に対する流線の曲率によ
る遠心力Ｗ^２／Ｒの作用と、羽根車の回転によりコリオリ力２ωＷθの作用とに
より、相対圧力場（ｒｅｄｕｃｅｄ ｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）ｐ＊（
＝ｐ−０．５ρｕ^２）が定まる。ここに、Ｗは流れの相対速度、Ｒは流線の曲率
半径、ωは羽根車の回転角速度、ＷθはＷの回転軸１に対する周方向の速度成分
である。そして、ｐは静圧、ρは流体の密度、ｕは回転軸１からの所定の半径位
置における周速度である。 相対圧力場ｐ＊の分布は、図９Ｂ中のハブ側へと向かう遠心力Ｗ^２／Ｒとコリ
オリ力２ωＷθとに対してバランスするように、ハブ側で高く、シュラウド側で
低い分布となる。羽根面に沿う境界層内部では、相対速度Ｗが壁面の影響により
減少しているので、境界層内部の流体に作用する遠心力Ｗ^２／Ｒとコリオリ力２
ωＷθが小さくなり、上述の主流の圧力場ｐ＊とバランスすることができない。
その結果、境界層内の低エネルギー流体は相対圧力ｐ＊の小さな領域へと向かい
、羽根３の圧力面３ｂないし負圧面３ｃ上で、羽根面に沿ってハブ側からシュラ
ウド側に向かう子午面２次流れを生ずる。これらは、図９Ａ中で、羽根３の圧力
面３ｂ上の破線矢印及び負圧面３ｃ上の実線矢印にて示されている。 子午面２次流れは、羽根３の負圧面３ｃと圧力面３ｂの両壁面で生じうるが、
一般に負圧面３ｃ上の境界層の方が厚いので、負圧面３ｃ上での２次流れの発生
がターボ機械の性能特性に与える影響が大きいことが知られている。 このようにして、境界層内の低エネルギー流体がハブ側からシュラウド側に移
動すると、これに応じて、その移動による流量を補うように翼間の中央部では逆
にシュラウド側からハブ側に向かって流れが生じる。その結果、図１０Ａに模式
的に示されるように、羽根間の流路内に、２次渦と呼ばれる旋回方向の異なる１
対の渦が形成される。この渦によって流路内の低エネルギー流体が、羽根車内の
ある特定の場所（相対圧力ｐ＊の低い領域）に蓄積され、これが流路内で正常に
流れている流体と混合して大きな損失を生ずる原因となる。 また、相対速度が低くエネルギーも低い流体と、相対速度が高くエネルギーも
高い流体とが十分に混合せずに生じた不均一な流れが、羽根の下流の流路に放出
されると、これらが混合する際に、大きな損失を生ずる原因となる。こうした不
均一な羽根車出口流れは、ディフューザ入口部での速度三角形を不適切なものと
し、下流に位置する羽根付きディフューザとのミスマッチングや、羽根無しディ
フューザにおける逆流を生じ、ターボ機械全体の性能を著しく低下させる原因と
なる。 そこで、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、羽根車内部の相対圧力ｐ＊の分
布の適正化を図るべく、無次元子午面長さｍ＝０の羽根位置（羽根入口）と無次
元子午面長さｍ＝１．０の羽根位置（羽根出口）との間において、羽根のハブ側
が羽根のシュラウド側に対して、羽根車の回転方向に先行するような周方向の羽
根傾斜を形成し、無次元子午面長さｍの増加につれて、羽根車の流路断面上にお
いて、羽根の翼断面の中心線がハブ面と垂直な面に対してなす角度として定義さ
れる羽根傾斜角度が減少傾向を呈するように構成することが考えられる。 このように構成した羽根車においては、羽根車の回転方向に先行するような周
方向の羽根傾斜を形成したので、流体にシュラウド面４へと向かう成分を持った
力が作用し、流路内の相対圧力場は、かかるシュラウド面へと向かう力の成分に
対してバランスすべく、シュラウド面側で高い相対圧力ｐ＊を生じ、ハブ面２側
で低い相対圧力ｐ＊を生じるようになる。また、無次元子午面長さｍの増加につ
れて羽根傾斜角度が減少傾向を呈するように構成されているので、単にシュラウ
ド側の羽根を円周方向にずらしただけの羽根傾斜が施された場合と比較して、羽
根の傾斜の効果をより高いものとすることができる。 しかしながら、このような構成の従来の技術においては、図１１Ａに示すよう
に、羽根の出口方向から見て、シュラウド側とハブ側の羽根中心を結んだ線と、
ハブ面と垂直な面のなす角度（レーク角γ）が極端に大きくなっており、この羽
根車を回転させた場合には、回転によって羽根が立ち上がるように変形するため
、羽根の付け根部に大きな曲げ応力が生じる。 また、同図に示すように、羽根車入口部でも羽根先端においてシュラウド側と
ハブ側の羽根の中心を結んだ線と、ハブ側の羽根の中心と羽根車の中心を結ぶ線
に角度（リーン角δ）がつくために、回転によって入口部で羽根が起き上がり、
羽根の付け根部に大きな曲げ応力が生じる。さらに、羽根車のシュラウド側にカ
バーが取付けられるクローズド羽根車の場合には、リーン角とレーク角によって
羽根の各部に複雑な応力が発生する。 このような羽根の付け根部は、羽根車を溶接して作成する場合には溶接構造部
であり、羽根が傾いていると溶接に不具合が生じ易く、溶接が不十分である場合
には回転によってその部分からクラックが発生し、破壊につながる場合もありう
る。また、この部分に高い応力が発生することは羽根車の耐用性に影響し、従っ
て、溶接技術や素材に対して高い要求がなされ、結果として製造コストを上昇さ
せる。また、機械切削により製造する場合においても、複雑な加工を行わなけれ
ばならない結果、製造コストを上昇させることになる。 発明の開示 この発明は、上述した課題に鑑み、製造コストの過度の上昇を招くことなく、
羽根車流路内の２次流れを効果的に減少させてそれによる損失を最小限に抑制し
、効率の良い遠心ターボ機械を提供することを目的とする。 この発明は、中央側の入口と外周側の出口の間に複数の羽根が設けられ、これ
らの羽根の間に羽根車の回転によって入口から出口へ流体を送る流路が形成され
た羽根車であって、前記羽根は、ハブ側が羽根のシュラウド側に対し、羽根車の
回転方向に先行するような周方向の羽根傾斜を有し、かつ、前記流路の出口側か
ら見た面において、羽根がハブ面と垂直な面に対してなす角度として定義される
羽根傾斜角度が、入口から出口に向かうに従い減少傾向を呈し、それによって、
羽根入口正面から見たときのシュラウド側とハブ側の羽根中心線が、羽根車の出
口半径との比で示した無次元半径位置で０．８から０．９５の範囲において交差
することを特徴とする羽根車である。 また、ケーシング中に回転自在に収容された羽根車を有し、該羽根車の中央側
の入口と外周側の出口の間に複数の羽根が設けられ、これらの羽根の間に羽根車
の回転によって入口から出口へ流体を送る流路が形成された遠心ターボ機械にお
いて、前記羽根は、ハブ側が羽根のシュラウド側に対し、羽根車の回転方向に先
行するような周方向の羽根傾斜を有し、かつ、前記流路の出口側から見た面にお
いて、羽根がハブ面と垂直な面に対してなす角度として定義される羽根傾斜角度
が、入口から出口に向かうに従い減少傾向を呈し、それによって、羽根入口正面
から見たときのシュラウド側とハブ側の羽根中心線が、羽根車の出口半径との比
で示した無次元半径位置で０．８から０．９５の範囲において交差することを特
徴とする遠心ターボ機械である。 発明を実施するための最良の形態 このような形状の羽根車の実施の形態を、図１Ａないし図４Ｂに示す。これら
の図において、図１Ａ及び図１Ｂは比速度５００であり、図２Ａ及び図２Ｂは比
速度４００、図３Ａ及び図３Ｂは比速度３５０、図４Ａ及び図４Ｂは比速度２５
０である。これらの羽根車は、以下のような考え方に基づいて設計されている。 本発明者は、図１１Ａ及び図１１Ｂにおいて示すような、羽根のハブ側が羽根
のシュラウド側に対して羽根車の回転方向に先行するような周方向の羽根傾斜を
有し、無次元子午面長さｍの増加につれて、羽根車の流路断面上において、羽根
の翼断面の中心線がハブ面と垂直な面に対してなす角度として定義される羽根傾
斜角度が減少傾向を呈すような形状の羽根車をベースとして、過度な傾斜を抑制
することを目的として、いくつかのパラメータを変えてシミュレーションを行っ
た。なお、このような傾斜角度の最大値の目安としては、傾斜が無い場合に作用
する応力の１１０％が妥当であると考えた。 図５は、クローズド羽根車入口部の羽根先端において、シュラウド側とハブ側
の羽根の中心を結んだ線と、ハブ側の羽根の中心と羽根車の中心を結ぶ線に角度
（リーン角δ）を横軸に取って、羽根車の出口側の羽根の付け根部に生じる応力
を計算によって求めた結果をリーン角が０度のときを基準にして示すものである
。この図から、リーン角を大きくすると応力も増大することが分かる。この図に
おいて羽根板の許容応力をリーン角０度のときの応力の１１０％を規定するとそ
の時の限界角度は２５度となる。 図６は、クローズド羽根車のシュラウド側とハブ側の羽根中心を結んだ線と、
ハブ面と垂直な面とのなす角度（レーク角γ）を横軸に取って、羽根車入口部の
羽根付け根部の応力を縦軸に取って示したもので、レーク角度が大きくなるにし
たがって応力が大きくなることが分かる。この図において、羽根板の許容応力を
レーク角０度のときの応力の１１０％と規定すると、その時の限界角度は２０度
となる。 このようにして、羽根のレーク角とリーン角が決まると羽根の概略形状が決ま
ることになる。図７Ａ及び図７Ｂは、さらなる解析を進めるためのシミュレーシ
ョンモデルとしての羽根車の形状を示す図で、図７Ａが子午面図、図７Ｂが正面
図を示す。正面図では簡単のため、羽根車のハブ側とシュラウド側において入口
と出口の間は直線で結んである。実際には羽根は曲線で構成されるのでこの形状
とは多少異なったものとなる。 この図から明らかな様に、羽根出口においてハブがシュラウド側よりも回転方
向に先行する形状をもつ羽根車では、ハブ側とシュラウド側において入口と出口
の羽根中心線を結んだ線は一箇所で交わる。 この交点の位置は、上述した説明から、角度が大きいと羽根車の出口から入口
に近い位置にすることが推定される。発明者らは、 δ＜２５，γ＜２０ を前提条件として、いくつかの各々比速度の異なる羽根車を作成し、その内、効
率が高いものの形状・寸法を測定して解析した。 図１Ａ乃至図４Ｂは、発明者らが開発した各々比速度の異なる羽根車の正面図
及び子午面図を示す。この図から明らかな様に、羽根車の正面図においてシュラ
ウド側とハブ側の羽根中心線は羽根車の出口付近で交差し、その交点は、羽根車
の出口半径との比で示した無次元半径位置が０．８から０．９５の範囲にあるこ
とが分かる。図８は、本発明による形状の羽根車を圧縮機の段落に取り付けて試
験した結果の一例で、従来の形状の羽根車をもつ段落の性能より格段に優れた性
能となることが分かる。 以上説明したように、この発明によれば、製造コストの過度の上昇を招くこと
なく、羽根車流路内の２次流れを効果的に減少させてそれによる損失を最小限に
抑制し、効率の良い遠心ターボ機械を提供することができる。 産業上の利用の可能性 本発明は、遠心形の液体ポンプや気体を圧送するためのブロワ及びコンプレッ
サーなど、一般に「ターボ機械」と称される機械の羽根車に用いることにより産
業上の利用を有する。

【図面の簡単な説明】

図１Ａ及び図１Ｂはこの発明の実施の形態のターボ機械の羽根の形状を模式的
に示す図であり、図１Ａは子午面図、図１Ｂは正面図である。 図２Ａ及び図２Ｂはこの発明の他の実施の形態のターボ機械の羽根の形状を模
式的に示す図であり、図２Ａは子午面図、図２Ｂは正面図である。 図３Ａ及び図３Ｂは同じくこの発明の他の実施の形態のターボ機械の羽根の形
状を模式的に示す図であり、図３Ａは子午面図、図３Ｂは正面図である。 図４Ａ及び図４Ｂは同じくこの発明の他の実施の形態のターボ機械の羽根の形
状を模式的に示す図であり、図４Ａは子午面図、図４Ｂは正面図である。 図５はクローズド羽根車入口部の羽根先端におけるリーン角δと羽根車の出口
側の羽根の付け根部に生じる応力との関係を示す図である。 図６はクローズド羽根車のレーク角γと羽根車入口部の羽根付け根部の応力と
の関係を示す図である。 図７Ａ及び図７Ｂは解析を進めるためのシミュレーションモデルとしての羽根
車の形状を示す図であり、図７Ａは子午面図、図７Ｂは正面図である。 図８は本発明による形状の羽根車を圧縮機の段落に取り付けて試験した結果を
示すグラフである。 図９Ａ及び図９Ｂは従来の遠心ターボ機械の羽根車の形状を示す図であり、図
９Ａは斜視図、図９Ｂは子午面図である。 図１０Ａ及び図１０Ｂは従来の遠心ターボ機械の羽根車の羽根の形状を示す図
であり、図１０Ａは断面図、図１０Ｂは正面図である。 図１１Ａ及び図１１Ｂは同じく従来の遠心ターボ機械の他の羽根車の羽根の形
状を示す図であり、図１１Ａは断面図、図１１Ｂは正面図である。 図１２Ａ及び図１２Ｂは同じく従来の遠心ターボ機械のさらなる他の羽根車の
羽根の形状を示す図であり、図１２Ａは断面図、図１２Ｂは正面図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の写し提出書

【提出日】平成１１年１１月２９日（１９９９．１１．２９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】 を最小限に抑制し、効率の良い遠心ターボ機械を提供することを目的とする。 この発明は、中央側の入口と外周側の出口の間に複数の羽根が設けられ、これ
らの羽根の間に羽根車の回転によって入口から出口へ流体を送る流路が形成され
た羽根車であって、前記羽根は、前記出口側において、ハブ側が羽根のシュラウ
ド側に対し、羽根車の回転方向に先行するような周方向の羽根傾斜を有し、かつ
、前記流路の出口側から見た面において、羽根がハブ面と垂直な面に対してなす
角度として定義される羽根傾斜角度が、入口から出口に向かうに従い減少傾向を
呈し、それによって、羽根入口正面から見たときのシュラウド側とハブ側の羽根
中心線が、羽根車の出口半径との比で示した無次元半径位置で０．８から０．９
５の範囲において交差することを特徴とする羽根車である。 また、ケーシング中に回転自在に収容された羽根車を有し、該羽根車の中央側
の入口と外周側の出口の間に複数の羽根が設けられ、これらの羽根の間に羽根車
の回転によって入口から出口へ流体を送る流路が形成された遠心ターボ機械にお
いて、前記羽根は、前記出口側において、ハブ側が羽根のシュラウド側に対し、
羽根車の回転方向に先行するような周方向の羽根傾斜を有し、かつ、前記流路の
出口側から見た面において、羽根がハブ面と垂直な面に対してなす角度として定
義される羽根傾斜角度が、入口から出口に向かうに従い減少傾向を呈し、それに
よって、羽根入口正面から見たときのシュラウド側とハブ側の羽根中心線が、羽
根車の出口半径との比で示した無次元半径位置で０．８から０．９５の範囲にお
いて交差することを特徴とする遠心ターボ機械である。 ハブ、シュラウド及び羽根を金属で一体に形成するようにしてもよい。 図面の簡単な説明

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】 のときを基準にして示すものである。この図から、リーン角を大きくすると応力
も増大することが分かる。この図において羽根板の許容応力をリーン角０度のと
きの応力の１１０％を規定するとその時の限界角度は２５度となる。 図６は、クローズド羽根車のシュラウド側とハブ側の羽根中心を結んだ線と、
ハブ面と垂直な面とのなす角度（レーク角γ）を横軸に取って、羽根車入口部の
羽根付け根部の応力を縦軸に取って示したもので、レーク角度が大きくなるにし
たがって応力が大きくなることが分かる。この図において、羽根板の許容応力を
レーク角０度のときの応力の１１０％と規定すると、その時の限界角度は２０度
となる。 このようにして、羽根のレーク角とリーン角が決まると羽根の概略形状が決ま
ることになる。図７Ａ及び図７Ｂは、さらなる解析を進めるためのシミュレーシ
ョンモデルとしての羽根車の形状を示す図で、図７Ａが子午面図、図７Ｂが正面
図を示す。正面図では簡単のため、羽根車のハブ側とシュラウド側において入口
と出口の間は直線で結んである。実際には羽根は曲線で構成されるのでこの形状
とは多少異なったものとなる。 この図から明らかな様に、羽根が羽根車出口においてハブ側がシュラウド側よ
りも回転方向に先行する形状をもつ羽根車では、ハブ側とシュラウド側において
入口と出口の羽根中心線を結んだ線は一箇所で交わる。 この交点の位置は、上述した説明から、角度が大きいと羽根車の出口から入口
に近い位置にすることが推定される。発明者らは、 δ＜２５，γ＜２０ を前提条件として、いくつかの各々比速度の異なる羽根車を作成し、その内、効
率が高いものの形状・寸法を測定して解析した。

───────────────────────────────────────────────────── （注）この公表は、国際事務局（ＷＩＰＯ）により国際公開された公報を基に作 成したものである。 なおこの公表に係る日本語特許出願（日本語実用新案登録出願）の国際公開の 効果は、特許法第１８４条の１０第１項（実用新案法第４８条の１３第２項）に より生ずるものであり、本掲載とは関係ありません。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中央側の入口と外周側の出口の間に複数の羽根が設けられ、これら
   の羽根の間に羽根車の回転によって入口から出口へ流体を送る流路が形成された
   羽根車であって、 前記羽根は、ハブ側が羽根のシュラウド側に対し、羽根車の回転方向に先行す
   るような周方向の羽根傾斜を有し、 かつ、前記流路の出口側から見た面において、羽根がハブ面と垂直な面に対し
   てなす角度として定義される羽根傾斜角度が、入口から出口に向かうに従い減少
   傾向を呈し、それによって、羽根入口正面から見たときのシュラウド側とハブ側
   の羽根中心線が、羽根車の出口半径との比で示した無次元半径位置で０．８から
   ０．９５の範囲において交差することを特徴とする羽根車。
2. 【請求項２】ケーシング中に回転自在に収容された羽根車を有し、該羽根車の中
   央側の入口と外周側の出口の間に複数の羽根が設けられ、これらの羽根の間に羽
   根車の回転によって入口から出口へ流体を送る流路が形成された遠心ターボ機械
   において、 前記羽根は、ハブ側が羽根のシュラウド側に対し、羽根車の回転方向に先行す
   るような周方向の羽根傾斜を有し、 かつ、前記流路の出口側から見た面において、羽根がハブ面と垂直な面に対し
   てなす角度として定義される羽根傾斜角度が、入口から出口に向かうに従い減少
   傾向を呈し、それによって、羽根入口正面から見たときのシュラウド側とハブ側
   の羽根中心線が、羽根車の出口半径との比で示した無次元半径位置で０．８から
   ０．９５の範囲において交差することを特徴とする遠心ターボ機械。