JP2013148075A

JP2013148075A - 遠心式流体機械

Info

Publication number: JP2013148075A
Application number: JP2012011397A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sano; 岳志佐野; Shinji Fukao; 伸次深尾; Koichi Ishizaka; 浩一石坂; Kenichi Nibu; 謙一丹生; Yuya Fukuda; 勇也福田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2013-08-01
Also published as: WO2013111620A1; EP2808550A1; EP2808550A4; US20150016981A1; EP2808550B1; US9556876B2

Abstract

【課題】軸スラストバランスを維持するとともに羽根車の吸込側の圧力低下を防ぎ、かつ流体の混合損失を低減する。
【解決手段】軸方向の一方に配置される前シュラウド41、軸方向の他方に配置される後シュラウド42、および前シュラウドと後シュラウドとの間で周方向に並設された複数の羽根43を有してケーシング２内に回転自在に支持される羽根車４と、羽根車の回転に伴って流体が羽根車に向けて軸方向に吸入される吸入通路２Ａと、羽根車の回転に伴って羽根車で圧送された流体が羽根車の軸方向に交差する方向に沿って排出される排出通路２Ｂと、排出通路に連通してケーシングと後シュラウドとの間を経て吸入通路に至り、かつ吸入通路での流体の吸入方向の下流側に向けて開口する開口部５Ａａ有する第一流路５Ａとを備え、開口部から吸入通路に噴出される流体の噴出速度Ｖｓを、吸入通路に吸入される流体の吸入速度Ｖに合わせる態様で開口部の開口面積を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心式のポンプなどとして使用される遠心式流体機械に関するものである。

従来、例えば、特許文献１に記載の遠心式流体機械（遠心ポンプの軸推力軽減装置）は、羽根車（インペラ）の前後の圧力分布の不均衡によって羽根車にポンプ吸込口方向への強大な軸推力が生じる事態を解消するためのものである。この遠心式流体機械は、円板状の羽根車本体の一側中央部に開口した羽根車吸込口から羽根車本体内を放射状に貫通する複数の流通穴を穿設してなる羽根車を備え、羽根車吸込口とポンプケーシングとの間に環状隙間のオリフィス部を形成したものにおいて、羽根車本体に流通穴とは交差せずに軸方向に貫通する均圧穴を穿設している。

従来、例えば、特許文献２に記載の遠心式流体機械（遠心ポンプの羽根車）は、ポンプ性能を犠牲にせずに吸込性能を高めるためのものである。この遠心式流体機械は、羽根車の後シュラウド裏側に環状突起を設けてケーシングとの間で非接触シールを構成させるとともに、後シュラウドとケーシングとに挟まれて環状突起より内側の空隙にバランス室を設けたものにおいて、バランス室と羽根車ボス部の吸込側とを羽根車中心部に設けた導通穴、および羽根車吸込側の円錐面上に下流に向かって開口した流路を介して連通している。

実開平３−１２３９９９号公報特公昭６３−１６５９８号公報

上述した特許文献１に記載の遠心式流体機械では、軸推力を軽減し、羽根車の前後（軸方向）の圧力分布の不均衡を解消する軸スラストバランス機構が開示されている。そして、上述した特許文献２に記載の遠心式流体機械では、軸スラストバランス機構に加え、バランス室への漏入流体を羽根車吸込側に羽根車の吸込流体と同一方向に流出するようにし、羽根車吸込側の圧力低下を防ぐ。しかしながら、羽根車吸込側の流体の流速と、流通穴から羽根車吸込側に流出される流体の流速とが異なると、当該速度差に起因する混合損失が生じる。

本発明は上述した課題を解決するものであり、軸スラストバランスを維持するとともに羽根車の吸込側の圧力低下を防ぎ、かつ流体の混合損失を低減することのできる遠心式流体機械を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の遠心式流体機械は、中空形状をなすケーシングと、前記ケーシング内に回転自在に支持されており、軸方向の一方に配置される円環部材、軸方向の他方に配置される円盤部材、および前記円環部材と前記円盤部材との間で周方向に並設された複数の羽根を有する羽根車と、前記羽根車の回転に伴って流体が前記羽根車における前記円環部材の中央から軸方向に吸入される吸入通路と、前記羽根車の回転に伴って前記羽根車で圧送された流体が該羽根車の軸方向に交差する方向に沿って排出される排出通路と、前記排出通路に連通して前記ケーシングと前記円盤部材または前記円環部材の少なくとも一方との間を経て前記吸入通路に至り、かつ前記吸入通路での流体の吸入方向の下流側に向けて開口する開口部を有する流路と、を備え、前記開口部から前記吸入通路に噴出される流体の噴出速度を、前記吸入通路に吸入される流体の吸入速度に合わせる態様で、前記開口部の開口面積が設定されることを特徴とする。

この遠心式流体機械によれば、開口部の向きを吸入通路での流体の吸入方向の下流側に向けて開口することで、軸スラストバランスを維持するとともに、羽根車の吸込側の圧力低下を防ぐことができる。しかも、開口部の開口面積を設定し、吸入通路に吸入される流体の吸入速度に対して、開口部から吸入通路に噴出される流体の噴出速度を合わせることで、流路から吸入通路に流体が合流する際の混合損失を低減することができる。この結果、遠心式流体機械の流体の圧送効率を向上することができる。

また、本発明の遠心式流体機械では、前記ケーシングと前記円盤部材との間を経る流路の前記開口部は、前記羽根車の回転に伴い前記吸入通路に吸入される流体に対して噴出される流体の向きを揃える態様で、前記羽根車の軸を通過する法線に対して傾斜して設けられることを特徴とする。

この遠心式流体機械によれば、開口部の向きにより、羽根車の回転に伴い吸入通路に吸入される流体に対して噴出する流体の向きを揃えるため、流路から吸入通路に流体が合流する際の混合損失をより低減することができる。この結果、遠心式流体機械の流体の圧送効率をより向上することができる。

本発明によれば、軸スラストバランスを維持するとともに羽根車の吸込側の圧力低下を防ぎ、かつ流体の混合損失を低減することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る遠心式流体機械の側断面の一部を示す図である。図２は、図１におけるＳ−Ｓ断面図である。

以下に、本発明に係る実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本実施の形態に係る遠心式流体機械の側断面の一部を示す図である。なお、本実施の形態でいう「流体」とは液体でも気体でもよい。

遠心式流体機械１において、図１に示すように、ケーシング２は中空形状をなし、中央部に回転軸３が図示しない軸受により回転自在に支持されている。この回転軸３は、その端部に図示しない駆動装置が連結されている。回転軸３は、外周部に羽根車（インペラ）４が固定されている。なお、符号Ｃは、回転軸３および羽根車４の回転の中心となる軸を示している。また、ケーシング２および羽根車４は、回転軸３を中心として周方向に沿って形成されているが、図１の側断面においては、その一側（図１中上側）のみを示し他側（図１中下側）を省略している。

羽根車４は、中央が開口された円環部材としての前シュラウド４１と、円盤部材としての後シュラウド４２と、この前シュラウド４１と後シュラウド４２との間に挟まれるように固定される複数の羽根４３とにより構成されている。前シュラウド４１と後シュラウド４２とは、回転軸３の延在方向に沿って並設されている。

後シュラウド４２は、ボス部４２Ａが回転軸３に固定され、当該ボス部４２Ａから径方向外側に向けて延在して設けられている。後シュラウド４２は、羽根４３が設けられる前シュラウド４１側の面が、回転軸３に近づくほど前シュラウド４１側に漸次近づくように形成されている。

前シュラウド４１は、羽根４３を介して後シュラウド４２に支持されるように設けられ、回転軸３から離れて配置されている。前シュラウド４１は、羽根４３が設けられる後シュラウド４２側の面が、回転軸３に近づくほど後シュラウド４２側から漸次遠ざかるように形成されている。そして、前シュラウド４１と後シュラウド４２との間であって、羽根４３が設けられて対向する面の間は、回転軸３に近い側では回転軸３の延在方向である前側（図１の左側）に向けて開放され、回転軸３から離れる側では回転軸３の径方向外側（図１の上側）に向けて開放されている。

複数の羽根４３は、後シュラウド４２と前シュラウド４１との間にて後シュラウド４２および前シュラウド４１の対向する各面に固定されているとともに、周方向に所定間隔をもって並設されている。従って、羽根車４は、回転軸３とともにケーシング２内で回転可能に支持されることとなる。そして、羽根車４は、回転軸３の回転に伴い、自身が回転することで、前側から流体を取り込み、当該流体を圧縮して外周側である径方向外側に圧送する。

ケーシング２は、羽根車４の軸方向に沿って流体が吸入される吸入通路２Ａが形成されており、この吸入通路２Ａを介して羽根車４における前シュラウド４１側に流体を取り込み可能となっている。また、ケーシング２は、羽根車４の外周側に沿って、羽根車４で圧送された流体を排出するための排出通路２Ｂが形成されている。排出通路２Ｂは、その外周部に流体を外部に吐出する図示しない吐出口が形成されている。

従って、図示しない駆動装置により回転軸３が回転すると、羽根車４が回転し、流体が吸入通路２Ａを通してケーシング２内に吸い込まれる。すると、この流体は、回転する羽根車４を流過する過程で昇圧された後、排出通路２Ｂに吐出され、吐出口から外部に吐出される。

このように構成された遠心式流体機械１において、図１に示すように、第一流路５Ａおよび第二流路５Ｂが設けられている。

第一流路５Ａは、排出通路２Ｂに連通してケーシング２と後シュラウド４２との間に形成された隙間を経て回転軸３に近づき、ボス部４２Ａ内を通過して吸入通路２Ａに至る流路である。

ボス部４２Ａは、この第一流路５Ａを形成するために貫通穴６が形成されている。貫通穴６は、第一流路５Ａの一部を形成するもので、回転軸３の延在方向である軸方向に沿ってボス部４２Ａを貫通して設けられている。本実施の形態では、ボス部４２Ａは、貫通穴６を形成するため、後側ボス部４２Ａａと前側ボス部４２Ａｂとに分割して形成されている。

貫通穴６は、後側ボス部４２Ａａでは、後側貫通穴６ａとして形成されており、排出通路２Ｂに連通してケーシング２と後シュラウド４２との間の隙間を経て回転軸３に近づく第一流路５Ａの一部に連通するように、回転軸３の径方向外側に向けて一端が開口し、そこから回転軸３の延在方向に沿って貫通し、他端が前側ボス部４２Ａｂ側に向くように周方向に複数並設されている。

また、貫通穴６は、前側ボス部４２Ａｂでは、前側貫通穴６ｂとして形成されており、後シュラウド４２の回転軸３側の端部との間で回転軸３の延在方向に沿う通路をなしている。すなわち、周方向に連続する環状の溝を前側ボス部４２Ａｂに形成することで得ることができる。前側貫通穴６ｂは、一端が後側ボス部４２Ａａ側に向くように開口して後側貫通穴６ａの他端に連通し、そこから回転軸３の延在方向に沿って他端が吸入通路２Ａに開口して形成されている。この前側貫通穴６ｂの他端の開口は、第一流路５Ａが吸入通路２Ａに開口する開口部５Ａａとして形成されている。この開口部５Ａａは、前側貫通穴６ｂの他端が、後シュラウド４２の回転軸３側（前側）の端部を回り込むように形成されることで、吸入通路２Ａでの流体の吸入方向の下流側に向けて形成されている。なお、第一流路５Ａは、貫通穴６を形成したボス部４２Ａ内を通過して吸入通路２Ａに至る流路であると説明したが、これに限定されることはなく、例えば、貫通穴６をボス部４２Ａにではなく回転軸３に形成して、その貫通穴６が形成された回転軸３内を通過して吸入通路２Ａに至る流路としてもよい。また、ボス部４２Ａは、貫通穴６を形成するため、後側ボス部４２Ａａと前側ボス部４２Ａｂとに分割して形成されていると説明したが、これに限定されることはなく、例えば、ボス部４２Ａを前後に分割せずに一体鋳造により貫通穴６を形成してもよい。

第二流路５Ｂは、排出通路２Ｂに連通してケーシング２と前シュラウド４１との間に形成された隙間を経て吸入通路２Ａに至る流路である。このケーシング２と前シュラウド４１との間の隙間が、吸入通路２Ａに至る端部の開口は、吸入通路２Ａに開口する開口部５Ｂａとして形成されている。この開口部５Ｂａは、ケーシング２の一部が、前シュラウド４１の回転軸３側（前側）の端部を回り込むように形成されることで、吸入通路２Ａでの流体の吸入方向の下流側に向けて形成されている。

これら第一流路５Ａおよび第二流路５Ｂ内での圧力分布が異なるため、羽根車に軸スラストが作用する。

そして、本実施の形態の遠心式流体機械１では、第一流路５Ａの開口部５Ａａ、および第二流路５Ｂの開口部５Ｂａは、吸入通路２Ａに噴出される流体の噴出速度を、吸入通路２Ａに吸入される流体の吸入速度に合わせるように開口面積が設定される。

具体的に、吸入通路２Ａにおける流体の流速をＶ［ｍ／ｓ］とし、開口部５Ａａや開口部５Ｂａから噴出される流体の流速をＶｓ［ｍ／ｓ］とする。流速Ｖは、羽根車４が回転する際の旋回成分を含んでいるものとする。一方、流速Ｖｓは、開口部５Ａａや開口部５Ｂａから噴出される流体の流量をＱ［ｍ^３／ｓ］とし、開口部５Ａａや開口部５Ｂａの開口面積をＡ［ｍ^２］とし、開口部５Ａａや開口部５Ｂａの出口部分において羽根車４が回転する際の旋回速度をＶｔ［ｍ／ｓ］とすると、開口部５Ａａや開口部５Ｂａの出口の流速がＱ／Ａとなり、旋回速度Ｖｔを考慮すると、流速Ｖｓは、（（Ｑ／Ａ）^２＋Ｖｔ^２）^０．５となる。そして、流量Ｑおよび旋回速度Ｖｔは、軸スラストバランス機構として機能するように設定されているため、吸入通路２Ａに吸入される流体の吸入速度Ｖに対し、開口部５Ａａや開口部５Ｂａから吸入通路２Ａに噴出される流体の噴出速度Ｖｓを合わせるには、開口部５Ａａや開口部５Ｂａの開口面積Ａを設定すればよい。

すなわち、本実施の形態の遠心式流体機械１は、中空形状をなすケーシング２と、ケーシング２内に回転自在に支持されており、軸方向の一方に配置される前シュラウド（円環部材）４１、軸方向の他方に配置される後シュラウド（円盤部材）４２、および前シュラウド４１と後シュラウド４２との間で周方向に並設された複数の羽根４３を有する羽根車４と、羽根車４の回転に伴って流体が羽根車４における前シュラウド４１の中央から軸方向に吸入される吸入通路２Ａと、羽根車４の回転に伴って羽根車４で圧送された流体が該羽根車４の軸方向に交差する方向に沿って排出される排出通路２Ｂと、排出通路２Ｂに連通してケーシング２と後シュラウド４２との間を経て吸入通路２Ａに至り、かつ吸入通路２Ａでの流体の吸入方向の下流側に向けて開口する開口部５Ａａを有する第一流路５Ａと、を備え、開口部５Ａａから吸入通路２Ａに噴出される流体の噴出速度Ｖｓを、吸入通路２Ａに吸入される流体の吸入速度Ｖに合わせる態様で、開口部５Ａａの開口面積Ａが設定される。

また、本実施の形態の遠心式流体機械１は、中空形状をなすケーシング２と、ケーシング２内に回転自在に支持されており、軸方向の一方に配置される前シュラウド（円環部材）４１、軸方向の他方に配置される後シュラウド（円盤部材）４２、および前シュラウド４１と後シュラウド４２との間で周方向に並設された複数の羽根４３を有する羽根車４と、羽根車４の回転に伴って流体が羽根車４における前シュラウド４１の中央から軸方向に吸入される吸入通路２Ａと、羽根車４の回転に伴って羽根車４で圧送された流体が該羽根車４の軸方向に交差する方向に沿って排出される排出通路２Ｂと、排出通路２Ｂに連通してケーシング２と前シュラウド４１との間を経て吸入通路２Ａに至り、かつ吸入通路２Ａでの流体の吸入方向の下流側に向けて開口する開口部５Ｂａを有する第二流路５Ｂと、を備え、開口部５Ｂａから吸入通路２Ａに噴出される流体の噴出速度Ｖｓを、吸入通路２Ａに吸入される流体の吸入速度Ｖに合わせる態様で、開口部５Ｂａの開口面積Ａが設定される。

この本実施の形態の遠心式流体機械１によれば、開口部５Ａａや開口部５Ｂａの向きを吸入通路２Ａでの流体の吸入方向の下流側に向けて開口することで、軸スラストを軽減するとともに、羽根車４の吸込側の圧力低下を防ぐことができる。しかも、開口部５Ａａや開口部５Ｂａの開口面積Ａを設定し、吸入通路２Ａに吸入される流体の吸入速度Ｖに対して、開口部５Ａａや開口部５Ｂａから吸入通路２Ａに噴出される流体の噴出速度Ｖｓを合わせることで、第一流路５Ａや第二流路５Ｂから吸入通路２Ａに流体が合流する際の混合損失を低減することが可能になる。この結果、遠心式流体機械１の流体の圧送効率を向上することが可能になる。なお、噴出速度Ｖｓを吸入速度Ｖと同一にすることが最適であるが、遠心式流体機械１の稼動状態によって吸入速度Ｖが変化する場合があり、そのような場合でも混合損失を低減するには、少なくとも噴出速度Ｖｓを吸入速度Ｖの±５０［％］の範囲とすればよく、すなわち、少なくとも０．５Ｖ≦Ｖｓ≦１．５Ｖの範囲となるように開口部５Ａａや開口部５Ｂａの開口面積Ａを設定すれば、遠心式流体機械１の流体の圧送効率を向上する効果が得られる。

なお、開口面積を設定する上記構成は、第一流路５Ａの開口部５Ａａか、第二流路５Ｂの開口部５Ｂａの少なくとも一方に適用されていれば、上記効果を奏することができ、第一流路５Ａの開口部５Ａａ、および第二流路５Ｂの開口部５Ｂａに適用されていれば、上記効果を顕著に得ることができるものである。

図２は、図１におけるＳ−Ｓ断面図である。上述したように、噴出速度Ｖｓは、旋回速度Ｖｔの影響を受けるため、開口部５Ａａや開口部５Ｂａから噴出される流体は、旋回方向に向けて斜めに流れる。したがって、本実施の形態では、回転軸３（羽根車４）の回転方向にやや対向するように、開口部５Ａａの向きを回転方向に対して傾けることで、開口部５Ａａから噴出される流体を回転軸３の軸Ｃの方向に沿うようにしている。具体的には、羽根車４の軸Ｃを通過する法線、すなわち軸Ｃの放射方向（羽根車４の半径方向）に対して角度θで傾斜するように開口部５Ａａを設ける。

このように、本実施の形態の遠心式流体機械１では、開口部５Ａａを、羽根車４の回転に伴い吸入通路２Ａに吸入される流体に対して噴出する流体の向きを揃える態様で、羽根車４の軸Ｃを通過する法線に対して傾斜して設ける。

この本実施の形態の遠心式流体機械１によれば、開口部５Ａａの向きにより、羽根車４の回転に伴い吸入通路２Ａに吸入される流体に対して噴出する流体の向きを揃えるため、第一流路５Ａから吸入通路２Ａに流体が合流する際の混合損失をより低減することが可能になる。この結果、遠心式流体機械１の流体の圧送効率をより向上することが可能になる。

１遠心式流体機械
２ケーシング
２Ａ吸入通路
２Ｂ排出通路
３回転軸
４羽根車
４１前シュラウド（円環部材）
４２後シュラウド（円盤部材）
４２Ａボス部
４２Ａａ後側ボス部
４２Ａｂ前側ボス部
４３羽根
５Ａ第一流路（流路）
５Ａａ開口部
５Ｂ第二流路（流路）
５Ｂａ開口部
６貫通穴
６ａ後側貫通穴
６ｂ前側貫通穴
Ａ開口面積
Ｃ軸

Claims

中空形状をなすケーシングと、
前記ケーシング内に回転自在に支持されており、軸方向の一方に配置される円環部材、軸方向の他方に配置される円盤部材、および前記円環部材と前記円盤部材との間で周方向に並設された複数の羽根を有する羽根車と、
前記羽根車の回転に伴って流体が前記羽根車における前記円環部材の中央から軸方向に吸入される吸入通路と、
前記羽根車の回転に伴って前記羽根車で圧送された流体が該羽根車の軸方向に交差する方向に沿って排出される排出通路と、
前記排出通路に連通して前記ケーシングと前記円盤部材または前記円環部材の少なくとも一方との間を経て前記吸入通路に至り、かつ前記吸入通路での流体の吸入方向の下流側に向けて開口する開口部を有する流路と、
を備え、
前記開口部から前記吸入通路に噴出される流体の噴出速度を、前記吸入通路に吸入される流体の吸入速度に合わせる態様で、前記開口部の開口面積が設定されることを特徴とする遠心式流体機械。
前記ケーシングと前記円盤部材との間を経る流路の前記開口部は、前記羽根車の回転に伴い前記吸入通路に吸入される流体に対して噴出される流体の向きを揃える態様で、前記羽根車の軸を通過する法線に対して傾斜して設けられることを特徴とする請求項１に記載の遠心式流体機械。