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JP2023058646A - multistage centrifugal fluid machine - Google Patents

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JP2023058646A JP2023019933A JP2023019933A JP2023058646A JP 2023058646 A JP2023058646 A JP 2023058646A JP 2023019933 A JP2023019933 A JP 2023019933A JP 2023019933 A JP2023019933 A JP 2023019933A JP 2023058646 A JP2023058646 A JP 2023058646A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multistage centrifugal fluid machine which can suppress an increase of a pressure loss by suppressing the occurrence of an exfoliation of fluid at a return vane even if a length of the return vane cannot be sufficiently secured, and can sufficiently remove a swirl component of the fluid.
SOLUTION: A multistage centrifugal fluid machine comprises: a plurality of impellers; a rotating shaft to which the plurality of impellers are attached; a diffuser arranged outside the impellers in a radial direction; a return flow passage for introducing fluid to a rear-stage impeller from the diffuser; and a plurality of pieces of return vanes which are arranged with intervals along a peripheral direction. The return flow passage has a return bend for guiding the fluid which is sent from the impellers to the outside of the radial direction to the inside of the radial direction, the return bend is constituted of a return bend first bent part and a return bend second bent part which is located at a downstream side, and a flow passage cross section area or a flow passage width of an intermediate part of the return bend is set to a value equal to or smaller than flow passage cross section areas or flow passage widths of an inlet and an outlet of the return bend.
SELECTED DRAWING: Figure 3
COPYRIGHT: (C)2023,JPO&INPIT

Description

本発明は多段遠心流体機械に係り、特に、流体を半径方向外向きから内向きへと転向させるための曲り流路(リターンベンド)と、流体の羽根車の回転方向と同一方向の旋回成分(予旋回)を除去するために周方向に軸対象に配置された円形翼列要素(リターンベーン)とを備えているものに好適な多段遠心流体機械に関するものである。 The present invention relates to a multi-stage centrifugal fluid machine, and in particular, a curved flow path (return bend) for turning the fluid from radially outward to inward, and a swirling component of the fluid in the same direction as the impeller rotation direction ( The present invention relates to a multistage centrifugal fluid machine suitable for use with circular cascade elements (return vanes) arranged axially symmetrically in the circumferential direction to eliminate pre-swirl.

1つの回転軸に複数の遠心羽根車を搭載した多段遠心流体機械では、各段羽根車で昇圧された流体が旋回しながら径方向外側へ向かって吐き出されるため、回転軸方向の下流側で、かつ、径方向内側にある次段羽根車の入口へと流体を導くため、流体を半径方向外向きから内向きへと転向させるための曲り流路(リターンベンド)が設けられている。 In a multi-stage centrifugal fluid machine in which a plurality of centrifugal impellers are mounted on one rotating shaft, the fluid pressurized by each stage impeller is swirled and discharged radially outward. In addition, in order to guide the fluid to the inlet of the next-stage impeller radially inward, a curved flow path (return bend) is provided for turning the fluid from radially outward to inward.

また、リターンベンドの下流側には、次段羽根車の入口に流入させる流体の羽根車の回転方向と同一方向の旋回成分(予旋回)を除去するため、周方向に軸対象に配置された円形翼列要素(リターンベーン)が設置されている。このリターンベーンで十分に予旋回が除去できない場合には、次段羽根車の効率や圧力上昇が低下することが一般的に知られている。 In addition, on the downstream side of the return bend, in order to remove the swirl component (pre-swirl) in the same direction as the rotation direction of the impeller of the fluid that flows into the inlet of the next-stage impeller, a Circular cascade elements (return vanes) are installed. It is generally known that if the pre-swirl cannot be sufficiently removed by the return vanes, the efficiency and pressure rise of the next-stage impeller will decrease.

一方、リターンベンドには、なるべく少ない圧力損失にて流れを径方向外向きから内向きへと転向すると共に、リターンベーンが予旋回の除去を十分に行えるよう、作動流体のリターンベーンへの流入状態を適切にコントロールすることが求められる。以下、リターンベンドとリターンチャネルを合わせて戻り流路という。 On the other hand, at the return bend, the flow is turned from radially outward to inward with as little pressure loss as possible, and the working fluid enters the return vane so that the return vane can sufficiently remove the pre-swirl. is required to be properly controlled. Hereinafter, the return bend and the return channel are collectively referred to as a return channel.

多段遠心流体機械の戻り流路における圧力損失の低減を図った従来例が、特許文献1に記載されている。 A conventional example of reducing pressure loss in a return flow path of a multistage centrifugal fluid machine is described in Patent Document 1.

特許文献1では、リターンベンドの径方向内側の流路壁面において、下流側(リターンベンド第2湾曲部)壁面の曲率半径を、上流側(リターンベンド第1湾曲部)壁面の曲率半径より大きくすると共に、リターンベーン前縁が、リターンベンド第2湾曲部に位置するように構成されている。 In Patent Document 1, the radius of curvature of the wall surface on the downstream side (the second curved portion of the return bend) is set larger than the radius of curvature of the wall surface on the upstream side (the first curved portion of the return bend) in the flow channel wall surface on the radially inner side of the return bend. In addition, the leading edge of the return vane is configured to be positioned at the return bend second curved portion.

また、この際、リターンベンド出口の端部(リターンベーン入口の端部)における流路断面積が、リターンベンド入口の端部(ディフューザ出口の端部)における流路断面積と同一か、それより大きくなるように構成している。 Also, at this time, the cross-sectional area of the flow path at the end of the return bend outlet (the end of the return vane inlet) is the same as the cross-sectional area of the flow path at the end of the return bend inlet (the end of the diffuser outlet). Configured to grow.

このように構成することで、リターンベンド第2湾曲部の内壁側において流体に作用する遠心力が低減すると同時に静圧が上昇するため、リターンベンド第2湾曲部の径方向内側において作動流体の流速が低下する。同時に、リターンベーン前縁を、従来よりも外径側に位置させることでリターンベーン入口の面積が増大し、リターンベーン入口における動圧が低減される。 With this configuration, the centrifugal force acting on the fluid on the inner wall side of the second curved portion of the return bend is reduced, and at the same time the static pressure is increased. decreases. At the same time, by locating the front edge of the return vane closer to the outer diameter side than in the conventional art, the area of the return vane inlet is increased and the dynamic pressure at the return vane inlet is reduced.

更に、リターンベンド出口の端部における流路断面積を、リターンベンド入口の端部における流路断面積と同一か、それより大きくしているため、リターンベーン入口における動圧が更に低減される。 Furthermore, since the flow cross-sectional area at the end of the return bend outlet is equal to or larger than the flow cross-sectional area at the end of the return bend inlet, the dynamic pressure at the return vane inlet is further reduced.

以上により、流体の流速の均一性が向上すると共に、戻り流路での流体の剥離が抑制され、遠心式流体機械の圧力損失が低減される。 As described above, the uniformity of the flow velocity of the fluid is improved, the separation of the fluid in the return flow path is suppressed, and the pressure loss of the centrifugal fluid machine is reduced.

特許第6140736号公報Japanese Patent No. 6140736

ところで、多段遠心流体機械の製作コスト低減を図るため、戻り流路を小径化しようとすると、リターンベーン入口の径を小さくすると共に、リターンベーンの長さを短くして行かざるを得ない。 By the way, in order to reduce the manufacturing cost of the multistage centrifugal fluid machine, if the diameter of the return passage is to be reduced, the diameter of the inlet of the return vane must be reduced and the length of the return vane must be shortened.

特許文献1に記載されたリターンベンド及びリターンベーンの構造は、リターンベーン入口の面積をなるべく大きく設定し、リターンベーン入口における流体の子午面方向流速Cmを低減することを狙っている。 The return bend and return vane structure described in Patent Document 1 aims to set the area of the return vane inlet as large as possible to reduce the meridional flow velocity Cm of the fluid at the return vane inlet.

そのため、図6に示すリターンベーン前縁12における速度三角形より、リターンベーン8への流体の流入角度βが小さくなる傾向にあり、絶対流速Cの方向を示すベクトルが、より周方向を向くような傾向を示す。 Therefore, the inflow angle β of the fluid into the return vane 8 tends to be smaller than the velocity triangle at the return vane leading edge 12 shown in FIG. show trends.

リターンベーン8での流れの剥離等を抑制するため、リターンベーン8の入口角βbは、リターンベーン8への流体の流入角βに合わせて設計をすることが多く、この場合、リターンベーン8の入口角βbは小さくなる。一方、リターンベーン出口10では、流体の旋回を除去することを狙い、リターンベーン後縁8TEが回転軸方向を向くよう設計するのが一般的である。 In order to suppress flow separation or the like at the return vanes 8, the inlet angle βb5 of the return vanes 8 is often designed according to the inflow angle β of the fluid to the return vanes 8. In this case, the return vanes 8 entrance angle βb5 of becomes smaller. On the other hand, the return vane outlet 10 is generally designed so that the trailing edge 8TE of the return vane faces the direction of the rotation axis in order to eliminate swirling of the fluid.

従って、戻り流路を小径化する際に、特許文献1に記載のような戻り流路形状を採用すると、リターンベーン8の入口角βbの方向から中心方向へと向かう非常に大きな流体の転向を実現するため、翼長が短く、かつ、翼の出入口間の羽根角の差が大きいリターンベーンとせざるを得ない。 Therefore, when the diameter of the return channel is reduced, if the return channel shape as described in Patent Document 1 is adopted, a very large deflection of the fluid from the direction of the inlet angle βb 5 of the return vane 8 toward the center direction will occur. In order to achieve this, the return vane must have a short blade length and a large blade angle difference between the inlet and outlet of the blade.

しかしながら、短い区間にて流体を大きく転向させようとすると、図6に示す流線のように、流体がリターンベーン負圧面8Sに沿って流れることができず剥離が生じ、戻り流路での圧力損失が増大したり、リターンベーン8にて十分に流体の旋回成分を除去できなくなるという問題があった。 However, if an attempt is made to divert the fluid significantly in a short section, the fluid cannot flow along the return vane suction surface 8S as shown in the streamline shown in FIG. There is a problem that the loss increases and the return vane 8 cannot sufficiently remove the swirl component of the fluid.

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、リターンベーンの長さが十分に確保できない際にも、リターンベーンにおける流体の剥離の発生を抑制して圧力損失の増大を抑制し、かつ、十分に流体の旋回成分を除去することが可能な多段遠心流体機械を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and its object is to suppress the occurrence of fluid separation in the return vanes and increase the pressure loss even when the length of the return vanes cannot be sufficiently secured. To provide a multi-stage centrifugal fluid machine capable of suppressing turbulence and sufficiently removing swirling components of fluid.

本発明の多段遠心流体機械は、上記目的を達成するために、複数の羽根車と、複数の前記羽根車がそれぞれ取り付けられている回転軸と、前記羽根車の径方向外側に設けられているディフューザと、該ディフューザの下流に設けられ、該ディフューザから後段の前記羽根車へ流体を導く戻り流路と、該戻り流路に設けられ、周方向に沿って間隔をあけて配置された複数枚のリターンベーンとを備え、前記戻り流路は、前記羽根車から径方向外側に送り出された前記流体を径方向内側へ向かって案内するリターンベンドを有し、前記リターンベンドは、該リターンベンドの上流側に位置するリターンベンド第1湾曲部と、該リターンベンド第1湾曲部の下流側に位置するリターンベンド第2湾曲部とから構成され、前記リターンベーンの前縁は、前記リターンベンドの出口の直下流に設置され前記戻り流路の前記リターンベンドにおける前記リターンベンド第1湾曲部と前記リターンベンド第2湾曲部の間に位置する前記リターンベンドの中間部における流路断面積又は流路幅は、前記リターンベンドの入口及び出口における流路断面積又は流路幅以下に設定されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a multistage centrifugal fluid machine according to the present invention includes a plurality of impellers, a rotating shaft to which the plurality of impellers are attached, and radially outside the impellers. a diffuser, a return channel provided downstream of the diffuser for guiding the fluid from the diffuser to the impeller in the subsequent stage, and a plurality of discs provided in the return channel and spaced apart along the circumferential direction. wherein the return passage has a return bend that guides radially inward the fluid that has been sent out radially outward from the impeller, and the return bend is the return bend A return bend first curved portion located upstream and a return bend second curved portion located downstream of the return bend first curved portion, and the front edge of the return vane is positioned at the outlet of the return bend. and a cross-sectional area or flow path at an intermediate portion of the return bend located between the first return bend curve and the second return bend curve at the return bend of the return flow path The width is set to be equal to or less than the channel cross-sectional area or channel width at the inlet and outlet of the return bend .

本発明によれば、リターンベーンの長さが十分に確保できない際にも、リターンベーンにおける流体の剥離の発生を抑制して圧力損失の増大を抑制し、かつ、十分に流体の旋回成分を除去することが可能となる。 According to the present invention, even when a sufficient length of the return vanes cannot be secured, the occurrence of separation of the fluid in the return vanes is suppressed to suppress an increase in pressure loss, and the swirling component of the fluid is sufficiently removed. It becomes possible to

従来の多段遠心流体機械の一部を取り出して示す子午面断面図である。It is a meridional cross-sectional view showing a part of a conventional multistage centrifugal fluid machine. 図1に示した部分を含む従来の多段遠心流体機械の全体構成を示す子午面断面図である。FIG. 2 is a meridional cross-sectional view showing the overall configuration of a conventional multistage centrifugal fluid machine including the portion shown in FIG. 1; 本発明の多段遠心流体機械の実施例1を示すリターンベンド付近の子午断面図である。1 is a meridional sectional view near a return bend showing Embodiment 1 of the multistage centrifugal fluid machine of the present invention; FIG. 本発明の多段遠心流体機械の実施例1におけるリターンベーンへの流入流れベクトル及びリターンベーン間の流線を説明する図である。FIG. 4 is a diagram for explaining inflow flow vectors to return vanes and streamlines between the return vanes in Embodiment 1 of the multistage centrifugal fluid machine of the present invention; 本発明の多段遠心流体機械の実施例1におけるリターンベンドの位置における流路断面積変化を説明する図である。FIG. 4 is a diagram for explaining changes in flow passage cross-sectional area at the position of the return bend in Example 1 of the multistage centrifugal fluid machine of the present invention; 従来の多段遠心流体機械の任意の段のリターンベーンにおけるリターンベーンへの流入流れベクトル及びリターンベーン間の流線を説明する図である。FIG. 5 is a diagram for explaining an inflow flow vector to a return vane and a streamline between the return vanes in an arbitrary stage of return vanes of a conventional multistage centrifugal fluid machine;

以下、図示した実施例に基づいて本発明の多段遠心流体機械を説明する。なお、各図において、同一構成部品には同符号を使用する。 The multistage centrifugal fluid machine of the present invention will be described below based on the illustrated embodiments. In addition, in each figure, the same code|symbol is used for the same component.

図1は、従来の多段遠心流体機械20の一部を取り出した子午面断面図、図2は、図1に示した部分を含む従来の多段遠心流体機械20の全体の子午面断面図であり、一軸多段式の遠心圧縮機の例である。 FIG. 1 is a meridional cross-sectional view of a portion of a conventional multistage centrifugal fluid machine 20, and FIG. 2 is a meridional cross-sectional view of the entire conventional multistage centrifugal fluid machine 20 including the portion shown in FIG. , is an example of a single-shaft multistage centrifugal compressor.

まず、図1を用いて従来の多段遠心流体機械20について説明する。 First, a conventional multistage centrifugal fluid machine 20 will be described with reference to FIG.

図1に示すように、多段遠心流体機械20は、回転エネルギーを流体に付与する遠心羽根車1と、この遠心羽根車1が取り付けられる回転軸4と、遠心羽根車1の半径方向外側にあって遠心羽根車1から流出された流体の動圧を静圧へと変換するディフューザ5とから概略構成されている。また、ディフューザ5の下流には、後段の遠心羽根車1へ流体を導くための戻り流路6が設けられている。 As shown in FIG. 1, a multistage centrifugal fluid machine 20 includes a centrifugal impeller 1 that imparts rotational energy to a fluid, a rotating shaft 4 to which this centrifugal impeller 1 is attached, and radially outside of the centrifugal impeller 1. and a diffuser 5 for converting the dynamic pressure of the fluid discharged from the centrifugal impeller 1 into static pressure. Further, downstream of the diffuser 5, a return flow passage 6 is provided for guiding the fluid to the centrifugal impeller 1 in the latter stage.

遠心羽根車1は、回転軸4に締結する円盤(ハブ)2と、ハブ2に対向して配置される側板(シュラウド)3と、ハブ2とシュラウド3間に位置し周方向(図1の紙面と直角方向)に間隔をおいて配置された複数枚の羽根1Aとを有している。 The centrifugal impeller 1 includes a disk (hub) 2 fastened to a rotating shaft 4, a side plate (shroud) 3 arranged opposite the hub 2, and positioned between the hub 2 and the shroud 3 in the circumferential direction (see FIG. 1). and a plurality of blades 1A arranged at intervals in the direction perpendicular to the plane of the paper.

なお、図1では、シュラウド3を有するクローズド型羽根車の場合を示しているが、シュラウド3のないオープン型羽根車を用いても構わない。 Although FIG. 1 shows a case of a closed impeller having a shroud 3, an open impeller without a shroud 3 may be used.

ディフューザ5には、周方向にほぼ等ピッチで配置された複数枚の翼を有するベーン付きディフューザと、図1には図示していないが、翼を有さないベーンレスディフューザのいずれかが用いられる。 As the diffuser 5, either a diffuser with vanes having a plurality of blades arranged at substantially equal pitches in the circumferential direction or a vaneless diffuser having no blades (not shown in FIG. 1) is used. .

戻り流路6は、リターンベンド7及とターンベーン8から構成されていると共に。リターンベンド7によってディフューザ5を通過した流体を半径方向外向きから内向きへと転向させ、更に、リターンベーン8によって流体の旋回成分を除去し、流体を整流しながら次段の遠心羽根車1へと流入させる役割を担っている。 The return channel 6 is composed of return bends 7 and turn vanes 8 . The return bend 7 turns the fluid that has passed through the diffuser 5 from radially outward to the radially inward direction, and the return vane 8 removes the swirling component of the fluid, rectifying the fluid to the next-stage centrifugal impeller 1. and play a role in influx.

リターンベンド7は、子午面内において、周囲の構造物に囲まれたU字状の曲り流路として形成され、そのリターンベンド入口9を、ディフューザ5の出口に相当する略円筒面で定義し、そのリターンベンド出口10を、リターンベーン前縁12の直上流に位置する子午面曲り流路の終端に相当する略円筒面で定義したリターンベンド入口9からリターンベンド出口10までの区間として定義する。リターンベーン8は、回転軸4まわりに周方向にほぼ等ピッチに配置された複数枚の翼から構成されている。 The return bend 7 is formed as a U-shaped curved flow path surrounded by surrounding structures in the meridional plane, and the return bend inlet 9 is defined by a substantially cylindrical surface corresponding to the outlet of the diffuser 5, The return bend outlet 10 is defined as a section from the return bend inlet 9 defined by a substantially cylindrical surface corresponding to the terminal end of the meridional curved flow path located immediately upstream of the return vane leading edge 12 to the return bend outlet 10 . The return vanes 8 are composed of a plurality of blades circumferentially arranged around the rotating shaft 4 at substantially equal pitches.

図2に、図1に示した圧縮段を複数段軸方向に積層した形の多段遠心流体機械20を示す。 FIG. 2 shows a multistage centrifugal fluid machine 20 in which a plurality of compression stages shown in FIG. 1 are stacked in the axial direction.

図2に示すように、回転軸4を回転自在に支持するラジアル軸受17が回転軸4の両端側に配置され、回転軸4の一方の端部には、回転軸4を軸方向に支持するスラスト軸受18が配置されている。 As shown in FIG. 2, radial bearings 17 that rotatably support the rotating shaft 4 are arranged on both end sides of the rotating shaft 4, and one end of the rotating shaft 4 supports the rotating shaft 4 in the axial direction. A thrust bearing 18 is arranged.

また、回転軸4には、多段の圧縮段の遠心羽根車(図2では5枚の遠心羽根車)1が固定して取り付けられ、各遠心羽根車1の下流側には、図1に示したと同様に、ディフューザ5及び戻り流路6が設けられている。 In addition, a multi-stage compression-stage centrifugal impeller (five centrifugal impellers in FIG. 2) 1 is fixedly attached to the rotating shaft 4, and downstream of each centrifugal impeller 1, shown in FIG. A diffuser 5 and a return channel 6 are provided as well.

これら遠心羽根車1とディフューザ5及び戻り流路6は、ケーシング19内に収容されている。また、ケーシング19の吸込み側には吸込流路15が設けられており、ケーシング19の吐出側には吐出流路16が設けられている。 The centrifugal impeller 1 , the diffuser 5 and the return flow path 6 are housed inside a casing 19 . A suction flow path 15 is provided on the suction side of the casing 19 , and a discharge flow path 16 is provided on the discharge side of the casing 19 .

このように構成された多段遠心流体機械20においては、吸込流路15から吸引された流体が、各段の遠心羽根車1とディフューザ5及び戻り流路6を通過するごとに昇圧され、最終的に所定圧力になって吐出流路16から吐出される。 In the multistage centrifugal fluid machine 20 configured as described above, the fluid sucked from the suction passage 15 is pressurized each time it passes through the centrifugal impeller 1 and the diffuser 5 of each stage and the return passage 6, and finally , and is discharged from the discharge channel 16 at a predetermined pressure.

次に、図3、図4及び図5を用いて、本実施例における多段遠心流体機械20の特徴点を説明する。 Next, features of the multistage centrifugal fluid machine 20 in this embodiment will be described with reference to FIGS. 3, 4 and 5. FIG.

図3は、本実施例における多段遠心流体機械20中の、リターンベンド7付近を取り出した子午断面図である。 FIG. 3 is a meridional sectional view of the vicinity of the return bend 7 in the multistage centrifugal fluid machine 20 according to this embodiment.

本実施例では、戻り流路6が、上述したが遠心羽根車1から径方向外側に送り出された流体を径方向内側へ向かって案内するリターンベンド7を有し、このリターンベンド7は、リターンベンド7の上流側に位置するリターンベンド第1湾曲部13と、リターンベンド第1湾曲部13の下流側に位置するリターンベンド第2湾曲部14とから構成されている。 In this embodiment, the return flow path 6 has a return bend 7 for guiding radially inward the fluid sent out radially outward from the centrifugal impeller 1 as described above. It is composed of a return bend first curved portion 13 located upstream of the bend 7 and a return bend second curved portion 14 located downstream of the return bend first curved portion 13 .

そして、図3に示すリターンベンド7の下流に搭載されるリターンベーン前縁12を、リターンベンド出口10の直下流に設置すると共に、リターンベンド7の径方向内側の流路壁面13A、14Aにおいて、リターンベンド第2湾曲部14のリターンベンド7の径方向内側の流路壁面14Aにおける曲率半径ρ2を、リターンベンド第1湾曲部13のリターンベンド7の径方向内側の流路壁面13Aにおける曲率半径ρ1より大きくし、更に、リターンベンド出口10における流路断面積を、リターンベンド入口9における流路断面積以下に設定している。 Then, the return vane front edge 12 mounted downstream of the return bend 7 shown in FIG. The curvature radius ρ2 at the flow channel wall surface 14A radially inner of the return bend 7 of the return bend second curved portion 14 is defined as the curvature radius ρ1 at the flow channel wall surface 13A radially inner of the return bend 7 of the return bend first curved portion 13. Further, the flow channel cross-sectional area at the return bend outlet 10 is set to be equal to or less than the flow channel cross-sectional area at the return bend inlet 9 .

上述した本実施例におけるリターンベンド7の構造とすることによる効果を、以下に説明する。 The effects of the structure of the return bend 7 in this embodiment described above will be described below.

図4は、本実施例を適用した際の、リターンベーン8の入口速度三角形及びリターンベーン8の流線を示したものである。 FIG. 4 shows the inlet velocity triangle of the return vane 8 and the streamline of the return vane 8 when this embodiment is applied.

本実施例では、リターンベーン前縁12の直上流に位置するリターンベンド出口10において、流路断面積が小さく設定されているため、図4に示すように、リターンベーン前縁12の速度三角形における子午面方向流速Cmが増大し、リターンベーン8への流体の流入角度βが、図6に示した従来の多段遠心流体機械20におけるリターンベーン8への流体の流入角度βより大きくなる。 In this embodiment, the cross-sectional area of the flow path is set small at the return bend outlet 10 located immediately upstream of the return vane leading edge 12, so as shown in FIG. The meridional flow velocity Cm increases, and the inflow angle β of the fluid into the return vanes 8 becomes larger than the inflow angle β of the fluid into the return vanes 8 in the conventional multistage centrifugal fluid machine 20 shown in FIG.

従って、このリターンベーン8への流体の流入角度βにマッチングさせて設定するリターンベーン8の入口角βbを大きくできる。また、リターンベーン後縁8TEを、流体の旋回を除去することを狙って回転軸4の方向を向くよう設定した場合に、上述した内容より、リターンベーン前縁12からリターンベーン後縁8TEにかけての流体の転向を小さくすることができる。 Therefore, the inlet angle βb5 of the return vane 8, which is set to match the inflow angle β of the fluid to the return vane 8, can be increased. Further, when the return vane trailing edge 8TE is set to face the direction of the rotation axis 4 with the aim of eliminating the swirl of the fluid, from the above-mentioned content, the distance from the return vane leading edge 12 to the return vane trailing edge 8TE Fluid deflection can be reduced.

結果として、図4に示すように、図6に示したリターンベーン8の入口面積をなるべく大きく設定した従来の戻り流路においては発生し易かったリターンベーン負圧面8S付近の流れの剥離の発生が、本実施例では抑制されることが分かる。 As a result, as shown in FIG. 4, separation of the flow occurs near the suction surface 8S of the return vane, which is likely to occur in the conventional return flow path in which the inlet area of the return vane 8 is set as large as possible shown in FIG. , is suppressed in this embodiment.

また、リターンベンド出口10の流路断面積を小さく設定することで、リターンベンド第2湾曲部14における流体の流速が増大するが、本領域におけるリターンベンド7の径方向内側の流路壁面14Aの曲率半径ρ2を大きく設定していることで、流れの剥離が抑制されるため、リターンベーン前縁12への流入流れの一様性が確保され、圧力損失が低減されると共に、リターンベーン8にて流体の旋回成分が十分に除去される。 In addition, by setting the flow passage cross-sectional area of the return bend outlet 10 to be small, the flow velocity of the fluid in the return bend second curved portion 14 increases. By setting the radius of curvature ρ2 large, separation of the flow is suppressed, so the uniformity of the flow entering the return vane leading edge 12 is ensured, the pressure loss is reduced, and the return vane 8 The swirl component of the fluid is sufficiently removed by

多段遠心流体機械20の製作コスト低減のために、戻り流路6を小径化するには、リターンベーン前縁12の径を小さくして、リターンベーン8の長さを短くする必要がある。 To reduce the diameter of the return flow passage 6 in order to reduce the manufacturing cost of the multistage centrifugal fluid machine 20, it is necessary to reduce the diameter of the return vane front edge 12 and shorten the length of the return vane 8. FIG.

この際、従来の戻り流路においては、リターンベーン8の長さが短く、かつ、リターンベーン前縁12とリターンベーン後縁8TEの間の羽根角の差が大きいリターンベーン8にて、短い区間で流体を大きく転向させざるを得ず、リターンベーン負圧面8Sにおける流れの剥離が更に発生し易くなる。 At this time, in the conventional return flow path, the length of the return vane 8 is short, and the difference in blade angle between the return vane leading edge 12 and the return vane trailing edge 8TE is large. Inevitably, the fluid has to be diverted greatly at , and separation of the flow at the return vane suction surface 8S is more likely to occur.

一方、本実施例の構造では、戻り流路6を小径化するため、リターンベーン8の長さを短くした場合でも、リターンベーン前縁12からリターンベーン後縁8TEにかけての流体の転向を小さく、かつ、リターンベンド第2湾曲部14におけるリターンベンド7の径方向内側の流路壁面14Aの流速が低減されるよう曲率半径ρ2を大きくしており、リターンベーン8における剥離を防止できる。 On the other hand, in the structure of the present embodiment, even if the length of the return vane 8 is shortened in order to reduce the diameter of the return passage 6, the deflection of the fluid from the return vane leading edge 12 to the return vane trailing edge 8TE is small. In addition, the radius of curvature ρ2 is increased so as to reduce the flow velocity of the flow path wall surface 14A on the radially inner side of the return bend 7 in the return bend second curved portion 14, so that separation of the return vane 8 can be prevented.

従って、本実施例の構造は、特に、戻り流路6を小径化する際に組み合わせて用いることが有効である。 Therefore, it is effective to use the structure of this embodiment in combination, particularly when the diameter of the return flow path 6 is reduced.

ここで、図3に示すリターンベンド第1湾曲部13とリターンベンド第2湾曲部14の間に位置するリターンベンド中間部11における流路断面積は、図5に示すリリターンベンド7の位置(リターンベンド入口9、リターンベンド中間部11、リターンベンド出口10の各位置)における流路断面積変化図のように、リターンベンド入口9における流路断面積以下で、かつ、リターンベンド出口10における流路断面積以上に設定されても良いし(図5中の実線)、リターンベンド入口9やリターンベンド出口10における何れの流路断面積以下に設定されても良い(図5中の点線)。 Here, the cross-sectional area of the flow path in the intermediate return bend portion 11 positioned between the return bend first curved portion 13 and the return bend second curved portion 14 shown in FIG. Return bend inlet 9, return bend intermediate portion 11, return bend outlet 10). It may be set to be larger than the cross-sectional area of the passage (solid line in FIG. 5), or may be set to be smaller than the cross-sectional area of the return bend inlet 9 or the return bend outlet 10 (dotted line in FIG. 5).

しかしながら、図5中の点線のようなリターンベンド7内の流路断面積とする場合には、図3に示すリターンベンド7の最外半径Rtopを同一に保持したまま、リターンベンド中間部11における流路幅bmを小さくすることになる。 However, when the cross-sectional area of the flow path in the return bend 7 is set as indicated by the dotted line in FIG. 5, the outermost radius Rtop of the return bend 7 in FIG. The flow channel width bm is reduced.

この際、リターンベンド第1湾曲部13における径方向内側の流路壁面13Aの曲率半径ρ1も同一値に保持すれば、リターンベンド入口9、つまり、ディフューザ5の出口の径を、より大きく設定できる。 At this time, if the radius of curvature ρ1 of the radially inner channel wall surface 13A of the return bend first curved portion 13 is also held at the same value, the diameter of the return bend inlet 9, that is, the outlet of the diffuser 5 can be set larger. .

従って、リターンベンド7の最外半径Rtopは同一にしたまま、ディフューザ5の径方向長さを大きくすることができる。 Therefore, the radial length of the diffuser 5 can be increased while the outermost radius Rtop of the return bend 7 remains the same.

また、ディフューザ5にベーン付ディフューザを搭載する場合には、ディフューザ5の出口径が大きくなることで、リターンベーン8の長さも増大でき、ディフューザ5内での静圧回復量を増大させて、リターンベンド入口9における流速を低減できる。 Further, when a diffuser with vanes is mounted on the diffuser 5, the length of the return vanes 8 can be increased by increasing the exit diameter of the diffuser 5, increasing the amount of static pressure recovery in the diffuser 5 and increasing the return The flow velocity at the bend inlet 9 can be reduced.

戻り流路6を小径化する際には、ディフューザ5の径方向長さも短くせざるを得ず、リターンベンド入口9における流速も増大する傾向になるが、図5中の点線のような流路断面積とすることで、小径化時のリターンベンド7の最外半径Rtopは同一にしたまま、リターンベンド入口9における流速も低減できる。 When the diameter of the return channel 6 is reduced, the radial length of the diffuser 5 must be shortened, and the flow velocity at the return bend inlet 9 tends to increase. By using the cross-sectional area, the flow velocity at the return bend inlet 9 can be reduced while keeping the outermost radius Rtop of the return bend 7 the same when the diameter is reduced.

従って、戻り流路6が小径化の時には、図5中の点線のような流路断面積とすることがより望ましい。 Therefore, when the diameter of the return channel 6 is reduced, it is more desirable to set the cross-sectional area of the channel as indicated by the dotted line in FIG.

なお、この際、リターンベンド中間部11における流速は増大する傾向になるが、前述の通り、本実施例では、曲率半径ρ2を大きくしているため、リターンベンド第2湾曲部14におけるリターンベンド7の径方向内側の流路壁面14A付近における剥離の発生は抑制される。 At this time, the flow velocity at the return bend intermediate portion 11 tends to increase. The occurrence of separation near the flow path wall surface 14A on the radially inner side of is suppressed.

このような本実施例の構成によれば、リターンベーン前縁12より上流側のリターンベンド出口10において流路断面積が小さく設定されるため、リターンベーン前縁12における子午面方向流速Cmが増大し、リターンベーン8への流体の流入角度βが大きくなる。従って、リターンベーン8の入口角βbを大きく設定でき、リターンベーン入口9からリターンベーン出口10にかけての流体の転向を小さくすることができる。 According to the configuration of this embodiment, since the flow passage cross-sectional area is set small at the return bend outlet 10 on the upstream side of the return vane leading edge 12, the flow velocity Cm in the meridional plane direction at the return vane leading edge 12 increases. As a result, the inflow angle β of the fluid to the return vanes 8 increases. Therefore, the inlet angle βb5 of the return vane 8 can be set large, and the deflection of the fluid from the return vane inlet 9 to the return vane outlet 10 can be reduced.

また、リターンベーン8の長さが十分に確保できない場合にも、リターンベーン前縁12をリターンベンド7内に延伸させ、リターンベーン8を3次元的な複雑形状にしてリターンベーン8の長さを確保することなく、リターンベー8における流体の剥離の発生を抑制し、流体の旋回成分を十分に除去することが可能となる。 In addition, even when the length of the return vane 8 cannot be secured sufficiently, the return vane leading edge 12 is extended into the return bend 7, and the return vane 8 is formed into a three-dimensional complex shape so that the length of the return vane 8 can be increased. It is possible to suppress the occurrence of separation of the fluid in the return bay 8 and sufficiently remove the swirling component of the fluid.

この際、リターンベンド出口10の流路断面積を小さく設定することで、リターンベンド第2湾曲部14における流体の流速が増大するが、本領域におけるリターンベンド第2湾曲部14における径方向内側の流路壁面14Aの曲率半径を大きく設定していることで、流体の流れの剥離が抑制され、リターンベーン前縁12への流入流れの一様性が確保され、圧力損失が低減されると共に、リターンベーン8にて流体の旋回成分を十分に除去することが可能となる。 At this time, by setting the flow passage cross-sectional area of the return bend outlet 10 to be small, the flow velocity of the fluid in the return bend second curved portion 14 increases. By setting the radius of curvature of the channel wall surface 14A to be large, the separation of the fluid flow is suppressed, the uniformity of the flow entering the return vane front edge 12 is ensured, and the pressure loss is reduced. The return vane 8 can sufficiently remove the swirling component of the fluid.

上述した実施例1では、リターンベンド7の流路断面積に基づいた説明を行ったが、流路断面積を、図3に示すリターンベンド7の子午断面図における流路幅に置き換えて適用しても良い。 In the first embodiment described above, the description was made based on the cross-sectional area of the flow path of the return bend 7, but the cross-sectional area of the flow path is replaced with the width of the flow path in the meridional cross-sectional view of the return bend 7 shown in FIG. can be

即ち、リターンベンド入口9における流路幅をbs、リターンベンド出口10における流路幅をbeとすれば、リターンベンド7の下流に搭載されるリターンベーン前縁12を、リターンベンド出口10の直下流に設置すると共に、リターンベンド7の径方向内側の流路壁面13A、14Aにおいて、曲率半径ρ2を、曲率半径ρ1より大きくし、更に、リターンベンド出口10における流路幅beを、リターンベンド入口9における流路幅bs以下に設定しても良い。 That is, if the width of the flow path at the return bend inlet 9 is bs, and the width of the flow path at the return bend outlet 10 is be, then the leading edge 12 of the return vane mounted downstream of the return bend 7 is positioned immediately downstream of the return bend outlet 10. , the radius of curvature ρ2 of the channel wall surfaces 13A and 14A on the radially inner side of the return bend 7 is made larger than the radius of curvature ρ1, and the channel width be at the return bend outlet 10 is set at the return bend inlet 9 may be set to be equal to or less than the channel width bs in .

また、この際、リターンベンド中間部11における流路幅bmは、リターンベンド入口9における流路幅bs以下で、かつ、リターンベンド出口10における流路幅be以上に設定されても良いし、リターンベンド入口9やリターンベンド出口10における何れの流路幅bs、be以下に設定されても良い。 In this case, the flow channel width bm at the return bend intermediate portion 11 may be set to be equal to or less than the flow channel width bs at the return bend inlet 9 and equal to or larger than the flow channel width be at the return bend outlet 10. It may be set to be equal to or less than any of the channel widths bs and be at the bend inlet 9 and the return bend outlet 10 .

このような本実施例の構成であっても、実施例1と同様な効果を得ることができる。 Even with such a configuration of the present embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.

また、上述した各実施例では、多段遠心流体機械として、旋回除去要素を一軸多段式の遠心圧縮機を例に説明したが、本発明の多段遠心流体機械は、多段遠心ポンプ等の他の多段遠心流体機械にも適用が可能である。 In each of the above-described embodiments, the multistage centrifugal fluid machine has been described as an example of a centrifugal compressor having a single-shaft multistage centrifugal compressor as the swirling removal element. It can also be applied to centrifugal fluid machines.

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべ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事が可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加える事も可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をする事が可能である。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications. For example, the above-described embodiments have been described in detail to facilitate understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the described configurations. Also, it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Moreover, it is possible to add, delete, or replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.

1…遠心羽根車、1A…遠心羽根車の羽根、2…ハブ、3…シュラウド、4…回転軸、5…ディフューザ、6…戻り流路、7…リターンベンド、8…リターンベーン、8S…リターンベーン負圧面、8TE…リターンベーン後縁、9…リターンベンド入口、10…リターンベンド出口、11…リターンベンド中間部、12…リターンベーン前縁、13…リターンベンド第1湾曲部、13A…リターンベンド第1湾曲部における径方向内側の流路壁面、14…リターンベンド第2湾曲部、14A…リターンベンド第2湾曲部における径方向内側の流路壁面、15…吸込流路、16…吐出流路、17…ラジアル軸受、18…スラスト軸受、19…ケーシング、20…多段遠心流体機械、be…リターンベンド出口における流路幅、bm…リターンベンド中間部における流路幅、bs…リターンベンド入口における流路幅、C…絶対流速、Cm…子午面方向流速、Cu…絶対流速の周方向成分、Rtop…リターンベンドの最外半径、β…リターンベーンへの流入角、βb…リターンベーンの入口角、ρ1…リターンベンド第1湾曲部における径方向内側の流路壁面の曲率半径、ρ2…リターンベンド第2湾曲部における径方向内側の流路壁面の曲率半径。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Centrifugal impeller, 1A... Blade of centrifugal impeller, 2... Hub, 3... Shroud, 4... Rotary shaft, 5... Diffuser, 6... Return channel, 7... Return bend, 8... Return vane, 8S... Return Vane suction surface 8TE Return vane trailing edge 9 Return bend inlet 10 Return bend outlet 11 Return bend intermediate portion 12 Return vane front edge 13 Return bend first curved portion 13A Return bend Radially inner channel wall surface of the first curved portion 14 Return bend second curved portion 14A Radially inner channel wall surface of the return bend second curved portion 15 Suction channel 16 Discharge channel , 17... Radial bearing, 18... Thrust bearing, 19... Casing, 20... Multi-stage centrifugal fluid machine, be... Channel width at return bend outlet, bm... Channel width at return bend intermediate part, bs... Flow at return bend inlet Road width, C... absolute flow velocity, Cm... meridional direction flow velocity, Cu... circumferential component of absolute flow velocity, Rtop... outermost radius of return bend, β... inflow angle to return vane, βb5 ... inlet angle of return vane , ρ1 .

Claims (8)

複数の羽根車と、複数の前記羽根車がそれぞれ取り付けられている回転軸と、前記羽根車の径方向外側に設けられているディフューザと、該ディフューザの下流に設けられ、該ディフューザから後段の前記羽根車へ流体を導く戻り流路と、該戻り流路に設けられ、周方向に沿って間隔をあけて配置された複数枚のリターンベーンとを備え、
前記戻り流路は、前記羽根車から径方向外側に送り出された前記流体を径方向内側へ向かって案内するリターンベンドを有し、前記リターンベンドは、該リターンベンドの上流側に位置するリターンベンド第1湾曲部と、該リターンベンド第1湾曲部の下流側に位置するリターンベンド第2湾曲部とから構成され、前記リターンベーンの前縁は、前記リターンベンドの出口の直下流に設置され
前記戻り流路の前記リターンベンドにおける前記リターンベンド第1湾曲部と前記リターンベンド第2湾曲部の間に位置する前記リターンベンドの中間部における流路断面積又は流路幅は、前記リターンベンドの入口及び出口における流路断面積又は流路幅以下に設定されていることを特徴とする多段遠心流体機械。
A plurality of impellers, a rotating shaft to which the plurality of impellers are respectively attached, a diffuser provided radially outside of the impellers, and a diffuser provided downstream of the diffuser, the latter stage from the diffuser A return channel that guides fluid to the impeller, and a plurality of return vanes provided in the return channel and arranged at intervals along the circumferential direction,
The return flow path has a return bend that guides the fluid discharged radially outward from the impeller radially inward, and the return bend is positioned upstream of the return bend. comprising a first curved portion and a return bend second curved portion located downstream of the return bend first curved portion, wherein the front edge of the return vane is located immediately downstream of the outlet of the return bend ;
The flow channel cross-sectional area or flow channel width at an intermediate portion of the return bend located between the return bend first curved portion and the return bend second curved portion in the return bend of the return flow channel is A multi-stage centrifugal fluid machine, characterized in that the channel cross-sectional area or channel width at the inlet and the outlet is set to be equal to or smaller than that of the channel .
請求項1に記載の多段遠心流体機械であって、The multistage centrifugal fluid machine according to claim 1,
前記リターンベンド第2湾曲部の径方向内側の壁面の曲率半径は、前記リターンベンド第1湾曲部の径方向内側の壁面の曲率半径よりも大きく形成されていることを特徴とする多段遠心流体機械。A multistage centrifugal fluid machine, wherein a radius of curvature of a wall surface on the radially inner side of the second curved portion of the return bend is larger than a radius of curvature of a wall surface on the radially inner side of the first curved portion of the return bend. .
請求項2に記載の多段遠心流体機械であって、The multistage centrifugal fluid machine according to claim 2,
前記リターンベンドの出口における流路断面積又は流路幅は、前記リターンベンドの入口における流路断面積又は流路幅より小さく設定されていることを特徴とする多段遠心流体機械。A multi-stage centrifugal fluid machine, wherein a channel cross-sectional area or channel width at an outlet of the return bend is set smaller than a channel cross-sectional area or channel width at the inlet of the return bend.
請求項に記載の多段遠心流体機械であって、
前記戻り流路は、前記リターンベンドと前記リターンベーンから構成され、前記リターンベンドによって前記ディフューザを通過した流体を半径方向外向きから内向きへと転向させ、更に、前記リターンベーンによって流体の旋回成分を除去し、流体を整流しながら次段の前記羽根車へと流入させるものであることを特徴とする多段遠心流体機械。
The multistage centrifugal fluid machine according to claim 3 ,
The return flow path is composed of the return bend and the return vane, and the return bend causes the fluid that has passed through the diffuser to turn from radially outward to the inward direction. A multi-stage centrifugal fluid machine, characterized in that the fluid is flown into the impeller of the next stage while rectifying the fluid.
請求項に記載の多段遠心流体機械であって、
前記リターンベンドは、子午面内において、周囲の構造物に囲まれたU字状の曲り流路として形成され、前記リターンベンドの入口を、前記ディフューザの出口に相当する略円筒面で定義し、前記リターンベンドの出口を、前記リターンベーンの前縁の直上流に位置する子午面曲り流路の終端に相当する略円筒面で定義した前記リターンベンドの入口から出口までの区間として定義することを特徴とする多段遠心流体機械。
The multistage centrifugal fluid machine according to claim 4 ,
The return bend is formed in the meridional plane as a U-shaped curved flow path surrounded by surrounding structures, and the inlet of the return bend is defined by a substantially cylindrical surface corresponding to the outlet of the diffuser, The exit of the return bend is defined as a section from the entrance to the exit of the return bend defined by a substantially cylindrical surface corresponding to the terminal end of the meridional curved flow path located immediately upstream of the leading edge of the return vane. A multistage centrifugal fluid machine characterized by:
請求項に記載の多段遠心流体機械であって、
前記リターンベーンは、前記回転軸まわりの周方向にほぼ等ピッチで配置された複数枚の翼から構成されていることを特徴とする多段遠心流体機械。
The multistage centrifugal fluid machine according to claim 5 ,
A multistage centrifugal fluid machine, wherein the return vanes are composed of a plurality of blades arranged at substantially equal pitches in a circumferential direction around the rotating shaft.
請求項1乃至のいずれか1項に記載の多段遠心流体機械であって、
前記ディフューザは、周方向にほぼ等ピッチで配置された複数枚の翼を有するベーン付きディフューザか、或いは前記翼を有さないベーンレスディフューザのいずれかが用いられることを特徴とする多段遠心流体機械。
The multistage centrifugal fluid machine according to any one of claims 1 to 6 ,
The multi-stage centrifugal fluid machine, wherein the diffuser is either a vaned diffuser having a plurality of blades arranged at substantially equal pitches in the circumferential direction or a vaneless diffuser having no blades. .
請求項1乃至いずれか1項に記載の多段遠心流体機械であって、
前記多段遠心流体機械は、一軸多段式の遠心圧縮機か、或いは多段遠心ポンプであることを特徴とする多段遠心流体機械。
The multistage centrifugal fluid machine according to any one of claims 1 to 7 ,
A multistage centrifugal fluid machine, wherein the multistage centrifugal fluid machine is a single-shaft multistage centrifugal compressor or a multistage centrifugal pump.
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