JP5558183B2 - ターボ機械 - Google Patents

Description

本発明はターボ機械に関し、ターボ形ポンプや、ターボ形送風機ないしターボ形圧縮機などに適用してターボ機械の損失を低減して性能を向上させるものである。

ターボ機械としては、液体（水など）を昇圧してから吐出するターボ形ポンプと、気体（空気など）を昇圧してから吐出するターボ形送風機ないしターボ形圧縮機がある。

ここで、ターボ形ポンプの一種である斜流ポンプの従来構成を、図７〜図９を基に説明する。
なお、図７に示す斜流ポンプは、オープン形、即ち、インペラの羽根先端部にシュラウドを有していないタイプの斜流ポンプである。また図８，図９に示す斜流ポンプは、クローズド形、即ち、インペラの羽根先端部にシュラウドを有しているタイプの斜流ポンプである。

図７は、オープン形の斜流ポンプ１を示す子午面図であり、図７の左側が吸込側、右側が吐出側であり、液体（水など）の流れを矢印で描いている。
斜流ポンプ１の回転軸１０には、インペラ（羽根車）２０が取り付けられている。より具体的には、回転軸１０がインペラ２０のハブ２１に取付けられて、回転軸１０とハブ２１とが固定されている。インペラ２０は、複数の羽根２２を有しており、羽根２２は、周方向に沿う複数箇所に配置されている。各羽根２２は、液体の流れ方向に沿い湾曲しつつ伸びると共に、半径方向にも伸びている。

ケーシング３０は、インペラ２０の外周側に配置されており、羽根２２の先端部（チップ部：半径方向の先端部）とケーシング３０の内周面との間に、僅かな隙間（チップクリアランス）を設けている。
インペラ２０の吐出側（液体の流れ方向に関して下流側）には、ディフューザベーン４０が配置されている。このディフューザベーン４０は、ケーシング３０の内周面に固定設置されている。

このような斜流ポンプ１では、駆動源（図示省略）の回転力を回転軸１０によりインペラ２０に伝達して、インペラ２０が回転することにより、吸込側から吸い込んだ液体を昇圧して、吐出側から圧送することができる。

図８は、クローズド形の斜流ポンプ１Ａを示す子午面図であり、図８の左側が吸込側、右側が吐出側であり、液体（水など）の流れを矢印で描いている。また図９は、クローズド形の斜流ポンプ１Ａのケーシング３０を省略した状態で、インペラ２０及びシュラウド５０を示す外観図である。

斜流ポンプ１Ａの回転軸１０には、インペラ（羽根車）２０が取り付けられている。より具体的には、回転軸１０がインペラ２０のハブ２１に取付けられて、回転軸１０とハブ２１とが固定されている。インペラ２０は、複数の羽根２２を有しており、羽根２２は、周方向に沿う複数箇所に配置されている。各羽根２２は、液体の流れ方向に沿い湾曲しつつ伸びると共に、半径方向にも伸びている。

ケーシング３０は、インペラ２０の外周側に配置されている。
インペラ２０の吐出側（液体の流れ方向に関して下流側）には、ディフューザベーン４０が配置されている。このディフューザベーン４０は、ケーシング３０の内周面に固定設置されている。

シュラウド５０は円筒状に形成されており、回転軸１０及びインペラ２０に対して同心状で、且つ、各羽根２２の先端部（チップ部：半径方向の先端部）を囲繞する状態で配置されている。しかも、シュラウド５０の内周面と各羽根２２の先端部とが接続されている。
この例では、各羽根２２の先端部の前縁部（液体の流れ方向に関して上流側）から後縁部（液体の流れ方向に関して下流側）に至る長さＬｂに対して、シュラウド５０の前縁部から後縁部に至る長さＬｓの方が長くなっている。換言すると、各羽根２２の先端部の前縁部から後縁部に至る部分は、シュラウド５０の内周面で囲まれている。
クローズド形ポンプでは、一般的には、Ｌｂ≦Ｌｓとなっている。

ケーシング３０の内周面には、シュラウド５０の配置位置に対応して、凹溝３１がリング状に形成されており、シュラウド５０が凹溝３１内に入り込んでいる。つまり、シュラウド５０が液体の流れ通路から外れた外周側に位置するように、シュラウド５０を凹溝３１内に配置している。

シュラウド５０とケーシング３０との間には、隙間が形成されており、特に上流側（図８における左側）ではシュラウド５０とケーシング３０との間の隙間が狭くなったシール部Ｓｅとなっている。

このような斜流ポンプ１Ａでは、駆動源（図示省略）の回転力を回転軸１０によりインペラ２０に伝達して、インペラ２０が回転することにより、吸込側から吸い込んだ液体を圧縮して、吐出側から圧送することができる。

ちなみに従来では性能や効果を考慮して、遠心ポンプではクローズド形が、斜流ポンプや軸流ポンプではオープン形が、比較的多く採用される傾向であった。

特開２００７−２９１８７４ 特表２００３−５２５１７２ 特開２００５−３１５２１６

図７に示すオープン形の斜流ポンプ１では、図１０に示すように、羽根２２の先端部からの漏れ流れＦ１に伴う損失Ｌｏ１が発生する。この漏れ流れＦ１は、羽根２２の腹面（液体が高圧になっている側の翼面）から背面（液体が低圧となっている側の翼面）に向かって、液体が羽根２２の先端部とケーシング３０との間の隙間を通って流れることにより生ずるものである。

図８や図９に示すクローズド形の斜流ポンプ１Ａでは、シュラウド５０があるため漏れ流れＦ１は発生せずそのため損失Ｌｏ１は発生しない。
しかし、クローズド形の斜流ポンプ１Ａでは、シュラウド５０の外周面とケーシング３０の内周面との間の隙間を、シュラウド５０の後縁側から入り込んでシール部Ｓｅを通りシュラウド５０の前縁側から流れ出る、循環する漏れ流れＦ２による損失Ｌｏ２が発生する。この漏れ流れＦ２は、シュラウド５０の後縁側の液体が高圧で、前縁側の液体が低圧であるので、両者の圧力差により生ずるものである。
更に、クローズド形の斜流ポンプ１Ａでは、シュラウド５０の外周面とケーシング３０の内周面との間で生ずる、液体の粘性摩擦による損失Ｌｏ３が発生する。

このように従来技術では、オープン形であってもクローズド形であっても、大きな損失Ｌｏ１〜Ｌｏ３が発生し、ポンプ性能の向上を阻害していた。特に発電所向けや公共用等の大型のポンプでは、損失Ｌｏ１〜Ｌｏ３が大きくなり、ポンプ性能の向上を阻害していた。

また、ターボ形ポンプに限らず、ターボ形送風機ないしターボ形圧縮機であっても、同様な問題があった。

本発明は、上記従来技術に鑑み、損失を可能な限り低減して、性能を向上させたターボ機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、
周方向に沿う複数箇所に羽根を配置したインペラを回転させることにより、流体を圧送するターボ機械、または流体の圧力差により、周方向に沿う複数箇所に羽根を配置したインペラが回転し動力を取出すターボ機械において、
前記インペラに対して同心状で、且つ、各羽根の先端部を囲繞する状態で配置されており、内周面が前記羽根の先端部に接合されている円筒状のチップリングを備え、
前記羽根の先端部の前縁部から後縁部に至る長さに対して、前記チップリングの前縁部から前記羽根の先端部に沿ってチップリングの後縁部に至る長さが短くなっており、
前記チップリングの外周面と、前記羽根の先端部のうち前記チップリングで覆われていない部分とが面一となっていると共に、
前記チップリングの断面形状は、前縁側と後縁側が薄く、前記流体の流れ方向に沿う中央部分が厚い流線型となっていることを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記羽根の先端部の前縁部から後縁部に至る長さをＬｂ、前記チップリングの前縁部から前記羽根の先端部に沿ってチップリングの後縁部に至る長さをＬｔとしたときに、
０．１Ｌｂ＜Ｌｔ＜０．８Ｌｂ
となっていること、または、
０．３Ｌｂ＜Ｌｔ＜０．５Ｌｂ
となっていることを特徴とする。

また本発明の構成は、
周方向に沿う複数箇所に羽根を配置したインペラを回転させることにより、流体を圧送するターボ機械、または流体の圧力差により、周方向に沿う複数箇所に羽根を配置したインペラが回転し動力を取出すターボ機械において、
各羽根の先端部に、当該羽根の先端部から隣接する羽根の先端部に向けて周方向に沿って張り出したチップ突出板を備え、
前記チップ突出板相互は接触することなく対向しており、
前記羽根の先端部の前縁部から後縁部に至る長さに対して、前記チップ突出板の前縁部から前記羽根の先端部に沿ってチップ突出板の後縁部に至る長さが短くなっており、
それぞれの前記チップ突出板は、腹面側の突出量が背面側の突出量に対して大きくなっていることを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記羽根の先端部の前縁部から後縁部に至る長さをＬｂ、前記チップ突出板の前縁部から前記羽根の先端部に沿ってチップ突出板の後縁部に至る長さをＬｔとしたときに、
０．１Ｌｂ＜Ｌｔ＜０．８Ｌｂ
となっていること、または、
０．３Ｌｂ＜Ｌｔ＜０．５Ｌｂ
となっていることを特徴とする。

本発明によれば、チップリングやチップ突出板を備えたことにより、羽根の先端部からの漏れ流れによる損失と、循環する漏れ流れによる損失と、流体の粘性摩擦による損失を総合した総合損失が低減し、ターボ機械の効率を向上させることができる。

本発明の実施例１に係る斜流ポンプを示す子午面図。 実施例１において、ケーシングを省略した状態で、インペラ及びチップリングを示す外観図。 チップリングの長さＬｔと羽根先端部の長さＬｂとの比Ｌｔ／Ｌｂと、損失Ｌｏ１，Ｌｏ２，Ｌｏ３との関係を示す特性図。 本発明の実施例２に係る斜流ポンプを示す子午面図。 実施例２において、ケーシングを省略した状態で、インペラ及びチップ突出板を示す外観図。 図５のＡ−Ａ矢視図。 オープン形の従来の斜流ポンプを示す子午面図。 クローズド形の従来の斜流ポンプを示す子午面図。 クローズド形の従来の斜流ポンプにおいて、ケーシングを省略した状態で、インペラ及びシュラウドを示す外観図。 羽根先端部からの漏れ流れによる損失を示す説明図。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る斜流ポンプ１０１を示す子午面図であり、図１の左側が吸込側、右側が吐出側であり、液体（水など）の流れを矢印で描いている。また図２は、ケーシング１３０を省略した状態で、インペラ１２０及びチップリング１５０を示す外観図である。

斜流ポンプ１０１の回転軸１１０には、インペラ（羽根車）１２０が取り付けられている。より具体的には、回転軸１１０がインペラ１２０のハブ１２１に取付けられ、回転軸１１０とハブ１２１とが固定されている。インペラ１２０は、複数の羽根１２２を有しており、羽根１２２は、周方向に沿う複数箇所に配置されている。各羽根１２２は、液体の流れ方向に沿い湾曲しつつ伸びると共に、半径方向にも伸びている。

ケーシング１３０は、インペラ１２０の外周側に配置されている。
インペラ１２０の吐出側（液体の流れ方向に関して下流側）には、ディフューザベーン１４０が配置されている。このディフューザベーン１４０は、ケーシング１３０の内周面に固定設置されている。

チップリング１５０は円筒状に形成されており、回転軸１１０及びインペラ１２０に対して同心状で、且つ、各羽根１２２の先端部（チップ部：半径方向の先端部）を囲繞する状態で配置されている。しかも、チップリング１５０の内周面と各羽根１２２の先端部とが接合されている。

チップリング１５０とインペラ１２０（羽根１２２）とは、一体に構成していても別体として構成していてもよい。
一体に構成する場合には、鋳造や削り出し等により、チップリング１５０とインペラ１２０の羽根１２２を一体的に形成する。このように一体に構成する場合には、チップリング１５０とインペラ１２０の羽根１２２との隅部にＲ形状のフィレットを設けて強度を高くすることが好ましい。
別体で構成する場合には、チップリング１５０の内周面と羽根１２２の先端部とを、溶接やビス止め等により結合する。

ここでチップリング１５０の寸法について説明する。
各羽根１２２の先端部の前縁部（液体の流れ方向に関して上流側）から後縁部（液体の流れ方向に関して下流側）に至る長さをＬｂとし、チップリング１５０の前縁部から羽根１２２の先端部に沿ってチップリング１５０の後縁部に至る長さをＬｔとすると、
０．１Ｌｂ＜Ｌｔ＜０．８Ｌｂ
より好ましくは、
０．３Ｌｂ＜Ｌｔ＜０．５Ｌｂ
としている。
詳細は後述するが、このようにすることにより、損失を低減して斜流ポンプ１０１の性能を向上させることができる。

本例では、チップリング１５０の外周面と、羽根１２２の先端部のうちチップリング１５０で覆われていない部分は、段差のない面一となって滑らかに繋がっている。またチップリング１５０の断面形状は、前縁側と後縁側が薄く、液体の流れ方向に沿う中央部分が厚い、いわゆる流線型となっている。
このように、チップリング１５０の外周面と羽根１２２の先端部とを面一とし、チップリング１５０の断面形状を滑らかな流線型とすることにより、チップリング１５０を備えていても、液体の流れをスムーズにし剥離渦や乱れを可能な限り低減することができるようにしている。

チップリング１５０の径方向の厚みは、チップリング１５０自体の強度を満足する程度に薄くしている。周方向に関しては、チップリング１５０の断面形状を同一にしてもよく、また変えるようにしてもよい。

本例では、チップリング１５０は、液体の流れ方向に関して、羽根１２２のうちで上流側に配置しているが、中央側や、下流側に配置することもできる。
チップリング１５０の配置位置は、羽根１２２の負荷部分やチップリング１５０の長さＬｔ等を考慮して、最適位置に配置する。例えば、羽根１２２の負荷の大きい部分に、チップリング１５０を配置する。

なお、チップリング１５０の配置位置に対応してケーシング１３０の内周面に凹溝を形成し、チップリング１５０を凹溝内に入り込むように、チップリング１５０を配置することもできる。

上述した構成となっている斜流ポンプ１０１では、駆動源（図示省略）の回転力を回転軸１１０によりインペラ１２０に伝達して、インペラ１２０が回転することにより、吸込側から吸い込んだ液体を圧縮して、吐出側から圧送することができる。

次に、実施例１に係る斜流ポンプ１０１の作用・効果について説明する。
この斜流ポンプ１０１では、羽根１２２の先端部の一部が、チップリング１５０により覆われる。このため、羽根１２２の先端部のうちチップリング１５０で覆われていない部分でのみ、漏れ流れによる損失Ｌｏ１が生じる。このため、漏れ流れによる損失Ｌｏ１が低減する。
また、チップリング１５０の長さＬｔが短いため、循環する漏れ流れによる損失Ｌｏ２と、液体の粘性摩擦による損失Ｌｏ３も低減する。特に、本実施例のような斜流ポンプの場合においては、チップリング１５０を液体の流れ方向に関して上流側に配置すると、下流側に配置した場合に比べて、チップリング１５０の径を小さくすることができ、それだけ周速が小さくなり、液体の粘性摩擦による損失Ｌｏ３をより効果的に低減することができる。

図３は、チップリング１５０の長さＬｔと羽根１２２の先端部の長さＬｂとの比Ｌｔ／Ｌｂと、損失Ｌｏ１，Ｌｏ２，Ｌｏ３との関係を示している。
図３において、Ｌｔ／Ｌｂが０とはチップリング１５０を配置していない状態（つまり、従来のオープン形と同じ状態）であり、Ｌｔ／Ｌｂが１とはチップリング１５０により羽根１２２の先端部の前縁側から後縁側までの全てを覆っている状態（つまり、従来のシュラウドを配置したクローズド形と同じ状態）を示している。

図３において、点線は漏れ流れによる損失Ｌｏ１の特性を示しており、一点鎖線は循環する漏れ流れによる損失Ｌｏ２と液体の粘性摩擦による損失Ｌｏ３を加えた損失の特性を示しており、実線は損失Ｌｏ１と損失Ｌｏ２と損失Ｌｏ３を加えた損失の特性を示している。

図３の実線の特性から分かるように、各羽根１２２の先端部の前縁部から後縁部に至る長さをＬｂとし、チップリング１５０の前縁部から羽根１２２の先端部に沿ってチップリング１５０の後縁部に至る長さをＬｔとすると、
０．１Ｌｂ＜Ｌｔ＜０．８Ｌｂ
より好ましくは、
０．３Ｌｂ＜Ｌｔ＜０．５Ｌｂ
とすることにより、損失を効果的に低減することができる。
このように損失低減を図ることができるため、斜流ポンプ１０１の効率を向上させることができる。

次に本発明の実施例２に係る斜流ポンプ１０１Ａを、図４〜図６を参照して説明する。なお、実施例１と同一機能を果たす部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
図４は斜流ポンプ１０１Ａを示す子午面図であり、図５はケーシング１３０を省略した状態でインペラ１２０及びチップ突出板１５１を示す外観図であり、図６は図５のＡ−Ａ矢視図である。

実施例２では、羽根１２２の先端部のうち上流側の部分に、隣接する羽根１２２の先端部に向けて周方向に沿って張り出した曲面状のチップ突出板１５１が形成されている。チップ突出板１５１の張り出し方向は、図４〜図６に示すように隣接する両側の羽根１２２の先端部に向かうものであっても、隣接する片側の羽根１２２の先端部に向かうものであってもよい。両側に張り出す場合には、両側の張り出し量が均等であっても、偏っていてもよい。
しかも、隣接するチップ突出板１５１相互は、接触することなく隙間を介して対向している。

チップ突出板１５１とインペラ１２０（羽根１２２）は、一体に構成していても別体として構成していてもよい。

各羽根１２２の先端部にチップ突出板１５１を形成し、隣接する複数のチップ突出板１５１が周方向に一周して並ぶことにより、実質的に実施例１で用いていたチップリングと同様な効果を奏する。
このような効果を効率的に奏するため、各羽根２２の先端部の前縁部から後縁部に至る長さをＬｂとし、チップ突出板１５１の前縁部から羽根２２の先端部に沿ってチップ突出板１５１の後縁部に至る長さをＬｔとすると、
０．１Ｌｂ＜Ｌｔ＜０．８Ｌｂ
より好ましくは、
０．３Ｌｂ＜Ｌｔ＜０．５Ｌｂ
とすることがよい。

またチップ突出板１５１のうち、羽根２２の腹面側の突出量を大きくすれば、高圧側である腹面側から低圧側である背面側に向けて羽根１２２の先端部を乗り越える漏れ流れを効果的に低減して、損失Ｌｏ１をより低減することができる。

なお図４〜図６に示す例では、羽根１２２の先端部のうち上流側の部分にチップ突出板１５１を形成しているが、羽根１２２の負荷分布等に応じて、羽根１２２の先端部のうち中流側の部分や下流側の部分にチップ突出板１５１を形成するようにしてもよい。
またエロージョン対策として、チップ突出板１５１の角部分は丸い方がよく、丸くすることにより液体の流れ方向の変化に対して鈍感にすることができる。

上記の各実施例は、本発明をターボ形ポンプに適用したものであるが、本発明は、ターボ形送風機ないしターボ形圧縮機にも適用することができる。
また、流体として液体を用いて説明したが気体でも構わない。

本発明は、ターボ形のポンプ、流体の圧力差（落差）により周方向に沿う複数箇所に羽根を配置したインペラ（羽根車）が回転し動力を取出す水車、ポンプ水車、圧縮機、ファン、送風機に適用することができる。
更に本発明は、ターボ機械のうち、斜流形や軸流形のターボ機械に適用できると共に、インペラの入口にチップリングを配置することにより遠心形のターボ機械にも適用することができる。

１，１Ａ，１０１，１０１Ａ 斜流ポンプ
１０，１１０ 回転軸
２０，１２０ インペラ（羽根車）
２１，１２１ ハブ
２２，１２２ 羽根
３０，１３０ ケーシング
３１ 凹溝
４０，１４０ ディフューザベーン
５０ シュラウド
１５０ チップリング
１５１ チップ突出板
Ｓｅ シール部
Lｏ１，Ｌｏ２，Ｌｏ３ 損失

Claims (6)

1. 周方向に沿う複数箇所に羽根を配置したインペラを回転させることにより、流体を圧送するターボ機械、または流体の圧力差により、周方向に沿う複数箇所に羽根を配置したインペラが回転し動力を取出すターボ機械において、
   前記インペラに対して同心状で、且つ、各羽根の先端部を囲繞する状態で配置されており、内周面が前記羽根の先端部に接合されている円筒状のチップリングを備え、
   前記羽根の先端部の前縁部から後縁部に至る長さに対して、前記チップリングの前縁部から前記羽根の先端部に沿ってチップリングの後縁部に至る長さが短くなっており、
   前記チップリングの外周面と、前記羽根の先端部のうち前記チップリングで覆われていない部分とが面一となっていると共に、
   前記チップリングの断面形状は、前縁側と後縁側が薄く、前記流体の流れ方向に沿う中央部分が厚い流線型となっていることを特徴とするターボ機械。
2. 請求項１において、
   前記羽根の先端部の前縁部から後縁部に至る長さをＬｂ、前記チップリングの前縁部から前記羽根の先端部に沿ってチップリングの後縁部に至る長さをＬｔとしたときに、
   ０．１Ｌｂ＜Ｌｔ＜０．８Ｌｂ
   となっていることを特徴とするターボ機械。
3. 請求項１において、
   前記羽根の先端部の前縁部から後縁部に至る長さをＬｂ、前記チップリングの前縁部から前記羽根の先端部に沿ってチップリングの後縁部に至る長さをＬｔとしたときに、
   ０．３Ｌｂ＜Ｌｔ＜０．５Ｌｂ
   となっていることを特徴とするターボ機械。
4. 周方向に沿う複数箇所に羽根を配置したインペラを回転させることにより、流体を圧送するターボ機械、または流体の圧力差により、周方向に沿う複数箇所に羽根を配置したインペラが回転し動力を取出すターボ機械において、
   各羽根の先端部に、当該羽根の先端部から隣接する羽根の先端部に向けて周方向に沿って張り出したチップ突出板を備え、
   前記チップ突出板相互は接触することなく対向しており、
   前記羽根の先端部の前縁部から後縁部に至る長さに対して、前記チップ突出板の前縁部から前記羽根の先端部に沿ってチップ突出板の後縁部に至る長さが短くなっており、
   それぞれの前記チップ突出板は、腹面側の突出量が背面側の突出量に対して大きくなっていることを特徴とするターボ機械。
5. 請求項４において、
   前記羽根の先端部の前縁部から後縁部に至る長さをＬｂ、前記チップ突出板の前縁部から前記羽根の先端部に沿ってチップ突出板の後縁部に至る長さをＬｔとしたときに、
   ０．１Ｌｂ＜Ｌｔ＜０．８Ｌｂ
   となっていることを特徴とするターボ機械。
6. 請求項４において、
   前記羽根の先端部の前縁部から後縁部に至る長さをＬｂ、前記チップ突出板の前縁部から前記羽根の先端部に沿ってチップ突出板の後縁部に至る長さをＬｔとしたときに、
   ０．３Ｌｂ＜Ｌｔ＜０．５Ｌｂ
   となっていることを特徴とするターボ機械。

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