(57)【要約】【課題】鋳物や金型プレスを用いることなくかつ流体性能も損なわない流体機械の羽根を製作する。【解決手段】流体機械２０の羽根車１３では、略円錐形或いは円筒形のハブ１３ａに、複数枚の板状の羽根２が取り付けられている。羽根は、折れ線３ａの部分で折り曲げられた形状であり、各折れ線と折れ線の間は平面３ｂで構成されている。この折れ線の間隔は、ハブ側２ｂでチップ側２ａより狭くなっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブと、このハブに立設された複数の羽根とを有する羽根車を備えた流体機械において、前記複数の羽根は、平板を複数の直線で折り曲げた形状に形成されていることを特徴とする流体機械。
【請求項２】
前記羽根における前記複数の直線の間隔は、ハブ側端部とその反対端部とではハブ側端部側で狭く形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
【請求項３】
前記羽根における前記複数の直線の間隔は、ハブ側端部で羽根車の入口側に相当する側が広く出口側で狭く形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
【請求項４】
ハブと、このハブに立設された複数の羽根とを有する羽根車であって、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の羽根を備えることを特徴とする羽根車。
【請求項５】
外形が略切頭円錐型あるいは円筒形のハブに、複数枚の板状の羽根を取り付けた流体機械の羽根車において、前記羽根は、複数の羽根面を定義する折れ線で折り曲げられた形状に構成されており、各折れ線と折れ線の間は平面で構成されていることを特徴とする羽根車。
【請求項６】
前記複数の折れ線は、隣り合う２本の折れ線の間隔が、羽根車のハブ側でその反対端でよりも狭くなっていることを特徴とする請求項５に記載の羽根車。
【請求項７】
前記複数の折れ線は、羽根車の回転方向に対して後方の羽根後縁部付近において、隣り合う２本の折れ線の間隔がハブ側でその反対端側よりも狭く形成されており、羽根車の回転方向に対して前方の羽根前縁部付近における隣り合う２本の折れ線の間隔が、ハブ側で羽根の出口近傍における折れ線の間隔よりも広く形成されていることを特徴とする請求項５に記載の羽根車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流体機械およびそれに用いる羽根車に係り、特に斜流羽根車または遠心羽根車を有する流体機械に好適な羽根車に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の流体機械の羽根の製作方法が、特許文献１に記載されている。この公報では、専用の成形型を使用することなく板状素材から流体機械の羽根を設計および製造するために、羽根面を構成する曲面の形状を単数の円錐面または複数の円錐面の群、もしくはそれらを近似した曲面で構成している。
【０００３】
これにより、汎用の成形治具による２次元曲げ成形を可能とし、羽根の製造効率を向上させることが記載されている。また、従来の３次元的な曲率を持った羽根と同程度の流体力学的な性能を有する羽根が得られることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２２７６０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載の羽根は、羽根面を円錐面または複数の円錐面群から形成しているので、鋳物やＮＣ加工等で製造する場合に比べ、加工工数が低下している。しかしながら、円錐面にしろ曲面にしろ所定の曲面を、予め定めた曲面から誤差ができる限り少なくするためにはかなりの熟練が必要となる。特に流体機械（ポンプ）の羽根車では、同一形状の羽根を少ないもので３枚、多ければ６、７枚程度製作する必要があるが、その相互の誤差が多ければ流体性能が低下することは止むを得ない。
【０００６】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は鋳物や金型プレスを用いることなくかつ流体性能も損なわない流体機械の羽根を製作することにある。本発明の他の目的は、熟練作業者でなくとも、所望の羽根形状を有する流体機械の羽根車を製作できるようにすることにある。これにより、羽根製作コストを低減し、製造効率を高めて、羽根車の製造に係る工数を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明の特徴は、ハブと、このハブに立設された複数の羽根とを有する羽根車を備えた流体機械において、複数の羽根は、平板を複数の直線で折り曲げた形状に形成されていることにある。そしてこの特徴において、羽根における複数の直線の間隔は、ハブ側端部とその反対端部とではハブ側端部側で狭く形成されているのがよく、ハブ側端部で羽根車の入口側に相当する側が広く出口側で狭く形成されていてもよい。また、ハブと、このハブに立設された複数の羽根とを有する羽根車が上記いずれかの羽根を備えるものであってもよい。
【０００８】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、外形が略切頭円錐型あるいは円筒形のハブに、複数枚の板状の羽根を取り付けた流体機械の羽根車において、羽根は、複数の羽根面を定義する折れ線で折り曲げられた形状に構成されており、各折れ線と折れ線の間は平面で構成されていることにある。
【０００９】
そしてこの特徴において、複数の折れ線は、隣り合う２本の折れ線の間隔が、羽根車のハブ側でその反対端よりも狭くなっていてもよく、羽根車の回転方向に対して後方の羽根後縁部付近において、隣り合う２本の折れ線の間隔がハブ側でその反対端側でよりも狭く形成されており、羽根車の回転方向に対して前方の羽根前縁部付近における隣り合う２本の折れ線の間隔が、ハブ側で羽根の出口近傍における折れ線の間隔よりも広く形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、流体機械の羽根車を構成する羽根を平面の折り曲げ形状としたので、鋳物や金型プレスを用いずにかつ流体性能を損なうことなく、羽根車を構成できる。また、熟練者でなくとも製缶加工が可能なように流体機械の羽根車を構成したので、流体機械の羽根車の製造コストを低減可能であり、羽根車の製造にかかる工数を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る流体機械の一実施例の図であり、図１（ａ）は主要部の縦断面図、図１（ｂ）は図（ａ）のＡ視図である。
【図２】図１に示した流体機械が有する羽根車の入口付近の流れを説明する図である。
【図３】図１に示した流体機械が有する羽根車の羽根部分を説明する図である。
【図４】図１に示した流体機械が有する羽根車の羽根部分を説明する図である。
【図５】図１に示した流体機械が有する他の羽根車の羽根部分を説明する図である。
【図６】図１に示した流体機械が有する他の羽根車の羽根部分を説明する図である。
【図７】図１に示した流体機械が有する羽根車の羽根角度分布を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ターボ型の流体機械は、単段または多段に形成された羽根車と、各羽根車の下流あるいは上流に配置されて、羽根車を流通する流れの速度を減速あるいは整流させて速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する整流案内羽根を主要構成要素としている。羽根車と案内羽根は、それぞれ複数の羽根を有しているが、理論的な形状は流体機械の所定の性能を達成するように、もしくは流体機械のエネルギー変換効率を高めるように、複雑な曲線素の集合あるいは曲面で構成される。
【００１３】
この理論的な形状を実機で再現するために、羽根車および案内羽根を、多くの場合、鋳型を用いて鋳造するか、鋳造で製作した素材をＮＣ加工して所定形状としている。これらの場合、羽根とボスを一体で鋳造しているのが大部分だが、羽根のみを鋳造あるいはＮＣ工作機械で製作し、別途製作したボスに取り付けることもある。このように、羽根車または案内羽根の羽根だけを別個に製作する場合には、理論的な形状を近似した形状とすれば、流体性能を損なうことなく、製作工程および制作費を低減することが可能になるであろう。
【００１４】
そこで本発明では、流体機械に用いる羽根車または案内羽根の形状をできるだけ単純な形状で近似し、その単純な形状で近似したにもかかわらず、流体性能の低下がない流体機械用の羽根を提案する。その詳細を、以下に図面を用いて説明する。
【００１５】
図１ないし図４は、本発明に係る流体機械の一実施例の図である。本実施例では、流体機械は斜流ポンプであり、羽根車の羽根が従来と異なる手法により製作されている。図１（ａ）は、斜流ポンプ２０の主要部の縦断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ視図である。この図１（ｂ）では、理解が簡単になるように、羽根車１のボス部１３と１枚の羽根２のみを示している。図２は、羽根２の入口部分の流れを説明する図であり、図３および図４は羽根１枚だけを取り出した斜視図である。
【００１６】
図１（ａ）に示すように、斜流ポンプ２０では吸込ケーシング２７および羽根車ケーシング２６、吐出ケーシング２５が、軸方向に連接されてケーシングを構成している。このケーシング内には、斜流ポンプ２０の内部に吸い込まれた流体を加圧するポンプ羽根車１３が配置されている。羽根車１３は、回転軸２１の先端部に取り付けられており、羽根車ナット２８により回転軸２１に固定されている。回転軸２１は、軸受２２により回動可能に支持されるとともに、図示しない電動機に接続されている。電動機の駆動トルクが、回転軸２１を介してポンプ羽根車１３に伝達され、流体を加圧する。
【００１７】
羽根車１３は斜流羽根車であり、ほぼ切頭円錐状のハブ１３ａとこのハブ１３ａに接続し回転軸２１に嵌合するボス部１３ｂ、およびハブ１３ａに立設された複数枚、多くの場合３〜７枚の羽根２とを有している。羽根２のチップ２ａ側は、羽根車ケーシング２６の円錐状の内周面と僅かな隙間で移動可能なように、子午面断面でほぼ斜めの直線になっている。
【００１８】
吐出ケーシング２５は、外筒２４および内筒２３、外筒２４と内筒２３間に周方向ほぼ等間隔で配置され、羽根車１３を出た流れを整流する複数枚の案内羽根２９とを有している。内筒２３は、その内周側で軸受２２を保持している。
【００１９】
図１（ｂ）に、羽根車の羽根２を１枚だけ取り出した斜視図を示す。羽根２は、羽根素材を複数の折れ線３ａの位置で折り曲げて形成されている。ここで、ポンプ２０の流体性能を高めるためには、設計点における羽根車１３が有する羽根２の入口２ｃの羽根角度を、羽根車１３に流入する流れの角度に一致させることが求められる。これは、羽根２の入口角度を流れの角度に一致させれば、流れが乱れずに羽根車１２に流入し損失が低減するからである。一方、羽根２の出口２ｄにおける羽根角度については、設計点で所定の全揚程が得られるように、いわゆる速度三角形の関係から求められる。この様子を、図２を用いて説明する。
【００２０】
一般的な軸吸込みの斜流ポンプでは、羽根車１３の入口流入角度θは、周速度ｕおよびメリディアン（子午面）速度ｖ、羽根入口相対速度ｗが形成する速度三角形における、周速度ｕと相対速度ｗとのなす角となる。羽根２のハブ側２ｂの入口２ｃの直径はチップ側２ａの入口２ｃの直径より小さい（図１（ａ）参照）ので、羽根車１３が回転したときの羽根入口２ｃ部における周速度は、ハブ側２ｂの方がチップ側２ａよりも小さい。そのため、羽根２の入口２ｃのハブ側２ｂとチップ側２ａにおける流入角度を比較すると、ハブ側２ｂの流入角度はチップ側２ａよりも大きい。
【００２１】
したがって比較的損失の少ない羽根２を有する羽根車１３を得ようとする場合には、羽根２の入口２ｃの最先端である前縁で、ハブ側２ｂからチップ側２ａまで流れが滑らかに流入するような形状とする。すなわち、羽根２の前縁を含む入口２ｃ付近部における流線が周方向となす角度を、ハブ側２ｂで大きくチップ側２ａで小さくする。
【００２２】
一方、羽根２の出口２ｄの角度については、所定の全揚程が得られれば良いだけなので、ハブ側２ｂとチップ側２ａで角度を異ならせる必要は無い。しかも、羽根２の出口２ｄの角度をハブ側２ｂからチップ側２ａまで一定にした場合でも、羽根２の入口２ｃから出口２ｄにかけては、ハブ側２ｂのほうがチップ側２ａよりも周速度が大きくなることに変わりはない。したがって、出口２ｄから入口２ｃにかけての大部分において、各流線が円周方向となす角度の分布をハブ側２ｂでチップ側２ａよりも大きくすれば、損失の少ない分布が得られる。
【００２３】
そこでこの原則の下に、製缶化に適した最良の羽根２の形状を以下のようにして決定する。まず、ハブ側２ｂおよびチップ側２ａの流線に沿って羽根の内外端の形状を定める。次に第１の場合として、羽根２のハブ側２ｂの流線とチップ側２ａの流線が同じ長さになる場合を想定する。複数の折れ線３ａと平面３ｂで形成した製缶化した羽根２でも、理想的または理論的な羽根２の角度分布を近似できるようにする。この場合、折れ線３ａに垂直な方向の断面における折れ線３ａを挟む２つの平面３ｂ１、３ｂ２のなす角度は、折れ線３ａ上ではどこでも一定である。
【００２４】
それゆえ図３に示すように、ハブ側２ｂの角度をチップ側２ａよりも大きくするために、ハブ側２ｂの折れ線３ａの数を、チップ側２ａの数よりも多くする。これにより、ハブ側２ｂにおける折れ線３ａと流線の交点の数は、チップ側２ａにおける同交点の数よりも多くなる。したがって、羽根のハブ側２ｂにおける折れ線３ａ１とそれに隣合う折れ線３ａ２との間隔ｓｐ１が、チップ側２ａにおける折れ線３ａ１とそれに隣合う折れ線３ａ２との間隔ｓｐ２よりも狭くなるように、羽根２面上に折れ線３ａ位置を決定する。
【００２５】
第２の場合として、図４に示すように、羽根２のハブ側２ｂの流線がチップ側２ａの流線よりも短い場合を想定する。上記第１の場合と同様に製缶可能とするために、羽根２は複数の折れ線３ａと平面３ｂを有するものとする。理想的または理論的な羽根２の角度分布を近似できるようにする。羽根２のハブ側２ｂの流線とチップ側２ａの流線とで、羽根２の内外端を決定する。この例では、ハブ側２ｂおよびチップ側２ａの流線と折れ線３ａとの交点の数の代わりに、羽根２のハブ側２ｂにおける折れ線３ａ１とそれに隣合う折れ線３ａ２との間隔ｓｐ１を、チップ側２ａにおける折れ線３ａ１とそれに隣合う折れ線３ａ２との間隔ｓｐ２よりも狭くする。これは、図３に示した形状において、チップ側２ａの入口部分を回転方向に延ばしたものに相当する。
【００２６】
上記第１、第２のいずれの場合においても、羽根２を折れ線３ａと平面３ｂとで構成するように折れ線３ａの流れ方向間隔を制御したので、羽根２の入口２ｃにおける羽根角度を流れの角度にほぼ一致させることができ、流体損失を少なくできる。また、ポンプに要求される所定の性能を満足させることが可能になる。さらに、羽根２の面を自由曲面で構成した場合に得られる性能と、ほぼ同等の性能を得ることが可能になる。
【００２７】
本実施例によれば、羽根の形状を製缶化可能な折れ線と平面とで構成したので、従来は複雑すぎて鋳物あるいは金型プレスでしか製作できなかった羽根が、金属板の素材から型取りした後に、通常用いる線型のプレスで折れ線に沿って折り曲げだけすれば容易に得られるようになる。また、折り曲げ加工だけであるから非熟練者であっても、比較的精度よい羽根形状の羽根を製造できる。したがって、ポンプの製作個数が少ない場合も、鋳型や金型を製作する必要が無く、コストを低減できるだけではなく、リードタイムも短縮でき、安価でかつ早期に製品を製作できる。
【００２８】
本発明に係る羽根の製作方法の他の例を、図５ないし図７を用いて説明する。図５および図７は羽根１枚分だけの斜視図であり、図６は、羽根角度分布を説明する図である。本実施例が上記実施例と相違するのは、ハブ側２ｂの折れ線３ａの間隔ｓｐを、下流側に行くに連れ狭くしたことにある。その他は上記第１の場合と同様である。
【００２９】
図５に示すように、ハブ側２ｂの折れ線３ａの間隔ｓｐは、上流側で下流側より大きくなっている。すなわち、ｓｐ１＞ｓｐ２。この理由は、以下の通りである。なお、上記第１の場合に示した実施例と同様の方法で製作した羽根２を、比較のために図７に示す。図６に、図７に示した羽根２の羽根角度分布を実線で示す。
【００３０】
図６において実線で示した羽根角度分布では、羽根出口２ｄにおいて、チップ側２ａの角度がハブ側２ｂの角度より小さい。ここで、図６中、実線１１はハブ側２ｂの角度分布、実線１２はチップ側の角度分布である。上記第１の場合に示したように、折れ線３ａ間の距離ｓｐをハブ側２ｂとチップ側２ａで異ならせている。そして、羽根車２として構成した場合に、所定の全揚程が得られる羽根２の出口角度を基準として、折れ線３ａと平面３ｂを有するように羽根２の形状を定めている。
【００３１】
羽根出口２ｄでは、ハブ側２ｂの羽根角度がチップ側２ａの羽根角度よりも小さいので、折れ線３ａは羽根出口２ｄの後縁部で交差している。また、羽根出口２ｄから羽根入口２ｃに向かうにつれて、ハブ側２ａの折れ線３ａ間の距離ｓｐｈをチップ側２ｂ側の距離ｓｐｔよりも小さくしているので、ハブ側２ｂの羽根角度がチップ側２ａの羽根角度よりも大きくなる。その結果、羽根入口２ｃでもハブ側２ｂの羽根角度がチップ側２ａの羽根角度よりも大きくなるのが維持され、ハブ２ｂ側の入口羽根角度がチップ側２ａの入口羽根角度よりも大きくなる。これにより、羽根車２に流入する流れの流入角度と羽根角度がほぼ一致し、入口での流れの乱れを低減でき、損失の少ない羽根形状を得ることができる。
【００３２】
ところで、この図７に示した羽根２では、ハブ側２ｂにおいて出口２ｄから入口２ｃに向かうにつれて、折れ線３ａとハブ側２ｂ端とのなす角度αｈが、折れ線３ａとチップ側２ａとなす角度αｔよりも小さくなる。また、折れ線３ａを挟んだ両側の平面３ｂ１、３ｂ２のなす角度は、折れ線３ａに垂直な平面では一定であるが、折れ線３ａと交差する平面の角度、すなわちαが小さくなるにつれ平面３ｂ１、３ｂ２のなす角度は小さくなる。図５に示すように、羽根出口２ｄから入口２ｃに向かうにつれ、ハブ側２ｂの羽根角度とチップ側２ａの羽根角度との差は徐々に小さくなる。この差が減っていくのを是正するのは、困難である。それは、羽根２のハブ側２ｂの入口２ｃでは、折れ線３ａの数を増やせば増やすほど、図７に示すように折れ線３ａとハブ側２ｂ端とのなす角度は徐々に小さくなるからである。
【００３３】
また、羽根２のチップ側２ａの形状は、ハブ側２ｂの形状よりも性能に関して感度が高い。なぜなら、羽根車１３が回転するときの周速度は、羽根２のチップ側２ａの方がハブ側２ｂよりも大きく、ハブ側２ｂに対して相対的に大きな運動量変化を流体にもたらすからである。
【００３４】
ところで、高性能な羽根２を得るためには、羽根入口２ｃにおける羽根角度を流れの角度に合わせて入口２ｃにおける衝突等の損失を低減することが必要である。しかしながら、チップ側２ａの羽根形状を優先して羽根形状を決定する方法を用いると、羽根入口２ｃで羽根角度を流れの角度に合わせるから、上述したようにハブ側２ｃの入口羽根角度を流れの角度に合わせることが困難になる。すなわち、チップ側２ａとハブ側２ｂの角度差が徐々に小さくなるのに対し、羽根出口２ｄの羽根角度は所要全揚程から自ずと定まるので、ハブ側２ｂの羽根角度の選択の自由度が制約される。ハブ側２ｂの入口径とチップ側２ａの入口径の差が大きく、入口におけるハブ側の流れの角度とチップ側の流れの角度との差が、出口におけるハブ側の流れの角度とチップ側の流れの角度との差より大きくなる場合に、ハブ側２ｂの入口羽根角度を流れの角度と合わせることは、特に困難になる。
【００３５】
これに対して、上記第２の場合の方法で製作した図５に示す羽根２では、ハブ側２ｂ端で羽根入口２ｃ近傍の折れ線３ａの間隔ｓｐ１が、出口近傍の折れ線３ａの間隔ｓｐ２よりも広くなっている。ハブ側２ｂの入口近傍での折れ線３ａとハブ側２ｂ端とのなす角度を、上記第１の場合に比べて増加させることができる。このハブ側２ｂでの羽根角度の増大は、図６に点線で示されている。これにより、ハブ側２ｂの羽根入口角度を流れの角度に合わせることが可能になる。
【符号の説明】
【００３６】
２…羽根、２ａ…チップ側、２ｂ…ハブ側、２ｃ…羽根入口、２ｄ…羽根出口、３ａ、３ａ１、３ａ２…折れ線、３ｂ、３ｂ１、３ｂ２…平面、１１…ハブ側の羽根角度分布、１２…チップ側の羽根角度分布、１３…羽根車、ｓｐ、ｓｐ１、ｓｐ２、ｓｐｔ、ｓｐｈ…折れ線の間隔、ｕ…周速度、ｖ…メリディアン速度、ｗ…相対速度。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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