(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠心ポンプまたは斜流ポンプ等のターボ形ポンプに具備される案内羽根付きのディフューザであって、
前記案内羽根においてスパン方向に並ぶ各断面の形状は、前記案内羽根の前記スパン方向での両端部に近い断面の中心線と前記案内羽根の正圧側の面に接する周方向円弧とのなす角が、前記スパン方向中央の断面の中心線と前記周方向円弧とのなす角よりも大きくされていることを特徴とするディフューザ。
【請求項２】
前記中心線と前記周方向円弧とのなす角が、前記案内羽根の前記スパン方向での端部により近い断面ほど大きいことを特徴とする請求項１記載のディフューザ。
【請求項３】
前記スパン方向に並ぶ各断面のうち、前記案内羽根の前記スパン方向での両端部に近い断面の中心線が、前記スパン方向中央の断面の中心線よりも短いことを特徴とする請求項１または２記載のディフューザ。
【請求項４】
前記案内羽根の断面の中心線が、前記案内羽根の前記スパン方向での端部により近い断面ほど短いことを特徴とする請求項３記載のディフューザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばターボ形ポンプに具備されて流体のもつ速度のエネルギーを圧力のエネルギーに変換するディフューザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ形ポンプは、羽根車を通過する流れの特徴ごとに遠心ポンプ、斜流ポンプ、および軸流ポンプに分類される。このうち、遠心ポンプと斜流ポンプとは、流体が羽根車の入口から軸方向に流入し、羽根の間を通過する過程で遠心力によって該流体に圧力および速度のエネルギーを与えられるしくみとなっている（斜流ポンプでは遠心力に加え、翼形状をなす羽根の揚力によって上記エネルギーを与える）。
【０００３】
遠心ポンプの構造の一例を図８に示す。図において、符号１０１は羽根車を駆動する主軸、１０２は主軸１０１に固定された羽根車の主板（ハブ）、１０３は主板１０２の一方の側面に等間隔に離間して複数立設された羽根、１０４は羽根車の回転に伴って隣り合う羽根１０３間から排出される流体の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフーザである。なお、図８では除いてあるが、各羽根１０３には、主板１０２および隣り合う羽根１０３間で流体が通過する羽根通路を形成する側板（シュラウド）１０５が主板１０２に向かい合わせて設けられている。
【０００４】
ディフーザ１０４は、図９にも示すように、主板１０２または側板１０５にそれぞれ連続して相対する２つの壁面１０６，１０７間に、主軸１０１を中心として周方向に等間隔に離間して複数の案内羽根１０８が配設されたもので、案内羽根１０８には翼弦方向の如何なる箇所においても翼厚の等しい等厚円弧翼が採用されている。
【０００５】
上記のように構成された遠心ポンプを駆動すると、羽根車の回転によって速度および圧力のエネルギーを与えられた流体が壁面１０６，１０７間に流入し、案内羽根１０８によって流れの方向を周方向寄りから放射方向寄りに変換される過程で速度エネルギーを圧力エネルギーに変換される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、羽根車から排出される流体は、主板１０２や側板１０５から離間して摩擦の影響を受け難い部分では、周方向円弧の接線に対する流入角が浅く、より高速で流れ、これと比較して主板１０２や側板１０５に近く摩擦による影響を受け易い境界層付近では、周方向円弧の接線に対する流入角が深く、より低速で流れる。
【０００７】
このように、羽根車から排出される流体は、主板１０２や側板１０５に近い部分とそうでない部分とで流速および流れの方向を異にしているが、これに対してディフューザ１０４の案内羽根１０８の形状や向きは図９のようにスパン方向（相対する壁面を最短で結ぶ直線方向に等しい）の何処でも同じである。そのため、特に境界層流れを受ける壁面１０６，１０７に近い部分では流体の流入角との整合性がとれず、二次流れが発生し易い。さらに、角度差が大きければ剥離が発生することもあり、ディフューザ１０４によるエネルギーの変換効率が上がらずポンプ効率の向上が図れない大きな原因となっていた。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、案内羽根の近傍において発生する二次流れを抑制するとともに剥離の発生を防止し、ディフューザにおけるエネルギーの変換効率の低下を抑えてポンプ効率を向上させることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、次のような構成のディフューザを採用する。すなわち本発明に係る請求項１記載のディフューザは、遠心ポンプまたは斜流ポンプ等のターボ形ポンプに具備される案内羽根付きのディフューザであって、前記案内羽根においてスパン方向に並ぶ各断面の形状は、前記案内羽根の前記スパン方向での両端部に近い断面の中心線と前記案内羽根の正圧側の面に接する周方向円弧とのなす角が、前記スパン方向中央の断面の中心線と前記周方向円弧とのなす角よりも大きくされていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載のディフューザは、請求項１記載のディフューザにおいて、前記中心線と前記周方向円弧とのなす角が、前記案内羽根の前記スパン方向での端部により近い断面ほど大きいことを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載のディフューザは、請求項１または２記載のディフューザにおいて、前記スパン方向に並ぶ各断面のうち、前記案内羽根の前記スパン方向での両端部に近い断面の中心線が、前記スパン方向中央の断面の中心線よりも短いことを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載のディフューザは、請求項３記載のディフューザにおいて、前記案内羽根の断面の中心線が、前記案内羽根の前記スパン方向での端部により近い断面ほど短いことを特徴とする。
【００１６】
本発明においては、羽根車から排出される流体に案内羽根のスパン方向に沿って生じる流速や流れ方向の分布に対応して、スパン方向に並ぶ案内羽根の各断面の大きさや翼角に変化をもたせることにより、流体の速度および流入角との整合性がとれ、二次流れが発生し難くなり剥離も発生しなくなる。
【００１７】
また、本発明においては、案内羽根を、相対する２つの壁面に対して傾斜して配置することにより、子午線の曲率によって生じる速度歪みを減少させることができ、二次流れの発生を抑制することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係るディフューザおよびターボ形ポンプの第１の実施形態を図１ないし図６に示して説明する。
ターボ形ポンプのひとつである遠心ポンプに具備される羽根車を図１に示す。
図において、符号１は主軸、２は羽根車の主板（ハブ）、３は主板２に設けられた羽根、４は羽根車の周囲に設けられたディフューザである。なお、図１では除いてあるが、各羽根３には、主板２および隣り合う羽根３間で流体が通過する羽根通路を形成する側板（シュラウド）５が、主板２に向かい合わせて設けられており、隣り合う羽根３間がこの側板５によって画成され、閉じた羽根通路Ｐとされたいわゆる密閉形となっている。
【００１９】
図２は遠心ポンプを断面視した図である。図１に示した羽根車は、流体の導入路６ａ、排出路６ｂを形成されたケーシング６の内部に配設されるとともに、主軸１を回転可能に軸支されている。ディフューザ４は、主板２または側板５にそれぞれ連続して相対する２つの壁面７，８間に、主軸１を中心として周方向に等間隔に離間して複数の案内羽根１０が配設されたもので、案内羽根１０の断面形状には翼型が採用されている。
【００２０】
羽根通路Ｐの一端は導入路６ａに連通して流体の入口Ｐinとなり、羽根通路Ｐの他端は排出路６ｂに連通して出口Ｐoutとなっており、主軸１を駆動して羽根車を回転させると、流体が入口Ｐinから流入し、羽根通路Ｐを通過する過程で遠心力によって圧力および速度のエネルギーを得て出口Ｐoutから排出される。排出された流体はディフューザ４を構成する壁面７，８間に流入し、案内羽根１０によって流れの方向を周方向寄りから放射方向寄りに変換される過程で速度エネルギーを圧力エネルギーに変換され、全体として圧力エネルギーを高めることとなる。
【００２１】
ディフューザ４を構成する案内羽根１０は、図３に示すように、スパン方向（壁面７，８を最短で結ぶ直線方向に等しい）に並ぶ各断面の形状が、案内羽根１０に向かう流体の流れ方向に対応して異なっている。なお、案内羽根１０に関しては後縁１１をスパン方向の直線に沿って配置し、前縁１２を含む翼の前半に大きく変化をもたせている。
【００２２】
詳しくは、案内羽根１０の断面の翼型中心線と案内羽根１０の下面に接する主軸１を中心とした周方向円弧とのなす角（以下、翼角とする）が、壁面７，８に近いスパン方向の両端部の断面で大きく、スパン方向中央の断面で小さくなっている。
【００２３】
さらに詳しくは、翼角は、案内羽根１０の端部により近い断面ほど大きくなっている。これは、スパン方向に並ぶ各断面の翼型中心線の長さが、案内羽根１０の両端部により近い断面ほど短くなることを意味している。
【００２４】
壁面７に接する案内羽根１０の一端部の断面をＳ１、壁面７，８のいずれからも離間したある位置の断面をＳ２、壁面８に接する他端部の断面をＳ３として各断面を図４ないし図６に示して比較する。
まず、翼断面Ｓ１の翼型中心線Ｌ１を曲率を保持したまま前縁からさらに延長して周方向円弧Ｒと交差した点における翼角をα１（図４参照）、断面Ｓ２の翼型中心線Ｌ２を延長して周方向円弧Ｒと交差した点における翼角をα２（図５参照）とし、断面Ｓ３の翼型中心線Ｌ３を延長して周方向円弧Ｒと交差した点における翼角をα３（図６参照）とすると、まず、断面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の形状はすべて異なり、その面積は断面Ｓ２が最も大きく、断面Ｓ３がこれに続き、断面Ｓ１が最も小さくなっている。
【００２５】
加えて、断面Ｓ１，Ｓ２間に存在する各断面の面積は、断面Ｓ２の面積を最大として断面Ｓ１に至るまで漸次小さくなり、断面Ｓ２，Ｓ３間に存在する各断面の面積は、断面Ｓ２の面積を最大として断面Ｓ３に至るまで漸次小さくなっており、これに従って案内羽根１０の前縁１２は子午面断面で見ると緩やかに弧を描いている。
【００２６】
また、角α１，α２，α３を比較すると、壁面７，８のいずれからも離間し面積が最も大きい断面Ｓ２における角α２が最も小さく、壁面７に接する断面Ｓ１における角α１、および壁面８に接する断面３における角α３は角α２と比較して大きくなっている。角α１と角α３とを比較すると、面積のより小さな断面Ｓ１における角α１がより大きくなっている。
【００２７】
加えて、断面Ｓ１，Ｓ２間に存在する各断面の翼角は、断面Ｓ２における翼角α２を最小として断面Ｓ１に至るまで漸次大きくなり、断面Ｓ２，Ｓ３間に存在する各断面の翼角は、断面Ｓ２の翼角を最小として断面Ｓ３に至るまで漸次大きくなっており、これに従って案内羽根１０の前縁１２は流体の流入方向前方から見ると案内羽根１０の負圧面側に盛り上がる緩やかな弧を描いている。
【００２８】
上記のように構成された遠心ポンプを駆動すると、羽根車の回転によって速度および圧力のエネルギーを与えられた流体が壁面７，８間に流入し、案内羽根１０によって流れの方向を周方向寄りから放射方向寄りに変換される過程で速度エネルギーを圧力エネルギーに変換される。
【００２９】
ところで、羽根車から排出される流体の流れは均一ではなく、主板２や側板５から離間して摩擦の影響を受け難い部分を通って排出された流体は、周方向円弧Ｒの接線に対する角度（流体の案内羽根への流入角）が浅く、より高速で流れ（図５中の矢印方向）、主板２や側板５に近く摩擦による影響を受け易い境界層付近では、周方向の接線に対する角度が深く、より低速で流れる（図４中の矢印、および図６中の矢印方向）。
【００３０】
このように、羽根車から排出される流体は、主板２や側板５に近い部分とそうでない部分とで（スパン方向に沿って）流速および流れの方向を異にしているが、ディフューザ４の案内羽根１０はこういった流速や流れ方向の分布に応じて断面の大きさや翼角に変化をもたせている。
【００３１】
すなわち、主板２や側板５から離間して摩擦の影響を受け難い部分では、流体の流速に合わせて断面が大きくなったり（例えばＳ２）、流体の流入角に合わせて翼角（例えばα２）が小さくなったりしており、主板２や側板５に近く摩擦による影響を受け易い境界層付近では、流体の流速に合わせて断面が小さく（例えばＳ１，Ｓ３）、流体の流入角に合わせて翼角（例えばα１，α３）が大きくなっている。
【００３２】
このように、ディフューザ４においては案内羽根１０のスパン方向のいずれの部分においても流体の速度および流入角との整合性がとれ、二次流れが発生し難くなり剥離も発生しなくなる。これにより、ディフューザ４によるエネルギーの変換効率が高まるので、遠心ポンプのポンプ効率を向上させることができる。
【００３３】
なお、本実施形態においては案内羽根１０のスパン方向の両端部の断面Ｓ１，Ｓ３のいずれについても断面Ｓ２と比較して面積を小さく、翼角を大きく設定したが、羽根車から排出される流体の流速や流れ方向の分布によっては、スパン方向のいずれか一方の端部の断面についてのみ面積を小さく、翼角を大きく設定して案内羽根１０を構成しても構わない。また、本実施形態においては案内羽根１０の断面形状を翼型としたが、例えばこれを図８に示した等厚翼としてもよい。
【００３４】
次に、本発明に係るディフューザおよびターボ形ポンプの参考例を図７に示して説明する。なお、上記実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
図７はディフューザ１４を構成する案内羽根２０を流体の流入方向から見た図である。本参考例の案内羽根２０の断面形状には上記第１の実施形態と同様に翼型が採用されているが、スパン方向の各断面の形状はすべて同一で翼角も一定となっている。そして、案内羽根２０は、壁面７，８に対して傾斜して配置されており、その傾斜は、案内羽根２０を流体の流入方向から見た場合、壁面７に当接する端部２０ａが、壁面８に当接する端部２０ｂよりも後位に設けられている。
【００３５】
上記のように構成された遠心ポンプを駆動すると、羽根車から排出された流体は、子午線の曲率によって生じる速度歪みを減少させることができ、二次流れの発生を抑制することが可能となる。これにより、ディフューザ１４によるエネルギーの変換効率が高まるので、遠心ポンプのポンプ効率を向上させることができる。
【００３６】
なお、本参考例においては案内羽根２０のスパン方向の各断面の形状をすべて同一で翼角も一定としたが、羽根車から排出される流体の流速や流れ方向の分布に応じて上記第１の実施形態のように各断面の大きさや翼角に変化をもたせても構わない。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、羽根車から排出される流体に案内羽根のスパン方向に沿って生じる流速や流れ方向の分布に対応して、スパン方向に並ぶ案内羽根の各断面の大きさや翼角に変化をもたせることにより、流体の速度および流入角との整合性がとれ、二次流れが発生し難くなり剥離も発生しなくなる。これにより、ディフューザにおけるエネルギーの変換効率が高まるので、ターボ形ポンプのポンプ効率を向上させることができる。
【００３８】
また、本発明によれば、子午線の曲率によって生じる速度歪みを減少させることができ、二次流れの発生を抑制することが可能となる。これにより、ディフューザにおけるエネルギーの変換効率が高まるので、ターボ形ポンプのポンプ効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る第１の実施形態を示す図であって、遠心ポンプを構成する羽根車とディフューザとを主軸方向から見た平面図である。
【図２】  図１の羽根車およびディフューザを具備する遠心ポンプの断面図である。
【図３】  ディフューザを構成する案内羽根の斜視図である。
【図４】  案内羽根の一端部の翼型断面を示す平面図である。
【図５】  案内羽根のスパン方向中央の翼型断面を示す平面図である。
【図６】  案内羽根の他端部の翼型断面を示す平面図である。
【図７】  本発明に係る第２の実施形態を示す図であって、遠心ポンプを構成するディフューザを流体の流入方向から見た側面図である。
【図８】  従来の羽根車およびディフューザを主軸方向から見た平面図である。
【図９】  図８のディフューザを流体の流入方向から見た側面図である。
【符号の説明】
１        主軸
２        主板
３        羽根
４        ディフューザ
７，８    壁面
１０      案内羽根
α１，α２，α３  翼角
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３  断面
【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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【図８】
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【図９】
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