(57)【要約】【課題】ターボ機械の性能低下を回避し、エネルギー変換効率を高める翼構造を備えたインペラを提供する。【解決手段】回転軸中心から径方向外側に向かうに従って回転方向後方側に延びる複数の翼６が周方向に間隔をあけて配置され、径方向外側に向かって周方向に隣り合う当該翼６の間を、主流体Ｗが流れる主流流路１５が形成されたインペラ１において、翼６に開口する流入孔８と、当該翼６における当該流入孔８よりも径方向外側の部分に開口する流出孔９と、当該翼６内部に形成され、流入孔８と流出孔９とに接続されるとともに、これら流入孔８及び流出孔９の少なくとも一方よりも、内部を流通する補助流体Ｗ２の流通方向に直交する断面積の大きい昇圧室１４とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸中心から径方向外側に向かうに従って回転方向後方側に延びる複数の翼が周方向に間隔をあけて配置され、径方向外側に向かって周方向に隣り合う翼の間を、流体が流れる流路が形成されたインペラにおいて、
前記翼に開口する流入孔と、
前記翼における前記流入孔よりも径方向外側の部分に開口する流出孔と、
前記翼内部に形成され、前記流入孔と前記流出孔とに接続されるとともに、これら流入孔及び流出孔の少なくとも一方よりも、内部を流通する流体の流通方向に直交する断面積の大きい昇圧室とを備えることを特徴とするインペラ。
【請求項２】
前記流入孔が前記翼の負圧面側に開口していることを特徴とする請求項１に記載のインペラ。
【請求項３】
前記流出孔が前記翼の負圧面側に開口していることを特徴とする請求項２に記載のインペラ。
【請求項４】
前記流出孔が前記翼の外周端部に開口していることを特徴とする請求項２に記載のインペラ。
【請求項５】
前記流入孔が前記翼の正圧面側に開口していることを特徴とする請求項１に記載のインペラ。
【請求項６】
前記流出孔が前記翼の負圧面側に開口していることを特徴とする請求項５に記載のインペラ。
【請求項７】
前記流出孔が前記翼の外周端部に開口していることを特徴とする請求項５に記載のインペラ。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載のインペラを備えることを特徴とするターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的エネルギーから流体圧力及び運動エネルギーへの変換を行なうポンプ等のターボ機械内のインペラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、機械的エネルギーを用いて流体を増圧し当該流体に運動エネルギーを付与するポンプや、逆に流体の圧力や運動エネルギーを機械的エネルギーとして取り出すタービン等のターボ機械が知られている。またこれらターボ機械には様々な形態のものが存在し、例えば当該ターボ機械の軸方向に流体が流れる軸流式や、当該軸に対し斜め方向に流体が流れる斜流式や、当該軸と直交する向きに流体が流れる遠心式等が挙げられる。
【０００３】
ここで上記ターボ機械の中でも特にポンプや水車に設置されるインペラにおいては、運転時にインペラの翼付近にキャビテーションが発生し、当該翼付近に壊食が引き起こされ、当該ポンプや水車の性能低下を招く場合があった。これに対して例えば特許文献１には、翼における負圧面側と正圧面側を連通する貫通孔を設けることでキャビテーションの発生を抑制するインペラを備えた水車が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−９９１１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら上記従来のインペラでは、当該ターボ機械の性能低下を招く他の要因となる当該翼の負圧面側における境界層剥離や、翼の外周端部等における流体の失速領域発生の問題を解決する手段は確立されていない。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、ターボ機械の性能低下を回避し、エネルギー変換効率を高める翼構造を備えたインペラ及びこれを備えたターボ機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用している。
即ち本発明に係るインペラは、回転軸中心から径方向外側に向かうに従って回転方向後方側に延びる複数の翼が周方向に間隔をあけて配置され、径方向外側に向かって周方向に隣り合う翼の間を、流体が流れる流路が形成されたインペラにおいて、前記翼に開口する流入孔と、前記翼における前記流入孔よりも径方向外側の部分に開口する流出孔と、前記翼内部に形成され、前記流入孔と前記流出孔とに接続されるとともに、これら流入孔及び流出孔の少なくとも一方よりも、内部を流通する流体の流通方向に直交する断面積の大きい昇圧室とを備えることを特徴とする。
【０００８】
このようなインペラにおいては、当該インペラの主流流路へ導入された流体のうち一部が流入孔を通じて昇圧室へ取り込まれる。当該昇圧室内においては、流入孔及び流出孔との断面積の相違により流体が減速され、流体自身に作用する遠心力によって増圧されて流出孔より吐き出される。この結果、翼に発生する境界層剥離及び当該翼の外周端部等に発生する流体の失速が抑制される。
【０００９】
また、前記流入孔は前記翼の負圧面側に開口していることが好ましい。
【００１０】
翼の回転方向後方は負圧面側となるため境界層が発達し易い。従って当該負圧面側に開口する流入孔からは、より多く境界層の吸い取りが可能となり、流れの安定化効果が得られ易い。従ってこのような翼構造を有するインペラを備えることにより、流体の流動性能低下が回避され、ターボ機械運転時のエネルギー変換効率が向上する。
【００１１】
さらに、前記流出孔は前記翼の負圧面側に開口していることが好ましい。
【００１２】
昇圧室内において増圧された流体が、流出孔より翼の負圧面側へ吐き出されることにより、当該流出孔開口付近の境界層を加速し剥離を抑制でき、流れの安定化を図ることができる。従ってこのような翼構造を有するインペラを備えることにより、流体の流動性能低下が回避され、ターボ機械の運転時のエネルギー変換効率が向上する。
【００１３】
またここで、前記流出孔は前記翼の外周端部に開口していてもよい。
【００１４】
昇圧室内において増圧された流体が、当該流体の主流の失速領域となる翼の外周端部へ吐き出されることにより、当該失速領域で流体が加速される。従ってこのような翼構造を有するインペラを備えることにより、流体の失速によるエネルギー損失が抑制され、ターボ機械運転時のエネルギー変換効率が向上する。
【００１５】
そしてさらに、前記流入孔が前記翼の正圧面側に開口していてもよい。
【００１６】
翼の回転方向前方となる正圧面側においては境界層の発達の可能性は低いのだが、当該正圧面側は流体が翼に押し付けられる方向に力が作用するため、流入孔からより円滑に流体が取り込まれる。このため昇圧室においてより多くの流体が増圧され、当該流体が流出孔より吐き出されることにより、境界層剥離が抑制され、また流体失速領域において流体の加速が行われる。従ってこのような翼構造を有するインペラを備えることにより、流体の流動性能低下が回避され、運転時のエネルギー変換効率が向上する。
【００１７】
また前記流入孔が前記翼の正圧面側に開口している状態において、前記流出孔が前記翼の負圧面側に開口していることが好ましい。
【００１８】
翼の正圧面側開口から取り込まれ、昇圧室にて増圧された流体が当該翼の負圧面側へ吐き出されることにより、流出孔開口付近の境界層が加速され境界層剥離を抑制でき、流れの安定化が図られる。従ってこのような翼構造を有するインペラを備えることにより、流体の流動性能低下が回避され、ターボ機械運転時のエネルギー変換効率が向上する。
【００１９】
さらに前記流入孔が前記翼の正圧面側に開口している状態において、前記流出孔が前記翼の外周端部に開口していてもよい。
【００２０】
翼の正圧面側開口から取り込まれ、昇圧室にて増圧された流体が当該翼の外周端部へ吐き出されることにより、流れの失速領域におけるエネルギー損失を防ぐことができる。従ってこのような翼構造を有するインペラを備えることにより、ターボ機械の性能低下が回避され、運転時のエネルギー変換効率が向上する。
【００２１】
またターボ機械において、上記いずれかのインペラを備えることが好ましい。
【００２２】
上記翼に発生する境界層剥離及び、当該翼の外周端部等に発生する流体の失速を抑制できる上記インペラをターボ機械に備えることにより、当該ターボ機械の性能低下が回避され、運転時のエネルギー変換効率が向上する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のインペラ及びターボ機械によれば、当該翼の周囲の境界層発達による剥離を抑制し、流体を円滑に流動させることができ、また流体の失速領域においてエネルギー損失を回避できる。従って、流体の流動性能低下が回避され、ターボ機械運転時のエネルギー変換効率を向上でき、コスト削減効果と製品の信頼性向上に繋がる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第一実施形態に係るインペラの全体を示す図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係るインペラの翼部分を拡大して示す図である。
【図３】本発明の第一実施形態に係るインペラの翼の断面図であり、翼内部の流入孔と流出孔と昇圧室とを示す図である。
【図４】本発明の第二実施形態に係るインペラの翼の断面図であり、翼内部の流入孔と流出孔と昇圧室とを示す図である。
【図５】本発明の第三実施形態に係るインペラの翼の断面図であり、翼内部の流入孔と流出孔と昇圧室とを示す図である。
【図６】本発明の第四実施形態に係るインペラの翼の断面図であり、翼内部の流入孔と流出孔と昇圧室とを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下図１から図３を参照し、本発明の第一実施形態のインペラ１について説明する。
インペラ１は、主流体Ｗを当該インペラ１に導入し当該主流体Ｗの圧力及び運動エネルギーを増大した後に流出させる遠心ポンプ（ターボ機械）内に設置されるものである。
このインペラ１は、ディスク２と、翼６と、カバー３と、また当該翼６の内部に形成される流入孔８と流出孔９と昇圧室１４とを備えている。
【００２６】
ディスク２は、軸線Ｏを中心とした円盤状に延在する部材であって、その中央には当該軸線Ｏ方向に貫通する第一嵌合孔４を有する。この第一嵌合孔４には図示しない回転軸等が挿入されることにより、当該ディスク２は当該回転軸等と一体に回転する。
【００２７】
翼６は、上記ディスク２における軸線Ｏ方向一方側を向く一端面に周方向に間隔をあけて複数（本実施形態においては７枚）設けられている。この翼６は、ディスク２の一端面から突出するとともに径方向外側に向かうに従って当該ディスク２の回転方向後方側に湾曲して延びている。また、隣り合う翼６間は主流体Ｗの流通する主流流路１５となっている。
【００２８】
ここで本実施形態では上記翼６は湾曲形状をなすが、軸線Ｏを中心に径方向外側に向かって回転方向後方に延在していればよい。従って本実施形態での湾曲形状に限定されない。
【００２９】
カバー３は、複数の上記翼６を軸線Ｏ方向一方側から覆うように設けられた部材である。このカバー３は軸線Ｏを中心とした円盤状をなし、具体的には軸線Ｏ方向一方側に向かうに従って漸次縮径する傘形状をなしている。また翼６の軸線Ｏ方向一方側のエッジと当該カバー軸線Ｏ方向他方側を向く面とは一体に固定されている。また、このカバー３の中央には、ディスク２と同様に軸線Ｏ方向に貫通する第二嵌合孔５が形成されている。インペラ１においては、この第二嵌合孔５を介して内部に主流体Ｗが導入されるようになっており、この第二嵌合孔５を介して主流体Ｗが導入される複数の翼６の径方向内側の空間が導入口７とされている。
【００３０】
流入孔８は、上記翼６の回転方向後方となる負圧面側に形成される第一開口１０と、当該第一開口１０から翼６の内部を径方向外側に向かうに従って漸次インペラの回転方向前方側に延びる第一補助流路１１とにより構成される。
【００３１】
流出孔９は、上記翼６の回転方向後方となる負圧面側において、流入孔８よりも径方向外側に形成される第二開口１２と、当該第二開口１２から翼６の内部を径方向内側に向かうに従って漸次インペラの回転方向前方側に延びる第二補助流路１３とにより構成される。
【００３２】
昇圧室１４は、上記第一補助流路１１と上記第二補助流路１３とを接続するように、翼６の延在方向に延びる当該翼６内部の空間であって、該昇圧室１４の延在方向に直交する方向の断面は、上記第一補助流路１１又は上記第二補助流路１３の延在方向に直交する断面と比較して大きな断面積を有する。なお、本実施形態の昇圧室１４は、略直方体形状をなしているが、例えば円柱形状等の他の形状をなしていてもよい。
【００３３】
本実施形態のインペラ１は、上記軸線Ｏ方向から見た場合に、上記ディスク２の半径をｒとして当該軸線Ｏを中心に反時計周りに角速度ωで回転する。そして上記導入口７から流入した主流体Ｗは、隣り合う翼６の間に形成された主流流路１５を、当該インペラ１の径方向内側から外側に向かって速度Ｖで流動する。
【００３４】
そして、上記主流体Ｗが上記主流流路１５を流動する際、当該主流体Ｗの一部が上記翼６の負圧面側から上記流入孔８を通じて上記昇圧室１４へ取り込まれ、補助流体Ｗ２として当該翼６負圧面側に形成された上記流出孔９から当該翼６の外部へ吐き出された後に、再度主流体Ｗと合流する。
【００３５】
次に、上記構成のインペラ１の作用について説明する。
上記翼６の負圧面側から流入孔８を通じ上記昇圧室１４へ導入された補助流体Ｗ２は、当該補助流体Ｗ２自身に作用する遠心力によって増圧され、流出孔９を通じて上記翼６の負圧面側に吐き出される。即ち当該負圧面側において発達した境界層を主流体Ｗから吸い取り、増圧された補助流体Ｗ２として主流体Ｗへ吐き出すことにより境界層が加速され、境界層の剥離を抑制し当該境界層の安定化を図ることができる。
【００３６】
ここで、補助流体Ｗ２の増圧は以下の通り行なわれる。
上記昇圧室１４へ主流体Ｗと同じ速度Ｖで取り込まれ、当該速度Ｖで第一補助流路１１を流動する補助流体Ｗ２は、第一補助流路１１から当該昇圧室１４へ流入する際、流路断面の面積拡幅によって、当該補助流体Ｗ２自身の速度を減速することになる。この減速によって当該昇圧室１４内において当該補助流体Ｗ２に及ぶ遠心力が増大し、当該補助流体Ｗ２の増圧を行なう。
【００３７】
またここで、インペラ１の回転角速度ωと、ディスク２の半径ｒと、補助流体Ｗ２の流動速度Ｖのインペラ１の回転方向成分ｖと、当該昇圧室１４内において単位当たりの流体に及ぶ遠心力Ｆとの間には、主流体Ｗの密度、即ち補助流体Ｗ２の密度をρとした場合、昇圧室１４内の補助流体Ｗ２に対して、Ｆ＝ρ（ｒω−ｖ）２／ｒの数式が成立する。従ってインペラ１が一定の角速度ωで回転している場合、ｖが小さくなる程、即ち補助流体Ｗ２の昇圧室内における速度Ｖが小さくなる程、当該補助流体Ｗ２に作用する遠心力Ｆが大きくなり、当該補助流体Ｗ２への増圧効果が向上することを示している。
【００３８】
このような昇圧室１４を有する翼６を有するインペラ１によって、境界層の剥離による主流体Ｗの流動損失低減を図ることができ、遠心ポンプ運転時のエネルギー変換効率が向上する。
【００３９】
次に図４を参照して、第二実施形態のインペラ１について説明する。
なお第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
【００４０】
本実施形態では、翼６の負圧面側に第一開口１０を有する流入孔８と、当該翼６の外周端部に第二開口１２を有する流出孔９と当該翼６内部の昇圧室１４とを備える。
【００４１】
上記翼６の負圧面側に発達した境界層が上記流入孔８から吸い取られ、補助流体Ｗ２として上記昇圧室１４にて増圧された後に、上記流出孔９を通じ当該翼６の外周端部へ吐き出され再度主流体Ｗと合流する。
【００４２】
従って、負圧面側の境界層の吸い取りによる当該境界層の安定化が行なわれると同時に、主流体Ｗの失速領域となっている当該翼６の外周端部におけるエネルギー損失を抑制できる。即ち本実施形態のインペラ１を備えることにより、遠心ポンプの性能向上が図れる。
【００４３】
次に図５を参照して、第三実施形態のインペラ１について説明する。
なお第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
【００４４】
本実施形態では、翼６の回転方向前方となる正圧面側に第一開口１０を有する流入孔８と、当該翼６の負圧面側に第二開口１２を有する流出孔９と当該翼６内部の昇圧室１４とを備える。
【００４５】
翼６の正圧面側に上記流入孔８を設けることによって、主流体Ｗの圧力が翼６に対して押し付け方向に作用するため、より多くの補助流体Ｗ２が円滑に上記昇圧室１４へ取り込まれる。そして当該昇圧室１４において増圧された当該補助流体Ｗ２は、上記流出孔９を通じ翼６の負圧面側に吐き出される。
【００４６】
即ち、上記翼６の負圧面側に発達した境界層に対してより高い加速効果が得られ、当該境界層の剥離による主流体Ｗの流動損失低減を図ることができる。従って本実施形態のインペラ１によって遠心ポンプ運転時のエネルギー損失による性能低下を抑制できる。
【００４７】
次に図６を参照して、第四実施形態のインペラ１について説明する。
なお第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
【００４８】
本実施形態では、翼６の回転方向前方となる正圧面側に第一開口１０を有する流入孔８と、当該翼６の外周端部に第二開口１２を有する流出孔９と、当該翼６内部の昇圧室１４とを備える。
【００４９】
翼６の正圧面側の上記流入孔８の第一開口１０より、より多くの補助流体Ｗ２が上記昇圧室１４へ取り込まれ、当該昇圧室１４内において増圧された後、上記流出孔９の第二開口１２より当該翼６の外周端部の主流体Ｗの失速領域へ吐き出される。
【００５０】
このようなインペラ１を備えることにより、当該失速領域におけるエネルギー損失の抑制効果が得られ、遠心ポンプ運転時のエネルギー変換効率を向上できる。
【００５１】
以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
【００５２】
例えば、境界層及び主流体Ｗの失速領域のコントロールを行なうことが可能であれば、昇圧室１４を備えず流入孔８と流出孔９を直接接続することや、孔の代わりにスリットを設ける等、加工が容易な形態を用いてもよい。
【００５３】
また、実施形態においてはターボ機械として遠心ポンプの例を説明したが、これに限定されることはなく、圧縮機等の他のターボ機械に本発明を適用してもよい。この場合、作動流体は液体ではなく空気やガス等の気体となる。
【符号の説明】
【００５４】
１…インペラ、２…ディスク、３…カバー、４…第一嵌合孔、５…第二嵌合孔、６…翼、
７…導入口、８…流入孔、９…流出孔、１０…第一開口、１１…第一補助流路、
１２…第二開口、１３…第二補助流路、１４…昇圧室、１５…主流流路、Ｏ…軸線、
Ｗ…主流体、Ｗ２…補助流体
【図１】
2012202260.tif 000003
【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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