羽根車及びそれを有するターボ機械
【課題】
ターボ機械が有する遠心羽根車または斜流羽根車において、２次流れを抑制してターボ機械の性能を向上させる。
【解決手段】
羽根車６００は、ハブ板６０９と、このハブ板の一方の表面側に周方向に間隔をおいて配置した複数の羽根６０７とを有する。複数の羽根は、ハブ板と羽根とが直交し直線要素で構成された羽根を有する基準羽根車における各羽根の翼スパン高さ方向の複数の翼断面を曲線要素６０６の羽根となるように翼スパン高さ方向に積層して形成された形状を有している。翼断面の翼スパン高さ方向の積層においては、この羽根のハブ板側端および反ハブ板側端の少なくとも一方の端面からスパン中間部に向かうにつれ翼断面に付与するタンジェンシャルリーンおよびスイープの量を増大させる。
ターボ機械が有する遠心羽根車または斜流羽根車において、２次流れを抑制してターボ機械の性能を向上させる。
【解決手段】
羽根車６００は、ハブ板６０９と、このハブ板の一方の表面側に周方向に間隔をおいて配置した複数の羽根６０７とを有する。複数の羽根は、ハブ板と羽根とが直交し直線要素で構成された羽根を有する基準羽根車における各羽根の翼スパン高さ方向の複数の翼断面を曲線要素６０６の羽根となるように翼スパン高さ方向に積層して形成された形状を有している。翼断面の翼スパン高さ方向の積層においては、この羽根のハブ板側端および反ハブ板側端の少なくとも一方の端面からスパン中間部に向かうにつれ翼断面に付与するタンジェンシャルリーンおよびスイープの量を増大させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は遠心羽根車または斜流羽根車等の羽根車及びそれを有するターボ機械に係り、特に、遠心羽根車または斜流羽根車を有する圧縮機やブロア、ファン、ポンプ等の、作動流体にエネルギーを付与するターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ機械の一種である多段圧縮機は、同一軸に取り付けられた多数の遠心羽根車または斜流羽根車と、各羽根車の下流側に併設されたディフューザ、リターンガイドベーンから構成される段落を積み重ねた形式となっている。この多段圧縮機に用いる羽根車は、多くの場合、翼を切削加工で製作している。羽根車を構成する翼の翼面形状を、直線要素の集合体として定義することが可能であれば、ミル等の棒状の切削工具を用いることが可能になる。その場合、加工具の側面を直線要素になる部分に回転させながら当接させ、羽根車の入口側から出口側になる方向へ、またはその逆方向にスライドさせながら切削する。これにより、効率的に加工できる。このように直線要素羽根車は製作性・加工性に富むので、遠心圧縮機では直線要素羽根車が多用される。
【０００３】
直線要素羽根車を採用することは製作面からは有効な方法であるが、近年の羽根車性能のさらなる改善の要求のためには、羽根車の翼を直線要素の集合とする制約から解放し、自由曲面からなる翼面とし、翼間流れを緻密に制御する必要がある。以下、本発明においては、翼面が自由曲面からなる羽根車を曲線要素羽根車と呼ぶ。
【０００４】
部分的に曲線要素を有する羽根車の例が、特許文献１や特許文献２に開示されている。特許文献１の羽根車は、羽根車のシュラウド側にシュラウド板（側板）を有さないオーブン形羽根車（以下、ハーフシュラウド羽根車とも称す）であり、特許文献２に記載の羽根車はシュラウド側にシュラウド板（側板）を有さない点は特許文献１と同じであるが、２枚の翼間にこれら翼よりも入口側寸法が短い翼を有する中間羽根付きハーフシュラウド羽根車である。なお、シュラウド側にシュラウド板（側板）を有する羽根車を、クローズド形羽根車（以下、フルシュラウド羽根車とも称す）と称す。
【０００５】
特許文献２に記載の羽根車は曲線要素羽根車であり、翼型を形成するときには、翼の前縁近傍で翼断面をスパン方向に湾曲させた翼を積み上げて、曲線要素羽根車に用いる翼を形成している。これにより、低エネルギー流体が翼間流路の局所に蓄積するのを抑制し、圧縮機効率を改善している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５９−９０７９７号公報
【特許文献２】特許第４１１５１８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１及び特許文献２では、ハーフシュラウド羽根車において、翼前縁周りを従来のものから変更することにより、圧縮機効率の改善を図っている。遠心羽根車や斜流羽根車で用いられるハーフシュラウド羽根車では翼先端漏れ流れが生じ、フルシュラウド羽根車では翼先端漏れ流れが生じない。したがって、ハーフシュラウド羽根車で最良であった翼形状であっても、翼間のフローパターンの違いにより、フルシュラウド羽根車で性能を改善しうる最適な曲線要素羽根車となる保証はない。すなわち、最適な曲線要素羽根車の翼形状は異なりうる。
【０００８】
このように、フルシュラウド羽根車に適した曲線要素化の方法は、必ずしも明確ではない。しかしながら、上記のいずれの形態の羽根車であっても、無数にある曲線要素羽根の形成法に対して、真に性能向上につながる曲線要素化パターンはごく限定されたものであることは想像に難くなく、性能改善に結びつく曲線要素化のパターンを見出すことが必要となっている。
【０００９】
本発明は上記従来技術の状況に鑑みなされたものであり、その目的はターボ機械が有する遠心羽根車または斜流羽根車において、ターボ機械の性能を向上させることにある。本発明の他の目的は、曲線要素羽根車の翼間の２次流れを効果的に抑制することにある。本発明のさらに他の目的は、曲線要素羽根車において、性能向上に結びつく最適な曲線要素化の方法、すなわち翼断面のスパン方向への積み重ねパターンを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、曲線要素羽根車を取り上げているので、初めに曲線要素羽根車について、必要な用語の定義等を以下に説明する。
[曲線要素羽根車]
羽根車のシュラウド面およびハブ面間を曲線で結び、この曲線を入口側から出口側まで、複数本配置して羽根を作成した羽根車を曲線要素羽根車と定義する。直線要素羽根車と対比する概念である。
【００１１】
曲線要素羽根車の形状は、基準となる直線要素羽根車の翼形状を決定し、この直線要素羽根車について様々なスパン位置で翼断面を切り出す。その後、切り出した翼断面を直線移動や回転移動しまたは変形して、再度積み重ねる。これにより、自由曲面を有する曲線要素羽根車が得られる。この具体的方法を、図１および図２を参照しながら、以下に説明する。
【００１２】
図１は、切り出した１個の翼断面を移動または変形させる方法を説明する図である。図１（ａ）は、円筒座標系で示した翼断面図である。スパン位置（図１（ａ）では紙面に直角な方向）は、任意位置である。図１（ｂ）は、図１（ａ）で示した同じ翼を展開して、直交座標系となるようにしたもので、図の横軸は後述する子午面流線方向ｍであり、図の縦軸は周方向（θ方向）である。
【００１３】
図２は、図１に示したような切り出した翼断面を積み重ねて、曲線要素羽根を形成する様子を示した斜視図である。この図２では、羽根車から羽根一枚分を取り出して示している。子午面（Ｒ−Ｚ面）内において、着目する線素に沿ってハブ１１０から各翼断面までのスパン方向高さをｈ、ハブ１１０からシュラウド１２０までの線素に沿ったスパン方向の全高さをＨとして、無次元翼高さｈ/Ｈを定義する。
[タンジェンシャルリーン]
羽根車の翼断面Ｖの形状を合同に保ったまま、周方向（θ方向）に移動させることであり、羽根車の回転方向に回転移動する場合を、正のタンジェンシャルリーンを付与すると定義する。
図１中では翼断面１０１から翼断面１０２への移動が、タンジェンシャルリーンである。このときの移動量は、円筒座標系（図１（ａ））で表せばδθ（rａd）であり、直交座標系（図１（ｂ））で表せば、縦軸方向の移動量δＹである。
[翼弦]
翼断面Ｖにおいて、前縁２０２と後縁２０３を結ぶ線を翼弦Ｃと定義し、前縁２０２から後縁２０３に向かう方向を正とする。
[スイープ]
翼断面Ｖにおいて、後縁２０３の位置を固定し、翼弦Ｃの方向に翼断面Ｖのそり線を略相似に保ったまま変形させることである。正の翼弦方向に変形させることを正のスイープとする 。
【００１４】
翼断面Ｖの形状、すなわち翼表面の輪郭形状そのものを相似変形させると翼厚ｔｈも変化するので、そり線Ｃのみを略相似に変形させ、翼厚ｔｈは任意に付与できる。なお、変形後の前縁２０２ａは、変形前の翼弦Ｃの線上にある。図１では翼断面１０１から翼断面１０３への相似変形として示している。ここで、後縁２０３を固定したのは、羽根車外径Ｒ２を一定に保って理論ヘッドを大きく変化させないためであり、理論ヘッドを変化させてもよい場合には、必ずしも後縁２０３を一定位置とする必要はない。
【００１５】
このような定義の下、本発明では上記目的を達成するために、ハブ板と、このハブ板の一方の表面側に周方向に間隔をおいて配置した複数の羽根とを有する羽根車において、前記複数の羽根は、前記ハブ板と前記羽根とが直交し直線要素で構成された羽根を有する基準羽根車における各羽根の翼スパン高さ方向の複数の翼断面を曲線要素羽根となるように翼スパン高さ方向に積層して形成された形状を有しており、前記翼断面を羽根車の回転方向に回転移動させることを正のタンジェンシャルリーンを付与するとしたときに、前記翼断面の翼スパン高さ方向の積層においては、この羽根のハブ板側端および反ハブ板側端の少なくとも一方の端面からスパン中間部に向かうにつれ前記翼断面に付与するタンジェンシャルリーンの量を増大させている。
【００１６】
そしてこの羽根車において、前記翼断面を翼弦下流方向に略相似的に変形移動させることを正のスイープを付与するとしたときに、前記翼断面の翼スパン高さ方向の積層においては、この羽根のハブ板側端および反ハブ板側端の少なくとも一方の端面からスパン中間部に向かうにつれ前記翼断面に付与するスイープの量を増大させるのがよく、前記タンジェンシャルリーンの付与量は、ハブ側の付与量がシュラウド側の付与量よりも大きく、かつ付与量の最大値はスパン中央よりもハブ側に近い翼スパン高さにあるのがよい。
【００１７】
また、本発明では、ハブ板と、このハブ板の一方の表面側に周方向に間隔をおいて配置した複数の羽根とを有する羽根車において、前記羽根の負圧面が前記ハブ板面と、または前記羽根の負圧面が反ハブ板側端部でこの羽根と対向する面との少なくともいずれかとなす角度が鈍角としている。
【００１８】
そしてこの羽根車において、子午面内における前記ハブ板面または前記反ハブ板側端部でこの羽根と対向する面の少なくとも一方と前記羽根の前縁の稜線がなす角度を、前記羽根を含む側で鋭角とするのがよい。
【００１９】
さらにまた、本発明では、ハブ板と、このハブ板の一方の表面側に周方向に間隔をおいて配置した複数の羽根とを有する羽根車において、前記複数の羽根の形状は、翼スパン高さ方向に翼断面を積層して形成したものであってその積層の際に翼スパン高さ方向に曲線に沿って積層した曲線要素羽根であり、この羽根車を同一半径で展開した形状における前記羽根の負圧面は、翼スパン中央部よりもハブ板側で羽根車の回転方向に最も先行している。
【００２０】
そして、上記いずれにおいても、前記羽根車が遠心羽根車または斜流羽根車であることが望ましい。
【００２１】
さらに本発明は、ターボ機械が、上記のいずれかに記載した羽根車を少なくとも一つ以上備えるものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、遠心羽根車または斜流羽根車において、羽根車出口の翼断面形状が回転方向に凸でかつシュラウド側をハブ側よりも後ろ側にしたので、翼間流路のコーナー部への低エネルギー流体の蓄積が促進される２次流れを抑制でき、ターボ機械の性能が向上する。また、上記羽根車を曲線要素羽根車とすれば、さらに２次流れを抑制できる形状とすることができ、ターボ機械の性能が向上する。さらにまた、スイープとタンジェンシャルリーンとの組み合わせにより、性能向上に結びつく最適な曲線要素化の方法、すなわち翼断面のスパン方向への積み重ねパターンを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る羽根車を説明するための子午面断面図およびその展開図である。
【図２】本発明に係る羽根車を説明するための斜視図である。
【図３】本発明に係る多段遠心圧縮機の一実施例の縦断面図である。
【図４】従来の遠心羽根車の一例の子午面断面図および斜視図である。
【図５】従来の遠心羽根車の他の例の子午面断面図および斜視図である。
【図６】本発明に係る遠心羽根車の一実施例の子午面断面図および斜視図である。
【図７】タンジェンシャルリーンの付与例を示す図である。
【図８】スイープの付与例を示す図である。
【図９】本発明に係る遠心羽根車の他の実施例の子午面断面図および斜視図である。
【図１０】翼間流れを説明する図であり、羽根車の半径方向断面の周方向展開図である。
【図１１】羽根前縁付け根部の流れを説明する図である。
【図１２】本発明に係る羽根車の一実施例の効率曲線である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明のいくつかの実施例について図面を用いて説明する。はじめに、ターボ機械の一例として、２段の遠心圧縮機について説明する。図３は、２段遠心圧縮機の縦断面図である。ここでは、多段遠心圧縮機３００として２段遠心圧縮機を取り上げたが、本発明は遠心型羽根車または斜流型羽根車を用いた単段または多段のターボ機械に適用でき、特に２段遠心圧縮機に限るものではない。
【００２５】
２段遠心圧縮機３００は、初段３０１と第２段３０２とを備える。初段羽根車３０８および第２段羽根車３１１は、同一の回転軸３０３に取り付けられていて回転体を構成する。回転軸３０３や第１段、第２段羽根車３０８、３１１は圧縮機ケーシング３０６に収容されており、圧縮機ケーシング３０６に保持されたジャーナルベアリング３０４やスラストベアリング３０５により、回転自在に支持されている。
【００２６】
初段羽根車３０８の下流側には、羽根車３０８で圧縮された作動ガスの圧力を回復し半径方向外向きの流れを形成するディフューザ３０９と、ディフューザ３０９で半径方向外向きにされた作動ガスの流れを半径方向内向きにして第２段羽根車３１１に導くリターンガイドベーン３１０とが配置されている。２段羽根車３１１の下流には同様にディフューザ３１２と、２段ディフューザ３１２で圧力上昇した作動ガスをまとめて機外へ送りだすためのコレクタまたはスクロールと呼ばれる回収手段３１３が配置されている。
【００２７】
第１段羽根車３０８は、ハブ板３０８ａと、シュラウド板３０８ｂと、ハブ板３０８ａとシュラウド板３０８ｂとの間に周方向にほぼ等間隔に複数枚配置された羽根３０８ｃとを有している。同様に、第２段羽根車３１１は、ハブ板３１１ａと、シュラウド板３１１ｂと、ハブ板３１１ａとシュラウド板３１１ｂとの間に周方向にほぼ等間隔に複数枚配置された羽根３１１ｃとを有している。各羽根車３０８、３１１の入口側であって、シュラウド板３０８ｂ、３１１ｂ側の外周部にはマウスラビリンスシール３１５が、ハブ板３０８ａ、３１１ａの背面側にはそれぞれステージラビリンスシール３１６とバランスラビリンスシール３１７が配置されている。
【００２８】
吸込ノズル３０７から流入した作動ガスは、初段の羽根車３０８、羽根付きディフューザ３０９、リターンガイドベーン３１０、第２段の羽根車３１１、羽根付きディフューザ３１２の順に通過して、コレクタやスクロールといった回収手段３１３に導かれる。図３にはディフューザとして羽根付きディフューザを示してあるが、ベーンレスディフューザとしてもよい。
【００２９】
図４に、以下の説明の便のために、従来技術である直線要素羽根車４００を示す。図４（ａ）は子午面における羽根４０７のそり面を表している。そり面を構成するハブ側境界線４０１とシュラウド側境界線４０２と、その間に位置する５本の翼断面のそり線４０５が示されている。したがって、図４（ａ）では、合計７個の翼断面が用いられており、羽根車４００の羽根４０７は、この７個の翼断面で特定される。４０３は羽根４２０の前縁であり、４０４は羽根４０７の後縁である。羽根車４００で翼断面を積層するのに、複数の直線線素４０６を用いる。
【００３０】
図４（ｂ）に、羽根車４００を斜視図で示す。羽根４０７の表面は、ハブ側境界４０１からシュラウド側境界４０２に向かう直線要素４０８の集合体として構成される。なお、直線要素を、図４（ａ）では直線要素４０６で、図４（ｂ）では直線要素４０８で示している。図４（ｂ）に示すような直線要素羽根車４００では、翼間に形成される２次流れを緻密に制御することが困難である。
【００３１】
図５に、直線要素羽根車５００の他の従来例を示す。本羽根車５００が図４に示す羽根車４００と異なるのは、羽根５０７の前縁を１本の直線線素で構成するのではなく、隣り合う複数の直線線素５２１ｉ（ｉ＝１、２、…）で形成される面を、子午面形状において入口側に凸になるようにカッティングしたことにある。すなわち、各翼断面における前縁をハブ側からシュラウド側に結んだ稜線５０３を、羽根高さ方向に湾曲させている。本従来例でも、図４に示した従来例の場合と同様に、翼断面５０５を直線要素５０６、５０８に沿って積み上げて羽根５０７を形成している。なお直線要素を、図５（ａ）では直線要素５０６で、図５（ｂ）では直線要素５０８で示している。羽根車５００では、翼前縁５０３付近の流れを若干制御できるが、翼間流路の特性は本質的に図４に示した羽根車４００と変わらないので、２次流れを十分には制御できない。
【００３２】
以下に、上記従来例と対比しながら、本発明のいくつかの実施例を、図６〜図１２を用いて説明する。図６は、本発明に係る曲線要素羽根車の一実施例の図であり、図６（ａ）は曲線要素羽根車６００の子午面（Ｒ−Ｚ面）形状であり、図６（ｂ）はその斜視図である。
【００３３】
図６（ａ）において、曲線要素羽根車６００では、ハブ側境界６０１とシュラウド側境界６０２とで流路６１０が区画される。この流路内６１０に、複数の曲線要素６０６を有する曲線要素羽根６０７が周方向に間隔をおいて配置される。この図６（ａ）では、羽根６０７は翼断面６０５で表されている。曲線要素６０６は、翼断面を積層するガイドとなる。なお曲線要素６０５は、後述するように（図９参照）、子午面投影図では直線要素のように見える場合もあるが、実際の形状では曲線となっている。
【００３４】
図６（ｂ）に示すように、曲線要素羽根車６００では、ハブ板６０９の一方の表面上に複数の羽根６０７が周方向にほぼ等間隔で配置されている。そして、羽根６０７はハブ側境界６０１からシュラウド側境界６０２に向かって、曲線要素６０８に沿って翼断面が積み上げられ、羽根表面は自由曲面となっている。本発明では曲線要素を採用しているので、翼断面の積み上げの自由度が直線要素羽根車に比べて大きい。そのため、羽根表面を自在に傾斜させることができ、流体に与える力の方向、すなわち、翼間２次流れの制御が可能になる。
【００３５】
この翼間流れを制御可能な曲線要素羽根車６００の例を、図７及び図８を用いて説明する。図７は、タンジェンシャルリーンδＹを付与した曲線要素羽根車６００の例である。横軸は翼断面の回転移動量δＹを翼弦Ｃで無次元化した値である。縦軸は無次元翼高さｈ／Ｈを示している。
【００３６】
タンジェンシャルリーンδＹの付与方法としては、対比基準であるハブ面に垂直な直線要素を有する直線要素羽根車に対して、ハブ側の翼断面およびシュラウド側の翼断面からスパン中間部の翼断面に向かう方向に、タンジェンシャルリーンδＹを大きくしている。このようにタンジェンシャルリーンδＹを羽根に付与すると、図６（ｂ）に示すように、回転方向背面側（−方向）に位置する羽根６０７の負圧面は凹面となる。また、スパン方向中央側の翼断面ほど、ハブ側やシュラウド側の翼断面よりも回転方向に先行する（＋方向）形状となる。この時、羽根６０７の負圧面がハブ面やシュラウド面となす角度は鈍角となる。
【００３７】
図７に示すタンジェンシャルリーンδＹの付与プロファイル７０１、７０２は、上記特徴を満足するように選択したもので、いずれも性能改善につながっている。ここで、プロファイル７０１は、タンジェンシャルリーンδＹがハブ面とシュラウド面においてともに０であるから、周方向の翼断面位置が同じであり強度面に優れている。プロファイル７０２は、ハブ側のタンジェンシャルリーンδＹよりもシュラウド側のタンジェンシャルリーンδＹを大きくして、ハブ側の翼断面位置７０６をシュラウド側の翼断面位置７０７よりも回転方向に先行させ、プロファイル７０１よりも性能の向上を図ったものである。
【００３８】
タンジェンシャルリーンδＹを付与したプロファイル７０１、７０２ではともに、タンジェンシャルリーンが最大となる翼高さ方向位置７０５、７０８を、スパン中央よりもややハブ側に位置させている。この理由は、遠心羽根車や斜流羽根車の翼間コア流れの中心がハブ側よりに位置していることが多いことが知られており、この翼間コア流れの中心位置よりも上または下にある、コア流れから外れる部分で翼傾斜を大きくすることが効率向上に結びつくからである。なお、図７の横軸で示したタンジェンシャルリーンδＹは絶対量が重要なのではなく、相対的な位置関係を上述の関係にすることが重要である。
【００３９】
翼間流れを制御可能な曲線要素羽根車６００の他の例を、図８を用いて説明する。図８は、スイープδＭを付与した曲線要素羽根車６００の例である。横軸は翼断面における前縁部の移動変形量δＭを翼弦Ｃで無次元化した値である。縦軸は無次元翼高さｈ／Ｈを示している。本例では、ハブ側の翼断面およびシュラウド側の翼断面から翼スパン中間部の翼断面に向かう方向に、スイープδＭを大きくしている。このようにスイープδＭを羽根に付与すると、図６（ｂ）に示すように、羽根６０７の前縁はスパン方向中央部が流れ方向下流側に向かって窪んだ形状となる。このとき、羽根６０７の前縁の稜線がハブ面やシュラウド面となす角度は、羽根を含む側で測って鋭角となる。
【００４０】
図８には、スイープδＭを付与した３種のプロファイル８０１、８０２、８０３を示している。これら３種のプロファイル８０１〜８０３は、いずれも上記のとおりにスイープδＭが付与されている。スイープδＭを付与したプロファイル８０１では、さらに、ハブ側とシュラウド側の翼断面位置を動かさすに羽根６０７の前縁中央部８０６を窪ませている。このプロファイル８０１は、既存の羽根車の前縁部を追加工するだけで実現できるので、近似した曲線要素羽根車を容易に製作できるという利点がある。
【００４１】
スイープδＭを付与したプロファイル８０２およびプロファイル８０３では、ハブ側スイープδＭをシュラウド側スイープδＭよりも相対的に小さくし、ハブ側の翼断面位置８０７をシュラウド側の翼断面位置８０８よりも上流側にせり出すようにしている。これにより、効率の向上を図っている。なお、プロファイル８０２とプロファイル８０３とでは、スパン中間部のプロファイルを異ならせている。その理由は、以下のとおりである。
【００４２】
プロファイル８０２の最大スイープ位置８０９は、概略スパン中央高さに位置している。これに対して、プロファイル８０３の最大スイープ位置８１０は、スパン中央高さよりもハブ側よりである。プロファイル８０３の最大スイープ位置をこのように設定したのは、上述したように羽根車内の流れではコア流れがハブ側よりに位置しているので、このコア流れの偏りに対応するためである。
【００４３】
羽根６０７へのスイープδＭの付与分布をプロファイル８０２とプロファイル８０３で上記のように異ならせているが、この違いはコア流れが発達する前の羽根６０７の前縁周りにのみ現れるので、タンジェンシャルリーンδＹを付与した場合ほど羽根車６００の形状には顕著な差異はなく、性能面でもほぼ同程度である。この図８でも、横軸のスイープδＭについては、絶対位置が重要なのではなく相対的な位置関係を上記関係とすることが重要である。
【００４４】
図６に示した羽根車６００では、タンジェンシャルリーンδＹとスイープδＭの双方が付与されており、最も高性能が期待される形状である。これに対して、上記タンジェンシャルリーンδＹとスイープδＭのいずれかを付与しても性能向上した羽根車が得られる。図９に、タンジェンシャルリーンδＹのみを付与した羽根車９００の例を示す。
【００４５】
羽根車９００では、ハブ側翼断面９０１とシュラウド側翼断面９０２間に、複数の羽根９０７が周方向にほぼ等間隔で配置されている。羽根前縁９０３から羽根後縁９０４までの間に複数本の曲線要素９０６が選ばれており、この曲線要素９０６に沿って翼断面９０５が積み重ねられている。
【００４６】
本実施例の羽根車９００にはスイープδＭが付与されていないので、図９（ａ）では、曲線要素９０６の子午面投影図が直線になり、直線要素に沿って翼断面９０５を積層したように見える。しかしながら、タンジェンシャルリーンδＹが適用されているので、図９（ｂ）に示すように、羽根９０７の表面は周方向に湾曲し、曲線要素９１０から構成されているのがわかる。このとき、羽根車９００の回転方向の裏側に相当する羽根９０７の負圧面では、ハブ面側の位置がシュラウド面側の位置よりも回転方向に先行（＋方向）しており、かつ最も回転方向に先行する位置は、スパン方向中央部よりもややハブ面側である。
【００４７】
次に、このように構成した本発明に係る曲線要素羽根車内の流れについて、図１０および図１１を用いて説明する。図１０は、タンジェンシャルリーンδＹを付与した効果を説明する図である。タンジェンシャルリーンδＹが付与された羽根車１０００では、隣り合う２枚の羽根１００１間に翼間流路１０１０が形成される。図１０は、羽根車１０００の半径ｒ（ｒは任意）の断面での翼間流路１０１０を示しており、下流側から見た図である。
【００４８】
羽根１００１には翼作用があるため、翼素渦による誘起速度１００６、１００７が発生し、翼回りに循環を形成する。誘起速度１００６、１００７は、圧力面１００１においては紙面奥行き方向を向いており（誘起速度１００６）、負圧面１００２においては紙面手前方向を向いている（誘起速度１００７）。
【００４９】
流れが剥離しやすい負圧面１００５が、ハブ板１００２の表面と交差するコーナー部１００８やシュラウド板１００３の表面と交差するコーナー部１００９において、誘起速度線の密度が低下して、誘起速度１００７は小さくなる。すなわち、コーナー部１００９の流れは減速し、圧力が高くなる。その結果、圧力面から負圧面に向かう２次流れ１０１１が抑制されて低エネルギー流体がコーナー部１００９に集積するのが低減され、２次流れに起因する流動損失を低減することができる。
【００５０】
図１１は、図６（ａ）のＡ部の詳細を示す図であり、スイープδＭの効果を説明する図である。なお、図６（ａ）のＢ部でも同様であるので、ここではＡ部について説明する。羽根車１１００の前縁１１０１、１１０４が、シュラウド１１１０と交差する端部近傍での流入流れの偏向状況を模式的に示している。図１１（ａ）は圧力面側の流れを説明する図であり、図１１（ｂ）は負圧面側の流れを説明する図である。なお、羽根車１１００の前縁が１１０１、１１０４、ハブ面と交差する端部近傍でも、同様の流れが生じている。
【００５１】
羽根１１２０の前縁１１０１、１１０４は、シュラウド側端面１１２１近傍で上流側にせり出すので、羽根１１２０の表面における等圧力線１１０２、１１０５は、下流側に凸に湾曲する。その結果、羽根１１２０の表面近傍に形成される境界層流れ１１０３、１１０６は、下流側に行くにつれシュラウド１１１０の表面から離れるように曲げられる。
【００５２】
図１１（ｂ）には負圧面での流れを示しているので、前縁１１０４へ突入直後は負圧となってコーナー部であるシュラウド側端面１１１２に引き寄せられる。その後圧力面と同様に、コーナー部１１１２から離れる方向に曲げられる。このように、端面１１１２近傍に境界層流れが集積しにくくなる。図８に示したスイープδＭのプロファイルを持つ羽根車において、前縁が上流側に凸となるスイープδＭのプロファイルを与えると、境界層流れは図１１とは逆方向に転向し、剥離を助長して損失を増大させる。
【００５３】
タンジェンシャルリーンδＹは、翼断面を周方向にずらして再積層する概念であるので、羽根の表面形状が前縁から後縁に至るまで変化するのに対して、スイープδＭでは羽根が相似変形するので、前縁から後援までの中間部では表面形状がほとんど変化せず、前縁付近に外見上の変化が生じる。したがって、遠心羽根車や斜流羽根車の２次流れ制御においては、タンジェンシャルリーンδＹの方がスイープδＭよりも重要であり、この優先順位で適用する。したがって、スイープδＭは２次的な作用であり、特に羽根前縁近傍の流れが重要になるような非設計点での性能の改善に有効である。すなわち、入射角が大きくなる非設計点では、前縁失速を起こしやすいが、スイープを適用すれば、失速を抑制しやすくなる。
【００５４】
上記実施例に示したタンジェンシャルリーンδＹとスイープδＭを羽根車の羽根に付与したときに、圧縮機の性能曲線が変化する様子を図１２に示す。この図１２は流量に対する圧縮機の断熱効率を示す図である。横軸および縦軸は、比較基準となる直線要素羽根車の性能指標で無次元化した値である。曲線１２０１は、従来技術で基準となる直線要素羽根車の性能である。曲線１２０２は、図９に示した実施例についての性能曲線である。適切なタンジェンシャルリーンδＹを羽根車の羽根に付与すると、設計点１２０４における断熱効率を改善できることが分かる。
【００５５】
しかしながら、図９に示した実施例の羽根車では、効率改善効果は小流量域〜設計点流量域に限定され、大流量域では羽根車の性能の改善効果がほとんど見られない。一方、効率曲線１２０３は、図６に示した羽根車６００についてのもので、タンジェンシャルリーンδＹとスイープδＭの両方を付与したものである。このように、タンジェンシャルリーンδＹとスイープδＭを適切に付与すれば、幅広い流量範囲において効率を改善することができる。
【００５６】
以上述べたように、曲線要素羽根車においてタンジェンシャルリーンδＹとスイープδＭとを付与することにより、２次流れを抑制し段効率が改善された圧縮機を実現することができる。なお上記実施例では、タンジェンシャルリーンδＹとスイープδＭを羽根車に付与する場合について説明したが、本発明は上記実施例に限るものではない。すなわち、本発明の主旨は、翼断面を積み上げて形成した曲線要素羽根車の形状が、上記いずれかの実施例と同様な形状になればよく、その積み上げ方は必ずしもタンジェンシャルリーンδＹやスイープδＭによる必要はなく、翼弦方向への平行移動や径方向への平行移動、翼弦に垂直な方向への平行移動などの方法を用いることができる。
【００５７】
さらに、上記各実施例で示した形状に示される特徴は、翼全体やスパン方向全体にあるのが最も好ましいが、ハブ側だけあるいはシュラウド側だけのように局所的な部位だけがそのような形状的特徴を有していても、効率改善の効果が得られる。
【符号の説明】
【００５８】
１０１…翼断面、１０２、１０３…翼断面、２０１…翼断面、２０２、２０２ａ…前縁、２０３…後縁、３００…多段遠心圧縮機、３０１…初段、３０２…第２段、３０３…回転軸、３０４…ジャーナルベアリング、３０５…スラストベアリング、３０６…圧縮機ケーシング、３０７…吸込ノズル、３０８…初段羽根車、３０８ａ…ハブ板、３０８ｂ…シュラウド板、３０８ｃ…羽根、３０９…初段ディフューザ、３１０…初段リターンガイドベーン、３１１…第２段羽根車、３１１ａ…ハブ板、３１１ｂ…シュラウド板、３１１ｃ…羽根、３１２…第２段ディフューザ、３１３…回収手段、３１５…マウスラビリンスシール、３１６…ステージラビリンスシール、３１７…バランスラビリンスシール、４００…羽根車、４０１…ハブ側翼断面、４０２…シュラウド側翼断面、４０３…前縁、４０４…後縁、４０５…翼断面、４０６…直線要素、４０７…羽根、４０８…直線要素、５００…羽根車、５０１…ハブ側翼断面、５０２…シュラウド側翼断面、５０３…前縁、５０４…後縁、５０５…翼断面、５０６…直線要素、５０７…羽根、５０８…直線要素、５２１１、５２１２…直線線素、６００…羽根車、６０１…ハブ側翼断面、６０２…シュラウド側翼断面、６０３…前縁、６０４…後縁、６０５…翼断面、６０６…曲線要素、６０７…羽根、６０８…曲線要素、６０９…ハブ板、６１０…流路、７０１、７０２…タンジェンシャルリーン・プロファイル、７０３〜７０８…各点のプロファイル、８０１〜８０３…スイープ・プロファイル、８０４〜８１０…各点のプロファイル、９００…羽根車、９０１…ハブ側翼断面、９０２…シュラウド側翼断面、９０３…前縁、９０４…後縁、９０５…翼断面、９０６…直線要素、９０７…羽根、９０８…曲線要素、１００１…羽根、１００２…ハブ板、１００３…シュラウド板、１００４…圧力面、１００５…負圧面、１００６、１００７…誘起速度、１００８、１００９…コーナー部、１０１０…翼間流路、１０１１…２次流れ、１１０１…前縁、１１０２…等圧力線、１１０３…流線、１１０４…前縁、１１０５…等圧力線、１１０６…流線、１２０１〜１２０３…性能曲線。
【技術分野】
【０００１】
本発明は遠心羽根車または斜流羽根車等の羽根車及びそれを有するターボ機械に係り、特に、遠心羽根車または斜流羽根車を有する圧縮機やブロア、ファン、ポンプ等の、作動流体にエネルギーを付与するターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ機械の一種である多段圧縮機は、同一軸に取り付けられた多数の遠心羽根車または斜流羽根車と、各羽根車の下流側に併設されたディフューザ、リターンガイドベーンから構成される段落を積み重ねた形式となっている。この多段圧縮機に用いる羽根車は、多くの場合、翼を切削加工で製作している。羽根車を構成する翼の翼面形状を、直線要素の集合体として定義することが可能であれば、ミル等の棒状の切削工具を用いることが可能になる。その場合、加工具の側面を直線要素になる部分に回転させながら当接させ、羽根車の入口側から出口側になる方向へ、またはその逆方向にスライドさせながら切削する。これにより、効率的に加工できる。このように直線要素羽根車は製作性・加工性に富むので、遠心圧縮機では直線要素羽根車が多用される。
【０００３】
直線要素羽根車を採用することは製作面からは有効な方法であるが、近年の羽根車性能のさらなる改善の要求のためには、羽根車の翼を直線要素の集合とする制約から解放し、自由曲面からなる翼面とし、翼間流れを緻密に制御する必要がある。以下、本発明においては、翼面が自由曲面からなる羽根車を曲線要素羽根車と呼ぶ。
【０００４】
部分的に曲線要素を有する羽根車の例が、特許文献１や特許文献２に開示されている。特許文献１の羽根車は、羽根車のシュラウド側にシュラウド板（側板）を有さないオーブン形羽根車（以下、ハーフシュラウド羽根車とも称す）であり、特許文献２に記載の羽根車はシュラウド側にシュラウド板（側板）を有さない点は特許文献１と同じであるが、２枚の翼間にこれら翼よりも入口側寸法が短い翼を有する中間羽根付きハーフシュラウド羽根車である。なお、シュラウド側にシュラウド板（側板）を有する羽根車を、クローズド形羽根車（以下、フルシュラウド羽根車とも称す）と称す。
【０００５】
特許文献２に記載の羽根車は曲線要素羽根車であり、翼型を形成するときには、翼の前縁近傍で翼断面をスパン方向に湾曲させた翼を積み上げて、曲線要素羽根車に用いる翼を形成している。これにより、低エネルギー流体が翼間流路の局所に蓄積するのを抑制し、圧縮機効率を改善している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５９−９０７９７号公報
【特許文献２】特許第４１１５１８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１及び特許文献２では、ハーフシュラウド羽根車において、翼前縁周りを従来のものから変更することにより、圧縮機効率の改善を図っている。遠心羽根車や斜流羽根車で用いられるハーフシュラウド羽根車では翼先端漏れ流れが生じ、フルシュラウド羽根車では翼先端漏れ流れが生じない。したがって、ハーフシュラウド羽根車で最良であった翼形状であっても、翼間のフローパターンの違いにより、フルシュラウド羽根車で性能を改善しうる最適な曲線要素羽根車となる保証はない。すなわち、最適な曲線要素羽根車の翼形状は異なりうる。
【０００８】
このように、フルシュラウド羽根車に適した曲線要素化の方法は、必ずしも明確ではない。しかしながら、上記のいずれの形態の羽根車であっても、無数にある曲線要素羽根の形成法に対して、真に性能向上につながる曲線要素化パターンはごく限定されたものであることは想像に難くなく、性能改善に結びつく曲線要素化のパターンを見出すことが必要となっている。
【０００９】
本発明は上記従来技術の状況に鑑みなされたものであり、その目的はターボ機械が有する遠心羽根車または斜流羽根車において、ターボ機械の性能を向上させることにある。本発明の他の目的は、曲線要素羽根車の翼間の２次流れを効果的に抑制することにある。本発明のさらに他の目的は、曲線要素羽根車において、性能向上に結びつく最適な曲線要素化の方法、すなわち翼断面のスパン方向への積み重ねパターンを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、曲線要素羽根車を取り上げているので、初めに曲線要素羽根車について、必要な用語の定義等を以下に説明する。
[曲線要素羽根車]
羽根車のシュラウド面およびハブ面間を曲線で結び、この曲線を入口側から出口側まで、複数本配置して羽根を作成した羽根車を曲線要素羽根車と定義する。直線要素羽根車と対比する概念である。
【００１１】
曲線要素羽根車の形状は、基準となる直線要素羽根車の翼形状を決定し、この直線要素羽根車について様々なスパン位置で翼断面を切り出す。その後、切り出した翼断面を直線移動や回転移動しまたは変形して、再度積み重ねる。これにより、自由曲面を有する曲線要素羽根車が得られる。この具体的方法を、図１および図２を参照しながら、以下に説明する。
【００１２】
図１は、切り出した１個の翼断面を移動または変形させる方法を説明する図である。図１（ａ）は、円筒座標系で示した翼断面図である。スパン位置（図１（ａ）では紙面に直角な方向）は、任意位置である。図１（ｂ）は、図１（ａ）で示した同じ翼を展開して、直交座標系となるようにしたもので、図の横軸は後述する子午面流線方向ｍであり、図の縦軸は周方向（θ方向）である。
【００１３】
図２は、図１に示したような切り出した翼断面を積み重ねて、曲線要素羽根を形成する様子を示した斜視図である。この図２では、羽根車から羽根一枚分を取り出して示している。子午面（Ｒ−Ｚ面）内において、着目する線素に沿ってハブ１１０から各翼断面までのスパン方向高さをｈ、ハブ１１０からシュラウド１２０までの線素に沿ったスパン方向の全高さをＨとして、無次元翼高さｈ/Ｈを定義する。
[タンジェンシャルリーン]
羽根車の翼断面Ｖの形状を合同に保ったまま、周方向（θ方向）に移動させることであり、羽根車の回転方向に回転移動する場合を、正のタンジェンシャルリーンを付与すると定義する。
図１中では翼断面１０１から翼断面１０２への移動が、タンジェンシャルリーンである。このときの移動量は、円筒座標系（図１（ａ））で表せばδθ（rａd）であり、直交座標系（図１（ｂ））で表せば、縦軸方向の移動量δＹである。
[翼弦]
翼断面Ｖにおいて、前縁２０２と後縁２０３を結ぶ線を翼弦Ｃと定義し、前縁２０２から後縁２０３に向かう方向を正とする。
[スイープ]
翼断面Ｖにおいて、後縁２０３の位置を固定し、翼弦Ｃの方向に翼断面Ｖのそり線を略相似に保ったまま変形させることである。正の翼弦方向に変形させることを正のスイープとする 。
【００１４】
翼断面Ｖの形状、すなわち翼表面の輪郭形状そのものを相似変形させると翼厚ｔｈも変化するので、そり線Ｃのみを略相似に変形させ、翼厚ｔｈは任意に付与できる。なお、変形後の前縁２０２ａは、変形前の翼弦Ｃの線上にある。図１では翼断面１０１から翼断面１０３への相似変形として示している。ここで、後縁２０３を固定したのは、羽根車外径Ｒ２を一定に保って理論ヘッドを大きく変化させないためであり、理論ヘッドを変化させてもよい場合には、必ずしも後縁２０３を一定位置とする必要はない。
【００１５】
このような定義の下、本発明では上記目的を達成するために、ハブ板と、このハブ板の一方の表面側に周方向に間隔をおいて配置した複数の羽根とを有する羽根車において、前記複数の羽根は、前記ハブ板と前記羽根とが直交し直線要素で構成された羽根を有する基準羽根車における各羽根の翼スパン高さ方向の複数の翼断面を曲線要素羽根となるように翼スパン高さ方向に積層して形成された形状を有しており、前記翼断面を羽根車の回転方向に回転移動させることを正のタンジェンシャルリーンを付与するとしたときに、前記翼断面の翼スパン高さ方向の積層においては、この羽根のハブ板側端および反ハブ板側端の少なくとも一方の端面からスパン中間部に向かうにつれ前記翼断面に付与するタンジェンシャルリーンの量を増大させている。
【００１６】
そしてこの羽根車において、前記翼断面を翼弦下流方向に略相似的に変形移動させることを正のスイープを付与するとしたときに、前記翼断面の翼スパン高さ方向の積層においては、この羽根のハブ板側端および反ハブ板側端の少なくとも一方の端面からスパン中間部に向かうにつれ前記翼断面に付与するスイープの量を増大させるのがよく、前記タンジェンシャルリーンの付与量は、ハブ側の付与量がシュラウド側の付与量よりも大きく、かつ付与量の最大値はスパン中央よりもハブ側に近い翼スパン高さにあるのがよい。
【００１７】
また、本発明では、ハブ板と、このハブ板の一方の表面側に周方向に間隔をおいて配置した複数の羽根とを有する羽根車において、前記羽根の負圧面が前記ハブ板面と、または前記羽根の負圧面が反ハブ板側端部でこの羽根と対向する面との少なくともいずれかとなす角度が鈍角としている。
【００１８】
そしてこの羽根車において、子午面内における前記ハブ板面または前記反ハブ板側端部でこの羽根と対向する面の少なくとも一方と前記羽根の前縁の稜線がなす角度を、前記羽根を含む側で鋭角とするのがよい。
【００１９】
さらにまた、本発明では、ハブ板と、このハブ板の一方の表面側に周方向に間隔をおいて配置した複数の羽根とを有する羽根車において、前記複数の羽根の形状は、翼スパン高さ方向に翼断面を積層して形成したものであってその積層の際に翼スパン高さ方向に曲線に沿って積層した曲線要素羽根であり、この羽根車を同一半径で展開した形状における前記羽根の負圧面は、翼スパン中央部よりもハブ板側で羽根車の回転方向に最も先行している。
【００２０】
そして、上記いずれにおいても、前記羽根車が遠心羽根車または斜流羽根車であることが望ましい。
【００２１】
さらに本発明は、ターボ機械が、上記のいずれかに記載した羽根車を少なくとも一つ以上備えるものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、遠心羽根車または斜流羽根車において、羽根車出口の翼断面形状が回転方向に凸でかつシュラウド側をハブ側よりも後ろ側にしたので、翼間流路のコーナー部への低エネルギー流体の蓄積が促進される２次流れを抑制でき、ターボ機械の性能が向上する。また、上記羽根車を曲線要素羽根車とすれば、さらに２次流れを抑制できる形状とすることができ、ターボ機械の性能が向上する。さらにまた、スイープとタンジェンシャルリーンとの組み合わせにより、性能向上に結びつく最適な曲線要素化の方法、すなわち翼断面のスパン方向への積み重ねパターンを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る羽根車を説明するための子午面断面図およびその展開図である。
【図２】本発明に係る羽根車を説明するための斜視図である。
【図３】本発明に係る多段遠心圧縮機の一実施例の縦断面図である。
【図４】従来の遠心羽根車の一例の子午面断面図および斜視図である。
【図５】従来の遠心羽根車の他の例の子午面断面図および斜視図である。
【図６】本発明に係る遠心羽根車の一実施例の子午面断面図および斜視図である。
【図７】タンジェンシャルリーンの付与例を示す図である。
【図８】スイープの付与例を示す図である。
【図９】本発明に係る遠心羽根車の他の実施例の子午面断面図および斜視図である。
【図１０】翼間流れを説明する図であり、羽根車の半径方向断面の周方向展開図である。
【図１１】羽根前縁付け根部の流れを説明する図である。
【図１２】本発明に係る羽根車の一実施例の効率曲線である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明のいくつかの実施例について図面を用いて説明する。はじめに、ターボ機械の一例として、２段の遠心圧縮機について説明する。図３は、２段遠心圧縮機の縦断面図である。ここでは、多段遠心圧縮機３００として２段遠心圧縮機を取り上げたが、本発明は遠心型羽根車または斜流型羽根車を用いた単段または多段のターボ機械に適用でき、特に２段遠心圧縮機に限るものではない。
【００２５】
２段遠心圧縮機３００は、初段３０１と第２段３０２とを備える。初段羽根車３０８および第２段羽根車３１１は、同一の回転軸３０３に取り付けられていて回転体を構成する。回転軸３０３や第１段、第２段羽根車３０８、３１１は圧縮機ケーシング３０６に収容されており、圧縮機ケーシング３０６に保持されたジャーナルベアリング３０４やスラストベアリング３０５により、回転自在に支持されている。
【００２６】
初段羽根車３０８の下流側には、羽根車３０８で圧縮された作動ガスの圧力を回復し半径方向外向きの流れを形成するディフューザ３０９と、ディフューザ３０９で半径方向外向きにされた作動ガスの流れを半径方向内向きにして第２段羽根車３１１に導くリターンガイドベーン３１０とが配置されている。２段羽根車３１１の下流には同様にディフューザ３１２と、２段ディフューザ３１２で圧力上昇した作動ガスをまとめて機外へ送りだすためのコレクタまたはスクロールと呼ばれる回収手段３１３が配置されている。
【００２７】
第１段羽根車３０８は、ハブ板３０８ａと、シュラウド板３０８ｂと、ハブ板３０８ａとシュラウド板３０８ｂとの間に周方向にほぼ等間隔に複数枚配置された羽根３０８ｃとを有している。同様に、第２段羽根車３１１は、ハブ板３１１ａと、シュラウド板３１１ｂと、ハブ板３１１ａとシュラウド板３１１ｂとの間に周方向にほぼ等間隔に複数枚配置された羽根３１１ｃとを有している。各羽根車３０８、３１１の入口側であって、シュラウド板３０８ｂ、３１１ｂ側の外周部にはマウスラビリンスシール３１５が、ハブ板３０８ａ、３１１ａの背面側にはそれぞれステージラビリンスシール３１６とバランスラビリンスシール３１７が配置されている。
【００２８】
吸込ノズル３０７から流入した作動ガスは、初段の羽根車３０８、羽根付きディフューザ３０９、リターンガイドベーン３１０、第２段の羽根車３１１、羽根付きディフューザ３１２の順に通過して、コレクタやスクロールといった回収手段３１３に導かれる。図３にはディフューザとして羽根付きディフューザを示してあるが、ベーンレスディフューザとしてもよい。
【００２９】
図４に、以下の説明の便のために、従来技術である直線要素羽根車４００を示す。図４（ａ）は子午面における羽根４０７のそり面を表している。そり面を構成するハブ側境界線４０１とシュラウド側境界線４０２と、その間に位置する５本の翼断面のそり線４０５が示されている。したがって、図４（ａ）では、合計７個の翼断面が用いられており、羽根車４００の羽根４０７は、この７個の翼断面で特定される。４０３は羽根４２０の前縁であり、４０４は羽根４０７の後縁である。羽根車４００で翼断面を積層するのに、複数の直線線素４０６を用いる。
【００３０】
図４（ｂ）に、羽根車４００を斜視図で示す。羽根４０７の表面は、ハブ側境界４０１からシュラウド側境界４０２に向かう直線要素４０８の集合体として構成される。なお、直線要素を、図４（ａ）では直線要素４０６で、図４（ｂ）では直線要素４０８で示している。図４（ｂ）に示すような直線要素羽根車４００では、翼間に形成される２次流れを緻密に制御することが困難である。
【００３１】
図５に、直線要素羽根車５００の他の従来例を示す。本羽根車５００が図４に示す羽根車４００と異なるのは、羽根５０７の前縁を１本の直線線素で構成するのではなく、隣り合う複数の直線線素５２１ｉ（ｉ＝１、２、…）で形成される面を、子午面形状において入口側に凸になるようにカッティングしたことにある。すなわち、各翼断面における前縁をハブ側からシュラウド側に結んだ稜線５０３を、羽根高さ方向に湾曲させている。本従来例でも、図４に示した従来例の場合と同様に、翼断面５０５を直線要素５０６、５０８に沿って積み上げて羽根５０７を形成している。なお直線要素を、図５（ａ）では直線要素５０６で、図５（ｂ）では直線要素５０８で示している。羽根車５００では、翼前縁５０３付近の流れを若干制御できるが、翼間流路の特性は本質的に図４に示した羽根車４００と変わらないので、２次流れを十分には制御できない。
【００３２】
以下に、上記従来例と対比しながら、本発明のいくつかの実施例を、図６〜図１２を用いて説明する。図６は、本発明に係る曲線要素羽根車の一実施例の図であり、図６（ａ）は曲線要素羽根車６００の子午面（Ｒ−Ｚ面）形状であり、図６（ｂ）はその斜視図である。
【００３３】
図６（ａ）において、曲線要素羽根車６００では、ハブ側境界６０１とシュラウド側境界６０２とで流路６１０が区画される。この流路内６１０に、複数の曲線要素６０６を有する曲線要素羽根６０７が周方向に間隔をおいて配置される。この図６（ａ）では、羽根６０７は翼断面６０５で表されている。曲線要素６０６は、翼断面を積層するガイドとなる。なお曲線要素６０５は、後述するように（図９参照）、子午面投影図では直線要素のように見える場合もあるが、実際の形状では曲線となっている。
【００３４】
図６（ｂ）に示すように、曲線要素羽根車６００では、ハブ板６０９の一方の表面上に複数の羽根６０７が周方向にほぼ等間隔で配置されている。そして、羽根６０７はハブ側境界６０１からシュラウド側境界６０２に向かって、曲線要素６０８に沿って翼断面が積み上げられ、羽根表面は自由曲面となっている。本発明では曲線要素を採用しているので、翼断面の積み上げの自由度が直線要素羽根車に比べて大きい。そのため、羽根表面を自在に傾斜させることができ、流体に与える力の方向、すなわち、翼間２次流れの制御が可能になる。
【００３５】
この翼間流れを制御可能な曲線要素羽根車６００の例を、図７及び図８を用いて説明する。図７は、タンジェンシャルリーンδＹを付与した曲線要素羽根車６００の例である。横軸は翼断面の回転移動量δＹを翼弦Ｃで無次元化した値である。縦軸は無次元翼高さｈ／Ｈを示している。
【００３６】
タンジェンシャルリーンδＹの付与方法としては、対比基準であるハブ面に垂直な直線要素を有する直線要素羽根車に対して、ハブ側の翼断面およびシュラウド側の翼断面からスパン中間部の翼断面に向かう方向に、タンジェンシャルリーンδＹを大きくしている。このようにタンジェンシャルリーンδＹを羽根に付与すると、図６（ｂ）に示すように、回転方向背面側（−方向）に位置する羽根６０７の負圧面は凹面となる。また、スパン方向中央側の翼断面ほど、ハブ側やシュラウド側の翼断面よりも回転方向に先行する（＋方向）形状となる。この時、羽根６０７の負圧面がハブ面やシュラウド面となす角度は鈍角となる。
【００３７】
図７に示すタンジェンシャルリーンδＹの付与プロファイル７０１、７０２は、上記特徴を満足するように選択したもので、いずれも性能改善につながっている。ここで、プロファイル７０１は、タンジェンシャルリーンδＹがハブ面とシュラウド面においてともに０であるから、周方向の翼断面位置が同じであり強度面に優れている。プロファイル７０２は、ハブ側のタンジェンシャルリーンδＹよりもシュラウド側のタンジェンシャルリーンδＹを大きくして、ハブ側の翼断面位置７０６をシュラウド側の翼断面位置７０７よりも回転方向に先行させ、プロファイル７０１よりも性能の向上を図ったものである。
【００３８】
タンジェンシャルリーンδＹを付与したプロファイル７０１、７０２ではともに、タンジェンシャルリーンが最大となる翼高さ方向位置７０５、７０８を、スパン中央よりもややハブ側に位置させている。この理由は、遠心羽根車や斜流羽根車の翼間コア流れの中心がハブ側よりに位置していることが多いことが知られており、この翼間コア流れの中心位置よりも上または下にある、コア流れから外れる部分で翼傾斜を大きくすることが効率向上に結びつくからである。なお、図７の横軸で示したタンジェンシャルリーンδＹは絶対量が重要なのではなく、相対的な位置関係を上述の関係にすることが重要である。
【００３９】
翼間流れを制御可能な曲線要素羽根車６００の他の例を、図８を用いて説明する。図８は、スイープδＭを付与した曲線要素羽根車６００の例である。横軸は翼断面における前縁部の移動変形量δＭを翼弦Ｃで無次元化した値である。縦軸は無次元翼高さｈ／Ｈを示している。本例では、ハブ側の翼断面およびシュラウド側の翼断面から翼スパン中間部の翼断面に向かう方向に、スイープδＭを大きくしている。このようにスイープδＭを羽根に付与すると、図６（ｂ）に示すように、羽根６０７の前縁はスパン方向中央部が流れ方向下流側に向かって窪んだ形状となる。このとき、羽根６０７の前縁の稜線がハブ面やシュラウド面となす角度は、羽根を含む側で測って鋭角となる。
【００４０】
図８には、スイープδＭを付与した３種のプロファイル８０１、８０２、８０３を示している。これら３種のプロファイル８０１〜８０３は、いずれも上記のとおりにスイープδＭが付与されている。スイープδＭを付与したプロファイル８０１では、さらに、ハブ側とシュラウド側の翼断面位置を動かさすに羽根６０７の前縁中央部８０６を窪ませている。このプロファイル８０１は、既存の羽根車の前縁部を追加工するだけで実現できるので、近似した曲線要素羽根車を容易に製作できるという利点がある。
【００４１】
スイープδＭを付与したプロファイル８０２およびプロファイル８０３では、ハブ側スイープδＭをシュラウド側スイープδＭよりも相対的に小さくし、ハブ側の翼断面位置８０７をシュラウド側の翼断面位置８０８よりも上流側にせり出すようにしている。これにより、効率の向上を図っている。なお、プロファイル８０２とプロファイル８０３とでは、スパン中間部のプロファイルを異ならせている。その理由は、以下のとおりである。
【００４２】
プロファイル８０２の最大スイープ位置８０９は、概略スパン中央高さに位置している。これに対して、プロファイル８０３の最大スイープ位置８１０は、スパン中央高さよりもハブ側よりである。プロファイル８０３の最大スイープ位置をこのように設定したのは、上述したように羽根車内の流れではコア流れがハブ側よりに位置しているので、このコア流れの偏りに対応するためである。
【００４３】
羽根６０７へのスイープδＭの付与分布をプロファイル８０２とプロファイル８０３で上記のように異ならせているが、この違いはコア流れが発達する前の羽根６０７の前縁周りにのみ現れるので、タンジェンシャルリーンδＹを付与した場合ほど羽根車６００の形状には顕著な差異はなく、性能面でもほぼ同程度である。この図８でも、横軸のスイープδＭについては、絶対位置が重要なのではなく相対的な位置関係を上記関係とすることが重要である。
【００４４】
図６に示した羽根車６００では、タンジェンシャルリーンδＹとスイープδＭの双方が付与されており、最も高性能が期待される形状である。これに対して、上記タンジェンシャルリーンδＹとスイープδＭのいずれかを付与しても性能向上した羽根車が得られる。図９に、タンジェンシャルリーンδＹのみを付与した羽根車９００の例を示す。
【００４５】
羽根車９００では、ハブ側翼断面９０１とシュラウド側翼断面９０２間に、複数の羽根９０７が周方向にほぼ等間隔で配置されている。羽根前縁９０３から羽根後縁９０４までの間に複数本の曲線要素９０６が選ばれており、この曲線要素９０６に沿って翼断面９０５が積み重ねられている。
【００４６】
本実施例の羽根車９００にはスイープδＭが付与されていないので、図９（ａ）では、曲線要素９０６の子午面投影図が直線になり、直線要素に沿って翼断面９０５を積層したように見える。しかしながら、タンジェンシャルリーンδＹが適用されているので、図９（ｂ）に示すように、羽根９０７の表面は周方向に湾曲し、曲線要素９１０から構成されているのがわかる。このとき、羽根車９００の回転方向の裏側に相当する羽根９０７の負圧面では、ハブ面側の位置がシュラウド面側の位置よりも回転方向に先行（＋方向）しており、かつ最も回転方向に先行する位置は、スパン方向中央部よりもややハブ面側である。
【００４７】
次に、このように構成した本発明に係る曲線要素羽根車内の流れについて、図１０および図１１を用いて説明する。図１０は、タンジェンシャルリーンδＹを付与した効果を説明する図である。タンジェンシャルリーンδＹが付与された羽根車１０００では、隣り合う２枚の羽根１００１間に翼間流路１０１０が形成される。図１０は、羽根車１０００の半径ｒ（ｒは任意）の断面での翼間流路１０１０を示しており、下流側から見た図である。
【００４８】
羽根１００１には翼作用があるため、翼素渦による誘起速度１００６、１００７が発生し、翼回りに循環を形成する。誘起速度１００６、１００７は、圧力面１００１においては紙面奥行き方向を向いており（誘起速度１００６）、負圧面１００２においては紙面手前方向を向いている（誘起速度１００７）。
【００４９】
流れが剥離しやすい負圧面１００５が、ハブ板１００２の表面と交差するコーナー部１００８やシュラウド板１００３の表面と交差するコーナー部１００９において、誘起速度線の密度が低下して、誘起速度１００７は小さくなる。すなわち、コーナー部１００９の流れは減速し、圧力が高くなる。その結果、圧力面から負圧面に向かう２次流れ１０１１が抑制されて低エネルギー流体がコーナー部１００９に集積するのが低減され、２次流れに起因する流動損失を低減することができる。
【００５０】
図１１は、図６（ａ）のＡ部の詳細を示す図であり、スイープδＭの効果を説明する図である。なお、図６（ａ）のＢ部でも同様であるので、ここではＡ部について説明する。羽根車１１００の前縁１１０１、１１０４が、シュラウド１１１０と交差する端部近傍での流入流れの偏向状況を模式的に示している。図１１（ａ）は圧力面側の流れを説明する図であり、図１１（ｂ）は負圧面側の流れを説明する図である。なお、羽根車１１００の前縁が１１０１、１１０４、ハブ面と交差する端部近傍でも、同様の流れが生じている。
【００５１】
羽根１１２０の前縁１１０１、１１０４は、シュラウド側端面１１２１近傍で上流側にせり出すので、羽根１１２０の表面における等圧力線１１０２、１１０５は、下流側に凸に湾曲する。その結果、羽根１１２０の表面近傍に形成される境界層流れ１１０３、１１０６は、下流側に行くにつれシュラウド１１１０の表面から離れるように曲げられる。
【００５２】
図１１（ｂ）には負圧面での流れを示しているので、前縁１１０４へ突入直後は負圧となってコーナー部であるシュラウド側端面１１１２に引き寄せられる。その後圧力面と同様に、コーナー部１１１２から離れる方向に曲げられる。このように、端面１１１２近傍に境界層流れが集積しにくくなる。図８に示したスイープδＭのプロファイルを持つ羽根車において、前縁が上流側に凸となるスイープδＭのプロファイルを与えると、境界層流れは図１１とは逆方向に転向し、剥離を助長して損失を増大させる。
【００５３】
タンジェンシャルリーンδＹは、翼断面を周方向にずらして再積層する概念であるので、羽根の表面形状が前縁から後縁に至るまで変化するのに対して、スイープδＭでは羽根が相似変形するので、前縁から後援までの中間部では表面形状がほとんど変化せず、前縁付近に外見上の変化が生じる。したがって、遠心羽根車や斜流羽根車の２次流れ制御においては、タンジェンシャルリーンδＹの方がスイープδＭよりも重要であり、この優先順位で適用する。したがって、スイープδＭは２次的な作用であり、特に羽根前縁近傍の流れが重要になるような非設計点での性能の改善に有効である。すなわち、入射角が大きくなる非設計点では、前縁失速を起こしやすいが、スイープを適用すれば、失速を抑制しやすくなる。
【００５４】
上記実施例に示したタンジェンシャルリーンδＹとスイープδＭを羽根車の羽根に付与したときに、圧縮機の性能曲線が変化する様子を図１２に示す。この図１２は流量に対する圧縮機の断熱効率を示す図である。横軸および縦軸は、比較基準となる直線要素羽根車の性能指標で無次元化した値である。曲線１２０１は、従来技術で基準となる直線要素羽根車の性能である。曲線１２０２は、図９に示した実施例についての性能曲線である。適切なタンジェンシャルリーンδＹを羽根車の羽根に付与すると、設計点１２０４における断熱効率を改善できることが分かる。
【００５５】
しかしながら、図９に示した実施例の羽根車では、効率改善効果は小流量域〜設計点流量域に限定され、大流量域では羽根車の性能の改善効果がほとんど見られない。一方、効率曲線１２０３は、図６に示した羽根車６００についてのもので、タンジェンシャルリーンδＹとスイープδＭの両方を付与したものである。このように、タンジェンシャルリーンδＹとスイープδＭを適切に付与すれば、幅広い流量範囲において効率を改善することができる。
【００５６】
以上述べたように、曲線要素羽根車においてタンジェンシャルリーンδＹとスイープδＭとを付与することにより、２次流れを抑制し段効率が改善された圧縮機を実現することができる。なお上記実施例では、タンジェンシャルリーンδＹとスイープδＭを羽根車に付与する場合について説明したが、本発明は上記実施例に限るものではない。すなわち、本発明の主旨は、翼断面を積み上げて形成した曲線要素羽根車の形状が、上記いずれかの実施例と同様な形状になればよく、その積み上げ方は必ずしもタンジェンシャルリーンδＹやスイープδＭによる必要はなく、翼弦方向への平行移動や径方向への平行移動、翼弦に垂直な方向への平行移動などの方法を用いることができる。
【００５７】
さらに、上記各実施例で示した形状に示される特徴は、翼全体やスパン方向全体にあるのが最も好ましいが、ハブ側だけあるいはシュラウド側だけのように局所的な部位だけがそのような形状的特徴を有していても、効率改善の効果が得られる。
【符号の説明】
【００５８】
１０１…翼断面、１０２、１０３…翼断面、２０１…翼断面、２０２、２０２ａ…前縁、２０３…後縁、３００…多段遠心圧縮機、３０１…初段、３０２…第２段、３０３…回転軸、３０４…ジャーナルベアリング、３０５…スラストベアリング、３０６…圧縮機ケーシング、３０７…吸込ノズル、３０８…初段羽根車、３０８ａ…ハブ板、３０８ｂ…シュラウド板、３０８ｃ…羽根、３０９…初段ディフューザ、３１０…初段リターンガイドベーン、３１１…第２段羽根車、３１１ａ…ハブ板、３１１ｂ…シュラウド板、３１１ｃ…羽根、３１２…第２段ディフューザ、３１３…回収手段、３１５…マウスラビリンスシール、３１６…ステージラビリンスシール、３１７…バランスラビリンスシール、４００…羽根車、４０１…ハブ側翼断面、４０２…シュラウド側翼断面、４０３…前縁、４０４…後縁、４０５…翼断面、４０６…直線要素、４０７…羽根、４０８…直線要素、５００…羽根車、５０１…ハブ側翼断面、５０２…シュラウド側翼断面、５０３…前縁、５０４…後縁、５０５…翼断面、５０６…直線要素、５０７…羽根、５０８…直線要素、５２１１、５２１２…直線線素、６００…羽根車、６０１…ハブ側翼断面、６０２…シュラウド側翼断面、６０３…前縁、６０４…後縁、６０５…翼断面、６０６…曲線要素、６０７…羽根、６０８…曲線要素、６０９…ハブ板、６１０…流路、７０１、７０２…タンジェンシャルリーン・プロファイル、７０３〜７０８…各点のプロファイル、８０１〜８０３…スイープ・プロファイル、８０４〜８１０…各点のプロファイル、９００…羽根車、９０１…ハブ側翼断面、９０２…シュラウド側翼断面、９０３…前縁、９０４…後縁、９０５…翼断面、９０６…直線要素、９０７…羽根、９０８…曲線要素、１００１…羽根、１００２…ハブ板、１００３…シュラウド板、１００４…圧力面、１００５…負圧面、１００６、１００７…誘起速度、１００８、１００９…コーナー部、１０１０…翼間流路、１０１１…２次流れ、１１０１…前縁、１１０２…等圧力線、１１０３…流線、１１０４…前縁、１１０５…等圧力線、１１０６…流線、１２０１〜１２０３…性能曲線。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブ板と、このハブ板の一方の表面側に周方向に間隔をおいて配置した複数の羽根とを有する羽根車において、
前記複数の羽根は、前記ハブ板と前記羽根とが直交し直線要素で構成された羽根を有する基準羽根車における各羽根の翼スパン高さ方向の複数の翼断面を曲線要素羽根となるように翼スパン高さ方向に積層して形成された形状を有しており、
前記翼断面を羽根車の回転方向に回転移動させることを正のタンジェンシャルリーンを付与するとしたときに、
前記翼断面の翼スパン高さ方向の積層においては、この羽根のハブ板側端および反ハブ板側端の少なくとも一方の端面からスパン中間部に向かうにつれ前記翼断面に付与するタンジェンシャルリーンの量を増大させたことを特徴とする羽根車。
【請求項２】
前記翼断面を翼弦下流方向に略相似的に変形移動させることを正のスイープを付与するとしたときに、前記翼断面の翼スパン高さ方向の積層において、この羽根のハブ板側端および反ハブ板側端の少なくとも一方の端面からスパン中間部に向かうにつれ前記翼断面に付与するスイープの量を増大させたことを特徴とする請求項１に記載の羽根車。
【請求項３】
前記タンジェンシャルリーンの付与量は、ハブ側の付与量がシュラウド側の付与量よりも大きく、かつ付与量の最大値はスパン中央よりもハブ側に近い翼スパン高さにあることを特徴とする請求項１または２に記載の羽根車。
【請求項４】
ハブ板と、このハブ板の一方の表面側に周方向に間隔をおいて配置した複数の羽根とを有する羽根車において、
前記羽根の負圧面が前記ハブ板面と、または前記羽根の負圧面が反ハブ板側端部でこの羽根と対向する面との少なくともいずれかとなす角度が鈍角であることを特徴とする羽根車。
【請求項５】
子午面内における前記ハブ板面または前記反ハブ板側端部でこの羽根と対向する面の少なくとも一方と前記羽根の前縁の稜線がなす角度を、前記羽根を含む側で鋭角としたことを特徴とする請求項４に記載の羽根車。
【請求項６】
ハブ板と、このハブ板の一方の表面側に周方向に間隔をおいて配置した複数の羽根とを有する羽根車において、
前記複数の羽根の形状は、翼スパン高さ方向に翼断面を積層して形成したものであってその積層の際に翼スパン高さ方向に曲線に沿って積層した曲線要素羽根であり、
この羽根車を同一半径で展開した形状における前記羽根の負圧面は、翼スパン中央部よりもハブ板側で羽根車の回転方向に最も先行していることを特徴とする羽根車。
【請求項７】
前記羽根車が、遠心羽根車または斜流羽根車であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の羽根車。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれかに記載した羽根車を少なくとも一つ以上備えることを特徴とするターボ機械。
【請求項１】
ハブ板と、このハブ板の一方の表面側に周方向に間隔をおいて配置した複数の羽根とを有する羽根車において、
前記複数の羽根は、前記ハブ板と前記羽根とが直交し直線要素で構成された羽根を有する基準羽根車における各羽根の翼スパン高さ方向の複数の翼断面を曲線要素羽根となるように翼スパン高さ方向に積層して形成された形状を有しており、
前記翼断面を羽根車の回転方向に回転移動させることを正のタンジェンシャルリーンを付与するとしたときに、
前記翼断面の翼スパン高さ方向の積層においては、この羽根のハブ板側端および反ハブ板側端の少なくとも一方の端面からスパン中間部に向かうにつれ前記翼断面に付与するタンジェンシャルリーンの量を増大させたことを特徴とする羽根車。
【請求項２】
前記翼断面を翼弦下流方向に略相似的に変形移動させることを正のスイープを付与するとしたときに、前記翼断面の翼スパン高さ方向の積層において、この羽根のハブ板側端および反ハブ板側端の少なくとも一方の端面からスパン中間部に向かうにつれ前記翼断面に付与するスイープの量を増大させたことを特徴とする請求項１に記載の羽根車。
【請求項３】
前記タンジェンシャルリーンの付与量は、ハブ側の付与量がシュラウド側の付与量よりも大きく、かつ付与量の最大値はスパン中央よりもハブ側に近い翼スパン高さにあることを特徴とする請求項１または２に記載の羽根車。
【請求項４】
ハブ板と、このハブ板の一方の表面側に周方向に間隔をおいて配置した複数の羽根とを有する羽根車において、
前記羽根の負圧面が前記ハブ板面と、または前記羽根の負圧面が反ハブ板側端部でこの羽根と対向する面との少なくともいずれかとなす角度が鈍角であることを特徴とする羽根車。
【請求項５】
子午面内における前記ハブ板面または前記反ハブ板側端部でこの羽根と対向する面の少なくとも一方と前記羽根の前縁の稜線がなす角度を、前記羽根を含む側で鋭角としたことを特徴とする請求項４に記載の羽根車。
【請求項６】
ハブ板と、このハブ板の一方の表面側に周方向に間隔をおいて配置した複数の羽根とを有する羽根車において、
前記複数の羽根の形状は、翼スパン高さ方向に翼断面を積層して形成したものであってその積層の際に翼スパン高さ方向に曲線に沿って積層した曲線要素羽根であり、
この羽根車を同一半径で展開した形状における前記羽根の負圧面は、翼スパン中央部よりもハブ板側で羽根車の回転方向に最も先行していることを特徴とする羽根車。
【請求項７】
前記羽根車が、遠心羽根車または斜流羽根車であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の羽根車。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれかに記載した羽根車を少なくとも一つ以上備えることを特徴とするターボ機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２１９７７９（Ｐ２０１２−２１９７７９Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８９３３８（Ｐ２０１１−８９３３８）
【出願日】平成２３年４月１３日（２０１１．４．１３）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１３日（２０１１．４．１３）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
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