遠心型ターボ機械
【課題】
遠心ファン、遠心ブロア、遠心圧縮機、遠心ポンプ等の遠心型ターボ機械において、設計点性能の向上と作動範囲の拡大を両立させる。
【解決手段】
遠心型流体機械３００では、同一の回転軸に少なくとも１個以上の羽根車が取り付けられている。羽根車の少なくともいずれかの下流に、羽根付きディフューザを備える。羽根付きディフューザは、同心円板３０９aに周方向に間隔を置いて複数個配置され羽根車のハブ側からシュラウド側に延びる翼３０９cを有する曲線要素３次元ディフューザである。各々の翼は、基準となる翼をハブとシュラウド間の隙間方向である翼高さ方向に積み重ねた形状で形成されている。基準となる翼の前縁と後縁とを結ぶ翼弦方向に垂直な方向であって羽根車の回転方向とは逆の方向に移動させるのを正の移動とするダイヘドラル分布が、ハブ側端部から翼高さの中間部にむけて非一様な分布となっている。
遠心ファン、遠心ブロア、遠心圧縮機、遠心ポンプ等の遠心型ターボ機械において、設計点性能の向上と作動範囲の拡大を両立させる。
【解決手段】
遠心型流体機械３００では、同一の回転軸に少なくとも１個以上の羽根車が取り付けられている。羽根車の少なくともいずれかの下流に、羽根付きディフューザを備える。羽根付きディフューザは、同心円板３０９aに周方向に間隔を置いて複数個配置され羽根車のハブ側からシュラウド側に延びる翼３０９cを有する曲線要素３次元ディフューザである。各々の翼は、基準となる翼をハブとシュラウド間の隙間方向である翼高さ方向に積み重ねた形状で形成されている。基準となる翼の前縁と後縁とを結ぶ翼弦方向に垂直な方向であって羽根車の回転方向とは逆の方向に移動させるのを正の移動とするダイヘドラル分布が、ハブ側端部から翼高さの中間部にむけて非一様な分布となっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は遠心圧縮機や遠心ブロア、遠心ファン、遠心ポンプなどの遠心羽根車を備えた遠心型ターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心型ターボ機械の一種である多段遠心圧縮機では、同一軸に多数の羽根車が取り付けられ、各羽根車の下流側には、ディフューザおよびリターンガイドベーンが併設されている。羽根車およびディフューザ、リターンガイドベーンは、段落を構成する。ここで、ディフューザとしては、ベーンレスディフューザと羽根付きディフューザ、羽根付きディフューザの一種である小弦節比ディフューザ等が、その目的および用途により用いられている。
【０００３】
これらディフューザの中で小弦節比ディフューザは、幾何学的なスロートを有していないので、大流量側の作動範囲であるチョークマージンを拡大できるという特性を有する。それとともに、小流量域においては、２次流れによる翼面上の境界層掃き出し効果により翼面剥離を抑制するので、小流量側の作動範囲であるサージマージンも十分に確保することができるという利点を有している。そのため、小弦節比ディフューザが多用されている。
【０００４】
小弦節比ディフューザに代表される遠心型ターボ機械向け羽根付きディフューザには、同じ翼型を翼の高さ方向に積層した２次元翼が一般的に用いられる。しかしさらなる性能改善の要求から、３次元翼化も試みられており、例えば特許文献１に記載の遠心圧縮機では、ディフューザの翼高さ方向にディフューザ翼断面の食い違い角を徐々に変えて３次元翼とし、非一様分布の流入流れに対して無衝突流入を実現して高効率化と広作動範囲の両立を図っている。
【０００５】
また特許文献２に記載の遠心圧縮機では、ディフューザの前縁部において、翼高さ中央部分を下流方向に湾曲させ、ディフューザ入口径を変更している。これにより、非一様分布の流入流れに対して無衝突流入を実現して、高効率化と広作動範囲の両立を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００９−５０４９７４号公報
【特許文献２】特開２００４−９２４８２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に記載の遠心圧縮機用の翼型ディフューザでは、３次元のディフューザ翼を形成する際に、ディフューザ翼を仮想的に軸方向（ハブ面からシュラウド面に向かう方向）に複数に分割して積み重ねて構成することが記載されている。その際、翼の積み重ね方向がハブ面またはシュラウド面に直角な方向に対してなす角度であるリーン角を、ディフューザ翼のスパンに沿って変化させるバウディフューザ翼についての示唆もなされている。
【０００８】
しかし、曲線要素羽根では選択肢が多く、筆者らの考察では必ずしも十分な改良となるわけではない。つまり、リーン分布を翼に付与する場合、その与え方によっては２次流れが増長され、かえって性能悪化を招くことがあるので、性能向上に結びつく分割した翼の積み重ねパターンの解明が求められている。
【０００９】
また特許文献２に開示された遠心圧縮機では、ディフューザ前縁という局所的な部位にリーンを付与して流入角のマッチングを図っているが、曲線要素ディフューザの構成を採用しておらず、曲線要素ディフューザを採用したときに顕著になるディフューザ翼間流路の２次流れを制御することについての考慮もない。
【００１０】
本発明は上記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は遠心型ターボ機械に用いられる羽根付きディフューザにおいて、曲線要素ディフューザを用いて効率向上を図ったときに翼間の２次流れを効果的に抑制して性能を向上させることにある。本発明の他の目的は、遠心圧縮機に用いられるこのような曲線要素ディフューザにおいて、性能向上に結びつく分割した翼の積み重ねパターンを得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
初めに本明細書で使用するいくつかの用語を、図１、２を参照して、以下のように定義する。図１は翼型の移動を説明するためのディフューザ翼１枚の平面図であり、図２は、羽根付きディフューザの翼１枚を取り出して示した斜視図であり、基準となる翼型をＺ方向に積み重ねる様子を示す図である。座標系は、羽根車の半径方向をＲ、羽根車の回転方向をθ、回転軸の軸方向をＺとする円筒座標系（Ｒ，θ、Ｚ）である。Ｚは、シュラウド１０２側からハブ１０１側に向かう方向を正とする。
【００１２】
翼弦（Ｃ）：ディフューザ翼１０３の基準となる翼型１０４において、前縁２０８と後縁２０９とを結ぶ線。
リーン：ディフューザ翼１０３のハブ１０１面に対する傾き度合いであり、以下に述べるスイープとダイヘドラルの複合とみなせる。
食い違い角（θＳＧ）：翼弦Ｃが半径方向（Ｒ方向）となす角（ｔａｎθＳＧ＝ｄＣ／ｄＲ）。
スイープ（Δσ）：図１中で一点鎖線で表した場合で、ディフューザ翼１０３の翼型１０４を、翼弦Ｃ方向へ平行移動させることで、下流側へ移動させる場合を正とする。
ダイヘドラル（Δδ）：図１中で破線で表した場合で、ディフューザ翼１０３の翼型１０４を、翼弦Ｃに垂直な方向へ移動させることである。羽根車の回転方向とは逆方向へ移動させる場合を、正とする。
【００１３】
翼高さ（ｈ）：ディフューザ翼の高さで、ハブ面側から測った高さである。ハブ面とシュラウド面が軸に垂直な平行壁の場合には、−Ｚ方向の高さになる。ハブ面とシュラウド面の少なくともいずれかが傾斜面であれば、ディフューザ翼のハブ側における前縁と後縁を結ぶ線からの高さとする。ディフューザ翼のハブ側とシュラウド側の前縁を結ぶ線と、ディフューザ翼のハブ側とシュラウド側の後縁を結ぶ線とを基準にして、前縁と後縁の流れ方向中間の点の高さを決定する。翼の全高さは、Ｈで表す。
【００１４】
このような定義を用いて、本発明では上記課題を解決するために、同一の回転軸に、ハブとシュラウドとこれらハブとシュラウド間に周方向に間隔をおいて配置した複数の羽根とからなる少なくとも１個以上の羽根車を取り付け、この少なくとも１個の羽根車の少なくともいずれかの下流に羽根付きディフューザを備えた遠心型ターボ機械において、羽根付きディフューザは、羽根車の下流側に形成される流路に複数の翼を周方向に間隔をおいて配置されて形成されたものであり、各々の翼は、基準となる翼を回転軸の軸方向である翼高さ方向に積み重ねた形状で形成されており、基準となる翼の前縁と後縁とを結ぶ翼弦方向に垂直な方向であって羽根車の回転方向とは逆の方向に移動させるのを正の移動とするダイヘドラル分布を、ハブ壁面側でハブ側端部から翼高さの中間部に向けて非一様としたことを特徴とするものである。
【００１５】
そしてこの特徴において、ディフューザ翼の各々のダイヘドラル分布が、ハブ側端部から翼高さの中間部にむけて増大させる分布とし、ディフューザ翼の各々を、その前縁部であってハブ側端部に仮想的に形成される平面とディフューザ翼の負圧面とが鈍角をなすようにするのが好ましい。
【００１６】
また、ダイヘドラル分布をシュラウド側端部から翼高さの中間部に向けて増大する分布とし、ディフューザ翼の各々を、その前縁部であってシュラウド側端部に仮想的に形成される平面とディフューザ翼の負圧面とが鈍角をなすようにするのが好ましい。
【００１７】
上記特徴において、ディフューザ翼の各々のダイヘドラル分布が、ハブ側端部から翼高さの中間部にむけて減少する分布とし、基準となる翼の翼弦方向に平行な方向であって下流側に移動させるのを正の移動とするスイープ分布を、ハブ側端部から翼高さの中間部にむけて減少させる分布としてもよい。
【００１８】
なお、上記いずれの特徴においても、ディフューザ翼の各々は、少なくともその翼の流れ方向前半部に前記ダイヘドラル分布と前記スイープ分布の少なくともいずれかが適用されているのが望ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、遠心型ターボ機械に用いられる羽根付きディフューザにおいて、曲線要素３次元羽根をディフューザ翼に適用し、スイープ分布とダイヘドラル分布を与えるようにしてディフューザ翼への流れの衝突損失を低減し、さらに翼中間部の流れを制御可能にしたので、翼間の２次流れを効果的に抑制してディフューザ性能および圧縮機性能を向上できる。本発明ではさらに、遠心圧縮機に用いられるこのような曲線要素ディフューザにおいて、性能向上に結びつく分割した翼の積み重ねパターンを得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】羽根付きディフューザにおける傾きを説明する図である。
【図２】羽根付きディフューザが有する翼の３次元化を説明する図である。
【図３】本発明に係る遠心型ターボ機械の一実施例の縦断面図である。
【図４】羽根付きディフューザの分類を説明する図である。
【図５】図３に示した圧縮機が有するディフューザの一実施例のダイヘドラル分布を示す図である。
【図６】図５に示したダイヘドラル分布を有するディフューザの斜視図およびその部分拡大図である。
【図７】図３に示した圧縮機が有するディフューザの他の実施例のダイヘドラル分布を示す図である。
【図８】図７に示したダイヘドラル分布を有するディフューザの斜視図およびその部分拡大図ある。
【図９】図３に示した圧縮機が有するディフューザのさらに他の実施例のダイヘドラル分布とスイープ分布を示す図である。
【図１０】図９に示したダイヘドラル分布とスイープ分布を有するディフューザの斜視図およびその部分拡大図である。
【図１１】本発明に係るディフューザを備えた遠心圧縮機における性能線図の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明のいくつかの実施例を図面を用いて説明する。初めに、図３の縦断面図を用いて、遠心型ターボ機械の一例としての多段遠心圧縮機３００について説明する。本多段遠心圧縮機３００は２段の遠心圧縮機である。なお本発明の対象は単段または多段の遠心型ターボ機械であればよく、特に２段圧縮機に限定するものではない。
【００２２】
図３に示した多段の遠心圧縮機３００は、初段３０１と第２段３０２とからなる２段圧縮機である。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、回転体を構成する。回転軸３０３は、回転軸３０３や羽根車３０８，３１１を収容する圧縮機ケーシング３０６に取り付けら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。
【００２３】
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、このディフューザ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出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。
【００２４】
各段の羽根車３０８、３１１は、心板３０８ａ、３１１ａと側板３０８ｂ、３１１ｂと心板３０８ａ、３１１ａと側板３０８ｂ、３１１ｂとの間に周方向ほぼ等間隔に複数枚配置された羽根３０８c、３１１ｃとを有している。羽根車３０８、３１１の入り口側であって側板３０８ｂ、３１１ｂ側の外周部には吸込みラビリンスシール３１５が、心板３０８ａ、３１１ａの背面側にはシャフトシール３１６、３１７が配置されている。吸込ノズル３０７から流入した作動ガスが、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に漏れることなく導かれる。
【００２５】
このように構成した遠心圧縮機３００に用いるディフューザ３０９、３１２について、以下に詳述する。なお、ディフューザは３０９は、圧縮機ケーシング３０６の一部を構成するダイヤフラムに取り付けられ、流路面が羽根車３０８の流路面とほぼ同じ軸方向位置にあるハブ３０９ａと、このハブ３０９の表面に周方向間隔を置いて立設された複数の翼３０９ｃとを有している。そして、圧縮機ケーシング３０６の一部を構成するインナーケーシングの壁面が、シュラウド面として流路を形成する。説明を省略するが、ディフューザ３１２も同様の構成である。なお、本実施例では、上記構成について説明するが、ディフューザの構成はこれに限るものではなく、ディフューザをダイヤフラムとは別体にする構成等ももちろん、本発明に含まれる。
【００２６】
図４に、以下の説明に用いる羽根付きディフューザ４００を、分類して示す。図４（ａ）は、ディフューザ４００の横断面図である。ハブ板４１０ａ上に、周方向にほぼ等間隔で複数のディフューザ翼４２０ａが立設されている。図示しない羽根車を出た流れが、図で矢印ＦＬのように、内周側から翼４２０ａに沿って流れるように導かれる。このとき図示しない羽根車の回転方向は矢印ＲＮの方向となっている。
【００２７】
ディフューザの形状は、従来から使用されている２次元ディフューザ（図４（ｂ））、リーンを有する直線要素３次元ディフューザ（図４（ｃ））、同じくリーンを有する曲線要素の集合で表される曲線要素３次元ディフューザ（図４（ｄ））に分類される。ここで、各ディフューザ翼４２０ｂ〜４２０ｄは、ハブ板側断面４２１ｂ〜４２１ｄの輪郭とシュラウド側断面４２２ｂ〜４２２ｄの輪郭間を、線素４２３ｂ〜４２３ｄで結んだ形状として表されている。これら各ディフューザ翼４２０ｂ〜４２０ｄへは、羽根車から同一の流れが吐出され、ディフューザ入り口流れ４０２を形成する。
【００２８】
図４（ｂ）に示した直線要素２次元ディフューザ翼４２０ｂは、翼４２０ｂの高さ方向に同一の翼型をまっすぐに積み上げる傾斜していない直線要素４２３ｂからなる２次元ディフューザである。つまり、直線要素４２３ｂは、ハブ板４１０ａに垂直である。このような翼４２０ｂを有するディフューザでは、流入流れ４０２が分布しているときに、翼４２０ｂの前縁のどの高さ方向（ｈ方向）位置でも流れを翼４２０ｂに衝突させないようにすることはできず、高性能化に限界がある。
【００２９】
図４（ｃ）に示した直線要素３次元ディフューザでは、食い違い角（θＳＧ）を変化させてディフューザ翼４２０ｃにひねりを与えている。これにより、羽根車を出た流れがディフューザ翼４２０ｃに衝突することなく流入することが可能になる。つまり、非一様な流れが羽根車から吐出されても、ディフューザ翼４２０ｃの前縁部では流入流れ４０２に応じた翼４２０ｃ形状とすることができる。
【００３０】
この直線要素３次元ディフューザ翼４２０ｃでは、ハブ板側断面４２１ｃの輪郭とシュラウド側断面４２２ｃの輪郭とを結ぶ直線要素４２３ｃは直線であり、翼４２０ｃの高さ方向（ｈ方向）のリーン分布も直線的である。ただし、ハブ面４１０ａに対しては線素４２３ｃは必ずしも垂直ではない。流れが翼４２０ｃ、４２０ｃ間に流入した後は、翼４２０ｃの翼型は基本的な例えばＮＡＣＡ翼等で形成されているので、流れ角に対応した値に変更することができない。そのため、２次元ディフューザよりは効率向上が期待できるが、十分な流れの制御が困難である。
【００３１】
図４（ｄ）に示した曲線要素３次元ディフューザでは、任意の曲線要素４２３ｄに沿って翼型を積み上げている。すなわち、ハブ板側断面４２１ｄの輪郭とシュラウド側断面４２２ｄの輪郭とを結ぶ曲線要素４２３ｄは曲線である。このディフューザでは、リーン角を翼４２０ｄの高さ方向（ｈ方向）に一定ではなく変化させている。そのため、曲線要素３次元ディフューザは、翼４２０ｄの前縁部で単に無衝突流入を実現できるのみでなく、翼４２０ｄの流路面を湾曲させて翼力の作用方向を変えることができる。
【００３２】
したがって、翼４２０ｄ、４２０ｄ間の流路内において流れを制御することが可能となる。そこで、本発明では、図３に示すように、羽根車３０８、３１１の出口の動圧を静圧として回収する羽根付きディフューザ３０９、３１２を、曲線要素３次元ディフューザ化している。
【００３３】
ところで、ディフューザを３次元化するためには種々の方法が考えられるが、上述したダイヘドラルとスイープを用いると、３次元化を系統的に取り扱うことが可能になる。そこで、ダイヘドラルとスイープとを用いて表した曲線要素３次元ディフューザの具体的例を、図５〜図１１を用いて説明する。以下の説明においては、初段のディフューザ３０９を例にとり説明するが、第２段以降のディフューザでも、同様に取り扱える。
【００３４】
図５および図６を用いて、曲線要素３次元ディフューザの一実施例を説明する。ダイヘドラル分布だけを示している。図５は、翼６２０の翼高さ方向（ｈ方向）に対するダイヘドラル分布を示す図で、ダイヘドラル（Δδ）量は翼弦長（Ｃ）で無次元化し、翼高さは全高さＨで無次元化されている。図６は、図５のダイヘドラル分布を有するディフューザ６００の斜視図であり、同図（ａ）は全体斜視図、同図（ｂ）は（ａ）図のＣ部詳細図、同図（ｃ）は（ａ）図のＤ部詳細図図である。ディフューザ板６１０は、羽根車のハブ側に取り付けられる。
【００３５】
図５に示すように本実施例では、ハブ側端面（ｈ＝０）近傍で翼高さ方向にダイヘドラルが増加している（丸囲み５０１参照）。つまり、ディフューザ翼６２０の負圧面６０１は、ハブ面６０３と鈍角を形成している。なお、ディフューザ翼６２０の負圧面は、羽根車の回転方向に対して背面側になる翼面である。
【００３６】
本発明者らの研究によれば、図５に示したダイヘドラル分布においては、丸囲み部５０１すなわちハブ側端面近傍５０１以外の部分では、一般にはダイヘドラル分布やスイープ分布が性能に及ぼす影響は小さかった。したがって、ハブ側端面近傍５０１以外の部分は、翼３０９ｃの加工性や取り扱い性を考慮してダイヘドラル分布およびスイープ分布を設定可能である。
【００３７】
図６（ｂ）に示すように、本実施例のディフューザ６００では、翼高さ方向に翼力成分６０２が生じる。この翼力成分６０２は、ハブ面６０３上の境界層がハブ側負圧面６０１に回りこもうとする２次流れと逆方向であるので、２次流れを押し戻す効果がある。したがって、本実施例によれば、２次流れが抑制されて翼間流れ分布が一様化し、ディフューザ性能が向上する。
【００３８】
本発明の他の実施例を、図７と図８を用いて説明する。これらの図は上記実施例と同様の図であり、図７がダイヘドラル分布図であり、図８は図７に示したダイヘドラル分布を有するディフューザ８００の斜視図である。図８（ａ）はディフューザ８００全体の斜視図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＥ部詳細図、図８（ｃ）は図８（ａ）のＦ部詳細図である。このディフューザ８００でも、ディフューザ板８１０は羽根車のハブ側に取り付けられる。上記実施例とはシュラウド側端面近傍（丸囲み７０２）で、翼高さ方向にダイヘドラルを減少させている点が相違する。
【００３９】
上記実施例ではダイヘドラル分布の影響がハブ面側で大きかったが、シュラウド面側のダイヘドラル分布も、羽根車から流出する流れによってはディフューザへ影響を与えていることが判明した。なお、この場合でも、シュラウド側のダイヘドラル分布は、上記実施例と同様にする必要がある。この具体例を、以下に説明する。
【００４０】
ハブ側端面では、上記実施例と同様に、翼高さ方向（ｈ方向）にダイヘドラル量（Δδ）を増加させている（丸囲み７０１参照）。また本実施例においても、ハブ側端面近傍及びシュラウド側端面近傍の２つの領域を除いた翼高さ方向中央領域のダイヘドラル分布やスイープ分布が性能に与える感度は小さかった。つまり、ハブ側とシュラウド側の両端面近傍においては、ディフューザ翼８２０の負圧面８０１、８０２とハブ端面およびシュラウド端面とのなす角が鈍角となるので、上記実施例と同様な作用効果で２次流れを抑制できる。
【００４１】
なお、羽根車出口流れが比較的一様な場合には図７に示した分布を用いるのがよく、一方、非一様性が強い場合には図５に示した分布を用いるのがよい。これは、羽根車出口流れの一様性の影響をディフューザ翼８２０が受けるためである。すなわち、羽根車出口流れの非一様性が強い場合には、主流が存在するハブ面側の流れを重点的に制御すれば、流れにおけるエネルギーの大きい部位を制御するので流れ全体を効果的に制御できる。
【００４２】
本発明のさらに他の実施例を、図９と図１０を用いて説明する。図９（ａ）はダイヘドラル分布図であり、図９（ｂ）は翼弦長で無次元化したスイープ分布図である。図１０は図９に示した分布を有するディフューザ３０９の斜視図であり、同図（ａ）はディフューザの全体図、同図（ｂ）は図９（ａ）のＧ部詳細図、同図（ｃ）は図９（ａ）のＨ部詳細図である。上記各実施例と同様、ハブ板１０１０は、羽根車のハブ側に取り付けられる。
【００４３】
上記２つの実施例では、ハブ側のダイヘドラル分布が重要であり、しかも翼高さ方向に増加させるのが流れの制御の観点から効果的であったが、翼高さ方向にダイヘドラル分布を減少させる場合でも、スイープと組み合わせることにより、効果を得る場合のあることが判明した。この具体例を、以下に説明する。
【００４４】
図９に示すように、本実施例ではハブ側端面近傍（丸囲み９０１参照）において、翼高さ方向にダイヘドラルを減少させており、さらにスイープは、同じハブ側端面近傍（丸囲み９０２参照）で減少させている。つまり、ダイヘドラルとスイープの複合したリーンであり、曲線要素３次元が用いられたディフューザ１０００になっている。ハブ側端面近傍以外の領域では性能への感度が小さかったので、ダイヘドラルおよびスイープのいずれについても、極端な変化の生じない範囲で任意に定めることができる。
【００４５】
本実施例では、上述各実施例とはハブ側端面におけるダイヘドラルの向きを逆向きにしている。その結果、ハブ板１０１０表面とディフューザ負圧面１００１とのなす角が鋭角となり、図６に示した翼力６０１とは逆向きの翼力が発生する。この逆向きの翼力は、一見２次流れを増長するようであるが、実際は２次流れを抑制するように働く。その理由は以下のとおりである。
【００４６】
本実施例では、ダイヘドラルとスイープを組合せてディフューザ翼１０２０を構成している。ディフューザ翼１０２０がスイープ１００２を有しているので、ディフューザ翼１０２０の前縁１００５とハブ板１０１０の表面との間に切り欠き状の間隙１００３が形成される。この切り欠き状の間隙１００３部において、ディフューザ翼１０２０の圧力面から負圧面へ回りこむ流れが生じ縦渦１００４を発生する。ディフューザ翼１０２０の負圧面とハブ板１０１０表面とで形成される角部では、２次流れを抑制する渦度１００６を生じる。それと共に、周囲流体との攪拌促進や渦中心の負圧効果によりディフューザ翼１０２０での翼面剥離が抑制される。このように、縦渦の作用により２次流れが抑制され、流れ場が一様化され曲線要素３次元ディフューザの性能が向上する。
【００４７】
図１１に、直線要素２次元ディフューザを用いた圧縮機に対して、本実施例に示した曲線要素３次元ディフューザを用いた場合に、圧縮機が性能向上している様子を示す。グラフの横軸は設計点流量Ｑｄｅｓで無次元化した流量Ｑであり、縦軸は二次元ディフューザにおける断熱効率η２ＤＩＭで無次元化した圧縮機段の断熱効率ηと二次元ディフューザにおける圧力係数ψ２ＤＩＭで無次元化した圧力係数ψである。
【００４８】
設計流量においてはもちろんのこと、広い流量範囲において断熱効率ηと圧力係数ψが向上している。また設計点流量（Ｑ＝１．０）から離れるにしたがって、性能向上量が増加しているので、本発明に羽根付きディフューザは非設計点（Ｑ≠１．０）における性能に優れている。すなわち、圧縮機の作動範囲が改善されている。
【００４９】
上記各実施例では、ディフューザ翼がスイープ分布とダイヘドラル分布の少なくともいずれかを有することで、曲線要素３次元ディフューザを実現している。そして、これらのディフューザ翼を傾かせる方法により、ディフューザのハブ壁面近傍とシュラウド壁面近傍での２次流れ、及びディフューザ翼の前縁付近での衝突流れを制御している。その結果、ディフューザの性能を向上できる。なお、上記各実施例で示したスイープ分布およびダイヘドラル分布はあくまで例示的なものであり、性能への感度が小さいとして形状を限定しなかった部位についての両分布についても例示的に示したものに過ぎない。
【００５０】
さらに、各実施例に示された形状の特徴が翼全体にあることが望ましいが、ディフューザ翼の前半部分（上流側）の形状が性能に与える影響が相対的に大きいことから、特にディフューザの流れ方向前半部分においてだけ上述した形状を有していても本発明の効果は得られる。したがって、流れ方向の後半部分には、従来多用される直線要素２次元ディフューザ等を用いることも可能である。
【００５１】
上記各実施例では、ハブ板にディフューザ翼を設けていたが、ハブ板に対向する面側、すなわちシュラウド面側の板にディフューザ翼を設けてよいことは言うまでもない。いずれにしろ組み立てのし易さ等でハブ側かシュラウド側のいずれかに取り付ける。また、多段機のすべてに羽根付きディフューザを設ける必要もなく、少なくとも１段の圧縮機段に羽根付きディフューザを設け、そのディフューザに本発明を適用すれば、本発明の効果は得られる。
【符号の説明】
【００５２】
１０１…ハブ、１０２…シュラウド、１０３…ディフューザ翼、１０４…翼型、１０５…ディフューザ板、２０８…前縁、２０９…後縁、３００…遠心型ターボ機械（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、３０８ｂ…シュラウド、３０８ｃ…羽根、３０９…羽根付きディフューザ、３０９ａ…ハブ、３０９ｃ…翼、３１０…リターンガイドベーン、３１１…第２段羽根車、３１１ａ…ハブ、３１１ｂ…シュラウド、３１１ｃ…羽根、３１２…羽根付きディフューザ、３１３…回収手段（スクロールまたはコレクタ）、３１５…ラビリンスシール、３１６、３１７…シャフトシール、４００…羽根付きディフューザ、４０１…直線要素、４０２…流入流れ、４０３…ハブ側翼断面、４０４…シュラウド側翼断面、４０５…直線要素、４０７…ハブ側翼断面、４０８…シュラウド側翼断面、４０９…曲線要素、４１０…ハブ板、４１１…ハブ側翼断面、４１２…シュラウド側翼断面、４２０ａ〜４２０ｄ…ディフューザ翼、４２１ｂ〜４２１ｄ…ハブ面、４２２ｂ〜４２２ｄ…シュラウド面、４２３ｂ〜４２３ｄ…線素、５０１…ダイヘドラル分布、６００…羽根付きディフューザ、６０１…ハブ側負圧面、６０２…翼力成分、６０３…ハブ面、６１０…ハブ板、６２０…翼、７０１…ダイヘドラル分布、７０２…ダイヘドラル分布、８００…羽根付きディフューザ、８０１…ハブ側負圧面、８０２…シュラウド側負圧面、８１０…ハブ面、８２０…翼、９０１…ダイヘドラル分布、９０２…スイープ分布、１０００…羽根付きディフューザ、１００１…ハブ側負圧面、１００２…スイープ、１００３…切り欠き、１００４…縦渦、１００５…ディフューザ前縁、１００６…渦度、１０１０…ハブ板、１０２０…翼、Ｃ…翼弦、ＦＬ…流入流れ、ｈ…ディフューザ翼高さ、Ｈ…ディフューザ翼全高さ、ＲＮ…羽根車の回転方向、Δδ…ダイヘドラル量、Δσ…スイープ量、Ｑ…流量、Ｑｄｅｓ…設計点流量、η…断熱効率、η２ＤＩＭ…二次元翼ディフューザの効率、ψ…圧力係数、ψ２ＤＩＭ…二次元翼ディフューザの圧力係数。
【技術分野】
【０００１】
本発明は遠心圧縮機や遠心ブロア、遠心ファン、遠心ポンプなどの遠心羽根車を備えた遠心型ターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心型ターボ機械の一種である多段遠心圧縮機では、同一軸に多数の羽根車が取り付けられ、各羽根車の下流側には、ディフューザおよびリターンガイドベーンが併設されている。羽根車およびディフューザ、リターンガイドベーンは、段落を構成する。ここで、ディフューザとしては、ベーンレスディフューザと羽根付きディフューザ、羽根付きディフューザの一種である小弦節比ディフューザ等が、その目的および用途により用いられている。
【０００３】
これらディフューザの中で小弦節比ディフューザは、幾何学的なスロートを有していないので、大流量側の作動範囲であるチョークマージンを拡大できるという特性を有する。それとともに、小流量域においては、２次流れによる翼面上の境界層掃き出し効果により翼面剥離を抑制するので、小流量側の作動範囲であるサージマージンも十分に確保することができるという利点を有している。そのため、小弦節比ディフューザが多用されている。
【０００４】
小弦節比ディフューザに代表される遠心型ターボ機械向け羽根付きディフューザには、同じ翼型を翼の高さ方向に積層した２次元翼が一般的に用いられる。しかしさらなる性能改善の要求から、３次元翼化も試みられており、例えば特許文献１に記載の遠心圧縮機では、ディフューザの翼高さ方向にディフューザ翼断面の食い違い角を徐々に変えて３次元翼とし、非一様分布の流入流れに対して無衝突流入を実現して高効率化と広作動範囲の両立を図っている。
【０００５】
また特許文献２に記載の遠心圧縮機では、ディフューザの前縁部において、翼高さ中央部分を下流方向に湾曲させ、ディフューザ入口径を変更している。これにより、非一様分布の流入流れに対して無衝突流入を実現して、高効率化と広作動範囲の両立を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００９−５０４９７４号公報
【特許文献２】特開２００４−９２４８２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に記載の遠心圧縮機用の翼型ディフューザでは、３次元のディフューザ翼を形成する際に、ディフューザ翼を仮想的に軸方向（ハブ面からシュラウド面に向かう方向）に複数に分割して積み重ねて構成することが記載されている。その際、翼の積み重ね方向がハブ面またはシュラウド面に直角な方向に対してなす角度であるリーン角を、ディフューザ翼のスパンに沿って変化させるバウディフューザ翼についての示唆もなされている。
【０００８】
しかし、曲線要素羽根では選択肢が多く、筆者らの考察では必ずしも十分な改良となるわけではない。つまり、リーン分布を翼に付与する場合、その与え方によっては２次流れが増長され、かえって性能悪化を招くことがあるので、性能向上に結びつく分割した翼の積み重ねパターンの解明が求められている。
【０００９】
また特許文献２に開示された遠心圧縮機では、ディフューザ前縁という局所的な部位にリーンを付与して流入角のマッチングを図っているが、曲線要素ディフューザの構成を採用しておらず、曲線要素ディフューザを採用したときに顕著になるディフューザ翼間流路の２次流れを制御することについての考慮もない。
【００１０】
本発明は上記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は遠心型ターボ機械に用いられる羽根付きディフューザにおいて、曲線要素ディフューザを用いて効率向上を図ったときに翼間の２次流れを効果的に抑制して性能を向上させることにある。本発明の他の目的は、遠心圧縮機に用いられるこのような曲線要素ディフューザにおいて、性能向上に結びつく分割した翼の積み重ねパターンを得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
初めに本明細書で使用するいくつかの用語を、図１、２を参照して、以下のように定義する。図１は翼型の移動を説明するためのディフューザ翼１枚の平面図であり、図２は、羽根付きディフューザの翼１枚を取り出して示した斜視図であり、基準となる翼型をＺ方向に積み重ねる様子を示す図である。座標系は、羽根車の半径方向をＲ、羽根車の回転方向をθ、回転軸の軸方向をＺとする円筒座標系（Ｒ，θ、Ｚ）である。Ｚは、シュラウド１０２側からハブ１０１側に向かう方向を正とする。
【００１２】
翼弦（Ｃ）：ディフューザ翼１０３の基準となる翼型１０４において、前縁２０８と後縁２０９とを結ぶ線。
リーン：ディフューザ翼１０３のハブ１０１面に対する傾き度合いであり、以下に述べるスイープとダイヘドラルの複合とみなせる。
食い違い角（θＳＧ）：翼弦Ｃが半径方向（Ｒ方向）となす角（ｔａｎθＳＧ＝ｄＣ／ｄＲ）。
スイープ（Δσ）：図１中で一点鎖線で表した場合で、ディフューザ翼１０３の翼型１０４を、翼弦Ｃ方向へ平行移動させることで、下流側へ移動させる場合を正とする。
ダイヘドラル（Δδ）：図１中で破線で表した場合で、ディフューザ翼１０３の翼型１０４を、翼弦Ｃに垂直な方向へ移動させることである。羽根車の回転方向とは逆方向へ移動させる場合を、正とする。
【００１３】
翼高さ（ｈ）：ディフューザ翼の高さで、ハブ面側から測った高さである。ハブ面とシュラウド面が軸に垂直な平行壁の場合には、−Ｚ方向の高さになる。ハブ面とシュラウド面の少なくともいずれかが傾斜面であれば、ディフューザ翼のハブ側における前縁と後縁を結ぶ線からの高さとする。ディフューザ翼のハブ側とシュラウド側の前縁を結ぶ線と、ディフューザ翼のハブ側とシュラウド側の後縁を結ぶ線とを基準にして、前縁と後縁の流れ方向中間の点の高さを決定する。翼の全高さは、Ｈで表す。
【００１４】
このような定義を用いて、本発明では上記課題を解決するために、同一の回転軸に、ハブとシュラウドとこれらハブとシュラウド間に周方向に間隔をおいて配置した複数の羽根とからなる少なくとも１個以上の羽根車を取り付け、この少なくとも１個の羽根車の少なくともいずれかの下流に羽根付きディフューザを備えた遠心型ターボ機械において、羽根付きディフューザは、羽根車の下流側に形成される流路に複数の翼を周方向に間隔をおいて配置されて形成されたものであり、各々の翼は、基準となる翼を回転軸の軸方向である翼高さ方向に積み重ねた形状で形成されており、基準となる翼の前縁と後縁とを結ぶ翼弦方向に垂直な方向であって羽根車の回転方向とは逆の方向に移動させるのを正の移動とするダイヘドラル分布を、ハブ壁面側でハブ側端部から翼高さの中間部に向けて非一様としたことを特徴とするものである。
【００１５】
そしてこの特徴において、ディフューザ翼の各々のダイヘドラル分布が、ハブ側端部から翼高さの中間部にむけて増大させる分布とし、ディフューザ翼の各々を、その前縁部であってハブ側端部に仮想的に形成される平面とディフューザ翼の負圧面とが鈍角をなすようにするのが好ましい。
【００１６】
また、ダイヘドラル分布をシュラウド側端部から翼高さの中間部に向けて増大する分布とし、ディフューザ翼の各々を、その前縁部であってシュラウド側端部に仮想的に形成される平面とディフューザ翼の負圧面とが鈍角をなすようにするのが好ましい。
【００１７】
上記特徴において、ディフューザ翼の各々のダイヘドラル分布が、ハブ側端部から翼高さの中間部にむけて減少する分布とし、基準となる翼の翼弦方向に平行な方向であって下流側に移動させるのを正の移動とするスイープ分布を、ハブ側端部から翼高さの中間部にむけて減少させる分布としてもよい。
【００１８】
なお、上記いずれの特徴においても、ディフューザ翼の各々は、少なくともその翼の流れ方向前半部に前記ダイヘドラル分布と前記スイープ分布の少なくともいずれかが適用されているのが望ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、遠心型ターボ機械に用いられる羽根付きディフューザにおいて、曲線要素３次元羽根をディフューザ翼に適用し、スイープ分布とダイヘドラル分布を与えるようにしてディフューザ翼への流れの衝突損失を低減し、さらに翼中間部の流れを制御可能にしたので、翼間の２次流れを効果的に抑制してディフューザ性能および圧縮機性能を向上できる。本発明ではさらに、遠心圧縮機に用いられるこのような曲線要素ディフューザにおいて、性能向上に結びつく分割した翼の積み重ねパターンを得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】羽根付きディフューザにおける傾きを説明する図である。
【図２】羽根付きディフューザが有する翼の３次元化を説明する図である。
【図３】本発明に係る遠心型ターボ機械の一実施例の縦断面図である。
【図４】羽根付きディフューザの分類を説明する図である。
【図５】図３に示した圧縮機が有するディフューザの一実施例のダイヘドラル分布を示す図である。
【図６】図５に示したダイヘドラル分布を有するディフューザの斜視図およびその部分拡大図である。
【図７】図３に示した圧縮機が有するディフューザの他の実施例のダイヘドラル分布を示す図である。
【図８】図７に示したダイヘドラル分布を有するディフューザの斜視図およびその部分拡大図ある。
【図９】図３に示した圧縮機が有するディフューザのさらに他の実施例のダイヘドラル分布とスイープ分布を示す図である。
【図１０】図９に示したダイヘドラル分布とスイープ分布を有するディフューザの斜視図およびその部分拡大図である。
【図１１】本発明に係るディフューザを備えた遠心圧縮機における性能線図の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明のいくつかの実施例を図面を用いて説明する。初めに、図３の縦断面図を用いて、遠心型ターボ機械の一例としての多段遠心圧縮機３００について説明する。本多段遠心圧縮機３００は２段の遠心圧縮機である。なお本発明の対象は単段または多段の遠心型ターボ機械であればよく、特に２段圧縮機に限定するものではない。
【００２２】
図３に示した多段の遠心圧縮機３００は、初段３０１と第２段３０２とからなる２段圧縮機である。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、回転体を構成する。回転軸３０３は、回転軸３０３や羽根車３０８，３１１を収容する圧縮機ケーシング３０６に取り付けら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。
【００２３】
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、このディフューザ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出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。
【００２４】
各段の羽根車３０８、３１１は、心板３０８ａ、３１１ａと側板３０８ｂ、３１１ｂと心板３０８ａ、３１１ａと側板３０８ｂ、３１１ｂとの間に周方向ほぼ等間隔に複数枚配置された羽根３０８c、３１１ｃとを有している。羽根車３０８、３１１の入り口側であって側板３０８ｂ、３１１ｂ側の外周部には吸込みラビリンスシール３１５が、心板３０８ａ、３１１ａの背面側にはシャフトシール３１６、３１７が配置されている。吸込ノズル３０７から流入した作動ガスが、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に漏れることなく導かれる。
【００２５】
このように構成した遠心圧縮機３００に用いるディフューザ３０９、３１２について、以下に詳述する。なお、ディフューザは３０９は、圧縮機ケーシング３０６の一部を構成するダイヤフラムに取り付けられ、流路面が羽根車３０８の流路面とほぼ同じ軸方向位置にあるハブ３０９ａと、このハブ３０９の表面に周方向間隔を置いて立設された複数の翼３０９ｃとを有している。そして、圧縮機ケーシング３０６の一部を構成するインナーケーシングの壁面が、シュラウド面として流路を形成する。説明を省略するが、ディフューザ３１２も同様の構成である。なお、本実施例では、上記構成について説明するが、ディフューザの構成はこれに限るものではなく、ディフューザをダイヤフラムとは別体にする構成等ももちろん、本発明に含まれる。
【００２６】
図４に、以下の説明に用いる羽根付きディフューザ４００を、分類して示す。図４（ａ）は、ディフューザ４００の横断面図である。ハブ板４１０ａ上に、周方向にほぼ等間隔で複数のディフューザ翼４２０ａが立設されている。図示しない羽根車を出た流れが、図で矢印ＦＬのように、内周側から翼４２０ａに沿って流れるように導かれる。このとき図示しない羽根車の回転方向は矢印ＲＮの方向となっている。
【００２７】
ディフューザの形状は、従来から使用されている２次元ディフューザ（図４（ｂ））、リーンを有する直線要素３次元ディフューザ（図４（ｃ））、同じくリーンを有する曲線要素の集合で表される曲線要素３次元ディフューザ（図４（ｄ））に分類される。ここで、各ディフューザ翼４２０ｂ〜４２０ｄは、ハブ板側断面４２１ｂ〜４２１ｄの輪郭とシュラウド側断面４２２ｂ〜４２２ｄの輪郭間を、線素４２３ｂ〜４２３ｄで結んだ形状として表されている。これら各ディフューザ翼４２０ｂ〜４２０ｄへは、羽根車から同一の流れが吐出され、ディフューザ入り口流れ４０２を形成する。
【００２８】
図４（ｂ）に示した直線要素２次元ディフューザ翼４２０ｂは、翼４２０ｂの高さ方向に同一の翼型をまっすぐに積み上げる傾斜していない直線要素４２３ｂからなる２次元ディフューザである。つまり、直線要素４２３ｂは、ハブ板４１０ａに垂直である。このような翼４２０ｂを有するディフューザでは、流入流れ４０２が分布しているときに、翼４２０ｂの前縁のどの高さ方向（ｈ方向）位置でも流れを翼４２０ｂに衝突させないようにすることはできず、高性能化に限界がある。
【００２９】
図４（ｃ）に示した直線要素３次元ディフューザでは、食い違い角（θＳＧ）を変化させてディフューザ翼４２０ｃにひねりを与えている。これにより、羽根車を出た流れがディフューザ翼４２０ｃに衝突することなく流入することが可能になる。つまり、非一様な流れが羽根車から吐出されても、ディフューザ翼４２０ｃの前縁部では流入流れ４０２に応じた翼４２０ｃ形状とすることができる。
【００３０】
この直線要素３次元ディフューザ翼４２０ｃでは、ハブ板側断面４２１ｃの輪郭とシュラウド側断面４２２ｃの輪郭とを結ぶ直線要素４２３ｃは直線であり、翼４２０ｃの高さ方向（ｈ方向）のリーン分布も直線的である。ただし、ハブ面４１０ａに対しては線素４２３ｃは必ずしも垂直ではない。流れが翼４２０ｃ、４２０ｃ間に流入した後は、翼４２０ｃの翼型は基本的な例えばＮＡＣＡ翼等で形成されているので、流れ角に対応した値に変更することができない。そのため、２次元ディフューザよりは効率向上が期待できるが、十分な流れの制御が困難である。
【００３１】
図４（ｄ）に示した曲線要素３次元ディフューザでは、任意の曲線要素４２３ｄに沿って翼型を積み上げている。すなわち、ハブ板側断面４２１ｄの輪郭とシュラウド側断面４２２ｄの輪郭とを結ぶ曲線要素４２３ｄは曲線である。このディフューザでは、リーン角を翼４２０ｄの高さ方向（ｈ方向）に一定ではなく変化させている。そのため、曲線要素３次元ディフューザは、翼４２０ｄの前縁部で単に無衝突流入を実現できるのみでなく、翼４２０ｄの流路面を湾曲させて翼力の作用方向を変えることができる。
【００３２】
したがって、翼４２０ｄ、４２０ｄ間の流路内において流れを制御することが可能となる。そこで、本発明では、図３に示すように、羽根車３０８、３１１の出口の動圧を静圧として回収する羽根付きディフューザ３０９、３１２を、曲線要素３次元ディフューザ化している。
【００３３】
ところで、ディフューザを３次元化するためには種々の方法が考えられるが、上述したダイヘドラルとスイープを用いると、３次元化を系統的に取り扱うことが可能になる。そこで、ダイヘドラルとスイープとを用いて表した曲線要素３次元ディフューザの具体的例を、図５〜図１１を用いて説明する。以下の説明においては、初段のディフューザ３０９を例にとり説明するが、第２段以降のディフューザでも、同様に取り扱える。
【００３４】
図５および図６を用いて、曲線要素３次元ディフューザの一実施例を説明する。ダイヘドラル分布だけを示している。図５は、翼６２０の翼高さ方向（ｈ方向）に対するダイヘドラル分布を示す図で、ダイヘドラル（Δδ）量は翼弦長（Ｃ）で無次元化し、翼高さは全高さＨで無次元化されている。図６は、図５のダイヘドラル分布を有するディフューザ６００の斜視図であり、同図（ａ）は全体斜視図、同図（ｂ）は（ａ）図のＣ部詳細図、同図（ｃ）は（ａ）図のＤ部詳細図図である。ディフューザ板６１０は、羽根車のハブ側に取り付けられる。
【００３５】
図５に示すように本実施例では、ハブ側端面（ｈ＝０）近傍で翼高さ方向にダイヘドラルが増加している（丸囲み５０１参照）。つまり、ディフューザ翼６２０の負圧面６０１は、ハブ面６０３と鈍角を形成している。なお、ディフューザ翼６２０の負圧面は、羽根車の回転方向に対して背面側になる翼面である。
【００３６】
本発明者らの研究によれば、図５に示したダイヘドラル分布においては、丸囲み部５０１すなわちハブ側端面近傍５０１以外の部分では、一般にはダイヘドラル分布やスイープ分布が性能に及ぼす影響は小さかった。したがって、ハブ側端面近傍５０１以外の部分は、翼３０９ｃの加工性や取り扱い性を考慮してダイヘドラル分布およびスイープ分布を設定可能である。
【００３７】
図６（ｂ）に示すように、本実施例のディフューザ６００では、翼高さ方向に翼力成分６０２が生じる。この翼力成分６０２は、ハブ面６０３上の境界層がハブ側負圧面６０１に回りこもうとする２次流れと逆方向であるので、２次流れを押し戻す効果がある。したがって、本実施例によれば、２次流れが抑制されて翼間流れ分布が一様化し、ディフューザ性能が向上する。
【００３８】
本発明の他の実施例を、図７と図８を用いて説明する。これらの図は上記実施例と同様の図であり、図７がダイヘドラル分布図であり、図８は図７に示したダイヘドラル分布を有するディフューザ８００の斜視図である。図８（ａ）はディフューザ８００全体の斜視図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＥ部詳細図、図８（ｃ）は図８（ａ）のＦ部詳細図である。このディフューザ８００でも、ディフューザ板８１０は羽根車のハブ側に取り付けられる。上記実施例とはシュラウド側端面近傍（丸囲み７０２）で、翼高さ方向にダイヘドラルを減少させている点が相違する。
【００３９】
上記実施例ではダイヘドラル分布の影響がハブ面側で大きかったが、シュラウド面側のダイヘドラル分布も、羽根車から流出する流れによってはディフューザへ影響を与えていることが判明した。なお、この場合でも、シュラウド側のダイヘドラル分布は、上記実施例と同様にする必要がある。この具体例を、以下に説明する。
【００４０】
ハブ側端面では、上記実施例と同様に、翼高さ方向（ｈ方向）にダイヘドラル量（Δδ）を増加させている（丸囲み７０１参照）。また本実施例においても、ハブ側端面近傍及びシュラウド側端面近傍の２つの領域を除いた翼高さ方向中央領域のダイヘドラル分布やスイープ分布が性能に与える感度は小さかった。つまり、ハブ側とシュラウド側の両端面近傍においては、ディフューザ翼８２０の負圧面８０１、８０２とハブ端面およびシュラウド端面とのなす角が鈍角となるので、上記実施例と同様な作用効果で２次流れを抑制できる。
【００４１】
なお、羽根車出口流れが比較的一様な場合には図７に示した分布を用いるのがよく、一方、非一様性が強い場合には図５に示した分布を用いるのがよい。これは、羽根車出口流れの一様性の影響をディフューザ翼８２０が受けるためである。すなわち、羽根車出口流れの非一様性が強い場合には、主流が存在するハブ面側の流れを重点的に制御すれば、流れにおけるエネルギーの大きい部位を制御するので流れ全体を効果的に制御できる。
【００４２】
本発明のさらに他の実施例を、図９と図１０を用いて説明する。図９（ａ）はダイヘドラル分布図であり、図９（ｂ）は翼弦長で無次元化したスイープ分布図である。図１０は図９に示した分布を有するディフューザ３０９の斜視図であり、同図（ａ）はディフューザの全体図、同図（ｂ）は図９（ａ）のＧ部詳細図、同図（ｃ）は図９（ａ）のＨ部詳細図である。上記各実施例と同様、ハブ板１０１０は、羽根車のハブ側に取り付けられる。
【００４３】
上記２つの実施例では、ハブ側のダイヘドラル分布が重要であり、しかも翼高さ方向に増加させるのが流れの制御の観点から効果的であったが、翼高さ方向にダイヘドラル分布を減少させる場合でも、スイープと組み合わせることにより、効果を得る場合のあることが判明した。この具体例を、以下に説明する。
【００４４】
図９に示すように、本実施例ではハブ側端面近傍（丸囲み９０１参照）において、翼高さ方向にダイヘドラルを減少させており、さらにスイープは、同じハブ側端面近傍（丸囲み９０２参照）で減少させている。つまり、ダイヘドラルとスイープの複合したリーンであり、曲線要素３次元が用いられたディフューザ１０００になっている。ハブ側端面近傍以外の領域では性能への感度が小さかったので、ダイヘドラルおよびスイープのいずれについても、極端な変化の生じない範囲で任意に定めることができる。
【００４５】
本実施例では、上述各実施例とはハブ側端面におけるダイヘドラルの向きを逆向きにしている。その結果、ハブ板１０１０表面とディフューザ負圧面１００１とのなす角が鋭角となり、図６に示した翼力６０１とは逆向きの翼力が発生する。この逆向きの翼力は、一見２次流れを増長するようであるが、実際は２次流れを抑制するように働く。その理由は以下のとおりである。
【００４６】
本実施例では、ダイヘドラルとスイープを組合せてディフューザ翼１０２０を構成している。ディフューザ翼１０２０がスイープ１００２を有しているので、ディフューザ翼１０２０の前縁１００５とハブ板１０１０の表面との間に切り欠き状の間隙１００３が形成される。この切り欠き状の間隙１００３部において、ディフューザ翼１０２０の圧力面から負圧面へ回りこむ流れが生じ縦渦１００４を発生する。ディフューザ翼１０２０の負圧面とハブ板１０１０表面とで形成される角部では、２次流れを抑制する渦度１００６を生じる。それと共に、周囲流体との攪拌促進や渦中心の負圧効果によりディフューザ翼１０２０での翼面剥離が抑制される。このように、縦渦の作用により２次流れが抑制され、流れ場が一様化され曲線要素３次元ディフューザの性能が向上する。
【００４７】
図１１に、直線要素２次元ディフューザを用いた圧縮機に対して、本実施例に示した曲線要素３次元ディフューザを用いた場合に、圧縮機が性能向上している様子を示す。グラフの横軸は設計点流量Ｑｄｅｓで無次元化した流量Ｑであり、縦軸は二次元ディフューザにおける断熱効率η２ＤＩＭで無次元化した圧縮機段の断熱効率ηと二次元ディフューザにおける圧力係数ψ２ＤＩＭで無次元化した圧力係数ψである。
【００４８】
設計流量においてはもちろんのこと、広い流量範囲において断熱効率ηと圧力係数ψが向上している。また設計点流量（Ｑ＝１．０）から離れるにしたがって、性能向上量が増加しているので、本発明に羽根付きディフューザは非設計点（Ｑ≠１．０）における性能に優れている。すなわち、圧縮機の作動範囲が改善されている。
【００４９】
上記各実施例では、ディフューザ翼がスイープ分布とダイヘドラル分布の少なくともいずれかを有することで、曲線要素３次元ディフューザを実現している。そして、これらのディフューザ翼を傾かせる方法により、ディフューザのハブ壁面近傍とシュラウド壁面近傍での２次流れ、及びディフューザ翼の前縁付近での衝突流れを制御している。その結果、ディフューザの性能を向上できる。なお、上記各実施例で示したスイープ分布およびダイヘドラル分布はあくまで例示的なものであり、性能への感度が小さいとして形状を限定しなかった部位についての両分布についても例示的に示したものに過ぎない。
【００５０】
さらに、各実施例に示された形状の特徴が翼全体にあることが望ましいが、ディフューザ翼の前半部分（上流側）の形状が性能に与える影響が相対的に大きいことから、特にディフューザの流れ方向前半部分においてだけ上述した形状を有していても本発明の効果は得られる。したがって、流れ方向の後半部分には、従来多用される直線要素２次元ディフューザ等を用いることも可能である。
【００５１】
上記各実施例では、ハブ板にディフューザ翼を設けていたが、ハブ板に対向する面側、すなわちシュラウド面側の板にディフューザ翼を設けてよいことは言うまでもない。いずれにしろ組み立てのし易さ等でハブ側かシュラウド側のいずれかに取り付ける。また、多段機のすべてに羽根付きディフューザを設ける必要もなく、少なくとも１段の圧縮機段に羽根付きディフューザを設け、そのディフューザに本発明を適用すれば、本発明の効果は得られる。
【符号の説明】
【００５２】
１０１…ハブ、１０２…シュラウド、１０３…ディフューザ翼、１０４…翼型、１０５…ディフューザ板、２０８…前縁、２０９…後縁、３００…遠心型ターボ機械（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、３０８ｂ…シュラウド、３０８ｃ…羽根、３０９…羽根付きディフューザ、３０９ａ…ハブ、３０９ｃ…翼、３１０…リターンガイドベーン、３１１…第２段羽根車、３１１ａ…ハブ、３１１ｂ…シュラウド、３１１ｃ…羽根、３１２…羽根付きディフューザ、３１３…回収手段（スクロールまたはコレクタ）、３１５…ラビリンスシール、３１６、３１７…シャフトシール、４００…羽根付きディフューザ、４０１…直線要素、４０２…流入流れ、４０３…ハブ側翼断面、４０４…シュラウド側翼断面、４０５…直線要素、４０７…ハブ側翼断面、４０８…シュラウド側翼断面、４０９…曲線要素、４１０…ハブ板、４１１…ハブ側翼断面、４１２…シュラウド側翼断面、４２０ａ〜４２０ｄ…ディフューザ翼、４２１ｂ〜４２１ｄ…ハブ面、４２２ｂ〜４２２ｄ…シュラウド面、４２３ｂ〜４２３ｄ…線素、５０１…ダイヘドラル分布、６００…羽根付きディフューザ、６０１…ハブ側負圧面、６０２…翼力成分、６０３…ハブ面、６１０…ハブ板、６２０…翼、７０１…ダイヘドラル分布、７０２…ダイヘドラル分布、８００…羽根付きディフューザ、８０１…ハブ側負圧面、８０２…シュラウド側負圧面、８１０…ハブ面、８２０…翼、９０１…ダイヘドラル分布、９０２…スイープ分布、１０００…羽根付きディフューザ、１００１…ハブ側負圧面、１００２…スイープ、１００３…切り欠き、１００４…縦渦、１００５…ディフューザ前縁、１００６…渦度、１０１０…ハブ板、１０２０…翼、Ｃ…翼弦、ＦＬ…流入流れ、ｈ…ディフューザ翼高さ、Ｈ…ディフューザ翼全高さ、ＲＮ…羽根車の回転方向、Δδ…ダイヘドラル量、Δσ…スイープ量、Ｑ…流量、Ｑｄｅｓ…設計点流量、η…断熱効率、η２ＤＩＭ…二次元翼ディフューザの効率、ψ…圧力係数、ψ２ＤＩＭ…二次元翼ディフューザの圧力係数。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の回転軸に、ハブとシュラウドとこれらハブとシュラウド間に周方向に間隔をおいて配置した複数の羽根とからなる少なくとも１個以上の羽根車を取り付け、この少なくとも１個の羽根車の少なくともいずれかの下流に羽根付きディフューザを備えた遠心型ターボ機械において、
前記羽根付きディフューザは、前記羽根車の下流側に形成される流路に複数の翼を周方向に間隔をおいて配置されたものであり、各々の前記翼は、基準となる翼を前記回転軸の軸方向である翼高さ方向に積み重ねた形状で形成されており、基準となる翼の前縁と後縁とを結ぶ翼弦方向に垂直な方向であって羽根車の回転方向とは逆の方向に移動させるのを正の移動とするダイヘドラル分布を、ハブ壁面側でハブ側端部から翼高さの中間部に向けて非一様としたことを特徴とする遠心型ターボ機械。
【請求項２】
前記ディフューザ翼の各々のダイヘドラル分布が、ハブ側端部から翼高さの中間部にむけて増大させる分布としたことを特徴とする請求項１に記載の遠心型ターボ機械。
【請求項３】
前記ディフューザ翼の各々は、その前縁部であってハブ側端部に仮想的に形成される平面とディフューザ翼の負圧面とが鈍角をなすことを特徴とする請求項２に記載の遠心型ターボ機械。
【請求項４】
前記ダイヘドラル分布が、シュラウド側端部から翼高さの中間部に向けておよびハブ側端部から翼高さの中間部に向けて増大する分布であることを特徴とする請求項３に記載の遠心型ターボ機械。
【請求項５】
前記ディフューザ翼の各々においては、その前縁部であってシュラウド側端部に仮想的に形成される平面とディフューザ翼の負圧面がなす角度およびハブ板とディフューザ翼の負圧面とがなす角度が鈍角であることを特徴とする請求項４に記載の遠心型ターボ機械。
【請求項６】
前記ディフューザ翼の各々のダイヘドラル分布が、ハブ側端部から翼高さの中間部にむけて減少する分布とし、前記基準となる翼の翼弦方向に平行な方向であって下流側に移動させるのを正の移動とするスイープ分布を、ハブ側端部から翼高さの中間部にむけて減少させる分布としたことを特徴とする請求項１に記載の遠心型ターボ機械。
【請求項７】
前記ディフューザ翼の各々は、少なくともその翼の流れ方向前半部に前記ダイヘドラル分布と前記スイープ分布の少なくともいずれかが適用されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の遠心型ターボ機械。
【請求項１】
同一の回転軸に、ハブとシュラウドとこれらハブとシュラウド間に周方向に間隔をおいて配置した複数の羽根とからなる少なくとも１個以上の羽根車を取り付け、この少なくとも１個の羽根車の少なくともいずれかの下流に羽根付きディフューザを備えた遠心型ターボ機械において、
前記羽根付きディフューザは、前記羽根車の下流側に形成される流路に複数の翼を周方向に間隔をおいて配置されたものであり、各々の前記翼は、基準となる翼を前記回転軸の軸方向である翼高さ方向に積み重ねた形状で形成されており、基準となる翼の前縁と後縁とを結ぶ翼弦方向に垂直な方向であって羽根車の回転方向とは逆の方向に移動させるのを正の移動とするダイヘドラル分布を、ハブ壁面側でハブ側端部から翼高さの中間部に向けて非一様としたことを特徴とする遠心型ターボ機械。
【請求項２】
前記ディフューザ翼の各々のダイヘドラル分布が、ハブ側端部から翼高さの中間部にむけて増大させる分布としたことを特徴とする請求項１に記載の遠心型ターボ機械。
【請求項３】
前記ディフューザ翼の各々は、その前縁部であってハブ側端部に仮想的に形成される平面とディフューザ翼の負圧面とが鈍角をなすことを特徴とする請求項２に記載の遠心型ターボ機械。
【請求項４】
前記ダイヘドラル分布が、シュラウド側端部から翼高さの中間部に向けておよびハブ側端部から翼高さの中間部に向けて増大する分布であることを特徴とする請求項３に記載の遠心型ターボ機械。
【請求項５】
前記ディフューザ翼の各々においては、その前縁部であってシュラウド側端部に仮想的に形成される平面とディフューザ翼の負圧面がなす角度およびハブ板とディフューザ翼の負圧面とがなす角度が鈍角であることを特徴とする請求項４に記載の遠心型ターボ機械。
【請求項６】
前記ディフューザ翼の各々のダイヘドラル分布が、ハブ側端部から翼高さの中間部にむけて減少する分布とし、前記基準となる翼の翼弦方向に平行な方向であって下流側に移動させるのを正の移動とするスイープ分布を、ハブ側端部から翼高さの中間部にむけて減少させる分布としたことを特徴とする請求項１に記載の遠心型ターボ機械。
【請求項７】
前記ディフューザ翼の各々は、少なくともその翼の流れ方向前半部に前記ダイヘドラル分布と前記スイープ分布の少なくともいずれかが適用されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の遠心型ターボ機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１２２４４３（Ｐ２０１２−１２２４４３Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７５８３９（Ｐ２０１０−２７５８３９）
【出願日】平成２２年１２月１０日（２０１０．１２．１０）
【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６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１０日（２０１０．１２．１０）
【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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