JP6362980B2 - ターボ機械 - Google Patents

Description

本発明は、複数の遠心羽根車または斜流羽根車と、段落間に設けられるリターンガイドベーンとを備えた多段の圧縮機、ブロア、ファン、ポンプなどのターボ機械に関する。

多段の遠心型ターボ機械は、同一の回転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。

このうち、リターンガイドベーンは、ディフューザを出た後の流れが持つ旋回速度成分を静圧として回収しつつ、次段羽根車に流れを整流して渡す機械要素である。多段の遠心型ターボ機械全体の運転効率を改善するためには、羽根車、ディフューザ、リターンガイドベーンといった個々の機械要素の効率改善の他に、次段へ悪影響を残さないように流れを整流して受け渡していくことが重要である。リターンガイドベーンは、要素としての効率改善と次段羽根車への均一な流れの提供という２つの役割を持つ。

リターンガイドベーンは、製作の容易性から、２次元翼を用いたものが多く使用される。しかし２次元形状では効率改善に限界があるため、３次元翼化の検討が行われている。例えば、特許文献１では、ガイドベーンの前縁部において、側壁部の羽根角を円周方向に対して寝かせると共に、中央部の羽根角を円周方向に対して立てるとともに、ガイドベーン出口部においては、側壁部の羽根角を羽根車の回転方向に向けて傾斜させ、中央部の羽根角は羽根車の反回転方向に向けて傾斜させる形状について述べられている。本事例によれば、流れの流入角とリターンガイドベーンの入口羽根角を３次元的にマッチングさせるとともに、リターンガイドベーンの流出流れの方向を揃えることにより、効率が改善することができると記載されている。

特開平9-203394

上記の特許文献１は、リターンガイドベーンの１つの３次元化の方策について述べている。しかし、次のような理由で、本ガイドベーンがターボ機械の効率改善につながらない場合がある。

特許文献１ではガイドベーンへの流入流れ角が、ハブ側からシュラウド側に向かって、小さい値から始まって一度大きい値を取り、再度小さい値を取るという状況を想定しているが、実際の流入流れ角はハブ側からシュラウド側に向けて、小さい値から大きい値へ変化する略単調増加な分布となる場合が多い。この違いを図１に示すが、上記特許文献１が想定する流れ角分布が１０１、本発明の流れ角分布が１０２である。特許文献１とは流入条件が異なるため、ガイドベーン前縁の最適な羽根角分布が特許文献１とは変わる。また、特許文献１ではガイドベーンの前縁部と出口部において、ベーン形状を３次元化することが記載されているが、両者の中間の部分では、２次元的な形状を残したままとなっている。リターンガイドベーン周りの流れは、流れの剥離などを伴う複雑な流れ構造を有することが通常で、もしベーンの途中で流れが剥離し、ベーン出口側が剥離泡に含まれてしまう場合には、ベーン出口部で羽根角を調整したとしても、もはや有効に流れを偏向することができない。
このような背景から、上記した中間部分においても、三次元化したベーン形状を構成することで、多段ターボ機械の効率改善に結びつく、より有効なリターンガイドベーンの形状を提供することが目的である。

上記課題を解決するために、本発明は、同一軸に少なくとも一つ以上の羽根車と、前記羽根車の下流側に併設されたリターンガイドベーンとを備えるターボ機械において、前記リターンガイドベーンの前縁部において円周方向から測ったリターンガイドベーン羽根角が、ハブ側に対してシュラウド側が大きくなるようにリターンガイドベーン形状を形成することを特徴とする。

本発明によれば、リターンガイドベーンの前縁における流入流れ角にリターンガイドベーンの羽根角を合わせることで、負圧面側の境界層流れを制御し、低エネルギー流体が局所的に集積することを防ぎ、流れ分布を一様化することができる。また、流れの剥離が抑制され、流れの一様性が改善されることで、翼全体を通じて流れをガイドすることが可能となり、旋回速度成分を静圧として十分に回収するとともに、次段羽根車への残留予旋回（リターンガイドベーン出口における流れの周方向）を取り除くことが可能となる。

ゆえに、機械要素としてのリターン要素の静圧回復量を増大させるだけでなく、次段羽根車へ均一な流れの提供が可能になることから多段のターボ機械全体としての効率改善も可能となる。

さらに、設計流量点において次段に均一な流れを提供できることは、流量が変化した場合の流入流れの急な悪化（流入流れのハブからシュラウドに向けての流れ角度分布の急な変化）も抑制できることを意味しているため、非設計点性能も改善できる。

リターンガイドベーン入口における流れ角分布を示した図である。 多段遠心型ターボ機械の例としての遠心圧縮機の断面図である。 従来技術の一例の２次元のリターンガイドベーンの斜視図である。 図３で羽根入口角を流入流れにマッチングさせたガイドベーンの斜視図である。 本発明の実施例となるリターンガイドベーンの斜視図である。 図３のリターンガイドベーンの流れ解析結果を示した図である。 図５のリターンガイドベーンの流れ解析結果を示した図である。

本発明に係わる実施例について、多段遠心圧縮機を例にとって、以下に説明する。尚、本発明の対象は遠心型ターボ機械であればよく、特に多段圧縮機に限定されるものではない。

図２は多段遠心圧縮機２００の縦断面図である。多段遠心圧縮機２００は、初段２０１と第２段２０２とからなる。初段羽根車２０８および第２段羽根車２１１は同一の回転軸２０３に取り付けられて、回転体を構成する。

回転軸２０３は、回転軸２０３や羽根車２０８、２１１を収容する圧縮機ケーシング２０６に取り付けられたジャーナルベアリング２０４やスラストベアリング２０５により、回転自在に支持されている。

初段羽根車２０８の下流側には、羽根車２０８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２０９と、このディフューザ２０９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２１１に導くリターンガイドベーン２１０とが配置されている。２段羽根車２１１の下流には同様にディフューザ２１２と、２段ディフューザ２１２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２１３が配置されている。リターンガイドベーン２１０は、ハブ２１０aと、シュラウド２１０bとの間に周方向に複数枚配置された羽根として設置されているものである。

吸込ノズル２０７から流入した作動ガスは、初段の羽根車２０８、羽根付きディフューザ２０９、リターンガイドベーン２１０、第２段の羽根車２１１、羽根付きディフューザ２１２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２１３に導かれる。図２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。

本発明はリターンガイドベーン２１０の３次元形状に関するものである。以下に、圧縮機の効率改善につながる形状の具体的実施例について説明する。

まず図３は、従来技術である２次元のリターンガイドベーン３０１の形状を示している。ハブ側３０２からシュラウド側３０３に向かう方向をスパン方向と定義する時、翼面はスパン方向に並ぶ直線要素３０６の集合体として定義される。羽根車の回転方向３０７に対して、流れは３０８に示す方向でガイドベーンに流入するが、その流れを受ける翼面の腹側を正圧面３０５と呼び、逆の背側を負圧面３０４と呼ぶ。本ガイドベーンでは流入流れの方向３０８は２次元的でスパン方向に変わらないことを想定している。

図４は、図３に示した従来技術のガイドベーンの入口角を、図１に示したスパン方向の流入流れ角分布にマッチングするように、ひねりを加えたガイドベーン４０２である。翼面は、ハブ側４０２からシュラウド側４０３に向かうスパン方向に並んだ直線要素４０６の集合体として定義されるが、翼にひねりがあるために、直線要素は位置によって傾いていくのが特徴である。羽根車の回転方向４０７に対して、流れはハブ側では４０８、シュラウド側では４０９に示した方向となっていて、ねじれた形でガイドベーンに流入しているが、羽根の入口角とマッチングさせているため、流れは翼面からはがれにくい。ここでも、流れを受ける翼面の腹側を正圧面４０５と呼び、反対側を負圧面４０４と呼ぶ。

図５は、図４のガイドベーンに、さらに翼面の湾曲を加えたもので、本発明の実施例であるリターンガイドベーン５０１を示したものである。翼面は、ハブ側５０２からシュラウド側５０３に向かうスパン方向に並んだ曲線要素５０６の集合体として定義される。図４の場合と同様に、羽根車の回転方向５０７に対して、流れはハブ側では５０８、シュラウド側では５０９に示した方向に、ねじれてガイドベーンに流入している。流れを受ける翼面の腹側を正圧面５０５と呼び、反対側を負圧面５０４と呼ぶが、曲線要素５０６は負圧面が凹面となるように定義されているのが本発明の特徴である。また、ガイドベーン５０１の前縁５１０は、スパン方向中央部が上流側にせり出すように湾曲させた形状となっているのが別の特徴である。なお、本特徴は図４の実施例にも当然適用可能である。

翼の負圧面を凹面にすると、負圧面上において、スパン方向中央部がハブやシュラウドといった側壁部よりも圧力が低くなり、圧力面上ではこれとは逆の圧力分布となる。すると、負圧面で発達する境界層は、矢印５１１で示されるように、高い圧力から低い圧力に向かう勾配の方向に向かって流される。図３に示した２次元形状のガイドベーンでは、翼負圧面とハブ、シュラウド面が接するコーナー部３０９に境界層が集まりやすいため、コーナー部で流れが剥離してしまうことが多い。しかし、図５に示した本発明によれば、コーナー部から離れる方向に境界層流れを導くため、剥離を抑制できる。また、ベーン前縁部５１０のハブ、シュラウド部において形成されるくさび状のすき間５１２においては、流れが周りこむことにより、５１３で例示したような縦渦が発生するため、コーナー部の低速流れ高速な主流と撹拌し剥離を抑制できる効果もある。

このように、本発明によれば、流れを途中で剥離させることなく、翼面に沿わせて有効に流れを転向させることができるようになるため、リターンガイドベーン流入時に持っていた旋回速度成分を十分に取ることができ、静圧回復量を増大させることができる。同時に、コーナー部に局所的に低エネルギー流体が蓄積することを抑制することができるため、リターンガイドベーン出口における流れの一様性が改善され、次段羽根車は理想的な流入条件で運転することができる。

図６，７は、それぞれ図３、５に示したリターンガイドベーンに対する流れ解析の結果で、等速度を示す場所を等高線として線として示している。即ち図６，７において筋のように見える線上では、流れの流速は同じであり、その線が筋状にきれいに並んでいれば流れは均一であり、線が交差しているところでは流れが乱れていることになる。可視化の都合上、シュラウド壁面は取り除いて表示してある。両図には、壁面近傍の境界層流れの方向を示す限界流線６０１、７０１と、リターン出口面、即ち次段羽根車入口面における絶対流速の等高線分布６０２、７０２を示してある。等高線は両図で同じ間隔で描いてある。

図６から、従来形状では、ハブ側と負圧面のコーナー部６０３において、等高線が複雑に交差しており、それは流れが剥離していることを示している。また、次段羽根車の入口面における絶対流速６０２は、流速の分布が一様ではなく非一様性が大きく、流速の絶対値も大きいことから残留予旋回が取り切れていないことがわかる。一方で図７から、本発明では、ハブ側と負圧面のコーナー部７０３での等高線の交差はなくなっており流れの剥離は解消されていることがわかる。このように境界層の集積が抑制され、剥離が防止される。さらに、次段羽根車入口における流速分布７０２を図６の６０２と比較すると、絶対流速分布の一様性（流速の最大値と最小値の差）が明らかに改善されており、流速の絶対値も小さくなっていることから旋回速度が十分に取れていることがわかる。

図６の流れ場を基準として図７の流れ場を評価すると、リターンガイドベーン部の全圧損失係数は2.9%、圧力回復係数は82%改善する結果となった。図7の方が図6の場合よりも旋回速度の回収が進むため、静圧回復の程度を表す圧力回復係数は大幅に改善される結果となり、本発明の有効性が示された。

このように、本発明のリターンガイドベーン形状によれば、流入流れと羽根角度をマッチングさせ、かつ負圧面を湾曲化させることで境界層流れを制御することができるため、剥離を抑制することができる。よって、リターンガイドベーンの本来の形状に沿って有効に流れを転向させることが可能となり、結果として圧力回復係数が改善したり、次段羽根車への流入流れの均一性を増したりすることができる。次段羽根車への流入流れの整流化は、次段の効率改善も期待できる。さらには、設計流量点で流れ極限まで一様化しているため、流量が変化した場合にも、次段羽根車への流入流れは急には悪化しにくいと考えられるため、ターボ機械の作動範囲の拡大にも効果がある。

図５に示した形状では、ベーン前縁の中央部を上流側に張り出させることと、負圧面を凹面にすることを同時に実施したが、これらはどちらか一方の実施であってもかまわない。

また、図４から図５への翼の湾曲を追加する場合に、リターンガイドベーンの翼厚みを変更していないため、負圧面を凹面にすると、正圧面が同時に凸面になった。しかしながら、境界層が発達しやすいのは主に、減速流れを伴う負圧面側である。このような理由から、正圧面を負圧面と一緒に動かして凸面とする必要はないことがわかる。したがって、正圧面側は湾曲させずに直線要素のままとし、負圧面側だけ曲線要素化するような構成も、本発明は想定する。

尚、上記では、残留予旋回は出来るだけ取るという主旨の説明を行った。その場合には、リターンガイドベーンの形状は、例えば、リターンガイドベーンの出口における羽根角はハブもシュラウドも円周方向から測って略90゜に揃え、前縁において羽根角はハブとシュラウドでずれているのを、流れ方向に徐々に出口に向かって出口における羽根角に合うように変化させ、ハブ側とシュラウド側の羽根角のずれを小さくする。あるいは、ターボ機械の用途によっては意図的に残留予旋回速度を残したい場合もある。そのような場合には、出口の羽根角は90゜以外の角度で、ハブ側とシュラウド側で若干ずらしてもよい。このような場合にも本発明は有効であり、流れの剥離を抑制して、狙った分量だけの流れの転向を実現することができる。

本発明は段落間に配置されるリターンガイドベーンを対象に説明したが、ターボ機械には吸込ノズルやサイドストリームといった部位があり、これらの箇所でもガイドベーンが使われることがある。このようなガイドベーンにおいても本発明の主旨は有効である。

１０１ 公知例の流入流れ角分布
１０２ 本発明の流入流れ角分布
２００ 多段遠心圧縮機
２０１ 初段
２０２ 第２段
２０３ 回転軸
２０４ ジャーナルベアリング
２０５ スラストベアリング
２０６ 圧縮機ケーシング
２０７ 吸込ノズル
２０８ 初段羽根車
２０９ 初段ディフューザ
２１０ 初段リターンガイドベーン
２１０a ハブ側
２１０b シュラウド側
２１１ 第２段羽根車
２１２ 第２段ディフューザ
２１３ コレクタまたはスクロール等の回収手段
３０１ 従来技術のリターンガイドベーン
３０２ ハブ側
３０３ シュラウド側
３０４ 負圧面
３０５ 正圧面
３０６ 直線要素
３０７ 羽根車回転方向
３０８ 流入流れの方向
３０９ コーナー部
４０１ 流入角をマッチングさせたリターンガイドベーン
４０２ ハブ側
４０３ シュラウド側
４０４ 負圧面
４０５ 正圧面
４０６ 直線要素
４０７ 羽根車回転方向
４０８ ハブ側の流入流れの方向
４０９ シュラウド側の流入流れの方向
５０１ 本発明のリターンガイドベーン
５０２ ハブ側
５０３ シュラウド側
５０４ 負圧面
５０５ 正圧面
５０６ 曲線要素
５０７ 羽根車回転方向
５０８ ハブ側の流入流れの方向
５０９ シュラウド側の流入流れの方向
５１０ ガイドベーン前縁
５１１ 圧力勾配
５１２ くさび状の隙間部
５１３ 縦渦
６０１ 限界流線
６０２ リターン出口絶対流速分布
６０３ コーナー部
７０１ 限界流線
７０２ リターン出口絶対流速分布
７０３ コーナー部

Claims (5)

1. 同一軸に少なくとも一つ以上の羽根車と、前記羽根車の下流側に併設されたリターンガイドベーンとを備えるターボ機械において、
   前記リターンガイドベーンの前縁部において円周方向から測ったリターンガイドベーン羽根角が、ハブ側に対してシュラウド側が大きくなるようにリターンガイドベーン形状を形成し、かつ、前記リターンガイドベーンの前縁部において、前記リターンガイドベーン羽根角がハブ側からシュラウド側に向かって増加し、前記ハブ側と前記シュラウド側の間で前記シュラウド側の羽根角より大きくなった後、前記シュラウド側の羽根角まで減少するように形成することを特徴とするターボ機械。
2. 請求項1に記載のターボ機械において、
   流れを受ける前記リターンガイドベーンの翼面の腹側を正圧面、反対側を負圧面として、
   隣り合う前記リターンガイドベーンの翼面の正圧面に対して、前記リターンガイドベーンの前縁部から出口部にかけて曲線要素で構成し負圧面が凹面になるように湾曲して形成することを特徴とするターボ機械。
3. 請求項１に記載のターボ機械において、
   前記前縁部は、前記ハブ側と前記シュラウド側の間が流れの上流側にせり出すように湾曲して形成することを特徴とするターボ機械。
4. 請求項２又は請求項３に記載のターボ機械において、
   流れを受ける前記リターンガイドベーンの翼面の腹側を正圧面、反対側を負圧面として、
   前記リターンガイドベーンの正圧面は、前記リターンガイドベーンの前縁部から出口部にかけて、曲線要素で構成するように形成することを特徴とするターボ機械。
5. 請求項２又は請求項３に記載のターボ機械において、
   前記リターンガイドベーンの正圧面は、前記リターンガイドベーンの前縁部から出口部にかけて、直線要素で構成するように形成することを特徴とするターボ機械。