JPH0842494A - 可変案内羽根付き流体機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 流体機械を設計点流量以外の流量域で運転し
たときに発生する不安定現象を回避して流体機械を広い
流量範囲で運転できる可変案内羽根付き流体機械を提供
する。 【構成】 ディフューザ羽根４を具備した流体機械にお
いて、必要とされる流体機械の運転状態を入力する入力
装置３と、前記ディフューザ羽根４を取り付けた盤上の
ディフューザ羽根圧力面側と負圧面側及びその他の入口
側位置の圧力を検出する圧力検出装置と、前記入力装置
によって入力された要求性能が発揮できるように流体機
械の運転状態を算出するとともに前記圧力検出装置で検
出された圧力に基づき羽根車８から流出する流れの方向
を決定して前記ディフューザ羽根の角度を決定する演算
処理装置Ｕと、前記ディフューザ羽根を決定された角度
に駆動制御する第１制御駆動装置５とを備えたものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、遠心及び斜流形の液体
ポンプ、気体用のブロワ、圧縮機などの流体機械に係
り、特に入口案内羽根及びディフューザ羽根付き流体機
械に関するものである。なお本明細書では上記流体機械
を総称してポンプと称する。

【０００２】

【従来の技術とその課題】従来、遠心及び斜流のポンプ
を設計点以外の流量域で運転すると、羽根車、ディフュ
ーザなどの各構成要素で流れの剥離等が発生し、これら
の原因によって、当該ポンプの効率が、設計点流量のそ
れと比べて低下する欠点があった。これを解決するため
に、ポンプに可変の入口案内羽根やディフューザ羽根を
取付けてこれを流れに適合するように動かして運転する
方法が取られてきた。

【０００３】その代表的なものとして、特公平４−１８
１５８号、特公平４−１８１５９号、特開昭６３−２３
９３９８号、特開昭６３−２３０９９９号、特開昭５５
−１０７０９７号等がある。

【０００４】ところで、ディフューザ羽根を当該ポンプ
の運転状態に適合させるように最適に制御するには、羽
根車から流出する流れを前もって正確に把握しておく必
要がある。さらに、入口案内羽根があるポンプでは、入
口案内羽根の角度を変えると羽根車から流出する流れ
が、案内羽根の角度ごとに変化してしまうので、当該ポ
ンプの性能を入口案内羽根の角度ごとに前もって把握し
ておく必要がある。

【０００５】上記のような従来の技術においては、入口
案内羽根の角度ごとにディフューザ羽根角度を決めて試
験を行い、このデータを基に案内羽根を制御しなければ
ならないので、制御方法が非常に複雑になり、装置およ
び制御用ソフトに多大なコストがかかる欠点があった。
さらに、当該ポンプを装置に組み込んで、最も適した案
内翼の角度で運転するには最適値を自動的に選択するま
での時間がかかるなどの欠点が多かった。

【０００６】羽根車出口の流れ角度を算出する方法とし
て、特開平４−８１５９８号があるが、この方法では流
れ角度を算出する方法にいくつかの仮定が入るのと、一
般に羽根車出口では流れが歪むため壁面の静圧から流れ
角度を算出することに無理があり、さらに流れが不安定
となる領域では、精度上に問題があるなどの欠点が多か
った。

【０００７】また、ディフューザ羽根に圧力孔を設け、
この圧力を測定して羽根車から流出する流れ方向を算出
する方法として特開昭５７−５６６９９号があるが、こ
の方法は翼厚さの薄いディフューザ羽根では採用するこ
とができず、また、加工上のコストが掛かるなどの欠点
も多かった。

【０００８】ディフューザ羽根の圧力面側、負圧面側の
壁面圧力を測定する方法としては特開昭６２−５１７９
４号があるが、ディフューザの壁面に圧力孔があるため
にディフューザ羽根を回転させた場合、角度によって圧
力孔の相対的な位置が変わり、場合によっては圧力孔が
ディフューザ羽根の影に隠れてしまい、測定が不能とな
る欠点があった。

【０００９】また、入口案内羽根やディフューザ羽根の
角度を変えるとポンプの特性が大幅に変わるために、羽
根車から流出する流れの角度を何らかの方法で把握する
手段を用いない場合は、各案内羽根の角度ごとに性能試
験を前もって詳細に行い、この試験結果をもとに入口案
内羽根やディフューザ羽根の角度を決めるという方法が
取られてきた。

【００１０】さらに、この方法を用いてポンプの運転を
自動制御する場合、入口案内羽根やディフューザ羽根の
角度を、少なくとも３回は変えて（特公平４−１８１５
８号、特公平４−１８１５９号）当該ポンプのその時点
での運転状態を把握して、入口案内羽根やディフューザ
羽根の角度を決定する方法を取らねばならいので、設定
までの時間がかかり、特にサージング点付近の運転など
のように瞬時に状態を決定しなければならない運転点で
は問題が多かった。

【００１１】また、回転数が変わるような制御ではこれ
らの制御がさらに難しくなり、制御装置も高級になり、
装置のコストと制御ソフトのコストがかかる欠点があっ
た。

【００１２】ディフューザ羽根上に圧力孔を設けてこの
圧力を測定して羽根の角度を決める方法として特開昭５
７−５６６９９号があるが、羽根車から流出する流れ
は、ポンプの作動状態によって幅方向に大きく変化する
ために、ディフューザ羽根の中央付近だけで測定する
と、流れ角度の誤差が大きいという欠点がある。

【００１３】また、ディフューザ羽根面上に圧力孔があ
るので、流れの全圧を測定する場合もあり、高速の流れ
を扱うものでは静圧に比べて圧力レベルが大きくなっ
て、圧力検出装置として測定範囲の過大なものを使う必
要があり、測定精度に問題が生じる欠点があった。ま
た、この方法は、翼厚さの薄いディフューザ羽根では採
用することができず、コストも掛かるなどの問題もあっ
た。

【００１４】本発明は上述の事情に鑑みなされたもの
で、流体機械を設計点流量以外の流量域で運転したとき
に発生する不安定現象を回避して流体機械を広い流量範
囲で運転できる可変案内羽根付き流体機械を提供するこ
とを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】図１は、この発明に想到
するに至った考え方を説明するもので、羽根車８出口の
状態を示す模式図である。羽根車８から流出する流体の
流れ方向をａ（設計流量），ｂ（小流量），ｃ（大流
量）の矢印で示す。この図から明らかなように、設計点
以外の流量では、大流量ではディフューザ羽根４の圧力
面側、小流量ではディフューザ羽根４の負圧面側の流れ
の迎え角が過大になり、流れが剥離してしまう。この結
果、図２（ａ）に無次元吸込流量と無次元ディフューザ
損失との関係として示すように、ディフューザでの損失
が増大する。その結果、ポンプの全体性能は、図２
（ｂ）に無次元吸込流量とポンプ効率との関係として示
すように設計点より小流量側及び大流量側で効率が低下
してしまう。

【００１６】これを解決するために、ディフューザ羽根
を可変にして流量が設計流量からずれたときは、羽根車
出口流れ（図１のｂ及びｃの流れ）に適合するように動
かせばディフューザ羽根での損失は図２（ａ）の破線の
ようにすることができる。その結果、圧縮機の全体性能
は図２（ｂ）の破線のようにすることができ、広い流量
範囲で効率の高い運転が可能となる。

【００１７】本発明は、このような考察に基づいてなさ
れたもので、請求項１に記載の発明は、ディフューザ羽
根を具備した流体機械において、ディフューザ羽根の圧
力面側と負圧面側及びディフューザ部の所定の位置の圧
力を検出する圧力検出装置と、上記圧力検出装置で検出
された圧力に基づき上記ディフューザ羽根の角度を決定
する演算処理装置と、上記ディフューザ羽根を決定され
た角度に駆動制御する第１制御駆動装置とを備えたこと
を特徴とする可変案内羽根付き流体機械である。

【００１８】請求項２に記載の発明は、さらに必要とさ
れる流体機械の運転状態を入力する入力装置を備え、上
記演算処理装置は、上記入力装置によって入力された要
求性能が発揮できるように流体機械の運転状態を算出す
ることを特徴とする請求項１に記載の可変案内羽根付き
流体機械である。請求項３に記載の発明は、上記圧力検
出装置は、上記ディフューザ羽根が取り付けられた盤上
に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記
載の可変案内羽根付き流体機械である。請求項４に記載
の発明は、さらに、入口案内羽根と、該入口案内羽根を
予め定められた演算式に基づき算出された角度に駆動制
御する第２制御駆動装置とを具備したことを特徴とする
請求項１ないし３のいずれかに記載の可変案内羽根付き
流体機械である。請求項５に記載の発明は、さらに、流
体機械の回転数制御を行う第３制御駆動装置を具備した
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の
可変案内羽根付き流体機械である。

【００１９】また、発明者らは、ポンプの吸い込み配
管、ディフューザ、吐出配管にそれぞれ圧力センサを取
付けて、圧縮機の流量を変化させる実験を行った。図３
（ａ）は上記センサの出力の波形信号を示すものであ
り、左側がディフューザの周方向２カ所の位置で測定し
た圧力変動、右側が吸込配管及び吐出配管で測定した圧
力変動の測定結果を示すものである。この図から明らか
なように、流量が設計点流量より少なくなると、まずデ
ィフューザでの圧力の変動値が大きくなり（の左
図）、さらに流量を低下させると配管での変動が大きく
なり（の右図）、サージングが発生することがわか
る。

【００２０】図３（ｂ）は、設計流量を基準とした無次
元流量と圧縮機のヘッドを設計流量でのヘッドを基準と
して無次元化した無次元ヘッド係数との関係を示す図で
ある。図３（ｂ）における，，は、それぞれ図３
（ａ）の３通りの流量，，に対応している。従っ
て、このような状態量の変動を定量的に把握することに
より、適当なしきい値に基づいてサージング発生を回避
した安定な運転を行なうことが可能である。

【００２１】請求項６に記載の発明は、このような考察
に基づいてなされたもので、ディフューザ羽根を具備し
た流体機械において、ディフューザ羽根の少なくとも圧
力面側と負圧面側の圧力を検出する圧力検出装置と、基
準流量を設定し、この基準流量より大きい流量において
は、上記圧力検出装置で検出された圧力に基づいて羽根
車から流出する流れの方向を決定して上記ディフューザ
羽根の角度を制御し、上記基準流量以下においては、上
記圧力検出装置で検出された圧力値の変動値を算出し、
この変動値が予め定められたしきい値以下となるように
ディフューザ角度を制御する制御装置とを備えたことを
特徴とする可変案内羽根付き流体機械である。

【００２２】

【作用】請求項１に記載の発明においては、圧力検出装
置が、ディフューザ羽根の圧力面側と負圧面側及びディ
フューザ部の所定の位置の圧力を検出し、演算処理装置
が上記圧力検出装置で検出された圧力に基づいて上記デ
ィフューザ羽根の角度を決定し、第１制御駆動装置が上
記ディフューザ羽根を決定された角度に駆動制御するこ
とにより、サージング発生に敏感な位置からの圧力信号
を直接的に捕らえてこれをもとにディフューザ羽根角度
を制御し、その結果、可変案内羽根付き流体機械が安定
的に運転される。

【００２３】請求項６に記載の発明においては、制御装
置が、基準流量より大きい流量においては、圧力検出装
置で検出された圧力に基づいて羽根車から流出する流れ
の方向を決定して上記ディフューザ羽根の角度を制御
し、基準流量以下においては、圧力検出装置で検出され
た圧力値の変動値を算出し、この変動値が予め定められ
たしきい値以下となるようにディフューザ角度を制御す
るので、流体機械の特性に応じてそれぞれの流量域での
適切な制御がなされる。

【００２４】入口案内羽根がある場合には、演算処理装
置を用い、入口案内羽根の角度を演算式に基づいて算出
して、第２制御駆動装置によって入口案内羽根を自動的
に制御し、さらに第３制御駆動装置で流体機械の回転数
を制御する。ディフューザ羽根と入口案内羽根の両方が
ある場合には、第１，第２の両方の制御駆動装置によっ
てディフューザ羽根と入口案内羽根の両方及び第３の制
御駆動装置で回転数を、上記方法で自動的に制御して運
転できるようにする。

【００２５】

【実施例】以下、本発明に係る可変案内羽根付き流体機
械の一実施例を図４乃至図１２を参照して説明する。

【００２６】図４及び図５は本発明が適用される単段遠
心圧縮機を示す図であり、図４はその縦断面図、図５は
その部分側面図である。これらの図に示されるように、
ディフューザ羽根４は複数の歯車１１を介して第１制御
駆動装置の一部を構成するアクチュエータ１２に連結さ
れ、羽根角度は可変になっている。また入口案内羽根６
は複数の歯車１３を介して第２制御駆動装置の一部を構
成するアクチュエータ１４に連結され、羽根角度は可変
になっている。

【００２７】図６は、本発明の可変案内羽根付き流体機
械の制御機構を説明するブロック図である。図６に示さ
れるように可変案内羽根付きポンプは、演算部１と記憶
部２とからなる演算処理装置Ｕと、必要とされるポンプ
の運転状態を入力できる入力装置３、ディフューザ羽根
４を可変制御できる第１制御駆動装置５と、入口案内羽
根６を可変制御できる第２制御駆動装置７、羽根車８の
回転数、即ちポンプの回転数を制御できる第３制御駆動
装置９を備えている。

【００２８】図７はディフューザ羽根の取付けられる盤
上に設けた圧力孔の説明図であり、図７（ａ）は正面
図、図７（ｂ）は断面図である。これらの穴は一つの盤
上でも別の盤上に１つずつでも構わない。図７に示され
るように、ディフューザ羽根４の取り付けられる円盤１
０上に圧力孔１１が設けられている。１１−１はディフ
ューザ羽根圧力面の圧力検出用圧力孔、１１−２はディ
フューザ羽根負圧面の圧力検出用圧力孔、１１−３は入
口側に設けた基準圧力の検出用圧力孔を示す。この３個
の圧力孔にはそれぞれ圧力検出器が設けられ、これよっ
てそれぞれの位置での圧力が検出される。

【００２９】圧力検出器の出力は、図６に示すように制
御機構の演算処理装置Ｕに入力され、ここにおいて、圧
力孔１１−３の圧力によって流れの動圧ΔＰｄが計算さ
れる。演算処理装置Ｕは、さらに圧力孔１１−１と圧力
孔１１−２の圧力差（Ｐ₁−Ｐ₂）を計算し、これとΔＰ
ｄの比、ξ＝（Ｐ₁−Ｐ₂）／ΔＰｄを求め、この値から
当該ディフューザの羽根角度を算出する。これは、例え
ば図８に示すグラフに沿って行われる。この図は、本発
明者が圧縮機を用いて得たデータをまとめて、横軸は、
各運転点の流量を設計点の流量で無次元化した無次元流
量、縦軸は、本発明によるディフューザ羽根の角度を取
って示したものである。

【００３０】図８において、無次元流量が０．６より大
きな流量では、図７に示した１１−３における圧力によ
って流れの動圧ΔＰｄを計算し、圧力孔１１−１及び１
１−２における圧力の差（Ｐ₁−Ｐ₂）との比ξ＝（Ｐ₁
−Ｐ₂）／ΔＰｄを求め、この値から当該ディフューザ
の羽根角度を演算処理装置Ｕにより算出し、さらにディ
フューザ羽根４を第１駆動装置５によって可変制御して
決定した羽根角度を示す。

【００３１】なお、動圧ΔＰｄは、以下のようにして求
められる。羽根車出口の半径方向速度成分Ｃｍ₂は、Ｐ_r
を羽根車入口の圧力Ｐ_iと、圧力孔１１−３の圧力Ｐ₃と
の比（Ｐｒ＝Ｐ₃／Ｐ_i）とし、吸込流量をＱ、羽根車出
口のブロッケージをＢとすると、 Ｃｍ₂＝（１／Ｐ_r）^(1/k)Ｑ／（πＤ₂ｂ₂Ｂ） と表される。羽根車出口の周方向速度成分Ｃｕ₂は、羽
根車のすべり係数をσ、羽根車の周速をＵ₂、羽根車出
口の羽根角度をβ₂とすると、 Ｃｕ₂＝σＵ₂−Ｃｍ₂ｃｏｔβ₂ と表される。従って、羽根車出口の絶対速度Ｃは、 Ｃ²＝Ｃｍ₂ ²＋Ｃｕ₂ ² と表される。羽根車出口の密度ρ₂は、羽根車入口の密
度をρ₁とすると、 ρ₂＝ρ₁（Ｐ_r）^(1/k) 表され、従って、羽根車出口の動圧ΔＰｄは、 ΔＰｄ＝Ｃ²／２ρ₂ から求まる。従って、ξは ξ＝（Ｐ₁−Ｐ₂）／ΔＰｄ から求まる。

【００３２】流れ角に対するξの値は、予め検定風胴に
て求めておく。図９は、その一例を示すもので、横軸に
流れに対する羽根角度、縦軸に検定時の１１−１と１１
−２の差圧と、動圧ΔＰｄ（これは、流れの全圧Ｐｔと
静圧Ｐｓの差を測定すれば求まる。これは、上記の方法
とは異なる一般的な方法である。）の比から求めたξの
値を示した。この曲線を記憶装置に記憶しておき、上記
方法から求めた圧縮機出口でのξから、羽根に対する流
れの角度を求めることができる。一方、羽根車出口での
流れ角αは、 α＝ａｒｃｔａｎ（Ｃｍ₂／Ｃｕ₂） から求まるから、両者の差を計算すれば、ディフューザ
羽根の流れの角度に対しての偏差角を求めることができ
る。この偏差角度分だけディフューザ羽根の角度を修正
すれば、羽根車から流出する流れにディフューザ羽根の
角度を一致させることができる。一回で一致できない場
合は、数回このステップを繰り返せば完全に一致させる
ことが可能である。

【００３３】また、図８において、無次元流量が０．６
より小さな流量域においては、図７に示した１１−３の
圧力孔を変動圧力測定装置に接続して、微小時間ごとの
振幅の変動値Ｆｐを求め、これとしきい値Ｆｐ^*を比較
することによって、微小時間ごとの振幅の変動値がしき
い値以下になるようにディフューザ羽根４を第１駆動装
置５によって可変制御して決定した羽根角度を示す。変
動値Ｆｐの求め方を図１０を用いて説明する。この図に
おいて、Ｔは１回の変動値を算出する微小時間であり、
δｔは変動値を算出する元となる圧力値Ｐ_i（Ｑ，ｔ）
のサンプリングピッチである。変動値Ｆｐ，Ｆｐ^*は、
時間Ｔの間にδｔのピッチで測定された状態量の単位時
間当たりの標準偏差であり、以下の式で与えられる。 Ｆｐ（Ｑ）＝［１／ＴΣ｛Ｐｉ（Ｑ，ｔ）−Ｍｉ
（Ｑ）｝²］^1/2 ただし、 Ｍｉ（Ｑ）＝１／ＴΣＰｉ（Ｑ，ｔ） 一定のバイアスを持ついわゆるＤＣデータも、そうでな
いＡＣデータもいずれも上式で取り扱うことができる。

【００３４】測定時間Ｔは、状態量の変動の指標値を精
度良く算出でき、しかも迅速な対応が採れるように短い
時間であることが必要である。この実施例では、このよ
うな時間Ｔを設定する目安として６０／ＺＮ（秒）を用
いる。ここで、Ｎは羽根車８の回転数（回／分）で、Ｚ
は羽根車８の羽根の枚数Ｚであり、従って、６０／ＺＮ
は、羽根車８が回転することによる本質的に発生する圧
力等の状態量の変動の周期である。Ｔは、このような本
質的変動による影響を受けない程度に大きく設定する必
要があり、従って、以下のような条件が課される。 Ｔ≧Ｋ₁・６０／ＺＮ 従って、実際には、Ｔはこの下限値に設定すればよい。
ここで、Ｋ₁は流体機械によって決まる定数で、当該機
械の試験時、あるいは量産品であればその代表品の性能
を予め調べ、定数入力装置３によって設定しておく。

【００３５】次に、サンプリングピッチであるδｔの設
定方法について述べる。このようなサンプリング周期δ
ｔは、正確な指標値を算出するという観点からは小さい
程好ましい。しかし、過度のサンプリングによりコンピ
ュータに負荷が掛かって算出に時間が掛かるのは却って
好ましくない。この実施例では、このような時間δｔを
設定する目安として、ここでも６０／ＺＮ（秒）を用い
る。すなわち、δｔを、羽根車２が回転することにより
本質的に発生する圧力等の状態量の変動による影響を受
けない程度に小さく設定する必要がある。従って、以下
のような条件が課される。 δｔ≦Ｋ・６０／ＺＮ

【００３６】さらに、この実施例では、図３で説明した
ように、設計点の場合と、より低流量で運転が不安定
になる及びの場合においてそれぞれ振幅周期が異な
ることに鑑み、設定を変えるようにしている。すなわ
ち、ヘッドが右上がりになる不安定領域を検出する場
合のサンプリング周期δｔは、Ｋ₂・６０／ＺＮであ
り、サージング現象を検出する場合のサンプリング周
期δｔは、Ｋ₃・６０／ＺＮである。ここで、Ｋ₂，Ｋ₃
は流体機械によって決まる定数で、Ｋ₁の場合と同様
に、当該機械の試験時、あるいは量産品であればその代
表品の性能を予め調べ、入力装置３によって設定してお
く。

【００３７】流体機械の運転時の変動値は、その都度上
記のように算出されるが、サージング発生の判断基準と
なる変動値（しきい値γ）の求め方を以下に示す。図１
１は本発明者の研究によって得られたデータで、横軸
は、各運転点の流量を設計点の流量で無次元化した無次
元流量、縦軸は圧力の変動値を設計点での変動値（＝Ｆ
ｐ^*）で無次元化した無次元変動値を示す。図中の○印
はディフューザ壁面での圧力の測定結果から得られたも
のを示す。ここでの条件は、以下の通りである。 Ｎ＝９０００ｒｐｍ， Ｚ＝１７ Ｋ₁＝２０００， Ｋ₂＝５， Ｋ₃＝２０

【００３８】この結果から、無次元流量が０．６より小
さな流量域から無次元変動値８が増大することがわか
る。ここで、ポンプが安定的に運転できる限界値を適宜
設定してこれをしきい値とすればよい。この例では、Ｆ
ｐ／Ｆｐ^*として１．５が限界となると判定し、しきい
値γとして１．５Ｆｐ^*を用いる。次に、それぞれの流
量においてこの値がこのグラフで示されるしきい値以下
になるようにデイフューザ羽根を回転させることによ
り、図８に示した無次元流量０．６以下の領域での関係
が得られる。この図から、無次元流量が０．６より小さ
な流量におけるディフューザ羽根角度は、流量に比例し
て変わることがわかる。これとポンプの吸込流量及びヘ
ッド上昇を演算処理装置Ｕにより算出し、さらにディフ
ューザ羽根４を第１制御駆動装置５によって可変制御す
れば、ディフューザ羽根４を最適に制御できることにな
る。

【００３９】さらに、本発明者らは、入口案内羽根をポ
ンプの要求性能を発揮できるように設定する方法も考案
した。図１２にその際のフローチャートを示す。まず、
回転数が変更可能な流体機械である場合には、事前に適
当な回転数を設定しておく。ステップ１で、要求する流
量Ｑ、ヘッドＨを入力し、ステップ２で流量係数φ、圧
力係数ψを計算する。次に、ステップ３で流量係数φ、
圧力係数ψを通る２次曲線係数を算出し、ステップ４で
入口案内羽根０度のときの特性との交点φ′，ψ′を計
算して、ステップ５で次式から入口案内羽根の角度を算
出する（ｋは定数）。 α＝arctan（ｋ（ψ′−ψ）／φ′） 次に、ステップ６で入口案内羽根角度制御を行い、ステ
ップ７でαが０（全開）か否かを判定する。０でない場
合には、ステップ９でヘッド、流量を測定して、φ”，
ψ”を計算する。次に、ステップ１０でヘッドＨが適正
値か否かを判定し、適正値であれば制御を終わり、適正
値でない場合には、ステップ１１でα′を計算し、さら
にステップ１２で（α−α′）を計算し、次にステップ
６に戻る。

【００４０】ステップ６でαが０の場合には、回転数が
変更できない場合はそのような要求が達成されないの
で、ステップ１に戻り、設定を変更する。回転数変更可
能な場合には、ステップ８で回転数の変更を行い、ステ
ップ９に行く。

【００４１】次に上記の式の根拠を説明する。図１３
は、ポンプの特性曲線と抵抗曲線の説明図であり、最初
の条件として、入口案内羽根が０度のときの性能は既知
とする。まず、任意要項（与えられた要項）の、流量Ｑ
及びヘッドＨから、流量係数φ（４・Ｑ／（π・Ｄ₂ ²・
Ｕ₂ ））及び圧力係数ψ（ｇ・Ｈ／（Ｕ₂ ²））を計算す
る。この任意要項点（φ，ψ）と原点（固定抵抗がある
場合にはその値は既知として、ψ軸の切片の値を求め
る）を通る抵抗曲線を２次曲線と仮定して、この抵抗曲
線の係数を求める。この抵抗曲線と、既知の入口案内羽
根０度のときの特性曲線との交点の座標（φ′，ψ′）
を数値計算等で求める。座標値φ′から、流量Ｑ′を次
の式で求める。 Ｑ′＝φ′・π・Ｄ₂ ²・Ｕ₂ ／４ 羽根車入口面積をＡ₁ とすると、次の式から羽根車入口
軸流速度Ｃm₁が求まる。 Ｃm₁＝Ｑ′／Ａ₁ ＝φ′・π・Ｄ₂ ²・Ｕ₂ ／（４・
Ａ₁ ）

【００４２】ポンプのヘッドＨ′は、羽根車出口周速Ｕ
₂ と絶対速度の周方向成分Ｃu₂との積Ｕ₂ ・Ｃu₂と、羽
根車入口周速Ｕ₁ と絶対速度の周方向成分Ｃｕ₁ との積
Ｕ₁・Ｃu₁の差から次式で求められる。 Ｈ′＝（Ｕ₂・Ｃｕ₂−Ｕ₁・Ｃu₁）／ｇ ここで、 ψ′＝（ｇ・Ｈ′／Ｕ₂ ²）であるから、 ψ′＝（Ｕ₂ ・Ｃu₂−Ｕ₁ ・Ｃu₁）／Ｕ₂ ²となる。 今、入口案内羽根角度は０度としているので絶対速度の
周方向成分Ｃ_U1は０となる。従って、羽根車出口の絶対
速度の周方向速度成分Ｃu₂は次の式で求められる。 Ｃu₂＝Ｕ₂ ・ψ′ 本発明者の研究によれば、羽根車出口での絶対速度の周
方向速度成分Ｃu₂は流量にだけ依存して、入口案内羽根
角度よって変わらないことがわかった。この結果を用い
ると、任意要項（与えられた要項）のψは、 ψ＝（Ｕ₂ ²・ψ′−Ｕ₁ ・Ｃu₁）／Ｕ₂ ² ＝ψ′−Ｕ₁ ・Ｃu₁／Ｕ₂ ² と表されるので、羽根車入口での絶対速度の周方向速度
成分Ｃu₁は Ｃu₁＝（ψ′−ψ）・Ｕ₂ ²／Ｕ₁ となる。

【００４３】任意要項を満足させるための入口案内羽根
の角度は、羽根車入口での二乗平均径をＤ₁rms とする
と、 α₁ ＝arctan（Ｃu₁／Ｃm₁） ＝arctan（Ａ₁ ・（ψ′−ψ）・Ｕ₂ ／（Ｄ₂ ²・φ′・
Ｕ₁ ）） ＝arctan（Ａ₁ ・（ψ′−ψ）／（Ｄ₂ ・Ｄ₁rms ・
φ′）） ここで定数ｋを ｋ＝Ａ₁ ／（Ｄ₂ ・Ｄ₁rms ）とする
と α₁ ＝arctan（ｋ（ψ′−ψ）／φ′） から求められる。

【００４４】このように、入力装置３によって入力され
た要求性能が発揮できるように、演算処理装置Ｕによっ
て、入口案内羽根６の角度を算出して、第２制御駆動装
置７によって入口案内羽根６を自動的に制御して運転で
きるようにした。入口案内羽根６の角度を変えると羽根
車内の流れ状態が変わり、従って羽根車出口流れ状態も
変わる。ディフューザ羽根４がある場合は、演算処理装
置により流れに対して最適な角度を算出することができ
る。

【００４５】これはポンプの回転数が変わっても同じな
ので、回転数が変わり、入口案内羽根の角度が変わっ
た、どのような運転点でもディフューザ羽根の角度を最
適状態で運転することが可能となる。

【００４６】入口案内羽根６及びディフューザ羽根４の
角度によっては入力装置３で指定した流量及びヘッドを
満足しない場合もあるので、その際は第２制御駆動装置
７によって入口案内羽根６を動かして微調節する。

【００４７】図１４に、一例として、横軸はこの装置を
取付けた遠心圧縮機の無次元流量、縦軸は上から圧力係
数及び効率をとって、この装置を取付けた遠心圧縮機の
性能を示すが、広い運転範囲で高効率な運転ができるこ
とが確認された。

【００４８】図１５に、ディフューザ羽根を固定して、
入口案内羽根だけを可変にした場合の遠心圧縮機の全体
性能を示すが、図１４に示す本発明による装置の性能は
この図に比べて大流量、小流量とも、性能が大幅に改善
されていることが分かり、本発明による効果が明らかで
ある。ポンプの場合、回転数を変えた場合にも無次元特
性としては同一の結果が得られる。

【００４９】図４乃至図１４に図示した実施例において
は、演算処理装置Ｕを１ユニット設置した例を示した
が、演算処理装置を機能別に分離して複数の演算処理装
置としてもよい。また、制御駆動装置を第１、第２、第
３制御駆動装置に機能別に分離したが、１つの制御駆動
装置としてもよい。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、流
体機械を設計点流量以外の流量域で運転したときに発生
する不安定現象を回避して、流体機械を広い流量範囲で
運転することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】羽根車出口の流体の状態を示す模式図である。

【図２】図２（ａ）は、無次元吸込流量と無次元ディフ
ューザ損失との関係を示す図であり、図２（ｂ）は、無
次元吸込流量とポンプ効率との関係を示す図である。

【図３】ポンプの各所における圧力変動状態を示す図で
ある。

【図４】本発明の可変案内羽根付き流体機械の一例であ
る単段遠心圧縮機を示す縦断面図である。

【図５】本発明の可変案内羽根付き流体機械の一例であ
る単段遠心圧縮機を示す部分側面図である。

【図６】本発明に係る可変案内羽根付き流体機械の一実
施例を示すブロック図である。

【図７】ディフューザ羽根の取付けられる盤上に設けた
圧力孔を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面
図である。

【図８】無次元流量とディフューザ羽根角度との関係を
示すグラフである。

【図９】予め検定風胴にて求めた流れ角に対するξの関
係を示すグラフである。

【図１０】本発明の可変案内羽根付き流体機械における
変動値の求め方を説明するグラフである。

【図１１】本発明の可変案内羽根付き流体機械における
しきい値の求め方を示すグラフである。

【図１２】本発明の可変案内羽根付き流体機械の処理手
順を示すフローチャートである。

【図１３】ポンプの特性曲線と抵抗曲線の説明図であ
る。

【図１４】本発明の無次元流量と効率及びヘッド係数と
の関係を示す図である。

【図１５】従来の技術の無次元流量と効率及びヘッド係
数との関係を示す図である。

【符号の説明】

１ 演算部 ２ 記憶部 Ｕ 演算処理装置 ３ 入力装置 ４ ディフューザ羽根 ５ 第１制御駆動装置 ６ 入口案内羽根 ７ 第２制御駆動装置 ８ 羽根車 ９ 第３制御駆動装置 １０ 円盤 １１（１１−１，１１−２，１１−３） 圧力孔

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【手続補正書】

【提出日】平成７年８月７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項６

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】請求項６に記載の発明は、このような考察
に基づいてなされたもので、ディフューザ羽根を具備し
た流体機械において、ディフューザ羽根の少なくとも圧
力面側と負圧面側の圧力を検出する圧力検出装置と、基
準流量を設定し、この基準流量より大きい流量において
は、上記圧力検出装置で検出された圧力に基づいて上記
ディフューザ羽根の角度を制御し、上記基準流量以下に
おいては、上記圧力検出装置で検出された圧力値の変動
値を算出し、この変動値が予め定められたしきい値以下
となるようにディフューザ角度を制御する制御装置とを
備えたことを特徴とする可変案内羽根付き流体機械であ
る。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２３】請求項６に記載の発明においては、制御装
置が、基準流量より大きい流量においては、圧力検出装
置で検出された圧力に基づいて上記ディフューザ羽根の
角度を制御し、基準流量以下においては、圧力検出装置
で検出された圧力値の変動値を算出し、この変動値が予
め定められたしきい値以下となるようにディフューザ角
度を制御するので、流体機械の特性に応じてそれぞれの
流量域での適切な制御がなされる。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ディフューザ羽根を具備した流体機械に
   おいて、 ディフューザ羽根の圧力面側と負圧面側及びディフュー
   ザ部の所定の位置の圧力を検出する圧力検出装置と、 上記圧力検出装置で検出された圧力に基づき上記ディフ
   ューザ羽根の角度を決定する演算処理装置と、 上記ディフューザ羽根を決定された角度に駆動制御する
   第１制御駆動装置とを備えたことを特徴とする可変案内
   羽根付き流体機械。
2. 【請求項２】 さらに必要とされる流体機械の運転状態
   を入力する入力装置を備え、上記演算処理装置は、上記
   入力装置によって入力された要求性能が発揮できるよう
   に流体機械の運転状態を算出することを特徴とする請求
   項１に記載の可変案内羽根付き流体機械。
3. 【請求項３】 上記圧力検出装置は、上記ディフューザ
   羽根が取り付けられた盤上に設けられていることを特徴
   とする請求項１又は２に記載の可変案内羽根付き流体機
   械。
4. 【請求項４】 さらに、入口案内羽根と、該入口案内羽
   根を予め定められた演算式に基づき算出された角度に駆
   動制御する第２制御駆動装置とを具備したことを特徴と
   する請求項１ないし３のいずれかに記載の可変案内羽根
   付き流体機械。
5. 【請求項５】 さらに、流体機械の回転数制御を行う第
   ３制御駆動装置を具備したことを特徴とする請求項１な
   いし４のいずれかに記載の可変案内羽根付き流体機械。
6. 【請求項６】 ディフューザ羽根を具備した流体機械に
   おいて、 ディフューザ羽根の少なくとも圧力面側と負圧面側の圧
   力を検出する圧力検出装置と、 基準流量を設定し、この基準流量より大きい流量におい
   ては、上記圧力検出装置で検出された圧力に基づいて羽
   根車から流出する流れの方向を決定して上記ディフュー
   ザ羽根の角度を制御し、 上記基準流量以下においては、上記圧力検出装置で検出
   された圧力値の変動値を算出し、この変動値が予め定め
   られたしきい値以下となるようにディフューザ角度を制
   御する制御装置とを備えたことを特徴とする可変案内羽
   根付き流体機械。