JPS5840678B2 - 蓄勢回転運動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、蓄勢回転運動機械に関し、特に、蓄勢ポンプ
および圧縮機に関する。

蓄勢ポンプは、数段の遠心作用段の揚程に匹敵する揚程
を、該遠心段と同等の先端速度を有する単一の回転子か
ら得ることができるようにする回転運動機械である。

ポンプのインペラは円板と、その円板の外周縁近くにお
いて円板の両面に軸方向に突設した一連の羽根とから構
成することができる。

それらの羽恨は、インペラ円板の外周縁に近い半径方向
の面に適当な間隔を置いて配設し、該羽根の断面積より
大きい断面積を有する環状チャンネル内へ突出させる。

ポンプの流体入口と流体排出口との間の扇形区間におい
ては上記環状チャンネルの軸方向の幅を狭くして、チャ
ンネルの内壁をインペラの周りに密接させる。

この扇形区間をストリッパシールと称する。

ストリッパシールの機能は、入口と排出口を分離し、そ
れによって流体を排出口を通して排出させるようにする
ことである。

ストリッパシールは、インペラの各羽根の間にはさまれ
た流体だけを通口の方へ通して環状チャンネル内へ再循
環させ、残りの流体は排出口から排出させる。

この種のポンプの利点は、低い流量で高い揚程を得るこ
とができることである。

ポンプの比速度は非常に低い。

このポンプの効率はあまり高くはなく、通常５０％以下
であるが、低い流量で高い揚程を必要とする作業のため
に容積型ポンプの代りに回転運動型ポンプを使用するこ
とが好ましい多くの使用例に適用されている。

この種のポンプは、効率は低いが、構造が簡単であるこ
と、および潤滑や摩耗による問題がないという点で、容
積型ポンプに比べて利点を有している。

蓄勢ポンプは、ガスを圧縮させるための圧縮機として転
用されているが、この利点は、一定サイズの機械におい
て低い流量で高い圧力比を提供する低比速度を有するこ
とにある。

更に他の利点は、潤滑油を必要とせず、急停止や、不安
定なサージング現象を起さないことである。

このような圧縮機においては、ガスは、環状の通路内を
つる巻状進路に沿って流れながら、入口から出口までの
円周進路に沿って各羽根の間を通り数回通流する。

羽根群の間を通って環状チャンネル内を流れる流体の１
回の通流を１つの圧縮段とみなすことができ、流体は環
状チャンネル内を数回通流した後排出されるので単一の
インペラから数段の圧縮段に相当する圧縮を達成するこ
とができる。

しかしながら、このポンプ送り過程は、能率的であると
は考えられない。

各羽根と羽根の間の流体は、環状チャンネルを半径方向
に横切って投げ出され、激しい混合が生じ、流体が各羽
根間を通る際に得た角運動量が環状チャンネル内の流体
に伝達される。

この混合過程は、激しい乱流の発生を伴うが、これは望
ましくない動力の無駄をもたらすことを意味する。

蓄勢ポンプの流体力学的な仕組みの理論は、幾つか発表
されており、それらの理論を考察し、比較したセヌー氏
の論文が米国機械エンジニア協会の会誌、１９５６年第
７８巻、第１０９１〜１１０２頁に掲載されている。

それらの理論は仮定の立て方に相異がみられるが、原則
的には同様であると考えられる。

セヌー氏とイバーセン氏（米国機械エンジニア協会会誌
、１９５５年第７７巻、第１９〜２８頁）は、回転する
インペラと流体との間の乱流摩擦がポンプ送り作用を起
す主要な力であると考えている。

ウィルソン氏、サンタロ氏、エルリッチ氏（米国機械エ
ンジニア協会会誌、１９５５年第７７巻、第１３０３〜
１３１６頁）は、蓄勢ポンプの流体力学的仕組みは、イ
ンペラの間を通る流体とケーシング内の流体との間で運
動量の交換を行いながら流体が循環されることに基づく
ものと考えている。

比較的最近になって、慣用の放射状（半径方向）の羽根
群の代りに空気力学的ブレード群を用いた、かなり効率
の良い圧縮機が提案されている。

この圧縮機では、流体を最少限の損失をもって含ブレー
ド間を通して循環させるように案内するのを助成するコ
アが環状チャンネル内に配設されている９このコアは、
各ブレードの先端のところに渦流が形成されることによ
る損失を少くするために各ブレードの先端に近接してそ
れを囲繞する囲い体としての役割をも果す。

そのような構成は、例えば英国特許第１，２３７，３６
３号に記載されている。

本発明の目的は、蓄勢回転運動型機械の改良にあり、特
に、商業的な利点を有する、空気力学的ブレード群を備
えた圧縮機であり、広範囲に異る容量のものに容易に組
立てることのできる圧縮機を提供することにある。

略述すれば、本発明は、円板状の回転インペラをケーシ
ング内に配設し、該インペラの外周に近接する一部分を
、前記ケーシング内に該インペラと同心的に形成された
、インペラの幅より大きい幅を有する環状の室を通して
半径方向に延長させて該ケーシング内に該インペラの少
くとも一方の而の側に環状の側部チャンネルを画定し、
前記環状室内に存在するインペラの前記一部分の、前記
環状側部チャンネルのある側の首の外周縁より半径方向
内方の部位に環状の断面はぼ０字形の凹部を形成し、該
環状凹部内に該凹部の半径方向の寸法より小さい半径方
向の寸法を有する一連の空気力学的ブレードを環状に配
夕］ル、もって、流体の流れは、前記環状室内を入口か
ら出口まで円周方向に通り、その通過中前記インペラの
凹部内の各ブレードの間を半径方向外方へ通り、次いで
、該凹部外でインペラに沿って前記環状側部チャンネル
内を半径方向内方へ流れる循環流れを繰返すようになさ
れており、前記各ブレードは、その回転方向にくぼんだ
凹面状の内側表面と、回転方向に突出した凸面状の外側
表面を有する湾曲した空気力学的ブレードであり、各ブ
レードの半径方向の長さを前記凹部の半径方向の長さよ
り短くしたことを特徴とする蓄勢回転運動装置を提供す
る。

好ましい実施例においては、前記環状室をインペラによ
って分割し、インペラの両側にそれぞれ環状の側部チャ
ンネルを画定する。

インペラの外周部の両面にえぐり取られた形の環状凹部
を形成し、該凹部内に一連のブレードを環状に配列する
。

インペラの０字形えぐり凹部内にブレードを配置する本
発明の構成は、ガス流が各ブレード間から流出した時点
ではまだえぐり凹部内にあり、環状室の静止外周壁に摩
擦接触しないという利点をもたらす。

従って、ブレードから離れたガスが直ちに環状室の静止
壁に衝突する従来の機械に比べて摩擦が減少される。

また、ブレード群を備えたインペラ円板を単一の一体部
品として例えばグイキャストによって製造することがで
きるという利点も得られる。

その場合、インペラの両側の環状チャンネル内に設ける
コア、即ちブレード先端囲い体は、シュラウドリングの
形としブレード群の先端に固定することができる。

あるいは別法として、ブレードを備えていないインペラ
円板をダイキャヤトで形威し、ブレード組を囲いリング
と一体に鋳造し、シュラウドリングを備えた各ブレード
組をそれぞれのインペラの上記凹部内に固定するように
してもよい。

以下に本発明による圧縮機の構成を添付図を参照して説
明する。

添付図の第１図は本発明の蓄勢圧縮機の作動を示す概略
図であり、該圧縮機のケーシング部材およびインペラは
第２〜８図に示されている。

第１図を参照すると、本発明による単一インペラ型蓄勢
圧縮機が概略的に示されている。

割りケーシング２５内に収容されているインペラ１１は
、空気力学的（回転型）ブレード１８Ａ、１８Ｂを備え
た円板から成り、軸１０によって駆動される。

ブレード１８Ａ、１８Ｂは、円板の外周縁から半径方向
に僅かに内方において該円板の両面に形成された断面り
字形のえぐり取られた形の凹部１２Ａ。

１２Ｂ内にそれぞれ取付けである。

各空気力学的ブレードは、インペラの回転軸線に垂直な
半径方向の平面内において湾曲しており、回転方向に向
ってくぼんだ凹面状の内側表面３０（第３図）と、回転
方向に突出した凸面状の外側表面３１を有している。

外側表面３１は内側表面より大きい曲率を有している。

各ブレード１８Ａ、１８Ｂは、それぞれ対応するＤ字形
口部１２Ａ、１２Ｂ内に完全に納まっており、凹部の半
径方向の両極端にまでは延長していない。

従って、ブレードの半径方向の内端と外端のところには
第１図右端にみられるように空間が画定される。

インペラ１１のブレード付周縁部は、圧縮機ケーシング
２５の環状室１３内に突出させる。

環状室１３は、インペラより軸方向の幅が広く、その外
側周壁は、内方に面した円筒状表面１４を有している。

インペラ１１の円板の円筒状外周面１５は、環状室１３
の円筒状表面１４に近接しており、それによって室１３
をほぼ長円形の断面形状の２つの別個の側部チャンネル
１３Ａと１３Ｂに分割する。

側部チャンネル１３Ａ、１３Ｂは、インペラの円板の両
側に位置し、各々、ブレード１８Ａまたは１８Ｂを包含
したインペラ１１のＤ字型えぐり凹部１２Ａまたは１２
Ｂの表面と、室１３の壁とによって画定される（第１図
右端）。

ブレード１８Ａ、１８Ｂは、それぞれの凹部１２Ａ、１
２Ｂおよび側部チャンネル１３Ａ、１３Ｂの半径方向の
幅のほぼ土に亘つて延長させてあり（第６図）、該ブレ
ードを通って半径方向外方に流れる流体を９０°より十
分大きい角度β１＋β２で転向させ、矢印Ｆによって示
される如く各側部チャンネル１３Ａ、１３Ｂ内に流体の
循環を生じさせるように設計しである（第１図右端）。

各チャンネル１３Ａ、１３Ｂ内には、流体が最少限の損
失をもって（即ちできるだけ外部に流失しないようにし
て）各ブレードを通って循環するように該流体を案内す
るのを助成するシュラウドリングの形の中央コア１６Ａ
、１６Ｂを配設する。

シュラウドリング１６Ａ、１６Ｂは、各ブレードの先端
のところに渦流が生じることによる流体損失を回避する
ようにブレードの先端に当接させて配置する。

シュラウドリング１６Ａ。１６Ｂは、インペラ１１上の
ボス１７（第８図）に挿通したねじによってブレード１
８Ａ、１８Ｂに固定する。

あるいは別法として、シュラウドリング１６Ａ、１６Ｂ
を静止部材とし、ケーシングの側面にボルト止めした複
数の支柱によって支持してもよい。

流体は、ケーシング２５の壁に設けられた人口１９を通
り、それと連通ずる入口室２０を通って環状室１３のチ
ャンネル１３Ａ、１３Ｂに流入する。

入口室２０は、チャンネル１３Ａ、１３Ｂの外周部に連
通している。

次いで、流体は、環状チャンネル１３Ａ、１３Ｂから出
口２１（第２〜５図）を通り、円錐状ディフューザ２６
を通って流出し、圧力の回復を達成する。

入口２０と出口２１の間にストリッパーシール２２（第
２および４図）を形成する。

ストリッパーシールは、ケーシング２５の壁がインペラ
の両側面にその外周縁１５にまで全面に亘って近接する
ように該ケーシング壁の内側向を形作ることによって形
成する。

あるいは別法として、スＩ−ＩＪツバ−シールは、完全
に別個のストリッパ一部材を追加することによって形成
することもできる。

えぐり凹部１２Ａ。１２Ｂ内には高圧ガスが捕捉される
ので、ケーシング壁に幾つかの部位において室１３に連
通ずる逃がし通路２８（第２，４図）を設ける。

えぐり凹部１２Ａ、１２Ｂおよびブレード群１８Ａ、１
８Ｂより半径方向内方のインペラ１１の部分は、第１お
よび７図に示されるように環状ブレード２７によって閉
鎖された中空内部２３を有する環状の皿状体として形成
する。

インペラの一方の面に沿って半径方向内方に進入するガ
スと他方の面に沿って進入するガスの量が異り、インペ
ラ即ち回転子の円板の両面間に圧力差を生じることがあ
るので、円板に幾つかの圧力均衡穴２４（第６図）を穿
設する。

入口１９から出口２１に至るまでの間に、圧縮すべき流
体は、ブレード群１８Ａ、１８Ｂの間を通って多数回通
流する。

ブレード群の間を通るごとに一定量のエネルギーがイン
ペラから流体に伝達される。

ブレード群の間を通る流体の流量は、自己調節性を有す
る。

なぜなら、ブレード間を通る流体の速度は、エネルギー
の伝達割合が入口と出口との間に圧力差を創生ずるのに
必要とされる値に達するまで増大する傾向を有するから
である。

入口と出口の圧力差が増大すると、それに対応して、ブ
レード群の間を通る流体の通流回数と、各回の通流毎に
伝達されるエネルギーのいずれも増大させる。

エネルギーの伝達割合は、ブレードに対する流体の相対
的流速の自乗として変化する傾向を有する。

ブレードから流体へ伝達されるエネルギーを、入口と出
口との間に圧力差を創生ずるのに必要とされるエネルギ
ーと等しいとみなして等式をつくることによって環状チ
ャンネル１３Ａ。

１３Ｂ内の流体の速度を推定することができる。

この流速データは、ブーレードの最適設計を得るための
有用な指針となる。

第１０図に示されるように、流体は、入口角度β１、相
対流速Ｗ１でブレードに対して流入腰出口角度β２、相
対流速Ｗ２でブレードから離れる。

ブレードの先行縁における流体の絶対速度の周速成分を
ＶＵ１とし、ブレードの後行縁における流体の絶対整度
の周速成分をＶＵ２とし、ブレード自体の先行縁および
後行縁の周速をそれぞれＵｌおよびＵ２とすれば、 ＶＵ Ｉ−Ｕ １Ｗ１ ｓ ＋ ｎβ１ ｖＵ２ ＝ Ｕ ２ ＋ Ｗ２ ｓ ＋ ｎβ２である
。

ブレードを離れるときのガスの周速即ち前方速度成分は
、ブレードの速度より大きい。

ガスは、ブレードから離れると、直ちに周方向の圧力勾
配の作用下に入り、環状チャンネル１３Ａ、１３Ｂに沿
って横断方向（半径方向）に通過する間にその周速が漸
進的に減少され、ブレードへ再進入して再び衝撃（エネ
ルギー）を受ける。

第９図にみられるように、空気力学的回転型ブレード１
８Ａ。

１８Ｂの表面は、製造を容易にするために円弧の連続に
よって形成する。

図示の実施例では、ブレードの内側表面３０は、単一の
円弧として形成されており、外側表面３１は、中央部の
８０°を１つの円弧とし、その両側に１５°および１８
°を異る曲率の円弧として形成されている。

これによって、角度β１＋β２を９０°より大きくする
。

図示の実施例において空気力学的ブレード１８Ａ。

１８Ｂは、インペラ１１の円板と一体にダイキャストに
よって形成されているが、先に述べたように別法として
凹部１２Ａ、１２Ｂを備えたインペラ円板をダイキャス
トで形威し、それとは別個の各組のブレード群１８Ａ、
１８Ｂをそれぞれのシュラウドリング１６Ａ、１６Ｂと
一体に鋳造し、各ブレード組を例えばねじによってそれ
ぞれの空所１２Ａ、１２Ｂに固定することができる。

また、共通の駆動軸に２つまたはそれ以上のインペラを
取付けることによって多段圧縮機を構成することもでき
る。

第１１図は、共通の１駆動軸３４に取付けられたサイズ
の異る２つのインペラ３２．３３を有する圧縮機を示す
。

第１２図は、更に別の実施態様を示す。

この実施態様においては、単一のインペラ３５の外周縁
より内方の側部空所３８．３９内に２組のブレード３６
，３７を（第２〜８図の実施例のブレード組１８Ａ、１
８Ｂと同様のもの）配設し、更に、インペラの外周にブ
レード組４０を形成しである。

この場合、インペラの外周とケーシング４３の内側円周
壁面４２との間に間隙４１を形成する。

間隙４１は、インペラリムの両側の環状側部チャンネル
４４と４５を連通させる。

この圧縮機においては、任意の態様で圧縮段の順序を定
めることができる。

即ち、圧縮すべき流体を３組のブレード３６，３７，４
０に任意の順序で次々に通すことができる。

図示の実施例において、■、■および■は、圧縮すべき
流体を周縁ブレード群４０、側部ブレード群３６、側部
ブレード群３７の順に通すことを示している。

ここに示された圧縮機は、両面型インペラを有している
が、ブレーキ群をインペラの片面だけに設けてもよい。

また、２つの半分体から成る割りインペラを使用すれば
、２種類だけの鋳造インペラを用いて広い範囲の容量の
圧縮機を構成することができる。

例えば、ブレード付のインペラ半分体と、ブレード無し
のインペラ半分体とを結合すれば、両面型インペラの容
量の半分の容量のものが得られ、２つの両面型インペラ
を軸方向に並べて配置すれば、２倍の容量のものが得ら
れる。

両面型インペラと、一方の面のブレードを省除した片面
型インペラとを組合わせれば１．５倍の容量のものが得
られる。

本発明による機械は、平衡化されており、振動がなく、
製造費が比較的安く、ルーツ送風機に代る運転音の静か
な代替機として使用することができる。

既存の蓄勢圧縮機は、本発明の圧縮機と同様に運転はス
ムースであるが、効率が悪い。

即ち、従来の機械は、１段につき最大限８ ｐｓｉ （
０，５６に９／ｃｒＩｔ）の圧力を創生ずるのに対し、
本発明の機械は、１０ ｐｓｉ （０，７ｋｇ／ｃｆ？
Ｌ）以上の圧力を創生し、真空創生機としても使用する
ことができる。

第２〜８図に示された圧縮機は、特に、製造が容易であ
り、各部品は簡単なダイキャストによって形成すること
ができ、先に説明したようにインペラの外周縁における
摩擦が小さい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による蓄勢圧縮機の概略断面図、第２お
よび３図は、第１図の圧縮機のケーシングの上側半分体
の内部および外部をそれぞれ示す図、第４および５図は
圧縮機ケーシングの下側半分体の内部および外部をそれ
ぞれ示す図、第６図は圧縮機のインペラの平面図、第７
および８図は、それぞれ第６図の線７−７および８−８
に沿ってみた断面図、第９図は空気力学的ブレードの断
同輪郭図、第１０図はブレードの速度とガスの流れ角度
を示す概略図、第１１図は連続的な圧縮段として作動す
る２つのインペラを備えた圧縮機として構成した本発明
の第２実施例を示す図、第１２図は多段圧縮機の更に他
の実施例を示す。 図中、１０は軸、１１はインペラ、１２Ａ。 １２Ｂは凹部または空所、１３は環状室、１３Ａ。 １３Ｂは環状側部チャンネル、１５はインペラの円筒形
外周面、１６Ａ、１６Ｂはコア即ちシュラウドリング、
１８Ａ、１８Ｂはブレード、１９は入口、２０は入口室
、２１は出口、２２はストリッパシール、２５は割りケ
ーシング、２８は逃がし通路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 蓄勢回転運動装置において、円板状の回転インペラ
   １１をケーシング内に配設し、該インペラの外周に近接
   する一部分を、前記ケーシング内に該インペラと同心的
   に形成された、インペラの幅より大きい幅を有する環状
   の室１３を通して半径方向に延長させて該ケーシング内
   に該インペラの少くとも一方の面の側に環状の側部チャ
   ンネル１３Ａ、１３Ｂを画定し、前記環状室内に存在す
   るインペラの前記一部分の、前記環状側部チャンネルの
   ある側の面の外周縁より半径方向内方の部位に環状の断
   面はぼ０字形の凹部１２Ａ、１２Ｂを形成し、該環状凹
   部内に一連のブレード１８Ａ。 １８Ｂを環状に配列し、もって、流体の流れは、前記環
   状室１３内を入口から出口まで円周方向に通り、その通
   過中前記インペラの凹部内の各ブレードの間を半径方向
   外方へ通り、次いで、該凹部外でインペラに沿って前記
   環状側部チャンネル内を半径方向内方へ流れる循環流れ
   を繰返すようになされており、前記各ブレードは、その
   回転方向にくぼんだ凹面状の内側表面３０と、該回転方
   向に突出した凸面状の外側表面３１を有する湾曲した空
   気力学的ブレードであり、各ブレードの半径方向の長さ
   を前記凹部１２Ａ、１２Ｂの半径方向の両極端にまで延
   長しないように該凹部の半径方向の長さより短くしたこ
   とを特徴とする蓄勢回転運動装置。 ２ 前記ブレード群を前記インペラと一体に鋳造したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の蓄勢回転
   運動装置。 ３ 前記環状室を前記インペラによって分割して該イン
   ペラの両側にそれぞれ１つの環状側部チャンネルを画定
   し、該インペラの両側に形成された断面り字形の凹部内
   にそれぞれ一連の空気力学的ブレードを環状に配列しイ
   ンペラの側面に固定したことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項または２項に記載の蓄勢回転運動装置。 ４ 前記インペラの外周面を前記ケーシングの内向き外
   周壁に対して密な動き嵌め関係に配設したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１〜３項のいずれかに記載の蓄勢
   回転運動装置。 ５ 前記各空気力学的ブレードは、その回転平面におい
   てそれに対して進入してくる流体の流れと、ブレードか
   ら離れていく流体の流れとの間の角度が９０°より大き
   くなるように該ブレードを構成したことを特徴とする特
   許請求の範囲第１〜４項のいずれかに記載の蓄勢回転運
   動装置。 ６ 前記各空気力学的ブレードの各湾曲表面を１つまた
   はそれ以上の円弧によって形成したことを特徴とする特
   許請求の範囲第１〜５項のいずれかに記載の蓄勢回転運
   動装置。