(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023025974
(43)【公開日】2023-02-24
(54)【発明の名称】多段式ターボ機械
(51)【国際特許分類】
F04D 29/44 20060101AFI20230216BHJP
F04D 17/12 20060101ALI20230216BHJP
【ＦＩ】
F04D29/44 R
F04D17/12
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021131460
(22)【出願日】2021-08-11
(71)【出願人】
【識別番号】000000099
【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ
(74)【代理人】
【識別番号】110000936
【氏名又は名称】弁理士法人青海国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】時枝 克典
(72)【発明者】
【氏名】沼倉 龍介
【テーマコード（参考）】
3H130
【Ｆターム（参考）】
3H130AA13
3H130AB27
3H130AB47
3H130AB62
3H130AB65
3H130AB69
3H130AC03
3H130BA10A
3H130CA12
3H130EB00A
3H130EB01A
3H130EB03A
3H130EB05A
(57)【要約】
【課題】リターン流路における境界層の剥離を抑制すること。
【解決手段】多段式ターボ機械２は、第１インペラおよび第２インペラと、シュラウド１３と、ハブ１４と、シュラウド１３およびハブ１４の間に画定され、第１インペラの径方向外側に位置するディフューザ流路１５であって、当該ディフューザ流路１５内を第１インペラからの流体が径方向外向きに流れる、ディフューザ流路１５と、シュラウド１３およびハブ１４の間に画定され、ディフューザ流路１５に接続されるリターン流路１６であって、当該リターン流路１６内でディフューザ流路１５からの流体が第２インペラに向かって径方向内向きに曲げられ、当該リターン流路１６の幅ｗは、中心軸線に沿って得られる所定の断面において、径方向における最外部１６ａよりも下流に位置する第１位置Ｐ１において、極大値を有する、リターン流路１６と、を備える。
【選択図】図４
【解決手段】多段式ターボ機械２は、第１インペラおよび第２インペラと、シュラウド１３と、ハブ１４と、シュラウド１３およびハブ１４の間に画定され、第１インペラの径方向外側に位置するディフューザ流路１５であって、当該ディフューザ流路１５内を第１インペラからの流体が径方向外向きに流れる、ディフューザ流路１５と、シュラウド１３およびハブ１４の間に画定され、ディフューザ流路１５に接続されるリターン流路１６であって、当該リターン流路１６内でディフューザ流路１５からの流体が第２インペラに向かって径方向内向きに曲げられ、当該リターン流路１６の幅ｗは、中心軸線に沿って得られる所定の断面において、径方向における最外部１６ａよりも下流に位置する第１位置Ｐ１において、極大値を有する、リターン流路１６と、を備える。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
同一の中心軸線上に中心軸線方向に沿って互いに離間して配置される第１インペラおよび第２インペラと、
前記第１インペラおよび前記第２インペラを収容するシュラウドと、
前記シュラウドの径方向内側に配置されるハブと、
前記シュラウドおよび前記ハブの間に画定され、前記第１インペラの径方向外側に位置するディフューザ流路であって、当該ディフューザ流路内を前記第１インペラからの流体が径方向外向きに流れる、ディフューザ流路と、
前記シュラウドおよび前記ハブの間に画定され、前記ディフューザ流路に接続されるリターン流路であって、当該リターン流路内で前記ディフューザ流路からの流体が前記第２インペラに向かって径方向内向きに曲げられ、当該リターン流路の幅は、前記中心軸線に沿って得られる所定の断面において、径方向における最外部よりも下流に位置する第１位置において、極大値を有する、リターン流路と、
を備える、多段式ターボ機械。
前記第１インペラおよび前記第２インペラを収容するシュラウドと、
前記シュラウドの径方向内側に配置されるハブと、
前記シュラウドおよび前記ハブの間に画定され、前記第１インペラの径方向外側に位置するディフューザ流路であって、当該ディフューザ流路内を前記第１インペラからの流体が径方向外向きに流れる、ディフューザ流路と、
前記シュラウドおよび前記ハブの間に画定され、前記ディフューザ流路に接続されるリターン流路であって、当該リターン流路内で前記ディフューザ流路からの流体が前記第２インペラに向かって径方向内向きに曲げられ、当該リターン流路の幅は、前記中心軸線に沿って得られる所定の断面において、径方向における最外部よりも下流に位置する第１位置において、極大値を有する、リターン流路と、
を備える、多段式ターボ機械。
【請求項2】
前記リターン流路の幅は、前記第１位置よりも下流の第２位置において、極小値を含む、請求項１に記載の多段式ターボ機械。
【請求項3】
前記極小値は、前記最外部における前記リターン流路の幅よりも小さい、請求項２に記載の多段式ターボ機械。
【請求項4】
前記リターン流路は、円周方向に沿って配置される複数のリターンガイドベーンを含み、
前記第１位置は、前記リターンガイドベーンよりも上流に位置する、請求項１から３のいずれか一項に記載の多段式ターボ機械。
前記第１位置は、前記リターンガイドベーンよりも上流に位置する、請求項１から３のいずれか一項に記載の多段式ターボ機械。
【請求項5】
同一の中心軸線上に中心軸線方向に沿って互いに離間して配置される第１インペラおよび第２インペラと、
前記第１インペラおよび前記第２インペラを収容するシュラウドと、
前記シュラウドの径方向内側に配置されるハブと、
前記シュラウドおよび前記ハブの間に画定され、前記第１インペラの径方向外側に位置するディフューザ流路であって、当該ディフューザ流路内を前記第１インペラからの流体が径方向外向きに流れる、ディフューザ流路と、
前記シュラウドおよび前記ハブの間に画定され、前記ディフューザ流路に接続されるリターン流路であって、当該リターン流路内で前記ディフューザ流路からの流体が前記第２インペラに向かって径方向内向きに曲げられ、当該リターン流路は、前記中心軸線に沿って得られる所定の断面において、前記流体が径方向内向きに流れる領域に、前記シュラウドの表面と径方向との間の角度が、前記ハブの表面と前記径方向との間の角度よりも大きい区間を含む、リターン流路と、
を備える、多段式ターボ機械。
前記第１インペラおよび前記第２インペラを収容するシュラウドと、
前記シュラウドの径方向内側に配置されるハブと、
前記シュラウドおよび前記ハブの間に画定され、前記第１インペラの径方向外側に位置するディフューザ流路であって、当該ディフューザ流路内を前記第１インペラからの流体が径方向外向きに流れる、ディフューザ流路と、
前記シュラウドおよび前記ハブの間に画定され、前記ディフューザ流路に接続されるリターン流路であって、当該リターン流路内で前記ディフューザ流路からの流体が前記第２インペラに向かって径方向内向きに曲げられ、当該リターン流路は、前記中心軸線に沿って得られる所定の断面において、前記流体が径方向内向きに流れる領域に、前記シュラウドの表面と径方向との間の角度が、前記ハブの表面と前記径方向との間の角度よりも大きい区間を含む、リターン流路と、
を備える、多段式ターボ機械。
【請求項6】
前記リターン流路は、円周方向に沿って配置される複数のリターンガイドベーンを含み、
前記シュラウドは、各リターンガイドベーンに対して、正圧面または負圧面の少なくとも一方に隣接して形成される少なくとも１つの窪みを含む、
請求項１から５のいずれか一項に記載の多段式ターボ機械。
前記シュラウドは、各リターンガイドベーンに対して、正圧面または負圧面の少なくとも一方に隣接して形成される少なくとも１つの窪みを含む、
請求項１から５のいずれか一項に記載の多段式ターボ機械。
【請求項7】
前記シュラウドは、各リターンガイドベーンに対して、前記正圧面および前記負圧面の双方に隣接して形成される２つの窪みを含む、
請求項６に記載の多段式ターボ機械。
請求項６に記載の多段式ターボ機械。
【請求項8】
前記窪みは、前記リターンガイドベーンよりも上流から、隣り合うリターンガイドベーンの間の領域まで延在する、請求項６または７に記載の多段式ターボ機械。
【請求項9】
前記リターン流路は、円周方向に沿って配置される複数のリターンガイドベーンを含み、
前記シュラウドは、隣り合うリターンガイドベーンの間に、前記リターン流路に向かって突出する隆起を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の多段式ターボ機械。
前記シュラウドは、隣り合うリターンガイドベーンの間に、前記リターン流路に向かって突出する隆起を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の多段式ターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、多段式ターボ機械に関する。
【背景技術】
【0002】
この技術分野では、リターン流路における境界層の剥離を抑制するための様々な構成が提案されている。例えば、特許文献１は、多段遠心圧縮機を開示する。この多段遠心圧縮機は、２つの羽根車を備える。２つの羽根車の間には、ディフューザとリターンガイドベーンとが設けられる。この多段遠心圧縮機では、境界層の剥離を抑制するために、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が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１６－６５５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記のように、この技術分野では、リターン流路における境界層の剥離を抑制することが望ましい。
【0005】
本開示は、リターン流路における境界層の剥離を抑制することができる多段式ターボ機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の一態様に係る多段式ターボ機械は、同一の中心軸線上に中心軸線方向に沿って互いに離間して配置される第１インペラおよび第２インペラと、第１インペラおよび第２インペラを収容するシュラウドと、シュラウドの径方向内側に配置されるハブと、シュラウドおよびハブの間に画定され、第１インペラの径方向外側に位置するディフューザ流路であって、当該ディフューザ流路内を第１インペラからの流体が径方向外向きに流れる、ディフューザ流路と、シュラウドおよびハブの間に画定され、ディフューザ流路に接続されるリターン流路であって、当該リターン流路内でディフューザ流路からの流体が第２インペラに向かって径方向内向きに曲げられ、当該リターン流路の幅は、中心軸線に沿って得られる所定の断面において、径方向における最外部よりも下流に位置する第１位置において、極大値を有する、リターン流路と、を備える。
【0007】
リターン流路の幅は、第１位置よりも下流の第２位置において、極小値を含んでもよい。
【0008】
極小値は、最外部におけるリターン流路の幅よりも小さくてもよい。
【0009】
リターン流路は、円周方向に沿って配置される複数のリターンガイドベーンを含んでもよく、第１位置は、リターンガイドベーンよりも上流に位置してもよい。
【0010】
本開示の他の態様に係る多段式ターボ機械は、同一の中心軸線上に中心軸線方向に沿って互いに離間して配置される第１インペラおよび第２インペラと、第１インペラおよび第２インペラを収容するシュラウドと、シュラウドの径方向内側に配置されるハブと、シュラウドおよびハブの間に画定され、第１インペラの径方向外側に位置するディフューザ流路であって、当該ディフューザ流路内を第１インペラからの流体が径方向外向きに流れる、ディフューザ流路と、シュラウドおよびハブの間に画定され、ディフューザ流路に接続されるリターン流路であって、当該リターン流路内でディフューザ流路からの流体が第２インペラに向かって径方向内向きに曲げられ、当該リターン流路は、中心軸線に沿って得られる所定の断面において、流体が径方向内向きに流れる領域に、シュラウドの表面と径方向との間の角度が、ハブの表面と径方向との間の角度よりも大きい区間を含む、リターン流路と、を備える。
【0011】
リターン流路は、円周方向に沿って配置される複数のリターンガイドベーンを含んでもよく、シュラウドは、各リターンガイドベーンに対して、正圧面または負圧面の少なくとも一方に隣接して形成される少なくとも１つの窪みを含んでもよい。
【0012】
シュラウドは、各リターンガイドベーンに対して、正圧面および負圧面の双方に隣接して形成される２つの窪みを含んでもよい。
【0013】
窪みは、流れに沿って、リターンガイドベーンよりも上流から、隣り合うリターンガイドベーンの間の領域まで延在してもよい。
【0014】
リターン流路は、円周方向に沿って配置される複数のリターンガイドベーンを含んでもよく、シュラウドは、隣り合うリターンガイドベーンの間に、リターン流路に向かって突出する隆起を含んでもよい。
【発明の効果】
【0015】
本開示によれば、リターン流路における境界層の剥離を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す具体的な寸法、材料および数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
【0018】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る多段式圧縮機２を備える発電システム１００を示す概略図である。本実施形態では、多段式圧縮機（多段式ターボ機械）２は、発電装置１を備える発電システム１００に適用される。多段式圧縮機２の適用先はこれに限定されず、多段式圧縮機２は、発電システム以外の様々な設備に適用されてもよい。また、他の実施形態では、多段式ターボ機械は、圧縮機でなくてもよく、ブロア、ファンまたはポンプ等の他のターボ機械であってもよい。以下、多段式圧縮機２は単に「圧縮機」と称され、発電システム１００は単に「システム」と称され得る。システム１００は、発電装置１と、圧縮機２と、燃焼器３と、シャフト４と、タービン５と、を備える。
図１は、第１実施形態に係る多段式圧縮機２を備える発電システム１００を示す概略図である。本実施形態では、多段式圧縮機（多段式ターボ機械）２は、発電装置１を備える発電システム１００に適用される。多段式圧縮機２の適用先はこれに限定されず、多段式圧縮機２は、発電システム以外の様々な設備に適用されてもよい。また、他の実施形態では、多段式ターボ機械は、圧縮機でなくてもよく、ブロア、ファンまたはポンプ等の他のターボ機械であってもよい。以下、多段式圧縮機２は単に「圧縮機」と称され、発電システム１００は単に「システム」と称され得る。システム１００は、発電装置１と、圧縮機２と、燃焼器３と、シャフト４と、タービン５と、を備える。
【0019】
圧縮機２は、吸入された空気を加圧する。加圧された空気は、燃焼器３に供給され、燃料と混合される。空気および燃料の混合ガスが、燃焼器３において燃焼される。燃焼器３からの排ガスは、タービン５に供給される。シャフト４は、発電装置１、圧縮機２およびタービン５の各々を部分的に通る。
【0020】
排ガスは、タービン５内のブレードの間を通る際に、ブレードをシャフト４と共に回転させる。シャフト４の回転力は、発電装置１において発電に使用される。また、シャフト４の回転力は、圧縮機２において空気の加圧に使用される。タービン５を通過した排ガスは、例えばボイラ等の様々な設備で使用されてもよい。
【0021】
続いて、圧縮機２について詳細に説明する。
【0022】
図２は、図１中の圧縮機２を示す概略的な部分断面図であり、シャフト４の中心軸線Ａｘに沿って得られる複数の断面のうちのある断面を示す。圧縮機２は、第１インペラ１１と、第２インペラ１２と、を備える。すなわち、本実施形態では、圧縮機２は２段である。他の実施形態では、圧縮機２は、２つよりも多いインペラ、すなわち２つよりも多い段数を備えてもよい。
【0023】
圧縮機２は、上記のシャフト４を部分的に備える。第１インペラ１１および第２インペラ１２は、シャフト４上に、すなわち、同一の中心軸線Ａｘ上に、中心軸線方向に沿って互いに離間して配置される。第１インペラ１１および第２インペラ１２は、シャフト４と共に回転される。したがって、シャフト４の中心軸線方向、径方向および回転方向は、第１インペラ１１および第２インペラ１２にも共通である。本開示において、シャフト４、第１インペラ１１および第２インペラ１２の中心軸線方向、径方向および回転方向は、他に指示が無い限り、それぞれ単に中心軸線方向、径方向および回転方向と称され得る。
【0024】
圧縮機２は、シュラウド１３と、ハブ１４と、を備える。シュラウド１３は、第１インペラ１１および第２インペラ１２の径方向外側に位置し、第１インペラ１１および第２インペラ１２を収容する。シュラウド１３は、第１インペラ１１を収容する第１空間ＳＰ１と、第２インペラ１２を収容する第２空間ＳＰ２と、を含む。また、シュラウド１３は、空気の入口１３ａを含む。入口１３ａは、第１空間ＳＰ１に接続されており、第１空間ＳＰ１と流体連通する。空気は、インペラ１１の回転によって入口１３ａから吸入され、第１空間ＳＰ１に導かれる。
【0025】
ハブ１４は、シュラウド１３の径方向内側に位置し、シュラウド１３に収容される。ハブ１４は、第１空間ＳＰ１および第２空間ＳＰ２を中心軸線方向に仕切る。シュラウド１３およびハブ１４はそれらの間に、ディフューザ流路１５と、リターン流路１６と、を画定する。
【0026】
ディフューザ流路１５は、第１インペラ１１の径方向外側に位置する。ディフューザ流路１５は、環状形状を有する。ディフューザ流路１５は、第１空間ＳＰ１に接続されており、第１空間ＳＰ１と流体連通する。第１空間ＳＰ１に導かれる空気は、第１インペラ１１によって加速および加圧され、ディフューザ流路１５に導かれる。第１インペラ１１からの流体は、ディフューザ流路１５内を径方向外向きに流れる。ディフューザ流路１５は、空気の流れを減速させ、空気の速度エネルギーを静圧に変換する。
【0027】
リターン流路１６は、ディフューザ流路１５の最外端に接続され、ディフューザ流路１５と流体連通する。リターン流路１６は、環状形状を有する。リターン流路１６は、第２空間ＳＰ２と接続され、第２空間ＳＰ２と流体連通する。ディフューザ流路１５からの空気は、リターン流路１６内を中心軸線方向、続いて径方向内向きに流れ、第２空間ＳＰ２に導かれる。リターン流路１６は、ベンド部分１７と、直線部分１８と、を含む。
【0028】
図２に示される断面において、ベンド部分１７は、概ね逆さＵ字形状を有する。逆さＵ字形状の一方の端部は、ディフューザ流路１５の最外端に接続される。ベンド部分１７は、ディフューザ流路１５からの径方向外向きの流れを、径方向内向きの流れに変える。
【0029】
図２に示される断面において、直線部分１８は、概ね直線形状を有する。直線形状の一方の端部は、ベンド部分１７の逆さＵ字形状の他方の端部に接続され、直線形状の他方の端部は、第２空間ＳＰ２に接続される。本実施形態では、直線部分１８の幅は、下流に移動するにつれて拡がる。他の実施形態では、直線部分１８の幅は、流れに沿った長さの全体にわたって一定であってもよい。ベンド部分１７からの空気は、直線部分１８内を第２空間ＳＰ２に向かって径方向内向きに流れる。直線部分１８は、円周方向に沿って配置される複数のリターンガイドベーン１９を含む。
【0030】
図３は、図２中のＡ部の概略的な拡大断面図であり、図４は、図３と円周方向に異なる位置の図２中のＡ部の概略的な拡大断面図である。図３および図４は、リターン流路１６の詳細を示す。なお、図４では、より良い理解のために、図３におけるベンド部分１７の輪郭の一部が破線で示される。
【0031】
リターン流路１６の幅ｗは、中心軸線Ａｘに沿って得られる複数の断面のうちのいくつかの断面において、リターン流路１６の最外部１６ａよりも下流において、極大値および極小値を有する。なお、本開示において幅ｗは、中心軸線Ａｘに沿って得られる断面において、ハブ１４の表面上の位置から、当該位置におけるハブ１４の表面の垂線と、シュラウド１３の表面との間の交点までの距離を意味する。
【0032】
具体的には、図３を参照して、図３に示される断面では、リターン流路１６のベンド部分１７は、概ね一定の幅ｗを有する。したがって、リターン流路１６の幅ｗは、図３に示される断面では、極大値および極小値を含まない。
【0033】
図４を参照して、図４に示される断面では、シュラウド１３は、リターン流路１６の最外部１６ａよりも下流に窪みｇを含む。具体的には、窪みｇは、最外部１６ａとリターンガイドベーン１９との間の位置から、リターンガイドベーン１９のリーディングエッジＬＥを超えて、隣り合うリターンガイドベーン１９の間の領域まで延在する。窪みｇは、円周方向に沿って複数形成される。
【0034】
図５は、図３中のV－V線に沿った概略的な断面図であり、複数のリターンガイドベーン１９のうちの１つを示す。窪みｇは、リターンガイドベーン１９の負圧面ＳＳおよび正圧面ＰＳの各々に隣接して形成される。他の実施形態では、窪みｇは、負圧面ＳＳまたは正圧面ＰＳの一方のみに隣接して形成されてもよい。
【0035】
図４を参照して、窪みｇを含む断面では、リターン流路１６の幅ｗは、最外部１６ａから直線部分１８まで空気の流れに沿って移動するにつれて、窪みｇに沿って増加する。幅ｗは、窪みｇが最も深い位置（第１位置）Ｐ１において、最大値を有する。位置Ｐ１は、最外部１６ａとリターンガイドベーン１９との間に形成される。
【0036】
続いて、幅ｗは、位置Ｐ１から直線部分１８に向かって移動にするにつれて、窪みｇに沿って減少する。すなわち、幅ｗは、位置Ｐ１において、極大値を有する。幅ｗは、窪みｇの端の位置（第２位置）Ｐ２において、最小値を有する。また、上記のように、直線部分１８の幅は、下流に移動するにつれて拡がる。したがって、幅ｗは、位置Ｐ２から下流に移動するにつれて、再び増加する。よって、幅ｗは、位置Ｐ２において極小値を有する。本実施形態では、位置Ｐ２における幅ｗは、最外部１６ａにおける幅ｗよりも小さい。
【0037】
別の観点では、リターン流路１６は、中心軸線Ａｘに沿って得られる複数の断面のうちのいくつかの断面において、空気が径方向内向きに流れる領域に、シュラウド１３の表面と径方向Ｖｔとの間の角度α１が、ハブ１４の表面と径方向Ｖｔとの間の角度α２よりも大きい区間を含む。このような区間は、ベンド部分１７の出口および直線部分１８の入口にまたがる領域に形成される。より具体的には、このような区間は、リターンガイドベーン１９のリーディングエッジＬＥを含む領域に形成される。
【0038】
具体的には、図３を参照して、図３に示される断面は窪みｇを含まない。このため、空気が径方向内向きに流れる領域では、シュラウド１３の表面と径方向Ｖｔとの間の角度α１は、概ね一定である。また、この領域では、ハブ１４の表面と径方向Ｖｔとの間の角度α２も概ね一定である。さらに、直線部分１８の幅は下流に移動するにつれて拡がるため、空気が径方向内向きに流れる領域では、角度α１は、角度α２よりも小さい。したがって、図３に示される断面では、リターン流路１６は、空気が径方向内向きに流れる領域に、角度α１が角度α２よりも大きい区間を含まない。
【0039】
図４を参照して、図４に示される断面は窪みｇを含む。このため、窪みｇを含む領域では、シュラウド１３の表面と径方向Ｖｔとの間の角度α１は、窪みｇに沿って変化する。窪みｇにおいて、角度α１は、窪みｇの端の位置Ｐ２において最も大きい。この位置Ｐ２における角度α１は、ハブ１４の表面と径方向Ｖｔとの間の角度α２よりも大きい。したがって、図４に示される断面では、リターン流路１６は、空気が径方向内向きに流れる領域に、角度α１が角度α２よりも大きい区間を含む。
【0040】
上記のようなリターン流路１６では、ディフューザ流路１５からの径方向外向きの流れが、径方向内向きの流れに変えられる。特に、ベンド部分１７の出口から直線部分１８の入口にまたがる領域では、内側のハブ１４の表面から境界層が離れるように、空気が流れる。
【0041】
しかしながら、上記のように、リターン流路１６の幅ｗは、最外部１６ａよりも下流の位置Ｐ１に極大値を有する。すなわち、リターン流路１６の幅ｗは、極大値を有する位置Ｐ１から、境界層が発生しやすい領域に向かって狭まる。したがって、内側のハブ１４の表面から離れようとする境界層が、ハブ１４の表面に押し付けられる。よって、境界層の剥離を抑制することができる。
【0042】
また、リターン流路１６の幅ｗは、極大値を有する位置Ｐ１よりも下流の位置Ｐ２に極小値を有し、この位置Ｐ２における極小値は、最外部１６ａにおける幅ｗよりも小さい。したがって、リターン流路１６の幅ｗは位置Ｐ２において最も狭まり、ハブ１４の表面から離れようとする境界層が、ハブ１４の表面により押し付けられる。よって、境界層の剥離を抑制することができる。
【0043】
また、別の観点では、上記のように、リターン流路１６は、空気が径方向内向きに流れる領域に、シュラウド１３の表面と径方向Ｖｔとの間の角度α１が、ハブ１４の表面と径方向Ｖｔとの間の角度α２よりも大きい区間を含む。この区間では、シュラウド１３の表面に沿う流れは、ハブ１４の表面に向かって流れるように曲げられる。したがって、この流れは、ハブ１４の表面から離れようとする境界層を、ハブ１４の表面に押し付ける。よって、境界層の剥離を抑制することができる。
【0044】
リターン流路１６の様々な寸法、例えば、幅ｗの極大値、極小値およびそれらの位置、ならびに、窪みｇの深さ、長さおよび幅等は、境界層の剥離を抑制することができるように、例えば、数値流体力学（ＣＦＤ）等のシミュレーションによって決定されてもよい。
【0045】
以上のような圧縮機２は、同一の中心軸線Ａｘ上に中心軸線方向に沿って互いに離間して配置される第１インペラ１１および第２インペラ１２と、第１インペラ１１および第２インペラ１２を収容するシュラウド１３と、シュラウド１３の径方向内側に配置されるハブ１４と、シュラウド１３およびハブ１４の間に画定され、第１インペラ１１の径方向外側に位置するディフューザ流路１５であって、当該ディフューザ流路１５内を第１インペラ１１からの流体が径方向外向きに流れる、ディフューザ流路１５と、シュラウド１３およびハブ１４の間に画定され、ディフューザ流路１５に接続されるリターン流路１６であって、当該リターン流路１６内でディフューザ流路１５からの流体が第２インペラ１２に向かって径方向内向きに曲げられる、リターン流路１６と、を備える。リターン流路１６の幅ｗは、中心軸線Ａｘに沿って得られる図４の断面において、リターン流路１６の最外部１６ａよりも下流の位置Ｐ１に極大値を含む。このような構成によれば、リターン流路１６の幅ｗは、極大値を有する位置Ｐ１から、境界層が発生しやすい領域に向かって狭まるため、ハブ１４の表面から離れようとする境界層が、ハブ１４の表面に押し付けられる。よって、境界層の剥離を抑制することができる。
【0046】
また、圧縮機２では、リターン流路１６の幅ｗは、位置Ｐ１よりも下流の位置Ｐ２に極小値を含む。このような構成によれば、リターン流路１６の幅ｗは、位置Ｐ２において最も狭まる。したがって、ハブ１４の表面から離れようとする境界層が、位置Ｐ２において、ハブ１４の表面に最も押し付けられる。よって、境界層の剥離を抑制することができる。
【0047】
また、圧縮機２では、位置Ｐ２における極小値は、最外部１６ａにおけるリターン流路１６の幅ｗよりも小さい。このような構成によれば、ハブ１４の表面から離れようとする境界層を、ハブ１４の表面により押し付けることができる。よって、境界層の剥離を抑制することができる。
【0048】
また、圧縮機２では、リターン流路１６は、円周方向に沿って配置される複数のリターンガイドベーン１９を含み、位置Ｐ１は、リターンガイドベーン１９よりも上流に位置する。境界層は、リターンガイドベーン１９の入口付近において剥離する場合がある。このような場合、極大値を有する位置Ｐ１をリターンガイドベーン１９よりも上流に位置付けすることによって、リターン流路１６の幅ｗが、リターンガイドベーン１９の入口に向かって移動するにつれて狭まる。したがって、境界層の剥離を抑制することができる。
【0049】
また、圧縮機２では、シュラウド１３は、各リターンガイドベーン１９に対して、正圧面ＰＳまたは負圧面ＳＳの少なくとも一方に隣接して形成される少なくとも１つの窪みｇを含む。そして、窪みｇは、リターンガイドベーン１９よりも上流から、隣り合うリターンガイドベーン１９の間の領域まで延在する。これらの構成によれば、単に、窪みｇをリターンガイドベーン１９に沿って形成することによって、上記のような極大値を有する断面を容易に作製することができる。また、本実施形態では、シュラウド１３は、各リターンガイドベーン１９に対して、正圧面ＰＳおよび負圧面ＳＳの双方に隣接して形成される２つの窪みｇを含む。よって、境界層をハブ１４の表面に押し付けるより多くの流れを形成することができる。
【0050】
別の観点では、リターン流路１６は、中心軸線Ａｘに沿って得られる図４の断面において、空気が径方向内向きに流れる領域に、シュラウド１３の表面と径方向Ｖｔとの間の角度α１が、ハブ１４の表面と径方向Ｖｔとの間の角度よりも大きい区間を含む。上記のように、この区間では、シュラウド１３の表面に沿う流れは、ハブ１４の表面に向かって流れるように曲げられる。したがって、この流れは、ハブ１４の表面から離れようとする境界層を、ハブ１４の表面に押し付ける。よって、境界層の剥離を抑制することができる。
【0051】
続いて、他の実施形態について説明する。
【0052】
［第２実施形態］
図６は、第２実施形態に係る多段式圧縮機２Ａを示す概略的な断面図であり、図２のＡ部に相当する位置の拡大断面図を示す。圧縮機２Ａでは、極大値を有する位置Ｐ１を含む断面が、円周方向の全体に形成される。すなわち、圧縮機２Ａは、窪みｇを含まない。また、圧縮機２Ａでは窪みｇが形成されないことから、幅ｗの最小値を有する位置Ｐ２は、リターンガイドベーン１９のリーディングエッジＬＥと同じ位置または略同じ位置に形成される。その他の点については、圧縮機２Ａは、第１実施形態に係る圧縮機２と同じであってもよい。
図６は、第２実施形態に係る多段式圧縮機２Ａを示す概略的な断面図であり、図２のＡ部に相当する位置の拡大断面図を示す。圧縮機２Ａでは、極大値を有する位置Ｐ１を含む断面が、円周方向の全体に形成される。すなわち、圧縮機２Ａは、窪みｇを含まない。また、圧縮機２Ａでは窪みｇが形成されないことから、幅ｗの最小値を有する位置Ｐ２は、リターンガイドベーン１９のリーディングエッジＬＥと同じ位置または略同じ位置に形成される。その他の点については、圧縮機２Ａは、第１実施形態に係る圧縮機２と同じであってもよい。
【0053】
このような圧縮機２Ａでは、リターン流路１６の幅ｗは、中心軸線Ａｘに沿って得られるいずれの断面においても、最外部１６ａから直線部分１８に向かって移動するにつれて増加する。幅ｗは、最外部１６ａとリターンガイドベーン１９との間の位置Ｐ１において、最大値を有する。
【0054】
続いて、幅ｗは、位置Ｐ１から直線部分１８に向かって移動にするにつれて減少する。すなわち、幅ｗは、位置Ｐ１において、極大値を有する。幅ｗは、位置Ｐ２において最小値を有する。また、直線部分１８の幅は、下流に移動するにつれて拡がる。したがって、幅ｗは、位置Ｐ２から下流に移動するにつれて、再び増加する。よって、幅ｗは、位置Ｐ２において極小値を有する。
【0055】
別の観点では、リターン流路１６は、中心軸線Ａｘに沿って得られるいずれの断面においても、空気が径方向内向きに流れる領域に、シュラウド１３の表面と径方向Ｖｔとの間の角度α１が、ハブ１４の表面と径方向Ｖｔとの間の角度α２よりも大きい区間を含む。このような区間は、リターンガイドベーン１９のリーディングエッジＬＥを含む領域に形成される。角度α１は、位置Ｐ２において最も大きい。この位置Ｐ２における角度α１は、ハブ１４の表面と径方向Ｖｔとの間の角度α２よりも大きい。
【0056】
上記のような圧縮機２Ａは、第１実施形態に係る圧縮機２と同様な効果を奏し得る。特に、圧縮機２Ａでは、極大値を有する位置Ｐ１を含む断面が、円周方向の全体に形成されるため、境界層をハブ１４の表面に押し付ける流れを、円周方向の全体に形成することができる。したがって、境界層の剥離をより抑制することができる。
【0057】
［第３実施形態］
図７は、第３実施形態に係る多段式圧縮機２Ｂを示す概略的な断面図であり、図２のＡ部に相当する位置の拡大断面図を示す。圧縮機２Ｂでは、直線部分１８の幅が、全長にわたって一定である。その他の点については、圧縮機２Ｂは、第２実施形態に係る圧縮機２Ａと同じであってもよい。
図７は、第３実施形態に係る多段式圧縮機２Ｂを示す概略的な断面図であり、図２のＡ部に相当する位置の拡大断面図を示す。圧縮機２Ｂでは、直線部分１８の幅が、全長にわたって一定である。その他の点については、圧縮機２Ｂは、第２実施形態に係る圧縮機２Ａと同じであってもよい。
【0058】
このような圧縮機２Ｂでは、リターン流路１６の幅ｗは、位置Ｐ２において最小値を有する。しかしながら、直線部分１８の幅は、位置Ｐ２よりも下流において一定である。したがって、幅ｗは、位置Ｐ２から下流に移動するにつれて増加しない。よって、幅ｗは、位置Ｐ２に極小値を有さない。本実施形態では、位置Ｐ２における幅ｗは、最外部１６ａにおける幅ｗと同じであってもよい。
【0059】
上記のような圧縮機２Ｂは、第１実施形態に係る圧縮機２および第２実施形態に係る圧縮機２Ａと略同様な効果を奏し得る。
【0060】
［第４実施形態］
図８は、第３実施形態に係る多段式圧縮機２Ｃを示す概略的な断面図であり、図２のＡ部に相当する位置の拡大断面図を示す。図９は、図８中のIX－IX線に沿った概略的な断面図であり、隣り合う２つリターンガイドベーン１９を示す。なお、図９では、より良い理解のために、上記の圧縮機２，２Ａ，２Ｂにおけるハブ１４とリターンガイドベーン１９との間の接続部が、破線で示される。図８および図９を参照して、圧縮機２Ｃでは、シュラウド１３は、隣り合うリターンガイドベーン１９の間に、リターン流路１６に向かって突出する隆起ｂを含む。また、図９を参照して、圧縮機２Ｃでは、ハブ１４とリターンガイドベーン１９との間の接続部の曲率半径が、上記の圧縮機２，２Ａ，２Ｂよりも大きい。その他の点については、圧縮機２Ｃは、第３実施形態に係る圧縮機２Ｂと同じであってもよい。
図８は、第３実施形態に係る多段式圧縮機２Ｃを示す概略的な断面図であり、図２のＡ部に相当する位置の拡大断面図を示す。図９は、図８中のIX－IX線に沿った概略的な断面図であり、隣り合う２つリターンガイドベーン１９を示す。なお、図９では、より良い理解のために、上記の圧縮機２，２Ａ，２Ｂにおけるハブ１４とリターンガイドベーン１９との間の接続部が、破線で示される。図８および図９を参照して、圧縮機２Ｃでは、シュラウド１３は、隣り合うリターンガイドベーン１９の間に、リターン流路１６に向かって突出する隆起ｂを含む。また、図９を参照して、圧縮機２Ｃでは、ハブ１４とリターンガイドベーン１９との間の接続部の曲率半径が、上記の圧縮機２，２Ａ，２Ｂよりも大きい。その他の点については、圧縮機２Ｃは、第３実施形態に係る圧縮機２Ｂと同じであってもよい。
【0061】
図８を参照して、隆起ｂは、リターンガイドベーン１９のリーディングエッジＬＥの位置Ｐ２から、隣り合うリターンガイドベーン１９の間の領域に向かって延在する。図９を参照して、例えば、隆起ｂの頂点の位置Ｐ３は、円周方向において、隣り合うリターンガイドベーン１９の間の真ん中またはほぼ真ん中に設けられてもよい。図８を参照して、位置Ｐ３を含む断面において、リターン流路１６の幅ｗは、位置Ｐ３において最小値を有する。具体的には、幅ｗは、位置Ｐ２から位置Ｐ３に向かって移動するにつれて増加し、位置Ｐ３から下流に向かって移動するにつれて減少する。したがって、幅ｗは、位置Ｐ３において極小値を有する。
【0062】
図９を参照して、上記のように、圧縮機２Ｃでは、ハブ１４とリターンガイドベーン１９との間の接続部の曲率半径が、上記の圧縮機２，２Ａ，２Ｂよりも大きい。したがって、境界層は、ハブ１４の表面から剥離しにくくなる。本実施形態では、このような曲率半径を有する接続部が、正圧面ＰＳおよび負圧面ＳＳの双方に対して形成される。他の実施形態では、このような接続部が、正圧面ＰＳまたは負圧面ＳＳの一方のみに対して形成されてもよい。
【0063】
上記のような圧縮機２Ｃは、上記の圧縮機２，２Ａ，２Ｂと同様な効果を奏し得る。特に、圧縮機２Ｃでは、シュラウド１３は、隣り合うリターンガイドベーン１９の間に、リターン流路１６に向かって突出する隆起ｂを含む。このような構成によれば、隆起ｂに沿う流れが、ハブ１４の表面から離れようとする境界層を、ハブ１４の表面により押し付ける。よって、境界層の剥離をより抑制することができる。
【0064】
以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【0065】
２ 多段式圧縮機（多段式ターボ機械）
２Ａ 多段式圧縮機（多段式ターボ機械）
２Ｂ 多段式圧縮機（多段式ターボ機械）
２Ｃ 多段式圧縮機（多段式ターボ機械）
１１ 第１インペラ
１２ 第２インペラ
１３ シュラウド
１４ ハブ
１５ ディフューザ流路
１６ リターン流路
１６ａ 最外部
１９ リターンガイドベーン
Ａｘ 中心軸線
ｂ 隆起
ｇ 窪み
Ｐ１ 第１位置
Ｐ２ 第２位置
ＰＳ 正圧面
ＳＳ 負圧面
Ｖｔ 径方向
ｗ リターン流路の幅
α１ リターン流路におけるシュラウドの表面と径方向との間の角度
α２ リターン流路におけるハブの表面と径方向との間の角度
２Ａ 多段式圧縮機（多段式ターボ機械）
２Ｂ 多段式圧縮機（多段式ターボ機械）
２Ｃ 多段式圧縮機（多段式ターボ機械）
１１ 第１インペラ
１２ 第２インペラ
１３ シュラウド
１４ ハブ
１５ ディフューザ流路
１６ リターン流路
１６ａ 最外部
１９ リターンガイドベーン
Ａｘ 中心軸線
ｂ 隆起
ｇ 窪み
Ｐ１ 第１位置
Ｐ２ 第２位置
ＰＳ 正圧面
ＳＳ 負圧面
Ｖｔ 径方向
ｗ リターン流路の幅
α１ リターン流路におけるシュラウドの表面と径方向との間の角度
α２ リターン流路におけるハブの表面と径方向との間の角度
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】