WO2017072844A1

WO2017072844A1 - 回転機械

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Publication number: WO2017072844A1
Application number: PCT/JP2015/080170
Authority: WO
Inventors: 健一郎岩切
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2015-10-27
Filing date: 2015-10-27
Publication date: 2017-05-04
Anticipated expiration: 2018-04-27
Also published as: US20180073376A1; US10626739B2; CN107850082A; CN107850082B; DE112015006777T5

Abstract

Ｄｒ１＜Ｄｈ１≦Ｄｒ２とＤｃ１≧Ｄｔ１＞Ｄｃ２の少なくとも一方を満たす回転機械。ここで、Ｄｒ１、Ｄｈ１、Ｄｒ２、Ｄｃ１、Ｄｔ１及びＤｃ２は、それぞれ、ハブの回転中心軸から、可変翼のハブ側端面に対向する第１翼対向面の上流端、翼角最大時におけるハブ側端面の上流端、翼対向面の上流側に隣接する第１外周面の下流端、可変翼のチップ側端面に対向する第２翼対向面の上流端、翼角最小時におけるチップ側端面の上流端、第２翼対向面の上流側に隣接する第１内周面の下流端までの距離である。

Description

回転機械

　本開示は回転機械に関する。

　圧縮機やタービン等の回転機械において、静翼と動翼の少なくとも一方は、流れに対する迎え角を調節するために、ハブの径方向に沿った回動軸周りに回動可能な可変翼として構成される場合がある。

　このような可変翼を備えた回転機械において、可変翼の回動範囲において可変翼のハブ側端面とハブの翼対向面とが干渉しないように構成した場合、可変翼をクローズ側（可変翼のコードラインとハブの軸方向とのなす角が大きくなる方向）に回動させたときに可変翼のハブ側端面とハブの翼対向面とのクリアランスが拡大しやすい。また、可変翼の回動範囲において可変翼のチップ側端面とケーシングの翼対向面とが干渉しないように構成した場合、可変翼をオープン側（可変翼のコードラインとハブの軸方向とのなす角が小さくなる方向）に回動させたときに可変翼のチップ側端面とケーシングの翼対向面とのクリアランスが拡大しやすい。このように、可変翼のハブ側端面とハブの翼対向面とのクリアランス又は可変翼のチップ側端面とケーシングの翼対向面とのクリアランスが拡大すると、該クリアランスを通過する漏れ流れに起因するロス（以下、クリアランスロスと記載）が増大して回転機械の効率が低下する可能性がある。

　特許文献１には、可変翼をクローズ側に回動させても可変翼のハブ側端面とハブの翼対向面とのクリアランスが拡大しないように、可変翼がハブの径方向外側に凹である球面状のハブ側端面を有するとともに、ハブの翼対向面がハブの径方向外側に凸である球面状の球面領域を有する回転機械が開示されている。

　特許文献２には、翼のチップ側端面とケーシングの翼対向面とのクリアランスを通過する漏れ流れに起因した回転機械装置の効率低下を抑制するために、翼のチップ側端面に対向したケーシングの内面に溝（トレンチ）を設け、翼のチップ側端面を溝の内部へ突出させる構成が開示されている。

実開平３－１３４９８号公報特開平７－２６９０４号公報

　特許文献１に記載される回転機械のように、ハブの翼対向面がハブの径方向外側に凸である球面状の球面領域を有する場合、何も工夫しなければ、流路内に突出した球面領域によって流路内のスムーズな流体流れが妨げられてしまう。その結果、ハブの径方向外側への流れ（所謂二次流れ）や球面領域の後方での剥離現象等が生じ、回転機械の性能低下を招く可能性がある。

　また、特許文献２に記載の回転機械における翼は、径方向に沿った回動軸を有さない固定翼を想定したものであって可変翼を想定したものではないため、可変翼の回動に伴う上述のクリアランスロスの増大を如何に抑制するかについては何ら言及されていない。

　上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、ハブの径方向に沿った回動軸周りに回動可能に構成された可変翼を備える回転機械において、可変翼の回動に伴うクリアランスロスの増大を抑制することを目的とする。

　（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る回転機械は、回転中心軸周りに回転するように構成されたハブと、前記ハブを覆うよう構成され、前記ハブとの間に流体流路を形成するケーシングと、前記流体流路上に配置され、前記ハブの径方向に沿った回動軸周りに回動可能に構成された可変翼と、を備える回転機械であって、前記ハブは、前記可変翼のハブ側端面に対向する第１翼対向面を含む翼対向ハブ部と、前記ハブの軸方向において前記翼対向ハブ部の上流側に設けられ、前記軸方向において前記第１翼対向面に隣接する第１外周面を有する上流側ハブ部と、を含み、前記ケーシングは、前記可変翼の前記チップ側端面に対向する第２翼対向面を含む翼対向ケーシング部と、前記軸方向において前記翼対向ケーシング部の上流側に設けられ、前記軸方向において前記第２翼対向面に隣接する第１内周面を有する上流側ケーシング部と、を含み、以下の条件（ａ）と条件（ｂ）の少なくとも一方を満たす回転機械。
　（ａ）Ｄｒ１＜Ｄｈ１≦Ｄｒ２
　（ｂ）Ｄｃ１≧Ｄｔ１＞Ｄｃ２
　ここで、Ｄｒ１は、前記第１翼対向面の上流端と前記ハブの回転中心軸（回転機械の回転軸方向）との距離であり、Ｄｈ１は、前記ハブの軸方向と前記可変翼のコードラインとがなす角が最大のときの前記可変翼のハブ側端面における上流端と前記ハブの回転中心軸との距離であり、Ｄｒ２は、前記第１外周面の下流端と前記ハブの回転中心軸との距離であり、Ｄｃ１は、前記第２翼対向面の上流端と前記ハブの回転中心軸との距離であり、Ｄｔ１は、前記ハブの軸方向と前記可変翼のコードラインとがなす角が最小のときの前記可変翼のチップ側端面における上流端と前記ハブの回転中心軸との距離であり、Ｄｃ２は、前記第１内周面の下流端と前記ハブの回転中心軸との距離である。

　可変翼の回動範囲において可変翼のハブ側端面とハブの翼対向面とが干渉しないように構成した場合、可変翼のコードラインとハブの軸方向とのなす角（以下、翼角と記載）が最大のときに、可変翼のハブ側端面とハブの翼対向面とのクリアランス（以下、ハブ側クリアランスと記載）が最大となる。また、可変翼の回動範囲において可変翼のチップ側端面とケーシングの翼対向面とが干渉しないように構成した場合、翼角が最小のときに、可変翼のチップ側端面とケーシングの翼対向面とのクリアランス（以下、チップ側クリアランスと記載）が最大となる。なお、ここでの翼角の「最大」及び「最小」とは、回転機械の運転時に使用する回動範囲における「最大」及び「最小」を意味するものである。

　したがって、上記（１）に記載の回転機械のように、上記条件（ａ）と条件（ｂ）の少なくとも一方を満たすことにより、翼角によらず、ハブ側クリアランスとチップ側クリアランスの少なくとも一方が可変翼の上流端において流体流路の主流にかからなくなる。これにより、ハブ側クリアランスとチップ側クリアランスの少なくとも一方を通過する漏れ流れに起因するクリアランスロスを低減することができる。

　また、上記（１）に記載の回転機械では、Ｄｒ１＜Ｄｒ２（条件（ａ）の一部）又はＤｃ１＞Ｄｃ２（条件（ｂ）の一部）の少なくとも一方を満たすことにより、第１外周面と第１翼対向面との間又は第１内周面と第２翼対向面との間の少なくとも一方に段差が形成される。この段差によって、ハブの翼対向面の近傍又はケーシングの翼対向面の近傍の少なくとも一方に再循環流が発生する。そして、この再循環流によって見かけ上の流量が増加するため、ハブ又はケーシング上の剥離現象を抑制することができる。

　（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の回転機械において、少なくとも前記条件（ａ）を満たし、前記第１翼対向面は、下流側に向かうにつれて前記ハブの回転中心軸から離れるよう傾斜している。

　ここで、剥離現象が生じるかどうかは翼の前縁付近の流量に左右されやすく、翼の前縁付近の流量を大きくすれば、翼の後縁付近の流量がある程度小さくても、剥離現象を抑制しやすくなる。また、ハブ側クリアランスを通過する漏れ流れは翼の腹面と背面の圧力差によって生じることに鑑みれば、この圧力差が最大となる翼の前縁側（翼のコードラインの中心より上流側）のクリアランスを主流から外れるようにすれば、クリアランスロスを効果的に低減できる。
　このように、クリアランスロスの低減効果と剥離現象の抑制効果のニーズは、翼の前縁側（翼のコードラインの中心より上流側）で大きく、後縁側では相対的に小さい。
　したがって、後縁側では、クリアランスロスの低減効果と剥離現象の抑制効果とを含むメリットよりも、再循環流の発生に伴う効率低下が生じるデメリットが大きくなる場合がある。

　この点、上記（２）に記載の回転機械によれば、上記条件（ａ）を満たすことにより、翼角によらず、ハブ側クリアランスの上流端が流体流路の主流にかからなくなる。これにより、翼の前縁側において、ハブ側クリアランスを通過する漏れ流れに起因するクリアランスロスを低減するとともに、再循環流を形成することで剥離減少の抑制することができる。
　一方、上記（２）に記載の回転機械によれば、第１翼対向面が、下流側に向かうにつれてハブの回転中心軸から離れるよう傾斜しているため、後縁側では再循環流に起因するデメリットを抑えることができる。

　（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載の回転機械において、少なくとも前記条件（ｂ）を満たし、前記第２翼対向面は、下流側に向かうにつれて前記ハブの回転中心軸に近づくよう傾斜している。

　上述のように、クリアランスロスの低減効果と剥離現象の抑制効果のニーズは、翼の前縁側（翼のコードラインの中心より上流側）で大きく、後縁側では相対的に小さい。したがって、後縁側では、クリアランスロスの低減効果と剥離現象の抑制効果とを含むメリットよりも、再循環流の発生に伴う効率低下が生じるデメリットが大きくなる場合がある。

　この点、上記（３）に記載の回転機械によれば、上記条件（ｂ）を満たすことにより、翼角によらず、チップ側クリアランスの上流端が流体流路の主流にかからなくなる。これにより、翼の前縁側において、チップ側クリアランスを通過する漏れ流れに起因するクリアランスロスを低減するとともに、再循環流を形成することで剥離減少の抑制することができる。
　一方、上記（３）に記載の回転機械によれば、第２翼対向面が、下流側に向かうにつれてハブの回転中心軸に近づくよう傾斜しているため、後縁側では再循環流に起因するデメリットを抑えることができる。

　（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れか１項に記載の回転機械において、前記ハブは、該ハブの軸方向において前記翼対向ハブ部の下流側に設けられる下流側ハブ部を含み、前記下流側ハブ部は、前記軸方向において前記第１翼対向面に隣接する第２外周面を有し、前記回転機械は、Ｄｈ２≦Ｄｒ３を満たす。
　ここで、Ｄｈ２は、前記ハブの軸方向と前記可変翼のコードラインとがなす角が最小のときの前記可変翼のハブ側端面における下流端と前記ハブの回転中心軸との距離であり、Ｄｒ３は、前記第２外周面の上流端と前記ハブの回転中心軸との距離である。

　上記（４）に記載の回転機械によれば、Ｄｈ２≦Ｄｒ３を満たすことにより、翼角が最小のときに、前縁側から後縁側にわたってハブ側クリアランスが流体流路の主流にかからなくなる。
　なお、上記（２）に記載の回転機械についての説明に記載したように、クリアランスロスの低減効果のニーズは、翼の前縁側（翼のコードラインの中心より上流側）で大きくなり、翼の後縁側では相対的に小さくなる。したがって、上記（４）に記載の回転機械のように、翼の後縁側において、翼角が最小のときにハブ側クリアランスが流体流路の主流にかからなければ、クリアランスロスの低減効果のニーズをある程度満たすことができる。

　（５）幾つかの実施形態では、上記（４）に記載の回転機械において、前記回転機械はＤｈ３≦Ｄｒ３を満たす。
　ここで、Ｄｈ３は、前記ハブの軸方向と前記可変翼のコードラインとがなす角が最大のときの前記可変翼のハブ側端面における下流端と前記ハブの回転中心軸との距離であり、Ｄｒ３は、前記第２外周面の上流端と前記ハブの回転中心軸との距離である。

　上記（５）に記載の回転機械によれば、翼角によらず（回転機械の運転状態によらず）、ハブ側クリアランスの全域が流体流路の主流にかからなくなる。これにより、翼角によらず、ハブ側クリアランスを通過する漏れ流れに起因するクリアランスロスの低減効果を享受できる。

　（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れか１項に記載の回転機械において、前記ケーシングは、前記ハブの軸方向において前記翼対向ケーシング部の下流側に設けられる下流側ケーシング部を含み、前記下流側ケーシング部は、前記軸方向において前記第２翼対向面に隣接する第２内周面を有し、前記回転機械は、Ｄｔ２≧Ｄｃ３を満たす。
　ここで、Ｄｔ２は、前記ハブの軸方向と前記可変翼のコードラインとがなす角が最大のときの前記可変翼のチップ側端面における下流端と前記ハブの回転中心軸との距離であり、Ｄｃ３は、前記第２内周面の上流端と前記ハブの回転中心軸との距離である。

　上記（６）に記載の回転機械によれば、Ｄｔ２≧Ｄｃ３を満たすことにより、翼角が最大のときにチップ側クリアランスが流体流路の主流にかからなくなる。
　なお、上記（２）に記載の回転機械についての説明に記載したように、クリアランスロスの低減効果のニーズは、翼の前縁側（翼のコードラインの中心より上流側）で大きくなり、翼の後縁側では相対的に小さくなる。したがって、上記（６）に記載の回転機械のように、翼の後縁側において、翼角が最大のとき（回転機械の低流量運転時）にチップ側クリアランスが流体流路の主流にかからなければ、クリアランスロスの低減効果のニーズをある程度満たすことができる。

　（７）幾つかの実施形態では、上記（３）に記載の回転機械において、前記回転機械は、Ｄｔ３≧Ｄｃ３を満たす。
　ここで、Ｄｔ３は、前記ハブの軸方向と前記可変翼のコードラインとがなす角が最小のときの前記可変翼のチップ側端面における下流端と前記ハブの回転中心軸との距離であり、Ｄｃ３は、前記第２内周面の上流端と前記ハブの回転中心軸との距離である。

　上記（７）に記載の回転機械によれば、翼角によらず（回転機械の運転状態によらず）、チップ側クリアランスの全域が流体流路の主流にかからなくなる。これにより、翼角によらず、チップ側クリアランスを通過する漏れ流れに起因するクリアランスロスの低減効果を享受できる。

　本発明の少なくとも一実施形態によれば、ハブの径方向に沿った回動軸周りに回動可能に構成された可変翼を備える回転機械において、可変翼の回動に伴うクリアランスロスの増大を抑制することができる。

幾つかの実施形態に係る軸流圧縮機の概略的な構成を示す断面図である。動翼の翼角α１及び静翼の翼角α２を説明するための模式図であり、ハブの径方向において外側から見たハブの一部と動翼又は静翼と示す図である。一実施形態に係る軸流圧縮機の一部を示す模式的な子午断面図であり、（Ａ）は、動翼の翼角が最小のときの動翼及びその周囲の子午断面形状を示しており、（Ｂ）は、動翼の翼角が最大のときの動翼及びその周囲の子午断面形状を示している。一実施形態に係る軸流圧縮機の一部を示す模式的な子午断面図であり、（Ａ）は、動翼の翼角が最小のときの動翼及びその周囲の子午断面形状を示しており、図４（Ｂ）は、動翼の翼角が最大のときの動翼及びその周囲の子午断面形状を示している。一実施形態に係る軸流圧縮機の一部を示す模式的な子午断面図であり、（Ａ）は、動翼の翼角が最小のときの動翼及びその周囲の子午断面形状を示しており、（Ｂ）は、動翼の翼角が最大のときの動翼及びその周囲の子午断面形状を示している。一実施形態に係る軸流圧縮機の一部を示す模式的な子午断面図である。翼角が最小のときにハブの軸方向に沿って上流側から見た動翼の形状（実線）と、翼角が最大のときにハブの軸方向に沿って上流側から見た動翼の形状（二点鎖線）とを示す模式図である。第１外周面と第１翼対向面との段差又は第１内周面と第２翼対向面との段差に起因して生じる再循環流を説明するための模式的な子午断面図である。動翼の圧力面及び負圧面について、コード方向位置に対する静圧分布を示す図である。ここで、コード方向位置は、翼のコード長で無次元化し、動翼の前縁を０％、後縁を１００％としたものである。

　以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
　例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」「一致」等の相対的な配置関係を表す表現は、厳密にそのような相対的配置関係を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
　また、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

　図１は、幾つかの実施形態に係る回転機械としての軸流圧縮機１００の概略的な構成を示す断面図である。

　図１に示す軸流圧縮機１００は、回転中心軸Ｏ１周りに回転するように構成されたハブ２と、ハブ２を覆うよう構成され、ハブ２との間に流体流路４を形成するケーシング６と、ハブ２に固定された動翼８と、ケーシング６に固定された静翼１０とを備えている。

　動翼８は、流体流路４上に配置されており、ハブ２の径方向に沿った回動軸Ｏ２周りに回動することにより、ハブ２の軸方向と動翼８のコードラインとがなす角度α１（図２参照。以下、角度α1を動翼の「翼角」と記載する。）を変更可能に構成されている。回転中心軸Ｏ１の一の軸線方向位置にて周方向に配列された複数の動翼８が１つの動翼列を構成し、複数の動翼列が、回転中心軸Ｏ１の軸線方向（以下、ハブ２の軸方向と記載する。）に沿って配列されている。

　静翼１０は、流体流路４上に配置されており、ハブ２の径方向に沿った回動軸Ｏ３周りに回動することにより、ハブ２の軸方向と静翼１０のコードラインとがなす角度α２（図２参照。以下、角度α２を静翼の「翼角」と記載する。）を変更可能に構成されている。ハブ２の軸方向における一の位置にて周方向に配列された複数の静翼１０が１つの静翼列を構成し、ハブの軸方向にて動翼列と静翼列が交互に配列されている。

　回転中心軸Ｏ１周りにハブ２及びハブ２に固定された動翼８が回転すると、ケーシング６の入口７から流入した流体が圧縮され、圧縮された流体がケーシング６の出口９から流出する。

　次に、図１に示した軸流圧縮機１００について、図３～図５を用いて幾つかの実施形態に係る動翼８及びその周囲の子午断面形状を説明する。

　図３は、一実施形態に係る軸流圧縮機１００の一部を示す模式的な子午断面図であり、図３（Ａ）は、動翼８の翼角が最小のときの動翼８及びその周囲の子午断面形状を示しており、図３（Ｂ）は、動翼８の翼角が最大のときの動翼８及びその周囲の子午断面形状を示している。図４は、一実施形態に係る軸流圧縮機１００の一部を示す模式的な子午断面図であり、図４（Ａ）は、動翼８の翼角が最小のときの動翼８及びその周囲の子午断面形状を示しており、図４（Ｂ）は、動翼８の翼角が最大のときの動翼８及びその周囲の子午断面形状を示している。図５は、一実施形態に係る軸流圧縮機１００の一部を示す模式的な子午断面図であり、図５（Ａ）は、動翼８の翼角が最小のときの動翼８及びその周囲の子午断面形状を示しており、図５（Ｂ）は、動翼８の翼角が最大のときの動翼８及びその周囲の子午断面形状を示している。

　幾つかの実施形態では、例えば図３（Ａ）～図５（Ｂ）に示すように、ハブ２は、動翼８のハブ側端面１２に対向する第１翼対向面１４を含む翼対向ハブ部１６と、ハブ２の軸方向において翼対向ハブ部１６の上流側に設けられ、ハブ２の軸方向において第１翼対向面１４に隣接する第１外周面１８を有する上流側ハブ部２０と、を含む。また、例えば図３（Ａ）～図５（Ｂ）に示すように、ケーシング６は、動翼８のチップ側端面２２に対向する第２翼対向面２４を含む翼対向ケーシング部２６と、ハブ２の軸方向において翼対向ケーシング部２６の上流側に設けられ、ハブ２の軸方向において第２翼対向面２４に隣接する第１内周面２８を有する上流側ケーシング部３０と、を含む。

　なお、上流側ハブ部２０、翼対向ハブ部１６及び下流側ハブ部３２は、一体で（一つの部材で）構成されていてもよいし、それぞれ別体で（別の部材で）構成されていてもよい。あるいは、上流側ハブ部２０、翼対向ハブ部１６及び下流側ハブ部３２のうち少なくとも一つが複数の部材によって構成されていてもよく、例えば図６に示すように、翼対向ハブ部１６が複数の部材によって形成されていてもよい。

　また、上流側ケーシング部３０、翼対向ケーシング部２６及び下流側ケーシング部３６は、一体で（一つの部材で）構成されていてもよいし、それぞれ別体で（別の部材で）構成されていてもよい。あるいは、上流側ケーシング部３０、翼対向ケーシング部２６及び下流側ケーシング部３６のうち少なくとも一つが複数の部材によって構成されていてもよく、例えば図６に示すように、翼対向ケーシング部２６が複数の部材によって形成されていてもよい。

　幾つかの実施形態では、例えば図３（Ａ）～図５（Ｂ）に示すように、軸流圧縮機１００は、以下の条件（ａ）と条件（ｂ）の少なくとも一方を満たすよう構成されている。
　（ａ）Ｄｒ１＜Ｄｈ１≦Ｄｒ２
　（ｂ）Ｄｃ１≧Ｄｔ１＞Ｄｃ２
　ここで、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）及び図５（Ｂ）に示すように、Ｄｒ１は、第１翼対向面１４の上流端１４ａとハブ２の回転中心軸Ｏ１との距離であり、Ｄｈ１は、動翼８の翼角が最大のときの動翼８のハブ側端面１２における上流端１２ａとハブ２の回転中心軸Ｏ１との距離であり、Ｄｒ２は、第１外周面１８の下流端１８ａとハブ２の回転中心軸Ｏ１との距離である。また、図３（Ａ）、図４（Ａ）及び図５（Ａ）に示すように、Ｄｃ１は、第２翼対向面２４の上流端２４ａとハブ２の回転中心軸Ｏ１との距離であり、Ｄｔ１は、動翼８の翼角が最小のときの動翼８のチップ側端面２２における上流端２２ａとハブ２の回転中心軸Ｏ１との距離であり、Ｄｃ２は、第１内周面２８の下流端２８ａとハブ２の回転中心軸Ｏ１との距離である。

　ここで、条件（ａ）と条件（ｂ）の少なくとも一方を満たすことの技術的意義について、図７を用いて説明する。

　図７は、翼角が最小のときにハブ２の軸方向から見た動翼８の形状８ａ（実線）と、翼角が最大のときにハブ２の軸方向から見た動翼８の形状８ｂ（二点鎖線）とを示す模式図である。

　図７には、動翼８の翼角が最大のときに、動翼８の翼角が最小のときよりも、動翼８のハブ側端面１２とハブ２の第１翼対向面１４とのクリアランス（以下、ハブ側クリアランスと記載）が領域ΔＣｈの分だけが大きくなっている様子が示されている。動翼８の回動範囲において動翼８のハブ側端面１２とハブ２の第１翼対向面１４とが干渉しないように構成した場合、動翼８をクローズ側（図７のＡ方向、すなわち翼角が大きくなる方向）に回動させるにつれてハブ側クリアランスが大きくなる。このため、動翼８の翼角が最大のときにハブ側クリアランスが最大となる。

　また、図７には、動翼８の翼角が最小のときに、動翼８の翼角が最大のときよりも、動翼８のチップ側端面２２とケーシング６の第２翼対向面２４とのクリアランス（以下、チップ側クリアランスと記載）が領域ΔＣｔの分だけ大きくなっている様子が示されている。動翼８の回動範囲において動翼８のチップ側端面２２とケーシング６の第２翼対向面２４とが干渉しないように構成した場合、動翼８をオープン側（図７のＢ方向、すなわち翼角が小さくなる方向）に回動させるにつれてチップ側クリアランスが大きくなる。このため、動翼８の翼角が最小のときにハブ側クリアランスが最大となる。

　したがって、図３（Ａ）～図５（Ｂ）に示される軸流圧縮機１００によれば、上記条件（ａ）と条件（ｂ）の少なくとも一方を満たすことにより、翼角によらず、ハブ側クリアランスＣｈとチップ側クリアランスＣｔの少なくとも一方が動翼８の上流端において流体流路４の主流にかからなくなる。これにより、ハブ側クリアランスＣｈとチップ側クリアランスＣｔの少なくとも一方を通過する漏れ流れに起因するクリアランスロスを低減することができる。

　また、図３（Ａ）～図５（Ｂ）に示される軸流圧縮機１００では、Ｄｒ１＜Ｄｒ２（条件（ａ）の一部）又はＤｃ１＞Ｄｃ２（条件（ｂ）の一部）の少なくとも一方を満たすことにより、第１外周面１８と第１翼対向面１４との間又は第１内周面２８と第２翼対向面２４との間の少なくとも一方に段差ｇが形成される。この段差ｇによって、図８に示すように、ハブ２の第１翼対向面１４の近傍又はケーシング６の第２翼対向面２４の近傍の少なくとも一方に再循環流が発生する。そして、この再循環流によって見かけ上の流量が増加するため、ハブ２又はケーシング６上の剥離現象を抑制することができる。

　幾つかの実施形態では、例えば図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、軸流圧縮機１００が少なくとも上記条件（ａ）を満たし、第１翼対向面１４は、下流側に向かうにつれてハブの回転中心軸Ｏ１から離れるよう傾斜している。

　ここで、剥離現象が生じるかどうかは動翼８の前縁付近の流量に左右されやすく、動翼８の前縁付近の流量を大きくすれば、動翼８の後縁付近の流量がある程度小さくても、剥離現象を抑制しやすくなる。また、図９に示すように、翼の腹面と背面との圧力差は、翼の前縁側（翼のコードラインの中心より上流側）で大きくなる傾向にある。ハブ側クリアランスＣｈを通過する漏れ流れは動翼８の腹面と背面の圧力差によって生じることに鑑みれば、この圧力差が最大となる動翼８の前縁側のクリアランスを主流から外れるようにすれば、クリアランスロスを効果的に低減できる。
　このように、クリアランスロスの低減効果と剥離現象の抑制効果のニーズは、動翼８の前縁側で大きく、後縁側では相対的に小さい。したがって、後縁側では、クリアランスロスの低減効果と剥離現象の抑制効果とを含むメリットよりも、再循環流の発生に伴う効率低下が生じるデメリットが大きくなる場合がある。

　この点、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す軸流圧縮機１００によれば、上記条件（ａ）を満たすことにより、翼角によらず、ハブ側クリアランスＣｈの上流端が流体流路４の主流にかからなくなる。これにより、動翼８の前縁側において、ハブ側クリアランスＣｈを通過する漏れ流れに起因するクリアランスロスを低減するとともに、再循環流を形成することで剥離減少の抑制することができる。また、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す軸流圧縮機１００によれば、下流側に向かうにつれてハブ２の回転中心軸Ｏ１から離れるよう第１翼対向面１４が傾斜しているため、動翼８の後縁側では再循環流に起因するデメリットを抑えることができる。

　幾つかの実施形態では、例えば図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、軸流圧縮機１００が少なくとも上記条件（ｂ）を満たし、第２翼対向面２４は、下流側に向かうにつれてハブ２の回転中心軸Ｏ１に近づくよう傾斜している。

　上述のように、クリアランスロスの低減効果と剥離現象の抑制効果のニーズは、動翼８の前縁側で大きく、後縁側では相対的に小さい。したがって、後縁側では、クリアランスロスの低減効果と剥離現象の抑制効果とを含むメリットよりも、再循環流の発生に伴う効率低下が生じるデメリットが大きくなる場合がある。

　図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す軸流圧縮機１００によれば、上記条件（ｂ）を満たすことにより、翼角によらず、チップ側クリアランスＣｔの上流端が流体流路４の主流にかからなくなる。これにより、動翼８の前縁側において、チップ側クリアランスＣｔを通過する漏れ流れに起因するクリアランスロスを低減するとともに、再循環流を形成することで剥離減少の抑制することができる。また、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す軸流圧縮機１００によれば、下流側に向かうにつれてハブ２の回転中心軸Ｏ１に近づくよう第２翼対向面２４が傾斜しているため、後縁側では再循環流に起因するデメリットを抑えることができる。

　幾つかの実施形態では、例えば図３（Ａ）、図４（Ａ）及び図５（Ａ）に示すように、ハブ２は、ハブ２の軸方向において翼対向ハブ部１６の下流側に設けられる下流側ハブ部３２を含み、下流側ハブ部３２は、軸方向において第１翼対向面１４に隣接する第２外周面３４を有し、Ｄｈ２≦Ｄｒ３を満たすよう軸流圧縮機１００が構成されている。
　ここで、Ｄｈ２は、動翼８の翼角が最小のときの動翼８のハブ側端面１２における下流端１２ｂとハブ２の回転中心軸Ｏ１との距離であり、Ｄｒ３は、第２外周面３４の上流端３４ａとハブ２の回転中心軸Ｏ１との距離である。

　これらの構成によれば、Ｄｈ２≦Ｄｒ３を満たすことにより、翼角が最小のときに、前縁側から後縁側にわたってハブ側クリアランスＣｈが流体流路４の主流にかからなくなる。
　なお、上述のように、クリアランスロスの低減効果のニーズは、動翼８の前縁側（動翼８のコードラインの中心より上流側）で大きく、動翼８の後縁側では相対的に小さい。したがって、図３（Ａ）～図５（Ｂ）に示す軸流圧縮機１００のように、動翼８の後縁側において、翼角が最小のときにハブ側クリアランスＣｈが流体流路４の主流にかからなければ、クリアランスロスの低減効果のニーズをある程度満たすことができる。

　幾つかの実施形態では、例えば図３（Ｂ）及び図５（Ｂ）に示すように、軸流圧縮機１００はＤｈ３≦Ｄｒ３を満たす。
　ここで、Ｄｈ３は、翼角が最大のときの動翼８のハブ側端面１２における下流端１２ｂとハブ２の回転中心軸Ｏ１との距離であり、Ｄｒ３は、第２外周面３４の上流端３４ａとハブ２の回転中心軸Ｏ１との距離である。

　これらの構成によれば、翼角によらず、ハブ側クリアランスＣｈの全域が流体流路４の主流にかからなくなる。これにより、翼角によらず、ハブ側クリアランスＣｈを通過する漏れ流れに起因するクリアランスロスの低減効果を享受できる。

　幾つかの実施形態では、例えば図３（Ｂ）、図４（Ｂ）及び図５（Ｂ）に示すように、ケーシング６は、ハブ２の軸方向において翼対向ケーシング部２６の下流側に設けられる下流側ケーシング部３６を含み、下流側ケーシング部３６は、軸方向において第２翼対向面２４に隣接する第２内周面３８を有し、軸流圧縮機１００がＤｔ２≧Ｄｃ３を満たすよう構成されている。
　ここで、Ｄｔ２は、翼角が最大のときの動翼８のチップ側端面２２における下流端２２ｂとハブ２の回転中心軸Ｏ１との距離であり、Ｄｃ３は、第２内周面３８の上流端３８ａとハブ２の回転中心軸Ｏ１との距離である。

　これらの構成によれば、Ｄｔ２≧Ｄｃ３を満たすことにより、翼角が最大のときにチップ側クリアランスＣｔが流体流路４の主流にかからなくなる。
　なお、上述のように、クリアランスロスの低減効果のニーズは、動翼８の前縁側で大きく、動翼８の後縁側では相対的に小さい。したがって、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）及び図５（Ｂ）に示す軸流圧縮機１００のように、動翼８の後縁側において、翼角が最大のときにチップ側クリアランスＣｔが流体流路４の主流にかからなければ、クリアランスロスの低減効果のニーズをある程度満たすことができる。

　幾つかの実施形態では、例えば図３（Ａ）及び図５（Ａ）に示すように、軸流圧縮機１００はＤｔ３≧Ｄｃ３を満たす。
　ここで、Ｄｔ３は、翼角が最小のときの動翼８のチップ側端面２２における下流端２２ｂとハブ２の回転中心軸Ｏ１との距離であり、Ｄｃ３は、第２内周面３８の上流端３８ａとハブ２の回転中心軸Ｏ１との距離である。

　これらの構成によれば、翼角によらず、チップ側クリアランスＣｔの全域が流体流路４の主流にかからなくなる。これにより、翼角によらず、チップ側クリアランスＣｔを通過する漏れ流れに起因するクリアランスロスの低減効果を享受できる。

　幾つかの実施形態では、軸流圧縮機１００は、例えば図４（Ａ）に示すようにＤｔ３＜Ｄｃ３を満たしていてもよいし、例えば図４（Ｂ）に示すようにＤｈ３＞Ｄｒ３を満たしていてもよい。上述したように、クリアランスロスの低減効果のニーズは動翼８の後縁側では相対的に小さいため、このような構成であっても、上記条件（ａ）と上記条件（ｂ）の少なくとも一方を満たしていれば、チップ側クリアランスＣｔを通過する漏れ流れに起因するクリアランスロスの低減効果を享受できる。

　本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
　例えば、上述した幾つかの実施形態では、動翼８の形状とハブ２又はケーシング６の形状との関係について説明したが、これらの関係については、静翼１０の形状とハブ２又はケーシング６の形状との関係にも適用することができる。
　また、翼角の変更に伴うハブ側クリアランス又はチップ側クリアランスの増大を抑制するために、特許文献１に記載されるような球面加工をハブ側端面１２、第１翼対向面１４、チップ側端面２２及び第２翼対向面２４に適宜施してもよい。
　また、本発明は、例えばボイラ用軸流ファン、高炉用軸流ブロワ、ガスタービン圧縮機及び各種タービン等の回転機械に適用することができる。

２　ハブ
４　流体流路
６　ケーシング
７　入口
８　動翼
９　出口
１０　静翼
１２　ハブ側端面
　１２ａ　ハブ側端面の上流端
　１２ｂ　ハブ側端面の下流端
１４　第１翼対向面
　１４ａ　第１翼対向面の上流端
１６　翼対向ハブ部
１８　第１外周面
　１８ａ　第１外周面の下流端
２０　上流側ハブ部
２２　チップ側端面
　２２ａ　チップ側端面の上流端
　２２ｂ　チップ側端面の下流端
２４　第２翼対向面
　２４ａ　第２翼対向面の上流端
２６　翼対向ケーシング部
２８　第１内周面
２８ａ　第１内周面の下流端
３０　上流側ケーシング部
３２　下流側ハブ部
３４　第２外周面
　３４ａ　第２外周面の上流端
３６　下流側ケーシング部
３８　第２内周面
　３８ａ　第２内周面の上流端
１００　軸流圧縮機

Claims

　回転中心軸周りに回転するように構成されたハブと、
　前記ハブを覆うよう構成され、前記ハブとの間に流体流路を形成するケーシングと、
　前記流体流路上に配置され、前記ハブの径方向に沿った回動軸周りに回動可能に構成された可変翼と、を備える回転機械であって、
　前記ハブは、
　　前記可変翼のハブ側端面に対向する第１翼対向面を含む翼対向ハブ部と、
　　前記ハブの軸方向において前記翼対向ハブ部の上流側に設けられ、前記軸方向において前記第１翼対向面に隣接する第１外周面を有する上流側ハブ部と、
　を含み、
　前記ケーシングは、
　　前記可変翼のチップ側端面に対向する第２翼対向面を含む翼対向ケーシング部と、
　　前記軸方向において前記翼対向ケーシング部の上流側に設けられ、前記軸方向において前記第２翼対向面に隣接する第１内周面を有する上流側ケーシング部と、
　を含み、
　以下の条件（ａ）と条件（ｂ）の少なくとも一方を満たす回転機械。
　　（ａ）Ｄｒ１＜Ｄｈ１≦Ｄｒ２
　　（ｂ）Ｄｃ１≧Ｄｔ１＞Ｄｃ２　
　ここで、Ｄｒ１は、前記第１翼対向面の上流端と前記ハブの回転中心軸との距離であり、Ｄｈ１は、前記ハブの軸方向と前記可変翼のコードラインとがなす角が最大のときの前記可変翼のハブ側端面における上流端と前記ハブの回転中心軸との距離であり、Ｄｒ２は、前記第１外周面の下流端と前記ハブの回転中心軸との距離であり、Ｄｃ１は、前記第２翼対向面の上流端と前記ハブの回転中心軸との距離であり、Ｄｔ１は、前記ハブの軸方向と前記可変翼のコードラインとがなす角が最小のときの前記可変翼のチップ側端面における上流端と前記ハブの回転中心軸との距離であり、Ｄｃ２は、前記第１内周面の下流端と前記ハブの回転中心軸との距離である。
　少なくとも前記条件（ａ）を満たし、
　前記第１翼対向面は、下流側に向かうにつれて前記ハブの回転中心軸から離れるよう傾斜している請求項１に記載の回転機械。
　少なくとも前記条件（ｂ）を満たし、
　前記第２翼対向面は、下流側に向かうにつれて前記ハブの回転中心軸に近づくよう傾斜している請求項１又は２に記載の回転機械。
　前記ハブは、該ハブの軸方向において前記翼対向ハブ部の下流側に設けられる下流側ハブ部を含み、
　前記下流側ハブ部は、前記軸方向において前記第１翼対向面に隣接する第２外周面を有し、
　前記回転機械は、Ｄｈ２≦Ｄｒ３を満たす請求項１乃至３の何れか１項に記載の回転機械。
　ここで、Ｄｈ２は、前記ハブの軸方向と前記可変翼のコードラインとがなす角が最小のときの前記可変翼のハブ側端面における下流端と前記ハブの回転中心軸との距離であり、Ｄｒ３は、前記第２外周面の上流端と前記ハブの回転中心軸との距離である。
　前記ハブは、該ハブの軸方向において前記翼対向ハブ部の下流側に設けられる下流側ハブ部を含み、
　前記下流側ハブ部は、前記軸方向において前記第１翼対向面に隣接する第２外周面を有し、
　前記回転機械は、Ｄｈ３≦Ｄｒ３を満たす請求項２に記載の回転機械。
　ここで、Ｄｈ３は、前記ハブの軸方向と前記可変翼のコードラインとがなす角が最大のときの前記可変翼のハブ側端面における下流端と前記ハブの回転中心軸との距離であり、Ｄｒ３は、前記第２外周面の上流端と前記ハブの回転中心軸との距離である。
　前記ケーシングは、前記ハブの軸方向において前記翼対向ケーシング部の下流側に設けられる下流側ケーシング部を含み、
　前記下流側ケーシング部は、前記軸方向において前記第２翼対向面に隣接する第２内周面を有し、
　前記回転機械は、Ｄｔ２≧Ｄｃ３を満たす請求項１乃至５の何れか１項に記載の回転機械。
　ここで、Ｄｔ２は、前記ハブの軸方向と前記可変翼のコードラインとがなす角が最大のときの前記可変翼のチップ側端面における下流端と前記ハブの回転中心軸との距離であり、Ｄｃ３は、前記第２内周面の上流端と前記ハブの回転中心軸との距離である。
　前記ケーシングは、前記ハブの軸方向において前記翼対向ケーシング部の下流側に設けられる下流側ケーシング部を含み、
　前記下流側ケーシング部は、前記軸方向において前記第２翼対向面に隣接する第２内周面を有し、
　前記回転機械は、Ｄｔ３≧Ｄｃ３を満たす請求項３に記載の回転機械。
　ここで、Ｄｔ３は、前記ハブの軸方向と前記可変翼のコードラインとがなす角が最小のときの前記可変翼のチップ側端面における下流端と前記ハブの回転中心軸との距離であり、Ｄｃ３は、前記第２内周面の上流端と前記ハブの回転中心軸との距離である。