JP2009191635A

JP2009191635A - ガス機械

Info

Publication number: JP2009191635A
Application number: JP2008030455A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Hasegawa; 和三長谷川; Koji Kotani; 浩二小谷; Ryusuke Numakura; 龍介沼倉; Yutaka Hasegawa; 豊長谷川; Huy Hoang Nguyen; フイホアングエン
Original assignee: Nagoya University NUC; IHI Corp
Current assignee: Nagoya University NUC; IHI Corp
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2009-08-27

Abstract

【課題】噴霧液滴の熱交換効率を高めて、圧縮効率を向上させることを可能とした圧縮機を提供する。
【解決手段】インペラ３と、インペラ３を収容するとともに、インペラ３に向けてガスを送気する流路Ｒ_１が形成されたケーシング本体１０と、流路Ｒ_１のインペラ３よりも上流側に配置されて、所定の流速で送気される空気Ａ_０中に噴霧液滴Ｆを噴霧する超音波振動型噴霧装置３０とを備え、噴霧液滴Ｆは、インペラ３に流入する流速が１ｍ／ｓ以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス機械に関するものである。ガス機械とは、圧縮機及び送風機を含む概念であり、圧縮機にはガスタービン、ディーゼルエンジン、ガスエンジン、ガソリンエンジンなどのガスを加圧する工程を持つ機械を含む。

従来の圧縮機では、圧縮効率を向上させるために、吸気に液滴を噴霧して、インペラやスクリュー等を備えるケーシング内の吸気温度を低下させる方法が取り入れられている（例えば特許文献１，２）。このような圧縮機は、ガス（空気）を供給する系統と、水を供給する系統とが分かれた２流体ノズル（噴霧）構造を呈している。
特開２００３−１８４７６８号公報特開昭５６−９８５９１号公報

吸入空気と混合した噴霧液滴は、圧縮工程中に気化することで圧縮空気の圧縮熱を奪い、このような熱交換作用によって必要動力を低減させることができる。
しかしながら、噴霧液滴の粒径によってはその一部が気化されず、ディフューザへと送られてしまうことがある。このような液滴は圧縮空気の温度低減に寄与できず、かえって動力が増加する（圧縮効率が低下する）という問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、噴霧液滴の熱交換効率を高めて、圧縮効率を向上させることを可能とした圧縮機を提供することを目的としている。

本発明の圧縮機は、上記課題を解決するために、ガス圧縮手段と、前記ガス圧縮手段を収容するとともに、前記ガス圧縮手段に向けてガスを送気する流路が形成されたケーシングと、前記流路の前記ガス圧縮手段よりも上流側に配置されて、所定の流速で送気される前記ガス中に液滴を噴霧する超音波振動型噴霧装置と、を備え、前記液滴は、前記ガス圧縮手段に流入する流速が、１ｍ／ｓ以上であることを特徴とする。

また、本発明においては、微粒子化された前記液滴の粒径分布のピークが、２μｍ以下であることが好ましい。

また、本発明においては、超音波振動型噴霧装置は、液体を貯留する貯留部と、液体に振動を与える複数個の超音波振動子とを有することが好ましい。

本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
超音波振動型噴霧装置により噴霧された液滴（以下、噴霧液滴と呼ぶ）に、所定の流速で送気されるガスが直接当たることにより、噴霧液滴がせん断されて分裂し微細化する。本発明では、超音波振動によって、従来の噴霧液滴を生成することができ、該噴霧液滴が、空気のせん断による影響で分裂し、さらに粒径の小さな微粒子となる。また、微粒子の粒径は、ガスの流速を調整することによって噴霧液滴の微粒子化を促進することができ、例えばガスの流速が１ｍ／ｓ以上であれば、平均粒径のピークが２μｍ以下の微粒子を発生させることができる。そのため、ガス圧縮手段に流入する前に微粒子の一部又は大部分が蒸発することになり、すでに冷却されたガスをガス圧縮手段へと流入させることができる。これにより、圧縮空気の温度上昇をより効果的に抑制することができ、装置の熱交換効率を向上させて圧縮動力を低減させることが可能になる。
したがって、ガス圧縮手段にダメージが及ぶこともなく、所謂ドレンエロージョンが防止されたものとなる。

本発明の圧縮機によれば、ガスの熱交換効率を高めて、エネルギー付与領域におけるガスの圧縮に起因する圧縮ガスの温度上昇を良好に防止でき、圧縮ガスの圧縮効率向上及び機械的損傷を防ぎ高信頼性なものとなる。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

［第１の実施形態］
図１は本発明の実施の形態に係る遠心圧縮機の概略構成を示す模式図、図２はインペラの概略構成を示す斜視図、図３は図１の要部拡大図、図４は超音波振動型噴霧装置の要部拡大図である。

図１〜図３に示すように、遠心圧縮機１（ガス機械）は、空気Ａ（ガス）を遠心力によって圧縮するインペラ３（ガス圧縮手段）、インペラ３に回転力を伝達する回転軸９、インペラ３を収容するケーシング本体１０、空気Ａ中に液滴を噴霧する超音波振動型噴霧装置３０などから構成されている。

インペラ３は、図２に示すように、回転軸９の一端に連結されるインペラ本体部４と、インペラ本体部４に放射状に配置された複数の羽根５とから形成され、これら各羽根５が回転中心軸Ｏまわりに等間隔で配置されている。

回転軸９は、図１に示すように、ケーシング本体１０によって支持され、回転中心軸Ｏまわりに回転可能である。そして、回転軸９の他端に連結されているタービン（図示せず）の羽根車かモータ駆動の歯車装置が回転することによりインペラ３が回転するようになっている。

ケーシング本体１０は、流入口Ｂからインペラ３までの流路を形成する吸込部ケーシング１２と、インペラ３を収容してインペラ３とともに吸込部ケーシング１２からディフューザ２０までの流路を形成する収容部ケーシング１４と、収容部ケーシング１４から後述のスクロール部２２までの流路を形成するディフューザ２０と、ディフューザ２０から流出口Ｃまでの流路を形成するスクロール部２２とを有して一体的に形成されたものである。各流路は連通し、流入口Ｂからインペラ３を介してスクロール部２２の最下流部に位置する流出口Ｃまで連なる一連の流路が流路Ｒ_１となる。

吸込部ケーシング１２は、回転中心軸Ｏの軸方向からみて断面形状が中空円形であって収容部ケーシング１４に連接し、流入口Ｂから流入した空気Ａ_０がインペラ３に流入するまでの流路を形成する。

収容部ケーシング１４は、インペラ３を包み込むように収容し、回転軸９を回転可能に支持する構成となっている。収容部ケーシング１４の内壁はシュラウドとして機能するようになっており、インペラ３に流入した空気Ａ_１がディフューザ２０に流入するまでの流路をインペラ３とともに形成している。

ディフューザ２０は、回転中心軸Ｏの軸方向に互いに対向するディフューザ形成面２１ａ、２１ｂから構成されている。ディフューザ形成面２１ａ、２１ｂは、各内周縁部が収容部ケーシング１４と連接され、外周縁部でスクロール部２２と連接している。

そして、インペラ３からスクロール部２２へと流れるディフューザ２０の流路断面積は、半径方向に次第に大きくなるように構成されている。本図では所謂ベーン（案内羽根）は付いていない。ディフューザ２０は、流入した空気Ａ_２がスクロール部２２に流入するまでの流路を形成している。

スクロール部２２は、ディフューザ形成面２１ａ、２１ｂの外周縁部と連接しており、回転中心軸Ｏを中心として、吸込部ケーシング１２の一部と収容部ケーシング１４に巻き付くように構成されている。また、回転中心軸Ｏに沿った断面形状は中空円形であって、流路の下流側に進むほどに流路断面積が大きくなるように構成されている。
このスクロール部２２は、ディフューザ２０から流入した空気Ａ_３をスクロール部２２の下流側の流出口Ｃから外部に排出するまでの流路を形成する。

図３に示すように、超音波振動型噴霧装置３０は、吸込部ケーシング１２の空間Ｋ内に配置されており、各噴霧機構３１が不図示の支持部によって吸込部ケーシング１２の内壁にそれぞれ固定されている。各噴霧機構３１は、液体Ｅを貯留する液体貯留部３２と、該液体貯留部３２の底部３２ａに所定間隔をおいて配置された複数の超音波振動子３３とを備えている。
図４に示すように、各超音波振動子３３は、端子面３３ａ上に配置された被覆材３４が液体貯留部３２の開口部３２Ａから露出するようにその底部３２ａに固定されている。

このような超音波振動型噴霧装置３０は、液体貯留部３２内の液体Ｅを、底部３２ａに配置された複数の超音波振動子３３によって霧化させ、生成した噴霧液滴Ｆを、図２に示す流入口Ｂから流入した空気Ａ_０中に噴霧するようになっている。本実施形態では、液体Ｅとして水を用いるが水以外の液体であってもよい。

超音波振動型噴霧装置３０は、超音波振動子３３の作用により、液体Ｅに振動エネルギーを与えて液面の表面張力が減少させることで霧状の噴霧液滴Ｆを生成する。ここで、生成される噴霧液滴Ｆのザウター平均粒径は１０μｍ以下であって、本実施形態では超音波振動子３３の周波数を調整することにより、ザウター平均粒径が約３〜６μｍ以下の噴霧液滴Ｆを生成することが可能となっている。

さらに、液体貯留部３２内には、液体Ｅが不図示の液体供給機構によって常に液体Ｅが供給されるようになっており、最適な水位ｈ（図４参照）が確保されている。
なお、液体貯留部３２内に、たとえば液体Ｅの貯留量を検知する液検知センサなどを備えるようにしてもよい。この液検知センサにより、超音波振動子３３による霧化に適正な水位ｈを保つことができ、最適な粒子径を保つ且つ空焚きによる超音波振動子３３の損傷を防止できる。

また、図３に示すように、流入口Ｂの近傍で超音波振動型噴霧装置３０よりも上流側にフィルタ部材３８が配置されている。フィルタ部材３８は、ケーシング本体１０の内部に異物やガス中の浮遊物が浸入することを抑制する。

次に、上述した構成を備える遠心圧縮機の作用について図１〜図４を用いて説明する。
まず、遠心圧縮機１の作用を流路Ｒ_１に沿って説明する。
回転軸９によって連結されているタービン（図示せず）の羽根車が回転することにより、インペラ３が回転する。そして、インペラ３の回転によって、吸込部ケーシング１２の空気Ａ_０の圧力が外部の空気Ａの圧力よりも低くなるため、流入口Ｂから空気Ａが順次流入する。このとき、インペラ３の回転を調整することによって空気Ａ_０を所定の流速にする。本実施形態では、空気Ａ_０の流速を１ｍ／ｓ以上となるように設定する。

吸込部ケーシング１２を流れる空気Ａ_０は、インペラ３の回転によって収容部ケーシング１４に流入する。空気Ａ_０が吸込部ケーシング１２を流れる際、超音波振動型噴霧装置３０によって噴霧液滴Ｆを空気Ａ_０中に噴霧する。このとき、噴霧液滴Ｆの噴霧方向に対して略直交する方向に流れる空気Ａ_０によって、噴霧液滴Ｆはせん断されて微粒子化する。つまり、液体貯留部３２からの噴霧液滴Ｆの噴出方向と、吸入部ケーシング１２を流れる空気Ａ_０の流れる方向とが略交差する方向になるので、吸入部ケーシング１２を流れる空気流のせん断力によって噴霧液滴Ｆがさらに分裂して、粒径が小さく均一な微粒子が得られる。

吸入部ケーシング１２は、その収容部ケーシング１４側が縮径されている。この吸入部ケーシング１２の縮径部分では、速度エネルギーが上昇するとともにインペラ３によって負圧状態（飽和蒸気圧以下に減圧された状態）となる。霧化状態の空気Ａ_０は、吸入部ケーシング１２の縮径部分における負圧状態等が要因となって、収容部ケーシング１４へ流動して行くにしたがい空気Ａ_０中の微粒子が除々に蒸発して減湿する。また、インペラ３を収容する収容部ケーシング１４（インペラ３）の入り口付近で最も負圧状態となることから、この部分で多くの微粒子が蒸発する。なお、収容部ケーシング１４（インペラ３）内へ流入する前に、空気Ａ_０中の微粒子が完全蒸発することが望ましい。このような気化熱の作用によって空気Ａ_０の温度が低下する。こうして冷却された空気Ａ_０’がインペラ３の回転によって収容部ケーシング１４に流入する。

吸入部ケーシング１２の縮径部分において空気Ａ_０の速度エネルギーが上昇することで、微粒子化及び蒸発がより加速することも考えられる。

インペラ３を流れる空気Ａ_１には、インペラ３による遠心力によって圧力エネルギーと速度エネルギーが与えられる。すなわち、インペラ３を通過する間に、空気Ａ_１の圧力エネルギーと速度エネルギーが増加する。インペラ３を流れる空気Ａ_１は、予め冷却された空気流であることから、インペラ３における圧縮動力を従来よりも低減させることが可能である。

また、空気Ａ_１中に微粒子（噴霧液滴Ｆ）が残留していた場合には、インペラ３のエネルギー付与領域においてこの残留微粒子（あるいは残留噴霧液滴）を完全に蒸発させることができる。インペラ３に流入する空気Ａ_１は予め冷却された空気流であることに加え、残留微粒子の蒸発に伴う気化熱によって空気Ａ_１の温度がさらに低下することになるので、必要駆動動力を効果的に低下させることができる。

そして、インペラ３を経た空気Ａ_１は、空気Ａ_２となって、ディフューザ２０に流入する。ディフューザ２０の流路断面積は、ディフューザ２０の径方向に進むほど大きくなる。そのため、ディフューザ２０を流れる空気Ａ_２の速度エネルギーが減少して、その分だけ圧力エネルギーが増加する。

その後、ディフューザ２０を経た空気Ａ_２はスクロール部２２に流入する。スクロール部２２を流れる空気Ａ_３は、スクロール部２２の流路断面積の増大によって、さらに速度エネルギーの一部が圧力エネルギーに変換される。そして、さらに圧力が増した空気Ａ_３は、スクロール部２２の下流の流出口Ｃから外部に排出される。

このように、インペラ３を流れる空気Ａ_１は、インペラ３の回転により加速及び圧縮され、ディフューザ２０へ送られることによってさらに昇圧される。

図５に、各測定条件における微粒子の粒径分布を示す。但し、図中における破線は予想線である。
各測定条件（空気Ａ_０の流速：０．４ｍ／ｓ、０．８ｍ／ｓ、１ｍ／ｓ、５ｍ／ｓ）における微粒子の粒径分布は、そのピーク値が粒子径の小さい方にシフトしていることが分かる。流速０．４ｍ／ｓの場合、図中に示すように、蒸発が困難な粒径６〜１０μの微粒子が含まれており、これら微粒子は、超音波振動型噴霧装置３０によって生成される噴霧液滴Ｆの粒径とほとんど変わらない。
また、流速０．８ｍ／ｓの場合、ピークを粒径３μｍ付近とする分布が得られたが、粒径の微粒化が不十分である。

本測定においては、特に、空気Ａ_０の流速が１ｍ／ｓ及び５ｍ／ｓのときに、２μｍ以下の粒径をピークとする粒径分布が得られた。
流速１ｍ／ｓの場合、ピークの粒子は１．５μｍ程度になり、霧化された空気Ａ_０がインペラ３側へと流入する前でも蒸発し、圧縮機内部でも十分蒸発させることが出来る。

また、流速５ｍ／ｓの場合、粒子径のピークは１μｍ程度あるいはそれ以下となる。ここで、粒子径が１μｍ以下の粒子については測定することができなかったため粒径分布のピーク値を断言することはできないが、圧縮機上流と圧縮機内部の両方で蒸発を完成させることが出来る。

このように、空気流の流速が１ｍ／ｓ以上の場合に粒径が小さく均一な微粒子が生成されることが分かった。つまり、超音波振動型噴霧装置３０からの噴霧液滴Ｆに略交差する方向に流れる空気流の流速が高いほど、噴霧液滴Ｆをより粒径の小さな微粒子に分裂することができる。

図６は、本実施形態の遠心圧縮機のＰ−Ｖ線図である。
図中の破線は空気流の温度Ｔ１が３０度の場合におけるＰ−Ｖ特性を示し、図中の実線は空気流の温度Ｔ２が２５度の場合におけるＰ−Ｖ特性を示す。
空気流の温度、すなわちインペラ３に流入する空気の温度Ｔ１が３０度の場合、収容部ケーシング１４内に所定の圧力Ｐｓで吸込まれた空気流は、インペラ３の作用によってＶ１ｓからＶ１ｍに容積が減少することで圧力Ｐｍまで圧縮される。また、空気流の温度Ｔ２が２５度の場合、収容部ケーシング１４内に所定の圧力Ｐｓで吸込まれた空気流は、インペラ３の作用によってＶ２ｓからＶ２ｍに容積が減少することで圧力Ｐｍまで圧縮される。
ここで、図中のハッチング部分は、空気流の温度が２５度の場合と３０度の場合との圧縮動力の差分を表しており、ハッチングの部分だけ低温気流の方が圧縮動力を低減することができ、遠心圧縮機の省エネ運転が可能となる。

図７は、従来の遠心圧縮機のＰ−Ｖ線図である。
図７中の破線は超音波振動型噴霧装置を備えていない遠心圧縮機のＰ−Ｖ特性を示し、図中の実線は超音波振動型噴霧装置を有する遠心圧縮機であって、（微細化されていない）噴霧液滴を含んだ空気Ａ_１をインペラ内に流入させた場合のＰ−Ｖ特性を示す。
インペラ３に流入する時の温度が同じ場合、水分を含んでいない空気流がインペラ３に流入する場合に比べて、噴霧液滴Ｆを含んだ状態の空気流がインペラ３に流入する場合の方が、排出されるまでの間に噴霧液滴Ｆの蒸発に伴う気加熱によって空気流の温度が低下して圧縮動力が低減する。しかしながら、上記した本実施形態のように、予め冷却された状態の空気流をインペラ３へと流入させる場合の方が、圧縮動力を格段に低減させることができるのでより効果的である。

本実施形態では、吸入部ケーシング１２内を所定の流速（１ｍ／ｓ以上）で流れる空気Ａ_０が超音波振動型噴霧装置３０から生成された噴霧液滴Ｆに交差する方向に当たって、噴霧液滴Ｆがせん断されて微粒子化する。例えば、空気Ａ_０の流速を５ｍ／ｓとすることにより、より多くの噴霧液滴Ｆを微粒子化するとともに、より粒径の小さな微粒子を生成することが望ましい。

上述したように、噴霧液滴Ｆをさらに粒径の小さな微粒子とすることにより、収容部ケーシング１４の入り口付近すなわちインペラ３に流入する前において、空気Ａ_０中の微粒子を略完全に蒸発させることができる。空気Ａ_０中に含まれる微粒子の粒径が小さいほど蒸発し易くなるため、熱交換効率が向上する。この空気Ａ_０中の微粒子の蒸発に伴う気化熱によって、空気Ａ_０の温度が下がり、インペラ３へと冷気を送ることができる。また、インペラ３に流入した空気Ａ_１中に微粒子が残留していた場合でも、該インペラ３のエネルギー付与領域において残留微粒子が完全に蒸発することになる。この蒸発に伴う気化熱によっても空気Ａ_１の温度を下げることができる。これにより、インペラ３の冷却効率が向上する。

このような結果、インペラ３（圧縮ガス）の温度上昇を良好に防止でき、結果的にインペラ３の圧縮効率及び機械的強度を向上させることで、信頼性の高い遠心圧縮機１を提供することができる。

なお、噴霧液滴Ｆの微粒子化は、吸入部ケーシング１２内を送気される空気Ａ_０の流速を変えることで調整することが可能である。噴霧液滴Ｆに対するせん断力が大きいほど、より多くの噴霧液滴Ｆがより粒径の小さな微粒子に微細化される。そのため、空気Ａ_０の流速を、装置構造や噴霧液滴Ｆの噴霧量や粒径などによって適宜設定し、熱交換効率を向上させて圧縮動力を低減させることが望ましい。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更が可能である。例えば、圧縮機一般に適用する以外にも、送風機に適用することも可能である。

例えば、遠心式以外のターボ圧縮機（例えば、斜流式や軸流式）や容積圧縮機にも適用可能である。軸流圧縮機としては、ガスタービンのコンプレッサーなどが挙げられる。
また、本実施形態の遠心圧縮機１をエンジンの過給器、産業用の圧縮機又はガスタービンに適用することが可能である。同様にディーゼルエンジンやガソリンエンジンの空気圧縮行程は全く同様で可能である。また、上記実施形態では１段遠心圧縮機について説明したが、本発明は２段遠心圧縮機等の多段式の遠心圧縮機についても同様に適用可能である。

また、上述した実施形態では空気を導入しているが、装置の種類によっては窒素や酸素を用いても良い。また、噴霧する液体の種類も、水以外にアルコールやその他冷媒であっても良い。

超音波振動型噴霧装置３０の構成も上記実施形態に限ったものではなく、吸入部ケーシング１２内を流れる空気中に液滴を噴霧可能な構成であればよい。

本発明の第１の実施形態における遠心圧縮機の概略構成を示す模式図。インペラの概略構成を示す斜視図。図１の要部拡大図。超音波振動型噴霧装置の超音波振動子を示す拡大断面図。各測定条件における微粒子の粒径分布を示す。本実施形態における遠心圧縮機のＰ−Ｖ特性を示す線図。従来の遠心圧縮機のＰ−Ｖ特性を示す線図。

符号の説明

１…遠心圧縮機（ガス機械）、３…インペラ（ガス圧縮手段）、５…羽根、１０…ケーシング本体、１２…吸込部ケーシング、１４…収容部ケーシング、２０…ディフューザ、Ｅ…液体、Ｆ…噴霧液滴、Ｒ_１…流路、Ａ_０，Ａ_１，Ａ_２…空気、３０…超音波振動型噴霧装置、３２…液体貯留部、３３…超音波振動子、３８…フィルタ部材

Claims

ガス圧縮手段と、
前記ガス圧縮手段を収容するとともに、前記ガス圧縮手段に向けてガスを送気する流路が形成されたケーシングと、
前記流路の前記ガス圧縮手段よりも上流側に配置されて、所定の流速で送気される前記ガス中に液滴を噴霧する超音波振動型噴霧装置と、を備え、
前記液滴は、前記ガス圧縮手段に流入する流速が、１ｍ／ｓ以上であることを特徴とする請求項１記載のガス機械。
微粒子化された前記液滴の粒径分布のピークが、２μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のガス機械。
前記超音波振動型噴霧装置は、液体を貯留する貯留部と、前記液体に振動を与える複数個の超音波振動子とを有することを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載のガス機械。