JP2013204550A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】旋回失速による軸振動等の不具合を抑制するとともに、摩擦損失等による性能低下を抑制した遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】羽根車１３から吐出した流体を流通させるディフューザ部１５を備える遠心圧縮機１０において、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置におけるディフューザ部１５の流路幅Ｗ２が、羽根車１３から流体が吐出する吐出位置における羽根車１３の流路幅Ｗ１よりも狭く、ディフューザ部１５の流入位置よりも下流側には、流入位置におけるディフューザ部１５の流路幅Ｗ１よりも広い流路幅拡大部１５ｃが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心圧縮機に関する。

従来から、プラント等に用いられる圧縮機として、遠心圧縮機が知られている。そして、遠心圧縮機の小型化や、小流量での運転を可能とするために、いくつかの改良が提案されている。
例えば、特許文献１には、小流量での運転を可能とするため、可変絞り機構を用いてディフューザの一部の流路幅を狭くすることを可能にした遠心圧縮機が開示されている。
また、特許文献２には、小型化を図りつつ作動域を大流量側に拡大するため、ディフューザ流路の流路高さを漸次高くして流路幅を拡大した遠心圧縮機が開示されている。

特開２００３−１２０５９４号公報 特開２０１０−１４４６９８号公報

遠心圧縮機においては、一般的に、流れ角（羽根車からの流体の吐出方向と羽根車の半径方向とがなす角）が大きくなると、損失が大きくなるほか、周方向の流れが不均一となる旋回失速を生じ、それが原因と考えられる軸振動等の不具合が発生することが知られている。軸振動等の不具合を防止するには、流れ角を小さくする、すなわち羽根車からの流体の吐出方向を羽根車の半径方向に近づけることが有効である。そして、例えば、特許文献１および特許文献２に記載されるように、ディフューザの流路幅を狭くすることにより、流体の流速を増加させ、流れ角を小さくすることができる。

しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載された遠心圧縮機のディフューザは、流路の一部における流路幅を狭くしているものの、羽根車から吐出された流体が流入するディフューザ部の流入位置における流路幅は狭くなっていない。従って、特許文献１および特許文献２に記載されたディフューザでは、ディフューザへの流体の流入位置において流体の流速が十分に増加されず、旋回失速が生じる場合がある。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、旋回失速による軸振動等の不具合を抑制するとともに、摩擦損失等による性能低下を抑制した遠心圧縮機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を採用する。
本発明に係る遠心圧縮機は、軸線周りに回転可能であり、該軸線に沿った軸線方向に沿って流入する流体を該軸線方向から傾斜した方向に吐出する羽根車と、該羽根車を収容するケーシング部と、前記羽根車から吐出した前記流体を流通させるディフューザ部と、を備え、前記羽根車が、前記軸線方向に沿って並ぶハブおよびシュラウドと、該ハブおよび該シュラウドの間に配置される複数のブレードを有し、前記ディフューザ部に前記流体が流入する流入位置における該ディフューザ部の流路幅が、前記羽根車から前記流体が吐出する吐出位置における前記羽根車の流路幅よりも狭く、前記ディフューザ部の前記流入位置よりも下流側には、該流入位置における前記ディフューザ部の流路幅よりも広い流路幅拡大部が設けられていることを特徴とする。

本発明に係る遠心圧縮機によれば、軸線方向に沿って流入する流体を軸線方向から傾斜した方向に吐出する羽根車と、羽根車を収容するケーシング部と、羽根車から吐出した流体を流通させるディフューザ部と、を備え、羽根車が、軸線方向に沿って並ぶハブおよびシュラウドと、ハブおよびシュラウドの間に配置される複数のブレードを有する。

そして、本発明に係る遠心圧縮機によれば、ディフューザ部に流体が流入する流入位置におけるディフューザ部の流路幅が、羽根車から流体が吐出する吐出位置における羽根車の流路幅よりも狭い。このようにすることで、ディフューザ部に流体が流入する流入位置における流体の流速を十分に増加させて旋回失速の発生を抑制し、旋回失速による軸振動等の不具合を抑制することができる。

また、本発明に係る遠心圧縮機によれば、ディフューザ部の流入位置よりも下流側には、流入位置におけるディフューザ部の流路幅よりも広い流路幅拡大部が設けられている。このようにすることで、ディフューザ部の流入位置から下流側に至るまで同じ流路幅とする場合に比べ、ディフューザ部を流通する流体の流速が速くなることに起因する摩擦損失等の性能低下を抑制することができる。

本発明の第１態様の遠心圧縮機は、前記ディフューザ部が、前記ハブ側に設けられるハブ側壁と前記シュラウド側に設けられるシュラウド側壁により画定されており、前記流路幅拡大部における前記ハブ側壁が、前記流入位置における前記ハブ側壁よりも前記ディフューザ部の流路幅を拡大する方向に配置されており、前記流路幅拡大部における前記シュラウド側壁が、前記流入位置における前記シュラウド側壁よりも前記ディフューザ部の流路幅を拡大する方向に配置されていることを特徴とする。

このようにすることで、ディフューザ部の流路幅拡大部における両側の壁がディフューザ部の流路幅を拡大する方向に配置され、ディフューザ部の流入位置から下流側に至るまで同じ流路幅とする場合に比べて、流体の流速が速くなることに起因する摩擦損失等の性能低下を抑制することができる。

本発明の第２態様の遠心圧縮機は、前記ディフューザ部が、前記ハブ側に設けられるハブ側壁と前記シュラウド側に設けられるシュラウド側壁により画定されており、前記流路幅拡大部における前記ハブ側壁が、前記流入位置における前記ハブ側壁よりも前記ディフューザ部の流路幅を拡大する方向に配置されていることを特徴とする。

このようにすることで、ディフューザ部の流路幅拡大部におけるハブ側壁をディフューザ部の流路幅を拡大する方向に配置し、ディフューザ部の流入位置から下流側に至るまで同じ流路幅とする場合に比べて、流体の流速が速くなることに起因する摩擦損失等の性能低下を抑制することができる。また、ハブ側壁をディフューザ部の流路幅を拡大する方向に配置するので、羽根車から吐出される流体の吐出方向が軸線方向に直交した方向よりもハブ側壁の方向に向いている場合に、流体が安定した状態で流通する流路を形成することができる。

本発明の第３態様の遠心圧縮機は、前記ディフューザ部が、前記ハブ側に設けられるハブ側壁と前記シュラウド側に設けられるシュラウド側壁により画定されており、前記流路幅拡大部における前記シュラウド側壁が、前記流入位置における前記シュラウド側壁よりも前記ディフューザ部の流路幅を拡大する方向に配置されていることを特徴とする。

このようにすることで、ディフューザ部の流路幅拡大部におけるシュラウド側壁をディフューザ部の流路幅を拡大する方向に配置し、ディフューザ部の流入位置から下流側に至るまで同じ流路幅とする場合に比べて、流体の流速が速くなることに起因する摩擦損失等の性能低下を抑制することができる。

前述した本発明の第１態様の遠心圧縮機においては、前記ハブ側壁の形状が、前記ディフューザ部の前記流入位置と前記流路幅拡大部の間の中間位置において前記流体の流通方向に沿って徐々に流路幅が拡大するテーパ形状であり、前記シュラウド側壁の形状が、前記ディフューザ部の前記中間位置において前記流体の流通方向に沿って徐々に流路幅が拡大するテーパ形状であってもよい。
このようにすることで、ディフューザ部の中間位置の流路において安定した状態で流体を流通させる流路を形成することができる。

前述した本発明の第２態様の遠心圧縮機においては、前記ハブ側壁の形状が、前記ディフューザ部の前記流入位置と前記流路幅拡大部の間の中間位置において前記流体の流通方向に沿って徐々に流路幅が拡大するテーパ形状であってもよい。
このようにすることで、ディフューザ部の中間位置の流路において安定した状態で流体を流通させる流路を形成することができる。

前述した本発明の第３態様の遠心圧縮機においては、前記シュラウド側壁の形状が、前記ディフューザ部の前記流入位置と前記流路幅拡大部の間の中間位置において前記流体の流通方向に沿って徐々に流路幅が拡大するテーパ形状であってもよい。
このようにすることで、ディフューザ部の中間位置の流路において安定した状態で流体を流通させる流路を形成することができる。

前述した本発明の第１態様の遠心圧縮機においては、前記ハブ側壁の形状が、前記ディフューザ部の前記流入位置と前記流路幅拡大部の間の中間位置において前記流体の流通方向に沿って段階的に流路幅が拡大する段形状であり、前記シュラウド側壁の形状が、前記ディフューザ部の前記中間位置において流体の流通方向に沿って段階的に流路幅が拡大する段形状であってもよい。
このようにすることで、比較的容易な加工工程により、ディフューザ部の中間位置に流入位置と下流側を接続する流路を形成することができる。

前述した本発明の第２態様の遠心圧縮機においては、前記ハブ側壁の形状が、前記ディフューザ部の前記流入位置と前記流路幅拡大部の間の中間位置において流体の流通方向に沿って段階的に流路幅が拡大する段形状であってもよい。
このようにすることで、比較的容易な加工工程により、ディフューザ部の中間位置に流入位置と下流側を接続する流路を形成することができる。

前述した本発明の第３態様の遠心圧縮機においては、前記シュラウド側壁の形状が、前記ディフューザ部の前記流入位置と前記流路幅拡大部の間の中間位置において前記流体の流通方向に沿って段階的に流路幅が拡大する段形状であってもよい。
このようにすることで、比較的容易な加工工程により、ディフューザ部の中間位置に流入位置と下流側を接続する流路を形成することができる。

本発明の第４態様の遠心圧縮機は、前記吐出位置における前記羽根車の流路幅に対する前記流入位置における前記ディフューザ部の流路幅の比率が、０．５以上、かつ、０．８未満であることを特徴とする。
このようにすることで、ディフューザ部の流入位置における流路幅を十分狭い幅とし、ディフューザ部に流体が流入する流入位置における流体の流速を十分に増加させて旋回失速の発生を抑制し、旋回失速による軸振動等の不具合を抑制することができる。

本発明の第５態様の遠心圧縮機は、前記吐出位置における前記羽根車の流路幅に対する前記流路幅拡大部における前記ディフューザ部の流路幅の比率が、０．８以上、かつ、１．０以下であることを特徴とする。
このようにすることで、ディフューザ部の流路幅拡大部における流路幅を十分広い幅とし、ディフューザ部の流入位置から下流側に至るまで同じ流路幅とする場合に比べて、流体の流速が速くなることに起因する摩擦損失等の性能低下を抑制することができる。

本発明の第６態様の遠心圧縮機は、前記羽根車が、前記軸線方向に沿って流入する前記流体を前記軸線方向に直交した方向に吐出することを特徴とする。
このようにすることで、軸線方向に沿って流入する流体を軸線方向に直交した方向に吐出する遠心圧縮機において、旋回失速による軸振動等の不具合を抑制するとともに、摩擦損失等による性能低下を抑制することができる。

本発明の第７態様の遠心圧縮機は、流量係数が、０．０１以上、かつ、０．０５以下であることを特徴とする。
このようにすることで、流量係数が比較的小さい遠心圧縮機において、旋回失速による軸振動等の不具合を抑制するとともに、摩擦損失等による性能低下を抑制することができる。

本発明によれば、旋回失速による軸振動等の不具合を抑制するとともに、摩擦損失等による性能低下を抑制した遠心圧縮機を提供することができる。

第１実施形態の遠心圧縮機の縦断面図である。 第１実施形態の遠心圧縮機の正面図である。 第２実施形態の遠心圧縮機の縦断面図である。 第３実施形態の遠心圧縮機の縦断面図である。 第４実施形態の遠心圧縮機の縦断面図である。 第５実施形態の遠心圧縮機の縦断面図である。

〔第１実施形態〕
以下、第１実施形態の遠心圧縮機１０について、図１および図２を用いて説明する。図１は、第１実施形態の遠心圧縮機１０の縦断面図である。また、図２は、第１実施形態の遠心圧縮機１０の正面図である。
図１に示される遠心圧縮機１０は、軸線Ａ周りに回転可能な羽根車１３と、羽根車１３を収容するケーシング部１１と、羽根車１３から吐出した流体を流通させるディフューザ部１５と、ディフューザ部１５の下流に設けられたボリュート部１６とを備える。

なお、図２は、軸線Ａの軸線方向に沿って羽根車１３へ流体が流入する位置を見た正面図であるが、説明を容易にするために、羽根車１３、ディフューザ部１５、ケーシング部１１、およびボリュート部１６の一部を省略してある。
また、第１実施形態の遠心圧縮機１０は、流量係数が、０．０１以上、かつ、０．０５以下の流量係数の比較的小さな遠心圧縮機である。

羽根車１３は、図示しないモータまたはタービンなどの駆動装置と軸線Ａに沿った回転軸（不図示）を介して接続されており、軸線Ａ周りに回転可能である。羽根車１３は、軸線Ａの軸線方向に沿って並ぶハブ１およびシュラウド２と、ハブ１およびシュラウド２の間に配置される複数のブレード３を有する。図１では、ブレード３が１枚のみ示されているが、ハブ１およびシュラウド２の間には、軸線Ａを中心とした円周方向に等間隔で複数枚のブレード３が配置される（図２）。

羽根車１３には、ハブ１の内壁１ａとシュラウド２の内壁２ａにより画定される空間が設けられており、この空間が複数枚のブレード３により複数の空間に仕切られている。そして、羽根車１３は、軸線方向（図１中の矢印で示す方向）に沿って流入する流体に半径方向の遠心力を与えて軸線方向に直交した方向（傾斜した方向；羽根車１３の半径方向）に吐出し、ディフューザ部１５に流入させる。

ディフューザ部１５は、ハブ１側に設けられるハブ側壁１５ａとシュラウド２側に設けられるシュラウド側壁１５ｂにより画定される流体の流路である。図２に示されるように、ディフューザ部１５は、羽根車１３の全周に設けられる吐出位置を囲むように設けられている。ディフューザ部１５は、羽根車１３の吐出位置から吐出された流体の流速を減速させることにより、流体に付与された運動エネルギー（動圧）を圧力エネルギー（静圧）に変換する。

ディフューザ部１５を通過する際に流速が減速された流体は、圧縮され、ディフューザ部１５と連通したボリュート部（渦形室）１６に流入する。ボリュート部１６に流入した圧縮流体は、吐出口（不図示）を介して吐出配管（不図示）へと吐出される。

ここで、遠心圧縮機１０の動作について説明する。
遠心圧縮機１０は、図示しないモータまたはタービン等の駆動装置によって、羽根車１３を軸線Ａ周りに回転させる。羽根車１３が回転することにより、図示しない吸気口から取り込まれた流体がケーシング部１１内に導入される。ケーシング部１１内に導入された流体は、羽根車１３の回転によってブレード３を介して軸線Ａに直交した方向（半径方向）の遠心力が与えられる。遠心力が与えられた流体は、羽根車１３から吐出されるとともにディフューザ部１５へ流入する。ディフューザ部１５に流入した流体は、流速が減速して圧縮された流体となり、ボリュート部１６へ吐出される。ボリュート部１６に流入した圧縮流体は、吐出口（不図示）を介して吐出配管（不図示）へと吐出される。

次に、羽根車１３およびディフューザ部１５の流路幅について説明する。
図１に示されるように、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置におけるディフューザ部１５の流路幅Ｗ２は、羽根車１３から流体が吐出する吐出位置における羽根車１３の流路幅Ｗ１よりも狭い。このように狭くことで、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置における流体の流速を十分に増加させて旋回失速の発生を抑制し、旋回失速による軸振動等の不具合を抑制することができる。

このように、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置における流体の流速を十分に増加させることにより、旋回失速の発生が抑制される。その一方で、流体の流速が増加すると、流体とハブ側壁１５ａおよびシュラウド側壁１５ｂとの間の摩擦による損失が増加する。そこで、第１実施形態では、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置の下流側において、摩擦による損失を抑制するためにディフューザ部１５の流路幅を拡大した流路幅拡大部１５ｃを設ける。

図１に示されるように、流路幅Ｗ１とは、軸線Ａに沿った方向（軸線方向）における長さを示す。流路幅Ｗ１は、羽根車１３から流体が吐出する吐出位置における、ハブ１の内壁１ａとシュラウド２の内壁２ａの軸線方向の距離に等しい。
また、図１に示されるように、流路幅Ｗ２とは、軸線Ａに沿った方向における長さを示す。流路幅Ｗ２は、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置における、ハブ側壁１５ａとシュラウド側壁１５ｂの軸線方向の距離に等しい。

ディフューザ部１５の流路幅（ハブ側壁１５ａとシュラウド側壁１５ｂの軸線方向の距離）は、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置から流体の流通方向（軸線方向に直交した方向）の距離がＬ１に至るまでは、流路幅Ｗ２のまま一定である。そして、流入位置からの距離がＬ１からＬ２に至るまでの位置（中間位置）において、ディフューザ部１５を画定するハブ側壁１５ａは、流体の流通方向に沿って徐々に流路幅が拡大するテーパ形状となっている。また、流入位置からの距離がＬ１からＬ２に至るまでの位置（中間位置）において、ディフューザ部１５を画定するシュラウド側壁１５ｂも、流体の流通方向に沿って徐々に流路幅が拡大するテーパ形状となっている。

また、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置からの距離が、Ｌ２からＬ３に至るまでの位置において、ハブ側壁１５ａが、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置におけるハブ側壁１５ａよりもディフューザ部１５の流路幅を拡大する方向に配置されている。同様に、シュラウド側壁１５ｂも、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置におけるシュラウド側壁１５ｂよりもディフューザ部１５の流路幅を拡大する方向に配置されている。そして、流入位置からの距離がＬ２からＬ３に至るまでの位置において、ディフューザ部１５の流路幅が流路幅Ｗ３で一定となっている。

以上のように、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置よりも流体の流通方向の下流側には、ディフューザ部１５の流入位置におけるディフューザ部１５の流路幅よりも広い流路幅拡大部１５ｃが設けられている。
なお、流路幅拡大部１５ｃにおいて、ハブ側壁１５ａの形状とシュラウド側壁１５ｂの形状とは、流路の中心軸に対して左右対称とするのが望ましい。

第１実施形態では、羽根車１３の吐出位置における流路幅Ｗ１に対するディフューザ部１５の流入位置における流路幅Ｗ２の比率は、０．５以上、かつ０．８未満とされる。また、羽根車１３の吐出位置における流路幅Ｗ１に対する流路幅拡大部１５ｃにおけるディフューザ部１５の流路幅Ｗ３の比率は、０．８以上、かつ、１．０以下とされる。ただし、前述したように、ディフューザ部１５の流入位置における流路幅Ｗ２よりも、流路幅拡大部１５ｃにおけるディフューザ部１５の流路幅Ｗ３の方が広くなるように、それぞれの比率が選定される。

以上説明したように、第１実施形態の遠心圧縮機１０は、軸線方向に沿って流入する流体を軸線方向から傾斜した方向（軸線方向に直交する半径方向）に吐出する羽根車１３と、羽根車１３を収容するケーシング部１１と、羽根車１３から吐出した流体を流通させるディフューザ部１５と、を備え、羽根車１３が、軸線方向に沿って並ぶハブ１およびシュラウド２と、ハブ１およびシュラウド２の間に配置される複数のブレード３を有する。

そして、第１実施形態の遠心圧縮機１０によれば、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置におけるディフューザ部１５の流路幅Ｗ２が、羽根車１３から流体が吐出する吐出位置における羽根車１３の流路幅Ｗ１よりも狭い。このようにすることで、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置における流体の流速を十分に増加させて旋回失速の発生を抑制し、旋回失速による軸振動等の不具合を抑制することができる。

また、第１実施形態の遠心圧縮機１０によれば、ディフューザ部１５の流入位置よりも下流側には、ディフューザ部１５の流入位置におけるディフューザ部１５の流路幅Ｗ２よりも広い流路幅Ｗ３の流路幅拡大部１５ｃが設けられている。このようにすることで、ディフューザ部１５の流入位置から下流側に至るまで同じ流路幅Ｗ２とする場合に比べ、ディフューザ部１５を流通する流体の流速が速くなることに起因する摩擦損失等の性能低下を抑制することができる。

また、第１実施形態においては、ディフューザ部１５が、ハブ１側に設けられるハブ側壁１５ａとシュラウド２側に設けられるシュラウド側壁１５ｂにより画定されている。そして、流路幅拡大部１５ｃにおけるハブ側壁１５ａが、流入位置におけるハブ側壁１５ａよりもディフューザ部１５の流路幅を拡大する方向に配置されている。また、流路幅拡大部１５ｃにおけるシュラウド側壁１５ｂが、流入位置におけるシュラウド側壁１５ｂよりもディフューザ部１５の流路幅を拡大する方向に配置されている。

このようにすることで、ディフューザ部１５の流路幅拡大部１５ｃにおける両側の壁がディフューザ部１５の流路幅を拡大する方向に配置され、ディフューザ部１５の流入位置から下流側に至るまで同じ流路幅Ｗ２とする場合に比べて、流体の流速が速くなることに起因する摩擦損失等の性能低下を抑制することができる。

また、第１実施形態においては、ハブ側壁１５ａの形状が、ディフューザ部１５の流入位置と流路幅拡大部１５ｃの間の中間位置において流体の流通方向に沿って徐々に流路幅が拡大するテーパ形状であり、シュラウド側壁１５ｂの形状が、ディフューザ部１５の中間位置において流体の流通方向に沿って徐々に流路幅が拡大するテーパ形状である。このようにすることで、ディフューザ部１５の中間位置の流路において安定した状態で流体を流通させる流路を形成することができる。

また、第１実施形態においては、吐出位置における羽根車１３の流路幅Ｗ１に対する流入位置におけるディフューザ部１５の流路幅Ｗ２の比率が、０．５以上、かつ、０．８未満である。このようにすることで、流路幅Ｗ１に対する流路幅Ｗ２を十分狭い幅とし、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置における流体の流速を十分に増加させて旋回失速の発生を抑制し、旋回失速による軸振動等の不具合を抑制することができる。

また、第１実施形態においては、吐出位置における羽根車１３の流路幅Ｗ１に対する流路幅拡大部１５ｃにおけるディフューザ部１５の流路幅Ｗ３の比率が、０．８以上、かつ、１．０以下である。このようにすることで、流路幅Ｗ１に対する流路幅Ｗ３を十分広い幅とし、ディフューザ部１５の流入位置から下流側に至るまで同じ流路幅Ｗ２とする場合に比べて、流体の流速が速くなることに起因する摩擦損失等の性能低下を抑制することができる。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態の遠心圧縮機１０について、図３を用いて説明する。図３は、第２実施形態の遠心圧縮機１０の縦断面図である。
第１実施形態は、ディフューザ部１５の流路幅拡大部１５ｃにおける両側の壁（ハブ側壁１５ａおよびシュラウド側壁１５ｂ）を、ディフューザ部１５の流路幅を拡大する方向に配置したものであった。それに対して、第２実施形態は、ディフューザ部１５の流路幅拡大部１５ｃにおける片側の壁（ハブ側壁１５ａ）を、ディフューザ部１５の流路幅を拡大する方向に配置したものである。
なお、第２実施形態は、第１実施形態の変形例であり、ディフューザ部１５を画定するハブ側壁１５ａの形状を除き、他の構成は第１実施形態と同様であるので、以下での説明を省略する。

第２実施形態においては、図３に示されるように、流路幅拡大部１５ｃにおけるハブ側壁１５ａが、流入位置におけるハブ側壁１５ａよりもディフューザ部１５の流路幅を拡大する方向に配置されている。一方、流路幅拡大部１５ｃにおけるシュラウド側壁１５ｂと、流入位置におけるシュラウド側壁１５ｂとは、軸線方向の位置が同じになるように配置されている。

なお、図３に示される遠心圧縮機１０は、羽根車１３に流入した流体を、軸線方向に直交した方向に吐出するものであるが、軸線方向に直交した方向よりもハブ側壁１５ａに傾斜した方向に吐出するという変形例も適用可能である。この場合、ディフューザ部１５に流入した流体は、ハブ側壁１５ａに垂直に突き当たる方向の速度成分を含んだものとなる。従って、シュラウド側壁１５ｂよりもハブ側壁１５ａにおいて、摩擦による損失が生じやすいので、ハブ側壁１５ａにて発生する摩擦損失を抑制することが望ましい。

第２実施形態の変形例では、ハブ側壁１５ａをディフューザ部１５の流路幅を拡大する方向に配置するので、羽根車１３から吐出される流体の吐出方向が軸線方向に直交した方向よりもハブ側壁１５ａの方向に向いている（傾斜している）場合に、流体が安定した状態で流通しハブ側壁１５ａにて発生する摩擦損失を抑制した流路を形成することができる。

なお、第２実施形態の変形例のように、羽根車１３の軸線方向に直交した方向よりもハブ側壁１５ａに傾斜した方向に吐出する形式の圧縮機は、斜流圧縮機と呼ばれることがある。第２実施形態においては、軸線方向に流入した流体を軸線Ａに直交する方向（遠心方向）の速度成分を含んだ流体に変換するという意味で、斜流圧縮機ではなく、遠心圧縮機と呼ぶものとする。

以上説明したように、第２実施形態の遠心圧縮機１０によれば、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置におけるディフューザ部１５の流路幅Ｗ２が、羽根車１３から流体が吐出する吐出位置における羽根車１３の流路幅Ｗ１よりも狭い。このようにすることで、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置における流体の流速を十分に増加させて旋回失速の発生を抑制し、旋回失速による軸振動等の不具合を抑制することができる。

また、第２実施形態においては、流路幅拡大部１５ｃにおけるハブ側壁１５ａが、流入位置におけるハブ側壁１５ａよりもディフューザ部１５の流路幅を拡大する方向に配置されている。このようにすることで、ディフューザ部１５の流路幅拡大部１５ｃにおけるハブ側壁１５ａがディフューザ部１５の流路幅を拡大する方向に配置され、ディフューザ部１５の流入位置から下流側に至るまで同じ流路幅Ｗ２とする場合に比べて、流体の流速が速くなることに起因する摩擦損失等の性能低下を抑制することができる。

また、第２実施形態においては、ハブ側壁１５ａの形状が、ディフューザ部１５の流入位置と流路幅拡大部１５ｃの間の中間位置において流体の流通方向に沿って徐々に流路幅が拡大するテーパ形状である。このようにすることで、ディフューザ部１５の中間位置の流路において安定した状態で流体を流通させる流路を形成することができる。

〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態の遠心圧縮機１０について、図４を用いて説明する。図４は、第３実施形態の遠心圧縮機１０の縦断面図である。
第１実施形態は、ディフューザ部１５の流路幅拡大部１５ｃにおける両側の壁（ハブ側壁１５ａおよびシュラウド側壁１５ｂ）を、ディフューザ部１５の流路幅を拡大する方向に配置したものであった。それに対して、第３実施形態は、ディフューザ部１５の流路幅拡大部１５ｃにおける片側の壁（シュラウド側壁１５ｂ）を、ディフューザ部１５の流路幅を拡大する方向に配置したものである。
なお、第３実施形態は、第１実施形態の変形例であり、ディフューザ部１５を画定するシュラウド側壁１５ｂの形状を除き、他の構成は第１実施形態と同様であるので、以下での説明を省略する。

第３実施形態においては、図４に示されるように、流路幅拡大部１５ｃにおけるシュラウド側壁１５ｂが、流入位置におけるシュラウド側壁１５ｂよりもディフューザ部１５の流路幅を拡大する方向に配置されている。一方、流路幅拡大部１５ｃにおけるハブ側壁１５ａと、流入位置におけるハブ側壁１５ａとは、軸線方向の位置が同じになるように配置されている。

以上説明したように、第３実施形態の遠心圧縮機１０によれば、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置におけるディフューザ部１５の流路幅Ｗ２が、羽根車１３から流体が吐出する吐出位置における羽根車１３の流路幅Ｗ１よりも狭い。このようにすることで、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置における流体の流速を十分に増加させて旋回失速の発生を抑制し、旋回失速による軸振動等の不具合を抑制することができる。

また、第３実施形態においては、流路幅拡大部１５ｃにおけるシュラウド側壁１５ｂが、流入位置におけるシュラウド側壁１５ｂよりもディフューザ部１５の流路幅を拡大する方向に配置されている。このようにすることで、ディフューザ部１５の流路幅拡大部１５ｃにおけるハブ側壁１５ａがディフューザ部１５の流路幅を拡大する方向に配置され、ディフューザ部１５の流入位置から下流側に至るまで同じ流路幅Ｗ２とする場合に比べて、流体の流速が速くなることに起因する摩擦損失等の性能低下を抑制することができる。

また、第３実施形態においては、シュラウド側壁１５ｂの形状が、ディフューザ部１５の中間位置において流体の流通方向に沿って徐々に流路幅が拡大するテーパ形状である。このようにすることで、ディフューザ部１５の中間位置の流路において安定した状態で流体を流通させる流路を形成することができる。

〔第４実施形態〕
次に、第４実施形態の遠心圧縮機１０について、図５を用いて説明する。図５は、第４実施形態の遠心圧縮機１０の縦断面図である。
第１実施形態は、ディフューザ部１５の流入位置に設けられる流路幅Ｗ２の流路と、ディフューザ部１５の下流に設けられる流路幅Ｗ３の流路幅拡大部１５ｃの間（中間位置）において、ハブ側壁１５ａおよびシュラウド側壁１５ｂの双方を、流体の流通方向に沿って徐々に流路幅が拡大するテーパ形状としたものであった。
それに対して第４実施形態では、テーパ形状に替えて、流体の流通方向に沿って段階的に流路幅が拡大する段形状を採用する。

ディフューザ部１５の流路幅（ハブ側壁１５ａとシュラウド側壁１５ｂの軸線方向の距離）は、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置からの流体の流通方向（軸線方向に直交した方向）の距離がＬ４に至るまでは、流路幅Ｗ２のまま一定である。そして、流入位置からの距離がＬ４からＬ３に至るまでの位置において、ディフューザ部１５の流路幅が流路幅Ｗ３で一定となっている。

なお、図５に示される第４実施形態においては、段が１段だけ設けられるディフューザ部１５を示したが、段を１段だけでなく複数段設けるようにしてもよい。例えば、第１実施形態の図１に示されるテーパ形状の部分（ディフューザ部１５の中間位置）に替えて、２段、３段、あるいはそれ以上の複数段の段形状とし、流路幅が徐々に拡大するようにしてもよい。

また、図５に示される第４実施形態においては、段形状をハブ側壁１５ａとシュラウド側壁１５ｂの双方に設けることとしたが、ハブ側壁１５ａおよびシュラウド側壁１５ｂのいずれか一方に段形状を設け、他の一方には段形状を設けないようにしてもよい。例えば、ハブ側壁１５ａに段形状を設けない場合、流路幅拡大部１５ｃにおけるハブ側壁１５ａと、流入位置におけるハブ側壁１５ａとは、軸線方向の位置が同じになるように配置される。また、例えば、シュラウド側壁１５ｂに段形状を設けない場合、流路幅拡大部１５ｃにおけるシュラウド側壁１５ｂと、流入位置におけるシュラウド側壁１５ｂとは、軸線方向の位置が同じになるように配置される。

以上説明したように、第４実施形態の遠心圧縮機１０によれば、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置におけるディフューザ部１５の流路幅Ｗ２が、羽根車１３から流体が吐出する吐出位置における羽根車１３の流路幅Ｗ１よりも狭い。このようにすることで、ディフューザ部１５に流体が流入する流入位置における流体の流速を十分に増加させて旋回失速の発生を抑制し、旋回失速による軸振動等の不具合を抑制することができる。

また、第４実施形態の遠心圧縮機１０によれば、ディフューザ部１５の流入位置よりも下流側には、ディフューザ部１５の流入位置におけるディフューザ部１５の流路幅Ｗ２よりも広い流路幅Ｗ３の流路幅拡大部１５ｃが設けられている。このようにすることで、ディフューザ部１５の流入位置から下流側に至るまで同じ流路幅Ｗ２とする場合に比べ、ディフューザ部１５を流通する流体の流速が速くなることに起因する摩擦損失等の性能低下を抑制することができる。

また、第４実施形態においては、ハブ側壁１５ａの形状が、ディフューザ部１５の流入位置と流路幅拡大部１５ｃの間の中間位置において流体の流通方向に沿って段階的に流路幅が拡大する段形状であり、シュラウド側壁１５ｂの形状が、ディフューザ部１５の中間位置において流体の流通方向に沿って徐々に流路幅が拡大する段形状である。このようにすることで、比較的容易な加工工程により、ディフューザ部１５の中間位置に流入位置と下流側を接続する流路を形成することができる。

〔第５実施形態〕
次に、第５実施形態の遠心圧縮機１０について、図６を用いて説明する。図６は、第５実施形態の遠心圧縮機１０の縦断面図である。
第１実施形態乃至第４実施形態においては、ディフューザ部１５の下流にボリュート部１６が設けられた１段の遠心圧縮機について説明したが、第５実施形態の遠心圧縮機１０は、１段目の羽根車１３およびディフューザ部１５により圧縮された流体を、次段の羽根車１３およびディフューザ部１５に流入させる形態の多段の遠心圧縮機である。
なお、第５実施形態は、第１実施形態の変形例であり、ボリュート部１６に替えてリターンベンド１７およびリターンベーン１８が設けられている点を除き、他の構成は第１実施形態と同様であるので、以下での説明を省略する。

第１実施形態では、ディフューザ部１５の流路幅拡大部１５ｃに流入した圧縮流体は、流路幅拡大部１５ｃの下流に設けられたボリュート部１６に流入するものであった。それに対して、第５実施形態では、ディフューザ部１５の流路幅拡大部１５ｃに流入した圧縮流体は、流路幅拡大部１５ｃの下流に設けられたリターンベンド１７に流入する。リターンベンド１７に流入した圧縮流体は、リターンベーン１８を経由して、次段（２段目）の羽根車１３に導かれる。

第５実施形態の遠心圧縮機１０として２段の遠心圧縮機を採用した場合、２段目の羽根車１３に導かれた流体は、２段目のディフューザ部１５に吐出される。２段目のディフューザ部１５にて更に圧縮された流体は、第１実施形態の図１にて示されたものと同様のボリュート部１６に導かれる。

また、第５実施形態の遠心圧縮機１０として３段の遠心圧縮機を採用した場合、２段目の羽根車１３に導かれた流体は、２段目のディフューザ部１５に吐出される。２段目のディフューザ部１５にて更に圧縮された流体は、２段目のリターンベンド１７に流入する。２段目のリターンベンド１７に流入した圧縮流体は、リターンベーン１８を経由して、次段（３段目）の羽根車１３に導かれる。３段目の羽根車１３に導かれた流体は、３段目のディフューザ部１５に吐出される。３段目のディフューザ部１５にて更に圧縮された流体は、第１実施形態の図１にて示されたものと同様のボリュート部１６に導かれる。

以上のように、遠心圧縮機１０を２段あるいは３段の遠心圧縮機１０とすることで、流体の圧縮率を更に高めることができる。また、各段の羽根車１３およびディフューザ部１５の形状により、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
なお、各段のディフューザ部１５の形状として、第１実施形態に示されたものだけでなく、第２実施形態乃至第４実施形態に示されたいずれかの形状を採用することが可能である。
また、第５実施形態では、２段および３段の遠心圧縮機１０について説明したが、４段以上の複数段の遠心圧縮機１０とする変形例を採用してもよい。

１ ハブ
２ シュラウド
３ ブレード
１０ 遠心圧縮機
１１ ケーシング部
１３ 羽根車
１５ ディフューザ部
１５ａ ハブ側壁
１５ｂ シュラウド側壁
１５ｃ 流路幅拡大部
１６ ボリュート部
Ａ 軸線
Ｗ１ 羽根車の吐出位置における流路幅
Ｗ２ ディフューザ部の流入位置における流路幅
Ｗ３ ディフューザ部の流路幅拡大部における流路幅

Claims (14)

1. 軸線周りに回転可能であり、該軸線に沿った軸線方向に流入する流体を該軸線方向から傾斜した方向に吐出する羽根車と、
   該羽根車を収容するケーシング部と、
   前記羽根車から吐出した前記流体を流通させるディフューザ部と、を備え、
   前記羽根車が、前記軸線方向に沿って並ぶハブおよびシュラウドと、該ハブおよび該シュラウドの間に配置される複数のブレードを有し、
   前記ディフューザ部に前記流体が流入する流入位置における該ディフューザ部の流路幅が、前記羽根車から前記流体が吐出する吐出位置における前記羽根車の流路幅よりも狭く、
   前記ディフューザ部の前記流入位置よりも下流側には、該流入位置における前記ディフューザ部の流路幅よりも広い流路幅拡大部が設けられていることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記ディフューザ部が、前記ハブ側に設けられるハブ側壁と前記シュラウド側に設けられるシュラウド側壁により画定されており、
   前記流路幅拡大部における前記ハブ側壁が、前記流入位置における前記ハブ側壁よりも前記ディフューザ部の流路幅を拡大する方向に配置されており、
   前記流路幅拡大部における前記シュラウド側壁が、前記流入位置における前記シュラウド側壁よりも前記ディフューザ部の流路幅を拡大する方向に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記ディフューザ部が、前記ハブ側に設けられるハブ側壁と前記シュラウド側に設けられるシュラウド側壁により画定されており、
   前記流路幅拡大部における前記ハブ側壁が、前記流入位置における前記ハブ側壁よりも前記ディフューザ部の流路幅を拡大する方向に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
4. 前記ディフューザ部が、前記ハブ側に設けられるハブ側壁と前記シュラウド側に設けられるシュラウド側壁により画定されており、
   前記流路幅拡大部における前記シュラウド側壁が、前記流入位置における前記シュラウド側壁よりも前記ディフューザ部の流路幅を拡大する方向に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
5. 前記ハブ側壁の形状が、前記ディフューザ部の前記流入位置と前記流路幅拡大部の間の中間位置において前記流体の流通方向に沿って徐々に流路幅が拡大するテーパ形状であり、
   前記シュラウド側壁の形状が、前記ディフューザ部の前記中間位置において前記流体の流通方向に沿って徐々に流路幅が拡大するテーパ形状であることを特徴とする請求項２に記載の遠心圧縮機。
6. 前記ハブ側壁の形状が、前記ディフューザ部の前記流入位置と前記流路幅拡大部の間の中間位置において前記流体の流通方向に沿って徐々に流路幅が拡大するテーパ形状であることを特徴とする請求項３に記載の遠心圧縮機。
7. 前記シュラウド側壁の形状が、前記ディフューザ部の前記流入位置と前記流路幅拡大部の間の中間位置において前記流体の流通方向に沿って徐々に流路幅が拡大するテーパ形状であることを特徴とする請求項４に記載の遠心圧縮機。
8. 前記ハブ側壁の形状が、前記ディフューザ部の前記流入位置と前記流路幅拡大部の間の中間位置において前記流体の流通方向に沿って段階的に流路幅が拡大する段形状であり、
   前記シュラウド側壁の形状が、前記ディフューザ部の前記中間位置において前記流体の流通方向に沿って段階的に流路幅が拡大する段形状であることを特徴とする請求項２に記載の遠心圧縮機。
9. 前記ハブ側壁の形状が、前記ディフューザ部の前記流入位置と前記流路幅拡大部の間の中間位置において前記流体の流通方向に沿って段階的に流路幅が拡大する段形状であることを特徴とする請求項３に記載の遠心圧縮機。
10. 前記シュラウド側壁の形状が、前記ディフューザ部の前記流入位置と前記流路幅拡大部の間の中間位置において前記流体の流通方向に沿って段階的に流路幅が拡大する段形状であることを特徴とする請求項４に記載の遠心圧縮機。
11. 前記吐出位置における前記羽根車の流路幅に対する前記流入位置における前記ディフューザ部の流路幅の比率が、０．５以上、かつ、０．８未満であることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
12. 前記吐出位置における前記羽根車の流路幅に対する前記流路幅拡大部における前記ディフューザ部の流路幅の比率が、０．８以上、かつ、１．０以下であることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
13. 前記羽根車が、前記軸線方向に沿って流入する前記流体を該軸線方向に直交した方向に吐出することを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
14. 流量係数が、０．０１以上、かつ、０．０５以下であることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。

Images