JP2014074390A

JP2014074390A - 遠心圧縮機

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Publication number: JP2014074390A
Application number: JP2012223280A
Authority: JP
Inventors: Takehiro Kaneko; 雄大金子; Morihito Yuda; 盛仁湯田; Seiko Umino; 聖子海野
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-10-05
Filing date: 2012-10-05
Publication date: 2014-04-24
Anticipated expiration: 2032-10-05
Also published as: JP6191114B2

Abstract

【課題】遠心圧縮機において、流量レンジを減少させることなく、スロート領域を挟む２つの領域の圧力回復率を近づけ、サージングの発生を抑制する。
【解決手段】ディフューザ７が、ラジアルインペラ２を中央にして環状に配列される複数の案内翼７ｃと、ラジアルインペラ２を囲んで設けられる第１環状流路７ａと、第１環状流路７ａの外側に設けられると共に、第１環状流路７ａよりも流路高さが大きい第２環状流路７ｂとを備え、案内翼７ｃ同士の間であって最も圧力損失の高い領域であるスロート領域Ｒに、第１環状流路７ａと第２環状流路７ｂとの境界Ｋが設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、遠心圧縮機に関するものである。

遠心圧縮機では、ラジアルインペラによって空気等の流体に速度エネルギを付与し、速度エネルギが付与された流体をディフューザにて減速させて昇圧させることによって流体を圧縮している。

このような遠心圧縮機では、ディフューザに流体を案内する案内翼が設置されている。この案内翼は、ラジアルインペラから送り出された流体が、ディフューザの外側に設けられたスクロール流路にスムーズに流れ込むように、ラジアルインペラの半径方向に送り出された流体をスクロール流路の流れ方向に向けて案内する。

ところで、案内翼を設置すると、案内翼同士が近接する部分で流路断面が小さくなり、局所的に圧力損失が高まる領域が発生する。このような領域はディフューザにおいて最も圧力損失が高い領域であり、スロート領域と呼ばれる。例えば、特許文献１に記載されているように、案内翼を有する遠心圧縮機では、ラジアルインペラの半径方向において、スロート領域よりも外側の領域の圧力回復率が、スロート領域よりも内側の領域の圧力回復率に対して低下する特性を有している。

このようなスロート領域を挟む２つの領域における圧力回復率の違いは、サージングの発生原因となることから、特許文献１では、ディフューザにおいて、スロート領域よりも内側の領域における流路高さをスロート領域に向けて徐々に低く構成を採用している。このような構成を採用することによって、スロート領域の内側の領域における圧力回復率が低下し、スロート領域を挟む２つの領域の圧力回復率を近づけ、サージングの発生を抑制することが可能となる。

特開平１１−２９４３９２号公報

ところが、特許文献１によればサージングの発生を抑制することができるという大きなメリットが得られるものの、ディフューザの流路面積が減少し、流量レンジが減少してしまう。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、遠心圧縮機において、流量レンジを減少させることなく、スロート領域を挟む２つの領域の圧力回復率を近づけ、サージングの発生を抑制することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、流体に速度エネルギを付与して半径方向に送り出すラジアルインペラと、上記ラジアルインペラから送り出された上記流体を減速させて昇圧するディフューザとを備える遠心圧縮機であって、上記ディフューザが、上記ラジアルインペラを中央にして環状に配列される複数の案内翼と、ラジアルインペラを囲んで設けられる第１環状流路と、上記第１環状流路の外側に設けられると共に、上記第１環状流路よりも流路高さが大きい第２環状流路とを備え、上記案内翼同士の間であって最も圧力損失の高い領域であるスロート領域あるいは当該スロート領域の下流側に、上記第１環状流路と上記第２環状流路との境界が設けられているという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記第１環状流路と、上記第２環状流路とが、各々が平行に対峙する一対の平面状の流路壁面間に形成されているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記案内翼が、上記第１環状流路と上記第２環状流路との境界を挟んで２つの部位に分離されているという構成を採用する。

本発明においては、ディフューザにおける流路が、ラジアルインペラの半径方向内側の第１環状流路と、半径方向外側の第２環状流路とに分割されており、第２環状流路の流路高さが第１環状流路の流路高さよりも大きく設定されている。流路高さが大きく設定されることによって第２環状流路の空間容積が増大し、第２環状流路における圧力回復率が流路高さを第１環状流路と同一にした場合よりも大きくなる。さらに、本発明においては、第１環状流路と第２環状流路の境界が、最も圧力損失の高いスロート領域あるいは当該スロート領域の下流側に設けられている。

このような本発明によれば、スロート領域あるいは当該スロート領域の下流側を境として、ラジアルインペラの半径方向外側の圧力回復率が高まることになり、スロート領域を挟む２つの領域の圧力回復率を近づけることができる。よって、サージングの発生を抑制することができる。また、本発明によれば、第１環状流路の流路断面積を変化させることなく、第２環状流路の流路断面積が第１環状流路よりも大きくなることによって、サージングの抑制を実現している。このため、ディフューザにおいて流路断面が減少する部位がなく、ディフューザを通過できる最大流量を維持することができる。よって、流量レンジを減少させることはない。

このように、本発明によれば、遠心圧縮機において、流量レンジを減少させることなく、スロート領域を挟む２つの領域の圧力回復率を近づけ、サージングの発生を抑制することが可能となる。

（ａ）が、本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機の概略構成を示す縦断面図であり、（ｂ）が本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機が備えるディフューザを含む要部拡大図である。（ａ）が、本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機が備えるハウジングと案内翼との一部を示した図であり、図１（ａ）の右側から見た図であり、（ｂ）が、本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機が備えるディフューザでの圧力回復率と、従来の遠心圧縮機におけるディフューザでの圧力回復率とを比較するためのグラフである。（ａ）が、本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機の変形例の概略構成を示す縦断面図であり、（ｂ）が本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機の変形例が備えるディフューザを含む要部拡大図である。本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機の変形例が備えるディフューザを含む要部拡大図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る遠心圧縮機の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。また、以下の説明では、本発明に係る遠心圧縮機として、圧縮空気を生成する遠心圧縮機に適用した例について説明する。

図１（ａ）は、本実施形態の遠心圧縮機１の概略構成を示す縦断面図であり、図１（ｂ）は、本実施形態の遠心圧縮機１が備えるディフューザ７を含む要部拡大図である。図１（ａ）に示すように、本実施形態の遠心圧縮機１は、ラジアルインペラ２と、シャフト３と、シールプレート４、ハウジング５と、ボルト６と、ディフューザ７とを備えている。

ラジアルインペラ２は、基部２ａに対して固定される羽根２ｂを複数備えている。このラジアルインペラ２は、回転駆動されることにより、軸方向から吸引した空気Ｘ（流体）に速度エネルギを付与して半径方向に送り出す。シャフト３は、ラジアルインペラ２の空気Ｘの吸入方向から見て、ラジアルインペラ２の中央に固定されており、不図示の駆動源（モータやタービン等）で生成された回転動力をラジアルインペラ２に伝達する。

シールプレート４は、ラジアルインペラ２の背面に対向配置されており、中央部にシャフト３を挿通するための貫通孔が設けられている。ハウジング５は、ボルト６でシールプレート４と締結されることによって、空気Ｘの吸入側からラジアルインペラ２を覆うケーシングである。このハウジング５は、図１（ａ）に示すように、空気Ｘを吸入するための吸入口５ａと、空気Ｘを吐出する吐出口５ｂと、ラジアルインペラ２から送り出された空気Ｘを吐出口５ｂに導くスクロール流路５ｃとを備えている。このスクロール流路５ｃは、空気Ｘの吸入方向から見て、ラジアルインペラ２を囲うようにしてラジアルインペラ２の外側に形成されており、同方向から見た場合に、ラジアルインペラ２を中央とする周方向に空気Ｘを導く。すなわち、スクロール流路５ｃにおける空気Ｘの流れ方向は、ラジアルインペラ２の回転軸を中心とする周方向に設定されている。ボルト６は、シールプレート４とハウジング５とを締結しており、ラジアルインペラ２の回転軸を中心とする周方向に離散的に複数設けられている。

ディフューザ７は、ラジアルインペラ２とスクロール流路５ｃとの間に設けられており、図１（ｂ）に示すように、第１環状流路７ａと、第２環状流路７ｂと、案内翼７ｃとを備えている。

第１環状流路７ａは、第２環状流路７ｂよりもラジアルインペラ２寄りに設けられており、ラジアルインペラ２を囲う環状の流路である。この第１環状流路７ａは、図１（ｂ）に示すように、平行に対峙する一対の流路壁面７ａ１と流路壁面７ａ２との間に形成されている。なお、流路壁面７ａ１は、シールプレート４の表面の一部からなる平面状の壁面である。また、流路壁面７ａ２は、ハウジング５の表面の一部からなる平面状の壁面である。この第１環状流路７ａの流路高さＨ１（ラジアルインペラ２の軸方向の大きさ）は、ラジアルインペラ２の羽根２ｂの高さよりも低く設定されている。なお、本実施形態では、第１環状流路７ａの流路高さＨ１が、ラジアルインペラ２の羽根２ｂの高さよりも低く設定されているが、これに限るものではない。例えば、第１環状流路７ａの流路高さＨ１がラジアルインペラ２の羽根２ｂの高さと同じまたは高い構成を採用することもできる。

第２環状流路７ｂは、第１環状流路７ａの外側に設けられており、第１環状流路７ａに接続され、当該第１環状流路７ａを囲う環状の流路である。この第２環状流路７ｂは、図１（ｂ）に示すように、平行に対峙する一対の流路壁面７ｂ１と流路壁面７ｂ２との間に形成されている。なお、流路壁面７ｂ１は、シールプレート４の表面の一部からなる平面状の壁面である。また、流路壁面７ｂ２は、ハウジング５の表面の一部からなる平面状の壁面である。

図１（ｂ）に示すように、第２環状流路７ｂを形成する流路壁面７ｂ１と流路壁面７ｂ２とは、第１環状流路７ａを形成する流路壁面７ａ１と流路壁面７ａ２よりも広い間隔で平行に対峙されている。このため、第２環状流路７ｂの流路高さＨ２は、第１環状流路７ａの流路高さＨ１よりも大きくなっている。なお、図１（ｂ）に示すように、本実施形態においては、ハウジング５の表面に段差が設けられており、流路壁面７ｂ２が流路壁面７ａ２よりもシールプレート４から遠い位置に設けられることによって、流路高さＨ２が流路高さＨ１よりも大きくなるようにしている。

案内翼７ｃは、第１環状流路７ａと第２環状流路７ｂとに跨るようにして設けられている。この案内翼７ｃは、第１環状流路７ａに設けられる部位の翼高さＨ３が第１環状流路７ａの流路高さＨ１と同一の大きさとされており、第２環状流路７ｂに設けられる部位の翼高さＨ４が第２環状流路の流路高さＨ２と同一の高さとされている。また、案内翼７ｃの両端面が、第１環状流路７ａを形成する壁面（流路壁面７ａ１及び流路壁面７ａ２）及び第２環状流路７ｂを形成する流路壁面（流路壁面７ｂ１及び流路壁面７ｂ２）との突合面となっている。なお、例えば案内翼７ｃは、両端面から突出する不図示のピンを備えており、このピンが流路壁（本実施形態ではシールプレート４及びハウジング５）に形成された嵌合穴に差し込まれることによって位置決め及び支持されている。

図２（ａ）は、ハウジング５及び案内翼７ｃの一部を示した図であり、図１（ａ）の右側から見た図である。この図に示すように、案内翼７ｃは、前縁をラジアルインペラ２側に向け、後縁をスクロール流路５ｃの流れ方向の下流側に向けるように配置されており、ラジアルインペラ２から送り出された空気Ｘをスクロール流路５ｃの流れ方向に向けて案内する。このような案内翼７ｃは、図２（ａ）に示すように、等間隔で複数設置されており、ラジアルインペラ２を中央にして環状に配列されている。このような案内翼７ｃは、ラジアルインペラ２から送り出された空気Ｘをスクロール流路５ｃの流れ方向に向けて案内する。

図２（ａ）に示すように、ディフューザ７においては、例えば案内翼７ｃ同士が最も近づいて流路断面が小さくなる領域あるいはその近傍に、最も圧力損失が高まるスロート領域Ｒが形成される。このようなスロート領域Ｒは、複数ある案内翼７ｃ同士の間の全てに形成される。本実施形態の遠心圧縮機１では、第１環状流路７ａと第２環状流路７ｂとの境界Ｋがラジアルインペラ２を囲む環状形状をしており、全てのスロート領域Ｒを通るように配置されている。すなわち、本実施形態の遠心圧縮機１では、案内翼７ｃ同士の間であって最も圧力損失の高い領域であるスロート領域Ｒに、第１環状流路７ａと第２環状流路７ｂとの境界Ｋが設けられている。

このように構成された本実施形態の遠心圧縮機１では、シャフト３を介してラジアルインペラ２に回転動力が伝達され、ラジアルインペラ２が回転駆動されると、吸入口５ａからハウジング５内に空気Ｘが流れ込む。吸入口５ａから流れ込んだ空気Ｘは、ラジアルインペラ２にて速度エネルギが付与され、ラジアルインペラ２の半径方向に送り出される。このようにしてラジアルインペラ２から送り出された空気Ｘは、ディフューザ７にて減速されることで昇圧され、スクロール流路５ｃを介して吐出口５ｂから圧縮空気として吐出される。

以上のような本実施形態の遠心圧縮機１の作用及び効果について説明する。本実施形態の遠心圧縮機１においては、ディフューザ７における流路が、ラジアルインペラ２の半径方向内側の第１環状流路７ａと、半径方向外側の第２環状流路７ｂとに分割されており、第２環状流路７ｂの流路高さＨ２が第１環状流路７ａの流路高さＨ１よりも大きく設定されている。流路高さが大きく設定されることによって第２環状流路７ｂの空間容積が増大し、第２環状流路７ｂにおける圧力回復率が流路高さを第１環状流路７ａと同一にした場合よりも大きくなる。さらに、本実施形態の遠心圧縮機１においては、第１環状流路７ａと第２環状流路７ｂの境界Ｋが、最も圧力損失の高いスロート領域Ｒに設けられている。

図２（ｂ）は、本実施形態の遠心圧縮機１におけるディフューザ７での圧力回復率と、従来の遠心圧縮機（第２環状流路７ｂにおける圧力回復率が流路高さを第１環状流路７ａと同一である遠心圧縮機）におけるディフューザでの圧力回復率とを比較するためのグラフである。なお、図２（ｂ）において、実線で示されるグラフの傾きが本実施形態の遠心圧縮機１におけるディフューザ７での圧力回復率を示し、破線で示されるグラフの傾きが従来の遠心圧縮機におけるディフューザでの圧力回復率を示している。なお、図２（ｂ）では、横軸がラジアルインペラ２側を原点とする半径方向の位置を示し、縦軸が空気Ｘの静圧を示し、グラフの傾きが圧力回復率を示している。

図２（ｂ）から分かるように、本実施形態の遠心圧縮機１によれば、スロート領域Ｒを境として、ラジアルインペラ２の半径方向外側の圧力回復率が高まることになり、スロート領域Ｒを挟む２つの領域の圧力回復率を近づけることができる。よって、サージングの発生を抑制することができる。

また、本実施形態の遠心圧縮機１によれば、第１環状流路７ａの流路断面積を変化させることなく、第２環状流路７ｂの流路断面積が第１環状流路７ａよりも大きくなることによって、サージングの抑制を実現している。このため、ディフューザ７において従来の遠心圧縮機よりも流路断面が減少する部位がなく、ディフューザ７を通過できる最大流量を維持することができる。よって、流量レンジを減少させることはない。

したがって、本実施形態の遠心圧縮機１によれば、流量レンジを減少させることなく、スロート領域Ｒを挟む２つの領域（第１環状流路７ａと第２環状流路７ｂ）の圧力回復率を近づけ、サージングの発生を抑制することが可能となる。

また、本実施形態の遠心圧縮機１では、第１環状流路７ａと、第２環状流路７ｂとは、各々が平行に対峙する一対の平面状の流路壁面（流路壁面７ａ１と流路壁面７ａ２、及び、流路壁面７ｂ１と流路壁面７ｂ２）間に形成されている。このため、案内翼７ｃと流路壁面との突合面は、両方共に平面となる。したがって、本実施形態の遠心圧縮機１では、案内翼７ｃの突合面の形状が単純な平面となり、案内翼７ｃの加工精度の悪化及び組付精度の悪化を防止することが可能となる。

なお、レイアウトや加工状の制約から、第１環状流路７ａと第２環状流路７ｂとの境界Ｋをスロート領域Ｒに重ねられない場合には、この境界Ｋは、スロート領域Ｒよりも下流側に配置しても良い。このような場合であっても、スロート領域Ｒの下流側の領域における圧力回復率は高まるため、流量レンジを減少させることなく、スロート領域Ｒを挟む２つの領域（第１環状流路７ａと第２環状流路７ｂ）の圧力回復率を近づけ、サージングの発生を抑制することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態において、１つの案内翼７ｃが第１環状流路７ａと第２環状流路７ｂとの跨る構成を採用している。しかしながら、このような構成を採用すると、案内翼７ｃの高さが、第１環状流路に設置される部位と第２環状流路に設置される部位とで異なることになり、案内翼７ｃの形状が複雑化する。このため、例えば、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、案内翼７ｃを、境界Ｋを境として、第１環状流路に設置される部位７ｃ１と第２環状流路に設置される部位７ｃ２とに分離しても良い。これによって、１つ１つの部位は、途中で翼高さが変化しない単純な形状となるため、案内翼７ｃの加工精度の悪化及び組付精度の悪化を防止することが可能となる。なお、図３に示す例においては、境界Ｋがスロート領域Ｒよりも僅かに下流側に変位して配置されている。

また、例えば、図４に示すように、第１環状流路７ａと第２環状流路７ｂとの境界Ｋが、各スロート領域Ｒに沿った部位Ｋ１と、案内翼７ｃの設置領域を避けて部位Ｋ１同士を繋ぐ部位Ｋ２とからなるように構成しても良い。このような場合には、案内翼７ｃ間においてスロート領域Ｒに沿って境界Ｋが形成されるため、境界Ｋが空気Ｘの流れ方向に対して直交するように配置されるため、案内翼７ｃ間の流れる位置によって圧力回復が生じるタイミングがずれることを防止することができる。よって、安定して圧力回復を行うことが可能となる。さらに、境界Ｋが案内翼７ｃの設置領域を避けて設けられるため、案内翼７ｃの前縁から後縁までの高さを同一とすることができる。このため、案内翼７ｃの組み付け作業を容易に行うことが可能となる。

また、上記実施形態においては、ハウジング５の表面に段差が設けられており、流路壁面７ｂ２が流路壁面７ａ２よりもシールプレート４から遠い位置に設けられることによって、流路高さＨ２が流路高さＨ１よりも大きくなるようにしている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、シールプレート４の表面に段差を設け、流路壁面７ａ１が流路壁面７ａ１よりもハウジング５から遠い位置に設けることによって、流路高さＨ２が流路高さＨ１よりも大きくなるようにしても良い。

また、上記実施形態においては、圧縮空気を生成する遠心圧縮機について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、他の流体を圧縮する遠心圧縮機に適用することも可能である。

また、上記実施形態においては、流路壁面７ａ１及び流路壁面７ｂ１がシールプレート４の表面の一部からなり、流路壁面７ａ２及び流路壁面７ｂ２がハウジング５の表面の一部からなる構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、案内翼７ｃをベーンプレートに固定し、このベーンプレートをシールプレート４やハウジング５に固定する場合には、流路壁面７ａ１、流路壁面７ｂ１、流路壁面７ａ２及び流路壁面７ｂ２がベーンプレートの表面の一部からなる構成を採用することもできる。また、ハウジング５側にラジアルインペラ２との隙間を調節するためのシュラウドを設ける場合がある。このような場合には、流路壁面７ａ２及び流路壁面７ｂ２がシュラウドの表面の一部からなる構成を採用することもできる。

１……遠心圧縮機、２……ラジアルインペラ、２ａ……基部、２ｂ……羽根、３……シャフト、４……シールプレート、５……ハウジング、５ａ……吸入口、５ｂ……吐出口、５ｃ……スクロール流路、６……ボルト、７……ディフューザ、７ａ……第１環状流路、７ａ１……流路壁面、７ａ２……流路壁面、７ｂ……第２環状流路、７ｂ１……流路壁面、７ｂ２……流路壁面、７ｃ……案内翼、７ｃ１……部位、７ｃ２……部位、Ｋ……境界、Ｒ……スロート領域、Ｘ……空気（流体）

Claims

流体に速度エネルギを付与して半径方向に送り出すラジアルインペラと、前記ラジアルインペラから送り出された前記流体を減速させて昇圧するディフューザとを備える遠心圧縮機であって、
前記ディフューザは、
前記ラジアルインペラを中央にして環状に配列される複数の案内翼と、
ラジアルインペラを囲んで設けられる第１環状流路と、
前記第１環状流路の外側に設けられると共に、前記第１環状流路よりも流路高さが大きい第２環状流路と
を備え、
前記案内翼同士の間であって最も圧力損失の高い領域であるスロート領域あるいは当該スロート領域の下流側に、前記第１環状流路と前記第２環状流路との境界が設けられている
ことを特徴とする遠心圧縮機。
前記第１環状流路と、前記第２環状流路とは、各々が平行に対峙する一対の平面状の流路壁面間に形成されていることを特徴とする請求項１記載の遠心圧縮機。
前記案内翼は、前記第１環状流路と前記第２環状流路との境界を挟んで２つの部位に分離されていることを特徴とする請求項１または２記載の遠心圧縮機。