WO2013111780A1

WO2013111780A1 - 遠心圧縮機

Info

Publication number: WO2013111780A1
Application number: PCT/JP2013/051318
Authority: WO
Inventors: 秀明玉木
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2014-07-23
Also published as: JP5853721B2; EP2808555A4; CN104040185A; US20140377053A1; JP2013148054A; CN104040185B; US9897110B2; EP2808555B1; EP2808555A1

Description

遠心圧縮機

　本発明は、圧縮性流体を昇圧させる遠心圧縮機に関する。
　本願は、２０１２年１月２３日に日本に出願された特願２０１２－０１０７８９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　圧縮性流体を昇圧させるために、例えば遠心圧縮機が用いられている。遠心圧縮機の作動域は、小流量時（昇圧のために流体の流量を減少させた時）における流体の逆流等を原因とするサージングの発生により、制限される場合がある。サージングが発生すると遠心圧縮機の運転が不安定になるので、サージングの発生を抑制すれば遠心圧縮機の作動域を拡大できる。

　サージングの発生を抑制する手段の１つとして特許文献１に示されるケーシングトリートメントがある。

　遠心圧縮機は、高速で回転するインペラと、インペラを収容し、インペラの周囲にスクロール流路を形成するケーシングとを有している。特許文献１に示すケーシングトリートメントでは、インペラの上流端に隣接するケーシングの壁面に全周に亘る溝を形成し、この溝をインペラより上流側の流路に連通させている。小流量時には、ケーシングのインペラ収容部内に局部的に発生する高圧部から上記溝を介してインペラの上流側に流体を逆流させ、部分的に流体を再循環させることでインペラ収容部内での流体の逆流を防止し、サージングの発生を抑制している。

　このようなケーシングトリートメントにより、サージング抑制の効果は得られているが、サージング発生の更なる抑制による遠心圧縮機の作動域拡大が望まれている。

日本国特開２００４－３３２７３４号公報

　本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、より効果的なケーシングトリートメントを行うことで、サージング抑制の効果を向上させ、その作動域を拡大できる遠心圧縮機の提供を目的とする。

　本発明の第１の態様によれば、遠心圧縮機は、インペラと、このインペラを収容するケーシングとを具備する。このケーシングが、吸入口と、前記インペラが配置されるインペラ収容部と、前記インペラの周囲に形成される環状流路と、この環状流路に連通する吐出口と、前記吸入口及び前記インペラ収容部の少なくとも一方の周囲に形成される環状空間とを有している。前記インペラ収容部に対向する前記ケーシングの内周面には、前記インペラ収容部と前記環状空間とを連通させる溝が、前記内周面の全周に亘って形成されている。また、前記環状空間は、前記溝を介してのみ他の空間と連通している。

　本発明の第２の態様によれば、上記第１の態様において、前記溝は、前記内周面の全周を１周期として周期的に、且つ前記吸入口の中心軸方向に所定の振幅を有して変化する曲線をなす。また、前記溝の最上流点は、前記中心軸方向において前記インペラの羽根の上流端に対向する位置に設けられている。

　本発明の第３の態様によれば、上記第２の態様において、前記ケーシングは、前記吐出口と前記環状流路との間に形成される舌部を有している。また、前記溝の最下流点は、前記インペラの回転中心と前記舌部とを結ぶ基準半径に対して上流側に１２０゜の位置から、前記基準半径に対して下流側に６０゜の位置までの範囲に位置する。

　本発明の第４の態様によれば、上記第３の態様において、前記溝の最下流点は、前記基準半径に対して上流側及び下流側のいずれにも４５゜の範囲に位置する。

　本発明によれば、遠心圧縮機は、インペラと、このインペラを収容するケーシングとを具備している。このケーシングが、吸入口と、前記インペラが配置されるインペラ収容部と、前記インペラの周囲に形成される環状流路と、この環状流路に連通する吐出口と、前記吸入口及び前記インペラ収容部の少なくとも一方の周囲に形成される環状空間とを有している。前記インペラ収容部に対向する前記ケーシングの内周面には、前記インペラ収容部と前記環状空間とを連通させる溝が、前記内周面の全周に亘って形成されている。また、前記環状空間は、前記溝を介してのみ他の空間と連通している。このため、インペラ収容部内で局部的に圧力が上昇した場合にも、上昇した圧力が前記溝を介して前記環状空間に分散される。従って、サージング抑制の効果が向上し、遠心圧縮機の作動域をさらに拡大できるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施形態における遠心圧縮機の断面図である。本実施形態のケーシングトリートメントで用いられる溝の形状を説明するためのグラフである。本実施形態における溝とインペラとの位置関係を示す模式図である。本実施形態におけるケーシングと溝の最下流点との位置関係を示す模式図である。ケーシングトリートメントの実施と遠心圧縮機の作動特性との関係を示すグラフである。

　以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。

　まず、図１を参照して、本発明の一実施形態における遠心圧縮機の概略を説明する。

　図１中、符号１は遠心圧縮機、符号２はケーシング、符号３はケーシング２に収容されるインペラを示している。すなわち、遠心圧縮機１は、インペラ３と、インペラ３を収容するケーシング２とを具備している。

　軸受ハウジング（図示せず）に回転可能に支持された回転軸４の一端部にはインペラ３が固定されている。回転軸４の他端部にはインペラ３を回転させる駆動力を発生するタービン（図示せず）が連結されている。なお、インペラ３を回転させるための構成としてはタービンに限られず、モータ等であってもよい。

　ケーシング２におけるインペラ３の周囲には環状流路５が形成され、環状流路５の所定の位置には昇圧された圧縮性流体（例えば圧縮空気）を吐出する吐出口９が連通されている。ケーシング２の中央にはインペラ３に対向しインペラ３と同軸に配置された吸入口６が形成されている。
　すなわち、ケーシング２は、圧縮性流体が吸引される吸入口６と、吸入口６に連通しインペラ３が配置されるインペラ収容部１４と、インペラ３の周囲に形成される環状流路５と、環状流路５に連通する吐出口９とを有している。なお、流体は吸入口６からインペラ収容部１４へ回転軸４の軸方向に略沿って流動するため、図１における右側を軸方向での上流側、左側を軸方向での下流側と称する場合がある。

　ケーシング２において、インペラ３の周囲には環状流路５に連通するディフューザ部７が形成されている。

　ディフューザ部７は、ケーシング２においてインペラ３を収容する空間であるインペラ収容部１４と環状流路５とを互いに連通するリング状の空間である。環状流路５とディフューザ部７との間には境界壁部８が形成されている。

　エンジン（図示せず）からの排気ガスによりタービンが回転され、回転軸４を介して伝達される回転駆動力によりインペラ３が回転される。タービンと同軸に設けられたインペラ３が回転され、吸入口６から空気（圧縮性流体、エンジンの燃焼用空気）が吸入される。吸入された空気はインペラ３の回転により径方向外側に送り出され、ディフューザ部７を通過することで圧縮された後に、環状流路５に流入する。圧縮された空気は環状流路５から吐出口９を経て遠心圧縮機１の外部に吐出される。吐出された圧縮空気はエンジンに供給される。

　次に、本実施形態のケーシングトリートメントについて説明する。

　ケーシング２には、吸入口６と同軸に配置された円筒状空間１１（環状空間）が形成されている。すなわち、ケーシング２は、吸入口６及びインペラ収容部１４の少なくとも一方の周囲に形成される円筒状空間１１を有している。本実施形態の円筒状空間１１は、軸方向においてインペラ収容部１４寄りに配置されている。円筒状空間１１は周方向に分断されることなく連続した空間である。なお、円筒状空間１１の断面形状（回転軸４の中心軸を含む平面での断面形状）は楕円形となっているが、円形、長円形、矩形、またはその他任意の形状であってもよい。円筒状空間１１は、所定の容積Ｖを有する環状空間である。

　インペラ収容部１４に対向するケーシング２の内周面２ａには、溝１２が形成されている。なお、内周面２ａは、インペラ３と同軸に形成された環状の周面である。溝１２の径方向外側の端部は円筒状空間１１に連通し、溝１２の径方向内側の端部はインペラ３の上流端近傍の内周面２ａで開口している。溝１２は、周方向に連続したリング状の溝や、周方向に連続した溝の内部に所定間隔で複数のリブ（補強材）が設けられた溝であってもよい。また、溝１２は、周方向に延びる複数の長孔が所定間隔で設けられた開口部や、複数の円孔または角孔が所定間隔で設けられた開口部であってもよい。

　溝１２は、インペラ収容部１４と円筒状空間１１とを連通させており、小流量時にインペラ収容部１４内に発生する局部的な高圧が溝１２を通して円筒状空間１１に伝わる。円筒状空間１１が圧力を分散させるため、局部的な圧力の上昇が抑制される。円筒状空間１１の容積Ｖは、溝１２を通して高圧が伝わった場合に、圧力を分散させるに十分な容積となっている。
　また、溝１２は、内周面２ａの全周に亘って形成されている。円筒状空間１１は、溝１２を介してのみ他の空間（本実施形態ではインペラ収容部１４）と連通している。

　ケーシング２における環状流路５の形状は、非軸対称となっている。言い換えれば、回転軸４の中心軸を含む平面での環状流路５の断面形状は、インペラ３の周方向で変化している。このため、上記周方向での環状流路５内の圧力は一定ではなく、周方向に異なる圧力分布を有している。さらに、インペラ３の周縁も同様に周方向に異なる圧力分布を有し、環状流路５の圧力分布は、ディフューザ部７を通してインペラ３が配置されるインペラ収容部１４にも伝わっている。すなわち、インペラ収容部１４内も周方向に異なる圧力分布を有しているため、高圧部はインペラ収容部１４内で局部的に発生し、その発生箇所は環状流路５の圧力分布に応じて軸方向で変位していると考えられる。

　溝１２は、インペラ収容部１４等の圧力分布に基づいて高圧部を通過するようにその位置が設定されている。言い換えれば、溝１２は、発生する高圧部と対向するようにその位置が設定されている。溝１２の形状は、内周面２ａが平面状になるように展開した場合に、高圧部を通過する直線であってもよい。しかしながら、溝１２の形状は、内周面２ａの全周（３６０°）を１周期として周期的に、且つ吸入口６の中心軸方向に所定の振幅を有して変化する曲線（変位曲線）であることが好ましい。この曲線は、本実施形態ではサインカーブであるが、サインカーブ以外の曲線であってもよい。

　溝１２の変位曲線は、インペラ収容部１４内で局部的に発生する高圧部の変位（軸方向での変位）を反映して設定されており、インペラ収容部１４内で局部的に発生する高圧部と円筒状空間１１とをより効果的に連通させることができる。

　さらに、溝１２について詳述する。

　図２は、溝１２の展開図であり、本実施形態のケーシングトリートメントで用いられる溝１２の形状を説明するためのグラフである。以下の説明では、溝１２の変位曲線をサインカーブとして説明する。図２では、上側を上流側（軸方向上流側）、下側を下流側（軸方向下流側）として示している。図２に示されている曲線（サインカーブ）は、インペラ３の中心軸方向での溝１２の幅の中心位置を示している。本実施形態では、インペラ３の最大径φＤが１４４．２ｍｍ、溝１２の溝幅ｄは３ｍｍ（ｄ／Ｄ＝０．０２）である。図２中、点Ａは溝１２の最上流点（軸方向で最も上流側に位置する点）を、点Ｂは溝１２の最下流点（軸方向で最も下流側に位置する点）を、Ｗ／２は振幅を示している。

　図３は、インペラ３と溝１２との軸方向での位置関係を示す模式図である。図３中、溝１２の溝幅は３ｍｍである。

　図３中、ラインＡ１は、溝１２の最上流点Ａの軸方向での位置を示し、ラインＢ１は、溝１２の最下流点Ｂの軸方向での位置を示している。すなわち、図３中、溝１２は、内周面２ａの全周を１周期として周期的に、且つラインＡ１とラインＢ１との間で変化する。

　ラインＡ１は、インペラ３のインペラ羽根３ａ（羽根）の上流端を中心に上流及び下流方向に±ｄ／２（ｄ＝３ｍｍのため、ｄ／２＝１．５ｍｍ）の範囲に位置する。すなわち、ラインＡ１（最上流点Ａ）がインペラ羽根３ａの上流端を中心に±ｄ／２の範囲に設けられているため、最上流点Ａにおける溝１２（溝幅ｄ）は、確実にインペラ羽根３ａの上流端に対向できる。ラインＡ１の±ｄ／２の範囲内での最適な位置は、ケーシング２の形状、インペラ３の特性等で変化するので、計算、実験等により設定する。

　ラインＢ１の位置は、図３に示すようにインペラ３が小羽根３ｂを有している場合には、小羽根３ｂの軸方向上流端（ｈ）を下流側での下限とする。一方、インペラ３が小羽根３ｂを有していない場合には、ラインＢ１の位置は、インペラ羽根３ａ（高さＨ）の軸方向での略中間位置を下流側での下限とする。なお、溝１２の最下流点Ｂ（ラインＢ１）の下流側下限位置を、小羽根３ｂの上流端又はインペラ羽根３ａの軸方向中間位置としたが、最下流点Ｂをさらに下流側に配置させても、サージング抑制効果は改善されず、一方で圧縮効率が低下し、実用上意味がないため好ましくない。

　図４を参照して、溝１２における最下流点Ｂの周方向での位置について説明する。図４は、本実施形態におけるケーシング２と溝１２の最下流点Ｂとの位置関係を示す模式図であり、インペラ３の中心軸方向から見た図である。
　図４では、インペラ３の回転中心を基準として、溝１２における最下流点Ｂの位置を説明する。なお、図４における環状流路５内の流体は、インペラ３の回転により図４の時計回り方向で流動するため、所定の位置から時計回り方向にずれた位置を周方向での下流側、所定の位置から反時計回り方向にずれた位置を周方向での上流側と称する場合がある。
　図４中、符号１５は吐出口９と環状流路５との間に形成される舌部を示している。以下の説明では舌部１５の位置を０°とし、インペラ３の回転中心を挟んだ舌部１５の逆側を１８０°（または－１８０°）とする。舌部１５から周方向上流側の角度を正の値で示し、舌部１５から周方向下流側の角度を負の値で示す。なお、より詳細には、舌部１５における周方向上流側の端部の位置を０°としている。

　舌部１５より１２０°上流側（反時計回り方向）の位置から、下流側（時計回り方向）に１８０°の範囲（図４ではインペラ３の回転中心から上半分の＋１２０°～－６０°の範囲）に溝１２の最下流点Ｂが位置すると、サージング抑制効果が得られる。なお、実験の結果によれば、最下流点Ｂが舌部１５の位置（０°）にある場合に、最も高いサージング抑制効果が得られた。しかし、最下流点Ｂは、インペラ３の周縁の圧力分布等に基づいて決定され、この圧力分布はインペラ３の形状や特性等により変化するため、最下流点Ｂの好ましい位置が舌部１５の位置ではない場合もある。

　しかしながら、舌部１５の近傍に、例えば舌部１５を中心として±４５゜の範囲内に、最下流点Ｂの最適な位置が存在する。従って、最下流点Ｂは、舌部１５とインペラ３の回転中心とを結ぶ直線（基準半径）に対して＋１２０゜～－６０゜（インペラの回転方向と逆方向を正）の範囲内に設けられることが好ましく、さらには、基準半径に対して±４５゜の範囲内に設けられることがより好ましい。

　図５は、ケーシングトリートメントの実施と遠心圧縮機の作動特性の関係を示すグラフであり、横軸は吐出流量（Ｑ）を示し、縦軸は圧力比（Ｐｏ／Ｐｉ：Ｐｏは流体出口圧力、Ｐｉは流体入口圧力）を示している。

　図５では、５つの箇所に３本ずつ曲線が描かれている。図５中、三角形のプロットはケーシングトリートメント（ＣＴ）が実施されていない遠心圧縮機の作動特性を示している。四角形（菱形）のプロットは従来のケーシングトリートメントが実施された遠心圧縮機の作動特性を示している。従来のケーシングトリートメントでは、インペラの上流端に隣接するケーシングの壁面に全周に亘る溝を形成し、この溝をインペラより上流側の流路（流入口）に連通させ、小流量時においてインペラ収容部内に局部的に発生する高圧部から上記溝を介してインペラの上流側に流体を逆流させ、部分的に流体を再循環させている。

　円形のプロットは本実施形態のケーシングトリートメントが実施された遠心圧縮機の作動特性を示している。すなわち、インペラ３の上流端に隣接するケーシング２の壁面（内周面２ａ）に全周に亘る溝１２を形成し、溝１２は展開されるとサインカーブ状となり（サインカーブトリートメント）、溝１２の最下流点Ｂが周方向で舌部１５と同じ位置に配置されている（図２、図４参照）。
　それぞれのプロットを結ぶことで上記曲線が描かれている。また、これらの曲線は、流体の流量を次第に減少させることで（図５の左に向かう側）流体の吐出圧力が上昇することを示し、５つの所定の流量から減少させ始めたことを示している。また、同種のプロットの曲線における最も左側の点をそれぞれ直線で結んでいる。各曲線における左側の点は圧縮機でサージングが発生することを示すため、図５の各直線の左側がサージングの発生により圧縮機が作動不能となることを示している。すなわち、各直線が遠心圧縮機のサージング限界値を示している。

　図５より、三角形及び四角形のプロットを結んだ直線よりも、円形のプロットを結んだ直線が図５の左側に位置している。そのため、本実施形態では、従来のケーシングトリートメントを実施する圧縮機、及びケーシングトリートメントを実施しない圧縮機よりも、吐出流量をさらに小流量とすることが可能となっている。すなわち、本実施形態では、サージング限界値が拡大されており、高いサージング抑制効果が得られている。

　また、本実施形態では、従来のケーシングトリートメントと異なり、インペラの上流側に流体を逆流させておらず、部分的に流体を再循環させていないので、吐出流量が減少しない。さらに、インペラの上流側に流体を逆流させていないことから、吐出圧の低下が避けられ、従来のケーシングトリートメントに比べ小流量側の圧力比を増大できる。これは、図５において、四角形のプロットを結んだ曲線よりも、円形のプロットを結んだ曲線が図５の上側に位置していることからも明らかである。

　本実施形態において、サージング抑制効果を増大可能な溝１２の最下流点Ｂの位置は、舌部１５の位置を中心として、＋１２０゜～－６０゜（インペラの回転方向と逆方向を正）の範囲にあり、更に好ましくは、舌部１５の位置を中心として±４５゜の範囲である。

　溝１２の最下流点Ｂの位置を、舌部１５の位置を中心として±４５゜の範囲に設定することで、従来のケーシングトリートメントに比べ、圧力比を低下させずにサージング抑制効果を増大させることができる。なお、±４５゜の範囲でさらに最適な最下流点Ｂの位置を設定するには、ケーシング２の形状、インペラ３の特性、遠心圧縮機１の容量等を考慮し、計算により求めることが好ましい。

　以上、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るものではない。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、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。

　例えば、上記実施形態では、溝１２が描く曲線をサインカーブとして説明した。しかしながら、内周面２ａの全周を１周期として周期的に、且つ吸入口６の中心軸方向に所定の振幅で変化する曲線であればサインカーブでなくともよい。

　また、溝１２は、インペラ収容部１４と円筒状空間１１とを連通させ、小流量時にインペラ収容部１４内に発生する局部的な高圧を円筒状空間１１に分散させ、局部的な圧力の上昇を抑制する。そのため、溝１２は直線であっても、最下流点Ｂの位置を通過するようにその位置を設定すれば、局部的な高圧を円筒状空間１１に分散させることができ、サージング抑制効果を増大させることが可能である。

　本実施形態の溝１２は、内周面２ａの周方向に向けて１列で形成されている。溝１２が直線で構成される場合は、溝１２が内周面２ａの全周に亘ってその周方向に平行に延びていてもよく、溝１２が複数の直線から構成されていてもよい。例えば、溝１２が、図２の最上流点Ａと最下流点Ｂとを直線で結んだ三角波状に形成されていてもよい。また、溝１２を、台形波状または矩形波状に形成することも可能である。

　本発明は、圧縮性流体を昇圧させる遠心圧縮機に利用することができる。

１　　遠心圧縮機
２　　ケーシング
２ａ　　内周面
３　　インペラ
３ａ　　インペラ羽根（羽根）
４　　回転軸
５　　環状流路
６　　吸入口
９　　吐出口
１１　　円筒状空間（環状空間）
１２　　溝
１４　　インペラ収容部
１５　　舌部
Ａ　　最上流点
Ｂ　　最下流点

Claims

　インペラと、該インペラを収容するケーシングとを具備し、
　前記ケーシングが、吸入口と、前記インペラが配置されるインペラ収容部と、前記インペラの周囲に形成される環状流路と、該環状流路に連通する吐出口と、前記吸入口及び前記インペラ収容部の少なくとも一方の周囲に形成される環状空間とを有し、
　前記インペラ収容部に対向する前記ケーシングの内周面には、前記インペラ収容部と前記環状空間とを連通させる溝が、前記内周面の全周に亘って形成され、
　前記環状空間は、前記溝を介してのみ他の空間と連通している遠心圧縮機。
　前記溝は、前記内周面の全周を１周期として周期的に、且つ前記吸入口の中心軸方向に所定の振幅を有して変化する曲線であり、
　前記溝の最上流点は、前記中心軸方向において前記インペラの羽根の上流端に対向する位置に設けられている請求項１に記載の遠心圧縮機。
　前記ケーシングは、前記吐出口と前記環状流路との間に形成される舌部を有し、
　前記溝の最下流点は、前記インペラの回転中心と前記舌部とを結ぶ基準半径に対して上流側に１２０゜の位置から、前記基準半径に対して下流側に６０゜の位置までの範囲に位置する請求項２に記載の遠心圧縮機。
　前記溝の最下流点は、前記基準半径に対して上流側及び下流側のいずれにも４５゜の範囲に位置する請求項３に記載の遠心圧縮機。