JP2001012388A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的低比速度の遠心圧縮機において、旋回
失速を抑制し、高効率でかつ低騒音、低振動となって信
頼性を向上させる。 【解決手段】 上記課題を達成するには、羽根車の羽根
１ａの外周とディフューザ２のベーン２ａ前縁の間に所
定の距離を設け、羽根車の羽根１ａの出口からディフュ
ーザベーン２ａ前縁までの流路７を羽根車１の芯板１ｂ
と側板１ｃで構成し、ディフューザベーン２ａ前縁を、
羽根車１の芯板１ｂと側板１ｃの外周に近接して設置す
る。以上の構成により、ベーン付きディフューザを用い
ている低比速度の遠心圧縮機において、高効率で、かつ
羽根車の羽根１ａの外周とディフューザ２のベーン２ａ
との間に所定の距離をとることにより、羽根車１とディ
フューザ２の干渉を抑え、低騒音・低振動を実現すると
ともに、ディフューザ部２で旋回失速を防止する効果が
あるので、作動範囲が広く信頼性の高い圧縮機を提供す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、比較的高圧で小容
量のガスを取り扱うにあたっての流体性能および信頼性
を向上させた羽根車およびディフューザを備える遠心圧
縮機に関する。

【０００２】

【従来の技術】遠心圧縮機用ディフューザは大きく分け
るとベーンレスディフューザとベーン付きディフューザ
に分類され、それぞれ機能的にメリット・デメリットを
有するものとなっている。

【０００３】まず、回転する羽根車から吐出される流れ
の方向は流量と共に変化するので、運転状態および流量
が広い範囲に変化する遠心圧縮機にはベーンレスディフ
ューザがよく用いられる。

【０００４】しかし、取扱い流量の小さい、いわゆる低
比速度の圧縮機に適用した場合には、羽根車は設計上そ
の流出角、すなわちディフューザ入口流れ角が小さくな
り、また流路の高さは低くなるため、ディフューザにベ
ーンレスディフューザを用いると、摩擦損失が大きくな
り、効率が低下するという問題がある。

【０００５】またベーンレスディフューザの場合、低比
速度の圧縮機においては、多くの場合ベーンレスディフ
ューザで旋回失速が発生し、高圧の流体を取り扱う圧縮
機では旋回失速による流体加振により作動範囲が制約さ
れるという問題があった。

【０００６】一方、ベーン付きディフューザにおいて
は、羽根車を流出した流れがある程度減速し、羽根出口
の後流を一様化するためのベーンレスディフューザ区間
を設けるために、羽根出口外周半径Ｒ１とディフューザ
ベーン前縁径Ｒ３の間に一定の距離δを取った構成が多
く見られる。

【０００７】例として米国特許No.3,771,925および米国
特許No.3,824,029にはこの距離δを十分に取ると同等に
ベーンレスディフューザ区間を形成した構成にある遠心
圧縮機が見られる。

【０００８】まず米国特許No.3,771,925に開示されてい
る遠心圧縮機においては、羽根車が側板を持たないオー
プン形のものであって芯板外径を羽根出口外周径よりも
大きくし、羽根出口外周とディフューザのベーン前縁の
間を広くして、この間の減速により衝撃波を緩和するこ
とを狙っている。

【０００９】次に米国特許No.3,824,029に開示されてい
る遠心圧縮機においては、羽根車の芯板および側板の外
径を羽根出口外周径よりもかなり大きくし、この回転流
路部分で減速させ、その出口直後に流体を導入するため
のスクロールを配置している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし上記の距離δを
大きく取りすぎた場合には、前記のベーンレスディフュ
ーザに近い構成となるため、旋回失速が問題となるよう
な低比速度段での使用においてディフューザ入口流れ角
が小さくなり、特に壁面近くの流体は羽根車出口を境と
して半径方向の圧力勾配が急に高くなることによって壁
面付近の流れは羽根車出口へ逆流しやすくなる。この逆
流はまた旋回失速の引き金になると考えられており、こ
のようなディフューザ、つまり距離δを大きく取りすぎ
た構成では旋回失速の抑制が十分でないものとなる。

【００１１】そこで上記の壁面付近の逆流を防止する意
味で、ディフューザベーン前縁半径Ｒ３と羽根車外周半
径Ｒ２との比、すなわちディフューザベーン前縁半径比
Ｒ３／Ｒ２を小さくすることによって、羽根車出口直後
の主流をディフューザベーンで拘束させ、逆流が発生す
る部分をなくす方法が考えられる。

【００１２】しかしこの方法は旋回失速を防止するには
有効であるが、一方で従来の一般的な構成にある羽根車
においては羽根出口外周半径Ｒ１と羽根車外周半径Ｒ２
が等しいためディフューザベーンの前縁半径比Ｒ３／Ｒ
２が小さくなると、その間の羽根出口外周半径Ｒ１とデ
ィフューザベーン前縁径Ｒ３の間の距離δも小さくな
り、羽根車を出た直後の高速の気流がディフューザベー
ンに衝突し、騒音が大きくなったりあるいは振動の原因
になる可能性がある。

【００１３】逆に言えば、距離δを小さくすることな
く、ディフューザベーンの前縁半径比Ｒ３／Ｒ２を小さ
くして旋回失速を防止することができれば、より低騒音
で信頼性の高い遠心圧縮機を提供することができる。

【００１４】ここで距離δを十分に取ると同等にベーン
レスディフューザ区間を形成した遠心圧縮機の例にある
上記従来技術について検討する。

【００１５】まず米国特許No.3,771,925については旋回
失速に対して全く考慮しておらず、衝撃波対策のため芯
板のみ円板の径を大きくはしているが、そのためディフ
ューザベーン前縁との距離も長く、そして側板のないオ
ープン形の羽根車であるため側板側での逆流が旋回失速
の原因となる可能性が高く、この公知例では旋回失速防
止には効果的でない。

【００１６】次に米国特許No.3,824,029については芯
板、側板の両方の円板外径を大きくすることで、回転流
路部分での効果的な減速を狙ってはいるが、しかしベー
ン付きディフューザに比べるとその減速は小さく、効率
は高くない。またディフューザの機能をすべて回転流路
で構成するには、芯板、側板の両方の円板外径を羽根出
口外周径に比べてかなり大きくする必要があるが、大き
くしすぎると遠心応力による強度上の制約が生じるた
め、実用的でないという問題がある。

【００１７】以上のように特に低比速度の遠心圧縮機に
おいては、効率などの性能のほかにディフューザで発生
する旋回失速の防止、および低騒音・低振動の高い信頼
性が要求されるが、上記従来の技術ではこれらを同時に
全て満足するには至っていないという問題があった。

【００１８】したがって上記問題点に鑑み本発明の課題
は、特に比較的低比速度・高圧の範囲での作動を前提と
し、ディフューザで発生する旋回失速を防止し、高効率
で、低騒音・低振動の信頼性の高い遠心圧縮機を提供す
ることである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明による遠心圧縮機は次の構成を採用する。

【００２０】（１）芯板と側板の２つの円板とその間に
狭設された複数の羽根からなる遠心羽根車と、該遠心羽
根車の外周側下流に複数の静止ベーンを内設するベーン
付きディフューザを備えた遠心圧縮機において、該遠心
羽根車の羽根出口外周径よりも該芯板および該側板の円
板外径を大きくし、該静止ベーンをその前縁内周径が該
遠心羽根車の該芯板および該側板の円板外周に近接する
よう設置する構成とする。

【００２１】このように構成することにより本発明は、
羽根車の羽根出口とディフューザのベーン前縁の間に所
定の半径方向距離をとり、羽根車とディフューザベーン
の干渉作用を弱くすることにより、羽根車出口流れがデ
ィフューザに流入する際の騒音や振動を低く抑えること
ができる。

【００２２】さらに羽根出口直後を羽根車の芯板および
側板からなる回転流路（回転ディフューザ）で構成する
ことにより、回転壁面付近の流体には遠心力が作用し、
この部分が静止壁において発生しやすい回転壁面への逆
流・剥離を抑制する、すなわち旋回失速の発生を抑える
作用をする。

【００２３】そしてこの回転流路部分を通過した流れ
は、その直後にディフューザベーンに流入するため、こ
こではベーンにより流れは転向・減速する。つまり旋回
失速の引き金となる壁面近傍の逆流を抑制しつつ、効果
的に流れを減速・圧縮することができる。

【００２４】（２）また、上記（１）において、好まし
くは、前記遠心羽根車の羽根出口外周径Ｒ１と前記静止
ベーンの前縁内周径Ｒ３の比Ｒ３／Ｒ１を１．１以下に
することで、芯板・側板の遠心応力による強度的制約を
問題とせずに、旋回失速を抑制することが可能となる。

【００２５】（３）また、上記（１）において、好まし
くは、前記遠心羽根車の前記芯板と前記側板の２つの円
板のいずれか一方の円板外径を他方よりも小さくし、前
記静止ベーンをその前縁内周径が該芯板および該側板の
両円板外周に近接するよう前縁を傾斜させて設置した構
成であってもよい。

【００２６】このように構成することにより、羽根車出
口流れがディフューザベーン前縁に達するまでのタイミ
ングがベーン高さ方向によって変わるため発生する衝撃
が分散されることとなり、全体の騒音・振動を低減させ
ることが可能となる。

【００２７】（４）また、上記（３）においても好まし
くは、前記遠心羽根車の羽根出口外周径Ｒ１と前記静止
ベーンの平均前縁内周径Ｒ３ｍの比Ｒ３ｍ／Ｒ１を１．
１以下にすることで芯板・側板の遠心応力による強度的
制約を問題とせずに、旋回失速を抑制することが可能と
なる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態を説明す
る。

【００２９】まず図１は本発明を適用した遠心圧縮機の
うち多段圧縮機の形態にある場合の軸方向断面図であ
る。この図において、段階的に出口高さの異なる５つの
遠心圧縮機が１本の回転軸４に連通して軸設しており、
各段の遠心圧縮機間の流体流路にはリターンチャンネル
１０が設けられ、また各段圧縮機の回転軸４周りにはラ
ビリンスシール１２、１３により気密シールされた上で
ケーシング８で覆われている構成となっている。

【００３０】以降、このうちの１段の遠心圧縮機のみに
着目して説明する。

【００３１】図２は本実施形態の遠心圧縮機の断面形状
を示したもので、回転軸４に羽根車１が取り付けられ、
羽根車１は芯板１ｂ、側板１ｃ、複数の羽根１ａからな
っている。羽根車１の外周には、その羽根車１の芯板１
ｂ、側板１ｃの外縁に近接して複数のベーン２ａを備え
たベーン付きディフューザ２が設置されている。

【００３２】この図２の羽根車出口付近の詳細を図３に
示す。また図３のＡ−Ａ方向視図を図４に示す。主流３
は羽根車１を流出してディフューザ２へ導かれるが、羽
根車の羽根１ａ間を流出した後、ディフューザ２に流入
する前に、羽根車１の芯板１ｂと側板１ｃで構成される
回転流路７内を流れる。

【００３３】この回転流路７では、壁面付近を流れる流
体３ａには、羽根車１の芯板１ｂと側板１ｃとの粘性効
果による遠心力が作用し、これにより壁面付近の剥離が
抑制される。そして本発明ではこの回転流路７の出口直
後にディフューザのベーン２ａが配置されているので、
羽根車１を出た流れは逆流することなくディフューザベ
ーン２ａに導かれて拘束されることで旋回失速の発生が
抑制される。

【００３４】また本実施形態では、羽根車１の羽根１ａ
外周とディフューザベーン２ａの前縁との間に所定の距
離δ１をとることができるので、羽根車１とディフュー
ザベーン２ａの干渉作用を弱くし、羽根車出口流れがデ
ィフューザ２に流入する際に発生する騒音や振動を低く
抑えることができる。

【００３５】なお図３の実施形態において、半径方向隙
間距離δ２は物理的に可能な範囲で小さくすることが望
ましい。文献(Senoo Y. , Ishida M. :Behavior of Sev
erlyAsymmetric Flow In a Vaneless Diffuser,: ASME
J. of Engineering for Power, Vol.99(1977-3)によれ
ば、羽根車の後流の影響は羽根出口外周径の１．１倍の
位置でほぼ周方向に一様化するといわれている。したが
って流れが一様化すればディフューザベーン２ａの干渉
作用は弱くなるので、ベーン前縁半径比Ｒ３／Ｒ１は
１．１以上にする必要はなくなる。これらより、ディフ
ューザベーンによる流れの減速効果を発揮し、効率を高
くするために、羽根車１の羽根１ａの外周径Ｒ１とベー
ン２ａ前縁の半径Ｒ３との比、Ｒ３／Ｒ１は１．１以下
にすることが望ましい。

【００３６】このようにＲ１、Ｒ３を選ぶと、羽根車外
周半径Ｒ２の範囲はＲ２／Ｒ１が１．１以下となり、こ
の範囲であれば、芯板・側板の遠心応力による強度的制
約もそれほど問題にならない。

【００３７】図５に示す第２の実施形態では、羽根車１
の芯板１ｅと側板１ｄのそれぞれの半径Ｒ２ｈ、Ｒ２ｓ
を異なるように設定している。ただし各々の円板の外周
とディフューザの前縁までの距離δ２は図２の場合と同
程度に小さくし、それに合わせてディフューザのベーン
２ｄの前縁が回転軸方向に対して斜めの形状となってい
る。その結果すなわちベーン２ｄの前縁の芯板側の半径
Ｒ３ｈと側板側の半径Ｒ３ｓも異なるものとなってい
る。

【００３８】本発明がおよそ適用を前提としている低比
速度・低流量の遠心圧縮機の場合には、羽根車出口直後
における流速・流量の分布が壁面表面のごく一部を除い
て出口高さ方向に一様であるため、図２または図３に示
すようにベーンの前縁が壁面に対して垂直（出口高さ方
向・回転軸方向に対して平行）な形状にある場合には、
羽根車から流出した流れがベーン前縁の高さ方向に対し
て同時に衝突することになり、この結果、集中的に最も
大きな衝撃が発生することになる。

【００３９】これに対し、図５に示す本実施形態では、
図２または図３の実施形態による効果の他に、ディフュ
ーザのベーン２ｄの前縁を回転軸方向に対して斜めにし
たことにより、羽根車１を流出した流れがディフューザ
のベーン２ｄの前縁に達するまでの距離が、ベーン高さ
方向に異なる。これにより流れがベーン２ｄ前縁に衝突
するタイミングがベーン高さ方向に変わるため発生する
衝撃が（時系列で）分散されることになり、その結果翼
通過周波数騒音（羽根車の羽根数×回転周波数の成分の
騒音）の発生をも抑制可能となって、ひいては全体の騒
音あるいは振動を低くする効果がある。

【００４０】また図５に示している本実施形態では羽根
車の芯板１ｅを側板１ｄよりも大きな外径で形成し、そ
れに合わせてベーン２ｄ前縁の側板側の内周を芯板側の
内周よりも小さく形成した構成としているが、本発明は
これに限定することなく、それら大小関係を全て逆にし
て構成することも可能であり、同様に騒音・振動を抑制
する効果が発揮されるものである。

【００４１】なお図５の本実施形態においても、上記同
様の理由により、ディフューザベーンによる流れの減速
効果を発揮し、効率を高くするために、羽根車の羽根１
ａの外周径Ｒ１とベーン２ｄ前縁の平均半径Ｒ３ｍとの
比、Ｒ３ｍ／Ｒ１は１．１以下にすることが望ましい。
ここでＲ３ｍはＲ３ｍ＝（Ｒ３ｓ＋Ｒ３ｈ）／２であ
る。

【００４２】また上記の半径比Ｒ３／Ｒ１及びＲ３ｍ／
Ｒ１の値についてより詳しく述べると、芯板・側板の遠
心応力による強度適制約を考慮した場合にはできるだけ
１．０に近い低い値に設定したい反面、羽根車からの流
れを一様化してディフューザベーンへの干渉作用を弱く
したい場合にはできるだけ高い値に設定したいといった
矛盾が生じることになる。

【００４３】実際の設計においてはこれら２つの要素の
兼ね合いを計って半径比が設定されるものであり、現在
のところ通常の場合には１．０５の値が実機の数値とし
て最も望ましく、さらに羽根車の材質に高強度のものを
選定した場合などには１．０７程度の値が最も望ましい
ことが解っている。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、ディフューザとしてベ
ーン付きディフューザを用いている低比速度の遠心圧縮
機において、高効率で、かつ羽根車の羽根外周とディフ
ューザのベーンとの間に所定の距離をとることにより、
羽根車とディフューザの干渉を抑え、低騒音・低振動を
実現するとともに、ディフューザ部で旋回失速を防止す
る効果があるので、作動範囲が広く信頼性の高い圧縮機
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した多段圧縮機の軸方向断面図で
ある。

【図２】本発明の実施形態を表す遠心圧縮機の部分断面
図である。

【図３】図２の羽根車出口とディフュー部分の詳細部分
断面図である。

【図４】図３のＡ−Ａ方向視図である。

【図５】本発明の第２の実施形態を表す遠心圧縮機の部
分断面である。

【符号の説明】

１ 羽根車 １ａ 羽根車の羽根 １ｂ、１ｅ 羽根車の芯板 １ｃ、１ｄ 羽根車の側板 ２ ディフューザ ２ａ、２ｄ ディフューザのベーン ３ 主流の方向 ３ａ 壁面近傍を流れる流体の流れ方向 ４ 回転軸 ５ ベーンレスディフューザ ６ 回転方向 ７ 回転流路（回転ディフューザ）部 ８ ケーシング ９ 軸受け １０ リターンチャンネル １１ 吐出スクロール １２、１３ ラビリンスシール Ｒ１ 羽根出口外周半径 Ｒ２ 羽根車外周半径 Ｒ３ ディフューザベーン前縁半径 δ１ 羽根出口とディフューザベーン前縁との隙間距離 δ２ 羽根車外周とディフューザベーン前縁との隙間距
離

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 要一 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所土浦事業所内 Ｆターム(参考） 3H033 AA02 BB03 BB06 BB17 CC01 CC03 DD06 DD27 EE06 EE08 EE19

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】芯板と側板の２つの円板とその間に狭設さ
   れた複数の羽根からなる遠心羽根車と、該遠心羽根車の
   外周側下流に複数の静止ベーンを内設するベーン付きデ
   ィフューザを備えた遠心圧縮機において、 該遠心羽根車の羽根出口外周径よりも該芯板および該側
   板の円板外径を大きくし、該静止ベーンをその前縁内周
   径が該遠心羽根車の該芯板および該側板の円板外周に近
   接するよう設置したことを特徴とする遠心圧縮機。
2. 【請求項２】請求項１記載の遠心圧縮機において、前記
   遠心羽根車の前記芯板と前記側板の２つの円板のいずれ
   か一方の円板外径を他方よりも小さくし、前記静止ベー
   ンをその前縁内周径が該芯板および該側板の両円板外周
   に近接するよう前縁を傾斜させて設置したことを特徴と
   する遠心圧縮機。
3. 【請求項３】請求項１記載の遠心圧縮機において、前記
   遠心羽根車の羽根出口外周径Ｒ１と前記静止ベーンの前
   縁内周径Ｒ３の比Ｒ３／Ｒ１を１．１以下にしたことを
   特徴とする遠心圧縮機。
4. 【請求項４】請求項２記載の遠心圧縮機において、前記
   遠心羽根車の羽根出口外周径Ｒ１と前記静止ベーンの平
   均前縁内周径Ｒ３ｍの比Ｒ３ｍ／Ｒ１を１．１以下にし
   たことを特徴とする遠心圧縮機。