JP2003097494A - 可変案内羽根付き流体機械 - Google Patents

可変案内羽根付き流体機械

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JP2003097494A
JP2003097494A JP2002255316A JP2002255316A JP2003097494A JP 2003097494 A JP2003097494 A JP 2003097494A JP 2002255316 A JP2002255316 A JP 2002255316A JP 2002255316 A JP2002255316 A JP 2002255316A JP 2003097494 A JP2003097494 A JP 2003097494A
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Japan
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flow rate
fluid machine
angle
diffuser
suction
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JP2002255316A
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English (en)
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Hideomi Harada
英臣 原田
Kazuo Takei
和生 武井
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Ebara Corp
Original Assignee
Ebara Corp
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02Surge control
    • F04D27/0246Surge control by varying geometry within the pumps, e.g. by adjusting vanes
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00Geometry
    • F05D2250/50Inlet or outlet
    • F05D2250/52Outlet

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流体機械を設計点流量以下の流量域で運転し
たときに発生する不安定現象を回避して流体機械を広い
流量範囲で運転できる可変案内羽根付き流体機械を提供
する。 【解決手段】 ディフューザ羽根3aを具備した流体機
械において、流体機械の吸込量を検出する検出装置6
と、ディフューザ羽根3aの角度を制御する駆動機構
と、低流量領域の吸込流量に対して予め求められたディ
フューザ羽根3aの最適角度の関係が締切領域に到る迄
略直線関係にあることを記憶した制御装置7とを備え、
制御装置7は、検出装置6によって検出された吸込流量
が低流量領域に存在する時に、吸込流量から最適角度に
ディフューザ羽根角度を決定し制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は、遠心及び斜流形の
流体ポンプ、気体用のブロワ、圧縮機などの流体機械に
係り、特に入口案内羽根及びディフューザ羽根付き流体
機械に関するものである。なお本明細書では上記流体機
械を総称してポンプと称する。
【0002】
【従来の技術】従来、遠心及び斜流のポンプを設計点以
外の低流量域で運転すると、羽根車、ディフューザなど
の構成要素で流れの剥離等が発生し、これらの原因によ
って、当該ポンプで発生できる流量に対する圧力の上昇
率が低下して、配管系との不安定現象(サージング等)
が発生してしまい、運転が不能となる欠点があった。こ
れを解決するために、ポンプに接続された配管の他にバ
イパス(送風機、圧縮機の場合には放風)用の配管を設
け、当該ポンプが不安定現象が発生する流量でバイパス
用配管のバルブを開くことによって、装置側の流量は減
少させても当該ポンプの運転状態は変わらないようにす
るなどの方法を採用して不安定現象発生点を回避してい
た。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法は装置側で不安定現象を回避するものであるので、ポ
ンプの不安定現象発生点流量を予め決めておき、その流
量になったときにバイパス用配管のバルブを開く制御を
行わなければならない。したがって、この方法では、ポ
ンプの不安定現象発生点流量を正確に把握できないと装
置全体の制御が正確にできないのと、ポンプの回転速度
を変えたときの特性も正確に把握しておかなければ装置
全体の制御が正確にできないので、ポンプを連続的に変
化させるような運転状態では追随できないなどの欠点が
あった。
【0004】また、バイパス用配管のバルブを開くこと
によって不安定現象発生点を回避しても、当該ポンプ自
体の運転状態は変わらないのでポンプに不必要な運転を
させることになり、省エネルギーの観点から問題が多か
った。さらにバイパス用配管やバルブが必要なので装置
がコスト高になる欠点があった。
【0005】本発明は上述の事情に鑑みなされたもの
で、流体機械を設計点流量以下の流量域で運転したとき
に発生する不安定現象を回避して流体機械を広い流量範
囲で運転できる可変案内羽根付き流体機械を提供するこ
とを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段及びその作用】この発明
は、以下のような認識に基づいて行われた。図1は流体
機械(圧縮機)の羽根車出口の状態を示す模式図であ
る。羽根車2から流出する流体の流れ方向をa(設計流
量),b(小流量),c(大流量)の矢印で示す。この
図から明らかなように設計点以外の流量では、大流量で
はディフューザ3の羽根3aの圧力面側、小流量ではデ
ィフューザ3の羽根3aの負圧面側、の流れの迎え角が
過大になり、流れが剥離して図2(無次元流量とディフ
ューザ損失との関係を示す図)に示すようにディフュー
ザでの損失が増大する。その結果、圧縮機の全体性能は
図3(無次元流量と無次元ヘッド係数との関係を示す
図)に示すようになり、設計点より小流量側で右上がり
な特性(不安定)が現れるようになるばかりでなく、あ
る流量でサージングが発生し、配管での圧力変動が大き
くなり、運転ができなくなる。
【0007】これを解決するためには、ディフューザ羽
根角度を可変にして、流量が低下したときの羽根車出口
流れ(図1のbの流れ)に適合するように動かせば、デ
ィフューザ羽根での損失は図2の破線で示すように低減
させることができる。その結果、圧縮機の全体性能は図
3の破線で示すように向上させることができ、不安定現
象を回避して安定した特性が得られる。
【0008】本発明は、上記の認識に基づいてなされた
もので、ディフューザ羽根を具備した流体機械におい
て、流体機械の吸込量を検出する検出装置と、前記ディ
フューザ羽根の角度を制御する駆動機構と、低流量領域
の吸込流量に対して予め求められたディフューザ羽根の
最適角度の関係が締切領域に到る迄略直線関係にあるこ
とを記憶した制御装置とを備え、該制御装置は、上記検
出装置によって検出された前記吸込流量が低流量領域に
存在する時に、前記吸込流量から前記最適角度にディフ
ューザ羽根角度を決定し制御することを特徴とするもの
である。
【0009】本発明者らが考案したディフューザ羽根の
研究によれば、ポンプの無次元吸込流量に対する羽根車
出口でのディフューザ羽根の最適角度は図4に示したよ
うに、ほぼ直線で表され、流量0までディフューザ羽根
を制御すれば、サージング現象を回避できることがわか
った。
【0010】ポンプの場合、回転数を変えたときの無次
元吸込流量に対する羽根車出口でのディフューザ羽根の
最適角度はほぼ一本の直線で表されるが(図4の直線N
)、圧縮機の場合はガスの圧縮性のために、回転数ご
とに直線の傾きは異なる(図4の直線N〜N)。
この傾きは羽根車出口の状態を予測することにより計算
で求めることができる。
【0011】従って、いかなる状態でも当該ポンプの無
次元吸込流量さえわかればディフューザ羽根の角度を羽
根車出口流れに最適に合致させて運転できることが可能
となる。その結果、ポンプの無次元吸込流量及びこの無
次元吸込流量からディフューザ羽根の角度を決定し、デ
ィフューザ羽根を可変制御できる制御装置によってディ
フューザ羽根を制御すれば、ポンプの不安定現象を回避
して運転できることになる。
【0012】回転数を制御できる制御装置を有する場合
には、図4の吸込流量によって決定できるディフューザ
羽根角度に従って、ディフューザ羽根を制御し、ヘッド
が所定値を満足しない場合は、回転数をも制御して不安
定状態を回避しながら運転できる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る可変案内羽根
付き流体機械の一実施例を図5乃至図10を参照して説
明する。図5及び図6は本発明が適用される単段遠心圧
縮機を示す図であり、図5はその縦断面図、図6はその
部分側面図である。羽根車2の下流にあるディフューザ
3のディフューザ羽根3aは、複数の歯車4を介してア
クチュエータ5に連結されている。また圧縮機の吸込側
には、吸込流量を検出する検出装置6が設置されてい
る。アクチュエータ5は制御装置7に接続されており、
ディフューザ羽根3aの羽根角度が可変になっている。
【0014】図7は、本発明の可変案内羽根付き流体機
械の処理手順を示すフローチャートである。回転数制御
をする場合には、ステップ1で回転数設定を行う。な
お、回転数制御をしない場合には、次のステップに進
む。次に、ステップ2で吸込流量を測定し、ステップ3
で図4に示す無次元吸込流量とディフューザ羽根角度と
の関係よりディフューザ羽根角度を決定する。そして、
ステップ4でディフューザ羽根角度の変更を行う。回転
数制御を行う場合には、ステップ5でヘッドが所定値を
満足するか否かを判定し、満足しない場合にはステップ
1に戻る。
【0015】図8は、上記のような圧縮機を用いて得た
データをまとめたものである。横軸に各運転点の流量を
設計点の流量で無次元化した無次元流量、縦軸にディフ
ューザ羽根の角度を取って示したものである。ここで
は、その流量、回転数において羽根角度を変え、流れが
最も安定であるときの羽根角度をプロットした。流れの
安定度は、配管やポンプケーシングに設置した圧力セン
サの変動を目安とした。○印は羽根車の周速マッハ数が
1.21で、入口案内羽根の角度が0度の時、□印は羽
根車の周速マッハ数が0.87で、入口案内羽根の角度
が0度の時、△印は羽根車の周速マッハ数が0.87
で、入口案内羽根の角度が60度の時の実験結果をプロ
ットしたものである。
【0016】この結果によるとディフューザの羽根の角
度は流量によってほぼ直線的に変化し、羽根車の周速マ
ッハ数、即ち回転数によって傾きが異なることがわか
る。また、回転数が同じ場合、入口案内羽根の角度が変
わってもディフューザ羽根の角度は流量だけに依存して
いることがわかる。
【0017】図9に、従来のディフューザ羽根を固定し
た装置での全体性能と、本発明による装置での性能の比
較を示す。本発明による装置の性能は従来のものに比べ
て、締切り流量付近まで安定して運転できることがわか
る。
【0018】図10は、本発明の可変案内羽根付き流体
機械の他の実施例の処理手順を示すフローチャートであ
る。まず、ステップ1で入口案内羽根(図でIGVと表
記)の角度の設定を行う。次に、ステップ2で吸込流量
を測定し、ステップ3で図4に示す無次元吸込流量とデ
ィフューザ羽根角度を決定する。そして、ステップ4で
ディフューザ羽根角度の変更を行う。さらに、ステップ
5で、入口案内羽根の角度が90度(全閉状態)か否か
を判断し、全閉であれば制御を終了する。全閉でなけれ
ば、ステップ6においてヘッドが所定値を満足するか否
かを判定し、所定値であれば制御を終了する。所定値を
満足しない場合は、ステップ7で、さらにヘッドが所定
値よりも大きいか否かを判断し、所定値よりも大きい場
合には入口案内羽根の角度を増加(閉方向)させ(ステ
ップ8)、小さい場合には入口案内羽根の角度を減少
(開方向)させる(ステップ9)ように制御する。な
お、図5乃至図10に図示した実施例においては、制御
装置を1ユニット設置した例を示したが、制御装置を機
能別に分離して複数の制御装置としてもよい。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、流
体機械を設計点流量以下の流量域で運転したときに発生
するサージング等の不安定現象を回避して、流体機械を
広い流量範囲で運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】羽根車出口の流体の状態を示す模式図である。
【図2】無次元流量とディフューザ損失との関係を示す
図である。
【図3】無次元流量と無次元ヘッド係数との関係を示す
図である。
【図4】無次元吸込流量とディフューザ羽根角度との関
係を示す図である。
【図5】本発明の可変案内羽根付き流体機械の一例であ
る単段遠心圧縮機を示す縦断面図である。
【図6】図5の部分側面図である。
【図7】本発明の可変案内羽根付き流体機械の処理手順
を示すフローチャートである。
【図8】本発明の一実施例の可変案内羽根付き流体機械
の効果を説明するグラフである。
【図9】無次元流量と効率及びヘッド係数との関係を示
す図である。
【図10】本発明の可変案内羽根付き流体機械の他の実
施例の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
2 羽根車 3 ディフューザ部 3a ディフューザ羽根 4 歯車 5 アクチュエータ 6 検出装置 7 制御装置

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ディフューザ羽根を具備した流体機械に
    おいて、 流体機械の吸込量を検出する検出装置と、 前記ディフューザ羽根の角度を制御する駆動機構と、低
    流量領域の吸込流量に対して予め求められたディフュー
    ザ羽根の最適角度の関係が締切領域に到る迄略直線関係
    にあることを記憶した制御装置とを備え、該制御装置
    は、上記検出装置によって検出された前記吸込流量が低
    流量領域に存在する時に、前記吸込流量から前記最適角
    度にディフューザ羽根角度を決定し制御することを特徴
    とする可変案内羽根付き流体機械。
  2. 【請求項2】 上記制御装置は、上記ディフューザ羽根
    角度を変えたときにヘッドが所定値を満足しない場合
    に、流体機械の回転数制御を行うことを特徴とする請求
    項1記載の可変案内羽根付き流体機械。
  3. 【請求項3】 上記流体機械は入口案内羽根を有し、上
    記制御装置は、上記ディフューザ羽根角度を変えたとき
    にヘッドが所定値を満足しない場合に、流体機械の入口
    案内羽根角度を変えることを特徴とする請求項1記載の
    可変案内羽根付き流体機械。
JP2002255316A 1994-05-23 2002-08-30 可変案内羽根付き流体機械 Pending JP2003097494A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009062965A (ja) * 2007-09-10 2009-03-26 Hitachi Plant Technologies Ltd 遠心圧縮機
JP2010196706A (ja) * 2009-02-24 2010-09-09 Dyson Technology Ltd ディフューザ
CN105402168A (zh) * 2015-11-26 2016-03-16 哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 轴流压气机中可转导叶的设计方法

Cited By (3)

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JP2009062965A (ja) * 2007-09-10 2009-03-26 Hitachi Plant Technologies Ltd 遠心圧縮機
JP2010196706A (ja) * 2009-02-24 2010-09-09 Dyson Technology Ltd ディフューザ
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