JP2003293992A - 多段遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流量変化があっても、ディフューザベーンで
の圧力損失や摩擦損失を低減して運転できるようにす
る。 【解決手段】 多段遠心圧縮機２０では、回転軸２１に
３段のインペラ２２ａ，２２ｂ，２２ｃを軸方向に設け
ている。ディフューザ流路２３ａ，２３ｂ，２３ｃには
ディフューザベーン２４ａ，２４ｂ，２４ｃを設けてい
る。インペラ半径ｒ₂ とディフューザベーン半径ｒ₃ の
比である半径比ｒ₃ ／ｒ₂ は前段側程大きくなってい
る。前段側ではｒ₃ が大きいのでディフューザベーン圧
損値を小さくすることができ、後段側ではｒ₃ が小さい
ので壁面との摩擦損失を小さくすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多段遠心圧縮機に
関し、流量が変化してもディフューザベーンでの圧力損
失を少なくしつつ、適切に運転できる流量作動範囲を広
げることができるように工夫したものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ビル空調等に用いられるターボ
冷凍機には遠心圧縮機が使用されている。遠心圧縮機
は、回転するインペラによって軸方向から流体を吸引
し、高速の速度エネルギを与えて径方向外側に吐出する
ものであり、インペラの外側には流体の旋回速度を減少
させるディフューザベーンが備えられたディフーザ流路
が設けられている。吐出された流体はディフューザベー
ンにより旋回速度が減らされて減速され、圧力が高めら
れていく。ディフーザ流路の径方向外側にはスクロール
室が設けられ、スクロール室内でも減速・昇圧がなされ
る。そして、ターボ冷凍機に使用される遠心圧縮機で
は、例えば、１段乃至３段程度のインペラにより流体が
送られて高圧の流体が排出される。

【０００３】複数のインペラを回転軸に備えた多段遠心
圧縮機では、前段側（上流側）のインペラで圧縮した流
体を、更に後段側（下流側）のインペラにより圧縮して
いく。このように、流体の圧縮に伴い流体の体積が減少
していくため、換言すると段毎に体積流量が変化してい
くため、段毎にインペラの形状を変えている。つまり、
前段側ほど羽根幅（軸方向長さ）が大きくなっておりそ
の流量係数が大きく、後段側ほどべーン幅が小さくなっ
ておりその流量係数が小さい。

【０００４】なお流量係数φ_D は次式により表される。 φ_D ＝Ｑ／〔（π／４）・Ｄ₂ ²・Ｕ₂ 〕 ・・・（１） 但し、Ｑは体積流量、Ｄ₂ はインペラの直径、Ｕ₂ はイ
ンペラの最外周の周速度（インペラ周速度）である。

【０００５】ここで、図９を参照して、従来の多段遠心
圧縮機１０の一例について説明する。この多段遠心圧縮
機１０の回転軸１には、３段（３個）のインペラ２ａ，
２ｂ，２ｃが軸方向に並んで設けられている。各インペ
ラ２ａ，２ｂ，２ｃの径方向外側（外周側）にはディフ
ューザ流路３ａ，３ｂ，３ｃが形成されている。各ディ
フューザ流路３ａ，３ｂ，３ｃ内には、それぞれディフ
ューザベーン４ａ，４ｂ，４ｃが設けられている。この
とき、最上流側のインペラ２ａの羽根幅（軸方向長さ）
をＷ₁ 、中流のインペラ２ｂの羽根幅（軸方向長さ）を
Ｗ₂ 、最下流側のインペラ２ｃの羽根幅（軸方向長さ）
をＷ₃ とすると、Ｗ₁ ＞Ｗ₂ ＞Ｗ₃ となっている。

【０００６】回転軸１の回転に伴いインペラ２ａ，２
ｂ，２ｃを回転させると、入口部５から吸引された流体
は、インペラ２ａ，２ｂ，２ｃによって高速の速度エネ
ルギが与えられ、ディフューザ流路３ａ，３ｂ，３ｃに
向かって半径方向に吐出される。ディフーザ流路３ａ，
３ｂ，３ｃに半径方向に吐出された流体は、ディフュー
ザベーン４ａ，４ｂ，４ｃにより減速されて圧力が高め
られる。ディフューザ流路３ａ，３ｂを通過した流体
は、リターン流路６ａ，６ｂを通って後段（下流側）の
インペラ２ｂ，２ｃに吸引され、最終段のインペラ２ｃ
から吐出されディフーザ流路３ｃを通過してきた昇圧さ
れた流体は、出口部７から排出される。

【０００７】かかる従来の多段遠心圧縮機では、回転軸
１の軸芯から各インペラ２ａ，２ｂ，２ｃの外周までの
半径であるインペラ半径ｒ₂ と、回転軸１の軸芯からデ
ィフューザベーン４ａ，４ｂ，４ｃの内周側部（つまり
流体が流入してくる入口の部分）までの半径であるディ
フューザベーン半径ｒ₃ との比である半径比ｒ₃ ／ｒ ₂
が、各段において同じであった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の多段遠心圧縮機１０では、半径比ｒ₃ ／ｒ₂ が各段
で同じであったため、流体の流量が設計点流量からずれ
た場合には、流量損失が大きくなる（その詳細な理由
は、実施の形態において併せて説明する）。つまり、圧
力損失が少ない状態で適切に運転できる流量作動範囲が
狭かった。

【０００９】本発明は上記状況に鑑みてなされたもの
で、流体流量が設計点流量から変動しても効率を低下さ
せることなく、広い流量作動範囲にて運転することがで
きる多段遠心圧縮機を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の多段遠心圧縮機の構成は、複数のインペラを
回転軸に備えるとともに、各インペラの外周側にディフ
ーザ流路を形成し、各ディフューザ流路にディフューザ
ベーンを設けてなる多段遠心圧縮機において、前記回転
軸の軸芯から前記インペラの外周までの半径であるイン
ペラ半径ｒ₂と、前記回転軸の軸芯から前記ディフュー
ザベーンの内周側部までの半径であるディフューザベー
ン半径ｒ₃ との比である半径比ｒ₃ ／ｒ₂ が、前段側ほ
ど大きくなっていることを特徴とする。

【００１１】このとき、前記半径比ｒ₃ ／ｒ₂ は、流量
係数に応じて決定されていたり、前記半径比ｒ₃ ／ｒ₂
は、インペラ出口での流体の流れ角に応じて決定されて
いたり、前記半径比ｒ₃ ／ｒ₂ は、インペラ出口での流
体の流れ角及びマッハ数に応じて決定されていることを
特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づき詳細に説明する。

【００１３】図１に示すように、本実施の形態にかかる
多段遠心圧縮機２０では、回転軸２１に、３段（３個）
のインペラ２２ａ，２２ｂ，２２ｃが軸方向に並んで設
けられている。各インペラ２２ａ，２２ｂ，２２ｃの径
方向外側（外周側）にはディフューザ流路２３ａ，２３
ｂ，２３ｃが形成されている。各ディフューザ流路２３
ａ，２３ｂ，２３ｃ内には、それぞれディフューザベー
ン２４ａ，２４ｂ，２４ｃが設けられている。このと
き、最上流側のインペラ２２ａの羽根幅（軸方向長さ）
をＷ₁ 、中流のインペラ２２ｂの羽根幅（軸方向長さ）
をＷ₂ 、最下流側のインペラ２２ｃの羽根幅（軸方向長
さ）をＷ₃ とすると、Ｗ₁ ＞Ｗ₂ ＞Ｗ₃ となっている。

【００１４】回転軸２１の回転に伴いインペラ２２ａ，
２２ｂ，２２ｃを回転させると、入口部２５から吸引さ
れた流体は、インペラ２２ａ，２２ｂ，２２ｃによって
高速の速度エネルギが与えられ、ディフューザ流路２３
ａ，２３ｂ，２３ｃに向かって半径方向に吐出される。
ディフーザ流路２３ａ，２３ｂ，２３ｃに半径方向に吐
出された流体は、ディフューザベーン２４ａ，２４ｂ，
２４ｃにより減速されて圧力が高められる。ディフュー
ザ流路２３ａ，２３ｂを通過した流体は、リターン流路
２６ａ，２６ｂを通って後段（下流側）のインペラ２２
ｂ，２２ｃに吸引され、最終段のインペラ２２ｃから吐
出されディフーザ流路２３ｃを通過してきた昇圧された
流体は、出口部２７から排出される。

【００１５】更に、回転軸２１の軸芯から見たときのデ
ィフューザベーン２４ａ，２４ｂ，２４ｃの半径方向位
置は、第１段目のディフューザベーン２４ａが最も遠
く、第２段目のディフューザベーン２４ｂ、第３段目の
ディフューザベーン２４ｃと後段になるほど、回転軸２
１の軸芯に近くなっている。つまり、回転軸２１の軸芯
からディフューザベーン２４ａ，２４ｂ，２４ｃの内周
側部（つまり流体が流入してくる入口の部分）までのデ
ィフューザベーン半径を、それぞれｒ_3a，ｒ_3b，ｒ_3c，
とすると、ｒ_3a＞ｒ_3b＞ｒ_3cとなっている。

【００１６】また、本実施例では、回転軸２１の軸芯か
ら各インペラ２２ａ，２２ｂ，２２ｃの外周までのイン
ペラ半径を、それぞれｒ_2a，ｒ_2b，ｒ_2c，とすると、ｒ
_2a＝ｒ_2b＝ｒ_2cとなっている。

【００１７】したがって、第１段目から第３段目までの
半径比を比べると、ｒ_3a／ｒ_2a＞ｒ _3b／ｒ_2b＞ｒ_3c／ｒ
_2cとなっている。

【００１８】このように本実施の形態では半径比がｒ_3a
／ｒ_2a＞ｒ_3b／ｒ_2b＞ｒ_3c／ｒ_2cとなっているので、流
体流量が設計点流量から変動しても効率を低下させるこ
となく、広い流量作動範囲にて運転することができる。
その理由を、前段側（第１段目）と後段側（第３段目）
に分けて説明する。

【００１９】図２は第１段目における流体の状況を速度
三角形と共に示す説明図である。同図において、Ｕ₂ は
インペラ２２ａの最外周における周速度、Ｗは相対速
度、Ｃ ₂ はインペラ出口での流体の絶対速度、Ｃ₃ はデ
ィフューザベーン入口での流体の絶対速度、Ｃｍは流体
の子午面速度、ｒ₂ はインペラ半径、ｒ₃ はディフュー
ザベーン半径、α₂ は流れ角である。

【００２０】図２に示すように、流量係数φ_D が大きい
インペラ２２ａを備えた第１段目では、インペラ出口で
の流れ角α₂ が小さくなる。これは、第１段目のインペ
ラ羽根を示す図３において、 Ｑ＝２π・ｒ₂ ・Ｗ₁ ・Ｃｍ ・・・（２） の関係があり、しかも、羽根幅Ｗ₁ は体積流量Ｑの変化
ほどは変化できないので、体積流量Ｑが大きいほど子午
面速度Ｃｍが大きくなるのである。第 1段目では体積流
量Ｑが大きいので子午面速度Ｃｍが大きくなり、速度三
角形の関係から、流れ角α₂ が小さくなるのである。

【００２１】流れ角α₂ が小さい場合には、流量変化が
生じると、即ち、子午面速度Ｃｍが変化すると、流れ角
α₂ が大きく変化する（図２参照）。流れ角α₂ が大き
く変化すると、図４に示すように、ディフューザベーン
圧損係数ζが大きく増加する。つまり、流れ角α₂ が小
さい場合には、流量が設定流量よりも大流量側に変化し
ても、流量が設定流量よりも小流量側に変化しても、デ
ィフューザベーン圧損係数ζが大きく増加する。ちなみ
に、設計流量における流れ角α₂ のときに、ディフュー
ザベーン圧損係数ζが最小になるように設計している。

【００２２】ディフューザベーン圧損係数ζは式（３）
により表される。 ζ＝ΔＰ_loss／〔（γ／２ｇ）Ｃ₃ ²〕 ・・・（３） 但し、ΔＰ_lossはディフューザベーン圧損値、γは比重
量、Ｃ₃ はディフューザベーン入口での流体の絶対速度
である。

【００２３】式（３）を変形すると、ディフューザベー
ン圧損値ΔＰ_lossを示す式（４）が得られる。 ΔＰ_loss＝ζ・〔（γ／２ｇ）Ｃ₃ ²〕 ・・・（４）

【００２４】前述したように、流れ角α₂ が小さい場合
に流量変化が生じると、流れ角α₂が大きく変化し、ひ
いてはディフューザベーン圧損係数ζが大きくなる。こ
のため、（４）式から分かるように、ディフューザベー
ン圧損値ΔＰ_lossが大きくなる。

【００２５】本実施の形態では、第１段目において半径
比ｒ₃ ／ｒ₂ を大きくしている、つまり、半径ｒ₃ を大
きくしている。このように半径ｒ₃ を大きくしているた
め、ディフューザベーン入口での流体の絶対速度Ｃ₃ を
小さくすることができる。絶対速度Ｃ₃ を小さくするこ
とができるので、（４）式から分かるようにディフュー
ザベーン圧損値ΔＰ_lossを小さくすることができる。

【００２６】このように、第１段目においては半径比ｒ
₃ ／ｒ₂ を大きくしているため、流量変化が生じてもデ
ィフューザベーン圧損値ΔＰ_lossの増大を抑制すること
ができる。

【００２７】図５は第３段目における流体の状況を速度
三角形と共に示す説明図である。同図において、Ｕ₂ は
インペラ２２ｃの最外周における周速度、Ｗは相対速
度、Ｃ ₂ はインペラ出口での流体の絶対速度、Ｃ₃ はデ
ィフューザベーン入口での流体の絶対速度、Ｃｍは流体
の子午面速度、ｒ₂ はインペラ半径、Ｃ₃ はディフュー
ザベーン半径、α₂ は流れ角である。

【００２８】図６に示すように、流量係数φ_D が小さい
インペラ２２ｃを備えた第３段目では、インペラ出口で
の流れ角α₂ が大きくなる。これは、第３段目のインペ
ラ羽根を示す図６において、 Ｑ＝２π・ｒ₂ ・Ｗ₃ ・Ｃｍ ・・・（５） の関係があり、しかも、羽根幅Ｗ₃ は体積流量Ｑの変化
ほどは変化できないので、体積流量Ｑが小さいほど子午
面速度Ｃｍが小さくなるのである。第３段目では体積流
量Ｑが小さいので子午面速度Ｃｍが小さくなり、速度三
角形の関係から、流れ角α₂ が大きくなるのである。

【００２９】流れ角α₂ が大きくなると、流体の実際の
線流長（ｒ₃ −ｒ₂ ) ／ cosα₂ が長くなる。このよう
に流体の実際の線流長が長くなると、流体が壁面と摩擦
することにより生じる摩擦損失が大きくなる。

【００３０】本実施の形態では、第３段目において半径
比ｒ₃ ／ｒ₂ を小さくしている、つまり、半径ｒ₃ を小
さくしている。このように半径ｒ₃ を小さくしているた
め、実際の線流長（ｒ₃ −ｒ₂ ) ／ cosα₂ が短くな
り、壁面との間で生じる摩擦損失を小さくすることがで
きる。

【００３１】更に、本実施の形態では半径比ｒ₃ ／ｒ₂
は、流量係数φ_d や流れ角α₂ によって決める。つまり
図７にクロスハッチングで示す部分が最適領域であり、
流量係数φ_d に応じて、最適領域内の半径比ｒ₃ ／ｒ₂
を設定する。または、図８にクロスハッチングで示す部
分が最適領域であり、流れ角α₂ に応じて、最適領域内
の半径比ｒ₃ ／ｒ₂ を設定する。

【００３２】更に、図８に示す流れ角α₂ の最適領域
を、マッハ数に応じて修正し、この修正した最適領域内
において流れ角α₂ に応じた半径比ｒ₃ ／ｒ₂ を設定す
る。

【００３３】

【発明の効果】以上実施の形態と共に具体的に説明した
ように本発明では、複数のインペラを回転軸に備えると
ともに、各インペラの外周側にディフーザ流路を形成
し、各ディフューザ流路にディフューザベーンを設けて
なる多段遠心圧縮機において、前記回転軸の軸芯から前
記インペラの外周までの半径であるインペラ半径ｒ
₂ と、前記回転軸の軸芯から前記ディフューザベーンの
内周側部までの半径であるディフューザベーン半径ｒ₃
との比である半径比ｒ₃ ／ｒ₂ が、前段側ほど大きくな
っている構成とした。このため、前段側（上流側）で
は、流量変化があってもディフューザベーン損失値を小
さくすることができ、後段側（下流側）では、摩擦損失
を小さくすることができる。結局、流量が変化してもデ
ィフューザベーンでの圧力損失を少なくしつつ、適切に
運転することができる流量作動範囲を広げることができ
る。

【００３４】また本発明では、前記半径比ｒ₃ ／ｒ
₂ は、流量係数や、インペラ出口での流体の流れ角や、
インペラ出口での流体の流れ角及びマッハ数に応じて決
定されているため、適切な半径比を簡単に設定すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る多段遠心圧縮機を示
す概略断面図。

【図２】第１段目における流体の状況を速度三角形と共
に示す説明図。

【図３】第１段目のインペラ羽根を示す構成図。

【図４】流れ角とディフューザ圧損係数との関係を示す
特性図。

【図５】第３段目における流体の状況を速度三角形と共
に示す説明図。

【図６】第３段目のインペラ羽根を示す構成図。

【図７】流量係数と最適な半径比の領域を示す特性図。

【図８】流れ角と最適な半径比の領域を示す特性図。

【図９】従来の多段遠心圧縮機を示す概略断面図。

【符号の説明】

１ 回転軸 ２ａ，２ｂ，２ｃ インペラ ３ａ，３ｂ，３ｃ ディフューザ ４ａ，４ｂ，４ｃ ディフューザベーン ５ 入口部 ６ａ，６ｂ リターン流路 ７ 出口部 １０ 遠心圧縮機 ２０ 遠心圧縮機 ２１ 回転軸 ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ インペラ ２３ａ，２３ｂ，２３ｃ ディフューザ ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ ディフューザベーン ２５ 入口部 ２６ａ，２６ｂ リターン流路 ２７ 出口部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のインペラを回転軸に備えるととも
   に、各インペラの外周側にディフーザ流路を形成し、各
   ディフューザ流路にディフューザベーンを設けてなる多
   段遠心圧縮機において、 前記回転軸の軸芯から前記インペラの外周までの半径で
   あるインペラ半径ｒ₂と、前記回転軸の軸芯から前記デ
   ィフューザベーンの内周側部までの半径であるディフュ
   ーザベーン半径ｒ₃ との比である半径比ｒ₃ ／ｒ₂ が、
   前段側ほど大きくなっていることを特徴とする多段遠心
   圧縮機。
2. 【請求項２】 前記半径比ｒ₃ ／ｒ₂ は、流量係数に応
   じて決定されていることを特徴とする請求項１の多段遠
   心圧縮機。
3. 【請求項３】 前記半径比ｒ₃ ／ｒ₂ は、インペラ出口
   での流体の流れ角に応じて決定されていることを特徴と
   する多段遠心圧縮機。
4. 【請求項４】 前記半径比ｒ₃ ／ｒ₂ は、インペラ出口
   での流体の流れ角及びマッハ数に応じて決定されている
   ことを特徴とする多段遠心圧縮機。