JP2004190557A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心圧縮機の吸込側圧力が高くなっても、インレットガイドベーンの信頼性を向上させる。
【解決手段】遠心圧縮機では、周方向に複数枚インレットガイドベーン１２ａが配置されている。インレットガイドベーンを保持する外筒１４ａの内径を、インレットガイドベーン部でその他の部分よりも大径にした。同様に、内筒１３ａの外径もインレットガイドベーン部でその他の部分よりも大径にした。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は遠心圧縮機に係り、特にインレットガイドベーンを用いて流量制御する遠心圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のインレットガイドベーンを有する遠心圧縮機の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の遠心圧縮機では、吐出圧縮空気の圧力変化に応じてインレットガイドベーンの傾き角を変化させて圧縮機のサージラインを変化させ、高効率で運転するために、吐出空気圧力を検出する検出器とインレットガイドベーンの所要傾き角を求めるコントローラとコントローラの信号により駆動されるアクチュエータとを備えている。
【０００３】
従来のインレットガイドベーンを有する遠心圧縮機の他の例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載の遠心圧縮機は、圧縮機の回転速度と空気温度を検出する手段を有し、これらの検出手段の信号に基いてインレットガイドベーンを駆動して圧縮機に流入する空気に予旋回を与えて、圧縮機の流量特性を変化させている。さらに従来の圧縮機の他の例が、特許文献３に記載されている。この公報に記載の遠心圧縮機では、インレットガイドベーンと遠心羽根車間に１個以上の自由ロータを設けて流れのエネルギーを自由ロータに貯えて圧縮機の運転をより安定させている。
【特許文献１】
特開昭５６−１１５８９７号公報（第１図、第３図）
【特許文献２】
特開昭５７−６５８９８号公報
【特許文献３】
特開平１１−６２８９４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１および特許文献２に記載の遠心圧縮機では、インレットガイドベーンを用いて流量制御することにより、遠心圧縮機の高性能化は可能になるが、遠心圧縮機の吸込みガス圧力が増大する場合については、十分には考慮されていない。すなわち、化学プラント等に用いられる吸込側圧力が大気圧の数倍から１０倍以上にもなる圧縮機では、インレットガイドベーンの上流側と下流側との圧力差が大でないと起動できない場合がある。その場合、インレットガイドベーンの上流側と下流側の圧力差が増大し、インレットガイドベーンの翼に負荷される荷重が増大してインレットガイドベーンに損傷を与えるおそれが生じる。しかしながら、上記各特許文献ではこの負荷の増大については、考慮されていない。
【０００５】
特許文献３に記載の遠心圧縮機においては、フリーロータが内部に運動エネルギを貯えてサージングを防止することはできる。しかしながら、圧縮機の吸込み圧力が高くなる起動時に、インレットガイドベーンの上流と下流との間で多大な圧力差が生じてインレットガイドベーンを損傷する事態が生じるおそれについては何ら開示がなく、その不具合を解消することについては記載がない。
【０００６】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は遠心圧縮機の吸込み圧力が高まってもインレットガイドベーンの損傷を回避することにある。本発明の他の目的は、遠心圧縮機のインレットガイドベーンの信頼性を向上させることにある。本発明のさらに他の目的は、遠心圧縮機を高効率で運転可能にすることにある。そして本発明は、これら目的の少なくとも１つを達成することを目的とする。
【０００７】
【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特徴は、周方向に複数枚配置したインレットガイドベーンを有する遠心圧縮機において、インレットガイドベーンを保持する外筒の内径を、インレットガイドベーン部でその他の部分よりも大径にしたものである。
【０００８】
そしてこの特徴において、インレットガイドベーンが配置される吸込み流路の軸直角断面積は、インレットガイドベーン部で、他の部分よりも大であることが望ましく、インレットガイドベーンが配置される吸込み流路の半径方向中央部に内筒を配置し、この内筒はインレットガイドベーンの配置位置に対応する部分の外径が他の部分の外径よりも大であることが望ましい。さらに、インレットガイドベーンを回転駆動する手段を設けるのがよく、遠心圧縮機に吸い込まれる作動気体の圧力が、１ＭＰａ以上である場合により効果的である。。
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の他の特徴は、周方向に複数枚配置したインレットガイドベーンを有する遠心圧縮機において、インレットガイドベーンの内径側であって各インレットガイドベーンに対応した位置にインレットガイドベーンに嵌合可能な分割ベーンを設けたものである。そしてこの特徴において、インレットガイドベーンを回動可能に保持する外筒と、分割ベーンを回動可能に保持する内筒を設けるのが好ましく、一端が内筒に保持されたばねと、このばねの他端が接続されたピストンと、このピストンに取付けられたラックと、ラックに噛み合うピニオンと、ピストンを周動可能に保持するスリーブとを内筒に収納し、ピストンの両端部側に作動気体を導く穴をこの内筒に形成するのがよい。また、分割ベーンは、圧縮機の起動時にはインレットガイドべーンと異なる角度位置に設定されるのがよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る遠心圧縮機のいくつかの実施例を図面を用いて説明する。図１および図２は遠心圧縮機の一実施例の図であり、図１は縦断面図、図２はそのＡ−Ａ矢視図である。図示しない駆動機の軸に直結または増速機を介して遠心圧縮機の主軸１００ａが接続されている。この主軸１００ａの先端部に遠心羽根車１１ａが取付けられている。遠心羽根車１１ａの下流側には、ハウジング１０３ａの側面と詳細を後述する外筒の側面とで形成されるディフューザ１０１が設けられている。ハウジング１０３ａは、主軸１００ａを保持する軸受や軸封手段を収容する。ディフューザ１０１は、図示したような流路幅方向に僅かの高さを持つ翼を周方向に間隔をおいて配置したリブ付きディフューザでも、羽根付きディフューザでも、または羽根無しディフューザでもよい。ディフューザ１０１の下流には、渦巻状のスクロール１０２が配置されている。
【００１１】
スクロール１０２は、外筒１４ａの一部をなすディフューザ１０１の背面とケーシング４２とで形成されている。羽根車１１ａの吸込み側には、外筒１４ａの内周面により円筒状の吸込み流路が形成されている。この吸込み流路の中心部には、ステー１５ａにより支持された内筒１３ａが配置されている。内筒１３ａの先端部は、流路抵抗を減らすために流線形となっている。ステー１４ａの外周側は、外筒１４ａに固定されている。ステー１５ａは、周方向にほぼ均等位置に複数配置されている。
【００１２】
ステー１５ａと羽根車１１ａ間であって内筒１３ａの中間部に対応する吸込み流路に、インレットガイドベーン１２ａが配置されている。インレットガイドベーン１２ａは本実施例では１１枚あり、周方向に均等間隔で配置されている。インレットガイドベーン１２ａの根元側には回転軸３１が設けられている。この回転軸３１を、外筒１４ａに保持された軸受２０ａが回動可能に支持している。複数あるインレットガイドベーン１２ａ、１２ａ、…の中の１本のインレットガイドベーンの回転軸３１には、ケーシング４２外に延びる回転軸１７ａが接続されており、ケーシング４２に保持した軸受１６ｃにより回動可能に支持されている。
【００１３】
回転軸１７ａのケーシング４２外に延びた端部には、半径方向に延びるアーム１９ａが取りつけられている。一方、各回転軸３１、３１、…の軸方向中間部には、軸直交方向に延びるアーム２０ａが取付けられている。アーム２０ａの端部は、他のアーム３２を介してリング１８ａに接続されている。ケーシング４２外のアーム１９ａを図示しない空気圧動力装置等を用いて回転駆動すると、回転軸３１に取りつけたアーム２０ａがリング１８ａを羽根車１１ａの回転軸回りに回動させる。リング１８ａが羽根車軸回りに回動するのに伴い、リング１８ａに取付けた各インレットガイドベーンのアーム３２が移動する。そして、アーム３２に接続する各回転軸３１を、一斉に回転軸１７ａと同じ方向に同じ角度だけ回動させる。これにより、全てのインレットガイドベーン１２ａの角度を同じ量だけ変更する。
【００１４】
このように構成したインレットガイドベーン１２ａを用いて、作動気体を羽根車１１ａに所定角度の流れ角度で流入させる。羽根車で圧縮された作動気体は、ディフューザ１０１を経てスクロール１０２に流入する。流量制御をしない定常運転時には、インレットガイドベーン１２ａを全開する。このときインレットガイドベーン１２ａは流れ方向を向いている。圧縮機の起動時にはインレットガイドベーン１２ａを回動して、作動気体が旋回成分を有するようにする。このとき、吸込み流路は狭められる。
【００１５】
ところで、遠心圧縮機の流量を制御するのに用いるインレットガイドベーン１２ａは、通常作動点以外での効率が良いことと比較的起動時のトルクを低減できるという長所を有する。このインレットガイドベーン１２ａは流量制御の他に、遠心圧縮機に吸込まれる気体を旋回させる。吸込み気体が旋回成分を有すると、羽根車１１ａの仕事量が変化する。すなわち、羽根車が作動気体に与えるヘッドΔｈは、羽根車１１ａ出口の周速をｕ_２、羽根車１１ａ入口の周速をｕ_１、羽根車出口での作動気体の絶対速度の周方向成分をｖ_ｕ２、羽根車入口での作動気体の絶対速度の周方向成分をｖ_ｕ１、重力加速度をｇで表すと、
Δｈ＝（１／ｇ）・（ｕ_２ｖ_ｕ２−ｕ_１ｖ_ｕ１）
となる。
【００１６】
ここで、インレットガイドベーン１２ａを装備しないときは、羽根車１１ａ入口における気体の絶対速度方向は半径方向となる。その結果、ｖ_ｕ１＝０となる。インレットガイドベーン１２ａが気体の流れに旋回を与えると、ｖ_ｕ１≠０となり羽根車１１ａの仕事量を増減できる。
【００１７】
さらに、インレットガイドベーン１２ａを用いると、起動時のトルクを低減できる。一定速度でしか運転できない誘導電動機で遠心圧縮機を駆動するときは、電流値や電圧値の制限により遠心圧縮機の起動時のトルクを小さくしなければならないことがある。例えば化学反応プラントで使用される圧縮機では、起動時に定常時よりも気体の入口温度、気体圧力や密度が高いことがある。この場合、起動時のトルクを小さくしなければならない。インレットガイドベーンを用いると、作動気体に旋回を与える他にインレットガイドベーン部の入口断面積が低減されるので、質量流量が減少し羽根車の負荷が低減される。これにより、圧縮機の起動が可能になる。
【００１８】
インレットガイドベーン１２ａを設けると、吸込み気体温度や圧力が高くても圧縮機を起動できるが、羽根車入口の圧力が吸込圧より小さくなる。これにより、インレットガイドベーン１２ａの上流側と下流側とで圧力差が生じ、インレットガイドベーン１２ａには、この圧力差だけの荷重が負荷される。大気圧吸込の空気圧縮機のときは、インレットガイドベーンの上流側と下流側との圧力差は最大でも１気圧であり、インレットガイドベーンに負荷される荷重は比較的小さい。しかしながら大気圧の数倍から１０倍もの吸込圧力の遠心圧縮機では、圧縮機を起動するためにインレットガイドベーン部を絞る結果、インレットガイドベーンの上流側と下流側との圧力差が大きくなり、インレットガイドベーンの負荷が飛躍的に増大する。
【００１９】
そこで本実施例においては、外筒１４ａと内筒１３ａを従来用いられた半径一定の円筒形状にする代わりに、インレットガイドベーン１２ａ部の外筒１４ａと内筒１３ａの双方の径を他の部分よりも大径とした。それとともにこの大径部から羽根車入口までの外径を、外筒１４ａと内筒１３ａの双方とも滑らかに減少させている。外筒１４ａと内筒１３ａの半径を流れ方向に同じままとしたときに比べ、外筒１４ａにより流路断面積が増加し内筒１３ａにより流路断面積が減少する本実施例の方が、流路断面積が増加している。
【００２０】
なお、上記手法で流路断面形状を変更するときは、外筒１４ａの径の増加量を内筒１３ａの径の増加量よりも少なくすることができる。例えば、流路断面積Ｓを変化させないで流路の内径ｄ、外形Ｄを変化させる場合を考える。変化前を下添え字１で変化後を下添え字２で示せば、Ｓ＝π（Ｄ_１ ^２−ｄ_１ ^２）／４＝π（Ｄ_２ ^２−ｄ_２ ^２）／４であるから、内外径の差ΔはＤ_２＞Ｄ_１では、Δ_２＜Δ１になる。したがって、外筒１４ａの内径から内筒１３ａの内径を差し引いたインレットガイドベーン１２ａの半径方向長さＬを短縮できる。インレットガイドベーン１２ａの長さＬを短縮したので、インレットガイドベーン１２ａの強度を圧縮機の起動時に必要なインレットガイドベーン１２ａ上流と下流の圧力差に耐えうる強度範囲に設定できる。この理由は、以下のとおりである。
【００２１】
インレットガイドベーン１２ａで最大応力が発生する部分は、インレットガイドベーン１２ａ付け根部である。この部分における曲げの最大応力は、インレットガイドベーン１２ａの半径方向長さＬの３乗に比例し、インレットガイドベーン１２ａの厚さの３乗に反比例する。インレットガイドベーン１２ａの厚さを厚くすると圧縮機の吸込み流れが乱れ、羽根車１１ａに非一様な流れが流入する。そこでインレットガイドベーン１２ａの厚さを厚くしないで、インレットガイドベーン１２ａの長さＬを短くする。インレットガイドベーン１２ａの長さＬを短くすると、インレットガイドベーン１２ａの固有振動数が長さＬの２乗に反比例するから、インレットガイドベーン１２ａの固有振動数が上昇する効果もある。
【００２２】
本発明に係る遠心圧縮機の他の実施例を、図３に示した縦断面図により説明する。本実施例は、インレットガイドベーンの前後の作動気体の圧力差が図１に示した実施例よりも大きい場合に好適である。すなわち、インレットガイドベーン部の流路内外径比の変更だけでは、インレットガイドベーンに作用する曲げ応力が増大して、インレットガイドベーンが圧力差に耐え得ないおそれがある場合に使用する。
【００２３】
本実施例が上記実施例と相違する点は、羽根車の吸込み流路形状を変更する代わりにインレットガイドベーンを半径方向に複数に分割した分割形状にしたことにある。また、インレットガイドベーンの締切り付近では、分割したインレットガイドベーンにより吸込み流路の軸直角断面の一部に、上流から下流に連通する部分を形成している。これにより、起動時にインレットガイドベーンの前後で所要の圧力差を発生することができるとともに、インレットガイドベーンの強度をこの圧力差に耐えうるようにしている。
【００２４】
インレットガイドベーン１２ｂの内径側には、分割ベーン１２ｃが配置されている。このインレットガイドベーン１２ｂと分割ベーン１２ｃとが一体になると、図３に示すように軸直角方向投影が扇型になる。定常運転時には、インレットガイドベーン１２ｂも分割ベーン１２ｃも図４に示すように流れ方向Ｆｉｎに沿うように位置決めされる。一方、起動時にはインレットガイドベーン１２ｂを吸込み流路を閉じる角度まで回動する。しかしながら、分割ベーン１２ｃは、インレットガイドベーン１２ｂとは異なる角度で回動される。
【００２５】
ここで、分割ベーン１２ｃは、内筒１３ｂに取付けられている。内筒１３ｂの内部には、羽根車１１ａの回転軸１００ａと直角方向に延びる回転軸２６がピストン２３の周囲に配置されている。この回転軸２６には、ピニオン２７が取りつけられている。回転軸２６の流れ方向中心位置はインレットガイドベーン１２ｂの流れ方向軸中心位置に合わせている。ピニオン２７噛み合うラック２８が、ピストン２３に取りつけられている。ピストン２３の羽根車１１ａ側端部は、内筒１３ｂ内に配置したスリーブ２５に嵌合している。ピストン２３の吸込み側端部は、ばね２４により内筒に拘束されている。スリーブ２５の羽根車１１ａ側端部に対応する内筒１３ｂ壁面には、吸込み流路と内筒内部とを連通する穴２１が形成されている。同様に、ばね２４に対応する内筒１３ｂ壁面にも、吸込み流路と内筒内部とを連通する穴２２が形成されている。これらの穴２１、２２は、分割ベーン１２ｃを挟んで流れ方向上流側と下流側に形成される。インレットガイドベーン１２ｂの内周面の中央部にはピボット受けが、分割ベーン１２ｃの外周面の中央にはこのピボット受けに嵌合するピボットが形成されている。これらは、
穴２２からインレットガイドベーン１２ｂよりも上流側の吸込み流路内気体の圧力がピストン２３に負荷される。穴２１から、インレットガイドベーン１２ｂよりも下流側吸込み流路内気体の圧力がピストン２３に負荷される。ピストン２３とスリーブ２５間はシールされており、作動気体の行き来は無い。インレットガイドベーン１２ｂの上流側の気体圧力と下流側の気体の圧力との圧力差が小さいときは、ピストン２３に作用するばね２４力がラック２８に作用し、羽根車１１ａの軸方向にラック２８を移動させる。ラック２８が移動すると、これに噛み合うピニオン２７が回動し分割ベーン１２ｃをインレットガイドベーン１２ｂに押し付ける。すなわち、圧縮機の定常運転の状態ではインレットガイドベーン１２ｂと分割ベーン１２ｃは組み合う状態にあり、インレットガイドベーン１２ｂと分割ベーン１２ｃは同方向に回動する。
【００２６】
圧縮機の起動時には、図５に示すようにインレットガイドベーン１２ｂを回転駆動して、吸込み流路を締め切るようにする。インレットガイドベーン１２ｂが締め切られたので、インレットガイドベーン１２ｂの上流と下流とで圧力差が発生する。この圧力差に応じた力が、穴２２および穴２１から流入した作動気体により発生し、ピストン２３をばね２４力に抗して移動させる。
【００２７】
ピストン２３に取りつけたラック２８が移動してピニオン２７が回動し、分割ベーン１２ｃをインレットガイドベーン１２ｂから離す。その結果、吸込み流路は締め切りからわずかに隙間のある状態になる。吸込み流路に隙間が形成されたので、インレットガイドベーン１２ｂの上流と下流間の作動気体の圧力差が減少し、インレットガイドベーン１２ｂに作用する曲げ応力が低減される。本実施例においては、ピストン２３に接続するばね２４のばね力を適切に設定する必要がある。インレットガイドベーン１２ｂ前後の圧力差が、圧縮機が起動できるだけの圧力差を越えたら、ばね２４のばね力でピストンを動かすように設定する。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、インレットガイドベーンに作用する作動気体の圧力に起因する曲げ応力を低減したので、吸込み圧力が高くても遠心圧縮機の信頼性を向上できる。また、遠心圧縮機のサージングを回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る遠心圧縮機の一実施例の縦断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視図。
【図３】本発明に係る遠心圧縮機の他の実施例の縦断面図。
【図４】図３のＢ矢視断面図。
【図５】図３のＢ矢視断面図。
【符号の説明】
１１ａ…羽根車、１２ａ、１２ｂ…インレットガイドベーン、１３ａ、１３ｂ…内筒、１４ａ、１４ｂ…外筒、１５ａ…ステー、１６ａ…ベアリング、１７ａ…回転軸、１８ａ…リング、１９ａ、２０ａ…アーム、２１、２２…穴、２３…ピストン、２４…ばね、２５…スリーブ、２６…回転軸、２７…ピニオン、２８…ラック、３１…回転軸、３２…アーム、４２…ケーシング、１００ａ…主軸、１０１…ディフューザ、１０２…スクロール。

Claims (9)

1. 周方向に複数枚配置したインレットガイドベーンを有する遠心圧縮機において、前記インレットガイドベーンを保持する外筒の内径を、インレットガイドベーン部でその他の部分よりも大径にしたことを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記インレットガイドベーンが配置される吸込み流路の軸直角断面積は、インレットガイドベーン部で、他の部分よりも大であることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記インレットガイドベーンが配置される吸込み流路の半径方向中央部に内筒を配置し、この内筒はインレットガイドベーンの配置位置に対応する部分の外径が他の部分の外径よりも大であることを特徴とする請求項１記載の遠心圧縮機。
4. 前記インレットガイドベーンを回転駆動する手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
5. 前記遠心圧縮機に吸い込まれる作動気体の圧力が、１ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
6. 周方向に複数枚配置したインレットガイドベーンを有する遠心圧縮機において、前記インレットガイドベーンの内径側であって各インレットガイドベーンに対応した位置にインレットガイドベーンに嵌合可能な分割ベーンを設けたことを特徴とする遠心圧縮機。
7. 前記インレットガイドベーンを回動可能に保持する外筒と、前記分割ベーンを回動可能に保持する内筒を設けたことを特徴とする請求項６に記載の遠心圧縮機。
8. 前記内筒に、一端が内筒に保持されたばねと、このばねの他端が接続されたピストンと、このピストンに取付けられたラックと、ラックに噛み合うピニオンと、ピストンを周動可能に保持するスリーブとを収納し、前記ピストンの両端部側に作動気体を導く穴を内筒に形成したことを特徴とする請求項７に記載の遠心圧縮機。
9. 前記分割ベーンは、圧縮機の起動時にはインレットガイドべーンと異なる角度位置に設定されることを特徴とする請求項７に記載の遠心圧縮機。

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