JP2005002951A

JP2005002951A - 遠心圧縮機

Info

Publication number: JP2005002951A
Application number: JP2003169268A
Authority: JP
Inventors: Hideshi Nakao; 秀史中尾
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2005-01-06
Anticipated expiration: 2023-06-13
Also published as: JP4492045B2

Abstract

【課題】大流量域の圧縮機性能を犠牲にすることなく、小流量域での圧縮機性能を向上できる遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】渦巻き状に形成されたスクロール流路１７が設けられたケーシング１１を備えた遠心圧縮機であって、上記スクロール流路１７を、軸方向の流路幅が、径方向内方から外方へかけて徐々に拡大していき、径方向の流路幅の中間点よりも径方向外側で最大となるように形成したものである。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクロール流路の断面形状を改良した遠心圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来の遠心圧縮機の一例を示すものである。図４（ａ）は、従来の遠心圧縮機の断面図である。図４（ｂ）は、従来の遠心圧縮機の部分断面図である。
【０００３】
２１は、遠心圧縮機である。遠心圧縮機２１は、一側（図中の左側）に遠心圧縮機２１の外部の空気を吸い込むための吸込口１４が設けられたケーシング１１と、このケーシング１１の他側を塞ぐように取り付けられたケーシングカバー１２と、ケーシング１１の内部に回転可能に備えられた羽根車１３とを備えている。
【０００４】
図４（ａ）に示すように、ケーシング１１の外周側の内側には、渦巻き状にスクロール流路２２が設けられている。このスクロール流路２２の断面積は、所定の割合で変化するように設けられている。スクロール流路２２の所定箇所には、空気を遠心圧縮機２１の外部へ吐き出すための吐出口１８が設けられている。
【０００５】
スクロール流路２２より径方向の内側には、スクロール流路２２に空気を送り込むためのディフューザ流路１６が、スクロール流路２２に連通して設けられている。このディフューザ流路１６より径方向の内側には、流入通路１５が設けられている。この流入通路１５には、羽根車１３が配置されている。この羽根車１３は、吸込口１４から吸い込んだ空気をディフューザ流路１６に送り込む。
【０００６】
図示しない駆動源によって羽根車１３を回転させると、遠心圧縮機２１の外部の空気が、流入通路１５に送り込まれ、径方向の外方への速度エネルギが空気に与えられる。
【０００７】
この速度エネルギが与えられた空気は、径方向の外方へディフューザ流路１６を通って、スクロール流路２２に至り、吐出口１８より遠心圧縮機２１の外部へ吐き出される。このとき、空気は、減速され、速度エネルギが圧力エネルギに変換されて、圧力が上昇する。
【０００８】
ところで、遠心圧縮機２１においては、スクロール流路２２の断面形状は、円形形状で形成されている。また、フレームサイズ（ケーシング１１の径方向の長さ）ｃに制限がある場合は、断面形状を長円形形状とすることもある。このような、遠心圧縮機は、特許文献１等にも記載されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−２８７１９９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４（ｂ）に示すように、スクロール流路２２の断面形状を円形形状とした場合、縦横の最大流路幅の比が大きくなるに従い、小流量域において二次流れ（剥離）ｎ２が発生しやすくなる。この二次流れｎ２は、一次流れｎ１と対流するように発生し、一次流れｎ１と二次流れｎ２とは互いに緩衝するので、圧縮機性能が低下する。
【００１１】
また、スクロール流路２２の断面形状を円形形状とした場合には、図心径（回転中心から、断面の図心ｂまでの長さ）ｅ２（図４（ａ）参照）が小さくなり、圧縮機性能が低下してしまうことが知られている。
【００１２】
ところで、スクロール流路２２の断面積を小さくするなどの処置により、小流量域の圧縮機性能を向上させる手法はあるが、大流量域の圧縮機性能が低下してしまう。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、大流量域の圧縮機性能を犠牲にすることなく、小流量域での圧縮機性能を向上できる遠心圧縮機を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、渦巻き状に形成されたスクロール流路が設けられたケーシングを備えた遠心圧縮機であって、上記スクロール流路を、軸方向の流路幅が、径方向内方から外方へかけて徐々に拡大していき、径方向の流路幅の中間点よりも径方向外側で最大となるように形成するものである。
【００１５】
また、上記スクロール流路を、軸方向の最大流路幅と、径方向の最大流路幅とが略同一となるように形成するとよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１７】
図１は、本実施の形態の遠心圧縮機の断面図である。図２は、本実施の形態の遠心圧縮機の部分断面図である。図３は、遠心圧縮機の空気流量−圧力比線図である。
【００１８】
図１及び図２において、１０は、遠心圧縮機である。図４と同一部材には同一符号を付す。
【００１９】
図１に示すように、遠心圧縮機１０は、一側（図中の左側）に遠心圧縮機１０の外部の空気を吸い込むための吸込口１４が設けられたケーシング１１と、このケーシング１１の他側を塞ぐように取り付けられたケーシングカバー１２と、ケーシング１１の内部に回転可能に備えられた羽根車１３とを備えている。
【００２０】
ケーシング１１の内部には、吸込口１４により大気に開口して、軸方向に延びる流入通路１５が設けられている。この流入通路１５には、羽根車１３が回転可能に備えられている。この羽根車１３は、ケーシングカバー１２より延出する回転軸１９に取り付けられている。この回転軸１９は、図示しない駆動源により駆動される。回転軸１９とケーシングカバー１２との隙間は、シール部材２０によりシールされている。
【００２１】
流入通路１５の径方向の外方には、ディフューザ流路１６が、羽根車１３を囲むように設けられている。ケーシング１１の外周側の内側には、ディフューザ流路１６と連通してスクロール流路１７が渦巻き状に設けられている。このスクロール流路１７の断面積は、所定の割合で変化するように設けられている。スクロール流路１７の断面積が最大となる出口部には、空気を遠心圧縮機１０の外部へ吐き出すための吐出口１８が設けられている。
【００２２】
次に、本実施の形態の遠心圧縮機１０のスクロール流路１７の断面形状について説明する。
【００２３】
図２に示すように、本実施の形態の遠心圧縮機１０のスクロール流路１７の断面形状は、五つの円弧からなる逆お結び形状により形成されている。スクロール流路１７の軸方向（図中の横方向）の横流路幅は、径方向の内方から外方へかけて徐々に拡大していき、径方向の縦流路幅（図中の縦方向）の中間点よりも径方向に外側で最大となるように形成されている。また、スクロール流路１７は、軸方向の最大横流路幅ｄ１と、径方向の最大縦流路幅ｄ２とが同一となるように形成されている。
【００２４】
五つの円弧は、ディフューザ流路１６と連通して形成された第一円弧ｒ１と、その第一円弧ｒ１に繋げて、スクロール流路１７の外周側を形成する第二円弧ｒ２と、その第二円弧ｒ２に繋げて、径方向の内方へと湾曲して形成された第三円弧ｒ３と、その第三円弧ｒ３に繋げて、更に径方向の内方へ形成された第四円弧ｒ４と、その第四円弧ｒ４に繋げて形成された第五円弧ｒ５とからなる。
【００２５】
五つの円弧は、以下の関係になっている。
【００２６】
第二円弧ｒ２と第五円弧ｒ５とは、外周側と内方側とで対向するように配置されている。第二円弧ｒ２は、第五円弧ｒ５より緩やかな円弧により形成されている。第一円弧ｒ１と第三円弧ｒ３とは、第二円弧ｒ２を軸方向に挟んで対向するように配置されている。第一円弧ｒ１は、第五円弧ｒ５より緩やかな円弧で形成されている。第三円弧ｒ３は、第五円弧ｒ５より急な円弧で形成されている。第四円弧ｒ４は、第二円弧ｒ２と第五円弧ｒ５とによって、径方向に挟まれるように配置されている。第四円弧ｒ４は、第二円弧ｒ２と同程度の緩やかな円弧で形成されている。
【００２７】
具体的には、第一円弧ｒ１の曲率半径は、羽根車１３の直径Ｄの約５分の１程度とするのが望ましい。その他の円弧ｒ２、３、４、５の曲率半径は、解析や実験等で決定するものとする。
【００２８】
ここで、遠心圧縮機１０と、図４の遠心圧縮機２１とは、フレームサイズ（ケーシング１１の径方向の長さ）ｃ及びスクロール流路１７、２２の断面積は、同一であるものとする。また、遠心圧縮機１０のスクロール流路１７の断面の図心は、ａであり、図心径（回転中心から、図心ａまでの長さ）は、ｅ１であるとする。
【００２９】
次に、本実施の形態の遠心圧縮機１０の動作について、図１を用いて説明する。
【００３０】
羽根車１３が回転されると、遠心圧縮機１０の外部の空気が、吸込口１４を介して、流入通路１５へと送り込まれる。流入通路１５に送り込まれた空気は、羽根車１３へと至り、径方向の外方への速度エネルギが与えられる。この速度エネルギが与えられた空気は、ディフューザ流路１６を通じて、スクロール流路１７へと送り込まれる。
【００３１】
このスクロール流路１７へと送り込まれた空気は、スクロール流路１７において、減速され、速度エネルギが圧力エネルギに変換される。この圧力エネルギを持った空気は、スクロール流路１７を周方向へ流れることにより、更に圧力が増加されていく。この圧力が増加された空気は、吐出口１８より遠心圧縮機１０の外部へと吐き出される。
【００３２】
次に、スクロール流路１７の断面形状を逆お結び形状としたことの作用を述べる。
【００３３】
スクロール流路１７の縦横の最大流路幅ｄ１、ｄ２の比が大きくなるに従い、図３で示す、小流量域（サージラインｓに近い流量域）ｍにおいて二次流れ（剥離）ｎ２が発生しやすくなる（図４（ｂ）参照）。本実施の形態の遠心圧縮機１０は、スクロール流路１７の軸方向の最大横流路幅ｄ１と、径方向の最大縦流路幅ｄ２とが同一となるように形成されているので、二次流れｎ２は、発生しにくくなる。
【００３４】
小流量域において二次流れｎ２が発生しにくい他の理由として、スクロール流路１７とディフューザ流路１６との繋ぎ部を緩やかな円弧により形成したことが挙げられる。第一円弧ｒ１を介して、五つの円弧の中で最も緩やかな第二円弧ｒ２に沿って流れる空気は、剥離することなく、速度エネルギを失わずに第三円弧ｒ３に至る。十分な速度エネルギを持った空気は、五つの円弧の中で最も急な第三円弧ｒ３に至っても、剥離はしない。そのため、本実施の形態の遠心圧縮機１０では、小流量域において、二次流れｎ２が発生しにくい。
【００３５】
また、スクロール流路１７の図心径ｅ１が小さいと、圧縮機性能が低下してしまう。スクロール流路１７の断面形状が、円形形状である場合と逆お結び形状である場合とを比較すると、両者とも断面積が同じであれば、空気流量は変わらない。逆お結び形状は、同一断面積の円形形状に比べて、図心径ｅが必然的に大きくなる。即ち、逆お結び形状を採用すると、フレームサイズｃを変更することなく、図心径ｅを大きくすることが可能である。
【００３６】
フレームサイズｃが羽根車１３の直径Ｄの３倍以下では、断面の図心径ｅを大きく取るほど圧縮機性能が向上することは、流れ解析により明らかである。スクロール流路１７の断面形状を逆お結び形状とすると、図心径ｅが大きいので、フレームサイズｃが同一のものと比較すると、空気に速度エネルギが十分に与えられるため、圧縮機性能が全ての流量域において向上する。
【００３７】
なお、スクロール流路１７の断面形状は、軸方向（図中の横方向）の横流路幅が、径方向の内方から外方へかけて徐々に拡大していき、径方向の縦流路幅（図中の縦方向）の中間点よりも径方向に外側で最大となるように形成されればよく、上述の実施の形態には限定されない。
【００３８】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、小流量域において二次流れが発生しないばかりでなく、小流量域及び大流量域において圧縮機性能が向上するという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施の形態を示す遠心圧縮機の断面図である。
【図２】本実施の形態の遠心圧縮機の部分断面図である。
【図３】遠心圧縮機の空気流量−圧力比線図である。
【図４】（ａ）は、従来の遠心圧縮機の断面図である。（ｂ）は、従来の遠心圧縮機の部分断面図である。
【符号の説明】
１０遠心圧縮機
１１ケーシング
１２ケーシングカバー
１３羽根車
１７スクロール流路
ｅ１図心径
ｄ１最大横流路幅
ｄ２最大縦流路幅
ｒ１第一円弧
ｒ２第二円弧
ｒ３第三円弧
ｒ４第四円弧
ｒ５第五円弧

Claims

渦巻き状に形成されたスクロール流路が設けられたケーシングを備えた遠心圧縮機であって、上記スクロール流路は、軸方向の流路幅が、径方向内方から外方へかけて徐々に拡大していき、径方向の流路幅の中間点よりも径方向外側で最大となるように形成されたことを特徴とする遠心圧縮機。
上記スクロール流路は、軸方向の最大流路幅と、径方向の最大流路幅とが略同一となるように形成された請求項１記載の遠心圧縮機。