JP2006152972A - Centrifugal compressor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明はインペラ(羽根車)を備えた遠心圧縮機に関する。 The present invention relates to a centrifugal compressor provided with an impeller (impeller).
気体を圧縮するための圧縮機の一つとして遠心圧縮機が知られている。
従来の遠心圧縮機は、例えば、図6に示すように、インペラ21(羽根車)が取り付けられた回転軸12とハウジング13とを備える。
ハウジング13は、回転軸12を軸支するハウジング本体14とシュラウドハウジング15を有する。
インペラ21はハウジング本体14とシュラウドハウジング15の間に配置される。
図7に示すように、インペラ21は放射状に取り付けられた2種類の回転翼(長形翼23、短形翼25)を備えている。
ハウジング本体14は、回転軸12に接続された駆動手段(図示せず)を収容する。
シュラウドハウジング15は、インペラ21に通じる吸込み口16と、ボリュート17(渦形室)を形成する。
ハウジング本体14とシュラウドハウジング15はインペラ21の外周にディフューザ18を形成している。
ディフューザ18は、具体的には、ハウジング本体14のハウジング壁部14aとシュラウドハウジング15のシュラウド壁部15dにより主に形成される。
ディフューザ18の入口はインペラ21の外周を臨み、出口は吐出口(図示せず)に通じるボリュート17と連通されている。
A centrifugal compressor is known as one of compressors for compressing gas.
For example, as shown in FIG. 6, the conventional centrifugal compressor includes a
The
The
As shown in FIG. 7, the
The
The
The
Specifically, the
The inlet of the
この遠心圧縮機は、インペラ21の回転により気体をハウジング13へ吸い込む。
吸い込まれた気体はインペラ21を通じてディフューザ18に送られ、少なくとも遠心力により圧縮される。
図7に示すように、インペラ21により圧縮された気体は、半径方向と周方向の速度成分X、Yを含む旋回流である。
ディフューザ18の気体はボリュート17へ圧送される。
図8は、図6におけるA−A線の矢視図であり、ハウジング壁部14aとシュラウド壁部15dの間における半径方向の流れの速度勾配vgを示す。
圧縮される気体が粘性流体であることから、気体の流れの速度分布VGは、中央付近が最も大きく、両壁部14a、15dに接近するにつれて小さくなる。
This centrifugal compressor sucks gas into the
The sucked gas is sent to the
As shown in FIG. 7, the gas compressed by the
The gas in the
FIG. 8 is a view taken along the line AA in FIG. 6 and shows a velocity gradient vg of the radial flow between the
Since the gas to be compressed is a viscous fluid, the velocity distribution VG of the gas flow is the largest near the center and becomes smaller as it approaches both
インペラ21から送り出される気体の流れの速度成分Vは、インペラ21の半径方向の速度成分Xと周方向Yの速度成分に分けることができる。
吸い込む気体の量が少ない場合(低流量運転時)、半径方向の速度成分Xは周方向の速度成分Yと比較して小さくなる。
低流量運転時には、流れの一部が圧力勾配に対抗できず、気体の一部が壁部14a、15dに沿って逆流する(図8における白抜矢印は主な気体の流れを示し、実線矢印は速度分布に対応する流れを示す。)現象を生じ、この現象は「ディフューザストール」と呼ばれる。
The velocity component V of the gas flow sent out from the
When the amount of gas to be sucked is small (during low flow operation), the radial velocity component X is smaller than the circumferential velocity component Y.
During low flow operation, part of the flow cannot counter the pressure gradient, and part of the gas flows backward along the
関連する技術として、特許文献1には、ディフューザ入口のディフューザ壁に羽根車(インペラ)と同心円状に設けられた第1のスリットとディフューザ途中のディフューザ壁に第1のスリットと同心円状に設けられた第2のスリットがバイパス流路により連通された遠心圧縮機が開示されている。
従来の遠心圧縮機では、低流量運転時にディフューザストールが生じるという問題がある。こうしたディフューザストールが生じると、遠心圧縮機の安定した運転が行なえなくなる。
特許文献1の技術は、翼を有するベーンドディフューザを備えた遠心圧縮機を適用の対象としている。
つまり、この技術はベーンドディフューザの翼におけるサージングを解消するための技術であり、上記のディフューザストールを解決することはできない。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、気体の流量が低流量であっても、ディフューザストールを防止したり抑制することができる遠心圧縮機の提供にある。
The conventional centrifugal compressor has a problem that a diffuser stall occurs during low flow operation. When such a diffuser stall occurs, the centrifugal compressor cannot be stably operated.
The technique of Patent Document 1 is applied to a centrifugal compressor including a vane diffuser having blades.
In other words, this technique is a technique for eliminating surging in the vane diffuser blade, and the above-described diffuser stall cannot be solved.
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a centrifugal compressor capable of preventing or suppressing a diffuser stall even when the gas flow rate is low. .
上記課題を達成するため、本発明は、ハウジングに軸支したインペラと、前記インペラの下流に配置されたディフューザと、前記ディフューザの出口と連通するボリュートとを備え、前記インペラの回転により前記ハウジングへ吸引した気体を少なくとも遠心力により圧縮する遠心圧縮機であって、前記ディフューザと前記ボリュートを連通し、かつ、前記ボリュートの気体の一部を前記ディフューザへ還流する還流通路を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、低流量運転時には、ディフューザにおける気体は、インペラからの気体が持つ半径方向の速度成分に加えて、還流通路からの気体の速度成分が加算される。
加算された速度成分により、半径方向の圧力勾配に対抗しうる運動量が付与される。
In order to achieve the above object, the present invention includes an impeller that is pivotally supported on a housing, a diffuser disposed downstream of the impeller, and a volute that communicates with an outlet of the diffuser. A centrifugal compressor that compresses the sucked gas by at least centrifugal force, and includes a reflux passage that communicates the diffuser and the volute and returns a part of the gas of the volute to the diffuser. To do.
According to the present invention, during low flow operation, the gas in the diffuser is added with the velocity component of the gas from the reflux passage in addition to the radial velocity component of the gas from the impeller.
The added velocity component provides a momentum that can counter the radial pressure gradient.
また、本発明では、前記還流通路の出口を前記ディフューザの入口付近に設けてよい。
またさらに、前記還流通路を直線状としてもよい。
さらに、本発明では、前記還流通路に開閉弁を設けてもよく、前記開閉弁は好ましくは遠心圧縮機の低流量運転時に開弁されるとよい。
In the present invention, the outlet of the reflux passage may be provided near the inlet of the diffuser.
Furthermore, the reflux passage may be linear.
Furthermore, in the present invention, an opening / closing valve may be provided in the reflux passage, and the opening / closing valve is preferably opened during low flow operation of the centrifugal compressor.
本発明によれば、気体の流量が低流量であっても、ディフューザストールを防止したり抑制することができる遠心圧縮機を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if the flow volume of gas is a low flow volume, the centrifugal compressor which can prevent or suppress a diffuser stall can be provided.
以下、本発明に係る遠心圧縮機の実施形態について、図1〜図4に基いて説明する。
なお、従来技術と共通又は類似する要素については同一の符号を用いるほか、従来技術の説明の一部を援用する。
この実施形態の遠心圧縮機は、インペラ21(羽根車)が取り付けられた回転軸12とハウジング13を備えている。
図1は遠心圧縮機の概要を破断して示す側面図である。図2はインペラ21の吸込み口16側とディフューザ18の概要を示す正面図である。図3は、還流通路周辺を破断して示す拡大側面である。図4は図2におけるB−B線の矢視図であり、ディフューザ18の入口付近における速度分布を示す図である。
Hereinafter, an embodiment of a centrifugal compressor according to the present invention will be described with reference to FIGS.
In addition, about the element which is common or similar to a prior art, the same code | symbol is used and a part of description of a prior art is used.
The centrifugal compressor of this embodiment includes a
FIG. 1 is a side view showing a schematic outline of a centrifugal compressor. FIG. 2 is a front view showing an outline of the
この実施形態に係る遠心圧縮機と従来の遠心圧縮機は、シュラウドハウジング15の構造が異なる点を除き、残りの要素は従来技術の遠心圧縮機と同一である。
図1及び図2に示すインペラ21は、回転軸12用の軸孔22aを有するディスク22と、ディスク22に放射状に形成された2種類の回転翼23、25を有する。
インペラ21は、ハウジング本体14とシュラウドハウジング15の間に配置され、ハウジング13に対して回転自在である。
インペラ21は、回転により気体を吸込み口16から吸込み、少なくとも遠心力により気体を圧縮してディフューザ18に送り込む機能を有する。
The centrifugal compressor according to this embodiment and the conventional centrifugal compressor are the same as those of the conventional centrifugal compressor except that the structure of the
The
The
The
〔インペラについて〕
インペラ21のディスク22は公知のものを採用することができる。
ディスク22には、図1に示すように長形翼23と短形翼25という2種類の回転翼が形成されている。
長形翼23と短形翼25は、図2に示されるように夫々6枚であり、両者23、25はいずれも薄板である。
長形翼23と短形翼25はディスク22において交互に配置されるとともに、互いに同角度を保つ関係にある。
このため、長形翼23の隣は短形翼25が位置し、短形翼25の隣は長形翼23が位置する。
長形翼23はインデューサ部23aとブレード部23bを備え、短形翼25は実質的に長形翼23のブレード部23bにほぼ相当する部分のみを備える。
長形翼23は、軸孔22aの縁を始点としてディスク22の回転方向と反対方向へ後退しつつディスク22の外周縁22bに達している。
短形翼は、ディスク22において軸孔22aよりも離れた点を始点(図示せず)として後退しつつディスク22の外周縁22bに達している。
[About the impeller]
A known
As shown in FIG. 1, the
As shown in FIG. 2, there are six
The
For this reason, the
The
The
The short blades reach the outer
長形翼23の軸孔22a側(上流側)はインデューサ部23aであり、残りの部分(インデューサ部23aより下流側)はブレード部23bとして形成されている。
インデューサ部23aの翼幅は、ブレード部23bと比較して広く設定されている。
ブレード部23bの翼幅は、インデューサ部23aの翼幅よりも狭く、かつ、ディスク22の外周縁22bへ至るにまでさらに狭くなる。
つまり、長形翼23の翼幅は上流側(始点)から下流側(終点)へ向かうにつれて狭くなりディスク22の外周縁22bでは殆ど収束される。
インデューサ部23aは、インペラ21が吸込む気体の向きを変えてブレード部23bの方へ案内する機能を有する。
この実施形態では、インデューサ部23a及びブレード部23bを有する長形翼23と、短形翼25とを備えたインペラ21としたが、長形翼23のみ設けたインペラ21としてもよい。
あるいは、ブレード部23bと独立して設けたインデューサ部23aを有するインペラとしてもよいし、明確なインデューサ部23aを備えないインペラであってもよい。
また、インペラを構成する回転翼の数や種類は限定されず、遠心圧縮機に要求される条件等に応じた回転翼の数や種類を適宜設定することができる。
The
The blade width of the
The blade width of the
That is, the blade width of the
The
In this embodiment, although the
Alternatively, it may be an impeller having an
Further, the number and type of rotor blades constituting the impeller are not limited, and the number and type of rotor blades according to conditions required for the centrifugal compressor can be set as appropriate.
〔シュラウドハウジングについて〕
図1に示すシュラウドハウジング15は、吸込み口16を形成する吸込み口壁部15aと、インペラ21に倣うように形成されたシュラウド部15bと、ボリュート17の外殻を形成するボリュート壁部15cと、ディフューザ18とボリュート17と隔絶するシュラウド壁部15dとを備えている。
吸込み口壁部15aはインペラ21の前方において筒状の吸込み口16を形成している。
シュラウド部15bは、インペラ21の吸込み口16側からディフューザ18の入口付近までインペラ21に倣っている。
ボリュート壁部15cは断面円形状のボリュート17を形成し、その端面はハウジング壁部14aに当接している。
シュラウド壁部15dはディフューザ18とボリュート17とを隔絶するほか、対向するハウジング壁部14aによりディフューザ18を形成する。
従って、ここでは、ボリュート17は、シュラウド部15bと、ボリュート壁部15cと、シュラウド壁部15dとにより形成されていると言える。
[About shroud housing]
A
The inlet
The
The
The
Accordingly, it can be said that the
ディフューザ18は、インペラ21の外周縁22b側を入口とし、ボリュート17側を出口としている。
ディフューザ18はインペラ21から送り込まれた気体の速度エネルギを圧力エネルギに変換する機能を有する。
ディフューザ18の出口はボリュート17と連通し、シュラウド壁部15dの端部は出口を臨む。
このように、ディフューザ18はインペラ21の下流に配置され、インペラ21の周方向にわたって設けられている。
The
The
The outlet of the
Thus, the
シュラウド壁部15dは、ボリュート17とディフューザ18とを連通する還流通路26を有する。
還流通路26は、ボリュート17内の高圧の気体の一部をディフューザ18へ還流させるための通路である。
ここでは、ボリュート17から還流通路26を通ってディフューザ18へ流れる気体のことを説明の便宜上還流気体と呼ぶ。
還流通路26は、少なくとも、ディフューザ18における気体の半径方向の速度成分Xを還流気体により増大させるための通路である。
還流通路26の出口はディフューザ18の入口付近に接続され、入口は還流通路26ができるだけ短くなるような位置に設けられている。
このため、還流通路26はシュラウド部15bとシュラウド壁部15dのほぼ間に設けられていると言える。
還流通路26を短縮化する目的は、還流気体が還流通路26を通過することに伴う圧損を抑制することにある。
短縮化された還流通路26は、ディフューザ18おける気体の半径方向の速度成分Xを増大させるために必要な流量を送ることができる。
The
The
Here, the gas flowing from the
The
The outlet of the
For this reason, it can be said that the
The purpose of shortening the
The shortened
ここでは、還流通路26は4つの円弧溝状の組み合わせから形成されている。
このため、ディフューザ18のほぼ周方向にわたって還流通路26が形成される。
還流通路26は溝に限らず、例えば、多数の円孔を円状に配列することにより実現することもできる。
還流通路26は、少なくとも、還流気体を通す通路として成立する構成であれば形状、数、位置等は適宜設定できる。
この実施形態では、ボリュート17とディフューザ18がシュラウド壁部15dに隔絶されることから、ボリュート17とディフューザ18が回転軸12の軸芯方向において並ぶように設けられたが、還流通路26はボリュート17とディフューザ18の配置に関係なく設けることができる。
例えば、ディフューザ18の外周側にボリュート17を設けた遠心圧縮機でもよく、この場合、還流通路は、例えばパイプ等の通路形成部材により形成することが好ましい。
Here, the
For this reason, the
The
The shape, number, position, and the like of the
In this embodiment, since the
For example, a centrifugal compressor in which a
図3は遠心圧縮機の低流量運転時の状態を示している。
遠心圧縮機が低流量運転をするとき、インペラ21がディフューザ18へ送り出した気体(図3における白抜矢印)は、ディフューザ18を通過し、ディフューザ18の出口を通じてボリュート17に達する。
ボリュート17の圧力はディフューザ18の圧力よりも高くなっている。
このため、ボリュート17の一部の気体は還流気体(図3における実線矢印)として還流通路26を通過してディフューザ18へ向かう。
還流気体は、ディフューザ18の入口付近においてインペラ21からの気体と合流する。
還流気体は、インペラ21からの気体との合流により、図2における半径方向の速度成分Xを増大させることになる。
つまり、ディフューザ18における気体は、インペラ21からの気体が持つ半径方向の速度成分と、少なくとも還流気体により加算された半径方向の速度成分を含む。
FIG. 3 shows the state of the centrifugal compressor during low flow operation.
When the centrifugal compressor operates at a low flow rate, the gas (the white arrow in FIG. 3) sent out by the
The pressure of the
For this reason, a part of the gas of the volute 17 passes through the
The reflux gas merges with the gas from the
The reflux gas increases the velocity component X in the radial direction in FIG. 2 by merging with the gas from the
That is, the gas in the
図4は、図2におけるB−B線の矢視図であって、低流量運転時におけるハウジング壁部14aとシュラウド壁部15dの間の流れの速度分布VGを示す。
また、図4において、白抜矢印は主な気体の流れを示し、実線矢印は速度に対応する気体の流れを示す。
さらに、図4では、説明の便宜上、還流通路26を備えない遠心圧縮機の場合の速度分布vgを鎖線にて示す。
この実施形態では、還流通路26がない場合に発達する一部の低速領域L(図4における破線ハッチング)は解消されている。
このため、両壁部14a、15dに沿う気体の逆流は防止されたり抑制される。
これは、還流気体とインペラ21からの気体との合流が、半径方向における速度成分Xを増大させ、少なくとも逆流を招く壁面近くの一部の低速領域Lが埋められるためである。
ここでは、還流気体は図4に示す一部の低圧領域Lを解消する。
つまり、ディフューザ18入口への還流による相対的な流量増加により、気体の半径方向成分の速度(運動量)を増大させ、壁面境界層の低速領域Lを縮小させて逆流が防止される。
FIG. 4 is an arrow view taken along the line BB in FIG. 2 and shows a flow velocity distribution VG between the
In FIG. 4, white arrows indicate the main gas flow, and solid arrows indicate the gas flow corresponding to the velocity.
Further, in FIG. 4, for convenience of explanation, the speed distribution vg in the case of a centrifugal compressor not provided with the
In this embodiment, a part of the low speed region L (broken line hatching in FIG. 4) that develops when there is no
For this reason, the backflow of the gas along both
This is because the merging of the reflux gas and the gas from the
Here, the reflux gas eliminates a part of the low pressure region L shown in FIG.
That is, the relative flow rate increase due to the reflux to the
この遠心圧縮機が高流量運転される場合、還流通路26は気体がディフューザ18へ向けて通過する。
高流量運転時にもボリュート17の気体が還流通路26を介してディフューザ18へ流れる。
還流気体がディフューザ18に流れることは、遠心圧縮機の性能に大きな影響を与えるものではない。
多少の影響を受ける場合があるとしても、還流気体がディフューザ18に流れることを考慮して、遠心圧縮機を設計すればよい。
When the centrifugal compressor is operated at a high flow rate, the gas passes through the
The gas in the
The flow of the reflux gas to the
Even if it may be affected somewhat, the centrifugal compressor may be designed taking into consideration that the reflux gas flows into the
この実施形態に係る遠心圧縮機は以上の構成を備え、上記のように作動するから以下の作用効果を奏する。
(1)上記の遠心圧縮機は、ディフューザ18とボリュート17を連通し、かつ、ボリュート17の気体の一部をディフューザ18へ還流する還流通路26を備えた構成であるから、ディフューザ18における気体は、インペラ21からの気体が持つ半径方向の速度成分に加えて、還流通路26からの気体(還流気体)の速度成分が加算される。加算された速度成分は壁面近くの低速領域を小さくし、逆流の発生を遅らせる。従って、気体の流量が低流量であっても、ディフューザストールを防止したり抑制することができる。
(2)上記の遠心圧縮機は、還流通路26の出口をディフューザ18の入口付近に設けた構成であるから、ディフューザ18の気体は、還流通路26からの気体(還流気体)の速度成分(半径方向)の加算を早い時期に受けられる。従って、ディフューザストールはディフューザ18の入口付近から出口付近に至る範囲が生じにくくなる。
(3)上記の遠心圧縮機は、還流通路26を直線状とした構成であるから、還流通路26における気体(還流気体)の圧損を抑制し易い。従って、還流通路26における気体は圧損による無駄を抑えて半径方向の速度成分Xの加算ができる
(4)ディフューザ18に還流通路26を設けるだけで、ディフューザストールを防止したり抑制することができる。このため、従来の遠心圧縮機のディフューザ18に還流通路26を設けることで、ディフューザストールを防止したり抑制することができる遠心圧縮機に改造できる。
Since the centrifugal compressor according to this embodiment has the above-described configuration and operates as described above, the following effects can be obtained.
(1) Since the above centrifugal compressor has a configuration in which the
(2) Since the centrifugal compressor has a configuration in which the outlet of the
(3) Since the centrifugal compressor has a configuration in which the
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態に係る遠心圧縮機について図5に基き説明する。
図5は、還流通路26の周辺を破断して示す要部拡大図である。
ここでは、説明の便宜上、先に説明した第1の実施形態で用いた符号を一部共通して用い、共通又は類似する構成についてはその説明を省略し、第1の実施形態の説明を援用するほか、第1の実施形態と異なる構成について説明する。
図5に示す還流通路26は開閉弁27を備えている。
開閉弁27は、還流通路26による気体の通過又は遮断を行う弁である。
この実施形態における開閉弁27は、高流量運転時に還流通路26を閉じ、低流量運転時に還流通路26を開く弁である。
つまり、遠心圧縮機の運転状況に応じて、還流通路26の開閉を行う弁であると言える。
開閉弁27は、その種類や形式は特に問われないが、遠心圧縮機の運転状態に応じて自動的に開閉される弁が好ましい。
開閉弁自体の開閉の手段や制御は適宜公知のものを選択すればよい。
さらに言うと、開閉弁27はボリュート17とディフューザ18の差圧により開閉される弁がより好ましい。
具体的には、例えば、撓み可能なリード式の開閉弁等を用いることができる。
(Second Embodiment)
Next, a centrifugal compressor according to a second embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is an enlarged view of an essential part showing the periphery of the
Here, for convenience of explanation, a part of the reference numerals used in the first embodiment described above is used in common, the description of the common or similar configurations is omitted, and the description of the first embodiment is used. In addition, a configuration different from that of the first embodiment will be described.
The
The on-off
The on-off
That is, it can be said that the valve opens and closes the
The type and form of the on-off
As the means and control for opening and closing the on-off valve itself, known ones may be selected as appropriate.
Furthermore, the opening / closing
Specifically, for example, a bendable lead type on-off valve or the like can be used.
高流量運転時に閉じた開閉弁27は、還流気体がディフューザ18に流れることによる、遠心圧縮機の性能への影響を確実に解消する。
このため、還流気体がディフューザ18に流れることを考慮することなく、遠心圧縮機を設計することができる。
低流量時では開閉弁27は開弁されるから、第1の実施形態と同様の作用効果を奏する。
上記の遠心圧縮機は、還流通路26に開閉弁27を設けた構成であるから、還流気体は遠心圧縮機の運転状態に応じてディフューザ18へ流れたり、遮断されたりする。従って、遠心圧縮機は、ディフューザ18に対する還流気体による影響を受けないように、運転状態を設定することができる。
上記の遠心圧縮機における開閉弁27は遠心圧縮機の低流量運転時に開弁されるから、低流量運転時にディフューザ18へ還流気体が流れ、他方、低流量運転以外の運転状態ではディフューザ18に還流気体が流れない。
従って、遠心圧縮機は低流量運転時にディフューザストールを防止したり抑制することができる。
また、遠心圧縮機は低流量運転以外の運転時には還流気体の影響を受けることはない。
The on-off
For this reason, the centrifugal compressor can be designed without considering that the reflux gas flows into the
Since the on-off
Since the centrifugal compressor has a configuration in which the open /
Since the on-off
Therefore, the centrifugal compressor can prevent or suppress the diffuser stall at the time of low flow operation.
Further, the centrifugal compressor is not affected by the reflux gas during the operation other than the low flow rate operation.
なお、上記の実施形態に係る遠心圧縮機は本発明の一実施形態を示すものであり、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能である。
また、シュラウドハウジング15を除く構成要素は、公知の構成要素や手段を適宜採用することことができる。
The centrifugal compressor according to the above-described embodiment shows an embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the gist of the invention. Is possible.
Moreover, a well-known component and means can be suitably employ | adopted for the component except the
21 インペラ
12 回転軸
13 ハウジング
14 ハウジング本体
14a ハウジング壁部
15 シュラウドハウジング
15d シュラウド壁部
16 吸込み口
17 ボリュート
18 ディフューザ
22 ディスク
22a 軸孔
22b 外周縁
23 長形翼
23a インデューサ部
23b ブレード部
25 短形翼
26 還流通路
27 開閉弁
21
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