JP2006194238A - 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4に示すように、インペラ11(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。
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11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11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、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。
インペラ11は放射状に取り付けられた回転翼19を備えている。
回転翼19の上流側はインデューサ部19aが形成され、残りの部分はブレード部19bとして形成されている。
インデューサ部19aとブレード部19bの境界は明確ではないが、インデューサ部19aは回転翼19において吸込み口16側の一定領域を占める部位であり、残りの部位がブレード部19bに相当する。
A centrifugal compressor is known as one of compressors for compressing gas.
For example, as shown in FIG. 4, the conventional centrifugal compressor includes a
The
The
The
The
The
The
An
Although the boundary between the
この遠心圧縮機は、インペラ11の回転により気体をハウジング13へ吸込む。
吸込まれた気体はインペラ11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。
インペラ11により圧縮された気体は半径方向と周方向の速度成分を含む旋回流となり、ディフューザ18からボリュート17へ圧送される。
This centrifugal compressor sucks gas into the
The sucked gas is sent to the
The gas compressed by the
図5は、回転翼19の断面形状を示す図である。
回転翼19の上流側翼端P(図5(a)、(b)においてインデューサ部19aの左側端)と下流側翼端Q(図5(a)、(b)においてブレード部19bの右側端)を結ぶ直線を翼弦線Sとしている。
図5(a)、(b)では、回転翼19における上面の翼弦は下面の翼弦と比較して長く設定されている。
上流側翼端Pを始点として下流側翼端Qへ向かう気体は、インデューサ部19aの上面と下面に沿って分かれて流れる。
上流側翼端Pにおいて同時に分かれた気体の流れは連続の条件により下流側翼端Qにおいて同時に合流することから、上面を流れる気体は下面を流れる気体より早い速度を有し、上面側では下面側よりも低圧となる。
つまり、図5(a)、(b)では回転翼19の下面は正圧面mであり、上面は負圧面nとなる。
FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional shape of the
The upstream blade tip P of the rotor blade 19 (the left end of the
5 (a) and 5 (b), the upper chord of the
The gas from the upstream blade tip P toward the downstream blade tip Q flows separately along the upper and lower surfaces of the
Since the gas flows separated at the upstream wing tip P simultaneously merge at the downstream wing tip Q due to the continuous conditions, the gas flowing on the upper surface has a higher speed than the gas flowing on the lower surface, and the upper surface side is faster than the lower surface side. Low pressure.
That is, in FIGS. 5A and 5B, the lower surface of the
通常、インデューサ部19aの上流側翼端Pを基準とした気体流の向き(図5における矢印T)とインデューサ部19aの翼弦線Sとの角度は、インシデンス(この角度は「入射角」とも呼ばれる)と呼ばれる。
インシデンスは、インペラ11が回転することと相俟って、インデューサ部19aにおける上流側翼端Pの周速度と気体の流入速度の合成により定まる。
従って、インペラ11の回転数が一定の条件では、インシデンスは気体の流量の多寡により変動する。
Usually, the angle between the direction of the gas flow with reference to the upstream blade tip P of the
Incidence is determined by the combination of the peripheral speed of the upstream blade tip P and the gas inflow speed in the
Therefore, the incidence varies depending on the gas flow rate under the condition that the rotation speed of the
例えば、インペラ11の回転数を一定とするとき、気体の流量が増大すると、図5(a)に示すように、インシデンスは小さくなる。
インシデンスが小さい場合には、正圧面mと負圧面nとの圧力差が比較的小さく、気体の境界層BL(図5(a)では図示されず)は正圧面m及び負圧面nに対して剥がれる状態にない。
気体の流量が減少すると、図5(b)に示すようにインシデンスは増大する。
インシデンスが大きい場合には、正圧面mの負圧面nとの圧力差が大きく、負圧面nにおける気体の境界層BLが負圧面nから剥離する場合がある。
負圧面nに対する境界層BLの剥離は、インシデンスが増大するほど生じ易くなる。
遠心圧縮機では、図5(a)に示す高流量運転は負圧面nに対する境界層BLの剥離の心配はないが、低流量運転は負圧面nに対する境界層BLの剥離のおそれが高い。
負圧面nにおける境界層BLの剥離は、逆流の原因となる。
このようにして、境界層BLの剥離は、インデューサストールやサージング(自励振動)を招く等、圧縮機の性能を低下させる要因である。
For example, when the rotational speed of the
When the incidence is small, the pressure difference between the pressure surface m and the suction surface n is relatively small, and the gas boundary layer BL (not shown in FIG. 5A) is relative to the pressure surface m and the suction surface n. It is not in a state of peeling.
When the gas flow rate decreases, the incidence increases as shown in FIG.
When the incidence is large, the pressure difference between the pressure surface m and the suction surface n is large, and the gas boundary layer BL on the suction surface n may peel from the suction surface n.
The separation of the boundary layer BL from the suction surface n is more likely to occur as the incidence increases.
In the centrifugal compressor, the high flow rate operation shown in FIG. 5A is not concerned about the separation of the boundary layer BL from the suction surface n, but the low flow rate operation has a high risk of the separation of the boundary layer BL from the suction surface n.
The separation of the boundary layer BL on the negative pressure surface n causes backflow.
In this way, separation of the boundary layer BL is a factor that degrades the performance of the compressor, such as causing inducer stall or surging (self-excited vibration).
特許文献1には、インデューサブリード穴よりも上流に流体導入孔を穿設した遠心圧縮機が開示されている。
しかしながら、この技術は、遠心圧縮機の外から気体を導入し、インデューサ-スロート部の直下流で発生するチョーク現象を緩和する技術であり、インデューサブリードのインペラの効率向上を維持しながら、遠心圧縮機全体の効率を図るための技術である。
However, this technology introduces gas from the outside of the centrifugal compressor and mitigates the choke phenomenon that occurs immediately downstream of the inducer-throat section, while maintaining the improved efficiency of the impeller of the inducer sublead, This is a technique for improving the efficiency of the entire centrifugal compressor.
従来の遠心圧縮機では、インデューサ部における負圧面の境界層が、低流量運転時に負圧面に対して剥離するという問題がある。
因みに、こうした境界層の剥離を防止する方法として、例えば、遠心圧縮機の回転数を気体の流量に応じて減少させ、インシデンスを小さくする方法も考えられる。
しかしながら、遠心圧縮機は要求される性能により基本的仕様はほぼ固定される。
従って、基本的仕様に基づく運転条件から逸脱するようなインペラの低速回転は、遠心圧縮機として必要とする性能を実現することはできず、現実的ではない。
特許文献1に記載された遠心圧縮機は上記の問題を依然として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、インデューサ部の負圧面に対する気体の境界層の剥離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。
In the conventional centrifugal compressor, there is a problem that the boundary layer of the suction surface in the inducer part peels from the suction surface during low flow operation.
Incidentally, as a method of preventing such separation of the boundary layer, for example, a method of reducing the incidence by reducing the rotational speed of the centrifugal compressor in accordance with the flow rate of the gas can be considered.
However, the basic specifications of the centrifugal compressor are almost fixed depending on the required performance.
Therefore, the low speed rotation of the impeller that deviates from the operating conditions based on the basic specifications cannot realize the performance required as a centrifugal compressor, and is not realistic.
The centrifugal compressor described in Patent Document 1 still cannot solve the above problem.
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to prevent or suppress the separation of the gas boundary layer from the negative pressure surface of the inducer even when the gas flow rate is low. There is in providing a centrifugal compressor that can do.
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を備え、該インペラの回転により前記ハウジングへ吸込み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、前記インペラは正圧面と負圧面が形成されたインデューサ部を備え、前記正圧面と前記負圧面を連通する通孔を設けたことを特徴とする。
本発明によれば、気体の流量が低流量運転時には、インデューサ部の正圧面側の一部の気体が通孔を通り負圧面へ流れる。
正圧面から負圧面に流れる一部の気体は負圧面における境界層の剥離を妨げる。
また、本発明では前記インデューサ部の上流側翼端寄りに前記通孔を設けてもよい。
さらに、本発明では前記通孔を複数個設けてもよく、例えば、複数の前記通孔を前記インペラの略半径方向に配列してもよい。
In order to achieve the above object, the present invention is a centrifugal compressor that includes an impeller that is pivotally supported by a housing, and that compresses the gas sucked into the housing by rotation of the impeller by at least centrifugal force, and the impeller has a pressure surface. And an inducer part formed with a suction surface, and a through hole for communicating the pressure surface and the suction surface is provided.
According to the present invention, when the gas flow is operated at a low flow rate, a part of the gas on the pressure surface side of the inducer portion flows through the through hole to the suction surface.
Some gas flowing from the pressure surface to the suction surface prevents separation of the boundary layer on the suction surface.
In the present invention, the through hole may be provided near the upstream blade tip of the inducer portion.
Further, in the present invention, a plurality of the through holes may be provided. For example, the plurality of through holes may be arranged in a substantially radial direction of the impeller.
本発明によれば、気体の流量が低流量であっても、インデューサ部の負圧面に対する気体の境界層の剥離を防止したり抑制することができる。 According to the present invention, even when the gas flow rate is low, peeling of the gas boundary layer from the negative pressure surface of the inducer can be prevented or suppressed.
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3に基づいて説明する。
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を示す正面図である。図3は、回転翼23の断面形状を示し、高流量運転と低流量運転の気体の状態を説明する図である。
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 the
この実施形態に係る遠心圧縮機は、図4に示す従来技術のインペラと構造が異なる点を除き、残りの要素は同一である。
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とを有する。
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 is the same as that of the conventional impeller shown in FIG. 4 except that the structure is different.
The
The
The
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。
この実施形態では、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。
A known
In this embodiment, 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。
図2では長形翼23における両者23a、23bを境界を便宜的に点線にて示したが、実際は両者23a、23bの境界は明確となっていない。
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おり、インデューサ部23aの上流側翼端Pはディスク22の半径方向と略一致する。
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。
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。
インデューサ部23aにおける吸込み口16側の翼面は負圧面nであり、ディスク22側を臨む翼面が正圧面mである。
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く、少なくとも、インデューサ部23aを有するインペラであればよい。
さらに、回転翼23、25の数も6枚に限定されず、適宜の数の回転翼23、25を設定してもよい。
The
In FIG. 2, the boundary between the two
The blade width of the
The blade width of the
The
The blade surface on the
In this embodiment, the
Alternatively, an impeller having an
Furthermore, the number of
インデューサ部23aは正圧面mと負圧面nを連通する円孔24を有する。
すなわち、円孔24はインデューサ部23aの両翼面を貫通する通孔である。
この実施形態では、各インデューサ部23aに3個の円孔24が夫々形成されているほか、これらの円孔24は、各インデューサ部23aの上流端翼端P付近において、略半径方向に配列されている。
つまり、これらの円孔24はインデューサ部23における気体の流れ方向に対して略直角方向に配列されている。
円孔24は正圧面mから負圧面nへ気体が通過することができる通孔である。
この円孔24は、遠心圧縮機の低流量運転時、、負圧面nに対する気体の境界層BLの剥離を防止するために設けられている。
つまり、この円孔24は、正圧面mから負圧面nへ気体を通過させることにより、負圧面nの負荷を軽減するための通孔である。
The
That is, the
In this embodiment, each of the
That is, these
The
The
That is, the
この実施形態の通孔は円孔24としたが、通孔は円孔24に限らず、楕円孔、長孔、多角形孔、不定形孔、スリット等としてよく、通孔の形状や寸法は特に限定されない。
通孔の数も限定されず、少なくとも1以上の適宜の数の通孔を設ければよい。
複数の通孔が設けられる場合、異なる形状の通孔を組み合わせてもよく、複数の通孔の配置も流れの方向の略直角方向(インデューサ部23aの略半径方向)に限らず、適宜の位置に配置すればよい。
通孔の位置は、基本的に低流量運転時において負圧面nにおける剥離を解消することができる位置にあればよく、遠心圧縮機に要求される能力やインデューサ部23aの断面形状等の諸条件を考慮して適宜設定すればよい。
例えば、長形翼23の上流側翼端P側(インデューサ部23aの上流側半分)に設けることが好ましい。
つまり、負圧面nにおける剥離の開始点の上流側に通孔が存在すればよい。
ただし、剥離の開始点の下流側に通孔を設けることを妨げる趣旨ではない。
このように、通孔は適当な形状、位置で適当な数を設けることにより、正圧面m側の気体を負圧面n側に導く。
そして、孔の形状、位置、個数等は、インデューサ部23aにおける剥離の状況等により剥離の防止のために最適な条件を設定すればよい。
Although the through hole of this embodiment is a
The number of through holes is not limited, and an appropriate number of at least one through hole may be provided.
When a plurality of through holes are provided, through holes having different shapes may be combined, and the arrangement of the plurality of through holes is not limited to a substantially right-angle direction in the flow direction (substantially radial direction of the
The position of the through hole should basically be at a position where peeling at the negative pressure surface n can be eliminated during low flow operation, and there are various requirements such as the capacity required for the centrifugal compressor and the cross-sectional shape of the
For example, it is preferably provided on the upstream blade tip P side of the long blade 23 (upstream half of the
That is, it is sufficient that a through hole exists on the upstream side of the peeling start point on the negative pressure surface n.
However, this does not prevent the provision of the through hole downstream of the starting point of peeling.
In this way, by providing an appropriate number of through holes in an appropriate shape and position, the gas on the pressure surface m side is guided to the suction surface n side.
The shape, position, number, and the like of the holes may be set to optimum conditions for preventing peeling depending on the peeling state in the
図3(a)は遠心圧縮機の高流量運転の状態を示している。
遠心圧縮機が高流量運転するとき、インデューサ部23aに対する気体のインシデンスは低流量運転のときよりも小さくなる。
インシデンスが十分に小さく設定される高流量運転のとき、インデューサ部23aの負圧面nにおける気体の境界層BL(図3(a)において図示されず)は負圧面nから剥離しにくい。
つまり、インシデンスが小さい程、インデューサ部23aの周りでは不安定な空気の流れが生じるおそれは少ない。
高流量運転のとき、負圧面n側は正圧面m側よりも圧力が低いため、一部の気体は円孔24を通過して正圧面mから負圧面nへ流れる。
このときに円孔24を通過する気体の一部は、高流量運転中の遠心圧縮機に大きな影響を及ぼすことはない。
FIG. 3A shows a state of high flow operation of the centrifugal compressor.
When the centrifugal compressor operates at a high flow rate, the gas incidence to the
In the high flow rate operation in which the incident is set to be sufficiently small, the gas boundary layer BL (not shown in FIG. 3A) on the negative pressure surface n of the
In other words, the smaller the incidence, the lower the possibility that an unstable air flow will occur around the
During high flow rate operation, the pressure surface n side has a lower pressure than the pressure surface m side, so that part of the gas passes through the
At this time, a part of the gas passing through the
図3(b)は遠心圧縮機の低流量運転の状態を示している。
遠心圧縮機が低流量運転するとき、インデューサ部23aに対するインシデンスは高流量運転よりも大きく設定される。
インシデンスが大きくなる低流量運転のとき、インデューサ部23aの負圧面nにおける気体の境界層は負圧面から剥離し易くなる。
このとき、円孔24は正圧面m側の気体を一部を通過させて負圧面nへ気体を流す。
負圧面n側は、正圧面m側からの気体の供給を受けることにより、気体の境界層BL(図3(b)において図示されず)は剥離しにくくなる。
つまり、低流量運転時において円孔24を通過する気体の一部(図3(b)において破線矢印で示す)は、負圧面nと境界層BLとの剥離を防止または抑制する。
FIG. 3B shows a state of low flow rate operation of the centrifugal compressor.
When the centrifugal compressor operates at a low flow rate, the incidence on the
In the low flow rate operation where the incidence increases, the gas boundary layer on the negative pressure surface n of the
At this time, the
The negative pressure surface n side is supplied with gas from the positive pressure surface m side, so that the gas boundary layer BL (not shown in FIG. 3B) is difficult to peel off.
That is, a part of the gas that passes through 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)インペラ21は正圧面mと負圧面nが形成されたインデューサ部23aを備え、正圧面mと負圧面nを連通する通孔(円孔24)を設けたため、低流量運転であっても、気体の一部が正圧面m側から負圧面n側へ通孔を通過し、従来の遠心圧縮機と比較して、負圧面nと境界層BLの剥離を防止したり抑制することができる。このため、インデューサストールやサージングを防止したり抑制することができる。つまり、遠心圧縮機の安定した運転を達成することができる。
(2)複数個の通孔(円孔24)を設けたことから、インデューサ部23aに要求される機能を損なうおそれが少なくなる。つまり、複数個の通孔(円孔24)を設けることで、単一の通孔を設ける場合と比較して、負圧面nと境界層BLの剥離を防止又は抑制に対する自由度が高くなる。
(3)複数の通孔(円孔24)をインペラ21の略半径方向に配列したから、流れの直角方向(翼面の幅方向)にわたって境界層の剥離を防止したり抑制したりすることができ、インデューサ部23aにおける境界層BLの剥離を防止することも可能となる。
(4)インデューサ部23aに設けた通孔(円孔24)は、高流量運転においてインデューサ部23aの機能に著しい影響を与えることはない。このため、遠心圧縮機の性能は従来の遠心圧縮機と同様に維持される。
(5)インデューサ部23aに通孔(円孔24)を設けるだけで、負圧面nと境界層BLの剥離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インデューサ部23aに通孔(円孔24)を設けることで、負圧面nと境界層BLの剥離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) The
(2) Since a plurality of through holes (circular holes 24) are provided, there is less risk of impairing the function required for the
(3) Since the plurality of through holes (circular holes 24) are arranged in the substantially radial direction of the
(4) The through hole (circular hole 24) provided in the
(5) By simply providing the through hole (circular hole 24) in the
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、インデューサ部を除く構成要素は、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 a means can be suitably employ | adopted for the component except an inducer part.
11、21 インペラ
12 回転軸
13 ハウジング
14 ハウジング本体
15 シュラウドハウジング
16 吸込み口
17 ボリュート
18 デフューザ
19 回転翼
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
24 円孔(通孔)
25 短形翼
11, 21
25 short wing
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