JP2006200489A - 遠心形流体機械およびその吸込ケーシング - Google Patents

Abstract

【課題】
簡単な構成で遠心形流体機械の吸込流れを均一化する。
【解決手段】
遠心形流体機械１００は、回転軸２と、この回転軸に取り付けた遠心羽根車１と、これら回転軸および遠心羽根車を収容するケーシング４とを備える。ケーシングの側面部に、遠心形流体機械に作動ガスを導く吸込配管３を設ける。また、吸込配管から吸い込まれた作動ガスを遠心羽根車に導く吸込流路１７を、ケーシングの内部に形成する。吸込流路には、回転軸に同心の円弧状のガイドフェンス６が設けられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、遠心形流体機械に係り、特にその吸込ケーシングに関する。

従来の遠心形流体機械の吸込ケーシングの例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の吸込ケーシングでは、横吸込型の遠心圧縮機のインペラに流入する気流の円周方向における速度分布を均一化するために、吸込口から吸い込まれる気流を分割する吸込ケーシングガイドを吸込ケーシングの流路内に設けている。そして、この吸込ケーシングガイドにより分割された吸込ケーシング流路中央部の吸込口に対する流路面積割合を、吸込ケーシングガイドの入口での流路面積割合に比べ吸込ケーシングガイドの出口での流路面積割合が、１０〜３０％大きくなるように設定している。

特開平１０−３１８１９１号公報

遠心形流体機械において吸込ケーシングの流路断面積を大きくするには、ケーシングの軸方向長さを長くすればよい。しかし、ケーシングの軸方向長さを長くすると、ケーシングの重量が増加したり、ケーシングとともに回転軸が長くなり危険速度が低下するるという不具合が生じる。特に、多段の流体機械では軸の危険速度が低下するのを回避するために、回転軸を支承する軸受間の長さを短縮させる要求があるので、吸込ケーシングの軸方向長さを長くすることは、この要求に相反している。

吸込ケーシングの流路断面積を大きくする他の方法としては、吸込配管を上流側から徐々に拡大して、吸込ケーシングに流入するときに流れの周方向均一化を実現する方法がある。しかしこの方法では、吸込配管を下流に向かって扁平状の断面にする必要があり、円管を吸込配管にそのまま使用する場合よりも製作コストが高くなる。さらに、吸込配管と吸込ケーシングの接続部分が長くなり、溶接作業の工数が増加し、コスト増を招く。特に高圧の圧縮機などでは、厚肉での溶接部分が深くかつ長くなり、強度信頼性の点からも好ましくない。

一方、上記特許文献１に記載の吸込ケーシングでは、入口部分にガイド板を設けて流れを周方向に均一化させているが、吸込ケーシングの流路幅が狭いと十分に流れを均一化がするのが困難である。ガイド板は、その取り付け位置や方向、長さなどの複数の設計パラメータを有しており、最適なガイド板形状を得るには経験や多数の実験が必要となる。

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、簡単な構成で遠心形流体機械の吸込流れを均一化することにある。本発明の他の目的は、軸方向長さを長くすることなく、遠心形流体機械の吸込流れを均一化することにある。本発明のさらに他の目的は、仕様が異なる遠心形流体機械であっても統一した手法で遠心形流体機械の吸込流れを均一化することにある。そして本発明は、これら目的の少なくとも一つを達成することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の特徴は、回転軸と、この回転軸に取り付けた遠心羽根車と、これら回転軸および遠心羽根車を収容するケーシングとを備えた遠心形流体機械において、ケーシングの側面部にこの遠心形流体機械に作動ガスを導く吸込配管を設け、この吸込配管から吸い込まれた作動ガスを遠心羽根車に導く吸込流路をケーシングの内部に形成し、この吸込流路に前記回転軸に同心の円弧状のガイドフェンスを設けたものである。

そしてこの特徴において、ガイドフェンスの軸方向高さはのソ半径位置の流路の軸方向幅よりも低く、外度フェンスの軸方向高さは吸込配管に対応する位置で最も高く、吸込配管から遠ざかるにしたがい低くなるのが好ましく、ガイドフェンスの周方向長さθが、θ＝４５゜〜１２０゜であることが好ましい。ここで、θは、吸込配管位置を基準とした周方向位置であり、この基準位置から左右にそれぞれほぼ同角度とする。また、遠心形流体機械は、多段の遠心圧縮機であってもよい。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、回転軸と、この回転軸に取り付けた少なくとも１段の遠心羽根車とを有する遠心形流体機械に用いられ、初段の遠心羽根車に流れを導く吸込流路が内部に形成された吸込ケーシングにおいて、吸込流路に作動ガスを導く吸込配管と、回転軸に同心の円弧状の板で形成されたガイドフェンスとを設けたものである。

そしてこの特徴において、円弧状のガイドフェンスの周方向長さを、吸込配管の位置を基準として、±４５°〜±１２０°とするのが好ましく、またガイドフェンスの軸方向高さは流路幅よりも低く、かつ吸込配管の位置からガイドフェンスの端部に向かうにつれて低くするのが好ましい。

本発明によれば、遠心形流体機械の吸込ケーシングに、羽根車に流れを整流して導くガイドフェンスを設けたので、きわめて簡単な設計かつ低コストで、羽根車の流入速度分布を均一化し、遠心形流体機械の性能を向上できる。また、吸込流路の軸方向長さを短くでき、遠心形流体機械を小型化できる。さらに、自動設計システムへの組込みや図面化が容易になり、遠心形流体機械の吸込流れを統一した手法で改善および均一化できる。

本発明に係る遠心形流体機械のいくつかの実施例を、以下図面を用いて説明する。なお、本実施例では多段遠心圧縮機を例にとり説明するが、その他の遠心形流体機械にも本発明を適用できることは言うまでもない。図１に、多段遠心圧縮機の縦断面図を、図２に図１に示した多段遠心圧縮機のＡ−Ａ断面図を示す。

多段遠心圧縮機１００では、1本の回転軸２に複数の羽根車１が取り付けられている。回転軸の両端部は、軸受ケース１１ａに保持された軸受１１ｂで回転自在に支承されている。各段の羽根車１の半径方向外径側には、作動ガスの流路がほぼ径方向に形成されており、この流路はディフューザを形成する。ディフューザには、周方向に間隔を置いて配置された複数の翼を有する羽根付ディフューザや、翼を全く有しない羽根なしディフューザが用いられる。図１では、羽根付ディフューザ１２を示している。

羽根付ディフューザ１２の下流側は、次段の羽根車１への吸込流路を形成するために、作動ガスの流れを半径方向外向き流れから半径方向内向き流れにするリターンチャンネル１３となっている。このリターンチャンネル１３には、作動ガスの流れを整流するためにリターンガイド１４が周方向に間隔をおいて配置されている。羽根付ディフューザおよびリターンチャンネルは静止流路８を構成する。

最終段の下流側であって羽根車２の半径方向外方には、スクロール１５が形成されており、最終段の羽根車２から流出する高圧の作動ガスを集めて吐出配管９から機外へ吐出するように構成されている。羽根付ディフューザ１２とリターンチャンネル１３との間であって回転軸１と僅かな隙間をもって、前段の羽根車２から吐出された作動ガスが後段の羽根車２に流入するのを防止するシール手段１６が取り付けられている。

シール手段１６は、最終段羽根車２から吐出された作動ガスが、スクロール１５に流入することなく直接機外に漏洩するのを防止するために、最終段羽根車２の裏面側にも回転軸１と僅かな隙間をもって配置されている。また、機外から初段羽根車２に直接流入するのを防止するために、初段羽根車２の吸込側であって軸方向前方にも回転軸２と僅かな隙間をもって配置されている。これらのシール手段１６には、多くラビリンスシールを用いる。

初段羽根車１に作動ガスを導入する吸込ケーシング５の形状は、その他の段の静止流路８とは、異なった形状となっている。すなわち、羽根車２および回転軸１を収容する円筒形のケーシング４の初段羽根車１側端部には、吸込ケーシング５が形成されている。そして吸込ケーシング５では、初段羽根車１での軸方向吸込を可能にするために、ケーシング４の円筒側面部に断面円形の吸込配管３が形成されている。吸込配管３から吸い込まれた作動ガスは半径方向内側に導かれ、羽根車１の吸込部に流入する。

ところで吸込配管３を高速で流通する作動ガスは、吸込配管３の出口部では、円環状に形成された吸込ケーシング５に噴流状に流入する。その結果、初段羽根車１の吸込口では均一な流量の流れとはならず、吸込配管３に近い側の流量が大で、吸込配管３から遠い側の流量が小となる不均一な流量分布となる。本発明ではこの不具合を解消するために、円弧状のガイドフェンス６を吸込ケーシングに設けている。この詳細を、図２を用いて説明する。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。

吸込ケーシング５に形成した吸込流路１７の軸方向ほぼ中央部であって外径側に、吸込配管３が接続されている。吸込流路１７の半径方向中間部には、ガイドフェンス６を取り付けている。ガイドフェンス６は円弧状の板であり、吸込配管３の軸線を基準にして円周方向左右側にθの範囲に形成されている。ガイドフェンス６の軸方向長さは、周方向に異なっており、吸込配管３に対向する部分では、僅かに吸込流路１７の中心よりも軸方向吸込側に延びており、端部に近づくにつれて軸方向長さが短くなっている
このように構成した本実施例では、吸込ケーシング５の内部の吸込流路１７において、吸込配管３から噴流状に流入した作動ガスの流れ７は、その一部がガイドフェンス６に沿って流れる。このガイドフェンス６に沿う流れ７ｂは、ガイドフェンス６に沿って吸込ケーシング５の反吸込配管側まで回り込む。そして、ガイドフェンス６の切れ目よりも反吸込配管側では、流れ７ｂの慣性により吸込配管３から最も遠い位置までもその一部が到達し、その後は軸方向に流れの向きを変えて羽根車１に流入する。

吸込配管３から吸込流路１７に流入した流れ７の残り７ａは、吸込流路１７のガイドフェンス６が設けられていない軸方向隙間部分１８を半径方向内側に流れ込み、次いで流れの向きを軸方向に変えて羽根車１の吸込部に流入する。なお、ガイドフェンス６に沿う流れ７ｂの一部は、周方向にガイドフェンスの軸方向長さが変化しているので、ガイドフェンス６に沿ってガイドフェンス６の切れ目まで流れずに、ガイドフェンス６の途中から流れの向きを軸方向に変えて、羽根車１に流入する。

吸込流路１７にガイドフェンス６を設けたので、羽根車１の吸込部に流入する流れの流量分布が均一化され、ガイドフェンスがない場合に比べて羽根車１を高効率で運転できる。なお、ガイドフェンス６を設けると、吸込配管３を流通する流れ７が噴流状にガイドフェンスに衝突するので、抵抗になり若干の流れの衝突損失が生じる。しかしながら、吸込ケーシング５内の適切な位置にガイドフェンス６を設置しているので、吸込ケーシング５内の流れの流速が一様化されて不均一流れの混合による流れの損失を低減している。圧縮機全体の損失は、低減される。ガイドフェンス６による損失増加よりも、羽根車１に流入する流れの周方向の均一化による効率向上のほうが大きいので、遠心圧縮機の性能が向上する。

本実施例で示したガイドフェンス６を設けない場合、吸込配管からの流れ７は吸込ケーシング５に噴流状に流入し、ほぼ直進する。したがって、反吸込配管側に回り込む流れが少なく、ほとんどの流体は図２の上方向から直接羽根車へ流入する。羽根車１の入口の上部分では大流量となり、羽根車１の入口の下側では小流量となる。したがって、いずれの位置においても、羽根車１の羽根に流入する流れは大きな迎え角を有し、羽根車１の性能が著しく低下する。

吸込配管３からガイドフェンス６に流入する流れ７の一部は、ガイドフェンス６に沿って流れ、残りの一部はガイドフェンス６に途中まで沿って流れ、残りはガイドフェンス６と吸込ケーシング５の吸込流路１７壁面間に沿って流れるようにしたので、ガイドフェンス６というきわめて簡単な構造を付加するだけで、羽根車１に流入する流量を周方向に均一化できる。また、ガイドフェンス６の主な設計パラメータは、ガイドフェンス６の取付け半径位置、ガイドフェンス６の高さ（軸方向長さ）、およびガイドフェンス６の周方向長さ（ガイドフェンスの取り付け角度θｍａｘ）だけである。したがって、吸込流路１７の形状に応じて、ガイドフェンス６容易に設計できる。

なお、ガイドフェンス６の周方向長さθｍａｘは、４５°〜１２０°の範囲とする。周方向長さθｍａｘが４５゜未満では、吸込配管３を出た流れ７の慣性がまだ大きく、ガイドフェンス６の切れ目からすぐに軸方向流れに変わり、反吸込配管側に回り込む流れが少なくなり、流量の不均一性がそれほど改善されない。これに対し、周方向長さθｍａｘが１２０゜を越えると、ガイドフェンス６に沿う流れ７ｂが、軸方向に流れの向きを変えて羽根車１に流入する代わりにそのまま吸込流路を循環する流れも生じる。この循環流は、流れ損失となる。

ガイドフェンス６の高さ（軸方向長さ）は、吸込配管３の位置である周方向位置θ＝０°で最も高く、θが大きくなるにつれて徐々に低くする。これにより、周方向位置θが大きくなるとガイドフェンス６を越えて羽根車１へ流入しやすくなる。その結果、周方向流れの均一化が促進される。

図３に、本発明に係る吸込ケーシングの他の実施例を示す。吸込配管３ａと吸込ケーシング５との接続部を、テーパ状に拡大するように形成している。吸込配管３aをテーパ状に拡大するようにしたので、吸込配管３から吸込流路１７に流入する流れ７の一部は、既に吸込配管３内で周方向に流れる成分を有している。この場合、ガイドフェンスの周方向長さを短くしても、吸込配管３から流出する流れは周方向に回りこみ、羽根車１への流入流れの流量が周方向に均一化する。本実施例においても、ガイドフェンスの高さを、θ＝０°の位置で最も高く、θが大きくなるにつれて徐々に低くする。

上記説明は多段の遠心圧縮機についてであり、本発明を多段機に適用した場合に効果が顕著である。しかしながら、単段機においても本発明を適用すれば、流れの均一化および小型化の効果は得られる。

本発明に係る多段遠心圧縮機の一実施例の縦断面図。 図１のＡ−Ａ断面図。 本発明に係る吸込ケーシングの他の実施例の横断面図。

符号の説明

１…羽根車、２…回転軸 、３…吸込配管 、４…ケーシング、５…吸込ケーシング、５ａ…吸込ケーシングの外側端面、６…ガイドフェンス、７…流入流れの方向、７ａ…吸込部の流れの方向、７ｂ…吸込部の流れの方向、８…静止流路、９…吐出配管、１００…遠心圧縮機。

Claims (7)

1. 回転軸と、この回転軸に取り付けた遠心羽根車と、これら回転軸および遠心羽根車を収容するケーシングとを備えた遠心形流体機械において、前記ケーシングの側面部にこの遠心形流体機械に作動ガスを導く吸込配管を設け、この吸込配管から吸い込まれた作動ガスを遠心羽根車に導く吸込流路を前記ケーシングの内部に形成し、この吸込流路に前記回転軸に同心の円弧状のガイドフェンスを設けたことを特徴とする遠心形流体機械。
2. 前記ガイドフェンスの軸方向高さは流路の軸方向幅に比べて低く、前記ガイドフェンスの軸方向高さは前記吸込配管に対応する位置で最も高く、前記吸込配管から遠ざかるにしたがい低くなることを特徴とする請求項１に記載の遠心形流体機械。
3. 前記ガイドフェンスの周方向長さθが、θ＝４５゜〜１２０゜であることを特徴とする請求項１に記載の遠心形流体機械。ここで、θは、吸込配管位置を基準とした周方向位置であり、この基準位置から左右にそれぞれほぼ同角度とする。
4. 前記遠心形流体機械は、多段の遠心圧縮機であることを特徴とする請求項１に記載の遠心形流体機械。
5. 回転軸と、この回転軸に取り付けた少なくとも１段の遠心羽根車とを有する遠心形流体機械に用いられ、初段の遠心羽根車に流れを導く吸込流路が内部に形成された吸込ケーシングにおいて、前記吸込流路に作動ガスを導く吸込配管と、回転軸に同心の円弧状の板で形成されたガイドフェンスとを設けたことを特徴とする遠心形流体機械の吸込ケーシング。
6. 前記円弧状のガイドフェンスの周方向長さを、前記吸込配管の位置を基準として、±４５°〜±１２０°としたことを特徴とする請求項５に記載の遠心形流体機械の吸込ケーシング。
7. 前記ガイドフェンスの軸方向高さは流路の軸方向幅と比べて低く、前記ガイドフェンスの軸方向高さは前記吸込配管の位置からガイドフェンスの端部に向かうにつれて低くしたことを特徴とする請求項５に記載の遠心形流体機械の吸込ケーシング。

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