JP2008215250A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】低流量時におけるディフューザでのストールの発生を抑制することができ、低流量域から高流量域に至る全流量域に渡って安定した運転を可能とする遠心圧縮機の提供にある。
【解決手段】ケーシング内に回転可能に軸支されたインペラ１５と、該インペラ１５の周囲にディフューザ２２を有し、ディフューザ２２に複数のベーン３０を備えた遠心圧縮機１０において、インペラ１５の回転中心Ｏと、ディフューザ２２の中心Ｐとを偏心して配置し、ディフューザ２２の流路幅ｒの狭い側に配設されたベーン３０ｂと、流路幅ｒの広い側に配設されたベーン３０ａとをそれぞれ逆方向に回動可能とされ、各ベーン３０ａ、３０ｂの逆方向への回動に伴いディフューザ２２の流路の開閉が行われる駆動手段としての、アーム３３と可動ディスク３４とアクチュエータ３８を設け、流量に応じて駆動手段の作動制御を行うことにより、ディフューザ２２の流路の切り換えを行う。
【選択図】 図１

Description

この発明はディフューザを備えた遠心圧縮機に関する。

特許文献１で開示された従来技術では、第２段インペラ１７ｂの周囲に平行壁ディフューザ３４が設けられ、平行壁ディフューザ３４は平行壁ディフューザ３４を構成する一方の壁部３４ａを他方の壁部３４ｂに対して接近離間可能に配設されている。この可変機構は、周方向に回動可能で且つ第２段インペラ１７ｂの軸方向に移動可能であって一方の側面が壁部３４ａをなすディフューザリング３７と、ディフューザリング３７に形成された溝３７ａにはめ込まれる突起部４０と、ディフューザリング３７に軸支された軸体３８と、軸体３８を長さ方向に駆動する駆動部３９とを備えている。

軸体３８を長さ方向に駆動すると、軸体３８の直線運動がディフューザリング３７の回転運動に変換され、ディフューザリング３７は周方向に回動する。この時、溝３７ａが斜めに形成されているために、ディフューザリング３７は周方向の回動に加えて主軸２６の長さ方向にも移動する。従って、軸体３８を一方向に移動させると、ディフューザリング３７は周方向に回動しながら流路側にせり出して一方の壁部３４ａを他方の壁部３４ｂに対して接近させ、軸体３８を他方向に移動させると、逆に一方の壁部３４ａを他方の壁部３４ｂに対して離間させることができる。このように、一方の壁部３４ａと他方の壁部３４ｂとのディフューザ間隔をインペラへの吸い込み流量に応じて調節することにより、好適なディフューザ効果を得ることができるとしている。
特開２００２−４８０９８号公報（第５〜６頁、図４〜図６）

しかし特許文献１で開示された技術においては、低流量時において一方の壁部３４ａを他方の壁部３４ｂに対して接近させディフューザ間隔を狭めることにより通路断面積を小さくしても、インペラから流出した流れが平行壁ディフューザ３４の内周側より外周側へ半径方向に移動する間に、半径方向の圧力勾配に対抗し切れなくなり壁面の境界層からの逆流の発生、即ち、ストールの発生を完全には防止できず、圧縮機の安定した運転が困難となる恐れがある。

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、低流量時におけるディフューザでのストールの発生を抑制することができ、低流量域から高流量域に至る全流量域に渡って安定した運転を可能とする遠心圧縮機の提供にある。

上記課題を達成するため、請求項１記載の発明は、ケーシング内に回転可能に軸支されたインペラと、該インペラの周囲に円形のディフューザを有し、前記ディフューザに複数のベーンを備えた遠心圧縮機において、前記インペラの回転中心と、前記ディフューザの中心とを偏心して配置し、前記ディフューザの流路幅の狭い側に配設された前記ベーンと、前記ディフューザの流路幅の広い側に配設された前記ベーンとをそれぞれ逆方向に回動する駆動手段を設け、流量に応じて、前記駆動手段の作動制御を行うことにより、前記ディフューザの流路の切り換えを行わせることを特徴とする。
請求項１記載の発明によれば、インペラの回転中心と、円形のディフューザの中心とが偏心して配置されているので、ディフューザの流路幅は円周方向で異なっている。即ち、インペラの回転中心とディフューザの中心とを結ぶ中心線を考えた時に、この中心線の延長線上のインペラの回転中心側にあるディフューザの流路幅が最も狭くなり、この中心線の延長線上のディフューザの中心側にあるディフューザの流路幅が最も広くなる。
また、ディフューザの流路幅の狭い側のベーンとディフューザの流路幅の広い側のベーンとをそれぞれ逆方向に回動する駆動手段が設けられているので、例えば、駆動手段を駆動させ、ディフューザの流路幅の狭い側のベーンを時計方向に回転させた場合には、ディフューザの流路幅の広い側のベーンはこれとは逆の反時計方向に回転されることになる。
そして、一方のベーンの時計方向の回転が流路が閉じる方向であれば、他方のベーンの反時計方向の回転はディフューザの流路を開く方向となる。即ち、例えば、ディフューザの流路幅の狭い側のベーンをディフューザの流路が閉じる方向に回転した場合には、ディフューザの流路幅の広い側のベーンはディフューザの流路が開く方向に回転することになる。
また、ベーンをこれとは逆方向にそれぞれ回転駆動させることにより、ディフューザの流路幅の狭い側のベーンはディフューザの流路が開く方向に回転し、ディフューザの流路幅の広い側のベーンはディフューザの流路が閉じる方向に回転させることが可能となる。
従って、流量に応じて駆動手段の作動制御を行うことにより、ディフューザの流路の切り換えが行われるので、例えば、大流量時においては、ディフューザの流路幅の狭い側のベーンはディフューザの流路が閉じる方向に回転させ、ディフューザの流路幅の広い側のベーンはディフューザの流路が開く方向に回転させれば良い。このことにより、作動流体は、ディフューザの流路幅の広い側を通って流出され、大きな静圧上昇を図ることができる。一方、小流量時においては、ディフューザの流路幅の狭い側のベーンはディフューザの流路が開く方向に回転させ、ディフューザの流路幅の広い側のベーンはディフューザの流路が閉じる方向に回転させれば良い。このことにより、作動流体はディフューザの流路幅の狭い側を通って流出されると共に、閉じられたディフューザの流路幅の広い側のベーンとインペラとの間の空間を流体が旋回運動を行うことにより運動量が増加し、静圧上昇が抑えられ、ストールの発生を防止することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の遠心圧縮機において、前記ディフューザの周囲に形成されているボリュートに大流量用及び小流量用吐出管を備えていることを特徴とする。
請求項２記載の発明によれば、ディフューザの周囲に形成されているボリュートに大流量用及び小流量用吐出管を備えているので、大流量運転時においては、大流量用吐出管から外部に排出させることができ、小流量運転時においては、小流量用吐出管から外部に排出させることができ、吐出管を流量に応じた形状に選定することにより、作動流体をより効率よく取り出すことができる。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の遠心圧縮機において、前記駆動手段を前記ベーンと一体形成されたベーンアームと、前記ベーンアームを係止する円板状のディスクと、該ディスクを回転駆動するアクチュエータとで構成されていることを特徴とする。
請求項３記載の発明によれば、駆動手段をベーンと一体形成されたベーンアームと、ベーンアームを係止する円板状のディスクと、該ディスクを回転駆動するアクチュエータとで構成されているので、アクチュエータを一方向に駆動させることにより、ディスクを一方に回転させ、ディスクに係止されているベーンをそれぞれ所定の方向に回動させることができる。また、アクチュエータを他方向に駆動させることにより、上記とは逆方向にベーンを回動可能である。構造が簡単であり、装置の簡略化と小型化を図ることができる。

本発明によれば、インペラとディフューザを偏心配置し、可動ベーンを流量に応じて作動させることにより、低流量時におけるストールの発生を抑制することができ、低流量域から高流量域に至る全流量域に渡って安定した運転が可能となる。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る遠心圧縮機について、図１〜図４に基づいて説明する。
図１に示されるように、この実施形態の遠心圧縮機１０（以下、略して圧縮機と称する）は、第１ケーシング１１と第２ケーシング１２とを接合することによってケーシングが形成され、ケーシング１１、１２内にはハブ１４を介して回転軸線ｍを中心として回転する回転軸１６に取り付けられたインペラ１５（羽根車）が収容されている。回転軸１６は第１ケーシング１１のケーシング壁１３に形成されている貫通孔１７に、シール機能付軸受１８を介して回転可能に支持されている。回転軸１６は図示しないタービン羽根車およびプーリ等と連結され、タービン羽根車およびプーリ等の作動に伴い回転駆動される。

第２ケーシング１２はインペラ１５を収容する漏斗状の空間１９の前方（図１の左側）に、平行な流路２０及び吸入口２１を備えている。尚、図１において左側を前方とし、右側を後方とする。また、インペラ１５の外周に円形のディフューザ２２が配置され、ディフューザ２２の通路を形成する固定ディフューザ壁２３は第２ケーシング１２の一部で形成されている。ディフューザ２２には後で詳述する複数のベーン３０（案内羽根）が配設されている。そして、ディフューザ２２の外周に渦巻状のボリュート２４が形成されている。尚、ボリュート２４は流体を外部へと排出する大流量用の吐出管２５及び小流量用の吐出管２６に連結されている（図２参照）。従って、インペラ１５の回転により吸入口２１から吸い込まれた流体は、インペラ１５により加速されてディフューザ２２に供給され、ディフューザ２２にて減速、昇圧された後、ボリュート２４に送り込まれる。

一方、第１ケーシング１１内には、ディフューザ２２側に開口したドーナツ状の空間２７が形成されている。空間２７には円板状のプレート２８が配置され、プレート２８は空間２７のディフューザ２２側の開口を覆うように、空間２７の外周側の内壁面に嵌め込み固定されている。プレート２８は、ディフューザ２２を挟んで固定ディフューザ壁２３と対向するように設けられたもう一方のディフューザ壁に相当する。

ディフューザ２２に配設されている複数のベーン３０には、支持ピン３１が取り付けられ、支持ピン３１はプレート２８に形成されている貫通孔３２に回動可能に挿通されている。支持ピン３１の後端部にはＬ字型のアーム３３が取り付けられ、Ｌ字型のアーム３３は、プレート２８の後側に設けられた円板状の可動ディスク３４の切り欠き３５に係止されている。

図２に示されるように、インペラ１５の回転中心Ｏと、ディフューザ２２の中心Ｐとが偏心して配置されている。従って、ディフューザ２２の流路幅ｒは円周方向で異なっている。即ち、インペラ１５の回転中心Ｏとディフューザ２２の中心Ｐとを結ぶ中心線ｆを考えた時に、この中心線ｆの延長線上のインペラ１５の回転中心Ｏ側にあるディフューザ２２の流路幅ｒ２が最も狭くなり、この中心線ｆの延長線上のディフューザ２２の中心Ｐ側にあるディフューザ２２の流路幅ｒ１が最も広くなる。そして、ディフューザ２２の流路幅ｒの広い側には６個のベーン３０ａが回動可能に配設され、ディフューザ２２の流路幅ｒの狭い側には３個のベーン３０ｂが回動可能に配設されている。

図３に示されるように、可動ディスク３４の外周側には切り欠き３５ａが設けられ、可動ディスク３４の内周側には切り欠き３５ｂが設けられている。そして、ディフューザ２２の流路幅ｒの広い側に配設されたベーン３０ａのアーム３３は切り欠き３５ａに係止され、ディフューザ２２の流路幅ｒの狭い側に配設されたベーン３０ｂのアーム３３は切り欠き３５ｂに係止されている。（図３では、６個のベーン３０ａが外周側の切り欠き３５ａに係止され、３個のベーン３０ｂが内周側の切り欠き３５ｂに係止されている。）

また、可動ディスク３４には連結ピン３６が設けられ、この連結ピン３６はアクチュエータアーム３７を介してアクチュエータ３８に接続されている。アクチュエータ３８を駆動させることにより、アクチュエータアーム３７は直線方向（図３で左右方向）に移動し、アクチュエータアーム３７と連結ピン３６を介して接続された可動ディスク３４は、左右方向に回転を行う。この可動ディスク３４の回転に伴い、切り欠き３５ａ、３５ｂに係止されたベーン３０ａ、３０ｂは、支持ピン３１を中心にそれぞれ逆方向に回転する。

例えば、図３で示す状態は、ディフューザ２２の流路幅ｒの広い側に配設されたベーン３０ａは流路（互いに隣り合うベーン３０ａ、３０ｂによって形成される空間）を開く方向に回動された状態にあり、ディフューザ２２の流路幅ｒの狭い側に配設されたベーン３０ｂは流路を閉じる方向に回動された状態にある。この状態から、アクチュエータ３８の駆動がＯＮとなりアクチュエータアーム３７が引っ張られる（図３で右方向に移動する）ことにより、可動ディスク３４は左方向（反時計方向）に回転される。それに伴い可動ディスク３４の外周側の切り欠き３５ａに係止されたベーン３０ａは、矢印で示すように支持ピン３１を中心に左方向（反時計方向）に回動され、流路が閉じられることになる。

一方、可動ディスク３４の内周側の切り欠き３５ｂに係止されたベーン３０ｂは、矢印で示すように支持ピン３１を中心に右方向（時計方向）に回動され、流路が開かれることになる。即ち、ディフューザ２２の流路幅ｒの広い側に配設されたベーン３０ａは、流路を閉じる方向に回動され、ディフューザ２２の流路幅ｒの狭い側に配設されたベーン３０ｂは流路を開く方向に回動されることになる。

逆に、アクチュエータ３８の駆動をＯＦＦにした場合には、アクチュエータアーム３７は左方向に移動され、可動ディスク３４は上記とは逆の右方向（時計方向）に回転される。それに伴い、ディフューザ２２の流路幅ｒの広い側に配設されたベーン３０ａは、流路を開く方向に回動され、ディフューザ２２の流路幅ｒの狭い側に配設されたベーン３０ｂは流路を閉じる方向に回動されることになる。
尚、アクチュエータアーム３７は図示しない付勢手段などで常時左方向に付勢されており、アクチュエータ３８の駆動がＯＮになった時にのみ、右方向に移動するように予め設定されているものとする。

尚、アーム３３と、可動ディスク３４と、アクチュエータアーム３７及びアクチュエータ３８とがベーン３０を回転駆動するための駆動手段に相当する。
大流量運転時においては、駆動手段の作動制御が行われ、アクチュエータ３８の駆動がＯＦＦにされ、ディフューザ２２の流路幅ｒの広い側に配設されたベーン３０ａは、流路を開く方向に回動され、ディフューザ２２の流路幅ｒの狭い側に配設されたベーン３０ｂは流路を閉じる方向に回動される。
また、小流量運転時においては、アクチュエータ３８の駆動がＯＮにされ、ディフューザ２２の流路幅ｒの広い側に配設されたベーン３０ａは、流路を閉じる方向に回動され、ディフューザ２２の流路幅ｒの狭い側に配設されたベーン３０ｂは流路を開く方向に回動される。

次に上記のように構成された遠心圧縮機１０の作用について説明する。
図４（ａ）に示されるように、大流量運転時においては、アクチュエータ３８の駆動がＯＦＦにされ、ディフューザ２２の流路幅ｒの広い側に配設されたベーン３０ａは、流路を開く方向に回動され、ディフューザ２２の流路幅ｒの狭い側に配設されたベーン３０ｂは流路を閉じる方向に回動される。
このことにより、作動流体はディフューザ２２の流路幅ｒの広い側のベーン３０ａ間の開口を通ってボリュート２４に流出し、ボリュート２４に備えられた大流量用の吐出管２５より外部に排出される。ディフューザ２２の流路幅ｒが広いので、作動流体は充分に減速され、静圧上昇を図ることが可能となる。

次に図４（ｂ）に示されるように、小流量運転時においては、アクチュエータ３８の駆動がＯＮにされ、ディフューザ２２の流路幅ｒの広い側に配設されたベーン３０ａは、流路を閉じる方向に回動され、ディフューザ２２の流路幅ｒの狭い側に配設されたベーン３０は流路を開く方向に回動される。
このことにより、作動流体はディフューザ２２の流路幅ｒの狭い側のベーン３０ｂ間の開口を通ってボリュート２４に流出し、ボリュート２４に備えられた小流量用の吐出管２６より外部に排出される。ディフューザ２２の流路幅ｒが狭いので、作動流体は充分には減速されず、静圧上昇は比較的少なくなる。また、閉じられたディフューザ２２の流路幅ｒの広い側のベーン３０ａとインペラ１５との間の空間を流体が旋回運動を行ってから、ボリュート２４に流出するので、作動流体の運動量を増加させることができる。従って、流体の運動量を増加させ、且つ静圧上昇を抑えることができるので、ストールの発生を防止することが可能となる。

この実施形態に係る遠心圧縮機１０によれば以下の効果を奏する。
（１）インペラ１５の回転中心Ｏと、ディフューザ２２の中心Ｐとが偏心して配置されているので、ディフューザ２２の流路幅ｒは円周方向で異なっており、流路幅ｒの狭い側と広い側の両方が形成されている。このディフューザ２２の流路幅ｒの狭い側に配設されたベーン３０ｂと、広い側に配設されたベーン３０ａとをそれぞれ逆方向に回動可能とする駆動手段が設けられ、流量に応じてこの駆動手段を作動制御することにより、流量に応じたディフューザ２２の流路の切り換えを行うことができる。即ち、大流量運転時においては、ディフューザ２２の流路幅ｒの狭い側に配設されたベーン３０ｂを流路を閉じる方向に回動され、流路幅ｒの広い側に配設されたベーン３０ａを流路を開く方向に回動されており、一方、小流量運転時においては、ディフューザ２２の流路幅ｒの狭い側に配設されたベーン３０ｂを流路を開く方向に回動され、流路幅ｒの広い側に配設されたベーン３０ａを流路を閉じる方向に回動されている。従って、大流量運転時においては流量に合った充分な静圧上昇を図ることができ、また小流量運転時においては静圧上昇を抑え、流体の運動量を増加させることによりストールの発生を防止できる。
（２）ディフューザ２２に設けられたベーン３０ａ、３０ｂにより流路の開閉が行われ、ベーン３０ａ又は３０ｂが開く方向に回動された時には、インペラ１５からの流体を案内し、ボリュート２４へと排出させる案内羽根としての機能を有し、ベーン３０ａ又は３０ｂが閉じる方向に回動された時には流路を塞ぐ遮蔽板としての機能を有しているので、流路を開閉するために別手段を新たに設ける必要がなく、装置の簡略化と部品点数の削減を図ることができる。
（３）ボリュート２４に大流量用及び小流量用の吐出管２５、２６が備えられているので、大流量運転時においては、大流量用の吐出管２５から外部に排出させることができ、小流量運転時においては、小流量用の吐出管２６から外部に排出させることができる。吐出管を一つしか持たない場合と比較して、吐出管２５、２６をそれぞれ流量に応じた形状とすることにより、作動流体をより効率よく取り出すことができる。
（４）ベーン３０を回転駆動するための駆動手段が、アーム３３と、可動ディスク３４と、アクチュエータアーム３７及びアクチュエータ３８とで構成されているので、アクチュエータ３８を作動させ、可動ディスク３４を回転させることにより、ディフューザ２２の流路幅ｒの狭い側のベーン３０ｂと広い側のベーン３０ａをそれぞれ逆方向に回動可能である。構造が簡単であり、装置の簡略化と小型化を図ることができる。

なお、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り、例えば、次のように変更しても良い。
○ 第１の実施形態では、ベーンを回動する為の駆動手段をアームと可動ディスクとアクチュエータアーム及びアクチュエータとで構成されるとして説明したが、アクチュエータとして電磁ソレノイド、油圧ソレノイド及び電動モータなどを用いることができる。また、アクチュエータアーム及びアクチュエータに代えて、可動ディスクに装着された内歯歯車を電動モータなどで正逆回転させても良い。また、ディフューザの流路幅の狭い側のベーンと広い側のベーンとをそれぞれ別々に駆動させても良い。
○ 第１の実施形態では、ベーンを回動する為の駆動手段を第１ケーシング側に設けるとして説明したが、第２ケーシング側に設けても構わない。
〇 第１の実施形態では、ディフューザに配設されるベーンの個数を流路幅の狭い側が３個、広い側が６個として説明したが、これに限定されるものではなく、任意の個数に設定可能である。

第１の実施形態に係る遠心圧縮機の全体構成を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ線矢視図である。 図１のＢ−Ｂ線矢視図である。 第１の実施形態に係る遠心圧縮機の作用説明用の模式図である。（ａ）大流量運転時の状態を示す。（ｂ）小流量運転時の状態を示す。

符号の説明

１０ 遠心圧縮機
１１ 第１ケーシング
１２ 第２ケーシング
１５ インペラ
１６ 回転軸
２２ ディフューザ
３０ ベーン
３０ａ 流路幅の広い側のベーン
３０ｂ 流路幅の狭い側のベーン
３１ 支持ピン
３３ アーム
３４ 可動ディスク
３８ アクチュエータ
Ｏ インペラの中心
Ｐ ディフューザの中心
ｒ ディフューザの流路幅

Claims (3)

1. ケーシング内に回転可能に軸支されたインペラと、該インペラの周囲に円形のディフューザを有し、前記ディフューザに複数のベーンを備えた遠心圧縮機において、
   前記インペラの回転中心と、前記ディフューザの中心とを偏心して配置し、
   前記ディフューザの流路幅の狭い側に配設された前記ベーンと、前記ディフューザの流路幅の広い側に配設された前記ベーンとをそれぞれ逆方向に回動する駆動手段を設け、
   流量に応じて、前記駆動手段の作動制御を行うことにより、前記ディフューザの流路の切り換えを行わせることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記ディフューザの周囲に形成されているボリュートに大流量用及び小流量用吐出管を備えていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記駆動手段を前記ベーンと一体形成されたベーンアームと、前記ベーンアームを係止する円板状のディスクと、該ディスクを回転駆動するアクチュエータとで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心圧縮機。

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