JP2008309029A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】適切にサージングを防止して、低流量領域における性能向上を図ることができる遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】インペラ３と、インペラ３を収容すると共にインペラ３に連通して気体Ａを送気する第一流路Ｒ１が形成されたケーシング１０と、を備える遠心圧縮機１であって、第一流路Ｒ１におけるインペラ３よりも下流側の気体Ａの一部をインペラ３よりも上流側に送気する第二流路Ｒ２を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心圧縮機に関するものである。

遠心圧縮機では、その稼動中にサージングという不安定現象が発生する場合がある。サージングとは、遠心圧縮機の気体（流体）の流量が減少すると、突然気体の圧力や流量が変動し始め、周期的な振動に発達する現象をいう。サージング状態においては、気体の圧力及び流量が大きく変動するために、遠心圧縮機の稼動は非常に不安定なものになってしまう。

サージングの発生は、様々な要素が関係しているものの、その大きな要因としては、インペラの上流側先端に発生する気体の剥離現象及びディフューザでの気体の剥離（逆流）現象を挙げることができる。

この現象の対策としては、遠心圧縮機のシュウラド壁に、インペラで圧縮した気体の一部をインペラの上流へ導く流路を設け、インペラに流入する気体の流量を増加（気体の一部を循環）させることで、インペラの上流側先端に発生する剥離を要因としたサージングを防ぐものがある。
特開平９−３１０６９９号公報 特開２００５−２３７９２号公報

しかしながら、従来の技術では、遠心圧縮機の低流量領域における性能特性の向上が必ずしも十分ではない。また、複数の要因に起因するサージングに対して、同時に対処することができないという問題がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、適切にサージングを防止して、低流量領域における性能向上を図ることができる遠心圧縮機を提供することを目的としている。

本発明に係る遠心圧縮機では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明は、インペラと、インペラを収容すると共にインペラに連通して気体を送気する第一流路が形成されたケーシングと、を備える遠心圧縮機であって、第一流路におけるインペラよりも下流側の気体の一部をインペラよりも上流側に送気する第二流路を備えることを特徴とする。

また、第二流路が送気する気体の流量は、インペラから排出される気体の流量の１０％以下であることを特徴とする。

また、第二流路の流入口は、第一流路のディフューザ部に開口することを特徴とする。
また、第二流路の流入口は、インペラの回転中心軸からインペラの径方向にインペラの半径の１〜１．２倍の距離の範囲内に開口することを特徴とする。

また、第二流路の流出口は、流出する気体がインペラを回転させるように開口することを特徴とする。また、第二流路の流出口は、流出する気体が第一流路の下流側を向くように開口することを特徴とする。

また、第二流路は、ケーシング壁面内に形成されることを特徴とする。

また、インペラ内の気体の一部をインペラよりも上流側に送気する第三流路を備えることを特徴とする。また、第二流路と第三流路が合流することを特徴とする。

また、第二流路と第三流路の開閉を切り替える切替部を備えることを特徴とする。
また、切替部は、第二流路と第三流路のいずれか一方の流出口を塞ぐことが可能なスライド機構と、スライド機構を作動させるアクチュエータと、を備えることを特徴とする。

また、インペラの回転数及び／又は第一流路から排出される気体の圧力に基づいて、切替部を作動させる制御部を備えることを特徴とする。

本発明に係る遠心圧縮機は、第二流路により、第一流路におけるインペラよりも下流側の気体の一部をインペラよりも上流側に送気することで、インペラを流れる気体の見かけの流量とディフューザ部を流れる流量とを増加させて、インペラ上流側先端及びディフューザでの気体の剥離を要因とするサージングを有効に防止できる。

また、第二流路が送気する気体の流量をインペラから排出される気体の流量の１０％以下にするものでは、遠心圧縮機としての性能の低下を防ぎつつ、効率的にサージング防止効果を得ることができる。

また、第二流路の流入口が第一流路のディフューザ部に開口するものでは、気体が剥離しやすいディフューザ部の気体を直接的に上流側に送気することができるので、ディフューザ部の気体の剥離を要因とするサージングを効果的に防止することができる。
また、第二流路の流入口が、インペラの回転中心軸から、インペラの径方向にインペラの半径の１〜１．２倍の距離の範囲内に開口するものでは、特に剥離しやすい領域の気体を上流側に送気するので、ディフューザ部に流れる気体の剥離を防止することができる。このため、ディフューザ部の気体の剥離を要因とするサージングを確実に防止できる。

また、第二流路の流出口が、流出する気体がインペラを回転させるように開口させるものでは、効果的にインペラ出口における気体の流れ角を大きくすることができ、ディフューザ部に発生する気体の剥離を防止して、サージングの発生を回避することができる。
また、第二流路の流出口が、流出する気体が第一流路の下流側を向くように開口するものでは、インペラに流入する気体の流れを乱すことがなく、安定して遠心圧縮機を稼動することができる。

また、第二流路が、ケーシング壁面内に形成されるものでは、遠心圧縮機の軽量化や省スペース化を図ることができる。

また、インペラ内の気体の一部をインペラよりも上流側に送気する第三流路を備えるものでは、インペラに流入する気体の見かけの流量を増加させて、インペラ上流側先端に発生する気体の剥離現象を防止するので、これに起因するサージングの発生を回避することができる。
また、第二流路と第三流路が合流することによって、遠心圧縮機の軽量化や省スペース化を図ることができる。

また、第二流路と第三流路の開閉を切り替える切替部を備えるものでは、遠心圧縮機の稼動状態に応じて、サージングの要因に適切に対処することで、遠心圧縮機の性能の低下を防止することができる。

また、切替部は、第二流路と第三流路のいずれか一方の流出口を塞ぐことが可能なスライド機構と、スライド機構を作動させるアクチュエータと、を備えるものでは、遠心圧縮機の軽量化や省スペース化を図ることができる。

また、インペラの回転数及び／又は第一流路から排出される気体の圧力に基づいて、切替部を作動させる制御部を備えるものでは、遠心圧縮機の性能の低下を適切に防止できる。これにより、低流量領域での運転を安定かつ確実に行うことができる。

以下、本発明に係る遠心圧縮機の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る遠心圧縮機１の概略構成を示す模式図、図２は図１のＸ−Ｘ断面図、図３は図１のＹ−Ｙ断面図である。

遠心圧縮機１は、空気（気体）Ａを遠心力によって圧縮するインペラ３と、インペラ３に回転力を伝達する回転軸９と、インペラ３を収容するケーシング１０と、ディフューザ２０を流れる空気Ａ_２の一部を循環させるパイプ２３と、パイプ２３の流量を電動弁２７の開閉によって制御する制御ユニット２５などから構成される。

インペラ３は、回転軸９の一端に連結されるインペラ本体部４と、インペラ本体部４に放射状に配置された複数の長羽根５及び短羽根７と、から形成される。
回転軸９は、ケーシング１０によって支持され、回転中心軸Ｏまわりに回転可能である。そして、回転軸９の他端に連結されているタービン（図示せず）の羽根車が回転することにより、インペラ３が回転するようになっている。

ケーシング１０は、第一流入口Ｂからインペラ３までの流路を形成する吸込部ケーシング１２と、インペラ３を収容してインペラ３とともに吸込部ケーシング１２からディフューザ２０までの流路を形成する収容部ケーシング１４と、収容部ケーシング１４からスクロール部４０までの流路を形成するディフューザ２０と、ディフューザ２０から第一流出口Ｄまでの流路を形成するスクロール部４０と、から一体的に形成される。なお、各流路は連通し、この第一流入口Ｂからインペラ３を介してスクロール部４０の最下流部に位置する第一流出口Ｄまで連なる一連の流路が第一流路Ｒ１となる。

吸込部ケーシング１２は、回転中心軸Ｏの軸方向からみて断面形状が中空円形であって、収容部ケーシング１４に連接する。
そして、吸込部ケーシング１２は、第一流入口Ｂから流入した空気Ａ_０がインペラ３に流入するまでの流路を形成する。

収容部ケーシング１４は、インペラ３を包み込むように収容して、回転軸９を回転可能に支持する。なお、収容部ケーシング１４の内壁はシュウラドとして機能する。
そして、収容部ケーシング１４は、インペラ３に流入した空気Ａ_１がディフューザ２０に流入するまでの流路を、インペラ３とともに形成する。

ディフューザ（ディフューザ部）２０は、回転中心軸Ｏの軸方向に互いに対向するディフューザ形成面２１ａ、２１ｂから構成される。ディフューザ形成面２１ａ、２１ｂは、各内周縁部が収容部ケーシング１４と連接され、外周縁部でスクロール部４０と連接している。
インペラ３からスクロール部４０へと流れるディフューザ２０の流路断面積は、半径方向に次第に大きくなるようになっている。なお、所謂ベーン（案内羽根）はついていない。
このディフューザ２０は、流入した空気Ａ_２がスクロール部４０に流入するまでの流路を形成する。

スクロール部４０は、ディフューザ形成面２１ａ、２１ｂの外周縁部と連接している。そして、回転中心軸Ｏを中心として、吸込部ケーシング１２の一部と収容部ケーシング１４に巻き付くように構成されている。また、回転中心軸Ｏに沿った断面形状は中空円形であって、第一流路の下流側に進むほどに流路断面積が大きくなるようになっている。
このスクロール部４０は、ディフューザ２０から流入した空気Ａ_３をスクロール部４０の下流側の第一流出口Ｄから外部に排出するまでの流路を形成する。

また、遠心圧縮機１は、第一流路Ｒ１の他に、第二流路Ｒ２及び第三流路Ｒ３をも備える。
第二流路Ｒ２は、ディフューザ形成面２１ａに開口する第二流入口２２からパイプ２３内を介して吸込部ケーシング１２に開口する第二流出口２４まで、空気Ａ_２の一部の空気Ａ_２ａを送気するものである。

図３に示すように、第二流入口２２は、ディフューザ形成面２１ａに回転軸９からインペラ３の径方向にインペラ３の半径Ｒの１．２倍の距離となる位置に開口する。

また、第二流出口２４は、後述の第三流路Ｒ３の第三流出口３４よりも、第一流路Ｒ１の上流側に適当な距離をもって開口する。
そして、第一流路Ｒ１の上流から下流の方向に向けて空気Ａ_２ａが流出するように開口する。

また、インペラ３を回転させる方向（図２において反時計回り方向）に流出するように開口する。なお、本実施形式においては、第二流入口２２と第二流出口２４の開口数をそれぞれ８つとしており、インペラ３の周方向に等間隔に配置している（図２、図３参照）。

パイプ２３は、その一端が第二流入口２２と接合されて、他端が第二流出口２４に接合されるものである。パイプ２３には、第二流路Ｒ２の空気Ａ_２ａの流量を調整する電動弁２７が設けられている。この電動弁２７の開閉は、後述の制御装置２６によって行われる。

第三流路Ｒ３は、ケーシング１０内に形成された流路であって、所謂ケーシングトリートメントと呼ばれるものである。すなわち、インペラ３の短羽根７の入口周辺の空気Ａ_１ａを第三流入口３２から空間３０を介して第三流出口３４まで送気する。

第三流入口３２は、収容部ケーシング１４において、短羽根７の入口に対応する複数箇所に開口する。また、第三流出口３４は、吸込部ケーシング１２において、インペラ３から第一流路Ｒ１の上流側方向に十分に離間させた位置に複数箇所に開口する。

空間３０は、吸込部ケーシング１２壁面内の下流側と収容部ケーシング１４壁面内の上流側の間に亘って、インペラ３の周方向に円環状に形成される。そして、空間３０は、収容部ケーシング１４に開口する第三流入口３２と吸込部ケーシング１２に開口する第三流出口３４とをそれぞれ介して第一流路Ｒ１に連通する。

制御ユニット２５は、制御装置２６と、第二流路Ｒ２の開閉を行う電動弁２７と、回転軸９の回転数を計測する回転数センサ２８と、第一流出口Ｄの空気Ａ_３の圧力を計測する圧力センサ２９と、から構成される。

制御装置（制御部）２６は、回転数センサ２８及び圧力センサ２９から伝送された回転軸９の回転数及び第一流出口Ｄの空気Ａ_３の圧力の値と、予め制御装置２６に記憶された設定値との比較を行い、この結果に基づいて、電動弁２７に開閉の制御をするものである。なお、回転数センサ２８は、回転軸９の先端に設けた磁性体（不図示）の磁界変化を検出して、回転軸９（インペラ３）の回転数を出力するものである。また、圧力センサ２９は周知のものを使用している。

次に、上述した構成を備える遠心圧縮機１の作用について説明する。
まず、遠心圧縮機１の基本的な作用を第一流路Ｒ１に沿って説明する。
回転軸９によって連結されているタービン（図示せず）の羽根車が回転することにより、インペラ３が回転する。そして、インペラ３の回転によって、吸込部ケーシング１２の空気Ａ_０の圧力が外部の空気Ａの圧力よりも低くなるため、第一流入口Ｂから空気Ａが順次流入する。

吸込部ケーシング１２を流れる空気Ａ_０は、インペラ３によって収容部ケーシング１４に流入する。インペラ３を流れる空気Ａ_１は、インペラ３による遠心力によって圧力エネルギと速度エネルギが与えられる。すなわち、インペラ３を通過する間に、空気Ａ_１の圧力エネルギと速度エネルギが増加する。インペラ３を経た空気Ａ_１は、空気Ａ_２となって、ディフューザ２０に流入する。

ディフューザ２０の流路断面積はディフューザ２０径方向に進むほど大きくなるため、ディフューザ２０を流れる空気Ａ_２は、速度エネルギが減少して、その分だけ圧力エネルギが増加する。

その後、ディフューザ２０を経た空気Ａ_２は、スクロール部４０に流入する。スクロール部４０を流れる空気Ａ_３は、スクロール部４０の流路断面積の増大によって、さらに速度エネルギの一部が圧力エネルギに変換される。そして、さらに圧力が増した空気Ａ_３は、スクロール部４０の下流の第一流出口Ｄから外部に排出される。

続いて、第二流路Ｒ２の作用について説明する。
ディフューザ２０を流れる空気Ａ_２の圧力は、第二流出口２４付近を流れる空気Ａ_０の圧力よりも高いため、パイプ２３に設けられた電動弁２７が開くことで、ディフューザ２０を流れる空気Ａ_２の一部の空気Ａ_２ａがパイプ２３を介して、インペラ３よりも上流の第一流路Ｒ１に送気される。そして、第一流入口Ｂから流入した空気Ａ_０、第二流出口２４から流出した空気Ａ_２ａ及び後述の第三流出口３４から流出した空気Ａ_１ａがインペラ３に流入する。

そのため、第一流入口Ｂから流入する空気Ａ_０の流量よりもインペラ３上流側先端部に流れる空気Ａ_１（Ａ_０＋Ａ_１ａ＋Ａ_２ａ）の流量が多くなる。これにより、インペラ３に流入する空気Ａ_１が増加するので、短羽根７の入口周辺の流れが円滑化して、短羽根７の入口付近で空気Ａ_１が剥離しづらくなり、これを要因としたサージングの発生を防止することができる。
また、第一流入口Ｂから流入する空気Ａ_０の流量よりもディフューザ２０上流側に流れる空気Ａ_２(Ａ_０＋Ａ_２ａ)の流量が多くなる。これにより、インペラ３の出口流れ角αを大きくすることができるため、ディフューザ２０で空気Ａ_２が剥離しづらくなり、サージングの発生を防止することができる。

なお、ディフューザ２０で空気Ａ_２の逆流（剥離）しやすい位置は、回転中心軸Ｏからインペラ３の径方向にインペラの半径Ｒの１〜１．２Ｒの距離の範囲内である。そのため、第二流入口２２が回転中心軸Ｏから１．２Ｒの位置に開口することで、この位置の空気Ａ_２ａがインペラ３上流側に送気されて流れが円滑化される。従って、サージングの要因である空気Ａ_２ａの剥離（逆流）を抜本的に消滅させることができ、効果的にサージングの発生を予防できる。

また、第二流出口２４から流出する空気Ａ_２ａがインペラ３を回転させるように開口するので、流出した空気Ａ_２ａがインペラ３に流入する空気Ａ_０に予旋回を与えるため、インペラ３の出口流れ角αをさらに大きくすることができる（図３参照）。これによって、ディフューザ２０を流れる空気Ａ_２の剥離は完全に発生しなくなるので、より効果的にサージングの発生を防止することができる。

また、第二流出口２４が第一流路Ｒ１の上流側から下流側の方向を向くように開口するので、第一流路Ｒ１の流れを乱すことがない。

続いて、第三流路Ｒ３の作用について説明する。
第一流路Ｒ１におけるインペラ短羽根７周辺（第三流入口３２周辺）を流れる空気Ａ_１は、インペラ３の遠心力によって圧力が高まっている。すなわち、空気Ａ_１は、第三流出口３４付近の空気Ａ_０の圧力よりも高いため、空気Ａ_１の一部の空気Ａ_１ａは、空間３０に流入した後に第三流出口３４から第一流路Ｒ１へと送気される。そのため、上述したように、第一流入口Ｂから流入した空気Ａ_０と第二流出口２４から流出した空気Ａ_１ａがインペラ３に流入する。

つまり、第一流入口Ｂから流入する空気Ａ_０の流量よりもインペラ３に流れる空気Ａ_１の流量が増加する。また、剥離するおそれが高いインペラ３の短羽根７周辺の空気Ａ_１ａをインペラ３の上流側に送気するので、短羽根７の入口周辺の流れがさらに円滑化されて、空気Ａ_１が剥離しづらくなる。そのため、空気Ａ_１の剥離を要因としたサージングの発生を有効に防止することができる。

図４は、第一流路Ｒ１の空気流量と第一流出口Ｄにおける空気Ａ_３の圧力との相関関係を示す図（性能曲線図）である。ラインＬ（Ｌ_１〜Ｌ_３）は、サージングラインと呼ばれるもので、このサージングラインよりも低流量領域において遠心圧縮機１の稼動を行うとサージングが発生する。

ラインＬ１は、従来の遠心圧縮機、すなわち第二流路Ｒ２及び第三流路Ｒ３のないサージングラインを示している。また、ラインＬ２及びＬ３は、本実施形態の遠心圧縮機１のサージングラインであって、ラインＬ２は第三流路Ｒ３のみを作用させた場合のサージングラインであり、ラインＬ３は第二流路Ｒ２及び第三流路Ｒ３を作用させた場合のサージングラインである。なお、ラインＭは、本実施形態に係る遠心圧縮機１の作動線を示している。

図４が示すように、従来の遠心圧縮機は、ラインＬ１よりも大流量領域の領域ａ以外では稼動ができない。これに対して、本実施の形態に係る遠心圧縮機１は、領域ａのみならず、ラインＬ１よりも低流量領域である領域ｂ及び領域ｃでの稼動が可能ある。

まず、第三流路Ｒ３のみを作用させた場合には、インペラ３に流入する空気Ａ_１の流量を多くすることができ、空気Ａ_１ａをインペラ３の上流側に送気するので、短羽根７の入口周辺の流れが円滑化される。これにより、インペラ３の短羽根７の入口周辺で空気Ａ_１が剥離しにくくなるため、サージングの発生を防止することができる。
従って、本実施の形態に係る遠心圧縮機１は、従来の遠心圧縮機よりも低流量領域である領域ｂでの稼動が可能となる。

ラインＬ２に近づくと、ディフューザ２０の入り口付近の近傍で空気Ａ_２ａの逆流が生じるおそれがある。そして、このままＬ２よりも低流量領域である領域ｃに入ると、空気Ａ_２の剥離が発生して、それが要因となってサージングが発生する。

そこで、第二流路Ｒ２及び第三流路Ｒ３を作用させることで、インペラ３に流入するＡ_１及びディフューザ２０に流入する空気Ａ_２の流量を増加させることができる。これにより、インペラ３及びディフューザ２０で空気Ａの剥離がしづらくなる。

特に、ディフューザ２０においては、上述の通り、ディフューザ２０に流入する空気Ａ_２の流量が増加する。さらに、逆流が生じやすいディフューザ２０入口周辺の空気Ａ_２ａをインペラ３上流側に流出させるとともに、流出する空気Ａ_２ａの方向をインペラ３の回転方向にすることで、極めて高い剥離抑制効果が認められる。そのため、領域ｃであっても、サージングの発生を防止することができる。

このように、第二流路Ｒ２と第三流路Ｒ３を作用させることで、第三流路Ｒ３のみを作用させた場合の領域ｂよりも、さらに低流量領域の領域ｃで遠心圧縮機１の稼動が可能となる。

ところで、電動弁２７を常に開放して第三流路Ｒ３を作用させると、ディフューザ２０で圧力損失が発生し、ディフューザ２０の本来的な役割が損なわれ、領域ｃ以外の領域ａ、ｂで稼動している時に遠心圧縮機１の性能が低下してしまうおそれがある。

そこで、領域ａ及びｂの稼動領域では電動弁２７は閉じておき、第一流路Ｒ１の空気Ａの流量がラインＬ２に近づいたときに電動弁２７を開放することで、上記弊害を是正することができる。

具体的には、予め、遠心圧縮機１のラインＬ２を求めておいて、回転軸９の各回転数におけるラインＬ２上の第一流出口Ｄにおける空気Ａ_３の圧力を制御装置２６に記憶させておく。そして、遠心圧縮機１の稼動中は、回転センサ２９によって回転軸９の回転数を、圧力センサ２９によって第一流出口Ｄにおける空気Ａ_３の圧力を、それぞれ計測して、その計測結果を制御装置２６に伝送する。

制御装置２６は、伝送された回転数の値によって、その回転数に対応するラインＬ２上の空気Ａ_３の圧力の値を判断し、その値と伝送された空気Ａ_３の圧力の値を比較する。そして、例えば、伝送された空気Ａ_３の値がラインＬ２上の圧力の値の０．９５倍の値に達したときには、電動弁２７を開放させるべく、電動弁２７に対して指令する。

これにより、遠心圧縮機１の領域ａ及び領域ｂでの稼動において、遠心圧縮機１の性能を低下させるおそれを防止することができ、また効率のよい円滑な稼動をすることができる。従って、遠心圧縮機１の性能を低下させることなく、第一流路Ｒ１の流量によって変化するサージングの発生要因に応じて、適切に対処することができる。

また、第二流路Ｒ２によって、第一流路Ｒ１に送気する空気Ａ_２ａの流量は、インペラ３を介してディフューザ２０に流入した空気Ａ_２の１０％以下に設定すると、遠心圧縮機としての性能の低下を防ぎつつ、高効率でサージング防止効果を得ることができる。

このように、本実施形態の遠心圧縮機１によれば、サージングの発生要因に適切に対処することでサージングを防止して、その低流量側の稼動領域を拡大することができる。

続いて、本発明に係る遠心圧縮機の第二実施形態について、図面を参照して説明する。図５は本発明の第二実施形態に係る遠心圧縮機５０の要部を示す概略構成図である。

遠心圧縮機５０の基本的な構成は、遠心圧縮機１と同様であるが、ケーシング１０´内に第二流路ｒ２が形成される点及び第二流路ｒ２と第三流路ｒ３の開閉を切り替える切替部６０を備える点が異なる。なお、遠心圧縮機１と構成が異ならない点については説明を省略する。

第二流路ｒ２は、ディフューザ形成面２１ｂに開口する第二流入口７２から、ケーシング１０´壁面内の空間７０を介して、インペラ３上流側に開口する共通流出口７４まで、ディフューザ２０を流れる空気Ａ_２の一部の空気Ａ_２ａを送気するものである。

第二流入口７２は、ディフューザ形成面２１ｂに回転中心軸Ｏからインペラ３の径方向にインペラ３の半径Ｒの１．２倍の距離となる位置に開口する。そして、第二流入口７２は、ディフューザ２０を流れる空気Ａ_２ａをケーシング１０´の壁面内に形成された空間７０に流入する流入口を形成する。また、第二流入口７２の開口数は８つであり、回転中心軸Ｏを中心として、周方向に等間隔に配置されている。

空間７０は、吸込部ケーシング１２´壁面内の下流側と収容部ケーシング１４´壁面内の上流側の間に亘って、インペラ３の周方向に円環状に形成されたものである。そして、空間７０は、ディフューザ形成面２１ｂに開口する第二流入口７２と、収容部ケーシング１４´に開口する第三流入口３２と、吸込部ケーシング１２´に開口する共通流出口７４と、をそれぞれ介して第一流路Ｒ１に連通する。

共通流出口７４は、第二流路ｒ２を流れる空気Ａ_２ａの流出口として機能し、さらに第三流路ｒ３を流れる空気Ａ_１ａの流出口としても機能する。なお、共通流出口７４の配置は、第三流出口３４の配置と同一である。

第三流路ｒ３は、第三流入口３２から空間７０を介して共通流出口７４までインペラ３の短羽根７の入口周辺の空気Ａ_１ａを送気する。

切替部６０は、空間７０に配置された可動部６２を制御ユニット２５´のアクチュエータ６４によって、回転中心軸Ｏの軸方向に可動させることで、第二流路ｒ２と第三流路ｒ３を切り替えるものである。
可動部６２は、その一部である内周壁面６６が空間７０形成面に接するように空間７０に収容されており、回転中心軸Ｏを中心に円環状に形成されたものである。そして、アクチュエータ６４が作用することで、可動部６２が空間７０内をスライドするようになっている。

続いて、上述した構成を備える遠心圧縮機５０の作用について説明する。
遠心圧縮機５０の稼動において、ディフューザ２０を流れる空気Ａ_２ａの剥離よりも、インペラ３の短翼入り口付近での空気Ａ_１ａの剥離が発生しやすい稼動領域（図４の領域ａ、領域ｂ相当）では、空気Ａ_１ａの剥離を防止すべく、第二流路ｒ２を遮断して第三流路ｒ３のみを作用させる。

このとき、図４（ａ）に示すように、可動部６２の可動部６２のディフューザ２０側の凸部壁面６７と空間７０のディフューザ２０側の壁面が密着することにより、第二流路ｒ２が遮断されて、第三流出口３４が開放状態である第三流路ｒ３のみが作用する。
これにより、ディフューザ２０の圧力損失は生じず、ディフューザ２０の性能低下を招くおそれはないので、効率的に遠心圧縮機５０の稼動を行うことができる。

なお、この際に、可動部６２と収容部ケーシング１４´によって空間７１が形成される。空間７１は、第二流入口７２によってディフューザ２０に連通し、回転中心軸Ｏを中心として円環状に形成されるものである。この空間７１はディフューザ２０で相対的に高い圧力の空気Ａ_２を吸気し、空間７１内を周方向に移動して低い圧力の空気Ａ_２部分に排出するため、ディフューザ２０の流れを円滑化することができる。

そして、第一流路Ｒ１の空気Ａが低流量になると、ディフューザ２０を流れる空気Ａ_２ａの剥離が発生するおそれがある。そのため、ディフューザ２０での空気Ａ_２ａの剥離を防止すべく、アクチュエータ６４によって、可動部６２を作動させることにより、第三流路ｒ３を遮断し、第二流路ｒ２を作用させる。

具体的には、図４（ｂ）のように、制御装置２６からの指令を受けたアクチュエータ６４によって、可動部６２がスライドするため、第三流出口３４は、可動部６２の内周壁面６６によって塞がれる。同時に、可動部６２のディフューザ２０側の凸部壁面６７と空間７０のディフューザ２０側の壁面は、一定の空間をもって離間するので、第二流入口７２が開放される。従って、第三流入口３２が可動部６２の内周壁面６６によって塞がれて、第三流路ｒ３が遮断されるため、第二流入口７２が開放している第二流路ｒ２のみが作用することになる。

これにより、ディフューザ２０に発生する空気Ａ_２ａの剥離を重点的に防止するため、サージングを発生させずに、さらなる低流量領域での稼動が可能となる。なお、短羽根７の入口周辺の空気Ａ_１ａの剥離は、インペラ３に流入する空気Ａ_１の流量が増加することにより防ぐことができる。

そして、第一流路Ｒ１の空気Ａの流量が増加して、ディフューザ２０での空気Ａ_２の剥離が生じない稼動領域（図４の領域ａ、領域ｂ相当）での稼動となった場合には、再びアクチュエータ６４によって可動部６２を反対方向に作動させて、第二流路ｒ２を遮断し、第三流路ｒ３を作用させる。

これにより、インペラ３短羽根７入口付近の空気Ａ_１ａの剥離を重点的に防止することができ、ディフューザ２０の性能を損なうおそれもない。従って、遠心圧縮機５０の性能の低下を招くことがないため、遠心圧縮機５０の効率的な稼動が可能となる。

すなわち、本実施形態の遠心圧縮機５０では、各流量によって発生しやすい空気Ａの剥離に応じて適切にその対策をするため、性能効率を損なうことがない。さらに、サージングの発生を防止することができ、広範囲での流量域において遠心圧縮機の駆動が可能となる。同時に、遠心圧縮機５０の軽量化や省スペース化が図られることにもなる。

なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、本実施形式の遠心圧縮機１，５０では、第二流入口２２をディフューザ形成面２１ａ又は２１ｂの一方のみに形成したが、ディフューザ形成面２１ａ及び２１ｂの双方に開口させる構成にしてもよい。
また、第二流入口２２は、ディフューザ形成面２１ａ又は／及び２１ｂに回転軸９からインペラ３の径方向にインペラ３の半径Ｒの１〜１．２倍の距離の範囲内の位置であれば、ディフューザ２０の逆流する空気Ａ_２ａを第二流路Ｒ２，ｒ２に流入させて効果的に消滅させて、サージングを防止することができる。
また、第二流入口２２が、ディフューザ形成面２１ａ又は／及び２１ｂに開口されていれば、逆流しようとする空気Ａ_２ａを第二流路Ｒ２，ｒ２に流入させて消滅させることができ、サージングの発生を防止することができる。

また、第二流入口２２，７２が開口する位置は、２１ａ，２１ｂに限られない。すなわち、第一流路Ｒ１のディフューザ２０入口部よりも下流側に開口させたとしても、ディフューザ２０を流れる空気Ａ_１の見かけの流量を増加させることができる。そのため、インペラ３及びディフューザ２０で空気Ａの剥離がしにくくなって、サージングを防止することができる。例えば、スクロール部４０に第二流入口２２を設けても、サージングを防止することができる。

また、第二流入口２２と第二流出口２４の開口数は、本実施形態の数以外のものであってもよい。但し、その開口数が４〜８つの場合に優れた効果を示す。
また、第二流入口２２と第二流出口２４の開口数は、同数でなくてもよく、パイプ２３等を分岐させる等して、異なる数にすることも可能である。
また、第二流入口２２と第二流出口２４を円周状にスリット形に形成して、空気Ａ_２ａを流出させてもよい。

また、本実施形態の遠心圧縮機１，５０では、ディフューザ２０にベーンが存在しないものであるが、ベーンが存在しても適用が可能である。

また、本実施形態の遠心圧縮機１，５０では、収容部ケーシング１４，１４´の内壁がシュウラドの機能を果たすが、シュウラド付のインペラを使用して、第三流入口３２をケーシング及びシュウラドを貫通させる構成にしてもよい。

また、第二流路Ｒ２，ｒ２と第三流路Ｒ３，ｒ３の切替や作動のタイミングは流量と回転数を計測して、その計測された値に基づいて行ってもよい。また、第一流入口Ｂの空気Ａ_０を計測して、空気Ａ３との圧力比を用いてもよい。

また、パイプ２３を空間３０に接続したり、可動部６２を省略したりして、第二流路Ｒ２，ｒ２と第三流路Ｒ３，ｒ３を合流させる構成にしてもよい。なお、この際には、第三流路Ｒ３の空気Ａ_１ａの流れを乱さないように第三流路Ｒ３からの空気Ａ_２を合流させるのが好ましい。

また、本実施形態の遠心圧縮機５０では、空間７１を形成するような可動部６２を用いているが、空間７１は必ずしも必要ではない。そのため、空間７１を形成しないように可動部６２の壁面によって第二流入口７２を完全に塞ぐ構成にしてもよい。

また、本実施形態の遠心圧縮機１，５０をエンジンの過給器、産業用の圧縮機又はガスタービンに適用することが可能である。

本発明の実施の形態における遠心圧縮機１の概略構成図である。 図１におけるＸ−Ｘ断面図である。 図１におけるＹ−Ｙ断面図である。 同遠心圧縮機１のサージングラインを示す図である。 同遠心圧縮機５０の要部断面図である。

符号の説明

１，５０…遠心圧縮機、３…インペラ、１０，１０´…ケーシング、２０…ディフューザ（ディフューザ部）、２２，７２…第二流入口（第二流路の流入口）、２４…第二流出口（第二流路の流出口）、２６…制御装置（制御部）、３２…第三流入口（第二流路の流入口）、３４…第三流出口（第三流路の流出口）、６０…切替部、６２…可動部（スライド機構）、６４…アクチュエータ、７０…空間、７４…共通流出口、Ａ（Ａ_１〜Ａ_３）…空気、Ｏ…回転中心軸、Ｒ…インペラ半径、Ｒ１…第一流路、Ｒ２，ｒ２…第二流路、Ｒ３，ｒ３…第三流路

Claims (12)

1. インペラと、前記インペラを収容すると共に前記インペラに連通して気体を送気する第一流路が形成されたケーシングと、を備える遠心圧縮機であって、
   前記第一流路における前記インペラよりも下流側の気体の一部を前記インペラよりも上流側に送気する第二流路を備えることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記第二流路が送気する気体の流量は、前記インペラから排出される気体の流量の１０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記第二流路の流入口は、前記第一流路のディフューザ部に開口することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記第二流路の流入口は、前記インペラの回転中心軸から前記インペラの径方向に前記インペラの半径の１〜１．２倍の距離の範囲内に開口することを特徴とする請求項３に記載の遠心圧縮機。
5. 前記第二流路の流出口は、流出する気体が前記インペラを回転させるように開口することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の遠心圧縮機。
6. 前記第二流路の流出口は、流出する気体が前記第一流路の下流側を向くように開口することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の遠心圧縮機。
7. 前記第二流路は、前記ケーシング壁面内に形成されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の遠心圧縮機。
8. 前記インペラ内の気体の一部を前記インペラよりも上流側に送気する第三流路を備えることを特徴とする請求項１から請求項７に記載の遠心圧縮機。
9. 前記第二流路と前記第三流路が合流することを特徴とする請求項８に記載の遠心圧縮機。
10. 前記第二流路と前記第三流路の開閉を切り替える切替部を備えることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の遠心圧縮機。
11. 前記切替部は、前記第二流路と前記第三流路のいずれか一方の流出口を塞ぐことが可能なスライド機構と、前記スライド機構を作動させるアクチュエータと、を備えることを特徴とする請求項１０に記載の遠心圧縮機。
12. 前記インペラの回転数及び／又は前記第一流路から排出される気体の圧力に基づいて、前記切替部を作動させる制御部を備えることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の遠心圧縮機。

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