JP2008309123A - 遠心圧縮機ケーシング - Google Patents

Abstract

【課題】特別な装置を設けることなく、インレット部材の圧力差による変形及び熱変形を抑制することができる遠心圧縮機ケーシングを提供する。
【解決手段】遠心圧縮機ケーシング１０には、インレット部材１２とスクロール部材１７とによってガス吸入通路１３を環状に囲む環状空間１４が形成されている。インレット部材１２には、遠心インペラ５よりガス流れの上流側であって圧力差のある２箇所以上の部位に、ガス吸入通路１３と環状空間１４を連通する連通路１５が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種プロセスプラントなどにおいてガスの圧縮や送気に使用される遠心圧縮機のケーシングに関する。

図５は、従来の遠心圧縮機ケーシング４０の一例を示す断面図である。このケーシング４０は、ガス吸入通路４３を囲む壁部を構成するとともにこの壁部の一部が遠心インペラ４８の羽根に対向するインレット部材４２と、インレット部材４２に連結されスクロール室４６が内部に形成されたスクロール部材４５とを備える。スクロール室４６は、遠心インペラ４８によって圧縮されたガス１が導入される環状の空間である。遠心インペラ４８の出口とスクロール室４６との間には、遠心インペラ４８からのガス１をスクロール室４６に導くディフューザ４７が形成されている。インレット部材４２の外周には環状凹部４２ａが形成されており、インレット部材４２とスクロール部材４５とが連結されることにより上記の環状凹部４２ａが閉じられてインレット部材４２の壁部を隔ててガス吸入通路４３を環状に囲む環状空間４４が形成されている。環状空間４４には空気が大気圧で満たされている。インレット部材４２とスクロール部材４５との間は、シール部材５０によって気密にシールされている。

上記のケーシング４０を備えた遠心圧縮機において、遠心インペラ４８が回転駆動されると、圧縮対象のガス１がガス導入通路４３を通り、遠心インペラ４８によって吸入され半径方向外側へ吐き出され、ディフューザ４７を通過する過程で減速加圧されてスクロール室４６へと導入され、図示しない吐出部から吐き出される。

このような遠心圧縮機の運転中において、ガス吸入通路４３の圧力は高くなる一方、上記の環状空間４４は大気圧のままであり、両空間には圧力差が生じる。このため、この圧力差によるインレット部材４２の変形を抑える必要がある。そのためにはインレット部材４２の強度を増す必要があるが、圧力差が大きいほど、インレット部材４２を高強度の材質のものとし、かつ肉厚を厚くする必要がある。このため、製作コストが高くなり、重量が増加するという問題がある。

また、圧縮されたガス１は高温となり、この高温ガスによってインレット部材４２が加熱されるため、インレット部材４２に熱変形が生じる。この熱変形は、遠心インペラ４８のチップクリアランス（遠心インペラ４８の羽根とインレット部材４２との隙間）やディフューザ４７の幅を変化させ、性能低下を引き起こす。また、圧縮機ケーシングの設計においては、熱変形の分も付加して上記のチップクリアランスを設定するため、クリアランスからのリーク損失を増大させて圧縮機の性能効率を下げる問題がある。

一方、下記特許文献１には、ケーシングに補強部材を設け、高い温度・圧力においてケーシングの変形を抑える技術が提案されているが、補強部材を追加する分、製作コスト及び重量が増大するという問題がある。

また、下記特許文献２には、図５の環状空間４４に相当する部分に冷却流体を流して、インレット部材４２に相当するシュラウドケーシングの熱変形を抑制する技術が提案されているが、冷却流体を供給する手段（ポンプ、配管など）を設ける必要があり、製作コストが増大するという問題がある。

また、下記特許文献３には、ケーシングに気体を流す流路を設け、流体の通過による温度変化でケーシングを変形させ変形量を抑制する技術が提案されているが、変形量を検出するセンサ、流体の温度を制御する熱交換器とその制御装置等を設ける必要があり、製作コストが増大するという問題がある。

また、下記特許文献４には、ディフューザに、環状板、間隔保持部材、締結部材などを設けることにより、図５のインレット部材４２に相当する第１壁部分が変形しても、ディフューザの幅を一定に保持する技術が提案されているが、部品点数が大幅に増大する上に構造が複雑となり、製作コストが増大するという問題がある。

特許第３６０３９１１号公報 特開平２−２３３９００号公報 特開２００５−４２６１２公報 特公平５−２０５９７号公報

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、特別な装置を設けることなく、インレット部材の圧力差による変形及び熱変形を抑制することができる遠心圧縮機ケーシングを提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明の遠心圧縮機ケーシングは、以下の手段を採用する。
本発明は、遠心インペラを囲むとともに、前記遠心インペラにガスを導くガス吸入通路とインペラによって圧縮されたガスが導入される環状のスクロール室とが内部に形成されており、前記ガス吸入通路を囲む壁部を構成するとともに該壁部の一部が前記遠心インペラの羽根に対向するインレット部材と、該インレット部材に連結され前記スクロール室が内部に形成されたスクロール部材とを備え、前記インレット部材と前記スクロール部材とによって前記ガス吸入通路を環状に囲む環状空間が形成された遠心圧縮機ケーシングにおいて、前記インレット部材には、前記遠心インペラよりガス流れの上流側であって圧力差のある２箇所以上の部位に、前記ガス吸入通路と前記環状空間を連通する連通路が形成されている、ことを特徴とする。

上記の遠心圧縮機ケーシングによれば、インレット部材には、ガス吸入通路と環状空間を連通する連通路が形成されているので、ガス吸入通路と環状空間の圧力差が小さくなり、圧力差によるインレット部材の変形は小さくなる。また、圧力差が緩和される結果、インレット部材の肉厚を薄くすることができるので、軽量化できるとともに低コストで製作することができる。また、温度上昇する前のガスが継続的に環状空間内に流入することによってインレット部材を冷却する効果があるので、インレット部材の熱変形を小さく抑えることができる。
このように、インレット部材の圧力差による変形及び熱変形を抑制することができるので、遠心インペラのチップクリアランスやディフューザ幅の変化量を小さく抑えることができる。したがって、性能低下を起こさない。
また、連通路は、遠心インペラよりガス流れの上流側であって圧力差のある２箇所以上の部位に設けられているので、環状空間内の空気が速やかにガスで置換される。したがって、取扱いガスが空気以外の場合に、運転中に環状空間内の空気が圧縮機内部に継続的に流れ込んでガスの純度を損なうことがない。
さらに、上述した圧力差の緩和とインレット部材の冷却の作用は、特別な装置や制御を必要とせず、自動的に行なわれる。

また、上記の遠心圧縮機ケーシングにおいて、前記連通路が設けられた圧力差のある２箇所以上の部位は、前記インレット部材の内径の異なる２箇所以上の部位である。
また、上記の遠心圧縮機ケーシングにおいて、前記ガス吸入通路には、吸込み容量を制御するための入口案内翼が設けられており、前記連通路が設けられた圧力差のある２箇所以上の部位は、前記入口案内翼の前後の部位である。

インレット部材の内径の異なる２箇所以上の部位であれば、流速差によって圧力差が生じ、吸入通路に吸込み容量を制御するための入口案内翼が設けられている場合は入口案内翼の前後の部位であれば、入口案内翼による圧力損失によって圧力差が生じる。したがって、このような圧力差の生じる２箇所以上の部位に連通路を設ければよい。

また、上記の遠心圧縮機ケーシングにおいて、前記インレット部材は軸方向に直列に連結された第１部材と第２部材とからなり、該第２部材は前記第１部材のガス流れの下流側に配置され、前記第１部材と前記第２部材との境界部が、前記遠心インペラの入口部又は前記遠心インペラよりも上流側に位置する。

このように、インレット部材を第１部材と第２部材で構成してもよい。これにより、遠心インペラを囲む第２部材の材料の選定範囲が広くなる。例えば、第２部材の材料として、遠心インペラとの接触において有利な材質のものを選定できる。

また、上記の遠心圧縮機ケーシングにおいて、前記インレット部材は、隙間を挟んで軸方向に分割された第１部材と第２部材とからなり、該第２部材は前記第１部材のガス流れの下流側に配置され、前記隙間は前記連通路の一つとして機能する。

このように、インレット部材を、隙間を挟んで軸方向に分割された第１部材と第２部材とで構成してもよい。これにより、遠心インペラを囲む第２部材の材料の選定範囲が広くなる。例えば、第２部材の材料として、遠心インペラとの接触において有利な材質のものを選定できる。また、この構成のように、上記の連通路は、隙間（スリット）であってもよい。

また、上記の遠心圧縮機ケーシングにおいて、前記第２部材は前記第１部材よりも前記遠心インペラによって削られやすい材料からなるか、または前記第２部材の内周面が前記材料で形成されている。
また、上記の遠心圧縮機ケーシングにおいて、前記第２部材は前記第１部材よりも前記遠心インペラと接触しても発火しにくい材料からなるか、または前記第２部材の内周面が前記材料で形成されている。

上述したようにインレット部材の内外間で圧力差が小さく抑えられるので、材料強度が低い材料でも選定が可能である。したがって、遠心インペラによって削られやすい材料や遠心インペラと接触しても発火しにくい材料は強度が低いが、第２部材の材料としては有利であり、このような材料を容易に第２部材の材料として適用することができる。

本発明の遠心圧縮機ケーシングによれば、特別な装置を設けることなく、インレット部材の圧力差による変形及び熱変形を抑制することができる、という優れた効果が得られる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態にかかる遠心圧縮機ケーシング１０（以下、単に「ケーシング１０」という場合もある。）の構成を示す断面図である。
このケーシング１０は、遠心インペラ５を囲むとともに、遠心インペラ５にガス１を導くガス吸入通路１３と遠心インペラ５によって圧縮されたガス１が導入される環状のスクロール室１８とが内部に形成されている。圧縮対象のガス１は、各種プロセスプラントにおいて使用される空気、酸素、窒素等であり、その種類は特に限定されない。

遠心インペラ５の背面には、後述するスクロール部材１７を貫通したロータ軸３が一体的に連結されており、図示しない駆動装置によってロータ軸３が回転駆動されることにより、遠心インペラ５が回転させられる。
ロータ軸３とスクロール部材１７との間には、遠心インペラ５の背面側に流入するガス１が、ロータ軸３とスクロール部材１７の隙間から漏れないようにシールするための軸シール７が配設されている。なお、ロータ軸３と遠心インペラ５は一体形成されたものであっても、別部品として製作された後、適宜の連結手段により連結固定されたものであってもよい。

図１に示すように、ケーシング１０は、ガス吸入通路１３を囲む壁部を構成するとともにこの壁部の一部が遠心インペラ５の羽根に対向するインレット部材１２と、インレット部材１２に連結されスクロール室１８が内部に形成されたスクロール部材１７とを備える。インレット部材１２とスクロール部材１７は、ボルト等の適宜の連結手段によって連結固定されている。
遠心インペラ５の出口とスクロール室１８との間には、遠心インペラ５からのガス１をスクロール室１８に導く環状のディフューザ１９が形成されている。

インレット部材１２の外周には半径方向外周側が開口した環状凹部１２ａが形成されており、インレット部材１２とスクロール部材１７とが連結されることにより上記の環状凹部１２ａの開口が閉じられてインレット部材１２の壁部を隔ててガス吸入通路１３を環状に囲む環状空間１４が形成されている。製品の組立後、遠心圧縮機の運転前においては、環状空間１４には空気が大気圧の状態で満たされている。インレット部材１２とスクロール部材１７との間は、シール部材２０によって気密にシールされている。本実施形態において、インレット部材１２は、入口から出口に向って、内径が縮小する区間、一定の区間、および拡大する区間を有する。

上記のケーシング１０を備えた遠心圧縮機において、遠心インペラ５が回転駆動されると、圧縮対象のガス１がガス１導入通路を通り、遠心インペラ５によって吸入され半径方向外側へ吐き出され、ディフューザ１９部を通過する過程で減速加圧されてスクロール室１８へと導入され、図示しない吐出部から吐き出される。

本実施形態の遠心圧縮機ケーシング１０は、さらに、以下の構成を備えている。
インレット部材１２には、遠心インペラ５よりガス流れの上流側であって圧力差のある２箇所以上の部位に、ガス吸入通路１３と環状空間１４を連通する連通路１５が形成されている。
本実施形態において、連通路１５が設けられた圧力差のある２箇所以上の部位は、インレット部材１２の内径の異なる２箇所以上の部位である。内径の異なる部位であれば、流速差によって圧力差が生じる。図１では、穴状の連通路１５が、相対的に内径の大きい部位と、相対的に内径の小さい部位に、それぞれ形成されており、各部位のガス吸入通路１３を流れるガス１は流速差によって圧力差が生じ、相対的に内径の大きい部位のガス吸入通路１３を流れるガス１の圧力ｐ１は、相対的に内径の小さい部位のガス吸入通路１３を流れるガス１の圧力ｐ２より大きい。
なお、連通路１５が延びる方向は、軸心ａに対して垂直でも傾斜する方向でもよい。

上記の如き構成された遠心圧縮機ケーシング１０によれば、インレット部材１２には、ガス吸入通路１３と環状空間１４を連通する連通路１５が形成されているので、ガス吸入通路１３と環状空間１４の圧力差が小さくなり、圧力差によるインレット部材１２の変形は小さくなる。また、圧力差が緩和される結果、インレット部材１２の肉厚を薄くすることができるので、軽量化できるとともに低コストで製作することができる。また、温度上昇する前のガス１が継続的に環状空間１４内に流入することによってインレット部材１２を冷却する効果があるので、インレット部材１２の熱変形を小さく抑えることができる。

このように、インレット部材１２の圧力差による変形及び熱変形を抑制することができるので、遠心インペラ５のチップクリアランスやディフューザ１９幅の変化量を小さく抑えることができる。したがって、性能低下を起こさない。

また、連通路１５は、遠心インペラ５よりガス流れの上流側であって圧力差のある２箇所以上の部位に設けられているので、環状空間１４内の空気が速やかにガス１で置換される。したがって、取扱いガス１が空気以外の場合において、運転中に環状空間１４内の空気が圧縮機内部に継続的に流れ込んでガス１の純度を損なうことがない。
さらに、上述した圧力差の緩和とインレット部材１２の冷却の作用は、特別な装置や制御を必要とせず、自動的に行なわれる。

［第２実施形態］
図２は、本発明の第２実施形態にかかる遠心圧縮機ケーシング１０の構成を示す断面図である。
本実施形態では、インレット部材１２は、軸方向に直列に連結された第１部材１２Ａと第２部材１２Ｂとからなる。第２部材１２Ｂは第１部材１２Ａのガス流れの下流側に配置され、第１部材１２Ａと第２部材１２Ｂとの境界部が、遠心インペラ５の入口部又は遠心インペラ５よりも上流側に位置する。第２部材１２Ｂは、所定のチップクリアランスをあけて遠心インペラ５の羽根に対向している。
第１部材１２Ａと第２部材１２Ｂは、互いに向き合う軸方向の端面で密着し、ボルト等の適宜の連結手段で連結されている。

図２において、圧力差のある複数個所に形成された連通路１５は、いずれも第１部材１２Ａと第２部材１２Ｂの境界部よりも、ガス流れの上流側に設けられているが、境界部の位置によっては（例えば、境界部が図２に示した位置よりも上流側にある場合は）、連通路１５の一部又は全部が境界部より下流側に設けられてもよい。

第２部材１２Ｂは、第１部材１２Ａよりも遠心インペラ５によって削られやすい材料や第１部材１２Ａよりも遠心インペラ５と接触しても発火しにくい材料からなるのが好ましい。あるいは、第２部材１２Ｂの内周面がこのような材料で形成されるのが好ましい。
上述したようにインレット部材１２の内外間で圧力差が小さく抑えられるので、第２部材１２Ｂの材料としては、材料強度が低いものでも選定が可能である。したがって、遠心インペラ５によって削られやすい材料や遠心インペラ５と接触しても発火しにくい材料は強度が低いが、第２部材１２Ｂの材料としては有利であり、このような材料を容易に第２部材１２Ｂの材料として適用することができる。

上記の削られやすい材料としては、合成樹脂、銅（または銅合金）、アルミ（またはアルミ合金）やアブレイダブル材料などが例示される。合成樹脂、銅（または銅合金）、アルミ（またはアルミ合金）などを適用する場合、第２部材１２Ｂ自体をこれらの材料で形成することができる。また、コーティングや鋳込み等の処理によって第２部材１２Ｂの内周面をこれらの材料で形成することができる。
アブレイダブル材料を適用する場合は、第２部材１２Ｂの内周面にアブレイダブル材料をコーティングすることにより、第２部材１２Ｂの内周面をアブレイダブル材料で形成することができる。上記のコーティングとしては、溶射、放電コーティングなどが例示される。

上記の発火しづらい材料としては、銀、銅、ニッケルや、これらの少なくとも一種を含む合金などが例示される。これらの材料を適用する場合、第２部材１２Ｂ自体をこれらの材料で形成することができる。また、コーティングや鋳込み等の処理によって第２部材１２Ｂの内周面をこれらの材料で形成することができる。

本実施形態の他の構成及び効果は、上述した第１実施形態と同様である。

［第３実施形態］
図３は、本発明の第３実施形態にかかる遠心圧縮機ケーシング１０の構成を示す断面図である。
上述した第１実施形態及び第２実施形態では、連通路１５が穴状の例を説明したが、本実施形態では連通路１５が隙間（スリット）１５ａである例を説明する。
図３に示すように、本実施形態では、インレット部材１２は、隙間１５ａを挟んで軸方向に分割された第１部材１２Ａと第２部材１２Ｂとからなる。第２部材１２Ｂは第１部材１２Ａのガス流れの下流側に配置され、隙間１５ａは連通路１５の一つとして機能する。しがたって、隙間１５ａは、遠心インペラ５よりガス流れの上流側に位置している。第１部材１２Ａと第２部材１２Ｂは、それぞれ、ボルト等の適宜の連結手段によりスクロール部材１７に連結固定されている。

第２部材１２Ｂは、所定のチップクリアランスをあけて遠心インペラ５の羽根に対向している。また、第２部材１２Ｂは、第２実施形態と同様に、第１部材１２Ａよりも遠心インペラ５によって削られやすい材料からなるのが好ましい。
本発明のその他の構成は、第２実施形態と同様である。また、本実施形態によっても、第２実施形態と同様の効果が得られる。

［第４実施形態］
図４は、本発明の第４実施形態にかかる遠心圧縮機ケーシング１０の構成を示す断面図である。
本実施形態において、ガス吸入通路１３には、吸込み容量を制御するための入口案内翼２２（ＩＧＶ：インレットガイドベーン）が設けられている。また、インレット部材１２の内径が一定の区間が、第１〜第３実施形態よりも長い。
上述した第１〜第３実施形態では、圧力差の生じる２箇所以上の部位は、インレット部材１２の内径の異なる２箇所以上の部位であった。一方、本実施形態では、入口案内翼２２が設けられているので、圧力損失によってその前後で圧力差が生じる。したがって、入口案内翼２２の前後の部位に連通路１５が設けられている。

本実施形態においても、インレット部材１２は第１部材１２Ａと第２部材１２Ｂからなるので、第２部材１２Ｂは、第２実施形態と同様に、第１部材１２Ａよりも遠心インペラ５によって削られやすい材料からなるのが好ましい。
本発明のその他の構成は、第３実施形態と同様である。また、本実施形態によっても、第３実施形態と同様の効果が得られる。
なお、本実施形態では、インレット部材１２が隙間１５ａを挟んで配置された第１部材１２Ａと第２部材１２Ｂからなるが、第１実施形態と同様にこれらが一体に形成されたものでもよく、第２実施形態と同様に第１部材１２Ａと第２部材１２Ｂが連結されたものでもよい。

なお、上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の第１実施形態にかかる遠心圧縮機ケーシングの構成を示す断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる遠心圧縮機ケーシングの構成を示す断面図である。 本発明の第３実施形態にかかる遠心圧縮機ケーシングの構成を示す断面図である。 本発明の第４実施形態にかかる遠心圧縮機ケーシングの構成を示す断面図である。 従来の遠心圧縮機ケーシングの一例の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ ガス
３ ロータ軸
５ 遠心インペラ
７ 軸シール
１０ 遠心圧縮機ケーシング
１２ インレット部材
１２ａ 環状凹部
１２Ａ 第１部材
１２Ｂ 第２部材
１３ ガス吸入通路
１４ 環状空間
１５ 連通路
１５ａ 隙間
１７ スクロール部材
１８ スクロール室
１９ ディフューザ
２０ シール部材
２２ 入口案内翼

Claims (7)

1. 遠心インペラを囲むとともに、前記遠心インペラにガスを導くガス吸入通路とインペラによって圧縮されたガスが導入される環状のスクロール室とが内部に形成されており、前記ガス吸入通路を囲む壁部を構成するとともに該壁部の一部が前記遠心インペラの羽根に対向するインレット部材と、該インレット部材に連結され前記スクロール室が内部に形成されたスクロール部材とを備え、前記インレット部材と前記スクロール部材とによって前記ガス吸入通路を環状に囲む環状空間が形成された遠心圧縮機ケーシングにおいて、
   前記インレット部材には、前記遠心インペラよりガス流れの上流側であって圧力差のある２箇所以上の部位に、前記ガス吸入通路と前記環状空間を連通する連通路が形成されている、ことを特徴とする遠心圧縮機ケーシング。
2. 前記連通路が設けられた圧力差のある２箇所以上の部位は、前記インレット部材の内径の異なる２箇所以上の部位である、請求項１記載の遠心圧縮機ケーシング。
3. 前記ガス吸入通路には、吸込み容量を制御するための入口案内翼が設けられており、
   前記連通路が設けられた圧力差のある２箇所以上の部位は、前記入口案内翼の前後の部位である、請求項１記載の遠心圧縮機ケーシング。
4. 前記インレット部材は軸方向に直列に連結された第１部材と第２部材とからなり、該第２部材は前記第１部材のガス流れの下流側に配置され、前記第１部材と前記第２部材との境界部が、前記遠心インペラの入口部又は前記遠心インペラよりも上流側に位置する、請求項１記載の遠心圧縮機ケーシング。
5. 前記インレット部材は、隙間を挟んで軸方向に分割された第１部材と第２部材とからなり、該第２部材は前記第１部材のガス流れの下流側に配置され、前記隙間は前記連通路の一つとして機能する、請求項１記載の遠心圧縮機ケーシング。
6. 前記第２部材は前記第１部材よりも前記遠心インペラによって削られやすい材料からなるか、または前記第２部材の内周面が前記材料で形成されている、請求項４又は５記載の遠心圧縮機ケーシング。
7. 前記第２部材は前記第１部材よりも前記遠心インペラと接触しても発火しにくい材料からなるか、または前記第２部材の内周面が前記材料で形成されている、請求項４又は５記載の遠心圧縮機ケーシング。

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