JP2009068431A - パイプディフューザ式遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】パイプディフューザ式の遠心圧縮機において、構造を複雑にすることなく、ディフューザ作用に悪影響を及ぼすことなく、サージ限界を上げて少ない風量でもサージ現象が生じないようにすること。
【解決手段】パイプディフューザ２３のディフューザ通路３３を選択的に閉塞する開閉弁３５を設け、開閉弁３５は、複数個のディフューザ通路３３のうちインペラ周方向を等分する位置にある特定されたディフューザ通路３３をオン、オフ的に閉塞する。
【選択図】図２

Description

この発明は、パイプディフューザ式遠心圧縮機に関し、特に、工場エアー（プラントエアー）の空気供給源等として用いられるパイプディフューザ式遠心圧縮機に関するものである。

産業用の遠心圧縮機には、圧縮機の吸入側に吸入流量を制御する吸入制御弁が設けられ、吸入制御弁によって風量（流量）を制御するものがある（例えば、特許文献１）。この遠心圧縮機では、エアー使用量が少ない時には、吸入制御弁によって吸入側を絞り、吸入流量を低減することにより、余剰流量運転にならないようにして圧縮機運転の省エネルギ化を図ることができる。特に、工場エアーの空気供給源等として用いられる遠心圧縮機のように、遠心圧縮機が電動モータによって定格回転速度で駆動され、駆動モータの回転速度が制御されないものでは、遠心圧縮機の風量は、吸入制御弁によって制御するしかない。

しかし、遠心圧縮機では、吸入流量が少なすぎると、インペラの回転によって加速された空気の流れを減速させるためのディフューザにおいて失速が生じ、失速（ストール）からサージングを引きおこさせる。ディフューザにおいて失速が生じない吸入流量（風量）は、サージ限界と云われ、吐出空気圧力とディフューザの流れ特性により決まる。

このことに対して、羽根付きディフューザの流路の一方の側壁を可動壁として流路を部分的に閉塞し、ディフューザ流路を絞ることにより、吸入流量絞り限界である耐サージ性（サージ限界）を上げて少ない風量でもサージ現象が生じないようにした遠心圧縮機がある（例えば、特許文献２）。

また、固定式ディフューザの遠心圧縮機として、インペラの外側周りに形成された複数個のディフューザ通路を有するパイプディフューザ（チャネルディフューザ）式の遠心圧縮機が知られている（例えば、特許文献３、４）。
特開平１−２１９３９７号公報 特開昭６０−１３２０９９号公報 特開平５−１９５９９１号公報 特開平１０−６１５８６号公報

ディフューザ流路を絞ることにより、サージ限界を上げて少ない風量でもサージ現象が生じないようにすることができるが、しかし、ディフューザ流路を絞ってディフューザにおける流量（流速）を定量制御するものでは、構造が複雑になる。また、ディフューザ流路が絞られると、ディフューザ作用に悪影響を及ぼすことがあり、ディフューザ本来の性能が発揮されなくなり、効率が低下する原因になる。

この発明が解決しようとする課題は、遠心圧縮機、特に、パイプディフューザ式の遠心圧縮機において、構造を複雑にすることなく、ディフューザ作用に悪影響を及ぼすことなく、サージ限界（吸入流量絞り限界）を上げて少ない風量でもサージ現象が生じないようにすることである。

この発明による遠心圧縮機は、インペラの外側周りに形成された複数個のディフューザ通路を有するパイプディフューザ式の遠心圧縮機であって、前記ディフューザ通路を選択的に閉塞する開閉弁を有し、前記開閉弁は、前記複数個のディフューザ通路
のうち前記インペラの周方向を等分する位置にある特定された前記ディフューザ通路をオン、オフ的に閉塞することを特徴としている。

また、インペラの周方向を等分する位置にある複数の前記開閉弁のうち、インペラの回転軸を中心として点対称位置の開閉弁が前記ディフューザ通路をオン、オフ的に開閉することを特徴としている。

この発明によるパイプディフューザ式遠心圧縮機によれば、開閉弁は、ディフューザ通路をオン、オフ的に開閉するものであり、ディフューザ流路を絞ってディフューザにおける空気流速を定量制御するものではないから、構造を複雑にすることなく、ディフューザ作用に悪影響を及ぼすこともなく、サージ限界を上げることができる。また、開閉弁は、複数個のディフューザ通路のうちインペラ周方向を等分する位置にある特定されたディフューザ通路を開閉するから、開閉弁によるディフューザ通路の開閉によって、流体のアンバランスによる、回転体の振動を発生させることを防ぐことが出来る。

また、インペラの回転軸を中心として点対称位置の開閉弁が開閉するので、ディフューザ通路の開閉によって、流体のアンバランスによる回転体の振動を発生させることを防ぐことが出来る。

この発明によるパイプディフューザ式遠心圧縮機の一つの実施形態を、図１、図２を参照して説明する。

パイプディフューザ式遠心圧縮機は、軸受ハウジング１１と、軸受ハウジング１１より回転可能に支持された回転軸１３に取り付けられたインペラ１５と、軸受ハウジング１１に固定締結されたスクロールハウジング１７とを有する。スクロールハウジング１７は、、吸入口１９と、インペラ１５を収容するインペラ室２１と、インペラ１５の外側周りに形成されたパイプディフューザ２３と、パイプディフューザ２３の出口側に連通するスクロール通路２５と、スクロール通路２５の終端に連続する吐出口（図示省略）とを有する。吸入口１９には、吸入流量を制御する吸入制御弁２７が設けられている。

インペラ１５は回転軸１３により回転駆動される。空気は、吸入制御弁２７によって流れを定量的に制御され、吸入口１９よりインペラ室２１に入り、インペラ１５の回転によって加速され、パイプディフューザ２３で減速されたあとスクロール通路２５へ流れ、吐出口（図示省略）より吐出される。

パイプディフューザ２３は、図２に示されているように、インペラ１５の外側周りに等間隔に画定された複数個のパイプディフューザ通路３３を有する。この実施形態では、１６個のパイプディフューザ通路３３が、インペラ１５の全周を１６等分割する回転位置に設けられ、各々、インペラ外周の接線方向に延在している。ここでは、１６個のディフューザ通路３３を♯１〜♯１６の番号付けを行い、♯１と♯９、♯２と♯１０、♯３と♯１１、♯４と♯１２、♯５と♯１３、♯６と１４、♯７と♯１５、♯８と♯１６が、インペラ１５の回転軸１２の軸中心を中心として点対称位置にそれぞれ設けられている。

１６個のディフューザ通路３３（♯１〜♯１６）には、各々、開閉弁３５が設けられている。開閉弁３５は、ボール弁、バタフライ弁、フラッパ弁等により構成され、ディフューザ通路３３を全開する弁開状態と、ディフューザ通路３３を実質的に完全に遮蔽する閉塞状態の何れかを取るオン、オフ的に動作する。そして、この開閉弁３５は、複数個のディフューザ通路３３のうちインペラ１５の周方向を等分する位置にある特定されたディフューザ通路３３を選択的に開閉する。

例えば、このパイプディフューザ２３では、表１に示すように、♯１、♯９の二つディフューザ通路３３の開閉弁３５を閉じる第１の状態、♯１、♯９、♯５、♯１３の開閉弁３５を閉じる第２の状態、♯１、♯９、♯５、♯１３、♯３、♯１１、♯７、♯１５の開閉弁３５を閉じる第３の状態、♯１、♯９、♯５、♯１３、♯３、♯１１、♯７、♯１５、♯２、♯１０、♯６、♯１４の開閉弁３５を閉じる第４の状態、１、♯９、♯５、♯１３、♯３、♯１１、♯７、♯１５、♯２、♯１０、♯６、♯１４の開閉弁３５に加えて、♯４、♯１２、♯８、♯１６の開閉弁３５を閉じる第５の状態すなわち全閉状態の何れかを選択的に取ることができる。

この場合、第１の状態から第４の状態において、ディフューザ通路３３の開閉弁３５は、インペラ１５の回転軸１３を中心として対称位置にある開閉弁３５が同時に開閉され、第１の状態から第２の状態とする場合には、周方向を等分する位置にある開閉弁３５（♯５と♯１３）が開閉される。また、第２の状態から第３の状態とする場合には、周方向を等分する位置にある開閉弁３５（♯３と♯１１、♯７と♯１５）が開閉される。すなわち、周方向を等分する位置の開閉弁３５が常に開閉される。これにより、流体のアンバランスによる回転体の振動を発生させることを防ぐことが出来る。

そして、特定されたディフューザ通路３３が開閉弁３５によって閉塞されることにより、残されたディフューザ通路（開閉弁３５によって閉塞されていないディフューザ通路）３３を流れる空気の流速が速められ、サージ限界が低流量側に改善される。これにより、吸入制御弁２７による許容最低風量が低下し、低風量側での遠心圧縮機の運転領域が拡大される。

図３は、風量（Ｑ）と吐出圧力（Ｐ）との関係により決まるサージライン特性を示している。図３は、横軸に風量Ｑを、縦軸に吐出圧力Ｐｄを取っており、符号Ａ０は開閉弁３５が全開状態のときのサージ限界を示すサージラインである。また、符号Ａ１は開閉弁３５の開閉状態が第１の状態のときのサージ限界を示すサージラインであり、符号Ａ２は第２の状態、符号Ａ３は第３の状態、符号Ａ４は第４の状態、符号Ａ５は第５の状態のときのそれぞれサージ限界を示すサージラインである。

図３において、特定されたディフューザ通路３３が開閉弁３５によって閉塞されたことにより、例えば、開閉弁３５が全開状態のサージラインがＡ０より第１の状態のサージラインＡ１に改善シフトされたことを示している。これにより、定格吐出圧力Ｐｓにおいて、サージ限界風量がＱａよりＱｂに改善され、遠心圧縮機の低風量側の運転領域が拡大され、より低風量での運転が可能になる。

このように、開閉弁３５は、ディフューザ通路３３をオン、オフ的に閉塞するものであり、ディフューザ通路３３を絞ってディフューザにおける空気流速を定量的に制御するものではないから、構造が複雑になることがない。

また、開閉弁３５は、ディフューザ通路３３を全開する弁開状態と、ディフューザ通路３３を実質的に完全に遮蔽する閉塞状態の何れかを取るオン、オフ的に動作するから、全開状態時、閉塞状態時の何れにおいても、ディフューザ流路３３の空気流れを偏向させる働きをすることがない。これにより、開閉弁３５がディフューザ作用に悪影響を及ぼすこともない。

また、開閉弁３５は、複数個のディフューザ通路３３のうちインペラ周方向を等分する位置にある特定されたディフューザ通路３３を閉塞するから、開閉弁３３によるディフューザ通路閉塞によって高速回転のインペラ１５の流体の不均一により回転体を加振してしまうこともない。

図３は、この実施形態によるパイプディフューザ式遠心圧縮機の制御系の一つの実施形態を示している。

吸入制御弁２７は制御器５１により制御される。制御器５１は、圧力センサ５１によって検出される吐出側の空気圧力が所定の圧力に保たれるように、吸入制御弁２７の開度を定量的に制御する。

開閉弁３５は制御器５５により制御される。制御器５５は、流量センサ５７によって検出される吐出側の空気流量に応じ、空気流量が少ないほど、閉塞する弁個数が段階的に増加するように開閉弁３５を制御する。

この制御により、吸入制御弁２７によって風量Ｑが低下するほど、サージラインがＡ０よりＡ１のように低風量側に改善シフトされ、これに応じてサージ限界風量がＱａよりＱｂように、低風量側に改善されることになる。

以下、図４に示す制御系の制御について、図５及び図６を用いて説明する。図５は（ａ）は空気の使用流量が低下したときの制御器５１及び制御器５５の制御フローを示す。

図５（ａ）は、空気の使用流量が下がった場合の吸入制御弁２７と開閉弁３５の動きを示している。空気の使用流量が下がると、定格運転している圧縮機の吐出圧力は上昇し、これを圧力センサ５３が検知する。圧力センサ５３の検知結果に基づいて制御器５１は、吸入制御弁２７を閉じる。吸入制御弁２７を閉じると、圧縮機内への空気の流量が絞られるので、インペラの回転によって加速された空気の流れが減速する。このとき、流量センサ５７が空気流量の低下を検知し、この検知結果に基づいて制御器５５は、パイプディフューザ２３の開閉弁３５を、上記した第１の状態から段階的にすなわち、空気流量の低下量に応じて第２の状態、第３の状態、第４の状態に設定する。

次ぎに、吸入制御弁２７が絞られて、開閉弁３５が上記第１〜第４の状態のいずれかの状態にあるときに、空気の使用量が上がった場合の吸入制御弁２７と開閉弁３５の動きを図５（ｂ）に示す。

図６に示すＡ点にて定格運転している状態から空気の使用流量が上がると、定格運転している圧縮機の吐出圧力は降下し、図６のＢ点での運転となり、吐出圧力の降下を圧力センサ５３が検知する。圧力センサ５３の検知結果に基づいて制御器５１は吸入制御弁２７を閉じ状態から開放状態にする。吸入制御弁２７を開放状態にすると、その分吸入される空気流量が増加し、図６のＣ点での運転となる。空気流量の増加を流量センサ５７が検知すると、制御器５５は、パイプディフューザ２３の開閉弁３５を開放する。この場合、例えば、第３の状態から第２の状態、あるいは第４の状態から第２、第１の状態にすることで開閉弁３５を開放する。

このように、吸入制御弁２７に加えて、パイプディフューザに開閉弁３５を設けて、空気の使用流量に応じて開閉弁３５を開閉することにより、サージ限界を変化させて、少ない風量でもサージ現象を生じさせないようにすることができる。

なお、上述の実施形態では、開閉弁３５の開閉弁個数は、２、４、８としたが、これ以外に、開閉弁３５の開閉弁個数は、３、６、９や、２、３、４、６、８、９とすることもでき、図２では、開閉弁３５を全てのディフューザ通路３３に設けているが、開閉弁３５は、これらを実現するためのディフューザ通路３３にのみ設けられればよい。また、開閉弁３５の配置位置は、ディフューザ通路３３の入口部、出口部、通路途中の何れの部位に設けられてもよい。

この発明によるパイプディフューザ式遠心圧縮機の一つの実施形態を示す断面図である。 この発明によるパイプディフューザ式遠心圧縮機の一つの実施形態を示すパイプディフューザ部分の説明図である。 風量と吐出圧力との関係により決まるサージライン特性を示すグラフである。 この実施形態によるパイプディフューザ式遠心圧縮機の制御系の一つの実施形態を示すブロック図である。 開閉弁と吸入制御弁との作用を示し、（ａ）は使用流量が下がった場合の開閉弁と吸入制御弁の作用を示し、（ｂ）は使用流量が上がった場合の開閉弁と吸入制御弁の作用を示す流れ図である。 風量と吐出圧力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１１ 軸受ハウジング
１３ 回転軸
１５ インペラ
１７ スクロールハウジング
１９ 吸入口
２１ インペラ室
２３ パイプディフューザ
２５ スクロール通路
２７ 吸入制御弁
３１ チャネル
３３ ディフューザ通路
３５ 開閉弁
５１ 制御器
５３ 圧力センサ
５５ 制御器
５７ 流量センサ

Claims (2)

1. インペラの外側周りに形成された複数個のディフューザ通路を有するパイプディフューザ式の遠心圧縮機であって、
   前記ディフューザ通路を選択的に開閉する開閉弁を有し、前記開閉弁は、前記複数個のディフューザ通路のうち前記インペラの周方向を等分する位置にある特定された前記ディフューザ通路をオン、オフ的に開閉することを特徴とするパイプディフューザ式遠心圧縮機。
2. インペラの周方向を等分する位置にある複数の前記開閉弁のうち、インペラの回転軸を中心として点対称位置の開閉弁が前記ディフューザ通路をオン、オフ的に開閉することを特徴とする請求項１記載のパイプディフューザ式遠心圧縮機。

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