JP2009197614A - Centrifugal compressor and diffuser vane - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、空気等のガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機、及びこの遠心圧縮機に用いられるディフューザベーンに関する。 The present invention relates to a centrifugal compressor that compresses a gas such as air using centrifugal force, and a diffuser vane used in the centrifugal compressor.
遠心圧縮機におけるディフューザには、ベーンドディフューザとベーンレスディフューザの2種類があり、船舶過給機、ガスタービン等に用いられる遠心圧縮機においては、圧縮機効率の高効率化を目的としてベーンドディフューザをディフューザとして採用する場合が多い。そして、ベーンドディフューザを採用した従来の遠心圧縮機の構成等は、次のようになる。 There are two types of diffusers in centrifugal compressors: vaned diffusers and vaneless diffusers. Centrifugal compressors used in marine turbochargers, gas turbines, etc., are designed to increase the compressor efficiency. Diffusers are often used as diffusers. And the structure of the conventional centrifugal compressor which employ | adopted the vane diffuser is as follows.
即ち、従来の遠心圧縮機は、ケーシングを具備しており、このケーシングは、内側に、空気を圧縮する空気(ガスの一例)を圧縮するための圧縮領域を有している。また、ケーシングの圧縮領域の上流側には、空気を圧縮領域側へ導入可能な導入口が形成されている。 That is, the conventional centrifugal compressor is provided with a casing, and this casing has a compression region for compressing air (an example of gas) for compressing air inside. Further, an inlet port through which air can be introduced to the compression region side is formed on the upstream side of the compression region of the casing.
ケーシングの圧縮領域には、ハブが設けられており、このハブは、軸心(ハブの軸心)を中心として回転可能である。また、ハブの外周面には、複数のインペラブレードが周方向に間隔を置いて設けられており、各インペラブレードの外縁部の先端は、ケーシングのシュラウド側壁面にそれぞれ近接してある。 A hub is provided in the compression region of the casing, and the hub can rotate about an axis (axis of the hub). A plurality of impeller blades are provided on the outer peripheral surface of the hub at intervals in the circumferential direction, and the tips of the outer edge portions of the impeller blades are close to the shroud side wall surface of the casing.
ケーシングの圧縮領域の下流側には、空気の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換するベーンドディフューザが設けられている。そして、ベーンドディフューザは、ケーシングにおけるシュラウド側壁面とハブ側壁面によって形成される環状のディフューザ流路内に周方向へ間隔を置いて配設された複数のディフューザベーンを備えている。また、各ディフューザベーンの上流側縁部(前縁部)の翼断面形状(横断面形状)は、それぞれ、半円形状になっている。 A vane diffuser that converts air velocity energy into pressure energy is provided downstream of the compression region of the casing. The vane diffuser includes a plurality of diffuser vanes disposed at intervals in the circumferential direction in an annular diffuser passage formed by a shroud side wall surface and a hub side wall surface in the casing. In addition, the blade cross-sectional shape (transverse cross-sectional shape) of the upstream edge portion (front edge portion) of each diffuser vane has a semicircular shape.
従って、例えばタービンホイール(図示省略)の回転等によりハブを回転させて、複数のインペラブレードを一体的に回転させることにより、導入口から圧縮領域側に導入した空気を遠心力を利用して圧縮する。そして、圧縮された空気は、ベーンドディフューザにより昇圧されてディフューザ流路から排気される。 Therefore, for example, by rotating a hub by rotating a turbine wheel (not shown) or the like and integrally rotating a plurality of impeller blades, the air introduced from the inlet to the compression region side is compressed using centrifugal force. To do. The compressed air is pressurized by the vane diffuser and exhausted from the diffuser flow path.
なお、本発明に関連する先行技術として特許文献1及び特許文献2に示すものがある。
ところで、近年、遠心圧縮機の高圧力比化に伴い、図5に示すように、ディフューザベーンの入口側における空気流(ガス流の一例)のマッハ数(入口マッハ数)が増加する傾向にある。ここで、図5は、ディフューザベーンの周辺におけるマッハ数の高い領域を示す図であって、マッハ数の高い領域(図5において点ハッチを施した領域)は、CFD(Computational Fluid Dynamics)解析によって求めている。また、入口マッハ数の高い空気流がディフューザベーンの上流側縁部(前縁部)に衝突すると、ディフューザベーンの翼面に沿う流れが減少して、ディフューザベーンの翼面における境界層が下流側に向かって発達する。そのため、隣接するディフューザベーン間における圧力損失が大きくなって、遠心圧縮機の圧縮機効率の低下を招くことになる。 By the way, in recent years, as the pressure ratio of the centrifugal compressor is increased, as shown in FIG. 5, the Mach number (inlet Mach number) of the air flow (an example of the gas flow) on the inlet side of the diffuser vane tends to increase. . Here, FIG. 5 is a diagram showing a region with a high Mach number around the diffuser vane, and a region with a high Mach number (a region with a point hatch in FIG. 5) is obtained by CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis. Looking for. Also, when an air flow with a high inlet Mach number collides with the upstream edge (front edge) of the diffuser vane, the flow along the wing surface of the diffuser vane decreases, and the boundary layer on the wing surface of the diffuser vane becomes downstream. Develop towards. Therefore, the pressure loss between adjacent diffuser vanes becomes large, and the compressor efficiency of the centrifugal compressor is reduced.
つまり、遠心圧縮機の圧力比を高く設定した上で、遠心圧縮機の圧縮機効率を十分に向上させることは困難であるという問題がある。 That is, there is a problem that it is difficult to sufficiently improve the compressor efficiency of the centrifugal compressor while setting the pressure ratio of the centrifugal compressor high.
そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の遠心圧縮機及びディフューザベーンを提供することを目的とする。 Then, this invention aims at providing the centrifugal compressor and diffuser vane of a novel structure which can solve the above-mentioned problem.
本発明の第1の特徴は、ガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機において、内側にガスを圧縮するための圧縮領域を有し、前記圧縮領域の上流側にガスを前記圧縮領域側へ導入可能な導入口が形成されたケーシングと、前記ケーシングの前記圧縮領域に設けられ、軸心を中心として回転可能なハブと、前記ハブの外周面に周方向に間隔を置いて設けられた複数のインペラブレードと、前記ケーシングの前記圧縮領域の下流側に設けられ、前記ケーシングにおけるシュラウド側壁面とハブ側壁面によって形成される環状のディフューザ流路内に周方向へ間隔を置いて配設された複数のディフューザベーンを備えたベーンドディフューザと、を具備し、各ディフューザベーンの上流側縁部(前縁部)の翼断面形状(横断面形状)は、それぞれ、曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくなるような曲線形状であることを要旨とする。 A first feature of the present invention is a centrifugal compressor that compresses gas using centrifugal force, and has a compression region for compressing gas inside, and the gas is compressed upstream of the compression region. A casing formed with an introduction port that can be introduced to the side, a hub provided in the compression region of the casing and rotatable about an axis, and provided on the outer peripheral surface of the hub at intervals in the circumferential direction. A plurality of impeller blades and a downstream side of the compression region of the casing, and arranged in an annular diffuser flow path formed by a shroud side wall surface and a hub side wall surface in the casing at intervals in the circumferential direction. A vane diffuser including a plurality of diffuser vanes, and a blade cross-sectional shape (transverse cross-sectional shape) of an upstream edge portion (front edge portion) of each diffuser vane, And summarized in that the radius of curvature is curved shape smaller gradually toward the distal end side.
なお、特許請求の範囲及び明細書において、「上流側」とは、主流のガスの流れ方向から見て上流側のことであって、「下流側」とは、主流のガスの流れ方向から見て下流側のことである。 In the claims and the description, the “upstream side” refers to the upstream side when viewed from the flow direction of the mainstream gas, and the “downstream side” refers to the flow direction of the mainstream gas. This is the downstream side.
第1の特徴によると、前記ハブを回転させて、複数の前記インペラブレードを一体的に回転させることにより、前記導入口から前記圧縮領域側に導入したガスを遠心力を利用して圧縮する。そして、圧縮されたガスは、前記ベーンドディフューザにより昇圧されて前記ディフューザ流路から排気される(前記遠心圧縮機の一般的な作用)。 According to the first feature, by rotating the hub and integrally rotating the plurality of impeller blades, the gas introduced from the inlet to the compression region side is compressed using centrifugal force. The compressed gas is pressurized by the vane diffuser and exhausted from the diffuser flow path (general operation of the centrifugal compressor).
また、各ディフューザベーンの上流側縁部の翼断面形状は、それぞれ、曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくなるような曲線形状であるため、入口マッハ数の高いガス流が前記ディフューザベーンの上流側縁部に衝突しても、前記ディフューザベーンの翼面に沿う流れを十分に確保して、前記ディフューザベーンの翼面における境界層の発達を十分に抑制することができる(前記遠心圧縮機の特有の作用)。 Further, the blade cross-sectional shape of the upstream edge portion of each diffuser vane is a curved shape in which the radius of curvature gradually decreases toward the tip side, so that a gas flow having a high inlet Mach number is generated in the diffuser vane. Even if it collides with the upstream edge, it is possible to sufficiently secure the flow along the blade surface of the diffuser vane and sufficiently suppress the development of the boundary layer on the blade surface of the diffuser vane (the centrifugal compressor). Specific action).
本発明の第2の特徴は、ガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機に用いられるディフューザベーンにおいて、前縁部の翼断面形状(横断面形状)は、曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくなるような曲線形状であることを要旨とする。 A second feature of the present invention is that, in a diffuser vane used in a centrifugal compressor that compresses gas using centrifugal force, the blade cross-sectional shape (transverse cross-sectional shape) of the leading edge portion has a radius of curvature toward the tip side. The main point is that the curve shape gradually decreases.
第2の特徴によると、前記ディフューザベーンの前縁部の翼断面形状は、曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくなるような曲線形状であるため、前記ディフューザベーンを前記遠心圧縮機に用いた場合に、前記遠心圧縮機の特有の作用と同様の作用を奏する。 According to the second feature, the blade cross-sectional shape of the leading edge portion of the diffuser vane is a curved shape in which the radius of curvature gradually decreases toward the tip side, so that the diffuser vane is used for the centrifugal compressor. If there is, the same action as the characteristic action of the centrifugal compressor is exhibited.
本発明によれば、入口マッハ数の高いガス流が前記ディフューザベーンの上流側縁部に衝突しても、前記ディフューザベーンの翼面に沿う流れを十分に確保して、前記ディフューザベーンの翼面における境界層の発達を十分に抑制できるため、前記遠心圧縮機の圧力比を高く設定した上で、隣接する前記ディフューザベーン間における圧力損失を小さくして、前記遠心圧縮機の圧縮機効率を十分に向上させることができる。 According to the present invention, even when a gas flow having a high inlet Mach number collides with the upstream edge portion of the diffuser vane, a sufficient flow along the blade surface of the diffuser vane is ensured, and the blade surface of the diffuser vane is secured. In order to sufficiently suppress the development of the boundary layer, the pressure ratio of the centrifugal compressor is set high, and the pressure loss between the adjacent diffuser vanes is reduced to sufficiently improve the compressor efficiency of the centrifugal compressor. Can be improved.
本発明の実施形態について図1から図4を参照して説明する。ここで、図1は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の断面図、図2は、本発明の実施形態に係るディフューザベーンの上流側縁部の翼断面形状を示す図、図3(a)は、本発明の実施形態に係るディフューザベーンの上流側縁部近傍の翼面における境界層の生成状態を示す図、図3(b)は、比較例に係るディフューザベーンの上流側縁部近傍の翼面における境界層の生成状態を示す図、図4は、実施例及び比較例について空気の流量と圧力損失の関係を示す図である。 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 1 is a cross-sectional view of a centrifugal compressor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view showing a blade cross-sectional shape of an upstream edge portion of a diffuser vane according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 3A is a diagram illustrating a boundary layer generation state on the blade surface near the upstream edge of the diffuser vane according to the embodiment of the present invention, and FIG. 3B is an upstream edge of the diffuser vane according to the comparative example. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the air flow rate and the pressure loss for the example and the comparative example.
図1に示すように、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機1は、船舶過給機、ガスタービン等に用いられ、空気(ガスの一例)を遠心力を利用して圧縮するものである。そして、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機1の具体的な構成は、以下のようになる。
As shown in FIG. 1, a
遠心圧縮機1は、ケーシング3を具備しており、このケーシング3は、内側に、空気(ガスの一例)を圧縮するための圧縮領域CRを有している。また、ケーシング3の圧縮領域CRの上流側には、空気を圧縮領域CR側へ導入可能な導入口5が形成されている。また、ケーシング3は、タービン用のケーシング(図示省略)に一体的に取付られている。
The
ケーシング3の圧縮領域CRには、ハブ7が設けられており、このハブ7の外周面は、軸心方向(ハブ7の軸心方向)から径方向(ハブ7の径方向)外側に向かって延びている。また、ハブ7は、タービン用のケーシングに回転可能に設けられたタービン軸TSの一端部に一体的に連結されてあって、軸心(ハブ7の軸心、換言すれば、タービン軸TSの軸心)を中心として回転可能である。なお、タービン軸TSの他端部には、タービンホイール(図示省略)が一体的に連結されている。
A
ハブ7の外周面には、複数のインペラブレード9が周方向に間隔を置いて設けられており、各インペラブレード9の外縁部は、ハブ7の軸心方向からハブ7の径方向外側に向かってそれぞれ延びている。また、各インペラブレード9の外縁部の先端は、ケーシング3のシュラウド側壁面3aにそれぞれ近接してある。
A plurality of
図1及び図2(a)(b)に示すように、ケーシング3の圧縮領域CRの下流側には、空気の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換するベーンドディフューザ11が設けられている。また、ベーンドディフューザ11は、ケーシング3におけるシュラウド側壁面3aとハブ側壁面3bによって形成される環状のディフューザ流路DP内に周方向へ間隔を置いて配設された複数のディフューザベーン13を備えている。なお、ディフューザ流路DPの周縁部には、スクロール流路(図示省略)が形成されており、このスクロール流路は、内燃機関の吸気マニホールド(図示省略)に接続されている。
As shown in FIGS. 1 and 2A and 2B, a
各ディフューザベーン13の上流側縁部(前縁部)の翼断面形状(図1において矢視部II-II線に沿った横断面形状)は、それぞれ、曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくなるような曲線形状である。具体的には、この曲線形状は、コード方向に沿った方向を長軸方向Leとし、長軸方向Leに対して直交する方向を短軸方向Lsとして規定される半楕円形状である。そして、半楕円形状の長径Reと短径Rsの間には、1<(Re/Rs)≦5、好ましくは、1<(Re/Rs)<3の関係が成立するようになっている。ここで、1<(Re/Rs)としたのは、Re/Rsが1未満であると、曲線形状の曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくならないからであり、一方、(Re/Rs)≦5としたのは、Re/Rsが5を越えても、後述の遠心圧縮機1の特有の作用に大きな変化が生じないからであると共に、ディフューザベーン13の上流側縁部の配置スペースの確保が容易になって、設計の自由度も高くなるからである。
The blade cross-sectional shape (transverse cross-sectional shape along the line II-II in FIG. 1) of the upstream edge portion (front edge portion) of each
なお、各ディフューザベーン13の上流側縁部の翼断面形状を半楕円形状にする代わりに、曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくなるような放物線形状にしても構わない。 Instead of making the blade cross-sectional shape of the upstream edge of each diffuser vane 13 a semi-elliptical shape, a parabolic shape in which the radius of curvature gradually decreases toward the tip side may be used.
続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。 Then, the effect | action and effect of embodiment of this invention are demonstrated.
タービンホイールの回転によってハブ7を回転させて、複数のインペラブレード9を一体的に回転させることにより、導入口5から圧縮領域CR側に導入した空気を遠心力を利用して圧縮する。そして、圧縮された空気は、ベーンドディフューザ11により昇圧されてディフューザ流路DPから排気される。なお、ディフューザ流路DPから排気された空気は、スクロール流路を経由して内燃機関の吸気マニホールドに送られる。(遠心圧縮機1の一般的な作用)。
By rotating the
また、各ディフューザベーン13の上流側縁部の翼断面形状は、それぞれ、曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくなるような曲線形状(半楕円形状又は放物線形状)であるため、入口マッハ数の高い空気流がディフューザベーン13の上流側縁部に衝突しても、ディフューザベーン13の翼面に沿う流れを十分に確保して、図3(a)(b)に示すように、ディフューザベーン13の翼面における境界層Bの発達を十分に抑制することができる(遠心圧縮機1の特有の作用)。なお、図3(b)における比較例に係るディフューザベーン(比較ディフューザベーン)の上流側縁部の翼断面形状は半円形状になっており、図3(a)(b)に示された境界層の生成状態は、CFD解析によって求めている。
Further, the blade cross-sectional shape of the upstream edge portion of each
従って、本発明の実施形態によれば、入口マッハ数の高い空気流がディフューザベーン13の上流側縁部に衝突しても、ディフューザベーン13の翼面に沿う流れを十分に確保して、ディフューザベーン13の翼面における境界層Bの発達を十分に抑制できるため、遠心圧縮機1の圧力比を高く設定した上で、図4に示すように、隣接するディフューザベーン13間における圧力損失を小さくして、遠心圧縮機1の圧縮機効率を十分に向上させることができる。なお、図4中における実施例とは、隣接するディフューザベーン13間における圧力損失をCFD解析によって求めたものであって、図4中における比較例とは、隣接する比較ディフューザベーン間における圧力損失をCFD解析によって求めたものである。
Therefore, according to the embodiment of the present invention, even when an air flow having a high inlet Mach number collides with the upstream edge portion of the
本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。 The present invention is not limited to the description of the above-described embodiment, and can be implemented in various other aspects. Further, the scope of rights encompassed by the present invention is not limited to these embodiments.
1 遠心圧縮機
3 ケーシング
3a シュラウド側壁面
3b ハブ側壁面
5 導入口
7 ハブ
9 インペラブレード
11 ベーンドディフューザ
13 ディフューザベーン
CR 圧縮領域
DP ディフューザ流路
Le 長軸方向
Ls 短軸方向
TS タービン軸
B 境界層
DESCRIPTION OF
Claims (6)
内側にガスを圧縮するための圧縮領域を有し、前記圧縮領域の上流側にガスを前記圧縮領域側へ導入可能な導入口が形成されたケーシングと、
前記ケーシングの前記圧縮領域に設けられ、軸心を中心として回転可能なハブと、
前記ハブの外周面に周方向に間隔を置いて設けられた複数のインペラブレードと、
前記ケーシングの前記圧縮領域の下流側に設けられ、前記ケーシングにおけるシュラウド側壁面とハブ側壁面によって形成される環状のディフューザ流路内に周方向へ間隔を置いて配設された複数のディフューザベーンを備えたベーンドディフューザと、を具備し、
各ディフューザベーンの上流側縁部の翼断面形状は、それぞれ、曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくなるような曲線形状であることを特徴とする遠心圧縮機。 In a centrifugal compressor that compresses gas using centrifugal force,
A casing having a compression region for compressing gas inside, and having an inlet formed on the upstream side of the compression region capable of introducing gas to the compression region side;
A hub provided in the compression region of the casing and rotatable about an axis;
A plurality of impeller blades provided on the outer peripheral surface of the hub at intervals in the circumferential direction;
A plurality of diffuser vanes provided on the downstream side of the compression region of the casing and disposed in an annular diffuser passage formed by a shroud side wall surface and a hub side wall surface in the casing at intervals in the circumferential direction. A vaned diffuser with
A centrifugal compressor characterized in that the blade cross-sectional shape of the upstream edge portion of each diffuser vane has a curved shape such that the radius of curvature gradually decreases toward the tip side.
前縁部の翼断面形状は、曲率半径が先端側に向かって漸次に小さくなるような曲線形状であることを特徴とするディフューザベーン。 In diffuser vanes used in centrifugal compressors that compress gas using centrifugal force,
The diffuser vane is characterized in that the blade cross-sectional shape of the leading edge portion is a curved shape whose radius of curvature gradually decreases toward the tip side.
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JP2018514699A (en) * | 2015-05-20 | 2018-06-07 | ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフトDaimler AG | Guide vanes for diffuser of radial compressor |
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