JP2010025000A - 遠心流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心流体機械において、設計や解析に要する時間を大幅に低減しながら作動範囲や効率を犠牲にすることなく、羽根車の振動を低減する。
【解決手段】遠心流体機械２０は、回転軸１と、この回転軸に取り付けられ、心板２ｂ、側板２ａおよび羽根７とを有する遠心羽根車２と、この遠心羽根車の軸方向両側面を覆うように配置されたダイヤフラム３、４とを備える。ダイヤフラムの遠心羽根車に対向する面に、奇数個の半径方向に延びる突起１４、１５を形成する。突起により遠心羽根車とダイヤフラムとの間の軸方向隙間８、９を周方向に変化させる
【選択図】図１

Description

本発明は遠心流体機械に関し、特に炭化水素ガスや炭酸ガスをはじめ各種高圧ガスに好適な遠心圧縮機に関する。

石油化学や天然ガスのプラントに用いられている多段遠心圧縮機では、回転による遠心力で流体を昇圧する。そのため、多段遠心圧縮機では、外部からの駆動力によりシャフトが回転駆動されると、シャフトに取付けられ、仕様に応じて詳細形状が決定される複数の羽根車が回転して、多段遠心圧縮機内を流通する流体を連続的に昇圧する。

すなわち、各段の羽根車は、前段から送られてきた流体に運動エネルギーを与える。羽根車から流出する流体は、羽根車の下流側に配置されたディフューザに流入し、流体の持つ運動エネルギーが圧力エネルギーに変換される。ディフューザを流出した流体は、Ｕ字状に形成された流路およびリターンチャンネルを経て次段の羽根車に流入する。

ディフューザには、効率向上のために案内羽根を多く設けている。しかしながら、案内羽根を有するディフューザでは、羽根車の回転に伴い羽根車の羽根がディフューザの案内羽根を横切るときに圧力変動が発生し、騒音や流体加振振動の原因となる、いわゆる動静翼干渉が生じる。

高圧用途の遠心圧縮機では、作動流体が高圧であるので、ディフューザの案内羽根と羽根車の羽根との干渉（動静翼干渉）による流体力が大きくなる。そのため、羽根車に作用する脈動荷重が羽根車の強度に及ぼす影響を無視できなくなる。例えば、羽根車の固有振動数に対して、回転速度と羽根車の羽根枚数と案内羽根の羽根枚数とが所定の条件を満たすと共振状態になる。

共振状態になると、羽根車の破壊に至ることもある。非特許文献１では、羽根車の振動モードにおける直径節数と、静翼の羽根枚数および羽根車の羽根枚数とから共振が発生する条件が決定される、ことを提示している。このような共振の発生を抑制するために、特許文献１では、ディフューザの案内羽根を周方向に不等ピッチで配置している。

特開２００７−３１５３３３号公報 久保田、他４名、「静止側の静止励振源による羽根付回転円板の振動」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、４９巻、４３９号、１９８３年、第３０７頁〜３１３頁

上記非特許文献１には、静止翼列と回転翼列における干渉に起因する励振力を低減するために、例えば、羽根車の羽根枚数と静止翼列の羽根枚数の組合せとして、調和振動を発生しない組み合わせとすることが示唆されている。この非特許文献１に記載の方法を用いれば、確かに羽根車と静止側の羽根枚数の組合せの調整により、調和振動を回避できる。

しかしながら、遠心圧縮機においては、効率や作動範囲も重要なファクターであり、このようなファクターを無視して、調和振動を回避すべき羽根車と案内羽根の羽根枚数の組み合わせとすることは、困難である。したがって、回避すべき羽根枚数の組合せにならざるを得ない場合もあり得る。また、この非特許文献１に記載の方法を用いるためには、羽根車の固有振動数を高精度で予測する必要があり、解析や設計に費やす時間が膨大になる。

特許文献１に記載のものでは、案内羽根を不等ピッチに配置したので、基本波の脈動レベルを下げることができる。しかし脈動を完全に回避することは現実的にはできない。また、側帯波が生じるおそれがあり、側帯波による共振にも注意する必要がある。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、遠心流体機械において、設計や解析に要する時間を大幅に低減しながら作動範囲や効率を犠牲にすることなく、羽根車の振動を低減することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、回転軸と、この回転軸に取り付けられ、心板、側板および羽根とを有する遠心羽根車と、この遠心羽根車の軸方向両側面を覆うように配置されたダイヤフラムとを備える遠心流体機械において、ダイヤフラムの遠心羽根車に対向する面に、奇数個の半径方向に延びる突起を形成し、この突起により遠心羽根車とダイヤフラムとの間の軸方向隙間を周方向に変化させたものである。

そしてこの特徴において、ダイヤフラムは遠心羽根車の前面に対向する第１のダイヤフラムと、遠心羽根車の背面に対向する第２のダイヤフラムとを有し、第１、第２のダイヤフラムの少なくとも一方に突起を形成するのがよい。さらに、突起は周方向に実質的に等ピッチで配置された放射状の突起であり、第１、第２のダイヤフラムの少なくとも一方側だけで５個形成するのがよい。また、突起は周方向に実質的に等ピッチで配置された放射状の突起であり、第１、第２のダイヤフラムの各々に、少なくとも一方側だけで５個以上形成するのが。さらにまた、遠心流体機械は多段の遠心圧縮機であってもよい。

本発明によれば、羽根車に発生する振動モードにおける直径節に、羽根車に対向する静止側に設けた５以上の放射状の隆起で対抗させたので、羽根車の直径節の振動モードと相関の強い音響モードの発生を抑制できる。したがって、遠心流体機械において、設計や解析に要する時間を大幅に低減しながら作動範囲や効率を犠牲にすることなく、羽根車の振動を低減できる。

以下、本発明に係る遠心流体機械の一実施例を、図面を用いて説明する。図１は、遠心流体機械２０の一種である多段遠心圧縮機の図であり、その主要部を縦断面図で示したものである。図２は、図１に示した多段遠心圧縮機２０が備えるダイヤフラム３の正面図（ａ）とそのＡ−Ａ矢視断面図である。

多段遠心圧縮機２０では、図示しない駆動機により駆動される回転軸１に、多数の羽根車２が軸方向に積層されて固定されている。羽根車２は、吸込み側の面を形成する側板２ａと、吐出側の面を形成する心板２ｂと、心板２ｂと側板２ａで形成される流路間に、周方向にほぼ等ピッチで配置した有限枚数の羽根７とを有している。

羽根車２の半径方向外方、すなわち下流側には、羽根車２の羽根数とは異なる羽根数を有するディフューザ５が配置されている。ディフューザ５は、羽根車２の側板２ａ側を覆うリング型の第１のダイヤフラム３と、羽根車２の心板２ｂ側を覆うリング型の第２のダイヤフラム４と、この２つのダイヤフラム３、４のほぼ平行な２表面により形成される流路に配置され、周方向に間隔がおかれている複数の羽根５ｂとから形成されている。

初段を除いて各段は、前段羽根車２で圧縮されディフューザ５で半径方向外方に導かれた流体を、この羽根車２の吸い込み側に軸方向から供給するために、図示しない逆Ｕ字部を経て戻り流路１０で半径方向内向き流れとなっている。戻り流路１０は、前段の第２のダイヤフラム４と後段の第１のダイヤフラム３の２つの表面で形成される流路で、図１の縦断面においては、半径方向内側にいくにつれ広がるテーパ状に形成されている。

第１のダイヤフラム３の内周部には、ラビリンスシール型のマウスシール１１が取り付けられており、羽根車２の吸込み側に形成される円筒部（マウスリング部）とで、羽根車２を出た高圧の流れが、その段の羽根車２の吸込み側に戻るのを防止する。同様に、第２のダイヤフラム４の内周部には、これもラビリンスシール型であるステージシール１２が取り付けられており、羽根車２を軸方向に積層する際のスペーサとして設けたスリーブ１６とで、戻り流路１０を出た流れが前段の羽根車２の吐出側に還流するのを防止する。なお、スリーブ１６の外周面は、羽根車２の吸込み流路を形成する。

このように構成した多段遠心圧縮機２０では、回転軸１に取り付けた羽根車２が回転すると、戻り流路１０を通過したガスが羽根車２に吸い込まれ、ガスは昇圧して半径方向外方に吐き出される。そして、ディフューザ５部で、ガスに与えられた運動エネルギーが圧力エネルギーに変換される。各段で、この動作を繰り返すことにより、ガスは順次昇圧され、最終段で所定圧力まで昇圧される。

ここで本発明の特徴として図２に示すように、羽根車２の軸方向背面に対向するダイヤフラム４の羽根車２に対向する部分に、少なくとも５個の放射状突起１４が形成されている。この図２では、突起１４を７個形成した例を示している。この突起１４の数は、奇数である。同様に、羽根車２の軸方向前面に対向するダイヤフラム３の羽根車２に対向する部分に、５個以上の放射状突起１５が形成されている。この突起１５の数も奇数である。

これらの奇数個の突起１４、１５により、羽根車２とこの羽根車２に対向するダイヤフラム３、４間に形成される空間９、８の断面積は、周方向に周期的に変化する。つまり、本実施例では図２に示すように、７個の放射状突起１４により、突起１４の無い部分の隙間８に比べて非常に狭い隙間８が、周方向に７個形成されることになる。放射状突起１５についても、同様である。

このように放射状突起１４、１５を設けた理由は、以下の通りである。羽根車２の出口では、羽根車２の羽根枚数に応じて固有の圧力分布パターンが生じる。羽根車２の出口とディフューザ５の案内羽根５ｂとの間隔が狭いと、羽根車２の回転により生じた圧力脈動（圧力分布パターン）が、減衰せずにディフューザ５に伝播する。そして、圧力脈動の大きなガスが案内羽根５ｂ部に流入すると、騒音や流体加振振動を生じる。

高圧用途の遠心圧縮機２０では、ガス密度が高く流体力も大きいので、圧力脈動を無視できない。特に、羽根車２０とこの羽根車２０を覆うように対向するダイヤフラム１４、１５が形成する隙間空間８、９の音響モードが、羽根車２０の振動モードに高く相関し、固有周波数も接近すると、圧力脈動の影響が顕著になる。

図３に、羽根車２０単体の振動モードの一例を示す。この例では、羽根車２の直径方向に節が２本できるモードが出現している。羽根車２とディフューザ５の流れの干渉である動静翼干渉では、図３に示すような直径方向に節ができる直径節モードが生じやすい。図４に、直径節が１〜３本形成される直径節モードパターンを示す。直径節の本数は、３本以下に限るものではなく、直径節が４本以上形成される場合もある。

ところで、隙間空間８、９に生じる音響の固有モードも羽根車２０の直径節モードに似たようなパターンを有することが知られている。そのため、音響モードと直径節モードの双方の固有振動数が接近していると、これら２つのモードによる共振により羽根車２０に大きな変形応力が発生する。

隙間空間８、９に直径節３本に相当する音響モードが生じており、この隙間空間８、９の隙間の周方向分布がほぼ均一であれば、羽根車２０の外表面の圧力分布における同一半径位置の分布では、図５に示すような定在波が見られるはずである。しかしながら、本実施例では、隙間空間８、９に奇数である７個の放射状突起１４、１５を形成したので、これら突起１４、１５によりガスの周方向の移動が抑制され、定在波の成長が阻止される。

ここで、突起１４、１５により形成される狭い隙間の数が、偶数個あるいは４個以下であれば、定在波の節が突起１４、１５部分に一致する可能性が大きくなる。そのため、定在波を抑制する効果が期待できなくなる。様々な次数の定在波の発生を抑えるためには、突起１４、１５が形成する狭い隙間部分の数を５以上の奇数個にしなければならない。

より厳密には、着目する定在波の次数をＮとしたとき、狭い隙間の個数が２Ｎの約数になると、定在波の節の位置と狭い隙間部分が一致してしまい、定在波を抑制する効果が減少する。通常の遠心圧縮機では、直径節モードの次数が６次を超えると、定在波の影響を無視できるようになるので、突起１４、１５の数を５以上の奇数個にすれば、定在波の成長を阻止できる。なお以上述べたように、放射状突起１４、１５は狭い隙間を形成するために設けられているので、隙間空間８、９全体を狭くし、上記突起１４、１５に相当する部分以外を削って広い隙間を形成しても良い。

本実施例によれば、周方向に実質的に等ピッチに放射状突起１４、１５を配置したので、羽根車とディフューザの案内羽根による動静翼干渉に起因する振動・騒音を低減できる。また、動静翼干渉に起因する振動・騒音を低減するために、ディフューザの案内羽根を不等ピッチにしたときに生ずる流れの偏りや側帯波の発生を防止できる。さらに、本実施例は、直径節の次数に関係するものであり、羽根車の羽根枚数やディフューザの案内羽根枚数の如何に関わらず適用可能である。

本発明に係る遠心圧縮機の一実施例の縦断面図であり、主要部を示す図である。 図１に示した遠心圧縮機が有するダイアフラムの正面図および部分縦断面図。 羽根車の振動状態を説明する図。 羽根車の振動パターンを説明する図。 隙間空間に生じる定在波を説明する図。

符号の説明

１…シャフト、２…羽根車、３…ダイヤフラム、４…ダイヤフラム、５…ディフューザ案内羽根、６…ディフューザ、７…羽根車羽根、８…隙間空間、９…隙間空間、１０…リターンチャネル、１１…マウスシール、１２…ステージシール、１３…バランスピストン部シール、１４…放射状隆起部、１５…放射状隆起部、２０…遠心圧縮機。

Claims (5)

1. 回転軸と、この回転軸に取り付けられ、心板、側板および羽根とを有する遠心羽根車と、この遠心羽根車の軸方向両側面を覆うように配置されたダイヤフラムとを備える遠心流体機械において、
   前記ダイヤフラムの前記遠心羽根車に対向する面に、奇数個の半径方向に延びる突起を形成し、この突起により前記遠心羽根車と前記ダイヤフラムとの間の軸方向隙間を周方向に変化させたことを特徴とする遠心流体機械。
2. 前記ダイヤフラムは前記遠心羽根車の前面に対向する第１のダイヤフラムと、前記遠心羽根車の背面に対向する第２のダイヤフラムとを有し、前記第１、第２のダイヤフラムの少なくとも一方に前記突起を形成したことを特徴とする請求項１に記載の遠心流体機械。
3. 前記突起は周方向に実質的に等ピッチで配置された放射状の突起であり、前記第１、第２のダイヤフラムの少なくとも一方側だけで５個形成したことを特徴とする請求項２に記載の遠心流体機械。
4. 前記突起は周方向に実質的に等ピッチで配置された放射状の突起であり、前記第１、第２のダイヤフラムの各々に、少なくとも一方側だけで５個形成したことを特徴とする請求項３に記載の遠心流体機械。
5. 前記羽根車が複数個備えられている多段の遠心圧縮機であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の遠心流体機械。

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