JP2010025000A - 遠心流体機械 - Google Patents
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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
【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。
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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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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2008
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