JP2010112277A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成により運転可能な低流量域の範囲を広げることができる遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】インペラの湾曲面に取り付けた低流量対応翼１９、中流量対応翼２０及び高流量対応翼２１は、それぞれの入口翼角をα１＞β１＞γ１の関係を有する角度に設定し、それぞれの後退角をα２＞β２＞γ２の関係を有する角度に設定することにより、低流量時、中流量時及び高流量時の運転において最も効率の良い気体の吸引動作を行えるように構成している。遠心圧縮機が運転される時、低流量時の運転では低流量対応翼１９が主体となって効率の良い気体の吸引動作が行われ、同様に、中流量時では中流量対応翼２０が主体となり、高流量時では高流量対応翼２１が主体となってそれぞれ効率の良い気体の吸引動作が行われる。従って、遠心圧縮機の運転可能な低流量域の範囲を広げることができる。
【選択図】図４

Description

本願発明は、複数の翼を備えたインペラを有する遠心圧縮機に関するものである。

遠心圧縮機は、低流量域から高流量域に亘る運転領域の拡大を求められている。その中でも低流量域側への拡大の要望が特に強い。このような要望に対応するため、従来から多くの対策が提案されている。

例えば、特許文献１は、気体の吸入通路の壁面にインペラのインデューサ側から気体の吸入口側に向かう循環通路を形成し、インデューサ側の気体の一部が循環通路を通り前記吸入通路に戻った後、再びインデューサ側に流れるようにした構成が開示されている。特許文献１は循環流を形成することにより、低流量域における前記吸入通路内での気体の失速発生を抑制し、遠心圧縮機の運転可能な低流量域の範囲を広げた構成である。

特許文献２は、ディフューザを形成するディフューザ壁の一方を他方のディフューザ壁側へ変位可能に構成し、低流量運転時に一方のディフューザ壁を移動してディフューザの通路幅を狭くするように構成したものである。特許文献２では、低流量運転時にディフューザの通路幅を狭くすることにより、インペラから供給される少流量の気体の流速を高め、ディフューザにおける気体の失速発生を抑制する。この構成により特許文献２は遠心圧縮機の運転可能な低流量域の範囲を広げている。

特許文献３は、インペラ及びインペラに設けた複数のブレードを次のように構成し、遠心圧縮機の運転可能な低流量域の拡大を図ったものである。即ち、特許文献３は、インペラの回転方向に対して後方に傾斜する角度である前記各ブレードの後退角を４５度〜５５度の範囲に、前記各ブレードの前方エッジよりもインペラのバックプレート側に位置する湾曲エッジが前記バックプレート側に傾斜する角度である後方傾斜角を３５度〜５５度の範囲に、インペラ外径に対するインペラ・インデューサ直径の比であるインペラの直角度を０．５９〜０．６３の範囲に、インペラ外径に対するディフューザ出口直径の比であるディフューザ半径比を１．４〜１．５５の範囲にそれぞれ設定した構成である。

特開平５−６００９７号公報 特開２００８−９５６７８号公報 特開２００５−２３３１８８号公報

特許文献１及び特許文献２は、循環通路を設けたり、ディフューザ壁を可動に構成するとともに可動のためのアクチュエータを設けるなど、遠心圧縮機の基本構成とは別に新たな構成を付加しなければならない。このため、部品点数が増加したり、構造が複雑化するなどの問題があり、また遠心圧縮機が高価なものとならざるを得ないという問題がある。

特許文献３は、インペラ及びインペラに設けたブレードの構造を変更したもので、特許文献１及び特許文献２のような新たな部品の追加や構造の複雑化という問題が解消すると思われる。しかし、前記したブレード等の数値設定による構造の変更、例えば変更された前記後退角や後方傾斜角は、すべてのブレードが同一数値のものに設定され、しかも通常、高流量域での所定の圧縮効率が得られるように設定されるものである。従って、ブレードを従来と異なる数値設定に構成することにより得られる低流量域の拡大効果は充分なものでなかった。

本願発明は、簡単な構成により運転可能な低流量域の範囲を広げることができる遠心圧縮機の提供を目的とする。

請求項１に記載の本願発明は、ケーシングに支持された回転軸に複数の翼を備えたインペラを固定し、前記インペラの周囲にディフューザ及び前記ディフューザに連通するボリュートを配置し、前記インペラの回転により低流量時から高流量時に亘り気体を吸引するとともに圧縮し、前記ディフューザへ供給する遠心圧縮機において、前記複数の翼を少なくとも低流量対応翼と他の流量対応翼の２種類に区分し、前記低流量対応翼におけるインデューサ側基端部の入口翼角を低流量時のインデューサにおける気体の流れ方向に合せた角度に設定し、前記他の流量対応翼の入口翼角を前記低流量対応翼の入口翼角よりも小さい角度に設定したことを特徴とする。

請求項１記載の本願発明によれば、低流量時には低流量対応翼によって気体を確実に吸引し、低流量領域における圧縮効率を高めることができ、他の流量域では他の流量対応翼によって気体を確実に吸引することができる。このため、より低流量側での運転を可能にし、遠心圧縮機の運転領域を低流量側に広げることができる。また、翼の形態を異ならせるだけであるため、余分な部品の装着や気体の流路途中における複雑な加工の必要が無いので、簡単な構成で遠心圧縮機の圧縮効率を高めることができる。なお、本願発明における入口翼角とは、インデューサ側基端部における翼面の任意の点から気体の流れの上流側に引いた接線とインペラの回転軸心線に平行で前記任意の点から気体の流れの上流側に引いた直線との成す角度である。

請求項２に記載の本願発明は、前記他の流量対応翼を中流量対応翼及び高流量対応翼に区分し、前記複数の翼の入口翼角を低流量対応翼＞中流量対応翼＞高流量対応翼の関係を有する角度に設定したことを特徴とするため、低流量、中流量及び高流量に対応させた翼の混在により各流量条件において最適な気体の吸引動作を行わせることができる。

請求項３に記載の本願発明は、前記低流量対応翼における少なくともディフューザ側先端部の後退角を前記他の流量対応翼の後退角よりも大きい角度に設定したことを特徴とするため、低流量対応翼の後退角が低流量領域に応じた形態であるため、低流量領域におけるインペラからディフューザへの気体の流れを円滑化し、圧縮効率を高めることができる。なお、本願発明における後退角とは、インペラの回転と反対方向に傾斜させた角度を指し、翼面の任意の点から気体の流れの下流側に引いた接線とインペラの回転軸心線に直角となるように前記任意の点から気体の流れの下流側に引いた半径方向線との成す角度である。

請求項４に記載の本願発明は、前記複数の翼の少なくともディフューザ側先端部の後退角を低流量対応翼＞中流量対応翼＞高流量対応翼の関係を有する角度に設定したことを特徴とするため、各翼の後退角が各流量領域に応じた形態であるため、どの流量条件においてもインペラからディフューザへの気体の流れを円滑化し、圧縮効率を高めることができる。

請求項５に記載の本願発明は、前記低流量対応翼、中流量対応翼及び高流量対応翼を前記インペラの周囲に交互に配設したことを特徴とするため、形態の異なる各翼がインペラの周囲にバランスよく配設され、インペラの安定した回転が得られる。

請求項６に記載の本願発明は、前記各翼の間に短翼を配設したことを特徴とするため、各翼間の間隔を広げ気体の吸引効率を高めるとともに吸引された気体を各翼及び各短翼により絞り込み、気体の圧縮効率を高めることができる。

本願発明は、遠心圧縮機の運転可能な低流量域の範囲を広げることができる。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。なお、本願明細書では、図１の左側を前方、右側を後方として説明する。

本願発明を実施する遠心圧縮機のケーシングは、第１ケーシング１と第２ケーシング２を図示しない適宜手段により接合することによって構成されている。第１ケーシング１の半径方向に延びるケーシング壁３には、インペラ４を固定した回転軸５がシール機能付軸受６を介して回転可能に支持されている。回転軸５は図示されていないが、例えば自動車エンジンからの排ガスにより回転されるタービンを駆動源としている。前記タービンの回転軸は回転軸５と同軸で構成され、前記タービンの回転により回転軸５のインペラ４を回転する。

第２ケーシング２は内部に、インペラ４を収容する漏斗状の空間及び前記空間の入口を形成するインデューサ７の前方に、平行な流路８及び漏斗状に拡開する吸入口９を備えている。また、インペラ４の外周にはディフューザ１０が配置される。ディフューザ１０はケーシング壁３の外周に位置する前方側壁面１１と前方側壁面１１に対向して第２ケーシング２内に形成された環状の区画壁１２の後方側壁面１３とによって形成される環状の通路空間である。

区画壁１２の前方側壁面１４は第２ケーシング２の内周壁との間にボリュート１５を形成している。ボリュート１５は蝸牛状に形成され、一方が連通空間１６によってディフューザ１０に連通するとともに他方が吐出口１７に接続している。従って、インペラ４の回転により吸入口９から吸い込まれた気体はインペラ４の遠心力によって圧縮されながらディフューザ１０へ供給され、さらに圧縮される。ディフューザ１０で圧縮された気体は連通空間１６及びボリュート１５を介して吐出口１７に送られ、図示しない所定の作動機構へ供給される。

本願発明を実施したインペラ４の構成について詳細に説明する。インペラ４の周面は第２ケーシング２の前記漏斗状空間に沿うように、前方から後方に向けて径が拡大する湾曲面１８に形成されている。図２に示すように、湾曲面１８には異なる形態で構成された６枚の長形状の翼（以下単に翼と呼称する）が均等な間隔で取り付けられている。このうち２枚の翼は低流量対応翼１９として構成され、他の２枚は中流量対応翼２０として、その他の２枚は高流量対応翼２１としてそれぞれ構成されている。従って、インペラ４に取り付けられた翼は複数の種類に区分されている。

本実施形態では各対応翼１９〜２１が低、中、高の順で交互に配置されている。各対応翼１９〜２１の間の中央部となる位置には、それぞれ同一形態で構成された６枚の短形状の翼（以下単に短翼と呼称する）２２が取り付けられている。短翼２２の長さは各対応翼１９〜２１の長さのほぼ二分の一程度である。

各対応翼１９〜２１を代表して、低流量対応翼１９を図３に示し、形態の説明を行う。低流量対応翼１９はインデューサ７側の基端部２３、翼面２４、ディフューザ１０側の先端部２５及びインペラ４への取付端面２６を備えている。低流量対応翼１９の翼面２４の幅を示すスパンは基端部２３から先端部２５に向かって順次縮小された長さで形成されている。

低流量対応翼１９の翼面２４は、基端部２３を図の矢印にて示したインペラ４の回転方向と平行に近い方向に立ち上がるように形成し、先端部２５をインペラ４の回転方向と直角に近い方向に立ち上がるように形成することにより、全体としてインペラ４の回転方向に捻れを持たせた形状である。さらに、低流量対応翼１９は先端部２５側をインペラ４の回転と反対方向に滑らかに傾斜させた形状である。

低流量対応翼１９は基端部２３に入口翼角α１を有し、先端部２５に後退角α２を有する。入口翼角α１は基端部２３における翼面２４の任意の点から気体の流れの上流側に引いた接線Ｙ１とインペラ４の回転軸心線Ｘに平行で前記任意の点から気体の流れの上流側に引いた直線Ｘ１との成す角度である。図３の入口翼角α１は、基端部２３の翼面２４におけるスパンの二分の一の点であるミドルスパン２７の位置の角度を示している。

後退角α２はインペラ４の回転と反対方向に傾斜させた角度を指し、翼面２４の任意の点から気体の流れの下流側に引いた接線Ｙ２とインペラ４の回転軸心線Ｘに直角となるように前記任意の点から気体の流れの下流側に引いた半径方向線Ｘ２との成す角度である。図３の後退角α２は、先端部２５の翼面２４におけるミドルスパン２８の位置の角度を示している。

中流量対応翼２０及び高流量対応翼２１は、基本的に低流量対応翼１９と同一の構造を有し、インデューサ７側の基端部２３、翼面２４、ディフューザ１０側の先端部２５、インペラ４への取付端面２６、基端部２３の翼面２４の入口翼角及び先端部２５の翼面２４の後退角を備えている。中流量対応翼２０及び高流量対応翼２１が低流量対応翼１９と相違する点は、入口翼角及び後退角の設定角度である。なお、短翼２２は長さの短い点が異なるのみで、低流量対応翼１９の前記した構造に関する要素を全て有している。また、６枚の短翼２２は全て同一構造で構成されている。

図４は、図２に示したインペラ４を右方から見た低流量対応翼１９、中流量対応翼２０、高流量対応翼２１及び短翼２２を各翼の翼面２４におけるミドルスパンを結んだミドルスパン線２９（図３参照）で切断し、展開した図である。遠心圧縮機の運転において、インペラ４の回転が低いと、吸入口９から吸引され、流路８に流れる気体の流量が低下する。このため、気体の流速が低下し、インデューサ７付近の気体の流れ方向はインペラ４の周方向に向く。この現象が遠心圧縮機におけるサージ発生の大きな要因となっている。

低流量対応翼１９は入口翼角α１を低流量時におけるインデューサ７での気体の流れ方向に合せた比較的大きな角度に設定し、インペラ４に気体を取り込み易く構成している。また、後退角α２は先端部２５付近でインペラ４の周方向に向き易い気体の流れ方向に合せて比較的大きな角度に設定し、ディフューザ１０に供給される気体の流れが抵抗を受け難いように構成している。

遠心圧縮機の中流量運転時では、流量が増加して流速も高まるため、気体の流れがインペラ４の半径方向側に向く。従って、中流量対応翼２０は入口翼角β１及び後退角β２を中流量時の気体の流れ方向に合せた比較的小さな角度に設定し、インペラ４への気体の取り込み及びディフューザ１０への気体の供給が効率良く行われるように構成している。

同様に、遠心圧縮機の高流量運転時では、さらに流量及び流速が増大し、気体の流れがより大きな角度でインペラ４の半径方向側に向く。従って、高流量対応翼２１は入口翼角γ１及び後退角γ２を高流量時の気体の流れ方向に合せたより小さな角度に設定し、インペラ４への気体の取り込み及びディフューザ１０への気体の供給が効率良く行われるように構成している。

以上の説明から明らかなように、低流量対応翼１９、中流量対応翼２０及び高流量対応翼２１は、それぞれの入口翼角をα１＞β１＞γ１の関係を有する角度に設定し、それぞれの後退角をα２＞β２＞γ２の関係を有する角度に設定することにより、低流量時、中流量時及び高流量時の運転において最も効率の良い気体の吸引動作を行えるように構成している。

従って、遠心圧縮機が運転される時、低流量時の運転では低流量対応翼１９が主体となって効率の良い気体の吸引動作が行われ、同様に、中流量時では中流量対応翼２０が主体となり、高流量時では高流量対応翼２１が主体となってそれぞれ効率の良い気体の吸引動作が行われる。

図５は、本実施形態による遠心圧縮機におけるインペラ４の流量−圧力比の線図３０を従来の線図３１と比較したものである。本実施形態の線図３０は高流量領域Ａから中流量領域Ｂに至る間、従来の線図３１とほぼ変わらない圧力比を得ている。低流量時では、従来の線図３１は領域Ｃが運転限界であるが、本実施形態の線図３０は従来よりも低流量となる領域Ｄまで高い圧力比を維持することができ、遠心圧縮機の運転領域を低流量域側へ大きく拡大できるという結果が得られた。

前記した第１の実施形態は以下の作用効果を有する。
（１）低流量、中流量及び高流量に対応して気体の流れ方向に合せた入口翼角をα１＞β１＞γ１となる関係を有するように設定した低流量対応翼１９、中流量対応翼２０及び高流量対応翼２１をインペラ４に取り付けるという簡単な構成により、各流量時の気体の吸引動作を効率良く行うことができ、遠心圧縮機の運転領域をより低流量域側へ拡大することができる。
（２）低流量対応翼１９、中流量対応翼２０及び高流量対応翼２１にα２＞β２＞γ２となる関係を有するように設定した後退角を組み合わせることにより、ディフューザ１０への気体の供給を円滑に効率良く行うことができる。
（３）低流量対応翼１９、中流量対応翼２０及び高流量対応翼２１を図２に示すように交互に配置することによって、インペラ４の回転バランスが取り易くなり、安定した回転を行わせることができる。

本願発明は、前記した各実施形態の構成に限定されるものではなく本願発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、次のように実施することができる。

（１）低流量時と高流量時の間に存在する中流量時は概念上広い流量範囲に分布されるため、第１の実施形態のように中流量時を１種類の中流量対応翼２０によって対応させる方法に限らず、本願発明は中流量時をさらに複数の流量時に区分し、それぞれの流量時の気体の流れ方向に対応した入口翼角を設定した複数の翼によって対応させることができる。このような構成は全流量域を緻密にカバーできるため、遠心圧縮機をより効率的に運転することができる。
（２）低流量対応翼１９、中流量対応翼２０及び高流量対応翼２１の枚数は６枚に限らず、より多くの枚数を使用することができ、翼の枚数が多いほど効率の良い吸引動作を行わせることができる。
（３）流量に対応させた翼の種類は、低流量対応翼１９とその他の流量対応翼の最低２種類を設定すれば本願発明の効果を得ることができる。

（４）低流量対応翼１９、中流量対応翼２０及び高流量対応翼２１等、全ての翼の後退角は同一角度に設定しても本願発明の効果を得ることができる。
（５）低流量対応翼１９、中流量対応翼２０及び高流量対応翼２１は、第１の実施形態のように必ずしも交互に配置する必要は無く、ランダムに、あるいは同一の流量対応翼を集中させるように配置しても良い。
（６）短翼２２はインデューサ７側の基端部とディフューザ１０側の先端部とに、第１の実施形態の低流量対応翼１９、中流量対応翼２０及び高流量対応翼２１と同様に設定角度の異ならせた入口翼角及び後退角を形成しても良い。
（７）インペラ４は短翼を無くし、各流量時に対応させた長形状の翼のみで構成しても良い。

遠心圧縮機の縦断面図である。 インペラを図１の左方から見た正面図である。 翼の形態を示す説明図である。 翼及び短翼をミドルスパン線で切断した展開図である。 インペラの流量−圧力比線図である。

符号の説明

１ 第１ケーシング
２ 第２ケーシング
４ インペラ
５ 回転軸
７ インデューサ
８ 流路
９ 吸入口
１０ ディフューザ
１５ ボリュート
１７ 吐出口
１８ 湾曲面
１９ 低流量対応翼
２０ 中流量対応翼
２１ 高流量対応翼
２２ 短翼
２３ 基端部
２４ 翼面
２５ 先端部
２９ ミドルスパン線

Claims (6)

1. ケーシングに支持された回転軸に複数の翼を備えたインペラを固定し、前記インペラの周囲にディフューザ及び前記ディフューザに連通するボリュートを配置し、前記インペラの回転により低流量時から高流量時に亘り気体を吸引するとともに圧縮し、前記ディフューザへ供給する遠心圧縮機において、
   前記複数の翼を少なくとも低流量対応翼と他の流量対応翼の２種類に区分し、前記低流量対応翼におけるインデューサ側基端部の入口翼角を低流量時のインデューサにおける気体の流れ方向に合せた角度に設定し、前記他の流量対応翼の入口翼角を前記低流量対応翼の入口翼角よりも小さい角度に設定したことを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記他の流量対応翼を中流量対応翼及び高流量対応翼に区分し、前記複数の翼の入口翼角を低流量対応翼＞中流量対応翼＞高流量対応翼の関係を有する角度に設定したことを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記低流量対応翼における少なくともディフューザ側先端部の後退角を前記他の流量対応翼の後退角よりも大きい角度に設定したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記複数の翼の少なくともディフューザ側先端部の後退角を低流量対応翼＞中流量対応翼＞高流量対応翼の関係を有する角度に設定したことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の遠心圧縮機。
5. 前記低流量対応翼、中流量対応翼及び高流量対応翼を前記インペラの周囲に交互に配設したことを特徴する請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
6. 前記各翼の間に短翼を配設したことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。