JP2012072735A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】短い案内羽根による整流作用や、摩擦力や流路の面積の縮小によってもたらされる作用を効果的に発現させることができる遠心圧縮機を提供することを課題とする。
【解決手段】ケーシング２内に回転自在に支持された羽根車３と、羽根車３を取り巻くようにその下流側に配置された複数枚の案内羽根５でなるディフューザ４とを備えた遠心圧縮機１において、隣り合う長い案内羽根の５ａ間に少なくとも１枚の短い案内羽根５ｂが配置されるようにして間隔を置いて配置されており、短い案内羽根５ｂの高さが、前縁側から後縁側に向かって高くなるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ケーシング内に回転自在に支持された羽根車と、前記羽根車を取り巻くようにケーシング内に配置された複数枚の案内羽根を備えた遠心圧縮機に関するものである。

従来からの遠心圧縮機には、様々な形式の遠心圧縮機があるが、一般的な遠心圧縮機には、ケーシング内に回転自在に支持されたインペラと呼ばれる遠心羽根車と、その羽根車を取り巻くようにその下流側に配置されたディフューザが設けられている。この羽根車には、回転軸により支持されたハブの外周に複数枚のブレードと呼ばれる翼が設けられている。

この遠心圧縮機を用いて流体が昇圧されるメカニズムは以下に説明する通りである。まず、羽根車が回転することで、ケーシングの入口側から圧縮対象となる流体が吸い込まれる。その際、ケーシング内に吸い込まれた流体には羽根車の旋回によりエネルギーが付与される。羽根車を出た流体は、羽根車の下流側（外周側）に配置されたディフューザによって減速されるが、その際、流体に付与された旋回エネルギーは、流体の圧力上昇エネルギーに変換される。このようにして圧縮され昇圧された流体は、更にその下流側（外周側）の渦巻き状のスクロール部分で集約され、必要な箇所に供給される。

このディフューザには、大別すると、案内羽根がないディフューザと案内羽根が設けられたディフューザがある。一般的に、前者の案内羽根がないディフューザは、使用できる流量の範囲が広いという利点はあるものの、効率に劣るとされている。一方、後者の案内羽根が設けられたディフューザは、使用できる流量の範囲が狭いものの、効率に優れるとされている。従って、特に後者のディフューザに関しては、従来から様々な提案がなされている。

特許文献１記載の技術は、案内羽根が設けられたディフューザの、使用できる流量の範囲の狭さという課題を解決せんとして提案されたものである。具体的には、特許文献１では、案内羽根の長さをその案内羽根の間隔の０．９倍以下、すなわち、弦節比（案内羽根の長さ／案内羽根の間隔）を小さくした遠心圧縮機が提案されている。

しかしながら、案内羽根が設けられたディフューザ、特に弦節比（案内羽根の長さ／案内羽根の間隔）が小さいディフューザには、大きな騒音が発生しやすいという問題がある。この技術的課題を解決せんとして提案された技術が特許文献２に記載の技術である。

この特許文献２記載の技術は、遠心羽根車と、その羽根車の下流に配置された一対のディフューザ板とそのディフューザ板の間に円形翼列状に設置した案内羽根とにより構成される羽根付ディフューザとを備える遠心圧縮機において、羽根付ディフューザの案内羽根は前縁半径が等しく長さの異なる長、短２種類の案内羽根より構成され、かつ隣り合う長い案内羽根の間に一枚以上の短い羽根を設置した技術である。特許文献２によると、このような構成の遠心圧縮機ではディフューザの入口側で案内羽根の枚数が多いため、ディフューザと遠心羽根車の干渉により、遠心羽根車の出口側における周方向つまり翼のピッチ方向での流体の流れ分布の非一様性が小さくなるため、ディフューザに流入する流体の流れの変動が小さくなるから、圧力変動に起因する翼通過周波数分が支配的な騒音が小さくなるとされている。

この特許文献２記載の技術では、羽根付ディフューザの案内羽根は前縁半径が等しいとされており、短い案内羽根はディフューザの上流側に設けられている。しかしながら、短い案内羽根による整流作用や、摩擦力や流路の面積の縮小によってもたらされる作用は、ディフューザの上流側では流体の流速が比較的速いがゆえに、整流作用による全圧損失の低下分よりも、流路の面積の縮小による流速の増加や摩擦力を原因とした全圧損失の増加分の方が大きくなる。そのため、短い案内羽根をディフューザの上流側に配置することで不利に働くことが多い。

特開昭５３−１１９４１１号公報 特許第３１１０２０５号公報

本発明は、上記従来の課題を解決せんとしてなされたもので、長い案内羽根の間に配置した短い案内羽根による整流作用や、摩擦力や流路の面積の縮小によってもたらされる作用を効果的に発現させることができる遠心圧縮機を提供することを課題とするものである。

請求項１記載の発明は、ケーシング内に回転自在に支持された羽根車と、前記羽根車を取り巻くようにその下流側に配置された複数枚の案内羽根でなるディフューザを、備えた遠心圧縮機において、前記複数枚の案内羽根は、後縁半径が同一で長さの異なる長い案内羽根と短い案内羽根とで構成されると共に、隣り合う長い案内羽根の間に少なくとも１枚の短い案内羽根が配置されるようにして間隔を置いてケーシング内に配置されており、前記短い案内羽根の高さが、その前縁側から後縁側に向かって高くなるように構成されていることを特徴とする遠心圧縮機である。

本発明の遠心圧縮機によると、長い案内羽根と短い案内羽根の後縁半径を同一としているため、短い案内羽根はディフューザの下流側に配置される。短い案内羽根による整流作用や、摩擦力や流路の面積の縮小は、ディフューザの上流側では流体の流速が速く不利に働くことが多いが、逆にディフューザの下流側では流体の流速が比較的遅く、境界層が発達して剥離を起こしやすいため、案内羽根によって生じる流路の面積の縮小による流速の増加や摩擦力による全圧損失の増加分に比して、案内羽根の整流作用を利用した境界層の剥離抑制による全圧損失の低下分の方が大きくなり、短い案内羽根を上流側に配置する場合より有利に働く。従って、短い案内羽根をディフューザの下流側に配置することで、短い案内羽根による整流効果がより顕著に発現する。

また、短い案内羽根自体も、その前縁側から後縁側に向かって高くなるようにして構成されているため、整流作用の発現に有利な下流側では案内羽根の高さは高く、逆に不利な上流側では案内羽根の高さは低くなり、整流作用が不利な上流側では整流作用が小さくなり、整流作用が有利な下流側では整流作用が大きくなり、短い案内羽根による整流効果が更により顕著に発現する。

本発明の一実施形態の遠心圧縮機を示す横断面図である。 同実施形態の遠心圧縮機を示す部分縦断面図である。 同実施形態の遠心圧縮機のディフューザの案内羽根の配置を示す正面図である。 本発明の異なる実施形態の遠心圧縮機におけるディフューザの案内羽根の配置を示す正面図である。 本発明の更に異なる実施形態の遠心圧縮機を示す部分縦断面図である。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。

例えば、図１〜図３に示すように、本発明の遠心圧縮機１は、中空円盤状のケーシング２内の中央に図示しない軸受けによって回転自在に支持されたインペラと呼ばれる略円錐状の羽根車３と、その羽根車３を取り巻くようにしてケーシング２内の羽根車３の下流側（外周側）に環状に配置された複数枚の案内羽根５でなるディフューザ４とを、備えている。

羽根車３は、図示しない回転軸によって支持された略円錐状のハブ３ａの外周に複数枚のブレードと呼ばれる傾斜した翼３ｂが設けられることにより構成されている。この羽根車３に設けられた複数枚の翼３ｂは、円周方向に対して略同一の傾斜角度で傾けた状態で配置されている。尚、翼３ｂの端縁は、ケーシング２の入口側（上流側）をリーディングエッジ部３ｃ、ケーシング２の内面に添って略円弧状に湾曲する側端縁をシュラウド部３ｄ、ディフューザ４と向かい合う出口側（下流側）をトレーリングエッジ部３ｅという。

その羽根車３を取り巻くように、前記トレーリングエッジ部３ｅと向かい合うようにしてケーシング２内の下流側（外周側）には複数枚の案内羽根５が配置され、ディフューザ４を形成している。その案内羽根５には、図３に示すように、長さの異なる長い案内羽根５ａと短い案内羽根５ｂの２種類があり、それら長さの異なる長い案内羽根５ａの後縁半径と短い案内羽根５ｂの後縁半径は、後縁半径Ｒｂとして示されているとおり、同一である。また、それら長い案内羽根５ａと短い案内羽根５ｂは、図１〜図３に示す本実施形態では、１枚ずつ交互に間隔を置いてケーシング２内に環状に配置されている。このように、長い案内羽根５ａの後縁半径と、短い案内羽根５ｂの後縁半径を、同一の後縁半径Ｒｂとしているため、短い案内羽根５ｂはディフューザ４の下流側に配置される。

また、短い案内羽根５ｂは、図２に示すように、その前縁側から後縁側に向かってその高さが徐々に高くなるようにして構成されている。一方、長い案内羽根５ａは、前縁側から後縁側にかけて全て同一の高さである。また、これら複数枚の案内羽根５は、図１及び図３に示すように、円周方向に対して略同一の傾斜角度で傾けた状態で配置されている。尚、回転する羽根車３に設けられた複数枚の翼３ｂの傾斜方向と、ディフューザ４を構成する案内羽根５の傾斜方向は、逆方向であるため、羽根車３の回転によりディフューザ４内に送り込まれた流体は案内羽根５により減速される。

更に、ケーシング２内のディフューザ４の下流側（外周側）には渦巻き状のスクロール部２ａが形成されている。尚、本実施形態では、スクロール部２ａの断面形状は、図２に示すように略円形状で、ディフューザ４内の空間幅より広がっている。

次に、本発明の遠心圧縮機１により、遠心圧縮機１内に取り込まれた流体がどのような経過をたどり、昇圧されて必要な箇所に供給されるかについて詳細に説明する。

まず、羽根車３が、図示しない電動機、増速機等によって回転力を付与され、回転することで、ケーシング２の中央に設けられた入口側、すなわち羽根車３のリーディングエッジ部３ｃから圧縮対象となる流体が吸い込まれる。その際、流体には羽根車３の回転により旋回エネルギーが付与される。羽根車３のトレーリングエッジ部３ｅから出た流体は、羽根車３の下流側（外周側）に配置されたディフューザ４の内部に送り込まれる。回転する羽根車３に設けられた複数枚の翼３ｂの傾斜方向と、ディフューザ４を構成する案内羽根５の傾斜方向は、逆方向であるため、羽根車３の回転によりディフューザ４内に送り込まれた流体は案内羽根５に衝突することで減速される。すなわち、羽根車３の回転により流体に付与された旋回エネルギーは、このディフューザ４で流体の圧力上昇エネルギーに変換され、流体は圧縮される。

本発明では、ディフューザ４を構成する案内羽根５は、長い案内羽根５ａの後縁半径と短い案内羽根５ｂの後縁半径を同一の後縁半径Ｒｂとしているため、短い案内羽根５ｂはディフューザ４の下流側に配置される。この短い案内羽根５ｂにより、整流作用や、摩擦力や流路の面積の縮小による作用が発現される。ディフューザ４の下流側では、そこに到達した流体の流速は比較的遅く、流体の境界層が発達して剥離を起こしやすくなっている。しかしながら、短い案内羽根５ｂをそのディフューザ４の下流側に配置することで、整流作用によって、上述の境界層の剥離を抑制できる。また、流速が比較的遅いため、摩擦力や流路の面積の縮小による悪影響については小さくできる。従って、短い案内羽根５ｂをディフューザ４の下流側に配置することで、整流作用や、摩擦力や流路の面積の縮小といった作用をより効果的に発現することができる。

また、短い案内羽根５ｂ自体も、その前縁側から後縁側に向かって高くなるようにして構成されているため、整流作用の発現に有利な下流側では案内羽根５ｂの高さは高く、逆に不利な上流側では案内羽根５ｂの高さは低くなっており、整流作用が不利な上流側では整流作用が小さくなり、整流作用が有利な下流側では整流作用が大きくなり、短い案内羽根５ｂによる整流効果が更により顕著に発現する。このように、短い案内羽根５ｂの高さを流体の流れ方向に変化させているため、短い案内羽根５ｂによる整流作用、摩擦力や流路の面積縮小を流れ方向に、適宜調整可能となる。

このようにしてディフューザ４を通り、圧縮されることで昇圧された流体は、ディフューザ４を出た後、ケーシング２内の下流側（外周側）に形成された渦巻き状のスクロール部２ａで集約され、必要な箇所に供給される。

図４は本発明の異なる実施形態の遠心圧縮機１におけるディフューザ４の案内羽根５の配置を示す。この実施形態では、図１〜図３に示す実施形態のように長い案内羽根５ａと短い案内羽根５ｂは、１枚ずつ交互に間隔を置いてケーシング２内に環状に配置されているのではなく、隣り合う長い案内羽根５ａ，５ａの間に、２枚の短い案内羽根５ｂ，５ｂが配置されるようにして、長い案内羽根５ａと短い案内羽根５ｂは間隔をおいて環状に配置されている。このように、隣り合う長い案内羽根５ａ，５ａの間には複数枚の短い案内羽根５ｂが配置されていても良い。

図５は本発明の更に異なる実施形態の遠心圧縮機１を示す。この実施形態では、短い案内羽根５ｂの高さが、その前縁側から後縁側に向かって徐々に高くなるように構成されているのではなく、端縁が細かな段状になり前縁側から後縁側に向かって高くなるように構成されている。

１…遠心圧縮機
２…ケーシング
２ａ…スクロール部
３…羽根車
３ａ…ハブ
３ｂ…翼
３ｃ…リーディングエッジ部
３ｄ…シュラウド部
３ｅ…トレーリングエッジ部
４…ディフューザ
５…案内羽根
５ａ…長い案内羽根
５ｂ…短い案内羽根

Claims (1)

1. ケーシング内に回転自在に支持された羽根車と、前記羽根車を取り巻くようにその下流側に配置された複数枚の案内羽根でなるディフューザとを、備えた遠心圧縮機において、
   前記複数枚の案内羽根は、後縁半径が同一で長さの異なる長い案内羽根と短い案内羽根とで構成されると共に、
   隣り合う長い案内羽根の間に少なくとも１枚の短い案内羽根が配置されるようにして間隔を置いてケーシング内に配置されており、
   前記短い案内羽根の高さが、その前縁側から後縁側に向かって高くなるように構成されていることを特徴とする遠心圧縮機。

Images