JP2012072775A - 圧縮機およびその運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ベーンレスディフューザでの旋回失速の抑制が可能で、かつ動力損失や圧力損失がほとんどなく、しかも構造が簡単であるというベーンレスディフューザの利点を維持可能な圧縮機およびその運転制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】ベーンレスディフューザ７Ａを備えた圧縮機において、ベーンレスディフューザ７Ａの出口側に入口１２Ａが開口され、出口１２Ｂがインペラ５Ａのハブディスク５Ｃ背面と対向するケーシングの壁面に開口されている流体循環流路１２を有し、該流体循環流路１２は、複数の連通孔、もしくは、１または複数のスリットにより構成されており、入口１２Ａから取り込んだ流体を出口１２Ｂよりインペラ５Ａのハブディスク５Ｃ背面に向けて噴出し、該ハブディスク５Ｃ背面により周方向流速を付与してベーンレスディフューザ７Ａ入口でインペラ５Ａからの流体主流と合流される循環流が形成可能とされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、インペラの回転力により流体を圧縮する遠心圧縮機、斜流圧縮機等に適用でき、特に、これら圧縮機における旋回失速を抑制可能な圧縮機およびその運転制御方法に関するものである。

従来から、石油化学プラントや天然ガスプラント等においては、高圧の産業用遠心圧縮機が用いられている。この遠心圧縮機は、ハウジング内において、インペラが回転軸上に回転可能に支持され、このインペラを回転することにより、ハウジングの流体入口から空気やガス等の流体を吸引して遠心力を付与し、その運動エネルギーをディフューザおよびスクロール部で圧力エネルギーに変換して、ハウジングの圧縮流体出口から吐出配管を経て送出するように構成される。
図１０は、上記遠心圧縮機の要部断面図である。遠心圧縮機は、回転軸０１と、回転軸０１と一体に回転するインペラ０２とを備えている。このインペラ０２の出口側には、インペラ０２により遠心力が付与された流体の流路となるベーンレスディフューザ０３が設けられる。また、インペラ０２のシュラウドディスク０４とシュラウドケーシング０５との間にはラビリンス０６が設けられ、回転軸０１とハブケーシング０７との間にはラビリンス０８が設けられている。

上記のような高性能、高信頼性を必要とする産業用の遠心圧縮機においては、構造が簡単なうえ流れ角が適正であれば損失が少なくて作動範囲が広く、かつインペラ０２に与える流体加振力も生じないことから、ベーンレスディフューザ０３が最も適したディフューザ形式として広く採用されている。しかし、流れ角が大きくなると、損失が大きくなるほか、円周方向の流れが不均一となる旋回失速を生じ、それが原因と考えられる圧力変動や軸振動、吐出配管振動等が発生する。
この旋回失速は、特に、遠心圧縮機を低流量域で運転した場合に発生することが知られている。図１１は、旋回失速が発生する流量Ｑと圧縮機の出口圧（ヘッド圧）Ｈおよび効率ηとの関係を示すものであり、流量Ｑ１が旋回失速発生点、それより低流量域の流量範囲が旋回失速発生領域Ｗ１となる。

旋回失速が発生すると、それが原因となって上記のような問題が惹起されるため、遠心圧縮機を継続して安定運転することが困難となる。従って、遠心圧縮機を旋回失速発生点以下の低流量域で継続運転することはできず、その分遠心圧縮機を安定運転できる範囲が狭くなるという問題を内包している。
そこで、旋回失速の発生を阻止することを目的に、ディフューザに、その内部圧力よりも高い圧力の高圧流体を導入するようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００３−１３８９５号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたものは、ディフューザの内部圧力よりも高い高圧流体を、ディフューザ壁面から直接噴出するようにしているため、これがディフューザの流体主流と合流する際に、流体主流を乱し、流れのせん断により圧力損失を増加させるという問題を有する。
また、ディフューザの内部圧力よりも高い高圧流体を噴出するために、インペラ出口から取込管を介してチャンバ内に圧縮流体を導入して溜め込み、これを流量が旋回失速発生領域まで低下したとき、噴出管を介してディフューザ内部に噴出する構成、または、最終段の圧縮ステージから高圧の圧縮流体を連通管経由で取り込む構成、あるいは、別に設置された高圧流体供給部から高圧流体を供給する構成等を採用しているが、これがディフューザ周りの構造を複雑化し、構造が簡単であるというベーンレスディフューザの利点を損なうこととなっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ベーンレスディフューザでの旋回失速の抑制が可能で、かつ動力損失や圧力損失がほとんどなく、しかも構造が簡単であるというベーンレスディフューザの利点を維持可能な圧縮機およびその運転制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の圧縮機およびその運転制御方法は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる圧縮機は、インペラの出口側に、該インペラにより流体に与えられた運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するベーンレスディフューザを備えた圧縮機において、前記ベーンレスディフューザの出口側に入口が開口され、出口が前記インペラのハブディスク背面と対向するケーシング壁面に開口されている流体循環流路を有し、該流体循環流路は、複数の連通孔、もしくは、１または複数のスリットにより構成されており、前記入口から取り込んだ流体を前記出口より前記インペラのハブディスク背面に向けて噴出し、該ハブディスク背面により周方向流速を付与して前記ベーンレスディフューザ入口で前記インペラからの流体主流と合流される循環流が形成可能とされていることを特徴とする。

本発明によれば、ベーンレスディフューザの出口側に入口が開口され、出口がインペラのハブディスク背面と対向するケーシング壁面に開口されている流体循環流路を有し、該流体循環流路は、複数の連通孔、もしくは、１または複数のスリットにより構成されており、入口から取り込んだ流体を出口よりインペラのハブディスク背面に向けて噴出し、該ハブディスク背面により周方向流速を付与してベーンレスディフューザ入口でインペラからの流体主流と合流される循環流が形成可能とされているので、該流体循環流路により高圧流体の一部をベーンレスディフューザの入口側に循環させ、ベーンレスディフューザを流れる流体流量を増加させることができる。このため、増加された流量比率分だけ旋回失速発生点を低流量側へシフトさせ、旋回失速の発生を抑制することができる。従って、旋回失速が原因となる圧力変動や軸振動、吐出配管振動等を抑えることができるとともに、圧縮機を安定運転できる範囲を拡大することができる。
また、流体循環流路の出口をハブディスク背面と対向するケーシング壁面に開口しているため、流体循環流路の出口から噴出される循環流により、インペラを流れる流体主流が乱されることがない。しかも、この循環流がベーンレスディフューザ入口で流体主流と合流する際、流体主流と略同程度の周方向流速となっている。従って、流れのせん断による圧力損失の増加をも抑制することができる。
さらに、流体循環流路が複数の連通孔、もしくは、１または複数のスリットにより構成されているため、連通孔の数および孔径、もしくは、スリットの数、幅および長さを適宜選択することによって、所要の循環流量が得られる流体循環流路を適宜設定することができる。
なお、本発明において、ベーンレスディフューザの出口側とは、当該圧縮ステージが最終圧縮ステージの場合は、当該圧縮ステージのベーンレスディフューザ出口からスクロールまでの間の高圧流路を云い、下流側が最終圧縮ステージでない場合は、当該圧縮ステージのベーンレスディフューザ出口から下流圧縮ステージのリターンベーン入口までだけでなく、リターンベーン出口までの間の高圧流路を云う。

さらに、本発明の圧縮機は、上記の圧縮機において、前記入口は、下流圧縮ステージへのリターンベンド頂部位置におけるハブケーシング壁面に開口されていることを特徴とする。

本発明によれば、流体循環流路の入口が、下流圧縮ステージへのリターンベンド頂部位置におけるハブケーシング壁面に開口されているので、流体循環流路を１つのハブケーシング内に設けることができる。従って、旋回失速の抑制を可能とする流体循環流路を簡易に構成することができる。また、リターンベンド頂部位置から循環流路に流入する流体の流れにより、リターンベンド頂部位置での流体主流の剥離を抑えることができるため、流量特性を改善することができる。

さらに、本発明の圧縮機は、上記の圧縮機において、前記入口は、最終圧縮ステージのスクロール底面位置に開口されていることを特徴とする。

本発明によれば、流体循環流路の入口が、最終圧縮ステージのスクロール底面位置に開口されているので、流体循環流路を１つの吐出ケーシング内に設けることができる。従って、旋回失速の抑制を可能とする流体循環流路を簡易に構成することができる。

さらに、本発明の圧縮機は、上記の圧縮機において、前記入口は、一端が最終圧縮ステージのスクロール底面に開口され、他端がバランスピストンラビリンスに連通されているスワールキャンセラー用シャントホールの途中位置に開口されていることを特徴とする。

圧縮機の中には、バランスピストンのラビリンスに流入する旋回流を緩和して不安定振動を低減するため、一端が最終圧縮ステージのスクロール底面に開口され、他端がバランスピストンラビリンスに連通されているスワールキャンセラー用シャントホールを備えたものがある。本発明では、流体循環流路の入口を既存のシャントホールの途中位置に開口することにより、シャントホールから高圧流体の一部を分岐してインペラのハブディスク背面に循環させることができる。従って、旋回失速の抑制を可能とする流体循環流路を既存のシャントホールを利用して簡易に構成することができる。
なお、この場合は、スワールキャンセラー効果を阻害しないように、シャントホールのホール径やホール数等を設定する必要がある。

さらに、本発明の圧縮機は、上記の圧縮機において、前記入口は、下流圧縮ステージのリターンベーンの出口位置におけるハブケーシング壁面に開口されていることを特徴とする。

本発明によれば、流体循環流路の入口が、下流圧縮ステージのリターンベーン出口位置におけるハブケーシング壁面に開口されているので、流体循環流路を１つのハブケーシング内に設けることができる。また、インペラのハブディスク背面と対向するケーシング壁面に開口される出口との間の距離を短くすることができる。従って、旋回失速の抑制を可能とする流体循環流路の長さを短くかつ簡易に構成することができる。

さらに、本発明の圧縮機は、上述のいずれかの圧縮機において、前記出口は、前記インペラの旋回方向に斜めに指向されていることを特徴とする。

本発明によれば、流体循環流路の出口が、インペラの旋回方向に斜めに指向されているので、流体循環流路の出口から噴出される循環流がインペラの旋回方向に沿って噴出される。従って、インペラ背面のハブディスクに循環流が噴出されることによる摩擦損失を抑制することができる。

さらに、本発明の圧縮機は、上述のいずれかの圧縮機において、前記出口は、前記インペラ外径の半分以下の位置において前記ケーシング壁面に開口されていることを特徴とする。

本発明によれば、流体循環流路の出口が、インペラ外径の半分以下の位置においてケーシング壁面に開口されているので、インペラの出口位置において、循環流の周方向速度成分が十分発達するのに必要な距離を確保することができる。このため、循環流がベーンレスディフューザ入口で流体主流と合流する際、その流速を流体主流と略同程度の周方向流速とすることができる。従って、ベーンレスディフューザでの流れのせん断による圧力損失の増加を抑制することができる。

また、本発明の圧縮機は、上述のいずれかの圧縮機において、前記流体循環流路の流体循環流量を、前記インペラを流れる流体主流の１０％程度に設定していることを特徴とする。

本発明によれば、流体循環流路の流体循環流量を、インペラを流れる流体主流の１０％程度に設定しているので、動力損失が発生することはほとんどない。つまり、本発明の流体循環流路による流体循環は、インペラを経由しないベーンレスディフューザ出入口間での循環であるため、動力損失がほとんど発生しない。従って、旋回失速の発生を抑制できるうえに、圧縮機の効率をせいぜい１％程度の僅かな低下に抑えることができる。

また、本発明の圧縮機は、上述のいずれかの圧縮機において、前記流体循環流路中に、該流体循環流路を開閉する開閉手段が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、流体循環流路中に該流体循環流路を開閉する開閉手段が設けられているので、旋回失速が発生のおそれのない領域では、開閉手段により流体循環流路を閉じておくことにより、流体循環流路を備えていない圧縮機と同等の効率で運転することができる。また、旋回失速領域では、開閉手段によって流体循環流路を開放することにより、旋回失速発生点を低流量側へシフトさせて旋回失速を抑制し、圧縮機を安定運転できる範囲を拡大することができる。
なお、この場合、旋回失速抑制時にのみ流体循環流路に流体を循環させればよく、効率低下をほとんど気にする必要がないため、旋回失速抑制を最優先に流体の循環流量比率を大きく設定することができる。

また、本発明にかかる圧縮機の運転制御方法は、上記の圧縮機を運転制御する圧縮機の運転制御方法であって、ベーンレスディフューザを流れる流体流量を検出し、その流量が旋回失速領域になったとき、前記開閉手段により前記流体循環流路を開放することを特徴とする。

本発明によれば、ベーンレスディフューザを流れる流体流量を検出し、その流量が旋回失速領域になったとき、開閉手段により流体循環流路を開放して高圧流体の一部をベーンレスディフューザの入口側に循環させ、ベーンレスディフューザを流れる流体流量を増加させることができる。このため、増加した流量比率分だけ旋回失速発生点を低流量側へシフトさせ、旋回失速の発生を抑制することができる。従って、旋回失速が原因となる圧力変動や軸振動、吐出配管振動等を抑えることができるとともに、圧縮機を安定運転できる範囲を拡大することができる。
また、旋回失速が発生するおそれがない領域では、開閉手段により流体循環流路を閉じることによって、上記の流体循環を中止させることができるため、流体循環流路を備えていない圧縮機と同様に、効率優先の運転を行わせることができる。

さらに、本発明の圧縮機の運転制御方法は、上記の圧縮機の運転制御方法において、前記開閉手段を、所定負荷以下の部分負荷運転時に開放することを特徴とする。

本発明によれば、流体循環流路を開閉する開閉手段を、所定負荷以下の部分負荷運転時に開放するようにしているので、部分負荷での低流量運転時に、高圧流体の一部をベーンレスディフューザの入口側に循環させ、ベーンレスディフューザを流れる流体流量を増加させることができる。このため、増加した流量比率分だけ旋回失速発生点を低流量側へシフトさせ、旋回失速の発生を抑制することができる。従って、旋回失速が原因となる圧力変動や軸振動、吐出配管振動等を抑えることができるとともに、圧縮機を安定運転できる範囲および部分負荷による運転範囲を拡大することができる。

本発明にかかる圧縮機によれば、流体循環流路により高圧流体の一部をベーンレスディフューザの入口側に循環させ、ベーンレスディフューザを流れる流体流量を増加させることによって、旋回失速発生点を低流量側へシフトし、旋回失速の発生を抑制することができる。従って、旋回失速が原因となる圧力変動や軸振動、吐出配管振動等を抑えることができるとともに、圧縮機を安定運転できる範囲を拡大することができる。

また、流体循環流路の出口をハブディスク背面と対向するケーシング壁面に開口しているため、その出口から噴出される循環流により、インペラを流れる流体主流が乱されることがなく、しかも、この循環流がベーンレスディフューザ入口で流体主流と合流する際、流体主流と略同程度の周方向流速となっている。従って、流れのせん断による圧力損失の増加をも抑制することができる。
さらに、流体循環流路を１つのケーシング内に設けることができるため、旋回失速の抑制を可能とする流体循環流路を簡易に構成することができる。従って、構造が簡単であるというベーンレスディフューザの利点をそのまま維持することができる。また、流体循環流路が複数の連通孔、もしくは、１または複数のスリットにより構成されているため、連通孔の数および孔径、もしくは、スリットの数、幅および長さを適宜選択することによって、所要の循環流量が得られる流体循環流路を適宜設定することができる。

また、本発明にかかる圧縮機の運転制御方法によれば、ベーンレスディフューザを流れる流体流量を検出し、それが旋回失速領域のとき、開閉手段によって流体循環流路を開放し、高圧流体の一部をベーンレスディフューザの入口側に循環させ、ベーンレスディフューザを流れる流体流量を増加させることにより、旋回失速発生点を低流量側へ移動させて旋回失速の発生を抑制することができる。従って、旋回失速が原因となる圧力変動や軸振動、吐出配管振動等を抑えることができるとともに、圧縮機を安定運転できる範囲を拡大することができる。また、旋回失速が発生するおそれがない領域では、開閉手段により流体循環流路を閉じることにより、上記の流体循環を中止させることができるため、流体循環流路を備えていない圧縮機と同様に、効率優先の運転を行わせることができる。

本発明の第１実施形態に係る２段遠心圧縮機の縦断面図である。 図１に示す２段遠心圧縮機の要部断面図である。 図１に示す２段遠心圧縮機の旋回失速発生点を示す性能曲線図である。 本発明の第２実施形態に係る２段遠心圧縮機の要部断面図である。 本発明の第３実施形態に係る２段遠心圧縮機の要部断面図である。 本発明の第４実施形態に係る２段遠心圧縮機の要部断面図である。 図６に示す２段遠心圧縮機の旋回失速発生点を示す性能曲線図である。 本発明の第５実施形態に係る２段遠心圧縮機の要部断面図である。 本発明の第６実施形態に係る２段遠心圧縮機の要部断面図（Ａ）とそのＡ−Ａ矢視断面図（Ｂ）である。 従来例の２段遠心圧縮機の要部断面図である。 図１０に示す従来例の２段遠心圧縮機の旋回失速発生点を示す性能曲線図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１ないし図３を用いて説明する。
図１には、本発明の第１実施形態にかかる遠心圧縮機１の縦断面図が示されている。
遠心圧縮機１は、複数のパーツを組み合わせて構成されるケーシング２と、ケーシング２内に図示省略の軸受を介してその軸線Ｌ回りに回転可能に支持される回転軸４と、この回転軸４と一体に回転するように設けられたクローズドタイプまたはオープンタイプの２つのインペラ５Ａ，５Ｂ（本実施形態では、クローズドインペラが示されている。)と、を有している。

この遠心圧縮機１は、図示省略の駆動装置により回転軸４が駆動され、インペラ５Ａ，５Ｂが回転されることによって、ケーシング２に設けられている流体吸入口６を介して圧縮対象のガスあるいは空気等の流体が吸い込まれる。この流体は、まず１段目のインペラ５Ａの回転によって遠心力が付与され、その運動エネルギーがインペラ５Ａの出口に設けられている１段目のベーンレスディフューザ７Ａで圧力エネルギーに変換され、さらにリターンベンド８、リターンベーン９を経て、次段圧縮ステージである２段目のインペラ５Ｂの入口に導かれるようになっている。
この圧縮流体は、２段目のインペラ５Ｂによっても同様に遠心力が付与され、２段目のベーンレスディフューザ７Ｂで運動エネルギーが圧力エネルギーに変換され、さらに高圧の圧縮流体となってスクロール１０に吐出される。そして、スクロール１０からケーシング２に設けられている流体流出口１１を経て図示省略の吐出配管へと送出されるようになっている。このように、本実施形態では、２段遠心圧縮機１が例示されている。

ベーンレスディフューザ７Ａ，７Ｂは、各々インペラ５Ａ，５Ｂが回転する空間の出口側に連通して設けられ、インペラ５Ａ，５Ｂにより遠心力が与えられた流体の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換して送出する流路を構成するものである。
このベーンレスディフューザ７Ａ，７Ｂにおいては、前述したとおり、遠心圧縮機１を低流量域で運転した場合に、円周方向の流れが不均一となる旋回失速が発生する。
この旋回失速の発生を抑制するため、本実施形態では、以下の構成を採用している。

図２は、ベーンレスディフューザ７Ａ部の構成を示す要部断面図である。
ベーンレスディフューザ７Ａは、ハウジング２を構成するシュラウドケーシング２Ａとハブケーシング２Ｂとによって形成されている。そして、このベーンレスディフューザ７Ａの出口側おける下流圧縮ステージ、すなわち２段目（本実施形態では最終段）の圧縮ステージへのリターンベンド８頂部位置においてハブケーシング２Ｂの壁面に入口１２Ａが開口され、出口１２Ｂがインペラ５Ａを構成するハブディスク５Ｃの背面と対向するハブケーシング２Ｂの壁面に開口されている流体循環孔１２が、ハブケーシング２Ｂ内に設けられている。

この流体循環孔１２は、上記入口１２Ａからベーンレスディフューザ７Ａを経た高圧の圧縮流体の一部を取り込み、これを上記出口１２Ｂから噴出して、ベーンレスディフューザ７Ａの出入口間で圧縮流体の一部が循環されるように構成されたものである。流体循環孔１２は、複数個設けられ、上記の出口１２Ｂは、インペラ５Ａの外径の半分以下の位置においてハブケーシング２Ｂの壁面に開口されている。これによって、出口１２Ｂから噴出された流体に、ハブディスク５Ｃの背面により周方向の流速が付与されるように構成されている。
なお、上記噴出流体に対して、ハブディスク５Ｃの背面によりその周速×０．５の周方向流速が付与されるので、出口１２Ｂからの噴出流体が、ベーンレスディフューザ７Ａの入口においてインペラ５Ａを流れる流体主流と合流する際の周方向流速を、該流体主流と略同程度の周方向流速とすることができる。

また、流体循環孔１２は、すべての流体循環孔１２を循環する流体の総流量が、インペラ５Ａを流れる流体主流の流量の１０％程度となるように、その孔数あるいは孔径を選択するか、もしくは孔内、入口１２Ａおよび出口１２Ｂのいずれかに適当なオリフィスを設けた構成とされている。
なお、図２中において、符号１３は、シュラウドケーシング２Ａとシュラウドディスク５Ｄとの間に設けられるラビリンス、１４は回転軸４とハブケーシング２Ｂとの間に設けられるラビリンスであり、それぞれの間に形成される隙間から流体が漏出するのを防止する目的で設置されている。

以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
遠心圧縮機１が、低流量域で運転された場合においても、上記の如く流体循環孔１２が設けられているため、この流体循環孔１２の出入口間の圧力差によって、ベーンレスディフューザ７Ａ出口位置の高圧圧縮流体の一部が、流体循環孔１２を介してインペラ５Ａのハブディスク５Ｃ背面位置に循環される。そして、ハブディスク５Ｃの背面によって周方向の流速が付与された状態で、インペラ５Ａを流れる流体主流とその出口、すなわちベーンレスディフューザ７Ａの入口で合流し、再びベーンレスディフューザ７Ａへと流入される。このようにベーンレスディフューザ７Ａの出入口間で高圧流体の一部（流体主流の１０％程度）を循環させることにより、ベーンレスディフューザ７Ａを流れる流体流量を増加させることができる。

このため、図３に示されるように、増加された流量比率分だけ旋回失速発生点Ｑ２を低流量側へ移動させることができ、これにより旋回失速の発生を抑制することができる。従って、旋回失速が原因となる圧力変動や軸振動、吐出配管振動等を抑えることができるとともに、圧縮機を安定運転できる範囲を拡大することができる。
図３中において、流量Ｑ２が旋回失速発生点、それより低流量域の流量範囲が旋回失速発生領域Ｗ２であり、図１３に示された流体循環孔１２を有していないものと比べ、旋回失速発生点Ｑ２が低流量域側へシフトされ、旋回失速発生領域Ｗ２が著しく狭くなり、遠心圧縮機１を安定して運転できる範囲が拡大されていることが理解される。

また、流体循環孔１２の出口１２Ｂをハブディスク５Ｃの背面と対向するハブケーシング２Ｂの壁面に開口しているため、ここから噴出される循環流により、インペラ５Ａを流れる流体主流が乱されることがなく、しかも、噴出流がインペラ５Ａに循環されるものでないため、動力損失も生じない。また、この循環流は、ハブディスク５Ｃの背面によって周方向の流速が付与され、ベーンレスディフューザ７Ａの入口において流体主流と合流する際、流体主流と略同程度の周方向流速となっている。従って、流れのせん断による圧力損失の増加をも抑制することができ、流体主流の１０％程度を循環流としても、圧縮機の効率低下をせいぜい１％程度の僅かな低下に抑えることができる。

また、複数個の流体循環孔１２を１つのハブケーシング２Ｂ内に設けているので、旋回失速の抑制を可能とするための手段を、１つのケーシング内に複数個の流体循環孔１２を設けるだけの簡易な構成で実現することができる。従って、構造が簡単であるというベーンレスディフューザ７Ａの特長をそのまま堅持することが可能である。
なお、ベーンレスディフューザ７Ａを流れる流体流量を増加させ、旋回失速発生点Ｑ２を低流量側へシフトさせて旋回失速の発生を抑制することにより、副次的にサージング発生点を低流量側へシフトできる可能性もある。

また、下流圧縮ステージへのリターンベンド８頂部位置に流体循環孔１２の入口１２Ａを開口することによって、リターンベンド８の頂部付近で生じる境界層の剥離を防止することができる。つまり、リターンベンド８の頂部付近に生じる境界層の剥離に対して、リターンベンド８の頂部位置に流体循環孔１２の入口１２Ａを開口し、ここから高圧流体の一部を取り込むことにより剥離を制御し、リターンベンド８の頂部付近で発生する流体主流の剥離を抑えることができる。これによって、流量特性を改善することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図４を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第１実施形態に対して、流体循環孔１２を設ける位置（圧縮ステージ）およびその入口１２Ａの開口位置が異なっている。その他の点については、第１および第２実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態は、図４に示されるように、最終段の圧縮ステージ（単段圧縮機の場合はその圧縮ステージ、２段以上の多段圧縮機の場合は２段目以降の最終段の圧縮ステージ）に流体循環孔１２を設けた例である。この場合、流体循環孔１２は、最終段圧縮ステージを構成する吐出ケーシング２Ｃ内に設けることができ、その入口１２Ａは、最終圧縮ステージのスクロール１０底面位置に開口することができる。また、流体循環孔１２の出口１２Ｂは、インペラ５Ｂを構成するハブディスク５Ｅの背面と対向する吐出ケーシング２Ｃの壁面に開口されている。
なお、図４中の符号１５は、インペラのスラストを調整するために設けられているバランスピストン、１６は、バランスピストン１５と吐出ケーシング２Ｃとの間に設けられているバランスピストンラビリンスである。

本実施形態によっても、吐出ケーシング２Ｃ内に設けられた流体循環孔１２を介してスクロール１０内の高圧流体の一部を取り込み、２段目のベーンレスディフューザ７Ｂの入口側へと循環させることができるため、ベーンレスディフューザ７Ｂを流れる流体流量を増加させることができる。従って、本実施形態においても、上記した第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図５を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第２実施形態に対して、流体循環孔１２の入口１２Ａの開口位置が異なっている。その他の点については、第２実施形態と同様であるので、説明は省略する。
遠心圧縮機の中には、図５に示されるように、バランスピストン１５のラビリンス１６に流入する旋回流を緩和して不安定振動を低減するため、一端がスクロール１０の底面に開口され、他端がバランスピストンラビリンス１６に連通されているスワールキャンセラー用のシャントホール１７を設けているものがある。本実施形態は、流体循環孔１２の入口１２Ａを、このシャントホール１７の途中位置に開口したものである。

このようにシャントホール１７の途中位置から高圧流体の一部を分岐して取り込み、ベーンレスディフューザ７Ｂの入口側へと循環させることによっても、ベーンレスディフューザ７Ｂを流れる流体流量を増加させることができる。
従って、本実施形態においても、上記した第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、本実施形態では、既存のシャントホール１７を利用して流体循環孔１２を構成することができるため、流体循環孔１２をより簡易に構成することができる。
なお、この場合は、スワールキャンセラー効果を阻害しないように、高圧流体の流量増加に対応して、シャントホール１７のホール径やホール数等を設定する必要がある。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について、図６および図７を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第１ないし第３実施形態に対して、ベーンレスディフューザ７Ａの出口位置に入口１２Ａが開口された流体循環孔１２中に、該流体循環孔１２を開閉する開閉手段１８を設けている点が異なっている。その他の点については、第１ないし第３実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態では、図６に示されるように、流体循環孔１２の途中に、流体循環孔１２を開閉する電磁弁等により構成される開閉手段１８が設けられている。

このように、流体循環孔１２中に開閉手段１８を設けることにより、旋回失速が発生するおそれがない高流量域での運転時は、開閉手段１８で流体循環孔１２を閉塞しておくことにより、流体循環孔１２を設けていない遠心圧縮機と同様の運転が可能である。このため、図７に示すように、効率低下がまったくない状態で運転することができる。
また、旋回失速領域となる低流量域での運転時は、開閉手段１８により流体循環孔１２を開放することにより、上記の如くベーンレスディフューザ７Ａを流れる流体流量を増加させ、旋回失速発生点Ｑ２を低流量側へシフトさせて旋回失速を抑制し、圧縮機を安定運転できる範囲を拡大することができる。

従って、本実施形態によっても、上記した第１ないし第３実施形態と同様の作用効果を得ることができる。なお、本実施形態の場合、旋回失速抑制時にのみ流体循環孔１２を開放して高圧流体を循環させればよく、効率低下をほとんど気にする必要がないため、旋回失速の抑制を優先することができる。従って、高圧流体の循環流量比率を、前述した１０％より大きく設定し、より低流量域での運転を可能とすることができるので、図７に示すように、旋回失速発生領域をほとんど消失させることができる。

つぎに、本実施形態にかかる遠心圧縮機１の運転制御方法について説明する。
上記開閉手段１８は、ベーンレスディフューザ７Ａを流れる流体流量を図示省略のセンサーにより検出し、その流量が予め設定された旋回失速発生領域になったとき、開閉手段１８を開放する構成としてもよい。

この構成によると、センサーによってベーンレスディフューザ７Ａを流れる流体の流量を監視し、その流量が旋回失速を発生するおそれがない領域のときは、開閉手段１８により流体循環孔１２を閉じ、流体循環孔１２による流体の循環を中止させることができるため、流体循環孔１２を有していない圧縮機と同じように、効率優先の運転を行わせることができる。また、センサーによりベーンレスディフューザ７Ａを流れる流体の流量が旋回失速領域であると検出されたときは、開閉手段１８により流体循環孔１２を開放して高圧流体の一部をベーンレスディフューザ７Ａの入口側へと循環させ、ベーンレスディフューザ７Ａを流れる流体流量を増加するよう制御することができる。

従って、上記した遠心圧縮機１の運転制御方法によると、運転域が旋回失速発生領域か否かを検知して、確実に旋回失速の発生を抑止することができる。このため、旋回失速が原因となる圧力変動や軸振動、吐出配管振動等を防止することができるとともに、圧縮機の安定運転範囲を拡大することが可能となる。

また、上記の開閉手段１８は、遠心圧縮機１の運転負荷を検出し、運転負荷が予め設定された所定負荷以下の部分負荷となったとき、開放されるように制御してもよい。
すなわち、遠心圧縮機１が部分負荷運転されると、ベーンレスディフューザ７Ａを流れる流体の流量も減るため、低流量域での運転となって、旋回失速が発生する可能性が生じる。そこで、運転負荷が所定負荷以下となったとき、開閉手段１８を開放し、流体循環孔１２により高圧流体の一部をベーンレスディフューザ７Ａの入口側に循環させることによって、ベーンレスディフューザ７Ａを流れる流体流量を増加させることができる。
これによって、部分負荷運転時の旋回失速の発生を抑制し、圧縮機を安定運転できる範囲および部分負荷による運転範囲を拡大することが可能となる。

［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態について、図８を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第１ないし第４実施形態に対して、流体循環孔１２の入口１２Ａの開口位置が異なっている。その他の点については、第１ないし第４実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態では、図８に示されるように、流体循環孔１２の入口１２Ａが、下流圧縮ステージ、すなわち２段目（本実施形態では最終段）の圧縮ステージのリターンベーン９出口位置においてハブケーシング２Ｂの壁面に開口されている。

上記位置に流体循環孔１２の入口１２Ａを開口することにより、上記の第１実施形態と同様の作用効果が得られるほか、流体循環孔１２を穿設する長さを上記各実施形態に比べて短くすることができる。つまり、流体循環孔１２の出口１２Ｂは、インペラ５Ａを構成するハブディスク５Ｃの背面と対向するハブケーシング２Ｂの壁面に開口されており、この開口位置に対するハブケーシング２Ｂの対向壁面が下流圧縮ステージのほぼリターンベーン９出口位置に対応するので、流体循環孔１２の入口１２Ａを下流圧縮ステージのリターンベーン９出口位置においてハブケーシング２Ｂの壁面に開口することにより、ハブケーシング２Ｂを貫通して流体循環孔１２を穿設すればよく、流体循環孔１２の長さを最短とし、穿設を容易化することができる。

［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態について、図９を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第１ないし第５実施形態に対して、流体循環孔１２の出口１２Ｂの開口構造が異なっている。その他の点については、第１ないし第５実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態では、図９（Ａ），（Ｂ）に示されるように、流体循環孔１２の出口１２Ｂが、インペラ５Ａの旋回方向に斜めに指向されて設けられている。

流体循環孔１２の出口１２Ｂを上記のように開口することにより、上記各実施形態と同様の作用効果が得られるほか、流体循環孔１２の出口１２Ｂから噴出される循環流がインペラ５Ａの旋回方向に沿って噴出されるため、インペラ５Ａ背面のハブディスク５Ｃに循環流が噴出されることによる摩擦損失を抑制することができる。
なお、上記出口１２Ｂの開口構造は、上記第１ないし第６実施形態にも同様に適用できることはもちろんである。

なお、上記各実施形態では、流体循環孔１２によりベーンレスディフューザ７Ａの出入口間で高圧流体の一部を循環させるよう構成したが、この流体循環孔１２に代えて１または複数の周方向スリットを設けた構成としてもよい。
また、流体循環孔１２は、必ずしもすべての圧縮ステージに設ける必要はなく、旋回失速の影響が大きい圧縮ステージに限って設けることができ、この場合、圧縮機全体の効率低下量をさらに小さくすることができる。

また、上記各実施形態では、２段遠心圧縮機を例に説明したが、本発明は、これらに限定されるものではなく、単段あるいは３段以上の多段遠心圧縮機、さらには遠心圧縮機に限らず、斜流圧縮機にも適用可能である。

１ 遠心圧縮機
２ ケーシング
２Ｂ ハブケーシング
２Ｃ 吐出ケーシング
５Ａ，５Ｂ インペラ
５Ｃ，５Ｅ ハブディスク
７Ａ，７Ｂ ベーンレスディフューザ
８ リターンベンド
９ リターンベーン
１０ スクロール
１２ 流体循環孔
１２Ａ 流体循環孔の入口
１２Ｂ 流体循環孔の出口
１５ バランスピストン
１６ バランスピストンラビリンス
１７ シャントホール
１８ 開閉手段（電磁弁）

Claims (11)

1. インペラの出口側に、該インペラにより流体に与えられた運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するベーンレスディフューザを備えた圧縮機において、
   前記ベーンレスディフューザの出口側に入口が開口され、出口が前記インペラのハブディスク背面と対向するケーシング壁面に開口されている流体循環流路を有し、
   該流体循環流路は、複数の連通孔、もしくは、１または複数のスリットにより構成されており、
   前記入口から取り込んだ流体を前記出口より前記インペラのハブディスク背面に向けて噴出し、該ハブディスク背面により周方向流速を付与して前記ベーンレスディフューザ入口で前記インペラからの流体主流と合流される循環流が形成可能とされていることを特徴とする圧縮機。
2. 前記入口は、下流圧縮ステージへのリターンベンド頂部位置におけるハブケーシング壁面に開口されていることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記入口は、最終圧縮ステージのスクロール底面位置に開口されていることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
4. 前記入口は、一端が最終圧縮ステージのスクロール底面に開口され、他端がバランスピストンラビリンスに連通されているスワールキャンセラー用シャントホールの途中位置に開口されていることを特徴とする請求項３に記載の圧縮機。
5. 前記入口は、下流圧縮ステージのリターンベーン出口位置におけるハブケーシング壁面に開口されていることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
6. 前記出口は、前記インペラの旋回方向に斜めに指向されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の圧縮機。
7. 前記出口は、前記インペラ外径の半分以下の位置において前記ケーシング壁面に開口されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の圧縮機。
8. 前記流体循環流路の流体循環流量を、前記インペラを流れる流体主流の１０％程度に設定することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の圧縮機。
9. 前記流体循環流路中に、該流体循環流路を開閉する開閉手段が設けられていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の圧縮機。
10. 請求項９に記載の圧縮機を運転制御する圧縮機の運転制御方法であって、ベーンレスディフューザを流れる流体流量を検出し、その流量が旋回失速領域になったとき、前記開閉手段により前記流体循環流路を開放することを特徴とする圧縮機の運転制御方法。
11. 前記開閉手段を、所定負荷以下の部分負荷運転時に開放することを特徴とする請求項１０に記載の圧縮機の運転制御方法。
    

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